독일항공우주硏 성능 검증 마쳐…“다양한 산업 활용”
국내 연구진이 우주탐사선용 원자력전지의 성능을 향상시킬 수 있는 기술을 선보이고 독일항공우주연구원의 성능 검증까지 마쳤다.
16일 한국전기연구원은 박수동·류병기·정재환 박사팀이 우주 탐사선의 핵심인 원자력전지 성능을 높일 수 있는 ‘신 열전효율 공식 및 고효율 적층형 열전발전소자’를 개발했다고 밝혔다.
원자력전지는 방사선 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기다. 우주 탐사선과 탐사로버 등의 전력원으로 사용되는 ‘방사성동위원소 열전발전기(RTG)’가 대표적이다. 방사성동위원소(플루토늄-238, 아메리슘-241 등)는 밀폐용기 내에서 스스로 붕괴되며 섭씨 400-700도가 넘는 높은 열이 발생하는데, 원자력전지는 이 열과 우주의 낮은 온도 차이를 이용해 전기를 만들어 내는 원리(열전발전)를 이용한다. 원자력전지 성능은 방사성동위원소를 이용한 ‘발열체’와 이 열을 이용해 전기를 생산하는 ‘열전발전소자’가 좌우한다.
원자력전지에는 저온부터 고온까지 각 온도대에서 최고 성능을 나타내는 열전반도체들이 적층 형태로 배열된다. 열전반도체 물질의 성능이 온도에 따라 다르므로 온도 분포에 맞게 최고 성능의 반도체를 배치하는 것이 중요하기 때문이다.
연구팀은 이러한 온도 분포를 세계 최고 수준으로 명확하게 분석하고 이를 기반으로 최적의 적층형 열전발전소자를 설계·합성했다. 학계에서 열전발전 효율성을 측정하는 기존 지표였던 열전성능지수(ZT)의 오류와 한계를 밝혀내고 정확한 데이터를 산출할 수 있는 신 열전효율 공식을 개발했다. 이 공식과 전기연구원이 자체 보유한 열전 적층 설계 프로그램을 이용하면 고효율화를 위한 수백만 개 이상의 열전반도체 적층 조합 예측이 가능하고 설계·탐색 시간도 수백 배 이상 줄일 수 있다.
연구팀은 이 원천기술을 이용해 설계된 적층형 열전발전소자를 실질적으로 합성하는 데 성공하고 실험을 통해 섭씨 500도 이상의 조건에서 기존 단일방식 소자보다 효율이 3%이상 높은 것을 확인했다. 또 수 mm 높이에서 2~4층의 적층을 가능하게 하는 소자의 설계 및 합성 기술까지 확보함으로써 고효율화는 물론 소형·경량화까지 이뤘다. 이는 민간 산업계에서도 관심이 큰 소형 위성이나 탐색 로버 등의 보조전원에도 적용 가능한 성과다.
박수동 전기연구원 박사는 “전기연구원은 국내에서 처음으로 열전발전 연구를 수행한 기관으로 오랜 역사와 풍부한 원천 기술 및 실용화 데이터를 보유하고 있다”며 “이번 성과는 재료과학에 수학과 물리학까지 도입된 융합연구의 결정체”라고 말했다.
전기연구원은 산업부 지원으로 이뤄진 국제 공동연구를 통해 독일항공우주연구원에서 성능 검증까지 마쳤다. 박수동 박사는 지난달 말 독일 드레스덴에서 열린 ‘한-독 열전발전 워크숍’에서 현지 기업들을 대상으로 관련 기술을 소개하고 호평을 받았다. 전기연구원과 독일항공우주연구원은 소자 단위로 범위를 넓힌 이번 성과를 활용해 다른 물질계를 활용한 ‘하이브리드형 적층 복합 열전발전소자’를 함께 개발한다는 목표다.
파벨 지올코프스키(Pawel Ziolkowski) 독일항공우주연구원 쾰른 재료연구소 열전기능물질 연구부 부부장은 “전기연구원 열전발전 기술은 국제적으로도 우수한 수준을 자랑한다”며 “신개념 열전방정식이 적용된 소자가 원자력전지의 성능을 크게 높이고 인류의 우주 탐사 영역을 넓히는 데 기여할 것”이라고 전했다.
전기연구원은 이번 성과가 원자력전지를 활용하는 우주항공 및 국방 분야는 물론 통신 장비 및 광학 장치의 냉각, 전기차 배터리의 온도 제어 등 다양한 산업에 활용될 수 있을 것으로 보고 유관기관·기업과의 협력을 강화할 계획이다.
