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이차전지 시장과 관련공정설비 (1)(이차전지와 관련산업현황)
[ 2010년11월 기사 ]

최 현 석 /선임연구원·공학박사·수중로봇 개발단
한국 생산기술연구원

머리말
신에너지 산업과 친환경 산업에 대한 정부와 업계의 관심이 높아지면서 태양발전, 풍력발전, 전기자동차 산업이 크게 주목을 받고 있으며 관련 산업에 대한 신규 투자가 많이 이루어지고 있는 것을 볼수 있다. 에너지 관련 산업 분야에서 산업체와 연구기관에서 특히 높은 관심을 가지고 있는 분야는 전기에너지의 저장을 위한 배터리 관련 산업이다. 최근에는 전기자동차의 등장에 힘입어 특히 높은 관심을 받고 있으며 스마트폰 등과 같이 효율이 높은 전기에너지의 저장 수단이 필요로 하는 휴대형 제품의 출시에 따라 전지 산업에 진출하고자 하는 기업이 많아지고 있다. 이러한 관심에 맞추어 본 글에서는 이차전지 전지 산업에 대한 이해를 돕고자 전지에 대한 기술적인 내용과 이차전지 산업의 시장현황에 대해 설명하였다.

1. 전지의 종류
전기에너지의 저장수단으로 사용되는 전지(Battery)는 작용형태에 따라 화학전지와 물리전지로 구분할 수 있다. 일반적으로 에너지를 저장하는 형태인 화학전지에는 1차, 2차 전지가 있다. 1차전지(일회용)과 2차전지(재충전용)로 사용형태에 따라 구분할 수 있다. 일반적인 전지의 구분을 <그림1>에서와 같이 매우 다양하게 존재하여 계속적으로 새로운 형태와 방식의 전지가 개발되고 있다.
여러 종류의 화학전지(Chemical battery) 중에서 최근 많은 투자와 관심이 재충전 사용이 가능한 이차전지로써 안전성과 고용량성능을 가진 리튬이온 전지에 집중되어 있다. 1998년 도요타의 하이브리드 자동차인 프리우스가 처음 상용되었을 때 사용된 전지는 니켈-수소 전지였지만 현재 전기자동차의 주요 배터리로 리튬이온 전지가 주로 사용되고 있다. <그림 2>와 <표 1>에서 보는 바와 같이 이차전지에는 니켈수소전지, 니켈카드늄전지, 리튬이온 전지가 가장 많이 알려져 있으며 각각의 특징에 따라 적용환경과 제품이 다르다. 그 밖에도 리튬폴리머 배터리, 박막형 배터리 등이 주목을 받고 있는이차전지들이다.

2. 이차전지의 원리와 구조
이차전지의 구조는 일반 일차전지와 같다. 이차전지는 음극과 양극, 전해질, 분리막, 음/양극 전극단자, 패키징으로 구성되어 있다. 일반적인 이차전
지의 구조는 대부분 <그림 3>과 같이 구성되며, 음/양극의 재료와 전해질에 따라 종류가 구분된다. <그림 3>은 이차전지 충전시기의 작용을 설명하여 준다. 전원 장치를 통해 충전이 이루어지며 음극과 양극 사이에 음이온과 양이온이 전달되며 전기에너지가 충전된다. 배터리로 작용할 때에는 충전에 대해 반대 방향으로 반응이 이루어진다. 충방전의 효율을 높이기 위해서는 양이온과 음이온의 이동이 원활하게 하기 위한 음극과 양극 물질의 개발이 필요하며 전지의 성능과 수명은 두 극의 물질적 특성과 전해질에 의해 대부분 결정된다.
실제 상용화된 리튬이온 전지는 <그림 4>와 같이 리튬이온 배터리의 안전성과 최적의 효율을 가지게 하기 위해 얇은 막 형태로 구성되어 있다. 음극과 양극을 얇은 막으로 만들어 두루마리 형태로 말아 놓은 것으로 음극과 양극의 분리를 위해 분리막(separator)이 두 극의 사이에 있다. 이차전지의 분리막은 전기적 절연성이 뛰어난 합성 섬유의 부직포로 적당한 양의 전해액을 보습하고 있다.
<그림 4>에서 볼 수 있듯이 전지의 구조는 비교적 간단하다. 그러므로 제조공정개발보다 전지의 고효율화를 위한 재료의 개발에 많은 시간이 투자되고있다. 실제 전지의 개발에서 일반적인 구조의 변경을 통해 얻을 수 있는 개선 효과는 재료에 비해 낮은 편이다. 이와 같은 이유로 전지의 핵심기술은 음/양극의 물질 개발과 전해질의 개발에 있다. 재료의 특성에 따라 전압과 수명, 효율이 결정되므로 전지는 전극 재료의 개발에서부터 시작된다고 할 수 있다.
이차전지 공정에서는 음극과 양극 재료들이 공기와의 접촉에 의해 산화되는 성질이 강하기 때문에 진공이나 불활성 기체(예: 아이곤[Ar], 질소[N]) 상태의 공정 환경을 유지하며 전극 재료의 산화를 방지하여야 한다. 이러한 특수한 전지공정 환경에 따라 리튬과 같은 전지 물질의 취급을 위한 공정 설비와 공정 장비에 대한 시장도 전지 산업 발전과 함께 성장하고 있다.

3. 이차전지 시장
(1) 이차전지 시장의 구조
이차전지 시장은 크게 대형/대용량 이차전지와 중소형 이차전지 시장으로 나누어 볼 수 있다. 대형/대용량 이차전지 시장은 전기자동차 시장과 풍력/
태양 발전시스템을 대상으로 하며, 중소형 배터리는 주로 전자기기와 휴대용 기기에 이용되는 이차전지의 시장이다. 현재 이차전지시장에서는 대형/대용량 이차전지의 미래 시장이 크게 성장할 것으로 판단하고 있으며 우리나라와 더불어 전 세계적으로 전기 자동차 및 하이브리드 자동차를 위한 이차전지 시장의 선점을 위해 투자를 하고 있다. 대용량 이차전지는 자동차 회사와 연계가 되어야 하는 점과 단가가 높아 대기업을 중심으로 기술개발과 시장 진출이 이루어지고 있다. 최근의 이차전지 시장은 217억달러(2007년 기준)의 규모를 형성하고 있으며, 이 중 리튬이차전지는 62억달러로 전체 시장의 34%를 점유하고 있다. 2015년에는 202억 달러 시장을 형성해 연평균 15%의 고성장을 달성할 것으로 전망하고 있다.
(2) 대형/대용량 이차전지 시장
대형/대용량 이차전지는 주로 전기 자동차와 관련된 시장이다. 비록 풍력발전과 태양발전에 전지가 사용되지만, 그 수량에 있어 전기자동차와 하이브리드 자동차의 시장에 비한다면 작은 수준으로 볼 수 있다. 현재 전기자동차용 이차전지로써 각광을 받고 있는 전지는 리튬이온 전지로 현재의 전지관련 기술 수준에서는 가장 큰 시장을 이룰 것으로 예상된다.
향후 친환경 자동차의 보급 지원으로 전기자동차나 하이브리드 자동차의 수요가 계속적으로 증가할것으로 판단하고 있다. 아래의 그림5의 리튬이온전지와 전기자동차 시장의 상관 그래프에서 알 수 있듯이 전기 자동차와 이온 배터리의 시장 예상을 보면 동일한 수준으로 증가하는 것을 볼 수 있다. <표 2>는 최근 미국 내 회사들의 기술개발 투자 방향을 나타내는 자료로 향후 전지 시장의 성장 방향을 예측할수 있다. <표 2>에서 보면 가장 많은 투자는 배터리 및 셀의 제조설비에 있으며 전기 자동차의 개발 외에 배터리의 패키징(배터리응용제조설비), 배터리 재생의 분야에 대한 투자도 함께 진행되고 있다.
전 세계적으로 이산화탄소 저감정책에 따라 전기자동차의 지원정책이 구체화하고 자동차 회사에서 보다 저렴한 전기자동차를 시장에 내놓는다면 대형/대용량 이차전지 시장은 크게 성장할 것이다. 하지만, 가까운 시기에 일반 국민이 구입 가능한 저렴한 수준 전기자동차의 출시는 어려운 현실이며, 이러한 원인 중에는 현재 이차전지의 가격이 매우 비싼 이유도 있다. 가격과 안전성 측면에서 리튬이온 전지의 한계성이 있어 새로운 이차전지 재료를 개발하기 위한 노력은 계속되고 있다.
(3) 소형 이차전지 시장
소형 이차전지의 주요 시장은 휴대폰, 컴퓨터 그리고 기타 휴대형 전자기기를 대상으로 하고 있다.
스마트폰과 같은 고기능 휴대기기가 출시되면서 보다 용량이 크고 가벼운 이차전지에 대한 수요가 증가하고 있다. 휴대기기의 기능이 증가할수록기기의 소비전력이 증가하므로 보다 높은 용량의 전지가 필요하게 되었으며 휴대성의 확보를 위해 가볍고 작은 이차전지의 수요가 증가하고 있는 것이다.
향후 소형 이차전지는 휴대기기의 증가로 시장이 계속 성장할 것으로 판단되지만, 전기 자동차 시장의 성장 속도나 크기에 비해 그 성장 속도는 상대적으로 빠르지 않으리라고 예측되고 있다. 휴대폰과 휴대형 컴퓨터의 수요증가로 이들 제품에 대한 소형 이차전지의 시장은 계속적으로 성장할 것으로 예상되지만 <그림 6, 7>의 소형 이차전지 수요제품에 대한 소비 증가율을 보면 핸드폰과 컴퓨터를 제외한 다른 적용 제품들의 수요가 정체되어 있는 것을 알 수 있다. 향후 소형 이차전지 시장의 성장을 위해서는 휴대폰과 휴대형 컴퓨터 이외의 수요가 많은 이차전지 수요 제품의 출시가 필요하다.
현재 우리나라의 소형 이차전지 회사의 세계 시장 점유율은 약 40%로 알려져 있다. 일본은 세계시장에서 약 30%를 차지하며(Ref.: etnews.co.kr,10년 7월 23일), 우리나라의 주요 업체는 삼성SDI와 LG화학이 있으며 일본에서는 산요, 파나소닉,소니가 주요 회사이다.
소형 배터리 시장은 개별 단가가 대형 전지보다 낮아 시장크기로 비교하면 미래에는 대형전지보다 작은 시장이 될 수도 있다. 하지만, 소형 배터리 시장은 현재에도 상당한 수준으로 성장해 있고 기술개발투자에 있어서 소형 이차전지는 대형이차전지의 개발 보다 비교적 적은 투자비용으로 제품개발과 공정을 할 수 있기 때문에 중소/중견 업체에서는 소형 이차전지 시장에 더 많은 관심을 가지고 있다.
(4) 이차전지 관련 산업
이차전지 관련 산업분야는 전극재료와 전해질 재료를 공급하는 재료 산업과 셀형태로 가공하는 이차전지 가공산업, 그리고 이차전지 생산설비 산업을 가지고 있다. 재료 분야에서는 음극과 양극 물질사업, 전해질 사업과 음극/양극의 분리를 위한 분리막 가공사업이 이차전지 재료 관련 산업에 포함되어 있다. 재료 관련 사업은 주로 화학기업을 통해 진행되어 오고 있으며 재료의 가공을 위한 공정 설비를 필요로 하고 있다.
이차전지 생산설비는 자동화가 필수적인 장비들로서 특히 리튬을 사용하는 이차전지 생산설비의 경우 리튬의 공기와의 반응을 막기 위해 진공환경과 불활성 가스환경이 필요하여 공정의 자동화와 진공에 대한 대응이 필요하다.
이차전지에 대한 연구개발이 많이 수행되면서 이차전지의 개발을 위한 계측 및 시험설비 관련 사업도 성장하고 있다. 리튬이온전지는 공기에 노출될 경우 폭발의 위험이 있어 신뢰성 평가와 검사가 반드시 필요하다. 이런 이유로 전지에 대한 신뢰성 평가 및 성능 측정 장비의 수요증가도 예측되고 있다.
전기 자동차를 위한 이차전지의 검사에서는 자동차의 안전성 확보를 위해 보다 높은 수준의 평가 시험이 필요하다. 예를 들면 x-ray 비파괴 검사장비, 전자식 부하설비, 충격시험설비 등이 시험검사에 활용되고 있다.
이차전지산업의 성장은 위에서 언급한 것과 같이 재료사업, 생산시스템사업, 시험평가 설비사업 등의 다양한 산업과 분야의 성장에 영향을 넓게 미칠것으로 생각된다.

맺음말
최근에는 전기자동차를 위한 대용량의 전지에 많은 관심이 집중되어 전지시장을 대용량 전지시장으로만 보는 경향이 있다. 하지만, 향후 미래시장에서는 초소형, 박막형, 인쇄형 등의 다양한 제품이 나올 것으로 예상하며, 이를 위한 생산장비 및 검사,재처리시설 및 장비의 시장도 성장할 것으로 예측된다. 기존 배터리시장은 이미 선점하고 있는 기업이 많아 경쟁이 매우 치열하지만, 앞에서 언급한 차세대 배터리(초소형, 박막형, 그리고 인쇄형 등)는 아직 개발단계에 있어 신기술 개발의 여지가 있으며 전지의 재료소재산업, 생산공정을 위한 설비산업, 전지의 검사/성능측정 장비산업도 신에너지 산업으로써 충분히 가치가 있는 분야가 될 것이다.

문의: (031)436-8040

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