베타 전지

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City Labs사(社)의 삼중수소 베타 전지[1]

1. 개요

한국어: 베타 전지
영어: Betavoltaics battery

베타 전지는 방사성 동위원소의 방사성 붕괴 과정에서 방출되는 베타선 전자를 반도체에 충돌시켜 전류를 생성하는 원자력 전지의 일종이다.

2. 특징

베타 전지는 방사성 동위원소의 방사성 붕괴 시 발생하는 에너지를 전력으로 변환하는 전지로 동위원소는 주기율표에서 같은 원자 번호를 사용하지만 질량수가 다른 원소들을 가리키는데, 이 가운데 핵이 불안정하여 방사성 붕괴가 발생하며 방사선을 방출하는 원소를 '방사성동위원소'라고 한다.

방사성동위원소는 종류에 따라 알파선·엑스선 등의 여러 방사선을 방출하는데, 베타 전지는 이름에서 알 수 있듯 베타선을 방출하는 방사성동위원소를 원료로 이용해 방출된 베타선 전자를 반도체에 충돌시켜 전력을 생산한다. 베타선은 인체 유해성 및 투과도가 낮아 높은 안전성을 가지는데, 베타선을 방출하는 방사성동위원소로는 니켈(Ni)-63, 트리튬(H)-3, 스트론튬(Sr)-90 등이 있다.

베타 전지의 수명은 방사성 동위원소의 반감기와 비례한다. 여기서 반감기란 방사성동위원소가 방사선을 내보내기 시작할 때부터 기존 방사능 양이 절반으로 줄어들 때까지의 기간을 말한다. 예시로 니켈(Ni)-63의 경우 반감기가 100.1년으로, 반감기가 12.3년인 트리튬(H)-3보다 길어서 전지 개발에 유용하다고 할 수 있다. 베타전지는 긴 수명을 비롯해 극지, 심해, 우주 등 극한 환경에서도 안정적인 전력 생산이 가능하다는 것이 장점으로 꼽힌다.

또한 베타 전지는 다른 원자력 전지와 다르게 방사선 걱정이 없다. 전지에서 나오는 베타선 에너지는 매우 미약해 피부를 투과할 수도 없기 때문이다.[2] 종이 한장으로도 방사선 차폐가 가능하기에 일반 전지처럼 얇은 포장재로 밀봉하면 된다.

3. 역사

베타 전지는 1970년대 초반 심박 조율기 등의 높은 전력을 필요로 하지 않으면서도 오랜시간 일정한 수준의 전력을 필요로 하는 의료기기에 쓰이기 위해 개발되었다. 그러나 초기 반도체 물질은 베타선을 사용 가능한 전류로 변환하는 데 효율적이지 않았기 때문에 더 높은 에너지 효율을 위해서 프로메슘과 같은 비싸면서도 현재 기준으로 보면 매우 위험할 수 있는 물질이 사용되었고 이후 저렴하면서도 비교적 안전한 리튬 전지가 개발되며 한동안 잊혀지게 된다. 하지만 지속적인 개발과 반도체 기술의 발전으로 현재는 보다 안전한 물질을 사용하면서도 효율적으로 베타선을 전기로 변환할 수 있게 되었다.

4. 사용 제안 분야

현재 베타 전지의 주요 사용처로 거론되는 곳은 우주선이다. 우주선의 경우 한번 대기권 밖으로 나가면 이후부터는 짧게는 수년에서 길게는 수십년 동안 우주를 떠다니며 지구로부터 원격으로 명령을 받아 임무를 수행해야 되는데 우주선에 탑재된 고전력을 필요로 하지않고 수십년간 작동해야하는 전자장비들을 구동하는 용도로는 베타 전지의 특성이 잘 맞기 때문이다. 또한 베타 전지의 베타선은 종이 한장만으로도 방사선 차폐가 가능할 정도로 원자력 전지 중에서는 상대적으로 안전성이 높은 특성을 가지는 만큼[3] 기술의 발전으로 현재보다 일정 수준 이상의 출력 향상이 이루어진다면 스마트폰이나 노트북 컴퓨터의 배터리뿐만 아니라 소형 드론과 더 나아가 전기 자동차의 배터리로도 사용 가능할 수 있다.

5. 개발 현황

2020년 8월 15일 대구경북과학기술원(DGIST)의 에너지공학전공 인수일 교수 연구팀은 '염료감응 베타 전지'를 최초 개발했다고 밝혔다. 연구진의 실험 결과 루테늄 계열인 N719 염료로 개발한 전지는 베타 전지의 베타선원에서 발생한 전자 대비 3만 2000배의 전자를 만들어냈다. 해당 연구는 화학 분야의 저명한 국제학술지 '케미컬 커뮤니케이션즈' 52호에 7월 4일 표지논문으로 게재됐다.

2021년 2월 8일 한국원자력연구원(KAERI) 양성자과학연구단의 가속기이용연구부 김동석·윤영준 박사 연구팀은 질화갈륨 기반의 새로운 베타전지 구조를 개발했다고 밝혔다. 연구팀의 설명에 따르면 베타전지는 방사성동위원소에서 방출되는 베타선 전자가 반도체에 충돌하며 발생하는 '전자-정공 쌍'을 이용해 전력을 생산하는데, '전자-정공 쌍'은 반도체의 PN접합부에서 주로 생성된다. 이에 연구팀은 자체 보유한 '이온 빔 기술'[4]을 활용해 전력 변환 효율을 높일 수 있도록 접합부를 마치 블록처럼 서로 맞물리는 형태의 '교차형 접합 구조'로 설계했는데, '교차형 접합 구조'는 에너지원인 방사성동위원소 가까이에 다수의 PN접합 구조 구현이 가능해 기존의 '적층형 접합 구조'보다 더욱 넓은 전자-정공 쌍 생성 영역을 확보할 수 있고 에너지원인 방사성동위원소 가까이에 다수의 PN접합 구조 구현이 가능하므로 이전의 적층형 접합 구조보다 더욱 넓은 전자-정공 쌍 생성 영역을 확보할 수 있다고 한다. 또한 기판 아래로 빠져나가는 전하 흐름을 차단하기 위해 장벽층을 구성해 누설 전력 손실을 감소시켜 전체 출력 전력도 높였다고 한다. 가속기이용연구부 이재상 부장은 이번 기술 개발을 통해 기존의 베타전지보다 고효율에 안정적인 에너지원으로써 전원 충전이 어려운 극한환경용 전자기기와 배터리 교체가 어려운 교량, 댐, 터널용 센서 등에 널리 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다고 했다. 이번 연구결과는 원자력 분야 권위지인 '인터내셔널 저널 오브 에너지 리서치'[5] 제45권 1호 표지에 논문으로 게재됐다.

2024년 1월, 중국 베이징에 본사를 둔 스타트업인 베타볼트 뉴 에너지 테크놀로지[6]사는 충전 없이 50년 동안 전기를 생산할 수 있는 베타 전지를 개발했다고 발표했다. 베타볼트사에서 공개한 보도자료에 따르면 방사성 동위원소 배터리라고도 불리는 이 베타 전지는 핵 동위원소가 붕괴할 때 방출되는 에너지[7]를 활용하며, 붕괴되는 방사성 에너지는 반도체 변환기를 거쳐 전력으로 변환된다. 베타볼트의 과학자들은 니켈-63(Ni-63)에서 방출되는 베타선을 자체 개발한 두께가 10마이크론에 불과한, 즉 인간 머리카락의 5분의 1 크기인 두개의 특수 다이아몬드 반도체 사이에 2마이크론 두께의 니켈-63 시트를 배치해 전력을 생성했는데 정리하면 이번 베타 전지는 모듈식으로 모듈은 최소 2개의 변환기와 1개의 니켈-63 레이어로 구성되어 샌드위치 구조를 가지며, 베타 전지의 최소 크기는 3 x 3 x 0.03mm로 2개의 변환기와 1개의 니켈-63 층으로 구성된다. 또한 에너지 밀도는 삼원계리튬전지보다 10배 더 높고, 1g 단위 당 3,300MWh를 저장할 수 있다고 한다.

베타볼트사의 회장 겸 CEO인 장 웨이[8]는 회사가 출시할 첫 번째 제품은 동전보다 작은 15x15x5mm 크기를 가진 BV100으로 세계 최초의 대량 생산 베타 전지가 될 것이라고 말했다. 또한 장 웨이는 전지의 핵심은 궁극의 반도체 소재인 4세대 다이아몬드 반도체라고 말했으며 여러 모듈 그룹을 직렬 및 병렬로 연결할 수 있어서 사용 목적에 따라 베타 전지의 전력을 수 마이크로와트에서 수 와트까지 구성할 수 있다고 말했다. 현재 발표 된 BV100 베타 전지는 동전보다 작은 크기의 장치에서 3V에 100마이크로와트를 생성하며[9] 매분마다 전기를 생산 할 수 있고 하루에 8.64J, 연간 3,153J을 소모한다고 한다. 또한 베타볼트사는 2025년에 1와트의 전력을 생산할 수 있는 조금 더 큰 베타 전지를 출시할 예정이다.

내구성 측면에서 이번 전지는 화재 및 방폭 기능이 있어 총격에도 견딜 수 있으며, 섭씨 120도 및 영하 60도 범위에서도 정상적으로 작동할 수 있다고 한다. 안전성 측면에서 베타볼트사는 배터리가 외부로 유출되는 방사선을 생성하지 않아 절대적으로 안전하다고 주장했으며, 심장박동기, 인공심장, 달팽이관 등 의료기기에 적합하며 스마트폰과 소형 드론 등에도 활용가능하다고 했다. 또한 전지에 사용된 방사성 물질은 붕괴 후 안정한 구리 동위원소로 변하므로 복잡한 재활용 요구 사항이 없고 환경 친화적이라고 한다.

6. 기술적 한계

베타 전지는 방사성 동위원소를 사용한다는 점에서 반감기에 따라 시간이 지나며 점차 생산하는 전력량이 감소하게 되며 낮은 출력을 일정 수준으로 유지하는 것은 가능하나 고출력을 내기는 어렵다는 단점이 있다. 이러한 단점을 출력을 보다 향상시키는 등 극복하여 원자력 전지의 장점중 하나인 긴 수명과 단점이었던 출력양을 모두 만족시킨다면 충전이 필요 없고 사용 시간의 제약이 사실상 사라지게 되어 인류 기술 발전의 가장 큰 벽으로 여겨지는 전지의 한계를 완전히 극복할 수 있겠으나 현실적으로는 전력 생산원으로 베타선만을 사용한다는 점에서 출력의 한계를 극복하기도 매우 어려울 것으로 예상된다. 결정적으로 현재까지는 전자기기나 자동차에 쓰일 정도의 기술 발전은 매우 요원한 상태이다.

[1] 사진은 '시티랩스'사에서 개발한 삼중수소를 사용하는 베타 전지로 엄지손가락 만한 크기를 가지고 있으며 나노와트 수준의 전력을 20년 이상 지속적으로 공급할 수 있다. [2] 물론 피부에 접촉하면 화상을 입을 위험이 있다. [3] 물론 베타선 자체는 차폐하기 쉽지만 베타선도 방사선의 일종인 만큼 피부에 접촉하게 되면 화상을 입을 수 있으며 X선이나 감마선과 같은 관통력이 강한 방사선이 함께 나올 수 있으므로 제대로 차폐하려면 플라스틱과 납을 사용해 감싸주어야 한다. [4] 이온 빔은 전자 빔을 기체에 대고 거기에 생기는 이온만을 추출하여 고전압으로 가속해서 만들어 내는 것으로 이온 빔을 피가공물에 대면 이온 빔의 운동 에너지가 열 에너지로 바뀌어 피가공물의 표면을 용해하므로 연마, 에칭 등의 표면 처리를 할 수 있다. 이것을 '이온 빔 가공'이라고 하며 보통 광학 렌즈의 연마, 집적 회로의 에칭 등에 이용되는 기술이다. [5] International Journal of Energy Research. [6] Betavolt New Energy Technology. [7] 베타선 [8] Zhang Wei [9] 1와트는 백 만 마이크로와트에 해당함