KR20150031683A - 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지 - Google Patents

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Abstract

태양이 비칠 때에는 태양전지와 동위원소전지로 사용되고 태양이 비치지 않을 때에는 동위원소전지로 사용되도록 하는 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지를 제시한다. 제시된 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지는 전자-정공쌍을 생성하는 반도체층, 반도체층에 형성되고 방사선을 반도체층에게로 방출하는 방사성동위원소층을 포함한다.

Description

태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지{Solar-radioisotope hybrid battery}
본 발명은 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인공위성 및 위성 탐사체의 전력원으로 사용가능한 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지에 관한 것이다.
지구의 대기권에서 운영되고 있는 인공위성은 태양광으로부터 전력을 발생시키는 태양전지판을 장착하여 전력을 생성시킨다. 인공위성이 태양에 대하여 지구 반대편에 위치하게 되면 태양광을 흡수하지 못하게 된다. 그리하면 전력을 생성시키지 못하고 태양광을 흡수하는 낮시간 동안 충전한 전력을 사용하거나, 인공위성의 작동에 제한을 받을 수 있다.
달 또는 태양계의 행성을 탐사하는 목적의 위성 탐사체의 태양전지의 경우 낮시간 동안에는 태양광을 흡수하여 충전하거나 탐사목적으로 전력을 활용할 수 있으나, 밤시간 동안은 더 이상 태양전지로서의 기능을 할 수 없게 된다. 특히, 달탐사체의 경우 달의 밤시간이 14일 정도로 길기 때문에 태양광 발전을 할 수 없는 밤시간 동안 전력을 생성하기 위한 기술이 필요하다.
이와 같이 인공위성이나 위성 탐사체의 전력원으로 사용되는 태양전지가 태양이 가려졌을 때에는 태양전지로서의 기능을 상실하게 된다.
관련 선행기술로는, 높은 종횡비(aspect ratio)를 가지는 SiC를 이용하여 베타선으로부터 전력을 생성하는 베타 전지에 대한 내용이, 미국 등록특허 제7939986호(BETAVOLTAIC CELL)에 개시되었다.
미국 등록특허 제7939986호에 개시된 발명은 에너지변환효율을 높이기 위해 높은 종횡비(high aspect ratio) 구조를 채택한 것으로서, DRIE 공정으로 트랜치 구조의 PN접합면 형성 후에 방사성동위원소를 PN접합면에 직접 증착시킨 구성이다.
상술한 미국 등록특허 제7939986호에 개시된 발명은 에너지원으로 방사선만을 사용할 뿐, 태양광 및 방사선을 동시에 사용하지 않는다.
다른 관련 선행기술로는, 삼중 아모퍼스(Tritiated amorphous) 실리콘 pn 접합을 이용하여 반도체 자체가 베타선을 방출하고 방출된 베타선으로 전력을 생성하는 구조가, 미국 등록특허 제5606213호(NUCLEAR BATTERIES)에 개시되었다.
미국 등록특허 제5606213호에 개시된 발명은 삼중 아모퍼스(Tritiated amorphous) 실리콘 pn 접합에서 형성되는 공핍층에서 베타선을 흡수하여 전류를 형성하는 것으로서, 반도체 내부에 방사성동위원소가 포함되어 있고, 반도체 공정만으로 동위원소 전지의 제작이 가능하다.
상술한 미국 등록특허 제5606213호에 개시된 발명에서도 태양광 및 방사선을 에너지원으로 동시에 사용하지 않는다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 태양이 비칠 때에는 태양전지와 동위원소전지로 사용되고 태양이 비치지 않을 때에는 동위원소전지로 사용되도록 하는 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지는, 전자-정공쌍을 생성하는 반도체층; 및 상기 반도체층에 형성되고, 방사선을 상기 반도체층에게로 방출하는 방사성동위원소층;을 포함한다.
바람직하게, 상기 반도체층은 태양으로부터 입사되는 포톤을 흡수하여 상기 전자-정공쌍을 생성할 수 있고, 상기 방사성동위원소층에서 방출되는 방사선을 흡수하여 상기 전자-정공쌍을 생성할 수 있다.
바람직하게, 상기 방사선은 알파선, 베타선, 감마선 중의 하나이고, 상기 방사성동위원소층은 상기 방사선을 방출하는 핵종을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 방사성동위원소층은 상기 반도체층의 일면에 밀착될 수 있다.
바람직하게, 상기 방사성동위원소층은 상기 반도체층의 일면에 부착될 수 있다.
이러한 구성의 본 발명에 따르면, 태양이 가려지는 곳에서도 발전이 가능하다.
또한, 화성 궤도 이상 태양으로부터 멀어지는 행성을 탐사할 경우 태양광의 세기가 급격히 줄어들기 때문에, 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지를 사용할 경우 태양전지판 면적 외에 부가적인 공간이나 중량의 소요없이 방사성동위원소와 태양광을 이용하여 발전이 가능하다.
그리고, 사용되는 방사성동위원소의 반감기가 길수록 오랫동안 방사선이 방출되기 때문에 반감기가 긴 방사성동위원소를 사용함으로써 수십~ 수백년의 반영구적인 수명을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지는 반도체층(10), 방사성동위원소층(12), 및 전극(14, 16)을 포함한다.
반도체층(10)은 전자-정공쌍을 생성한다. 반도체층(10)은 PN접합의 반도체로 구성될 수 있다.
바람직하게, 반도체층(10)은 태양으로부터 입사되는 포톤(photon)(빛의 입자)을 흡수하여 전자-정공쌍을 생성할 수 있다. 한편, 반도체층(10)은 방사성동위원소층(12)에서 방출되는 방사선을 흡수하여 전자-정공쌍을 생성할 수 있다.
방사성동위원소층(12)은 소정의 방사선을 반도체층(10)에게로 방출한다. 여기서, 방사선은 알파선, 베타선, 감마선 중의 하나이다. 그에 따라, 방사성동위원소층(12)은 이들 방사선을 방출하는 핵종을 포함한다. 예를 들어, 방사성동위원소 중 Ni, Pm, Sr 등의 물질은 방사선 중에서도 순수 베타선을 방출한다. 태양전지와 접합할 경우 이러한 방사성동위원소에서 방출된 베타선은 태양전지에 포톤이 입사했을 경우와 마찬가지로 전자-정공쌍을 생성시킨다. 생성된 전자-정공쌍은 전류를 발생시켜서 태양전지와 같은 역할을 할 수 있게 된다. 베타선은 베타입자인 전자를 방출하여 종이 한 장 정도로도 차폐가 가능하여 알파선이나 감마선에 비해 상대적으로 안전하고, 반도체 격자의 손상없이 발전이 가능한 방사선이다. 또한, 베타선을 방출하는 방사성 동위원소의 수명은 반감기에 비례하기 때문에 수십~수백 년 동안 반영구적으로 사용이 가능하다.
방사성동위원소층(12)은 반도체층(10)에 형성된다. 예를 들어, 방사성동위원소층(12)은 반도체층(10)의 상면, 저면, 측면 중의 어느 일면에 밀착될 수 있다. 이 경우, 방사성동위원소층(12)의 방사성동위원소는 반도체층(10)의 일면에 증착, 도금 등에 의한 코팅방법으로 도포되어 밀착된다. 한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 방사성동위원소층(12)의 형성을 돕기 위해 반도체층(10)의 일면에 시드층을 형성시킨 후에 그 시드층의 위에 방사성동위원소층(12)을 형성시킬 수도 있다.
다르게는, 반도체층(10)의 상면, 저면, 측면 중의 어느 일면에 방사성동위원소를 밀봉선원 또는 개봉선원의 형태로 근접 또는 부착시킴으로써, 방사성동위원소층(12)을 형성시킬 수 있다.
필요에 따라서는, 방사성동위원소층(12)을 반도체층(10)의 상면, 저면, 측면이 아니라 반도체층(10)의 내부에 형성시킬 수도 있다.
전극(14)은 반도체층(10)의 일면에 형성되고, 전극(16)은 반도체층(10)에서 전극(14)이 형성된 면과 대응되는 면에 형성될 수 있다. 예를 들어, 전극(14)을 양전극으로 사용하고, 전극(16)을 음전극으로 사용할 수 있다. 물론, 반대로 전극(14)을 음전극으로 사용하고, 전극(16)을 양전극으로 사용할 수도 있다. 도 1에서와 같이, 반도체층(10)의 일면에는 방사성동위원소층(12)과 전극(16)이 함께 형성되는데, 이 경우 방사성동위원소층(12)과 전극(16)은 절연을 위해 서로 이격됨이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예의 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지가 태양광이 있는 곳에 위치할 경우, 반도체층(10)은 태양(20)으로부터 입사되는 포톤(22)을 흡수하여 전자-정공쌍(24)을 생성하여 전지의 광전류(photocurrent)에 기여한다. 또한, 방사성동위원소층(12)에서는 방사성동위원소에서 방출되는 방사선(26)을 흡수하여 전자-정공쌍(28)을 생성하여 전지의 출력전류에 기여한다. 여기서, 방사선(26)은 핵종에 따라 알파선, 베타선, 감마선 등을 방출하게 된다. 미설명 부호 18은 전극(14, 16)에 연결된 부하이다.
물론, 본 발명의 실시예의 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지가 태양광이 없는 곳에 위치할 경우에는 방사성동위원소층(12)의 방사성동위원소에서 방출되는 방사선(26)을 흡수하여 전자-정공쌍(28)을 생성하여 전지의 출력전류에 기여하는 동작을 수행한다.
이와 같이, 본 발명의 실시예의 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지는 반도체층(10)의 일면에 방사성동위원소를 코팅함으로써, 태양광이 있을 때는 태양전지와 동위원소전지로 동시에 전력을 생성하고, 태양광이 없는 곳에서는 방사성동위원소에서 방출되는 방사선을 흡수하여 전력을 생성하는 동위원소전지로 사용이 가능하다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 반도체층 12 : 방사성동위원소층
14, 16 : 전극 18 : 부하
20 : 태양 22 : 포톤
24, 28 : 전자-정공쌍 26 : 방사선

Claims (6)

  1. 전자-정공쌍을 생성하는 반도체층; 및
    상기 반도체층에 형성되고, 방사선을 상기 반도체층에게로 방출하는 방사성동위원소층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체층은 태양으로부터 입사되는 포톤을 흡수하여 상기 전자-정공쌍을 생성하고, 상기 방사성동위원소층에서 방출되는 방사선을 흡수하여 상기 전자-정공쌍을 생성하는 것을 특징으로 하는 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 방사선은 알파선, 베타선, 감마선 중의 하나이고,
    상기 방사성동위원소층은 상기 방사선을 방출하는 핵종을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 방사성동위원소층은 상기 반도체층의 일면에 밀착되는 것을 특징으로 하는 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 방사성동위원소층은 상기 반도체층의 일면에 부착되는 것을 특징으로 하는 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지.
  6. 태양으로부터의 포톤을 흡수하여 전자-정공쌍을 생성하고, 방사성 동위원소에서 방출되는 방사선을 흡수하여 전자-정공쌍을 생성하는 것을 특징으로 하는 태양광-방사성동위원소 하이브리드 전지.

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