DGIST, “충전없이 반영구적 사용하는 배터리 개발”...세계 최초 염료감응 베타전지 C-14 powered dye-sensitized betavoltaic cells

국내 연구진 “충전없이 반영구적 사용하는 배터리 개발”

    대구경북과학기술원(DGIST)은 에너지공학전공 인수일 교수 연구팀이 별도의 충전 없이 반영구적으로 사용 가능한 '염료감응 베타전지'(Dye-Sensitized Betavoltaic Cell)를 개발했다고 15일 밝혔다.

최근 전기차, 사물인터넷(IoT) 등의 기술수요가 급증하면서 다양한 용도의 배터리 수요가 커지고 있다. 기존 배터리의 짧은 수명을 해결하기 위해 베타전지 연구가 세계적으로 활발히 진행 중이다.

C-14 powered dye-sensitized betavoltaic cells Hwang, Yunju and Park, Young Ho and Kim, Hong Soo and Kim, Dae Hee and Ali, Shahzad and Sorcar, Saurav and Flores, Monica Claire and Hoffmann, Michael R. and In, Su-Il (2020) C-14 powered dye-sensitized betavoltaic cells. Chemical Communications, 56 (52). pp. 7080-7083. ISSN 1359-7345. https://resolver.caltech.edu/CaltechAUTHORS:20200605-100407014 Abstract A dye-sensitized betavoltaic cell is developed for the first time, which utilizes radioisotopic carbon, composed of nano-sized quantum dots, and ruthenium-based dye sensitized TiO₂ as electrodes. In this cell, emitted beta radiations are absorbed by the dye rather than TiO₂, which resulted in enhanced performance compared to the pristine betavoltaic cell. View full text https://authors.library.caltech.edu/103730

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베타전지는 방사성 동위원소를 원료로 이용하는 차세대 전지 중 하나다. 방사성 동위원소에서 방출된 베타전자가 방사선흡수체인 반도체에 충돌하면서 전기가 생산되는 원리다.

베타선은 인체 유해성 및 투과도가 낮아 안전성이 높다. 또 외부 동력원 없이 자체 전력 생산이 가능해 별도의 충전이 필요 없고 수명은 방사성 동위원소의 반감기와 비례하기 때문에 교체 주기가 길다.

이러한 장점들로 미국과 러시아 등 주요 국가들 위주로 활발한 연구가 이뤄지고 있다. 하지만 값비싼 소재 사용 및 복잡한 제작 공정 때문에 대량생산이 쉽지 않은 실정이다.

인수일 교수팀은 기존의 베타전지에서 방사선흡수체로 사용된 값비싼 반도체 물질을 루테늄 계열의 N719 염료로 대체했다. 베타선을 방출하는 동위원소인 탄소-14를 적용해 기존 베타전지의 복잡한 구조를 단순화했으며 탄소-14를 나노입자로 만들어 에너지 밀도를 높였다.

 

DGIST 연구팀이 개발한 염료감응 베타전지. /DGIST 제공

연구팀은 염료감응 베타전지의 성능실험을 통해 베타선원인 탄소-14에서 방출된 전자 대비 3만2000배의 전자를 생성하며 10시간 동안 안정적으로 전력을 생산함을 관찰했다. 베타전지에 사용된 탄소-14는 약 5730년의 반감기를 가지고 있어 상용화에 성공할 경우 반영구적인 수명을 가질 것으로 예상된다.

인수일 교수는 "이번 연구는 기존 방식과는 달리 값싼 염료를 적용하여 새로운 베타전지 개발에 성공했다는데 큰 의의가 있다"며 "아직 풀어야 할 숙제가 많지만 안전하고 저렴한 염료감응 베타전지 개발에 노력하겠다"고 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 방사선기술개발사업으로 진행됐으며 화학 분야 국제학술지 '케미컬 커뮤니케이션스' 52호에 7월4일 표지논문으로 게재됐다.

황민규 기자 조선비즈 

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