망간으로 전압을 올리면 무엇을 지불하나 — LMFP 양극재의 조성 창과 US9793538B2

리튬인산철(LFP)에 망간을 섞으면 평균 전압이 오르고 에너지 밀도가 따라 올라간다. 대신 전도도, 구조 안정성, 망간 용출이라는 세 가지 비용이 함께 청구된다. 이 글은 그 비용 구조와, 비용을 ‘조성 창’으로 묶어 권리화한 특허 한 건을 함께 읽는다.

① 무엇이 화제인가

LMFP는 ‘LFP에 망간을 더 넣은 것’이 아니라, 망간을 얼마나 넣고 무엇으로 보정하느냐를 고르는 조성 설계 문제다. 그리고 그 조성 창의 일부는 이미 특허로 선점돼 있다.

업계 상황부터 보자. LFP는 원료가 싸고 안전해서 ESS와 보급형 전기차에서 입지를 넓혀 왔지만, 평균 전극 전위가 약 3.4 V(리튬 기준)에 머물러 이론 중량 에너지 밀도가 약 578 Wh/kg 수준에 그친다는 한계가 따라다닌다[1]. 같은 올리빈(olivine, 감람석형) 결정 구조를 유지하면서 철 일부를 망간으로 바꾼 리튬망간인산철(LMFP, lithium manganese iron phosphate)은 전위를 3.8 V 이상으로, 이론 에너지 밀도를 646 Wh/kg 이상으로 끌어올릴 수 있다는 점에서 주목받는다[1].

긴장 요인은 망간이 공짜가 아니라는 데 있다. 망간 비율이 높아질수록 충전 중 생기는 3가 망간 이온(Mn³⁺)이 결정을 뒤틀고(얀-텔러 뒤틀림, Jahn-Teller distortion), 망간이 전해액으로 녹아 나오는 현상이 두드러진다는 보고가 있다[1]. 전자·이온 이동이 느린 올리빈 고유의 약점도 그대로 남는다.

그래서 이 글이 답하려는 질문은 이것이다. 망간으로 전압을 올릴 때 정확히 무엇을 지불하게 되며, 특허는 그 지불 구조를 어떤 방식으로 권리 범위에 담았는가.

② 기본 원리 — 한 건물에 엘리베이터 두 대, 위층 것은 고장이 잦다

올리빈 양극은 리튬이 드나드는 통로가 한 방향으로 나 있는 건물에 비유할 수 있다. LFP에서는 철 이온이 2가와 3가를 오가며 전자를 주고받는데, 이 반응이 일어나는 높이(전압)가 약 3.4 V다. LMFP에서는 여기에 망간 이온이 2가와 3가를 오가는 반응이 약 4.1 V에서 추가로 활성화된다[1]. 같은 건물에 더 높은 층까지 올라가는 두 번째 엘리베이터를 설치한 셈이다.

LMFP 방전 곡선에서 약 4.1V 망간 평탄부와 약 3.4V 철 평탄부, 올리빈 입자의 탄소 코팅·망간 용출·얀-텔러 뒤틀림을 나타낸 개념도 — **Fig. 1.** 망간이 만드는 약 4.1 V 평탄부(20)가 전압 상승의 원천이지만, 같은 망간이 얀-텔러 뒤틀림(22)과 용출(21)이라는 열화 경로도 연다.
자료: Jung·Oh·Han(2025) Energy Materials 리뷰를 바탕으로 편집부가 재구성.

문제는 위층 엘리베이터가 고장이 잦다는 점이다. 망간이 3가 상태가 되면 주변 산소 배위 구조가 한쪽으로 늘어나는 얀-텔러 뒤틀림이 생기고, 이것이 반복되면 결정에 응력이 쌓인다. 여기에 전해액과 맞닿은 표면에서 망간이 녹아 나오는 망간 용출(Mn dissolution)까지 겹치면 용량이 사이클마다 조금씩 빠진다[1]. 그래서 연구 현장에서는 망간 비율을 0.5~0.8 범위로 두는 것이 대체로 적절하다고 보는 시각이 있다[1]. 망간을 너무 적게 넣으면 전압 이득이 작고, 너무 많이 넣으면 위층 엘리베이터가 자주 멈춘다.

엘리베이터 속도 문제도 있다. 올리빈 구조는 본래 전자전도도가 낮고 리튬 확산이 느리다. 그래서 입자 표면을 전도성 탄소로 감싸는 탄소 코팅의 균일도·함량·흑연화도를 최적화하는 일이 LMFP에서도 핵심 과제로 꼽힌다[1]. 요약하면 LMFP의 전압 이득은 하나의 새 평탄부를 얻는 대가로, 구조·전도·계면 세 방향의 보정 비용을 지불하는 거래다.

③ 비교 — LFP와 LMFP, 무엇을 얻고 무엇을 내주는가

항목	LFP (LiFePO₄)	LMFP (LiMn_1-yFe_yPO₄)
평균 전극 전위	약 3.4 V vs. Li⁺/Li [1]	3.8 V 초과 [1]
이론 중량 에너지 밀도	약 578 Wh/kg [1]	646 Wh/kg 초과 [1]
추가 산화·환원 평탄부	없음(Fe²⁺/Fe³⁺ 단일)	Mn²⁺/Mn³⁺ 약 4.1 V [1]
주요 열화 요인	낮은 전도도·확산 속도	좌동 + Mn³⁺ 얀-텔러 뒤틀림, 망간 용출 [1]
대체로 적절하다고 보는 망간 비율	해당 없음	0.5~0.8 [1]
탭 밀도·저온 특성(NCM 대비)	열위 [1]	열위 [1]

Fig. 2. LFP와 LMFP의 전압·에너지 밀도·열화 요인 대조표(이론값과 정성 비교 혼합).
자료: Jung·Oh·Han(2025), Energy Materials 리뷰[1]를 바탕으로 편집부가 재구성.

이 표가 말하는 것: 이론 에너지 밀도 기준으로 LMFP는 LFP보다 최소 10% 이상 높은 구간(약 578 → 646 Wh/kg 초과)에 있지만[1], 그 이득은 4.1 V 부근의 망간 평탄부 하나에서 나오며 열화 요인 목록은 오히려 늘어난다. 이득은 한 줄, 비용은 여러 줄이다.

④ 특허 관점 — 망간 비율이 아니라 ‘전하 균형을 비튼 창’에 걸린 권리

LMFP의 비용 구조를 조성식 하나로 묶어 권리화한 사례로 US9793538B2(발명의 명칭: LMFP cathode materials with improved electrochemical performance)를 본다. 원출원인은 다우 글로벌 테크놀로지스(Dow Global Technologies LLC)이며, Google Patents상 현 권리자는 장쑤 헝트론 나노테크(Jiangsu Hengtron Nanotech Co Ltd)로 표기돼 있다. 우선일 2012-12-21, 출원일 2013-03-07, 등록일 2017-10-17, 법적 상태 Active, 예상 만료일 2033-03-07(Google Patents 표시값 — 등록공보에 터미널 디스클레이머 고지가 있어 실제 만료일은 이보다 이를 수 있다), 등록 청구항은 3개다[2].

명세서는 철을 망간으로 치환하면 작동 전압은 높아지지만 구조 안정성과 전하 이동이 나빠지고, 실제 용량이 이론치에 크게 못 미치며, 사이클에 따른 용량 손실이 문제라고 짚는다[2]. 해법은 리튬을 화학양론보다 조금 많게, 금속 도펀트를 소량 넣고, 전체 양이온 전하 합을 일부러 3보다 작게 맞추는 조성 창이다. 청구항 1을 구성요소 단위로 재서술하면 다음과 같다.

청구항 1의 구성요소(재서술)	권리 범위상의 의미
(a) 입자상 양극재로, 실험식 Li_aMn_bFe_cD_dPO₄의 전기활물질을 포함	물건(조성물) 청구항 — 제조 방법과 무관하게 조성만으로 침해 여부 판단
(b) 리튬 a는 1.025~1.10 (화학양론 대비 과잉)	리튬 과잉 한정 — 정량 분석으로 확인 가능한 경계
(c) 망간 b는 0.70~0.85, 철 c는 0.1~0.3	고망간 영역 한정 — 망간 0.5~0.7 구간은 문언상 범위 밖
(d) 도펀트 D는 0.01~0.075, Mg·Ca·Sr·Co·Ti·Zr·Mo·V·Nb·Ni·Sc·Cr·Cu·Zn·Be·La·Al 중 하나 이상	도펀트 목록이 넓어 원소 교체만으로는 벗어나기 어려운 구성
(e) (a+2b+2c+dV)가 2.85~2.99 (V는 D의 원자가)	양이온 전하 합을 3 미만으로 고정한 한정 — 침해 판단의 기준선
(f) 전기활물질의 적어도 일부가 올리빈 구조	‘일부’ 표현으로 혼합상도 포섭할 가능성

Fig. 3. US9793538B2 청구항 1의 구성요소 분해(Claim Chart)와 권리 범위상의 의미.
자료: Google Patents US9793538B2 청구항 구성[2]을 바탕으로 편집부가 재구성(원 청구항 문언·도면을 그대로 전재하지 않음).

종속항 구조도 짧다. 청구항 2는 도펀트를 마그네슘·코발트 또는 그 혼합으로 좁히고, 청구항 3은 각 계수를 더 좁은 범위(예: 전하 합 2.95~2.98)로 한정한다[2]. 청구항 수가 적은 대신 독립항 하나가 수치 창 여섯 개를 동시에 요구하는 구조라, 문언 침해가 성립하려면 여섯 조건이 모두 충족돼야 한다는 점이 FTO(침해 여부) 판단의 출발점이 된다.

회피 설계 시나리오(반론 포함). ⓐ 망간 비율을 0.70 미만(예: 0.6)으로 두면 (c)의 문언 범위를 벗어날 가능성이 있다. ⓑ 리튬을 화학양론(a≈1.0) 부근으로 두거나 ⓒ 양이온 전하 합이 2.99를 넘는 조성으로 설계하는 방향도 검토 대상이다. 반론도 분명하다. 수치 한정 발명에서 경계 근처 조성은 분석 오차와 측정 방법 선택에 따라 범위 안팎이 갈릴 수 있고, 균등론 적용 여부는 관할과 사안에 따라 다르게 판단될 가능성이 있다. 또 망간 비율을 낮추는 회피는 곧 전압 이득을 일부 포기하는 선택이어서, 기술적 목표와 회피 방안이 정면으로 충돌할 수 있다.

유사 특허 크로스체크. A123 시스템즈의 US8541136B2(우선일 2008-01-17, 등록 2013-09-24, Active, 예상 만료 2032-04-13)도 올리빈 리튬금속인산염에서 리튬·인산 함량을 화학양론보다 높게 가져가는 구성을 청구하고 있어[3], ‘비화학양론 조성’이라는 설계 축이 복수 권리자에 의해 겹겹이 점유돼 있을 가능성을 시사한다.

⑤ 한계와 전망

낙관적으로 보면, LMFP는 LFP의 원가·안전성 틀을 유지한 채 에너지 밀도를 10% 이상 끌어올릴 수 있는 현실적인 경로로 평가된다[1]. 망간 0.5~0.8 구간에서 탄소 코팅과 도핑을 최적화하는 연구가 이어지는 만큼, 보급형 전기차용 양극재 선택지가 넓어질 가능성이 있다.

반대 시나리오도 있다. 전압 이득이 모두 망간 평탄부에서 나온다는 사실은, 열화도 같은 곳에서 집중적으로 일어난다는 뜻이다. 망간 용출과 얀-텔러 뒤틀림이 장기 사이클이나 고온 조건에서 예상보다 크게 나타나면, 셀 단위에서 체감되는 에너지 밀도 이득이 이론치 차이보다 작아질 수 있다. 탭 밀도가 NCM보다 낮다는 점[1]도 부피 에너지 밀도 측면의 부담으로 남는다.

전략적 대안은 조성 로드맵과 청구항 수치 창을 같은 좌표계에 올려놓는 것이다. 망간 비율·리튬 과잉도·전하 합을 축으로 한 조성 지도를 만들고, 자사 후보 조성과 US9793538B2·US8541136B2 등 주요 권리의 수치 창을 겹쳐 보면, 성능 목표를 크게 해치지 않으면서 권리 범위 밖에 머무는 구간이 어디인지 조기에 드러난다. 이 글이 강조하고 싶은 관점은 이렇다. LMFP의 특허 리스크는 ‘망간 몇 %’라는 대표 숫자보다, 리튬 과잉도와 전하 합처럼 공정 편차로 흔들리는 부수 계수에서 먼저 현실화될 가능성이 크다.

확인할 액션(기획·IP 담당자): 자사 또는 공급사 LMFP 제품의 ICP 분석값(리튬·망간·철·도펀트 몰비)을 받아 (a+2b+2c+dV) 값을 직접 계산해 보고, 그 값이 2.85~2.99 창과 얼마나 떨어져 있는지 로트별 편차까지 포함해 확인할 것.

확인이 필요한 항목

US9793538B2의 권리 이전(다우 → 장쑤 헝트론 나노테크) 시점과 경위, 그리고 한국·중국·유럽 대응 패밀리의 등록 여부는 이 글에서 별도로 확인하지 않았다.
명세서 실시예의 고온 사이클 유지율 등 구체 수치는 원문 표 단위로 재검증하지 않아 본문에 싣지 않았다.
LMFP의 셀 단위(Wh/kg) 실측 에너지 밀도는 제품·설계별 편차가 커서 이 글에서는 이론값만 인용했다.

출처

Heechul Jung, Chungsun Oh, Dongwook Han, 「Lithium manganese iron phosphate (LiMn_1-yFe_yPO₄) rechargeable batteries: bridging material innovation with practical cell design」, Energy Materials, 2025, DOI 10.20517/energymater.2025.29. 링크
Google Patents, US9793538B2 「LMFP cathode materials with improved electrochemical performance」 서지사항 및 청구항 1~3(2026-09-23 원문 확인). 링크
Google Patents, US8541136B2 「Mixed metal olivine electrode materials for lithium ion batteries」 서지사항(2026-09-23 확인). 링크

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