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베타 배터리
베타 배터리(Beta voltaic Battery)는 베타입자(전자)를 방출하는 방사성 동위원소로부터 PN접합 반도체 표면을 통해 베타선을 흡수하여 전기에너지로 변환하는 동위원소 배터리이다. 원자력전지를 한국에서는 베타전지라고도 부른다. 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 베타 배터리이다. 베타 배터리는 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 베타 배터리 개발을 주도하고 있는 가운데, 세계 시장 규모는 2022년 26억 2천만 달러 정도가 될 것으로 전망되면서, 인류에 커다란 변화를 가져다 줄 차세대 배터리로 평가받는다.[1]
개요[편집]
베타 배터리는 화학반응을 수반하는 다른 전지와 달리 물리 에너지를 에너지원으로 하는 물리전지이다. 베타 배터리는 니켈63, 스트론튬90(sr-90), 트리튬3(H-3) 등의 방사성동위원소에서 방출되는 베타선 전자를 전력으로 변환하는 배터리로, 외부동력원(태양, 바람 등) 없이 자체적으로 전력 생산이 가능하다. 별도의 재충전, 교체과정 없이 반영구적 사용이 가능해 우주와 극지, 심해 등 극한 환경에서 사용되는 전자기기, 인체삽입형 의료기기 등의 차세대 전원으로 많은 관심을 받고 있다. 베타 배터리는 방사선 걱정이 없다. 전지에서 나오는 β선 에너지는 매우 미약해 피부를 투과할 수도 없기 때문이다. 종이 한장으로도 방사선 차폐가 가능해 일반 전지처럼 얇은 포장재로 밀봉하면 된다.
미국과 러시아 등에서는 국방, 항공·우주, 해양, 의료 등 특수 산업분야에 일부 활용하고 있다. 미국은 와이드트로닉스, 시티랩 등이 미국방성(DOD)과 록히드마틴 투자를 받아 개발하는 중이다. 주로 Ni63(니켈-63)과 트리튬(삼중수소)이라는 방사성동위원소를 사용한다.
러시아 국영 연료회사 TVEL은 2019년 1월, 50년간 사용할 수 있는 소형 원자력 전지를 개발했다. Ni-63을 전극 재료로 사용하는 전지는 당초 의료용으로 개발했지만 앞으로는 무선통신장비에 사용할 수 있도록 확대 개발할 계획이다.
국내에서는 대구테크노파크 나노융합실용화센터가 지난 2017년 한국전자통신연구원(ETRI), 한국원자력연구원, 맨텍 등과 컨소시엄을 구성해 Ni-63 기반 베타 배터리 시제품을 개발했다. 이 전지는 세계 최고 수준의 출력값을 갖는 것으로 평가됐다. 국내에서도 베타전지 원천기술을 확보한 셈이다. 이 기술은 아바코라는 기업이 이전받아 2018년 9월부터 상용화를 추진하고 있다. 오는 2022년까지 87억원을 투입해 심해, 지하, 극지 등 극한 환경이나 인체에 반영구적으로 전력을 공급하는 독립전원시스템을 개발해 상용화 할 계획이다. 첫 과제로 원전시설물 방사능을 감시할 수 있는 독립전원 응용시제품을 개발하고 있다.[2]
2020년 7월 15일, 대구경북과학기술원(DGIST)은 에너지공학전공 인수일 교수 연구팀이 별도의 충전 없이 반영구적으로 사용 가능한 염료감응 베타전지(Dye-Sensitized Betavoltaic Cell)를 개발했다고 밝혔다. 인수일 교수팀은 기존의 베타전지에서 방사선흡수체로 사용된 값비싼 반도체 물질을 루테늄 계열의 N719 염료로 대체했다. 베타선을 방출하는 동위원소인 탄소-14를 적용해 기존 베타전지의 복잡한 구조를 단순화했으며 탄소-14를 나노입자로 만들어 에너지 밀도를 높였다.[3]
2021년 2월 8일, 한국원자력연구원 양성자과학연구단은 가속기이용연구부 김동석·윤영준 박사 연구팀이 질화갈륨 기반의 새로운 베타전지 구조를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구결과는 원자력 분야 권위지인 인터내셔널 저널 오브 에너지 리서치(International Journal of Energy Research) 제45권 1호 표지에 논문으로 게재됐다. 연구팀은 과학기술정보통신부의 방사선기술개발사업의 지원을 받아 원자력연구원이 보유 중인 이온빔 기술을 활용해 베타전지 구조를 설계했다. 이전보다 전력 변환 효율과 출력을 크게 향상했다는 평가다. 또 전력 변환 효율을 높일 수 있도록 접합부를 마치 블록처럼 서로 맞물리는 형태의 '교차형 접합 구조'로 설계했다.[4]
원리[편집]
베타 배터리의 동작원리는 베타선원으로부터 방출되는 베타선은 PN접합 반도체 내의 공간전하영역에서 전자-정공 쌍을 생성시키고, 이때 생성된 캐리어는 베타 배터리의 전압 전류 특성을 띄게 된다.
베타입자를 방출하는 방사성동위원소는 핵종에 따라 수 eV에서 수백 keV의 에너지 스펙트럼과 고유한 최대에너지와 평균에너지를 가진다.
Ni-63 베타선원의 에너지 스펙트럼을 보여주는데, 17.4keV의 평균에너지와 67keV의 최대 에너지를 가진다.
Ni-63 베타선원에서 방출되는 베타입자(전자)를 실리콘 PN 접합 반도체에 흡수시켜 에너지 변환을 일으키고자 할 때, 베타입자의 반도체 내의 투과 깊이는 반도체 구조 설계를 위한 중요한 변수가 된다.
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베타입자의 에너지가 클수록 투과 깊이는 깊어지기 때문에 입사되는 베타입자가 모두 공간전하영역에서 흡수되어 전자-정공쌍 생성에 기여할 수 있도록 PN 접합구조를 설계해야 한다.
베타입자의 에너지는 실리콘 깊이가 깊어질수록 지수적으로 감소하여 대부분이 수 μm 이내에서 흡수가 일어나고 최대 투과 깊이는 약 16μm 정도가 됨을 알 수 있다.
따라서 베타입자의 투과깊이와 에너지 분포를 고려해 실리콘의 흡수층을 10μm 내외로 설계하야 한다.
장반감기 핵종을 사용할수록 베타전지 출력 수명이 길어지게 되지만, 그만큼 붕괴 속도가 느려지게 되어 출력 전력이 낮아질 수 있어 적절한 반감기와 에너지를 선택하여 용도에 맞는 베타전지를 구현할 수 있다.
장반감기와 높은 에너지 밀도를 가지는 동위원소 전지의 특성을 이용하여 장시간 인간의 손길이 미치지 못하는 극지, 오지, 우주 또는 군사용 센서의 미소전력원으로 사용이 가능하다.
베타 배터리의 효율을 높이기 위한 노력으로 여러 연구기관에서 3차원 구조의 실리콘 PN 접합을 제작했고, 실리콘 반도체에 비해 더 높은 출력을 얻기 위해 고밴드갭 반도체인 SiC 또는 GaN를 이용한 베타 배터리도 발표됐다.[1]
- 전자-정공 쌍(Electron-hole pair): 외부에너지를 받아 반도체 내 쌍으로 생성되는 전자 및 정공(전자가 빠져나간 빈자리)을 일컬음. 베타전지에서는 생성된 전자-정공 쌍이 전류로 전환되어 전력을 생산함.
활용[편집]
긴 수명 동안 환경 변화에 독립적으로 안정적인 전력 공급원으로 공급할 수 있는 베타 배터리는 우주, 심해, 극지방, 군사무기 체계 등 사람의 손길이 닿기 어려운 극한 환경이나 한번 설치가 완료되면 배터리 교체가 불가능한 교량, 댐, 터널, 원자로 내부 등에 사용되는 안전 모니터링용 센서의 충전 기술 문제를 해결할 수 있는 기술로 활용될 수 있다. 이와 와 같이 저전력 인프라 모니터링을 위한 통신규정이 IEEE 802.15.4K 에서 제정하고자 표준화가 진행되고 있으며, 인프라 모니터링용 센서의 전원으로 동위원소전지의 활용이 가능하다. (오른쪽 그림1)에서 제시하는 센서네트워크 및 Ubiquitous Sensor Network(USN) 서비스용 전원 개념도를 참고하면, 베타전지 기술은 배터리 사용시간 제약 및 비용 문제로 인해 아직 활성화되지 못하고 있는 USN 관련 산업의 활성화 및 조기 상용화에 기여할 수 있다. 지난 수년간 도시관제, 교량관리, 기상관측, 자산관리 등 다양한 분야에서 수행된 USN 실증시험 및 현장시험 결과에 의하면, 현재의 USN 기술이 가진 가장 결정적인 문제점은 (오른쪽 그림2)의 응용개념도에서 제시된 바와 같이 센서노드에 구동 전력을 공급하고 이를 유지하는 문제와 배터리에 의한 소형화의 한계 및 높은 비용 등인데, 베타전지의 장점인 장시간 동작 가능하고 초소형화 가능한 전원기술을 통해 이러한 핵심 문제 해결이 가능하다.
베타 전지 기술은 이처럼 기존 전지가 가진 한계를 보완할 수 있고, 안정성에 문제없어 저전력으로 수년 이상 장시간 동작해야 하는 시스템에서 가장 필요로 하는 기술이며 사람의 접근이 어려운 지역의 감시나 군사보호 구역에서 전원교체나 충전 없이 10년 이상 작동이 가능한 RFID 센서태그의 전원으로 활용이 가능할 것으로 판단된다. 예를 들어 광범위한 군사 분계선의 대치지역에 대한 효율적인 경계 및 모니터링을 위해서는 많은 병력의 배치와 24시간 노력이 필요하지만, (그림 5)에서제시하는 외부 환경 조건에 영향을 받지 않고, 전력 공급을 위한 사람의 개입이 필요 없는 베타전지를 사용한 국방용 경계구역 감시 및 모니터링용 센터태그 전원 장치를 이용하면, 적은 수의 병력으로 효율적인 감시와 모니터링 통한 적 병사의 움직임의 자동적 추적이 가능하고, 적이 사용한 생화학, 방사능 무기로부터 아군의 안전을 확보하기 위한 각종 센서가 내장되어 자동적으로 모니터링을 수행할 수 있다.
각주[편집]
- ↑ 1.0 1.1 김혜진 기자, 〈차세대 배터리-베타전지② 베타선 흡수해 전지에너지로 변환〉, 《뉴스비전e》, 2018-01-19
- ↑ 정재훈 기자, 〈(이슈분석)차세대 배터리 전쟁...베타전지 vs 수소연료전지 경합〉, 《전자신문》, 2019-04-11
- ↑ 황민규 기자, 〈국내 연구진 “충전없이 반영구적 사용하는 배터리 개발”〉, 《조선비즈》, 2020-07-15
- ↑ 박영민 기자, 〈동력원 없이 전력 만드는 '新 베타전지' 국내 연구진이 개발〉, 《지디넷코리아》, 2021-02-08
참고자료[편집]
- 〈원자력 전지〉, 《위키백과》
- 베타전지 기술동향 분석 - https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO201751648108383.pdf
- 김혜진 기자, 〈차세대 배터리-베타전지② 베타선 흡수해 전지에너지로 변환〉, 《뉴스비전e》, 2018-01-19
- 정재훈 기자, 〈(이슈분석)차세대 배터리 전쟁...베타전지 vs 수소연료전지 경합〉, 《전자신문》, 2019-04-11
- 박영민 기자, 〈동력원 없이 전력 만드는 '新 베타전지' 국내 연구진이 개발〉, 《지디넷코리아》, 2021-02-08
- 황민규 기자, 〈국내 연구진 “충전없이 반영구적 사용하는 배터리 개발”〉, 《조선비즈》, 2020-07-15
같이 보기[편집]
