다이아몬드 배터리

방사성 폐기물을 원료로 하는 다이아몬드 배터리는 충전할 필요가 없는 반영구적인 배터리가 될 것으로 보인다 ⓒ ELEtimes

방사성 동위 원소를 둘러싸고있는 다이아몬드의 모습 ⓒweforumorg

다이아몬드 배터리(diamond battery)는 원자력 발전 후 핵 연료봉에서 추출한 방사성 동위원소 탄소-14를 다이아몬드로 감싸 만든 배터리를 의미한다. 2020년 1월, 영국 브리스톨 대학(University of Bristol) 연구진이 개발했다.

개요

다이아몬드 배터리는 배터리의 어마어마한 용량도 충격적이지만 더욱 충격적인 것은 바로 배터리의 원료이다. 인류가 만들어낸 최악의 위험 물질 중 하나인 방사성 폐기물을 에너지원으로 사용한 것이다. 방사성 폐기물은 원자력 발전에서 필연적으로 생기는 부산물로 산업적 이용이 끝난 이후에도 끊임없이 유해한 방사선을 방출하기 때문에 매우 위험하다. 하지만 마땅히 처리할 방식도 없어서 그야말로 인류의 골칫덩어리인 셈이다. 다이아몬드 배터리는 이러한 물질을 다이아몬드로 캡슐화하여 만든 배터리로 방사성 폐기물을 유용하게 활용할 수 있는 환경친화적인 방법이라고 할 수 있다.

브리스톨대 연구진은 이미 4년 전인 2016년, 다이아몬드 배터리를 개발한 적이 있었다. 니켈의 방사성 동위원소 '니켈-63'를 방사성 에너지원으로 이용한 배터리의 시제품을 제작한 후 잘 작동하는지 확인한 적이 있다. 이후 연구진은 효율 개선을 위해 방사성 동위원소인 탄소-14를 에너지원으로 한 새로운 다이아몬드 배터리를 개발하게 되었다. 탄소-14는 원자력 발전의 방사성 폐기물에서 추출할 수 있으며 탄소-14를 추출함으로써 방사성 폐기물의 자체 방사능을 저해하고 보관 비용을 감소시킬 수 있다는 이점이 있다.

다이아몬드 배터리는 발전 과정에서 동위원소를 사용한다는 점에서 동위원소 배터리라고 할 수 있다. 코일 사이에서 자석이 움직이도록 에너지를 투입하여 전류를 생산하는 대부분의 발전 기술과 달리 동위원소 배터리는 동위원소의 붕괴에서 방출되는 방사선이나, 전자, 또는 열 등을 활용한다. 원자력 배터리나 베타 배터리가 그 예시이다. 우주 탐사 로봇 등에 활용되는 원자력 배터리는 동위원소의 알파 붕괴에서 나오는 알파선이 가지는 에너지를 열로, 다시 열을 전기로 변환한다. 베타 배터리도 마찬가지이다. 베타 배터리에 사용되는 삼중수소는 베타 붕괴를 하면서 베타선을 발생시킨다. 원자력 배터리와는 달리 베타선을 반도체에 쏘아 주어 바로 전기를 만든다. 다이아몬드 배터리는 탄소-14의 베타 붕괴를 활용한다. 탄소-14의 방사선은 모든 고체에 빠르게 흡수될 수 있는 단거리 방사선으로 다이아몬드 내에서 비탄성 산란을 하면서 빠르게 흡수된다. 흡수된 방사선의 에너지는 열로 바뀌고, 열전 소자를 통해 전기로 변환되어 충전에 사용된다.

배경

브리스톨 대학 연구진이 핵폐기물로 배터리를 만들게 된 배경에는 현재 가동을 중단한 영국의 원자력 발전과 밀접한 관련이 있다. 영국은 흑연 기반의 우라늄 연료봉을 사용해 원자력 발전소를 가동해왔다. 하지만 1989년 가동을 중지한 버클리원자력 발전소를 비롯하여 많은 원전을 중단시켰음에도 불구하고, 영국에서만 95,000톤 정도의 방사성 폐기물이 남아있다.

결국 영국 정부는 이를 처리할 방안을 브리스톨 대학에 의뢰하게 되었고, 감속재로 사용된 흑연에서 방사성 동위원소인 탄소-14를 추출하여 배터리를 만들게 된 것이다. 특히 탄소-14의 반감기는 약 5730년으로, 충전 없이 배터리 전력의 50%를 사용하는 데 5730년이 걸린다. 따라서 다이아몬드 배터리는 방사성 폐기물을 활용할 수 있는 방안이면서 동시에 친환경적 전력을 영구적으로 공급할 수 있으므로, 에너지 측면에서 획기적인 등장이라고 볼 수 있다.

원리

탄소-14 다이아몬드 배터리의 구조 출처- ResearchGate

브리스톨 대학 연구진은 방사성 동위원소인 탄소-14를 얻기 위해 우라늄 연료봉을 가열해 탄소-14만 따로 추출하는 방법을 개발했다. 증발한 탄소-14만 따로 모은 후 이를 단단하게 결합해 다이아몬드로 둘러싸면 쉽게 부서지지 않는 단단한 소재로 만들 수 있다. 이후 열전소자와 단단한 차폐 물질로 둘러싸면 반영구적인 다이아몬드 배터리가 탄생하게 된다.

다이아몬드 배터리의 구조를 자세히 살펴보면, 다이아몬드가 방사성 폐기물에서 추출한 탄소-14를 다이아몬드가 감싸고 있는 형태로 이루어져 있음을 알 수 있다. 탄소-14에서 방출된 단거리 방사선은 산란을 일으키면서 고체 물질에 빠르게 흡수되는 특성이 있다. 이용해 방사성 물질을 다이아몬드로 감싸 보관하게 되면 단거리 방사선이 외부로 나오지 않으면서 다이아몬드 내부에 고정할 수 있다.

이렇게 다이아몬드 내부에 갇힌 탄소-14는 베타붕괴를 일으키면서 전기를 생산한다. 우선 탄소-14의 중성자 1개가 양성자로 변환되는 베타 붕괴가 일어나면, 탄소-14는 방사선 중 하나인 베타선을 방출한다. 이 과정에서 발생된 베타선은 모든 고체에 빠르게 흡수될 수 있는 단거리 방사선이다. 따라서 흡수된 방사선의 에너지가 배터리 내 열전소자와 반응 하면서 탄소-14가 가진 방사선 에너지에 따라 반영구적으로 전기를 생산하게 된다.

탄소-14의 베타 붕괴

 

특징

• 전력의 50% 소모에만 5730년이 걸리는 반영구적인 수명

배터리의 수명은 방사선의 총 에너지가 절반으로 떨어지는 반감기에 비례한다. 탄소-14의 반감기는 약 5730년이기 때문에, 이론적으로 다이아몬드 배터리의 50% 전력을 사용하는 데에는 5730년이 걸린다고 할 수 있다. 또한 2020년 8월 미국 스타트업 기업 NDB의 테스트 결과에 따르면, 탄소-14를 이용한 다이아몬드 자가 충전 배터리는 40%의 충전 전력을 유지하며 최대 28,000년 동안 작동 가능하다고 밝혔다. 이로 미루어 보았을 때, 다이아몬드 배터리는 반영구나 다름없는 긴 수명을 가지고 있다고 할 수 있다.

• 사용 과정 중 탄소 배출이 전혀 없는 자가 충전 방식

현재 가장 많이 사용되는 2차전지의 경우 지속적인 충전이 필요하다. 이 과정에서 화석연료로 만든 전력으로 충전을 하게 되므로, 사용 과정에서 필연적으로 탄소 배출이 발생한다. 하지만 다이아몬드 배터리의 경우, 탄소-14가 자연적으로 내뿜는 방사선의 에너지를 열로 바꾼 후 전기로 변환하여 스스로 충전하는 방식이다. 비록 낮은 전력을 출력하지만, 태양 혹은 바람과 같은 외부 동력원 없이 전력을 장기간 일정하게 생산할 수 있다는 점이 다이아몬드 배터리의 가장 큰 장점이다. 따라서 다이아몬드 배터리는 기존 2차전지와 달리 사용 과정에서 탄소배출가스도 없으며, 유지·보수도 없이 직접적으로 전기를 생산하고 배터리를 충전할 수 있다.

• 방사성 폐기물 처리 비용 절감

다이아몬드 배터리의 주원료가 되는 탄소-14는 흑연 기반의 우라늄 연료봉에서 추출할 수 있다. 연구지는 연료봉이 가열하여 탄소-14만 따로 추출하는 방법을 개발하였다. 이 과정을 통해 탄소-14를 추출하게 되면 연료봉의 방사능 강도는 저하되면서 추출된 탄소-14는 캡슐화하여 배터리의 에너지원으로 사용하게 되므로, 방사성 폐기물의 보관 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

다이아몬드 배터리는 기존 배터리와 비교해 저전력이지만 배터리 수명은 혁신적이다. 표준 AA 전지는 1그램 당 약 700줄의 일을 하는 반면, 다이아몬드 배터리는 1그램 당 약 15줄의 일을 하는 수준에 불과하다. 수명이 방사선의 총 에너지가 절반으로 떨어지는 반감기에 비례하기 때문에 이론적으로 다이아몬드 배터리의 50% 전력을 사용하는 데에는 5730년이 걸리게 된다. 반영구나 다름없는 긴 수명을 가지고 있기에 낮은 전력에도 불구하고 현재 활발한 연구와 개선이 이루어지고 있는 상황이다. 또한 다이아몬드 배터리는 그 구조가 단순해 쉽게 제작할 수 있으며 지구에서 가장 강력한 물질인 다이아몬드로 핵폐기물을 감싸기 때문에 유지보수가 전혀 필요가 없다. 한편, 일각에서는 방사성 폐기물의 안정성을 문제 삼고 있다. 그러나 다이아몬드가 배터리의 포장용기 역할도 수행하면서 방사선 유출을 차단하기 때문에 실제 배터리의 방사능은 바나나보다 적다고 한다. 이 외에도 다이아몬드 배터리의 또 다른 장점으로는 사용 과정 중 탄소 배출이 전혀 발생하지 않는다는 것이다. 현재 가장 보편적으로 쓰이는 리튬이온 배터리의 경우 지속적으로 충전을 해주어야 하기 때문에 화석연료가 만든 전력을 사용하는 과정에서 탄소가 필연적으로 발생한다. 결국 다이아몬드 배터리는 별도의 충전 과정이나 유지보수가 필요 없는 반영구적인 친환경 배터리이다. 물론 상용화된 다른 배터리들에 비해 낮은 전력을 가지고 있지만 고효율의 열전소자 등의 개발을 통해 충분히 개선시킬 수 있을 것이다. 또한 수명이 길기 때문에 전력이 낮아도 방대한 양의 에너지를 방출할 수 있을 것이라고 기대된다.

응용

다이아몬드 배터리는 활용 가능성이 무궁무진하다. 우선 태양이나 바람 등 외부 동력원 없이 전력을 장기간 일정하게 생산할 수 있기 때문에 심해나, 극지와 같은 극한의 환경에서 사용하는 기기의 전원으로 사용할 수 있을 것이다. 또한 충전이 불가능하고 장기간의 사용이 요구되는 우주 공간에서도 우주선 및 탐사선의 전력으로 활용할 수 있다. 의료 분야에 적용한다면 의료 서비스의 질을 대폭 개선할 수 있다. 인공심장이나 맥박 조정기, 치료용 뇌 자극기 등을 일생 내내 교체 없이 사용할 수 있게 된다. 현재 인공심장의 배터리 교체를 위해 5년마다 재수술을 해야 하며 수술의 위험도가 높다는 점을 고려하면 다이아몬드 배터리로의 대체가 필수적이라고 여겨진다. 뿐만 아니라 처치하기 곤란한 엄청난 양의 방사성 폐기물을 안전하게 활용하여 동력원으로 쓸 수 있다는 점에서 다이아몬드 배터리의 가치는 어마무시하다고 할 수 있다.

• 항공 우주 분야

최근 우주 기술의 발전으로 인해 인공위성이나 우주정거장의 태양광 발전 사업이 한창이다. 그러나 수십년 동안 우주를 항해하는 외행성 탐사선은 태양 에너지를 약하게 받기 때문에 태양광 발전이 불가하다. 이때 다이아몬드 배터리는 우주 환경에서의 환경에서 효과적인 배터리 솔루션으로 작용할 수 있다. 구체적으로 우주방사선에 태양전지가 파괴되었을 경우 혹은 달과 같이 자전주기가 길고 일교차가 큰 행성에서 이용될 수 있으며 더 나아가 태양전지를 사용할 수 없는 행성의 탐사 임무로써도 이용될 수 있을 것이다. 이처럼 우주 산업에서의 다이아몬드 배터리는 우주선 및 탐사선 분야에서 활용 될 수 있을 가능성이 무궁무진하다.

• 전기자동차 배터리 분야

다이아몬드 배터리의 가장 큰 장점은 연료의 보급 없이 달릴 수 있는 것이다. 또한 배기가스와 같은 오염물질 배출이 없기에 기후변화가 심각한 현 사회에서는 큰 이점으로 작용한다. 특히, 전기자동차 소재의 병목현상을 해결할 수 있다. 관련 업계에 따르면 2020년 전세계 전기차 판매량은 200만대를 넘어섰다.이는 작년 판매량 77만대의 약 2.6배 수준이다. 그러나 전기자동차 배터리 생산을 위해 필수적인 리튬, 코발트, 니켈 등의 원자재 가격이 상승함으로써 전기차 공급 병목 현상이 발생할 수 있는 가능성이 커졌다. 다이아몬드 배터리는 방사성 폐기물을 이용하므로 병목현상에 국한되지 않기 때문에 전기차 산업의 배터리 수급에 어려움이 없다. 그러나 다이아몬드 자체의 높은 가격의 문제는 해결해야 할 시사점으로 보인다.

• 전자기기 분야

다이아몬드 배터리는 스마트폰, 노트북, 웨어러블 디바이스 등 소형 배터리가 포함된 모든 장치에서 응용될 수 있는 가능성이 있다. 전기자동차와 마찬가지로 현재 대부분의 전자기기는 리튬이온전지를 사용하므로, 이에 따른 자원 공급의 한계성을 극복할 수 있을 것이며 더 나아가 최근 문제가 되고있는 폐배터리 문제를 해결할 수 있다. 갈수록 커지는 전자기기 시장으로 인해 폐배터리는 쏟아지고 있지만 전지 폐기 이후 회수 및 관리체계는 미흡한 상황이다. 따라서 다이아몬드 배터리는 영구적으로 사용할 수 있기에 폐배터리의 환경오염 문제 및 유해물질 문제를 해결할 수 있다.

문제점

• 다이아몬드 희귀성 및 높은 가격

다이아몬드를 사용하는 탄소-14 배터리의 가장 큰 문제는 가격이다. 다이아몬드는 보석하면 떠오르는 대표적인 물질인만큼 그 희귀성이 크다. 공업용 다이아몬드는 보석으로 사용하는 다이아몬드에 비해 가격이 저렴하다고는 하지만 배터리에 상용화 될 수 있을 정도로 가격이 낮아지지 않기에 가격을 둘러싼 문제가 제기될 수 밖에 없는 것이다. 이를 위해서는 보다 저렴한 공업용 인공 다이아몬드의 개발 혹은 방사성 폐기물 차폐 능력이 뛰어난 또 다른 소재의 개발이 이어져야 한다. 다이아몬드보다 초경질의 소재를 개발하기 위한 움직임은

• 낮은 출력 전압과 에너지 밀도

다이아몬드 배터리의 또 다른 문제는 바로 낮은 전력이다. 실제로 리튬이온 배터리를 사용할 경우 출력 전압의 값은 다이아몬드 배터리에 비해 훨씬 크다. 이는 흑연이 리튬에 비하여 에너지 저장 용량이 이론적으로 10분의 1 정도로 적기 때문이다. 따라서 다이아몬드 배터리의 상용 스펙트럼을 넓히려면 무게 대비 출력을 높이는 기술을 확보해야 할 것이다. 혹은 가볍지만 큰 전력을 요구하는 전자기기 대신적은 전력으로 오랜시간 작동하는 기기에 사용할 목적으로 개발한다면, 다이아몬드 원자력 전지가 활발히 이용될 것으로 보인다.

• 소비 기호의 불충족

다이아몬드 배터리가 탑재된 제품의 개발 그 이면에는 잊고 넘어가기 쉬운 또 다른 문제가 있다. 바로 소비자의 다양한 기호를 충족시킬 수 없다는 것이다. 예를 들어 다이아몬드 배터리가 탑재된 차량은 몇 십 년간 연료 주입이 필요 없다. 그러나 과연 평생 한 가지 종류의 차량을 타고자 하는 소비자는 얼마나 될 것인가? 오늘날 소비자들은 기능적 우수성 만을 추구했던 과거와 달리, 정신적 만족감을 포함한 개인 기호가 반영된 제품을 선택한다. 이러한 소비자의 심리를 이해하여 반영구 배터리의 활용 방안을 다시금 생각해보아야 할 것이다.

전망

NDB 다이아몬드 배터리 출처 - NDB

다이아몬드 배터리에 관한 연구는 지금도 활발하게 이루어지고 있다. 2020년 실제로 미국의 에너지 전문기업인 NDB(Nano Diamond Battery)가 다이아몬드 배터리의 테스트를 성공리에 마치기도 하였다. 약 2만 8000년의 수명을 가질 것으로 예상되는 이 배터리는 테스트 결과 40% 정도의 전력 효율을 유지하는 것으로 나타났다. 기존 다이아몬드 배터리의 전력 효율인 15%에 비해 크게 개선된 수치이다. 아직까지 상용화된 전지에 비해 전력이 떨어지는 것은 사실이지만 계속해서 발전해나가고 있으며 기간이나 충전 방법에 있어서 진화된 성능을 갖고 있다는 점은 분명한 사실이다. 다이아몬드 배터리의 향후 귀추가 주목된다.

참고자료

• 이수연 기자, 〈방사성 폐기물, 무한동력 다이아몬드 배터리로 거듭나다!〉, 《에너지설비관리》, 2021-05-16
• 김정은 기자, 〈핵폐기물로 만든 무한전력 '다이아몬드 배터리' 나온다〉, 《데일리포스트》, 2020-01-22
• 박민성 학생기자, 〈다이아몬드로 배터리를?〉, 《코스모스》, 2020-09-30

같이 보기

• 칼륨 배터리
• 다이아몬드

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