韓国電気研究院（KERI）次世代半導体研究センターのソ・ジェファ博士チームが充電や交換することなく50年以上電気を作る炭化ケイ素（SiC）半導体基盤ベータ電池を韓国で初めて実証した。今回の研究は国立慶国（キョングク）大学のユン・ヨンジュン教授チームと共同で進められ、研究成果はエネルギー分野の国際学術誌「インターナショナル・ジャーナル・オブ・エネルギーリサーチ」に掲載された。

ベータ電池は放射性物質から自然に放出される電子、すなわちベータ線を半導体が吸収して電気に変える次世代電源装置だ。太陽電池のようにエネルギーを電気に転換するが、太陽光の代わりに放射性物質をエネルギー源として活用する。このため日光が届かない宇宙や深海、地下国防監視環境などでも天候と温度の影響をあまり受けずに長期間電力を供給できる。


研究チームは既存のシリコン半導体より熱と放射線に強いSiCを核心素材に選択した。放射線を電気に変える効率を上げるため「PINダイオード構造」で半導体を最適設計し、独自の基本素子を製作した。その後実際のベータ線原料であるニッケル63を確保して韓国で最初に専用測定設備を構築した。半導体と放射性物質を結合した結果、実際の電力活性面積換算基準で1平方センチメートル当たり約160マイクロワットの電力が作られるのを確認した。この電気で低電力LEDを点灯させる試作品も完成した。


これはニッケル63の寿命特性を考慮すると、少ない電力で作動する機器で電池交換せずに50年以上作動する可能性を立証したものだ。放射性物質を半導体表面に薄く均一に適用する方式では1平方センチメートル当たり0．85マイクロワットの出力電力密度と単位セル基準20マイクロワット以上の電力発生が可能である点も確認した。これまでの単位セル出力目標値より4200倍以上高い数値だ。

試作品製作後には人工知能（AI）予測モデルと極限環境テストも導入した。研究チームはユン・ヨンジュン教授チームとAI予測モデルを構築し実際の電池の出力と電圧を98～99％の正確度で予測した。また、宇宙船が体験する放射線環境を再現するため15メガ電子ボルト級の高エネルギー陽子を電池に浴びせる実験も韓国で初めて行った。これを通じて実際の宇宙任務に必要な信頼性劣化データを定量的に確保した。

KERIのソ・ジェファ博士は「ベータ電池は電気自動車のように大きな力を出す電池ではなく、人の接近が困難な場所で数十年間にわたり整備なく小さな電力を着実に供給する超長寿命電源。国防無人監視センサーや、宇宙。深海の非常信号機を50年以上作動させる核心動力になるだろう」と伝えた。

ユン・ヨンジュン教授は「今回の成果は単純なコンピュータシミュレーションや基礎研究水準を超え、実際の素子の製作、測定、試作品実証だけでなく、AI設計予測まで完成した韓国最高水準の事例」と話した。

研究チームは今回確保したベータ電池製造技術と測定基盤を基に関連特許出願を終えた。今後、宇宙航空、防衛産業、原発と放射線安全監視、遠隔センサー分野の企業と技術移転と共同製品開発を推進する計画だ。

今回の研究はKERIの基本事業である「次世代宇宙探査用SiC半導体ベータ電池素子開発」課題の支援で進められた。