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중국 스타트업 기업인 Betavolt가 최근 수명이 50년인 원자력 배터리를 개발했다고 발표했습니다. 원자력 배터리 기술은 1950년대부터 존재했지만, 전화 및 탈탄소화를 추구하는 오늘날의 흐름이 탄소 배출이 없는 전력 공급원과 신뢰할 수 있는 에너지 저장 장치의 탐색에 박차를 가하고 있습니다. 그 결과, 원자력 에너지를 활용한 Betavolt와 같은 혁신 기술이 배터리의 가치로 재조명되고 있습니다.
방사성 물질의 자연 붕괴를 활용하여 전류를 만들어 내는 원자력 배터리는 우주 분야 또는 북극 등대 같은 원격 작업 분야에서 사용해 왔는데, 이러한 분야에서는 배터리를 교체하는 것이 어렵거나 불가능합니다. 예를 들어 Mars Science Laboratory 로버는 방사성 붕괴로 인한 열을 열전 발전기를 통해 전기로 변환하는 방사성 동위원소 전력 시스템(RPS)을 사용합니다. 그러나 Betavolt의 혁신 기술은 열 대신 베타 입자를 에너지원으로 사용하는 베타전지입니다.
이와 같이 오래가는 배터리가 일반적인 장치에 사용되기를 기대하기 전에, 몇 가지 핵심적인 상충 관계를 이해해야 합니다. 베타전지는 수명이 길지만 전력 밀도라고 알려진 단위 질량당 전력 출력량이 상대적으로 적습니다. 현재 베타전지의 전력 밀도는 휴대전화나 노트북에 전력을 공급하지 못할 정도로 낮습니다.
그 외에도 베타전지를 비롯한 모든 원자력 배터리의 폭넓은 사용을 어렵게 만드는 여러 과제들이 존재하는데, 특히 물자 공급과 방사선 물질의 사용과 관련한 불편이 큰 문제입니다. 그럼에도 불구하고 이 기술 속에 숨어 있는 자연 과학 및 재료 과학 지식을 활용하면 CO2를 배출하지 않는 에너지 기술을 개발할 수 있으며 현재 이용 가능한 에너지 저장 기술이 만족스럽지 않은 응용 분야에 전력을 제공할 수 있습니다.
베타전지는 어떻게 작동하나요?
베타전지에는 방사성 방사체와 반도체 흡수체가 들어 있습니다. 방사 물질의 자연 붕괴를 통해, 방출되는 베타 입자 또는 고속 전자가 배터리의 흡수체 물질과 충돌하면 반도체 흡수체의 원자핵에서 전자가 분리됩니다. 생성된 전자-정공 쌍을 분리하면 흡수체에서 전류가 발생하면서 배터리에 전달할 수 있는 전력이 만들어집니다.
그러나 이러한 과정은 대규모 원자력 발전소의 수준에서 진행되는 과정이 아닙니다. 얇은 필름인 방사체와 흡수체는 Betavolt의 제품과 같이 동전 또는 사탕 정도의 크기인 배터리 안에 겹쳐져 있습니다. 그 이유는 대다수의 베타 입자가 흡수되고 해당 에너지가 흡수체 표면 가까이에서 전기로 변환되기 때문입니다.
광전지를 활용하는 태양 전지판에서도 유사한 과정을 통해 전류가 생성됩니다. 이 경우 태양 광자가 전자를 방출하여 흡수체에서 전자-정공 쌍을 형성하지만 베타전지에서는 자연 방사성 붕괴로 인해 생성된 베타 입자에서 이러한 과정을 진행합니다.
원자력 전지의 과제
붕괴 과정과 베타 입자를 전기로 전환하는 작업의 물리적 한계 때문에 이러한 전지는 마이크로와트 수준밖에 되지 않는 아주 작은 양의 전력만 생산할 수 있습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 베타전지는 아주 낮은 전력 밀도를 가지지만 다른 유형의 전지와 비교했을 때 굉장히 높은 에너지 밀도(배터리에 포함되어 있는 질량 단위당 총 에너지량)를 제공합니다.
베타전지의 에너지 밀도가 이렇게 높은 이유는 시간이 지나면서 방사성 방사체가 천천히 붕괴되어 몇 년 동안 전자가 방출되기 때문입니다. 베타전지의 수명은 베타 입자의 방출 강도가 절반으로 줄어드는 데 걸리는 시간인 반감기를 기준으로 측정합니다. 가장 일반적인 베타전지 방사체는 반감기가 2.5 ~ 100년입니다.
와트 또는 킬로와트 수준의 전력을 생산하려면 엄청나게 많은 양의 베타전지 스택이 필요할 것입니다. 오늘날의 기술로 이러한 규모의 전지를 구축하려면 상당한 비용이 소요됩니다. 주된 이유 중 하나는 바로 방사체가 자연적으로 생기는 물질로 만들어지지 않았다는 것입니다. 이 방사성 물질은 인공적으로 합성되어야 하며 더 높은 전력을 위한 대형 전지를 개발하는 데 드는 비용은 산출이 불가능한 수준입니다.
그러나 베타전지는 심장 박동기와 기타 작은 장치에 사용되어 왔습니다. 최근 웨어러블과 스마트 홈 장치 시장이 성장하면서 그 어느 때보다 잠재적인 활용 분야가 많아졌는데, 방사체와 흡수체의 성공적인 페어링이 큰 역할을 했습니다.
베타전지 기술을 지원하는 방사체와 흡수체
탄소 배출이 없는 장기적인 에너지원을 제공하는 것은 굉장히 중요한데, 베타전지가 건물 전체에 전력을 공급하지는 못하지만 지속적인 에너지를 생성하는 물질 간의 관계를 이해하면 새로운 가능성이 열립니다. 전문가가 엄선한 세계 최대 규모의 과학 정보 간행물 컬렉션인 CAS Content CollectionTM을 분석하면 전도유망한 물질과 연구 트렌드를 식별할 수 있습니다.
문헌에서 가장 흔하게 접할 수 있는 베타 입자 방사체인 니켈-63은 원소 니켈의 동위원소로 약 100년의 반감기를 가집니다(그림 2 참조). 그다음으로 흔한 동위원소는 수소-3 또는 삼중수소로 보통 고체 물질 티타늄 트리타이드에 결합됩니다. 분석 과정에서 프로메튬-147도 자주 접했으나 인용 빈도와 성장세가 다른 방사체 물질보다 낮았습니다(그림 3).
흡수체의 경우 가장 많이 인용된 물질은 반도체 장치에서 가장 흔하게 접할 수 있는 물질인 실리콘입니다(그림 4 참조). 또한 태양 전지에서 실리콘을 활용하는 사례를 통해 이러한 유형의 전류 생성 분야에서 실리콘의 뛰어난 유용성과 확장성을 확인할 수 있습니다.
자주 인용되는 기타 물질로는 탄화 규소(SiC), 질화 갈륨(GaN), 갈륨 비소(GaAs) 등이 있습니다. 이러한 물질은 밴드갭이 넓어 베타 입자-전기 전환 효율성이 증가합니다. 또한 베타 입자의 방사선(방사선 경도라고도 함)으로 인해 발생하는 성능 저하에 대한 저항성이 뛰어나 장치의 수명과 안정성이 향상됩니다. 이 두 속성은 흡수체 물질의 핵심 속성입니다.
특히 다이아몬드를 흡수 물질로 활용하기 위한 연구도 활발히 진행되고 있습니다. 이 경우 천연 원석이 아닌 합성 다이아몬드 필름을 의미하지만, 밴드갭이 넓고 방사선 경도가 커서 흡수체로 효과가 좋습니다.
CAS의 분석 결과 연구 대상 중 가장 일반적인 방사체-흡수체 쌍은 63Ni 실리콘입니다. 이러한 물질 외에 방사체-흡수체 쌍의 언급 빈도는 문헌에서 방사 물질과 흡수 물질을 각각 언급하는 빈도와 비슷했습니다. 이러한 결과는 현재 연구원들이 다양한 물질 조합을 테스트해 보고 있음을 시사합니다(그림 6 참조).
향후 원자력 배터리 기술의 응용 분야
베타전지가 크기 및 비용 관련 문제를 처리하면서 전력 밀도를 높일 수 있다면 교체 없이 몇 년 동안 장치에 전력을 공급할 수 있습니다. 베타 방사선의 투과 깊이가 상대적으로 얕기 때문에 방사체가 다른 유형의 방사성 물질보다 안전하며 간단한 재료로 차폐하여 소비자용으로 적합하게 만들 수 있습니다.
영국의 연구원들은 핵폐기물의 방사성 탄소-14를 사용하는 베타전지도 개발했습니다. 이때 방사체 층과 흡수체 층을 나누는 대신 탄소-14를 다이아몬드에 넣어 효율성을 극대화했습니다. 이러한 전지를 대규모로 생산하면 방사성 폐기물 관련 문제를 해결하면서 장기적이고 지속적인 전력 공급원을 제공하는 데 도움이 됩니다.
실현 가능한 또 다른 혁신 기술은 탄소 나노튜브 또는 나노 기공성 구조 같은 나노물질을 사용하여 흡수체의 표면적을 늘리는 것입니다. 그러면 더 많은 전자-정공 쌍을 생성하고 효율적으로 분리하여 배터리의 크기를 지속 불가능한 수준으로 늘리지 않으면서 더 강력한 전류를 생성할 수 있습니다. 나노소재를 사용해 표면적을 늘리는 기술은 태양 전지와 리튬이온 같은 전기화학 배터리에 적용되고 있습니다.
연구원들이 베타전지 측면에서 해당 역량을 마스터할 수 있다면 이러한 유형의 에너지 저장 장치를 훨씬 더 많은 분야에서 활용하고 재생 에너지와 에너지 저장 기술을 발전시켜 탈탄소화를 지원할 수 있을 것입니다. 미래의 그린 에너지 관련 기회에 대해 자세히 알아보려면 가장 빠르게 성장하고 있는 연구 트렌드와 리튬이온 배터리 재활용을 위한 돌파구, 그린 수소 경제의 주요 구성 요소에 대한 최신 기사를 확인하십시오.
