KAIST 연구진이 배터리 나노 분석 과정에서 표면의 높낮이가 실제 이온 이동처럼 보이는 ‘가짜 신호’를 발생시킬 수 있다는 사실을 규명하고, 소재 표면을 평평하게 다듬어 측정 오류를 줄이는 방법을 제시했다.
KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 신소재공학과 육종민 교수 연구팀, 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀과 공동으로 배터리 나노 분석 과정에서 실제 이온 이동으로 오인될 수 있는 측정 오류의 발생 원인을 규명했다고 7일 밝혔다.
배터리는 충·방전 과정에서 리튬이나 나트륨 이온이 내부를 이동한다. 이온의 이동 속도와 원활한 정도는 배터리 성능과 수명에 영향을 미치기 때문에 이온이 어디로 이동하고 어느 지점에서 막히는지를 정확히 파악하는 것이 중요하다.
연구팀은 원자힘현미경(Atomic Force Microscope, AFM)을 기반으로 한 전기화학 변형 현미경(Electrochemical Strain Microscopy, ESM)에 주목했다. ESM은 작은 탐침으로 배터리 소재 표면을 훑으며 이온이 움직일 때 소재에서 발생하는 미세한 변화를 측정해 이온 이동을 간접적으로 파악하는 기술이다.
연구팀은 이온이 이동하지 않는 단결정 실리콘 표면에 미세한 홈을 만들어 표면 굴곡만 존재하는 환경에서 ESM 신호를 분석했다. 그 결과 표면의 높낮이가 변하면 현미경 탐침과 시료가 맞닿는 정도가 달라지고, 이 변화만으로도 실제 이온 이동과 유사한 신호가 발생한다는 사실을 정량적으로 확인했다.
실제 배터리 소재에서도 같은 현상이 나타났다. 연구팀이 흑연 음극과 나트륨 고체전해질(Na₂Zn₂TeO₆)을 분석한 결과 표면의 모양에 따라 ESM 신호가 달라지는 것으로 나타났다.
연구팀은 측정 오류를 줄이기 위해 배터리 소재의 표면을 최대한 평평하게 만드는 방법을 제시했다. 아르곤(Ar) 이온 빔으로 시료 단면을 정밀하게 다듬는 냉각식 단면 연마기(Cooling Cross-Section Polisher, CCP)를 사용한 결과 표면 거칠기가 줄어들면서 굴곡 때문에 발생하던 측정 오류도 감소했다.
특히 배터리 소재를 이루는 작은 결정들이 맞닿는 경계인 ‘입계(grain boundary)’에서 나타나는 신호도 분석했다. 표면을 평평하게 만들기 전에는 입계에서 ESM 신호가 강하게 나타났지만 표면을 다듬은 뒤에는 신호 증가가 사라졌다.
이는 기존에 이온이 잘 이동하는 통로로 해석될 수 있었던 일부 신호가 실제 이온 이동이 아닌 표면 높낮이 때문에 나타났을 가능성을 보여주는 결과다.
연구팀은 이번 분석 방법이 리튬이온전지는 물론 전고체전지와 나트륨이온전지 등 차세대 배터리 소재의 작동 원리를 파악하고 새로운 소재를 설계하는 데 활용될 것으로 기대하고 있다. 정확한 나노 분석 데이터가 축적되면 인공지능(AI)과 머신러닝 기반 배터리 소재 설계와 성능 예측을 위한 학습 데이터의 신뢰도를 높이는 데도 활용할 수 있다.
홍승범 교수는 “이번 연구는 배터리 소재를 나노 수준에서 분석할 때 표면의 높낮이가 측정 결과에 미치는 영향을 명확하게 밝혀낸 것”이라며 “배터리 속 이온의 움직임을 보다 정확하게 파악해 차세대 배터리 소재의 작동 원리를 이해하고 설계하는 데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구에는 신소재공학과 진동연(Dongyan Chen) 박사과정 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 재료과학 및 나노기술 분야 국제 학술지 ‘스몰 메서즈(Small Methods)’에 2026년 6월 11일 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단의 ‘AI 및 머신러닝과 자동화 시스템을 활용한 고성능 소듐 이온 배터리 풀셀 개발’과 ‘다각도-멀티스케일 데이터 융합형 리튬이차전지 설계 인공지능 플랫폼 개발’ 과제의 지원을 받아 수행됐다.
헬로티 이동재 기자 |
