IT 산업과 사물인터넷(IOT)의 발달로 휴대전화나 노트북 컴퓨터, 태블릿 PC, 전기자동차 등은 물론 무인 자동차, 드론, 로봇 등 이동하는 물체에 전기를 공급할 필요성이 갈수록 높아지고 있다. 이 글에서는 이동체에의 전기 공급 수단으로서, 작으면서도 안전하고 수명이 반영구적으로 긴 삼중수소 전지를 소개한다.
서론
현대는 IT 산업의 발전에 따라 어느 곳에서나 전기, 전자 제품을 볼 수 있으며 휴대전화나 노트북 컴퓨터, 태블릿 PC, 전기자동차 등은 물론 특히 사물인터넷(Internet of Things, IOT)의 개념이 발달함에 따라 무인 자동차, 드론, 로봇 등 이동하는 물체에 전기를 공급할 필요성이 갈수록 늘어나고 있다.
또한 기기가 지능화될수록 수많은 센서들이 필요하게 되어 간단한 것으로는 에어컨이나 난방기의 온도 센서를 비롯해 첨단 기술로는 스마트폰에 내장되어 있는 가속 센서, 근접 센서, 방향 센서, 밝기 센서, 디지털 나침반 등 무수히 많은 센서들이 있다.
이러한 이동 가능한 기기들은 고정되어 있지 않기 때문에 전기선을 이용한 전기 공급이 불가능하여 전지를 사용하는데 현재에도 전지 개발에 많은 노력을 기울이고 있으며 앞으로도 지속적으로 개발될 것으로 전망된다.
휴대용 전지가 갖추어야 할 요건은 안전성, 내구성과 같은 기본적인 사항 외에도 휴대하기 편리하게 크기가 작고 가벼워야 하며, 잦은 충전의 불편함이 없도록 수명이 길어야 한다. 현재 널리 사용되는 스마트폰도 갈수로 얇고 가벼워지는 방향으로 개발되고 있는데, 이때 가장 큰 걸림돌이 되는 것이 전지이다. 사용시간이 충분히 길면서도 크기가 작고 가벼운 전지의 개발은 쉽지 않다. 또한 전지의 폭발 등 안전성 문제도 없어야 한다. 이 점은 전기자동차에서도 마찬가지다.
센서의 경우도 전기 공급이 문제가 될 수 있다. 우리 주변 가까이에 있는 기기들에 포함된 센서의 경우에는 전기 공급에 별 문제가 없지만 사물인터넷이 발전함에 따라 갈수록 모든 기기에 센서가 들어가게 돼 전기를 공급하기 어렵거나 전지를 교체하기 어려운 경우도 발생하게 된다.
예를 들면 심해 탐사 장비나 해저 케이블 등에 설치된 센서들이나 산간벽지에 위치한 시설들의 센서, 지중 구조물의 센서 등의 전원은 전지의 교체가 어렵기 때문에 엄청난 유지비가 필요하거나 또는 이러한 유지비 문제로 지능화를 추진하지 못하고 있는 경우도 있다. 의료용에서도 유사한 문제가 발생하고 있다.
인체 내에 이식되는 심장 박동기 등의 기기에 부착되어 있는 전지는 수명이 길어야 수년밖에 되지 않아 전지 교체가 필요할 때마다 수술을 해야 하는 어려움이 있다. 전지 수명이 수십 년이 된다면 죽을 때까지 전지 교체를 위한 수술 걱정 없이 살 수 있을 것이다.
이러한 전지의 문제를 해결할 수 있는 작으면서도 안전하고 수명이 반영구적으로 긴 전지가 있으면 이상적일 것이다. 여기에서 소개하는 삼중수소 전지가 바로 이러한 전지이다.
기술개요 및 전망
삼중수소전지는 수소 동위 원소인 삼중수소에서 나오는 베타선을 이용해 전기를 만드는 전지를 말한다. 베타선은 방사성 동위 원소의 핵이 자연 붕괴하면서 방출되는 전자의 흐름이다. 이 베타선을 이용하여 전기를 만드는 방법에는 여러 가지가 있는데, 그중 최근 기술로는 베타선을 반도체에 조사하여 전기를 만드는 방법이 있다.
그 원리는 태양광 전지와 유사하다. 태양광 전지에서는 전자파의 일종인 햇빛을 다이오드 형태의 반도체에 조사하여 태양광 에너지로부터 반도체 내에 전류가 발생하도록 한다. 최신 베타 전지에서는 태양광 대신 베타선을 반도체에 조사하여 전류가 발생하기 때문에 그 기본 원리는 동일하다고 할 수 있다(그림 1 참조).
그림 1. 삼중수소 전지 한 종류의 구조도
베타선을 내는 방사성 동위 원소에는 요오드, 스트론튬, 탈륨, 탄소, 수소, 니켈 등이 있는데 이중에서 베타 전지의 에너지원으로서 삼중수소가 많이 고려되고 있다.
삼중수소는 원자량이 3인 수소의 동위 원소로서 양성자 하나와 중성자 둘로 원자핵이 구성되어 있다. 이 원자핵은 중성자가 많아 불안정하여 전자를 베타선으로 방출하고 중성자가 양성자로 변환되어 원자량이 3인 헬륨 동위 원소의 핵이 된다. 삼중수소에서 나오는 베타선은 에너지가 높지 않아 방사선 피폭의 위험이 낮다.
특히 베타선은 고에너지 전자파인 감마선에 비해 물질을 투과하는 능력이 낮아서 삼중수소에서 나오는 베타선의 경우 피부를 통과하지 못할 정도이므로 외부에서 방사선 피해를 입힐 가능성은 실질적으로 없다고 할 수 있다.
삼중수소가 베타 전지의 에너지원으로 고려되고 있는 더 중요한 이유는 삼중수소의 반감기가 12.3년으로 길다는 데 있다. 이는 삼중수소에서 몇 십 년 동안 베타선을 방출할 수 있다는 것을 의미하며 이에 따라 수명이 10~20년 이상의 장수명 전지를 만드는 것이 가능하다.
또한 미소전자기계시스템(MEMS, micro electro-mechanical systems)과 같은 최첨단 기기의 전원으로도 사용될 수 있다. MEMS는 반도체 위에 직접 제작하는 초소형 기기로서 삼중수소전지는 MEMS와 같은 반도체 위에 함께 제작할 수 있어 MEMS의 전원으로는 이상적이라고 할 수 있다.
기술개발 현황
삼중수소전지는 현재 개발 초기 중인 최첨단 신제품으로서 외국에서도 상업용 시작품이 나오기 시작하고 있는 단계이다(그림 2 참조). 국내에서는 한국전력공사 전력연구원에서 기초 연구를 완료한 상태이다.
그림 2. 삼중수소 전지 상용 제품
국내에서 삼중수소전지를 개발하는 데는 외국에 비해 유리한 점이 있다. 세계적으로 삼중수소를 생산하는 나라는 미국, 캐나다 등 몇 개국밖에 되지 않는데 다행히도 우리나라에서도 월성 원전에서 생산되고 있다. 현재는 방사성 폐기물로 농축시켜 보관하고 있는데 반감기가 길어 폐기물로 처리하기에는 어려움이 있다. 그렇지만 이를 자원화해 활용하게 되면 폐기물 처리 문제도 없을 뿐 아니라 세계 첨단의 제품도 생산할 수 있어 일석이조의 효과를 누릴 수 있다.
김광신 책임연구원 _ 전력연구원 미래기술연구소
