한국전기연구원, 충전 없이 50년 이상 쓰는 '베타전지' 국내 최초 실증

한국전기연구원(KERI) 차세대반도체연구센터 서재화 박사팀은 국립경국대학교 윤영준 교수팀과 공동 연구를 통해 탄화규소(SiC) 반도체 기반 베타전지를 국내 최초로 실증했다고 28일 밝혔다. 이번 성과는 에너지 분야 국제학술지인 '인터너셔널 저널 오브 에너지 리서치(International Journal of Energy Research)'에 논문이 게재됐다.

베타전지는 방사성 물질에서 방출되는 베타선을 반도체가 흡수해 전기로 변환하는 차세대 전원 장치다. 태양전지와 원리는 비슷하지만 빛 대신 방사성 물질을 에너지원으로 사용해 햇빛이 닿지 않는 우주·심해·지중 등에서도 날씨와 온도에 관계없이 장기간 전력 공급이 가능하다. 다만 기존 기술은 전력 변환 효율이 낮았고 국내에는 방사성 물질을 안전하게 취급·측정할 수 있는 기반이 부족해 실증에 제약이 따랐다.


연구팀은 열과 방사선에 강한 차세대 소재인 탄화규소(SiC)를 핵심 소재로 선택하고 반도체 구조를 최적으로 설계해 독자적 원천 소자를 개발했다. 이후 안전 기준을 통과해 베타선 원료인 니켈-63(Ni-63)을 확보하고 국내 최초로 전용 측정 설비를 구축했다. 반도체와 방사성 물질을 결합해 실증한 결과 전력 활성면적 환산 기준 약 160μW/cm²(제곱센티미터당 160마이크로와트)의 출력을 확인했으며 이 전력으로 저전력 LED를 점등하는 시제품을 완성했다.

연구팀은 니켈-63의 수명 특성을 고려할 때 동전형 리튬전지 수준의 전력을 필요로 하는 기기에서 전지 교체 없이 50년 이상 작동할 수 있는 가능성을 입증했다고 밝혔다. 이 출력은 과거 국내에 보고된 실험 결과 대비 6만배 이상 향상된 수치로 국내 최고 수준이다.

연구팀은 방사성 물질을 반도체 표면에 균일하게 코팅하는 이상적 조건을 적용할 경우 0.85mW/cm²의 출력전력 밀도와 단위 셀 기준 20μW 이상의 전력 발생이 가능하다고 추가로 확인했다. 이는 기존 국내 단위 셀 출력 목표치 대비 4,200배 이상 높은 수치다. 니켈-63의 수명을 고려하면 이론상 최대 100년까지 구동이 가능한 것으로 나타났다.

시제품 완성 후 연구팀은 기술 완성도를 높이기 위해 AI 기술과 극한 환경 테스트를 도입했다. 윤영준 교수팀과 협업해 구축한 AI 예측 모델은 실제 전지의 출력과 전압을 98~99% 정확도로 예측해 최적화 설계 시간을 단축했다. 또한 15MeV(메가전자볼트)급 고에너지 양성자를 전지에 직접 조사하는 실험을 국내 최초로 수행해 우주 방사선 환경에서의 신뢰성 열화 데이터를 정량적으로 확보했다.


서재화 박사는 "베타전지는 전기차처럼 큰 힘을 내는 전지가 아니라 사람의 접근이 어려운 곳에서 수십 년간 정비 없이 작은 전력을 꾸준히 공급하는 초장수명 전원"이라며 "국방 무인 감시 센서나 우주·심해 비상 신호기를 50년 이상 스스로 작동하게 만드는 핵심 동력이 될 것"이라고 밝혔다. 윤영준 교수는 "실제 소자 제작·측정·시제품 실증과 AI 설계 예측까지 완성한 국내 최고 수준의 사례"라고 평가했다.

연구팀은 관련 특허 출원을 마친 상태며 향후 우주항공·방위산업·원전 및 방사선 안전 감시·원격 센서 분야 기업들과 기술이전 및 공동 제품 개발에 나설 계획이다.