세계 최초 염료감응 베타전지
세계 최초 염료감응 베타전지
  • 함예솔
  • 승인 2020.07.16 16:00
  • 조회수 2760
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DGIST 에너지공학전공 인수일 교수 연구팀이 별도의 충전 없이 반영구적으로 사용 가능한 '염료감응 베타전지(Dye-Sensitized Betavoltaic Cell)'를 최초로 개발했습니다. 값싼 염료를 사용해 대량 생산이 용이하고, 높은 안정성을 갖춰 우주, 심해와 같은 극한 환경이나 의료분야 등에 필수적인 차세대 전원으로 활용될 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 <Chemical Communications>에 게재됐습니다. 

‘Chemical communications’ 표지논문으로 실린 염료감응 베타전지 모식도. 출처: DGIST
‘Chemical communications’ 표지논문으로 실린 염료감응 베타전지 모식도. 출처: DGIST

배터리의 짧은 수명 해결하기 위한 베타전지 연구

 

최근 전기차, IoT(사물인터넷) 등의 기술수요가 급증하면서 다양한 용도의 배터리 수요가 높아지고 있습니다. 특히 기존의 배터리가 가진 짧은 수명을 해결하기 위해 베타전지 연구가 세계적으로 활발히 진행 중입니다.

연구팀이 개발한 염료감응 베타전지. 출처: DGIST
연구팀이 개발한 염료감응 베타전지. 출처: DGIST

베타전지는 방사성 동위원소를 원료로 이용하는 차세대 전지 중 하나입니다. 방사성 동위원소에서 방출된 베타전자가 방사선흡수체인 반도체에 충돌하면서 전기가 생산되는 원리입니다. 베타선은 인체 유해성 및 투과도가 낮아 높은 안전성을 가집니다. 또한 외부 동력원 없이 자체 전력 생산이 가능해 별도의 충전이 필요 없고, 수명은 방사성 동위원소의 반감기와 비례하기 때문에 교체 주기가 깁니다. 이러한 장점들로 미국과 러시아 등 세계 주요 국가들 위주로 활발한 연구가 진행 중입니다. 하지만 값비싼 소재 사용 및 복잡한 제작 공정 때문에 대량생산이 쉽지 않은 실정입니다.

연구팀이 개발한 염료감응 베타전지 실제 사진. 출처: DGIST
연구팀이 개발한 염료감응 베타전지 실제 사진. 출처: DGIST

이에 DGIST 인수일 교수 연구팀은 기존의 베타전지에서 방사선흡수체로 사용된 값비싼 반도체 물질을 루테늄 계열의 'N719' 염료로 대체했습니다. 또한 베타선을 방출하는 동위원소인 ‘탄소-14(Carbon-14)’를 적용해 기존 베타전지가 가진 복잡한 구조를 단순화했고, '탄소-14'를 나노입자로 만들어 에너지 밀도를 높였습니다.

  • 루테늄(Ruthenium) 

원자번호 44번 원소인 루테늄은 주기율표의 중앙에 위치하는 전이금속으로, 백금족 금속의 하나입니다.

연구팀은 염료감응 베타전지의 성능실험을 통해, 베타선원인 '탄소-14'에서 방출된 전자 대비 32,000배의 전자를 생성하며 10시간 동안 안정적인 전력을 생산함을 관찰했습니다. 특히 베타전지에 사용된 '탄소-14' 약 5,730년의 반감기를 가지고 있어, 상용화에 성공할 경우 반영구적인 수명을 가질 것으로 예상됩니다. 

 

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


 ##참고자료##

 


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