KR101514792B1 - 수소 용해 금속을 이용한 발열원, 이를 구비한 소형 전력 발생 장치 및 발열원의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 소형으로 제작이 가능한 고효율의 발열원을 제공하는 것이다. 또한, 이러한 소형으로 제작이 가능한 고효율의 발열원을 이용하여 고효율의 전기 에너지 발생이 가능한 소형 전력 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명에서는 소형으로 제작이 가능한 고효율의 발열원을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 본 발명에서는, 제1전극; 상기 제1전극에 대향하여 배치되고 상기 제1전극 측의 표면에 수소 원자가 포화 농도 이상으로 용해된 팔라듐 박막이 형성된 제2전극; 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 배치된 유전체 물질막; 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 펄스를 인가하는 펄스 발생부를 포함하는 발열원, 그 제조방법 및 이 발열원을 포함하는 소형 전력 발생 장치를 제공한다.

Description

수소 용해 금속을 이용한 발열원, 이를 구비한 소형 전력 발생 장치 및 발열원의 제조 방법{Heating source using hydrogen dissolved metal, small device of generating electric power having the heating source, and method of fabrication the heating source}
본 발명은 수소 용해 금속 표면층에서 수소 원자를 매우 높은 화학 포텐셜 상태로 유도하고 이 결과로 일어나는 발열반응을 이용하는 발열원과, 이 발열원을 구비하여 소형으로 제작 가능한 전력 발생 장치와, 이 발열원의 제조방법에 관한 것이다.
스마트 폰과 같은 소형 컴퓨터의 원활한 이용을 위해서는 충전 없이 장시간 이용할 수 있는 전원의 개발이 시급하다. 현재 이러한 전원은 2차 전지 특히 리튬 배터리와 같이 그 내부에 저장된 활성물질의 전기화학반응에 의존하고 있다. 그러나 배터리의 용량은 그 활성물질의 부피나 무게에 비례하므로 제한된 부피라는 조건 하에서 그 수명을 늘리는 데는 한계가 있다.
상기 문제 해결의 한 수단으로서 열전(熱電)현상(thermoelectric effect)에 근거한 전원을 생각할 수 있다. 비록 효율은 낮지만 열에너지는 제벡 효과(Seebeck effect)에 의하여 전기에너지로 변환되는 것은 잘 알려진 현상이다. 열에너지를 얻기 위해서 배터리와 마찬가지로 내부 저장물질의 화학반응을 이용하는 경우에는 그 에너지 밀도는 배터리에 비하여 훨씬 낮다. 따라서 제벡 효과의 실용성은 화학에너지에 의존하지 않는 저가의 발열원(發熱源) 확보에 달려있으며 일반적인 화학반응이 아닌 다른 형태의 발열반응을 찾아야 한다.
고체물질 내부에서 일어나는 비(非)화학 발열반응은 1989년 미국 유타대학교와 영국 Southampton 대학교의 두 전기화학자에 의하여 처음으로 보고 되었다. 이들은 전기화학적 방법으로 중수소 원자를 팔라듐 전극 표면 속으로 충전시켰을 때 간혹 아주 높은 열이 발생되는 것을 관찰하였다. 그러나 이 후 수많은 학자들에 의하여 그 결과를 재현시키려는 실험이 시도되었지만 그러한 현상은 산발적으로 일어날 뿐 과학적인 재현을 보장하는 확실한 실험조건을 찾는데 실패하였다. 그러나 응축물질(condensed matter)내부에서 일어나는 이상(異常)현상에 관한 그 동안 수많은 과학자들의 연구 결과는 그 현상의 원리를 규명하는 데는 성공하지 못하였으나 응축물질내부에서도 융합이나 원소변형(transmutation) 등의 핵반응이 미약한 크기로 일어남을 증명하였다. 그리고 이와 관련된 수많은 흥미로운 연구결과의 보고는 응축물질 핵과학(condensed matter nuclear science)이라는 새로운 학문을 잉태시키는 근거를 마련하였다.
이러한 기존의 연구를 바탕으로 본 발명에서는 소형으로 제작이 가능한 저가의 발열원과 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고, 이를 이용하여 고효율의 전기 에너지 발생이 가능한 소형 전력 발생 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
1. Uhm H. S. and Lee W., "Concentration of isotopic hydrogen by temperature gradient effect in soluble metal," US Patent 5,942,206 (1999). 2. Uhm H. S. and Lee W., "Steady-state, high dose neutron generation and concentration apparatus and method for deuterium atoms," US Patent 5,949,835 (1999). 3. 이웅무, 김종훈, "고표면적을 갖는 니켈전극 및 이의 제조방법{Nickel electrodes having increased surface area and preparing method thereof}," 대한민국 특허출원번호 2012-0079228(2012년 7월 20일 출원)
1. Storms E., 10th International Conference on Cold Fusion, 2003, Cambridge, MA. 2. Cravens D. J. and Letts D. G., 10th International Conference on Cold Fusion, 2003, Cambridge, MA. 3. Srinivasan M., J. Condensed Matter Nucl. Sci. 4(2011) pp. 161-172
본 발명의 목적은 소형으로 제작이 가능한 고효율의 발열원을 제공하는 것이다. 또한, 이러한 소형으로 제작이 가능한 고효율의 발열원을 이용하여 고효율의 전기 에너지 발생이 가능한 소형 전력 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명에서는 소형으로 제작이 가능한 고효율의 발열원을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 제1전극; 상기 제1전극에 대향하여 배치되고 상기 제1전극 측의 표면에 수소 원자가 포화 농도 이상으로 용해된 팔라듐 박막이 형성된 제2전극; 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 배치된 유전체 물질막; 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 펄스를 인가하는 펄스 발생부를 포함하는 발열원을 제공한다.
여기서, 상기 유전체 물질막은 두께가 1mm 이하이고, 테플론(Teflon), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene)을 포함하는 고분자 소재의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 고분자 소재로 만들어지거나, 또는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si)을 포함하는 소재의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 소재로 형성된 박막을 산화 또는 질화시켜 만들어질 수 있으며 절연체로서의 기능만 있으면 상기한 물질 이외라도 유전체 박막으로의 사용에 제한을 받지 않는다. 절연체의 유전상수 값이 5mega V/m 보다도 높은 값을 갖는다면 본 발명의 유전체 박막으로 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 발열원 및 열전변환모듈을 포함하는 전력 발생 장치로서, 상기 발열원은, 제1전극; 상기 제1전극에 대향하여 배치되고 상기 제1전극 측의 표면에 수소 원자가 포화 농도 이상으로 용해된 팔라듐 박막이 형성된 제2전극; 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 배치된 유전체 물질막; 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 펄스를 인가하는 펄스 발생부를 포함하고, 상기 열전변환모듈은, 상기 발열원에서 발생한 열을 전달받아 제벡 효과에 의해 기전력을 발생시키는 전력 발생 장치를 제공한다.
여기서, 상기 열전변환모듈에서 발생된 전력의 전류와 전압을 포함한 특성을 조정하여 공급하는 전력조정부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 열전변환모듈에서 발생된 전력에 의해 충전되는 2차 전지 모듈을 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 유전체 물질막은 두께가 1mm 이하이고, 테플론(Teflon), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene)을 포함하는 고분자 소재의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 고분자 소재로 만들어지거나, 또는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si)을 포함하는 소재의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 소재로 형성된 박막을 산화 또는 질화시켜 만들어질 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 두 개의 전극 사이에 유전체 물질막이 형성된 발열원을 제조하는 방법으로서, 상기 두 개의 전극 중 제1전극 표면에 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si)을 포함하는 소재의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 소재로 형성된 박막을 형성하고, 상기 박막을 산화 또는 질화시켜 유전체 물질막을 형성하는 유전체 물질막 형성 단계; 상기 두 개의 전극 중 제2전극 상에 팔라듐 박막을 형성하는 팔라듐 박막 형성 단계; 상기 팔라듐 박막에 수소 원자를 포화 농도 이상으로 용해시키는 수소 용해 단계; 및 상기 유전체 물질막과 상기 팔라듐 박막이 서로 접하도록 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 대향하도록 배치하는 단계를 포함하는 발열원의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 수소 용해 단계는 상기 팔라듐 박막에 수소 원자를 이온주입 방법에 의해 포화 농도 이상으로 용해시키는 것일 수 있다.
여기서 상기 수소 용해 단계는, 팔라듐 박막이 형성된 제2전극을 수소 가스가 플라즈마 상태로 존재하는 용기 내에 배치한 후, 상기 제2전극에 음전압을 인가하여 수소 원자 양이온이나 수소 분자 양이온을 팔라듐 표면층으로 가속시켜 주입하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 두 개의 전극 사이에 유전체 물질막이 형성된 발열원을 제조하는 방법으로서, 상기 두 개의 전극 중 제1전극 표면에 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si)을 포함하는 소재의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 소재로 형성된 박막을 형성하고, 상기 박막을 산화 또는 질화시켜 유전체 물질막을 형성하는 유전체 물질막 형성 단계; 상기 유전체 물질막 상에 팔라듐 박막을 형성하는 팔라듐 박막 형성 단계; 상기 팔라듐 박막 표면에 수소 원자 양이온이나 수소 분자 양이온을 가속에 의하여 주입시켜 수소 원자가 팔라듐 박막과 유전체 물질막의 계면까지 용해되도록 하면서 팔라듐 박막에 수소 원자를 포화 농도 이상으로 용해시키는 수소 용해 단계; 및 상기 팔라듐 박막 상에 제2전극을 배치하는 단계를 포함하는 발열원의 제조방법을 제공한다.
여기서, 수소 원자 양이온이나 수소 분자 양이온을 팔라듐 표면층으로 가속에 의하여 주입시키는 경우, 양이온의 통로에 자장을 인가하여 질량분석의 원리에 의하여 수소 원자 이온을 수소 분자 이온으로부터 분리하여 수소 원자 이온만을 팔라듐 표면층으로 가속하여 주입시킬 수 있다.
여기서, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은 니켈과 구리를 포함하는 금속 소재의 그룹에서 선택된 하나의 금속 소재 또는 이들의 합금으로 만들어질 수 있다.
여기서, 상기 유전체 물질막 형성 단계는 상기 제1전극을 진공 용기 내에 배치하고 스퍼터링(sputtering)에 의하여 상기 제1전극 표면에 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si)을 포함하는 소재의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 소재로 형성된 박막을 형성하고, 스퍼터링으로 형성된 박막을 플라즈마 로에서 산화 또는 질화시켜 유전체 물질막을 형성하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 소형전원은 비(非)화학반응에 의하여 발생시킨 열을 열전(熱電)변환 방식에 의하여 전기로 변형하므로 외부로부터 에너지 공급 없이도 긴 수명이 보장된다. 다만 이 반응에서 소모되는 물질은 표면층에 용해된 중수소 혹은 수소 원자들이다. 비화학 발열반응을 일으키는 캐패시터(capacitor)장치와 그 열을 전기로 변환시키는 열전변환장치(thermoelectric convertor)를 통합시킨 발전(發電)기로부터 얻어진 전력은 조정장치(power conditioner)를 통과하면서 전류??전압의 파형이 변형된 후 배터리와 같은 전원을 충전시킨다. 이 배터리는 외부전자기기의 전원으로 또한 발전(發電)기를 작동시키는 펄스의 전원으로 사용되므로 외부의 에너지 도움 없이 자체적으로 작동이 가능하며 스마트 폰과 같은 소형전자기기의 전원으로 사용하기에 최적이다. 현재 스마트 폰의 전원으로 사용되는 배터리와 크기와 가격에 있어서 비슷하게 제조한다면 수명이 반영구적이라는 큰 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 소형 전력 발생 장치의 핵심을 이루는 캐패시터(capacitor)형 발열원의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 소형 전력 발생 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 소형 전력 발생 장치의 핵심을 이루는 캐패시터(capacitor)형 발열원의 제조 공정을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 캐패시터(capacitor)형 발열원의 음전극에 코팅된 팔라듐 박막 표면에 수소를 용해시키는 공정의 일례를 보여주는 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명에 따른 발열원의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 캐패시터형 발열원(100)은 제1전극(10), 제2전극(20) 및 유전체 물질막(50)을 포함한다.
상기 제1전극(10) 및 상기 제2전극(20)은 도전체라면 어떤 것이어도 가능한데, 바람직하게는 전기전도성이 우수한 니켈과 구리를 포함하는 금속 소재의 그룹에서 선택된 하나의 금속 소재 또는 이들의 합금으로 만들어질 수 있다.
상기 제2전극(20)은 상기 제1전극(10)에 대향하여 배치되는 것으로, 상기 제1전극(10)측 표면에는 수소 원자가 포화 농도 이상으로 용해된 팔라듐 박막(30)이 형성되어 있다. 본 발명에서 "수소 원자"라고 지칭할 때에는 특별히 별도로 나누어 설명하지 않는 한, 수소 원자, 중수소 원자 또는 삼중수소 원자 중 어느 한 가지이거나 또는 이들의 단순 혼합을 포함하는 의미로 사용한다. 상기 팔라듐 박막(30)의 두께는 다양하게 변화가 가능하지만, 본 발명에서 제안하는 발열원(100)의 제조 방법 중 가장 간편한 공정에서는 100μm 이하의 박막인 것이 바람직하다.
상기 제2전극(20)은 전기전도성을 가진 소재라면 어떤 소재로라도 만들어질 수 있는 것이므로 상기 팔라듐 박막(30) 자체가 제2전극(20)으로 사용되는 것도 가능하다.
상기 유전체 물질막(50)은 상기 제1전극(10) 및 제2전극(20) 사이에 배치되는 것으로 금속이나 실리콘의 산화물 또는 질화물로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 티탄산바륨(BaTiO3)은 진공에 대한 상대유전율이 1,000 이상 30,000 정도인 것으로 알려져 있고 통상적인 커패시터의 유전체 소재로 널리 사용되는데, 이러한 물질로 만들어질 수도 있다. 또는, 상기 유전체 물질막은 테플론(Teflon), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene)을 포함하는 고분자 소재의 그룹 중에서 선택된 하나 또는 이들이 조합된 고분자 소재로 만들어질 수 있다. 고분자 소재로 만들어지는 경우의 상기 유전체 물질막(50)의 두께는 1mm 이하인 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 유전체 물질막의 소재로는 알려진 모든 유전체 물질이 사용될 수 있지만, 특히 상기 유전체 물질막(50)은 5mega F/m 이상의 유전율을 가지는 절연성 유전체 물질로 만들어지는 것이 펄스가 가해질 때의 전하의 충전량을 크게 할 수 있어 바람직하다.
이상과 같은 구성을 가지는 캐패시터형 발열원(100)은 다음과 같은 방식으로 열을 발생시킬 수 있다.
상기 제1전극(10)과 상기 제2전극(20)사이에 펄스 전압을 인가할 수 있는 펄스 발생부(350)를 각각 상기 제1전극(10)과 상기 제2전극(20)에 연결한 다음, 상기 제1전극(10)과 상기 제2전극(20) 사이에 펄스를 인가한다.
팔라듐 박막(30) 내부에 용해된 중수소 원자(D) 혹은 수소 원자(H)의 농도가 해당 온도에서의 열역학적 포화 값을 훨씬 상회하는 값을 갖는 상태이고, 상기 제1전극(10)과 상기 제2전극(20) 사이에 주기(두 이웃하는 펄스간의 시간 간격)는 1 μsec 내지 1 sec, 그리고 펄스의 폭(하나의 펄스의 duration)은 1 sec 보다 짧고, 전압은 0.1 V 내지 10 kV의 직류펄스가 인가된다. 이 때 수소 원자가 용해된 팔라듐 박막(30) 표면층에는 음전하가 순간적으로 축전되고 이 전하로 인하여 용해된 수소 원자들은 극한적인 화학 포텐셜 값을 갖게 되며 이 때 非화학적 발열반응이 유도된다.
고체 내부에 용해된 중수소 원자의 화학 포텐셜 값을 극한치로 올렸을 때의 비화학적 발열 현상은 다음과 같은 특성을 가진다. 즉, 이러한 발열 현상은 팔라듐의 내부에서 일어나기보다는 표면 현상으로, 나노 구조와 같이 상당히 좁은 영역에서 일어나는 국부적인 현상이라는 점, 그리고 물질 내부에 용해된 수소 원자의 절대농도가 해당 온도에서의 열역학적 평형 값보다 클 때 발열 반응의 유도가 원활하다는 점, 그리고 수소 원자를 포함하는 팔라듐의 상변화(phase change) 등의 원인으로 인하여 농도 값이 빠른 속도로 변화하는 비(非)평형상태가 발열에 유리하다는 점 등이다.
이상에서 설명한 캐패시터형 발열원(100)은 대단히 작게 제작이 가능하면서도 큰 열에너지를 지속적으로 발생시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 이상에서 설명한 발명원에 인가되는 전압과 전극 표면층에 축적되는 전하는 다음의 수학식 1과 같은 관계에 있다.
[수학식 1]
Figure 112013121221692-pat00001
이 식에서 C는 커패시턴스, q는 표면층의 전하, V는 캐패시터에 인가된 전압, ε, d, A 는 각각 전극 사이 유전체물질의 유전상수, 두께, 면적을 나타낸다.
위의 식으로부터 커패시턴스 C 값은 유전체물질의 두께가 얇아질수록 증가하고, 커패시턴스 값이 고정된다면 표면층의 전하는 인가된 전압에 비례한다. 따라서 표면층에 용해된 중수소원자의 화학 포텐셜 값을 극한치로 올려서 비화학적 발열반응을 적극적으로 유도하기 위해서는 유전체 물질의 두께를 가능한 최소 값으로 줄이고 인가되는 전기 펄스의 폭은 가능한 한 짧게 하며 전압은 최대한 큰 값으로 하는 것이 큰 열에너지를 발생시키는데 바람직하다.
이하에서는, 이 발열원(100)으로부터 발생시키는 열을 소형기기를 위한 휴대 가능한 에너지원으로 활용하는 방안에 대해 설명한다.
본 발명의 발명원에서 발생되는 열에너지를 활용하기 위해 음극으로 사용되는 발열원(100)의 제2전극(20)에 열전달 부재(70)를 통해 열전변환부(thermoelectric convertor)(200)를 연결하여 본 발명에 따른 전력 발생 장치를 구성할 수 있다. 여기서, 상기 열전달 부재(70)는 열전도도가 높은 금속 소재로 만들어지는 것이 바람직하다.
높은 온도 T2를 갖는 열전달 부재(70)와 낮은 온도 T1을 갖는 열전변환부의 접합 점을 한 종류의 금속선으로 연결한다. 이 때 열전달 부재(70)와 열전변환부(200)의 접합 점에 다른 종류의 금속선을 연결할 때 다른 온도를 갖는 두 금속선의 양 끝에서는 제벡 효과에 의하여 전압차가 발생한다. 이 원리에 기초하여 상기 열전변환부(200)에서는 고효율로 열에너지를 전기에너지로 변환한다.
본 발명에 따른 전력 발생 장치에서 발생되는 전력을 소형 기기의 전원으로 사용하기 위해서는, 상기 열전변환부(200)에서 발생된 전력의 전류와 전압을 포함한 특성을 조정하여 원하는 단말기에 공급할 수 있는 전력조정부(400)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 전력조정부(400)에서는 상기 열전변환부(200)에서 생산되는 전력의 전압과 전류의 시간적 파형을 완만하고 규칙적인 형태로 변조하여 공급하도록 한다.
한편, 상기 열전변환부(200)에서 발생된 전력에 의해 충전되는 2차 전지(500)를 상기 전력조정부(400)의 말단에 배치할 수 있고, 이 2차 전지(500)를 각종 휴대용 소형 기기의 전원으로 사용할 수 있다. 물론 지속적인 전력 공급을 위해 2차 전지(500)에서 상기 펄스 발생부(350)에 전력을 공급하도록 할 수도 있다. 한편, 본 발명에서 소모되는 부분은 수소 원자가 용해된 팔라듐 박막(30)으로 주기적으로 제2전극(20)을 교체하는 방식으로 사용될 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 캐패시터형 발열원(100)을 제조하는 방법에 관하여 설명한다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 전력 발생 장치의 핵심을 이루는 캐패시터(capacitor)형 발열원(100)의 제조 공정을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 3에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 발열원(100)의 제조방법은 먼저 전기전도성을 가지는 금속 소재의 전극을 두 개 준비한 다음 각 전극에 대해 별도의 공정을 수행한 후 이를 서로 접합하여 발열원(100)을 완성한다. 두 개의 전극은 예를 들어 니켈 호일로 만들어 질 수 있다.
니켈 호일로 전극을 형성하는 경우, 제1전극(10)은 표면에 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si)을 포함하는 소재의 그룹 중에서 선택된 하나의 소재를 니켈 호일 표면에 스퍼터링에 의해 코팅하는 단계를 수행한 후, 대기압 플라즈마 방법에 의해 발생시킨 산소 플라즈마로 박막을 산화시켜 유전체 박막을 제조하는 유전체 물질막 형성 단계를 수행한다.
제2전극(20)은 니켈 호일 표면에 대기압 플라즈마 방법, 스퍼터링, 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition)와 같은 코팅 방법에 의해 팔라듐 박막(30)을 코팅하는 팔라듐 박막 형성 단계를 수행한 후, 플라즈마 이온 주입 방법에 의해 팔라듐 박막(30) 표면층에 수소 원자를 용해시키는 수소 원자 용해 단계를 수행한다.
그 다음, 상기 유전체 물질막(50)과 상기 팔라듐 박막(30)이 서로 접하도록 상기 제1전극(10) 및 상기 제2전극(20)을 대향하도록 배치하여 접합함으로써 발열원(100)을 완성한다.
상기 유전체 물질막 형성 단계에서는, 상기 두 개의 전극 중 제1전극(10) 표면에 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si)을 포함하는 소재의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 소재로 형성된 박막을 산화뿐만 아니라 질화시켜 유전체 물질막(50)을 형성할 수도 있다.
상기 유전체 물질막(50)이 고분자 소재로 만들어지는 경우에는 얇게 만들어진 고분자 물질막을 제1전극(10)에 부착하는 방식이 사용될 수도 있다. 그러나 플라즈마 반응로 내에서 3mm 이하의 두께로 금속이나 실리콘 층을 형성하고 이를 산화 또는 질화시키는 방식이 유전체 물질막(50)의 두께를 더욱 얇게 만들 수 있어 더 바람직하다.
상기 수소 원자 용해 단계에서는, 상기 팔라듐 박막(30)에 수소 원자를 대기압 상온을 기준으로 포화 농도 이상으로 용해시킨다.
한편, 상기 수소 용해 단계에서는, 이온 주입 방식 외에 이온 가속 방식으로도 수소 원자의 용해가 가능하다. 즉, 팔라듐 박막(30)이 형성된 제2전극(20)을 수소 가스가 플라즈마 상태로 존재하는 플라즈마 반응로 내에 배치한 후, 상기 제2전극(20)에 1kV 이상의 음전압을 인가하여 수소 원자 양이온이나 수소 분자 양이온을 팔라듐 표면층으로 가속시켜 주입하는 방식으로 수소 원자를 용해시킬 수 있다.
도 4에는 플라즈마 방법에 의해 수소를 팔라듐 박막(30) 표면층으로 주입하는 방법의 일례를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
본 발명의 캐패시터(capacitor)형 발열원(100)(100)의 성능은 팔라듐 박막(30)(30)의 구조와 그 표면층에 용해된 중수소의 농도에 예민하게 의존한다. 팔라듐 박막(30) 표면층에 용해되는 중수소의 농도를 평형 값보다 높이기 위해서 도 4에 기술된 플라즈마 이온 주입방법(ion implantation)을 사용한다. 이 처리는 내부를 100 파스칼 이하로 감압시킨 플라즈마 반응로(110)에서 수행된다. 반응로는 수소 가스의 주입부(120), 수소 가스를 이온화시키는 플라즈마 발생부(130), 수소 플라즈마 불꽃(140) 등으로 구성된다. 니켈 지지체(제2전극(20))(20) 표면에 코팅된 팔라듐 박막(30)(30) 표면을 수소 플라즈마 불꽃의 분사방향에 수직되게 배치시킨다. 그리고 이 박막에 1kV 이상의 음전압을 고전압 전원(170)에 연결된 펄스 발생기(175)를 통하여 인가한다. 반응기의 벽 혹은 플라즈마 발생부의 벽에는 양(+)전압이 걸리게 한다. 이 음전압에 의한 전장(electric field) 때문에 플라즈마 불꽃으로부터 분사되는 수소 원자 양이온 혹은 수소 분자 양이온(160)은 음극인 팔라듐 박막(30)으로 가속되며 이온 주입을 달성하게 된다.
한편, 팔라듐 표면층에 수소 분자 양이온보다 수소 원자 양이온을 선별적으로 용해시키고자 하는 경우에는, 수소 원자 양이온이나 수소 분자 양이온을 팔라듐 표면층으로 가속에 의하여 주입시키는 경우, 양이온의 통로에 자장을 인가하여 질량분석의 원리에 의하여 수소 원자 이온을 수소 분자 이온으로부터 분리하여 수소 원자 이온만을 팔라듐 표면층으로 가속하여 주입시킬 수도 있다. 수소는 팔라듐 내부에서 원자로의 형태로만 존재한다. 수소 분자를 팔라듐 박막의 표면에 충돌시키면 두 개의 원자로 분리되어 내부로 용해된다. 따라서 처음부터 원자 형태로 보내면 보다 수소 원자가 팔라듐 박막 표면에 효과적으로 저장되도록 할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예의 캐패시터형 발열원(100) 제조 방법에 관하여 설명한다.
앞서 설명한 방법에서는 캐패시터형 발열원(100)을 제조할 때 첫째 공정인 팔라듐 박막(30)에 수소를 용해시키는 공정과, 둘째 공정인 이 박막을 사용하여 캐패시터 형태로 조립하는 공정의 두 가지 공정을 시간차를 두고서 수행한다. 따라서 이 공정 간에는 시간 간격이 자연히 발생한다. 이 시간적 간격을 줄이기 위해서 다음과 같은 공정을 생각할 수 있다.
즉, 팔라듐 박막(30)을 구리나 니켈 같은 기판에 코팅하지 않고 제1전극(10) 표면에 이미 부착된 초박막 유전체물질의 표면에 코팅하고, 플라즈마 이온 주입방법(ion implantation)을 사용하여 팔라듐 박막(30)에 수소원자를 주입한다. 이 때 팔라듐 박막(30)은 100 μm 이하로 대단히 얇아서 주입된 수소원자가 팔라듐 박막(30)과 유전체 물질막(50)의 경계까지 도달할 수 있다. 수소의 주입이 완료된 후 팔라듐 박막(30) 자체를 음극으로 사용하거나 팔라듐 박막(30)에 별도의 제2전극(20)을 부착하면 캐패시터 발열원(100)을 더 간편한 공정으로 제작 가능하다.
지금까지 본 발명을 설명함에 있어, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 제1전극(발열원의 양극) 20 : 제2전극(발열원의 음극)
30 : 팔라듐 박막 50 : 유전체 물질막
70 : 열전달 부재 100 : 발열원
120 : 수소 가스 주입부 130 : 플라즈마 발생부
140 : 수소 플라즈마 불꽃 200 : 열전변환부
300 : 전력 발생 장치 350 : 직류 펄스 발생부
400 : 전력조정부 500 : 이차 전지

Claims (13)

  1. 제1전극(10);
    상기 제1전극(10)에 대향하여 배치되고 상기 제1전극(10)측의 표면에 수소 원자가 포화 농도 이상으로 용해된 팔라듐 박막(30)이 형성된 제2전극(20);
    상기 제1전극(10) 및 제2전극(20) 사이에 배치된 유전체 물질막(50); 및
    상기 제1전극(10)과 상기 제2전극(20) 사이에 펄스를 인가하는 펄스 발생부(350)를 포함하는 발열원(100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 물질막(50)은 두께가 1mm 이하이고, 테플론(Teflon), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene)을 포함하는 고분자 소재의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 고분자 소재로 만들어지거나,
    또는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si)을 포함하는 소재의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 소재로 형성된 박막을 산화 또는 질화시켜 만들어진 것을 특징으로 하는 발열원(100).
  3. 발열원(100) 및 열전변환부를 포함하는 전력 발생 장치로서,
    상기 발열원(100)은,
    제1전극(10);
    상기 제1전극(10)에 대향하여 배치되고 상기 제1전극(10)측의 표면에 수소 원자가 포화 농도 이상으로 용해된 팔라듐 박막(30)이 형성된 제2전극(20);
    상기 제1전극(10) 및 제2전극(20) 사이에 배치된 유전체 물질막(50); 및
    상기 제1전극(10)과 상기 제2전극(20) 사이에 펄스를 인가하는 펄스 발생부(350)를 포함하고,
    상기 열전변환부는,
    상기 발열원(100)에서 발생한 열을 전달받아 제벡 효과에 의해 기전력을 발생시키는 것임을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열전변환부에서 발생된 전력의 전류와 전압을 포함한 특성을 조정하여 공급하는 전력조정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 열전변환부에서 발생된 전력에 의해 충전되는 2차 전지 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 유전체 물질막(50)은 두께가 1mm 이하이고, 테플론(Teflon), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene)을 포함하는 고분자 소재의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 고분자 소재로 만들어지거나,
    또는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si)을 포함하는 소재의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 소재로 형성된 박막을 산화 또는 질화시켜 만들어진 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  7. 두 개의 전극 사이에 유전체 물질막(50)이 형성된 발열원(100)을 제조하는 방법으로서,
    상기 두 개의 전극 중 제1전극(10) 표면에 유전체 물질막(50)을 형성하는 유전체 물질막 형성 단계;
    상기 두 개의 전극 중 제2전극(20) 상에 팔라듐 박막(30)을 형성하는 팔라듐 박막 형성 단계;
    상기 팔라듐 박막(30)에 표면층에 수소 원자를 포화 농도 이상으로 용해시키는 수소 용해 단계; 및
    상기 유전체 물질막(50)과 상기 팔라듐 박막(30)이 서로 접하도록 상기 제1전극(10) 및 상기 제2전극(20)을 대향하도록 배치하는 단계를 포함하는 발열원(100)의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수소 용해 단계는 상기 팔라듐 박막(30) 표면층에 수소 원자를 이온주입 방법에 의해 포화 농도 이상으로 용해시키는 것임을 특징으로 하는 발열원(100)의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 수소 용해 단계는,
    팔라듐 박막(30)이 형성된 제2전극(20)을 수소 가스가 플라즈마 상태로 존재하는 용기 내에 배치한 후,
    상기 제2전극(20)에 음전압을 인가하여 수소 원자 양이온이나 수소 분자 양이온을 팔라듐 표면층으로 가속시켜 주입하는 것을 특징으로 하는 발열원(100)의 제조 방법.
  10. 두 개의 전극 사이에 유전체 물질막(50)이 배치된 발열원(100)을 제조하는 방법으로서,
    상기 두 개의 전극 중 제1전극(10) 표면에 유전체 물질막(50)을 형성하는 유전체 물질막 형성 단계;
    상기 유전체 물질막(50) 상에 팔라듐 박막(30)을 형성하는 팔라듐 박막 형성 단계; 및
    상기 팔라듐 박막(30) 표면에 수소 원자 양이온이나 수소 분자 양이온을 가속에 의하여 주입시켜 수소 원자가 팔라듐 박막(30)과 유전체 물질막(50)의 계면까지 용해되도록 하면서 팔라듐 박막(30)에 수소 원자를 포화 농도 이상으로 용해시키는 수소 용해 단계를 포함하는 발열원(100)의 제조방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    수소 원자 양이온이나 수소 분자 양이온을 팔라듐 표면층으로 가속에 의하여 주입시키는 경우, 양이온의 통로에 자장을 인가하여 질량분석의 원리에 의하여 수소 원자 이온을 수소 분자 이온으로부터 분리하여 수소 원자 이온만을 팔라듐 표면층으로 가속하여 주입시키는 것을 특징으로 하는 발열원(100)의 제조 방법.
  12. 제7항 또는 제10항에 있어서,
    상기 제1전극(10) 및 상기 제2전극(20)은 니켈과 구리를 포함하는 금속 소재의 그룹에서 선택된 하나의 금속 소재 또는 이들의 합금으로 만들어진 것을 특징으로 하는 발열원(100)의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 유전체 물질막 형성 단계는,
    상기 제1전극(10)을 진공 용기 내에 배치하고 스퍼터링(sputtering)에 의하여 상기 제1전극(10) 표면에 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si)을 포함하는 소재의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 소재로 형성된 박막을 형성하고, 스퍼터링으로 형성된 박막을 플라즈마 반응로에서 산화 또는 질화시켜 유전체 물질막(50)을 형성하는 것임을 특징으로 하는 발열원(100)의 제조 방법.
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