KR20170086578A - 콤팩트한, 경량의, 그리고 온디맨드식 적외선 교정을 위한 멀티-층의 개선된 탄소 나노튜브 흑체 - Google Patents
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Abstract
흑체 스펙트럼을 생성하기 위한 장치, 방법 및 얇은 필름 구조물이 개시된다. 장치의 제 1 층(302)은 적용된 전압에 응답하여 열을 발생시키도록 구성된다. 제 2 층(306)은 제 1 층으로부터의 열에 응답하여 흑체 방사 스펙트럼을 방출하도록 구성된다. 열 확산 층(304)은 제 1 층과 제 2 층 사이에 배치된다. 열 확산 층은 열 확산 층의 평면에서 열의 공간적 변화를 감소시키기 위한 그래핀 시이트를 포함한다. 제 1 층은 탄소 나노튜브 층일 수 있다.
Description
본 개시는 방사 스펙트럼(radiation spectrum)을 발생시키는 것에 관한 것이고, 특히, 흑체 방사 스펙트럼들(blackbody radiation spectra)을 발생시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
다양한 광학 시스템들에서, 광학 신호는 광학 센서에서 대상물로부터 수용되며, 그리고 광학 신호의 측정치들은 대상물의 특성을 결정하기 위해 광학 센서에서 획득된다. 정확한 측정치들을 획득하기 위해, 하나 또는 그 초과의 기준 파장들의 공지된 광자 플럭스(photon flux)를 사용하여 광학 센서를 교정하는 것은 종종 필요하다. 기준 파장들의 광자 플럭스를 제공하기 위한 하나의 방법은 선택된 온도들로 하나 또는 그 초과의 흑체 라디에이터들(blackbody radiators)을 가열하는 것 및 교정 파장을 선택하기 위해 광학 필터들을 사용하는 것을 포함한다. 그러나, 광학 센서를 교정하기 위한 흑체 소스들(sources)의 사용은 SWaP(size, weight, and power) 도전들을 도입한다. 무엇보다도, 종래의 흑체 라디에이터는, 흑체 라디에이터가 선택된 온도가 되게 하기 위해 그리고 선택된 온도를 유지하기 위해, 교정에서의 사용 전에 상대적으로 긴 시간 동안 가열되는 것이 필요하다. 종래의 흑체 소스들은, 따라서, 많은 양의 파워를 소모한다. 두 번째로, 종래의 흑체 소스들 및 그 지지 광학 구조물들은 일반적으로 부피가 크며, 그리고 이들 중 하나 또는 그 초과를 사용하는 것은 교정을 받은 센서 상에 각각의 흑체 방출 스펙트럼을 이미징하기 위해 정교한 광학 기구를 요구한다. 세 번째로, 이러한 흑체 라디에이터 교정 시스템 및 그 수반되는 광학 기구들은 일반적으로 무겁고 복잡하다.
본 개시의 일 실시예에 따라, 흑체 스펙트럼(blackbody spectrum)을 생성하기 위한 장치는: 적용된 전압에 응답하여 열을 발생시키도록 구성되는 제 1 층; 제 1 층으로부터의 열에 응답하여 흑체 방사 스펙트럼(blackbody radiation spectrum)을 방출하도록 구성되는 제 2 층; 및 제 1 층과 제 2 층 사이의 열 확산 층(thermal spreading layer)을 포함하며, 열 확산 층은 열 확산 층의 평면에서 열의 공간적인 변화를 감소시키기 위한 그래핀 시이트(graphene sheet)를 포함한다.
본 개시의 다른 실시예에 따라, 흑체 방사 스펙트럼을 발생시키기 위한 필름(film)은: 적용된 전압에 응답하여 열을 발생시키도록 구성되는 제 1 층; 제 1 층으로부터의 열에 응답하여 흑체 방사 스펙트럼을 방출하도록 구성되는 제 2 층; 및 제 1 탄소 나노튜브 층과 제 2 탄소 나노튜브 층 사이의 열 확산 층을 포함하며, 열 확산 층은 열 확산 층의 평면에서 열의 공간적인 변화를 감소시키기 위한 그래핀 시이트(graphene sheet)를 포함한다.
본 개시의 다른 실시예에 따라, 흑체 방사 스펙트럼을 생성하는 방법은: 제 1 층에서 열을 발생시키기 위해 제 1 층, 제 2 층 및 제 1 층과 제 2 층 사이에 배치되는 적어도 하나의 그래핀 시이트를 포함하는 얇은 필름 디바이스의 상기 제 1 층에 전압을 적용하는 단계; 그리고 얇은 필름 디바이스의 평면에서 열의 공간적 변화를 감소시키기 위해 적어도 하나의 그래핀 시이트를 사용하는 단계를 포함하며, 감소된 공간적 변화를 가지는 열은 흑체 방사 스펙트럼을 제조하기 생성하기 위해 제 2 층에서 광자들을 여기한다(excite).
추가의 피처들(features) 및 장점들은 본 개시의 기술들을 통해 실현된다. 다른 실시예들 및 개시의 양태들은 본원에서 상세하게 설명되고 청구된 개시의 부분으로 고려된다. 장점들 및 피처들을 갖는 개시의 보다 양호한 이해를 위해, 설명들 및 도면들을 참조한다.
개시로서 간주되는 요지는 명세서의 결론부에서의 청구항들에서 특히 지시되고 명백하게 청구된다. 개시들의 이전의 그리고 다른 피처들 및 장점들은 첨부 도면들과 연계하여 설명되는 다음의 자세한 설명으로부터 명백하다:
도 1은 예시적인 실시예에 따라 광 또는 광학 신호를 검출하기 위한 예시적인 광학 시스템을 도시한다;
도 2는 도 1에서 도시되는 예시적인 교정 장치에 대한 상세도를 도시한다;
도 3은 도 2의 예시적인 얇은 필름 구조물에 대한 상세도를 도시한다;
도 4는 본 개시의 예시적인 탄소 나노튜브 필름에 전류를 적용할 때 평형 온도를 달성하기 위한 응답 시간을 예시한다;
도 5는 도 4의 예시적인 탄소 나노튜브 필름에 공급되는 전류와 탄소 나노튜브 필름의 초래되는 공간적 그리고 시간적 평형 온도들 사이의 관계를 예시하는 표를 도시하며; 그리고
도 6은 대안적인 실시예에서 본 개시의 얇은 필름 구조물에 대한 단면을 도시한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따라 광 또는 광학 신호를 검출하기 위한 예시적인 광학 시스템을 도시한다;
도 2는 도 1에서 도시되는 예시적인 교정 장치에 대한 상세도를 도시한다;
도 3은 도 2의 예시적인 얇은 필름 구조물에 대한 상세도를 도시한다;
도 4는 본 개시의 예시적인 탄소 나노튜브 필름에 전류를 적용할 때 평형 온도를 달성하기 위한 응답 시간을 예시한다;
도 5는 도 4의 예시적인 탄소 나노튜브 필름에 공급되는 전류와 탄소 나노튜브 필름의 초래되는 공간적 그리고 시간적 평형 온도들 사이의 관계를 예시하는 표를 도시하며; 그리고
도 6은 대안적인 실시예에서 본 개시의 얇은 필름 구조물에 대한 단면을 도시한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따라 광 또는 광학 신호를 검출하기 위한 예시적인 광학 시스템(100)을 도시한다. 광학 시스템(100)은 센서(102), 예컨대 광학 센서 또는 광학 검출기를 포함한다. 선택된 대상물 또는 목표물(110)로부터 광학 경로(104)를 따라 전파하는 광 또는 광학 신호들은 센서(102)에서 검출된다. 센서 정확도를 유지하기 위해, 교정 장치(106)("교정기")는 광학 경로(104) 내로 이동된다. 예시적인 실시예에서, 광학 시스템(100)은, 교정 장치(106)가 광학 센서(102)의 광학 경로(104)에 벗어난 제 1 위치(A)에서 로케이팅되는 감지 모드(sensing mode)에서 작동할 수 있다. 광학 시스템(100)은 교정 장치(106)가 광학 센서(102)의 광학 경로(104) 내에 있는 제 2 위치(B)로 이동되는 교정 모드에서 또한 작동할 수 있다. 일단 광학 경로(104) 내에 있다면, 교정 장치(106)는 대상물(110)로부터의 광 또는 광학 신호들이 광학 센서(102)에 도달하는 것을 차단한다. 교정 장치(106)는, 그 후, 센서(102)에 하나 또는 그 초과의 교정 파장들의 광을 제공하도록 작동되어서, 센서(102)를 교정한다. 교정 장치(106)가 제 2 위치(B)에 있을 때 교정 장치(106)와 센서(102) 사이에 배치되는 필터(112)가 도시된다. 필터(112)는 교정 파장에 상응하는 선택된 파장 윈도우(window) 내의 광자 플럭스가 센서(102)에 도달하는 것을 허용하여, 교정 파장으로 센서(102)를 교정한다. 예시적인 실시예에서, 파장 윈도우는 약 3 마이크론 내지 약 5 마이크론이다.
도 2는 도 1에서 도시되는 예시적인 교정 장치(106)에 대한 상세도를 도시한다. 예시적인 교정 장치(106)는 파장들의 범위의 광 또는 광자들을 방출하기 위해 연장된 표면 영역을 제공하는 얇은 필름 구조물(200)을 포함한다. 얇은 필름 구조물(200)은 얇은 필름 구조물(200)의 에지들에 커플링되는 브레이스 구조물(brace structure)(202)에 의해 경계형성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 브레이스 구조물(202)은 얇은 필름 구조물(200)의 평면에서 약간의 외향 힘을 적용하도록 구성되어, 얇은 필름 구조물(200)의 실질적으로 평탄한 표면을 유지한다. 브레이스 구조물(202)의 단부들(203 및 204)은 고정 디바이스(205), 예컨대 스크류, 볼트 등을 통해 유닛(206)에 커플링되거나 고정될 수 있다. 유닛(206)에 고정될 때, 단부들(203 및 204)은 로드(210)의 상부 단부(212)에 추가적으로 커플링된다. 로드(210)는 브레이스 단부들(203 및 204)을 통해 얇은 필름 구조물(200)에 커플링하기 위한 상부 단부(212) 및 하우징(220) 내에서 연장하는 하부 단부(214)를 포함한다. 로드(210)는 하우징(220) 내에서 회전가능하며, 그리고 하우징(220)의 액추에이터 조립체(228)는 로드(210), 및 그에 따라 얇은 필름 구조물(200)을 선택된 각도(θ)를 지나게 회전시키는데 사용된다. 교정 장치(106)는 센서(102)에 대해 배향될 수 있어, 각도(θ) 만큼의 로드(210)의 회전은 얇은 필름 구조물(200)을 제 1 위치(예를 들어, 도 1의 위치(A))로부터 제 2 위치(예를 들어, 도 1의 위치(B))로 이동시킨다. 대안적으로, 교정 장치(106)는 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 선형적으로 변위될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 와이어들(222 및 224)은 로드 및/또는 하우징의 내부에서 브레이스 구조물(202)로 횡단한다. 브레이스 구조물(202)의 우측부(202R)를 따라 배치된 와이어(222)는 얇은 필름 구조물(200)의 하나의 에지에 대한 전기적 커플링을 제공한다. 브레이스 구조물(202)의 좌측부(202L)를 따라 배치된 와이어(224)는 얇은 필름 구조물(200)의 대향 에지에 대한 전기적 커플링을 제공한다. 브레이스 구조물(202)에 대해 멀리 있는 위치에서, 와이어들(222 및 224)은 제어가능한 전원 공급 장치(power supply)(230)의 대향하는 극들에 커플링된다. 따라서, 전류 회로는 와이어(222)를 통해 전원 공급 장치(230)의 양극(positive pole)으로부터 브레이스 구조물(202)의 우측부(202R) 내로, 얇은 필름 구조물(200)을 가로질러, 브레이스 구조물(202)의 좌측부(202L)에서의 와이어(224) 내로, 그리고 전원 공급 장치(230)의 음극 내로 전류를 제공하도록 완성된다. 가변 전압이 제어가능한 전원 공급 장치(230)를 통해 얇은 필름 구조물(200)로 공급된다. 다양한 양태들에서, 얇은 필름 구조물(200)에 대한 전류는 얇은 필름 구조물(200)의 온도를 상승시킨다. 선택된 온도에서, 얇은 필름 구조물(200)은 일반적으로 특징적인 흑체 방사 스펙트럼을 갖는 광자들을 방출하며, 여기서 흑체 방사 스펙트럼은 스펙트럼의 피크 방사를 나타내는 특징적인 파장을 포함하고, 얇은 필름 구조물(200)의 온도와 관련된다. 일반적으로, 흑체 라디에이터에 의해 방출되는 광자들의 총 수는 파장들의 선택된 범위 내에서 흑체 방사에 의해 방출된 광자들의 수와 마찬가지로 그 온도와 관련된다. 온도가 증가함에 따라, 총 광자 플럭스 및 선택된 파장 범위 내의 광자 플럭스는 또한 증가한다. 조작자는 제어가능한 전원 공급 장치(230)에서 전압 또는 전류를 제어할 수 있어, 선택된 흑체 방사 스펙트럼이 얇은 필름 구조물(200)에서 방출되는 것을 허용한다. 특징적인 파장 및 방사 스펙트럼의 다른 피처들은 적용된 전압의 크기 또는 양과 관련된다. 파장들의 선택된 범위 내의 광자 플럭스는 광학 센서(102)에서 측정되어 광학 센서(102)를 교정할 수 있다.
도 3은 도 2의 예시적인 얇은 필름 구조물(200)에 대한 상세도를 도시한다. 예시적인 실시예에서, 얇은 필름 구조물(200)은 제 1 탄소 나노튜브 층(302)을 포함한다. 제 1 탄소 나노튜브 층(302)은 제 1 탄소 나노튜브 층(302)의 평면 내에 놓이도록 일반적으로 배향된 탄소 나노튜브들의 시이트(sheet)를 포함한다. 제 1 탄소 나노튜브 층(302)의 일 단부는 제어가능한 전원 공급 장치(320)의 양극에 연결되며, 그리고 제 1 탄소 나노튜브 층(302)의 대향 단부는 제어가능한 전원 공급 장치(320)의 음극에 연결되어, 제 1 탄소 나노튜브 층(302)을 통해 전기 회로를 완성시킨다. 제 1 열 전도 층(thermally conductive layer)(304)은 제 1 탄소 나노튜브 층(302)의 최상부 표면에 커플링되며, 여기서 최상부 표면은 적외선 방출 화살표(315)를 향하여 대면하는 제 1 탄소 나노튜브 층(302)의 표면이다. 제 2 열 전도 층(308)은 제 1 탄소 나노튜브 층(302)의 저부 표면에 커플링되며, 여기서 저부 표면은 적외선 방출 화살표(315)를 등지는(facing away from) 제 1 탄소 나노튜브 층(302)의 표면이다. 다양한 실시예들에서, 제 1 및 제 2 열 전도 층들(304 및 308)은 세라믹 재료와 같은 전기 절연 재료로 만들어진다. 제 2 탄소 나노튜브 층(306)은 제 1 탄소 나노튜브 층(302)의 반대편에 있는 제 1 열 전도 층(304)에 커플링된다. 제 2 탄소 나노튜브 층(306)은 제 1 탄소 나노튜브 층(302)에서 발생된 열에 대응하여 적외선 방출 화살표(315)에 의해 표시된 바와 같은 선택된 방향으로 광자들을 방출하도록 구성된다. 제 2 탄소 나노튜브 층(306)은 복수의 탄소 나노튜브들(312a 내지 312m)의 길이 방향 축선이 제 2 탄소 나노튜브 층(306)의 표면에 실질적으로 수직하도록 배향된 복수의 탄소 나노튜브들(312a 내지 312m)을 포함한다. 일반적으로, 제 2 탄소 나노튜브 층(306)에서 여기된 광자들은 표시적인 적외선 방출 화살표(315)를 포함하는 제 2 탄소 나노튜브 층(306) 위에서 절반-공간 내로 방출된다. 적외선 방출 화살표(315)에 의해 표시된 수직 방향으로 방출되는 이러한 광자들은 적외선 방출 화살표(315)에 의해 표시된 바와 같이, 교정을 위해 사용된다. 다양한 실시예들에서, 제 2 탄소 나노튜브 층(306)의 방사율(emissivity)은 약 0.995보다 더 크다. 낮은 방사율 금속 필름(310)은 제 1 탄소 나노튜브 층(302)의 반대편에 있는 제 2 열 전도 층(308)의 표면에 커플링된다. 다양한 실시예들에서, 낮은 방사율 금속 필름(310)은 열이 교정 장치 얇은 필름 구조물(200)의 후방 단부로부터 방사되는 것을 방지하도록 구성된다.
예시적인 얇은 필름 구조물(200)을 작동시키기 위해, 제어가능한 전원 공급 장치(320)는 공급된 전류에 응답하여 열을 발생시키는 제 1 탄소 나노튜브 층(302)에 전류를 공급한다. 제 1 탄소 나노튜브 층(302)에서 발생된 열의 온도 및 양은 적용된 파워의 양에 직접적으로 관련된다. 도 4에 대해 후술되는 바와 같이, 평형 온도를 획득하기에 적합한 전류가 적용될 때, 제 1 탄소 나노튜브 층(302)은 신속하게 반응하여 선택된 평형 온도에 도달한다. 예시적인 실시예에서, 제 1 탄소 나노튜브 층(302)은 제 1 탄소 나노튜브 층(302)에 전류를 적용한 후 수 초 내에 평형 온도에 도달한다. 제 1 탄소 나노튜브 층(302)의 표면의 온도는 일반적으로 도 5에 대해 후술되는 공간적 변화를 가진다. 공간적 변화는 수 켈빈의 온도 범위 내에 있다. 제 1 탄소 나노튜브 층(302)에서 발생된 열은 제 1 열 전도 층(304)을 통해 분산되어, 제 2 탄소 나노튜브 층(306)에서 넓은 범위의 파장들의 광자들을 여기시킨다. 제 1 열 전도 층(304)은 제 1 열 전도 층(304)의 평면에서 제 1 탄소 나노튜브 층(302)에서 발생된 열을 분산시킨다. 따라서, 일단 열이 제 2 탄소 나노튜브 층(306)에 도달하면, 제 1 탄소 나노튜브 층(302)에서의 온도 및 열의 임의의 변화들이 실질적으로 매끄럽게 된다(smoothed). 다양한 실시예들에서, 제 2 탄소 나노튜브 층(306)에서의 온도는 제 2 탄소 나노튜브 층(306)의 표면에 걸쳐 1.0 켈빈 미만의 공간적 변화를 가진다. 다른 실시예에서, 공간적 변화는 0.5 켈빈 미만이다. 또 다른 실시예에서, 공간적 변화는 0.1 켈빈 미만이다. 따라서, 제 2 탄소 나노튜브 층(306)에서 복수의 탄소 나노 튜브들(312a 내지 312m) 각각은 제 1 열 전도 층(304)으로부터 실질적으로 동일한 양의 열을 수용한다. 제 2 탄소 나노튜브 층(306)에서 수용된 열은 복수의 탄소 나노 튜브들(312a 내지 312m)의 길이 방향 축선을 따라 지향되는 광자들을 여기시키고, 그러므로 일반적으로 적외선 방출 화살표(315)에 의해 표시된 방향을 따라 전파한다. 또한, 광자들의 플럭스도 오프-노멀(off-normal) 방향으로 방출된다. 따라서, 제 2 탄소 나노튜브 층(306)으로부터 초래된 스펙트럼은 실질적으로 균일한 온도로 가열된 종래의 흑체를 위한 흑체 방사 스펙트럼과 실질적으로 동일하다.
도 4는, 본 발명의 예시적인 탄소 나노튜브 필름(200)에 전류를 적용할 때, 제 1 탄소 나노튜브 층(302)에서 평형 온도를 달성하기 위한 응답 시간을 예시한다. 온도는 세로 좌표 축선을 따라 켈빈으로 표시되며, 그리고 시간은 가로 좌표를 따라 초 단위로 표시된다. 전압이 시간 t = 0에서 제 1 탄소 나노튜브 층(302)에 적용된다(402). 시간 t = 0초 이전에, 전류는 공급되지 않으며, 그리고 제 1 탄소 나노튜브 층(302)은 실온, 즉 약 290K이다. 시간 t = 0에서 전류를 공급하는 것(402)은, 제 1 탄소 나노튜브 층(302)의 온도가 약 t = 2 초에서 약 550K의 평형 온도로 상승하는 것(404)을 유발시킨다.
이에 반해, 종래의 흑체 소스들은 평형 온도에 도달하기 위해 수 분에서 수 시간을 요구한다. 또한, 종래의 흑체 소스들이 평형 온도가 되게 하는데 요구되는 시간 길이로 인해, 교정이 요구될 때 실질적으로 준비되기 위해, 종래의 흑체 소스들은 일반적으로 교정 모드가 아닐 때 평형 온도들로 또는 이에 가깝게 유지된다. 따라서, 종래의 흑체 소스들을 사용하는 교정 시스템들은 많은 양의 파워를 소모한다. 본 개시의 얇은 필름 구조물들이 비교적 짧은 시간(즉, 약 20 초 미만)에 평형 온도들에 도달할 수 있기 때문에, 비-교정 시간들 동안 평형 온도로 얇은 필름 구조물을 유지할 필요가 없다. 또한, 얇은 필름 구조물은, 따라서, 20초 미만과 같은 수용가능한 시간 프레임 내에서 센서들을 교정하는데 사용될 수 있다. 그러나, 얇은 필름 구조물의 사용은 관련 있는 과제를 완료하기 위한 예상되는 시간 프레임이 20초 이하인 작동들로 제한될 필요는 없다는 것이 이해되어어야 한다. 따라서, 본 개시의 예시적인 얇은 필름 구조물을 사용하는 교정 광학 센서들은 종래의 흑체 소스들을 사용하는 교정 방법에 비해 작동 비용들의 약 90%보다 더 크게 절약할 수 있는 온-디맨드식(on-demand)으로 사용될 수 있다.
도 5는 예시적인 탄소 나노튜브 필름(200)에 공급되는 전류와 얇은 필름 구조물(200)의 제 1 탄소 나노튜브 층(302)의 평형 온도들 사이의 관계를 예시하는 표를 도시한다. 제 1 열은 제 1 탄소 나노튜브 층(302)에 적용된 전류의 양(암페어 단위(in Amps))을 나타낸다. 제 2 열은, 선택한 전류가 적용될 때 달성될 것으로 예상되는 목표 온도(켈빈 단위(in Kelvin))를 표시한다. 컬럼들(3, 4 및 5)은, 선택된 전압이 각각 10초, 60초 및 180초의 시간들에서 제 1 탄소 나노튜브 층(302)에 적용될 때 달성된 측정되는 온도들(켈빈 단위)을 나타낸다. 온도의 공간적 변화들은 또한 컬럼들(3, 4 및 5) 각각에 제공된 제 2 수(즉, "±1", "±6" 등)에 의해 나타난다. 실제 온도들은 온도에서의 비교적 작은 공간적 변화를 나타내고, 나타낸 시간들(즉, 10초, 60초 및 180초) 동안 안정하다. 제 1 탄소 나노튜브 층(302)으로부터 제 1 열 전도 층(304)을 통해 열을 확산시키는 것은 다양한 실시예들에서 약 1.0 켈빈, 약 0.5 켈빈 또는 약 0.1 켈빈 미만인 선택된 범위 내로의 공간적 변화를 감소시킨다. 따라서, 제 2 탄소 나노튜브 층(306)은 균일하게 가열되고, 복수의 탄소 나노튜브들(312a 내지 312m) 각각은 실질적으로 동일한 온도에 상응하는 흑체 방사 스펙트럼을 방출한다. 따라서, 제 1 탄소 나노튜브 층(302)에 공급되는 전류의 양을 선택하는 것은 실질적으로 제 2 탄소 나노튜브 층(306)에서 생성된 흑체 방사 스펙트럼을 제어한다. 따라서, 적합한 교정 시간 프레임에 걸쳐, 얇은 필름 구조물은 센서를 교정함에서의 사용에 대해 적합한 실질적으로 흑체 방사선 스펙트럼을 제공하는데 사용될 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 제 1 탄소 나노튜브 층(302)으로부터 제 1 열 전도 층(304)을 통한 열의 확산은 약 2 켈빈 또는 약 3 켈빈의 범위 내로 공간적 변화를 감소시키는데 사용될 수 있다. 얇은 필름 구조물이 온도의 공간적 변화의 이러한 감소가 필요하지 않은 작동들에서도 약 1.0 켈빈 이내로 온도의 공간적 변화를 감소시키는데 사용될 수 있음을 이해되어야 한다.
적용된 파워에 대한 얇은 필름 구조물의 비교적으로 빠른 응답으로 인해, 교정 장치(106)에 의해 제공되는 흑체 방사 스펙트럼은 비교적 빠른 시간 동안에 변경될 수 있다. 따라서, 교정 장치(106)는 다중의 흑체 방사 스펙트럼을 센서에 신속하게 제공하는데 사용될 수 있다.
예시적인 교정 프로세스에서, 제 1 전압은 제 1 흑체 방사 스펙트럼의 제 1 세트의 광자들을 발생시키기 위해 교정 장치(106)의 얇은 필름 구조물(200)의 제 1 탄소 나노튜브 층(302)을 통해 전송된다. 그 후, 센서(102)는 선택된 교정 파장에서, 즉 선택된 교정 파장에 대응하는 파장 윈도우에 걸쳐 제 1 흑체 방사 스펙트럼으로부터의 제 1 광자 플럭스로 교정된다. 후속하여, 전압은 얇은 필름 구조물(200)을 통해 전송되어, 제 2 흑체 방사 스펙트럼의 제 2 세트의 광자들을 발생시킨다. 그 후, 센서(102)는 선택된 교정 파장에서 제 2 흑체 방사 스펙트럼으로부터의 제 2 광자 플럭스로 교정된다. 이러한 프로세스는 동일한 얇은 필름 구조물(200)을 사용하여 임의의 횟수만큼 반복될 수 있어, 교정 프로세스를 완료하기 전에 선택된 파장들의 임의의 수의 광자 플럭스들로 센서(102)를 교정한다. 대안적인 실시예들에서, 복수의 교정 파장들이 사용되며, 그리고 복수의 광자 플럭스들이 센서를 교정하기 위해 복수의 교정 파장들 중 각각에서 측정된다. 교정 프로세스의 종료 시, 교정 장치(106)는, 센서(102)가 그 의도된 목적을 위해 사용될 수 있도록 센서(102)의 광학 경로(104)를 벗어나게 이동되거나 회전된다. 다중의 교정 파장들을 제공하는 얇은 필름 구조물(200)의 능력은 다중의 종래의 흑체 방사 소스들을 사용하는 공지된 교정 장치보다 더 작고 더 가벼운 교정 장치 디자인(design)을 가능하게 한다.
도 6은 대안적인 실시예에서의 본 개시의 얇은 필름 구조물(200)에 대한 단면도를 도시한다. 얇은 필름 구조물(200)은 전극들(604a, 604b)과 전기적으로 접점하는 제 1 층(본원에서는 "제 1 탄소 나노튜브 층(602)"으로 지칭됨)을 포함한다. 전극들(604a, 604b)은 제 1 탄소 나노튜브 층(602)을 통해 전류를 공급하기 위해 전원 공급 장치(미도시)에 연결될 수 있다. 얇은 필름 구조물(200)의 최상부 측 및 얇은 필름 디바이스(200)의 저부 측은 예시적이고 설명적인 목적들을 위해 도 6에 라벨링된다(labelled). 최상부 측은 일반적으로 좌표계(625)에 의해 표시된 바와 같이 양의 z 방향에 있다. 얇은 필름 디바이스(200)의 다른 층들뿐만 아니라 제 1 탄소 나노튜브 층(602)은 좌표계(625)의 x-y 평면에 놓여있도록 고려된다. 제 1 탄소 나노튜브 층(602)은 제 1 탄소 나노튜브 층(602)의 평면 내에서 배향된 탄소 나노튜브들을 포함한다. 제 1 탄소 나노튜브 층(602)에 전압을 적용하면, 제 1 탄소 나노튜브 층(602)의 최상부 면(602a) 또는 제 1 탄소 나노튜브 층(602)의 저부 면(602b)의 밖으로 유동하는 열이 발생된다. 열 확산 층(606)은 제 1 탄소 나노튜브 층(602)의 최상부 면(602a) 상에 배치된다. 열 확산 층(606)이 제 1 카본 나노튜브 층(602)과 제 2 카본 나노튜브 층(608) 사이에 끼워넣어지도록, 제 2 카본 나노튜브 층(608)(본원에서 "제 2 카본 나노튜브 층(608)"으로 지칭됨)이 열 확산 층(606)에 접하게 된다(adjoined). 제 2 탄소 나노튜브 층(608)은 x-y 평면에서 정렬된 평면 표면(614) 및 평면 표면(614)의 최상부에 부착되고 평면 표면에 대해 수직으로 정렬되는(즉, 복수의 카본 나노튜브들(616)의 길이 방향 축선들이 z 방향으로 정렬됨) 복수의 탄소 나노튜브들(616)을 포함한다. 일 실시예에서, 평면 표면(614)은 알루미나 기판(Al2O3)의 층이다.
얇은 필름 구조물(200)을 작동시킬 때, 적용된 전압은 제 1 탄소 나노튜브 층(602)에서 열을 발생시킨다. 열은 열 확산 층(606)을 통해 제 2 탄소 나노튜브 층(608)으로 전달된다. 제 2 탄소 나노튜브 층(608)에서, 열은 복수의 탄소 나노튜브들(616)로부터의 광자들을 여기시키며, 여기서 광자들은 양의 z 방향으로 방출된다. 방출된 광자들은 흑체 방사 스펙트럼을 발생시킨다.
제 1 탄소 나노튜브(602)에 의해 발생된 열의 공간적 분포는 x-y 평면 내에서 변화하는 경향이 있다. 열 확산 층(606)의 기능은, 온도 및 따라서 광자 방출된 플럭스가 심지어 제 2 탄소 나노튜브 층(608)의 표면에 걸쳐 균일하도록, 열이 제 2 탄소 나노튜브 층(608)에 도달하는 시간까지 x-y 평면 내의 열의 이러한 변화를 감소시키는 것이다. 열 확산 층(606)의 구조물은 공간적 열 변화에서의 이러한 감소를 달성하도록 선택된다.
특히, 열 확산 층(606)은 제 1 탄소 나노튜브 층(602)의 최상부 면(602a)으로부터 발산되는 열을 분배하기 위한 적어도 하나의 그래핀 시이트를 포함한다. 그래핀 시이트는 그래핀 판들의 압축된 층입니다. 그래핀 시이트는 고효율로 열을 전도한다. 따라서, 그래핀 시이트는 고도로 열적으로 이방성이며(anisotropic), 이는 열이 제 1 열 전도율에 따라 그래핀 시이트의 평면에서 유동하고, 제 1 열 전도율보다 훨씬 더 작은 제 2 열 전도율에 따라 그래핀 시이트의 평면에 수직으로 유동하는 것을 의미한다. 이러한 열 이방성의 결과로써, 그래핀은 그래핀의 평면에서 열 밀도의 임의의 공간적 변화들을 감소시키는데 사용된다. 그래핀 시이트가 x-y 평면에서 정렬되기 때문에, 변화들이 x-y 평면에서 매끄럽게 된다.
일 실시예에서, 열 확산 층(606)은 제 1 탄소 나노튜브 층(602)과 제 2 탄소 나노튜브 층(608) 사이에 단일 그래핀 시이트를 포함한다. 다른 실시예에서, 열 확산 층(606)은 그래핀 시이트들의 스택(stack)을 포함한다. 도 6의 예시적인 실시예에서, 스택은 적어도 제 1 그래핀 시이트(610a) 및 제 2 그래핀 시이트(610b)를 포함한다. 제 1 그래핀 시이트(610a)와 제 2 그래핀 시이트(610b)는 접착 층(612a)에 의해 결합될 수 있다. 접착 층(612a)은, 반드시 열적으로 이방성이지는 않지만, 단열되어 있고(thermally insulating), 제 1 그래핀 시이트(610a)와 제 2 그래핀 시이트(610b) 사이에서 열 전달(heat transfer)을 허용한다. 또한, 접착 층(612b)은 제 1 탄소 나노튜브 층(602)과 제 1 그래핀 시이트(612a) 사이에 배치될 수 있으며, 그리고, 접착 층(612c)은 제 2 탄소 나노튜브 층(602)과 제 2 그래핀 시이트(612b) 사이에 배치될 수 있다. 접착 층들(612b, 621c)은, 반드시 열적으로 이방성이지는 않지만, 유사하게 단열되어 있을 수 있다. 열이 제 1 탄소 나노튜브 층(602)의 최상부 면(602a)으로부터 멀어지게 전파하는 경우, 열은 x-y 평면에서 제 1 그래핀 시이트(610a)에 걸쳐 분포된다. 그 후, 열은 제 1 그래핀 시이트(610a)로부터 제 2 그래핀 시이트(610b)로 지향된다. 제 2 그래핀 시이트(610b)는 x-y 평면에 열을 추가적으로 분포시킨다. 따라서, 제 1 그래핀 시이트(601a) 및 제 2 그래핀 시이트(601b) 양자 모두는 x-y 평면에서 열의 공간적 변화를 감소시키는데 활용된다. 2 개의 그래핀 시이트들이 도 6에 도시되어 있지만, 임의의 수의 그래핀 시이트들이 다른 실시예들의 열 확산 층(606)에서 사용될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 다중의 그래핀 시이트들의 사용은 x-y 평면에서의 열의 공간적 변화에서의 불균일성을 감소시키는 것을 돕는다.
얇은 필름 구조물(200)은 제 1 탄소 나노튜브 층(602)의 저부 면(602b) 상에 배치된 반사기(reflector)(620)를 더 포함한다. 반사기(620)는 저부 표면(602b)으로부터 발산되는 열을 후방으로 제 1 탄소 나노튜브 층(602)의 방향으로 지향시킨다. 반사된 열은, 따라서, 열 확산 층(606)을 통과하고, 제 2 탄소 나노튜브 층(608)에서 광자들을 여기시키는데 사용된다. 일 실시예에서, 그래핀 시이트(622) 및 접착 층(624)은 제 1 탄소 나노튜브 층(602)과 반사기(624) 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 반사된 열은 그래핀 시이트(622)에 의해 공간적으로 분포된다.
도 6의 얇은 필름 구조물(200)은 경량이며(light weight), 통상적으로 약 40그램(gram) 미만이고 약 25밀(mil)(0.635 밀리미터(millimeter))의 두께를 가진다. 따라서, 얇은 필름 구조물은 공간이 제한되며 그리고/또는 장비 중량이 중요한 다양한 작동들 또는 장비에서 사용될 수 있다. 제 2 탄소 나노튜브 층(608)의 최상부 표면으로부터 방출된 에너지의 온도 변화는 제 2 탄소 나노튜브 층(608)의 표면에 걸쳐 약 0.05 K 미만이다.
본원에 사용된 기술 용어(terminology)는, 단지 특별한 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태 표현들은 문맥에서 명확하게 달리 표현되지 않는 한 복수의 형태들을 또한 포함하도록 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 피처들, 정수들, 단계들, 작동들, 엘리먼트들 및/또는 컴포넌트들의 존재를 특정하지만, 하나 또는 그 초과의 다른 피처들, 정수들, 단계들, 작동들, 엘리먼트들, 컴포넌트들 및/또는 그 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 것이 더 이해될 것이다.
아래의 청구항들에서 기능 엘리먼트들뿐만 아니라 모든 수단들 또는 단계에 대한 상응하는 구조들, 재료들, 작용들 및 동등물들은 구체적으로 청구된 바와 같은 다른 청구된 엘리먼트들과 조합하여 기능을 수행하기 위한 임의의 구조, 재료 또는 작용을 포함하는 것으로 의도된다. 본 발명의 설명이 예시 및 설명의 목적들을 위해 제시되고 있지만, 개시된 형태의 본 발명에 대해 완전한 것으로 또는 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 많은 수정들 및 변화들은 본 발명의 범주 및 사상을 벗어남 없이 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 원리들 및 실제 적용을 가장 잘 설명하기 위해 그리고 당업자들이 고려된 특정 용도에 적합한 다양한 수정들을 갖는 예시적인 실시예를 위해 본 발명을 이해하는 것을 가능하게 하기 위해, 실시예가 선택되고 설명되었다.
본원에서 묘사된 흐름도들은 단지 일 예이다. 본 발명의 사상을 벗어남 없이 여기서 설명되는 이러한 다이아그램 또는 단계들(또는 동작들)에 대한 다양한 변화들이 존재할 수 있다. 예를 들어, 단계들이 상이한 순서로 수행될 수 있거나 단계들이 추가되고, 삭제되거나 수정될 수 있다. 모든 이러한 변화들은 청구된 발명의 일부분으로 고려된다.
본 발명에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 있지만, 현재 및 미래 양자 모두에서 당업자는 다음의 청구항들의 범주 내에 속하는 다양한 개선들 및 향상들을 만들 수 있음이 이해될 것이다. 이러한 청구항들은 처음 설명된 발명에 대한 적절한 보호를 유지하는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (20)
- 흑체 스펙트럼(blackbody spectrum)을 생성하기 위한 장치로서,
상기 장치는:
적용된 전압에 응답하여 열을 발생시키도록 구성되는 제 1 층;
상기 제 1 층으로부터의 열에 응답하여 흑체 방사 스펙트럼(blackbody radiation spectrum)을 방출하도록 구성되는 제 2 층; 및
상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이의 열 확산 층(thermal spreading layer)을 포함하며, 상기 열 확산 층은 열 확산 층의 평면에서 열의 공간적인 변화를 감소시키도록 구성되는 그래핀 시이트(graphene sheet)를 포함하는,
흑체 스펙트럼을 생성하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 층은 상기 제 1 층의 평면에서 정렬되는 탄소 나노튜브들(carbon nanotubes)을 포함하는 탄소 나노튜브 층인,
흑체 스펙트럼을 생성하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 층은 평면 표면 및 복수의 탄소 나노튜브들을 포함하며, 선택된 탄소 나노튜브는 상기 평면 표면에 대해 실질적으로 수직으로 지향되는 길이 방향 축선을 가지고 상기 제 1 층으로부터의 열에 응답하여 상기 길이 방향 축선을 따라 지향되는 광자들(photons)을 방출하는,
흑체 스펙트럼을 생성하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀 시이트는 적어도 제 1 그래핀 시이트 및 제 2 그래핀 시이트를 가지는 그래핀 스택(graphene stack)을 더 포함하는,
흑체 스펙트럼을 생성하기 위한 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 그래핀 시이트와 상기 제 2 그래핀 시이트 사이에 단열 접착 층(thermally insulating adhesive layer)을 더 포함하는,
흑체 스펙트럼을 생성하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 층에 전압을 적용하도록 구성되는 제어가능한 전원 공급 장치(power supply)를 더 포함하는,
흑체 스펙트럼을 생성하기 위한 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 흑체 방사 스펙트럼의 특징적인 파장은 상기 제 1 층에서 적용된 전압의 크기와 관련되는,
흑체 스펙트럼을 생성하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 열 확산 층의 반대편에 있는 제 1 층의 하나의 측면 상에 배치되는 반사 층(reflective layer)을 더 포함하는,
흑체 스펙트럼을 생성하기 위한 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 탄소 나노튜브 층과 상기 반사 층 사이에 배치되는 그래핀 시이트(graphene sheet)를 더 포함하는,
흑체 스펙트럼을 생성하기 위한 장치. - 흑체 방사 스펙트럼을 발생시키기 위한 필름(film)으로서,
상기 필름은:
적용된 전압에 응답하여 열을 발생시키도록 구성되는 제 1 층;
제 1 층으로부터의 열에 응답하여 흑체 방사 스펙트럼을 방출하도록 구성되는 제 2 층; 및
상기 제 1 탄소 나노튜브 층과 상기 제 2 탄소 나노튜브 층 사이의 열 확산 층을 포함하며, 상기 열 확산 층은 열 확산 층의 평면에서 열의 공간적인 변화를 감소시키도록 구성되는 그래핀 시이트(graphene sheet)를 포함하는,
흑체 방사 스펙트럼을 발생시키기 위한 필름. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 2 층은 평면 표면 및 복수의 탄소 나노튜브들을 포함하며, 선택된 탄소 나노튜브들은 상기 평면 표면에 대해 실질적으로 수직으로 지향되는 길이 방향 축선을 가지고 상기 제 1 층으로부터의 열에 응답하여 상기 길이 방향 축선을 따라 지향되는 광자들을 방출하는,
흑체 방사 스펙트럼을 발생시키기 위한 필름. - 제 10 항에 있어서,
상기 그래핀 시이트는 적어도 제 1 그래핀 시이트 및 제 2 그래핀 시이트를 가지는 그래핀 스택을 더 포함하는,
흑체 방사 스펙트럼을 발생시키기 위한 필름. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 그래핀 시이트와 상기 제 2 그래핀 시이트 사이에 단열 접착 층을 더 포함하는,
흑체 방사 스펙트럼을 발생시키기 위한 필름. - 제 10 항에 있어서,
상기 그래핀 시이트와 상기 제 2 탄소 나노튜브 층 사이에 배치되는 단열 접착 층을 더 포함하는,
흑체 방사 스펙트럼을 발생시키기 위한 필름. - 제 10 항에 있어서,
상기 열 확산 층의 반대편에 있는 제 1 층의 하나의 측면 상에 배치되는 반사 층을 더 포함하는,
흑체 방사 스펙트럼을 발생시키기 위한 필름. - 흑체 방사 스펙트럼을 생성시키기 위한 방법으로서,
상기 방법은:
제 1 층에서 열을 발생시키기 위해 제 1 층, 제 2 층 및 상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이에 배치되는 적어도 하나의 그래핀 시이트를 포함하는 얇은 필름 디바이스의 상기 제 1 층에 전압을 적용하는 단계; 그리고
상기 얇은 필름 디바이스의 평면에서 열의 공간적 변화를 감소시키기 위해 적어도 하나의 그래핀 시이트를 사용하는 단계를 포함하며, 상기 감소된 공간적 변화를 가지는 열은 상기 흑체 방사 스펙트럼을 생성하기 위해 상기 제 2 층에서 광자들을 여기하는(excite),
흑체 방사 스펙트럼을 생성시키기 위한 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 제 2 층에서 광자들을 여기하는 것은 평면 표면 및 복수의 탄소 나노튜브들을 추가적으로 여기하며, 선택된 탄소 나노튜브는 평면 표면에 대해 실질적으로 수직으로 지향되는 길이 방향 축선을 가지고 상기 열에 응답하여 상기 길이 방향 축선을 따라 지향되는 광자들을 방출하는,
흑체 방사 스펙트럼을 생성시키기 위한 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 그래핀 시이트는 적어도 제 1 그래핀 시이트, 제 2 그래핀 시이트 및 상기 제 1 그래핀 시이트와 상기 제 2 그래핀 시이트 사이의 단열 접착 층을 더 포함하는,
흑체 방사 스펙트럼을 생성시키기 위한 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 흑체 방사 스펙트럼의 특징적인 파장을 선택하기 위해 상기 적용되는 전압의 크기를 변경시키는 단계를 더 포함하는,
흑체 방사 스펙트럼을 생성시키기 위한 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 제 1 층으로부터의 열을 상기 그래핀 시이트 내로 반사시키기 위해 상기 얇은 필름 디바이스의 반사 층을 사용하는 단계를 더 포함하는,
흑체 방사 스펙트럼을 생성시키기 위한 방법.
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