방사성동위원소를 활용해 충전·교체 없이 50년 이상 전력을 생산할 수 있는 ‘베타전지’가 국내 최초로 실증됐다. 햇빛이 닿지 않고 사람이 접근하기 어려운 우주, 심해, 극지 등 극한 환경에서 쓰이는 원격 센서에 장기간 전력을 공급하는 기술로 활용될 것으로 기대된다.

한국전기연구원은 서재화 차세대반도체연구센터 선임연구원 연구팀이 윤영준 국립경국대 교수 팀과 함께 탄화규소(SiC) 반도체 기반 베타전지를 제작하고 실제 방사성 물질을 이용한 성능 검증에 성공했다고 26일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘인터내셔널 저널 오브 에너지 리서치’에 3월 29일 게재됐다.

베타전지는 방사성 물질이 붕괴할 때 방출하는 전자 흐름인 ‘베타선’을 반도체가 흡수해 전기로 바꾸는 장치다. 태양전지가 햇빛을 에너지원으로 사용하는 것과 유사한 원리다. 베타전지는 방사성 물질을 이용해 햇빛이 닿지 않는 우주나 심해 등에서도 날씨와 온도에 무관하게 전력을 생산할 수 있다.

기존 베타전지 기술은 전기에너지를 모으는 효율이 낮다. 또 국내에는 방사성 물질을 안전하게 다루며 성능을 측정할 수 있는 기반 시설이 부족해 기술 실증에 어려움이 있다.

연구팀은 고온과 강한 방사선을 견디는 성능이 기존 실리콘보다 뛰어난 ‘탄화규소’를 핵심 소재로 사용했다. 베타선이 전하를 효율적으로 생성할 수 있도록 전기 생성 효율을 극대화한 반도체 구조를 설계했다.

실제 방사성 기술 실증에는 베타선을 방출하는 방사성동위원소 ‘니켈-63’이 사용됐다. 니켈-63의 반감기는 약 100년으로 방사선 세기가 매우 천천히 감소한다.

연구팀은 안전 기준을 통과한 니켈-63을 확보하고 국내 최초로 베타전지 전용 측정 설비를 구축했다. 실제 전력 생산 여부를 시험한 결과 활성면적 환산 기준 1cm²당 약 160μW(마이크로와트·1μW는 100만분의 1W)의 전력이 생성됐다. 국내 보고된 실험 결과보다 6만 배 이상 향상된 출력 성능이다.

연구팀은 생성된 전기로 저전력 유기발광다이오드(LED)를 밝히는 시제품을 제작했다. 방사성 물질을 반도체 표면에 빈틈없이 얇고 균일하게 입히는 이상적인 조건을 적용하면 기존 국내 기본 전지 1개당 출력 목표치와 비교해 전력이 4200배 이상 생성될 수 있다는 점도 확인했다.

니켈-63의 반감기를 고려해 적은 전력을 사용하는 장치라면 전지를 교체하지 않고 50년 이상 가동할 수 있으며 이론적으로는 최대 100년까지 작동할 수 있는 에너지 규모라는 설명이다. 향후 전지 크기를 키우고 여러 셀을 쌓는 집적화 공정을 적용하면 출력이 더 높아질 것으로 기대했다.

인공지능(AI)을 활용한 설계 최적화 기술도 개발했다. 연구팀은 베타전지의 출력·전압을 98∼99% 정확도로 예측하는 모델을 구축했다.

우주 방사선 환경을 본뜬 상태에서의 내구성 실험도 진행했다. 15MeV(메가전자볼트)급 고에너지 양성자를 전자에 직접 조사했을 때의 성능 유지력을 수치화해 실제 우주 임무에 적용하기 위한 데이터를 확보했다. 전자볼트는 광자, 전자 등 입자가 갖는 에너지를 뜻한다. 15MeV는 우주에서 탐사선에 쉴 새 없이 쏟아지는 ‘방사선 폭우’를 맨몸으로 견뎌내는 것과 같은 극한의 환경이다.

서 선임연구원은 “베타전지는 사람의 접근이 어려운 곳에서 수십 년 동안 정비 없이 작은 전력을 꾸준히 공급하는 초장수명 전원”이라며 “국방 무인 감시 센서나 우주·심해 비상 신호기를 50년 이상 스스로 작동하게 하는 핵심 동력이 될 것”이라고 말했다.

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