“배터리 화재, 회로로 막는다” – 열폭주 차단 특허 기술 완전 해부

배터리 화재 방지용 열폭주 차단 회로 특허 리뷰

1. 서론 – 왜 배터리 화재 방지 기술이 중요한가?
전기차, 에너지저장장치(ESS), 노트북, 스마트폰, 드론 등 오늘날 우리가 일상에서 사용하는 스마트 전자기기의 대부분은 리튬이온 배터리를 핵심 에너지원으로 채택하고 있습니다. 이러한 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 긴 수명이라는 장점 덕분에 광범위하게 활용되고 있지만, 구조적으로는 열폭주(Thermal Runaway)에 취약한 단점도 함께 가지고 있습니다.

최근 수년간 전기차에서 발생한 고온 화재 사고, ESS 화재로 인한 대형 정전 사태, 그리고 휴대폰 배터리 폭발 이슈는 단순한 사고를 넘어 사회적으로 큰 파장을 일으켰습니다. 소비자 신뢰의 하락은 물론, 제조사에는 수천억 원대의 리콜 및 손해배상 책임이 발생할 수 있기 때문입니다. 특히 전기차 배터리 시스템에서의 화재는 도심 주행 중 대형 참사로 이어질 수 있어, 예방 기술 확보는 전자산업 전체의 안전성과 지속 가능성을 좌우하는 중대 사안입니다.

이처럼 열폭주 차단 회로 기술은 단순한 안전기술이 아니라, 기업의 생존과 직결되는 전략 기술로 부상하고 있습니다. 실제로 최근 5년 사이 ‘배터리 화재 방지’, ‘열폭주 감지 회로’, ‘BMS 연동 안전장치’와 같은 키워드를 포함한 특허 출원이 폭발적으로 증가하고 있으며, 산업계 전반에서 ‘표준특허 확보’ 경쟁이 가속화되고 있습니다.

2. 열폭주(Thermal Runaway)의 원인과 전개 메커니즘
열폭주란 배터리 셀 내부의 화학적 불안정성과 전기적 이상이 복합적으로 작용하면서 발생하는, 일종의 자기 촉진성 폭발 반응입니다. 즉, 내부 온도가 일정 수준을 초과하면 전해질이 분해되면서 가연성 가스가 발생하고, 이로 인해 급격한 온도 상승과 함께 셀 내 화학 반응이 연쇄적으로 폭발하는 구조입니다.

열폭주를 유발하는 주요 원인은 다음과 같이 구분할 수 있습니다.
과충전/과방전: 충전 전압이 허용치를 넘으면 전해질 분해가 시작되고, 방전이 과도하게 진행되면 내부 발열이 증가합니다.
내부 단락(Internal Short): 음극과 양극이 분리막 파손으로 직접 접촉할 경우 급속 발열이 시작됩니다.
기계적 손상: 외부 충격, 침수, 낙하 등이 셀 구조를 파괴해 단락이나 내부 분해를 일으킵니다.
온도 스트레스: 60℃ 이상의 환경에서는 분리막의 물성이 급격히 저하되어 화학 반응이 가속화됩니다.
셀 노후화: 반복 충전/방전 주기로 인해 분리막이 얇아지고, 전극 표면에 리튬 석출물이 쌓여 불안정한 상태가 됩니다.

한 번 열폭주가 시작되면 셀 내부의 압력은 수 초 내 10배 이상 상승하며, 인접 셀로의 **열 전달 및 연쇄 폭발(Domino Effect)**을 유발합니다. 이 때문에 조기 감지 및 전기적 차단 기술이 없으면 배터리 팩 전체가 불타는 대형 화재로 번질 수밖에 없습니다.

3. 열폭주 차단 회로 기술의 핵심 구성과 원리
열폭주 차단 회로 기술은 단순한 센서 조합을 넘어, 예측·감지·차단을 통합한 스마트 회로 아키텍처로 발전하고 있습니다. 주요 구성은 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

온도 감지 소자: NTC, PTC, 써미스터 등의 온도센서로, 급상승하는 온도 패턴을 감지
과전류 감지 회로: 배터리에서 비정상적인 고전류가 흐를 경우 회로 차단 신호 발생
MOSFET 전류 차단기: 빠른 스위칭으로 셀 연결을 절단, 에너지 공급을 차단
배터리 관리 시스템(BMS) 연동: 이상 감지 → 판단 → 실행으로 이어지는 스마트 제어
이중 보호 트리거: 센서 오작동 또는 단선 대비 이중 조건 검증을 통한 오작동 방지

대표적인 특허 사례로는 삼성SDI의 KR102280661B1을 들 수 있습니다. 이 특허는 온도 상승률과 절대 온도를 동시에 평가하여 위험 패턴을 감지하고, 설정 임계점을 넘을 경우 MOSFET을 활용해 배터리 팩과 회로 간 연결을 차단합니다. 특히 BMS와의 연동을 통해 딥러닝 기반 온도 프로파일 학습 및 예측 제어 기능까지 탑재하고 있어 차세대 배터리 보호 회로의 대표 사례로 손꼽힙니다.

이 외에도 최근에는 초저전력 회로 설계를 바탕으로, 열 감지-차단까지 5ms 이내로 반응하는 고속 회로가 상용화되고 있으며, 웨어러블이나 드론 등 소형 디바이스에서도 적용이 확대되고 있습니다.

4. 주요 기업의 열폭주 차단 특허 흐름 분석
글로벌 배터리 기업들은 모두 ‘배터리 안전’과 관련한 특허를 전략 무기로 삼고 있으며, 각 사의 접근 방식과 집중 영역은 다음과 같습니다.

삼성SDI: 고신뢰 회로 설계를 기반으로, 다단계 온도/전류 감지 기술 및 BMS 통합 기술에 특화되어 있습니다. 관련 특허만 100건 이상으로, 주로 전기차 배터리 팩을 위한 기술이 많습니다.

LG에너지솔루션: 고속 퓨즈 및 서모퓨즈 연동 차단 기술, 셀 간 방화 격벽(Barrier)과 회로 차단의 하이브리드 시스템을 특허로 보유하고 있습니다.

CATL: AI 분석 기반의 다점 센서 네트워크를 통해 실시간 열 분석을 수행하고, 이상 징후를 빠르게 예측하는 스마트 회로 기술을 중심으로 특허를 확보 중입니다.

Panasonic: IGBT 기반 전류 차단 기술, 연속 감지형 히스테리시스 회로 등 고신뢰 회로 설계 특허가 강점입니다.

또한, 일본 Murata, 독일 Bosch 등 부품 전문 기업들도 감지 센서, 열 차단 부품, BMS 통합 모듈에 대한 원천 특허 확보에 힘쓰고 있으며, 이 중 일부는 ‘표준 필수 특허(SEP)’로 등록되어 향후 로열티 기반의 수익 구조 확보도 노리고 있습니다.

5. 결론 – 미래 배터리 안전 기술의 방향성과 특허 전략
향후 열폭주 차단 회로 기술은 단순한 안전회로에서 벗어나, 전력전자-센서-알고리즘이 통합된 지능형 보호시스템으로 진화할 것입니다. 특히 다음과 같은 기술이 유망합니다.

AI 기반 예측 회로: 온도 상승 패턴을 실시간 학습하고, 기존 사례와 비교 분석하여 ‘폭주 위험성’을 미리 판단
무접점 회로 차단 기술: 전기적 접점 없이 회로 차단 가능해, 내구성 및 신뢰도 향상
나노 센서 기반 온도/압력 감지 네트워크: 셀 내부 각 지점에서 데이터를 수집해 정밀 제어 가능
시뮬레이션 기반 BMS 내장 회로: 가상 테스트 환경을 통해 회로 동작의 안정성 예측 및 최적화

이처럼 배터리 화재 차단 기술은 점차 시스템화, 스마트화, 예측화로 나아가고 있으며, 특허도 단일 구성품이 아닌 전체 플랫폼 중심으로 이동 중입니다. 앞으로는 단일 셀 수준에서 모듈, 팩, 차량 통합 제어 시스템까지 특허 전략이 계층화되며, ‘회피 불가 특허’ 확보를 통해 산업 내 기술 리더십과 수익모델을 동시에 창출할 수 있을 것입니다.