LG에너지솔루션의 전고체 배터리 특허 전략

1. “핵심 소재에 집중하라” – 황화물계 고체 전해질 특허의 전략적 포지셔닝

LG에너지솔루션의 전고체 배터리 전략의 출발점은 고체 전해질 소재 중에서도 황화물계 고체 전해질(Sulfide-based Solid Electrolyte)에 대한 집중적인 기술 개발과 특허 선점에 있다. 황화물계 전해질은 고체 전해질 중 가장 높은 이온전도도(10⁻³~10⁻² S/cm 수준)를 확보할 수 있어 상온에서도 액체 전해질 수준의 성능을 발휘하며, 이는 상업화를 위한 결정적 장점으로 작용한다. LG에너지솔루션은 이러한 소재의 원료 조성부터 합성 방법, 불순물 제거 공정, 결정 구조 제어에 이르기까지 세분화된 특허망을 구축하고 있다.

특히 Li₁₀GeP₂S₁₂(LGPS)계열 및 Li₇P₃S₁₁계열 소재를 기반으로 하는 기술은 이온 전도도를 최대화함과 동시에 화학적 안정성을 확보하는 핵심으로, LG는 불순물 억제를 위한 결정성 조절 기술을 통해 계면 반응성을 최소화하는 합성 기술 특허를 다수 확보하였다. 또한, 황화물 전해질의 최대 단점으로 꼽히는 수분 반응성 문제(황화수소 발생)를 억제하기 위해, 저온 밀폐형 합성 공정 및 봉입형 전해질 설계 기술 역시 특허로 등록되어 경쟁사의 진입을 원천 봉쇄하고 있다.

이러한 소재 특허는 단순한 조성 등록을 넘어, 실제 제조 프로세스에서 재현 가능한 기술과 그 공정 변수를 포함하고 있어 실용성 높은 ‘방어형 특허’로서의 전략적 가치를 지닌다. 이를 통해 LG에너지솔루션은 향후 황화물계 전고체 배터리 상용화 국면에서 핵심 소재 공급망과 양산 기술을 모두 선도할 수 있는 기반을 확보하고 있으며, 이는 전체 배터리 산업에서 기술적 우위를 점하기 위한 장기 전략의 일환이다.

2. “계면 안정화 기술의 지배” – 리튬 금속 음극을 위한 접합 계면 특허 선점

LG에너지솔루션은 전고체 배터리의 ‘심장’이라 불리는 리튬 금속 음극(Lithium Metal Anode) 기술 확보에 전방위적 특허 전략을 펼치고 있다. 리튬 금속은 고용량화를 위한 결정적 소재지만, 고체 전해질과 직접 접촉할 경우 계면 불안정성과 덴드라이트 형성 문제로 인해 성능 열화 및 안전 문제가 심각해진다. 이를 극복하기 위한 핵심은 바로 계면 안정화 기술이며, LG는 이를 기반으로 독자적인 ‘계면 조성 제어 및 가압 구조 설계’ 특허 체계를 구축하고 있다.

대표적인 예는 고체 전해질과 리튬 금속 사이에 형성되는 인공 고체 전해질 계면층(AI-SEI: Artificial Solid Electrolyte Interphase)으로, 이는 리튬의 반응성은 억제하면서 이온 전도성은 유지하는 첨단 구조이다. LG는 이 계면층을 불화리튬(LiF), 질화붕소(BN), 고분자 하이브리드로 구성하여 특허화하였고, 각 조성에 따라 온도, 압력, 충전 전류 밀도에 따른 안정성 확보 조건까지 구체적으로 기술하였다.

또한, LG는 계면 안정화를 위한 ‘동적 압력 가압 기술’도 확보하고 있다. 이는 셀 작동 중 리튬의 부피 팽창을 고려하여 일정한 압력을 유지하는 유연성 지지층을 활용한 구조로, 이를 통해 장기 충·방전 시에도 계면 이탈이나 단락을 방지하는 기술이다. 이러한 기술들은 단순한 소재보다 공정 연계성이 높아, LG의 파일럿 양산 라인에서 재현성이 확보된 점이 다른 기업 대비 강력한 차별화 요인으로 작용한다.

계면 안정화 특허는 향후 전고체 배터리 대량 생산 시 핵심 불량률을 좌우할 수 있기 때문에, LG는 이 분야를 리튬 금속 기반 배터리 기술의 ‘모퉁잇돌’로 인식하고, 특허 포트폴리오 확대를 지속하고 있다.

3. “설계로 승부한다” – 고체 전해질 기반 셀 및 모듈 구조 혁신 특허 전략

전고체 배터리는 소재뿐 아니라, 셀 구조 및 모듈 설계 기술의 수준이 실제 성능에 결정적 영향을 미치는 시스템 기술이다. LG에너지솔루션은 고체 전해질의 기계적 취약성과 접합 민감성을 극복하기 위한 ‘복합 셀 구조 및 응력 분산 설계’ 관련 특허를 전략적으로 확보해왔다. 이는 고체 전해질-전극 계면의 응력을 균일하게 분산하고, 충방전 시 발생하는 물리적 팽창에 대응할 수 있도록 한 구조적 접근 방식이다.

대표적으로, LG는 다층 적층형 박막 셀 구조를 특허화하여, 고체 전해질을 유기 필름 사이에 다층 코어처럼 삽입하고, 이를 유연성 있게 고정하는 방식으로 내구성과 에너지 밀도 양립을 실현했다. 특히 이 설계는 충격 분산과 발열 감소 효과가 크며, 모바일 및 EV 시장에서 모듈화 설계와의 호환성도 뛰어나다. LG는 이 구조를 이용해 전극 두께 및 계면 정렬 오차에 따른 제조 편차를 최소화하는 공정 보정 기술도 함께 특허화하였다.

또한, LG는 모듈 설계에 있어서도 ‘압력 가압 일체형 모듈’ 기술을 확보하고 있다. 이는 모듈 외부 케이스가 일정한 압력을 셀에 가하도록 설계되어, 고체 전해질의 균열을 방지하고 안정적인 접합을 유지할 수 있도록 한다. 이 기술은 기존 EV용 팩 구조보다 훨씬 간소화된 구조로, 모듈 경량화 및 부피 최소화에 핵심 역할을 한다.

결국 LG는 소재→계면→셀→모듈까지 전고체 배터리 전체 시스템의 설계 흐름을 일관되게 최적화하는 방식으로 특허 전략을 구사하고 있으며, 이는 단순 조각기술을 넘어 시스템 통합형 고유 설계 특허 체계를 완성하고자 하는 의도를 담고 있다.

4. “특허로 시장을 지배한다” – 글로벌 특허 분포와 기술 상용화를 위한 전략적 접근

LG에너지솔루션은 전고체 배터리 분야에서 단순 기술 축적을 넘어, 글로벌 특허 분포를 통한 시장 주도 전략을 강력하게 추진 중이다. 특히 미국, 유럽, 중국, 일본 등 주요 전기차 시장에서 자사의 핵심 기술에 대한 다중국가 특허 출원군(family patent)을 형성하고 있으며, 이는 향후 기술 라이선스 및 법적 분쟁 시 막대한 전략 자산으로 작용할 수 있다.

미국 USPTO, 유럽 EPO, 일본 JPO, 중국 CNIPA 등에 걸쳐 출원된 특허는 대부분 소재-계면-셀 설계를 포함한 통합형 기술 패키지로 구성되어 있으며, 개별 특허가 아닌 기술 묶음 형태의 출원 전략을 통해 침해 판단 시 전체 배터리 시스템을 커버할 수 있도록 설계되어 있다. 이는 경쟁사가 특정 부분 기술을 모방해도, 계면 특허나 셀 구조 특허에 저촉되도록 유도하는 방식이다.

뿐만 아니라, LG는 향후 상용화 시점에 대비한 특허 라이선싱 전략도 병행하고 있다. 예컨대, 자사 전해질 조성 특허를 특정 소재 공급사에만 제공하고, 계면 안정화 특허는 셀 제조사에 제공함으로써 공급망 중심의 협력 생태계를 자사 특허 기반으로 구축하려는 의도를 보이고 있다. 이러한 특허 기반의 상업화 전략은 단순 배터리 공급 기업에서 탈피해, 배터리 생태계의 중심 기술 공급자 역할로 전환하려는 신호이기도 하다.

특히, 2023년부터 본격화된 전고체 배터리 기술의 상용화 흐름 속에서, LG는 글로벌 기업 대비 가장 빠르게 실제 프로토타입과 특허의 연계를 강화하고 있으며, 이는 향후 기술 상용화 시 다른 기업의 진입을 제약하고, 글로벌 협상력도 극대화할 수 있는 구조이다.