전기硏, 우주탐사선 원자력전지 핵심기술 개발

'고효율 적층형 열전발전소자’ 개발…독일항공우주연구원에서 성능 검증

한국전기연구원이 원자력전지의 성능을 높일 수 있는 '고효율 적층형 열전발전소자’를 개발했다. 사진은 다양한 형태의 적층형 열전발전소자. [사진=KERI]

[아이뉴스24 최상국 기자] 한국전기연구원(KERI)이 우주탐사선의 핵심 전력원인 원자력전지의 성능을 높일 수 있는 원천기술을 개발했다.

한국전기연구원은 박수동·류병기·정재환 박사팀이 원자력전지의 성능을 높일 수 있는 '고효율 적층형 열전발전소자’를 개발하고, 최근 독일항공우주연구원의 검증까지 받는데 성공했다고 밝혔다.

원자력전지는 방사선 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기로, 우주 탐사선, 탐사로버 등 전력원으로 사용되는 ‘방사성동위원소 열전발전기(RTG)’가 대표적이다. 방사성동위원소(플루토늄-238, 아메리슘-241 등)는 밀폐용기 내에서 스스로 붕괴되며 섭씨 400~700도가 넘는 높은 열을 발생한다. 원자력전지는 이 높은 열과 우주의 낮은 온도 차이를 이용해 전기를 만들어 내는 원리(열전발전)를 이용한다.

원자력전지의 성능은 방사성 동위원소를 이용한 ‘발열체’와 이 열을 이용해 전기를 생산하는 ‘열전발전소자’에 의해 좌우된다. 이 중 열전발전소자 기술은 KERI를 중심으로 우리나라가 국제적인 경쟁력을 가진 것으로 평가되고 있다.

KERI 연구진은 학계에서 열전발전 효율성을 입증하는 기존 지표였던 ‘열전성능지수(ZT)’의 오류와 한계를 밝히고, 정확한 데이터를 산출할 수 있는 ‘신 열전효율 공식’을 개발해 지난 2020년 국제학술지 'Applied Physics Letters'에 발표한 바 있다. 연구팀은 이 논문에서 열전성능지수(ZT)가 작아도 오히려 효율이 높아지는 현상을 찾아내 기존 방정식의 오류를 입증했다.

원자력전지는 저온부터 고온까지 각 온도대에서 최고 성능을 나타내는 열전반도체들을 겹겹이 쌓아서 만든다. 열전반도체 물질의 성능이 온도에 따라 다르기 때문에 온도 분포에 맞게 최고 성능의 반도체를 배치하는 것이 매우 중요하기 때문이다.

KERI 연구진이 이번에 개발한 기술은 새로운 열전효율공식과 연구소가 보유한 열전 적층 설계 프로그램을 이용해 이러한 온도 분포를 세계최고 수준으로 분석하고, 이를 기반으로 최적의 ‘적층형 열전발전소자’를 설계·합성한 것이다. 연구진은 이 기술이 수백만 개 이상의 열전반도체 적층 조합 예측이 가능하며 설계·탐색 시간도 수백 배 이상 빠르다고 밝혔다.

연구진은 이 기술을 이용해 설계된 적층형 열전발전소자를 실제로 합성하고, 실험을 통해 섭씨 500도 이상의 조건에서 기존 단일방식 소자보다 효율이 무려 3%이상 높은 것을 확인했다. 또한 수 밀리미터(mm) 높이에서 2~4층의 적층을 가능하게 하는 소자의 설계·합성 기술까지 확보함으로써 높은 효율과 소형경량화를 통해 소형 위성, 탐색 로버 등의 보조전원에도 적용할 수 있게 개발했다.

]한국전기연구원 (왼쪽부터) 류병기·정재환·박수동 박사팀이 원자력전지의 성능을 높일 수 있는 '고효율 적층형 열전발전소자’를 개발했다. [사진=KERI]

KERI는 독일항공우주연구원과의 공동연구로 성능 검증까지 마쳤다. KERI와 독일항공우주연구원은 ‘소자’ 단위로 범위를 넓힌 이번 성과를 활용해 다른 물질계를 활용한 ‘하이브리드형 적층 복합 열전발전소자’를 함께 개발하기로 하는 등 협력 관계를 강화하고 있다.

연구책임자인 박수동 박사는 지난 9월 말 독일 드레스덴에서 열린 ‘한-독 열전발전 워크숍’에서 현지 기업들을 대상으로 관련 기술을 소개하고, 호평을 받았다. 독일항공우주연구원 쾰른 재료연구소의 열전기능물질 연구부 파벨 치올콥스키(Pawel Ziolkowski) 부부장은 “신개념 열전방정식이 적용된 소자가 원자력전지의 성능을 크게 높이고, 인류의 우주 탐사 영역을 넓히는 데 기여할 것”이라고 전했다.

박수동 박사는 “KERI는 국내에서 처음으로 열전발전 연구를 수행한 기관으로 오랜 역사와 풍부한 원천 기술, 실용화 데이터를 보유하고 있다”라며 “이번 성과는 재료과학에 수학과 물리학까지 도입된 융합연구의 결정체”라고 자랑했다.

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)