ESS 열 설계의 세 갈래 — 공랭·수랭·액침, 안전 규격을 어느 계층에서 풀 것인가

무엇이 화제인가: 냉각 방식은 곧 안전 규격 대응 전략이다

ESS(에너지저장장치)의 냉각 방식 선택은 성능 문제이기 전에, 열폭주 전파 시험을 어느 계층에서 통과할 것인가를 정하는 설계 결정이다. 배터리 셀을 아무리 잘 만들어도 수천 개를 컨테이너에 채워 넣는 순간 문제의 절반은 열 설계가 된다. 이 글은 공랭·수랭·액침 세 갈래를 설계와 규격, 그리고 특허 관점에서 비교한다.

업계 상황부터 보면, AI 데이터센터발 ESS 수요가 빠르게 늘면서 냉각 방식이 ESS 시스템 설계의 최전선이 됐다. ESS는 셀 수천~수만 개가 밀집한 구조물이고, 화재가 나면 인접 셀로 연쇄되는 열폭주 전이가 최악의 시나리오다. 국내 업계는 화재 안전성을 높인 수랭식 ESS를 앞세워 시장을 공략 중이고, 정유사들까지 액침 냉각유 개발에 뛰어들며 다음 단계를 준비하고 있다.

긴장 요인은 시장이 커지는 속도만큼 안전 요구도 강해지고 있다는 점이다. ESS는 IEC 62619, UL 9540A, NFPA 855 같은 규격을 따르는데, UL 9540A의 열폭주 전파 요구사항은 전기차 관련 시험보다 엄격한 경우가 많다고 평가된다. 그래서 이 글이 답할 질문은 이렇다. 어느 냉각 아키텍처가 안전 규격과 수명, 그리고 원가를 동시에 만족하는가, 그리고 그 선택에 어떤 특허 리스크가 따라오는가.

기본 원리: 열을 어디로, 무엇으로 빼내는가

세 방식의 차이는 셀에서 나온 열이 어떤 매질을 거쳐 밖으로 나가는지에 있다. 비유하자면 공랭은 부채질, 수랭은 차가운 돌판 위에 올려놓기, 액침은 찬물에 통째로 담그기다. 부채질은 싸고 간단하지만 멀리 있는 사람까지 시원하게 하기 어렵고, 돌판은 닿은 면만 식히며, 물에 담그면 온몸이 고르게 식지만 물을 채우고 관리하는 비용이 든다.

공랭은 팬으로 공기를 순환시키는 방식이다. 구조가 단순하고 싸지만, 공기는 열용량이 작아 고밀도 팩에서는 셀 간 온도 편차가 커진다. 온도 편차는 곧 열화 편차이고, 가장 뜨거운 셀이 시스템 수명을 결정한다.

수랭(액체 냉각)은 냉각판 위에 셀·모듈을 얹고 물-글리콜 혼합액을 순환시킨다. 냉각판은 넓고 평평한 면으로 열유속(단위 면적당 흐르는 열의 양)을 분산시키면서 온도를 일정하게 유지하는 부품이고, 설계는 셀 화학·모듈 전압 구조·최대 발열률·온도 균일성 요구에 따라 달라진다. 공랭보다 균일하고 강력하지만 배관·펌프·열교환 루프가 붙고, 냉각수와 전장부의 절연 관리가 설계 부담으로 들어온다.

액침은 셀 전체를 절연성 유전체(전기가 통하지 않는) 냉각액에 직접 담그는 방식이다. 냉각액이 셀 표면과 직접 접촉해 열을 빠르게 흡수하고, 공기 유입 자체를 차단해 화재 확산을 구조적으로 억제한다. 냉각 성능과 열폭주 전이 차단을 동시에 노리는 접근이지만, 유체 무게와 비용이 페널티다. 냉각액을 셀에 분사해 사용량을 85% 줄이는 분사형 액침 같은 절충 설계도 연구 단계에서 나오고 있다고 보고됐다.

비교: 설계 관점의 세 갈래

항목	공랭	수랭(냉각판)	액침
냉각 능력·온도 균일성	낮음 — 셀 간 편차 큼	높음	매우 높음(직접 접촉)
열폭주 전이 억제	취약(공기가 산화제 공급)	간접 기여	구조적 차단(공기 배제·소화 겸용)
시스템 복잡도	팬·덕트	배관·펌프·열교환 루프	탱크 실링·유체 관리 추가
무게·비용	최저	중간	높음(냉각유 물량)
주 용도	저밀도·소형	현행 대형 ESS 주류	고밀도·고안전 요구 차세대

이 표가 말하는 것: 열폭주 전이 시험을 통과하는 비용이 공랭에서는 방화벽·이격 같은 수동 대책으로, 수랭에서는 열관리로, 액침에서는 아키텍처 자체로 지불된다. 같은 시험을 어느 계층에서 풀 것인가의 선택이다.

그렇다면 ‘계층’은 구체적으로 무엇인가. UL 9540A는 정식 명칭이 ‘배터리 에너지저장시스템의 열폭주 화재 전파 평가 시험 방법’이며, UL Solutions 설명에 따르면 셀·모듈·유닛·설치 네 단계로 평가한다. 또 NFPA 855가 대규모 화재 시험으로 명시적으로 인용하는 유일한 합의 규격으로 소개된다.

UL 9540A 시험 단계	주요 평가 내용	냉각 설계가 개입하는 방식(편집부 해석)
셀	셀의 열폭주 특성, 발생 가스 조성·가연성	냉각 방식과 무관, 셀 화학이 결정
모듈	셀 간 열폭주 전파 경향, 열·가스 방출률	액침은 이 단계에서 전파 차단을 노림
유닛	모듈 간 화재 확산 가능성, 열·가스 방출률	수랭은 열관리·격벽 설계로 대응
설치	소화 설비의 유효성, 열·가스 방출률	공랭은 이격·방화벽·소화 설비 의존도가 큼

이 표가 말하는 것: 시험은 셀에서 설치까지 네 단계로 올라가며, 전파를 낮은 단계에서 멈출수록 위 단계의 부담이 줄어든다. 액침의 비용 페널티는 모듈 단계에서 전파를 끊어 유닛·설치 단계 대책을 줄이는 대가로 읽을 수 있다.

특허 관점: 액침 ESS 박스는 이미 권리화가 시작됐다

원문은 특허를 다루지 않았으므로, 공개된 특허 중 액침형 ESS 배터리 박스 구조를 청구한 사례를 확인했다. 중국 NR Electric(南瑞继保) 계열 3사가 2021년 12월 31일 같은 날 출원한 ‘침지식 액체 냉각 에너지저장 배터리 박스’가 그것이다. 실용신안 CN216750062U는 2022년 6월 14일 공고됐고 Google Patents 기준 Active(만료 예정 2031년 12월 31일)이며, 같은 명칭의 발명특허 출원 CN114335806A는 2022년 4월 12일 공개된 뒤 심사 중(Pending)으로 표시된다.

청구항 요지(재서술): 두 문헌의 청구항 1은 거의 같은 구성을 담고 있다.

• 분리 가능한 덮개판과, 앞면 벽에 냉각액 유입구·배출구를 둔 박스 본체
• 박스 안에 나란히 배치된 2개 이상의 배터리 모듈
• 인접 모듈 사이, 그리고 모듈과 측벽 사이에 형성된 유로
• 유로들이 차례로 연결돼 이루는 S자형 순환 경로
• 유입구로 들어온 냉각액이 S자 경로를 지나 모듈의 윗면·아랫면에 닿은 뒤 배출구로 나가는 흐름

통찰: 액침의 권리 범위는 ‘냉각액’보다 ‘유로 배치’에 걸리기 쉽다. 셀을 절연 유체에 담근다는 개념 자체는 오래된 아이디어여서 넓게 권리화되기 어렵다. 그래서 실제 권리는 이 사례처럼 유로 형상, 유입·배출 위치, 모듈 배치 같은 구조 한정으로 좁혀지는 경향을 보인다. 이는 액침 ESS의 FTO(침해 여부 검토)가 냉각유 조성보다 박스 내부 유동 설계 도면을 중심으로 이뤄져야 할 가능성을 시사한다.

회피 포인트: 구성요소 완비 원칙상 S자형 순환 경로와 모듈 상·하면 동시 접촉이라는 한정을 모두 갖춰야 문언 침해가 성립한다. 병렬 분기 유로, 아래에서 위로 흐르는 단방향 유동, 측면 유입 구조 등은 문언 범위와 거리를 둘 수 있는 방안이다.

회피설계 시나리오(반론): 다만 유로를 ‘지그재그’나 ‘U자 반복’으로 바꾼 정도라면 실질적으로 같은 기능(모듈 전 표면 순차 냉각)을 같은 방식으로 달성한다고 보아 균등 침해 판단 대상이 될 가능성이 있다. 반대로 특허권자 입장에서도 실용신안은 실체 심사 없이 등록되는 제도여서, 무효 다툼에서 권리가 유지될지는 선행기술 대비 결과에 달려 있다. 중국에서 액침 ESS를 판매하려는 기업은 두 문헌의 권리 상태 변동을 함께 추적해야 한다.

설계 측면에서 놓치기 쉬운 물성 함정도 있다. 유전체 유체는 물-글리콜보다 비열이 20~40%, 열전도율이 30~50% 낮은 것으로 제시된다. ‘액체에 담그니 무조건 시원하다’가 아니라 직접 접촉의 이득과 유체 물성의 손해를 저울질해야 한다는 뜻이다. 펌프 사이징도 마찬가지여서, 저온에서 점도가 치솟는 유체 특성 때문에 냉간 시동 조건으로 검증하지 않으면 과소 설계가 된다.

액침이 항상 정답은 아니다. 발열 밀도가 낮은 설치 환경, 공조가 갖춰진 실내, 원가가 지배하는 입찰 시장에서는 검증된 수랭, 심지어 공랭도 여전히 합리적이다. 액침은 냉각유라는 소모성 유체의 장기 신뢰성(소재 호환성·부식·열화)이 아직 실적을 쌓는 중이고, 이 검증 데이터가 충분해지기 전까지 보수적인 발주처는 움직이지 않을 가능성이 크다.

한계와 전망

낙관 시나리오는 안전 규제가 강해질수록 액침의 ‘아키텍처로 푸는 안전’이 프리미엄을 받고, 데이터센터·ESS·전기차로 냉각유 시장이 함께 크는 그림이다. 반대 시나리오도 있다. 수랭 기반 팩 설계와 소화 시스템이 규격 요구를 충분히 만족시키는 수준으로 성숙하면, 액침은 무게·비용 페널티 때문에 특수 고밀도 용도에 머물 수 있다. 분기점은 두 가지다. UL 9540A급 전파 시험에서 방식 간 격차가 실데이터로 얼마나 벌어지는가, 그리고 냉각유의 장기 신뢰성 데이터가 언제 충분해지는가이다.

전략적 대안은 냉각 방식을 하나로 고정하지 않고, 모듈 단계 전파 차단 성능을 기준으로 수랭과 액침을 병행 검증하는 것이다. 모듈 시험 결과가 유닛·설치 단계 대책 비용을 얼마나 줄이는지를 수치로 비교하면, 액침의 비용 페널티가 정당화되는 설치 조건을 구체적으로 좁힐 수 있다.

실무 액션: 액침 또는 수랭 ESS를 기획하는 담당자는 자사 박스 내부 유로 설계도를 CN216750062U·CN114335806A 청구항 1의 유로 구성(S자형 순환·모듈 상하면 접촉)과 대비한 표를 만들어 두고, 중국 출시 전 CN114335806A의 등록 여부를 확인하는 것이 좋다.

확인이 필요한 항목

• 유전체 유체의 비열(20~40% 낮음)·열전도율(30~50% 낮음) 비교 수치의 1차 측정 출처와 대상 유체
• 분사형 액침의 냉각액 사용량 85% 절감 수치의 원 논문·시험 조건
• UL 9540A 열폭주 전파 요구가 전기차 관련 시험보다 엄격하다는 평가의 구체 비교 근거
• 국내 정유사 액침 냉각유의 ESS 적용 실증 현황
• CN114335806A의 최종 등록 여부와 등록 청구항 범위

출처

1. UL Solutions, UL 9540A Test Method for Battery Energy Storage Systems (BESS)
2. IEC, IEC 62619:2022 Safety requirements for secondary lithium cells and batteries, for use in industrial applications (Edition 2.0, 2022-05-24)
3. Google Patents, CN216750062U – Immersed liquid cooling energy storage battery box
4. Google Patents, CN114335806A – Immersed liquid cooling energy storage battery box