[더테크 이지영 기자]  전기차 배터리 화재의 주요 원인으로 꼽히는 전극 두께 불균일을 생산 단계에서 미리 찾아낼 수 있는 초정밀 비파괴 검사기술이 개발됐다. 배터리를 분해하지 않고도 머리카락 굵기의 약 1만분의 1 수준까지 두께 차이를 측정할 수 있어 차세대 전고체 배터리를 포함한 배터리 생산라인의 품질관리 기술로 활용될 전망이다.

KAIST는 기계공학과 김영진 교수 연구팀이 광주파수빗(Optical Frequency Comb)과 테라헤르츠파(THz)를 결합한 초정밀 측정기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

리튬이온배터리 전극은 충·방전 과정에서 전류가 흐르는 핵심 부품이다. 전극 두께가 미세하게 달라질 경우 특정 부위에 전류와 열이 집중되면서 열폭주(Thermal Runaway)가 발생할 수 있으며, 이는 배터리 화재와 폭발로 이어질 가능성을 높인다. 따라서 생산 과정에서 전극 두께를 균일하게 관리하는 것이 배터리 안전성과 직결된다.

하지만 기존 검사 방식은 생산현장 적용에 한계가 있었다. X선 CT는 내부 분석은 가능하지만 검사 시간이 길고, 초음파 방식은 시료와의 접촉이 필요하다. 레이저 변위센서는 빠른 측정이 가능하지만 전극 내부 구조를 정밀하게 분석하기 어렵다는 제약이 있었다.

연구팀은 테라헤르츠파를 전극 내부에 조사해 발생하는 반사 신호를 광주파수빗으로 정밀 분석하는 방식을 적용했다. 특히 전극 내부에서 반복적으로 발생하는 파브리-페로(Fabry-Pérot) 간섭 현상을 활용해 전극의 두께와 복소 굴절률을 동시에 계산하는 데 성공했다.

이번 기술은 별도의 보정 과정 없이도 나노미터 수준의 초정밀 측정이 가능하다는 점이 특징이다.

실험에서는 두께 50~150마이크로미터(㎛)의 배터리 전극을 대상으로 성능을 검증했다. 단 0.2초 만에 음극은 70.1나노미터, 양극은 465.5나노미터 수준의 두께 차이를 측정했으며, 측정 시간을 25.6초로 늘리자 음극은 7.8나노미터, 양극은 25.2나노미터까지 구분하는 데 성공했다. 이는 기존 시간영역 기반 측정기술보다 최대 100배 높은 정밀도다.

또한 이번 기술은 전극 한 지점이 아닌 전체 면적을 3차원으로 분석할 수 있으며, 생산 과정에서 발생하는 두께 변화를 실시간으로 추적할 수 있다. 전극이 약 45도 기울어진 상태에서도 정확한 측정이 가능해 실제 고속 생산라인에서도 활용 가능성을 확인했다.

연구팀은 이번 기술이 리튬이온배터리는 물론 차세대 전고체 배터리 생산공정에서도 미세 불량을 조기에 검출하는 핵심 검사기술로 활용될 것으로 기대하고 있다. 생산 단계에서 품질 편차를 줄이고 열폭주 위험을 낮춤으로써 전기차 배터리의 안전성과 신뢰성을 높이는 데 기여할 수 있을 것으로 전망된다.