서재화 박사팀·경국대 윤영준 교수팀 연구…국제 학술지에도 게재
(창원=연합뉴스) 김선경 기자 = 한국전기연구원(KERI)은 우주 등 극한 환경에서 충전이나 교체 없이 50년 이상 스스로 전기를 만드는 '탄화규소(SiC) 반도체 기반 베타전지'를 국내에서 처음으로 실증했다고 26일 밝혔다.
이번 연구는 KERI 차세대반도체연구센터 서재화 박사팀과 국립경국대학교 윤영준 교수팀이 공동 수행했다.
베타전지는 방사성 물질에서 나오는 전자(베타선)를 반도체가 흡수해 전기로 바꾸는 차세대 전원 장치다.
빛을 받아 전기를 만드는 태양전지와 비슷하지만, 태양 대신 방사성 물질을 에너지원으로 삼는다.
따라서 햇빛이 전혀 닿지 않는 우주, 심해, 지하 국방 감시환경 등에서도 날씨·온도와 상관 없이 전력을 안정적으로 오래 공급할 수 있다.
KERI는 기존 실리콘 반도체보다 열과 방사선에 훨씬 강한 차세대 소재인 탄화규소를 핵심 소재로 선택하고, 반도체 구조를 최적으로 설계(p-i-n 다이오드 구조 방식)해 독자적 원천 소자를 만드는 데 성공했다.
원천 기술을 확보한 연구팀은 이후 방사성 물질 실증에 돌입했다.
실제 베타선 원료인 '니켈-63'(Ni-63)을 확보해 국내 최초로 전용 측정 설비를 구축했다.
연구팀은 이를 바탕으로 반도체와 방사성 물질을 결합한 결과 실제 전력(활성면적 환산 기준 약 160㎼/㎠(마이크로와트는 100만분의 1와트))이 만들어지는 것을 확인했다.
이 전기로 저전력 LED 빛을 밝히는 시제품도 완성했다.
KERI는 방사성 물질인 Ni-63의 수명 특성을 고려할 때, 동전형 리튬전지와 같은 아주 적은 전력을 필요로 하는 기기에서 전지 교체 없이 50년 이상 작동할 수 있는 가능성을 입증한 것이라고 설명했다.
이 출력 성능은 과거 국내에 보고된 실험 결과보다 6만배 이상 향상된 수치라고 덧붙였다.
또 방사성 물질을 반도체 표면에 빈틈없이 얇고 고르게 바르는 이상적인 방식을 적용할 경우 0.85㎽／㎠의 출력전력 밀도와 단위셀 기준 20㎼ 이상의 전력 발생이 가능하다는 점도 확인했다.
이는 기존 국내 단위 셀 출력 목표치 대비 4천200배 이상 높은 수치다.
시제품 제작 이후 연구팀은 기술 완성도와 상용화 가능성을 높이기 위해 인공지능(AI) 기술과 극한환경 테스트를 도입했다.
AI 예측 모델로 최적화 설계 시간을 크게 줄이고, 우주선이 겪을 수 있는 강력한 방사선 환경을 모사하기 위해 15MeV(메가전자볼트)급 고에너지 양성자를 전지에 직접 쪼이는 실험도 국내에서 처음으로 수행했다.
이번 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 '인터내셔널 저널 오브 에너지 리서치'(International Journal of Energy Research, JCR 상위 3.6%)에 게재됐다.
연구팀은 향후 우주항공, 방위산업 등 분야 기업들과 협력해 기술이전, 공동 제품 개발을 추진할 계획이다.
서재화 KERI 박사는 "베타전지는 사람의 접근이 힘든 곳에서 수십 년간 아주 작은 전력을 꾸준히 공급하는 초장수명 전원"이라며 "국방 무인 감시센서나 우주·심해의 비상신호기를 50년 이상 스스로 작동하게 만드는 핵심 동력이 될 것"이라고 말했다.
ksk@yna.co.kr
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