미소 전자기계 시스템과 나노기술에 대한 연구는 지난 20년 동안 엄청난 발전을 이루었으며 연구자들은 다양한 유형의 마이크론 및 나노 규모 장치를 개발했습니다. 하지만, 에너지 공급 장치를 해당 크기로 소형화하는 것은 여전히 어렵습니다. 기존의 배터리나 에너지 공급 장치는 여전히 마이크론 및 나노미터 장치에 사용되므로 전체 시스템의 부피가 커지고, 잦은 충전이 어려워지거나, 충전이 어려워집니다. 이에 연구진은 1990년대부터 다양한 마이크로 배터리 기술 개발에 관심을 기울이기 시작했다. 그 중 마이크로에너지 발전장치와 터빈 연소 기반의 마이크로 연료전지는 기계적 에너지, 열에너지, 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 기술은 모두 엔진을 구동하고 작업실에 연료를 공급하거나 에너지 전환을 달성하기 위해 화학 반응을 촉진하기 위해 외부 미세유체 구조와 외부 에너지원이 필요합니다. Micro-Ceng 배터리도 연구 중이지만 이러한 배터리는 에너지 밀도가 낮고 수명이 짧습니다. 연구의 핵심 중 하나는 원래 에너지원으로 빛이 필요한 단점이 있는 마이크로 태양전지 어레이입니다. 방사성 에너지는 산업, 농업, 의료 서비스 등 다양한 분야에서 사용될 수 있습니다. 에너지 생성은 가장 중요한 응용 분야입니다. 이는 원자력이 많은 경우 기존 형태의 에너지 생성보다 더 효율적인 에너지 생성 방법이기 때문입니다.
1999년 미국 위스콘신-매디슨 대학의 연구원들은 미국 에너지부의 자금 지원을 받아 세계 최초로 미세 전자기계 시스템 기술과 원자력 에너지 과학 기술의 결합을 제안했습니다. 이 배터리에 대한 연구는 이후 미국 국방부의 자금 지원을 받아 미국 코넬대학교에서 계속되었습니다. 샤먼대학교 사번동 미세전자기계연구센터를 비롯한 국내외 많은 연구그룹도 이 연구에 착수했다. 다른 기술과 비교하여 초핵 배터리는 많은 분야에서 유망한 응용 분야를 가지고 있으며, 특히 이식 가능한 생체 의학 마이크로 장치 및 환경 모니터링을 위한 마이크로 센서 또는 센서 네트워크와 같이 장기 기능이 필요한 응용 분야에서 방사성 동위원소 에너지 밀도가 에너지 밀도보다 두 배 높습니다. 화석연료나 화학연료를 사용하고, 적절한 방사성 동위원소를 선택하면 수명이 긴 초소형핵전지를 구현할 수 있다.
NASA 등 우주 연구 기관은 방사성 물질이 전기를 생산할 수 있는 가능성을 오랫동안 인식해 왔습니다. NASA는 보이저(Voyager) 탐사선과 현재 토성 궤도를 도는 카시니(Cassini) 탐사선과 같이 1960년대부터 시작된 일련의 우주 임무에서 이 방법을 채택했습니다. 이 우주 탐사선은 태양 전지판으로 전력을 공급받기에는 태양에서 너무 멀리 떨어져 있습니다.
RTG는 열전 효과(제벡 효과라고도 함)를 통해 열 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 소위 Seebeck 효과는 금속 막대(두 개의 금속 또는 반도체 재료를 서로 맞대어 만든 것)의 한쪽 끝이 가열될 때 가열된 끝의 전자가 더 많은 운동 에너지를 얻어 다른 쪽 끝으로 흐르는 것을 의미합니다. 양쪽 끝에 전압이 발생합니다. NASA에서 사용하는 대부분의 RTG는 세탁기 크기 정도이며 플루토늄-238의 고에너지 광선을 사용하여 엄청난 열 에너지를 생성합니다.
그러나 RTG는 크기를 크게 줄일 수는 없습니다. MEMS와 같은 마이크로 장치의 경우 표면적과 부피의 비율이 매우 큽니다. 상대 표면적이 크면 열 손실 문제를 해결하기 어렵고 RTG의 정상적인 작동을 유지하려면 특정 온도를 유지해야 합니다. 따라서 우리는 원자력 에너지를 전기로 변환하는 다른 방법을 찾아야 합니다.
2003년 초에는 방사성 물질에서 방출되는 고에너지 입자를 직접 전류로 변환할 수 있는 마이크로 배터리가 개발됐다. 이 배터리에서는 소량의 니켈-63이 일반 실리콘 p-n 접합(기본적으로 다이오드) 근처에 배치됩니다. 니켈-63은 붕괴될 때 베타 입자를 방출합니다. 베타 입자는 방사성 동위원소의 불안정한 핵에서 자발적으로 방출되는 고에너지 전자입니다. 배터리에서 베타 입자는 다이오드 원자를 이온화하여 전자-정공 쌍을 생성합니다.
이러한 전자와 정공은 p-n 접합 경계면의 양쪽에서 나누어집니다. 이렇게 분리된 전자와 정공은 p-n 접합에서 멀어지는 방향으로 흘러 전류를 형성합니다.
Ni-63은 방출되는 베타 입자가 붕괴되기 전에 실리콘 소재에서 최대 21μm까지 이동할 수 있기 때문에 이 응용 분야에 이상적입니다. 입자의 운동 에너지가 더 크면 더 먼 거리를 이동하여 세포 외부로 방출됩니다. 우리의 핵 배터리에서는 니켈-63의 각 밀리Ci가 3나노미터(10-9)와트의 전력을 생산합니다. 전력은 높지 않지만 이미 다른 기관에서 개발 중인 환경 센서와 전장 센서에 사용되는 나노메모리와 단순 마이크로프로세서에 전력을 공급할 수 있다. 방사성동위원소의 선택은 초소형핵전지를 구현하는 데 있어서 가장 중요한 요소로 방사선의 종류, 안전성, 에너지, 상대방사능, 가격, 반감기를 주로 고려한다. 방사성 동위원소를 사용할 때 가장 중요한 고려 사항은 언제나 안전입니다. 감마선은 투과성이 매우 높으며 방사선량 비율을 줄이기 위해 상당한 외부 차폐가 필요합니다. 알파 입자는 반도체에서 전자-정공 쌍을 생성하는 데 사용될 수 있지만 심각한 격자 결함을 일으킬 수 있습니다. 순수 베타선 발생기는 마이크로 핵 배터리에 가장 적합한 선택입니다. 표 1은 우리 연구에서 초핵 배터리로 고려되는 순수 베타 방사성 소스를 제공합니다. 니켈-63은 100년 이상의 방사선 수명을 가지며 우리 연구에서 첫 번째 선택으로 선택되었습니다. 니켈-63에서 방출되는 입자나 전자는 평균 에너지와 최대 에너지를 가지며, 이는 실리콘 결정 구조에 영구적인 손상을 일으키는 임계 에너지인 200~250KeV보다 낮습니다
. 반면에 가장 높은 운동에너지인 67KeV의 전자는 사람의 피부 바깥층을 통과할 수 없어 작업자의 안전을 보장합니다. 개발된 첫 번째 유형의 초소형 배터리는 전위차를 생성하는 전자-정공 쌍(EHP)으로 인한 양전하의 흐름인 베타 방사상 볼타 효과를 기반으로 합니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 EHP가 반도체 pn 접합의 공핍 영역으로 확산되면 pn 접합의 내장 전기장의 작용으로 전자-정공 쌍이 분리됩니다. 즉 전자가 이동합니다. n 영역으로 이동하고 정공은 p 영역으로 이동하여 전류 출력을 생성합니다.
복사기전효과는 광기전력 효과와 유사하지만, 미세핵전지의 개발은 태양전지의 개발보다 훨씬 어렵다. 주된 이유는 핵전지의 전자 자속 밀도가 태양 전지의 광자 자속 밀도보다 낮기 때문입니다. 마이크로배터리의 경우 매우 낮은 방출 강도 동위원소를 사용하므로 전자 플럭스 밀도도 감소합니다. 베타 방사성동위원소에서 방출되는 전자의 에너지 분포는 일반적으로 스펙트럼 범위가 매우 넓습니다. 서로 다른 에너지를 가진 전자는 반도체 pn 접합 장치에서 서로 다른 깊이에 머물게 됩니다. 따라서 생산된 EHP의 공간적 분포는 다릅니다. 더 높은 에너지 출력을 얻으려면 pn 접합 장치의 설계를 최적화하고 EHP를 공핍층에 최대한 많이 수집하는 미세 제조 공정을 채택해야 합니다. 실제로 대부분의 미세 전자 기계 및 나노 장치는 물론 저에너지 전자 장치도 밀리와트 범위의 에너지를 소비합니다. 초소형 핵전지의 에너지 출력을 높이기 위해서는 허용된다면 방사선 강도가 더 높은 고에너지 방사체를 선택해야 한다. 중심 방사성 동위원소의 반감기는 2.6년에 불과하지만 평균 에너지는 62KeV로 최대치이다. 에너지는 250KeV이며 이는 실리콘에 있습니다. 기본 pn 접합 장치에서 허용됩니다. 그림 5와 같이 프로메튬-147 방사성 동위원소를 에너지원으로 사용하는 베타형 마이크로배터리를 설계 및 제작하였다. 배터리로 사용되는 평면형 pn접합 소자의 면적은 10mm*100mm이며, Ju-147의 약 200mCi가 사용된다. 측정된 개방 루프 전압은 0.29V이고 단락 전류는 0.033mA입니다. 최대 출력 에너지는 5.7uW이다. 다음 단계는 스태킹이나 칩 어레이 연결 방식을 사용해 마이크로 배터리의 출력 전압을 높이는 것이다.
초소전자기계시스템과 나노소자에 사용되는 초소형핵전지 2개와 프로메튬-147 방사성 동위원소를 이용해 밀리와트급 출력을 구현하는 베타형 초소형전지도 선보인다.