우리가 만든 원자력전지 부품 독일이 인정

전기연구원, 새 열전발전소자 개발
독일항공우주연구원과 추가 개발키로

한국전기연구원(KERI) 박수동·류병기·정재환 박사팀이 원자력전지 핵심부품인 다양한 형태의 적층형 열전발전 부품을 만들었다. 전기연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국전기연구원(KERI)은 박수동·류병기·정재환 박사팀이 원자력전지 핵심부품인 열전발전 부품을 개발했다고 16일 밝혔다. 특히 우주 탐사선의 핵심인 원자력전지 성능을 높일 수 있는 이 '신 열전효율 공식 및 고효율 적층형 열전발전소자'는 수백만개의 열전반도체 적층 조합이 가능하며 기존 소재보다 3% 이상 효율을 높였다.

또한 이 기술은 국제 공동연구를 통해 독일항공우주연구원의 성능 검증까지 마쳤다. 박수동 박사는 지난 9월 말, 독일 드레스덴에서 열린 '한-독 열전발전 워크숍'에서 현지 기업들을 대상으로 관련 기술을 소개하고, 호평을 받기도 했다. 전기연구원과 독일항공우주연구원은 이 성과를 활용해 다른 물질계를 활용한 '하이브리드형 적층 복합 열전발전소자'를 함께 개발하겠다는 목표를 공유하는 등 협력 관계를 강화했다.

원자력전지는 방사선 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기로, 우주 탐사선, 탐사로버 등 전력원으로 사용되는 '방사성동위원소 열전발전기(RTG)'가 대표적이다. 방사성동위원소는 밀폐용기 내에서 스스로 붕괴되며 400~700도가 넘는 높은 열을 발생한다. 원자력전지는 이 높은 열과 우주의 낮은 온도 차이를 이용해 전기를 만들어 낸다.

연구진은 열전반도체 물질의 온도 분포를 세계최고 수준으로 명확하게 분석하고, 이를 기반으로 최적의 '적층형 열전발전소자'를 설계·합성했다.

우선, 학계에서 열전발전 효율성을 입증하는 기존 지표였던 '열전성능지수(ZT)'의 오류·한계를 공식적으로 밝혀냈다. 또 정확한 데이터를 산출할 수 있는 '신 열전효율 공식'을 개발해냈다.

한국전기연구원(KERI) 연구진이 열전 물질의 성능을 측정하고 있다. 전기연구원 제공

연구진은 "이 공식에 전기연구원이 보유한 열전 적층 설계 프로그램을 이용하면 고효율화를 위한 수백만 개 이상의 열전반도체 적층 조합 예측이 가능하다"고 설명했다. 이어서 ZT를 기반으로 1개 단위 열전반도체의 성능에 의존하거나, 과거 경험만을 바탕으로 진행했던 기존 방식과 달리 설계·탐색 시간도 수백 배 이상 빠르다"고 덧붙였다.

연구진은 이를 이용해 설계된 적층형 열전발전소자를 실질적으로 합성했다. 실험 결과, 500도 이상의 조건에서 기존 단일방식 소자보다 효율이 3% 이상 높았다.

또한 수 밀리미터(㎜) 높이에서 2~4층의 적층을 가능하게 하는 소자의 설계 및 합성 기술까지 확보해 고효율화는 물론, 소형화·경량화까지 이뤘다. 연구진은 "민수 분야에서도 주목하는 소형 위성, 탐색 로버 등의 보조전원 시장에서도 적용 가능한 국제적으로 경쟁력 있는 성과"라고 말했다.

독일항공우주연구원 쾰른 재료연구소의 열전기능물질 연구부 파벨 지올코스키(Pawel Ziolkowski) 부부장은 "전기연구원 열전발전 기술이 국제적으로도 우수한 수준을 자랑한다"며 "신개념 열전방정식이 적용된 소자가 원자력전지의 성능을 크게 높이고, 인류의 우주 탐사 영역을 넓히는 데 기여할 것"이라고 말했다.

[e-mail] 김만기 기자