KR20150047181A - 베타전지 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치 - Google Patents

베타전지 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 베타전지 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치에 관한 것으로, 기판, 상기 기판 상부에 적층된 베타전지, 상기 베타전지에서 생성된 전력을 이차전지 충전가능영역으로 승압시키는 승압회로부, 상기 승압회로부에 의해 승압된 전력을 저장하여 출력하는 이차전지, 상기 이차전지에 연결되도록 상기 보드 상부의 일측 영역에 형성되는 한 쌍의 전극 및 상기 패키지 상부에 적층되는 보호덮개를 포함한다. 이로써 자가 충전식이며 수명이 방사성 동위원소의 반감기에 비례하여 10년 이상의 장수명이고 높은 에너지 저장밀도를 갖는 베타선(β) 소스를 이용한 베타전지에서 지속적으로 나오는 초미세 전력을 직접 사용하지 않고 승압시킨 후 고밀도, 고안정성 전력 저장소자인 전고상 이차전지에 저장시켜 미소 전력을 요구하는 센서 등과 같은 제품에 전원공급수단으로 적용시켜 반영구적으로 사용할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

베타전지 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치{POWER SUPPLY APPARATUS USING BETA BATTERY AND SECONDARY BATTERY}
본 발명은 미소전력 기술에 관한 것으로, 특히 방사능 동위원소 중 Ni-63에서 생성되는 베타선과 다이오드(diode)의 결합으로 제작된 베타전지를 통해 생성된 미소전력을 승압시켜 전고상 이차전지를 충전시킨 후 충전된 전원을 구동전원으로 공급하는 베타전지 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
최근 기기의 동작에 필요한 전원 공급은 기존의 화학전지 또는 물리전지에 의존하여 동작시간에 한계가 있고, 배터리의 교체 또는 충전에 따른 불편함과 제약이 있었다.
이에 따라 장기적으로 사용할 수 있는 전지의 개발이 요구되었으며, 이러한 요구에 부응하여 방사능 동위원소 전지가 개발되기에 이르렀다. 즉, 방사능 동위원소 전지는 방사성 물질이 붕괴하면서 방출하는 하전 입자를 이용하여 PN접합에 조사하는 형태로 전기 에너지를 발생하는 원리를 가진다. 방사능 동위원소 소스로부터 발생된 입자는 PN접합 내부로 흡수되면 반도체의 밴드갭 에너지 보다 큰 방사능 베타선으로 인해 전자와 정공의 쌍(electron hole pair)이 형성된다. 이때 전자-정공 쌍은 전지내 PN접합에서 전기장(electric field)에 의해 전자는 n형반도체로, 정공은 p형 반도체로 이동하게 되고 계면의 전극으로 모이게 된다. 이후에 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되고 전기에너지를 가지게 된다.
이러한 방사능 동위원소 전지에 관한 활용 연구가 미국 등에서 최근 많이 이루어지고 있으며, 이러한 방사능 동위원소 전지는 그 수명이 수십 년 내지 수백 년에 이르는 큰 장점이 있다.
그러나 생성 전력이 작다는 단점이 있으며, 이러한 문제점을 개선시키기 위한 많은 연구가 뒤따르고 있으며, 그 결과로 최근 미국에서는 트랜치(Trench) 구조를 이용하여 생성 전력을 증가시키고자 하는 연구가 시도되었다.
본 발명의 일 실시예는 방사능 동위원소 중 Ni-63에서 생성되는 베타선과 다이오드(diode)의 결합으로 제작된 베타전지를 통해 생성된 미소전력을 승압시켜 전고상 이차전지를 충전시킨 후 충전된 전원을 구동전원으로 공급하는 베타전지 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치를 제공하는데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베타전지 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치는, 기판, 상기 기판 상부에 적층된 베타전지, 상기 베타전지에서 생성된 전력을 이차전지 충전가능영역으로 승압시키는 승압회로부, 상기 승압회로부에 의해 승압된 전력을 저장하여 출력하는 이차전지, 상기 이차전지에 연결되도록 상기 보드 상부의 일측 영역에 형성되는 한 쌍의 전극 및 상기 패키지 상부에 적층되는 보호덮개를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판 상측에 상기 베타전지가 적층되고, 그 하부에 일정 간격으로 이격되어 승압회로부와 이차전지가 각각 적층될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판 상측에 상기 베타전지가 적층되고, 상기 베타전지 상부에 일정 간격으로 이격되어 승압회로부 및 이차전지가 적층될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판과 기판 상부에 베타전지와 승압회로 및 이차전지가 집적된 세라믹 패키지 사이에 테스트 소켓을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 자가 충전식이며 수명이 방사성 동위원소의 반감기에 비례하여 10년 이상의 장수명이고 높은 에너지 저장밀도를 갖는 베타선(β) 소스를 이용한 베타전지에서 지속적으로 나오는 초미세 전력을 직접 사용하지 않고 승압시킨 후 고밀도, 고안정성 전력 저장소자인 전고상 이차전지에 저장시켜 미소 전력을 요구하는 장치인 센서 등과 같은 제품에 전원공급수단으로 적용됨으로써, 해당 제품을 반영구적으로 사용할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 베타전지 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 베타전지 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에서의 실시예에 따라 기판상에 베타전지, 승압회로부, 이차전지를 집적화 한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 적용된 방사능 동위원소 소스인 Ni-63의 두께에 따른 자체 흡수율을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
우선, 본 발명의 실시예에 따른 방사능 동위원소 베타선 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방사능 동위원소 베타선 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 방사능 동위원소 베타선 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치(100)는 기판(110), 베타전지(120), 승압회로부(130), 이차전지(140), 한 쌍((+), (-))의 전극(150)(160) 및 보호덮개(170)를 포함한다.
기판(110)은 PCB 기판이다.
베타전지(120)는 기판(110) 상부에 구비되며, 일반적인 부착고정방식에 의해 기판(110) 상부에 부착, 고정된다. 베타전지(120)는 방사능 동위원소 소스로 Ni-63을 이용하며, 도 7에 도시된 바와 같이 Ni-63 소스의 두께가 약 0.2㎛ 일때는 상대 세기가 약 1.0으로 나타나며, 또한 0.8㎛로 증가하면 상대 세기 또한 약 1.7로 증가한다. 이러한 상대 세기는 Ni-63 동위원소 소스의 두께가 1.4㎛ 이후에는 완만히 증가하다가 2.0㎛ 이후에는 점차적으로 포화되는 특성을 가지는 것으로 나타났으며, 이는 베타선을 생산해내는 Ni-63 동위원소 소스의 두께가 약 2.5㎛ 이상 두꺼워 지더라도 생산해내는 베타선의 세기는 일정해진다는 것을 의미한다.
승압회로부(130)는 기판(110) 상부에 구비되며, 베타전지(120)에서 mV전압으로 생성된 전력을 이차전지 충전가능영역인 V전압으로 승압시켜 출력한다. 또한 승압회로부(130)는 베타전지(120)와 마찬가지로 일반적인 부착고정방식에 의해 기판(110) 상부에 부착, 고정된다.
이차전지(140)는 박막기술 및 나노 분말 공정기술이 적용된 전고상 후, 박막 전지이며, 안정적으로 전력을 외부로 공급하게 된다. 승압회로부(123)에 의해 승압된 전력을 저장하여 출력한다. 또한 이차전지(140)는 베타전지(120)와 마찬가지로 일반적인 부착고정방식에 의해 기판(110) 상부에 부착, 고정된다.
한 쌍((+), (-))의 전극(150)(160)은 이차전지(140)와 전원을 공급받아야 하는 부하단을 연결시켜 이차전지(140)에 축적된 전원을 부하단의 구동전원으로 공급하게 된다.
보호덮개(170)는 기판(110) 상부에 적층되어 외부로 베타선을 방출시키지 않도록 하는 차폐기능을 수행한다.
이와 같이 구성된 방사능 동위원소 베타선 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.
( 실시예 1)
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 방사능 동위원소 베타선 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치(100)는 기판(110) 상부에 베타전지(120), 승압회로부(130) 및 이차전지(140)를 다양한 형태로 적층시켜 구현할 수 있다. 예를 들어 도 1 에 도시된 바와 같이 베타전지(120)의 하부 영역에 승압회로부(130) 및 이차전지(140)가 소정 간격으로 이격되어 배치될 수 있으며, 또한 도 4 에 도시된 바와 같이 베타전지(120) 상부에 승압회로부(130) 및 이차전지(140)가 소정 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 기판(110) 상부의 좌측면에는 단자들이 구비되어 있으며, 베타전지 출력단자(A1) 및 승압회로부 입력단자(A2) 사이에 베타전지 출력단자(B1) 및 승압회로부 입력단자(B2)가 구비되어 있으며, 베타전지 출력단자(B1) 및 승압회로부 입력단자(B2)는 상호 연결되어 있다.
또한 승압회로부(130)에 대응하여 하측면에는 승압회로부 출력단자(B3)와 승압회로부 출력단자(B2)가 구비되어 있으며, 이차전지(140)에 대응하여 하측면에는 이차전지 출력단자(A4), 이차전지 입력단자(B4)가 구비되어 있으며, 승압회로부 출력단자(B3)와 이차전지 입력단자(B4)는 상호 연결되어 있다.
또한 우측면에는 이차전지 출력단자(C5)가 구비되어 있다.
이로써, 베타전지(120)에 의해 생성된 미세 전력은 베타전지 출력단자(B1)를 통해 승압회로부 입력단자(B2)로 공급되고, 승압회로부(130)는 입력단자(B2)를 통해 공급된 미세 전력을 충전 가능영역인 V 영역으로 승압시킨 후 승압회로부 출력단자(B3)를 통해 이차전지 입력단자(B4)로 공급되도록 한다.
이차전지(140)는 입력단자(B4)를 통해 공급되는 전력을 저장시킨 후 저장된 전력을 이차전지 출력단자(C4)를 통해 전극(150)(160)을 통해 센서 등과 같은 소정 제품의 구동 전원으로 공급된다.
( 실시예 2)
실시예 2는 실시예 1과는 달리 베타전지(120), 승압회로부(130) 및 이차전지(140)가 세라믹 기판, 혹은 메탈계열의 기판(180) 상부에 패키지 형태로 제작되어, 세라믹 기판, 혹은 메탈계열의 기판(180)이 테스트 소켓(190)에 결합시켜 PCB 기판(110) 상부에 배치시키는데 그 특징이 있다.
실시예 2에서 베타전지(120), 승압회로부(130) 및 이차전지(140)가 배열되는 기판(180) 소재로는 열적인 안정성을 확보하기 위해 세라믹 기판이 사용될 수 있다. 베타전지(120), 승압회로부(130) 및 이차전지(140)로 구성된 패키지 형태는 테스트 소켓(190)에 장착 및 탈착이 용이하며, 테스트 소켓 하단의 기판의 형태는 출력 방향 및 크기에 따라 디자인이 가변 될 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : 미소전력 장치
110 : 기판
120 : 베타전지
130 : 승압회로부
140 : 이차 전지
150, 160 : 한쌍의 전극
170 : 보호덮개
180 : 세라믹 기판
190 : 테스트 소켓

Claims (6)

  1. 기판;
    상기 기판 상부에 적층된 베타전지;
    상기 베타전지에서 생성된 전력을 이차전지 충전가능영역으로 승압시키는 승압회로부;
    상기 승압회로부에 의해 승압된 전력을 저장하여 출력하는 이차전지;
    상기 이차전지에 연결되도록 상기 보드 상부의 일측 영역에 형성되는 한 쌍의 전극; 및
    상기 패키지 상부에 적층되는 보호덮개;
    를 포함하는 베타전지 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 상측에 상기 베타전지가 적층되고, 그 하부에 일정 간격으로 이격되어 승압회로부와 이차전지가 각각 적층되는 것을 특징으로 하는 베타전지 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판 상측에 상기 베타전지가 적층되고, 상기 베타전지 상부에 일정 간격으로 이격되어 승압회로부 및 이차전지가 적층되는 것을 특징으로 하는 베타전지 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 상부에 세라믹 패키지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베타전지 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 및 상기 세라믹 패키지 사이에 테스트 소켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베타전지 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 베타전지, 상기 승압회로부, 상기 이차전지 및 상기 전극 상호간에 연결부재에 의해 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 베타전지 및 전고상 이차전지를 이용한 미소전력 장치.
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