LiB(리튬이온전지) 분리막(LiBS) 시장에서 일본 및 중국기업들이 급부상하고 있다.
특히, 일본 화학기업들은 중국기업과의 협력을 확대하면서 중국시장 장악을 서두르고 있어 국내기업들의 적극적 대응이 요구되고 있다.
중국기업들도 독자적으로 기술을 개발함으로써 일본, 한국을 맹추격하고 있다.
SK이노베이션, 아사히카세이 맹추격한다!
SK이노베이션은 LiBS 시장에서 일본기업들과 점유율 경쟁을 벌이고 있는 가운데 신증설 투자를 확대하고 있다.
SK이노베이션은 2018년 상반기 증평 10호, 11호 신규 생산라인을 완공함으로써 LiBS 생산능력을 총 3억30000만평방미터로 확대하고 아사히카세이(Asahi Kasei)의 뒤를 이어 글로벌 습식 LiBS 시장에서 2위 자리를 차지하게 됐으며 1위 등극을 목표로 계속 증설하고 있다.
2019년 10월에는 자회사 SK아이이테크놀로지(SKIET)를 통해 증평공장에 새롭게 도입한 LiBS 12호기, 13호기를 상업 가동함으로써 전체 생산능력을 3억6000만평방미터에서 5억3000만평방미터로 40% 확대했다.
SK아이이테크놀로지는 증평공장 투자 외에 최근 진행하고 있는 해외 설비투자를 포함해 앞으로도 분리막 생산능력을 계속 확대해나갈 예정이다.
현재 4000억원을 투자해 2020년 3분기 상업가동을 목표로 중국 장쑤성(Jiangsu)의 창저우(Changzhou) Jintan 경제개발구 4만4000여평 부지에서 3억4000만평방미터 공장을 건설하고 있다.
창저우 공장은 SK이노베이션이 해외에 건설하는 최초의 LiB 공장으로, 투자 진행을 위해 100% 지분의 중국법인 SK하이테크배터리머터리얼스를 설립해 2019년 초 착공했으며 2020년 3분기 양산을 시작해 생산제품을 전기자동차(EV) 및 IT용 배터리 생산기업에게 납품할 예정이다.
유럽에서는 폴란드 실롱스크(Silesia)에 중국과 동일한 생산능력인 3억4000만평방미터 공장을 2019년 10월부터 건설하고 있다.
SK이노베이션은 유럽공장 건설까지 순조롭게 진행된다면 LiBS 생산능력이 총 12억1000만평방미터로 확대될 예정이다.
SK이노베이션은 배터리 시장이 가파른 성장세를 나타내면서 분리막 등 배터리 소재 시장 역시 계속 확대될 것으로 기대하고 외형 키우기에 집중하고 있다.
SK아이이테크놀로지는 2007년 축차연신공정 기술을 세계 최초로 개발해 균일한 품질의 초박막 분리막을 생산하고 있다.
앞으로는 본격화될 플렉서블(Flexible) 디스플레이 시장에 대응하기 위해 글로벌기업과의 협업을 통해 사업모델을 다각화할 계획이다.
상하이에너지, 테이진의 코팅 기술 도입
그동안 두각을 드러내지 못하던 테이진(Teijin)은 중국 메이저에게 코팅 기술을 공여해 주목된다.
중국 LiBS 메이저인 상하이에너지(Shanghai Energy New Materials Technology)는 2019년 11월 테이진과 불소계 화합물을 활용한 용제계 코팅 분리막 제조 관련기술 라이선스 계약을 체결했다.
계약기간과 라이선스비용 등은 밝히지 않았으나 테이진이 용제계 코팅 분리막 기술과 관련해 라이선스 계약을 체결한 것은 처음이며, 그동안 코스트 경쟁력 강화가 시급한 과제로 떠오르며 분리막 사업 확장에 고전해온 만큼 대규모 생산능력을 갖춘 상하이에너지와 협력함으로써 영향력 확대에 속도를 낼 것으로 예상된다.
앞으로 EV용 LiB에 투입하기 위해 고용량, 높은 안전성을 갖춘 분리막을 개발하는데 협력할 예정이다.
상하이에너지는 2018년 생산능력 기준으로 글로벌 분리막 시장점유율 11%를 차지하며 도레이(Toray)의 뒤를 이어 4위로 부상한 바 있다.
현재 1위인 아사히카세이는 점유율이 17% 수준이고, 2위 SK이노베이션 역시 14-15%로 차이가 크지 않아 신증설을 적극화함으로써 선두주자를 맹추격하는 전략을 추진하고 있다.
상하이에너지는 2019년 말 생산능력을 23억평방미터, 2021년 말에는 42억평방미터 추가할 예정이어서 모든 프로젝트를 계획대로 실행한다면 앞으로 생산능력 기준 세계 1위로 부상할 것으로 예상되고 있다.
아사히카세이는 2021년까지 총 생산능력을 15억5000만평방미터로 확대하고 2025년에는 30억평방미터로 증설할 방침이다.
테이진은 상하이에너지의 시장점유율 확대를 통해 자사기술을 자동차용 LiB 시장에 널리 정착시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.
테이진의 불소 화합물 코팅 기술은 파우치형 LiB용으로 개발했으며 전극과의 접착성이 우수하고 전해액 누출을 방지할 수 있는 것이 강점이다.
또 배터리를 제조할 때 세팅이 용이할 뿐만 아니라 내열성 등의 다양한 특성도 갖추고 있다.
테이진은 자사기술과 상하이에너지의 압도적인 생산능력을 조합함으로써 성능이 우수하면서 가격경쟁력까지 갖춘 분리막을 상용화할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
테이진, 코팅기술 고도화에 멀티기능 강화
테이진은 자동차용 LiBS 사업에서 상하이에너지와 라이선스 계약을 체결한 것을 계기로 위상을 강화하는 전략을 추진하고 있다.
민간용 사업에서는 스마트폰 등 하이엔드용에 주력하면서 새로운 시장 개척에 박차를 가할 계획이다.
내열성, 접착성 등 기존에 갖추고 있는 강점 뿐만 아니라 새로운 특성도 개선함으로써 LiB 생산기업의 생산성 향상에도 적극 기여할 방침이다.
2020년에는 전체 생산능력 6000만평방미터를 풀가동하는 것을 목표로 하고 있다.
테이진은 코팅 전문의 분리막 사업부를 통해 LiBS를 공급하고 있으며 민간용 분야에서는 하이엔드용에 특화된 사업을 영위해왔으나 후발주자일 뿐만 아니라 생산능력이 6000만평방미터에 머무르고 있는 가운데 경쟁기업이 10억평방미터 이상의 생산능력을 확보하면서 격차가 크게 벌어졌고 코스트 면에서도 뒤처짐에 따라 고전하고 있다.
이에 따라 라이선스 사업을 확대함으로써 시장에서 불리한 상황을 타개할 계획이다.
상하이에너지는 주력 생산제품인 PE(Polyethylene) 베이스 기술수준이 갈수록 향상되고 있어 LiB 생산기업들이 기술적인 면에서도 많은 관심을 나타내고 있어 상하이에너지와의 라이선스 계약 체결을 계기로 자동차용 LiBS 시장에서 본격적인 영향력을 발휘할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
민간용은 하이엔드용 수요기업에 대한 제안을 강화함으로써 제조 프로세스 개선 등으로 코스트다운을 실현하면서 판매량을 확대하며 새로운 수요를 발굴하는 등 신규시장 개척을 진행하고 있다.
미래 코팅기술 확립을 위해서는 접착성, 내열성을 모두 갖춘 멀티기능을 더욱 고도화할 계획이다.
최근에는 LiB 조립과정에서 전해액을 주입하기 전에 전극과 분리막을 잠시 고정시키는 드라이 접착에 대한 니즈가 증가하고 있어 코팅기술을 드라이 접착에 최적화시키는 연구를 진행하고 있으며, 수요기업의 제조 프로세스에 대응할 수 있는 커스터마이즈 작업을 계속 강화할 방침이다.
내열성은 무기필러와 바인더를 최적화해 더욱 개선하고 멀티펑션 기능에 누출성 기능도 추가할 예정이다.
최근 전기자동차에 탑재되는 LiB가 대형화되면서 사용하는 분리막도 대면적화되고 있으나 분리막에 전해액이 충분히 침투돼야만 다음 제조공정으로 넘어갈 수 있어 합침시간 단축이 새로운 과제로 떠오르고 있다는 점에 착안한 것이다.
현재 코팅기술만으로도 충분한 누출성을 확보하고 있는 만큼 덕트타임 단축에 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
도레이, LiBS 고기능화에 바이오 프로세스 확립
도레이는 분리막 기술 관련 연구개발(R&D)을 강화하고 있다.
도레이는 분리막 기술을 활용해 LiBS의 고기능화와 함께 연료전지용 전극 및 전해질막이나 막을 이용하는 바이오 프로세스, 암 치료 컬럼, 이산화탄소(CO2) 회수저장(CCS: Carbon Capture & Storage)용 분리막 실용화를 목표로 하고 있다.
이를 위해 2019년 12월 시가현(Shiga) 오츠(Ootsu)에서 개소한 미래창조연구센터를 중심으로 기초연구를 진행할 예정이며 컴퓨터 과학을 활용하면서 분리막 기술을 헬스케어, 신에너지 등 성장분야에 적용시키는 작업을 가속화할 방침이다.
최근 공개한 분리막 기술 관련 기본전략에서도 고분자나 성막 등 기존에 강점을 갖추고 있는 기술을 융합시키면서 헬스케어, 신에너지 등 미래 성장분야에 대한 적용을 본격화할 계획이라고 밝힌 바 있다.
기술 고도화를 통해 이미 세계 최대 시장점유율을 장악하고 있는 LiBS 사업에서도 LiB가 고용량화되고 급속충전 등에 대응하는 등 변화하면 안전성 강화 등이 요구될 것이라는 전망 아래 성막, 폴리머 설계, 코팅 등 각종 기술을 융합함으로써 자동차용으로 최적화된 분리막 개발에 주력할 방침이다.
미래 성장이 기대되는 분야에 대해서는 기능소재 연구를 위한 헤드쿼터로 설립된 미래창조연구센터에서 분리막 기술 기초연구를 강화할 계획이다.
자원, 수소 등 각종 순환시스템용 연구를 추진하며 혁신의료 분야에서도 막 기술을 실용화하는 방안을 검토하고 있다.
수소사회 실현을 위해서는 연료전지용 전극 및 전해질막 연구개발을 가속화할 방침이다.
타이에서 실증시험을 진행하고 있는 막 이용 당화 프로세스도 유망시하고 있는 기술 가운데 하나이며, 수처리 기술과 바이오 기술을 융합한 시스템을 통해 사탕수수 착즙 후 남는 찌꺼기를 원료로 셀룰로스(Cellulose) 당 제조를 시도할 예정이다. 상당한 시간이 걸릴 것으로 예상되나 비식용 바이오매스(Biomass) 유효 이용방법을 확립할 계획이다.
CCS용 이산화탄소 분리막 실용화를 준비하고 있는 등 자원 및 에너지 문제 해결에 기여하는 기술개발에도 주력하고 있다.
미래창조연구센터에서는 연구개발 방법으로 AI(인공지능)와 MI(Material Informatics), VR(가상현실) 등 컴퓨터 과학 활용을 적극화하고 있다.
컴퓨터와 머터리얼 사이언스 융합을 도모하면서 소재 연구를 더욱 심화하는 것을 목표로 하고 있다.
NSC, 유기‧무기 하이브리드화…
Nippon Shokubai(NSC)는 알칼리 수전해 사업에 진출했다.
알칼리 수전해 시스템에 필수적인 고기능 분리막을 개발한 것으로, 유기소재와 무기소재를 복합화한 유기‧무기 하이브리드 소재이며 고이온전도성, 고가스배리어성을 모두 갖춘 것이 특징이고 효율적으로 수소와 산소를 만들 수 있는 것으로 알려졌다.
NSC가 알칼리 수전해 관련 소재를 개발한 것은 최초이며 폭 1m 이상 분리막을 연속적으로 생산할 수 있다는 강점을 살려 메가솔라를 비롯한 대규모 재생가능에너지 발전시설과 조합할 수 있는 대형 알칼리 수전해 시스템에도 대응이 가능할 것으로 예상하고 있다.
비석유화학 연료를 베이스로 한 그린수소를 사용하는 수소사회 실현에 기여할 수 있다는 점을 강조하면서 2025년 이후 알칼리 수전해용 분리막 사업에서 10억엔대 매출을 올리는 것을 목표로 하고 있다.
알칼리 수전해용 분리막은 유기 폴리머와 분말 상태의 광물을 혼합해 시트화한 것으로 독자적인 유기‧무기 복합기술과 시트 성형기술 등을 활용해 개발에 성공했다.
개발제품은 막 두께가 약 260마이크로미터로 얇으며 막 저항이 낮고 고이온전도성 등을 갖추고 있다.
소비전력을 억제할 수 있으며 가스 순도도 향상시킬 수 있고 얇은 막이지만 뛰어난 가스배리어성을 보유하고 있다는 점에서 알칼리수의 전기 분해로 생성되는 수소와 산소가 섞이는 것을 최대한 억제할 수 있는 것으로 평가된다.
내열성, 내알칼리성, 내구성 모두 갖추었고 조작온도가 고온이어서 고농도 강알칼리성 물질을 포함한 전해액을 사용하는 알칼리 수전해 시스템에서도 장기간 이용이 가능한 것으로 알려졌다.
분리막은 건조된 상태로 취급하는 것이 가능하고 최대 1.2미터 폭으로 공급할 수 있으며 이미 국내외에 샘플을 출하해 평가작업을 진행하고 있다.
태양광발전, 풍력발전 등 재생가능에너지를 활용해 알칼리 수전해를 실시하고 그린수소를 만드는 시스템에 최적화된 분리막으로서 채용실적을 쌓아나갈 계획이다.
중국, PI 적용해 안전성 확보했다!
중국 화학기업은 PI(Polyimide)로 분리막을 제조해 주목된다.
중국 Jiangsu Juxian Synthetic Material은 2019년 LiBS 상업생산을 시작할 계획이다.
독자 개발한 합성기술을 적용한 PI를 베이스로 분리막을 생산하며 PE, PP(Polypropylene) 분리막보다 고온특성, 내기계특성 등이 뛰어나 강점으로 작용할 것으로 기대하고 있다.
1차적으로 생산능력 3000만평방미터 공장을 건설하고 고부가가치 영역을 중심으로 수요처 확보에 나설 방침이다.
Jiansu Juxian Synthetic Material은 2011년 설립된 신생 분리막 생산기업으로 장쑤성(Jiangsu) 창저우(Changzhou)의 톈닝구(Tianning)에 본사를, 전장(Zhenjiang)에 부지면적 10만3400평방미터 공장과 연구개발(R&D) 기지 등을 갖추고 있다.
최근에는 연구개발과 설비투자액이 5억위안(약 750억원)에 달한 것으로 알려졌다.
PI 분리막은 독자 개발한 PI 브랜드인 HPI를 사용함으로써 기존 PI로는 어려웠던 미세다공 구조를 실현시킨 세계 최초의 PI 분리막이며, 일반적인 PE 및 PP 분리막의 안전성 문제를 해결한 것으로 파악된다. 
고온특성은 PP 분리막이 약 140℃, PE는 120℃ 정도에 불과하고 세라믹 코팅을 도포해도 20℃만 올릴 수 있지만 HPI 분리막은 200℃ 환경에서 60분 가열해도 열수축률이 0.5% 정도에 불과한 것으로 확인됐다.
또 같은 온도에서 기계강도를 실험한 결과 PE와 PP 분리막은 20% 정도로 낮았지만 PI 분리막은 60% 이상을 유지했다.
전해액의 뛰어난 흡수성도 강점이며 배터리 안전성을 높이고 용량 확대, 소형화, 장수명화 등에 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
공장은 1차적으로 PI 중합부터 분리막 생산까지 일관생산으로 완공했으며 생산능력 3000만평방미터 설비를 이미 도입한 상태이다.
중국과 해외기업들에게 샘플 출하를 시작했고 2019년 말 상업생산을 시작한 것으로 파악되고 있다.
앞으로 5년 안에는 2차적으로 1억7000만평방미터 라인을 추가해 총 생산능력을 2억평방미터로 대폭 확대하는 방안을 검토하고 있다.
Jiansu Juxian Synthetic Material은 분리막을 주로 민간용으로 공급했으나 앞으로 부가가치가 높은 자동차용을 중심으로 판매를 확대할 방침이다.
기존 PE 및 PP 분리막에 비해 가격대가 높으나 앞으로 가격을 조정하고 안전성과 품질을 중시하는 메이저들에게 제안함으로써 일정 수준의 시장점유율을 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
