우주탐사선 원자력전지 성능 높이는 '고효율 열전발전소자' 개발

한국전기연구원 "우주항공·국방 분야는 물론, 다양한 산업 활용"

(대전=연합뉴스) 정찬욱 기자 = 한국전기연구원(KERI)은 박수동·류병기·정재환 박사 연구팀이 우주 탐사선의 핵심인 원자력전지 성능을 높일 수 있는 '신 열전효율 공식 및 고효율 적층형 열전발전소자'를 개발했다고 16일 밝혔다.

이 기술은 산업부 지원으로 이뤄진 국제 공동연구를 통해 독일항공우주연구원 성능 검증을 받았다.

원자력전지는 방사선 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기로 우주 탐사선, 탐사 로버 등의 전력원으로 사용되는 '방사성동위원소 열전발전기'(RTG)가 대표적이다.

방사성동위원소(플루토늄-238, 아메리슘-241 등)는 밀폐용기 내에서 스스로 붕괴하며 섭씨 400∼700도가 넘는 높은 열을 발생한다.

원자력 전지는 이 높은 열과 우주의 낮은 온도 차이를 이용해 전기를 만들어 내는 원리(열전발전)를 이용한다.

방사성 동위원소를 이용한 '발열체'와 이 열을 이용해 전기를 생산하는 '열전발전 소자'가 핵심 기술이다.

원자력전지는 저온부터 고온까지 각 온도 대에서 최고 성능을 나타내는 열전반도체들이 적층 형태로 배열된 특징적 구성을 통해 구현된다.

연구팀은 이러한 온도 분포를 세계 최고 수준으로 명확하게 분석하고, 이를 기반으로 최적의 '적층형 열전발전소자'를 설계·합성했다.

먼저, 학계에서 열전발전 효율성을 입증하는 기존 지표였던 '열전성능지수'(ZT)의 오류·한계를 공식적으로 밝혀내고, 정확한 데이터를 산출할 수 있는 '신 열전효율 공식'을 개발했다.

이 공식과 전기연구원이 보유한 열전 적층 설계 프로그램을 이용하면 고효율화를 위한 수백만개 이상의 열전반도체 적층 조합 예측이 가능하다. 설계·탐색 시간도 수백 배 이상 빠르다.

ZT를 기반으로 1개 단위 열전반도체 성능에 의존하거나, 과거 경험만을 바탕으로 진행했던 기존 방식과 비교하면 엄청난 혁신이라 할 수 있다.

연구팀은 이런 원천기술을 이용해 설계된 적층형 열전발전 소자를 실질적으로 합성하는 데 성공했다. 실험을 통해 섭씨 500도 이상 조건에서 기존 단일방식 소자보다 효율이 3% 이상 높은 것도 확인했다.

수 mm 높이에서 2∼4층의 적층을 가능하게 하는 소자 설계 및 합성 기술까지 확보해 고효율화는 물론, 소형화·경량화까지 이뤘다.

박수동 박사는 "이번 성과가 원자력전지를 활용하는 우주 항공 및 국방 분야는 물론, 통신 장비 및 광학 장치의 냉각, 전기차 배터리의 온도 제어 등 다양한 산업에도 활용될 수 있을 것으로 본다"며 "관계 기관·기업과 협력을 강화해 나갈 계획"이라고 말했다.

jchu2000@yna.co.kr

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