배터리 손상 없이 전극 미세 불균일 검출…나노미터급 품질관리 시대 기대

전기차 배터리의 안전성을 높일 수 있는 초정밀 검사기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 배터리를 분해하거나 훼손하지 않고도 화재 원인이 될 수 있는 전극의 미세한 두께 차이를 나노미터 수준까지 확인할 수 있어 향후 배터리 생산 공정의 품질관리 기술로 활용될 전망이다.

한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 김영진 교수 연구팀이 테라헤르츠파와 광주파수빗 기술을 활용해 리튬이온배터리 전극의 두께를 비접촉·비파괴 방식으로 정밀 측정하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

전기차에 널리 사용되는 리튬이온배터리에서 전극은 전류의 흐름을 담당하는 핵심 부품이다. 제조 과정에서 전극 두께가 일정하지 않을 경우 충·방전 과정에서 특정 영역에 전류가 집중되고, 이로 인해 국부적인 발열이 발생할 수 있다.

이러한 발열이 지속되면 배터리 내부 온도가 급격히 상승하는 열폭주 현상으로 이어질 가능성이 있어 전극의 균일성을 정밀하게 관리하는 기술이 배터리 안전성 확보의 중요한 요소로 꼽힌다.

하지만 기존 검사 방식은 생산 현장 적용에 한계가 있었다. X선 컴퓨터단층촬영(CT)은 내부 분석이 가능하지만 검사 시간이 길어 빠른 생산라인 적용이 어렵고, 초음파 기반 검사 방식은 별도의 접촉 환경이 필요하다. 레이저 기반 측정 기술 역시 빠른 검사에는 적합하지만 전극 내부의 미세한 변화를 확인하는 데 제약이 있었다.

KAIST 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 테라헤르츠파(THz)와 광주파수빗 기술을 결합했다. 테라헤르츠파를 전극에 조사한 뒤 내부에서 반사되는 신호를 얻고, 광주파수빗을 기준으로 이를 정밀 분석해 전극 두께와 소재 특성을 동시에 측정하는 방식이다.

연구팀은 실제 배터리에 사용되는 50~150마이크로미터(㎛) 두께의 전극을 대상으로 성능 검증을 진행했다. 그 결과 0.2초의 짧은 측정만으로도 머리카락 굵기의 약 1,400분의 1 수준에 해당하는 미세한 두께 차이를 확인했다.

또한 측정 시간을 늘릴 경우 음극은 7.8나노미터(㎚), 양극은 25.2나노미터 수준까지 구분할 수 있는 것으로 나타났다. 이는 기존 분석 방식 대비 최대 100배 높은 정밀도로, 육안으로 확인하기 어려운 미세한 전극 불균일을 찾아낼 수 있는 수준이다.

이번 기술은 특정 지점의 두께만 확인하는 기존 방식과 달리 전극 전체 영역을 3차원으로 분석할 수 있으며, 생산 과정에서 발생하는 품질 변화를 실시간으로 추적하는 데 활용될 수 있다는 점에서 의미가 있다.

연구팀은 이번 기술이 현재의 리튬이온배터리뿐 아니라 차세대 전고체 배터리 생산라인의 품질관리에도 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 향후 실제 제조 환경 검증과 장비 소형화가 진행되면 배터리 생산 현장의 핵심 검사 솔루션으로 자리 잡을 가능성이 높다.

김영진 KAIST 교수는 “이번 기술은 전극의 두께와 소재 특성을 별도의 보정 없이 동시에 측정할 수 있는 통합형 계측 플랫폼”이라며 “차세대 배터리 생산라인의 실시간 품질관리를 위한 핵심 기술로 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구는 KAIST 기계공학과 강구선 박사가 제1저자로, 김영진 교수가 교신저자로 참여했으며 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 게재됐다.