원통형 셀 프레스 특허 US11695149B2는 테라와트 테크놀로지(Terawatt Technology Inc) 보유 특허다. 발명 명칭은 “Isostatic Press Devices and Processes for Cylindrical Solid-State Batteries”. 우선일 2019년 5월 14일, 출원일 2021년 2월 19일, 등록공고일 2023년 7월 4일의 실제 등록 특허다. 청구항 1은 압축기구가 halo(고리)형 단면 버퍼재를 원통형 셀 바깥에 감싼 뒤, 한쪽 모서리를 반대쪽으로 이동시켜 내부 원통 공간을 줄이는 방식을 청구한다. 청구항 9는 압력범위 0.1~10MPa, 청구항 11은 가열범위 60~250℃를 규정한다.
기구학적 분석
이 특허의 핵심은 “왜 평판 강성지그로 원통형 셀을 직접 가압하면 안 되는가”에 있다. 원통형 전고체 셀은 CATL·BYD·혼다 등이 2027년 파일럿 양산을 목표로 하는 형태이며, 46파이(지름 46mm)급 원통형 폼팩터가 유력하다. 평판 지그로 원통을 직접 누르면 접촉면이 선(line)으로 좁아져 국부 응력이 급격히 커진다. halo형 버퍼재는 원주 전체를 감싸 선접촉을 면접촉으로 바꾼다.
계산 검증
평판-원통 선접촉의 최대 접촉응력은 헤르츠(Hertz) 공식을 따른다.
$$p_{max} = \sqrt{\frac{F’ \cdot E^*}{\pi \cdot R}}$$
셀 지름 46mm($R=23$mm, 추정: 46파이 원통형 폼팩터 기준), 목표 평균압력 5MPa(추정: 청구항 9 범위 0.1~10MPa의 중간값)로 설정하면 단위길이당 하중 $F’ = 5\text{MPa} \times 46\text{mm} = 230\text{N/mm}$가 된다. 셀 케이스-지그 모두 스틸로 가정하면 유효탄성계수는 다음과 같다.
$$\frac{1}{E^*} = \frac{2(1-\nu^2)}{E} = \frac{2(1-0.3^2)}{200{,}000} \Rightarrow E^* \approx 109{,}900\text{MPa}$$
대입하면 다음과 같다.
$$p_{max} = \sqrt{\frac{230 \times 109{,}900}{\pi \times 23}} \approx 591\text{MPa}$$
591MPa는 셀 케이스 소재(스틸 또는 알루미늄 캔)의 항복강도를 크게 초과한다. 평판 지그로 원통형 셀을 직접 가압하면 목표 평균압력이 5MPa에 불과해도 국부적으로는 케이스가 소성변형되거나 전해질층이 손상될 수 있다는 뜻이다. halo형 버퍼재는 하중을 원주 전체(약 $\pi \times 46 = 144$mm)로 분산시켜, 동일한 단위길이당 하중을 면압으로 전환한다. 이 특허의 실질적 청구 범위는 화학 조성이 아니라 이 하중 전달 경로(line contact → area contact) 자체에 있다.
Shop-notes
- 실무 시사점: 원통형 전고체 파일럿 라인을 설계할 때 압착 지그를 각형·파우치용 평판 지그에서 그대로 전용하면 안 된다. 형상별 지그를 별도 설계해야 한다
- 대안 기구 1개(미채택 검토): V블록형 다분할 세그먼트 지그로 원주를 여러 조각의 강성 세그먼트가 감싸는 방식을 검토했으나, 세그먼트 경계에서 압력 불연속이 남아 halo형 연속 버퍼 대비 균일도가 떨어진다고 판단해 미채택
- 가공성 주석: halo형 버퍼재(청구항 6, 내열고무)는 사출 성형으로 제작 가능해 세그먼트형 금속 지그 대비 초기 툴링 비용이 낮다. 다만 60~250℃ 반복 가열 조건에서 내열고무의 압축영구줄음률 관리가 필요하며, 이는 현장 계측 후 재확인 요망
- 침해 여부는 단정하지 않는다. 국내 유사 지그 설계 시 청구항 1의 “halo형 단면 버퍼재가 정의하는 제2 원통 공간” 구성요소를 그대로 채용하지 않도록 형상 설계 단계에서 회피 검토가 필요하다
한줄요약
원통형 전고체 셀은 평판 지그로 누르면 접촉응력이 591MPa까지 치솟는다는 계산이, halo형 버퍼재 특허의 존재 이유를 설명한다.