KR20080091783A - Closely spaced electrodes with a uniform gap - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전극간에 매우 작은 간격을 갖도록 설계되고 또한 어떤 경우에는 전극간 열 격리를 필요로 하는 다이오드, 열이온(thermionic), 터널링, 열광전압(thermophotovoltaic) 및 기타 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 열-터널링과 열-광전압 생성기 및 열 펌프에 적용될 수 있으며, 열이온 및 열전기 방법을 이용하는 유사한 시스템에 적용될 수 있다. 이러한 열-터널링 생성기 및 열 펌프는 열 에너지를 전기 에너지로 변환하며 냉각을 제공하도록 역으로 동작할 수 있다. 또한, 본 발명은 전류가 흐르는 2개의 전극의 밀접하고 평행한 간격을 필요로 하는 임의의 디바이스에 적용될 수 있다.The present invention relates to diodes, thermoionic, tunneling, thermophotovoltaic and other devices that are designed to have very small gaps between electrodes and in some cases require thermal isolation between electrodes. The present invention can be applied to heat-tunneling and heat-photovoltaic generators and heat pumps, and to similar systems using thermal ion and thermoelectric methods. These heat-tunneling generators and heat pumps can be operated in reverse to convert thermal energy into electrical energy and provide cooling. In addition, the present invention can be applied to any device requiring close and parallel spacing of two electrodes through which current flows.
고에너지의 전자가 하나의 도전체(에미터)에서 다른 도전체(컬렉터)로 흐르는 현상은 많은 전자 디바이스에서 다양한 목적으로 사용되어 왔다. 예를 들어, 진공관 다이오드는 이러한 방식으로 구현되었으며, 그 물리적 현상을 열이온 방출이라 칭하였다. 비교적 큰 물리적 가용 공간에 의해 부과된 제한으로 인해, 이 다이오드들은 (1000 켈빈 온도보다 높은) 매우 높은 온도에서 동작할 필요가 있었다. 고온의 전극(hot electrode)은 전자가 컬렉터로의 먼 거리를 이동할 충분한 에너지 를 얻고 높은 양자 장벽(quantum barrier)을 극복하기에 충분한 에너지를 얻도록 매우 고온일 필요가 있었다. 그럼에도 불구하고, 진공관은 전자 다이오드 및 그 이후에 만들어지는 증폭기를 가능하게 하였다. 시간이 지남에 따라, 동작 온도를 감소시킬 노력으로, 산화물, 또는 세슘과 같은 알칼리 금속을 이용하여 전극을 코팅함으로써 이 디바이스들은 최적화되었다. 열이온 생성을 위한 온도가 실온보다 여전히 매우 높음에도 불구하고, 이러한 전력 생산의 방법은 연소 또는 태양 집광기(solar concentrator)로부터 전기로의 열 변환을 위한 유용성을 갖는다.The phenomenon that high energy electrons flow from one conductor (emitter) to another conductor (collector) has been used for various purposes in many electronic devices. For example, a tube diode was implemented in this way, and its physical phenomenon was called heat ion release. Due to the limitations imposed by the relatively large physical available space, these diodes needed to operate at very high temperatures (above 1000 Kelvin). The hot electrode needed to be very hot so that the electrons had enough energy to travel a long distance to the collector and enough energy to overcome the high quantum barrier. Nevertheless, vacuum tubes have enabled electronic diodes and amplifiers made thereafter. Over time, in an effort to reduce the operating temperature, these devices have been optimized by coating the electrode with an oxide, or an alkali metal such as cesium. Although the temperature for generating heat ions is still much higher than room temperature, this method of power generation has utility for thermal conversion from combustion or solar concentrator to electricity.
후에, 에미터 및 컬렉터가 2 내지 20 나노미터와 같이 대략 원자 거리로 서로 매우 밀접하게 있다면, 전자는 훨씬 더 낮은 온도에서, 심지어 실온에서도 흐를 수 있다는 것이 발견되었다. 이러한 작은 간격에서, 2개 전극의 원자들의 전자 구름은 매우 밀접하여서, 고온의 전자(hot electron)들은 물리적인 도전(conduction) 없이도 에미터 구름에서 컬렉터 구름으로 실제로 흐른다. 전자 구름들이 교차하지만, 전극들이 물리적으로 접촉하고 있지 않는 경우에 있어서의 이런 유형의 전류 흐름을 터널링이라 한다. 스캐닝 터널링 현미경은 예를 들어 도전성 표면에 매우 근접하게 놓여져 있는 뾰족한 도전성 침(stylus)을 이용하며, 이러한 표면의 원자 컨투어(atomic contour)는 침이 표면을 가로질러 스캐닝될 때, 전기적인 전류 흐름을 플로팅(plotting)함으로써 매핑될 수 있다. US 특허 4343993호(Binnig 등)는 스캐닝 터널링 현미경에 적용되는 이러한 방법을 교시한다.Later, it was found that if the emitter and collector were very closely to each other at approximately atomic distances, such as 2 to 20 nanometers, the electrons could flow at much lower temperatures, even at room temperature. In this small gap, the electron cloud of the atoms of the two electrodes is so close that hot electrons actually flow from the emitter cloud to the collector cloud without physical conduction. This type of current flow in the case where the electron clouds intersect but the electrodes are not in physical contact is called tunneling. Scanning tunneling microscopes, for example, use a pointed conductive stylus placed in close proximity to the conductive surface, and the atomic contour of this surface allows the electrical current to flow when the needle is scanned across the surface. It can be mapped by plotting. US Patent 4343993 (Binnig et al.) Teaches such a method applied to scanning tunneling microscopes.
이러한 원자 이격이 넓은 영역(예를 들어, 일 평방센티미터)에 걸쳐 유지될 수 있다면, 상당한 양의 열이 단일 다이오드형 디바이스에 의해 전기로 변환될 수 있으며, 이러한 디바이스는 냉각기로서, 또는 각종 소스로부터 소모된 열 에너지를 복원하는 데 있어서 유용성을 가질 것이라는 점이 본 기술분야에 알려져 있다. 2001년 4월 23일자의 Y. Hishinuna, T. H. Geballe, B. Y. Moyzhes, 및 T. W. Kenny에 의한, Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum: Use of Nanometer Scale Design, Applied Physics Letters, 78권, 17번; 2002년 11월 25일자의 Y. Hishinuna, T. H. Geballe, B. Y. Moyzhes에 의한, Vacuum Thermionic Refrigeration with a Semiconductor Heterojunction Structure, Applied Physics Letters, 81권, 22번; 및 2003년 10월 1일자의 Y. Hishinuma, T. H. Geballe, B. Y. Moyzhes 및 T. W. Kenny에 의한, Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap, Journal of Applied Physics, 94권 7번을 참조할 수 있다. 전극들간의 간격은 "고온의" 전자들(이 전자들은 페르미 레벨(Fermi level)보다 높은 에너지를 가짐)이 흐를 수 있도록 충분히 작아야만 하지만, 보통의 도전(페르미 레벨 또는 그 아래에서의 전자들의 흐름)을 허용하도록 너무 근접해서는 안된다. 전기에서 냉각으로의 변환의 평방센티미터당 수천 와트를 허용하는 2 내지 20 나노미터의 이격 거리의 실행가능 범위가 존재한다. 상술한 Hishinuna 등에 의한, Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum: Use of Nanometer Scale Design을 참조할 수 있다. 또한, 이 참조문헌은 하나의 전극에서 다른 전극으로 전자들의 전달에 있어서 낮은 일함수를 획득하기 위하여 에미팅 전극 상에 알칼리 금속 또는 기타 재료의 코팅 또는 단일층의 이점을 제시한다. 이러한 코팅 또는 단일층은 동작 온도를 더욱 감소시키며 변환 효율을 증가시킨다.If such atomic spacing can be maintained over a large area (eg, one square centimeter), a significant amount of heat can be converted to electricity by a single diode type device, which device can be used as a cooler, or from various sources. It is known in the art that it will have utility in recovering spent heat energy. Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum: Use of Nanometer Scale Design, Applied Physics Letters, Vol. 78, No. 17, by Y. Hishinuna, TH Geballe, BY Moyzhes, and TW Kenny, April 23, 2001. ; Vacuum Thermionic Refrigeration with a Semiconductor Heterojunction Structure, Applied Physics Letters, Vol. 81, No. 22, by Y. Hishinuna, T. H. Geballe, B. Y. Moyzhes, November 25, 2002; And Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap, Journal of Applied Physics, Vol. 94, no. 7, October 1, 2003, by Y. Hishinuma, TH Geballe, BY Moyzhes, and TW Kenny. . The spacing between the electrodes must be small enough to allow the "hot" electrons (which have higher energy than the Fermi level) to flow, but the normal conduction (flow of electrons at or below the Fermi level) Should not be too close to allow. There is a viable range of separation distances of 2 to 20 nanometers that allows thousands of watts per square centimeter of conversion from electricity to cooling. See Hishinuna et al., Above, for Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum: Use of Nanometer Scale Design. This reference also presents the advantage of a single layer or coating of alkali metal or other material on the emitting electrode to obtain a low work function in the transfer of electrons from one electrode to another. Such coatings or monolayers further reduce operating temperature and increase conversion efficiency.
Mahan은 0.7eV의 일함수 및 500K의 냉온을 갖는 전극을 이용하는 열이온 냉각기의 이론적 효율이 카르노 효율(Carnot efficiency)의 80%보다 높음을 보였다. 1994년 10월 1일자의 G. D. Mahan에 의한, Thermionic Refrigeration, Journal of Applied Physics, 76권, 7번을 참조할 수 있다. 유사성에 의해, 전자 터널링 프로세스의 변환 효율도 카르노 효율의 높은 비율이 될 것으로 예측된다. 카르노 효율은 열 에너지 변환의 달성가능한 효율의 상한을 제시한다.Mahan showed that the theoretical efficiency of a thermal ion cooler using an electrode with a work function of 0.7 eV and a cold temperature of 500 K is higher than 80% of Carnot efficiency. See Thermionic Refrigeration, Journal of Applied Physics, Vol. 76, No. 7, by G. D. Mahan, October 1, 1994. By similarity, it is expected that the conversion efficiency of the electron tunneling process will also be a high ratio of Carnot efficiency. Carnot efficiency sets an upper limit on the attainable efficiency of thermal energy conversion.
넓은 영역에 걸쳐 원자 크기에서 전극의 이격을 유지하는 것이 도전체로부터 열을 제거할 수 있는 디바이스를 제조함에 있어 유일하고 가장 중요한 문제였다. 스캐닝 터널링 현미경은, 예를 들어 진동이 없는 특수한 연구실 환경을 필요로 하며, 그 동작은 수 평방 나노미터의 영역에 제한된다. 매우 최근에서도, 작업 장치에서의 냉각의 모든 측정들은 수 평방 나노미터의 영역에 제한되었다. Hishinuma 등에 의한, Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap을 참조할 수 있다.Maintaining the separation of electrodes at atomic size over a large area was the only and most important issue in making devices capable of removing heat from conductors. Scanning tunneling microscopes, for example, require a special laboratory environment free of vibration, and their operation is limited to an area of several square nanometers. Even very recently, all measurements of cooling in the working apparatus have been limited to an area of several square nanometers. See Hishinuma et al., Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap.
대략 100 나노미터보다 긴 크기의 전극의 이격은 열-광전압 방법을 이용하여 열의 전기로의 변환을 지원할 수 있다. 열-광전압 시스템에서, 광자는 갭을 가로질러 터널링한다. 열원(heat source)은 하나의 광-방출 전극으로 하여금 방사하게 하고, 제2 광감응 전극이 방사 파장보다 매우 짧게 위치되어 있다면, 표준 광전압 시스템에 대해 변환 전력의 열배까지가 가능하다. 열원은 태양광, 화석 연료 연소 또는 다른 수단으로 집중될 수 있다. 광 방출 전극은 예를 들어 텅스텐으로 이루어질 수 있다. 광감응 전극은 실리콘, 셀레늄, 또는 인듐 갈륨 비소로 이루어질 수 있다. 열-광전압 방법에 대한 보다 많은 정보를 위해서는, R. DiMatteo, P. Greiff, D. Seltzer, D. Meulenberg, E. Brown, E. Carlen, K. Kaiser, S. finberg, H. Nguyen, J. Azarkevich, P. Baldasaro, J. Beausang, L. Danielson, M. Dashiell, D. DePoy, H. Ehsani, W. Topper, K. Rahner, R. Siergie에 의한, Micron-gap ThermoPhotoVoltaics(MTPV), Thermophotovoltaic Generation of Electricity Sixth Conference, American Institute of Physics, 2004를 참조할 수 있다.The spacing of electrodes of size greater than approximately 100 nanometers can support the conversion of heat to electricity using the thermo-photovoltaic method. In a thermo-photovoltaic system, photons tunnel across the gap. The heat source causes one light-emitting electrode to emit, and up to ten times the conversion power for a standard photovoltaic system if the second photosensitive electrode is positioned very short of the radiation wavelength. The heat source may be concentrated by sunlight, fossil fuel combustion or other means. The light emitting electrode may for example be made of tungsten. The photosensitive electrode may be made of silicon, selenium, or indium gallium arsenide. For more information on the thermo-photovoltaic method, see R. DiMatteo, P. Greiff, D. Seltzer, D. Meulenberg, E. Brown, E. Carlen, K. Kaiser, S. finberg, H. Nguyen, J. Azarkevich, P. Baldasaro, J. Beausang, L. Danielson, M. Dashiell, D. DePoy, H. Ehsani, W. Topper, K. Rahner, R. Siergie, Micron-gap ThermoPhotoVoltaics (MTPV), Thermophotovoltaic See Generation of Electricity Sixth Conference, American Institute of Physics, 2004.
따라서, 입력으로서의 열원과, 출력으로서의 전력을 필요로 하는 전기 회로 모두에 대해 사용하기 편리한 패키지로 열 에너지를 전기적 에너지로 효율적으로 변환시키고 비용이 효과적인 디바이스에 대한 필요성이 존재한다. 낭비된 열을 포함하여 풍부한 열원은 용이하게 전기원(source of electricity)이 될 것이다. 이러한 디바이스를 사용하는 것이 환경에 도움이 되고 비용을 절약하고, 또는 둘 모두를 충족시키는 예들은 이하를 포함한다:Accordingly, there is a need for a device that efficiently converts thermal energy into electrical energy and is cost effective in a package that is easy to use for both the heat source as input and the electrical circuit requiring power as output. Abundant heat sources, including wasted heat, will easily become a source of electricity. Examples of using such a device to benefit the environment, save money, or meet both include:
(1) 현재 사용되는 광전압 디바이스보다 더욱 비용이 효과적인, 태양의 열 및 광을 전기로 변환하는 것. 많은 논문들이 이러한 열 변환 디바이스들을 이용함으로써 태양 컬렉터로부터 열 에너지를 재생하는 고온의 열이온 방출의 이용을 설명한다. 상술한 G. D. Mahan에 의한, Thermionic Refrigeration; 그리고 1998년 5월 1일자의 G. D. Mahan, J. A. Sofao 및 M. Bartkoiwak에 의한, Multilayer Thermionic Refrigerator, Journal of Applied Physics, 83권, 9번을 참조할 수 있다. 그러나, 터널링이 자연적으로 발생하는 온도(naturally occuring temperature)에서 이루어진다면, 이러한 변환은 보다 비용이 적게 들고, 보다 널리 퍼질 수 있을 것이다.(1) Converting solar heat and light into electricity, which is more cost effective than photovoltaic devices currently in use. Many papers describe the use of high temperature heat ion release to regenerate thermal energy from a solar collector by using such heat conversion devices. Thermionic Refrigeration, by G. D. Mahan, supra; And Multilayer Thermionic Refrigerator, Journal of Applied Physics, vol. 83, no. 9 by G. D. Mahan, J. A. Sofao and M. Bartkoiwak, May 1, 1998. However, if tunneling occurs at a naturally occurring temperature, this conversion will be less expensive and more widespread.
(2) 자동차에서 사용되는 것과 같은 내부 연소 엔진에 의해 생성된 열을 유용한 동작으로 회복하는 것. 하이브리드 가스-전기 자동차라 불리는 현재 이용가능한 어떤 자동차들은 동작을 만들어내기 위해 전력 또는 내부 연소 중 하나를 이용할 수 있다. 가솔린 내의 에너지의 대략 75%는 현재의 내연 기관에서는 쓸모없는 열로 변환된다. 터널링 변환 디바이스는 하이브리드 자동차의 엔진으로부터의 이러한 열 에너지중 많은 부분을 회수하여 장래의 사용을 위해 배터리에 넣어 둘 수 있을 것이다. 미국 특허 6651760호(Cox 등)는 연소 챔버로부터 열을 변환하고, 에너지를 저장하거나 동작으로 변환시키는 방법을 교시한다.(2) Recovering heat generated by internal combustion engines such as those used in motor vehicles to useful operation. Some currently available cars, called hybrid gas-electric vehicles, can use either power or internal combustion to produce motion. Approximately 75% of the energy in gasoline is converted to heat that is not available in current internal combustion engines. The tunneling conversion device may recover much of this heat energy from the engine of the hybrid vehicle and put it in a battery for future use. U. S. Patent 6651760 (Cox et al.) Teaches a method of converting heat from a combustion chamber and storing or converting energy into operation.
(3) 유독 가스가 대기로 진입하는 필요성을 감소시킴. 보다 높은 에너지 효율의 하이브리드 자동차는 대기로 사라지는 유독한 배기 가스가 감소될 수 있는 명확한 예이다. 엔진 및 하이브리드 엔진의 배출 열을 변환한 후에 저장하거나 하이브리드 배터리에 전기를 생산하는 디바이스는 하이브리드 자동차의 효율을 더욱 증가시킬 것이며 유독 가스를 방출할 필요성을 감소시킬 것이다. 냉각에 사용되는 냉각제는 열을 제거하는 데 필요한 유독 가스의 다른 예이며, 터널링 변환 디바이스는 유독 가스의 방출에 대한 필요성을 감소시킬 수 있을 것이다.(3) Reduce the need for toxic gases to enter the atmosphere. Higher energy-efficient hybrid vehicles are a clear example of the reduction of toxic emissions into the atmosphere. Devices that convert and store exhaust heat from engines and hybrid engines, or produce electricity in hybrid batteries, will further increase the efficiency of hybrid vehicles and reduce the need to emit toxic gases. The coolant used for cooling is another example of the toxic gases required to remove heat, and the tunneling conversion device may reduce the need for the release of toxic gases.
(4) 이용가능한 시점에서 열 에너지를 회수하고, 배터리 내에 화학적 에너지 로서 이를 저장하고, 이용가능하지 않은 시점에서 이를 재사용(re-using)하는 것. 터널링 변환 디바이스는 낮 동안 태양 에너지를 전기로 변환시킬 수 있으며 이를 배터리에 저장시킬 수 있다. 밤 동안에는, 저장된 배터리 전력은 전기를 생산하는 데 사용될 수 있을 것이다.(4) Recovering thermal energy at a time available, storing it as chemical energy in the battery, and re-using it at a time when it is not available. Tunneling conversion devices can convert solar energy into electricity during the day and store it in batteries. During the night, stored battery power may be used to produce electricity.
(5) 지열(geothermal) 에너지로부터의 전력 생산. 열은 지표면 상에 많은 곳에 존재하며, 지구의 깊은 내부에는 사실상 무제한으로 풍부하다. 효율적인 터널링 변환 디바이스는 이러한 에너지의 공급을 개발할 수 있을 것이다.(5) Power generation from geothermal energy. Heat is present in many places on the earth's surface, and is virtually unlimited in the deep interiors of the earth. An efficient tunneling conversion device will be able to develop this supply of energy.
(6) 컴팩트하고 조용하고 정적인 고상(solid state) 디바이스에 의한 냉각의 생성. 여기에서 이러한 터널링 디바이스는 부피가 큰 공기압 기계 및 압축기에 대한 필요성을 대체할 에어 컨디셔너 또는 냉각(refrigeration)을 위한 냉각(cooling)을 제공할 수 있을 것이다.(6) Generation of cooling by compact, quiet and static solid state devices. This tunneling device may here provide cooling for an air conditioner or refrigeration to replace the need for bulky pneumatic machines and compressors.
(7) 체열(body heat)로부터의 전력 생산. 인간의 몸은 대략 100와트의 열을 생산하며, 이러한 열은 셀 폰, 무선 전화기, 음악 재생기, PDA(personal digital asistants) 및 회중 전등과 같은 휴대용 제품을 위해 유용한 전력으로 변환될 수 있다. 본 명세서에서 제시된 열 변환 디바이스는 인체와의 부분적인 접촉을 통해 인가되는 열로부터 이러한 휴대용 제품에 대한 배터리를 동작시키거나 충전할 충분한 전력을 생산할 수 있다.(7) Power generation from body heat. The human body produces approximately 100 watts of heat, which can be converted into useful power for portable products such as cell phones, cordless phones, music players, personal digital asistants (PDAs) and flashlights. The heat conversion device presented herein can produce sufficient power to operate or charge a battery for such a portable product from heat applied through partial contact with the human body.
(8) 원료 연소로부터의 전력. 나무 난로는 수만 와트의 열을 생산한다. 이러한 터널링 디바이스는 이러한 열로부터 통상적인 가정의 전기 기구에 전력을 공급하기에 충분한 1 또는 2 킬로와트를 생산할 수 있을 것이다. 천연 가스, 석탄 등과 같은 다른 원료를 연소시키는 것에 의해서도 유사한 응용이 가능하다. 그러면, 외딴 지역에 있는 가정들은 현대적인 편의를 갖기 위해 전력망(power grid)으로의 연결 또는 시끄러운 발전기를 필요로 하지 않을 수 있다.(8) power from raw material combustion. Wood stoves produce tens of thousands of watts of heat. Such a tunneling device would be able to produce enough heat from one or two kilowatts to power a typical household electrical appliance from this heat. Similar applications are possible by burning other raw materials such as natural gas, coal and the like. Homes in remote areas may then not need a connection to the power grid or noisy generators for modern convenience.
20.0 나노미터보다 작은 이격 갭 내에서 2개의 평행한 전극을 함께 두는 것에 있어서의 도전은 2개의 파라미터에 대한 주목을 필요로 한다. 하나는 표면의 거칠기이고 다른 하나는 표면의 평평함이다. 표면의 거칠기는 작고 국부적인 영역에서 평활함(smoothness)으로부터의 어긋남(deviation)이다. 홀(hole) 및 스크래치(scratch)는 표면의 거칠기에 영향을 주는 어긋남의 예들이다. 표면의 평평함(flatness)은 넓은 영역에 걸친 평행성(parallelism)으로부터의 어듯남이다. 휨(warping), 구부림(bending), 크리핑(creeping)은 표면의 평평함에 영향을 주는 어긋남의 예들이다.The challenge of putting two parallel electrodes together in a spacing gap smaller than 20.0 nanometers requires attention to two parameters. One is the roughness of the surface and the other is the flatness of the surface. The roughness of the surface is a deviation from smoothness in small, localized areas. Holes and scratches are examples of misalignments that affect the roughness of the surface. The flatness of the surface is apparent from parallelism over a large area. Warping, bending, and creeping are examples of misalignments that affect the flatness of the surface.
2개의 딱딱한(rigid) 재료가 집적 회로를 위해 현재 이용가능한 최고의 기술을 사용하여 평평하게 연마된 경우에, 표면의 평평함은 평방 센티미터 영역에 대해 대략 몇 마이크로미터이다. 또한, 열 또는 다른 압력(stress)이 시간이 지남에 따라 휨 및 구부림에 변화를 야기할 수 있어, 일단 달성된 균일한 이격을 유지하는 데 추가적인 문제점을 제시한다. 현재의 기술을 이용하는 연마된 금속 또는 반도체 표면은 0.5 나노미터보다 작은 거칠기를 쉽게 달성할 수 있다.In the case where two rigid materials are polished flat using the best technology currently available for integrated circuits, the flatness of the surface is approximately several micrometers for the square centimeter area. In addition, heat or other stresses can cause changes in bending and bending over time, presenting additional problems in maintaining uniform spacing once achieved. Polished metal or semiconductor surfaces using current technology can easily achieve roughness less than 0.5 nanometers.
터널링 에너지 변환 디바이스의 기술 상태는 이하의 제한점들 중 하나 이상에 의해 어려움을 겪고 있다: (1) 터널링을 하기에는 너무 큰 이격, (2) 충분한 에너지 변환을 하기에는 너무 작은 영역, (3) 열적으로 격리될 수 없어 낮은 변환 효 율을 야기하는 고체 재료의 층들, 및 (4) 효율적인 비용으로 제조하기에 과도하게 복잡한 설계가 그것이다.The state of the art of tunneling energy conversion devices suffers from one or more of the following limitations: (1) too large separation for tunneling, (2) areas too small for sufficient energy conversion, and (3) thermal isolation. Layers of solid material that cannot be made resulting in low conversion efficiency, and (4) an overly complex design to manufacture at an efficient cost.
10 마이크로미터 이상의 이격은 많은 열이온 시스템에 의해 달성되었지만, 이러한 시스템들은 매우 높은 온도에서만 동작하며 안전을 위해 고가의 설계를 필요로 하며 이러한 온도가 달성되는 환경에 제한된다.Spaces of more than 10 micrometers have been achieved by many thermal ion systems, but these systems operate only at very high temperatures and require expensive designs for safety and are limited to the environment in which these temperatures are achieved.
대략 2.O 내지 20.0 나노미터의 이격은 스캐닝 터널링 현미경의 설계에서 미국 특허 4343993호(Binnig 등)에 교시된 방법에 의해 달성되었지만, 유효 영역은 대략 수 평방 나노미터이다. 이러한 영역은 충분한 전류를 흐르게 하기에는 (대략 1 평방 센티미터 이상의 원하는 영역에 비해) 너무 작아서, 최선의 재료에 있어서도 충분한 에너지를 변환시키지 못한다.A spacing of approximately 20 to 20.0 nanometers was achieved by the method taught in US Pat. No. 4343993 (Binnig et al.) In the design of a scanning tunneling microscope, but the effective area is approximately several square nanometers. These areas are too small (relative to the desired area of approximately one square centimeter or more) to allow sufficient current to flow, and do not convert enough energy even for the best material.
반도체 산업은 대략 수 나노미터인 막두께와 같은 물리적 파라미터를 제어하는 많은 방법을 교시하고 사용한다. 열전기 디바이스는 적층된 재료들의 스택(stack)으로 에너지를 변환시키는 집적 회로의 예이다. 2001년 4월 1일자의 Chris LaBounty, Ali Shakouri, 및 John E. Bowers에 의한, Design and Characterization of Thin Film Microcoolers, Journal of Applied Physics, 89권, 7번을 참조할 수 있다. 그러나, 이러한 방법들 모두는 고체 재료가 층으로 서로 접촉할 것을 필요로 한다. 열은 층에서 층으로 쉽게 흐르며, 온도차 및 변환 효율을 제한한다. 2개의 전극이 접촉되어 있으므로, 설계는 이용가능한 열전기적으로 민감한 재료에 달려 있으며, 진공 갭의 폭을 설정함으로써 가능한, 전자가 건너는 에너지 장벽은 임의로 구성될 수 없다. 필요한 속성을 갖는 재료는 비스무 트(bismuth) 및 텔루르 화합물(telluride)과 같은 희귀하고 고가인 원소들이다. 이러한 이유로 열전기 디바이스는 냉각 전력의 와트당 높은 비용 및 대략 7%의 낮은 효율에 제한된다.The semiconductor industry teaches and uses many methods of controlling physical parameters, such as film thickness, which are approximately several nanometers. Thermoelectric devices are examples of integrated circuits that convert energy into a stack of stacked materials. See Chris LaBounty, Ali Shakouri, and John E. Bowers, Design and Characterization of Thin Film Microcoolers, Journal of Applied Physics, Vol. 89, No. 1, April 1, 2001. However, all of these methods require the solid materials to contact each other in layers. Heat easily flows from layer to layer, limiting temperature differences and conversion efficiency. Since the two electrodes are in contact, the design depends on the thermoelectrically sensitive material available, and the energy barrier across the electrons, which is possible by setting the width of the vacuum gap, cannot be arbitrarily constructed. Materials with the necessary properties are rare and expensive elements such as bismuth and telluride. For this reason, thermoelectric devices are limited to high cost per watt of cooling power and low efficiency of approximately 7%.
평방 센티미터 영역에서 대략 2.0 내지 20.0 나노미터로 2개의 도전체를 이격시키는 기술은 이러한 길이에 대해 매우 정밀한 피드백 제어 시스템의 배열의 사용에 의해 진보하여 왔다. 제어 시스템은 원하는 이격에 비교하여 실제 이격을 측정하기 위한 피드백 수단과, 원하는 이격을 유지하기 위해 구성요소들을 더 가까이 또는 더 멀리 가져오기 위한 이동 수단을 포함한다. 피드백 수단은 2개의 전극간의 커패시턴스를 측정할 수 있는데, 이 커패시턴스는 이격이 감소함에 따라 증가한다. 본 기술의 분야에서 이러한 치수에 대한 이동 수단은 압전(piezoelectric), 자기 변형(magnetostriction) 또는 전기 왜곡(electrostriction) 현상을 통해 동작을 발생시키는 액튜에이터(actuator)이다. US 특허 6720704호(Tavkhelidze 등)는 다른 표면을 이용하여 하나의 표면을 형성(shaping)한 후에 사용하기 전에 평행을 완성하기 위해 피드백 제어 시스템을 이용하는 것을 포함하는 설계를 개시한다. 다른 표면에 대해 하나의 표면을 형성하는 것과 관련된 복잡한 프로세스 및 평행을 유지하기 위해 복수의 피드백 제어 시스템을 사용하는 것으로 인해, 이러한 설계 접근법은 낮은 비용으로 제조하는 데 있어서 문제점이다.Techniques for separating two conductors from approximately 2.0 to 20.0 nanometers in the square centimeter area have been advanced by the use of an array of very precise feedback control systems for this length. The control system includes feedback means for measuring the actual separation compared to the desired separation and moving means for bringing the components closer or further away to maintain the desired separation. The feedback means can measure the capacitance between the two electrodes, which capacitance increases as the separation decreases. Means of movement for these dimensions in the art are actuators which generate motion through piezoelectric, magnetostriction or electrostriction phenomena. US Pat. No. 6720704 (Tavkhelidze et al.) Discloses a design that includes using a feedback control system to complete parallelism before use after shaping one surface using another surface. This design approach is problematic for low cost manufacturing due to the use of multiple feedback control systems to maintain parallelism and complex processes associated with forming one surface relative to another.
다른 방법은 US 특허 6774003호(Tavkhelidze 등), US 특허 출원 2002/0170172호(Tavkhelidze 등) 및 2001/0046749호(Tavkhelidze 등)에서 문서화되었으며, 이는 제조 동안 전극들 사이에 "희생층(sacrificial layer)"을 삽입하는 것에 관한 것이다. 그 후에, 희생층은 증발되어 2 내지 20 나노미터의 원하는 간격에 근접한 전극들 사이에 갭을 생성한다. 이러한 3개의 방법들은 전극들 사이의 휨 또는 열팽창 차이로 인해 제조 후에 불안정해지기 쉽거나 이러한 불안정을 보상하기 위한 액튜에이터 배열을 필요로 한다.Other methods are documented in US Pat. No. 6,774,003 (Tavkhelidze et al.), US patent applications 2002/0170172 (Tavkhelidze et al.) And 2001/0046749 (Tavkhelidze et al.), Which describe a "sacrificial layer" between the electrodes during manufacture. "Is about inserting. Thereafter, the sacrificial layer is evaporated to create a gap between the electrodes close to the desired spacing of 2-20 nanometers. These three methods are prone to instability after fabrication due to differences in warpage or thermal expansion between the electrodes or require an actuator arrangement to compensate for this instability.
원하는 간격을 달성하고 시간이 지남에 따라 유지하는 또 다른 방법은, 폴(pole)이 텐트를 받치고 있는 것과 매우 유사한 방식으로 유연한(flexible) 전극의 간격을 유지하는 유전체 스페이서(spacer)의 이용이 설명되어 있는 미국 특허 6876123호(Martinovsky 등) 및 US 특허 출원 2004/0050415호에 문서화되어 있다. 이러한 유전체 스페이서의 한가지 불리점은 이들이 하나의 전극에서 다른 전극으로 열을 전도시켜 변환 프로세스의 효율을 감소시킨다는 것이다. 이 방법의 또 다른 불리점은, 유연한 금속 전극은 큰 정전기력의 존재 하에서는 시간이 지남에 따라 스페이서들 간에서 늘어나거나 변형될 수 있고, 터널링 또는 열이온 방출보다는 도전을 일으키는 간격쪽으로 서서히 이동한다는 것이다.Another way to achieve the desired spacing and maintain it over time is the use of dielectric spacers that maintain the spacing of the flexible electrodes in a manner very similar to the poles holding the tent. Documented in US Pat. No. 6,876,123 (Martinovsky et al.) And US patent application 2004/0050415. One disadvantage of such dielectric spacers is that they conduct heat from one electrode to another, reducing the efficiency of the conversion process. Another disadvantage of this method is that the flexible metal electrode can elongate or deform between spacers over time in the presence of large electrostatic forces and slowly move towards the conducting gap rather than tunneling or thermal ion release.
전극들간의 원하는 진공 간격을 달성하기 위한 또 다른 방법은 미국 특허 출원 2004/0195934호에 개시되어 있으며, 여기에서 2개의 접합된 웨이퍼의 계면에 작은 간극(void)이 생성된다. 이 간극은 수 나노미터의 갭을 가로지르는 전자의 열-터널링을 허용하기에 충분히 작다. 이러한 갭은 열-터널링을 지원할 수 있지만, 원하지 않는 열 전도가 갭들 주변에서 발생하며, 전극 간격의 불균일성은 제어하기 곤란하다.Another method for achieving the desired vacuum spacing between the electrodes is disclosed in US patent application 2004/0195934, where a small void is created at the interface of two bonded wafers. This gap is small enough to allow heat-tunneling of electrons across a gap of several nanometers. Such gaps may support heat-tunneling, but unwanted thermal conduction occurs around the gaps, and the nonuniformity of electrode spacing is difficult to control.
열-터널링 갭을 달성하기 위한 또 다른 방법은, 미국 특허 출원 2006/0000226호에 설명된 바와 같이, 2개의 웨이퍼의 대면 표면들이 접촉해 있게 한 다음, 수 나노미터만큼 떨어지게 이들을 당기는 액튜에이터를 이용하는 것이다. 이 방법이 열-터널링 갭을 생성할 수 있지만, 이 방법은 복수의 액튜에이터의 비용 및 갭 영역 외부에서의 웨이퍼들간의 열 전도에 의해 어려움을 겪는다. Another way to achieve the heat-tunneling gap is to use an actuator that allows the facing surfaces of the two wafers to contact and then pull them apart by a few nanometers, as described in US Patent Application 2006/0000226. . Although this method can create a thermal-tunneling gap, this method suffers from the cost of multiple actuators and the thermal conduction between wafers outside the gap area.
현재까지의 노력에도 불구하고, 전극을 20.0 나노미터보다 작은 이격 갭으로 위치하는 것을 달성하고 유지하기 위한 요건을 충족시키는 것, 그리고 낮은 비용의 열-터널링 디바이스를 대량 생산하는 것에 있어 지속적이고 어려운 문제점이 남아 있다.Despite efforts to date, there are ongoing and difficult problems in meeting the requirements for achieving and maintaining the positioning of electrodes with a spacing gap of less than 20.0 nanometers and in mass production of low cost thermal-tunneling devices. This remains.
직접적인 냉각을 제공하는 것 이외에, 진공 갭을 가로질러 전자를 이동시킬 수 있는 디바이스에 대한 추가적인 용도는 열전기 스택의 상단에 이러한 갭을 위치시키는 것이다. 이러한 조합에서, 열전기 갭의 고온측과 저온측은 열적으로 격리되고, 따라서 보다 효율적으로 된다. 열전기 재료 및 진공 갭의 조합을 갖는 디바이스는 열전기 방법, 열-터널링 방법, 열이온 방법, 또는 이들 방법의 조합을 통해 냉각 또는 열 변환을 제공할 수 있다.In addition to providing direct cooling, a further use for devices capable of moving electrons across a vacuum gap is to place this gap on top of the thermoelectric stack. In this combination, the hot and cold sides of the thermoelectric gap are thermally isolated and thus more efficient. Devices having a combination of thermoelectric materials and vacuum gaps can provide cooling or thermal conversion through thermoelectric methods, thermo-tunneling methods, thermoion methods, or a combination of these methods.
따라서, 터널링 다이오드 및 기존의 설계보다 보다 효율적이고 보다 저렴한 다른 디바이스에 있어서 전극들간에 진공 이격을 유지하기 위한 개선된 설계에 대한 필요성이 존재한다. 특히, 균일한 진공 갭을 갖는 밀접하게 위치된 전극들을 갖는 설계에 대한 필요성이 존재한다. 더욱 구체적으로는, 터널링, 열이온, 또는 아마도 열전기적 요소와 결합된 다른 방출에 의해 갭을 가로지르는 전자의 전달을 가능하게 하기 위하여 전극들 간의 밀접하게 위치된 갭으로 스스로 위치하고 스스 로 정렬하는 한 쌍의 전극을 갖는 설계에 대한 필요성이 존재한다.Thus, there is a need for an improved design for maintaining vacuum separation between electrodes in tunneling diodes and other devices that are more efficient and cheaper than conventional designs. In particular, there is a need for a design with closely located electrodes having a uniform vacuum gap. More specifically, as long as they are self-positioned and aligned themselves with closely spaced gaps between the electrodes to enable the transfer of electrons across the gap by tunneling, thermal ions, or possibly other emission coupled with thermoelectric elements. There is a need for designs with paired electrodes.
본 명세서는 상술한 문제점과 다른 문제점 및 종래 기술의 불리점을 극복하는 데 관한 것이다. 종래 기술에 의해 고려되지 않은 방식의 전자 흐름을 사용하는 디바이스 및 프로세스가 개시된다. 종래 설계에서는, 터널링 디바이스 내의 전자의 흐름은 2개의 목적을 위해 사용되었다: (1) 열을 하나의 도전체로부터 다른 도전체로 전달하기 위한 열역학적인 유체로서, 그리고 (2) 배터리 또는 전기 회로로/로부터 변환된 에너지를 직접 이동시키기 위해 사용되었다. 본 발명에서는, 전자 흐름이 정전기의 균형을 유지하는 복원력 및 전극들의 원하는 이격에서 기타 인력을 생성하는 데에도 이용되는 디바이스 구성 및 프로세스가 제공된다. This specification is directed to overcoming the above and other problems and disadvantages of the prior art. Devices and processes are disclosed that use electron flow in a manner not considered by the prior art. In conventional designs, the flow of electrons in the tunneling device was used for two purposes: (1) as a thermodynamic fluid for transferring heat from one conductor to another, and (2) to a battery or electrical circuit / It was used to directly transfer the energy converted from. In the present invention, device configurations and processes are provided wherein the electron flow is also used to generate restoring force to balance static electricity and other attractive forces at the desired spacing of the electrodes.
균일한 갭을 갖는, 밀접한 간격을 갖는 전극을 제공하는 디바이스 및 프로세스가 개시된다. 보다 구체적으로, 본 명세서는 터널링, 열이온, 또는 아마도 열전기적 요소와 결합된 다른 방출에 의해 갭을 가로지르는 전자들의 전달을 가능하게 하도록 전극들간의 밀접한 간격을 갖는 갭에서 스스로 위치(self-positioning)하고 스스로 정렬(self-aligning)하는 한 쌍의 전극에 관한 것이다.A device and process for providing electrodes with closely spaced, uniformly spaced gaps are disclosed. More specifically, the specification provides self-positioning in gaps with close spacing between electrodes to enable the transfer of electrons across the gap by tunneling, thermal ions, or possibly other emission coupled with thermoelectric elements. And a pair of electrodes that are self-aligning.
본 발명은 전극들 중 하나에 대해 유연한 재료를 사용하며, 정전기 또는 다른 인력과 정자기(magnetostatic) 척력과의 균형을 맞추는 자계를 포함하는데, 이는 본질적으로 그리고 동시에 유연한 전극에 작용하여 넓은 영역에 걸쳐 다른 전극 표면으로부터 원하는 간격에서 안정적인 평형 위치에서 전극들을 위치시키고 정렬시키고 유지하며, 어느 하나의 전극에서의 평평도에서 계속적인 간격 어긋남으로 적합화된다.The present invention uses a flexible material for one of the electrodes and includes a magnetic field that balances electrostatic or other attractive forces with magnetostatic repulsive forces, which essentially and simultaneously act on the flexible electrode over a large area. The electrodes are positioned, aligned and held in a stable equilibrium position at a desired distance from the other electrode surface, and are adapted for continuous gap deviation in flatness at either electrode.
0.5 나노미터보다 작은 표면 거칠기는 조립(assembly) 전에 전극들의 대면(facing) 표면을 연마함으로써 달성된다. 금속, 반도체 및 기타 재료 상에서 0.5 나노미터보다 작은 표면 거칠기를 달성하기 위한 연마 기술은 산업계에서 쉽게 입수할 수 있다.Surface roughness smaller than 0.5 nanometers is achieved by polishing the facing surface of the electrodes prior to assembly. Polishing techniques for achieving surface roughness of less than 0.5 nanometers on metals, semiconductors and other materials are readily available in the industry.
일 평방 센티미터 이상의 넓은 영역에 걸쳐 20.0 나노미터보다 작은 이격을 달성하기 위하여, 비접촉력(non-contacting force)의 조합이 생성되어 전극 재료들로 하여금 원하는 간격에 머무르게 한다. 안정적인 평형 상태에서, 이러한 다이오드 디바이스에 이미 존재하고 있는 하나의 힘은 에미터와 컬렉터간의 정전기력이다. 전압이 인가되면, 반대 전하들이 전극들 각각에 모이며, 이러한 전하들의 존재는 전극들간의 인력을 초래한다. 정전기력이 밀접하게 위치된 전극들에 있어서 주요 인력으로 고려되지만, 중력, 표면장력, 반 데르 발스력(Van der Waals force), 카시미르력(Casimir force) 및 정지 마찰력과 같은 기타 인력이 또한 존재한다.In order to achieve a spacing of less than 20.0 nanometers over a large area of more than one square centimeter, a combination of non-contacting forces is created to keep the electrode materials at the desired spacing. In stable equilibrium, one force already present in such diode devices is the electrostatic force between the emitter and the collector. When a voltage is applied, opposite charges accumulate in each of the electrodes, and the presence of these charges results in attraction between the electrodes. Although electrostatic forces are considered to be the main attraction for closely located electrodes, there are also other attractive forces such as gravity, surface tension, Van der Waals force, Casimir force and static frictional force.
본 발명의 일 양태는 제2의 동등하지만 반대되는 힘을 생성하는데, 이 힘은 유연한 전극에 작용하여 모든 지점에서 정전기적 인력과 기타 인력과의 균형을 맞게 하여, 유연한 전극들은 원하는 간격 및 정렬을 유지한다. 이러한 제2의 힘은 자계의 존재 하에서 전류가 도전체에 흐를 때 힘이 생성되는 물리적 현상에 기인한다. 이러한 힘은 전류 흐름의 방향 및 자계 방향에 의해 규정되는 평면에 수직한 방향으로 작용한다.One aspect of the present invention creates a second equivalent but opposite force, which acts on the flexible electrode to balance electrostatic attraction and other attraction at all points, such that the flexible electrodes provide the desired spacing and alignment. Keep it. This second force is due to the physical phenomenon in which a force is generated when current flows through the conductor in the presence of a magnetic field. This force acts in a direction perpendicular to the plane defined by the direction of current flow and the magnetic field direction.
전극 부근에 또는 내부에 영구 자석을 갖게 함으로써 자계가 본 발명의 실시예에 추가될 수 있다. 철, 코발트, 니켈과 이들의 합금과 같은 영구 자석 재료는 또한 열적으로 그리고 전기적으로 모두 매우 높은 도전성인 금속들이다. 따라서, 이러한 자기 재료는 전극의 열적인 그리고 전기적인 도전 특성과 양립할 수 있다. 자계를 제공하기 위하여 비도전성 자기 재료를 사용하는 것이 필요하다고 하더라도, 에미팅 전극을 제조하기 위하여 이러한 자석은 도전체로 코팅될 수 있거나 단순히 그 위에 실장된 평평한 도전체를 가질 수 있다.Magnetic fields can be added to embodiments of the present invention by having permanent magnets in or near the electrodes. Permanent magnet materials such as iron, cobalt, nickel and their alloys are also metals of very high conductivity, both thermally and electrically. Thus, such magnetic materials are compatible with the thermal and electrical conducting properties of the electrodes. Although it is necessary to use a non-conductive magnetic material to provide a magnetic field, such a magnet may be coated with a conductor or simply have a flat conductor mounted thereon to produce an emitting electrode.
자석 재료는 통상적으로 600 내지 1400 켈빈 온도인 퀴리(Curie) 온도 레벨에서 그 자성을 잃으므로, 영구 자석이 놓여진 표면의 온도는 그 동작 파라미터에 영향을 줄 수 있다. 그러나, 본 발명에서는, 자석은 변환 디바이스의 저온측 또는 고온측에 위치될 수 있고, 따라서 자석이 그 퀴리 온도에 도달하는 것을 방지하는 구성임을 알 수 있다.Since the magnetic material loses its magnetism at the Curie temperature level, which is typically between 600 and 1400 Kelvin, the temperature of the surface on which the permanent magnet is placed can affect its operating parameters. However, in the present invention, it can be seen that the magnet can be located on the low temperature side or the high temperature side of the conversion device, and thus the magnet is prevented from reaching its Curie temperature.
본 발명은 단순하고 저렴한 열-터널링, 열광전압, 또는 열이온 디바이스를 제조하기 위해 새롭고 자명하지 않은 방식으로 전극 재료들을 함께 두는 방식을 제공하며, 이는 이하의 이점을 갖는다: (1) 종래 기술에 의해 요구되는 액튜에이터 및 제어 시스템에 대한 필요성을 제거하는 것에 의한 단순함, (2) 저가 및 대량 생산을 달성하기 위해 전기 백열 전구 및 반도체 산업계에서 이미 개발된 기술 및 제조 공정을 이용함, (3) 하나의 전극으로부터 다른 전극으로 고온 전자의 터널링을 허용하여 제1 전극을 냉각시키기 위하여 스페이서의 사용 없이도 전극들 간의 좁은 간격 갭을 달성, 및 (4) 1 평방 센티미터와 같은 넓은 전극 간격에 걸쳐 균일한 간격 갭을 유지하는 것이 그것이다.The present invention provides a way to put the electrode materials together in a new and nonobvious way to produce a simple and inexpensive thermal-tunneling, thermal voltage, or thermal ion device, which has the following advantages: (1) in the prior art Simplicity by eliminating the need for actuators and control systems required by (2) using technologies and manufacturing processes already developed in the electric incandescent bulb and semiconductor industries to achieve low cost and mass production, (3) Allows tunneling of hot electrons from one electrode to another to achieve a narrow gap gap between the electrodes without the use of spacers to cool the first electrode, and (4) a uniform gap gap over a wide electrode gap such as one square centimeter To keep it.
기타 시스템, 디바이스와 개시된 디바이스 및 프로세스의 특징 및 이점은 이하의 도면과 상세한 설명을 검토한다면 본 기술분야의 당업자에게 명백하거나 명백해질 것이다. 모든 추가적인 시스템, 디바이스, 특징 및 이점은 본 설명에 포함되고, 본 발명의 범위 내에 있으며, 첨부한 청구항에 의해 보호되는 것으로 의도된다.Other systems, devices and features and advantages of the disclosed devices and processes will become or become apparent to those skilled in the art upon reviewing the following figures and detailed description. All additional systems, devices, features and advantages are intended to be included in this description, to fall within the scope of the invention and to be covered by the appended claims.
개시된 디바이스 및 프로세스의 많은 양태들은 첨부된 도 1 내지 14를 참조함으로써 보다 잘 이해될 수 있다. 도면 내의 컴포넌트들은 반드시 치수대로일 필요는 없으며, 대신에 본 발명의 원리를 명확하게 설명하려고 강조되었다. 또한, 도면에서, 동일한 참조 부호는 몇몇 도면에 있어서는 반드시 대응 부분을 필요로 하지 않는다. 예시적인 실시예들이 도면과 연계하여 설명되지만, 이러한 설명을 본 명세서에 개시된 실시예에 제한하고자 하는 의도는 없다. 반대로, 모든 대안, 수정, 등가물을 포함하려고 하는 의도가 있다.Many aspects of the disclosed devices and processes may be better understood by reference to the accompanying Figures 1-14. The components in the drawings are not necessarily to scale, emphasis instead being placed upon clearly illustrating the principles of the invention. In addition, in the drawings, like reference numerals do not necessarily require corresponding parts in some drawings. Although illustrative embodiments are described in conjunction with the drawings, there is no intention to limit this description to the embodiments disclosed herein. On the contrary, the intention is to include all alternatives, modifications, and equivalents.
도 1은 본 명세서의 셀프-포지셔닝(self-positioning) 전극 디바이스의 일 실시예를 도시한다.1 illustrates one embodiment of a self-positioning electrode device herein.
도 1a는 도 1의 디바이스의 전류, 자계, 및 정자기력의 방향 상태를 도시한다.FIG. 1A illustrates the directional state of the current, magnetic field, and static magnetic force of the device of FIG. 1.
도 1b는 도 1의 디바이스의 전극(2)의 대안적인 실시예를 도시한다.FIG. 1B shows an alternative embodiment of the
도 2는 도 1의 디바이스의 전극(1)의 개략 평면도이다.FIG. 2 is a schematic plan view of the
도 2a는 도 2의 전극의 실시예의 절단 부분을 도시하는 배면의 사시도이다.FIG. 2A is a rear perspective view showing a cut portion of the embodiment of the electrode of FIG. 2. FIG.
도 3은 도 1의 디바이스의 대안적인 실시예를 도시한다.3 illustrates an alternative embodiment of the device of FIG. 1.
도 4는 도 1의 디바이스의 또 다른 실시예를 도시한다.4 shows another embodiment of the device of FIG. 1.
도 5는 도 1 내지 4의 디바이스에서의 상호작용력을 정성적으로 도시하는 그래프이다.5 is a graph qualitatively illustrating the interaction force in the device of FIGS.
도 6은 연마된 금속 전극을 이용하여 도 1, 3 및 4의 디바이스에서의 상호작용력을 정량적으로 도시하는 그래프이다.FIG. 6 is a graph quantitatively illustrating interaction forces in the devices of FIGS. 1, 3 and 4 using polished metal electrodes. FIG.
도 7은 연마된 실리콘 전극을 이용하여 도 1, 3 및 4의 디바이스에서의 상호작용력을 정량적으로 도시하는 그래프이다.7 is a graph quantitatively illustrating the interaction forces in the devices of FIGS. 1, 3 and 4 using polished silicon electrodes.
도 8은 전극들이 실리콘 웨이퍼 재료로부터 제조될 수 있는 방식을 도시하는 도면이다.FIG. 8 is a diagram illustrating how electrodes can be fabricated from silicon wafer material.
도 9a는 열-광전압 응용을 위해 적합한 보다 큰 갭을 갖는 대안적인 실시예를 도시한다.9A shows an alternative embodiment with a larger gap suitable for thermo-photovoltaic applications.
도 9b는 도 9a의 디바이스에서의 상호작용력을 도시하는, 도 5와 유사한 그래프이다.FIG. 9B is a graph similar to FIG. 5 showing the interaction force in the device of FIG. 9A.
도 10a 내지 10c는 도 8의 복수의 전극쌍들이 반도체 산업계에서 통상적인 프로세스 기술을 이용하여 대량 생산을 위해 동시에 조립될 수 있는 방식을 도시한다.10A-10C illustrate how the plurality of electrode pairs of FIG. 8 can be assembled simultaneously for mass production using process techniques conventional in the semiconductor industry.
도 11a 및 11b는 도 8, 9a 또는 10c의 복수의 전극쌍들이 디바이스 기능의 보다 높은 밀도와 용량을 달성하기 위해 보다 큰 열 교환기로 패키징될 수 있는 방 식을 도시한다.11A and 11B illustrate how the plurality of electrode pairs of FIGS. 8, 9A or 10C may be packaged into a larger heat exchanger to achieve higher density and capacity of device functionality.
도 12a 및 12b는 도 8의 전극쌍이 실리콘, 유리, 유리-프릿 진공 밀봉(glass-frit vacuum sealing) 및 산업계에서 통상적인 기타 표준 MEMs(micro-electro-mechanical) 패키징 기술을 이용하여 패키징될 수 있는 방식을 도시한다.12A and 12B illustrate that the electrode pairs of FIG. 8 may be packaged using silicon, glass, glass-frit vacuum sealing and other standard micro-electro-mechanical (MEMs) packaging techniques conventional in the industry. Show the way.
도 13은 도 8, 9a, 10c, 11a 또는 12b의 보다 작은 디바이스로부터 보다 큰 디바이스를 제조하기 위해 자기적으로 투과성이 있는 격자에 부착된 영구 자석의 배열을 도시한다.FIG. 13 shows an arrangement of permanent magnets attached to a magnetically permeable grating to make larger devices from the smaller devices of FIGS. 8, 9A, 10C, 11A or 12B.
도 14는 전기가 생성되는 실시예들을 위해 고에너지를 인가하기 전에 도 8, 10c, 11a 또는 12b의 디바이스에서의 갭을 형성하는 데 이용될 수 있는 시동(start-up) 전자 회로의 일례이다.FIG. 14 is an example of a start-up electronic circuit that may be used to form a gap in the device of FIG. 8, 10c, 11a or 12b before applying high energy for embodiments where electricity is generated.
몇몇 도면에서 동일한 참조 부호가 동일한 구성요소를 나타내는 도면에 대해 보다 구체적으로 언급하여, 본 명세서의 디바이스 및 프로세스의 예시적인 실시예들이 도 1 내지 14에 도시된다.Exemplary embodiments of devices and processes herein are shown in FIGS. 1 through 14 with reference to the drawings in which like reference numerals refer to like elements in some of the drawings.
일반적으로, 대면하는 전극을 사용하며 2개의 힘 분포를 수반하는 디바이스 및 프로세스가 개시된다. 전극들간의 주요 정전기적 인력 분포는 전극들 내의 전하에 의해 생성된다. 동등하지만 대향되는 척력 분포는 인가된 자계 분포와 결합된, 전극들 내의 전류 분포에 의해 생성된다. 2개의 힘 분포는 동시에 작용하여 이들의 대면하는 표면에 걸쳐 전극들의 안정적이고 평형적인 이격을 확립한다.Generally, devices and processes are disclosed that use facing electrodes and involve two force distributions. The main electrostatic attraction distribution between the electrodes is created by the charge in the electrodes. The equivalent but opposite repulsive force distribution is produced by the current distribution in the electrodes, combined with the applied magnetic field distribution. The two force distributions work simultaneously to establish stable and equilibrium spacing of the electrodes across their facing surfaces.
도 1은 본 명세서의 일 실시예를 도시한다. 전극(1)은 폴리이미드와 같은 플라스틱막 또는 기판에 실장된 유연한 금속 호일 또는 금속 호일이다. 플라스틱 기판은, 정전기력 및 전기자기력에 의해 생성된 반복되는 동작 이후에 호일이 크래킹(cracking)되고, 크리싱(creasing)되거나 파손되는 것을 방지하는 것을 돕는다. 플라스틱 기판 또는 전기적 속성의 전극(1)은 또한 평형 동안 그 동작의 진동 또는 불안정을 방지하도록 작용할 수 있다. 전극(2)은 도전성 재료로 이루어지거나 코팅된 영구 자석이다. 예시적인 형태에서, 전극(2)은 직사각형 블록이다. 2개의 전극들은 서로 대면하는 표면 상에서 연마된다. 열원(30)은, 디바이스가 열 에너지의 변환을 위해 이용되는 경우에 존재하며, 디바이스가 냉각기로서 이용되는 경우에는 냉각되는 대상이다. 전원(10)은 디바이스가 냉각기로서 이용되는 경우에 존재하며, 디바이스가 열 변환 생성기로서 이용되는 경우에는 추가적으로 전기적 부하이다. 절연층(4)은 디바이스가 동작 중에 있지 않을 때(즉, 디바이스가 꺼져 있을 동안에), 전극(1)의 팁(6)을 위한 비도전성 레스팅 포인트(resting point)를 허용하기 위해 존재한다. 추가적으로, 전극들 중 하나는, 디바이스가 동작 중에 있지 않을 때, 전극들 중 다른 하나가 놓여 있는 전극들간의 원하는 평형 간격보다 더 얇은 비도전성 재료의 코팅을 가질 수 있다. 전극(2) 상의 층 또는 코팅(5)은 전극(2)과 전극(1)간의 전자 터널링을 용이하게 하기 위하여 낮은 일함수를 갖도록 설계된다. 커넥터(9a, 9b) 및 와이어(8a, 8b)는 회로를 완성한다. 챔버(20)는 대면하는 전극들(1, 2)간의 영역을 진공 또는 비활성 가스로 밀봉하여 하나의 전극에서 다른 하나의 전극으로의 열 전달을 최소화한다. 적합한 가스들은 아르곤 및 헬륨을 포함한다. 유연한 전극(1)의 보다 넓은 단부는 챔버(20) 내의 지지 구조물에 고정되게 실장되며, 전극(1)은 전력이 오프되는 때에 그 팁(6)이 절연층 또는 막(4) 상에 놓이게 된다.1 illustrates one embodiment of the present specification. The
도 1a는 전극(1)에서 흐르는 전류(I), 전극(2) 내의 영구 자석의 존재에 의해 생성된 자계(B), 및 I와 B의 상호작용으로부터 만들어진 힘(F)의 방향 상태를 나타낸다. 힘(F)은 전극(1)의 모든 지점에서 수직으로 상방향으로 작용하며, 전극(1)을 전극(2) 쪽으로 아래로 당기는 정전기 인력에 대향하고 이와 균형을 맞춘다.FIG. 1A shows the direction state of the current I flowing in
도 1b는 전극(2)에 대한 대안적인 배열을 도시한다. 여기에서, 재료의 표면은 피크(5)의 배열로 패터닝된다. 이러한 피크들의 기하형태는 피크의 영역에서의 확대된 전계로 인한 전극(2)으로부터의 전자 방출의 향상을 허용한다. 또한, 이러한 피크는 연마 후에 전극(2)의 표면의 의도되거나 의도되지 않은 거칠기로 인해 자연스럽게 발생할 수 있다.1b shows an alternative arrangement for the
또한, 도 1의 디바이스는 , 전력-오프, 평형, 또는 전력-오프에서 평형으로의 전이 또는 평형으로부터 전력-오프의 전이동안 그 동작을 지원하기 위한 메커니즘 또는 시스템을 생성하거나 변화시키는 추가적인 힘을 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 메커니즘은 그 평형 레스팅 위치 주변에서 전극(1)의 진동(vibration) 또는 오실레이션(oscillation)을 방지하기 위해 시스템을 댐핑(damping)시킬 수 있을 것이다. 이러한 추가적인 힘은 주요 정전기 및 자기 상쇄력의 크기에서의 부족 또는 과잉을 상쇄시키기 위하여, 기계적으로, 자기적으로, 전자기계적으로, 전자자기적으로 또는 기타 방식으로 생성될 수 있다.In addition, the device of FIG. 1 has the additional power to create or change a mechanism or system to support its operation during power-off, balance, or transition from power-off to equilibrium or from balance to power-off. Can be. For example, such a mechanism may damp the system to prevent vibration or oscillation of the
유연한 전극(1)의 재료는 도전성 금속, 반도체 재료, 적층된 유리/금속 또는 적층된 금속/플라스틱일 수 있다. 예시적인 도전성 금속은 금, 은, 알루미늄 및 구리를 포함한다. 예시적인 반도체 재료는 실리콘, 게르마늄, 및 갈륨 비소를 포함한다. 도전성 금속 또는 반도체 재료는 선택적으로 유리, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리아크릴 또는 폴리올레핀과 같이, 금속이 충분히 그 자체로 유연하지 않은 경우에 금속에 유연성을 부가하는 재료에 실장되거나 그와 함께 층으로 결합될 수 있다.The material of the
전극(2)의 영구 자석은 전극 내에 포함될 수 있거나 전극의 일부일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 영구 자석은 철, 코발트, 니켈, 네오디뮴 또는 알루미늄의 임의의 결합으로 도전성의 강자성 재료를 포함할 수 있다. 대안적으로, 영구 자석은 도전성 재료로 코팅된 하나 이상의 비도전성의 강자성 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 비도전성의 강자성 재료는 페라이트(ferrite), 바륨 페라이트 및 바인더(binder)로 밀봉된 철 산화물 입자를 포함한다.The permanent magnet of the
전극(2)상의 층 또는 코팅(5)은 낮은 일함수 재료, 열전기적으로 민감한 재료, 공진(resonant) 터널링 재료, 전계 향상 텍스쳐(texture) 또는 이들의 조합일 수 있다. 낮은 일함수 재료의 예시적인 실시예들은 알칼리 금속, 알칼리 금속의 합금, 산화물 또는 다이아몬드막과 같은 다이아몬드, 또는 나노튜브의 임의의 적층된 것 또는 기타 조합을 포함한다. (예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이) 표면 거칠기 또는 패터닝으로부터 발생된 피크 및 밸리(valley)의 컬렉션은 전계를 강화시킬 수 있어 전극(2)으로부터의 전자 방출을 강화시킨다. 마지막으로, 공진 터널 링을 달성하기 위해 배열된 반도체층이 또한 전자 방출을 향상시킬 수 있다. 예시적인 반도체 재료는 실리콘, 게르마늄 및 갈륨 비소를 포함한다. 예시적인 열전기적으로 민감한 재료는 각종 도핑의 비스무스 텔루르 화합물을 포함한다.The layer or
도 1의 층(5) 내의 낮은 일함수 재료, 또는 도 1b의 강화 재료(5')는 예를 들어, 세슘(Cs), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr), 루비듐(Rb), 게르마늄(Ge), 소듐(Na), 포타슘(K), 칼슘(Ca), 리튬(Li) 및 이들의 조합 또는 산화물일 수 있다. 이러한 재료는 에미팅 전극(2)의 일함수를 4-5eV로부터 1.1eV 또는 그 이하만큼 낮게 감소시키는 것으로 보여진다. 추가적인 낮은 일함수 재료는 토륨(Th), 금속 코팅된 산화물 및 실리콘을 포함한다. 본 명세서에 언급되지 않은 기타 재료도 낮은 일함수를 달성할 수 있으며, 이러한 재료층의 추가는 본 발명의 명백한 범위이다. 예를 들어, 전자 터널링을 용이하게 하는 상이한 유형의 층, 넓은 갭 반도체층이 Korotkov에 의해 제안되었다. 1999년 8월 23일자의 A. N. Korotkov 및 K. K. Likharev에 의한, Possible Cooling by Resonant Fowler-Nordheim Emission, Applied Physics Letter, 75권, 16호를 참조할 수 있다. 여기에서, 그 두께가 조심스럽게 제어되는 얇은 산화물층이 전자들을 공진 상태로 여기시켜 고온 전자들이 진공으로 탈출하는 것을 돕는다. 또한, 도 1의 층(5) 및 도 1b의 5'는 방출을 최대화하고 일함수를 최소화하기 위한 탄소 나노튜브의 배열 또는 구성일 수 있다. 절연층(4) 재료는 유리, 폴리이미드 또는 기타 플라스틱을 포함할 수 있다.The low work function material in
도 1의 전자의 흐름 및 본 발명의 고유성이 이하와 같이 설명될 수 있다. 자유 전자는 전원 또는 전기적 부하(10)로부터 에미팅 전극(2)으로 흐른다. 전 극(2)에서 전극(1)으로 방출되는 자유 전자들이 이러한 설계에 의해 전극(2)으로부터 열을 제거할 수 있는 고온 전자가 되도록 선택된다. 본 발명의 일 양태는, 도 1a에 방향이 도시된 자계(B)의 존재 하에서, 도 1의 좌측에서 우측으로 전극(1) 내에서 자유 전자가 흐르는 것이다. 인가된 자계와 연계된 이러한 자유 전자 흐름 방향은 도 1a에 도시된 방향으로 척력을 생성하여, 정전기적 인력과 균형을 맞추며 넓은 영역에 걸쳐 전극(1)과 전극(2)간의 일정하고 원하는 이격을 달성한다.The flow of electrons in FIG. 1 and the uniqueness of the present invention can be explained as follows. Free electrons flow from the power supply or
도 2는 단면(7)을 도시하는 도 1의 전극(1)의 예시적인 실시예의 개략 평면도로서, 화살표는 전자 흐름의 방향을 가리키고 있다. 단면(7)은, 단면(7)의 길이에 의해 분할되는 7보다 좌측에 있는 전극 표면 전체에 의해 픽업되는(picked up) 전체 터널링 전류과 동등한 전류 밀도를 갖는다. 터널링 전류는 7의 좌측에 대한 터널링 활동의 영역에 비례할 것으로 예측되므로, 단면(7)의 길이는 그 좌측에 있는 전극 표면의 영역의 증가에 비례하여 최적으로 증가할 것이다. 따라서, 전극(1)의 경계(3)는 지수 함수(exponential function)를 따라 간다. 따라서, 유연한 전극(1)의 표면의 폭은 그 팁(6)으로부터 그 대향 단부로 지수적으로 증가한다. 지수 함수는 그 적분 포인트까지 지수 함수 및 X-축에 의해 경계가 지어지는 영역과 수학적으로 동등하다. 또한, 경계(3)에 의해 그려지는 함수는 전극(1) 내부의 경로 길이로 인한 전기적 저항과 같은 전류 밀도에서의 기타 변동을 보상할 수 있다. 또한, 소정의 경우에, 제조의 용이성을 위해 삼각형으로 형성된 전극(1)으로 설계가 차선의 상태로 될 수 있다.FIG. 2 is a schematic plan view of an exemplary embodiment of the
도 2a는 도 2에 도시된 전극(1)의 절단된 부분의 개략적인 배면도이다. 이 도면은, 전극(1)이 전극(2)을 향하고 있는 그 바닥면 상에서 패터닝될 수 있는 방식을 도시한다. 이러한 패턴은 (상승되어 있는 표면(x)의 전체 영역(X)에 의해 규정되는) 터널링 영역이 전류가 흐르는데 이용가능한 전체 영역(Y)과는 상이하도록 허용한다. 이러한 방식으로 전극(1)을 패터닝하면, 보다 큰 전체 영역(Y)을 허용하며, 따라서 총 전류가 흐르기 위한 보다 낮은 전기 저항 손실 및 열 발생 손실을 허용한다. 이와 동시에, 전극(2)과 밀접하게 있는 영역을 최소화하는데, 이는 그 원하는 위치에 전극들을 두기 위해 극복되어야만 하는 정전기력을 감소시킨다. 또한, 연마 후의 의도적 또는 비의도적인 표면 거칠기에 의해, 전극(1)을 패터닝한 것과 동일한 효과가 달성될 수 있다. 간헐적으로 상승되어 있는 세그먼트(4)는 얇은 절연층이며, 이는 전극(1)을 지지할 수 있으며, 디바이스가 턴 온될 때에 전극(1)의 호일 재료가 전극(2)을 향해 늘어뜨려짐(drape)에 따른 전기적 단락을 방지한다.FIG. 2A is a schematic rear view of the cut portion of the
도 3은 보다 컴팩트한 패키지를 달성할 수 있는 본 명세서의 또 다른 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 여기에서, 전극(2)은 중심으로부터 바깥으로 방사상으로 나오는 자화 방향을 갖는 원통형의 영구 자석이다. 전극(1)은 그 폭이 매 턴(turn)마다 지수적으로 증가하는 지수적인 나선의 형태를 취한다. 대안적으로, 전극(1)은 제조의 용이성을 위해 지수적인 나선 형태에 대한 보다 단순한 근사형으로서 선형으로 증가하는 나선 형태를 가질 수 있다. 전극(1)이 나선 형태를 가지므로, 전류 흐름은 접선 방향이다. 전극(1) 상의 힘은 수직 방향으로 작용하여, 도 1에서 달성된 것과 유사한 정전기적 인력과 균형을 맞추는 척력을 제공한다. 나선형의 전극(1)은 이러한 실시예가 보다 컴팩트한 설계를 갖게 하는데, 이는 전체 터널링 영역이 도 1에 도시된 하나의 긴 치수에 걸쳐 퍼져야할 필요가 없기 때문이다. (디바이스의 중심으로부터 방사 방향으로 자계를 나타내는) 방사형 자화를 갖는 원통형 자석은 산업계에서 일상적으로 입수가능한데, 이는 이들이 건물 확성기에 많이 보급되어 있기 때문이다. 본 실시예의 나머지 컴포넌트는 도 1과 동일하다.3 schematically illustrates another embodiment of the present disclosure that may achieve a more compact package. Here, the
균일한 척력을 달성하기 위하여 하나의 전극의 특수한 형태를 이용하는 도 1 및 3의 실시예에 추가하여, 본 발명에 대한 다수의 다른 자명한 실시예들이 존재한다. 도 4는 이러한 하나의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 이는 변화하는 전극 폭 대신에 변화하는 자계를 이용한다. 예를 들어 도 4에서, 전극(1)의 전류 밀도는, 보다 많은 전류가 터널링 영역으로부터 이용가능하게 되므로 좌측에서 우측으로 증가한다. 전극(1) 전반에서 균일한 힘을 달성하기 위하여, 자계는 좌측에서 우측으로 감소하는데, 이는 보다 많은 전류 밀도가 생기므로 보다 약한 자계 강도가 필요하기 때문이다. 따라서, 일정한 힘을 달성하기 위하여 유연한 전극(1)에서 자계의 강도는 전류 밀도에 반비례하게 변한다. 자계가 좌측에서 우측으로 감소하는 하나의 방식은 전극(2)에 포함된 영구 자석 재료(23)의 깊이를 변화시키고 구리 또는 알루미늄과 같은 자화되지 않은 재료(24)의 양을 증가시키는 것이다.In addition to the embodiment of FIGS. 1 and 3, which use a special form of one electrode to achieve uniform repulsive force, there are a number of other apparent embodiments of the present invention. 4 is a schematic diagram of one such other exemplary embodiment. It uses a changing magnetic field instead of a changing electrode width. For example, in FIG. 4, the current density of the
도 5는 도 1 내지 4에서의 힘이 상호작용하여 터널링 영역에 걸쳐 2개의 전극간에 일정한 간격을 생성하는 방식을 도시하는 그래프이다. Y축(40)은 힘이고, X축(41)은 전극들간의 간격 갭 폭 또는 이격 거리이다. 곡선(43)은 전극(1)과 전 극(2)간의 정전기적 인력을 도시한다. 곡선(43)에 도시된 힘은 간격 갭(41)의 제곱에 반비례한다. 곡선(46)은 자계의 존재 하에서 흐르는 터널링 전류에 의해 생성되는 2개의 전극간의 척력을 도시한다. 이 전류는 터널링이 발생할 정도로 이격이 충분히 좁아지기까지는 제로에 가깝다. 간격이 더욱 감소함에 따라 이것은 급격이 증가한다. 터널링이 시작되는 이격 포인트(42) 및 완전한 도전을 위한 이격 포인트(44)의 위치는 사용되는 프로세스 조건에 의존한다. 예를 들어, Hishinuma에 따르면, 터널링이 시작되는 이격 포인트(42)는 0.1 내지 2.0 볼트의 인가 전위를 갖는 디바이스에 대해서는 대략 20 나노미터이며, 본질적으로 완전한 도전의 포인트는 대략 1 나노미터이다. 상술한 Y. Hishinuna 등에 의한, Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum: Use of Nanometer Scale Design; 및 상술한 Y. Hishinuma 등에 의한, Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap을 참조할 수 있다. 인력 및 척력은 포인트(45)에서 동일하다. 이것은, 디바이스가 그 안정된 평형 위치에 놓이게 되는 이격이다. 디바이스에 대한 임의의 교란이 포인트(45)보다 큰 이격을 야기한다면, 인력(43)이 척력(46)보다 크게 되어, 평형 포인트(45) 뒤로 이동하는 경향을 초래한다. 유사하게, 임의의 교란이 이격을 포인트(45)보다 작게 만든다면, 척력(46)이 인력(43)보다 크게 되어, 다시 디바이스를 그 평형 포인트(45)에 복귀시킨다.FIG. 5 is a graph illustrating how the forces in FIGS. 1-4 interact to create a constant spacing between two electrodes across a tunneling region.
상술한 전극 배열 외에, 또한 전극들은 주기적인 간격의 복수층으로 배열될 수 있다. 또한, 디바이스의 복수의 유닛들은 보다 높은 레벨의 에너지 변환을 달 성하기 위하여 직렬로, 또는 병렬로, 또는, 병렬 및 직렬로 조합될 수 있다.In addition to the electrode arrangement described above, the electrodes can also be arranged in multiple layers at periodic intervals. In addition, multiple units of the device can be combined in series, in parallel, or in parallel and in series to achieve higher levels of energy conversion.
동작에서, 유연한 전극(1)에서의 전류 분포 또는 밀도의 강도 및 전극(2)의 자계는, 이격된 안정 평형 위치에 전극을 두도록 조정된다. 하나의 예시적인 실시예에서, 전자 터널링 또는 열이온 전자 전달, 또는 전자 터널링 및 열이온 원리의 조합을 이용하여, 본 명세서의 디바이스가 열을 냉각 또는 전기 에너지로 변환하는 데에 이용되는 때에, 전극(1)에서의 전류 밀도 또는 분포의 강도 및 전극(2)의 자계는 하나의 전극에 대하여 유연한 금속 호일을 이용하여 1 나노미터 내지 20 나노미터의 범위에 있는 이격된 안정 평형 위치에 대면하는 전극들을 위치시키도록 조정될 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 본 명세서의 디바이스가 열이온 전자 전달에 의한 냉각 또는 전력 생산으로의 열 변환에 이용될 때, 전극(1)에서의 전류 밀도 또는 분포의 강도 및 전극(2)의 자계는 하나 또는 2개의 전극에 대하여 기판으로서 실리콘 웨이퍼를 이용하여 1 나노미터 내지 20 나노미터의 범위 내에 이격된 안정 평형 위치에 대면하는 전극들을 위치시키도록 조정될 수 있다.In operation, the strength of the current distribution or density in the
본 명세서의 디바이스는 열을 냉각 또는 전기 에너지로 변환하는 프로세스에서 사용될 수 있다. 열원은 태양 방사, 환경으로부터의 열, 지열 에너지 또는 살아있는 인체로부터의 열과 같은(이에 제한되지는 않음) 동물의 신진대사 또는 기관으로부터 생성된 열과 같은 방사원일 수 있다. 또한, 열원은 전기, 증기 또는 내연기관을 가동시키거나, 나무 난로 또는 석탄 난로 또는 기타 난로 유형과 같은 난로에서 연료를 연소시킴으로써, 또는 이들의 배출 가스로부터 올 수 있다. 열원이 예를 들어 내연 기관을 가동시킴으로서 또는 그 배기 가스로부터 오는 경우에, 이 디바이스는 열 싱크(heat sink)로서 엔진 또는 가스 배기 라인에 통합될 수 있다. 연소를 위한 연료는 나무, 천연 가스, 석탄 또는 기타 연소가능한 연료일 수 있다. 변환된 에너지는 배터리와 같은 곳에 저장될 수 있거나, 셀 폰, 무선 전화기 또는 기타 상술한 제품과 같은 휴대용 전기 디바이스에 전력을 공급할 수 있다.The devices herein can be used in the process of converting heat into cooling or electrical energy. The heat source may be a radiation source, such as heat generated from an animal's metabolism or organs, such as, but not limited to, solar radiation, heat from the environment, geothermal energy, or heat from a living human body. The heat source may also come from running electricity, steam or an internal combustion engine, burning fuel in a stove such as a wood stove or coal stove or other stove type, or from their exhaust gases. If the heat source comes from, for example, operating an internal combustion engine or from its exhaust, the device can be integrated into the engine or gas exhaust line as a heat sink. The fuel for combustion may be wood, natural gas, coal or other combustible fuel. The converted energy may be stored somewhere such as a battery or may power a portable electrical device such as a cell phone, a cordless phone or other product described above.
디바이스가 냉각기로서 동작하는 경우에, 본 명세서의 디바이스의 동작이 설명될 것이다. 다시 도 1에서, 제로에서 증가하는 전압이 전원(10)에 의해 전극(1)과 전극(2) 사이에 인가된다. 이러한 전압은 전극(1)의 팁(6)을 전극(2)의 표면 쪽으로 당기는 정전기력을 유발한다. 전압이 점점 증가함에 따라, 유연한 전극(1)은 팁(6)에서 시작하여 말리는(rolling) 형태로 전극(2)의 표면 쪽으로 아래로 굽는다. 이러한 굽힘은 전극(1)이 전극(2)에 매우 가깝게 되어 터널링 전류가 전극(2)으로부터 전극(1)으로 위로 흐르기 시작할 때까지 계속된다. 이러한 터널링 전류는 일단 전극(1)에 도달하면 전극(1) 내에서 커넥터(9) 쪽으로 우측으로 수평으로 흐른다. 이러한 전류는 도 1a의 I 방향으로 흐르고, 전극(2) 부근에 있는 영구 자석에 의해 생성되는 자계는 B 방향이므로, 힘은 전극(1)을 윗방향으로 올리도록 작용할 것이다. 전원(10)으로부터의 전압이 계속 증가되는 동안은, 전극(1)은 평평해질 것이며 전극(2)의 표면과 외곽(contour)을 매칭할 것이다. 정전기력은 2개의 전극 표면을 서로 당기도록 작용할 것이며, 전극(1)에서 흐르는 전류로부터의 반대되는 힘은 원하는 간격보다 2개의 전극이 더 밀접하게 위치되는 것을 방지한다.In the case where the device operates as a cooler, the operation of the device herein will be described. Again in FIG. 1, a voltage increasing at zero is applied between the
생성기 디바이스로서 본 발명의 디바이스의 동작은 열원(30)이 전극(2)에서 의 고온의 고에너지 상태로부터 전극(1)에서의 저온의 저에너지 상태로 "고온 전자" 이동을 발생시킨다는 것 외에는 유사하다. 하나의 에너지 상태에서 다른 에너지 상태로의 이러한 전자의 이동은 전극들간에 전류 흐름을 발생시킨다. 전기적 부하(10)는 이에 따라 생성되는 전기 에너지에 대한 싱크가 된다.The operation of the device of the present invention as a generator device is similar except that the
냉각 동작에서, 전기 에너지가 전원으로부터 사용되어, 전극(2)으로부터 고온 전자들을 끄집어 냄으로써 이를 냉각시킨다. 발전기로서 동작할 때, 열원(30)은 전원에 전자들을 집어넣는 데 사용된다.In the cooling operation, electrical energy is used from the power source to cool it by drawing hot electrons from the
<예들><Examples>
본 명세서에서 설명된 바와 같이 본 발명자 및 학계의 과학자들에 의해 획득된 실험 데이터 및 측정과 연계하여 물리학의 기본 법칙에 기초하는 이하의 예들에 의해 본 발명을 더욱 설명할 것이다. 이러한 예들은 이하를 나타낸다: (1) 본 명세서의 디바이스는 산업계에서 보편적인 치수 및 프로세스를 이용하고 설계되고 제조될 수 있다. (2) 생성된 정량화된 힘은 원하는 전극 이격을 이룰 것이다. (3) 본 발명의 디바이스의 전기적 특성은 변환된 전기적 에너지를 효율적으로 운송 및 전송할 수 있다. 예들은 본 발명의 디바이스의 상술한 3개의 속성을, 전극 이격이 20 나노미터보다 작은 열-터널링 변환기에 대해, 그리고 전극 이격이 대략 100 나노미터인 열-광전압 변환기에 대해 설명한다.The invention will be further illustrated by the following examples based on the fundamental laws of physics in conjunction with experimental data and measurements obtained by the inventors and academic scientists as described herein. These examples show the following: (1) The devices herein can be designed and manufactured using dimensions and processes common in the industry. (2) The generated quantified force will achieve the desired electrode spacing. (3) The electrical characteristics of the device of the present invention can efficiently transport and transmit the converted electrical energy. Examples describe the three attributes described above of the device of the present invention for a heat-tunneling converter with an electrode spacing less than 20 nanometers and for a thermo-photovoltaic converter with an electrode spacing of approximately 100 nanometers.
<예 1><Example 1>
열-터널링 변환기에 대해서, 도 1, 2 또는 3에서의 이하의 치수를 고려한다.For the heat-tunneling converter, consider the following dimensions in FIG. 1, 2 or 3.
대면하는 전극들의 전체적인 중첩 터널링 영역(Y)은 1 평방 센티미터, 즉 10-4 평방 미터이다. 유연한 전극(1)의 길이(L)는 2 센티미터이며, 최대 폭(W)은 1 센티미터이다. 길이(L) 및 폭(W)은 도 3에 대해서와 유사하게 규정되지만, 전극(1)은 도 1에 대한 선형 형태에 비해 나선 형태로 감긴다. 전극(1)의 대면 표면은 전체 터널링 영역(X)(모든 x의 합임)이 전체 표면 영역(Y)의 십분의 일, 즉 10-5 평방 미터이도록 표면 거칠기를 갖거나 패터닝된 표면이다. 전극(2)에 사용된 영구 자석 재료는 1.2 테슬라(Tesla)의 자계 강도(B)를 갖는다. 전극들간의 전압(V)은 0.15 볼트이다. 전극들(1, 2)간의 진공 또는 희박한 비활성 가스의 유전상수 ε는 미터당 8.8×10-12 패럿(farad)과 동일하다. 유연한 전극(1)의 저항률 r은 구리의 저항률 또는 1.7×10-8 옴-미터(ohm-meter)에 가까운 것으로 가정된다. 상부 커넥터(9a)로부터 다른 하부 커넥터(9b)로의 전자들의 경로의 저항은, 회로의 나머지 부분에 비해 얇아지고 유연할 필요가 있다는 것에 기인하여 전극(1)에서 완전히 집중되는 것으로 가정된다. 유연한 전극(1)의 두께(t)는 20 마이크로미터이며, 따라서 호일 재료이다.The overall overlapping tunneling area Y of the facing electrodes is 1 square centimeter, or 10 −4 square meters. The length L of the
정전기 인력 Fe에 대한 공식은 , 여기에서 d는 전극들간의 이격이다. 자기적인 척력에 대한 공식 Fm은 ILB이며, 여기에서 I는 전류이고, L은 전극(1)에서의 전류 흐름의 유효 평균 길이이다.The formula for electrostatic attraction F e is Where d is the spacing between the electrodes. The formula F m for magnetic repulsion is ILB, where I is the current and L is the effective average length of the current flow in the
이격의 함수인 터널링 전류 I는 Hishinuma의 그래프로부터 취해지며, 도 1의 코팅(5)의 일함수인 1.0eV 및 300 켈빈 온도의 동작 온도를 갖는 것으로 가정한다. 상술한 Y. Hishinuma 등에 의한, Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum: Use of Nanometer Scale Design; 및 상술한 Y. Hishinuma 등에 의한 Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap을 참조할 수 있다.The tunneling current I, which is a function of the spacing, is taken from Hishinuma's graph and is assumed to have an operating temperature of 1.0 eV and 300 Kelvin, the work function of the
도 6에서, 앞서 기재한 값들에 대한 힘의 함수 Fm 및 Fe가 로그 스케일에 따라 Y축 상에 그려지며, X축 상에는 전극 이격 갭(d)이 산술적인 스케일로 그려진다. 이러한 도시는 도 5와 같은 그래프를 생성하며, 단지 지금으로서는 완전히 정량화된다. 안정적인 평형 포인트(45)는 2.0 나노미터이며, 이는 Hishimuna에 따르면 20 암페어의 터널링 전류를 달성하기 위하여 필요한 간격 범위 내에 있다. 상술한 Y. Hishinuma 등에 의한, Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap을 참조할 수 있다. 교란이 안정적인 평형으로부터 둘 중 어느 방향으로 간격 갭을 멀리 시프트시키려고 한다면, 복원력은 0.2 뉴턴(Newton)보다 크며, 이는 유연한 전극의 휨 저항(bending resistance)을 극복하고 그 평형 위치로 다시 돌려 놓기에 충분하다.In FIG. 6, the functions F m and F e of the forces for the values described above are plotted on the Y axis according to the logarithmic scale, and on the X axis the electrode spacing gap d is plotted on an arithmetic scale. This plot produces a graph like FIG. 5 and is only now fully quantified. The
실온에서의 에미팅 전극, 20 암페어의 전류 흐름, 0.15 볼트의 전압으로, 디바이스는 16 와트의 전력 생산 용량 또는 냉각 용량 중 하나를 달성할 수 있는데, 이는 상술한 Y. Hishinuma 등에 의한, Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap에 설명된 바와 같이 본 예에서 사용된 0.8의 펠티에 계수(Peltier coefficient)에 전류(I)를 곱함으로써 계산된다. 유연한 전극(1)을 통하는 이 전류의 흐름에서 손실된 저항 전력은 I2rL/tw이다. 상술된 값으로, 옴 전력 손실은 1.0 와트에서 계산되는데, 이는 전력 손실 및 가열 전극(1)의 소스 모두로서 관리할 수 있는 것으로 여겨진다. 또한, 전극(2)으로부터 전극(1)으로의 열 전달은 복사, 대류 및 도전에 의해 발생할 수 있지만, 본 발명의 디바이스의 챔버가 0.06 mm Hg의 아르곤 가스 레벨로 비워질 때에는 1.3 와트 이하가 되는 것으로 추정된다. 마지막으로, 상술한 Y. Hishinuma 등에 의한, Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap에 설명된 바와 같이, 전극(2)에 생성된 전기적인 열이 있으며, 이는 전압 V에 전류 I를 곱한 값, 또는 본 예에서는 대략 3.0 와트와 동일한 값이다. 16 와트의 변환된 에너지로부터 이용가능한 나머지 에너지는 10.7 와트이다. 이는 67%의 계산된 효율에 대응한다.With an emitting electrode at room temperature, a current of 20 amps and a voltage of 0.15 volts, the device can achieve either 16 watts of power production capacity or cooling capacity, which is described by Y. Hishinuma et al. Calculated by multiplying the current (I) by the Peltier coefficient of 0.8 used in this example as described in by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap. The resistive power lost in this flow of current through the
따라서, 확립된 전자기 이론에 기초하여, 본 디바이스의 시스템 레벨 특성이 고효율을 갖는 열-터널링 변환기를 위해 실시하는 감소 수단 및 작동가능한 설계를 지원한다는 것을 알 수 있다.Thus, based on the established electromagnetic theory, it can be seen that the system level characteristics of the device support an operable design and reduction means implemented for heat-tunneling converters with high efficiency.
<예 2><Example 2>
본 발명의 다양성의 또 다른 예는 재료의 선택에 있다. 예 1에 설명된 바와 같이, 바람직한 실시예는 전극들 중 하나로서 금속 호일을 포함한다. 또 다른 실시에는 유연한 금속으로서 단결정 실리콘을 사용할 수 있다. 실리콘은 보통 유연 한 재료로서 간주되지 않지만, 0.5 나노미터의 거칠기로, 그리고 평방 센티미터 표면에 걸쳐 1 마이크로미터의 평평도로 산업계에서 일상적으로 제조된다. 영의 계수(Young's Modulus)에 의해 측정된 바와 같이 실리콘은 금속 호일보다 훨씬 더 딱딱(stiff)하지만, 그 평평도는 이상적인 평평도에 접근하기 위해 매우 작은 휨이 요구된다는 것을 나타낸다. 본 발명에 의해 발생된 힘은 실리콘 웨이퍼를 완전하게 평평하게 하는 데 필요한 1 마이크로미터만큼 실리콘 웨이퍼를 휠 수 있다는 것이 보여질 것이다. 전체적으로, 유연한 전극 또는 2개의 전극을 위한 베이스 재료로서 실리콘을 이용하는 것은 몇가지 이점을 갖는다: (1) 실리콘 웨이퍼는 저비용으로 쉽게 입수할 수 있다. (2) 실리콘 웨이퍼는 바람직한 거칠기 및 평평도 특성을 갖는다. (3) 실리콘 상에 낮은 일함수 재료 또는 재료들의 패턴을 추가하는 것은 산업계에서 용이하게 자주 수행된다. (4) 실리콘의 저항은 본 발명의 다른 전극과 접촉 또는 거의 접촉하고 있는 동안 유연한 전극이 너무 신속하게 반응하는 것을 방지한다. (5) 실리콘의 원하는 저항은 도핑을 통해 임의로 제어될 수 있는데, 이 또한 산업계에서는 보편적인 실시이다. 전체적으로, 본 발명의 설계는 반도체 업계에서 일상적으로 입수가능한 재료 및 프로세스로 제조될 수 있다.Another example of the variety of the invention lies in the choice of materials. As described in Example 1, a preferred embodiment includes a metal foil as one of the electrodes. In another embodiment, single crystal silicon may be used as the flexible metal. Silicon is not usually regarded as a flexible material, but is routinely manufactured in industry with a roughness of 0.5 nanometers and a flatness of 1 micrometer over a square centimeter surface. As measured by Young's Modulus, silicon is much stiff than metal foil, but its flatness indicates that very small warpage is required to approach the ideal flatness. It will be seen that the force generated by the present invention can bend the silicon wafer by 1 micron, which is necessary to completely flatten the silicon wafer. Overall, using silicon as a base material for flexible electrodes or two electrodes has several advantages: (1) Silicon wafers are readily available at low cost. (2) The silicon wafer has desirable roughness and flatness characteristics. (3) Adding a low work function material or pattern of materials on silicon is frequently performed easily in the industry. (4) The resistance of silicon prevents the flexible electrode from reacting too quickly while in contact with or near contact with the other electrode of the present invention. (5) The desired resistance of silicon can be arbitrarily controlled through doping, which is also a common practice in the industry. In total, the designs of the present invention can be made of materials and processes routinely available in the semiconductor industry.
유연한 전극에 대하여 실리콘을 이용하는 본 발명의 예를 설명하기 위하여 도 8을 고려한다. 여기에서, 전극(1)은 포일 백킹(62) 및 실리콘 기판(65)으로 이루어진다. 도 8에서의 전극(1)의 형태는 예 1에 설명된 최적의 지수 형태에 근사한 삼각형이다. 실리콘 기판(65)은 표준 웨이퍼로부터 절단된 다음, 도전성 접착제를 이용하여 전극(1)의 호일 백킹(62)에 접합될 수 있다. 도 8의 전극(2')은 도 1 의 전극(2)과 같이 제조되며, 단지 자석이 도시되지 않았으며, 이격되어 위치되는 것으로 여겨진다. 자석을 전극(2')으로부터 이격시킴으로써, 도 8의 전극(1)과 같은 동일한 재료 및 프로세스를 이용하여 도 8의 전극(2')을 제조할 수 있다. 화살표(61)는 전자들의 흐름 방향을 나타낸다. 호일 백킹이 실리콘보다 훨씬 높은 도전성을 가지므로, 전자들은 최소한의 저항의 경로를 따라갈 것이다. 따라서, 전자들은 도전을 통해, 전극(2')의 호일 백킹을 통해 우측에서 좌측으로 흐른 뒤에, 일부 화살표(67)에 의해 나타낸 바와 같이 전극(2')의 실리콘 기판을 통해 수직으로 흐른 뒤에, 일부 화살표(66)에 의해 나타낸 바와 같이 진공에서 전극(2')의 표면(64)으로부터 전극(1)으로의 터널링 또는 열이온 방출을 통해 흐른다. 일단 전자들이 전극(1)에 도달하면, 일부 화살표(65)에 의해 나타낸 바와 같이 실리콘 기판을 통해 수직으로 흐르며, 최종적으로 전극(1)의 호일 백킹(62)에 도달한다. 그 후에, 전자들은 전극(1)의 호일 백킹(62)을 통해 좌측에서 우측으로 매우 낮은 저항 경로를 따라간다. 화살표(61)에 의해 나타내어진 방향에서와 같이 전자들의 흐름은 도 8에는 도시되지 않은 근처의 영구 자석의 자계와 상호작용한다.Consider FIG. 8 to illustrate an example of the invention using silicon for a flexible electrode. Here, the
본 예에서, 실리콘의 전체 두께 ts는 웨이퍼당 0.5 밀리미터 또는 0.25 밀리미터이며, 이는 산업계의 표준 두께이다. 실리콘 재료는 0.02 옴-센티미터의 저항률 rs를 갖도록 도핑되며, 이 또한 통상적으로 실시된다. 실리콘에 대한 영 계수 Es는 47 기가 파스칼(Giga Pascal), 즉 4.7×1010 파스칼인 것으로 알려져 있다. 실리콘 웨이퍼는 0.5 나노미터까지의 표면 거칠기로 산업계에서 일상적으로 연마되 며, 일 센티미터의 가로 치수의 웨이퍼에 대해 1.0 마이크로미터의 표면 평평도 dx를 달성한다.In this example, the total thickness t s of silicon is 0.5 millimeters or 0.25 millimeters per wafer, which is the industry standard thickness. The silicon material is doped to have a resistivity r s of 0.02 ohm-cm, which is also commonly practiced. The Young's modulus E s for silicon is known to be 47 Giga Pascals, or 4.7 × 10 10 Pascals. Silicon wafers are routinely polished in the industry with surface roughness up to 0.5 nanometers, achieving a surface flatness d x of 1.0 micrometers for wafers of one centimeter transverse dimension.
도 7은 도 6과 비교하여 힘에 대한 실리콘의 영향을 도시한다. 갭이 매우 작아지므로 정자기력은 0.6 뉴턴에 제한된다. 실리콘의 저항은 전류 흐름을 제한하고, 따라서 정자기 척력을 제한한다. 또한, 매우 좁은 갭은 공급 전압 모두가 실리콘 저항에서 강하하는 것을 유발할 것이며, 갭 양단에 제로 전압이 나타나는데, 이는 매우 작은 갭 간격에 대해서 정전기 인력이 제로라는 것을 의미한다.FIG. 7 shows the effect of silicon on force as compared to FIG. 6. Since the gap becomes very small, the magnetostatic force is limited to 0.6 Newtons. The resistance of the silicon limits the current flow and thus the magnetostatic repulsion. In addition, a very narrow gap will cause both the supply voltage to drop in the silicon resistance, with zero voltage across the gap, which means that the electrostatic attraction is zero for very small gap spacings.
이 영향을 정량화하기 위하여, 이 시스템에서 흐를 수 있는 최대 전류를 고려하는데, 이 최대 전류는 공급 전압 V를 실리콘 저항으로 나눈 것으로, rsts/Lw와 동일하다. 예 1에서의 전극의 인가된 전압, 길이 및 폭에 대하여, 실리콘이 존재하는 경우에 최대 전류 흐름은 대략 50 암페어이다. 또한, 전류가 이 50 암페어 레벨에 근접하는 때에, 공급 전압은 실리콘 양단에서 모두 강하되고, 전극들의 대면 표면 양단에서는 전압차가 없게 될 수 있다.To quantify this effect, we consider the maximum current that can flow in this system, which is the supply voltage V divided by the silicon resistance, which is equal to r s t s / Lw. For the applied voltage, length and width of the electrode in Example 1, the maximum current flow when silicon is present is approximately 50 amps. In addition, when the current approaches this 50 ampere level, the supply voltage drops across both silicon and there can be no voltage difference across the facing surface of the electrodes.
도 7에서의 복원 편력(restoring differential force)은 비교적 크다. 도면에 따르면, 원하는 이격으로부터 0.1 나노미터의 어긋남은 0.05 뉴턴보다 큰 복원력을 발생시킨다. 이러한 복원력은 전극(1)을 평평하게 하는 데 필요한 굽힘력(bending force)보다 훨씬 크며, 이하 계산될 바와 같은 전극(2)과의 평행을 달성하기 위해 필요한 굽힘력보다 훨신 더 크다.The restoring differential force in FIG. 7 is relatively large. According to the figure, a deviation of 0.1 nanometers from the desired separation produces a restoring force greater than 0.05 Newtons. This restoring force is much larger than the bending force required to flatten the
전극(1)에서의 1 마이크로미터의 골(corrugation)을 평평하게 하기 위하여, 40dxEswts 3/12L3의 힘이 필요하다. 이 힘은 0.003 뉴턴으로 계산된다. 전극(1)과 전극(2)이 반대되는 골을 갖는다면, 필요한 힘은 이러한 양의 두배, 즉 0.006 뉴턴이며, 이는 갭을 0.1 나노미터의 원하는 갭으로 유지하는 데 이용가능한 0.05 뉴턴의 복원력보다 훨씬 작다.In order to flatten the corrugation of 1 micrometer in the
실리콘 전극 재료를 갖는 도 7에서의 힘의 특성은 금속 호일 재료를 갖는 도 6에서 힘의 특성보다 이하의 이유로 더욱 바람직하다: (1) 실리콘에 관한 힘은 순수한 금속 전극의 경우에서와 같이 시스템에 손상을 주거나 불안정하게 할 수 있는 진동 또는 급작스런 운동을 유발할 정도로 크게 되지 않는다. (2) 금속 호일에 대한 실리콘 웨이퍼의 보다 큰 평평도는 시스템이 원하는 동작 포인트에 훨씬 근접하게 시작하게 한다. (3) 실리콘의 저항은, 고온을 유발할 수 있고 전극 재료에 증발성 손상을 줄 수 있는, 매우 국부적인 영역에서 큰 전류가 형성되는 것을 방지한다. (4) 실리콘의 딱딱함은 재료의 움직임의 양을 감소시켜 시간이 지남에 따라 갭을 유지하고, 이에 따라 피로(fatigue), 크래킹 또는 변형의 위험을 줄인다. (5) 실리콘의 보다 높은 딱딱함과 평평도는 국부적인 변동의 존재에서 갭이 유지될 수 있을 것을 보장하고, 이에 의해 지수적인 형태, 전극 두께의 균일성 및 재료 및 설계의 기타 파라미터 변동에서의 정밀성에 대한 필요성이 감소된다.The property of the force in FIG. 7 with the silicon electrode material is more desirable for the following reasons than the property of the force in FIG. 6 with the metal foil material: (1) The force with respect to the silicon may be It is not large enough to cause vibrations or sudden movements that can damage or destabilize. (2) The larger flatness of the silicon wafer relative to the metal foil allows the system to start much closer to the desired operating point. (3) The resistance of silicon prevents the formation of large currents in very localized areas, which can cause high temperatures and cause evaporative damage to the electrode material. (4) The hardness of the silicone reduces the amount of material movement to maintain the gap over time, thereby reducing the risk of fatigue, cracking or deformation. (5) The higher hardness and flatness of the silicon ensure that the gap can be maintained in the presence of local fluctuations, thereby providing precision in exponential shape, electrode thickness uniformity and other parameter variations in materials and designs. The need for is reduced.
<예 3><Example 3>
도 9a는, 이 디바이스가 열-광전압이라 칭하는 상이한 유형의 에너지 변환에 대하여 이용될 수 있는 방식의 다른 예를 보여준다. 이 예에서, 열원(71)은 광-방 출 재료(73)로 하여금 갭(74)을 가로지르는 72에 의해 도시되는 광을 광감응 재료(75)에 방사하기 시작하게 하는데, 이 갭은 상기 광의 파장보다 작고, 이러한 광감응 재료는 그 후에 화살표(76)에 의해 도시되는 전류를 생성한다. 이 예에서, 광-방출 재료(73)는 텅스텐 또는 이와 유사한 것이 될 수 있다. 광감응 재료(75)는 실리콘, 셀레늄, 갈륨, 비소, 인듐 또는 이들의 소정의 조합 또는 합금이 될 수 있다. 갭(74)에 대하여 필요한 길이는, 근접장 광학 조건(near-field optical condition)을 달성하기 위하여, 통상적으로 광-방출 재료(73)에 의해 방출되는 최소 파장보다 작거나 대략 100 나노미터이다. 광-방출 전극(73)은 이 경우에 갭 측 상에서 단단하고 평평하며 연마된다. 광감응 전극(75)은 대략 100 나노미터의 대체적으로 균일한 갭으로 평평하게 하기에 충분한 유연성을 갖는다.9A shows another example of how this device can be used for a different type of energy conversion called thermo-photovoltaic. In this example, the
도 9b는 본 발명의 열-광전압 구현에서 안정한 갭을 생성할 수 있는 힘의 그래프를 도시한다. 정전기력이 이 거리에서는 의미를 갖기에는 너무 작으므로, 2개의 전극간의 당김을 야기하기 위해 스프링력(spring force) 또는 유사한 외력이 대체될 수 있다. 스프링력은 갭 이격의 함수로서 선형의 크기를 갖는다. 균형을 맞추는 척력은 자계의 존재 하에서 흐르는 화살표(76)에 의해 도시된 전류에 의해 이전 예에서와 같이 생성되며, 이것은 도 9에는 도시되지 않았다. 이 전류는 전극(73)의 방출로부터 광자를 수신하는 광감응 재료에 의해 생성되지만, 한편으로는 이전의 예들에서 설명된 바와 같이 균일한 갭 이격을 생성하고 유지하는 것을 돕는다. 도 9b에서의 척력(46')은, 이격에 대한 그 작용이 상술한 R. DiMatteo 등에 의한, Micron-gap ThermoPhotoVoltaics(MTPV)으로부터 도출된 열-광전압 전류에 비 례한다.9B shows a graph of forces that can create a stable gap in the thermal-photovoltaic implementation of the present invention. Since the electrostatic force is too small to be meaningful at this distance, a spring force or similar external force can be replaced to cause a pull between the two electrodes. The spring force has a linear magnitude as a function of gap separation. The balancing repulsive force is generated as in the previous example by the current shown by the arrow 76 flowing in the presence of a magnetic field, which is not shown in FIG. 9. This current is generated by the photosensitive material that receives the photons from the emission of the
<예 4><Example 4>
도 10a 내지 10c는, 도 8 또는 도 9의 설계가 조립될 수 있는 방식을 도시하며, 여기에서 복수의 디바이스들은 전기적으로는 직렬로 접속되고 열적으로는 병렬로 접속된다. 또한, 도 10a 내지 10c는 반도체 업계에서 폭넓게 사용되는 제조 기술을 이용하여 이러한 복수의 디바이스들까지 어떻게 증가시킬 수 있는지를 도시한다. 도 10a는 복수의 디바이스들의 한 면을 보유하는 베이스 기판(82)을 도시하다. 이 기판(82)은, 디바이스가 열-터널링 쿨러로서 동작할 때에는 냉각되거나, 전기 변환기에 대한 열로서 동작하는 때에는 가열되거나, 이 디바이스가 열-광전압 변환기로서 동작하는 때에는 방사한다. 도 10b는 하나의 기판(82) 상에 복수의 디바이스들을 제조하기 위해 생성될 수 있는 막 스택(film stack)의 측면도를 도시한다. 기판(82)은 실리콘, 실리콘 탄화물, 알루미늄, 갈륨 비소 또는 산업계에서 통상적으로 사용되는 유사한 기판 재료로 이루어진다. 층(88)은, 기판층(82)으로부터 제1 금속층(83)을 전기적으로는 절연시키지만 열전도는 여전히 허용하는 산화물 또는 유사한 막이다. 제1 금속층(83)은 열-터널링 동작을 위한 전류를 운송하기 위한, 또는 열-광전압 동작을 위한 열을 운송하기 위한, 비교적 두꺼운 고도전성의 층이다. 금속층(83)은 예를 들어 구리일 수 있으며, 또는 알루미늄과 같은 덜 비싼 금속일 수 있다. 갭층(84)은 갭과의 계면에 가장 적합한 금속 또는 기타 막이다. 열-터널링의 경우에, 이 층(84)은 산화 및 오염으로부터 보호하기 위하여 금일 수 있는데, 이는 금이 비활성 금속이기 때문이다. 열-광전압 동작의 경우에, 갭층(84)은 갭을 건너는 광자로의 열의 변환을 최대화하기 위하여 광-방출을 많이 하는 텅스텐 또는 기타 재료가 될 수 있다. 층(85)은 층들(83, 84, 84' 및 83')의 막 스택이 생성된 이후에 제거되는 희생층이다. 희생층은 제2 전극을 포함하는 추가적인 막을 놓는 구조물을 제공한다. 희생층(85)의 제거 후에, 도 5, 6, 7 또는 9b의 앞서 설명한 힘 균형에 의해, 갭이 층들(84, 84') 사이에 형성된다. 층(84')은 갭으로부터 에너지를 수용하고 오염 또는 산화로부터 층(83')을 보호가기 위하여 최적화된다. 열-터널링 동작의 경우에, 층(84')은 금으로 이루어질 수 있다. 열-광전압 동작의 경우에, 층(84')은 도 9a에서 재료(75)로서 설명된 광감응 재료일 수 있다. 층(83')은 디바이스로부터 전류를 수송하는 전류 수송층이며, 그 재료는 구리 또는 알루미늄일 수 있다. 일단 도 10b에 도시된 막 스택이 반도체 프로세싱을 이용하여 생성되면, 직렬의 전기적 접속들이 도 10c에 도시된 바와 같이 만들어진다. 이 경우에, 와이어 및 와이어 접합(86)을 이용하여 상부 전극으로부터 이웃하는 기판 전극으로의 전기적 접속이 이루어진다. 와이어(89)는 복수의 디바이스에 대한 전기적 입력 및 출력을 나타낸다. 희생층(85)은 프로세싱액, 가스로 제거될 수 있거나 열로 녹이거나 증발될 수 있는 임의의 재료로 이루어질 수 있다.10A-10C show how the design of FIG. 8 or 9 can be assembled, where a plurality of devices are electrically connected in series and thermally connected in parallel. Also, FIGS. 10A-10C show how to increase to these multiple devices using fabrication techniques widely used in the semiconductor industry. 10A shows a
일단 한 쌍의 디바이스가 도 8, 9a, 또는 10c에 도시된 바와 같이 생성되면, 이들은 예를 들어, 도 11a에 도시된 열 교환기 패키지에 삽입될 수 있다. 여기에서, 전극 쌍들 또는 전극 쌍들의 배열(92)은 하나의 핀(fin)(93)으로부터 대응하는 핀(93')으로 열을 이동시킨다. 핀(93)은 제1 열 플레이트(90)에 모두 물리적으로 연결되며, 대응하는 핀(93')은 모두 제2 열 플레이트(90')에 물리적으로 연결된다. 열 플레이트(90, 90')는 각각 보다 작은 고온측(93) 및 보다 작은 저온측(93')을 함께 모음으로써 열-터널링 또는 열-광전압 동작을 위한 고온측 및 저온측을 나타낸다. 열 플레이트(90, 90')는 구리, 알루미늄 또는 실리콘과 같은 높은 열 전도성을 갖는 재료로 이루어진다. 직사각형의 튜브(91)는 밀봉가능한 컨테이너를 위한 벽을 제공하며, 유리, 테플론, 폴리이미드 또는 충분한 압축 강도(compressive strength)를 갖는 유사한 재료와 같은 낮은 열 전도성을 갖는 재료로 이루어진다. 낮은 열 전도성은 고온 플레이트 및 저온 플레이트(90, 90')의 열적인 고립을 허용하여, 시스템의 효율을 향상시킨다. 플레이트들(90, 90')이 튜브 벽(91)에 대해 일치되지 않는(mismatched) 열팽창 특성을 갖는다면, 계면 재료(95)는 바이톤(Viton)과 같은 진공에서 쓸 수 있는(vacuum-compatible) 연질의 고무, 또는 이러한 유형의 밀봉을 위하여 산업계에서 오-링(o-ring)을 만드는 데 이용되는 테플론, 폴리이미드 또는 유사한 재료로 이루어질 수 있다. 열 플레이트 재료(90, 90')와 튜브벽 재료(91)의 열팽창 특성이 근사적으로 동일하다면, 계면 재료(95)는 유리 프릿, 에폭시, 솔더와 같은 강한 접합 재료이거나 용접일 수 있다. 도 11b는 열 교환기 패키지(11a)를 둘러싸고 도 11a의 전극쌍(92)에서의 갭을 형성하는 데 필요한 자계를 제공하는 자석 구조를 만드는 방식을 도시한다. 영구 자석(101)은 자기적으로 투과성인 재료(100)의 직사각형 링에 고정된다. 영구 자석(101)은 철, 코발트, 니켈, 네오디뮴, 붕소 및 알루미늄의 합금과 같은 자석에 대하여 이용되는 표준 재료로 제조될 수 있다. 통상적으로, 이 합금은 자화되었을 때 높은 잔존 자 성을 달성하기 위하여 작은 입자들로 소결된(sintered) 후에, 바인더 재료를 이용하여 원하는 형태로 재포장(repack)된다. 직사각형 링(100)은 영구 자석(101)에 의해 생성되는 자계 및 자기 투과성을 최대화하기 위하여 변압기에 사용되는 것과 동일한 강철로 제조될 수 있다. 이러한 재료는 철을 풍부하게 함유하는 강철(iron-rich steel), 또는 예를 들어, 철, 코발트, 니켈, 크롬 및 백금의 소정의 다른 합금일 수 있다.Once a pair of devices are created as shown in Figures 8, 9A, or 10C, they can be inserted into the heat exchanger package shown in Figure 11A, for example. Here, electrode pairs or array of electrode pairs 92 transfer heat from one
도 13은 자석 조립체(assembly)가 열 교환기 배열을 수용하기 위하여 커질 수 있는 방식을 도시한다. 자기적으로 투과성인 재료(110)가 도 8, 9a, 10c 또는 11a에 도시된 디바이스들을 삽입하기 위한 간극(void)의 배열을 갖는 격자 구조로 배열된다. 영구 자석(101)은 각각의 셀에 삽입되어 자석들간에 자계를 생성한다.Figure 13 shows how the magnet assembly can be enlarged to accommodate the heat exchanger arrangement. Magnetically
아주 소형화된 제조 프로세스에서, 도 13의 자석 배열은 도 10c의 기판의 상단에 제조되고, 도 10c의 전극쌍이 도 13의 자석 배열의 간극에 수용되도록 배열될 수 있다. 최소화의 경우에, 영구 자석(101) 및 투자성 재료(110)는 도 10b의 전극 막들의 구성과 유사한 기판 상에 직접, 증발(evaporation), 스퍼터링 또는 도금과 같은 표준 프로세스를 이용하여 언급한 재료의 금속막으로서 성장될 수 있다.In a very miniaturized manufacturing process, the magnet arrangement of FIG. 13 may be fabricated on top of the substrate of FIG. 10C and arranged such that the electrode pairs of FIG. 10C are received in the gaps of the magnet arrangement of FIG. 13. In the case of minimization, the
도 14는 도 8, 10c 또는 11a의 디바이스가 열을 전기로 변환하는 열-터널링 변환기로서 동작할 때 필요할 수 있는 추가적인 전기 회로를 도시한다. 갭 형성을 달성하기 위해 본 발명의 디바이스(120)는 전류가 흐를 것을 필요로 하므로, 갭은 전류의 흐름 전에 존재하지 않는다. 도 14에서, 외부 전원(122)은 디바이스(120) 내의 갭을 형성하는 데 이용될 수 있는 전류의 흐름을 제공한다. 일단 갭이 형성 되고 열이 하나의 전극에 인가되면, 다른 전극에 대한 온도차가 생성된다. 이 온도차가 일단 존재하면, 고온 전자의 열-터널링이 흐르기 시작할 것이며, 추가적인 전류의 흐름을 생성한다. 일단 열-터널링 전류가 흐르면, 이전에 설명한 바와 같이 이는 단독으로 디바이스(120) 내의 갭을 유지시킬 수 있다. 이제, 외부 전원(122)은 더 이상 필요하지 않으며, 스위치(123)에 의해 스위칭 오프될 수 있다. 따라서, 도 14의 회로는 열을 전기적 부하(126)에 대한 전원으로 변환하는 열-터널링 변환을 위한 시동 회로이다. 열원이 제거되고 후속적으로 재설정될 때마다 스위치(123)는 외부 전원(122)을 다시 인가할 수 있다.FIG. 14 illustrates additional electrical circuitry that may be required when the device of FIGS. 8, 10C or 11A operates as a heat-tunneling converter that converts heat into electricity. Since the
<예 5><Example 5>
도 12a는 진공 환경이 필요할 때, MEMs(micro-eletromechanical systems)가 패키징되는 방식과 유사한, 이러한 디바이스의 전극을 패키징하는 또 다른 예를 도시한다. 상단 및 하단 열 플레이트(130)는 실리콘으로 제조될 수 있으며 표준 실리콘 웨이퍼에서 절단될 수 있다. 실리콘은 높은 열 전도성을 가지며, 따라서 이 디바이스의 열 경로를 위해 아주 적합할 것이다. 패키지(132)의 벽은 유리로 만들어지는데, 이는 낮은 열 전도성을 가지지만 실리콘 열 플레이트(130)의 열팽창 계수에 근접한 열팽창 계수를 갖는다. 유리 및 실리콘은 유사한 열팽창 특성을 가지므로, 130 과 131 사이에 공지된 유리 프릿 접합 방법을 사용할 수 있다. 유리 프릿 접합은 통상적으로 2개의 유리 조각을 함께 접합하는 데 이용되지만, 공기에 노출된 실리콘 표면 상에는 유리 실리콘 다이옥사이드층이 자연스럽게 형성되므로 유리를 실리콘에도 접합할 수 있다. 그 결과는 진공압을 쉽게 견딜 수 있는 유리와 실리콘간의 매우 강하고 단단한 밀봉이다. 유사한 진공 패키지가 가속도계, 발진기 및 고주파 스위치를 위한 MEMs 업계에서 사용된다. 또한, 기반층(131)은 실리콘으로 제조될 수 있으며 열 플레이트(134)에 접합될 수 있다. 상단 및 하단 열 플레이트(130) 상의 금속층들(134)은 백열 전구 및 기타 진공 제품의 수명을 제한하는 관통홀 또는 기타 메커니즘을 필요로 하지 않고도 패키지 내의 전극들에 전기적 접속을 만드는 데 이용된다.12A shows another example of packaging the electrodes of such a device, similar to the way micro-eletromechanical systems (MEMs) are packaged when a vacuum environment is needed. Top and
도 12b는 전극들이 도 12a의 진공 패키지 내에 수용될 수 있는 방식을 도시한다. 전극쌍(145)은 도 8, 9a 또는 10c에 대응한다. 열 계면 재료(141)는 각각의 전극으로/으로부터의 열을 패키지의 외부에 전도하며, 또한 동작 동안 전극들이 반대로 움직이도록 연질층을 제공한다. 열 계면 재료(141)의 예들은 Bergquist Corporation의 갭 패드, Apiezon 또는 Dow Chemical의 진공 그리스(vacuum grease), MER Corporation의 탄소 나노튜브 화합물 및 혼합물, 또는 열전도성 입자들과 혼합된 기타 연질 재료이다. 접합 재료(143)는 유리벽을 실리콘 열 플레이트에 접합하며, 이 재료의 예들은 에폭시 및 유리 프릿이다. 와이어(144)는 전극들의 베이스를 상단 및 하단 플레이트에 접속한다. 와이어들에 대한 예시적인 재료는 구리, 알루미늄, 또는 기타 전기적으로 도전성인 재료의 평평한 호일 또는 원통형 와이어이다. 구리층(134)은 저항성의 실리콘 플레이트(130)를 전류가 폭넓게 흐를 수 있게 한다. 실리콘 플레이트는 전기적 도전성을 증가시키고 패키지 내로의 전류 흐름의 저항적 손실을 최소화하기 위해 붕소, 비소 또는 유사한 원소로 도핑될 수 있다. 게터 필라멘트(Getter filament)(140)는 백열 전구에서의 필라멘트 와 매우 유사하게, 전압이 그 구리 패드(134)에 인가될 때 가열된다. 크롬산 세슘과 같은 적합한 재료가 필라멘트(140) 상에 코팅되어 진공 패키지로의 세슘 증기의 방출을 허용한다. 세슘 증기는 방출되면 이하의 기능을 달성한다: (1) 잔여 공기 및 기타 가스들과 반응하여 고체를 생성함으로써 밀봉 이후에 패키지 내부의 가스들을 배기시킨다. (2) 유사하게 반응함으로써 디바이스의 수명 동안 챔버 내로 누설되는 가스를 제거한다. (3) 전극(145)의 갭-대면 표면 상에 세슘 단일층 또는 서브 단일층을 자연스럽게 형성함으로써, 갭을 건너는 전자들의 방출을 돕기 위하여 낮은 일함수를 생성한다.FIG. 12B illustrates how the electrodes can be accommodated in the vacuum package of FIG. 12A.
<기타 예들><Other examples>
상술한 기본예들은 동작하는 열-터널링 시스템이 냉각 또는 전력 변환을 달성하기 위하여 설계될 수 있는 방식을 나타낸다. 기타 예들은 예 1 및 2에서 사용된 하나 이상의 파라미터들을 변경함으로써 쉽게 설계된다. 이하의 변화들 중 하나 이상에 의해 갭 거리는 증가될 수 있다: (1) 자계의 증가, (2) 전압의 감소, (3) 전류 흐름의 증가, (4) 유연한 전극의 길이의 증가, 또는 (5) 유연한 전극의 영역의 감소. 갭 거리는 반대되는 변화를 만듦으로써 감소될 수 있다.The above-described basic examples illustrate how an operating heat-tunneling system can be designed to achieve cooling or power conversion. Other examples are easily designed by changing one or more parameters used in Examples 1 and 2. The gap distance can be increased by one or more of the following changes: (1) increasing the magnetic field, (2) decreasing the voltage, (3) increasing the current flow, (4) increasing the length of the flexible electrode, or ( 5) reduction of the area of flexible electrodes. The gap distance can be reduced by making the opposite change.
본 명세서에서 설명된 몇몇 특징들은 반드시 있을 필요는 없으며, 추가적인 제조 복잡도 없이도 달성될 수 있다. 산업계는 동작하는 열-터널링 변환기를 나노미터 치수보다 크게 생산할 수는 없었으므로, 더 큰 크기에서의 실제 동작은 알려지지 않았다. 예를 들어, 다시 도 1a 및 1b를 참조한다면 낮은 일함수층(5)은, 갭이 약간 더 작아질 수 있다면 필요하지 않을 수 있다. 강화 재료(5')는 연마 후에 표면 거칠기에 의해 단지 쉽게 획득될 수 있으며, 이는 전자 방출을 향상시킨다고 알려져 있는 피크 및 밸리를 자연스럽게 생성한다. 또한, 레스팅 팁(6)은 전극(1 또는 2)에 대한 저항성 재료의 선택이 주어진다면 필요하지 않을 수 있다. 정전기력을 감소시키기 위해 역시 피크 및 밸리를 제공하는, 도 2a에서의 전극 패터닝 또한 연마 후의 자연적인 표면 거칠기에 의해 달성될 수 있다. 마지막으로, 진공 챔버(20)는, 터널링 프로세스가 공기 갭에서 실험적으로 증명되었다면 필요하지 않을 수 있다. 또한, 전극(1)의 지수 형태는 삼각형 형태를 제조함으로써 더 쉽게 근사화될 수 있다. 이러한 복잡한 특징들 중 모두(도 2a의 팁(6), 층(5), 강화 재료(5'), 패터닝, 전극(1)의 곡선형 형태, 및 진공 챔버(20))가 최종 생산에 필요할 수 있는 것을 설명하는 데 있어서의 완전함을 위해 본 명세서에 포함되었다.Some of the features described herein need not necessarily be present and can be achieved without additional manufacturing complexity. Since the industry could not produce a working thermal-tunneling converter larger than the nanometer dimension, the actual operation at the larger size is unknown. For example, referring again to FIGS. 1A and 1B, a low
본 명세서에 개시된 디바이스는 전극들간의 균일한 갭을 필요로 하는 전자 산업계에 대해 각종 유형의 전자적인 결합을 제조하는 데 있어 용도가 많다. 예를 들어, 고온측과 저온측간의 불량한 열적 절연을 갖는 열전기 디바이스가 본 명세서를 사용할 수 있다. 열전기 스택의 상단의 진공 간격은 보다 양호한 단열을 제공할 수 있으며, 본 명세서는 열이온 또는 열-터널링 방법에 따르거나 이와 연계하여 이러한 갭을 획득하기 위한 수단을 제공한다.The devices disclosed herein have many uses in the manufacture of various types of electronic bonds for the electronics industry that require uniform gaps between the electrodes. For example, a thermoelectric device having poor thermal insulation between the hot side and the cold side may use this specification. The vacuum spacing at the top of the thermoelectric stack may provide better insulation, and the present disclosure provides a means for obtaining such a gap in accordance with or in connection with a thermal ion or heat-tunneling method.
본 명세서에서 개시된 디바이스의 제조의 용이성에 대한 마지막 설명은 2개의 매우 평활한(smooth) 표면이 함께 놓여진 경우에 발생하는 기타 자연적인 힘의 언급에 관한 것이다. 평활한 평면을 한데 모으는 것으로 알려진 2개의 인력은 카시미르력(Casimir forces) 및 반 데르 발스력이다. 이러한 힘들은 전압을 인가하 기 전에 본 발명의 2개의 전극을 한데 모아줄 정도로 충분히 강하지만, 본 발명의 동작 동안에는 설명된 바와 같이 정전기력 및 정자기력의 원하는 상호작용 및 우세상태에 영향을 미칠 정도로 그렇게 강한 것으로는 예측되지 않는다. 그러나, 이러한 카시미르 및 반 데르 발스력은, 인가된 전압으로 디바이스를 켜기 전에 2개의 전극들이 완전한 표면 접촉에 있다는 것을 보장할 수 있다. 이 경우에, 본 발명의 동작은 단지 2개의 전극을 수 나노미터만큼 이격시킬 필요만 있다. 또한, 이러한 카시미르 및 반 데르 발스력은 도 1의 절연층(4)에 대한 필요성을 제거하는 것을 도우며, 추가적으로 본 발명의 설계를 단순화시킨다.The final description of the ease of manufacture of the devices disclosed herein relates to the mention of other natural forces that occur when two very smooth surfaces are placed together. Two attraction forces known to bring together smooth planes are the Casimir forces and the Van der Waals forces. These forces are strong enough to bring the two electrodes of the invention together before applying a voltage, but during the operation of the invention so as to affect the desired interaction and predominance of electrostatic and magnetostatic forces as described. It is not expected to be strong. However, this Kashmir and Van der Waals forces can ensure that the two electrodes are in full surface contact before turning the device on with the applied voltage. In this case, the operation of the present invention only needs to space the two electrodes by a few nanometers. This Kashmir and van der Waals forces also help to eliminate the need for the insulating layer 4 of FIG. 1 and further simplify the design of the present invention.
본 디바이스의 복수의 유닛들은 보다 높은 레벨의 에너지 변환을 달성하기 위하여, 또는 전압을 전원에 매칭시키기 위하여, 또는 둘 모두를 달성하기 위해 병렬 및 직렬로 함께 접속될 수 있다.Multiple units of the device may be connected together in parallel and in series to achieve higher levels of energy conversion, or to match voltage to a power source, or both.
<실험 및 시뮬레이션 결과>Experiment and Simulation Results
도 8의 전극 구성은 호일 백킹으로서 구리를 이용하여 마이크로전자 연구실에서 조립되었으며, 이러한 전극쌍은 도 11b에 도시된 것과 같은 자석 구조의 내부에 위치되었다. 열전쌍(thermocouple)이 각각의 전극에 부착되어 온도에 비례하는 전압을 생성했으며, 전체 기구는 1E-3 토르(Torr)의 진공압으로 펌핑된(pumped) 진공 챔버에 놓였다. 전극쌍이 1.1 암페어를 갖는 외부 전원에 의해 여기되었을 때, 3.0 도의 상대적인 온도차가 2개의 전극간에 관측되었으며, 보다 저온측이 전자를 방출하는 측이었다. 이하의 동작들 중 임의의 것이 취해졌을 때, 이러한 동일한 상대적인 온도차가 없어지는 것으로 관측되었다: (1) 진공을 대기압에서의 질소로 교체, (2) 외부 전원을 접속해제시킴으로써 칩의 비활성화, 또는 (3) 갭을 형성하는 것 대신에 전극들간의 접촉 인력을 증가시키기 위하여 전류 흐름을 역전시키는 것. 이러한 3개의 동작들 중 각각은 열-터널링 효과를 없애는 것으로 생각된다. 전극들의 관측된 전기적 특성뿐만 아니라 이 기구의 전자기계적 시스템의 컴퓨터 시뮬레이션 또한 이 설계와 일치하여 열-터널링 갭을 성공적으로 생성하였다.The electrode configuration of FIG. 8 was assembled in a microelectronic laboratory using copper as the foil backing, and these electrode pairs were placed inside the magnet structure as shown in FIG. 11B. Thermocouples were attached to each electrode to produce a voltage proportional to temperature, and the entire instrument was placed in a vacuum chamber pumped to a vacuum pressure of 1E-3 Torr. When the electrode pair was excited by an external power source having 1.1 amps, a relative temperature difference of 3.0 degrees was observed between the two electrodes, and the lower side was the side emitting electrons. It was observed that this same relative temperature difference was lost when any of the following actions were taken: (1) replacing the vacuum with nitrogen at atmospheric pressure, (2) deactivating the chip by disconnecting the external power source, or ( 3) reversing the current flow to increase the contact attraction between the electrodes instead of forming a gap. Each of these three operations is believed to eliminate the heat-tunneling effect. In addition to the observed electrical properties of the electrodes, computer simulations of the electromechanical system of the instrument have also been successful in creating a thermal-tunneling gap consistent with this design.
본 디바이스 및 프로세스의 상술한 실시예들, 특히 "바람직한" 실시예들은 구현의 가능한 예들일 뿐이며, 본 발명의 원리의 명확한 이해를 위해 단지 제시된 것이라는 것이 강조되어야 한다. 본 명세서에서 설명된 셀프-포지셔닝 전극 디바이스의 많은 상이한 실시예들이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고서 설계되고/되거나 제조될 수 있다. 이러한 모든 수정 및 변경은 본 명세서의 범위 내에 포함되는 것이며 이하의 청구항에 의해 보호되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 나타낸 것을 제외하고는 제한적인 것으로 의도되지 않았다.It should be emphasized that the above-described embodiments of the present device and process, in particular the "preferred" embodiments, are merely possible examples of implementation and are merely presented for a clear understanding of the principles of the present invention. Many different embodiments of the self-positioning electrode device described herein can be designed and / or manufactured without departing from the spirit and scope of the invention. All such modifications and variations are intended to be included herein within the scope of this specification and should be protected by the following claims. Accordingly, the scope of the invention is not intended to be limited except as indicated in the appended claims.
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