이차전지 연구실의 하루는 소규모로 테스트용 배터리 세포(Cell)를 조립하는 과정인 셀 제작으로 시작됩니다. 전해액을 주액하고, 뚜껑을 닫고, 실링하는 이 반복 작업을 지금까지는 연구원이 직접 해왔죠. 해당 과정에서 두 가지 문제가 발생하는데요. 전해액은 유해성 화학물질이라 노출 위험이 상시 존재하고, 사람 손의 미세한 편차는 그대로 실험 데이터의 편차가 되는 것, 이렇게 두 가지가 사람이 직접 연구실에서 반복 작업할 때 생기는 문제점입니다.

해당 문제점을 국가에서도 인지하여 지난 8월 11일, 과기정통부는 국내 첫 '자율실험실 산·학·연 협의체'를 출범시켰는데요. 대학·연구기관·기업 80여 곳이 참여해 로봇과 AI가 실험을 수행하는 연구 환경을 국가 차원에서 만들겠다는 선언입니다.

그런데 이 방향으로 이미 공정을 완성한 연구실이 있습니다. 오늘 소개할 서울대학교 화학부 이차전지 연구실 이야기입니다.

자동화를 검토해 본 연구실이라면 아래 다섯 가지 중 몇 개가 우리 랩 이야기인지 세어 보세요.

1  유해물질을 사람이 직접 다룹니다.
전해액 주액부터 캡 체결, 실링까지 전 과정이 연구원의 수작업입니다. 아무리 보호구를 갖춰도 노출 위험 자체는 사라지지 않습니다.

2  사람 손의 편차가 데이터의 편차가 됩니다.
주액량과 체결 상태의 미세한 차이가 셀 간 품질 불균일로 이어지고, 실험 재현성이 흔들립니다. 연구 데이터는 재현성이 생명인데 말이죠.

3  공정 기준점이 없습니다.
양산 라인과 달리 연구실은 셋업이 계속 바뀝니다. 18파이 연구용 셀과 32파이 유리 바이알처럼 규격이 다른 용기를 같이 다뤄야 합니다.

4  카탈로그의 표준 솔루션이 맞지 않습니다.
산업용 자동화 장비는 '동일 제품 대량 반복'을 전제로 설계됩니다. 매주 조건이 바뀌는 연구실에 그대로 들여오면 무용지물이 되기 쉽습니다.

5  비전 시스템 견적에서 멈췄습니다.
정밀 조립 공정에는 보통 고가의 비전 시스템이 따라붙습니다. 연구실 예산으로 감당하기엔 부담이 커서, 검토가 여기서 끝나는 경우가 많습니다.

연구실 자동화는 양산 자동화의 축소판이 아니라 완전히 다른 문제이고, 그래서 '어떤 로봇을 사느냐'가 아니라 '누가 우리 공정에 맞게 설계해 주느냐'가 성패를 가립니다.

서울대 화학부에 구축된 시스템의 주인공은 레인보우로보틱스의 국산 협동로봇 RB10 1대입니다. 여기에 슝크(SCHUNK) 오토 툴 체인저(ATC)가 결합돼, 로봇이 공정 단계에 따라 그리퍼를 스스로 교체하며 용기 이송 · 전해액 주액 · 셀 뚜껑 체결 · 실링을 하나의 시퀀스로 수행합니다. 로봇 여러 대가 필요한 복합 공정을 1대로 해결하는 구조인거죠.

이 표에서 단 하나만 기억하셔야 한다면 보정 하우징 행입니다. 원통형 셀 뚜껑을 정확히 닫는 공정은 보통 고가의 비전 시스템으로 해결하지만, 이번 프로젝트는 자체 설계한 3D 프린팅 보정 하우징과 미세 위치 티칭만으로 같은 정밀도를 구현했습니다. '비전 프리(Vision-less)' 설계, 연구실 예산 현실에 맞추기 위해 마로솔 엔지니어가 제시한 솔루션입니다.

🛒 이 사례에 적용된 핵심 하드웨어, 마로솔 스토어에서 만나보세요

🤖 레인보우로보틱스 협동로봇 RB10-1300

이번 서울대 화학부 사례에서 유해 전해액 공정을 대신한 국산 6축 협동로봇입니다. 가반하중 10kg · 작업반경 1,300mm에 ±0.05mm 반복정밀도로, 매번 동일한 위치·힘으로 셀을 이송하고 뚜껑을 체결합니다. 분진·수분에 강한 IP66 등급과 Modbus TCP·EtherNet/IP 등 폭넓은 PLC 통신을 지원해 다양한 사급 설비와의 연동에 유리하고, ROS 2 공식 지원으로 연구·개발 환경에도 폭넓게 활용됩니다.

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🔁 슝크(SCHUNK) 툴 교환 시스템 SWS

RB10 한 대가 이지 그리퍼와 마그네틱 그리퍼를 스스로 바꿔 끼우며 주액·체결·실링을 수행하게 만든 핵심 장치입니다. 특허받은 이중 안전 잠금 메커니즘과 무접촉 잠금(No-Touch-Locking™)으로 마스터와 어댑터를 단단히 연결하고, 전기·공압·유체 모듈을 함께 전달합니다. 권장 핸들링 중량 1.4~300kg 범위에서 사이즈를 선택할 수 있어, 로봇 여러 대 없이도 복합 공정을 하나의 시퀀스로 묶을 수 있습니다.

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STEP 1  자재 공급 및 로딩 : 작업자가 셀·유리병 트레이를 로딩 위치에 세팅합니다. 사람의 역할은 여기까지입니다.

STEP 2  전해액 주액 : 로봇이 ATC로 전용 그리퍼를 장착해 용기를 주액기로 이송하고, PLC 연동 신호에 따라 정량 주액이 진행됩니다.

STEP 3  셀 뚜껑 체결 : 마그네틱 그리퍼로 자율 교체한 뒤 뚜껑을 자급하고, 보정 하우징 가이드를 따라 셀 캔에 정밀 체결합니다.

STEP 4  실링 : 체결된 셀을 실링기로 옮겨 PLC PUSH 신호로 자동 실링합니다.

STEP 5  완제품 배출 : 완성 셀을 배출 트레이와 사이클러 버퍼로 이송하며 단일 시퀀스가 완성됩니다.

작업자가 셀·유리병 트레이를 로딩 위치에 세팅 후 협동로봇 RB10이 수거하는 모습

🛡️ 안전 고위험 전해액 취급과 체결 공정이 100% 무인 자동화되면서, 연구원이 유해물질을 직접 다루는 부담이 근본적으로 줄었습니다. 연구실 안전은 규정 준수의 문제이기 이전에 사람의 문제입니다.

🎯 재현성 수작업에서 발생하던 주액량 편차와 캡 결합 불량이 원천 차단되면서 셀 간 품질이 균일해졌고, 실험 데이터의 정밀도와 신뢰도가 눈에 띄게 올라갔습니다.

🌙 시간 공정 타임 최적화로 야간 자동 시운전 기반이 마련됐습니다. 사람이 자리를 지키지 않아도 셀 제작이 진행되니, 연구원은 셀을 만드는 시간 대신 데이터를 분석하고 다음 실험을 설계하는 데 시간을 쓸 수 있게 됐습니다.

마그네틱 그리퍼로 자율 교체한 뒤 뚜껑을 자급하고, 보정 하우징 가이드를 따라 셀 캔에 정밀 체결하는 모습

"표준이 없는 현장일수록, 설계 파트너가 필요합니다." 이번 프로젝트는 연구실에서 '이런 공정을 자동화하고 싶다'는 컨셉을 전달한 상태에서 시작됐습니다. 마로솔(빅웨이브로보틱스)은 그 컨셉을 받아 공정 시나리오 검토, 하드웨어 사양 확정, 그리퍼 도면 설계, 현장 설치, PLC 배선과 경로 티칭, 무인 자동운전 검증까지 기획부터 최종 검수까지 하나의 프로젝트로 책임졌습니다.

연구실 자동화는 중간 변수가 많습니다. 변수가 생길 때마다 현장에 맞춰 기구를 보정하고 방안을 다시 제안하는 방식으로 풀었고, 고가 장비를 파는 대신 비전 프리 설계로 예산을 지켰습니다. 견적을 주고 장비를 받는 관계가 아니라 공정을 같이 설계하는 파트너가 필요하다면 마로솔 로봇전문가와 상담 진행해보세요. 표준이 없는 현장일수록 이 차이가 결과를 가립니다.

                                        로봇이 ATC로 전용 그리퍼를 장착해 용기를 주액기로 이송하고, PLC 연동 신호에 따라 정량 주액이 진행되는 모습