KR20130056324A - 평형전 탄도성 전하 캐리어 굴절을 이용한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

하나 이상의 고체 상태 전기 발전기를 제조하는 것을 포함하는 평형전(pre-equilibrium) 탄도성 전하 캐리어 굴절 방법을 이용한 방법 및 시스템. 고체 상태 발전기는 하나 이상의 화학적으로 에너지화되는 고체 상태 발전기 및 열이온 고체 상태 발전기를 포함한다. 제1 전하 캐리어 유효 질량을 갖는 제1 재료는 고체 상태 접합내에서 사용된다. 제1 전하 캐리어 유효 질량을 초과하는 제2 전하 캐리어 유효 질량을 갖는 제2 재료는 고체 상태 접합으로 사용된다. 제2 유효 질량과 제1 유효 질량간 전하 캐리어 유효 질량비는 2 이상이다.

Description

평형전 탄도성 전하 캐리어 굴절을 이용한 시스템 및 방법{A SYSTEM AND METHOD FOR USING PRE-EQUILIBRIUM BALLISTIC CHARGE CARRIER REFRACTION}
본 발명은 일반적으로 에너지 변환 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 평형전 탄도성 전하 캐리어 굴절을 이용한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
최근 탄도성 전하 캐리어 움직임(motion)을 전기로 직접 변환시키는 고체 상태 접합의 사용이 여러 신규한 방법과 연구에서 기술되어 왔다. 도 1a의 횡단면에서 보여지듯이 각각의 경우 전하 캐리어에서, 가장 흔히 전자는 예컨대 전도성 촉매, 광전기성 활성(energizing) 재료, 또는 열 구배와 조합된 열을 이용하거나 또는 이용하지 않는 화학 반응과 같은 에너자이저(12A)에 의해 전도성 표면(10A) 위 또는 근처에서 에너지화된다. 각각의 경우, 전하 캐리어는 전도체(10A)에서 반도체 또는 유전체(11A)내로 탄도적으로 움직인다. 전도체(10A)가 매우 얇아서 전자는 다른 전자 또는 원자와 충돌하거나 에너지 소실없이 탄도적으로 이를 통해 효과적으로 이동된다. 포지티브 말단(17A)과 네가티브 말단(16A)에 걸쳐 전압(14A)이 발생한다. 도 1a에서, 유전체 접합(15A)은 도 1b의 (11B)로서 보이는 전자 탄도성 움직임을 방해하는 경향을 갖는 전위 전압 배리어를 생성하도록 특이적으로 선택되는 반도체 접합이다. 도 1b는 디바이스에 따른 거리의 함수로서 디바이스내 전위를 보여준다. 도 2a에서 보여지는 바와 같이, 전도체 표면(22A)의 전자(21A)는 포텐셜 전압 배리어의 상부보다 큰 에너지를 갖는다. 이 전자(21A)들은 이들이 반도체 전도 밴드(25A)로 침강되기 전에 전압 배리어 위를 가로지르고 열(24A)로서 에너지가 소실되는데, 이는 전도체-유전체 접합을 가로질러 전하를 분리한다. 포텐셜 전압 배리어에 대하여 이동하는 전자는 탄도성 전하 운동 에너지 일부를 전위 에너지(27A)로 변환한다. 남은 탄도성 전자의 운동 에너지는 열(24A)이 된다. 생성된 전압(27A)은 유전체 전도체 전극의 한쪽(28A)의 전도체의 페르미 준위(Fermi level)와 다른 쪽(26A)의 페르미 준위간의 차이이다. 전압(V;볼트)는 전하가 분리될 때 생성된다.
종래 기술에서, 활성 화학물질이 얇은 전도체 표면에서 흡착될 때, 약 0.5 eV의 전압 배리어를 초과하는 에너지를 갖는 전자가 도 1a, 1b 및 2a에 의해 도시되는 것들과 유사한 센서로 검출되었다. 그러나 에너지 분포는 ~0.1 eV 이상 기하급수적으로 감소하여 에너지 변환 및 생성에 유용하지 않은 효과를 주었다. 또한 이러한 센서에서, 차수(order) 1 m_e의 금속 전도체(10A)의 유효 전자 질량은 차수 1/3 m_e의 전형적인 규소인 반도체(11A)의 유효 전자 질량보다 훨씬 크다. 이것은 생성된 전자 대부분이 반도체/금속 계면(15A)으로부터 떨어져 반사되어 수집되지 않게 한다. 전자 유효 질량의 역할의 유용성이나 관련성에 대해서는 개시되거나 전개된 바가 없다. 도식은 또한 열 잡음을 줄이기 위해 다이오드의 극저온 냉각을 필요로 한다. 이 도식의 효율성은 너무 낮아 전류는 단락 모드에서만 측정할 수 있다. 이 시스템은 화학 센서로서만 사용될 수 있으며 유용한 발전기는 아니다.
종래 시스템에서, 전도성 촉매 표면상 또는 근처에서의 연관 반응은 에너지화되고 고 진동 여기된 분자를 개시하였다. 진동 여기된 분자의 에너지는 전도체의 전자로 전달되었다. 전자 에너지는 1.2 볼트 배리어(11B)를 분명히 초과하였다. 광폭 밴드갭 산화물 반도체, Ti02가 사용되는 경우, 물의 끓는점을 충분히 초과하는 온도(473 켈빈 이하)에서 유용한 단락 전류가 관찰된다. 유용한 개회로 순방향 전압은 실온에서 대개 제로 온도 구배의 조건하에서 관찰되었다. 순방향 전압은 동일한 산화물 반도체를 이용하는 광전지적으로 에너지화된 시스템에서 관찰되는 것과 유사하였다.
예측가능한 고 출력 전압과 전류가 얻어지는 제조 방법을 사용하는 것, 및 Ti02외의 재료를 선택할 수 있는 것, 고온에서 이러한 변환기를 작동하는 것 및 열 구배를 이용한 이러한 유형의 디바이스에서 전기를 생성하는 것이 매우 유용할 것이다.
고체 상태 열이온학 분야는 열 구배를 이용하여 전하 캐리어를 에너지화하고 반도체 밴드갭 엔지니어링을 이용하여 반도체 접합을 가로지르는 전압 배리어를 제공한다. 이러한 디바이스에서, 전하 캐리어는 유전체(11A)를 통해 탄도적으로 이동해야만 한다. 재료(10A)내에서 어떠한 전하 캐리어의 탄도성 이동도 요구되지 않는다. 재료(10A)에서 유전체(11A) 방향으로, 모든 방향으로 전하 캐리어가 이동한다는 것이 알려져 있다. 탄도성 이송동안 캐리어 유효 질량의 단계적 증가의 효과는 변환 효율을 증대시키고 제조 비용을 낮추기 위해서는 사용되지 않았었다.
모든 공지된 관련 변환기의 개념은 사용된 접합 재료의 불특정되지 않고 따라서 제어되지 않은 상대 전하 캐리어 유효 질량과 직접 관련된 비효율성을 가진다. 이 분야 어디서에도 에너지 변환 효율을 향상시키기 위해 캐리어 유효 질량을 조절하거나 제어하는 임의의 방법이나 지식을 청구하는 것을 공언하거나 주장하지 않는다.
평형전 탄도성 전하 캐리어 굴절을 이용하는 방법 및 시스템이 개시된다. 일 구체예에 따르면, 디바이스는 하나 이상의 고체 상태 발전기를 포함한다. 고체 상태 발전기는 화학적으로 에너지화되는 고체 상태 발전기 및 열이온성 고체 상태 발전기를 포함하는 군으로부터의 하나 이상을 포함한다. 제1 전하 캐리어 유효 질량을 갖는 제1 재료는 고체 상태 발전기의 고체 상태 접합에 사용된다. 제1 전하 캐리어 유효 질량을 초과하는 제2 전하 캐리어 유효 질량을 갖는 제2 재료는 고체 상태 접합을 형성한다. 제1 유효 질량으로 나눈 제2 유효 질량의 전하 캐리어 유효 질량비는 2 이상이다.
실시의 다양한 신규 세부사항과 요소의 조합을 비롯한 상기 및 기타 바람직한 특징은 첨부되는 도면과 청구항의 기술을 참고하여 보다 상세하게 기술될 것이다. 본 명세서에서 기술되는 특정 방법 및 시스템은 예시적인 목적일 뿐 제한하기 위해 개시되는 것이 아님을 이해할 것이다. 당업자는 본 명세서에 개시된 원리 및 특징이 본 명세서의 교시 범주내에서 벗어나지 않는 다양하고 많은 구체예에서 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
본 명세서의 일부로 포함되는, 첨부된 도면은 상기 제시된 일반적인 설명과 함께 본 바람직한 구체예를 예시하며, 하기 바람직한 구체예의 구체적인 설명은 본 발명의 원리를 설명하고 교시하기 위해 사용된다.
도 1a는 종래 기술의 고체 상태 발전기를 나타낸다.
도 1b는 고체 상태 접합에서 전압 배리어의 효과를 나타내는, 종래 기술의 포텐셜 대 거리 그래프를 나타낸다.
도 1c는 쇼트키 배리어(Schottky barrier)를 갖는 예시적인 고체 상태 발전기의 포텐셜 대 거리 그래프를 나타낸다.
도 1d는 p-n 접합 포텐셜 배리어를 갖는 예시적인 고체 상태 발전기의 포텐셜 대 거리 그래프를 나타낸다.
도 1e는 전도체-유전체-전도체 나노캐퍼시터 포텐셜 배리어를 갖는 예시적인 고체 상태 발전기의 포텐셜 대 거리 그래프를 나타낸다.
도 2a는 에너지 변환 공정내에서 열의 효과를 나타내는 종래 기술의 포텐셜 대 거리 그래프를 나타낸다.
도 2b는 전자가 열로 에너지를 소실하는, 예시적인 고체 상태 발전기의 포텐셜 대 거리 그래프를 나타낸다.
도 2c는 열이 전자를 다시 에너지화하여 접합에 걸쳐 다시 누출시키는 경우, 고체 상태 발전기내의 포텐셜 대 거리 그래프를 나타낸다.
도 2d는 히트 싱크(heat sink)를 갖는 예시적인 고체 상태 발전기의 포텐셜 대 거리 그래프를 나타낸다.
도 3a는 평형전 탄도성 전하 캐리어가 저(low) 전하 캐리어 유효 질량 구역에서 고(high) 전하 캐리어 유효 질량 구역으로 움직이는 구역내에서의 포텐셜 대 거리의 예시적인 도면을 나타낸다.
도 3b는 접합을 가로지르는 이동(travel)의 집중각(concentrated angle)내로 굴절되는 단일 평형전 탄도성 전하 캐리어의 예시적인 도면을 나타낸다.
도 3c는 이동의 집중각내로 굴절되는 다중 평형전 탄도성 전하 캐리어의 예시적인 도면을 나타낸다.
도 3d는 접합 방향으로 역 굴절되는 다중 전하 캐리어의 예시적인 도면을 나타낸다.
도 4는 열 제거(heat rejection) 및 평형전 탄도성 굴절을 수반하는 다이오드 평형전 에너지 변환기를 이용하는 예시적인 고체 상태 발전기를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 구체예에 따른 일련의 예시적인 고체 상태의 화학적으로 에너지화된 평형전 발전기를 나타낸다.
도 6은 탄도성 굴절을 수반하는 평형전 에너지 변환기를 이용하는 예시적인 전기적이며 열적으로 적층된(stacked) 열 구배 변환기를 나타낸다.
도 7은 평형전 탄도성 굴절 변환기가 부착된 기둥 구조의 예시적인 횡단면을 나타낸다.
도 8은 탄도성 굴절 변환기 어셈블리가 부착된 물결 주름(corrugation), 채널, 세공 및 홀(hole)과 같은 다양한 형태를 포함하는 일반화된 기둥 구조의 예시적인 횡단면을 나타낸다.
도 9는 평형전 탄도성 굴절 변환기 어셈블리가 부착된 최저온(구조 내부)에서 최고온(구조 외부)으로의 냉각제와 반응물의 유동을 보여주는 예시적인 횡단면을 나타낸다.
도 10a는 지지 기판상의 탄도성 굴절 변환기 어셈블리와 함께 형성된 불활성 스페이서를 보여주는 예시적인 횡단면을 나타낸다.
도 10b는 지지 기판상의 탄도성 굴절 변환기 어셈블리와 스페이서의 예시적인 횡단면 세부사항을 나타낸다.
도 11은 탄도성 굴절 변환기 어셈블리를 포함하는 기판의 적층 및, 적층된 요소간 공간내 반응물, 냉각 및 배출물의 유동을 보여주는 예시적인 횡단면을 나타낸다.
도 12는 지지 구조체의 표면을 가로지르는 연속적으로 전기적으로 연결된 평형전 탄도성 굴절 변환기 어셈블리를 보여주는 예시적인 횡단면을 나타낸다.
도 13은 지지 구조체상의 탄도성 굴절 변환기 어셈블리 주변 및 지지 구조체를 통하여 흐르는 반응물과 냉매제를 수반하는 기판을 보여주는 예시적인 횡단면을 나타낸다.
도 14는 에너지 변환기상에서 물리적으로 분리되고 주로 터널링(tunneling)에 의해 전기적으로 연결되는 클러스터의 예시적인 횡단면을 나타낸다.
도 15는 저 전하 캐리어 유효 질량 구역내로 열 전도 이슈를 조절하기에 유용한 추가 재료의 예시적인 첨가를 나타낸다.
도 16a는 전하 캐리어 유효 질량을 증가시키고 제1 재료내에 배리어가 없거나 최소한의 배리어를 갖는 예시적인 디바이스를 나타낸다.
도 16b는 최저 전하 캐리어 유효 질량을 갖는 중간 재료 및 제1 재료 내 배리어가 없거나 최소한의 배리어를 갖는 예시적인 디바이스를 나타낸다.
도 16c는 전하 캐리어 유효 질량을 증가시키고 제1 재료 내에 배리어를 가진 예시적인 디바이스를 나타낸다.
도 16d는 중간 재료내 최소한의 전하 캐리어 유효 질량 및 양 방향으로의 전하 이송에 대한 포텐셜 배리어를 갖는 예시적인 디바이스를 나타낸다.
도 17은 지지 구조체상의 탄도성 굴절 변환기 어셈블리의 활성 표면 근처 및 열적으로 분리된 기둥 상의 나노 촉매 가속화제의 예시적인 횡단면을 나타낸다.
도 18은 반응물 및 냉각제가 롤을 통하여 흐르도록 하는, 감긴 스페이서 및 탄도성 굴절 변환기를 포함하는 예시적인 표면을 나타낸다.
평형전 탄도성 전하 캐리어 굴절을 이용한 방법, 장치 및 시스템이 개시된다. 일 구체예에 따르면 방법은 하나 이상의 고체 상태 발전기를 제조하는 것을 포함한다. 고체 상태 발전기는 화학적으로 에너지화되는 고체 상태 발전기 및 열이온성 고체 상태 발전기를 포함하는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함한다. 고체 상태 발전기는 제1 전하 캐리어 유효 질량을 가지며, 제2 재료와 고체 상태 접합을 형성하는 제1 재료 내에서 전하 캐리어의 평형전 에너지 분포를 에너지화한다. 제2 재료는 제1 전하 캐리어 유효 질량을 초과하는 제2 전하 캐리어 유효 질량을 갖는다. 제1 유효 질량으로 나눈 제2 유효 질량의 전하 캐리어 유효 질량비는 2 이상이다.
다음 기술에서, 설명을 위해 특정 명명은 본 명세서에 개시된 여러 발명의 개념을 충분히 이해시키기 위해 기술된다. 그러나 본 명세서에 개시된 다양한 발명 개념을 실시하기 위해 당업자에게 이러한 구체적인 설명이 필요하지 않다는 것은 명백할 것이다. 본 방법, 디바이스 및 시스템은 전기를 생성하는 고체 상태 디바이스에 사용되는 접합의 에너지 변환 효율을 개선한다. 에너지 공급원은 접합의 한쪽에서 전하 캐리어, 예, 전자의 불균형한, 평형전 에너지 분포를 생성한다. 전하 캐리어의 순 초과량이 탄도적으로 이동하고 접합의 한쪽에서 다른 쪽으로 가로지르는 전위 배리어를 극복할 때, 움직임과 관련한 전하 캐리어 운동 에너지 일부가 전위 에너지로 직접 변환된다. 전하 분리가 발생하고 구역은 캐퍼시터를 형성한다. 터널링 부재의 경우, 포텐셜 배리어에 대해 수직으로 근접한 속도 성분만이 배리어를 극복하는데 기여한다.
그 결과, 에너지의 평형전 분포 일부가 전기적으로 하전된 캐퍼시터의 유용한 형태로 변환된다. 구체예의 중요 요소, 이 공정의 효율은 접합을 가로지르는 캐리어 유효 질량을 급격히 증가시키는 재료를 제공함으로써 전하 캐리어의 방향이 전위에 대하여 실질적으로 수직으로 이동하도록 굴절되는 경우에 개선된다. 고 전하 캐리어 유효 질량 구역에서 저 전하 캐리어 유효 질량 구역으로 역방향으로 탄도적으로 이동하는 캐리어는 이들이 상대적으로 작은 임계각을 초과하는 임의의 각도로부터 접합에 근접하는 경우, 전체 내부 반사를 겪을 수 있다. 역방향 유동은 분리된 전하를 배출하는 경향이 있다.
고 전하 캐리어 유효 질량 구역의 온도와 비교시, 저 전하 캐리어 유효 질량을 갖는 재료 내에서 보다 높은 유효 전하 캐리어 온도를 유발하는 에너지화 방법은 비-등온성 전하 캐리어 분포를 정의하며, 전하 캐리어의 일시적인 평형전 분포를 포함한다. 에너지화 방법은 화학 반응, 광전지 방법, 전파 및/또는 이버네센트 전자기 방사선, 전기 쿨롱 커플링, 열 유동 및 관련된 열 구배, 태양 에너자이저, 지열, 마찰 및 핵 열 공급원과 같은 열 공급원, 핵 에너지화, 인시투 이온화 방사선, 방사성 폐기물 방사선, 불꽃 히터 및 촉매 히터, 압전(piezo-electric) 에너지화 및 활성 화학 반응을 이용하여 고 진동 여기된 반응 생성물을 초기화하는 것을 포함한다.
일 구체예에 따르면, 본 시스템은 전하 캐리어 유효 질량 요소를 가하여 에너지 변환 효율을 향상시킨다. 요소는 보다 낮은 전하 캐리어 유효 질량의 구역에서 보다 높은 전하 캐리어 유효 질량 구역으로의 탄도성 전하 이송의 고유한 나노적 탄도성 캐리어 굴절 효과를 포함한다.
전하 캐리어 유효 질량비(m_e_고/m_e_저)는 탄도성 전하 캐리어가 포텐셜 배리어 방향으로 굴절된 정도로 결정된다. 이 탄도성 굴절은 포텐셜 배리어를 향하고 직접적으로 반대하는 전하 캐리어 속도 성분을 최대화하고, 배리어에 대해 가로인 다른 전하 캐리어 속도 성분을 최소화한다. 다른 성분을 최소화하는 것은 에너지 소실을 최소화한다는 것이다. 보다 낮은 전하 캐리어 유효 질량 구역이 전하 캐리어 움직임이 통과하기에 충분히 얇은 경우, 탄도성 이송은 확인된다. 보다 낮은 전하 캐리어 유효 질량 구역은 캐퍼시터의 나노층 전극을 형성한다. 저 및 고 전하 캐리어 유효 질량 구역의 접합은 캐퍼시터를 형성하고, 이는 분리된 전하로서 전위 에너지를 저장한다. 보다 높은 캐리어 유효 질량을 갖는 재료는 캐퍼시터의 유전체이다.
다른 구체예에 따르면, 접합을 가로지르는 열 전달이 최소화된다. 탄도성 굴절과 접합 전위 배리어는 접합에서 떨어진 열을 운반하는 전하 캐리어를 반사한다. 저 전하 캐리어 유효 질량 구역에서, 배리어 포텐셜 미만의 에너지를 갖는 캐리어는 이들이 유입된 곳으로부터 더 고온 구역 내로 다시 반사된다. 고 전하 캐리어 유효 질량 쪽에서, (표면 수직에 대하여) 상대적으로 작은 임계각을 초과하는 각으로 접합에 접근하는 캐리어는 반사되고, 저 전하 캐리어 유효 질량 쪽에 대한 역방향으로는 이동될 수 없다.
추가 구체예는 평행하게 및/또는 연속적으로 나노 열 구배 변환기와 열적으로 연결되고, 평행하게 및/또는 연속적으로 이들과 전기적으로 연결된다. 더 나아가 연결된 변환기들은 평행하게 및/또는 연속적으로 연결된다. 열적 연결은 전기적 연결과 물리적으로 구별될 수 있다. 에너지 및 열 공급원는 독특하고, 공간적으로 비균일한 온도 프로파일, 일시적으로 단속적인 일정하지 않은 에너지 버스트를 수반하는 것들을 포함하며, 다양한 구역은 비균일한 열 유속을 나타낼 수 있다.
일 구체예에 따르면, 이차 에너지 변환 공정은 일차 에너지 변환 공정에서 열을 제거하는 것과 같이 더 높은 온도와 주변의 더 낮은 온도 히트 싱크간 고체 상태 열이온/열전 열 엔진을 작동하여 전기적인 일을 추출하는데 사용된다. 효율은 평형전 탄도성 전하 캐리어(예, 전자) 굴절(PEBCCR)을 이용함으로써 향상된다. PEBCCR을 이용하는 열 엔진 디바이스 성분은 나노 열 구배 변환기(NTGC)이다. 열적으로 및 전기적으로 연속한 나노 열 구배 변환기의 적층은 열 엔진을 실행하는데 효과적인 방식을 제공한다.
일 구체예에 따르면, 시스템은 다른 것의 상부에 연속적인 변환기 단위를 가지며, 각 변환기 단위는 (a) 전도체 전극, (b) 저 전하 캐리어 유효 질량 구역(나노층 전극 또는 나노 전극으로도 언급됨), (c) 고 전하 캐리어 유효 질량 구역(유전체라고도 언급됨) 및 (d) 전도체 전극을 갖는다. 이 나노 전극 캐퍼시터 시스템의 바람직한 일 구체예는 Cu, Ag, Au, Al와 같은 상대적으로 긴 캐리어 평균 자유 경로를 갖는 금속과 같은 전도체로부터 요소(b)를 형성하고; n-형 TiO2를 생성하는 산화된 Ti 금속을 이용하여 재료(c)를 형성하고; 그리고 비산화된 Ti로부터 재료 (a) 및 (d)를 형성한다. 다른 구체예는 전도체 전극(a) 및 나노층 전극(b)사이에 고도로 도핑된 n-Si 층을 포함한다. 다른 구체예는 n-Si 또는 SiGe 합금과 같이 고도로 도핑된 반도체를 이용하여 요소(b)를 형성한다. 이 접합의 전기 배리어는 밴드 오프셋에 의해 형성되고, 이는 대략 0.1 eV이다. 이것은 최대 전력 밀도에서의 작동에 유리하다. 다른 구체예는 고 전하 캐리어 유효 질량 구역(c)과 전도체 전극(d)사이에 고도로 도핑된 n-Si층을 포함한다.
일 구체예에 따르면, 더 낮은 전하 캐리어 유효 질량 구역의 두께는 매우 얇게 형성되어 캐리어는 주로 탄도적으로 효과적으로 이동된다. 더 낮은 전하 캐리어 유효 질량 구역은 나노 치수에 걸쳐 전기 전도성에 대하여 보다 낮은 열 전도성을 갖는 하나 이상의 재료로 형성된다. 일반적으로 유리한, 향상되거나 또는 고 ZT 열전 성능 지수, 약 0.05 초과의 ZT 값을 갖는 재료가 적어도 유리할 것으로 간주된다. 다른 재료를 갖는 최저의 전하 캐리어 유효 질량 재료를 포함하는 구역은 일반적으로 저 전하 캐리어 유효 질량 구역으로 언급된다.
본 방법 및 시스템은 접합을 가로지르는 포텐셜 사용시, 냉각기 또는 냉동기로 사용될 수 있다. PEBCCR의 추가는 냉각 효율 및 냉각 속도를 모두 증가시킨다. 본 방법 및 시스템은 반응 속도를 변화시키는데도 사용될 수 있다.
일 구체예는 열 전달, 냉각 및 전력 밀도를 조절하고, 체적(체적의) 당 활성 영역을 증가시키기 위한 3차원 구조 및 방법을 이용하여 탄도성 캐리어 굴절에 의해 가능하게 수행되는 성능을 증강시킨다.
일 구체예에 따르면, 평형전 탄도성 전하 캐리어 굴절을 이용하는 것은 고체 상태 발전기의 에너지 변환 효율을 향상시킨다. 구체예는 보다 낮은 전하 캐리어 유효 질량 구역에서 보다 높은 전하 캐리어 유효 질량 구역으로의 탄도성 전하 캐리어 이송을 포함한다. 약 2를 초과하는 저 전하 캐리어 유효 질량에 대한 고 전하 캐리어 유효 질량의 비는 소정의 성능 증대를 제공한다. 일반적으로 약 2를 초과하는 절대적인 고 유효 캐리어 질량은 허용가능한 성능 증대를 제공할 것이다. 저 전하 캐리어 유효 질량측에서 고 전하 캐리어 유효 질량측으로의 전하 캐리어 이동을 위한 극복가능한 전위가 형성되도록 접합 구역 재료가 선택된다. 접합을 가로지르는 전하 캐리어의 임의의 평형전 유효 온도 구배는 에너지 변환을 가능하게 한다.
PEBCCR을 이용하는 여러 구성은 표면 화학 반응, 고도로 진동하는 여기 분자와의 상호작용, 화학 반응의 생성물, 열 구배, 모든 형태의 전파 방사선 및/또는 이버네센트 방사선과 같은 전자기 커플링, 핵 방사선에 의한 인시투 에너지화 또는 다른 방법에 의해 에너지화된 디바이스를 포함한다.
평형전 탄도성 전하 캐리어 굴절 공정( PEBCCRP )
본 교시의 일 구체예는 일반적으로 도 3a 내지 3d에서 보여지는 바와 같이, 재료 접합에서의 전하 캐리어(전자 또는 홀) 유효 질량의 단계적 증가 및 이동에서 접합내로 전하 캐리어를 지연하는 경향을 갖는 접합에서의 전위 배리어의 조합을 이용한다. 전하 캐리어 유효 질량의 단계적 증가는 표면 접합에 대해 수직 방향으로 탄도성 이동 방향을 굴절시킨다. 따라서 수직에 대한 가로축 속도 성분이 감소한다. 고체 상태에서, 이들 효과는 나노 구조에서, 전달이 탄도적이며, 치수가 전하 캐리어 평균 자유 경로 미만, 전형적으로 ~1-50 nm, 바람직하게는 >~1 nm인 경우 발생된다. 1 nm 초과의 두께 치수가 허용될 수 있다. 4 nm 초과의 두께가 바람직하다. 이것은 평형전 탄도성 전하 캐리어 굴절 공정(PEBCCRP)으로도 언급된다. 열 구배를 전위로 변환하는 PEBCCRP를 기초로 하는 디바이스 성분 또는 디바이스는 나노 열 구배 변환기(NTGC)로도 언급된다.
예를 들어, 도 3b에서와 같이 저 전자 유효 질량 구역에서 고 전자 유효 질량 구역으로 가로지르는 전자는 보다 높은 전자 유효 질량의 구역에 대해 수직 방향으로 방향을 바꾼다. 이것은 저굴절률 구역(공기)에서 굴절의 고 굴절률 구역(물 또는 유리)으로 이동할 때, 빛에 대한 스넬의 법칙(Snell's law)의 효과와 균등하며, 지배 방정식은 동일하다.
일 구체예는 탄도성 캐리어 굴절을 제공한다. 전자는 일반적으로 재료내에서 모든 방향으로 움직인다. 도 3c에서 보여지는 바와 같이, 임의의 접근 방향에서 탄도적으로 계면에 접근하는 저 전자 유효 질량내 전자들은 모두 이들 자체가 제한된 범위의 각도로, 보다 높은 전자 유효 질량 구역으로 거의 완전하게 순방향으로 이동한다. 도 3d에서 보여지는 바와 같이, 보다 낮은 전자 유효 질량 구역으로 탄도적으로 역방향으로 움직이는 고 전자 유효 질량 재료내에서 전자들은 반사되고, 임계각 내부로 제한된 각도로 접근할 수 없다면 역으로 움직일 수 없다.
재귀적인 평형전 탄도성 전하 캐리어 굴절(R- PEBCCR )
일 구체예에서, 재귀 시스템의 일 말단이 최고온이며, 재귀 시스템의 다른 말단은 최저온이고 히트 싱크에 연결된 경우, PEBCCRP 및/또는 나노 열 구배 변환기(NTGC)에 재귀적으로 연결되는 방법을 제공한다. PEBCCRP 및/또는 나노 열 구배 변환기(NTGC) 단위를 연결하는 것은 재귀 시스템내에서 이전의 PECCRP 단위의 보다 높은 온도에서 전기 전위로의 열 유동의 변환을 가능하게 한다.
화학적으로 에너지화된 평형전 발전기용 전하 캐리어 유효 질량 불연속성(Discontinity)
화학적으로 에너지화된 평형전 발전기의 에너지 변환 효율을 향상시키기 위해, 본 교시의 일 구체예는 유전체이고 전위 배리어의 보다 높은 전하 캐리어 유효 질량 구역을 수반하는 보다 낮은 전하 캐리어 유효 질량 구역의 접합용 재료를 선택하기 위해 캐리어 유효 질량 불연속성 이론을 이용한다. 재료 선택이 가능할 만큼 높은 전하 캐리어 유효 질량을 갖는 유전체 질량과 비교하여 가능한한 높은 전하 캐리어 유효 질량을 갖도록 전도체 재료가 선택된다.
열 또는 히트 정류기
일 구체예는 히트 정류에 유사물 및 단열 형태를 제공한다. 대부분의 전도체 의 거의 모든 열 전도성은 격자 진동 또는 포논(phonon)이 아닌, (전하 캐리어) 전자 유동과 관련된다. 탄도성 전하 캐리어 굴절은 저 전하 캐리어 유효 질량쪽 재료로부터 접근하는 전하 캐리어가 전기 에너지 및 이로 인한 열을 고 전하 캐리어 유효 질량쪽 재료로 직접 전달하게 한다. 고 전하 캐리어 유효 질량 쪽 재료의 총 내부 반사는 역방향의 전기 에너지 유동을 상당히 감소시키고, 이로 인해 역방향 열 에너지 유동이 최소화된다. 열역학 제2 법칙에 의할때, 이것은 단열용으로 사용되는 특정 반사 코팅 및 쌍안용 프리즘의 총 내부 반사와 유사하다.
히트 싱크 및 에너지 소실
일 구체예는 탄도성 전하 캐리어 움직임 분획을 전위 에너지로 변환시킨다. 전위 배리어를 극복한 후 전하가 분리되는 때, 탄도성 전하 캐리어 움직임에서 전위로의 에너지 변환이 일어난다. 포텐셜 배리어는 여러 방법, 예를 들어 도 1c의 쇼트키 배리어, 도 1d의 p-n 접합 및 도 1e의 전도체-유전체-전도체 나노캐퍼시터 중 임의의 한 방법으로 형성될 수 있다.
순방향으로 바이어스된 다이오드는 이 에너지를 나노층 전극 캐퍼시터로의 변환을 실행하는 가장 간단한 방법 중 하나를 제공한다. 도 1c는 이의 접합 전기용량이 캐퍼시터를 형성하고 이의 포지티브 말단, 전도체가 나노층 전극인 순방향으로 바이어스된 쇼트키 다이오드를 도시한다. 도 1d는 순방향으로 바이어스된 p-n 접합 다이오드를 도시한다. 나노층 전극은 캐퍼시터의 한 쪽을 형성하고, p-형 반도체는 캐퍼시터의 유전체를 형성하며, n-형 반도체는 캐퍼시터의 다른 전도체를 형성한다. 도 1e는 전도체-유전체-전도체 캐퍼시터를 도시하며, 상기 나노층 전극은 캐퍼시터의 한 쪽을 형성하고, 절연체는 캐퍼시터의 유전체를 형성한다. 디바이스 모두는 나노층 전극 캐퍼시터를 변환하는 에너지로서 일반적으로 기술될 수 있다.
모든 이러한 에너지 변환기 나노층 전극 캐퍼시터에서, 순방향 바이어스 방향으로 캐퍼시터를 가로지르는 전도(conduction)를 최소화하는 것은 에너지 변환의 효율을 증가시킨다. 대조적으로, 우수한 다이오드는 순방향 바이어스 방향으로 전도를 최대화시킨다.
다이오드의 한가지 전도 특성은 "이상 계수", "n"으로서 언급되는 특성을 특징으로 한다. 이상 계수 1.0은 이론적으로 최적의 다이오드를 의미하며, 1를 초과하는 값은 덜 이상적이다. 1에 근접한 최저의 n이 다이오드로서 가장 좋다. 일반적으로 1.5 이상의 이상 계수는 순방향 전도를 줄이며, 일반적으로 다이로드로서 "우수한" 것으로 간주되지는 않는다. 우수한 캐퍼시터는 다이오드의 정반대를 요구하며, 순방향 바이어스 방향으로 전도를 최소화하는 것이 요구된다.
에너지-변환기 나노층 전극 캐퍼시터로서 사용되는 순방향 바이어스된 다이오드의 전도를 최소화하는 한가지 방법은 다이오드 이상(ideality) 특성을 크게 맞추어 순방향 전류를 최소화하는 것이다. 순방향 전류를 최소화하는 것은 1 초과의 이상 계수, n을 갖는 다이오드로 획득된다. 계산 결과(calculation)는 1.2 만큼의 낮은 이상 계수를 갖는 다이오드는 반응 온도를 50℃ 증가시키고, 이는 반응 속도의 크기를 증가시킨다는 것을 보여준다. 2 초과의 이상 계수를 갖는 다이오드는 반응 온도를 150℃ 초과 증가시킬 수 있다.
다이오드가 상대적으로 고 생성-재결합(R-G) 전류를 갖도록 조절하는 것은 이상 계수가 n=2에 접근하도록 유도하는 경향을 갖는다. 큰 상태 밀도(state density)를 갖는 다이오드를 형성하는 것은 금속 상호확산(interdiffusion)에 기인하며, 댕글링 본드(dangling bond)는 이상 계수를 증가시키는 방법이다. 고 결함 빈도(defect density)를 갖는 다이오드를 형성하는 것은 n > 2인 다이오드를 유도한다. 상당한 풀레 프랭클 터널링 이송(Poole-Frenkel tunneling transport) 및 트랩-보조 터널링 이송을 수반하는 다이오드는 모두 n을 증가시킨다. 좋은 다이오드가 좋은 캐퍼시터는 아니며, 그 역도 성립된다. 본 연구자들은 본 목적이 에너지 변환을 위해 최고의 "채움율(fill factor)"를 얻는 것임을 강조하는 바이다.
쇼트키 다이오드를 위한 열이온 모델은 다이오드 순방향 전류용 배율로서 "유효 리차드슨 상수(Richardson constant)"를 사용한다. 또한 유효 리차드슨 상수를 최소화하는 것은 다이오드 순방향 전도를 최소화하는 방법이다. 우리 발명의 방법은 예를 들어, 약 10 amp/cm2-켈빈2 미만의 상대적으로 작은 유효 리차드슨 상수를 갖는 것으로 알려진 반도체를 선택하고 이상 계수를 최대화하는 방법을 포함한다. 예를 들어, Ti02는 0.05 amp/cm2-켈빈2 미만의 리차드슨 상수를 갖는다. 다이오드 접합내 탄도성 굴절을 이용하는 것은 유효 리차드슨 상수를 줄이는데 효과적인 방법일 수 있다.
고체 상태 접합, 밴드갭 엔지니어링, 축퇴성 도핑, 도핑 구배 및 조성물 구배를 조정하는 것은 접합의 전하 분리 특성을 최적화하는 데 효과적이다. 포텐셜 배리어는 접합을 성형하고 간격을 좁힘으로써 접합을 통과하는 공명 터널링 및 터널링을 증가시킬 수 있다. 성형은 양자 우물 초격자 구조를 이용하는 주기적이거나 또는 거의 주기적인 전위 배리어를 형성하는 것을 포함한다. 경사진 접합 포텐셜을 신중히 조정하여 전하 분리 방향으로 캐리어 확산을 증가시키도록 배리어를 조정할수 있다.
구체예는 다양한 방법, 예를 들어, 3D 구조로 제거 열(reject heat)을 제거한다. 구체예는 평면 디바이스를 적층하고 연결하여 전력 밀도를 최대화한다.
평형전 탄도성 굴절 에너지 변환기
도 4와 관련하여, 일 구체예는 에너지의 1차 공급원으로서 화학적으로 에너지화된 평형전 핫 캐리어를 이용하고, 히트 싱크와 커플링된 평형전 탄도성 전하 캐리어 굴절 공정을 이용하여 에너지를 변환한다. 다른 구체예는 하나 이상의 적층된 나노 열 구배 변환기를 가하여 화학적으로 에너지화된 변환 단계로부터 제거 열을 전위로 변환시킨다.
도 4와 관련하여, 표면 부근에서 반응할 수 있는 촉매를 함유하는 표면(401)과 일부 결합된 구역내의 화학 반응물은 표면 근처에서 반응할 수 있고, 표면(401)상, 근처 또는 부근에서 반응 중간체를 접촉, 흡착, 분리, 재결합 또는 형성할 수 있다. 반응은 전형적으로 고 진동 여기된 중간체와 생성물을 형성한다. 최근 고 진동된 여기 생성물은 그들의 진동 에너지 대부분 분획이 마주치게 되는 제1 전도체내에서 전자로 직접 전달되는 것을 보여준다.
일 구체예는 전도체상 또는 근처에서 직접 고 진동 여기된 생성물을 초기화하여 도 4 및 도 5, 505-508에서 개념적으로 개시되는 평형전 탄도성 굴절 에너지 변환기를 에너지화한다. 일 구체예에서, 촉매 전도체(505)는 디바이스의 일부이며, 촉매 전도체상 또는 근처에서 직접 연관 반응을 촉진한다. 결과적으로 고도로 진동하는 분자는 전도체(505)상 또는 근처에서 직접 개시된다. 연관 반응 당 약 하나의 전자가 다양한 전도체-유전체-접합내 0.5-1.2 eV 배리어를 극복하기에 충분한 에너지로 에너지화된다. 진동의 압축상(compressed phase)동안 전도체내의 탄도적으로 전달되는 전자의 에너지 분포는 대략 더 높은 에너지로 정점을 이룬다. 흡수 반응은 분자 연관 반응과 유사하고, 기하급수적으로 감소되는 분포를 갖는 유사한 에너지 전달을 야기한다. 전구체 매개 흡수와 관련된 전하 전달은 예컨대 퍼옥소(peroxo) 및 수퍼옥소(superoxo) 흡착물과 같은 하전된 중간체와 관련되며, 이는 표면상에 짧은 체류시간을 가지며, 일부 경우에서 활성 전자를 방출하고 에너지화한다. 고도로 진동하는 에너지화된 기체종은 진동 운동 에너지를 전달하여 표면 전도체(505)내 전자를 에너지화한다.
이 디바이스내 유전체 및 전위 포텐셜 배리어 재료(403)는 전도체와 비교시, 반도체 Ti02와 같이 큰 전하 캐리어 유효 질량을 갖도록 선택된다. Ti02는 2를 초과하는 전하 캐리어 유효 질량을 갖는 것으로 공지된 적어도 여러 반도체 중 하나이다. Ti02의 전하 캐리어 유효 질량은 여러 조건하에서 측정되고, 5-200 m_e 범위내, 아마도 ~ 25 m_e 값이다. 그러므로, 나노 전극 전도체(402)내에서 에너지화된 거의 모든 캐리어는 전도체(402)와 최고 전하 캐리어 유효 질량 재료, 예를 들어, Ti02 유전체 반도체(403)로 형성된 쇼트키 배리어에 대해 거의 수직 방향을 갖도록 굴절된다. 전기 포텐셜은 음극(406)과 양극(407)사이에서 관찰된다. 전도체와 전극 재료는 모두 적어도 전도체, 예컨대, 금속, 전도성 산화물, 및 축퇴성이며 고농도로 도핑된 반도체, 예컨대, 고농도로 도핑된 실리콘, 및 반도체, 높은 ZT 성능 지수를 갖는 재료를 포함하는 군으로부터 선택되는 재료를 포함한다. 반응 및 쇼트키 접합 에너지 변환기로 생성되는 열은 보다 낮은 온도의 히트 싱크(405)내로 제거된다.
이 디바이스내 반응물이 시스템에 공급될 때, 일반적으로 고온이 아니기 때문에, 보다 낮은 온도의 히트 싱크는 반응물(400) 자체를 포함할 수 있다.
일 구체예는 예를 들어, 루틸 TiO2, 아나타제 TiO2, 다공성 아나타제 TiO2, SrTiO3, BaTiO3, Sr_x-Ba_y-TiO_z, LiNiO 및 LaSrVO3 및 특정 유기 반도체, 예컨대, PTCDA 또는 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실산-이무수물을 포함하나 이에 제한되지 않는, 1을 초과하는 캐리어 유효 질량을 갖는 TiO2 이외의 유전체 또는 반도체(403)을 이용하는 것을 포함한다. 기호 x, y 및 z는 통상적 관례에 따라 농도로 정의된다. SrTiO3의 한가지 장점은 TiO2와 비교시 상대적으로 큰 배리어가 제공되는 경우 SrTiO3위의 쇼트키 배리어가 고정되지 않는다는 점이다.
일 구체예는 유전체(403)에 직접 히트 싱크(405)를 제공하는 것을 포함한다. 이러한 히트 싱크는 히트 파이프, 유체 유동의 모세관 시스템, 반응물 자체, 열 전도성 재료 및 대류 유동법을 이용하는 것을 포함하나 이에 제한되지 않는 증발 냉각, 및 나노 열 구배 변환기를 포함할 수 있으나 이로 제한되지 않는다.
나노 열 구배 변환기( NTGC )
일 구체예는 평형전 탄도성 전하 캐리어 굴절 공정에 기초한 장치이다: 나노 열 구배 변환기. 일 구체예에서, 도 5에서 개시되는 요소(501-503)은 표면 나노 열구배 변환기(SNTGC)인 반면, 도 7의 요소(703)는 체적 나노 열 구배 변환기(VNTGC)이다. 재료사이의 전기 지연 포텐셜을 제공하는 접합은 적어도 전도체-유전체, 유전체-유전체 또는 유전체-전도체-유전체 접합을 포함할 수 있다. 절연체 및 반금속은 여기서 금속 및 유전체의 소분류로 간주된다. 도 5의 요소(501-503)는 나노 열 구배 변환기내 전도체-반도체 접합의 도식적 레이아웃의 예를 보여준다.
용어 "반도체 접합"은 반도체 접합, 결정성 재료, 비결정성 재료, 절연체, 반금속, 큰 밴드갭 및 저농도로 도핑된 비결정성 재료를 갖는 절연체 재료, 금속 및/또는 반도체로 형성된 양자 우물을 포함하는 접합을 포함한다. 용어 "금속"은 고농도로 도핑된 반도체, 금속, 반금속, 고농도로 도핑된 반도체, 전기 전도체를 포함한다. 평형전 전하 캐리어 탄도성 굴절 에너지 변환 공정과 관련된 모든 경우에서, 지배 이론은 접합이 접근하는 탄도성 전하 캐리어에 대한 포텐셜을 지연하고 극복가능하고/하거나 터널링하는 것을 모두 나타내며, 캐리어 유효 질량을 증가시킨다는 것이다.
도 5에서 언급된, 일 구체예는 화학적으로 에너지화된 평형전 발전기(505-508)에 나노 열 구배 변환기(501-503)를 추가한다. 보다 고온의, 화학적으로 에너지화된 평형전 발전기(505-508)(1차 에너지 변환 시스템)에서 제거된 열(500)은 나노 열 구배 변환기(501-503)(2차 에너지 변환 시스템)의 투입쪽(501)에서 전자를 에너지화한다. 일반적으로 다른 1차 에너지 변환 시스템을 포함하는 구성에서, 나노 열 구배 변환기는 연속하여 열적 및 전기적으로 연결된다. "연속적으로 평행"으로 언급되는 이 상호연결은 신뢰도를 확증하기 위해 사용되는 연속적으로 평행한 구성을 배제하지는 않는다. 예를 들어, 화학 발전기의 음극(508)은 나노 열 구배 변환기의 저 전하 캐리어 유효 질량 구역(501)의 양극과 화학적으로 및 열적으로 커플링된다. 열 구배 전환기의 음극(503) 및 고 캐리어 유효 질량 재료(502)는 더 저온의 히트 싱크(510)와 열적으로 커플링된다. 전기는 양극(506) 및 음극(503)으로부터 얻어지며, 본 디바이스는 이 예에서는 연속적이기 때문에 (501)의 양극과 음극(503)으로부터 얻어진다. 출력 전압이 양극 및 음극 쌍 중 임의의 것으로부터 얻어질 수 있다는 점을 유념한다. 이러한 다중 출력이 매우 유리하다는 것을 유념한다.
이 구성은 화학 발전기가 반응 속도를 증가시키고 따라서 보다 높은 전력 밀도를 증가시키도록 하는, 나노 열 구배 변환기 없이, 더 높은 촉매 온도에서 작동하게 한다. 증가된 온도는 또한 더 넓은 범위의 반응물의 사용 및 일부 반응물의 점화 온도에서의 작동을 허용한다.
재귀적 나노 열 구배 변환기
도 6에서 언급된, 일 구체예는 나노 열 구배 변환기를 재귀적으로 반복하고, 각각은 모두 전기적 및 열적으로 다음과 연속하여 연결된다. 제1 단계(601)는 여러 공지 방법 중 임의의 방법에 의해 에너지화되는 발전기일 수 있다.
이후 재귀적으로 반복되는 나노 열 구배 변환기(602)는 제1 단계(601)의 더 높은 온도의 제거 열 및 더 낮은 온도의 주위 히트 싱크로부터 전기를 생성한다. 추정치는 재귀적으로 반복되는 나노 열 구배 변환기가 이의 열원과 히트 싱크 온도사이의 카르노 한계 효율(Carnot limit efficieny)의 ~80%을 얻을 수 있다는 것을 제시한다.
또한 출력 전압은 양극 음극 쌍 중 임의의 것으로부터 얻을 수 있음을 유념한다.
탄도성 굴절 에너지 변환기
일반화된 일 구체예는 표면 탄도성 굴절 에너지 변환기이다. 다른 것은 체적 탄도성 굴절 에너지 변환기이다. 다른 형태 및 조합이 또한 사용될 수 있다.
용어 "체적"은 활성 표면 및 반응물과 냉각제 유동 채널이 3차원 구조를 이용하거나 구조상에 형성되는 구조를 말한다.
표면 탄도성 굴절 에너지 변환기( SBREC )
일 구체예는 히트 싱크에 부착된 일련의 2차 나노 열 구배 변환기에 부착된 1차 에너지 변환기를 이용한다. 도 6은 이러한 전형적인 표면 탄도성 굴절 에너지 변환기를 보여준다. 많은 2차 나노 열 구배 변환기(602)가 연속적으로 연결된다. 연속물(602)의 일 말단은 히트 싱크(603)에 부착된다. 연속물(602)의 다른 말단은 평형전 탄도성 전하 캐리어 굴절 공정을 기초로 하는 1차 에너지 변환기(601)에 연결된다. 1차 에너지 변환기는 화학 반응, 열 구배, 광전지 또는 다른 방법에 의해 에너지화될 수 있다. 성분(602)의 수는 0 내지 소정의 수, 모두를 포함할 수 있다. 성분(602)의 주된 기능은 이전에 연결된 에너지 변환 성분으로부터의 제거 열 에너지 분획을 전위로 변환시키는 것이다.
일 구체예는 접합 재료간 전하 캐리어 질량의 단계적 증가를 수반하는 1차 변환기(601)를 포함하며, 상기 전자는 히트 싱크에 부착되고, 전기적 및 열적으로 연속적으로 연결된 나노 열 구배 변환기(602)의 0 내지 소정의 수를 갖는, 전도 표면상 또는 근처의 화학 반응에 의해 에너지화된다.
일 구체예는 접합 재료간 전하 캐리어 질량의 단계적 증가가 없는 1차 변환기(601)를 포함하며, 상기 전자는 히트 싱크에 부착되고, 전기적 및 열적으로 연속적으로 연결된 나노 열 구배 변환기(602)의 0 내지 소정의 수를 갖는, 전도 표면상 또는 근처의 화학 반응에 의해 에너지화된다.
일 구체예는 히트 싱크에 부착되고, 전기적 및 열적으로 연속적으로 연결된 나노 열 구배 변환기(602)의 1 내지 소정의 수를 갖으며, 접합 재료간 전하 캐리어 질량을 증가시키는 단계가 있거나 또는 없는 광전지 에너지 공급원을 이용하는 1차 변환기(601)를 포함한다.
일 구체예는 히트 싱크에 부착되고, 전기적 및 열적으로 연속적으로 연결된 나노 열 구배 변환기(602)의 0 내지 소정의 수를 갖는, 제2 재료 대신에 제1 재료내에서 전하 캐리어 탄도성 전달이 생기는, 열이온성 에너지 변환기인 1차 변환기 (601)를 포함한다.
일 구체예는 히트 싱크에 부착되고, 전기적 및 열적으로 연속적으로 연결된 나노 열 구배 변환기(602)의 0 내지 소정의 수를 갖는, 제1 재료 전하 캐리어 질량을 초과하는 제2 재료 유효 전하 캐리어 질량을 갖는 열 이온 에너지 변환기인, 1차 변환기(601)를 포함한다.
일 구체예는 히트 싱크에 부착되고, 전기적 및 열적으로 연속적으로 연결되는 나노 열 구배 변환기(602)의 0 내지 소정의 수를 갖는, 제2 재료 대신 제1 재료내에서 전하 캐리어 탄도성 전달이 발생하는 경우, 및 제1 재료 전하 캐리어 질량을 초과하는 제2 재료 유효 전하 캐리어 질량을 갖는 열이온 에너지 변환기인, 1차 변환기(601)을 포함한다.
일 구체예는 일련의 나노 열 구배 변환기(602)에 부착된 1차 변환기(601)를 포함하며, 이들 중 하나 이상은 히트 싱크에 부착되고, 전기적 및 열적으로 연속적으로 연결되고 일반적으로 저 캐리어 유효 질량 구역으로 언급되는 구역용으로 유전체-전도체-유전체 접합을 포함할 수 있다. 나노 열 구배 변환기의 수는 0 내지 소정의 수, 모두를 포함할 수 있다.
체적 탄도성 굴절 에너지 변환기( VBREC )
일 구체예는 기둥 유사형 위에 체적 탄도성 굴절 에너지 변환기를 포함한다. 기둥의 소정의 특징은 길이 당 고면적으로, 체적 당 기둥의 상대적으로 큰 면적에 의해 고 용적 전력 밀도가 유도된다. 이러한 고 면적 기둥의 횡단면은 깊은 물결주름, 홀 및 핏트(pit)를 포함할 수 있으며, 이들은 모두 불규칙할 수 있다. 기둥의 횡단면은 기둥위에 형성된 변환기에 의해 주어지는 제약에 의해 주로 제한되며, 일반적인 제약은 없다. 예를 들어, 횡단면은 적어도 와이어형, 원형, 막대형, 사각형, 직사각형, 불규칙형, 주름형, 스폰지형, 원뿔대형, 가늘어지는 원뿔형 및 날개 또는 다른 공기역학 형태의 횡단면형을 포함하는 군으로부터의 임의의 조합일 수 있다.
도 7을 참조하면, 기둥 자체(701)는 이의 길이, 열 전도성, 전기 전도성 또는 다른 임의의 소정의 특성을 위해 선택되는 하나 이상의 재료 각각으로 형성되는 가닥, 섬유, 스트립과 같은 임의의 재료일 수 있다.
기둥은 우선 전도체(702)로 적어도 부분적으로 코팅되어 디바이스의 후방 전극을 형성할 것이다. 이후 필요한 만큼의 2차 나노 열 구배 변환기(703)는 접합 재료간 전하 캐리어 질량의 단계적 증가가 있거나 또는 없는 최종 1차 에너지 변환기(704)하에서 및 기둥에 걸쳐 형성된다. 1차 에너지 변환기(704)는 열 구배에 의해 화학적으로, 광전기적 또는 다른 수단에 의해 에너지화될 수 있다. 외부 구역(705)은 공급원 활성 구역이다. 단위(703)의 수는 0 내지 소정의 수, 양자를 모두 포함하는 범위이다. 양극 연결(706)은 최종 변환기(704)와 전기적으로 접촉된다. 절연체(707)는 음극 연결(708)로부터 양극 연결(706)을 분리하고, 이는 전도체(702)와 전기적으로 접촉된다. 히트 싱크는 히트 싱크와 물리적으로 연결될 수 있는 기판(709)에 의하거나 또는 기둥 구역(705)를 둘러싸는 기체 및 반응물에 의해 제공될 수 있다.
일 구체예는 전자가 히트 싱크에 부착되고 전기적 및 열적으로 연속적으로 연결된 나노 열 구배 변환기의 0 내지 소정의 수를 갖는 경우, 전도성 표면상 또는 근처의 화학 반응에 의해 에너지화되는, 1차 변환기(704)를 포함한다.
일 구체예는 히트 싱크에 부착되고, 전기적 및 열적으로 연속적으로 연결된 나노 열 구배 변환기의 0 내지 소정의 수를 갖는 광전지 에너지 변환기인, 1차 변환기(704)를 포함한다.
일 구체예는 히트 싱크에 부착되고, 전기적 및 열적으로 연속적으로 연결된 나노 열 구배 변환기의 0 내지 소정의 수를 갖는 열이온 에너지 변환기인, 1차 변환기(704)를 포함한다.
일 구체예는 최소 전하 캐리어 유효 질량 구역을 형성하는 재료로서 긴 평균 자유 경로 금속 뿐만 아니라 긴 평균 자유 경로 반도체를 포함한다. 밴드갭 배열은 포텐셜 배리어를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
일 구체예는 히트 싱크에 부착되고 전기적 및 열적으로 연속적으로 연결된 일련의 유사한 나노 열 구배 변환기에 부착된 유전체-전도체-유전체 접합을 이용하는 고체 상태의 열 구배 에너지 변환기인, 1차 변환기(704)를 포함한다. 나노 열 구배 변환기의 수는 0 내지 소정의 수, 둘 모두를 포함할 수 있다.
일반적으로, 탄도성 굴절 에너지 변환기는 반응물 유동, 공기 유동, 및 냉각을 야기하기 위해 사용되는 디바이스, 예를 들어, 팬 블레이드를 포함하는 다양한 유형의 물건에 부착될 수 있다. 상기 물건의 외형에 따른 시트의 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 공기 유동 시스템에 대하여 변환기가 그 위에 "코팅"될 수도 있다. 대안적으로 시스템에 대하여 변환기는 분리되어 제조되고 그 위에 "페이스트"될 수도 있다. 또는 시스템에 통합될 수도 있다.
팬 블레이드 상에 바로 탄도성 굴절 에너지 변환기를 놓는 것은 냉각, 열 전달 및 열 제거를 제공하는 팬의 효율을 최대화한다.
도 8에서 제안한 바와 같이, 횡단면 프로파일(802)를 갖는 기둥에 부착된 탄도성 굴절 에너지 변환기(801)는 탄도성 굴절 에너지 변환기를 제조하기 위한 요구를 만족하는 임의의 형태일 수 있다. 큰 에너지 수집 면적이 바람직하고, 길고, 가는 형태(802), 쐐기(803), 채널(804), 불규칙한 다각면(805), 깊고 좁은 채널 또는 세공(806), 기둥을 완전히 통과하는 세공(807), 대칭형(808)와 (803), 거의 대칭적인 형태(809) 및 매끄럽게 대칭적인 형태(810)를 비롯한 프로파일 형성을 포함하는 다양한 방법으로 얻을 수 있다.
세공은 적층물(807)을 완전히 통과하는 홀로서 또는 적층물(804)내로 깊은 홀의 형태를 가질 수 있다.
와이어 형상
일 구체예는 와이어(802)와 같이 길고 가는 디바이스를 닮은 변환기 형상을 형성한다. 변환기 와이어가 형성되어 규칙적이거나 불규칙적인 패턴으로 표면내로 구멍을 내거나 또는 달리 표면에 부착될수 있다.
유동 형상
일 구체예는 탄도성 굴절 에너지 변환기용 히트 싱크를 제공한다. 냉각용 히트 싱크는 대류 유동, 상 변화 또는 증발 냉각 및 히트 파이프를 비롯한 여러 방법으로 얻을 수 있다. 반응물 또는 반응물 성분이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 9는 냉각제, 반응물, 첨가제 또는 이들 재료의 임의의 조합이 흐를 수 있는 변환기 어셈블리의 내부 및 변환기 지지 구조와 관련된 채널, 덕트 또는 파이프를 이용하는 구체예를 나타낸다. 각각의 경우는 장점을 가지고 있다. 재료(901)는 세공 또는 홀(903)을 통하여 더 저온 쪽(902)에서 고온 구역(904)으로 흐른다. 저온 쪽(902)및 고온 쪽(904) 모두는 반응물 또는 첨가제를 포함할 수 있으며, 고온 면은 모든 배출물 및 공기 유동과 관련된다.
저온 쪽(902)의 반응물(901)의 증발 뿐만 아니라 더 낮은 저온 재료(902)의 유동은 냉각을 야기한다. 반응물(901)은 농축될 수 있고 적층물 고온 표면(905) 근처에서 연료가 풍부할 수 있다.
보다 중온의 반응 표면(905)과 접촉하는 기체가 되는 액상 반응물 또는 증발성 냉각제(901)를 이용하는 것은 화학적으로 에너지화되는 고온 전자 공정용 소정의 기체종을 제공한다.
일 구체예는 공기역학적 표면상에 직접적으로 변환기를 형성한다. 이것은 질량 유동으로서 액체-기체 변환에 의해 생성되는 가스를 이용하는 것 뿐만 아니라 전기의 직접 생성 모두가 샤프트 에너지의 생성 및 유용한 작업의 터빈 또는 다른 기계적 추출을 추진하게 한다.
일 구체예는 발전기내에서 이의 저 온도의 히트 싱크용 액체 공기 및 다른 액체 기체(901)를 사용한다. 액체 공기 및 유사 불활성 액체 기체는 히트 싱크를 구역(902)에 제공할 수 있고, 배출 구역(904)내 주위 공기는 열원을 제공할 수 있고, 그로 인해 디바이스는 온도 차이를 이용하여 바로 전기를 생성할 수 있다. 액상/기체상 전이는 동시에 터빈과 같은 기계 에너지 변환기를 작동할 수도 있다.
일 구체예는 자연 대류를 이용하여 공기 유동을 제공한다. 냉각 공기 부피는 통상적으로는 반응 공기 부피를 초과하는 크기일 수 있다는 것을 유념한다.
도 9에 기초한 일 구체예는 편평관과 같이 일반적인 관 형상의 횡단면을 나타낼 수도 있다. 일반적인 관은 탄도성 굴절 에너지 변환기를 갖는 하나 이상의 면상에서 코팅된다. 본 명세서의 "관"은 균일하지 않은 벽을 비롯한 임의의 상대적 벽 두께를 갖는 임의의 부분적으로 중공인 형상을 갖는 일부를 말한다. 예를 들어, 관은 이들 사이에 닫힌 공간을 갖는 두 시트처럼 보이도록 편평하게 되어 모서리가 닫혀 있는 용적을 갖으면서 기체 또는 유체 유동이 가능하다. 도 9의 개념은 체적 장치(SBREC 및 VBREC) 뿐만 아니라 표면상에서 사용될 수 있다는 것은 유념한다.
적층 형상( stacking geometry )
도 10과 관련하여, 기초적인 적층가능한 단위는 전기 전도층, 열 전도층 및 구조 지지층 중 하나 이상을 포함하는 구조위에 놓여진다.
구체예는 1 초과의 탄도성 굴절 에너지 변환기(표면 (SBREC), 또는 체적(VBREC)) 어셈블리와 연결되고 함께 적층되어 단일 변환기 어셈블리의 표면에 의해 주어지는 면적만을 대신하여 발전기의 체적을 생성하게 된다. 적층물은 연속적으로 또는 평행하게 전기적으로 연결될 수 있다.
도 10의 횡단면에서 보여지는, 기초적인 적층가능한 단위의 일 구체예는 다음의 중요 요소들을 포함한다: 포지티브 에너지화된 면(1004)ㅇ,ㄹ 위로하고 및 네가티브 면을 아래로 하여 전기적으로 연결된 탄도성 굴절 에너지 변환기 어셈블리(1001)(이는 1차 에너지 변환기 단독, 또는 1차 및 2차 에너지 변환기를 포함할 수 있음). 탄도성 굴절 에너지 변환기는 지지되고 양극 연결(1002), 음극 연결(1003)과 연결된다. 구조(1003)는 전기 전도성 요소, 열 전도성 요소 및 세기 구조 요소 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 적층은 다른 기초적인 적층가능한 단위의 상부에 기초적인 적층가능한 단위를 놓는 것, 에너자이징과 열원을 위해 변환기(1002)의 활성 표면위에 공간을 유지하는 것을 포함한다. 임의의 실행가능한 구성이나 배열내에서 동일하게 수행될 수 있다.
도 10에서 도시되는 구체예는 양극(1002)을 그 위에서 변환기의 음극(1003)과 연결한다. 이의 횡단면은 도 11에서 도시된다. 도 11의 각 기초 구조는 수직 및/또는 수평 방향으로 재귀적으로 적층되어 3차원의 기초 적층된 구조의 매트릭스를 형성할 수 있다.
도 10b는 구체예를 명확하게 하기 위해 무시되는 계면 및 전기적 및 열적 연결과 관련한 세부 사항을 제공한다.
예를 들어, 도 10b를 참고하면, 활성 표면은 통상 쉽게 손상되는 나노미터 두께의 구조이기 때문에 양극(1002)은 변환기(1001)의 활성 표면위에 직접 놓여지지 않는 것이다. 실제적으로, 당업자는 공지된 많은 방법 중 하나를 이용하여 전극을 변환기에 연결할 것이다. 일 구체예는 구조(1003)위에 직접 형성된 절연체(1005)위에 양극(1002)을 놓고, 이후 전기 브릿지(1006)가 형성되어 양극(1002)이 탄도성 굴절 변환기 조립의 활성 표면(1004)과 포지티브 말단에 전기적으로 연결된다. 실제로 구조 요소(1003)는 변환기의 네가티브면에 연결된 전기 전도체를 포함할 것이며, 변환기에 대한 열 연결도 포함할 것이다. 간단한 구체예는 전기 및 열 전도성 모두를 갖는 구조(1003), 예를 들어, 5 미크론 두께의 알루미늄 또는 구리 포일을 형성한다.
일 구체예는 서로 각각의 상부에 도 10에서 도시되는 기초적인 적층가능한 단위를 적층하여 발전기 에너지 변환기 체적을 형성한다. 반응물과 냉각제(1100)는 적층물 사이의 공간(1101)내로 흐르고, 배출물은 공간을 통과하여 흘러나온다.
일 구체예는 동일 평면에서 인접한 변환기의 음극에 양극을 연결하여 적층물 평면을 따라 연속적으로 변환기를 연결한다. 이것은 여러가지 방법으로 수행될 수 있으며, 이중 하나를 도 12에서 개시한다. 전기적 연결(1202)은 제1 변환기(1201)의 활성 표면과 포지티브 쪽으로 제조되고 절연체(1202)에 의해 격리된 인터커넥 전도체(1203)에 연결된다. 인터커넥터(1203)는 제2 변환기의 네가티브 쪽(1205)과 전기적으로 접촉한다. 절연체 스페이서(1200)는 도면내에서 변환기 뒤쪽으로 개념적으로 도식되고 있다.
일 구체예는 도 13에서 도안된 것과 같이, 기초적인 적층가능한 단위의 바디를 통과하는 냉각제 및/또는 반응물(1300)을 제시한다. 예를 들어, 탄도성 굴절 에너지 변환기(1301) 및 스페이서(1302)는 구조위에 형성되고, 구조(1304)의 내부 기판(1303)으로 반응물 및/또는 냉각제(1300)가 흐른다. 도 18에서 언급되는 이 구체예의 디바이스는 롤 업(rolled up)될 수 있고 스페이서(1302)에 의해 형성되는 롤 사이의 공간(1305)에 반응물이 흘러들어가고 배출물이 공간(1305)밖으로 흐를 수 있게 된다. 스페이서 및 전기적 인터커넥터가 분명하게 도 13에 도시된다. 또한 구체적인 연결은 도 12 및 도 10b에서 설명되는 것들과 유사할 것이다.
이러한 구체예의 각각의 경우, 변환기는 전술한 기둥형을 비롯한 다양한 형태로 얻을 수 있으며, 대개 임의적인 형태의 많은 표면위에 부착될 수 있다.
터널링 클러스터 촉매
일 구체예는 물리적으로 연결되지 않고, 전기적으로 터널링 연결된 나노 촉매 클러스터를 이용하여 탄도성 굴절 에너지 변환기의 활성 표면상에서 여기 유효 온도 구배를 증가시킨다. 도 14는 도식적으로 활성 표면(1402)을 갖는 변환기(1401)상의 통상적인 간격(S)과 통상적인 치수(D)를 갖는 전도체 촉매 구조(1400)를 보여준다. 치수(D)는 클러스터(1400)의 최고 격자 진동 주기보다 캐리어 전이시간이 짧도록 선택되는 클러스터(1400)내 핫 캐리어의 평균 자유 경로 미만이도록 형성되고 그로 인해 격자 온도로부터 캐리어 온도가 분리된다. 이 치수는 통상적으로 Cu, Ag, Au, Pd, 및 Pd와 같은 재료내에서 4 내지 50 nm 범위내이다. 클러스터 간격(S) 전하 캐리어 전자가 클러스터(1400)사이를 터널링하기에 충분히 작도록 선택된다. 이 치수는 통상적으로 1 - 20nm 범위이다. 클러스터에 대한 전기 연결은 전기 전도체 접촉(1403) 및 (1404)에 의해 형성된다. 이상적인 경우, 연결되지 않은 클러스트는 낮은 전기 전도성 및 낮은 열 전도성 재료상에서 형성된다. 이후 이 클러스터 배열은 변환기(1401)를 갖는 쇼트키 배리어를 형성할 수 있고, 클러스트는 탄도성 굴절 에너지 변환기의 필수부가 될 것이다.
일 구체예는 변환기 재료와 같은 세라믹 기판과 접촉된 촉매 클러스터의 증강된 촉매 활성을 이용한다. 일 구체예는 증강된 클러스터 전자 온도를 사용하여 반응 속도를 증가시키고 이로서 출력 전력이 증가된다. 일 구체예는 전극(1403-1404)을 가로지르는 전위를 사용하고, 이는 클러스터를 기판 온도(~ 300K)를 훨씬 초과하는 온도(~2000K - 5000K)로 가열함으로써 변환기 다이오드 온도 증가없이 반응 전력을 상당히 증가시킬 수 있음을 보여준다.
커플링 및 변환층
일 구체예는 최저 전하 캐리어 유효 질량 재료를 위해 양자 우물 초격자(quantum well superlattice)를 이용한다. 변환 효율을 최대화하기 위해, 배리어 높이를 다소 초과하는 에너지를 갖는 캐리어를 저 캐리어 유효 질량 구역에서 고 캐리어 유효 질량 구역으로 여과하도록 초격자를 조정한다.
일 구체예는 활성 표면상에서 근접하게 위치한 모선(buss bar)를 형성하여 표면을 가로지르는 저항 손실을 최소화한다. 화학적 불활성 모선은 모선사이의 터널링 클러스터 촉매와 같은 활성 재료로 100 nm 만큼 떨어진 거리에서 형성된다.
일 구체예는 배리어-개시 재료용으로 매우 가는 반도체를 사용한다. 최소 두께는 통상적으로 차수 5 nm 이다. 다른 두께도 고려될 수 있지만, 바람직한 반도체 두께는 20 내지 100 nm 범위이다.
열 전도성 조정
도 15와 관련하여, 일 구체예는 보다 낮은 전하 캐리어 유효 질량 구역(1500-1501)을 조정하여 열의 전달을 제어 및 제한하고 전하 캐리어 운동 에너지의 전달을 향상시키기 위한 요소를 포함한다. 이러한 요소들은 저 열 전도성 재료, 긴 캐리어 평균 자유 경로 재료, 열 다이오드 요소, 양자 제한 요소 및 차이가 있는 캐리어 유효 질량 요소 중 하나 이상을 포함한다. 원리는 전하 캐리어가 배리어 구역 방향으로 탄도적으로 이동함으로써 전하 캐리어에 대한 증가한 캐리어 유효 질량의 복합 구역을 나타내는 것이다. 도 15는 두가지 이러한 구역(1500, 1501)을 보여준다.
도 15와 관련하여, 일 구체예는 일반적으로 ~ 1 eV에서 긴 전자 평균 자유 경로를 갖는 것으로 알려져 있으며, 보다 높은 전하 캐리어 유효 질량을 갖는 전도체(C)(1501)와 접촉한 실질적으로 저 전하 캐리어 유효 질량의 반도체(S)(1500), 예컨대, ~0.3 m_e의 전하 캐리어 유효 질량의 규소를 이용한다. 이러한 전도체(1501)는 예를 들어, Au(~20 - 100 nm), Ag(~20 nm) 및 Cu(60 nm 만큼 높은 것으로 보고됨) 및 Al(~20 nm)을 포함한다. 이후 탄도성 전하 캐리어 굴절 효과는 반도체(1500)와 전도체(1501)사이에 존재한다. 이후 반도체(1500)는 방향의 좁은 범위를 경유하여 이의 더 고온의 전하 캐리어를 전도체(C)(1501)내로 주입할 수 있다. 전도체(C)(1501)는 전하 캐리어 평균 자유 경로의 약 2배 미만의 두께를 갖도록 선택된다. 전도체(C)(1501)를 통래 이동하는 거의 모든 전하 캐리어는 (1501) 전하 캐리어 유효 질량 보다 많은 전하 캐리어 유효 질량(~25 m_e)을 갖는 반도체 S_배리어(1502), 예를 들어, Ti02 쪽으로 이미 전향된다.
하기를 포함하나 이에 제한되지 않는, 최저 전하 캐리어 유효 질량 재료(1500) 또는 반도체(1500)용으로 상대적으로 긴 전자 평균 자유 경로를 갖는 재료 및 1.1 미만의 전자 유효 질량을 갖는 재료가 사용될 수 있다: 공기, 알루미늄, 전도성 탄소 나노 튜브, 전도체, 구리, 축퇴 도핑된 재료, 기체성 재료, 금, 금속, 금속, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 백금, 로듐, 루테늄, 은, 탄탈, 진공. 하기를 포함하나 이로 제한되지 않는 최저 전하 캐리어 유효 질량 재료(1500)용으로 약 0.05을 초과하는 ZT 성능 지수를 가지며, 열전 사용에 일반적으로 바람직한 재료가 사용될 수도 있다: 알루미늄 안티몬화물(aluminum antimonide(AlSb)), 알루미늄 비화물(aluminum arsenide(AlAs)), 알루미늄 갈륨 질화물(aluminum gallium nitride(AlxGa1-xN), 비스무스 셀레나이드(Bi2Se3), 비스무스 텔루라이드(Bi2Te3), 및 보론 나이트라이드(boron nitride(BN)), 갈륨 알루미늄 비화물(GaxAl1 xAs), 갈륨 알루미늄 비소 안티몬화물(GaxAl1 xAsl y), 갈륨 안티몬화물(GaSb), 갈륨 비소 인화물(GaAsyP1 y), 갈륨 비화물, 갈륨 인듐 안티몬화물(GaxInl-xSb), 갈륨 인듐 인화물(GaxIn1 xP), 갈륨 질화물(GaN), 갈륨 인화물(GaP), 게르마늄(Ge), 인듐 알루미늄 비화물(InxAl1 xAs), 인듐 안티몬화물(InSb), 인듐 비화물(InAs), 인듐 비소 인화물(InAsyP1-y), 인듐 갈륨 알루미늄 비화물(InxGyAl1 xyAs), 인듐 갈륨 비화물(InxGa1-xAs), 인듐 갈륨 비소 안티몬화물(InxGa1 xAsySB1 y), 인듐 갈륨 비소 인화물(InxGa1 xAsyP1 y), 인듐 갈륨 질화물(InxGa1-xN), 인듐 인화물, 납 텔루라이드, 납 주석 텔루라이드(Pbx Sn1 xTe), 수은 카드뮴 셀레나이드(HgxCd.l xSe), 수은 카드뮴 텔루라이드(HgxCd1-xTe), 규소 게르마늄, 규소, 아연 셀레나이드 (ZnSe), 아연 텔루라이드 (ZnTe)[여기서 상기 계수 x, y, z, 1-x,및 1-y 은 각 3급 또는 4급 재료내 원자종의 상대량으로 정의되며, 1 내지 0 범위].
배리어-개시층(1502)은 하기를 포함하나 이에 제한되지 않는, 2를 초과하는 캐리어 유효 질량을 갖는 것으로 알려진 반도체를 포함하나 이로 제한되지 않는 재료로부터 만들어질 수 있다: 루틸 TiO2, 아나타제 TiO2, 다공성 아나타제 TiO2, SrTiO3, BaTiO3, Sr_xBa_yTiO_z, LiNiO, LaSrVO3, 유기 반도체 PTCDA, (3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실산-이무수물). 열전 사용에 일반적으로 바람직하고 적어도 유리한 ZT 성능 지수를 갖는 다음의 재료 및 반도체는 이들의 전하 캐리어 유효 질량이 이의 접합을 위해 선택되는 재료의 것보다 2를 초과할 때 사용될 수 있으며, 다음을 포함하나 이에 제한되지 않는다: 알루미늄 안티몬화물, 알루미늄 갈륨 비화물, 알루미늄 산화물, 비스무스 셀레나이드, 비스무스 텔루라이드, 보론 질화물, 갈륨 알루미늄 비소 안티몬화물, 인듐 알루미늄 비소 인화물, 인듐 갈륨 알루미늄 질화물, 인듐 갈륨 비소 안티몬화물, 인듐 갈륨 비소 인화물, 납 유로피움 텔루라이드, 납 텔루라이드, 및 공기. 납 주석 텔루라이드, 수은 카드뮴 셀레나이드, 수은 카드뮴 텔루라이드, 규소 게르마늄, 규소 산화물, 아연 셀레나이드, 아연 텔루라이드.
전도체는 탄도성 전단의 시간 척도상에서 열 에너지 전달에 대항하는 절연체와 더 유사하게 되며, 본 열전 및 열이온성 에너지 변환기내에서 전하 캐리어 에너지 전달을 위한 매우 우수한, 일 방향성 전도체가 된다. 이 나노 치수내에서 전도체는 이를 가로지르는 유용한 온도 구배를 유지할 수 있다. 나노 샌드위치(1500-1501-1502)의 단열은 발전기 공정의 효율을 증가시킨다.
(0.02 m_e 만큼 적은 값의) 보다 낮은 전하 캐리어 유효 질량 재료(1500)와 (Ti02와 같이 200 m_e 만큼의 높은 값의) 최고 전하 캐리어 유효 질량 재료(1502)간 저 전하 캐리어 유효 질량 재료, 전도체(1501)의 추가는 고체 상태 에너지 변환기내로 사용될 수 있는 재료의 범위를 확장한다.
일 구체예는 전자 터널링을 통해 전기적으로 연결되고 물리적으로 격리된 촉매 클럼프(505)를 포함한다. 클럼프(505)는 전위 배리어(유전체) 재료(507)의 표면상에 전체 전도체(506) 일부 구성 및 적어도 일부를 대체한다.
다른 구체예는 전도성 촉매 클러스터, 시트, 나노 와이어, 나노 도트, 나노관, 양자 도트, 층 및 구조물(505)의 치수상에 이러한 나노 제약을 이용하여 화학적으로 에너지화되는 평형전 에너지 변환기의 반응 속도를 증강시킨다.
전하 캐리어 열 커플링의 조절
일 구체예에 따르면 열 또는 고온의 전자 공급원에 접촉하는 재료 및 보다 저온 구역간 에너지 전달은 주로 탄도성 전하 캐리어 이송에 의해 조절된다. 도 16a 내지 도 16d에서 본 연구자들은 3개의 재료 또는 구역을 이용한 디바이스의 횡단면을 보여준다. 일반 지배 원리로서, 제1 및 제2 구역(1601) 및 (1602)는 열을 차단하고 최소한의 에너지가 소실되는 에너지화된 탄도성 캐리어를 전이시키도록 고안된다. 이상적인 조건은 구역(1601), (1602)에서 구역(1603)으로 열이 아니라 탄도성 전자(전하 캐리어)에 의한 에너지 이송이다. 일반적인 지배 원리에 따르면, 제3 구역(1603)에서는 전위 배리어에 대항하고 전위 배리어를 초과하는 더 활성화된 탄도성 전하 캐리어만이 통과하고 탄도성 캐리어의 방향이 굴절되어 이들이 포텐셜내로 바로 이송되도록 고안된다. 제3 구역(1603)이 전도체 구역(1602)의 것 보다 적어도 2배 큰 캐리어 유효 질량을 갖는 경우 굴절은 증가되고, 적어도 2배 클 때 더욱 강조된다. 일반적으로 제1 및 제2 구역(1601, 1602)은 유리한 ZT 열전 성능 지수를 특징으로 한다. 일반적으로 제2 구역(1602)은 많은 수의 탄도성 전자를 전이시키도록 증가된 경향을 특징으로 가지며, 이것은 일반적으로 상대적으로 긴 평균 자유 경로를 갖는 것으로 언급된다.
제1 재료(1601)는 제2 재료(1602)보다 높거나, 동등하거나 또는 낮은 전하 캐리어 유효 질량을 가질 수 있다. 또한, 제1 재료(1601)는 제2 재료(1602)에서 다시 제1 재료(1601)로 역으로 이동하는 캐리어에 대한 전위 배리어를 나타낼 수 있고 또는 나타내지 않을 수도 있다. 이러한 두가지 선택 사항은 4가지 경우를 유도하며, 각각의 경우는 상대적인 장점이 있다. 선택은 재료의 이용가능성, 조립성, 비용, 안정성 및 다른 인자들에 의해 좌우된다.
좌측에서 우측으로(1601, 1602, 1603) 전하 캐리어 유효 질량은 증가하고, 제1 재료내 배리어가 없거나 최소한의 배리어를 갖는 첫번째 경우 도 16a를 포함하는 일 구체예는 최고 전하 캐리어 유효 질량(1603)을 갖는 배리어 재료내로 에너지 활성 전자 에너지를 전달하는 최고속 및 최단 경로를 제공한다. 이들 대부분은 일부 상업적으로 가치가 있고, 부분적으로 이들의 전하 캐리어 유효 질량은 모두 1 m_e 미만으로 낮기 때문에 대개 임의의 일반적인 반도체가 제1 재료로서 사용될 수 있다. 이것은 공지된 유리한 ZT 재료 모두가 매우 효율적으로 사용될 수 있음을 의미한다. 최소한의 배리어는 밴드갭 엔지니어링 또는 축퇴성 도핑에 의해 얻어질 수 있다.
제1 재료(1601)내 배리어가 없거나 최소한의 배리어를 갖는 두번째 경우 도 16b를 포함하는 일 구체예는 중간 재료(1602)가 최저 전하 캐리어 유효 질량을 갖기 때문에, 중간 재료내 전하 캐리어는 재료가 재료(1601) 및 (1603)로부터의 전하 캐리어의 도입을 가능케 하는 것보다 훨씬 용이하게 배출시킨다. 예를 들어, 재료(1603)내 배리어를 극복하기에 너무 낮은 에너지를 갖는 전자는 중간 재료(1602)내로 다시 반사되지 않을 뿐만 아니라 재가열 및 재공정을 위한 온열 재료(1601)로 빠르게 이송한다. 중간, 내부 구역(1602)은 전기적이며 따라서 탄도성 이송의 경우, 외부 구역(1601, 1603)과 열적으로 격리된다. 이는 전자에서 격자로의 에너지 전달을 최소화하는 경향이 있으며, 다시 말해 열 전도 소실이 최소화된다. 백투백(back-to-back) 탄도성 굴절은 두개의 히트 배스(heat bath) 구역(1601) 및 (1603)을 격리하는 경향이 있다.
전하 캐리어 유효 질량이 증가되고, 제1 재료 (1601)내 배리어가 있는 세번째 경우 도 16c를 포함하는 일 구체예는 제1 재료(1601)의 최고온의 전하 캐리어만의 최고속 전달을 제공한다.
네번째 경우 도 16d를 포함하는 일 구체예는 더 고온의 재료(1601) 및 더 저온의 재료(1603)내로의 전하 캐리어 역 이송에 대항하는 전기 배리어를 나타내며, 중간 재료(1602)내 최소한의 전하 캐리어 유효 질량을 갖는다. 중요한 특성으로, 이 구성은 탄도성 이송이기 때문에 거의 가역적으로 두개의 히트 배스간 캐리어 에너지를 교환하며, 바람직하게는 격자 포논이나 다른 에너지 전달보다 빠르게 전하 캐리어 에너지가 이송된다. 탄도성 전달이 중간 구역(1602)내에서만 필수적이며, 주변 구역(1601, 1603)에서는 그렇지 않음을 유념한다. 전하 캐리어는 네가티브이거나 포지티브일 수 있으며, 배리어는 이송을 지연시키도록 고안된다. 구역용 재료의 예는 예를 들어, 외부 구역용으로는 Ti02, 중간 구역용으로는 규소일 수 있으며, 밴드 갭 배열은 배리어를 제공한다. 중간 구역(1602) 재료는 적어도 Cu, Au, Ag, Al와 같이 긴 평균 자유 경로를 갖는 재료 및 높은 ZT를 갖는 재료를 포함하는 군에서 선택될 수 있다.
일 구체예는 전도체의 양 측면상에 동일한 배리어 구역 재료를 이용한다.
냉동기와 같은 열 에너지화된 탄도성 굴절 에너지 변환기를 사용하는 일 구체예는 하나 이상의 적층된 변환기를 이용하며 발전기로서 사용되는 동일한 장치로부터 얻을 수 있는 네가티브 포텐셜 대신에 말단을 가로지르는 포지티브 포텐셜을 사용한다. 이후 히트 싱크는 열원보다 더 고온일 수 있으며, 핫 전자는 저온 구역에서 효율적으로 제거되기 때문에 냉각이 이루어진다. 탄도성 굴절의 이용은 이러한 냉각 방법의 효율 및 디바이스 중 디바이스의 효율을 증가시키며, 캐리어는 저 및 고 전하 캐리어 유효 질량 재료의 계면에서 포텐셜내로 향하지 않는다.
구체예는 집적 회로상에서 직접 하나 이상의 냉동 탄도성 굴절 에너지 변환기를 형성하고 이들을 냉각시킨다. 유사한 구체예는 예를 들어, 화학 반응 표면상에 직접 냉동 탄도성 굴절 에너지 변환기를 형성하여 반응 경로를 조절하여 반응을 조절한다.
연료, 산화제, 자가촉매, 자극제
구체예는 산화제, 자가 촉매 반응 가속화제, 감속화제 및 단일추진제를 포함하는 저장가능한 반응물을 이용한다. 표준 압력 및 온도에서 액상 과산화수소(H202)와 같은 액상은 이의 증발열은 냉각제로 사용되고 액체는 편리하게 저장가능하기 때문에 편리하다. H202와 같은 단일추진제 및 모노메틸히드라진(MMH)도 유사하게 편리하고 변환기의 활성 표면을 에너지화한다. 자가촉매성 가속화제는 H202와 같은 단일추진제를 포함된다.
일 구체예는 탄도성 굴절 변환기 어셈블리의 활성 표면에 매우 근접하게 열적으로 격리된 촉매를 이용하여 반응 속도를 증가시키고 변환기의 열 고온 구역으로 고온 실체를 열적으로 집중시킨다.
도 17은 매우 반응성 촉매(1701)가 변환기의 활성 표면(1703)에 매우 근접하게 열적으로 격리된 기둥 구조(1702)상에 놓여 있는 구체예를 보여준다. 촉매 부근에서 생성된 기체상 반응 생성물은 변환기를 에너지화한다. 생성물은 적어도 고도로 진동하는 여기 분자, 반응 분자 및 핫 기체 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
구체예는 매우 활성화된 종의 에너지화를 최대화하기 위해 선택되는 활성 반응물을 사용하고, 이는 고도로 진동하는 여기 분자(HVEM), 핫 원자, 전구체 매개 해리 흡착 동안 형성되는 퍼옥소 및 수퍼옥소와 같은 하전된 흡착 중간체, 랭뮤어-힌쉘우드(Langmuir-Hinshelwood) 및 엘레이-리디얼(Eley-Rideal) 유형 모두와 연관 반응에 참여하는 흡착물, 및 라디칼, 자유 라디칼 및 촉매 또는 자가촉매로 간주되는 종과 같은 반응 중간체를 포함한다.
구체예는 전도체 부근 또는 전도체 상에서 직접 일어나는 에너지화를 위한 수단을 제공한다. 본 명세서의 용어 "부근"은 특정 활성 여기(excitation)의 수 평균 자유 경로 미만의 거리를 말한다. 구체예는 이러한 여기를 사용하여 탄도성 굴절 에너지 변환기의 저 전하 캐리어 유효 질량 재료를 에너지화시킨다.
이러한 종류의 반응물을 이용하는 화학 반응은 금속, 전도체, 촉매, 반도체 및 세라믹내 및 상에서 10,000 켈빈을 초과하는 유효 캐리어 온도 및 반응 유효 온도를 포함하는 평형전 여기를 야기하고, 상기 캐리어는 여기자, 전도체 및/또는 반도체의 전자대의 캐리어 및 절연체를 포함한다.
일 구체예는 반응 및 반응물을 사용하여 이러한 여기를 에너지화한다. 본 반응, 반응물 및 첨가제는 적어도 단일추진제, 산화제, 자연발화성 혼합물 및 첨가제를 갖는 고 에너지 연료, 및 자가촉매종을 생성하는 것으로 알려진 반응물의 조합, 반응을 가속시키거나 반응을 조절하기 위해 선택된 반응물 및 이의 조합을 포함한다. 반응물 및/또는 첨가제는 다음의 반응물을 포함하나 이로 제한되지 않는다:
[표 1]
암모니아보다 안정한 활성 연료
아민치환된 암모니아
디-메틸-아민 (CH3)2NH
트리-메틸-아민 (CH3)3N
모노-에틸-아민 (C2H5)NH2
디-에틸-아민 (C2H5)2NH)
저장하기 더 용이한 다른 종류
메탄올, CH3OH
에탄올, EtOH CH3CH2OH
포름산, HCOOH
디젤유
가솔린
알콜
고체 연료를 포함한 슬러리
탄소 서브산화물, C3O2, CO=C=CO
포름알데히드 HCHO
파라포름알데히드 = 많은 (HCHO)n, 포름알데히드 기체에 승화가능
(동시에 잠재적인 전지 냉각제)
덜 저장가능한 연료
일산화탄소
수소
암모니아 NH3
질소를 함유하는 에너지 연료
니트로메탄 CH3NO2
메탄올을 함유한 니트로메탄 "유분" = 모델 비행기 "예열 플러그(glow plug)" 엔진 연료
와이드 공연비(fuel/air ration)의 고 에너지 연료
에폭시-에탄 = 옥시란 또는 에틸렌-산화물 CH2-CH20
1,3-에폭시-프로판 = 옥세탄 및 트리-메틸렌-산화물 = 1,3-메틸렌-산화물
CH2-(CH2)-CH2O
에폭시-프로판 CH2-(CH2)-CH2O
아세틸렌, C2H2
디아세틸렌 = 1,3-부타디엔
1,3-부타디엔 CH2=CH-CH=CH2
덜 특이적인 고에너지 연료
디-에틸렌-에테르 또는 외과용 에테르
아세톤 = 디-메틸-케톤
덜 특이적인, 휘발성 연료
사이클로-프로판
사이클로-부탄
메탄, 프로판, 부탄, 펜탄 등과 같은 탄화수소
다른 저장가능한 연료
메틸 포메이트 HCOO-C2H5
포름아미드 HCO-NH2
N,N-디-메틸-포름아미드 HCO-N-(CH3)2
에틸렌-디아민 H2N-CH2-CH2-NH2
에틸렌-글리콜
1,4-디옥산 = 에틸렌-글리콜의 이분자성 사이클릭 에테르
파라알데히드 (CH3CHO)3 아세트알데히드의 사이클릭 삼량체
강한 산화제
테트라-니트로-메탄, C(NO2)4...(기체상내 전지 반응 표면 위로 두개의 별개 증기가 통과될 뿐 자동적으로 분해되지 않음)
과산화수소 H2O2
저 개시 에너지 혼합물
산소를 갖는 사이클로 프로판 = 수술용 마취제, 마이크로주울 개시제
자동점화성(hypergolics)
UDMH = 비대칭 디메틸 히드라진 = 1,1-디메틸 히드라진
(CH3)2NNH2
UDMH은 통상적으로 N2O4의 자동점화성이며 매우 강력한 발암성임
MMH 모노메틸 히드라진 (CH3)HNNH2 산화제, 예, N2O4의 자동점화성
부식성 독성 활성 단일추진제
히드라진 = 촉매 (일반적으로 Pt 또는 Pd)로 용이하게 분해되는 H2NNH2
몰리브덴 산화물
히드라진 수화물
탄도성 전하 캐리어 굴절용 방법 및 시스템이 공개되었다. 특정 실시예 및 서브 시스템과 관련하여 본 방법 및 시스템이 개시되고 있지만, 당업자에게는 이들 특정 실시예 및 서브 시스템에 제한되지 않고 다른 구체예까지 확장되는 것임이 명백할 것이다.

Claims (21)

  1. 하나 이상의 화학적으로 에너지화되는 고체 상태 발전기(electric generator)를 포함하는, 하나 이상의 고체 상태 발전기를 포함하는 장치로서, 상기 하나 이상의 고체 상태 발전기는
    고체 상태 발전기를 형성하기 위한 제1 재료 층 및 제2 재료 층으로 이루어지는 고체 상태 접합으로서, 제1 재료 층은 나노적 클러스터를 포함하고 제2 재료 위에 있지만 제2 재료와 충분한 접촉을 유지하고, 제2 재료는 다공성인 고체 상태 접합을 포함하고,
    제1 재료와 제2 재료 사이의 전하 캐리어를 에너지화하기 위한 화학적으로 에너지화되는 반응물의 상호작용을 이용하는 것인 장치.
  2. 제1항에 있어서, 제2 재료는 표면에서 마이크로스케일 또는 나노스케일 돌출부를 포함하는 것인 장치.
  3. 제1항에 있어서, 하나 이상의 화학적으로 에너지화되는 고체 상태 발전기는 제1 재료와 제2 재료 사이의 전하 캐리어의 이송을 지연하는 전위 배리어(electric potential barrier)를 포함하는 것인 장치.
  4. 제1항에 있어서, 제2 재료는 결정질, 다결정질, 또는 다공성 TiO2, SrTiO3, BaTiO3, Sr13x-Ba_y-TiO_z, 탄화 붕소(boron carbide), LiNiO, 및 LaSrVO3를 포함하는 재료 군, 및 PTCDA, 또는 3,4,9,lO-페릴렌테트라카르복실산-이무수물과 같은 특정 유기 반도체로부터 선택되는 것인 장치.
  5. 제1항에 있어서, 히트 싱크는 제2 재료에 직접 연결되고, 상기 하나 이상의 고체 상태 발전기로부터 열을 제거하도록 구성되는 것인 장치.
  6. 제1항에 있어서, 전기적으로 직렬로, 전기적으로 병렬로, 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결된 하나 이상의 고체 상태 발전기를 포함하는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 열적으로 직렬로, 열적으로 병렬로, 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결된 하나 이상의 고체 상태 발전기를 포함하는 장치.
  8. 제1항에 있어서, 터널링 치수보다 치수가 큰 하나 이상의 고체 상태 발전기의 활성 표면 위에 모선을 포함하는 장치.
  9. 제1항에 있어서, 제2 재료에 연결되고, 하나 이상의 고체 상태 발전기로부터 열을 제거하기 위한 것이고, 주변 온도보다 높은 히트 싱크 온도를 갖고, 상기 하나 이상의 고체 상태 발전기로부터 열을 제거하도록 구성되는 히트 싱크를 포함하는 장치.
  10. 제1항에 있어서, 나노적 클러스터는 제2 재료 위에 불연속 다공성 피복을 갖는 것인 장치.
  11. 제1항에 있어서, 제1 재료 층은 복수의 나노적 클러스터를 포함하는 것인 장치.
  12. 제1항에 있어서, 나노적 클러스터는 촉매를 포함하는 것인 장치.
  13. 화학적으로 에너지화되는 고체 상태 발전기로서,
    고체 상태 발전기를 형성하기 위한 제1 재료 층 및 제2 재료 층으로 이루어지는 고체 상태 접합으로서, 제1 재료 층은 나노적 클러스터를 포함하고 제2 재료 위에 있지만 제2 재료와 충분한 접촉을 유지하고, 제2 재료는 다공성인 고체 상태 접합을 포함하고,
    제1 재료와 제2 재료 사이의 전하 캐리어를 에너지화하기 위한 화학적으로 에너지화되는 반응물의 상호작용을 이용하는 것인 화학적으로 에너지화되는 고체 상태 발전기.
  14. 제13항에 있어서, 고체 상태 접합은 전도체-유도체 접합을 포함하는 것인 화학적으로 에너지화되는 고체 상태 발전기.
  15. 제13항에 있어서, 고체 상태 접합은 유도체-유도체 접합을 포함하는 것인 화학적으로 에너지화되는 고체 상태 발전기.
  16. 제13항에 있어서, 고체 상태 접합은 유도체-전도체-유도체 접합을 포함하는 것인 화학적으로 에너지화되는 고체 상태 발전기.
  17. 제13항에 있어서, 고체 상태 접합은 쇼트키 배리어를 포함하는 것인 화학적으로 에너지화되는 고체 상태 발전기.
  18. 제13항에 있어서, 고체 상태 접합은 p-n 접합 포텐셜 배리어를 포함하는 것인 화학적으로 에너지화되는 고체 상태 발전기.
  19. 제13항에 있어서, 나노적 클러스터는 제2 재료 위에 불연속 다공성 피복을 갖는 것인 화학적으로 에너지화되는 고체 상태 발전기.
  20. 제13항에 있어서, 제1 재료 층은 복수의 나노적 클러스터를 포함하는 것인 화학적으로 에너지화되는 고체 상태 발전기.
  21. 제13항에 있어서, 나노적 클러스터는 촉매를 포함하는 것인 화학적으로 에너지화되는 고체 상태 발전기.
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