전고체 배터리 고체전해질은 크게 황화물계·산화물계·폴리머계, 그리고 이를 결합한 복합재로 나뉜다. 삼성전기가 출원한 전고체 특허 14건 중 12건이 세라믹계(주로 산화물계) 고체전해질에 집중돼 있다는 사실이 알려지면서, 기업별로 어떤 소재계를 특허 포트폴리오의 중심에 두는지가 업계의 관심사로 떠올랐다. 폴리머계는 만들기 쉽지만 내구성이 약하고, 산화물계는 안정적이지만 대형화가 어렵다는 상반된 특성 때문에 기업마다 전략이 갈린다.
기본 원리
산화물계 고체전해질은 리튬 이온전도도가 1×10⁻⁶ S/cm 안팎으로 황화물계보다 낮지만, 대기 중에서도 안정적이고 유독가스를 발생시키지 않는다. 다만 소결 과정에서 고온이 필요해 대면적화·박막화가 까다롭다. 폴리머계는 상온에서 유연하게 가공할 수 있어 제조가 쉽지만, 이온전도도가 낮고 기계적 강도가 약해 덴드라이트를 물리적으로 막기 어렵다. 이 상반된 트레이드오프가 특허 청구범위의 방향을 가른다.
특허 관점
KR20160051877A(고체 전해질 조성물 및 전고체 이차전지용 바인더)의 명세서는 무기 고체 전해질을 황화물계와 산화물계 두 대표 유형으로 나눠 설명하면서, 정극·고체전해질층·부극 중 적어도 한 층에 무기 고체 전해질을 함유시키는 구성을 청구항으로 제시한다. 흥미로운 점은 이 특허가 무기 고체전해질과는 별도로 ‘전고체 이차전지용 바인더’를 함께 청구하고 있다는 것 — 즉 산화물계의 약점인 입자 간 결착력을 폴리머 바인더로 보완하려는, 세라믹과 폴리머의 경계를 넘나드는 접근이다.
삼성전기의 특허들은 이와 대비된다. 명세서에서 폴리머계보다 세라믹계(산화물계) 고체전해질의 안정성이 높다는 점을 먼저 부각한 뒤, 세라믹계가 극복해야 할 과제(계면 저항, 소결 온도)와 연구개발 방향을 제시하는 서술 구조를 취한다. 이는 폴리머계를 경쟁 기술로 명시적으로 낮추는 대신 자사가 택한 세라믹계의 우위를 논리적으로 방어하는, 전형적인 명세서 작성 전략이다.
한계와 전망
소재계별 특허 전략의 차이는 결국 기업의 양산 로드맵과 맞물려 있다. 산화물계는 소형 고신뢰성 응용(웨어러블, 항공우주)에, 폴리머계는 저비용 대량생산에 강점이 있다는 평가가 우세하다. 최근 특허 동향에서 황화물계와 산화물계를 결합한 복합 전해질 특허가 늘어나는 흐름은, 단일 소재계의 한계를 인정하고 절충안을 찾으려는 업계의 방향 전환을 보여준다.
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