충전 없이 수십년 쓰는 반영구 베타전지 기술 개발

DGIST

인수일 DGIST 에너지공학과 교수 연구팀. DGIST 제공

국내 연구팀이 값싼 염료물질로 충전이 필요없는 반영구적 차세대 전지 기술을 개발했다. 우주와 심해, 국방, 의료 등 다방면에서 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 인수일 에너지공학과 교수팀이 값싼 염료물질 등을 활용해 반영구 전지인 베타전지의 가격경쟁력과 효율을 높인 연구결과를 지난달 국제학술지 '저널 오브 파워소스'에 게재했다고 2일 밝혔다.

사물인터넷(IoT)이나 가상물리시스템, 인공지능(AI) 등 4차 산업 기술이 급속도로 성장하면서 이를 뒷받침할 에너지원인 전지 기술의 중요성이 부각되고 있다. 특히 리튬(Li), 니켈(Ni) 등 전지의 원자재 가격 상승과 발열과 내구성 문제로 차세대 전지 개발의 필요성이 높아졌다.

베타전지는 탄소-14(C-14)처럼 방사선을 방출하는 방사성동위원소에서 나온 베타선 전자가 방사선을 흡수하는 반도체에 충돌하며 전력을 생산하는 장치다. 태양전지에서 태양 빛 대신 베타선을 활용한 셈이다. 외부 동력원이나 교체 없이도 자체 전력 생산이 가능하고 반영구적인 수명을 가진다. 베타선은 감마선보다 인체 유해성이 낮고 안정성이 높은 방사선이다. 

미국과 중국을 포함한 세계 주요 국가에서 베타전지 연구가 활발하지만 재료 단가가 높고 제작공정이 복잡하다는 제약이 있다. 연구팀은 전지 내에서 방사선 흡수체로 활용되는 값비싼 반도체 대신 N719라는 염료와 탄소-14를 포함한 방사성동위원소 시트르산(14-Citric acid), 이산화타이타늄(TiO2)을 활용해 가격경쟁력과 효율이 높은 베타전지를 개발했다. 

연구팀이 개발한 양방향 방사성동위원소 염료감응 베타전지의 제작방법을 표현한 모식도. DGIST 제공

연구팀은 이산화타이타늄으로 만든 전지의 양극(+)에 방사성동위원소 시트르산과 염료를 발랐다. 음극(-)의 방사성동위원소에서만 베타선을 방출하던 기존 베타전지와 달리 양극에서도 베타선이 방출되도록 한 것이다. 인수일 교수는 "양극의 제작 공정도 물감을 바르는 것과 비슷해 단순하다"고 덧붙였다.

새로 개발한 '양방향 탄소동위원소 염료감응 베타전지'의 성능을 분석한 결과 방출된 베타선 대비 6만5850배의 전자를 생성했다. 또 100시간 동안 안정적으로 전력을 생산했다. 2020년에 연구팀이 개발한 베타전지와 비교해 전력변환효율은 6배, 안정성은 10배 상승했다.

연구팀은 "베타전지 분야에서 새로운 구조와 방사선 흡수체 재료 다양성을 제시했다"며 "베타전지 성능은 상용화를 진행하기에 아직 부족하다"고 설명했다.

인수일 교수는 "비싼 반도체 대신 값싼 염료를 적용한 새로운 형태의 베타전지를 개발했다는 점이 이번 연구의 의의"라고 말했다. 이어 "양산설계와 대량생산 등 후속 연구로 베타전지 성능을 실용화 수준까지 끌어올릴 것"이라며 "10년, 100년 이상 작동하는 경쟁력 있는 전지를 만드는 것이 목표"라고 밝혔다.

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]