질화갈륨 기반 베타전지 소자 시제품. 경주시 제공
한국원자력연구원이 이온빔 기술을 활용해 스스로 전력을 생산할 수 있는 '베타전지'의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 구조를 개발했다.
한국원자력연구원 양성자과학연구단은 가속기이용연구부 김동석, 윤영준 박사 연구팀이 질화갈륨 기반의 새로운 베타전지 구조를 개발했다고 밝혔다.
연구결과는 원자력 분야 권위지인 '인터내셔널 저널 오브 에너지 리서치(International Journal of Energy Research)'의 표지 논문(제45권 1호)에 게재됐다.
베타전지는 방사성동위원소에서 방출되는 베타선 전자를 전력으로 변환하는 배터리로 외부동력원(태양이나 바람 등)없이 자체적으로 전력을 생산할 수 있다.
별도의 재충전이나 교체 없이 장기간 사용이 가능해 우주와 극지, 심해 등 극한 환경에서 사용하는 전자기기나 인체삽입형 의료기기 등의 차세대 전원으로 많은 관심을 받고 있다.
인터내셔널 저널 오브 에너지 리서치(International Journal of Energy Research) 제45권 1호 표지. 경주시 제공
양성자과학연구단이 개발한 베타전지 구조는 연구원이 보유한 이온빔 기술을 활용해 설계했다.
베타전지는 방사성동위원소에서 방출되는 베타선 전자가 반도체에 충돌하며 발생하는 '전자-정공 쌍'을 이용해 전력을 생산하는데 '전자-정공 쌍'은 반도체의 PN접합부에서 주로 생성된다. 연구팀은 전력 변환 효율을 높일 수 있도록 접합부를 마치 블록처럼 서로 맞물리는 형태의 '교차형 접합 구조'로 설계했다.
'교차형 접합 구조'는 에너지원인 방사성동위원소 가까이에 다수의 PN접합 구조 구현이 가능해 기존의 '적층형 접합 구조'보다 더욱 넓은 전자-정공 쌍 생성 영역을 확보할 수 있다.
이는 기존의 베타전지보다 전력 변환 효율과 출력을 크게 향상할 수 있어 기대를 모으고 있다.
또 기판 아래로 빠져나가는 전하 흐름을 차단하기 위해 장벽층을 구성해 누설 전력 손실을 줄여 전체 출력 전력을 높였다.
연구팀이 제시한 전력 생성 효율 향상 기술 및 설계 방식은 기존과는 차별성을 가져 연구원은 지식재산권도 확보할 수 있게 됐다.
이와 함께 향후 새로운 구조의 베타전지를 시제작해 성능 검증을 거친 후 상용화를 추진할 계획이다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 방사선기술개발사업의 지원을 받아 진행했다.
가속기이용연구부 이재상 부장은 "새로운 베타전지는 기존의 베타전지보다 고효율에 안정적인 에너지원으로써 전원 충전이 어려운 극한환경용 전자기기와 배터리 교체가 어려운 교량, 댐, 터널용 센서 등에 널리 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다"고 말했다.