한국원자력연구원, 이온빔 기술을 활용한 베타 전지 성능 향상 구조 개발

한국원자력연구원, 이온빔 기술을 활용한 베타 전지 성능 향상 구조 개발: 원정연 / 2021-02-10 02:53:39

한국원자력연구원 양성자과학연구단 가속기이용연구부 김동석, 운영준 박사 연구팀이 질화갈륨 기반의 새로운 베타전지 구조를 개발했다.

베타 전지는 방사성동위원소에서 방출되는 베타선 전자가 반도체에 충돌하며 발생하는 전자-정공 쌍을 이용해 전력을 생산한다. 전자-정공 쌍은 반도체의 PN 접합부에서 주로 생성되며, 이는 외부동력원(태양, 바람 등) 없이 자체적으로 전력을 생산할 수 있다.

여기서 전자-정공 쌍은 외부에너지를 받아 반도체 내 쌍으로 생성되는 전자 및 정공(전자가 빠져나간 빈자리)을 일컫는다. 베타 전지에서는 생성된 전자-정공 쌍이 전류로 전환되어 전력을 생산한다.

별도의 재충전, 교체과정 없이 장기간 사용 가능해 우주와 극지, 심해 등 극한 환경에서 사용되는 전자기기, 인체삽입형 의료기기 등의 차세대 전원으로 많은 관심을 받고 있다.

연구팀은 전력 변환 효율을 높일 수 있도록 접합부를 마치 블록처럼 서로 맞물리는 형태의 ‘교차형 접합 구조’로 설계했다. 이와 같은 구조는 에너지원인 방사성동위원소 가까이 다수의 PN 접합 구조 구현이 가능해, 기존의 ‘적층형 접합 구조’보다 더 넓은 전자-정공 쌍생성 영역을 확보할 수 있다.

또한, 기판 아래로 빠져나가는 전하 흐름을 차단하기 위해 장벽층을 구성해 누설 전력 손실을 감소 시켜 전체 출력 전력을 높였다.

연구팀은 이번 연구에서 전력 생성 효율을 높이기 위해 제시한 기술 및 설계 방식은 기존 방식과 차별성을 가져, 지식재산권을 획득했다. 또, 연구팀은 향후 새로운 구조의 베타 전지를 시제작하여 성능 검증을 거친 후 상용화를 추진할 계획이다.

연구원 가속기이용연구부 이재상 부장은 “새로운 베타 전지는 기존의 베타 전지보다 고효율에 안정적인 에너지원으로서, 전원 충전이 어려운 극한환경용 전자기기와 배터리 교체가 어려운 교량, 댐, 터널용 센서 등에 널리 활용할 수 있을 것”이라며 기대감을 전했다.

연구팀의 연구 결과는 원자력 분야 권위지인 인터내셔널 저널 오브 에너지 리서치 제45권 1호 표지 논문으로 게재되었다.