금속박 대신 ‘금속을 입힌 필름’ — 복합 집전체의 무게·안전 효과와 용접이라는 숙제

복합 집전체는 얇은 고분자 필름 양면에 금속을 입혀 동박·알루미늄박을 대신하는 소재다. 가벼워지고 못 관통 같은 극한 조건에서 유리하다는 장점과, 탭 용접이 어려워진다는 약점이 모두 가운데의 절연 고분자층 하나에서 나온다는 점을 중심으로 정리한다.

① 무엇이 화제인가

복합 집전체의 안전 효과와 용접 난제는 같은 원인, 즉 두께 방향으로 전기가 통하지 않는 가운데 고분자층에서 나온다. 장점과 단점을 떼어낼 수 없기 때문에, 이 분야 특허의 무게중심도 ‘소재’에서 ‘전류를 꺼내는 구조’로 옮겨가고 있다.

업계 상황부터 보자. 집전체(current collector)는 전극 활물질을 받쳐 주면서 전자를 모아 외부로 내보내는 금속박이다. 음극은 동박, 양극은 알루미늄박이 일반적이다. 집전체는 용량을 내지 않으므로, 같은 역할을 더 가볍게 해낼 수 있다면 셀의 무게당 에너지 밀도가 올라간다. 여기서 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethylene terephthalate) 같은 고분자 필름 양면에 얇은 금속층을 올린 ‘금속-고분자-금속’ 샌드위치 구조의 복합 집전체(composite current collector)가 등장했다.

2025년 리뷰는 이 샌드위치형 복합 동박이 집전체 무게를 크게 줄여 에너지 밀도를 높이고, 가운데 고분자층이 면 방향으로 절연성·유연성을 가져 열 확산을 막고 팽창 응력을 완화한다고 정리한다[1]. 긴장 요인은 두 가지다. 같은 리뷰가 구리와 고분자 사이의 약한 결합력을 핵심 과제로 꼽았고[1], 2026년 연구는 다층 금속-열가소성 수지 집전체와 탭의 접합 메커니즘이 아직 불분명하고 용접 공정이 번거롭다고 지적했다[3].

그래서 이 글이 답하려는 질문은 이것이다. 복합 집전체는 어떤 원리로 가벼움과 안전을 얻고, 그 대가인 용접 문제를 특허는 어떤 구조로 풀려 하는가.

② 기본 원리 — 통나무 다리 대신 ‘철판을 댄 합판’

기존 금속박을 통나무 한 그루로 만든 다리라고 하자. 튼튼하고 어디를 잘라도 같은 나무라서 이어 붙이기(용접)도 쉽다. 복합 집전체는 가벼운 합판 양면에 얇은 철판을 댄 다리다. 전기는 철판(금속층)을 따라 흐르고, 합판(고분자층)은 형태를 잡아 준다. 합판이 금속보다 훨씬 가볍기 때문에 같은 넓이의 다리를 더 가볍게 만들 수 있다. 실제로 관련 특허 명세서도 절연층의 밀도가 금속보다 일반적으로 작아 무게당 에너지 밀도를 개선할 수 있다고 설명한다[4].

안전 효과는 못 관통(nail penetration) 같은 극한 상황에서 드러난다. 기존 금속박은 못에 뚫릴 때 버(burr, 찢긴 금속 거스러미)가 생기기 쉽고, 이 버가 상대 전극에 직접 닿으면 내부 단락으로 이어질 수 있다[5]. 복합 집전체는 금속층이 수 나노미터~1 마이크로미터 수준으로 얇고 가운데가 절연체라, 단락이 생겨도 전류가 흐르는 범위가 좁게 국한되도록 설계할 수 있다는 것이 출원인의 설명이다[4]. PET 필름 양면에 초박막 알루미늄을 입힌 양극 집전체를 시험한 연구에서도 못 관통 시험 중 셀 전체의 온도 상승이 느려졌다고 보고했다[2].

문제는 다리 끝을 육지(탭)에 연결할 때다. 통나무는 그대로 이어 붙이면 되지만, 합판 다리는 양면 철판을 각각 육지에 연결해야 한다. 초음파 용접 연구에 따르면 복합 집전체는 가운데 PET층이 먼저 밀려나 금속끼리 맞닿는 방식이 아니라, 초기 접착 → 적층 구조의 점진적 붕괴 → 기계적 맞물림에서 원자 확산으로의 전환이라는 복잡한 과정을 거쳐 접합된다[3]. 전류를 막아 안전을 지키는 그 층이, 전류를 꺼내야 하는 순간에는 장애물이 되는 셈이다.

③ 비교 — 기존 금속박과 복합 집전체

비교 항목	기존 금속박(동박·알루미늄박)	복합 집전체(금속-고분자-금속)
구조	금속 단일층(정성)	PET 등 고분자 필름 양면에 금속층[1][2]
무게·에너지 밀도	기준	집전체 무게를 크게 줄여 에너지 밀도 향상[1] / 절연층 밀도가 금속보다 낮음[4]
금속층 조건(특허 청구 예)	—	두께 1 nm~1 μm, 상온 면저항 0.08~8.4 Ω/□(US11539050B2 청구항 1)[4]
못 관통 시 거동	버가 상대 전극에 닿아 내부 단락 유발 가능[5]	셀 전체 온도 상승 완화 보고(PET-Al)[2] / 단락 전류를 점 범위로 국한하는 설계[4]
탭 용접	금속-금속 직접 접합(정성)	PET층이 먼저 밀려나지 않아 접합 과정이 복잡, 구조 붕괴 시 인장 강도 저하[3]
계면 과제	—	구리-고분자 간 약한 결합력[1]

이 표가 말하는 것: 복합 집전체는 무게와 못 관통 거동에서 금속박보다 유리하다는 보고가 있지만[1][2], 용접과 계면 결합이라는 두 개의 새 과제를 함께 들여온다[1][3]. 소재 교체만으로 끝나지 않고 공정·구조 설계가 따라와야 한다는 뜻이다.

④ 특허 관점 — 소재 청구항과 ‘전류 인출 구조’ 청구항의 2단 울타리

이 분야의 권리를 읽을 때는 두 층을 나눠 봐야 한다. 첫째는 복합 집전체를 쓴 셀 자체의 조건을 정한 청구항, 둘째는 그 집전체에서 전류를 꺼내는 연결 구조를 정한 청구항이다. CATL(Contemporary Amperex Technology)의 두 미국 특허가 이 구분을 잘 보여준다.

첫 번째는 US11539050B2다. 우선일 2017-01-12, 출원일 2017-11-30, 등록일 2022-12-27, 현 권리자 CATL 홍콩 법인(Contemporary Amperex Technology (Hong Kong) Ltd), 법적 상태는 Active(조정 존속기간 만료 예정 2037-11-20), 등록 청구항은 10개다[4]. 청구항 1을 구성요소 단위로 재서술하면 다음과 같다.

청구항 1의 구성요소(재서술)	권리 범위상의 의미
(a) 양극판·분리막·음극판을 포함하는 전지일 것	청구 대상이 집전체 단품이 아닌 ‘전지’ — 셀 제조사가 직접 실시 주체가 됨
(b) 양극판 및/또는 음극판의 집전체가 절연층과 그 위의 도전층으로 이뤄지고, 절연층이 도전층을, 도전층이 활물질층을 받치며, 도전층은 절연층의 적어도 한 면에 있을 것	복합 집전체의 기본 구조 한정
(c) 도전층의 상온 면저항이 0.08~8.4 Ω/□, 두께가 1 nm~1 μm일 것	도전층 물성·두께의 수치 한정
(d) 도전층이 알루미늄·구리·티타늄·니켈-구리 합금·알루미늄-지르코늄 합금 및 그 조합에서 선택된 재료의 단일층일 것	재료군과 ‘단일층’ 한정
(e) 전지 내부저항 r과 이론용량 Cap의 곱이 126~384 Ah·mΩ이고, Cap이 3.2~48 Ah일 것	셀 수준의 저항×용량 관계와 용량 범위를 못 박은 한정 — 적용 셀 규격의 경계선

권리 범위의 축은 (e)다. 청구항 1은 이론용량 3.2~48 Ah 범위의 전지로 문언이 한정돼 있어, 이 범위를 벗어나는 용량의 셀은 적어도 청구항 1의 문언 침해 판단에서 다른 결론이 나올 가능성이 있다. 이를 바탕으로 한 회피 설계 시나리오로는 ⓐ 용량 범위 밖의 셀 규격, ⓑ 도전층을 단일층이 아닌 다층(예: 금속층 위 보호층)으로 구성, ⓒ 면저항·두께 범위 밖의 도전층 설계를 검토해 볼 수 있다.

다만 반론이 강하다. 검색 결과상 같은 출원인은 2017-12-05 우선일로 ‘Current collector, electrode plate …’ 계열의 미국 특허(예: US10910652B2, US11024854B2, US11177479B2)를 여럿 보유한 것으로 나타나며, 청구항 1 하나를 피해도 다른 패밀리 특허가 다른 축으로 범위를 덮고 있을 가능성이 있다. 또한 ⓑ의 ‘다층’ 구성이 균등 범위에 포함되는지는 사안별 판단이 필요하다.

두 번째 울타리가 용접 문제와 직결된다. 같은 CATL의 US11233244B2(우선일 2017-11-22, 출원일 2020-02-28, 등록일 2022-01-25, Active, 조정 존속기간 만료 예정 2038-09-04, 청구항 13개)는 절연 기재 양면의 도전층 중 활물질이 없는 부분에 각각 연결되는 제1·제2 도전 요소를 두고, 권취 시 이 미코팅부가 겹쳐 쌓인 전류 유도부 사이에 도전 요소가 끼워지도록 한 전극 조립체를 청구한다[5]. 명세서는 도전층을 집전 부재에 바로 연결하면 전도 성능이 나빠 국부 과열이 생기기 쉽다는 점을 해결 과제로 든다[5]. 유사 특허 크로스체크 관점에서 보면, 이는 절연층 때문에 양면 금속층이 전기적으로 분리된다는 복합 집전체의 본질적 한계를 ‘양면에 각각 별도 도전체를 붙이는 구조’로 우회한 권리다. 복합 집전체를 쓰려는 후발 주자에게는 소재 청구항보다 이런 인출 구조 청구항이 FTO(침해 여부) 검토의 더 까다로운 관문이 될 가능성이 있다.

⑤ 한계와 전망

낙관적으로 보면, 집전체 경량화에 따른 에너지 밀도 향상[1]과 못 관통 시 온도 상승 완화[2]가 동시에 가능하다는 점은, 에너지 밀도와 안전을 동시에 요구받는 셀 설계에서 매력적인 선택지가 될 가능성이 높다.

반대 시나리오도 있다. 복합 집전체의 강점은 ‘얇은 금속층’에서 나오지만, 같은 얇음이 대전류 인출과 용접 신뢰성에는 불리하게 작용할 수 있다. 초음파 용접에서 적층 구조가 붕괴하면 전기적 연결은 이뤄져도 인장 강도가 떨어진다는 결과[3]는, 진동·충격이 큰 차량 환경에서 장기 신뢰성 검증이 추가로 필요하다는 뜻이다. 구리-고분자 계면 결합력 문제[1]가 양산 수율로 이어지면 원가 이점이 상쇄될 수도 있다.

전략적 대안으로는 소재 도입과 탭 인출 구조를 하나의 패키지로 개발·권리화하는 접근을 제안할 수 있다. 복합 집전체 소재는 외부에서 조달하더라도, 탭 연결 구조와 용접 조건은 자사 공정에 맞춰 독자적으로 설계하고 그 단계에서 선행 권리와의 저촉 여부를 함께 점검해야 한다.

확인할 액션(기획·IP 담당자): 복합 집전체 적용을 검토 중인 셀의 이론용량·내부저항·도전층 구성(단일층/다층, 두께, 면저항)을 US11539050B2 청구항 1의 수치 범위와 대조하고, 탭 연결 방식이 US11233244B2의 ‘양면 도전 요소’ 구성과 겹치는지 별도로 확인할 것.

확인이 필요한 항목

• US10910652B2·US11024854B2·US11177479B2 등 CATL의 2017-12-05 우선일 특허는 검색 결과의 서지 정보만 확인했으며, 각 청구항 내용은 이 글에서 검토하지 않았다.
• 복합 집전체의 양산 적용 셀·차종, kg당 원가, 기존 금속박 대비 구체적인 무게 감소율(%)은 공개 자료로 확인하지 못해 수치를 넣지 않았다.
• US11539050B2·US11233244B2의 중국·유럽 패밀리 구성과 각국 존속 여부는 별도로 확인하지 않았다.

출처

1. Xueyang Dun 외, 「Composite copper foil current collectors with sandwich structure for high-energy density and safe lithium-ion batteries」, Energy Storage Materials 74, 2025(103936). 링크
2. Wangbing Yao 외, 「Polyethylene terephthalate-based cathode current collectors coated by ultrathin aluminum metal layers for commercial lithium-ion batteries with high security and long-term cycling stability」, Journal of Alloys and Compounds 941, 2023. 링크
3. Qi Chen 외, 「Ultrasonic Welding of Multi-layer PET-Al Composite Current Collector and Al Tab: Joining Mechanism and Resistance Analysis」, Journal of Materials Engineering and Performance, 2026. 링크
4. Google Patents, US11539050B2 「Current collector, electrode plate and battery containing the same, and application thereof」 서지사항·명세서·청구항 1(2026-09-23 원문 확인). 링크
5. Google Patents, US11233244B2 「Electrode member, electrode assembly and rechargeable battery」 서지사항·명세서·청구항 1(2026-09-23 원문 확인). 링크

이 글은 기술·특허 동향 해설이며 법률 자문이 아닙니다. 구체적인 FTO 판단은 전문가 검토가 필요합니다.