.avif)
원자력 배터리 기술은 1950년대부터 존재해 왔지만, 오늘날 전동화와 탈탄소화가 가속화되면서 탄소 배출이 없는 전원과 안정적인 에너지 저장 장치를 확보해야 할 필요성이 더욱 커졌습니다. 그 결과, 배터리 분야에서 원자력 에너지를 활용하려는 혁신적인 시도가 다시 주목받고 있습니다.
방사성 물질의 자연 붕괴를 이용해 전류를 생성하는 원자력 배터리는 배터리 교체가 어렵거나 불가능한 우주 탐사나 오지 시설(예: 북극 등대)에서 사용되어 왔습니다. 예를 들어 화성 탐사선 큐리오시티는 방사성 붕괴열을 열전 발전기를 통해 전기로 변환하는 방사성 동위원소 열전 발전기(RPS)를 사용합니다. 하지만 베타볼트(Betavolt)의 혁신은 열이 아닌 베타 입자를 에너지원으로 사용하는 베타볼타익 배터리라는 점에 있습니다.
이러한 장수명 배터리를 일반 기기에서 사용하기에 앞서 몇 가지 핵심적인 상충 관계를 이해해야 합니다. 베타볼타익 배터리의 긴 수명은 단위 질량당 낮은 출력, 즉 낮은 전력 밀도라는 단점과 맞바꾼 결과입니다. 현재의 베타볼타익 배터리는 전력 밀도가 너무 낮아 휴대폰이나 노트북을 구동할 수 없습니다.
이러한 배터리를 비롯한 모든 원자력 배터리의 광범위한 사용을 가로막는 추가적인 과제들이 있는데, 특히 소재 공급 문제와 방사성 물질 사용에 대한 거부감이 큽니다. 그럼에도 불구하고 이 기술의 기반이 되는 물리학 및 재료 과학은 CO2를 배출하지 않는 에너지 분야에서 중요한 진전을 이끌어내고, 기존 에너지 저장 기술로는 부족한 분야에 전력을 공급할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
베타볼타익 배터리는 어떻게 작동할까요?
베타볼타익 배터리는 방사성 방출원과 반도체 흡수체로 구성됩니다. 방출원 물질이 자연적으로 붕괴하면서 고속 전자(베타 입자)를 방출하고, 이 입자가 배터리 내부의 흡수체에 충돌하여 반도체 내 원자핵으로부터 전자를 분리합니다. 이렇게 생성된 전자-정공 쌍이 분리되면서 흡수체 내에 전류가 흐르게 되고, 이를 통해 배터리에서 전력을 공급받을 수 있게 됩니다.
하지만 이 과정은 대형 원자력 발전소와 같은 규모는 아닙니다. 방출원과 흡수체는 배터리 내부에서 얇은 필름 형태로 겹쳐져 있으며, 베타볼트의 제품처럼 동전이나 사탕 크기 정도입니다. 이는 대부분의 베타 입자가 흡수되고 그 에너지가 흡수체 표면 근처에서 전기로 변환되기 때문입니다.
태양광 패널의 광전지에서도 유사한 원리로 전류가 생성됩니다. 태양광 패널은 태양에서 오는 광자가 전자를 튕겨내어 흡수체 내에 전자-정공 쌍을 형성하는 반면, 베타볼타익 배터리는 자연적인 방사성 붕괴로 생성된 베타 입자가 그 역할을 수행합니다.
원자력 배터리의 과제
붕괴 과정의 물리적 한계와 베타 입자의 전기 변환 효율로 인해, 이 배터리는 마이크로와트(µW) 단위의 매우 적은 전력만을 생산합니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 베타볼타익 배터리는 전력 밀도는 매우 낮지만, 다른 배터리 유형과 비교했을 때 단위 질량당 포함된 총 에너지인 에너지 밀도는 극히 높습니다.
베타볼타익 배터리의 에너지 밀도가 높은 이유는 방사성 방출원이 시간이 지남에 따라 서서히 붕괴하며 수년간 전자를 방출하기 때문입니다. 수명은 초기 베타 입자 방출 강도가 절반으로 줄어드는 시간인 '반감기'로 측정됩니다. 베타볼타익 배터리에 가장 흔히 사용되는 방출원의 반감기는 2.5년에서 100년 사이입니다.
와트(W)나 킬로와트(kW) 단위의 전력을 생산하려면 베타볼타익 배터리를 엄청나게 많이 쌓아야 합니다. 현재 기술로는 이러한 규모의 배터리를 제작하는 것은 비용 측면에서 불가능합니다. 가장 큰 이유는 방출원이 자연 상태의 물질이 아니기 때문입니다. 방사성 물질을 인위적으로 합성해야 하므로, 고출력 애플리케이션을 위한 대형 배터리 개발은 경제성이 떨어집니다.
그럼에도 베타볼타익 배터리는 심박 조율기나 기타 소형 기기에 사용되어 왔습니다. 최근 웨어러블 기기와 스마트 홈 기기가 성장함에 따라, 방출원과 흡수체의 성공적인 결합을 통해 그 어느 때보다 다양한 활용 가능성이 열리고 있습니다.
베타볼타익 기술의 핵심, 방출체와 흡수체
장기적이고 탄소 배출이 없는 에너지원을 확보하는 것은 매우 중요합니다. 베타볼타익 배터리가 건물 전체에 전력을 공급할 수는 없더라도, 지속적인 에너지를 생성할 수 있는 소재 간의 관계를 이해하면 새로운 가능성이 열립니다. 세계 최대 규모의 과학 정보 큐레이션 데이터베이스인 CAS Content CollectionTM을 분석하면 유망한 소재와 연구 동향을 파악할 수 있습니다.
문헌에서 가장 흔히 볼 수 있는 베타 입자 방출체는 니켈-63입니다. 이는 니켈 원소의 동위원소로 반감기가 약 100년입니다(그림 2 참조). 그 다음으로는 수소-3, 즉 삼중수소가 있으며, 이는 주로 고체 상태의 티타늄 트리타이드(titanium tritide) 형태로 사용됩니다. 프로메튬-147 역시 분석 결과 자주 등장하지만, 다른 방출체 소재에 비해 인용 빈도가 낮고 성장세도 더딘 편입니다(그림 3).
흡수체 소재 중 가장 많이 인용되는 것은 반도체 소자에 널리 쓰이는 실리콘입니다(그림 4 참조). 태양전지에서의 활용 사례는 전류 생성 응용 분야에서 실리콘이 가진 유용성과 확장성을 잘 보여줍니다.
그 외 자주 인용되는 소재로는 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 비소화갈륨(GaAs)이 있습니다. 이러한 소재는 밴드갭이 커서 베타 입자를 전기로 변환하는 효율이 높습니다. 또한 베타 입자 방사선에 의한 열화 저항성(방사선 경도)이 우수하여 소자의 수명과 안정성을 향상시킵니다. 이는 흡수체 소재의 핵심 특성입니다.
주목할 점은 다이아몬드 또한 활발히 연구되는 흡수체 소재라는 것입니다. 이는 천연 보석이 아닌 합성 다이아몬드 박막을 의미하며, 넓은 밴드갭과 높은 방사선 경도 덕분에 흡수체로서 효과적입니다.
분석 결과, 63Ni-실리콘 조합이 가장 많이 연구되는 방출체-흡수체 쌍으로 나타났습니다. 이 외의 조합 빈도는 문헌에 등장하는 개별 방출체 및 흡수체 소재의 빈도와 대체로 일치합니다. 이는 연구자들이 현재 다양한 소재 조합을 시험하고 있음을 시사합니다(그림 6 참조).
핵전지 기술의 미래 응용 분야
베타볼타익 배터리가 크기와 비용 문제를 해결하면서 전력 밀도를 높일 수 있다면, 교체 없이 수년간 기기에 전력을 공급할 수 있게 될 것입니다. 베타 방사선은 투과 깊이가 비교적 얕아 다른 방사성 물질보다 안전하며, 간단한 차폐재만으로도 소비자용 기기에 적합하게 만들 수 있습니다.
영국 연구진은 핵폐기물에서 추출한 방사성 탄소-14를 활용한 베타볼타익 배터리를 개발하기도 했습니다. 이들은 방출체와 흡수체를 별도의 층으로 나누는 대신 탄소-14를 다이아몬드 내부에 삽입하여 효율을 극대화했습니다. 대량 생산이 가능해지면 방사성 폐기물 문제를 해결하는 동시에 장기적이고 일관된 전력을 공급할 수 있을 것입니다.
또 다른 혁신 가능성은 탄소 나노튜브나 나노 다공성 구조와 같은 나노 소재를 사용하여 흡수체의 표면적을 넓히는 것입니다. 이를 통해 더 많은 전자-정공 쌍을 생성 및 분리하여 배터리 크기를 과도하게 키우지 않고도 더 강한 전류를 생산할 수 있습니다. 나노 소재를 통한 표면적 확대 기술은 이미 태양전지나 리튬이온 배터리와 같은 전기화학 배터리에 적용되고 있습니다.
연구자들이 베타볼타익 배터리에서 이러한 역량을 확보한다면, 에너지 저장 기술의 활용 범위가 더욱 넓어지고 탈탄소화를 지원하는 재생 에너지 및 에너지 저장 분야의 발전으로 이어질 것입니다. 친환경 에너지의 미래 기회에 대해 더 자세히 알아보려면 급성장하는 연구 동향, 리튬이온 배터리 재활용 혁신, 그리고 그린 수소 경제의 핵심 요소에 관한 최근 기사를 확인해 보십시오.
