전기자동차 배터리에 적용되는 탄소나노소재 분산액 제조해

민감한 제조공정인 탄소나노소재 생산 기술을 개발하는 과정 중 기존 장비의 한계를 체험한 유광현 대표는 ㈜베터리얼를 설립하였다.

경험도 적지 않았다. 포항공대 기계공학과 도쿄 대학교 지능기계정보학 과정에서 석사 박사를 수료한 뒤 LG화학 중앙연구소 책임연구원을 거쳤다. 이렇게 10년 이상의 경험을 바탕으로 차별화된 장비 기술과 소재 기술을 적용하여 전기 자동차 배터리에 적용될 수 있는 우수한 탄소나노소재 분산액 제조하였다.
 

회사의 시작은 2018년 창업한 ‘텍스퍼’라는 개인사업체였으며 ‘텍스퍼’는 각종 ICT 기반 장비 개발, 센서 개발 등의 과제는 물론 탄소나노소재 도전재 개발 과제 등을 성공적으로 수행하였다. 2020년 10월 ‘㈜베터리얼’로 업체명 변경 및 법인전환을 마쳤으며 2020년 11월에는 중소벤처기업부 ‘2020 소부장 스타트업 100’에 선정되기도 했다.

베터리얼의 초기 멤버는 유 대표를 포함한 4인의 연구 인력이었지만, 올 들어서는 유수한 대기업의 소재, 분산, 배터리 전문가 등이 지속적으로 영입되고 있다. ‘Series A Funding’도 잘 마무리 되고 있어 전기자동차 배터리의 핵심 첨가제로 부상하고 있는 탄소나노소재 분산액의 ‘Spec-In’과 양산 준비가 차근차근히 진행되고 있다.

소재 분야에서 경쟁력을 쌓고 있는 유 대표에게 회사의 현재와 미래를 듣는다.
 
Q.  배터리 소재라는 분야가 다소 생소한데, 시장 상황에 대한 소개부터 한다면.

A.  전기자동차 배터리의 원가절감, 용량, 안전성, 충전 속도 등을 향상시키기 위한 성능 개선 및 소재 개발의 노력의 매우 활발히 이루어지고 있다. 그 주요 축으로 탄소 나노튜브(CNT) 도전재의 역할 및 사용이 증가하고 있다. CNT는 기존 도전재 보다 사용량을 80%까지 절감할 수도 있고 (양극) 배터리 용량을 11배 증가시킬 수 있는 소재(음극, 실리콘)의 안전성 확보에 중추적 역할을 할 수 있는 것으로 확인되었다. 이러한 이유로 CNT 도전재 시장은 2020년 70억 원에서 ’25년 2.2조 원의 시장으로 급성장할 것으로 추정되고 있다.


Q.  베터리얼은 이 시장에서 어떤 제품들을 만들고 있는가.

A.  앞서 말한 CNT 도전재가 고품질의 배터리의 소재로 제 역할을 하기 위해서는 CNT 간의 꼬임을 풀어주는 분산기술과 분산제의 정확한 처방이 필요하다. 배터리 활물질(배터리 핵심소재)에 소량 첨가만으로 성능을 향상시킬 수 있는 CNT 도전재는 CNT, 용매, 분산제 등으로 구성되는 데, 배터리 활물질에 따라 요구되는 물질 조성과 조성비가 다르고, 용매는 배터리 분야에서 허용 가능한 물을 포함해서 케톤계 유기용매 등 셀 수 없이 많으며, 사용 용도에 따라 적절한 조합과 처방이 필요하다.

우리가 보유한 CNT 도전재 분산, 조성, 장비 기술을 바탕으로 양극에 활용되는 Multi-walled CNT의 생산성 개선은 물론, 물을 용매로 활용하고 Multi-walled 대비 분산의 난이도가 매우 높은 ‘Single walled CNT’ 분산액 조성을 양산할 수 있는 설비와 역량을 구비하고 있다.


Q.  베터리얼의 제품들은 어떠한 경쟁력을 갖추었는가.

A.  우리 회사는 고품질 배터리용 CNT 도전재 제조를 위한 장비의 특허(자동제어기반 스마트 나노소재 제조장치)가 보여주듯이 제조공정에 대한 노하우를 기반으로 생산원가를 낮출 수 있어 가격 경쟁력을 확보하고 있으며, 제조 공정에 대한 노하우와 핵심인력들이 다년간 축적한 소재 기술이 결합하여 고품질 도전재 분산액을 제조할 수 있다.

또한 탄소나노소재로서 CNT 뿐만 아니라 그래핀 소재에 대한 노하우도 있어 이를 활용한 CNT와 그래핀 혼성 도전재 개발을 통해 품질 및 원가적인 차별성을 더욱 강화할 수도 있다. 음극에서 실리콘 물질의 안전성 화보에 필수적인 Single-walled CNT 도전재는 양산 능력 자체가 매우 큰 차별성이며, 베터리얼은 조성적 노하우와 경험이 축적된 회사로 자부하고 있다. 특히 LG에너지 솔루션에서 다년간 배터리 개발에 참여한 경험을 갖고 있는 인력을 중심으로, 배터리 제조라인을 자체적으로 구축하였고, 우리가 양산한 CNT 도전재의 배터리 성능을 자체 테스트할 수 있는 능력을 갖추어 단순한 분산이 잘된 도전재가 아니라 배터리 성능 개선이 확실한 CNT 도전재 분산액을 제조할 수 있다.



"우리의 분산기술은 배터리 소재에만 국한되어 적용할 수 있는
것이 아니므로 배터리 첨가제 이외의 애플리케이션 개발도
병행할 것이고 당사의 사명의 기원인 ‘Better Material’
제조 기술의 개발과 소재의 양산을 위한 노력을 계속 확대할 것이다"


Q.  CNT 간 꼬임을 풀어주는 전처리 및 분산 공정 기술에 대한 자세한 설명을 부탁드린다.

A.  CNT간 꼬임을 풀어주는 전처리 및 분산 공정은 ‘점도 조절 및 분석 기술’이 필요하며, 이를 효과적으로 구현할 수 있는 ‘기계적 장치 및 계측 기술’이 필요하다. 소재의 활용측면에서 장기간 분산상태가 지속되어야 하는 데, 이러한 분산안전성 향상을 위해서는 CNT, 용매, 분산제에 대한 경험과 이해가 매우 중요하다. 이러한 경험과 이해를 기반으로 하는 ‘포뮬레이션 기술’이 매우 핵심적인 기술이 되는 이유이다.

단단한 Multi-walled CNT 대비 Single-walled CNT는 그 단층구조의 특성상 머리카락처럼 매우 유연하므로 분산이후 재응집의 경향이 큰 데, 이를 방지하기 위한 ’포뮬레이션 기술‘은 더욱 수준이 높아야 한다. 게다가, 음극에 쓰이는 Single-walled CNT는 음극 활물질의 특성으로 인해 물을 용매로 사용해야 하므로, 분산에 상대적으로 유리한 유기용매(NMP)를 사용하는 양극용 Multi-walled CNT 분산보다 CNT 구조의 특성 만이 아니라 용매의 차이로 인해 그 난이도가 매우 높다. 따라서, 이를 해결할 수 있는 공정 및 소재 포뮬레이션 기술의 수준도 Multi-walled CNT 관련 공정 및 소재 포뮬레이션 기술과 차원을 달리한다.

이러한 역량이 단순히 실험실 수준이 아니라 대규모 양산성 화보를 전제로 하므로 양산기술력 또한 매우 중요한 기술이다


Q.  전기차 시장의 확대와 함께 배터리 시장도 성장하고 있어 기대가 클 것 같다. 기대와 함께 우려하는 점도 있을 것 같은데.

A.  전기자동차 시장과 함께 이차전지 시장은 급격히 성장하고 있으며, 그로 인해 LG에너지솔루션, 삼성 SDI, SK 이노베이션은 18~19년 유럽에 1조 원 이상의 이차전지 제조공정 라인 설비투자를 시작으로 매년 그 투자 규모를 증가시키고 있다. 특히 최근 미국 시장에서도 수 조원 규모의 투자계획을 연이어 발표하고 있다. 우리는 이러한 시장 수요를 적극 공략하고 각 배터리 제조사의 특성에 맞추기 위해 최적의 물질 조성과 조성비를 찾기 위해 많은 비용과 노력을 투자하고 있다. 이러한 연구 결과물인 CNT 도전재의 물질 조성과 조성비는 조성물특허로써 권리 보호가 필요한 실정이다.


Q.  그렇다면, 특허 보호를 위해 어떤 조치를 하고 있는가.

A.  우리 회사는 신생 기업이지만 대표의 이차전지 소재 및 장비관련 10년 경력과 보유한 네트워크를 바탕으로 이차전지 관련 기업과 타 기관으로부터 기술력을 인정받고 있다. 하지만, 탄탄한 특허 포트폴리오를 구축하기에는 인력과 역량이 부족한 것이 현실이다. 그래서 2019년 IP-R&D 전략지원사업을 통해 ‘CNT 도전재와 제조방법’에 대한 특허 출원(2건-2020년)을 할 수 있었고, 2021년 스타트업 지식재산바우처 사업을 통해 ‘CNT 도전재의 조성물과 특징’에 대한 핵심 특허 도출과 출원(예정-2021년)도 마무리 단계에 있다.

이러한 노력을 바탕으로 본격적으로 LG에너지솔루션에 소재 납품을 기획하고 있으나, 보다 근본적으로 IP컨설팅을 통해서 중복기술 파악, 장벽 및 공백기술 파악, 핵심특허에 대한 대응과 회피 등 전략적인 접근 필요하다고 판단하고 있다. 이에, 특허청 스타트업 지식재산바우처사업을 통해 이러한 준비가 가능하게 되어 매우 감사하다. 이렇게 도출된 특허전략(특허맵)을 통해 핵심특허와 방어 특허를 도출하고자 한다.


Q.  앞으로의 계획이 궁금하다. 목표가 무엇인가.

A.  올해는 ㈜베터리얼이 탄소나노소재 분산 기술의 양산화를 본격적으로 시작하는 해이다. 양산기술, 소재기술, 배터리 기술 인재들의 영업과 더불어 초기 ‘Fund Raising’을 성공적으로 마무리하고 있고, 이를 기초로 한 본사의 확장이전을 마쳤다, 본격적인 Spec-In 작업과 양산 준비를 시작하고 있으며 2023년까지 1,500톤 이상의 Single-walled CNT 분산액 제조 생산 능력을 확충할 것이며, 지속적인 확장을 통해 2025년 매출 1,500억 달성을 계획하고 있다.

분산액의 품질의 향상을 위해 분산 안정성 증대와 고농도 분산액 개발을 위한 지속적인 기술 개발 노력을 기울일 것이며, CNT 도전재의 역할은 미래 배터리로 조명되는 전고체 배터리에도 이어질 것으로 예측되고 있어, 이에 대한 준비도 아울러 진행될 것이다. 또한 당사의 분산기술은 배터리 소재에만 국한되어 적용할 수 있는 것이 아니므로 배터리 첨가제 이외의 애플리케이션(Application) 개발도 병행할 것이고 당사의 사명의 기원인 ‘Better Material’ 제조 기술의 개발과 소재의 양산을 위한 노력을 계속 확대할 것이다.