원통형 셀의 뚜껑(캡 어셈블리)에는 전류·온도·압력이라는 서로 다른 신호에 반응하는 안전장치가 겹겹이 들어 있다. 이 글은 CID·PTC·벤트가 각각 무엇을 막고 어떤 순서로 작동하는지, 그리고 이 구조를 둘러싼 특허의 권리 범위가 어디에 그어져 있는지를 정리한다.
① 무엇이 화제인가
원통형 셀 캡 어셈블리의 안전 설계는 ‘장치를 몇 개 넣느냐’가 아니라 ‘어떤 신호에 어떤 문턱값으로 반응하게 하느냐’의 문제다. 같은 18650 규격이라도 제조사마다 캡 속 구성이 다르고, 일부 구성은 아예 빠져 있기도 하다.
업계 상황부터 보자. 원통형 셀은 금속 캔 안에 전극을 둘둘 만 젤리롤(jelly roll, 권취형 전극조립체)을 넣고, 윗면을 캡 어셈블리(cap assembly)로 봉한 구조다. 이 캡은 양극 단자이면서 동시에 셀의 ‘마지막 안전장치 묶음’이다. 상용 18650 셀 4종을 분해해 비교한 연구에 따르면, 전류차단장치(CID, Current Interrupt Device)와 상단 벤트(top vent)는 모든 상용 18650 셀에 들어가는 필수 장치였던 반면, PTC 서미스터(positive temperature coefficient thermistor, 온도가 오르면 저항이 급격히 커지는 소자)와 하단 벤트, 보호회로는 설치되지 않거나 별도로 설치되거나 결합되는 ‘선택 장치’로 분류됐다[1].
긴장 요인은 여기서 생긴다. 셀이 대형화·고전류화되고, 수십~수천 개의 셀을 묶는 팩 설계가 일반화되면서, 셀 내부 장치만으로 충분한가라는 질문이 커졌다. 미국 항공우주국(NASA) 기술 공지는 PTC가 외부 단락을, CID가 과충전을 막는 장치이지만 고전압·고용량 배터리 설계에서는 이 장치들이 항상 보호를 제공하지는 못한다고 지적했다[3]. 그래서 이 글이 답하려는 질문은 이것이다. 세 장치는 각각 어떤 신호를 받아 어떤 순서로 움직이며, 특허는 이 순서의 어느 지점을 권리로 잡고 있는가.
② 기본 원리 — 전기 차단기, 압력밥솥 추, 파열판을 한 뚜껑에
캡 어셈블리를 가정용 설비에 비유하면 이해가 쉽다. PTC는 과부하가 걸리면 뜨거워지며 전기를 조이는 ‘차단기’, CID는 압력밥솥의 추처럼 내부 압력이 일정 수준을 넘으면 전기 회로를 물리적으로 끊는 ‘압력 스위치’, 벤트는 더 높은 압력에서 찢어져 가스를 내보내는 ‘파열판’에 해당한다.
자료: Xu et al.(2021), Li et al.(2020) 및 US8968898B2 명세서의 일반 구성 설명을 바탕으로 편집부가 재구성.
작동의 순서를 따라가 보자. 외부 단락처럼 전류가 비정상적으로 커지면 먼저 PTC가 발열로 저항을 키워 전류를 제한한다. 과충전 등으로 내부에서 가스가 생겨 압력이 오르면, 벤트 아래에 용접된 CID가 1차 압력 문턱에서 떨어져 나가며 전류 경로를 끊는다. 그래도 반응이 멈추지 않아 압력이 계속 오르면, 벤트에 새겨진 노치(notch, 의도적으로 얇게 만든 홈)가 2차 문턱에서 파열되어 가스를 밖으로 배출한다. 18650 캡의 CID와 벤트는 각각 ‘내부 압력 상승 시 셀을 전기적으로 고립시키는 장치’와 ‘캔이 터지기 전에 내부 압력을 해소하는 장치’로 설명된다[2].
핵심은 CID와 벤트가 같은 ‘압력’ 신호를 두 번에 나눠 쓴다는 점이다. 전류를 먼저 끊어 반응의 연료 공급을 줄이고, 그래도 안 되면 그때 셀을 연다. 두 문턱 사이의 간격이 좁으면 CID가 끊기자마자 벤트가 터지고, 너무 넓으면 CID가 끊긴 뒤에도 캔이 오래 고압을 견뎌야 한다. 이 간격이 설계자가 실제로 조율하는 변수다.
③ 비교 — 세 장치의 신호·동작·측정값
| 구분 | PTC 서미스터 | CID(전류차단장치) | 안전 벤트(top vent) |
|---|---|---|---|
| 반응 신호 | 과전류에 따른 발열(온도) | 내부 압력(1차 문턱) | 내부 압력(2차 문턱) |
| 주된 방어 대상 | 외부 단락[3] | 과충전[3] | 캔 파열 전 압력 해소[2] |
| 상용 18650 탑재 여부 | 선택(미탑재 사례 있음)[1] | 필수[1] | 필수[1] |
| 작동 압력, 상온(MTI / LG MJ1) | 해당 없음 | 1.058±0.053 MPa / 1.293±0.119 MPa[2] | 2.308±0.196 MPa / 2.202±0.083 MPa[2] |
| 작동 압력, 100°C | 해당 없음 | 0.920±0.076 MPa / 1.066±0.068 MPa[2] | 1.919±0.132 MPa / 1.866±0.084 MPa[2] |
| 작동 압력, 300°C | 해당 없음 | 보고값 없음 | 0.448 MPa / 0.400 MPa(기계 시뮬레이션 예측값)[2] |
자료: Xu et al.(2021)[1], Li et al.(2020)[2], NASA NESC 기술 공지(2009)[3]를 바탕으로 편집부가 재구성.
이 표가 말하는 것: 상온에서 벤트 작동 압력은 CID의 약 1.7~2.2배로, 두 장치는 분명한 2단 문턱을 이룬다. 그러나 300°C에서는 벤트 작동 압력이 0.400~0.448 MPa로 떨어질 것으로 시뮬레이션에서 예측돼 상온 CID 작동 압력보다도 낮아지므로, 고온 시나리오에서는 상온 설계가 가정한 작동 순서가 그대로 유지되지 않을 가능성이 있다.
④ 특허 관점 — PTC와 CID를 ‘빼는’ 청구항
캡 어셈블리 특허는 흔히 장치를 더하는 방향으로 읽히지만, 권리 범위가 흥미롭게 그어진 사례는 오히려 장치를 덜어내는 쪽에 있다. LG화학이 출원하고 현재 LG에너지솔루션이 권리자로 기재된 US8968898B2(「Cap assembly of novel structure and cylindrical battery employed with the same」)가 그렇다. 우선일 2010-10-15, 미국 출원일 2013-03-27, 공개 2013-08-22(US20130216871A1), 등록 2015-03-03이며, Google Patents 기준 법적 상태는 Active(예상 만료 2031-10-11), 청구항은 10개다. 대응 패밀리로 KR101279994B1, JP5593451B2, CN103155225B, WO2012050343A2가 표시된다[4].
요약서의 기술적 요지는 안전 벤트와 전극 리드 사이에 ‘일정 온도에서 전류를 끊는 안전소자’를 두어, PTC 소자를 필요로 하지 않고 기존 CID의 역할도 대체하는 구성이다[4]. 청구항 1을 원문 그대로 옮기지 않고 구성요소 단위로 재서술하면 다음과 같다.
| 청구항 1의 구성요소(재서술) | 권리 범위상의 의미 |
|---|---|
| (a) 양극/분리막/음극 젤리롤이 수납된 원통형 용기의 개방 상단에 장착되는 캡 어셈블리일 것 | 대상 한정 — 원통형 셀의 캡 어셈블리 |
| (b) 젤리롤의 전극 리드가, 고압 시 파열되어 가스를 배출하는 노치를 가진 안전 벤트의 하단에 전기적으로 연결될 것 | 벤트 하단 직결 — 별도 CID 판을 전제하지 않는 연결 구조 |
| (c) 전극 리드의 일부 구간에 소정 온도에서 전류를 끊는 온도 퓨즈(thermal fuse)가 결합될 것 | 안전소자의 위치를 ‘리드 위’로 특정 |
| (d) 리드는 퓨즈 결합 구간의 앞단에서 젤리롤 중심으로부터 바깥쪽을 향하도록 굽혀지고, 퓨즈 결합 구간의 뒷단에서 다시 안쪽으로 굽혀질 것 | 리드의 ‘바깥으로 → 다시 안으로’ 이중 굴곡 형상 — 침해 판단의 핵심 한정 |
자료: Google Patents US8968898B2 청구항 1을 바탕으로 편집부가 재구성(원 청구항 문언·도면을 그대로 전재하지 않음).
이 청구항의 권리 범위는 ‘온도 퓨즈를 쓴다’는 발상 전체가 아니라, 퓨즈가 리드 위에 있고 그 리드가 특정한 이중 굴곡 형상을 갖는 구성으로 좁혀져 있다. 따라서 침해 소지를 검토할 때 가장 먼저 대조해야 할 지점은 (d)의 굴곡 형상이다.
회피 설계 시나리오(반론 포함): ⓐ 온도 퓨즈를 리드가 아닌 캡 상부 부품에 배치하는 구성, ⓑ 리드를 한 방향으로만 굽혀 퓨즈 구간을 확보하는 구성, ⓒ 종래 방식대로 CID와 PTC를 모두 유지하는 구성은 청구항 1의 문언 범위 밖에 놓일 가능성이 있다. 다만 반론도 분명하다. 형상이 조금 다르더라도 (d)의 이중 굴곡과 실질적으로 같은 기능·효과를 내는 구성이라면, 균등 범위에 포함된다는 주장이 제기될 가능성이 있다. 또 ⓒ는 이 특허를 피하더라도 CID·벤트 자체에 관한 다른 권리들과 부딪칠 수 있으므로, FTO(침해 여부) 검토는 이 특허 1건이 아니라 캡 구성 전체를 대상으로 해야 한다.
유사 특허 크로스체크: 같은 출원인의 EP2466668B1(우선일 2009-08-14, 출원일 2010-08-13, 등록 2014-10-22, Active, 예상 만료 2030-08-13)은 반대로 CID를 유지하면서 CID에 가스 배출용 관통공을 2개 이상 두는 방향의 명세서 구성을 담고 있다[5]. 한 출원인 안에서 ‘CID를 다듬는 권리’와 ‘CID를 대체하는 권리’가 병존한다는 점은 캡 설계가 여전히 여러 갈래로 열려 있음을 보여준다.
⑤ 한계와 전망
낙관적으로 보면, 캡 속 장치의 역할을 재배치하는 설계(예: PTC 제거, 온도 퓨즈 통합)는 부품 수와 저항을 줄여 원가와 출력 양쪽에 유리한 방향으로 진화할 가능성이 있다.
반대 시나리오도 있다. 셀 내부 장치는 결국 ‘셀 한 개’를 기준으로 설계된다. 수많은 셀을 직·병렬로 묶은 팩에서는 한 셀의 CID가 끊겨도 나머지 회로 전압이 그 셀에 걸릴 수 있고, NASA 공지가 지적하듯 고전압·고용량 설계에서 셀 내부 장치의 보호가 항상 보장되지 않는다[3]. 여기에 300°C에서 벤트 문턱이 크게 낮아진다는 시뮬레이션 예측[2]까지 겹치면, 캡 안의 ‘작동 순서’는 온도 조건에 따라 달라지는 동적 변수로 봐야 한다.
전략적 대안은 보호 기능을 계층별로 나눠 적는 것이다. 셀(CID·벤트), 모듈(퓨즈·버스바), 팩(BMS·차단기) 중 어느 계층이 어떤 신호를 맡는지 한 장의 표로 정리하면, 셀 캡에서 장치를 빼는 결정이 팩 계층의 부담으로 어떻게 넘어가는지가 보인다. 이 표는 특허 포트폴리오를 짤 때도 ‘어느 계층의 권리를 확보할지’를 정하는 기준이 된다.
확인할 액션(기획·IP 담당자): 자사 또는 조달 셀의 CID·벤트 작동 압력(상온/고온)과 PTC 탑재 여부를 사양서에서 확인하고, 캡 내부에 온도 퓨즈나 굴곡 리드 구조가 있다면 US8968898B2 청구항 1의 (b)~(d) 구성과 1:1로 대조해 볼 것.
확인이 필요한 항목
- PTC 서미스터의 작동(트립) 온도와 복귀 특성에 대한 정량값은 이 글에서 출처로 확인하지 못해 수치를 싣지 않았다.
- EP2466668B1의 청구항 1 문언은 원문에서 온전히 추출하지 못했다. 본문 설명은 명세서에 기재된 발명의 구성을 바탕으로 한 것이다.
- US8968898B2의 구성이 실제 양산 셀에 적용됐는지, 한국 대응특허(KR101279994B1)의 현재 법적 상태는 별도로 확인하지 않았다.
- US8968898B2에서 리드를 이중으로 굽히는 구성의 명세서상 기술적 목적(퓨즈 보호, 조립성 등)은 이 글에서 상세히 확인하지 않았다.
- Fig. 2의 작동 압력은 두 종(MTI, LG MJ1) 캡에 대한 단일 연구의 값(상온·100°C 측정, 300°C 시뮬레이션 예측)으로, 다른 셀에 일반화할 수 없다.
출처
- B. Xu, L. Kong, G. Wen, M. G. Pecht, 「Protection Devices in Commercial 18650 Lithium-Ion Batteries」, IEEE Access, vol. 9, pp. 66687-66695, 2021, DOI 10.1109/ACCESS.2021.3075972. 링크
- W. Li, K. R. Crompton, C. Hacker, J. K. Ostanek, 「Comparison of Current Interrupt Device and Vent Design for 18650 Format Lithium-ion Battery Caps」, Journal of Energy Storage, vol. 32, 101890, 2020, DOI 10.1016/j.est.2020.101890. 링크
- J. Jeevarajan, 「Limitations of Internal Protective Devices in High-Voltage/High-Capacity Batteries Using Lithium-Ion Cylindrical Commercial Cells」, NASA NESC Technical Bulletin No. 09-02, 2009. 링크
- Google Patents, US8968898B2 「Cap assembly of novel structure and cylindrical battery employed with the same」 서지사항·청구항 1(2026-09-23 원문 확인). 링크
- Google Patents, EP2466668B1 「Cylindrical rechargeable battery with improved stability」 서지사항(2026-09-23 원문 확인). 링크
이 글은 기술·특허 동향 해설이며 법률 자문이 아닙니다. 구체적인 FTO 판단은 전문가 검토가 필요합니다.
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