분리막은 양극과 음극 사이를 막으면서 리튬 이온만 지나가게 하는 다공성 필름이다. 이 글은 코팅층이 아닌 ‘기재(base film)’ 자체에 초점을 맞춰, 습식 PE와 건식 PP가 무엇이 다르고 셧다운 기능이 어떻게 설계되는지를 원천 3층 분리막 특허와 함께 정리한다.
① 무엇이 화제인가
분리막 기재 선택의 본질은 ‘어느 소재가 더 좋은가’가 아니라 ‘어느 온도에서 구멍을 닫고, 어느 온도까지 형태를 버티게 할 것인가’라는 온도 창(window) 설계다. PP/PE/PP 3층 구조는 소재 우열의 결론이 아니라, 한 소재로는 얻기 어려운 그 창을 적층으로 넓힌 해법이다.
업계 상황부터 보자. 리튬이온 배터리 분리막(separator)의 기재로는 폴리에틸렌(PE, polyethylene)과 폴리프로필렌(PP, polypropylene) 같은 폴리올레핀 미세다공막이 널리 쓰인다. 제조 방식은 크게 두 갈래다. 녹인 고분자에 탄화수소 액체를 섞어 필름을 만든 뒤 그 액체를 용매로 뽑아내 구멍을 만드는 습식(wet) 공정, 그리고 용매 없이 필름을 압출한 뒤 늘려서 구멍을 만드는 건식(dry) 공정이다[1]. 습식은 주로 PE 계열, 건식은 주로 PP 계열과 짝을 이룬다[1].
긴장 요인은 안전 기능과 기계적 강도가 서로 다른 방향을 요구한다는 데 있다. 분리막은 셀이 과열될 때 스스로 구멍을 막아 전류를 끊는 ‘셧다운(shutdown)’ 기능을 해야 하는데, 이 기능이 시작되는 온도는 PE와 PP가 서로 다르다[1]. 동시에 분리막은 얇으면서도 찔리거나 찢어지지 않아야 한다. 코팅층으로 내열성을 보강하는 방법도 있지만, 그 이전에 기재가 무엇이냐가 셧다운 온도와 강도의 기본값을 정한다.
그래서 이 글이 답하려는 질문은 이것이다. 습식 PE와 건식 PP는 구조적으로 무엇이 다르며, 셧다운 기능은 기재 선택과 적층 설계로 어떻게 구현되고, 그 원천 권리는 지금 어떤 상태인가.
② 기본 원리 — 분리막은 ‘스스로 닫히는 방화 셔터’다
분리막을 건물의 방화 설비에 비유해 보자. 평소에는 수많은 작은 문(기공)이 열려 있어 사람(리튬 이온)이 자유롭게 오간다. 불이 나 온도가 오르면 문틀 재료가 녹아 문이 저절로 닫힌다. 셧다운은 이처럼 미세 기공이 스스로 막히면서 저항이 급격히 커지는 기능이다[1]. 문제는 문이 닫힌 뒤에도 벽 자체가 녹아 무너지면 안 된다는 점이다. 벽이 무너지면 양극과 음극이 직접 맞닿는다.
자료: Mun·Won(2021) 및 US5691077A 청구항 구성을 바탕으로 편집부가 재구성.
여기서 두 소재의 온도 차이가 핵심이 된다. PE와 등규(isotactic) PP의 녹는점은 각각 약 135°C, 약 165°C이고, 셧다운이 시작되도록 설계되는 온도는 PE가 약 130°C, PP가 약 160°C 수준이다[1]. PE는 문을 일찍 닫는 대신 벽도 일찍 약해지고, PP는 벽이 오래 버티는 대신 문을 늦게 닫는다. 그래서 등장한 것이 PE층을 가운데에, PP층을 바깥에 둔 3층 구조다. 가운데 PE가 먼저 녹아 셔터를 내리고, 바깥 PP가 더 높은 온도까지 벽의 형태를 지키는 역할 분담이다(정성 설명). 실제로 PE-PP 2층, PP-PE-PP 3층 구조가 분리막 제조사들에 의해 상용화됐다[1].
제조 공정은 기공의 모양을 바꾼다. 건식 공정은 압출·캐스팅한 필름을 한 방향으로 늘려 결정 사이(라멜라 계면)를 찢어 고배향의 슬릿형 기공을 만든다[1]. 그래서 연신 방향(MD)과 폭 방향(TD)의 인장강도가 크게 불균형하다[1]. 습식 공정은 필름을 MD·TD 양방향으로 늘린 뒤 액체를 추출해 기공을 만들며, 더 발달한 굴곡 경로(tortuous pathway)가 형성돼 관통 저항에 유리하다[1]. 비유하자면 건식은 ‘한 방향으로 찢어 낸 창살문’, 습식은 ‘미로처럼 얽힌 스펀지 벽’에 가깝다.
③ 비교 — 습식 PE, 건식 PP, 3층 PP/PE/PP
| 비교 항목 | 습식 PE | 건식 PP | 3층 PP/PE/PP |
|---|---|---|---|
| 기공 형성 방식 | 녹는점 이상에서 탄화수소 액체와 혼합·압출 → MD·TD 이축 연신 → 휘발성 용매로 액체 추출[1] | 압출 후 캐스팅/블로운 필름 → 일축 연신으로 라멜라 계면을 찢어 기공 형성[1] | PE층과 PP층을 적층, 상용화된 구조[1] |
| 기공 형태 | 발달한 굴곡 경로[1] | 고배향 슬릿형 기공[1] | 층별로 상이(정성) |
| 녹는점(Tm) | 약 135°C[1] | 약 165°C(등규 PP)[1] | 두 층의 Tm이 공존(정성) |
| 셧다운 시작 설계 온도 | 약 130°C[1] | 약 160°C[1] | PE층 셧다운 + PP층 형태 유지(정성) |
| 기계적 특성 | 관통 저항에 유리한 구조[1] | MD·TD 인장강도 불균형[1] | 층 구성에 따라 달라짐(정성) |
| 기공률 | 폴리올레핀 미세다공 분리막의 일반적 기공률 35~55%[1] | ||
자료: Mun·Won(2021)[1]을 바탕으로 편집부가 재구성.
이 표가 말하는 것: PE와 PP의 셧다운 설계 온도는 약 130°C와 약 160°C로 30°C가량 벌어져 있다[1]. 3층 구조는 이 30°C 간격을 ‘먼저 닫고, 나중까지 버티는’ 안전 여유로 바꾸는 설계이며, 강도의 방향성은 공정(습식/건식)이 따로 결정한다.
④ 특허 관점 — 한 문장짜리 청구항이 만든 넓은 울타리, 그리고 만료
3층 분리막의 원천 권리로 자주 언급되는 것이 US5691077A다. 원출원인은 훽스트 셀라니즈(Hoechst Celanese Corp), 현 권리자는 셀가드(Celgard LLC)로 기록돼 있다. Google Patents 기준 우선일 1994-12-20, 출원일 1996-05-20, 등록일 1997-11-25, 등록 청구항 20개이며, 법적 상태는 Expired – Lifetime(만료 예상일 2014-12-20)이다[2]. 청구항 1은 매우 짧다. 구성요소 단위로 재서술하면 다음과 같다.
| 청구항 1의 구성요소(재서술) | 권리 범위상의 의미 |
|---|---|
| (a) 셧다운 기능을 갖는 3층 구조의 전지용 분리막일 것 | 대상과 기능 한정 — 두께·기공률·공정 등 수치 한정이 없음 |
| (b) 제1 미세다공성 폴리프로필렌 막을 포함할 것 | 바깥층 소재 한정 |
| (c) 제3 미세다공성 폴리프로필렌 막을 포함할 것 | 반대쪽 바깥층 소재 한정 |
| (d) 두 폴리프로필렌 막이 미세다공성 폴리에틸렌 막을 가운데에 끼우는 배치일 것 | PP/PE/PP라는 적층 순서 자체를 권리화 — 권리 범위의 핵심 |
자료: Google Patents US5691077A 서지사항 및 청구항 구성을 바탕으로 편집부가 재구성(원 청구항 문언·도면을 그대로 전재하지 않음).
이 청구항의 교훈은 ‘짧을수록 넓다’는 점이다. 두께, 기공률, 제조 공정 같은 수치·공정 한정이 없기 때문에, 존속 기간 중에는 PP/PE/PP 순서로 적층된 셧다운 분리막이라면 폭넓게 범위에 들어갈 가능성이 있었다. 당시 기준으로 회피 설계 시나리오를 그려 보면 ⓐ PE/PP 2층 구조, ⓑ PE/PP/PE처럼 순서를 뒤집은 구조, ⓒ PP 단층에 다른 방식의 셧다운 수단을 부여하는 방향이 검토 대상이 될 수 있었다.
반론도 있다. ⓐ·ⓑ는 문언상 벗어나더라도 ‘셧다운층을 내열층이 감싼다’는 기능적 동일성을 근거로 균등 주장이 제기될 여지가 있었고, 셀 설계상 PP 바깥층의 형태 유지 효과를 포기해야 할 수도 있었다. 현재는 이 특허가 만료 상태이므로 PP/PE/PP 적층 순서 자체는 누구나 실시할 수 있는 영역에 들어갔을 가능성이 높다. 다만 Google Patents 이벤트 기록상 같은 계열로 US6057060A, US6132654A가 연결돼 있고, 이후 등장한 두께·물성·공정 개량 특허는 별개의 권리다. 유사 특허 크로스체크 예로, 아사히카세이 배터리 세퍼레이터(Asahi Kasei Battery Separator Corp)의 US9620754B2(우선일 2008-12-19, 등록 2017-04-11, 현재 Active로 표시, 명칭 ‘Polyolefin microporous membrane and separator for lithium ion secondary battery’)처럼 미세다공막 자체를 대상으로 한 후속 특허가 존재한다[3]. 원천 구조가 풀렸다고 해서 최신 기재 설계의 FTO(침해 여부)까지 자동으로 확보되는 것은 아니다.
⑤ 한계와 전망
낙관적으로 보면, 원천 3층 구조 특허가 만료된 만큼 기재 설계의 선택지는 넓어졌고, 셧다운 온도(PE 약 130°C)와 형태 유지 온도(PP 약 165°C 녹는점)를 조합하는 설계 자유도도 커졌다고 볼 수 있다[1][2].
반대 시나리오도 있다. 셧다운은 ‘구멍이 닫히는 것’이지 ‘열이 멈추는 것’이 아니다. 발열이 방열보다 훨씬 크면 분리막 전체가 녹아내리는 멜트다운(meltdown)으로 전극이 직접 맞닿을 수 있고[1], 그래서 폴리올레핀 기재 위에 세라믹 입자나 내열 고분자 기능층을 코팅해 멜트다운 온도와 열수축을 개선하는 접근이 함께 쓰인다[1]. 기재 선택만으로 안전 문제를 해결했다고 보는 시각은 과신일 가능성이 있다.
전략적 대안은 기재와 코팅을 분리해 권리·조달 전략을 세우는 것이다. 만료된 원천 구조와 공지된 공정 위에서 기재를 선택하되, 차별화와 권리화는 기재의 측정 가능한 물성(강도비, 열수축, 기공 구조)과 코팅의 조합에서 찾는 편이 FTO 측면에서도 관리하기 쉽다.
확인할 액션(기획·IP 담당자): 현재 채택 중인 분리막의 기재 구성(단층/2층/3층, 습식/건식)과 공급사 규격서의 셧다운·멜트다운 온도, MD/TD 강도비를 표로 정리하고, 해당 물성 범위를 청구하는 존속 중인 미세다공막 특허가 있는지 공급사별로 확인할 것.
확인이 필요한 항목
- US9620754B2는 서지 정보(명칭·권리자·일자·상태)만 확인했으며, 등록 청구항의 구체적 내용은 이 글에서 검증하지 않았다.
- US5691077A와 연결된 US6057060A·US6132654A의 청구항 범위와 만료 여부는 별도로 확인하지 않았다.
- 습식·건식 분리막의 시장 점유율, 제품별 두께·단가 데이터는 공개 자료로 확인하지 못해 제외했다.
출처
- Sung Cik Mun, Jong Ho Won, 「Manufacturing Processes of Microporous Polyolefin Separators for Lithium-Ion Batteries and Correlations between Mechanical and Physical Properties」, Crystals 11(9), 1013, 2021. 링크
- Google Patents, US5691077A 「Shutdown, trilayer battery separator」 서지사항·법적 상태·청구항 1(2026-09-23 원문 확인). 링크
- Google Patents, US9620754B2 「Polyolefin microporous membrane and separator for lithium ion secondary battery」 서지사항(2026-09-23 확인). 링크
이 글은 기술·특허 동향 해설이며 법률 자문이 아닙니다. 구체적인 FTO 판단은 전문가 검토가 필요합니다.
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