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KR101139617B1 - A nuclear multiple-layered semiconductor battery with radioactive energy source layers acting also as electrodes embedded in semiconductor layers - Google Patents

A nuclear multiple-layered semiconductor battery with radioactive energy source layers acting also as electrodes embedded in semiconductor layers Download PDF

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KR101139617B1
KR101139617B1 KR1020100039842A KR20100039842A KR101139617B1 KR 101139617 B1 KR101139617 B1 KR 101139617B1 KR 1020100039842 A KR1020100039842 A KR 1020100039842A KR 20100039842 A KR20100039842 A KR 20100039842A KR 101139617 B1 KR101139617 B1 KR 101139617B1
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radiation source
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electrode
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김광신
이숙경
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한국수력원자력 주식회사
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    • G21H1/00—Arrangements for obtaining electrical energy from radioactive sources, e.g. from radioactive isotopes, nuclear or atomic batteries
    • G21H1/06—Cells wherein radiation is applied to the junction of different semiconductor materials
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Abstract

본 발명의 방사선 선원이 전극을 겸하는 다층구조의 반도체 원자력 전지는 p-형 반도체 층과 n-형 반도체 층이 교대로 적층되어 있고, 각 반도체 층 마다 두께 방향으로 한 가운데에 전기전도성 방사선 선원층이 매립되어 있으며, 상기 선원층에 전선을 연결하여 전극으로 활용될 수 있는 방사선을 에너지원으로 하는 것을 특징으로 한다. In the multi-layer semiconductor nuclear cell in which a radiation source serves as an electrode, a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are alternately stacked, and each conductive layer has an electroconductive radiation source layer in the thickness direction. It is embedded, characterized in that the radiation source which can be utilized as an electrode by connecting a wire to the source layer as an energy source.

Description

방사선 선원이 전극을 겸하는 다층구조의 반도체 원자력 전지{A nuclear multiple-layered semiconductor battery with radioactive energy source layers acting also as electrodes embedded in semiconductor layers}A nuclear multiple-layered semiconductor battery with radioactive energy source layers acting also as electrodes embedded in semiconductor layers}

본 발명은 방사선 선원이 전극을 겸하는 다층구조의 반도체 원자력 전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 고체 방사선 선원을 에너지원으로 하며, 동시에 전극으로 사용하는 다층으로 중첩된 원자력 전지에 관한 것이다. The present invention relates to a multi-layer semiconductor nuclear cell in which a radiation source serves as an electrode. More specifically, the present invention relates to a nuclear energy cell superimposed in a multilayer using a solid radiation source as an energy source and simultaneously used as an electrode.

방사선 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 원자력 전지에 대한 연구 발명은 상당히 오래 전부터 진행되어 왔다. 처음에는 방사선에 의한 열에너지 또는 가시광선 에너지를 전기로 바꾸는 방식을 사용하여 왔으나, 최근에는 반도체에 방사선을 조사하여 전기를 발생시키는 전지 기술이 개발되고 있다. Research on nuclear cells that convert radiation energy into electrical energy has been around for quite some time. At first, a method of converting thermal energy or visible light energy by radiation into electricity has been used, but recently, a battery technology for generating electricity by irradiating a semiconductor with radiation has been developed.

이러한 전지 중에서 대한민국 특허 제10-0926598호에 고체 방사선 선원을 사용하는 반도체 원자력 전지가 소개되어 있다. Among such batteries, Korean Patent No. 10-0926598 discloses a semiconductor nuclear battery using a solid radiation source.

그러나 이 특허를 포함해서 거의 모든 전지는 발생한 전기를 모아 외부로 연결시키기 위한 전극(양극 및 음극)을 구비하고 있다. 또한 여러 개의 단일 전지를 하나로 묶는 형태의 전지들도 있으나, 이 경우 각각의 전지는 독립적으로 존재하는 것을 하나로 연결한 것에 불과하다. However, almost all batteries including this patent have electrodes (anode and cathode) for collecting generated electricity and connecting them to the outside. In addition, there are batteries in the form of tying several single cells into one, but in this case, each cell is merely connected to one that exists independently.

본 발명은 기존의 전지에서는 별도의 전극을 설치함으로 인해 제조공정이 복잡해지고 전극의 설치에 따른 크기의 증가가 있게 되고, 전극에서의 추가적인 접촉 저항이 발생하여 전지의 효율 및 성능을 감소시키는 문제가 발생하게 되어 이러한 문제들을 해결하고자 하는데 그 목적이 있다.According to the present invention, the manufacturing process is complicated by the installation of a separate electrode in the conventional battery, the size of the electrode is increased, and additional contact resistance is generated at the electrode, thereby reducing the efficiency and performance of the battery. This problem is to solve these problems.

또한, p-형 반도체 층 하나와 n-형 반도체 층 하나로 구성되는 단일 전지는 그 두께는 얇을 수 있으나 원하는 전압이나 전류를 얻기 위해서는 여러 개의 독립된 전지를 제작하여 연결해야 하는 불편함과 부피가 커지는 문제점이 있으므로 이러한 문제들을 해결하고자 하는데 그 목적이 있다.In addition, a single cell composed of one p-type semiconductor layer and one n-type semiconductor layer may have a thin thickness, but it is inconvenient and bulky to make a plurality of independent cells and connect them in order to obtain a desired voltage or current. There is a purpose to solve these problems.

본 발명의 방사선 선원이 전극을 겸하는 다층 구조의 반도체 원자력 전지는 p-형 반도체 층과 n-형 반도체 층이 교대로 적층되어 있고, 각 반도체 층 마다 두께 방향으로 한 가운데에 전기 전도성 방사선 선원층이 매립되어 있으며, 상기 선원층에 전선을 연결하여 전극으로 활용될 수 있는 방사선을 에너지원으로 하는 것을 특징으로 한다. In the multi-layer semiconductor nuclear cell of which the radiation source serves as the electrode of the present invention, a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are alternately stacked, and each semiconductor layer has an electrically conductive radiation source layer in the middle in the thickness direction. It is embedded, characterized in that the radiation source which can be utilized as an electrode by connecting a wire to the source layer as an energy source.

본 발명은 고체 방사선 선원을 에너지원으로 사용함과 동시에 전극을 겸하도록한 다층 구조를 갖는 반도체 원자력 전지를 제공하기 위한 것으로, 여러 층의 n형 반도체 층과 p-형 반도체 층이 교대로 직접 접촉하도록 하고, 각 반도체 층 사이에 매립되는 전기 전도성이 있는 방사선 선원층을 전극으로 사용함으로써 전극 제작 공정을 생략할 수 있고, 제작 공정도 단순화할 수 있으며, 전극 접촉면에서 추가 접촉 저항이 발생하지 않는 장점이 있다. The present invention is to provide a semiconductor nuclear cell having a multi-layer structure that uses a solid radiation source as an energy source and at the same time serves as an electrode, so that the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer of several layers alternately directly contact. By using an electrically conductive radiation source layer embedded between the semiconductor layers as an electrode, the electrode fabrication process can be omitted, the fabrication process can be simplified, and additional contact resistance is not generated at the electrode contact surface. have.

또한, 방사선 선원층은 바깥에 노출된 단면을 제외하고는 n-형 또는 p-형 반도체 층에 완전히 감싸고 있으므로 방출되는 거의 모든 방사선이 n-형 또는 P-형 반도체 층으로 유입되는 장점이 있다.In addition, since the radiation source layer is completely enclosed in the n-type or p-type semiconductor layer except for the cross section exposed to the outside, almost all radiation emitted is introduced into the n-type or P-type semiconductor layer.

특히, 평면 적층식 구조나 와플 표면과 같은 굴곡된 면, 다공성 면 등 다양한 형태로 할 수 있고, 종래에는 방사선 선원층이 한쪽 면만이 반도체와 접하고 있어 발생한 방사선의 50%만 반도체에 도달하던 것을 양쪽면에 반도체를 설치하여 발생한 방사선의 거의 100%까지 반도체에 도달할 수 있어 방사선 선원의 사용 효율을 증가시킬 수 있다. In particular, it can be in various forms such as planar stacked structure, curved surface such as waffle surface, porous surface, etc. In the past, only one side of the radiation source layer was in contact with the semiconductor, so that only 50% of the generated radiation reached the semiconductor. By installing a semiconductor on the surface, almost 100% of the radiation generated can reach the semiconductor, thereby increasing the use efficiency of the radiation source.

도 1은 본 발명에 따른 방사선 선원이 전극을 겸하는 다층구조의 반도체 원자력 전지의 한 실시예의 구성도이다.
도 2는 도 1의 본 발명의 반도체 원자력 전지와 비교설명하기 위한 종래의 단일 전지의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 반도체 원자력 전지의 직렬연결구조 또는 병렬연결구조를 보여주기 위한 한 실시예의 구성도이다. 1 is a configuration diagram of an embodiment of a semiconductor nuclear cell of a multilayer structure in which a radiation source serves as an electrode according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a conventional single cell for comparison with the semiconductor nuclear cell of the present invention of FIG. 1.
3 is a configuration diagram of an embodiment for showing a series connection structure or a parallel connection structure of the semiconductor nuclear battery of the present invention.

첨부 도면 중 도 1은 본 발명에 따른 방사선 선원이 전극을 겸하는 다층구조의 반도체 원자력 전지(100)의 한 실시예의 구성도이다. 도 1의 평면 적층 전지에 의하면, Si 기반 또는 Ga/AS 기반 등 모든 종류의 반도체를 포함하는 P-형 반도체 층(101)과 n-형 반도체 층(102)이 교대로 적층되어 있고, 각 층의 한 가운데에는 방사선 선원층(103)이 매립되어 있는 구조로 이루어져 있다. 각 방사선 선원층(103)에는 외부로 전선이 연결되는데, P-형 반도체 층(101)에 매립된 방사선 선원층(103)에 연결된 전선(104)은 양극, n-형 반도체 층(102)에 매립되어 있는 방사선 선원층(103)에 연결된 전선(105)은 음극으로 작용하게 된다. 1 is a configuration diagram of an embodiment of a semiconductor nuclear cell 100 having a multilayer structure in which a radiation source serves as an electrode according to the present invention. According to the planar stacked battery of FIG. 1, the P-type semiconductor layer 101 and the n-type semiconductor layer 102 including all kinds of semiconductors such as Si-based or Ga / AS-based are alternately stacked, and each layer In the middle of the radiation source layer 103 is made of a structure that is embedded. A wire is connected to the radiation source layer 103 to the outside, and the wire 104 connected to the radiation source layer 103 embedded in the P-type semiconductor layer 101 is connected to the anode, n-type semiconductor layer 102. The wire 105 connected to the embedded radiation source layer 103 acts as a cathode.

방사선 선원층(103)과 전선(104, 105)의 접촉 저항을 줄이기 위하여 전선이 연결되는 면은 전기 전도성이 큰 금속, 예를 들어 Au 등으로 코팅되어 있다. 이 면은 전기 전도성 코팅층(106)이다. 상기 전기 전도성 코팅층(106)외의 다른 면들은 전기 절연성 물질로 코팅이 되어 있으며 이 면은 전기 절연성 코팅층(107)이다. 이것은 발생한 전기가 해당층의 상하에 있는 다른 층으로 흘러 전지 내부에서의 전기 누설을 방지하기 위한 것이다. In order to reduce contact resistance between the radiation source layer 103 and the wires 104 and 105, the surface to which the wire is connected is coated with a metal having high electrical conductivity, for example, Au. This side is the electrically conductive coating layer 106. Surfaces other than the electrically conductive coating layer 106 are coated with an electrically insulating material, which is an electrically insulating coating layer 107. This is to prevent the leakage of electricity inside the battery generated electricity flows to the other layer above and below the layer.

방사선 선원층(103)에서 발생한 방사선은 p-형 반도체 층(101)과 n-형 반도체 층(102)의 경계면에 전자-정공 쌍을 발생시키고, 발생한 전자는 n-형 반도체 층(102) 내부의 방사선 선원층(103)으로 이동하여 전선(105)을 통해서 나가고 발생한 정공은 p-형 반도체 층(101) 내부의 방사선 선원층(103)으로 이동하여 전선(104)을 통해서 들어온 전자와 결합하면서 전류가 흐르게 된다.The radiation generated from the radiation source layer 103 generates electron-hole pairs at the interface between the p-type semiconductor layer 101 and the n-type semiconductor layer 102, and the generated electrons are inside the n-type semiconductor layer 102. Moves to the radiation source layer 103 and exits through the wire 105, and the generated holes move to the radiation source layer 103 inside the p-type semiconductor layer 101 and combine with electrons introduced through the wire 104. Current will flow.

이와 같은 본 발명의 전지는 도 2에 나타낸 바와 같은 종래의 단일 전지들을 수직 방향으로 중첩한 형태라고 생각하면 된다. 도면에서 아래쪽에 있는 제 1 단일전지(201)는 위쪽에 있는 제 2 단일전지(202)가 뒤집혀져 있는 상태로서 두 전지를 합치게 되면 n-형 반도체 층(203)이 안쪽으로 들어가고 바깥쪽에는 p-형 반도체 층(204)이 존재하게 된다. 제 1 및 제 2 단일 전지(201, 202)가 단독으로 존재하게 되면 방사선 선원층(205)에서 발생한 방사선 중 반도체의 반대쪽으로 방출된 것은 허공으로 방출되어 에너지를 사용할 수 없게 된다. 즉, 방사선 선원에서 방출되는 방사선의 50%만 전기에너지 생산에 사용될 수 있다. 그렇지만 두 전지를 합치게 되면 중앙으로 들어가는 방사선 선원층(205)에서 발생하는 방사선은 상하방향 전부 반도체가 있으므로 모두 전기에너지 생산에 사용되어 전지의 효율을 높일 수 있게 된다. Such a battery of the present invention may be considered to be a form in which conventional single cells as shown in FIG. 2 are stacked in a vertical direction. In the drawing, the first single cell 201 at the bottom is a state where the second single cell 202 is upside down, and when the two cells are joined together, the n-type semiconductor layer 203 enters the inside and the outside thereof. There is a p-type semiconductor layer 204. When the first and second single cells 201 and 202 are present alone, any of the radiation generated in the radiation source layer 205 that is emitted to the opposite side of the semiconductor is released into the air and energy cannot be used. That is, only 50% of the radiation emitted from the radiation source can be used to produce electrical energy. However, when the two batteries are combined, the radiation generated from the radiation source layer 205 entering the center is used in the production of electrical energy because all of the semiconductors are vertically up and down, thereby increasing the efficiency of the battery.

또한, 방사선 선원층(205) 자체가 전기 전도도가 높으므로 별도의 전극인 음극(206)과 양극(207)을 제작할 필요없이 방사선 선원층이 전극을 겸하도록 할 수 있다. 이로써 전극을 설치하는 공정을 생략할 수 있고, 전극이 차지하는 부피만큼 전지의 부피를 줄일 수 있는 장점도 있다.In addition, since the radiation source layer 205 itself has high electrical conductivity, the radiation source layer may serve as an electrode without the need for fabricating a separate electrode, the cathode 206 and the anode 207. As a result, the process of installing the electrode can be omitted, and the volume of the battery can be reduced by the volume occupied by the electrode.

본 발명에서 전기 전도도가 높은 방사선 선원층은 63Ni 등의 방사성 동위원소 금속이나 이를 포함하는 합금, TiT2 등의 금속 삼중수소화합물, 기타 방사성 동위원소를 포함하는 전기 전도성 고분자 등을 포함하는 전기를 전도하여 전극으로 사용할 수 있는 물질로 이루어진 층을 말하며, 평면 뿐만 아니라 곡면, 와플 표면과 같은 굴곡된 면, 다공성 면 등의 형태를 취할 수 있다. In the present invention, the radiation source layer having high electrical conductivity may include electricity containing radioactive isotope metals such as 63 Ni, alloys including the same, metal tritium compounds such as TiT 2, and electrically conductive polymers including other radioisotopes. It refers to a layer made of a material that can be used as an electrode by conducting, and may take the form of not only a flat surface but also a curved surface, a curved surface such as a waffle surface, and a porous surface.

첨부 도면 중 도 3은 본 발명에 따른 방사선 선원이 전극을 겸하는 다층구조의 반도체 원자력 전지를 직렬 또는 병렬로 연결한 실시예를 개략적으로 나타낸 것으로서, 부호 301은 양극은 음극과, 음극은 양극과 연결한 직렬 연결구조를 나타낸 것이다. 이러한 직렬 연결구조는 전지에서 나오는 전압을 높일 수 있다. 부호 302는 양극은 양극끼리, 음극은 음극끼리 연결한 병렬 연결구조를 나타낸 것이다. 이러한 병렬 연결구조는 전지에서 나오는 전류를 증가시킬 수 있다. 도 3에서 p는 p-형 반도체 층을 말하며, n는 n-형 반도체 층을 말한다. 3 schematically shows an embodiment in which a radiation source according to the present invention connects a semiconductor nuclear cell having a multilayer structure serving as an electrode in series or in parallel, wherein a reference numeral 301 denotes a positive electrode connected to a negative electrode and a negative electrode connected to a positive electrode; One series connection structure is shown. This series connection structure can increase the voltage from the battery. Reference numeral 302 denotes a parallel connection structure in which the anodes are connected to each other and the cathodes are connected to each other. This parallel connection structure can increase the current drawn from the battery. In FIG. 3, p refers to a p-type semiconductor layer, and n refers to an n-type semiconductor layer.

그러나, 본 발명에서의 반도체 적층은 기술적으로 가능하고 목적에 부합하는 만큼 적층하는 적층수를 늘리거나 줄일 수 있다. However, the semiconductor lamination in the present invention can increase or decrease the number of laminations to be laminated as much as technically possible and meets the purpose.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특징의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변화실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.Although the preferred embodiments and applications of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the embodiments and applications of the above-described features, and the present invention without departing from the gist of the invention as claimed in the claims. Various changes can be made by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical idea or the prospect of the present invention.

100 ---- 원자력 전지
101 ---- P-형 반도체 층
102 ---- n-형 반도체 층
103 ---- 방사선 선원층
104 ---- 전선(양극)
105 ---- 전선(음극)
106 ---- 전기 전도성 코팅층
107 ---- 전기 절연성 코팅층
201 ---- 제 1 단일전지
202 ---- 제 2 단일전지
203 ---- n-형 반도체 층
204 ---- p-형 반도체 층
205 ---- 방사선 선원층
206 ---- 음극
207 ---- 양극
301 ---- 직렬 연결구조의 전지
302 ---- 병렬 연결구조의 전지100 ---- nuclear battery
101 ---- P-type semiconductor layer
102 ---- n-type semiconductor layer
103 ---- radiation source layer
104 ---- Electric wire (anode)
105 ---- Wire (cathode)
106 ---- electrically conductive coating layer
107 ---- electrically insulating coating layer
201 ---- first single cell
202 ---- second single cell
203 ---- n-type semiconductor layer
204 ---- p-type semiconductor layer
205 ---- radiation source layer
206 ---- cathode
207 ---- anode
301 ---- Battery with series connection
302 ---- battery with parallel connection

Claims (4)

p-형 반도체 층과 n-형 반도체 층이 교대로 평면적층되어 있고, 상기 각 반도체 층 마다 두께 방향으로 한 가운데에 전기 전도도가 높은 전기전도성 방사선 선원층이 매립되어 있으며, 상기 방사선 선원층에는 방사선을 에너지원으로 활용하기 위하여 전극으로 작용할 수 있도록 전선이 연결되어 있으며,
상기 p-형 반도체층 사이에 들어있는 방사선 선원층에 연결된 전선은 양극으로 작용하고, 상기 n-형 반도체층 사이에 들어 있는 방사선 선원층에 연결된 전선은 음극으로 작용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 방사선 선원이 전극을 겸하는 다층구조의 반도체 원자력 전지.The p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer are alternately planarly stacked, and each of the semiconductor layers is filled with an electrically conductive radiation source layer having a high electrical conductivity in the middle of the thickness direction, and the radiation source layer has radiation Wires are connected to act as electrodes to utilize energy as an energy source,
A wire connected to the radiation source layer interposed between the p-type semiconductor layers acts as an anode, and a wire connected to the radiation source layer interposed between the n-type semiconductor layers acts as a cathode A multi-layered semiconductor nuclear cell which also serves as this electrode. 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 방사선 선원층과 전선이 연결되는 면에는 전기전도성이 큰 금속이 코팅된 전기 전도성층이 있고, 그 외의 면에는 전기 절연성이 높은 물질이 코팅된 전기 절연성층이 있는 것을 특징으로 하는 방사선 선원이 전극을 겸하는 다층구조의 반도체 원자력 전지.The method according to claim 1,
The radiation source layer electrode is characterized in that the surface is connected to the radiation source layer and the electric wire is an electrically conductive layer coated with a metal with high electrical conductivity, and the other surface is an electrically insulating layer coated with a material having a high electrical insulation. Multi-layer semiconductor nuclear cell. 청구항 1에 있어서,
상기 전지는 양극은 음극과, 음극은 양극과 연결한 직렬 연결 구조이거나 양극은 양극끼리, 음극은 음극끼리 연결한 병렬 연결 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 방사선 선원이 전극을 겸하는 다층구조의 반도체 원자력 전지.
The method according to claim 1,
The battery has a multi-layered semiconductor nuclear cell in which a positive electrode serves as an electrode, wherein the cathode has a series connection structure in which a cathode is connected to a cathode, or a cathode is connected in parallel with a cathode, and a cathode is connected in parallel with a cathode. .
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