배터리 셀 내 온도센서 내장 특허 기술

1. 셀 내 온도센서 기술의 필요성과 배경

리튬이온 배터리 및 전고체 배터리는 고에너지 밀도의 장점에도 불구하고, 내부 발열 관리 문제로 인한 안전성 우려가 꾸준히 제기되고 있다. 특히 셀 내부 온도가 급격히 상승할 경우 열폭주(thermal runaway)가 발생하며, 이에 따라 폭발 또는 화재 사고로 이어질 수 있다. 기존의 온도 모니터링 시스템은 셀 외부에 부착된 서미스터나 RTD 센서를 통해 동작하지만, 이 방식은 셀 내부에서 발생하는 국부적인 발열(localized heating)을 실시간으로 감지하기 어렵다는 치명적인 한계를 지닌다. 예를 들어 전극 계면에서 발생하는 리튬 도금, 셀 중심부 발열 등은 외부 센서로는 탐지 지연이 발생할 수 있으며, 이는 비정상적인 반응을 사전에 차단하지 못하는 결과로 이어질 수 있다.

이러한 기술적 한계를 극복하기 위해 등장한 것이 바로 배터리 셀 내에 온도센서를 직접 내장하는 기술이다. 이는 센서를 셀 내부 전극 스택 또는 전해질 인접 구조에 삽입하여, 실시간으로 셀 내부 온도를 모니터링하고 이를 기반으로 BMS(배터리 관리 시스템)에 데이터를 제공함으로써, 셀 수준의 안전 제어를 가능하게 한다. 특히 전고체 배터리와 같이 고체 전해질을 사용하는 경우, 열전달 속도가 느려 Hot Spot이 장시간 지속될 수 있기 때문에, 내부 온도센서의 필요성은 더욱 절실하다. 기술적으로는 센서가 셀 성능에 영향을 미치지 않도록 소형화, 저항 최소화, 절연 안정성 확보 등의 조건이 충족되어야 하며, 이와 관련된 다양한 특허 기술들이 글로벌 배터리 기업과 반도체 센서 전문기업들로부터 활발히 출원되고 있다.

이러한 내장형 온도센서는 단순한 감지를 넘어, 향후에는 ‘지능형 셀(intelligent cell)’의 핵심 구성 요소로 진화할 수 있다. 즉, 배터리 셀이 스스로 온도, 전압, 전류를 감지하고 판단하는 자율적 시스템으로 발전함으로써, 화재나 열폭주와 같은 사고를 미연에 방지할 뿐 아니라, 사용 조건에 따라 셀 수명을 최적화하는 방향으로 응용될 수 있다. 이처럼 배터리 셀 내 온도센서 내장 기술은 에너지 저장 장치의 안전성과 지능화를 동시에 달성할 수 있는 전략적 핵심 기술로 평가받는다.

2. 내장형 온도센서의 구조 및 소재 기술

배터리 셀 내에 직접 삽입되는 온도센서는 구조적으로 고밀도 전극 스택 사이에 위치해야 하며, 이에 따라 센서의 크기, 형상, 재료 선택이 매우 정교하게 이루어져야 한다. 기본적으로 이 센서는 열 반응 감지 소자(thermally sensitive element)와 이를 외부 회로로 전달하는 도선 구조로 구성되며, 열 반 응소자에는 일반적으로 금속 산화물 기반의 NTC(Negative Temperature Coefficient) 소자 또는 실리콘 기반의 반도체 센서가 사용된다. 최근에는 더 높은 정확도와 신뢰성을 위해 박막형 온도센서(thin-film temperature sensor)가 개발되고 있으며, 이들은 마이크로미터 단위의 얇은 막 구조로 전극 표면이나 분리막 위에 코팅되어 삽입된다.

소재 측면에서는 고온 안정성, 전기 절연성, 화학적 비활성이라는 조건을 만족해야 한다. 특히 셀 내 삽입 구조이므로, 열화 없이 장시간 사용할 수 있어야 하며, 전극과의 전기화학적 반응이 없어야 한다. 이를 위해 내열성 절연 소재인 PEEK(polyether ether ketone), PI(polyimide), 알루미나 세라믹, BN(질화붕소) 등이 센서 캡슐 혹은 코팅 재료로 활용된다. 또한 도선은 부식 방지를 위해 니켈도금 구리 또는 고내식성 합금이 사용되며, 셀 내부 전해질과의 접촉에도 성능 저하가 없어야 한다.

특허 기술에서는 이러한 센서를 어떻게 셀 내부에 ‘무리 없이’ 집적할 수 있는지가 핵심이다. 대표적인 방식은 전극 적층 시 센서를 특정 위치에 삽입하는 방식으로, 이때 센서가 전극 표면과 밀착되면서도 절연을 유지해야 하므로, 초박형 절연 패드나 다층 구조를 활용한 캡슐화 기술이 병행된다. 최근의 일부 특허는 전극 자체를 센서 역할로 활용하는 기술도 포함되어 있다. 예컨대, 전극 내 금속 집 전체를 특수 도핑하여 온도에 따라 저항값이 변하도록 설계하고, 이를 기반으로 실시간 온도 측정이 가능한 ‘기능성 전극’이 개발되고 있다. 이는 센서와 전극이 일체화된 개념으로, 집적도를 극대화할 수 있어 향후 상용화 가능성이 높은 기술이다.

또한, 센서 데이터의 정확도 유지를 위해 잡음 최소화 및 온도 보정 회로가 필요하며, 이를 위해 센서 인근에 온도 기준 소자(reference) 혹은 보정 알고리즘 기반 마이크로칩이 내장되기도 한다. 결국 이러한 고집적 형 온도센서 구조는 배터리 셀의 전기화학적 성능에 영향을 주지 않으면서도, 장시간 신뢰성 있는 데이터 수집할 수 있어야 하며, 이와 관련된 복수의 특허는 이미 상용화를 위한 전환 기술로 주목받고 있다.

3. 실시간 온도 데이터의 BMS 연동 및 제어 전략

셀 내에 내장된 온도센서는 단순한 모니터링을 넘어서, BMS와 실시간으로 연동되어 셀 안전성과 수명을 최적화하는 역할을 수행하게 된다. 특히 전기차나 ESS와 같이 수천 개의 셀이 직렬 또는 병렬로 구성된 시스템에서는 일부 셀의 이상 징후를 조기에 감지하고 전체 시스템의 전류, 충전 전략을 조정하는 것이 매우 중요하다. 내장형 온도센서는 셀 내부의 Hot Spot을 정밀하게 탐지함으로써, 기존 외부 센서로는 불가능했던 ‘국소 온도 기반 제어(local thermal control)’를 가능하게 한다.

실제로 특허 기술에서는 센서 데이터를 BMS의 MCU로 실시간 전송하고, 일정 온도 이상일 경우 셀 충전 전류를 자동으로 제한하거나, 냉각 시스템을 가동하는 알고리즘이 탑재된다. 또한 다수의 셀 중 특정 셀만 급격한 온도 상승을 보이는 경우, 해당 셀을 먼저 차단(bypass)하거나, 주변 셀과 병렬 전류를 조절하는 등의 제어 기능이 포함된다. 이와 관련하여 CAN 통신 기반 데이터 구조, 잡음 제거, 오류 보정 알고리즘 등에 대한 특허도 활발하게 출원되고 있다.

더 나아가 일부 시스템은 AI 기반의 예측 제어 전략을 채택하고 있다. 예를 들어 특정 온도 상승 패턴이 일정 시점 이후 반복될 경우, 이를 이상 징후로 인식하고 충전 프로파일을 사전 변경하거나 사용자에게 경고 메시지를 전송하는 방식이다. 이는 단순한 온도 제어를 넘어 ‘이상 패턴 기반 예측 시스템’으로 진화하고 있으며, 셀 내장형 온도센서가 없으면 구현할 수 없는 고차원적 기능이다.

이처럼 실시간 온도 데이터를 기반으로 한 BMS 연동은 배터리 안전성을 넘어 수명 연장, 성능 균일성 확보 등에도 직접적인 영향을 미친다. 특히 자율주행차, 도심항공교통(UAM) 등 극한 상황에서 동작해야 하는 차세대 모빌리티 시스템에서는, 배터리의 사소한 이상도 치명적인 결과로 이어질 수 있기 때문에, 고정밀 온도센서 기반의 연동 기술은 필수 불가결한 요소가 될 것으로 보인다.

4. 산업적 응용성과 미래 기술 전망

배터리 셀 내 온도센서 내장 기술은 현재 다양한 산업군에서 실질적인 상용화를 향해 빠르게 진전되고 있다. LG에너지솔루션, 삼성SDI, CATL 등 주요 배터리 제조사들은 이미 셀 내부 모니터링 기능을 차세대 배터리 플랫폼의 핵심 기능으로 선언하고 있으며, 일부 고급형 전기차 모델에서는 제한적 형태로 적용이 시작되고 있다. 특히 4680 포맷 셀이나 완전 고체 셀과 같이 고밀도 스택 구조를 갖는 배터리에서는 내부 센서의 필요성이 더욱 증대되고 있다. 최근 특허에서는 셀 제조 공정 단계에서 온도센서를 자동으로 삽입하는 기계적 구조, 공정 조건, 계면 접착 방법 등이 상세히 기술되어 있으며, 이는 대량 양산을 위한 준비 단계로 해석된다.

이 기술은 단순히 안전성을 위한 ‘보조적 기능’이 아니라, 배터리 셀의 핵심 구성 요소로 인정받는 추세이다. 미래의 스마트 배터리 시스템은 셀 단위에서 자체적으로 진단, 제어, 통신이 가능한 '스마트 셀(Intelligent Cell)'로 진화할 것이며, 그 중심에 내장형 센서 기술이 존재한다. 향후에는 온도 외에도 압력, 전류, 가스 농도까지 감지할 수 있는 멀티 센서 통합형 셀이 등장할 것으로 전망되며, 이와 관련된 복합센서 패키지, 저전력 구동 회로, 무선 통신 기술 등이 결합될 것이다.

또한 정책적으로도 배터리 안전 규제가 강화되면서, 내장형 센서를 포함한 ‘셀 수준의 진단 기술’을 요구하는 방향으로 법제화가 진행되고 있다. 유럽연합(EU)의 배터리 패스포트 정책이나 미국의 에너지부(DoE) 차세대 배터리 로드맵에서는 내장 센서 기반 모니터링 기능을 필수 항목으로 명시하고 있다. 이는 곧 관련 기술의 상용화 가능성과 시장 확대를 의미하며, 특허 확보 경쟁도 점차 가열되고 있다.

결국, 배터리 셀 내 온도센서 내장 기술은 단기적으로는 안전성과 품질관리 향상, 장기적으로는 지능형 배터리 시스템 구축의 초석이 되는 기술이며, 이를 확보하고 상용화에 성공한 기업이 차세대 배터리 시장에서 우위를 점할 것으로 예상된다. 현재는 초기 특허 경쟁 단계이지만, 머지않아 생산라인 최적화와 통합 BMS 기술까지 포함하는 플랫폼 경쟁으로 발전할 가능성이 매우 높다.