【브레이크뉴스 대구】이성현 기자=DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 인수일 교수 연구팀이 첨가제 및 반용매 공정 제어 기술을 적용해 페로브스카이트 기반 베타전지의 핵심 구성 요소인 방사선 흡수체 성능을 획기적으로 향상시키는 데 성공했다. 이번 성과로 방사선 에너지의 전기 변환 효율과 장기 안정성을 동시에 크게 개선한 고성능 차세대 베타전지 개발이 가능해졌다고 밝혔다.

▲ DGIST 인수일 교수(가운데 상단) 연구팀, 연세대학교 박종혁 교수(오른쪽 상단)   © DGIST

최근 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT), 우주 탐사 기술의 급속한 발전으로 극한 환경에서도 유지보수 없이 장기간 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 차세대 에너지원에 대한 수요가 증가하고 있다. 그러나 기존 리튬이온 배터리는 수명 한계와 화재 위험, 주기적인 충전·교체 필요성 등으로 이러한 요구를 충족하는 데 한계가 있다.

이 같은 문제의 대안으로 주목받는 베타전지는 방사성 동위원소 붕괴 과정에서 방출되는 베타선(전자)을 전기에너지로 변환하는 장치다. 외부 전력 공급 없이 자체 발전이 가능하고, 동위원소 반감기에 따라 매우 긴 수명을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 기존 베타전지는 방사선 흡수체의 낮은 에너지 변환 효율로 인해 상용화에 어려움을 겪어왔다.

DGIST 인수일 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 방사성 동위원소 탄소-14(Carbon-14) 나노입자를 베타선원으로 적용하고, 방사선 흡수체로 페로브스카이트 소재를 도입했다. 특히 연세대학교 화공생명공학과 박종혁 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 페로브스카이트 제조 과정에서 메틸암모늄 클로라이드(MACl)를 첨가제로 활용하고 이소프로판올(IPA)을 이용한 반용매 공정이 결정 성장과 결함 제어에 효과적임을 규명했다.

해당 공정을 통해 페로브스카이트 결정 크기를 크게 성장시키고 내부 결함 밀도를 낮춰, 베타선 충돌로 생성된 전자가 재결합 손실 없이 이동할 수 있는 환경을 구현했다. 그 결과 입사된 베타입자 1개당 약 40만 개의 전자가 생성되는 ‘전자 눈사태(Electron Avalanche)’ 현상을 실험적으로 유도하는 데 성공했다.

연구팀이 개발한 베타전지는 10.79%의 에너지 변환 효율을 기록했다. 이는 기존 페로브스카이트 기반 베타전지 최고 보고 효율(약 1.83%) 대비 약 6배 향상된 수치다. 또한 15시간 이상의 연속 구동 시험에서도 성능 저하 없이 안정적인 전력 출력을 유지해 장기 안정성도 입증했다. 해당 성능은 2024년 Nature에 보고된 해외 유사 연구 성과를 상회하는 수준으로 평가된다.

이번 연구는 방사선 흡수체의 소재와 구조를 나노 수준에서 정밀 제어하는 새로운 설계 전략을 세계 최초로 제시함으로써, 베타전지의 효율과 경제성, 상용화 가능성을 동시에 크게 높였다는 점에서 의미가 크다. 특히 이론적 가능성에 머물러 있던 고효율 베타전지를 실험적으로 구현함으로써, 인체 삽입형 의료기기, 우주 탐사 장비, AI 기반 자율 모빌리티 등 배터리 교체가 어려운 분야의 핵심 전력원으로 활용될 것으로 기대된다.

인수일 교수는 “이번 연구는 페로브스카이트 소재를 활용해 베타전지의 고질적인 저효율 문제를 극복하고 10% 이상의 고효율을 실증적으로 달성했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 에너지 자립이 요구되는 4차 산업과 미래 AI 기술 분야에서 독립 전원으로 상용화할 수 있도록 후속 연구를 지속하겠다”고 말했다.

한편 이번 연구는 DGIST 일반사업과 과학기술정보통신부 차세대 동위원소전지 핵심소재기술 고도화 사업, 4대 과학기술원 InnoCORE 사업, 한국연구재단(NRF) 개인기초연구사업(중견연구)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지·탄소 전환 분야 국제 학술지 Carbon Energy(IF 24.2)에 온라인 게재됐다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

DGIST Improves Perovskite Beta Battery Efficiency by Sixfold… Implementing Next-Generation Long-Term, Recharge-Free Power Supply Technology

A research team led by Professor In-il Su of the Department of Energy Engineering at DGIST (President Lee Kun-woo) has successfully dramatically improved the performance of a radiation absorber, a key component of perovskite-based beta batteries, by applying additive and antisolvent process control technologies. This achievement, they announced, enables the development of high-performance, next-generation beta batteries that significantly improve both the conversion efficiency of radiation energy to electricity and long-term stability.

Recently, rapid advancements in artificial intelligence (AI), the Internet of Things (IoT), and space exploration technologies have led to a growing demand for next-generation energy sources capable of stable, long-term power supply without maintenance even in extreme environments. However, existing lithium-ion batteries face limitations in meeting these demands due to limited lifespans, fire risks, and the need for periodic charging and replacement.

Beta batteries, emerging as a potential solution to these problems, are devices that convert beta rays (electrons) emitted during the decay of radioactive isotopes into electrical energy. Beta batteries offer the advantage of self-power generation without external power supply and a very long lifespan due to the isotope half-life. However, existing beta batteries have faced difficulties in commercialization due to the low energy conversion efficiency of their radiation absorbers.

To overcome these limitations, Professor In-il Su's research team at DGIST applied the radioactive isotope Carbon-14 (Carbon-14) nanoparticles as a beta ray source and introduced perovskite materials as radiation absorbers. In particular, through joint research with Professor Jong-hyuk Park's research team from the Department of Chemical and Biological Engineering at Yonsei University, they demonstrated that using methylammonium chloride (MACl) as an additive and an antisolvent process using isopropanol (IPA) during the perovskite manufacturing process was effective in crystal growth and defect control.

This process significantly increased the perovskite crystal size and reduced the internal defect density, creating an environment where electrons generated by beta ray collisions could move without recombination loss. As a result, they successfully experimentally induced the "electron avalanche" phenomenon, in which approximately 400,000 electrons are generated per incident beta particle.

The beta cell developed by the research team achieved an energy conversion efficiency of 10.79%, approximately six times higher than the highest reported efficiency (approximately 1.83%) of existing perovskite-based beta cells. Furthermore, they demonstrated long-term stability by maintaining stable power output without performance degradation even during continuous operation tests exceeding 15 hours. This performance is evaluated to surpass the results of a similar overseas study reported in Nature in 2024.

This research is significant in that it presents a new design strategy for precisely controlling the material and structure of radiation absorbers at the nanoscale, significantly increasing the efficiency, economic feasibility, and commercialization potential of beta cells. Specifically, by experimentally realizing high-efficiency beta cells, previously limited to theoretical possibilities, they are expected to serve as a key power source in areas where battery replacement is difficult, such as implantable medical devices, space exploration equipment, and AI-based autonomous mobility.

Professor Insoo-il stated, "This research is significant in that it overcomes the chronic low efficiency of beta batteries using perovskite materials and empirically demonstrates high efficiencies of over 10%." He added, "We will continue follow-up research to commercialize this technology as an independent power source in the Fourth Industrial Revolution and future AI technologies that require energy independence."

Meanwhile, this research was supported by DGIST's general program, the Ministry of Science and ICT's Next-Generation Isotope Battery Core Material Technology Advancement Project, the InnoCORE Project of the four major science and technology institutes, and the National Research Foundation of Korea (NRF)'s Individual Basic Research Program (Mid-career Researcher). The results were published online in Carbon Energy (IF 24.2), an international academic journal in the field of energy and carbon transition.