무엇이 화제인가: ‘억제’에 머문 리튬메탈 음극 특허
리튬메탈 음극 특허는 늘고 있지만, 공개된 청구항들은 덴드라이트를 ‘없애는’ 기술이 아니라 ‘고르게 자라도록 유도하는’ 기술에 머물러 있다. 그래서 지금 이 분야의 특허를 사업 판단의 근거로 삼기에는 아직 이르다. 이 글은 2026년 1월 30일 모빌리티 플랫폼 기업 아이엘이 발표한 리튬메탈 음극 보호층 특허와, 그리너지가 보유한 등록특허 KR102340319B1을 나란히 놓고 그 이유를 정리한다.
업계 상황부터 보면, 리튬메탈은 흑연처럼 리튬을 층 사이에 저장하는 대신 리튬 금속 자체가 음극이 되는 ‘최종 음극재’로 꼽힌다. 학술 리뷰는 리튬메탈의 이론 비용량을 3,860 mAh/g, 표준수소전극 대비 전위를 −3.04 V로 정리하며, 상용 흑연 음극(372 mAh/g)보다 이론 비용량이 약 10배 높다고 설명한다. 에너지밀도를 끌어올리려는 셀 기업에게는 가장 매력적인 선택지다.
긴장 요인은 덴드라이트(dendrite, 충전 중 리튬이 나뭇가지나 바늘 모양으로 자라는 현상)다. 덴드라이트가 분리막을 뚫고 양극에 닿으면 내부 단락과 화재로 이어질 수 있어, 상용화의 최대 걸림돌로 남아 있다. 이 글이 답할 질문은 세 가지다. 두 특허는 덴드라이트 문제를 어느 층에서 다루는가, 각 청구항의 권리 범위는 어디까지인가, 그리고 기획·IP 담당자는 이 분야 특허를 어떤 시점에 어떤 무게로 평가해야 하는가이다.
기본 원리: 눈이 고르게 쌓이게 하는 두 가지 방법
리튬메탈 음극에서는 충전할 때 리튬 이온이 음극 표면에 금속으로 석출된다. 석출이 고르면 표면이 평평하게 두꺼워지지만, 전류가 특정 지점에 몰리면 그곳에서만 리튬이 솟아올라 덴드라이트가 된다. 두 특허는 이 불균일 석출을 서로 다른 층에서 다룬다.
자료: KR102340319B1 청구항과 아이엘 특허 등록 보도(2026-01-30)를 바탕으로 편집부가 재구성
비유하자면 리튬 석출은 지붕에 눈이 쌓이는 일과 비슷하다. 첫 번째 방법은 지붕 표면 자체를 고르게 다듬어 눈이 한곳에 몰리지 않게 하는 것이다. 아이엘의 특허처럼 구리 집전체 표면에 보호층을 만들어 리튬이 균일하게 내려앉도록 유도하는 접근이 여기에 해당한다. 두 번째 방법은 지붕 위에 촘촘한 그물을 덮어 눈 기둥이 솟아오르더라도 그물을 뚫지 못하게 하는 것이다. KR102340319B1처럼 분리막 쪽에 무기 나노입자층을 두어 물리적으로 성장을 막는 접근이 여기에 해당한다.
- 집전체 쪽 보호층: 리튬이 처음 내려앉는 바닥의 계면을 안정화해 석출 자체를 고르게 만드는 전략이다.
- 분리막 쪽 무기층: 이미 생긴 돌기가 분리막을 관통하지 못하도록 물리적 장벽을 두는 전략이다.
두 방법 모두 덴드라이트의 발생 확률과 성장 속도를 낮출 뿐, 리튬이 금속으로 석출된다는 근본 조건은 바꾸지 않는다. 이 점이 뒤에서 볼 청구항 문언의 한계와 그대로 연결된다.
비교: 두 특허의 접근과 성숙도
아래 표는 흑연 음극과 리튬메탈 음극의 기본 수치, 그리고 두 특허의 접근 방식을 같은 틀에서 정리한 것이다. 아이엘 특허는 번호가 보도에 공개되지 않아 발명의 명칭과 보도 내용만 적었다.
| 구분 | 흑연 음극 | 리튬메탈 + 집전체 보호층(아이엘) | 리튬메탈 + 무기층 분리막(KR102340319B1) |
|---|---|---|---|
| 이론 비용량 | 372 mAh/g | 3,860 mAh/g(리튬메탈) | 3,860 mAh/g(리튬메탈) |
| 덴드라이트 대응 위치 | 해당 없음(층간 저장) | 구리 집전체-리튬 계면 | 리튬메탈-분리막 계면 |
| 핵심 소재 | 흑연 | 리튬 전이금속 산화물 기반 보호층 | 5~200 nm 무기 나노입자층 |
| 권리 상태 | 해당 없음 | 등록 발표(2026-01-30), 번호 미공개 | 등록(2021-12-21), Active |
| 청구 문언의 성격 | 해당 없음 | 균일 석출 유도(보도 기준) | 구조 한정(입자 크기·층 위치) |
자료: Green Energy & Environment 리뷰(2023), KR102340319B1(Google Patents), 아이엘 특허 등록 보도(2026-01-30)
이 표가 말하는 것: 리튬메탈은 흑연 대비 이론 비용량이 약 10배(3,860 대 372 mAh/g)지만, 두 특허는 모두 그 잠재력을 ‘지키는’ 계면 기술이며, 대응 위치가 집전체 쪽과 분리막 쪽으로 서로 다르다. 즉 두 권리는 경쟁 관계라기보다 한 셀 안에서 겹쳐 쓰일 수 있는 층위의 기술이다.
특허 관점: 청구항은 ‘억제’까지만 약속한다
KR102340319B1(발명의 명칭: 리튬 메탈 음극 구조체, 이를 포함하는 전기화학소자, 및 그 제조방법)은 주식회사 그리너지가 2019년 10월 25일 출원해 2021년 5월 7일 KR20210050059A로 공개되고, 2021년 12월 21일 등록된 특허다. Google Patents 기준 법적 상태는 Active이며 예상 만료일은 2039년 10월 25일이다.
청구항 1의 요지를 재서술하면 다음과 같다. 리튬메탈 음극이 있고, 그 한쪽 이상의 면에 분리막이 부착된다. 이 분리막은 다공성 기재와, 그 기재 위에 코팅된 5~200 nm 크기의 무기 나노입자로 이루어진 무기층을 포함하며, 무기층은 리튬메탈 음극과 다공성 기재 사이에 위치한다. 명세서는 압연 롤이나 프레스로 이 구조체를 만들어 전극 표면을 균일하게 하고 무기층과 금속 전극의 밀착을 높인다고 설명해, 롤투롤(R2R, 연속 압연 공정)과의 접점을 시사한다.
자료: KR102340319B1 청구항 1(Google Patents)을 바탕으로 편집부가 재구성
아이엘의 특허(발명의 명칭: 보호층을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지)는 구리 집전체 표면에 리튬 전이금속 산화물 기반 기능성 보호층을 형성해 리튬의 균일한 석출을 유도하는 구성이 핵심이라고 보도됐다. 아이엘은 이후 2026년 6월 이중 기능성 보호층과 롤투롤 연속 제조 방법을 다룬 특허를 출원했다고 발표했고, 전류밀도 편차를 ±45%에서 ±3% 이하로 줄였다고 밝혔다. 다만 이 수치는 회사 발표이며 공개공보로 확인되지 않았다.
통찰: 두 특허의 권리 범위는 ‘무음극(anode-free) 설계’에서 갈린다. KR102340319B1 청구항 1은 ‘리튬메탈 음극’과 여기에 부착된 분리막을 구성요소로 요구한다. 따라서 조립 시점에 리튬 금속 없이 집전체만 두고 첫 충전 때 리튬을 석출시키는 무음극 셀은, 제조 단계만 놓고 보면 이 구성요소를 결여할 여지가 있다. 반대로 집전체 표면에 보호층을 두는 아이엘식 접근은 무음극 셀에서도 그대로 작동하는 위치이므로, 무음극 설계가 확산될수록 집전체 쪽 보호층 권리의 적용 범위가 상대적으로 넓어질 가능성이 있다. 다만 충전 후 셀에 리튬메탈이 형성된 상태를 기준으로 침해 소지를 판단할지는 청구항 해석과 실시 형태에 따라 달라질 수 있다.
회피 포인트: KR102340319B1은 무기 나노입자 크기를 5~200 nm로 한정하고, 무기층의 위치를 ‘리튬메탈 음극과 다공성 기재 사이’로 못 박았다. 문언상으로는 200 nm를 넘는 입자를 쓰거나, 무기층을 양극 쪽 면에만 두는 설계는 이 구성요소를 벗어날 여지가 있다. 또 분리막을 음극에 ‘부착’하지 않고 독립 부품으로 적층하는 구성도 검토 대상이 된다.
회피설계 시나리오(반론): 다만 입자 크기 분포가 넓어 일부가 5~200 nm 범위에 걸치면 문언 침해 주장이 제기될 가능성이 있고, 무기층 위치만 뒤집은 설계가 같은 덴드라이트 차단 기능을 같은 방식으로 달성한다면 균등론 판단 대상이 될 가능성도 있다. 특허권자 쪽에서 보면, 세라믹 코팅 분리막 자체는 오래된 기술이므로 청구항 1의 유효성은 선행 코팅 분리막 문헌과의 대비에서 다퉈질 가능성이 있다. 결국 FTO(침해 여부 검토)는 입자 크기 측정 방법과 선행문헌을 함께 놓고 판단해야 한다.
한계와 전망
두 특허 모두 청구 문언과 발명의 목적이 ‘덴드라이트 성장 억제’와 ‘균일 석출 유도’에 맞춰져 있다. 공개된 자료 어디에서도 덴드라이트를 원천 차단한다는 수준의 청구는 확인되지 않는다. 이는 특허 문언 자체가 이 기술들이 완전한 해결책이 아니라 위험을 낮추는 기술임을 드러낸다는 뜻이다. 아이엘도 적용처로 전고체배터리, 휴머노이드 로봇, 드론을 제시하고 있어, 액체 전해질보다 고체전해질과의 결합을 염두에 두고 있음을 보여 준다.
낙관적 전망은 보호층·무기층 기술이 쌓이고 고체전해질과 결합하면서 리튬메탈 음극이 상용 셀로 넘어간다는 것이다. 반대 시나리오도 있다. 계면 기술이 실험실 수준의 사이클에서 효과를 보이더라도, 대면적·장기 사이클에서 불균일 석출이 누적되면 안전 인증 단계에서 발목이 잡힐 가능성이 있다. 그 경우 지금 등록된 계면 특허 상당수는 실제 제품에 실시되기 전에 존속기간 상당 부분을 소진할 수 있다.
시간 축도 함께 봐야 한다. KR102340319B1의 예상 만료일은 2039년 10월 25일이다. 리튬메탈 음극 셀의 본격 양산 시점이 늦어질수록, 이 특허가 실제 제품을 상대로 행사될 수 있는 기간은 짧아진다. 반대로 양산을 앞당기려는 기업에게는 이 기간 동안 청구항 1과의 거리를 확보하는 설계가 필요하다. 결국 리튬메탈 특허의 가치는 기술의 우수성만이 아니라 상용화 시점과 존속기간이 얼마나 겹치느냐에 따라 달라진다.
전략적 대안은 리튬메탈 특허를 ‘소재 조성’보다 ‘위치와 공정’ 기준으로 분류해 추적하는 것이다. 보호층이 집전체 쪽인지 분리막 쪽인지, 롤 압연 같은 연속 공정을 청구하는지에 따라 무음극 셀·전고체 셀 전환 시 살아남는 권리가 달라지기 때문이다.
실무 액션: 리튬메탈 또는 무음극 셀을 검토하는 기획·IP 담당자는 아이엘 특허의 등록번호와 청구항 원문을 KIPRIS에서 먼저 확인하고, KR102340319B1과 함께 ‘보호층 위치(집전체/분리막)·입자 크기·조립 시점의 리튬 존재 여부’ 세 항목으로 구성요소 대비표를 만들어 두는 것이 좋다.
확인이 필요한 항목
- 아이엘이 2026년 1월 발표한 등록특허의 등록번호, 출원일, 청구항 원문
- 아이엘이 밝힌 전류밀도 편차 개선 수치(±45% → ±3% 이하)의 측정 조건
- KR102340319B1의 해외 패밀리(US·EP·CN 등) 출원 여부
- 원문이 언급한 LG에너지솔루션의 리튬메탈 음극 관련 특허의 구체적 번호와 청구 범위
출처
- Google Patents, KR102340319B1 – 리튬 메탈 음극 구조체, 이를 포함하는 전기화학소자, 및 그 제조방법(주식회사 그리너지)
- 뉴스핌, 「아이엘, 리튬 메탈 배터리 덴드라이트 억제 핵심기술 특허 등록」(2026-01-30)
- 머니투데이, 「아이엘, 리튬 메탈 배터리 덴드라이트 억제 핵심기술 특허 등록」(2026-01-30)
- 이데일리, 「아이엘, 리튬메탈 음극 연속 양산 원천기술 핵심 특허 출원」(2026-06-16)
- Ding J.-F. et al., “Review on lithium metal anodes towards high energy density batteries”, Green Energy & Environment (2023)
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