KR20040008155A - Ｄｎａ 게놈 및 프로테옴 칩용, 열광학 스위칭 회로용,그리고 ｉｒ 태그용 박막 열전기 냉각 및 가열 장치 - Google Patents

Ｄｎａ 게놈 및 프로테옴 칩용, 열광학 스위칭 회로용,그리고 ｉｒ 태그용 박막 열전기 냉각 및 가열 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기재와, 이 기재의 일측에 배열되고 선택적 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수개의 열전기 소자를 포함하고, 상기 열전기 소자가 열전기 물질과, 이 열전기 물질에 접촉하고 통전시에 가열 접합과 냉각 접합 중의 적어도 하나를 형성하는 펠티에 접점과, 상기 열전기 물질과 상기 펠티에 접점을 통하는 전류를 제공하도록 구성된 전극을 포함하는 열전기 냉각 및 가열 장치를 제공한다. 그리하여, 열전기 냉각 및 가열 장치는 각각의 개별적인 열전기 소자를 선택적으로 바이어스하여 열전기 장치의 일측에 국소 가열 접합 또는 냉각 접합의 그리드를 제공한다.

Description

ＤＮＡ 게놈 및 프로테옴 칩용, 열광학 스위칭 회로용, 그리고 ＩＲ 태그용 박막 열전기 냉각 및 가열 장치{THIN-FILM THERMOELECTRIC COOLING AND HEATING DEVICES FOR DNA GENOMIC AND PROTEOMIC CHIPS, THERMO-OPTICAL SWITCHING CIRCUITS, AND IR TAGS}
고체 열전기 장치는 전자 부품, 광전자 부품 및 센서의 성능을 개선할 수 있다. 오늘날, 벌크(∼ 1mm의 두께) p-BixSb2-xTe3와 n-Bi2Te3-xSex합금 물질을 기초로한 열전기 장치가 냉각 응용에 사용되고 있다. 도 1a는 펠티에 접점(2c)에서의 냉각을 위해 적당한 바이어스 전압을 가진 2개의 열전기 물질(2a, 2b)로 구성된 벌크 장치를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1b는 동일한 장치가 적당한 반대 바이어스 전압으로 펠티에 접점에서 가열을 위해 사용될 수 있음을 도시한 것이다. 벌크 장치는 열전기 장치의 전체 상부 표면에 걸쳐 존재하는 저온 표면 또는 고온 표면을 제공한다. 지금까지 벌크 열전기 장치는 (각 소자의) 크기가 비교적 크고 마이크로 전자형 처리(microelectronic type processing)가 없었기 때문에 인접 지역을 가열하거나 냉각하지 않고 국부 영역만을 선택적으로 가열하거나 냉각하지 못하였다.그래서, 열전기 장치는 선택적인 가열이나 냉각을 필요로하는 분야에서 사용되지 못하였다.
이 출원은 35 U.S.C.§119에 따라 미국에 'DNA 게놈 및 프로테옴 칩용, 열광학 스위칭 회로용, 그리고 IR 태그용 박막 열전기 냉각 및 가열 장치(Thin-film Thermoelectric Cooling and Heating Devices for DNA Genomic and Protemic Chips, Thermo-optical Switching Circuits, and IR Tags)'라고 하는 명칭으로 2001년 4월 9일자로 출원된 가출원 번호 제60/282,185호를 우선권 주장하며, 이 문서의 전체 내용은 인용에 의해 이 명세서에 통합된다. 이 출원은 미국 특허 제6,071,351호; '박막 열전기 장치 및 그 제조 방법(Thin-film Thermoelectric Device and Fabrication Method of Same)'라고 하는 명칭으로 명칭으로 1997년 3월 31일자로 출원된 미국 출원 번호 제09/381,963호; '캐스케이드 열전기 냉각기(Cascade Thermoelectric Cooler)'라고 하는 명칭으로 2000년 3월에 출원된 미국 가출원 번호 제60/190,924호; '냉각, 감지 및 전력 발생을 위한 자연 방출 강화 열 전달 방법 및 구조(Spontaneous Emission Enhanced Heat Transport Method and Structure for Cooling, sensing, and Power Generation)'라고 하는 명칭으로2000년 11월 29일자로 출원된 미국 출원 번호 제60/253,743호에 개시된 것과 관련된 주제를 포함하고, 이 문서들의 전체 내용은 인용에 의해 이 명세서에 통합된다.
본 발명은 DNA 게놈 및 프로테옴 칩, 열광학 스위칭 회로, 그리고 적외선 태그에서부터, 일렉트로-홀로그래픽 광학 스위칭, 열모세관(thermocapillary) 및 버블젯 광학 스위칭, 셀룰러 통신에서 패킷 스위칭을 위한 마이크로 스트립 지연 회선, 및 미세 수술(micro-surgery)과 생체 조직(bio-tissue) 분석에 있어서의 프로브의 온도 제어에 대한 이방성 열 확산기의 용례에 이르기까지 광범위하게 적용되는 박막 열전기 냉각 및 가열 장치에 관한 것이다.
본 발명의 더 구체적인 내용 및 그 부수적 장점은 첨부 도면을 참조한 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 더욱 잘 이해할 수 있을 것이다. 도면에 있어서,
도 1a는 펠티에 접점 냉각용의 바이어스 전압을 갖는 벌크 열전기 장치의 개략도이고;
도 1b는 펠티에 접점 가열용의 반대 바이어스 전압을 갖는 벌크 열전기 장치의 개략도이고;
도 2a는 적외선 이미지(IR image)에 의해 표시된 바와 같은 "ONR" 및 "DARPA"의 형태로 점 냉각 이미지를 도시한 도면(온도의 눈금 참조)이고;
도 2b는 IR 이미지에 의해 표시된 바와 같은 "ONR" 및 "DARPA"의 형태로 점 가열 이미지를 도시한 도면(온도의 눈금 참조)이고;
도 3은 국소 영역 냉각 또는 가열을 위한 집적된 점 냉각기의 개략도이고;
도 4는 낮은 열전도성 물질 헤더의 표면의 합성된 점 냉각 및 점 가열을 도시한 도면이고;
도 5는 벌크(1mm) 열전기 소자와 비교하여 5㎛ 박막 열전기 소자의 시간 응답을 나타내는 그래프도이고;
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 박막 열전기 장치를 이용하여 선택적인 전기-열(electro-thermal) 점-온도 제어에 의해 생성된 단가닥(single-strand) DNA를 도시하는 개략도이고;
도 7a는 DNA 물질을 증착하기 위해 사용하는 로보틱 증착 공정을 도시하는 개략도이고;
도 7b는 본 발명의 전기-열 게놈 칩 또는 전기-열 프로테옴 칩을 이용한 선택적인 온도 제어에 의해 얻어진 DNA 조각 또는 단백질 분자의 자체 조립을 도시하는 개략도이고;
도 8은 공간적으로 제어된 전기-열 전기 영동 DNA 칩을 도시하는 도면이고;
도 9는 이중 나선형 가닥의 부착 및 언지핑(unziping)과, 혼성될 새로운 DNA 가닥의 도입(상기 가닥들은 게놈 및 프로테옴 연구를 위해 활용된 공간적 온도 제어를 나타내는 본 발명의 전기-열 칩에 부착된다)을 나타내는 개략도이고;
도 10은 DNA, RNA 및 단백질 사이의 다중 피드백 처리를 설명하는 흐름도이고;
도 11은 표본의 단일 세포와 국부적으로 접촉하는 본 발명의 열전기 프로브를 나타내는 개략도이고;
도 12는 단일 세포와 접촉하는 캔틸레버 구성을 이용하는 본 발명의 나노 규모 열 변환기를 나타내는 개략도이고;
도 13은 혼성 DNA 쌍과 같은 대분자 구조의 특정 지점과 접촉하는 캔틸레버 배열을 이용하는 본 발명의 나노 규모 열 변환기를 나타내는 개략도이고;
도 14는 소규모 영역으로부터 방출된 열을 검출하기 위한 본 발명의 장치를 나타내는 개략도이고;
도 15는 본 발명의 열전기 장치상에 배치된 다중 파장 VCSEL 어레이를 나타내는 개략도이고;
도 16은 본 발명의 열전기 장치상에 배치된 일렉트로홀로그래픽 라우터 스위칭 매트릭스를 나타내는 개략도이다.
본 발명의 목적은, 벌크 장치 경우의 수백 msec 대신에 수십 μsec의 응답 시간으로 냉각 또는 가열할 수 있는 박막 열전기 장치를 제공하는 것이며, 본 발명의 또하나의 목적은 벌크 열전기 장치의 ㎟ 영역이 국부적으로 가열되거나 냉각되는 것에 비하여 수백 ㎛2정도의 극히 작은 영역을 냉각하거나 가열하는 것이다.
따라서, 본 발명의 하나의 목적은 박막 열전기 장치의 패턴과 인가된 전기적 바이어스에 의해 규정된 국소 영역에서 점 냉각(spot-cooling) 및 점 가열(spot-heating)을 제공하는 것이다.
본 발명의 또하나의 목적은 열전기 장치의 동일 측면에서 점 가열 및/또는 냉각을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 하나의 목적은 선택적인 표면 부품에 대한 급속 가열 또는 냉각을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 게놈 및 프로테옴 응용을 위해 DNA 물질을 마이크로어레이(microarray) 형태로 자체 조립할 수 있는 박막 열전기 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 예컨대 DNA-RNA, RNA-RNA, DNA-RNA, 단백질-DNA, 단백질-RNA, 단백질-리간드, 및 효소-기질과 같은 배열 형태에서 DNA 사이, 또는DNA와 RNA 사이, 또는 단백질 분자들 사이, 또는 효소와 반응 물질 사이, 또는 일반적으로 임의의 2개 이상의 분자들 사이의 반응 속도의 온도 제어를 통해 화학 반응을 제어하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 열광학 부품을 통해 광학 네트워크에서의 광학적 스위치를 제어할 수 있는 열전기 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 레이저 물질에서의 온도 유도형 밴드갭 변화를 통해 레이저의 레이징 주파수(lasing frequency)를 제어할 수 있는 열전기 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 점 냉각/가열을 시행하여 태그 식별용의 적외선 이미지를 생성할 수 있는 열전기 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적 및 다른 목적들은 기재와, 이 기재의 일측에 배열되고 선택적 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수개의 열전기 소자를 포함하고, 상기 열전기 소자가 열전기 물질과, 이 열전기 물질에 접촉하고 통전시에 가열 접합과 냉각 접합 중의 적어도 하나를 형성하는 펠티에 접점과, 상기 열전기 물질과 상기 펠티에 접점을 통해 전류를 제공하도록 구성된 전극을 포함하는 열전기 냉각 및 가열 장치를 제공함으로써 달성된다. 그리하여, 열전기 냉각 및 가열 장치는 각각의 개별적인 열전기 소자를 선택적으로 바이어스하여 열전기 장치의 일측에 국소 가열 또는 냉각 접합의 그리드를 제공한다.
이제 도면을 참조함에 있어서, 동일한 참조 번호는 수개의 도면을 통하여, 구체적으로는 도 2a에 동일하거나 대응하는 부분을 나타낸다. 도 2a는 본 발명의 열전기 장치를 냉각시킴으로써 생성된 IR 이미지 형상으로 나타낸 바와 같이 "ONR" 및 "DARPA"의 형상으로 점 냉각 이미지를 도시한 것이다. 이러한 냉각에 있어서, 기재의 표면을 가로질러 마이크로 열전기 소자를 임의로 패턴화시키기 위해 마이크로 전자 리소그래피(microelectronic lithography)를 사용한다. 도 2b의 두번째 도면은 본 발명의 열전기 장치에서의 점 가열에 의해 발생된 적외선 이미지를 도시하고 있다. 박막 열전기 소자에 의해 점 냉각 또는 가열을 행하는 것은 박막 열전기 소자를 이용하여 얻을 수 있는 비교적 고차원 장치(접촉 저항의 효과 및 물질의 효과를 포함하는 것) 성능 지수(300K에서 ZT＞0.1)로 인도하는 초저 저항성의 특정 접촉 저항성에 의해 가능해진다. 지점들은 열전기 소자에 대한 바이어스 전압을 반전시킴으로써 도 2b에 가열 지점의 이미지로서 표시한 바와 같이 가열될 수 있다. 도 2a와 도 2b에서의 결과에 기초해서, 도 3 및 도 4에 도시한 장치 모듈이 국소 표면 지점을 임의로 냉각 및 가열할 수 있다.
도 3은 국소 영역 냉각 또는 가열을 위한 집적된 점 냉각기의 개략도이다. 도 3에 있어서, 수개의 박막 열전기 소자들은 병렬로 배치되어 이 소자들의 전류 흐름 방향에 따라 특정 영역을 가열하거나 냉각시킨다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 열전기 냉각 및 가열 장치는 기재(1)와 상기 기재(1)상에 배열된 복수개의 열전기 소자(2)를 포함하고, 상기 열전기 소자(2)는 각각 n형 열전기 물질(2a)과, 이 n형 열전기 물질(2a)에 인접 배치된 p형 열전기 물질(2b)과, n형 열전기 물질(2a)을 p형 열전기 물질(2b)에 접속하는 펠티에 접점(2c)을 구비한다. 전극(3)은 펠티에 접점(2c)의 맞은편인 n형 열전기 물질(2a)의 일측면과 펠티에 접점(2c)의 맞은편인 p형 열전기 물질(2b)의 일측면에 접촉한다. 열전기 소자(2) 중의 선택된 소자들을 통하여 흐르는 적당히 바이어스된 전류는 펠티에 접점(2c)을 가열 접합(7) 또는 냉각 접합(8) 중의 어느 하나로 되게 한다. 또한, 본 발명의 열전기 냉각 및 가열 장치는 전극에 접속되어 냉각 접합을 형성하도록 임의의 방향으로 또는 가열 접합을 형성하도록 반대의 방향으로 열전기 소자 각각의 전극을 선택적으로 바이어스 하도록 구성된 제어기를 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 열전기 소자(2)는 기재(1)상에 패턴화되어 있다. 이 패턴은 때때로 그리드 패턴으로 될 수 있지만, 본 발명의 열전기 냉각 및 가열 장치를 특수한 응용에 인터페이스하도록 설계된 여러가지 다른 패턴으로 구성하는 것도 가능하다.
본 발명에 따르면, 배선 그리드는 열전기 소자의 각각에 개별적으로 접속되어 냉각을 위한 적당한 바이어스 또는 가열을 위한 반대의 바이어스를 인가하기 위해 각각의 열전기 소자에 대한 제어기 액세스를 제공할 수 있다. 본 발명에 따르면 모든 열전기 소자의 일측은 공통 접지에 접속될 수 있다. 유사한 그리드 배선 접속 및 제어는 미국 특허 제6,154,266호에 개시된 바와 같은 액정 표시 그리드에 활용되며, 상기 특허는 인용함으로써 이 명세서에 통합된다. 그러나, 그리드들은 동일 극성의 전압이 동시에 인가되도록 공통 접속된 미리 지정된 세트(예를 들면, 열과 행)에 교대로 접속 또는 분리되어 상기 미리 지정된 세트가 제어기에 의해 블록 어드레스되게 할 수 있다.
도 3에 도시된 것과는 대조적으로, 본 발명의 일실시예에서는 가열 또는 냉각을 행하기 위하여 열전기 소자의 단지 하나의 다리(leg)만이 필요하다. 이 실시예에서는 선택된 유형의 열전기 물질(즉, n형 또는 p형)이 펠티에 접점(2c)과 함께 사용된다. 전류가 전극, 열전기 물질, 펠티에 접점(2c) 및 후속 전극을 통하여 제1 방향으로 흐를 때 펠티에 접점(2c)에는 가열 접합이 형성된다. 전류가 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 흐를 때 펠티에 접점(2c)에는 냉각 접합이 형성된다. 사실, 도 2a 및 도 2b에 도시된 점 냉각 이미지는 전극, 열전기 물질, 펠티에 접점 및 후속 전극을 통한 전류 흐름을 이용하여 생성되었다.
도 4는 낮은 열전도성 물질로 이루어진 표면 헤더(10)의 합성된 점 냉각 및 점 가열을 도시한 것이다. 도 4에는 표면 헤더와 일치하는 오버레이 칩(12)이 도시되어 있다. 본 발명의 열전기 장치의 동일 측면상에서 점 냉각 및 점 가열을 모두 행하는 능력은 온도 의존성 공정 제어에 대한 열전기 박막 장치의 응용에 있어서 유연성을 허용한다. 일부 용례에 있어서, 냉각 지점 또는 가열 지점의 패턴을 유지하기 위하여 열원 헤더(heat-source header)의 열적 절연 물질(예를 들면, AlN과 같은 고 열전도성 물질이 아닌 유리나 석영같은 저 열전도성 물질)을 사용할 필요는 없다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명의 박막 열전자 장치는 표면 헤더(10)에 열적으로 결합되며, 상기 표면 헤더(10)는 표면 헤더에 수직한 방향(즉, 장치의 펠티에 접점 영역에 대하여 냉각 또는 가열될 필요가 있는 지점으로부터의 열 흐름의 방향)으로의 열 전도성이 우수한 반면, 표면 헤더의 평면(즉 표면 헤더(10)를 횡단하는 방향)에서의 측방향 열 전도성이 낮은 이방성 열 확산기이다. 이 실시예에 있어서, 이방성 열 확산기는 다결정 매트릭스에서의 고 열전도성 물질(예컨대 지향 결정(oriented crystal)) 또는 저 열전도성 매트릭스(예컨대 유리)에서의 고 열전도성 봉(rod)(실리콘 봉 또는 구리 봉)의 복합체를 포함하고 있다. 본 발명에 따르면, 이 복합체는 표면 헤더(10)의 평면에 수직한 방향으로 고 열전도성을 제공하고 표면 헤더(10)의 평면에 평행한 방향으로 저 열전도성을 제공하므로, 본 발명의 박막 열전기 장치의 점 냉각/가열 특성을 보존하게 된다. 또한, 본 발명에 따르면, 이방성 열 확산기는 헤더 평면에서의 저 열전도성에 비하여 헤더 평면에 수직한 방향에서의 고 열전도성을 달성하기 위하여 에어로겔 매트릭스(aerogel matrix)에서 흑연 또는 금속 섬유와 같은 다른 형태의 열 확산기를 사용할 수 있다.
본 발명의 1∼10㎛ 박막 열전기 장치의 한가지 장점은 점 냉각 및/또는 점 가열이 극히 빠르다는 것이다. 도 5는 5㎛ 두께의 열전기 장치의 시간 응답과, 냉각을 형성하는 전류가 열전기 장치에 인가된 후의 전형적인 종래의 벌크(1㎜ 두께) 소자의 시간 응답을 도시한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 박막 열전기 장치는 15㎲ 이내에 응답하고, 벌크 열전기 장치는 0.40s 이내에 응답한다. 따라서, 본 발명의 박막 열전기 장치는 수 마이크로초 정도의 시상수를 갖는 반면, 벌크 열전기 장치는 수백 밀리초의 시상수를 갖는다. 시상수의 차이는 열 응답 시간(τr)이 더 얇은 열전기 소자에서 현저하게 더 작다는 사실로부터 직접 발생한다.τr은 대략적으로 식 (1)과 같이 주어진다.
τr= 4L2/D (1)
여기에서 L은 열전기 장치의 두께이고 D는 열 확산도이다. 그러므로, 본 발명의 박막 열전기 장치는 표면 온도에 대한 급속한 변화 및 상기 표면 온도 변화와 관련한 화학적, 물리적, 기계적 또는 광학 현상의 급속한 제어를 가능하게 하는 고속 응답 시간을 갖는다. 벌크 열전기 장치의 L은 대부분이 500 내지 2000 마이크론 범위이고 D는 0.01 내지 0.03 ㎠/sec이다. 이와 대조적으로, 박막 열전기 장치의 L은 1 내지 10 마이크론이고 Bi2Te3규칙 격자(superlattice) 박막 물질의 D는 0.001 내지 0.003 ㎠/sec이며 Si/Ge 박막 물질의 D는 0.01 내지 0.05 ㎠/sec이다. 더 고속의 냉각/가열 용례에서는 더 높은 D가 요구되고 냉각을 얻기 위하여 적당한 ZT가 필요하다. 작은 온도 행정에 있어서는 낮은 ZT로 충분할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 더 높은 속도는 예컨대 InSb 및 그 합금과 PbTe 및 그 합금과 같은 더 높은 D 물질에 의해 달성될 수 있다.
또한, 임의의 열전기 장치의 성능은 장치 제조에 사용된 열전기 물질의 성능 지수(ZT)에 의존한다. 본 발명의 냉각 또는 가열은, 미국 특허 출원 제09/381,963호(이 문서의 내용은 인용에 의해 이 명세서에 통합된다)에 개시된 바와 같이, 증강된 성능 레벨을 얻기 위해 고성능의 고-ZT Bi2Te3계의 규칙 격자 구성의 박막 물질을 사용할 수 있다. 이와 다르게, 비규칙 격자 구성의 열전기 물질을 본 발명에사용하는 것도 가능하다. 일반적으로, 본 발명은 벌크 또는 박막 열전기 장치의 임의의 특수한 설계, 물질 또는 제조 공정에 제한을 받지 않는다.
소지역/고속 응답 시간의 박막 열전기 장치에서 전술한 발전의 장점을 취할 수 있는 특수한 응용은 DNA 어레이 제조, 게놈 서열의 DNA 전기 영동, DNA 기능성 게노믹스, DNA 기능성 프로테오믹스의 응용을 포함하지만 이러한 응용에만 제한되는 것이 아니다. 게노믹스 및 프로테오믹스 연구는Proteomics in Genomeland, in Science, vol. 291, No. 5507, pp.1221-1224에 개시되어 있고, 이 문서의 전체 내용은 인용에 의해 이 명세서에 통합된다. 또한, 본 발명의 열전기 장치는 고속 광통신 및 기타 선택적 냉각형의 광전 응용의 전기-열 광학 스위칭을 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 열전기 냉각 장치는 또한, 군인, 군사 시스템 및 상업 시스템의 식별 태그로서 사용될 수 있다. 본 발명의 점 냉각 또는 가열을 사용하는 식별 태그는 IR 촬상 장치에 의해 스캔될 수 있다.
전기 영동이나 게노믹스 또는 프로테오믹스를 위한 종래의 DNA 칩(또는 마이크로어레이)의 제조는 유리 규소 기재(substrate)로서 시작한다. 이들 기재상에는 프로브라고도 부르는 단가닥 DNA의 수천개의 패치가 고정되거나 조립된다. 각 패치는 측방향 치수가 수십 ㎛에 불과하다. 마이크로 전자 사진 석판 기술은 최고 밀도의 프로브를 얻기 위한 최고의 기술을 제공한다. 종래의 제조 스케일의 마이크로어레이는 20 마이크론 크기의 패치에서 400,000개의 프로브를 가질 수 있다. 종래의 절차는Making Chips, in IEEE Spectrum, 2001년 3월판, 54-60 페이지에 개시되어 있으며, 이 문서의 전체 내용은 인용에 의해 이 명세서에 통합된다.
마이크로어레이 제조에서 DNA 분석의 제1 단계는 온도 및 생화학적 방법을 이용하여, 사다리의 가로대(rung)를 따라 DNA를 언지핑함으로써 DNA의 비틀림 가닥을 분리하는 것이다. DNA는 비틀림 사다리(twisted ladder)를 형성하는 2개의 가닥에서 상부가 서로 적층되는 뉴클레오티드로 구성된다. 비틀림 사다리는 당-인산염 지지 백본을 갖는다. 사다리의 가로대는 기부(bases)이다. 아데닌 짝짓기(pairing)는 티민과 함께 발생하고, 구아닌 짝짓기는 시토신과 함께 발생한다.
본 발명에 따르면, DNA 분자의 단일 언집 가닥의 형성은 도 6a에 도시된 바와 같은 점 냉각/가열 전기-열 칩을 이용하여 발생한다. 본 발명의 점 냉각/가열 전기-열 칩에 있어서, 패치는 1∼500 ㎛ 범위의 크기를 갖도록 리셉터클 어레이에서 석판술식(lithographically)으로 패턴화된다. 도 6a 내지 도 6d는 선택적인 전기-열 점 온도 제어에 의해 DNA의 단가닥을 형성하는 단계를 개략적으로 도시하고 있다. 템플릿(11)은 표면 헤더(10)에 부착되고, 여기에 DNA 어레이가 배치된다. DNA 이중 나선은 전형적으로 "고온" 지점에서 언집될 것이다. 그러나, 특정 DNA 분자는 그들의 화학적 성질에 따라서 "저온" 지점에서 선택적으로 언집될 수 있다. 본 발명의 전기-열 칩의 점 냉각/가열은 도 6b에 도시된 바와 같이 DNA 가닥을 언집하기 위해 미리 정해진 온도로 DNA를 가열 또는 냉각시킬 것이다. 일단 DNA 가닥이 각각의 "고온" 또는 "저온" 위치에서 언집되면, 본 발명의 전기-열 칩은 (DNA 분자 자체가 전하를 운반한다는 사실을 이용한) 전하 제어에 의해 전기-열 칩의 표면상의 미리 정해진 영역에 DNA를 부착할 수 있다. 이와 달리, 선택적 냉각은 DNA의 단가닥이 특정 장소(site)에 흡수되는 것을 강화하기 위하여 사용될 수 있다.따라서, 본 발명의 전기-열 칩은 단가닥 발생(single-strand generation) 및 선택적 흡수를 미리 정해진 영역에 생성할 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 단계들에 이어서, 도 6c에 도시된 바와 같이, 인접 위치에서 다른 하나의 DNA 분자의 부착 및 단가닥 발생이 후속될 수 있다. 도 6d에서, 모든 원하는 장소에서 각종 DNA 분자의 선택적 흡수 공정이 완료된다. 따라서, 일단 자체 조립되면, DNA 어레이는 예를 들면 대량 분광 분석, NMR 연구, 엑스레이(x-ray) 분석 등과 같은 분석적 특성화에 이용될 수 있다.
20 마이크론 크기의 패치를 가지며 갯수가 십만 내지 백만개인 DNA 마이크로어레이는 전형적으로, 도 7a에 도시된 바와 같이, 로보틱 증착에 의해 유리 또는 실리콘 기재상에 증착될 수 있다. 그러나, 로보틱 증착은 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 든다. 종래의 로보틱 증착 기술은 미국 특허 제5,865,975호에 개시되어 있으며, 이 문서의 전체 내용은 인용에 의해 이 명세서에 통합된다. 그 대신에, 본 발명에 따르면, 도 7b에 도시한 바와 같은 전기-열 냉각/가열 칩을 이용하여 점 온도 제어가 선택적인 DNA 또는 단백질을 자체 조립(self-assemble)할 것이다. 도 7b는 본 발명의 전기-열 칩을 이용하여 선택적인 온도 제어에 의해 얻어진 DNA 조각 또는 단백질 분자의 자체 조립을 나타내는 개략도이다. 따라서, 본 발명의 전기-열 게놈 칩 또는 프로테옴 칩상에 증착되었을 때 생물학적 물질의 자체 조립 특성에 의해 게놈을 위한 미리 정해진 DNA 어레이 또는 프로테옴 연구를 위한 단백질 어레이의 신속한 제조가 실현된다.
또한, 본 발명의 박막 열전기 장치의 공간 제어된 온도는 기존의 DNA 어레이제조 방법과 함께 사용될 수 있다. 오늘날 DNA 어레이는 잉크젯 프린팅에 의해 또는 인시투(in-situ) 제조에 의해 만들어진다. 잉크젯 프린팅 공정은 미국 특허 제6,180,351호에 개시되어 있으며, 이 문서의 전체 내용은 인용에 의해 이 명세서에 통합된다. 잉크젯 프린팅 공정에 있어서, DNA 서열의 많은 카피를 포함하는 작은 방울(droplet)이 기재상에 증착된다. 본 발명의 박막 열전기 장치는 DNA 가닥의 부착 또는 흡수를 촉진하기 위하여 신속한 냉각/가열과 결합된 공간 온도 제어를 가능하게 한다. 한편, 사진 석판술 공정에 의한 DNA 서열의 인시투 제조는 미국 특허 제5,874,219호(이 문서의 전체 내용은 인용에 의해 이 명세서에 통합된다)에 개시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 박막 열전기 장치상의 점 온도 제어된 영역에서 DNA의 선택적인 접착에 의해 교체될 수 있다. 예를 들어, 한번에 하나의 뉴크레오티드의 증착에 의한 DNA 서열의 전통적인 인시투 제조(도 7a에 도시됨)는 공간 제어된 온도 그리드상의 열 활성화 또는 냉각 강화 흡수에 의해 교체될 수 있다. 따라서, 본 발명의 자체 조립 방법은 종래의 사진 석판술 공정에서 필요로 하였던 DNA를 자외선에 노출시킬 필요성을 제거한다. 자외선 노출은 DNA를 비의도적으로 화학 변화시킬 수 있다. 또한, 점 광화학(photo-chemistry)을 본 발명의 점 열화학(thermochemistry)으로 교체하는 것은 종래의 사진 석판술 DNA 어레이에서 사용되었던 캐핑 케미컬을 인가할 때에 발생하는 것처럼, DNA를 화학적 변화없이 그대로 보존한다는 점에서 다른 장점을 갖는다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 점 온도 제어에 추가하여, 점 온도 제어가 점 전계(spot electric field)와 결합될 수 있다. 예를 들어, 전기적으로 활성화(-1.3∼22.0 볼트)하는 패드의 어레이는, 본 발명에 따르면, DNA가 특정 장소에 모이는 것(pooling)을 제어한다. 전기적으로 충전된 장소에서의 DNA의 모임은 DNA의 혼성 반응을 1000배 정도 가속시킨다. 혼성(hybridization)은 유전학적으로 다른 종에 속하는 개별적인 유전종(genetic species)의 짝짓기를 나타낸다. 예를 들면, 상보적 RNA와 DNA 가닥이 쌍을 이루어 유전학적으로 다른 소스로부터 "새로운" 이중 가닥을 형성하는 RNA-DNA 혼성물을 만들 수 있다. 도 9a는 이중 나선, 가닥의 분리, 및 혼성될 새로운 DNA 가닥의 도입을 각각 포함하는 DNA 가닥을 나타내는 개략도이다. 도 9b는 게놈 및 프로테옴 연구를 위해 사용되는 공간 온도 제어를 나타내는 본 발명의 전기-열 칩을 도시한 개략도이다. 새로운 쌍의 형성은 가닥들이 혼성화 전에 미리 파괴되는 것을 방지하기 위하여 약하게 혼성된 쌍들을 냉각함으로써 본 발명에서 도움이 될 수 있다. 또한, 과도한 온도는 혼성된 쌍을 비혼성화(dehybridizing)시켜서 기술적 처리를 무효화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 박막 열전기 장치에서 지향하는 선택적 흡수 처리, 단가닥 발생 및 혼성화는 선택된 장소의 주형 상에 미리 존재하는 리진에 제1 세트의 DNA 가닥을 전하 결합 또는 이온 원자가 결합하는 것, 전하 결합된 또는 이온 원자가 결합된 DNA 가닥을 자외선광에 노출시켜 리진과 DNA 가닥을 교차결합시키는 것, 제1 세트의 DNA 가닥을 풀어서 하나의 가닥이 더 이상 부착되지 않도록 선택된 장소를 가열하는 것, 제2 세트의 DNA 가닥을 도입하는 것 및 제2 세트의 DNA 가닥을 제1 세트의 부착된 단가닥 DNA에 혼성시키는 것을 용이하게 하기 위해, 선택된 장소에서의 온도를 감소시킴으로써 달성된다.
또한, 본 발명은 온도에 의해서 뿐만 아니라 기타의 물리적 및 화학적 파라메터에 의해서 영향을 받는 반응 속도를 관찰하기 위해 DNA 세포 체계의 화학적 운동 공정을 연구할 수 있는 도구를 제공한다. 현재 게놈 데이터는 그 서열 및 구조가 정적이다. DNA 마이크로칩 및 어레이에서 반응 운동을 측정하는 효소학 실험의 형태에서의 동적 정보는 가치있는 정보를 산출할 것이다. 종래의 DNA 마이크로어레이에서 연구한 반응 운동은 공간 온도 제어를 통한 더 빠른 화학적 반응 시간의 연구가 더 나은 이해로 유도될 수 있고 본질적으로 DNA 반응 운동의 조작 및 제어를 가능하게 한다는 것을 제안한다. 게놈 기술자는 DNA 구조를 더 잘 이해하기 위해 실험적 반복을 감소시킬 필요가 있고, 기능성 게놈학에 고의적 변화를 도입할 때에 더 빠른 분석이 필요하다. DNA 구조를 제어함으로써 새로운 수확물, 의약품 및 유전학적 치료를 안전하게 처리하도록 속도 및 능력에 큰 영향을 줄 것이다. 본 발명에 따르면, 열전기 소자는 국부 열발생 스위치로서 작용하여 DNA 화학적 성질, DNA-RNA 화학적 성질, 단백질 합성, 효소에 의한 우성 유전자의 열성 유전자로의 변환 및 그 역변환, 및 의약적 항체의 생성을 전환(즉, 온도 활성화)할 수 있다.
한편, DNA 마이크로 어레이로부터의 해석 데이터는 주요 곤란성으로서 나타났다. 어레이는 대량으로 병렬 분자 발생 정보를 제공하는 기술이다. 정보를 잘라 줄이는(truncate) 생물 통계학 및 생물 정보학은 어레이 샘플링의 전체 목적을 회손시킨다. 일반적으로, 그러한 어레이의 데이터는 유전자의 표시와 그 기능 사이의 논리적 링크를 찾아냄으로써 해석된다. 생물학적 및 화학적 처리는 온도에 의해 제어되기 때문에, 본 발명에서 가능한 것과 같은 온도 제어는 제어 레버로서 작용할것이다. 온도를 상승시키면 반응이 가속화되고, 온도를 저하시키면 반응이 지체된다. 통계적으로 관리가능한 지역 급속 온도 제어 DNA 어레이 (Statistically Manageable Areal Rapid Temperature-control DNA array) 또는 SMART DNA 어레이는 데이터 해석, 특히 기능적 링크 탐색에 도움을 주도록 본 발명의 열전기 장치를 이용하여 개발될 수 있다.
본 발명의 점 냉각/가열 방법의 장점은 (1) 자체 조립을 돕도록 공간 온도 제어된 박막 열전기 장치를 이용한 DNA 마이크로 어레이의 고속 잉크젯 프린팅, (2) DNA의 어레이를 형성하도록 제어된 공간 온도를 이용하여 사진 석판술 기반의 DNA 마이크로 어레이를 열화학으로 교체 또는 증가시키는 것, (3) DNA 서열에 대한 급속한 열적 순환, 및 (4) DNA 가닥에서 순서 정해진 기부 쌍들을 결정하기 위하여 고수율 처리를 위한 DNA 서열 정하기 등을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 도 8에 도시된 바와 같이 공간 제어 온도 전기-열 전기 영동 칩에 관한 것이다. 명확성을 위해, 도 8에는 수개의 냉각 및 가열 지점만이 도시되어 있다. 본 발명에서 지점(spot)의 크기는 5㎛ × 5㎛ 내지 1000㎛ × 1000㎛의 범위이고, ㎠ 당 100 내지 백만의 지점 밀도 또는 그 이상의 지점을 야기한다. 본 발명의 전기-열 전기 영동 칩은 DNA의 전기 영동 중에 발생된 고온 지점을 냉각시킨다. 예를 들어, 전기 영동 중에 발생된 열은 30∼100 W/㎠에 도달할 수 있다. 이러한 높은 열속(heat flux)을 제거하면 마이크로 전자식으로 처리된 박막 열전기 장치(예를 들면 미국 특허 출원 제09/381,963호 참조)로서 쉽게 달성될 수 있다. 또한, 전기 영동에 있어서 제어된 20㎛ × 20㎛ 패치 또는 기타 유사한 기하학적 구조에서 개별적으로 냉각 또는 가열하는 능력은 DNA 전기 영동을 이해, 수정 및 제어하는 도구를 제공한다. 또한, 전하 제어는 선충전된 장소에서 선택적인 흡수를 제공하도록 증가될 수 있다.
DNA 가닥의 크기를 결정하기 위하여 DNA 서열 정하기의 선정 방법은 DNA의 기부에 특정한 형광 라벨링을 이용하는 4색 전기 영동이다. 그와 같은 분석에는 형광 라벨이 부착되지 않은 잉여 DNA, 그 자체 위에 접히는 단가닥 DNA 등의 여러가지 잡음원이 있다. 이 잡음원들은 모두가 더 좋은 해상도로 유도하는 로딩 전의 샘플의 세정, 겔 및 버퍼 화학 물질의 처리 및 온도의 최적화를 이용하여 감소된다. 공간 제어 온도 전기-열 전기 영동 칩은 상기 문제점들의 몇가지를 잠재적으로 해결하여 더 고속이고 신뢰할 수 있는 DNA 서열 정하기를 가능하게 한다. 예를 들어, 온도가 차선(sub-optimal)이면, 단가닥 DNA의 폴딩은 일렉트로페로그램을 변경시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 발명의 공간 제어 온도 전기-열 전기 영동 칩을 이용함으로써, 하나의 처리 단계에서, 최적의 온도 범위가 얻어지고 고속의 DNA 서열 정하기가 가능하다.
본 발명의 또하나의 실시예는 생물학적 물질의 자체 조립을 위한 공간 제어 온도 전기-열 칩이다. 오늘날, DNA 마이크로어레이 또는 생물학적 칩은 다음과 같이 제조된다. 중합 효소 체인 반응 또는 생화학적 합성을 이용하여 DNA의 가닥들을 분리한다. 사진 석판술 기술을 이용하여 유리, 플라스틱 또는 실리콘 기재를 DNA 가닥용 리셉터클 어레이로 변화시킨다. 전기 영동 접합이나 로보틱 증착 또는 작은 물방울 스프레이어를 이용하여 유전 물질을 기재에 부착한다. 본 발명을 이용하여리셉터클 어레이는 점 냉각/가열 박막 열전기 모듈에 열적으로 결합되어 본 발명의 전기-열 칩을 실현한다. DNA 가닥들은 도 6 및 도 7에 도시된 점 온도 제어 처리에 의해 자체 조립될 수 있다. 전기-열 칩의 점 냉각/가열 박막 열전기 모듈은 리셉터클에서 리셉터클로 재사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 전기-열 칩은 DNA 어레이의 급속한 자체 조립을 가능하게 하고 로보틱 또는 사진 석판술 DNA 이송 기술을 회피함으로써 DNA 칩의 제조 비용을 저감시킬 수 있다. 본 발명의 전기-열 칩은 현재의 마이크로어레이의 DNA 패치에서처럼 20㎛ × 20㎛ 지점과 같은 매우 작은 영역을 냉각 또는 가열한다. 따라서, 20㎛ × 20㎛ 패치 또는 다른 유사한 기하학적 구성은 각각, 만일 제어된 방법으로 개별 냉각되거나 가열되면, DNA 게노믹스를 이해하고 수정하고 제어하는 도구를 제공한다.
단백질은 세포핵의 염색체에 위치된 DNA 기부의 서열에 의해 특정된 순서로 조립된 아미노산의 체인이다. RNA 분자는 메시지를 핵으로부터 리보솜까지 이동하고, 리보솜은 메시지 RNA의 3-베이스 세트(코돈)를 개별 아미노산에 부착된 전달 RNA의 상보적인 코돈과 매칭시킴으로서 단백질을 조립한다. 이러한 정돈된 서열은 유전자의 "발현"을 세포내의 단백질의 "활동"과 관련시킨다. 그러나, 이러한 관계는 도 10에 도시된 바와 같이 복수의 피드백 루프를 가진 매우 복잡한 것이다.
조정 및 피드백에 의한 수정의 결과로서, 일부의 복잡한 인간 유전자는 수백개의 다른 단백질을 생성할 수 있다. 도구는 도 10에 도시된 비 게놈 (피드백) 상호 작용의 고수율 연구를 행하기 위해 필요하다. 게노믹스와는 달리, 많은 단백질의 농도를 동시에 측정하기 위한 마이크로어레이는 없다. 오늘날, 상이한 아미노산서열은 상이한 질량에 대응하기 때문에, 상이한 단백질을 분리시키는 유일한 방법은 질량에 의한 것이다. 본 발명은 Fitch와 Sokhansanj의 Proc. of IEEE, December 2000(이 문서의 전체 내용은 인용에 의해 이 명세서에 통합된다)에 개시되어 있는 바와 같은 DNA 서열 정하기에서 사용된 전기 영동과 유사한 2-D 겔 전기 영동을 이용한다. 전계는 샘플 내의 특정 단백질의 농도를 나타내는 2-D 지점을 취하기 위하여 하나의 축을 따라 인가된다. 본 발명의 전기-열 칩을 이용한 2차원 어레이에서의 점 냉각 또는 점 가열은 프로테옴 칩의 연구에 새로운 방법을 제공한다. 또한 전계 변화는 온도 변화와 결합하여 실제 조건의 시뮬레이션에서 단백질 형성을 조종한다.
예를 들어, 전기-열 칩에서의 온도 변화는 그들이 단백질을 합성하는 방법에서 유전자의 통로를 제어하거나 조정하기 위한 유전적 스위치로서 사용될 수 있다. 전기-열 칩에서의 고속 응답 시간/소지역 제어는 유용한 단백질을 정돈된 형태로 생성하기 위한 제어 시스템을 제공할 것이다. 따라서, 본 발명의 전기-열 칩에 의해 제공된 고속 응답 시간/소지역 제어는 전계 제어와 결합하여 유전자 발현으로부터 단백질 합성을 위한 안정된 조절 통로의 실시로 유도할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 전기-열 칩을 이용하여 마이크로어레이에서 열충격 단백질 (및 관련 DNA)의 합성, 특성화 및 조작은 온도를 신속하게 변화시킬 수 있는 능력에 의해 가능해진다. 전형적으로 인간 독물학(toxicology)과 관련된 전체 약 1367개의 유전자 중에서 열충격 단백질에 특유한 것으로서 분류되는 약 23개의 유전자가 있다.
공간 온도 제어된 전기-열 칩을 이용한 온도 선택은 mRNA의 생성, mRNA의 운송 및 mRNA의 단백질로의 변환을 제어하기 위해 사용될 수 있으며, 이들은 모두 새로운 생산품, 의약, 및 유전적 치료에서의 새로운 응용을 유도한다. 예를 들어, RNA 중합 효소와 DNA의 결합을 제어하는 반응율 상수는 억제체(repressor)의 효과를 극복할 수 있고 그에 따라 새로운 단백질(효소)을 발생할 수 있도록 온도에 의해 제어될 수 있다. 유사하게, 온도는 단백질을 발생하기 위한 mRNA의 예리한 파열을 제공하도록 제어될 수 있다.
따라서, 본 발명의 또다른 실시예는 프로테오믹 연구를 위한 공간 제어 온도 전기-열 칩에 관한 것이다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 전기-열 칩은 현재의 마이크로어레이의 DNA 단백질 패치에서처럼 20㎛ × 20㎛ 지점과 같은 매우 작은 영역을 냉각하거나 가열한다. 따라서, 이러한 20㎛ × 20㎛ 패치 및 다른 유사한 기하학적 구조는 각각, 만일 제어된 방법으로 개별 냉각 또는 가열되면, 프로테오믹스를 이해하고 수정하고 제어하는 도구를 제공할 것이다.
DNA 분석에서 온도 제어의 효과, DNA 확대, 단백질 합성 및 DNA 화학적 성질은 주로 적당한 칩 기술이 없었기 때문에 DNA 마이크로어레이에서 연구되지 못하였다. 온도는 DNA 분석, DNA 확대, 및 일반 DNA 및 단백질 화학적 성질에서 상당한 중요성을 가질 수 있음을 표시하는 일부 연구가 있다. 예를 들어, 예르시니아 페스티스(Yersinia pestis)의 DNA 연구에서, 예르시니아 페스티스의 독성 구조는 37℃에서 활성화되었다. 인용에 의해 그 전체 내용이 이 명세서에 통합되는 J. P. Fitch 및 B. Sokhansanj, in Proc. of IEEE, Vol.88, No.12, pp1949-1971, (2000)에는 예르시니아 페스티스 유전자가 25℃ 보다는 37℃에서 더 많이 발현되고 다른것들은 37℃에서 보다는 25℃에서 더 많이 발현된다는 것을 보여주고 있다. 온도 제어 연구는 본 발명의 공간 온도 제어 전기-열 칩을 이용하여 하나의 단계에서 달성될 수 있다. IR 방사선을 이용한 작은 부피의 급속 가열은 중합 효소 체인 반응(polymerase chain reaction; PCR)에서의 DNA 확대에서 사용되고 있으며, 이에 대해서는 예를 들면 IR 조정 PCR(IR-Mediated PCR), http://faculty.virginia.edu/landers/project.htm을 참고할 수 있고, 그 전체 내용은 인용에 의해 이 명세서에 통합된다. IR 조정 가열은 또한 효소 시금(assay)에서도 연구되어 왔다.
따라서, 본 발명의 또하나의 실시예에서, 본 발명의 전기-열 PCR 칩은 DNA 샘플을 국부적으로 가열 또는 냉각하기 위해 사용된다. 전기-열 PCR 칩은 예컨대 IR 방사선 가열과 같은 체적 가열 기술에 의존하는 기술보다 더 국부적으로 온도를 제어할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 전기-열 PCR 칩은 광화학을 국부화된 열화학으로 교체한다.
전술한 바와 같이, 예르시니아 페스티스 유전자는 25℃ 보다는 37℃에서 더 많이 발현되고 다른 유전자들은 37℃에서 보다는 25℃에서 더 많이 발현된다. 유전자는 유전자가 독성과 같은 생물학적 활동을 유도하는 독특한 단백질을 만들기 위한 장소로서 작용할 때 발현된다. DNA 마이크로어레이는 유전자 발현의 패턴을 이해하기 위한 강력한 주형이었다. 유사하게, 유전자 발현의 강도는 얼마나 많은 독특한 단백질이 만들어지는가에 의존한다. 따라서, 약한 유전자는 국부 열화학 제어에 의해 강한 유전자로 변형될 수 있다. 유전자 발현 연구를 위한 온도 제어는 본발명의 공간 온도 제어된 전기-열 게놈 칩을 이용하여 하나의 단계에서 쉽게 달성될 수 있다.
동일한 선을 따라서, 통상적으로 특정 박테리아 감염에 대하여 저항할 수 없는 개인의 선천적인 유전자를 화학적으로 경계일 수 있는 유전자, 즉 박테리아 감염에 대한 방염제로 온도 제어에 의해 변경하는 것이 가능하다. 변경된 유전자가 일단 발현되면, 후속 항체, 즉 전기-열 칩의 부산물이 개인에게 안전하게 전달될 수 있다.
비록 종래의 DNA 마이크로어레이가 비교적 쉽게 제조될 수 있기는 하지만, 많은 DNA 어레이 실험에서 나타난 중대한 문제점은 혼성이 완전하지 못하다는 것이다. 이것은 결과적으로 용장성(redundancy)을 필요로하고, 그에 따라 속도를 감소시킨다. 전기-열 게놈 칩을 이용한 공간 온도 제어는 혼성화를 개선하기 위한 최적의 온도를 찾아내는 편리한 방법을 나타낸다. 본 발명에 따르면, 전기-열 가열/냉각은 일반적으로 혼성화 반응을 금지시키는 유리 등의 기재상에서 PCR을 수행하기 위해 마이크로칩에 집적될 수 있다. 본 발명의 박막 열전기 장치와 관련된 고속 응답 시간은 PCR 혼합물의 신속하고 효과적인 열순환성에서 장점이 있다.
전기-열 전기 영동 칩, 전기-열 PCR 칩, 및 본 발명의 전기 열 칩은 낮은 열전도성 실리카, 유리 측면 또는 나일론 막과 호환성을 갖는다. 전기 절연체와 같이, 이들 물질은 점 온도 제어 및 전하 제어를 통합한다.
또한, 상세한 특성화를 위해 필요한 고품질 단백질 결정의 생성이 곤란하였다. 본 발명의 공간적으로 온도 제어된 전기-열 프로테옴 칩은 온도를 최적화시킴으로써 단백질 결정을 결정화시키기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 변화하는 온도와 함께 단일의 화학 공정 순서는 차후에 특성화될 수 있는 모든 범위의 결정을 생성할 수 있다. 구조적 게노믹스는 게놈 내의 모든 유전자에 대응하는 3-D 단백질 구조의 고수율 식별을 행하기 위한 노력이다. 3-D 단백질 구조를 결정하기 위한 방법으로서 NMR과 X선 회절의 2가지 실험적인 방법이 있다. NMR은 화학적 결합을 통한 원자 결합 및 자계의 영향하에 있는 공간을 통한 단거리를 측정한다. 본 발명의 공간적으로 분해된 전기-열 칩의 각 위치에 배치된 동일 단백질의 가변 온도 NMR 분석은 구조적 식별에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있다. 유사하게, 동일한 단백질의 가변 온도 X선 결정학은 각종 단백질 결정의 구조를 이해하기 위해 실행될 수 있다.
본 발명의 또다른 실시예에 있어서, 본 발명의 열전기 장치는 단가닥 정합 다형성(single-stranded conformation polymorphism; SSCP) 검출을 위한 어레이 포맷 내의 전기 영동 응용에서 사용된다. DNA 서열 다형성의 질량 분광학 연구 및 PCR 공정은 미국 특허 제5,869,242호에 개시되어 있으며, 이 문서의 전체 내용은 인용에 의해 이 명세서에 통합된다. 또한, 온도 제어는 정확한 온도 선택에 의해 특정 온도에서만 나타나는 변화의 검출이 가능하게 하는 SSCP와 같은 응용에서 특히 중요하다. 전형적으로 이러한 온도들은 대략 0℃ 내지 80℃의 범위에 있을 수 있으며 1℃씩 제어된다. 본 발명의 열전기 장치를 SSCP 어레이에 열적 결합함으로써, 정확한 온도 제어가 달성된다.
본 발명의 또하나의 실시예에 있어서, 본 발명의 열전기 장치는 미세 수술및 생체 조직에 사용되는 프로브 및 보철술에서의 정확한 온도 제어를 위해 사용된다. 가열 또는 냉각 모드에서, 신속한 점 온도 제어는 뇌 조직에서와 같은 생체 조직을 포함한 미세 수술 등의 의료 분야에서 특히 유용하다. 특히 열 소산이 많지 않은 냉각 모드에서, 본 발명의 고성능 열전기 장치를 이용한 점 온도 제어는 예를 들면 뇌의 특정 부분으로부터의 간질 발작과 같은 각종 질병에 대한 통증 완화를 제공하기 위해 만성 질병 상태에 있는 생체 조직의 온도를 제어한다. 본 발명에 따르면, 규칙 격자와 같은 고성능 물질에 기초한 고성능 열전기 장치는 그러한 만성적인 응용에서 배터리 수명을 연장시키고 부근 조직에서의 기생 열 소산을 감소시킨다.
본 발명의 또하나의 실시예에서는, 생물학적 응용 이외에, 고속, 고밀도 광통신 네트워크용의 전기-열 광학 스위칭 뿐만 아니라 집적된 광전자 송신기/수신기에서의 각종 선택적인 (개별 부품 제어된) 냉각 또는 가열을 위하여 사용될 수 있다.
예를 들어, 공간 분할 광학 스위치는 섬유와 섬유를 상호 접속하기 위해 광학적으로 사용된다. 대규모 광학 네트워크에 대해서는 스위칭의 평면 기술이 양호하다. 마이크로 전자 기계 시스템(micrt-electro-mechanical-system: MEMS) 미러 또는 자석과 같은 기계적 가동 소자를 이용하는 기계적 스위치는 대규모 M×N 스위치에 대하여 규모를 정할 수 없다. 또한, MEMS 미러에서의 가동 소자의 반복성, 연마와 파열 및 재생성 뿐만 아니라 동작을 위한 고전압(약 50볼트)의 필요성이 바람직하지 않은 특징이다.
도파관 공간 분할 스위치는 대규모 N×N 스위치를 실현할 수 있다. 전형적으로 스위칭 기능은 도파관 소자의 굴절율을 제어함으로서 달성된다. 이들 도파관의 굴절율을 제어하기 위해 사용되는 물리적 구성은 도파관 물질에 의존한다. 실리카 평면 도파관형 스위치는 전형적으로 도파관의 온도를 열광학 효과(thermo-optic effect)에 의해 변경하는 전극을 사용한다. 열광학 장치는 미국 특허 제6,084,050호에 개시되어 있고, 이 문서의 전체 내용은 인용에 의해 이 명세서에 통합된다. 다른 도파관 스위치는 전류 주입에 의해 제어되는 반도체 도파관 스위치와, 인가된 전계에 의해 제어되는 강유전체 결정(LiNbO3) 기반 스위치를 포함한다. 반도체 기반 스위치와 LiNbO3기반 스위치는 높은 스위칭 속도(스위칭 시간이 약 10-9초)를 달성할 수 있지만, 이들 기술로는 편광 무관 스위치(polarization independent switch)를 실현하기가 곤란하다.
실리카 평면 도파관 스위치는 기본 스위칭 소자로서 마크 젠더형(Mach-Zender type) 간섭계를 사용한다. 예를 들어 간섭계 내의 열광학 위상 변환기는 간섭계 내에서의 전파 지연을 변화시킨다. 종래의 열광학 스위치의 응답 시간이 수 ms 정도의 것이었다 하더라도, 열광학 스위치는 편광 독립성 및 주변 환경 변화에 대한 안전성과 같은 많은 장점을 제공한다. 스위치 소자에 손실이 없고 입력 전력의 100%가 소망하는 출력 포트로 이송되기만 한다면, 열광학 스위치를 2×2 어레이에 결합함으로써 대규모 매트릭스 광학 스위치가 실현될 수 있다. 그러나, 실제의 스위칭 소자에 있어서는 출력 포트간의 손실 불균형 및 누화(cross-talk)를 포함한여러가지 문제점이 발생한다. 이러한 효과들을 극복하기 위해 전형적으로 더미 스위치가 사용된다.
본 발명에 따르면, 마크 젠더 간섭계 스위치는 전파 지연을 변경하기 위해 본 발명의 고속 응답 시간/소지역 박막 열전기 장치를 사용할 수 있다. 본 발명에 따르면, 열전기적으로 가열/냉각된 박막 열전기 소자는 필요한 스위칭 기능을 얻기 위해 실리카 도파관에 부착된다. 도파관 스위치는 도파관에 교차 접속될 수 있다. 도파관의 각 구역은 굴절율을 변화시켜서 광학적 통로 길이에 영향을 주고 그에 따라서 건설적 간섭이 발생하는지 또는 파괴적 간섭이 발생하는지를 결정하도록 가열 또는 냉각될 수 있다. 본 발명의 박막 열전기 소자는 수십 ㎲(도 5 참조) 또는 그 이하에서 스위칭될 수 있다. 종래의 열광학 스위치에 비하여 본 발명의 열전기 냉각기에 결합된 전기-열 마크 젠더 광학 스위치는 2차원 내지 3차원의 개선이 기대된다. 예를 들어, 본 발명의 박막 열전기 장치에 의한 (전류의 반전에 의한) 온도의 반전성은 본 발명의 도파관 스위칭 소자의 속도를 더욱 증가시키기 위해 "소멸(quenching)" 모드에서 유리하게 사용될 수 있다.
한편, 동시 가열(하나의 간섭계 다리에서) 및 냉각(다른 간섭계 다리에서)은, 본 발명에 따르면, 스위칭 효율에서 미분 이득을 강화시킬 것이다. 이러한 이중 온도 전기-열 마크 젠더 광학 스위치는 전형적으로 사용되는 더미 스위치의 수를 현저하게 감소시킬 것이다. 이러한 감소에 의해 손실이 감소되고 주기적인 섬유 증폭의 필요성이 감소된다.
본 발명의 박막 고속 응답 시간/소지역 열전기 냉각/가열 장치는 종합체 광학 도파관 스위치에도 또한 결합될 수 있다. 프루오르화 중합체는 열광학 계수가 크다. 본 발명에 따르면, 이러한 큰 계수를 박막 열전기 장치에 의해 가열 및 냉각을 행하는 능력과 결합함으로써 저손실이고 대형인 평면 스위칭 네트워크를 생성한다. 열전기적으로 제어된 박막 열광학 스위치는 전기-열 광학 스위칭 네트워크로서 동작하여, 낮은 삽입 손실, 편광 불감성 동작, 장기간의 고체 신뢰성 및 대규모 집적의 적합성과 같은 장점들을 제공한다.
대규모 스위치는 스위칭 소자에서 큰 굴절율 변화를 필요로 한다. 이러한 필요성은 스위칭 현상이 실온 변화 때문에 잡음으로부터 구분될 수 있기 전에 평균적인 실온 행정을 초과하는 온도 행정이 실현되어야 한다는 것을 의미한다. 종래의 열광학 스위칭에서와 같은 가열은, 집적된 광학 시스템 내의 다른 부품들에 대하여 높은 가열 온도가 바람직하지 않기 때문에, 상기와 같은 큰 온도 행정을 실현하기 위한 매력적인 방법이 되지 못한다. 그러나, 냉각과 가열을 동시에 결합하면 큰 온도 차이를 달성할 수 있다. 예를 들어, 중합체 도파관에서와 같이, dn/dT∼1e-4K-1의 열광학 계수에 대하여, 0.75% 굴절율 차분 도파관(즉, 0.75%-D 도파관)을 얻기 위하여 대략 75℃의 가열(실온이 25℃인 경우 약 100℃의 고온점을 의미함)이 필요하다. 이 0.75%-D 도파관은 8×8 스위칭 매트릭스에 대하여 사용될 수 있다. 대략 동일한 신뢰성 및 성능 손실을 갖는 것에 대해서는 1.5%-D 도파관과 16×16 매트릭스가 필요하다. 이것은 dn/dT∼1e-4K-1에 대하여 175℃의 고온점과 25℃의 기준점을 의미한다. 그러나, 큰 온도차를 생성하기 위해 동시 가열 및 냉각을 사용하면, 더낮은 "고온" 점이 실현될 것이다. 예를 들어, 0.75%-D 도파관에 있어서는 50℃의 고온점과 -25℃의 냉점이 본 발명의 열전기 냉각/가열 장치에 대하여 언제 어디서든 사용될 수 있다. 이와 유사하게, 1.5%-D 도파관에 있어서는 100℃의 고온점과 -50℃의 냉점이 본 발명의 열전기 냉각/가열 장치에 대하여 언제 어디서든 사용될 수 있다. 적어도 16×16 스위칭 매트릭스를 생성하기 위해 혼합 냉각/가열 열전기 장치를 사용하면 1.5%-D 이상의 도파관도 실현가능하다. 동일한 유도 굴절율 변화에 대하여 "더 낮은" 고온 절대 온도를 사용하면, 중합체 물질의 고온 퇴화를 회피하여 이 응용에서 사용될 수 있는 전기 광학 물질의 범위를 개설한다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명의 고속 응답 시간/소지역 열전기 냉각/가열 박막 기술은 광전기 회로에 적용된다. 모든 광학적 네트워킹에 대한 하나의 기술 인에이블러(technology enabler)는 다중 파장 기재로서 알려진 부품이다. 그렇지 않으면, 강한 능력을 제공하기 위하여 광범위한 파장 선택적 라우팅 및 추가/삭제 능력이 필요하고, 따라서 그 실시에 비용이 든다.
광학 네트워크 층 계급을 설계하고 전개하는 능력은 웨이퍼상의 모든 레이저가 동일한 방출 파장 및 레이징 특성을 갖는 종래의 처리에 의해 제한되고 있다. 한가지 방법은 에르븀이 도핑된 섬유 증폭기의 1530nm 내지 1560nm의 이득 대역폭 내에서 상이한 방출 파장을 갖는 다이오드 레이저(예를 들면, 분산 피드백 DFB 레이저)를 단일 웨이퍼상에서 제조하고, 0.01nm 이하의 증분으로 그레이팅 피치를 제어하는 것이다. 그레이팅 피치의 제어는 크게 완화될 수 있어서, 만일 (전기-열 점 냉각/가열 제어를 이용한) 온도 변화가 그레이팅 제어와 결합된다면 장치의 수율을더 크게 할 수 있다. 온도 변화는 레이저의 활성 영역에서의 레이징 반도체 물질의 밴드갭을 변화시키고, 그 다음에 레이징 파장을 제어한다. 예를 들어, 주변으로부터 30K 가열 또는 냉각은 파장을 약 15nm만큼 변화시킨다. 따라서, 30K 냉각으로부터 30K 가열로 변화시키면 30nm의 파장 시프트를 생성할 것이다. 따라서, 다중 파장 레이저 응용에 대한 다중 파장 하이브리드 전기-열 점 온도 제어된 DFB 레이저는 본 발명에 의해 실현되어 활성 파장 시프트를 가능하게 한다.
수직 공동 표면 방사 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser; VCSEL)는 한정이 잘된(well-confined) 원형 표면 방사가 광섬유에 대한 쉽고 효율적인 결합과 호환될 수 있고, 장치를 패키징하기 전에 웨이퍼 레벨에서 미리 테스트할 수 있다는 사실 때문에 광전자 응용에 잘 적합된다. VCSEL 및 VCSEL을 기반으로 하는 장치에 대해서는 미국 특허 제6,154,479호에 개시되어 있으며, 그 전체 내용은 인용에 의해 이 명세서에 통합된다. VCSEL은 웨이퍼 규모 제조와 호환될 수 있다. 여기서 다시, 전기-열 점 냉각/가열 제어는 활성 레이징 물질의 밴드갭을 제어하여 다중 파장을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 다중 파장 전기-열 점 온도 제어된 레이저는 본 발명의 다중 파장 전기-열 점 온도 제어된 VCSEL에 의해 실현된다. 대지역 VECSEL 장치는 약 0.01 내지 0.02㎠이다. 이러한 장치의 점 냉각은 본 발명의 열전자 장치에 의해 달성될 수 있다.
모든 광학 네트워킹을 위한 다른 기술 인에이블러는 광학 네트워크의 캐리어가 요구하는 페이로드 투명성(payload transparency)에 대한 파장 변환 능력이다. 다중 파장 하이브리드 전기-열 점 온도 제어된 DFB 레이저 및 본 발명의 다중 파장전기-열 점 온도 제어된 VCSEL은, 마크 젠더 광학 스위치, 감쇠기 및 필터의 전기-열 점 가열/냉각과 함께, 파장 동작 및 파장 시프트 동작에 유연성을 부여할 것이다. DFB 레이저를 포함한 광학 부품을 광학 스위칭 네트워크에 집적시키는 것은 미국 특허 제6,072,925호에 개시되어 있으며, 이 문서의 전체 내용은 인용에 의해 이 명세서에 통합되는 것으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 본 발명의 열전기 장치는 고속 열모세관 스위치의 동작을 가능하게 하는 열모세관 광학 스위치와 열적으로 접촉한다. 열모세관 스위치는 슬릿 내의 기포로 유체를 밀봉한다. 열모세관 및 기포 스위치에 대해서는 미국 특허 제6,062,681호에 개시되어 있으며, 이 문서의 전체 내용은 인용에 의해 이 명세서에 통합된다. 전형적으로 슬릿의 어느 일단에 있는 히터는 유체 내의 기포를 일측으로부터 열원으로부터 멀리 떨어진 측으로 이동시켜서 광학 통로를 조종하고, 그에 따라서 광학적 게이트를 달성한다. 수동 마이크로 히터를 본 발명의 능동 열전기 장치(전류 방향을 전환함으로써 가역적으로 냉각될 수 있는 것)로 교체함으로써, 스위칭 속도가 증가된다. 본 발명의 점 냉각 및 고속 응답성 열전기 장치로 슬릿을 증가시키면 스위칭 효율이 증가하고 광학적 손실이 더 낮아진다. 따라서, 고속 열모세관 스위치는 동일한 광학적 손실을 갖는 오늘날 이용가능한 것보다 더 많은 수의 포트를 사용할 수 있다. 광학적 손실을 줄임으로써, 본 발명의 고속 열모세관 스위치는 네트워크 파괴 주변의 트래픽을 라우팅하는 보호 스위치 이외의 용도로 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 본 발명의 열전기 장치는 버블젯 광학 스위치와 열적으로 접촉하여 고속 버블젯 스위치의 동작을 가능하게 한다. 버블젯 스위치는 도파관의 각 교차점에서 작은 홀을 포함하고, 이 홀에는 도파관의 굴절율과 동일한 굴절율을 갖는 유체가 채워져 있다. 그 결과, 빛은 마치 트렌치가 없는 것처럼 각 교차점을 통과한다. 그러나, 유체를 미세 가열함으로써, 교차점에는 작은 기포가 형성되고 광학 신호를 다른 하나의 통로 아래로 전환시킨다. 수동 마이크로 히터를 (전류 방향을 전환시킴으로써 가역적으로 냉각될 수 있는) 본 발명의 능동 열전기 장치로 교체함으로써 스위칭 속도가 증가된다. 점 냉각 및 가열과 적합하게 그러한 도파관을 증가시킴으로써 스위칭 효율이 증가될 수 있고 광학적 손실이 더 적게 한다.
다른 실시예에서, "미들 웨이퍼" VCSEL 칩을 파장 선택/제어용의 일측에서 전기-열 점 냉각/가열 박막 열전기 칩과 일체식으로 통합하고 방향성 결합/전환/감쇠 기능용의 다른 측에서 다른 하나의 전기-열 점 냉각/가열 박막 열전기 칩과 일체식으로 통합하는 3-기재 샌드위치가 본 발명에 의해 실현될 수 있다.
또다른 실시예에 있어서, 본 발명의 전기-열 점 냉각/가열 열전기 기술은, 본 발명에 따르면, 광전자 모듈과 통합될 수 있다. 예를 들어, 전형적인 VCSEL 기반의 송수신기 모듈은 바이어스 회로, 레이저 드라이버, 모니터 다이오드, VCSEL 어레이, 출력용 광학 커넥터, 입력용 광학 커넥터, 광검출기, 전치 증폭 회로, 및 후치 증폭 회로를 구비한다. 본 발명의 전기-열 점 냉각/가열 칩을 사용하면 칩 상의 상기 많은 부품들의 성능을 개별적으로 최적화시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 본 발명의 열전기 장치의 고속 점 온도 제어는 일렉트로홀로그래픽 광학 스위치에 열적으로 결합된다. 본 발명에 따르면, 일렉트로홀로그래픽 광학 스위치는 패킷 스위칭 광학 네트워크에서 칼륨 리튬 탄탈산염 니오브산염(KLTN) 결정을 포함할 수 있다. 전형적으로, KLTN 결정은 그 크기가 약 2mm×2mm×1.5mm이다. 종래의 벌크 열전기 기술은 이러한 작은 결정에서 냉각을 달성하기에는 덜 적합하다. R. Hofmeister 등의 Physical Review Letters, vol.69, pp.1459-1462, (1992)에는 KLTN 결정이 약 -23℃의 온도로 냉각되어 일렉트로홀로그래픽 광학 스위칭의 기초인 2차 전기 광학 효과를 증대시킬 수 있는 것으로 개시되어 있으며, 상기 문서의 전체 내용은 인용에 의해 이 명세서에 통합되는 것으로 한다. 2차 전기 광학 효과는 -23℃인 유전체 패러일렉트릭 천이 온도에 접근함에 따라 극적으로 증가한다. 일렉트로홀로그래픽 광학 스위치에서 높은 회절 효과 또는 전기 광학 효과를 달성하기 위한 KLTN 결정의 냉각은 스위칭 네트워크에서의 대전압의 필요성을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, KLTN 결정에서, 5%의 회절 효과로 유도하는 동일한 2차 전기 광학 효과에 대하여, 21℃에서는 거의 1500 V/cm의 전계가 필요하고, -15℃에서는 단지 250 V/cm의 전계가 필요하다. 따라서, 두께가 1.5mm인 주어진 결정에 있어서, 전계의 제공을 위해 필요한 DC 전압은 약 225V에서 약 38V로 저하된다. 본 발명에 따르면, 예컨대 0.1mm×0.1mm 크기의 면적을 갖는 점 냉각 KLTN 결정은 원하는 전계를 생성하기 위해 작은 전압을 사용할 수 있게 한다. 작은 전압은 시스템 실현의 관점에서 매력적이다.
또한, 열 팽창 효과는 공간 전하의 공간 분포로서 저장된 체적 홀로그램의 저장을 복잡하게 한다. 본 발명의 열전기 냉각 기술의 일렉트로홀로그래픽 광학 스위치에서 KLTN 결정의 온도 안정화는 KLTN 결정에 의해 스위칭되는 각종 파장의 고해상도(즉, 최소의) 스페이싱을 가능하게 한다. 이 스페이싱의 해상도가 더 높아지면 높아질수록 고밀도 파장 분할 다중화(DWDM) 네트워크에서 정확히 스위칭될 수 있는 파장의 수가 더 많아진다. 유사하게, 본 발명에 따르면, 공간 전하의 공간 본포를 변화시키기 위하여 온도 제어가 사용되고, 이것에 의해 홀로그래픽 그레이팅을 특수한 파장에 동조시킨다. 따라서, 본 발명의 열전기 냉각 기술에 의해 제공된 가변 온도 제어에 의한 동일한 물리적 그레이팅은 DWDM 광학 네트워크에서 페이로드 투명성을 위해 필요한 파장 변환을 가능하게 한다. 도 15는 본 발명의 열전기 장치(1504)에 배치된 다중 파장 VCSEL 어레이(1502)의 개략도이다. 도 16은 본 발명의 열전기 장치(1604)에 배치된 전기 홀로그래픽 라우터 스위칭 매트릭스(1602)의 개략도이다.
본 발명의 또다른 실시예에 있어서, 본 발명의 열전기 장치의 소지역/고속 응답 시간은 패러일렉트릭 제도(paraelectric regime)에서 다른 전기 광학 결정 동작을 제어하기 위해 사용된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 본 발명의 열전기 장치의 소지역/고속 응답 시간은 전자 모듈에서 사용되어, 예컨대 전자 모듈 상의 다이오드, 커패시터, 인덕터, 필터 네트워크, 메모리 칩, 또는 CPU 칩 등의 이산 모듈 부품들의 온도를 선택적으로 냉각시키거나 제어한다.
또다른 실시예에 있어서, 본 발명의 고속 응답 시간/소지역 박막 열전기 냉각 장치는 군인, 군사 시스템, 및 IR 촬상 장치에 의해 스캔되는 상업 시스템의 식별 태그로서 사용될 수 있다. 고속 응답 시간/소지역 냉각 장치는 (도 2에 도시된 것처럼) 특정 순서로 배열되어 고속 응답 시간 IR 태그를 생성할 수 있다. 이 IR 태그는 신호를 수신할 때에만 동작하도록 제조될 수 있다. (도 2에 도시된 것처럼) 국소화된 고온 또는 저온 지점에 기초한 이들 태그는, 본 발명에 따르면, 디지털화, 암호화, 및 안전한 전자 송신을 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 본 발명의 고속 응답 열전기 장치는 세포 및 분자 공학의 응용에 사용된다. 그래서, 본 발명의 열전기 장치는 미세 수술에서 사용되는 프로브 및 보철과 생체 조직 프로브에서의 정확한 온도 제어를 제공한다. 크기 및 제어와 관련하여, 세포 및 분자 레벨에 대하여 점 냉각 또는 가열을 실시하기 위한 특정 설계는 예시적인 목적으로 아래에서 보여준다. 또한, 본 발명의 특수한 응용예가 설명된다.
도 11은 표본(1106)의 단일 세포(1104)와 국부적으로 접촉하는 본 발명의 열전기 프로브(1102)의 개략도이다. 도 11에 도시된 것은 크기가 약 50㎛인 세포의 일예이다. 본 발명에 의해 인에이블되는 양호한 범위인 0.1∼2000 W/㎠의 플럭스 레벨에서 점 냉각 또는 가열을 얻는 능력은 다른 세포 영역을 처리하는 동안 예컨대 세포의 핵과 같은 특정 영역을 "저온" 또는 "고온"으로 유지하는데 사용될 수 있다. 유사하게, 세포의 다른 부분은 핵의 화학적 성질이 피하 주사 바늘로 조작될 때에 저온 또는 고온으로 유지될 수 있다.
본 발명의 열전기 모듈(1200)은 예를 들면 캔틸레버로서 스프링 코일을 이용하여 세포 핵의 특정 지점과 열적으로 접촉하고, 냉각/가열 모듈은 세포의 상기 특정 지점들을 냉각하거나 가열한다. 도 12는 단일 세포(1104)와 접촉하는 캔틸레버(1204)를 이용한 본 발명의 나노 규모 열 변환기(1202)의 개략도이다. 캔틸레버를 설치함으로써, 나노미터 범위의 매우 작은 치수에 접근하는 팁(1206)은 정교한 세포 부분에서 더 낮은 하향 힘을 부여하여 왜곡 및 세포 손상을 줄이는 매우 유연한 스타일러스(stylus)이다. 튜브(1208)는 세포(1106)에 구성물을 제공하여 표본(1106)과 화학적 또는 생물학적 반응을 유도할 수 있다.
본 발명의 캔틸레버는 원자력 현미경(AFM)용으로 이 기술 분야에서 알려져 있는 구성과 유사하다. 본 발명의 캔틸레버는 1 N/m의 스프링 상수보다 더 낮은 약 0.1 N/m의 스프링 상수를 갖는다. 본 발명에 따르면, 열전기 냉각/가열 장치 또는 모듈을 캔틸레버, 특히 AFM에서 사용되는 것과 유사한 캔틸레버와 통합함으로써, 생체 조직, 세포, 및 예컨대 나노 셀프 어셈블리와 같은 나노 기술에서의 다른 원자 규모 구조의 "나노미터 크기의 온도 제어"를 제공한다.
스프링의 공진 주파수는
로 주어지고, 여기에서 K는 스프링 상수이고, M은 스프링의 질량이다.
따라서 AFM 이미지와 대조적으로, 본 발명의 나노열 변환기(또는 프로브)에서 고속 촬상을 위한 공진 주파수를 높게 유지하기 위해 (낮은 스프링 상수 외에) 낮은 질량이 또한 요구될 때, 만일 스캔 모드에서 사용되지 않으면 더 높은 질량의 스프링이 이용가능하다.
특정의 세포간 지점을 점 냉각 또는 가열하는 것 외에, 본 발명의 나노열 변환기는 개별적인 DNA 유전질 및 예컨대 당, 단백질 등의 대분자 가닥과 같은 다른 분자의 조작을 위해 사용될 수 있다. 이 나노열 변환기는 반응 화학을 제어할 수 있고, 따라서, (예컨대 리보 핵산 RNA와 같은) 반응 조정자의 반응 화학을 제어함으로써 예컨대 당 및 단백질의 반응을 제어하는 것과 같은 대규모 분자 구조 및 소규모 분자 구조의 생물학적 처리를 제어할 수 있으며, 이것에 의해 유전자 공학에 다른 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 분자 레벨 열량 측정의 연구를 가능하게 한다. 본 발명의 이 실시예에 있어서, 반응의 열은 단열 시스템에서 나노열 변환기를 통해 전송되고, 열전기(TE) 장치에 열 부하로서 인가된다. TE 장치를 통한 고정 전류에 대하여, 여분의 열부하는 TE 장치를 가로질러 존재하는 차분 온도(ΔT)를 특정량만큼 감소시킨다. 차분 온도(ΔT)의 감소는 장치를 통한 펠티에 성분 전압의 감소로 변환된다.
분자 반응은 특정 시간 기간동안 진행된다. TE 장치의 전압이 더 빨리 측정될 수 있으면, TE 장치는 감응성이 더 좋아질 것이다. 이것은 반응으로부터의 고정된 열속(heat flux)에 있어서 더 작은 크기의 열전기 소자로서 더 많은 ΔT가 발생되어 이하에서 설명하는 바와 같이 단일 분자 반응에 의해 유리되는 열에 접근하는 감응성을 허용하기 때문에 더 작은 열전기 소자 영역을 필요로 한다.
도 13은 혼성된 DNA 쌍(1304)과 같은 대분자 구조의 특정 지점에 접촉하는 나노 규모 캔틸레버(1302)를 이용하는 본 발명의 나노 규모 열 변환기를 나타내는 개략도이다. 나노열 변환기(즉, 캔틸레버)에 필요한 물질은 높은 열 전도성 및 낮은 열 방사성을 갖는 물질을 포함하고, 아마도 다이아몬드 같은 물질이 좋은 것으로 생각될 수 있다. 예를 들면, 0.75 내지 20 W/cm-K 범위의 열전도성과 0.3 이하의 방사성이 나노 규모 열 변환기에 적합하다.
스프링 상수는 필요한 주파수 응답의 함수이다. 예를 들면, 높은 공간 해상도를 갖는 분자 열량 측정 및 스캔 모드 열량계에 대하여 저밀도 물질 외에 스프링 상수가 낮은 물질이 사용된다. 예를 들면, 다이아몬드(예컨대, 2.25 g/㎤) 또는 알루미늄(예컨대 2.7 g/㎤) 같은 저밀도 물질(즉,3.0 gm/㎤ 이하)이 본 발명에 양호하다.
혼성 DNA 쌍의 팁에서 분자 조각이 부착된 나노 규모 열 제어의 예는 도 14에 개략적으로 도시되어 있다. 도 14는 소규모 영역으로부터 방출된 열을 검출하기 위한 본 발명의 장치를 개략적으로 도시한 것이다. 이 장치는 도 13의 장치와 유사하지만, 열전기 모듈(1200)에 정전류를 전달하도록 구성된 정전류원을 포함하고 있다. 도 14에 도시된 샘플 또는 표본은 유기 생물학적 샘플이다. 그러나, 본 발명은 무기 샘플로부터 방출된 열의 열량 결정 뿐만 아니라 열을 국부적으로 발생하거나 소산시키는 다른 장치에 적용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고 전력 밀도(또는 고 전력속) 박막 열전기 장치(열 펌프로서)와 AFM 팁형 나노열 변환기의 혼합체를 이용하여 나노 규모 또는 분자 레벨에서 온도를 제어하는 능력이 나노 규모 또는 분자 레벨 또는 작은 기하학적 구성(체적)에서 반응 열의 측정을 가능하게 한다.
도 14의 열전기 장치를 통한 총 전압(VT)은 다음과 같다.
VT≒VR+VO
여기에서 VT는 측정된 총 전압이고, VR은 오믹 성분이며, VO는 펠티에 성분이다.
또한 VT≒IR+αeffΔT 이고,
여기에서 R은 열전기 모듈의 "오믹" 저항이고, I는 열전기 장치를 통하여 공급된 정전류이며, αeff은 열전기 모듈의 유효 제베크(Seebeck) 계수이다. 예를 들면, m개의 'p' 요소와 m개의 'n' 요소를 포함하고 각각 αp와 αn을 갖는 모듈은 αeff≒m(αp+αn)으로 될 것이다.
이 식들을 조합하면, (VT-IR) = αeffΔT = VO
따라서, 상기 식에서 VT를 측정하고, I와 R과 αeff를 알면 ΔT가 구해진다. 열전기 모듈의 R과 αeff는 공지값에서의 온도 변화를 보상하도록 표준 기술에 의해 독립적으로 측정될 수 있다.
따라서, ΔT = (VT-IR)/αeff. (5)
에너지 균형을 고려하면, 열류 Q는 다음과 같이 주어진다.
Q = πI - ½I2R - KΔT, (6)
여기에서 π는 모듈의 펠티에 계수이고 K는 k (a/l)eff로 주어지는 모듈의 열 전도성이며, 여기에서 k는 열 전도도이고, (a/l)eff는 열전기 장치의 길이(l)에 대한 폭의 유효 종횡비이다. 식 (5)와 (6)에서, k를 알고 ΔT(및 이에 따른 VT)를 측정함으로써, Q가 또한 구해질 수 있다.
따라서, Q는 도 14에 도시된 바와 같은 반응존으로부터 단위 시간당 방출되는 열을 나타낼 수 있다. 열손실은 항상 발생한다는 것에 주목한다. 또한, 본 발명에 따르면, Q를 구하기 위하여 차동 열량 측정을 사용할 수 있다.
배경으로부터 캔틸레버 프로브상의 검출 가능한 열부하가 Q1열류인 제1 정상상태 조건을 고려하면,
ΔT1= (VT1-IR)/αeff
Q1= πI - ½I2R - KΔT1
정상상태 열부하와 단위 시간당 반응열을 고려하면,
ΔT2= (VT2-IR)/αeff
Q2= πI - ½I2R - KΔT2
특정 전류 I에 대하여 VT1과 VT2를 측정하고, 작은 온도 변화에 대하여 π, k, αeff, R이 크게 변하지 않는다고 가정하면, 반응열은 다음과 같이 구해진다.
모든 반응이 발열성이고, 단열 조건이라고 가정하면, 모든 열은 나노열 변환기에서 방출될 것이다. 따라서, 열전기 모듈을 통한 정전류 I에 대하여, 모듈을 통한 ΔT는 외부 열 부하에 따라 감소할 것이다. 따라서,
ΔT1-ΔT2≒{(VT1-IR)/αeff}-{(VT2-IR)/αeff} = (VT1-VT2)/αeff
반응열 'Q0'로 규정되는 Q2-Q는;
≒ -KΔT2+KΔT1
≒ K(ΔT1-ΔT2)
≒ K(VT1-VT2)/αeff
그러므로, A에서 생성되고, 와트 또는 Joule/sec로 측정한 열전기 모듈에서 차동 전압에 의해 측정한 발열 반응기의 열인 Q0는 K(VT1-VT2)/αeff이다.
K가 작고 αeff가 크며 VT1-VT2가 작으면 측정된 Q0는 작아진다. 즉, K가 더 작고 αeff가 더 크며 [VT1-VT2]가 더 작으면 더 정확한 Q0가 측정될 수 있다.
예를 들어, 주울 또는 칼로리로 표준 "반응열"을 측정하기 위해서는 시간의 함수로서 적분을 행하여야 한다.
j0= 반응에서 방출된 에너지 =
전형적으로, 3 내지 4의 시상수(tR)에 걸쳐서 지속되는 반응은 그 기간동안VT를 변화시킬 수 있다.
따라서,
본 발명의 박막 열전기 장치의 고속 시간 응답은 반응의 총 열인 Jo를 정확하게 결정할 수 있게 한다. 또한, 박막 모듈의 고속 시간 응답은 본 발명의 열전기 장치가 반응의 시간 의존 응답을 학습할 수 있게 한다.
만일 열 전도도 k가 예컨대 10 mW/cm-K이면,
a/l= 2×10-3이고,
막의 두께가 5㎛이고, 장치의 면적이 10㎛×10㎛이라고 가정하면,
1 p와 1 n 요소에 대하여 αeff=500μV/K 이며,
ΔVT=1μV의 정확성을 가정하면, Q0의 정확성은 4×10-8W이다. 3tR≒50㎲인 경우에, J0의 추정치는 100×10-14주울 또는 약 1pJ이다. 더 많은 p와 n 요소는 αeff를 증가시킬 수 있고, 그러므로 측정된 Q0의 감도가 증가한다.
본 발명에 따르면, 1㎛×1㎛ 열전기 소자이고, ΔVT의 정확성이 1nV이며, 개선된 잡음 저감 기술이고 디지털 신호 처리인 경우에, 측정 가능한 J0의 하한 추정치는 1×10-17주울 또는 1/100th펨토주울이다.
반응중에 각 분자에 의해 방출된 열과 비교해서
반응열=150 Kcal/mole
=150 × 1000 × 4.18 Joules/mole이라고 가정하면,
Jmolecule≒1 × 10-18Joules/molecule
따라서, 측정된 반응열의 하한은 J0가 1×10-17주울이라는 사실로부터 단지 약 10 분자의 반응을 구성한다는 것을 예상할 수 있다.
또한, 0.1 nV를 측정할 수 있는 0.5㎛×0.5㎛ 열전기 소자는 3tR을 약 30 ㎲로 감소시킬 수 있다. 결국,
따라서, 그러한 소규모 열전기 소자에 의해, 감도는, 150 kcal/mole 반응 또는 아마도 22.5 Kcal/mole 이하를 가정해서, 약 1 분자의 반응에 의해 발생된 열속의 측정을 쉽게 한다. 각 모듈의 더 낮은 반응열조차도 더 큰 αeff및/또는 더 많은 열전기 소자 및/또는 감도가 더 양호한 설비를 이용하여 측정할 수 있다.
상기 설명에 비추어 본 발명의 많은 수정 및 변화가 가능하다. 그러므로, 첨부된 청구범위에 기재된 범위 내에서 본 발명은 상기 구체적으로 설명한 것과 다르게 실시될 수도 있음을 이해하여야 한다.

Claims (141)

  1. 열전기 냉각 및 가열 장치에 있어서,
    기재와,
    상기 기재의 일측에 배열되고 선택적 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수개의 열전기 소자를 포함하고, 상기 열전기 소자는,
    열전기 물질과,
    열전기 물질과 접촉하고, 통전시에 가열 접합과 냉각 접합 중의 적어도 하나를 형성하도록 구성된 펠티에 접점과,
    상기 열전기 물질과 상기 펠티에 접점을 통해 전류를 제공하도록 구성된 전극을 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열전기 물질은,
    n형 열전기 물질과;
    p형 열전기 물질을 포함하며, 상기 펠티에 접점은 전극이 펠티에 접점의 반대측인 n형 열전기 물질의 일측 및 펠티에 접점의 반대측인 p형 열전기 물질의 일측에 접촉하도록, n형 열전기 물질과 p형 열전기 물질을 축소(abridging)하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 열전기 소자 각각의 전극을 상기 냉각 접합을 형성하는 제1 방향 및 상기 가열 접합을 형성하는 제2 방향 중 적어도 한 방향으로 선택적으로 바이어스 하도록 구성된 제어기를 더 포함하는 열전기 냉각 및 가열 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 복수개의 열전기 소자에 접촉하는 표면 헤더를 더 포함하고, 상기 표면 헤더는 표면 헤더의 평면을 따른 측방향 열 전도성보다 더 높은 상기 표면 헤더의 두께를 통한 가로 열 전도성을 갖는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 표면 헤더는 낮은 열 전도성 매트릭스 내에 높은 열 전도성 물질을 포함하고, 표면 헤더의 높은 열 전도성 물질이 열전기 소자와 정렬하도록 어레이 그리드에 따라 패턴화된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  6. 제2항에 있어서, n형 열전기 물질과 p형 열전기 물질은 둘다 두께가 10 ㎛ 이하인 박막 열전기 층들을 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  7. 제2항에 있어서, n형 열전기 물질과 p형 열전기 물질은 둘다 고 ZT 열전기 물질을 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 ZT 열전기 물질은 규칙 격자 구조의 박막 물질을 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 규칙 격자 구조의 박막 물질은 Bi2Te3계의 규칙 격자 물질, Si/Ge 규칙 격자 물질 및 PbTe 계의 규칙 격자 물질 중 적어도 하나를 포함한 고 ZT 물질을 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 박막 열전기 물질은 마이크로 전자식으로 패턴화된 박막 열전기 물질을 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  11. 제1항에 있어서, 열전기 소자와 열적으로 접촉하고, 생물학적 물질을 수납하도록 구성된 패치 어레이를 구비한 리셉터클을 더 포함하는 열전기 냉각 및 가열 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 리셉터클의 패치는 열전기 소자와 정렬되는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 패치는 크기가 1∼500 ㎛이 되도록 석판술로 패턴화되는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 생물학적 물질은 게놈 분석을 위한 DNA 물질을 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  15. 제11항에 있어서, 상기 생물학적 물질은 프로테옴 분석을 위한 단백질을 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  16. 제11항에 있어서, 상기 열전기 소자는 상기 생물학적 물질을 가열하거나 냉각하는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  17. 제16항에 있어서, 패치는 생물학적 물질로서 단가닥 DNA를 수납하도록 구성되고, 열전기 소자는 다형성 구조의 단가닥 DNA의 온도를 제어하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 열전기 소자는 DNA 이중 나선 물질을 가열하거나 냉각하는 것 중 적어도 하나를 수행하여 단가닥 DNA 물질을 형성하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 열전기 소자는 DNA 화학적 성질, DNA-RNA 화학적 성질, 단백질 합성, 우성 유전자와 열성 유전자의 교차 변환 및 항체의 생성 중 적어도 하나를 전환하는 국소 열 발생 스위치를 제공하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  20. 제16항에 있어서, 패치는 DNA 물질로서 단가닥 DNA를 수납하도록 구성되고, 열전기 소자는 다형성 구조의 단가닥 DNA의 온도를 제어하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  21. 제16항에 있어서, 상기 열전기 소자는 1.0 ms 이하의 열 응답 시간을 갖도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 열전기 소자는 DNA 물질, 단백질 및 단백질 관련 DNA 중 적어도 하나를 포함한 생물학적 물질을 열 충격하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  23. 제11항에 있어서, 상기 제어기는 선택된 열전기 소자를 점 충전(spot-charge)하기 위하여 선택된 열전기 소자에 옵셋 전압을 제공하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 열전기 소자는 생물학적 물질을 가열하거나 냉각하는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 열전기 소자는 1.0 ms 이하의 열 응답 시간을 갖도록구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 열전기 소자는 DNA 물질, 단백질 및 단백질 관련 DNA 중 적어도 하나를 포함한 생물학적 물질을 열 충격하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  27. 제24항에 있어서, 상기 열전기 소자는 DNA 화학적 성질, DNA-RNA 화학적 성질, 단백질 합성, 우성 유전자와 열성 유전자의 교차 변환 및 항체의 생성 중 적어도 하나를 전환하는 국소 열 발생 스위치를 제공하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  28. 제24항에 있어서, 패치는 DNA 물질로서 단가닥 DNA를 수납하도록 구성되고, 열전기 소자는 다형성 구조의 단가닥 DNA의 온도를 제어하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  29. 제1항에 있어서, 열전기 소자와 열적으로 접촉하는 미세 수술 도구를 더 포함하고, 상기 미세 수술 도구는 미세 수술 도구와 접촉하는 생체 조직의 온도를 제어하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  30. 제1항에 있어서, 복수의 열전기 소자와 열적 접촉하고 온도 변화에 의해 광학 매체의 굴절율을 변화시키도록 구성된 열광학 위상 변환기를 더 포함하는 열전기 냉각 및 가열 장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 열전기 소자는 열광학 위상 변환기를 가열하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  32. 제30항에 있어서, 상기 열전기 소자는 열광학 위상 변환기를 냉각하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  33. 제30항에 있어서, 상기 열전기 소자는 열광학 위상 변환기의 온도를 순환시키도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 열전기 소자는 1.0 ms 이하의 열 응답 시간을 갖도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  35. 제30항에 있어서, 상기 열광학 위상 변환기는 실리카 유리보다 더 큰 열광학 계수를 가진 플루오르화 중합체를 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  36. 제1항에 있어서, 복수의 열전기 소자와 열적으로 결합되는 적어도 하나의ㅣ 레이저를 더 포함하며, 이 적어도 하나의 레이저는 적어도 하나의 레이저의 레이징주파수를 제어하도록 열전기 소자의 온도 변화에 의해 변환되는 밴드갭을 규정하는 반도체 물질을 갖는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  37. 제36항에 있어서, 상기 열전기 소자는 적어도 하나의 레이저를 가열하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  38. 제36항에 있어서, 상기 열전기 소자는 적어도 하나의 레이저를 냉각하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  39. 제36항에 있어서, 상기 열전기 소자는 적어도 하나의 레이저의 온도를 순환시키도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  40. 제39항에 있어서, 상기 열전기 소자는 1.0 ms 이하의 열 응답 시간을 갖도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  41. 제36항에 있어서, 상기 레이저는 수직 공동 표면 방사 레이저인 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  42. 제36항에 있어서, 상기 레이저는 분산 피드백 레이저인 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  43. 제1항에 있어서, 복수의 열전기 소자와 열 접촉하는 적어도 하나의 전자 부품을 구비한 집적 모듈을 더 포함하고, 상기 집적 모듈은 집적 모듈의 적어도 하나의 전자 부품의 온도를 제어하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  44. 제43항에 있어서, 상기 열전기 소자는 적어도 하나의 전자 부품을 선택적으로 가열하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  45. 제43항에 있어서, 상기 열전기 소자는 적어도 하나의 전자 부품을 선택적으로 냉각하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  46. 제43항에 있어서, 상기 열전기 소자는 적어도 하나의 전자 부품의 온도를 선택적으로 유지하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  47. 제43항에 있어서, 상기 집적 모듈은 전자 모듈을 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  48. 제47항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전자 부품은 다이오드, 커패시터, 인덕터, 필터 네트워크, 메모리 칩, 및 CPU 칩 중 적어도 하나를 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  49. 제43항에 있어서, 상기 집적 모듈은 광전자 모듈을 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  50. 제49항에 있어서, 상기 광전자 모듈은 바이어스 회로, 레이저 드라이버, 모니터 다이오드, VCSEL 어레이, 출력용 광 커넥터, 입력용 광 커넥터, 광검출기, 전치 증폭 회로, 후치 증폭 회로 중 적어도 하나를 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  51. 제43항에 있어서, 상기 집적 모듈은 적외선 촬상 어레이를 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  52. 제1항에 있어서, 복수의 열전기 소자와 열 접촉된 광학 스위치를 구비한 스위칭 광학 네트워크를 더 포함하고, 상기 스위칭 광학 네트워크는 스위칭 광학 네트워크의 광학 스위치의 온도를 제어하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  53. 제52항에 있어서, 상기 광학 스위치는 일렉트로홀로그래픽 광학 스위치를 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  54. 제52항에 있어서, 상기 일렉트로홀로그래픽 광학 스위치는 칼륨 리튬 탄탈산염 니오브산염 결정을 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  55. 제52항에 있어서, 상기 광학 스위치는 열모세관 스위치를 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  56. 제55항에 있어서, 상기 광학 스위치는 버블젯 스위치를 포함하는 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  57. 제1항에 있어서, 복수의 열전기 소자와 열 접촉된 마이크로 스트립 지연 회선을 구비한 셀룰러 통신 네트워크를 더 포함하고, 상기 셀룰러 통신 네트워크는 셀룰러 통신 네트워크의 마이크로 스트립 지연 회선의 온도를 제어하도록 구성된 것인 열전기 냉각 및 가열 장치.
  58. 생물학적 물질을 어레이상에 자체 조립하는 방법에 있어서,
    상기 어레이의 적어도 일부를 횡단하여 생물학적 물질을 증착하는 단계와;
    생물학적 물질의 제1 세트를 선택된 지점에 부착하기 위해 상기 어레이상의 선택된 지점을 냉각시키는 단계와;
    상기 선택된 지점에 교차 결합되지 않은 생물학적 물질을 분리시키기 위해 상기 선택된 지점을 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  59. 제58항에 있어서, 상기 냉각 단계와 상기 가열 단계 사이에, 상기 선택된 지점에 대한 교차 결합을 촉진시키기 위해 상기 부착된 생물학적 물질을 자외선광에 노출시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  60. 제58항에 있어서, 상기 냉각 단계 및 가열 단계는, 기재의 일측에 배열되어 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 구비한 열전기 냉각기로 선택된 지점의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  61. 제60항에 있어서, 상기 제어하는 단계는 냉각 접합을 형성하는 제1 방향 및 가열 접합을 형성하는 제2 방향 중 적어도 한 방향으로 열전기 소자 각각의 전극을 선택적으로 바이어스하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  62. 제58항에 있어서, 상기 냉각 단계는 생물학적 물질로서 적어도 DNA 가닥의 제1 세트와 단백질의 제1 세트를 부착하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  63. 제58항에 있어서, 상기 냉각 단계는 전하 결합과 이온 결합 중 적어도 한가지를 이용하여 생물학적 물질을 부착하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  64. 제63항에 있어서, 상기 부착 단계는 상기 냉각 단계 이전에 어레이상에 리진을 제공하는 단계와, 자외선광 노출을 이용하여 생물학적 물질을 상기 리진에 교차 결합하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  65. 제58항에 있어서, 선택된 지점에서 생물학적 물질을 모이게 하기 위해 선택된 소자를 바이어싱하는 단계를 더 포함하는 방법.
  66. DNA 혼성 방법에 있어서,
    DNA 어레이의 적어도 일부를 횡단하여 DNA 가닥의 제1 세트를 증착하는 단계와;
    DNA 가닥의 제1 세트를 선택된 지점에 부착하기 위해 DNA 어레이상의 선택된 지점을 냉각시키는 단계와;
    DNA의 부착된 가닥을 풀고 상기 선택된 지점에 교차 결합되지 않은 DNA 가닥을 분리시키기 위해 상기 선택된 지점을 가열하는 단계와;
    DNA의 부착된 가닥을 DNA 가닥의 제2 세트와 혼성시키는 단계를 포함하는 방법.
  67. 제66항에 있어서, 상기 냉각 단계와 상기 가열 단계 사이에, 상기 선택된 지점에 대한 교차 결합을 촉진시키기 위해 상기 부착된 DNA 가닥을 자외선광에 노출시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  68. 제66항에 있어서, 상기 냉각 단계 및 가열 단계는, 기재의 일측에 배열되어 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 구비한 열전기 냉각기로 선택된 지점의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  69. 제68항에 있어서, 상기 제어하는 단계는 냉각 접합을 형성하는 제1 방향 및 가열 접합을 형성하는 제2 방향 중 적어도 한 방향으로 열전기 소자 각각의 전극을 선택적으로 바이어스하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  70. 제66항에 있어서, 상기 냉각 단계는 DNA 가닥의 제1 세트를 전하 결합과 이온 결합 중 적어도 하나를 이용하여 부착하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  71. 제70항에 있어서, 상기 부착 단계는 상기 냉각 단계 이전에 어레이상에 리진을 제공하는 단계와, 자외선광 노출을 이용하여 DNA 가닥의 제1 세트를 상기 리진에 교차 결합하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  72. 제66항에 있어서, 선택된 지점에서 DNA를 모이게 하기 위해 선택된 소자를 바이어싱하는 단계를 더 포함하는 방법.
  73. 어레이상에서 생물학적 물질의 전기 영동 중에 온도를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 어레이의 적어도 일부를 횡단하여 생물학적 물질을 전기 영동으로 증착하는 단계와;
    생물학적 물질의 제1 세트를 선택된 지점에 부착하기 위해 전기 영동 중에 상기 어레이상의 선택된 지점을 냉각시키는 단계와;
    상기 선택된 지점에 교차 결합되지 않은 생물학적 물질을 분리시키기 위해 상기 선택된 지점을 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  74. 제73항에 있어서, 상기 냉각 단계와 상기 가열 단계 사이에, 상기 선택된 지점에 대한 교차 결합을 촉진시키기 위해 상기 부착된 생물학적 물질을 자외선광에 노출시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  75. 제73항에 있어서, 상기 냉각 단계 및 가열 단계는, 기재의 일측에 배열되어 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 구비한 열전기 냉각기로 상기 선택된 지점의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  76. 제75항에 있어서, 상기 제어하는 단계는 냉각 접합을 형성하는 제1 방향 및 가열 접합을 형성하는 제2 방향 중 적어도 한 방향으로 열전기 소자 각각의 전극을선택적으로 바이어스하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  77. 제73항에 있어서, 상기 냉각 단계는 생물학적 물질로서 적어도 DNA 가닥의 제1 세트와 단백질의 제1 세트를 부착하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  78. 제73항에 있어서, 상기 냉각 단계는 전하 결합과 이온 결합 중 적어도 한가지를 이용하여 생물학적 물질을 부착하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  79. 제78항에 있어서, 상기 부착 단계는 상기 냉각 단계 이전에 어레이상에 리진을 제공하는 단계와, 자외선광 노출을 이용하여 생물학적 물질을 상기 리진에 교차 결합하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  80. 제73항에 있어서, 선택된 지점에서 생물학적 물질을 모이게 하기 위해 상기 선택된 소자를 바이어싱하는 단계를 더 포함하는 방법.
  81. 광 도파관 스위칭 방법에 있어서,
    광 도파관 스위칭 소자의 선택된 지점에서의 온도를 제어하는 단계와;
    광 도파관 스위칭 소자의 굴절율의 변화에 의해 광 도파관 스위칭 소자에서의 빛의 방향을 광학적으로 스위칭하는 단계를 포함하는 광 도파관 스위칭 방법.
  82. 제81항에 있어서, 상기 온도를 제어하는 단계는 기재의 일측에 배열되어 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 구비한 열전기 냉각기로 온도를 제어하는 단계를 포함하는 것인 광 도파관 스위칭 방법.
  83. 제82항에 있어서, 상기 제어하는 단계는 냉각 접합을 형성하는 제1 방향 및 가열 접합을 형성하는 제2 방향 중 적어도 한 방향으로 열전기 소자 각각의 전극을 선택적으로 바이어스하는 단계를 더 포함하는 것인 광 도파관 스위칭 방법.
  84. 반도체 레이징 물질의 밴드갭의 변화를 통해 레이저 주파수를 변경하기 위해 반도체 레이징 물질의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 레이저 주파수 제어 방법.
  85. 제84항에 있어서, 온도를 제어하는 상기 단계는 기재의 일측에 배열되어 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 구비한 열전기 냉각기로 온도를 제어하는 단계를 포함하는 것인 레이저 주파수 제어 방법.
  86. 제85항에 있어서, 상기 제어하는 단계는 냉각 접합을 형성하는 제1 방향 및 가열 접합을 형성하는 제2 방향 중 적어도 한 방향으로 열전기 소자 각각의 전극을 선택적으로 바이어스하는 단계를 더 포함하는 것인 레이저 주파수 제어 방법.
  87. 적외선 이미지 생성 방법에 있어서,
    열전기 소자의 어레이를 제공하는 단계와;
    열전기 소자 어레이의 선택된 지점에서 온도를 제어하는 단계를 포함하는 적외선 이미지 생성 방법.
  88. 제87항에 있어서, 온도를 제어하는 상기 단계는 기재의 일측에 배열되어 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 제어하는 단계를 포함하는 것인 적외선 이미지 생성 방법.
  89. 제88항에 있어서, 상기 제어하는 단계는 냉각 접합을 형성하는 제1 방향 및 가열 접합을 형성하는 제2 방향 중 적어도 한 방향으로 열전기 소자 각각의 전극을 선택적으로 바이어스하는 단계를 더 포함하는 것인 적외선 이미지 생성 방법.
  90. 광 네트워크에서의 스위칭 방법에 있어서,
    광 네트워크의 선택된 지점에서 온도를 제어하는 단계와;
    광 네트워크의 버블젯 스위치와 열모세관 스위치 중 적어도 하나에서의 온도 변화에 의해 광 네트워크에서의 빛의 방향을 광학적으로 스위칭하는 단계를 포함하는 광 네트워크에서의 스위칭 방법.
  91. 제90항에 있어서, 상기 온도를 제어하는 단계는 기재의 일측에 배열되어 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 구비한 열전기 냉각기로 온도를 제어하는 단계를 포함하는 것인 광 네트워크에서의 스위칭 방법.
  92. 제91항에 있어서, 상기 제어하는 단계는 냉각 접합을 형성하는 제1 방향 및 가열 접합을 형성하는 제2 방향 중 적어도 한 방향으로 열전기 소자 각각의 전극을 선택적으로 바이어스하는 단계를 더 포함하는 것인 광 네트워크에서의 스위칭 방법.
  93. 셀룰러 통신을 개선하는 방법에 있어서,
    마이크로 스트립 지연 회선에 열적으로 접속된 열전기 소자의 어레이를 제공하는 단계와;
    셀룰러 통신 시스템의 마이크로 스트립 지연 회선의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 셀룰러 통신 개선 방법.
  94. 제93항에 있어서, 상기 온도를 제어하는 단계는 기재의 일측에 배열되어 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 구비한 열전기 냉각기로 온도를 제어하는 단계를 포함하는 것인 셀룰러 통신 개선 방법.
  95. 제94항에 있어서, 상기 제어하는 단계는 냉각 접합을 형성하는 제1 방향 및 가열 접합을 형성하는 제2 방향 중 적어도 한 방향으로 열전기 소자 각각의 전극을 선택적으로 바이어스하는 단계를 더 포함하는 것인 셀룰러 통신 개선 방법.
  96. 미세 수술 장치의 온도를 제어하는 방법에 있어서,
    미세 수술 장치에 열적으로 접속된 열전기 소자의 어레이를 제공하는 단계와;
    미세 수술 장치의 온도를 공간적으로 제어하는 단계를 포함하는 온도 제어 방법.
  97. 제96항에 있어서, 상기 온도를 제어하는 단계는 기재의 일측에 배열되어 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 구비한 열전기 냉각기로 온도를 제어하는 단계를 포함하는 것인 온도 제어 방법.
  98. 제97항에 있어서, 상기 제어하는 단계는 냉각 접합을 형성하는 제1 방향 및 가열 접합을 형성하는 제2 방향 중 적어도 한 방향으로 열전기 소자 각각의 전극을 선택적으로 바이어스하는 단계를 더 포함하는 것인 온도 제어 방법.
  99. 어레이상에 생물학적 물질을 자체 조립하는 시스템에 있어서,
    어레이의 적어도 일부를 횡단하여 생물학적 물질을 증착하도록 구성된 증착 장치와;
    선택된 지점에 생물학적 물질의 제1 세트를 부착하도록 어레이상의 선택된 지점을 냉각하는 수단과;
    상기 선택된 지점에 교차 결합되지 않은 생물학적 물질을 분리하도록 상기 선택된 지점을 가열하는 수단을 포함하는 시스템.
  100. 제99항에 있어서, 상기 냉각하는 수단 및 가열하는 수단은,
    어레이의 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 포함하는 열전기 냉각기와;
    상기 열전기 냉각기로 상기 선택된 지점의 온도를 제어하도록 구성된 제어 장치를 포함하는 것인 시스템.
  101. DNA 물질을 혼성하는 시스템에 있어서,
    DNA 어레이의 적어도 일부를 횡단하여 DNA 가닥의 제1 세트를 증착하도록 구성된 증착 장치와;
    선택된 지점에 DNA 가닥의 제1 세트를 부착하도록 DNA 어레이상의 선택된 지점을 냉각하는 수단과;
    DNA 의 부착된 가닥을 풀고 상기 선택된 지점에 교차 결합되지 않은 DNA 가닥을 분리하도록 상기 선택된 지점을 가열하는 수단과;
    DNA의 부착된 가닥과 DNA 가닥의 제2 세트를 혼성하는 수단을 포함하는 시스템.
  102. 제100항에 있어서, 상기 냉각하는 수단 및 가열하는 수단은,
    어레이의 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 포함하는 열전기 냉각기와;
    상기 열전기 냉각기로 상기 선택된 지점의 온도를 제어하도록 구성된 제어 장치를 포함하는 것인 시스템.
  103. 어레이상에서 생물학적 물질의 전기 영동 중에 온도를 제어하는 시스템에 있어서,
    어레이의 적어도 일부를 횡단하여 생물학적 물질을 전기 영동으로 증착하도록 구성된 증착 장치와;
    선택된 지점에 생물학적 물질의 제1 세트를 부착하도록 전기 영동 중에 어레이상의 선택된 지점을 냉각하는 수단과;
    상기 선택된 지점에 교차 결합되지 않은 생물학적 물질을 분리하도록 상기 선택된 지점을 가열하는 수단을 포함하는 시스템.
  104. 제103항에 있어서, 상기 냉각하는 수단 및 가열하는 수단은,
    어레이의 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의열전기 소자를 포함하는 열전기 냉각기와;
    상기 열전기 냉각기로 상기 선택된 지점의 온도를 제어하도록 구성된 제어 장치를 포함하는 것인 시스템.
  105. 제103항에 있어서, 상기 가열하는 수단은 생물학적 물질을 열 충격하도록 구성된 것인 시스템.
  106. 광 도파관 스위칭 시스템에 있어서,
    광 도파관 스위칭 소자의 선택된 지점에서 온도를 제어하도록 구성된 제어 장치와;
    광 도파관 스위칭 소자의 적어도 일부의 굴절율의 변화에 의해 광 도파관 스위칭 소자에서의 빛의 방향을 광학적으로 스위칭하도록 구성된 스위칭 장치를 포함하는 시스템.
  107. 제106항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 선택된 지점과 열적으로 접촉되고 스위칭 장치의 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 구비한 열전기 냉각기를 포함하는 것인 시스템.
  108. 레이저 주파수를 제어하는 시스템에 있어서,
    반도체 레이징 물질의 밴드갭의 변화에 의해 레이저 주파수를 변경하도록 반도체 레이징 물질의 온도를 제어하도록 구성된 제어 장치를 포함하는 시스템.
  109. 제108항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 반도체 레이징 물질과 열적으로 접촉되고 반도체 레이징 물질의 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 구비한 열전기 냉각기를 포함하는 것인 시스템.
  110. 적외선 이미지를 생성하는 시스템에 있어서,
    열전기 소자의 어레이와,
    상기 열전기 소자 어레이의 선택된 지점의 온도를 제어하도록 구성된 제어 장치를 포함하는 시스템.
  111. 제110항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 선택된 지점과 열적으로 접촉되고 어레이의 일측의 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 구비한 열전기 냉각기를 포함하는 것인 시스템.
  112. 광학 네트워크 스위칭 시스템에 있어서,
    광 네트워크의 선택된 지점에서 온도를 제어하도록 구성된 제어 장치와;
    광 네트워크의 버블젯 스위치와 열모세관 스위치의 적어도 하나에서의 온도 변화에 의해 광 네트워크에서의 빛의 방향을 광학적으로 스위칭하도록 구성된 적어도 하나의 스위칭 장치를 포함하는 시스템.
  113. 제112항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 적어도 하나의 스위칭 장치와 열적으로 접촉되고 상기 적어도 하나의 스위칭 장치의 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 구비한 열전기 냉각기를 포함하는 것인 시스템.
  114. 셀룰러 통신을 개선하는 시스템에 있어서,
    셀룰러 통신 시스템의 적어도 하나의 마이크로 스트립 지연 회선의 온도를 제어하도록 구성된 제어 장치를 포함하는 셀룰러 통신 개선 시스템.
  115. 제114항에 있어서, 상기 셀룰러 통신 시스템은 확산 스펙트럼 시스템인 것인 시스템.
  116. 제114항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 적어도 하나의 마이크로 스트립 지연 회선과 열적으로 접촉되고 상기 적어도 하나의 마이크로 스트립 지연 회선의 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 구비한 열전기 냉각기를 포함하는 것인 시스템.
  117. 미세 수술 장치의 온도를 제어하는 시스템에 있어서,
    미세 수술 장치에 열적으로 접속된 열전기 소자의 어레이와;
    미세 수술 장치의 온도를 공간적으로 제어하도록 구성된 제어 장치를 포함하는 시스템.
  118. 제117항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 미세 수술 장치와 열적으로 접촉되고 미세 수술 장치의 일측의 선택된 가열 및 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 구비한 열전기 냉각기를 포함하는 것인 시스템.
  119. 열전기 장치에 있어서,
    기재와;
    기재의 일측상에 배열되고 선택적 가열과 냉각 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 복수의 열전기 소자를 포함하고, 각각의 열전기 소자는,
    열전기 물질과,
    상기 열전기 물질과 접촉하고, 통전시에 가열 접합과 냉각 접합 중 적어도 하나를 형성하도록 구성된 펠티에 접점과,
    상기 열전기 물질과 상기 펠티에 접점을 통하는 전류를 제공하도록 구성된 전극과,
    상기 열전기 소자을 샘플에 열적으로 접속시키도록 구성된 캔틸레버를 포함하는 것인 열전기 장치.
  120. 제119항에 있어서, 상기 캔틸레버는 상기 샘플의 세포의 일부를 점 냉각 및점 가열하도록 구성된 것인 열전기 장치.
  121. 제119항에 있어서, 상기 캔틸레버는 0.1 내지 2000 W/㎠의 열속을 전도하도록 구성된 것인 열전기 장치.
  122. 제119항에 있어서, 상기 캔틸레버는 1 N/m 이하의 스프링 상수를 갖는 물질을 포함하는 것인 열전기 장치.
  123. 제119항에 있어서, 상기 캔틸레버는 0.75 W/㎝-K 이상의 열 전도도를 갖는 고 열전도성 물질을 포함하는 것인 열전기 장치.
  124. 제119항에 있어서, 상기 캔틸레버는 표면의 표면 방사성이 0.3 이하인 물질을 포함하는 것인 열전기 장치.
  125. 제119항에 있어서, 상기 캔틸레버는 3.0 gm/㎤ 이하의 밀도를 갖는 저 밀도 물질을 포함하는 것인 열전기 장치.
  126. 제119항에 있어서, 캔틸레버에 의해 열전기 소자에 공급된 외부 열 부하의 전압 검출을 가능하게 하기 위해 복수의 열전기 소자를 통한 전류를 유도하도록 구성된 전원을 더 포함하는 열전기 장치.
  127. 제126항에 있어서, 상기 전원은 무기 표본으로부터 전압을 검출할 수 있도록 구성된 것인 열전기 장치.
  128. 제126항에 있어서, 상기 전원은 유기 표본으로부터 전압을 검출할 수 있도록 구성된 것인 열전기 장치.
  129. 제128항에 있어서, 상기 열전기 소자는 유기 표본의 화학 반응에서 방출된 피코주울 정도의 열량을 검출하도록 구성된 것인 열전기 장치.
  130. 제128항에 있어서, 상기 열전기 소자는 유기 표본의 화학 반응에서 방출된 펨토주울 정도의 열량을 검출하도록 구성된 것인 열전기 장치.
  131. 제119항에 있어서, 상기 열전기 물질은,
    n형 열전기 물질과;
    p형 열전기 물질을 포함하며, 상기 펠티에 접점은 전극이 펠티에 접점의 반대측인 n형 열전기 물질의 일측 및 펠티에 접점의 반대측인 p형 열전기 물질의 일측에 접촉하도록, n형 열전기 물질과 p형 열전기 물질을 축소하는 것인 열전기 장치.
  132. 제131항에 있어서, 상기 열전기 소자 각각의 전극을 상기 냉각 접합을 형성하는 제1 방향 및 상기 가열 접합을 형성하는 제2 방향 중 적어도 한 방향으로 선택적으로 바이어스하도록 구성된 제어기를 더 포함하는 열전기 장치.
  133. 제131항에 있어서, 상기 복수개의 열전기 소자에 접촉하는 표면 헤더를 더 포함하고, 상기 표면 헤더는 표면 헤더의 평면을 따른 측면 열 전도성보다 더 높은 상기 표면 헤더의 두께를 통한 가로 열 전도성을 갖는 것인 열전기 장치.
  134. 제133항에 있어서, 상기 표면 헤더는 낮은 열 전도성 매트릭스 내에 높은 열 전도성 물질을 포함하고, 표면 헤더의 높은 열 전도성 물질이 열전기 소자와 정렬하도록 어레이 그리드에 따라 패턴화된 것인 열전기 장치.
  135. 제131항에 있어서, n형 열전기 물질과 p형 열전기 물질은 둘다 두께가 10 ㎛ 이하인 박막 열전기 층들을 포함하는 것인 열전기 장치.
  136. 제131항에 있어서, n형 열전기 물질과 p형 열전기 물질은 둘다 고 ZT 열전기 물질을 포함하는 것인 열전기 장치.
  137. 제131항에 있어서, n형 열전기 물질과 p형 열전기 물질은 둘다 200 uV/K 이상의 제베크 계수를 갖는 물질을 포함하는 것인 열전기 장치.
  138. 제136항에 있어서, 상기 ZT 열전기 물질은 규칙 격자 구조의 박막 물질을 포함하는 것인 열전기 장치.
  139. 제138항에 있어서, 상기 규칙 격자 구조의 박막 물질은 Bi2Te3계의 규칙 격자 물질, Si/Ge 규칙 격자 물질 및 PbTe 계의 규칙 격자 물질 중 적어도 하나를 포함한 고 ZT 물질을 포함하는 것인 열전기 장치.
  140. 제119항에 있어서, 상기 박막 열전기 물질은 마이크로 전자식으로 패턴화된 박막 열전기 물질을 포함하는 것인 열전기 장치.
  141. 제119항에 있어서, 상기 캔틸레버는 나노미터 범위의 크기를 가진 팁을 포함하는 것인 열전기 장치.
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