핵심 요약

펄스 레이저로 초음파를 발생시키고 레이저 도플러 진동계(Laser Doppler Vibrometer, LDV)로 표면 응답을 수신하면 접촉 매질 없이 동적 변화를 관찰할 수 있습니다. 2026년 7월 연구는 이 신호와 학습 모델을 결합해 상용 셀의 상태를 추정했습니다.[1] 직접 측정값은 표면 운동, 상태값은 모델의 추정 결과입니다. 셀과 환경이 바뀌어도 이 관계가 유지되는지 확인해야 합니다.

1. 왜 지금 주목해야 하는가

배터리에 센서를 직접 부착하지 않고, 레이저를 이용해 충전 상태와 열화 정도를 살펴보는 연구가 진행되고 있습니다. Lv 등의 연구에서는 배터리 표면에 레이저 빛을 고리 모양으로 짧게 조사해 초음파를 발생시키고, 별도의 레이저 도플러 진동계(LDV)로 표면의 미세한 진동을 측정했습니다. 쉽게 말해, 하나의 레이저는 초음파를 만들고, 다른 하나는 배터리 표면이 어떻게 움직이는지 관찰하는 방식입니다.[1] 2026년 발표된 종설에서도 초음파를 활용한 배터리 상태 감시와 손상 검출 연구가 정리되었습니다.[2] 다만, 측정 신호가 달라졌다고 해서 배터리의 충전 상태나 열화 정도가 달라졌다고 바로 판단할 수는 없습니다. 배터리 온도나 고정 방법이 달라져도 신호가 변할 수 있기 때문입니다. 예를 들어 충전 상태가 같은 배터리라도 온도가 다르다면, 두 신호의 차이를 충전 상태의 차이로 해석해서는 안 됩니다.

따라서 실제 적용에서는 “신호가 달라졌는가”뿐 아니라 “무엇 때문에 달라졌는가”를 확인해야 합니다. 또한 한 배터리에서 확인한 신호와 상태의 관계가 다른 배터리에서도 유지되는지 검증해야 합니다. 이러한 과정을 거쳐야 레이저로 측정한 진동 신호를 배터리 상태 추정에 활용할 수 있습니다.

2. 측정 대상과 기술적 문제

충전상태(State of Charge, SoC)는 정한 용량 기준에 대한 충전 수준이며, 건강상태(State of Health, SoH)는 정한 기준에 대한 열화 상태입니다. 초음파 응답에는 내부 층과 계면뿐 아니라 온도, 구속, 조사 위치의 영향도 섞일 수 있습니다[2,3]. 따라서 지표의 정의와 기준값 산출법을 시험 전에 정합니다.

표 1. 측정값, 추정값, 기준값의 구분

3. LDV 적용 원리

그림 1. 가진, 수신, 상태 추정의 역할 구분

도달시간, 진폭, 주파수 및 감쇠 특징을 검토할 수 있습니다. 아래 식은 전파 경로와 모드가 정의된 경우에만 적용합니다.

c: 해당 모드의 전파속도 [m/s] 

L: 전파 경로 길이 [m]

Δt: 계측 지연을 보정한 전파 시간차 [s]

※여러 층과 반사 경로가 겹치는 셀에서는 첫 피크 간격을 두께 방향의 단일 파속으로 환산하지 않습니다. LDV가 읽는 표면 진동 속도와 위 식의 초음파 전파속도도 서로 다른 물리량입니다.[2,3]

4. 시험 및 측정 구성

표 2. 공개 연구 결과와 추가 확인 항목

현장 구성 | 공통 시간축과 반복 위치부터 확보

표 3. 측정 구성의 실무 확인 항목

5. 데이터 처리와 결과 해석

그림 2. 전처리와 검증의 권장 순서

1. 시간 정렬: 피크를 모두 강제로 겹치면 상태에 따른 실제 전파시간 차이도 없어질 수 있습니다. 계측계의 시간 오차와 분석할 물리적 지연을 구분합니다.
2. 학습 데이터: 같은 셀에서 잘라낸 파형을 무작위로 나누는 대신, 셀 단위의 독립성을 먼저 확보합니다. 파형 개수와 독립 셀 개수는 별도로 보고합니다.
3. 성능 해석: 전이학습은 새 조건에 대한 추가 학습을 포함할 수 있습니다.[1] 추가 학습 전후 성능을 분리하고, 연구의 평균 오차를 다른 화학계에 대한 무보정 성능으로 표현하지 않습니다.

실무 검증 제안 | 배터리 상태와 외란을 분리하는 대조 시험

파형 변화의 원인이 상태인지, 온도나 고정 조건인지 먼저 나눠 확인합니다. 아래 절차는 현장 적용을 위한 제안입니다.

A. 대조 시험 | 바꾸는 변수와 유지하는 조건을 명확히

표 4. 상태 변화와 외란을 분리하는 대조시험표

B. 열화 평가 | 같은 셀의 경시 변화와 셀 간 차이를 함께

같은 셀의 장기 추적으로 시간에 따른 변화를 보고, 별도 셀 집단 비교로 제조 차이와 사용 이력의 영향을 살핍니다. 새 셀과 노후 셀을 한 번씩 비교한 결과만으로 열화 영향을 분리하지 않습니다.

기준 용량과 임피던스의 측정 조건을 남기고, 결과 표에는 “용량 유지율 기준 SoH”처럼 정의를 적습니다. 서로 다른 SoH 정의의 오차 수치는 같은 기준처럼 비교하지 않습니다.

C. 학습 검증 | 셀을 나눈 뒤 전처리 규칙을 확정

그림 3. 평가 데이터가 학습에 섞이지 않도록 구성한 데이터 분리 흐름.

평가 데이터를 포함해 평균이나 정규화 계수를 다시 계산하지 않습니다. 학습 단계에서 확정한 처리 규칙을 적용하고, 새 셀에 추가 학습한 결과는 추가 학습 전 결과와 분리해 보고합니다.

D. 현장 판단 | 상태 추정과 측정 실패를 다른 결과로

표 5. 신호 유효성, 적용 범위, 상태 결과의 구분

최종 기록에는 셀 식별번호, 상태 기준값, 온도, 고정 조건, 표면 상태, 신호 품질, 전처리 버전, 추가 학습 여부를 연결합니다. 포장이나 형상이 바뀌면 측정 가능성과 모델 적용 가능성을 따로 재확인합니다.

6. 기존 측정 방식과의 비교

표 6. 측정 물리량과 적용과 한계

7. 오차 요인과 보완 방법

표 7. 오차와 대응의 짝지음

Cf. 접촉 매질을 없애도 모든 외란이 없어지는 것은 아닙니다.

8. 실무 적용 체크리스트

9. Optomet 및 G.U. 적용 관점

먼저 배터리 표면의 한 지점을 반복 측정해 신호가 안정적으로 재현되는지 확인합니다. 이후 위치별 응답을 비교할 필요가 있다면 SMART Scan+를 이용한 스캐닝 측정을 검토할 수 있습니다. SMART Lab은 신호의 동기 취득과 시간 및 주파수 분석에 활용할 수 있으며,[5,6] 필요한 측정 대역과 수신 감도는 실제 셀에서 얻은 파형을 바탕으로 선정합니다. 

배터리 상태를 추정하려면 LDV 외에도 초음파 발생용 펄스 레이저, 안전 차폐, 전기적 기준 계측, 상태 추정용 학습 모델을 별도로 검토해야 합니다.

당사와의 기술 검토에서는 셀 구조, 목표 상태 지표, 허용 가능한 표면처리와 레이저 가진 조건을 함께 확인하고, 이를 바탕으로 적용 목적에 맞는 측정 구성과 추가 검증 항목을 구체화할 수 있습니다.

10. 결론

비접촉 측정의 가치는 독립 검증으로 확인합니다.

재현 가능한 초음파 응답을 독립적인 상태 기준과 연결해야 합니다. 측정 신호, 상태 추정, 측정 실패를 구분하고, 셀과 환경이 바뀌는 조건까지 검증한 범위에서 결과를 활용합니다.

11. 참고문헌

[1] G. Lv 외, “Operando state monitoring of diversified lithium-ion batteries via laser-excited ultrasonic sensing with transformer networks,” Science Advances, vol. 12, no. 31, eaec5358, 2026. 

[2] S. Montoya-Bedoya, T. M. McGee, J. S. Lee, S. Litvinov, O. A. Ezekoye, D. P. Finegan, M. R. Haberman, “Review of ultrasonic methods for monitoring, damage detection, and processing of lithium-ion batteries throughout their life cycle,” The Journal of the Acoustical Society of America, vol. 160, no. 1, pp. 448–492, 2026.

[3] X. Li, C. Wu, C. Fu, S. Zheng, J. Tian, “State Characterization of Lithium-Ion Battery Based on Ultrasonic Guided Wave Scanning,” Energies, vol. 15, no. 16, 6027, 2022.

[4] T. Hamann, A. Knight, Y. Sha, J. S. Ko, “Multimodal Assessment of Battery Aging by Coupling Ultrasound and Impedance Signatures,” ACS Applied Energy Materials, vol. 8, no. 20, pp. 15051–15058, 2025.

[5] Optomet GmbH, “SMART Scan+,” 공식 제품 페이지.

[6] Optomet GmbH, “SMART Lab Software,” 공식 소프트웨어 페이지.