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KR100592478B1 - 핀 다이오드를 이용한 초소형 동위원소 전지 - Google Patents

핀 다이오드를 이용한 초소형 동위원소 전지 Download PDF

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KR100592478B1
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Abstract

본 발명은 초소형 전지에 관한 것으로, 특히 PIN 반도체소자를 이용한 초소형 전지에 대해 개시한다.
상기와 같은 본 발명은 실리콘 기판위에 형성된 핀 반도체 소자와, 상기 핀 반도체 소자의 P-반도체영역 상부에 형성되는 양전극 및 N-반도체영역 상부에 형성되는 음전극과, 상기 양전극과 상기 음전극사이에 위치하고 방사선을 방출하는 방사능동위원소층과, 상기 전극 및 방사능 동위원소층 상부에 피복되며 방사능 누설을 방지하는 전기부도체를 포함한다.
PIN 다이오드, 동위원소,

Description

핀 다이오드를 이용한 초소형 동위원소 전지{Isotope electric cell using pin diode}
도 1은 본 발명의 원리를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초소형 동위원소 전지의 구조를 보여주는 도면,
도 3은 도 2에 도시된 B-B 의 단면도,
도 4는 도 2에 도시된 A-A의 단면도이다.
본 발명은 초소형 전지에 관한 것으로, 특히 PIN 반도체소자를 이용한 초소형 전지에 관한 것이다.
초소형 전지는 통상적으로 반도체 제조 기술, 특히 광전지 반도체 소자를 이용하여 제조된다. 여기서 광전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 장치를 의미하며, 금속과 반도체의 접촉면, 또는 반도체의 pn접합에 빛을 조사하면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 원리를 이용한 것이다.
이러한 초소형 전지는 무인 전자장치, 무인 초소형 기계장치(MEMS : Micromachine)등의 분야에서 그 요구가 증대되고 있는 실정이다. 상술한 무인 전자장치 또는 무인 초소형 기계 장치를 위한 초소형 전지는 그 수명이 반 영구적이어야 하며, 높은 광전변환 효율(또는 기전효율)이 요구된다. 그러나, 종래기술에 따른 초소형 전지는 그 수명이나, 기전효율이 무인 전자 장치 또는 무인 초소형 기계 장치에 사용하기에는 적합하지 못하다.
따라서 본 발명의 목적은 수명이 반 영구적인 초소형 전지를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 기전효율이 높으며 대량 생산이 가능한 초소형 전지를 제공함에 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명은
실리콘 기판위에 형성된 핀 반도체 소자와, 상기 핀 반도체 소자의 P-반도체영역 상부에 형성되는 양전극 및 N-반도체영역 상부에 형성되는 음전극과, 상기 양전극과 상기 음전극사이에 위치하고 방사선을 방출하는 방사능동위원소층과, 상기 전극 및 방사능 동위원소층 상부에 피복되며 방사능 누설을 방지하는 전기부도체를 포함한다.
또한 상기 방사능동위원소층은 Sr-90 또는 기체상의 H-3를 포함하는 재료로 구성하는 것이 바람직하다.
또한 상기 핀 반도체소자층의 두께는 방사선의 정지비정 보다 얕게 설정되는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 참조번호들 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
하기에서는 먼저 본 발명의 원리가 설명될 것이다. 다음에 본 발명의 실시예에 따른 초소형 동위원소 전지가 설명될 것이다.
본 발명의 원리는 PIN 반도체 소자와 동위원소를 이용하여 초소형 전지를 구성하는 것이다. 첨부한 도 1은 본 발명의 원리를 보여주는 도면이다.
일반적으로 핀(PIN) 반도체 소자는 P-반도체 영역과 N-반도체 영역 사이에 순수한 진성반도체(intrinsic semiconductor,이하 I-반도체 영역이라 함)를 삽입한 구조의 다이오드를 지칭한다.
상기 도 1을 참조하여 본 발명의 원리를 설명하면 다음과 같다.
방사능동위원소층(1)을 핀 구조의 I-반도체 영역(2)에 접하도록 형성한다. 상기 방사능동위원소층(1)은 알파, 베타, 감마선을 방출한다. 이러한 알파, 베타, 감마선은 상기 I-반도체 영역(2)을 투과하면서 여러 개의 전자-정공 쌍을 생성한다. 여기에서 발생한 전자-정공 쌍은 N-반도체영역(3)과 P-반도체영역(4) 사이를 흐르는 전류로 변환된다.
상기 방사능동위원소층(1)에 사용하는 방사능동위원소는 장기간의 반감기를 가지고 비교적 낮은 에너지의 알파선, 베타선, 감마선을 방출하는 원소로 베타방출핵종으로 Sr-90, 알파방출핵종으로 Pu-238등이 바람직하다.
상기 I-반도체영역(2)은 충분한 량의 전자-정공 쌍이 발생하도록 깊이를 알파선 또는 베타선의 정지비정 정도로 하기위해, 실험에 의한 미리 설정된 값을 갖도록 설계한다. 전지의 전체 기전력은 상기 I-반도체영역(2)의 유효두께에 따라 결정되며 본 발명의 원리에 따른 초소형 동위원소 전지는 수백 나노 W/mm3 의 기전력을 발생시킨다.
상술한 본 발명의 원리에 따라 초소형 전지를 설계하면, 방사능 동위원소의 수명이 수년 ~ 수백년으로 매우 길어서 무인 전자장치, 무인 초소형기계장치(MEMS : Micromachine)의 에너지원으로 적합한 전지를 설계 할 수 있다. 또한 실리콘 기판위에 식각으로 대량생산하고, 고집적화 함으로써, 기전효율의 증대를 가져 올 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초소형 동위원소 전지의 구조를 보여주는 도면이고, 도 3은 상기 도 2에 도시된 B-B 의 단면도이고, 도 4는 상기 도 2에 도시된 A-A의 단면도이다.
이하 상기 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
상기 도 2를 참조하면, 먼저 실리콘 기판(210)위에 N-반도체영역(220)을 도핑하고, P-반도체영역(230)을 도핑 형성하고, 상기 N-반도체영역(220)과 상기 P-반도체영역(230) 사이에 I-반도체영역(240)을 형성한다. 여기서 PIN 소자층(220,230,240)의 두께는 방사능동위원소에서 방출된 알파선 또는 베타선에 의한 재료손상 및 경화가 적게 일어나도록 정지비정 보다는 얕게 설계하여야 한다. 그리고 PIN 소자와 소자 사이는 부도체로 남겨둔다.
상기와 같이 형성된 PIN 소자의 상부에 도체로 양전극(260)과 음전극(270)을 설치하며 상기 양전극(260)과 음전극(270) 사이에는 방사선동위원소층(250)을 형성한다. 상기 방사능동위원소층(250)에는 낮은 에너지의 베타선과 감마선을 방출하는 Sr-90 또는 기체상의 H-3 등을 포함하는 재료로 구성한다. 상기 전극(260,270)과 방사능동위원소층(250)의 두께는 대부분의 알파선 또는 베타선이 충분히 빠져 나올 수 있도록 실험에 의해 미리 설정된 값으로 형성한다.
상기 전극(260,270)과 방사능동위원소층(250)의 상부에는 방사능의 누설을 막기 위한 전기부도체(280)를 피복한다. 상기 전기부도체(280)는 상기 방사능동위원소층(250)에서 발생하는 열은 충분히 빠져 나올 수 있도록 열전도도가 좋은 재료를 사용한다. 또한 방사능동위원소층(250)에서 발생하는 방사선이 외부로 빠져 나 오지 못하도록 미리 설정된 두께로 형성한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 초소형 전지는, 방사능 동위원소의 수명이 수년 ~ 수백년으로 매우 길어서 무인 전자장치, 무인 초소형기계장치의 에너지원으로 적합한 전지를 설계 할 수 있다. 또한 실리콘 기판위에 식각으로 대량생산하고, 많은 소자를 고집적화 함으로써, 기전효율의 증대를 가져 올 수 있다. 그리고 대량생산으로 생산가격을 크게 낮출 수 있는 이점이 있다.

Claims (4)

  1. 실리콘 기판위에 형성된 핀 반도체 소자와,
    상기 핀 반도체 소자의 P-반도체영역 상부에 형성되는 양전극 및 N-반도체영역 상부에 형성되는 음전극과,
    상기 양전극과 상기 음전극사이에 위치하고, I-반도체 영역에 접해 있으며, 방사선을 방출하는 방사능동위원소층과,
    상기 전극 및 방사능 동위원소층 상부에 피복되며 방사능 누설을 방지하는 전기부도체를 포함하고 있으며,
    상기 핀 반도체 소자층의 두께가 방사선의 정지비정보다 얕게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 초소형 동위원소 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방사능동위원소층은 Sr-90 또는 기체상의 H-3를 포함함을 특징으로 하는 초소형 동위원소 전지.
  3. 삭제
  4. 실리콘 기판위에 형성된 복수의 핀 반도체 소자와,
    상기 핀 반도체 소자 각각의 P-반도체영역 상부에 형성되는 양전극 및 상기 N-반도체 영역 상부에 형성되는 음전극과,
    상기 양전극과 상기 음전극사이에 각각 위치하고, I-반도체 영역에 접해 있으며, 방사선을 방출하는 방사능동위원소층과,
    상기 전극 및 방사능 동위원소층 상부에 피복되며 방사능 누설을 방지하는 전기부도체를 포함하고 있으며,
    상기 핀 반도체 소자층의 두께가 방사선의 정지비정보다 얕게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 초소형 동위원소 전지.
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