베타 전지

1. 개요[편집]

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한국어: 베타 전지
영어: Betavoltaics battery

베타 전지는 방사성 동위원소의 방사성 붕괴 과정에서 방출되는 베타선 전자를 반도체에 충돌시켜 전류를 생성하는 원자력 전지의 일종이다.

2. 특징[편집]

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베타 전지는 방사성 동위원소의 방사성 붕괴 시 발생하는 에너지를 전력으로 변환하는 전지로 동위원소는 주기율표에서 같은 원자 번호를 사용하지만 질량수가 다른 원소들을 가리키는데, 이 가운데 핵이 불안정하여 방사성 붕괴가 발생하며 방사선을 방출하는 원소를 '방사성동위원소'라고 한다.

방사성동위원소는 종류에 따라 알파선·엑스선 등의 여러 방사선을 방출하는데, 베타 전지는 이름에서 알 수 있듯 베타선을 방출하는 방사성동위원소를 원료로 이용해 방출된 베타선 전자를 반도체에 충돌시켜 전력을 생산한다. 베타선은 인체 유해성 및 투과도가 낮아 높은 안전성을 가지는데, 베타선을 방출하는 방사성동위원소로는 니켈(Ni)-63, 트리튬(H)-3, 스트론튬(Sr)-90 등이 있다.

베타 전지의 수명은 방사성 동위원소의 반감기와 비례한다. 여기서 반감기란 방사성동위원소가 방사선을 내보내기 시작할 때부터 기존 방사능 양이 절반으로 줄어들 때까지의 기간을 말한다. 예시로 니켈(Ni)-63의 경우 반감기가 100.1년으로, 반감기가 12.3년인 트리튬(H)-3보다 길어서 전지 개발에 유용하다고 할 수 있다. 베타전지는 긴 수명을 비롯해 극지, 심해, 우주 등 극한 환경에서도 안정적인 전력 생산이 가능하다는 것이 장점으로 꼽힌다.

또한 베타 전지는 다른 원자력 전지와 다르게 방사선 걱정이 없다. 전지에서 나오는 베타선 에너지는 매우 미약해 피부를 투과할 수도 없기 때문이다.[2] 종이 한장으로도 방사선 차폐가 가능하기에 일반 전지처럼 얇은 포장재로 밀봉하면 된다.

3. 역사[편집]

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베타 전지는 1970년대 초반 심박 조율기 등의 높은 전력을 필요로 하지 않으면서도 오랜시간 일정한 수준의 전력을 필요로 하는 의료기기에 쓰이기 위해 개발되었다. 그러나 초기 반도체 물질은 베타선을 사용 가능한 전류로 변환하는 데 효율적이지 않았기 때문에 더 높은 에너지 효율을 위해서 프로메슘과 같은 비싸면서도 현재 기준으로 보면 매우 위험할 수 있는 물질이 사용되었고 이후 저렴하면서도 비교적 안전한 리튬 전지가 개발되며 한동안 잊혀지게 된다. 하지만 지속적인 개발과 반도체 기술의 발전으로 현재는 보다 안전한 물질을 사용하면서도 효율적으로 베타선을 전기로 변환할 수 있게 되었다.

4. 사용 제안 분야[편집]

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현재 베타 전지의 주요 사용처로 거론되는 곳은 우주선이다. 우주선의 경우 한번 대기권 밖으로 나가면 이후부터는 짧게는 수년에서 길게는 수십년 동안 우주를 떠다니며 지구로부터 원격으로 명령을 받아
임무를 수행해야 되는데 우주선에 탑재된 고전력을 필요로 하지않고 수십년간 작동해야하는 전자장비들을 구동하는 용도로는 베타 전지의 특성이 잘 맞기 때문이다. 또한 베타 전지의 베타선은 종이 한장만으로도 방사선 차폐가 가능할 정도로 원자력 전지 중에서는 상대적으로 안전성이 높은 특성을 가지는 만큼[3] 기술의 발전으로 현재보다 일정 수준 이상의 출력 향상이 이루어진다면 스마트폰이나 노트북 컴퓨터의 배터리뿐만 아니라 더 나아가 전기 자동차의 배터리로도 사용 가능할 수 있다.

5. 기술적 한계[편집]

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베타 전지는 방사성 동위원소를 사용한다는 점에서 반감기에 따라 시간이 지나며 점차 생산하는 전력량이 감소하게 되며 낮은 출력을 일정 수준으로 유지하는 것은 가능하나 고출력을 내기는 어렵다는 단점이 있다. 이러한 점들을 출력을 향상시키고 수십년 이상 사용할 수 있는 반감기를 가지면서도 비교적 쉽게 차폐가 가능한 물질로 극복하여 원자력 전지의 장점중 하나인 긴 수명과 단점이었던 안전성을 모두 만족시킨다면 충전이 필요 없고 사용 시간의 제약이 사실상 사라지게 되어 인류 기술 발전의 가장 큰 벽으로 여겨지는 전지의 한계를 완전히 극복할 수 있겠으나 현실적으로는 그러한 물질을 찾는 것 부터가 난점이며 전력 생산원으로 베타선만을 사용한다는 점에서 출력의 한계를 극복하기도 매우 어려울 것으로 예상된다. 결정적으로 전자기기나 자동차에 쓰일 정도의 기술 발전은 매우 요원한 상태이다.