`품질⋅효율 다 잡았다`…자동화 무장한 포스코퓨처엠 광양 양극재 공장 [현장속으로]

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'품질⋅효율 다 잡았다'…자동화 무장한 포스코퓨처엠 광양 양극재 공장 [현장속으로]

디지털데일리 발행일 2024-02-25 11:00:00

배태용 기자

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[디지털데일리 배태용 기자] "자동화 시스템은 양극재의 품질, 원가 절감 등에 있어서 매우 중요한 역할을 합니다. 생산과 검증 과정을 인공지능과 로봇이 자동으로 수행하는데요. 인적 실수를 방지하고, 작업 효율성을 높여 고객 만족도를 끌어올리고 있습니다." (안기현 양극재 품질섹션 리더)

지난 22일 <디지털데일리>는 전남 율촌 제1산업단지에 있는 포스코퓨처엠 양극재 공장을 방문, 배터리 4대 요소 중 하나인 양극재 생산 과정을 살펴봤다. 양극재는 배터리의 양극을 이루는 소재로, 배터리의 용량과 전압을 결정하는 핵심 요소다.

광양 공장에선 고성능 전기차용 하이니켈 NCM·NCA·NCMA 양극재가 주로 생산된다. 갈수록 전기차 성능이 좋아짐에 따라 수요가 급증하고 있는 '단결정' 양극재를 생산 중인데, 이 성질의 양극재는 원료를 하나의 입자 구조(single-crystal)로 결합해 배터리의 열 안정성, 수명 등을 더욱 높인 것이 특징이다.

단결정 양극재는 산소와 접촉 시 곧장 불량이 발생하는 예민한 성질을 갖고 있어 엄격한 품질 관리와 제조 과정에서 높은 기술력이 요구된다. 이 때문에 공장 대부분의 설비는 자동화와 혁신에 초점이 맞춰져 있다. 자동화 로봇, 자동화창고, 캡슐 이송 시스템 등 첨단 기술이 적용된 생산 공정과 품질 관리 시스템이 적용돼 있다.

포스코퓨처엠 광양 양극재 공장 김대완 부공장장이 22일 공장 내 소성로에서 양극활물질 제조를 위한 고온 열처리 공정의 중요성과 원리를 설명하고 있다. [ⓒ포스코퓨처엠]

광양 공장은 니켈, 코발트, 망간 등을 조합해 만든 전구체에 리튬을 섞어 고열로 익히는'소결법'이란 공정으로 양극재를 생산한다. 이때문에 양극재 전단계인 전구체가 이곳 광양 공장으로 오게 되면 가장 먼저 리튬과 섞어 고열로 익히는 생산 라인에 들어선다.

앞서 말했듯 양극재는 산소와 만나면 쉽게 산화되기 때문에 생산 과정에서는 산소가 들어오지 않도록 밀폐된 컨테이너 안에서 이동하거나 저장되고 있다. 소성로에서 나온 양극재가 투명한 유리창을 통해 보였다. 다만 모두 검은색의 가루 형태로, 눈으로는 단결정인지 다결정인지 구분할 수 없었다. 양극재의 종류는 주로 X-선 회절법이나 전자현미경으로 분석할 수 있다.

눈에 들었던 것 중 하나는 소성로 도가니 교체 방식이다. 소성로 도가니는 양극재의 원료를 담아 고온에서 소성하는 용기로, 일정 시간이 지나면 교체해야 한다. 이 작업은 인력으로 하기에는 위험하고 힘든 작업이다. 포스코퓨처엠은 자동화 로봇을 도입했다. 자동화 로봇은 소성로 도가니의 위치와 상태를 인식하고, 적절한 힘과 각도로 도가니를 잡아 들어 교체한다. 이 과정은 사람의 개입 없이 자동으로 이루어진다.

공장 내부에는 또 다른 자동화 시스템도 있다. 바로 자동화창고다. 자동화창고는 원료와 제품을 저장하는 공간으로, 공장 내에 1만 2000톤의 원료와 제품을 저장할 수 있다. 자동화창고는 창고 내부에 설치된 크레인과 컨베이어 벨트로 구성돼 있다. 원료와 제품은 바코드로 관리되며, 입출고 시에는 자동으로 스캔 돼 위치가 파악된다. 자동화창고는 인력과 시간을 절약하고, 안전성과 효율성을 높인다.

포스코퓨처엠 광양 양극재 공장에서 자동화 로봇이 소성로 도가니를 교체하고 있는 모습. [ⓒ포스코퓨처엠]

포스코퓨처엠 광양 양극재 공장 내 약 1만 2000톤의 원료와 제품을 저장할 수 있는 자동화창고 모습. [ⓒ포스코퓨처엠]

양극재는 외부 환경에 매우 민감하게 반응한다. 작은 오염물이라도 섞일 경우, 품질이 떨어진다. 이에 포스코퓨처엠은 생산한 양극재의 품질을 2차 3차에 걸쳐 품질을 검증하는 시스템을 도입하고 있다. 크게는 품질 관리를 위해 캡슐 이송 시스템과 현장 분석 시스템을 운영하고 있다.

캡슐 이송 시스템은 공장 내부에 설치된 관로를 통해 샘플을 품질분석실로 보내는 시스템이다. 샘플은 캡슐에 담겨 압축공기로 쏘아져 관로를 따라 이동한다. 캡슐 이송 시스템은 샘플의 이송 시간을 단축하고 오염을 방지한다.

품질분석실에 도착한 샘플은 현장 분석 시스템으로 분석된다. 현장 분석 시스템은 X선 회절 분석기, 주사 전자현미경, 적외선 분광기 등으로 구성돼 있다. 이들은 샘플의 구조, 성분, 결함 등을 정밀하게 측정하고, 데이터를 관리한다. 현장 분석 시스템은 양극재의 품질을 신속하고 정확하게 검증하고, 문제가 발생하면 즉시 대응할 수 있다.

이렇게 양극재 공정 전 과정에 철저한 품질 검증 시스템을 도입한 덕분에 고객 만족도도 높다는 것이 회사측 설명이다. 최근에는 삼성SDI 등 굵직한 배터리 셀 기업들로부터 대규모 수주를 따내는 데 성공, 생산 라인 증설에 나섰다.

이곳에 새로 들어서게 될 하이니켈 NCA 양극재 전용 공장도 이러한 생산 전라인에 '자동화' 시스템이 도입될 예정이다. 새 공장에선 연산 5만 2500톤 규모 양극재를 생산할 예정이다. 올해 말과 내년 상반기에 포항과 광양에 전용 공장이 각각 준공되면, 고부가가치 하이니켈 NCA 양극재만 연간 8만 2500톤 생산할 수 있는 체제를 갖추게 된다.