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KR-20260062064-A - Isotope battery unit and isotope battery module comprising the same

KR20260062064AKR 20260062064 AKR20260062064 AKR 20260062064AKR-20260062064-A

Abstract

제1 방향으로 연장되는 둘 이상의 제1 방사선원들을 포함하는 제1 동위원소 전지층(isotope battery layer) 및 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 연장되는 둘 이상의 제2 방사선원들을 포함하는 제2 동위원소 전지층을 포함하고, 상기 제1 동위원소 전지층은: 상기 제1 방사선원들, 상기 제1 방사선원들의 일측 표면이 노출되도록 상기 제1 방사선원들을 부분적으로 둘러싸는 제1 도전형 반도체층, 및 상기 제1 도전형 반도체층을 사이에 두고 상기 제1 방사선원들로부터 이격되어 제공되며, 상기 제1 도전형 반도체층으로부터 이격된 표면에 제1 트렌치들을 갖는 제2 도전형 반도체층을 포함하고, 상기 제1 방사선원들과 상기 제2 방사선원들은 서로 교차하면서 접촉하는 동위원소 전지 유닛이 제공된다.

Inventors

  • 김동명
  • 김제영
  • 신동명

Assignees

  • 주식회사 엘지에너지솔루션

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20251027
Priority Date
20241028

Claims (16)

  1. 제1 방향으로 연장되는 둘 이상의 제1 방사선원들을 포함하는 제1 동위원소 전지층(isotope battery layer); 및 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 연장되는 둘 이상의 제2 방사선원들을 포함하는 제2 동위원소 전지층; 을 포함하고, 상기 제1 동위원소 전지층은: 상기 제1 방사선원들; 상기 제1 방사선원들의 일측 표면이 노출되도록 상기 제1 방사선원들을 부분적으로 둘러싸는 제1 도전형 반도체층; 및 상기 제1 도전형 반도체층을 사이에 두고 상기 제1 방사선원들로부터 이격되어 제공되며, 상기 제1 도전형 반도체층으로부터 이격된 표면에 제1 트렌치들을 갖는 제2 도전형 반도체층; 을 포함하고, 상기 제1 방사선원들과 상기 제2 방사선원들은 서로 교차하면서 접촉하는 동위원소 전지 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 동위원소 전지층은: 상기 제2 방사선원들; 상기 제2 방사선원들의 일측 표면이 노출되도록 상기 제2 방사선원들을 부분적으로 둘러싸는 제1 도전형 반도체층; 및 상기 제1 도전형 반도체층을 사이에 두고 상기 제2 방사선원들로부터 이격되어 제공되며, 상기 제1 도전형 반도체층으로부터 이격된 표면에 제2 트렌치들을 갖는 제2 도전형 반도체층; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 전지 유닛.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 트렌치들 및 상기 제2 트렌치들은 각각 상기 제1 동위원소 전지층 및 상기 제2 동위원소 전지층을 냉각시킬 수 있는 냉각 유체로 충전된 것을 특징으로 하는 동위원소 전지 유닛.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층은 상기 제1 방사선원들의 노출되는 상기 일측 표면과 동일 평면 상에 존재하는 (coplanar with) 적어도 하나의 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 전지 유닛.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 동위원소 전지층의 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 동위원소 전지층의 상기 제1 도전형 반도체층은 서로 접촉하는 것을 특징으로 하는 동위원소 전지 유닛.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제1 동위원소 전지층의 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 동위원소 전지층의 상기 제1 도전형 반도체층의 사이에 계면이 존재하는 것을 특징으로 하는 동위원소 전지 유닛.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제1 동위원소 전지층의 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 동위원소 전지층의 상기 제1 도전형 반도체층의 사이에 계면이 부존재하는 것을 특징으로 하는 동위원소 전지 유닛.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 동위원소 전지층의 상기 제1 도전형 반도체층은: 상기 제1 방사선원들 사이에서 실질적으로 일정한 두께로 연장되는 제1 부분; 상기 제1 방사선원들의 서로 마주보는 부분을 피복하는 제2 부분; 및 상기 제1 방사선원의 노출된 일측 표면의 반대측 표면을 피복하는 제3 부분; 을 포함하고, 상기 제1 동위원소 전지층의 상기 제1 도전형 반도체층은 상기 제1 부분과 상기 제2 부분에 의하여 형성된 제3 트렌치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 전지 유닛.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제1 트렌치들은 각각 대응되는 상기 제3 트렌치를 갖는 것을 특징으로 하는 동위원소 전지 유닛.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 제2 동위원소 전지층의 상기 제1 도전형 반도체층은: 상기 제2 방사선원들 사이에서 실질적으로 일정한 두께로 연장되는 제4 부분; 상기 제2 방사선원들의 서로 마주보는 부분을 피복하는 제5 부분; 및 상기 제2 방사선원의 노출된 일측 표면의 반대측 표면을 피복하는 제6 부분; 을 포함하고, 상기 제2 동위원소 전지층의 상기 제1 도전형 반도체층은 상기 제4 부분과 상기 제6 부분에 의하여 형성된 제4 트렌치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 전지 유닛.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제2 트렌치들은 각각 대응되는 상기 제4 트렌치를 갖는 것을 특징으로 하는 동위원소 전지 유닛.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 제3 트렌치들은 상기 제1 방향으로 연장되고, 상기 제4 트렌치들은 상기 제2 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 동위원소 전지 유닛.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 동위원소 전지층의 외표면 및 상기 제2 동위원소 전지층의 외표면 중 적어도 하나에 방사선 차폐층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 전지 유닛.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 방사선 차폐층은 실질적으로 일정한 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 동위원소 전지 유닛.
  15. 두께 방향으로 적층된 제1 동위원소 전지 유닛 및 제2 동위원소 전지 유닛을 포함하고, 상기 제1 동위원소 전지 유닛 및 제2 동위원소 전지 유닛의 각각은 제 1 항의 동위원소 전지 유닛을 포함하는 동위원소 전지 모듈.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제1 동위원소 전지 유닛은 상기 제2 동위원소 전지 유닛과 마주보는 면에 제1 방향으로 연장되는 트렌치들을 포함하고, 상기 제2 동위원소 전지 유닛은 상기 제1 동위원소 전지 유닛과 마주보는 면에 제2 방향으로 연장되는 트렌치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 전지 모듈.

Description

동위원소 전지 유닛 및 그를 포함하는 동위원소 전지 모듈 {Isotope battery unit and isotope battery module comprising the same} 본 발명은 동위원소 전지 유닛 및 그를 포함하는 동위원소 전지 모듈에 관한 것으로서, 방열 및 냉각 성능이 우수한 동위원소 전지 유닛 및 그를 포함하는 동위원소 전지 모듈에 관한 것이다. 방사성 동위원소가 방출하는 방사선을 pn 접합 반도체 표면을 통해 흡수하여 전기 에너지로 변환할 수 있다. 상기 방사선에 의해 pn 접합 반도체 내의 공간 전하 영역에서 전자-정공쌍이 생성되고, 이때 생성된 캐리어는 전압 전류 특성을 띈다. 이러한 성질을 이용한 동위원소 전지 유닛은 장기간 안정적으로 전원을 공급할 수 있는 장점이 있으며, 안전, 효율, 안정성 등의 관점에서 개선이 요구되고 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동위원소 전지 유닛을 나타낸 사시도이다. 도 2는 도 1의 동위원소 전지 유닛을 방사선원들(111, 121)을 중심으로 나타낸 평면도이다. 도 3은 동위원소 전지 유닛을 도 2의 III-III’ 선을 따라 절개한 단면을 나타낸 개략적인 단면도이다. 도 4는 동위원소 전지 유닛을 도 2의 IV-IV’ 선을 따라 절개한 단면을 나타낸 개략적인 단면도이다. 도 5는 동위원소 전지 유닛을 도 2의 V-V’ 선을 따라 절개한 단면을 나타낸 개략적인 단면도이다. 도 6은 동위원소 전지 유닛을 도 2의 VI-VI’ 선을 따라 절개한 단면을 나타낸 개략적인 단면도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 동위원소 전지 모듈을 나타낸 개략적인 측단면도이다. 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 동위원소 전지 모듈을 나타낸 개략적인 측단면도이다. 도 9 내지 도 12는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 동위원소 전지 유닛의 단면을 나타낸 단면도들이다. 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 동위원소 전지 모듈을 나타낸 개략적인 단면도이다. 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 동위원소 전지 모듈을 개략적으로 나타낸 개념도이다. 이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 개념의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명 개념의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명 개념의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명 개념의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명 개념을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명 개념은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명 개념의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 반대로 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명 개념을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함한다” 또는 “갖는다” 등의 표현은 명세서에 기재된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 발명 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것임은 이해될 것이다. 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다. 첨부 도면에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조 과정에서 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 여기에 사용되는 모든 용어 "및/또는"은 언급된 구성 요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어 "기판"은 기판 그 자체, 또는 기판과 그 표면에 형성된 소정의 층 또는 막 등을 포함하는 적층 구조체를 의미할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 "기판의 표면"이라 함은 기판 그 자체의 노출 표면, 또는 기판 위에 형성된 소정의 층 또는 막 등의 외측 표면을 의미할 수 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동위원소 전지 유닛(10)을 나타낸 사시도이다. 도 2는 도 1의 동위원소 전지 유닛(10)을 방사선원들(111, 121)을 중심으로 나타낸 평면도이다. 도 3은 동위원소 전지 유닛(10)을 도 2의 III-III’ 선을 따라 절개한 단면을 나타낸 개략적인 단면도이다. 도 4는 동위원소 전지 유닛(10)을 도 2의 IV-IV’ 선을 따라 절개한 단면을 나타낸 개략적인 단면도이다. 도 5는 동위원소 전지 유닛(10)을 도 2의 V-V’ 선을 따라 절개한 단면을 나타낸 개략적인 단면도이다. 도 6은 동위원소 전지 유닛(10)을 도 2의 VI-VI’ 선을 따라 절개한 단면을 나타낸 개략적인 단면도이다. 도 1 내지 도 6을 참조하면, 상기 동위원소 전지 유닛(10)은 제1 방향(예컨대 X축 방향)으로 연장되는 둘 이상의 제1 방사선원들(111)을 포함하는 제1 동위원소 전지층(101), 및 제2 방향(예컨대 Y축 방향)으로 연장되는 둘 이상의 제2 방사선원들(121)을 포함하는 제2 동위원소 전지층(102)을 포함할 수 있다. 도 2에서는 제1 방향과 제2 방향이 직교하는 것으로 도시되었으나 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 서로 평행하지 않는 임의의 두 방향일 수 있다. 상기 제1 동위원소 전지층(101)은 제1 방향으로 연장되는 둘 이상의 제1 방사선원들(111)을 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 둘 이상의 제1 방사선원들(111)은 서로 평행하게 연장될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 방사선원들(111)은 베타선을 방출하는 방사성 동위원소를 포함할 수 있다. 예컨대 상기 제1 방사선원들(111)은 삼중수소(3H, tritium), 칼슘(Calcium)-45(45Ca), 니켈(nickel)-63(63Ni), 구리(copper)-67(67Cu), 스트론튬(strontium)-90(90Sr), 프로메튬(promethium)-147(147Pm), 오스뮴(osmium)-194(194OS), 툴륨(thulium)-171(171Tm), 탈륨(thallium)-204(204Tl), 탄탈럼(tantalum)-182(182Ta), 카드뮴(cadmium)-115(115Cd), 카드뮴(cadmium)-113(113Cd), 저마늄(germanium)-75(75Ge), 세륨(cerium)-141(141Ce), 세륨(cerium)-144(144Ce) 및 텅스텐(tungsten)-185(185W)으로 이루지는 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 그러나 본 발명이 이들에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 방사선원들(111)은 알파선을 방출하는 방사성 동위원소를 포함할 수 있다. 예컨대 상기 제1 방사선원들(111)은 아메리슘(americium)-241(241Am), 아메리슘(americium)-243(243Am), 폴로늄(polonium)-209(209Po), 폴로늄(polonium)-210(210Po), 플루토늄(plutonium)-238(238Pu), 플루토늄(plutonium)-239(239Pu), 퀴륨(curium)-242(242Cm), 퀴륨(curium)-244(244Cm), 퀴륨(curium)-249(249Cm), 프로메튬(promethium)-147(147Pm), 우라늄(uranium)-238(238U), 토륨(thorium)-232(232Th), 라듐(radium)-226(226Ra), 비스무트(bismuth)-210(210Bi), 넵튜늄(neptunium)-237(237Np), 유로퓸(europium)-152(152Eu), 프랑슘(francium)-223(223Fr), 아스타틴(astatine)-210(210At), 프로트악티늄(protactinium)-231(231Pa), 아인슈타이늄(einsteinium)-253(253Es), 캘리포늄(californium)-252(2520Cf), 및 버클륨(berkelium)-249(249Bk)으로 이루지는 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 그러나 본 발명이 이들에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 방사선원(111)은 통상의 기술자에게 알려진 임의의 방법으로 형성될 수 있다. 예컨대 상기 제1 방사선원(111)은 도금(plating), 증착(vapor deposition), 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 등 다양한 방법에 의하여 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 방사선원(111)은 도금에 의하여 형성될 수 있다. 상기 제1 방사선원(111)이 도금에 의하여 형성되는 경우 씨드층(seed layer)을 형성한 후