국내 연구진이 극지나 심해, 우주 등 극한환경에서도 장기간 안정적으로 전력을 생산할 수 있는 ‘베타전지’(Beta voltaic battery)를 개발하는데 성공했다. 한국원자력연구원(원장 하재주)은 대구테크노파크 나노융합실용화센터, 한국전자통신연구원과 함께 지난 2012년부터 올해까지 진행 중인 산업부 산업융합원천기술개발사업의 일환으로, 극지·심해·우주 등 극한 환경에서도 장기간 전력생산이 가능한 베타전지를 공동 개발했다고 밝혔다. 자료 : 원자력연구원
[그림1] 원자력연구원이 개발한 베타전지
베타전지 장점 - 자체적 전력 생산·공급
베타전지는 태양·바람·연료 등의 외부 구동원이 필요없는 전력발전기다. 자체적으로 전력을 생산하여 공급할 수 있는 전지로, 장수명 구동원인 방사성동위원소가 자체 내장되어 있다. 극저온·고온·극지·심해·우주와 같은 극한환경에서 안정적으로 전력을 생산할 수 있으며, 수명이 50년 이상으로 매우 길어(Ni-63 반감기:100.1년) 별도의 충전 및 교체 없이 장기간 구동이 가능하다. 특히 단위질량 당 에너지밀도가 높아 적은 양으로 많은 양의 에너지를 생산할 수 있다.
연구진이 개발한 베타전지는 방사성동위원소인 Ni(니켈)-63 베타선원에서 방출되는 전자를 반도체에 충돌시켜 생성되는 전력을 사용하며, 별도의 충전 및 교체 없이도 전지의 수명이 50년 이상 유지된다. 또한, 단위 질량당 에너지밀도가 높아 적은 양으로 많은 양의 에너지를 생산해낼 수 있다. 따라서 인공심장 등 인체 삽입형 의료기기 분야에 활용할 경우 기존 기기의 수명을 5년에서 20년 이상으로 늘릴 수 있을 것으로 예상된다.
[그림2] 베타전지의 원리
시제품 완성… 추가기술 개발 중
베타전지는 원자력연구원의 Ni-63 베타선원 생산실증 및 반도체 정밀접합 기술, 대구테크노파크 나노융합실용화센터의 저전력 제어시스템, 한국전자통신연구원의 SiC 기반 고효율 에너지흡수체 등 각 참여기관별 우수 연구 성과 및 협력의 결과물이다. 연구진은 현재 시제품 제작을 완료한 데 이어, 출력전력을 보다 더 향상시키기 위한 추가기술을 개발하고 있다. 해외에서는 미국이 정부의 지원을 통해 오래전부터 베타전지 개발을 추진해왔으며, 러시아 또한 국영회사 ROSATOM(로사톰)을 통해 Ni-63 기반의 베타전지를 2년 내 생산할 것이라고 지난 2016년 밝힌 바 있다.
원자력연구원 동위원소연구부 손광재 책임연구원은 “방사성동위원소는 전통적으로 의료 및 산업응용 분야에 주로 활용되었으나, 이번 연구를 통해 활용분야를 첨단 에너지원으로까지 확대했다는 데 의미가 있다” 고 밝혔다. 사업을 총괄해온 이성호 대구테크노파크 팀장은 “상용화가 완성되면 초소형 전원, 특수목적용 저 전력원 등 분야에도 활용할 수 있을 것”이라며, “앞으로 상용화 기술개발을 위한 정부의 더욱 많은 관심과 지원을 희망한다”고 밝혔다.
한편, 이번 기술은 국내 최초로 방사성동위원소를 이용한 전력회수 실증 및 베타전지 핵심 원천기술을 확보했다는 점에서 의의를 찾을 수 있다. 또한, 향후 베타전지의 상용화를 위한 기반을 구축했으며, 기초 전력회수기술, 고효율 SiC 반도체 설계 및 제작기술, 고비방사능Ni-63 선원 제조기술 및 베타전지 제작 기반시설 등의 구축을 완료했다고 볼 수 있다.
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