KAIST, 배터리 전극 두께 비접촉·비파괴 측정 기술 개발

김영진 교수팀, 광주파수빗·테라헤르츠파 결합… 전극 두께 차이 나노미터 수준 측정

KAIST 기계공학과 김영진 교수 연구팀이 리튬이온배터리 전극의 미세한 두께 차이를 비접촉·비파괴 방식으로 측정할 수 있는 초정밀 검사기술을 개발했다. KAIST는 연구팀이 테라헤르츠파와 광주파수빗 기술을 결합해 배터리 전극 내부 정보를 읽어내고, 전극 두께의 미세한 불균일을 머리카락 굵기의 약 1만분의 1 수준까지 구분하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

전기차에 많이 쓰이는 리튬이온배터리의 전극은 전기가 흐르는 핵심 부품이다. 전극 두께가 일부 구간에서 달라지면 충·방전 과정에서 전류가 특정 부분에 집중되고, 이로 인해 열이 발생할 수 있다. 이러한 열이 누적되면 배터리 내부 온도가 급격히 상승하는 열폭주로 이어질 수 있어, 제조 단계에서 전극 두께를 균일하게 관리하는 것이 중요하다.

기존 검사 기술은 생산현장 적용에 한계가 있었다. X선 컴퓨터단층촬영은 내부를 자세히 확인할 수 있지만 검사 시간이 오래 걸리고, 초음파 기반 음향현미경은 시료에 액체를 접촉시켜야 한다. 레이저 변위센서는 빠른 측정이 가능하지만 전극 내부까지 정밀하게 분석하기 어렵다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 빛과 전파의 중간 영역에 있는 전자기파인 테라헤르츠파와, 빛의 주파수를 일정한 간격으로 나눠 초정밀 측정 기준으로 활용하는 광주파수빗 기술을 결합했다.

측정 과정에서는 먼저 테라헤르츠파를 배터리 전극에 쏘아 내부에서 여러 번 반사되며 생기는 신호를 얻는다. 이어 광주파수빗을 기준으로 이 신호를 정밀하게 분석해 전극의 두께를 계산한다. 연구팀은 이를 통해 배터리를 손상시키지 않고 내부 정보를 나노미터 수준까지 측정할 수 있음을 확인했다.

이번 기술의 핵심은 전극의 앞면과 뒷면 사이에서 테라헤르츠파가 여러 번 왕복하며 만드는 파브리-페로 간섭을 활용한 데 있다. 연구팀은 이 간섭무늬를 광주파수빗 기준으로 분석해 별도의 보정 과정 없이 전극의 두께와 복소 굴절률을 동시에 측정했다. 복소 굴절률은 전자기파가 물질을 얼마나 통과하고 흡수되는지를 나타내는 소재의 광학적 특성이다.

연구팀은 사람 머리카락 한 올과 비슷한 두께인 50~150마이크로미터의 배터리 전극을 대상으로 기술을 검증했다. 0.2초의 짧은 측정만으로도 음극 70.1나노미터, 양극 465.5나노미터 수준의 미세한 두께 차이를 측정했다. 이는 빠르게 움직이는 배터리 생산라인에서도 활용할 수 있는 수준으로 제시됐다.

측정 시간을 25.6초로 늘렸을 때 정밀도는 더 높아졌다. 음극은 7.8나노미터, 양극은 25.2나노미터까지 구분할 수 있었다. KAIST는 이 결과가 기존 시간영역 분석 방식보다 최대 100배 높은 정밀도라고 설명했다. 이번 기술은 한 지점의 두께만 측정하는 방식에 그치지 않는다. 연구팀은 전극 전체의 두께 분포를 3차원으로 확인하고, 생산 과정에서 두께가 조금씩 변하는 모습도 실시간으로 추적할 수 있음을 확인했다.

또 전극이 약 45도 기울어진 상태에서도 정확하게 측정할 수 있어 실제 배터리 생산라인과 같이 시료가 빠르게 이동하거나 정렬 오차가 발생할 수 있는 환경에도 적용 가능성을 보였다. KAIST는 이번 기술이 리튬이온배터리뿐 아니라 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 차세대 전고체 배터리 생산공정에서도 활용될 수 있을 것으로 보고 있다. 생산 과정에서 눈에 보이지 않는 미세 불량을 조기에 찾아내 배터리의 안전성과 품질을 높이고, 안정적인 생산관리를 가능하게 하는 검사기술로 활용될 수 있다는 설명이다.

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.

이번 연구는 KAIST 기계공학과 강구선 박사가 제1저자로, 김영진 교수가 교신저자로 참여했다. 전진우 석박사통합과정생, 이영근 박사, 김재윤 박사과정, 양동욱 박사도 연구진으로 함께했다. 연구 성과는 국제학술지 ‘Nature Communications’에 6월 10일 게재됐다. 논문명은 ‘Nanometre-precision terahertz interferometry for battery electrode metrology’이며, DOI는 10.1038/s41467-026-74193-8이다.

이번 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부 재원의 과학기술사업화진흥원, 대한민국 방위사업청의 지원을 받아 수행됐다.

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