원통형·각형·파우치 셀 모양으로 읽는 배터리 공장

배터리 공장 쉽게 보기 · Vol.006

배터리 셀 폼팩터(Form factor)¹는 셀의 바깥 모양과 그 안에 전극을 채우는 방식을 함께 부르는 말이다. 원통형, 각형, 파우치형의 세 갈래로 나뉜다.

• 읽는 시간 11분
• 입문자용
• 산업 지도
• 2026-10-28

뉴스에서 “원통형 대형 셀 양산”이나 “각형으로 전환” 같은 문장을 보면 필자는 조립 라인부터 떠올린다. 어떤 기계가 빠지고 어떤 기계가 들어오는가. 셀 모양은 소비자에게는 겉모습의 차이다. 설비를 그리는 사람에게는 라인 배치도를 다시 그려야 하느냐의 문제다.

세 모양의 차이를 이름 그대로 풀면 이렇다. 원통형 셀(Cylindrical cell)²은 금속 원통 안에 전극을 넣는다. 각형 셀(Prismatic cell)³의 그릇은 각진 상자다. 파우치 셀(Pouch cell)⁴은 얇은 필름 주머니에 전극을 담아 가장자리를 붙인다. 겉모양보다 큰 차이는 전극을 그릇에 넣는 동작에 있다.

감을 것인가, 쌓을 것인가

필자는 필름 카메라를 쓴다. 필름 통을 열면 긴 띠 하나가 축 둘레에 돌돌 말려 있다. 원통형 셀의 속이 이 모습과 닮았다. 셀은 띠 네 장을 겹쳐서 한꺼번에 만다. 양극, 분리막(Separator)⁵, 음극, 다시 분리막의 순서다.

이렇게 감아 만든 덩어리를 업계에서는 젤리롤(Jelly roll)⁶이라고 부른다. 단면이 롤케이크처럼 소용돌이를 그리기 때문에 붙은 이름이다. 감는 기계는 와인더(Winder)⁷다. 반대편 방식은 전극을 낱장으로 잘라 책장처럼 한 장씩 포개는 스태킹(Stacking)⁸이다.

필름 비유가 맞지 않는 곳도 있다. 필름은 한 장이라 어긋날 상대가 없다. 셀은 네 장의 끝선이 첫 바퀴부터 마지막 바퀴까지 서로 맞아야 한다. 음극은 양극보다 조금 넓고 길게 만들어 양극 가장자리를 덮는다. 분해 분석에서 음극은 양극보다 136 mm 길었다(Ank 외, 2023).

세 모양과 두 방식의 짝은 정해져 있다. 원통형 셀을 분석한 독일 연구진의 정리는 이렇다. 각형 셀은 납작한 젤리롤이나 쌓은 전극을 쓰고, 파우치 셀은 쌓는 방식만 쓴다. 원통형은 감는 방식이다. 같은 논문은 감기가 쌓기에 비해 단순하고 연속적인 공정이라 원통형 셀이 값싸고 튼튼하며 규모를 키우기 쉽다고 평가했다.

그림 2의 치수는 한 대학 연구진이 시판 대형 원통형 셀을 분해해 잰 값이다. 바깥 지름 46 mm, 높이 80 mm인 셀 안에서 젤리롤은 지름 44.5 mm, 높이 71 mm를 차지했다. 가운데에는 지름 5 mm의 빈 구멍이 있고, 감을 때 쓴 심(Mandrel)은 남아 있지 않았다. 감는 축을 빼낸 뒤 캔에 넣었다는 뜻으로 필자는 읽는다.

전극에서 전기를 꺼내는 통로가 탭(Tab)⁹이다. 앞의 논문은 감은 지름이 클수록 탭 설계가 더 결정적인 문제가 된다고 적었다. 띠의 한 곳에서만 전기를 모으면, 먼 쪽 끝의 전기는 그만큼 긴 길을 지나 나와야 한다.

지름이 두 배면 전극은 몇 배 길어지나

셀 크기 기사를 읽을 때 가장 자주 어긋나는 셈이 하나 있다. 지름과 띠 길이의 관계다.

둘레만 떠올리면 두 배가 맞아 보인다. 바깥 한 바퀴의 길이는 지름에 비례하기 때문이다. 그런데 지름을 키우면 바퀴 수도 같이 늘어난다. 늘어난 둘레와 늘어난 바퀴 수가 곱해지니 길이는 제곱으로 자란다. 단면의 면적이 지름의 제곱에 비례한다고 생각하면 셈이 더 빨라진다.

가운데 빈 구멍까지 넣어 다시 셈해 봤다. 앞의 분해 셀은 젤리롤 지름 44.5 mm, 빈 구멍 5 mm였다. 같은 두께의 띠로 지름만 절반인 22.25 mm 젤리롤을 감는다고 가정했다. 길이 비는 단면 고리 면적의 비와 같아서 약 4.2배가 나온다(자체 계산). 구멍이 차지하는 몫 때문에 정확히 4배보다 조금 크다.

곡선이 오른쪽으로 갈수록 가팔라지는 모양을 기억해 두면 셀 크기 기사가 달리 읽힌다. 셀을 키우면 셀 개수는 줄고, 셀 한 개에 감는 띠는 제곱으로 길어진다. 감기 시간이 늘고, 장력과 끝선을 붙잡고 가야 하는 거리도 같이 늘어난다. 감는 롤이 커질수록 필요한 토크가 어떻게 바뀌는지는 이 시리즈의 와인더 토크 편에서 따로 풀었다.

대형 원통형 셀을 볼 때 필자가 꺼내 놓는 숫자는 크기, 띠 길이, 열이다.

부피가 5.5배라는 것은 같은 부피를 채우는 데 셀 수가 그만큼 적게 든다는 이야기다. 셀 개수가 줄면 셀마다 반복되는 캔 넣기와 용접, 검사 횟수가 같이 준다. 설비 쪽에서 보는 대형 셀의 이점은 이 반복 동작의 감소다. 분해 논문이 잰 이 셀의 평균 용량은 22.078 Ah¹⁰였다.

대가도 숫자로 나온다. 셀이 커지면 부피에 비해 겉면적이 작아진다. 논문은 46 mm 셀의 겉면적 대 부피 비가 18650 셀의 절반이라고 적었다. 열이 빠져나갈 문이 상대적으로 좁아진다는 뜻이다. 같은 논문의 시험에서 46 mm 셀의 표면 온도는 8.2 °C 올랐다.

비교 대상인 소형 셀 두 종은 같은 논문에서 1.2~5.3 °C 올랐다. 대형 셀이 가장 높다. 대형 셀은 띠의 한쪽 가장자리 전체를 통로로 쓰는 탭리스(Tabless)¹¹ 구조이고, 소형 셀 두 종은 탭을 붙인 구조다. 크기와 탭 방식이 함께 달라진 비교라서, 필자는 이 차트 하나로 어느 모양이 낫다고 판정하지 않는다.

셀 모양 뉴스가 나오면 필자는 셀 높이 숫자부터 찾는다. 감는 셀은 젤리롤 높이가 곧 전극 띠의 폭을 정한다. 전극 공정 끝의 슬리터(Slitter)¹²는 넓은 원단을 바로 그 폭으로 여러 줄 가른다. 셀 높이 한 줄이 바뀌면 칼 간격, 와인더의 폭 방향 가이드, 캔 크기가 줄줄이 따라 바뀐다고 판단한다.

Boltenertec, 롤프레스·슬리터 설계

폭을 확인한 뒤에는 끝선 정렬을 본다. 원통형 셀 논문의 표 4는 젤리롤 위아래에서 양극과 음극 끝선 사이 거리를 정리했다. 항목별 범위는 0.10~1.15 mm였다. 폭 70 mm가 넘는 띠 여러 장을 수십 바퀴 감으면서 끝선을 1 mm 안팎에 묶어 둔다는 뜻이다. 감는 설비를 볼 때 필자가 속도보다 앞서 확인하는 값이 이 정렬이다.

속도 숫자도 있다. 같은 논문은 설비 제조사 인터뷰를 근거로, 전극 1 m를 감는 데 약 1.25초, 5 m는 3초 안쪽이 걸린다고 적었다. 3.4 m 남짓인 대형 셀 음극은 이 범위 안에 든다. 한 셀의 주기는 감기 자체보다 그 전후의 자르기와 붙이기, 꺼내기가 정하는 경우가 많다.

셀 모양 뉴스가 설비 뉴스가 되는 자리

셀 공장은 크게 전극 공정, 조립 공정, 화성 공정으로 이어진다. 셀 모양은 이 중 가운데 조립 공정의 기계 구성을 바꾼다. 앞단의 믹싱, 코팅, 롤프레스는 모양과 상관없이 넓은 원단을 만든다. 갈라지는 곳은 그 원단을 셀 크기로 자르고 그릇에 넣는 단계다.

그림 5의 파란 구간이 셀 모양에 따라 달라지는 자리다. 쌓는 쪽 라인에는 전극을 낱장으로 따내는 노칭(Notching)과 낱장을 포개는 스태커가 들어간다. 이 두 기계는 이 시리즈의 노칭·스태킹 편에서 다뤘다. 감는 쪽 라인은 띠를 끊지 않고 와인더로 보낸 뒤, 다 감은 젤리롤을 캔에 넣는다.

세 모양 가운데 감기와 쌓기를 모두 쓰는 것은 각형뿐이다. 같은 각형이라는 기사라도 감는 각형인지 쌓는 각형인지에 따라 필요한 조립 기계가 다르다. 셀 회사의 발표문에 “각형”만 적혀 있으면, 필자는 전극 배열 방식이 공개됐는지부터 확인한다. 공개되지 않았다면 설비 구성도 공개 자료로는 확인되지 않는 셈이다.

업계 밖 투자자라면 셀 모양을 조립 기계 이름으로 바꿔 읽으면 된다. “원통형 확대”는 와인더와 캔 관련 공정의 비중 변화로, “파우치 축소”는 스태킹 쪽 비중 변화로 옮겨 적는다. 어느 회사가 수혜를 본다는 판단은 이 글의 범위가 아니다. 원통형이라는 단어는 와인더 자리를, 파우치라는 단어는 스태커 자리를 가리킨다. 셀 공장 전체에서 소재와 설비가 놓이는 층은 밸류체인 편에 그려 두었다.

취업을 준비한다면 셀 모양별로 조립 설비가 다르다는 점부터 알아 두면 좋다. 감는 설비는 띠의 장력과 정렬을, 쌓는 설비는 낱장의 위치 정밀도와 반복 속도를 붙잡는다. 같은 기구설계 직무라도 어느 라인에 배치되느냐에 따라 매일 들여다보는 숫자가 달라진다.

엔지니어를 위한 한 걸음 더

젤리롤을 두께가 일정한 띠가 빈틈없이 감긴 고리로 보면, 감긴 길이는 단면 고리 면적을 띠 한 묶음의 두께로 나눈 값이다.

$$L=\frac{\pi\left(D^{2}-d^{2}\right)}{4\,t}$$

$L$은 감긴 띠 길이(mm), $D$는 젤리롤 바깥 지름(mm), $d$는 가운데 구멍 지름(mm)이다. $t$는 양극·음극·분리막 두 장을 겹친 한 묶음의 두께(mm)다. 분해 셀 값 $D=44.5$ mm, $d=5$ mm, $L=3403$ mm(음극 기준)를 넣으면 $t\approx0.45$ mm가 나온다. 감긴 바퀴 수는 $(D-d)/(2t)\approx44$바퀴다(빈틈 0 가정의 자체 계산, 추정). 실제 셀은 층 사이 틈과 두께 편차가 있어 현장 계측 후 재확인이 필요하다.

이 식대로 감기 끝 지름이 커지면 같은 장력에서도 감김 축 토크가 커진다. 토크·축 강도 검토는 안전율을 정적 기준과 피로 기준으로 따로 확인하는 것을 기본으로 한다. 모터 용량과 감김 장력 값은 이 글에서 정하지 않고 현장 계측으로 확정한다.

가공성 주석: 감김 축은 젤리롤을 뽑아내야 하므로 분할형 또는 테이퍼형 심으로 만들고, 분할면 단차를 연삭으로 관리한다. 대안 기구는 심을 셀 안에 남기는 구조다. 심을 빼는 동작이 없어져 주기는 짧아지지만 셀 부피를 차지하고 부품 수가 늘어 기본안으로는 채택하지 않는다.

관련 전문 글: 각형 셀 고속권취와 웹 가속도, 원통형 셀 권취 그리퍼 특허분석, 와인더 롤 지름과 토크

셀 모양은 감느냐 쌓느냐의 선택이고, 그 선택이 조립 라인의 기계 목록을 정한다. 감는 쪽은 지름에 따라 띠가 제곱으로 길어지고, 쌓는 쪽은 낱장 수만큼 동작이 는다. 다음에 셀 모양 기사를 보면 그 셀이 어느 쪽 짐을 고른 것인지부터 짚어 보면 된다.

용어 풀이

1. 폼팩터(Form factor): 제품의 모양과 크기 규격을 가리키는 말. 배터리에서는 셀의 겉모양과 전극을 담는 구조를 함께 뜻한다. ↩
2. 원통형 셀(Cylindrical cell): 감아 만든 전극 묶음을 둥근 금속 캔에 넣은 셀. 건전지와 비슷한 모양이다. ↩
3. 각형 셀(Prismatic cell): 전극 묶음을 납작한 직육면체 케이스에 넣은 셀. 모서리가 각져 있어 붙은 이름이다. ↩
4. 파우치 셀(Pouch cell): 쌓은 전극을 얇은 필름 주머니에 넣고 가장자리를 열로 붙여 막은 셀. ↩
5. 분리막(Separator): 양극과 음극이 직접 닿지 않게 사이에 넣는 얇은 막. 닿으면 내부에서 합선이 일어난다. ↩
6. 젤리롤(Jelly roll): 양극, 분리막, 음극을 겹쳐 돌돌 만 덩어리. 단면이 롤케이크처럼 보여 붙은 이름이다. ↩
7. 와인더(Winder): 긴 띠를 축에 감는 기계. 셀 공장에서는 전극과 분리막을 겹쳐 젤리롤을 만든다. ↩
8. 스태킹(Stacking): 낱장으로 자른 전극과 분리막을 한 장씩 번갈아 포개는 방식. ↩
9. 탭(Tab): 전극에서 셀 바깥 단자까지 전기를 이어 주는 짧은 금속 띠. ↩
10. Ah(암페어시, Ampere-hour): 셀이 담는 전기의 양을 나타내는 단위. 1 A의 전류를 1시간 흘릴 수 있는 양이 1 Ah다. ↩
11. 탭리스(Tabless): 따로 붙인 탭 대신 전극 띠의 한쪽 가장자리 전체를 단자 쪽에 연결하는 구조. 전기가 지나는 길이 짧아진다. ↩
12. 슬리터(Slitter): 넓은 원단을 길이 방향으로 여러 줄의 좁은 띠로 가르는 기계. ↩

출처

1. Baazouzi, S., Feistel, N., Wanner, J., Landwehr, I., Fill, A., Birke, K. P. (2023). Design, Properties, and Manufacturing of Cylindrical Li-Ion Battery Cells: A Generic Overview. Batteries, 9(6), 309. 1절(셀 형식과 전극 배열), 3.2.2절(지름과 전극 길이), 3.3.3절(온도 상승), 3.4절(감기 속도), 표 4(젤리롤 치수 범위).
2. Ank, M. 외 (2023). Lithium-Ion Cells in Automotive Applications: Tesla 4680 Cylindrical Cell Teardown and Characterization. Journal of The Electrochemical Society, 170, 120536. 셀 치수, 젤리롤 치수, 음극 길이, 평균 용량.
3. 그림 3의 곡선과 22.25 mm 가정 계산, 한 걸음 더의 두께·바퀴 수는 위 두 논문 값을 넣은 필자 자체 계산이다.

이 글은 산업·기술 이해를 돕기 위한 정보이며 특정 종목의 매수·매도 권유가 아니다.