리튬이차전지는 휴대폰, 노트북, 테블릿 PC 등 소형 IT 전자기계부터 e-bike, e-vehicle 등의 중형 기계 및 에너지저장시스템(ESS) 등의 대형 시스템에 적용되거나 적용이 예상되는 에너지 문제를 해결할 수 있는 핵심부품이다. 이러한 기술력을 개발, 성공적인 결과물로 국가 창조경제에 일익을 담당하고 있는 곳이 있다. ‘탑앤씨’ 대표이자 한밭대학교 글로벌융합학부 교수인 김동수 교수를 만나본다.

기술적 난제극복 성공이룬 ‘탑앤씨’ 

우리나라도 2000년대부터 다양한 기업, 연구소, 대학 등에서 높은 접착력과 성형성을 유지할 수 있는 파우치 필름에 대한 연구를 진행하여 왔으나 Al층과 Polyolefin계 필름간의 접착력 향상에 많은 어려움을 겪고 있는 것으로 분석되고 있다. 이로 인해 국내에서 사용되는 대부분의 파우치 필름은 일본의 DNP, Showa Denko 등이 독점하고 있고 고가에 거래되고 있는 상황이며, 이들 회사에서 나오는 파우치 필름은 국내뿐만 아니라 중국의 Major급 회사에도 공급되고 있어, 이들과 기술 및 가격경쟁력에서 우위를 점하기란 쉽지 않았다. 최근 몇몇 국내 기업에서 중국 시장을 겨냥하여 파우치 필름을 생산하는 데 성공하였으며, 이를 통한 매출도 발생하고 있다는 소식도 전해 오고 있다. 이러한 기술적 난제와 독점적인 시장 구조를 극복하고 리튬이차전지용 파우치 필름 시장에 도전한 회사가 있다. 미래창조과학부와 한국연구재단의 산학연공동연구법인 사업의 지원을 받아, 2014년 8월 한밭대학교(총장 송하영) 기술지주(주)의 자회사로 설립된 (주)탑앤씨(대표이사 김동수)이다. (주)탑앤씨는 대구에 소재한 플렉스피이(주)와 한밭대학교 기술지주(주)가 현금과 현물을 공동으로 투자해 설립된 산학연공동연구 법인회사이다. 산학연공동연구법인 사업은 대학에서 보유하고 있는 지적재산권 중 상용화 가능성이 큰 특허와 관련해 기업과 공동으로 신규 법인을 사업화하는 목적으로 설립했다. 이에 대한 후속 연구 개발을 기업과 공동으로 수행하고 있다. (주)탑앤씨는 인쇄전자 기술을 이용한 초정밀 롤투롤 장비를 기반으로 고 신뢰성의 파우치 양산 및 사업화를 주된 목적으로 하고 있으며, 파우치 외장재 코팅 소재기술(등록특허 1건) 및 폴리머 파우치 생산 시스템(등록특허 2건)을 보유하고 있다. 특히 파우치 외장재 코팅 기술은 도파민계 코팅 층이 금속 박막 층에 형성되는 기술로 4nm 박막 코팅, 9.63N/15mm 이상의 결착력을 유지할 수 있는 난기술이다. 폴리머 파우치 생산 시스템 기술은 대 면적 나노코팅을 할 수 있는 연속 생산 공정 기술로, 3개의 특허가 적절히 융합되어 최적의 폴리머 파우치 제조 및 공정 기술을 확보할 계획을 가지고 있으며, 중국 시장을 겨냥한 사업화 계획을 수립하여 운영 중에 있다. 이를 통해 도출된 기술을 응용하여 투명전극필름, 인덱스 매칭 필름, 하드 코팅 필름 등의 기능성 필름 및 생산 시스템 등으로 사업 영역을 확대해 나가는 것을 목표로 하고 있다.

산학의 희망  김동수 교수

김동수 교수는 100여건의 산학공동 연구수행 경험을 가지고 있다. 한밭대 교수로 재직하면서 끊임없는 연구로 80여건의 특허를 가지고 있으며, 기술료 징수도 16억 원을 받았다. 김 교수는 “그동안 쌓아온 연구 기술력과 노하우 등 풍부한 경험을 바탕으로 산학연공동연구법인 사업을 성공적으로 수행하겠다”며 “이차전지 폴리머 파우치 관련 제조 기술은 응용제품 및 신산업 창출을 견인할 뿐 아니라 그 파생기술로 전지, 반도체, 환경 등 기존 산업기술의 고도화에 파급 효과를 가져 올 것으로 예상되어, 반드시 성공적인 추진을 통해 (주)탑앤씨를 중견기업으로 육성하고 국가 창조경제의 일익을 담당하는 중심 기업으로 발전시키기 위해 심혈을 기울이겠다”고 밝혔다. 또한 “수입에 의존 하던 이차 전지용 파우치의 수입대체는 물론 관련 산업 기술경쟁력 선도에 앞장 설 것” 이라 강조하면서 “산.학.연 협력을 통해 2020년 매출 425억 원 달성과 생산유발효과 및 일자리 창출에도 이바지 할 것이다” 라고 덧붙였다.

안정성 높은 폴리머 타입 리튬 이온전지

리튬이차전지는 보통 양극물질, 음극물질 및 분리막 등으로 구성되어 리튬 이온이 양극과 음극을 옮기면서 전기를 일으키거나 반대로 전기를 충전하는 방식으로 되어 있으며, 이들을 감싸고 있는 것을 흔히 파우치로 불린다. 외장재의 종류에 따라 금속 캔으로 사용한 각형 리튬이온전지와 알루미늄 호일과 고분자 필름 등을 접착하여 만든 폴리머 타입 리튬이온전지로 구분할 수 있다. 또한 내부에 들어가는 전해질에 리튬이온전지는 유기액체 전해질을 사용하고, 폴리머 타입 리튬이온전지는 겔(gel) 형태의 폴리머 전해질을 사용한다. 리튬이온전지는 양극과 음극 사이의 간격을 일정하게 유지하기 위한 구성과 액체 전해질이 새는 것을 방지하기 위해 금속재질로 패키징을 하는 반면 폴리머 타입 리튬이온전지는 양극·전해질·음극을 일체화할 수 있어 파우치 등의 경량 재료로 최종 패키징을 할 수 있다. 보통 리튬이차전지는 충전과 방전에 따라 전극 내부재료의 부피 팽창과 수축이 일어나게 되는데, 기기를 오래 사용하기 위해서는 에너지 저장밀도를 높여야 하고 이를 위해서는 주어진 체적에 많은 전극물질을 넣어야 한다. 다시 말해 많은 재료를 넣게 되면 부피 팽창에 따른 응력이 외부로 나타나면서 부풀어 오르게 되고, 이러한 현상이 반복되거나 과해지면 압력에 의해 분리막을 뚫고 양극과 음극의 물질이 만나 양극과 음극의 합선(쉽게 말해)에 의해 불이 붙게 되고, 내부 과산화물의 산소와 가연성 유기 전해질이 반응해 급격히 연소해 폭발이 일어나는 사고가 종종 발생하곤 한다. 폴리머 타입 리튬이온전지는 앞서 설명한 바와 같이 고체형태에 가까운 겔 형태의 전해질을 사용하기 때문에 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지보다 안정성이 높다고 할 수 있다.

폴리머타입과 파우치 필름 동반 성장 

폴리머 타입 리튬이온전지는 최근 다양한 기기에서 널리 채택되어 사용되고 있어 시장 성장이 급속히 이루어 질 것으로 예상되어 이에 대응하는 파우치 필름 시장 분야 또한 동반 성장할 것으로 조심스럽게 예측할 수 있다. 이러한 폴리머 타입 리튬이온전지에 사용되는 파우치는 사용 용도에 따라 3~4장의 이종필름의 접착을 통해 150㎛ 정도로 구성된다. 최근 이종필름이 점차 얇은 두께로 가면서 성능을 유지할 수 있는 스마트한 트렌드로 변해 가고 있다. 파우치 필름에 사용되는 여러 겹의 이종필름들은 각각의 특징을 가진다. Nylon(중형 이상에서는 Nylon 위에 PET를 접착하기도 함)-Al-Polyolefin계 필름의 구조를 가지며, 이들 각각의 필름 사이에 접착제를 얇게 도포하여 라미네이팅을 통해 접착하는 방식으로 파우치 필름이 만들어지고 있다. 이에 사용되는 Nylon(PET)는 외부 충격에 견딜 수 있도록 하는 특징이 있으며, Al은 외부로부터의 산소 및 수분을 차단시키는 역할과 Nylon 필름과 함께 높은 성형성(6mm 이상)을 유지할 수 있도록 하는 것이 특징이다. 또한 polyolefin계 필름의 경우에는 이차전지 내부에 들어가는 전해액이 유출 되는 것을 차단시켜주는 역할을 수행한다. 이러한 파우치 필름은 성질이 다른 다양한 필름들을 접착제를 이용하여 접합시켜야 하기 때문에 각 필름의 표면 특성에 따라 접착력이 달라지는데 특히, Al층과 polyolefin계 필름간의 특성이 달라 파우치 필름을 제조하는 제조사에 따라 Dry Lamination과 Extrude Lamination 방식으로 파우치 필름을 제조하고 있다. 물론 다양한 필름 소재 및 접착 소재도 중요하지만 제조 방법 관점에서 바라봤을 때에는 Al층과 polyolefin계 필름간의 접착력을 향상시킬 것인지 매우 중요하며 이러한 방식의 결정은 보유하고 있는 Al층의 표면처리 기술, 생산성, 단가 등의 다양한 요소들이 복합적으로 계산되어 결정할 것으로 예상한다.