충전 없이 50년 이상 전기 생산…KERI, 국내 최초 SiC 베타전지 실증
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충전 없이 50년 이상 전기 생산…KERI, 국내 최초 SiC 베타전지 실증
충전기나 햇빛 없이도 수십 년 동안 전력을 생산할 수 있는 차세대 전지 기술이 국내에서 실증됐다.
한국전기연구원(KERI) 차세대반도체연구센터 서재화 박사 연구팀과 국립경국대학교 윤영준 교수 연구팀은 탄화규소(SiC) 반도체 기반 베타전지를 개발하고, 실제 방사성 물질을 이용한 전력 생산에 성공했다고 발표했다.
이번 연구는 국내 베타전지 기술이 소자 설계와 시뮬레이션 단계를 넘어 실제 작동을 확인하는 실증 단계로 발전했다는 점에서 주목받고 있다.
베타전지란 무엇인가
베타전지는 방사성 동위원소가 붕괴하면서 방출하는 전자인 베타선을 반도체가 흡수해 전기에너지로 바꾸는 전원 장치다.
태양전지가 햇빛을 받아 전기를 만드는 것과 구조적으로 비슷하지만, 베타전지는 태양광 대신 방사성 물질에서 나오는 에너지를 사용한다.
방사성 동위원소는 오랜 기간 일정하게 붕괴하기 때문에 외부 전원이나 충전 장치가 없어도 지속해서 소량의 전력을 생산할 수 있다.
이러한 특징 때문에 베타전지는 높은 출력을 순간적으로 사용하는 일반 배터리보다, 적은 전력을 수십 년간 안정적으로 공급해야 하는 장비에 적합하다.
SiC 반도체를 사용한 이유
연구진은 베타선을 전기로 변환하는 핵심 반도체 소재로 탄화규소, 즉 SiC를 사용했다.
SiC 반도체는 기존 실리콘 반도체보다 고온과 방사선에 대한 내성이 뛰어나다. 온도 변화가 심하거나 방사선에 지속해서 노출되는 우주, 원전, 심해 및 국방 환경에 적합한 소재로 평가된다.
연구팀은 전하 수집과 전기 변환 효율을 높이기 위해 SiC 반도체에 p-i-n 다이오드 구조를 적용했다. 이를 통해 국내 기술로 베타전지의 핵심 원천 소자를 설계하고 제작했다.
실제 방사성 물질로 전력 생산 성공
이번 연구의 핵심은 실제 방사성 동위원소를 사용해 전력을 생산했다는 점이다.
연구진은 니켈-63에서 나오는 베타선을 SiC 반도체가 흡수하도록 설계하고, 생산된 전기로 LED를 구동하는 데 성공했다.
니켈-63은 반감기가 약 100년인 방사성 동위원소다. 연구진은 이러한 특성을 이용하면 전지 교체나 외부 충전 없이 50년 이상 전력을 공급할 수 있으며, 이론적으로는 최대 100년 가까이 작동할 가능성도 있다고 설명했다.
출력 성능은 어느 정도일까
연구팀은 방사성 물질을 반도체 표면에 얇고 균일하게 도포할 경우 1㎠당 0.85밀리와트의 출력밀도를 확보할 수 있을 것으로 분석했다.
단위 셀 기준으로는 20마이크로와트 이상의 전력 생산이 가능할 것으로 전망됐다. 이는 기존 국내 단위 셀 출력 목표보다 약 4,200배 높은 수준이다.
다만 마이크로와트급 출력은 스마트폰이나 전기차처럼 많은 전력이 필요한 제품을 작동시키기에는 부족하다.
베타전지의 경쟁력은 높은 출력이 아니라 극소량의 전력을 장기간 끊김 없이 공급할 수 있다는 데 있다. 전지 면적을 확대하고 여러 개의 셀을 쌓는 집적화 기술을 적용하면 활용 범위를 넓힐 수 있다.
어디에 사용될 수 있을까
SiC 베타전지는 사람이 접근하기 어렵거나 배터리를 교체하기 힘든 환경에서 활용될 가능성이 높다.
우주 탐사선과 인공위성
우주에서는 태양광이 부족하거나 장기간 그늘에 놓이는 상황이 발생할 수 있다. 베타전지는 외부 환경과 관계없이 센서와 통신장비에 전력을 공급할 수 있다.
심해와 극지방 관측장비
깊은 바닷속이나 극지방에 설치한 센서는 배터리를 교체하기 어렵다. 수십 년간 작동하는 전원이 적용되면 유지·관리 비용을 줄일 수 있다.
국방 감시 센서
외딴 지역이나 지하에 설치되는 감시 센서와 비상 신호기는 장기간 안정적으로 전력을 공급받아야 한다.
원전 내부 감시장치
고온과 방사선 환경에 견디는 SiC 반도체의 특성을 활용하면 원전 내부의 초저전력 센서에 적용할 가능성이 있다.
초저전력 의료기기
안전성과 소형화가 충분히 검증되면 장기간 작동해야 하는 일부 의료 센서 분야에서도 활용 가능성이 검토될 수 있다.
방사성 물질 사용은 안전할까
베타전지는 방사성 물질을 이용하므로 일반 화학전지보다 엄격한 안전관리 기준이 필요하다.
베타선은 투과력이 상대적으로 약하지만, 방사성 동위원소가 외부로 유출되지 않도록 밀봉하고 차폐해야 한다. 제조와 운송, 사용 및 폐기 과정에 대한 법적 기준과 안전성 검증도 필요하다.
따라서 이번 실증 성공이 일반 소비자용 제품의 즉시 출시를 의미하는 것은 아니다.
상용화를 위해서는 출력 향상, 소형화, 셀 집적화, 장기간 내구성 검증, 방사성 물질 안전관리 및 경제성 확보가 추가로 진행돼야 한다.
AI 예측 모델로 개발기간 단축
공동 연구팀은 베타전지의 성능을 예측하는 인공지능 모델도 개발했다.
이 모델은 전지의 출력과 전압을 약 98~99% 정확도로 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 연구진은 AI 예측 기술을 활용하면 다양한 소자 구조를 모두 제작하지 않고도 성능을 미리 분석해 개발기간과 비용을 줄일 수 있을 것으로 보고 있다.
국내 초장수명 전원 기술의 의미
베타전지는 단기간에 스마트폰 배터리를 대체할 기술은 아니다.
그러나 한 번 설치한 뒤 수십 년 동안 관리하기 어려운 우주·국방·심해·극지·원전 장비에서는 매우 중요한 전원 기술이 될 수 있다.
이번 성과는 국내 연구진이 SiC 반도체 기반 베타전지의 핵심 소자를 자체 개발하고, 실제 전력 생산까지 검증했다는 데 의미가 있다.
향후 출력과 안전성이 개선되고 여러 셀을 결합하는 집적화 기술이 확보된다면 해외 초장수명 전원 제품과 경쟁할 수 있는 국내 기술로 발전할 가능성이 있다.
한국전기연구원 공식 홈페이지
https://link.coupang.com/a/fwOqX956Qe
이 글은 공개된 보도자료와 언론 보도를 참고해 이해하기 쉽게 재구성한 정보성 콘텐츠입니다. 원문을 그대로 옮기지 않았으며, 연구 결과와 상용화 가능성 및 실제 제품의 성능은 향후 추가 연구와 검증 과정에서 달라질 수 있습니다.
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