안전하고 반영구적 차세대 배터리 '베타전지' 개발

대구경북과학기술원 인수일 교수팀,
교체 필요 없는 원자력 전지 개발
탄소동위원소와 값싼 염료 이용
에너지 효율 2.8% 세계 최고 수준

인수일(오른쪽) 대구경북과학기술원 에너지공학과 교수와 김홍수 에너지공학과 박사 졸업생.

충전이 필요 없고 반영구적인 데다 안전하기까지 한 원자력전지가 있다면? 대구경북과학기술원(DGIST, 디지스트) 인수일(51) 에너지공학과 교수 연구팀이 이 같은 특성을 가진 원자력 전지를 개발했다. 같은 원리의 전지가 우주 군사 등 특수목적에 쓰이고 있지만 일상생활에 적용할 수 있는 안전하고 값싼 전지는 아직 요원한 실정이다. 디지스트 연구팀이 개발한 전지가 상용화하면 심장박동기 등 인체삽입형 의료기기나 웨어러블 기기 등의 에너지원 문제를 일거에 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

디지스트는 인수일 에너지공학과 교수 연구팀이 ‘양방향 탄소동위원소 염료감응 베타전지’를 개발했다고 2일 밝혔다. 이 전지는 반감기 5,730년인 탄소동위원소인 탄소-14(14C)가 방출하는 베타선의 에너지를 전기로 변환시킨 것이다. 베타선은 종이는 뚫지만 얇은 금속판도 통과하지 못할 정도로 투과력이 약해 안전한 베타전지를 만들 수 있다.

삼중수소나 니켈 동위원소를 이용한 것은 제법 있지만, 이들 원소는 반감기가 짧거나 워낙 비싸 민수용으로는 부적합하다. 인 교수팀은 베타전지에서 베타선을 방출하는 음극재는 탄소14를, 방사선흡수체인 양극재는 값비싼 반도체 물질 대신 ‘이산화티타늄(Titanium dioxide; TiO2)’ 전극에 저렴한 물감인 루테늄(Ruthenium; Ru) 계열의 ‘N719 염료’와 ‘방사선동위원소 시트르산(14-Citric acid; 14CA)’을 처리했다. 음극의 탄소14 동위원소도 원전 냉각계통에서 발생, 회수해 처리해야 것이어서 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 물질이다. 성능분석 결과 100시간 동안 안정적으로 작동했고 에너지 전환효율은 2.8%로 세계 최고 수준을 기록했다. 인 교수 연구팀이 2020년에 개발했던 베타전지보다 효율은 6배, 안정성은 10배로 높아졌다.

인수일 교수는 “값비싼 물질 대신 저렴한 염료를 적용한 새로운 형태의 베타전지를 개발했다는 점에 의의가 있다”며 "향후 기술 상용화를 위해 원자력전지의 양산설계 및 대량생산 관련 후속 연구를 지속하겠다"고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 전기ᆞ전자공학 분야의 저명한 국제학술지 ‘저널 오브 파워소스(Journal of Power Sources)’ 4월 온라인 게재(제1저자: 에너지공학과 김홍수 박사 졸업생, 공동저자: 기초학부 이상훈 학부생)됐다.

인수일 디지스트교수

정광진 기자 kjcheong@hankookilbo.com