셀 안의 열은 옆으로 흐른다 — 열전도 이방성과 냉각면 선택의 논리

배터리 셀 안에서 열은 모든 방향으로 똑같이 흐르지 않는다. 전극 면을 따라서는 잘 흐르고, 두께 방향으로는 잘 흐르지 않는다. 이 ‘방향 차이’가 냉각판을 셀의 어느 면에 붙일지를 바꾸는 이유를 정리한다.

① 무엇이 화제인가

셀의 열전도는 방향에 따라 수십 배 차이가 난다. 20Ah급 LFP 파우치 셀을 측정한 연구에서 면내(in-plane) 열전도도는 26.6 W/(m·K), 두께방향(through-plane)은 0.52 W/(m·K)로 약 51배 차이였다[1]. 냉각면 선택은 이 비율에서 출발해야 한다.

업계 상황을 보면, 전기차 팩과 에너지저장장치(ESS)의 냉각 구조는 대체로 셀의 넓은 면이나 바닥면에 냉각판을 대는 방식이 많다. 넓은 면에 대면 접촉 면적이 크고 조립이 단순하기 때문이다. 급속충전이 보편화되면서 셀 한 개가 짧은 시간에 내야 하는 열도 함께 커지고 있다.

긴장 요인은 ‘넓은 면’이 곧 ‘열이 잘 빠지는 면’은 아니라는 데 있다. 넓은 면으로 열을 빼려면 열은 셀 두께 방향, 즉 열전도가 가장 나쁜 방향으로 이동해야 한다. 파우치 셀을 대상으로 한 실험에서는 고율 방전 조건에서 표면 냉각(surface cooling)이 탭 냉각(tab cooling)보다 사용 가능 용량을 크게 잃었고, 1,000사이클 후 열화 속도도 약 3배 빨랐다는 결과가 보고됐다[3].

그래서 이 글이 답하려는 질문은 이것이다. 셀 내부 열전도는 왜 방향에 따라 이렇게 다르고, 그 차이가 냉각면 선택을 어떻게 바꾸는가.

② 기본 원리 — 고속도로와 신호등 많은 골목

셀 내부를 두툼한 종이 뭉치나 여러 겹의 샌드위치라고 생각해 보자. 양극 집전체(알루미늄박), 양극 활물질층, 분리막(separator), 음극 활물질층, 음극 집전체(구리박)가 여러 겹 반복된다. 금속박은 열을 잘 전달하는 연속된 판이므로, 면을 따라 흐르는 열에게는 막힘 없는 고속도로다. 반면 두께 방향으로 가려면 층을 하나 넘을 때마다 활물질, 전해질에 젖은 분리막, 층간 계면을 지나야 한다. 신호등이 줄줄이 늘어선 골목길과 같다.

원통형 셀도 원리는 같다. 전극을 말아 넣은 구조이기 때문에 반경 방향으로는 층을 계속 가로질러야 하고, 축 방향으로는 집전체를 따라 이어진다. 18650·26650 LFP 원통형 셀을 측정한 연구는 반경 방향 열전도도가 축 방향보다 약 두 자릿수 낮다고 보고했다[2].

이 차이는 냉각 결과로 이어진다. 표면 냉각은 넓은 면적으로 열을 받지만, 셀 중심에서 표면까지 두께방향 열저항을 거쳐야 한다. 그 결과 셀 두께 방향으로 온도 구배가 생기고, 온도가 높은 층은 반응 저항이 낮아져 전류를 더 끌어당긴다. 앞선 실험 연구는 이런 수직 방향 온도 구배가 국부적인 전류 집중과 빠른 열화로 이어진다고 설명했다. 반대로 탭 냉각은 좁은 단면을 통하지만 전도가 잘 되는 면내 경로를 쓰기 때문에, 전극 면 안의 온도가 상대적으로 고르게 유지됐다[3].

이 글의 관점은 다음 한 줄이다. 냉각면을 고를 때의 질문은 ‘어느 면이 넓은가’가 아니라 ‘열이 어느 방향으로 달리고 싶어 하는가’다. 두께방향 열저항은 셀이 두꺼울수록 커지므로, 셀이 두꺼워질수록 이 질문의 답이 표면에서 엣지(탭) 쪽으로 옮겨 갈 가능성이 크다.

③ 비교 — 방향별 열전도와 냉각 방식의 결과

항목	면내·축방향(탭·엣지로 가는 길)	두께·반경방향(넓은 면으로 가는 길)	출처
20Ah LFP 파우치 열전도도	26.6 W/(m·K)	0.52 W/(m·K)	[1]
18650·26650 LFP 원통형 열전도	상대적으로 높음(기준)	축방향 대비 약 두 자릿수 낮음	[2]
이 방향을 쓰는 냉각 방식	탭 냉각(tab cooling)	표면 냉각(surface cooling)	[3]
고율(10분 방전) 조건 사용 가능 용량 손실	1.2%	9.2%	[3]
1,000사이클 후 열화 속도	기준	탭 냉각 대비 약 3배	[3]

이 표가 말하는 것: 셀 내부에서 열이 잘 흐르는 방향과 잘 흐르지 않는 방향의 차이는 파우치 기준 약 51배이며[1], 이 차이를 따르는 냉각(탭 냉각)이 거스르는 냉각(표면 냉각)보다 고율 조건 용량 손실이 작고 장기 열화도 느렸다[3]. 냉각판의 위치는 셀 내부 물성의 방향성과 함께 결정해야 한다는 뜻이다.

④ 특허 관점 — 탭을 넓혀 ‘면내 경로’를 냉각판까지 끌어낸 청구항

이방성을 설계로 활용한 대표 특허로 GM의 US10680297B2(발명의 명칭: Tab cooling for pouch cell)를 보자. 출원인이자 현 권리자는 GM Global Technology Operations LLC, 우선일 2017-07-24, 출원일 2017-07-24, 등록일 2020-06-09이며 법적 상태는 Active(예상 만료 2038-03-01)로 표시되어 있다. 동일 패밀리로 중국 CN109301378B, 독일 DE102018117784B4가 등록되어 있다[4]. 명세서는 급속충전 시 파우치 셀의 열 방출을 목적으로 하며, 면내 열전달과 두께방향 열전달을 모두 활용하는 구성을 설명한다.

청구항 1의 구성요소(재서술)	권리 범위상의 의미
(a) 냉매를 받는 채널이 형성된 냉각판	냉각 수단 한정 — 액체 냉매 채널형
(b) 주 전극층과 그로부터 돌출된 전극 탭을 갖는 전극들이 적층된 전극 적층체, 냉각판과 열적으로 연통	대상 한정 — 적층형 전극(스택) 구조
(c) 복수의 전극에 결합된 방열용 리드 탭	전기 인출 부품에 방열 기능을 겸하게 함
(d) 방열 리드 탭이 전극 탭의 면적뿐 아니라 주 전극층의 면적까지 덮어, 적층체에서 리드 탭으로의 열전달을 돕는 것	핵심 한정 — ‘탭만’이 아니라 ‘전극 면까지’ 덮는 확장 리드 탭
(e) 전극들 중 최내측 전극과 그 반대편 최외측 전극이 있을 것	적층 방향의 배치 기준
(f) 리드 탭은 주 리드 본체와 방열 돌출부로 이루어지고, 돌출부가 전극 탭 면적을 덮을 것	리드 탭 형상 한정
(g) 냉각판이 주 리드 본체에 결합될 것	냉각판-리드 탭 결합 관계 한정 — 회피 설계의 주요 검토점

이 청구항의 요지는 탭 냉각의 약점, 즉 ‘탭 단면이 좁아 열이 병목에 걸린다’는 문제를 리드 탭을 넓혀 전극 면까지 덮는 방식으로 푼 것이다. 권리 범위는 탭 냉각이라는 개념 전체가 아니라, (d)의 확장 리드 탭과 (g)의 결합 관계라는 구체적 구조에 걸려 있다고 읽는 것이 자연스럽다.

회피 설계 시나리오(반론 포함): ⓐ 리드 탭이 주 전극층 면적을 덮지 않고 전극 탭 영역만 냉각하는 구조, ⓑ 냉각판을 리드 본체가 아니라 셀 외장이나 별도 열전달 부재에 결합하는 구조는 (d)나 (g)를 충족하지 않을 가능성이 있다. 다만 반론이 있다. ⓐ는 탭 단면 병목을 그대로 안고 가므로 냉각 성능을 잃을 수 있고, ⓑ는 중간 부재가 사실상 같은 기능을 한다면 균등 여부가 다투어질 여지가 있다. 또한 탭 냉각 분야에는 다른 권리자의 등록 특허도 있으므로, 한 건을 피했다고 FTO(침해 여부)가 확보되는 것은 아니다.

유사 특허 크로스체크: Qdot Technology의 US12476299B2(Tab cooling for batteries, 우선일 2020-05-11, 등록일 2025-11-18, Active)는 서로 다른 재질의 두 집전체에 각각 이어진 단자를 굽혀 이웃 단자와 쌍으로 접촉시키고, 평판형 단자 쌍 사이에 형성된 길쭉한 채널 안에 히트싱크를 두어 단자에서 직접 열을 빼는 구성을 청구한다[5]. GM 특허가 ‘셀 내부 리드 탭 확장’이라면 Qdot 특허는 ‘셀 외부 단자 사이 공간 활용’으로, 같은 이방성을 다른 층위에서 권리화한 사례다.

⑤ 한계와 전망

낙관적으로 보면, 급속충전 요구가 커질수록 면내 경로를 활용하는 탭·엣지 냉각이 표면 냉각을 보완하는 선택지로 더 자주 검토될 수 있다. 실험 결과처럼 고율 조건에서 용량 손실과 열화 차이가 뚜렷하기 때문이다[3].

반대 시나리오도 있다. 탭은 열 경로이기 전에 전기 경로다. 탭에 냉각판을 붙이려면 전기 절연과 열전도를 동시에 만족하는 계면이 필요하고, 탭 자체가 전류로 열을 내는 부위이기도 하다. 또 셀이 길고 넓어지면 면내 경로 자체가 길어져, 탭 냉각의 이점이 셀 크기에 따라 줄어들 가능성이 있다.

전략적 대안은 하나의 냉각면을 고르기보다 셀 형상에 맞춰 면내·두께방향 경로를 조합하는 것이다. 이를 위해 셀 선정 단계부터 공급사에 방향별 열물성 데이터를 요구하고, 열 해석 모델에 등방성 값 대신 이방성 값을 넣는 것이 출발점이다. 측정 연구도 정확한 열 해석을 위해 이방성을 반영하는 것이 중요하다고 강조한다[1].

확인할 액션(기획·IP 담당자): 자사 팩의 냉각 구조가 탭·리드 탭을 통해 열을 빼는 방식이라면, 그 구조를 US10680297B2 청구항 1의 (d) 확장 리드 탭, (g) 냉각판-리드 본체 결합 요건과 1:1로 대조하고, 셀 외부 단자 쪽을 쓰는 경우 US12476299B2도 함께 대조할 것.

확인이 필요한 항목

• 본문의 열전도도 수치는 특정 20Ah LFP 파우치 셀(100% SOC)의 측정값이며, 대형 각형 셀이나 다른 화학계에서의 값은 확인하지 않았다.
• US10680297B2가 실제 GM 양산 차량에 적용되었는지는 확인되지 않았다.
• US12476299B2의 청구항 1은 요지만 확인했으며, 종속항 구성과 유럽·중국 대응 출원의 등록 여부는 검토하지 않았다.
• 탭 냉각과 표면 냉각의 비교 결과(용량 손실·열화 속도)는 특정 파우치 셀 실험에서 나온 것으로, 다른 셀 형식에 그대로 적용되는지는 확인되지 않았다.

출처

1. J. Lin, H. N. Chu, C. W. Monroe, D. A. Howey, “Anisotropic Thermal Characterisation of Large-Format Lithium-Ion Pouch Cells,” Batteries & Supercaps (2022). 링크
2. S. J. Drake 외, “Measurement of anisotropic thermophysical properties of cylindrical Li-ion cells,” Journal of Power Sources 252 (2014) 298–304. 링크
3. I. Hunt, Y. Zhao, Y. Patel, G. J. Offer, “Surface Cooling Causes Accelerated Degradation Compared to Tab Cooling for Lithium-Ion Pouch Cells,” Journal of The Electrochemical Society 163(9) (2016) A1846–A1852. 링크
4. Google Patents, US10680297B2 「Tab cooling for pouch cell」 서지사항 및 청구항 1(2026-09-23 원문 확인). 링크
5. Google Patents, US12476299B2 「Tab cooling for batteries」 서지사항(2026-09-23 원문 확인). 링크

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