KR20140015425A - 에어 쿠션 운송기 - Google Patents

Abstract

이동가능한 지지 플랫폼(movable support platform)은, 플랫폼, 가압된 가스를 유지하는 플랫폼 아래의 봉입된 공간을 제공하는 플랫폼의 외주에 결합되는 스커트 및 봉입된 공간 내에서 가스를 가압하도록 플랫폼에 결합되는 추력 추진 장치를 구비하는 것으로 개시된다. 상기 추력 추진 장치는 플랫폼 아래의 봉입된 공간 내로 가스를 추진하는 가스 추진 장치, 즉 "분산형 추력기"의 어레이를 구비한다. 상기 분산형 추력기는 나노 분자 고체형 전기 역학 추력기(Nano Molecular Solid-state Electrodynamic Thrusters: NMset)로 이루어질 수 있다.

Description

에어 쿠션 운송기{AIR CUSHION TRANSPORT}

본 출원은 2009년 9월 3일자로 출원한 제 61/239,446호, 2009년 11월 27일자로 출원한 제 61/264,778호, 2010년 1월 19일자로 출원한 61/296,198호 및 2011년 3월 2일자로 출원한 61/448,589호, 및 2010년 9월 3일자로 출원한 PCT 국제출원 제 2010/002428호의 미국 가출원을 참조하며, 그 내용은 본원에 참고로 인용된다. 우선권은 2011년 3월 2일자로 출원한 미국 가출원 제61/448,589호에 관한 것이다.

본원의 개시내용은 일반적으로 이동형 운송 시스템, 보다 상세하게 접지 효과를 이용하여 호버(hover)하는 운송 시스템에 관한 것이다.

호버크래프트(hovercrafts)는 하측으로 지향된 팬에 의해 발생된 에어 쿠션을 이용하여 랜드면 또는 수면 위로 주행하는 운송수단이다. 호버크래프트는 랜드와 물 위로 무거운 하중을 신속하게 이송할 수 있다. 그러나, 다른 타입의 모터 운송수단에 비해, 호버크래프트는 대형이고, 소음이 나고 위험하다. 주거 지역에서 호버크래프트를 작동하면, 수용가능하지 못한 소음과 위험을 발생시킬 것이다. 그 결과, 호버크래프트에 대한 소비자 사용이 제한된다.

이동가능한 지지 플랫폼은, 플랫폼, 가압된 가스를 유지하는 플랫폼 아래의 봉입된 공간을 제공하며 플랫폼의 외주에 결합되는 스커트, 및 봉입된 공간 내에서 가스를 가압하도록 플랫폼에 결합되는 추력 추진 장치를 구비하는 것으로 개시된다. 상기 추력 추진 장치는 분산형 마이크로추력기(distributed microthrusters) 또는 분산형 추력기(distributed microthrusters)와 같은 가스 추진 장치의 어레이를 구비하며, 이는 플랫폼 아래의 봉입된 공간 내로 가스를 추진한다. 분산형 추력기의 일례는 스택 내에 배치될 수 있는 제1 층과 제2 층, 및 스택 내의 적어도 하나의 관통 구멍을 구비할 수 있다. 상기 층 각각의 표면은 관통 구멍의 내부 내에 노출된다. 개별적인 가스 추진 장치의 층들은 가열/냉각 장치에 의해 선택적으로 가열 및/또는 냉각될 수 있다.

본원의 방법, 장치 및 시스템은 본원에 첨부된 청구범위에 의해 한정된 본 발명의 예시적인 실시예에 의해 제한되지 않고 기술될 것이다. 본원의 개시내용의 하나 이상의 실시예들에 대한 상세한 설명은 첨부하는 도면에서 나타나고 후술된다. 다른 특징, 목적 및 이점은 상세한 설명과 도면, 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 펠티에 슬래브(peltier slab)일 수 있고, 슬래브는 열전자 방출 또는 어떤 다른 적절한 수단에 의해 구동된 히트 펌프를 도시한다.
도 2는 도 1의 히트 펌프 둘레에서 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 고체형 전기 역학 추력기(Nano Molecular Solid-state Electrodynamic Thrusters: NMSET)의 스택(stack)의 네트 힘을 도시한다.
도 5는 톱니형 기하학적 구조를 갖는 NMSET의 스택 둘레의 가스 입자 속도를 도시한다.
도 6은 서모터널링(thermo-tunneling)이 향상된 펠티에 효과를 도시한다.
도 7은 포물선형 기하학적 구조를 갖는 NMSET의 스택을 도시한다.
도 8은 도 7의 NMSET의 스택 둘레에 대한 가스 흐름 패턴 및 가스의 모멘텀 공간을 도시한다.
도 9는 삼각형 기하학적 구조를 갖는 NMSET의 스택을 도시한다.
도 10은 삼각형 기하학적 구조를 갖는 NMSET의 스택 둘레에 대한 가스의 모멘텀 공간을 도시한다.
도 11은 톱니형 기하학적 구조를 갖는 NMSET의 스택을 도시한다.
도 12는 톱니형 기하학적 구조를 갖는 NMSET의 스택 둘레에 대한 가스의 모멘텀 공간을 도시한다.
도 13은 고체상태의 히트 펌프의 내부 배치에 대한 NMSET의 단면도를 도시한다. 이러한 히트 펌프는 펠티에 효과, 열전자 방출 또는 어떤 다른 적절한 수단에 의해 구동될 수 있다.
도 14는 도 13의 내부가 고체상태인 히트 펌프의 배치에 대한 NMSET의 사시도를 도시한다.
도 15는 외부가 고체상태인 히트 펌프의 배치에 대한 NMSET의 사시도를 도시한다.
도 16은 도 15의 외부가 고체상태인 히트 펌프의 배치에 대한 NMSET의 단면도를 도시한다.
도 17은 외부가 비고체상태인 히트 펌프의 배치에 대한 NMSET의 사시도를 도시한다.
도 18은 단계적인 NMSET 배치에 대한 단면도를 도시한다.
도 19는 직립형 기하학적 구조를 갖는 NMSET를 도시한다.
도 20은 NMSET 제조의 예시적인 방법을 도시한다.
도 21은 NMSET 제조의 또 다른 예시적인 방법을 도시한다.
도 22는 열적 증산 장치를 도시하는 측단면도이다.
도 23은 열적 증산 장치의 작동을 도시하는 측단면도이다.
도 24는 하나의 연장된 층 및 각을 갖는 벽을 갖는 열적 증산 장치의 측단면도이다.
도 25는 도 24에 도시된 열적 증산 장치의 상부 단면도이다.
도 26은 하나의 연장된 층 및 습하거나 또는 건조한 에칭된(etched) 벽의 측단면도이다.
도 27은 도 26에 도시된 열적 증산 장치의 상부 단면도이다.
도 28은 2개의 연장된 층 및 각을 갖는 벽을 갖는 열적 증산 장치의 측단면도이다.
도 29는 열적 증산 장치의 일실시예의 기반 구조물의 단면도이다.
도 30은 도 29에 도시된 열적 증산 장치의 연속된 구조물의 단면도이다.
도 31은 도 30에 도시된 열적 증산 장치의 연속된 구조물의 측단면도이다.
도 32는 도 31에 도시된 열적 증산 장치의 또 다른 구조물을 도시하는 단면도이다.
도 33은 열적 증산 장치의 구조물 내에 형성된 아일랜드(island)를 도시하는 단면도이다.
도 34는 본원의 개시내용에 따른 제어 장치의 일 실시예에 대한 평면도이다.
도 35는 한 쌍의 연결 경로에 전원을 공급하는 작동상태를 도시하는 도 34에 도시된 제어 장치의 평면도이다.
도 36은 송전선 중 하나에서 결함의 영향을 도시하는 도 34에 도시된 제어 장치의 평면도이다.
도 37은 고장 방지 특징(fault tolerance feature)을 포함하는 본원의 개시 내용에 따른 제어 장치의 일실시예에 대한 평면도이다.
도 38은 도 34의 제어 장치에 비해, 분산형 추력기의 더 큰 어레이를 제어하도록 설계된, 제어 장치의 또 다른 실시예에 대한 평면도이다.
도 39는 도 38의 제어 장치에 비해, 분산형 추력기의 더 큰 어레이를 제어하도록 설계된, 제어 장치의 또 다른 바람직한 실시예에 대한 평면도이다.
도 40a는 제어 장치가 타겟 영역을 활성화시킬 때 제1 및 제2 유효 영역을 도시하는, 본원의 개시내용의 또 다른 실시예에 대한 평면도이다.
도 40b는 제어 장치의 가열된 측면 상에 배치된 송전선이 교차할 때, 도 40a에 도시된 실시예에 대한 단면도이다.
도 40c는 제어 장치의 각 측면 상에 송전선이 교차할 때, 도 40a에 도시된 실시예의 또 다른 단면도이다.
도 4la는 전기적 및/또는 열적 절연체를 갖는 본원의 개시내용의 또 다른 실시예에 대한 단면도이다.
도 41b는 제어 장치의 가열된 측면 상에 배치된 송전선이 교차하는, 도 41a에 도시된 실시예에 대한 단면도이다.
도 42a는 제어 장치로써 이용되는, 송전선 교차 지점에서 전력 공급선 및 복수의 분기선(branch line)을 구비하는 분산형 추력기의 어레이를 위한 그리드 구조의 평면도이다.
도 42b는 도 42a의 상부에 배치된 중간 절연층의 평면도이다.
도 42c는 도 42b의 상부에 배치되고 제어 장치로써 이용되는 단일 송전선의 교차 지점으로부터 복수의 타겟 지점을 생성하는 송전선 및 복수의 분기선의 그리드 구조에 대한 평면도이다.
도 43 및 도 44는 온도 구배를 발생시키는 개략적인 다이아그램이다.
도 45는 온도 구배를 갖는 장치에서 온도가 증가하고 감소하는 플롯(plot)을 도시한다.
도 46은 본원의 개시내용에 따른 수평방향 및 수직방향 열에서 배치된 복수의 추력기 영역에 대한 상부 단면도이다.
도 47은 추력기 영역이 활성화될 때 인접하는 영역의 가열 효과를 도시하는 복수의 추력기 영역에 대한 상부 단면도이다.
도 48은 본원의 개시내용에 따른 복수의 온도 구배 장치 중 온도 구배 장치에 대한 작동 순서를 도시한다.
도 49a는 예시적인 에어 쿠션 운송기의 측단면도이다.
도 49b는 에어 쿠션 운송기의 평면도이다.
도 49c는 추력을 발생시키는데 이용되는 가스 흐름을 나타내는 에어 쿠션 운송기에 대한 측단면도이다.
도 50은 이동되는 예시적인 에어 쿠션 운송기에 대한 측단면도이다.
도 51a 및 51b는 복수의 분산형 마이크로추력기 표면에 스커트를 형성하는 운송기에 대한 예시적인 실시예를 도시한다.

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(3406)이 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(3406)은 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(3506)이 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(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 전원와 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 전원에 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(3803)을 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(3911)을 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 전원에 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(4307)의 한 단자는 더 저온인 층(4301)의 상부면(4302)에 연결되고, 전원(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(4407)으로부터의 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.

이동형 지지 플랫폼( Movable Support Platform )

도 49a는 주행면(4905) 상에 배치되며 제어기(4950)와 파워 공급부(4960)에 연통가능하게 링크된 예시적인 에어 쿠션 운송기(4900)에 대한 측단면도이다. 도 49b는 운송기(4900)의 평면도를 제공한다. 운송기(4900)는 플랫폼(4910), 추력 추진 장치(4912), 서스펜션(4914), 스커트(4920) 및 센서(4922)를 구비한다.

플랫폼(4910)은 승객 및/또는 화물을 지지하는 구조체이다. 도 49a에서, 플랫폼(4910)은 장방형 플레이트로서 도시된다. 다른 실시예에서, 플랫폼(4910)은 상이한 그리고/또는 보다 복잡한 형상을 가질 수 있다. 플랫폼(4910)은 운송수단 프레임, 승객실 및 화물칸과 같은 다른 구조체와 조합될 수도 있다.

추력 추진 장치(4912)는 스커트(4920)에 의해 봉입된 공간 내에서 가스를 가압하기 위한 플랫폼에 결합된다. 추력 추진 장치(4912)는 운송기(4900)를 리프팅하여 추진하기 위한 힘을 발생시킨다. 추력 추진 장치(4912)는 분산형 추력기(4913)를 구비한다. 분산형 추력기는 다수의 실시예 중 하나에서 NMSET 장치(4913)의 수집체이거나, 또는 추력 발생 장치의 또 다른 어레이일 수 있다.

도 49a 및 49b에 도시한 바와 같이, 분산형 추력기(4913)는 추력 추진 장치(4912)를 가로질러 장방향 어레이 내에 고르게 분산된다. 도 49a 및 49b에서의 어레이의 형상은 설명을 위한 것이다. 분산형 추력기(4913)의 특정 배치 및/또는 밀도는 운송기(499)의 환경 및/또는 사이즈, 중량 및 소정 속도에 근거하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 분산형 추력기(4913)은 플랫폼(4910)에 결합된 하나 이상의 추력 추진 장치 둘레에서 분산되는 하나 이상의 장방형, 원형 또는 다른 기하학적 형상의 어레이 내에 배치된다.

상기 어레이 내의 분산형 추력기(4913)은, 개별적인 추력기(4913)가 선택적으로 작동되고 가변적으로 제어될 수 있도록 어드레스 가능하다. 예를 들면, 상기 어레이 내의 각각의 추력기(4913)는 어드레스를 가질 수 있으며, 그에 의해 제어기(4950)는 차압을 구동하도록 제어기(4950)가 각각의 수단을 가변적으로 제어한다.

서스펜션(4914)은 추력 추진 장치(4912)가 비작동되고 그리고/또는 설계된 것보다 큰 하측방향 힘을 받을 때 운송기(4900)를 지지하는 운송기(4900)의 이착륙 장치(undercarriage) 상에 위치된 시스템이다. 서스펜션(4914)은 표면(4905)으로부터 이동가능한 플랫폼(4900)으로 충격을 흡수하는 휠(4916) 및 스프링(4918)을 구비할 수 있다. 또한, 서스펜션(4914)은 주행면(4905)이 액체일 때 플랫폼을 부동하게 유지시키는 부동 장치(floatation devices)를 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 서스펜션(4914)은 리트랙트 가능하다.

스커트(4920)는 플랫폼(4910)과 주행면(4910) 사이의 추력 추진 장치(4912)에 의해 발생된 가압 가스를 유지하도록 플랫폼(4910) 아래에 실질적으로 봉입된 공간(4923)을 형성하는 플랫폼(4910)의 외주에 결합된 재료의 하나 이상의 피스이다. 스커트(4920)는 주행면(4905)에 실질적으로 평행한 환형 덕트를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 스커트(4920)는 가요성 직물로 이루어진다. 다른 실시예에서, 후술한 바와 같이, 스커트(4920)는 분산형 추력기로 이루어진 강성의 플레이트로 형성된다.

센서(4922)는 운송기(4900)의 상태를 판단하고 정보를 전자적인 형태로 변환하는 장치이다. 센서(4922)는 이송부의 위치 및 운동을 감지하는 하나 이상의 장치일 수 있다. 속력, 속도 및 가속도는 6 가지의 자유도(즉, 전/후, 좌/우, 상/하, 요잉, 피치 및 롤링)로 센서(4922)에 의해 측정될 수 있다. 센서(4922)는, 예를 들어, 플랫폼의 운동을 감지하는 가속도계 및 자이로스코프일 수 있으며, 대응하는 정보를 운동의 다른 파라미터를 유도할 수 있는 컨트롤러(4950)에 제공한다. 센서에 의해 제공된 정보는 운송기(4900)를 능동적으로 제어하고 안정화하기 위하여 높은 레이트(예를 들어, 30+Hz)로 생성될 수 있다. 레이트는 운송기(4900)의 원하는 안정성, 이동 표면(4905)의 종류 및 이동 속도에 따라 더 빠르거나 더 느릴 수 있다.

또한, 운송기(4900)는 다른 센서(4922)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 서스펜션(4914) 내에 위치되는 부하 센서는 운송기의 전체 무게를 판단하는데 사용될 수 있다. 또한, 부하 센서는 플랫폼(4910) 상에 또는 그 아래에 위치되어, 컨트롤러(4950)가 운송기(4900)의 부하의 상대적 분포를 판단하고, 이동하도록 제어되고 있지 않을 때 플랫폼이 레벨을 유지하도록 이를 보상하게 할 수 있다.

컨트롤러(4950)는 하나 이상의 정보 링크를 통해 운송기(4900)에 통신 가능하게 연결될 수 있어, 운송기가 직접 또는 원격으로 제어될 수 있게 한다. 정보 링크는 유선 또는 무선 연결부일 수 있다. 일부 경우에, 정보 링크는 아날로그, 시리얼 또는 패러럴 인터페이스와 같은 다이렉트 링크(direct link)일 수 있다. 다른 경우에, 정보 링크는 익스트라넷, 인트라넷, 인터넷, LAN(Local Area Network), WAN(Wide Area Network)와 같은 광역 또는 근거리 통신망일 수 있다.

컨트롤러(4950)는 프로세서(4952), 데이터 저장 장치(4954) 및 운영자 입력 장치(4956)를 포함할 수 있다. 또한, 도시되지 않지만, 컨트롤러(4950)는, 클록, 통신 인터페이스, 데이터 버스, 입출력 장치, 운영자 입력 장치 및 디스플레이 장치와 같은 다른 컴포넌트에 더하여, 컴퓨터 판독 가능한 메모리(예를 들어, 리드 온리 메모리, 랜덤 액세스 메모리)를 포함할 수 있다.

컴퓨터 판독 가능한 데이터 저장 장치(4954)는 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 명령어와 데이터를 포함하는 정보를 저장하고 검색하는 임의의 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 데이터 저장 장치(4954)는, 예를 들어, 반도체, 자기 또는 광학 기반의 정보 저장/검색 장치(예를 들어, 플래시 메모리, 하드 디스크 드라이브, CD-ROM, 플래시 RAM)일 수 있다. 데이터 저장 장치(4954)가 단일 요소로서 도시되지만, 장치(4954)는 임의의 추가 개수의 저장 매체를 포함할 수 있다.

운영자 입력 장치(4956)는 운송기(4900)의 운영자로부터 제어 및 조정 커맨드를 수신하기 위하여 컨트롤러에 통신 가능하게 연결된 장치이다. 운영자 입력 장치(4956)는, 예를 들어, 조이스틱, 마우스, 키보드, 무게 분포 시스템 및/또는 터치 스크린 디스플레이일 수 있다. 일부 실시예에서, 운영자는 운송기(4900)의 승객일 수 있다. 다른 실시예에서, 운영자는 운송기(4900)를 원격으로 제어한다.

컨트롤러(4950)는, 프로세서(4952)에 의해 검색되고 실행될 때, 센서 정보를 획득하고, 명령 입력을 수신하고, 운송기(4900)의 운동을 제어하도록 컨트롤러(4950)를 제어하는 컴퓨터 실행 가능한 명령어(예를 들어, 소프트웨어, 펌웨어 애플리케이션, 프로그램, 코드, 코드의 일부 및 그 조합)와 데이터(예를 들어, 데이터 모음(compilation), 데이터베이스, 데이터 세트)를 데이터 저장 장치(4954)에 저장할 수 있다. 컴퓨터 실행 가능한 명령어는, C++, JAVA 및 SCALA와 같은 임의의 적합한 컴퓨터 프로그래밍 언어를 이용하여 인코딩될 수 있다. 도시되지 않지만, 데이터 저장 장치(4954)는 컨트롤러(4950)(예를 들어, 부트로더(bootloader), 운영 체계, 제어 모듈 및 하드웨어 드라이버)를 제어하는 다른 컴퓨터 실행 가능한 명령어를 포함할 수 있다.

전원(4960)은 추력 추진 장치(4920), 컨트롤러(4950) 및/또는 다른 이동 가능한 플랫폼(4900)의 전력 공급 부품에 전력을 공급한다. 전원(4960)은, 예를 들어, 하나 이상의 배터리, 전동기, 발전기, 연료 전지 또는 태양 전지일 수 있다. 전원(4960)으로부터 공급된 전력은 분포된 추력기(4913)의 동작에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다.

컨트롤러(4950)는 운송기(4900)가 이동면(4905) 위로 호버링하고 지지를 위하여 서스펜션(4914)에 의지하면서 명령된 방향으로 이동하게 할 수 있다. 초기에, 운송기(4900)는 서스펜션(4914)을 이용하여 고정되어 이동면(4905) 상에 정지할 수 있다. 컨트롤러(4950)는 추력 추진 장치(4912)를 활성화하여 운송기(4900)가 호버링되도록 상승하게 하기 위하여 운영자 입력 장치(4956)를 통해, 예를 들어, 운영자에 의해 명령될 수 있다. 컨트롤러(4950)에 의해 그렇게 하도록 명령될 때, 추력 추진 장치(4912)는 운송기(4900)를 둘러싸는 가스를 둘러싸인 공간(4922) 내로 밀어 넣어, 운송기(4900)가 이동면(4905)으로부터 상승되게 하는 아래를 향해 지향된 추력을 생성한다. 생성된 추력은 스커트(4920)에 의해 둘러싸인 공간(4922)으로 수용된 에어 쿠션을 형성한다.

운송기(4900)를 호버링하기 위하여 추력 추진 장치(4912)로부터 출력된 추력의 양은 운영자 입력 장치(4956)를 이용하여 컨트롤러(4950)를 통해 운영자에 의해 제어될 수 있다. 또한, 컨트롤러(4950)는 분산된 추력기(3913) 중 어느 것을 활성화할지를 결정하고, 이동면(4905)으로부터 운송기를 상승시킬 에어 쿠션을 생성하기 위하여 선택된 추력기(4913)의 각각으로부터 요구되는 힘의 양을 결정할 수 있다. 컨트롤러(4950)는 센서(4922)로부터 수신된 무게 정보에 기초하여 운송기(4900)를 상승시키는데 필요한 힘의 양을 결정할 수 있다. 또한, 센서(4922)로부터의 정보를 이용하여, 컨트롤러(4950)는 불균형 부하, 바람, 평평하지 않은 표면 등을 수용함으로써 자동으로 호버링하도록 결정된 추력을 조정할 수 있다.

또한, 컨트롤러(4950)는 원하는 방향으로 운송기(4900)를 이동시키도록, 예를 들어 운영자 입력 장치(4956)를 통해 운영자에 의해 명령될 수 있다. 컨트롤러는 개별적이거나 그룹 형태의 분산된 추력기(4913)에 의해 제공된 힘을 선택적으로 가변하여, 상이한 양의 추력을 생성하여 운송기(4900)를 상이한 방향으로 이동시킨다. 추력 추진 장치(4912)에서의 상이한 위치에서 분산된 추력기(4913)에 의해 생성된 양력을 가변시킴으로써, 동일하지 않은 추력이 플랫폼(4910)의 에지들 사이에 생성될 수 있어, 운송기(4900)를 조정하고 추진할 수 있는 에어 쿠션을 형성할 수 있다.

이에 더하여 또는 이 대신에, 운송기(4900)는 플랫폼(4910)의 전방 에지에 가해지는 아래로 향하는 압력을 가함으로써 한 방향으로 이동하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 도 50은 플랫폼(4910)의 전방 에지에 가해지는 아래로 향하는 압력에 응답하여 전방 방향(5006)으로 이동하는 운송기(4900)의 측단면도를 제공한다. 아래로 향하는 압력은 운송기(4900)의 후방으로부터 빠져나가는 이동하는 공기 때문에 운송기(4900)가 전방으로 이동하게 하는 선단 에지(5002)와 후미(5004) 사이의 공기 쿠션을 성형한다.

일부 실시예에서, 운송기(4900)의 안정성 및 가속도는 컨트롤러(4950)에 의해 명령된 방향으로의 순 힘(net force)을 함께 생성하는 측면 방향으로의 힘들을 제공함으로써 개선될 수 있다. 도 51a 및 51b는 스커트(4924)가 분산된 추력기(4913)로 이루어진 운송기(4900)의 예시적인 실시예를 도시한다. 분산된 추력기(4913)는 측면 추력을 생성하는데 사용되는 둘러싸인 공기를 받아들인다. 운송기(4900)의 안정성을 증가시키기 위하여, 컨트롤러는 스커트(4920) 내의 분산된 추력기를 능동적으로 제어하여 명령된 방향으로 순 전방 추력을 함께 생성하는 반대의 힘(예를 들어, 좌/우 및 전/후)을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 운송기(4900)는 능동적인 힘 쿠션에 의해 안정화된다.

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. 또한, 예시적인 실시예들이 본 명세서에 설명되었지만, 본 개시 내용에 기초하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이, 다른 실시예들이 균등의 요소, 수정물, 생략, 조합(예를 들어, 다양한 실시예에 걸친 양태들의), 변형물 및/또는 대체물을 포함할 수 있다. 본 개시 내용의 다른 실시예들은 본 명세서를 고려하고 본 명세서에 개시된 실시예들을 실시하는 것으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 명세서 및 실시예들은 단지 예시적인 것으로서 고려되는 것으로 의도된다.

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 판독 가능한 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 (20)

1. 플랫폼;
   상기 플랫폼과 주행면 사이에 가압 공기를 유지하도록 상기 플랫폼 아래에 봉입된 공간을 형성하며 상기 플랫폼의 외주에 결합된 스커트; 및
   상기 봉입된 공간 내의 가스를 가압하도록 상기 플랫폼에 결합된 추력 추진 장치
   를 포함하며,
   상기 추력 추진 장치는 상기 플랫폼 아래의 상기 봉입된 공간 내로 가스를 추진하는 가스 추진 장치의 어레이로 이루어지고,
   복수의 가스 추진 장치 각각은,
   - 스택 내에 적어도 배치된 제1 층과 제2 층,
   - 상기 스택과 상기 플랫폼 내의 하나 이상의 관통 구멍으로서, 상기 층 각각의 표면은 상기 관통 구멍의 내부 내로 노출되는, 상기 하나 이상의 관통 구멍, 및
   - 상기 가스 추진 장치 중 해당하는 것의 상기 제1 층과 제2 층을 선택적으로 가열 및/또는 냉각시키는 가열/냉각 장치로 이루어지는,
   이동형 지지 플랫폼.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 가스 추진 장치 각각의 가열 및/또는 냉각은 제어기에 의해 선택가능한,
   이동형 지지 플랫폼.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 가스 추진 장치 각각은 대응하는 가열 및/또는 냉각 장치를 구비하는,
   이동형 지지 플랫폼.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 가스 추진 장치 각각은 하나 이상의 나노 분자 고체형 전기 역학 추력기(Nano Molecular Solid-state Electrodynamic Thrusters: NMset) 장치로 이루어지는,
   이동형 지지 플랫폼.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 NMset은 톱니형 기하학적 형상으로 적층되는,
   이동형 지지 플랫폼.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 NMset은 삼각형 기하학적 형상으로 적층되는,
   이동형 지지 플랫폼.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 가열/냉각 장치는 펠티에 장치(Peltier device)인,
   이동형 지지 플랫폼.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 가열/냉각 장치는 상기 제1 층과 상기 제2 층 사이의 전장(electrical field)을 확립하는 전계 강화된 열전자 방출 장치(field-enhanced thermionic emission device)를 확립하는,
   이동형 지지 플랫폼.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 스커트는 수평방향 추력을 제공하도록 배치된 가스 추진 장치로 이루어지는,
   이동형 지지 플랫폼.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 스커트는 주행방향으로 순 힘을 발생시키는,
    이동형 지지 플랫폼.
    
11. 플랫폼;
    상기 플랫폼과 주행면 사이의 봉입된 공간 내에 가압 공기를 유지하기 위한 수단; 및
    상기 봉입된 공간 내에서 가스를 가압하기 위한 수단
    을 포함하며,
    상기 가스를 가압하기 위한 수단은 상기 플랫폼 아래의 상기 봉입된 공간 내로 가스를 추진하는 가스 추진 장치의 어레이로 이루어지고,
    복수의 가스 가압 장치 각각은,
    - 스택 내에 적어도 배치된 제1 층과 제2 층,
    - 상기 스택과 상기 플랫폼 내의 하나 이상의 관통 구멍으로서, 상기 층 각각의 표면은 상기 관통 구멍의 내부 내로 노출되는, 상기 하나 이상의 관통 구멍, 및
    - 개별적인 가스 가압 수단의 상기 제1 층과 제2 층을 선택적으로 가열 및/또는 냉각시키기 위한 수단으로 이루어지는,
    이동형 지지 플랫폼.
    
12. 제11항에 있어서,
    가열 및/또는 냉각 수단을 선택하기 위한 수단을 포함하는,
    이동형 지지 플랫폼.
    
13. 제11항에 있어서,
    상기 가스 가압 장치 각각은 대응하는 가열 및/또는 냉각 수단을 구비하는,
    이동형 지지 플랫폼.
    
14. 제11항에 있어서,
    상기 가스 가압 장치 각각은 하나 이상의 나노 분자 고체형 전기 역학 추력기(Nano Molecular Solid-state Electrodynamic Thrusters: NMset) 장치로 이루어지는,
    이동형 지지 플랫폼.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 NMset은 톱니형 기하학적 형상으로 적층되는,
    이동형 지지 플랫폼.
    
16. 제14항에 있어서,
    상기 NMset은 삼각형 기하학적 형상으로 적층되는,
    이동형 지지 플랫폼.
    
17. 제11항에 있어서,
    상기 가열/냉각 장치는 펠티에 장치(Peltier device)인,
    이동형 지지 플랫폼.
    
18. 제1항에 있어서,
    상기 가열/냉각 장치는 상기 제1 층과 상기 제2 층 사이의 전장(electrical field)을 확립하기 위한 수단인,
    이동형 지지 플랫폼.
    
19. 제11항에 있어서,
    가스 유지 수단은 수평방향 추력을 제공하도록 배치된 측방향 가스 추진 장치로 이루어지는,
    이동형 지지 플랫폼.
    
20. 제18항에 있어서,
    가스 유지 수단은 주행방향으로 순 힘을 발생시키는,
    이동형 지지 플랫폼.
    
    
    

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