젤리롤 한가운데의 빈 구멍 — 원통형 셀 센터핀이 지지·가스 통로·빈 공간을 함께 떠맡는 이유

원통형 셀의 젤리롤 한가운데에는 빈 구멍이 있고, 여기에 센터핀(center pin)이라는 관을 꽂기도 한다. 이 작은 부품이 전극 변형·가스 배출·내부 빈 공간이라는 세 가지 변수를 동시에 떠맡는 이유와, 이를 둘러싼 삼성SDI 특허들의 권리 범위를 정리한다.

① 무엇이 화제인가

센터핀은 ‘채워야 좋은 것(지지)’과 ‘비워야 좋은 것(가스 통로)’, ‘정확히 맞춰야 하는 것(빈 공간 부피)’을 한 부품에 몰아넣은 설계다. 그래서 센터핀을 넣느냐 빼느냐, 넣는다면 속을 얼마나 비우느냐가 수명과 안전성을 동시에 흔든다.

업계 상황부터 보자. 원통형 셀은 양극·분리막·음극을 겹쳐 둘둘 말아 만든 젤리롤을 캔에 넣는다. 말기 위해 가운데에 굴대(맨드릴, mandrel)를 썼다가 빼면 중심에 빈 구멍, 즉 중공(hollow core)이 남는다. 이 구멍을 그대로 두는 셀도 있고, 금속이나 수지 관인 센터핀을 꽂는 셀도 있다. 특허 명세서들은 센터핀이 전극조립체를 고정·지지하고, 충·방전 중 내부 반응으로 생긴 가스가 빠져나가는 통로 역할을 한다고 설명한다[5].

긴장 요인은 에너지밀도와의 충돌이다. 센터핀을 빼면 그만큼 활물질을 더 넣을 수 있지만, 젤리롤 안쪽을 받쳐 줄 구조가 사라진다. 실제로 같은 정격(2.6Ah)의 상용 18650 셀 가운데 센터핀이 있는 셀과 없는 셀을 0°C에서 사이클 시험한 연구는 두 셀의 열화 양상이 달랐다고 보고했다[1]. 그래서 이 글이 답하려는 질문은 이것이다. 젤리롤 중심의 빈 공간은 어떤 역할을 하며, 특허는 그 공간을 어떤 방식으로 권리화했는가.

② 기본 원리 — 두루마리 휴지의 심지

젤리롤은 두루마리 휴지와 비슷하다. 가운데 종이 심지가 있으면 휴지를 꽉 눌러도 안쪽이 쉽게 찌그러지지 않지만, 심지를 빼면 안쪽 몇 겹이 가운데 빈 공간으로 무너져 내리기 쉽다. 셀에서는 충·방전 때마다 전극이 부풀고 줄어들며 권선에 힘이 반복해서 걸리므로, 이 ‘심지’의 유무가 안쪽 권선의 모양을 좌우한다.

센터핀이 관 형태인 이유는 두 번째 역할 때문이다. 과충전이나 이상 발열로 셀 안에서 가스가 생기면, 가스는 젤리롤 아래쪽에서 위쪽 캡의 벤트까지 빠르게 이동해야 한다. 속이 빈 센터핀은 이 가스가 지나가는 ‘굴뚝’이 된다. 세 번째 역할은 덜 알려져 있다. 셀 안의 빈 공간 부피(void volume)가 적정 범위를 벗어나면 절연·충전 특성이나 고온 저장 특성이 나빠질 수 있다는 이유로, 삼성SDI의 특허 명세서는 빈 공간 부피를 0.739~0.853 mL 범위로 관리하는 것을 목표로 제시했다[3]. 굴뚝은 넓을수록 가스가 잘 빠지지만, 넓을수록 빈 공간도 커진다.

센터핀이 없을 때 무슨 일이 생기는지는 실측 연구가 보여준다. 0°C 사이클 시험에서 센터핀 없는 셀은 먼저 저온 분극으로 쿨롱 효율이 떨어지고, 이어 젤리롤 붕괴(jellyroll collapse)라 불리는 기계적 변형이 일어난 뒤 금속 석출이 가속됐다. 반면 센터핀이 있는 셀에서는 전극의 물리적 구속 덕분에 변형과 금속 석출 두 단계가 모두 나타나지 않았다[1]. 장기 사이클에서도 18650 셀(LG MJ1)을 1,061회 사이클 전후로 X선 CT로 비교한 연구는, 용량이 초기의 79%로 떨어진 셀에서 그 일부가 젤리롤 가장 안쪽 영역의 박리(delamination)에 기인한다고 보고했다[2].

③ 비교 — 중공 설계 세 가지

항목	중공만 두고 센터핀 없음	단일 중공 센터핀	센터핀 + 내부 두 번째 핀(US9219263B2)
젤리롤 안쪽 지지	없음 — 0°C 사이클에서 젤리롤 붕괴 후 금속 석출 가속 보고[1]	있음 — 같은 시험에서 변형·금속 석출 미발생[1]	있음(바깥 핀이 지지)[3]
가스 통로	중공 자체가 통로(변형 시 유지 여부는 미확인)	관 내부가 통로[5]	두 핀 사이 틈이 통로로 남음[3]
빈 공간 부피 조절	중공 지름으로만 결정	관 내경으로 결정	두 번째 핀으로 별도 조절 — 목표 0.739~0.853 mL[3]
활물질 공간	상대적으로 넓음(정성)	핀 두께만큼 감소(정성)	바깥 핀 기준 단일 핀과 유사(정성)

이 표가 말하는 것: 같은 2.6Ah급 18650이라도 센터핀 유무에 따라 0°C 사이클의 열화 경로가 달라졌다는 점이 핵심이다. 센터핀은 단순한 조립 보조 부품이 아니라 저온 수명과 금속 석출 위험을 가르는 구조 부품으로 봐야 한다.

④ 특허 관점 — 구멍 속에 핀을 하나 더 넣는 청구항

삼성SDI의 US9219263B2(「Center pin for secondary battery and secondary battery having the same」)는 센터핀의 세 번째 역할인 빈 공간 부피 조절을 구조로 풀었다. 우선일 2008-03-25, 미국 출원일 2013-09-17, 등록 2015-12-22이며, US8563156B2의 분할출원이다. 청구항은 13개이고, 대응 패밀리로 KR100973312B1, JP5279388B2, CN101546850B, EP2105986B1이 표시된다. 주목할 점은 법적 상태다. Google Patents에는 Expired – Fee Related, 즉 유지료 미납으로 소멸한 것으로 표시된다[3]. 청구항 1을 구성요소 단위로 재서술하면 다음과 같다.

청구항 1의 구성요소(재서술)	권리 범위상의 의미
(a) 이차전지용 센터핀 조립체일 것	대상 한정 — 셀 전체가 아닌 센터핀 부품
(b) 길이 방향 구멍을 가진 제1 센터핀	통상의 중공 센터핀
(c) 그 구멍 안에 배치되어 구멍의 내부 부피를 줄이는 제2 센터핀	빈 공간 부피를 조절하는 별도 부재
(d) 제1·제2 센터핀 사이에 틈이 형성되고, 그 틈의 단면적이 제2 센터핀의 전체 길이에 걸쳐 균일할 것	‘균일한 단면적의 틈’ — 가스 통로를 남기면서 부피를 줄이는 핵심 한정

명세서는 제2 센터핀 소재로 폴리에틸렌·폴리프로필렌·폴리에틸렌테레프탈레이트 같은 고분자 수지를 예시하고, 세라믹 분리막 채용 등으로 늘어난 내부 빈 공간을 줄여 고온 저장 특성과 절연·충전 특성의 균형을 맞추는 것을 목적으로 든다[3]. 권리 범위의 핵심은 (d)의 ‘균일한 단면적의 틈’으로, 부피를 줄이되 가스 통로는 막지 않는다는 두 요구를 한 문장에 묶었다.

회피 설계 시나리오(반론 포함): 이 미국 특허는 소멸한 것으로 표시되므로, 미국 내에서 이 청구항 자체에 대한 침해 소지는 낮을 가능성이 있다. 다만 두 가지 반론이 남는다. 첫째, 모출원인 US8563156B2와 한국·일본·중국·유럽 패밀리의 법적 상태는 각각 다를 수 있으며, 명세서가 대안으로 설명하는 ‘구멍 안의 밀봉 부재’ 방식이 모출원의 청구 범위에 들어 있을 가능성도 배제할 수 없다. 둘째, 틈의 단면적을 길이 방향으로 일부러 달리하는(테이퍼형 제2 핀 등) 설계는 (d)의 문언을 벗어날 수 있지만, 살아 있는 패밀리 특허가 있는 국가에서는 균등 범위 주장이 제기될 가능성이 있다. 따라서 이 기술을 ‘자유 실시 가능’으로 판단하려면 국가별 FTO(침해 여부) 확인이 선행돼야 한다.

유사 특허 크로스체크: 같은 출원인의 US8709625B2(우선일 2009-11-17, 출원일 2010-08-11, 등록 2014-04-29, Active, 예상 만료 2031-10-11, 청구항 16개)는 센터핀의 다른 위험을 다룬다. 내부 압력이 급격히 오를 때 센터핀이 셀 밖으로 튀어나가지 않도록, 센터핀 끝단을 경사지게 하고 둘레에 노치를 내어 캔 바닥이나 캡과 충돌할 때 정해진 방향으로 변형되며 충격을 흡수하게 한 구성이다[4]. 이 특허는 유효한 것으로 표시되므로, 끝단 가공 센터핀을 쓴다면 별도 대조가 필요하다.

⑤ 한계와 전망

낙관적으로 보면, 센터핀 관련 초기 특허 일부가 소멸하면서 중공·센터핀 설계를 수명·안전 요구에 맞게 자유롭게 조합할 여지가 넓어질 가능성이 있다.

반대 시나리오도 있다. 에너지밀도를 위해 센터핀을 빼는 선택은 저온 사이클에서 젤리롤 붕괴와 금속 석출이라는 대가로 돌아올 수 있고[1], 탭 같은 내부 구조물은 젤리롤의 움직임을 붙잡는 ‘고정점’이 되고 초기 권취 불균일은 변형의 시작점이 될 수 있다는 관찰도 있다[2]. 중심부 설계는 ‘있다/없다’의 문제가 아니라, 셀이 실제로 겪을 온도·사이클 조건에서 안쪽 권선이 어떻게 움직이는가의 문제다.

전략적 대안은 빈 공간 부피와 안쪽 권선 형상을 사양 항목으로 관리하는 것이다. 셀 조달 시 센터핀 유무만 확인하지 말고, 저온 사이클 전후 X선 CT로 안쪽 권선 변형을 비교한 데이터를 요구하면 설계 선택의 결과를 직접 확인할 수 있다. 이 데이터는 향후 중심부 구조를 개량해 출원할 때 효과를 입증하는 근거가 되기도 한다.

확인할 액션(기획·IP 담당자): 자사 또는 조달 원통형 셀의 센터핀 유무·형상(끝단 노치, 내부 삽입 부재)을 확인하고, 끝단 가공 센터핀이면 US8709625B2와, 내부 삽입 부재가 있으면 US9219263B2의 모출원(US8563156B2) 및 해외 패밀리의 국가별 법적 상태를 함께 조회할 것.

확인이 필요한 항목

• US9219263B2의 정확한 소멸일은 원문 조회 시점마다 표시가 달라(2019년 12월 / 2020년 1월) 이 글에서 특정하지 않았다.
• 모출원 US8563156B2와 KR100973312B1 등 해외 패밀리의 현재 법적 상태 및 청구 범위는 확인하지 않았다.
• 센터핀 없는 중공 구조에서 젤리롤이 변형될 때 가스 통로가 유지되는지에 대한 정량 자료는 확인하지 못했다.
• 최근 대형 원통형 셀(46계열 등)의 센터핀 채용 여부는 이 글에서 확인하지 않았다.

출처

1. R. Carter, E. J. Klein, R. W. Atkinson III, C. T. Love, 「Mechanical collapse as primary degradation mode in mandrel-free 18650 Li-ion cells operated at 0 °C」, Journal of Power Sources, vol. 437, 226820, 2019, DOI 10.1016/j.jpowsour.2019.226820. 링크
2. M. D. R. Kok, J. B. Robinson, J. S. Weaving, A. Jnawali, M. Pham, F. Iacoviello, D. J. L. Brett, P. R. Shearing, 「Virtual unrolling of spirally-wound lithium-ion cells for correlative degradation studies and predictive fault detection」, Sustainable Energy & Fuels, 2019, DOI 10.1039/c9se00500e. 링크
3. Google Patents, US9219263B2 「Center pin for secondary battery and secondary battery having the same」 서지사항·청구항 1·명세서(2026-09-23 원문 확인). 링크
4. Google Patents, US8709625B2 「Cylindrical lithium secondary battery comprising a contoured center pin」 서지사항·청구항 1(2026-09-23 원문 확인). 링크
5. Google Patents, EP2466668B1 「Cylindrical rechargeable battery with improved stability」 명세서(센터핀 역할 설명, 2026-09-23 원문 확인). 링크

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