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[Tech Trend] 日서 수명 100년 ‘다이아몬드 전지’ 개발…지하 탐사용 전원으로 기대
[Tech Trend] 日서 수명 100년 ‘다이아몬드 전지’ 개발…지하 탐사용 전원으로 기대
  • 김태훈 기자
  • 승인 2021.02.22 09:00
  • 댓글 0
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사진=펙셀스
사진=펙셀스

일본에서 최근 다이아몬드를 소재로 하는 신형 전지가 개발됐다는 소식이 전해져 주목을 끈다.

니혼게이자이신문 보도에 따르면 일본 국립 연구기관인 물질•재료연구기구 산하의 와이드갭 반도체 그룹 연구팀이 인공 다이아몬드처럼 노란색에 가까운 빛깔의 다이아몬드 전지를 시험 제작하는데 성공했다.

이 개발 성과는 지난달 온라인 심포지엄을 통해 공개됐다.

다이아몬드는 공구로도 사용되고 있고, 반도체 용도로도 활용된다. 연구팀은 다이아몬드 기판에 다이아몬드의 얇은 막을 붙이는 방법으로 반도체 소자를 전력을 발생시켰다.

이 전지는 방사성 물질을 이용하는 ‘원자력 전지’의 일종으로, 기본 원리가 태양전지와 비슷하다. 태양광 대신에 방사성 물질에서 나오는 전자를 에너지원으로 삼아 전력을 생산하는 점이 다르다. 정확하게는 방사성 물질에서 나오는 방사선의 ‘베타선’을 사용한다. 그래서 ‘베타볼타전지(Betavoltaic)’라고도 불린다.

방사성 물질 원자핵은 불안정해 여러 방사선을 내면서 붕괴된다. 그 중에서도 탄소14나 니켈의 방사성 동위원소인 ‘니켈 63’이 베타선을 방출한다.

다이아몬드 전지는 방사성 물질이 베타선을 방출하는 한, 전력을 만들어 낸다. 탄소14는 반으로 줄어들 때까지의 기간, 즉 ‘반감기’가 약 5700년이고, 니켈 63은 약 100년이다. 따라서 수명이 100년에 달한다.

한편 베타볼타전지는 탄화규소를 소재로 한 제품은 이미 미국 기업이 개발해 상품화돼 있다. 그러나 다이아몬드는 에너지변환효율이 높지만 반도체 제작 등의 난제로 개발에 어려움이 있다.

일본 연구팀은 1990년대부터 불순물의 제어 등 다이아몬드 반도체 제작 기술과 노하우를 축적해 이번 전지를 실현했다. 아직 소자 수준인데, 소재 단계의 변환효율은 약 28%로, 이론 한계에 가까운 세계 최고 효율을 달성했다고 한다.

시험 제작에서는 베타선 대신 전자현미경 등에 사용되는 전자를 사용했는데, 앞으로 니켈63을 사용할 예정이다.

시험 전지는 실용화하기 위해서는 안전을 위해 방사선을 차폐해야 한다. 다만 베타선은 감마선 등과 달리 알루미늄 등 얇은 금속판으로 싸기만 해도 차폐가 가능하기 때문에 어려운 과제는 아니다.

또한 출력이 마이크로(마이크로는 100만분의 1)와트 수준으로 작은 것도 해결해야 할 과제다. 태양전지에 태양광이 비치는 경우와 비교해 면적당으로 방사성 물질이 방출하는 전자의 양이 적다. 용도를 늘리기 위해서는 출력을 높이는 기술이 필수다.

다이아몬드 전지 연구는 일본을 포함해 세계 여러 나라에서 진행되고 있다. 영국에서는 원자력공사와 브리스톨 대학이 지난해 원자력발전소에서 사용한 흑연의 표면에 많이 존재하는 탄소14를 이용한 다이아몬드 전지를 발표했다. 자세한 내용은 밝혀지지 않았지만, 전지가 완성된다면, 수명은 수천 년에 달한다고 한다. 원자로 해체 시에 폐기물로 나오는 흑연을 활용하는 이점도 있다. 양산을 검토 중인 것으로 알려져 향배가 주목된다.

원자력 전지에는 방사성 물질인 플루토늄이 내는 열을 이용해 발전하는 방식도 있다. 태양전지를 사용할 수 없는 행성 탐사선에 이미 사용되고 있다. 전력은 비교적 크지만, 플루토늄의 취급이 어려운 문제다.

이에 반해 다이아몬드 전지는 내열성이 우수하고 구조가 간단하다는 장점이 있다. 일본 연구팀은 “고온에서도 작동한다. 우주기기 뿐 아니라 지하 탐사 등에서도 활용하는 방안도 생각해 볼 수 있다”며 기대감을 나타낸다.


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