KAIST, 배터리 화재 막을 비파괴 초정밀 검사기술 개발

머리카락 1만분의 1 두께까지 측정 가능, 비접촉·비파괴 방식

전기차·전고체 배터리 품질관리 향상 기대…국제학술지 게재

[대전=뉴시스] KAIST 기계공학과 김영진 교수팀이 배터리를 뜯지 않고도 전극의 아주 작은 두께 차이를 확인할 수 있는 나노미터 비파괴 측정 기술을 개발했다. 사진은 연구 개요도.(사진=KAIST 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 전기차 배터리 화재의 주원인인 전극의 미세한 두께 불균일을 머리카락 굵기의 1만분의 1까지 찾아내는 초정밀 비파괴 검사기술을 개발했다.

한국과학기술원(카이스트·KAIST)는 기계공학과 김영진 교수팀이 테라헤르츠파와 광주파수빗(Optical Frequency Comb) 기술을 결합해 리튬이온배터리 전극 두께를 나노미터(㎚) 수준까지 측정하는 비접촉·비파괴 검사기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

리튬이온배터리 전극은 전기가 흐르는 핵심 부품으로 두께가 조금만 달라도 특정 부위에 전류와 열이 집중돼 '열폭주(Thermal Runaway)'가 발생할 수 있다. 열폭주는 내부 온도가 급격히 상승해 화재나 폭발로 이어지는 현상으로 제조과정에서 전극 두께를 균일하게 관리하는 것이 핵심이다.

하지만 기존 X선 CT는 검사시간이 길고 초음파 방식은 시료를 액체에 접촉해야 했다. 또 레이저 변위센서는 빠르지만 전극 내부를 나노미터 수준으로 분석키 어려워 생산라인 적용에 한계가 있었다.

이번에 김 교수팀은 빛과 전파의 중간 영역인 테라헤르츠파의 높은 투과성과 광주파수빗의 측정 정확성을 결합해 기존 문제를 해결했다.

연구팀은 테라헤르츠파가 전극 내부에서 여러 번 반사되며 만드는 '파브리-페로(Fabry-Pérot) 간섭'을 광주파수빗으로 정밀 분석해 전극 두께와 소재의 광학특성을 별도 보정없이 동시에 측정하는 데 성공했다.

성능 검증 결과, 50~150㎛ 두께의 전극을 0.2초 만에 측정해 음극은 70.1㎚, 양극은 465.5㎚의 미세한 두께 차이를 구분했다.

특히 측정 시간을 25.6초로 늘리면 음극은 7.8㎚, 양극은 25.2㎚까지 측정해 머리카락 굵기의 약 1만분의 1 수준까지 구분할 수 있었다. 이는 기존 시간영역 분석 방식보다 최대 100배 높은 정밀도다.

전극이 약 45도 기울어진 상태에서도 정확한 측정이 가능해 실제 생산라인 적용 가능성도 높다.

리튬이온배터리는 물론 전고체 배터리 생산공정의 실시간 품질관리와 정밀 두께관리가 필요한 다양한 첨단 제조분야에 활용가능한 이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난달 10일 게재됐다.

김영진 교수는 "이 기술은 생산라인에서 전극의 미세한 불량을 실시간으로 검출할 수 있는 초정밀 비파괴 검사기술"이라며 "배터리의 안전성과 품질을 높이고 차세대 배터리 제조공정의 핵심 품질관리 기술로 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.


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