KR20140014214A - 분산형 마이크로 추력기를 이용하는 비행 제어 장치 - Google Patents

Abstract

적어도 하나의 제어면에 형성된 복수의 추력 생성 장치를 이용하여 운송 수단의 운동을 제어하는 방법 및 장치가 개시된다. 추력을 발생시키도록 제어면을 통해 가스를 추진하도록 구성된 복수의 추력 생성 장치에 대한 전력 공급은 제어면의 물리적 변위가 생성되도록 제어된다. 물리적 변위는 복수의 추력 생성 장치에 대한 전력 공급에 따르며, 운송 수단의 운동을 제어한다.

Description

분산형 마이크로 추력기를 이용하는 비행 제어 장치{FLIGHT CONTROL USING DISTRIBUTED MICRO-THRUSTERS}

[교차 참조]

본 출원은, 전문이 본 명세서에 참조로서 편입되는, 2009년 9월 3일자로 출원한 미국 가출원 제61/239,446호, 2009년 11월 27일 출원된 미국 가출원 제61/264,778호, 2010년 1월 19일자 출원된 미국 가출원 제61/296,198호 및 2011년 3월 2일자 출원된 미국 가출원 제61/448,622호와, 2010년 9월 3일자 출원된 PCT 국제 출원 제2010/002428호를 참조한다. 2011년 3월 2일자 출원된 미국 가출원 제61/448,622호에 대한 우선권이 주장된다.

본 개시 내용은 추진 시스템, 진공 생성, 가스 압축 및 기타 용도에 적용될 수 있는, 유체, 예를 들어, 가스를 운동시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.

가스 운동 장치는 광범위하게 이용된다. 가장 최초의 항공기 엔진은 피스톤 구동형 프로펠러였다. 이는 피스톤 엔진을 프로펠러에 결합함으로써 작동되었다. 이러한 간단함은 제트 엔진이 발명될 때까지 광범위한 채용으로 이어졌다. 터보 제트 엔진은 터빈을 연료 배합 장치에 결합시키는 원리에 의해 작동한다. 터빈의 회전은, 연소될 때 터빈을 회전시키도록 추력 및 토크를 제공하는 연료-공기 혼합기를 압축시킨다. 제1 터보 제트 엔진은 그 엔진으로부터 배출되는 배기 가스로부터 추력을 얻는다. 현대의 각종 터보 제트 엔진은 연료-공기 혼합기를 압축시키는 것 이외에 프로펠러 또는 팬을 구동시키도록 배기 가스에 의해 생성된 토크를 이용하는, 터보 프롭 및 터보팬 엔진을 구비한다. 로켓 엔진은 가능하게는 가장 구형인 기계식 추진 장치 중 하나이고, 시초 이래로 크게 변화하지 않는다. 로켓은 연료 산화제 혼합물을 안착하는(또는 패드 내로) 튜브 또는 원추부를 포함한다. 이러한 혼합물의 연소로부터의 팽창 가스는 추력을 생성한다. 임의의 현존하는 추진 장치의 가장 큰 연료-추력 비(fuel-thrust ratio)를 제공하는 동안, 로켓은 로켓이 생성하는 추력의 양을 쉽게 변화시킬 수 없다. 로켓을 턴온 또는 턴오프하는 기능을 추가하는 것도 그 설계를 상당히 복잡하게 한다.

2 가지 재료 사이의 부착은 5 가지의 형태, 즉 기계식, 화학식, 분산식, 정전식 및 확산식으로 특징지을 수 있다. 이러한 5가지 형태 중에서, 지금까지, 기계식 부착의 정전식이고 임의적인 형태가 가역적인 공정들이다. 진공은 표면을 부착하고, 재료를 상승시키는데 이용될 수 있다. 그러나, 일반적으로 이와 같은 장치는 압력을 감소시키고 표면에 진공을 인가하기 위한 별개의 메커니즘을 필요로 한다. 일반적으로 진공 생성 시스템은 진공 펌프, 제어 밸브, 공기 필터, 진공 게이지, 진공 저장 탱크 및 전원을 포함할 수 있다. 그러나, 부착을 위해 진공을 이용하는 이점은 잔여물(residue)이 남지 않는다는 점이다. 일반적으로, 다른 형태의 부착이 종종 바람직하지 않은 잔여물 뒤편에 보통 남아있을 것이다.

또한, 일반적으로, 상술한 종래의 추진 시스템은 가스를 압축하는데 이용될 수 있다. 또한, 피스톤 또는 다이아프램(diaphragm) 펌프에서와 같이, 이상 기체 법칙을 통해 가스를 압축하는 것이 가능하다. 일반적으로 종래의 장치는 가압된 용기(vessel)로부터 분리되는 펌핑 장치들을 필요로 한다.

표면에서 가스 흐름을 구동하는 온도차의 기능이 오랫동안 알려져 왔다. 1873년에, 윌리엄 크룩스 경(Sir William Crookes)은 열과 빛의 방사 에너지를 측정하는 방사계(radiometer)를 개발했다. 현재, 크룩스의 방사계는 박물관 상점에서 장식품으로서 종종 판매된다. 이는 4개의 베인(vane)으로 구성되고, 그 베인의 각각에서 일측은 검고 다른 하나의 일측은 밝다. 이들은 매우 작은 마찰력으로 회전할 수 있는 로터에 부착된다. 그 메커니즘은 대부분이지만 전부가 아닌 공기가 제거된 깨끗한 유리 벌브(glass bulb)의 내부에 매입된다. 빛이 베인 상에서 드리워질 때, 베인은 검은 표면이 빛에 의해 명확하게 푸쉬되어 회전한다.

크룩스는 검은 측에서의 압력이 베인을 회전시키게 하는 광 방사(light radiation)를 처음으로 설명했다. 그의 논문은 제임스 클락 맥스웰에 의해 참조되어, 자신의 전자기학 이론과 일치하기 때문에 견해를 받아들였다. 그러나, 베인의 검은 측 상에 드리워지는 빛은 흡수되는 반면, 은색 측 상에 드리워지는 빛은 반사된다. 이는 검은 측 상에서보다 밝은 측 상에서 방사압(radiation pressure)이 2배로 되게 할 수 있어, 밀(mill)이 크룩스의 초기 설명에 있어서 잘못된 방법을 정확해지도록 했다는 점을 의미한다. 그 후에 다른 부정확한 설명이 제안되었고, 그 중 일부는 현재 남아있다. 그 제안 중 하나는 벌브 내의 가스가 밝은 측보다 검은 측 상에 흡수된 방사선에 의해 더 가열될 수 있다는 것이다. 더 따뜻한 가스의 압력은 베인의 어두운 측을 푸쉬하도록 제안된다. 그러나, 더욱 철저한 분석 이후에, 맥스웰은 이러한 효과로부터 순 힘(net force)이 전혀 없으며, 단지 베인에 걸쳐 열의 정상류(steady flow)만이 있다는 것을 발견했다. 현재까지도 광범위하게 알려진 또 다른 부정확한 설명은 베인의 검은 측 상의 고온 분자의 더 빠른 운동이 푸쉬를 제공한다는 것이다.

크룩스 방사계의 작동을 위한 정확한 설명은 1879년 초에 오스본 레이놀즈(Osborne Reynolds)가 왕립 학회에 제출한 저작물로부터 유래한다. 그는, 그가 "열 증산(thermal transpiration)"으로 지칭한, 다공성 플레이트의 대향측 상의 온도차에 의해 발생된 다공성 플레이트를 통한 가스의 흐름을 설명하였다. 균등한 압력에서의 가스는 저온부로부터 고온부로 다공성 플레이트를 통해 흐른다. 플레이트가 이동할 수 없다면, 양측 상의 압력비가 절대 온도비의 제곱근인 경우에 평행 상태에 도달한다. 또한, 레이놀즈의 논문은 또한 크룩스 방사계를 논의하였다. 방사계 베인의 에지(edge)를 고려하라. 더 따뜻한 측의 에지는 저온 에지보다 비드듬하게 부딪히는 가스 분자에 더 큰 힘을 부여한다. 이러한 효과는 에지 표면에서의 온도 구배(temperature gradient) 전체에 걸쳐 가스가 운동하게 한다. 베인은 가열된 가스로부터 멀리 그리고 더 차가운 가스를 향해 이동하고, 가스는 베인의 에지 둘레로 반대 방향으로 통과한다. 또한, 멕스웰은 자기 자신의 논문을 저술하게 한 레이놀즈의 논문 "On Stresses in rarefied gases arising from inequalities of temperature"를 참조하였다. 레이놀즈를 인정하기도 하고 비평하기도 한 맥스웰의 논문은, 1879년 말에 왕립 학회의 회보에 간행되었으며, 레이놀즈 논문의 간행 이전에 발간되었다. Philip Gibbs "The Physics and Relativity FAQ", 2006, math.ucr.edu/home/baez/physics/General/LightMill/light-mill.html 참조.

19세기 말로 거슬러 올라가는 표면 상에서의 열적으로 구동된 가스 흐름에 대한 레이놀즈와 맥스웰의 설명에도 불구하고, 고온 표면 및 저온 표면과의 상호 작용에 의한 가스 운동의 잠재력이 충분히 실현되지 못하였다. 크룩스 방사계의 동작은 희박 가스(rarefied gas)(즉, 압력이 대기압보다 훨씬 낮은 가스)를 필요로 하고, 다공성 플레이트를 통한 가스의 흐름은, 부분적으로는 두께로 인해 그리고 다공성 플레이트 내의 구멍의 무작위 배치로 인해, 사용가능한 추력을 생성할 수 없다.

본 개시 내용은 복수의 추력 생성 장치를 이용하여 운송 수단(vehicle)의 운동을 제어하는 장치 및 방법으로서 구체화될 수 있다. 하나의 예시적인 방법은, 추력을 생성하기 위하여 제어면을 통해 가스를 추진하도록 구성된, 제어면 내에 형성된 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급을 제어하는 단계 및 운송 수단의 운동을 제어하기 위하여 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급에 따라서 제어면의 물리적 변위를 생성하는 단계를 포함한다.

하나의 예시적인 장치는 추력을 생성하기 위하여 제어면을 통해 가스를 추진하도록 구성된 운송 수단의 제어면 내에 형성된 복수의 추력 생성 장치, 적어도 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급을 위한 전원 공급부 및 복수의 추력 생성 장치가 운송 수단의 운동을 제어하기 위한 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급에 따라서 복수의 추력 생성 장치가 제어면의 물리적 변위를 발생시키도록 복수의 추력 생성 장치로의 전원 공급부에 의한 전력 공급을 제어하는 제어 유닛을 구비한다.

또한, 본 개시 내용은 항공기의 운동을 제어하는 비행 제어 시스템으로서 구체화될 수 있다. 하나의 예시적인 시스템은, 추력을 생성하기 위하여 통과하는 가스를 추진하도록 구성된 항공기의 하나 이상의 제어면 내에 매입된 복수의 추력 생성 장치, 적어도 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급을 위한 전원 공급부 및 항공기의 비행 경로를 결정하고, 결정된 비행 경로를 따라 항공기의 운동을 제어하기 위하여 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급에 따라서 복수의 추력 생성 장치가 하나 이상의 제어면의 물리적 변위를 발생시키도록 복수의 추력 생성 장치로의 전원 공급부에 의한 전력 공급을 제어하는 제어 유닛을 구비한다.

운송 수단의 표면에 매입되는 열 증산 장치의 어레이를 이용하여 운송 수단의 운동을 제어하는 다른 예시적인 방법은 열 증산 장치의 해당하는 것을 통해 가스 흐름을 발생시키도록 열 증산 장치 중 해당하는 것의 제1 층 및 제2 층 사이에 열 편차를 생성하는 단계 및 열 증산 장치 중 해당하는 것을 통한 가스 흐름을 이용하여 운송 수단의 운동을 제어하는 단계를 포함한다.

본 방법, 장치 및 시스템은 본 명세서에 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된 발명에 한정되는 않는 예시적인 실시예를 이용하여 설명될 것이다. 개시 내용에 대한 하나 이상의 실시예들에 대한 상세는 첨부하는 도면 및 아래의 설명에서 설명된다. 다른 특징, 목적 및 이점은 상세한 설명과 도면 및 특허청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 히트 펌브(heat pump)를 도시한다. 이는 펠티에 슬래브(peltier slab), 열이온 방출에 의해 구동되는 슬래브 또는 임의의 다른 적합한 수단일 수 있다.
도 2는 도 1의 히트 펌프 주위의 가스 흐름 패턴을 도시한다.
도 3은 평행한 고온 벽 및 평행한 저온 벽을 갖는 사각형 박스 내에 한정된 가스를 도시한다.
도 4는 톱니형 기하학적 구조를 갖는 나노 분자 솔리드 스테이트 전기 역학 추력기(Nano Molecular Solid-state Electrodynamic Thrusters: NMSET)의 스택(stack)의 순 힘을 도시한다.
도 5는 톱니형 기하학적 구조를 갖는 NMSET의 스택 주의의 가스 입자 속도를 도시한다.
도 6은 서모터널링(thermo-tunneling)이 강화된 펠티에 효과를 도시한다.
도 7은 포물선형 기하학적 구조를 갖는 NMSET의 스택을 도시한다.
도 8은 도 7의 NMSET의 스택 주의의 가스 흐름 패턴 및 가스 모멘텀 공간을 도시한다.
도 9는 삼각형 기하학적 구조를 갖는 NMSET의 스택을 도시한다.
도 10은 삼각형 기하학적 구조를 갖는 NMSET의 스택 주위의 가스 모멘텀 공간을 도시한다.
도 11은 톱니형 기하학적 구조를 갖는 NMSET의 스택을 도시한다.
도 12는 톱니형 기하학적 구조를 갖는 NMSET의 스택 주의의 가스 모멘텀 공간을 도시한다.
도 13은 솔리드 스테이트 히트 펌프의 내부 배치를 갖는 NMSET의 단면도를 도시한다. 이러한 히트 펌프는 펠티에 효과, 열이온 방출 또는 어떤 다른 적절한 수단에 의해 구동될 수 있다.
도 14는 도 13의 내부 솔리드 스테이트 히트 펌프의 배치를 갖는 NMSET의 사시도를 도시한다.
도 15는 외부 솔리드 스테이트 히트 펌프의 배치를 갖는 NMSET의 사시도를 도시한다.
도 16은 도 15의 외부 솔리드 스테이트 히트 펌프의 배치를 갖는 NMSET의 단면도를 도시한다.
도 17은 외부가 비솔리드 스테이트(non-solid state) 히트 펌프의 배치를 갖는 NMSET의 사시도를 도시한다.
도 18은 단계적인 NMSET 배치에 대한 단면도를 도시한다.
도 19는 직선형 기하학적 구조를 갖는 NMSET를 도시한다.
도 20은 NMSET를 제조하는 예시적인 방법을 도시한다.
도 21은 NMSET를 제조하는 다른 예시적인 방법을 도시한다.
도 22는 열 증산 장치를 도시하는 측단면도이다.
도 23은 열 증산 장치의 동작을 도시하는 측단면도이다.
도 24는 하나의 연장된 층 및 각진 벽을 갖는 열 증산 장치의 측단면도이다.
도 25는 도 24에 도시된 열 증산 장치의 상부 단면도이다.
도 26은 하나의 연장된 층 및 습식 또는 건식 에칭된(etched) 벽의 측단면도이다.
도 27은 도 26에 도시된 열 증산 장치의 상부 단면도이다.
도 28은 2개의 연장된 층 및 각진 벽을 갖는 열 증산 장치의 측단면도이다.
도 29는 열 증산 장치의 일 실시예의 시작 구조물의 단면도이다.
도 30은 도 29에 도시된 열 증산 장치의 연속된 구조물의 단면도이다.
도 31은 도 30에 도시된 열 증산 장치의 연속된 구조물의 측단면도이다.
도 32는 도 31에 도시된 열 증산 장치의 또 다른 구조물을 도시하는 단면도이다.
도 33은 열 증산 장치의 구조물 내에 형성된 아일랜드(island)를 도시하는 단면도이다.
도 34는 본 개시 내용에 따른 제어 장치의 일 실시예에 대한 상면도이다.
도 35는 한 세트의 연결 경로에 전력을 공급하는 동작을 도시하는 도 34에 도시된 제어 장치의 상면도이다.
도 36은 전력 라인 중 하나에서 결함의 영향을 도시하는 도 34에 도시된 제어 장치의 상면도이다.
도 37은 고장 방지 특징(fault tolerance feature)을 포함하는 본 명세서의 개시 내용에 따른 제어 장치의 일 실시예의 상면도이다.
도 38은 도 34의 제어 장치에 비해, 더 큰 어레이의 분산형 추력기를 제어하도록 설계된, 제어 장치의 다른 실시예의 상면도이다.
도 39는 도 38의 제어 장치에 비해, 더 큰 어레이의 분산형 추력기를 제어하도록 설계된, 제어 장치의 다른 바람직한 실시예의 상면도이다.
도 40a는 제어 장치가 타겟 영역을 활성화시킬 때 1차 및 2차 유효 영역을 도시하는, 본 개시 내용의 다른 실시예의 상면도이다.
도 40b는 제어 장치의 가열된 측에 배치된 전력 라인이 교차된, 도 40a에 도시된 실시예의 단면도이다.
도 40c는 제어 장치의 각 측에 전력 라인이 교차된, 도 40a에 도시된 실시예의 다른 단면도이다.
도 4la는 전기적 및/또는 열적 절연체를 갖는 본 개시 내용의 다른 실시예의 단면도이다.
도 41b는 장치의 가열된 측 상에 배치된 전력 라인이 교차하는, 도 41a에 도시된 실시예에 대한 단면도이다.
도 42a는 제어 장치와 함께 이용되는, 전력 라인 교차 지점에서 전력 공급선 및 복수의 분기선(branch line)을 구비하는 분산형 추력기의 어레이를 위한 그리드 구조의 상면도이다.
도 42b는 도 42a의 상부에 배치된 중간 절연층의 상면도이다.
도 42c는 도 42b의 상부에 배치되고 제어 장치와 함께 이용되는 단일 전력 라인의 교차 지점으로부터 복수의 타겟 지점을 생성하는 전력 공급선 및 복수의 분기선의 그리드 구조에 대한 상면도이다.
도 43 및 도 44는 온도 구배를 생성하는 개략도이다.
도 45는 온도 구배를 갖는 장치에서 유용한 온도 상승 및 하강을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 46은 본 개시 내용에 따른 수평 및 수직 로우에 배치된 복수의 추력기 영역의 상부 단면도이다.
도 47은 추력기 영역이 활성화될 때 인접하는 영역의 가열 효과를 나타내는 복수의 추력기 영역의 상부 단면도이다.
도 48은 본 개시 내용에 따른 복수의 온도 구배 장치 중 온도 구배 장치에 대한 동작 순서를 도시한다.
도 49는 종래의 쿼드 로터(quad rotor)에 대한 사시도를 도시한다.
도 50은 분산형 마이크로 추력기를 갖는 장치에 대한 상면도를 도시한다.
도 51은 도 50의 분산형 마이크로 추력기에 대한 측면도를 도시한다.
도 52는 분산형 마이크로 추력기를 갖는 운송 수단의 상면도를 도시한다.
도 53은 도 52의 운송 수단의 측면도를 도시한다.
도 54는 분산형 마이크로 추력기를 갖는 다른 운송 수단의 상면도이다.
도 55는 도 54의 다른 운송 수단의 측면도이다.
도 56은 분산형 추력기를 갖는 추가 운송 수단의 상면도이다.
도 57은 도 56의 추가 운송 수단의 전면도이다.
도 58은 수직 양력을 증강시키는 분산형 마이크로 추력기 및 전진 추력을 제공하는 복수의 엔진을 갖는 다른 운송 수단에 대한 상면도이다.
도 59는 도 58의 다른 운송 수단의 측면도이다.
도 60은 마이크로 추력기를 이용하는 예시적인 제어 방법에 대한 플로우 차트이다.
도 61은 마이크로 추력기를 이용하는 다른 예시적인 제어 방법에 대한 플로우 차트이다.

개요

바람직한 실시예에서, 분산형 추력기의 일례는 나노 분자 솔리드 스테이트 전기 역학 추력기(Nano Molecular Solid-state Electrodynamic Thruster: NMSET)로 지칭될 수 있는 본 명세서에 설명된 장치이다. NMSET의 동작에 대한 기초는, NMSET이 채용되는 방식에 따라서, 예를 들어 추진(propulsion), 부착(adhesion), 압축(compression) 및 냉각(refrigeration)의 분야에서 NMSET을 적용하는 것을 가능하게 한다. 바람직한 실시예에서, NMSET 및 관련된 분산형 추력기 장치는 조절 가능한 흐름 속도로 경량이고 컴팩트하며 에너지 효율적인 가스 압력 차이의 형성을 제공한다.

추진( Propulsion )

일부 실시예에서, NMSET와 같은 분산형 추력기는 가스 추진 분야에서 하기의 개선점 중 하나 이상을 제공할 수 있다:

1. 개선된 복원력(Improved Resiliency): 종래의 가스 추진 시스템에서의 임의 영역에 대한 손상은 아마도 시스템에 미치는 결함을 초래할 것이다. 분산형 추력기는 강화된 리던던시(redundancy) 및 견고함을 제공한다.

2. 경량(Lightweight): 전기 구동식 분산형 추력기는 광전기 박막(photovoltaic thin film)을 이용할 수 있으며, 이 경우 연료 하중이 없어진다. 또한, 분산형 추력기 내의 각각의 추력기가 국부적인 가스 압력 차이를 형성하기 때문에, 이와 같은 가스 추진 시스템의 구조적 완전성을 유지하기 위하여, 이러한 국부적인 영향은 동일한 가스 흐름 용적을 생성하는 비분산형 가스 추진 시스템에서 통상적으로 요구될 수 있는 것보다 더 적고 그리고/또는 더 가벼운 장치를 필요로 할 수 있다.

3. 확장성(Scalability): 종래의 가스 추진 시스템은 용이하게 스케일링될 수 없다: 소형 항공기용의 최적의 터보 제트는 대형 항공기용의 최적의 터보 제트의 스케일 감소(scale reductions)가 아니다. 분산형 추력기는 별개의 추력기 치수를 대부분 그대로 두면서 스케일링이 추력기의 양을 주로 변경하므로 스케일링하기에 더 용이하다.

4. 응답 시간(Response Time): 덜 거대한 추력 생성 장치는 보다 신속하게 아래 위로 스풀(spool)하고, 이로써 분산형 추력기 가스 추진 시스템로부터의 추력은 요구 변화에 응답하여 더욱 용이하게 조정될 수 있다.

5. 전력 독립성(Power Independence): 종래의 대부분의 추진 시스템은 작동을 위해 특정 타입 또는 등급의 연료를 필요로 하는 반면, 예를 들어 NMSET와 같은 분산형 추력기의 일부 실시예에서는 전기에 의해 생성될 수 있는 온도차 공급원만을 필요로 한다.

6. 녹색 추진(Green Propulsion): NMSET의 몇 가지의 실시예와 같은 분산형 추력기의 일부 실시예는 전기 입력을 기대하고, 이로써 작동하는데 화석 연료를 필요로 하지 않는다; 따라서, 요구되는 전류를 생성하는 비공해 방법을 이용할 때 통상적인 작동 동안에 공해 배기 가스(예를 들어, 일산화탄소, 산화질소)를 생성하지 않는다.

부착( Adhesion )

일부 실시예에서, 예를 들어 NMSET와 같은 분산형 추력기는 흡입을 통해 표면에 부착하는 경량의 기계식 접착제로서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서 부착을 취소하는데 요구되는 유일한 단계가 시스템으로의 전력을 차단하는 것이기 때문에 공정은 가역적일 수 있다. 이러한 시스템이 부착되는 물질이 평탄하거나 전도성인 것을 요구하지 않고, 잔여물을 남기지 않는다는 점에서, 이러한 시스템을 이용하는 것은 정전식 부착에 비하여 추가적인 이점을 제공할 수 있다. 다른 기계식 부착 공정에 비해, 이러한 시스템을 이용하는 것은 부착되는 표면이 사전 처리되는 것을 필요로 하지 않을 수 있다.

가스 압축( Gas Compression )

예를 들어 NMSET와 같은 분산형 추력기가 표면을 통한 가스 흐름을 구동하도록 배치될 수 있기 때문에, 가압 용기의 전부 또는 일부가 가스 압축을 제공하는 기능을 할 수 있다. 이에 따라, 일부 실시예에서, 분리된 펌핑(separated pumping) 및 가압된 격납(pressurized containment)이 요구되지 않을 수 있다. 더욱이, 이러한 시스템의 동작이 대체로 짧은 거리에 걸쳐 발생하기 때문에, 일부 실시예에서, 분산형 추력기의 다수의 스테이지를 적층함으로써 매우 컴팩트한 압축기로서 이러한 시스템을 이용하는 것이 가능하다. 일반적으로, 종래의 가스 추진 시스템은 센티미터 그리고 때때로 미터의 길이 스케일(length scales)에 걸쳐 동작한다. 따라서, 종래의 추진 시스템을 적층하는 것은 복잡하고 고가인 문제가 되는 경향이 있다. 대조적으로, 분산형 추력기는. 예를 들어 마이크로미터까지 낮추어진 더욱 작은 스케일에 걸쳐 동작하도록 패키지될 수 있다. 또한, 이러한 시스템의 다목적성은 고압 펌프, 표준 대기 펌프 또는 충분한 개수의 스테이지의 경우 고진공 펌프로서 기능하도록 용이하게 맞추어질 수 있다.

NMSET 설계

일 양태 및 실시예에서, 본 명세서에 설명된 NMSET 및 일부 관련된 장치는 시스템과 접촉하는 가스의 엔트로피를 감소시킴으로써 기능하는 것으로 고려될 수 있다. 선택적으로, 이러한 장치는 시스템 내의 비효율을 통해 손실된 에너지, 예를 들어, 열에너지에 더하여, 에너지를 가스에 추가할 수 있다. 다른 양태 및 실시예에서, NMSET 및 일부 관련된 장치의 기하 구조는 가스 흐름 방향 및 사용에 대한 편리함에 영향을 줄 수 있다. NMSET 및 일부 관련된 장치에 대한 몇 가지의 실시예는 스케일 파라미터, 상당한 효율 증가를 제공하는 요소들의 유익한 분자 반사 특성, 기하 구조, 디자인, 구성 및 배치를 갖는 물질, 및/또는 더 높은 주위 압력에서 작동하고 그리고/또는 더 높은 유량을 생산하는 능력의 조합된 적용에 의해 이전의 열 증산 장치(thermal transpiration devices) 등과는 더욱 구별될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 최소의 열역학적 손실을 갖는 특정 방향으로 강한 가스 흐름을 형성하고 그리고/또는 더 높은 주위 압력에서 작동하고 그리고/또는 더 높은 유량을 생산할 수 있는 이러한 파라미터 및 다른 파라미터에 대한 논의와 함께 NMSET의 다양한 예시적인 실시예가 본 명세서에서 설명된다.

NMSET에 의한 가스의 엔트로피 감소는 가스 모멘텀 공간 k 내에서의 변환 A로 나타낼 수 있다. A는 적절한 베이스 세트가 모멘텀 공간 k에 대하여 선택될 때의 매트릭스로 표현될 수 있다. 변환된 모멘텀 공간(transformed momentum space) Ak의 기댓값이 O(zero)이 아니면, NMSET은 모멘텀 보존으로 인해 기댓값의 반대방향으로 순(net) 모멘텀을 받는다.

NMSET의 기하 구조는 더욱 효율적인 기능을 위해 최적화될 수 있다. NMSET의 기하 구조는 변환 매트릭스 A에 영향을 미친다. 매트릭스 A를 생성하는 기하 구조는 순 모멘텀 바이어스를 형성하지 않는(즉, 변환된 모멘텀 공간 Ak가 O이 아닌 기댓값을 가지게 하지 않을) 단위 매트릭스 I와 본질적으로 동일하다. 오히려, 가스 와동(vortex)이 발생될 수 있다. A의 보다 큰 고유치(eigenvalue)를 가져다 주는 기하 구조는 더욱 효율적인 기능을 의미하는 경향이 있는데, 예를 들면, 더 많은 모멘텀이 특정 방향으로 이동하는 가스 입자에 의해 이송된다.

일례로서, 도 1에 도시된 바와 같이 가스 내에 침지된 히트 펌프(100)를 고려하라. 히트 펌프(100)는 상부 층(101)과 하부 층(102)을 포함한다. 단순성을 위해, 직교 좌표계가 하부 층(102)으로부터 상부 층(101)으로 향하는 y-축으로 참조될 수 있다. 상부 층(101)이 가스보다 더 차갑고 하부 층(102)이 가스더 뜨겁도록, 층들 또는 임의의 적절한 수단 사이에 펠티에 장치(미도시)에 의해 온도차가 확립될 수 있다. 단순성을 위해, 히트 펌프(100)가 100% 카르노 사이클 효율을 갖는 것으로 가정할 수 있다. 그러나, 다른 효율이 고려된다. 이 경우, 히트 펌프(100)는 순 열(net heat)을 가스 내에 전달하지 않을 것이다. 히트 펌프(100)에 의해 가스 모멘텀 공간 k로의 변환은 헤르메시안 매트릭스 A에 의해 표현될 수 있다. 가스 입자(분자 또는 원자)가 하부 층(102)과 충돌할 때, 그 충돌이 비단열적이라고 가정하면, 가스 입자는 충돌 전보다 빠른 속도로 리바운드한다. 가스 입자가 상부 층(101)과 충돌할 때, 그 충돌이 비단열적이라고 가정하면, 가스 입자는 충돌 전보다는 감소된 속도로 상부 층(101)을 리바운드한다. 히트 펌프(100)는 y 방향으로 순 힘을 받는다. 다시 말하면, 하부 층(102)이 가열하여 하부 층(102) 아래의 가스의 압력을 증대시키는 반면, 상부 층(101)이 냉각하여 상부 층(101) 위의 가스의 압력을 감소시킨다. 압력차는 y 방향으로 히트 펌프(100)에 힘을 가한다. 가스 모멘텀 공간 k의 변환의 견지에서, 상부 층(101)으로부터 리바운드하는 가스 입자가 하부 층(102)으로부터 리바운드하는 가스 입자보다 적은 모멘텀으로 나오기 때문에, 변환된 모멘텀 공간 Ak는 우선적으로 y 방향으로 스큐(skew)되는데, 즉 변환된 모멘텀 공간 Ak의 기댓값 p는 O이 아니고 y 방향으로 향한다. 가스 및 히트 펌프(100)가 폐쇄계(closed system)(즉, 다른 물체와의 상호 작용이 없음)를 구성한다고 가정하면, 히트 펌프(100)는 폐쇄계의 총 모멘텀을 보존하도록 모멘텀 -p를 얻는다.

도 1의 히트 펌프(100)의 기하 구조가 방향 힘을 발생시키지만, 소정의 상황에서는 하기의 이유로 인해 실용적이지 않을 수 있다:

1. 히트 펌프(100)가 대형이면, y 방향을 따르는 히트 펌프(100)의 병진 운동은 히트 펌프의 에지 주위에서 모두 흐르도록 가스를 강제한다.

2. 대부분의 열은 가스 대류를 통해 히트 펌프(100)의 표면으로부터 전달된다.

3. 표면 근처의 가스는 단열 효과를 갖는다. 히트 펌프(100)와 가스 사이의 모멘텀 전달은 도 2에 도시된 바와 같이 슬래브의 에지 근처를 제외하고 효율적이지 않다.

4. 히트 펌프(100)의 표면적은 그 볼록한 외피(convex hull)의 표면적이다.

이러한 문제점은 모두 단일 코어 이슈에 관한 것으로, 가스의 매우 적은 부분이 임의의 직접적인 표면 접촉을 갖는다. 이에 따라, 더욱 복잡한 기하 구조가 유익할 수 있다. 3가지의 상이한 기하 구조를 갖는 예시적인 실시예가 본 명세서에 설명된다.

작동 원리( Principles of Operation )

NMSET 또는 관련된 장치에 대한 많은 상이한 기하 구조가 가능하지만, NMSET의 동작 원리는 동일하게 유지된다. 임의의 특정 이론에 제한되기를 원치 않으면서, 동작은 일부 장치 표면 상의 엔트로피를 감소시켜서 표면과 접촉하는 가스에 감소된 엔트로피를 전달하도록 에너지를 사용한다. 장치는 가스 온도를 상승시킴으로써 가스에 에너지를 선택적으로 제공할 수 있다. 따라서, NMSET의 기능은 3가지의 영역, 즉 장치의 표면 상의 엔트로피를 감소시키는 수단, 감소된 엔트로피를 가스에 전달하는 수단 및 가스 온도를 증가시키는 히트 펌프의 카르노 사이클의 비효율 이외의 선택적인 수단으로 나뉠 수 있다.

온도차( Temperature Differential )

일반적으로, 물질의 층들 사이 또는 더욱 정확하게 2개의 대향하는 표면들 사이의 온도차가 NMSET 또는 관련된 장치가 동작하는데 요구된다. 본 명세서에 설명된 바람직한 실시예에서, 온도차는 솔리드 스테이트 전기 역학적 기구, 즉 NMSET의 "SE"에서 확립될 수 있다. 그러나, 본 명세서에 기술된 장치 및 방법은 전자 장치 또는 순수한 솔리드 스테이트 장치에 제한되지 않는다. 예를 들면, 온도차는 유체 냉매, 발열성 화학 반응 또는 다른 화학적 공급원을 이용하여 연소로부터 열 전도에 의해 확립될 수 있다. 온도차는 후술하는 바와 같이 단순한 저항성 가열(simple resistive heating), 펠티에 효과(Peltier effect), 열이온 방출(thermionic emission), 서모 터널링 강화된 펠티에 효과(thermo-tunneling enhanced Peltier effect) 또는 임의의 다른 적절한 수단에 의해 확립될 수 있다. 2 개의 대상 사이에서 온도차를 확립하는 수단은 2 가지의 특징, 즉 엔트로피 감소(2개의 물체들 사이의 열전달) 및 비단열성(환경과 2 개의 대상 사이의 총 열전달)에 의해 현상학적으로 기술될 수 있다.

일 실시예에서, 펠티에 효과는 온도차를 확립하는데 이용될 수 있다. 펠티에 효과는 2 개의 접합부에 결합된 상이한 펠티에 계수를 갖는 2 가지 물질로 이루어진 루프를 통해 전류가 인가될 때 발생한다. 전류의 방향에 따라서, 열이 하나의 접합부로부터 다른 접합부로 흘러서, 접합부들 사이에 온도차가 확립되게 한다. 펠티에 효과는 하기와 같이 이해될 수 있다: 물질 내의 전하 캐리어의 열용량은 물질 내의 단위 전하 캐리어당 이송되는 열의 양인 펠티에 계수 Π를 특징으로 한다. 전류 I가 펠티에 계수 Π_A를 갖는 물질 A와 펠티에 계수 Π_B를 갖는 물질 B의 접합부를 통해 흐르면, 전하 캐리어에 의해 단위 시간 내에 접합부로 이송되는 열의 양은 I×(Π_A-Π_B)이다.

이상적인 펠티에 효과는 엔트로피를 국부적으로 감소시키고 단열적이다. 펠티에 효과에서 줄 가열(Joule heating) 및/또는 카르노 사이클 비효율이 무시될 수 있다고 가정하면, 펠티에 효과에서, 열이 하나의 접합부로부터 다른 접합부로 전달되지만, 2가지 물질의 루프 내로 열이 추가되지 않는다. 이러한 엔트로피 감소는 NMSET 및 관련된 장치의 적층성에 이점을 제공할 수 있다. 그 결과, 펠티에 효과는 일부 실시예에 특히 적합하다.

본 실시예에서, 전력 공급원은 2 개의 표면 사이에 전류를 구동한다. 전자 및/또는 정공과 같은 전하 캐리어는 전류 내에서 흐르는 것에 따라 열을 이송하고, 따라서 2 개의 표면 사이에 온도차를 형성한다. 엔트로피는 온도차가 확립됨에 따라 감소된다.

포논(phonon) 흐름은 펠티에 효과에 의해 확립된 온도차를 감소시킨다. 포논이 자유롭게 흐르도록 허용되면(즉, 무한한 열 전도성 또는 0의 열용량), 이러한 흐름은 펠티에 효과에 의해 확립된 온도차를 상쇄할 것이다. 펠티에 효과의 효율은 전기 저항 및 열 컨덕턴스를 감소시킴으로써 증가될 수 있다.

열 컨덕턴스를 감소시키는 하나의 방법은 전류의 경로 내에 좁은 진공 갭을 위치시키는 것이다. 포논은 진공 갭을 쉽게 통과할 수 없지만, 전하 캐리어는 진공 갭에 걸친 전압 하에서 통과할 수 있다. 이는 서모터널링 강화된 펠티에 효과(또는 서모터널 냉각)로 부른다. 도 6은 서모터널링 강화된 펠티에 효과에 대한 도면을 도시한다. 전하 캐리어(601)는 진공 갭(602)을 통해 터널링할 수 있다.

일반적으로, 서모 터널링 강화된 펠티에 효과는, 진공 갭 근처의 전하 캐리어의 거동을 제한하고 터널링 확률을 증대시킬 수 있는 표면 기하 구조 및 물질에 대한 선택에 의해 강화되지 않는다면, 고온 또는 고압에서만 중요하다. 예를 들면, 적절한 표면 코팅 및 구조는 전하 캐리어의 낮은 에너지 상태를 허용하는 것이 아니라, 진공 갭 근처의 전하 캐리어의 높은 에너지 상태를 허용하는 필터로서 기능할 수 있다.

다른 실시예에서, 온도차는 전계 강화된 열이온 방출(field-enhanced thermionic emission)에 의해 형성 및 유지될 수 있다. 열이온 방출은 위치 에너지 배리어에 대한 전하 캐리어의 열유도된 흐름이다. 전하 캐리어는 전자 또는 이온(즉, 열이온)일 수 있다. 단순한 접근에서, 위치 에너지 배리어는 댐과 같이 작용하는데, 이는 그 높이보다 낮은 열 에너지를 갖는 캐리어를 억제하고 그 높이보다 높은 열 에너지를 갖는 캐리어가 오버플로우하게 허용하기 때문이다. 오버플로우하는 캐리어가 위치 에너지 배리어를 통과하면, 열은 캐리어와 함께 멀리 이송된다. 위치 에너지 배리어 뒤에 남은 캐리어는 더 낮은 온도로 다시 열성화(re-thermalize)(에너지를 재분배)된다. 일반적으로, 열이온 방출이 수백 ℃의 작동 온도를 필요로 하므로, 캐리어의 무시하지 못하는 부분(fraction)은 위치 에너지 배리어를 극복하기에 충분히 큰 열에너지를 갖는다. 전기장은 위치 에너지 배리어의 높이를 감소시키고, 요구된 작동 온도를 감소시킴으로써 열이온 방출을 도울 수 있다.

또한, NMSET 또는 관련된 장치에서의 온도차는 저항성 가열(후술함)을 이용하여 그리고/또는 적절한 화학 공정에 의해 확립될 수도 있다. 장치의 전체 온도를 상승시키지 않고서 온도차를 유지하기 위해, 대기에 노출되는 히트 싱크와 같은 일부 냉각 수단이 제공될 수도 있다. 어떠한 냉각 수단이 사용되는지에 관계없이, 예를 들어 이는 단열에 의해 성취될 수 있는 바와 같이 장치의 보다 따뜻한 표면이 보다 차가운 표면과 같이 효율적으로 냉각되지 않는다면, 온도차는 더욱 두드러진다.

힘의 생성( Force Generation )

일 양태에서, 순 추력(net thrust)의 생성은 확립된 온도차로부터 가스로의 감소된 엔트로피의 전달로서 고려될 수 있다. 이론에 의해 구속되고자 하지 않으면서, 단열 공정으로서 가스에서 동작하는 단일 장치를 고려하라. 본 예에서, 고온층과 저온층 사이의 온도차는 펠티에 효과와 같은 적절한 수단에 의해 확립된다. 단순성을 위해, 가스와 상기 장치 사이에는 순 열(net heat)의 전달이 없다고 가정하라. 가스의 입자는 동일한 확률로 고온층과 저온층와 충돌할 것이고, 이러한 층의 상호 작용은 고온층과 저온층의 표면 근방에서 가스의 국부적인 모멘텀 공간에 영향을 미칠 것이다. 고온층과 저온층의 표면에 매우 가까운 가스의 국부적인 모멘텀 공간은 가스 및 표면이 상이한 온도를 가질 때 영이 아닌(nonzero) 기댓값을 갖는다. 또한, 표면을 침투하는 가스 입자가 전혀 없다고 가정하면, 가스 입자는 자신의 입사 모멘텀과 상이한 모멘텀으로 표면으로부터 리바운드되어, 이는 표면 법선(surface normal)을 따라 모멘텀 공간을 스큐하고, 스큐의 크기는 표면과 가스 사이의 온도차에 직접적으로 관련된다.

무작위적인 기하 구조(즉, 상이한 표면 위치에서 무작위적인 방향에 대한 표면 법선)를 갖는 구성체에 있어서, 가스의 국부적인 모멘텀 공간의 기댓값의 가중된 합계는 거의 영이고, 이는 순 추력을 거의 발생시키지 않는다. 그러나, 최적화된 기하 구조를 갖는 NMSET에 있어서, 가스의 국부적인 모멘텀 공간의 기댓값의 가중된 합계는 영이 될 수 없고, 이는 순 추력을 제공한다.

영이 아닌 순 추력을 갖는 구성체에 대한 평범한 예시는, 상술한 바와 같이, 도 1에 도시된다. 거시적인 대류 가스 흐름과 와동(vortex)의 형성이 엔트로피를 증가시키고 유용한 작업량을 제한하므로 이러한 기하 구조는 매우 효율적이지 않다. 예시적인 대류 가스의 흐름(120, 130)은 도 2에 도시된다. 주위 온도에서의 가스(110)는 저온층(101) 쪽으로 흐르고 냉각된다. 냉각된 가스 흐름(120)은 저온층(101)으로부터 멀리 히트 펌프(100)의 에지 둘레에서 고온층(102) 쪽으로 흐른다. 가열된 가스 흐름(130)은 고온층(102)으로부터 멀리 흐른다.

설명을 단순화하기 위해, 뉴턴의 제2 법칙 및 가스의 운동학 이론의 견지에서 상기 시스템을 고려하는 것은 도움이 될 수 있다. 도 1 및 도 2의 히트 펌프(100) 둘레에서 가스의 온도는 층(101, 102)에 의해 브래킷(bracket)된다는 것을 가정할 때, 층(102)과 충돌하는 가스 입자는 충돌 이전보다 더 큰 모멘텀을 가지면서 고온층(102)를 떠난다. 유사하게, 층(101)과 충돌하는 가스 입자는 충돌 이전보다 더 작은 모멘텀을 갖지면서 층(101)을 떠난다. 가스 압력이 가스 입자의 모멘텀들과 직접적으로 관련되므로, 층(102) 근처의 가스는 층(101) 근처의 가스에 비해 더 높은 압력을 가진다. 이러한 압력 바이어스는 전체 히트 펌프(100)를 y 방향으로 푸쉬한다.

다른 실시예에서, 히트 펌프(100)는 층(101, 102) 사이에 하나 이상의 관통 구멍을 구비할 수 있다. 가스는 가스의 가열 속도를 더 증가시키는 구멍을 통해 층(101)으로부터 층(102)으로 동시에 흐른다. 이러한 우선적인 가스 흐름은 열 증산(thermal transpiration)으로 지칭된다. 층(101) 근처의 가스가 T_c의 온도와 P_c의 압력을 가진다고 가정하면, 다음의 수학식이 만족되는 경우, 열 증산은 구멍을 통해 층(101)으로부터 층(102)으로 가스가 흐르게 한다.

효율을 개선하기 위해, 가스 흐름 내에서 고전적인 한계가 존재하는 경우를 이해하는 것이 도움을 줄 수 있다. 가스 흐름의 대류에 대한 설명에서, 크누센 수(knudsen number)가 나타나는 주변 길이 스케일 주위에서 브레이크 다운(break down)이 있다. 결과적으로, 일부 양태에서, 가스의 평균 자유 경로(mean free path)는 NMSET의 유익한 기하 구조를 결정하는 데 유용한 파라미터가 된다.

예를 들어, 10 nm의 평균 자유 경로를 갖는 특정 압력에서의 가스를 고려하자. 도 3에 도시된 바와 같이, 이와 같은 가스의 클라우드(cloud)가 20 nm x 20 nm의 2차원적인 정사각형에서 갇혀 있다면, 10 nm의 이동 거리 내의 가스 입자는 대략적으로 박스의 벽과 부딪치는 만큼 다른 가스 입자에 부딪칠 것이다. 박스의 벽이 가열된다면, 더 작은 박스 내의 가스 입자가 벽과 충돌하여 벽과 열을 교환하는 기회가 더 많이 제공되기 때문에, 그 후 더 작은 박스가 더 큰 박스보다 더 빨리 열역학적 평형 상태(thermodynamic equilibrium)에 도달할 것이다. 일반적으로, 가스 내의 대부분의 충돌이 가스 입자와 표면 사이에서 이루어질 때, 그 후 열역학적 평형 상태는 대략 평균 자유 시간(가스 입자가 평균 자유 경로를 이동하는데 소요되는 시간) 내에서 성취될 수 있다.

이러한 이유로 인해, 일부 실시예들에서, NMSET 및 관련된 장치의 개별적인 특징의 특징적인 스케일은 나노 스케일(nanoscale), 즉 NMSET의 "NM" 일 수 있다. 그러나, 본 명세서에 설명된 방법 및 장치는 나노 스케일 실시예들에 한정되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 평균 자유 경로 파라미터는, 일부 실시예 및 용도에서 더 큰 스케일의 특징부가 적용될 수 있도록, 가스 밀도에 의존한다. 또한, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 복수의 NMSET 및 관련된 장치의 요소들은 큰 표면에 걸친 작용을 제공하도록 결합될 수 있다. 유익하게는, 예를 들어, NMSET와 같은 분산형 추력기가, 예를 들어 도 15, 도 16 및 도 17에서 도시된 바와 같이, 대형 표면을 가로질러 가스의 지향된 이동을 제공하도록 어레이들 및/또는 어레이들의 어레이들에 유리하게 정렬될 수 있다. 또한 NMSET와 같은 분산형 추력기는 예를 들어 도 18의 (a) 내지 (d)에서 도시된 바와 같이, 더 큰 압력차를 성취하도록 하나 이상의 스테이지에 배치될 수 있다. 도 18의 (a)는 NMSET 구성체(1800)와 같은 스테이지식 분산형 추력기의 어레이에 대한 단면도를 도시한다. 각각의 단계적인 구성체(1800)는 도 18의 (b) 내지 (d)에서 확대하여 도시된 NMSET(1840, 1850, 1860)와 같은 분산형 추력기의 어레이가 포함된 동심의 반구(half-sphere)의 형태로 스테이지(1810, 1820, 1830)를 구성한다. 각 스테이지에서의 개별적인 분산형 추력기 개구(1845, 1855, 1865)는 작동 시에 각 스테이지에서 겪은 대기압을 감소시킴에 따라 최적의 크기와 두께로 증가한다.

표면 상호 작용( Surface Interaction )

표면 사이의 상호 작용은 모멘텀 공간 변환 매트릭스 A에 영향을 끼친다. 근방의 표면이 가스 입자를 통해 포논(phonon)을 용이하게 교환할 수 있다면, 이러한 표면에서의 엔트로피는 와동의 발생을 통해 포논을 용이하게 교환할 수 없는 표면에 비해 더 큰 속도로 국부적으로 증가할 것이다. 이는 시스템의 효율을 대체로 감소시킬 것이다.

포논 교환이 감소될 수 있는 한 가지 방법은 표면들 사이의 임의의 공유된 베이스들을 제한하거나 또는 제거하는 것이다. 예를 들어, 도 3의 박스(300) 내의 가스 입자를 고려하라. 박스(300)는 서로 평행한 2개의 평면형 고온 벽(302) 및 서로 평행하고 고온 벽(302)에 대해 직교하는 2개의 평면형 저온 벽(301)을 포함한다. 박스(300)가 사이즈에 있어서 그 내부의 가스 입자의 평균 자유 경로에 비교g할 만하고 벽들(301, 302)이 완벽하게 정반사성이라면, 가스 입자는 개별적으로 저온 벽(301) 및 고온 벽(302)과 열적 평형 상태에 도달할 수 있다. 이는 상기 벽들의 표면 법선이 2개의 저온 벽(301) 또는 2개의 고온 벽(302) 사이에서만 공유되고, 저온 벽(301)과 고온 벽(302) 사이에서는 공유되지 않기 때문이다. 따라서, 가스 입자에 의해 고온 벽(302)과 저온 벽(301) 사이에서 교환되는 모멘텀은 거의 없거나 전혀 없을 수 있다. 이는, 가스 입자와 저온 벽(301) 사이의 상호 작용은 y 방향으로의 모멘텀이 아니라 x 방향으로의 모멘텀에만 영향을 미치고; 가스 입자와 고온 벽(302) 사이의 상호 작용은 x 방향으로의 모멘텀이 아니라 y 방향으로의 모멘텀에만 영향을 미치기 때문이며, 가스 입자 사이의 충돌이 전혀 없다고 가정하면, x 방향으로의 모멘텀은 y 방향으로의 모멘텀에 직교한다는 사실 때문이다. 가스 입자와 벽 사이에서 열적 평행 상태가 도달된 후에, 가스 입자는 x 방향보다 y 방향으로 더 빨리 이동한다.

실제적인 문제로서, 통상적으로 표면들은 완벽한 정반사성이 아니다. 그러나, 코너에서의 대류 유동이 감소될 수 있는 각도가 있도록, 정반사성 표면의 특성이 몇 가지의 물질에서 매우 강하게 나타난다. 이 효과는 일반적으로 NMSET 및 관련된 장치에 대한 바람직한 조건인 크누센 수가 큰 경우에, 특히 나노 스케일 실시예에서 관찰된다. 덴마크의 물리학자 마틴 크누센(1871 ~ 1949)의 이름을 따라 명명된 크누센 수(Knudsen number: Kn)는 대표적인 물리적 길이 스케일에 대한 분자의 평균 자유 경로의 비로서 정의된 무차원의 수이다. 본 명세서에 설명된 NMSET 또는 관련된 장치에서, 대표적인 물리적 길이 스케일은 상기 장치의 개구 직경의 크기의 차수로 고려되는 바, 즉, 대표적인 물리적 스케일 길이는, 예를 들어, 개구가 나노미터에서 측정된다면 나노미터이고 개구가 마이크로미터에서 측정된다면 마이크로미터이다. 본 명세서에 개시된 장치를 이용하는 바람직한 방법에서, 크누센 수는, 바람직하게는, 0.1보다 크거나, 1보다 크거나, 10보다 크다.

NMSET 및 그와 관련된 장치의 최적화 방법

모델링( Modeling )

특정한 기하 구조를 갖는 NMSET의 실행은 최적화를 위해 몬테카를로(Monte-Carlo) 방법에 의해 시뮬레이션될 수 있다. 구체적으로, 임의의 설정된 기하 구조를 갖는 NMSET 및 관련된 장치의 시뮬레이션은 장치 주위에서의 무작위적인 초기 위치와 모멘텀을 갖는 가스 입자의 그룹으로서 시작할 수 있다. 짧은 시간 간격 이후의 이러한 입자들의 위치들과 모멘텀들은 종래의 물리적 법칙, 온도, 압력과 같은 파라미터, 화학적 본질, 장치의 기하 구조, 장치의 표면과 가스 입자 사이의 상호 작용을 이용하여 초기 위치 및 모멘텀으로부터 계산된다. 시뮬레이션은 선택된 반복 횟수를 통해 실행되고 시뮬레이션 결과가 분석된다. 장치의 기하 구조는 시뮬레이션 결과를 이용하여 최적화될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 장치는 시뮬레이션 분석의 결과를 이용하여 제조된다.

바람직한 실시예에서, 시뮬레이션은 하기의 테이블로 나타낼 수 있다:

섭동(perturbation) 모델 M 은 반복되는 숫자(k)를 통해 전개된다. 첫째로, M은 솔루션 지식이 전혀 없는 것을 나타내는, 공집합으로 초기화된다. 다음으로, 검색 파라미터가 유한 검색 공간 P로부터 임의의 요소를 생성하고 이전의 학습된 지식 M이 P를 섭동하는데 사용되는 루프가 개시된다. 특정한 알고리즘이 구현 상세로서 섭동하는데 이용된다.

그리드 컴퓨팅 환경에서 실행된다면, 이상적으로는 M은 모든 노드(node) 사이에서 동일해야 하지만, 이는 공정의 고유하며 확률적인 특성으로 인해 필요하지 않다. 몬테-카를로 시뮬레이션을 실제로 실행하는 EVOLVE_MODEL의 단계는 M을 동기화하기 위해 많은 시간이 제공되어야 하고 가장 계산적으로 훨씬 비용이 많이 든다.

특정한 파라미터는 환경에 의존한다. 사용자가 특정할 수 있는 파라미터는 다음을 포함한다:

1. CO₂ 또는 H₂O와 같은 3 개까지의 원자를 포함하는 일부 실시예들에서의 분자 다이아그램

2. 요소가 되는 분자의 부분 농도

3. 전체 가스의 초기 온도 및 압력

정적인 시뮬레이션에서, 몬테-카를로 시뮬레이션은 모든 축에서 주기 경계(periodic bound)를 가지면서 실행될 수 있다. 그러나, y 축에서, 주기 경계를 만나는 입자는 대기 조건을 시뮬레이션하기 위하여 온도 및 압력 설정에 따라 확률적으로 온도 조절된다. x 축에서, 입자 속도는 그 방향을 따라 동일한 장치 조립체들의 주기 앙상블(ensemble)을 시뮬레이션하도록 변형되지 않는다. 이러한 시뮬레이션은 시뮬레이션의 계산 복잡성을 감소시키기 위해 2 차원적으로 실행될 수 있다. 3 차원의 시뮬레이션은 모델링된 장치가 원통형으로 대칭될 때 유사한 결과를 제공해야 한다. 일반적으로, 시뮬레이터는 본 명세서에 나타낸 바와 같이, 주기성(periodicity)을 이용할 필요는 없고 어떤 경계도 전혀 특정하지 않을 수 있다는 점에 유의하라; 이는 계산 편의로서만 정의된다.

바람직한 실시예에서, 잠재적인 장치의 기하 구조는, 장치가 이용될 조건과, 이를 구축시키는 재료의 알려진 표면 반사 특성을 고려하여 평가될 수 있다. 기하학적 파라미터는 기하 구조가 NMSET 및 관련된 장치의 제조에 실제로 이용되기 전에 시뮬레이션으로부터의 결과를 분석함으로써 최적화될 수 있다.

예시적인 기하 구조( Example Geometries )

특히 다른 기하 구조를 갖는 4 가지의 실시예가 후술된다. 이러한 4 가지의 기하 구조는 직선형, 포물선형, 삼각형 및 톱니형으로 지칭될 것이다. 본 명세서에 설명된 NMSET 및 관련된 장치의 기하 구조는 상당히 다양해질 수 있고 이러한 예들은 시스템 효율에 있어서 소정의 설계 선택의 효과를 논의하는 목적을 위한 예시로서만 취급되어야만 한다.

직선형( Straight )

도 19는 직선형 기하 구조를 갖는 NMSET 또는 관련 장치(1900)의 일 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 장치(1900)는 고온층(1902)과 저온층(1901)을 포함한다. "고온층" 및 "저온층"은 이러한 층들이 그 사이에서 온도차를 갖고, NMSET 또는 관련 장치를 침지하는 가스보다 "고온층"이 반드시 더 뜨겁거나 또는 "저온층"이 반드시 더 차가운 것을 의미하지 않는다. 하나 이상의 직선형 관통 구멍(1910)은 장치(1900)의 전체 층을 통해 연장되고, 바람직하게는 층의 각 세트에 대하여 유사한 단면 형상 및 크기를 갖는다. 직선형 관통 구멍(1910)은 원형, 슬릿(slit), 빗(comb)과 같은 임의의 단면 형상을 가질 수 있다.

바람직하게는, 직선형 관통 구멍(1910)의 전체 길이(1910L)(즉, 하나의 입구로부터 다른 하나의 입구까지의 거리)는 장치(1900)를 침지하는 가스의 평균 자유 경로의 10배까지, 5배까지 또는 2배까지이다. 표준 대기압에서의 공기의 평균 자유 경로는 55 nm이다. 더 높은 고도에서, 공기의 평균 자유 경로는 증가한다. 대기상의 적용에 있어서, 바람직하게는 전체 길이(1910L)는 1500nm 이하이고, 더욱 바람직하게는 적용에 따라 550 nm 이하, 275 nm 이하 또는 110 nm 이하이다, 바람직하게는, 고온층(1902)과 저온층(1901) 사이의 온도차는 적어도 0.5 ℃, 더욱 바람직하게는 적어도 30 ℃, 더욱 바람직하게 적어도 50 ℃, 가장 바람직하게는 적어도 100 ℃이다.

고온층(1902)과 저온층(1901)은 열적 차단(thermal isolation)을 위해 그 사이의 갭(gap)에 의해 분리될 수 있다. 갭은 진공 갭이고 그리고/또는 단열제를 포함할 수 있다. 일례에서, 갭은 이산화규소와 같은 양호한 단열제로 이루어진 복수의 얇은 필러(pillar)를 포함한다.

바람직하게는, 장치(1900)는 ㎠ 당 적어도 10개의 직선형 관통 구멍을 갖는다. ㎠ 당 장치의 모든 직선형 관통 구멍의 전체 주변부의 길이는 바람직하게는 적어도 2 ㎝이다.

포물선형( Parabolic )

도 7은 포물선형 기하 구조를 갖는 NMSET 또는 관련된 장치(700)의 일 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 교대하는 고온층(702)과 저온층(701)이 적층된된다. 예시에서, 각각의 고온층(702)과 저온층(701)은 직선형 관통 구멍을 갖는다. 모든 관통 구멍은 정렬된다. 각각의 고온층(702) 내의 관통 구멍은 바로 위의 저온층(701) 내의 관통 구멍과 유사한 크기를 가지고, 바로 아래의 저온층(701) 내의 관통 구멍보다 더 작다. 각각의 저온층(701)은 바로 인접하는 고온층(702)보다 더 차갑고 각각의 고온층(702)은 바로 인접하는 저온층(701)보다 더 뜨겁다. y 방향으로의 표면 법선을 갖는, 각각의 고온층(702)의 표면(702a)은 노출된다. 모든 관통 구멍은 포물선형 표면의 윤곽을 갖는 노즐을 집합적으로 형성한다. 이러한 기하 구조는 고온층과 저온층 사이에서 공유된 베이스를 최소화시킨다. 그러나, NMSET 또는 관련된 장치는 가스의 에너지를 실질적으로 증가시키지 못하므로, 증가하는 구멍의 직경은 그 에지에서 가스 압력을 감소시키는 결과를 가져올 수 있다. 이는 전체적인 효율을 감소시키는, 하부 개구 근방에서 강한 와동을 생성한다. 포물선형 기하 구조를 갖는 NMSET는 단열성이거나 등압성일 수 있고, 이 두가지가 아닐 수 있다. 포물선형 기하 구조를 갖는 NMSET 또는 관련된 장치의 가스 흐름에 대한 근사가 도 8에 도시된다. 가스 모멘텀 공간은 모멘텀의 기댓값이 -y 방향을 지시하도록 스큐된다.

포물선형 기하 구조가 NMSET 또는 관련된 장치에서 효율적이더라도, 가스 압력의 감소는 하부 개구의 크기에 있어서 상부 경계를 제공한다. 일반적으로, 이동되는 가스가 용적에서의 변화를 겪는 임의의 단열 장치는 그 효율성이 악화할 것이다.

포물선형 기하 구조를 갖는 장치 내에 온도차가 비단열적인 수단에 의해 호가립되면(즉, 장치가 가스의 전체 온도를 상승시키면), 가스에 추가되는 열량이 와동의 형성을 방지하기에 충분한 한, 포물선형 기하 구조를 갖는 MSET는 용적 변화를 겪는 가스로부터의 효율성이 악화할 수 발생할 수 있다. 그러나, 이와 같은 장치는 전체 엔트로피가 더 높아짐으로 인해 그 효율성이 악화하는 바, 즉, 가스 모멘텀 공간의 고유 벡터(eigenvector)는 가스가 팽창하여야 한다면 멀리 있지 않지만, 소규모로 열을 공급하는 것은 이를 멀리 운반하는 것보다 일반적으로 더 용이하다.

삼각형( Triangular )

도 9에서 상세히 나타낸 삼각형 기하 구조는 단열 유동에 관한 포물선 기하 구조의 부분적인 최적화이다. 이러한 경우에, 가스는 큰 스케일의 와동 생성을 유발하기에 충분한 팽창을 겪도록 허용되지 않는다. 또한, 개구가 크기를 변화시키지 않기 때문에, 이러한 것과 같은 같은 삼각형 구성체는 용이하게 적층될 수 있다.

이러한 삼각형 기하 구조의 모멘텀 공간은 도 10에 도시된 바와 같이, 더욱 효율적으로 바이어스된다. 포물선형 구성체에서와 같이, 노출된 고온 및 저온 표면이 바람직하게는 90도의 각도에서 대면한다; 그러나, 입자들이 중앙 갭을 가로지르는 표면 사이에서 열을 전후로 이송할 때 비효율의 원인이 발생한다.

도 9는 삼각형 기하 구조를 갖는 NMSET 또는 관련된 장치의 스택(900)을 도시한다. 스택(900) 내의 각각의 장치는 두께가 동일한 고온층(902)과 저온층(901)을 포함한다. 저온층(901)과 고온층(902) 사이의 온도차는 펠티에 효과 또는 임의의 다른 히트 펌프와 같은 임의의 적절한 수단에 의해 확립될 수 있다. 각각의 장치는 관통 구멍(903)을 갖는다. 각각의 관통 구멍(903)은 각각의 입구 상에 대략 45°모따기부(chamfer)(9031, 9032)를 갖는다. 모따기부(9031, 9032)의 표면은 예를 들어, 저온층(901)과 고온층(902)의 두께의 1.40 내지 1.42 배이며, 구조적인 고려를 위한 예각에 대한 변형을 포함하지 않는다. 스택(900) 내의 모든 층들 내의 관통 구멍(903)은 정렬된다. 일반적으로, 스택(900) 내에서의 장치 내의 고온층(902)의 온도는 스택의 일측으로부터 타측으로 단조롭게 증가하지 않는다. 일반적으로, 스택(900) 내에서의 장치 내의 저온층(901)의 온도는 스택의 일측으로부터 타측으로 단조 감소하지 않는다. 바람직하게는, 각각의 저온층(901)은 바로 인접하는 고온층(902)에 비해 더 차갑고, 각각의 고온층(901)은 바로 인접하는 저온층(901)에 비해 더 뜨겁다. 엔지니어링적인 이유로, 삼각형 구성체의 고온 및 저온 표면은 파인 포인트(fine point)에 도달하지 않을 수 있다.

톱니형( Sawtooth )

도 11은 톱니형 기하학적 구조를 갖는 NMSET 또는 관련된 장치의 스택(1100)을 도시한다. 스택(1100) 내의 각각의 장치는 t_h의 두께를 갖는 고온층(1102)과 t_c의 두께를 갖는 저온층(1101)을 포함한다. 저온층(1101)과 고온층(1102) 사이의 온도차는 펠티에 효과 또는 임의의 다른 히트 펌프와 같은 적절한 수단에 의해 확립될 수 있다. 각각의 장치는 관통 구멍(1103)을 갖는다. 도시된 장치에서, 각각의 관통 구멍(1103)은 저온층(1101) 측 상의 입구에서의 모따기부(11031) 및 고온층(1102) 측 상의 입구에서의 모따기부(11032)를 갖는다. 모따기부(11031)와 관통 구멍(1103)의 중심축 사이의 각도는 θ₁이고, 모따기부(11032)와 관통 구멍(1103)의 중심축 사이의 각도는 θ₂이다. 바람직하게는 θ₁과 θ₂의 합계는 75°내지 105°이고, 더욱 바람직하게 85°내지 105°이고, 더욱 바람직하게는 88°내지 92°이다. t_h에 대한 t_c의 비는 θ₂의 코탄젠트에 대한 θ₁의 코탄젠트의 비와 실질적으로 동일하다. θ₂는 바람직하게는 70°내지 85°이다.

본 명세서에 설명된 모따기부 각도의 관계는 바람직한 한정이고, 엄격한 경계가 하니다. 일반적으로 완벽한 정반사성의 분자 반사 특성을 나타내는 물질에 대하여, 모따기부 각도의 관계는 다소 완화될 수 있다. 완벽한 정반사성의 분자 반사 특성에 비해 적게 나타내는 물질에 있어서, 모따기부 각도의 관계는 엄격해질 수 있다. 바람직하게는, 모따기부 기하 구조는 공유된 베이스를 최소화하도록 정렬될 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 정반사성으로 모따기부 표면을 반사하는 표면 법선은 직교할 수 있다. 직교성으로부터의 편차는 코사인 함수로서 효율성에 있어서 불리한 상황을 발생시킬 수 있다. 엔지니어링적인 이유로, 톱니형 구성체의 고온 및 저온 표면은 파인 포인트에 도달하지 못할 수 있다.

도시된 장치에 있어서, 스택(1100) 내의 모든 층들 내의 관통 구멍(1103)은 정렬된다. 스택(1100) 내의 각각의 장치 내의 고온층(1102)에 대한 온도는 스택의 일측으로부터 타측으로 단조 증가하지 않는다. 스택(1100) 내의 각각의 장치 내의 저온층(1101)에 대한 온도는 스택의 일측으로부터 타측으로 단조 감소하지 않는다. 각각의 저온층(1101)은 바로 인접하는 고온층(1102)보다 더 차갑고 각각의 고온층(1102)은 바로 인접하는 저온층(1101)보다 더 뜨겁다.

도 11에 도시된 톱니형 기하 구조는, 바람직하게는 모든 고온층(1102)이 거의 동일한 방향으로 인접하여 배향된다는 점에서 삼각형 기하 구조에 비하여 개선을 제공한다(즉, 바람직하게 θ₂는 거의 90°이다). 이는 관통 구멍(1103)을 가로지르는 고온층과 저온층(1102, 1101) 사이에서 직접적인 상호 작용을 감소시킨다.

또한, 고온층(1102)이 저온층(1101)에 비해 하부의 노출된 표면 영역을 갖고, 저온층(1101)이 삼각형 기하 구조에 비해 관통 구멍(1103)의 중심축에 대해 더 낮은 각도에서 바람직하게 배향되기 때문에, 톱니형 기하 구조는 삼각형 기하 구조에 비해 더욱 효율적으로 가스 내의 엔트로피를 감소시킬 수 있다(그리고 이에 의해 더 많이 적용하게 한다). 이러한 톱니형 기하 구조의 모멘텀 공간은, 도 12에 도시된 바와 같이, 삼각형 기하 구조의 모멘텀 공간에 비해 더욱 효율적으로 바이어스된다.

삼각형 구성에 있어서, 장치는 그 분리 각도가 90°이기 때문에, 단면의 대향하는 측 상의 장치 슬라이스는 y 축으로 1/√2 의 크기를 갖는다. 이는 엔트로피의 일부가 직접적인 표면간 상호 작용으로 완화됨에 따라, 엔트로피 감소에 대한 효율을 제한한다.

그러나, 톱니형 구조에 있어서, 고온층(1102)은 인접하는 저온층(1101)과 베이스를 공유하지 않을 뿐만 아니라, 관통 구멍(1103)을 가로지르는 고온층 및 저온층과 베이스를 거의 공유하지 않는다. 이러한 조합된 특성으로 인해 톱니형 기하 구조는 삼각형 기하 구조에 비해 더욱 효율적이다.

NMSET 또는 관련된 관련 장치에 전원이 공급된 후에(즉, 온도차가 확립된 후에), 저온층으로부터 리바운딩하는 가스 입자는 감소된 순 속도를 갖는 한편, 고온층으로부터 리바운딩하는 가스 입자는 더 큰 순 속도를 갖는다. 도 4는 스택(1100)(톱니형 기하학적 구조)의 층이 겪는 순 힘을 도시한다. 안정 상태에서, 저압이 입구 개구(도 4의 상부 개구)에서 생성되며, 이는 이어서 스택(1100) 상부에서 상응하는 저압 영역을 생성한다. 가스 입자 충돌로부터 기인하는 스택(1100)의 가스 입자 속도가 도 5에 도시된다

온도차를 확립하는 수단( Means for Establishing Temperature Differential)

내부 펠티에

일 실시예에 따라, 장치의 기하학적 구조 내의 각각의 요소는 입자 지향기(director) 및 엔트로피 감소기(reducer) 양자로서 작용한다. 펠티에 장치에 있어서, 고온 및 저온 플레이트는 상이한 펠티에 계수를 갖는 재료로 이루어진다. 전류는 저온 및 고온 플레이트 사이에서 흐르게 된다. 이러한 전류의 흐름은 장치를 작동시키는 데 필요한 온도차를 확립하는 펠티에 열을 동반하여 이송한다. 일부 실시예에서, 압전(piezoelectric) 스페이서가 그 사이에서 분리 갭을 유지하도록 장치 요소 사이에서 배치될 수 있다.

내부 펠티에 정렬을 갖는 일 실시예에 따른 NMSET 또는 관련 장치의 단면은 도 13 및 도 14에서 상세히 도시된다. 모든 고온층(1302)은 연결된다. 모든 저온층(1301)은 연결된다. 전류는 온도차를 확립하기 위해 저온층 및 고온층 사이에 개재된 펠티에 장치를 통해 흐른다. 층들이 더 얇아질수록, 필연적으로 전류는 더 커진다.

내부 펠티에 정렬을 갖는 NMSET 또는 관련 장치는 장치의 크기를 감소시키는 것을 더 용이하게 할 수 있다. 도 14에 도시된 것과 같은 단일 스택은 추력을 생성시키도록 완전히 기능적일 수 있다. 내부 히트 펌프를 갖는 NMSET 또는 관련 장치는 가장 큰 입도(granularity)의 정도를 강조하는 마이크로전자기계 시스템(microelectromechanical system: MEMS)에서의 이용에 더 적합하다.

전계 강화된 열이온 방출( Field - Enhanced Thermionic Emission )

다른 실시예에서, 온도차는 전계 강화된 열이온 방출에 의해 생성될 수 있다. 도 19에 도시된 바와 같이, 전기장은 저온층(1901)으로부터 열적으로 방출된 전하 캐리어가 저온층(1901)으로부터 고온층(1902)으로 열을 전달할 수 있도록 저온층(1901)과 고온층(1902) 사이에서 확립될 수 있다.

외부 펠티에( External Peltier )

다른 실시예에서, 온도차는 NMSET 또는 관련 장치 외부의 펠티에 장치와 같은 히트 펌프에 의해 생성될 수 있다. 체커 보드(checker board) 방식으로 정렬된 이러한 펠티에 장치는, 도 15 및 도 16에 상세히 도시된 바와 같이, 인터페이스 층(1510, 1520)을 거쳐 NMSET 또는 관련된 장치 스택(1500)에 열적으로 결합된다.

외부 펠티에 장치를 갖는 장치는 온도차를 생성하도록 이용된 재료로부터 가스 흐름을 생성하기 위해 이용된 재료를 분리시키는 이점을 가진다. 히트 펌프에 적합한 재료가 미세구조에 적합하지 않을 수 있고, 또는 그 반대로도 될 수 있기 때문에, 엔지니어링 관점으로부터 이는 바람직할 수 있다. 게다가, 외부 히트 펌프는 더 커지고 더욱 효율적으로 될 수 있으며, 충분한 온도차를 확립하기 위하여 더 적은 전류를 필요로 할 수 있다.

압전 스페이서는 층들 사이에서 이용될 수 있다. NMSET 내에서의 이용에 적합한 재료는 바람직하게는 열적 팽창 및 수축을 기계적으로 견디기에 충분히 강하고 그리고/또는 바람직하게는 매우 작은 팽창 계수를 갖는다. 그렇지 않으면, 층 내의 구멍은 오정렬될 수 있어, 효율을 감소시킬 수 있.

외부 비펠티에( External Non - Peltier )

다른 실시예에 따라, 온도차는 임의의 적절한 열원 및/또는 히트 싱크에 의해 설정된다. 예를 들어, 열원은 전계 강화된 열이온 방출, 저항성 히터, 화학 반응, 연소 및/또는 밝은 빛 또는 다른 형태의 방사선의 직접적인 조명일 수 있다. 이러한 실시예의 예시가 도 17에 도시된다. 도시된 예에서, 가열 표면(1702)은 저항성 가열 재료 또는 방사성의 가열을 효율적으로 받을 수 있는 재료일 수 있다. 외부 비펠티에 히트 펌프는 펠티에 장치와 같은 빌트인 히트 펌프를 필요로 하지 않기 때문에 편리하다. 일부 적용예에 있어서, 먼저 방사선을 전기로 변환하는 대신에, 태양과 같은 방사선 공급원을 향하여 가열 표면을 지향시켜 히트 펌프를 구동하는 것이 편리할 수 있다. 이 대신에, 방사선 공급원은 NMSET 또는 관련된 장치의 고온층과 열적으로 연통하는 열 흡수 표면을 향하여 지향될 수 있다. 그러나, 외부 비펠티에 히트 펌프에서, 바람직하게는, NMSET 또는 관련 장치가 과열되지 않는 것을 보장하도록 더 많은 주의가 기울어진다.

도 17에 도시된 모세관(1750)은 히트 싱크를 제공할 수 있는 예시적인 메커니즘을 제공한다; 그러나, 히트 싱크가 단순히 일련의 베인 또는 어떤 다른 적합한 히트 싱크인 것도 가능하다. 이 대신에, 도 17의 외부 비펠티에 히트 펌프는 모세관(1750)을 통해 열원을 제공하도록 구성될 수 있다. 열원은 발열 화학 반응, 바람직하게는, 과도한 압력을 생성하지 않는 것일 수 있다.

재료( Materials )

NMSET 및 관련 장치는 다양한 재료로 구성될 수 있다. 다양한 관점에서, 재료의 특성은 소정의 기하학적 구조와 조합하여 활용될 수 있다.

가스 분자의 정반사(specular reflection)는 NMSET 또는 관련 장치의 가스에 노출된 표면, 예를 들어, 흐르는 가스와 접촉하는 가열된 표면 및 냉각된 표면을 형성하는 바람직한 재료의 특성이다. 정반사는 표면으로부터, 빛 또는 이 경우에 가스 입자의 거울과 유사한 반사이다. 정반사 표면 상에서, 단일 입사 각도에서의 유입하는 가스 입자는 표면으로부터 단일 외향 각도로 반사된다. 유입 가스 입자와 표면이 동일한 온도를 갖는다면, 표면 법선에 대한 입사 각도 및 외향 각도는 동일하다. 즉, 입사 각도는 반사 각도와 동일하다. 정반사의 두 번째 특성은 입사하는 법선의 반사 방향은 동일 평면 상에 존재한다는 것이다. 유입 가스 입자와 표면이 동일한 온도로 있지 않고 반사가 비단열적이라면(즉, 가스 입자와 표면 사이에서 열 교환이 이루어지면), 반사 각도는 표면과 가스 입자 사이에서 전달되는 열의 함수이다.

재료의 정반사성의 정도는 위상 공간의 단위 체적 당 가스 입자의 반사된 상태의 확률 밀도 함수로서 정의되는 반사 커널(Cerciginani-Lampis 커널과 같은)로 나타낼 수 있다. 반사 커널에 대한 상세한 설명은, 본 명세서에 전문이 편입되는, "Numerical Analysis of Gas-Surface Scattering Effect on Thermal transpiration in the Free Molecular Regime", Vacuum, Vol. 82, Page 20-29, 2009 및 그 내에 인용된 참조 문헌에 개시된다.

또한, 개별적인 고온층 및 저온층은, 예를 들어 강성을 부여하기 위한 수단인 구조적 재료, 예를 들어, 온도차 생성하는 수단으로의 또는 온도차 생성하는 수단으로부터의 열 전달을 위한 수단인 열 전도 재료, 그리고 예를 들어 바람직한 반사 커널 특성을 제공하기 위한 수단인 원자 반사 재료를 포함할 수 있는 하나 이상의 구조적 요소로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 개별적인 고온층 및 저온층은 이와 같은 재료들의 층을 이루는 조성물로 제조될 수 있다.

따라서, 재료의 선택 및 합성은 다양하게 변경 가능하다. 일부 실시예에서, NMSET 또는 관련 장치의 제조에 적합한 재료는 티타늄, 실리콘, 강철 및/또는 철을 포함할 수 있다. 티타늄은 경량이고 6 각형의 결정체 구조를 갖는다. 티타늄의 계면은 결정체 뒤틀림이 없는 직교하는 각도로 형성될 수 있어, 이에 따라 응력 한계가 없다. 티타늄의 재료비는 높다. 실리콘은 비싸지 않고 기계가공을 위한 잘 인지된 특성 및 공정을 갖는다. 실리콘의 결정체 구조는 다이아몬드 큐빅이다. 강철은 티타늄에 비해 저렴하고, 큐빅 결정체 구조를 가지며, 가스 침입에 대하여 높은 내성을 갖는다. 철은 강철에 비해 싸고, NMSET 및 관련 장치에서의 적용에 적합한 결정체 형태를 가진다.

NMSET 및 관련 장치 제조의 예시적인 방법

도 20에 도시된 일 실시예에 따라, NMSET 또는 관련 장치의 제조 방법은 하기의 단계를 포함한다: (a) 예를 들어, 비결정질 실리콘, 결정체 실리콘, 세라믹 등과 같은 적절한 기판(2001)을 제공하는 단계로서, 기판의 두께는 바람직하게는 500 내지 1500 미크론의 두께를 갖는다; 그러나, 더 얇거나 기판 및 더 두꺼운 기판이 사용가능하다; (b) 예를 들어, 이산화규소와 같은 전기 절연체인 대부분이 희생층인 제1 층(2002)을 부착하는 단계로서, 제1 층(2002)은 바람직하게는 200 nm 내지 1500 미크론의 두께를 갖지만, 더 얇거나 기판 및 더 두꺼운 기판이 사용가능하다. 또한, 기판 윈도우(2001a)의 영역에 따라, 이 층이 조정 가능한 응력 레벨을 갖는 것이 유익하다. 예를 들어, 1㎠의 기판 윈도우(2001a)에 대하여, 성공적인 결과가 60 MPa 인장 강도의 SiO_xN_y로 성취된다; (c) 포토리소그래피에 의해 제1 층(2002)으로부터, 예를 들어, 스트립, 정사각형, 원과 같은 임의의 적절한 형상으로 개별 아일랜드 패턴을 형성하고 제1 기판(2002)을 에칭하는 단계; (d) 개별 아일랜드 위로 제2 층(2003)을 부착하는 단계로서, 제2 층(2003)은 바람직하게는 5 내지 500 nm의 두께를 갖는 Al, Nb 또는 Zn과 같은 전도체이지만, 다른 두께가 고려된다; (e) 제2 층(2003) 위로 제3 층(2004)을 부착하는 단계로서, 제3 층(2004)은 예를 들어, 이산화규소 또는 제1 층(2002)에서 이용된 동일한 재료와 같은 전기 절연체이며, 바람직하게는 제1 층(2002)과 동일한 두께를 갖지만, 다른 두께가 고려된다; (f) 제1 층(2002)이 노출될 때까지 제3 층(2004) 및 제2 층(2003)을 부분적으로 제거하는 단계; (g) 제4 층(2005)을 부착하는 단계로서, 제4 층(2005)은 예를 들어, 바람직하게 제2 층(2003)과 동일한 재료의 이산화규소인 전기 절연체이며, 제4 층(2005)은 바람직하게 3 내지 15 nm의 두께를 가지며, 덮개 내에 갭이 약간 있거나 전혀 없는 한 더 얇을수록 더 양호하다; (h) 제5 층(2006)을 부착하는 단계로서, 제5 층은, 예를 들어, Pt, Ni 또는 Cu와 같은 전도체이며, 바람직하게는 5 내지 200 nm의 두께를 갖지만, 다른 두께가 고려된다; (i) 제6 층(2007)을 증착하는 단계, 이와 같은 층은 후방 측에서 작업이 이루어지는 동안 기판의 전방측을 보호하도록 형성된다. 이와 같은 층은 열 이형 테이프를 통해 제5 층(2006)에 부착된, 예를 들어, 왁스, 포토레지스트 또는 이산화규소 기판으로 이루어질 수 있고, 제6 층(2007)은 바람직하게는 500 내지 1500 미크론의 두께를 갖지만, 다른 두께가 고려된다; (j) 제1 층(2002)의 하나 이상의 개별 아일랜드가 그 내부에 노출되도록 포토리소그라피에 의해 기판(2001) 내에 관통 구멍(2001a)을 형성하고 기판(2001)을 에칭하는 단계로서, 관통 구멍(2001a)은 예를 들어, 6 각형, 정사각형 및 원과 같은 임의의 적합한 형상을 갖고, 관통 구멍(2001)은 예를 들어, 6 각형 그리드, 정사각형 그리드, 폴라 그리드와 같은 임의의 적합한 패턴으로 정렬된다; (k) 위에 있는 제4 층(2005)의 일부가 노출될 때까지 에칭에 의해 노출된 개별 아일랜드를 제거하는 단계; (m) 에칭에 의해 제5 층(2006)의 노출된 부분을 제거하는 단계; (n) 제2 층(2003) 및 제5 층(2006)이 제4 층(2005)위로 2 내지 10 nm만큼 돌출하도록 제4 층(2005)을 부분적으로 제거하는 단계; (o) 열 이형, 용해 또는 에칭에 의해 제6 층(2007)을 완전히 제거하는 단계. 바람직하게는 제2 층(2003) 및 제5 층(2006)은 그 작동 기능에 있어서 적어도 0.1 eV, 적어도, 1 eV, 적어도 2 eV 또는 적어도 3 eV의 차이를 갖는다.

도 21에 도시된 다른 실시예에 따라, NMSET 또는 관련 장치의 제조 방법은 하기의 단계를 포함한다: (a) 예를 들어, 비결정질 실리콘, 결정체 실리콘, 세라믹 등과 같은 적절한 기판(2101)을 제공하는 단계로서, 기판의 두께는 바람직하게는 500 내지 1500 미크론의 두께를 갖는다; 그러나, 더 얇거나 기판 및 더 두꺼운 기판이 사용가능하다; (b) 예를 들어, 이산화규소와 같은 전기 절연체인 대부분이 희생층인 제1 층(2102)을 부착하는 단계로서, 제1 층(2102)은 바람직하게는 50 nm 내지 1000 미크론의 두께를 갖지만, 더 얇거나 기판 및 더 두꺼운 기판이 사용가능하다. 또한, 기판 윈도우(2101a)의 영역에 따라, 이 층이 조정 가능한 응력 레벨을 갖는 것이 유익하다. 예를 들어, 1㎠의 기판 윈도우(2101a)에 대하여, 성공적인 결과가 60 MPa 인장 강도의 SiO_xN_y로 성취된다; (c) 개별 아일랜드 위로 제2 층(2103)을 부착하는 단계로서, 제2 층(2103)은 바람직하게는 5 내지 150 nm의 두께를 갖는 Al, Nb 또는 Zn과 같은 전도체이지만, 다른 두께가 고려된다; (d) 제2 층(2103) 위로 제3 층(2104)을 부착하는 단계로서, 제3 층(2104)은 예를 들어, 이산화규소와 같은 전기 절연체이며, 바람직하게는 5 내지 100 nm의 두께를 갖지만, 다른 두께가 고려되고, 바람직하게는, 제1 층(2102)과 동일한 재료이다; (e) 제3 층(2104) 위로 제4 층(2105)을 부착하는 단계로서, 제4 층(2105)은 예를 들어, Pt, Ni 또는 Cu와 같은 전도체이며, 바람직하게는 5 내지 150 nm의 두께를 갖지만, 다른 두께가 고려된다; (f) 포토리소그래피 및 에칭에 의해 제2 층(2103), 제3 층(2104) 및 제4 층(2105)을 통한 구멍을 형성하는 단계로서, 구멍은 예를 들어, 스트립, 정사각형, 원과 같은 임의의 적합한 형상을 갖는다; (g) 제2 층(2103) 및 제4 층(2105)이 제3 층(2104) 위로 돌출하도록 좌우로 에칭함으로써 제3 층(2104)을 부분적으로 제거하는 단계; (h) 제2 층(2103), 제3 층(2104) 및 제4 층(2105)을 통하는 하나 이상의 구멍이 하나의 관통 구멍(2101a)과 중첩하도록 포토리소그래피에 의해 기판(2101) 내에 관통 구멍(2101a)을 형성하고 기판(2101)을 에칭하는 단계로서, 관통 구멍(2101a)은, 예를 들어, 6 각형, 사각형 및 원과 같은 임의의 적합한 형상을 갖고, 관통 구멍(2101a)은 예를 들어, 6 각형 그리드, 정사각형 그리드, 폴라 그리드와 같은 임의의 적합한 패턴으로 정렬된다; (i) 관통 구멍(2101a) 내에 노출된 제1 층(2102)의 일부를 제거하는 단계. 바람직하게는 제2 층(2103) 및 제5 층(2105)은 그 작동 기능에 있어서 적어도 0.1 eV, 적어도, 1 eV, 적어도 2 eV 또는 적어도 3 eV의 차이를 갖는다.

진공 층을 갖는 예시적인 열 증산 장치( Exemplary Thermal Transpiration Devices With Vacuum Layer )

비록 다소 불필요하지만, 도 22는 2204로 일반적으로 도시된, NMSET 또는 관련 장치와 같은, 열 증산 장치를 도시하는 측단면도이다. 열 증산 장치는 저온측 멤브레인(2202) 및 고온측 멤브레인(2201)을 구비하며, 그 사이에 구비된 열 절연체(2200)가 제공된다. 열 절연체(2200)는, 예를 들어, 벤츄리 효과(Venturi effect)를 통해 성취될 수 있는 진공으로 형성될 수 있다. 열 증산 장치(2204)는 저온측 멤브레인(2202), 열 절연체(2200) 및 고온측 멤브레인(2201)에 의해 형성된두께를 구비한다.

도 23은 도면부호 2309로 전체적으로 도시된, 열 증산 장치의 동작을 도시하는 측단면도이다. 열 증산 장치(2309)는 더 고온인 층(2301) 및 더 저온인 층(2302)을 구비하며, 그 사이에 열 절연체(2300)가 제공된다. 개구(2308)는 전술한 방법으로 장치(2309) 내에 형성된다. 열 증산 장치(2309)는 더 고온인 층(2302), 열 절연체(2300) 및 더 저온인 층(2301)에 의해 형성된 두께(2303)를 구비한다. 열 절연체(2300)는 예를 들어, 벤츄리 효과를 통해 성취될 수 있는 진공으로 형성될 수 있다.

반경(2305)에 의해 도시된 평균 자유 경로(다른 입자와 부딪치기 전에 이동된 평균 거리)를 갖는 더 저온인 가스 입자(2304)는, 개구(2308) 또는 그 에지에 진입하여, 다른 입자와 충돌하고, 이에 따라 에너지를 교환한다. 반경(2307)에 의해 도시된 평균 자유 경로를 갖는 더 고온인 가스 입자(2306)는 더 고온인 층(2301)으로 충돌하며, 이에 따라 그 공정에서 에너지를 얻고, 양의 모멘텀 힘을 준다. 더 저온인 가스 입자(2304)는 더 고온인 층(2301) 내로 다시 충돌하는 더 고온인 가스 입자(2306)의 온도를 감소시키고, 이에 따라 에너지를 획득하고 양의 모멘텀 힘과 고온층(2301) 상에 증가된 압력을 준다.

도 24 및 도 25는 각각 하나의 연장된 층이 각진 벽을 갖는, 도면부호 2414로 전체적으로 도시된, 열 증산 장치의 측면도 및 상부 단면도이다. 장치(2414)는 더 고온인 층(2401) 및 더 저온인 층(2402)을 구비하며, 그 사이에 열 절연체(2400)가 제공된다. 열 절연체(2400)는, 예를 들어, 벤츄리 효과를 통해 성취될 수 있는, 진공으로 형성될 수 있다. 장치(2414)의 전체 두께는 도면부호 2403으로 나타내고, 더 저온인 층(2402), 열 절연체(2400) 및 더 고온인 층(2401)에 의해 형성된다.

개구(2408)는, 전술한 바와 같은 방법으로, 장치(2414) 내에 구비되어, 더 고온인 층(2401) 내에 각진 벽(2415)을 형성한다. 개구(2408) 및/또는 그 에지는 더 고온인 표면(2409), 더 저온인 표면(2410), 일반적으로 열 증산이 발생하는 활성 영역(2411) 및 지지 영역(2412)을 형성하는 데 도움을 준다. 도 24에서 도시된 바와 같이, 더 고온인 표면(2409)의 각도(2413)는 각진 벽(2415)을 형성하도록 90도 미만이다.

도 24 및 도 25가 더 고온인 층(2401)과 같이 각진 벽을 갖는 연장된 층을 도시하지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 허용 가능한 일 변형례로서 각진 벽을 갖는 연장된 층으로서 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

도 26 및 도 27은 각각 하나의 연장된 층이 습식 에칭 또는 건식 에칭된 벽을 갖는, 2615로 일반적으로 도시한, 열 증산 장치의 측면도 및 상부 단면도이다. 열 증산 장치(2615)는 더 고온인 층(2601) 및 더 저온인 층(2602)을 구비하며, 그 사이에 열 절연체(2600)가 제공된다. 열 절연체(2600)는, 예를 들어, 벤츄리 효과를 통해 의해 성취될 수 있는, 진공으로 형성될 수 있다. 열 증산 장치(2615)의 전체 두께는 도면부호 2603로 나타내고, 더 저온인 층(2602), 열 절연체(2600) 및 더 고온인 층(2601)에 의해 형성된다.

개구(2608)는 열 증산 장치(2615) 내에 구비되고, 전술한 바와 같은 방식으로, 대체로 포물선 형상을 갖는 더 고온인 층(2601) 내에 습식 에칭 또는 건식 에칭된 벽(2614)을 형성한다. 개구(2608) 및/또는 그 에지는 더 고온인 표면(2609), 더 저온인 표면(2610), 일반적으로 열 증산이 발생하는 활성 영역(2611), 지지 영역(2612) 및 습식 에칭 또는 건식 에칭된 표면(2614)을 형성하는 데 도움을 준다.

도면부호 2605는 더 저온인 가스 입자(2604)의 평균 자유 경로를 나타낸다. 도면부호 2607는 더 고온인 가스 입자(2606)의 평균 자유 경로 반경(다른 입자와 부딪히기 전에 이동된 평균 거리)을 나타낸다. 더 저온인 가스 입자(2604)는 개구(2608) 또는 그 에지에 진입하여 다른 입자와 충돌하며, 이에 따라 에너지를 교환한다. 더 고온인 가스 입자(2606)는 그 외측 에지 또는 습식 에칭된 표면(2614)에서 더 고온인 층(2601) 내로 충돌하며, 이에 따라 공정에서 에너지를 얻고 양의 모멘텀 힘을 준다. 더 저온인 가스 입자(2604)는 더 고온인 층(2601) 내로 다시 충돌하는 더 고온인 가스 입자(2606)의 온도를 감소시키며, 이에 따라 에너지를 얻고 영의 모멘텀 힘 및 고온층(2601) 상의 증가된 압력을 준다.

도 26 및 도 27이 더 고온인 층(2601)과 같은 습식 에칭된 표면을 갖는 연장된 층을 도시하지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 허용 가능한 변형례로서 더 저온인 층(2602)이 각진 벽을 갖는 연장된 층으로서 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

도 28은 각진 벽을 갖는 2개의 연장된 층을 갖는, (2816)에서 일반적으로 도시된 열 증산 장치의 측단면도이다. 열 증산 장치(2816)는 더 고온인 층(2801) 및 더 저온인 층(2802)과 그 사이에 구비된 열 절연체(2800)를 갖는다. 열 절연체(2800)는 예를 들어, 벤츄리 효과에 의해 성취될 수 있는, 진공으로 형성될 수 있다. 열 증산 장치(2816)의 전체 두께(2803)는 더 저온인 층(2802), 열 절연체(2800) 및 더 고온인 층(2801)에 의해 형성된다.

개구(2808)는 열 증산 장치(2816) 내에 구비되고, 전술한 바와 같은 방법으로, 더 고온인 층(2801)과 더 저온인 층(2802) 내에 각각 각진 벽(2817, 2818)을 형성한다. 개구(2808) 및/또는 그 에지는 더 고온인 표면(2809), 더 저온인 표면(2810), 일반적으로 열 증산이 발생하는 활성 영역(2811), 더 고온인 층(2801)을 위한 지지 영역(2612) 및 더 저온인 층(2802)을 위한 지지 영역(2815)을 형성하는 데 도움을 준다. 도 28에 도시된 바와 같이, 더 고온인 표면(2818)과 더 저온인 표면(2810) 양자의 각도(2819)는 각각 각진(2818, 2817)을 형성하도록 90도 미만이다. 더 고온인 표면(2809)과 더 저온인 표면(2810)의 각도가 도 28에서 대략 동일한 각도로서 도시되지만, 더 고온인 표면(2809)과 더 저온인 표면(2810)은 실시예에 따라 허용 가능한 변형례로서 상이한 각도로 각질 수 있다.

이상적인 열 증산 장치에 있어서, 대기에서 동작하도록 설계된 장치의 활성 영역의 전체 두께는 500 nm 미만이 되어야 한다. 최적화 목적을 위해, 더 고온인 표면과 더 저온인 표면 사이의 두께는 100 nm 이하이다. 이와 같은 얇은 두께는 장치를 지나치게 약하고 작동하기가 어렵게 만든다. 예를 들어, 열 증산 장치 또는 멤브레인이 장치의 안정성 및 강도를 위한 필요한 두께를 제공하도록 더 두꺼워지게 된다면, 그 전체 두께는, 상술한 바와 같이, 이상적인 두께를 초과하는 지점까지 증가할 것이다.

도 29는 본 개시 내용에 따라 일반적으로 도시된 열 증산 장치의 일 실시예에 대한 초기 구성의 단면도로서, 이는 그 임계 영역 내의 장치의 두께를 이상적인 두께 범위 내에 동시에 유지하면서 내구성 및 강도를 강화시키도록 열 증산 장치의 두께가 더 두꺼워지게 한다.

도 29에 도시된 바와 같이, 상기 장치의 구성은 다음과 같다. 우선, 실리콘 기판 층(2916)이 제공된다. 예를 들어, 대략 40 nm의 알루미늄의 제1 금속층(2917)이 기판(2916) 상에 부착된다. 부착 공정은 증발일 수 있지만, 예를 들어 스퍼터링, 금속 유기 증착 등과 같은 다른 부착 방법이 이용될 수 있다. 이에 따라, 제1 금속층(2917)은 40 nm의 증발된 알루미늄일 수 있다.

유전층(2918)이 제1 금속층(2917)의 상부에 부착된다. 유전층(2918)은 응력이 낮아야 하며, 플라스틱 또는 무기 비전도성 막 재료로 이루어질 수 있다. 막(즉, 유전층(2918))은, 특히 2 미크론 두께인 저 응력(예를 들어, 60 MPa) 플라즈마 강화 화학 증착된 산화질화물일 수 있다. 또한, 다른 두께가 고려된다.

유전층에 대한 부착을 촉진시키고 그리고/또는 강화된 마스킹 층으로서 작용할 수 있도록, 유전층(2918) 상에는 접착 조촉매층(promoter layer)(2919)이 부착될 수 있다. 이러한 재료는, HMDS, 유기 레지스트 박막 또는 특히, 6 nm의 크롬인 금속과 같은 화학적 단분자층(monolayer)일 수 있다. 접착 조촉매층(2919)은 박막 및 에칭법 또는 에칭 화합물의 소정의 조합에 반드시 필요하지 않을 수 있다.

그 다음, 장치는, 일반적으로 알려진 바와 같이, 예를 들어 마스킹되지 않은 영역(2921)을 갖는 대략 1.3 미크론의 SPR-3012 마스크(2920)를 이용하여 에칭된다. 에칭은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 수행하도록 알려진 바와 같이, 접착 조촉매층(2919) 위러 포토레지스트 층 또는 마스크(2920)를 부착함으로써 성취될 수 있다. 이러한 포토레지스트는 바람직하게는 Shipley SPR-3012이다; 그러나, 다른 포토레지스트가 이용될 수 있다. 그 다음, 포토레지스트 층(2920)은 마스킹되지 않은 영역(2921)을 현상하도록 종래의 마스크를 통해 노출될 수 있다. 예를 들어, 적절한 파장의 광을 이용하여 노출이 이루어질 수 있다. 또한, 접촉 리소그래피가 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이 이용될 수 있다. 일단 노출되면, 포토레지스트 층(2920)은 마스킹되지 않은 영역(2921)을 형성할 목적에 적합한 용액에서 현상될 수 있다. 이러한 용액은, 예를 들어, 대략 60초 동안 SPR-3012를 위한 0.26 M 테트라메틸암모늄 하이드록사이드일 수 있다.

도 30에 도시된 바와 같이, 장치는 에칭된 영역(3022)을 형성하도록 마스킹되지 않은 영역(2921)(도 29 참조)에서 에칭된다. 에칭된 영역(3022)은 제1 금속층(2917)의 일부가 노출될 때까지 접착 조촉매층(2919) 및 유전층(2918) 내로 에칭함으로써 형성된다. 그 다음, 포토레지스트 층(2920)(도 29 참조)이 제거된다. 접착 조촉매층(2919)은 실리콘 기판(2916)이 노출될 때까지, 예를 들어 Transene로부터의 크롬 에칭(1020)과 같은 습식 에칭을 이용하여 에칭될 수 있다. 유전층(2918)은, 예를 들어 제1 금속층(2917)을 에칭하지 않을 화합물로 에칭될 수 있다. 알루미늄 상의 산화질화물의 경우에는, Transene로부터 수용성 산성 용액 Silox Vapox II이 이용될 수 있다. 또한, 다른 습식 화학반응 또는 건식 플라즈마 에칭이 이용될 수 있다.

도 31은, 도 29 및 30에 도시된 열 증산 장치의 다른 에칭을 나타내는 측단면도이다. 도면부호 2916은 실리콘 기판이고, 도면부호 2917은 제1 금속층이고, 도면부호 2918은 유전층이고, 도면부호 2919는 접착 조촉매층이다. 도 31에서, 장치, 즉 에칭된 영역(3022)(도 30 참조)은 에칭된 영역(3122) 및 언더컷 영역(3123)을 제공하도록 더 에칭되어 있다. 에칭된 영역(3122)을 형성하기 위해, 제1 금속층(2917)이 에칭된 다음, 기판(2916)의 일부가 에칭된다. 언더컷 영역(3123)을 형성하는 한 방법에서, 제1 금속층(2917) 아래에 있는 기판(2916)의 일부는 등방성으로 에칭된다.

제1 금속층(2917)은 습식 에칭 또는 건식 에칭으로 에칭될 수 있다. 알루미늄의 경우에, 예를 들어 저압의 염소 및 아르곤을 이용한 반응성 이온 에칭 장비(reactive ion etcher)에서의 알루미늄 에칭은 제1 금속층(2917)을 에칭하는데 이용될 수 있다. 40 nm의 알루미늄을 위한 에칭의 일례는 300W RF 파워로 50 sccm BCl3, 20 sccm Cl2, 10 mTorr이다.

화학 반응이 제1 금속층(2917), 유전층(2918) 또는 제2 금속층(2919)을 에칭하지 않는 한, 습식 또는 건식 식각이 기판(2916)을 에칭하는데 이용될 수 있다. 알루미늄 및 산화질화물을 갖는 실리콘 기판의 경우에는, 실리콘은 예를 들어 가스 XeF2로 에칭될 수 있다. 또한, 기판(2916)은 보론을 제거하도록 처리될 수도 있다. 이러한 처리에 대한 예시적인 방법은 35 sccm CF4, 20 mTorr 및 300W RF 파워의 조건 하에서 플루오르 기반의 반응성 이온 플라즈마를 이용하는 것이다.

도 32는, 도 29 내지 31에 도시된 열 증산 장치의 다른 형태를 도시하는 단면도이다. 이산화규소 또는 다른 전기 절연체의 얇은 층(3224)이 장치 상에 제공된다. 이산화규소층(3224)은, 예를 들어 대략 2 내지 10 nm 두께일 수 있다. 일반적으로, 이산화규소 층(3224)은, 특히 제1 금속층(2917) 근방의 적용 범위에 갭이 거의 없거나 또는 없는 한, 더 얇은 것이 더 양호하다. 이산화규소의 층(3224)은 터널링 두께를 제어하도록 제공된다. 층(3224)은 증발 또는 다른 공지된 기술에 의해 추가될 수 있다. 예를 들면, 스퍼터링, 플라즈마 강화 화학 증착, 원자층 부착 등과 같은 다른 방법이 다른 재료와 함께 역시 이용될 수 있다. 이산화규소 층(3224) 위로 제1 금속층(3225)이 제공된다. 제2 금속층(3225)은 니켈 또는 구리 등의 금속층일 수 있고, 대략 40 nm 두께일 수 있다. 제2 금속층(3225)은 증발에 의해 형성될 수 있지만, 예를 들어 스퍼터링 또는 이온 보조 부착과 같은 다른 방법이 역시 이용될 수 있다.

그 다음, 기판(2916)은 캐리어를 마주보는 박막 스택을 갖는 캐리어 기판(미도시)에 장착될 수 있다. 장착 재료는, 예를 들어 Revalpha 열 이형 테이프와 같은 양면 테이프일 수 있다. 그러나, 예를 들어 왁스 또는 포토레지스트와 같은 다른 테이프 및 재료가 역시 이용될 수 있다.

그 다음, 예를 들어 XeF2 증기 에칭으로 잔류하는 실리콘 기판(2916)이 제거된다. 이산화규소 층(3224) 및 기판(2916)의 에칭된 부분 내에 형성된 제2 금속층(3225)의 작은 부분은 기판(2916)과 함께 제거된다. 또한, 제1 및 제2 금속층(2917, 3225)을 에칭하지 않는 한, 기판(2916)을 제거하는데 습식 화학 반응이 이용될 수도 있다. 도 33에 도시된 바와 같이, 남은 것은 제1 금속층(2917), 유전층(2918), 접착 조촉매층(2919), 열적 터널링 층(3224) 및 제2 금속층(3225)에 의해 형성된 아일랜드(2137)이다. 그 다음, 상기 장치는 임의의 니켈 플러그를 제거하도록 초음파 처리된다. Revalpha 열 이형 테이프의 경우에, 예를 들어 캐리어 기판은 장치를 제거하는데 도움을 주기에 충분한 온도의 핫플레이트 상에 위치될 수 있다.

분산형 마이크로 추력기( Distributed Micro - Thrusters )용 고장 방지 제어 시스템( Fault Tolerant Control System )

분산형 추력기를 이용하여 물체를 특정 방향으로 그리고/또는 소정 속도로 구동하기 위해, 제어 시스템이 필요하다. 제어 시스템은, 원하는 힘을 원하는 방향으로 제공하기 위하여, 분산형 추력기 또는 복수의 분산형 추력기에 대한 전력 레벨을 선택적으로 작동 및/또는 조절하는데 사용된다.

본 제어 시스템에 따라, 분산형 추력기의 동작을 제어하기 위한 제어 시스템이 잔략 분산 배선의 적어도 여분의 2차원 네트워크에 의해 공급되는 요소들(각각은 하나 이상의 추력기를 포함함)의 그리드로서 구성될 수 있다. 분산 네트워크가 추력기의 복수의 수평 로우 및 수직 칼럼에 결합되는 수평 라인 및 수직 라인 또는 와이어로 이루어진 복수의 루프로서 구성된다.

본 제어 시스템의 일 실시예에 따르면, 각각의 로우 및 칼럼 루프는 적어도 4개의 위치에서 만나거나 또는 교차하지만, 교호하는 토폴러지(alternating topology)는 리던던시(redundancy), 루프의 개수 및 어드레싱(addressing)의 입도(granularity)의 균형을 이루도록 설계될 수 있다. 교호하는 위상 관계는 상이한 개수의 교차(crossings)를 가질 수 있다.

적어도 하나의 전력 공급원은 그리드 내의 각각의 요소 또는 복수의 요소에 대하여 공급될 수 있다. 하나의 요소는 복수의 추력기를 포함할 수 있다. 전력 공급원의 하나의 단자는 수평 라인에 연결되고, 전력 공급원의 다른 단자는 수직 라인에 연결된다. 이러한 연결은 전력 공급원의 단자들을 적절한 로우 및 칼럼에 연결함으로써 요소 또는 요소 그룹이 어드레스되게 허용한다.

NMSET와 같은 분산형 추력기의 일반적인 작동에 따라, 전기 회로가 분산형 추력기에 대한 열량을 공급 및/또는 조절함으로써 분산형 추력기를 작동시키는데 사용된다. 전기 회로는 수평 라인 및 수직 라인으로 이루어진 루프에 의해 형성된다. 주어진 루프의 양단은 동일한 전위(electrical potential)로 구동된다. 이는 소정의 루프 내의 어디에서의 싱글 컷(single cut)(예를 들어, 예를 들어 어레이 표면으로의 손상으로부터의 결과로서)은 기능성의 캐스캐이딩 손실(cascading loss)을 최소화할 수 있다. 전기 회로에 의해 발생된 가열 또는 냉각은 펠티에 슬래브를 이용하여 펠티에 효과에 의해 구동되는 것과 같은 히트 펌프에 의해 구현될 수 있다. 이 경우에, 배선은 분산형 추력기의 양측에 있고, 아래에서 설명되는 저항 실시예에서, 이는 고온 측에만 있을 수 있다. 분산형 추력기의 다른 실시예에서, 분산형 추력기에 전력을 공급하는 다른 방법이 이용될 수 있다.

도 34는 제어 시스템에 따른 분산형 추력기(3420)의 어레이(3401)를 위한 제어 시스템(3400)의 일 실시예에 대한 상면도이다. 도 34에서 알 수 있는 바와 같이, 어레이(3410)에서, 복수의 분산형 추력기(3402)는 평행한 수평 로우 및 평행한 수직 칼럼 내에 그리드형 방식으로 배치된다.

적어도 하나의 전원 공급부(3406)가 각각의 수평 로우 및 각각의 수직 칼럼 내에 분산형 추력기에 결합되는 제1 복수의 전력 라인(3404)과 제2 복수의 전력 라인(3405)을 이용하여 선택된 분산형 추력기(3402)에 전력을 제공한다. 전력 라인(3404) 중 하나가 전력 라인(3405) 중 하나와 함께 선택되면, 전기 회로가 완성되고, 분산형 추력기 중 적어도 하나는 분산형 추력기가 에너지를 추력으로 변환하는 방법에 의해 작동된다. 제어 유닛(3403)은 원하는 추력기 또는 추력기 그룹을 위해 선택된 전력 라인(3404, 3405)의 작동 및/또는 전력 레벨을 제어한다.

본 제어 시스템에 사용된 바와 같이, 전원 공급부(3406)는 배터리일 수 있고, 제어 유닛(3403)은 중앙 처리 유닛일 수 있다. 또한, 추력기(3402)는 복수의 추력기 장치를 포함할 수 있다.

NMSET 장치는 가스를 추진하도록 작동가능한 장치를 포함할 수 있으며, 장치는, 적어도, 스택 내에 배치된 제1 층 및 제2 층과, 고온층과 저온층을 형성하도록 제1 층과 제2 층을 가열 및/또는 냉각하기 위한 수단을 포함하고, 스택 내에 적어도 하나의 관통 구멍을 가지며, 저온층은 고온층보다 낮은 온도를 가진다. 각각의 고온층의 표면은 관통 구멍의 내부에 노출되고, 각각의 저온층의 표면은 관통 구멍의 내부에 노출되며, 관통 구멍의 작용 영역(active area)의 전체 길이는, 장치는 상술한 바와 같이, 장치가 침지되는 가스의 평균 자유 경로(mean free path)의 10 배까지이고 그리고/또는 1500 nm 미만이다.

주어진 NMSET 장치에서, 적어도 하나의 관통 구멍은, 상술한 바와 같이, 직선형 기하 구조, 톱니형 기하 구조, 삼각형 기하 구조, 포물선형 기하 구조 또는 NMSET 장치를 위해 유익한 것으로 판단될 수 있는 임의의 기하 구조를 가질 수 있다.

도 35는 분산형 추력기의 인접한 영역(3506)을 작동시키도록 영역(3506)에서 만나는 전력 라인(3504, 3505)을 도시한다. 제어 유닛(3503)은 전원 공급부(3506)가 전력 라인(3504, 3505)에 전력을 공급하게 함으로써 분산형 추력기의 인접한 영역(3506)을 작동시킨다.

도 36은 전력 라인(3605) 내에 개방 회로가 있는 고장 상태(fault condition)를 도시한다. 도 36에 도시된 바와 같이, 전력 라인(3605)은 지점(3608) 주위의 영역과 관련된 추력기의 수직 칼럼과 관련된다. 전력 라인(3605) 내에 개방 회로(3607)가 있기 때문에, 지점(3608) 주위의 영역과 관련된 추력기는 이러한 고장 상태로 인해 작동될 수 없다.

제어 시스템의 일 실시예에서, 고장 상태가 전력 라인에서 발생하면 리던던시를 성취하고 시스템 고장을 회피하기 위해, 여분의 경로 연결부가 도 37에 도시된 바와 같이 제공된다. 전력 라인(3701)은 추력기의 수평 로우에 결합되고, 전력 라인(3702)은 추력기의 수직 칼럼에 결합된다. 따라서, 도 37에 도시된 바와 같이 고장(3707)이 라인(3705)에서 발생하는 이벤트에서는, 지점(3706)에 여분의 경로가 제공된다. 전력 라인(3705, 3704)에 의해 리던던시가 제공되며, 제어 유닛(3700)은 전력 라인(3707)의 제1 연결 지점으로부터 제2 연결 지점으로 전기의 경로를 변경하거나 또는 전력 라인은 지점(3706) 근방의 추력기를 작동시키도록 내부에서 루프 형성된다. 본 제어 시스템의 다른 실시예에서, 도 37에 도시된 바와 같이 전력 라인 중 어느 하나에서 고장 상태를 검출하도록 고장 검출 장치(3708)가 제공된다. 고장 검출 장치(3708)는 전원 공급부(3703) 및 제어 유닛(3700)에 결합되어, 고장 상태가 존재하는 전력 라인의 경로를 변경하고, 보상하고, 보고하고 그리고/또는 교체하도록 적절한 전력 라인의 작동을 제어한다.

커패시터 뱅크 전압 감지 기술이 고장을 검출하는데 이용될 수 있다. 단일 펄스에서 완전히 방전하지 않도록 커패시터 뱅크를 설계함으로써, 그리고 추력기 요소 또는 추력기 요소 그룹에 전력 펄스가 보내지기 전후에 전압 충전을 측정함으로써, 추력기 또는 추력기 그룹에 의해 소모된 전력을 결정하고, 이를 기대 전력에 비교할 수 있다. 강하가 기대된 것보다 상당히 작다면, 이는 개방 회로의 징후이고, 상당히 큰 강하는 단락을 나타낸다.

또한, 인라인 전류 감지(in-line current sensing)가 고장을 검출하는데 이용될 수도 있다. 어레이에 의해 인출되는 순간 전류를 측정하기 위해 션트 저항기가 전력 분배 라인과 직렬로 배치될 수 있다. 일반적으로 전류가 낮으면, 일부 셀이 개방될 수 있다. 전류가 과도하게 높으면, 단락이 있다. 본 방법의 주요한 이점은 전원 공급부와 추력기 사이의 직렬 저항을 적은 양(0은 아님)만큼 증가시킨다는 점이다.

펄스 후 커패시터 전압을 감지하는 것에 대한 본 방법의 상당한 이점은 단락 회로에 대하여 실시간으로 응답하는데 충분히 빠른(대략 수 MHz 레벨의 샘플링 레이트로) 시스템을 설계하고, 충분한 에너지가 방출되어 아크로부터의 인접한 추력기에 대한 또는 신속한 방전 및 그 결과에 따른 과열로부터의 전원 공급부에 대한 심각한 손상을 발생시키기 전에 펄스를 중단시킬 수 있다. 또한, 본 시스템은 연속 듀티 모드(continuous-duty mode)에서 동작되는 분산형 추력기에 적용될 수 있다.

분산형 추력기의 일부가 임의의 상술한 방법 또는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 인식되는 바와 같은 다른 방법에 의해 고정을 나타내었다면, 추력의 손실을 최소화하고 그리고/또는 캐스캐이딩 결함을 방지하도록 교정 조치(corrective action)가 취해져야 한다.

설계 단계(design phase) 동안에 펄스식 분산형 추력기의 타이밍 분석을 수행할 때, 추력기의 임의 섹션으로의 연속적인 펄스들 사이의 최소 필요 쿨다운 시간(cool-down time) 이상을 허용하는데에는 신중하다. 이것이 수행되면, 손상된 추력기 또는 추력기의 섹션을 발화 시퀀스로부터 제거하고, 약간 증가된 듀티 사이클로 나머지 손상되지 않은 추력기 또는 섹션을 동작시킴으로써 전체의 추력이 유지될 수 있다.

듀티 사이클에서의 증가는 시스템에 대한 최대 손상량만을 보상할 수 있다. 이러한 임계값이 초과되면, 사용 가능한 추력의 감소가 불가피하다; 어레이의 제어 시스템은 레벨 트림(level trim)을 유지하도록 대응하는 반대편 패널에 대한 추력을 약간 감소시킴으로써 분산형 추력기를 이용하여 항공기 또는 다른 애플리케이션의 일측에 대한 추력 용량의 손실을 보상하도록 설계될 수 있다.

도 38은 더욱 적은 입상 제어(granular control)를 이용할 수 있는 더욱 큰 분산형 추력기 시스템 및/또는 애플리케이션에 특히 유용한 예시적인 제어 시스템의 다른 실시예에 대한 상면도이다. 본 실시예는 통상적으로 더욱 많은 입상 제어에 요구되는 것에 비하여 전력 라인 및/또는 제어 라인의 수의 감소 및/또는 필요한 연산력(computing power)의 감소로 인해 유익할 수 있다. 예시적인 제어 시스템은 (점선으로 도시되고, 전력 라인 교차점에서 복수의 개별적인 추력기를 더 구비할 수 있는) 분산형 추력기(3803, 3804, 3805, 3806)의 섹션을 작동시키는데 사용되는 전원 라인(3801, 3802) 및 서브 전력 라인(3810)의 어레이를 도시하고 있다. 추력기(3803, 3804, 3805, 3806)의 영역 또는 대응하는 추력기에 그리고 그 주위에 있는 대응하는 서브 전력 라인(3810) 내에서 전기가 흐르게 할 수 있도록, 예를 들면, 제어 유닛(3800)은 전원 공급부(3803)를 전원 라인(3801)의 적절한 전력 라인 및 전원 라인(3802)의 적절한 전력 라인에 연결한다. 추가로, 제어 유닛(3800)은 동시에, 순차적으로 또는 소정의 패턴으로, 또는 전원 라인(3801, 3802) 및 서브 전력 라인(3810) 중 적절한 전력 라인 내에서 그리고 전력 라인과 서브 전력 라인의 교차점에 추가적인 마이크로프로세서를 포함시키는 것을 통해 전기가 흐르게 하고, 그리고 이러한 마이크로프로세서와 통신하는 디지털 신호를 이용함으로써 소정의 효과를 위해 추력기 영역(3803) 및 추력기 영역(3805 또는 3804 또는 3806)을 작동시키도록 설계된다.

도 39는 예시적인 제어 시스템의 도 38에 도시된 것과 유사한 또 다른 실시예에 대한 상면도이다. 도 39는 도시된 바와 같은 그리드 구조체를 형성하는 복수의 전원 라인(3901, 3902) 및 복수의 서브 전원 라인(3910)을 도시한다. 제어 유닛(3900)은 추력기(3903)의 영역 또는 대응하는 추력기에 그리고 그 주위에 있는 대응하는 서브 전력 라인(3810) 내에서 전기가 흐르게 하기 위하여 전원 공급부(3911)를 전원 라인(3901)의 적절한 전력 라인 및 전원 라인(3902)의 적절한 전력 라인에 연결할 수 있다. 또한, 도 38에서 논의된 바와 같이, 제어 유닛(3900)은 임의의 분산형 추력기(3903, 3904, 3905, 3906, 3907, 3908, 3909)를 그룹으로 또는 개별적으로 작동시킬 수 있다.

도 40a, 40b 및 40c는 도 34에 도시된 제어 시스템의 실시예에 대한 확대도를 도시한다. 전력 라인(4001, 4002)은 어드레스된 지점(4003) 주위의 온도 구배(4006)에 대해 동작하는 추력기 영역을 어드레스하는데 이용된다. 전력 라인(4001, 4002)을 통한 전류의 흐름으로 인해 지점(4003) 주위의 추력기가 어드레드되면, 지점(4003)이 가열되어 1차 영역이 되는 영역(4004)이 영향을 받고 2차 영역이 되는 영역(4005)이 영향을 받는다.

한 지점의 가열이 인접한 지점의 가열을 야기시키는 것은 바람직하지 않을 수 있기 때문에, 다른 예시적인 실시예가 도 41a 및 41b에 도시되며, 이는 전도성 패드, 절연체, 갭 또는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 인식되는 바와 같은 임의 다른 형태의 히트 배리어의 형태일 수 있는 히트 배리어(4117)를 포함하는 것을 도시한다. 히트 배리어(4117)는 열 전도도를 변경시키고 전도성 영역을 격리시키는 효과를 갖는다. 히트 배리어(4117)는 전력 라인(4105, 4104)의 접합부(4106)에 인접한 추력기 영역(4108) 주위의 주변부로서 도시되지만, 히트 배리어(4117)는 상이한 원하는 효과에 근거하여 상이하게 구성될 수 있다. 전력 라인(4105, 4104)에 전류를 공급함으로써, 접합부(4106)에 인접한 추력기 영역(4108)이 작동되어, 히트 배리어(4117)는 4119로 도시된 음영 박스 영역의 외부의 다른 추력기 영역이 부주의하게 작동되는 것을 방지한다.

도 42a, 42b 및 42c는 제어 시스템의 다른 실시예에 대한 전력 라인 또는 전도성 구조체를 도시한다. 도 42a는 추력기 영역을 작동시키는데 사용되는 전도성 라인의 상부층 그리드 구조체(4202)를 도시하며, 전원 라인(4200)은 전원 공급부에 연결되도록 설계되고, 복수의 브랜치 라인(4201)은 복수의 추력기 영역에 근접하게 위치 설정되도록 설계된다.

도 42b는 절연체(4202) 및 저항기를 나타내는 최적의 중간층, 온도 구배 발생 장치 또는 추력기 영역(4203)에서 도 42a에 도시된 그리드 구조체와, 도 42a에 도시된 브랜치 라인(4201)과 교차할 다른 그리드 구조체 사이에 사용되도록 추력기 영역(4203)을 작동시키는 다른 수단을 도시한다.

도 42c는 도 42a 및 42b의 조합을 도시하며, 도 42a의 상부층은 도 42b의 중간층 위에 배치된다. 도 42c는 단일 전력 라인 교차 지점으로부터 복수의 목표 지점을 제어하도록, 제어 시스템에 대한 일 실시예에서와 같이 저항기(4203), 온도 구배 생성 장치 또는 추력기 영역 및 절연체(4202)를 작동시키는 다른 수단에 의해 형성되는 열 저항성 가열 접합부에 깔린 전원 라인(4200) 및 브랜치 라인(4201)을 도시한다.

예시적인 저항성 온도 구배 형성( Exemplary Resistive Temperature Gradient Formation )

상술한 "작동 원리(Principles of Operation)" 및 "온도차(Temperature Differential)" 섹션이 여기에 참조로서 편입된다. 도 43은 본 개시 내용에 따른 온도 구배를 형성하는데 이용될 수 있는 장치에 대한 개략도이다. 본 섹션에서, 히트 펌프 또는 열 구배 장치는, NMSET 장치를 구동할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 장치는 상부면(4302)과 하부면(4305)을 갖는 전기 전도성 재료의 더 저온인 층(4301)을 구비한다. 구현례에 따라, 더 고온인 층(4304)의 상부면(4306)은, 더 저온인 층(4301)의 하부면에 근접하거나, 더 저온인 층(4301)의 하부면(4305)에 직접 또는 열적 및/또는 전기적 절연 중간 재료를 통해 부착될 수 있다.

전원 공급부(4307)의 한 단자는 더 저온인 층(4301)의 상부면(4302)에 연결되고, 전원 공급부(4307)의 다른 단자는 스위치(438)의 일측에 연결된다. 스위치(4308)의 타측은 더 고온인 층(4304)의 하부면(4303)에 연결된다. 더 고온인 층(4304)은 전류가 통과할 때 저항성(resistive) 또는 줄 가열(Joule heating)을 통해 가열되는 저항성 재료층을 구비하는 서브층을 갖는 구조체로 이루어지거나 또는 그 구조체이다. 서브층을 갖는 실시예에서, 서브층은 열 구배가 생성되는 위치 근방에 감소된 두께를 갖는 절연 재료와, 열 구배 위치에서 보다 더 속도로 가열하도록 구성된 금속화층일 수 있다.

더 저온인 층(4301)은 동작 위치에서 줄 열을 덜 받는 재료일 수 있다. 저항성, 줄 가열 특성에서의 차이는, 특정한 실시예에 따라서, 재료의 선택, 구성(예를 들어, 더 고온인 층에서의 전자 밀도가 더 저온인 층보다 큰 정도로 줄 가열을 촉진시키도록 더 저온인 층의 대향하는 위치에 비해 열이 발생되는 사이트에서 더 고온의 층이 더 얇아짐) 또는 인접한 층보다 큰 정도로 또는 그보다 더 빨리 하나의 층이 가열되게 하는 다른 인자, 또는 이러한 특성의 조합을 통해 성취될 수 있다. 예를 들면, 더 고온인 층은 얇거나 또는 더 좁은 표면으로 구성되거나, 아니면 가열이 요구되는 사이트, 예를 들어 NMSET 구조체 또는 NMSET 구조체 그룹에서 더욱 작은 단면을 가질 수 있어, 전하 캐리어 밀도/저항이 이러한 사이트에서 더욱 커지고, 줄 가열이 더욱 분명해진다. 더 저온인 층은 캐리어 밀도를 감소시키도록 더 넓은 영역(예를 들어, 더 고온인 층의 전체 표면을 덮음)을 갖는 더욱 두껍고 저항성이 낮은 재료일 수 있다. 어떠한 메커니즘도, 하나의 층에서의 전류가 줄 가열을 촉진시키고, 다른 하나의 층에서는 줄 가열을 촉진시키지 않거나, 적어도 그 하나의 층에서의 줄 가열과 동일한 정도로는 줄 가열을 촉진시키지는 않는다.

또한, 하나의 층으로부터 다른 층으로 전류를 통과시키기 위한 메커니즘은, 양자 터널링(quantum tunneling), 반도체 전도와 같은 임의의 적합한 방법 또는 메커니즘을 따를 수 있으며, 더 저온인 층 및 더 고온인 층은 PN 접합을 형성하는 P형 반도체 및 N형 반도체이며, 전극이 마주보는 표면 상에서 형성되며, 인접한 전극이 한 표면에서 가열될 수 있게 하는 트랜지스터가 메모리 장치의 리드/라이트 및 어드레스 라인에 유사한 어드레스 라인에 연결되고, 스위치는 어드레싱 가능한 메모리 사이트 또는 픽셀의 구조와 매우 유사하지만, 메모리 사이트 또는 픽셀 구조는 열적으로 가열되는 전극 또는 열 구배 장치나 이러한 장치의 클러스터를 선택적으로 어드레싱할 임의의 다른 종류의 구조로 대략 교체된다.

이 대신에 또는 이에 더하여, 더 고온인 층은 동일한 층 내에 입력측 및 출력측을 가질 수 있으며, 전류는 하나의 일측으로부터 타측으부로 통과하여 더 고온인 층을 저항성으로 가열한다.

더 고온인 층이 전기 전도성 재료에 의해 전체적으로 덮이지 않고 대신에 전도성 라인을 가질 때, 본 실시예는 선택된 사이트에서 열을 생성할 수 있고, 다른 곳에서는 열을 덜 생성할 수 있으며, 라인은 NMSET 구조체의 그루핑과 같은 선택된 사이트에서 가열을 허용하는 특성을 가진다. 즉, 라인은 가열하지 않도록 충분히 큰 단면을 가질 수 있지만, 선택된 사이트에서 전류의 인가에 따라 선택적으로 가열하기 위하여 감소된 단면을 가진다.

도 43의 실시예에서, 전류는 상부층(4301)으로부터 하부층(4304)으로 통과한다. 도 43에 도시된 바와 같이, 스위치(4308)는 개방 상태에 있다. 이에 따라, 전류는 층(4301, 4304)을 통해 흐르지 않는다. 따라서, 표면(4302)과 표면(4303) 사이의 온도차 또는 온도 구배가 없다.

도 44는 스위치(4406)를 닫은 상태를 도시하고 있다. 이에 따라, 전원 공급부(4407)로부터의 전류는 층(4401, 4402)을 통해 흐른다. 전류 흐름의 결과로서, 층(4402)은 저항 특성으로 인해 가열을 시작하고, 이에 따라 층(4401)을 역시 가열하게 한다. 층(4402)의 가열은 온도 구배(4405)가 상부층(4403)과 하부층(4404) 사이에 형성되게 한다. 스위치(4406)가 개방되면, 전류는 층(4401, 4402)을 통해 더 이상 흐르지 않는다. 이에 따라, 온도 구배(4405)는 표면들(4403, 4404) 사이의 온도차가 궁극적으로 0(zero)이 되도록 약화되기 시작한다.

도 45는 스위치(4406)가 닫힐 때 전류가 흐르기 시작함에 따른 표면(4404)의 온도 증가에 대한 그래프이다. 온도는 y 축을 따라 표시되고, 시간은 x 축을 따라 표시된다. 도 45에서의 표면(4404)의 온도는 그래프(4501)에 의해 나타낸 바와 같이 평형 온도(equilibrium temperature)(4504)로 급격히 상승한다. 그 다음, 도 44에서의 스위치(4406)가 개방되어 전류가 더 이상 흐르지 않고, 온도가 떨어지기 시작할 것이다.

스위치(4406)가 닫힐 때의 표면(4403)의 온도는, 그래프(4502)에 의해 나타낸 바와 같이 층(4402)으로부터의 열이 층(4401)을 통해 표면(4403)을 향해 이동하기 시작함에 따라 유사하지만 지연된 패턴(4507)을 따른다. 표면(4403)의 온도는 도 44에서의 스위치(4406)가 개방된 후에 평형 온도(4505)로 계속하여 고르게 약간 상승한다. 도 45의 도면부호 4506은 스위치(4406)가 닫혀 유지되는 시간 길이를 나타낸다. 스위치(4406)가 닫혀 유지되는 시간(4506)의 길이가 평형 온도(4504)에 도달하는 시간을 초과하면, 표면(4403)의 온도는 온도 구배(4503)가 없어질 때까지 계속하여 상승할 것이다.

이에 따라, 표면(4404)의 온도(4504)와 표면(4403)의 온도(4504) 사이의 주어진 시간에서의 온도 구배는 온도 구배(4503)로서 도 45에 표현된다.

도 45에 도시된 바와 같이, 전류가 층(4301, 4304)을 통해 흐르는 것을 중단한 후에 표면(4403, 4404)의 온도가 그 주위 상태로 복귀하는데 유한한 양의 시간이 걸린다. 잔여 열은 인접한 온도 구배 장치가 근접해 있다면 문제를 일으킬 수 있다.

도 46은 다른 예시적인 실시예에 따라 수평 로우 및 수직 로우에 배치된 온도 구배 장치(4603)에 의해 작동되는 것과 같은 복수의 분산형 추력기 장치에 대한 상부 단면도이다. 전류 흐름은 매트릭스 타입의 방식으로 전력 및 제어 유닛(4300)으로부터의 복수의 전력 라인(4601, 4602)에 의해 각각의 장치에 공급된다. 제어 유닛은 전력 라인이 액티브 사이트에서 인접한 제어 전자장치를 제어하도록 리드/라이트 및 어드레스 라인과 같이 작동할 때 액티브 사이트에서의 전자 장치에 대해 상술한 바와 같이, 또는 온도 구배를 형성하기 위해 교차 지점에서 충분한 전류가 존재하도록 수평 전력 라인 및 수직 전력 라인에 전류를 단순히 추가함으로써, 특정 사이트를 선택적으로 작동시킬 수 있는 프로세서, 특히 프로그래머블 프로세서로 형성될 수 있다. 구현례에 따라, 전기 에너지 공급원은 배터리 또는 AC 혹은 DC의 임의의 다른 캐리어 공급원으로 형성될 수 있다. 또한, 전술한 "고장 방지 제어 시스템(Fault Tolerant Control System)"이라는 명칭의 섹션이 여기에 편입된다.

도 46을 다시 참조하면, 제1 온도 구배 장치(4603)가 완전히 냉각하도록 허용되기 전에 인접한 온도 구배 장치(4603)가 작동되면, 새로이 작동되는 장치의 온도 구배는 기대된 구배가 아닐 수 있다. 애플리케이션에 따라서, 이는 최적이 아닐 수 있다. 이러한 조건은 온도 구배 장치(4703)가 전력 라인(4704, 4705)에 의해 작동되는 도 47에 도시된다(예를 들어, 도 40a, 40b 및 40c과 유사함). 도 47에 도시된 바와 같이, 생성된 열은 1차 영역(4701) 그리고 또한 2차 영역(4702)으로 방사한다. 방사된 영역은 다른 인접한 온도 구배 장치를 침입하여, 이러한 장치가 작동될 때 장치가 적절한 온도 구배를 생성하지 못하게 할 수 있다. 이와 같은 잠재적인 문제점은 열 구배 장치의 선택적인 작동에 의해 완화 또는 해결될 수 있다는 점에 주목하라.

예를 들면, 도 46에 도시된 제어 유닛(4600)은 미리 정해진 기간 동안 이전에 작동된 인접한 온도 구배 장치인 이러한 온도 구배 장치의 작동을 방지한다. 그렇게 하는 것은, 이전에 작동된 온도 구배 장치가 완전히 냉각되거나 또는 적어도 만족스런 온도로 냉각되게 허용하여, 잔여 열이 인접한 온도 구배 장치의 동작과 간섭하지 않는다. 또한, 온도 구배 장치는 메모리 어레이 내의 디지털 디스플레이 또는 메모리 사이트 상의 픽셀이 어드레스되고 제어되는 방식과 유사한 방식으로 리드 라인 및 어드레스 라인에 의해 개별적으로 또는 클러스터로 선택적으로 어드레스될 수 있다.

도 48은 본 실시예에 따른 온도 구배 장치의 어레이에서의 온도 구배 장치의 작동 시퀀스에 대한 일 실시예를 도시한다. 도면부호 4801은 도 46에 도시된 바와 같은 장치의 어레이에서의 온도 구배 장치를 나타낸다. 도면부호 4802는 인접한 온도 구배 장치 또는 이러한 장치의 인접한 어레이를 나타낸다.

물론 NMSET 장치를 포함하는 대부분의 실시예에서 더 많을 수 있지만, 전체 16개의 온도 구배 장치 또는 도시된 바와 같은 이러한 장치의 어레이에 대하여 패턴이 도면부호 4803 내지 4816으로 표시한 바와 같이 반복한다.

도 48을 이용하여, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이전에 작동된 인접한 장치로부터의 열 간섭을 방지하거나 완화하는 개별적인 온도 구배 장치 또는 그 세트를 위한 작동 시퀀스가 결정될 수 있다는 것을 용이하게 이해할 것이다. 이는 이전 작동된 인접한 장치가 충분히 냉각하기에 충분한 시간이 경과되었기 때문이다. 예를 들면, 온도 구배 장치 쌍((4801, 4809), (4803, 4811), (4805, 4813) 및 (4807, 4815))이 작동된 후에, 임의의 이전 작동된 인접한 장치에 대한 열 간섭을 상당히 발생시키지 않고서 쌍((4802, 4810), (4804, 4812), (4806, 4814) 및 (4808, 4816))이 작동될 수 있다. 다른 작동 시퀀스가 48의 검토로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려지게 될 것이다.

알 수 있는 바와 같이, 개시된 실시예는 열 구배를 형성 및 유지하기 위한 많은 애플리케이션을 가질 수 있다. 특히, 이에 한정되지는 않지만, 열 구배 구조체는 분산형 추력기 그리고 더욱 상세하게는, 본 명세서에 개시된 많은 형태 및 변형의 NMSET에 의해 구동되는 분산형 추력기를 구동시키기 위하여 히트 펌프 내에 있을 수 있다.

NMSet 을 이용한 비행 제어

도 49는 종래의 쿼드로터(4950)의 사시도를 도시한다.

도 49를 참조하면, 쿼드로터(4950)는 4개의 수평으로 위치 설정된 로터(4905 - 4908)에 의해 상승되고 추진되는 항공기이다. 쿼드로터(4950)는 공통 운송 수단 컴파트먼트(4900), 4개의 엔진(4901 - 4904) 및 4개의 로터(4905 - 4908)를 포함한다. 쿼드로터(4950)의 로터(4905 - 4908)는 고정된 피치의 블레이드를 이용하며, 그 로터 피치는 블레이드가 회전함에 따라 변동하지 않는다. 쿼드로터(4950)의 제어는 각 로터(4905 - 4908)에 의해 생성되는 추력 및 토크를 변화시키기 위하여 각 로터(4905 - 4908)의 상대 속도를 가변함으로써 획득될 수 있다.

각 로터(4905 - 4908)는 그 회전 중심 근처에서의 추력 및 토크와, 비행 방향의 반대로의 항력을 모두 생성한다. 로터(4905, 4907)가 시계 방향으로 회전하고 로터(4906, 5908)가 반시계 방향으로 회전하면서, 로터(4905 - 4908)(예를 들어, 모든 로터)가 공통 각속도로 회전한다면, 순 공기 역학적 토크 및 그에 따른 요잉축(yaw axis)에 대한 각 가속도는 0(예를 들어, 정확하게 0)이 된다. 따라서, 종래의 헬리콥터의 요잉 안정화 로터가 쿼드로터(4950)에서 제거될 수 있다. 그러나, 요잉은 공기 역학적 토크에서 균형을 불일치시킴으로써 의도적으로 또는 의도하지 않게 유발될 수 있다(예를 들어, 반대로 회전하는 블레이드 쌍 사이에서 누적 추력 명령을 오프셋함으로써).

피치 축 및 롤 축에 대한 쿼드로터(4950)의 각 가속도는 요잉 축에 영향을 미치지 않으면서 개별적으로 생성될 수 있다. 동일한 방향으로 회전하는 로터 브레이드의 각 쌍(4905:4907 또는 4906:4908)은 롤 또는 피치 중 하나인 하나의 축을 제어한다. 다른 하나의 로터(4907 또는 4908)에 대한 추력을 감소시키는(예를 들어, 동시에 감소시키는) 동안, 하나의 로터(4905 또는 4906)에 대한 추력을 증가시키는 것은, 요잉 안정성을 위한 토크 균형을 유지할 수 있고, 롤 축 또는 피치 축에 대한 순 토크를 유발할 수 있다. 고정된 로터 블레이드는 헬리콥터보다 더 정밀하고 빠르게 쿼드로터(4950)를 (예를 들어, 임의의 방향으로) 조종하는데 사용될 수 있다. 그러나, 쿼드로터 설계는 헬리콥터보다 단지 약간 더 정밀하고 반응적이며, 로터(4905 - 4908) 중 하나에 대한 손상으로부터 회복하지 않을 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 항공기 비행 제어 시스템은 마이크로 추력기 어레이(예를 들어 큰 어레이), 예를 들어 임계 개수보다 많은 마이크로 추력기(예를 들어 10⁵ 내지 10⁹ 범위의 마이크로 추력기)를 포함할 수 있고 항공기의 하나 이상의 표면(예를 들어, 제어면) 상에 배치될 수 있는 어레이를 이용할 수 있다. 마이크로 추력기는 항공기를 상승 또는 하강시키기 위한 추력을 생성할 수 있거나 또는 비행 경로를 빠르게 변경하기 위한 조종 추력을 제공할 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 마이크로 추력기의 적어도 하나의 영역은 기계적으로 이동될 수 있거나, 또는 마이크로 추력기에 대응하는 영역에 대한 전력이 가변될 수 있어 영역 이동과 관련된 항공기 상의 힘 또는 항력에서의 차이 또는 마이크로 추력기에 대한 전력에서의 변화는 항공기가 원하는 방향으로(예를 들어, 원하는 비행 경로로) 이동하게 한다.

도 50 및 51은 분산형 마이크로 추력기(5000)를 갖는 장치(5050)의 상면도와 측면도를 도시한다.

도 50 및 51을 참조하면, 장치(5050)는 복수의 마이크로 추력기(예를 들어, NMSET)(5000), 본체(5002) 및 지지 구조체(5001)를 포함할 수 있다.

복수의 마이크로 추력기(5000)는 지지 구조체(5001)를 통해 장치(5050)의 본체(5002)에 결합(예를 들어, 연결)될 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 복수의 마이크로 추력기(5000)는 가스(예를 들어, 대기 가스 또는 다른 주변 가스)가 복수의 마이크로 추력기(5000)에 의해 마이크로 추력기 본체(5010)를 통해 추진되어 장치(5050) 상에 힘을 생성할 수 있도록 마이크로 추력기 본체(5010) 내에 매입된 하나 이상의 어레이를 형성할 수 있다. 복수의 마이크로 추력기(5000)가 본체(5002)를 향해 가스를 추진할 때, 제1 방향으로의 힘이 장치(5050)에 인가될 수 있고, 복수의 마이크로 추력기(5000)가 본체(5002)로부터 멀리 가스를 추진할 때, 제2 방향(제1 방향과 반대)으로의 힘이 장치(5050)에 인가될 수 있다. 마이크로 추력기 본체(5010)에 대응하는 평면의 배향에 따라, 복수의 마이크로 추력기(5000)가 임의의 방향으로의 힘을 장치(5050)에 제공할 수 있다.

지지 구조체(5001)는 장치(5050)의 본체(5002)와 마이크로 추력기 본체(5010) 사이의 갭이 균일할 수 있도록 장치(5050)의 본체로부터 마이크로 추력기 본체(5010)를 수용하기 위한 복수의 지지부(5020)를 포함할 수 있다.

지지부가 고정되고 칼럼 형상인 것으로 도시되고 추진된 가스의 흐름을 산출하지 않을 수 있거나 또는 추진된 가스의 흐름에 무시할만한 영향만을 가질 수 있지만, 지지부 또는 다른 이러한 구조체가 이동 가능하거나 또는 장치(5050)의 환경에서 추진된 가스의 흐름에 대한 변경을 가능하게 하여, 임의의 방향으로의 장치(5050)의 회전 또는 이동을 가능하게 할 수 있다는 것이 고려된다.

마이크로 추력기 본체(5010)가 원형 섹션으로서 도시되지만, 임의의 형상의 마이크로 추력기 본체(5010)가 가능하다는 것이 고려된다.

마이크로 추력기 본체(5010)가 본체(5002)보다 더 큰 것으로 도시되지만, 마이크로 추력기 본체(5010)는 본체(5002)에 비해 임의의 크기를 가질 수 있고, 예를 들어, 장치(5050)에 특정의 힘을 생성하는 크기를 가질 수 있다는 것이 고려된다.

소정의 예시적인 실시예에서, 장치(5050)는, (1) 다른 것들 중에서도 항공기 또는 헬리콥터와 같은 항공 기반의 운송 수단; (2) 다른 것들 중에서도 자동차, 트럭, 밴 또는 오토바이와 같은 지상 기반의 운송 수단; 및/또는 다른 것들 중에서도 카트 또는 포크 리프트와 같은 이동 수송 장치를 포함할 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 장치는 장난감 및 게임을 위한 추진 시스템으로서 사용될 수 있다.

본체(5002)는 전력 생산 또는 저장 시스템(5025) 및/또는 전력 제어 시스템(5030)을 포함할 수 있다. 전력 제어 시스템(5030)은 다양한 영역에 의해 생성된 추력을 가변시키기 위하여 마이크로 추력기(5000)의 동작 조건을 변경하도록 복수의 마이크로 추력기(예를 들어, NMSET)(5000)에 대한 전력 공급을 제어할 수 있다. 예를 들어, 마이크로 추력기(5000) 어레이는 마이크로 추력기(5000)의 소정의 영역에 의해 생성된 추력을 조정함으로써 임의의 방향으로(예를 들어, 모든 차원으로) 장치 또는 운송 수단(5050)을 조종할 수 있다. 마이크로 추력기 본체(5010)의 일단(5040)에서 장치(5050)를 향하여 가스를 추진함으로써, 그리고 동시에, 추력기 본체(5010)의 반대 단(5045)에서 장치(5050)로부터 멀리 가스를 추진함으로써, 장치(5060)는 축(5070)에 대하여 회전할 수 있다. 다른 예로서, 마이크로 추력기 본체(5010)의 분산형 개수의 마이크로 추력기(5000) 또는 모든 마이크로 추력기(5000)에 대하여 장치(5050)를 향해 가스를 추진함으로써, 장치(5050)는 가스 흐름의 반대 방향으로 이동할 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 마이크로 추력기 본체는 예를 들어 항공기와 같은 운송 수단의 제어면일 수 있으며, 예를 들어, 다른 것들 중에서도 알루미늄 및/또는 탄소 섬유인 경량 재료로 이루어질 수 있다. 제어면은 NMSET로 이루어질 수 있다.

도 52 및 53은 분산형 마이크로 추력기를 갖는 운송 수단(5010)의 상면도 및 측면도를 도시한다.

도 51 및 52를 참조하면, 운송 수단(예를 들어, 항공기)(5250)은 본체(5200), 날개(5201, 5202), 수평 안정 장치(5203, 5204) 및 수직 안정 장치(5205)를 포함할 수 있다. 마이크로 추력기(예를 들어, NMSET)는 하나 이상의 날개(5201, 5202)에 제공될 수(예를 들어, 매입될 수) 있고, 수평 안정 장치(5203, 5204) 및 수직 안정 장치(5205)는 (1) 운송 수단(5250)이 비행 경로를 따른 이동 및 방향 제어 모두에 대하여 마이크로 추력기를 사용하여 이동할 수 있게 한다(예를 들어, 일반적인 엔진 없이).

날개(5201, 5202), 수평 안정 장치(5203, 5204) 및 수직 안정 장치(5205)는, 예를 들어, 추진력 및/또는 양력을 생성하고 비행 경로에 대한 조정을 제공하기 위하여 가스(예를 들어, 제어면을 둘러싸는 공기)를 지향시키거나 추진할 수 있는 제어면을 형성하기 위하여, 제어면을 덮는(예를 들어, 연결되지만 그로부터 분리된) 마이크로 추력기를 포함할 수 있다.

예를 들어, 날개(5201, 5202) 상의 마이크로 추력기는 추진력, 양력 및/또는 조종 추력을 생성하는데 사용될 수 있다. 즉, 각 날개(5201, 5202)의 상측을 둘러싸는 가스는 마이크로 추력기의 하나 이상의 영역에 의해 아래를 향하고 각 날개(5201, 5202)의 후방을 향해 추진되어 추진력 및 양력을 모두 생성할 수 있다. 각 날개(5201, 5202) 위로 생성된 추력은 롤링(예를 들어, 세로축(5160)을 따르는 회전)을 제어할 수 있는 운송 수단(5250) 상의 차이가 나는 힘(양력)을 생성하도록 제어될 수 있다.

각 날개(5201, 5202)가, 각 날개(5201, 5202)의 상측을 둘러싸는 공기를 추진력 및 양력 모두를 생성하기 위한 방향으로 각 날개(5201, 5202)의 후방 에지 근처에서 통기되는 구조를 포함할 수 있다는 것이 고려된다. 이러한 구조는 추진된 가스의 추력 벡터링을 제공하기 위한 가이드 벤트(guide vent)를 포함할 수 있다.

다른 예로서, 수평 안정 장치(5203, 5204) 상의 마이크로 추력기는 조종 추력을 생성할 수 있다. 즉, 각 수평 안정 장치(5203, 5204)의 상측을 둘러싸는 가스가 마이크로 추력기의 하나 이상의 영역에 의해 아래를 향하여 추진되어 위로 향하는 조종 추력을 생성할 수 있거나, 또는 각 수평 안정 장치(5203, 5204)의 아래로 향하는 측을 둘러싸는 가스가 마이크로 추력기의 하나 이상의 영역에 의해 위를 향하여 추진되어 아래로 향하는 조종 추력을 생성할 수 있다. 각 수평 안정 장치(5203, 5204) 위로 생성된 추력은 피치(예를 들어, 가로축(5170)을 따르는 회전)를 제어할 수 있는 운송 수단(5250)의 가로축 둘레로의 힘을 생성하도록 제어될 수 있다.

제3 예로서, 수직 안정 장치(5205) 상의 마이크로 추력기는 다른 조종 추력을 생성하는데 사용될 수 있다. 즉, 수직 안정 장치(5205)의 일측을 둘러싸는 가스는 마이크로 추력기의 하나 이상의 영역에 의해 타측으로 추진되어 조종 추력을 생성할 수 있다. 추력은 추진되는 가스에 대한 반응력으로써 다른 방향으로 있을 수 있다. 수직 안정 장치(5205)에 의해 생성된 추력은 요잉(예를 들어, 수직축(5180)에 따른 회전)을 제어할 수 있는 운송 수단(5250)의 수직축 둘레로의 힘을 생성하도록 제어될 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 제어 스틱 또는 휠(미도시)이 제1 롤링 방향으로 이동될 때, 예를 들어, 제어 유닛(5260)은 제2 날개(5202)에 비하여 제1 날개(5201)에서의 양력을 감소시키도록 제2 날개(5202)에 비교한 제1 날개(5201)에서의 양력 차이를 생성하기 위하여 전원 공급부(5270)가 날개(5201, 4242)의 마이크로 추력기에 전력을 공급하게 하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 제1 롤링 방향으로 스틱을 이동시키는 것은 제1 날개(5201)가 제2 날개(5202)에 비하여 강하하도록 만들 수(예를 들어, 제어할 수) 있어, 항공기(5250)가 시계 방향으로 롤링하여 왼쪽으로 선회하기 시작하게 한다. 제어 스틱을 중심에 두는 것은 양력에서의 차이를 없앨 수 있으며, 경사각(bank angle)을 유지할 수 있다. 항공기(5250)는 직선 비행을 제공하기 위하여 경사각을 0으로 복귀시키도록 반대의 양력 차이가 발생할 때까지 계속 선회할 수 있다. 제어 스틱 또는 휠이 반대의 제2 롤링 방향으로 이동될 때, 예를 들어, 제어 유닛(5260)은 제2 날개(5202)에 비하여 제1 날개(5201)에서의 양력을 증가시키도록 제2 날개(5202)에 비교한 제1 날개(5201)에서의 양력 차이를 생성하기 위하여 전원 공급부(5270)가 마이크로 추력기에 전력을 공급하게 하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 제2 롤링 방향으로 스틱을 이동시키는 것은 제1 날개(5201)가 제2 날개(5202)에 비하여 상승하게 만들 수(예를 들어, 제어할 수) 있어, 항공기(5250)가 반시계 방향으로 롤링하여 오른쪽으로 선회하기 시작하게 한다. 제어 스틱을 중심에 두는 것은 양력에서의 차이를 없앨 수 있으며, 경사각을 유지할 수 있다. 항공기(5250)는 직선 비행을 제공하기 위하여 경사각을 0으로 복귀시키도록 반대의 양력 차이가 발생할 때까지 계속 선회할 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 제어 스틱(또는 휠)이 제1 피치 방향으로 이동되면, 예를 들어, 제어 유닛(5260)은 양력을 증가시키도록 전원 공급부(5270)가 수평 안정 장치(5203, 5204)의 마이크로 추력기에 전력을 공급하게 하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 제어 스틱을 제1 피치 방향으로 이동시키는 것은 수평 안정 장치(5203, 5204)가 날개(5201, 5202)에 비하여 상승하게 만들 수(예를 들어, 제어할 수) 있어, 항공기가 아래를 향해 피칭하게 한다. 제어 스틱(또는 휠)이 반대의 제2 반대 방향으로 이동되면, 예를 들어, 제어 유닛(5260)은 양력을 감소시키도록 전원 공급부(5270)가 수평 안정 장치(5203, 5204)의 마이크로 추력기에 전력을 공급하게 하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 제어 스틱을 제2 피치 방향으로 이동시키는 것은 수평 안정 장치(5203, 5204)가 날개(5201, 5202)에 비하여 강하하도록 만들 수(예를 들어, 제어할 수) 있어, 항공기가 위를 향해 피칭하게 한다. 제어 스틱을 중심에 두는 것은 피치의 변경을 정지시킬 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 제1 제어 페달(미도시)이 이동되면, 제어 유닛(5260)은 제1 방향으로의 추력을 증가시키거나 개시하도록 전원 공급부(5270)가 수직 안정 장치(5205)의 마이크로 추력기에 전력을 공급하게 하는 제어 신호를 생성할 수 있고, 수직 안정 장치(5205)가 수직축에서 반대의 제2 방향으로 운송 수단(5250)을 이동시키게 만들 수(예를 들어, 제어할 수) 있어, 항공기의 기수가 반대의 제2 방향으로 요잉하게 한다. 제2 제어 페달(미도시)이 이동되면, 제어 유닛(5260)은 제2 방향으로의 추력을 증가시키거나 개시하도록 전원 공급부(5270)가 수직 안정 장치(5205)의 마이크로 추력기에 전력을 공급하게 하는 제어 신호를 생성할 수 있고, 수직 안정 장치(5205)가 제1 방향으로 운송 수단(5250)을 이동시키게 만들 수(예를 들어, 제어할 수) 있어, 항공기의 기수가 제1 방향으로 요잉하게 한다. 제어 페달들을 중심에 두는 것은 요잉을 정지시킬 수 있다. 제1 및 제2 페달은, 한 페달이 가압될 때(예를 들어, 눌러질 때) 다른 페달이 상보적 방식으로 이동되도록 구성될 수 있다.

운송 수단의 제어 이동이 제어 스틱 또는 휠과 제어 페달을 이용하여 설명되지만, 운송 수단의 제어면과 관련된 추력을 제어하기 위하여 제어 신호가 생성될 수 있는 한, 임의의 입력 장치가 운송 수단을 조종하는데 사용될 수 있다.

운송 수단의 제어 이동이 일반적인 방식으로 전체 제어면을 작동시키는 것에 기초하여 설명되지만, 예를 들어, 더 작은 선회 반경으로 조종할 수 있는 운송 수단의 능력을 개선하기 위하여 각 제어면의 영역이 상이하게 작동될 수 있다는 것이 고려된다.

도 54 및 55는 분산형 마이크로 추력기를 갖는 운송 수단(5450)의 상면도와 측면도를 도시한다.

도 54 및 55를 참조하면, 운송 수단(5450)은 본체(5400), 날개(5401, 5402), 수평 안정 장치(5403) 및 힌지 유닛(5404)을 포함할 수 있다. 마이크로 추력기(예를 들어, NMSET)는, 비행 경로를 따른 이동 및 방향 제어 양자를 위하여 마이크로 추력기를 이용하여 운송 수단(5450)이 이동할 수 있게 하도록(예를 들어, 일반적인 엔진 없이), 하나 이상의 날개(5401, 5402) 및/또는 수평 안정 장치(5403) 내에 제공될 수(예를 들어, 매입될 수) 있다.

날개(5401, 5402) 및 수평 안정 장치(5203)는, 예를 들어, 양력을 생성하고 비행 경로에 대한 조정을 제공하도록 가스(예를 들어, 제어면을 둘러싸는 공기)를 지향시키거나 추진할 수 있는 제어면을 형성하기 위하여 제어면을 덮거나(예를 들어, 연결되지만 그로부터 분리되어) 또는 이와 통합될 수 있는 마이크로 추력기를 포함할 수 있다.

날개(5401, 5402) 상의 마이크로 추력기는 추진력, 양력 및/또는 조종 추력을 생성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 각 날개(5401, 5402)의 상측을 둘러싸는 가스는 마이크로 추력기의 하나 이상의 영역에 의해 아래를 향하여 그리고 각 날개(5401, 5402)의 후방을 향해 추진되어 추진력 및 양력을 모두 생성할 수 있다. 하나 이상의 날개(5401, 5402)와 관련된 힌지 유닛(5404)은 롤링(예를 들어, 세로축(5160)을 따르는 회전)을 제어하기 위하여 세로축(5160)의 방향으로 하나 이상의 날개(5401, 5402)를 회전시키도록 제어될 수 있다.

수평 안정 장치(5403) 상의 마이크로 추력기는 조종 추력을 생성할 수 있다. 즉, 수평 안정 장치(5403)의 상측을 둘러싸는 가스가 마이크로 추력기의 하나 이상의 영역에 의해 아래를 향하여 추진되어 위로 향하는 조종 추력을 생성할 수 있거나, 또는 수평 안정 장치(5403)의 아래로 향하는 측을 둘러싸는 가스가 마이크로 추력기의 하나 이상의 영역에 의해 위를 향하여 추진되어 아래로 향하는 조종 추력을 생성할 수 있다. 수평 안정 장치(5403)에 의해 생성된 추력은 피치(예를 들어, 가로축(5170)을 따르는 회전)을 제어할 수 있는 운송 수단(5250)의 가로축(5170) 둘레로의 힘을 생성하도록 제어될 수 있다.

수평 안정 장치(5403) 상의 마이크로 추력기는 다른 조종 추력을 생성할 수 있다. 즉, 수평 안정 장치(5403)의 일측을 둘러싸는 가스는 수직축 방향으로 순 힘(net force)을 생성하도록 수평 안정 장치(5203)의 표면에 걸친 흐름에서의 차이에 의해 가이드될 수 있다. 순 힘은 수평 안정 장치(5403)의 해당하는 측(5420)의 제2 영역(5412)에 비한 수평 안정 장치(5403)의 해당하는 측(5420)의 하나의 영역(5410) 상의 마이크로 추력기로부터 추진된 가스 흐름에서의 경사로부터 발생할 수 있다. 수직 안정 장치(5405)에 의해 생성된 추력은 요잉(예를 들어, 수직축(5180)에 따른 회전)을 제어할 수 있는 운송 수단(5450)의 수직축(5180) 둘레로의 힘을 생성하도록 제어될 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 제어 스틱 또는 휠(미도시)이 제1 롤링 방향으로 이동될 때, 예를 들어, 제어 유닛(5460)은 롤링을 생성하도록 전원 공급부(5470)가 날개(5401 및/또는 5402)의 하나 이상의 힌지 유닛(5404)을 작동시키게(예를 들어, 이동시키거나 회전시키게) 하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 제1 롤링 방향으로 스틱을 이동시키는 것은 제1 날개(5401)가 제2 날개(5402)에 비하여 아래로 회전하게 만들 수(예를 들어, 제어할 수) 있어, 운송 수단(예를 들어, 항공기(5450))이 시계 방향으로 롤링하여 왼쪽으로 선회하기 시작하게 한다. 제어 스틱을 중심에 두는 것은 경사각을 유지할 수 있다. 운송 수단(5450)(예를 들어, 항공기)은 직선 비행을 제공하기 위하여 경사각을 0으로 복귀시키도록 반대의 제어 조종이 발생할 때까지 계속 선회할 수 있다. 제어 스틱 또는 휠이 반대의 제2 롤링 방향으로 이동될 때, 예를 들어, 제어 유닛(5460)은 반대 방향으로 롤링을 생성하도록 전원 공급부(5470)가 날개(5401 및/또는 5402)의 하나 이상의 힌지 유닛(5404)을 작동시키게(예를 들어, 이동시키거나 회전시키게) 하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 반대의 제2 롤링 방향으로 스틱을 이동시키는 것은 제1 날개(5401)가 제2 날개(5402)에 비하여 위로 회전하게 만들 수(예를 들어, 제어할 수) 있어, 항공기(5450)가 반시계 방향으로 롤링하여 오른쪽으로 선회하기 시작하게 한다. 제어 스틱을 중심에 두는 것은 경사각을 유지할 수 있다. 항공기(5450)는 직선 비행을 제공하기 위하여 경사각을 0으로 복귀시키도록 반대의 제어 조종이 발생할 때까지 계속 선회할 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 제어 스틱(또는 휠)이 제1 피치 방향으로 이동되면, 예를 들어, 제어 유닛(5460)은 피치에서의 변경을 생성하기 위하여 전원 공급부(5470)가 수평 안정 장치(5403)의 하나 이상의 힌지 유닛(5404)을 작동시키게(예를 들어, 이동시키거나 회전시키게) 하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 제1 피치 방향으로 스틱을 이동시키는 것은 수평 안장 장치(5403)가 날개(5401, 5402)에 대하여 회전하게 만들 수(예를 들어, 제어할 수) 있어, 항공기가 아래를 향해 피칭하게 한다. 제어 스틱(또는 휠)이 반대의 제2 피치 방향으로 이동되면, 예를 들어, 제어 유닛(5460)은 반대 방향으로 피치에서의 변경을 생성하기 위하여 전원 공급부(5470)가 수평 안정 장치(5403)의 하나 이상의 힌지 유닛(5404)을 작동시키게(예를 들어, 이동시키거나 회전시키게) 하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 따라서, 제어 스틱을 제1 피치 방향으로 이동시키는 것은, 수평 안정 장치(5403)가 날개(5401, 5402)에 대하여 회전하게 만들 수(예를 들어, 제어할 수) 있어, 항공기가 위로 향해 피칭하게 한다.

소정의 예시적인 실시예에서, 제1 제어 페달(미도시)이 이동되면, 제어 유닛(5460)은 수평 안정 장치(5403)의 평면에서 가로축 방향(5170)으로 수평 안정 장치(5403)의 표면을 가로질러 흐름 경사를 생성하도록 전원 공급부(5470)가 수평 안정 장치(5403)의 마이크로 추력기에 전력을 공급하게 하는 제어 신호를 생성할 수 있어, 항공기의 기수가 반대의 제1 방향으로 요잉하게 한다. 제2 제어 페달(미도시)이 이동되면, 제어 유닛(5460)은 수평 안정 장치(5403)의 평면에서 반대의 가로축 방향(5170)으로 수평 안정 장치(5403)의 표면을 가로질러 흐름 경사를 생성하도록 전원 공급부(5470)가 수평 안정 장치(5403)의 마이크로 추력기에 전력을 공급하게 하는 제어 신호를 생성할 수 있어, 항공기의 기수가 반대의 제2 방향으로 요잉하게 한다. 제어 페달들을 중심에 두는 것은 요잉을 정지시킬 수 있다. 제1 및 제2 페달은, 한 페달이 가압될 때(예를 들어, 눌러질 때) 다른 페달이 상보적 방식으로 이동되도록 구성될 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 운송 수단(5450)은, 다른 것들 중에서도, 알루미늄 및/또는 탄소 섬유와 같은 경량 재료로 구성될 수 있고, 제어면은 NMSET 요소로 이루어질 수 있다. 복수의 제어면은 힌지 유닛(5404)(예를 들어, 힌지와 액추에이터)에 의해 운송 수단(5450)에 연결될 수 있는 분산형 마이크로 추력기(5401 - 5403)로 이루어질 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 운송 수단(5450)은 임의의 차원으로 운송 수단을 조종하기 위하여 제어면의 마이크로 추력기의 영역 및/또는 전체 제어면에 의해 생성된 추력을 가변시키는 전력 및 제어 시스템을 포함할 수 있다. 단일 전원 공급부가 설명되지만, 운송 수단(5450)은 더 높은 정도의 조종 제어를 제공하도록 제어면에 연결된 힌지를 작동시키기 위한 제2 전원 공급부(예를 들어, 전력 및 제어 시스템)를 포함할 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 힌지는 티타늄 또는 알루미늄과 같은 가벼운 재료로 이루어질 수 있으며, 액추에이터는, 다른 것들 중에서도, 유압식, 자석식, 또는 케이블 구동식일 수 있다.

운송 수단의 제어 이동이 제어 스틱 또는 휠과 제어 페달을 이용하여 설명되지만, 운송 수단의 제어면과 관련된 추력 및/또는 힌지 유닛 회전(예를 들어, 각도)을 제어하기 위하여 제어 신호가 생성될 수 있는 한, 임의의 입력 장치가 운송 수단을 조종하는데 사용될 수 있다.

도 56 및 57은 분산형 마이크로 추력기를 갖는 운송 수단(5650)의 상면도 및 측면도를 도시한다.

도 56 및 57을 참조하면, 운송 수단(5650)은 본체(5600)와 날개(5605, 5602)를 포함할 수 있다. 마이크로 추력기(예를 들어, NMSET)는, 비행 경로를 따른 이동 및 방향 제어 양자를 위하여 마이크로 추력기를 이용하여 운송 수단(5450)이 이동할 수 있게 하도록(예를 들어, 일반적인 엔진 없이), 날개(5601, 5602) 내에 제공될 수(예를 들어, 매입될 수) 있다.

날개(5601, 5602)는, 예를 들어, 추진력 및/또는 양력을 생성하고 비행 경로에 대한 조정을 제공하기 위하여 가스(예를 들어, 제어면을 둘러싸는 공기)를 지향시키거나 추진할 수 있는 제어면을 형성하기 위하여 제어면을 덮거나(예를 들어, 연결되지만 그로부터 분리된) 또는 이와 통합될 수 있는 마이크로 추력기를 포함할 수 있다.

날개(5601, 5602) 상의 마이크로 추력기는 추진력, 양력 및/또는 조종 추력을 생성하도록 영역에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 각 날개(5601, 5602)의 상측을 둘러싸는 가스는 마이크로 추력기의 하나 이상의 영역에 의해 아래를 향하여 그리고/또는 각 날개(5601, 5602)의 후방을 향하여 추진되어 추진력 및/또는 양력을 생성할 수 있다. 날개(5601, 5602)는, 날개(5601, 5602)의 상이한 영역이 각 영역과 관련된 상이한 추력 벡터로 각각 상이한 방향으로 동작하는 마이크로 추력기를 가지도록, 만곡된 형상을 가지면서 운송 수단(5650)의 본체(5600)로부터 돌출할 수 있다. 날개(5601, 5602)의 각 영역과 관련된 추력을 가변시킴으로써, 가로축, 수직축 및/또는 세로축(5160, 5170, 5180)에서의 합력 벡터가 비행 경로를 유지하거나 조정하도록 조정될 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 제어면은 가요성일 수 있으며, 운송 수단(5650)은 더 큰 정도의 조종 제어를 제공하도록, 액추에이터 유닛(5620)을 이용하여, 가요성 제어면을 작동시키기 위한 전원 공급부(5610)(예를 들어, 전력 및 제어 시스템)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 액추에이터는 비행 경로를 유지하거나 조정하기 위하여 가로축, 수직축 및/또는 세로축(5160, 5170, 5180)에서의 합력 벡터에서의 대응하는 변경을 발생시킬 수 있는 날개의 곡률을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 운송 수단(5650)은, 다른 것들 중에서도, 알루미늄 및/또는 탄소 섬유와 같은 경량 재료로 구성될 수 있고, 제어면은 NMSET 요소로 이루어질 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 운송 수단(5650)은 제어면의 마이크로 추력기의 영역에 의해 생성된 추력을 가변시키는 전력 및 제어 시스템을 포함할 수 있다. 단일 전원 공급부가 설명되지만, 운송 수단(5650)은 작동 유닛에 전력을 공급하기 위한 제2 또는 추가 전원 공급부(예를 들어, 전력 및 제어 시스템)를 포함할 수 있다.

도 58 및 59는 분산형 마이크로 추력기를 갖는 운송 수단(5850)의 상면도 및 측면도를 도시한다.

도 58 및 59를 참조하면, 운송 수단(5850)은 본체(5800), 날개(5801, 5802), 수평 안정 장치(5803, 5804), 수직 안정 장치(5805) 및 엔진(5801, 5807)을 포함할 수 있다. 비행 경로를 따른 이동 및 방향 제어를 위하여 마이크로 추력기에 의해 증강된 엔진(5806, 5807)을 이용하여 운송 수단(5850)이 이동할 수 있게 하도록, 마이크로 추력기(예를 들어, NMSET)가 하나 이상의 날개(5801, 5802), 수평 안정 장치(5803, 5804) 및/또는 수직 안정 장치(5805)에 제공될 수(예를 들어, 매입될 수) 있다. 예를 들어, 운송 수단(5850)의 동작은, 엔진이 운송 수단(5850)을 위한 양력 및 추진력을 제공하고, 예를 들어, 이착륙 거리를 감소시키기 위하여, 마이크로 추력기에 의해 증강될 수 있다는 점을 제외하고는 운송 수단(5250)의 동작과 유사하다. 엔진(5806, 5807)은 마이크로 추력기로부터의 증강 때문에 동일한 크기의 종래의 운송 수단보다 더 작은 크기를 가질 수 있다. 복수의 제어면(5801 - 5805)은 가요성 제어면일 수 있어, 양력, 추진력 및/또는 비행 제어 조정을 제공하기 위해 대응하는 세트의 작동 유닛(5811 - 5815)으로 제어면을 구부려 그 형상을 변경할 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 작동 유닛은 양력, 추진력 및/또는 비행 제어 조정을 제공하기 위해 형상을 변경하도록 제어면을 구부리는 하나 이상의 액추에이터 세트일 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 동일한 효과를 제공하기 위하여 부하가 제어면 구조 내에서 시프트될 수 있다.

가요성 제어면을 갖는 운송 수단(5850)이 개시되었지만, 휘어지지 않는 표면이 가능하다는 것이 고려된다. 이러한 경우에, 작동 유닛(5811 - 5815)은 제거될 수 있다.

제어 유닛(5830)은 작동 유닛(5811 - 5815)과 마이크로 추력기에 전력을 공급하기 위한 하나 이상의 전원 공급부(5835)를 제어할 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 운송 수단(5850)은 다른 것들 중에서도, 알루미늄 및/또는 탄소 섬유와 같은 경량 재료로 구성될 수 있고, 제어면은 NMSET 요소로 이루어질 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 운송 수단(5650)은 각각의 제어면의 마이크로 추력기의 영역에 의해 생성된 추력을 가변시키는 전력 및 제어 시스템을 포함할 수 있다. 단일 전원 공급부가 설명되지만, 운송 수단(5850)은 작동 유닛에 전력을 공급하기 위한 추가 전원 공급부(예를 들어, 전력 및 제어 시스템)를 포함할 수 있다. 추진 시스템(5806, 5807)은 제트 엔진, 터보 프로펠러 또는 종래의 프로펠러 엔진일 수 있다.

엔진이 엔진실 내에 있는 2개의 엔진 평면이 개시되지만, 예를 들어, 운송 수단의 꼬리 부분에 있는 엔진을 포함하는 다른 엔진 구성이 가능하다.

도 60은 마이크로 추력기를 이용하는 예시적인 제어 방법(6000)을 보여주는 플로우 차트이다.

도 60을 참조하면, 방법(6000)은 적어도 하나의 제어면 내에 형성된 복수의 추력 생성 장치를 이용하여 운송 수단의 이동을 제어할 수 있다. 블록(6010)에서, 제어 유닛은 추력을 생성하기 위하여 가스를 추진하도록 구성된 복수의 추력 생성 장치에 대한 전력 공급을 제어할 수 있다. 블록(6020)에서, 적어도 하나의 제어면의 복수의 추력 생성 장치가 운송 수단의 이동을 제어하기 위하여 복수의 추력 생성 장치에 대한 전력 공급에 따라 물리적 변위를 생성할 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 원하는 경로로 운송 수단을 이동시키기 위하여 제1 제어면 상에 형성된 제1 추력 생성 장치와 제2 제어면 상에 형성된 제2 추력 생성 장치에 대한 전력 공급이 제어되도록, 적어도 하나의 제어면은 제1 제어면과 제2 제어면을 포함할 수 있다.

소정의 예시적인 실시예에서, 제어면은 운송 수단과 함께 일체로 형성될 수 있다. 소정의 예시적인 실시예에서, NNSET 요소가 제어면으로 통합되거나 매입될 수 있다. 소정의 예시적인 실시예에서, 복수의 추력 생성 장치는, 복수의 추력 생성 장치의 전원 인가에 응답하여, 적어도 하나의 제어면을 통해 가스를 추진할 수 있다. 소정의 예시적인 실시예에서, 복수의 제어면은 복수의 축 중 각각의 축 또는 축들을 따라 운송 수단을 조종하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 복수의 추력 생성 장치에 대한 전력 공급을 제어하는 것은 각 제어면의 물리적 변위를 개별적으로 제어하기 위하여 각각의 상이한 제어면과 관련된 추력 생성 장치를 개별적으로 제어하는 것을 포함한다. 다른 예로서, 운송 수단은 제1 제어면 상에 형성된 제1 추력 생성 장치 및 추가의 제어면 상에 형성된 추가의 추력 생성 장치에 대한 전력 공급을 제어함으로써 3축을 따라 조종될 수 있다.

도 61은 열 발산 장치를 이용하는 예시적인 제어 방법(6100)을 도시하는 플로우 차트이다.

도 61을 참조하면, 방법(6100)은 운송 수단의 표면에 매입된 열 발산 장치 어레이를 이용하여 운송 수단의 이동을 제어할 수 있다. 각각의 해당하는 열 발산 장치는 적어도 제1 및 제2 층을 포함하며, 각각의 열 발산 장치를 통한 가스의 흐름을 가능하게 하도록 구성된 쓰루홀을 형성할 수 있다. 블록(6110)에서, 각각의 열 발산 장치를 통한 가스 흐름을 생성하기 위하여 각각의 열 발산 장치의 적어도 제1 및 제2 층 사이에 열 편차가 생성될 수 있다. 블록(6120)에서, 운송 수단의 이동은 각각의 열 발산 장치를 통한 가스 흐름을 이용하여 제어된다.

본 명세서에 설명된 바와 같이, 예를 들어, 본 발명은 소프트웨어(예를 들어, 플러그인 또는 단독 소프트웨어), 메모리 내에 소프트웨어를 포함하는 기계(예를 들어, 컴퓨터 시스템, 마이크로프로세서 기반 장비 등) 또는 마이크로 추력기 및 작동 유닛을 위한 제어 스킴을 수행하도록 구성된 비일시적인 컴퓨터 판독가능한 저장 매체(예를 들어, 다른 것들 중에서도 내장형 실리콘 장치, 솔리드 스테이트 메모리, 광 디스크 또는 자기 디스크)로 구체화될 수 있다.

마이크로 추력기, 관련된 장치 및 그 방법이 특정 실시예를 참조하여 상세하기 설명되었지만, 첨부된 특허청구범위의 보호 범위를 벗어나지 않으면서, 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있고 균등물이 채용될 수 있다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

본 명세서에 설명된 바와 같이, 예를 들어, 본 발명은 소프트웨어(예를 들어, 플러그인 또는 단독 소프트웨어), 메모리 내에 소프트웨어를 포함하는 기계(예를 들어, 컴퓨터 시스템, 마이크로프로세서 기반 장비 등) 또는 제어 스킴을 수행하도록 구성된 비일시적인 컴퓨터 판독가능한 저장 매체(예를 들어, 다른 것들 중에서도 내장형 실리콘 장치, 솔리드 스테이트 메모리, 광 디스크 또는 자기 디스크)로 구체화될 수 있다.

전술한 명세서가 본 발명의 원리를 교시하지만, 예들은 단지 예시적 목적으로만 제공되며, 가장 넓은 범위를 제공하는 첨부된 특허청구범위의 보호 범위를 벗어나지 않으면서, 형태 및 상세에서 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있고 균등물이 채용될 수 있다는 것이 본 개시 내용을 읽음으로써 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해될 것이다.

Claims (25)

1. 복수의 추력 생성 장치를 이용하여 운송 수단(vehicle)의 운동을 제어하는 방법에 있어서,
   하나 이상의 제어면에 형성된 상기 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급을 제어하는 단계로서, 상기 복수의 추력 생성 장치는 추력을 생성하는 상기 제어면을 통해 가스를 추진하도록 구성된, 상기 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급 제어 단계; 및
   상기 운송 수단의 운동을 제어하도록 상기 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급에 따라서 상기 하나 이상의 제어면의 물리적 변위를 생성하는 단계
   를 포함하는,
   운송 수단의 운동 제어 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 하나 이상의 제어면은 복수의 제어면을 구비하고,
   상기 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급 제어 단계는, 상기 운송 수단이 소정의 경로에서 이동하도록 제1 제어면 상에 형성된 제1 추력 생성 장치 및 제2 제어면 상에 형성된 제2 추력 생성 장치로의 전력 공급을 제어하는 단계를 구비하는,
   운송 수단의 운동 제어 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 추력 생성 장치로서 나노 분자 솔리드 스테이트 전기 역학적 추력기(Nano Molecular Solid-state Electrodynamic Thrusters: NMSET) 요소를 이용하여 상기 하나 이상의 제어면을 형성하는 단계를 더 포함하는,
   운송 수단의 운동 제어 방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 하나 이상의 제어면을 형성하는 단계는, 상기 운송 수단 내에 상기 제어면을 일체로 형성하는 단계를 구비하는,
   운송 수단의 운동 제어 방법.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 하나 이상의 제어면을 형성하는 단계는, 상기 하나 이상의 제어면 내에 상기 NMSET 요소를 통합하는 단계를 구비하는,
   운송 수단의 운동 제어 방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 하나 이상의 제어면의 물리적 변위를 생성하는 단계는, 상기 복수의 추력 생성 장치의 파워 온(power-on)에 응답하여, 상기 복수의 추력 생성 장치에 의해 상기 하나 이상의 제어면을 통해 가스를 추진시키는 단계를 구비하는,
   운송 수단의 운동 제어 방법.
   
7. 제2항에 있어서,
   복수의 축 중 해당하는 축 또는 축들을 따라 상기 운송 수단을 조작하도록 상기 복수의 제어면을 제어하는 단계를 더 포함하는,
   운송 수단의 운동 제어 방법.
   
8. 제2항에 있어서,
   상기 추력 생성 장치로의 전력 공급을 제어하는 단계는, 각각의 제어면의 물리적 변위를 별개로 제어하도록 각각 다른 제어면과 관련된 상기 추력 생성 장치를 별개로 제어하는 단계를 구비하는,
   운송 수단의 운동 제어 방법.
   
9. 제1항에 있어서,
   제1 제어면 상에 형성된 제1 추력 생성 장치로의 전력 공급 및 다른 제어면 상에 형성된 다른 추력 생성 장치로의 전력 공급을 제어함으로써 3개의 축을 따라 상기 운송 수단을 조작하는 단계를 더 포함하는,
   운송 수단의 운동 제어 방법.
   
10. 운송 수단의 운동을 제어하는 장치에 있어서,
    상기 운송 수단의 하나 이상의 제어면에 형성된 복수의 추력 생성 장치로서, 추력을 발생시키도록 상기 제어면을 통해 가스를 추진하도록 구성된 복수의 추력 생성 장치;
    적어도 상기 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급을 위한 전원 공급부; 및
    상기 운송 수단의 운동을 제어하기 위하여, 상기 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급에 따라서 상기 복수의 추력 생성 장치가 상기 하나 이상의 제어면의 물리적 변위를 발생시키도록 상기 전원 공급부에 의해 상기 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급을 제어하는 제어 유닛
    을 포함하는,
    운송 수단의 운동 제어 장치.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 추력 생성 장치는 나노 분자 솔리드 스테이트 전기역학적 추력기(Nano Molecular Solid-state Electrodynamic Thrusters: NMSET) 요소로 형성되는,
    운송 수단의 운동 제어 장치.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 NMSET 요소는 상기 하나 이상의 제어면 내에 통합되는,
    운송 수단의 운동 제어 장치.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어면은 가요성인,
    운송 수단의 운동 제어 장치.
    
14. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 추력 생성 장치는, 상기 복수의 추력 생성 장치의 파워 온(power-on)에 응답하여, 상기 하나 이상의 제어면을 통해 가스를 추진함으로써 상기 하나 이상의 제어면의 물리적 변위를 생성하는,
    운송 수단의 운동 제어 장치.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어면은 복수의 제어면을 구비하고,
    상기 제어 유닛은 상기 운송 수단이 소정의 경로에서 이동하도록 제1 제어면 상에 형성된 제1 추력 생성 장치 및 제2 제어면 상에 형성된 제2 추력 생성 장치로의 전력 공급을 제어하는,
    운송 수단의 운동 제어 장치.
    
16. 제14항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 복수의 축 중 해당하는 축 또는 축들을 따라 상기 운송 수단을 조작하도록 상기 복수의 제어면의 변위를 제어하는,
    운송 수단의 운동 제어 장치.
    
17. 제14항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 각각의 제어면의 물리적 변위를 별개로 제어하도록 각각 다른 제어면과 관련된 상기 추력 생성 장치를 별개로 제어하는,
    운송 수단의 운동 제어 장치.
    
18. 제14항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 제1 제어면 상에 형성된 제1 추력 생성 장치로의 전력 공급 및 다른 제어면 상에 형성된 다른 추력 생성 장치로의 전력 공급을 제어함으로써 3개의 축을 따라 상기 운송 수단을 조작하는,
    운송 수단의 운동 제어 장치.
    
19. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 제어면은 복수의 축 중 해당하는 축 또는 축들을 따라 상기 운송 수단을 제어하는,
    운송 수단의 운동 제어 장치.
    
20. 제14항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어면은 상기 운송 수단 내에 일체로 형성되는,
    운송 수단의 운동 제어 장치.
    
21. 제14항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어면은 힌지 기구에 의해 상기 운송 수단에 결합되도록 구성되는,
    운송 수단의 운동 제어 장치.
    
22. 복수의 추력 생성 장치를 이용하여 운송 수단의 운동을 제어하는 방법을 구현하도록 프로세서 상에서 실행하기 위한 비일시적 컴퓨터 저장 매체에 있어서,
    상기 방법은,
    하나 이상의 제어면에 형성된 상기 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급을 제어하는 단계로서, 상기 복수의 추력 생성 장치는 추력을 생성하는 상기 제어면을 통해 가스를 추진하도록 구성된, 상기 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급 제어 단계; 및
    상기 운송 수단의 운동을 제어하도록 상기 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급에 따라서 상기 하나 이상의 제어면의 물리적 변위를 생성하는 단계
    를 포함하는,
    비일시적 컴퓨터 저장 매체.
    
23. 항공기의 운동을 제어하기 위한 비행 제어 시스템에 있어서,
    상기 항공기의 하나 이상의 제어면에 매입되는 복수의 추력 생성 장치로서, 추력을 발생시키기 위해 가스를 추진하도록 구성된 복수의 추력 생성 장치;
    적어도 상기 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급을 위한 전원 공급부; 및
    상기 항공기의 비행 경로를 결정하고, 상기 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급에 따라서 상기 복수의 추력 생성 장치가 상기 하나 이상의 제어면의 물리적 변위를 발생시킴으로써 결정된 비행 경로를 따라 상기 항공기의 운동을 제어하도록 상기 전원 공급부에 의해 상기 복수의 추력 생성 장치로의 전력 공급을 제어하는 제어 유닛
    을 포함하는,
    비행 제어 시스템.
    
24. 운송 수단의 표면에 매입된 열 증산 장치(thermal transpiration device)의 어레이를 이용하여 상기 운송 수단의 운동을 제어하는 방법으로서, 각각의 해당하는 열 증산 장치는 적어도 제1 및 제2 층을 구비하며 해당하는 열 증산 장치를 통해 가스가 흐르게 하도록 구성된 관통 구멍을 형성하는, 운송 수단의 운동을 제어하는 방법에 있어서,
    해당하는 상기 열 증산 장치를 통해 가스 흐름을 발생시키도록 해당하는 상기 열 증산 장치의 적어도 제1 및 제2 층들 사이에 열 편차를 생성하는 단계; 및
    해당하는 상기 열 증산 장치를 통한 상기 가스 흐름을 이용하여 상기 운송 수단의 운동을 제어하는 단계
    를 포함하는,
    운송 수단의 운동 제어 방법.
    
25. 운송 수단의 운동을 제어하는 장치에 있어서,
    상기 운송 수단의 표면에 매입되는 열 증산 장치의 어레이로서, 각각의 해당하는 열 증산 장치는 적어도 제1 및 제2 층을 구비하며 해당하는 열 증산 장치를 통해 가스의 흐르게 하도록 구성된 관통 구멍을 형성하는, 상기 열 증산 장치의 어레이
    를 포함하며,
    해당하는 상기 열 증산 장치의 적어도 제1 및 제2 층들 사이에는 열 편차가 생성되어, 해당하는 상기 열 증산 장치를 통한 가스 흐름을 이용하여 상기 운송 수단의 운동을 제어하도록 해당하는 상기 열 증산 장치를 통해 상기 가스 흐름을 생성하는,
    운송 수단의 운동 제어 장치.

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