모바일 장치 애플리케이션을 위한 베타볼테익 전원장치

모바일 장치 애플리케이션을 위한 베타볼테익 전원장치{BETAVOLTAIC POWER SOURCES FOR MOBILE DEVICE APPLICATIONS}

본 발명은 일반적으로 전원장치에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는 모바일 장치 애플리케이션을 위한 베타볼테익 전원장치에 관한 것이다.

사회가 모바일 장치(예컨대, 셀폰(cell phone) 또는 스마트폰(smart phone), 랩탑(laptop), 태블릿(tablet), 의료용 장치, 및 휴대형 장치)에 점점 더 의존하게 되면서, 고전력 저장장치(예컨대, 배터리)에 대한 수요가 더욱 증가하고 있다. 그와 같은 장치를 위한 이상적인 배터리는 제품(예컨대, 일회용 셀폰, 랩탑 컴퓨터 등)의 속성에 따라 수개월에서 수년 동안에 이르는 수명을 갖는 특정 장치의 유용한 수명 동안 충분한 에너지를 저장하도록 설계되는 것일 것이다.

예를 들면, 셀폰은 통상 동작 중에 100mw 내지 500mw의 전력을 소모하지만, 평균 배터리는 대략 하루 동안 셀폰을 동작하기에 충분한 에너지만을 저장할 수 있다. 평균 셀폰 배터리는 통상 평균 하루 동안에 소모되는 대략 1-5 와트시(watt-hours)의 에너지를 저장한다.

마찬가지로, 태블릿 배터리는 대략 40-50 와트시의 에너지를 저장하고 최대 약 10시간을 지속하며, 이는 평균 전력 소모가 대략 5 와트인 것을 지시한다. 랩탑 컴퓨터 배터리는 대략 75 와트시의 에너지를 저장하고 약 5시간을 지속하며, 이는 평균 전력 소모가 대략 15 와트인 것을 지시한다. 이들 시간의 종료 시, 장치를 계속해서 사용하기 위해서는 배터리를 충전해야 한다.

휴대폰(스마트폰)의 평균 수명은 대략 2년이다. 의료 장치의 수명은 1년에서 수년이 될 수 있다. 랩탑 (및 태블릿)의 평균 수명은 대략 3년이다.

특정 유형의 전기 장치에 전력을 공급하기 위해 동위원소-기반 전원장치가 사용되어 왔다. 예를 들면, 일부 동위원소-기반 전력 발생기는 방사능 물질로부터 방출된 알파 입자들의 에너지를 열로 변환하며, 이것은 그 다음에 전기와 같은 유용한 에너지로 변환된다. 이것은 열-전기 변환이며 깊은 우주 임무에서 사용되는 전기장치에 전력을 공급하기 위해 흔히 사용된다. 일반적으로, 이 방법에서 사용되는 알파 입자들은 매우 활동적이며(1MeV 이상) 트랜지스터에 손상을 줄 수 있다. 그러므로, 알파-입자 방출기는 (세라믹과 같은 적당한 재료 내에 입자들을 포획하여) 열을 생성하기 위해 사용되고 그 다음에 그 열을 전기로 변환한다.

또 다른 유형의 동위원소-기반 전원장치는 베타-입자(전자)의 방출을 전기로 변환한다. 이것들은 베타볼테익(betavoltaics)이라고 불린다. 종래 베타볼테익 전원장치의 실시예는 2011년도에 간행된 "Technology Today,"의 제1호에 개시되어 있고, http://www.raytheon.com/technology_today/2011_i1/power.html에서 공개되었다.

베타볼테익 전원장치는 오랜 기간 동안(수십 내지 수백 년) 낮은 전력(수십 마이크로 와트)이 필요한 경우에 역사적으로 유용했다. 이것은 기본적으로 "태양 전지" 장치이지만(통상 광자에 반응하기 때문에 광 발전이라고 함), 전자-정공 쌍을 생성하기 위해 광자를 사용하는 대신에, 동위원소로부터 방출된 "베타(betas)"(또는 고 에너지 전자)가 정공-전자 쌍을 생성한다. 베타볼테익 전원장치는 수십 마이크로와트의 에너지를 생성하기 위해 깊은 우주 임무를 위해 사용된다. 수년의 수명을 필요로 하는 애플리케이션을 위해서, 동위원소의 반감기는 종종 수십 년이며, 100년의 반감기를 갖는 (63)Ni가 선호되는 물질이다.

동위원소-기반 전원장치의 또 다른 용도는 저 전력 장치(예컨대, 심박조율기)가 환자의 체내에 들어가는 의료 분야에서 있다. 심박조율기는 일반적으로 접근할 수 없기 때문에, 수명이 긴 전원장치가 유리하다. 이 장치들은 환자 체내에 이식되기 때문에, 방출되는 방사선 총량이 아주 낮아야 하며, 따라서 생성되는 전력량이 아주 낮을 필요가 있다. 이 응용을 위해서, 동위원소 열-전기 발전기가 성공적인 제품으로 입증되었다.

따라서 재충전의 필요 없이 장치의 유용한 수명 동안 모바일 장치를 동작시키기 위해 충분한 전력을 생성할 수 있는 동위원소-기반 전원장치가 있다면 바람직할 것이다.

본 발명은 모바일 장치에 전력을 공급하는 베타볼테익 전원장치에 관한 것이다. 베타볼테익 전원장치는 모바일 장치의 유용한 수명에 거의 대응하는 시간 동안 연속적인 동작을 제공한다.

여기서 개시된 베타볼테익 전원장치는 저장된 에너지를 전기로 변환하기 위해 동위원소와 관련된 핵반응에 의존한다. 베타볼테익 전원장치는 통상적으로 매우 오래 지속하는 동위원소를 사용하여 베타 (전자) 입자들을 에너지로 변환하는 일을 한다. 그것들은 저전력 애플리케이션과, 우주선 및 위성과 같이 장치에 대한 접근성이 비현실적인 경우에 사용된다.

여기서 개시된 베타볼테익 전원장치는 유용한 수명을 갖는 소정의 모바일 장치에 적당한 선택 전력량을 제공하도록 구성될 수 있다. 동위원소 물질과 에너지 변환 물질의 적층(다층) 구조체와 선택한 동위원소의 통합은 종래의 베타볼테익 전원장치보다 수십 배 더 높은 전력 레벨을 제공한다. x-선 및 감마선("감마")뿐만 아니라 베타 입자들도 모바일 장치를 구동하기 위해 유용한 전기로 변환된다.

본 발명의 일 측면은, 유용한 수명을 가진 모바일 장치용 베타볼테익 전원장치이다. 상기 전원장치는, 약 15keV보다 크고 약 200keV보다 작은 에너지 양을 갖고 약 0.5과 약 5년 사이의 반감기를 갖는 감마선, x-선 또는 베타 입자 중 어느 하나와 같은 방사선을 방출하는 동위원소 물질을 포함하는 복수의 동위원소 층을 포함한다. 또한 상기 전원장치는, 상기 동위원소 층들의 일부 또는 전부의 사이에 배치되고 상기 방사선으로부터 에너지를 수신하여 상기 유용한 수명 동안 상기 모바일 장치에 전력을 공급하기에 충분한 전기 에너지로 변환하는 복수의 에너지 변환 층을 구비한다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 에너지 변환 층들이 GaN을 포함하는 베타볼테익 전원장치이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 에너지 변환 층들이 각각 약 10㎛ 내지 약 20㎛의 두께를 갖는 베타볼테익 전원장치이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 동위원소 물질이 (3)H, (194)Os, (171)Tm, (179)Ta, (109)Cd, (68)Ge, (159)Ce, 및 (181)W를 포함하는 동위원소 물질들의 그룹으로부터 선택되는 베타볼테익 전원장치이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 베타볼테익 전원장치로부터 방출되는 베타 입자, x-선 및 감마선을 차단하도록 배치된 방사선-흡수 보호막을 추가로 포함하는 베타볼테익 전원장치이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 인접한 동위원소 및 에너지 변환 층들은 층 쌍들을 형성하고, 상기 베타볼테익 전원장치는 10 내지 250 개의 층 쌍들을 포함하는 베타볼테익 전원장치이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 동위원소 층들이 동일한 동위원소 물질로 만들어진 베타볼테익 전원장치이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 전기 에너지의 양이 10mw 이상인 베타볼테익 전원장치이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 전기 에너지의 양이 100mw 이상인 베타볼테익 전원장치이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 동위원소 및 에너지 변환 층들로부터 열을 제거하는 냉각 도관을 추가로 포함하는 베타볼테익 전원장치이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 베타볼테익 전원장치에 전기적으로 접속된 모바일 장치를 추가로 포함하는 베타볼테익 전원장치이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 유용한 수명을 가진 모바일 장치용 베타볼테익 전원장치이다. 상기 전원장치는 약 15keV보다 크고 약 200keV보다 작은 에너지 양을 갖고 약 0.5과 약 5년 사이의 반감기를 갖는 방사선을 방출하는 동위원소 물질을 포함하는 복수의 동위원소 층을 포함한다. 상기 전원장치는 또한, 상기 동위원소 층들의 일부 또는 전부의 사이에 배치되고 상기 방사선으로부터 에너지를 수신하여 0.5년과 5년 사이의 유용한 수명 동안 상기 모바일 장치에 전력을 공급하기 위해 10mw 이상의 전기 에너지로 변환하는 복수의 에너지 변환 층을 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 에너지 변환 층들 중 하나 이상이 다이오드 구조체를 갖는 베타볼테익 전원장치이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 다이오드 구조체가 GaN와 Ge 중 어느 하나를 포함하는 베타볼테익 전원장치이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 Ge가 (68)Ge를 포함하는 베타볼테익 전원장치이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 인접한 동위원소 및 에너지 변환 층들이 층 쌍들을 형성하고, 상기 베타볼테익 전원장치가 10 내지 250개의 층 쌍들을 포함하는 베타볼테익 전원장치이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 동위원소 층들이 동일한 동위원소 물질로부터 형성되는 베타볼테익 전원장치이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 방사선이 베타 입자, x-선 및 감마선 중 하나 이상을 포함하는 베타볼테익 전원장치이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 베타볼테익 전원장치에 전기적으로 접속된 모바일 장치를 추가로 포함하는 베타볼테익 전원장치이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 베타볼테익 전원장치에 전기적으로 접속된 종래의 배터리를 추가로 포함하는 베타볼테익 전원장치이다.

전술한 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명은 본 발명의 실시예를 제시하고 청구되는 바와 같은 본 발명의 성질과 특성을 이해하기 위한 개관 또는 골격을 제공하기 위한 것이다. 첨부 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 본 발명의 여러 실시예를 도시하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 동작과 원리를 설명하는 역할을 한다.

본 발명에 의하면, 재충전의 필요 없이 모바일 장치를 유용한 수명 동안 동작시키기 위해 충분한 전력을 생성할 수 있는 동위원소-기반 전원장치를 제공하는 것이 가능하다.

도 1 내지 도 3, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 베타볼테익 전원장치의 실시예의 개략도이고,
도 5는 본 발명의 베타볼테익 전원장치를 갖는 모바일 장치(예컨대, 스마트폰)의 실시예의 개략도이고,
도 6a 및 도 6b는 다이오드로서 형성된 에너지 변환 층의 실시예의 측면도 및 평면도를 각각 도시하고,
도 7a는 동위원소 층과 관련하여 동작 가능하게 배열된 2개의 다이오드-기반 에너지 변환 층의 측면도이고,
도 7b는 도 7a에서와 같은 장치를 도시하지만, 다이오드-기반 에너지 변환 층의 전극들의 구성의 실시예를 도해하기 위해 90도 회전한 도면이고,
도 7c는 도 7b와 유사한 도면으로서 외부 모바일 장치에 전기적으로 접속된 전극들을 도시하고,
도 8은 도 3과 유사한 도면으로서 베타볼테익 전원장치의 에너지 변환 층으로서 (68)Ge의 사용을 도시한다.

이제 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 참조할 것이며, 실시예들은 첨부된 도면에 도시되어 있다. 가능한 한, 전체 도면에 걸쳐 유사하거나 동일한 부분들에 대해서는 동일한 도면번호 및 부호들이 사용된다. 도면은 축척으로 그릴 필요는 없으며, 당업자는 본 발명의 핵심 측면들을 도시하기 위해 도면에서 간략화된 곳을 식별할 것이다.

첨부된 청구항들은 본 상세한 설명에 포함되고 그 일부를 구성한다.

본 명세서에서 약어 "mw"는 "밀리와트(milliwatt)"를 의미한다.

본 명세서에서 동위원소는 (x)y로 표시되며, x는 질량수이고 y는 원소 기호이다.

본 명세서에서 용어 "방사선(radiation)"은 동위원소의 방사능 상황에서 사용되고 방출된 입자들과 전자기파 모두를 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어 "베타볼테익(betavoltaic)"은 베타 입자들에 한정되지 않으며, 감마선 및 x-선과 같은 다른 베타 이외의 방사선을 포함한다. 따라서, "베타볼테익 전원장치(betavoltaic power source)"는 "동위원소-기반 전원장치"와 동의어로 본 명세서에서 사용되는데, 이는 두 용어가 종종 동의어로 사용되기 때문이다.

여기서 인용된 특허 출원 또는 공개는 참조에 의해 본 명세서에 포함되며, 다음의 미국 특허, 특허 공개, 및 공개된 논문 및 발표자료들을 포함한다: 7,301,254; 7,622,532; 7,663,288; 7,939,986; 8,017,412; 8,134,216; 8,153,453; 2011/0031572; Hornsberg 등의, "GaN betavoltaic energy converters", 0-7803-8707-4/05, 2005 IEEE; "The BetaBatteryTM" - A long-life, self-recharging battery"라는 제목으로 2010년 3월 3일 Arlington Technology Association에 의해 발표된 자료; 2007년 4월 23-27일, IAEA advanced Workshop, Advanced Sensors for Safeguards에서 "Tritiated 3D diode betavoltaic microbattery" 제목으로 Larry L. Gadekan에 의해 발표된 자료.

본 발명은 모바일 장치 및 모바일 애플리케이션을 위한 베타볼테익 전원장치에 관한 것이다. 하나 이상의 동위원소 물질의 박막 층(동위원소 층) 에너지 변환 물질(에너지 변환 층)에 의해 둘러싸이는 동위원소를 이용하는 특정한 유형의 전원장치가 존재한다. 상기 에너지 변환 층은 발전기로서 작동한다. 일반적으로, 그것은 동위원소로부터 방사선을 받아서 방사선의 에너지를 유용한 전기, 즉 상응하는 전력량을 나타내는 전류량으로 변환한다.

본 발명은 적어도 10mw, 그리고 바람직한 실시예에서, 수백 mw 내지 수 w를 생성할 수 있는 베타볼테익 전원장치의 실시예를 제시하며, 그것들은 랩탑 및 셀폰과 같은 모바일 장치들에 적합하다. 그와 같은 장치들을 위한 유용한 수명은 3개월 내지 10년 또는 반년 내지 5년이다.

도 1은 에너지 변환 층(박막)(10)과 동위원소 층(박막)(20)에 의해 형성된 적층 구조를 갖는 베타볼테익 전원장치(6)의 실시예의 개략도이다. 에너지 변환 층(10)은 동위원소 층(20)의 일부 또는 전부 사이에 배치된다. 도 1에 도시된 것과 같은 실시예에서, 상기 적층 구조체는 에너지 변환 층(10)들과 동위원소 층(20)들을 교대로 포함한다.

일 실시예에서, 에너지 변환 층(10)을 구성하는 재료는 GaN을 포함하는 반면, 동위원소 층을 형성하는 재료는 (179)Ta를 포함한다. 따라서, 일 실시예에서, 베타볼테익 전원장치(6)는 GaN/(179)Ta/GaN/(179)Ta/GaN/(179)Ta/.../GaN에 의해 형성된 적층 구조체를 가지며, 각각의 에너지 변환 층(10)은 두께가 약 10㎛ 내지 20㎛이다. 따라서, 일 실시예에서, 베타볼테익 전원장치(6)의 적층 구조체는 층(10)과 층(20)이 교대로 배치되는 일련의 "층 쌍"(30)들에 의해 형성된다.

여기서 개시된 베타볼테익 전원장치(6)의 특정 설계는 모바일 장치에 전력을 공급하기 위한 다음과 같은 다수의 기본 요구사항에 기초한다:

1) 모바일 장차의 수명에 상응하는(및 아마도 약간 더 긴) 수명;

2) 소비자 요구에 맞는 충분한 평균 전력 생성; 및

3) 환경적으로 안전하고 소비자 친화적일 것, 즉 인간, 환경 또는 임의의 인접한 전자장치에 해로운 방사선을 방출하지 않을 것.

동위원소는 알려진 반감기를 갖는다. 또한, 붕괴 과정(decay process)에서의 방출이 일반적으로 알려져 있다. 붕괴하는 동위원소로부터의 방출은 일반적으로 다음의 범주 내에 들어간다:

1) 감마 방사선(감마): 이것은 그 소스가 원자의 핵인 방사선이다. 이 방사선의 에너지는 keV로 측정된다.

2) x-선 방사선: 이것은 그 소스가 원자를 둘러싸는 전자들이다. 이 방사선의 에너지는 keV로 측정된다.

3) 베타 방출(베타): "베타"는 원자로부터의 방출된 전자이다. 전자의 에너지는 keV로 측정된다.

4) 알파 방출(알파): "알파" 입자는 방출된 헬륨 원자이다. "알파" 입자의 에너지는 keV로 측정된다.

감마 방사선과 x-선 방사선은 본질적으로 동일하지만(둘 다 모두 전자기 방사선임), 방사선의 소스는 상이하다는 것을 주의할 필요가 있다. 감마는 원자의 핵으로부터 나오고 x-선은 원자의 궤도 전자로부터 나온다.

여기서 개시된 베타볼테익 전원장치(6)의 실시예는 베타, 감마 및 x-선 중 적어도 하나를 유용한 에너지 특히 전기 에너지로 변환한다. 일 실시예에서, GaN-타입 또는 Ge-타입 에너지 변환 층(10)이 사용된다. 일 실시예에서, 상이한 재료의 에너지 변환 층(10)이 사용된다. 또한 일 실시예에서, 상이한 동위원소 층(20)이 사용된다.

베타볼테익 전원장치에 의해 생성된 전력은 동위원소로부터 단위 시간당 방출된 입자들의 수에 비례하며, 따라서 동위원소 원자들의 수와 동위원소의 반감기에 종속한다. 동위원소 층이 "완전히 변환"되는 경우(즉, 다른 물질의 존재에 의해 희석되지 않음), 동위원소 층에 저장된 에너지는 최대로 된다.

동위원소 층의 소스 원자들의 수는 일정하기 때문에, 베타볼테익 전원장치에 의해 생성되는 전력을 증가시키기 위한 유일한 방법은 동위원소의 반감기를 감소시키고, 그에 의해 단위 시간당 방출되는 입자들의 수를 증가시키는 것이다. 그러므로, 더 높은-전력 및 상대적으로 짧은-수명의 장치(예컨대, 최대 10년 또는 불과 몇 년, 또는 불과 몇 달, 및 수십 년이 아닌)를 위해, 상응되게 더 짧은 반감기를 가진 동위원소가 요구된다.

대부분의 컴퓨터 모바일 장치들은 몇 달에서 10년까지의 수명을 갖기 때문에(대부분은 불과 몇 년의 최대 수명을 가짐), 여기서는 유사한 기간의 반감기를 가진 동위원소가 고려되며, 구체적인 반감기의 예는 약 0.5년부터 약 5년까지의 범위에 이른다. (63)Ni보다 더 짧은 반감기를 가진 동위원소를 가지고 시작함으로써(그리고 두 동위원소 층들 모두 완전히 변환된다고 가정함으로써), 단위 시간당 방출되는 입자들의 수는 반감기의 비율에 의해 증가될 수 있다.

또한 일 실시예에서, 여기서 개시된 베타볼테익 전원장치(6)는 그 방출이 사람에게 위험하지 않을 수 있는 동위원소를 이용한다. 감마 및 x-선 방출을 위해, 동위원소 층(20)에서 사용할 동위원소의 예는 약 250keV보다 작거나 200keV보다 훨씬 더 작은 에너지를 갖는다.

여기서 개시된 베타볼테익 전원장치에서, 동위원소는 베타, x-선 또는 감마를 방출하는 것이 가능하다. x-선과 감마 모두는 GaN 물질 내에 정공 및 전자 쌍들을 생성하고 에너지 생성을 돕는 것이 가능하다. 일 실시예에서, 2 이상 종류의 동위원소가 사용된다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 전자(베타), x-선 및 감마가 채용된다.

동위원소 층(20)을 위해 사용되는 물질에 대한 기준으로는 예를 들면 다음을 포함한다:

1) 모바일 장치 또는 애플리케이션의 유용한 수명에 실질적으로 부합하는 짧은 반감기를 가질 것;

2) 상기 유용한 수명 동안 필요한 전력량을 제공하기 위해 필용한 저장된 에너지 양의 방출할 것;

3) 250keV 미만의 에너지를 가진 베타, 감마 또는 x-선을 방출할 것;

4) 15keV 초과의 에너지를 가진 베타, 감마 또는 x-선을 방출할 것;

5) 알파 입자를 방출하지 않을 것.

상기 기준 (1)은 모바일 장치의 유용한 수명에 유사한 시간 내에 동위원소 층(20)으로부터 모든 에너지를 추출하는 것을 필요로 한다. 이것은 베타볼테익 전원장치(6)로부터 최대 전력이 가용하도록 보장한다. 기준 (2)는 모바일 장치가 충분한 전력을 갖는 것을 보장한다. 기준 (3)은 동위원소 층(20)으로부터의 방출이 모바일 장치 또는 인간에게 심각하게 해로운 부작용 없이 효과적으로 사용될 수 있도록 보장한다. 기준 (4)는 상기 방출이 유용한 최소 전력량을 생성하는 것을 보장하기 위한 것이다. 기준 (5)는 활발한 알파 입자들의 전술한 단점을 회피한다.

또 다른 기준은 베타볼테익 전원장치(6)를 방사선-경화(radiation-hardened)시키기 위해 에너지 변환 층(10)이 Ⅲ-Ⅳ 타입 화합물로 만들어지는 것이다. 실리콘 장치는 밴드 갭이 더 작아서 고-에너지 방사선 및/또는 베타로부터 손상되기가 더 쉬운 반면, GaN 또는 AlGaN 장치들은 훨씬 더 손상에 강하다.

일 실시예에서, 동위원소 물질은 인공적으로 생성될 수 있는 것이 선호된다.

아래의 표는 동위원소와 그것들의 반감기, 방출 에너지 및 생성 모드를 예시한다. 방출된 종들에 대한 열들은 그 종들에 대한 최대 에너지를 표시함을 주의할 필요가 있다. 통상, 상기 방출은 연속체이다. 예를 들면, (179)Ta에 대해, 최대 x-선 방출은 65 keV이다. 그러나 6keV 내지 65keV의 방출 연속체가 존재한다. 하위 에너지 x-선은 전기를 생성하기 위해 특히 유용하다.

상기 제시된 기준과 동위원소들의 목록에서, 표 안의 밑줄친 굵은 글씨체의 동위원소들은 동위원소 층(20)으로서 사용하기에 가장 적합할 가능성이 있다.

아래 표의 다른 동위원소들은 더욱 엄선된 환경하에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 더 높은-에너지의 베타를 방출하는 동위원소들이 여전히 작용할 수 있지만, GaN-기반 에너지 변환 층(20) 내에 더 많은 손상을 초래할 수도 있다. 에너지가 매우 높은 감마를 방출하는 동위원소들은 추가의 차단이 필요할 것이다. 알려진 인공 제조 공정을 갖는 동위원소는 한계 이용도를 가질 것이다. 분열의 생성물인 동위원소는 또한 제한된 이용도를 가질 수 있다.

대략 10년의 예상되는 유용한 수명을 갖는 모바일 장치들에 대해, 동위원소 층(20)을 위해 (3)H를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. (3)H(중수소)는 고체가 아니기 때문에, 일 실시예에서 중수소 동위원소 층(20)은 동위원소 층을 단단하게 하기 위해 또 다른 재료와 합쳐진 중수소를 포함한다.

약 5년의 유용한 수명을 갖는 모바일 장치들을 위해, (194)Os가 바람직한 동위원소 선택이다.

약 2년의 유용한 수명을 갖는 모바일 장치들을 위해, (179)Ta가 바람직한 동위원소 선택이다.

1년 미만의 유용한 수명을 가진 모바일 장치를 위해, (68)Ge는 바람직한 동위원소이다.

따라서, 상기 제시된 동위원소들 모두는 아마도 동위원소 층(20)을 위해 유용하지만, 일부는 다루기가 더 쉽고 비용이 덜 들 수 있다.

전류 및 전력 계산

베타볼테익 전원장치(6)에 의해 얼마의 전류 및 전력이 생성될 수 있는지 평가하기 위해, 1.82년의 반감기를 갖는 (179)Ta의 10㎛의 층 두께의 동위원소 층(20)을 가정한다. 또한 동위원소 층(20)의 100%가 동위원소로 변환되는 것으로 가정한다. (179)Ta 동위원소 층(20)은 65keV의 감마와 111keV의 베타를 방출하는 것으로 가정한다. 베타는 10㎛ 내지 20㎛의 GaN 내에 효과적으로 흡수될 것이다. GaN에서 65keV 감마의 흡수 길이는 100㎛ 이상일 것이며, 따라서 대부분의 감마는 10㎛ 내지 20㎛ 두께의 GaN 층에 대해서는 흡수되지 않을 것이다. 흡수되는 감마의 부분은 전력의 생성에 가산될 것이다.

(179)Ta의 10㎛ 두께 층(및 1cm ² 의 면적)으로부터 초당 붕괴 추정 수는 대략 초당 1x10 ¹² 이다. 이것은 박막 내의 원자들의 계산된 수를 반감기(초)로 나누어 연산되며, 그 절반은 반감기 동안 붕괴할 것이다. 변환 재료 내에서 생성된 전자-정공 쌍들의 수는 아래의 식으로 주어지며, 이 식에서 G는 생성된 전자-정공 쌍들의 수이고, N은 초당 붕괴의 수이고, E는 베타 입자 에너지이고, E _ehp 는 전자-정공 쌍을 생성하기 위해 소요되는 평균 에너지이다:

G = (N·E)/E _ehp

초당 1x10 ¹² 의 붕괴에 대해서, 약 1mA의 전류가 1cm ² 동위원소 층(20)으로부터 생성된다. 10㎛ 두께의 GaN 에너지 변환 층(10)을 가정하면, 개방 회로 전압은 대략 2.3 볼트이고, 이것은 대략 2mw/cm ² 의 전력 생성을 의미한다.

실제 전력 생성은 이 양보다는 약간 더 높을 수가 있는데 이는 동위원소 층(20)으로부터의 감마의 일부가 GaN 에너지 변환 층(10)에 의해 포획될 수 있고, 이것이 에너지 생성을 지원할 것이기 때문이다. 감마의 대략 15%는 10keV 미만이고, 이것은 GaN 층에 흡수될 것으로 예상된다. 동위원소 층(20)이 2cm x 3cm 이면, 생성 가능한 총 에너지 양은 대략 12mw이다. 이것은 셀폰 사용을 위해서는 여전히 너무 낮다.

베타볼테익 전원장치(6)의 실시예는 10 내지 250의 층 쌍(30)들을 포함한다. 이 층 쌍(30)을 결합하는 이 능력은 주어진 모바일 장치를 위한 적절한 양의 전력을 제공할 수 있는 베타볼테익 전원장치(6)의 제조를 가능하게 한다.

에너지 변환 층(10)의 실제 두께는 동위원소 층(20)으로부터 입자들을 포획하는 그 효율에 좌우된다. 통상, GaN으로 만들어진 에너지 변환 층(10)에 대해서 약 10㎛의 두께는 (179)Ta로 만들어진 동위원소 층(20)으로부터 방출된 111keV 베타의 대부분을 포획하는데 충분할 것이다.

베타볼테익 전원장치(6)의 일 실시예에서, 각 동위원소 층(20)은 두께가 10㎛이고, 각 에너지 변환 층(10)의 두께는 10㎛이며, 적층된 구조체는 총 두께가 1mm로서 50개의 층 쌍(30)을 갖는다. 통상의 셀폰은 대략 2cm x 3cm x 1mm의 배터리를 가질 수 있다. 따라서, 만일 나머지 치수가 2cm x 3cm라면, 단일 층 쌍(30)은 대략 12mw의 전력을 생성하고 따라서 GaN/(179)Ta의 50개의 층 쌍(30)들은 대략 600mw의 전력을 생성한다. 이것은 대부분의 셀폰과 스마트폰에 전력을 공급하는데 충분하다. 2년이 지난 후에, 상기 장치는 여전히 대략 300mw의 전력을 생성할 수 있을 것이다.

유의할 것은 베타볼테익 전원장치(6)가 특정한 타입의 모바일 장치에 들어맞도록 크기가 조정될 수도 있다는 것이다. 예를 들면, 전형적인 태블릿 장치는 대략 9" x 7"의 크기를 갖는다. 베타볼테익 전원장치(6)가 10cm x 10cm의 크기(100cm ² 의 면적)을 갖는다고 가정하면, 단일의 층 쌍(30)은 200mw(2mw/cm ² x 100cm ² )를 생성할 수 있다. 총 1mm의 두께를 형성하기 위해 50개의 층 쌍(30)들의 스택을 생성함으로써, 10W의 전력이 생산될 수 있다. 이것은 태블릿 장치에 수년 동안 전력을 공급하기에 충분하다. 100개의 층 쌍(30)들로 형성된 2mm 두께의 베타볼테익 전원장치(6)는 전형적인 랩탑 컴퓨터에 전력을 공급하기에 충분하다.

방사선을 흡수하는 보호막( shield )

동위원소 층(20)을 위해 사용된 특정 동위원소(들)에 따라, 베타볼테익 전원장치(6)의 적어도 일부를 방사선 흡수 물질 내에 감싸는 것이 필요할 수 있다. 도 2는 도 1의 베타볼테익 전원장치(6)를 방사선-흡수 물질로 만들어진 방사선 흡수 보호막(40) 내에 감싼 것을 도시한다.

보호막(40)의 방사선-흡수 벽의 두께는 사용되는 방사선-흡수 물질의 종류와, 동위원소 층(20)에 의해 방출되는 방사선의 에너지에 좌우된다. 예를 들면, (179)Ta로 만들어진 동위원소 층(20)에 대해, 감마 방출은 65keV에서 최고가 된다. 도 1 및 도 2의 베타볼테익 전원장치(6)의 적층된 구성에서, 상기 스택의 중심 부근에서 생성된 감마는 상기 적층 구조체를 나가기 전에 에너지 변환 층(10)과 동위원소 층(20)에 의해 흡수될 것이다. 그러나 사용자 및/또는 전자장치는 상기 적층 구조체의 가장자리 근처에서 방출된 감마로부터 실질적으로 차단될 필요가 있을 것이다. 이와 같이, 일 실시예에서, 보호막(40)은 스테인레스 스틸로 만들어진 1mm 두께의 벽을 가지며, 이것은 (179)Ta로 만들어진 동위원소 층(20)에 의해 생성된 65 keV 감마선을 차단하기에 충분하다.

베타볼테익 전원장치(6)가 (3)H(삼중 수소)로 만들어진 동위원소 층(20)에 의해 주로 전력이 공급되는 실시예에서, 방출된 감마선 또는 x선이 존재하지 않고, 베타선은 18.6keV의 에너지 상한을 갖는다. 이 실시예를 위해, (3)H 동위원소 층(20)의 양측 위의 10mm 두께의 GaN 에너지 변환 층(10)은 베타볼테익 전원장치(6)를 위한 보호막으로서 기능을 하기에 충분하다. (3)H 동위원소의 수명은 12.6년이므로, 단위 시간당 방출된 입자들의 수는 (179)Ta로부터 현저히 감소되며(대략 7배 느려짐), 베타선의 평균 에너지는 약 3배 더 낮다. 이것은 그와 같은 전원장치에 대한 평균 전력이 (179)Ta 전원장치에 대한 것보다 약 20배 더 낮을 수 있음을 시사한다. 그럼에도 불구하고, 낮은 전력을 필요로 하는 어떤 모바일 전력 애플리케이션을 위해서는, 그와 같은 베타볼테익 전원 장치가 유용할 수 있다.

열 발생 및 냉각

에너지 변환 층(10)(예컨대, GaN 또는 AlGaN)을 위해 사용된 에너지 변환 물질은 통상 25-35%의 효율을 갖는다. 그러므로, 동위원소 층(20)에 의해 방출된 에너지의 상당한 양이 열로 변환된다. 고-전력 장치(예컨대, 랩탑)에 있어서, 냉각 도관을 제공하는 것이 필요할 수 있다. GaN(또는 AlGaN) 에너지 변환 층(10)과 (179)Ta 동위원소 층(20) 모두 우수한 열 전도성을 가진다. 도 3은 도 1과 유사하고 상기 스택을 통과하는 선택적 냉각 도관(50)의 추가를 도시하며, 상기 스택 내에서 발생된 열(60)은 냉각 도관을 통해 스택 외부로 유도된 다음 발산될 수 있다. 일 실시예에서, 도관(50)은 구리와 같은 높은 열 전도성의 고체 재료로 만들어질 수 있다.

적용

베타볼테익 전원장치(6)의 수명 동안, 동위원소 층(20)으로부터의 방출은 점점 감소할 것이다. 동위원소 재료의 반감기에 접근하면서, 베타볼테익 전원장치(6)에 의해 발생된 전력은 그것의 원래 값의 절반으로 떨어질 것이다. 이러한 이유로, 미래의 특정 시기에 성능 요건을 충족하기에 충분한 전력을 생성할 수 있도록 (즉, 충분한 면적과 충분한 수의 층 쌍들의) 베타볼테익 전원장치(6)를 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 만일 2년의 유용한 수명을 갖는 셀폰을 동작시키기 위해 100mw의 전력이 필요하다면, 2년 후에 전원장치가 여전히 100mw의 충분한 전력을 방출하도록 대략 200mw의 초기 전력을 제공할 수 있 베타볼테익 전원장치(6)를 만드는 것이 바람직하다.

다수의 동위원소

베타볼테익 전원장치(6) 내 동위원소 층(20)들 모두가 동일한 동위원소 물질로 만들어질 필요는 없다. 도 4a에 도시된 베타볼테익 전원장치(6)의 일 실시예에서는, 2 이상 종류의 동위원소 층(20)이 존재하고, 이들 상이한 동위원소 층들은 20a와 20b로 표시되어 있다. 도 4a에 도시된 상이한 층(20a, 20b)들은 결합된 동위원소 층(20)을 형성하는 것으로 생각될 수 있다.

동위원소 층(20)에 대한 이 실시예는, 전력을 공급받는 모바일 장치가 수명의 초기에 더 많은 전력을 필요로 한다면, 바람직할 수도 있다. 예를 들어, 만일 베타볼테익 전원장치(6)가 50개의 층 쌍(30)을 포함한다면, 동위원소 층(20)의 절반(즉, 층(20a))은 (179)Ta로 만들고, 다른 절반(즉, 층(20b))은 (68)Ge로 만들 수 있을 것이다. (68)Ge 동위원소는 더 빨리 감소할 것이므로 더 많은 초기 전력을 제공할 것이다. 이와 같이, 특정 베타볼테익 전원장치(6)에 대해 시간과 에너지 발생 프로파일을 맞추는 것이 가능하다. 도 4a에 도시된 것과 같은 몇몇 실시예에서, 상이한 동위원소 층(20a, 20b)들이 서로 바로 인접하여, 즉 에너지 변환 층(10)에 의해 분리되지 않고 배치될 수 있다. 도 4b에 도시된 또 다른 실시예에서는, 동위원소 층(20a, 20b)들은 적층 구성에서 번갈아 배치된다. 일 실시예에서, 도 4a 및 도 4b에 도시된 구성들의 조합이 사용될 수 있다.

일정한 전력 생성

여기서 개시된 베타볼테익 전원장치(6)의 특징은 전력을 공급받는 모바일 장치가 사용되고 있지 않을 때에도 항상 에너지를 생성할 수 있는 것이다. 그러므로, 모바일 장치가 사용되고 있지 않을 때에도 나중 사용을 위해 에너지를 생성하여 저장하는 것이 가능하게 된다. 도 5는 여기서 개시된 베타볼테익 전원장치(6)에 의해 전력을 공급받고 디스플레이(102)를 갖는 모바일 장치(100)를 도시한다. 모바일 장치(100)는 또한 베타볼테익 전원장치(6)에 전기적으로 접속되고 그것에 의해 충전되는 종래 배터리(8)를 포함할 수도 있다.

따라서, 일 실시예에서, 베타볼테익 전원장치(6)는 하이브리드 전원장치를 생성하기 위해 종래의 전원(예컨대, 배터리)와 결합된다. 하이브리드 전원장치는 모바일 장치가 사용되고 있지 않을 때(예를 들면, 셀폰 또는 태블릿의 소유자가 자고 있는 동안) 필요 시 나중 사용을 위해 전력을 생성하는 것을 가능하게 한다. 이것은 베타볼테익 전원장치(6)가 더 적은 층들 및/또는 더 적은 면적으로 만들어지는 것을 허용한다.

에너지 변환 층의 실시예

도 6a 및 도 6b는 각각 베타볼테익 전원장치(6)를 위한 다이오드-기반 에너지 변환 층(10)의 실시예를 개략적으로 도시하는 측면도 및 평면도이다. 에너지 변환 층(10)은 상부면(12)와 하부면(14)을 갖는다. 도 6a 및 도 6b는 양전극(120P) 및 음전극(120N)의 동작의 예를 도시한다. 에너지 변환 층(10)은 P/N 접합층(10J)에 의해 분리된 P-도핑층(10P)과 N-도핑층(10N)을 포함한다.

양전극(120P)과 음전극(120N)은 (예컨대, 도시된 것과 같이, 에너지 변환 층(10)의 상부면 및 하부면의 똑같은 측에 떨어져) 동위원소 층(20)과의 용이한 통합이 가능하도록 위치될 수 있다. 도 7a 및 도 7b는 다층 스택 구성을 가진 베타볼테익 전원장치(6)의 실시예를 도시하는 각각의 측면도이다. 도 7c는 배터리 또는 모바일 장치와 같은 외부장치(100)에 전선(와이어)(104)을 통해 전기적으로 접속된 것으로 도시된 베타볼테익 전원장치(6)의 측면도이다.

Ge 를 포함하는 에너지 변환 층

에너지 변환 층(10)은 Ge를 포함하거나 이것으로 구성될 수 있다는 것을 알아야 한다. 효율적인 Ge 태양전지가 만들어졌고 베타볼테익 전원장치(6)를 위해 필요한 장치 구조와 유사하다. 일 실시예에서, 에너지 변환 층(10)을 위한 Ge 재료는 (68)Ge가 가능하며, 그에 의해 에너지 변환 층 자체를 베타 전자와 x-선 둘 다의 원천으로 만든다. 이렇게 하여, 공간이 보존될 수 있고 더 많은 전력이 생성되는 것이 가능하다.

도 8은 (68)Ge 층이 교대하는 베타볼테익 전원장치(6)의 실시예를 도시한다. 그와 같은 구성은 (68)Ge의 수명이 애플리케이션에 적절한 경우에 사용될 수 있다. 주목할 것은 GaN이 다이오드-기반 에너지 변환 층을 만들기 위해 사용되는 것과 똑같은 방법으로 Ge가 다이오드-기반 에너지 변환 층(10)을 만들기 위해 사용될 수 있다는 것이다.

따라서, 실시예 베타볼테익 전원장치(6)는 긴 수명을 위해 동위원소 층(20)(예컨대, (139)Ta 동위원소 층)을 포함하는 것이 가능하고, 동위원소 층(20)으로부터 전기로 에너지를 변환시키기 위해 Ge-기반 다이오드를 에너지 변환 층(10)으로서 포함할 수 있다. 그러나 에너지 변환 층(10)의 다이오드 실시예를 구성하는 Ge-기반 재료는 또한 자신의 전기를 생성하는 동위원소(예컨대, (68)Ge)일 수 있다는 것을 주목해야 한다. 이 구성은 에너지를 생성하는 2배 많은 층을 허용하고 따라서 GaN 다이오드-기반 구성에 비해 2배 많은 전력을 생성한다. 이 구성은 또한 가용한 공간의 사용을 최대화한다.

본 발명의 범위와 사상을 벗어나지 않으면서 본 발명에 대해 다양한 변경 및 변형이 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명은 첨부된 청구항과 그 균등물의 범위 안에 있는 한 본 발명에 대한 변경과 변형을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

6: 베타볼테익 전원장치(betavoltaic power source)
8: 종래 배터리
10: 에너지 변환 층
10P: P-도핑층
10N: N-도핑층
12: 상부면
14: 하부면
20: 동위원소 층
30: 층 쌍
100: 모바일 장치
102: 디스플레이
120P: 양전극
120N: 음전극