우리 일상에서 자동차를 달리게 하고, 전기를 저장하며, 수천 도의 고열을 견디게 하는 기술의 바탕, 그 중심에는 언제나 ‘소재’*가 있습니다. 그렇다면, 이 중요한 소재를 누가 만들고 있을까요? 바로 포스코퓨처엠인데요! 배터리의 핵심 소재인 양극재와 음극재는 물론, 고온의 제철 공정을 가능케 하는 내화물까지. 포스코퓨처엠이 만든 다양한 소재들은 지금 이 순간에도 우리의 삶과 미래를 바꾸는 데 쓰이고 있죠. <뿌리를 찾아서>는 포스코퓨처엠이 만든 주요 소재들이 어떻게 우리 일상과 산업 속에 스며들었는지 그 발자취를 따라가 보는 이야기입니다. 세 번째 편에서는 산업 설비의 필수 소재이자 모든 산업의 바탕이 되는 ‘내화물’의 뿌리를 따라가 봅니다.
*소재 (素材) : 어떤 것을 만드는 데 바탕이 되는 재료

내화물은 ‘견딜 내(耐)’+‘불 화(火)’+‘물건 물(物)’이 조합된 한자어로, 이름 그대로 ‘불을 견디는 물질’이라는 뜻을 갖고 있습니다. 내화물을 뜻하는 영어 단어인 ‘Refactory Material/Refactoris’는 ‘굴복하지 않는’이라는 뜻의 라틴어 ‘레프락타리우스(Refractarius)’에서 유래했는데요. 일반적으로 쓰던 단어가 산업적 요구와 소재의 특성이 맞물려 기술 용어로 자리 잡은 것이죠.

내화물은 1000℃ 이상의 고온이나 화학적 작용에도 형태와 특성을 안정적으로 유지하는 내열 소재입니다. 용광로의 열을 견디고 고온의 금속과 접촉해도 구조가 유지돼, 철강·금속 제련, 시멘트 생산, 석유화학 등 대부분의 고온 산업에서 없어서는 안 될 필수 소재인데요.

내화물은 내화벽돌처럼 일정한 형태로 성형된 ‘정형 내화물’과 일정한 형태 없이 시공할 때 형태를 만드는 ‘부정형 내화물’의 물리적 분류로 구분할 수 있습니다. 정형 내화물은 주로 고온 공정을 이루는 고로의 바닥, 벽면, 천장 등에 쓰이며, 부정형 내화물은 분말이나 덩어리 형태로 이뤄져 있어 물이나 결합체와 혼합해 작업 환경에 따라 원하는 형태로 시공합니다. 그 외에도 산성 내화물, 중성 내화물, 염기성 내화물 등 화학적 분류로 나누어 설명하기도 하죠.

내화물의 시작을 알아보려면 시간과 문명을 거슬러 올라가야 합니다.

인류가 ‘내화물’이라는 소재를 알게 된 정확한 때는 알 수 없지만, 뜨거운 불에 상하지 않는 구덩이와 가마를 만들고, 고온에서도 깨지지 않는 토기를 구워낸 순간이 아니었을까요? 기원전 1500년 경, 수많은 유리 장식품이 만들어진 고대 이집트 시기를 떠올려보면 내화물은 아주 오래전부터 인류의 일상과 가까이 있었던 것 같습니다.

그렇다면 현대 내화물의 출발점으로 볼 수 있는 시기는 과연 언제일까요? 철을 활용하기 시작한 철기시대로 거슬러 올라갈 수도 있지만, 실질적인 시작은 19세기 산업혁명 시대라고 볼 수 있습니다.

기술과 산업 구조 전반에 엄청난 변화를 가져온 산업혁명 시기, 내화물은 고온 공정에 대한 수요 증가에 맞춰 본격적으로 발전했습니다. 이 시기에 철강, 세라믹, 시멘트 등 다양한 분야에서 내화물이 쓰이면서 내화물은 단순한 내화(耐火) 기능을 넘어 각 분야에 맞는 기능과 종류들로 세분화되고, 산업의 기반을 이루는 핵심 요소로 자리매김하게 되었죠.

소재 전문 기업으로서 세계적인 경쟁력을 갖춘 포스코퓨처엠이 ‘내화물 생산’에서 시작했다는 사실을 알고 계셨나요?

포스코퓨처엠은 포스코그룹에서도 가장 역사가 오래된 기업으로, 1963년 염기성 내화물 생산기업인 ‘삼화화성(주)’을 전신으로 해, 내화물 제조에서 시공까지 일관 체제를 갖춘 전문 기업인데요.

염기성 내화물의 제조 원료인 마그네시아 클린커, 정형 내화물, 부정형 내화물, 기능성 내화물과 내화물 엔지니어링까지 산업 설비에 필수적인 내화물을 공급하며 우리나라 산업의 근간을 지탱하고 있습니다.

최근 포스코퓨처엠은 철강 산업의 공통적인 과제인 탄소 배출 저감에 대응하기 위한 차세대 내화물 연구에 박차를 가하고 있는데요. 특히 탈탄소 철강 설비에 알맞은 특성을 가지면서 높은 재활용성을 갖추는 것에 초점을 두고 개발을 진행하고 있습니다.

구체적으로 고철(스크랩) 투입을 높여 탄소 배출량을 저감하는 ‘상저취전로’*와 같은 대형 전기로에 대응할 수 있는 내화물을 개발하고 있는데요. 특히 상저취전로는 탄소중립 산업 핵심기술개발 국책과제로 선정되어 2028년 상용화를 목표로 포스코퓨처엠의 내화물 R&D 역량을 결집해 수행하고 있답니다.

*상저취전로 : 철강 제조 공정의 대형 전로(전기로)의 한 종류로, 저탄소·고효율 조업을 위해 개발된 설비

이뿐만 아니라 포스코퓨처엠은 AI 기술 기반 스마트 공장을 구현해 사업 경쟁력과 리얼밸류를 강화해 나가고 있으며, 이를 바탕으로 글로벌 소재 파트너십을 확장할 계획입니다.

수천 번의 가열과 냉각으로 이어지는 거친 사이클을 견디는 내화물 덕분에 지금 이 순간에도 모든 산업이 멈추지 않고 다음 단계로 달려갈 수 있습니다.

포스코퓨처엠의 내화물은 대한민국 산업의 성장과 함께 호흡해 왔습니다. 50년이 넘는 시간 동안 산업의 안전과 품질을 지켜온 포스코퓨처엠의 내화물은 앞으로도 산업 기초 소재로써 뿌리와 미래를 지켜나가겠습니다.

※ 이 콘텐츠는 포스코퓨처엠 스토리 기사를 토대로 제작되었습니다.

우리 일상에서 자동차를 달리게 하고, 전기를 저장하며, 수천 도의 고열을 견디게 하는 기술의 바탕, 그 중심에는 언제나 ‘소재’*가 있습니다. 그렇다면, 이 중요한 소재를 누가 만들고 있을까요? 바로 포스코퓨처엠인데요! 배터리의 핵심 소재인 양극재와 음극재는 물론, 고온의 제철 공정을 가능케 하는 내화물까지. 포스코퓨처엠이 만든 다양한 소재들은 지금 이 순간에도 우리의 삶과 미래를 바꾸는 데 쓰이고 있죠. <뿌리를 찾아서>는 포스코퓨처엠이 만든 주요 소재들이 어떻게 우리 일상과 산업 속에 스며들었는지 그 발자취를 따라가 보는 이야기입니다. 두 번째 편에서는 배터리의 충전 속도와 수명을 좌우하는 ‘음극재’의 뿌리를 따라가 봅니다.

*소재 (素材) : 어떤 것을 만드는 데 바탕이 되는 재료

음극재는 양극재와 함께 배터리를 구성하는 4대 핵심 소재 중 하나입니다. 양극에서 나오는 리튬이온을 받아들였다가 다시 방출하며 전류를 흐르도록 하는 역할을 맡고 있죠. ‘더 빠르게 충전되고, 더 오래 쓸 수 있는 배터리 소재’를 만드는 것이 무엇보다 중요해진 요즘, 배터리의 충전 속도와 수명을 결정짓는 음극재의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다.

음극재란 ‘음극을 구성하는 재료’라는 뜻인데요. 그렇다면 ‘음극’이라는 용어는 어디서 온 걸까요? 지난 시간 양극재 편(보러가기)에서 소개한 영국의 과학자 ‘마이클 패러데이(Michael Faraday)’가 바로, 음극이라는 용어도 명명했습니다. ‘올라가는 길’을 뜻하는 그리스어 ‘Anodos’에서 유래되어 오늘날 ‘Anode’라고 불리게 되었죠.

여기서 또 하나 흥미로운 사실이 있습니다. 마이클 패러데이가 전기화학 용어를 정의한 것은 혼자만의 성과가 아니었는데요. 요즘 표현으로 ‘이과 감성’이 가득해 언어에는 다소 약했던 패러데이는, 전기화학 용어를 정하는 과정에서 평소 인문학에 조예가 깊었던 영국의 성직자이자 과학자 ‘윌리엄 휴얼(William Whewell)’에게 조언을 구했다고 해요. 휴얼이 패러데이의 의도에 맞는 단어를 몇 가지 제안했고, 그 결과 오늘날 우리가 쓰는 ‘Anode’와 ‘Cathode’라는 용어가 탄생한 것이죠. 패러데이와 휴얼이 어떤 방식으로 용어를 정의했는지 궁금하지 않으신가요? 두 사람은 편지를 주고받으며 의견을 나눴다고 하는데요. 지금부터 Anode와 Cathode라는 용어를 명명하는 데 영향을 준 것으로 보이는 편지 내용 일부를 소개합니다.

음극재의 뿌리를 따라가려면 1800년, 세계 최초의 전지인 ‘볼타(Volta) 전지’가 등장한 시점으로 거슬러 올라가야 합니다. 볼타전지는 묽은 황산용액(H2SO4)에 아연(Zn)과 구리(Cu) 금속판을 넣어 만들었는데, 이 중 ‘아연 금속판’이 전자를 잘 내보낼 수 있어 ‘음극’ 역할을 했습니다. 즉, 최초의 음극재는 아연이었던 셈이죠.

하지만 볼타전지는 충전이 불가능하고 수명이 짧다는 단점이 있었습니다. 이를 개선하고자 ‘납(Pb)’을 음극재로 활용한 최초의 충전식 전지인 납축전지가 개발되었는데요. 납축전지는 저렴하고 안정성이 뛰어나 자동차의 저전압 배터리 등에 널리 쓰였지만, 음극재로 사용된 납이 인체와 환경에 유해하다는 사실이 알려지면서 그 한계가 드러났습니다. 이후 카드뮴, 수소 합금 등 다양한 소재를 음극재로 활용한 배터리들이 잇따라 등장했고, 이런 과도기를 거쳐 마침내 오늘날의 리튬이온 배터리로 발전하게 되었죠.

현대 리튬이온 배터리에 사용되는 음극재의 형태를 최초로 구현한 사람은 바로 일본의 요시노 아키라(吉野 彰, Yoshino Akira) 박사입니다. 1980년대, 요시노 박사는 탄소 소재가 리튬과 반응성이 좋다는 사실을 발견하고, 석유 코크스를 음극재로 사용한 리튬이온 배터리를 개발해 냈습니다. 이로써 오늘날 음극재의 대표 원료로 ‘흑연’이 널리 사용되는 계기가 마련된 셈이죠. 현재 음극재용 흑연은 ‘천연흑연’과 ‘인조흑연’ 두 가지가 주로 사용되고 있습니다.

천연흑연 음극재는 에너지 저장용량이 크고 매장량도 풍부해 가격 경쟁력이 뛰어납니다. 인조흑연 음극재는 코크스를 가공해 제조하며, 고속 충전에 유리하고 고온 가공을 거쳐 구조적 안정성을 높일 수 있다는 장점이 있죠. 이 외에도 최근에는 전기차의 주행거리를 크게 늘리고 충전 속도의 한계를 극복하고자 실리콘, 리튬메탈 등 신소재를 활용한 음극재 기술도 활발하게 연구·개발되고 있어요.

특히 ‘실리콘 음극재’는 흑연 대비 최대 10배에 달하는 용량을 제공해 전기차의 주행거리를 크게 향상시킬 수 있고, 급속 충전 설계에도 유리합니다. 다만 아직까지는 수명과 부피 팽창 등의 기술적 과제가 남아 있어, 현재는 흑연계 음극재에 일정 비율만을 첨가하는 방식으로 사용되고 있죠. 이러한 과제를 개선하고자 학계와 업계에서는 성능을 강화하려는 연구에 한창인데요. 머지않아 완전한 상용화를 기대해 볼 수 있겠죠?

리튬메탈 음극재는 금속 리튬을 활용한 음극재로 배터리의 무게당 에너지 밀도를 획기적으로 높일 수 있어 최근 큰 주목을 받고 있습니다. 특히 ‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체 배터리에 적용될 경우, 전기차의 주행 거리를 대폭 늘릴 수 있다는 점에서 미래 전기차 배터리 시장을 이끌 차세대 소재로 각광받고 있습니다.

지금까지 음극재의 시작과 현재, 나아가 미래까지의 발전 양상을 살펴봤습니다. 음극재는 배터리의 충전 속도와 수명에 직접적인 영향을 주는 핵심 소재인 만큼, 그 성능이 곧 배터리의 성능이라고 해도 과언이 아닌데요.

포스코퓨처엠은 국내 유일 흑연계 음극재 생산 기업으로, 인조흑연 음극재는 물론, 천연흑연 음극재의 중간 소재인 구형흑연의 국산화 추진에도 적극적으로 힘을 쏟고 있어요. 또, 특정 국가에 대한 원료 의존도를 낮추고, IRA* 등 권역별 공급망 강화 정책에 대응하려는 노력도 꾸준히 이어오고 있습니다.

*IRA(Inflation Reduction Act, 인플레이션 감축법) : 미국의 경제와 사회에 중요한 영향을 미치는 인플레이션 완화, 기후변화 대응, 의료비 지원, 법인세 인상 등을 주요 내용으로 2022년 미국에서 제정된 법률.

이뿐만 아니라, 포스코홀딩스의 미래기술연구원, 포항산업과학연구원(RIST) 등 그룹사와의 협업을 통해 실리콘, 리튬메탈 음극재 등 차세대 음극재 개발에도 박차를 가하고 있는데요. 이를 바탕으로 글로벌 음극재 시장을 주도해 나가는 기업으로 도약해 나갈 계획입니다. 음극재 시장의 새로운 기준을 만들어 갈 포스코퓨처엠의 행보에 많은 기대 부탁드립니다!

※ 이 콘텐츠는 포스코퓨처엠 스토리 기사를 토대로 제작되었습니다.

우리 일상에서 자동차를 달리게 하고, 전기를 저장하며, 수천 도의 고열을 견디게 하는 기술의 바탕, 그 중심에는 언제나 ‘소재’*가 있습니다. 그렇다면, 이 중요한 소재를 누가 만들고 있을까요? 바로 포스코퓨처엠인데요! 배터리의 핵심 소재인 양극재와 음극재는 물론, 고온의 제철 공정을 가능케 하는 내화물까지. 포스코퓨처엠이 만든 다양한 소재들은 지금 이 순간에도 우리의 삶과 미래를 바꾸는 데 쓰이고 있죠. <뿌리를 찾아서>는 포스코퓨처엠이 만든 주요 소재들이 어떻게 우리의 일상과 산업 속에 스며들었는지 그 발자취를 따라가 보는 이야기입니다. 첫 번째 편에서는 배터리의 핵심 소재 중 하나인 ‘양극재’의 뿌리를 따라가 봅니다.

*소재 (素材) : 어떤 것을 만드는 데 바탕이 되는 재료

배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질 네 가지 핵심 요소로 구성됩니다. 이 중 ‘양극재’는 배터리의 핵심 소재로, 전체 원가에서 차지하는 비중만 해도 무려 40%에 달하죠. 양극재는 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 등 다양한 금속으로 이뤄지며, 이 원료들의 조합에 따라 배터리의 용량과 전압, 출력이 달라지기도 합니다. 그렇다면 양극재는 어떻게 단순한 소재를 넘어 고부가가치 전략소재로 자리매김하게 되었을까요? 그 역사를 함께 살펴보겠습니다.

먼저 ‘양극재’라는 단어의 기원에 대해 알아볼 필요가 있습니다. 양극재는 배터리 안에서 전자를 받아들이는 전극인 ‘양극(Cathode)’과 이를 구성하는 ‘재료(Material)’의 합성어로, 말 그대로 ‘양극을 구성하는 재료’를 뜻합니다. 단어의 어원을 살펴보면, ‘양극’을 의미하는 ‘Cathode’는 그리스어 ‘Kathodos(내려가는 길)’에서 유래했는데요. 이는 전류가 양극에서 음극으로 흐르는 특성에 기반해 붙여진 이름이라고 해요. 이 ‘양극’이라는 용어는 전자기학과 전기화학 분야에 크게 기여한 영국의 과학자 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 처음 만들었습니다.

패러데이는 양극 외에도 전기화학에 관한 다양한 용어 체계를 정립했는데요. 용매에 녹아서 전류를 흐르게 하는 물질을 ‘전해질(Electrolyte)’, 전류가 흐르는 양 끝의 접점을 ‘전극(Electrode)’, 그리고 이 전극의 산화반응이 일어나면 산화전극(Anode), 환원반응이 일어나면 환원전극(Cathode)라고 정의했습니다. 패러데이가 만든 이 용어 체계는 오늘날에도 널리 사용되고 있습니다.

양극재의 기원을 알아봤으니, 이번에는 언제부터 우리 삶에 쓰이기 시작했는지 살펴볼까요? 혹시 여러분은 최초의 전지가 무엇인지 아시나요? 바로 1800년대에 등장한 볼타(Volta) 전지인데요. 볼타 전지는 금속과 전해질로 만들어진 1차 전지로, 재충전이 불가능했어요. 이때까지만 해도 ‘양극재’라는 개념은 아직 명확하지 않았답니다. 오늘날 우리가 아는 양극재가 본격적으로 등장한 건 1860년대, 프랑스에서 납축전지가 개발되면서부터예요. 이때 양극재로 납산화물(PbO₂)이 사용되면서 ‘양극재’라는 개념이 확실히 자리 잡게 되었죠.

그 후로도 양극재는 꾸준히 발전해 왔습니다. 1970년대에는 미국의 화학자 스탠리 휘팅엄이 이황화티타늄(TiS₂)을 양극재로 활용한 세계 최초의 리튬 이온 배터리를 개발하면서, 리튬 이온 배터리의 초석을 다졌습니다. 이어 1980년대에는 미국의 존 구디너프 박사가 리튬코발트산화물(LiCoO₂, LCO)을 양극재로 사용하는 구조를 제안했죠.

마침내 1991년에 이르러 소니(SONY)가 LCO 양극재를 활용한 리튬이온 배터리를 세계 최초로 상용화하며, 이 배터리가 캠코더 등 소형 전자기기에 적용되기 시작했는데요. 이 사건을 계기로 양극재는 실질적인 산업 소재로 확실히 자리매김하게 되었답니다. LCO 배터리는 기존의 납축전지나 니켈 카드뮴 배터리에 비해 높은 에너지 밀도와 안정적인 성능을 자랑해, 현재도 스마트폰, 노트북, 태블릿 등 IT 기기는 물론 다양한 산업 분야에 사용되고 있습니다.

하지만 최근 전기차와 에너지저장장치(ESS) 같은 새로운 시장이 열리면서, LCO가 가진 에너지 밀도의 한계와 높은 코발트 가격 때문에 새로운 양극재에 대한 요구가 커지기 시작했습니다. 이에 코발트 함량을 줄이면서 에너지 밀도를 높일 수 있는 니켈(Ni)과 안정성을 보완해 줄 망간(Mn)을 첨가한 NCM(니켈-코발트-망간) 양극재가 개발되어 상용화됐습니다. 그 뒤를 이어 NCA(니켈-코발트-알루미늄), NCMA(니켈-코발트-망간-알루미늄) 등 고출력 양극재도 만들어져, 지금까지 활발히 쓰이고 있죠.

최근에는 고용량, 고출력, 장수명, 저가(低價)를 목표로 ‘하이니켈 양극재(Hi-Ni)’, ‘LFP(리튬인산철)’, ‘LMR(리튬망간리치)’, ‘고전압 미드니켈’ 등 다양한 형태의 양극재가 쏟아져 나오고 있는데요. 그야말로 양극재의 춘추전국시대가 펼쳐졌다고 해도 과언이 아니랍니다!

지금까지 살펴본 것처럼, IT 기기부터 전기차, ESS, 드론, 전동킥보드, 의료기기, 항공 기술에 이르기까지 배터리는 이제 우리 삶 곳곳에서 꼭 필요한 존재가 되었습니다. 그중에서도 요즘 가장 주목받는 분야는 단연 전기차인데요. 주행거리와 출력 같은 성능을 좌우하는 양극재는 전기차 경쟁력을 결정짓는 핵심 요소로 자리 잡고 있어요. 그만큼 전 세계적으로도 최적의 양극재를 개발하기 위한 연구와 투자가 활발히 이뤄지고 있습니다.

이 중심에 있는 기업이 바로 포스코퓨처엠입니다! 포스코퓨처엠은 니켈 함량을 95%까지 끌어올려 용량과 출력 성능을 극대화한 울트라 하이니켈(Ultra Hi-Ni) 양극재 기술 개발을 추진하고 있는데요. 이를 통해 더 긴 주행거리를 원하는 전기차 시장의 요구에 부응할 것으로 기대됩니다. 또, 볼륨 모델을 겨냥해서는 비싼 니켈의 비중은 줄이고 전압을 높여 에너지 밀도를 최대화한 고전압 미드니켈 양극재 개발에 집중하고 있고요. 엔트리 라인업에 맞춰 기존 LFP보다 더 높은 에너지 밀도를 갖춘 고밀도 LFP 양극재 개발을 위한 TF팀도 운영 중입니다.

여기에 더해, 가격이 비싼 코발트와 니켈의 사용을 줄이고, 저렴한 망간 비중을 늘려 가격 경쟁력을 확보한 동시에 재활용성까지 높인 LMR(리튬망간리치) 양극재도 개발을 완료하고, 양산 기술까지 확보한 상태입니다.

이처럼 포스코퓨처엠은 국내 대표 양극재 생산 기업으로서, 기술 변화의 흐름에 발맞춰 배터리 소재 공급망과 최첨단 연구 인프라를 바탕으로, 엔트리부터 프리미엄 라인까지 모두 아우를 수 있는 폭넓은 양극재 포트폴리오를 구축해 나가고 있습니다.

한편, IRA*, CRMA**, 미중 무역 분쟁 등 글로벌 통상 이슈가 번지면서 특정 국가에 치우치지 않은 안정적인 공급망 구축의 중요성도 커지고 있는데요. 포스코퓨처엠은 포스코그룹 차원의 튼튼한 공급망을 바탕으로 이러한 이슈에 대응할 뿐만 아니라, 안정적인 양극재 원료를 조달하기 위한 노력도 이어가고 있습니다.

*IRA(Inflation Reduction Act, 인플레이션 감축법) : 미국의 경제와 사회에 중요한 영향을 미치는 인플레이션 완화, 기후변화 대응, 의료비 지원, 법인세 인상 등을 주요 내용으로 2022년 미국에서 제정된 법률.
**CRMA(Core Raw Materials Act, 핵심원자재법) : 유럽의 산업과 경제에 필수적인 핵심 원자재의 안정적인 공급망을 확보하고자 2023년 유럽연합(EU)이 제정한 법률.

양극재는 단순한 배터리 구성 요소를 넘어, 전기차·ESS·IT 기기 등 우리의 삶과 산업 전반을 움직이는 원동력입니다. 눈에 보이지 않는 작은 소재가, 에너지 전환이라는 거대한 변화를 가능하게 하고, 지속 가능한 미래를 설계하는 데 중요한 역할을 하고 있다는 점에서 그 가치는 더욱 크다고 할 수 있죠.

포스코퓨처엠은 양극재 분야에서 기술 개발부터 생산, 자원 순환에 이르기까지 종합적인 접근을 통해 배터리 소재 산업을 선도하고 있는데요. 단순한 소재 공급을 넘어, 새로운 기준을 제시해 나가는 포스코퓨처엠의 앞으로의 활약을 기대해 주세요!

※ 이 콘텐츠는 포스코퓨처엠 스토리 기사를 토대로 제작되었습니다.