100조원어치 주문쌓은 포스코퓨처엠···단결정 양극재로 미래 공략

포스코그룹 율촌산단·광양제철소 르포
전기차 100만대 생산가능 양극재 공장
단일 공장으론 세계 최대 규모 역량
올 상반기까지 누적 100조원 수주
리튬생산·배터리 재활용까지 한곳서
포스코 50년 노하우로 생산 자동화도

포스코그룹이 광양시 율촌산업단지에 축구경기장 약 75개 규모로 조성한 이차전지소재 콤플렉스 전경. 사진 왼쪽부터 포스코퓨처엠, 포스코필바라리튬솔루션, 포스코HY클린메탈 공장. 포스코필바라리튬솔루션 공장은 건설 중이다. [포스코퓨처엠]

전남 광양시 율촌산단에 위치한 포스코퓨처엠 양극재 공장. 전기차용 배터리의 핵심인 양극재를 생산하는 공장 내부는 약 35도의 온도를 기록하며 후끈한 열기를 뿜고 있었다.

양극재를 생산하기 위한 첫 단계인 원료와 제품 창고에는 사람 그림자를 찾아볼 수 없었다. 20m 높이의 물류창고에는 12대의 무인운반차(AGV)와 로봇만이 작업하고 있었다. 무게가 1t에 달하는 ‘톤백’ 수천개가 쌓여 움직이는 현장은 로봇과 인공지능으로 자동화돼있었다. 리튬 등 원재료가 들어있는 흰색, 파란색 톤백과 완제품이 담긴 녹색 톤백은 모두 전자동으로 관제돼 흰색 철제 구조물을 오르내렸다. 1만3884개의 팔레트를 적재할 수 있는 이 창고의 최대 보관 능력은 1만1847t에 달한다. 포스코퓨처엠 광양 공장이 한 해 생산하는 전기차 100만대분의 양극재와 원재료가 모두 이 창고를 거친다.

포스코퓨처엠 광양 양극재 공장에 위치한 자동화 창고. 완제품과 원재료의 품질 관리를 위해 항온항습 기능을 갖췄으며, 제품이나 원재료 입출고는 로봇이 자동으로 진행하는 기능까지 갖췄다.

최 부장은 “제품은 온도와 습도 영향을 막기 위해 진공포장돼있다”며 “혹시 모를 영향을 막기 위해 창고는 항온·항습 장치가 가동된다”고 했다.

양극재는 배터리 원가의 절반 가량을 차지하는 핵심 소재다. 배터리의 양극(+) 역할을 하는 양극재는 리튬, 니켈, 코발트, 알루미늄, 망간 등 물질로 구성된다. 황산니켈·황산코발트·황산망간 등으로 만들어진 전구체를 외부에서 들여와 수산화리튬을 섞어 고온에서 가열(소성)하면 양극재가 된다. 양극재 생산 온도는 음극재보다 상대적으로 낮은 섭씨 700~900도 수준으로 알려져 있다. 고온에서 가열하는 과정을 거치면 리튬이온이 전구체에 달라붙게 되고 이를 통해 양극(+) 기능이 생긴다.

최욱 포스코퓨처엠 양극재 생산부장은 “반도체 생산 시설에 준하는 민감한 공정”이라고 포스코퓨처엠 광양 양극재 공장을 소개했다. 양극재 공장에는 열기를 막기 위해 긴 팔의 작업복은 입고 여기에 더해 헬멧과 보안경, 분진을 막기 위한 보안경까지 착용해야 입장이 가능했다.

최욱 포스코퓨처엠 양극재생산부장이 ‘단입자 양극재’를 소개하고 있다. 단입자 양극재는 기존 다결정 양극재와 달리 입자가 균일하고 표면적이 더 넓다. 가공하는 과정도 기존 양극재보다 100도가량 높은 온도에서 진행된다. [포스코퓨처엠]

베이지색의 철판으로 둘러싸인 소성로에서는 최고 1000도의 온도로 양극재가 가열(소성)되고 있었다. 소성로 길이는 약 55m였다. 고열의 소성로가 가동되다보니 공장 내부 기온은 약 35도로 후끈한 열기가 느껴졌다. 소성로 안에서는 검은 양극재 가루를 담은 도가니가 한 줄에 4칸씩 3층으로 쌓여서 날라지고 있었다. 도가니 한 칸의 무게는 약 5kg으로 12개의 양극재는 약 56~60kg의 무게다. 소성로 주변에는 은색 파이프가 빽빽하게 연결돼있었고, 소성로가 가동되는 소리가 공장에 가득했다.

포스코퓨처엠 광양 양극재 공장에서 자동화로봇이 도가니 교체하고 있다. 양극재 원료는 도가니에 담겨 최고 1000도의 온도에서 가열되는데, 노후화를 막기 위해 도가니는 60일마다 교체해야 한다. [포스코퓨처엠]

공장 근무자들은 투명 마스크와 헬멧이 결합된 특수 장비를 입고 작업장에 입장하고 있었다. 포스코퓨처엠 관계자는 “소성 과정을 거친 양극재는 인체에 무해하지만 혹시 모를 건강 악영향을 막기 위해 장비를 착용한 것”이라고 했다.

생산 공장 한 켠에는 거대한 로봇팔이 도가니를 교체하고 있었다. 최 부장은 “리튬은 수분에 민감하게 반응하기 때문에 양극재를 담는 도가니를 60일마다 교체해줘야 한다”며 “한 라인에 2000개의 도가니가 들어가는데, 이를 60일마다 자동으로 교체하는 역할”이라고 로봇을 소개했다. 포스코퓨처엠 양극재 생산라인에 부착된 카메라는 60일이 되기 전에 도가니에 균열이 발생하면 실시간으로 이를 탐지해 문제를 예방하는 역할을 한다.

포스코퓨처엠 광양 양극재 공장에 위치한 품질분석실 전경. 포스코퓨처엠 광양 양극재 공장은 시험에 필요한 표본(샘플)을 1km에 걸친 파이프라인을 활용해 빠르게 이송하는 ‘에어슈팅’ 시스템을 갖췄다. 빨간색, 초록색, 파란색 등 통에 담긴 제품 샘플은 초속 3m 이상 속도로 생산라인에서 품질분석실로 빠르게 이동된다. [포스코퓨처엠]

공장에서 생산된 양극재는 실시간으로 품질분석실로 이동돼 시료 검사를 거친다. 이 과정은 포스코퓨처엠이 자랑하는 ‘에어슈팅’ 기술이 적용된 파이프라인을 통해 이뤄진다. 최 부장은 “양극재를 생산하는 소성, 분쇄, 수세 단계를 거칠 때마다 시료를 캡슐에 담아 분석실로 ‘쏜다’”며 “1km 길이로 갖춰진 파이프라인을 타고 캡슐을 이동시키는 방식”이라고 설명했다. 이를 통해 각 단계마다 생산된 제품의 성분비와 이물질 비율, 수분비 등을 실시간 분석해 제품 품질을 일정하게 유지하는 것이 포스코퓨처엠의 경쟁력이다.

시료 분석은 머리카락보다 얇은 단위의 입자를 세밀하게 검사하는 과정이다. 단결정 양극재의 경우 지름이 4마이크로미터(㎛)에 불과한데, 머리카락 보다 25배 작은 수준이다.

전체 공장은 감시센터에서 실시간으로 관리되고 있었다. 최 부장은 “한 공장에 2000개 이상 CCTV가 설치돼 실시간으로 공장 가동 상태를 점검한다”고 소개했다. 가령 직원이 입장하면 안되는 지역에서 사람 움직임이 포착되면 즉시 경고를 내보내고, 재료 이동이나 보관 상태도 꼼꼼하게 관리된다.

포스코퓨처엠의 제조시스템(MES) 구축에는 포스코그룹의 50년 노하우가 적용됐다. 품질 유지부터 물류 자동화, 항온항습 등은 모두 철강과 소재영역에서 포스코그룹이 쌓아온 경쟁력이다. 포스코퓨처엠 관계자는 “생산된 양극재 제품 속에서 자성을 띈 물질은 15ppb 이하로 관리된다”며 “10억개의 입자 중 15개도 안되는 이물질만 나오게 유지한다는 의미”라고 했다. CCTV와 연계한 인공지능(AI) 시스템은 포스코홀딩스의 AI기반 공정 최적화 기술도 담겨있다.

포스코퓨처엠 광양 양극재 공장은 니켈·코발트·망간(NCM), 니켈·코발트·망간·알루미늄(NCMA), 니켈·코발트·알루미늄(NCA) 단결정 양극재 등을 생산한다. NCM 양극재는 니켈 함량이 65%인 ‘N65’ 제품으로 1~2단계 공장이 생산을 담당한다. 3~4단계 공장은 NCMA 양극재와 NCA 단결정 양극재를 생산하고 있다.

포스코퓨처엠 양극재 제품군. [포스코퓨처엠]

1단계 공장은 1개 라인당 연간 2500t의 ‘N65’ 제품을 생산한다. 2020년 준공한 2단계 공장은 1개 라인의 생산능력을 5000t까지 끌어올렸고, 5개 라인을 갖춰 연간 2만5000t의 ‘N65’ 제품을 생산한다. 손동기 포스코퓨처엠 양극소재실장은 “지난해까지 양극재 매출 1조5000억여원 중 1조원 가량은 ‘N65’ 제품이 차지했다”고 했다.

지난해 준공한 3~4단계 공장은 1개 라인당 생산능력을 1만t까지 끌어올렸다. 1~4단계 공장 생산능력을 합하면 총 연간 양극재 9만t을 생산할 수 있으며, 이는 전기차 약 100만대에 탑재할 수 있는 물량이다.

포스코퓨처엠은 니켈 비중을 90% 넘게 높인 ‘하이니켈’ 양극재도 준비를 마쳤다. 손 실장은 “니켈 비중을 92%까지 끌어올린 양극재 개발을 마쳤으며 수주하면 즉시 생산이 가능하도록 준비된 상태”라며 “현재 주력 제품도 니켈 비중이 86%에 달한다”고 했다.

손동기 포스코퓨처엠 양극소재실장이 양극재사업 소개하고 있다. [포스코퓨처엠]

다만 90% 이상 ‘하이니켈’ 양극재에 대한 선호는 조만간 덜해질 것으로 봤다. 손 실장은 “최근 추세는 니켈 비중을 높인 배터리가 인기지만 갈수록 니켈 비중을 중간 정도로 한 단결정 양극재 시장이 커질 것”이라고 내다봤다. 니켈 비중을 60~70% 대로 낮추는 대신 단결정 양극재를 사용하고 고전압의 성능을 자랑하는 쪽으로 배터리 시장이 이동할 거라는 분석이다.

이 과정에서 포스코퓨처엠이 준비한 비장의 무기는 단결정 양극재다. 일반적인 양극재는 여러개의 입자가 뭉친 다결정 구조를 갖고 있다. 배터리 충방전이 반복되며 리튬 이온이 이동을 반복하면 결정에 갈라짐(크랙)이 생기고 배터리 수명이 짧아지는 문제가 있다. 단결정 제품은 단일 입자라 크랙 발생이 적고 수명 연장에 유리하다.

포스코퓨처엠 관계자는 “단결정 양극재는 결정이 더 단단해 가공이 어렵고 품질도 더 민감한 제품”이라며 “포스코퓨처엠의 생산 기술을 집약해 올 3월부터 단결정 양극재를 생산해왔다”고 했다. 단결정 양극재는 다결정 양극재보다 100도가량 높은 온도에서 소성(가열) 과정을 거친다.

손 실장은 “3~4단계 공장에서 생산하는 NCMA 양극재는 GM과 LG에너지솔루션 합작 배터리 회사로 대부분을 수출한다”며 “단결정 제품 생산능력은 6000t인데 이를 꾸준히 확장하고 있다”고 했다.

한편, 포스코퓨처엠은 24일 올 2분기 실적 발표를 앞두고 있다. 에프엔가이드에 따르면, 2분기 포스코퓨처엠 실적 증권가 컨센서스는 매출 1조2662억원, 영업이익 627억원이다. 전년동기대비 각각 57.6%, 13.5% 성장할 전망이다. 포스코퓨처엠 주가는 49만500원(21일 종가)으로 연초대비 313.9% 올랐다.

송규영 포스코HY클린메탈 공장장이 추출공정을 소개하고 있다. [포스코그룹]

포스코퓨처엠이 포스코그룹에서 배터리 소재 생산하며 최전방 역할을 맡는다면 포스코HY클린메탈과 포스코필바라리튬솔루션은 이를 위해 필요한 리튬 등 광물 공급을 담당한다. 포스코퓨처엠이 미국 등 전기차 시장을 공략하기 위해 원재료 부문에서 ‘탈중국’을 추진한다면, 재료를 가공하기 위한 기술 확보를 위해서는 중국 기업과 협력도 벌이고 있다. 포스코HY클린메탈은 포스코그룹과 GS에너지가 65%, 중국 화유코발트가 35%의 지분을 보유한 합작사다.

포스코HY클린메탈은 배터리 생산에 필요한 고부가가치 광물을 생산하는 ‘도시광산’ 기업이다. 포스코HY클린메탈은 폴란드에서 원재료인 블랙 파우더를 들여온다. LG에너지솔루션 폴란드 공장에서 생산한 배터리 중 품질기준을 맞추지 못한 제품은 현지에서 분해돼 리튬, 니켈, 흑연, 구리 등이 섞인 고부가가치의 ‘블랙 파우더’ 가 나온다. 포스코HY클린메탈은 이를 가공해 고순도의 리튬, 니켈, 코발트를 생산한다.

송규영 포스코HY클린메탈 1공장장은 “여러 물질이 섞인 파우더를 정제해 망간, 코발트, 니켈, 리튬을 생산한다”며 “포스코퓨처엠 양극재 생산에 필요한 리튬을 이곳에서 생산해 공급한다”고 했다. 17만㎡의 공장은 한 해 블랙파우더 1만2000t을 처리할 능력을 갖췄다. 1만2000t의 블랙파우더를 처리하면 니켈 2500t, 탄산리튬 2500t, 코발트 800t을 생산한다. 김지훈 포스코HY클린메탈 마케팅팀장은 “한 해 처리 능력을 5만t 수준까지 점차 확장해나갈 것”이라고 밝혔다.

포스코HY클린메탈 공장에서는 위스키향과 소각장 냄새가 났다. 각종 물질을 처리하는 과정에서 황산을 사용하는 탓에 나는 냄새다. 아파트 5~6층 높이 설비에 위치한 거대한 은색 통에 황산과 각종 물질을 넣고 온도 180도, 압력 10ba를 가해 압력밥솥처럼 ‘쪄주는’ 단계를 거치면 각종 물질이 녹게 된다. 이후 이를 침출시켜 필요한 금속을 회수한다.

이복형 포스코필바라리튬솔루션 경영기획실장이 사업 현황을 소개하고 있다. [포스코퓨처엠]

포스코퓨처엠, 포스코HY클린메탈 공장 바로 옆에 위치한 포스코필바라리튬솔루션은 포스코홀딩스가 82%, 호주 광물기업 필바라 미네랄스가 18%의 지분을 가진 합작회사다. 황산리튬을 배터리용 양극재 생산에 필요한 수산화리튬으로 가공하는 역할을 담당한다. 이복형 포스코필바라리튬솔루션 경영기획실장은 “황산리튬 광석 속 리튬은 2.8%에 불과하다”며 “2.8%의 리튬을 추출해 수산화리튬을 만드는 기술을 갖고 있다”고 소개했다.

광석을 잘게 부숴 황산과 혼합하면 황산이 리튬을 녹인 황산리튬 용액이 나온다. 여기에 가성소다(양잿물)를 투입하거나 물을 전기분해해 수산화이온(OH)을 공급하면 수산화리튬 용액이 생산된다. 여기서 불필요한 성분을 제거하고 나면 배터리 생산에 필요한 수산화리튬이 나온다. 이 실장은 “포스코가 자체 개발한 공정을 통해 리튬 생산 비용을 톤당 200~300달러가량 낮췄다”고 설명했다.

포스코 광양제철소 전경 [포스코그룹]

율촌산단에 위치한 포스코퓨처엠·포스코HY클린메탈·포스코필바라리튬솔루션 공장을 둘러본 뒤에는 포스코 광양제철소를 방문했다. 크기가 6000㎥에 달하는 광양제철소 제1고로는 국내 뿐 아니라 전 세계에서 가장 크기가 큰 용광로다. 철광석을 녹여 쇳물을 만드는 제선 공장 입구에서는 화약 냄새가 났다. 석탄을 태우는 특성 때문에 황 성분이 공기 중에 떠다니는 영향이었다.

높이가 110m에 달하는 1고로의 연간 쇳물 생산량은 1만2000~1만3000t에 달한다. 1200도의 뜨거운 바람을 가해 코크스(석탄)와 철광석을 태우는 특성상 내부를 직접 확인하기 어려운 탓에 용광로 외부에는 2000개의 센서가 부착돼있다. 이 센서를 통해 용광로 가동 상태를 분석할 뿐 아니라 생산되는 영상까지 분석해 쇳물의 수분과 입자크기를 실시간으로 관리한다.

뜨거운 쇳물이 흐르는 바닥 위로는 두꺼운 철판이 깔려있었고 사람들은 이 위를 걸어서 이동할 수 있었다. 1500도에 달하는 고온을 막기 위해 두꺼운 철판을 깔아뒀다는 것이 포스코 그룹 설명이었다.

포스코 광양제철소 제1고로에서 생산된 쇳물이 붉게 타오르는 모습. 광양제철소에서 쇳물을 끓이는 1고로는 규모가 6000㎥에 달해 전 세계 최대 규모를 자랑한다. 광양에서는 소품종 대량생산, 포항에서는 다품종 소량생산 체계를 갖췄다. [포스코그룹]

생산된 쇳물을 틀에 넣고 굳히면 널빤지 모양의 반제품인 ‘슬래브’가 만들어진다. 슬래브를 가열시켜 롤러에 넣고 성형하는 ‘압연’ 공정을 거치면 철판이 나오는데 이 철판이 건축자재나 파이프로 쓰인다. 열연을 실온에서 얇게 가공하면 냉연 제품이 되고 이 냉연은 가전제품이나 드럼통, 자동차 프레임에 사용되고, 표면에 아연을 코팅한 도금제품은 고급 가전제품이나 사무기기, 자동차 외장면에 씅니다. 이 외에 두껍고 네모반듯하게 가공된 후판은 강관이나 빌딩, 선박 등에 쓰인다.