KR100926598B1 - 원자력전지 - Google Patents

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KR100926598B1
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한국전력공사
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Abstract

본 발명은 고체선원을 사용하여 삼중수소의 밀도를 높이고, 반도체소자의 형상을 개선하여 전지의 출력을 높이며, 삼중수소의 누출위험을 방지하는 원자력전지 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 원자력전지는 상부에 접촉면적 증대부가 형성된 반도체기판, 상기 접촉면적 증대부를 따라 상기 접촉면적 증대부에 대응하는 형상으로 형성된 에미터층, 및 상기 에미터층을 따라 상기 에미터층 상에 형성되고 베타선을 방출하는 고체선원층을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 원자력전지의 제조방법은 반도체기판에 홈 또는 홀을 포함하는 접촉면적 증대부를 형성하는 단계, 상기 접촉면적 증대부의 형상에 대응하는 에미터층을 형성하는 단계, 및 상기 에미터층 상에 삼중수소화금속을 포함하는 고체선원층을 형성하는 단계를 포함한다.
원자력전지, 고체선원, 삼중수소, 삼중수소화금속층, 접촉면적증대부

Description

원자력전지{ATOMIC CELL}
본 발명은 삼중수소 고체선원을 에너지원으로 하는 원자력전지에 관한 것으로서, 좀더 구체적으로 말하자면 고체선원을 사용하여 삼중수소의 밀도를 높이고, 반도체소자의 형상을 개선하여 전지의 출력을 높이며, 삼중수소의 누출위험을 억제하는, 원자력전지에 대한 것이다.
저출력 장수명의 원자력전지는 장기간 동안 유지 관리의 필요 없이 안정적으로 장기간 에너지 공급이 가능하므로 우주, 군사용이나 의학용으로의 활용 가능성 때문에 오래 전부터 연구 개발이 진행되고 있다.
이러한 원자력전지는 그 원리가 태양전지와 유사한데 태양전지에서는 햇빛을 에너지원으로 사용하는 반면 원자력전지에서는 베타선을 에너지원으로 사용한다. 이때, 베타선의 에너지가 너무 높으면 반도체를 손상시킬 뿐만 아니라 제동방사에 의한 X선의 방출로 방사선 피폭의 위험이 생기게 된다.
이러한 점을 고려할 때 낮은 베타선 에너지를 가지는 삼중수소가 유리한 베타선원이라 할 수 있다. 다만 삼중수소의 베타선의 에너지가 매우 낮아 충분한 출력을 내기가 어려운 단점이 있다. 현재 외국에서 개발된 후 산업체로 기술 이전한 삼중수소 전지는 기체상의 삼중수소를 사용하고 있는데, 출력을 높이기 위하여 다 공성의 반도체를 제작하여 그 구멍에 삼중수소를 채운 후 밀봉하는 방식을 사용하고 있다.
그런데, 삼중수소 기체를 사용하는 방식은 파손 시 삼중수소의 누출 위험이 있고 삼중수소의 농도가 높지 않아 높은 출력을 내기 어려운 단점이 있다. 이를 개선하기 위하여 비정질 실리콘에 삼중수소를 저장하는 방법도 고려되고 있는데, 베타선의 누출 위험은 줄어들었지만 삼중수소의 저장량에 한계가 있어 이 방법으로도 높은 출력을 내기 어려운 실정이다.
본 발명의 목적은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고체선원을 사용하여 삼중수소의 밀도를 높이고, 반도체소자의 형상을 개선하여 전지의 출력을 높이며, 삼중수소의 누출위험을 억제하는 원자력전지를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명에 따른 원자력전지는, 상부에 접촉면적 증대부가 형성된 반도체기판, 상기 접촉면적 증대부를 따라 상기 접촉면적 증대부에 대응하는 형상으로 형성된 에미터층, 및 상기 에미터층을 따라 상기 에미터층 상에 형성되고 베타선을 방출하는 고체선원층을 포함한다.
이때, 상기 고체선원층은 삼중수소화금속층을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 고체선원층은 분말 또는 박막이 상기 에미터층 상에 코팅되어 형성될 수 있 다.
또한, 상기 삼중수소화금속층은 티타늄 및 지르코늄 중 적어도 어느하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있는데, 더욱 바람직하게는 상기 삼중수소화금속층은 삼중수소화티타늄으로 형성될 수 있고, 이때 상기 삼중수소화금속층의 두께는 0.2 내지 1 ㎛로 형성될 수 있다.
또한, 상기 접촉면적증대부는 상기 반도체 기판 상에 홈 또는 홀이 형성되어 이루어질 수 있으며, 상기 홈은 와플형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 반도체기판은 n형 또는 p형 실리콘웨이퍼로 형성되고, 상기 에미터층은 상기 반도체기판과 p-n접합구조를 이루도록 상기 반도체기판에 p형 또는 n형 도펀트가 도핑되어 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 원자력전지의 제조방법은 반도체기판에 홈 또는 홀을 포함하는 접촉면적 증대부를 형성하는 단계, 상기 접촉면적 증대부의 형상에 대응하는 에미터층을 형성하는 단계, 및 상기 에미터층 상에 삼중수소화금속을 포함하는 고체선원층을형성하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 고체선원층을 형성하는 단계에서는 상기 삼중수소화금속을 분말 또는 박막의 형태로 상기 에미터층 상에 코팅할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 원자력전지는 상기한 방법에 의해 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 원자력전지는 제1 영역 및 상기 제1 영역 주위의 제2 영역이 정의되고, 상기 제1 영역에는 접촉면적 증대부가 형성되는 반도체기판, 상기 접촉면적 증대부를 따라 상기 접촉면적 증대부에 대응하는 형상으로 형성되고 상기 제2 영역까지 일부 연장되어 형성된 에미터층, 상기 에미터층을 따라 상기 에미터층에 대응하는 형상으로 형성된 고체베타선원층, 상기 제2 영역 상에 상기 제2 영역까지 일부 연장되어 형성된 에미터층과 전기적으로 연결되는 제1 전극, 및 상기 제2 영역 상에 형성되어 상기 반도체기판과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함한다.
이때, 상기 제2 전극에 대응하는 상기 반도체기판에는 상기 반도체기판과 동일한 형의 도펀트가 도핑될 수 있으며, 상기 제1 전극과 상기 에미터층 사이 및 상기 제2 전극과 상기 반도체기판 사이에는 절연층이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 원자력전지는 삼중수소가 전지 내에 안정적으로 유지되기 때문에 움직이는 부품이 없고 저에너지 베타선원인 삼중수소 전지의 특성을 잘 살릴 수 있어 유지보수 없이 장기간 사용되어야 하는 경우에 사용할 수 있다. 즉, 인공위성 부품 등 원거리에 설치되어 유지보수가 어려운 경우, 한번 밀봉하면 수명기간 내에 전지를 교체하기 어려운 경우 등에 사용될 수 있다. 특히 인체 내 설치 기기의 전원으로 사용시 장수명으로 인해 잦은 수술이 필요하지 않을 뿐만 아니라 삼중수소의 누출 염려가 없고 인체 내 피폭의 우려도 없다.
또한, 작은 면적과 부피로 상대적으로 큰 에너지를 공급할 수 있기 때문에 전지의 소형화가 가능하고 반도체소자를 사용하기 때문에 전지를 MEMS 등의 소형 기기에 에너지원으로 사용하는 것이 가능하다.
또한, 삼중수소를 안정적으로 장기간 저장할 수 있는 점과 삼중수소를 작은 공간에 농축할 수 있으므로 고출력의 전지 제작이 가능하다. 따라서, 휴대전화나 노트북컴퓨터 등과 같이 실질적 수명이 십년 이하인 제품의 수명기간 동안 전원을 공급할 수 있는 휴대용 전자제품을 생산할 수 있어 충전 등의 번거로움을 없앤 획기적인 신제품을 제작할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 원자력전지 및 그 제조방법에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어 들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련 기술 문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
도 1a은 본 발명에 따른 원자력전지를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 개략적인 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 원자력전지(100)는 접촉면적 증대부(90)가 형성된 반도체기판(10), 접촉면적 증대부(90)를 따라 접촉면적 증대부(90)에 대응하는 형상으로 형성된 에미터층(20), 및 에미터층(20)을 따라 형성되고 베타선을 방출하는 고체선원층(30)을 포함하여 형성된다.
또한, 도면에 도시한 바와 같이 원자력전지(100)는 에미터층(20)과 전기적으 로 연결되는 제1 전극(40) 및 반도체기판(10)과 전기적으로 연결되는 제2 전극(50)을 더욱 포함할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 전극(40, 50)의 절연을 위해 SiO2 등을 포함하는 절연층(60)을 형성할 수 있으며, 제2 전극(50)의 전극연결부(55)는 전기적 성능의 향상을 위해 반도체기판(10)과 동일한 형의 도펀트를 추가로 도핑할 수 있다. 또한, 고체선원층(30) 상에는 코팅으로 고체선원층을 보호하는 평탄화층(70)을 더욱 형성하여 원자력전지(100)의 외형을 보호 및 평탄화할 수 있다.
반도체기판(10)은 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있는데, 전지의 부피를 최소화하기 위해서 박막형 소자를 사용할 수도 있다. 반도체기판(10)은 접촉면적 증대부(90)가 형성되는 제1 영역(A1) 및 제1 영역(A1) 주위의 제2 영역(A2)으로 정의될 수 있다. 제1 영역(A1) 상에는 에미터층(20)이 접촉면적 증대부(90)에 대응하는 형상으로 형성되고. 또한, 제2 영역 상에는 에미터층이 제1 전극(40)과의 전기적 연결을 위해 제2 영역(A2)에 일부 연장되어 형성된다. 이와 같이 반도체기판(10)에 접촉면적 증대부(90)를 형성하는 단계 이후에 에미터층(20)을 형성하므로 에미터층(20)을 형성하는 단계에서는 에미터층(20)의 형상이 접촉면적 증대부(90)의 형상에 대응하는 형상으로 형성된다.
반도체기판(10) 및 에미터층(20)은 고체선원층(30)의 삼중수소로부터 발생되는 베타선의 에너지를 전기로 바꿔주는 반도체소자(25)를 구성한다. 이러한 반도체소자(25)는 n-type 층과 p-type 층으로 구성되는 다이오드 형태이다. 이때, 반도체기판(10)과 에미터층(20)은 P-N 접합구조를 이루면 족하므로 반도체기판(10)이 n-type이면 에미터층(20)은 p-type으로 형성되고, 반도체기판(10)이 n-type이면 에 미터층(20)은 p-type으로 형성된다.
접촉면적 증대부(90)는 고체선원층(30)의 삼중수소 저장량을 증가시키고, 고체선원층(30)이 방출하는 베타선의 활용율을 증대시키기 위해서 형성된다.
우선, 삼중수소의 저장량 증가과 관련하여, 고체선원층(30)의 두께가 두꺼울수록 자체 흡수되는 베타선의 양이 증가하여 삼중수소의 활용율이 떨어지게 되므로 고체선원층의 두께는 얇은 것이 바람직한데, 두께가 얇으면 저장되는 삼중수소의 양이 줄어들고 또한 베타선은 에너지가 비교적 낮으므로 효율을 최대화 하기 위해 반도체소자의 표면적을 최대화할 필요가 있다.
즉, 본 발명에 따른 원자력전지(100)는 효율을 최대화하기 위해 반도체기판(10)의 표면에 굴곡을 준다. 이 경우 겉보기 표면적에 비해 실표면적이 증가하여 고체선원층(30)이 반도체소자(25) 상에 형성되는 부피가 커진다. 따라서, 고체선원층(30)의 겉보기 표면적 당 삼중수소의 저장량이 증대된다. 더욱 상세하게 설명하면, 홈(80)이나 홀(미도시)이 제1 영역(A1)에 형성된다. 이때, 홈(80)은 도 1a 및 도1b와 같이 와플(waffle) 형태로 형성될 수 있으나 여기에 한정되지는 않으며, 표면적이 증대되도록 여러가지로 변형실시될 수 있다. 한편, 반도체기판(10) 상에 홀(미도시)을 형성하는 경우에는 홀의 직경은 되도록 작게 형성하고, 홀간의 간격은 좁히며, 홀의 종횡비(aspect ratio)는 크도록 형성하여 접촉면적증대부(90)의 표면적을 더욱 넓힌다.
다음으로, 이와 같이 반도체소자(25)에 접촉면적증대부(90)를 형성하므로 고체선원층(30)으로부터 발산되는 베타선의 활용율이 증대된다. 다시 말해, 평면형 의 반도체소자 표면에 고체선원층을 설치하면 반도체소자와 접하지 않는 표면 방향으로 방출되는 베타선은 원자력전지에 도달하지 않아 유실된다. 하지만 고체선원층(30)을 반도체소자(25)에 형성된 홀(미도시)이나 홈(80)의 안쪽에 설치하게 되면 방출되는 베타선의 모든 방향에 반도체소자(25)가 위치하게 되어 베타선의 활용율이 증가한다.
한편, 에미터층(20)을 형성하는 단계 이후에는 에미터층(20) 상에 고체선원층(30)을 형성한다. 고체선원층(30)은 전술한 바와 같이 삼중수소화금속층을 포함하여 형성된다. 일반적인 삼중수소 전지는 베타선의 에너지가 낮고, 베타선이 분산되며, 기체 삼중수소를 취급하는 것이 용이하지 않다. 따라서, 본 발명에 따른 원자력전지(100)는 이러한 단점을 극복하고 삼중수소 전지의 효율을 최대화하기 위해 전술한 접촉면적 증대부 뿐만 아니라 가능한 많은 삼중수소를 담을 수 있도록 삼중수소의 충전밀도를 높인 삼중수소화금속층을 에너지원으로 사용한다.
따라서, 삼중수소를 기체 상태로 반도체 표면에 밀봉하여 사용하는 경우에 표면의 밀봉이 깨져 삼중수소가 탈출하여 환경오염이 야기되는 것 뿐만 아니라 에너지원이 사라짐으로서 전지의 기능을 상실하게 되는 반면, 삼중수소화금속층으로 형성한 고체선원층(30)을 사용하면 상온에서의 삼중수소 방출 저지력을 현저하게 증대시켜 상기한 문제가 해결된다. 즉, 고체선원을 사용함에 따라 삼중수소의 탈출을 방지하기 위한 별도의 밀봉이 필요없고, 고체선원이 공기중에 노출되더라도 삼중수소의 방출은 무시할 정도의 소량이며, 전지로서의 기능을 상실하지 않고 반도체소자(25)에 지속적으로 베타선을 공급할 수 있다.
또한, 고체선원으로서의 삼중수소화금속은 삼중수소의 저장용량이 크고, 베타선의 흡수가 작으며 상온에서 삼중수소의 방출 저지력이 크다. 또한, 삼중수소화금속은 삼중수소화물의 형태에서 화학적으로 비교적 안정하다.
표 1은 수소저장용 금속의 특성을 나타낸 표이다.
금속 저장용량 (wt%) 실온 평형압력 (atm) 분해온도 (℃) 활성화온도 (℃) 활성화압력 (atm)
MgT2 19.80 1 × 10-6 279 287 325 10
PdT0 .77 2.12 8.2 × 10-3 85 147 불필요 -
TiT1 .97 10.99 4 × 10-20 643 400 ～ 600 1
ZrT2 6.17 6.4 × 10-28 881 400~600 1
CaT2 13.02 <　1 × 10-25 1050 >300 1
UT3 3.64 1.4 × 10-13 432 250 1
표 1에서 이러한 특성을 가지는 금속으로서는 티타늄, 지르코늄 등을 포함하는 금속이 바람직함을 알 수 있는데, 티타늄을 포함하는 금속이 저장용량 상 더욱 바람직한 것을 알 수 있다. 칼슘의 경우 저장용량과 평형압력은 좋으나 화학반응성이 너무 큰 단점이 있다.
표 2는 저장금속을 이용한 경우의 삼중수소의 저장량 증가를 나타내는 표이다.
Film Thickness Tritium Density Electron Flux Fractional Electron Output Electronic Energy Flux Fractional Power Output
(nm) (mCi/cm2) (nA/cm2) 　 (μW/cm2) 　
1 0.54 0.003 0.50 0.02 0.50
100 54.5 0.12 0.36 0.74 0.39
200 109 0.17 0.27 1.15 0.30
500 272 0.23 0.14 1.57 0.16
1000 545 0.24 0.07 1.65 0.09
1250 681 0.24 0.06 1.65 0.07
본 발명은 삼중수소를 금속 내에 저장함으로써 기체 상태의 삼중수소보다 저장 밀도를 높여 베타선의 밀도가 높아지도록 한다. 이로써 전지의 출력이 증가하게 된다. 기체와 금속수소화물일 때의 베타선의 효율을 비교해보겠다. TiT2의 단위 부피당 몰 수는 0.0742 mole/cm3 (TiT2의 밀도 4 g/cm3[5], 분자량 53.867 g/mole)이고, 표준상태에서의 T2의 단위부피당 몰 수는 4.464 x 10-5 mole/cm3(1 mole의 부피 22.4 liter)이다. 이로부터 삼중수소의 농축도는 1663배인 것을 알 수 있다. 그렇지만 TiT2에 의한 베타선의 자체 흡수가 있으므로 실제 나오는 베타선 에너지는 이보다 작게 된다.
표 2는 TiT2에서 나오는 베타선에 관한 정보를 예측프로그램으로 계산한 자료들이다. 표 2에서 TiT2 두께 500 nm일 때 에너지 출력, 즉 베타선 에너지 방출 분율이 0.16이므로 기체일 때에 비하여 베타선의 방출 에너지는 기체 상태일 때의 266배가 된다.(표준상태 삼중수소 기체의 베타선 에너지 밀도: 118 μW/cm3, 500 nm TiT2의 베타선 에너지 밀도: 31.4mW/cm3) 즉, 자체 흡수되는 베타선이 많아 효율은 떨어지지만 베타선의 밀도 면에서는 삼중수소를 무려 266배 농축한 효과를 볼 수 있다.
한편, 삼중수소화 금속의 형태는 분말 또는 박막의 형태를 가지도록 제작하며 표면에 코팅을 하여 삼중수소화금속이 반도체소자(25)의 표면에 고정이 되도록 하고 또한 미량의 삼중수소라도 기체로 방출되는 것을 방지하도록 한다. 이는 긁힘 방지 등의 표면 보호의 목적도 있다. 분말을 사용할 경우 금속분말에 삼중수소를 흡장시킨 후 반도체소자(25)와 결합시키며 박막의 경우 금속박막을 반도체소자(25)에 코팅한 후 삼중수소를 흡장시킨다. 이때, 베타선의 자체 흡수를 줄이기 위해서는 접착제의 사용 없이 설치되는 것이 바람직하다.
고체선원층(30)을 반도체소자(25)에 고정시키기 위해서는 고체선원층(30) 형성 후 고체선원층(30) 상부 표면 또는 반도체소자(25)를 포함하여 전체의 표면을 코팅할 수 있다. 이러한 코팅은 기밀성이 높을 필요는 없으나 삼중수소화금속의 산화를 방지하기 위해서는 기밀을 유지하는 것이 바람직하다. 또한 긁힘 등에 의해 고체 선원이 손상되는 것을 방지할 수 있도록 물리적인 강도가 있어야 하며 베타선에 의해 손상되지 않는 물질을 사용해야 한다. 삼중수소화금속의 단점은 베타선의 자체흡수가 크다는 점이다. 이를 최소화하기 위해서는 분말이든 박막이든 삼중수소화금속의 층의 두께가 얇아야 한다. 그러나 너무 얇으면 들어가는 삼중수소의 절대량이 부족해지므로 너무 얇아도 안 된다. 티타늄의 경우에는삼중수소에서 발생하는 최대에너지 18.6 keV를 가지는 베타선의 침투 깊이가 1.4 ㎛ 이므로 두께가 그 이하라야 한다. 삼중수소화금속의 층의 두께가 1 ㎛ 이상에서는 삼중수소의 양과 상관없이 단위 면적당 나오는 베타선의 양(flux)은 거의 변화가 없다.
따라서, 삼중수소화금속층을 티타늄으로 형성한 경우에 그 두께는 0.2 내지 1 ㎛로 형성되는 것이 바람직하다. 티타늄의 두께를 1㎛ 이상으로 하였을 경우 삼중수소의 효율(fractionalpower output)이 너무 낮고, 티타늄의 두께가 0.2 보다 얇으면 삼중수소의 절대량이 부족하게 되기 때문이다.
이하 본 발명의 원리에 대하여 상세하게 설명한다. 도 2a 및 도 2b는 삼중수소 전지의 원리를 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 상기한 구성에 의해 삼중수소에서 나온 베타선이 반도체소자 내부로 흡수되면 반도체를 구성하고 있는 원자 내 전자들과 반응을 하여 에너지를 잃을 때까지 전자를 여기시키거나 원자로부터 완전히 이탈하여 2차 전자와 정공을 만든다.
생성된 2차 전자가 충분한 에너지를 가지고 있게 되면 추가적으로 전자-정공 쌍을 만들게 된다. 이와 같이 하나의 베타선에 의해 다수의 전자-정공 쌍이 생성된다. 생성된 전자-정공 쌍은 p-n 접합에서 발생한 전기장에 의해 전자는 n형 반도체로 이동하고, 정공은 p형 반도체로 이동해서 각각의 표면에 있는 전극에 수집된다. 각각의 전극에서 수집된 전하(charge)는 외부 회로에 부하가 연결된 경우, 부하에 흐르는 전류로서 부하를 동작시키는 에너지의 원천이 된다.
이상과 같이 본 발명은 고체선원층을 사용하므로 삼중수소의 밀도를 높여 전지의 출력을 높이고, 기체보다 안정한 고체를 사용함으로써 삼중수소의 누출위험을 거의 없앴으며, 삼중수소의 베타선에 적합하도록 반도체소자의 형상을 개선하여 전지의 효율을 더욱 증대시킨다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 원자력전지에 대하여 설명한다. 그러나, 본 발명은 본 실시예에 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 용이하게 변경실시할 수 있음은 당연하다.
[실시예]
삼중수소화 티타늄을 고체선원으로 사용하는 삼중수소 마이크로 전지 중 1 μW의 출력을 내는 원자력전지를 다음과 같이 설계하였다.
티타늄의 두께를 1000 nm(1㎛) 이상으로 하였을 경우 삼중수소의 효율(fractional power output)이 너무 낮고 두께가 너무 얇으면 삼중수소의 절대량이 부족하게 되므로 티타늄의 두께를 500 nm로 선택하였다. 티타늄의 두께가 500 nm 일 때, 단위 면적당 삼중수소의 밀도는 272 mCi/cm2 이고, 에너지 플럭스(flux)는 1.57 μW/cm2 이다. 따라서 1 μW의 베타선 에너지를 내기 위해서는 최소한 173.25 mCi의 삼중수소가 필요하다. 이 때 필요 표면적은 약 0.637 cm2이다. 표면적을 늘리기 위해 가로 x 세로 x 깊이가 5 x 5 x 20 ㎛인 구멍을 2 ㎛ 간격으로 판다고 하면, 겉보기 표면적 약 0.07 cm2 (0.264 cm x 0.264 cm)이면 충분하게 된다. 그렇지만 반도체의 전기발생 효율을 고려하게 되면 더 많은 삼중수소가 필요하게 된다. 참고로 삼중수소 전지에 사용되는 반도체의 효율이 6%라면 (태양전지의 경우 효율이 최저 6% 정도임) 최대 2.8875 Ci의 삼중수소가 필요하게 되고 겉보기 표면적 약 1.15 cm2(약 1.1 cm x 1.1 cm)이 필요하게 된다.
도 3은 고체선원을 사용한 삼중수소 전지의 시작품의 사진으로 도 1a 및 도 1b에 나타낸 반도체 설계에 따라 제작하였다. p-type 웨이퍼를 기반으로 하여 n-type 도펀트를 도핑하여 반도체 다이오드 셀을 제작하였다. 그 위에 TiT2를 500 nm 두께로 적층하여 베타선을 반도체로 방출하도록 하였다. 전술한 바와 같이, 필요한 표면적이 넓으므로 반도체의 크기를 줄이기 위하여 표면에 굴곡을 주어 겉보기 표면적 당 실제 표면적이 늘어나도록 하였다. 표면적의 증가를 위하여 반도체 표면을 다공성으로 제작할 수도 있으며 구멍의 직경이 작을수록 표면적이 증가하게 된다. TiT2 층의 추가를 제외하고는 반도체의 제작공정은 일반 반도체 제작공정과 다름이 없다. 다만 각 층의 도펀트 농도와 각층의 두께는 삼중수소의 베타선을 위하여 최적화되었다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 원자력전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1a은 본 발명에 따른 원자력전지를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 개략적인 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 삼중수소 전지의 원리를 도시한 도면이다.
도 3은 고체선원을 사용한 삼중수소 전지의 시작품의 사진이다.

Claims (15)

  1. 제1 영역 및 상기 제1 영역 주위의 제2 영역이 정의되고, 상기 제1 영역에는 접촉면적 증대부가 형성되는 반도체기판,
    상기 접촉면적 증대부를 따라 상기 접촉면적 증대부에 대응하는 형상으로 형성되고, 상기 제2 영역까지 일부 연장되어 형성된 에미터층,
    상기 에미터층을 따라 상기 에미터층에 대응하는 형상으로 형성된 고체선원층,
    상기 제2 영역 상에 상기 제2 영역까지 일부 연장되어 형성된 에미터층과 전기적으로 연결되는 제1 전극, 및
    상기 제2 영역 상에 형성되어 상기 반도체기판과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고체선원층은 삼중수소화금속층을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 원자력전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고체선원층은 분말 또는 박막이 상기 에미터층 상에 코팅되어 형성된 것을 특징으로 하는 원자력전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 삼중수소화금속층은 티타늄 및 지르코늄 중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 원자력전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 삼중수소화금속층은 삼중수소화티타늄으로 형성된 것을 특징으로 하는 원자력전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 삼중수소화티타늄의 두께는 0.2 내지 1 ㎛로 형성된 것을 특징으로 하는 원자력전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 접촉면적증대부는 상기 반도체 기판 상에 홈 또는 홀이 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 원자력전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 홈은 와플형태로 형성된 것을 특징으로 하는 원자력전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반도체기판은 n형 또는 p형 실리콘웨이퍼로 형성되고, 상기 에미터층은 상기 반도체기판과 p-n접합구조를 이루도록 상기 반도체기판에 p형 또는 n형 도펀트가 도핑되어 형성된 것을 특징으로 하는 원자력전지.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극에 대응하는 상기 반도체기판에는 상기 반도체기판과 동일한 형의 도펀트가 도핑된 것을 특징으로 하는 원자력전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 에미터층 사이 및 상기 제2 전극과 상기 반도체기판 사이에는 절연층이 형성된 것을 특징으로 하는 원자력전지.
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