인공지능부터 미니 환경까지

한국은 세계적으로 전기차 산업에서 우수한 경쟁력을 갖추고 있으며, 이는 혁신 중심의 산업 구조와 정부의 지원, 그리고 최첨단 배터리 기술 덕분입니다. 배터리 생산에서 디지털화와 자동화를 통한 효율성과 품질 향상은 한국이 글로벌 에너지 전환에서 핵심적인 역할을 지속적으로 수행할 수 있도록 합니다.

이는 매우 중요합니다. 전기차는 CO₂ 배출을 줄이기 위한 가장 중요한 구동 기술 중 하나이며, 배터리는 그 핵심입니다. 독일의 프라운호퍼 ISI 연구소에 따르면, 2030년까지 전 세계 신규 등록 차량의 약 40%가 전기차가 될 것이며, 2035년에는 절반을 넘을 것으로 전망됩니다. 한국 정부 역시 야심찬 목표를 세우고 있으며, 환경부에 따르면 2030년까지 한국 도로에는 420만 대의 전기차가 운행될 예정입니다(2024년 기준: 684,244대). 이에 따라 배터리 수요도 급증하고 있으며, 독일 기계 및 플랜트 엔지니어링 협회(VDMA)를 위한 포르쉐 컨설팅의 연구에 따르면, 글로벌 배터리 시장은 2020년 200억 유로에서 연평균 40%의 성장률을 기록하며 2030년에는 5,500억 유로에 이를 것으로 예상됩니다.

이처럼 막대한 잠재력에서 이익을 얻고자 하는 기업들은 개발, 전문 지식, 그리고 신기술에 반드시 투자해야 합니다. 독일 뮌스터대학교와 영국 케임브리지대학교, 그리고 프라운호퍼 배터리셀 연구제조소(FFB)가 공동으로 수행한 최신 연구에서도 이 점이 분명히 드러났습니다. 연구진은 중국, 일본, 한국, 유럽, 미국의 특허와 혁신 전략을 비교 분석했으며, 그 결과 아시아가 속도와 기술력 면에서 강한 인상을 남겼습니다.

국제 컨설팅 기업 아란카(Aranca)의 분석에 따르면, 한국은 배터리 공급망에서 세계적인 혁신 리더로 자리매김하고 있으며, 지속가능성, 차세대 배터리 기술, 자동화와 같은 핵심 분야에서 미래 지향적인 기술 개발에 집중하고 있습니다. LG화학과 삼성SDI와 같은 기업들은 니켈, 코발트, 리튬과 같은 소재의 회수 기술을 개발하여 원자재 의존도를 줄이고 순환경제를 촉진하고 있습니다. LG에너지솔루션과 삼성SDI는 차세대 배터리 기술인 전고체 배터리를 연구 중이며, 이는 기존 리튬이온 배터리보다 더 높은 에너지 밀도, 더 빠른 충전 속도, 그리고 더 높은 안전성을 제공합니다. 또한 SK이노베이션은 리튬-황 배터리를 개발하고 있으며, 이는 리튬이온 배터리보다 이론적으로 훨씬 높은 에너지 밀도를 제공하여 전기차의 주행거리를 크게 늘릴 수 있습니다.

이와 함께 한국 기업들은 정보통신기술(ICT)을 활용한 기계 및 공정의 지능형 연결, 즉 인더스트리 4.0에도 주력하고 있습니다. 자동화, 로보틱스, 인공지능(AI)을 통합함으로써 생산 공정을 최적화하고, 폐기물을 줄이며, 효율성을 향상시키고 있습니다.

성과도 나타나고 있습니다. 자동화된 엔드오브라인(EOL) 검사 장비를 전문으로 하는 세종테크놀로지는 자사 시스템에 인공지능 기반의 딥러닝 기술을 통합하여 결함 감지 능력을 크게 향상시키고 수작업 검사의 필요성을 줄였습니다. Cowintech는 자사 발표에 따르면 한국 최초로 리튬 배터리 생산의 프런트엔드 및 백엔드 공정을 모두 완전 자동화한 기업이며, SLAM(동시 위치 추정 및 지도 작성) 기술과 인공지능 기능을 로봇에 통합했습니다. 또한 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온과 같은 주요 배터리 제조업체들도 자동화된 생산 라인에 대한 투자를 강화하고 있다고 한국의 투자유치기관인 Invest Korea는 전했습니다.

그럼에도 불구하고 조치가 필요한 상황입니다. 최근 세계 시장에서 한국의 3대 전기차 배터리 제조업체들이 점유율을 잃고 있기 때문입니다. SNE리서치의 조사에 따르면, 올해 1월부터 2월까지 LG에너지솔루션(LGES), SK온, 삼성SDI의 전기차 배터리 사용 기준 세계 시장 점유율은 17.7%로, 전년 동기 대비 5.5%포인트 하락했습니다. LGES와 SK온의 사용량은 전년 대비 증가했음에도 불구하고, 중국 기업들—특히 BYD—의 폭발적인 성장으로 인해 시장 점유율이 감소한 것입니다.

글로벌 경쟁에서 살아남고, 나아가 2030년까지 배터리 기술 분야에서 세계 시장을 선도하겠다는 정부의 K-배터리 개발 전략 목표를 달성하기 위해서는, 배터리 기술 및 소재 혁신 외에도 제조 공정의 디지털화와 자동화가 결정적인 역할을 합니다. 배터리 제조업체들은 차세대 배터리 셀에 대비해야 하는 과제를 안고 있으며, 경쟁력을 유지하기 위해 많은 기업들이 생산 체계를 근본적으로 현대화하거나, 경우에 따라서는 완전히 새롭게 구축해야 할 필요가 있습니다.

디지털 기술은 배터리 가치 사슬 전반에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다. 품질 관리부터 수명 주기 관리, 재활용 공정에 이르기까지 데이터 기반 시스템과 스마트 자동화 솔루션은 효율성을 눈에 띄게 향상시킬 수 있는 막대한 잠재력을 제공합니다.

연간 40기가와트시(GWh) 생산 능력을 갖춘 리튬이온 배터리 공장은 디지털 솔루션을 도입함으로써 연간 최대 3,100만 달러를 절감할 수 있습니다. 이는 독일 프라운호퍼 배터리셀 연구제조소(FFB)와 액센츄어가 공동으로 수행한 조사 결과입니다. 비용 절감 외에도 CO₂ 배출량을 10%까지 줄일 수 있으며, 디지털 품질 시스템은 불량률도 최대 10%까지 낮출 수 있다고 합니다. 특히 제조 비용의 70%를 차지하는 소재 비용 측면에서 이는 상당한 절감 효과를 가져옵니다. 동시에 디지털 최적화를 통해 에너지 소비를 최대 9.5%까지 줄일 수 있으며, 이는 약 10%의 배출량 감소로 이어지는 주요 요인입니다. 또한 예측 유지보수는 설비의 비가동 시간을 7% 이상 줄여줍니다.

독일 아헨공과대학교(RWTH Aachen)의 전기차 부품 생산공학(PEM) 연구팀은 ‘InForm’ 프로젝트를 통해 배터리 셀 특성을 기존보다 훨씬 이른 시점에 최적화하고 평가할 수 있는 인공지능 기반의 공정을 개발했습니다. 연구팀은 인공지능과 물리화학 모델을 활용하여 배터리 셀이 처음으로 충방전되는 ‘포메이션(Formierung)’ 단계에 직접 개입하였고, 펄스 기반 포메이션 프로토콜을 통해 공정 시간을 약 50% 단축한 데 이어, AI의 도움으로 추가로 20%를 더 줄이는 데 성공했습니다.

이러한 방식으로 공정 시간이 단축되면서, 전기적 특성이 향상되거나 수명이 더 긴 맞춤형 배터리를 보다 빠르게 형성하고, 수요에 맞는 공정 절차를 신속하게 개발할 수 있게 되었습니다. 배터리를 개별적으로 생산하고 자동화된 품질 평가를 적용하는 것은 경쟁력 있는 배터리 생산을 위한 핵심 요소입니다.

KUKA는 지난 10년 이상 자동차 산업용 전자 부품 제조에 요구되는 특수 요건을 충족하기 위해 자사의 제품 포트폴리오를 지속적으로 최적화해 왔으며, 특히 배터리 생산에 중점을 두고 있습니다. 이 독일 자동화 전문 기업은 세계 최대 규모의 배터리 제조업체들과 시스템 통합업체들과 협력하고 있으며, 자사의 통합 솔루션 부문인 KUKA Systems를 통해 자체 역량도 활용하고 있습니다.

최근 성공적인 사례로는 MAN 트럭 & 버스가 있습니다. 2025년 4월, 뮌헨의 상용차 제조업체인 MAN은 뉘른베르크에서 배터리 생산을 시작했으며, 전체 공장의 설계 및 구축은 KUKA Systems가 담당했습니다. 이 프로젝트에서는 모듈형 설비가 도입되었으며, 이 시스템은 고정된 컨베이어나 일정한 사이클 없이 다양한 제품 변형에 유연하게 대응할 수 있고, 새로운 제품에도 쉽게 적응할 수 있습니다. 각 작업 스테이션은 서로 독립적으로 운영 및 개조가 가능하며, 배터리 팩은 개별 수요와 상태에 따라 생산 시스템을 유동적으로 통과합니다. 이는 높은 수준의 디지털화와 자동화 덕분에 가능해졌습니다. 자재 공급 또한 지능형으로 연결된 자율주행 모바일 로봇(AMR)을 통해 완전히 자동화되어 있으며, KUKA의 자율 이동형 운송 플랫폼 KMP 3000P가 35대 투입되어 있습니다. 이러한 사례는 KUKA 기술의 강점을 잘 보여줍니다. 바로 유연성과 모듈성입니다. 이는 경쟁력을 유지하기 위해 필수적인 요소입니다. 오늘날 배터리 생산의 반복 주기는 매우 짧고 역동적이기 때문에, 제품 변경이 입찰 단계에서 이미 시작되며, 계약 체결 및 시운전 과정에서도 추가 조정이 자주 발생합니다. KUKA의 글로벌 비즈니스 개발 매니저인 토마스 슈미트베르거는 “유연하고 모듈형의 프로젝트 아키텍처를 갖추지 않으면, 수십억 원대의 유령 공장과 투자 실패로 이어질 수 있다”고 말합니다.

독일 슈어링(Schierling)에 위치한 Webasto 공장에서 KUKA가 맞춤 제작한 배터리 생산 설비는 높은 유연성을 자랑합니다. Webasto의 공장장인 크리스티안 갈너(Christian Gallner)에 따르면, 이 설비는 자동차 부품 공급업체의 다른 배터리 공장들—예를 들어 한국 당진에 있는 협력 공장—의 모델이 되었습니다. Autocar Professional에 따르면, 당진 공장은 지난해 확장되었으며, 2025년부터 연간 30만 개의 배터리를 생산할 예정입니다.

슈어링 공장의 설비는 다품종 생산 라인(Multi-Product-Line)으로 설계되어 다양한 유형의 배터리를 생산할 수 있습니다. 각 배터리 팩은 체계적으로 연결된 생산 공정을 거치며, 대부분 자동화되어 있습니다. 공정에는 배터리 조립에 필요한 부품을 구성하는 키팅(Kitting), 배터리 모듈의 준비 및 측정, 열전도성 페이스트의 자동 도포, 배터리 모듈과 하우징의 결합, 배터리 관리 시스템(BMS)의 조립, 배터리 하우징 덮개의 체결, 그리고 최종 완성된 배터리 팩의 엔드오브라인(EOL) 테스트까지 포함됩니다.

자동 유도 운반차(AGV)는 배터리 구성 요소를 각 생산 공정 스테이션으로 운반하며, 공간 절약형 설비 구현에 있어 핵심적인 역할을 수행합니다. 서랍이 달린 이동식 트롤리에 실린 AGV는 수작업 공정의 안전 확보를 위한 안전 템플릿뿐만 아니라 개별 배터리 부품도 함께 운반합니다. 이를 통해 부품을 별도로 보관할 필요 없이 필요한 시점에 정확한 위치에 자동으로 제공할 수 있어, Webasto는 저장 공간을 절약하고 생산 라인 내에서의 자재 흐름 충돌을 방지할 수 있습니다.

이 설비는 공간을 절약할 뿐만 아니라 투명성도 제공합니다. Webasto는 이를 통해 토크, 전기 테스트 측정값, 각 모듈의 밀폐성 확인 값 등과 같은 공정 데이터를 실시간으로 파악할 수 있습니다. KUKA의 글로벌 배터리 영업 총괄 이사인 요아힘 되너(Dr. Joachim Döhner)는 “이 데이터를 기반으로 분석을 수행하고 생산 공정을 더욱 최적화할 수 있다”고 설명합니다. 데이터 수집의 또 다른 장점은 배터리 팩에 사용된 각 부품의 추적 가능성입니다. 이러한 수치와 지표뿐만 아니라, 생산 설비 자체의 사용 이력과 상태 파라미터를 기반으로 예측 유지보수(Predictive Maintenance)와 품질 보증을 위한 선제적 대응이 가능해집니다.

생산의 지속가능성 또한 점점 더 중요한 이슈로 부각되고 있습니다. 전기차 제조 시 발생하는 CO₂ 배출량의 대부분은 배터리 생산에서 비롯되며, 2024년 초 발표된 독일 VDI 분석에 따르면 일부 경우에는 최대 83%에 달한다고 합니다. 전기차의 환경 영향을 진정으로 개선하고자 한다면, 에너지 효율적이고 자원 절약적인 배터리 셀 생산 방식에 집중해야 합니다.

배터리 생산의 에너지 소비를 줄이는 한 가지 방법은 바로 ‘미니 환경(Mini-Environments)’입니다. 이는 생산 설비를 밀폐된 공간에 배치하여 청정도, 온도, 습도를 국소적으로 정밀하게 제어함으로써 민감한 공정 단계에 이상적인 조건을 제공합니다. 이러한 미니 환경은 기존의 대형 청정실 및 건조실을 대체할 수 있으며, 셀 제조 시 에너지 소비를 크게 줄일 수 있습니다.

2025년 6월 발표된 독일 프라운호퍼 ISI의 최신 연구는 미니 환경을 통한 막대한 절감 가능성을 보여줍니다. 연구진은 이러한 솔루션이 아직 대부분 시험 또는 파일럿 단계에 있다고 평가하면서도, 산업 현장에서는 이미 초기 적용 사례가 나타나고 있으며, 2028년까지는 본격적인 시장 도입이 이루어질 것으로 전망하고 있습니다.

2025년 6월 발표된 독일 프라운호퍼 ISI의 최신 연구는 미니 환경을 통한 막대한 절감 가능성을 보여줍니다. 연구진은 이러한 솔루션이 아직 대부분 시험 또는 파일럿 단계에 있다고 평가하면서도, 산업 현장에서는 이미 초기 적용 사례가 나타나고 있으며, 2028년까지는 본격적인 시장 도입이 이루어질 것으로 전망하고 있습니다.

AgiloBat 프로젝트에는 KUKA의 KR CYBERTECH nano 4대, KR 4 AGILUS 1대, 그리고 셀 스태킹을 위한 KR SCARA 2대가 투입되어 있습니다. KUKA의 비즈니스 개발 매니저 토마스 슈미트베르거는 “배터리 셀 제조업체들은 수년 전부터 건조실에서 KUKA 로봇을 사용해 작업자의 오염을 줄이고 생산 품질을 높이고 있다”고 말합니다. 건조실 환경은 로봇에게도 특별한 도전 과제를 안겨주며, 특히 가소제가 포함된 씰이나 케이블 연결부와 같은 소재는 낮은 습도로 인해 마모가 빨라질 수 있습니다.

“우리는 다양한 공정 단계를 서로 다른 생산 모듈로 구성하고 이를 상호 연결함으로써 최대한 유연한 시스템을 구축하고자 했습니다.”라고 AgiloBat 프로젝트의 기술 책임자인 세바스티안 헨셸(Sebastian Henschel)은 설명합니다. “이 과정에서 KUKA의 로봇은 탁월한 성능을 발휘했습니다. 이 로봇 덕분에 산업 현장에서 요구되는 반복성과 정밀도를 확보할 수 있었고, 수작업에서나 기대할 수 있었던 유연성까지 실현할 수 있었습니다.”

무엇보다도 AgiloBat에서 적용된 생산 방식은 자원 절감 효과가 매우 큽니다. 첫째, 기존 생산 방식에 비해 에너지 소비가 현저히 적습니다. 실제로 기가팩토리에서는 전체 에너지 소비의 25~40%가 건조실 환경을 유지하는 데 사용되는데, 미니 환경(Mini-Environments)을 도입하면 이러한 운영 비용(OPEX)을 크게 줄일 수 있습니다. 둘째, 불량률도 눈에 띄게 감소합니다.

배터리 생산의 물류에서도 자동화는 필수적인 역할을 하며, 동시에 상당한 최적화 가능성을 내포하고 있습니다. “배터리 물류는 전기차(E-모빌리티) 확산의 핵심 기반입니다.”라고 독일 프라운호퍼 물류 및 자재흐름 연구소(IML)의 아르카디우스 쉬어(Arkadius Schier)는 강조합니다. 그는 2025년 3월에 3년간의 연구 끝에 종료된 ‘전기차용 배터리 물류 혁신 연구실(InnoLogBat)’ 프로젝트를 이끌었습니다.

이에 따라 KUKA는 배터리 물류를 위한 AMR(자율이동로봇) 솔루션에 집중하고 있으며, 이는 생산 라인으로의 자재 운송뿐만 아니라 생산 공정 간 연계에도 활용됩니다. KUKA의 AMR 사업부 책임자인 도미닉 하스(Dominik Haas)는 “고객에게는 차량의 간편한 조작과 통합이 매우 중요합니다.”라고 말합니다. 표준화된 하드웨어 및 소프트웨어, 그리고 다양한 플릿 관리 시스템과의 호환성은 기존에 자동화가 어려웠던 영역에서도 운송 시스템을 쉽게 도입할 수 있도록 합니다.

또한 물류에서도 배터리 시스템의 다양화는 자재 흐름에 대한 유연성을 더욱 요구하게 됩니다. 대규모 데이터 분석과 패턴 인식을 통해 인공지능 시스템은 물류 작업 흐름을 최적화하고 효율성을 높일 수 있습니다. 이는 특히 물류 분야에서 매우 가치 있는 요소로, 경로 최적화와 작업 분배의 효율화는 상당한 비용 절감으로 이어질 수 있습니다.

배터리 수가 점점 늘어남에 따라 재활용의 중요성이 더욱 부각되고 있습니다. 원자재가 점점 부족해지는 상황에서 배터리 재활용은 지속가능할 뿐만 아니라 경제적으로도 매우 유의미한 선택입니다. 독일 프라운호퍼 생산기술 및 자동화 연구소(IPA)는 DeMoBat 연구 프로젝트를 통해 실제 산업 환경에서 배터리 및 전기 모터의 해체 작업을 성공적으로 테스트했습니다. KUKA KR QUANTEC 로봇은 나사 풀기, 씰 틈 열기, 케이블 분리 등 다양한 작업을 수행했습니다. 가장 큰 과제는 배터리 시스템의 종류가 매우 다양하다는 점입니다. 6축 로봇인 KR QUANTEC은 여섯 개의 자유도를 통해 각 배터리 시스템의 크기와 형상에 유연하게 대응할 수 있으며, 높은 하중을 견디는 능력으로 고토크 작업도 수행할 수 있습니다.

프라운호퍼 IPA의 그룹장인 안와르 알 아사디(Anwar Al Assadi)는 “자동차 제조업체들은 가능한 많은 부품을 배터리 내부의 좁은 공간에 배치하려고 하기 때문에 해체 시 작업 공간이 매우 제한된다”고 설명합니다. 또 다른 과제로는 케이블의 위치가 다양하거나, 나사보다 훨씬 자동화가 어려운 접착 부위가 많다는 점이 있습니다. 그러나 IPA는 이러한 문제에 대응할 수 있는 자동화 솔루션을 개발했으며, 현재 산업용으로의 적용을 위해 추가 개발 중입니다. 알 아사디는 “무엇보다 중요한 것은 유연한 설비를 구축하는 것이다. 배터리의 구조는 거의 반년마다 근본적으로 바뀌기 때문”이라고 강조합니다.

조립, 재활용, 물류를 막론하고, 한국의 배터리 제조업체들은 생산량, 품질, 지속가능성에 대한 요구를 충족시키기 위해 통합적이고 유연하며 모듈형으로 확장 가능한 자동화 솔루션에 의존하고 있습니다. 스마트 기술과 유연한 생산 셋업을 통해 제조업체들은 역동적인 시장 환경에서 지속적인 성공을 거둘 수 있으며, 동시에 미래의 혁신 도약을 위한 필수적인 유연성도 확보할 수 있습니다.