건식 후막 전극의 이온 전달 한계 극복을 위한 마이크로니들 기반 비파괴 구조화 기술 개발

- 기계연, 활물질 손실을 최소화하면서 후막 전극 내부에 수직 미세채널을 형성하는 비파괴 구조화 기술 개발 -

- 전해질 침투성과 리튬이온 전달 경로 개선을 통해 건식 후막 전극의 성능 저하 문제 완화 기대 -

- 유연 마이크로니들 시트와 가압롤을 결합해 롤투롤 연속 공정 적용 가능성 기초 검증 -

□ 전극 물질 손실 없이 건식 후막 전극 내부에 이온 이동 통로를 형성해 배터리 성능을 높일 수 있는 비파괴 구조화 기술이 개발됐다. 두꺼운 전극 내부에 정밀한 수직 미세채널을 형성함으로써 전해질의 빠르고 균일한 침투를 유도하고, 두께 방향 리튬이온 이동 한계를 개선할 수 있어 고에너지밀도 배터리와 차세대 건식 전극 공정의 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다.

* 후막 전극(Thick Electrode): 두껍게 제조된 전극으로, 고에너지 밀도 배터리 구현에 유리하지만, 전극 내부로 전해질이 충분히 침투하기 어렵고, 이온 이동이 제한되어 성능 저하가 발생.

(왼쪽부터) 한국기계연구원 이차전지장비연구실 우규희, 권신 책임연구원(교신저자), 송성근 학생연구원(1저자), 신승우 박사후연구원(공동연구)

□ 한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연) 나노융합연구본부 이차전지장비연구실 우규희 책임연구원·권신 책임연구원 연구팀은 건식 후막 전극 내부에 수직 정렬 미세채널을 형성하는 ‘마이크로니들 기반 비파괴 구조화 기술’을 개발했다. 용매를 사용하지 않는 건식 공정으로 제조한 후막 전극에 자체 설계·제작한 마이크로니들 가압 장치를 적용해, 활물질 손실 없이 전극 내부에 정밀한 이온 이동 통로를 구현한 기술이다.

한국기계연구원 나노융합연구본부 이차전지장비연구실 우규희 책임연구원 연구팀

□ 기존 전극 구조화 기술은 주로 레이저 가공을 통해 전극 내부에 채널을 형성하는 방식이 활용돼 왔다. 그러나 레이저 가공 과정에서 활물질 제거와 열 손상이 발생할 수 있어 전극 성능 저하와 구조적 불안정성 문제가 지속적으로 제기됐다. 특히 레이저 기반 구조화 공정에서는 전극 물질 손실이 약 3~30% 이상 발생할 수 있어 고에너지밀도 전극 구현에 한계가 있었다.

□ 반면, 연구팀이 개발한 기술은 미세 바늘 구조의 마이크로니들을 활용해 전극 내부를 비파괴적으로 구조화하는 방식으로, 활물질 손실과 열 영향 없이 수직 미세채널을 형성할 수 있다. 원하는 깊이와 밀도의 채널을 대면적으로 정밀하게 구현할 수 있을 뿐 아니라, 균열이나 박리 없이 전극의 구조화를 안정적으로 수행할 수 있다는 점이 특징이다.

후막 전극 구조화를 위한 마이크로니들 기반 프레스 툴

□ 연구팀은 마이크로니들과 전극 간 접촉 조건에 따른 구조 형성 거동을 분석해, 전극 표면의 균일성과 공정 재현성을 확보할 수 있는 구조화 조건을 도출했다. 이를 통해 후속 셀 조립 공정에서 발생할 수 있는 압력 불균일, 분리막 변형, 국부 단락 위험 등을 저감할 수 있음을 확인했다.

후막 전극 구조화 효과 모식도

□ 미세채널이 형성된 구조화 전극은 전해질이 전극 내부까지 빠르고 균일하게 침투하면서 전극 전체에서 보다 고른 전기화학 반응이 가능함을 확인했다. 그 결과 리튬이온 이동이 원활해졌으며, 높은 면적당 용량과 함께 반복 충·방전 이후에도 90% 이상의 용량 유지율을 나타냈다.

□ 이어 연구팀은 임프린팅 공정을 통해 유연한 대면적 마이크로니들 시트를 제작하고, 이를 가압롤 표면에 적용해 구조화 기술의 롤투롤 연속 공정 적용 가능성을 기초적으로 검증했다. 이번 결과는 마이크로니들 기반 구조화 기술이 향후 롤투롤 기반 건식 후막 전극 양산 공정과 연계되어, 향후 양산형 연속 구조화 공정으로 확장될 가능성을 보여준다.

마이크로니들 기반 천공 구조화의 밀도 제어에 따른 후막 전극의 비파괴적 형상 진화 및 전해액 침투성·전기화학 성능 향상

□ 기계연 우규희 책임연구원은 “이번 연구는 건식 후막 전극 내부에 안정적인 이온 이동 통로를 활물질 손실이 거의 없는 비파괴 방식으로 형성함으로써, 두꺼운 전극에서 발생하는 성능 저하 문제를 구조화 엔지니어링 관점에서 해결할 수 있음을 보여줬다는 데 의미가 있다”며, “향후 최적 구조 설계와 롤투롤 기반 장기 연속 공정 기술을 고도화해 차세대 고에너지밀도 배터리 제조 공정에 적용해 나갈 계획”이라고 밝혔다.

마이크로니들 기반 건식 후막 전극 비파괴 구조화 기술 전체 개념도

□ 한편, 본 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 국가전략소재기술개발사업과 국가과학기술연구회(NST) 글로벌탑연구단 사업의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구 성과는 에너지 저장 소재 및 차세대 배터리 분야 상위 5% 국제학술지인 「Energy Storage Materials(IF 20.2)」에 게재 승인됐다.

* 논문명: Microneedle-Assisted Non-Destructive and Scalable Structural Engineering for High-Performance Dry-Processed Thick Electrodes, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.105123

「Energy Storage Materials(IF 20.2)」 게재 승인 논문