KR20070121019A - 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치 및 이의 제조 방법과사용 방법 - Google Patents

다이아몬드상 탄소 열전변환 장치 및 이의 제조 방법과사용 방법 Download PDF

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KR20070121019A
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치엔 민 성
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    • H01J45/00—Discharge tubes functioning as thermionic generators

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  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
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Abstract

본 발명은 열전변환 장치를 이용하여 에너지를 변환하기 위한 물질, 장치 및 방법을 제공한다. 하나의 양태에서, 본 발명은 개선된 변환 효율과 증가된 신뢰도를 갖는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치를 제공한다. 상기 장치는 일부분, 또는 전체에 코팅된 다이아몬드상 탄소 물질의 층(5)을 포함하는 베이스 구성요소(60)를 갖는 캐소드(25)를 포함할 수 있다. 유전성 중간 구성요소(55)가 다이아몬드상 탄소 물질(5)과 애노즈(30) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한 애노드가 상기 다이아몬드상 탄소 물질의 반대편에서 상기 중간 구성요소로 전기적으로 연결될 수 있다. 본 발명의 열전변환 장치는 다양한 기법, 가령 증기 증착을 이용하여 편리하게 형성될 수 있다. 덧붙이자면, 본 발명의 장치는 진공 공간의 형성을 요구하지 않으며, 통상적으로 완전히 고체이다. 따라서, 본 발명의 장치는 감소된 비용으로 대량 생산될 수 있고, 더 오랫동안 견고하고 신뢰할만하다.

Description

다이아몬드상 탄소 열전변환 장치 및 이의 제조 방법과 사용 방법{DIAMOND-LIKE CARBON THERMOELECTRIC CONVERSION DEVICES AND METHODS FOR THE USE AND MANUFACTURE THEREOF}
본 발명은 일반적으로 다이아몬드상 탄소 물질(diamond-like carbon material)로부터 전자를 발생시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이며, 다이아몬드상 탄소 물질에 의해 발생된 전자를 사용하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 따라서 본 출원은 물리학, 화학, 전기학 및 재료 과학 분야를 포함한다.
열이온 및 전계 방출 장치는 다양한 적용분야에서 잘 알려져 있고 사용되고 있다. 음극선관 및 전계 방출 디스플레이 등의 전계 방출 장치는 이러한 장치 중 일반적인 예가 된다. 일반적으로 전자가 배리어를 통과하게 함으로써 전계 방출 장치가 동작하는 반면에, 열이온 전자 방출 장치는 전위 배리어(potential barrier)를 통해 열전자(hot electron)를 분출시킴으로써, 동작한다. 특정 장치의 예로는 US 특허 제6,229,083호, 제6,204,595호, 제6,103,298호, 제6,064,137호, 제6,055,815호, 제6,039,471호, 제5,994,638호, 제5,984,752호, 제5,981,071호, 제5,874,039호, 제5,777,427호, 제5,722,242호, 제5,713,775호, 제5,712,488호, 제5,675,972호 및 제5,562,781호에서 나타난 것을 들 수 있으며, 이 출원들은 본원 에서 참조로서 인용된다.
열이온 장치의 전자 방출 속성은 전계 방출 장치에서보다 온도 의존도가 더 높다. 온도의 증가는 열이온 장치 표면으로부터 방출되는 전자의 개수에 크게 영향을 미칠 수 있다.
많은 적용분야에서 기본적으로 성공적일지라도, 열이온 장치는 전계 방출 장치보다는 덜 성공적이다. 왜냐하면 전계 방출 장치가 더 높은 전류 출력을 얻기 때문이다. 이러한 핵심적인 이점에도 불구하고, 대부분의 전계 방출 장치는 그 밖의 다른 다양한 단점들로 어려움을 겪는다. 이러한 단점들은 재료의 한계성, 다목적성의 한계성, 비용 효율성, 수명 한계성 및 효율 한계성 등의 전계 방출 장치의 잠재적인 사용을 제한한다.
앞서 언급된 단점들을 개선하고, 더 낮은 에너지 투입을 이용하여 더 높은 전류 출력을 획득하기 위한 일환으로 전계 방출기에서 다양한 서로 다른 물질이 사용된다. 최근 그 물리적 속성에 대하여 지대한 관심을 끌고 있는 하나의 물질이 다이아몬드이다. 특히, 순수한 다이아몬드는 진공 상태와 유사한 양 전자 친화도(positive electron affinity)를 갖고 있다. 이와 유사하게, 낮은 이온화 전위 소자로 도핑된 다이아몬드, 가령 세슘(cesium)은 자신의 궤도의 전자가 최소한의 에너지 투입으로 상기 궤도를 벗어날 만큼 흔들릴 수 있게 하는 음 전자 친화도(NEA: Negative Electron Affinity)를 갖는다. 그러나 다이아몬드는 높은 밴드 갭(band gap)을 가지며, 상기 높은 밴드 갭에 의해 다이아몬드는 절연체가 되며, 상기 다이아몬드를 통해 전자가 이동하는 것, 또는 전자가 상기 다이아몬드 를 이탈하는 것을 막는다. 상기 밴드 갭을 수정, 즉 낮추기 위한 다수의 시도가 있어왔다, 가령 다양한 도펀트(dopant)로 다이아몬드를 도핑하는 것과, 이를 특정한 기하학적 구성으로 형성하는 것이 있다. 이러한 시도가 어느 정도의 성공을 성취하지만, 성능과 효율과 비용 상의 다수의 제약점이 여전히 존재한다. 따라서 전계 방출기의 가능한 적용예는 여전히 작은 스케일의 낮은 전류 출력의 적용예로 제한된다.
이에 대하여, 에너지원으로부터 상대적으로 낮은 양의 에너지를 흡수함으로써 높은 전류 출력을 얻을 수 있는 물질이 조명 적용예에서 사용되기 적합하며, 이러한 물질은 지속적인 연구와 개발 노력을 통해 찾아지고 있다.
따라서, 본 발명은 열전변환 장치를 이용하여 에너지를 변환하기 위한 물질, 장치 및 방법을 제공한다. 하나의 양태에서, 본 발명은 개선된 변환 효율과 증가된 신뢰도를 갖는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치를 제공한다. 상기 장치는 일부분, 또는 전체에 코팅된 다이아몬드상 탄소 물질의 층을 포함하는 베이스 구성요소를 갖는 캐소드를 포함할 수 있다. 유전성 중간 구성요소가 다이아몬드상 탄소 물질로 전기적으로 연결될 수 있다. 또한 애노드가 상기 다이아몬드상 탄소 물질의 반대편에서 상기 중간 구성요소로 전기적으로 연결될 수 있다.
하나의 대안적 양태에서, 캐소드의 베이스 구성요소는 다이아몬드상 탄소 물질로부터의 전자 방출의 효율을 개선하는 다수의 층을 포함할 수 있다. 일반적으로, 베이스 구성요소의 제 2 층은 제 1 전도성 캐소드 층의 일함수보다 더 작은 일함수를 가질 수 있다.
또 다른 상세한 양태에서, 상기 유전성 중간 물질은 폴리머, 유리, 세라믹, 또는 이들의 혼합물이나 복합물일 수 있다. 용량성 물질(capacitive material)로서 유용한 대부분의 임의의 물질이 사용될 수 있으나, 압전기성을 띄는 유전성 물질이 특히 유용할 수 있다. 적합한 유전성 물질의 제한받지 않는 예로는 BaTiO3, PZT, Ta2O3, PET, PbZrO3, PbTiO3, NaCl, LiF, MgO, TiO2, Al2O3, BaO, KCl, Mg2SO4, 융용 실리카 유리(fused silica glass), 소다 석회 실리카 유리, 고-납 유리(high lead glass), 흑연, 육방정 붕소 니트라이드(hexagonal boron nitride), 금속 매트릭스 복합물(metal matrix composite), 역 금속 매트릭스 복합물(reverse metal matrix composite), BiSb, Bi2T23, PbTe, SiGe, Bi2Te3, Zn4Sb3, La2Te3 및 이들의 혼합물이나 복합물이나 조합물이 있다. 중간 구성요소에 적합한 물질은 또한 흑연과, 흑연과 그 밖의 다른 물질(가령 세라믹이나 그 밖의 다른 유전성 물질)의 조합물일 수 있다.
또 다른 상세한 양태에서, 열전변환 장치가 외곽 표면 상에 위치할 수 있도록, 또는 유연성이 요구되는 적용예에서 사용될 수 있도록, 캐소드 및 애노드가 유연할 수 있다.
본 발명의 열전변환 장치는 전기 발생기, 또는 냉각 장치로서 구성될 수 있다. 하나의 양태에서, 에너지 수집기가 다이아몬드상 탄소 물질의 반대편에서 사익 캐소드로 연결되어, 상기 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치가 전기 발생기로서 구성될 수 있다. 이 실시예는 열, 또는 광자 에너지의 전기 에너지로의 변환 하에서 동작할 수 있다. 전기 발생기에 대체하여, 또는 추가하여, 전압 공급원이 상기 애노드와 캐소드 사이에 기능적으로 연결되어, 상기 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치가 냉각 장치로서 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 장치는 장치에 걸친 열 흐름을 선택적으로 제어하여, 이웃하는 구조물이나 공간을 냉각할 수 있다.
본 발명의 열전변환 장치는 다양한 기법, 가령 증기 증착을 이용하여 편리하게 형성될 수 있다. 덧붙이자면, 본 발명의 장치는 진공 공간의 형성을 요구하지 않으며, 통상적으로 완전히 고체이다. 따라서, 본 발명의 장치는 감소된 비용으로 대량 생산될 수 있고, 더 오랫동안 견고하고 신뢰할만하다.
대안적 양태에서, 경계부를 합치고 물질 결함을 감소시키기 위해, 본 발명의 장치는 열 처리될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따르는 비정질 다이아몬드 물질의 하나의 실시예의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 태양 전지로서 구성된 열전변환 장치의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 양태에 따라는 캐소드 아크 절차를 이용한 비정질 다이아몬드 물질의 하나의 실시예의 투시도이다.
도 4는 도 3에서 나타난 비정질 다이아몬드 물질의 섹션의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 비정질 다이아몬드 발생기의 하나의 실시예에 따르는, 다양한 온도에서 적용된 전계 하에서 발생된 전기 전류의 그래픽적 표현이다.
도 6은 탄소 결합에 대한 다이아몬드 사면체의 투시도이다.
도 7은 탄소 결합에 대한 다이아몬드 사면체의 투시도이다.
도 8은 저항 대 열 전도율의 그래프이다.
도 9A는 열 처리 전의 본 발명의 하나의 실시예에 대한 원자 농도 대 깊이의 그래프이다.
도 9B는 열 처리 후의 본 발명의 하나의 실시예에 대한 원자 농도 대 깊이의 그래프이다.
도 10은 예시 3에 따르는 태양 전지로서 구성된 열전변환 장치의 측면도이다.
본 발명이 공개되고 설명되기에 앞서서, 본 발명은 본원에서 제시되는 특정한 구조, 또는 공정 단계, 또는 물질로 제한받지 않으며, 해당업계 종사자라면 인식할 동치예로 확장될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한 본원에서 사용되는 용어는 특정 실시예를 설명하기 위한 목적으로 사용되며, 제한하기 위한 목적으로 사용되지 않는다.
정의(definitions)
본 발명을 설명하고 본 발명의 권리를 주장함에 있어, 다음의 용어가 다음의 정의에 따라서 사용된다.
본원에서 사용될 때, “진공(vacuum)”은 10-2 torr 이하의 압력 조건을 일컫는다.
본원에서 사용될 때, “다이아몬드(diamond)”는 사면체배위(tetrahedral coordination)의 격자(sp3 결합이라고 알려짐)로 탄소 원자가 또 다른 탄소 원자와 결합된 결정 구조를 일컫는다. 특히, 각각의 탄소 원자는 정 사면체의 꼭지점에 각각 위치하는 4개의 또 다른 탄소 원소로 둘러싸여 결합된다. 덧붙이자면 임의의 2개의 탄소 원소 간의 결합 길이는 주위 온도 상태에서 1.54 옹스트롬이며, 임의의 두 개의 결합 간의 각도는 109도 28분 16초이다(실험 결과가 다소 다를 수 있다). 다이아몬드를 형성하기 위한 표준의, 또는 정 사면체 구성으로 결합된 탄소 원자의 표현이 도 6에서 나타난다. 물리적 속성과 전자적 속성을 포함하는 다이아몬드의 구조 및 특성은 공지 기술에서 잘 알려져 있다.
본원에서 사용될 때, “비틀린 사면체 배위(distorted tetrahedral coordination)”는 탄소 원자의 비정규적이거나, 앞서 언급된 다이아몬드의 표준 사면체 구성에서 벗어난 사면체 결합 구성을 일컫는다. 일반적으로 이러한 비틀림은 일부 결합의 길이는 늘리고, 또 다른 것은 줄이는 결과를 도출할 뿐 아니라, 결합 간의 결합 각도의 변화도 도출한다. 덧붙이자면, 사면체의 비틀림은 탄소의 특성 및 속성을 , sp3 구성(즉, 다이아몬드)으로 결합된 탄소와 sp2 구성(즉, 흑연)으로 결합된 탄소 사이에 효과적으로 위치하도록 변화시킨다. 비틀린 사면체 결합으로 결합되어 있는 탄소 원자를 갖는 물질의 한 가지 예가 비정질 다이아몬드(amorphous diamond)이다.
본원에서 사용될 때, “다이아몬드상 탄소(diamond-like-carbon)”는 대부분의 원소로 탄소 원자를 가지며 충분한 양의 이러한 탄소 원자가 비틀린 사면체 배위로 결합되어 있는, PVD 공정에 의해 생성되는 탄소 함유 물질을 일컫는다. 특히, 그 밖의 다른 다양한 원소가 불순물(impurity), 즉 도펀트로서 탄소 함유 물질에 포함될 수 있으며, 그 예로는, 수소, 황, 인, 붕소, 질소, 실리콘, 텅스텐 등이 있다(이에 제한받지 않음).
본원에서 사용될 때, “비정질 다이아몬드(amorphous diamond)”는 대다수의 원소로서 탄소 원자를 가지며, 충분한 양의 이러한 탄소 원자는 비틀린 사면체 배위로 결합되어 있는 일종의 다이아몬드상 탄소를 일컫는다. 하나의 양태에서, 비정질 다이아몬드의 탄소의 양은 약 90% 이상일 수 있고, 약 20% 이상의 이러한 탄소가 비틀린 사면체 배위로 결합될 수 있다. 비정질 다이아몬드는 또한 다이아몬드의 원자 밀도(176 원자/㎤)보다 더 큰 원자 밀도를 갖는다. 덧붙이자면, 비정질 다이아몬드 및 다이아몬드 물질은 융용됨에 따라 접촉한다.
본원에서 사용될 때, “증기 증착(vapor deposition)”은 증기 상태를 통해 기판 상의 물질을 증착시키는 공정을 일컫는다. 증기 증착 공정은 임의의 공정, 가령, 화학적 증기 증착(CVD: Chemical Vapor Deposition)과, 물리적 증기 증착(PVD: Physical Vapor deposition)을 포함할 수 있다(그러나 제한받지 않음). 당업계 종사자에 의해, 다양한 증기 증착 방법이 수행될 수 있다. 증기 증착 방법의 예로는, 고온 필라멘트 CVD, rf-CVD, 레이저 CVD(LCVD), 금속-유기 CVD(MOCVD), 스퍼터링, 열 증발 PVD, 이온화 금속 PVD(IMPVD), 전자 빔 PVD(EBPVD), 반응성 PVD, 원자 층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition) 등이 있다.
본원에서 사용될 때, “거침도(asperity)”는 표면 분석(surface anatomy)의 다양한 특성에 의해 산정된 표면의 거친 정도를 일컫는다. 표면 거침도의 표시자로서 다양한 측정치가 사용될 수 있으며, 예를 들어, 봉우리(즉, 돌출부)의 높이, 계곡(즉, 오목부)의 깊이가 있다. 덧붙이자면, 거침도의 측정은 표면의 주어진 영역 내에서의 봉우리, 또는 계곡의 개수(즉, 봉우리, 또는 계곡의 밀도)와, 이러한 봉우리 간, 또는 계곡 간의 간격을 포함한다.
본원에서 사용될 때, “금속성(metallic)”은 금속, 또는 둘 이상의 금속의 합금을 일컫는다. 다양한 금속성 물질이 해당업계 종사자에게 알려져 있으며, 그 예로는 알루미늄, 구리, 크롬, 철, 강철, 스테인리스 강철, 티타늄, 텅스텐, 아연, 지르코늄, 몰리브덴 등과, 이들의 합금 및 화합물이 있다.
본원에서 사용될 때, “전자 친화도(electron affinity)”는 자유 전자를 자신의 궤도 중 하나에 끌리거나 묶이는 원자의 경향을 일컫는다. 덧붙여, “음 전자 친화도(NEA: Negative Electron Affinity)”는 자유 전자를 밀어내거나, 작은 에너지 투입으로 자유 전자를 자신의 궤도로부터 내보낼 수 있는 원소의 경향을 일컫는다. 일반적으로 NEA는 진공(vacuum)과 전도성 밴드(conduction band) 내의 가장 낮은 에너지 상태 사이의 에너지 차이이다. 해당 업계 종사자라면 음 전자 친화도가 물질의 조성 속성(compositional nature), 또는 결함, 내포물, 결정 입계, 쌍정면(twin plane), 또는 이들의 조합 등의 결정 부정규성(crystal irregularity) 에 의해 부여될 수 있다.
본원에서 사용될 때, “유전성(dielectric)”은 전기적으로 저항성을 띄는 임의의 물질을 일컫는다. 유전 물질은 임의의 개수의 타입의 물질, 가령 유리, 폴리머, 세라믹, 흑연, 알칼리토금속 염, 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본원에서 사용될 때, “일함수(work function)”는 물질의 가장 높은 에너지 상태의 전자가 상기 물질로부터 진공 공간으로 방출되기 위해 필요한, 통상적으로 eV로 표현되는 에너지의 양을 일컫는다. 따라서 약 4.5eV의 일함수를 갖는 구리 등의 물질은 전자가 표면으로부터, 0eV인 이론상 완벽한 진공으로 방출되기 위한 에너지 4.5eV를 필요로 할 것이다.
본원에서 사용될 때, “전기적으로 연결된(electrically coupled)”은 부분적으로, 또는 전체적으로 전기 전류가 흐르도록 하는 구조 간의 관계를 일컫는다. 이 정의는 구조가 물리적으로 접촉되어 있다는 양태와, 구조가 물리적으로 접촉하고 있지 않다는 양태를 포함한다. 통상적으로, 전기적으로 연결되어 있는 두 개의 물질은 상기 두 개의 물질 사이의 전기적 전위, 또는 실제 전류를 가질 수 있다. 예를 들어, 저항기에 의해 서로 물리적으로 연결되어 있는 2개의 판이 물리적으로 접촉되어 있으며, 따라서, 이들 사이에 전기 전류가 흐를 수 있다. 반대로, 유전 물질에 의해 이격되어 있는 두 개의 플레이트는 물리적으로 접촉하고 있지 않으나, 교류 전류원으로 연결될 때, 용량성 수단(capacitative means)에 의해, 이들 사이에서 전기 전류가 흐를 수 있다. 덧붙이자면, 충분한 전류가 적용될 때, 유전 물질의 절연성 속성에 따라, 전자는 상기 유전 물질을 관통하거나 뛰어넘을 수 있다.
본원에서 사용될 때, “열전변환(thermoelectric conversion)”은 열에너지를 전기 에너지로 변환하는 것, 또는 전기 에너지를 열에너지로 변환하는 것에 관련되어 있으며, 또는 열에너지의 흐름에 관련되어 있다. 덧붙이자면, 본 발명의 맥락에서, 다이아몬드상 탄소는 열이온 방출 하에서 동작하는 것이 일반적이다. 본원에서 설명될 바와 같이, 열이온 방출은, 온도가 증가하면 물질로부터 전자 방출이 증가하는 속성이다. 다이아몬드상 물질, 가령 비정질 다이아몬드는 대부분의 물질에서보다 훨씬 낮은 온도에서 열이온 방출을 나타낸다. 예를 들어, 다수의 물질은 약 1100℃ 이상의 온도에서 실질적인 열이온 방출, 또는 방출 속성에서의 온도 관련 효과를 보여주는 경향이 있다. 이와 달리, 비정질 다이아몬드는 실내 온도에서 1000℃ 이상까지의 온도 변화에서 방출 증가를 보여준다. 따라서 열이온 물질, 가령 비정질 다이아몬드는 실내 온도 이하에서부터 약 300℃까지의 온도에서 유용할 수 있다.
본원에서 사용될 때, “전기 발생기(electrical generator)”는 전기를 발생시키기 위한 방식으로 사용되는 구성되는 열전변환 장치를 일컫는다.
본원에서 사용될 때, “냉각 장치(cooling device)”는 적용된 전압의 결과로서 장치를 가로지르는 열의 이동을 제어하도록 구성되는 열전변환 장치를 일컫는다.
본원에서 사용될 때, “실질적(substantial)”은 물질의 양, 또는 특정한 특성을 기준으로 사용될 때, 효과를 제공하기에 충분한 양을 일컫는다. 덧붙이자면, 물질의 양, 또는 특정한 특성을 기준으로 사용될 때, “실질적으로 없음(substantially free)”은 물질, 또는 특성의 부재(不在), 또는 물질, 또는 특성이 측정가능한 효과를 부여하기에 불충분하게 존재하는 것을 일컫는다.
농도, 양 및 그 밖의 다른 숫자 데이터가 범위 형식으로 표현, 또는 제공될 수 있다. 이러한 범위 형식은 단지 편리함과 간결함을 위해 사용될 뿐이며, 따라서 범위의 한계로서 명시적으로 언급된 숫자 값뿐 아니라, (각각의 숫자 값 및 하위-범위가 명시적으로 언급된 경우)모든 개별적인 숫자 값, 또는 하위 범위로 포함된 숫자 값도 포함되도록 유연하게 해석되어야 할 것이다. 예시를 들자면, “약 1미크론 내지 약 5미크론”의 숫자 범위는 명시적으로 언급된 값인 약 1미크론 내지 약 5미크론뿐 아니라, 상기 지정된 범위 내의 개별적인 값 및 하위-범위도 포함하도록 해석되어야 할 것이다. 따라서 이러한 숫자 범위에는 2, 3 및 4 등의 개별적인 값과, 1 내지 3, 2 내지 4, 3 내지 5 등의 하위-범위가 포함된다.
이러한 동일 원칙은 단 하나의 숫자 값을 언급하는 범위에게 적용된다. 덧붙여, 이러한 해석은 범위의 넓이, 또는 기술되는 특성에 관계없이 적용되어야 할 것이다.
본원발명( The Invention )
본 발명은 충분한 양의 에너지의 제공에 따른 전자를 발생하기 위해 사용되는 비정질 다이아몬드 물질을 포함한다. 배경기술 섹션에서 언급된 바와 같이, 이러한 목적을 위해, 다수의 물질의 사용이 시도되었으며, 예를 들어, WO 01/39235, US 특허 출원 번호 제11/112,724호, 제11/045,016호, US 특허 출원 번호 제6,806,629호에 공개된 다이아몬드 물질 및 장치가 있으며, 상기 출원들은 본원에서 참조로서 인용된다. 높은 밴드 갭(band gap) 속성 때문에, 다이아몬드는 상기 밴드 갭이 감소하거나 변경되도록 수정되지 않을 경우 전자 방출기로서 사용하기에 적합하지 않다. 따라서 지금까지, 다이아몬드의 밴드 갭을 변경시키기 위한 기법, 가령 다이아몬드에 다양한 도펀트로 도핑하는 기법, 그리고 다이아몬드를 특정 기하학적 형태로 구성하는 기법이 전자 방출기를 생산했다.
에너지 소스가 공급될 때, 다양한 다이아몬드상 탄소 물질이 전자를 쉽게 방출할 수 있다. 이러한 물질은 다이아몬드의 NEA 속성을 갖지만, 순수 다이아몬드의 밴드 갭 문제로부터 영향을 받지 않는다. 따라서 적용된 에너지에 의해 여기된(energized) 전자가 다이아몬드상 탄소 물질을 통해 쉽게 이동되도록 허용되고, 다이아몬드에 의해 요구되는 것보다 명백히 더 낮은 에너지 투입을 사용하여 방출될 수 있다. 덧붙이자면, 본 발명의 다이아몬드상 탄소 물질은 높은 에너지 흡수 범위를 갖는다고 발견되었으며, 이에 따라서, 더 넓은 범위의 에너지가 전자로 변환될 수 있고, 따라서 변환 효율이 증가될 수 있다.
본 발명에는 요망 품질을 제공하는 다양한 특정 다이아몬드상 탄소 물질이 포함된다. 하나의 특정 실시예에서, 다이아몬드상 탄소 물질은 비정질 다이아몬드 물질일 수 있다. 전자 방출을 촉진시키는 비정질 다이아몬드 물질의 하나의 양태로는 다수의 탄소 원자가 결합되어 있는 비틀린 사면체 배위(distorted tetrahedral coordination)가 있다. 사면체 배위에 의해, 탄소 원자가 NEA에서 요구되는 표면 상태를 촉진시킬 수 있는 sp3 결합 특성을 유지할 수 있고, 또한 상기 사면체 배위 는 비틀린 사면체 구성에서의 탄소 원자 결합의 서로 다른 결합 길이(bond length)로 인하여 다수의 유효 밴드 갭을 제공한다. 이러한 방식으로, 순수 다이아몬드의 밴드 갭 문제가 극복되며, 전자를 방출함에 있어 비정질 다이아몬드 물질이 효과를 발휘하게 된다. 본 발명의 하나의 양태에서, 비정질 다이아몬드 물질은 약 90% 이상의 탄소 원자를 포함할 수 있으며, 이때 이러한 탄소 원자 중 약 20%가 비틀린 사면체 배위로 결합되어 있다. 또 다른 양태에서, 상기 비정질 다이아몬드는 약 95% 이상의 탄소 원자를 포함할 수 있으며, 이때 상기 탄소 원자 중 약 30% 이상이 비틀린 사면체 배위로 결합된다. 또 다른 양태에서, 상기 비정질 다이아몬드는 약 80% 이상의 탄소 원자를 포함할 수 있으며, 이때 상기 탄소 원자 중 약 30% 이상이 비틀린 사면체 배위로 결합된다. 또 다른 양태에서, 비정질 다이아몬드는 비틀린 사면체 배위로 결합된, 탄소 원자 중 50%를 포함할 수 있다.
전자 방출을 촉진하는 본 발명의 비정질 다이아몬드 물질의 또 다른 양태는 특정한 기하학적 구성을 갖는 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따라 만들어진, 비정질 다이아몬드 물질(5)에 대한 구성의 하나의 실시예의 측면도가 나타난다. 특히, 비정질 다이아몬드 물질은 예를 들어 열에너지 등의 에너지를 수신하는 에너지 투입 표면(10)과, 전자를 방출시키는 방출 표면(15)을 갖는다. 하나의 양태에서, 전자의 방출을 추가로 촉진시키기 위해, 방출 표면은 거침도(asperity)를 가지며, 전자 흐름을 집중시키고 전류 출력을 증가시키도록 구성되며, 이러한 거침도는 다수의 봉우리, 즉 돌출부(20)로 표현된다. 도 1이 균일한 봉우리들을 도시하고 있지만, 이는 단지 편리를 위함이며, 본 발명의 비정질 다이아몬드는 통상적으로 비-균 일하며, 봉우리들 사이의 간격과 봉우리의 높이는 도 3 및 도 4에서 나타난 바와 같이 변화할 수 있다.
많은 종래 장치가 전자를 집중시키기 위한 시도, 예를 들어, 다수의 피라미드, 또는 원뿔을 방출 표면으로 부여하는 시도가 있어왔지만, 아직까지 어떠한 것도 현실적으로 가능한 에너지 투입을 이용하여 비용 효율적인 방식으로 다수의 적용 분야에서 실행 가능할 만큼 필요한 높은 전류 출력을 획득하지 못했다. 대개, 이러한 불완전한 결과는 피라미드, 원뿔 등이 너무 커서 흐름을 보강하기에 필요한 만큼의 전자를 집중시키기 위한 밀도가 부족하다는 사실로부터 기인한다. 이러한 크기는 높이로 수 미크론 이상인 것이 보통이며, 따라서 제곱 센티미터 당 백만 개 이하의 돌출부 밀도만 가능하다. 탄소 나노튜브(carbon nanotube)가 그 밖의 다른 종래의 방출기보다 더 높은 출력치를 갖지만, 탄소 나노튜브는 내구성이 약하고, 수명이 짧으며, 레벨과 흐름의 일치가 이뤄지지 않는 전자를 획득한다.
본 발명의 하나의 양태에서, 방출 표면의 거침도(asperity)는 약 10 내지 약 10,000나노미터의 높이를 가질 수 있다. 또 다른 양태에서, 방출 표면의 거침도는 10 내지 1,000나노미터의 높이를 가질 수 있다. 또 다른 양태에서, 거침도 높이는 약 800나노미터일 수 있다. 또 다른 양태에서, 거침도 높이는 약 100나노미터일 수 있다. 덧붙여, 거침도는 방출 표면의 제곱센티미터 당 약 100만개 이상의 봉우리(peak) 밀도를 가질 수 있다. 또 다른 양태에서, 봉우리 밀도는 방출 표면의 제곱센티미터 당 약 1억개 이상의 봉우리 밀도를 가질 수 있다. 또 다른 양태에서, 봉우리 밀도는 제곱센티미터 당 약 10억개 이상의 봉우리 밀도를 가질 수 있다. 요 망 전자 출력을 발생하기 위해 요구되는 만큼의 특정 방출 표면 거침도를 획득하기 위해, 높이 및 밀도에 대한 숫자의 임의의 조합이 사용될 수 있다. 그러나 하나의 양태에서, 거침도는 약 800나노미터의 높이를 포함할 수 있으며, 방출 표면의 제곱센티미터 당 약 1백만개 이상의 봉우리 밀도를 가질 수 있다.
본 발명의 비정질 다이아몬드 물질은 전자를 발생시키기 위해 다양한 서로 다른 타입의 에너지 투입을 이용할 수 있다. 적합한 에너지 타입의 예로는 열에너지(heat or thermal energy), 광에너지(light or photonic energy), 전기 및 전계 에너지가 있다. 따라서 적합한 에너지 근원지는 가시광선 주파수나, 임의의 특정 주파수 범위에 국한되지 않으며, 전체 가시광선과, 적외선과, 자외선 범위의 주파수를 포함할 수 있다. 해당업계 종사자라면 비정질 다이아몬드 물질에 내포된 전자를 충분히 진동시켜서 상기 물질의 통해, 그리고 상기 물질의 외부로 상기 전자를 내보낼 수 있는 그 밖의 다른 에너지 타입을 알 것이다. 덧붙여, 에너지 타입의 다양한 조합이 사용되어, 특히 바람직한 결과를 얻을 수 있거나, 비정질 다이아몬드 물질을 내장하고 있는 특정 장치의 기능을 수용할 수 있다.
본 발명의 하나의 양태에서, 사용되는 에너지 타입은 열에너지(thermal energy)일 수 있다. 이러한 목적으로, 본 발명의 다이아몬드상 탄소 물질에 연결하여 에너지 흡수기 및 수집 층이 사용될 수 있으며, 이는 물질로의 열의 흡수 및 전달을 돕는다. 해당업계 종사자라면 인지할 수 있는 바와 같이, 이러한 흡수기는 열에너지를 흡수하는 경향이 있는 카본 블랙(carbon black) 등의 다양한 물질로 구성될 수 있다. 본 발명에 따라, 다이아몬드상 탄소 물질에 의해 흡수되는 열에너지는 약 500℃ 이하의 온도를 가질 수 있다. 덧붙이자면, 캐소드를 약 100℃ 내지 1800℃의 온도로 유지하기 위해 광자, 또는 열 에너지가 충분할 수 있다. 통상적으로, 약 200℃ 내지 약 1800℃의 에너지 투입이 일반적일 수 있다. 덧붙이자면, 이러한 흡수기 수집 층은 광에너지와 열에너지 중 한 가지 이상을 흡수하도록 설계될 수 있으며, 그 예로는 카본 블랙, 분사된 흑연 입자, 또는 그 밖의 다른 임의의 흑체가 있다. 하나의 대안예에서, 흡수기 수집 층은 흡수되는 빛 또는 열의 양을 증진시키기 위해, 증가된 표면 거침도를 가질 수 있다. 질감 처리된 표면을 제공하기 위한 다양한 방법이 해당업계 종사자에게 알려져 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 전자 흐름을 촉진시키기 위해 사용되는 에너지가 전기장 에너지(즉, 포지티브 바이어스-positive bias)일 수 있다. 따라서 본 발명의 일부 실시예에서, 포지티브 바이어스는 열, 또는 빛 등의 그 밖의 다른 에너지 근원지와 함께 적용될 수 있다. 이러한 포지티브 바이어스는 비정질 다이아몬드 물질, 또는 추후 설명될 중간 요소(intermediate member)로 적용되거나, 해당업계 종사자라면 알고 있을 그 밖의 다른 다양한 수단과 함께 제공 수 있다. 특히 배터리의 음 단자(negative terminal), 또는 그 밖의 다른 전류원은 전극, 또는 비정질 다이아몬드로 연결될 수 있고, 양 단자(positive terminal)가, 상기 비정질 다이아몬드 전자 방출 표면과 애노드 사이에 위치하는 중간 물질이나 게이트 구성요소로 연결될 수 있다.
본 발명의 다이아몬드상 탄소 물질은 추가로 다수의 서로 다른 소자로 연결되어 다양한 장치를 만들 수 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따르는 비정질 다 이아몬드 전기 생성기의 하나의 실시예가 나타난다. 캐소드(25)는 다이아몬드상 탄소 물질(5)을 포함하며, 상기 다이아몬드상 탄소 물질은 캐소드를 코팅하고 있다. 상기 캐소드와 접촉하는 다이아몬드상 탄소 물질의 표면이 투입 표면(10)이다. 덧붙이자면, 앞서 언급된 바와 같이, 선택적인 에너지 수집 층(40)이 상기 다이아몬드상 탄소 층의 반대편에 위치하는 캐소드로 연결될 수 있다. 바람직할 경우 에너지 수집기가 포함되어, 열이나 광에너지를 수집하고 다이아몬드상 탄소 물질로 전달하는 것이 보강될 수 있다. 중간 요소(55)가 다이아몬드상 탄소 물질(5)의 전자 방출 표면(15)으로 전기적으로 연결된다. 애노드(30)가 다이아몬드상 탄소 물질의 반대편에 위치하는 중간 요소로 전기적으로 연결될 수 있다.
대안적 실시예에서, 상기 다이아몬드상 탄소 물질(5)이 캐소드(25)가 아니라, 애노드(30) 상에 코팅될 수 있다. 일부 구성에서, 상기 다이아몬드상 탄소로 애노드를 코팅함으로써, 장치의 성능이 개선될 수 있다. 대안적으로, 애노드와 캐소드 각각이 자신에게 코팅되어 있는 다이아몬드상 탄소를 포함할 수 있다. 애노드 측 상에 다이아몬드상 탄소를 사용함으로써, 캐소드 방출 표면 상의 다이아몬드상 탄소의 존재 여부와 관계없이, 요망 전자 방출을 제공할 수 있다. 애노드 상에 다이아몬드상 탄소 층이 존재하는 것이 캐소드 측 상에 다이아몬드상 탄소 층이 존재하는 것보다 전자 방출에 더 명백한 영향을 끼친다. 따라서 일부 실시예에서, 애노드가 자신 위에 형성된 다이아몬드상 탄소의 층을 포함하는 동안, 캐소드는 중간 층과 직접, 즉 다이아몬드상 탄소 층 없이 접촉할 수 있다. 일반적으로 거친 부분(asperity)이 중간 층쪽을 향할 수 있다. 이 경우, 캐소드와 관련하여 앞서 언급 된 바와 같이, 다이아몬드상 탄소 층이 애노드 상에 증착될 수 있다. 대안적으로, 상기 다이아몬드상 탄소 층이 중간 층 상에 형성되어, 거친 부분이 애노드를 향할 수 있다. 이 실시예에서, 그 후, 임의의 적합한 방법, 가령 앞서 언급된 공정을 통해 상기 애노드가 다이아몬드상 탄소 층 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 하나의 양태에서, 전체 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치는 이웃하는 층(또는 구성요소)와 연속적으로 밀접하게 접촉하고 있는 각각의 층을 갖는 고형 조립체이다. 애노드와 캐소드는 충분히 평행을 이뤄서, 애노드와 캐소드 간의 거리가 전체 장치에 걸쳐 충분히 동일한 것이 일반적이다.
해당업계 종사자라면 특수 목적을 이루기 위해, 또는 특정 장치를 제작하기 위해, 도 2의 조립체에 추가될 수 있는, 또는 추가되어야 할 그 밖의 다른 구성요소를 쉽게 인지할 것이다. 예를 들어, 완전한 회로를 형성하여, 전기가 통과할 수 있도록 하기 위해 연결 라인(50)이 캐소드와 애노드 사이에 위치할 수 있으며, 이는 하나 이상의 전기 필요 장치(도면 상 나타나지 않음)를 운용하기 위해, 또는 그 밖의 다른 작업을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 덧붙이자면, 입력 및 출력 라인 뿐 아니라, 전기 근원지(도면 상 나타나지 않음)는 전기장, 또는 포지티브 바이어스(positive bias)를 유도하기 위해 필요한 전류를 제공하기 위해 중간 요소(55)로 연결되며, 이 뿐만 아니라, 특수 장치를 성취하기 위하여 그 밖의 다른 필요한 구성요소가 해당업계 종사자에게 자명하다.
앞서 언급된 구성요소는 다양한 구성을 취할 수 있으며, 다양한 물질로 만들어질 수 있다. 추후 언급될 각각의 층은 다양한 종래의 기술, 가령 증기 증착, 박 막 증착, 예비 성형된 고체(preformed solid), 파우더화된 층(powdered layer), 스크린 인쇄 등을 이용하여 형성될 수 있다. 하나의 양태에서, 각각의 층이 PVD, CVD, 또는 그 밖의 다른 알려진 박막 증착 공정 등의 증착 기법을 이용하여 형성된다. 하나의 양태에서, 상기 PVD 공정은 스퍼터링(sputtering)이나 캐소드 아크(cathodic arc) 발생에 해당한다. 덧붙이자면, 해당업계 종사자라면 캐소드(25)와 애노드(30)에 대한 적합한 전기 전도성 물질 및 구성을 쉽게 인지할 것이다. 이러한 물질 및 구성은 부분적으로 상기 조립체가 내장되어 있는 장치의 기능에 의해 결정될 수 있다. 덧붙이자면, 열 및 전기 속성을 간섭시키기 않는, 추후 설명될 방법을 이용하여 층은 납땜되거나, 접착되거나, 서로 부착될 수 있다. 다양한 기하학적 형태 및 층 두께가 사용될 수 있지만, 통상적인 두께는 비정질 다이아몬드 방출 표면에 대하여 약 10나노미터 내지 3미크론이며, 그 밖의 다른 층에 대하여 약 1미크론 내지 약 1밀리미터이다.
캐소드(25)는 베이스 구성요소(60)를 갖도록 형성될 수 있으며, 이때 부분, 또는 전체에서 비정질 다이아몬드(5)의 층이 코팅되어 있다. 베이스 구성요소는 임의의 전도성 전극 물질, 가령 금속으로 형성될 수 있다. 적합한 금속으로는 구리, 알루미늄, 니켈, 이들의 합금 등이 있다(그러나 제한받지 않음). 베이스(base) 구성요소를 형성하기 위해 사용되는 한 가지 바람직한 금속 물질은 구리이다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 베이스 구성요소를 형성하기 위해 사용되는 물질은 알루미늄-마그네슘 합금일 수 있다. 또 다른 양태에서, 상기 전도성 전극은 전도성 은 그리스(silver grease)로 형성될 수 있다. 다양한 은 그리스가 다수의 제조업체로 부터 상업적으로 사용가능하며, 또는 종래의 공정에 의해 제조될 수 있다. 종래의 스크린 인쇄 공정을 이용하여, 은 그리스는 쉽게 인쇄될 수 있다. 이와 유사하게, 애노드(30)가 베이스 구성요소와 동일한 물질로, 또는 이와 다른 전도성 물질로 형성될 수 있다. 현재, 선호되는 캐소드 물질은 구리이다. 일반적인 지침으로서, 애노드, 또는 캐소드 구성요소가 약 3.5eV 내지 약 6.0eV의 일함수를 가질 수 있고, 추가적인 실시예에서는 약 3.5eV 내지 5.0eV를 가질 수 있다. 다양한 두께가 캐소드, 또는 애노드에 대하여 가능할지라도, 통상적인 두께는 약 0.1㎜ 내지 약 10㎜이다.
캐소드(25)의 베이스 구성요소(60)는 단일, 또는 다수의 층일 수 있다. 하나의 실시예에서, 베이스 구성요소는 물질의 단일 층이다. 또 다른 실시예에서, 베이스 구성요소는 제 2 층이 상기 제 1 층과 비정질 다이아몬드 층의 에너지 투입 표면 사이로 연결되도록 제 1 층과 제 2 층을 포함한다(도면상 나타나지 않음). 제 2 층은 다이아몬드 층의 방출 표면으로의 전자 전도율을 개선하는 기능을 한다. 일반적으로, 제 2 층이 베이스 구성요소의 일부분으로서 사용될 때, 상기 제 2 층은 제 1 층의 일함수보다 작은 일함수를 갖는 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 통상적으로, 제 2 층은 약 2.0eV 내지 약 4.0eV의 낮은 일함수를 갖는 물질을 포함하며, 약 2.0eV 내지 약 3.0eV의 일함수가 또한 적합하다. 더 바람직하게, 제 2 층은 약 1.5eV 내지 약 3.5eV의 일함수를 갖는 물질을 포함한다. 제 2 층에서 사용되기 적합한 물질로는 Cs, Sm, Al-Mg, Li, Na, K, Rb, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Ce, Al, La, Eu 및 이들의 혼합물이나 합금이 있다(그러나 이에 제한받지 않음). 하나의 특 정한 양태에서, 제 2 층은 Cs, Sm, Al-Mg, 및 이들의 합금을 포함할 수 있다. 더욱 특정한 양태에서, 상기 제 2 층은 Be, Mg, Cs, Sm 중 하나를 포함할 수 있으며, Cs를 포함하는 것이 가장 바람직하다.
다이아몬드상 탄소 층으로의 열의 이동을 개선하기 위해, 상기 제 2 층은 약 100W/mk 이상의 열 전도율을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 또 다른 층, 또는 구성요소와 사용되지 때문에, 다양한 두께가 사용될 수 있으나, 일반적으로 제 2 층은 약 1미크론 내지 약 1밀리미터이다. 해당업계 종사자라면 통상적으로 낮은 일함수 물질이 쉽게 산화됨을 알 것이다. 따라서 진공, 또는 그 밖의 다른 비활성 환경에서, 적어도 제 2 층을 형성하는 것, 그리고 일반적으로는 전체 열전변환 장치를 형성하는 것이 바람직하다.
임의의 특정한 이론에 구속되지 않으면서, 전기를 생성하기 위한 본 발명의 능력이 물질들 간의 밴드 갭(band gap)과, 일함수와, 각각의 층의 열 전도율에 관련된 스테핑 프로세스(stepping process)로서 관찰될 수 있다. 특히, 캐소드의 제 2 층은 전자를 진공 에너지, 또는 전도 밴드(conduction band)에 가깝도록 스텝하는(즉, 제 1 층과 진공 에너지 간의 밴드 갭을 감소시키는) 물질로 만들어질 수 있다. 덧붙이자면, 전자 방출 표면을 향한 전자 흐름을 개선시키기 위해, 제 2 층은 높은 열 전도율을 가질 수 있다. 그 후, 상기 제 2 층의 전자가 다이아몬드상 탄소 층으로 전달될 수 있으며, 이때 일부 전자의 상태가 진공 에너지에 도달하고 이를 초과하도록, 상기 비정질 다이아몬드의 비틀린 사면체 배위가 비정질 다이아몬드 층 내에서 다수의 서로 다른 일함수와 밴드 갭 값을 생성한다.
그 후 전자가 애노드 물질로 이동하거나, 또는 다시 하향 스텝할 수 있게 함으로써, 열 손실을 최소화하기 위한 중간 요소로서 사용되는 물질이 선택될 수 있다. 이에 따라 시스템에서 손실되는 에너지의 양이 감소된다. 예를 들어, 본원 발명에서, 비정질 다이아몬드로부터 높은 일함수의 물질까지 하향의 큰 스텝이 사용될 수 있으나, 전자 에너지의 일부가 열로서 손실된다. 따라서 둘 이상의 중간 요소(intermediate member), 또는 기저 요소 층은, 각각의 층들 간의 에너지 밴드 갭 사이에서 다양한 정도의 “상향 스텝(step up)”과 “하향 스텝(step down)”를 제공하기 위해, 장치와 일체형으로 구성될 수 있다. 따라서 상기 중간 요소는 서로 다른 전기 및 열 속성을 갖는 다수의 층으로 형성될 수 있다.
덧붙이자면, 종종 캐소드로부터 애노드로 유지되는 열 기울기(thermal gradient)가 존재하도록, 중간 요소의 열 전도율을 최소화하는 것이 바람직하다. 덧붙여, 동작 온도는 적용예와 에너지 근원에 따라 크게 달라질 수 있다. 캐소드 온도는 약 100℃ 내지 약 1800℃일 수 있으며, 일반적으로 약 300℃ 이상일 수 있다. 대안적으로, 캐소드 온도는 약 100℃ 이하, 예컨대, 약 0℃ 내지 약 100℃일 수 있다. 이러한 범위 밖의 온도가 사용될 수 있지만, 이러한 범위는 본 발명의 장치를 가로질러 존재할 수 있는 온도 기울기를 설명할 수 있다.
도 2에서 나타나는 바와 같이, 중간 구성요소(55)는 전자 방출 표면(15)으로 연결될 수 있다. 본 발명에 따라서, 상기 중간 구성요소는 유전 물질일 수 있다. t아기 유전 물질은 해당업계 종사자에게 알려져 있는 임의의 유전 물질일 수 있으며, 예를 들어, 폴리머, 또는 유리, 또는 세라믹, 또는 무기 화합물, 또는 유기 화 합물, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 예를 들어, BaTiO3, PZT, Ta2O3, PET, PbZrO3, PbToO3, NaCl, LiF, MgO, TiO2, Al2O3, BaO, KCl, Mg2SO4, 융용 실리카 유리, 소다 석회 실리카 유리, 고-납 유리(high lead glass) 및 이들의 혼합물 및 조합물이 있다. 하나의 양태에서, 상기 유전 물질은 BaTiO3이다. 또 다른 양태에서, 유전 물질은 PZT이다. 또 다른 양태에서, 상기 유전 물질은 PbZrO3이다. 또 다른 태양에서, 유전 물질은 PbTiO3이다. 덧붙이자면, 상기 유전 물질은 흑연 물질일 수 있다. 다수의 흑연 물질이 0.1V의 전압을 지원하기에 충분히 높은 전기 저항도를 가질 수 있다. 덧붙이자면, 상대적으로 낮은 전기 전도율 및 열 전도율을 갖는 물질, 가령 육방정 붕소 니트라이드(hexagonal boron nitride)(약 40W/mK), 또는 알루미나, 또는 지르코니아, 또는 또 다른 세라믹, 또는 앞서 언급된 유전체가 상대적으로 높은 열 전도율의 흑연(200W/mK)과 혼합될 수 있다. 예를 들어, 한가지 현재 선호되는 실시예에서, 중간 구성요소가 흑연과 육방정 붕소 니트라이드의 혼합물을 포함할 수 있다. 이들 물질은 층형 조합, 또는 압축된 파우더 혼합물로서 제공될 수 있다. 중간 구성요소에서 사용되기에 적합한 추가적인 물질로는, 금속 매트릭스 복합물(metal matrix composite), 역 금속 매트릭스 복합물(reverse metal composite), BiSb, Bi2T23, PbTe, SiGe, Bi2Te3, Zn4Sb3, La2Te3 및 이들의 혼합물이나 복합물이나 조합이 있다. 금속 매트릭스 복합물(MMC) 물질은, 이러한 물질이 상기 중간 구성요소를 가로지르는 전압을 유지하기 위해 사용되기에 충분한 전기 전도율을 갖도록 유용하게 사용될 수 있다. 덧붙이자면, 복합물 내에서 보조 물질의 농도를 변화시킴으로써, 또는 보조 물질의 조성을 변화시킴으로써, 열 전도율 및 저항이 조정될 수 있다. 일반적으로 유용한 MMC 물질로는 그 안에 분산된 보조 물질을 갖는 금속 매트릭스 물질이 있다. 가장 일반적인 보조 물질의 농도는 약 5% 내지 약 25%이지만, 이 범위 밖의 농도가 사용될 수 있다. 예를 들어, 알루미나 첨입 알루미늄(alumina impregnated aluminum)이 MMC로서 크게 유용할 수 있다. 이와 유사하게, 알루미나, 실리콘, 카바이드(carbide), 강철, 흑연, 탄소 등의 물질의 섬유, 또는 휘스커(whisker), 또는 입자가 금속 매트릭스에서 분산될 수 있다. 대안적으로, 역 MMC 물질이 유용할 수 있다. 이러한 역 MMC 물질은 그 안에 금속이 분산된 비-금속 매트릭스를 갖는다. 역 MMC의 한가지 특정한 적합한 예제로는 금속 첨입 PYREX 유리가 있다.
커패시터의 구성에서 유용한 임의의 물질은 대부분 유용할 수 있다. 그러나 하나의 양태에서, 또한 상기 유전 물질은 압전기 물질(piezoelectric material)일 수 있다. 캐소드 상에 다이아몬드상 층이 존재함으로써, 중간 구성요소를 위해 그 밖의 다른 임의의 타입 물질을 사용하는 것이 실용적이지 않게 됐다.
유전 물질은 다이아몬드상 탄소 층과 애노드 사이의 이격 간격을 유지하는 임의의 방식으로 구성될 수 있다. 대안적으로, 다이아몬드상 탄소 층은 양 전극으로 모두 전기적 연결되어 있을 수 있다. 또 다른 대안적 양태에서. 중간 구성요소는 단일 층, 또는 다수의 층일 수 있다. 이 경우, 변환 효율을 증가시키고, 인접하는 물질의 밴드 갭을 더욱 정확하게 정합하도록 유전 물질이 맞춰질 수 있다. 바람 직하게는, 유전 층의 이러한 구성은, 중간 구성요소를 가로지르는 전하의 더욱 균일한 전하의 분포 때문에, 전자 흐름의 바람직한 경로의 발생률을 감소시킬 수 있다. 덧붙이자면, 이러한 다층형 구성에서, 중간 구성요소는 다이아몬드상 탄소의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 양태에 따라서, 유전 층의 두께는 열 에너지의 전기 에너지로의 변환, 그 반대의 변환을 가능하게 하는 임의의 두께일 수 있다. 특히, 중간 구성요소의 두께 및 조성인 저항을 제어하기 위해 조정될 수 있다. 덧붙이자면, 중간 구성요소의 두께를 조정하는 것이 전압과 전류 간에서 균형을 이루는 것, 가령 효율이다. 예를 들어, 더 얇은 중간 층은 전류를 증가시키면서, 전압은 감소시킨다. 다이아몬드 물질은 통상적으로 약 5eV의 밴드갭을 가지며, 일부 경우에서는 비정질 다이아몬드 물질에서의 sp2/sp3 결합 비에 따라서, 5eV 이상일 수 있다. 종래 기술의 태양 전지는 약 0.5V의 출력을 갖는 경향이 있으며(실리콘 기반의 장치는 단지 1.1eV의 밴드갭을 갖고, 이는 0.6V를 도출한다), 본 발명의 다이아몬드 태양 전지는 5.5V까지의 출력을 가질 수 있다. 덧붙이자면, 비정질 다이아몬드는 도펀트가 필요하지 않도록, 넓은 범위의 밴드갭을 제공한다. 따라서 여기된 전자(excited electron)는 즉시 바닥 상태(ground state)로 떨어지지 않고, 더 높은 에너지 상태에서 유지될 수 있다. 그러나 비정질 다이아몬드의 에너지 상태는, 겹치는 금속 물질과는 달리 이산(discrete)적이다. 결과적으로, 마치 사다리를 오르는 것처럼 전자는 이산적인 에너지 위치를 상향 스텝핑할 수 있다. 따라서, 특정 응용예에 대한 열전변환 장치를 설계하기 위한 중간 층의 두께는 사용될 수 있다. 일부 실시예가 더 낮은 전압과 더 높은 전류를 갖는 동안, 또 다른 실시예가 더 높은 전압과 더 낮은 전류를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 통상적으로, 중간 구성요소는 충분한 두께를 갖는 고형의 물질일 수 있으며, 그 물질 타입은 약 0.1V 이상의 전압, 가령 약 0.1V 내지 약 6V를 지원할 수 있으며, 바람직하게는 약 1V 내지 약 5.5V일 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 중간 구성요소의 물질과 두께는 저항에 영향을 줄 수 있으며, 이에 따라서, 중간 구성요소를 가로질러 지원될 수 있는 전압에 영향을 줄 수 있다.
실험과 지침을 바탕으로 특정 물질의 두께가 가장 바람직하게 판단될 수 있지만, 중간 구성요소는 약 0.1μΩ-㎝ 내지 약 100μΩ-㎝의 저항을 획득하기에 충분한 두께를 가질 수 있고, 바람직하게는 약 20μΩ-㎝ 내지 약 80μΩ-㎝의 저항을 획득하기에 충분한 두께를 가질 수 있다. 이는 물질에 따라서 변화할 두께에 대응할 수 있는 것이 일반적이나, 약 0.05㎛ 내지 약 500㎛ 두께일 수 있다. 또 다른 양태에서, 유전 물질이 약 0.2㎛ 내지 약 100㎛의 두께일 수 있다. 또 다른 양태에서, 유전 물질의 층은 약 0.5㎛ 내지 10㎛ 두께이다. 예를 들어, 약 1㎛의 두께로 PZT로 형성된 중간 구성요소가 바람직한 결과를 제공할 수 있다.
덧붙이자면, 비정질 다이아몬드는 시간에 따른 에이징(aging)과 품질 저하에 대하여 내성을 갖도록 높은 방사능 내성(radiation hardness)을 갖는다. 이와 달리, 통상적인 반도체 물질은 UV에 의해 분해될 수 있고, 시간에 걸쳐 덜 견고하다. 앞서 언급된 바와 같이, 광전기성 효과보다는 열전기성 효과(thermoelectric effect)를 통해 비정질 다이아몬드에서 전자가 여기된다. 이와 같이, 비정질 다이아몬드 물질은 온도의 변화와 함께, 전자 방출 속성의 변화를 나타낸다. 예를 들어, 온도와 관계없이, 비정질 다이아몬드가 사용되어 충분한 양의 열이 전기로 변환될 수 있다. 따라서 온도가 증가함에 따라서, 전자 방출의 충분한 증가가 또한 실현된다. 본 발명의 원리에 따라 태양 전지에서 30% 이상의 변환 효율, 다수의 경우에서, 50% 이상의 변환 효율이 얻어질 수 있다. 저항 및 전압이 증가함에 따라서, 변환 효율이 증가하는 경향이 있다. 따라서 적용 경우에 따라서, 중간 구성요소를 가로지르는 전류를 이용하여 변환 효율의 균형을 맞추는 것이 바람직할 수 있다.
하나의 양태에서, 상기 중간 구성요소는 약 200W/mK 이하의 열 전도율, 많은 경우에서, 약 100W/mK 이하의 열 전도율을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 덧붙이자면, 상기 중간 구성요소는 20℃에서 약 80μΩ-㎝의 저항을 가질 수 있다. 중간 층에서 사용되기에 적합한 물질을 선택함에 있어서, 둘 이상의 요인이 고려된다. 첫째는, 물질이 층을 가로지르는 열 이동을 최소화하도록 기능해야 한다는 것이다. 따라서, 비교적 낮은 열 전도율을 갖는 물질이 바람직할 수 있다. 하나의 양태에서, 상기 중간 구성요소는 200W/mK 이하의 열 전도율, 가령 80W/mK의 열 전도율을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 약 40W/mK 이하의 열 전도율을 갖는 물질이 사용되는 것이 바람직할 수 있다. 둘째로, 중간 구성요소는 비교적 전도성을 띄어야 한다. 하나의 양태에서, 상기 중간 구성요소는 20℃에서 약 80μΩ-㎝의 저항을 가질 수 있고, 더 바람직하게는 20℃에서 약 10μΩ-㎝의 저항을 가질 수 있다. 상세히는, 다양한 원소에 대하여, 저항 대(VS.) 열 전도율의 도표가 나타난 도 8을 참조할 수 있다. 또한 다양한 합금 및 화합물이 중간 구성요소를 위한 속성을 보여줄 것이며, 이들은 본 발명의 범위 내의 것으로 여겨진다.
도 8을 참조하면, 원소들 사이에서, 열 전도율의 감소와 함께 증가하는 저항값(감소하는 전도율)의 일반적인 경향이 있다. 그러나 점선으로 표시된 박스로 나타나는 구역의 원소는 낮은 열 전도율과 높은 전기 전도율을 모두 나타낸다. 이 구역에서의 예시적인 물질로는 Pb, V, Cs, Hf, Ti, Nb, Zr, Ga 및 이들의 혼합물, 또는 합금이 있다. 본 발명의 하나의 양태에서, 중간 요소는 Cs를 포함한다. 적합한 전자 속성의 한 가지 유용한 측정치는 일함수이다. 상기 중간 요소는 약 1.5eV 내지 약 4.0eV의 일함수를 갖는 물질을 포함할 수 있으며, 또 다른 양태에서는 약 2.0eV 내지 약 4.0eV를 가질 수 있다. 그 밖의 다른 적합한 물질은 앞서 언급된 지침을 바탕으로 선택될 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 중간 요소는 약 0.1밀리미터 내지 약 1밀리미터의 두께를 가질 수 있다.
하나의 대안적 실시예에서, 상기 중간 요소는, 사용될 수 있는 물질의 타입은 늘리면서, 열 및 전기 전도율에 대한 앞서 언급된 지침을 만족시키도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 중간 요소는 관통하는 다수의 구멍(도면상 나타나지 않음)을 갖는 1차 단열 물질로 구성되어 있다. 당연하게 전기 전도성 물질이 선호될지라도, 임의의 단열 물질이 사용될 수 있다. 해당업계 종사자에 의해 적합한 단열 물질이 선택될 수 있다. 적합한 단열 물질의 제한받지 않는 예로는 세라믹과 산화물이 있 다. 현재 선호되는 몇 가지 산화물로는 ZrO2, SiO2 및 Al2O3이 있다. 구멍이 다이아몬드 층의 전자 방출 표면으로부터 애노드까지 뻗어 있다. 이러한 구멍을 형성하는 하나의 종래 방법으로는 레이저 드릴 가공(laser drilling)이 있다. 그 밖의 다른 방법으로는 알루미늄 등의 금속의 양극처리(anodization)가 있다. 이러한 공정에서, 알루미늄 표면에서 작은 오목부(indentation)가 형성될 수 있고, 그 후 양극처리에 의해, 전자가 상기 오목한 영역을 통해 흘러, 상기 알루미늄을 용해시켜서, 직선의 평행한 구멍이 형성될 수 있다. 둘레의 알루미늄이 산화되어 Al2O3이 형성된다.
구멍이 형성되면, 더 높은 전도성 금속이 상기 구멍으로 증착될 수 있다. 상기 구멍은 전착(electrodeposition), 또는 물리적 유입, 또는 그 밖의 다른 방법에 의해 충진될 수 있다. 임의의 전도성 물질이 대부분 사용될 수 있지만, 하나의 양태에서, 전도성 물질은 구리, 알루미늄, 니켈, 철 및 이들의 혼합물이나 합금일 수 있다. 이러한 방식으로, 열 전도율의 제한 없이 높은 전도율을 갖는 전도성 금속이 선택될 수 있다. 차단 물질(insulating material)의 표면 영역에 대한, 구멍이 차지하는 영역의 표면의 비(ratio)는 앞서 언급된 지침 내에서 전체 열 전도율과 전기 전도율을 획득하기 위해 조정될 수 있다. 덧붙여, 최적의 결과를 얻기 위해, 패턴, 구멍의 크기 및 구멍의 깊이가 조정될 수 있다. 하나의 양태에서, 구멍의 표면 영역은 비정질 다이아몬드 층의 전자 방출 표면과 접촉하는 중간 층의 표면의 약 10% 내지 약 40%로 구성된다.
본 발명의 다이아몬드상 탄소 물질을 이용하여 전자가 용이하게 발생될 수 있기 때문에, 적용된 전기장을 이용하여 전자 흐름을 유도하는 것이 전자 투입 표면에서 열의 흡수를 촉진하고, 따라서 본 발명의 전자 방출기가 냉각 장치로서 사용될 수 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 유도된 전기장 하에서 전자를 방출시킴으로써, 열을 흡수할 수 있는 냉각 장치를 내포한다. 이러한 장치는 다양한 형태를 취할 수 있고, 다수의 지지 부품, 예컨대 앞서 언급된 전기 발생기에서 사용되는 부품을 이용할 수 있다. 하나의 양태에서, 상기 냉각 장치는 인접 영역의 온도를 100℃ 이하까지로 냉각할 수 있다. 또는, 본 발명은 낮은 열 영역(또는 체적)으로부터 더 높은 열량을 갖는 영역으로 열을 전달하기 위한 열 펌프(heat pump)로서 사용될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에서, 전기 전류가 적용됨에 따른 결과는 캐소드로부터 애노드로강제된(forced) 열의 흐름이다. 이러한 방식으로, 또한 열전 변환 장치는 냉각 장치로서 기능할 수 있다. 이러한 냉각 장치는, 고-전력 전자장치, 가령 ULSI, 레이저 다이오드, CPU 등으로부터의 열을 흩어지게 하기 위해, 또는 냉장 시스템에서 사용되기 위한 냉각 장치로서 사용될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 비정질 다이아몬드 물질은 해당업계 종사자에게 알려져 있는 다양한 공정을 이용하여 생성될 수 있다. 그러나 하나의 양태에서, 그 물질이 캐소드 아크(cathodic arc) 방법에 의해 만들어질 수 있다. 다양한 캐소드 아크 공정이 해당업계 종사자에게 알려져 있으며, U.S. 특허 4,448,799와, 4,511,593과, 4,556,471과, 4,620,913과, 4,622,452와, 5,294,322와, 5,458,754와, 6,139,964에서 나타나 있으며, 이들 각각은 본원에서 참조로서 인용된다. 일반적으로, 캐소드 아크 기법은 표적(또는 기판)으로 탄소 원자를 물리 기상 증착(PVD: Physical vapor deposition)하는 것을 포함한다. 캐소드 역할을 하는 흑연 전극을 통해 많은 전류를 흘리고, 상기 전류를 이용하여 탄소 원자를 기화시킴으로써, 아크(arc)가 발생된다. 또한 상기 기화된 원자가 이온화되어 양 전하를 포함할 수 있다. 그 후 가변 강도의 네거티브 바이어스가 사용되어 탄소 원자를 전기 전도성 표적 방향으로 이동시킬 수 있다. 탄소 원자가 충분한 양의 에너지(가령 약 100eV)를 내포하는 경우, 표적에 충돌할 것이며, 그 표면에 들러붙어 탄소 함유 물질, 가령 비정질 다이아몬드를 형성할 수 있다. 접촉 저항이 거의 없이, 또는 접촉 저항이 충분히 감소된 채, 비정질 다이아몬드가 임의의 금속 기판 상에 코팅될 수 있다.
일반적으로, 기판에서 네거티브 바이어스를 변화시킴으로써, 충돌하는 탄소 원자의 운동 에너지는 조정될 수 있고, 아크 전류(arc current)에 의해, 증착 속도(deposition rate)가 제어될 수 있다. 이러한 매개변수뿐 아니라 그 밖의 다른 것들을 제어함으로써, 탄소 원자의 사면체 배위의 비틀린 정도 및 기하학적 형태, 또는 비정질 다이아몬드 물질의 구성이 조정될 수 있다(즉, 예를 들자면, 높은 네거티브 바이어스가 탄소 원자를 가속시킬 수 있고, sp3 결합을 증가시킬 수 있다). 물질의 Raman 스펙트럼을 측정함으로써, sp3/sp2 비가 결정될 수 있다. 그러나 비정질 다이아몬드 층의 비틀린 사면체 부분은 중간 특성인 중간 결합 범위를 제외하고는 sp3도 아니고 sp2도 아님을 알아야 한다. 덧붙여, 아크 전류(arc current)를 증 가시킴으로써, 높은 속도의 탄소 이온과의 표적 충격의 속도가 증가될 수 있다. 그 결과로서, 증착된 탄소가 더 안정적인 흑연으로 변환되도록 온도가 증가할 수 있다. 따라서 물질이 형성되는 캐소드 아크 상태를 조작함으로써, 비정질 다이아몬드 물질의 최종적인 구성 및 조성물(가령 밴드 갭, NEA 및 방출 표면 거침도)이 제어될 수 있다. 덧붙이자면, DLC를 형성하기 위해, 그 밖의 다른 공정, 예를 들어 다양한 증기 증착 공정이 사용될 수 있으며, 가령, PVD, CVD 등이 있다. 덧붙이자면, 넓은 표면 영역 위에 위치하는 다이아몬드상 탄소 막을 획득함에 있어 레이저 절삭 공정이 유용할 수 있다. 레이저 절삭 공정은 Oak Ridge 국립 연구소와, 또 다른 연구 그룹과, 다이아몬드를 형성하기 위해 탄소 공급원의 레이저 절삭법을 보유하는 회사에 의해 비교적 최근에 개발된 것이다. 사용되는 특정 공정에 관계없이, 장치의 다이아몬드상 탄소 물질과 또 다른 층이, 전자 방출 층과 애노드 사이의 진공 공간 없이 형성될 수 있으며, 이는 생산 비용을 크게 감소시키고, 이에 의해 형성되는 장치의 신뢰성을 증가시킨다.
본원에서 논의되는 장치 및 방법을 해당업계 종사자라면 다양하게 적용할 것이다. 하나의 양태에서, 본 발명의 열전변환 장치는 폐열을 생성하는 장치로 내장될 수 있다. 본 발명의 캐소드 측, 또는 에너지 투입 표면이 보일러 등의 열원, 또는 재충전 가능한 배터리 등의 배터리, CPU, 저항기, 그 밖의 다른 전기적 부품, 또는 다른 경우에서는 사용되지 않는 폐열을 부산물로서 생성하는 그 밖의 다른 임의의 장치로 연결될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 전기 발생기는 랩탑 배터리로 연결될 수 있다. 이와 같이, 전기 발생기가 전력 공급기를 보충할 수 있고, 따라서 배터리 수명이 연장될 수 있다. 또 다른 예에서, 마찬가지로 제조 공정의 전기 수요를 보충하기 위해, 하나 이상의 전기 발생기가 보일러, 또는 그 밖의 다른 제조 공장의 열 생산 유닛의 외부 표면에 부착될 수 있다. 따라서 나타나는 바와 같이, 유용한 만큼의 전기를 생성하기 위해, 열, 또는 광, 또는 그 밖의 다른 에너지 근원을 이용하는 다양한 적용예가 고안될 수 있다.
덧붙여, 전자의 흐름을 촉진시키기 위해, 다이아몬드상 탄소가 보통의 전극 위로 코팅될 수 있다. 이러한 전극은 배터리에서, 그리고 금속의 전착(electro-deposition), 가령 전기도금(electroplating)에서 사용될 수 있다. 하나의 양태에서, 전극은 수용성 용액에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 물, 또는 그 밖의 다른 음식(가령 주스, 맥주, 소다 등)의 저항값을 측정함으로써, 품질을 모니터링하기 위해 사용되는 전극이 있다. 내부식 속성 때문에, 비정질 다이아몬드의 전극이 종래의 전극에 대하여 유리한 위치를 차지한다.
비정질 다이아몬드 전극이 명백한 이점이 되는 한 가지 특정한 적용예는 전착 적용예가 있다. 특히, 대부분의 전착 장치가 겪는 한 가지 문제는 다양한 기체의 흡수에 따른 전극의 분극(polarization)이다. 그러나 비정질 다이아몬드의 강력한 비활성 속성 때문에, 비정질 다이아몬드로 코팅된 캐소드 및 애노드는 실제로 분극되지 않는다. 덧붙여, 이러한 비활성 속성은 금속이나 탄소 전극을 이용하여 획득된 전기 전위보다 훨씬 더 높은 수용성 용액에서의 전기 전위를 형성한다. 보통의 환경에서, 이러한 전압이 물을 분해한다. 그러나 비정질 다이아몬드의 높은 전위 때문에, 물이 분해되기 전에, 용액에 함유된 용질이 적출된다. 이러한 양태는 매우 유용한데, 왜냐하면 과거에는 불가능하거나 극도로 어려웠던, 높은 산화 전위를 갖는 원소, 가령 Li 및 Na의 전착을 가능하게 하기 때문이다.
유사한 양태에서, 용액에서의 비정질 다이아몬드 전극에 의해 얻어진 높은 전위 때문에, 잠깐 동안 용질이 용액으로부터 적출되고 검출된다. 따라서 또한 본 발명의 물질은 용액에서 다양한 원소, 가령 10억분의 1(ppb)만큼 작은 양의 납의 존재 여부를 측정할 수 있는 고감도의 진단 툴, 또는 장치의 일부로서 사용될 수 있다. 이러한 적용예는 전기 전하에게 끌릴 수 있는 임의의 원소, 가령 혈액 등의 생체 물질과 소변 등의 그 밖의 다른 체액의 검출을 포함한다.
본 발명의 하나의 대안적 실시예에서, 캐소드 및 애노드 중 하나 이상이 빛을 전달하도록 구성될 수 있다. 빛을 전달하도록 구성된 전극의 한 가지 예로는 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide)로 코팅된 투명한 물질로 구성된 전극이 있다. 투명한 물질, 또는 반투명 물질은 종래의 투명한 임의의 물질, 가령 유리일 수 있거나, 플라스틱, 또는 아크릴 등의 폴리머일 수 있다. 이러한 실시예에서, 투명성(transparency)이 심미적인 이유로, 또는 실용적인 이유로 요구될 수 있다. DLC, 또는 비정질 다이아몬드를 이용하는 특정 발광 장치 및 구성에 대한 상세한 설명은 본원발명의 출원인의 또 다른 출원 US 특허 출원 번호 제11/045,016호(2005년 1월 26일)에서 나타나 있으며, 이 출원은 본원에서 참조로서 인용된다.
캐소드 및 애노드는 본 발명의 다양한 가능한 실시예에서 사용될 수 있는 임의의 형태 또는 구성일 수 있다. 하나의 양태에서, 상기 캐소드 및 애노드는 평면일 수 있다. 또 다른 양태에서, 상기 캐소드와 애노드 중 하나 이상은 단단할 수 있다. 그러나 많은 상업상 실시예에서, 유연한 물질을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 유연한 캐소드, 또는 애노드가 유연한 태양 전지의 구조를 가능케 한다.
본 발명의 또 다른 양태는 열전변환 장치의 신뢰성을 증진시키는 것을 고려한다. 하나의 양태에서, 전극들을 서로 접합시킬 때 유기 접착제를 피함으로써, 신뢰성은 증진될 수 있다. 다수의 유기 물질이 안정적이지 않다, 특히 고온에서 그러하다. 유기 접착제를 사용하는 것을 피하기 위한 한 가지 방법은 유전 물질의 층과, 캐소드/애노드 물질을 전극에 직접 증착하는 것이다. 해당 업계 종사자라면 이를 이루기 위한 다양한 방법을 인지할 것이며, 예를 들자면, 저온 플라스마 스프레이의 사용이 있다(그러나 제한받지 않음). 또 다른 양태에서, 낮은 온도 소결(sintering)을 이용하여 다양한 층을 서로 접합시킴으로써, 유기 접착제가 피해질 수 있다. 이를 위해, 소결은 약 500℃ 이하에서 이뤄져서 비정질 다이아몬드 층의 품질 저하를 피할 수 있다. 또 다른 양태에서, 열(thermal)적으로 안정적인 접착제, 가령 실리콘 접착제가 사용될 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 본 발명은 본원발명에서 공개되는 다이아몬드상 열전변환 장치를 제조하기 위한 방법뿐 아니라, 이를 사용하는 방법을 포함한다. 앞서 언급된 전기 발생기 및 냉각 장치에 추가로, 전자를 방출하는 원리에 따라서 동작하는 다수의 장치가 본 발명의 비정질 다이아몬드 물질을 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 해당업계 종사자라면 다수의 이러한 장치를 인지할 것이며, 예를 들어, 트랜지스터, 초-고속 스위치(ultra fast switch), 환형 레이저 자이로스코 프(ring laser gyroscope), 전류 증폭기, 마이크로파 방출기, 발광원(luminescent source) 및 그 밖의 다른 다양한 전자 빔 장치가 있다.
하나의 양태에서, 충분한 양의 에너지를 흡수함으로써, 전자를 방출할 수 있는 비정질 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 방법은, 탄소 공급원(carbon source)을 제공하는 단계와, 캐소드 아크 방법을 이용하여 이로부터 비정질 다이아몬드 물질을 형성하는 단계를 포함한다. 전자의 흐름을 발생시키거나, 전기 전류를 발생시키는 방법은 앞서 언급된 바와 같이 비정질 다이아몬드 물질을 형성하는 단계와, 상기 물질로 전자 흐름을 발생시키기에 충분한 에너지를 투입하는 단계를 포함한다. 캐소드의 베이스 구성요소의 제 2 층과 중간 구성요소는 CVD, 또는 PVD, 또는 스퍼터링, 또는 그 밖의 다른 알려진 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 하나의 양태에서, 층은 스퍼터링을 이용하여 형성된다. 덧붙이자면, CVD, PVD, 스퍼터링, 납땜, 접착(가령, 은 페이스를 이용한 접착), 또는 그 밖의 다른 종래 방법을 이용하여 애노드가 중간 구성요소로 연결될 수 있다. 일반적으로 스퍼터링법, 또는 아크 증착법에 의해 애노드가 형성되지만, 상기 애노드는 납땜을 이용하여 중간 구성요소로 연결될 수 있다.
선택적인 단계로, 진공 노(vaccum furnace)에서, 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치가 열-처리될 수 있다. 열처리가 서로 다른 물질 사이의 경계부에 걸친 열 및 전기 속성을 개선할 수 있다. 상기 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치는 경계부를 합치고, 물질 결함을 감소시키기 위해, 열 처리를 받을 수 있다. 통상적인 열 처리 온도는 선택된 특정 물질에 따라서, 약 200℃ 내지 약 800℃일 수 있으며, 더 욱 바람직하게는 350℃ 내지 500℃이다.
다음은 본 발명에 따르는 전자 방출기를 만드는 다양한 방법을 설명한 예이다. 그러나 이들은 단지 예에 불과하거나, 본 발명의 원리의 적용예를 설명하기 위함임을 이해해야한다. 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다수의 수정되고 대안적인 조성물, 방법 및 시스템이 고안될 수 있다. 첨부된 청구범위는 이러한 수정 및 조정을 모두를 커버하도록 의도되었다. 따라서 본 발명이 앞서 상세하게 설명되었지만, 다음의 예가 본 발명의 특정 실시예와 연관하여 추가적인 세부사항을 제공한다.
예시1
구리박(copper foil)이 폴리이미드 지지 층으로 접착된다. 캐소드 아크 공정(cathodic arc process)을 이용하여, 1미크론의 비정질 다이아몬드의 층이 노출된 구리박 전극으로 증착된다. 비정질 다이아몬드는 50㎚의 거침도(asperity)를 갖는다. 스크린 인쇄(screen printing)에 의해, 비정질 다이아몬드 상으로 두께 30㎛로 PZT의 중간 층이 증착된다. 애노드를 형성하기 위하여, 스크린 인쇄에 의해, 은 그리스(silver grease)의 층이 PZT 중간 구성요소 상에 코팅된다. 그 후, 스크린 인쇄에서 사용되는 결합제(binder)를 추출하기 위해, 그리고 장치를 합치기 위해, 오븐(oven)에서 조립체가 경화된다. 구리 전극으로 와이어를 부착함에 따라, 이 열전변환 장치가 열을 흡수함으로써 전기 발생기로서, 또는 전기 전류를 적용함으로써 냉각 장치로서 기능할 수 있다.
예시 2
PZT 층이 흑연 파우더와 육방정 붕소 니트라이드(hexagonal boron nitride) 파우더의 혼합물로 대체되는 점을 제외하고, 예시 1에서와 동일한 절차가 진행된다.
예시 3
PZT 층이 흑연 파우더와 알루미늄 옥사이드 파우더의 혼합물로 대체되는 점을 제외하고, 예시 1에서와 동일한 절차가 진행된다.
예시 4
PZT 층이 흑연 파우더와 지르코늄 옥사이드 파우더의 혼합물로 대체되는 점을 제외하고, 예시 1에서와 동일한 절차가 진행된다.
예시 5
PZT 층이 은 첨입 에폭시(silver impregnated epoxy)로 대체되어 두 개의 전극을 가로지르는 0.1V의 전압을 지원하고 견디기에 저항값이 충분하다는 점을 제외하고, 예시 1에서와 동일한 절차기 진행된다.
예시 6
유리 판이 탄소 블랙으로 코팅되고, 은 그리스가 캐소드 층으로서 상기 탄소 블랙 위로 코팅된다. 그 후, 캐소드 아크법에 의해, 비정질 다이아몬드가 상기 은 그리스 상에 형성된다. 그 후, BaTiO3의 중간 층이 비정질 다이아몬드 상에 증착된다. 은 그리스의 두 번째 코팅이 에폭시의 얇은 층에 뒤따르는 중간 층 상에 형성된다. 이들 연속적인 층은 각각의 층 사이에서 공기나 습기가 삽입되지 않도록 하는 방식으로 코팅된다. 공기에 의해 전자의 흐름이 감소되고, 수분에 의해 코팅 층의 품질이 저하되고, 신뢰성이 감소된다.
투명한 유리 외부 층이, 온실 효과와 같이, 태양으로부터의 열을 가둘 수 있다. 탄소 블랙이 태양 광을 흡수하여 (가령, 200℃까지로) 온도를 증가시킬 것이다. 중간 층으로의 전자의 방출을 통해 열이온 비정질 다이아몬드가 열을 전기로 변환할 것이다. BaTiO3 중간 층이 사용되어 저항을 제어할 수 있고, 따라서 발생되는 전압을 제어할 수 있다. 유연한 전극으로서 은 그리스가 사용되지만, 그 밖의 다른 유연한 전도성 물질이 사용될 수 있다. 에폭시가 기계적 보호뿐 아니라 절연을 위한 편리한 포장 물질로서 기능할 수 있다.
앞서 언급된 설계는 단순하여, 자동화로 제조되기에 용이하다. 각각의 층의 두께와 균일함이 중요하다. 단단한 유리가 유연한 PET, 또는 그 밖의 다른 투명/반투명 물질로 대체되는 경우, 태양전지판은 구부릴 수 있게 되어, 다양한 기판, 가령 자동차의 곡선형 지붕에 장착될 수 있다.
예시 7
도 10을 참조하여, 유리 판(70)이 탄소 블랙(72)으로 코팅되고, 그 후 알루 미늄-마그네슘 합금이 상기 탄소 블랙 위로 캐소드 층(74)으로서 스퍼터링된다. 얇은 세슘 코팅(76)이 베이스 캐소드 층 위로 스퍼터링된다. 그 후, 캐소드 아크(cathodic arc)에 의해, 비정질 다이아몬드 층(78)이 세슘 층 상에 형성된다. PZT의 중간 층(80)이 비정질 다이아몬드 층 상에 증착된다. 그 후, 구리 애노드(82)가 상기 중간 층 상에 형성되고, 유리 절연 층(84)의 부착이 뒤따른다. 배터리, 또는 또 다른 전기적 장치(86)가 각각의 전극으로 기능적으로 연결되어 전기를 저장, 또는 일을 수행할 수 있다.
예시 8
비정질 다이아몬드 물질은 도 3에서 나타난 바와 같이, 캐소드 아크 증착(cathodic arc deposition)을 이용하여 만들어진다. 특히, 방출 표면의 거침도(asperity)는 약 200나노미터의 높이를 가지며, 제곱 센티미터 당 약 10억개의 봉우리(peak) 밀도를 갖는다. 이러한 물질을 제조함에 있어, 우선, Ar 이온에 의해, 20분 동안, (200) 배향을 갖는 N-타입 웨이퍼의 실리콘 기판이 식각되었다. 그 후, Multi-Arc(뉴저지, 로커웨이)의 Tetrabond 코팅 시스템을 이용하여, 식각된 실리콘 웨이퍼가 비정질 다이아몬드로 코팅되었다. 코팅 시스템의 흑연 전극이 기화되어, 80amp의 전류를 갖는 전기적 아크가 형성되었으며, 상기 아크는 20볼트의 네거티브 바이어스(negative bias)에 의해, 실리콘 기판 쪽으로 향해져서, 그 위로 증착되었다. 도 3 및 4에서 나타난 바와 같이, 최종 비정질 다이아몬드 물질이 코팅 시스템으로부터 이동되어, 원자 현미경으로 관찰되었다.
그 후 비정질 다이아몬드 물질이 전극으로 연결되어 캐소드를 형성하였고, 본 발명에 따르는 전기 발생기가 형성되었다. 외부 전기 바이어스가 적용되었고, 도 5에서 나타난 바와 같이, 몇 가지 온도에서, 비정질 다이아몬드 물질에 의해 발생된 최종 전기 전류가 측정되고 기록되었다.
예시 9
스퍼터링(sputtering)을 이용하여, 10미크론의 구리 층이 기판 상으로 증착될 수 있다. 진공에서, 상기 구리 표면 상으로 스퍼터링에 의해 사마륨이 증착될 수 있다. 물론, 베릴륨을 산화 분위기에 노출시키지 않도록 주의가 기울어져야 한다(가령 전체 공정이 진공에서 수행될 수 있다). 그 후 예시 4에서와 같이 캐소드 아크 기법을 이용하여 비정질 다이아몬드 물질의 층이 최종적으로 약 0.5미크론의 두께이도록 증착될 수 있다. 스퍼터링에 의해, 비정질 다이아몬드의 성장 표면으로, 마그네슘의 층이 증착되어, 약 10미크론의 두께가 도출된다. 최종적으로 스퍼터링에 의해 10미크론 두께의 구리 층이 증착되어 애노드가 형성되었다.
예시 10
스퍼터링을 이용하여, 10미크론의 구리 층이 기판으로 증착될 수 있다. 진공에서, 스퍼터링을 이용하여 구리 표면으로 2미크론의 세슘이 증착되었다. 물론, 상기 세슘을 산화 분위기에 노출시키지 않도록 주의가 기울여졌다(가령 전체 공정이 진공 상태에서 수행될 수 있다). 그 후, 예시 4에서와 같이 캐소드 아크 기법을 이 용하여 최종적으로 약 65㎚의 두께를 도출하도록 비정질 다이아몬드 물질 층이 증착될 수 있다. 비정질 다이아몬드의 성장 표면으로, 스퍼터링을 이용하여 몰리브덴의 층이 증착되어, 약 16㎚의 두께가 도출된다. 추가로, 스퍼터링에 의해, 20㎚의 In-Sn 옥사이드 층이 증착되어, 애노드를 형성할 수 있다. 최종적으로, 스퍼터링에 의해, 10미크론의 구리 층이 상기 In-Sn 층으로 증착되었다. 증착에 따라 조립된 층의 조성의 단면도가 도 9A에서 부분적으로 나타난다. 그 후 진공 로(vacuum furnace)에서, 상기 조립된 층이 400℃까지 가열되었다. 최종 비정질 다이아몬드 전기 발생기의 조성의 단면도가 도 9B에서 부분적으로 나타난다. 층들 간의 경계부가 항상 구별되는 경계를 나타내는 것은 아니나, 하나의 층과 다음 층 간의 조성물의 변화에 의해 특징지워진다. 이러한 열처리에 의해, 애노드와 중간 물질 간의 경계와, 비정질 다이아몬드와 중간 물질 간의 경계를 가로지르는 전자 이동이 개선된다. 25℃에서, 적용된 전계 강도 대(vs.) 전류 밀도의 측정치가, 도 5의 400℃에서 나타난 반응과 거의 동일한 반응으로 도출되었다. 도 5에서 도시된 바대로, 25℃ 이상의 온도에서의 측정치는, 온도의 함수로서, 더 낮은 적용 전압에서 전류 밀도가 증가하는 유사한 경향을 보여줄 것임이 기대되어진다.
예시 11
캐소드 아크에 의해 제 1 인듐 틴 옥사이드(ITO) 전극을 비정질 다이아몬드 층으로 코팅하고, 스크린 인쇄(screen printing)에 의해, 제 2 ITO 전극을 구리 도핑된 아연 설파이드로 코팅함으로써, 인듐 틴 옥사이드(ITO) 코팅된 유리 전극의 제 1 세트가 구성되었다. 그 후, 에폭시를 이용하여 상기 ITO 전극은 서로 마주보는 코팅된 표면과 함께 점착된다. ITO 전극의 코팅된 표면들 사이의 전체 에폭시-충진된 갭은 약 60미크론이다.
ITO 코팅된 유리 전극의 제 2 세트는, 제 1 ITO 전극이 비정질 다이아몬드 층을 갖지 않는다는 것을 제외하고, 상기 제 1 세트와 유사하게 구성된다. 그 후 에폭시를 이용하여, 이 ITO 전극이 제 1 전극을 바라보는 구리-도핑된 아연 설파이드와 함께 점착된다. 제 1 ITO 전극과, 제 2 전극의 코팅된 표면이 약 60미크론이다.
예시 12
직류가 예시 7의 전극의 제 1 세트 및 제 2 세트로 적용된다. 직류가 전극의 제 1 세트로 적용될 때, 구리 도핑된 아연 설파이드 층으로부터 발광을 생성하기 위해, 40볼트가 필요하다. 직류가 전극의 제 2 세트로 적용될 때, 구리 도핑된 아연 설파이드 층으로부터 발광을 발생시키기 위해 80볼트가 필요하다.
예시 13
예시 7의 제 1 세트에 따라서, 다이아몬드상 탄소(diamond-like carbon) 층을 갖는 전극의 세트가 구성된다. 상기 전극의 세트로 교류가 적용된다. 60㎐에서, 구리 도핑된 아연 설파이드 물질로부터 주어진 레벨의 발광을 발생시키기 위해, 40볼트가 필요하다. 100㎐에서, 60㎐에서 발생되는 발광의 레벨보다 큰 레벨의 발광 을 발생시키기 위해, 3볼트가 필요하다. 1000㎐에서, 3볼트가 100㎐에서 발생되는 발광의 레벨보다 더 큰 레벨의 발광을 발생시킬 수 있다. 3500㎐에서, 3볼트가, 1000㎐에서 발생되는 발광의 레벨보다 더 큰 레벨의 발광을 발생시킬 수 있다.
예시 14
캐소드 아크에 의해, 모든 ITO 전극에 비정질 다이아몬드 층을 코팅함으로써, ITO 전극의 세트가 구축된다. 비정질 다이아몬드가 모든 ITO 전극 위로 증착되기 때문에, 비정질 탄소 층의 손상을 피하기 위해, 추가적인 구축에서 사용되는 열은 500℃ 이하일 것이다. 구리 도핑된 아연 설파이드 파우더가 접합제(binder)와 혼합되어, 기판 상으로 스핀 코팅되어 얇은 층을 형성한다. 그 후, 구리-도핑된 아연 설파이드의 층이 두 개의 유전 물질 층 사이에 위치하여, 건조되고, 로스팅(roasting)되며, 열처리되어 도펀트가 아연 설파이드로 확산될 수 있다.
예시 15
캐소드와 애노드 전극 사이로 스페이서(spacer)가 연결되며, 상기 스페이서와 전극 사이의 각각의 인터페이스는 비정질 다이아몬드로 코팅된다. 열을 흡수하기 위해, 캐소드의 노출된 측부가 탄소 블랙으로 추가로 코팅된다. 조성 및 두께를 변화시킴으로써, 상기 스페이서는 전기 전도율과 열 전항을 최대화하기 위해 사용된다. 전체 장치가 유연하도록 은 그리스를 PET 플라스틱 상에 스크린 인쇄함으로써, 두 개의 전극은 만들어진다. 상기 스페이서는 바륨 티타네이트, 또는 PZT, 또 는 Bi2Te3, 또는 흑연 및 육방정 붕소 니트라이드(hexagonal boron nitride)의 혼합물, 또는 알루미나 첨입 알루미늄일 수 있다.
캐소드의 하나의 측부가 약 100℃까지로 가열될 때, 이들 두 개의 전극 사이에서 전기가 발생된다. 전기의 전압은 상기 스페이서의 저항값을 증가시키며, 전류는 전도율을 변화시킨다. 열전변환 효율이 또한 스페이서의 열 저항성을 증가시킨다. 앞선 설계에서, 비정질 다이아몬드 코팅이 하나 이상의 전극으로 적용되지 않는 경우, 어떠한 전기도 발생되지 않는다.
본원발명의 원리의 설명에 따라서, 동일한 장치가 배터리로 연결될 수 있다. 이 경우, 캐소드를 나가는 전자의 적용된 구동력 때문에, 캐소드는 애노드보다 더 차가워진다. 이 전기적 냉각 효과가 고온의 표면으로부터 열을 이동시키기 위한 열 스프레더(heat spreader)로서, 또는 냉장 박스의 냉각 장치(chilling device)로서 사용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 다이아몬드상 탄소(diamond-like carbon) 열전변환 장치(thermoelectric device)에 있어서, 상기 장치는
    a) 일부분, 또는 전체를 코팅하는 다이아몬드상 탄소 물질의 베이스 구성요소(base member)를 갖는 제 1 전극,
    b) 상기 다이아몬드상 탄소 물질로 전기적으로 연결되는 중간 구성요소(intermediate member)로서, 상기 중간 구성요소를 가로지르는 0.1V 내지 6V의 전압을 지원하는 고형의 유전 물질을 포함하는 상기 중간 구성요소(intermediate member), 그리고
    c) 상기 다이아몬드상 탄소 물질의 반대편에 위치하는, 상기 중간 구성요소로 전기적으로 연결되는 제 2 전극
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극은 캐소드이고, 상기 베이스 구성요소는 둘 이상의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 베이스 구성요소는 제 1 전도성 캐소드 층과 제 2 층을 포함하며, 상기 제 2 층은 상기 제 1 전도성 캐소드 층의 일함수보다 작은 일함수를 갖는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 층은 Cs, Sm, Al-Mg, Li, Na, K, Rb, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Ce, Al, La, Eu 및 이들의 혼합물이나 이들의 합금 중에서 선택된 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극은 애노드임을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 중간 구성요소는 200W/mK 이하의 열 전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 유전 물질은 폴리머, 또는 유리, 또는 세라믹, 또는 흑연, 또는 이들의 혼합물이나 화합물인 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 유전 물질은 BaTiO3, PZT, Ta2O3, PET, PbZrO3, PbTiO3, NaCl, LiF, MgO, TiO2, Al2O3, BaO, KCl, Mg2SO4, 융용 실리카 유리(fused silica glass), 소다 석회 실리카 유리, 고-납 유리(high lead glass), 흑연, 육방정 붕소 니트라이드(hexagonal boron nitride), 금속 매트릭스 복합물(metal matrix composite), 역 금속 매트릭스 복합물(reverse metal matrix composite), BiSb, Bi2T23, PbTe, SiGe, Bi2Te3, Zn4Sb3, La2Te3 및 이들의 혼합물이나 복합물이나 조합물 중에서 선택된 구성요소인 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 유연한 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 다이아몬드상 탄소 물질은 10나노미터 내지 3미크론의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 다이아몬드상 탄소 물질은 80% 이상의 탄소 원자를 포함하며, 이때, 상기 탄소 원자의 20% 이상이 비틀린 사면체 배위(distorted tetrahedral coordination)로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치가 전기 발생기(electrical generator)로서 구성되도록, 상기 다이아몬드상 탄소 물질의 반대편에서, 상기 제 1 전극으로 연결되는 에너지 수집기(energy collector)를 더 포함하 는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치가 냉각 장치로서 구성되도록, 상기 제 2 전극과 상기 제 1 전극 사이에서 기능적으로 연결되는 전압 공급원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치.
  14. 청구항 제 1 항에 따르는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치를 제공하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
    a) 증기 증착 기법을 이용하여, 제 1 전극 상에 다이아몬드상 탄소 물질의 층을 형성하는 단계로서, 상기 다이아몬드상 탄소 물질은 상기 제 1 전극의 반대편에 전자 방출 표면을 갖는 단계,
    b) 상기 전자 방출 표면 상에 중간 구성요소를 형성하는 단계, 그리고
    c) 상기 제 2 전극을 상기 제 1 전극의 반대편에 위치하는 중간 구성요소로 연결하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치를 제공하기 위한 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 다이아몬드상 탄소 물질의 층을 형성하는 단계는 물리 증기 증착(physical vapor deposition)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치를 제공하기 위한 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 중간 구성요소를 형성하는 단계는 증기 증착, 박막 증착, 예비 성형된 고체(preformed solid), 파우더화된 층(powdered layer), 스크린 인쇄를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치를 제공하기 위한 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 다이아몬드상 탄소 물질의 반대편에서 상기 제 1 전극 상에 에너지 수집 층을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치를 제공하기 위한 방법.
  18. 제 14 항에 있어서, 경계부를 합치고, 물질 결함을 감소시키기 위해, 상기 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치를 열 처리하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치를 제공하기 위한 방법.
  19. 전기 전류를 발생시키는 방법에 있어서, 상기 방법은
    전류를 생성할 수 있게 하는 양의 광자 에너지, 또는 열 에너지를 청구항 제 1 항에 따르는 다이아몬드상 탄소 열전변환 장치로 투입하는 단계로서, 상기 에너지 투입 포면은 상기 다이아몬드상 탄소 물질의 반대편에서 제 1 전극 상에 위치하 는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 전류를 발생시키는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 광자 에너지, 또는 열 에너지는 제 1 전극을 100℃ 내지 1800℃의 온도로 유지하는 것을 특징으로 하는 전기 전류를 발생시키는 방법.
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