배터리 팩 설계 특허 분석: 구조적 안정성과 효율성의 조화

1. 모듈화 설계의 진화: 팩 구조 특허의 중심축

배터리 팩 설계에서 가장 중요한 기술적 과제는 모듈화(Modularization)이다. 셀 단위에서부터 팩 단위까지의 계층 구조를 어떻게 조직하느냐에 따라 성능, 안정성, 정비성, 생산비용이 결정된다. 특히 최근 전기차 시장의 확산과 고출력·고에너지 밀도 요구가 커짐에 따라, 모듈화는 단순한 구성 방식이 아니라 특허 전략의 핵심이 되고 있다. 이에 따라 글로벌 배터리 기업들은 셀-모듈-팩 간 구조적 효율성을 극대화하는 모듈 결합 방식에 대한 특허를 집중적으로 출원하고 있다.

예를 들어, 테슬라는 셀-투-팩(Cell-to-Pack, CTP) 기술에 대한 독자 특허를 통해, 중간 모듈 단계를 생략하고 셀을 직접 팩에 배치하는 방식으로 구조적 간소화와 에너지 밀도 향상을 동시에 달성했다. 이들은 셀과 팩 사이의 구조 프레임을 제거하면서도 기계적 지지력을 확보하기 위한 특수 집전에 구조와 고분자 접착 기술에 대한 특허를 등록하였다. CATL 역시 유사한 CTP 설계 특허를 대거 출원하며, 열 분산 구조와 전기 연결 구조의 최적화를 병행하고 있다.

반면, 삼성SDI나 LG에너지솔루션은 모듈화 단계를 유지하되, 각 모듈 내 열적·기계적 스트레스 해소 구조에 중점을 두는 방향으로 특허 전략을 구성하고 있다. 특히 "모듈 간 간극 조절 기술", "진동 흡수 구조", "열확산 방지 패널 구조" 등이 주요 특허 군을 이루고 있으며, 이는 고에너지 팩의 내구성을 확보하기 위한 전략적 대응으로 분석된다. 이처럼 모듈화 설계의 특허는 단순한 조립 기술을 넘어, 전체 시스템의 안정성과 성능을 좌우하는 중심축으로 진화하고 있다.

2. 열 관리 구조 특허: 안정성과 효율의 경계선

고출력 배터리 팩의 구조 설계에서 가장 민감한 이슈는 열 관리(Thermal Management)이다. 셀 내부에서 발생하는 발열은 열폭주를 유발할 수 있기 때문에, 이를 제어하기 위한 열 분산 및 절연 구조는 반드시 구조 설계와 통합되어야 한다. 특히 전고체 배터리, 고에너지 NCM 계열 셀, 고속 충전 시스템과 결합하는 배터리 팩은 더욱 정교한 열 제어 기술이 요구되며, 이에 대한 특허 출원도 급증하고 있다.

LG에너지솔루션은 '열전도 패드와 분리 층의 다층 구조' 특허를 통해, 셀과 셀 사이의 열 간섭을 최소화하고, 비정상 가열 시에도 팩 전반의 열폭주 확산을 방지하는 기술을 선보였다. 이들은 알루미늄과 세라믹 복합소재를 사용한 열 차단층 구조, 그리고 셀 간 거리를 최적화하는 구조 설계로 주목을 받았으며, 이 모든 기술은 구조적 요소로 구현된다. 삼성SDI는 복합 열전도 겔을 삽입하는 '3D 열 확산 격자 구조' 특허를 통해, 셀 주변부의 급격한 온도 상승을 억제하고 일정한 온도 분포를 유지하는 기술을 확보하고 있다.

한편, GM과 포드는 배터리 팩 주택 자체에 열 교환 기능을 통합하는 구조 설계 특허를 대거 등록 중이다. 예를 들어, 팩 주택 내부에 유로(流路)를 삽입하거나, 방열판과 냉각 파이프를 통합한 복합 주택 설계는 경량화와 열 관리의 두 마리 토끼를 동시에 잡는 전략이다. 특히 구조체 내부에 '액상 냉매 순환 회로'를 내장하거나 '이중 방열 층 구조'로 설계된 특허는 충돌 사고 시에도 열 제어 기능을 유지할 수 있는 고신뢰 기술로 분류된다.

이처럼 열 관리 특허는 기존의 보조 시스템 개념을 넘어, 배터리 팩의 구조적 일체성과 연계된 핵심 설계 요소로 부상하고 있으며, 특히 안전성과 직접 연결되는 영역이기 때문에 기업별 차별화된 구조 특허 전략이 절실히 요구되고 있다.

3. 진동 및 충격 흡수 구조: 주행 환경에서의 구조 안정성 특허

배터리 팩은 자동차 하부에 장착되는 만큼, 다양한 물리적 충격, 진동, 도로 요철, 심지어 추돌 사고 등의 물리적 스트레스를 직접적으로 받게 된다. 따라서 진동과 충격을 흡수할 수 있는 구조 설계는 안전성과 수명 확보 측면에서 결정적인 기술 요소이며, 이에 대한 특허 출원이 활발히 이뤄지고 있다. 특히 최근에는 단순한 외부 보호를 넘어서, 셀-모듈-팩 간 응력 전달 경로를 제어하는 내부 구조 설계가 기술 차별화의 핵심으로 떠오르고 있다.

현대자동차그룹은 배터리 팩에 내장된 셀 모듈 전체를 탄성 프레임 위에 부착하여 진동을 분산시키는 구조 설계에 대한 특허를 보유하고 있으며, 해당 구조는 도로 상황에 따라 발생하는 고주파 진동을 감쇠시켜 셀 열화를 지연시키는 효과를 가진다. 이러한 구조는 팩 주택 내부에 다중 진동 차단층을 포함하거나, 셀 베이(bay)를 고무 또는 실리콘 복합재로 완충 처리하는 방식으로 구현된다.

테슬라는 차량 섀시와 배터리 팩을 일체형으로 통합하는 '스트럭처를 팩(Structural Pack)' 개념을 도입하며, 충격 흡수를 하부 차체 전체로 분산시키는 전략을 취하고 있다. 이는 단순한 진동 차단을 넘어, 사고 발생 시 전체 섀시와 함께 충격을 분산하여 팩 내부 셀 손상을 최소화하는 구조 설계로, 복합 주택 구조 특허와 함께 충격 에너지 분산 경로에 대한 정밀 해석 기반 특허로 구체화하고 있다.

BMW와 리비안(Rivi an)은 팩 하부에 알루미늄 및 마그네슘 합금을 다층 구조로 적층하여 충격 흡수 성능을 높인 구조 설계 특허를 보유하고 있으며, 일부는 변형할 수 있는 프레임 구조를 포함해 실제 충격 시 에너지를 흡수하도록 설계되었다. 진동 및 충격 흡수 기술은 단순한 기계적 특성을 넘어서, 전기 연결부와 열 관리 시스템까지 통합적으로 연동되어야 하므로, 전체 팩 설계의 복잡성과 정밀도를 높이는 방향으로 진화하고 있다.

4. 배터리 팩 경량화와 공간 효율성: 고에너지 시대의 설계 전략

배터리 팩의 에너지 밀도 향상과 주행 거리 확보를 위한 또 하나의 필수 요소는 경량화와 공간 효율성(Lightweight & Space Optimization)이다. 동일한 차체 공간 내에서 더 많은 에너지 저장을 가능하게 하려면, 불필요한 구조물은 제거하면서도 안전성과 내구성을 희생하지 않아야 한다. 이에 따라 복합소재 사용, 고밀도 적층 구조, 다기능 통합 구조에 대한 특허가 폭발적으로 증가하고 있다.

포르쉐와 폭스바겐 그룹은 카본 복합소재를 활용한 팩 주택 경량화 특허를 다수 확보하고 있으며, 특히 내부 프레임 구조를 통합하거나 방열판과 구조 지지대를 하나의 소재로 구현하는 '다기능 프레임(Multi-functional Frame)' 기술이 핵심이다. 이들은 주택 내 공간 효율성을 극대화하면서도 충격과 열에 동시에 대응할 수 있는 구조 통합 기술로 주목받는다.

LG에너지솔루션과 SK온은 ‘고밀도 셀 적층 구조’를 바탕으로 셀 간 간격을 최소화하고, 주택 내 모듈 간 경계 구조를 단순화하는 특허를 집중적으로 출원하고 있다. 특히 셀 두께와 주택 벽 두께를 동시에 줄이면서도 구조적 강도를 유지하는 복합 적층 프레임, 다중 리브 구조에 대한 특허들이 여기에 해당한다. 이러한 설계는 고밀도 설계가 필연적으로 수반하는 열 문제를 동시에 해결할 수 있도록 구조 설계와 열 설계를 통합하는 방향으로 전개되고 있다.

또한 최근에는 '팩 통합형 인버터', '전원 분배기 내장 구조' 등 기존 외부 장치를 팩 내에 통합하여 공간 활용도를 높이는 설계 방식이 급증하고 있으며, 이에 대한 특허는 단순 전기 회로를 넘어, 기계적 구조까지 통합 설계한 특허로 발전하고 있다. 경량화와 공간 효율성은 결국 시스템 통합과 직결되며, 전기차 제조사와 배터리 업체가 협업을 통해 플랫폼 설계 수준에서 구조 특허를 전략적으로 공유하는 사례가 점점 늘고 있다.