[로이슈 전여송 기자] KAIST는 기계공학과 김영진 교수 연구팀이 리튬이온배터리 전극의 두께를 비접촉·비파괴 방식으로 나노미터 수준까지 측정할 수 있는 검사 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

연구팀은 테라헤르츠파(THz)와 광주파수빗(Optical Frequency Comb) 기술을 결합해 배터리를 분해하거나 손상시키지 않고 전극 내부 정보를 분석하는 방식을 구현했다. 이를 통해 배터리 전극의 미세한 두께 차이를 정밀하게 측정할 수 있다고 설명했다.

리튬이온배터리 전극은 두께가 균일하지 않을 경우 충·방전 과정에서 전류가 특정 부위에 집중돼 열이 발생할 수 있으며, 이는 열폭주로 이어질 가능성이 있다. 기존 검사 방식인 X선 컴퓨터단층촬영(CT)은 검사 시간이 길고, 초음파 기반 장비는 액체 접촉이 필요하며, 레이저 변위센서는 내부 분석에 한계가 있었다.

연구팀은 테라헤르츠파를 전극에 조사해 내부에서 발생하는 반사 신호를 얻고, 이를 광주파수빗을 기준으로 분석해 전극 두께를 계산했다. 이 과정에서 전극 앞면과 뒷면 사이에서 발생하는 파브리-페로(Fabry-Pérot) 간섭 현상을 활용해 별도의 보정 과정 없이 두께와 복소 굴절률을 동시에 측정했다.

연구팀은 두께 50~150마이크로미터(㎛)의 배터리 전극을 대상으로 기술을 검증했다. 측정 시간 0.2초에서는 음극 70.1나노미터(nm), 양극 465.5나노미터 수준의 두께 차이를 측정했으며, 측정 시간을 25.6초로 늘리자 음극은 7.8나노미터, 양극은 25.2나노미터까지 구분할 수 있었다. 연구팀은 이는 기존 시간영역 분석 방식보다 최대 100배 높은 정밀도라고 설명했다.

또한 이번 기술은 전극 전체의 두께를 3차원으로 측정할 수 있으며, 생산 과정에서 발생하는 두께 변화를 실시간으로 추적할 수 있다. 연구팀은 전극이 약 45도 기울어진 상태에서도 측정이 가능해 실제 생산라인 적용 가능성도 확인했다고 밝혔다.

연구팀은 이번 기술이 리튬이온배터리뿐 아니라 전고체 배터리 생산 공정에서도 미세한 불량을 조기에 검출해 품질과 안전성을 높이는 데 활용될 수 있을 것으로 기대했다.

김영진 KAIST 기계공학과 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 품질관리 기술로 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 KAIST 기계공학과 강구선 박사(현 한국생산기술연구원)가 제1저자, 김영진 교수가 교신저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 6월 10일자에 게재됐다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr