KR20170017316A - 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기특성 평가장치 및 평가방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 베타붕괴 방사성 동위원소에서 발생되는 베타선(beta-ray)을 흡수하여 에너지 즉, 전기를 생성하는 에너지 흡수체(P-N junction diode)의 객관적인 전기적 특성평가를 위한 방법으로서, 방사성 동위원소의 베타선을 대신하여 주사전자현미경(FE-SEM)으로 전자선을 조사하고 이에 발생되는 에너지 출력을 프로브워크스테이션(Probe-workstation) 및 전기특성 평가장비를 이용하여 측정하여 방사성 동위원소전지의 출력을 추정할 수 있는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기적 특성평가 장치 및 특성평가 방법은 에너지 흡수체인 P-N접합 다이오드의 전기적 특성을 실제로 전지를 제작하지 않고서도 예측 또는 측정 시뮬레이션이 가능하여 종래의 복잡한 다단계의 전지 제작단계를 직접적으로 거치지 않고도 경제적이고, 효과적이며 짧은 시간 내에 에너지 흡수체의 다양한 구조 및 형태의 평가가 가능하여 최적의 에너지 흡수체 설계가 가능하고 에너지 흡수체의 개발 및 전기적 특성평가 시에 방사성 동위원소로부터 발생되는 방사선에 노출되는 위험을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 방사성 동위원소에서 발생되는 베타선(beta-ray)을 흡수하여 에너지 즉, 전기를 생성하는 에너지 흡수체(P-N junction diode)의 객관적인 전기적 특성평가를 위한 방법으로서, 방사성 동위원소의 베타선을 대신하여 주사전자현미경(FE-SEM)으로 전자선을 조사하고 이에 발생되는 에너지 출력을 프로브워크스테이션(Probe-workstation) 및 전기특성 평가장비를 이용하여 측정하여 방사성 동위원소전지의 출력을 추정할 수 있는 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로는 전자선 방출부; 상기 전자선 방출부의 대향부에 위치되는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체와 연결될 수 있는 2개의 전극; 상기 2 개의 전극과 연결되는 프로브워크스테이션; 및 상기 프로프워크스테이션과 연결되는 전기특성 평가장치;를 포함하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기적 특성평가 장치에 대한 것이다.
보다 구체적으로는 전자현미경의 전자선 방출부의 대향하는 위치에 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체를 위치시키는 에너지 흡수체 배치단계; 상기 에너지 흡수체에 프로브워크스테이션과 연결되는 2 개의 전극을 연결하는 전극 연결단계; 상기 프로브워크스테이션과 전기특성 평가장치를 연결하는 특성평가 준비단계; 및 상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선을 에너지 흡수체에 조사하며 에너지 흡수체의 전기적 특성을 평가하는 특성평가 단계;를 포함하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기특성 평가 방법에 대한 것이다.
일반적으로, 방사성 동위원소(radioisotope)는 어떤 원소의 동위원소들 중에서 방사능을 지니고 있는 것을 의미하는 것으로 이러한 방사성 동위원소들은 종류에 따라 다른 붕괴방식을 가지고 있으며, 특유의 에너지를 가진 방사선을 방출하고 안정된 동위원소로 붕괴한다. 붕괴방식에는 α, β-, β+ 붕괴 등이 있고 이들은 대부분 다시 여분의 에너지를 알파선, 베타선, 또는 감마선으로서 방출하고 안정된 동위원소가 되는데 이 중 방출되는 베타선을 이용한 동위원소전지는 에너지 흡수체 구조 위에 베타선 방출체인 동위원소를 배치하여 동위원소로부터 방출되는 베타선을 에너지 흡수체가 흡수하여 전류를 발생시키게 되는 원리를 이용하는 전지이다. 이러한 베타선을 방출하는 동위원소로는 63Ni, 3H, 90Sr, 204Tl, 또는 85Kr 등이 대표적인데 동위원소의 반감기 및 방출 에너지를 고려하여 현재 63Ni을 주로 이용하여 동위원소전지가 개발되고 있다.
이러한 동위원소가 발생하는 베타선을 직접 전기에너지로 변환하는 최초의 특허인 미국 등록특허 US4835433호에는 코일로 구성된 LC 공진회로에 베타선이 에너지를 공급하여 공진이 지속되도록 하는 방식으로 직접 전기에너지로 변환하는 내용이 게시되어 있다. 이후 관련 기술의 지속적인 개발이 이루어져서 미국 등록특허 US6238812호 에서는 베타선 에너지 흡수체로 P-N 접합 반도체를 이용하여 전기에너지로 직접 변환하는 방식이 적용되었고, 이후로 동위원소로부터 방출되는 베타선으로부터 효율적으로 전기에너지를 생산할 수 있는 에너지 흡수체로는 P-N 접합 다이오드가 주로 사용되고 있는데 이의 원리는 태양전지에 있어서 빛을 쬐었을 때 광자의 에너지를 흡수한 전자에 의하여 전기가 발생하는 광전효과와 비슷한 원리로 동위원소로부터 방출된 전자선인 베타선의 에너지를 흡수한 내부 전자에 의하여 전기가 발생하게 되는 것이다. 이러한 에너지 흡수체는 효율적인 전지에너지 변환을 위하여 다양한 소재와 다양한 형태의 에너지 흡수체가 개발되고 있는데 이와 관련한 종래기술로는 한국 등록특허 제0935351호 및 한국 공개특허 제2014-0129404호 등이 있다.
통상적으로 이와 같은 동위원소전지의 제작은 반도체 공정, 베타선원 제작, 반도체-베타선원 조립, 차폐구조 제작 등의 일련의 공정이 분리되어 이루어지는데, 이때 외부로 방출되는 베타선의 차폐하기 위하여 동위원소전지 외부에 별도의 차폐용 패키지를 적용해야 하는 등 동위원소전지 제작은 복잡하고 어려운 단점이 존재하고, 이러한 공정을 통하여 최종 제작된 동위원소 전지라 하더라도 전지의 특성과 수명 평가 결과 적절한 성능이 나오지 않는 경우에는 상기 언급한 다단계의 공정을 다시 반복해야만 하는 어려움이 있으며, 이와 같이 실제로 전지를 제작하기 전까지는 각각 공정의 개선 또는 변화 시 최종 제조되는 전지의 성능을 예측하기가 거의 불가능하여 상기 다단계 공정의 시행착오를 반복하고 있는 것이 현실이다.
본 발명의 상기의 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 방사성 동위원소로부터 발생되는 방사선원과 접합하여 전력을 생성하는 에너지 흡수체인 P-N접합 다이오드의 전기적 특성을 실제로 전지를 제작하지 않고서도 예측 또는 측정 시뮬레이션이 가능한 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기적 특성평가 장치를 제공하는데 있다.
또한, 방사성 동위원소로부터 발생되는 방사선원 대신에 전자현미경의 전자선 방출부의 가속전압 등 전자빔 방출과 관련된 파라미터를 조절하여 다양한 방사성 동위원소의 베타선 전류밀도에 상응하는 시뮬레이션 환경을 제공하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기적 특성평가 장치를 제공하는데 있다.
또한, 전자현미경의 전자선 방출부의 가속전압 등 전자빔 방출과 관련된 파라미터를 조절하여 다양한 방사성 동위원소의 베타선 전류밀도에 상응하는 전자빔을 방출하는 전자현미경의 전자선 방출부를 이용하여 에너지 흡수체인 P-N접합 다이오드의 전기적 특성을 실제로 전지를 제작하지 않고서도 예측 또는 측정 시뮬레이션이 가능한 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기적 특성평가 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는 전자선 방출부; 상기 전자선 방출부의 대향부에 위치되는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체와 연결될 수 있는 2개의 전극; 상기 2 개의 전극과 연결되는 프로브워크스테이션; 및 상기 프로프워크스테이션과 연결되는 전기특성 평가장치;를 포함하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기적 특성평가 장치를 제공한다.
상기 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체는 P-N 접합 다이오드일 수 있고, 상기 전자선 방출부는 주사전자현미경의 전사선 방출부일 수 있다.
상기 2 개의 전극은 삽입되는 에너지 흡수체의 상부와 하부에 각각 위치되거나 또는 삽입되는 에너지 흡수체의 일측에 모두 위치될 수 있다.
상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선은 63Ni, 3H, 90Sr, 204Tl, 또는 85Kr가 방출하는 베타선의 에너지 범위일 수 있다.
상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 가속전압은 1 keV 내지 1 MeV 일 수 있고, 보다 바람직하게는 가속전압은 1 내지 30 keV 일 수 있다.
상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 전류밀도는 1 mCi/cm2의 63Ni 방사선 동위원소를 기준으로 하는 경우에는 6 내지 16 pA/cm2 인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 전자현미경의 전자선 방출부의 대향하는 위치에 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체를 위치시키는 에너지 흡수체 배치단계; 상기 에너지 흡수체에 프로브워크스테이션과 연결되는 2개의 전극을 연결하는 전극 연결단계; 상기 프로프워크스테이션과 전기특성 평가장치를 연결하는 특성평가 준비단계; 및 상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선을 에너지 흡수체에 조사하며 에너지 흡수체의 전기적 특성을 평가하는 특성평가 단계;를 포함하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기특성 평가 방법을 제공한다.
상기 에너지 흡수체 배치단계 이전에 방사성 동위원소로부터 방출되는 베타선의 전류밀도를 측정하는 방사성 동위원소의 전류밀도 측정단계; 및 전자현미경의 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 전류밀도를 상기 방사성 동위원소의 전류밀도의 범위로 조절하는 전자현미경의 전류밀도 조절단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 전류밀도 조절단계는 전자현미경의 가속전압(accelerating voltage), 렌즈 조리개(lens aperture), 또는 전류모드(current mode)의 조절에 의하여 이루어질 수 있다.
상기 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체는 P-N 접합 다이오드일 수 있다.
상기 2개의 전극은 삽입되는 에너지 흡수체의 상부와 하부에 각각 연결되거나 또는 삽입되는 에너지 흡수체의 일측에 모두 연결될 수 있다.
상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선은 63Ni, 3H, 90Sr, 204Tl, 또는 85Kr가 방출하는 베타선의 에너지 범위일 수 있다.
상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 가속전압은 1 keV 내지 1 MeV 일 수 있고, 보다 바람직하게는 가속전압은 1 내지 30 keV 일 수 있다.
상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 전류밀도는 1 mCi/cm2의 63Ni 방사선 동위원소를 기준으로 하는 경우에는 6 내지 16 pA/cm2 인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기적 특성평가 장치는 에너지 흡수체인 P-N접합 다이오드의 전기적 특성을 실제로 전지를 제작하지 않고서도 예측 또는 측정 시뮬레이션이 가능하여 종래의 복잡한 다단계의 전지 제작단계를 직접적으로 거치지 않고도 경제적이고, 효과적이며 짧은 시간 내에 에너지 흡수체의 다양한 구조 및 형태의 평가가 가능하여 최적의 에너지 흡수체 설계가 가능한 장점이 있다.
또한, 방사성 동위원소로부터 발생되는 방사선원 대신에 전자현미경의 전자선 방출부의 가속전압 등 전자빔 방출과 관련된 파라미터를 조절하여 다양한 방사성 동위원소의 베타선 전류밀도에 상응하는 시뮬레이션 환경을 제공하여 에너지 흡수체의 개발 및 전기적 특성평가 시에 방사성 동위원소로부터 발생되는 방사선에 노출되는 위험을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
첨부된 도면은 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 상세한 설명과 함께 본원 발명의 원리를 설명하는 것으로, 발명의 범위가 이에 국한되는 것은 아니다. 한편, 본 명세서에 수록된 도면에서의 요소의 형상, 크기, 축척 또는 비율 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기특성 평가 방법의 각 단계를 나타낸 공정도 이다.
도 2는 본 발명의 일 구현 예에 따른 수직구조 P-N 다이오드의 전기특성 평가장치 및 측정방법을 개략적으로 나타낸 개념도 이다.
도 3은 본 발명의 일 구현 예에 따른 수평구조 P-N 다이오드의 전기특성 평가장치 및 측정방법을 개략적으로 나타낸 개념도 이다.
도 1은 본 발명에 따른 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기특성 평가 방법의 각 단계를 나타낸 공정도 이다.
도 2는 본 발명의 일 구현 예에 따른 수직구조 P-N 다이오드의 전기특성 평가장치 및 측정방법을 개략적으로 나타낸 개념도 이다.
도 3은 본 발명의 일 구현 예에 따른 수평구조 P-N 다이오드의 전기특성 평가장치 및 측정방법을 개략적으로 나타낸 개념도 이다.
본원 발명의 명세서에 있어서, 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어의 개념을 적절하게 정의할 수 있으며, 상기 용어 또는 단어는 발명의 사상에 부합하도록 해석되어야만 한다. 또한 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본원 발명의 구체적인 일 실시형태로 본원 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니다. 따라서 본원 발명의 출원시점에 있어서 본원 발명의 목적 범위 내에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.
방사성 동위원소전지 혹은 동위원소 핵전지(Nuclear battery)는 동위원소에서 방출되는 방사선의 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로 이러한 핵전지의 개발에 있어 전류를 생산하는 반도체를 사용하는 경우에 반도체에 대한 방사선 영향을 평가하는 것은 전지의 특성과 수명의 평가를 위해 중요하다. 한편, 동위원소전지의 에너지원으로 사용될 63Ni에서 방출되는 방사선종은 100% 베타선으로 전자선과 동일하게 볼 수 있고 대기상태에서 1 mCi/cm2 기준 63Ni 방사선 동위원소로부터 방출되는 베타선즉, 전자선의 전류밀도는 패러데이 컵(Faraday cup)을 통하여 측정한 결과 JNi-63은 6.16 pA/cm2으로 보고되고 있으므로 전자현미경에서 방출되는 전자선 전류밀도를 이와 비슷한 수준으로 설정하여 동위원소의 베타선을 대신하여 전자현미경의 전자선을 이용하여 시뮬레이션이 가능한 장치와 방법을 개발하였다. 3H의 동위원소의 경우에도 동일한 방법인 전자현미경을 작동조전의 조절을 통하여 전자선 전류밀도를 조절할 수 있다.
먼저, 본 발명의 일 구현 예에 따른 수직구조 P-N 다이오드의 전기특성 평가방법은 도 2에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 전자현미경의 내부 스테이지에 수직구조의 P-N 다이오드 즉, 에너지 흡수체를 위치시키고, 2개의 전극을 에너지 흡수체의 상, 하부에 연결하였다. 이때 2개의 전극은 프로브워크스테이션과 연결되고, 프로프워크스테이션은 다시 전기특성 평가장치와 연결된다. 위치된 에너지 흡수체로 전자현미경의 전자선 방출부로부터 전자선이 방출되면 이와 연결된 프로브워크스테이션 및 전기특성 평가장치에 의하여 에너지 흡수체의 성능평가가 가능하게 된다.
현재 상용화된 전자현미경을 직접적으로 사용하는 경우에는 전자선 방출부의 가속전압은 100 keV 이내로 실질적으로 63Ni, 또는 3H가 방출하는 베타선의 에너지 범위에서 시뮬레이션이 가능하지만 전자선 방출부를 전자현미경을 이용하지 않고 보다 출력이 강한 전자선을 방출할 수 있는 장비를 사용하는 경우에는 90Sr, 204Tl, 또는 85Kr이 방출하는 전자선의 가속전압의 범위인 1 MeV까지 시뮬레이션이 가능하므로 본 발명에 따른 전자선의 가속전압은 1 keV 내지 1 MeV 일 수 있다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 전자선 방출부에서 방출되는 전자선은 63Ni, 또는 3H가 방출하는 베타선의 에너지 범위일 수 있으며, 바람직하게 상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 가속전압은 1 내지 30 keV 일 수 있고 더욱 바람직하게 상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 가속전압은 63Ni은 17 keV, 3H은 5.7 keV 이며, 상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 전류밀도는 1 mCi/cm2의 63Ni 방사선 동위원소를 기준으로 하는 경우에는 6 내지 16 pA/cm2 인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일 구현 예에 따른 수평구조 P-N 다이오드의 전기특성 평가방법은 도 3에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 전자현미경의 내부 스테이지에 수평구조의 P-N 다이오드 즉, 에너지 흡수체를 위치시키고, 2개의 전극을 에너지 흡수체의 일측에 모두 연결하였다. 이때 2개의 전극은 프로브워크스테이션과 연결되고, 프로프워크스테이션은 다시 전기특성 평가장치와 연결된다. 위치된 에너지 흡수체로 전자현미경의 전자선 방출부로부터 전자선이 방출되면 이와 연결된 프로브워크스테이션 및 전기특성 평가장치에 의하여 에너지 흡수체의 성능평가가 가능하게 된다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 전자선 방출부에서 방출되는 전자선은 63Ni, 또는 3H가 방출하는 베타선의 에너지 범위일 수 있으며, 바람직하게 상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 가속전압은 1 내지 30 keV 일 수 있고 더욱 바람직하게 상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 가속전압은 63Ni은 17 keV, 3H은 5.7 keV 이며, 상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 전류밀도는 1 mCi/cm2의 63Ni 방사선 동위원소를 기준으로 하는 경우에는 6 내지 16 pA/cm2 인 것이 바람직하다.
다음으로, 도 2와 도 3에 나타낸 본 발명의 구현예에 따른 에너지 흡수체의 전기특성 평가장치를 이용한 평가방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 전기특성 평가방법은 먼저 방사성 동위원소로부터 방출되는 베타선의 전류밀도를 측정하는 방사성 동위원소의 전류밀도 측정단계부터 시작된다. 본 발명의 바람직한 일 구현 예인 63Ni의 경우에는 앞서 기재한 바와 같이 대기상태에서 1 mCi/cm2 기준 63Ni 방사선 동위원소로부터 방출되는 베타선(전자선)의 전류밀도는 패러데이 컵(Faraday cup)을 통하여 측정한 결과 JNi -63은 6.16 pA/cm2으로 보고되고 있으나, 본 발명의 특성평가 장치를 이용하여 보다 정확하게 다시 측정을 하였다. 3H 동위원소를 기준으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체인 경우에도 동일한 방법으로 통하여 방사성 동위원소로부터 방출되는 베타선(전자선)의 전류밀도는 패러데이 컵(Faraday cup)을 통하여 측정이 가능하다.
그 다음 단계는 전자현미경의 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 전류밀도를 상기 방사성 동위원소의 전류밀도의 범위로 조절하는 전자현미경의 전류밀도 조절단계이다. 이러한 전자현미경의 전류밀도 조절단계는 전자현미경의 동작조건의 조절에 의하여 가능하다. 이러한 전류밀도의 조절을 통하여 63Ni 뿐만 아니라 3H의 방사성 동위원소로부터 방출되는 베타선(전자선)의 전류밀도와 동일한 조건으로 전자현미경에서 전자선이 방출될 수 있도록 조절할 수 있다. 일반적으로 조절 가능한 전자현미경의 동작조건으로는 가속전압(accelerating voltage), 렌즈 조리개(lens aperture), 전류모드(current mode), 동작거리(working distance), 배율(magnification), 주사속도(scan speed) 등이 있으나, 본 발명에 따르면 가속전압, 렌즈 조리개, 전류모드의 조절을 통하여 전류밀도의 조절이 가능한 반면에 동작거리(working distance), 배율(magnification), 주사속도(scan speed)는 전류밀도에 영향이 없음을 알 수 있었다. 따라서 전자현미경의 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 전류밀도를 상기 방사성 동위원소의 전류밀도의 범위로 조절하는 전자현미경의 전류밀도 조절단계는 전자현미경의 가속전압(accelerating voltage), 렌즈 조리개(lens aperture), 또는 전류모드(current mode)의 조절에 의하여 이루질 수 있다.
본 발명일 구현 예에 따르면 방사성 동위원소 63Ni을 기준으로 할 때, 상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 가속전압은 1 내지 30 keV 일 수 있고 더욱 바람직하게 상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 가속전압은 63Ni은 17 keV, 3H은 5.7 keV 이며, 상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 전류밀도는 1 mCi/cm2의 63Ni 방사선 동위원소를 기준으로 6 내지 16 pA/cm2 일 수 있다.
이러한 두 단계를 거쳐서 동위원소별로 방사성 동위원소로부터 방출되는 베타선(전자선)의 전류밀도와 동일한 조건으로 전자현미경에서 전자선이 방출될 수 있도록 조절할 수 있는 조건이 설정되면 다양한 형태와 소재 등을 이용하여 제조된 에너지 흡수체의 성능평가를 전자현미경의 전자선 방출부의 대향하는 위치에 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체를 위치시키는 에너지 흡수체 배치단계; 상기 에너지 흡수체에 프로브워크스테이션과 연결되는 2개의 전극을 연결하는 전극 연결단계; 상기 프로프워크스테이션과 전기특성 평가장치를 연결하는 특성평가 준비단계; 및 상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선을 에너지 흡수체에 조사하며 에너지 흡수체의 전기적 특성을 평가하는 특성평가 단계;를 거치면서 수행할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 전류밀도 측정 및 전류밀도 조절
주사전자현미경(FE-SEM: SUPRA-55VP, ZEISS社)에서 방출되는 전류밀도의 측정을 위하여 FE-SEM(SUPRA-55VP, ZEISS社)과 호환이 가능한 패러데이 컵(faraday cup)과 SCM 키트를 이용하고 다음의 식을 이용하여 전류밀도를 측정할 수 있다.
단, I는 전류, E는 전자빔의 에너지, ρ는 시료의 밀도, V는 시료의 체적
한편, 주사전자현미경(FE-SEM)의 전자빔 방출과 관련된 조절이 가능한 파라미터는 가속전압(accelerating voltage), 렌즈 조리개(lens aperture), 전류모드(current mode), 동작거리(working distance), 배율(magnification), 주사속도(scan speed) 등이 있으므로 각 조건에 따른 전류밀도의 변화를 패러데이 컵(Faraday cup)을 이용하여 측정하였다. 전류밀도의 변화를 관찰한 결과 주사전자현미경에서 방출되는 전자선의 전류밀도에 영향 있는 인자는 가속전압(accelerating voltage), 렌즈 조리개(lens aperture), 전류모드(current mode)이고, 전류밀도에 영향이 없는 인자는 동작거리(working distance), 배율(magnification), 주사속도(scan speed)임을 알 수 있었다.
따라서 63Ni 동위원소가 방사하는 베타선(63Ni 동위원소: Emax 67 keV, Eaverage 17.425 keV, Half life 101.2y)의 평균에너지는 약 17 keV 이므로 먼저 전자현미경에서 전자선 에너지 방출조건을 63Ni 동위원소의 17 keV와 유사한 수준인 17 keV와 이보다 높은 30 keV 두 가지 조건으로 실험하였다. 한편, 대기상태에서 1 mCi/cm2 기준 63Ni 동위원소로부터 방출되는 베타선(전자선)의 전류밀도를 패러데이 컵(Faraday cup)을 통하여 측정한 결과 전류밀도인 JNi -63은 6.16 pA/cm2으로 알려져 있으므로, 전자현미경에서 방출되는 전자선 전류밀도를 이와 유사한 수준으로 조절하기 위한 주사전자현미경의 작동조건을 도출하였다. 즉, 17 keV와 30 keV의 가속전압조건 및 렌즈 조리개의 최소값인 7.5 μm와 최대값인 120 μm, 그리고 전류모드 normal과 high 조건으로 전자현미경에서 방출되는 전자선 전류밀도를 측정한 결과를 표 1에 정리하였다.
| 가속전압 (keV) |
렌즈 조리개 (μm) |
전류모드 | 전류밀도 |
| 17 | 120 | High | 6.14 nA/cm2 |
| 7.5 | Normal | 12~16 pA/cm2 | |
| 30 | 120 | High | 7.27 nA/cm2 |
| 7.5 | Normal | 23 pA/cm2 |
상기 표 1의 결과로부터 주사전자현미경의 가속전압(accelerating voltage), 렌즈 조리개(lens aperture), 전류모드(current mode)의 세부 조건을 조절한 결과 가속전압 17 keV, 렌즈 조리개 최소값인 7.5 μm 및 전류모드 normal인 조건에서 패러데이 컵(Faraday cup)을 통하여 측정한 전류밀도는 12~16 pA/cm2 이었고, 이는 1 mCi/cm2 기준 63Ni 동위원소에서 발생되는 전류밀도(6.16 pA/cm2)와 가장 근사값을 가지는 조건이었다.
즉, 본 발명에서 사용한 주사전자현미경(FE-SEM: SUPRA-55VP, ZEISS社)의 경우에는 우선 가속전압은 모사하고자 하는 동위원소인 63Ni이 방사하는 베타선의 평균에너지 값인 17 keV의 가속전압과 최소 렌즈 조리개인 7.5 μm 및 전류모드 normal에서 1 mCi/cm2 기준 63Ni 동위원소에서 발생되는 전류밀도(6.16 pA/cm2)와 가장 근사값으로 조절이 가능하였다.
따라서 본 발명에 따른 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기특성 평가 방법의 전류밀도 측정 및 전류밀도 조절단계에 따르면 주사전자현미경의 전자선 방출부에서 방출되는 전류밀도는 동위원소의 종류 및 동위원소의 농도에 따라서 다양하게 조절이 가능할 수 있음을 알 수 있고 이러한 조절에 있어서 주사전자현미경의 조절 가능한 파라미터로는 가속전압, 렌즈 조리개 및 전류 모드를 통해서 가능하게 된다. 즉, 동일한 동위원소라도 농도가 높은 동위원소를 기준으로 모사하는 경우에는 가속전압은 동일하게 설정하고, 렌즈 조리개를 크게 하거나 전류 모드를 high로 설정함으로써 유사한 전류밀도 범위를 설정할 수 있게 된다. 한편, 동위원소가 63Ni이 아닌 3H 인 경우라면 해당 동위원소가 방출하는 평균에너지인 5.7 keV (3H동위원소: Emax 18.6 keV, Eaverage 5.7 keV, Half life 12.4y)로 가속전압을 설정하고 이후 렌즈 조리개 및 전류 모드의 변경 등을 통하여 전류밀도를 설정하게 되면 해당 동위원소의 베타선 방출조건과 유사한 환경을 제공할 수 있다.
실시예 2: 전기적 특성평가 표준프로세스
본 발명에서는 우선 가장 바람직한 실시예로서 1 mCi/cm2 기준 63Ni 동위원소에서 발생되는 전류밀도의 조건을 주사전자현미경(FE-SEM: SUPRA-55VP, ZEISS社)을 상기 표 1에 기재한 조건에 따라 조절한 후 방사성 동위원소 전지의 에너지 흡수체의 전기적 특성평가를 진행할 수 있다.
동위원소전지의 에너지흡수체는 도 2와 같은 수직 혹은 도 3과 같은 수평의 형태로 제작하였으며, 특성평가를 위하여 수직구조의 PN 다이오드는 PCB 위에 Unit cell 타입으로 제작하여 전면에 전극이 위치하도록 하여 측정하거나 전면에 전극이 있는 수평구조의 PN 다이오드의 경우 웨이퍼 컷팅 후 측정을 진행하였다. 방사성 동위원소전지의 에너지흡수를 담당하는 PN junction diode(반도체)의 전기적 특성 평가는 주사전자현미경(FE-SEM : SUPRA-55VP, ZEISS社), 프로브워크스테이션(Probe-workstation: Kleindiek社, Removable 4-nanomanipulation and probing system), 전기특성 평가장비(I-V, C-V, EBIC-RCI, 4-PP)를 이용하였으며, 1 mCi/cm2 기준 63Ni 동위원소에서 발생되는 방사선량을 토대로 방사선 조사조건을 수립하여 수행하였다.
구체적인 동위원소전지 에너지흡수체(PN junction diode) 전기적 특성평가의 표준 프로세스는 다음과 같다.
1) Faraday Cup 설치: 전자현미경에서 발생되는 전자빔의 전류밀도 측정을 위하여 전자현미경 내부에 faraday cup 설치
2) 전자현미경 전자빔 방출 환경: 1 ×10-5 Pa의 고진공 상태 확보
3) E-beam start 및 방출: 17 keV, 7.5AP, Normal mode(current)
4) Faraday Cup 측정 : 3번 조건에서 방출되는 전자빔 전류밀도 측정(J E-beam = 12~16 pA/cm2)
5) E-beam off 및 Faraday cup 제거
6) Nano Probe workstation stage에 시료(에너지흡수체, PN 다이오드) 고정
7) Nano Probe workstation stage 전자현미경 장입 및 챔버 진공상태 확보
8) E-beam start 및 방출: 17 keV, 7.5AP, Normal mode(current)
9) 시료 측정 위치 확인 및 E-beam Focusing
10) 시료 PN 다이오드의 두 전극에 Nano Probe contact
11) E-beam off
12) 시료 I-V curve 측정 : Zero crossing 확인
13) E-beam ON 및 시료 I-V curve 측정
14) 최종 결과값 확인: V oc (V), I sc (uA), J sc (uA/cm 2 ), P out /cm 2 (uW/cm 2 )
이상에서 기술한 바와 같이 본 발명에 따른 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기적 특성평가 장치는 에너지 흡수체인 P-N접합 다이오드의 전기적 특성을 실제로 전지를 제작하지 않고서도 예측 또는 측정 시뮬레이션이 가능하여 종래의 복잡한 다단계의 전지 제작단계를 직접적으로 거치지 않고도 경제적이고, 효과적이며 짧은 시간 내에 에너지 흡수체의 다양한 구조 및 형태의 평가가 가능하여 최적의 에너지 흡수체 설계가 가능하고, 또한 방사성 동위원소로부터 발생되는 방사선원 대신에 전자현미경의 전자선 방출부의 가속전압 등 전자빔 방출과 관련된 파라미터를 조절하여 다양한 방사성 동위원소의 베타선 전류밀도에 상응하는 시뮬레이션 환경을 제공하여 에너지 흡수체의 개발 및 전기적 특성평가 시에 방사성 동위원소로부터 발생되는 방사선에 노출되는 위험을 최소화할 수 있는 장점이 있음을 알 수 있다.
1: 전자선 방출부
2: 전극
3: 프로브워크스테이션
4: 전기특성 평가장치
5: P-N 접합 다이오드
2: 전극
3: 프로브워크스테이션
4: 전기특성 평가장치
5: P-N 접합 다이오드
Claims (19)
- 전자선 방출부;
상기 전자선 방출부의 대향부에 위치되는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체와 연결될 수 있는 2개의 전극;
상기 2개의 전극과 연결되는 프로브워크스테이션; 및
상기 프로프워크스테이션과 연결되는 전기특성 평가장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기적 특성평가 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체는 P-N 접합 다이오드인 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기적 특성평가 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 전자선 방출부는 주사전자현미경의 전사선 방출부인 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기적 특성평가 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 2개의 전극은 삽입되는 에너지 흡수체의 상부와 하부에 각각 위치되는 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기적 특성평가 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 2개의 전극은 삽입되는 에너지 흡수체의 일측에 모두 위치되는 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기적 특성평가 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선은 63Ni, 3H, 90Sr, 204Tl, 또는 85Kr가 방출하는 베타선의 에너지 범위인 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기적 특성평가 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 가속전압은 1 keV 내지 1 MeV 인 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기적 특성평가 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 가속전압은 1 내지 30 keV 인 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기적 특성평가 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 전류밀도는 1 mCi/cm2의 63Ni 방사선 동위원소를 기준으로 6 내지 16 pA/cm2 인 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기적 특성평가 장치. - 전자현미경의 전자선 방출부의 대향하는 위치에 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체를 위치시키는 에너지 흡수체 배치단계;
상기 에너지 흡수체에 프로브워크스테이션과 연결되는 2개의 전극을 연결하는 전극 연결단계;
상기 프로프워크스테이션과 전기특성 평가장치를 연결하는 특성평가 준비단계; 및
상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선을 에너지 흡수체에 조사하며 에너지 흡수체의 전기적 특성을 평가하는 특성평가 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기특성 평가 방법. - 청구항 10에 있어서,
상기 에너지 흡수체 배치단계 이전에 방사성 동위원소로부터 방출되는 베타선의 전류밀도를 측정하는 방사성 동위원소의 전류밀도 측정단계; 및
전자현미경의 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 전류밀도를 상기 방사성 동위원소의 전류밀도의 범위로 조절하는 전자현미경의 전류밀도 조절단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기특성 평가 방법. - 청구항 11에 있어서,
상기 전류밀도 조절단계는 전자현미경의 가속전압(accelerating voltage), 렌즈 조리개(lens aperture), 또는 전류모드(current mode)의 조절에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기특성 평가 방법. - 청구항 10에 있어서,
상기 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체는 P-N 접합 다이오드인 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기특성 평가 방법. - 청구항 10에 있어서,
상기 2개의 전극은 삽입되는 에너지 흡수체의 상부와 하부에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기특성 평가 방법. - 청구항 10에 있어서,
상기 2개의 전극은 삽입되는 에너지 흡수체의 일측에 모두 연결되는 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기특성 평가 방법. - 청구항 10에 있어서,
상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선은 63Ni, 3H, 90Sr, 204Tl, 또는 85Kr가 방출하는 베타선의 에너지 범위인 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기특성 평가 방법. - 청구항 10에 있어서,
상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 가속전압은 1 keV 내지 1 MeV 인 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기특성 평가 방법. - 청구항 10에 있어서,
상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 가속전압은 1 내지 30 keV 인 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기특성 평가 방법. - 청구항 10에 있어서,
상기 전자선 방출부에서 방출되는 전자선의 전류밀도는 1 mCi/cm2의 63Ni 방사선 동위원소를 기준으로 6 내지 16 pA/cm2 인 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 전지용 에너지 흡수체의 전기특성 평가 방법.
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| KR20140129404A (ko) | 2013-04-26 | 2014-11-07 | 한국전자통신연구원 | 방사성동위원소 전지 및 그의 제조방법 |
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2015
- 2015-08-06 KR KR1020150111060A patent/KR101731506B1/ko active IP Right Grant
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| Publication number | Publication date |
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