[분석과 전망] 충전 없는 배터리 ‘염료감응 베타전지’…상용화가 중요하다

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문제는 배터리다. 전기차에서도 배터리가 핵심이다. 기존의 배터리가 가진 짧은 수명을 해결하기 위해 베타전지 연구가 세계적으로 활발히 진행 중인 가운데 별도의 충전 없이 반영구적으로 사용 가능한 ‘염료감응 베타전지(Dye-Sensitized Betavoltaic Cell)’가 세계 최초로 개발됐다.

대구경북 과학기술원(DGIST) 인수일 교수 연구팀이 개발한 염료감응 베타전지는 기존의 베타전지에서 방사선흡수체로 사용된 값비싼 반도체 물질을 루테늄 계열의 ‘N719’ 염료로 대체한 것이다. 루테늄은 원자번호 44번 원소로서 단단하고 은백색을 띠는 전이금속이다. 또한 베타선을 방출하는 동위원소인 ‘탄소-14(Carbon-14)’를 적용해 기존 베타전지가 가진 복잡한 구조를 단순화했고, ‘탄소-14’를 나노입자로 만들어 에너지 밀도를 높였다. 탄소는 나노 테크의 주된 소재다.

연구팀이 염료감응 베타전지의 성능을 실험한 결과, 베타선원인 ‘탄소-14’에서 방출된 전자 대비 3만 2000배의 전자를 생성하며 10시간 동안 안정적인 전력을 생산한다는 사실을 관찰했다. 특히 베타전지에 사용된 ‘탄소-14’는 약 5730년의 반감기를 가지고 있어, 상용화에 성공할 경우 반영구적인 수명을 가질 것으로 예상된다.

인수일 교수는 전화 통화에서 “현재 개발된 베타전지는 낮은 효율성으로 인해 기기의 전력 공급원으로 사용하기는 어렵다”면서 “지속적인 연구를 통해 우주선이나 저전력 기기 등 폭 넓은 분야에 활용될 수 있을 것”이라고 기대했다. 인 교수는 이 전지의 실용화를 위해 효율성 향상 연구를 진행하고 있다고 한다. 전지의 안정성 연구도 병행해 실용화를 앞당기겠다고 다짐했다.

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.

인 교수는 “이번 연구는 기존 방식과는 달리 값싼 염료를 적용하여 새로운 베타전지 개발에 성공했다는데 큰 의의가 있다”고 밝혔다. 값싼 염료를 사용해 대량생산이 용이하고, 높은 안정성을 갖춰 우주, 심해와 같은 극한 환경이나 의료분야 등에 필수적인 차세대 전원으로 활용될 것으로 기대된다.

현재 배터리 시장의 주류인 리튬이온전지가 성능 향상, 용량 증대, 안전성 등에서 한계에 도달했다. 폐기물 발생 등의 환경 문제도 대두되고 있다. 따라서 이를 해결할 수 있는 친환경적이며 장기안정성을 가진 차세대 배터리에 대한 관심이 높아지고 있다. 베타전지는 높은 안정성 및  에너지 밀도의 전력을 생산할 수 있는 능력이 있어 차세대 배터리의 후보로 적합하다고 평가받고 있다.

대체 전지가 베타전지만은 아닐 것이라는 주장도 많다. 세계 최대의 배터리 업체이자 기술적으로 가장 우수한 기업으로 평가받는 중국의 CATL은 리튬이온전지를 이용한 배터리를 제작 공급하고 있는데 이 회사의 경우 니켈이나 코발트가 없는 차세대 배터리 개발에 주력하고 있다. 즉, 리튬이온전지를 대체할 수 있는 다양한 기술 개발이 이루어지고 있고 베타전지도 그 중의 하나라는 것이다.

다만 지속가능성 면에서는 염료감응 베타전지의 가능성을 더 높이 평가하고 있다. 한 번 상용화되면 오랜 시간 전지 시장을 끌고 갈 아이템이라는 것. 그래서 이번 개발은 의미가 크며 상용화 개발을 서둘러 완성도를 높여야할 것이라고 지적한다.

류인선기자

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