DGIST, 양방향 탄소동위원소 염료감응 베타전지 개발

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 인수일 교수팀이 충전이 필요 없는 반영구적 차세대 배터리인 ‘양방향 탄소동위원소 염료감응 베타전지’를 개발했다.

연구팀은 이번에 개발한 기술이 우주, 심해, 의료, 전기차, 드론 등 다양한 방면에서 미래 시장 선도를 위한 관련 소재, 부품, 장비의 주도권 확보로 국가 미래 먹거리의 핵심기술로 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

사물인터넷(Internet of things; IoT), 가상물리시스템(Cyber physical system), 인공지능(Artificial intelligence; AI) 등으로 대표되는 4차 산업이 빠르게 성장하고 있다. 이로 인해 플랫폼을 활용하게 할 수 있는 에너지원인 배터리 기술의 중요성이 더욱 부각되고 있지만, 배터리 원자재인 리튬과 니켈의 가격 상승, 발열 및 내구성에 따른 안전성 문제, 이차전지의 성능 제약 등 현재 상용화 중인 배터리 기술의 한계가 존재해 차세대 배터리 개발의 필요성이 대두되고 있다.

최근 차세대 배터리로 베타전지에 대한 관심이 높아지는 가운데 베타전지는 방사성동위원소(탄소, 니켈, 수소 등)에서 방출되는 베타선 전자가 방사선 흡수체인 반도체에 충돌하면서 전력을 생산하는 장치이다. 베타전지의 가장 큰 장점은 외부 동력원 및 교체과정 없이 자체 전력 생산이 가능하며, 방사성동위원소의 긴 반감기를 통해 반영구적 수명을 가진다.

베타전지의 주요에너지원인 베타선은 감마선에 비해 인체에 대한 유해성이 낮으며 높은 안정성을 가진다. 이러한 장점으로 미국과 중국 등 세계 주요 국가에서는 베타전지에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있지만, 소재 단가, 복잡한 제작공정 및 기술 등 많은 제약이 있어 개발에 어려움이 있다.

이에 DGIST 에너지공학과 인수일 교수팀은 가격 경쟁력과 높은 효율을 갖는 베타전지 개발을 위한 연구를 실시했다. 연구팀은 베타전지에서 방사선흡수체로 활용되는 값비싼 반도체 물질 대신 루테늄(Ruthenium; Ru) 계열의 ‘N719 염료’와 ‘방사선동위원소 시트르산(14-Citric acid; 14CA)’, 그리고 ‘이산화타이타늄(Titanium dioxide; TiO2)’을 활용했다. 

시트르산을 탄소동위원소 나노입자로 합성해 에너지 밀도를 높이고, N719 염료와 이산화타이타늄 사이에 시트르산을 추가해 강한 결합을 형성하여 높은 에너지 전환과 안정성을 확보했다.

연구팀은 새로 개발한 ‘양방향 탄소동위원소 염료감응 베타전지’에 대한 성능 분석을 진행했다. 분석 결과, 방출하는 전자 대비 6만 5850배의 전자를 생성하며, 100시간 동안 안정적으로 전력을 생산하는 것으로 확인했다. 2020년에 연구팀에서 개발한 베타전지와 비교하면, 전력변환효율이 6배, 안정성이 10배 상승했다.

DGIST 인수일 교수는 “이번 연구를 통해 값싼 염료를 적용한 새로운 형태의 베타전지를 개발했다는 점에 의의가 있다”며 “향후 기술 상용화를 위해 원자력전지의 양산설계 및 대량생산 관련 후속 연구를 하겠다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 전기·전자공학 분야의 저명한 국제학술지 ‘저널 오브 파워소스(Journal of Power Sources)’에 4월 온라인 게재(제1저자 에너지공학과 김홍수 박사 졸업생, 공동저자 기초학부 이상훈 학부생)됐다.