KR20240055827A - 가스 펌프를 작동시키는 장치 및 방법 - Google Patents

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세르게이 에프. 기멜셰인
유진 모스코베츠
피오트르 에이. 가르부즈
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토라믹스 아이엔씨.
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Abstract

가스 흐름, 가스 압축 및 가스 희박화를 발생시키기 위한 나노 가스 펌프가 개시되며, 이 펌프는 최대 수 자리수 규모의 압력 차이를 제공하고, 수 밀리토르 내지 수 기압까지의 넓은 압력 범위에 걸쳐 작동하고, 이때 펌핑 스피드는 분당 수 나노 리터 내지 수 리터이다. 나노 가스 펌프는 움직이는 부분을 전혀 필요로 하지 않으며, 가스 흐름 방향으로 국부 가스의 평균 자유 경로에서 100 밀리 켈빈 초과의 급격한 온도 구배를 사용하여 가스 흐름을 발생시킨다. 온도 구배가 생성되고, 이 온도 구배는 주로, 전도성 상호연결부과 함께 PNP, NPN, PP, NN 열전 세그먼트 배열을 통해, 일(work)을 수행하는 가스로 제한된다. 나노규모 열전 히트 펌프의 효율을 급격하게 감소시키는 접촉 저항은, 열전 세그먼트와 전기적 연결을 중첩시킴으로써, 완화된다. 선형(직선) 및 비선형(회전) 가스 흐름 경로에 기초하는 여러 예시적 구현예들이 설명된다. 다양한 단 구성(staging configurations) 또한 설명된다.

Description

가스 펌프를 작동시키는 장치 및 방법
본 개시는, 가스 흐름, 가스 희박화, 가스 압축을 제공하고, 특정 압력 또는 압력 차이를 유지하도록 의도된 마이크로 펌프의 분야뿐만 아니라, 이를 사용하고 제조하는 방법에 관한 것이다.
광범위한 적용 분야에서 가스 흐름의 동적 제어가 요구된다. 이는, 가스 흐름이 추진 시스템, 가스 분석기 및 질량 흐름 제어기에서와 같은 직접 메커니즘인 적용, 및, 마이크로 펌프 및 랩-온-어-칩(lab-on-a-chip)과 같은, 공압 구동 시스템에서와 같은 간접 메커니즘인 적용을 포함한다.
대규모 가스 흐름의 동적 제어는, 회전 날개(rotary vane), 스크류, 스크롤, 터보팬, 터보분자(turbomolecular), 확산, 및 극저온 펌프인 지배적인 기술을 갖춘 확립된 분야이다. 그러한 펌프는, 추진, 진공, 및 HVAC 시스템의 경우에서와 같이 직접적으로 사용되거나, 또는, 공압 도구, 공압 액츄에이터, 마이크로유체, 나노유체 및 질량 흐름 제어기에서와 같이, 가스가 별도의 부피 내에서 압축되거나 희박화된 다음 밸브를 사용하여 도입되는 방식으로 간접적으로 사용된다.
입방 나노미터 내지 입방 밀리미터 범위의 부피에서, 분당 입방 나노미터 내지 입방 센티미터 범위의 소규모 가스 흐름의 동적 제어는, 의료, 제약, 및 마이크로 추진 분야(예를 들어, 전자 제어 약물 전달 패치, 랩-온-어-칩 및 마이크로드론)에서 요구되는 비교적 새로운 기술이다. 이를 위해서는 가스 흐름의 동적 제어를 가능하도록 하는 다양한 시스템의 소형화가 필요하고, 작은 설치 공간과 저렴한 가격으로, 저 전력, 고 정밀도가 요구된다. 이러한 문제는, 효율과 적용 가능성이 크게 다른, 다양한 개념과 발명을 통해 지난 20년 동안 부분적으로 해결되었다. 이러한 발명들의 대부분은, 문헌 "E. Philip Muntz and Stephen E. Vargo in the chapter on Microscale Gas Pumps in The MEMs Handbook by CRC in 2002 (https://worldcat.org/title/925742962)"에 의해 제공된 자세한 예를 통해 다음의 네 가지 범주로 분류될 수 있다.
소규모 가스 펌프의 제1 범주는, 날개(vanes), 스크롤(scrolls), 루트(roots), 클로(claw), 나사, 다이어프램, 멤브레인, 또는 피스톤으로 구동되는 용적식(positive-displacement) 펌프이다. 작동의 주요 원리는, 다이어프램, 멤브레인 또는 피스톤의 연속적인 변위를 통해 변위 부피(displacement volume)를 압축하고 팽창시키는 것이다. 멤브레인 운동의 주파수와 진폭은 펌프의 성능을 결정한다. 이들 펌프는 종종 진공 적용을 위한 부피의 압력 감소, 분석을 위한 가스 주입, 유체의 변위를 위한 부피의 가압, 또는 기계 시스템의 공압 제어에 직접 사용된다. 이러한 디바이스의 초기 버전들 중 하나는, Roland Zengerle과 Axel Richter가 미국 특허 제5,529,465호에서 초소형, 정전기 구동 다이어프램 마이크로 펌프에 대해 기술하였다(https://patents.google.com/patent/US5529465). 여러 상업용 마이크로 변위 펌프는 TCS Micropumps Ltd, Binaca Pumps, Takasago Fluidic Systems, 등과 같은 다양한 제조업체로부터 구입가능하다.
마이크로규모 가스 펌프의 제2 범주는, 증기 제트, 확산, 분자 항력(molecular drag), 재생 항력(regenerative drag) 또는 터보분자(turbomolecular)과 같은 동적 펌프(kinetic pumps)의 범주이다. 더 큰 유사물인 터보분자 펌프와 마찬가지로, 이들 펌프는 빠르게 움직이는 고체 표면과의 반복적인 충돌을 통해 가스 분자를 구동한다. 빠르게 회전하는 로터는 펌프 입구에서부터 배기쪽으로 가스 분자를 밀어내어, 압력차를 발생시키며, 이러한 펌프는 적어도 한 자리수 규모의 압력 차이를 생성할 수 있으며, 펌프 작동 영역의 제곱 센티미터당 성능이 100 mL/분을 초과할 수 있다. 로터리 펌프는, 정밀한 미세가공이 필요할 뿐만 아니라, 성능이 대략 반경의 세제곱에 따라 떨어지기 때문에, 매우 작게 만들기가 어렵다. 소형화된 회전 펌프의 예는 Honeywell Corporation에서 개발되었으며, 직경 25 mm, 두께 2.5 mm의 플레이트 내에 밀어넣은 약 2,000개의 블레이드로 구성된다. Wei Yang과 Ruofu Xiao는 2014년 유체공학 저널에 게재된 "Multi-objective optimization design of a pump-turbine impeller based on an inverse design using a combination optimization strategy"(https://doi.org/10.1115/1.4025454)에서 이에 대해 자세히 기술한다.
마이크로규모 가스 펌프의 제3 범주는 크라이오펌프(cryopumps), 게터(getters), 스퍼터 이온(sputter ion), 오비트론 이온, 및 다른 이온화 펌프와 같은 포획 펌프의 범주이다. 이들 펌프는 가스 분자를 이온화한 다음 전기장을 사용하여, 이온들이 갇히게 되는 표면을 향해 이온을 가속함으로써, 진공화된 부피로부터 이온들을 제거함으로써 작동한다. 이러한 마이크로 펌프는 아직 초기 개발 단계에 있다. 그 예는 문헌 『"Carbon nanotube-based field ionization vacuum," by D. Jang, M.Eng Thesis, MIT, 2012(http://hdl.handle.net/1721.1/77022)』 및 『"Miniaturized electron-impact-ionization pumps using double-gated isolated vertically aligned carbon nanotube arrays", by V. Jayanty, M.S. Thesis, MIT, 2012(http://hdl.handle.net/1721.1/75659)』을 포함한다.
마이크로 규모 가스 펌프의 제4 범주는 움직이는 구성요소 및 움직이는 보조 유체 또는 가스 화학종을 포함하지 않는 열 확산 펌프이다. 이러한 메커니즘은 또한 열 증산, 분자 증산, 열 크리프(thermal creep)라고도 한다. 원래 이 현상은 작은 구멍들과 긴 채널들을 통한 가스 유출과 관련되었으며, 문헌 『E.H. Kennard, in Kinetic Theory of Gases, McGraw Hill, 1938(https://worldcat.org/en/title/537197)』에 의해, 가스 평균 자유 경로보다 더 작은 기공 크기를 갖는 다공성 재료에 의해 연결된 두 챔버들 사이의 가스 운동으로서 기술되었다. 더욱 최근에는, 증산(transpiration)은 때때로, 열 확산, 즉, 해당 가스 내에서의 임의의 압력 차이의 부재 하에서, 온도 차이에 의해서만 개시되는 가스에 대한 열적 힘(thermal force)의 존재 측면에서 이해되었다. 물리학자 James Clerk Maxwell에 의해 처음으로 이론적으로 기술되었고, 원래, 물리학자 Osborne Reynolds에 의해 열 증산으로 불리운, 제2 메커니즘인 열 크리프(thermal creep)는, 벽을 따라 발생하는 온도 구배에 의해 시작되는 가스 운동의 현상으로, 가스는 차가운 곳으로부터 뜨거운 곳의 방향으로 크리프(creep)된다.
증산 및 열 크리프 현상의 발견은, Knudsen Compressor의 이론적 개발과 실제 구현으로 이어졌으며, 이 디바이스는 Martin Knudsen이 100년 전에 초안을 작성하였고 1910년에 Annalen der Physick에서 출판된“Eine Revision der Gleichgewichtsbedingung der Gase Thermische Molekularstromungund"에 기술되었다(https://doi.org/10.1002/andp.19093360110). Martin Knudsen은 다단 압축기(staged compressor)를 생산하기 위해 차동 가열 및 냉각 모세관을 연구했으며, 훨씬 후에 G. Pham-Van-Diep, P. Keeley, EP Muntz, DP Weaver가 1995년 Oxford University Press의 희박 가스 역학(Rarefied Gas Dynamics)에 실린 "A Micromechanical Knudsen Compressor"에서 이를 마이크로규모로 적합화하였다(https://www.worldcat.org/title/60281623). EP Muntz는 다단(multiple stages) 캐스케이드를 활용하여 큰 압력 변화를 생성할 수 있는 마이크로-전기기계 분자-증산 Knudsen 압축기에 대해 약술하였다. 각각의 단(stage)은 모세관 및 커넥터 구역으로 구성된다. 모세관에 걸쳐 온도가 상승하면 열 증산으로 인해 압력이 상승하게 된다. 모세관 구역 다음에는, 압력이 거의 일정한 반면 온도가 그 단(stage)에 들어가는 원래 값으로 떨어지는, 커넥터 구역이 있다. 제조 세부사항은 SE Vargo, EP Muntz 및 GR Shiflett에 의해 열 증산 펌프에 대한 미국 특허 제6,533,554호에 기술되어 있다(https://patents.google.com/patent/US6533554). 이후에, 미시간 대학의 YB Gianchandani와 SP McNamara가 개념에 대한 일부 수정을 가했으며, 미국특허 제7,367,781호에서 진공 마이크로 펌프, 미세기계가공된 밀봉된 전기 상호 연결부를 갖는 디바이스 및 현수된 미세기계가공된 본딩 패드를 갖는 디바이스와 같은 패키징된 마이크로기계가공된 디바이스를 기술한다(https://patents.google.com/patent/US7367781). YB Gianchandani 및 N. Gupta는 또한, 미국 특허 제8,235,675호에서, 나노다공성 세라믹 재료를 사용하는 열 증산 가스 펌프를 제공하는 시스템 및 방법을 기술하였다(https://patents.google.com/patent/US8235675). 후자의 연구에서, 가스 분자의 흐름을 자유 분자 또는 전이 흐름 체계(transitional flow regime)로 제한하기 위해 제올라이트와 같은 다공성 세라믹 재료로 만들어진 마이크로펌프가 제안되었다. 다단 마이크로펌프의 대안적인 설계는 Y.Y. Kloss, F.G. Cheremisin 및 D.V. Martynov에 의해 제안되었으며, 가스 마이크로펌프에 대한 미국특허 제9,695,807호에 기술되어 있다(https://patents.google.com/patent/US9695807). Kloss, 등의 특허에는 작은 반경과 큰 반경의 파이프들이 연속적으로 연결된 적어도 둘의 교대하는 단들을 갖는 연속 원통형 분리 파이프들을 포함하는 구성이 기술되어 있다. 파이프의 한쪽 단부는 뜨거운 구역을 구성하고, 반대쪽 단부는 차가운 구역을 구성한다. 그러한 파이프들은, 반경이 큰 직선형 파이프들, 및 반경이 작은 U자형 곡선형 파이프들을 번갈아 바꾼다. 열 증산 마이크로펌프에 대한 또 다른 구성은, 열 증산 마이크로펌프를 사용하는 펌핑 장치에 대한 미국특허 제7,572,110로에서 R. Bernard와 H. Kambara에 의해 제안되었다(https://patents.google.com/patent/US7572110). 거기에서, 각각의 마이크로펌프는, 작은 단면의 입구 채널에 연결된 입구 및 출구 채널에 연결된 출구를 갖는 적어도 하나의 공동(cavity)을 포함하였다. 이는 또한, 공동(cavity)에 인접한 입구 채널의 세그먼트(segment)를 가열하기 위한 히터 요소를 포함했으며, 복수의 이러한 마이크로펌프들이 직렬로 연결되었다. 또 다른 마이크로-전기기계 펌프는, J.W. Lantz 및 H.L. Stalford의 다공성 실리콘을 활용하는 마이크로 전기기계 펌프라는 제목의 미국특허 제7,980,828호에서 기술되었다(https://patents.google.com/patent/US7980828). 이 설계에는 입구 챔버와 출구 챔버 사이에 끼워진 다공성 실리콘 영역이 포함되었다. 다공성 실리콘 영역은 실리콘 기재에 형성되었으며, 입구 챔버와 출구 챔버 사이에서 연장하는 기공들을 포함하고, 각각의 기공은 펌핑되는 가스의 평균 자유 경로(mean free path)와 대략 동일하거나 또는 더 작은 단면 치수를 갖는다. 네바다주 라스베거스에서 열린 2017 IEEE 30차 MEMS 국제 회의에서 미시간 대학교의 Q. Cheng, Y. Qin 및 YB Gianchandani가, “A bidirectional Knudsen pump with superior thermal management for micro-gas chromatography applications”라는 제목으로, 또 다른 기계가공된 열 확산 펌프(machined thermal diffusion pumps)를 선보였으며, 여기서 그들은 혼합 셀룰로오스-에스테르 멤브레인을 전력 요구량을 줄이는 마이크로기계가공된 펌프(micro-machined pump)의 코어로서 사용하였다(https://doi.org/10.1109/MEMSYS.2017.7863367). 다른 마이크로 열 확산 펌프가 제안되고 시연되었지만, 2022년 현재 시장에는 열 확산 펌프가 없다.
열 확산 펌프를 상용화하기 위한 두 가지 주요 과제는 전력 요건 및 제조 복잡성이다. 2009년에, D. Copic과 S. McNamara는 JVST 2008의 “Efficiency derivation for the Knudsen pump with and without thermal losses"라는 제목의 논문에서, 건조 공기로 작동하는 열 확산 열 기관의 최대 효율이 28.36%라는 것을 제1 원리로부터 도출했다(https://doi.org/10.1116/1.3114444). 그러나, 미시간 대학교에서 Q. Cheng, 등이 수행한 최근 연구 중 일부에서는, 2 와트를 사용하여 880파스칼(Pa)의 최대 차단 압력에서 최대 0.82 표준 입방 센티미터(sccm)의 공기 흐름만 생성했다. 차단 압력은 가스 유량에 대해 선형이므로, 최대 효율은 2 W에서 0.41 sccm 및 440 Pa에서 나타난다.
2 W에서 뜨거운 쪽 온도는 65.7 ℃, 차가운 쪽 온도는 42.5 ℃였으며, 23.2 켈빈(K)의 온도 차이에 대해, 이들 온도에서 최대 카르노 열 기관 효율은 대략 6.8%이다.
따라서, 열 확산 열기관의 효율을, 작동온도에서의 최대 카르노 열 기관 효율과 비교할 때, 열 확산 열 기관 효율을 작동 온도에서의 최대 카르노 열 기관 효율의 백분율로서 비교할 수 있다. 이 경우 약 0.002%이다. 이는 유용한 척도인데, 그 이유는, 열전 히트 펌프를 사용하여 온도 구배를 생성할 때, 왕복 효율(round-trip efficiency)이 상당한 범위의 작동 온도 차이에 대해 상대적으로 일정하게 유지되기 때문인데, 이는 서로 다른 온도 구배로 작동하는 다양한 열 확산 열 기관을 비교하는 정량적 측정 기준을 제공한다.
제2 주요 과제는 열 확산 마이크로펌프의 생산 규모를 확대하는 것이다. 이는 주로 상업적으로 실행 가능한 비용으로 정밀한 나노구조체들을 생성할 수 있는 상업적으로 입수가능한 시스템 및 프로세스의 가용성에 기인한다. 상업적으로 입수가능하지 않은 비표준 재료를 사용한 것이 주요 원인이다. 현재 우리 삶에 스며들어 있는 실리콘 기반 나노기술을 개발하는 데 1조 달러 이상이 소요되었다. 신규한 재료는 이러한 규모의 호화로움(luxury of scale)을 갖지 않기 때문에, 강력하고 경쟁력 있는 가격의 나노펌프들을 만들기 위해서는 CapEx 및 R&D에 더 많은 투자가 필요하다. 예시적인 구현예에서 우리는 실리콘 게르마늄 및 실리콘 기반 열전 재료를 사용하여 이러한 과제를 해결하고, 이러한 열전 재료의 예시적인 선택은 나노 가스 펌프를 제조하기 위한 열전 재료의 선택을 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 요약하자면, 작은 부피에서 압력을 동적으로 제어하는 것은 다양한 응용분야를 갖는 활발한 연구 분야이며, 가장 유망한 기술 중 하나는 열 확산 가스 펌프로, 지금까지 낮은 효율 및 제조 복잡성으로 인해 한계가 있었다.
본 명세서에 개시된 예시적인 구현예들은 앞서 논의된 이전에 제안된 열 확산 열 기관 설계의 낮은 효율 및 대량 생산 문제를 완화할 수 있다. 이러한 설계의 주요 병목은, 가열된 챔버와 가열되지 않은 챔버를 연결하는 가스 통로용 좁은 튜브 또는 채널과 관련이 있다. 마이크로기계가공되거나 또는 챔버들을 분리하는 다공성 재료에 본래적으로 존재하는 이러한 채널들은, 압력 차이를 발생시키면서, 질량 유량을 크게 줄이고 제조 복잡성을 유발한다.
본 개시의 적어도 하나의 예시적인 구현예를 자세히 기술하기에 앞서, 본 개시는 그 적용에 있어서 다음 설명에 기술되거나 도면에서 예시된 구성의 세부 사항, 및 구성요소들의 배열로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 구현예들이 가능하고, 다양한 방식으로 실시 및 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 어법 및 용어는 기술의 목적을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다.
개시된 기술의 예시적인 구현예들의 주요 목적은, 선행 기술 디바이스의 단점을 극복하는 가스 흐름 및 가스 압축 성능을 제공하기 위해, 열 확산 열 기관 내로 통합된 열전 히트 펌프의 효과적인 설계이다. 일 양태에서는, 길고 좁은 커넥터 튜브를, 목적하는 가스 흐름의 대략적인 방향으로 열 구배를 생성하는 열전 재료로 교체하는 것과 동시에, 작업을 수행하지 않는 열 기관의 부분들의 온도 구배로 인한 손실을 최소화시키는 것, 및 펌핑 채널의 측벽에 요구되는 재료를 감소시키는 것이 포함되는데, 이는, 구조적 및 제조가능성 목적에 대해서는 중요한 반면, 열 손실을 크게 증가시킨다.
본 명세서에는 가스 흐름 및 가스 압축을 생성하기 위한 장치의 예시적인 구현예들 및 방법이 개시되어 있다. 예시적인 구현예에서, 장치는, 적어도 2개의 부피들, 가스가 연통하는 부피들을 분리하는 표면에 있는 적어도 하나의 개구부, 및 열전 세그먼트들에 연통가능하게 연결되고 전류를 제공하도록 구성된 디바이스와 2개의 부피들 사이에 있는 적어도 하나의 열전 세그먼트를 포함한다. 열전 요소에 공급되는 전류는 2개의 부피들을 연결하는 개구부 전체에 걸쳐 열 구배를 설정한다. 차례로 열 구배로 인해, 한 부피로부터 개구부를 통해 온도 구배의 대략적인 방향으로 다음 부피 내로 가스가 흐르게 된다. 열전 요소는, 국부적 가스(local gas)의 평균 자유 경로당 적어도 100 mK(밀리켈빈)의 열 구배를 제공하도록 구성된다. 장치의 가장 실제적인 구현예들의 공통 특징은, 2개의 부피들 사이의 개구부의 길이가 100 국부 평균 자유 경로 미만이라는 것이며, 이때, 거리가 짧아지면, 유량이 높아지기는 하지만, 전기 접촉 저항 및 근접장 복사(near field radiation)와 같은 기생성분(parasitics)에 대한 민감도, 및 제조 복잡성이라는 대가를 치르게 된다. 이상적으로는, 개구부의 두 뜨거운 단부와 차가운 단부 사이의 목표 거리가 성능 요구 사항에 따라 최적화된다. "퀘이크 밸브(Quake valve)"의 경우와 같이, 표준 온도 및 압력 환경에서 유체의 흐름을 제한하거나 허용하기 위해 1 mm 직경의 밸브를 공압식으로 구동하는 나노 가스 펌프의 예시적인 구현예에서, 개구부의 길이는 5 마이크론(μm) 미만이고, 측벽은 50 나노미터(nm) 미만이며, 직경은 1μm 미만이다.
본 명세서에서 열전 또는 펠티에 요소(Peltier element)의 작동은 제벡 효과(Seebeck effect)의 역현상을 기반으로 하며, 서로 다른 제벡(Seebeck) 계수를 갖는 두 재료를 연결하는 접합부(junction)를 통해 흐르는 전류는, 접합부에서 전류에 비례하여 포논(phonons)을 방출하거나 흡수하여 두 재료의 화학적 전위 차이의 균형을 맞춘다. 따라서, 펌핑될 주위 가스에서 화학적으로 안정하고 서로 다른 화학적 전위를 갖는 많은 쌍의 전기전도성 또는 반도체 재료가, 본 개시와 관련된 열전 요소들을 구축하는 데 사용될 수 있다. 나노 가스 펌프의 규모를 축소할 때, 전기 접촉 저항은 비효율의 주요 원인 중 하나가 된다. 따라서, 나노 규모에서 전기 접촉 저항을 최소화하기 위해 개발된 재료와 공정은, 재료 쌍의 열전 효율이 다른 재료 선택보다 낮더라도 유리하다. 대량 생산에 최적화된 재료 쌍의 예로는, p형 실리콘, n형 실리콘, p형 실리콘 게르마늄, n형 실리콘 게르마늄 등이 있다.
다른 구현예에서, 장치는 인접한 챔버들 사이의 가스 통로로서 역할을 하는 개구부를 갖는, 일련의 유체연결된 부피들을 포함한다. 본 명세서에 개시된 또 다른 구현예에서, 병렬로 작동하는 시퀀스들의 배열이 기술된다. 본 개시의 다른 목적 및 이점은 독자에게 명백해질 것이며, 이러한 목적 및 이점은 본 개시의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
본 방법, 장치 및 시스템은, 이제 여기에 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명이 제한되지 않는 예시적인 구현예들을 통해 기술될 것이다. 본 개시의 하나 이상의 예시적인 구현예들의 세부사항은 첨부 도면 및 아래의 기술에서 기술된다. 다른 특징, 목적 및 이점은 기술과 도면, 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1a는 가스의 압력 차이를 생성하고 최대화하기 위한 기본 장치를 기술하고, 도 1b는 가스 흐름 속도를 생성하고 최대화하기 위한 기본 장치를 기술한다.
도 2a는 p형 및 n형 열전 요소를 사용하여 가스 흐름 및/또는 가스 압력 차이를 생성하기 위해 가스에 온도 구배를 생성하기 위한 장치의 기본 부분의 단면도를 기술하고, 도 2b는 그것의 상면도(top-down view)를 기술한다.
도 3a는, 열전 요소들의 상보적인 p형-n형-p형 또는 n형-p형-n형 배열을 사용하여 서로 다른 가스 흐름 및/또는 가스 압력을 생성하기 위해 가스에 온도 구배를 생성하기 위한 장치의 최적화된 기본 부분의 단면도를 기술하고, 도 3b 및 도 3c는 그것의 상면도를 기술한다.
도 3d는 예시적인 장치의 모놀리식 제조를 위해 추가적으로 최적화된, 도 3a 및 도 3b에 도입된 기본 부분의 단면도를 기술한다.
도 3e는, 예시적인 장치의 열 효율 및 모놀리식 제조를 위해 추가적으로 최적화된, 도 3a 및 도 3b에 도입된 기본 부분의 단면도를 기술하고, 도 3f는, 예시적인 장치의 열 효율 및 모놀리식 제조를 위해 추가적으로 최적화된, 도 3a 및 도 3b에 도입된 기본 부분의 상면도를 기술한다.
도 3g는, 열전 요소의 p형-금속-p형 또는 n형-금속-n형 배열을 사용하는 예시적인 장치의 제조를 위해 추가적으로 최적화된, 도 3a 및 도 3b에 소개된 기본 부분의 단면도를 기술한다.
도 4a는 도 3a에 도입된 선형 다단 기본 장치의 축대칭 단면을 기술한다.
도 4b는 도 4a에 도입된 기본 장치에 대한 제조 및 성능 최적화를 기술한다.
도 5a는 흐름 축에 따른 단면도를 기술하고, 도 5b는 흐름 축에 수직인 단면도를 기술하며, 도 5c는 열전 요소들의 상보적인 배열을 사용하여 직선 흐름을 생성하기 위한 예시적인 장치에서 직렬로 배열된 기본 부분들의 배열의 하향식 단면도(top-down cross-sectional view)를 기술한다.
도 5d는, 절연성 상부 리드(insulating top lid)에 의한 제작을 위해 더욱 최적화된, 도 5a에 처음 소개된 예시적인 장치의 흐름 축에 따른 단면도를 기술한다.
도 5e는, 열전 요소들의 상보적인 배열을 사용하는 더 평평한 상부 리드에 의한 제작에 추가적으로 최적화된, 도 5a에 처음 소개된 예시적인 장치의 흐름 축에 따른 단면도를 기술한다.
도 6a는, 열전 요소들의 상보적인 배열을 사용하여 회전 흐름(turn flow)을 생성하기 위한 예시적인 장치에서 도 3e에 처음 소개되고 직렬로 배열된, 기본 부분들의 배열의 흐름 축을 따른 단면도를 기술한다.
도 6b는, 도 6a에 처음 소개된 예시적인 장치의 흐름 축을 따른 단면도를 기술하고, 제조 공정 동안 희생 재료의 제거를 최적화하기 위해 상부 부피와 하부 부피를 연결함으로써 제조를 위해 추가적으로 최적화되었다.
도 7b는, 도 3b에 처음 소개된 기본 부분들의 배열의 상향식 단면도를 기술한다. 도 7c는 도 3b에 처음 소개된 기본 부분들의 배열의 하향식 단면도를 기술한다. 도 7a는, 도 7b 및 도 7c에 소개된 예시적인 장치를 통과하는 가스 흐름의 경로를 기술한다. 이 예시적인 장치는 가스 나노 펌프의 긴 체인의 설치 공간을 최소화하는 방법을 소개한다.
도 7d는, 중앙 나노 가스 펌프를 통해 압축 공기를 생성하기 위해 추가적으로 최적화된, 도 7c에 처음 소개된 예시적인 장치의 하향식 단면도를 기술한다.
도 7e는 도 7c에 처음 소개된 예시적인 장치의 하향식 단면도를 기술하며, 이는 중앙 나노 가스 펌프를 통해 압력을 감소시키기 위해 추가적으로 최적화 되었다.
도 8a는 도 6a에 처음 소개된 예시적인 장치의 단면도를 기술하며, 이는 외부 공압 시스템의 도움 없이 2차 유체의 흐름을 공압식으로 제어하기 위해 예시적인 장치 내의 공압 밸브 내로 추가적으로 통합되었다.
도 8b는 도 8a에 처음 소개된 예시적인 장치의 2차 유체의 흐름 축에 수직인 단면도를 기술한다.
도 8c는 도 8c에 처음 소개된 예시적인 장치의 2차 유체의 흐름 축을 따른 하향식 단면도를 기술한다.
도 8d는 도 8a에 처음 소개된 예시적인 장치의 단면도를 기술하고, 여기서 나노 가스 펌프는 공압 챔버를 가압하여 2차 유체의 흐름을 제한한다.
도 8e는 도 8a에 처음 소개된 예시적인 장치의 단면도를 기술하고, 여기서 나노 가스 펌프는 공압 챔버 내의 가스를 부분적으로 배기시켜, 멤브레인을 누르고 2차 챔버의 부피를 증가시킨다.
도 9a는 직선 흐름을 위해 구성된, 2차 유체를 연동적으로 운동(peristaltically move)시키기 위한 예시적인 장치에서, 도 8a에 처음 도입된, 직렬로 연결된 3개의 예시적인 장치의 단면도를 기술한다.
도 9b는 도 9a에 처음 소개된 예시적인 장치에 의한 동작 시퀀스를 기술하는데, 여기서 고정된 부피의 2차 유체가 장치를 통해 펌핑된다.
도 9c는 도 9a에 처음 소개된 예시적인 장치의 단면도를 기술하고, 입구와 출구는 회전 흐름을 위해 구성된다.
도 9d는 도 9c에 소개된 예시적인 장치의 단면도를 기술하고, 복수의 입구들을 위해 추가적으로 구성된다.
도 9e는 도 9c에 소개된 예시적인 장치의 단면도를 기술하고, 복수의 펌핑 챔버들로 추가적으로 구성된다.
도 9f는 도 9c에 소개된 예시적인 장치의 단면도를 기술하고, 복수의 출구들로 추가적으로 구성된다.
도 10은 도 3d의 예시적인 제작을 기술한다.
본 명세서에서는 움직이는 부분이 없는 장치로서 가스를 이동시키고, 압력을 제어하고, 힘을 발생시키고 및 질량에 의해 분자를 분리할 목적으로 전이 및 자유 분자 체계(transitional and free molecular regime)에서 가스에 온도 구배를 발생시키기 위한 장치가 개시된다. 또한, 가스 흐름을 생성하고, 밀폐된 부피에서 가스를 압축하고, 부분적으로 배기하고, 마이크로유체 시스템에서와 같이, 기계적 운동에 공압적으로 영향을 주고, 항공기(air vehicle)를 이동시키는 힘을 생성하기 위한 예시적인 구현예들이 개시된다.
열 확산, 열 증산, 열 크리프, 및 방사선 힘(radiometric force)을 포함하는, 이 현상의 다양한 양태들을 기술하기 위해 다양한 용어들이 사용되었다. 혼란을 줄이기 위해, 이러한 현상을 열 확산이라고 부를 것이다. 역사적 맥락에서, Knudsen 펌프는 온도 구배가 있는 좁은 채널에서 가스들의 운동을 입증하는 데 사용되었다. Crookes 라디오미터(radiometer)는 적합한 길이 규모에서 온도 구배가 있는 경우, 날개에 가해지는 힘을 입증하는 데 사용되었다. 열 확산은 우라늄 235를 분리하는 데 사용된 원래 방법들 중 하나였으며, 이는 오늘날 연구 목적으로 불활성 가스의 동위원소들 및 다른 가벼운 동위원소들을 분리하는 실용적인 공정으로 남아 있다.
열전 재료의 새로운 배열을 사용하여 제1 부피[105]를 제2 부피[106]로부터 분리하는 멤브레인[100]의 부피 내에 온도 구배가 생성된다. 이 온도 구배는 국부 가스의 평균 자유 경로당 적어도 100 mK이다. 이는 가스 분자들의 열 확산을 통해 차가운 곳에서 뜨거운 곳으로의 흐름을 유도한다. 효율을 위해, 압력 발생 체계(pressure generating regime)에서 작동할 때, 멤브레인[100]에 있는 개구부의 직경, 및 제1 부피[105]를 제2 부피[106]로부터 분리하는 멤브레인[100]의 두께는, 멤브레인 내부에서 그리고 가스 흐름에 수직인 온도 구배가 최소화되도록 보장하도록 최적화될 수 있다. 비용, 제조 시간, 복잡성을 포함하는, 제조 복잡성 및 열전 히트 펌프 효율과 같은 실질적인 절충안은, 적용 요구 사항을 기준으로 최적화될 수 있다.
예시적인 구현예들에서, 광범위한 성능이 달성될 수 있다. 직렬로 충분히 적합하게 구성된 단들을 통해, 밀폐된 부피의 가스는 수 밀리토르까지 배기하거나 또는 수 기압으로 가압될 수 있다. 충분한 단들을 병렬로 사용하면, 가스 유량은 분당 수 나노리터 내지 분당 수 리터 범위일 수 있다. 직선 흐름, 회전 흐름 및 이들의 조합을 포함하여, 여러 다단 설계(multi-stage designs)가 가능하다.
본 명세서에 기술된 예시적인 구현예들은 열 확산을 기반으로 하는 현재의 펌프 기술의 고유한 문제들, 특히 큰 크기와 낮은 효율을 줄이는 것을 목표로 하며, 이는 현재 기술로 달성할 수 있는 질량 유량과 압력 차이에 대한 실질적인 한계를 추가적으로 설정한다. 주요 병목은 질량 유량을 크게 줄이는 길고 좁은 채널 또는 히트 펌프의 구조적 안정성에 필요한 두꺼운 열전 측벽들 [203], [206]을 사용해야 하는 제조 및 재료 제약이며, 이는 열 손실을 증가시켜 효율을 감소시킨다.
본 명세서에 기술된 예시적인 구현예들은, 제1 부피[105] 및 제2 부피[106]를 분리하는 멤브레인[100]에 있는, 개구부에서 엄청나게 얇은 열전 또는 전기전도성 측벽들의 사용을 가능하도록 하는 상보적인 열전 재료들의 새로운 사용을 통해 이러한 병목을 방지하며, 동시에 구조적 안정성을 유지한다. 이를 통해 실리콘 게르마늄과 같은 재료의 접촉 저항을 낮추는 상업적으로 입수가능한 재료 및 공정이 사용될 수 있다.
아마도 열전 히트 펌프[도 2a]의 고온측(Thot)과 저온측(Tcold) 사이의 거리(h)를 줄이는 데 있어 가장 과소평가되는 과제들 중 하나는 접촉 저항(Rc)일 것이다. 최대 온도 강하(VMAX)에서 열전 요소[203, 206]의 전압은 제벡 전압(α)과 고온측 온도(Thot)의 곱이므로, 동일한 재료를 사용할 때 이상적인 열전 히트 펌프에서 동일한 냉각(Qc) 및 가열(Qh) 성능을 위한 전류(I)는 동일할 수 있다.
열전 요소의 뜨거운 단부(Thot)와 차가운 단부(Tcold) 사이의 거리(h)를 줄이면, 저항(R)도 동일한 인수(same factor)에 의해 감소되고, 따라서 동일한 전압에 도달하는 데 필요한 전류(I)가 역으로 증가한다. 이제, 냉각(Qc) 및 가열(Qh)에 대한 동일한 열 전달 성능에 대해, 열전 요소의 면적(A)이 동일한 인수에 의해 감소된다. 그 결과 열전 요소들의 높이(h)에 관계없이 동일한 냉각(Qc) 및 가열(Qh) 성능에서 동일한 전류(I)가 발생한다. 접촉 저항률(rc)은 면적 곱하기 저항(Ω·cm2)의 단위이므로, 열전 요소의 두께(h)를 업계 표준인 1 mm에서 1000분의 1로 1μm로 줄이고, 해당 면적(A)을 동일한 인수에 의해 감소시키면, 동일한 인수로 접촉 저항(Rc)으로부터 추가 손실이 발생하고, 이는 열전 히트 펌프의 효율을 크게 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 구현예들을 실행하기 위해 축소할 때에는, 고유 접촉 저항률(rc)을 최소화할 뿐만 아니라 접촉 면적(Ac)을 증가시키는 것이 필요할 수 있다. 예시적인 구현예들은 접촉 면적(Ac)을 증가시킴으로써 접촉 저항을 감소시키는 여러 메커니즘을 교시하고, 고유 접촉 저항률(rc)을 감소시키는 방법은 이미 반도체 접촉 저항률을 감소시키는 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려져 있다. 접촉 저항을 적합하게는 관리하면, 뜨거운 측면과 차가운 측면 사이의 거리를 더욱 줄일 수 있으며, 이는 열 구배를 증가시키고, 이는 나노 가스 펌프의 질량 흐름 성능을 증가시킨다.
이상적으로, 온도 구배는 작업을 수행하는 가스에 대해 격리된다. 그러나, 이상적인 지오메트리, 경제성 및 다른 요소들의 제조 복잡성으로 인해 종종 절충이 필요하다. 서로 다른 온도에서 유지되거나, 및/또는 전류의 흐름에 수직인 과도한 면적을 갖는 열전 요소에 의해 구동되는 대형 플레이트들은, 아래에서 기술된 것과 같은 열전 히트 펌프를 사용할 수 있는 다른 열 확산 가스 펌프의 경우처럼, 개시된 방식으로 실행하기 위해 축소되면 불필요한 가열 및 냉각을 발생시킨다:
Jason Sanchez, Piotr Garbuz 및 Andrew Zonenberg의 나노분자 고체 상태 전기역학적 추진기에 대한 미국 특허 제9,845,796호(https://patents.google.com/patent/US9845796).
Shamus McNamara 및 Kunal Pharas의 열 구동 Knudsen 펌프에 대한, 미국 특허 제9,243,624호(https://patents.google.com/patent/US9243624).
C.H. Ho, S.Y. Chen, H.H. Hsu, J.T. Yang 및 C. Chen의 열 증산 마이크로펌프용 복합 플레이트 디바이스에 대한, 미국 특허출원 제11/302,818호(https://patents.google.com/patent/US20060147741).
Roland Bernard와 Hisanori Kambara의 열 증산 마이크로펌프를 사용하는 펌핑 장치에 대한, 미국 특허 제7,572,110호(https://patents.google.com/patent/US7572110).
Marco Scandurra의 방사성 추진 시스템(Radiometric propulsion system)에 대한, 미국 특허출원 제11/068,470호(https://patents.google.com/patent/US20060001569).
가스 흐름이 통과하는 개구부에 바로 인접한 플레이트의 에지들만 다른 온도로 유지되어야 한다. 이하에서 "인접한(adjacent)" 및 "바로 인접한(immediately adjacent)"이라는 용어가 사용되는데, 주목되어야 하는 바와 같이, 열전 요소들이 반드시 주위 가스에 노출될 필요는 없고, 바람직하게는 실리콘 옥사이드, 하프늄 옥사이드, 파릴렌, 등과 같은 낮은 열전도도를 갖는, 보호 재료의 얇은 코팅을 가질 수 있는데, 그 결과로, 펌핑된 가스의 반응성 성분들로 인해 발생되는 부식으로부터 보호할 수 있고, 노출된 전기 전도체를 전기적으로 격리함으로써 표류 전류(stray currents)를 감소시킬 수 있다. 예시적인 구현예들은 열전 재료의 새로운 상보적인 배열을 사용하여 가스의 원치 않는 가열 및 냉각을 최소화하는 방법을 교시한다.
작동 원리
가스에 작용하는 힘이 대규모로 작용할 때 가스는 유체처럼 거동한다. 가스에 작용하는 힘이 가스의 평균 자유 경로 정도의 규모로 작용할 때, 가스는 더 이상 거시적 수준에서 유체로 처리되어서는 안되고, 대신 미시적 수준에서 개별 입자로 처리되어야 하며, 이 가스는 독특한 거동을 보여준다. 가스의 평균 자유 경로(λ)는 경구 모델(hard sphere model)을 사용하여 근사화할 수 있으며, 여기서 (n)은 수 밀도(number density)이고 (d)는 분자 직경이다. 가스의 수 밀도(n)는, 주위 압력(P)에 대한, 볼츠만 상수(kB)에 주위 온도(T)를 곱한 값의 비율로서 계산될 수 있다.
표준 대기 조건에서, 분자 평균 자유 경로는 약 67 nm이며, 수 마이크론 미만의 특징적 규모(characteristic scales)를 갖는 모든 흐름은 미시적 수준에서 처리되어야 한다. 이러한 규모에서 나타나는 가장 유용한 거동들 중 하나는 도 1a에 표시된 것과 같이 2개의 부피들이 서로 다른 온도에서 유지될 때 압력의 차이이다. 여기에 뜨거운 부피(105)와 차가운 부피(106)를 분리하는 멤브레인(100)이 있다. 뜨거운 벽(103)은 뜨거운 부피(105)를 둘러싸고, 차가운 벽(104)은 차가운 부피(106)를 둘러싼다. 멤브레인(100)은 뜨거운 측면(101) 및 차가운 측면(102)을 더 갖는다.
뜨거운 측면에서 차가운 측면으로의 분자 플럭스(Φh)가 차가운 측면에서 뜨거운 측면으로의 분자 플럭스(Φc)와 같을 때 평형이 달성되며, 여기서 (Aa)는 멤브레인(100)에 있는 개구부의 전체 면적이다. 벌크 속도의 부재시에 분자 플럭스(Φ)는 수 밀도(n)와 가스의 평균 열 속도()의 곱에 비례한다. 가스의 평균 열 속도()는 분자의 온도(T)와 분자 질량(m)의 비의 제곱근에 비례한다.
고전적으로, 평형 과정에서, 가스는 인접한 가스 영역 사이의 압력 차이를 감소시키는 경향이 있지만, 평균 자유 경로(λ)에 걸쳐 온도 차이가 있는 경우, 압력 차이는 결코 0이 되지 않는다. 이는 수 밀도(n)가 (T)에 비례하고, 속도가 (T)의 제곱근에 비례하기 때문이다. 따라서, 뜨거운 부피(105)와 차가운 부피(106)가 서로 다른 온도로 유지되는 경우, 뜨거운 부피의 압력(Ph)과 차가운 부피의 압력(Pc)의 최대 비는, 뜨거운 부피의 온도(Th)와 차가운 부피의 온도(Tc)의 비의 제곱근에 비례한다. 중요한 점은 멤브레인(100)이 이상적인 멤브레인이어서, 멤브레인(101)의 뜨거운 측면을 통해 지나가는 입자들은 뜨거운 측면의 온도(Th)에서 통과하고, 멤브레인(102)의 차가운 측면을 통해 지나가는 입자들은 차가운 측면의 온도(Tc)에서 통과한다는 것이다.
제1 부피(109) 및 제2 부피(110)가 밀폐(enclosed)되지 않은 경우(도 1b), 압력 구배가 최대치에 도달하지 않고, 멤브레인(102)의 차가운 측면으로부터 멤브레인(101)의 뜨거운 측면으로 흐름이 발생할 것이며, 여기서 열 확산으로 인한 유량은 대략적으로, 뜨거운 측면(101)과 차가운 측면(102) 사이에 설정된 압력 차이와, 평균 자유 경로(λ)에 걸친 온도 차이의 함수이다.
이 현상은 X. Wang, T. Su, W. Zhang, Z. Zhang 및 S. Zhang에 의해 2020년 Nature에 게재된 "Knudsen pumps: a review" 및 A. Ketsdever, N. Gimelshein, S. Gimelshein(https://doi.org/10.1038/s41378-020-0135-5), 및 N. Selden에 의해 2012년 Vacuum에 게재된 "Radiometric Phenomena: From the 19th to the 21st Century"(https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2012.02.006)에 자세히 기술되어 있다.
짧은 거리에 걸쳐서 큰 온도 구배를 효율적으로 설정하고 유지하려면, 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 같이 열전 히트 펌프를 적용해야 한다. 이 예시적인 구현예에서, 기재(200)는 환경과 소통하고, 열전 히트 펌프로부터 과도한 열을 추출하는 히트 싱크로서의 역할을 한다. 히트 펌프는 P형 열전 요소(203), 및 N형 열전 요소(206)로 이루어진다. 제1 상호연결부(interconnect)(201), 제2 상호연결부(202) 및 제3 상호연결부(210)는 2개의 열전 요소들(203, 206)과 전력 공급 장치(250)를 사용해서 회로를 형성하며, 전력 공급 장치는 마이크로제어기(251)를 포함할 수 있고, 소프트웨어, 암호화, 저장 장치, 메모리, 유선 또는 무선 네트워크 연결부, 센서, 스위치, 소프트웨어, 전력 공급 장치, 배터리, 인간 기계 인터페이스, 패키징, 및 소비자, 의료 및 산업 전자 제품의 설계 기술 분야의 통상의 기술자에게 친숙한 다른 구성요소들을 포함할 수 있다. 이하에서, 전력 공급 장치(250) 및 관련된 선택적인 구성요소들(251)을 전력 공급 장치라 칭할 것이다.
전력 공급 장치(250)가 제1 상호연결부(201)에 적합한 양의 전압(positive voltage)을 인가하고 제3 상호연결부(210)를 통해 회로를 폐쇄하면, p형 열전 요소(205)의 하단에서 p형 열전 요소(204)의 상단으로 열이 펌핑되기 시작한다. n형 열전 요소(206)의 경우 열 흐름 방향이 반대이다. 이는 기재(200)의 온도를 감소시키고 제2 상호연결부(202)의 온도를 증가시킨다. 이는 개구부(208)의 하단으로부터 개구부(207)의 상단으로 가스의 흐름을 야기한다. 전류 흐름이 반대가 되면, 열은 제2 상호연결부(202)에서 기재(200)로 펌핑되고 가스 흐름이 역전되어, 이제 가스는 개구부(208)의 하단에서 개구부(207)의 상단으로 흐른다. 교대하는 p형(203)과 n형(206) 열전 요소들을 사용하는 경우, 기재(200) 내로 열을 펌핑할 때보다, 더욱 기재(200)로부터 열을 펌핑할 때 더 큰 온도 차이가 형성될 것이다. 기재(200)와 제2 상호연결부(202) 사이에 온도차가 생기면, 열은 p형 열전 요소(203)를 통해, 자연스럽게 차가운 곳에서 뜨거운 곳으로 흐를 것이며, n형 열전 요소(206) 및 절연체(209)는 기재(200)를 제2 상호연결부(202)로부터 분리한다. 따라서, 열 전도도가 낮은 재료를 선택해야 하며, 파릴렌, 폴리이미드, 등과 같은 폴리머, 실리콘 옥사이드, 하프늄 옥사이드, 등과 같은 산화물, 에어로겔, 공기, 진공, 및 다른 낮은 열 전도도 재료 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
열전 히트 펌프의 효율은 열전 재료(203, 206)의 성능 지수(figure of merit)(ZT)에 의해 제한된다. 성능 지수(ZT)는 열전 재료의 온도(T), 제벡계수(α), 전기 저항률(ρ) 및 열 전도도(κ)의 함수이다. 열전 재료는 비스무트 텔루라이드, 안티몬 텔루라이드, 실리콘 게르마늄, 실리콘, 비스무트 마그네슘, 그래핀, 나노튜브 및 실온에서 성능 계수(ZT)가 0.01 이상인 다른 열전 재료들로 만들어질 수 있다. 이 성능 지수(ZT)는 이상적인 카르노 히트 펌프의 성능계수(COPMAX.Heating)의 효율 분율(εCarnot.HP)로서 대략적으로 표현될 수도 있다.
비스무트 텔루라이드형 재료의 경우, 성능 지수는 약 1이며, 뜨거운 측면(204)은 25 ℃, 차가운 측면(205)은 20 ℃로, 최대 성능계수(COPMAX.TE)는 약 14이다. 이는 나노 가스 펌프에 저항 히터에 비해 더 높은 효율 및 더 많은 설계 유연성을 제공할 수 있다. 적합한 설계에는, 열전 히트 펌프의 성능을 가스의 필요한 열 플럭스와 일치시키는 것, 및 비용, 제조 가능성, 및 기재의 최대 온도에 대한 적합한 절충을 통해 목적하는 성능을 달성하는 동시에 효율을 극대화하는 것이 포함된다. 적합한 전압은, 열전 히트 펌프가 설계된 전압 범위, 및 필요한 성능을 달성하는 데 필요한 전압을 지칭한다. 또한, 열전 히트 펌프의 적합한 설계 및 작동은, 열전 히트 펌프 및 반도체 제조 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려져 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 열전 히트 펌프의 예시적인 구현예에서, 몇 가지 주요 과제가 발생한다. 여기에는 열전 히트 펌프에 의해 발생된 기재(200)를 통한 과잉 열의 추출이 포함된다. 이러한 과잉의 열은 전기 상호연결부, 열 전기 재료, 및 전기 접촉 저항을 통한 저항 손실(resistive losses)에 의해 생성된다. 기재가 제거할 수 있는 과잉 열의 양은 기재의 두께 및 열 특성에 따라 달라진다. 나노 가스 펌프의 성능은 뜨거운 측면과 차가운 측면 사이의 더 짧은 거리에 따라 달라지므로, 기재가 두꺼울수록 동일한 온도 구배에서도 유속 및/또는 효율이 감소한다. 이러한 손실을 줄이기 위해 기재가 제작될 수 있으며, 이는 제조 비용 및 복잡성을 가중시킨다. 그 다음, p형 열전 세그먼트(203)와 n형 열전 세그먼트(206)의 측벽의 두께는, 제2 전기 상호연결부(202)에 중요한 구조적 지지를 제공한다. 통상적으로, 나노 가스 펌프에 완벽하게 맞는 열전 히트 펌프의 이상적인 측벽 두께는, 작동 압력 및 개구부에 대해 선택한 지오메트리에 따라, 0.5 내지 20 nm 이며 때로는 100 nm만큼 두껍다. 이는 제2 상호연결부(202)의 구조적 안정성을 감소시키고, 상단(204) 및 하단(205) 계면의 접촉 저항을 증가시킨다. 그 다음, 열전 측벽의 손상은, 심지어 내결함성 전기 분포(fault tolerant electrical distribution)의 존재 하에서도, 나노 가스 펌프의 펌핑 효율을 감소시키는데, 이는, 그것이 더 높은 압력 부피로부터 더 낮은 압력 부피까지의 방해받지 않는 흐름을 제공하고, 나노 가스 펌프가 우회되는 경우에는, 나노 가스 펌프 개구부가 가스 흐름을 감소시키기 때문이다. 그 다음, 이 나노 가스 펌프는 기재(208)의 하단으로부터 제2 상호연결부(207)의 상단까지 바람직한 가스 펌핑 방향을 가지며, 이는 더 큰 온도 차이가, 열을 기재(200) 내로 펌핑하고 상단 상호연결부(202)를 냉각하는 것보다, 열을 기재(200) 밖으로 펌핑하고 제2 상호연결부(202)를 가열할 것이기 때문이다.
예시적인 구현예: PNP 나노 가스 펌프
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 제안된 장치의 예시적인 구현예는, 이전에 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 교대하는 열전 요소들로 설계된 히트 펌프를 이용하는 열 확산 가스 펌프와 전형적으로 관련된 성능 제한을 감소시킨다. 여기서, 나노 가스 펌프의 개구부(306, 307)는 기재(300)의 중앙에 구성된다. 제1 전기 상호연결부(301)는 제1 p형 열전 재료(302) 위에 적층된다. 이는 여러 가지 장점이 있는데, 첫째는 제1 상호연결부(301)로부터 제1 p형 열전 재료(302)까지의 접촉 저항이 대폭 감소한다는 점이고, 둘째는 제1 상호연결부(301)의 전기 저항의 감소이며, 셋째는 제1 p형 열전 재료(302)와 기재(300) 사이의 계면 열 저항의 급격한 감소이다. 기재는, 나노 가스 펌프의 개구부를 형성하는 n형 열전 재료(303)를 수용하는 낮은 열전도성 재료(308)의 영역을 갖는다. n형 열전 재료(303)는, 제1 p형 열전 재료(302) 및 제2 p형 열전 재료(304)에 연결된다. 제2 전기 상호연결부(305)는 제2 n형 열전 재료(304) 아래에 적층된다. 전력 공급 장치(305)는 제1 전기 상호연결부(301)와 제2 전기 상호연결부(305) 사이의 회로를 완성한다.
제1 전기 상호연결부(301)에 적합한 양(positive)의 전압을 인가하면, 기재(300)과 제1 전기 상호연결부(301)로부터의 열이, 제1 p형 열전 재료(302)와 n형 열전 재료(303) 사이의 계면 내로 펌핑된다. 그 다음, n형 열전 재료(303)는 제2 p형 열전 재료(304)와의 계면으로부터 제1 열전 재료(302)와의 계면으로 열을 더 펌핑한다. 마지막으로, 제2 p형 열전 재료(304)는, n형 열전 재료(303)와의 계면으로부터, 제2 열전 재료와 제2 전기 상호연결부(305) 사이의 계면 내로, 뿐만 아니라 기재(300) 내로 열을 펌핑한다. 적합하게 설계 및 구성되면, 제1 전기 상호연결부(301)에서 적합한 양(positive)의 전압에서 작동할 때, 이는 제1 p형 열전 재료(302)와 n형 열전 재료(303) 사이의 계면에서 온도가 최대화되고 제2 p형 열전 재료(304)와 n형 열전 재료(303)의 계면에서 최소화되는 열 프로파일을 생성한다. 이는 개구부(307)의 하단으로부터 개구부(306)의 상단까지 가스 흐름을 생성한다. 개구부(306)의 상단과 개구부(307)의 하단 사이의 온도 구배는, 제1 전기 상호연결부(301)에서, 더 높은 양의 전압에서, 추가적으로 최대화될 수 있지만, 그 대가로, 하단 개구부(307)는 기재(300)보다 더 높은 온도를 경험하게 된다. 어떤 경우에, 이로 인해 효율이 감소할 수 있지만, 더 높은 가스 유량과 더 높은 압력 차이의 형태로 추가의 성능을 제공할 수 있다. 많은 복잡한 시스템과 마찬가지로, 강력한 다중물리 시뮬레이션(Multiphysics simulation)은 설계 및 작동 파라미터들을 최적화하는 데 유용하다. 제1 전기 상호연결부(301)에서 전압을 반전시키면, n형 열전 재료(303) 상의 온도 구배가 반전되고, 이는 가스 흐름을 반전시켜, 개구부의 상단(306)으로부터 개구부의 하단(307)으로 펌핑된다. 예시적인 구현예의 상부 및 하부 절반이 대칭인 경우, 이는 양방향으로 더 대칭적인 가스의 흐름을 제공한다. 흐름의 방향을 최적화하고 싶은 경우, 개구부 직경(306, 307), p형 열전 재료(302, 304)의 두께 및 다른 성질의 차이에 대한 최적화를 통해, 나노 가스 펌프가 주로 작업 부피(working volume)를 가압하거나 배기하는 경우와 같이, 목적하는 방향으로 흐름을 향상시킬 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 제안된 장치의 예시적인 구현예는, 도 3c에 도시된 바와 같이 직사각형 개구부(311)로 추가적으로 구성될 수 있다. 또한, 전기 상호연결부(301 및 305)의 배치는, 도 3d에 도시된 바와 같이 기재(300) 상에 침착될 수 있다. 이는, 훨씬 더 얇은 n형 열전 재료(303)가, 후처리를 줄이면서, 화학 기상 증착(CVD) 또는 원자 층 증착(ALD)을 사용하여, 공형적으로(conformally) 침착될 수 있게 한다. 이로 인해 성능이 저하될 수 있지만, 특정 설계의 경우, 제작이 크게 단순화될 수 있다. 또한, p형 및 n형 열전 재료의 적합한 도핑 조정을 통해 기생적 성능 저하(parasitical performance reductions)를 감소시킬 수 있다. 또한, 개구부(306)를 에칭하고 n형 열전 재료(303)를 침착시키기 전에, 전기 절연 계면(314 및 315)은 p형 열전 재료(302 및 304) 위에 침착될 수 있다.
또한, n형 열전 재료(303)의 측벽의 최적 두께는, 도 3e 및 도 3f에 도시된 바와 같이, 2차 개구부들(309)을 사용하여 가스에 가해지는 일을 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 2차 개구부(309)의 상단과 2차 개구부(310)의 하단 사이의 온도 차이를, 1차 개구부(306)의 상단과 1차 개구부(307)의 하단 사이의 온도 차이와 유사하게 유지하기 위해, 또 다른 금속 상호연결부(312 및 313)가 p형 열전 재료 상에 배치될 수 있다. 이는 도 2a 및 도 2b의 제2 상호 연결부(202)와 유사한 목적으로 사용된다.
또한, 1차 개구부의 측벽을 구성하는 n형 열전 재료(303)는, 도 3g에 도시된 바와 같이, 얇은 금속 상호연결부(310)로 대체될 수 있다. 이는, 상보적인 열전 재료가 준비되지 않았거나, 치료할 수 없는 결점(incurable drawbacks)을 갖거나, 또는 필요한 측벽 두께로 침착될 수 없는 경우에, 유리할 수 있다. 치료할 수 없는 결점은, 추가 온도 편위(further temperature excursions), 공정 가스, 구조적 고려 사항, 불리한 결정화(unfavorable crystallization), 및 기타 결점과 같은, 공정 부적합성(process incompatibilities)을 포함할 수 있다. 이 방법은 추가적으로, 상보적인 CVD 열전 층이 이용 가능하지 않은 경우, 제1 열전 층(302) 및 제2 열전 층(304)을 위한 PVD 공정의 사용, 및 백금과 같은 ALD 금속 층의 사용을 가능하게 한다.
예시적인 구현예들에서, 상호연결부, p형, n형, p형, 상호 연결부의 순서는 오로지 연속성(continuity)의 목적을 위한 것이다. 다음을 포함하는 많은 다양한 구성이 있다:
상호연결부, P형, N형, P형, 상호연결부
상호연결부, P형, 금속, N형, 금속, P형, 상호연결부
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이는 완결적인 목록이 아니며, 1차 온도 구배의 양쪽 단부가 반대 온도 구배를 갖는 열전 재료를 통해 또는 금속 상호연결부를 통해 기재와 열적으로 연통하는 상태에서 흐름 방향으로 큰 온도 구배를 갖는 개구부를 생성하기 위한 다른 구성들도 가능하다.
예시적 구성들: 직선 흐름(Straight-Flow) 및 회전 흐름(Turn Flow)
또한, 도 3a 및 도 3b에 개시된 예시적 구현예들은, 도 4a의 예시적 구현예에 의해 도시된 바와 같은 가스의 직선 흐름을 위해 직렬로 추가적으로 구성될 수 있다. 전기 상호연결부 층(402)은 제1 p형 열전 재료(403) 위에 구성된다. 전기 절연성 및 열 전도성 층(401)은, 제1 p형 열전 재료(403) 아래에 있고 제2 p형 열전 층(405) 위에 있도록 구성된다. n형 열전 재료(404)는 제1 p형 열전 재료(403) 및 제2 p형 열전 재료(405)를 연결한다. 기생 열 플럭스(parasitic heat flux)를 감소시키고, n형 열전 재료(404)에 의해 형성된 개구부의 상단(406) 및 하단(407) 구멍 사이의 온도 구배를 최대화하기 위해, 열 전도율이 낮은 영역(408)이 활성 열전 층들(403, 404, 405) 아래에 구성될 수 있다. 그 다음, 제2 전기 상호연결부(406)는 제2 p형 열전 재료(405)를 제3 열전 재료(410)와 연결한다. 더 두꺼운 열 전도성 층(400)은 제1 나노 가스 펌프(402 내지 408)를 제2 나노 가스 펌프(410 내지 416)로부터 분리한다. 이 열전도성 층(400)은 또한, 직선 흐름 구성에서, 전기 전도성일 수 있다. 제2 전기 절연성 및 열 전도성 층(409)은 제3 p형 열전 재료(410) 아래에 그리고 제4 p형 열전 재료(412) 위에 구성된다. 열 전도율이 낮은 영역(416)은, 기생 열 플럭스를 감소시키고, n형 열전 재료(411)에 의해 형성된 개구부의 상단(414) 및 하단(415) 구멍 사이의 온도 구배를 최대화하기 위해, 활성 열전 히트 펌프(410, 411, 412) 아래에 구성될 수 있다. 전력 공급 장치는 제1 전기 상호연결부(402)와 제3 전기 상호연결부(413) 사이의 회로를 완성한다. 제1 상호연결부(402)에 양의 전압을 인가하면 가스의 열 확산을 위한 조건이 생성될 것이며, 그에 따라 가스는 제1 하단 개구부(407)로부터 제1 상단 개구부(406)으로 흐르게 되며, 또한 가스는 제2 하단 개구부(415)로부터 제2 상단 개구부(414)로 흐르게 되어, 두 개의 나노 가스 펌프들을 분리하는 부피(417) 내로 들어 갈 것이다. 제1 상단 개구부(406) 위의 흐름이 제한되거나 종료되면, 2개의 나노 가스 펌프들(417)을 분리하는 부피 내의 압력은, 제2 하단 개구부(415) 아래 부피의 압력 위로 증가할 것이다.
도 4a의 예시적 구현예는, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제2 및 제3 p형 열전 재료가 연결되는 위치(419)에 추가적으로 구성될 수 있다. 온도 차이가 바람직하지 않은 영역에서 제2 및 제3 p형 열전 재료(419) 상에 제2 상호연결부(421)가 구성된다. 전류는 전기 저항이 가장 작은 경로를 통해 흐르므로, 대부분의 전류는 중간 p형 열전 재료(419)와 제2 상호연결부(421) 사이의 계면(420)을 통해 흐를 것이다. 이 예시적 구현예는, 열전 재료의 부분들이, 그들 위에 더 전기 전도성인 재료를 배치함으로써, 우회될 수 있다는 것을 실증하는 역할을 한다. 이는 그러한 디바이스들의 제작을 단순화할 수 있을 뿐만 아니라, 열전 재료와 전기 상호연결부 사이의 접촉 저항을 감소시키는 역할도 한다.
직선 흐름의 또 다른 예시적 구현예가 도 5a, 도 5b 및 도 5c에 설명되어 있다. 단면(526)은 도 5a에 표시되어 있고, 단면(524)은 도 5b에 표시되어 있으며, 단면(525)은 도 5c에 표시되어 있다. 제1 상호연결부(501)는 제1 p형 열전 세그먼트(502)에, 그 다음 제1 n형 열전 세그먼트(503)에, 그 다음 제2 p형 열전 세그먼트(504)에, 그 다음 제2 전기 상호연결부(505)에, 그 다음 다시 제2 p형 열전 세그먼트(504)에, 그 다음 제2 n형 열전 세그먼트(506)에, 그 다음 제3 p형 열전 세그먼트(507)에, 그 다음 제3 전기 상호연결부(508)에, 그 다음 다시 제3 p형 열전 세그먼트(507)에, 그 다음 제3 n형 열전 세그먼트(509)에, 그 다음 제4 p형 열전 세그먼트(510)에, 그 다음 제4 전기 상호연결부(511)에 연결되며, 그 다음 전력 공급 장치(550)를 통해 제1 전기 상호연결부(501)로 회로를 완성한다. 적절한 양의 전압(positive voltage)이 제1 전기 상호연결부(501)에 인가되면, 열전 세그먼트(523)의 표면 상에 온도 구배가 형성되며, 여기서 더 밝은 색상은 더 뜨겁고, 더 어두운 색상은 더 차갑다. 이는, 제4 부피(522)로부터 제3 개구부(520)을 통해 제2 부피(519) 내로, 그 다음 제2 개구부(517)을 통해 제2 부피(516) 내로, 그리고 제1 개구부(514)를 통해 제1 부피(513) 내로, 가스의 흐름을 생성한다. 제1 부피(513) 또는 제4 부피(522)로부터의 흐름이 제한되면, 압력은 제1 부피(513)에서 가장 높고 제4 부피(522)에서 가장 낮을 것이다. 음의 전압이 제1 전기 상호연결부(501)에 인가되면, 가스의 흐름 및 그에 따른 압력 차이가 역전될 것이다.
또한, 나노 가스 펌프 장치의 직선 흐름 구현예의 제작을 단순화하기 위해, 펌프의 상부 절반은, 도 5d에 표시된 바와 같이, 전기 및 열 절연성 재료(527)로 대체될 수 있고, 감소된 흐름 속도로 인한 손실을 감소시키기 위해, 개구부 높이(528, 529, 530)를 감소시키는 것을 필요로 할 수 있다. 이러한 구현예는 효율 및 성능을 감소시키지만, 나노 가스 펌프의 제작 복잡성도 감소시킨다.
또한, 나노 가스 펌프의 상단 부분을 제거하는 대신에, 상단 상호연결부들(501, 505, 508, 511), p형 열전 세그먼트들(502, 504, 507, 510) 및 n형 열전 세그먼트들(503, 506, 509)을 도 5e에 도시된 바와 같이 구성함으로써, 상단은 더 편평하게 만들어질 수 있고 그에 따라 성능 및 효율을 크게 희생시키지 않으면서도 공정 복잡성을 감소시킬 수 있다. 전기 상호연결부들과 열전 세그먼트들 사이의 전기적 계면들, 및 열전 세그먼트들 사이의 전기적 계면들은 상당히 중첩된 상태로 도시되어 있지만, 이러한 중첩은 목적하는 수축 저항성 및 이용가능한 제작 능력에 의해 제한될 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 개시된 구현예의 예는, 도 6a에 도시된 다른 예시적 구현예에 의해 가스의 회전 흐름(turn flow)을 위해 직렬로 추가적으로 구성될 수 있다. 여기서, 제1 전기 상호연결부(601)는 제1 p형 열전 재료(603) 위에 적층되며, 이는 제1 n형 열전 재료(603)에, 그 다음 제2 p형 열전 재료(604)에, 그 다음 제2 전기 상호연결부(605)에, 그 다음 다시 제2 p형 열전 재료(604)에, 그 다음 제2 n형 열전 재료(606)에, 그 다음 제3 p형 열전 재료(607)에, 그 다음 제3 전기 상호연결부(608)에, 그 다음 다시 제3 p형 열전 재료(607)에, 그 다음 제3 n형 열전 재료(609)에, 그 다음 제4 p형 열전 재료(610)에, 그 다음 제4 전기 상호연결부(611)에, 그 다음 다시 제4 p형 열전 재료(610)에, 그 다음 제4 n형 열전 재료(612)에, 그 다음 제5 p형 열전 재료(613)에, 그 다음 제5 전기 상호연결부(614)에 연결되며, 그 다음 전력 공급 장치(650)를 통해 제1 전기 상호연결부(601)로 회로를 완성한다. 양의 전압이 제1 전기 상호연결부(601)에 인가되면, 순차적 나노펌프들 사이에 교번하는 온도 구배가 설정된다. 이는 제5 부피(624)로부터, 제4 나노펌프(610 내지 614)의 개구부(619)를 통해, 제4 부피(623) 내로, 그 다음 제3 나노펌프(607 내지 611)의 개구부(618)을 통해 제3 부피(622) 내로, 그 다음 제2 나노펌프(604 내지 608)의 개구부(617)을 통해 제2 부피(621) 내로, 제1 나노펌프(601 내지 605)의 개구부(616)를 통해 제1 부피(620) 내로, 흐름을 생성한다. 나노펌프들은, 효율을 향상시키기 위해, 활성 열 구배를 갖는 영역에 절연체(615)를 포함할 수 있다. 열 전도성 및 전기 절연성 재료(600)는 각각의 내부 부피(620 내지 624)를 둘러싸는 동시에 입구 및 출구를 제공하며, 나노 가스 펌프들의 개구부들(616 내지 619)에 의해 연결된다. 재료의 열 전도도의 요구되는 양은 적용 분야 및 요구되는 성능에 따라 다르다. 전기 상호연결부들 및 열전 세그먼트들(601 내지 614)로부터 적절하게 절연된 경우, 전기 전도성 재료가 사용될 수도 있다. 이 재료는 또한, 여러 재료들로 만들어질 수 있으며, 일부 구현예들에서는, 작동 전력이 충분히 낮거나, 또는 과도한 열을 제거하기 위한 다른 방법이 충분한 경우, 낮은 열전도성 재료로 만들어질 수 있다. 나노 가스 펌프의 제작에 있어서, 반도체 제조 기술분야의 통상의 기술자가 인식할 수 있는 바와 같이, 제1(601), 제3(608) 및 제5(614) 전기 상호연결부는, 전기 전도성 재료의 단일 스택을 침착시키고, 이를 패터닝하여 전기 연결부들을 적절하게 격리함으로써, 만들어질 수 있다. 제1(602), 제3(607) 및 제5(613) p형 열전 세그먼트들, 제2(604) 및 제4(610) p형 열전 세그먼트들, 및 제2(605) 및 제4(611) 열 전도성 재료에 대해서도 동일하다.
통상적으로, 제작 방법들은, 고도로 선택적인(selective) 에칭 공정을 통해 추후에 제거되는 희생 재료의 침착을 필요로 한다. 그 예들은, 크세논 디플루오라이드(XeF2)로 제거되는 폴리실리콘(폴리-Si) 침착, 및 불화수소(HF)로 제거되는 실리콘 디옥사이드(SiO2) 침착을 포함한다. 증기 상 가스를 사용하는 경우에도, 공정 시간을 감소시키고 비희생 재료의 원하지 않는 에칭을 최소화하려면, 충분한 접근(sufficient access)이 바람직하다. 도 6a의 예시적인 장치는, 주 채널들(635 내지 643) 내로의 접근 구멍들(644)을 포함하도록, 도 6b에 도시된 바와 같이 추가적으로 구성될 수 있다. 나노 가스 펌프들(626 내지 630, 630,634)의 절연성 재료(645)가 희생 재료로 만들어진 경우, 도 3e 및 도 3f에 개시된 방법에 더하여, 제1 열전 세그먼트(627), 제2 열전 세그먼트(628), 또는 제3 열전 세그먼트(629)는, 에칭제가 희생 재료(645)에 접근하기 위한 접근 구멍들(646)을 갖도록 구성될 수 있다. 나노 가스 펌프들의 접근 구멍들(646)은, 가압된 가스가 인접한 부피 내로 다시 누출되는 것을 방지하기 위해, 나노 가스 펌프의 오로지 한 층 상에서만 만들어질 수 있다. 이는, 제1 열전 재료(627, 631) 및 제3 열전 재료(629, 633)의 접근 구멍들(646)이 제2 재료(628, 632)를 따른 온도 구배보다 낮은 온도 구배를 가질 것이기 때문이다. 제2 재료(628, 632)에 바로 인접한 접근 구멍들(646)은 온도 구배가 높을수록 덜 가압된 가스를 누출시킬 것이지만, 이는 제작 복잡성 및 증가된 전기 저항으로 인해 제한된다.
에칭제가 낮은 부피들(635, 639, 643)에 접근하려면, 도 6b에 도시된 바와 같이, 나노 가스 펌프 단(stage)을 제거하여 낮은 부피들에 대한 접근을 용이하게 하도록 하는 것이 유리할 수 있다. 다른 방법들은, 충분한 나노 가스 펌프 개구부(638, 642) 면적, 측면 접근 포트들, 나노 가스 펌프들을 함유하는 멤브레인에 대한 직접 부피 통합, 및 기타 방법들을 포함한다. 도 6b에 도시된 예시적인 구현예에서, 제1 전기 상호연결부(626)는 제1 p형 열전 세그먼트(627)에 연결되고, 이는 제1 n형 열전 세그먼트(628)에, 그 다음 제2 p형 열전 세그먼트(629), 그 다음 제2 전기 상호연결부(630)에, 그 다음 제3 p형 열전 세그먼트(631)에, 그 다음 제2 n형 열전 세그먼트(632)에, 그 다음 제4 p형 열전 세그먼트(633)에, 그 다음 제3 전기 상호연결부(634)에, 연결되며, 그 다음 전력 공급 장치(650)를 통해 제1 상호연결부(626)로 회로를 완성한다. 양의 전압이 제1 전기 상호연결부(626)에 인가되면, 동일한 방향의 온도 구배가 순차적인 나노 가스 펌프들 사이에 설정된다. 이는 제7 부피(643)로부터, 제2 나노 가스 펌프(630 내지 634)의 개구부(642)을 통해, 제6 부피(641) 내로, 그 다음 나노 가스 펌프를 제외하고 제4 부피(639)를 연결함으로써 생성된 제5 부피(640) 내로, 그 다음 제1 나노 가스 펌프(626 내지 630)의 개구부(638)을 통해 제3 부피(637) 내로, 그 다음 나노 가스 펌프를 제외하고 제1 부피(635)를 연결함으로써 생성된 제2 부피(636) 내로, 가스의 흐름을 생성한다. 나노 가스 펌프들(626 내지 634)를 분리하는 내부 부피들(635 내지 643)을 봉지하는 재료(625)는 초기에는 희생 재료이며, 이는 그 다음 접근 구멍들(644)을 통해 제거된다. 그 다음 접근 구멍들은, 실리콘 옥사이드(SiO2), 텅스텐(W) 또는 기타 재료의 물리 기상 증착(PVD) 및/또는 기타 공정과 같은 또 다른 공정에 의해 밀봉된다. 산화물 또는 다른 전기 절연성 재료의 원자 층 증착(ALD)이, 접근 구멍들(644)을 밀봉하고 나노 가스 펌프들(626 내지 634)의 표면을 보호하기 위해, 추가적으로 채용될 수 있다.
예시적인 구성들: 단 구성(staging)
도 3a 및 도 3b에서 이전에 도시된 예시적인 장치의 예시적인 배열이 도 7a, 도 7b 및 도 7c에 도시되어 있다. 도 7a는 외부 부피(700)로부터 중앙 부피(750)까지의 예시적인 흐름 경로를 보여주고, 도 7b는 하단으로부터 상단으로의 단면도를 보여주며, 여기서 기재(751)는 도 6a에서 이전에 도시된 바와 같이 봉지된 부피를 형성한다. 도 7c는 위로부터 아래로의 단면도를 보여주며, 여기서 기재(751)는 이전에 도 6a에서 도시된 바와 같이 봉지된 부피를 형성한다. 흐름은 개방된 외부 부피(700)로부터, 제1 나노 가스 펌프(701)를 통해, 상단 부피(702) 내로, 제2 나노 가스 펌프(703) 내로, 등등, 순차적으로 들어가며, 결국에는, 마지막 나노 가스 펌프(749)를 통해 중앙(750)의 개방된 부피 내로 들어간다. 통상적으로, 개방된 부피 당 여러 개의 나노 가스 펌프들이 있을 수 있으며, 나노 가스 펌프들의 배열을 전력 공급 장치에 연결하는 데 유리한 방법 및 위치에서, 전기 상호연결부들의 내결함성 분포(fault tolerant distribution)가 종료될 것이다.
개구부들의 수 및/또는 단(stage) 당 개구부 면적을 증가 또는 감소시키는 것 외에도, 예상되는 압력 구배가 알려진 경우, 성능을 향상시키기 위해 개구부들의 직경이 변화될 수 있다. 가스의 평균 자유 경로는 가스의 압력에 따라 크게 달라지므로, 도 7d에 도시된 바와 같이, 나노 가스 펌프 배열의 외부로부터 중앙으로 가스를 가압하는 적용의 경우, 나노 가스 펌프의 개구부들의 직경들은, 추가적으로 개시된 것과 같이, 최적화 방법에 의해 결정된 대로 순차적으로(760 내지 768) 감소될 수 있다.
도 7e에 도시된 바와 같이 나노 가스 펌프들의 배열의 중앙으로부터 가스를 배출시키는 적용의 경우, 나노 가스 펌프들의 개구부들의 직경들은, 추가적으로 개시된 것과 같이, 최적화 방법에 의해 결정되는 대로 순차적으로(770 내지 778) 증가될 수 있다.
예시적 적용: 통합된 마이크로유체 밸브들 및 펌프들
나노 가스 펌프들의 배열은, 공압 장치 작동, 질량 흐름 제어, 환경 제어, 더 가벼운 분자의 분리 및 층화(separating and stratifying), 또는 심지어 마이크로 드론을 들어올리고 병진운동시키는 것을 위한 목적으로 가스를 압축하는 데 사용될 수 있다.
나노 가스 펌프들의 배열은, 공압 장치 작동, 질량 흐름 제어, 환경 제어, 더 무거운 분자의 분리 및 층화, 및 심지어 질량 분석계와 같은 분석 장비용 진공 생성을 위해, 가스를 희박화(rarify)하는 데 사용될 수 있다.
통합 공압 밸브의 예시적인 적용을 도 8a, 도 8b 및 도 8c에 나타내었다. 여기서, (800)이 멤브레인(806, 810)을 공압식으로 작동시키기 위한 나노 가스 펌프들(801)의 배열 및 제어 부피(802)를 수용하는 하단 기재인 경우, 개구부 직경보다 작은 입자를 여과해낼 수 있는 가스 필터(805)가 나노 가스 펌프들(801)의 배열의 일 단부를 보호하고, 나노 가스 펌프들의 배열의 다른 단부는 봉지된 제어 부피(802)에 개방된다.
도 8a는 단면(811)을 보여주고, 도 8b는 단면(812)을 보여주고, 도 8c는 단면(813)을 보여준다. 단면들은, "퀘이크 밸브(Quake Valve)"라고 알려진 전형적으로 공압식으로 구동되는 마이크로유체 밸브를 설명한다. 유체 채널(808, 809)은 상단 기재(807)에 형성되고, 멤브레인(806, 810) 및 하단 기재(800)에 융합된다. 전통적으로 압축되거나 희박화된 공기는, 유체 채널(808, 809)에서의 2차 유체의 흐름을 방해하거나 촉진하기 위해, 제어 공동(802) 내로 도입된다. 제어 부피(802)를 가압하기 위해 작동될 때, 멤브레인(810)은, 도 8d에 도시된 바와 같이, 유체 채널(808, 809)의 상단에 밀봉부(814)를 형성한다. 제어 부피(802)를 희박화(rarify)하기 위해 작동할 때, 멤브레인(810)은, 도 8e에 도시된 바와 같이, 유체를 확장된 부피(815) 내로 끌어당긴다.
먼저 도 8a 내지 도 8e에 도시된 통합된 공압식 밸브의 예시적 구현예가 도 9a의 예시적 구현예에 도시된 바와 같이 연결되는 경우, 더욱 복잡한 동작들이 수행될 수 있다. 도 9a에서, 제어 부피(904)를 갖는 제1 통합 공압 밸브(901)는 제어 부피(905)를 갖는 제2 통합 공압 밸브(902)에 연결되며, 이는 단일 유체 채널(910 내지 913)을 공유하는 제어 부피(906)를 갖는 제3 통합 공압 밸브(903)에 연결된다.
도 9b에 도시된 바와 같이, 세 개의 밸브들이 모두 작동되면(915), 모든 흐름이 중단된다. (916)에 도시된 바와 같이 제1 제어 부피(904)을 희박화함으로써, 유체는 입구(910)로부터 제1 밸브(901) 내로 끌어당겨진다. 그 다음, (917)에 도시된 바와 같이 제2 제어 부피(905)를 희박화함으로써, 유체가 입구(910)로부터 제2밸브(902) 내로 추가적으로 끌어당겨진다. 그 다음, (918)에 도시된 바와 같이 제1 제어 부피(904)를 가압하고, (919)에 도시된 바와 같이 제3 제어 부피(906)를 희박화함으로써, 유체는 이제 출구(913)와 연통된다. 그 다음, (920)에 도시된 바와 같이, 제2 제어 부피(905)를 가압함으로써, 이제 유체는 제2 밸브(902) 밖으로 밀려나와 출구(913)로 들어간다. 그 다음, (921)에 도시된 바와 같이, 제3 제어 부피(906)를 가압함으로써, 유체는 이제 제3 밸브(903) 밖으로 밀려나와 출구로 들어간다. 이 순서를 반복하면, 유체 채널 입구로부터 출구까지, 알려진 단일 양의 유체가 전진한다. 이 순서를 반대로 하면, 알려진 단일 양의 유체가, 유체 채널의 출구(913)로부터 입구(910)까지 전진한다.
유체 채널의 배열은 도 9c에 도시된 바와 같이 추가적으로 구성될 수 있다. 여기서 입구(925)는 제1 기재의 상단에 있다. 주 펌핑 밸브(927)는 중간에 있고, 출구 밸브(929)는 단부에 있다. 도 9c의 배열은 제2 입구(926)가 있는 도 9d에 도시된 바와 같이 추가적으로 구성될 수 있으며, 이는 약물을 환자에게 펌핑하기 위한 배열인 경우에 유리할 수 있다. 도 9c의 배열은 도 9e에 도시된 바와 같이 추가적으로 구성될 수 있으며, 여기에는 제2 펌핑 밸브(928)가 있으며, 이는 제1 펌핑 밸브(927)가 제2 펌핑 밸브(928)와 상당히 다른 부피를 이동시키는 경우에, 또는 유체를 이동하려면 더 높은 압력이 필요한 경우에, 유리할 수 있다. 도 9c의 배열은 제2 출구 밸브(930)가 있는 도 9f에 도시된 바와 같이 추가적으로 구성될 수 있으며, 이는 마이크로유체 회로에서 유체를 분배할 때 유리할 수 있다. 도 9c의 배열은 임의의 개수의 입구들, 펌핑 밸브들 및 출구들을 위해 추가적으로 구성될 수 있다.
제작
도 3d의 예시적인 장치를 제작하는 예시적인 방법이 도 10에 도시되어 있다. (1001)에 도시된 바와 같이 두께가 1um인 얇은 기재로 시작할 수 있다. 실리콘 니트라이드의 100 nm 층은 후속 공정 단계를 위한 에칭 정지층(etch stop)으로서 성장될 수 있다. 기재는 절연체 상의 실리콘 웨이퍼(silicon on insulator wafer)의 부분일 수 있다. 활성 영역을 한정하는 개구부들은 패터닝되고 에칭되고, 직경이 3 μm일 수 있으며, 이는 (1002)에 도시된 바와 같다. 실리콘 옥사이드는 기재 위에 성장되고, 기재는 평탄화되고, 실리콘 니트라이드 층 상에서 정지되며, 이는 (1003)에 도시된 바와 같다. 핸들의 구멍들은 패터닝되고 에칭되어, 상단 실리콘 멤브레인을 노출시킨다. 텅스텐 헥사플루오라이드로부터 100 nm의 텅스텐이 화학 기상 증착 챔버에서 성장되고, 그 다음 직경 3μm으로 패터닝 및 에칭되며, 이는 (1004)에 도시된 바와 같다. (1005)에서 도시된 바와 같이, 실온에서 ZT를 최대화하기 위한 최적의 캐리어 농도를 갖는 250 nm의 P형 실리콘 게르마늄 재료가 화학 기상 증착 퍼니스에서 기재 위에 성장된 후, 원자 층 증착에 의해 10 nm의 알루미늄 옥사이드가 성장된다. (1006)에 도시된 바와 같이, 250 nm 개구부들이 멤브레인을 통해 패터닝되고 에칭된 다음, (1007)에 도시된 바와 같이, 실온에서 ZT를 최대화하기 위한 최적의 캐리어 농도를 갖는 25 nm n형 실리콘 게르마늄 재료가 화학 기상 증착 퍼니스에서 기재 위에 성장된다. 100 nm 접근 구멍들이 멤브레인 위에 패터닝되고 매립된 산화물에 도달할 때까지 에칭될 수 있으며, 그 다음 증기 HF를 사용하여 상단 및 하단 p형 열전 재료를 분리하는 과정에서 산화물 층을 제거할 수 있다. 그 다음, 전력 공급 장치는 멤브레인 하단으로부터 상단까지 10 mV를 인가할 수 있다. 멤브레인의 에지의 온도가 90 ℃가 될 때까지, 전압을 증가시킬 수 있다.
실리콘 게르마늄을 위한 최적 캐리어 농도는 화학양론에 따라 달라지며, 통상적으로는 입방 센티미터 당 대략 1020이다. NM Ravindra, B. Jariwala, A. Banobre 및 A. Maske는 "SpringerBriefs in Materials"(https://doi.org/10.1007/978-3-319-96341-9_4)의 4장에서 "실리콘 게르마늄 합금의 열전 특성"을 설명하는데, 그것은 좋은 출발점이지만, 실리콘 게르마늄을 사용하여 작업하는 각각의 상용 공장은 p형 실리콘 게르마늄 트랜지스터 및 n형 실리콘 게르마늄 트랜지스터를 위한 그들 자신의 레시피를 가질 것이며, 도핑은 통상적으로, 열전 적용을 위해, 입방 센티미터 당 크기를 두 자리수 증가시킬 것을 필요로 할 것이다. 따라서, 실온에서 피크 ZT에 해당하는 도핑 수준을 찾기 위해서는, 적절한 DOE가 실행될 필요가 있다.
배열 장치 최적화 방법
본 발명의 디바이스의 지오메트리는, 수치적 및/또는 분석적 수단을 사용하여 조절 및 미세조정될 수 있으며, 통상적으로 최적화의 대상이다. 최적화는 반복을 통해 진행될 수 있으며 다음 알고리즘으로 표현될 수 있다:
모델 진화 알고리즘
C # 모델 제약 조건 설정
검색 파라미터의 P # 세트 설정
구현예의 M # 초기 근사값 설정
수행 기준 K가 충족되지 않는 동안 다음을 수행
수치 해법(numerical solution) 정확도 A에 도달하지 못하는 동안 다음을 수행
C를 사용하여 동적 가스 해결기(kinetic gas solver)를 실행
C를 사용하여 고체 열전 및 열전도 해결기를 실행
통합된 기체-고체 해법(integrated gas-solid solution) S
수행 종료
S 및 P를 사용하여 M을 업데이트
수행 종료
최적화는, 전기 및 구조 부품의 치수, 열전 재료, 가스 압축 챔버, 마운트 각도, 순차적 단들(sequential stages) 사이의 거리, 직렬 및 병렬 단들의 수, 개구부 크기, 재료, 등과 같은, 주요 기하학적 및 흐름 파라미터들 P에 기초하여야 한다. 그것은, 선호되는 작동 압력, 가스 종, 입력 전력, 재료 및 공정 비용, 등과 같은, 일 세트의 제약 조건들 C에 의해 제한될 수 있다. 최적화 공정은, 목적하는 질량 흐름 및 압축 비율과 같은, 최적화-종료 기준 K를 사용할 수도 있다. 앞서 언급했듯이, 질량 흐름 및 압력 구배는 서로 반대이다. 디바이스를 통과하는 질량 흐름이 높을수록, 압력 구배는 낮아지고, 반대로 압력 구배가 높을수록 질량 흐름은 낮아진다. 따라서, 시스템 설계를 최적화하려면, 최소한으로 허용가능한 압력 차이 및 질량 흐름이 둘 다 요구될 수 있다. 최적화는, 위에서 보여준 단일 단 및 다단 구현예들의 예일 수 있는, 장치 모델 M의 초기 근사치로 시작해야 한다. 그 후, 기준 K를 만족하는 최적의 구성 M을 찾을 때까지, 메인 루프가 실행된다. 해당 루프에서, 모델 M은 검색 파라미터들 P 및 성능 평가 해법 블록으로부터의 출력을 사용하여 조정된다. 후자는 미리 결정된 수치 정확도에 도달할 때까지 실행되는 "수행(do)" 루프로 표현될 수 있으며, 장치 내부의 가스 흐름 및 디바이스의 고체 블록 내부의 열 흐름에 대한 독립형 또는 통합형 해결기를 포함할 수 있다. 이러한 해결기 단계들에 대해 간단한 분석적 추산이 가능하지만, 열 전도, 전기 및 열전 방정식(이는 또한 대류 및 복사 등과 같은 열 전달 메커니즘을 포함할 수 있음)에 대한 동적 가스 해결기(kinetic gas solvers) 및 유한 요소 해결기의 유한 부피(finite volume of finite element solvers)에 의해 수치 해법의 최상의 정확도가 제공될 것이다. 계산에 의한 최적화 과정은 실험적 수단에 의해 보조되고 수정될 수 있다.
예시적인 최적화 루프는 다음과 같다. 랩온어칩(Lab-on-a-Chip) 디바이스용 마이크로채널의 유체 조작과 같은 적용이, 3개의 차원들 각각에서 1 mm 미만이고, 1 mW 이하의 전력을 소비하며, 20 킬로파스칼(kPa)의 압력 강하를 생성하는 펌프를 요구한다고 가정한다. 그러면, 도 6a에 표시된 펌프의 지오메트리로 시작할 수 있고, 길이가 200 μm라고 가정할 수 있다. 그러한 지오메트리는, COMSOL과 같은, 상용 다중물리 해결기(Multiphysics solver)에서, 주어진 전압에 대해 예상될 수 있는 열전 요소들에 걸친 온도 차이의 범위를 결정하도록 모델링될 수 있다. 그 다음, 단일 단(single stage)에 걸쳐 추산된 압력 강하를 설정하고, 또한 예상되는 가스에서 표면으로의 열 플럭스(gas-to-surface heat fluxes)에 대해 COMSOL에 피드백을 제공하는 동적 접근법을 사용하여, 가스 동역학 시뮬레이션이 수행될 수 있다. COMSOL 결과는 그러한 정보로 수정될 수 있으며, 단일 단의 질량 흐름, 전력 및 압력 강하에 대한 최종 추산이 이루어질 수 있다. 그 후, 다단 지오메트리(multi-stage geometry)의 특성이 분석적으로 계산될 수 있거나, 또는, 더 큰 정밀성이 필요한 경우에는, 그것은 COMSOL에서 재구성될 수 있고, 해당 지오메트리에서의 가스 흐름이 다시 모델링될 수 있다. 결국에는, 성능 기준을 충족하는 해가 존재한다면, 설계자는 요구되는 사양 범위에 맞는 디바이스 지오메트리 및 특성을 갖게 될 것이다.
특정 예에 대한 장치 성능 추산
직접 시뮬레이션 몬테 카를로(direct simulation Monte Carlo: DSMC) 및 타원 통계 바트나가-그로스-크룩(ellipsoidal statistical Bhatnagar-Gross-Krook: ES-BGK) 동적 방법들을 사용하여 수행된 수치 분석 결과, 본 발명자들은 특정 기하학적 및 흐름 파라미터들에 대해 개시된 회전 흐름 및 직선 흐름 설계들의 핵심 성능 파라미터들을 얻을 수 있었으며, 이는, 차가운 쪽과 뜨거운 쪽 사이의 50 K의 온도 차이를 갖는 1 μm 폭의 열전 요소들, 1 μm 폭의 개구부들, 3 μm 높이 및 길이의 가스 챔버들, 및 유사-2차원 구성이었다. 그러한 회전 흐름 및 직선 흐름 구현예들의 3개의 연속적 단들에 의해 생성된 압력 차이 ΔP를 표 1에 나타내었다. 표에서 볼 수 있듯이, 압력이 30 배만큼 변할 때 ΔP가 그것의 피크로부터 2.5 배 이내이므로, 가스 압력이 변화함에 따른 성능 저하는, 대략적으로, 상대적으로 약하다. 0.3 atm에서 장치를 통과하는 가스의 평균 흐름 속도 Uf는, 회전 흐름 설계의 경우 2.7 m/s이었고, 직선 흐름 설계의 경우 3.6 m/s이었다.
입구 압력(atm) ΔP(%), 회전 흐름 설계 ΔP(%), 직선 흐름 설계
0.03 1.74 1.88
0.1 4.0 3.4
0.3 4.2 2.97
1 1.73 1.07
다단 디바이스들은 또한, 최대 25개의 연속하는 단들로 수치적으로 시험되었으며, ΔP 및 Uf 기반 성능 저하는 약 0.5%의 수치 오차 막대 내에 있는 것으로 밝혀졌다. 400 단 장치에 대해 예상되는 질량 흐름 저하는 5% 미만이다. 압력 차이 및 흐름 속도는, 5 K로부터 50 K까지 변화하는 열전 요소들의 차가운 단부와 뜨거운 단부 사이의 온도 구배에 따라, 선형적으로 변화하는 것으로 나타났다. 이러한 추산치들은 가스 동적 입력을 기반으로 하는 최대 성능 평가를 가능하게 한다(완전한 성능 평가는 또한, DSMC 및 ES-BGK와 같은, 동적 시뮬레이션으로부터 얻어진 얻은 가스-표면 열 플럭스와 함께, 고체 내부의 열 전달의 해법도 포함하여야 한다. 1 mm × 1 mm × 1 mm 디바이스에 대해 수행된 그러한 성능 평가는, 100 mW의 입력 전력에 대해, 1.2의 최대 압축비에서, 최대 부피 유량이 분당 약 2 mL임을 보여주었다. 고정된 입력 전력의 경우, 목적하는 압축비의 증가 또는 감소는, 부피 흐름의 비례적인 감소 또는 증가를 동반할 것이다. 압축비 및 질량 흐름은 입력 전력에 정비례하고, 디바이스의 실제 펌핑 용량은 주로, 디바이스 부피에 의해 흡수되어 환경 내로 소산될 수 있는 최대 전력에 의해 제한될 수 있다.
본 개시는 바람직한 구현예들의 관점에서 설명되었지만, 인식되는 바와 같이, 명시적으로 언급된 것들 외에도, 균등물, 대안 및 변형이 가능하고, 이것들은 첨부된 청구항들의 범위 내에 있다.

Claims (19)

  1. 가스 내에 급격한 온도 구배를 생성하기 위한 장치로서, 다음을 포함하는 장치:
    가스에 급격한 온도 구배를 인가(imprinting)시킬 목적으로 가스와 연통하는 제2 열전 재료;
    상기 제2 열전 재료에 대해 상보적이고, 상기 제2 열전 재료와 직접 접촉하고, 히트 싱크 및 전기 전도체와 직접 접촉하는 제1 열전 재료; 및
    제3 열전 재료로서, 상기 제3 열전 재료는 상기 제2 열전 재료에 대해 상보적이고, 상기 제2 열전 재료와 직접 접촉하고, 히트 싱크 및 전기 전도체와 직접 접촉하며, 이 전기 전도체는 상기 제1 열전 재료로부터 상기 제3 열전 재료까지 전류를 제공하도록 구성된, 제3 열전 재료.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 급격한 온도 구배는 평균 자유 경로(mean free path)당 100 mK보다 큰, 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 열전 재료 및 상기 제3 열전 재료는 p형이고, 상기 제2 열전 재료는 n형인, 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 열전 재료 및 상기 제3 열전 재료는 n형이고, 상기 제2 열전 재료는 p형인, 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 열전 재료 및 상기 제3 열전 재료는 동일한 유형이고, 상기 제2 열전 재료는 25 nm보다 얇은 전기 전도체로 대체된, 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 열전 재료 및/또는 상기 제3 열전 재료는 전기 및 열 전도체인, 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 열전 재료는, 상기 제1 열전 재료, 상기 제2 열전 재료, 및 열 절연체에만 연결된, 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 열전 재료 및 상기 제2 열전 재료, 및/또는 상기 제2 열전 재료 및 상기 제3 열전 재료는 전기 전도체에 의해 연결된, 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 열전 재료와의 접촉은 중첩되어 연결의 접촉 저항을 감소시키는, 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 열전 재료 및/또는 상기 제3 열전 재료는 전기 전도체이고 공유 히트 싱크(shared heat sink)에 연결된, 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 히트 싱크는 전기 전도체인, 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 열전 재료는 코팅을 갖는, 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 급격한 온도 구배는, 열 확산을 사용하여 상기 급격한 온도 구배의 방향으로 가스를 펌핑하는 데 사용되는, 장치.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 제2 열전 재료는 두 개의 별개의 가스 부피들 사이에 개구부를 형성하는, 장치.
  15. 제 12 항에 있어서, 목적하는 유량 또는 압축비를 산출하기 위해 미리 결정된 배열로 병렬 및/또는 직렬로 유체적으로 연결된 복수의 제 1 항의 장치들을 더 포함하는 장치.
  16. 가스 내의 급격한 온도 구배를 분리(isolating)하는 방법으로서, 다음 단계들을 포함하는 방법:
    제2 열전 재료에 인접한 가스에 1차 온도 구배를 인가시키는 단계;
    상기 제2 열전 재료에 대해 상보적이고, 상기 제2 열전 재료와 직접 접촉하고, 히트 싱크 및 전기 전도체와 직접 접촉하는 제1 열전 재료가, 상기 히트 싱크로부터 상기 제2 열전 재료까지, 전류를 제공하고 온도 구배를 생성하도록 구성하는 단계; 및
    상기 제2 열전 재료에 대해 상보적이고, 상기 제2 열전 재료와 직접 접촉하고, 히트 싱크 및 전기 전도체와 직접 접촉하는 제3 열전 재료가, 상기 히트 싱크로부터 상기 제2 열전 재료까지, 전류를 제공하고 온도 구배를 생성하도록 구성하는 단계.
  17. 제 15 항에 있어서, 공급되는 상기 전류가 양방향성(bidirectional)이며, 그에 따라 상기 급격한 온도 구배의 방향을 변화시키는, 방법.
  18. 제 15 항에 있어서, 제공되는 상기 전류는 연속적인, 방법.
  19. 제 15 항에 있어서, 제공되는 상기 전류는 펄스형인, 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4143343C2 (de) 1991-09-11 1994-09-22 Fraunhofer Ges Forschung Mikrominiaturisierte, elektrostatisch betriebene Mikromembranpumpe
US6533554B1 (en) * 1999-11-01 2003-03-18 University Of Southern California Thermal transpiration pump
US6634864B1 (en) * 2002-02-19 2003-10-21 Vapore, Inc. High fluid flow and pressure in a capillary pump for vaporization of liquid
US7367781B2 (en) * 2003-01-16 2008-05-06 The Regents Of The University Of Michigan Packaged micromachined device such as a vacuum micropump, device having a micromachined sealed electrical interconnect and device having a suspended micromachined bonding pad
US20040244356A1 (en) * 2003-05-29 2004-12-09 Ronney Paul David Thermal transpiration pump for gaseous material driven by chemical reaction
FR2861814B1 (fr) * 2003-11-04 2006-02-03 Cit Alcatel Dispositif de pompage par micropompes a transpiration thermique
KR100582884B1 (ko) * 2004-09-14 2006-05-25 삼성전자주식회사 써멀 액츄에이션 펌프
TWI278426B (en) * 2004-12-30 2007-04-11 Prec Instr Dev Ct Nat Composite plate device for thermal transpiration micropump
US7980828B1 (en) 2007-04-25 2011-07-19 Sandia Corporation Microelectromechanical pump utilizing porous silicon
US8235675B2 (en) 2008-01-09 2012-08-07 Yogesh B. Gianchandani System and method for providing a thermal transpiration gas pump using a nanoporous ceramic material
DE102008003792A1 (de) * 2008-01-10 2009-07-16 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Herstellen einer Mikropumpe sowie Mikropumpe
KR101458515B1 (ko) * 2008-09-05 2014-11-07 삼성전자주식회사 벌크상 열전재료 및 이를 포함하는 열전소자
WO2012119034A2 (en) * 2011-03-02 2012-09-07 Game Changers, Llc Method and apparatus for a dynamic air cushion transport system
EP2473785B1 (en) * 2009-09-03 2018-06-13 Game Changers, Llc Nanomolecular solid state electrodynamic thruster
WO2012119031A1 (en) * 2011-03-02 2012-09-07 Game Changers, Llc Flight control using distributed micro-thrusters
US9404487B2 (en) * 2009-09-03 2016-08-02 Game Changers, Llc Apparatus and methods for evacuating air from a closed area
WO2012119039A1 (en) * 2011-03-02 2012-09-07 Game Changers, Llc Apparatus and methods using non-fouling bypass filter
WO2011050285A1 (en) * 2009-10-23 2011-04-28 University Of Louisville Research Foundation, Inc. Thermally driven knudsen pump
EP2681455B1 (en) * 2011-03-02 2016-10-19 Game Changers, Llc Distributed thrusters driven gas compressor
JP6046645B2 (ja) * 2011-03-02 2016-12-21 ゲーム・チェンジャーズ・リミテッド・ライアビリティ・カンパニーＧａｍｅ Ｃｈａｎｇｅｒｓ， Ｌｌｃ 分散型マイクロクラスタのための耐故障性制御システム
KR20140015425A (ko) * 2011-03-02 2014-02-06 게임 체인저스, 엘엘씨 에어 쿠션 운송기
RU2462615C1 (ru) 2011-04-19 2012-09-27 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Московский Физико-Технический Институт (Государственный Университет)" Газовый микронасос
WO2014035531A2 (en) * 2012-06-15 2014-03-06 Game Changers, Llc Micro thruster uses and improvements

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