베타전지는 방사성동위원소에서 방출되는 베타선 전자를 전력으로 변환하는 배터리로, 외부동력원(태양, 바람 등) 없이 자체적으로 전력 생산이 가능하다. 별도의 재충전, 교체과정 없이 장기간 사용 가능해 우주와 극지, 심해 등 극한 환경에서 사용되는 전자기기, 인체삽입형 의료기기 등의 차세대 전원으로 많은 관심을 받고 있다.

한국원자력연구원(원장 박원석) 양성자과학연구단(단장 김유종)은 가속기이용연구부 김동석, 윤영준 박사 연구팀이 질화갈륨 기반의 새로운 베타전지 구조를 개발, 그 연구결과가 원자력 분야 권위지인 인터내셔널 저널 오브 에너지 리서치 제45권 1호 표지 논문으로 게재되었다고 밝혔다.

2019 Journal Citation Reports (Clarivate Analytics)는 1/34 (원자력 과학기술 분야 인용지수 1위)다.

이번에 개발한 베타전지 구조는 연구원이 보유한 이온빔 기술을 활용해 설계했는데, 기존 전지보다 전력 변환 효율과 출력을 크게 향상 시킬 수 있어 기대를 모으고 있다. 본 연구는 과학기술정보통신부 방사선기술개발사업의 지원을 받아 진행되었다.

베타전지는 방사성동위원소에서 방출되는 베타선 전자가 반도체에 충돌하며 발생하는 전자-정공 쌍을 이용해 전력을 생산한다.

전자-정공 쌍은 반도체의 PN접합부에서 주로 생성되는데, 연구팀은 전력 변환 효율을 높일 수 있도록 접합부를 마치 블록처럼 서로 맞물리는 형태의 ‘교차형 접합 구조’로 설계했다. 또한, 기판 아래로 빠져나가는 전하 흐름을 차단하기 위해 장벽층을 구성해 누설 전력 손실을 감소시켜 전체 출력 전력을 높였다.

전자-정공 쌍(Electron-hole pair): 외부에너지를 받아 반도체 내 쌍으로 생성되는 전자 및 정공(전자가 빠져나간 빈자리)을 일컬음. 베타전지에서는 생성된 전자-정공 쌍이 전류로 전환되어 전력을 생산한다.

‘교차형 접합 구조’는 에너지원인 방사성동위원소 가까이 다수의 PN접합 구조 구현이 가능해 기존의 ‘적층형 접합 구조’보다 더욱 넓은 전자-정공 쌍 생성 영역을 확보할 수 있다.

이번 연구에서 전력 생성 효율을 높이기 위해 제시한 기술 및 설계 방식은 기존 방식과 차별성을 가져, 연구원은 지식재산권을 확보 완료했다. 향후 새로운 구조의 베타전지를 시제작하여 성능 검증을 거친 후 상용화를 추진할 계획이다.

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