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오늘은 2차 전지 장비업체 중 레이저노칭 업체에 대해 조사해 보았습니다.
바로 디이엔티라는 업체 입니다.
디이엔티에 대해 안내드리기 전 노칭공정과 레이저 노칭에 대해 먼저 공부해 보겠습니다.
노칭공정을 이해하기 위해서 2차 전지 전반적인 공정흐름도를 한번 살펴보겠습니다.
2차전지의 제조과정은 크게 전극, 조립, 활성화 및 기타 공정으로 이뤄집니다.
- 전극공정 : 양/음극 슬러리를 집전체에 코팅하고 이를 압연하여 사용가능한 극판을 제조하는 공정입니다.
- 조립공정 : 양/음극 전극과 원재료를 가공 및 조립하여 완성 셀을 만드는 공정입니다.
- 활성화공정 : 조립공정에서 완성된 셀에 전기적 특성을 부여하는 공정입니다.
노칭 공정은 아래 공정흐름도와 같이 조립공정의 첫 단계에 해당합니다. 전극공정의 마지막 단계인 슬리팅 작업을 통해 1차 절단된 글판을 실제 배터리 셀 모양에 맞춰 따내는 공정입니다. 프레스 노칭이라고도 불리는 기존 금형 노칭 방식에서는 전극 파단이 많이 생기고(금형의 상/하 운동에 따른 물리적 접촉에 의한 충격으로 파단에 취약) 절단 이물 문제로 칼날은 자주 교체해야 하는 단점이 있습니다.
또한, 노칭 공정은 다른 공정에 비해 상대적으로 많은 시간이 소요됩니다. 다시 말해 전체 공정에서의 neck 공정으로 폭발하는 2차전지 수요에 대응하기 위해 CAPA 증설 및 생산성 향상을 이해 반드시 개선되어야 할 공정 중 하나입니다.
이러한 관점에서 그동안 금형 노칭 방식을 채택해 왔던 LG에너지솔루션, 삼성SDI는 신규 증설라인에 레이저 노칭 설비를 도입하기 시작했고, 기존 양산 라인도 순차적으로 레이저노칭 설비로 확산 전개할 예정입니다. LG에너지솔루션이 오창 공장에 선제적으로 레이저 노칭 장비를 도입하였고 삼성SDI도 헝가리 전기차 배터리 생산공장 증설라인에 레이저 노칭 장비를 도입한 것으로 알려졌습니다.
금형 노칭과 레이저 노칭의 차이점에 대해 자세히 알아보겠습니다.
1. 금형노칭
금형 노칭 방식은 프레스 노칭 방식이라고도 합니다.
아래 이미지와 같이 양극 음극판을 상판 하판으로 이루어진 금형이 날카로운 날로 물리적으로 잘라 주는 장비입니다.
프레스 칼날은 몇 백만 번 사이클을 거치면서 마모가 되게 되고 그로 인해 표면 burr와 같은 품질 문제가 나오기 전에 주기적으로 예방보전이 필요합니다. 이렇게 칼날에 대해 유지보수에 따른 설비부동 로스 loss 및 칼날 교체 비용 등이 발생합니다. 쉽게 말해 커터칼을 계속 사용하다 보면 무뎌지게 되고 이때 칼날을 부러뜨리거나 새로운 날로 교체하는 것과 같습니다.
또한 생산해야 하는 배터리 셀 사양이 바뀔 때마다 사용 중인 금형을 설비에서 내리고 새로운 금형으로 교체해야 하는 기종교환(형교환) loss 또한 효율을 떨어뜨리는 원인 중 하나입니다.
뿐만 아니라 이러한 금형 유지보수 및 형교환 작업을 숙련된 작업자에 의존하고 있습니다. 사람 손을 많이 탄다는 점 때문에 글로벌 사이트로 확장 시, 금형 노칭 기술력을 온전히 전수하고 안정화하기까지 상당한 시간이 소요되는 단점이 있습니다. 실제로 셀 제조업체의 상당수가 국내외 각 사이트에 금형노칭 설비 관리를 장비 공급사에 일임하고 있는 것으로 알고 있습니다.
2. 레이저 노칭
레이저노칭 장비의 경우 레이저 소스를 이용하여 양극 음극판을 자릅니다. 다시 말해 비접촉식 가공 방식으로 품질 문제가 적어 수율 개선 가능성이 있습니다.
또한 초기 투자 비용이 프레스 대비 높으나 관리 포인트가 적다는 점 때문에 장기적인 관점에서 경제적 우위에 있다는 것이 일반적인 주장입니다. 레이저 노칭 장비는 보통 1년 반을 사용하면 레이저 소스를 교체해야 합니다. 그렇지만 금형 노칭 방식에서는 칼날 교체에만 연간 수백언원 투입해야 하고, 금형에 낀 이물을 제대로 제거하지 못해 금형이 동작하는 경우에는 금형 찍힘이 발생해 아예 통으로 교체해야 하는 위험도 있게 됩니다.
참고로 레이저 노칭 장비의 신규 설치 비용은 금형장비 보다 2배가량 비쌉니다. 삼성 SDI 측에 레이저 장비를 공급하는 필옵틱스의 경우 장비당 가격이 30억 원 수준인 것으로 알려졌습니다.
그 밖에도 레이저노칭의 주요 공정 조건인 레이저 출력, 주파수가 경우 HMI 패널에서 디저털 방식 제어가 가능하기 때문에 작업자의 숙련도에 기대지 않아도 되는 장점이 있습니다. 또 레이저는 금형노칭 방식 대비 주행 중 원단에 걸리는 장력(텐션) 적게 걸리기 때문에 파단이 적게 일어 납니다.
이러한 점이 복합 적으로 작용해 금형노칭 대비 레이저노칭 사용 시 설비 가동 효율이 약 5%가량 향상 할 수 있습니다.
2-1) 양극 음극의 레이저 노칭 차이
양극과 음극 레이저 노칭 기술은 차이가 있습니다. 음극보다 양극을 레이저 노칭하는 것이 훨씬 어렵습니다.
양극은 집전체로 알루미늄(알박)을 사용하고, 음극은 구리(동박)를 사용하고 있고 두 소재의 반샤율 차이 때문입니다.
알루미늄은 레이저 에너지의 50%를 흡수하는 반면 구리는 10%만을 흡수합니다. 다시 말해, 양극을 레이저 노칭하기 위해서 음극 대비 더 높은 밀도의 레이저 노칭 기술이 필요하게 되는 것입니다.
이밖에도 음극 동박은 6-8um이지만, 양극 알박은 12-15um 두께로 음극 대비 약 2배 이상 두껍습니다. 또한, 여기에 양극 활물질이 양면으로 코팅되면 실제 잘라내야 하는 두께는 200um 정도의 두께로 올라갑니다. LG에너지솔루션은 이 때문에 양극의 경우 활물질 코팅층을 제외한 무지부(알박 포일 층)만을 레이저 노칭 하는 타입으로 레이저노칭을 선제 적용하고 있고 합제층(포일 + 활물질층)을 노칭하는 기술 개발을 장비 업체와 지속해오고 있습니다.
양극 레이저 노칭 난이도가 음극에 비해 더 높다는 것을 실험으로 보여준 사례가 있습니다.
레이저 노칭 후 노칭면의 컷팅 품질을 확인하는 척도로서 업계에서는 HAZ(Heat Affected Zone) 열영향도과 Burr를 이용합니다. HAZ는 열 영향을 받은 절단면을 의미하고 Burr는 레이저 절단 시 끝이 말려 올라가는 것을 의미합니다.
아래는 동등 실험조건에서 진행된 알루미늄과 구리 포일의 HAZ, Burr 품질 비교에 대한 사진입니다. Burr의 경우 두 시료 모두 유의차 없지만 HAZ의 경우 구리 대비 알루미늄에서 약 2배 정도의 HAZ가 생겼습니다. 즉, 동등 수준의 품질을 구현하기 위해서는 양극의 레이저 노칭 기술 난이도가 더 어렵다는 것을 확인할 수 있습니다.
3. 디이엔티
디이엔티는 LG에너지솔루션에 레이저노칭 장비를 단독 공급하면서 올해 매출액 기준 1500억 원 규모로 기존 매출 400억 원 대비 3배 이상 실적이 오를 것으로 기대되는 2차 전지 조립공정 대표적인 장비 업체입니다.
디이엔티는 디스플레이와 2차전지 장비를 제조하는 기업으로
디이엔티는 1999년 설립되어 2009년 코스닥 상장되었습니다. 설립된 이후 기존에는 LCD 검사장비로 성장해 오다 OLED 검사 장비까지 사업을 확장했지만 한국 디스플레이 사업의 침체로 매출이 급감하게 되었습니다.
실제로 2017년도 디이엔티의 매출은 1786억 원에서 2018년 749억 원, 2019년 296억 원으로 매년 매출액이 급감하였고 이는 적자로 이어졌습니다. 이를 극복하기 위해 디이엔티는 2차전지 사업에 뛰어들게 됩니다.
최근 전기자동차 및 스마트기기 수요, 공급이 폭발적으로 성장으로 2차전지 수요가 함께 늘어나고 있는 추세에 편승하여 사업 구조를 전환하고자 노력해왔습니다. 특히, 디스플레이 사업에서 경험한 레이저 기술을 바탕으로 이차전지 조립 공정 중 기존 금형 노칭 방식을 대체할 수 있는 레이저 노칭 장비를 개발하여 LG에너지솔루션과 같은 주요 고객사에 공급하고 있습니다. 2017년부터 레이저 노칭 장비를 개발하기 시작해 2021년 말부터 레이저 노칭 장비에서 매출이 발생하였습니다.
디이엔티 공시자료를 살펴보면 2023년 조회 기준 매출의 80~90%가 배터리 장비 및 필드서비스에서 발생하고 있습니다.
국내 2차전지 고객사의 외형성장에 따른 활발한 설비투자로 수혜를 입을 것으로 보입니다. 또한 2023년 까지 양극노칭장비 독점공급이 예상되어 안정적 매출액 증가가 담보되어 있고, 장비 납품 이후 고마진 소모성 부품 매출 및 필드서비스 매출이 지속 발생되어 수익성 개선 효과가 있을 것이라고 합니다.(하나금융투자 참조)
특히, 최근에는 1100억 원의 유상증자를 통해 자금을 조달하였고 이차전지 레이저노칭 장비 CAPA 증설에 투입할 예정입니다. 2차전지 배터리 제조사의 CAPA 증설에 대응하기 위한 행보라고 할 수 있습니다.
조달된 자금은 수주가 늘어난 데 대한 원재료 구입과 운전자본에 상당수 투입됩니다. 또한 장비 개선 및 신기술 적용되고
일부 차입금을 상환하는 데에도 사용됩니다.
디이엔티에 따르면 배터리 제조사들이 공격적으로 증설을 감행하고 있고, 이에 대한 수주 물량 대응을 위해 막대한 운영 자금이 주요 장비업체에도 필요한 상황이라고 하였습니다. 또한, 양극 음극 레이저노칭 장비를 모두 양산하여 공급 가능한 곳은 디이엔티가 전 세계 유일합니다. 선도주자로서 해당 분야 기술 격차를 통해 수주전에 적극 대응하여 매출을 일으키기 위해 노력할 것이라고 말했습니다.(전자신문 참조)
하지만, 디이엔티의 수주 실적에만 주목해서는 안됩니다.
중국 난징공장에 납품했던 양극 레이저 노칭 장비가 성능 문제로 일부 프레스 장비로 교체된 것으로 알려졌습니다.
성능 검증이 되지 않아 변경한 것은 아니라고 디이엔티에서 밝혔지만 이는 모르는 문제입니다.
실제로 위에서 양/음극 레이저노칭의 난이도 차이에 대해 언급했었습니다. 또한 국내 3사 중 양극에 까지 레이저노칭 적용을 시도한 업체는 LG에너지솔루션이 가장 적극적입니다. 나머지 삼성SDI나 SK온도 검토는 하고 있지만 조심스러운 행보를 보이고 있습니다.
그 밖에도 디이엔티가 양/음극 레이저노칭 장비를 공급은 하지만 장비의 핵심 기술인 레이저 소스 기술은 자체 기술이 아닌 수입사(독일-트럼프, 미국 코히런트 사)에 의존하고 있습니다. 또한, 수주 이후 목표 기간 내 장비를 일정 수준 이상으로 인도하지 못하면 추후 인력이 지속 상주하며 고객 대응을 해야 하기 때문에 추가 비용이 발생하기도 하는 것으로 알고 있습니다.
[참고 1] 디이엔티, 필옵틱스 주가
디이엔티는 주가입니다. 2021년부터 엄청 상승했습니다.
[참고2]LG에너지솔루션, 삼성SDI 주가
국내 완성 셀 제조 업체 LG에너지솔루션과 삼성SDI 주가입니다.
50-60만 원 대를 왔다 갔다 하고 있습니다.
[참고3]2차전지 수요 대비 공급 부족, 그로인한 CAPA 증설 및 장비업체의 성장 가능성
2차전지 수요 대비 공급이 빡빡한 상황은 글로벌 차원의 현상입니다. 세계적으로 2차전지 마켓은 지속적으로 성장해오고 있습니다. 아래 그림을 참고하면 2021년 2차전지 수요가 공급을 앞지를 전망을 보이고 있고 25년 그 차이가 약 361 GWh에 달할 것으로 예상됩니다.
대표적으로 국내 배터리 셀 제조업체 3사 LG엔솔, 삼성 SDI, SK온의 수주 잔고 총액은 약 280조이지만 각 회사의 생산능력의 총합은 35조로 공급능력이 수요에 비해 턱 없이 부족합니다.
이에 2차전지 셀 제조업체들은 공급을 늘리기 위해 꾸준히 CAPA 증설을 하고 있습니다. 이러한 공격적인 증설에 필수적으로 따르는 것은 공정 조기 안정하, 수율개선 및 생산공정 고속화 등입니다. 즉 장비업체의 역할도 셀 제조 업체의 CAPA 증설에 지대한 영향을 미친다고 할 수 있습니다.
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