배터리 냉각 시스템 특허 분석: 전기차 안전의 숨은 기술

1. 열관리의 핵심, 배터리 냉각 기술의 진화: 직간접 냉각 방식 특허 경쟁

전기차 배터리의 성능과 안전성을 결정짓는 핵심 요소 중 하나는 바로 열관리 시스템, 즉 ‘배터리 냉각 기술’이다. 배터리 셀은 충·방전 과정에서 열을 발생시키는데, 이를 적절히 제어하지 못하면 출력 저하, 수명 단축은 물론 화재나 폭발과 같은 치명적인 사고로 이어질 수 있다. 이에 따라 글로벌 완성차 기업과 배터리 제조사들은 열 제어 기술의 고도화를 위한 특허 경쟁에 적극적으로 나서고 있다.

가장 보편적인 냉각 방식은 직접 냉각(Direct Cooling)과 간접 냉각(Indirect Cooling) 방식으로 구분된다. 직접 냉각은 배터리 셀이나 모듈과 냉각 매체가 직접 접촉하는 구조로, 높은 냉각 효율이 강점이다. 대표적으로 테슬라는 특허 US20200230453을 통해 배터리 셀 사이에 냉각 채널을 형성하고, 액체 냉매를 직접 흐르게 함으로써 고출력 조건에서도 안정적인 열 관리를 구현했다. 반면, 간접 냉각은 셀과 냉매 사이에 열 전도성 소재를 두거나 금속 플레이트를 통해 열을 전달하는 방식으로, 전기적 안전성과 구조 안정성이 장점이다.

현대자동차는 특허 KR102255342를 통해 배터리 모듈 하부에 냉각 플레이트를 배치하고, 열전도율이 높은 젤 타입의 인터페이스 소재를 도입해 셀과의 밀착도를 높였다. 이 구조는 열전달 경로의 효율성을 향상하며, 셀의 온도 분포를 균일하게 유지할 수 있도록 설계되어 있다. 특히 고밀도 셀을 다층 적층하는 전고체 배터리 시대에는 이러한 열 균일화 기술이 더욱 중요해지고 있다.

냉각 방식에 대한 선택은 곧 시스템 설계 철학을 반영하는 것이며, 각 방식에 따라 특허 전략도 다르게 전개된다. 직접 냉각은 냉매의 전기 절연성, 누설 방지 구조 등에서의 세부 특허가 다수 존재하며, 간접 냉각은 접촉면 최적화, 전도율 증가 소재, 열 분산 설계 등에서 기술 경쟁이 치열하다. 이처럼 열관리 방식의 다양화는 곧 배터리 안전성과 출력 성능을 좌우하는 본질적 요소로 자리 잡고 있으며, 이에 대한 특허 확보는 전기차 기업의 기술력 신뢰도를 가늠하는 바로미터가 되고 있다.

2. 액체, 공기, 냉매: 냉각 매체별 특허 전략 비교와 기술 트렌드

배터리 냉각 시스템에서 ‘어떤 냉각 매체(Cooling Medium)’를 사용하는가에 따라 기술 구현 방식과 시스템 복잡성이 크게 달라진다. 대표적인 냉각 매체로는 액체(물+글리콜), 공기, 냉매(Refrigerant)가 있으며, 각각의 장단점을 반영한 특허 전략이 전개되고 있다. 이 중 액체 냉각은 고열 전달 특성을 바탕으로 가장 보편적인 방식이며, 냉매 직접 순환 방식은 고효율·소형화 측면에서 미래형 플랫폼으로 주목받고 있다.

예컨대 LG에너지솔루션은 액체 냉각 시스템에서의 균일 유동 제어를 위한 특허 KR102297718을 통해, 배터리 모듈 내 냉각 유로의 형상을 최적화하여 유량 편차를 줄이고 냉각 효율을 높이는 기술을 제시하고 있다. 또한 이 특허는 배터리 팩 내부 공간 활용도를 높이면서 냉각 성능 손실을 최소화하는 구조를 포함하고 있어, 공간 대비 효율이라는 중요한 문제를 해결한다.

반면, 공기 냉각은 시스템 간소화와 유지보수 용이성이 강점이지만 냉각 성능이 낮아 소형 전기차나 하이브리드 차량에 제한적으로 사용된다. 도요타는 공기 냉각 효율 향상을 위한 다중 팬 배열 방식의 특허(JP 2019161781)를 통해, 셀 간 온도 차를 최소화하고 소음을 줄이는 구조를 개발하고 있다.

한편, 냉매 직접 순환 방식은 기존 에어컨 시스템을 전기차 배터리에 통합하여 배터리와 차량 내 HVAC 시스템을 통합 제어할 수 있게 한다. GM과 테슬라는 이 방식을 채택하여 팩 일체형 냉각 시스템을 설계하고 있으며, 테슬라의 특허 US20210030748은 냉매 흐름의 순서 제어해 각 모듈의 열 분포를 동적으로 조절하는 알고리즘이 포함되어 있다. 이 기술은 냉각 효율을 넘어, 배터리 열적 수명 예측과도 연결되는 스마트 시스템의 기초가 된다.

냉각 매체의 선택과 이에 따른 특허 전략은 단지 열전달 성능뿐만 아니라 시스템 통합성, 유지보수, 비용, 환경규제 대응력 등을 고려한 복합적 판단의 결과물이다. 따라서 냉각 매체를 중심으로 한 특허 흐름은 향후 플랫폼 최적화 및 차량 전기화 전략과 직결되며, 이는 전기차 경쟁력의 새로운 평가 기준이 되고 있다.

3. 모듈 단위 열제어 기술의 진화: 고밀도 설계에 따른 특허 분화

전기차용 배터리의 고에너지와는 곧 고밀도화로 이어지고 있으며, 이에 따라 모듈 단위에서의 정밀 열제어 기술이 핵심 특허 이슈로 부상하고 있다. 특히 셀 간 간격이 좁아지고, 다층 적층 구조가 일반화되면서 냉각 시스템은 더 높은 해상도의 열 분포 제어 능력을 요구받는다.

이러한 변화 속에서 모듈 단위 열제어 특허는 셀-셀 간 미세 냉각 구조 설계, 국소 과열 감지 및 대응 기술, 그리고 열전달 매체의 흐름 제어 기술을 중심으로 발전하고 있다. 예를 들어 SK온은 특허 KR102437001을 통해 모듈 내 셀마다 독립적인 냉각 경로를 제공하는 구조를 제시했다. 이 특허는 셀마다 온도에 따라 유량을 자동 조절하는 밸브 시스템과 이를 제어하는 열 센서 네트워크가 포함되어 있다. 이를 통해 특정 셀에서 열이 집중되는 현상을 억제할 수 있으며, 배터리 수명 연장과 화재 예방에 기여한다.

CATL은 모듈형 구조의 냉각 설계에서, 냉각 채널이 각 셀의 곡면에 밀착되도록 설계된 ‘곡면 냉각판 기술’을 특허(중국 공개 번호 CN 112506384A)로 보호하고 있으며, 이는 셀 외벽의 열 분포를 정밀하게 따라가며 냉각 효과를 극대화하는 기술이다. 이와 함께 모듈 내부의 열전도 패드(TIM: Thermal Interface Material)를 동적으로 조절하여, 고출력 구간에서 냉각 성능을 강화하는 기술 역시 다수의 특허로 보호되고 있다.

이처럼 모듈 단위에서의 냉각 기술 특허는 구조 설계, 소재, 센서 네트워크, 제어 알고리즘까지 다층적 통합을 기반으로 구성된다. 과거의 단순 열전달 구조가 아니라, 지능형 온도관리 시스템으로의 진화가 본격화되고 있으며, 이와 관련된 지식재산권의 선점 여부는 향후 차세대 플랫폼의 성공 가능성을 좌우할 핵심 경쟁력으로 작용할 것이다.

4. 지식재산권 전쟁과 전략적 시사점: 냉각 시스템 특허의 방어와 확장

배터리 냉각 시스템은 더 이상 단순한 부속 기술이 아니라, 전기차의 안전성과 직결된 핵심 생존 기술로 재정의되고 있다. 따라서 기업들은 단순한 기술 확보를 넘어, 자사의 냉각 기술을 외부 경쟁사로부터 방어하고, 필요시에는 공격적으로 활용할 수 있는 특허 포트폴리오를 구축하고 있다.

특허 방어 전략의 대표적인 예는 ‘특허 망 구축(Patent Thicket)’이다. 하나의 냉각 기술을 수십 개의 세부 기술로 나누어 각각 별도 특허로 출원함으로써, 타 기업의 유사 기술 진입을 원천 봉쇄하는 방식이다. 특히 테슬라와 LG에너지솔루션은 냉각 구조, 냉각 매체 흐름, 센서 위치, 알고리즘, 패키징 방식 등 모든 단계에 특허를 중첩적으로 포진시켜 경쟁사의 회피 설계 자체를 어렵게 만들고 있다.

또한 특허의 글로벌 출원 전략도 냉각 시스템 분야에서 중요한 이슈이다. 동일 기술이라도 미국, 유럽, 중국, 한국 등 지역별 규제 환경과 법적 보호 강도가 다르기 때문에, 주요 시장에 동시 출원함으로써 법적 분쟁에서의 우위를 확보하려는 움직임이 뚜렷하다. 이는 향후 냉각 시스템이 기술 거래 및 특허사용 계약의 핵심 자산으로 활용될 가능성을 열어준다.

냉각 시스템은 열적 신뢰성 향상이라는 기술적 가치뿐만 아니라, 규제 대응력과도 밀접히 연결된다. 유럽연합(EU)의 배터리 안전 기준 강화, 미국의 EV 화재 사고 증가 대응 법안 등은 냉각 시스템의 중요성을 기술만 아니라 법적 측면에서도 부각하고 있다. 따라서 이 분야의 특허 확보는 단순한 기술 우위 확보를 넘어, 글로벌 정책 환경 속에서 기업이 지속적인 시장 참여를 이어가기 위한 ‘면허증’ 역할을 하게 될 것이다.

결국, 배터리 냉각 시스템은 기술의 문제이자 전략의 문제다. 누가 더 정교하고 통합적인 특허 전략을 먼저 구축하느냐에 따라, 전기차 시장의 기술 표준을 선도할 수 있으며, 이는 기업의 미래 수익성과도 직결된다. 냉각 시스템 특허는 이제 전기차 시대의 숨은 승부처다.