KR20220024131A - 베타볼타 장치 - Google Patents

베타볼타 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20220024131A
KR20220024131A KR1020217041790A KR20217041790A KR20220024131A KR 20220024131 A KR20220024131 A KR 20220024131A KR 1020217041790 A KR1020217041790 A KR 1020217041790A KR 20217041790 A KR20217041790 A KR 20217041790A KR 20220024131 A KR20220024131 A KR 20220024131A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrical energy
electrode
work function
certain embodiments
semiconductor
Prior art date
Application number
KR1020217041790A
Other languages
English (en)
Inventor
브린 존스
줄리안 프레데릭 켈리
Original Assignee
포스에너지 엘티디
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from AU2019901722A external-priority patent/AU2019901722A0/en
Application filed by 포스에너지 엘티디 filed Critical 포스에너지 엘티디
Publication of KR20220024131A publication Critical patent/KR20220024131A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21H—OBTAINING ENERGY FROM RADIOACTIVE SOURCES; APPLICATIONS OF RADIATION FROM RADIOACTIVE SOURCES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; UTILISING COSMIC RADIATION
    • G21H1/00—Arrangements for obtaining electrical energy from radioactive sources, e.g. from radioactive isotopes, nuclear or atomic batteries
    • G21H1/02—Cells charged directly by beta radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/16—Halogen-containing compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L77/00—Compositions of polyamides obtained by reactions forming a carboxylic amide link in the main chain; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L77/02—Polyamides derived from omega-amino carboxylic acids or from lactams thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L79/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing nitrogen with or without oxygen or carbon only, not provided for in groups C08L61/00 - C08L77/00
    • C08L79/02—Polyamines
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/001—Conductive additives
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L2203/00—Applications
    • C08L2203/20—Applications use in electrical or conductive gadgets

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

본 발명은 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치, 전기 에너지를 발생시키기 위한 방법, 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치에 사용하기 위한 생성물 및 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다. 소정 구현예에서, 본 발명은 전기 에너지 발생 장치를 제공하며, 상기 장치는 이격된 제1 전극 및 제2 전극-상기 제1 전극은 낮은 일함수 재료를 포함하고, 상기 제2 전극은 높은 일함수 재료를 포함함-; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된, 베타 입자 방출 방사성핵종 및 반도체 재료-상기 반도체 재료는 상기 방사성핵종으로부터의 베타 입자 방출에 응답하여 전자 정공 쌍을 생성할 수 있음-를 포함하는 적어도 하나의 전지를 포함한다.

Description

베타볼타 장치
우선권 주장
본 출원은 2019년 5월 21일에 출원된 오스트레일리아 가출원 2019901722 및 2019년 5월 21일에 출원된 오스트레일리아 가출원 2019901723에 대한 우선권을 주장하며, 이들 모두의 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
기술분야
본 발명은 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치, 전기 에너지를 발생시키기 위한 방법, 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치에 사용하기 위한 생성물 및 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.
전기 에너지를 발생시키기 위한 전기화학 장치의 사용은 널리 퍼져 있다. 이러한 장치는 전력을 공급하기 위해 기존의 화학 반응에 의존하지만, 재충전하거나 재연료공급하지 않으면 사용 수명에 제한이 있다. 재충전가능한 전기화학 장치는 전기화학 에너지 장치의 사용 수명을 연장할 수 있지만, 또한 특히 장치가 시간이 지남에 따라 재충전될 수 있는 능력을 잃는 등 많은 자체적인 한계가 있다.
또한 이온화 방사선을 전기 에너지로 변환하는 장치가 개발되었다. 예를 들어, 전기를 발생시키기 위해 베타 방사선을 이용하는 장치가 개발되었으며, 이는 일반적으로 "베타볼타(betavoltaic)" 장치라고 지칭한다. 이러한 장치는 장기간 전력 출력이 필요하거나, 또는 전력 공급원을 변경하거나 서비스하는 것이 실용적이지 않은 분야에서 상당한 관심을 끌고 있다.
역사적으로 그리고 미래에 다양한 공정에 의해 생성되는 많은 양의 폐기물 방사성핵종을 고려할 때, 이러한 폐기물 방사성핵종의 고유한 에너지 입자 방출을 이용하여 그러한 장치에 전력을 공급할 수 있는 것이 유리할 것이다. 이는 폐기물 방사성핵종을 활용하는 것과 관련된 경제적 및/또는 환경적 이점을 제공할 것이다.
그러나, 베타볼타 장치가 개발되는 동안 통상적으로 낮은 변환 효율, 낮은 전력 출력 및/또는 방사선 손상으로 인한 수명 감소 중 하나 이상과 같은 많은 제한이 있어 왔다.
본 발명은 전기를 발생시키기 위해 다양한 상이한 베타 입자 방출 방사성핵종을 사용할 수 있고, 본 명세서에 논의되는 바와 같은, 종래 기술의 단점 중 하나 이상을 개선하고/하거나 하나 이상의 장점을 제공하는 베타볼타 장치에 관한 것이다.
본 발명은 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치, 전기 에너지를 발생시키기 위한 방법, 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치에 사용하기 위한 생성물, 및 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 소정 구현예는 전기 에너지 발생 장치를 제공하며, 상기 장치는
이격된 제1 전극 및 제2 전극-상기 제1 전극은 낮은 일함수 재료를 포함하고, 상기 제2 전극은 높은 일함수 재료를 포함함-; 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된, 베타 입자 방출 방사성핵종 및 반도체 재료-상기 반도체 재료는 상기 방사성핵종으로부터의 베타 입자 방출에 응답하여 전자 정공 쌍을 생성할 수 있음-
를 포함하는 적어도 하나의 전지를 포함한다.
본 발명의 소정 구현예는 전기를 발생시키는 방법을 제공하며, 상기 방법은 전기 에너지를 발생시키기 위해 본 명세서에 설명된 바와 같은 전기 발생 장치를 사용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 소정 구현예는 전기 에너지를 발생시키는 방법을 제공하며, 상기 방법은
밀접하게 이격된 제1 전극 및 제2 전극 사이에 전위 차를 생성하는 단계-상기 제1 전극은 낮은 일함수 재료를 포함하고, 상기 제2 전극은 높은 일함수 재료를 포함함-;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 반도체 재료에 매우 근접해 있는 방사성핵종으로부터 방출된 에너지 베타 입자로부터 전자 정공 쌍을 생성하는 단계-상기 전자 정공 쌍은 전기 장의 영향 하에 이동함-; 및
상기 전극들 사이에 존재하는 상기 전기 장을 이용하여 상기 전자 정공 쌍을 외부 회로로 포획하는 단계
를 포함하며; 이에 의해 전기 에너지를 발생시키는 방법.
본 발명의 소정 구현예는 전기 에너지를 발생시키는 방법을 제공하며, 상기 방법은
이격된 제1 전극 및 제2 전극 사이에 전기 장을 생성하는 단계-상기 제1 전극은 낮은 일함수 재료를 포함하고, 상기 제2 전극은 높은 일함수 재료를 포함하며, 상기 전기 장은 상기 2개의 상이한 전극에서 상이한 쇼트키 접합(Schottky junctions)으로 인해 생성됨-;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 반도체 재료에 매우 근접해 있는 방사성핵종으로부터 방출된 에너지 베타 입자로부터 전자 정공 쌍을 생성하는 단계-상기 전자 정공 쌍은 전기 장의 영향 하에 이동함-; 및
상기 전극들 사이에 존재하는 상기 전기 장을 이용하여 상기 전자 정공 쌍을 외부 회로로 포획하는 단계
를 포함하며; 이에 의해 전기 에너지를 발생시키는 방법.
본 발명의 소정 구현예는 본 명세서에 설명된 방법을 사용하여 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치를 제공한다.
본 발명의 소정 구현예는, 낮은 일함수를 갖는 제1 재료, 높은 일함수를 갖는 제2 재료, 및 상기 제1 재료와 제2 재료 사이에 배치된 베타 입자 방출 방사성핵종 및 상기 방사성핵종으로부터의 베타 입자 방출에 응답하여 전자 정공 쌍을 생성할 수 있는 반도체 재료를 포함하는 생성물을 제공한다.
본 발명의 소정 구현예는, 본 명세서에 설명된 바와 같은 생성물을 포함하는 전기 에너지 발생 장치를 제공한다.
본 발명의 소정 구현예는 전기 에너지를 발생시키는 방법을 제공하며, 상기 방법은 본 명세서에 설명된 바와 같은 생성물을 사용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 소정 구현예는, 전기 에너지 발생 장치를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 하나 이상의 전기 전지를 상기 전기 에너지 발생 장치에 통합하는 단계를 포함하고, 상기 하나 이상의 전기 전지는 이격된 제1 전극 및 제2 전극-상기 제1 전극은 낮은 일함수 재료를 포함하고, 상기 제2 전극은 높은 일함수 재료를 포함함-, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된, 베타 입자 방출 방사성핵종 및 반도체 재료-상기 반도체 재료는 상기 방사성핵종으로부터의 베타 입자 방출에 응답하여 전자 정공 쌍을 생성할 수 있음-를 포함한다.
본 발명의 소정 구현예는, 본 명세서에 설명된 바와 같은 방법에 의해 제조된 전기 에너지 발생 장치를 제공한다.
다른 구현예들이 본 명세서에 개시되어 있다.
본 발명의 더 나은 이해를 위해, 그리고 본 발명이 본 발명의 하나 이상의 구현예에 따라 어떻게 실시될 수 있는지 명확하게 나타내기 위해, 예로서 첨부 도면을 참조할 것이다.
도 1은 베타볼타 장치용 반도체 재료가 3개의 말단 부재, 즉 (i) 적절한 전자적 특성을 갖는 순수한 반도체 중합체; (ii) 중합체(일반적으로 질소 및/또는 황 헤테로원자를 함유함)와 화학적으로 복합된 무기 화합물을 포함하는 반도체 단일 상(single-phase) 복합체; (iii) 규정된 화학 조성 및 화학량론을 갖는 결정질 반도체로 둘러싸인 공간 내에서 임의의 위치를 차지할 수 있음을 보여준다. 이 반도체 재료는 임의의 2개의 말단 부재 사이 또는 3개 모두의 말단 부재 사이의 혼합물 또는 블렌드를 (나노미터 규모로) 포함할 수 있다.
본 발명은 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치, 전기 에너지를 발생시키기 위한 방법, 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치에 사용하기 위한 생성물, 및 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 상이한 일함수를 갖는 전극들 사이에 배치된 반도체 재료를 사용하고 상기 반도체 재료를 베타 입자 방출 방사성핵종에 노출시키는 장치를 사용하여 전기 에너지가 발생될 수 있다는 인식에 기초한다. 상기 전극들 사이의 전위 차와 함께, 상기 방사성핵종으로부터의 베타 입자 방출에 응답하는 상기 반도체 재료에서 전자 정공 쌍이 생성되면 전기 에너지가 발생한다.
이론에 얽매이지 않고, 본 발명은 2개의 상이한 전극들에서 상이한 쇼트키 접합을 형성함으로써, 이격된 제1 전극과 제2 전극 사이에 생성되는 전위 차에 기초한다. 전자 정공 쌍은 반도체 재료 내에 통합된 방사성핵종으로부터 방출된 전기 베타 입자에 의해 여기될 때 반도체 재료에서 생성된다. 이 재료 내에서 생성된 전자 정공 쌍은 전기장의 영향 아래 이동한다. 전자 정공 쌍은 2개의 상이한 전극들 사이에 존재하는 전위 차를 이용하여 외부 회로로 스위핑되며, 이에 의해 전기 에너지가 발생한다.
본 발명의 소정 구현예는 하나 이상의 장점들의 조합을 갖는 생성물 및 방법에 관한 것이다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 구현예들 중 일부의 장점들 중 일부는 다음 중 하나 이상을 포함한다: 전기 에너지를 발생시키기 위한 신규하고/하거나 개선된 장치; 방사성핵종으로부터의 베타 방출을 전기 에너지로 변환시키기 위한 신규한 방법; 전기 에너지를 발생시키기 위해 이전에 폐기물로 간주되었던 방사성 재료를 사용하는 것; 특수 원격 전력 요구사항을 대해 전력을 제공할 수 있는 장치를 제조하는 것; 방사선 유도 손상에 대해 개선된 내성을 갖는 베타볼타 전기 에너지 발생 장치를 제조하는 것; 상이한 반감기를 가진 방사성 동위원소를 선택하여 장치에 전원공급함으로써 특정 응용에 필요한 다양한 전체 수명을 달성할 수 있게 허용하는 베타볼타 장치; 확장가능하고 자동화된 제조 방법을 허용하기 위해 전기 전지를 제조하는 데 사용되는 재료의 적합성; 하나 이상의 문제를 해결하고/하거나, 하나 이상의 장점을 제공하거나, 상업적 대안을 제공하는 것. 본 발명의 소정 구현예들의 다른 장점이 또한 본 명세서에 개시되어 있다.
본 발명의 소정 구현예는 전기 에너지 발생 장치를 제공한다.
본 발명의 소정 구현예는 전기 에너지 발생 장치를 제공하며, 상기 장치는
이격된 제1 전극 및 제2 전극-상기 제1 전극은 낮은 일함수 재료를 포함하고, 상기 제2 전극은 높은 일함수 재료를 포함함-; 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된, 베타 입자 방출 방사성핵종 및 반도체 재료-상기 반도체 재료는 상기 방사성핵종으로부터의 베타 입자 방출에 응답하여 전자 정공 쌍을 생성할 수 있음-
를 포함하는 적어도 하나의 전지를 포함한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "전지(cell)"는 전기 에너지를 발생시키기 위한 기능 유닛을 지칭한다.
소정 구현예에서, 장치는 하나 초과의 전지를 포함한다. 소정 구현예에서, 장치는 복수의 전지들을 포함한다. 적합한 수의 전지는 필요한 장치의 원하는 특성에 기초하여 선택할 수 있다. 전류 흐름을 달성하기 위해 개별 전지를 전기적으로 연결하는 방법은 당업계에 알려져 있다.
제1 전극 및 제2 전극의 치수는 전극에 사용되는 재료의 특성 및 전기 에너지 발생 장치의 원하는 특성에 기초하여 선택할 수 있다.
소정 구현예에서, 제1 전극 및 제2 전극은 0.3 내지 100 마이크로미터 범위의 거리만큼 이격되어 있다. 소정 구현예에서, 제1 전극 및 제2 전극은 0.5 내지 30 마이크로미터 범위의 거리만큼 이격되어 있다. 기타 다른 거리가 고려된다.
이 구현예에서, 전극간(inter-electrode) 전기장은 각 전극에서 상이한 쇼트키 접합에 의해 밀접하게 이격된 제1 전극과 제2 전극 사이에 생성된다. 반도체와 낮은 일함수 재료를 포함하는 제1 전극 사이에 형성된 쇼트키 접합은, 높은 일함수 재료를 포함하는 제2 전극에서 형성된 것과 상이한 장벽 높이, 공핍(depletion) 폭 및 에너지 프로파일을 가질 것이다. 종합하면, 2개의 상이한 쇼트키 접합과 연관된 전기장은 전하 캐리어를 외부 회로로 수집하기 위한 상당한 규모의 거시적 장을 제공하기 위해 서로를 강화할 수 있다.
재료의 일함수를 결정하는 방법은 당업계에 알려져 있으며, 전기장(전계 전자 방출)으로 인한, 광자 흡수(광전자 방출), 고온(열이온 방출)에 의해, 또는 켈빈 프로브 측정(Kelvin Probe measurement)의 사용에 의해, 유도된 샘플로부터 전자 방출을 이용하는 방법을 포함한다. 상대 방법은 샘플과 기준 금속 사이의 일함수 차이를 사용한다.
소정 구현예에서, 제1 전극 및/또는 제2 전극은 금속을 포함한다. 소정 구현예에서, 제1 전극 및/또는 제2 전극은 비금속을 포함한다. 소정 구현예에서, 제1 전극 및/또는 제2 전극은 복합 재료(예를 들어, 서멧)를 포함한다. 소정 구현예에서, 제1 전극 및/또는 제2 전극은 전극의 일함수를 변경하도록 처리된(예를 들어, 코팅된) 재료를 포함한다.
낮은 일함수 재료 및 높은 일함수 재료는 구매 가능하고/하거나 당업계에 알려진 방법으로 제조할 수 있다.
소정 구현예에서, 낮은 일함수 재료는 3.0 eV 미만의 일함수를 갖는 재료를 포함한다.
소정 구현예에서, 낮은 일함수 재료는 2.5 eV 이하의 일함수를 갖는 재료를 포함한다. 소정 구현예에서, 낮은 일함수 재료는 2.7 내지 3.5 eV 범위의 일함수를 갖는 재료를 포함한다.
소정 구현예에서, 낮은 일함수 재료는 금속 및/또는 금속간 화합물을 포함한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "금속"은 하나 이상의 금속, 또는 상당한 비율의 금속을 함유하는 재료를 지칭한다.
소정 구현예에서, 낮은 일함수 재료는 실질적으로 순수한 원소 금속이다. 소정 구현예에서, 낮은 일함수 재료는 2개 이상의 금속을 포함한다. 소정 구현예에서, 낮은 일함수 재료는 하나 이상의 금속 및 다른 재료들을 포함한다. 소정 구현예에서, 낮은 일함수 재료는 합금이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "금속간 화합물"은 규정된 화학량론의 2개 이상의 원소 금속으로 구성된 재료를 지칭하며, 이는 또한 다른 비금속 원소, 예를 들어 Mg2Ca, Al2Ca, Mg17Al12와 같은 재료를 함유할 수 있다.
소정 구현예에서, 낮은 일함수 재료는 금속, 및/또는 유로퓸, 스트론튬, 바륨, 사마륨, 칼슘, 마그네슘, 세륨, 나트륨, 리튬, 칼륨, 루비듐, 세슘, 디스프로슘, 네오디뮴, 가돌리늄, 테르븀, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 란타늄, 스칸듐, 토륨, 이트륨, 및 이테르븀 중 하나 이상을 포함하는 화합물을 함유하는 금속을 포함한다. 이러한 낮은 일함수 재료는 구매 가능하고/하거나 당업계에 알려진 방법으로 제조할 수 있다.
소정 구현예에서, 낮은 일함수 재료는 사마륨 금속을 포함한다. 사마륨 금속은 구매 가능하다.
다른 낮은 일함수 재료의 예는 Ag-O-Cs, W-O-Ba, Sc2O3 및 LaB6을 포함하며, 이들 모두는 구매 가능하거나 당업계에 알려진 방법으로 제조할 수 있다.
소정 구현예에서, 낮은 일함수 재료는 금속을 포함한다. 소정 구현예에서, 낮은 일함수 재료는 금속의 혼합물을 포함한다. 소정 구현예에서, 낮은 일함수 재료는 전극의 일함수를 변경하도록 다른 재료로 처리된(예를 들어, 코팅된) 금속을 포함한다.
소정 구현예에서, 낮은 일함수 재료는 비금속을 포함한다.
소정 구현예에서, 낮은 일함수를 갖는 재료는 복합 재료를 포함한다. 소정 구현예에서, 낮은 일함수를 갖는 재료는 재료의 일함수를 변경하도록 처리된 재료를 포함한다.
소정 구현예에서, 높은 일함수 재료는 4.0 eV 초과의 일함수를 갖는 재료를 포함한다. 소정 구현예에서, 높은 일함수 재료는 4.0 eV 초과의 일함수를 갖는 화학 원소를 포함한다.
소정 구현예에서, 높은 일함수 재료는 금속 및/또는 금속간 화합물을 포함한다.
소정 구현예에서, 높은 일함수 재료는 실질적으로 순수한 원소 금속이다. 소정 구현예에서, 높은 일함수 재료는 2개 이상의 금속을 포함한다. 소정 구현예에서, 높은 일함수 재료는 하나 이상의 금속 및 다른 재료들을 포함한다. 소정 구현예에서, 높은 일함수 재료는 합금이다.
소정 구현예에서, 높은 일함수 재료는 니켈, 백금, 은, 금, 알루미늄, 카드뮴, 코발트, 크롬, 구리, 베릴륨, 비스무트, 카드뮴, 철, 갈륨, 수은, 인듐, 이리듐, 망간, 몰리브덴, 니오븀, 오스뮴, 납, 팔라듐, 레늄, 로듐, 루테늄, 안티몬, 규소, 주석, 탄탈럼, 테크네튬, 티타늄, 바나듐, 텅스텐, 아연, 및 지르코늄 중 하나 이상으로부터 선택되는 금속을 포함한다. 이러한 높은 일함수 재료는 구매 가능하고/하거나 당업계에 알려진 방법으로 제조할 수 있다.
소정 구현예에서, 높은 일함수 재료는 니켈 금속을 포함한다.
소정 구현예에서, 높은 일함수를 갖는 재료는 금속을 포함한다. 소정 구현예에서, 높은 일함수를 갖는 재료는 금속의 혼합물을 포함한다. 소정 구현예에서, 높은 일함수를 갖는 재료는 전극의 일함수를 변경하도록 다른 재료로 처리된 금속을 포함한다.
소정 구현예에서, 높은 일함수를 갖는 재료는 비금속을 포함한다.
소정 구현예에서, 제2 전극은 세라믹 금속 복합재(즉, 서멧 재료)를 포함한다.
소정 구현예에서, 높은 일함수를 갖는 재료는 복합 재료를 포함한다. 소정 구현예에서, 높은 일함수를 갖는 재료는 재료의 일함수를 변경하도록 처리된(예를 들어, 코팅된) 재료를 포함한다.
당업계에 알려진 베타 입자 방출 방사성핵종은 구매 가능하며, 추가적으로 방사성핵종 폐기물, 핵분열 원자로(fission reactor)의 부산물, 및 산업, 의료 또는 연구 목적을 위해 특별히 생산되어 남겨진 방사성핵종으로부터 유래한 공급원으로부터 수득할 수 있다.
소정 구현예에서, 베타 입자 방출 방사성핵종은 폐기물 방사성핵종 재료로부터 유래한다.
베타 입자 방출 방사성핵종의 예에는 90Sr, 99Tc, 3H, 14C, 63Ni, 137Cs, 147Pm, 151Sm, 121mSn, 155Eu, 93Zr, 126Sn, 60Co, 210Pb, 90Y, 129I, 188W, 35S, 121mSn, 123Sn, 45Ca, 106Ru, 170Tm, 171Tm, 134Cs, 32Si, 113Cd, 및 79Se 중 하나 이상이 포함된다. 방사성핵종은 본 발명의 다양한 구현예에 사용하기 위한 적합한 화학적 형태로 제공될 수 있다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 90Sr, 99Tc, 3H, 14C, 63Ni, 137Cs, 147Pm, 151Sm, 121mSn, 155Eu, 93Zr, 126Sn, 60Co, 및 210Pb 중 하나 이상을 포함한다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 단일 유형의 방사성핵종을 포함한다. 소정 구현예에서, 방사성핵종은 2개 이상의 개별 유형의 방사성핵종의 방사성핵종을 포함한다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 궁극적으로 90Sr 및 126Sn과 같은 안정한 동위원소/핵으로 붕괴함에 따라 붕괴하는 딸 방사성핵종의 사슬을 통해 다중 β-입자 방출을 생성하는 동위원소를 포함한다.
또한 단일 방사성핵종 베타 붕괴 사건은 원래 붕괴하는 원자로부터 수십 마이크로미터(μm)까지 확장되는 2차 전자의 캐스케이드를 유발하며, 각각의 2차 전자는 그 자체가 잠재적으로, 반도체 내에 다중 여기된 전자 상태를 유발할 수 있는 것임을 이해할 것이다. 또한, 방사성핵종은 다중 모드 방출을 겪을 수 있음을 이해할 것이다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 하기 바람직한 특성들 중 하나 이상을 갖는다: (i) 방사성핵종이 1~100 킬로 전자 볼트(keV) 범위의 에너지를 갖는 β-입자를 방출함; (ii) 방사성핵종이 1~40년 범위, 예를 들어 (교체 기간을 최소화하기 위해) 약 5년의 반감기로 제어되는 속도로 β-입자를 방출함; (iii) 방사성핵종이 다루기 쉬운 화학적 특성을 가진 원소의 동위원소임; 및 (iv) 방사성핵종이 감마(γ) 방사선 방출과 거의 연관되지 않거나 전혀 연관되지 않으면서 β-입자를 방출함.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 반도체 재료에 분산된다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 반도체 재료의 화학 구조 및/또는 구조적 프레임워크 내로 통합된다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 10-1 GBq/mm3 내지 104 GBq/mm3 범위의 비 활성(specific activity)으로 반도체 재료 내로 통합된다. 적합한 비 활성은 전기 에너지 발생 장치의 원하는 특성에 기초하여 선택할 수 있다.
소정 구현예에서, 반도체 재료는 복합 반도체 재료를 포함한다.
소정 구현예에서, 바인더 재료는 반도체 재료를 전극들 중 적어도 하나에 증착, 코팅 또는 융합하는 데 사용된다. 재료를 증착, 코팅 또는 융합하는 방법은 당업계에 알려져 있다.
소정 구현예에서, 반도체 재료는 단일 상 복합 반도체 재료를 포함한다.
소정 구현예에서, 단일 상 복합 반도체 재료는 중합체와 화학적으로 복합된 무기 반도체를 포함한다.
소정 구현예에서, 무기 반도체는 적어도 1.1 eV의 밴드 갭을 포함한다.
무기 반도체의 예는 할로겐화물 및 칼코겐화물 중 하나 이상을 포함하며, 이는 구매 가능하거나 당업계에 알려진 방법으로 제조할 수 있다.
소정 구현예에서, 무기 반도체는 할로겐화 세슘, 할로겐화 루비듐, 할로겐화 칼륨, 할로겐화 납, 할로겐화 비스무트, 할로겐화 안티몬, 할로겐화 비소, 할로겐화 텔루륨, 할로겐화 주석; Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Se의 텔루르화물; Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Te의 셀렌화물; 및 Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Se의 황화물 중 하나 이상을 포함한다.
소정 구현예에서, 단일 상 복합 반도체 재료는 중합체와 화학적으로 복합된 할로겐화물을 포함한다. 예를 들어, 할로겐화물은 중합체에서 질소 또는 황 원자와 초분자적으로 복합될 수 있다.
소정 구현예에서, 무기 반도체는 BiI3, PbI2, CsPbBr3, CsPbI3, CsPbCl3, CsSnI3, CsSnBr3, 및 CsSnCl3 중 하나 이상을 포함한다.
다른 무기 반도체는 예를 들어 ZnS 및/또는 CdSe을 포함하며, 이들 모두는 구매 가능하고/하거나 당업계에 알려진 방법으로 제조할 수 있다.
소정 구현예에서, 중합체는 나일론, 폴리이미드, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리카르바졸, 폴리아닐린, 폴리설파이드, 폴리설폭시드, 폴리티오에스테르, 폴리티오카보네이트, 폴리설페이트, 폴리티오우레탄, 폴리설폭시민, 및 폴리설포늄 염, 또는 상기 언급한 중합체들 중 하나 이상의 혼합물을 포함한다.
소정 구현예에서, 단일 상 복합 반도체 재료는 중합체 및 높은 농도의 무기 반도체를 포함한다. 예를 들어, 단일 상 복합 반도체 재료는 적어도 50%(w/w), 또는 50% 내지 95%(w/w) 범위의 무기 반도체 농도를 가질 수 있다.
소정 구현예에서, 무기 반도체 및 방사성핵종은 별개의 종이다.
소정 구현예에서, 무기 반도체는 방사성핵종을 포함한다. 예를 들어, 무기 반도체는 210PbI2 및/또는 Bi129I3일 수 있다. 이러한 화합물은 구매할 수 있거나 당업계에 알려진 방법으로 제조할 수 있다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 중합체와 혼합된다. 소정 구현예에서, 방사성핵종은 중합체와 분산된다. 소정 구현예에서, 방사성핵종은 중합체에 인접하여 위치한다. 소정 구현예에서, 중합체 및 반도체는 모두 미립자 형태로 존재하며, 입자는 반도체와의 혼합물로 존재한다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 중합체의 화학적 구조 내로 통합된다. 방사성핵종을 중합체 내로 통합시키는 방법은 당업계에 알려져 있으며, 예를 들어, 적절한 방사성핵종(예를 들어 3H 또는 14C)으로 라벨링된 단량체의 사용, 또는 교환에 의해 방사성핵종을 중합체 내로 통합시키는 가스상 형태의 방사성핵종(예를 들어, 삼중수소 가스)의 사용을 포함한다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 중합체와 혼합된다. 소정 구현예에서, 방사성핵종은 중합체에 분산된다. 소정 구현예에서, 방사성핵종은 중합체와 인접하여 위치한다. 소정 구현예에서, 중합체 및 방사성핵종은 모두 미립자 형태로 존재하며, 입자는 반도체와의 혼합물로 존재한다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 중합체의 화학 구조 내로 통합되고, 무기 반도체는 중합체와 혼합된다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 무기 반도체의 일부를 형성하고, 무기 반도체는 중합체와 혼합된다.
소정 구현예에서, 방사성핵종, 무기 반도체, 및 중합체는 각각 미립자 형태이며, 입자는 혼합물로 존재한다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 무기 반도체에 존재하는 비규칙적 구조에서 공극 내로 통합하는 것과 같이, 무기 반도체를 포함하는 재료에 존재하는 고차 구조 내로 통합된다.
소정 구현예에서, 반도체 재료는 반도체 중합체를 포함한다. 반도체 중합체(및/또는 이들의 단량체 구성요소)는 구매 가능하거나 당업계에 알려진 방법으로 제조할 수 있다.
소정 구현예에서, 반도체 중합체는 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리페닐렌 비닐렌, 폴리피롤 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아닐린, 폴리비닐아세틸렌, 폴리피롤, 폴리인돌, 폴리 비닐렌, 폴리 아줄렌, 및 유기-붕소 중합체 중 하나 이상을 포함한다. 예는 P3HT 및 PEDOT 중합체를 포함한다. 다른 유형의 중합체가 고려된다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 반도체 중합체와 혼합된다. 소정 구현예에서, 방사성핵종은 반도체 중합체와 분산된다. 소정 구현예에서, 방사성핵종은 반도체 중합체와 인접하여 위치한다. 소정 구현예에서, 반도체 중합체 및 방사성핵종은 모두 미립자 형태로 존재하며, 입자는 반도체와의 혼합물로 존재한다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 반도체 중합체의 화학 구조 내로 통합된다. 방사성핵종을 중합체 내로 통합시키는 방법은 당업계에 알려져 있으며, 예를 들어, 적절한 방사성핵종(예를 들어 3H 또는 14C)으로 라벨링된 단량체의 사용, 또는 교환에 의해 방사성핵종을 반도체 중합체 내로 통합시키는 가스상 형태의 방사성핵종(예를 들어, 삼중수소 가스)의 사용을 포함한다.
소정 구현예에서, 반도체 재료는 반도체 중합체 및 추가 반도체를 포함한다.
추가 반도체의 예는 할로겐화물, 칼코겐화물, 산화물, 질화물, 탄화물, 페로브스카이트, 붕화물, 텔루르화물, 셀렌화물, 안티몬화물, 게르마늄화물, 비소화물, 황화물, 규화물, 인화물, 알루미나이드, 탄소 동소체, 및 금속간 화합물 중 하나 이상을 포함하며, 이들 모두는 구매 가능하거나 당업계에 알려진 방법으로 제조할 수 있다.
소정 구현예에서, 추가 반도체는 BiI3, PbI2, CsPbBr3, CsPbI3, CsPbCl3, CsSnI3, CsSnBr3, 및 CsSnCl3 중 하나 이상을 포함한다. 다른 무기 반도체는 예를 들어 PbZrO3, PbTiO3, SrTiO3, SrZnO3, 및 (K,Cs)TaO3 중 하나 이상을 포함하며, 이들 모두는 구매 가능하다.
소정 구현예에서, 반도체 재료는 반도체 중합체 및 낮은 농도의 추가 반도체를 포함한다. 예를 들어, 반도체 재료는 반도체 중합체 중 적어도 5%(w/w), 또는 5% 내지 50%(w/w)의 범위의 추가 반도체 농도를 가질 수 있다.
소정 구현예에서, 반도체 재료는 반도체 중합체 및 추가 반도체를 포함하며, 방사성핵종은 추가 반도체의 일부를 형성한다.
소정 구현예에서, 반도체 재료는 반도체 중합체 및 추가 반도체를 포함하며, 방사성핵종, 추가 반도체, 및 반도체 중합체는 각각 미립자 형태이며, 입자는 혼합물로 존재한다.
소정 구현예에서, 반도체 재료는 반도체 중합체 및 추가 반도체를 포함하며, 방사성핵종 및/또는 추가 반도체는 반도체 중합체의 매트릭스에 분산된다.
소정 구현예에서, 반도체 재료는 결정질 반도체를 포함한다.
소정 구현예에서, 결정질 반도체는 질화물, 탄화물, 할로겐화물, 혼합 칼코겐화물, 텔루르화물, 셀렌화물, 안티몬화물, 게르마늄화물, 비소화물, 규화물, 인화물, 알루미나이드, 탄소 동소체, 페로브스카이트 또는 다른 복합 옥소-음이온 결정 상(crystal phase) 재료, 단순 산화물, 도핑된 산화물, 황화물, 불화물, 및 금속간 화합물 중 하나 이상을 포함하며, 이들 모두는 구매 가능하거나 당업계에 알려진 방법으로 제조할 수 있다. 소정 구현예에서, 결정질 반도체는 티탄산염, 지르콘산염, 몰리브덴산염, 바나듐산염, 테크네테이트, 퍼테크네테이트, 텅스텐산염, 니오브산염, 탄탈산염, 도핑된 산화 주석, 도핑된 산화 아연, 하프네이트, 산화 게르마늄, 코발테이트, 철산염, 및 망간산염 중 하나 이상을 포함하며, 이들 모두는 구매 가능하거나 당업계에 알려진 방법으로 제조할 수 있다. 다른 결정질 반도체가 고려된다.
소정 구현예에서, 결정질 반도체는 티탄산염 및/또는 지르콘산염을 포함한다.
소정 구현예에서, 결정질 반도체는 스트론튬 지르코네이트(SrZrO3), 스트론튬 티타네이트(SrTiO3), 및 산화 티타늄 중 하나 이상을 포함한다.
소정 구현예에서, 결정질 반도체는 하기 바람직한 특성들 중 하나 이상을 갖는다: 낮은 전자-정공-쌍 재결합 속도; 전기장의 영향 하에서 전자 및 정공에 대한 높은 이동도; 적어도 250℃의 융점; 내산화성; 경도; 강도, 충격 파괴, 침식 및/또는 마모에 대한 내성. 상기 언급한 특성들을 평가하는 방법은 당업계에 알려져 있다.
소정 구현예에서, 결정질 반도체는 적어도 2.0 eV의 밴드 갭을 포함한다. 소정 구현예에서, 결정질 반도체는 적어도 2.6 eV의 밴드 갭을 갖는다. 소정 구현예에서, 결정질 반도체는 적어도 3.1 eV의 밴드 갭을 갖는다. 소정 구현예에서, 결정질 반도체는 적어도 3.2 eV의 밴드 갭을 갖는다. 소정 구현예에서, 결정질 반도체는 적어도 3.4 eV의 밴드 갭을 갖는다. 소정 구현예에서, 결정질 반도체는 2.6 내지 5.4 eV, 3.1 내지 5.4 eV, 3.2 내지 5.4 eV, 또는 3.4 내지 5.4 eV 범위의 밴드 갭을 갖는다. 반도체의 밴드 갭을 결정하는 방법은 당업계에 알려져 있으며, 통상적으로 표준 수소 전극에 대해 표시된다.
소정 구현예에서, 결정질 반도체는 높은 전하 캐리어 이동도의 특성을 갖는다.
소정 구현예에서, 반도체 재료는 결정질 반도체를 포함하고, 방사성핵종은 90Sr, 99Tc, 3H, 14C, 63Ni, 137Cs, 147Pm, 151Sm, 121mSn, 155Eu, 93Zr, 210Pb, 60Co 및 126Sn 중 하나 이상을 포함한다. 다른 베타 입자 방출 방사성핵종이 고려된다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 결정질 반도체의 화학적 또는 구조적 프레임워크 내로 통합된다.
이와 관련하여, 방사성핵종은 예를 들어, 스트론튬 티타네이트(SrTiO3)에 대한 격자에서 일부 Sr의 일부분을 치환하는 90Sr과 같이 결정질 반도체의 격자 내로 치환할 수 있는 원자일 수 있다. 다른 구현예에서, 방사성핵종은 격자에서 공극 또는 다른 구조적 흠을 차지할 수 있는 원자 또는 무기 화합물일 수 있다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 10-1 GBq/mm3 내지 104 GBq/mm3 범위의 비 활성에서 결정질 반도체 내로 통합된다. 적합한 비 활성은 전기 에너지 발생 장치의 원하는 특성에 기초하여 선택할 수 있다.
방사성핵종을 결정질 반도체 내로 통합하는 방법은 당업계에 알려져 있다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 결정질 반도체의 화학적 또는 구조적 프레임워크 내로 통합된다. 베타 입자 방출 방사성핵종을 결정질의 화학적 또는 구조적 프레임워크 내로 통합하는 방법은 당업계에 알려져 있으며, 예를 들어 동위원소 농도 구배를 사용하는 동위원소 교환을 포함한다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은, 결정질 반도체의 격자에서 적절한 원자를 방사성핵종으로 대체하는 것(치환 통합) 중 하나 이상에 의해, 결정질 반도체의 프레임워크 내로 방사성핵종을 삽입 통합하는 것에 의해, 또는 방사성핵종을 구조적 프레임워크의 공백 또는 공극 내로 통합하는 것에 의해, 결정질 반도체의 화학적 또는 구조적 프레임워크 내로 통합된다.
소정 구현예에서, 방사성핵종은 반도체에 존재하는 비규칙적 구조에서 공극 내로 통합하는 것과 같이, 결정질 반도체에 존재하는 저차 구조(less ordered structure) 내로 통합된다.
소정 구현예에서, 반도체 재료는 결정질 반도체 및 바인더를 포함한다. 소정 구현예에서, 반도체 재료는 결정질 반도체 및 중합체 바인더를 포함한다.
소정 구현예에서, 바인더 재료는 반도체 재료를 전극들 중 적어도 하나에 증착, 코팅 또는 융합하는 데 사용된다. 재료를 증착, 코팅 또는 융합하는 방법은 당업계에 알려져 있다.
소정 구현예에서, 반도체 재료는 제1 전극 및/또는 제2 전극 상에 증착, 코팅 또는 융합된다. 소정 구현예에서, 재료는 제1 전극 상에 증착, 코팅 또는 융합된다. 소정 구현예에서, 재료는 제2 전극 상에 증착된다. 소정 구현예에서, 재료는 두 전극 상에 모두 증착된다.
소정 구현예에서, 재료는 전극들 중 하나 상에 증착, 코팅 및/또는 융합된다. 재료를 증착, 코팅 또는 융합하는 방법은 당업계에 알려져 있다.
소정 구현예에서, 반도체 재료는 습식 도포 공정에 의해 전극에 도포하기에 적합한 형태이다.
소정 구현예에서, 장치는 전지들 사이에 절연 층을 포함하는 복수의 전지를 포함한다. 절연 재료는 당업계에 알려져 있다. 소정 구현예에서, 절연 층은 박막이다.
소정 구현예에서, 전지는 전기적으로 직렬로 연결된다. 소정 구현예에서, 전지는 전기적으로 병렬로 연결된다. 전지를 연결하는 방법은 당업계에 알려져 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같은 전기 발생 장치의 제조 방법은 당업계에 알려져 있다.
소정 구현예에서, 본 명세서에 설명된 바와 같은 전기 에너지 발생 장치는, 군사 응용, 통신 응용, 광업 응용, 우주 응용, 및 의료 응용과 같은, 전력 공급원이 장기간 필요한 응용에 사용될 수 있다. 다른 응용이 고려된다.
본 명세서에 설명된 전기 에너지 발생 장치는 또한 본 명세서에서 베타 입자(전자)를 방출하는 방사성핵종 공급원으로부터의 에너지를 사용하여 전류를 발생시키는 "베타볼타 장치"라고 지칭된다.
본 발명의 소정 구현예는 베타볼타 장치를 제공한다.
소정 구현예에서, 본 발명은 베타볼타 장치를 제공하며, 상기 장치는
이격된 제1 전극 및 제2 전극-상기 제1 전극은 낮은 일함수 재료를 포함하고, 상기 제2 전극은 높은 일함수 재료를 포함함-; 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된, 베타 입자 방출 방사성핵종 및 반도체 재료-상기 반도체 재료는 상기 방사성핵종으로부터의 베타 입자 방출에 응답하여 전자 정공 쌍을 생성할 수 있음-
를 포함하는 적어도 하나의 전지를 포함한다.
베타볼타 장치, 및 이의 제조 방법이 본 명세서에 설명되어 있다.
본 발명의 소정 구현예는 전기 에너지를 발생시키는 방법을 제공한다.
전기 에너지를 발생시키는 방법은 본 명세서에 설명된 바와 같다.
소정 구현예에서, 본 발명은 전기 에너지를 발생시키는 방법을 제공하며, 상기 방법은
밀접하게 이격된 제1 전극 및 제2 전극 사이에 전위 차를 생성하는 단계-상기 제1 전극은 낮은 일함수 재료를 포함하고, 상기 제2 전극은 높은 일함수 재료를 포함함-;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 반도체 재료에 매우 근접해 있는 방사성핵종으로부터 방출된 에너지 베타 입자로부터 전자 정공 쌍을 생성하는 단계-상기 전자 정공 쌍은 전기 장의 영향 하에 이동함-; 및
상기 전극들 사이에 존재하는 상기 전기 장을 이용하여 상기 전자 정공 쌍을 외부 회로로 포획하는 단계
를 포함하며; 이에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.
소정 구현예에서, 본 발명은 전기 에너지를 발생시키는 방법을 제공하며, 상기 방법은
이격된 제1 전극 및 제2 전극 사이에 전기 장을 생성하는 단계-상기 제1 전극은 낮은 일함수 재료를 포함하고, 상기 제2 전극은 높은 일함수 재료를 포함하며, 상기 전기 장은 상기 2개의 상이한 전극에서 상이한 쇼트키 접합으로 인해 생성됨-;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 반도체 재료에 매우 근접해 있는 방사성핵종으로부터 방출된 에너지 베타 입자로부터 전자 정공 쌍을 생성하는 단계-상기 전자 정공 쌍은 전기 장의 영향 하에 이동함-; 및
상기 전극들 사이에 존재하는 상기 전기 장을 이용하여 상기 전자 정공 쌍을 외부 회로로 포획하는 단계
를 포함하며; 이에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.
소정 구현예에서, 전위 차의 생성은 상이한 일함수를 갖는 재료들의 사용을 포함한다. 소정 구현예에서, 제1 전극은 낮은 일함수 재료를 포함하고, 제2 전극은 높은 일함수 재료를 포함한다.
적합한 제1 전극 및 제2 전극, 및 낮은 일함수 재료 및 높은 일함수 재료는 본 명세서에 설명되어 있다.
방사성핵종 및 반도체 재료는 본 명세서에 설명되어 있다. 반도체 재료의 예는 본 명세서에 설명되어 있다.
본 발명의 소정 구현예는 본 명세서에 설명된 방법을 사용하여 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치를 제공한다. 상기 방법을 사용하여 장치를 제조하는 방법은 본 명세서에 설명된 바와 같다.
본 발명의 소정 구현예는 생성물을 제공한다.
소정 구현예에서, 생성물은 베타볼타 장치에 사용하기에 적합하다.
소정 구현예에서, 본 발명은 낮은 일함수를 갖는 제1 재료, 높은 일함수를 갖는 제2 재료, 및 제1 재료와 제2 재료 사이에 배치된 베타 입자 방출 방사성핵종 및 상기 방사성핵종으로부터의 베타 입자 방출에 응답하여 전자 정공 쌍을 생성할 수 있는 반도체 재료를 포함하는 생성물을 제공한다.
생성물의 제조 방법은 본 명세서에 설명된 바와 같다. 낮은 일함수 재료 및 높은 일함수 재료는 본 명세서에 설명되어 있다. 방사성핵종 및 반도체 재료는 본 명세서에 설명되어 있다.
소정 구현예에서, 생성물은 전기 전지를 제조하는 데 사용된다. 소정 구현예에서, 생성물은 전기 발생 장치에 사용된다. 다른 용도가 고려된다.
본 발명의 소정 구현예는 본 명세서에 설명된 바와 같은 생성물을 포함하는 전기 에너지 발생 장치를 제공한다.
전기 발생 장치에서 본 생성물을 활용하는 방법은 본 명세서에 설명된 바와 같다.
본 발명의 소정 구현예는 전기 에너지를 발생시키는 방법을 제공하며, 상기 방법은 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치에서 본 명세서에 설명된 바와 같은 생성물을 사용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 소정 구현예는 전기 에너지 발생 장치를 제조하는 방법을 제공한다.
소정 구현예에서, 본 발명은 전기 에너지 발생 장치를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 하나 이상의 전기 전지를 상기 전기 에너지 발생 장치에 통합하는 단계를 포함하고, 상기 하나 이상의 전기 전지는 이격된 제1 전극 및 제2 전극-상기 제1 전극은 낮은 일함수 재료를 포함하고, 상기 제2 전극은 높은 일함수 재료를 포함함-, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된, 베타 입자 방출 방사성핵종 및 반도체 재료-상기 반도체 재료는 상기 방사성핵종으로부터의 베타 입자 방출에 응답하여 전자 정공 쌍을 생성할 수 있음-를 포함한다.
적합한 제1 전극 및 제2 전극, 및 낮은 일함수 재료 및 높은 일함수 재료는 본 명세서에 설명되어 있다.
방사성핵종 및 반도체 재료는 본 명세서에 설명되어 있다. 반도체 재료의 예는 본 명세서에 설명되어 있다.
본 발명의 소정 구현예는 본 명세서에 설명된 바와 같은 방법에 의해 제조된 전기 에너지 발생 장치를 제공한다.
본 발명의 소정 구현예는 본 명세서에 설명된 바와 같은, 전기 발생 장치에 사용하기 위한 전기 전지를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 하기 실시예에 의해 추가로 설명된다. 하기 설명은 단지 특정한 구현예들을 설명하기 위한 것이며, 상기 설명에 대해 제한하려는 의도가 아님을 이해해야 한다.
실시예 1 - 단일 상 복합 반도체 재료를 사용한 베타볼타 장치의 제조
비방사성, 층상, 비대칭 금속-반도체-금속 구조를 생성하여, 자외선(UV) 광자 플럭스 하에 시험하기 위한 프로토타입 베타볼타 장치로서 제공하였다. 방사성 재료의 사용을 방지하기 위해, UV 광자를 베타 방사선에 의해 제공되는 전자 여기 효과를 시뮬레이션하는 데 사용하였다. UV 공급원은 4~5 eV의 에너지를 갖는 광자를 제공한다.
사용된 제1 금속 층은 약 150 μm 두께의 약하게 연마된 순수 니켈 금속의 얇은 스트립이었으며, 이 층은 두 전극으로서 및 반도체 복합체 층에 대한 기판으로서의 역할을 한다. 순수 니켈은 오스트레일리아, NSW, 포트 맥쿼리 소재의 Mid-North Coast Components로부터 입수하였다.
신규한 베타볼타 AMSM 구조의 반도체 구성요소에 대한 별개의 모범예로서 2개의 상이한 반도체 복합 재료를 제조하였다. 반도체 층은 방사성 여기에 응답하여 전하 캐리어가 생성되는 곳이며 층 두께가 2~5 μm이 되도록 수행하였다.
제1 반도체 복합 재료는 세슘화된 폴리아닐린-나일론 복합체이며, 다음에 의해 제조되었다: (a) 유리 바이알에서 95% 포름산(2 mL) 중 0.009 그램의 세슘 브로마이드(Sigma Aldrich, 99.999%; 제품 #203017)와 함께 Nylon-6(0.24 그램; Duromer Products, 오스트레일리아)을 용해시키고 완전히 투명해질 때까지(약 30분) 50℃에서 혼합물을 교반하는 단계; (b) 약 20분 동안 50℃에서 구성요소들을 함께 교반함으로써, 포름산(1.5 mL) 중 미세하게 분쇄된 폴리아닐린(0.053 그램- Aldrich의 에메랄딘; 제품 # 428329)의 분산액을 제조하는 단계; (c) 상기 세슘화된 나일론 용액 및 상기 폴리아닐린 분산액을 함께 혼합하고 생성된 블렌드를 적어도 20분 동안 교반하고, 가볍게 열을 가하여 일부 포름산을 제거함으로써 점도를 증가시키는 단계; (d) 세슘화된 폴리아닐린-나일론의 블렌딩된 포름산 분산물/용액을 0.45um의 시린지 필터가 장착된 작은 시린지 내로 옮기는 단계; (e) 시린지 필터를 통해 상기 분산액/용액을 밀어냄으로써 세슘화된 폴리아닐린-나일론의 몇 방울을 니켈 금속 기판 상으로 드롭-캐스팅하는 단계; (f) 거의 모든 포름산이 증발할 때까지 슬라이드를 부드럽게 회전시킴으로써 증착된 유체가 기판 위에 천천히 퍼지도록 하는 단계; (g) 고체가 되면, 약 110℃에서 핫플레이트에서 필름을 건조시키는 단계. 필름 중 CsBr의 농도는 대략 3 wt%이었다.
제조된 제2 반도체 재료는 높은 질량 로딩의 BiI3를 함유하는, 단일 상, 완전-복합 비스무트 트리요오다이드(BiI3)-나일론 복합체였다. 이는 하기에 의해 제조되었다: (a) 미세 Nylon-12 분말(0.5 그램; Duromer Products, 오스트레일리아)을 미세 BiI3 분말(0.5 그램; > 98%, Tokyo Chemical Industry(TCI) 제품 # B5787)과 긴밀하게 혼합하는 단계; (b) 분말 혼합물을 바이알에 넣고, BiI3가 나일론 내로 흡수되도록 혼합물을 약 150℃까지 가열하는 단계; (c) 나일론-BiI3 분말을 니켈 금속 기판 상에 놓고, 재료가 완전히 고형화될 때까지(약 5분)-이는 생성된 블렌딩된 중합체 용융물의 투명한 짙은 오렌지 색에 의해 명백한 바와 같으며, 또한 나일론의 아미드 기와 요오다이드의 복합화를 입증함- 아래로부터 약 250℃에서 니켈을 가열하는 단계; (d) 가열을 유지함으로써 상기 용융물을 기판 전체에 퍼지도록 하고, 원하는 두께로 형성하는 단계.
제조된 제3 반도체 복합 재료는 폴리아닐린과 높은 질량 로딩의 BiI3를 함유하는, 단일 상, 완전-복합 비스무트 트리요오다이드(BiI3)-나일론 혼합물의 복합체였다. 이는 하기에 의해 제조되었다: (a) 미세 Nylon-12 분말(0.5 그램)을 미세 BiI3 분말(0.5 그램)과 긴밀하게 혼합하는 단계; (b) 분말 혼합물을 바이알에 넣고, BiI3가 나일론 내로 흡수되도록 혼합물을 약 150℃까지 가열하는 단계; (c) 나일론-BiI3 분말을 미세하게 분쇄된 폴리아닐린(0.053 그램 - 에메랄딘-염 형태)과 혼합하는 단계; (d) 나일론-BiI3-폴리아닐린 분말을 니켈 금속 기판 상에 놓고, 재료가 완전히 고형화될 때까지(약 5분)-이는 생성된 블렌딩된 중합체 용융물의 투명한 짙은 오렌지-그린 색에 의해 명백한 바와 같음- 아래로부터 약 250℃에서 니켈을 가열하는 단계; (e) 상기 용융물이 기판 전체에 퍼지도록 하고, 용융되는 동안 연마된 사마륨 금속 전극을 상기 용융물 내로 압착하는 단계.
각각의 반도체 복합체 모범예는 본 명세서에 설명된 다양한 유형의 반도체 재료를 도시한 3축 구성 다이어그램에서 상이한 위치를 차지한다(도 1 참조). 이 도면은 3개의 말단 부재, 즉: (i) 적절한 전자적 특성을 갖는 순수한 반도체 중합체; (ii) 중합체(일반적으로 질소 및/또는 황 헤테로원자를 함유함)와 화학적으로 복합된 무기 화합물을 포함하는 반도체 단일 상 복합체; (iii) 규정된 화학 조성 및 화학량론을 갖는 결정질 반도체로 둘러싸인 공간을 도시한다. 이 반도체 재료는 임의의 2개의 말단 부재 사이 또는 3개 모두의 말단 부재 사이의 혼합물 또는 블렌드를 (나노미터 규모로) 포함할 수 있다.
상기 설명된 제1 및 제2 반도체 복합 재료의 경우, 제2(낮은 일함수) 금속 층은 10-6 mbar에서 작동하는 표준 진공 증착 챔버-여기서 사마륨 금속(Treibacher Industrie AG; 오스트리아)으로 채운 도가니가 도가니의 중앙으로 포커싱된 전자 빔에 의해 폭격을 받음- 내에 적용된 약 150 nm 두께의 진공 증착된 사마륨 금속의 얇은 층으로 구성되었다. 그 후 도가니 바로 위 약 20 cm에 위치한 기판 상에 사마륨 금속 원자의 지속적인 플럭스가 증착되었다. 사마륨 금속 증착의 종료 시점에 구리 금속 층(약 150nm)을 보호 코팅으로서 사마륨의 상부에 도포하였다. 이온 건이 장착된 진공 챔버에서 배치식 전자 빔 물리 증착에 대한 조건은 하기와 같았다:
Figure pct00001
샘플을 평가하기 전에, UV 광자의 합리적인 플루언스가 반도체 층 내로 침투하도록 하기 위해, 중앙 반도체의 짙은 색이 바로 보이는 순간까지 구리-면 사마륨 전극 상의 작은 영역을 3000방 에머리 페이퍼를 사용하여 가볍게 연마하였다.
500 피코암페어의 분해능으로 1 μΑ 범위의 DC 전류계 모드에서 작동하는 Keysight 6½ 디지트 멀티미터(모델 34465A)에 완성된 장치를 직렬로 연결하여 시뮬레이션된 베타볼타 전류 측정을 수행하였다. 평평한 연결 클립은 높은 일함수 전극과 낮은 일함수 전극 모두와 우수한 전기적 접촉을 보장하였다. 기준 열 전류는 대부분의 샘플에서 감지할 수 있었으며, 이는 이들이 단락되지 않아서, 추가 실험에 적합했음을 나타낸다. UV 광자 빔(500 mW 전력)은 전극 표면의 마모된 부분으로 향했다. 전류계의 전류 판독값은 즉시 점프하여 계속 상승했다. 기록된 값은 UV 빔이 샘플을 만난 직후(약 1초)의 값이었다. 결과는 표 1에 나타나 있다.
Figure pct00002
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 실험에서 시험된 각각의 프로토타입 볼타베타 구조로부터 상당한 순간 UV-자극 전류가 측정되었다. UV 조사 시작 직후의 유도 전류는 전적으로 전자 여기자에 의해 생성된 전하 캐리어에 기인하기 때문에 베타볼타 응답과 관련이 있지만, 나중의 전류 수준은 샘플에 열이 점차적으로 축적됨에 따라 열-유도 전류 성분을 함유할 수 있다. 이 실험에서는 열 전류 생성을 측정할 수 없었지만, 표 1의 두 번째 컬럼에 기록되어 있는 전류는, 베타-방사선에 의해 생성된 것과 유사한 전자 여기자의 유형으로부터 발생하는 전하 캐리어 생성 및 수집의 양을 과소평가했을 가능성이 있는데, 총 전류에 대한 대부분의 전자 전류 성분이 UV 조사가 시작된 후 심지어 1초 후에도 존재할 가능성이 있기 때문이다.
이들 실험으로부터 이루어질 수 있는 핵심 추론은 전하 캐리어를 수집하는 전기장이 재결합 전에 외부 회로 내로 스위핑되도록 감지될 수 있어야 한다는 것이다. 이는 결국 사마륨(낮은 일함수) 및 니켈/구리(높은 일함수) 전극에서 상이한 금속-반도체 접합이 발생하기에 충분한 강도, 극성 및 공간적 범위를 의미한다.
실시예 2 - 교환에 의해 중합체 내로 방사성핵종을 통합하는 것에 의한 베타볼타 장치의 제조
사마륨 금속(예를 들어, 99.9%)으로 제조되는 제1 전극을, 예를 들어 Sigma-Aldrich(카탈로그 # 693731)로부터 구매가능한, 예를 들어 0.01 내지 0.4 mm 범위의 적절한 두께의 사마륨 포일/플레이트를 사용함으로써 제조할 수 있다. 금속 포일/플레이트는, 예를 들어 20 내지 40 mm 길이 x 20 내지 40 mm 높이의 적합한 크기로 사용될 수 있다. 제조된 사마륨 금속 전극의 일 예는 실시예 1에 설명되어 있다.
니켈 금속(예를 들어, 99.6%)으로 제조되는 제2 전극을, 예를 들어 Baoji TST Nonferrous Metal Co., Ltd로부터 구매가능한, 예를 들어 0.01 내지 0.4 mm 범위의 적절한 두께의 포일/플레이트를 사용함으로써 제조할 수 있다. 금속 포일/플레이트는, 예를 들어 20 내지 40 mm 길이 x 20 내지 40 mm 높이의 적합한 크기로 사용될 수 있다. 제조된 니켈 금속 전극의 일 예는 실시예 1에 설명되어 있다.
삼중수소(3H)는 소정 원자력 발전기의 부산물 및 기타 원자력 처리 작업으로부터의 폐기물로서 대량 생성되는 베타 방출 방사성동위원소이다. 수백 기가베크렐 양의 삼중수소는 다수의 삼중수소화 시설(예를 들어, Canadian Nuclear Laboratories, 캐나다 온타리오 초크 리버 소재)에서 고압에서 가스 형태(T2)로 제공될 수 있거나, 기타 화학적 형태(예를 들어, T2O)로 제공될 수 있다.
무기 반도체, 예를 들어 BiI3은 예를 들어 Alfa, Ward Hill Massachusetts(99.999% 순도, N2 하에 테트라하이드로푸란으로부터 재결정화됨)로부터 구매할 수 있다.
매트릭스 중합체, 예컨대 나일론-11[NH-CO-(CH2)10-]n은 구매할 수 있다. 중합체에 폴리아미드 모이어티가 존재하면, 일부 경우에 BiI3와 같은 무기 반도체의 일부일 수 있는 요오드 원자와 강력한 상호작용을 일으키며, 이러한 상호작용은 실시예 1에 입증되어 있는 바와 같이, 중합체에서 무기 성분을 가용화하는 데 도움이 된다.
BiI3-나일론-11 복합체는, 예를 들어 대략 65 중량%~75 중량%의 BiI3을 함유하는 짙은 오렌지색 용액을 제공하도록, 실시예 1에 기재된 바와 같이, 또는 5 내지 15분 동안 N2 하에 200°C 내지 240°C에서 나일론-11(150°C에서 진공 하에 미리 건조하여 수분을 제거함)의 용융물을 사용함으로써 제조할 수 있다.
3H 방사성핵종은 중합체 매트릭스에서 수소-삼중수소 교환을 용이하게 하기 위해 승온 온도 및 압력에서 작동되는 특수 삼중수소화 챔버를 사용함으로써 중합체 내에 통합될 수 있다. 이어서 냉각 후 대략 1 내지 30 마이크로미터의 코팅을 생성하기 위해 드롭-캐스팅에 의한 것과 같은 공정을 사용하여 복합체를 가열된 제1 전극 및/또는 제2 전극 상에 증착할 수 있다.
이어서, 제1 전극 및 제2 전극을 근접하게(예를 들어 1 내지 30 마이크로미터) 하여, 전극들이 대체로 평행하도록 한다.
이어서, 단일 전지를 사용하는 베타볼타 전기 에너지 발생 장치를 제1 전극 및 제2 전극 사이에 회로(적은 저항 부하로)를 완성함으로써 제조한다. 이어서, 다중-전지 전기 에너지 발생 장치를 제조하기 위해, 제1 전극, 제2 전극, 및 두 전극 중 어느 하나에 도포된 코팅을 사용하는 다중 전지를 제조할 수 있다. 이 경우, 개별 전지와 직렬 또는 병렬로 연결된 각각의 전지의 제1 전극 및 제2 전극 사이에 얇은 절연층이 위치한다.
상기 설명된 전기 에너지 발생 장치는 많은 장점을 갖는 것으로 예상된다. 예를 들어, 상기 장치는 장치에 전력을 공급하는 데 사용되는 방사성핵종의 가용 수명을 반영하여 장기간 동안 전기 에너지를 생성할 것이다. 상기 장치는 방사선 손상과 또한 방사성핵종의 붕괴에 의해 발생하는 열에 대한 저항성을 가질 것이다.
실시예 3 - 라벨링된 단량체를 사용하는 중합체 내로 방사성핵종을 통합하는 것에 의한 베타볼타 장치의 제조
사마륨 금속(예를 들어, 99.9%)으로 제조되는 제1 전극을, 예를 들어 Sigma-Aldrich(카탈로그 # 693731)로부터 구매가능한, 예를 들어 0.01 내지 0.4 mm 범위의 적절한 두께의 사마륨 포일/플레이트를 사용함으로써 제조할 수 있다. 금속 포일/플레이트는, 예를 들어 20 내지 40 mm 길이 x 20 내지 40 mm 높이의 적합한 크기로 사용될 수 있다. 제조된 사마륨 금속 전극의 일 예는 실시예 1에 설명되어 있다.
니켈 금속(예를 들어, 99.6%)으로 제조되는 제2 전극을, 예를 들어 Baoji TST Nonferrous Metal Co., Ltd로부터 구매가능한, 예를 들어 0.02 내지 0.4 mm 범위의 적절한 두께의 포일/플레이트를 사용함으로써 제조할 수 있다. 금속 포일/플레이트는, 예를 들어 20 내지 40 mm 길이 x 20 내지 40 mm 높이의 적합한 크기로 사용될 수 있다. 제조된 니켈 금속 전극의 일 예는 실시예 1에 설명되어 있다.
무기 반도체, 예를 들어 PbI2는, 예를 들어 Sigma-Aldrich(99.999% 순도)로부터 구매할 수 있다.
3H 또는 14C 방사성핵종으로 라벨링된, 나일론-11[NH-CO-(CH2)10-]n과 같은 절연 중합체를 수득할 수 있다. 예를 들어, 나일론-11의 경우, 중합체는 단량체 11-아미노 운데칸산 내로 통합된 3H 및 14C를 사용하여 라벨링될 수 있으며, 중합체는 표준 합성 조건을 사용하여 라벨링된 단량체의 중합에 의해 생성될 수 있다.
PbI2-나일론-11 복합체는, 예를 들어 대략 65 중량%의 PbI2를 함유하는 진하고, 투명한 오렌지색 용액을 제공하도록 N2 하에 220°C 내지 290°C에서, 라벨링된 나일론-11(150°C에서 진공 하에 미리 건조하여 수분을 제거함)의 용융물에서 제조할 수 있다. 이는 PbI2-3H 또는 14C 나일론-11 복합체를 생성한다. 이어서 용액을, 냉각 후 대략 1 내지 30 마이크로미터의 코팅을 생성하기 위해 시트 압출과 같은 중합체 필름 도포 공정을 사용하여, 가열된 제1 전극 및/또는 제2 전극 상에 증착할 수 있다.
이어서, 제1 전극 및 제2 전극을 근접하게(예를 들어 1 내지 50 마이크로미터) 하여, 전극들이 대체로 평행하도록 한다.
이어서, 단일 전지를 사용하는 베타볼타 전기 에너지 발생 장치를 제1 전극 및 제2 전극 사이에 회로(적은 저항 부하로)를 완성함으로써 제조한다. 이어서, 다중-전지 전기 에너지 발생 장치를 제조하기 위해, 제1 전극, 제2 전극, 및 두 전극 중 어느 하나에 도포된 코팅을 사용하는 다중 전지를 제조할 수 있다. 이 경우, 개별 전지와 직렬 또는 병렬로 연결된 각각의 전지의 제1 전극 및 제2 전극 사이에 얇은 절연층이 위치한다.
상기 설명된 전기 에너지 발생 장치는 많은 장점을 갖는 것으로 예상된다. 예를 들어, 상기 장치는 장치에 전력을 공급하는 데 사용되는 방사성핵종의 가용 수명을 반영하여 장기간 동안 전기 에너지를 생성할 것이다. 재료는 방사선 손상에 대해 저항성이 있을 것이며 또한 방사성핵종의 붕괴에 의해 발생하는 열에 대한 저항성을 제공할 것이다.
실시예 4 - 결정질 반도체를 사용한 베타볼타 장치의 제조
사마륨 금속(99.9%)으로 제조되는 제1 전극을, 예를 들어 Sigma-Aldrich(카탈로그 # 693731)로부터 구매가능한, 예를 들어 0.02 내지 0.4 mm 범위의 적절한 두께의 사마륨 포일/플레이트를 사용함으로써 제조할 수 있다. 금속 포일/플레이트는, 예를 들어 20 내지 40 mm 길이 x 20 내지 40 mm 높이의 적합한 크기로 사용될 수 있다.
니켈 금속(99.6%)으로 제조되는 제2 전극을, 예를 들어 Baoji TST Nonferrous Metal Co., Ltd로부터 구매가능한, 예를 들어 0.02 내지 0.4 mm 범위의 적절한 두께의 니켈 포일/플레이트를 사용함으로써 제조할 수 있다. 금속 포일/플레이트는, 예를 들어 20 내지 40 mm 길이 x 20 내지 40 mm 높이의 적합한 크기로 사용될 수 있다.
얇은 슬래브(slab) 형태의 반도체 전하-캐리어 집전체 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 스트론튬 티타네이트(SrTiO3)는 전원공급된 불활성 SrCO3 및 분말화된 TiO2와 함께 90Sr(예를 들어, 비 활성이 500 GBq/g인 (90Sr,natSr)CO3)의 적합한 공급원으로 도핑될 수 있다. 혼합물을 24 h 동안 플라스틱 용기에서 이트리아 안정화된 지르코니아 볼을 사용하여 에탄올 매질에서 볼 밀링할 수 있다. 이어서 슬러리를 건조시키고, 분쇄하고, 체질(100 메쉬)하고, 2 h 동안 예를 들어 1000℃ 내지 1200℃의 범위의 적합한 온도에서 적합한 시간 동안 하소할 수 있다. 이어서 하소된 분말을 다시 볼 밀링하고, 건조하고, 미세 분말로 분쇄하고, 이어서 결합제로서 3 wt% 폴리(비닐 알코올) 1799(PVA)(알코올분해 99.8100%(mol/mol), Aladdin Industrial Co.) 용액을 건조된 분말에 적가할 수 있다. 이어서 스핀 코팅에 의한 것과 같은 습식 도포 공정을 사용하여 혼합물을 제1 전극 및 제2 전극 상에 코팅하고 건조하여 대략 1 내지 50 마이크로미터의 코팅을 생성할 수 있다.
스트론튬 90(90Sr), 베타 입자 방출 방사성핵종은 90SrCO3의 형태의 방사성 폐기물로 수득될 수 있다.
SrCO3은 예를 들어 Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd로부터 분말 형태로 구매할 수 있다.
TiO2는 예를 들어 Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd로부터 분말 형태로 구매할 수 있다.
이어서, 제1 전극 및 제2 전극(이들 중 하나가 코팅됨)을 근접하게(예를 들어 1 내지 50 마이크로미터) 하여, 전극들이 대체로 평행하도록 한다.
이어서, 베타볼타 전기 에너지 발생 전지를 제1 전극 및 제2 전극 사이에 회로(적은 저항 부하로)를 완성함으로써 제조한다. 이어서, 다중-전지 전기 에너지 발생 장치를 제조하기 위해, 제1 전극, 제2 전극, 및 두 전극 중 어느 하나에 도포된 코팅을 사용하는 다중 전지를 제조할 수 있다. 이 경우, 개별 전지와 직렬 또는 병렬로 연결된 각각의 전지의 제1 전극 및 제2 전극 사이에 얇은 절연층이 위치한다.
상기 설명된 전기 에너지 발생 장치는 많은 장점을 갖는 것으로 예상된다. 예를 들어, 상기 장치는 장치에 전력을 공급하는 데 사용되는 방사성핵종의 가용 수명을 반영하여 장기간 동안 전기 에너지를 생성할 것이다. 장치에 사용되는 재료는 방사선 손상에 대해 저항성이 있을 것이며 또한 방사성핵종의 붕괴에 의해 발생하는 열에 대한 저항성을 제공할 것이다.
실시예 5 - 삼중수소화 반도체 중합체의 제조
원하는 반도체 특성을 갖는 삼중수소화 폴리아닐린 중합체를 두 가지 방법으로 제조할 수 있다. 폴리아닐린을 제조하는 방법은 당업계에 알려져 있으며, 예를 들어 문헌[Boeva and Sergeyev (2014) "Polyaniline: Synthesis, Properties and Application" Polymer Science, Ser. C 56: 144-153]에 기재되어 있다.
일 예에서, 폴리아닐린은, 예를 들어 문헌[J. Stejskal and R. G. Gilbert, Pure Appl. Chem. 74, 857 (2002)]에 기재된 바와 같은 과황산 암모늄을 사용하여 아닐린의 화학적 중합에 의해 제조될 수 있다. 3H 방사성핵종은 중합체 매트릭스에서 수소-삼중수소 교환을 용이하게 하기 위해 승온 온도에서 작동되는 특수 삼중수소화 챔버를 사용함으로써 중합체 내에 통합될 수 있다.
다른 예에서, 원하는 전도성 특성을 갖는 폴리아닐린은, 3H 또는 14C 방사성핵종으로 라벨링된 아닐린과, 예를 들어 문헌[J. Stejskal and R. G. Gilbert, Pure Appl. Chem]에 기재된 바와 같은 과황산 암모늄의 화학적 중합에 의해 제조할 수 있다.
본 발명이 특정 예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 많은 다른 형태로 구현될 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.
다양한 변경, 추가 및/또는 변형이 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 앞서 설명된 부분들로 이루어질 수 있고, 상기 교시에 비추어, 본 발명은 당업자가 이해할 수 있는 다양한 방식으로 소프트웨어, 펌웨어 및/또는 하드웨어로 구현될 수 있음을 이해해야 한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은, 단수 형태 "하나"("a," "an,") 및 "그"("the")는 달리 구체적으로 언급되지 않는 한 복수 관사를 지칭할 수 있다.
본 명세서 전반에 걸쳐, 문맥이 달리 요구하지 않는 한, 용어 "포함하다"("comprise"), 또는 "포함하다"("comprises") 또는 "포함하는"과 같은 변형은 언급된 요소 또는 정수 또는 요소들 또는 정수들의 그룹을 포함하는 것을 의미하지만, 임의의 다른 요소 또는 정수 또는 요소들 또는 정수들의 그룹을 배제하는 것을 의미하지는 않음을 이해할 것이다.
본 명세서에 설명된 모든 방법은 본 명세서에 달리 표시되지 않거나 문맥에 의해 명확하게 모순되지 않는 한 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 본 명세서에 제공되는 임의의 그리고 모든 예, 또는 예시적인 언어(예를 들어, "~와 같은")의 사용은 단지 예시적인 구현예를 더 잘 설명하기 위한 것이며, 달리 청구되지 않는 한 청구된 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 본 명세서의 어떤 언어도 청구되지 않은 요소를 필수적인 것으로 나타내는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에 제공되는 설명은 공통 특성 및 특징을 공유할 수 있는 여러 구현예들과 관련된다. 하나의 구현예의 하나 이상의 특징은 다른 구현예의 하나 이상의 특징과 조합될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 구현예들의 단일 특징 또는 특징들의 조합은 추가의 구현예들을 구성할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 주제 제목은 독자의 참조의 용이성만을 위해 포함되었으며 본 발명 또는 청구범위 전체에서 발견되는 주제를 제한하는 데 사용되어서는 안 된다. 주제 제목은 청구범위 또는 청구항 제한의 범위를 해석하는 데 사용되어서는 안 된다.
향후 특허 출원은 본 출원에 기초하여, 예를 들어 본 출원으로부터 우선권을 주장함으로써, 분할 상태를 주장함으로써, 및/또는 계속 상태를 주장함으로써 제출될 수 있다. 하기 청구범위는 단지 예로서 제공되며, 그러한 향후 출원에서 청구될 수 있는 범위를 제한하려는 것이 아님을 이해해야 한다. 또한 청구범위가 본 발명의 이해를 제한하는 것으로 (또는 본 발명의 다른 이해를 배제하는 것으로) 간주되어서는 안 된다. 특징들은 예시적인 청구범위로부터 나중에 추가되거나 생략될 수 있다.

Claims (34)

  1. 전기 에너지 발생 장치로서,
    이격된 제1 전극 및 제2 전극-상기 제1 전극은 낮은 일함수 재료를 포함하고, 상기 제2 전극은 높은 일함수 재료를 포함함-; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된, 베타 입자 방출 방사성핵종 및 반도체 재료-상기 반도체 재료는 상기 방사성핵종으로부터의 베타 입자 방출에 응답하여 전자 정공 쌍을 생성할 수 있음-
    를 포함하는 적어도 하나의 전지를 포함하는 전기 에너지 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방사성핵종은 90Sr, 99Tc, 3H, 14C, 63Ni, 137Cs, 147Pm, 151Sm, 155Eu, 93Zr, 126Sn, 60Co, 210Pb, 90Y, 129I, 188W, 35S, 123Sn, 45Ca, 106Ru, 170Tm, 171Tm, 134Cs, 32Si, 113Cd, 및 79Se 중 하나 이상을 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 낮은 일함수 재료는 금속 및/또는 금속간 화합물을 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 낮은 일함수 재료는 금속 및/또는 금속 함유 화합물을 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 금속 및/또는 금속 함유 화합물은 유로퓸, 스트론튬, 바륨, 사마륨, 디스프로슘, 네오디뮴, 가돌리듐, 테르븀, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 란타늄, 스칸듐, 토륨, 칼슘, 마그네슘, 세륨, 이트륨, 이테르븀, 나트륨, 리튬, 칼륨, 루비듐, 및 세슘 중 하나 이상을 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 낮은 일함수 재료는 사마륨 금속을 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 높은 일함수 재료는 금속 및/또는 금속간 화합물을 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 높은 일함수 재료는 니켈, 백금, 은, 금, 알루미늄, 코발트, 크롬, 구리, 베릴륨, 비스무트, 카드뮴, 철, 갈륨, 게르마늄, 수은, 인듐, 이리듐, 망간, 몰리브덴, 니오븀, 오스뮴, 납, 팔라듐, 레늄, 로듐, 루테늄, 안티몬, 규소, 주석, 탄탈럼, 테크네튬, 티타늄, 바나듐, 텅스텐, 아연 및 지르코늄 중 하나 이상으로부터 선택되는 금속을 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 높은 일함수 재료는 니켈 금속을 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 세라믹 금속 복합체를 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사성핵종은 상기 반도체 재료에 분산되는, 전기 에너지 발생 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사성핵종은 상기 반도체 재료의 화학 구조 내로 통합되는, 전기 에너지 발생 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 재료는 단일 상(single phase) 복합 반도체 재료를 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 단일 상 복합 반도체 재료는 중합체와 화학적으로 복합된 무기 반도체를 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 무기 반도체는 할로겐화 세슘, 할로겐화 루비듐, 할로겐화 칼륨, 할로겐화 납, 할로겐화 비스무트, 할로겐화 안티몬, 할로겐화 비소, 할로겐화 텔루륨, 할로겐화 주석, Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Se의 텔루르화물; Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Te의 셀렌화물; Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Se의 황화물 중 하나 이상을 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 중합체는 나일론, 폴리이미드, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리카바졸, 폴리아닐린, 폴리설파이드, 폴리설폭사이드, 폴리티오에스테르, 폴리티오카보네이트, 폴리설페이트, 폴리티오우레탄, 폴리설폭시민, 및 폴리설포늄 염 중 하나 이상을 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  17. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 재료는 반도체 중합체를 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 반도체 중합체는 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리페닐렌 비닐렌, 폴리피롤 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아닐린, 폴리비닐아세틸렌, 폴리피롤, 폴리인돌, 폴리 비닐렌, 폴리 아줄렌, 및 유기-붕소 중합체 중 하나 이상을 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  19. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 재료는 결정질 반도체를 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 결정질 반도체는 질화물, 탄화물, 혼합된 칼코겐화물, 텔루르화물, 셀렌화물, 안티몬화물, 게르마늄화물, 비소화물, 규화물, 인화물, 알루미나이드, 탄소 동소체, 페로브스카이트 또는 기타 복합 옥소-음이온 결정 상(crystal phase) 재료, 단순 산화물, 도핑된 산화물, 황화물, 붕화물, 및 금속간 화합물 중 하나 이상을 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 결정질 반도체는 티탄산염, 지르콘산염, 몰리브덴산염, 바나듐산염, 테크네테이트, 퍼테크네테이트, 텅스텐산염, 니오브산염, 탄탈산염, 도핑된 산화 주석, 도핑된 산화 아연, 하프네이트, 산화 게르마늄, 코발테이트, 철산염, 및 망간산염 중 하나 이상을 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 재료는 상기 결정질 반도체 및 중합성 바인더를 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 0.3 내지 100 마이크로미터 범위의 거리만큼 이격되어 있는, 전기 에너지 발생 장치.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 복수의 전지들을 포함하는, 전기 에너지 발생 장치.
  25. 제25항에 있어서,
    상기 전지는 전기적으로 직렬로 또는 병렬로 연결되는, 전기 에너지 발생 장치.
  26. 전기를 발생시키는 방법으로서,
    제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 따른 전기 에너지 발생 장치를 사용하는 단계를 포함하는 방법.
  27. 전기 에너지를 발생시키는 방법으로서, 상기 방법은
    밀접하게 이격된 제1 전극 및 제2 전극 사이에 전위 차를 생성하는 단계-상기 제1 전극은 낮은 일함수 재료를 포함하고, 상기 제2 전극은 높은 일함수 재료를 포함함-;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 반도체 재료에 매우 근접해 있는 방사성핵종으로부터 방출된 에너지 베타 입자로부터 전자 정공 쌍을 생성하는 단계-상기 전자 정공 쌍은 전기 장의 영향 하에 이동함-; 및
    상기 전극들 사이에 존재하는 상기 전기 장을 이용하여 상기 전자 정공 쌍을 외부 회로로 포획하는 단계
    를 포함하며; 이에 의해 전기 에너지를 발생시키는 방법.
  28. 전기 에너지를 발생시키는 방법으로서, 상기 방법은
    이격된 제1 전극 및 제2 전극 사이에 전기 장을 생성하는 단계-상기 제1 전극은 낮은 일함수 재료를 포함하고, 상기 제2 전극은 높은 일함수 재료를 포함하며, 상기 전기 장은 상기 2개의 상이한 전극에서 상이한 쇼트키 접합(Schottky junctions)으로 인해 생성됨-;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 반도체 재료에 매우 근접해 있는 방사성핵종으로부터 방출된 에너지 베타 입자로부터 전자 정공 쌍을 생성하는 단계-상기 전자 정공 쌍은 전기 장의 영향 하에 이동함-; 및
    상기 전극들 사이에 존재하는 상기 전기 장을 이용하여 상기 전자 정공 쌍을 외부 회로로 포획하는 단계
    를 포함하며; 이에 의해 전기 에너지를 발생시키는 방법.
  29. 제27항 또는 제28항에 따른 방법을 사용하여 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치.
  30. 낮은 일함수를 갖는 제1 재료, 높은 일함수를 갖는 제2 재료, 및 상기 제1 재료와 제2 재료 사이에 배치된 베타 입자 방출 방사성핵종 및 상기 방사성핵종으로부터의 베타 입자 방출에 응답하여 전자 정공 쌍을 생성할 수 있는 반도체 재료를 포함하는 생성물.
  31. 제31항에 따른 생성물을 포함하는 전기 에너지 발생 장치.
  32. 전기 에너지를 발생시키는 방법으로서,
    상기 전기 에너지를 발생시키기 위해 장치에서 제30항에 따른 생성물을 사용하는 단계를 포함하는 방법.
  33. 전기 에너지 발생 장치를 제조하는 방법으로서,
    상기 방법은 하나 이상의 전기 전지를 상기 전기 에너지 발생 장치에 통합하는 단계를 포함하고,
    상기 하나 이상의 전기 전지는
    이격된 제1 전극 및 제2 전극-상기 제1 전극은 낮은 일함수 재료를 포함하고, 상기 제2 전극은 높은 일함수 재료를 포함함-, 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된, 베타 입자 방출 방사성핵종 및 반도체 재료-상기 반도체 재료는 상기 방사성핵종으로부터의 베타 입자 방출에 응답하여 전자 정공 쌍을 생성할 수 있음-
    을 포함하는 방법.
  34. 제33항의 방법에 의해 제조된 전기 에너지 발생 장치.
KR1020217041790A 2019-05-21 2020-05-21 베타볼타 장치 KR20220024131A (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2019901722 2019-05-21
AU2019901722A AU2019901722A0 (en) 2019-05-21 Betavoltaic Devices I
AU2019901723 2019-05-21
AU2019901723A AU2019901723A0 (en) 2019-05-21 Betavoltaic Devices II
PCT/AU2020/050502 WO2020232507A1 (en) 2019-05-21 2020-05-21 Betavoltaic devices

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220024131A true KR20220024131A (ko) 2022-03-03

Family

ID=73459210

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217041790A KR20220024131A (ko) 2019-05-21 2020-05-21 베타볼타 장치

Country Status (11)

Country Link
US (1) US20220238244A1 (ko)
EP (1) EP3973549A4 (ko)
JP (1) JP2022533736A (ko)
KR (1) KR20220024131A (ko)
CN (1) CN114144846A (ko)
AU (1) AU2020277896A1 (ko)
CA (1) CA3141166A1 (ko)
IL (1) IL288238A (ko)
SG (1) SG11202112967TA (ko)
WO (1) WO2020232507A1 (ko)
ZA (1) ZA202110684B (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11705251B2 (en) 2019-12-16 2023-07-18 Zeno Power Systems, Inc. Fuel design and shielding design for radioisotope thermoelectric generators
US11764322B2 (en) * 2020-03-20 2023-09-19 Battelle Memorial Institute Betavoltaics with absorber layer containing coated scintillating particles
WO2022125631A2 (en) * 2020-12-08 2022-06-16 Zeno Power Systems, Inc. Fuel design and shielding design for radioisotope thermoelectric generators
CN112750548B (zh) * 2021-01-29 2024-02-20 厦门大学 一种放射性的三维纳米结构辐伏电化学电池
EP4243037A4 (en) * 2021-12-31 2024-01-24 Contemporary Amperex Technology Co Ltd PEROVSKITE RADIOVOLTAIC-PHOTOVOLTAIC CELL

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5087533A (en) * 1989-10-12 1992-02-11 Brown Paul M Contact potential difference cell
US6118204A (en) * 1999-02-01 2000-09-12 Brown; Paul M. Layered metal foil semiconductor power device
US20080001497A1 (en) * 2004-10-14 2008-01-03 Nonlinear Ion Dynamics, Llc Direct conversion of alpha/beta nuclear emissions into electromagnetic energy
US7622532B2 (en) * 2007-02-16 2009-11-24 William Marsh Rice University Synthesis of radioactive materials and compositions of same
CA2760444C (en) * 2009-03-12 2016-10-11 The Curators Of The University Of Missouri High energy-density radioisotope micro power sources
US10706983B2 (en) * 2014-04-11 2020-07-07 The Curators Of The University Of Missouri Mass production method of loading radioisotopes into radiovoltaics

Also Published As

Publication number Publication date
AU2020277896A1 (en) 2022-01-27
SG11202112967TA (en) 2021-12-30
EP3973549A4 (en) 2023-09-13
IL288238A (en) 2022-01-01
CA3141166A1 (en) 2020-11-26
JP2022533736A (ja) 2022-07-25
ZA202110684B (en) 2023-03-29
US20220238244A1 (en) 2022-07-28
EP3973549A1 (en) 2022-03-30
WO2020232507A1 (en) 2020-11-26
CN114144846A (zh) 2022-03-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20220024131A (ko) 베타볼타 장치
JP5749183B2 (ja) 高エネルギー密度ラジオアイソトープマイクロ電源
He et al. Resolving the energy of γ-ray photons with MAPbI3 single crystals
Liu et al. Recent progress in halide perovskite radiation detectors for gamma-ray spectroscopy
CN1906332B (zh) 纳米阵列电极的制造方法以及使用其的光电转换元件
US20200284924A1 (en) Memristor based sensor for radiation detection
CN107210078B (zh) 发电机系统
US10699820B2 (en) Three dimensional radioisotope battery and methods of making the same
Hwang et al. C-14 powered dye-sensitized betavoltaic cells
Zhang et al. Electronic structure and optical properties of CsI, CsI (Ag), and CsI (Tl)
Han et al. Suppression of Ionic and Electronic Conductivity by Multilayer Heterojunctions Passivation Toward Sensitive and Stable Perovskite X‐Ray Detectors
Zhang et al. Understanding interactions between lead iodide perovskite surfaces and lithium polysulfide toward new-generation integrated solar-powered lithium battery: an ab initio investigation
CN112750548A (zh) 一种放射性的三维纳米结构辐伏电化学电池
RU2777413C1 (ru) Радионуклидный источник питания суперконденсаторного типа и способ его изготовления
KR20230082611A (ko) 전기 에너지 생성 장치 및 방법
Ding et al. A stable and efficient quasi-solid-state photo/betavoltaic-powered electrochemical cell based on 3-dimensional CdS/ZnO heterostructure
Rensmo et al. Photoelectron spectroscopy for chemical analysis
WO2023108220A1 (en) Electrical generator system
Wacharasindhu Composite-Semiconductor-Based Micro Power Source
Boeer et al. ADDITIVE COLORING OF STRONTRIUM FLUORIDE
Nord et al. Outer-sphere oxidation. 2. Pulse-radiolysis study of the rates of reaction of the I/sub 2//sup-/. and (SCN)/sub 2//sup-/. radical anions with the tris (2, 2'-bipyridyl) complexes of Os (II) and Os (III)
JPS62117276A (ja) 光二次電池