화석연료에서 신재생에너지로의 대전환이 시작되었다. BloombergNEF는 글로벌 이차전지 출하 규모가 2021년부터 2030년까지 15배 성장해 4,345GWh(약 700조원)까지 성장할 것이라 관측하고 있다. 신재생에너지 시장의 급성장과 함께 이차전지 소부장 업체의 글로벌 시장 진출 또한 활발하게 이루어지는 상황에서 자인에너지㈜는 독자 원천소재기술을 기반으로 한 차세대 배터리 개발에 도전하며 글로벌 이차전지 전문기업으로 나아가고 있다.

 

글로벌 초격자 확보할 핵심 첨단 소재 기술력 바탕으로 전략적 비즈니스 펼쳐나가

자인에너지㈜는 차세대 이차전지 소재 전문 기업으로서 독자적으로 확보한 음이온수용체 기반 이차전지 소재기술을 필두로 하여 본격적으로 소재의 양산화와 고성능 리튬이온배터리, 차세대고체배터리 개발을 추진하고 있다. 특히 신규한 소재의 합성부터 셀 설계 및 제작, 평가 및 검증을 할 수 있는 혁신적인 연구인프라를 구축하고 신규 소재를 적용한 리튬이온배터리 셀, 리튬고분자고체전지 셀 개발을 통해 이차전지 시장의 경쟁력을 확보해나가는 모습이다. 독자적인 소재기술이 적용된 고성능 전해질 첨가제(Z-AR) 및 전해액(Z-LYTE), 고분자고체전해질(Z-POLY), 바인더(Z-CHIB), 리튬이온전지(Z-BATT), 리튬고분자고체전지(Z-SOLID)가 자인에너지의 대표제품이다. 이주현 대표는 갈수록 경쟁이 치열해지고 있는 글로벌 이차전지 시장에서 우리나라가 배터리 강국의 지위를 유지하기 위해서는 셀 제조공정 기술뿐만 아니라 초격차의 핵심 첨단 소재 개발이 반드시 이루어져야 한다며, 지속적인 신소재기술을 확보하는 동시에 파트너사들과의 전략적 비즈니스를 펼쳐나갈 것이라 전했다. 차세대고체전지를 위한 고체복합전해질과 복합전극에 대한 연구 또한 신기술 확보를 위한 노력의 일환이다.

“고체전지기술의 핵심은 액체전해액을 고체전해질로 교체해서 더 안전하고 더 높은 에너지밀도를 갖는 전지를 만드는 데 있습니다. 다만 아직까지 전고체라는 고정된 패러다임에 갖혀 있는 상황인데, 상용화를 위해서는 이제까지 개발된 요소기술들 간에 융합을 통해서 기술적인 난제들을 해결해나가야 한다고 봅니다. 고체 같은 액체, 액체 같은 고체 전해질의 복합고체전해질 연구가 더 활성화될 것이라고 예측됩니다. 이러한 복합고체전해질 개발에 있어서 저희 자인에너지의 전해질과 바인더가 중요한 요소기술로 자리잡을 것이라고 생각합니다.”

이차전지 소부장 특화단지인 충북 오창산업과학단지에 자리한 자인에너지는 소재 합성부터 차세대 이차전지 제작 및 성능테스트를 위한 R&D 기반 시설을 토대로 기술력을 높여가고 있다. 자인에너지의 소재기술은 한국과학기술원, 한국과학기술연구원, 한국화학연구원의 토대 위에서 학술적인 호기심과 더불어 사업화와 상용화에 목적을 두고 개발된 독창적인 기술로 평가받고 있다. 이주현 대표는 리튬이온배터리 시장의 기술 동향에 관해 “리튬이온배터리의 상용화는 일본에서 시작되었고, 우리나라는 원천소재기술이 일본에 종속된 상태에서 셀 제조기술을 중심으로 시작되었다고 볼 수 있다”며, “20년이 넘는 기간 동안 국내외로 많은 발전과 변화를 겪으면서 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 대기업 중심으로 국내 배터리 산업이 발전해왔고, 소재 기술은 대학과 연구기관을 통해 상당한 성과를 거두어 왔다”고 강조했다.

자인에너지 기술의 중심에는 CTO이자 연구소장인 이주영 박사가 있다. 이주영 박사는 기업에 다니면서 뒤늦게 연구를 시작했다고 회고했다. 그는 한양대 공업화학과 동기였던 서동학 교수 연구실에 들어가 고분자 전해질 연구를 시작했고, 한국과학기술원에서 본격적으로 음이온수용체 기반 전해질 연구를 하여 독자적인 물질 체계를 확보에 몰두해왔다. 연구개발단계에서부터 상용화 가능한 소재 개발에 방점을 두고, 이후 한국과학기술연구원의 前이차전지연구센터장인 조병원 박사 연구실에서 상용화를 위한 검증을 거치면서 사업화에 대한 자신감을 얻을 수 있었다고 전했다. 이주영 박사는 음이온수용체 전해질 첨가제를 사업화하고자 2011년 자인케미칼을 창업하였다.

“처음으로 창업을 시도하던 2011년은 시장에서의 기술적인 수요가 크지 않던 시점이었고, 투자적으로도 관심이 없었습니다. 아직 시장이 무르익지 않았다는 판단으로 기술보안을 지켜내면서 수요처로부터 검증을 받으며 때를 기다리며 버텼습니다. 그러다가 전기차 시장의 성장과 RE100 등 기후변화에 대한 대응을 비롯해 2019년 일본의 수출규체조치 등으로 새로운 기회를 맞이하게 됩니다. 하지만 자인케미칼은 데스밸리에 빠져들었습니다.”

이주영 박사의 아들이자 학교 후배인 이주현 대표 역시 “곁에서 십수 년의 검증과 그 결과들을 지켜봤을 때, ‘이것은 되는 아이템이다. 사장되는 것은 너무 아깝다’ 생각을 했다”고 한다. 이에 이주현 대표와 이주영 박사는 스타트업으로서 소재만으로 이차전지시장에 진입하는 것에 대한 한계를 체감하고, 2022년 자인에너지를 새롭게 창업했다. 본격적인 궤도에 올라온 자인에너지는 독자 소재를 담은 차세대배터리셀을 개발하여 선보임으로써 소재 시장과 셀 시장 모두에 들어간다는 목표를 기반으로 한발 한발 전진해나가고 있다.

 

高용량, 高안정성, 高성능 배터리 구현하기 위한 독자기술, ‘다기능성 음이온수용체(AR)’ 솔루션

전기차 등 미래 모빌리티의 필수요소로 손꼽히는 이차전지는 지속적인 충·방전을 통해 높은 에너지효율을 자랑하며 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 특히 고체배터리는 소형 IT, ESS용으로 시장에 진입한 이후 궁극적으로는 EV용으로 활용될 것으로 기대되며, 이와 함께 2022년 2GWh에서 2030년 160GWh로 80배 성장할 것이라는 관측이다. 그러나 화재 안전과 충전 속도, 주행거리, 저온 성능 취약 등 배터리가 풀어가야 할 과제도 산적해 있다.

이에 자인에너지㈜는 새로운 음극과 전해질을 개발하며 고용량, 고안정성, 고성능 배터리 구현을 위한 연구개발을 이어간다. 이주현 대표는 음이온을 고정화하고, 양이온의 단일이온전도효과(Single ion conducting effect)를 유도함으로써 양이온의 전도도를 획기적으로 향상시킬 수 있다고 설명했다. 이를 위해 자인에너지는 원천기술인 ‘다기능성 음이온수용체(AR)’ 솔루션을 독자적으로 완성했다. 다기능성 음이온수용체를 전해질에 도입하면 리튬염의 음이온(PF6-, TFSI-, FSI-, PO2F2- 등)을 전기적으로 포획함으로써 단일이온전도효과가 유도된다. 이를 통해 리튬 양이온 Li+의 이온전도도를 향상시키고 내부저항을 감소시킬 수 있다. 또한, 반응성이 큰 음이온을 전기화학적으로 안정화하여 전해질 열화를 줄이고, 전극 표면에 피막(SEI/CEI)을 형성시킬 수 있는 기능기를 함유하여 전극 계면에서의 저항감소, 전극 내구도를 향상하는 데에도 기여한다. 연구 기획 단계에서부터 사업화를 목표로 내건 만큼 공정을 단순화하는 데에도 무게를 실었다. 이는 가격 경쟁력은 물론 친환경성을 충족하는 성과로 이어졌다.

자인에너지는 ESG 공급망 진입을 목표로 친환경 제조공정과 소재 개발에도 집중하고 있다. 자인에너지의 핵심소재인 음이온수용체의 제조공정은 상온, 상압 하에서 1~2 STEP 반응으로 완성되며, 유해화학물질 사용과 폐기물 배출을 최소화할 수 있도록 개발되어 친환경성은 물론 가격경쟁력을 확보했다. 또한, 자연에 풍부한 키토산에 전기전도성 등의 기능성을 부여한 음이온수용체 기반 키토산 바인더(Z-CHIB)를 개발하는 등 친환경적이면서도 기술성과 경제성을 충족하는 소재를 선보이고 있다. 자인에너지는 이러한 소재 기술을 토대로 차세대 음극소재인 리튬메탈음극, 실리콘계음극의 수명특성한계를 극복하고 고용량, 고안전성, 고성능 배터리를 구현하기 위해 노력하고 있다.

 

글로벌 협력 프로젝트 추진하며 배터리 제조사 향해 나아간다

신재생에너지 시장의 성장과 함께 전기차에 대한 관심이 증대되는 가운데 자인에너지㈜는 신성장 및 신사업 기회를 포착하고, 고부가가치를 지닌 차세대 이차전지 소재기술을 개발하는 데 집중해왔다. 엔드유저인 EV제조사 및 배터리 제조사의 기술검증과 해외 제조사 레퍼런스를 확보한 후 국내외 공급체인에 진입한다는 계획이다.

우선 소재 부문에서는 소재검증 및 최적화를 거쳐 공급망에 진입한다는 로드맵을 구축했다. 현재 국내 H사와 진행 중인 협력 PoC 프로젝트는 리튬 메탈 배터리 수명을 기존 대비 130% 수준으로 향상할 수 있는 전해질 개발을 목표로 한다. 이를 위해 자인에너지의 음이온수용체(AR) 첨가제 기술이 도입되었으며, AR을 함유한 리튬메탈배터리용 전해질 개발, AR에 의한 음이온 안정화 및 부반응 억제 등을 연구 중이다. 이외에도 유럽L사와의 순수 실리콘 음극 배터리용 전해질 검증, 중국Z사와의 리튬인산철(LFP) 배터리용 고성능 전해질 검증, 국내 V사와의 리튬이온수퍼캐패시터용 고성능 전해질 검증 등의 프로젝트를 수행 중이다. 일본의 K사에서는 자인에너지의 AR-키토산 바인더 소재에 관심을 보이고 있다.

이차전지 부문에서는 수요 맞춤형 전지를 개발·검증한 후 양산화 및 공급 단계로 나아간다는 구상이다. 이와 관련해 국내 D사와 군용 드론 배터리 국산화 개발 및 샘플 납품, 국내 A사와 소형 파워팩 및 70KWh급 ESS개발을 진행 중에 있다. 자인에너지는 지난해 5월 베트남 하노이에서 개최된 ‘2023 더벨 글로벌 투자 로드쇼-베트남’에 참가한데 이어 지난해 11월 베트남 호치민에서 열린 ‘베트남 테크 페스트 2023(Tech Fest 2023)’에서 자사의 전기오토바이용 배터리를 소개하기도 했다. 세계 각국의 산업기지가 모여든 동남아시아 최대 산업허브이자 인구 절반이 오토바이를 보유하고 있는 베트남은 정부와 민간 모두 온실가스 감축 프로젝트에 뜨거운 관심을 보이는 국가다. 이주현 대표는 신재생 에너지산업에 활발한 투자가 이루어지고 있는 베트남에서 배터리 기술을 소개할 수 있어 의미있는 시간이었다고 전했다.

“소재측면에서는 스케일업을 빠르게 진행할 계획입니다. 배터리 제조 측면에서는 당장 몸집을 키우기보다는 랩 차원에서 시제품을 만들고, 물량확보를 해나가면서 차근차근 스텝을 밟아가고자 하며, 국내에서의 대규모 설비 투자를 단행하기보다는 베트남, 중국 등을 해외 거점으로 삼고 전략적으로 대응하며 사업을 키워나갈 계획입니다.”

이주현 대표는 배터리 사업은 기술 경쟁을 통해 후발주자도 충분히 진입 가능한 시장이라며, 경쟁력 있는 소재를 담은 차세대 리튬 배터리를 구현하며 2027년에는 글로벌 이차전지 전문기업으로 발돋움한다는 청사진을 그렸다. 배터리들은 사용하는 소재와 공법에 따라 다양한 조합이 가능해 각 기업들이 단계별로 필요한 모든 기술을 개발하고 적정한 기술 포트폴리오를 확보하기가 쉽지 않은 분야이지만, 파운드리 사업의 등장, 밸류체인의 다변화, 신규 시장 확대 등으로 전략적인 비즈니스를 통해서 배터리 제조에 다가설 수 있으며, 특히 자인에너지는 성능과 가격경쟁력을 확보한 소재기술과 이에 기반한 배터리 제조를 목표로 하여 더욱 기대가 되고 있다.

 

스케일업을 위한 노력, 끊임없는 기술 고도화로 차세대 배터리 제조라는 목표를 향해 나아갈 것

일찍이 배터리 분야의 성장 가능성을 확신하고 관련 연구를 시작했던 자인에너지㈜는 시장이 성숙하기를 기다리며 기술을 고도화해왔다. 기업을 설립하던 2022년은 기술은 이미 완성되어 있는 시점이었다. 이에 자인에너지는 창업 초기부터 시장진입을 목표로 발 빠르게 움직였다. 소재를 스스로 검증하며 배터리 제작에 도전한 것 또한 이러한 기조의 연장선상에 있다. 지난해 상반기에는 배터리를 만들기 위한 연구실을 구축하고, 하반기에는 국내외 기업과의 협업 프로젝트를 추진했다. 오픈이노베이션을 진행하는 기업이라면 어디든 찾아가 적극적으로 기업의 이름을 알리는 한편 투자유치를 위한 노력을 이어가 블루포인트파트너스로부터 시드투자유치에 성공하였다. 이주현 대표는 스케일업을 위한 기초를 마련하는 한해였다고 돌아봤다.

올해는 스케일업에 집중한다. 에코프로파트너스가 전략적투자자로서 함께하며, 올 상반기 파일롯 규모의 합성을 수행하고 스케일업 결과를 입증한다. 지난해부터 시작된 수요처들로부터의 검증결과와 구매의향을 확보하여 시리즈 투자유치의 기반을 다진 후, 2025년부터는 실제 공장 단위에서의 양산에 돌입한다는 계획이다. 이 대표는 자인에너지가 선보인 아이템이 시장에 잘 뿌리내려 더 좋은 배터리의 탄생에 기여하는 것이 목표라며, 필요하다면 비즈니스의 방향을 전략적으로 수정하며 성장해갈 것이라 말했다.

이와 더불어 이주영 박사는 100년 역사를 지닌 기업을 만들고 싶다는 포부를 제시했다. 일본과 대만의 중소기업을 예로 들면서 한 국가가 산업발전을 이루기까지 기술 기반을 탄탄히 뒷받침하는 중소기업이 있었다는 설명이다. 이주영 박사는 기초가 튼튼할 때 산업이 튼튼하게 자라날 수 있다며, 자인에너지는 끊임없이 혁신기술을 개발하여 대한민국의 지속 가능한 미래에 힘을 보태겠다고 전했다.

“하나의 아이템이 세상에 나오기까지 풀어가야 할 과제들이 많겠지만, 저희만의 소재와 기술력이 녹아든 배터리를 생산하겠다는 목표를 향해 차근차근 나아가고자 합니다. 목표한 바를 하나씩 이루어가면서 좋은 기업으로 성장하는 것이 저희의 꿈이죠. 이윤 창출을 넘어 함께 일하는 분들이 행복하고, 우리가 함께하는 기업들과 동반 성장할 수 있는 기업, 지속 가능한 미래에 기여하는 기업을 향해 나아가겠습니다.”