고객밀착형 통합개발체제로
고부가 유화 제품
개발에 성공하다
대한유화㈜
기후변화에 대한 다양한 대응은 석유화학산업에 큰영향을 주고 있다. 탄소 배출량 규제, 에너지 효율 규제, 자원 재활용, 유해화학물질 규제 등 석유화학산업에는 부정적 영향을 주고 있다. 반면 연비 및 배기가스 규제로 자동차의 전동화가 본격 추진되면서 관련 산업에는 기회가 되고 있다. 특히 전기자동차용 배터리뿐 아니라 관련 소재 분야에 영향을 미치고 있으며, 유화 업계에도 새로운 기회가 되고 있다.
이런 상황에서 국내 배터리 업체들이 세계 시장을 선도하며 주목받고 있으며, 대중에게 잘 알려지지 않았지만 배터리 관련 재료 산업에서도 국내 업체들의 약진이 돋보인다. 반도체 산업에서 소재의 중요성을 경험한 업계에서는 배터리 분야가 반도체산업과 같은 전철을 밟지 않기 위해 배터리 완제품뿐 아니라 소재 기술개발에도 매진하고 있다.
그 중심에 배터리 핵심소재인 분리막 재료에서 세계 시장을 선도하고 있는 대한유화㈜(이하 대한유화)가 있다. 대한유화는 독자적으로 개발한 촉매와 공정 노하우로 국내 최초(세계 4번째)로 리튬이온전지 분리막용 초고분자량폴리에틸렌 특수수지를 개발하였다.
독자적인 촉매기술과 노하우로 세계 최고 제품 개발
대한유화가 개발한 ‘이차전지분리막용 초고분자량폴리에틸렌(VHMWPE: Very High Molecular Weight Polyethylene) 특수수지’가 2020년 35주차 IR52 장영실상을 수상했다. 초고분자량폴리에틸렌 특수수지는 전기자동차, 전자기기, 에너지저장장치(ESS: Energy Storage System) 등에 사용되는 리튬이온전지(LiB: Lithium-ion Battery)의 핵심부품인 분리막(LiBS: Lithium-ion Battery Separator)의 주원료로 배터리의 안전성을 향상시키는 역할을 한다.
이차전지는 전자제품의 발전에 따라 노트북 등 IT 용에서 휴대폰 등 모바일용으로 급속히 확대되었으며, 최근에는 자동차의 전동화에 따라 새로운 발전기를 맞고 있다. 이러한 이차전지 중 리튬이온배터리가 폭발적으로 증가함에 따라 배터리 분리막용 원료 수요도 급격히 증가하고 있다. 향후 연평균 40% 이상 증가할 것으로 예상된다.
대한유화가 개발한 이차전지분리막용 초고분자량 폴리에틸렌 특수수지는 그동안 전량 수입산 원료를 사용해왔으며, 국내 배터리 및 관련 산업의 발전에 따라 국내 개발품에 대한 요구가 높았다. 대한유화에서는 이러한 산업동향과 고객의 요구에 따라 본 제품을 개발하였다.
그림 1. 이차전지분리막용 초고분자량폴리에틸렌 특수수지·분리막 필름·배터리
본 제품이 적용된 분리막은 배터리의 양극과 음극을 분리하는 역할을 하며 배터리의 성능과 안전성에 중대한 영향을 준다. 대한유화는 그동안 이차전지 분리막 원료를 판매하며 고객의 니즈를 모니터링하고 시장 동향을 파악하여 고용량화 및 안전성이 강화된 분리막 원료를 개발하였다. 배터리의 성능 향상을 위한 주요 요구사항은 에너지 밀도를 높이는 것이며, 이를 위해서는 분리막의 박막화가 필요하다. 또한 기존 전자기기용 배터리와 전기자동차용 배터리의 화재 및 폭발의 위험성이 알려지면서 성능 못지않게 안전성을 확보하는 것이 중요해지고 있다.
대한유화가 개발한 초고분자량폴리에틴렌 특수수지는 독자적으로 개발한 촉매와 공정 노하우로 고객의 요구에 맞는 최적화된 물성과 가공성을 구현하였다. 리튬이온전지에서 요구되는 에너지 밀도와 안전성을 구현하기 위해 분리막의 열 안정성과 품질 균일성, 최적의 강도를 구현하였으며, 분리막 제조시 가공성을 높였다.
핵심기술 및 특장점
유화산업의 주요 요소기술은 크게는 물질설계기술, 공정기술, 조작기술, 분석평가기술 등으로 구성된다.
대한유화는 독자 개발한 촉매와 분체 형상 제어 기술을 통해 최적 입자의 크기, 높은 입도 균일성 및 구형 형태, 높은 겉보기 밀도를 구현하여 분리막의 물성 및 안정성을 확보하였다. 분체의 초고활성 구현을 통해 제품 내에 잔존하는 금속 성분을 최소화해 전극 간의 단락 위험성을 줄이고, 최적 첨가제 구성으로 분리막의 내구성을 향상시켰다. 또한 분자 설계 기술을 통해 분자량 조절 및 최적화 중합 조건을 확립하고 높은 결정화도 제품부터 낮은 융점을 가지는 제품까지 고객의 요구에 따라 초고강도 박막용, 저열수축용, 고안전성용 등 다양한 제품군을 개발하였다.
표 1. 개발제품의 특장점 비교
이러한 핵심기술을 통해 대한유화의 초고분자량폴리에틸렌 특수수지는 제품 균일성, 열 안정성, 강도, 가공성에서 경쟁력을 확보했다. 해외 경쟁사 대비 높은 겉보기밀도로 가공 안정성이 높고, 높은 결정화도로 내열성이 강화되었으며, 고안전성 분리막 제조가 가능하다. 열 안정성 및 기계적 강도 또한 우수하다.
대한유화가 개발한 초고분자량폴리에틸렌 특수수지는 일반 제품 대비 약 2배 가격의 고부가가치 제품 으로 한국과 중국을 중심으로 판매량이 급증해 2019년에 약 3만 톤, 800억 원의 매출을 기록했으며 세계 시장 점유율 50%로 1위를 달성하였다. 시장은 매년 30~40% 이상 급성장하고 있어 매출도 급속히 증가할 것으로 예상된다.
본 제품의 개발은 기술연구소를 중심으로 생산, 생산지원, 마케팅의 12명 핵심인력이 참여한 전사적인 개발팀을 구성하여 진행하였다. 2011년 시장조사를 시작으로 개발에 착수하여 2015년 7월에 사업화를 완료했다. 긴 개발 기간 동안 시장변화 및 고객의 요구 조건에 따른 제품 목표 설정부터, 촉매 최적화, 공정개발, 분석평가, 분체로 공급하는 양산공정 및 물류 이슈 해결, 고객지원에 이르기까지 수많은 어려움을 해결하고 세계 최고의 제품개발에 성공하였다.
기술혁신 성공 요인
석유화학산업은 대규모 투자가 소요되는 자본 및 기술집약적 산업으로 장기간의 기술개발 투자와 축적된 기술이 필요하다. 유화산업은 설비를 투자하면 수십 년 이상 영향을 미치며, 특히 수급 상황에 따라 성과가 달라진다. 유화산업은 사업전략을 수립함에 있어 수급 상황의 전망 및 구조개편에 대한 예측과 그에 따른 유연한 대처능력이 필요하다. 특히 범용제품에서 특수고분자 제품으로 산업구조가 전환하는 추세에 따라 고부가 특수제품 시장으로의 빠른 대응이 장기적인 성과에 중요한 영향을 줄 것으로 예상된다.01
01. 박동현(1994) 화학산업의기술혁신패턴. 과학기술정책동향
유화산업은 기술의 체화 대상과 기술집약도 측면에서 다양한 산업적 특성을 가지고 있다. 기술은 대부분은 설비에 체화되어 있으나, 공정 개발과 설계능력은 사람에게 체화되어 있다. 유화산업의 기술혁신은 주로 공정 쪽에서 일어나고 있는데 기존의 공정혁신이 주로 생산성 향상을 목적으로 했던 것과 달리, 최근에는 새로운 원료의 개발도 활발히 이뤄지고 있다. 제품 개발은 대부분 점진적으로 혁신이 일어나지만, 공정 개발은 새로운 반응이나 촉매의 개발에 의해 급진적인 형태로 일어나게 된다. 공정의 급진적 혁신은 그수준이 극히 높은 신공정 개발 및 설계기술이며, 고도의 기술혁신이다.
그럼 지금부터 대한유화의 성공 요인은 무엇인지 함께 살펴보자.
① 사업전략과 연구개발 방향 일체화로 고부가가치 제품 개발
대한유화는 기본적으로 고부가 재료를 많이 개발하고 있다. 분리막은 핵심 고부가가치 제품으로 개발 착수 당시 고부가가치 제품개발에 대한 사업전략과 연구개발 방향은 명확했다. 중점사업전략 중 하나로 고부가가치 제품 확대를 추진했는데 기존 고부가가치 제품 차별화와 동시에 새로운 고부가가치 제품을 찾는 것이 중요한 과제였다.
연구원들은 시장 동향을 파악하고 고객사와 교류를 통해 요구 조건을 탐색해 나갔지만, 전기자동차 시장이 어떤 규모와 속도로 발전할지, 분리막 재료에 대한 요구 조건은 어느 정도 수준일지는 개발기획 단계인 2011년 당시로써는 매우 불확실했다.
유화 제품 연구개발은 변화하는 상황에 따라 수정안을 반영하기 어렵다는 특성이 있다. 급변하는 시장 상황의 예측이 어려운 경우에는 사업전략 방향과 연구개발 방향의 정합성이 중요하다.
유화 제품은 용도가 명확하지 않은 제품을 개발하는 것은 상당히 위험부담이 크다. 개발하고 나서 용도를 찾는 것은 실패할 가능성이 높다. 대한유화는 실제로 고객에게 필요하고 판매할 수 있는 니치(틈새)시장을 찾아 기술적 진입장벽이 높은 분야를 우선으로 하고 있으며, 기술 장벽이 낮은 제품은 경쟁사가 금방 따라할 수 있으므로 피하고 있다.
니치시장은 고객의 요구사항이 어렵고 까다로운 부분이 많다. 가전제품이나 자동차에 들어갈 수 있기 때문에 품질의 안전성이 매우 중요하므로 요구사항이 매우 엄격하다. 대신 엄격한 기준에 맞춰 경쟁력을 갖춘 제품을 개발하면 기술 장벽을 구축할 수 있다.
본 개발제품은 대한유화의 독자적인 촉매기술과 기존 고분자분리막에서 축적된 역량을 활용하여 세계 최고의 경쟁력을 확보할 수 있었다. 아직 매출 규모는 크지 않지만, 이익 비중은 높은 새로운 고부가가치 제품이다.
제품개발 방향이 사업전략과 일체화되어 개발하더라도 개발 기간이 장기간 소요되는 유화 제품은 급격한 시장변화가 일어날 경우 그에 맞추기 힘들다. 기술 개발에 성공했다 하더라도 시장 트렌드의 변화 때문에 어려움을 겪는 경우도 있다. 본 제품은 고객사와 지속적인 기술 교류 및 신제품 개발 논의를 하며 고객 니즈와 기술 동향을 파악하고, 시장 트렌드를 유추하며 선제적으로 대응했다는 점에서 주목된다. 품질 균일성 및 물성과 가공성 등 고객 니즈에 대응했다는 점도 특별하다.
그림 2. 대한유화의 제품 개발 단계
② 전 부문이 참여하는 유기적인 통합개발체제
유화 제품은 연속공정을 통해서 나오는 제품으로 유기적인 개발체제가 중요하다. 연구개발부서 단독으로 개발하거나 단속적인 개발과정을 통해서는 고객이 원하는 제품을 개발하기 어렵다. 대한유화는 중요한 제품을 개발하거나 여러 부서와 협업이 필요한 경우 TF팀을 구성하여 체계적으로 개발을 진행한다.
본 제품은 핵심 고부가가치 제품으로서 전사적 통합개발팀을 구성하여 기술연구소를 중심으로 생산, 생산지원, 품질, 영업 등 12명의 핵심인력이 개발에 참여했다. 연구소에서도 제품개발을 담당하는 팀 외에도 촉매, 분석을 담당하는 팀이 참여하였다.
제품개발은 단계별로 진행되지만 전·후단계가 밀접하게 관여하면서 통합적으로 진행된다. 분자구조 설계는 촉매 최적화와 연관되어 중합 공정을 최적화하고, 파이로트 중합기를 통해 중합 안정성을 확보하며, 제조 조건을 확립한다. 가공연구를 통해 고객사에 최적화된 가공조건을 확립하고, 파이로트 가공을 통해 샘플을 제조, 최종 제품의 성능 및 가공성을 확인한 후 양산에 돌입한다. 한편 분석과 품질부서에서는 촉매, 공정, 가공기술 개발과 병행해 원료 단계와 최종 제품의 특성을 분석하고 평가 방법을 개발해서 목표하는 성능을 확인한다.
어떤 아이템이든 관련 부서 간 유대와 협력이 없으면 성공하기 힘들다. 예를 들어 기술적으로 구현이 가능하다고 해서 생산에 성공하는 것은 아니다. 시장 측면에서도 제품의 성능이 우수해도 판매가 잘 되는 것은 아니다. 시장 트렌드 및 고객의 요구와 잘 맞아야 한다.
본 제품을 개발하기까지 어려움이 많았지만, 대한 유화는 부서 간 협업을 통해 극복했다. 본 제품은 초고분자량으로서 기존 고분자 제품과 같은 펠릿(알갱이 모양의 플라스틱 원료) 형태로는 제조가 어렵고 분말 형태로만 가능하다는 특성을 가지고 있다. 제품 성능과 직결되지 않지만 이러한 특성으로 인해 취급이나 포장이 쉽지 않았다. 생산이나 물류 부문의 반대가 있었지만 고부가가치 제품 확대라는 사업 방향 및 고객 니즈 측면의 중요성에 모두 공감함으로써 설득이 가능했다.
전 부문이 참여하는 통합개발 체제에 더해 또 하나의 성공 요인은 현장 밀착형 연구조직을 들 수 있다.
대한유화 연구소는 공장과 같은 장소에 위치하고 밀접하게 연결돼 있어 제품개발에 신속하게 대응할 수있다는 장점이 있다. 현장과 관련된 아이디어라면 바로 논의가 가능하고 공정개발 및 생산 관련 부서와 협업 시에도 매우 효과적이다.
③ 고객 요구에 밀접 대응하는 연구개발
본 제품은 범용제품과 다른 특수고객용 제품으로 원료 개발 단계부터 최종 제품 개발까지 목표 고객의 니즈와 요구가 반영되어야 경쟁력을 갖출 수 있다. 대한유화는 제품기획 단계부터 고객사와 지속적인 기술 교류 및 신제품 개발 논의를 통해 고객 니즈와 기술 동향을 파악하고 고객 요구 조건과 제품개발 목표를 설정했다.
제품개발 단계에서는 최종 제품인 분리막의 목표성능을 만족하는 원료의 물성을 개발하는 데에 중점을 두는 동시에 분리막 필름을 제조하는 고객사의 가공성에 대한 요구도 만족해야 했다. 제품의 특성을 결정하는 여러 요소가 있는데 고객이 요구하는 것 중 할 수 있는 부분이 있고, 다 맞춰줄 수 없는 부분도 존재한다. 이러한 상황에서 제품의 성능과 가공성을 동시에 만족하기 위해 물성의 밸런스를 맞추는 것이 중요하다. 가능한 물성 밸런스를 조정해가며 고객이 만족할수 있는 최대치로 끌어 올려주는 것이 핵심이었다. 최근 다른 국내 업체에서도 시제품을 내고 있지만 이런 부분에서 상당히 까다롭고 어려운 장벽이 존재한다. 이런 과정을 통해 모델이 바뀔 때마다 인증을 받아야 하며, 최종 수요 업체에 적용해 인증받기까지는 1년 이상이 걸린다.
물성 밸런스를 조정하고 평가하기 위해 대한유화는 파이로트 가공설비를 도입하였다. 개발제품의 성능과 가공성을 만족하기 위해서는 최종 제품을 직접 제조하면서 해결해야 하기 때문에 파이로트 가공설비는 분리막용 특수수지 개발에 필수였다. 일반적인 제품들은 기존 업체가 설비를 다 보유하고 있으나 본 제품을 개발할 때만 하더라도 분리막 가공설비는 국내 제작이 어려운 상황이었다. 그럼에도 불구하고 대한유화는 고객사와 동일한 조건의 분리막 가공설비를 제작함으로써 성공에 한 발짝 더 다가갈 수 있었다.
한국 소재산업의 미래를 위하여
이차전지 수요가 전 세계적으로 급증하고 있다. 대한유화는 차별화된 제품개발을 통해 세계 선두지위를 유지하기 위한 노력을 지속적으로 하고 있다. ‘이차전지 분리막용 초고분자량폴리에틸렌 특수수지’를 넘어서는 제품을 구상하고 있다. 차세대 고성능 전기자동차를 목표로 가공성이 우수한 고강도 초박막용 제품과 개선된 촉매를 이용한 안전성과 내구성을 극도로 향상시킨 차세대 제품개발을 추진 중이다.
또한, 연구원들의 창의적인 아이디어를 끌어내고 연구원들의 자율적이고 수평적인 협업을 통해 아이디어를 혁신으로 성공시킬 수 있는 스마트 이노베이션 시스템을 구축하고 있다. 회사는 사업 방향, 경영방침만 정하고 나머지는 연구원 스스로 역량을 발휘하고 융합할 수 있는 문화를 만들고자 한다. 유화산업의 고도화와 한국 소재산업의 미래를 향해 노력하고 있는 대한유화의 기술혁신을 응원한다.
손호진 연구소장
대한유화㈜
경북대학교 화학과를 졸업하고 동 대학에서 석사 학위를 취득했다. 대한유화공업 기술 연구소에 근무 중이며 초고분자량폴리에틸렌, 이차전지분리막용 특수 원료(PE, PP), Pipe용 원료(PE, PP) 등을 연구하고 있다.
공동 작성/변남석 파트너(신사업전략연구소)
이정선 전문작가(프리랜서)