[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 홍승범·육종민 교수와 생명화학공학과 최남순 교수 공동 연구팀이 배터리 내부 이온 이동을 분석하는 과정에서 발생하는 측정 오류의 원인을 밝히고 이를 줄이는 방법을 개발했다고 7일 밝혔다.

연구팀은 원자힘현미경(AFM) 기반의 전기화학 변형 현미경(ESM) 분석에서 배터리 소재 표면의 굴곡이 실제 이온 이동과 비슷한 신호를 만들어낸다는 사실을 확인했다. ESM은 탐침으로 소재 표면을 훑으며 이온 이동에 따른 미세한 변형을 측정해 이온의 이동 경로를 간접적으로 파악하는 기술이다.

연구팀은 이온이 이동하지 않는 단결정 실리콘 표면에 인위적으로 미세한 홈을 만들어 실험했다. 그 결과 표면의 높낮이 변화만으로도 탐침과 시료의 접촉 정도가 달라지며 실제 이온 이동과 비슷한 신호가 나타나는 것을 정량적으로 확인했다. 같은 현상은 흑연 음극과 나트륨 고체전해질(Na2Zn2TeO6) 등 실제 배터리 소재에서도 동일하게 관찰됐다.

특히 소재 결정립계에서 강하게 나타나던 ESM 신호는 표면을 평탄하게 처리한 뒤 그 신호 증가 현상이 사라지는 것으로 나타났다. 이온이 잘 이동하는 통로로 해석되던 일부 신호가 실제로는 이온 이동이 아닌 표면 형상에 따른 측정 오류일 가능성을 보여주는 결과다.

연구팀은 이 같은 오류를 줄이는 방법으로 아르곤 이온 빔을 이용한 냉각식 단면 연마기(CCP)로 시료 표면을 평탄하게 가공하는 방식을 제시했다. 이 방법을 적용한 결과 표면 거칠기가 줄면서 측정 오류도 함께 감소했다.

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 박사과정 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 '스몰 메서즈'에 지난 6월 11일 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

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