저궤도 위성 

- 저궤도위성(Low Earth Orbit, LEO)은 지구 궤도 200~2,000km에서 지구를 공전하는 위성이다. 현재 지구 궤도에 존재하는 인공위성의 약 86.0%가 저궤도 인공위성이다.

- 빠른 속도와 더불어 우주 입자선의 영향을 많이 받기 때문에 평균적인 수명은 3~7년 정도로 정지궤도위성(평균 12~20년)에 비하여 비교적 사용 수명이 짧다. 그리고 위성이 지구를 커버할 수 있는 면적이 상대적으로 좁다.

정지궤도위성

- 정지궤도위성(Geostationary Earth Orbit, GEO)은 지구 궤도 약 35,800km에서 지구를 공전하는 위성이다. 정지궤도위성의 가장 큰 특징은 바로 위성의 공전주기 와 지구의 자전주기 가 같다는 것이다.

- 지구에서 보았을 때 항상 정지해 있는 것처럼 보이는 위성이다. 이러한 특성으로 정지궤도위성은 내가 원하는 지역을 항상 커버할 수 있다는 장점이 있다

- 전체 인공위성의 약 10.3%를 차지하고 있고, 저궤도위성에 이어 두 번째로 많은 인공위성이기도 하다. 또한 주로 통신과 방송, 기상관측 등을 목적으로 하는 위성들이 있다.

※ 혹자는 저궤도 위성 인터넷의 등장이 광케이블을 기반으로 한 기존의 통신업자들의 몰락을 초래할 것이라고 얘기한다. 물론 저궤도 위성통신 사업자의 시장 진입이 본격화되면 어느 정도의 시장에서 경쟁은 불가피하다. 다만 서로를 대체하기엔 각각의 장단점이 명확하기 때문에, 완전한 대체관계 보다 보완적인 관계에 더 가까울 것이다.

유저안테나(인텔리안테크)

- 원웹이 본격적으로 저궤도 위성통신망을 구축하기 시작하던 시점인 2019년 말 원웹은 국내 인텔리안테크와 유저안테나(User Terminal) 공급계약을 체결했다

- 이후 파산위기 및 러우전쟁으로 일부 유저안테나 공급 계약의 변동은 있었지만, 빠르면 올해 중순 서비스가 진행 예정이기 때문에 올해 부터 본격적인 저궤도 위성 안테나 매출이 발생될 전망이다.

- 인텔리안테크는 기존 해상용 안테나 시장에서 정지궤도(GEO) 통신위성으로부터 높은 주파수 대역(Ka, Ku등)을 수신하는 해상용 VSAT안테나 시장 점유율 1위 기업이었다

- 저궤도에 위치한 통신위성은 계속해서 그 위치가 변하기 때문에 고정된 형태가 아닌 이동하는 위성 신호를 트래킹할 수 있는 형태의 안테나가 필요로 했다

- 인텔리안테크가 원웹향으로 공급되는 안테나는 크게 두 종류로 기계식(Electrically steered 또는 Parabolic) 안테나와 평판(Phased-array) 안테나가 있다.

- 기계식 안테나는 기계적인 움직임으로 위성 신호를 트래킹하는 반면 평판 안테나는 내장된 많은 칩셋을 통해 다양한 각도의 위성 신호를 수신하거나 반대로 위성으로 전달하게 된다. 또한 평판 안테나는 하나의 안테나만으로도 끊김없이 위성신호를 송수신할 수 있다.

캐주얼군에서 고성장해 왔던 일부 라이선스 브랜드(디스커버리, 내셔널 지오그래픽. 캉골 등)들은 신학기 및 리오프닝 수요로 1Q23 내수 매출이 전년 동기 대비 한자리 중반에서 후반 성장률을 보이고 있는 것으로 판단 된다. 이외 브랜드사들은 전년 동기 대비 플랫하거나 낮은 한자리 성장에 그치는 것으로 보인다.

2021~22년 보복성(보상적) 소비 행태와 국내외 리오프닝 수혜를 온전히 입었던 패션 브랜드사들의 실적이 2023년에 하향 안정세로 들어가는 건 어쩌면 불가피하다. 초고령화가 급속도로 진전됨과 동시에 인구 증가폭이 크지 않은 한국 내수 시장에서 브랜드사들이 살 길은 브랜드 경쟁력을 확보해 불황에도 소비를 이끌어 낼 수 있는 가성비 혹은 가심비 브랜드가 되든, 해외 시장 개척으로 또 다른 매출 성장동력을 마련하는 것이다. 아니면 신생 브랜드로서 출점 여력이 남아 있는 것도 상대적으로 성장 모멘텀이 부각되어 보일 수 있는 요인이 된다.

다행인지 내수 패션 재고가 계속 늘기보다 미국처럼 하향 조정되는 양상을 보이고 있다. 1~2월 패션 소비가 여전히 (+)성장을 보이고 있고, 재고는 조정 중인 것으로 판단되어 내수 패션 업황이 부진하다기 보다 팬데믹 이전으로 돌아가는 정상적인 상황 이라고 판단한다. 다만 내수 패션 소비가 다시 회복될 가능성이 다시 높아졌다 해도, 재작년과 작년에 비교하면 턱없이 낮아보이는 성장률 때문에 내수 의류 소비주에 대한 매력은 전보다 낮아짐을 고려해야 한다.

- XR 기기는 눈과 가까워 높은 해상도가 요구되므로 마이크로 디스플레이 채택은 필연적인데  VR.AR.MR 기기에 따라 디스플레이 기술의 침투 양상은 다르게 나타날 것으로 예상된다. 

- AR 기기는 외부 조도의 영향을 받기 때문에 마이크로 LED 가 XR 기기에 본격적으로 침투하기 전까지 는 LCoS 가 지배적인 기술이 될 것으로 전망된다. 

- 반면 VR 과 MR 기기에서는 명암비가 높은 OLEDoS 와 마이크로 LED 가 향후 지배적인 디스플레이 형태가 될 것으로 예상된다. 

- 마이크로 LED 는 OLED 대비 소자 수명이 높기 때문에 고휘도 구동에 매우 유리하다는 장점이 존재한다.

- 외부환경에서 사용빈도가 높은 스마트워치, 스마트폰과 같은 디바이스에서는 자연광보다 높은 휘도의 디스플레이가 필요하기 때문에 마이크로 LED 는 스마트워치, 스마트폰, XR 기기에 매우 적합하다. 

- 전사 공정 방식이 표준화되어 Micro LED 수율이 증가하고 , 생산 비용이 충분히 낮아진 이후 XR 디바이스에 마이크로 LED 침투가 본격적으로 이뤄질 것으로 판단된다.

- 다양한 시도에도 불구하고 현재까지 XR 미디어 콘텐츠는 매우 부족한 실정이며 VFX 콘텐츠가 일부 대체재로 사용되고 있는 상황이다

- XR 게임은 타 콘텐츠 대비 선호도가 높고 , PC 게임 대비 높은 중독률을 보여 XR 산업에서 킬러콘텐츠로 활약하고 있다.

LCoS(LC on Silicon) : 양산 가능한 고휘도 디스플레이 

현재 VR 시장에 유통되고 있는 OLEDoS의 휘도는 1,800nit 수준인데, 이를 AR에 사용한다면 18nit 수준의 디스플레이가 구현되어 사용하기 매우 어렵다. 반면 LCoS는 현재 수십만nit의 휘도를 구현 가능하기 때문에 낮은 광학계 효율에도 불구하고 외부 환경에서도 사용 가능한 디스플레이로 판단된다. 고휘도 출력을 위해서는 소자의 수명 또한 충분히 길어야 하기 때문에 LCoS는 AR 기기에 사용되기 매우 적합한 디스플레이다.

마이크로 LED는 휘도, 명암비, 수명 측면에서 장점을 가지고 있으나, 앞서 언급한 공정 수율과 생산 단가 측면에서 대량 양산되기에 아직 어려운 상황이다. 마이크로 LED가 XR 기기에 본격적으로 침투하기 전에는 AR 기기에서 LCoS가 지배적인 기술이 될 것으로 전망된다.

OLEDoS (OLED on Silicon) : VR 에 적합한 마이크로 디스플레이

MR과 VR 기기 에서는 명암비가 높은 OLEDoS 가 향후 지배적인 디스플레이 형태가 될 것으로 예상된다 . 외부 조도에 크게 영향을 받는 AR기기에서는 OLEDoS 가 낮은 휘도와 짧은 수명이 극명하게 드러나지만 VR기기는 명암비 등 사용자가 느끼는 몰입감이 더 중요하다.

현재 양산되고 있는 패널은 White + 컬러필 터 방식의 OLEDoS 인데 기존의 W-OLED TV 와 같은 생산 방식을 사용한다 OLED 를 전면에 증착한 뒤에 컬러필터를 통해 RGB 를 구현하는 것이다. 

하지만 컬러필터의 투과도는 20~30% 수준이기 때문에 컬러필터를 사용하 게 되면 광 효율이 매우 낮아진다. 스마트폰 OLED 패널의 구조와 유사한 RGB 방식의 OLED oS가 XR 기기에서 효율적이지만 현재는 2,000ppi 이상 패터닝 할 수 있는 FMM Fine Metal Mask)이 구현되지 못한 상황이다

3가지 기회에 주목: ① 행정수도 이전, ② 광물자원 확보, ③ 인구대국의 잠재력
 

1) 행정수도 이전: 사우디 네옴시티와의 평행이론 → 원자재 보유국들이 도시를 건설하는 이유

인도네시아와의 협력에서 표면적인 것은 인도네시아의 행정수도 이전 (자카르타 → 누산타라)을 지원하는 것이다. 약 40조원 규모가 될 행정수도 이전 프로젝트에 건설, 스마트시티, IT, 모빌리티 등 분야의 기업들이 참여 의지를 보이고 있다

2) 광물자원 확보: ‘탈세계화 + 자원 민족주의’의 교집합 국가 → 인도네시아

IPEF (인도-태평양 경제프레임워크)의 공식∙특별협상 개최장소가 어딘지도 확인할 필요가 있겠다. 14개국이 참여하는 협의체인만큼 공식 행사의 개최장소가 갖는 의미도 되새겨봐야 하는데, 호주 (제1차 공식협상), 인디아 (특별협상), 인도네시아 (제2차 공식협상) 등이었다. 호주와 인도네시아는 각각 리튬과 니켈 생산 1위 국가다. 특히 인도네시아는 전기차 배터리의 핵심 소재인 니켈 공급자로서의 매력이 부각되고 있는 가운데, OPEC과 같은 협의체를 만들려는 자원 민족주의 의지를 보이고 있다. 광물자원 확보의 관점에서 주목한다.

3) 인구대국의 잠재력: 인구대국이 보여줄 소비의 힘 → 그들이 열광하는 ‘한국의 소비재’

2023년 1월 1일부터 한-인도네시아 포괄적 경제동반자 협정 (CEPA)이 발효됐다. 교역의 본격화를 의미할 수도 있다. 앞선 2가지 분야 외에도 경제 전반적으로 교역이 확대될 가능성에 주목한다. 특히 소비 분야에서의 기회 창출을 기대한다.

화학 업황은 언제쯤 개선될 수 있을까

최근 중국 리오프닝으로 인한 수요 반등으로 석유화학 가격이 반등하고 있다 근본적인 경제 활동의 상승 신호일 수 있으나 대부분 연말에 비워진 전방 창고 탱크의 재고 보충이 있었고 경제성 저하에 따른 역내 외 화학 플랜트 들 의 가동률 조절에 따른 공급 축소에 기인한다 올해 2월 75.9% 까지 하락한 국내 크래커들의 가동률이 올해 3월 80.1% 까지 상승하며 제품 가격이 하락세를 보인점을 고려할 경우 아직까지는 수요 개선 폭이 크지 않아 보인다 폴리머 수요는 여전히 완제품 교역 회복에 상당부분 의존하고 있기 때문이다.

올해 내년 화학 업황의 가장 중요한 변수는 중국의 수요 회복 전망이 될 것이다 GDP 중에서 중국이 차지하는 비중 (2021년 기준)은 17% 이나 세계 기초화학제품 중간재 수지 섬유 당사 추정치 에서 중국이 차지하는 비중이 40%에 육박하기 때문이다

세계 폴리머 9 대 시장에서 중국의 점유율은 1990 년 5%에서 2008년 24%로 증가하였다 이 시기의 연간 증가율은 1~2%p 였다. 그 이후 2008 년과 2009 년 사이 중국의 점유율은 약 4%p 상승하 였다 금융 위기 이후 중국의 공격적인 경기부양에 따른 수요 증가가 기인한다 2008 년과 2009 년 사이의 중국 폴리머 수요 증가는 약 1 000 만톤 증가하며 세계 화학 경기 위축을 방어 하였다 올해까지 중국의 증설이 이어지는 가운데 중국의 경기부양 인프라 정책의 큰 변동이 있거나 완제품 소비국 등의 수요 개선이 급격히 나타나야 향후 의미 있는 가격 수익성 반등이 있을 것이다. 

- 올해 세계 신규 태양광 설치량은 작년 대비 53.4%  증가한 350.6GWG를 기록할 전망이다.

- 아시아는 올해 설치 수요가 가장 많은 것으로 예상된다. 올해 아시아의 신규 태양광 설치는 202.5GW를 기록하며, 작년 대비 55.4% 증가할 전망이다. 40% 이상의 높은 성장률을 보일 것으로 예상되는 국가로는 정부의 설치 확대 정책을 추진하는 중국,말레이시아,필리핀 등이 있다

- 유럽의 올해 신규 설치 수요는 작년 대비 39.7% 증가한 68.6 GW 가 될 것으로 예상된다. 특히 독일 스페인 네덜란드의 성장이 클 것으로 전망된다 

- 미주의 올해 신규 설치 수요는 작년 대비 65.2% 증가한 64.6 GW 가 될 것으로 보인다. 특히 미국 시장은 작년 대비 101.1% 증가한 40.5GW의 신규 태양광 설치 수요가 증가하며 미주 시장을 이끌 전망이다.

- 중동 아프리카의 올해 신규 설치 수요는 14.9 GW 로 작년 대비49.5% 증가할 전망이다

Tesla, 플랫폼을 기반으로 단순 완성차OEM이 아닌 종합 에너지기업 발돋움

Tesla는 ESS라는 플랫폼과 IT 기술을 기반으로 궁극적으로 전력 소매 사업자(VPP)로 성장하기 위한 발판을 마련해 가고 있다. 또한, 신규 사업 매출 성장과 동시에 Tesla의 차량을 보유한 고객은 저렴한 충전비용으로 TCO가 낮아질 수 있다는 점에서 Tesla 고객 Lock in 효과도 매우 클 것으로 판단한다.

Tesla는 지난 4Q22 실적발표에서 매니지먼트는 자동차 GPM 보다 전사 OPM의 관리를 더욱 중요하게 여긴다고 밝힌 바 있다. 즉, EV 가격을 인하하여 자동차 사업의 GPM이 일부 낮아질수도 있지만, 에너지, 충전, 보험 등 관련 사업에서의 이익이 성장하면서 자동차 사업 수익성이 낮아지는 부분을 보완해 줄 것으로 여긴다는 점이다. Tesla는 EV라는 Platform을 활용하여 차량과 연계된 사업들을 통해 수익을 극대화하는 Platform 사업자이다. 극단적인 가정을 하면, 차량에서 마진이 거의 남지 않더라도, 충전, 보험, 자율주행 S/W 판매(구독), 전력 등에서 이익을 낼 수 있는 것이다. 이미 Tesla의 Energy 사업 매출 성장성은 Tesla 자동차 사업보다 더욱 높아졌다.

CATL 역시 빠르게 성장하는 중국 시장 바탕 ESS 사업 고성장세 

CATL 역시 2023년 ESS 사업을 중심에 두고 있다. CATL의 ESS 사업 성장률은 전기차 배터리사업 성장률을 넘어서고 있다. CATL의 ESS 판가를 추정해 보면 단순히 ESS를 판매하는 정도 수준인 것으로 추정된다. 하지만, 장기적으로 재생에너지 시장이 가장 빠르게 성장하는 중국을 바탕으로 빠르게 성장할 것으로 전망된다.

우리나라 역시 VPP 사업 점차 구체화. 1)재생에너지 발전량 예측제도 시행 

VPP사업자(중계사업자, Aggregator)는 다양한 분산자원을 모아 최적화하거나, 교환을 촉진해 가치를 창출하는 주체다. VPP는 여러 고객이 보유한 자산을 취합 및 최적화해 발생하는 수익을 기반으로 다양한 사업 모델을 창출하고 집합 자원의 유연성 관리를 위한 예측 및 밸런싱 모델개발 및 적용, 또는 분산자원 보유자의 설비 O&M, 각종 행정 처리 업무 등의 서비스를 제공할 수 있다.

ICT 기술을 통해 분산전원을 통합하여 제어∙운용할 경우 수요 예측에서 개별 예측보다 오차의 변동성을 감소시킬 수 있어 예측 정확성을 향상시킨다. 따라서, 모집된 분산자원은 발전량 예측을 용이하게 해 가시성이 확보되며, 이로 인해 전력시장에 참여하거나 전력계통 안정화 자원으로 활용이 가능하게 된다.

대표적으로 한화큐셀은 2023년 3월부터 재생에너지 발전량 예측사업을 시작하며 국내 분산에너지 사업에 착수했다고 밝혔다. 한화큐셀은 중장기적으로 에너지 시스템 솔루션, 전기차 충전사업 등과 분산에너지 사업을 연계해 시너지를 꾀하고 분산에너지 데이터도 폭넓게 확보할 방침이다. LS일렉트릭 역시도 재생에너지 발전량 예측제도에 참여하여 중장기 VPP 사업 확대를 준비하고 있다.

LGES ESS 사업, SI, 전장 및 공조 통합, 장기적으로 전력사업 확장까지 준비 

ESS 사업영역을 제조를 넘어 SI 및 전력사업까지 확대할 준비를 하고 있는 회사는 LG에너지솔루션과 SK이노베이션이다. LGES는 장기적인 성장 동력으로 EaaS(Energy As A Service)3 사업 확대를 계획하고 있다. 실질적인 성과를 확인할 수 있는 시점은 2025년부터가 될 것으로 전망한다. 회사는 2025년부터 20GWh 규모로 미국내 ESS용 LFP 배터리 생산설비를 가동할 예정이다.

LG에너지솔루션은 2022년 2월 NEC Energy Solutions를 인수했다. 동사는 2014년 NEC가 미국 A123systems의 ESS SI 사업을 설립해 인수한 회사이다. 미국에 본사 및 연구개발센터가 있고, 호주, 런던, 브라질 등에서 SI 사업을 중심으로 글로벌 ESS 프로젝트 140건 이상을 수행했다. 현재는 LG에너지솔루션 버테크(LG Energy Solution Vertech. Inc)라는 신규법인을 설립했다.

이를 통해 단순히 ESS를 제조해서 판매하는데 그치지 않고, ESS사업 기획, 설계, 설치 및 유지보수, SI까지 통합해 수행할 전망이다. 이를 통해 부가적인 매출을 발생하고 수익성을 개선시킬 수 있을 것으로 전망되며 고객 대응을 강화할 수 있을 것으로 판단한다. 또한, ESS 전체 통합 운영데이터를 실시간 확보가 가능할 것으로 기대되는 등, VPP 사업에 핵심적인 Data 축적이 가능하기 때문에 궁극적으로는 한국뿐 아니라 북미를 중심으로 글로벌 시장에서도 ICT 기술을 활용한 전력시장 진출까지 이어질 것으로 판단한다.

LG에너지솔루션은 올해 중국 난징공장 생산라인을 ESS(LFP)로 전환하고 2024년 미국 미시건 ESS(LFP)를 증설하여 25GWh의 ESS 생산 Capa를 갖춰 사업을 본격화할 것으로 전망되기 때문에, 2025년 이후 성장이 기대된다.

최근 한화큐셀과 LG에너지솔루션간의 MOU 역시 주목할 만하다. 미국에서 LG에너지솔루션은 한화솔루션이 개발하는 사업에 ESS를 제공할 것으로 전망되는데, 단순 셀/모듈 제조에 그치는 것이 아니라 앞서 인수한 LG에너지솔루션 버테크를 활용 및 ESS에 포함되는 전장부품,공조시스템 등 통합 시스템 솔루션 기술 개발로 부가가치를 높일 것으로 전망한다. 나아가, UAM,드론 용 배터리 개발 등 특수목적용 배터리 개발을 통해 Application을 확장할 것으로 전망한다.

SK이노베이션 자회사인 SK에너지는 소규모분산자원을 모집하여 전력중계사업 진출에 나서고 있다. 또한, 광범위한 영역에서 전력 관련 데이터를 수집할 수 있는 기술을 보유한 미국에너지솔루션 업체인 아톰파워를 ㈜SK와 인수하였다. 향후 전력사업으로의 확대가 기대된다.

* 천보

- 1H23 실적은 중국 내수 부진, 리튬가격 하락으로 인한 제품 판가 하락으로 전년비 모멘텀은 부족할 것으로 판단

- 하반기 대규모 증설(F전해질, VC, FEC 등)로 인한 효과가 반영될 전망이며, 하반기 미국/유럽 중심 배터리 판매 확대로 실적은 2H23부터 개선될 전망

- 올해부터는 LiPO2F2 제조 시 가격이 비싸고, 변동성이 높은 LiPF6 사용하지 않는 방식으로 전환. 이에 따라, 판가는 하락하겠으나, 수익성은 높은 수준에서 안정화될 전망. 또한, 판가가 인하할 수 있어 글로벌 점유율 확대 기대

- 동사가 CATL, BYD 등 중국 업체들의 LFP 배터리 향으로 판매하고 있는 F전해질(LIFSI)은 배터리 안정성 향상 및 수명 연장에 긍정적인 영향을 미치고, 저온에서 배터리 방전 억제하는 효과 기대

- 실리콘음극재는 원소재, 음극활물질, 셀, OEM사가 연결된 밸류체인으로 구성돼 있다.

- 실리콘 파우더 또는 실란가스 등이 원재료가 된다.

- 활물질 제조 기업들은 SiOx, Si/C 등 음극재를 셀사에 공급하고 현재 일부 고급 전기차 모델에 탑재된다

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- LG화학은 양극재, CNT 파우더, 슬러리, 바인더 등을 생산해 LG에너지솔루션에 공급한다.

- SK는 실리콘음극재 투트랙 전략을 택했다.

1) 2021년 SK머티리얼즈그룹포틴 JV를 설립했다. SK스페셜티(2022년 9월~2024년 4월까지 2,504억원 설비 투자)가 실

란가스(SiH4)를 생산해 SK머티리얼즈그룹포틴 실리콘음극재 공장에 공급한다. 향후 매출액 발생 시 Group14에 기술 로열티를 지급하는 계약을 체결했다.

2) SKC는 영국 음극재 기업 Nexeon에 지분투자를 단행했다. 2023년 생산 플랜트 시설 착공에 들어간다.

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- 포스코는 포스코케미칼 자체 진행과 포스코실리(구 테라테크노스)계열사 편입 등 종합 배터리 소재사로 진화 중이다.

- 이녹스도 배터리 소재 밸류체인 수직계열화에 나섰다. 이녹스 계열사 알톤스포츠중국 법인 알톤(천진)자전거유한공사는 현지 시장 폐슬러지를 소싱해 관계사인 티알에스에 공급한다.

- 티알에스는 실리콘파우더 제품 생산 및 상품 판매를 담당한다. 폐슬러지로부터 실리콘 파우더를 회수해 국내외 음극 활물질 제조사에 공급한다. 실리콘 파우더 Capa를 2022년 말 1,200톤/연에서 2025년 12,000톤/연 내외까지 늘리는 증설에 착수했다

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공격적인 Capa 증설, 전방 수요의 프록시

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Capa 증설은 전방 실리콘음극재와 CNT도전재 수요 확대를 의미한다. 배터리셀 스펙 구성은 최종 고객사인 완성차 OEM부터 차량 출시 최소 2~3년 전부터 협의 후 정해진다.

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- 대주전자재료와 포스코그룹은 실리콘음극재 Capa를 2025년까지 20,000톤/연 이상으로 확충한다.

- BTR은 2028년까지 퓨어실리콘음극재 40,000톤/연로 증설한다.

- 2025년까지 ShanShan은 9,500억원을 투자해 40,000톤/연, 성화신소재 30,000톤/연, 톈무선도(iopsilion) 50,000톤/연 구축을 계획 중이다.

- OCSiAl은 러시아, 세르비아, 룩셈부르크 거점에 SWCNT 파우더 Capa를 2026년 250톤까지 증설한다. SWCNT는 적은 양으로도 배터리 음극 대응이 가능 가장 큰 양산 규모이다.

- LG화학은 현재 여수 공장에서 CNT 1,700톤/연 Capa로 가동 중이다. 현재 여수에 2023년 가동 예정인 CNT 3공장(1,200톤/연)을 증설 중이고 대산에도 CNT 4공장을 건설해 2024년 말 6,100톤/연을 확보한다

- 금호석유화학은 아산 120톤/연, 여수 240톤/연(2024년 예정) 생산능력을 갖춘다.

- 제이오는 2022년 말 1,100톤/연 수준에서 2025년 6,000톤/연 이상까지 증설한다.

- 나노신소재도 약 500억원 투자로 미국, 폴란드, 일본 지역에 2차전지 대응 라인을 신축한다. 해외공장별 10,000톤/연 이상의 Capa를 갖출 것으로 추정한다. 중국 Cnano는 2024년까지 분산액 150,000톤/연 Capa를 확보할 예정이다

실리콘음극재, 충전 속도와 주행 거리 개선의 핵심

- 음극재는 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 전류를 흐르게 하는 역할을 한다.

- 원가가 낮고 양산이 용이한 천연 흑연, 인조 흑연이 주로 사용된다.

- 차세대 음극재로 주목 받는 실리콘음극재는 이론 용량이 4,200mAh/g 에 달한다. 흑연은 원자 6개당 리튬이온 1개가, 실리콘은 원자 4개당 15개 리튬이온 저장이 가능하기 때문이다.

- 실리콘음극재 적용 시 충전 속도와 출력, 주행거리 개선이 기대된다. 그럼에도 낮은 초기효율(ICE; Initial Coulumbic Efficiency)과 충방전 시 팽창, 불규칙한 SEI(Solid Electrolyte Interface)층 생성 등 과제가 있다.

원소재 제조

- 실리콘음극재 제조의 첫 단계는 원소재 확보다. 지각 내 두 번째로 풍부한 실리콘은 자연 상태에서 주로 산화물과 결합된 상태로 존재한다.

- 규산(SiO2)을 포함한 규석(Quartz)의 형태가 대부분이며 실리콘을 얻기 위해 주로 코크스와 목재 등 투입, 용융해 환원 과정을 거친다(2SiO2 + 2C -> 2Si + 2CO2)

- 2차전지 음극재용 실리콘파우더는 실리콘 함량 95~99% 이상으로 고순도가 요구된다. 또한 SiO2 가 흡습성이 강하기 때문에 배터리 소재 품질 변화 방지를 위해 기준선 이하의 산소, 수분 함량만이 용인된다.

- 모노실란가스(SiH4)를 이용한 실리콘음극재 제조도 가능하다. 실란가스는 실리콘계 특수가스로 반도체, 디스플레이, 태양전지 부문에서 절연막, 반사방지막 등에 사용된다.

실리콘음극재 종류와 특징

실리콘음극재에 정형화된 틀은 없다. 제조 공법도 에칭, 증착, 밀링 등 채택 구성과 순서가 다양하다. 특정 타입의 우위, 열위가 정립되지 않았지만 현재는 주로 SiOx가 제품화돼있다.

1) SiOx(실리콘산화물계)

- SiOx는 현재 상용화 수준에서 가장 큰 비중을 차지한다

- BTR, Shin Etsu, 대주전자재료 등 글로벌 업체들의 방식이다.

- SiOx는 초기효율이 낮지만 부피 팽창이 적고, 준수한 수명주기를 가진다. 제조 비용은 상대적으로 높은 편이다

- 포스코실리콘솔루션(舊 테라테크노스)는 제조 원가 경쟁력 확보를 목표로 한다.

- 대주전자재료는 마그네슘 도핑, 탄소 코팅 등으로 용량을 일부 타협하는 대신 초기 효율을 높여가고 있다.

​2) Si/C(실리콘탄소 복합체)

- Si/C는 일부 셀메이커와 글로벌 스타트업들이 채택한 방식이다

- 실리콘물질과 탄소를 결합한 복합체 구성으로 높은 초기 효율(ICE)을 보인다.

- 이론적으로 대량생산이 용이해 양산 규모로 진입 시 제조원가 측면 경쟁력을 확보할 수 있다. 다만 아직 양산이 이뤄지지 않았고 연구개발, 생산 라인 구축 단계에 접어들었다.

- 탄소 전구체에 기공성(porous) 구조를 형성해 실리콘을 결합하는 방식과 실리콘입자에 탄소계 코팅을 입히는 방식 등이 대표적이다

- 제조에 모노실란가스(SiH4)가 사용될 수 있다. SK머티리얼즈그룹포틴은 SK스페셜티로부터 가스를 공급받아 나노 기공에 가스를 균일하게 증착시켜 고용량, 장수명 입자를 생산한다.

- BTR은 삼성전자 종합기술원의 기술 이전 후 삼성SDI에 Si/C 타입 음극재를 납품 중인 것으로 파악된다.

- 국내에서는 엠케이전자와 한솔케미칼도 Si/C 공동 개발 및 관련 사업 투자를 계획 중이다.

​3) Si/Alloy(실리콘합금) 외 기타

- Si/Alloy는 상대적으로 공정이 단순해 제조 원가가 낮다는 장점을 가진다. 

- 주로 밀링(milling)과 용융의 과정을 거친다. 합금의 구성은 철, 알루미늄, 망간 등 다양하다.

- 단 수명이 짧다는 단점이 있어 보완이 필요하다. 

- 엠케이전자는 Si-Alloy 제형으로 2010년대 중반부터 삼성SDI와 공동 특허를 출원했다. 

- 일진전기도 실콘, 티타늄, 철, 알루미늄 등 합금을 활용한 음극재를 개발 중인 것으로 파악된다. 

- Si/Mxene 복합체 형태도 연구 중이다. 음극에 실리콘과 혼용 시 안정적인 리튬의 이동, 실리콘의 부피 팽창 방지로 배터리 수명을 크게 개선할 수 있다. 상용화 시 바인더와 첨가제 사용량을 줄이거나 없앨 수 있다는 장점도 있다.

4) 퓨어 실리콘음극재

​- 퓨어 실리콘음극재는 산소나 탄소계 물질과 결합한 형태가 아닌 실리콘활물질을 구성

- 실리콘의 구조적 불안정성을 개선해 높은 이론 용량을 활용하겠다는 방향이다. 짧은 수명의 단점이 있지만 합성 관련 제조 비용 절감이 가능해 원가 경쟁력 확보도 가능하다. 

- 한국메탈실리콘은 500억원을 투자해 퓨어 실리콘 활물질 제조 라인을 포함한 공장을 증설(최종 2026년 준공)한다. 신공장 Capa 3,600톤/연 중 2차전지향은 1/3내외로 추정되며 향후 수요 증가 시 다른 라인의 2차전지향 전환이 가능하다.

CNT도전재도 따라온다

- 실리콘음극재 채택 확대에 따라 CNT도전재 사용량 증가도 필연적이다. 도전재는 활물질 사이 빈 공간에 투입돼 전자 이동을 도와주는 역할을 한다.

- 현재 카본블랙이 도전재로 주로 적용된다. 실리콘음극재의 가장 큰 문제점은 부피 팽창과 전도도 감소다. 카본블랙 물성만으로는 실리콘음극재의 부반응을 상쇄시키면서 배터리에 제품화하기 힘들다.

- CNT는 1991년에 발견된 탄소의 다양한 구조 중 하나다.

- 흑연은 탄소 층상 구조로 구성됐다. 그래핀(Graphene)은 층상 구조가 아닌 단일층의 탄소 결합 구조다.

- SWCNT(Graphene Nanotubes)는 단일층의 탄소층이 루프 형태로 된 양끝이 열린 원통 구조다. MWCNT는 단일층이 아닌 다수의 벽 구조를 가진다

- CNT는 전기 네트워크 형성으로 안정적인 활물질 결착 상태를 유지시켜주고, 전자 이동 경로 역할로 전도성이 떨어지는 실리콘 단점을 보완한다

- SWCNT는 실리콘음극재 시장 성장과 동행할 전망이다. SWCNT는 높은 열/전기 전도도, 낮은 저항값을 지녀 전도도로 배터리 화재를 야기할 수 있는 핫스팟 방지에 도움을 준다. 0.01% 첨가만으로도 도전재 기능 수행이 가능하다

- MWCNT는 SWCNT보다 열/전기 전도도 등 물성은 떨어지나 제조원가가 충히 낮아 양극재를 중심으로 채택이 확대되고 있다. 

- CNT는 주로 화학기상증착(CVD, Chemical vapor deposition)으로 생성된다.

- CNT는 응집(agglomeration) 성향이 강하다. 응집되면 원하는 물성을 유지하기 어렵기 때문에 NMP/물 용매와 함께 분산액 형태로 제품화

- CNT 파우더 제조사가 분산액 제조사에 넘기면, 분산액 제조사는 최종 고개사인 셀사가 요구하는 농도, 특성을 반영해 도포에 용이한 슬러리 형태로 제조, 공급한다. 

- CNT 분산은 주로 계면활성제를 사용한다. 가격 경쟁력이 있고 기계적 믹싱, 초음파처리 등 간단한 공정을 적용할 수 있기 때문이다. 

CNT도전재 기술 경쟁력

1) 파우더 균질성

공정의 핵심은 1) 일정한 합성 조건을 유지시켜 균질한 CNT를 제조하고, 2) 정밀 제어로 CNT 직경을 작게, 길이는 길게 합성하는 기술이다. 해당 조건을 갖수록 CNT는 열, 전기 전도도가 높아진다. 

탄소가 다중벽 형태로 합성되면 이후에 단일벽으로 개조할 수 없기 때문에 공정이 호환될 수 없다. SWCNT 상용화 기업이 많지 않은 배경이다. 

2) 농도 조절

CNT 분산액의 제품 경쟁력은 1) 고농도 분산이 가능하고, 2) 고객사가 원하는 농도 제조가 가능한지 여부다. 농도는 도전재로서 충분한 성능을 내기 위해 일반적으로 MWCNT 5%, SWCNT 1% 이내 농도가 채택된다.

3) 순도 유지

CNT도전재는 불순물(impurities)과 재(Ash)가 거의 없이 높은 순도를 유지해야 한다. 불순물은 주로 크롬(Cr), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni) 등이다. 재는 연소 과정에서 나오는 불순물로 철, 칼슘(Ca), 규소 등이다. 배터리 안정성을 저해하는 물질들이 적게 포함될수록 품질이 우수하다.

​4) 취급

CNT 파우더가 합성 후 제품화하면 취급이 용이한 반면, 분산액은 취급에 더 민감하다. NMP와 같은 유해물질을 다루기 때문이다. 또한 분산 후 보관 시 점도(viscosity) 등 화학적 변화도 방지해야 한다

1) 우호적 정책으로 원가 부담 완화 

실리콘음극재 10wt%(중량비) 첨가 시 음극재 용량은 순수 흑연 구성 360mAh/g에서 464mAh/g(실리콘음극재 초기용량 1,400mAh/g 가정)로 증가하게 된다. 음극재원가는 4.4달러/kWh 증가한다. 북미 진출 부대 비용과 마진 확보를 고려해도 인센티브로 충분히 커버 가능한 수준이다.

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* 2023년부터 배터리 셀 35달러/kWh, 모듈 10달러/kWh 상당 수혜가 가능

* BNEF에 따르면 출하량 가중 평균 기준 2022년 배터리팩 가격은 전년 대비 7% 상승한 151달러/kWh(셀 120달러/kWh)를 기록

* 제조 측면에서 북미 지역생산 인센티브 수령 시 셀 가격의 20% 이상 버퍼가 확보 - 원가 버퍼를 실리콘음극재 등 개선된 기술 채택으로 활용 가능

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2) 전기차 충전 이슈

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- 전기차 인프라 부족과 충전/주행거리 이슈에 따른 배터리 스펙 향상 니즈는 꾸준하다. IEA에 따르면 전기차 주력 시장이 될 북미와 유럽 배터리 충전 시설은 전기차 10~20대당 1개꼴이며 평균 출력도 1kW로 열악한 것으로 나타났다.

- 국내는 충전기당 평균 2.6대 전기차, 출력 6kW 이상으로 집계된다. 환경부 전기차 충전소 현황 기준 1월 말 운영 중인 충전기는 약 19만대다.

- 실리콘음극재 적용으로 주행거리, 충전속도 개선이 가능하다.

- Volkswagen 그룹은 충전시간 30% 단축, 주행거리 10% 향상의 효과를 언급했다. 급격한 인프라 확충 없이는 배터리 스펙 개선 수요가 클 것으로 판단한다.

3) 범용성

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- 리튬이온 전지 형태 내 양극 구성에 상관 없이 실리콘음극재 적용이 가능하다. 전고체배터리 개발사들도 잠재 시장이다

- 실리콘음극재 배터리는 비중국와 중국 모두에서 상용화, 증설 구간에 들어섰다.

- 폼팩터에도 유연하게 대응 가능하다. EV향 셀사들은 4680 원통형 배터리 개발에 박차를 가하고 있다. 에너지 밀도 상승을 위해 실리콘음극재와 CNT도전재 적용 가능성이 높아지고 있다.

- CNT는 음극 뿐만 아닌 양극 대응 확장성이 있다

- 실리콘음극재를 탑재한 고성능 배터리에는 도전재로서 물성이 뛰어난 SWCNT 사용이 권고된다

- MWCNT는 기존 카본블랙을 대체하는 양극 도전재로 빠르게 침투율을 올리고 있다.

- 2025년 전극 내 MWCNT 비중은 최대 39%에 달할 전망이다.