[테크코리아 미래기술 40]소형 원자력 전지

지난해 한국원자력연구원이 개발한 새로운 베타전지 소자 시제품.

◇용어설명

원래 방사성 동위원소가 붕괴하면서 발생하는 열을 기반으로 전류를 일으켜 전기에너지를 만드는 전지를 말한다. 하지만 최근에는 피폭 위험이 낮은 동위원소 특정 대역 파장을 전기로 전환해 사용하는 방식이 주류 연구로 부상했다. 알파, 베타 등 파장에 따라 알파전지, 베타전지라 부르며 이를 소형화한 것이 소형 원자력 전지다.

소형 원자력 전지는 외부 동력원 없이 내부 반응으로 전력을 생산하기 때문에 별도 충전 과정이 필요 없다. 수명도 방사성 동위원소 반감기와 비례해 수십 년에서 수백 년까지 길다.

세계 주요 국가가 소형 원자력 전지 연구에 집중하는 이유다. 하지만 여전히 사용 원료는 비싸고 복잡한 제작 공정 등이 숙제로 남아있다.

◇ 우리나라 원천 기술개발 성과 잇따라

베타전지를 포함한 소형 원자력 전지는 고밀도 전력을 장시간 안정적으로 유지해야 하는 의료, 국방, 항공우주, 해양, 원전, 로봇 등에 적합하다.

특히 전지를 충·방전하기 어려운 극한지역이나 미사일 대기 전력, 군사 작전용 센서, 맥박조정기, 제세동기, 우주 센서, 위성 전력원 등 고밀도 전력을 장시간 안전하게 공급해야 하는 분야에 유용하다.

리튬전지나 수소연료전지와 비교하면 아직까지 상용화 초기단계지만 주요 국가와 과학기술계, 산업계가 관심을 두고 투자를 늘리고 있는 이유다.

이미 미국, 러시아 등은 국방, 항공·우주, 해양, 의료 분야에서 폭넓게 활용하고 있다.

미국은 국방부와 록히드마틴 등 정부와 기업이 협력해 국방용, 우주용 원자력 전지를 개발 적용하고 있다. 러시아는 최근 국영 연료회사가 50년간 사용할 수 있는 소형 원자력 전지 개발에 성공해 의료용에서 무선통신 장비까지 상용화해 나갈 계획이다.

국내 연구도 활발해 원천 기술개발 성과가 잇따르고 있다.

한국원자력연구원은 2007년 국내 처음으로 방사성 동위원소를 이용한 초기 수준의 원자력 전지 연구 성과를 발표했다.

이후 2017년에 한국원자력연구원과 ETRI, 대구TP 나노융합실용화센터, 맨텍 등이 공동으로 세계 최고 수준의 출력값을 나타내는 Ni-63(니켈-63) 기반 베타전지 시제품 개발에 성공했다. 기업에 기술을 이전해 원전 시설물 방사능 감시 독립전원 시제품 개발과 중장기로 심해, 지하, 극지 등 극한 환경이나 인체에 반영구적으로 전력을 공급하는 독립전원 시스템으로 상용화를 추진한다.

지난 2020년 인수일 DGIST 교수팀은 충전 없이 반영구적으로 사용할 수 있는 염료감응 베타전지를 개발했다. 원자력 전지 분야에서 새로운 구조와 방사선 흡수체에 적용할 수 있는 물질의 다양성을 제시한 것으로 평가된다.

지난해에는 한국원자력연구원이 이온빔 기술로 전력변환효율을 높인 새로운 베타전지 구조 개발 성과를 내놨다. 전지 내 전력 생산 구조를 블록처럼 맞물리는 형태로 설계해 더욱 넓은 전자-정공쌍 영역을 확보하고, 이를 통해 전력변환 효율을 극대화했다.

임동식기자 dslim@etnews.com