현재 어떤 연구를 하고 계시고, 자동화 도입은 어떻게 시작됐나요?

저희 연구실은 다양한 이차전지 소재와 전해질을 직접 만들고 평가하면서 그 사이의 관계를 규명하는 연구를 하고 있습니다. 그러다 보니 여러 규격의 연구용 셀과 바이알을 직접 제작해서 평가하는 과정을 계속 반복하게 됩니다.

그런데 이 과정에서 가장 부담이 컸던 것이 전해액 제조와 주액이었습니다. 전해액은 종류가 정말 많습니다. 그 모든 종류를 직접 만들고 하나하나 실험하려면 상당한 노동력이 들어갑니다. 이게 첫 번째 이유였습니다.

두 번째로 전해액은 유해 물질입니다. 지금까지는 연구원이 직접 주액하고 셀 뚜껑을 닫고 실링까지 손으로 해왔는데 사람이 계속 직접 다루기에는 위험이 있었습니다. 그래서 로봇이 하는 자동화 시스템 도입을 추진하게 됐습니다.

세 번째는 데이터입니다. 사람 손으로 하다 보니 주액량이나 체결 상태에 미세한 편차가 생겼고 이것이 실험 데이터로도 그대로 나타났습니다. 노동력과 안전, 그리고 데이터의 재현성. 이 세 가지 문제를 해결하기 위해 자동화 도입을 검토하게 됐습니다.

자동화 시스템을 검토하실 때 가장 중요하게 보셨던 기준은 무엇이었나요?

크게 세 가지가 있었습니다. 첫째는 당연히 안전이었습니다. 고위험 전해액을 다루는 공정인 만큼 사람이 개입하지 않고 안전하게 실험실에서 돌아갈 수 있는 자동화 시스템을 구축하는 것이 최우선이었습니다.

둘째는 정밀도였습니다. 연구 데이터는 재현성이 중요하기 때문에 매번 동일한 양을 주액하고 동일한 힘과 위치로 캡을 체결할 수 있어야 했습니다.

셋째가 사실 가장 어려운 조건이었는데요. 저희는 양산 공장이 아니라 연구실이라는 점이었습니다. 공정 기준점이 명확한 양산 라인과 달리 연구실은 용기 규격도 다양하고 셋업도 계속 바뀌거든요. 기존 산업용 자동화 솔루션을 그대로 가져올 수 없는 환경이었기 때문에 저희 연구실 환경에 맞춰 설계해줄 수 있는 파트너인지가 중요했습니다.

연구실 환경은 양산 라인과 달라서 자동화가 쉽지 않았을 것 같은데, 어떤 점이 가장 까다로웠고 어떻게 해결됐나요?

말씀해주신 대로 양산 라인과는 달리 공정 기준점이나 생산 기준점 같은 것이 모호했습니다. 또 서로 다른 규격을 가진 바이알과 배터리를 동시에 다뤄야 했기 때문에 자동화 공정을 구축하는 데 어려움이 있었습니다.

이 부분은 마로솔 쪽에서 둘을 동시에 다룰 수 있는 지그 설계를 제시해 주셔서 풀렸습니다. 덕분에 서로 다른 규격의 배터리와 바이알을 한 시스템에서 함께 다루는 자동화 공정을 구축할 수 있게 됐습니다.

셀 뚜껑을 정확히 닫는 공정도 고민이었습니다. 보통은 고가의 비전 시스템을 붙여서 해결하는데 연구실 예산으로는 부담이 큰 방식이었어요. 그런데 마로솔에서 비전 없이 가는 방안을 제안해 주셨습니다. 자체 설계한 3D 프린팅 보정 하우징으로 위치 오차를 기구적으로 잡아주고 정밀한 위치 티칭으로 반복 정확도를 확보하는 방식이었는데 실제로 셀 뚜껑 체결까지 안정적으로 구현이 됐습니다. 고가 장비 없이 저희 랩에 맞는 방식으로 문제를 풀어서 구축 예산도 크게 절감할 수 있었습니다.

한 가지 더 있습니다. 연구실에서는 서로 다른 실험군을 많이 돌려봐야 하니까 린싱을 자주 해야 하는 어려움이 있었는데 이것 또한 마로솔과의 협업을 통해 해결할 수 있는 시퀀스를 개발할 수 있었습니다.

구축된 시스템 구성 중에서 연구자 입장에서 특히 인상 깊었던 부분이 있다면요?

협동로봇 한 대가 여러 가지 공정을 다 수행할 수 있다는 점이 가장 인상 깊었습니다. 레인보우로보틱스 협동로봇 RB10에 슝크 오토 툴 체인저(ATC)가 결합되어 있어서 로봇이 공정에 따라 스스로 그리퍼를 바꿔 끼면서 움직입니다. 이지 그리퍼로 용기를 옮기고 마그네틱 그리퍼로 캡을 다루는 식으로요. 그래서 용기 이송부터 전해액 주액, 셀 뚜껑 체결, 실링까지 모든 복합 공정이 하나의 로봇으로 돌아가는 구조입니다. 로봇을 여러 대 두지 않아도 됩니다.

또 하나는 설비 통합이었습니다. 주액기, 실링기, 사이클러처럼 통신 방식이 서로 다른 설비들이 있었는데 이걸 PLC와 Modbus 통신으로 하나의 제어 체계로 묶어서 로봇과 신호를 주고받도록 만들었습니다. 덕분에 로봇과 주변 설비들이 마치 하나의 장비처럼 유기적으로 움직이는데 연구 환경에서는 이런 통합 구조가 큰 장점이라고 생각합니다.

이번 프로젝트에서 마로솔이 단순한 로봇 납품을 넘어 어떤 역할을 했다고 보시나요?

이번 프로젝트를 시작할 때 저희 연구실에서는 "어떤 공정을 자동화하고 싶다"라고 컨셉만 전달드린 상황이었습니다. 마로솔에서 최초 기획부터 최종 검수, 그리고 실제화까지 구현하는 과정에 상당히 많은 도움을 주셨습니다.

구체적으로는 초기에 저희 공정 시나리오를 상세하게 검토하고 Q&A를 거쳐서 하드웨어 사양을 확정했고, 오토 툴 체인저와 그리퍼 도면 설계, 워크스테이션 현장 설치, PLC 배선과 경로 티칭, 그리고 풀 시퀀스 무인 자동운전 검증까지 단계별로 진행해 주셨습니다.

연구실 자동화는 표준 가이드가 없는 시제품급 셋업이라 중간에 변수도 많았는데 그때마다 현장에 맞춰 기구를 보정하고 방안을 다시 제안해 주는 방식으로 풀어갔습니다. 견적을 받고 장비를 받는 관계라기보다 저희 공정을 같이 설계해준 파트너에 가까웠습니다.

자동화 시스템 도입 이후 연구 환경에서 실제로 달라진 점은 무엇인가요?

총 세 가지라고 생각하는데요. 안전, 실험의 품질, 마지막으로 연구원들의 생산성입니다.

먼저 안전입니다. 저희가 다루는 전해질은 유해할 뿐만 아니라 휘발성이 굉장히 강한 물질인데요. 이런 물질을 다룰 때 로봇이 주액부터 캡 체결, 실링까지 핵심 공정을 수행해 주면서 연구원들이 유해한 환경에 노출되는 부담이 크게 줄었습니다. 물론 전해액을 다루는 과정이 완전히 사라진 것은 아닙니다. 그래도 이전과 비교하면 확실히 더 편하고 더 안전한 실험 환경이 됐습니다.

데이터 측면에서도 변화가 큽니다. 수작업으로 셀을 만들다 보면 주액할 때 주액량의 편차나 캡을 결합할 때 생기는 불량 같은 근본적인 부분들이 존재합니다. 이런 부분을 로봇이 진행해 주면서 셀 간의 품질이 균일해졌고 손으로 진행할 때 대비해 실험 데이터의 재현성과 신뢰도가 눈에 띄게 올라간 것을 확인할 수 있었습니다.

그리고 가장 중요한 부분은 생산성인 것 같은데요. 사람이 자리를 지키지 않아도 셀 제작이 자동으로 진행되니까 연구실 전체 생산성이 한 단계 올라갔습니다. 공정 타임이 최적화되면서 야간에도 자동으로 시운전을 돌릴 수 있는 기반이 마련됐고요. 자동화 시스템을 도입한 이후에 연구원들은 셀을 만드는 시간 대신 데이터를 분석하고 다음 실험을 설계하는 데 시간을 쓸 수 있게 됐습니다.

연구실 자동화를 고민하는 다른 대학·연구기관 연구자들에게 전하고 싶은 말씀이 있다면요?

우선 연구실 단위 자동화와 양산 공정의 자동화가 완전히 다르다는 것을 강조하고 싶습니다. 공정의 기준점이나 용기의 규격, 실험하는 셋업 등이 지속적으로 바뀌기 때문에 표준 시스템으로 판매되는 물품을 그대로 들여오는 것으로는 연구실 단위 자동화가 많이 어려운 부분이 있습니다.

저희는 지도교수님이신 임종우 교수님, 그리고 옆에 있는 이현민 연구원과 함께 이런 부분들을 어떻게 하면 연구실에 적용할 수 있을까 하는 워크플로우를 짜는 것에 가장 먼저 집중했습니다. 그리고 이렇게 셋업된 워크플로우를 바탕으로 이 공정들을 이해하고 시행착오를 거쳐가면서 현실화해줄 수 있는 파트너를 찾는 것이 그다음으로 신경을 쓴 단계입니다.

특히 저희처럼 유해 화학물질을 다루는 연구실이라면 자동화는 단순히 효율의 문제가 아니라 연구원의 안전과 데이터 신뢰도에 직결되는 투자라고 생각합니다. 만약 어디서부터 시작할지 막막하다면 연구실 맞춤 구축 사례가 있는 마로솔에서 공정 시나리오부터 함께 검토해보시는 것이 좋은 시작점이 될 수 있을 거라 생각합니다.