KR20140098897A - 방사선 차폐재를 이용한 원자력 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력 전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 상대적으로 반감기가 긴 방사성 선원을 이용하여 반영구적으로 사용이 가능하며, 반도체 방식으로 전기를 생성하는 원자력 전지에 관한 것이다. 방사선 차폐재를 이용한 원자력 전지는 감마선을 방출하는 방사선 선원, 상기 방사선 선원 일측에 구비되며, 상기 감마선과 상호작용하여 전기를 발생시키는 제1차폐재 및 상기 방사선 선원 타측에 구비되며, 상기 감마선과 상호작용하여 전기를 발생시키는 제2차폐재를 포함한다. 이와 같은 구성으로, 상기 원자력 전지는 반도체 소자를 통해 방사선 선원에서 조사되는 방사선을 차폐하는 동시에 방사선을 이용하여 전기를 발생시킬 수 있다. 또한, 원자력 전지를 소형화함으로써, 소형 전기장치의 에너지원으로 사용하여 반영구적으로 전기에너지를 공급할 수 있다.

Description

방사선 차폐재를 이용한 원자력 전지{The atomic cell using radiation shielding material}

본 발명은 원자력 전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 상대적으로 반감기가 긴 방사성 선원을 이용하여 반영구적으로 사용이 가능하며, 반도체 방식으로 전기를 생성하는 원자력 전지에 관한 것이다.

저출력 장수명의 원자력 전지는 장기간 동안 유지 관리의 필요 없이 안정적으로 장기간 에너지 공급이 가능하므로 우주, 군사용이나 의학용으로의 활용 가능성 때문에 오래 전부터 연구 개발이 진행되고 있다.

이러한 원자력 전지는 그 원리가 태양전지와 유사한데 태양전지에서는 햇빛을 에너지원으로 사용하는 반면 원자력전지에서는 방사선을 에너지원으로 사용한다.

구체적으로는 태양전지는 태양광선을 이용하여 전기를 일으키는 것으로서, 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)을 이용하여 빛 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 반면에 원자력 전지는 태양 전지와 유사한 원리를 이용하여, 방사선 에너지를 전기에너지로 변화시킨다.

여기서, 상기 방사선 에너지를 발생시키는 방사성동위원소가 사용되며, 상기 방사선동위원소는 특유의 에너지를 가진 방사선을 방출하고 안정된 동위원소로 붕괴하는 원소이다. 또한, 방사성동위원소의 붕괴방식에는 대부분 에너지를 알파서, 베타선 또는 감마선으로 방출하고, 안정된 동위원소가 된다. 방사성동위원소의 양은 방사성 강도, 즉 단위시간에 일어나는 붕괴의 횟수로 나타낸다. 그리고, 방사성원소가 붕괴하여 처음 양의 반으로 감소하는데 걸리는 시간을 반감기(half-life period)라 하는데, 그 기간은 방사성동위원소에 따라 다른데, 이러한 반감기에 따라 특정 방사성동위원소를 에너지원으로 사용하여 산업적으로 다양한 응용을 하고 있다.

특히, 최근에는 반도체에 방사선을 조사하여 전기를 발생시키는 전지 기술이 개발되고 있다.

이러한 전지 중에서 대한민국 특허 제10-0926598호에 고체 방사선 선원을 사용하는 반도체 원자력 전지가 소개되어 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면 원자력 전지는 반도체 소자를 통해 방사선 선원에서 조사되는 방사선을 차폐하는 동시에 방사선을 이용하여 전기를 발생시키는 방사선 차폐재를 이용한 원자력 전지를 제공하기 위한 것이다.

또한, 원자력 전지를 소형화함으로써, 소형 전기장치의 에너지원으로 사용하여 반영구적으로 전기에너지를 공급하는 방사선 차폐재를 이용한 원자력 전지를 제공하기 위한 것이다.

상술한 본 발명의 실시예들에 따른 방사선 차폐재를 이용한 원자력 전지는 감마선을 방출하는 방사선 선원, 상기 방사선 선원 일측에 구비되며, 상기 감마선과 상호작용하여 전기를 발생시키는 제1차폐재 및 상기 방사선 선원 타측에 구비되며, 상기 감마선과 상호작용하여 전기를 발생시키는 제2차폐재를 포함한다.

일 실시예에 따른, 상기 제1,2차폐재는 상기 방사선 선원에서 방출되는 감마선을 차폐하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따른, 상기 제1,2차폐재는 반도체 층으로써, n-형 반도체 층과 p-형 반도체 층이 서로 접합되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따른, 상기 n-형 반도체 층과 전기적을 연결되는 제1전극이 구비되며, 상기 p-형 반도체 층과 전기적으로 연결되는 제2전극이 구비되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따른, 상기 원자력 전지의 복수 개가 직렬 연결 구조 또는 병렬 연결 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따른, 상기 방사선 선원은 상기 감마선 대신에 알파선(α선) 또는 베타선(β선)을 방출하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 구성으로, 상기 원자력 전지는 반도체 소자를 통해 방사선 선원에서 조사되는 방사선을 차폐하는 동시에 방사선을 이용하여 전기를 발생시킬 수 있다. 또한, 원자력 전지를 소형화함으로써, 소형 전기장치의 에너지원으로 사용하여 반영구적으로 전기에너지를 공급할 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 원자력 전지는 반도체 소자를 통해 방사선 선원에서 조사되는 방사선을 차폐하는 동시에 방사선을 이용하여 전기를 발생시킬 수 있다.

또한, 원자력 전지를 소형화함으로써, 소형 전기장치의 에너지원으로 사용하여 반영구적으로 전기에너지를 공급할 수 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 차폐재를 이용한 원자력 전지를 도시한 단면도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 전지의 차폐재인 반도체 소자를 도시한 단면도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 전지의 제1 및 제2전극을 도시한 단면도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 전지의 직렬 연결 및 병렬 연결을 도시한 구성도이다.

이하, 도 1 내지 도3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 전지에 대해서 자세히 설명한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 차폐재를 이용한 원자력 전지를 도시한 단면도이고, 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 전지의 차폐재인 반도체 소자를 도시한 단면도이고, 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 전지의 제1 및 제2전극을 도시한 단면도이다.

도1 내지 도3를 참고하면, 방사선 차폐재를 이용한 원자력 전지(100)는 감마선을 방출하는 방사선 선원(10), 상기 방사선 선원(10) 일측에 구비되며, 상기 감마선과 상호작용하여 전기를 발생시키는 제1차폐재(20) 및 상기 방사선 선원(10) 타측에 구비되며, 상기 감마선과 상호작용하여 전기를 발생시키는 제2차폐재(30)를 포함한다.

상기 방사선 선원(10)은 자신에서 흡수되기 쉬운 알파선(α선), 베타선(β선) 또는 감마선(γ선)을 방출하는 방사성 동위원소를 사용한다. 여기서, 상기 방사선 선원(10)은 에너지 밀도가 알파선 및 베타선 보다 상대적으로 큰 감마선을 사용하여 상대적으로 큰 기전력을 발생시킬 수 있다. 또한, 반감기가 긴 방사성 동위원소를 방사선 선원(10)으로 사용함으로써 수명이 반영구적으로 긴 원자력 전지(100)를 가질 수 있다.

또한, 상기 방사선 선원(10)은 상기 제1 및 제2 차폐재(20,30) 사이에 매립되는 구조로써, 상기 방사선 선원(10)에서 방출되는 고에너지 전자기파인 감마선이 상기 제1 및 제2 차폐재(20,30)에 의해 차폐될 수 있다. 여기서, 상기 방사선 선원(10)은 ²³⁸Pu, ²⁴⁴Cm 또는 ⁹⁰Sr이 사용될 수 있다.

상기 제1차폐재(20)는 감마선을 차폐하는 차폐재이며, 일반적으로 사용되고 있는 실리콘 반도체층으로써, 특히, 결정계 실리콘 반도체의 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있으며, 상기 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘 웨이퍼는 변환 효율이 좋고　신뢰성이 높다.

또한, 상기 제1차폐재(20)는 상기 방사선 선원(10) 일측에 구비되면, p-형 반도체 층(21)과 n-형 반도체 층(22)이 서로 접합되어 있는 p-n접합 구조로써, 상기 방사선 선원(10)에서 발생되는 감마선과 상호작용하여 기전력을 발생시킬 수 있다.

예를 들면, 상기 제1차폐재(20)는 p-n접합 구조로써, 상기 n-형 반도체 층(22)은 일면이 상기 방사선 선원(10)의 일면과 맞닿아 있으며, 상기 방사선 선원(10)에서 발생되는 감마선과 상호작용하여 기전력을 발생시킬 수 있다. 보다 구체적으로는, 제1차폐재(20)의 n-형 반도체 층(22)으로 방사선 선원(10)이 방사하는 감마선이 조사되면, 감마선의 에너지에 의해 n-형 반도체 층(22)의 정공이 p-형 반도체 층(21)으로 이동하고, p-형 반도체 층(21)의 전자가 n -형 반도체 층(22)으로 이동하게 된다. 따라서, 전자는 n-형 반도체 층(22)으로, 정공은p-형 반도체 층(21)으로 모이게 되어 전위가 발생하며, 이러한 전위차에 의해 기전력이 발생하고, 발생된 기전력이 전극에 부하를 형성하고 부하를 연결하면 전류가 흐를 수 있다.

상기 제2차폐재(30)는 감마선을 차폐하는 차폐재이며, 일반적으로 사용되고 있는 실리콘 반도체층으로써, 특히, 결정계 실리콘 반도체의 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있으며, 상기 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘 웨이퍼는 변환 효율이 좋고　신뢰성이 높다.

또한, 상기 제2차폐재(30)는 상기 방사선 선원(10) 일측에 구비되면, p-형 반도체 층(31)과 n-형 반도체 층(32)이 서로 접합되어 있는 p-n접합 구조로써, 상기 방사선 선원(10)에서 발생되는 감마선과 상호작용하여 기전력을 발생시킬 수 있다.

예를 들면, 상기 제2차폐재(30)는 p-n접합 구조로써, 상기 n-형 반도체 층(32)은 일면이 상기 방사선 선원(10)의 일면과 맞닿아 있으며, 상기 방사선 선원(10)에서 발생되는 감마선과 상호작용하여 기전력을 발생시킬 수 있다. 보다 구체적으로는, 제2차폐재(30)의 n-형 반도체 층(32)으로 방사선 선원(10)이 방사하는 감마선이 조사되면, 감마선의 에너지에 의해 n-형 반도체 층(32)의 정공이 p-형 반도체 층(31)으로 이동하고, p-형 반도체 층(31)의 전자가 n -형 반도체 층(32)으로 이동하게 된다. 따라서, 전자는 n-형 반도체 층(32)으로, 정공은p-형 반도체 층(31)으로 모이게 되어 전위가 발생하며, 이러한 전위차에 의해 기전력이 발생하고, 발생된 기전력이 전극에 부하를 형성하고, 상기 부하를 연결하면 전류가 흐를 수 있다.

한편, 상기 제1차폐재(20)와 상기 제2차폐재(30)를 전기적으로 연결하는 제1전극(41) 및 제2전극(42)이 구비된다.

상기 제1전극(41)은 제1차폐재(20)의 n-형 반도체 층(22)과 제2차폐재(30)의 n-형 반도체 층(32)을 전기적으로 연결하는 전극으로써, 전기 전도성이 높은 금속, 예를 들어 Au 등으로 코팅되어 사용하며, 음극으로 작용할 수 있다.

상기 제2전극(42)은 제1차폐재(20)의 p-형 반도체 층과 제2차폐재(30)의 p-형 반도체 층을 전기적으로 연결하는 전극으로써, 전기 전도성이 높은 금속, 예를 들어 Au 등으로 코팅되어 사용하며, 양극으로 작용할 수 있다.

따라서, 상기 방사선 선원(10)의 감마선에 의해 다수의 전자-정공 쌍이 생성된다. 생성된 전자-정공 쌍은 p-n 접합에서 발생한 전기장에 의해 전자는 n-형 반도체 층(22,32)으로 이동하고, 정공은 p-형 반도체 층(21,31)으로 이동해서 각각의 표면에 있는 전극(41,42)에 수집된다. 각각의 전극(41,42)에서 수집된 전하(charge)는 외부 회로에 부하가 연결된 경우, 부하에 흐르는 전류가 발생할 수 있다.

이하, 도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 전지의 직렬 연결 및 병렬 연결을 도시한 구성도이다.

도4를 참고하면, 도4(a)는 복수의 원자력 전지(100)의 양극은 음극과, 음극은 양극과 연결한 직렬 연결구조를 나타낸 것이다. 이러한 직렬 연결구조는 전지에서 나오는 전압을 높일 수 있다. 도4(b)는 복수의 원자력 전지(100)의 양극은 양극끼리, 음극은 음극끼리 연결한 병렬 연결구조를 나타낸 것이다. 이러한 병렬 연결구조는 전지에서 나오는 전류를 증가시킬 수 있다.

이와 같은 구성으로, 상기 원자력 전지는 반도체 소자를 통해 방사선 선원에서 조사되는 방사선을 차폐하는 동시에 방사선을 이용하여 전기를 발생시킬 수 있다. 또한, 원자력 전지를 소형화함으로써, 소형 전기장치의 에너지원으로 사용하여 반영구적으로 전기에너지를 공급할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10: 방사선 선원 31: p-형 반도체 층
20: 제1차폐재 32: n-형 반도체 층
21: p-형 반도체 층 41: 제1전극
22: n-형 반도체 층 42: 제2전극
30: 제2차폐재 100: 원자력 전지

Claims (6)

1. 감마선을 방출하는 방사선 선원;
   상기 방사선 선원 일측에 구비되며, 상기 감마선과 상호작용하여 전기를 발생시키는 제1차폐재; 및
   상기 방사선 선원 타측에 구비되며, 상기 감마선과 상호작용하여 전기를 발생시키는 제2차폐재;
   를 포함하는 방사선 차폐재를 이용한 원자력 전지.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1,2차폐재는 상기 방사선 선원에서 방출되는 감마선을 차폐하는 것을 특징으로 하는 방사선 차폐재를 이용한 원자력 전지.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1,2차폐재는 반도체 층으로써, n-형 반도체 층과 p-형 반도체 층이 서로 접합되는 것을 특징으로 하는 방사선 차폐재를 이용한 원자력 전지.
4. 제2항에 있어서,
   상기 n-형 반도체 층과 전기적을 연결되는 제1전극이 구비되며, 상기 p-형 반도체 층과 전기적으로 연결되는 제2전극이 구비되는 것을 특징으로 하는 방사선 차폐재를 이용한 원자력 전지.
5. 제1항에 있어서,
   상기 원자력 전지의 복수 개가 직렬 연결 구조 또는 병렬 연결 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 방사선 차폐재를 이용한 원자력 전지.
6. 제1항에 있어서,
   상기 방사선 선원은 상기 감마선을 대신에 알파선(α선) 또는 베타선(β선)을 방출하는 것을 특징으로 하는 방사선 차폐재를 이용한 원자력 전지.

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