레이저용접 : 에너지신산업의 핵심 제조기술

급성장하는 파워 배터리 시장으로 인해 레이저 용접 장비에 대한 수요가 높아졌습니다.

레이저 용접은 산업의 중류에 위치하며, 산업체인의 중류에 위치한 절단 및 마킹 레이저 용접 장비보다 성장 전망이 더 좋습니다.

레이저 산업 체인의 업스트림에는 광학 재료, 광학 부품 및 장비, 기계 부품이 포함됩니다. 미드스트림은 레이저와 레이저 장비로 구성됩니다. 레이저는 레이저 장비의 핵심 부품으로, 레이저 가공 장비에는 주로 레이저 절단, 레이저 용접, 레이저 마킹 장비가 포함됩니다. 다운스트림 부문에는 주로 리튬 배터리, 반도체, 태양광 발전, 가전제품이 포함됩니다.

레이저 시장은 파이버 레이저가 응용 분야를 지배하는 반면 고체 레이저는 정밀 미세 가공에 적합하므로 큰 잠재력을 가지고 있습니다. Laserfocusworld에 따르면, 2017년부터 2020년까지 전 세계 레이저 시장 규모는 130억 7천만 달러에서 160억 1천만 달러로 CAGR 13.37% 증가했습니다. 이에 비해 중국 레이저 시장 규모는 2017년 69억 5천만 달러에서 2020년 109억 1천만 달러로 CAGR 16.22% 성장했습니다. 2017년부터 2020년까지 세계 레이저 시장에서 중국의 점유율은 53.2%에서 68.1%로 증가했다. 2020년 산업용 레이저는 전 세계 레이저 시장의 32.2%를 차지해 산업 부문을 레이저의 주요 다운스트림 부문으로 만들었다. 레이저는 이득 매질에 따라 주로 파이버 레이저, 고체 레이저(파이버 레이저 제외), 액체 레이저, 가스 레이저로 분류됩니다. 2020년에는 파이버 레이저와 고체 레이저가 산업용 레이저 애플리케이션 시장 점유율의 각각 52.7%와 16.7%를 차지했으며, 파이버 레이저가 산업용 애플리케이션을 지배했습니다. 고체 레이저는 파이버 레이저에 비해 피크 출력이 높고 열 영향부가 적다는 장점이 있어 정밀 미세 가공에 적합합니다.

YAG 레이저와 파이버 레이저는 각각 장점이 있습니다. YAG 레이저는 YAG 결정을 기반으로 한 고체 레이저입니다. YAG 레이저의 장점은 다음과 같습니다. ① 동시 또는 시분할 다점 용접; ② 스폿 용접에 적합한 높은 피크 전력; ③ 가격이 저렴하여 비용상의 이점을 제공합니다. 파이버 레이저에 비해 YAG 레이저는 빔 품질과 광전 변환 효율에서 약간의 차이가 있습니다. 그러나 파이버 레이저는 피크 출력이 낮기 때문에 용접 시 YAG 레이저에 비해 큰 이점을 갖지 못합니다. 특정 적용 시나리오에 따라 YAG 레이저와 파이버 레이저를 모두 파워 배터리 용접에 사용할 수 있습니다.

절단, 용접 및 마킹은 산업용 레이저의 주요 다운스트림 응용 분야입니다. 2020년 레이저 응용 시장에서 절단, 용접, 마킹이 각각 40.62%, 13.52%, 12.6%를 차지했다. 레이저 절단 장비 시장은 2014년부터 2017년까지 급격한 성장을 겪은 후 경쟁이 심화되어 현재 치열한 가격 전쟁을 벌이고 있습니다. 마킹은 이제 성숙한 레이저 응용 분야이며 시장은 상대적으로 안정적입니다. 용접 응용 분야는 휴대용 레이저 용접의 증가와 다운스트림 전력 배터리의 높은 번영 주기로 인해 이익을 얻고 있으며 향후 몇 년 동안 높은 성장률을 유지할 것으로 예상됩니다.

절단 및 마킹에 비해 레이저 용접은 더 높은 기술 요구 사항을 갖습니다. 레이저 용접은 레이저 절단 및 마킹에 비해 상대적으로 개발 역사가 짧고 공정 난이도도 더 높습니다. 레이저 절단과 레이저 마킹은 레이저를 이용해 재료의 표면이나 전체 구조를 파괴하는 반면, 레이저 용접은 레이저를 사용해 재료의 가공, 용융, 재구성을 수행한다. 단순한 재료 파괴에 비해 재료 재구성은 레이저 및 가공 기술에 대한 요구가 더 높습니다.

기존 용접에 비해 레이저 용접은 상당한 장점을 가지고 있습니다. 기존의 저항 용접, 아크 용접 및 전자빔 용접과 비교하여 레이저 용접은 고속, 변형 최소화, 덜 까다로운 용접 환경 요구 사항, 높은 전력 밀도, 자기장에 대한 내성, 전도성 재료에 대한 적용성, 진공 조건이 필요 없으며 용접 공정 중 X선이 발생하지 않는 등의 이점을 제공합니다. 이는 고급 정밀 제조, 특히 신에너지 차량 및 전력 배터리 산업에서 널리 사용됩니다. 동력 배터리에는 수많은 용접 지점이 필요하고 복잡하며 높은 정밀도가 필요합니다. 레이저 용접의 고유한 장점은 배터리 안전성, 신뢰성, 일관성을 크게 향상시키고 비용을 절감하며 서비스 수명을 연장할 수 있습니다.

레이저 용접 장비 시장은 급속한 성장을 경험하고 있습니다. 2016년부터 2020년까지 중국 레이저 장비 시장 규모는 382억 위안에서 692억 위안으로 CAGR 15.79% 성장했습니다. 이에 반해 중국 레이저 용접 장비 시장 규모는 41억7천만 위안에서 110억 5천만 위안으로 연평균 성장률(CAGR) 27.59%로 성장해 전체 레이저 장비 시장보다 레이저 용접 장비 시장이 더 빠르게 성장하고 있음을 알 수 있습니다.

새로운 에너지 차량의 급속한 보급으로 인해 리튬 배터리 레이저 용접에 대한 수요가 높아졌습니다.

레이저 용접 장비는 리튬 배터리 제조의 생산 전, 생산 중간, 생산 후 단계에서 널리 사용됩니다. 동력 배터리의 에너지 밀도, 안전 성능 및 생산 자동화에 대한 요구 사항이 점차 증가함에 따라 생산 장비의 정밀도, 안전성 및 일관성에 대한 요구가 더욱 높아지고 있습니다. 기존 가공 방법에 비해 레이저는 고정밀도, 고속, 자동화 용이성 등 다양한 장점을 제공합니다. 리튬 배터리 제조는 전극 제조(생산 전), 셀 조립(생산 중간), 후처리(생산 후)의 세 부분으로 구성되며, 모두 여러 레이저 용접 장비의 적용과 관련됩니다. 리튬 배터리 제조의 생산 전, 생산 중간, 생산 후 단계의 특정 레이저 용접 응용 분야는 다음과 같습니다.

1) 사전 제작: 전극 제조 단계의 완전 자동화된 전극 용접 및 성형 기계 및 레이저 전극 성형 기계;

2) 중간 생산: 방폭 밸브 용접, 전극 용접, 전극 스트립 용접, 어댑터 용접, 셀 케이싱 용접, 탑 커버 용접;

3) 후반 작업: 팩 모듈 어댑터 용접.

여러 유명 기업이 4680 배터리 시장 진출을 발표했는데, 이는 레이저 용접 장비에 새로운 성장 기회를 열어줄 것으로 예상됩니다. 4680 배터리는 양극과 음극 모두에 수많은 탭이 있는 테이블 기술을 활용하여 각형 배터리에 비해 레이저 용접 장비에 대한 수요가 크게 증가합니다. 2022년 1분기에 Tesla의 텍사스 공장은 4680 배터리가 장착된 최초의 Model Y 차량을 출시할 예정입니다. 한편, 배터리 데이 2020에서 Tesla는 2022년까지 배터리 생산 능력을 100GWh에 도달할 계획이었습니다. 그러나 건설 지연을 고려하면 2022년 유효 용량은 약 5~10GWh로 추산된다. 테슬라 외에도 BMW 등 자동차 제조사와 파나소닉, LG, 삼성 등 주요 배터리 제조사들도 대형 원통형 배터리 개발 계획을 발표했다.

기존 가솔린 차량에 신에너지 차량이 도입되는 속도가 가속화되고 있습니다. 배터리 기술 발전, 스마트 기술 향상, 인프라 확충, 중국 정부의 우대 정책 등으로 인해 중국 내 신에너지 자동차 판매가 빠르게 성장하고 있습니다. 2017년부터 2021년까지 중국의 신에너지 자동차 판매 CAGR은 54.9%에 달했습니다. 2017년부터 2022년 상반기까지 중국의 신에너지 자동차 보급률은 2.8%에서 21.56%로 급격히 증가했다.

중국 전력배터리 시장이 빠르게 성장하고 있다. 2017년 중국의 전력 배터리 생산량과 설치 용량은 각각 44.5GWh와 36.2GWh를 기록했다. 2021년에는 이 수치가 각각 219.7GWh와 154.5GWh에 달했습니다. 2017년부터 2021년까지 파워 배터리 생산 CAGR은 49.06%, 설치 용량 CAGR은 43.73%였습니다. 중국 자동차 전력 배터리 산업 혁신 연합(China Automotive Power Battery Industry Innovation Alliance)에 따르면 2022년 중국의 전력 배터리 생산량과 설치 용량은 각각 429.5GWh와 229.9GWh에 이를 것으로 예상됩니다.

신에너지차 시장의 급성장에 힘입어 리튬배터리 업체들은 생산능력을 확대하고 있다. Battery Network의 불완전한 통계에 따르면 2022년 상반기 CATL, BYD, Sunwoda, Zhongchuang Innovation Aviation, EVE Energy 등 리튬 배터리 회사는 총 투자액이 4,391억 3,300만 위안을 초과하고 연간 생산 능력이 1,069GWh에 달하는 여러 신규 건설 프로젝트를 연속적으로 발표했습니다(일부 프로젝트는 투자 금액 및 용량을 공개하지 않았습니다). 선도적인 전력 배터리 기업의 새로운 기지의 단상 생산 능력은 거의 모두 10GWh를 넘습니다. 리튬 배터리 회사의 확장으로 인해 리튬 배터리 장비에 대한 수요도 증가할 것입니다.

파워 배터리: 새로운 레이저 용접 장비에 대한 수요는 2025년까지 221억 위안에 이를 것으로 예상됩니다. GGCI 데이터에 따르면 전 세계 파워 배터리 출하량은 2025년 1,550GWh, 2030년 3,000GWh에 이를 것으로 예상됩니다. 2018년부터 2021년까지 중국의 파워 배터리 출하량은 61.3%, 60.9%, 각각 글로벌 전체의 58.4%, 75.3%를 차지한다. 보수적인 예측에 따르면 중국의 점유율은 2025년과 2030년에도 55%로 유지될 것입니다. 2025년과 2030년에 새로운 전력 배터리 용량의 GWh당 투자 추정액은 각각 3억 5천만 위안과 3억 위안입니다. 또한 Lianying Laser의 투자 설명서에 따르면 레이저 용접 장비는 전원 배터리 생산 라인 건설의 5%-15%를 차지합니다. 이러한 가정에 따라 10%를 취하면 레이저 용접 장비에 대한 신규 수요는 2025년에 221억 3,800만 위안, 2030년에는 239억 2,500만 위안에 이를 것으로 예상되며, 2021년부터 2025년까지 연평균 성장률(CAGR)은 41.01%입니다.

레이저 장비 산업은 세분화되어 있어 레이저 제조업체에 더 큰 이점을 제공합니다.

국내 레이저 장비 시장은 상대적으로 세분화되어 있어 레이저 업체들의 차별화된 발전을 모색하고 있습니다.

Lianying Laser와 Raycus Laser는 각각 YAG 레이저와 파이버 레이저 분야에서 강력한 경쟁 우위를 보유하고 있습니다. Han's Laser 및 HGLaser와 비교하여 YAG 레이저에서 Lianying 레이저는 에너지 제어에 상당한 이점이 있어 더 나은 용접 결과를 얻는 데 유리합니다. 연속 파이버 레이저에서는 Raycus Laser와 Chuangxin Laser가 선도적인 기술 사양을 보유하고 있으며 Raycus Laser는 더 높은 시장 점유율을 차지하고 있습니다. 펄스 파이버 레이저에서는 JPT의 기술 사양이 더욱 발전하여 국내 선두에 섰습니다.

국내 레이저 장비 시장은 상위 5대(CR5) 비중이 22%에 불과할 정도로 세분화됐다. 레이저에 대한 다운스트림 애플리케이션은 무수히 많으며, 국내 레이저 가공 장비 회사는 300개가 넘으며 대부분 규모가 작습니다. 2021년 중국 레이저 장비 시장 상위 5개사는 Han's Laser, HGLaser, Hymuxing, Lianying Laser, Yawei로 시장 점유율이 각각 14%, 3%, 2%, 2%, 1%로 총 22%를 차지했다. 전반적으로 중국 레이저 장비 시장의 집중도는 여전히 낮다.

국내 레이저 매크로 가공 시장은 규모가 크며 경쟁업체도 많습니다. 정밀 마이크로 가공 분야는 기술 장벽이 높기 때문에 하위 부문에서 경쟁 기업이 적습니다. 레이저 가공은 가공 제품의 크기에 따라 매크로 가공과 정밀 마이크로 가공의 두 가지 주요 범주로 나뉩니다. 매크로 가공은 주로 자동차, 조선 등 두꺼운 판금 응용 분야를 대상으로 하는 반면, 정밀 미세 가공은 반도체, 디스플레이, 3C 제품, 의료 기기 등 고정밀도가 요구되는 분야에 집중되어 있습니다. 더 큰 매크로 가공 시장을 감안할 때 이 부문은 Han's Laser 및 HGLaser(모두 매출 50억 RMB 초과), Lianying Laser 및 Haimuxing(수익 5억~10억 RMB)과 같은 회사와 함께 경쟁이 매우 치열합니다. 정밀 마이크로 가공 부문에서 한스레이저는 최고의 레이저 가공 장비 제조업체로서 광전지 리튬 배터리, 반도체, 디스플레이, 3C 제품 등 분야의 정밀 가공에 참여하고 있습니다. 전반적으로 정밀 미세가공 부문은 높은 기술 장벽으로 인해 하위 부문에서 경쟁 기업이 상대적으로 적습니다. 레이저 분야에서는 매출 200억 위안의 기업과 Chuangxin Laser가 모두 파이버 레이저 분야에 집중되어 있습니다.

세 가지 주요 경쟁 요소는 업스트림 수직 통합, 높은 R&D 투자, 주요 다운스트림 고객 확보입니다.

레이저 자체 생산은 비용 절감의 핵심입니다. 레이저는 레이저 장비의 핵심 부품입니다. 레이저의 성능은 레이저 가공 장비의 품질과 효율성에 직접적인 영향을 미칩니다. 레이저를 자체 생산할 수 있는 장비 회사는 비용을 절감할 뿐만 아니라 맞춤화에 있어 더 큰 유연성을 갖습니다. 이러한 유연성은 다운스트림 요구 사항에 따라 보다 유연하게 설계 솔루션을 반복하여 레이저와 레이저 장비 간의 통신 및 상호 작용을 가능하게 하는 능력으로 나타납니다. 이를 통해 레이저 및 가공 기술의 연구 개발 및 개선에 대한 다운스트림 고객 요구 사항을 적시에 원활하게 피드백할 수 있어 강력한 통합 시너지 효과를 얻을 수 있습니다. Han's Laser, HGLaser, Hymustar, Lianying Laser와 같은 주요 레이저 장비 회사는 모두 레이저의 부분적인 자체 생산을 달성했으며 Lianying Laser는 2019년에 77.7%에 도달하여 상대적으로 높은 자체 생산률을 기록했습니다.

결론

기존 가솔린 차량에 신에너지 차량이 빠르게 도입되면서 주요 전력 배터리 제조업체는 생산 능력을 지속적으로 확장하고 전력 배터리 용접 장비에 대한 수요를 증가시켰습니다.

레이저 용접은 레이저 마킹 및 절단에 이어 빠르게 성장하는 또 다른 응용 분야입니다. 레이저 용접은 자동차, 리튬 배터리, 3C 및 항공우주 산업에서 널리 사용될 수 있습니다. 현재 보급률은 여전히 ​​상대적으로 낮으며, 이는 레이저 용접 산업의 상당한 성장 잠재력을 의미하며 레이저 절단에 버금가는 시장으로 성장할 것으로 예상됩니다.