KR20080089675A - 전계방출 발전 장치 - Google Patents

Abstract

종래의 발전 방법과는 다른 새로운 개념에 근거하고, 투입 에너지가 적고, 발전 효율이 좋고, 깨끗하고, 고갈할 염려가 없고, 안정한 발전을 가능하게 한다.

자유전자를 유지하는 전자공급체(20)와, 전자공급체(20)에 전기도통상태로 설치되어지는 전자방출 포트(30)와, 전자방출 포트(30)에 전기절연장(F)을 통하여 대향배치됨과 동시에 전계를 부가하여 전자를 흡인 방출시키는 전자인출전극(40)과, 전자인출전극(40)에 의해 방출된 전자를 수취하는 전자수용체(50)와, 전자방출 포트(30)로부터의 방출 전자가 전자인출전극(40)에 흡수되는 것을 방지하는 전자흡수방지 수단을 구비하고, 전자인출전극(40)에 플러스 전압을 가하는 것으로 전자방출 포트(30)로부터 전자를 전계방출시켜, 이 방출 전자를, 전자수용체(50)로 수취하게 하여 모으는 구성으로 하였다.

전계방출 발전 장치

Description

전계방출 발전 장치{FIELD EMITTING/ELECTRIC-POWER GENERATING DEVICE}

본 발명은 전계방출을 이용한 발전 장치에 관한 것이다.

전기 에너지를 얻는 방법으로서의 발전에는, 예부터 행해지고 있는 수력발전, 풍력발전 외에, 태양광발전, 조력발전 등의 자연에너지를 이용하는 발전이 알려져 있다. 또한 화석 연료를 사용한 화력발전이나, 원자력을 사용한 원자력발전이 알려져 있다.

상기 화석 연료를 사용한 발전에 있어서는, 원료가 되도록화석 연료가 한정되어 있기 때문에, 결국 고갈하고, 사회의 필요에 응할 수 없게 된다는 문제를 안고 있다.

또 상기 태양광이나 풍력 등의 자연에너지를 이용한 발전에 있어서는, 이용하는 자연에너지인 태양광이나 풍력의 공급은 자연조건에 의존하므로, 우리들이 전력을 필요로 할 때에 반드시 발전이 이루어진다는 보장이 없다고 하는 결점이 있다.

또 원자력발전의 경우에는, 안전성의 문제나 설비 등의 문제가 있다.

한편, 본 발명자는, 태양광을 물질에 수광시켜서 열 에너지로 변환하고, 이것에 의해 가열된 물질로부터 열전자를 방출시켜, 이 열전자방출을 이용하여 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것에 의한 발전 방법을 제공했다 (특허문헌1∼4).

또한 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로서는, 다음 특허문헌 5도 제공되어 있다.

한편, 전계(電界)를 가해 전자를 방출시키는 전계전자방출을 사용한 장치로, 다음 특허문헌 6이 제공되어 있다.

[특허문헌 1] 특허 제3449623호

[특허문헌 2] 일본 공개특허공보 특개 2003-189646호

[특허문헌 3] 일본 공개특허공보 특개 2003-250285호

[특허문헌 4] 일본 공개특허공보 특개 2004-140288호

[특허문헌 5] 일본 공개특허공보 특개 2003-258326호

[특허문헌 6] 일본 공개특허공보 특표평 11-510307호

발명이 이루고자하는 기술적 과제

그런데 상기 특허문헌 1∼4의 발명은, 모두 열 에너지를 물체에 주고, 이것에 의해 가열된 물체로부터 열전자를 방출시켜, 방출된 전자를 회수하여 발전을 행하는 방법을 사용한 것이다. 즉 외부로부터 열 에너지를 주고, 이것을 전기 에너지로 변환하는 방식의 발전 장치이며, 큰 전기 에너지를 얻기 위하여는, 그에 상당한 큰 열 에너지의 투입을 필요로 한다.

또 상기 특허문헌 5의 발명에는, 전계방출을 이용한 소자나 장치가 개시되어 있다. 그러나, 어디까지나 전기 에너지와 열 에너지와의 변환 장치이다. 또한 발전에 관하여는, 가열에 의한 열전자방출을 이용한 발전에 머무르는 것이다.

또 특허문헌 6의 발명에는, 전계전자방출재료, 전계전자방출장치가 개시되어 있다. 그러나 전계전자방출장치에 있어서 나타내어진 것은, 전자의 전계방출을 방전 장치, 전자 건(gun), 디스플레이 등, 모두 방출 전자 그 자체를 이용한 장치이며, 발전에 이용한다고 하는 기술사상이 전혀 존재하지 않는 것이다.

그리하여 본 발명은 종래에 있어서의 발전 방법과는 전혀 다른 새로운 개념에 근거하고, 투입 에너지가 적고, 또한 충분하게 효율이 좋은 발전을 얻을 수 있음과 동시에, 깨끗하고, 고갈할 염려가 없는, 안정한 발전이 가능한 새로운 발전 장치의 제공을 과제로 한다.

발명의 구성

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명자는 여러 가지 실험과 검토를 거듭한 결과, 전계가 물질에 작용하는 것으로 물질중의 전자가 물질의 표면에서 방출되도록 전계방출현상을 잘 이용함으로써 열전자방출에 의한 발전과는 다른, 보다 효율이 좋은 새로운 발전이 가능한 것을 알게 되어, 본 발명을 완성하였다.

전계가, 예를 들면 자유전자가 많은 물질의 좁은 영역에 집중하면, 물질표면에서 전자가 진공 중 등으로 방출된다. 이 현상은 전계방출로서 알려져 있다. 이 경우에는 외부로부터 열 에너지를 더하지 않더라도, 전계에 의해 전자가 방출된다. 방출된 전자를 잘 수집하는 것에 의해, 전자에 의한 전기 에너지를 외부로 취출할 수 있다.

물질에 가하는 전계에 대하여는, 상기 전계의 집중도를 높게 함으로써 가하는 플러스 전하의 힘을 낮게 억제할 수 있다.

또 전계를 가할 수 있는 재료는, 자유전자가 많고, 전자를 방출하는 방출 영역의 에너지 장벽을 낮게 함으로써 전계방출을 행하기 쉽게 할 수 있다.

한편, 전계를 발생시키는 전계의 발생원에 대하여는, 전계를 재료에 미치게 하는 것만으로 전류가 흐르지 않는 한, 전하의 소모, 즉 에너지 소비는 이론적으로는 생기지 않는다. 달리 말하면, 재료로부터 전계방출된 전자가 전계발생원에 도달하여 흡수되지 않는 한에 있어서, 전계발생원에서의 에너지 소비는 생기지 않는다.

이상과 같이하여 본 발명에서는, 재료 중의 자유전자를 효율적으로 전계방출시키고, 또한 이 전계방출 시킨 전자를 전계발생원 이외의 수전자(受電子) 재료에 적절하게 수집하여 축적함으로써 실용가능한 발전을 완성시킨다. 이 때 전자방출재료에 전계를 가하는 전계발생원에서의 에너지 소비는 최소한으로 억제할 수 있다.

본 발명의 전계방출 발전 장치는, 자유전자를 보유하는 재료로 이루어지는 전자공급체와, 상기 전자공급체에 대하여 전기도통상태로 설치된 전자방출 포트와, 상기 전자방출 포트에 전기절연장을 통하여 대향배치됨과 동시에 전계를 부가하여 전자를 흡인 방출시키기 위한 전자인출전극과, 상기 전자인출전극에 의해 방출된 전자를 수취하기 위한 전자수용체와, 상기 전자방출 포트로부터 방출된 전자가 상기 전자인출전극에 흡수되는 것을 방지하기 위한 전자흡수방지 수단을 구비하고, 상기 전자인출전극에 플러스 전압을 가하는 것으로 상기 전자방출 포트로부터 전자를 전계방출시킴과 동시에, 이 전계방출한 전자를, 상기 전자인출전극에 흡수시키지 않고, 별도로 배치한 상기 전자수용체에서 수취시켜 모으는 구성으로 한 것을 제1 특징으로 하고 있다.

또한 본 발명의 전계방출 발전 장치는, 상기 제1 특징에 가해, 전자방출 포트는, 전자방출에 대한 에너지 장벽이 작은 재료 및/또는 형상으로 구성되어 있는 것을 제2 특징으로 하고 있다.

또한 본 발명의 전계방출 발전 장치는, 상기 제1 특징에 가해, 전자방출 포트는, 전자공급체의 표면에 준1차원 물질을 그 길이 방향이 전자방출방향이 되도록 세워서 설치하여 구성되어 있는 것을 제3 특징으로 하고 있다.

또한 본 발명의 전계방출 발전 장치는, 상기 제3 특징에 가해, 준1차원 물질은, 카본·나노튜브인 것을 제4 특징으로 하고 있다.

또한 본 발명의 전계방출 발전 장치는, 상기 제1 특징에 가해, 상기 절연장은, 절연 공간 또는 절연 물질에 의해 구성되는 것을 제5 특징으로 하고 있다.

또한 본 발명의 전계방출 발전 장치는, 상기 제1 특징에 가해, 전자흡수방지 수단은, 전자인출전극의 재료를 준2차원 물질로 하고 전자방출 포트로부터 방출된 전자가 양자 터널 현상에 의해 상기 전자인출전극에 흡수되지 않고 관통되도록 하여 구성하고 있는 것을 제6 특징으로 하고 있다.

또한 본 발명의 전계방출 발전 장치는, 상기 제1 특징에 가해, 전자흡수방지 수단은, 전자방출 포트로부터 방출되어 전자인출전극으로 향하는 전자의 궤도를 변경하는 전자궤도변경 전극인 것을 제7 특징으로 하고 있다.

또한 본 발명의 전계방출 발전 장치는, 상기 제1 특징에 가해, 전자흡수방지 수단은, 전자수용체를 전자인출전극의 앞에 배치함으로써 전자방출 포트로부터 방출되어 전자인출전극으로 향하는 전자를 전자인출전극의 앞에서 수취하도록 구성하고 있는 것을 제8 특징으로 하고 있다.

또한 본 발명의 전계방출 발전 장치는, 상기 제1 특징에 가해, 전자수용체를 향하는 전자를 가속하는 가속 전극을 설치한 것을 제9 특징으로 하고 있다.

또한 본 발명의 전계방출 발전 장치는, 상기 제1 특징에 가해, 전자수용체를 향하는 전자의 궤도를 분산시켜 전자수용체에서의 수전자위치가 집중하는 것을 방지하는 수전자위치 분산 수단을 설치한 것을 제10의 특징으로 하고 있다.

또한 본 발명의 전계방출 발전 장치는, 상기 제1 특징에 가해, 전자수용체는 여러 개를 서로 절연 상태로 하여 설치하고, 전자방출 포트로부터 방출된 전자를 상기 여러 개의 전자수용체로 분배하는 전자분배 수단을 설치한 것을 제11의 특징으로 하고 있다.

또한 본 발명의 전계방출 발전 장치는, 상기 제1 특징에 가해, 전자수용체에 도달한 전자가 2차 방출하는 것을 방지하기 위한 2차 방출 방지 수단을 설치한 것을 제12의 특징으로 하고 있다.

또한 본 발명의 전계방출 발전 장치는, 상기 제1 특징에 가해, 전자수용체와 전자공급체를 전기접속하여 도중에 전기적 부하를 배분하는 구성으로 한 것을 제13의 특징으로 하고 있다.

또한 본 발명의 전계방출 발전 장치는, 상기 제1 특징에 가해, 전자인출전극에 교류전압을 첨가함으로써 전자방출 포트로부터 방출되는 전자의 량을 변화시켜, 교류 발전시키는 구성으로 한 것을 제14의 특징으로 하고 있다.

발명의 효과

청구항 1에 기재된 전계방출 발전 장치에 의하면, 전자인출전극에 플러스 전압이 가해지는 것으로 상기 전자인출전극과 전자공급체의 전자방출 포트와의 사이에 전계가 생기고, 전자방출 포트에 구속되어 있는 자유전자에 가해지는 쿨롱력이 증대하고, 전자의 운동에너지가 상승한다. 이것에 의해 전자가 가지는 에너지가 전자방출 포트의 표면의 에너지 장벽을 넘으면, 그 전자는 전자방출 포트로부터 전기절연장으로 방출된다. 이 때의 조건으로서는, 전자방출 포트에 있어서의 에너지 장벽이 가능한 한 낮아지도록, 재료나 포트의 형상을 고려하는 것이 중요하게 된다. 또한 전자인출전극에 의한 전계에서 생기는 쿨롱력을 전자방출에 필요한 힘까지 증대시키기 위하여, 또한 부가되는 플러스 전압을 낮게 억제하기 위하여, 상기 전자인출전극을 가능한 한 전자방출 포트에 근접시키는 것이 중요하다.

상기 전자인출전극에 의한 플러스 전압부가에 의해 전자방출 포트로부터 전계방출된 전자는, 전기절연장을 상기 전자인출전극으로 향하여 흡인되어서 비상하지만, 전자흡수방지 수단에 의해, 전자인출전극에 도달하여 흡수되는 것이 저지되어, 대신하여 전자수용체에 수취된다. 이것에 의해 전자방출된 전자는 전자수용체에 모이고, 전자수용체에 있어서의 전자수가 증대한다. 다시 말해, 발전 상태가 된다.

전자수용체의 상태는, 전기적으로 중성 내지 마이너스 상태로 하는 것이, 전자와 원자핵과의 결합을 막고, 효율이 좋은 발전을 행하는데에 바람직하다. 그러나 한편, 전자수용체의 마이너스 전하가 증대함에 따라서 반발력이 늘고, 전자의 수락이 어렵게 된다. 이것을 해소하기 위하여는, 전자의 비상속도를 증대시켜서 운동에너지를 증가시키는 것, 또는 전자수용체의 마이너스 전하를 전자수용체의 표면에서 다른 위치로 이동시켜서 표면의 마이너스 전하를 작게 유지하는 것이 중요하게 된다.

상기 전자인출전극에 가해지는 플러스 전하는, 전계방출하여 전자가 전자인출전극에 도달하지 않는 한에 있어서, 이론상에 있어서 소비되는 것이 없기 때문에, 필요한 에너지(부가 전압)의 소비를 충분하게 억제하는 것이 가능하다.

이상에서 청구항 1에 기재된 발명의 전계방출 발전에 의하면, 전자의 전계방출현상을 이용하여, 전계방출에 필요한 에너지의 소비를 적게 억제하면서, 전계방출한 전자를 전자수용체에 수집하고, 효율적으로 발전을 행하는 것이 가능해진다.

또한 청구항 1에 기재된 발명의 전계방출 발전 장치에 의하면, 열 에너지를 부가하고, 이 열 에너지에 의해 열전자를 방출시켜서 발전에 제공하는 종래의 방식, 즉 열 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 방식의 종래의 발전에 비교하여, 충분하게 에너지절약적인 발전이 가능하다.

게다가 청구항 1에 기재된 발명의 전계방출 발전 장치에 의하면, 태양광 등의 자연에너지를 사용한 경우의 불안정한 발전이 아니고, 운전 제어가 용이하고 또한 안정한 전력의 취득이 가능한 발전을 얻을 수 있다.

또한 제2항에 기재된 전계방출 발전 장치에 의하면, 상기 청구항 1에 기재된 구성에 의한 작용 효과에 더하여, 전자방출 포트를 전자방출에 대한 에너지 장벽이 작은 재료 및/또는 형상으로 함으로써 전계방출을 용이하게 하는 것을 할 수 있다.

고체 중의 전자는 원자 중의 전자와 유사하게 속박되고 있어, 일반적인 상태에서는 고체 중으로부터 전자가 분리될 일은 없다. 전계 등에 의해 고체 중으로부터 전자를 진공 중으로 방출시키기 위하여 필요한 최소의 에너지를 일함수 E_W(work function)라고 부른다. 이 일함수 E_W가, 상기 고체가 갖는 전자방출에 대한 에너지 장벽이다.

에너지 장벽이 작은 재료, 즉 일함수 E_W가 작은 재료로서는, 예를 들면 원자의 예로서 세슘(E_W= 1.81ev), 칼슘(E_W= 3.2ev), 토륨(E_W= 3.4ev), 몰리브덴(E_W= 4.3ev), 텅스텐(E_W= 4.52ev)이 있다. 또한 일함수 E_W가 작은 화합물의 예로서는, 산화바륨(E_W= 1.6ev), 산화칼슘(E_W= 1.61ev), 산화토륨(E_W= 1.66ev)이 있다.

또한 에너지 장벽이 작은 형상, 즉 일함수 E_W가 작은 형상(결정구조를 포함한다)로서는, 예를 들면 후술하는 카본·나노튜브, 카본·월, 카본·나노 호른, 다이아몬드, BN 나노튜브(Whiskas)가 있다.

또한 전자방출 포트의 표면층이 양자 터널 현상이 기대되는 적층구조로 된 것도, 에너지 장벽이 작은 물질 및/또는 형상에 포함하는 것으로 한다.

또한 제3항에 기재된 전계방출 발전 장치에 의하면, 상기 청구항 1에 기재된 구성에 의한 작용 효과에 더하여, 전자방출 포트는 준1차원 물질에 의해, 그 준1차원 물질의 길이 방향이 전자방출방향이 되도록 세워서 설치하여 구성된다.

준1차원 물질로는, 전자의 방출에 관하여 1차원 물질로서의 작용과 실질적으로 같은 작용을 하는 물질을 의미한다. 이 준1차원 물질로서는, 예를 들면 카본·나노튜브를 이용할 수 있지만, 충분하게 미세하게 (나노 크기 내지 미크론 크기)미세가공된 도전 물질을 쓰는 것이 가능하다.

준1차원 물질의 경우에는, 전자는 1차원 방향으로만 이동하고, 그 선단으로부터 전계방출된다. 준1차원 물질의 길이 방향을 전자방출방향과 일치시킴으로써 전자의 전계방출이 용이하게 된다. 또한 전자의 전계방출에 대한 준1차원 물질에 의한 에너지 장벽이 낮아지게 된다고 생각된다.

준1차원 물질은 여러 개를 전자방출 포트에 세워서 설치하여 구성할 수 있다. 여러 개를 세워서 설치 구성함으로써 그 각각으로부터 전자의 전계방출이 되어, 전체로서 다수의 전자를 효율적으로 전계방출시킬 수 있다.

또한 제4항에 기재된 전계방출 발전 장치에 의하면, 상기 제3항에 기재된 구성에 의한 작용 효과에 더하여, 준1차원 물질이 카본·나노튜브인 것에 의해, 전자의 (자유)이동성을 충분히 양호하게 할 수 있다. 또한 카본·나노튜브를 그 길이 방향을 전자방출방향으로 일치하도록 하여 전자방출 포트에 세워서 설치함으로써 효율이 좋은 전자방출을 가능하게 할 수 있다.

또한 제5항에 기재된 전계방출 발전 장치에 의하면, 상기 청구항 1에 기재된 구성에 의한 작용 효과에 더하여, 전기절연장이 절연 공간 또는 절연 물질에 의해 구성됨으로써, 절연 공간의 경우에는 전자는 절연 공간에 전계 방출되어, 절연 공간을 비상한다. 이 절연 공간을 진공공간 또는 그것에 준하는 공간으로 함으로써 진공관적인 발전 장치 또는 발전 모듈을 구성하는 것이 가능해진다.

또한 절연 물질을 전기절연장으로 함으로써 고체 칩으로부터 이루어지는 발전 모듈을 용이하게 구성할 수 있다.

상기의 발전 모듈을 다수개 집합시킴으로써 발전 출력을 증대시키는 것이 가능하다.

또한 청구항 6에 기재된 전계방출 발전 장치에 의하면, 상기 청구항 1에 기재된 구성에 의한 작용 효과에 더하여, 전자흡수방지 수단은, 전자인출전극의 물질을 준2차원 물질로 하고 전자방출 포트로부터 방출된 전자가 양자 터널 현상에 의해 상기 전자인출전극에 흡수되지 않고 관통되도록 하여 구성하고 있으므로, 전자방출 포트로부터 방출된 전자는, 전자인출전극에 도달해도, 상기 전자인출전극에 있어서 원자핵 등에 구속되지(전자가 흡수되지) 않고, 배후에 관통하고, 전자수용체에 수취될 수 있다. 따라서 전자수용체를 전자인출전극의 배후에 배치함으로써 어떠한 특별한 전자수취의 수단을 별도로 행하지 않고, 전계방출된 전자를 확실하게 전자수용체에서 수취할 수 있다. 전자수용체에는 플러스 전압을 가할 필요가 없기 때문에, 수취된 전자가 자유전자로서 이용할 수 없게 되는 것을 억제할 수 있고, 발전 효율을 올릴 수 있다.

상기 준2차원 물질로는, 전자의 관통에 관하여 2차원 물질로서의 작용과 실질적으로 같은 작용을 하는 물질을 의미하고, 더 구체적으로는 두께가 대단히 얇아서 전자의 양자 터널 현상을 기대할 수 있는 재료를 의미한다. 양자 터널 현상의 효과를 올리기 위하여는, 비상하는 전자의 속도(운동에너지)을 증대하는 것, 및 준2차원 물질의 두께를 얇게 하여 전자를 구속하는 확률을 저하하는 것이 중요하게 된다.

또한 청구항 제7항에 기재된 전계방출 발전 장치에 의하면, 상기 청구항 1에 기재된 구성에 의한 작용 효과에 더하여, 전자흡수방지 수단은, 전자방출 포트로부터 방출되어 전자인출전극으로 향하는 전자의 궤도를 변경하는 전자궤도변경 전극이므로, 전자방출 포트로부터 방출된 전자는, 전자인출전극에 도달하는 않아, 그 도중에 비상궤도를 변경되어, 전자수용체에 수취될 수 있다. 이 장치의 경우에는 전자궤도변경 전극이 별도로 필요하게 되지만, 전자인출전극을 준2차원 물질로 구성하는 등의 특별한 재료로 바꿀 필요가 없어지는 메리트가 있다. 또한 전자궤도변경 전극에 관하여도, 플러스 전압이나 마이너스 전압을 유지할 수 있는 것이면, 특별한 재료로 구성할 필요가 없다고 하는 메리트가 있다.

또한 청구항 제8항에 기재된 전계방출 발전 장치에 의하면, 상기 청구항 1에 기재된 구성에 의한 작용 효과에 더하여, 전자흡수방지 수단은, 전자수용체를 전자인출전극의 앞에 배치함으로써 전자방출 포트로부터 방출되어 전자인출전극으로 향하는 전자를 전자인출전극의 앞에서 수취하도록 구성하고 있으므로, 전자방출 포트로부터 방출된 전자는, 전자인출전극에 도달하지 않고, 그 앞에서 전자수용체에 수취될 수 있다. 이 장치의 경우에는 전자수용체를 배치하는 스페이스를 확보할 필요가 있지만, 그러한 스페이스를 확보할 수 있으면, 이외에 어떠한 특별한 전자수취의 수단을 행하지 않고, 전계방출된 전자를 확실하게 전자수용체에서 수취할 수 있다. 전자수용체에는 플러스 전압을 가할 필요가 없기 때문에, 수취된 전자가 원자핵 등에 흡수되어서 자유전자로서 이용할 수 없게 되도록 비율을 적게 억제할 수 있고, 발전 효율을 올릴 수 있다.

또한 청구항 제9항에 기재된 전계방출 발전 장치에 의하면, 상기 청구항 1에 기재된 구성에 의한 작용 효과에 더하여, 전자수용체를 향하는 전자를 가속하는 가속 전극을 설치하였기 때문에, 전자수용체를 향하는 전자속도의 증대에 의한 운동에너지의 증대를 꾀할 수 있고, 전자수용체가 마이너스 전압상태로 대전하고 있을 경우에 있어서도, 상기 마이너스 전압에 의해 발생하는 쿨롱의 법칙의 반발 작용을 전자가 극복하여, 전자가 전자수용체에 도달하는 확률을 올릴 수 있다. 다시 말해, 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

또한 청구항 10에 기재된 전계방출 발전 장치에 의하면, 상기 청구항 1에 기재된 구성으로 의한 작용 효과에 더하여, 전자수용체를 향하는 전자의 궤도를 분산시켜 전자수용체에서의 수전자위치가 집중하는 것을 방지하는 수전자위치 분산 수단을 설치하였기 때문에, 상기 수전자위치 분산 수단에 의해, 전자가 전자수용체의 일부에 집중적으로 충돌함으로써 전자수용체의 파손을 초래하는 것과 같은 단점을 방지하고, 장치의 내구성을 증대시킬 수 있다.

또한 청구항 11에 기재된 전계방출 발전 장치에 의하면, 상기 청구항 1에 기재된 구성에 의한 작용 효과에 더하여, 전자수용체는 여러 개를 서로 절연 상태로 하여 설치하고, 전자방출 포트로부터 방출된 전자를 상기 여러 개의 전자수용체로 분배하는 전자분배 수단을 설치하였기 때문에, 상기 전자분배 수단에 의해, 전자방출 포트로부터 방출된 전자가 복수의 전자수용체에 분배되어 수취되기 때문에, 전자수용체에 축적하는 전자에 의한 비상전자에의 반발 작용을 적게 할 수 있고, 개개의 전자수용체에서의 전자수취를 보다 용이하게 효율적으로 행할 수 있다.

하나의 전자수용체만으로 모든 방출 전자를 수취할 경우에는, 다수의 전자를 급격하게 수취하는 것으로 전자수용체의 마이너스 전하의 축적이 급증하기 쉽고, 따라서 비래(飛來) 전자를 반발하는 등, 전자의 수취율이 나빠지는 사태가 생길 수 있다.한편, 복수의 전자수용체를 사용하여 전자를 분배하여 수취할 경우에는, 개개의 전자수용체에 있어서는, 전자의 증가가 급격하게는 행하여지지 않는 것으로부터, 수취한 전자를 다른 장소에 이행시켜 또는 사용에 제공함으로써 마이너스 전하의 증가를 적당히 방지하는 것이 가능해진다. 따라서 계속하여 비래하는 전자를, 마이너스 전하에 의해 반발시키지 않고, 전자수용체에서 효율적으로 수취할 수 있다.

또한 청구항 12에 기재된 전계방출 발전 장치에 의하면, 상기 청구항 1에 기재된 구성에 의한 작용 효과에 더하여, 전자수용체에 도달한 전자가 2차 방출하는 것을 방지하기 위한 2차 방출 방지 수단을 설치하였기 때문에, 전계방출된 전자수용체에 비래한 전자를 확실하게 구속하여 수취할 수 있다. 따라서 발전 효율을 올릴 수 있다.

또한 청구항 13에 기재된 전계방출 발전 장치에 의하면, 상기 청구항 1에 기재된 구성에 의한 작용 효과에 더하여, 전자수용체와 전자공급체를 전기접속하여 도중에 부하를 배분하는 구성으로 하였기 때문에, 전자수용체에서 수취한 전자를 전기적 부하에 공급하여 일을 행하게 할 수 있다. 전기적 부하를 거친 전자는 전자공급체에 되돌아온다. 다시 말해, 전자의 순환을 행할 수 있다.

또한 청구항 14에 기재된 전계방출 발전 장치에 의하면, 상기 청구항 1에 기재된 구성에 의한 작용 효과에 더하여, 전자인출전극에 교류전압을 첨가함으로써 전자방출 포트로부터 방출되는 전자의 량을 변화시켜, 교류 발전시키는 구성으로 하였기 때문에, 전자인출전극에 첨가하는 교류전압의 주기와 진폭을 조정함으로써 원하는 교류를 발전하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 관한 전계방출 발전 장치를 나타내는 개략적인 단면구성도이다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 관한 전계방출 발전 장치의 구성에 가속 전극을 부가한 예를 나타내는 개략적인 단면구성도이다.

도 3은 전자인출전극을 카본·나노튜브의 조합으로 구성한 경우에, 전자인출전극을 전자가 관통하는 상태를 설명하는 도이다.

도 4는 전자방출 포트 및 전자인출전극의 구체적 구성의 일례를 도시한 도면이다.

도 5는 전자인출전극을 카본·나노튜브의 가교 현상을 이용하여 구성하는 도중의 상태를 설명하는 도이다.

도 6은 전자인출전극을 카본·나노튜브의 가교에 의해 구성한 구체적 일례를 도시한 도면이다.

도 7은 전자수용체의 구체적 구성의 일례를 설명하는 도이다.

도 8은 본 발명의 제1실시예에 관한 전계방출 발전 장치의 구성에 수전자위치 분산 수단을 부가한 예를 설명하는 도이다.

도 9은 본 발명의 제1실시예에 관한 전계방출 발전 장치의 구성에 전자분배 수단을 부가한 예를 설명하는 도이다.

도 10은 본 발명의 제1실시예에 관한 전계방출 발전 장치의 구성에, 전자분배 수단을 부가한 경우에 대응하여 구성되는 전력취출 회로의 구체적 구성의 일례를 설명하는 도이다.

도 11은 본 발명의 제1실시예에 관한 전계방출 발전 장치의 구성에 2차 방출 방지 수단을 부가한 일례를 설명하는 도이다.

도 12은 본 발명의 제1실시예에 관한 전계방출 발전 장치의 구성에 2차 방출 방지 수단을 부가한 다른 하나의 예를 설명하는 도이다.

도 13은 제1실시예에 관한 전계방출 발전 장치의 구성에 2차 방출 방지 수단을 부가한 또 다른 일례를 설명하는 도이다.

도 14은 도 12에 나타낸 2차 방출 방지 수단을 적용한 본 발명의 제2실시예에 관한 전계방출 발전 장치의 일례를 나타내는 개략적인 단면구성도이다.

도 15은 도 13에 나타낸 2차 방출 방지 수단을 적용한 본 발명의 제2실시예에 관한 전계방출 발전 장치의 다른 예를 나타내는 개략적인 단면구성도이다.

도 16은 교류전원을 사용하여 전계방출되는 전자의 방향을 교대로 반대 방향 으로 변경하는 것이 가능하도록 한 본 발명의 제2실시 형태에 따른 전계방출 발전 장치의 또 다른 예를 나타내는 개략적인 탈면 구성도이다.

도 17은 도 16에 나타낸 장치에 있어서, 교류전원이 플러스인 반 사이클에 있는 상태에서의 전계방출전자의 움직임을 설명하는 도이다.

도 18은 도 16에 나타낸 장치에 있어서, 교류전원이 마이너스인 반 사이클에 있는 상태에서의 전계방출전자의 움직임을 설명하는 도이다.

도 19은 본 발명의 제3실시예에 관한 전계방출 발전 장치를 설명하는 개략적인 구성도이다.

도 20은 본 발명의 제3실시예에 관한 전계방출 발전 장치의 구체적인 일례를 설명하는 단면구성도이다.

도 21은 도 20의 일부확대도이다.

도 22은 본 발명의 제4실시예에 관한 전계방출 발전 장치를 설명하는 개략적인 구성도이다.

도 23은 전자를 전계방출하는 전압의 역치를 설명하는 도이다.

부호의 설명

10 진공용기

20 전자공급체

30 전자방출 포트

31 준1차원 물질

40 전자인출전극

41 전자인출전원

42 준1차원 물질

50 전자수용체

60 전자취출 회로

61 전기적 부하

70 절연 격리부재

80 가속 전극

90 수전자위치 분산 수단

100 전자분배 수단

110 2차 방출 방지 수단

130 전자수집 포트

140 전자수집 전극

151, 152 제1 전자궤도변경 전극

154, 155 제2 전자궤도변경 전극

157 전자궤도변경 전극

160 프레임

F 전기절연장

e 전자

n 원자핵

s 인입 공간

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

도 1을 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 관한 전계방출 발전 장치를 설명한다.

제1 실시예에서는 전계방출된 전자(e)는 전자인출전극(40)을 터널 현상에 의해 관통하고, 전자수용체(50)에 도달한다.

도 1은 전계방출 발전 장치의 개략적인 단면구성도이다.

진공용기(10) 안에 전자공급체(20), 전자방출 포트(30), 전자인출전극(40), 전자수용체(50)가 설치되어 있다.

또한 진공용기(10) 밖에 전자인출전원(41), 전력취출 회로(60)가 설치되어 있다.

상기 진공용기(10)는 그 내부를 진공 내지 충분하게 감압된 상태로 하는 용기로, 재료의 종류는 특별하게 한정되는 것은 아니다.

상기 전자공급체(20)는, 전자를 공급하는 공급원이 되는 물질로 구성되어, 금속재료, 그 밖의 자유전자를 풍부하게 보유하는 재료로 구성된다.

상기 전자방출 포트(30)는, 전자를 거기로부터 전계방출하는 기능을 하기 때문에, 상기 전자공급체(20)와 전기적으로 도통상태로 설치된다.

전자방출 포트(30)는, 전자의 전계방출에 대한 에너지 장벽이 작은 재료로 구성하는 것이 바람직하다. 또한 에너지 장벽이 작은 형상으로 구성하는 것이 바람직하다.

상기 전자인출전극(40)은, 상기 전자방출 포트(30)에 대하여 전계를 부가하 고, 전자방출 포트(30)로부터 전자(e)를 전계방출시키기 위한 전극이다. 이 전자인출전극(40)은 절연 격리부재(70)에 의해, 전기절연장(F)을 통하여, 전자방출 포트(30)와 대향배치되어 있다.

상기 절연 격부재(70)는, 절연 물질로 구성할 수 있다.

본 실시예의 경우, 전계방출된 전자(e)가 전자인출전극(40)에 도달하여 흡수되는 것을 방지하기 위한 전자흡수방지 수단으로서, 전자인출전극(40)을 준2차원 물질로 구성하고 있다.

상기 전자수용체(50)는, 전계방출된 전자를 수취하기 위한 것으로, 상기 전자인출전극(40)의 후방에 전기절연장(F)을 통하여 배치되어 있다. 이 전자수용체(50)는 금속재료 등의 자유전자의 유지 능력이 큰 재료로 구성할 수 있다.

상기 전자인출전원(41)은, 상기 전자인출전극(40)에 플러스 전압을 가하는 기능을 하기 때문에, 본 실시예에서는 상기 전자공급체(20)에 마이너스 전극, 상기 전자인출전극(40)에 플러스 전극이 가해지도록 접속하고 있다.

상기 전력취출 회로(60)는, 상기 전자수용체(50)에 모인 전자(e)를 외부로 취출하기 위한 회로이다. 상기 전자수용체(50)와 상기 전자공급체(20)와의 사이에서 전기접속되고 있어, 그 도중에 전기적 부하(61)가 배분된 구성으로 이루어지어 있다.

상기 전기절연장(F)은, 본 실시예에서는 진공 또는 충분한 감압된 공간에서 이루어지는 절연 공간으로 구성하고 있다.

상기 제1실시예에 관한 전계방출 발전 장치에서는, 진공용기(10) 중에 배치 한 전자공급체(20) 내에 존재하는 전자(e)가, 전자인출전극(40)에 의한 플러스 전압을 부가시킴으로써, 전자방출 포트(30)로부터 전기절연장(F)에 전계방출된다.

전기절연장(F)에 전계방출된 전자(e)는, 두께가 대단히 얇은 준2차원 물질로 이루어지는 전자인출전극(40)을, 양자 터널 현상에 의해 관통한다. 다시 말해, 전계방출된 전자(e)는 전자인출전극(40)에 의해 흡수되는 것이 방지된다.

전자인출전극(40)을 관통한 전자(e)는, 전자수용체(50)에 도달하여 충돌, 흡수된다.

전자(e)가 흡수된 전자수용체(50)와 상기 전자공급체(20)와의 사이에는, 전력취출 회로(60)가 접속되고 있어, 전자(e)를 흡수한 전자수용체(50)로부터 전자공급체(20)에 전자(e)가 피드백된다. 그 때, 전자(e)가 전기적 부하(61) 내를 이동하는 것에 의해, 전류(i)가 흐른다. 다시 말해, 발전된 전기가 전기 에너지로서 전기적 부하(61)에 공급되어, 에너지가 이용되어, 일을 행한다.

도 2는 도 1에 나타낸 구성에 가속 전극(80)을 부가 구성한 전계방출 발전 장치를 나타낸다.

가속 전극(80)은, 전자수용체(50)로 향하는 전계방출전자를 가속시키기 위한 전극이다. 가속 전극(80)은, 절연 격리부재(71)에 의해, 상기 전자인출전극(40)의 후방에 전기절연장(F)을 통하여 설치된다.

가속 전극(80)에 대하여는 플러스 전압을 가하는 가속 전원(81)이 설치된다. 이 가속 전원(81)은, 이 예에서는 상기 전자인출전원(41)과 직렬로 결합되고 있어, 가속 전극(80)에 대하여 전자인출전극(40)보다도 높은 플러스 전압이 가해지도록 하고 있다.

가속 전원(81)은, 준2차원 물질로 구성하고 있다.

도 2의 다른 구성, 기능은 도 1에 나타낸 구성, 기능과 같으므로, 같은 구성, 기능을 갖는 부재, 요소에는 동일한 부호를 첨부하고, 설명을 생략한다.

이 제2실시예의 장치에서는, 전자공급체(20)의 전자방출 포트(30)로부터 전계 방출되고 또한 준2차원 물질로 이루어지는 전자인출전극(40)을 관통한 전자(e)는, 플러스 전압이 가해진 가속 전극(80)이 가지는 전하의 쿨롱력에 의해 또한 가속된다. 그리하여 준2차원 물질인 전자인출전극(40)을 양자 터널 현상에 의해 관통하고, 보다 높은 운동에너지를 가져서 전자수용체(50)에 도달할 수 있다. 이 경우, 전자(e)가 가지는 운동에너지가 높으면, 전자수용체(50)에 축적된 마이너스 전하에 의한 쿨롱의 법칙을 따르는 반발력을 극복하여 전자수용체(50)에 도달할 수 있는 가능성이 향상되고, 전자수용체(50)에서의 전자(e)의 수집 효율이 좋아진다. 다시 말해, 발전 효율이 좋아진다.

도 3은 전자인출전극(40)에 사용되는 준2차원 물질을, 준1차원 물질인 카본·나노튜브를 대략 평행하게 열거하여 구성한 경우에 있어서, 전계방출된 전자(e)가 전자인출전극(40)에 접근할 경우를 나타낸다.

카본·나노튜브는 탄소의 6원환 등이 결합하여 구성된다. 전자(e)가 준2차원 물질로 구성된 전자인출전극(40)에 전자궤도(orb)에 따라 접근할 경우, 전자(e)는 운동에너지를 가지고 있으므로, 대단히 얇은 물질중을 터널 현상에 의해 꿰뚫고 나간다. 다시 말해, 준2차원 물질 내의 원자핵(n)에 전자(e)가 접근해도, 비상전 자(e)는 속도를 가지고 있으므로, 원자핵(n)에 포획되는 확률은 낮고, 대부분의 전자는 꿰뚫고 나가는 가능성이 높으므로, 터널 현상에 의해 전자(e)가 준2차원 물질에 거의 흡수되지 않고 비상을 속행하는 확률이 높다.

도 4는 전자방출 포트(30) 및 전자인출전극(40)의 구성 예를 도시한 도면이다.

이 예에서는, 전자방출 포트(30)를 준1차원 물질(31)에 의해 구성하고, 전자공급체(20)의 표면에 대하여 준1차원 물질(31)의 길이 방향이 수직으로 되도록 하여(전자방출방향이 되도록 하여) 세워서 설치한다. 준1차원 물질(31)은 복수(複數)를 세워서 설치할 수 있다. 복수로 함으로써 다수의 전계방출전자(e)의 방출을 조속히 행할 수 있다.

또한 이 예에서는, 여러 개의 준1차원 물질(42)을 대략 평행하게 간격을 가져서 배분하고, 단부를 기판(43)으로 일체화하는 것으로 준2차원 물질을 구성하고, 전자인출전극(40)으로 하고 있다. 기판(43)과 전자공급체(20)와의 사이에 전자인출전원(41)이 접속되어, 전자인출전극(40)에 플러스 전압이 가해진다.

준1차원 물질(31)로 이루어지는 전자방출 포트(30)로부터 전기절연장(F)에 전계방출된 전자(e)는, 전자인출전극(40)으로 향하여 비상하지만, 전자인출전극(40)의 준1차원 물질(42)의 간극을 터널 현상에 의해 뚫고 나간다. 이것에 의해 전계방출전자(e)가 전자인출전극(40)에 흡수되는 것을 거의 방지할 수 있다.

또한 상기 준1차원 물질(42)을 대략 평행하게 배분하는 대신에, 준1차원 물자를 그물코모양(network-like)으로 배분하여, 준2차원 물질을 구성하도록 하여도 좋다.

준1차원 물질(31, 42)로서는 카본·나노튜브를 이용할 수 있다.

도 5, 도 6을 참조하여, 전자인출전극(40)을 카본·나노튜브의 가교에 의해 구성하는 예를 설명한다.

전자공급체(20)와 절연 격리부재(70)를 통해 배치되는 전자인출전극(40)으로서, 그 기체(基體)(44)를 한 쌍, 서로 대향시켜 배치한다. 이 기체(44)는, 구체적으로는 철, 코발트, 니켈 등의 촉매물질로 하고 절연 격리부재(70)의 윗면에 적층하는 것으로 전자공급체(20)와는 전기적으로 비도통상태로 한다.

분위기를 650℃ 부근으로 설정함과 동시에, 기체로서 메탄, 아세틸렌 등의 탄소계 가스를 적절하게 공급하고, 조건을 적절하게 유지함으로써 상기 기체(44) 상에 카본·나노튜브, 혹은 이와 유사한 준1차원 물질을 성장시켜, 기체(44, 44) 사이에 가교체(45)를 생성시킨다. 개개의 카본·나노튜브는 준1차원 물질이지만, 다수의 카본·나노튜브가 한 쌍의 기체(44) 사이에 가교체(45)를 구성함으로써 준2차원 물질로 이루어지는 전자인출전극(40)을 구성한다.

전자공급체(20)와 상기 기체(44)와의 사이에 전자인출전원(41)이 접속되어, 전자인출전원(41)에 의해 기체(44)에 플러스 전압이 가해짐으로써 가교체(45) 내의 플러스 전하에 의해 전자방출 포트(30)(복수의 준1차 물질을 세워서 설치 구성)내의 전자(e)가 쿨롱력에 의해 가까이 끌어당길 수 있어, 전계방출된다.

전계방출된 전자(e)는 전자인출전극(4)으로 향하여 비상하지만, 준2차원 물질의 가교체(45)를 터널 현상에 의해 뚫고 나가고, 전자수용체(50)로 향한다.

도 7을 참조하여, 전자수용체(50)의 구체적 구성의 일례를 설명한다.

이 예에서는, 전자수용체(50)는, 플러스 전하부재(51)와 절연부재(52)와 도전부재(53)와 수전부재(54)로 이루어진다.

도면에 나타나 있지 않은 전원에 의해 플러스 전하가 가해지는 플러스 전하부재(51)의 전면에 절연부재(52)의 층을 통하여 도전부재(53)의 층이 적층되어, 이 도전부재(53)에 수전부재(54)가 다수정렬한 상태로 설치되어 있다. 상기 도전부재(53)는 도전성 투명막(ITO)으로 할 수 있다.

전자공급체(20)의 전자방출 포트(30)로부터 전계 방출되어, 준2차원 물질로 이루어지는 전자인출전극(40)을 터널 현상에 의해 관통한 전자(e)는, 전자수용체(50)의 플러스 전하부재(51)에 의해 끌려, 수전부재(54)에 접근하고, 거기에 흡수된다. 흡수되지 않은 전자(e)는 도전부재(53)에 흡수된다. 이 때, 플러스 전하부재(51)와 도전부재(53)와의 사이는 절연부재(52)에 의해 전자의 이동이 저지되어 있다. 따라서 최종적으로는, 수전부재(54)로 이동한다. 그 결과로서, 수전부재(54)에는 전자(e)가 마이너스 전하로서 축적된다. 이 축적된 전자(e)는, 전력취출 회로(60)(도 1, 도 2 참조)의 전기적 부하(61)를 통과시킴으로써 전기 에너지로서 이용가능해진다.

도 8을 참조하여, 제1실시예에 관한 전계방출 발전 장치의 구성에 수전자위치 분산 수단(90)을 부가한 예를 설명한다.

수전자 위치 분산 수단(90)은, 전계방출된 전자(e)를 수집하는 전자수용체(50)에 대하여, 전자수용체(50)로 향하는 전자(e)의 궤도(orb)을 분산시킴으로써 전자수용체(50)에서의 수전자위치가 집중하는 것을 방지하기 위한 것이다.

수전자위치 분산 수단(90)은, 전자수용체(50)의 앞쪽으로 배치되어, 전자수용체(50)로 향하는 전자(e)의 궤도를 주기적으로 또는 랜덤하게 변경한다.

도 8에서는, 전자수용체(50)를, 도 1이나 도 2에 나타낸 상태로부터 90도 회전시켜서 나타내고 있다. 그러나, 이것은 설명이 쉽도록 회전하여 나타내고 있는 것일 뿐이다.

수전자위치 분산 수단(90)은, 수평방향의 2매의 편향판(92, 92)과 수직방향의 2매의 편향판(94, 94)과 수평방향의 주사 전자회로(91)와 수직방향의 주사 전자회로(93)로 구성되어, 수평방향의 2매의 편향판(92, 92)은 수평방향의 주사 전자회로(91)에 의해 수평방향으로 스캔하는 상기 신호가 가해지고, 수직방향의 2매의 편향판(94, 94)은 수직방향의 주사 전자회로(93)에 의해 수직방향으로 스캔하는 상기신호가 가해진다. 수평방향의 주사 신호에 의해 발생하는 수평방향의 전계의 변화에 의해, 전자(e)의 궤도(orb)는 수평방향으로 구부릴 수 있다. 또한 수직방향의 주사 신호에 의해 발생하는 수직방향의 전계의 변화에 의해, 전자(e)의 궤도(orb)는 수직방향으로 구부릴 수 있다. 수평방향주사와 수직방향주사의 조합에 의해, 전자(e)의 궤도(orb)는 주기적으로 또는 랜덤하게 변경되어, 결과적으로 전자(e)는 전자수용체(50)의 넓은 범위에 분산되어서 수전된다. 이것에 의해, 전자(e)가 전자수용체(50)의 좁은 범위에 집중하여 수전됨으로써 생기는 전자수용체(50)의 파손, 파괴가 방지되어, 내구성을 증대시킬 수 있다.

도 9을 참조하여, 제1실시예에 관한 전계방출 발전 장치의 구성에 전자분배 수단(100)을 부가한 예를 설명한다.

진공 중을 비상하는 전자(e)의 전하가 -q 쿨롱이며, 그 속도가 v이며, 전자(e)가 전자수용체(50)에 접근할 경우를 고찰한다. 전자수용체(50)에 축적된 전하가 -q 쿨롱이면, 양자의 전하의 곱인 q×Q에 비례하는 쿨롱의 반발력이 작용한다. 전자(e)의 속도(v)가 클 경우에는, 전자(e)는 쿨롱의 반발력을 극복하여 전자수용체(50)에 충돌하는 것은 가능하다. 그러나 속도(v)가 작을 경우에는, 쿨롱력의 반발력의 작용으로 의해 전자(e)는 전자수용체(50)에 도달하는 것이 불가능하게 된다. 따라서 전자수용체(50)에 축적되는 마이너스 전하의 량이 한정되어, 쿨롱의 반발력에 의해 충돌하지 않은 전자는 가해진 전원의 플러스 극에 흡수되는 등, 전기 에너지의 발생 효율이 저하한다. 따라서 진공 중을 비상하는 전자(e)의 모두를 전자수용체(50)에 흡수시키는 것이 중요하게 된다.

전자분배 수단(100)은, 전자수용체(50)의 앞쪽으로 배치하고, 전자인출전극(40)을 관통하여 전자수용체(50)로 향하는 전자(e)를 분배하는 것이다. 다시 말해, 전자인출전극(40)과 전자수용체(50)와의 사이의 전기절연장(F) (도 1, 도 2을 참조)에, 한 쌍의 분배 전극(101, 102)을 대향시켜 배분하고, 그 전극(101, 102) 사이를 전자(e)가 통과하도록 구성한다. 상기 한 쌍의 분배 전극(101, 102)에 대하여는 교류전원(103)을 접속하고, 한 쪽의 분배 전극(101)(102)에 플러스 전압이 가해질 경우에는, 다른 하나의 분배 전극(102)(101)에는 마이너스 전압이 가해지도록 한다.

상기 전자분배 수단(100)을 설치할 경우에는, 상기 전자수용체(50)의 구성으 로서, 분배된 전자를 수취하는 여러 개의 전자수용체(50)를 설치한다. 즉 도 9에 있어서, 전자수용체(50)는, 절연부재(55)에 의해 서로 절연한 상태로 하여, 제1전자수용체(56)와 제2전자수용체(57)을 배치한다.

이상과 같은 구성에 있어서, 상기 교류전원(103)을 온(on) 하면, 한 쌍의 분배 전극(101, 102)에는 일정한 주기로 플러스 전위와 마이너스 전위가 가해진다.

이제, 도면상, 왼쪽 분배 전극(101)에 플러스 전위, 오른쪽의 분배 전극(102)에 마이너스 전위가 가해지고 있는 기간에는, 비상전자(e)는 플러스 전위의 방향(좌측 방향)에 궤도를 구부릴 수 있어, 왼쪽 제1전자수용체(56)에 충돌, 흡수된다. 또한 오른쪽의 분배 전극(102)에 플러스 전위, 왼쪽 분배 전극(101)에 마이너스 전위가 가해지고 있는 기간에는, 비상전자(e)는 우측 방향으로 궤도를 구부릴 수 있어, 오른쪽의 제2전자수용체(57)에 충돌, 흡수된다. 이렇게 하여, 일정한 주기로 좌우의 제1전자수용체(56)와 제2전자수용체(57)에 전자를 분배되어 수집된다.

전자(e)의 수집이 한 쌍의 전자수용체(56, 57)에 의해 교대로 행하여짐으로써 제1전자수용체(56)와 제2전자수용체(57)의 각각에서는 전자(e)의 수용이 행하여지지 않고 있는 기간에 있어서는, 머물고 있는 전자(e)를 외부에 유출시켜서 전력에 제공함과 동시에, 전자수용체(56, 57) 안의 전자(e)량을 감하여 다음 주기에서의 전자수취의 준비로 할 수 있다.

도 10을 참조하여, 분배 수단(100)에 의해 상기 제1전자수용체(56) 및 제2전자수용체(57)에 분배되어 축적된 전자(e)를 취출하고, 전력공급에 제공하는 전력취출 회로(60)의 구체적인 예의 하나를 설명한다.

전력취출 회로(60)에는, 변압기(62)를 설치하고, 그 1차 코일(63)의 일단(63a)을 제1전자수용체(56)에 접속하고, 일차 코일(63)의 타단(63b)을 제2전자수용체(57)에 접속한다. 또한 일차 코일(63)의 중앙부에 중간단자(63c)를 설치하고, 이 중간단자(63c)를 전자공급체(20)에 접속하도록 구성한다. 변압기(62)의 2차 코일(64)의 양단(64a, 64b) 간에 전압이 출력된다. 따라서 이 양단(64a, 64b) 간에 전기적 부하(65)를 접속함으로써 전기적 부하에 대하여 전력을 공급하여 일을 시킬 수 있다.

상기 전자분배 수단(100)에 의해 왼쪽 분배 전극(101)에 플러스 전위가 가해지고 있는 기간은, 전자는 제1전자수용체(56)에 받아들여져서 축적된다. 제1전자수용체(56)에 축적된 전자(e)는, 전력취출 회로(60)의 1차 코일(63)에 그 일단(63a)으로부터 흘러 가, 중간단자(63c)를 통해 전자공급체(20)로 이동한다 (순환한다). 이 때, 변압기(62)의 2차 코일(64)에는 자속이 발생하고, 전압이 발생한다. 보통은 2차 코일(64) 측에 전기적 부하(65)가 접속되므로, 전기적 부하(65)에 전류가 흐름으로써 반대기전력이 발생하고, 이 반대기전력에 의해, 제1전자수용체(56)로부터 일차 코일(63)을 통해 전자공급체(20)로 이동하는 전자의 량이 제한된다. 이 때문에 제1전자수용체(56)에 축적된 전자(e)가 충분하게 방전될 때까지는 시간을 필요로 한다.

한편, 소정의 사이클로 상기 교류전원(103)의 전압이 변화됨으로써 상기 전자분배 수단(100)의 왼쪽 분배 전극(101)이 마이너스 전위가 되고, 오른쪽의 분배 전극(102)이 플러스 전위가 되면, 비상전자(e)는 제2전자수용체(57)에 받아들여져 서 축적된다. 제2전자수용체(57)에 축적된 전자(e)는, 전력취출 회로(60)의 1차 코일(63)에 그 타단(63b)으로부터 흘러 가, 중간단자(63c)를 통해 전자공급체(20)로 이동한다 (순환한다). 이 때, 변압기(62)의 2차 코일(64)에는, 전회와는 반대의 자속이 발생하고, 플러스 마이너스가 반대인 전압이 발생한다. 다시 말해, 전기적 부하(65)에 흐르는 전류가 전회와는 역방향이 된다. 2차 코일(64)의 전기적 부하(65)에 전류가 흐름으로써 반대기전력이 발생하고, 이 반대기전력에 의해, 제2전자수용체(57)로부터 일차 코일(63)을 통해 전자공급체(20)로 이동하는 전자의 량이 제한된다. 이 때문에 제2전자수용체(57)에 축적된 전자(e)가 충분하게 방전될 때까지는 시간을 필요로 한다.

한편 이 기간에서는, 상기 제1전자수용체(56)에 도달하는 전자(e)는 존재하지 않으므로, 제1전자수용체(56)에 축적된 전자(e)의 거의 전부는 변압기(62)의 1차 코일(63)을 경유하여 전자공급체(20)에 귀환한다. 다시 말해, 이 기간에 제1전자수용체(56)에 축적된 전자(e)는 거의 방전된다. 따라서 제1전자수용체(56)는, 이 기간에 다음 주기에 있어서의 전자(e)의 수락 태세가 갖춰진다.

제2전자수용체(57)의 경우도 같은 경과를 거쳐, 전자의 수락과 방전에 의한 수락 태세의 정돈이 행하여진다.

또한 상기 전력취출 회로(60)의 2차 코일(64) 측에서는 교류전압이 발전된다.

이상과 같이, 전자분배 수단(100)에 의해, 전계방출전자(e)를, 2개의 전자수용체, 즉 제1전자수용체(56)와 제2전자수용체(57)에 교대로 분배하여 수용시킴으로 써 전자수용체에 대량의 전자(e)가 축적되는 것을 방지할 수 있고, 따라서 더욱 전자(e)의 수용을 방해할 수 있다고 하는 단점을 회피할 수 있고, 양호하게 효율적으로 전계방출전자(e)를 받아 들여서, 또한 전자공급체(20)에 귀환시키는 것이 가능해진다.

따라서 본 발명의 발전 장치에 있어서의 최대의 문제점인 전하의 축적 현상에 의한 전기 에너지 발생의 효율의 저하를 저지하는 것이 가능해지고, 고효율이 발전 장치를 제공할 수 있다.

도 11을 참조하여, 제1실시예에 관한 전계방출 발전 장치의 구성에, 전자수용체에 도달한 전자가 2차 방출되는 것을 방지하기 위한 2차 방출 방지 수단(110)을 부가한 일례를 설명한다.

이 예에서는, 전자수용체(50)의 전면(50a), 즉 비상하여 오는 전자(e)를 수취하는 면(50a)의 주위를 둘러싸도록 하여 절연부재로부터 이루어지는 절연 주위벽(111)을 설치하고, 절연 주위벽(111)의 개구부에 게이트부재(112)을 배치한다. 게이트부재(112)의 중앙부근에는 전자수입구(113)를 설치하고 있다. 또한 전자수용체(50)의 전면(50a)은 중앙부가 높고 가장자리가 낮아지도록 경사면으로 한다.

그리고 전원(114)을 설치하고, 절연 주위벽(111)으로 격리된 상기 게이트부재(112)에 마이너스 전압, 상기 전자수용체(50)에 플러스 전압이 각각 가해지도록 한다.

게이트부재(112)의 전자수입구(113)를 통과한 전자(e)는, 전자수용체(50)의 표면(50a)에 충돌한다. 충돌한 전자(e) 또는 2차적으로 비상하여 나온 전자(e)는 구부러진 전자궤도(orb)로 진행되고, 최종적으로는 전자수용체(50)에 흡수된다. 게이트부재(112)와 전자수용체(50)와의 사이에 발생하는 전계는, 비상전자(e)를 전자수용체(50)에 접근시키는 힘이 되어서 일하므로, 게이트부재(112)의 전자수입구(113)를 통과한 전자(e)의 모두가 전자수용체(50)에 흡수된다.

전자수용체(50)에 흡수된 전자(e)는, 전력취출 회로(60)를 거쳐 전자공급체(20)에 귀환함과 동시에, 도중의 전기적 부하(61)로 이용된다.

또한 상기 전자수용체(50)에 가해지는 플러스 전압은 낮게 또는 제로에 가까운 쪽이, 수집한 전자의 이용 효율이 좋아진다.

도 12을 참조하여, 제1실시예에 관한 전계방출 발전 장치의 구성에, 전자수용체(50)에 도달한 전자가 2차 방출되는 것을 방지하기 위한 2차 방출 방지 수단(110)을 부가한 다른 하나의 예를 설명한다.

이 예에서는, 전자수용체(50)의 전면에 준2차원 절연 물질(115)을 통하여 준2차원 도전 물질(116)을 적층하고 있다. 그리하여, 전원(117a)을 설치하고, 준2차원 절연 물질(115)로 격리된 상기 준2차원 도전 물질(116)에 마이너스 전압, 상기 전자수용체(50)에 플러스 전압이 각각 가해지도록 구성하고 있다.

전자수용체(50)로 향하는 비상전자(e)는, 준2차원 도전 물질(116)에 충돌하면, 준2차원 도전 물질(116) 중을 터널 현상에 의해 빠져 나가고, 또한 준2차원 절연 물질(115)도 터널 현상에 의해 빠져 나가고, 전자수용체(50)에 충돌하고, 흡수된다.

전자수용체(50)에 충돌한 전자(e)는 속도가 저하하고, 또한 준2차원 도전 물 질(116)에 축적된 마이너스 전하에 의한 쿨롱력을 받으므로, 전자수용체(50)로부터 다시 준2차원 절연 물질(115)이나 준2차원 도전 물질(116)을 통과하여 외부로 비상하여 나가는 것이 방지된다. 다시 말해, 전자수용체(50)에 도달한 전자(e)가 2차 방출되는 것이 방지된다.

도 13을 참조하여, 제1실시예에 관한 전계방출 발전 장치의 구성에, 전자수용체(50)에 도달한 전자가 2차 방출되는 것을 방지하기 위한 2차 방출 방지 수단(110)을 부가한 또 다른 일례를 설명한다.

이 예에서는, 전자수용체(50)의 배면에 절연부재(118)를 통하여 도전 물질(119)을 배치하고, 이 도전 물질(119)에 전원(117b)으로부터의 플러스 전압이 가해지도록 구성하고 있다.

도전 물질(119)에 축적된 플러스 전하에 의해, 전자수용체(50)의 상기 도전 물질(119) 측의 표면(배면)에 마이너스 전하가 유도되어, 전자수용체(50)의 전면(전자(e)를 수취하는 면)에 플러스 전하가 유도된다.

상기 전자수용체(50)의 전면에 유도된 플러스 전하에 의해, 비상전자(e)를 가까이 끌어당길 수 있어, 전자수용체(50)의 전면에 확실하게 도달한다. 전자수용체(50)에 도달하여 수집된 전자(e)는, 전력취출 회로(60)를 통해, 전기 에너지로 서 이용할 수 있다.

도 14을 참조하여, 도 12에 나타낸 2차 방출 방지 수단을 적용한 본 발명의 제2실시예에 관한 전계방출 발전 장치를 설명한다.

이 제2실시예에 관한 전계방출 발전 장치에서는, 전계방출된 전자(e)가 전자 인출전극(40)에 흡수되는 것을 방지하는 전자흡수방지 수단으로서, 전자인출전극(40)을 준2차원 물질로 하고 이것에 의해 전자가 전자인출전극(40)을 터널 현상에 의해 통과하도록 한 점에 있어서, 상기 제1실시예와 공통된다.

한편, 제1 실시예에서는 전자공급체(20)와 전자인출전극(40)의 사이의 전기절연장(F)을 절연 공간으로 한 것에 대해, 이 제2실시예에서는 전자공급체(20)와 전자인출전극(40)의 사이의 전기절연장(F)을, 절연 물질의 층으로 구성한 점에 있어서 다르다. 실제로는 전기절연장(F)을 준2차원 절연 물질층으로 구성하고, 전자공급체(20)로부터 전계방출된 전자(e)가 터널 현상에 의해 준2차원의 절연 물질로 이루어지는 전기절연장(F)을 관통하도록 하고 있다.

전기절연장(F)을 공간이 아닌 절연 물질로 구성함으로써 고체 칩으로부터 이루어지는 발전 장치나 그 모듈을 용이하게 구성하는 것이 가능하게 된다. 발전 모듈을 다수개 집합시킴으로써 발전 출력을 증대시키는 것이 가능해진다.

전자공급체(20)의 상기 전기절연장(F)에 면하는 표면에는, 도면에 나타내지는 않고 있지만, 준1차원 물질로 이루어지는 전자방출 포트(30)를 구성하고, 전자(e)가 전계방출하기 쉽도록 하고 있다. 이 경우, 전자공급체(20)의 윗면의 중앙영역에 준1차원 물질이 물리적 또는 화학적으로 세워서 설치되어서 전자방출 포트(30)가 구성되어, 전자공급체(20)의 윗면의 주변에서는 전기절연장(F)이 전자공급체(20) 상에 직접적으로 적층되어서 일체화된 구성으로 할 수 있다.

상기 전자인출전극(40)과 전자공급체(20)와의 사이에는 전자인출전원(41)에 의한 전압이 부가된다.

전자인출전극(40)의 배후는, 2산화 실리콘 등의 절연 격리부재(72)의 적층에 의해 전기절연장(F)이 진공공간(감압 공간)으로서 구성되어, 이 전기절연장(F) 및 절연 격리부재(72)을 통해, 2차 방출 방지 수단(110) (115,116,117a,)이 설치되어, 또한 그 배후에 전자수용체(50)가 배치되어 있다.

상기 2차 방출 방지 수단(110)은, 이미 도 12에서 설명한 것 같이, 준2차원 절연 물질(115)이 전자수용체(50)에 적층되어, 또한 그 위에 준2차원 도전 물질(116)이 적층되는 형태로 구성되어 있다. 그리하여 전원(117a)에 의해 준2차원 도전 물질(116)이 마이너스 전압, 전자수용체(50)가 플러스 전압이 되도록 되어 있다.

상기 절연 격리부재(72)와 전자인출전극(40)과 준2차원 도전 물질(116)로 둘러싸여진 진공의 전기절연장(F)은, 외부로부터 완전하게 격리된 공간으로 하고 있다. 다시 말해 이 도 14에 나타낸 장치는, 주위를 진공용기(10)로 둘러싸는 필요가 없는 고체장치로서 구성할 수 있다.

전자인출전극(4)1에 의해 형성되는 전계에 의해, 전자(e)가 전자공급체(20)로부터 전자방출 포트(30)를 거쳐 전계방출된다. 전계방출된 전자(e)는 준2차원 물질로 이루어지는 전기절연장(F)을 터널 현상으로 통과하고, 준2차원 물질로 이루어지는 전자인출전극(40)도 터널 현상으로 통과하고, 절연 격리부재(72)로 둘러싸여진 진공의 전기절연장(F)에 들어간다. 또한 전기절연장(F)을 비상하여 준2차원 도전 물질(116)에 도달하지만, 준2차원 도전 물질(116)은 두께가 지극히 얇으므로, 이것을 터널 현상으로 통과한다. 또한 준2차원 절연 부실(115)도 터널 현상으로 통과하고, 전자수용체(50)에 도달하고, 흡수된다. 전자수용체(50)에 일단 도달한 전자(e)는 준2차원 도전 물질(115)의 마이너스 전위에 의해, 다시 2차 방출되는 것이 방지된다.

전자수용체(50)에 흡수된 전자(e)에는 여전히 전하가 존재하므로, 전자(e)를 상기 취출 회로(60)를 사용하여 외부로 취출하고, 전기적 부하(61)를 통하여 전기 에너지로서 이용하는 것이 가능해진다.

도 15을 참조하여, 도 13에 나타낸 2차 방출 방지 수단을 적용한 본 발명의 제2실시예에 관한 전계방출 발전 장치의 다른 예를 설명한다.

이 도 15에 나타낸 장치는, 도 14에 나타낸 2차 방출 수단(110) (115,116,117a)을 도 13에 나타낸 것에 대신하고 있다.

본 장치에서는, 도 14에 나타낸 장치의 경우와 유사하게, 전자공급체(20)와 전자인출전극(40)의 사이의 전기절연장(F)을, 절연 물질의 층으로 구성하고 있다. 즉 전자공급체(20), 전자방출 포트(30)(도시 생략), 준2차원 절연 물질의 층으로 구성한 전기절연장(F), 전자인출전극(40), 전자인출전원(41)을 설치하는 구성은, 도 14에 나타낸 구성과 같다.

전자인출전극(40)의 배후는, 2산화 실리콘 등의 절연 격리부재(73)의 적층에 의해 전기절연장(F)이 진공공간(감압 공간)으로서 구성되어, 이 전기절연장(F) 및 절연 격리부재(73)을 통하여 전자수용체(50)가 배치되어 있다. 또한 전자수용체(50)의 배후에 2차 방출 방지 수단(110) (118,119,117b)이 설치되어 있다.

상기 2차 방출 방지 수단(110)은, 이미 도 13에 있어서 설명한 것 같이, 전 자수용체(50)의 배면에 절연 물질(118) 및 상기 절연 물질(118)로 둘러싸여진 진공의 전기절연장(F)을 통하여 도전 물질(119)이 배치되어, 이 도전 물질(119)에 전원(117b)에 의한 플러스 전압이 가해지도록 구성하고 있다. 전원(117b)의 마이너스 전극은 전자인출전원(41)의 플러스 전극과 접속되어, 중간위치에서 전자인출전극(40)에 접속되어 있다.

도전 물질(119)에 축적된 플러스 전하에 의해, 전자수용체(50)의 상기 도전 물질(119) 측의 표면(배면)에 마이너스 전하가 유도되어, 전자수용체(50)의 전면(전자(e)를 수취하는 면)에 플러스 전하가 유도된다. 이 전자수용체(50)의 전면에 유도된 플러스 전하에 의해, 전기절연장(F)을 비상하는 전자(e)를 가까이 끌어당길 수 있어, 전자수용체(50)의 전면에 확실하게 도달한다. 전자수용체(50)에 도달하여 수집된 전자(e)는, 전력취출 회로(60)를 통해, 전기 에너지로서 이용할 수 있다.

상기 절연 격리부재(73)과 전자인출전극(40)과 전자수용체(50)로 둘러싸여진 진공의 전기절연장(F), 상기 절연 물질(118)과 전자수용체(50)와 도전 물질(119)로 둘러싸여진 진공의 전기절연장(F)은, 외부로부터 완전하게 격리된 공간으로 되고 있다. 다시 말해, 이 도 15에 나타낸 장치의 경우도 상기 도 14에 나타낸 장치와 유사하게, 주위를 진공용기(10)로 둘러싸는 필요가 없는 고체장치로서 구성할 수 있다.

도 16을 참조하여, 교류전원을 사용하여, 전계방출되는 전자(e)의 방향을 교대로 반대 방향으로 변경하는 것이 가능하도록 한 본 발명의 제2실시예에 관한 전 계방출 발전 장치의 또 다른 일례를 설명한다.

전자공급체(20)와 준2차원 물질로 이루이진 상기 인출전극(40)을 구비하고, 상기 전자공급체(20)와 상기 인출전극(40)의 사이에 준2차원 절연 물질로 이루어지는 전기절연장(F)이 적층되어 있다. 상기 전자공급체(20)의 상기 전기절연장(F)에 면하는 표면에는, 도면에 나타내지는 않고 있지만, 다수의 준1차원 물질을 전자방출방향으로 세워서 설치하여 된 전자방출 포트(30)를 구성하고, 전자(e)가 전계방출하기 쉽도록 하고 있다. 전자공급체(20), 전자방출 포트(30), 상기 인출전극(40)의 구성은 도 14, 도 15에 나타낸 장치와 같다.

전자수용체(50)의 전면에는 준2차원 절연 물질로 이루어지는 전기절연장(F)을 통하여 준2차원 물질로 이루어지는 전자수집 전극(140)이 적층되어 있다. 상기 전자수용체(50)의 상기 전기절연장(F)에 면하는 표면에는, 도면에 나타내지는 않고 있지만, 준1차원 물질로 이루어지는 전자수집 포트(130)를 구성하여, 전자(e)를 수취하기 쉽게 하고 있다.

이 전자수집 포트(130)의 생성 또는 구성은, 앞서 서술한 전자방출 포트(30)의 생성 또는 구성과 유사하게 할 수 있다.

상기 전자인출전극(40)과 전자수집 전극(140)과는 절연 격리부재(74)을 통하여 서로 접합되어, 그 동안에 절연 격리부재(74)로 둘러싸여진 진공 또는 감압 공간에서 이루어지는 전기절연장(F)을 개재시키고 있다.

상기 전자공급체(20)와 전자인출전극(40)의 사이에는 전자인출 및 전자수집을 위한 교류전원(121)이 접속되어, 상기 전자수용체(50)와 전자수집 전극(140)과 의 사이에도 전자인출 및 수집을 위한 교류전원(122)이 접속되어 있다.

교류전원(121)과 교류전원(122)은 주기를 동기시키고 있어, 전자인출전극(40)이 플러스 전위인 기간은 전자수집 전극(140)이 마이너스 전위가 되고, 전자인출전극(40)이 마이너스 전위인 기간은 전자수집 전극(140)이 플러스 전위가 되도록 구성하고 있다.

이상의 구성에 관련되는 장치에서는, 전자공급체(20)와 전자인출전극(40)의 사이의 전기절연장(F) 및 전자수용체(50)와 전자수집 전극(140)과의 사이의 전기절연장(F)이 모두 절연 물질로 구성되고, 또한 절연 격리부재(74)로 둘러싸여진 진공 또는 감압 공간에서 이루어지는 전기절연장(F)도 고체 내에 구성하는 것이 가능하기 때문에, 결국, 진공용기(10) 등의 케이스를 필요로 하는 않아, 고체의 발전 장치나 고체의 발전 모듈, 발전 소자를 구성할 수 있다.

이제, 교류전원(121, 122)으로서, 펄스 장파형을 가지는 플러스 마이너스의 전압을 교대로 가해진 경우의 상황을, 도 17, 도 18을 참조하여 설명한다.

우선 교류전원(121, 122)이, 플러스 반기(半期)로서, 전자인출전극(40) 및 전자수용체(50)에 플러스 전압, 전자공급체(20) 및 전자수집 전극(140)에 마이너스 전압이 가해지고 있는 경우에는, 도 17에 나타낸 상태가 된다.

다시 말해 이 경우에는, 전자인출전극(40)의 플러스 전하에 의해, 전자공급체(20)로부터 전자방출 포트(30)를 거쳐 전자(e)가 전기절연장(F)에 전계방출된다. 전기절연장(F)은 준2차원 물질로 이루어지므로, 전자(e)는 터널 현상에 의해 전기절연장(F)을 통과한다. 또한 준2차원 물질로 이루어지는 전자인출전극(40)도 터널 효과로 통과하고, 2산화 실리콘으로 이루어지는 절연 격리부재(74)로 둘러싸여진 진공 또는 감압 공간으로 이루어진 전기절연장(F)에 들어간다. 이 때, 전자수용체(50)에는 플러스 전위가, 전자수집 전극(140)에는 마이너스 전위가 가해지고 있다. 상기 전기절연장(F)에 들어가서 비상하는 전자(e)는 전자수집 전극(140)에 도달하지만, 전자수집 전극(140)이 준2차원 물질로 이루어지므로, 터널 현상에 의해 통과한다. 또한 준2차원 절연 물질로 이루어지는 전기절연장(F)도 터널 현상에 의해 통과하고, 전자수집 포트(130)를 통하여 전자수용체(50)에 도달한다. 전자수용체(50)로부터 2차 방출되도록 한 전자(e)는, 마이너스 전위에 있는 전자수집 전극(140)에 의해 억제된다.

전자수용체(50)에 수집된 전자(e)는, 전력취출 회로(60)로 이동됨으로써 전기적 부하(61)에서 전기 에너지로서 이용된다.

다음에 교류전원(121, 122)이, 마이너스 반기(半期)로서, 전자수집 전극(140) 및 전자공급체(20)에 플러스 전압, 전자수용체(50)와 전자인출전극(40)에 마이너스 전압이 가해지고 있는 경우에는, 도 18에 나타낸 상태가 된다.

다시 말해 이 반기에 있어서는, 상기 전자수용체(50)가 전자공급체가 되고, 상기 전자수집 전극(140)이 전자인출전극이 된다. 또한 상기 전자수용체(50)의 표면에 구성되는 전자수집 포트(130)은 전자방출 포트가 된다. 그리하여 상기 전자공급체(20)는 전자수용체가 되고, 상기 전자인출전극(40)은 전자수집 전극이 된다. 또한 상기 전자공급체(20)의 표면에 구성된 전자방출 포트(30)는 전자수집 포트가 된다.

전자수집 전극(140)에 가해진 플러스 전압에 의해, 전자수용체(50)로부터 전자수집 포트(130)를 거쳐 전자(e)가 전기절연장(F)에 전계방출된다. 전기절연장(F)은 준2차원 물질로 이루어지므로, 전자(e)는 터널 현상에 의해 전기절연장(F)을 통과한다. 또한 준2차원 물질로 이루어지는 전자수집 전극(140)도 터널효과로 통과하고, 2산화 실리콘으로 이루어지는 절연 격리부재(74)로 둘러싸여진 진공 또는 감압 공간으로 이루어진 전기절연장(F)에 들어간다. 이 때, 전자공급체(20)에는 플러스 전위가, 전자인출전극(40)에는 마이너스 전위가 가해지고 있다. 상기 전기절연장(F)에 들어가서 비상하는 전자(e)는 전자인출전극(40)에 도달하지만, 전자인출전극(40)이 준2차원 물질로 이루어지므로, 터널 현상에 의해 통과한다. 또한 준2차원 절연 물질로 이루어지는 전기절연장(F)도 터널 현상에 의해 통과하고, 전자방출 포트(30)를 통해 전자공급체(20)에 도달한다. 전자공급체(20)로부터 2차 방출되도록 한 전자(e)는 마이너스 전위에 있는 전자인출전극(40)에 의해 억제된다.

전자공급체(20)에 수집된 전자(e)는, 전력취출 회로(60)로 이동됨으로써 전기적 부하(61)에서 전기 에너지로서 이용된다.

상기한 바와 같이 하여, 교류전원(121, 122)의 플러스 반주기에서는, 전자공급체(20) 내의 전자(e)가 전계방출되어서, 전자수용체(50)에 도달하고, 전력취출 회로(60)에는 전류(i)가 밑에서부터 위(전자공급체(20) 측에서 전자수용체(50) 측)로 흐른다. 또한 교류전원(121, 122)의 마이너스 반주기에서는, 전자수용체(50) 안의 전자(e)가 전계방출되어서, 전자공급체(20)에 도달하고, 전력취출 회로(60)에 는 전류(i)가 위에서 아래(전자수용체(50) 측에서 전자공급체(20) 측)로 흐른다. 다시 말해, 전력취출 회로(60)의 전기적 부하(61)에는, 교류의 전류(i)가 흐른다.

상기 전기적 부하(61)로서 변압기 등을 이용하여, 전압과 전류를 조정하고, 가정용 전원, 또는 공장용 전원으로서 이용하는 것이 가능해진다.

상기한 본 발명에서는, 태양광 등을 이용할 경우와 달리, 우천이라도 야간이라도 언제든지 발전하고, 이를 이용할 수 있다. 또한 열원 등도 필요로 하지 않으므로, 열사이클에 의한 열화도 문제가 안된다. 물론, 정지 장치다. 따라서 본 발명의 장치는, 내구성, 실용성, 편리성 등에 있어서도 또한 종래의 발전 장치에는 없는 뛰어난 면을 갖고 있다.

도 19을 참조하여, 본 발명의 제3실시예에 관한 전계방출 발전 장치를 설명한다.

이 제3실시예는, 전자공급체(20)의 전자방출 포트(30)로부터 전자인출전극(40)에 의해 전계방출된 전자(e)가, 전자인출전극(40)에 흡수되는 것을 방지하는 전자흡수방지 수단으로서, 전자인출전극(40)으로 향하여 비상하는 전자(e)의 궤도를 변경하는 전자궤도변경 전극을 설치한 점에 특징이 있다.

다시 말해, 상기의 제1, 제2 실시예에서는 전계방출한 전자(e)가 전자인출전극(40)에 흡수되는 것을 방지하기 위하여, 전자인출전극(40)을 준2차원 물질로 구성하고, 이것에 의해 전자(e)가 터널 현상에 의해 전자인출전극(40)을 통과하도록 하고 있었다. 그러나 본 제3 실시예에서는 전자흡수방지 수단으로서 전자궤도변경 전극을 사용하고 있다.

본제3 실시예에서는 전자인출전극(40)은, 비상전자(e)가 관통할 필요가 없기 때문에, 준2차원 물질로 할 필요는 없다.

진공 내지 감압된 공간에서 이루어지는 전기절연장(F)에, 전자공급체(20)가 배치되어 있다. 이 전자공급체(20)에 대하여 전자인출전극(40)이 대향하여 배치되어 있다. 전자인출전극(40)과 전자공급체(20)에는 전자인출전원(41)이, 전자인출전극(40)이 플러스 전압이고 전자공급체(20)가 마이너스 전압이 되도록 가해지고 있다.

상기 전자공급체(20)와 전자인출전극(40)의 간극에 대하여 직각인 옆쪽위치에, 제1 전자궤도변경 전극(151, 152)이 전원(153)과 함께 배치되어 있다. 또한 별도로 제2 전자궤도변경 전극(154, 155)이 전원(156)과 함께 배치되어, 비상전자(e)를 전자수용체(50)로 이끌도록 하고 있다.

전계방출전자(e)는 도면에 나타낸 전자궤도(orb)을 거쳐 전자수용체(50)에 도달된다.

상기 전자공급체(20)는, 전술의 실시예에 있어서도 설명했지만, 금속재료나 그 밖의 자유전자를 풍부하게 보유하는 재료로 구성된다.

상기 전자공급체(20)의 상기 인출전극(40)에 대향하는 면에는, 도 19에는 도시되지 않았지만, 전자방출 포트(30)가 설치되어 있다. 또한 전자방출 포트(30)는, 전자를 거기로부터 전계방출하는 기능을 하기 때문에, 상기 전자공급체(20)와 전기적으로 도통상태로 설치된다. 전자방출 포트(30)는, 전자의 전계방출에 대한 에너지 장벽이 작은 재료로 구성하는 것이 바람직하다. 또한 에너지 장벽이 작은 형상으로 구성하는 것이 바람직하다. 전자방출 포트(30)는 카본·나노튜브 등의 준1차원 물질을 복수 개, 전자공급체(20)의 표면에 세워서 설치하여 구성할 수 있다.

상기 전자인출전극(40)은, 상기 전자방출 포트(30)에 대하여 전계를 부가하고, 전자방출 포트(30)로부터 전자(e)를 전계방출시키기 위한 전극이다.

이 실시예의 경우에는, 전자인출전극(40)을 준2차원 물질로 구성할 필요가 없다. 따라서 전자인출전극(40)의 설비가 용이하게 제공할 수 있다.

상기 전자수용체(50)는, 전계방출된 전자를 수취하는 위한 것으로, 금속재료 등의 자유전자의 유지 능력이 큰 재료로 구성할 수 있다. 전자수용체(50)의 구성으로서는, 상기 도 7에서 설명한 부호 51∼54로부터 이루어지는 구성으로 할 수 있다. 또한 전자수용체(50)에는, 도 8에서 설명한 수전자위치 분산 수단(90), 도 9로 설명한 전자분배 수단(100), 도 11∼도 13에서 설명한 2차 방출 방지 수단(110)을 부설해도 좋다.

전자인출전극(40)에 플러스 전압이 가해짐으로써 전자공급체(20)로부터 전자방출 포트(30)를 거쳐 전자(e)가 전계 방출되어, 전자인출전극(40)을 향한다. 이 때, 전자공급체(20)와 전자인출전극(40)의 간극을 전자(e)가 비상할 때에, 제1 전자궤도변경 전극(151, 152)으로부터의 쿨롱력을 받고, 전자(e)가 플러스 전압이 가해진 제1 전자궤도변경 전극(151)으로 향하여 궤도를 변경한다. 이것에 의해 전계방출전자(e)가 전자인출전극(40)에 흡수되는 것이 방지된다.

상기 플러스 전압이 가해진 제1 전자궤도변경 전극(151)으로 향하는 궤도의 양측쪽에게 제2 전자궤도변경 전극(154, 155)이 배치되어 있다. 이 제2 전자궤도변경 전극(154, 155)에 의해, 비상전자(e) 궤도는 또한 변경되고, 전자궤도변경 전극(151)에도 충돌하지 않고 전자수용체(50)에 충돌하고, 흡수된다.

또한 상기 제1 전자궤도변경 전극(151, 152)과 제2 전자궤도변경 전극(154, 155)은, 반드시 두 쌍을 설치할 필요는 없다. 요컨대, 전자인출전극(40)으로 향하는 전자(e)를, 전자인출전극(40)으로부터 전자수용체(50)로 궤도변경시키는 수단으로서 1 내지 복수의 전자궤도변경 전극을 배치하면 좋다.

전자(e)를 수집한 전자수용체(50)는 마이너스 전하로 충전되므로, 전력취출 회로(60)에 의해 외부로 취출하고, 전기 에너지로서 이용할 수 있다.

도 20, 도 21을 참조하여, 제3실시예에 관한 전계방출 발전 장치의 구체적인 일례를 설명한다.

진공용기(10) 중에 상기 절연물질로 이루어진 프레임(160)이 설비되고, 상기 프레임(160)에 전자공급체(20)가 달려 있다. 또한 이 전자공급체(20)에 대향하여 전자인출전극(40)이 프레임(160)에 달려 있다. 전자인출전원(41)에 의해 전자인출전극(40)에 플러스 전압, 전자공급체(20)에 마이너스 전압이 가해지고 있다. 도시되지 않았지만, 상기 전자공급체(20)에는 준1차원 물질로 이루어지는 전자방출 포트(30)가 구성되어 있다.

전자인출전극(40)에 의해 전자공급체(20)로부터 전자방출 포트(30)를 통해 전자(e)가 전계방출된다.

상기 전자공급체(20)와 전자인출전극(40)의 간극의 옆쪽에 대향하고, 전자궤 도변경 전극(157)이 프레임(160)에 달려 있다. 전자궤도변경 전극(157)과 전자공급체(20)와는 전원(158)에 의해, 전자궤도변경 전극(157)이 플러스 전압, 전자공급체(20)가 마이너스 전압이 되도록 전압이 가해지고 있다.

전자공급체(20)로부터 진공 중에 전계방출된 전자(e)는, 전자궤도변경 전극(157)에 의해 궤도를 변경시켜, 화살표의 방향으로 비행하고, 한 쌍의 게이트부재(171, 172)로 구성된 개구(173)로부터 인입 공간(S)에 들어간다. 인입 공간(S)의 속에는 전자수용체(50)가 프레임(160)에 달려 있다.

상기 게이트부재(171, 172)는 프레임(160)에 달려, 전원(174, 175)에 의해 마이너스 전압이 가해지고 있다. 또한 상기 전자수용체(50)에는 전원(174, 175)에 의해 플러스 전압이 가해지고 있다.

상기 인입 공간(S)에 들어온 전자(e)는, 플러스 전하를 갖는 전자수용체(50)에 끌려서 도달하는 한편, 게이트부재(172, 173)에 반발되어, 개구(173)로부터 나올 수 없게 된다.

전자수용체(50)에 수집된 전자(e)는 전력취출 회로(60) (제1, 제2실시예를 참조)에 의해 취출되어, 전기적 부하(61)로 흐르는 것으로 전기 에너지로서 이용된다.

도 22, 23을 참조하여, 본 발명의 제4실시예에 관한 전계방출 발전 장치를 설명한다.

이 제4실시예는, 전자공급체(20)의 전자방출 포트(30)로부터 전자인출전극(40)에 의해 전계방출된 전자(e)가, 전자인출전극(40)에 흡수되는 것을 방지하는 전자흡수방지 수단으로서, 전자수용체(50)를 전자인출전극(40)의 앞쪽으로 배치함으로써 전자인출전극(40)으로 향하여 비상하는 전자(e)를 전자인출전극(40)의 앞에서 받도록 한 점에 특징이 있다.

다시 말해, 상기의 제1, 제2 실시예에서는 전계방출한 전자(e)가 전자인출전극(40)에 흡수되는 것을 방지하기 위하여, 전자인출전극(40)을 준2차원 물질로 구성하고, 또한 제3실시예에서는 전자궤도변경 전극을 사용하였다. 그러나 본제4 실시예에서는 전자흡수방지 수단으로서 전자인출전극(40) 앞에 전자수용체(50)를 배치하고 있다.

본제4 실시예에서는 전자인출전극(40)은, 비상전자(e)가 관통할 필요가 없기 때문에, 준2차원 물질로 구성할 필요는 없다.

도 22에 있어서, 전자공급체(20)에 전자방출 포트(30)가 전기도통상태로 배치되어 있다. 전자방출 포트(30)에 대하여, 전자수용체(50)를 대향시켜 배치시키고 있어, 그 전자수용체(50)의 배후에 전자인출전극(40)이 배치되어 있다. 상기 전자공급체(20), 전자방출 포트(30), 전자인출전극(40), 전자수용체(50)는, 도면에 나타나 있지 않은 진공용기(도 1의 진공용기(10) 참조)내에 설비되어, 분위기가 진공 내지 감압 상태인 공간으로 이루어진 전기절연장(F)로 되어 있다.

상기 전자인출전극(40)과 전자공급체(20)와의 사이는 전자인출전원(41)에 의해, 전자인출전극(40)에 플러스 전압이 가해지도록 되어 있다. 또한 상기 전자수용체(50)와 전자공급체(20)와의 사이에 전력취출 회로(60)가 설치되어, 전기적 부하(61)가 도중에 설치되어 있다.

이미 도 1에 나타낸 장치의 설명시 설명했지만, 상기 전자공급체(20)는, 전자를 공급하는 공급원이 되는 물질로 구성되어, 금속재료나 그 밖의 자유전자를 풍부하게 보유하는 재료로 구성된다. 또한 상기 전자방출 포트(30)는, 전자를 거기로부터 전계방출하는 기능을 하기 때문에, 상기 전자공급체(20)와 전기적으로 도통상태로 설치된다. 전자방출 포트(30)는, 전자의 전계방출에 대한 에너지 장벽이 작은 재료로 구성하는 것이 바람직하다. 또한 에너지 장벽이 작은 형상으로 구성하는 것이 바람직하다. 이 전자방출 포트(30)는, 카본·나노튜브 등의 준1차원 물질을 전자공급체(20)의 표면에 성장시키는 등 하여, 다수의 준1차원 물질이 전자공급체(20)의 표면에 세워서 설치한 상태로 구성한다.

상기 전자인출전극(40)은, 상기 전자방출 포트(30)에 대하여 전계를 부가하고, 전자방출 포트(30)로부터 전자(e)를 전계방출시키기 위한 전극이다.

상기 전자수용체(50)는 원추형상으로 하고 그 원추형상의 첨단측을 전자방출 포트(30) 측에, 원추형상의 후단측의 배면을 상기 전자인출전극(40) 측으로 하여 배치하고 있다. 이 전자수용체(50)는 금속재료 등의 자유전자의 유지 능력이 큰 재료로 구성할 수 있다.

플러스 전압이 가해진 전자인출전극(40)에 의해, 전자공급체(20)로부터 전자방출 포트(30)를 통해, 전자(e)가 전계방출된다. 이 전계방출전자(e)는 전자수용체(50)에 충돌하고, 흡수된다. 전자(e)를 흡수한 전자수용체(50)에는 전자(e)가 마이너스 전하로서 축적된다. 축적된 전자(e)는 전력취출 회로(60)를, 전기적 부하(61)를 통하여 전자공급체(20)에 피드백하는 것에 의해, 전기 에너지로서 이용가 능해진다.

도 23에는, 전자(e)가 전계방출될 경우의 전압과 전류의 관계가 나타내어져 있다. 이 도면에는 2종류의 전계방출특성이 기재되어 있다. 전자가 emission(전계방출)을 시작하는 전압을 역치전압이라고 부른다. 역치전압(Va)보다 높은 전압이 가해지면, 전계방출에 의한 전류(i)가 흐르기 시작할 경우에는, 이것을 낮은 역치전압(Va)이라고 부른다. 역치전압(Ｖb)보다도 높은 전압이 가해지면, 전계방출에 의한 전류(i)가 흐르기 시작할 경우에는, 이것을 높은 역치전압(Ｖb)이라고 부른다. 도 22에 있어서, 원추형상의 전자수용체(50)는 전자인출전극(40)과 전자방출 포트(30)와의 사이에 위치한다. 전계가 전자인출전극(40)과 전자공급체(20)에 가해지고 있으므로, 전자인출전극(40)과 전자수용체(50)와의 사이에 전계가 존재한다. 또한 전자수용체(50)와 전자방출 포트(30)와의 사이에도 존재한다.

본 실시예의 경우, 전자인출전극(40)과 전자수용체(50)가 마주 향하는 면은 서로 거의 평면이며, 전계의 집중 현상이 발생하지 않으므로, 전자(e)의 전계방출은 일어나기 어렵다. 다시 말해, 그 영역에 있어서의 전자의 전계방출특성은 도 2 3에 있어서 높은 역치전압(Ｖb)이 되고, 전자수용체(50)로부터 전자인출전극(40)에 전자(e)가 이동하는 것은 거의 없다. 그런데, 전자수용체(50)와 전자방출 포트(30)는 서로 가늘게 뾰족해지면서 마주 향한다. 양자의 거리도 짧으므로, 전계의 집중 현상이 발생하고, 이 경우에는 낮은 역치전압(Va)에 의해 전자방출 포트(30)로부터 전자(e)가 전계방출된다. 따라서, 전계방출전자(e)는 전자수용체(50)에 축적되게 된다.

전자의 전계방출을 이용한 본 발명의 장치는, 종래의 화력발전, 수력발전, 원자력발전, 태양광 등의 자연에너지를 사용한 발전으로 대신하고, 또는 새롭게 가해져야 할 발전 수단으로서, 투입 에너지가 적고, 깨끗하고, 안정한 전기 에너지를 낮은 비용으로 공급하는 것이 가능하여, 산업상의 이용가능성이 대단히 큰 것이다.

Claims (14)

1. 자유전자를 보유하는 재료로 이루어진 전자공급체와, 상기 전자공급체에 대하여 전기도통상태로 설치된 전자방출 포트와, 상기 전자방출 포트에 전기절연장을 통하여 대향배치됨과 동시에 전계를 부가하여 전자를 흡인 방출시키기 위한 전자인출전극과, 상기 전자인출전극에 의해 방출된 전자를 수취하기 위한 전자수용체와, 상기 전자방출 포트로부터 방출된 전자가 상기 전자인출전극에 흡수되는 것을 방지하기 위한 전자흡수방지 수단을 구비하고, 상기 전자인출전극에 플러스 전압을 가하는 것으로 상기 전자방출 포트로부터 전자를 전계방출시킴과 동시에, 이 전계방출한 전자를, 상기 전자인출전극에 흡수시키지 않고, 별도로 배치한 상기 전자수용체에서 수취하게 하여 모으는 구성으로 하는 것을 특징으로 하는 전계방출 발전 장치.
2. 제1항에 있어서, 전자방출 포트는, 전자방출에 대한 에너지 장벽이 작은 재료 및/또는 형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전계방출 발전 장치.
3. 제1항에 있어서, 전자방출 포트는, 전자공급체의 표면에 준1차원 물질을 그 길이 방향이 전자방출방향이 되도록 세워서 설치하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전계방출 발전 장치.
4. 제3항에 있어서, 준1차원 물질은, 카본·나노튜브인 것을 특징으로 하는 전계방출 발전 장치.
5. 제1항에 있어서, 전기절연장은, 절연 공간 또는 절연 물질에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 전계방출 발전 장치.
6. 제1항에 있어서, 전자흡수방지 수단은, 전자인출전극의 재료를 준2차원 물질로 하고 전자방출 포트로부터 방출된 전자가 양자 터널 현상에 의해 상기 전자인출전극에 흡수되지 않고 관통되도록 하여 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 전계방출 발전 장치.
7. 제1항에 있어서, 전자흡수방지 수단은, 전자방출 포트로부터 방출되어 전자인출전극으로 향하는 전자의 궤도를 변경하는 전자궤도변경 전극인 것을 특징으로 하는 전계방출 발전 장치.
8. 제1항에 있어서, 전자흡수방지 수단은, 전자수용체를 전자인출전극의 앞에 배치함으로써 전자방출 포트로부터 방출되어 전자인출전극으로 향하는 전자를 전자인출전극의 앞에서 수취하도록 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 전계방출 발전 장치.
9. 제1항에 있어서, 전자수용체를 향하는 전자를 가속하는 가속 전극을 설치한 것을 특징으로 하는 전계방출 발전 장치.
10. 제1항에 있어서, 전자수용체를 향하는 전자의 궤도를 분산시켜 전자수용체에서의 수전자위치가 집중하는 것을 방지하는 수전자위치 분산 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 전계방출 발전 장치.
11. 제1항에 있어서, 전자수용체는 여러 개를 서로 절연 상태로 하여 설치하고, 전자방출 포트로부터 방출된 전자를 상기 여러 개의 전자수용체로 분배하는 전자분배 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 전계방출 발전 장치.
12. 제1항에 있어서, 전자수용체에 도달한 전자가 2차 방출하는 것을 방지하기 위한 2차 방출 방지 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 전계방출 발전 장치.
13. 제1항에 있어서, 전자수용체와 전자공급체를 전기접속하여 도중에 전기적 부하를 배분하는 구성으로 하는 것을 특징으로 하는 전계방출 발전 장치.
14. 제1항에 있어서, 전자인출전극에 교류전압을 첨가함으로써 전자방출 포트로부터 방출되는 전자의 량을 변화시켜, 교류 발전시키는 구성으로 하는 것을 특징으로 하는 전계방출 발전 장치.

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