Special Issue  ______  베타선을 이용한 반영구적 배터리

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100년 이상 오래 가는 베타전지

100년 이상의 수명을 가지는 베타전지 원천기술

전자제품 작동 시 배터리 사용은 필수적이다. 배터리는 꼭 일정 시간 이상 충전이 필요하며 건전지 또한 수명이 그리 길지 않아 교체 시기가 잦다. 충전도 필요 없이 100년 이상 오래가는 배터리가 있다면 어떨까?
최근 ETRI는 충전하지 않고, 100년 이상의 수명을 가지는 베타전지의 시제품을 개발했다. 베타선을 방출하는 순수 베타선원의 전자 입자를 흡수하여 이를 전기에너지로 변환하는 베타전지의 원천기술이다. ETRI는 자체 반도체 실험실을 이용하여 베타전지의 핵심 기술인 고집적·고효율의 에너지 흡수체용 SiC반도체 구조와 공정 기반 기술을 국내 최초로 확보했다. 단위 셀을 적층하거나 배열함으로써 원하는 출력에 맞게 베타전지를 구성할 수 있다. 또한 베타전지 실험을 통해 베타전지에서 생산된 전기에너지로 콘덴서를 충전하여 LED의 불을 밝히는데 성공했다.
초소형 반영구적 전력 생산기술은 제4차 산업혁명을 이끌 인공지능과 빅데이터 기술을 위한 필수 요소기술로, 사물인터넷(IoT) 기기의 전원으로 사용할 수 있다.

태양전지의 원리를 이용

베타선을 이용한 반영구적 베타전지 원천 기술은 산업통산자원부의 산업융합원천기술개발사업의 일환으로 ETRI와 한국원자력 연구진들에 의해 개발되었다.
한국원자력연구원은 하나로원자로를 이용하여 Ni-62 원소에 중성자를 조사하여 베타전지의 에너지원인 Ni-63 원소의 생산에 성공하고, 이를 베타전지에 탑재하기 위한 Ni-63 포일 제조 공정 기반기술을 확보했다.
베타전지의 원리는 베타 방출제에서 방출되는 베타선(전자)을 반도체의 PN 접합층에 흡수시켜 전기에너지를 생산하는 구조이다. 태양에너지 대신에 베타선을 에너지원으로 사용하는데, 태양전지의 원리를 그대로 이용했다. 따라서 베타방출제의 반감기가 길면 길수록 배터리의 수명이 길어지기 때문에 Ni-63과 같이 100년 이상의 반감기를 가지는 원소를 에너지원으로 사용하게 되면 배터리의 수명도 그만큼 길어진다.
또, 태양이나 풍력 등 외부 동력원 없이 자체적으로 전력을 생산하며 극저온이나 고온 등의 극한 환경에서도 안정적으로 전력생산이 가능하다는 점이 특징이다.

극한 상황에서도 충전문제 걱정 NO!
획기적인 미래 배터리

베타전지는 따로 충전이 필요 없고, 수명도 오래가기 때문에 사물인터넷기기의 전원 이외에도 충전이 어려운 극한환경의 전지로 사용이 가능하다. 인체 삽입형 의료기기인 패이스메이커의 전원이나 원전 사고 시 인간의 접근이 불가능한 상태에서 노심의 방사능 유출 감지센서, 터널이나 교량 등 인프라 시설의 센서 전원, 군사용 마이크로로봇의 미소전원으로 사용이 가능하다.
한편, 반영구적인 베타전지 기술은 기존 배터리가 가지고 있는 짧은 작동 주기를 획기적으로 극복했다. 향후 모바일 기기의 전원으로 사용이 가능하게 된다면 매일 충전하지 않아도 되기 때문에 여러 가지 충전 문제를 해결할 수 있는 차세대 배터리 기술이 될 것이다.
ETRI를 비롯한 공동 연구진은 베타전지 상용화를 위해 보다 다양한 베타선원 기술 개발을 선행하고 있다. 베타선원 별 최적의 에너지 흡수체 구조를 개발하기 위한 다양한 반도체 흡수체 기술 개발이 요구된다.
우주나 심해 등 사람의 손길이 닿기 어려운 극한 환경에서의 충전 기술 문제를 해결하는 획기적인 배터리 기술이 이끌어갈 미래를 기대해본다.