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지난 6일 찾은 포스코퓨처엠 광양 공장으로 향하던 길의 이름은 '율촌포스코미래로(路)'였다. 철강에 이어 배터리 소재로 사업 범위를 넓히고 있는 포스코그룹이 전략 자원 공장에 거는 기대를 도로 이름에서도 확인할 수 있었다.
원료 섞고 굽고 씻고···전기차 85만대분의 양극재 만드는 공장
공장은 들어가는 과정부터 까다로웠다. 덧신과 방진마스크, 안전모, 헤어캡을 착용해야 했다. 이러한 장비들은 모두 외부에서 들어오는 이물질이 제품에 섞이는 것을 막기 위한 조치라고 설명했다.
이동하는 길목 중간중간에도 신발에 붙은 이물질을 떼어내기 위한 매트가 설치돼 있었다. 공장의 품질 관리는 공장에 들어선 순간부터 시작되고 있었다.
"작업자가 많이 보이지 않는 이유는 저희가 지금 자동으로 관리하고, 제어하고, 모니터링하고 있기 때문입니다"
도착한 포스코퓨처엠 양극재 공장에서 현장 관계자는 생산설비를 두고 이같이 설명했다. 소성로와 연결된 복잡한 설비들 사이 작업자가 보이지 않았던 이유다.
하얀 바구니 모양의 용기에는 원료가 담겼고, 생산라인에서는 투입과 배출이 이루어지며 공정에서의 설비가 내는 소리만이 공장을 가득 채우고 있었다.
광양의 양극재 공장은 연간 9만톤의 생산능력을 갖춘 시설이다. 원료 확보부터 소재 생산, 재활용까지 이어지는 이곳은 단일공장 기준 세계 최대 규모다.
아이오닉5같은 70kWh 배터리를 탑재한 전기차를 약 85만대 생산가능한 수준으로 총 13개의 생산라인에서 다양한 조성의 삼원계 양극재를 만들어낸다.
양극재를 만드는 과정은 원료를 잘 섞어서 굽고, 씻어서 말린 뒤 다시 열을 가하는 작업으로 정리할 수 있었다. 다만 이 과정에서 똑같은 작업을 반복한다고 해서 같은 품질의 제품이 나오는 것은 아니었다.
원료의 혼합 비율부터 시작해서 원료 투입량, 공정 속도와 온도까지 일정하게 관리해야 신뢰할 수 있는 제품이 생산됐다.
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양극재의 출발점은 니켈·코발트·망간 등을 조합한 중간 원료인 전구체다. 여기에 리튬을 더해서 고온에 구우면(소성 과정) 배터리 성능을 좌우하는 양극재가 된다.
이후 제품에 따라 표면에 남은 리튬을 씻어내고 건조(수세·건조)하는 과정을 거친다. 그리고 이 과정에서 변화한 입자 표면을 안정화하기 위해 열처리와 이물 제거를 마치고 포장 단계로 넘어간다.
생산 과정만큼 품질을 검사하는 공간도 세분화돼 있었다. 샘플소분실과 물성분석실, 샘플보관실, 드라이실 등이 있었다.
품질 검사를 위한 시료 채취도 자동화 시스템이었다. 현장에서 채취한 제품 샘플을 캡슐에 담으면 공기 압력을 이용해 품질분석실로 보낸다. 초당 5m 속도로 이동하는 '에어슈팅' 기술이다.
이처럼 설비 사이에서 작업자가 보이지 않았던 이유는 각 과정에서의 작업 조건을 일정하게 유지해야 하는 생산 특성과 관련이 있었다. 가루 형태의 원료와 제품을 다루는 공정에서 인간의 수작업 의존도가 높아지면 투입이나 이송 과정의 오류(휴먼 에러)가 품질과 안전 문제로 이어질 수 있다는 것이었다.
포스코퓨처엠은 광양 공장에 집약된 스마트팩토리와 공정기술을 모델로 삼아 국내외 생산거점의 경쟁력을 높여나간다는 계획이다.
포스코퓨처엠 관계자는 "그룹의 광석·염수·재활용 기반 원료 공급망을 활용해 글로벌 무역규제에 유연하게 대응하고 있다"며 "광양 공장은 자동화 설비와 실시간 공정 관리를 통해 안정적인 품질과 생산성을 확보하는 거점"이라고 설명했다.
호주에서 온 고운 광석···두 가지 공정으로 생산되는 배터리용 리튬
바로 옆에 위치한 포스코필바라리튬솔루션 공장으로 이동했다. 포스코필바라리튬솔루션은 포스코홀딩스와 호주 PLS그룹이 합작 설립한 회사로 호주와 맺은 20년 장기 원료 구매 계약을 기반으로 광석을 확보하고, 확보한 광석을 국내에서 배터리급 수산화리튬으로 가공하는 과정을 거친다.
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포스코필바라리튬솔루션 광석원료 창고에서는 광석이라고 하면 일반적으로 생각하는 돌덩이 형태의 광석이 아닌 백사장의 고운 모래 형태의 원료가 쌓여 있었다.
현장 관계자는 호주 광산에서 채굴한 광석을 잘게 부수고 약 1000도에서 구운 뒤 선별한 원료를 배에 실어 약 보름간 항해한 광석을 배터리용 리튬으로 가공한다고 설명했다.
이렇게 광양에 도착한 광석에서 리튬을 꺼내는 첫 번째 단계는 굽는 작업이다. 광석에 열을 가하게 되면 단단했던 광물의 구조가 바뀌면서 리튬을 추출하기 쉬운 상태가 된다.
현장에서는 이를 팝콘처럼 부풀어 오르는 과정에 빗대어 설명했다. 고운 모래처럼 보이는 원료도 그대로는 리튬을 꺼내기 어렵기에 열을 가해 내부 구조를 바꿔주는 것이다.
이후 황산과 반응시키고 물로 녹여내면 리튬이 황산리튬 용액 형태로 빠져나오게 된다. 여기서 불순물을 제거하고 양극재 원료로 사용하는 수산화리튬으로 전환하게 된다.
같은 원료를 사용하지만 이러한 공정에는 두 가지의 생산라인 차이가 있었다. 1라인에는 포스코가 자체 개발한 전기투석 방식이, 2라인에는 가성소다를 넣어 화학반응으로 전환하는 상용 공정 방식이다.
1라인은 전기와 막을 이용해 황산리튬 용액을 수산화리튬 용액으로 바꾸는 방식이다. 이 방식은 전기를 더 사용하는 만큼 전력 가격에 더 영향을 받는다.
대신 공정 과정에서의 부원료 비용이 들지 않고, 환경에 영향을 줄 수 있는 부산물(황산나트륨)이 나오지 않는다. 회사는 향후 해외에 공장을 짓게 됐을 때 해당 국가의 전기료와 환경 규제 조건에 맞는 공정을 선택할 수 있도록 운영 경험을 쌓고 있다고 설명했다.
나아가 두 공정 운영 경험을 바탕으로 생산을 최적화하고 자체 기술을 고도화해 광석 기반 리튬 사업의 경쟁력을 높여나갈 방침이다.
검은 가루에서 다시 배터리 원료로···자원 순환 맡은 HY클린메탈
리튬 공장을 보고 이어 찾은 곳은 포스코HY클린메탈이었다. 이곳은 이미 사용됐거나 생산 과정에서 남은 자원의 금속을 회수하는 곳으로 배터리와 양극재를 만들면서 발생한 스크랩과 수명이 다 된 폐배터리가 다시 소재 공급망으로 합류하게 되는 지점이다.
공장에 들어오는 주요 원료는 '블랙매스'다. 폐배터리 등을 전처리해서 얻은 검은색의 가루로 안에는 니켈과 코발트, 리튬 등 다시 사용할 수 있는 금속이 섞여 있다. 포스코HY클린메탈은 이를 분리하고 정제해 전구체와 양극재 원료로 공급하는 후처리를 맡고 있다.
공장에서 가장 먼저 방문한 곳은 '침출' 설비였다. 검은 가루에 들어 있는 유가금속을 황산으로 녹여 액체로 만드는 과정이다.
침출은 같은 양의 원료를 투입해도 금속을 얼마나 회수하느냐에 따라 생산량이 달라지기 때문에 공장의 수익성을 좌우하는 핵심 공정으로 꼽힌다.
고온·고압 상태를 만드는 오토클레이브 설비를 이용해 남은 금속까지 녹여내고, 녹지 않고 남은 흑연 등의 고체를 걸러내면 금속 성분이 담긴 용액이 남게 된다.
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이 용액은 각 공정에 따라 추출의 과정을 거친다. 추출 공정에서는 용매를 이용해 망간과 코발트, 니켈 등을 순서대로 분리한다. 이후 용액을 농축하고 결정으로 만들어 제품화한다. 침출이 금속의 회수량을 결정한다면 추출은 제품의 종류를 가르는 과정인 셈이다.
제품 창고 앞에서는 공정의 결과물을 직접 확인할 수 있었다. ▲황산니켈 청동색 ▲황산코발트 황토색 ▲탄산리튬 흰색 ▲황산망간 흰색의 색깔을 띠고 있었다.
여러 금속이 뒤섞인 검은 원료가 정제와 추출을 거쳐 서로 다른 색깔과 입자가 다른 제품으로 나뉜 모습을 확인할 수 있었다.
양극재 생산에서 리튬 정제, 폐배터리 재활용까지 이동하는 동선에서도 느낄 수 있었던 세 공장의 순환 구조는 포스코그룹이 추진하고 있는 전략 자원의 시작과 끝을 잘 보여주는 현장이었다.
각 공정의 효율을 높이는 기술과 운영 경험을 통해 '국가대표 핵심자원 공급자'가 되겠다는 포스코그룹의 구상이 광양의 생산 현장에서 구체화되고 있었다.
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뉴스웨이 이건우 기자
redfield@newsway.co.kr
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