집전판 비대칭 커플링 면적 설계는 LG에너지솔루션이 2026년 7월 21일 미국 텍사스 동부지방법원과 ITC에 EVE에너지를 상대로 제기한 특허소송의 핵심 쟁점 중 하나다. 소송 대상 특허 5건 중 4건이 탭리스(tabless) 원통형 셀 구조에 관한 것이며, 그중 하나가 이번에 분석하는 US12374762B2다.
특허 서지사항
| 공보번호 | US12374762B2 |
| 명칭 | Cylindrical secondary battery comprising improved current collector plate, battery pack and vehicle including the same |
| 출원인 | LG Energy Solution, Ltd. |
| 발명자 | Byoung-Gu Lee, Duk-Hyun Ryu, Kwan-Hee Lee |
| 우선일 | 2021-10-29 (KR 우선권 2021-12-24, KR1020210187847A) |
| 출원일 | 2022-10-28 (PCT/KR2022/016740) |
| 공개·등록일 | 2025-07-29 등록 (선공개 US20240313364A1) |
| 패밀리 | US20240313364A1, KR20230062313A |
기구적 모순과 질문
탭리스 구조는 무지부(uncoated portion) 전체를 집전판에 직접 용접해 기존 탭 구조를 없앤다. 삼성SDI 46시리즈 자료에 따르면 이 전환만으로 내부저항이 90% 감소한다. 그런데 무지부-집전판 용접 접촉면은 양극과 음극이 동일 조건일 수 없다. 양극박은 알루미늄, 음극박은 구리로 물성과 용접 발열 거동이 다르기 때문이다. 이 특허의 청구범위는 양극 무지부-집전판 커플링 면적을 음극보다 작게 설계한다. 왜 면적을 비대칭으로 줄이는가가 핵심 질문이다.
계산·수식 검증
용접 접합부의 전류 용량은 접촉면적과 접촉저항의 함수다. 접촉저항을 $R_c$, 접촉면적을 $A$라 하면 발열량 $Q$는 전류 $I$의 제곱에 비례한다.
$$Q = I^2 \times R_c,\quad R_c \propto \frac{1}{A}$$
알루미늄 양극박은 구리 음극박보다 전기전도도가 낮고(구리 대비 약 61% 수준) 용접 시 산화피막 때문에 접촉저항 편차가 크다. 접촉면적을 무조건 늘리면 저항은 줄지만 용접 스팟 밀도가 늘어 레이저 헤드 초점 이동 거리가 길어진다. 음극은 구리의 낮은 저항 덕분에 작은 면적으로도 동일 전류를 감당하기 유리하다. 즉 비대칭 설계는 전류밀도를 일률적으로 낮추는 방향이 아니라 재료별 최적 접촉조건을 따로 잡는 접근이다. 안전율은 이중이다. 1차는 정상 방전 전류의 발열 안전율, 2차는 내부 단락 등 과전류 시 용접부가 먼저 파단되는지 여부다. 과전류 시 용접부가 먼저 끊어지면 전류 차단 기능을 겸하므로, 접촉면적은 정상 발열 관리와 이상 시 차단 설계를 동시에 만족해야 한다.
실무적용(Shop-notes)
국내 R2R 조립 라인에 반영한다면 레이저 용접 헤드를 양극·음극 공용화하지 말고 재료별로 초점경·출력 프로파일을 분리하는 것이 1안이다. 대안으로 용접 면적을 양극·음극 동일하게 넓혀 저항을 일괄 낮추는 방식도 검토했으나, 스팟 수 증가로 사이클타임이 늘고 무지부 컬링(curling) 불량률이 오를 가능성이 있어 미채택했다. 가공성 주석: 무지부 두께는 통상 10~15μm(추정, 현장 계측 후 재확인 요망) 수준으로 얇아 접촉면적을 과도하게 좁히면 국부 용융 홀(hole) 결함 리스크가 커진다.
설계 반영 체크리스트: 양극·음극 용접 헤드 프로파일 분리 여부, 과전류 시 용접부 우선 파단(퓨즈 기능 겸용) 검증, 무지부 두께 현장 계측치로 홀 결함 리스크 재산정, 접촉면적 비대칭 비율의 사내 표준화 문서 반영.
이 특허가 실제 EVE에너지 제품에 침해되었는지는 법원 판단 사항이며, 이 글은 공개된 명세서 기준 기구 설계 관점의 분석이다.
한줄요약: 탭리스 집전판 용접에서 양극·음극 커플링 면적을 비대칭으로 잡는 이유는 저항이 아니라 재료별 용접 안정성과 과전류 차단 설계를 동시에 맞추기 위해서다.