[쿠키과학] 배터리 화재 막을 ‘나노미터 눈’… KAIST, 전극 불량 ‘초정밀 검사’ 개발

전기차 배터리 화재의 주요 원인인 전극 미세 불량을 생산 단계에서 찾아낼 수 있는 초정밀 검사기술이 개발됐다.

KAIST 기계공학과 김영진 교수팀은 광주파수빗과 테라헤르츠파를 결합해 리튬이온배터리 전극의 두께를 나노미터 수준으로 측정하는 비접촉·비파괴 검사기술을 개발했다.

전기차 배터리의 전극은 리튬이온이 이동하며 전기를 저장하고 방출하는 핵심 부품이다.

이 전극의 두께가 조금만 달라도 충전과 방전 과정에서 전류가 특정 부분으로 몰리고 열이 집중된다.

이런 현상이 반복되면 배터리 내부 온도가 치솟는 열폭주‘ 발생해 화재나 폭발로 이어질 수 있다.

때문에 제조 공정에서는 전극 두께를 매우 균일하게 관리해야 한다.

하지만 기존 검X선 컴퓨터단층촬영(CT)은 내부를 정밀하게 볼 수 있지만 검사 시간이 수 분 이상 걸려 대량 생산라인에 적용하기 어렵다.

초음파 방식은 액체를 접촉해야 하고, 레이저 방식은 빠르지만 전극 내부를 정밀하게 측정하기 힘들다.

연구팀은 두 가지 첨단 광학기술을 결합해 이 문제를 해결했다.

광주파수빗은 레이저 빛의 주파수를 자의 눈금처럼 매우 일정한 간격으로 나눈 기술이다.

테라헤르츠파는 전파와 적외선의 중간 영역에 있는 전자기파로, 표면을 지나 내부까지 비교적 깊게 침투할 수 있어 비파괴 검사에 적합하다.

연구팀은 테라헤르츠파로 전극 내부 정보를 얻고, 광주파수빗으로 그 신호를 초정밀 분석하는 방식을 구현했다.

테라헤르츠파를 전극에 쏘면 전극의 앞면과 뒷면을 여러 차례 왕복하며 반사된다.

이 과정에서 일정한 간격의 간섭무늬가 생긴다.

연구팀은 이 간섭무늬를 광주파수빗으로 초정밀 계산했다.

두께 50~150마이크로미터 배터리 전극을 대상으로 실험한 결과 0.2초 만에 음극은 70.1나노미터, 양극은 465.5나노미터의 두께 차이까지 구분했다.

측정 시간을 25.6초로 늘리자 음극은 7.8나노미터, 양극은 25.2나노미터까지 측정해 머리카락 굵기의 약 1만 분의 1 수준까지 구분했다.

이는 기존 시간영역 분석 방식보다 최대 100배 높은 정밀도다.

또 연구팀은 전극 소재가 빛을 얼마나 통과시키고 흡수하는지를 나타내는 복소 굴절률도 동시에 측정했다.

별도 보정작업 없이 두께와 소재 특성을 함께 분석할 수 있어 생산라인의 품질관리 효율을 크게 높일 수 있다.

아울러 기술은 전극 전체의 두께를 3차원 분석하고 생산 과정에서 두께가 변하는 모습도 실시간으로 추적한 결과 전극이 약 45도 기울어진 상태에서도 정확한 측정이 가능해 빠르게 움직이는 생산라인에서도 안정적으로 활용할 수 있음을 입증했다.

연구팀은 이번 기술이 리튬이온배터리는 물론 전고체 배터리의 인라인 품질관리와 반도체 웨이퍼처럼 정밀 두께 측정이 필요한 첨단 제조 분야에도 적용할 수 있을 것으로 기대했다.

김 교수는 “이 기술은 전극의 두께와 소재 특성을 별도의 보정 없이 동시에 측정하는 통합형 계측 플랫폼"이라며 ”배터리 생산 과정에서 눈으로 확인할 수 없는 미세한 불량을 실시간으로 찾아 안전성과 생산성을 함께 높이는 핵심 기술이 될 것"이라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 기계공학과 강구선 박사(현 한국생산기술연구원)가 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난달 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.
(논문명: Nanometre-precision terahertz interferometry for battery electrode metrology)

이재형 기자 jh@kukinews.com