50년 무충전 원자력 배터리, 삼성·SK HBM 전력 대란의 해법이 될까

50년 무충전의 꿈, 원자력 배터리의 시대가 열렸다

중국 스타트업 베타볼트는 2024년 1월 충전 없이 50년 동안 사용할 수 있는 초소형 원자력 배터리 'BV100'을 공개했다. 최근 미국의 NRD, LLC도 100년 이상 지속되는 니켈-63 기반 원자력 배터리를 출시했다. 이 기술이 중요한 이유는 단순하다. AI 시대의 전력 위기를 해결할 수 있는 차세대 에너지원이기 때문이다.

혁신 기술의 정체: 베타 붕괴 에너지를 전기로

원자력 배터리는 방사성 동위원소가 발산하는 열에너지를 이용하는 전지이며, 붕괴 시간은 방사성 동위원소의 종류에 따라 다양하므로 반감기가 긴 물질을 사용하면 수명이 긴 배터리를 얻을 수 있다. BV100은 니켈-63 동위원소와 4세대 다이아몬드 반도체를 결합해 전기를 생산하는 방식으로, 3V 전압과 100μW 출력을 제공한다.

기술적으로 더 세밀하게 보면, 방사성동위원소에서 방출하는 베타선 전자가 반도체 내에서 전자-정공 쌍을 생성하고, 생성된 전자-정공 쌍으로 인해 전기장이 형성돼 전류가 흐르는 원리로 작동한다. 여기서 중요한 점은 베타선은 인체 유해성 및 투과도가 낮아 높은 안전성을 가지며, 베타 전지는 다른 원자력 전지와 다르게 방사선 걱정이 없다는 것이다.

기술의 실질적 한계와 현실

그러나 현실은 기대와 다르다. 100μW는 매우 작은 전력이기 때문에 하나로는 스마트폰을 충전할 수 없지만, 무선 태그나 초저전력 소모 센서에 전력을 공급할 수는 있을 것이다. 베타볼트는 2025년까지 원자력 배터리의 공급 전력을 1W까지 확대할 계획이었다.

이는 다음 세대의 인기 있는 기술이 아니라, 매우 제한된 응용 분야에만 적용 가능한 틈새 기술임을 의미한다. 모듈을 여러 개 연결해 발전시켜 나간다면 50년 동안 충전 없이 사용할 수 있는 스마트폰이 탄생할 수도 있고, 현재 15분 정도만 연속 비행할 수 있는 드론도 언제까지나 하늘을 날아다닐 수 있게 된다.

반도체 산업의 HBM 전력 위기

지금 삼성전자와 SK하이닉스가 직면한 문제는 다르다. HBM 시장에 들이닥친 위협으로 인해, 기존 AI 하드웨어 생태계가 붕괴하면 한국 반도체가 누려온 역대급 호황의 불꽃도 한순간에 꺼질 수 있다. 특히 1.58비트 구조는 연산 과정에서 발생하는 열과 전력 소모를 비약적으로 줄이는 기술이다.

하지만 삼성과 SK의 대응은 다르다. 삼성 HBM4에는 1c 나노 D램을 사용하고 TSV 데이터 송수신 저전압 설계 및 전력 분배 네트워크 최적화 기술이 적용돼 전력 효율이 이전 세대 대비 약 40% 개선되었다. 반면 SK하이닉스는 대만 TSMC를 통해 로직 다이를 양산하고 있으며, HBM4에는 12나노 공정을 적용했다.

원자력 배터리가 게임 체인저가 될 수 있을까?

솔직히 말하면, 현재로서는 아니다. 원자력 배터리의 미래는 밝지만 현실은 냉정하다. 이러한 기술들은 아직 상용화 단계에는 이르지 못했다. 무엇보다 전 세계 원자력 배터리 시장이 2026년 USD 89.17 억에서 2035년 USD 221.77 억에 도달할 것으로 예상되며, 이 확장은 우주 탐사, 방위산업, 차세대 의료기기 등을 중심으로 이루어질 것이다.

결국 원자력 배터리는 우주 탐사, 원격 센서, 의료 기기 같은 극한 환경 응용 분야의 혁신 기술이다. 데이터센터와 AI 반도체의 전력 위기를 직접적으로 해결하기는 어렵다는 의미다. 업계에서는 더 현실적인 방식으로 전력 효율 개선을 통해 문제를 해결하고 있으며, 삼성은 40% 전력 효율 개선을 달성했다.

결론: 희망과 현실 사이에서

원자력 배터리는 분명 미래의 에너지 기술이다. 하지만 그 미래가 반도체 산업의 즉각적인 위기 해결책이 되려면 아직 갈 길이 멀다. 오히려 삼성과 SK가 벌이는 HBM의 전력 효율 개선 경쟁이 더욱 현실적인 게임 체인저로 작용할 가능성이 크다. 새로운 기술은 늘 기대보다 천천히 현실이 되는 법이다.