세계적으로 리튬이온셀 배터리 수요가 증가하며 배터리 산업은 2030년전까지 약 10배 성장할 것으로 예상된다. 업계에서는 높은 수요와 다양한 국가 지원 정책으로 인해 치열한 경쟁이 벌어지고 있다. 규제가 까다로워지는 가운데 서방은 중국과 경제적 연결을 줄이고 중국은 자원을 무기화하고 있어 국내 배터리 업체가 어려움을 겪고 있다. 더불어 비용, 품질, 지속가능성 목표 달성, 생산 시간 단축, 폐기물 감소, 자원 공급망 다변화 등의 과제도 해결해야 한다.
이를 해결하기 위해서는 기존 제조 방식에서 벗어나야 한다. 이때 가장 핵심적인 것이 제조용 디지털 엔터프라이즈 프레임워크다. 이 방식에는 크게 세 가지 이점이 있다.
첫째 가상 개발을 통한 빠른 확장이다. 배터리 생산 규모를 확장하면 안정화까지 오랜 시간이 걸린다. 이는 빠르게 변화하는 배터리 시장에서 큰 문제가 된다. 이런 가운데 배터리 제품과 생산의 디지털 트윈이 재료 화학, 셀 설계, 제조 기술의 급속한 진화를 배경으로 업계의 중요 요구사항으로 부각됐다.
지멘스 고객 중 하나는 지멘스 디지털 트윈 프레임워크를 활용해 시뮬레이션으로 셀 엔지니어링과 최적화를 가속한다. 또 연구소 생산 공정에서 본격적인 제조 확장을 위해 공정, 라인, 공장의 정확한 디지털 트윈을 생성해 실제 세계에서 발생하는 비용과 위험 없이 생산 라인을 가상으로 반복 시험하고 있다. 이로써 배터리 셀이 실험실에서 대규모 생산으로 전환되는 데 걸리는 시간을 단축하며 지속 가능성 목표와 고유한 요구 사항을 충족시킨다.
국내에서도 LG에너지솔루션, SK온 등 배터리 제조업체가 공장에 스마트 시스템을 도입해 생산 시간을 단축하고 효율성을 높여 발전을 가속하고 있다.
둘째 통합 솔루션 기반의 효율적인 대규모 생산이다. 대규모 생산의 최대 과제 중 하나는 높은 불량률로 이는 특히 생산 초기에 빈번히 발생한다. 제조 비용이 셀 원가의 약 25%를 차지하는 상황에서 생산 비용을 절감하려면 불량률을 낮춰야 한다.
품질을 유지하면서 불량률을 낮추기 위해서는 현장에서의 실행 인사이트가 필수이며 엔드투엔드 생산 공정을 위한 하드웨어·소프트웨어 통합이 핵심적이다. 가상으로 검증된 공정 계획부터 '페이퍼리스' 생산 실행에 이르기까지 디지털상으로 공정을 연결하고 통합해 문제를 신속하게 식별·완화할 수 있다.
또 공장과 공급업체 네트워크 내에서 손쉬운 데이터 공유로 효율적 대규모 스케줄링이 가능하다. 기업은 공장 내 물류를 효과적으로 조정하고 공급망을 확보해 자재나 제조단계가 환경에 미치는 영향을 확인할 수 있다. 연결된 제조 공정은 복잡성을 줄이고 수직적·수평적 표준화로 유연성을 높인다.
셋째 지능형 생산 솔루션 구축을 통한 처리량 극대화와 지속가능한 제조다. 셀 생산은 매우 에너지 집약적인 공정이다. 기업은 탄소 발자국 최소화를 위해 에너지 소비를 최적화해야 한다는 압박을 받고 있다. 해결 방법은 기존 배터리 생산 환경보다 월등히 효과적인 방식으로 기계와 공장 데이터를 활용해 배터리 생산과 공장 운영에 필요한 정보를 제공하는 것이다. 산업용 IoT와 데이터 기반 운영으로 에너지 소비를 추적하고 공장 운영을 최적화해 탄소 발자국을 줄일 수 있다.
빠르게 성장하는 배터리 산업에서 시장을 선도하려면 스마트 제조 방식 도입이 필수적이다. 이를 도입하면 사전에 시뮬레이션, 검증 수행과 신속한 변경 사항 전파로 탄력적인 공급망을 구축하고 엔드투엔드 생산 실행 인사이트를 제공하는 통합 솔루션을 구현해 불량률을 줄이고 품질을 개선할 수 있다.
오병준 지멘스디지털인더스트리소프트웨어 한국지사장 molly.hwa@siemens.com