2022.06.29 (수)

INSIDE

연료전지 금속분리판 제조를 위한 최고의 장비업체, 엘프시스템

레이저 용접‧프레스 장비 전문, 20년간 연료전지 기술개발
창원에 새 공장 짓고 600톤급 ‘직동식 고정밀 서보프레스’ 구축
‘직동식 투웨이 서보프레스’ 특허…분리판 연속 제조 가능
PEM 연료전지 금속분리판 제작 위한 ‘원스톱’ 공정기술 확보

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[월간수소경제 성재경 기자] 창원 장복산 자락으로 차를 돌려 상복산단에 진입한다. 오르막길을 오르자 산뜻한 신축건물 하나가 눈에 든다. 파란 색유리를 단 본사 건물 앞에 A, B, C 명패를 단 세 개의 공장동이 갓 구워낸 파운드케이트처럼 한 줄로 붙어 있다. 1년간의 공사를 마치고 지난 2월에 이사를 들어왔다.  


“회사 사업부가 크게 세 개로 구분됩니다. 레이저 용접 자동화 장비, 레이저 용접 임가공, 연료전지 장비가 여기에 들죠. 이곳 1공장의 A, B동은 연료전지, C동은 레이저 용접 자동화 장비를 전담하고, 차로 3분 거리에 있는 창곡산단의 2공장은 레이저 임가공을 전담한다고 보시면 됩니다.”


엘프시스템(ELF System)은 장비 전문 회사다. 기술연구소 김현철 소장을 따라 연료전지 동으로 향한다. 엘프시스템은 연료전지 금속분리판 제작을 위한 원스톱 공정, 프레스 장비를 전문으로 한다. 20년 전부터 SOFC, MCFC를 중심으로 한 발전용 연료전지의 금속분리판 개발에 힘써왔고, 5년 전부터는 이 기술을 자동차용 PEM(고분자전해질) 연료전지에 접목하고 있다.

 

 

최대 600톤 ‘4축 직동식 서보프레스’ 도입
연료전지 공장 안으로 들자 최대 600톤의 압력을 가할 수 있는 ‘직동식 고정밀 서보프레스’ ZENFormer MPS4600이 눈에 든다. 4개의 서보모터를 사용해 4축 평행도가 좋고, 고정성과 유연성이 높다. 금형 유지비도 적게 드는 이점이 있다. 


“보통은 ‘너클 타입’이라고 해서 슬라이드 중앙의 1축 또는 슬라이드 끝단의 2축으로 가압하는 서보프레스 방식을 주로 쓰죠. 이 경우 슬라이드의 평행 유지가 어렵고, 가압 시 슬라이드가 휠 수 있어요. 마이크로미터 단위로 정밀하게 찍어내는 금속분리판 프레스 작업에 정확도를 확보하기가 어렵죠.”

 


기술연구소 윤석민 과장이 제어반을 작동시키자 금형이 장착된 슬라이드 베드가 볼스크류를 타고 스르르 내려온다. 젠포머는 슬라이드의 네 모서리에 하나씩, 총 4개 축을 설치해서 실시간으로 각 축의 위치값을 읽어낸다. 각 축을 독립적으로 구동해서 슬라이드의 평행도를 바로잡아 안정적으로 금속분리판의 유로를 찍어내게 된다. 


엘프시스템은 일본의 서보프레스·금형 전문업체인 HSK와 15년 정도 연료전지 관련 기술협력을 이어오고 있다. 사실 이 장비는 도요타 미라이의 연료전지에 들어가는 금속분리판 가공에 최적화된 프레스다. ‘젠포머(ZENFormer)’란 이름도 HSK사의 브랜드명이다. 


“7, 8년 전부터 국내 도입을 준비해왔고, 하드웨어 제작은 엘프시스템이 맡고 제어 부문은 HSK가 맡기로 최종 합의가 됐어요. HSK의 국내 에이전시인 셈이죠.”

 


구동모터나 센서 같은 주요 부품을 빼고는 국내에서 모두 제작해서 조립했다. HSK 프레스 사업부와 오랜 시간 쌓아온 신뢰를 바탕으로 하고 있다. 엘프시스템은 여기서 한 발 더 나아가 4축 직동식 서보프레스를 위아래로 작동시켜 상하 양방향에서 금속분리판을 찍어내는 ‘직동식 투웨이(Two way) 서보프레스’로 국내 특허등록을 마쳤다. 현재 미국과 유럽에 특허등록을 진행 중에 있다.


“한 대의 프레스로 두 가지 금형 작업을 완수할 수 있는 장비 특허라 할 수 있죠. 금속분리판은 양극(애노드)과 음극(캐소드)을 한 장씩 따로 찍어서 합치게 돼요. 현대차 넥쏘를 예로 들면 대당 440세트(약 900장)의 금속분리판이 들어가게 되죠. 자동화 공정을 적용했을 때 프레스의 앞단과 뒷단의 공정 라인을 감안하면 양극과 음극 분리판을 따로 찍어서 합치는 것보다 라인에 한 번에 태우는 게 훨씬 효율적입니다.” 


A4 종이 두께가 80~100㎛(마이크로미터)다. 금속분리판은 종이처럼 얇은 100㎛ 이하의 극박판 소재를 사용한다. 소재 투입, 프레스 성형, 검사, 레이저 용접, 절단, 검사 등의 공정을 개별로 나눠서 적용할 경우 이송 과정에서 불량이 발생할 소지가 매우 높다. 


엘프시스템은 ‘직동식 투웨이 서보프레스’를 적용한 ‘분리판 스마트 연속 제조장비’에 대한 특허등록을 이미 마쳤다. 분리판 소재인 금속코일 투입부터 용접 후단까지 일괄생산 자동화 공정이 적용된다. 공정 간 이송에 따른 불량률을 낮추고, 인력 투입을 최소화할 수 있다. 또 기존 설비 대비 장비 설치면적을 40% 이상 줄일 수 있다.


“‘직동식 투웨이 서보프레스’에 레이저 용접 기술을 접목해서 5초 안에 금속분리판을 생산하는 자동화 공정 기술을 확보했죠. 기존 분리판의 경우 음극과 양극 분리판 사이에 씰(Seal)이 들어갑니다. 우리는 이 부분을 레이저 용접으로 해결하는 기술을 보유하고 있죠. 셀 하나를 만드는 데 씰 작업이 세 번 들어가는데, 이걸 두 번으로 줄이면 생산원가를 25% 이상 낮출 수 있어요. 유럽만 해도 탄소 발생 저감, 에너지 절감을 위한 생산공정 개발에 힘쓰고 있죠. 원가절감 이상의 효과를 볼 수 있습니다.”

 


김현철 소장은 최근 코트라(KOTRA) 경남지원단이 주관하는 ‘서유럽 미래모빌리티 무역사절단’으로 스페인을 다녀왔다. 마드리드, 사라고사 지역을 돌며 스페인의 현지 사정을 접할 기회를 얻었다.


“유럽은 수소에너지 시장을 중심으로 돌아가요. 수소의 생산과 이송, 저장 부문에 초점을 맞추고 있죠. 실제로 재생에너지에 기반한 대규모 수전해 플랜트 사업이 활발해요. 스페인만 하더라도 사막화가 진행되고 있는 남부에 태양광을 깔고 수소생산에 나서고 있죠. 반면에 연료전지 쪽은 4년 전에 우리가 수소 드라이브를 걸 때와 비슷한 분위기더군요. 수소 활용 쪽에 먼저 드라이브를 건 우리와는 순서가 반대죠.”


연료전지, 수소전기차 양산은 국내 기술이 앞서 있지만, 소부장 쪽 기본기가 워낙 탄탄해서 방심은 금물이다. 유럽보다는 오히려 중국의 성장세가 무섭다. 아직은 연료전지 기술이 떨어지기 때문에 배터리를 접목한 하이브리드 타입으로 양산에 나서고 있지만, 탄탄한 내수를 기반으로 기술개발에 속도를 내면서 그 격차를 좁히고 있다.  

 

금속분리판 개발에 특화된 ‘장비’업체
본사 사무동 3층을 찾아 정병수 대표와 마주 앉는다. 엘프시스템은 지난 2016년에 창업했다. 오토엔이라는 회사의 기술연구소에서 레이저 용접, 연료전지 사업부를 따로 분할해 설립한 회사다. 엘프시스템의 연료전지 기술을 논할 때 꼭 거론되는 것이 MCFC(용융탄산염 연료전지)다. 


“2002년부터 전력연구원과 함께 국책 과제로 MCFC 개발을 진행했어요. 벌써 20년 전 일이네요. 이후 포스코에너지의 MCFC 부품국산화 사업(2010~2015년)에 참여해서 분리판, 매니폴드 국산화 기술을 확보했죠. 검수까지 받고 양산에 들어가는 조건으로 기술개발을 끝낸 시점에 MCFC 사업이 어려움에 처하면서 홀딩에 들어갔어요. 기술은 확보했는데, 써먹지 못하는 안타까운 일이 생긴 거죠.”


포스코에너지는 미국 퓨얼셀에너지의 MCFC 기술을 이전받아 사업화에 나섰지만, 기술적인 어려움을 겪으며 사업 축소에 들어갔다. 포스코에너지가 지난 2019년에 연료전지사업 부문을 따로 떼어 한국퓨얼셀을 세웠고, 이를 계기로 퓨얼셀에너지와 소송 공방이 이어졌다. 그러다 지난해 말 양사는 소송에 최종 합의했다.


“한국퓨얼셀과 유지보수 계약을 맺은 현장에 퓨얼셀에너지가 스택을 지원하기로 하면서 원만히 해결이 된 걸로 알아요. 퓨얼셀에너지도 신규 시장에 진출할 길이 열린 셈이라 서로 ‘윈윈’했다고 할 수 있죠. 퓨얼셀에너지가 국내에서 사업을 다시 시작한다면 우리가 할 수 있는 역할이 분명히 있다고 생각해요. 그냥 두기엔 너무 아까운 기술이죠.”

 

본사 1층 로비에 그동안 엘프시스템이 개발한 MCFC 분리판이 세로로 세워져 있다. 맨 나중에 개발했다는 125kW급 분리판은 어른 키와 맞먹을 정도로 크다. 

 


엘프시스템은 MCFC뿐 아니라 SOFC(고체산화물 연료전지)에 들어가는 분리판 연구도 꾸준히 진행해왔다. 2007년부터 국내 연구소와 SOFC 개발에 나서 분리판 스탬핑 기술을 확보했다. 


“발전용 연료전지 쪽을 주로 하면서 분리판 제작기술을 쌓아왔고, 포스코에너지의 MCFC 사업이 힘들어지면서 PEM 쪽으로 연결고리를 만들어왔다고 보시면 됩니다. MCFC, SOFC, PEMFC 모두 금속분리판을 써요. 소재, 두께나 크기, 기체가 지나는 유로의 형상은 다 다르지만, 기본적으로 금속분리판을 쓴다는 점은 동일합니다. 연료전지 금속분리판 개발에 특화된 장비업체라 할 수 있죠.”


엘프시스템은 레이저 용접 기술로 연료전지 분리판 사업에 처음 입문했다. 여기에 선진 프레싱 기술을 접목하고 자동화 설비, 검사 기술 등을 확보하면서 기술력을 높여왔다.


“자동차뿐 아니라 배터리(이차전지) 쪽에 레이저 용접 수요가 많아요. 특히 전기차가 뜨면서 ESS(에너지저장장치)보다는 차량용 배터리 쪽 장비 수요가 크게 늘었죠. 작년이 기반을 다지는 해였다면, 올해는 이 부문에서도 매출 성장을 기대하고 있습니다.”

 


정병수 대표는 흔히 소부장(소재·부품·장비)을 묶어 말하지만 국내 산업계가 ‘장비’에 주목한 것은 3, 4년밖에 되지 않았다고 한다. 외부에서 요청하는 도면대로 ‘부품’을 제작해서 납품하는 형태로 산업이 흘러가면서 부품업체에 장비를 납품하는 하청업체로 홀대받는 일이 많았다고 한다.


“그 인식의 변화가 가장 두드러진 곳이 반도체 업계라 할 수 있죠. 삼성전자 이재용 부회장이 유럽 출국길에 맨 먼저 찾은 곳이 EUV(극자외선) 노광기 제작사인 네덜란드의 ASML입니다. EUV 노광 장비 확보가 반도체 산업의 성패를 가를 정도로 중요해졌죠. 이차전지 쪽만 해도 장비업체들이 아주 핫합니다. 업계 전반에서 ‘장비’를 보는 인식이 달라지고 있어요.”


반도체, 이차전지, 연료전지는 공통적으로 기술의 난이도가 높은 고부가가치 산업에 든다. 이런 제품을 양산하려면 기술개발에 오랜 시간과 품이 든다. 자동화 라인에 깔린 장비에는 고난이도 기술이 녹아 있다. 국가기술 확보 차원에서 많은 투자가 선행된 분야이기도 하다. 


“시장은 크게 세 가지 형태로 발전해요. ‘정책 시장’으로 출발해서 ‘규제 시장’으로 넘어가고, 이후 ‘수요 시장’으로 확대가 되죠. 수소연료전지는 지금도 정책 시장의 테두리에 있다고 할 수 있어요. 규제 시장으로 넘어가려면 시장의 볼륨이 좀 더 커져야 하죠.”


현대차의 수소전기차 생산량은 연간 1만 대에서 1만6,000대 수준이다. 이를 10만 대 수준까지 높이려면 수소충전 인프라 확보, 성능과 내구성을 높인 3세대 연료전지시스템 개발 등이 이뤄져야 한다. 

 


“개인적으로는 현대차가 시장 상황을 지켜보면서 숨고르기에 들어갔다고 봅니다. 수소에너지 시장 전체로 보면 수소전기차는 활용 쪽에 일정 부문을 차지하고 있죠. 3세대 연료전지시스템 개발 시기를 조금 늦췄을 뿐, 수소로 넘어가는 글로벌 추세에는 변화가 없습니다. 오히려 그 속도가 더 빨라지고 있죠. 중국만 해도 수소전기차에 대한 R&D 투자를 크게 늘렸어요. 연료전지는 배터리보다 기술의 난이도가 훨씬 높죠. BOP(주변장치) 개발도 쉽지가 않아요. 이런 특성을 잘 봐야 합니다.”

 

20년 연료전지 제조기술 기반 ‘강소기업’
소부장 기업을 말할 때 자주 거론되는 나라가 독일이다. 독일 경제의 버팀목이 되는, 작은 규모로 세계적인 경쟁력을 갖춘 ‘히든 챔피언’(강소기업)을 보유하고 있다. 정병수 대표는 이들 중에 장비업체가 다수라고 강조한다. 


“독일의 히든 챔피언 장비업체들이 연료전지 금속판 개발에도 나서고 있어요. 프레스 전문기업인 슐러(Schuler)를 중심으로 레이저 용접, 금형 업체가 연합팀을 꾸려 금속분리판 일괄 생산라인을 준비 중인 걸로 알아요. 글로벌 수소전기차 시장에 나타나고 있는 이런 흐름에 주목해야 합니다.”


국내 수소전기차 시장에서는 현대차의 움직임이 절대적이다. 협력사나 밴더사는 현대차에 보조를 맞춰 연구개발의 방향성을 잡고 설비 투자를 결정하게 된다. 엘프시스템도 이 흐름을 눈여겨보면서 나름의 준비를 해왔다고 할 수 있다.


“분리판만 놓고 보면 지금도 발전용 연료전지 시장이 수소차 시장보다 훨씬 크죠. 연매출이 이미 조 단위로 올라섰으니까요. 중요한 점은 우리가 연료전지 금속분리판 쪽으로 어떤 시장이든 대응할 준비가 돼 있다는 겁니다.”


엘프시스템의 강점은 금속분리판 제작 장비를 기반으로 시제품을 생산하는 능력에 있다. 스택의 핵심인 MEA(막전극접합체)는 분리판과 궁합이 맞아야 한다. 분리판은 가스의 흐름, 물 배출에 큰 영향을 미치는 요소 부품으로 업체별로 유로의 설계가 다르다.

 


“금속분리판 제조 장비가 아주 비쌉니다. 최소 20, 30억 원은 들죠. 소규모 스타트업이 자체 디자인을 반영해서 MEA 전극을 쌓는 스택킹은 가능할지 몰라도, 이를 금속분리판에 적용하기는 쉽지가 않아요. 그래서 비용 문제로 카본분리판으로 가는 경향이 있죠. 여력이 된다면 드론이나 카트, 지게차 같은 비교적 낮은 출력의 연료전지를 개발하는 스타트업에 맞는 ‘보급형 분리판’을 시장에 내놓고 싶어요. 스타트업이 시장에 진출하는 가능성을 높일 수 있으니까요.”


엘프시스템이 PEM 연료전지 개발에 첫발을 들인 것은 지난 2009년이다. 포스코에서 연료전지 분리판 전용 소재인 POS470FC 개발에 처음 들어갈 때 성형업체로 참여했다. 당시만 해도 150㎛ 소재의 극박판을 사용했다. 최근 드론용으로 쓰는 극박판은 두께가 50㎛ 정도에 불과하다. 항공용 연료전지는 무게를 최대한 줄여야 하기 때문이다.


“프레스 성형은 한 번이 아니라 몇 번에 걸쳐 진행해요. 소재의 두께가 얇으면 얇을수록 정밀 성형을 하기가 어렵죠. 금형작업 시 소재가 꺾이는 각의 경사가 높을수록 성능이 잘 나와요. 소재가 얇으면 꺾이는 부분의 두께를 균일하게 잡기가 힘들어요. 4축 직동식 서보프레스 장비라야 정밀한 제어가 가능합니다.”

 


금속분리판에는 수소, 산소와 물이 지나는 통로인 유로가 있다. 이 좁은 채널 사이를 레이저로 용접하기 위해서는 양쪽에서 좁은 틈을 눌러주는 힘이 필요하다. 엘프시스템의 지그는 음극판과 양극판의 틈이 20㎛ 이하로 유지되도록 해준다. 바로 이 지그용접 기술도 특허를 보유하고 있다. 


국내에 초극박판 소재가 적용된 금속분리판의 레이저 용접 기술을 보유한 회사는 엘프시스템이 유일하다고 봐도 무방하다. 엘프시스템은 20년에 이르는 연료전지 제조기술을 기반으로 분리판 일괄생산 자동화 기술을 확보했다. 


“연료전지 금속분리판, 하면 딱 떠오르는 장비 전문 강소기업으로 거듭나겠다는 목표가 있죠.”


새 공장에 들인 새 장비로 그 전기(轉機)를 마련할 가능성이 높다. 편심하중에도 흔들림 없이 목표를 향해 정진하는 엘프시스템을 응원한다. 
 





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