전자빔과 Ｐ―Ｎ 접합 다이오드를 이용한 마이크로 파워 발생장치 및 방법{Micropower Generation Apparatus and Method using Electron Beam and PN Juction Diode}
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.
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. 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. 이러한 방사성동위원소 전지는 사용 장치에 맞게 정밀한 파워를 갖도록 방사성동위원소의 투입량이 결정되어 제작되어야 한다. 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 3 H) 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. 는 Antineutrino이다. [화학식 1] 도 2와 같이, 방사성동위원소 고체 니켈-63 63 Ni 등에서 발생하는 β선량에 따라 PN 접합 다이오드의 양측 단자 사이에 연결한 저항(R)에 흐르게 되는 전류(I), 전압(V)을 측정함으로써 마이크로 파워를 측정하기도 하였다. 그러나, 이와 같이 방사성동위원소를 직접 이용하여 마이크로 파워를 측정하는 기존 방식들은, 방사능 물질에 피복의 우려가 있고 안전하지 않은 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 방사성동위원소 전지와 유사한 수준의 전류밀도를 정확히 제어된 CNT(Carbon Nanotube) 전자빔으로 만들고, 이를 PN 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.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른, 방사성동위원소 전지의 제작에 사용되는 방사성동위원소(예, 3 H, 63 Ni, 또는 147 Pm 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 PN 접합 다이오드; 및 상기 PN 접합 다이오드에 흐르는 전류에 의한 파워 발생을 계측하는 계측 장치를 포함하고, 상기 계측 장치가 측정하는 파워가 제작될 방사성동위원소 전지의 파워에 해당하는 상기 전류를 측정하는 것을 특징으로 한다. 상기 전자빔 발생장치는, CNT(Carbon Nanotube) 음극에서 발생한 전자빔이, 그리드, 제1 애노드 전극, 및 제2 애노드 전극을 순차 통과하여 상기 PN 접합 다이오드로 조사되도록 한다. 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 PN 접합 다이오드로 조사하고, 상기 PN 접합 다이오드에 흐르는 전류에 의한 파워 발생을 계측하는 단계를 포함하고, 계측된 상기 파워가 제작될 방사성동위원소 전지의 파워에 해당하는 상기 전류를 측정하기 위한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 마이크로 파워 발생 장치에 따르면, 방사성동위원소 전지와 유사한 수준의 전류밀도를 갖는 CNT(Carbon Nanotube) 전자빔을 PN 접합 다이오드에 조사하여 해당 마이크로 파워를 측정함으로써, 방사성동위원소 전지에 투입되는 방사성동위원소의 양을 정확히 추정할 수 있도록 유용한 정보를 제공할 수 있다.
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.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 파워 발생 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 파워 발생 장치는, 전자빔 발생장치(110), PN 접합 다이오드(120), 및 계측 장치(130)를 포함한다. 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 PN 접합 다이오드(120)에 조사함에 따라, PN 접합 다이오드(120)는 공핍층 영역에서의 여기되는 전자-정공 쌍 발생을 일으켜 전류를 발생시킨다. 계측 장치(130)는 전류계(A)를 이용해 PN 접합 다이오드(120)에 흐르는 전류를 측정하며, 전압계(V)를 이용해 해당 전류에 의해 소정 회로(저항 등)에서 발생하는 전압을 측정함으로써, PN 접합 다이오드(120)에 흐르는 전류에 의한 파워 발생을 계측할 수 있다. 이와 같이 계측 장치(130)가 측정하는 파워가 제작될 방사성동위원소 전지의 파워에 해당하게 되는 전류를 측정함으로써, 해당 전류에 대응된 방사성동위원소의 양을 추정할 수 있게 되어, 정밀한 파워를 갖도록 방사성동위원소 전지를 제작할 수 있게 된다. [표] 예를 들어, 방사성동위원소 3 H, 63 Ni, 또는 147 Pm의 방사성 특성을 비교하면 d위의 표와 같다. 위의 표에서 예를 들어, 3 H의 경우에 베타선에 의한 파워밀도가 0.7㎼/cm 2 이고, 이를 전류밀도로 환산하면 0.12nA/cm 2 이다. 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. 한편, 도 4a와 같이 진공 상태의 CNT 음극과 양극 사이에 전압(V)을 인가하면, 도 4b의 에너지 밴드 다어그램과 같이 전기장 -eFx, 전위 e 2 /2x(F는 페르미 레벨 E F 와 진공 에너지 레벨 E vac 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. [수학식 1] 따라서, 이를 기초로 CNT 음극과 인가 전압 등을 적절히 설계하면 제작될 방사성동위원소 전지의 파워에 해당하는 전류 발생 수준의 전자빔 발생이 가능하게 된다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 CNT 음극을 포함한 전자빔 발생장치(110)의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 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. 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 PN 접합 다이오드(120)에 조사될 수 있다. 도 5와 같은 디멘젼에서 전자 방출 면적 α=1.6*1.6mm 2 , 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 PN 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. 이와 같이 본 발명에서는 직정 방사성동위원소를 이용하지 않아도 CNT(Carbon Nanotube) 음극을 통해 발생한 전자빔이 PN 접합 다이오드(120)에 전류를 흐르게하고 계측 장치(130)를 통해 PN 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 3 H 등) 가스의 양(예, 압력)이나, 도 2와 같은 PN 접합다이오드 상에 형성한 방사성동위원소 고체(예, 니켈-63 63 Ni, 147 Pm 등)의 면적이나 부피 등이 결정될 수 있다. 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.
전자빔 발생장치(110)
PN 접합 다이오드(120)
계측 장치(130)
CNT 음극(Carbon Nanotube Cathode)
그리드(Grid)
제1애노드 전극(Anode1)
제2애노드 전극(Anode2) |
