한국전기연구원(KERI) 박수동·류병기·정재환 박사팀이 우주 탐사선의 핵심인 원자력전지 성능을 높일 수 있는 '신 열전효율 공식 및 고효율 적층형 열전발전소자'를 개발하고, 독일항공우주연구원의 검증까지 받는 데 성공했다.

원자력전지는 방사선 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기로, 우주 탐사선, 탐사로버 등 전력원으로 사용되는 '방사성동위원소 열전발전기(RTG)'가 대표적이다.

방사성동위원소(플루토늄-238, 아메리슘-241 등)는 밀폐용기 내에서 스스로 붕괴되며 섭씨 400-700도가 넘는 높은 열을 발생한다.

원자력전지는 이 높은 열과 우주의 낮은 온도 차이를 이용해 전기를 만들어 내는 원리(열전발전)를 이용한다. 즉, 원자력전지에는 방사성 동위원소를 이용한 '발열체'와 이 열을 이용하여 전기를 생산하는 '열전발전소자'가 핵심 기술이다.

현재 발열체는 국제적 제약으로 인해 본격적인 개발이 이뤄지고 있지 않지만, 국내 열전발전 소자 기술은 KERI를 중심으로 우리나라가 국제적인 경쟁력을 가진 것으로 평가되고 있다. KERI의 성과는 이러한 온도 분포를 세계 최고 수준으로 명확하게 분석하고, 이를 기반으로 최적의 '적층형 열전발전소자'를 설계·합성한 것이다.

먼저, 연구팀은 학계에서 열전발전 효율성을 입증하는 기존 지표였던 '열전성능지수(ZT)'의 오류·한계를 공식적으로 밝혀내고 정확한 데이터를 산출할 수 있는 '신 열전효율 공식'을 개발하는데 성공했다.

설계·탐색 시간도 수백 배 이상 빠르다. ZT를 기반으로 1개 단위 열전반도체의 성능에 의존하거나, 과거 경험만을 바탕으로 진행했던 기존 방식과 비교하면 엄청난 혁신이다.

KERI 연구팀은 이러한 원천기술을 이용해 설계된 적층형 열전발전소자를 실질적으로 합성하는 데 성공했다. 또한, 실험을 통해 섭씨 500도 이상의 조건에서 기존 단일방식 소자보다 효율이 무려 3% 이상 높은 것도 확인했다.

연구팀은 이번 성과가 원자력전지를 활용하는 우주항공 및 국방 분야는 물론, 통신 장비 및 광학 장치의 냉각, 전기차 배터리의 온도 제어 등 다양한 산업에도 활용될 수 있을 것으로 보고, 관계기관·기업과의 협력을 강화한다는 계획이다.