KAIST 연구팀, 전기차 배터리 화재 막는 초정밀 검사기술 개발​

KAIST 연구팀, 전기차 배터리 화재 막는 초정밀 검사기술 개발

세계 최초의 나노급 초고속 비파괴 측정기술

한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 김영진 교수 연구팀이 전기차 배터리 화재를 예방하고 안전성을 높일 초정밀 검사기술을 개발했다. 열폭주의 원인이 될 수 있는 배터리 전극의 미세한 두께 불균일을 배터리를 뜯거나 손상시키지 않고도 머리카락 굵기의 약 1만분의 1 수준까지 구분하는 기술이다. 생산 단계에서 눈에 보이지 않는 불량을 미리 찾아내 배터리의 안전성과 품질을 높일 것으로 기대된다.

자료제공KAIST

2026년09월

리튬이온배터리의 전극은 두께가 아주 조금만 달라도 충·방전 과정에서 전류가 특정 부분에 집중돼 열이 발생할 수 있다. 이 열이 계속 쌓이면 열폭주(Thermal Runaway)가 일어날 수 있어, 배터리 제조 과정에서는 전극의 두께를 균일하게 관리하는 것이 매우 중요하다.

기존 검사기술인 ‘X선 CT’는 내부를 자세히 확인할 수는 있지만 검사 시간이 오래 걸려 빠른 생산라인에 적용하기 어렵다. ‘초음파 기반 음향현미경’은 시료에 액체를 접촉시켜야 하고, ‘레이저 변위센서’는 빠르게 측정할 수 있지만 전극 내부까지 정밀하게 분석하기 어려웠다.

배터리 손상 없이 내부를 정밀하게 분석

연구팀은 빛과 전파의 중간 영역에 있는 전자기파인 테라헤르츠파(THz)로 배터리 전극 내부의 정보를 얻고, 광주파수빗으로 이를 정밀하게 읽어내는 기술을 결합하여 리튬이온배터리 전극의 두께를 ‘비접촉·비파괴 방식’으로 미세한 두께 차이까지 측정할 수 있는 기술을 개발했다.

먼저 테라헤르츠파를 배터리 전극에 쏘아 내부에서 여러 번 반사되며 생기는 신호를 얻고, 광주파수빗을 기준으로 이 신호를 초정밀하게 분석해 전극의 두께를 계산했다. 이를 통해 배터리를 손상시키지 않고도 내부를 나노미터 수준까지 정밀하게 측정할 수 있었다.

이번 기술의 핵심은 테라헤르츠파가 전극의 앞면과 뒷면 사이를 여러 번 왕복하며 만들어내는 일정한 간격의 간섭무늬인 《파브리-페로(Fabry-Pérot) 간섭》을 이용한 것이다. 마치 자의 눈금을 읽어 길이를 재듯, 연구팀은 이 간섭무늬를 광주파수빗을 기준으로 정밀하게 분석해 전극의 두께를 계산했다. 그 결과, 별도의 보정(Calibration) 없이도 전극의 두께는 물론 복소 굴절률까지 한 번에 측정하는 데 성공했다.

연구팀은 사람 머리카락 한 올과 비슷한 두께인 50~150㎛의 배터리 전극을 대상으로 기술을 검증했다. 단 0.2초의 짧은 측정만으로도 머리카락 굵기의 약 1,400분의 1에 해당하는 미세한 두께 차이(음극 70.1㎛, 양극 465.5㎛)까지 측정했으며, 이는 빠르게 움직이는 배터리 생산라인에서도 활용할 수 있는 수준이다.

실제 배터리 생산라인에 적용 가능

한편, 측정 시간을 25.6초로 늘리자 정밀도는 더욱 높아졌다. 음극은 머리카락 굵기의 약 1만분의 1에 해당하는 7.8nm까지 구분할 수 있었고, 양극도 25.2nm까지 측정했다. 이는 기존 시간영역 분석 방식보다 최대 100배 높은 정밀도로, 눈으로는 전혀 확인할 수 없는 미세한 두께 차이까지 찾아낼 수 있는 수준이다.

이번 기술은 단순히 한 지점의 두께만 측정하는 데 그치지 않고, 전극 전체의 두께를 3차원으로 확인할 수 있다. 또한 생산 과정에서 두께가 조금씩 변하는 모습도 실시간으로 추적할 수 있으며, 전극이 약 45도 기울어진 상태에서도 정확하게 측정할 수 있어, 빠르게 움직이는 실제 배터리 생산라인에도 적용할 수 있음을 확인했다.

이번 연구는 배터리를 분해하거나 손상시키지 않고도 생산 과정에서 눈에 보이지 않는 미세한 불량을 찾아낼 수 있는 새로운 검사기술을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 앞으로 리튬이온배터리는 물론, 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 차세대 배터리인 전고체 배터리 생산공정에서도 불량을 조기에 찾아내 배터리의 안전성과 품질을 높이고, 더욱 안정적인 생산을 가능하게 하는 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다.