中과 경쟁하는 소재 개발 전문 美 6K, 배터리 등 에너지 산업 소재 개발 혁신 선도

[아이티데일리] 화학 산업의 경계를 넓히는 6K(6K Inc.)가 첨단 소재를 개발해 적층 제조, 재생 에너지, 항공우주, 가전 등 다양한 산업 분야의 혁신을 앞당기고 있다. 첨단 마이크로파 플라즈마 기술과 지속가능한 공정을 통해서다.

이 분야의 연구개발에서 6K는 잘 알려진 회사다. 회사 공식 홈페이지에 소개된 수상 기록은 화려하다. ‘스텔란티스 2023 어워드’, ‘글로벌 클린테크 100’, ‘2024 최고 혁신 기업’, ‘환경 지속가능 연구 어워드’, ‘2024 미국 톱 그린테크 기업상’ 등 다수다.

회사는 자사의 기술을 통해 고객이 신속하게 혁신할 수 있도록 지원한다. 특히 에너지 저장, 이동 수단, 전기차용 리튬이온 배터리 소재 생산자들에게 유용하다.

6K 에너지 부문의 대표 샘 트린치는 매뉴팩처링투데이와의 인터뷰에서 6K의 핵심 기술에 대해 “기술의 핵심은 MIT 플라즈마 과학 및 핵융합 센터에서 개발된 마이크로파 기반 플라즈마 활용에 있다. 상용 마이크로파 발생기를 사용해 유니멜트(UniMelt) 리액터 위에 고효율 정지파를 만들어낸다. 이 리액터는 지름 1.2m, 높이 4.5m다. 이 장치에 가스를 주입하고, 금속 막대와 가스 및 마이크로파 에너지가 결합된 독자 토치를 삽입해 플라즈마 볼을 생성한다. 이 플라즈마 볼은 보통 지름 10~13cm로, 온도는 6000도 켈빈에 달한다”고 설명했다. 회사 이름 ‘6K’도 여기서 유래됐다.

이 온도는 태양 온도와 같아 실제 사용에 적합하지 않기 때문에, 회사는 가스 흐름을 조절해 플라즈마의 온도를 조절하는 방법을 개발했다. 이를 통해 균일한 생산 영역을 만들고, 온도를 정밀하게 제어함으로써 일반적으로는 연소되어 버릴 수 있는 배터리 소재도 안전하게 생산할 수 있다고 한다.

이 공정을 통해 6K는 배터리 소재의 화학 조성과 입자 크기, 미세구조를 정밀하게 제어함으로써 기존 방식보다 훨씬 적은 시간과 비용으로 고급 배터리 소재를 제조할 수 있다.

6K의 마이크로파 플라즈마 기술은 3D 프린팅을 활용한 적층 제조용 소재 생산에도 활용된다. 샘은 “회사는 티타늄, 니켈, 내열 금속 같은 금속 스크랩을 고순도 프리미엄 분말로 전환할 수 있는 독자 기술을 보유하고 있다. 이 공정은 금속을 특정 부피로 분쇄해 고체 상태로 플라즈마에 주입한 뒤, 온도를 제어하고 표면장력을 활용해 니켈, 티타늄, 구리, 텅스텐, C-103/나이오븀, 인코넬, 초합금 등의 금속 분말로 만든다. 이렇게 생산된 구형 분말은 기존 냉각 플라즈마 방식보다 일관성과 효율성이 높다”고 밝혔다.

모든 재료는 투입된 만큼 출력되며, 결함 있는 재료도 재처리할 수 있다. 회사의 철학은 ‘땅에서 아무것도 가져오지 않고, 땅에 아무것도 버리지 않는다’이다. 배터리 소재의 경우에도 고체, 액체, 슬러리 등 다양한 형태의 원료를 플라즈마 내에서 분말로 가공할 수 있다. 모든 프로세스는 효율성, 제조 공정 최적화, 폐기물 저감을 중심으로 움직인다.

6K의 기술은 철저히 지속가능성을 염두에 두고 개발됐다. 그래서 기존의 공정보다 에너지와 폐기물 발생량을 획기적으로 줄일 수 있다.

예를 들어 NMC(니켈·망간·코발트 산화물)를 생산할 때, 기존 방식은 니켈, 코발트, 망간을 리튬과 혼합하기 위해 세척과 건조에 많은 에너지를 쓴다. 이 과정에서 kg당 30~34kg의 황산나트륨 폐기물이 발생한다. 이는 종종 대형 수역에 버려지거나 4kg 정도로 농축된 후 매립된다.

반면, 6K는 전구체 물질을 물과 혼합한 액상 형태로 플라즈마에 직접 주입해 2초 만에 수분을 제거한 뒤 온도를 조절한다. 플라즈마는 이온이 1초도 안 되는 시간 안에 니켈, 코발트, 망간, 리튬의 결정으로 형성되는, 반응성이 매우 높은 환경이다. 결정화 이후 결정 구조를 미세 조정하고 분쇄를 통해 응집을 방지한다.

이를 통해 일반적으로 3~4일 걸리던 공정을 몇 시간 만에 마칠 수 있으며, 폐기물도 거의 발생하지 않는다. 부산물로 생성되는 아산화질소(NOx)는 전량 포집해 정화한다. 이 가스는 질산 생산 시스템에 다시 투입해 순환 구조를 유지한다. 이 모든 과정은 완전히 폐기물 없는 공정이다.

에너지와 물 사용량을 줄이고 폐기물을 없애는 친환경 공정 덕분에 미국 내에서 NMC를 제조하는 것이 중국이나 한국보다도 저렴해졌다고 한다. 이 장점은 리튬인산철(LFP) 배터리 생산에도 적용된다.

2011~2015년 사이에는 수백만 개의 셀을 생산해 중국으로 수출하기도 했다. 현재는 기존 공정을 활용하면서 향후 2년 안에 플라즈마 방식으로 전환한다는 계획이다. 미국 내 생산을 통해 핵심 소재의 해외 의존도를 줄이고, 관세나 항만 지연 등 공급망 문제를 피함으로써 경쟁력을 확보할 수 있다고 한다.

6K는 독보적인 마이크로파 플라즈마 기술을 통해 지속가능하고 효율적인 소재 제조의 새로운 시대를 열고 있다고 평가받는다. 최근에는 세계3위 LFP 제조업체인 고션(Gotion)과 미국에서 LFP 배터리를 생산한다는 내용의 계약도 체결했다.