차세대 페로브스카이트 베타전지: 미래 에너지 혁신

국내 연구진이 별도의 충전 없이도 안정적인 전력을 공급할 수 있는 차세대 페로브스카이트 베타전지를 개발하며 에너지 기술의 새 지평을 열었다. 우주 탐사, 의료기기, 군사용 장비 등 극한 환경에서도 스스로 전력을 수급할 수 있는 이 기술은 미래 산업의 게임체인저로 주목받는다. 대구경북과학기술원(DGIST) 연구팀의 이번 성과는 베타전지의 실용화를 한층 앞당기며, 에너지 안보와 기술 혁신의 가능성을 보여준다. 이 혁신적인 기술의 특징, 개발 과정, 그리고 활용 가능성을 알아본다.

베타전지, 미래 에너지의 열쇠

베타전지는 방사성 동위원소의 자연 붕괴 과정에서 방출되는 베타 입자를 활용해 전력을 생산하는 차세대 에너지 기술이다. 이론적으로 수십 년간 유지보수 없이 작동 가능하며, 충전이 필요 없는 점이 가장 큰 장점이다. 특히, 베타 입자는 피부를 통과하지 못해 생체 안전성이 뛰어나며, 극한 환경에서도 안정적인 전력 공급이 가능해 우주 탐사, 심해 탐사, 인체 삽입형 의료기기 등에 이상적인 전원으로 꼽힌다.

그러나 베타전지는 방사성 물질의 취급과 소재 안정성 확보가 까다로워 실질적인 연구 성과가 드물었다. 기존 리튬이나 니켈 기반 배터리는 수명이 짧고 열, 습기에 취약해 극한 환경에서는 한계를 드러냈다. 이러한 문제를 해결하기 위해 베타전지 기술이 주목받았지만, 효율성과 안정성을 동시에 확보하는 데 어려움이 많았다. DGIST 연구팀의 이번 성과는 이러한 기술적 장벽을 넘어선 획기적인 결과로 평가된다.

 

페로브스카이트와 탄소-14의 만남

DGIST 인수일 교수 연구팀은 방사성 동위원소인 탄소-14(C-14) 기반 양자점을 전극에 삽입하고, 페로브스카이트 흡수층의 결정성을 최적화하는 공정을 통해 차세대 베타전지를 개발했다. 페로브스카이트는 반도체, 도체, 초전도 특성을 모두 갖춘 산화물로, 높은 광흡수율과 저렴한 제조 비용 덕분에 차세대 태양전지 소재로 각광받아 왔다. 이번 연구에서는 페로브스카이트를 베타전지의 흡수층으로 활용해 전력 변환 효율을 극대화했다.

연구팀은 메틸암모늄 클로라이드(MACl)와 세슘 클로라이드(CsCl) 같은 첨가제를 사용해 페로브스카이트의 결정 구조를 정밀하게 제어했다. 이를 통해 전하 수송 특성을 획기적으로 개선하며, 전자 이동도를 기존 대비 약 5만 6000배 향상시켰다. 또한, 탄소-14 기반 양자점 전극은 베타 입자의 에너지를 안정적으로 포집해 전력 출력의 일관성을 유지했다. 그 결과, 이 베타전지는 최대 9시간 연속 작동 환경에서도 안정적인 성능을 보였다.

 

극한 환경에서의 활용 가능성

이번에 개발된 페로브스카이트 베타전지는 충전 없이도 장기간 안정적인 전력을 공급할 수 있어 다양한 분야에서의 활용이 기대된다. 우주 탐사에서는 로켓, 인공위성, 탐사 로봇 같은 장비가 태양광이나 외부 동력 없이도 전력을 공급받을 수 있다. 특히, 태양광이 닿지 않는 심우주 탐사나 극지 환경에서 이 기술은 기존 배터리의 한계를 극복할 수 있는 대안이 된다.

의료기기 분야에서도 큰 가능성을 보인다. 인체 삽입형 장치, 예를 들어 심박 조절기나 신경 자극기 같은 기기는 배터리 교체를 최소화해야 하며, 생체 안전성이 필수다. 탄소-14 기반 베타전지는 방사성 물질의 안전성을 확보하며 장기간 안정적인 전력을 제공해 이러한 요구를 충족한다. 군사용 장비에서도 교량, 터널, 댐 같은 구조물의 센서나 원격 통신 장비에 활용되며, 충전이 어려운 환경에서 신뢰할 수 있는 전원으로 기능할 수 있다.

 

기술적 혁신과 상용화 전망

DGIST 연구팀의 이번 성과는 베타전지의 실용 가능성을 입증한 중요한 사례다. 인수일 교수는 이 기술이 극한 환경용 차세대 전력공급 기술의 상용화를 앞당길 것이라며, 소형화와 기술 이전을 통해 실질적인 산업 적용을 추진할 계획이라고 밝혔다. 연구팀은 이미 국제학술지 ‘케미컬 커뮤니케이션’ 표지 논문으로 게재되며 학계의 주목을 받았다.

공동 제1저자인 이준호 박사과정생은 에너지 안보가 국가의 미래와 직결된다는 사명감으로 연구에 임했다고 전했다. 이번 연구는 단순히 기술적 성과를 넘어, 에너지 자립과 지속 가능한 미래를 위한 국내 연구진의 헌신을 보여준다. 그러나 상용화를 위해서는 대량 생산 공정의 최적화, 비용 절감, 그리고 추가적인 안정성 검증이 필요하다. 연구팀은 이러한 과제를 해결하기 위해 후속 연구를 이어갈 계획이다.

 

국내 연구진의 선도적 역할

국내 연구진은 페로브스카이트와 베타전지 기술에서 세계적인 경쟁력을 보이고 있다. 특히, 울산과학기술원(UNIST), 한국화학연구원, KAIST 등은 페로브스카이트 태양전지에서 세계 최고 효율을 달성하며 글로벌 리더로 자리 잡았다. DGIST의 이번 베타전지 연구는 페로브스카이트의 잠재력을 에너지 저장과 전력 공급 분야로 확장한 사례로, 국내 연구의 다양성과 깊이를 보여준다.

페로브스카이트는 기존 실리콘 기반 기술보다 제조 비용이 낮고, 유연성과 경량화가 가능해 다양한 응용 분야에서 주목받는다. 그러나 수분과 열에 취약한 단점을 극복하기 위한 안정성 개선이 여전히 과제다. DGIST 연구팀은 첨가제를 통한 결정 구조 제어로 이 문제를 해결하며, 베타전지의 상용화 가능성을 한층 높였다.

 

미래 에너지 기술의 전환점

페로브스카이트 베타전지의 개발은 단순한 기술적 진보를 넘어, 에너지 안보와 지속 가능성을 위한 중요한 전환점을 제시한다. 우주 탐사, 의료, 군사 등 첨단 산업에서 충전 없는 전력 공급은 혁신적인 변화를 가져올 수 있다. 또한, 이 기술은 재생에너지와 결합해 탄소중립 목표에도 기여할 가능성이 크다.

국내 연구진의 이번 성과는 글로벌 에너지 시장에서 한국의 위상을 높이는 계기가 될 것이다. 앞으로 상용화와 산업화를 위한 지속적인 투자와 지원이 뒷받침된다면, 페로브스카이트 베타전지는 미래 에너지 기술의 핵심으로 자리 잡을 수 있다.