국내 연구진이 원자력전지의 성능을 개선할 수 있는 새로운 이론과 기술을 개발했다. 우주 탐사에 사용되는 원자력전지의 성능이 개선되면 우주 탐사 범위를 넓힐 수 있을 것으로 기대를 모은다.
박수동 한국전기연구원(KERI) 전기변환소재연구센터 책임연구원이 이끄는 연구진은 16일 원자력전지의 성능을 높일 수 있는 새로운 열전효율 공식을 만들고 이를 통해 고효율 적층형 열전발전소자를 개발했다고 밝혔다.
원자력전지는 방사선 에너지를 전기로 바꾸는 일종의 발전기다. 우주탐사선, 탐사차(로버)의 전력원으로 사용되는 ‘방사성동위원소 열전발전기(RTG)’가 대표적이다. 방사성동위원소가 밀폐용기 안에서 붕괴하면서 섭씨 400~700도의 열이 발생하고, 외부와의 온도차이를 이용하는 열전발전으로 전기를 만들어 낸다.
원자력전지 성능에는 방사성 동위원소를 이용한 ‘발열체’와 이 열을 이용해 전기를 만드는 ‘열전발전소자’가 핵심적인 역할을 한다. 원자력전지는 저온부터 고온까지 각각의 온도에서 작동하는 열전반도체를 쌓아 만들어진다. 열전반도체의 재료에 따라 최적 온도가 다른 만큼 배치하는 방식에 따라 원자력전지의 성능이 결정된다.
전기연 연구진은 원자력전지의 성능을 최대화할 수 있는 온도 분포를 분석하고 이를 기반으로 최적의 적층형 열전발전소자를 설계했다. 열전발전의 효율성을 계산하는 기존 지표였던 ‘열전성능지수(ZT)’에서 오류를 찾고 이를 대체할 ‘신 열전효율 공식’을 개발했다. 이 공식을 이용하면 수백만 개 이상의 열전반도체 조합을 예측할 수 있다.
이번에 개발한 방식을 적용한 적층형 열전발전소자는 단일 방식의 소자보다 효율이 3% 이상 높은 것으로 나타났다. 수 밀리미터(㎜) 높이에서 2~4층을 쌓을 수 있는 소자 설계·합성 기술을 적용해 소형화와 경량화까지 성공했다.
전기연 연구진은 이번에 개발한 기술이 우주 탐사에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 소형 위성, 탐사차를 비롯한 우주 탐사 장비의 보조전원 시장에서 적용 가능한 수준의 기술이라는 것이다. 실제로 독일항공우주연구원(DLR)의 성능 검증을 받았으며, 공동 연구를 통해 ‘하이브리드형 적층 복합 열전발전소자’를 개발하기로 했다.
파웰 지올코브스키 DLR 열전기능물질연구부 부부장은 “새로운 개념의 열전방정식을 적용한 소자로 원자력 전지의 성능을 크게 높이고, 우주 탐사 영역을 넓히는 데 기여할 것”이라고 말했다.