KAIST 연구진이 전기차 배터리 화재의 원인이 될 수 있는 전극의 미세한 두께 차이를 머리카락 굵기의 약 1만분의 1인 7.8나노미터까지 비접촉·비파괴 방식으로 측정하는 기술을 개발했다.
KAIST는 기계공학과 김영진 교수 연구팀이 테라헤르츠파(THz, Terahertz Wave)와 광주파수빗(Optical Frequency Comb)을 결합해 리튬이온배터리 전극의 두께를 정밀하게 측정하는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.
리튬이온배터리 전극은 전기가 흐르는 핵심 부품이다. 전극의 두께가 균일하지 않으면 충·방전 과정에서 전류가 특정 부분에 집중돼 열이 발생할 수 있다. 열이 계속 쌓이면 배터리 내부 온도가 급격히 상승해 화재나 폭발로 이어지는 열폭주(Thermal Runaway)가 발생할 수 있다.
기존 X선 컴퓨터단층촬영(CT)은 배터리 내부를 자세히 확인할 수 있지만 검사 시간이 오래 걸려 빠른 생산라인에 적용하기 어렵다. 초음파 기반 음향현미경은 시료에 액체를 접촉시켜야 하며, 레이저 변위센서는 빠르게 측정할 수 있지만 전극 내부를 정밀하게 분석하는 데 한계가 있다.
연구팀은 테라헤르츠파를 배터리 전극에 쏜 뒤 내부에서 여러 차례 반사되며 발생하는 신호를 광주파수빗을 기준으로 분석해 전극의 두께를 계산했다. 배터리를 분해하거나 손상시키지 않고도 내부를 나노미터 수준으로 측정할 수 있는 방식이다.
핵심은 테라헤르츠파가 전극의 앞면과 뒷면 사이를 여러 차례 왕복하면서 만드는 일정한 간격의 파브리-페로(Fabry-Pérot) 간섭무늬다. 연구팀은 자의 눈금을 읽듯 간섭무늬를 광주파수빗으로 분석해 전극의 두께를 산출했다.
이를 통해 측정 오차를 줄이기 위해 기준값을 맞추는 별도의 보정 없이 전극의 두께와 복소 굴절률을 동시에 측정했다. 복소 굴절률은 빛이 물질을 통과하고 흡수되는 정도를 나타내는 광학적 특성이다.
연구팀은 두께 50~150마이크로미터인 배터리 전극을 대상으로 기술을 검증했다. 0.2초 동안 측정한 결과 음극은 70.1나노미터, 양극은 465.5나노미터의 두께 차이까지 구분했다. 이는 머리카락 굵기의 약 1400분의 1에 해당하며 빠르게 움직이는 배터리 생산라인에서도 활용할 수 있는 수준이다.
측정 시간을 25.6초로 늘렸을 때 음극은 머리카락 굵기의 약 1만분의 1인 7.8나노미터, 양극은 25.2나노미터까지 구분했다. 기존 시간영역 분석 방식과 비교하면 최대 100배 높은 정밀도다.
연구팀은 한 지점의 두께뿐 아니라 전극 전체의 두께를 3차원으로 확인하고, 생산 과정에서 나타나는 두께 변화도 실시간으로 추적했다. 전극이 약 45도 기울어진 상태에서도 정확하게 측정할 수 있음을 확인했다.
이번 기술은 리튬이온배터리와 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리(All-solid-state Battery)의 생산공정에서 미세한 불량을 조기에 확인하는 품질관리 기술로 활용될 것으로 기대된다.
이번 연구에는 KAIST 기계공학과 강구선 박사가 제1저자, 김영진 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 6월 10일 게재됐다.
연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부 재원으로 과학기술사업화진흥원, 대한민국 방위사업청의 지원을 받아 수행됐다.
김영진 교수는 “이번 기술은 전극의 두께와 소재 특성을 별도의 보정 없이 동시에 측정할 수 있는 통합형 계측 플랫폼”이라며 “차세대 리튬이온배터리뿐 아니라 전고체 배터리 생산라인의 실시간 품질관리를 위한 핵심 기술로 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
헬로티 이동재 기자 |
