방사성 폐기물, 무한동력 다이아몬드 배터리로 거듭나다!

방사성 폐기물, 무한동력 다이아몬드 배터리로 거듭나다!

대학생신재생에너지기자단 19기 이수연, 17기 강하은

[처치 곤란 방사성 폐기물, 새로운 모습으로 재탄생하다]
2020년 1월, 영국 브리스톨 대학(University of Bristol)은 수천 년 정도 충전 없이 거뜬히 작동할 수 있는 다이아몬드 배터리를 개발했다고 발표했다. 다이아몬드 배터리란, 원자력 발전 후 핵연료봉에서 추출한 방사성 동위원소 탄소-14를 다이아몬드로 감싸 만든 배터리를 의미한다. 아직 방사성 폐기물 처리 방법이 없어 많은 양의 폐기물이 전 세계에서 골칫거리로 남아있음과 동시에 다양한 형태의 배터리 수요가 늘어나는 이 시점에서 정말 획기적인 발명이라고 할 수 있다. 과연 어떠한 이유로 방사성 폐기물로 배터리를 만들게 되었을까?

[자료 1. 다이아몬드 배터리의 소개]

출처 :  ELE Times

브리스톨 대학 연구진이 핵폐기물로 배터리를 만들게 된 배경에는 현재 가동을 중단한 영국의 원자력 발전과 밀접한 관련이 있다. 영국은 흑연 기반의 우라늄 연료봉을 사용해 원자력 발전소를 가동해왔다. 하지만 1989년 가동을 중지한 버클리 원자력 발전소를 비롯하여 많은 원전을 중단시켰음에도 불구하고, 영국에서만 95,000톤 정도의 방사성 폐기물이 남아있다.
결국 영국 정부는 이를 처리할 방안을 브리스톨 대학에 의뢰하게 되었고, 감속재로 사용된 흑연에서 방사성 동위원소인 탄소-14를 추출하여 배터리를 만들게 된 것이다. 특히 탄소-14의 반감기는 약 5730년으로, 충전 없이 배터리 전력의 50%를 사용하는 데 5730년이 걸린다. 따라서 다이아몬드 배터리는 방사성 폐기물을 활용할 수 있는 방안이면서 동시에 친환경적 전력을 영구적으로 공급할 수 있으므로, 에너지 측면에서 획기적인 등장이라고 볼 수 있다.

[다이아몬드 배터리, 어떤 원리로 만들어졌을까?]
그렇다면 다이아몬드 배터리는 어떠한 원리로 만들어졌을까? 우선 브리스톨 대학 연구진은 방사성 동위원소인 탄소-14를 얻기 위해 우라늄 연료봉을 가열해 탄소-14만 따로 추출하는 방법을 개발했다. 증발한 탄소-14만 따로 모은 후 이를 단단하게 결합해 다이아몬드로 둘러싸면 쉽게 부서지지 않는 단단한 소재로 만들 수 있다. 이후 열전소자와 단단한 차폐 물질로 둘러싸면 반영구적인 다이아몬드 배터리가 탄생하게 된다.

[자료 2. 방사성 폐기물을 둘러싸고 있는 인조 다이아몬드의 모습]

출처 : The World Economic Forum

다이아몬드 배터리의 구조를 자세히 살펴보면, 다이아몬드가 방사성 폐기물에서 추출한 탄소-14를 다이아몬드가 감싸고 있는 형태로 이루어져 있음을 알 수 있다. 탄소-14에서 방출된 단거리 방사선은 산란을 일으키면서 고체 물질에 빠르게 흡수되는 특성이 있다. 이용해 방사성 물질을 다이아몬드로 감싸 보관하게 되면 단거리 방사선이 외부로 나오지 않으면서 다이아몬드 내부에 고정할 수 있다.

[자료 3. 탄소-14 다이아몬드 배터리의 구조]

출처 : ResearchGate

이렇게 다이아몬드 내부에 갇힌 탄소-14는 베타 붕괴를 일으키면서 전기를 생산한다. 우선 탄소-14의 중성자 1개가 양성자로 변환되는 베타 붕괴가 일어나면, 탄소-14는 방사선 중 하나인 베타선을 방출한다. 이 과정에서 발생된 베타선은 모든 고체에 빠르게 흡수될 수 있는 단거리 방사선이다. 따라서 흡수된 방사선의 에너지가 배터리 내 열전소자와 반응하면서 탄소-14가 가진 방사선 에너지에 따라 반영구적으로 전기를 생산하게 된다.

[자료 4. 탄소-14의 베타 붕괴 과정]

출처 : KOSMOS

[충전이 필요 없는 무한 동력의 배터리]
이와 같은 원리로 만들어진 다이아몬드 배터리가 기존 이차전지와 달리 가지는 장점에는 다음과 같이 크게 세 가지가 있다.
1) 전력의 50% 소모에만 5730년이 걸리는 반영구적인 수명
배터리의 수명은 방사선의 총 에너지가 절반으로 떨어지는 반감기에 비례한다. 탄소-14의 반감기는 약 5730년이기 때문에, 이론적으로 다이아몬드 배터리의 50% 전력을 사용하는 데에는 5730년이 걸린다고 할 수 있다. 또한 2020년 8월 미국 스타트업 기업 NDB의 테스트 결과에 따르면, 탄소-14를 이용한 다이아몬드 자가 충전 배터리는 40%의 충전전력을 유지하며 최대 28,000년 동안 작동 가능하다고 밝혔다. 이로 미루어 보았을 때, 다이아몬드 배터리는 반영구나 다름없는 긴 수명을 가지고 있다고 할 수 있다.

2) 사용 과정 중 탄소 배출이 전혀 없는 자가 충전 방식
현재 가장 많이 사용되는 이차전지의 경우 지속적인 충전이 필요하다. 이 과정에서 화석연료로 만든 전력으로 충전을 하게 되므로, 사용 과정에서 필연적으로 탄소 배출이 발생한다. 하지만 다이아몬드 배터리의 경우, 탄소-14가 자연적으로 내뿜는 방사선의 에너지를 열로 바꾼 후 전기로 변환하여 스스로 충전하는 방식이다. 비록 낮은 전력을 출력하지만, 태양 혹은 바람과 같은 외부 동력원 없이 전력을 장기간 일정하게 생산할 수 있다는 점이 다이아몬드 배터리의 가장 큰 장점이다. 따라서 다이아몬드 배터리는 기존 이차전지와 달리 사용 과정에서 탄소 배출가스도 없으며, 유지보수도 없이 직접적으로 전기를 생산하고 배터리를 충전할 수 있다.

3) 방사성 폐기물 처리 비용 절감
다이아몬드 배터리의 주원료가 되는 탄소-14는 흑연 기반의 우라늄 연료봉에서 추출할 수 있다. 연구지는 연료봉이 가열하여 탄소-14만 따로 추출하는 방법을 개발하였다. 이 과정을 통해 탄소-14를 추출하게 되면 연료봉의 방사능 강도는 저하되면서 추출된 탄소-14는 캡슐화하여 배터리의 에너지원으로 사용하게 되므로, 방사성 폐기물의 보관 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

[다이아몬드 배터리, 어디에서 사용될 수 있을까?]
1) 항공 우주 분야

[자료 5. 우주 무인 탐사선 예시]

출처 : NASA

최근 우주 기술의 발전으로 인해 인공위성이나 우주정거장의 태양광 발전 사업이 한창이다. 그러나 수십년 동안 우주를 항해하는 외행성 탐사선은 태양 에너지를 약하게 받기 때문에 태양광 발전이 불가하다. 이때 다이아몬드 배터리는 우주 환경에서의 환경에서 효과적인 배터리 솔루션으로 작용할 수 있다. 구체적으로 우주방사선에 태양전지가 파괴되었을 경우 혹은 달과 같이 자전주기가 길고 일교차가 큰 행성에서 이용될 수 있으며 더 나아가 태양전지를 사용할 수 없는 행성의 탐사 임무로써도 이용될 수 있을 것이다. 이처럼 우주 산업에서의 다이아몬드 배터리는 우주선 및 탐사선 분야에서 활용 될 수 있을 가능성이 무궁무진하다.

2) 전기자동차 배터리 분야

[자료 6. 전기자동차 배터리 기술 예시]

출처 : BMW

다이아몬드 배터리의 가장 큰 장점은 연료의 보급 없이 달릴 수 있는 것이다. 또한 배기가스와 같은 오염물질 배출이 없기에 기후변화가 심각한 현 사회에서는 큰 이점으로 작용한다. 특히, 전기자동차 소재의 병목현상을 해결할 수 있다. 관련 업계에 따르면 2020년 전세계 전기차 판매량은 200만대를 넘어섰다. 이는 작년 판매량 77만대의 약 2.6배 수준이다. 그러나 전기자동차 배터리 생산을 위해 필수적인 리튬, 코발트, 니켈 등의 원자재 가격이 상승함으로써 전기차 공급 병목현상이 발생할 가능성이 커졌다. 다이아몬드 배터리는 방사성 폐기물을 이용하므로 병목현상에 국한되지 않기 때문에 전기차 산업의 배터리 수급에 어려움이 없다. 그러나 다이아몬드 자체의 높은 가격의 문제는 해결해야 할 시사점으로 보인다.

3) 전자기기 분야
다이아몬드 배터리는 스마트폰, 노트북, 웨어러블 디바이스 등 소형 배터리가 포함된 모든 장치에서 응용될 가능성이 있다. 전기자동차와 마찬가지로 현재 전자기기 대부분은 리튬이온전지를 사용하므로, 이에 따른 자원 공급의 한계성을 극복할 수 있을 것이며 더 나아가 최근 문제가 되는 폐배터리 문제를 해결할 수 있다. 갈수록 커지는 전자기기 시장으로 인해 폐배터리는 쏟아지고 있지만, 전지 폐기 이후 회수 및 관리체계는 미흡한 상황이다. 따라서 다이아몬드 배터리는 영구적으로 사용할 수 있기에 폐배터리의 환경오염 문제 및 유해 물질 문제를 해결할 수 있다.

4) 의료 산업 분야
반영구적 성질을 가진 다이아몬드 배터리를 통해 인공심장이나 맥박 조정기, 치료용 뇌 자극기를 교체 없이 사용할 수 있게 될 것이다. 현재 인공심장 이식은 배터리 수명의 문제로 인해 5년~10년마다 재수술을 해야 하며 그 위험성은 상당히 크다. 즉, 다이아몬드 배터리 기술의 접목 시 의료 산업의 새로운 패러다임으로 작용할 수 있으며 인공심장 이외 생체 삽입형 의료기기 산업에서 응용될 가능성이 농후하다.

[현재의 문제점과 생각해보아야 할 것들]
1) 다이아몬드 희귀성 및 높은 가격
다이아몬드를 사용하는 탄소-14 배터리의 가장 큰 문제는 가격이다. 다이아몬드는 보석하면 떠오르는 대표적인 물질인 만큼 그 희귀성이 크다. 공업용 다이아몬드는 보석으로 사용하는 다이아몬드에 비해 가격이 저렴하다고는 하지만 배터리에 상용화될 수 있을 정도로 가격이 낮아지지 않기에 가격을 둘러싼 문제가 제기될 수 밖에 없는 것이다. 이를 위해서는 보다 저렴한 공업용 인공 다이아몬드의 개발 혹은 방사성 폐기물 차폐 능력이 뛰어난 또 다른 소재의 개발이 이어져야 한다. 다이아몬드보다 초경질의 소재를 개발하기 위한 움직임은 아직 미미하므로 다이아몬드 배터리의 높은 가격을 해결하기 위한 새로운 소재의 개발은 필수적이다.

2) 낮은 출력 전압과 에너지 밀도
다이아몬드 배터리의 또 다른 문제는 바로 낮은 전력이다. 실제로 리튬이온전지를 사용할 경우 출력 전압의 값은 다이아몬드 배터리에 비해 훨씬 크다. 이는 흑연이 리튬에 비하여 에너지 저장 용량이 이론적으로 10분의 1 정도로 적기 때문이다. 따라서 다이아몬드 배터리의 상용 스펙트럼을 넓히려면 무게 대비 출력을 높이는 기술을 확보해야 할 것이다. 혹은 가볍지만 큰 전력을 요구하는 전자기기 대신 적은 전력으로 오랜시간 작동하는 기기에 사용할 목적으로 개발한다면, 다이아몬드 원자력 전지가 활발히 이용될 것으로 보인다.

3) 소비 기호의 불충족
다이아몬드 배터리가 탑재된 제품의 개발 그 이면에는 잊고 넘어가기 쉬운 또 다른 문제가 있다. 바로 소비자의 다양한 기호를 충족시킬 수 없다는 것이다. 예를 들어 다이아몬드 배터리가 탑재된 차량은 몇 십 년간 연료 주입이 필요 없다. 그러나 과연 평생 한 가지 종류의 차량을 타고자 하는 소비자는 얼마나 될 것인가? 오늘날 소비자들은 기능적 우수성만을 추구했던 과거와 달리, 정신적 만족감을 포함한 개인 기호가 반영된 제품을 선택한다. 이러한 소비자의 심리를 이해하여 반영구 배터리의 활용 방안을 다시금 생각해보아야 할 것이다.

[다이아몬드 배터리의 미래와 시사점]

[자료 7. NDB 다이아몬드 배터리]

출처 : NDB

방사성 폐기물을 활용한 다이아몬드 배터리 연구는 여전히 지속되고 있다. 실제로 2020년 미국 그린에너지 스타트업 NDB는 나노 다이아몬드 자가충전 배터리를 개발하여 시연에 성공하기도 하였다. 아직까지는 다이아몬드 배터리의 낮은 전력 효율 및 에너지 저장 밀도의 문제점과 높은가격이라는 장벽이 존재하지만, 충전 없이 사용 가능한 반영구적인 특성과 방사성 폐기물의 효과적인 처리 방식이라는 점에서 혁신적이라는 특징을 지님은 분명하다. 앞으로의 연구는 방사성 폐기물 차폐 효과를 지닌 다이아몬드 대체 물질의 개발 및 배터리에 응용 가능한 하베스팅 기술의 접목이 기대된다. 특히 다이아몬드의 대체는 경제성과 자원의 희소성 측면에서 반드시 해결해야 할 문제이며, 에너지 하베스팅 기술의 접목은 다양한 변환기술을 바탕으로 널리 산업체에서 응용될 가능성을 증가시킨다. 실제 상용화 가능한 기술 수준으로 개발을 위해서는 관련 기초 연구에 대한 국가차원의 지속적 지원이 필요할 것이며 다이아몬드 배터리의 향후 귀추가 주목될 것이다.

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참고문헌
[처치 곤란 방사성 폐기물, 새로운 모습으로 재탄생하다]
1) University of Bristol, ‘Diamond-age’ of power generation as nuclear batteries developed, 2016.11.28, youtu.be/b6ME88nMnYE
[다이아몬드 배터리, 어떤 원리로 만들어졌을까?]
1) 김정은, “핵폐기물로 만든 무한전력 '다이아몬드 배터리' 나온다”, 데일리포스트, 2020.01.22, https://www.thedailypost.kr/news/articleView.html?idxno=72681
2) 박민성, “다이아몬드로 배터리를?”, KOSMOS, 2020.09.30, https://www.ksakosmos.com/post/%EB%8B%A4%EC%9D%B4%EC%95%84%EB%AA%AC%EB%93%9C%EB%A1%9C-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC%EB%A5%BC
[충전이 필요 없는 무한 동력의 배터리]
1) 김준래, “다이아몬드로 만든 반영구 배터리”, The Science Times, 2020.03.02, www.sciencetimes.co.kr/news/%EB%8B%A4%EC%9D%B4%EC%95%84%EB%AA%AC%EB%93%9C%EB%A1%9C-%EB%A7%8C%EB%93%A0-%EB%B0%98%EC%98%81%EA%B5%AC%EC%A0%81-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC/
2) “다이아몬드 원자력 전지”, 사이언스온, 다이아몬드를 이용한 원자력 전지, 2016.11.29, scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchTrend.do?cn=GTB2016000891
[다이아몬드 배터리, 어디에서 사용될 수 있을까?]
1) 김종철, “”2만 8천년”수명 자동충전 배터리, 美 스타트업 NDB 개발 성공”, GEN 주한외국기업뉴스, 2020.08.25, http://gen.or.kr/m/page/view.php?no=800
2) Jess Vilvestre, “This diamond battery is made from nuclear waste”, World Economic Forum, 2017.02.24, www.weforum.org/agenda/2017/02/these-scientists-are-turning-radioactive-waste-into-diamond-batteries
[현재의 문제점과 생각해보아야 할 것들]
1) 한상희, "'전기차 배터리 원자재난'...EV 시장 성장세 제한하나?", 에너지경제신문, 2017.12.15, www.ekn.kr/web/view.php?key=331289
2) Jess Vilvestre, “This diamond battery is made from nuclear waste”, World Economic Forum, 2017.02.24, www.weforum.org/agenda/2017/02/these-scientists-are-turning-radioactive-waste-into-diamond-batteries
[다이아몬드 배터리의 미래와 시사점]
1) 김준래, “다이아몬드로 만든 반영구 배터리”, The Science Times, 2020.03.02, www.sciencetimes.co.kr/news/%EB%8B%A4%EC%9D%B4%EC%95%84%EB%AA%AC%EB%93%9C%EB%A1%9C-%EB%A7%8C%EB%93%A0-%EB%B0%98%EC%98%81%EA%B5%AC%EC%A0%81-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC/
2) 김종철, “”2만 8천년”수명 자동충전 배터리, 美 스타트업 NDB 개발 성공”, GEN 주한외국기업뉴스, 2020.08.25, http://gen.or.kr/m/page/view.php?no=800http://gen.or.kr/m/page/view.php?no=800