초저온 증류로 희귀가스 국산화…우주·항공·방산 등 확장
[더팩트ㅣ송다영 기자] 전남 광양 율촌산업단지에는 포스코그룹의 미래 성장동력을 뒷받침하는 생산시설들이 모여 있다. 전기차 배터리의 핵심 소재인 양극재를 만드는 공장부터 호주산 광석에서 리튬을 추출하는 설비, 폐배터리에서 유가금속을 회수하는 공장까지 이어진다. 반도체와 우주·항공 산업에 필요한 희귀가스 생산시설도 이곳에 자리 잡았다. 원료 확보부터 소재 생산, 재활용까지 이어지는 자원 공급망을 구축해 미래 산업의 핵심 소재를 자체적으로 공급하겠다는 포스코그룹의 구상이 광양에서 구체화하고 있다.
광양 율촌산업단지에는 포스코퓨처엠의 양극재 공장과 포스코필바라리튬솔루션의 수산화리튬 공장, 포스코HY클린메탈의 폐이차전지 리사이클링 공장이 도보로 이동할 수 있는 거리에 모여 있다. 관련 사업회사 간 물리적 접근성을 높여 원료와 제품 운송에 드는 물류비용을 줄이고 긴밀한 협력 체계를 구축하기 위해서다.
포스코에어솔루션의 희귀가스 공장은 광양제철소 동호안 부지에 별도로 조성됐다. 제철소 산소공장에서 추출한 원료 가스를 공급받아 고순도 희귀가스를 생산하는 구조다.
◆ 세계 최대 단일 양극재 공장…전구체부터 품질 분석까지
포스코퓨처엠의 광양 양극재 공장은 단일 공장 기준 세계 최대 규모인 연산 9만t의 생산능력을 갖췄다. 이곳에서는 니켈·코발트·망간 등을 조합한 NCM과 NCA, NCMA 등 삼원계 양극재를 생산한다. 9만t은 70kWh 배터리를 탑재한 전기차 약 85만대에 들어갈 수 있는 규모다. 총 13개 생산라인이 가동되는 공장에는 양극재의 핵심 원료인 전구체 생산시설도 함께 들어섰다. 지난해 6월 준공한 전구체 공장은 연간 4만5000t을 생산할 수 있다.
양극재 공장은 외부 이물질 유입 차단에 특별히 신경쓴다. 공장으로 입장하기 위해 안전모, 마스크, 신발 위에 신는 덧신과 안전모 위를 덮는 헬멧 커버까지 착용해야 했다. 공장 입구에서는 10초 정도 에어샤워 장비를 통과한 후에야 내부 입장이 가능했다.
양극재 생산은 전구체와 리튬을 혼합한 뒤 도가니에 담아 고온에서 열처리하는 과정으로 이뤄진다. 이 과정에서 산소를 투입해 전기화학적 특성을 갖춘 양극활물질 분말을 만든다.
공장 내부에서 큰 소리가 들리는 것도 산소를 공급하는 공정에서 발생하는 소음이라는 설명이다. 완성된 분말은 입자 크기와 결정 구조, 불순물 함량 등 품질 기준을 충족해야 하는 만큼 공정 전반의 유기적인 관리가 중요하다. 각 단계가 유기적으로 맞물려야 균일한 품질의 제품을 생산할 수 있기 때문이다.
양극재 생산은 전구체와 리튬을 혼합한 뒤 고온에서 열처리해 전기화학적 특성을 갖춘 분말을 만드는 과정으로 이뤄진다. 생산 과정에서 입자 크기와 결정 구조, 불순물 함량 등을 정밀하게 관리해야 하는 만큼 품질 분석도 중요하다. 현장에는 생산 샘플을 공기 압력으로 초당 5m 속도로 분석실에 보내는 에어슈팅 설비가 있다. X선 장비 등을 활용해 입자와 결정 상태를 확인하고, 별도의 셀 분석실에서는 영하 73도 수준의 환경에서 수분 유입을 최소화해 배터리 셀을 만든 뒤 충·방전 특성을 평가한다. 원료와 제품 창고에는 자동화 시스템과 무인운송수단(AGV)을 도입해 물류 효율도 높였다.
생산시설은 원료 투입부터 제품 출하까지 위에서 아래로 이어지는 탑다운 방식으로 배치해 공정 간 이동을 줄이고 공간 활용도를 높였다. 원료와 제품 창고에는 자동화 시스템과 무인운송수단(AGV)을 도입해 물류 효율도 높였다.
◆ 호주산 광석서 리튬 추출…폐배터리 재활용까지 자원 순환
양극재 생산의 출발점인 리튬은 인근 포스코필바라리튬솔루션에서 공급한다. 이곳은 호주 리튬 광석을 원료로 배터리급 수산화리튬을 생산하는 국내 첫 공장이다. 두 개 생산라인을 통해 연간 4만3000t을 생산할 수 있으며, 전기차 약 100만대에 들어가는 규모다. 원료 창고에 보관된 광석은 컨베이어벨트를 타고 공정으로 이동한다. 이후 여러 단계를 거쳐 리튬을 추출하고 불순물을 제거해 고순도 수산화리튬으로 만든다. 제품은 500㎏ 단위 포대에 담겨 자동화 창고에 보관된다. 기술품질부 손홍록 차장은 "최대 생산량 기준 하루 60t까지 생산할 수 있으며, 제품 창고에는 약 1500~2000t을 저장할 수 있다"고 설명했다.
특히 포스코필바라리튬솔루션은 서로 다른 두 가지 리튬 추출 기술을 적용했다. 1라인에는 포스코가 자체 개발한 전기투석 기반 전기화학 공정을, 2라인에는 수산화나트륨을 활용하는 기존 상용 기술인 가성화 공정을 도입했다. 원료와 전력 비용 등 외부 여건에 따라 생산 방식을 선택할 수 있도록 기술 선택지를 확보한 것이다. 포스코그룹은 2010년 리튬 기술 개발에 착수한 뒤 호주 광산 투자 등을 통해 원료 공급망을 마련했고, 2024년 4월 광석에서 추출한 배터리급 수산화리튬의 상업 생산에 성공했다.
폐배터리에서 다시 원료를 확보하는 역할은 포스코HY클린메탈이 맡는다. 이곳은 폐배터리와 배터리 제조 과정에서 나온 스크랩을 전처리해 만든 블랙매스에서 니켈·코발트·리튬 등 유가금속을 회수한다. 연간 블랙매스 처리 능력은 1만2000t이다. 공장에서는 원료를 용액에 녹이는 침출 공정과 불순물 제거 공정을 거쳐 금속을 분리한다. 특히 고온·고압 조건에서 반응을 유도하는 오토클레이브 설비는 회수 효율과 생산성을 좌우하는 핵심 장치다. 이후 결정화 공정을 통해 금속을 제품 형태로 만든다.
이 과정에서 버려지는 부산물도 최소화한다. 황산나트륨을 주성분으로 하는 망초는 하루 100~110t가량 생산돼 판매되고, 구리와 흑연 등도 회수해 상용화한다. 주요 유가금속 회수율은 90% 이상이다. 포스코HY클린메탈은 폐배터리에서 회수한 금속을 다시 양극재 원료로 공급해 원료 수입 의존도를 낮추고, 이차전지 소재의 자원 순환 체계를 구축한다는 목표다.
◆ 희귀가스 국산화 넘어 우주·항공으로…전략자원 사업 확대
이차전지 소재와 별도로 포스코그룹이 전략자원으로 육성하는 분야는 희귀가스다. 광양제철소 동호안 부지에 들어선 포스코에어솔루션 공장은 초저온 증류 기술을 활용해 제논·크립톤·네온·헬륨 등 희귀가스를 생산한다. 포스코 산소공장에서 추출한 원료 가스 등을 정제해 고순도 제품으로 만드는 방식이다. 연산 생산능력은 13만 노말입방미터(N㎥) 규모다. 전량 수입에 의존하던 희귀가스의 국내 생산 기반을 마련했다는 점에서 의미가 있다.
최동용 포스코홀딩스 경영전략실장은 "산업 안보의 핵심은 결국 자원"이라며 "철강과 소재를 넘어 자원으로 업의 확장을 추진하게 됐다"고 설명했다. 철강으로 산업의 기반을 다진 포스코그룹이 이제 미래 산업의 핵심자원 공급망까지 사업 영역을 넓히려는 이유다.
희귀가스는 반도체와 디스플레이 공정뿐 아니라 우주·항공 산업에서도 활용된다. 특히 고순도 제논과 크립톤은 인공위성 전기추진 시스템의 연료로 쓰인다. 포스코에어솔루션은 올해 8월 가스 소재 제조 분야에서 아시아 최초로 항공우주·방산 품질경영시스템(AS9100D) 인증을 획득하며 사업 영역 확대 기반도 마련했다.
광양에 들어선 네 개 사업장은 서로 다른 원료와 생산 기술을 다루지만 지향점은 같다. 해외 자원 확보에 머무르지 않고 이를 고부가가치 소재로 가공하고, 사용 후에는 다시 회수해 공급망 안으로 들이는 것이다.
포스코그룹은 철강으로 다져온 생산·소재 기술에 자원 개발과 재활용 역량을 더해 리튬부터 이차전지 소재, 희귀가스까지 미래 산업의 핵심자원을 아우르는 공급망을 구축하고 있다. 철강기업을 넘어 글로벌 종합 자원기업으로 체질을 바꾸겠다는 구상이다.
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