이 기사는 2024년 03월 11일 13:59 thebell 에 표출된 기사입니다.

"10년 전까지만 해도 교수(연구진)들이 실리콘 산화물(SiO) 음극재 개발은 불가능하다고 말했다"며 "실리콘 탄소 복합체(Si-C)의 경우 실리콘과 흑연을 단순하게 혼합하면 돼 연구 접근이 쉬운 반면 SiO를 혼합하기 위한 장치를 쉽게 설계할 수 없었기 때문이다."

오성민 대주전자재료 부사장(사진)은 바로 이 장치 설계를 한 장본인이다. 1969년생으로 인하대 화학공학과를 졸업하고 2005년부터 대주전자재료에 몸 담았다. 현재까지도 나노재료사업부 개발그룹장이자 부사장으로 재직하며 핵심연구를 주도하고 있다.

2차전지는 리튬이온이 양극(+)과 음극(-) 사이를 이동하면서 전기를 발생시키는 원리로 작동한다. 양극재·음극재·전해액·분리막으로 이뤄진 2차전지 4대 핵심 재료 중에서 양극재와 음극재는 배터리의 용량·수명·충전 속도를 결정하는 가장 핵심적인 소재다.

대주전자재료는 바로 이 음극재 분야에서 국내 유일하게 실리콘 소재 음극재를 대량 생산하고 있다. SK온 등 고객사를 통해 실리콘 음극재를 공급하고 있고 올해 북미 완성차 업체가 생산하는 차량 9종 등에 해당 제품이 채택될 예정이다.

오 부사장은 "양극재 분야의 기술 발전은 상당 부분 이뤄졌지만 음극재 분야는 그렇지 않아 앞으로 많은 기술 혁신이 이뤄질 것으로 본다"며 "(대주전자재료에서) 개발한 실리콘 음극재(약 4200mAh/g)는 흑연(약 372mAh/g) 대비 용량이 10배 이상 커 고용량·고출력 배터리를 구현하기에 유리하다"고 말했다.

최근 10년간 전기차 시장은 에너지 밀도를 높이는 방향을 중심으로 기술이 발전했다. 전기차의 추진력(Driving Force)은 에너지 밀도보다 급속충전 성능의 확보가 핵심이 될 것으로 보이면서 실리콘 음극재 시장은 점차 커지고 있다.

오 부사장은 "SiO 자체는 아주 오래된 재료인데, 1960년대 일본에서 음식물과 산소의 접촉을 막기 위해 과자 포장지에 알루미늄을, 소시지 등 투명한 포장에는 SiO를 적용한 게 시작"이라며 "2013년부터는 흑연을 대신할 음극재 소재로 실리콘을 연구하기 시작했다"고 말했다.

그는 이어 "다만 실리콘은 흑연보다 많이 부풀다보니 팽창·수축 문제를 해결하는 게 관건이었다"며 "대주전자재료에서 이 문제를 근본적으로 없애긴 어렵다고 보고 부작용을 최소화하는 쪽으로 접근한 결과 메탈 소재를 혼합해 이를 해결했다"고 덧붙였다.

오 부사장은 "실리콘에 메탈을 섞으면서 기존 양극재에서 음극재로 도달율이 75%정도 밖에 되지 않는 문제를 점차 개선중"이라며 "마치 콜롬버스가 계란을 깨서 세운 것처럼 남들이 생각하지 못한 아이디어를 냈고, 실리콘과 메탈 소재를 섞는 조성 장치를 개발해 '원천 특허'로 확보했다"고 말했다.


아직 해결해야 할 과제도 있다. 실리콘 소재 음극재의 전달율이 완벽하지 않기에 실리콘 함량을 계속해서 높이는 방향으로 기술 개발이 이뤄져야 하고, 가격 경쟁력도 해결해야 할 이슈다. 대주전자재료는 국내에서 유일하게 실리콘 소재 음극재를 개발하고 있지만 글로벌로 보면 일본과 중국 업체 등이 경쟁하고 있다.

오 부사장은 "성능만으로 경쟁하면 자신이 있는데 가장 큰 고객인 테슬라가 판매가를 계속 낮추면서 무조건 낮은 가격을 강조하고 있다"며 "다행인 건 올해부터 실리콘 소재 채용 모델이 많이 늘어나면서 물량은 늘고 가격이 떨어질 것으로 보여 앞으로 성능과 가격을 모두 만족시킬 가능성이 커졌다"고 말했다.

대주전자재료는 기술 로드맵에 맞춰 업그레이드된 SiO 제품을 개발하고 있다. 경쟁사 대비 이른 투자를 통해 2019년부터 LG에너지솔루션과 거래를 텄고 올해는 SK온과 거래를 시작, 이미 상당 물량 수주를 확보했다.

2023년 1분기 자동차 OEM별 배터리 수급전망 보고서에 따르면 글로벌 탑12 OEM(주문자 상표 부착 생산) 전기차 판매량은 2030년 3290만대에 이를 것으로 전망되며 이에 따라 2차전지 수요는 약 2190GWH에 이를 것으로 예상된다. OEM별로는 테슬라가 가장 많은 차량 판매와 2차전지 사용량을 기록할 것으로 예측된다.