KR102287809B1 - 열 흐름 제어 장치 - Google Patents
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Abstract
열 흐름 제어 장치가 개시된다. 개시된 열 흐름 제어 장치는 매트릭스 내에 형성된 반도체 소자 영역으로부터 발생하는 열을 외부로 방향성을 지니도록 방출시키거나 외부의 열이 반도체 소자 영역으로 흐르는 것을 방지할 수 있다. 열 흐름 제어 장치는 상기 반도체 소자 영역과 인접하여 형성된 열 정류자 영역 및 상기 반도체 영역 또는 열 정류자 영역과 접하는 적어도 일 영역에 형성된 열 흐름 차단부를 포함할 수 있다.
Description
본 개시는 반도체 소자 내부의 열의 흐름을 제어하는 열 흐름 제어 장치에 관한 것이다.
고체 매질 내부 열의 전달은 열 전도(heat conduction) 현상에 의해서 이루어질 수 있으며, 열 전도는 매질 내의 포논(phonon)의 진동이 전달되는 현상으로 설명될 수 있다. 특정 물질의 열 전도도는 상수 값을 가질 수 있으며, 자연계에 존재하는 물질들이 가지는 열 전도도의 값은 한정되어 있다.
소재 산업의 발달에 따라 다양하고 특이한 물성을 지닌 물질들이 개발되고 있으며 특히 메타 물질에 대한 연구가 진행되고 있다. 메타 물질이란 인위적인 공정을 통해 만들어지며, 원하고자 하는 특성을 가질 수 있도록 물질의 물성이 디자인 된 것을 의미한다. 메타 물질에 대한 연구는 주로 빛과 음파(acoustic wave)에 대해서 진행되어 왔다. 메타 물질에 대한 연구의 응용 사례로서, 자연 상태에서 존재하지 않는 음굴절 특성을 가지는 물질이나, 특정 영역을 외부로부터 시각적으로 차단하는 투명화(cloaking) 현상에 대한 연구가 보고된 바 있다.
본 개시의 일측면에서는 반도체 소자에서 발생하는 열의 흐름을 원하는 방향으로 제어할 수 있는 열 흐름 제어 장치를 제공한다.
열의 진행을 제어할 수 있는 포논 결정 구조 및 열 정류자를 이용한 열 흐름 제어 장치를 제공하고자 한다.
개시된 실시예에 따르면,
매트릭스 내에 형성된 반도체 소자 영역;
상기 반도체 소자 영역과 인접하여 형성된 열 정류자 영역; 및
상기 반도체 영역 또는 열 정류자 영역과 접하는 적어도 일 영역에 형성된 열 흐름 차단부를 포함하는 열 흐름 제어 장치를 제공한다.
상기 열 흐름 차단부는 매트릭스 물질층 내에 분산된 내부 물질을 포함할 수 있다.
상기 내부 물질은 상기 매트릭스 물질층 내에 주기적인 배열을 지니도록 형성될 수 있으며, 하기 식에 따른 λ의 λ/4, 1λ, λ/2 또는 2λ간격으로 형성될 수 있따.
λ=v/f phonon
(v는 매트릭스 물질층 내에서의 포논의 전파 속도, f phonon 은 포논의 진동 주파수).
상기 매트릭스 물질층과 상기 내부 물질은 서로 열 전도율이 다른 물질로 형성될 수 있다.
상기 내부 물질의 배열 주기는
상기 매트릭스 물질층은 실리콘(Si), 갈륨(Ga), 비소(As) 또는 갈륨 비소 화합물(GaAs)로 형성될 수 있다.
상기 내부 물질이 형성된 영역은 절연 물질로 형성된 영역 또는 공동 영역일 수 있다.
상기 열 정류자 영역은 서로 직경이 다른 탄소 나노튜브들이 접합하여 형성된 것일 수 있다.
상기 열 정류자 영역의 일단부는 상기 반도체 소자 영역과 접하며, 상기 열 정류자 영역의 타단부에 형성된 열 도파 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 열 정류자 영역의 일단부는 상기 반도체 소자 영역과 접하며, 상기 열 정류자 영역의 타단부는 외부로 노출될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 소자로부터 발생하거나 상기 반도체 소자들을 포함하는 회로 및 시스템의 특정 영역에서 발생하는 열의 흐름을 제어할 수 있는 열 흐름 제어 장치를 제공할 수 있다. 또한, 반도체 소자나 상기 반도체 소자들을 포함하는 회로 및 시스템의 원하는 영역에 대해 외부 열원으로부터 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열 흐름 제어 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열 흐름 장치의 포논 결정 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열 흐름 장치의 열 정류자의 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열 흐름 장치에 있어서, 반도체 소자로부터 발생한 열을 열 정류자를 이용하여 외부로 방출시키는 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 상기 도 4의 열 흐름 장치를 이용하여 다수의 반도체 소자로부터 발생한 열의 흐름 방향을 제어하는 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열 흐름 장치의 포논 결정 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열 흐름 장치의 열 정류자의 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열 흐름 장치에 있어서, 반도체 소자로부터 발생한 열을 열 정류자를 이용하여 외부로 방출시키는 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 상기 도 4의 열 흐름 장치를 이용하여 다수의 반도체 소자로부터 발생한 열의 흐름 방향을 제어하는 예를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 열 흐름 제어 장치에 대해 보다 상세히 설명하고자 한다. 참고로 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열 흐름 제어 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 개시에 따른 열 흐름 제어 장치(100)는 매트릭스(10) 내에 형성된 반도체 소자 영역(12) 및 반도체 소자 영역(12)과 인접하여 형성된 열 정류자 영역(16)을 포함할 수 있다. 열 흐름 제어 장치(100)의 매트릭스(10) 내의 반도체 영역(12) 또는 열 정류자 영역(16)과 접하는 적어도 일 영역에는 열 흐름을 제한 또는 차단하기 위한 열 흐름 차단부(14a, 14b, 14c)가 형성될 수 있다. 그리고, 열 흐름 제어 장치(100) 내부에는 열 흐름에 제한이 없는 열 도파 영역(18)이 포함될 수 있다. 열 흐름 제어 장치(100)의 열 정류자 영역(16)은 일단부가 반도체 소자 영역(12)과 접하며 타단부가 열 도파 영역(18)과 접하거나 또는 외부로 노출될 수 있다.
반도체 소자 영역(12)은 열이 발생하는 열원 영역일 수 있으며, 또한 외부의 열에 영향을 받지 않도록 외부 열원으로부터 보호받는 보호 영역일 수 있다. 반도체 소자 영역(12)에 형성된 반도체 소자의 종류는 제한이 없으며 트랜지스터, 다이오드 등의 스위칭 소자이거나 발광 다이오드 등의 발광 소자 또는 수광 소자일 수 있다. 또한 반도체 소자는 정보를 저장할 수 있는 메모리 소자일 수 있으며 기타 다양한 종류의 소자일 수 있다. 반도체 소자 영역은 실리콘 기판과 같은 매트릭스(10) 내에 반도체 공정에 의하여 형성된 반도체 물질층 및 전극 배선 구조를 포함하여 형성된 소자일 수 있다. 또한, 반도체 소자 영역(12)은 다양한 반도체 소자들을 포함하는 회로 또는 시스템 등이 존재할 수 있다.
열 흐름 차단부(14a, 14b, 14c)는 인위적으로 매트릭스(10) 내부의 열의 흐름을 차단할 수 있도록 형성된 영역으로서 소정의 간격으로 형성된 주기로 형성된 포논 결정 구조체를 포함할 수 있다. 포논 결정 구조체는 매트릭스(10) 내에 소정의 간격으로 형성된 내부 물질을 포함할 수 있다. 이를 도 2를 참조하여 설명하고자 한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열 흐름 장치의 포논 결정 구조를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 열 흐름 차단부(14)는 매트릭스(20) 물질층 내에 결정 주기 λ의 간격으로 형성된 내부 물질(22)을 포함하는 구조로 형성될 수 있다. 여기서 결정 주기 λ는 수학식1을 만족할 수 있다.
수학식 1의 ν는 매트릭스(20) 물질 내에서의 포논의 전파 속도를 나타내며, f phonon은 포논의 진동 주파수를 나타낸다. 포논의 전파 속도는 배경 물질, 즉 매트릭스(20) 물질의 종류에 따라 결정될 수 있으며, 열 전달 포논의 경우 포논의 진동 주파수는 광범위한 THz 대역의 값을 가질 수 있다. 수학식 1에 따라 매트릭스(20) 물질에서의 포논의 파장과 동일한 크기의 간격을 지니도록 내부 물질(22)을 형성함으로써, 특정 진동 주파수를 가지는 포논의 전파를 억제할 수 있다. 즉, 매트릭스(20) 내에서의 열을 전달하는 포논의 진동 주파수에 맞추어 내부 물질(22)을 형성함으로써 매트릭스(20) 내에서의 열의 전달 현상을 감소시키거나 방지할 수 있다.
매트릭스(20) 물질층은 실리콘(Si), 갈륨(Ga), 비소(As) 또는 갈륨 비소 화합물(GaAs) 등의 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 내부 물질(22)은 매트릭스(20) 물질층을 형성하는 물질과 서로 다른 열 전도도를 지닌 물질로 형성될 수 있으며, 절연성 물질로 형성되거나 또는 매트릭스(20) 내부의 빈공간으로 공동(void) 영역일 수 있다. 내부 물질(22)은 매트릭스(20) 내부에서 λ의 간격으로 주기성을 지니며 형성될 수 있다. 또한 내부 물질은 매트릭스(20) 내부에서 λ만큼의 간격 뿐만 아니라 λ/4, λ/2 또는 2λ의 간격으로 형성될 수 있다. 참고로, 도 2에서는 내부 물질(22)이 매트릭스(20) 내에서 x-y 평면 기준으로 형성된 것을 나타내었으나, 3차원 적으로 z 방향으로도 λ/4, λ/2, λ 또는 2λ의 간격으로 형성될 수 있다. 매트릭스(20)물질과 같은 고체 매질 내의 열의 전달은 열 전도 현상에 의해서 발생할 수 있으며, 이는 매질 내에서 형성되는 포논이 지닐 수 있는 에너지의 전달을 의미할 수 있다. 매트릭스(20) 내부에 내부 물질(22)을 λ/4, λ/2, λ 또는 2λ의 간격으로 주기성을 지니도록 형성하게되면, 열 전달을 매개하는 포논의 존재를 방지할 수 있으며 결과적으로 도 1 및 도 2의 열 흐름 차단부(14a, 14b, 14c, 14)에서는 열 전달 현상을 제한하거나 방지할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 반도체 소자 영역(12)과 인접하여 형성된 열 정류자 영역(16)을 포함할 수 있다. 열 정류자 영역(16)이란 열의 전도도가 전도 방향에 따라 상이하게 나타나는 영역을 의미한다. 열 정류자 영역(16)은 반도체 소자 영역(12)으로부터 발생한 열의 흐름 방향을 제한할 수 있는 영역으로서, 도 1의 반도체 소자 영역(12)으로부터 발생한 열을 열 도파 영역(18) 방향으로 이동시킬 수 있으나, 열 도파 영역(18)의 열이 반도체 소자 영역(12)으로 전도되는 것을 방지할 수 있는 영역이다. 열 정류자 영역(16)의 예로 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열 흐름 장치의 열 정류자의 예를 나타낸 도면이다. 도 1 및 도 3을 참조하면 열 정류자 영역(16)은 예를 들어, 서로 다른 직경(L1, L2)를 지닌 탄소 나노튜브(30, 34)를 접합 영역(32) 부위를 서로 접합시켜 형성할 수 있다. 접합 영역(32) 양쪽에 존재할 수 있는 포논의 진동수가 탄소 나노튜브(30, 34)의 직경(L1, L2)에 의해서 결정될 수 있다. 이처럼 탄소 나노튜브(30, 34)의 비대칭적 접합은 어느 한 쪽 방향으로의 포논의 전달은 가능하게 할 수 있으나, 반대 방향으로의 포논의 전달은 제한할 수 있다. 탄소 나노튜브(30, 34)는 단일벽 또는 다중벽 탄소 나노튜브일 수 있다.
이처럼 본 개시에 따른 열 흐름 장치에서는 열 정류자를 통하여 반도체 소자 영역(12)에서 발생한 열과 반도체 소자 영역(12)의 외부에서 발생한 열의 흐름 방향을 열 흐름 차단부(14) 및 열 정류자 영역(16)을 이용하여 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열 흐름 장치에 있어서, 반도체 소자로부터 발생한 열을 열 정류자를 이용하여 외부로 방출시키는 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 매트릭스(40) 내에는 반도체 소자 영역(42)과 반도체 소자 영역(42)의 일단부와 접하여 형성된 열 흐름 차단부(44a, 44b)가 형성될 수 있다. 그리고, 반도체 소자 영역(42)의 하부에는 열 정류자 영역(46)이 형성될 수 있다. 열 흐름 차단부(44a, 44b)는 매트릭스(40) 물질층(440) 내에 주기적으로 형성된 내부 물질(442)을 포함할 수 있다. 매트릭스(40) 물질층(440)은 실리콘(Si), 갈륨(Ga), 비소(As) 또는 갈륨 비소 화합물(GaAs) 등의 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 내부 물질(442)은 절연성 물질로 형성되거나 또는 매트릭스(20) 내부의 빈공간으로 공동(void) 영역일 수 있다. 반도체 소자 영역(42)은 외부로 돌출될 수 있으며, 절연 물질이나 패시베이션 물질로 형성된 캐핑층(43)이 그 상부에 형성될 수 있다. 반도체 소자 영역(42)으로부터 발생한 열은 열 흐름 차단부(44a, 44b)로는 열 전도될 수 없으며, 열 정류자 영역(46)에 의해 하방으로 열 전달될 수 있다.
도 5는 상기 도 4의 열 흐름 장치를 이용하여 다수의 반도체 소자로부터 발생한 열의 흐름 방향을 제어하는 예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 매트릭스(50) 내에 다수의 반도체 소자 영역(52)이 형성될 수 있으며, 반도체 소자 영역(52)들 주변에는 열 흐름 차단부(54: 540, 542)가 형성될 수 있다. 그리고, 반도체 소자 영역(52)들의 하부에는 열 정류자 영역(56)들이 형성될 수 있다. 열 흐름 차단부(54: 540, 542)는 매트릭스(50) 물질층(540) 내에 주기적으로 형성된 내부 물질(542)을 포함할 수 있다. 반도체 소자 영역(52) 상에는 절연 물질이나 패시베이션 물질로 형성된 캐핑층(53)이 형성될 수 있다. 다수의 반도체 소자 영역(52)들로부터 발생된 열은 열 정류자 영역(56)을 통하여 일 방향, 예를 들어 하방으로 열 도파로 영역(58)으로 진행할 수 있으며, 열 도파로 영역(58)을 통하여 외부로 방출될 수 있다. 그리고, 열 정류자 영역(56)에 의하여 열 도파로 영역(58)에 존재하는 열은 반도체 소자 영역(52)으로 진행하기 어렵기 때문에 반도체 소자 영역(52)들의 방열 특성이 향상될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다. 상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 실시예들에 따른 열 흐름 제어 장치는 다양한 전자 소자에도 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
100: 열 흐름 제어 장치, 10, 40, 50: 매트릭스
12, 42, 52: 반도체 소자 영역,
14, 14a, 14b, 14c, 54: 열 흐름 차단부
16, 46, 56: 열 정류자 영역 18, 58: 열 도파 영역
30, 34: 탄소 나노튜브 32: 탄소 나노튜브 접합 영역
L1, L2: 탄소 나노튜브 직경
12, 42, 52: 반도체 소자 영역,
14, 14a, 14b, 14c, 54: 열 흐름 차단부
16, 46, 56: 열 정류자 영역 18, 58: 열 도파 영역
30, 34: 탄소 나노튜브 32: 탄소 나노튜브 접합 영역
L1, L2: 탄소 나노튜브 직경
Claims (9)
- 매트릭스 내에 형성된 반도체 소자 영역;
상기 반도체 소자 영역과 인접하여 형성된 열 정류자 영역; 및
상기 반도체 영역 또는 열 정류자 영역과 접하는 적어도 일 영역에 형성된 열 흐름 차단부를 포함하며,
상기 열 흐름 차단부는 매트릭스 물질층 내에 분산된 내부 물질을 포함하는 열 흐름 제어 장치. - 삭제
- 제 1항에 있어서
상기 내부 물질은 상기 매트릭스 물질층 내에 주기적인 배열을 지니도록 형성될 수 있으며, 하기 식에 따른 λ의 λ/4, 1λ, λ/2 또는 2λ간격으로 형성된 열 흐름 제어 장치.
λ=v/fphonon
(v는 매트릭스 물질층 내에서의 포논의 전파 속도, fphonon 은 포논의 진동 주파수). - 제 1항에 있어서,
상기 매트릭스 물질층과 상기 내부 물질은 서로 열 전도율이 다른 물질로 형성된 열 흐름 제어 장치. - 제 4항에 있어서,
상기 매트릭스 물질층은 실리콘(Si), 갈륨(Ga), 비소(As) 또는 갈륨 비소 화합물(GaAs)로 형성된 열 흐름 제어 장치. - 제 4항에 있어서,
상기 내부 물질이 형성된 영역은 절연 물질로 형성된 영역 또는 공동 영역인 열 흐름 제어 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 열 정류자 영역은 서로 직경이 다른 탄소 나노튜브들이 접합하여 형성된 열 흐름 제어 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 열 정류자 영역의 일단부는 상기 반도체 소자 영역과 접하며,
상기 열 정류자 영역의 타단부에 형성된 열 도파 영역을 더 포함하는 열 흐름 제어 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 열 정류자 영역의 일단부는 상기 반도체 소자 영역과 접하며,
상기 열 정류자 영역의 타단부는 외부로 노출된 열 흐름 제어 장치.
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