충전 없이 50년 작동…전기연, ‘베타전지’ 국내 첫 실증

니켈-63 방사선 전기로 변환
우주·심해·국방 센서 활용 기대

서재화 한국전기연구원 박사가 탄화규소 반도체 기반 베타전지를 실증하고 있다. 한국전기연구원 제공

한국전기연구원(KERI)이 충전하거나 교체하지 않고도 50년 이상 전력을 공급할 수 있는 탄화규소(SiC) 반도체 기반 베타전지를 국내 최초로 실증했다.

전기연은 차세대반도체연구센터 서재화 박사 연구팀이 국립경국대학교 윤영준 교수 연구팀과 공동으로 SiC 반도체 기반 베타전지를 제작해 실제 전력 생산과 저전력 발광다이오드(LED) 구동에 성공했다고 26일 밝혔다.

베타전지는 방사성 물질이 붕괴할 때 방출하는 전자인 베타선을 반도체가 흡수해 전기로 바꾸는 전원 장치다. 태양전지와 원리는 비슷하지만 햇빛 대신 방사성동위원소를 에너지원으로 사용한다. 우주·심해 장비처럼 전력 소비가 적고 배터리 교체가 어려운 분야가 주요 활용처로 꼽힌다. 외부 충전이나 빛이 필요하지 않아 우주와 심해, 지하 국방 감시시설 등 사람이 접근하기 어려운 환경에서 장기간 전력을 공급할 수 있다.

연구팀은 기존 실리콘 반도체보다 열과 방사선에 강한 SiC를 핵심 소재로 적용했다. 방사선의 전기 변환 효율을 높이기 위해 p-i-n 다이오드 구조를 최적화했으며, 실제 베타선 원료인 니켈-63을 확보해 전용 측정설비도 구축했다.

연구팀이 반도체와 니켈-63을 결합한 결과 활성면적 기준 제곱센티미터당 약 160마이크로와트(㎼)의 전력이 발생했다. 이는 기존 국내 실험 결과보다 6만 배 이상 향상된 수준이라고 전기연은 설명했다.

방사성 물질을 반도체 표면에 얇고 균일하게 도포하는 방식을 적용하면 출력전력 밀도를 제곱센티미터당 0.85밀리와트(㎽), 단위 셀의 발생 전력을 20마이크로와트 이상으로 높일 수 있다는 분석도 내놨다. 단위 셀 출력은 기존 국내 목표치보다 4200배 이상 높은 수준이다.

이번 연구에 사용된 니켈-63의 반감기는 약 100년이다. 연구팀은 소형 센서처럼 소비전력이 낮은 장치에서는 전지 교체 없이 50년 이상 작동할 수 있으며, 이론적으로는 최대 100년까지 구동할 가능성이 있다고 설명했다.

연구팀은 인공지능(AI) 예측 모델을 활용해 베타전지의 출력과 전압을 98∼99% 정확도로 예측했다. 우주 방사선 환경을 모사하기 위해 15메가전자볼트(MeV)급 고에너지 양성자를 전지에 조사하는 실험도 국내 최초로 수행해 전지의 내구성과 성능 저하 데이터를 확보했다.

서재화 박사는 “베타전지는 전기차 배터리처럼 큰 출력을 내는 장치가 아니라 사람이 접근하기 힘든 곳에서 수십 년 동안 작은 전력을 안정적으로 공급하는 전원”이라며 “에너지를 모았다가 일정한 주기로 신호를 보내는 국방 무인 감시센서나 우주·심해 비상 신호기 등에 활용할 수 있다”고 말했다.

연구팀은 관련 특허 출원을 마쳤으며 앞으로 우주항공과 방위산업, 원전·방사선 안전 감시, 원격 센서 분야 기업들과 기술이전과 공동 제품 개발을 추진할 계획이다. 연구 결과는 국제학술지 ‘인터내셔널 저널 오브 에너지 리서치’에 게재됐다.

구혁 기자