전기차 배터리 화재의 핵심 원인인 ‘열폭주’를 생산 단계에서 원천 차단할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 김영진 교수 연구팀은 7월 23일, 배터리를 뜯거나 절단하지 않고도 전극 두께 불균일을 머리카락 굵기의 약 1만분의 1 수준까지 감지하는 비접촉·비파괴 초정밀 검사 기술을 공식 발표했다.
이 기술은 단순한 연구실 성과에 그치지 않는다. 고속 배터리 생산라인에서의 실시간 품질관리(QC) 적용을 전제로 설계됐다는 점에서, 전기차 안전 패러다임 자체를 바꿀 수 있는 ‘게임 체인저’로 주목받고 있다.
열폭주의 씨앗, 나노미터 단위 두께 불균일
리튬이온배터리의 전극은 전기가 흐르는 핵심 부품이다. 문제는 두께가 조금만 달라져도 충·방전 과정에서 전류가 특정 부위에 집중되고, 이로 인한 국소 발열이 반복되면 배터리 내부 온도가 급격히 치솟는 열폭주로 이어진다는 점이다.
배터리 전극의 두께는 사람 머리카락 한 올과 비슷한 50~150마이크로미터(㎛) 수준이다. 이 얇은 소재 안에 숨어 있는 수십 나노미터(nm) 단위의 불균일은 육안은 물론, 기존 검사 장비로도 잡아내기가 사실상 불가능했다. 기존 비파괴 검사로는 감지할 수 없는 결함이 완성된 전기차 배터리 속에 그대로 남겨져 온 것이다.
테라헤르츠파 + 광주파수빗, 100배 정밀도의 비밀
KAIST 연구팀이 선택한 무기는 테라헤르츠파(THz)와 광주파수빗(Optical Frequency Comb)의 결합이다. 테라헤르츠파를 전극에 쏘면 내부에서 여러 번 반사되며 파브리–페로(Fabry-Pérot) 간섭 패턴이 생긴다. 연구팀은 빛의 주파수를 일정 간격으로 나눈 ‘광학적 눈금자’인 광주파수빗을 기준으로 이 신호를 초정밀하게 분석해 전극의 두께와 복소 굴절률을 단일 측정으로 동시에 산출하는 데 성공했다.
성능은 두 가지 모드로 검증됐다. 고속 모드(0.2초 측정)에서는 음극 70.1나노미터, 양극 465.5나노미터의 두께 차이를 감지했다. 머리카락 굵기의 약 1,400분의 1에 해당하는 수치로, 빠르게 이동하는 생산라인에서도 충분히 활용 가능한 속도다. 고정밀 모드(25.6초 측정)에서는 음극 7.8나노미터, 양극 25.2나노미터까지 정밀도가 높아졌다. 이는 머리카락 굵기의 약 1만분의 1 수준이며, 기존 시간영역 테라헤르츠 검사 방식보다 최대 100배 높은 정밀도다.
전고체 배터리 시대까지 내다본 ‘통합 계측 플랫폼’
김영진 교수는 이번 기술을 “전극 두께와 소재 특성을 별도 보정 없이 동시에 측정할 수 있는 통합형 계측 플랫폼”으로 규정했다. 현재의 리튬이온배터리를 넘어 차세대 전고체 배터리 생산라인의 실시간 품질관리 핵심 기술로 활용될 것이라는 전망도 직접 밝혔다.
전고체 배터리는 전극과 고체 전해질의 계면 특성이 성능과 수명, 안전성을 좌우한다. 두께·굴절률을 비파괴로 동시에 측정하는 이 플랫폼은 전고체 시대의 필수 계측 인프라가 될 가능성이 높다. 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온 등 국내 배터리 3사가 전고체 배터리 양산을 향해 속도를 높이고 있는 현시점에서, 이번 기술의 산업적 의미는 더욱 크다.
전기차 배터리 화재는 두께 불균일 외에도 리튬 도금, 분리막 결함, 이물질 혼입 등 복합 요인이 작용한다. 때문에 이 기술은 단독 해법이 아닌, 기존 전기·전기화학적 검사와 함께 운용되는 고정밀 QC 축으로 자리잡을 전망이다. 결국 이번 KAIST의 성과는 전기차 배터리 품질관리의 기준선을 나노미터 단위로 끌어올린 기술적 전환점으로, 불량을 소비자가 아닌 공장에서 먼저 잡아내는 시대를 앞당길 핵심 동력이 될 것이다.
