KR101294628B1 - Micropower Generation Apparatus and Method using Electron Beam and P-N Juction Diode - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 방사성동위원소 전지를 직접 사용하는 대신 CNT(Carbon Nanotube) 전자빔을 이용해 방사성동위원소 전지가 갖는 파워를 추정함으로써 효율적으로 방사성동위원소 전지의 제작에 유용한 정보를 제공할 수 있는 마이크로 파워 발생 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention provides micro-power generation that can provide useful information for the production of radioisotope cells efficiently by estimating the power of radioisotope cells using carbon nanotube (CNT) electron beams instead of directly using the radioisotope cells. An apparatus and method are provided.
Description
본 발명은 마이크로 파워 발생장치에 관한 것으로서, 방사성동위원소 전지를 직접 사용하는 대신 CNT(Carbon Nanotube) 전자빔을 이용해 방사성동위원소 전지가 갖는 파워를 추정함으로써 효율적으로 방사성동위원소 전지의 제작에 유용한 정보를 제공할 수 있는 마이크로 파워 발생 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a micro-power generator, and instead of directly using a radioisotope cell, the CNT (Carbon Nanotube) electron beam is used to estimate the power of the radioisotope cell, thereby efficiently providing information useful for producing a radioisotope cell. It relates to a micro power generating device and method that can provide.
직접 충전 방식의 원자력 전지(nuclear battery)가 1913년 Moseley에 의해 구현되었고, 이후 많은 연구원들은 소규모 연료 전지 형태의 방사성동위원소 전지(radioisotope battery)에 대하여 관심을 갖고 연구를 진행 중에 있다. A direct-charge nuclear battery was implemented by Moseley in 1913. Since then, many researchers have been interested in researching radioisotope batteries in the form of small fuel cells.
방사성동위원소 전지는 적은 전력과 긴 수명이 요구되는 센서와 같은 자치 소형 시스템을 구동하기 위하여 장착 사용될 수 있는데, 예를 들어, 우주와 같이 멀거나 전력 조달이 어려운 거친 환경을 모니터링하거나 환자의 건강 상태를 체크하거나 인체 내에 약제를 주입하는 소형 의료 기기 등의 장치를 구동하기 위하여 내장될 수 있다.Radioisotope cells can be used to drive small, autonomous systems such as sensors that require less power and longer life, for example, to monitor harsh conditions such as space, or difficult to procure power, or to monitor the health of patients. It may be built in to drive a device such as a small medical device for checking or injecting a drug into the human body.
이러한 방사성동위원소 전지는 사용 장치에 맞게 정밀한 파워를 갖도록 방사성동위원소의 투입량이 결정되어 제작되어야 한다. Such radioisotope cells should be manufactured with a dose of radioisotope determined to have precise power for the device used.
도 1은 방사성동위원소를 이용한 종래의 마이크로 파워 발생 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 1과 같이 기존에는 일함수 차이에 의해 접촉 전위가 다른 두개의 금속 전극 사이의 밀봉된 미소 공간에 방사성동위원소(예, 트리튬 3H) 가스를 투입하고, [화학식 1]과 같이 방사성동위원소에서 발생하는 β선량에 따라 금속 전극들 사이에 연결한 저항(R)에 흐르게 되는 전류(I), 전압(V)을 측정함으로써 마이크로 파워를 측정하였다. 
[화학식 1][Formula 1]
도 2와 같이, 방사성동위원소 고체 니켈-63 63Ni 등에서 발생하는 β선량에 따라 P-N 접합 다이오드의 양측 단자 사이에 연결한 저항(R)에 흐르게 되는 전류(I), 전압(V)을 측정함으로써 마이크로 파워를 측정하기도 하였다.As shown in Figure 2, by measuring the current (I), the voltage (V) flowing in the resistance (R) connected between both terminals of the PN junction diode according to the β dose generated in the radioisotope solid nickel-63 63 Ni, etc. Micro power was also measured.
그러나, 이와 같이 방사성동위원소를 직접 이용하여 마이크로 파워를 측정하는 기존 방식들은, 방사능 물질에 피폭의 우려가 있고 안전하지 않은 문제점이 있다.However, the conventional methods of measuring the micro power using the radioisotope directly, there is a concern of exposure to the radioactive material and there is an unsafe problem.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 방사성동위원소 전지와 유사한 수준의 전류밀도를 정확히 제어된 CNT(Carbon Nanotube) 전자빔으로 만들고, 이를 P-N 접합 다이오드에 조사하여 그때의 마이크로 파워를 측정함으로써, 방사성동위원소의 투입량을 추정할 수 있도록 하여, 정밀한 파워를 갖는 방사성동위원소 전지 개발에 대한 유용한 정보를 제공할 수 있는, 마이크로 파워 발생 장치 및 방법을 제공하는 데 있다. Accordingly, the present invention is to solve the above-described problems, an object of the present invention, by making a CNT (Carbon Nanotube) electron beam accurately controlled current density of a similar level to the radioisotope cell, and irradiated to the PN junction diode By measuring the micropower at that time, it is possible to estimate the amount of radioisotope input, and to provide a micropower generating device and method that can provide useful information on the development of radioisotope cells with precise power. .
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른, 방사성동위원소 전지의 제작에 사용되는 방사성동위원소(예, 3H, 63Ni, 또는 147Pm 등)의 양을 추정하기 위해 마이크로 파워를 측정하는 마이크로 파워 발생 장치는, 제어장치의 제어 전압에 따라 전자빔을 발생하는 전자빔 발생장치; 상기 전자빔의 조사에 따라 전류를 발생시키는 P-N 접합 다이오드; 및 상기 P-N 접합 다이오드에 흐르는 전류에 의한 파워 발생을 계측하는 계측 장치를 포함하고, 상기 파워에 대응된 방사성동위원소 양을 갖는 방사성동위원소 전지를 제작하기 위한 것을 특징으로 한다.First, to summarize the features of the present invention, in order to estimate the amount of radioisotopes (e.g., 3 H, 63 Ni, or 147 Pm, etc.) used in the manufacture of radioisotope cells according to one aspect of the present invention Micro power generator for measuring the power, the electron beam generator for generating an electron beam in accordance with the control voltage of the control device; A PN junction diode generating a current in response to the electron beam irradiation; And a measuring device for measuring power generation by current flowing through the PN junction diode, characterized in that for producing a radioisotope cell having a radioisotope amount corresponding to the power.
상기 전자빔 발생장치는, CNT(Carbon Nanotube) 음극에서 발생한 전자빔이, 그리드, 제1 애노드 전극, 및 제2 애노드 전극을 순차 통과하여 상기 P-N 접합 다이오드로 조사되도록 한다.The electron beam generator allows an electron beam generated from a carbon nanotube (CNT) cathode to sequentially pass through a grid, a first anode electrode, and a second anode electrode to be irradiated to the P-N junction diode.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른, 방사성동위원소 전지의 제작에 사용되는 방사성동위원소의 양을 추정하기 위해 마이크로 파워를 측정하는 마이크로 파워 발생 방법은, CNT(Carbon Nanotube) 음극을 이용하여 발생시킨 전자빔을 P-N 접합 다이오드로 조사하고, 상기 P-N 접합 다이오드에 흐르는 전류에 의한 파워 발생을 계측하는 단계를 포함하고, 상기 파워에 대응된 방사성동위원소 양을 갖는 방사성동위원소 전지를 제작하기 위한 것을 특징으로 한다.And, according to another aspect of the present invention, a micro power generation method for measuring the micro power in order to estimate the amount of radioisotope used in the production of radioisotope cells, is generated using a carbon nanotube (CNT) cathode Irradiating an electron beam with a PN junction diode and measuring power generation due to a current flowing through the PN junction diode, and manufacturing a radioisotope cell having an amount of radioisotope corresponding to the power. do.
본 발명에 따른 마이크로 파워 발생 장치에 따르면, 방사성동위원소 전지와 유사한 수준의 전류밀도를 갖는 CNT(Carbon Nanotube) 전자빔을 P-N 접합 다이오드에 조사하여 해당 마이크로 파워를 측정함으로써, 방사성동위원소 전지에 투입되는 방사성동위원소의 양을 정확히 추정할 수 있도록 유용한 정보를 제공할 수 있다. According to the micro power generating device according to the present invention, a carbon nanotube (CNT) electron beam having a current density similar to that of a radioisotope cell is irradiated to a PN junction diode to measure the corresponding micro power, thereby being injected into the radioisotope cell. Useful information can be provided to accurately estimate the amount of radioisotope.
도 1은 방사성동위원소를 이용한 종래의 마이크로 파워 발생 장치의 일례이다.
도 2는 방사성동위원소를 이용한 종래의 마이크로 파워 발생 장치의 다른 예이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 파워 발생 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 CNT 음극을 이용한 전자빔 발생에 대한 모델링이고, 도 4b는 CNT 음극에서 발생하는 전자빔에 의한 전류 발생을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 CNT 음극을 포함한 전자빔 발생장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.1 is an example of a conventional micropower generator using a radioisotope.
Figure 2 is another example of a conventional micro power generator using a radioisotope.
3 is a view for explaining a micro power generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4A is a model for electron beam generation using a CNT cathode according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a diagram for describing current generation by an electron beam generated at the CNT cathode.
5 is a view for explaining the structure of the electron beam generating apparatus including a CNT cathode according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 파워 발생 장치를 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a micro power generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 파워 발생 장치는, 전자빔 발생장치(110), P-N 접합 다이오드(120), 및 계측 장치(130)를 포함한다. Referring to FIG. 3, a micro power generator according to an embodiment of the present invention includes an
전자빔 발생장치(110)는 하기하는 바와 같은 그리드, 애노드 전극들에 제어장치가 제어 전압을 인가함에 따라 CNT(Carbon Nanotube) 음극에서 전자빔을 발생한다. 전자빔 발생장치(110)가 발생하는 전자빔을 P-N 접합 다이오드(120)에 조사함에 따라, P-N 접합 다이오드(120)는 공핍층 영역에서의 여기되는 전자-정공 쌍 발생을 일으켜 전류를 발생시킨다. 계측 장치(130)는 전류계(A)를 이용해 P-N 접합 다이오드(120)에 흐르는 전류를 측정하며, 전압계(V)를 이용해 해당 전류에 의해 소정 회로(저항 등)에서 발생하는 전압을 측정함으로써, P-N 접합 다이오드(120)에 흐르는 전류에 의한 파워 발생을 계측할 수 있다. The
이와 같이 계측 장치(130)가 측정하는 파워가, 제작될 방사성동위원소 전지의 파워에 해당하게 되는 전류(또는 제작될 방사성동위원소 전지의 파워에 해당하는 파워)만큼인지 여부를 측정함으로써, 해당 전류에 대응된 방사성동위원소의 양을 추정할 수 있게 되어, 정밀한 파워를 갖도록 방사성동위원소 전지를 제작할 수 있게 된다.By measuring whether or not the power measured by the
[표][table]
예를 들어, 방사성동위원소 3H, 63Ni, 또는 147Pm의 방사성 특성을 비교하면 위의 표와 같다. 위의 표에서 예를 들어, 3H의 경우에 베타선에 의한 파워밀도가 0.7㎼/cm2이고, 이를 전류밀도로 환산하면 0.12nA/cm2이다. 참고로 1Ci(큐리) 베타선량으로 5.9nA 전류가 발생함이 알려져 있다. 따라서, 계측 장치(130)를 이용해 제작될 방사성동위원소 전지의 파워에 해당하게 되는 파워와 전류를 측정함으로써, 해당 전류에 대응된 방사성동위원소의 양을 계산해 해당 방사성동위원소 전지를 제작할 수 있다.For example, comparing the radioactive properties of radioisotopes 3 H, 63 Ni, or 147 Pm is shown in the table above. In the table above, for example, in the case of a power density of 3 H by beta rays and 0.7㎼ / cm 2, this translates into a current density is 0.12nA / cm 2. For reference, it is known that 5.9nA current is generated at 1Ci (Curi) beta dose. Therefore, by measuring the power and the current corresponding to the power of the radioisotope cell to be produced using the
한편, 도 4a와 같이 진공 상태의 CNT 음극과 양극 사이에 전압(V)을 인가하면, 도 4b의 에너지 밴드 다어그램과 같이 전기장 -eFx, 전위 e2/2x(F는 페르미 레벨 EF와 진공 에너지 레벨 Evac 사이의 에너지 차이, x는 CNT 음극으로부터의 거리)에 기초하여, CNT 음극에서 발생하는 전류를 계산하면, [수학식 1]과 같이 계산될 수 있다. 여기서, α는 CNT 음극의 전자 방출 면적, β는 electric field enhancement factor(Fowler-Nordheim 터널링 참조), φ는 일함수이다. On the other hand, when the voltage (V) is applied between the CNT cathode and the anode in a vacuum state as shown in Figure 4a, the electric field -eFx, the potential e 2 / 2x (F is the Fermi level E F and vacuum as shown in the energy band diagram of Figure 4b) Based on the energy difference between the energy levels E vac , x is the distance from the CNT cathode, the current generated at the CNT cathode can be calculated as shown in
[수학식 1][Equation 1]
따라서, 이를 기초로 CNT 음극과 인가 전압 등을 적절히 설계하면 제작될 방사성동위원소 전지의 파워에 해당하는 전류 발생 수준의 전자빔 발생이 가능하게 된다. Accordingly, if the CNT cathode, the applied voltage, and the like are appropriately designed based on this, electron beam generation of a current generation level corresponding to the power of the radioisotope cell to be manufactured is possible.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 CNT 음극을 포함한 전자빔 발생장치(110)의 구조를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the structure of the
본 발명의 구현을 위하여, 하나의 예로서 설계된 전자빔 발생장치(110)는, 도 5와 같이, 반도체, 금속 등의 기판 상에 형성한 CNT 어레이를 갖는 CNT 음극, 세라믹 절연체 사이에 결합된 메쉬 형태의 그리드(Grid), 세라믹 절연체로 절연된 제1애노드 전극(Anode1)과 제2애노드 전극(Anode2)을 포함한다.In order to implement the present invention, the
예를 들어, 외부의 제어장치를 통해 스위치(S) 등을 제어해 CNT 음극, 그리드, 제1애노드 전극(Anode1), 제2애노드 전극(Anode2)에 필요한 전압이 인가되도록 하여, CNT 음극을 통해 전자빔이 발생되도록 할 수 있다. 예를 들어, CNT 음극과 그리드 사이의 전압 차이에 의해 발생된 전자빔은 가속 및 집속 렌즈 역할을 하는 제1애노드 전극(Anode1)과 제2애노드 전극(Anode2)에 의해 그리드를 통과하고 제1애노드 전극(Anode1)과 제2애노드 전극(Anode2)을 통과하면서 가속되고 적정한 빔 스팟 사이즈로 집속되어 P-N 접합 다이오드(120)에 조사될 수 있다. For example, the switch S is controlled through an external control device so that a voltage required for the CNT cathode, the grid, the first anode electrode Anode1, and the second anode electrode Anode2 is applied to the CNT cathode. The electron beam can be generated. For example, the electron beam generated by the voltage difference between the CNT cathode and the grid passes through the grid by the first anode Anode1 and the second anode Anode2 serving as an acceleration and focusing lens, and the first anode electrode. While passing through (Anode1) and the second anode electrode (Anode2) it may be accelerated and focused at an appropriate beam spot size and irradiated to the
도 5와 같은 디멘젼에서 전자 방출 면적 α=1.6*1.6mm2, electric field enhancement factor β∼750, 일함수 φ=4.95eV일때, CNT 음극의 온도를 1500 ℃ 로 하고, 그리드 전압 1500V, 제1애노드 전극(Anode1) 전압(E1) 1500V를 인가하고, 제2애노드 전극(Anode2) 전압(E2)를 변화시키면서 시뮬레이션한 결과, 계측 장치(130)에 의해 E2 = 2666V에서 20.65nA 정도의 전류가 측정되었다. CNT 음극으로부터 방출되는 전자빔의 량 또는 P-N 접합 다이오드(120)에서의 전류량은 그리드 전압에 의해 제어될 수 있으며, 메쉬형태의 그리드의 오픈 면적이 58%정도(예를 들어, 50~60%)에서 가장 큰 전류가 발생함을 확인하였다. In the dimensions as shown in FIG. 5, when the electron emission area α = 1.6 * 1.6mm 2 , the electric field enhancement factor β to 750 and the work function φ = 4.95 eV, the temperature of the CNT cathode is 1500 ° C., the grid voltage 1500V, the first anode. As a result of simulating while applying the electrode (Anode1) voltage (E1) 1500V and changing the second anode electrode (Anode2) voltage (E2), a current of about 20.65nA was measured by the
이와 같이 본 발명에서는 직접 방사성동위원소를 이용하지 않아도 CNT(Carbon Nanotube) 음극을 통해 발생한 전자빔이 P-N 접합 다이오드(120)에 전류를 흐르게하고 계측 장치(130)를 통해 P-N 접합 다이오드(120)에 흐르는 전류에 의한 파워 발생을 계측함으로써, 위와 같은 표를 참조하여 해당 전류에 대응된 방사성동위원소의 양을 추정할 수 있게 되고, 정밀한 파워를 갖도록 방사성동위원소 전지를 제작할 수 있게 된다. 예를 들어, 특정 파워를 발생하기 위한 방사성동위원소 전지의 방사성동위원소의 양, 예를 들어, 도 1과 같은 방사성동위원소(예, 트리튬 3H 등) 가스의 양(예, 압력)이나, 도 2와 같은 P-N 접합다이오드 상에 형성한 방사성동위원소 고체(예, 니켈-63 63Ni, 147Pm 등)의 면적이나 부피 등이 결정될 수 있다.As such, in the present invention, an electron beam generated through a carbon nanotube (CNT) cathode flows through the
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the equivalents of the claims, as well as the claims.
전자빔 발생장치(110)
P-N 접합 다이오드(120)
계측 장치(130)
CNT 음극(Carbon Nanotube Cathode)
그리드(Grid)
제1애노드 전극(Anode1)
제2애노드 전극(Anode2)
PN Junction Diode (120)
Instrumentation Device (130)
Carbon Nanotube Cathode
Grid
First anode electrode (Anode1)
Second anode electrode (Anode2)
Claims (4)
제어장치의 제어 전압에 따라 전자빔을 발생하는 전자빔 발생장치; 상기 전자빔의 조사에 따라 전류를 발생시키는 P-N 접합 다이오드; 및 상기 P-N 접합 다이오드에 흐르는 전류에 의한 파워 발생을 계측하는 계측 장치를 포함하고,
계측된 상기 파워에 대응된 방사성동위원소 양을 갖는 방사성동위원소 전지를 제작하기 위한 것을 특징으로 하는 마이크로 파워 발생 장치.In the micro power generator for measuring the micro power in order to estimate the amount of radioisotope used in the production of radioisotope cells,
An electron beam generator for generating an electron beam according to a control voltage of the controller; A PN junction diode generating a current in response to the electron beam irradiation; And a measuring device for measuring power generation by current flowing through the PN junction diode,
A micropower generator, characterized in that for producing a radioisotope cell having a radioisotope amount corresponding to the measured power.
상기 전자빔 발생장치는,
CNT(Carbon Nanotube) 음극에서 발생한 전자빔이, 그리드, 제1 애노드 전극, 및 제2 애노드 전극을 순차 통과하여 상기 P-N 접합 다이오드로 조사되도록 한 것을 특징으로 하는 마이크로 파워 발생 장치.The method of claim 1,
The electron beam generator,
The electron beam generated from the carbon nanotube (CNT) cathode is sequentially passed through the grid, the first anode electrode, and the second anode electrode to be irradiated to the PN junction diode.
상기 방사성동위원소는 3H, 63Ni, 또는 147Pm인 것을 특징으로 하는 마이크로 파워 발생 장치.The method of claim 1,
The radioisotope is a micro power generator, characterized in that 3 H, 63 Ni, or 147 Pm.
전자빔 발생장치를 이용하여 발생시킨 전자빔을 P-N 접합 다이오드로 조사하는 단계; 및
상기 P-N 접합 다이오드에 흐르는 전류에 의한 파워 발생을 계측하는 단계를 포함하고,
계측된 상기 파워에 대응된 방사성동위원소 양을 갖는 방사성동위원소 전지를 제작하기 위한 것을 특징으로 하는 마이크로 파워 발생 방법.In the micro power generation method for measuring the micro power in order to estimate the amount of radioisotope used in the production of radioisotope cells,
Irradiating the electron beam generated using the electron beam generator with a PN junction diode; And
Measuring power generation due to a current flowing in the PN junction diode;
Micro-power generating method for producing a radioisotope cell having a radioisotope amount corresponding to the measured power.
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