대구경북과학기술원(이하 DGIST) 에너지공학과 인수일 교수 연구팀 / 사진. DGIST
대구경북과학기술원(이하 DGIST) 에너지공학과 인수일 교수 연구팀은 첨가제와 반용매 공정을 정밀 제어해 페로브스카이트 기반 베타전지의 핵심 요소인 방사선 흡수체 성능을 획기적으로 개선했다고 밝혔다. 연구팀은 방사성 동위원소 탄소-14(Carbon-14) 나노입자를 베타선원으로 활용하고, 흡수체로 페로브스카이트를 적용했다.
특히 연세대학교 화공생명공학과 박종혁 교수 연구팀과 공동으로 메틸암모늄 클로라이드(MACl)를 첨가제로 사용하고, 이소프로판올(IPA)을 반용매로 활용하는 공정을 도입해 결정 성장과 결함 제어 메커니즘을 규명했다. 이 공정은 결정 크기를 크게 키우고 내부 결함 밀도를 낮춰, 베타선 충돌로 생성된 전자가 재결합 손실 없이 이동할 수 있는 구조를 구현했다.
그 결과 입사된 베타입자 1개당 약 40만 개의 전자가 생성되는 ‘전자 눈사태(Electron Avalanche)’ 현상을 실험적으로 유도하는 데 성공했다.
연구팀이 개발한 베타전지는 10.79%의 에너지 변환 효율을 기록했다. 이는 기존 페로브스카이트 기반 베타전지 최고 보고치인 약 1.83% 대비 약 6배 향상된 수치다. 또한 15시간 이상의 연속 구동 시험에서도 성능 저하 없이 안정적인 전력 출력을 유지해 장기 안정성까지 입증했다.
해당 성능은 2024년 Nature에 보고된 해외 유사 연구 성과를 상회하는 수준으로, 페로브스카이트 방사선 흡수체의 나노 구조 설계를 통해 베타전지 효율을 근본적으로 끌어올릴 수 있음을 실험적으로 증명했다는 점에서 의미가 크다.
베타전지는 방사성 동위원소 붕괴 과정에서 방출되는 베타선을 전기에너지로 변환하는 장치로, 외부 전력 공급이나 충전 없이 장기간 전력을 생산할 수 있다. 반감기에 따라 수십 년 이상 사용할 수 있고, 유지보수가 어려운 환경에서도 안정적인 전력 공급이 가능해 AI 기반 자율 모빌리티, 우주 탐사 장비, 인체 삽입형 의료기기 등 차세대 분야의 핵심 전원으로 주목받고 있다.
DGIST 인수일 교수는 “페로브스카이트 소재를 활용해 기존 베타전지의 낮은 효율 한계를 극복하고 10% 이상의 고효율을 실증했다는 점이 이번 연구의 핵심”이라며 “향후 에너지 자립이 요구되는 AI·4차 산업 분야에서 독립 전원으로 상용화할 수 있도록 후속 연구를 이어가겠다”라고 말했다.
이번 연구는 DGIST 일반사업, 과학기술정보통신부 차세대 동위원소전지 핵심소재기술 고도화 사업, 4대 과학기술원 InnoCORE 사업, 한국연구재단(NRF) 개인기초연구사업(중견연구)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지·탄소 전환 분야 국제 학술지 Carbon Energy에 게재됐다.
