KR100861385B1 - 방사성동위원소 전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 방사성동위원소 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 마이크로와트급의 회로소자에서 반 영구적으로 쓰일 수 있는 방사성동위원소 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 방사성동위원소 전지는 실리콘박막에 액셉터와 도너가 주입되어 이루어진 핀 반도체; 방사선을 방출하여, 상기 핀 반도체에 형성된 공핍층과 진성영역에서 전자와 정공이 생성되도록 하는 방사성동위원소층; 및 상기 핀 반도체와 상기 방사성동위원소층 사이에 형성되는 절연층을 포함하되, 상기 공핍층이 상기 방사성동위원소층과 상기 핀 반도체의 P형 및 N형 영역 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.
방사성동위원소, 반도체, 핀 다이오드, 절연층, 공핍층, 액셉터, 도너
Description
도 1은 종래 방사성동위원소 전지의 구조를 보인 단면도,
도 2는 도 1에서 AA방향으로 절단하여 본 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성동위원소 전지의 구조를 보인 단면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사성동위원소 전지의 구조를 보인 단면도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성동위원소 전지의 제작방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방사성동위원소 전지의 구조를 보인 단면도,
도 7은 도 6의 방사성동위원소 전지 구조에서 실리콘박막에 주입된 액셉터와 도너의 형태를 추출하여 본 사시도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성동위원소 전지의 다층 구조를 보인 단면도이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
100: 방사성동위원소전지 110: 밑판
120: 방사선누설방지층 130: 방사성동위원소층
140: 절연층 150: 핀 반도체
151: N형 영역 153: P형 영역
155: 공핍층
본 발명은 방사성동위원소 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 마이크로와트급의 회로소자에서 반 영구적으로 쓰일 수 있는 방사성동위원소 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 방사성동위원소(radioisotope)는 특유의 에너지를 가진 방사선을 방출하고 안정된 동위원소로 붕괴하는 원소이다. 여기서, 붕괴방식에는 α, β-, β+ 붕괴 이외에 원자핵이 K궤도전자(軌道電子)를 포획하는 이른바 EC 붕괴도 있다. 이들은 대부분 다시 여분의 에너지를 알파선, 베타선, 또는 감마선으로서 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 일정한바, 이러한 반감기에 따라 방사성동위원소는 적게는 수년에서 수백년 동안 방사선을 방출하게 된다.
한편, 초소형 전지 제조 분야에서는 이러한 방사성동위원소에서 방출되는 방사선에 의해 반도체에서 생성되는 전자(electron)/정공(hole) 쌍을 에너지원으로 하여 마이크로와트급의 회로소자 예를 들면, 무인 전자장치 또는 무인 초소형 기계장치(Micromachine; MEMS)에서 반 영구적으로 쓰일 수 있는 이른바, 방사성동위원소 전지의 개발이 시도되고 있다. 이의 한 방편으로써 한국등록특허 제592478호에 '핀(PIN) 다이오드를 이용한 초소형 동위원소 전지(이하 선행발명)'가 제안되어 있다. 여기서, 핀 다이오드는 일반적으로 진성반도체(intrinsic semiconductor) 즉, 실리콘 웨이버에 3가 원소와 5가 원소와 같은 불순물을 주입(implantation)하여 P형 및 N형을 형성시킨 반도체를 지칭하는 것이다.
도 1은 상기한 선행발명에 따른 종래 방사성동위원소 전지의 구조를 보인 단면도이고, 도 2는 도 1에서 AA방향으로 절단하여 본 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 선행발명에서의 설명에 따르면, "먼저 실리콘 기판(10)위에 N-반도체영역(20)을 도핑하고, P-반도체영역(30)을 도핑 형성하고, 상기 N-반도체영역(20)과 상기 P-반도체영역(30) 사이에 I-반도체영역 즉, 진성반도체(40)을 형성한다. 여기서 PIN 소자층(20,30,40)의 두께는 방사성동위원소에서 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(60)과 음전극(70)을 설치하며 상기 양전극(60)과 음전극(70)사이에는 방사성동위원소층(50)을 형성한다. 상기 방사성동위원소층(50)에는 낮은 에너지의 베타선과 감마선을 방출하는 Sr-90 또는 기체상의 H-3 등을 포함하는 재료로 구성한다. 상기 전극(60,70)과 방사성동위원소층(50)의 두께는 대부분의 알파선 또는 베타선이 충분히 빠져 나올 수 있도록 실험에 의해 미리 설정된 값으로 형성한다. 상기 전극(60,70)과 방사성동위원소층(50)의 상부에는 방사선의 누설을 막기 위한 전기부도체(80)를 피복한다. 상기 전기부도체(80)는 상기 방사성동위원소층(50)에서 발생하는 열은 충분히 빠져나 올 수 있도록 열전도도가 좋은 재료를 사용한다. 또한 방사성동위원소층(50)에서 발생하는 방사선이 외부로 빠져나오지 못하도록 미리 설정된 두께로 형성한다."라고 기술하고 있다.
그러나, 전술한 종래 방사성동위원소 전지에 따르면, 양전극과 음전극 사이에 방사성동위원소층을 형성한다는 것은 N-반도체영역과 P-반도체영역 사이에 형성된 진성반도체 표면에 방사성동위원소를 증착한다는 것을 의미하는 것인바, 이러한 증착 공정에 있어서 방사성동위원소층이 진성반도체영역을 벗어나 N-반도체영역과 P-반도체영역의 표면에 형성되는 경우에는 N-반도체영역과 P-반도체영역이 증착된 방사성동위원소층을 통해 단락(short) 된다고 하는 구조적인 문제점이 있었다. 즉, 도 2에 도시한 바와 같이 도면 부호 50으로 표시된 영역에 있어서만 방사성동위원소의 증착이 정밀하게 이루어져야 하는 것을 의미하는 것인데, 이는 곧 실리콘 웨이퍼 상에 부분적으로 정밀 증착하기는 대단히 어려우며 설령, 정밀 증착이 가능하다 할지라도 대량으로 전지를 생산하기에는 효율적이지 못하다는 것을 반증하는 것이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, P, N 및 진성 영역을 갖는 반도체와 방사성동위원소층 사이에 절연층이 형성되도록 함으로써 방사성동위원소의 증착이 쉽고 이에 따라 대량 생산이 용이해지도록 한 방사성동위원소 전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 방사성동위원소층 아래에 공핍층이 형성되도록 하여 전력을 보다 높아지게 한 방사성동위원소 전지 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 방사성동위원소 전지는 실리콘박막에 액셉터와 도너가 주입되어 이루어진 핀 반도체; 방사선을 방출하여, 상기 핀 반도체에 형성된 공핍층과 진성영역에서 전자와 정공이 생성되도록 하는 방사성동위원소층; 및 상기 핀 반도체와 상기 방사성동위원소층 사이에 형성되는 절연층을 포함하되, 상기 공핍층이 상기 방사성동위원소층과 상기 핀 반도체의 P형 및 N형 영역 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 방사성동위원소 전지를 제공한다.
전술한 구성에서, 상기 방사성동위원소층과 상기 핀 반도체가 각각 적어도 두 개 이상으로 이루어진 다층 구조체인 것이 바람직하다.
또한, 상기 다층 구조체인 전지에 있어서 다수의 핀 반도체 중, 양면에 상기 방사성동위원소층이 적층되는 핀 반도체가 일면에 상기 방사성동위원소층이 적층되는 핀 반도체보다 두꺼운 것이 바람직하다.
또한, 상기 방사성동위원소층의 적어도 두 면 이상이 상기 핀 반도체로 덮이는 것이 바람직하다.
또한, 상기 핀 반도체, 상기 절연층 및 상기 방사성동위원소층 중 어느 하나 이상은 그 아래에 형성된 층을 덮는 형태인 것이 바람직하다.
상기 방사성동위원소층은 Ni-63으로 이루어지고, 상기 절연층은 질화막으로 이루어진 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성동위원소 전지의 제조방법은 방사성동위원소전지 생성의 기반이 되는 밑판에 실리콘박막을 적층한 후, 액셉터와 도너를 주입하는 (a) 단계; 상기 (a) 단계에서 액섭터와 도너가 주입된 면에 다른 실리콘박막을 적층하여 공핍층 확장형의 핀 반도체를 제조하는 (b) 단계; 상기 (b) 단계에서 제조된 핀 반도체에 절연층을 적층하는 (c) 단계; 및 상기 (c) 단계에서 적층된 절연층에 방사성동위원소층을 적층하는 (d) 단계를 포함하여 이루어진 방사성동위원소 전지의 제조방법을 제공한다. 여기서, 상기 (a) 단계는 액셉터와 도너의 주입량 조절을 통해 P형 영역과 N형 영역 간의 간격을 조정하여, 전지의 출력 전압을 정하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 (a) 단계에서 액셉터와 도너는 상기 실리콘박막에 생선 뼈대의 형태로 주입되는 것이 바람직하다.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 방사성동위원소 전지 및 그 제조방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성동위원소 전지의 구조를 보인 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 방사성동위원소 전지(이하 줄여서, '전지'라고도 한다.)(100)는 전지 생성시 그 기반이 되는 밑판(110); 이 밑판(110)에 적층되는 핀 반도체(150); 이에 적층되는 절연층(140); 마찬가지로 이 절연층(140)에 적층되어 방사선을 방출하여 핀 반도체(150)에 에너지원을 제공하는 방사선동위원소층(130); 및 이에 적층되어 방사선이 외부로 누출되는 것을 차단하기 위한 방사선누설방지층(120)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 전지(100)는 밑 판(110)의 양면에 상술한 핀 반도체, 절연층, 방사선동위원소층 및 방사선누설방지층을 각각 층층이 적재한 구조체로도 제조가 가능할 것이다.
전술한 구성에서, 핀 반도체(150)는 실리콘박막의 일면에 각각 3가 원소 일명, 액셉터(acceptor) 및 5가 원소 일명, 도너(donor)가 주입된 것이다. 이에 따라, 실리콘박막에는 P형 영역(153)과 N형 영역(151)이 형성되고, 이들 영역과 이온이 도핑되지 않은 진성 영역 사이에 공핍층(depletion layer)(155)이 형성된다. 이러한 핀 반도체(150)로 방사선이 투과되어 진성 영역과 공핍층(155)에서 전자/정공 쌍이 생성되는 것이고, 이렇게 생성된 전자/정공 쌍이 P형 영역(153)에서 N형 영역(151)로 전류를 흐르게 하는 기전력(W/mm3)으로 작용하는 것이다.
특히, 핀 반도체(150)는 방사성동위원소층(130)과 P형 영역(153) 및 N형 영역(151) 사이에 공핍층(155)이 형성되도록 제조된 것이다. 따라서, 핀 반도체(150)로 투과된 방사선이 곧바로, 공핍층(155)에 도달하게 되는 것이고 나아가 방사선이 투과되는 공핍층(155)의 면적이 종래보다는 크게 되는바, 본 발명의 방사성동위원소 전지는 종래 전지보다 더 많은 기전력을 발생하게 된다.
또한, P형 영역(153)의 공핍층과 N형 영역(151)의 공핍층 사이의 진성 영역이 저항 역할을 하는 것이므로, 통상 액셉터와 도너의 주입량 조절을 통해 P형과 N형 사이에 놓이는 이 진성 영역의 두께(b)를 가변시켜 전지(100)의 전압을 조정하게 된다. 즉, 이 두께(b)가 얇아질수록 그 출력전압이 작아지는 것이다. 여기서, 공핍층(155)끼리 접합이 되는 경우에는 핀 반도체(150)가 곧, PN 다이오드가 되는 것이므로 출력전압이 너무 작게 되어 그 효용성이 떨어지게 된다. 따라서, 핀 반도체(150)의 제조시 이 점을 유의하여야 할 것이다.
절연층(140)은 핀 반도체(150)와 방사성동위원소층(130) 사이에 형성되는 것으로써, P형 영역(153)과 N형 영역(151) 사이를 절연하는 것이다. 물론, 절연층(140)의 적층으로 인해 기전력 발생 효율이 떨어지는 것은 피할 수 없겠으나, 방사성동위원소층(130)의 적재가 종래에서보다 쉬워지게 되고 전지의 대량 생산이 용이해지는 것이다. 여기서, 절연층(140)은 이산화규소(SiO2), 바람직하게는 이 이산화규소보다 얇게 증착 가능한 질화막(Si3N4)로 구현될 것이고, 그 두께(c)는 100Å이하, 바람직하게는 30Å이하가 되어야 할 것이다.
방사성동위원소층(130)으로는 Sr-90 또는 Co-60 등이 쓰일 수도 있겠으나, 이들보다 비교적 낮은 에너지를 방출함으로써 방사선 누설 등의 위험성이 적은 Ni-63이 적용되는 것이 바람직하다. 여기서, Ni-63에서 방출되는 방사선은 400㎚에서부터는 에너지원으로써 실효성이 떨어지게 된다. 따라서, 절연층(140)과 핀 반도체(150)의 두께(a)는 400㎚인 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사성동위원소 전지의 구조를 보인 단면도인바, 도 4에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 전지(200)는 밑판(210); 핀 반도체(250), 절연층(240), 방사성동위원소층(230) 및 방사선누설방지층(220)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 전지(200)는 상술한 전지(100)와 구조나 그 기능적인 면에서 동일한 것이다. 단, 핀 반도체(250)는 도 3의 핀 반도체(150)와는 다르게, P형 영역(253)과 N형 영역(251)이 밑판(210)에 밀접한 것이다. 이는 도 3의 핀 반도체(150)를 제조할 때보다 불순물을 강하게 도핑하거나 실리콘박막을 얇게 제조하는 것으로 구현되는 것인바, 둘 간의 차이점은 후술하게 될 다층 구조로 구현되는 방사성동위원소 전지의 설명에서 좀 더 자세히 다룰 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성동위원소 전지의 제작방법을 설명하기 위한 흐름도인바, 전지(100)를 제조하는 것으로 설명을 진행한다.
먼저, 단계 S11에서는 밑판(110)에 실리콘 박막을 증착한다. 여기서, 도 4의 전지(200)의 제조시에는 보다 얇게 증착하는 것이 바람직하다. 또한, 이 실리콘 박막은 낮은 온도에서 증착이 가능하고 높은 도핑이 가능한 비정질실리콘(amorphous-silicon)이나 폴리실리콘(poly-silicon)으로 구현되는 것이 바람직하다.
다음으로, 단계 S13에서는 이 실리콘 박막에 액셉터와 도너를 미리 정해놓은 패턴으로 주입한다. 여기서, 이온 주입 형태는 도 5a에 도시한 패턴이나 도 5b에 도시한 생선 뼈대 모양인 것이 바람직하다. 이때, 주의할 점은 앞서서도 밝혔듯이 공핍층끼리 맞닿지 않도록 이온 주입량을 적절하게 조절하여야 할 것이다.
다음으로, 단계 S15에서는 방사성동위원소층(130) 아래에 공핍층이 형성되도록, 실리콘박막을 다시 한번 증착한다. 이렇게 하여 본 발명에 적용되는 핀 반도체(150)를 제조하는 것이다.
다음으로, 단계 S17 내지 단계 S21에서는 핀 반도체(150)를 덮는 형태로 절연층(140)을 증착하고, 이 위에 절연층(140)을 덮는 형태로 방사성동위원소층(130)을 증착하며, 이 위에 방사성동위원소층(130)을 덮는 형태로 방사선누설방지 층(120)을 증착하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전지(100)를 제조하는 것이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방사성동위원소 전지의 구조를 보인 단면도로써 상술한 전지와 동일한 것으로 단지, 전극(360) 설치에 관한 일 예를 보인 것이고, 도 7은 이 전지(300)의 구조에서 실리콘박막에 주입된 액셉터와 도너의 형태를 추출하여 본 사시도이다. 즉, 도 7에 도시한 바와 같이 AA 방향으로 절단한 단면도가 도 3인 것이고, BB방향으로 절단한 단면도가 도 6인 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성동위원소 전지의 다층 구조를 보인 단면도인바, 도 8에 도시한 바와 같이 본 발명의 또 다른 전지(400)는 기전력이 발생되는 핀 반도체와, 이에 에너지원을 공급하는 방사성동위원소층이 층층이 적층되는 다층 구조체이다.
이 제조방법의 일 예를 설명하자면, 먼저 전지 생성의 기반이 되는 밑판(410)에 도 4에 도시한 바와 같은 제 1 핀 반도체(415)를 적층하고, 이 제 1 핀 반도체(415) 위에 절연층(420)를 적층하며, 이 위에 제 1 방사성동위원소층(425)를 적층한다.
다음으로는 상기와 같은 방법으로, 제 1 방사성동위원소층(425) 위에 절연층(430)을 적층하고, 이 위에 도 3에 도시한 바와 같은 제 2 핀 반도체(435)를 적층하고, 이 위에 다시 절연층(440)을 적층하며, 이 위에 제 2 방사성동위원소층(445)을 적층한다. 마지막으로, 제 2 방사성동위원소층(445) 위에 절연층(450)을 적층하고, 이 위에 도 4에 도시한 바와 같은 제 3 핀 반도체(455)를 적층하며, 이 위에 방사선누설방지층(460)을 적층하여 다층 구조체인 전지(400)를 제조하는 것이 다. 여기서, 제 2 핀 반도체(445)는 상/하에 놓인 방사성동위원소층으로부터 에너지원을 공급받을 수 있도록 다시 말해, 방사성동위원소층과 핀 반도체 사이에 공핍층이 형성되도록 제 1 및 제 3 핀 반도체(415, 455)보다는 두껍게 제조되어야 할 것이다.
본 발명의 방사성동위원소 전지 및 그 제조방법은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 방사성동위원소 전지 및 그 제조방법에 따르면, 전지로서의 기전력이 발생되는 핀 반도체와 이 핀 반도체에 에너지원을 제공하는 방사성동위원소층 사이에 절연층이 형성되게 함으로써, 방사성동위원소의 증착 공정이 한층 용이해지는 효과가 있다. 나아가, 핀 반도체로 투과된 방사선이 곧바로, 공핍층에 도달되고 방사선이 투과되는 공핍층의 면적이 종래보다는 크게 되어, 종래보다는 많은 기전력을 발생하는 효과가 있다. 한편, 이렇게 방사성동위원소층의 증착이 용이해짐에 따라서, 양면 구조나 다층 구조로의 제작이 보다 수월하여 전지에서 발생되는 기전력이 더욱 높아질 수 있는 효과가 있다. 그리고, 상기와 같은 이유로 해서 대량 생산이 보다 용이하므로, 저렴한 방사성동위원소 전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.
Claims (10)
- 실리콘박막에 액셉터와 도너가 주입되어 이루어진 핀 반도체;방사선을 방출하여, 상기 핀 반도체에 형성된 공핍층과 진성영역에서 전자와 정공이 생성되도록 하는 방사성동위원소층; 및상기 핀 반도체와 상기 방사성동위원소층 사이에 형성되는 절연층을 포함하되,상기 공핍층이 상기 방사성동위원소층과 상기 핀 반도체의 P형 및 N형 영역 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 방사성동위원소 전지.
- 제 1항에 있어서,상기 방사성동위원소 전지는 상기 방사성동위원소층과 상기 핀 반도체가 각각 적어도 두 개 이상으로 이루어진 다층 구조체인 것을 특징으로 하는 방사성동위원소 전지.
- 제 2항에 있어서,상기 다수의 핀 반도체 중에서, 양면에 상기 방사성동위원소층이 적층되는 핀 반도체가 일면에 상기 방사성동위원소층이 적층되는 핀 반도체보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 방사성동위원소 전지.
- 제 1항에 있어서,상기 방사성동위원소층의 적어도 두 면 이상이 상기 핀 반도체로 덮이는 것을 특징으로 하는 방사성동위원소 전지.
- 제 1항에 있어서,상기 핀 반도체, 상기 절연층 및 상기 방사성동위원소층 중 어느 하나 이상은 그 아래에 형성된 층을 덮는 형태인 것을 특징으로 하는 방사성동위원소 전지.
- 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 방사성동위원소층은 Ni-63으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방사성동위원소 전지.
- 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 절연층은 질화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방사성동위원소 전지.
- 방사성동위원소전지 생성의 기반이 되는 밑판에 실리콘박막을 적층한 후, 액셉터와 도너를 주입하는 (a) 단계;상기 (a) 단계에서 액섭터와 도너가 주입된 면에 다른 실리콘박막을 적층하여 공핍층 확장형의 핀 반도체를 제조하는 (b) 단계;상기 (b) 단계에서 제조된 핀 반도체에 절연층을 적층하는 (c) 단계;상기 (c) 단계에서 적층된 절연층에 방사성동위원소층을 적층하는 (d) 단계를 포함하여 이루어진 방사성동위원소 전지의 제조방법.
- 제 8항에 있어서,상기 (a) 단계는 액셉터와 도너의 주입량 조절을 통해 P형 영역과 N형 영역 간의 간격을 조정하여, 전지의 출력 전압을 정하는 것을 특징으로 하는 방사성동위원소 전지의 제조방법.
- 제 9항에 있어서,상기 (a) 단계에서 액셉터와 도너는 상기 실리콘박막에 생선 뼈대의 형태로 주입되는 것을 특징으로 하는 방사성동위원소 전지의 제조방법.
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