충전 없는 배터리. 세계 최초‘염료감응 베타전지’개발

대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학전공 인수일 교수 연구팀이 별도의 충전 없이 반영구적으로 사용 가능한 ‘염료감응 베타전지(Dye-Sensitized Betavoltaic Cell)’를 최초 개발했다고 15일(수) 밝혔다. 값싼 염료를 사용해 대량생산이 용이하고, 높은 안정성을 갖춰 우주, 심해와 같은 극한 환경이나 의료분야 등에 필수적인 차세대 전원으로 활용될 것으로 기대된다.

 최근 전기차, IoT(사물인터넷) 등의 기술수요가 급증하면서 다양한 용도의 배터리 수요가 높아지고 있다. 특히 기존의 배터리가 가진 짧은 수명을 해결하기 위해 베타전지 연구가 세계적으로 활발히 진행 중이다.  

 베타전지는 방사성 동위원소를 원료로 이용하는 차세대 전지 중 하나이다. 방사성 동위원소에서 방출된 베타전자가 방사선흡수체인 반도체에 충돌하면서 전기가 생산되는 원리다. 베타선은 인체 유해성 및 투과도가 낮아 높은 안전성을 가진다. 또한 외부 동력원 없이 자체 전력 생산이 가능해 별도의 충전이 필요 없고, 수명은 방사성 동위원소의 반감기와 비례하기 때문에 교체 주기가 길다. 이러한 장점들로 미국과 러시아 등 세계 주요 국가들 위주로 활발한 연구가 진행 중이다. 하지만 값비싼 소재 사용 및 복잡한 제작 공정 때문에 대량생산이 쉽지 않은 실정이다. 

 이에 DGIST 인수일 교수 연구팀은 기존의 베타전지에서 방사선흡수체로 사용된 값비싼 반도체 물질을 루테늄²⁾ 계열의 ‘N719’ 염료로 대체했다. 또한 베타선을 방출하는 동위원소인 ‘탄소-14(Carbon-14)’를 적용해 기존 베타전지가 가진 복잡한 구조를 단순화했고, ‘탄소-14’를 나노입자로 만들어 에너지 밀도를 높였다. 

 연구팀은 염료감응 베타전지의 성능실험을 통해, 베타선원인 ‘탄소-14’에서 방출된 전자 대비 32,000배의 전자를 생성하며 10시간 동안 안정적인 전력을 생산함을 관찰했다. 특히 베타전지에 사용된 ‘탄소-14’는 약 5,730년의 반감기를 가지고 있어, 상용화에 성공할 경우 반영구적인 수명을 가질 것으로 예상된다.

 DGIST 인수일 교수는 “이번 연구는 기존 방식과는 달리 값싼 염료를 적용하여 새로운 베타전지 개발에 성공했다는데 큰 의의가 있다”고 밝혔다. 또한, “아직 풀어야 할 숙제가 많지만 안전하고 저렴한 염료감응 베타전지 개발에 노력하겠다.”고 밝혔다. 

 이번 연구는 한국연구재단 방사선기술개발사업으로 진행됐으며, 화학 분야의 저명한 국제학술지 ‘Chemical Communications’ 52호에 7월 4일 표지논문으로 게재됐다.

아래는 DGIST 홈페이지에 게재되어 있는 질의 응답이다.

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

기존의 베타전지는 방사선흡수체 물질로 반도체 물질을 주로 많이 사용하였으며, 베타선을 방출하는 물질과 직접적으로 접합한 구조의 전지를 제작하였다. 이러한 구조는 물질 종류 및 형태 변화의 한계를 보인다. 본 연구에서는 반도체 물질이 아닌 염료감응 방사선흡수체를 사용하였으며, 방사선원의 밀집도를 높이는 나노입자 구조를 채택하여 효율 향상의 가능성을 높인 새로운 베타전지를 개발하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

현재 개발된 베타전지의 경우에는 낮은 효율로 인해 기기의 전력 공급원으로 사용하기에는 무리가 있지만, 지속적인 연구를 통해 우주선, 저전력 기기등과 같은 폭넓은 분야에 활용될 수 있다.

Q. 실용화를 위한 과제는?

현재 실용화를 위해서 베타전지의 효율 향상을 위한 후속연구를 진행하고 있다. 동시에 전지의 안정성 테스트 등과 같은 다른 연구들도 병행하며 실용화를 앞당기고자 한다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

국내 이차전지 산업 현황과 발전과제 보고서에 따르면 현재 배터리 시장의 주류인 리튬이온전지가 성능 향상, 용량 증대, 안전성 등에서 한계에 도달했다고 한다. 또한, 잦은 교체 주기에 따른 폐기물 발생 등의 환경 문제가 대두되고 있다. 따라서 이를 해결할 수 있는 친환경적이며 장기안정성을 가진 차세대 배터리에 대한 관심이 높아졌다. 그 중 베타전지는 높은 안정성 및  에너지 밀도의 전력을 생산할 수 있는 능력이 있어 차세대 배터리의 후보로 적합하다고 생각되어 연구를 시작하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

베타전지 분야에서 새로운 구조와 방사선흡수체에 적용할 수 있는 물질의 다양성을 제시할 수 있었다는 것에 의미가 크다고 생각한다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

베타전지의 성능은 상용화를 진행하기에는 아직 한없이 부족한 실정이다. 지속적인 후속 연구로 베타전지의 효율을 실용화 수준까지 도달하고자 하며, 또한, 차세대 배터리로서의 사업화 기반을 마련하고자 한다.