KR100685684B1

KR100685684B1 - 열 여기음파 발생장치

Info

Publication number: KR100685684B1
Application number: KR1020057002570A
Authority: KR
Inventors: 노부요시 코시다; 켄지 쯔바키
Original assignee: 노우코우다이 티엘오 가부시키가이샤
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2007-02-26
Also published as: JPWO2004077881A1; JP3808493B2; US20050201575A1; KR20050047101A; EP1599068A4; KR20060095582A; WO2004077881A1; EP1599068A1

Abstract

열전도성의 기판과 기판상의 한쪽면에 형성된 단열층과, 단열층 상에 형성되고, 전기적으로 구동되는 금속막을 이루어지는 발열체 박막을 구비한 열 여기음파 발생장치로서, 열전도성의 기판의 열전도율을 α_S로 하고, 그 열용량을 C_S로 하고, 또한, 단열층의 열전도율을 α_I, 그 열용량을 C_I로 하였을 때에,

1/100≥α_IC_I/α_SC_S, 또한 α_SC_S≥100×10⁶

의 관계가 성립하도록 하고, 열여기에 의한 압력발생장치에 대해서, 그 성능의 큰 향상을 도모하는 것이 가능한 새로운 기술수단으로 한다.

Description

열 여기음파 발생장치{THERMALLY EXCITED SOUND WAVE GENERATING DEVICE}

본 출원의 발명은, 열 여기음파 발생장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 이 출원의 발명은 공기에 열을 줌으로써 공기의 조밀을 만들고, 음파를 발생하는 장치로서, 초음파 음원, 스피커 음원, 액추에이터 등에 유용한 새로운 열 여기음파 발생장치에 관한 것이다.

종래부터 각종 초음파 발생장치가 알려져 있고, 이들 종래의 초음파 발생장치는 전기 스파크나 유체진동 등을 이용하는 특수한 것을 제외하고, 모두 어떠한 기계진동을 공기의 진동으로 변환하는 것이다. 이와 같은 기계진동을 이용하는 방법에는 동전형ㆍ콘덴서형 등도 있지만, 초음파 영역에서는 압전소자를 이용한 것이 주류이다. 예컨대, 압전재료인 티탄산 바륨의 양면에 전극을 형성하고, 전극 간에 초음파 전기신호를 인가함으로써, 기계진동을 발생시켜, 공기 등의 매질에 그 진동을 전달하여 초음파를 발생하게 하고 있다. 그러나 이와 같은 기계진동을 이용한 음파발생장치에서는, 고유의 공진주파수를 갖기 때문에 주파수 대역이 좁고, 주위의 환경(온도, 진동) 등의 영향을 받기 쉽고, 미세화 및 어레이화가 곤란하다는 문제가 있었다.

한편, 기계진동을 모두 수반하지 않는 새로운 발생원리의 압력파 발생장치가 제안되어 있다(일본 특허공개 평11-300274호공보)[Nature 400(1999)853-855]. 이 제안에서는, 구체적으로는 기판과 기판상에 설치된 열절연층과 열절연층 상에 설치되어 전기적으로 구동되는 발열체 박막으로 구성되어 있고, 발열체 박막으로부터 발생한 열이 열전도율이 매우 작은 다공질층이나 고분자층 등의 열절연층을 설치함으로써, 발열체 표면의 공기층의 온도변화가 크게 되도록 하여, 초음파를 발생하도록 하고 있다. 이 제안된 장치는, 기계진동을 수반하지 않으므로, 주파수 대역이 넓고, 주위환경의 영향을 받기 어렵고, 미세화 및 어레이화도 비교적 용이하는 등의 특징을 갖고 있다. 이와 같은 열 여기에 의한 압력발생장치의 발생원리에 대해서 고려해 보면, 전기적으로 구동되는 발열체 박막에 교류전류를 인가한 경우의 표면온도의 변화는, 열절연층의 열전도를 α, 체적당 열용량을 C, 각 주파수를 ω로 하여, 단위면적당 에너지의 출입 q(ω)[W/㎠]이 있었을 때, 다음 식(1)으로 주어진다.

(1)

또한, 그때 발생하는 음압은, 다음 식(2)으로 주어진다.

(2)

즉, 도 5에 나타내는 바와 같이, 초음파 주파수의 신호를 발생하는 신호원으로부터 공급되는 주파수(f)의 전류(도 5-a)에 의해서, 발열체 박막으로부터 발생하는 열(도 5-b)이 주위의 매체인 공기와의 열교환에 의해, 공기의 온도변화가 일어난다(도 5-c). 이것이 공기의 조밀파를 출력하고, 주파수(2f)의 음파를 발생한다( 도 5-d).

여기서, 상기 (2) 식으로부터, 발생하는 음압은, 단위면적당 에너지의 출입 q(ω), 즉, 입력전력에 비례하는, 열절연층의 열전도도(α), 체적당 열용량(C)이 작을수록 크게 되는 것을 알 수 있다. 또한, 열절연층과 기판의 열적 콘트라스트가 중요한 역할을 한다. 즉, 열전도율(α), 체적당 열용량(C)을 가지는 열절연층의 두께를 L로 하고, 또한 α, C 모두 충분히 큰 열전도성의 기판인 경우,

다음 식(3)

L=(2α/ωC)^0.5 (3)

정도의 두께(교류성분의 열확산길이)를 가지면, 발열의 교류성분은 단열되고, 발열체의 열용량을 위해 발생하는 직류성분의 열은 큰 열전도성의 기판으로 효율 좋게 피할 수 있다.

그러나 상기 열 여기에 의한 음파발생장치에 있어서는 그 다층 구성의 본연의 상태나 구체적인 형태에 대해서는 그 성능 향상의 관점에서는 실제적인 전망은 거의 개척되어 있지 않은 것이 실정이다. 그리고 상기 음파발생장치에 있어서는 기계진동을 전혀 수반하지 않고, 많은 특징을 갖고 있는 것이지만, 실용적 출력을 얻도록 한 경우, 입력전력을 크게 하는 것으로부터 발생하는 줄(Joule) 열도 크게 되고, 완전히는, 직류성분의 열을 피할 수 없게 되어서, 발열체 박막의 온도변화를 크게 할 수 없다는 문제가 있었다.

또한, 발생하는 음압 레벨은 0.1Pa정도까지이며 만족할 수 있는 레벨은 아니다. 그 때문에, 더 나은 성능의 향상이 요망되고 있었다.

그래서, 본 출원의 발명은 기계진동을 전혀 수반하지 않고, 많은 특징을 갖고 있는 열 여기에 의한 압력발생장치에 대해서, 그 성능의 큰 향상을 도모할 수 있는 새로운 기술수단을 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 출원의 발명은 열전도성의 기판과, 기판상의 한 쪽면에 형성된 단열층과, 단열층 상에 형성되고, 전기적으로 구동되는 금속막으로 이루어지는 발열체 박막을 구비한 열 여기음파 발생장치로서, 열전도성의 기판의 열전도율을 α_S, 그 열용량을 C_S로 하고, 또한, 단열층의 열전도율을 α_I, 그 열용량을 C_I로 하였을 때에,

1/100≥α_IC_I/α_SC_S, 또한 α_SC_S≥100×10⁶

의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치를 제공한다.

또한, 본 출원의 발명은 상기 열전도성의 기판이 반도체 또는 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치, 상기 열전도성의 기판이 세라믹 기판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치를 제공한다.

이상과 같은 본 출원의 발명은, 발명자가 상기 과제를 해결하기 위해서, 열절연층과 기판의 열적 콘트라스트에 착안하여 예의 연구를 계속한 결과로부터 도입된 것으로서, 상기와 같은 관계가 성립되도록, 열전도성의 기판과 단열층의 재질을 선택함으로써, 성능이 향상한다는 전혀 예상할 수 없었던 새로운 견지에 기초하여 완성된 것이다.

또한, 상기 열 여기음파 발생장치에 대해서, 본 출원의 발명은 상기 단열층이 열전도성의 기판의 한 쪽면에 다결정 실리콘을 다공질화하여 형성한 다공질 실리콘층인 것을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치, 상기 다공질 실리콘층이 그 중 적어도 일부에 기둥형상구조의 실리콘 그레인을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치를 제공한다.

이상과 같은 발명은, 발명자에 의한 예의 연구의 결과로부터 도입된 것으로서, 열절연층으로서 다결정 실리콘을 다공질화시켜 형성한 다공질 실리콘층을 이용함으로써, 그 부분이 효율 좋게, 직류성분의 열을 기판측으로 피하는 역할을 한다는 전혀 예상할 수 없었던 새로운 견지에 기초하여 완성된 것이다.

또한, 본 출원의 발명은 상기 다공질 실리콘층은 나노 실리콘결정의 표면에 절연막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치, 상기 절연막이 산화막인 것을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치, 상기 절연막이 질화막인 것을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치, 상기 절연막이 열처리에 의해 형성된 것임을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치, 상기 절연막이 전기화학적 처리에 의해 형성된 것임을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치를 제공한다.

이들 발명은, 발명자가 상기 과제를 해결하기 위해 예의 연구를 계속한 결과, 열전도성의 기판과, 기판상의 한쪽면에 형성된 다공질 실리콘층으로 이루어지는 단열층과, 단열층 상에 형성되고, 전기적으로 구동되는 금속막으로 이루어지는 발열체 박막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치에 있어서, 다공질 실리콘층의 나노 실리콘결정의 표면에 절연막을 형성함으로써, 단열층으로서의 열전도율(α)을 저하할 수 있고, 발생 음압을 크게 할 수 있다는 전혀 예기할 수 없었던 새로운 견지에 기초하여 완성된 것이다.

도 1은 본 출원의 발명의 열 여기음파 발생장치에 있어서 그 일실시형태를 예시한 단면도이다.

도 2는 α_SC_S와 α_IC_I의 관계에 대해서 바람직한 범위를 나타낸 도면이다.

도 3은 실리콘 그레인의 기둥형상구조에 대해서 나타낸 개요 단면도이다.

도 4는 나노 실리콘결정의 표면에 절연막이 형성된 상태에 대해서 나타낸 개요 단면도이다.

도 5는 주파수와 전류, 열, 온도, 음파의 관계에 대해서 나타낸 도면이다.

본 출원의 발명은, 상기와 같은 특징을 가지는 것이지만, 이하에 그 실시형태에 대해서 설명한다.

도 1은, 본 출원의 발명의 열 여기음파 발생장치의 일실시형태를 예시한 단면도이다. 이 도 1의 예에서는, 열 여기음파 발생장치는 열전도성의 기판(1)과, 기판상의 한쪽면에 형성된 다공질 실리콘층으로 이루어지는 단열층(2)과, 단열층(2) 상에 형성되고, 전기적으로 구동되는 금속막으로 이루어지는 발열체 박막(3)으로 구성되어 있다.

열전도율(α), 체적당 열용량(C)을 가지는 열절연층의 두께를 L로 하고, 그 아래에 α, C 모두 충분히 큰 열전도성의 기판이 있는 경우, 상기 식(3)에서 표시되는 정도의 두께(교류성분의 열확산길이)를 가지면, 발열의 교류성분은 단열되고, 발열체의 열용량을 위해 발생하는 직류성분의 열은, 큰 열전도성의 기판으로 효율 좋게 피할 수 있다.

이 열의 흐름을 보다 효율 좋게 하기 위해서, 도 2에 나타내는 바와 같이, 1/100≥α_IC_I/α_SC_S, 또한 α_SC_S≥100×10⁶의 범위에 들어가도록 단열층, 기판의 재질을 선택하여, 조합시킨다. 여기서, 1/100〈α_IC_I/α_SC_S 및/또는 α_SC_S〈100×10⁶에서 행한 경우, 직류성분의 열을 충분히 기판측으로 피할 수 없고, 발열체 금속박막에 열이 저장되어, 입력에 대해서 충분한 온도변화를 얻을 수 없고, 특성이 저하하게 된다. 또한, α_IC_I/α_SC_S값의 하한, 및 α_SC_S의 상한에 대해서 특별히 한정되지 않지만, 가장 콘트라스트가 있는 금속과 고성능 단열재의 조합의 값이 실용상의 한계로 된다.

표 1에 구체적으로 각종 재료의 αC값을 열거한다.

종류	열전도율(α)(W/mk)	열용량(C)(10⁶J/㎥K)	αC(×10⁶)
구리	398	3.5	1393
실리콘	168	1.67	286
Al₂O₃	30	3.1	93
SiO₂	1.4	2.27	3.2
폴리이미드	0.16	1.6	0.26
다공질 실리콘	0.12	0.5	0.06
폴리스틸렌폼	0.04	0.045	0.0018

열전도율 α, 열용량 C

고체의 αC는, 금속, 반도체, 무기절연물, 수지이며 대략 표 1에 나타낸 범위의 값을 가진다. 여기서, 다공질 실리콘은, 예컨대, 실리콘 표면을 불소산용액 중에서 양극산화처리함으로써 형성할 수 있는 실리콘의 다공체이고, 전류밀도, 처리시간을 적당 설정함으로써, 원하는 다공도, 깊이(두께)를 얻을 수 있다. 다공질 실리콘은, 다공질 재료이고, 또한 나노 오더(nano order)의 실리콘의 양자효과(양자 감금 효과)에 의해, 실리콘에 비해서, 열전도율, 열용량 모두 매우 작은 값을 나타낸다.

구체적으로는, 표 1로부터, 예컨대, 기판으로서 구리나 실리콘을 이용한 경우, 상술의 폴리이미드, 다공질 실리콘, 폴리스틸렌폼 등을 단열층으로서 사용하는 것을 알 수 있다. 이들의 조합은, 일례에 지나지 않고, 적당 선택할 수 있는 것이다. 단, 보다 바람직하게는, 미세화 및 어레이화 가공 등의 제조프로세스가 용이한 것을 선택한다.

상기 단열층(2)이, 다공질 실리콘층으로 이루어지는 것은, 상기한 바와 같이, 실리콘 표면을 불소산용액 중에서 양극산화처리함으로써 형성할 수 있지만, 그때의, 전류밀도, 처리시간을 적당 설정함으로써, 원하는 다공도, 깊이(두께)를 얻을 수 있다. 다공질 실리콘은, 다공질재료이고, 또한 나노 오더의 실리콘의 양자효과(양자 감금 효과)에 의해, 실리콘에 비해서, 열전도율, 열용량 모두 매우 작은 값을 나타낸다. 구체적으로는, 실리콘이 열전도율(α)=168W/mK, 열용량(C)=1.67×10⁶J/㎥K에 대해서, 다공도 70% 정도의 다공질 실리콘은, 열전도율(α)=0.12W/mK, 열용량(C)=0.06×10⁶J/㎥K이다.

실리콘으로서는, 단결정 실리콘은 아니고, 다결정 실리콘을 이용할 수 있다. 다결정 실리콘은, 예컨대 플라즈마 CVD법에 의해 형성할 수 있지만, 특별히 제법은 한정되지 않고, 촉매 CVD법에 의해 형성하여도 좋고, 플라즈마 CVD법으로 아몰파스 실리콘을 성막한 후 가열처리로서 레이저 어닐링을 행함으로써 다결정화하여도 좋다. 다결정 실리콘을 상기 양극산화법에 의해 처리한 경우, 도 3에 나타내는 바와 같이 그레인(결정입자)의 집합체인 가는 기둥형상구조(2-a)가 존재하고, 그 사이에 나노미터 오더의 실리콘 미결정이 존재한 다공질구조(2-b)를 가질 수 있다. 이것은, 다결정 실리콘의 양극산화반응이, 그레인의 경계에서 우선적으로 진행하고, 즉, 기둥형상구조의 기둥과 기둥 사이에 깊이방향으로 양극산화가 진행되고, 양극산화 후에도 기둥형상의 실리콘 그레인이 남기 위한 것으로 생각된다. 이와 같은 구조를 가짐으로써, 매크로한 단열층으로서의 기능은 유지되면서, 기둥형상구조의 부분에서 열을 효율 좋게, 기판측으로 피하게 되는 것이 가능하게 된다.

물론, 이 기둥형상구조의 실리콘 그레인의 존재가, 양극산화의 조건에 따라서, 그 크기나 단위체적당 비율이 변화한다. 그리고 본 출원의 발명에 있어서는 이와 같은 실리콘 그레인의 존재는 보다 바람직한 형태로서 제시되게 된다.

또한, 본 출원의 발명자는, 다공질 실리콘의 골격인 실리콘의 열전도율에 비해서, 절연재료인 SiO₂나 Si₃N₄의 열전도율이 작은 것에 착안하였다. 즉, 도 4에 나타내는 바와 같이, 다공질 실리콘을 형성하는 나노 실리콘결정의 표면에 이들 절연막을 형성하고, 골격부분의 열전도율을 내림으로써 다공질 실리콘의 열전도율(α)을 작게 할 수 있는 것을 찾아내었다. 단, 이들 절연재료의 열용량(C)은, 실리콘에 비해서 큰 것이므로, 실리콘결정 표면에 형성하는 절연막의 두께는 αC값이 작게 되도록 적당히 선택할 필요가 있다.

이들 절연막의 형성방법에 관해서는, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 열처리나 전기화학적 처리로 절연막을 형성하는 것이 바람직하다. 열처리는, 산소분위기 또는 질소분위기 하에서, 열을 가함으로써 행할 수 있다. 그때의 온도조건, 승온조건 등은, 이용하는 기판의 재질 등에 따라서 적당 선택되지만, 예컨대, 열산화처리로서는, 800℃~950℃의 온도범위에 있어서, 0.5~5시간에서 행할 수 있다. 전기화학적 산화처리는, 예컨대, 황산수용액 등의 전해질 용액 중에서, 기판과 쌍극 사이에 정전류를 소정 시간 흘림으로써 행할 수 있다. 그때의 전류값, 통전시간 등은, 형성하고 싶은 산화막의 막 두께에 따라서 적당 선택할 수 있다.

열전도성의 기판(1)으로서는, 직류성분의 열을 피하기 위해서 열전도율(α)이 큰 재료를 이용하는 것이 바람직하고, 가장 바람직하게는 금속을 이용한다. 예컨대, 구리, 알루미늄 등의 고열전도율의 기판이 선택되지만, 특별히 이들에 한정되지 않고, 실리콘 기판 등의 반도체 기판도 이용하는 것이 가능하다. 또한, 유리 등의 세라믹기판도, 이용하는 것이 가능하다. 기판의 형상으로서는, 방열효율을 좋게 하기 위해서, 방열핀을 이면에 형성하여도 좋다.

다음에, 발열체 박막(3)으로서는, 금속막이면 재질은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, W,Mo,Ir,Au,Al,Ni,Ti,Pt 등의 금속단체나 이들의 적층구조 등이 이용되고, 진공증착, 스퍼터링 등으로 성막할 수 있다. 또한, 성막은, 열용량을 작게 하기 위해 가능한 한, 얇게 하는 것이 바람직하지만, 적당한 저항으로 하기 위해서, 10㎚~100㎚의 범위에서 선택할 수 있다.

그래서 이하에 실시예를 나타내고, 더욱 상세하게 본 출원의 발명에 대해서 설명한다. 물론 이하의 예에 의해서 발명이 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

(실시예1)

P형(100)단결정 실리콘기판(80-120Ω㎝)(α_SC_S=286×10⁶)의 이면에 양극산화처리시의 콘택트 전극으로서, Al을 진공증착으로 300㎚ 성막하였다. 그 후, 이 기판을, HF(55%):EtOH=1:1의 용액 중에서, 백금을 쌍극으로 하여 전류밀도 100㎃/㎠에서 8분간 양극산화처리를 행하여, 두께 약 50㎛의 다공질 실리콘층(α_IC_I=0.06×10⁶)을 형성하였다. 마지막으로, 다공질 실리콘층 상에, 발열체 박막으로서 W를 스퍼터링법으로 50㎚의 두께로 형성하여, 5㎜²의 면적의 소자를 제작하였다.

(실시예2)

순강제의 기판(두께 1㎜)(α_SC_S=1393×10⁶)의 상면에 폴리이미드를 두께 50㎛으로 코팅한 층(α_IC_I=0.26×10⁶)을 형성하였다. 마지막으로, 폴리이미드 상에, 발열체 박막으로서 W를 스퍼터링법으로 50㎚의 두께로 형성하여, 5㎜²의 면적의 소자를 제작하였다.

(실시예3)

순강제의 기판(두께 1㎜)(α_SC_S=1393×10⁶)의 상면에 스퍼터링법에 의해 두께 2㎛의 SiO₂층(α_IC_I=3.2×10⁶)을 형성하였다. 마지막으로, SiO₂ 상에 발열체 박막으로서 W를 스퍼터링법으로 50㎚의 두께로 형성하여, 5㎜²의 면적의 소자를 제작하였다.

(비교예1)

P형(100)단결정 실리콘기판(80-120Ωm)(α_SC_S=286×10⁶)의 상면에 스퍼터링법에 의해서 두께 2㎛의 Al₂O₃막(α_IC_I=93×10⁶)을 형성하였다. 마지막으로, Al₂O₃막 상에, 발열체 박막으로서 W를 스퍼터링법으로 50㎚의 두께로 형성하여, 5㎜²의 면적의 소자를 제작하였다.

(비교예2)

두께 1.1㎜의 소다유리(α_SC_S=3.2×10⁶)의 상면에 폴리스틸렌폼을 두께 100㎛으로 코팅한 층(α_IC_I=0.0018×10⁶)을 형성하였다. 마지막으로, 폴리스틸렌폼 상에, 발열체 박막으로서 W를 스퍼터링법으로 50㎚의 두께로 형성하여, 5㎜²의 면적의 소자를 제작하였다.

이상의 실시예1~3 및 비교예1~2 각각에 있어서 얻어진 소자의 발열체 박막에 50㎑, 1W/㎠의 전력을 공급하고, 출력 음압을 소자로부터 10㎜의 거리에서 마이크로 측정하였다.

그 결과를 표 2에 나타낸다.

No.	기판	단열층	α_IC_I/α_SC_S	α_SC_S(×10⁶)	출력 음압(Pa)
실시예1	실리콘	다공질 실리콘	1/4764	280	0.28
실시예2	구리	폴리이미드	1/5358	1393	0.17
실시예3	구리	SiO₂	1/435	1393	0.11
비교예1	실리콘	Al₂O₃	1/3.1	280	0.01
비교예2	SiO₂	폴리스티렌폼	1/1778	3.2	0.03

실시예1~3 및 비교예1, 2의 각 소자로부터는, 100㎑의 초음파가 발생되었다. 표 2로부터, 1/100≥α_IC_I/α_SC_S, 또한 α_SC_S≥100×10⁶의 조합시에 음압이 크게 되는 것을 알 수 있다.

(실시예4)

두께 1㎜의 순강제의 기판 표면에 플라즈마 CVD법으로 다결정 실리콘을 3㎛의 두께로 성막하였다.

그 후, 이 기판을, HF(55%):EtOH=1:1의 용액 중에서, 백금을 쌍극으로 하여 전류밀도 20㎃/㎠로 3분간 양극산화처리를 행하여, 다공질 실리콘층을 형성하였다. 마지막으로, 다공질 실리콘층 상에, 발열체 박막으로서 W를 스퍼터링법으로 50㎚의 두께로 형성하여, 5㎜²의 면적의 소자를 제작하였다. 얻어진 소자의 다공질 실리콘층을 관찰한 결과, 실리콘 그레인의 기둥형상구조는 관찰되었다. 또한, 얻어진 소자의 발열체 박막에 50㎑, 50W/㎠의 전력을 공급하고, 출력 음압을 소자로부터 10㎜의 거리에서 마이크로 측정하였다. 그 결과 100㎑의 초음파의 발생이 확인되고, 음압 출력은, 5.8Pa이었다. 이때의 소자 표면의 정상온도는 약 50℃이었다.

(비교예3)

P형(100)단결정 실리콘기판(3-20Ω㎝)의 이면에 양극산화처리시의 콘택트 전극으로서, Al을 진공증착으로 300㎚ 성막하였다. 그 후, 이 기판을, HF(55%):EtOH=1:1의 용액 중에서, 백금을 쌍극으로 하여 전류밀도 20㎃/㎠로 3분간 양극산화처리를 행하여, 두께 약 3㎛의 다공질 실리콘층을 형성하였다. 마지막으로, 다공질 실리콘층 상에, 발열체 박막으로서 W를 스퍼터링법으로 50㎚의 두께로 형성하여, 5㎜²의 면적의 소자를 제작하였다. 얻어진 소자의 다공질 실리콘층을 관찰한 결과, 특히 실리콘 그레인의 기둥형상구조는 관찰되어 않았다. 또한, 얻어진 소자의 발열체 박막에 50㎑, 50W/㎠의 전력을 공급하고, 출력 음압을 소자로부터 10㎜의 거리에서 마이크로 측정하였다. 그 결과 100㎑의 초음파의 발생이 확인되고, 음압 출력은, 3.5Pa이었다. 이때의 소자 표면의 정상온도는 약 80℃이었다.

이상의 점으로부터도, 본 출원의 발명의 열 여기음파 발생장치에서는, 열절연층으로서 다결정 실리콘을 다공질화시켜 형성한 다공질 실리콘층을 이용함으로써, 그 부분이 효율 좋게, 직류성분의 열을 기판측으로 피하기 위해, 고출력시에도, 효율 좋게 음파를 발생하는 것이 가능하게 되는 것이 확인되었다.

(실시예5)

P형(100)단결정 실리콘기판(3-20Ω㎝)의 이면에 양극산화처리시의 콘택트 전극으로서, Al을 진공증착으로 300㎚ 성막하였다. 그 후, 이 기판을, HF(55%):EtOH=1:1의 용액 중에서, 백금을 쌍극으로 하여 전류밀도 20㎃/㎠에서 40분간 양극산화처리를 행하고, 두께 약 50㎛의 다공질 실리콘층을 형성하였다. 그 후, 산소분위기 중에서 900℃, 10분간 열산화처리를 행하고, 나노 실리콘결정 표면에 SiO₂로 이루어지는 절연막을 형성하였다. 마지막으로 다공질 실리콘층 상에, 발열체 박막으로서 W를 스퍼터링법으로 50㎚의 두께로 형성하여, 5㎜²의 면적의 소자를 제작하였다.

(실시예6)

실시예5에 있어서, 열처리로서 질소분위기 중에서 처리를 행하고, Si₂N₄로 이루어지는 절연막을 형성한 것 이외 마찬가지로 하여 소자를 제작하였다.

(실시예7)

실시예5에 있어서, 전기화학적 산화처리를 행하고, SiO₂로 이루어지는 절연막을 형성한 것 이외 마찬가지로 하여 소자를 제작하였다. 구체적으로는 1M 황산수용액 중에서, 백금전극을 쌍극으로 하여, 전류밀도 5㎃/㎠로, 10분간 처리를 행하였다.

(비교예4)

실시예5에 있어서, 열산화처리를 행하지 않았던 것 이외 마찬가지로 하여 소자를 제작하였다.

이상의 실시예5~7, 비교예4 각각에 대해서, 다공질 실리콘층의 열전도율(α) 및 열용량(C)의 광음향법에 의해서 측정하였다. 또한, 얻어진 소자의 발열체 박막에 50㎑, 1W/㎠의 전력을 공급하고, 출력 음압을 소자로부터 10㎜의 거리에서 마이크로 측정하였다.

결과를 표 3에 나타내었다.

No.	열전도율(α)(W/mk)	열용량(C)(10⁶J/㎥K)	αC(×10⁶)	출력 음압(Pa)
실시예5	0.1	1.2	0.12	0.25
실시예6	0.3	1.3	0.39	0.14
실시예7	0.1	1.1	0.11	0.26
비교예4	1.1	0.7	0.77	0.10

각 소자로부터는, 100㎑의 초음파가 발생하였다. 표 3으로부터, 절연막을 형성함으로써, 열용량(C)은 약간 증가하는 것이지만, 열전도율이 감소하고, 결과적으로 αC의 값은 작게 된다. 그 때문에, 발생하는 출력 음압이 크게 되었다.

이상의 점으로부터, 본 출원의 발명의 열 여기음파 발생장치에서는, 열전도성의 기판과, 기판상의 한쪽면에 형성된 다공질 실리콘층으로 이루어지는 단열층과, 단열층 상에 형성되고, 전기적으로 구동되는 금속막으로 이루어지는 발열체 박막을 갖는 열 여기음파 발생장치에 있어서 다공질 실리콘층의 실리콘결정의 표면에 절연막을 형성함으로써, 단열층으로서의 열전도율(α)을 저하할 수 있고, 발생 음압을 크게 할 수 있다.

이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 출원의 발명의 열 여기음파 발생장치에서는, 열전도성의 기판과, 기판상의 한쪽면에 형성된 단열층과, 단열층 상에 형성되고, 전기적으로 구동되는 금속막으로 이루어지는 발열체 박막을 구비하고, 열전도성의 기판의 열전도율 α_S로, 열용량을 C_S로 하고, 또한, 단열층의 열전도율을 α_I로, 열용량을 C_I로 하였을 때,

1/100≥α_IC_I/α_SC_S, 또한 α_SC_S≥100×10⁶

의 관계가 성립하도록 열전도성의 기판과 단열층의 재질을 선택함으로써, 출력 음압특성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 본 출원의 발명의 열 여기음파 발생장치에서는, 절연층으로서 다결정 실리콘을 다공질화시켜 형성한 다공질 실리콘층을 이용함으로써, 기둥형상구조의 실리콘 그레인이 효율 좋게, 직류성분의 열을 기판측으로 피하기 위해, 고출력시에도 효율 좋게 음파를 발생하는 것이 가능하게 된다.

그리고 본 출원의 발명의 열 여기음파 발생장치에서는, 열전도성의 기판과, 기판의 한쪽면에 형성된 다공질 실리콘층으로 이루어지는 단열층과, 단열층 상에 형성되고, 전기적으로 구동되는 금속막으로 이루어지는 발열체 박막을 갖는 열 여기음파 발생장치에 있어서 다공질 실리콘층의 나노 실리콘결정의 표면에 절연막을 형성함으로써, 단열층으로서의 열전도율(α)을 저하할 수 있고, 발생 음압을 크게 할 수 있다.

Claims

열전도성의 기판과, 기판상의 한쪽면에 형성된 단열층과, 단열층 상에 형성되고, 전기적으로 구동되는 금속막으로 이루어지는 발열체 박막을 구비한 열 여기음파 발생장치로서,

열전도성의 기판의 열전도율을 α_S, 그 열용량을 C_S로 하고, 또한, 단열층의 열전도율을 α_I, 그 열용량을 C_I로 하였을 때에,

1/100≥α_IC_I/α_SC_S, 또한 α_SC_S≥100×10⁶

의 관계가 성립하고,

상기 단열층은 열전도성의 기판의 한쪽면에 다결정 실리콘을 다공질화하여 형성한 다공질 실리콘층이고,

상기 다공질 실리콘층은 그 중 적어도 일부에 기둥형상구조의 실리콘 그레인을 갖고 있고, 나노 실리콘결정의 표면에 절연막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 열전도성의 기판이 반도체 또는 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 열전도성의 기판이 세라믹 기판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치.
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제1항에 있어서, 상기 절연막이 산화막인 것을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 절연막이 질화막인 것을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 절연막이 열처리에 의해 형성된 것임을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 절연막이 전기화학적 처리에 의해 형성된 것임을 특징으로 하는 열 여기음파 발생장치.