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[IT뉴스]배터리 '가짜 신호' 잡는 나노 분석 기술 개발

온카뱅크관리자

2026-09-07 12:07:25

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 <img alt="왼쪽부터 최남순 KAIST 교수, 천둥옌 박사과정생, 홍승범 교수, 육종민 교수. KAIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202609/07/dongascience/20260907120153482ysew.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="fxvk4qyOnK" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202609/07/dongascience/20260907120153482ysew.jpg" width="658">
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 왼쪽부터 최남순 KAIST 교수, 천둥옌 박사과정생, 홍승범 교수, 육종민 교수. KAIST 제공
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 울퉁불퉁한 배터리 소재 표면을 평평하게 다듬어 '가짜 신호'를 줄일 수 있는 방법이 제시됐다. 리튬이온·전고체·나트륨이온전지 등 차세대 배터리 분석 정확도와 개발 신뢰도를 높이는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
   KAIST는 홍승범 신소재공학과 교수팀이 육종민 교수팀, 최남순 생명화학공학과 교수팀과 공동 연구를 통해 배터리 내 이온 이동으로 오인할 수 있는 측정 오류의 발생 원인을 규명하고 오인을 일으킨 가짜 신호를 줄이는 방법을 제시했다고 7일 밝혔다. 
 배터리가 충전과 방전을 반복하는 과정에서 리튬이나 나트륨 이온은 배터리 내부를 오간다. 이온이 얼마나 빠르고 원활하게 이동하는가가 배터리의 성능과 수명을 좌우한다. 더 좋은 배터리를 개발하려면 이온이 어디로 이동하고 어디에서 막히는지 정확하게 파악하는 것이 중요하다는 것이다.
 이온의 이동을 분석하는 기술 중 하나는 원자힘현미경(AFM)을 기반으로 한 전기화학 변형 현미경(ESM)이다. ESM은 매우 작은 탐침으로 나노 수준에서 배터리 소재 표면을 훑으면서 이온이 움직일 때 생기는 미세한 변화를 측정해 이온의 이동을 간접적으로 파악한다.  
 문제는 배터리 소재 표면이 울퉁불퉁하면 이온이 이동하지 않아도 이동한 것 같은 신호가 나타날 수 있다는 점이다. 연구팀은 배터리 내부에서 일어나는 현상을 잘못 해석하도록 유도하는 가짜 신호가 왜 발생하는지 확인하기 위해 이온은 움직이지 않고 표면만 울퉁불퉁한 실험 환경을 만들었다. 이온이 이동하지 않는 단결정 실리콘 표면에 미세한 홈을 만든 것이다. 
 실험 결과, 울퉁불퉁해 소재 표면의 높낮이가 변하면 현미경 탐침과 시료의 맞닿는 정도가 달라지고 이것만으로 이온 이동과 비슷한 신호가 발생한다는 사실이 정량적으로 확인됐다. 
 연구팀은 실제 배터리 소재에서도 가짜 신호를 확인했다. 흑연 음극과 나트륨 고체전해질(Na₂Zn₂TeO₆)을 분석한 결과, 표면 모양에 따라 ESM 신호가 달라졌다. 
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 KAIST 제공
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 연구팀은 가짜 신호 해결책으로 배터리 소재의 표면을 최대한 평평하게 만드는 방법을 제시했다. 아르곤 이온 빔을 이용해 시료 단면을 정밀하게 다듬는 냉각식 단면 연마기(CCCP)로 표면을 다듬은 결과, 배터리 소재의 표면 거칠기가 크게 줄면서 울퉁불퉁한 표면 때문에 발생하던 측정 오류가 효과적으로 감소했다. 
 연구팀은 배터리 소재를 이루는 작은 결정들이 서로 맞닿아 있는 경계인 ‘입계(grain boundary)’에서 나타나는 신호에 주목했다. 표면을 평평하게 만들기 전에는 입계에서 ESM 신호가 강하게 나타났지만 표면을 다듬은 뒤에는 신호 증가가 사라졌다. 이온 이동으로 해석됐던 일부 신호가 사실은 표면 높낮이 때문에 나타났을 가능성을 시사한다. 
 연구팀은 이번 연구가 충전 속도를 높이고 배터리 수명을 늘리는 소재를 설계하는 데 중요한 기초 정보가 될 것으로 보았다. 인공지능(AI)과 머신러닝을 이용해 새로운 배터리 소재를 설계하고 성능을 예측하는 연구에도 연구팀이 도출한 데이터가 학습 데이터로 활용될 수 있다.
 홍 교수는 “이번 연구는 배터리 소재를 나노 수준에서 분석해 표면의 높낮이가 측정 결과에 미치는 영향을 명확히 밝혀냈다"며 "배터리 속 이온의 움직임을 보다 정확하게 파악해 차세대 배터리 소재의 작동 원리를 이해하고 설계하는 데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘스몰 메서즈’에 지난 6월 11일 게재됐다. 
 &lt;참고 자료&gt;  doi.org/10.1002/smtd.70763
 [문세영 기자 moon09@donga.com]
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