5,700년 배터리: 과학자들이 핵폐기물을 사실상 영구적인 에너지원으로 바꾼 방법

문명이 사라진 뒤에도 작동하는 전원

충전이 전혀 필요 없는 기기를 상상해 보자. 당신이 살아 있는 동안은 물론, 자녀와 손주, 증손주가 살아 있는 동안에도 충전할 필요가 없다. 이 구상은 2024년 12월 브리스톨대학교와 영국 원자력청(UKAEA) 연구진이 에너지 저장에 대한 기존의 통념에 도전하는 시제품을 공개하면서 공상과학에서 실험실의 현실로 옮겨왔다.

탄소-14 다이아몬드 배터리는 반감기가 5,700년인 방사성 붕괴를 통해 전기를 생산한다. 즉, 거의 6,000년이 지나도 처음 출력의 절반을 유지한다는 뜻이다. 고대 문명과 현대 기술 사이의 간극을 메울 만큼 긴 시간이다. 수년 안에 성능이 저하되는 리튬이온 배터리나 햇빛이 필요한 태양광 패널과 달리, 이 전원은 지구에서 가장 단단한 천연 물질 안에 밀봉된 채 지속적으로 작동한다.

브리스톨대학교 재료학 교수인 톰 스콧 교수가 이 혁신을 이끄는 연구팀을 맡고 있다. 연구진은 방사성 물질을 유용한 에너지원으로 바꾸는 방법을 수년간 연구해 왔으며, 접근하기 어려운 환경에서 전력을 공급하는 방식을 바꿀 수 있는 개념 증명 장치를 완성했다. 이번 발표는 핵물질 연구의 중요한 이정표로, 핵분열 원자로에서 나오는 폐기물이 부담이 아니라 자산이 될 수 있음을 보여준다.

이 배터리의 수명은 에너지 저장에 대한 통상적인 이해를 뛰어넘는다. 현대 충전식 배터리는 대개 500~1,000회 충전 주기 뒤 성능이 크게 저하되지만, 이 다이아몬드 기반 장치는 오늘날의 역사 기록이 고고학적 호기심의 대상으로 희미해진 뒤에도 유용한 전력을 공급할 수 있다. 탄소-14 붕괴의 기본 물리는 화학 배터리로는 구현할 수 없는 시계처럼 정밀한 신뢰성을 제공한다.

이러한 안정성 덕분에 고장이 허용되지 않고 유지보수가 불가능한 분야에서 특히 가치가 높다. 이 시제품은 배터리 화학의 점진적 개선에 그치지 않고, 몇 시간 단위가 아닌 몇 세기 단위로 기기에 전력을 공급하는 방법을 근본적으로 새롭게 제시한다.

방사성 붕괴가 전기가 되는 원리

이 배터리의 작동 원리를 이해하려면 태양광 패널의 원리를 떠올리면 된다. 기존 태양광 전지는 광자라는 빛 입자에서 에너지를 얻어 전기로 바꾼다. 다이아몬드 배터리도 베타볼타 전지라는 유사한 원리를 이용하지만, 햇빛을 모으는 대신 붕괴하는 탄소-14 원자에서 방출되는 빠른 전자를 포착한다.

탄소-14는 고고학에서 잘 알려진 방사성 동위원소로, 과학자들은 예측 가능한 붕괴율을 이용해 고대 유기물의 연대를 측정한다. 이 동위원소는 붕괴하면서 짧은 거리만 이동하는 베타선을 방출하며, 이 과정에서 고에너지 전자가 나온다. 다이아몬드 배터리에서는 합성 성장시킨 다이아몬드 층 안에 탄소-14를 넣는다. 동위원소가 붕괴하면서 베타 입자를 방출하면 다이아몬드의 반도체 특성이 이를 전류로 바꾼다.

다이아몬드 구조는 두 가지 역할을 한다. 전력을 생산하는 동시에 뚫고 나갈 수 없는 방사선 차폐막이 된다. 탄소-14가 짧은 거리만 이동하는 방사선만 방출하기 때문에 다이아몬드 외피가 유해할 수 있는 방사선을 모두 내부에 흡수한다. 정상적으로 작동하는 동안 기기 밖으로 방사선이 새어 나오지 않아 의료용 이식 장치와 소비자 제품에 안전하게 사용할 수 있다.

UKAEA 삼중수소 연료주기 부문 책임자인 사라 클라크는 이 기술의 안전성 원리를 설명했다.

다이아몬드 배터리는 마이크로와트 수준의 전력을 지속적으로 공급하는 안전하고 지속 가능한 방법입니다. 소량의 탄소-14를 안전하게 둘러싸도록 인공 다이아몬드를 사용하는 신흥 기술입니다.

시제품 배터리의 크기는 약 10밀리미터×10밀리미터이며, 두께는 최대 0.5밀리미터다. 이 작은 크기로 마이크로와트 수준의 전력을 지속적으로 공급한다. 저전력 기기에는 충분하지만 스마트폰이나 전기차에 필요한 전력에는 크게 못 미친다.

핵폐기물을 에너지로 바꾸다

이 기술에서 가장 주목할 만한 점은 원료다. 배터리에 쓰이는 탄소-14는 핵분열 원자로에서 꺼낸 흑연 블록에서 얻는다. 이 물질은 그렇지 않으면 방사성 폐기물로 장기간 고비용 보관해야 한다. 영국에만 이런 흑연 블록이 약 9만5,000톤 쌓여 있어 보관 문제인 동시에 활용되지 않은 자원이기도 하다.

원자로 흑연에서 탄소-14를 추출하면 과학자들은 핵폐기물의 양을 줄이는 동시에 가치 있는 에너지 자원을 만들 수 있다. 공정은 방사성 물질을 플라스마 강화 화학기상증착법으로 성장시킨 합성 다이아몬드 안에 넣는 방식으로 진행된다. UKAEA 컬럼 캠퍼스의 엔지니어들은 정밀한 다이아몬드 층을 만들기 위해 특수 플라스마 증착 장치를 제작했다. 이 장치는 방사성 물질을 안전하게 고정하면서 에너지 포착량을 극대화한다.

이 제조 기술은 핵융합 에너지 연구에서 직접 비롯됐다. 토카막 원자로 개발 과정에서 축적된 UKAEA의 방사성 물질 취급, 플라스마 증착, 특수 반도체 제조 역량이 다이아몬드 배터리 프로젝트에 활용됐다. 이번 협력은 기초물리학 연구에 대한 투자가 예상치 못한 실용적 응용으로 이어질 수 있음을 보여준다.

브리스톨대학교 에너지 재료학 교수인 닐 폭스 교수는 다이아몬드 외피의 보호 기능을 강조했다.

다이아몬드는 인류가 아는 가장 단단한 물질입니다. 이보다 더 큰 보호 기능을 제공할 물질은 사실상 없습니다.

배터리가 기능 수명을 다하면 제조업체에 보내 통제된 방식으로 재활용하거나 폐기할 수 있다. 수명 주기 내내 탄소-14는 안전하게 밀봉된 상태를 유지해 에너지 수요와 환경 문제를 모두 고려할 수 있다. 탄소-14 1그램은 하루 15줄의 전기를 생산할 수 있으며, 기존 배터리보다 수백 년 더 오래 쓸 수 있다.

출력보다 수명이 중요한 곳에서의 활용

다이아몬드 배터리는 마이크로와트 수준의 전력을 공급해 스마트폰이나 전기차에 필요한 출력에는 크게 못 미친다. 하지만 원시 출력보다 수명과 신뢰성이 중요한 특정 환경에서는 이러한 한계가 장점이 된다. 배터리 교체가 위험하거나 비용이 많이 들거나 불가능한 곳에서 이 기술은 강점을 발휘한다.

의료용 이식 장치는 가장 유망한 분야 중 하나다. 현재 심박조율기, 보청기, 안구 장치는 대개 5~10년마다 수술로 교체해야 하는 기존 배터리를 사용한다. 교체 수술은 감염과 합병증 위험, 회복 기간을 수반한다. 다이아몬드 배터리를 쓰면 환자의 평생 동안 기기에 전력을 공급해 반복 수술을 없애고 의료비를 줄일 수 있다. 의료 시설 접근성이 낮은 외딴 지역의 환자에게는 삶을 바꿀 만큼 큰 효과를 낼 수 있다.

우주 탐사에도 적합하다. 태양광 패널이 충분한 햇빛을 더 이상 포착하지 못하거나 기존 배터리가 방전되면 심우주 탐사선과 위성은 결국 지구와의 교신을 잃는다. 지구에서 가장 멀리 떨어진 인공 물체인 보이저 1호는 수명이 제한된 기존 원자력 배터리에 의존한다. 탄소-14 전원은 장비와 통신 시스템을 수십 년 또는 수백 년 동안 작동시켜 현재 기술의 한계를 훨씬 넘어서는 임무를 가능하게 할 수 있다.

우주선이나 탑재체에 부착하는 무선주파수 태그는 수천 년 동안 추적이 가능해져 운용 비용을 줄이고 임무 수명을 늘릴 수 있다. 이 배터리는 자체 방전 없이 영하 60도에서 영상 120도에 이르는 극한 온도에서도 효과적으로 작동해 혹독한 환경에 적합하다.

지상에서의 원격 활용 분야로는 북극 관측소, 석유·가스 시설의 해저 센서, 접근하기 어려운 장소의 보안 장치 등이 있다. 수십 년 동안 사람의 손길 없이 작동해야 하는 시스템이라면 이 기술을 적용할 수 있다. 능동형 무선주파수 태그는 지상이나 우주에서 장치를 수십 년 동안 식별하고 추적할 수 있어 비용을 줄이고 운용 수명을 늘릴 수 있다.

원자력 배터리를 둘러싼 세계적 경쟁

브리스톨대학교와 UKAEA가 세계 최초의 탄소-14 시제품으로 주목받았지만, 원자력 배터리를 개발하는 곳은 이들뿐만이 아니다. 중국과 미국, 유럽의 연구팀들이 서로 다른 방사성 동위원소를 사용하는 유사한 장치의 상용화를 서두르면서 국제 경쟁이 벌어지고 있다.

중국의 베이징 베타볼트 신에너지기술은 탄소-14 대신 니켈-63을 사용하는 경쟁 제품 설계를 발표했다. 2024년 초 공개된 BV100 배터리는 가로·세로·두께가 각각 15밀리미터, 15밀리미터, 5밀리미터이며, 3볼트에서 100마이크로와트를 생산한다. 니켈-63 방식의 수명은 50년으로 탄소-14보다 훨씬 짧지만, 베타볼트는 직렬 연결로 소비자 전자제품에 전력을 공급할 수 있는 1와트급 제품을 올해 말 출시할 계획이다.

캘리포니아에 기반을 둔 인피니티 파워도 2024년 경쟁에 뛰어들어 베타볼트와 유사한 니켈-63 코인형 전지를 개발하고 있다. 한편 한국의 대구경북과학기술원 연구진은 탄소와 수소 동위원소를 포함한 여러 방사성 동위원소를 이용해 베타볼타 전지를 실험해 왔다.

브리스톨 연구팀은 특정 응용 분야에서 수명 측면의 뚜렷한 우위를 지닌다. 니켈-63 배터리는 소비자 전자제품에 적합한 수십 년의 수명을 제공하지만, 반감기가 5,700년인 탄소-14는 유지보수가 불가능한 초장기 운용 분야에 근본적으로 다른 가치를 제공한다. 스콧 교수는 산업 파트너십을 맺고 탄소-14 기술의 시장성을 평가하기 위해 상업화 기업 아켄라이트를 설립했다.

중국은 항공우주, 인공지능 장비, 마이크로 로봇 분야에서의 단기 상용화에 초점을 맞추는 반면, 영국 연구팀은 극도로 긴 수명이 필요한 의료기기와 심우주 응용에 집중한다. 두 접근법 모두 중요 시스템의 배터리 유지보수와 교체를 없애려는 공통 목표를 갖고 있다.

시장 진입까지 남은 과제

다이아몬드 배터리가 의료기기나 우주선에 사용되기까지는 여전히 큰 과제가 남아 있다. 순수 탄소-14 다이아몬드 제조에 쓰이는 기체 원료는 리터당 약 4만6,000달러로, 생산 규모를 키우는 데 비용 문제가 따른다. 제조에는 특수 정적 유동 화학기상증착 반응기가 필요하며, 이를 방사성 물질 취급 시설에 설치해야 해 생산 능력이 제한된다.

규제 승인을 받는 일도 복잡한 장벽이다. 밀폐형 다이아몬드 외피 덕분에 다른 원자력 기술보다 안전성 인증 절차가 단순해질 수 있지만, 방사성 물질을 포함하는 기기는 모두 광범위한 시험과 감독을 거쳐야 한다. 의료 분야는 특히 엄격한 기준을 충족해 수십 년간 이식된 상태에서도 환자의 안전을 보장해야 한다.

대중의 인식도 보급 전망에 영향을 미친다. 밀봉된 탄소-14의 기술적 안전성에도 불구하고 “방사성”이라는 말에는 부정적 인식이 따라 소비자 시장의 수용을 가로막을 수 있다. 널리 보급하려면 밀봉 방식과 방사선 안전성을 투명하게 알리는 일이 중요하다.

스콧 교수는 지속적인 연구를 통해 이러한 과제를 해결할 수 있다고 낙관한다. 그는 앞으로 10년간의 개발 일정을 설명했다.

우리의 초소형 전력 기술은 우주 기술과 보안 장치부터 의료용 이식 장치에 이르기까지 다양한 중요 분야를 뒷받침할 수 있습니다. 앞으로 몇 년간 산업계 및 연구 파트너들과 함께 이런 가능성을 모두 탐색할 수 있게 돼 기쁩니다. 이 기술을 인류 발전에 활용하고자 합니다.

앞으로 10년은 생산 규모를 키우고 출력 성능을 개선하는 데 초점을 맞출 전망이다. 제조 규모 확대에 성공하면 비용을 낮춰 전문 의료·항공우주 분야를 넘어 더 폭넓게 활용할 수 있다.

핵심 내용

• 브리스톨대학교와 영국 원자력청 연구진은 2024년 12월 세계 최초의 탄소-14 다이아몬드 배터리를 개발했다
• 배터리는 반감기가 5,700년인 탄소-14의 방사성 붕괴를 이용해 수천 년 동안 마이크로와트 수준의 전력을 지속적으로 공급한다
• 탄소-14는 원자로 흑연 블록에서 추출해 방사성 폐기물을 밀봉된 에너지원으로 재활용한다
• 합성 다이아몬드는 반도체이자 방사선 차폐막으로 작동해 방출된 입자를 모두 흡수하면서 전기를 생산한다
• 활용 분야는 의료용 이식 장치(심박조율기, 보청기), 심우주 탐사선, 원격 센서, 무선주파수 추적 태그 등이다
• 중국 베타볼트와 미국의 경쟁 기술은 수명이 더 짧은 니켈-63을 사용하지만, 상용화 시점은 더 빠를 수 있다
• 상용화를 위해서는 제조 공정의 대규모화와 규제 승인이 필요하며, 현재 원료 기체 생산 비용은 리터당 4만6,000달러다