KR100216118B1 - 삼중수화물, 트리튬 및 트리톤 도체를 이용한 원자력 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

삼중수화물, 트리튬 및 트리톤 도체를 이용한 원자력 전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 삼중수화물, 트리튬 및 트리톤 도체를 이용한 원자력 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 원자력 전지는 전하를 잃거나 얻음으로써 전해질이 될 수 있는 물질(이하 수동전해질)로 채워진 밀폐통에 침지(沈漬)되어 있는 트리톤 도체 어셈블리로 구성되며, 상기 트리톤 도체 어셈블리는 능동전해질 운반체로 사용되는 판상(板狀)의 프로톤 또는 트리톤 도체와; 전극으로 사용되는 삼중수소화 금속 및/또는 그의 합금과; 다른 전극으로 사용되는 다공성 금속판(porous metal)으로 구성되며, 두 전극은 트리톤 도체의 양면에 각기 접촉되고, 수동전해질은 프로토늄 및 트리튬의 혼합물로 구성되고, 이에 대해 능동전해질은 프로톤 및/또는 트리톤으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명의 원자력 전지 제조방법은 트리톤 도체 어셈블리를 표적집체(target park)가 설치된 증착기를 사용하여 트리톤 도체에 다층 증착하여 제작하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명의 원자력 전지는 매우 약한 종류의 방사능(평균 에너지가 0.0057 Mev 이다)을 사용하므로 매우 안전하며, 그 구조가 극히 간단하여 제조 공정이 단순하여 값싸게 제조할 수 있어 원격제어 및 탐지 분야에 이용되는 장비의 에너지원으로서 특히 유용하다.

Description

삼중수화물, 트리튬 및 트리톤 도체를 이용한 원자력 전지 및 그 제조방법
본 발명은 원자력 전지에 관한 것으로서, 특히 삼중수화물, 트리튬 및 트리톤 도체를 이용한 원자력 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 사용되고 있는 원자력 전지에는 열전기타입, 열이온타입, 베타전압타입 등이 있으며, 이들은 우주계획 또는 해저용도 장비의 유력한 에너지원이다. 그러나 이들 원자력 전지는 매우 고가이며, 방사능 누출에 대한 강력한 보호책이 요구되는 문제점이 있다.
또한 최근 원격제어 및 탐지 분야가 급속하게 발전하고 있으며, 특히 광대한 지역의 날씨 및 공해를 원격탐지하는 것은 여러분야에서 매우 중요한 문제로 대두되고 있는데, 이러한 원격제어 및 탐지 장비에 제공될 안전하고도 값싼 에너지원이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 원자력 전지의 문제점을 해결함과 동시에 안전하고도 값싼 에너지원으로서 삼중수화물, 트리튬 및 트리톤 도체를 이용한 원자력 전지 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원자력 전지는 전하를 잃거나 얻음으로써 전해질이 될 수 있는 물질(이하 수동전해질이라 한다)로 채워진 밀폐통에 침지되어 있는 트리톤 도체 어셈블리로 구성되며, 수동전해질은 프로토늄 및 트리튬의 혼합물로 구성되고, 이에 대해 능동전해질은 프로톤 및/또는 트리톤으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 원자력 전지 제조방법은 트리톤 도체 어셈블리를 표적집체(target park)가 설치된 증착기를 사용하여 다층 증착하여 제작하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 전지의 개략 구성도
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자력 전지의 개략 구성도
도 3은 도 2의 원자력 전지 제작시의 개략적인 형상을 나타낸 도
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 트리톤 도체 어셈블리110 : 트리톤 도체
120 : 삼중수화물130 : 다공성 금속판
140 : 전기부하150 : 선택성판
200 : 수동전해질300 : 밀폐통
이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 전지는 도 1에 나타낸 바와 같이 밀폐통(300)에 담긴 수동전해질(200)과; 상기 수동전해질(200)에 침지(沈漬)되어 있는 트리톤 도체 어셈블리(100)로 구성된다.
상기 트리톤 도체 어셈블리(100)는 능동전해질 운반체로 사용되는 판상(板狀)의 프로톤 또는 트리톤 도체(이하 트리톤 도체라 한다 : 110)와; 전극으로 사용되는 삼중수소화 금속(=금속삼중수화물=삼중수화물 : tritiated metal 또는 metal tritide) 및/또는 그의 합금(이하 삼중수화물이라 한다 : 120)과; 다른 전극으로 사용되는 다공성 금속판(porous metal : 130)으로 구성되며, 상기 삼중수화물(120)과 다공성 금속판(130)은 트리톤 도체(triton conductor : 110)의 양면에 각기 접촉된다.
상기 트리톤 도체(110)는 프로톤(proton : 수소핵)이나 트리톤(triton : 삼중수소핵)만 통과할 수 있는 물질이다. 다시말해, 원자상태는 통과할 수 없다.
또한 상기 수동전해질(200)은 트리튬(tritium : 삼중수소원자)과 프로토늄(protonium : 수소원자)의 혼합물로 구성되며, 이 혼합물은 상기 삼중수화물(120)의 광전도성을 활성화시키는 방사능원으로도 작용한다. 이에 대해 능동전해질(active electrolyte)은 프로톤 및/또는 트리톤으로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 원자력 전지의 동작원리는 다음과 같다.
상기 삼중수화물(120)은 반도체의 전자구조를 가지므로 가전자대의 전자는 트리튬 및/또는 트리톤에서 방출되는 방사선에 의해 여기되어 광전도성을 갖는다. 여기된 전자의 일부는 이미 공급되고 있는 외부의 전기부하(140)를 통해 다공성 금속판(130)으로 흘러, 트리톤 도체(110)와 다공성 금속판(130) 사이의 접촉면에서 능동전해질(프로톤 또는 트리톤)과 결합하여 수동전해질(프로토늄 또는 트리튬)이 된다.
상기 수동전해질은 밀폐통(300) 속에서 확산되고, 이러한 확산은 상기 트리톤 도체(110) 내에서 능동전해질의 농도 구배를 감소시키는 방향으로 나가며, 능동전해질이 다공성 금속판(130)으로 흐르게 한다. 이 때 트리톤 도체(110) 중의 능동전해질의 부족분은 삼중수화물(120)과 트리톤 도체(110) 사이의 접촉면을 넘어 삼중수화물(120)의 능동전해질로부터 공급되므로 전체 시스템은 전기적으로 중성이 된다.
이하 본 발명의 원자력 전지를 구성하는 요소 및 그들의 작용에 대해 상세하게 설명한다.
삼중수화물(120) 중에는 반도체와 같은 전자구조를 가진 것이 있으며, 금지대역 간극(forbidden band gap)의 크기는 금속 및/또는 합금의 종류에 따라 다르다. 본 발명에서의 대역 간극은 0.2eV 이상인 것이 바람직하다. 가장 바람직한 삼중수화물(120)은 자연상태의 리튬(Li) 및/또는 그의 합금이다.
또한 β-선(beta ray)에 의해 야기되는 반도체의 전자 여기현상은 잘 알려져 있으며, 이것은 Si(Li) 검출기로 구성되는 β-선 분광기에도 이용되고 있다.
당연히 상기 여기는 오저여기(Auger excitation) 및 X-선 방출을 동반하기 때문에 매우 복잡하나 본 발명에서는 시간 평균 결과를 택한다.
전자여기의 시간 평균 결과를 전자의 측면에서 살펴보면, 상기 삼중수화물(120)의 전도대역(conduction band)에 순간적으로 존재하여 삼중수화물(120)의 전기 전도성을 유발시킨다.
여기된 전자의 일부는 가전자대역(valence band)의 정공(hole)과 재결합하나 나머지 여기된 전자는 에너지 준위가 상기 삼중수화물(120) 및 다공성 금속판(130)의 페르미 준위(Fermi level)보다 높기 때문에 일부는 미리 공급된 외부 전기부하(140)를 통하여 다공성 금속판(130)으로 흐른다.
또한 이를 능동 전해질 측면에서 살펴보면, 상기 삼중수화물(120) 중의 프로톤과 트리톤은 전자적으로 여기된 후에 결정 구조를 움직이려는 경향이 있다. 여기된 프로톤과 트리톤은 F-센터를 만들기도하고 금속 매트릭스 구조를 융기상태(swollen state)나 기체방출(outgassing) 상태로 변화시키기도 한다(P. C. Souers et al, J. Nuc. Mat. 154, 308-317, 1988 and J. J. Jarmer, LA-UR-92-4340, 1992).
여기된 프로톤과 트리톤은 삼중수화물(120)과 트리톤 도체(110)의 접촉면 에너지 장벽을 극복할 수 있을 정도로 충분한 이동도(mobility)를 가지는데, 본 발명에서는 접촉면 에너지 장벽이 낮은 것이 바람직하다.
트리톤 도체(110)에는 여러 가지 타입이 있는데, 본 발명에서는 기존의 트리톤 도체(예를들면, Cs0.75Li0.25HSO4 등)를 이용할 수 있다.
본 발명에서의 다공성 금속판(130)으로는 수소화금속 또는 다공성 전자전도체가 바람직하다.
본 발명에서는 상기 트리톤 도체(110) 평면 위에 다공성 금속을 증착하기 위하여 화학기상증착(chemical vapor deposition) 또는 이와 유사한 방법을 사용한다.
또한, 수동전해질(200)을 구성하는 프로토늄과 트리튬의 혼합물에서 프로토늄에 대한 트리튬의 원자비는 전지의 출력밀도(power density)에 의해 좌우된다.
예들들어, 고출력밀도는 트리튬의 고비율을 요구한다. 그러나 트리튬의 비율이 높으면 상기 삼중수화물을 이루는 금속 매트릭스 및/또는 트리톤 도체(110)에 손상이 온다.
본 발명에서는 잘 조정된 트리튬의 최대 허용 가능한 비율이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 원자력 전지는 도 2에 도시한 바와 같이 도 1의 구성에 더하여 삼중수화물(120)의 평면 표면 일측(트리톤 도체(110)가 접촉되어 있는 면의 반대면)에 금속판(이하 선택성판이라 한다 : 150)을 증착시켜 전자 수집 효율을 높인다. 본 발명의 선택성판(150)으로는 팔라듐(Pd)이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 원자력 전지의 전자 및 전해액의 흐름을 설명한다.
삼중수화물(120)의 전도대역으로 여기된 전자의 일부는 삼중수화물(120) 및/또는 선택성판(150)을 통해 흘러나와서 외부 전기부하(140)로 흐르고 상기 전기부하(140)는 전기적으로 다공성 금속판(130)에 연결된다.
전해질은 트리톤 농도 구배에 의해 삼중수화물(120)에서 트리톤 도체(110)로 흐른다. 결국 트리톤 도체(110)와 다공성 금속판(130)의 접촉면에서 전자를 만나 결합하여 프로토튬 및/또는 트리튬이 되고 수동전해질(200)로 확산되어 수화 및 삼중화되어 다시 삼중수화물(120)이 된다.
이하, 본 발명의 원자력 전지의 제조방법의 일 실시예를 설명한다.
먼저 트리톤 도체 어셈블리(100)를 다음과 같이 제작하였다.
일반적으로 사용되는 트리톤 도체를 직경 약 25.4mm, 두께 약 50㎛가 되도록 가공한 다음 표면에 이물질이 없도록 하였다(공정 1).
이어서 상기 트리톤 도체에 삼중수화물이 될 금속, 다공성 금속판, 선택성판(선택사항임)을 증착시키기 위하여 표적집체(target park)가 설치된 증착기(예를들면 OXFORD-IASD)를 사용하여 다층 증착이 가능하도록 상기 트리톤 도체를 수납반(substrate)에 수납하고, 상기 표적집체에는 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 리튬(Li)을 장착한 다음 충분한(약 24시간) 진공처리 후 아르곤(Ar) 가스를 사용하여 먼저 삼중수화물이 될 리튬(Li)을 두께 약 0.1mm로 증착하였다. 이 때 리튬(Li)의 산화물과 수산화물이 증착되지 않도록 미리 조치한다(공정 2).
이어서 삼중수화물이 될 리튬(Li)이 적층된 트리톤 도체를 뒤집어서 금(Au)을 두께 약 10㎛로 증착하여 다공성 금속판을 제작하였다(공정 3).
여기서, 상기 다공성 금속판의 제작에 앞서 선택적으로 팔라듐(Pd)을 두께 약 50㎛로 증착하여 선택성판을 제작할 수 있다.
제작된 트리톤 도체 어셈블리(100)를 이용하여 전지를 조립하는 과정을 도 3을 참조하여 설명한다.
밀폐통(300)에 앞서 제작된 트리톤 도체 어셈블리(100)를 수납하고 나사(a)를 조여 고정한다(공정 4). 배기관(b)을 통해 밀폐통(300) 내의 공기를 강제 배출시켜 진공처리하고, 역시 배기관(b)을 통해 수소를 약 0.1 기압 정도 가압한 다음 다시 진공처리하였다(공정 5). 상기 공정 5를 3,4회 반복한 다음 삼중수소 가스를 약 4기압 정도되게 가압한 다음 상기 배기관(b)을 밀봉하였다(공정 6).
제작된 원자력 전지의 특성은 전류와 전압의 함수로 검사할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 삼중수화물, 트리튬 및 트리톤 도체를 이용한 원자력 전지는 방사능원으로서 방사능이 매우 약한 종류인 트리튬 및 트리톤을 사용하므로 매우 안전하며, 전지의 구조가 극히 간단하여 제조공정이 단순하여 값싸게 구현할 수 있다. 따라서 원격제어 및 탐지 분야에 이용되는 장비의 에너지원으로서 특히 유용하다.

Claims (13)

  1. 밀폐통(300)을 채운 수동전해질(200)과; 상기 수동전해질(200)에 침지되어 있는 트리톤 도체 어셈블리(100)로 구성되는 것을 특징으로 하는 원자력 전지.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 트리톤 도체 어셈블리(100)는 능동전해질의 운반체로 사용되는 판상의 트리톤 도체(110)와; 한 전극으로 사용되는 삼중수화물(120)과; 다른 전극으로 사용되는 다공성 금속판(130)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 원자력 전지.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 삼중수화물(120)과 다공성 금속판(130)은 상기 트리톤 도체(110)의 양면에 각각 접촉되는 것을 특징으로 하는 원자력 전지.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 삼중수화물(120)이 자연상태의 리튬(Li) 및/또는 그의 합금인 것을 특징으로 하는 원자력 전지
  5. 제 2항에 있어서, 상기 다공성 금속판(130)이 수소화 금속 또는 다공성 전자전도체인 것을 특징으로 하는 원자력 전지.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 삼중수화물(120)의 평면 표면 일측(트리톤 도체(120)가 접촉되어 있는 면의 반대면)에 접촉되어 전자의 수집 효율을 높이는 선택성판(150)을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원자력 전지.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 선택성판(150)이 팔라듐(Pd)인 것을 특징으로 하는 원자력 전지.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 수동전해질(200)은 프로토늄 및 트리튬의 혼합물로 구성되고, 이에 대해 능동전해질은 프로톤 및/또는 트리톤으로 구성되는 것을 특징으로 하는 원자력 전지.
  9. 제 1항에 있어서, 전해질로부터 방출되는 β- 선에 의해 여기되는 전자에 의해 광전도성이 증가되는 것을 특징으로 하는 원자력 전지.
  10. 트리톤 도체 어셈블리(100)를 제작하는 공정과; 상기 트리톤 도체 어셈블리를 밀폐통(300)에 수납하고 수동전해질(200)을 채워 전지를 조립하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자력 전지의 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 트리톤 도체 어셈블리(100)를 제작하는 공정은 트리톤 도체를 가공한 다음 표면에 이물질이 없도록 하는 제 1공정과; 표적집체가 설치된 증착기를 사용하여 다층 증착이 가능하도록 상기 트리톤 도체를 수납반에 수납하고, 상기 표적집체에는 삼중수화물, 다공성 금속판이 될 금속을 장착한 다음 충분한 진공처리 후 아르곤(Ar) 가스를 사용하여 먼저 삼중수화물이 될 금속을 증착하는 제 2공정과; 상기 금속층이 증착된 트리톤 도체를 뒤집어서 다공성 금속판을 증착하는 제 3공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자력 전지의 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서, 선택성판으로 이용될 금속을 표적집체에 함께 장착하고 다공성 금속판을 증착하는 제 3공정에 앞서 삼중수화물이 될 금속층 위에 선택성판을 증착하는 공정을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자력 전지의 제조방법.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 제작된 트리톤 도체 어셈블리(100)를 밀폐통(300)에 수납하고 수동전해질(200)을 채워 전지를 조립하는 공정은 제작된 트리톤 도체 어셈블리(100)를 수납하고 나사(a)를 조여 고정하는 제 4공정과; 배기관(b)을 통해 밀폐통(300) 내의 공기를 강제 배출시켜 진공처리하고, 역시 배기관(4)을 통해 수소를 가압한 다음 다시 진공처리하는 제 5공정과; 상기 제 5공정을 3회 또는 4회 반복한 다음 삼중수소 가스를 가압한 다음 상기 배기관(b)을 밀봉하는 제 6공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자력 전지의 제조방법.
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