[뉴스비전e 김혜진 기자] 최근 각종 무선통신 및 휴대형 기기 서비스가 보편화되고 있지만, 기기 전원 공급은 기존 화학 · 물리전지의 한계로 인해 배터리의 교체 또는 충전에 따른 불편함과 제약을 받고 있다.
이러한 문제점을 해결해 주는 것이 바로 베타전지(Beta voltaic Battery) 이다. 베타전지는 극한 환경에서도 장시간 전력을 생산할 수 있으며 최장 50년까지도 수명이 유지될 수 있다.
이러한 장점 때문에 인체 삽입형 의료기기나 사람이 접근하기 어려운 해저설비, 또 우주선 부품 등에 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
미국 러시아 등이 베타전지 개발을 주도하고 있는 가운데, 세계 시장 규모는 2022년 26억 2천만달러 정도가 될 것으로 전망되면서, 인류에 커다란 변화를 가져다 줄 차세대 배터리로 평가받는다.
지난해부터 국내 연구진들의 성과가 본격 발표되는 등 국내외 연구진들은 베타전지 상용화에 적극 나서고 있다. [편집자 주]
[④미국·캐나다·러시아, 기술 경쟁...한국, 시제품 개발 이어 상용화 '박차' ]
미국과 캐나다 러시아 등은 대학과 연구기관을 통해 반도체 기술을 이용한 베타전지에 대한 연구를 펼치고 있다.
러시아는 요페(Ioffe)기술연구소에서 태양전지용 알루미늄 갈륨 비소(AlGaAs) PN 접합(p형 반도체와 n형 반도체를 접합하는 것) 이용해 기체상태의 삼중수소 환경에서 빛을 조사함으로써 베타선이 태양전지용 다이오드의 광전류에 미치는 영향에 대한 연구를 펼쳤다.
캐나다의 토론토 대학에선 비정실 수소화 실리콘(Hydrogenated amorphous silicon) 제작해 진성 베타전지(Intrinsic Betavoltaic Device)를 제작하는 데 성공했다.
수소화 실리콘을 제작함으로써 외부의 베타선을 사용하지 않고 자체의 방사선을 사용한 베타전지를 구현했으나, 시간이 지남에 따라 베타선이 방출됨으로 인해 단락전류가 줄어들어 장기간 사용할 수 없는 단점도 드러났다.
토론토 대학은 이후 기체상태의 삼중수소로부터 베타선 흡수율을 높이기 위해 3차원의 미세기공이 형성된 실리콘 PN접합을 제작해, 삼중수소 기체 압력을 증가시킴에 따라 미세기공 내에서 베타선의 흡수가 증가해 유효전력이 증가하는 실험결과를 얻어냈다.
미국 코넬 대학에서는 베타선원을 이용한 마이크로 전지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
탄화규소(4H-SiC)와 미세기공 실리콘 PN접합을 이용한 마이크로 셀을 제작해 Pm-147, Ni-63 등의 동위원소를 베타선원으로 이용한 마이크로 베타전지를 발표했다.
탄화규소와 Ni-63을 이용한 베타전원으로 0.72V의 개방전압과 16.8nA/cm2의 단락전류 밀도를 보여줬으며, 미세기공 공정을 이용해 베타선의 변환 효율을 향상시켜 00.55µA의 단락 전류와 0.12V의 개방전압을 시현했다.
아울러 심원반응성 이온 식각장비인 DRIE(Deep Reactive Ion Etcher)공정을 이용한 3차원 실리콘 PN접합을 이용한 베타전원 구조를 제안하여 주사현미경의 전자선을 이용하여 Pm-147을 이용한 베타선의 변환전력을 예측했다.
국내에서는 2007년 한국원자력연구원에서 국내 최초로 평면 형태의 PN접합 다이오드를 베타전지로 활용한 실험 보고서를 발표한데 이어, 한국전자통신연구원, 대구테크노파크 등 각 분야의 연구진이 참여해 상용화 기술을 만드는데 주력중이다.
한국전자통신 연구원은 이후 밀봉선원인 Ni-63, Pm-147, Sr-90 등의 베타선원을 이용해 고효율 베타선 흡수체 구조 연구를 진행해 왔다.
한국전자통신연구원과 한국원자력연구원은 지난해 공동연구를 통해 동위원소 Ni-63과 실리콘 카비드(SiC)를 기반으로 한 반도체 흡수체를 이용한 시험용 베타전지를 만드는데 성공했다.
국내 연구진이 개발한 베타전지는 여러 개의 단위 베타전지 셀이 연결되어 있는데, 각 베타전지 셀은 SiC 반도체 흡수체와 Ni-63 동위 원소가 도금된 금속 Foil의 2개 층이 샌드위치 형태를 갖도록 구성된다.
이 단일 베타전지 셀은 기존 제품보다 더 2배 가까이 더 많은 셀당 약 6.07nW의 전력을 생산할 수 있다.
원자력연구원의 Ni-63 베타선원 생산실증 및 반도체 정밀접합 기술, 대구테크노파크 나노융합실용화센터의 저전력 제어시스템, 한국전자통신연구원의 SiC 기반 고효율 에너지흡수체 등 각 참여기관별 우수 연구 성과 및 협력의 결과물이라는 평가가 쏟아졌다.
상용화 이후에는 극지대 탐사용 뿐 아니라, 인공심장과 같은 삽입형 의료기기, 초소형 전원 등 산업 다방면에서의 기술 활용도를 한층 높일 것이라는 기대다.