테슬라의 배터리 특허 전략 분석: 파우치 셀과 4680 셀의 차이점

1. [설계 혁신의 기반] 파우치 셀 특허의 전략적 한계와 테슬라의 이탈 이유

파우치 셀(Pouch Cell)은 한때 테슬라가 일부 OEM 공급을 통해 채택했던 셀 폼팩터 중 하나였지만, 자사 전략에서는 핵심 기술로 자리 잡지 못했다. 2010년대 중반까지 테슬라는 LG에너지솔루션 및 파나소닉과의 협력을 통해 파우치 셀 관련 일부 실험을 진행했으며, 관련 특허도 몇 건 출원한 바 있다. 그러나 테슬라는 파우치 셀의 구조적 단점과 생산 공정에서의 복잡성, 특히 대량 생산 시 안정성 관리에 대한 부담을 감안해 해당 플랫폼에서 전략적으로 이탈했다. 파우치 셀은 유연한 설계와 높은 에너지 밀도가 장점이지만, 셀 내 팽창 및 수축에 따른 기계적 스트레스를 제어하기 어렵고, 열폭주 시 외부 케이스가 쉽게 변형될 수 있다.

이와 관련된 특허 분석을 보면, 테슬라는 파우치 셀 자체보다는 이로부터 파생되는 열 관리 구조, 택배치! 방식, 전극 적층 정렬 기술에 대한 특허를 2015~2017년 사이에 집중적으로 출원했다. 이는 파우치 셀을 완전히 포기한 것이 아니라, 향후 필요시 유연하게 기술을 적용할 수 있도록 '기술적 유보' 전략을 채택한 것으로 해석된다. 다만 2018년 이후부터는 파우치 셀 관련 신규 특허는 거의 등장하지 않으며, 테슬라의 기술 포트폴리오에서 점차 비중이 축소되었다. 이는 구조적 안정성, 열 제어의 용이성, 자동화 공정 적합성 등의 이유로 테슬라가 원통형 셀로 명확한 전략적 방향을 선회했음을 보여준다.

2. [4680셀 특허의 구조적 전환] 탭 리스 설계와 대형 셸 구조가 가져온 제조혁신

2020년 'Battery Day'에서 처음 공개된 테슬라의 4680셀은 단순한 셀 크기 확대가 아니라, 배터리 산업에서의 설계 패러다임 전환을 상징한다. 4680 셀은 지름 46mm, 길이 80mm의 대형 원통형 셀로, 기존 2170셀 대비 에너지 저장 용량은 약 5배, 출력은 6배, 주행거리는 16% 이상 개선되는 것으로 알려졌다. 무엇보다 핵심은 ‘탭 리스(Tab-less)’ 전극 구조로, 전류가 셀 전체에서 균일하게 흐르도록 하여 내부 저항과 발열을 최소화한다는 점이다. 테슬라는 이를 실현하기 위해 다층 전극 절단, 접합 방식, 내부 접촉면 최적화 등의 공정 특허를 집중적으로 출원했다.

특허 분석에 따르면, 테슬라는 셀 내부의 탭 제거에 따른 전기적 안정성 확보를 위한 레이저 용접 기술, 복수의 방열 경로 확보 방식, 전극 코팅 균일성 유지 기술 등을 포함한 핵심 특허를 2020년 이후 매년 다수 출원하고 있다. 특히 USPTO 등록번호 US 20210146521A 1 특허에서는 전극 시트의 곡률 제어 및 정렬을 위한 기계 장치와 함께, 공정 중 발생할 수 있는 정전기 제거 기술까지 상세히 설명되어 있다. 이러한 기술은 4680셀의 대량 생산 가능성을 높이며, 구조 혁신이 곧 제조 효율성으로 연결되는 선순환 구조를 만들어냈다. 이는 테슬라가 배터리를 단순히 조달하는 부품이 아닌, 설계-생산-운영까지 일체화된 플랫폼으로 접근하고 있음을 명확히 보여준다.

3. [플랫폼 통합 전략] 셀 투 섀시(Cell-to-Chassis)와 4680셀의 시너지 특허

4680셀의 도입은 단순한 셀 기술의 혁신을 넘어, 차체 구조와의 통합 설계 전략으로 확장되고 있다. 기존 전기차는 배터리 팩이 모듈-팩-차체로 구성되는 반면, 테슬라는 모듈 단계를 제거하고 셀을 바로 섀시에 통합하는 셀 투 섀시(Cell-to-Chassis, CTC) 구조를 채택하고 있다. 이 전략의 핵심은 셀 자체가 구조적 강성을 제공하며, 동시에 무게 중심을 낮춰 차량의 동적 안정성을 개선한다는 데 있다. 테슬라는 CTC 구조 구현을 위한 셀 배치 최적화, 접착제 활용 방식, 충격 분산 경로 설계 등의 특허를 다수 출원하고 있으며, 이는 4680셀과의 궁합을 극대화하는 데 중점을 두고 있다.

특허 번호 US 20220136042A 1에서는 셀 단위가 충돌 시 충격을 분산시키는 구조로 배치되며, 셀 간 열 번이 차단 기술까지 통합된 것이 특징이다. 이와 함께, CTC 플랫폼의 제조 단순화와 생산비 절감 효과를 고려한 고속 셀 어레이 조립 기술도 주요 특허 범주에 포함되어 있다. 이러한 특허는 단순한 기술 보호를 넘어서, 경쟁사의 플랫폼 구조 채택을 어렵게 만들며 기술 진입 장벽을 형성하는 효과를 갖는다. 결국 테슬라의 4680셀은 물리적 셀을 넘어서, 차량 아키텍처의 일환으로 자리 잡고 있으며, 이는 배터리를 둘러싼 전통적 개념 자체를 재정의하고 있다.

4. [비용과 수직계열화] 4680셀을 둘러싼 제조 및 공급망 특허 전략

4680셀의 도입과 함께 테슬라가 더욱 공격적으로 확장하고 있는 영역은 배터리 제조 공정의 수직계열화이다. 기존에는 파나소닉, LG에너지솔루션 등 외부 협력사에 의존하던 생산을, 자체 기가팩토리를 통해 직접 수행함으로써 생산비 절감과 품질 관리 측면에서 독립적인 역량을 구축하고 있다. 이 과정에서 테슬라는 건식 전극 공정(Dry Electrode Coating), 고속 광내기, 자동 적층 및 용접 공정에 관한 핵심 특허들을 대거 확보하고 있다. 특히 Maxwell Technologies 인수를 통해 확보한 건식 전극 기술은 바인더 및 용제를 사용하지 않아 환경적 이점과 함께 공정 단축, 비용 절감을 동시에 달성한다.

US 20200318143A 1 특허에서는 건식 전극 형성에 필요한 롤 투를 압착 장비와 이를 통한 미세입자 제어 기술이 구체적으로 설명되어 있다. 또한 테슬라는 셀 보매(Formation) 단계에서의 전류 패턴 최적화, 셀 불량 감지 알고리즘, 재사용이 가능한 검증 하드웨어 등에 대한 특허를 통해 양산 효율성을 제고하고 있다. 이러한 기술은 단지 내부 공정의 혁신에 그치지 않고, 전체 배터리 공급망에서 테슬라의 통제력을 강화하며 장기적으로 가격 경쟁력의 원천이 된다. 4680 셀은 크고 강력한 배터리 셀이 아니라, ‘비용 효율화된 전기차 생산’이라는 테슬라의 비전 자체를 물리적으로 구현하는 매개체로 기능하고 있다.