DGIST 인수일 교수팀, 차세대 페로브스카이트 베타전지 개발

DGIST는 에너지공학과 인수일 교수 연구팀이 방사성 동위원소 전극과 페로브스카이트 흡수층을 직접 연결한 차세대 베타전지를 개발했다고 25일 밝혔다.

이번 연구는 전력 출력의 안정성과 에너지 변환 효율을 동시에 확보하며 향후 극한 환경에서도 장기간 전력 공급이 가능한 새로운 전지 기술로 주목받고 있다.

연구팀은 방사성 동위원소인 탄소-14(C-14) 기반 양자점을 전극에 삽입한 뒤, 페로브스카이트 흡수층의 결정성을 향상시키는 공정을 적용함으로써 고효율 전력 생산이 가능한 베타전지 구조를 구현했다.

이 기술은 별도의 충전 없이 장기간 안정적으로 전력을 공급할 수 있어 우주 탐사, 이식형 의료기기, 군사용 장비 등 전력 자립이 필수적인 분야에서의 활용 가능성이 크다.

최근 전자기기의 초소형화와 고정밀화가 가속되며 충전 주기를 최소화할 수 있는 전력공급 기술의 수요도 빠르게 증가하고 있다. 하지만 기존 리튬 및 니켈 기반 배터리는 수명이 짧고 열·습기에 취약해 극한 환경에서는 한계를 드러내고 있다.

이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로 베타전지(Betavoltaic Cell) 기술이 주목받고 있다. 베타전지는 방사성 동위원소의 자연 붕괴 시 방출되는 베타(β) 입자를 이용해 전기를 생산하는 시스템으로, 이론상 수년에서 수십 년간 유지보수 없이도 작동 가능하다.

또 베타 입자는 피부를 관통하지 못해 인체 안전성 측면에서도 유리하다는 장점을 갖는다. 다만 방사성 물질의 취급 문제와 소재 안정성 확보의 어려움으로 인해 연구 성과가 제한적이었다.

DGIST 인수일 교수팀은 탄소-14 기반 전극과 고효율 페로브스카이트 흡수층을 결합한 ‘하이브리드 양자 베타전지’를 구현하며 이러한 기술적 난제를 해결했다. 특히 메틸암모늄 클로라이드(MACl), 세슘 클로라이드(CsCl) 등 첨가제를 활용해 결정 구조를 정밀 제어하고, 전하 수송 특성을 비약적으로 향상시켰다.

그 결과 이번에 개발된 베타전지는 초기 베타 전자 대비 약 56만 배 향상된 전자 생성을 보였으며, 최대 9시간 연속 작동 환경에서도 출력 안정성이 유지되는 등 높은 성능을 입증했다.

인수일 교수는 "이번 연구는 베타전지의 실용 가능성을 세계 최초로 입증한 사례"라며 "극한 환경에 최적화된 차세대 전력공급 기술 상용화를 앞당기고, 향후 소형화 및 기술이전도 추진할 계획"이라고 밝혔다.

공동 제1저자인 이준호 박사과정생은 "매일 불가능에 도전하는 힘든 연구지만, 국가의 미래가 에너지 안보와 직결된다는 사명감으로 임하고 있다"고 강조했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 DGIST의 2024년 창의도전연구(N-HRHR) 사업 지원을 받아 수행됐으며 연구 결과는 국제학술지 Chemical Communications에 표지 논문으로 게재됐다.