업계뉴스

[에너지신문] 한국전기연구원(KERI)이 충전이나 배터리 교체 없이 50년 이상 사용할 수 있는 차세대 전원 기술인 '베타전지(Betavoltaic Cell)'를 국내 최초로 실증하는 데 성공했다. 실리콘 대신 탄화규소(SiC) 반도체를 적용해 출력 성능을 크게 높인 것으로, 우주와 심해, 국방 감시체계 등 극한 환경에서 장기간 운용되는 센서의 전원으로 활용될 가능성을 열었다는 평가다.

KERI 차세대반도체연구센터 서재화 박사 연구팀은 국립경국대 윤영준 교수팀과 공동 연구를 통해 SiC 반도체 기반 베타전지를 제작하고 실제 방사성동위원소인 니켈-63(Ni-63)을 적용한 실증에 성공했다고 밝혔다. 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지인 International Journal of Energy Research에 게재됐다.

▲KERI 서재화 박사가 SiC 반도체 기반 베타전지를 실증하고 있다.

베타전지는 방사성 물질에서 자연적으로 방출되는 베타선을 반도체가 흡수해 전기로 변환하는 방식의 전원 장치다. 태양광이 필요하지 않아 우주나 심해, 지하 시설처럼 사람이 접근하기 어렵고 유지보수가 제한되는 환경에서도 장기간 안정적으로 전력을 공급할 수 있다는 점이 장점이다. 다만 지금까지는 발전 효율이 낮고 국내에는 방사성 물질을 활용한 성능 검증 인프라가 부족해 기술 개발에 한계가 있었다.

연구팀은 기존 실리콘보다 방사선과 고온 환경에 강한 SiC 반도체를 적용하고, 방사선을 전기로 변환하는 효율을 높일 수 있도록 p-i-n 다이오드 구조를 채택했다. 이후 국내 최초로 니켈-63 기반 실증 환경을 구축해 실제 전력 생산을 확인했고, 이를 이용해 저전력 LED를 구동하는 시제품도 제작했다. 활성면적 기준 출력은 약 160㎼/㎠로, 과거 국내 실험 결과보다 6만배 이상 향상된 수준이라고 연구원은 설명했다.

연구팀은 방사성 물질을 반도체 표면에 균일하게 증착하는 이상적인 구조를 적용할 경우 출력 전력 밀도가 0.85mW/㎠, 단위 셀 기준 출력은 20㎼ 이상까지 높아질 수 있다는 점도 확인했다. 이는 기존 국내 단위 셀 출력 목표치보다 4200배 이상 높은 수준으로, 향후 전지 집적화 기술이 더해질 경우 해외 상용 기술과 경쟁할 수 있는 기반이 될 것으로 연구진은 평가했다.

▲KERI가 국내 최초로 개발·실증한 SiC 반도체 기반 베타전지 시제품.

상용화를 위한 검증도 병행했다. 연구팀은 AI 기반 예측 모델을 적용해 전지의 출력과 전압을 98~99% 정확도로 예측하는 데 성공했으며, 15MeV급 고에너지 양성자를 조사하는 극한 환경 시험을 국내 최초로 수행해 우주 방사선 환경에서의 신뢰성 데이터도 확보했다.

이번 기술은 대용량 전력을 공급하는 배터리보다는 극소량의 전력을 장기간 안정적으로 공급하는 데 초점이 맞춰져 있다.

연구진은 국방 무인감시 센서와 우주 탐사 장비, 심해 비상신호기, 원전 및 방사선 안전 감시 시스템 등 배터리 교체가 어려운 분야에서 활용 가능성이 클 것으로 보고 있다. 현재 관련 특허 출원을 마쳤으며, 향후 우주항공·방위산업·원격센서 분야 기업들과 기술이전 및 공동 제품 개발을 추진할 계획이다.

출처 : 에너지신문(https://www.energy-news.co.kr/)