TWI430327B - 熱輻射發射器及其製法 - Google Patents

Description

熱輻射發射器及其製法

本發明係有關一種熱輻射發射器及其製法，詳而言之，係涉及一種燈絲型表面電漿共振熱輻射發射器及其製法。

一般而言，熱輻射發射器是一種寬頻非同調的電磁波輻射源，而以不同的熱輻射材料製成之發射器具有不同的熱輻射特性。以傳統白熾燈泡為例，其發光原理係利用鎢絲通電加熱而產生光能，而其中約有90%的能量轉換成熱能，因此發光效率僅有15lm/W。

近年來的研究顯示，藉由一維、二維及三維的光子晶體層可調變熱輻射特性，亦即藉由包覆層的設計能得到在特定波段具有高吸收峰的熱輻射發射器。根據克希何夫熱輻射定律，吸收率等於放射率，而在熱輻射發射器中，由於外界持續利用歐姆熱提供熱能予熱輻射元件，在熱能無法持續累積的前提下，可壓抑較低光子能量的波段的熱輻射放射率使得能量累積，進而能導致高光子能量的波段的熱輻射放射率增強。

例如，美國第US7482610B2號專利案揭露一種熱輻射發射器，其係利用由一維光子晶體層堆疊與金屬薄膜包夾而成的垂直共振腔，壓抑一特定波段而增強另一特定波段的熱輻射輸出，藉此達到調變熱輻射特性之目的，其中，所述之垂直共振腔係以鍍在基板上的多層介電質薄膜堆疊 而構成，利用薄膜間不同的厚度、折射率或反射率等差異性改變光線傳遞方式，進而能控制熱輻射，故透過改變薄膜層，使得熱輻射發射器得以達到光譜窄頻、高時間及空間同調等特性。

然而，目前的熱輻射發射器皆是在基板的一側上執行半導體加工來製作光子晶體層，故基板僅有一側可具有熱輻射調變效果，其使用效率不佳，且習知製程技術過於繁複而昂貴。

為解決前述習知技術之種種問題，本發明提供一種熱輻射發射器及其製法，係可利用簡單方法製作能調變熱輻射頻譜以提高特定波段的熱輻射效率之熱輻射發射器。

本發明之熱輻射發射器，包括導線、形成於該導線的外表面以包覆該導線之第一金屬層、形成於該第一金屬層的外表面以包覆該第一金屬層之介電質層、以及形成於該介電質層的外表面以包覆該介電質層之第二金屬層，其中，於該導線連接電流源時，由該導線所產生之熱輻射直接穿過或藉由表面電漿共振耦合穿隧至介電質層以在該第一金屬層與該第二金屬層所組成之共振腔中共振，藉此透過共振而調變熱輻射頻譜。

本發明之熱輻射發射器製法，包括以下步驟：將第一金屬層形成於一導線的外表面上以包覆該導線；將介電質層形成於該第一金屬層的外表面上以包覆該第一金屬層；以及將第二金屬層形成於該介電質層的外表面上以包覆該 介電質層。

相較於習知技術，本發明之熱輻射發射器係利用化學電鍍方式製作金屬層/介電質層/金屬層之共振腔，以此共振腔提升特定波長的熱輻射輸出效率並壓抑另一特定波長的熱輻射輸出效率。此外，由於本發明係於導線外表面製作金屬層/介電質層/金屬層之共振腔，因而解決先前技術中僅有基板一側具有熱輻射調變功能之問題。

以下藉由特定的具體實施形態說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效，亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。

須知悉者，本說明書所附圖式繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「第一」及「第二」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施之範疇。

參閱第1A及1B圖，第1A圖係本發明之熱輻射發射 器之橫截面圖，而第1B圖係本發明之熱輻射發射器之製法流程圖。

於步驟S31中，提供一導線11。導線11可為金屬導線，例如燈絲的一種，鎢絲。接著進至步驟S32。

於步驟S32中，將第一金屬層12形成於該導線11的外表面101上以包覆該導線11，亦即，於該導線11的外表面101上沈積第一金屬層12以包覆該導線11。詳言之，該鎢絲經過清除其表面的雜質或灰塵後，可利用金屬電鍍法在該鎢絲的外表面101上沈積厚度約20nm至100nm之第一金屬層12，例如金，其厚度約100奈米。接著進至步驟S33。

於步驟S33中，將介電質層13形成於該第一金屬層12的外表面102上以包覆該第一金屬層12，亦即於該第一金屬層12的外表面102上沈積介電質層13以包覆該第一金屬層12。詳言之，可利用電化學沈積法在第一金屬層12的外表面102上沈積厚度約20nm至150nm之介電質層13，例如氧化鋅、二氧化矽或氮化矽等介電質。接著進至步驟S34。

於步驟S34中，將第二金屬層14形成於該介電質層13的外表面103上以包覆該介電質層13，亦即於該介電質層13的外表面103上沈積第二金屬層14以包覆該介電質層13。詳言之，可利用電鍍法在介電質層13的外表面103上沈積厚度約20nm至100nm之第二金屬層14，例如金，其厚度約20奈米。

上述之第一金屬層12、介電質層13以及第二金屬層14之沈積係分別選自電鍍法、電化學氣相沈積法、電子束蒸鍍法或蒸鍍法之其中一種。

經過步驟S31至S34之後形成如第1A圖所示之熱輻射發射器1，接著參閱第2圖，其為本發明之熱輻射發射器之具體實施例之橫截面圖。

如第2圖所示，將熱輻射發射器1的導線11連接一電流源30則導線11會產生熱輻射，此熱輻射從第一金屬層12直接穿過或藉由表面電漿共振耦合穿隧至介電質層13，以在第一金屬層12與第二金屬層14所包夾而成的金屬層/介電質/金屬層共振腔中共振。當該熱輻射耦合至該金屬層/介電質/金屬層共振腔並與所存在的模態達到相位匹配(phase-matching)的狀態時，會產生共振效應，此時滿足共振條件的熱輻射波段會有較高的熱輻射輸出效率，而不滿足共振條件的熱輻射波段則的熱輻射輸出效率較低，藉此可利用共振而達到調變熱輻射頻譜之功效。最後經調變之熱輻射透過第二金屬層14而向外散逸。

由第1A、1B及2圖可知，本發明之熱輻射發射器的結構簡單，製作上僅需在鎢絲表面以鍍膜技術製作多層金屬層/介電質層即可完成，且可藉由改變各層厚度來達到調變熱輻射頻譜及提升熱輻射效率。

接著參閱第3A、3B及3C圖，第3A及3B圖分別為本發明之熱輻射發射器之另一時施形態及多孔性金屬層形成階段之橫截面圖，而第3C圖係本發明之熱輻射發射器之另 一時施形態之製法流程圖。需說明的是，第2A圖所示之熱輻射發射器2的元件符號係與第1A圖所示之相同，僅將起始的元件符號自「1」改為「2」。

於步驟S301，於第二金屬層24的外表面204上沈積犧牲層25。詳言之，可利用金屬電鍍法在第二金屬層24的外表面204上沈積犧牲層25，例如銅，其厚度約20奈米。接著進至步驟S302。

於步驟S302，利用高溫處理使該犧牲層25向該第二金屬層24擴散。詳言之，在惰性氣體(例如氮氣)環境中，以高溫(例如200℃)處理使犧牲層25向內擴散以向該第二金屬層24擴散。接著進至步驟S303。

於步驟S303，移除擴散至該第二金屬層24內的犧牲層25。詳言之，前述經過惰性氣體環境之高溫處理後，於空氣中再利用高溫處理使犧牲層(銅)25氧化成為氧化銅，隨後利用蝕刻液(例如濃度為0.1M的鹽酸)將該第二金屬層24內的該氧化銅蝕刻移除。接著進至步驟S304。

於步驟S304，該第二金屬層24形成具次波長結構的金屬層24’，如第3B圖所示，為多孔性金屬層。前述多孔性金屬層之製法稱之為化學蝕刻法。

另需說明的是，參閱第5圖，於步驟S302中，惰性氣體環境之高溫處理之溫度，分別以220℃、230℃、240°C和250℃加熱導線21使犧牲層25向內擴散以向該第二金屬層24擴散形成具有次波長結構之多孔性金屬層，而由導線21所產生的熱輻射在此種藉由化學蝕刻法所製作之 金屬層/介電質/金屬層的共振腔中，其反射特性會隨著高溫處理之溫度升高而往長波段的方向偏移。如第5圖所示，例如，利用特定材料和厚度製作之金屬層/介電質/金屬層的共振腔所輸出之熱輻射約在1~1.3μm之間，而隨著加熱溫度之提升，熱輻射器所輸出之熱輻射的波長越長。因此，藉由改變加熱溫度能控制本發明之熱輻射發射器之熱輻射頻譜及提高特定波段熱輻射的輸出效率。

於又一實施形態中，可加熱導線21和第二金屬層24，使該第二金屬層24由於其與該導線21之間熱膨脹係數之差異，第二金屬層24內會產生內聚力，因而形成具有次波長結構之顆粒型/奈米島狀物型金屬層(未圖式)。前述製成顆粒型/奈米島狀物型金屬層之製法稱之為金屬熱回熔製法。

此外，除了第二金屬層可為具有次波長結構之顆粒型/奈米島狀物型金屬層或多孔性金屬層之外，第一金屬層亦可為具有次波長結構之顆粒型/奈米島狀物型金屬層或多孔性金屬層。

參閱第4圖，其係本發明之熱輻射發射器之另一實施形態之具體實施例之橫截面圖。當熱輻射發射器2的導線21連接一電流源30時，導線21所產生之熱輻射會在第一金屬層22與具次波長結構的金屬層24’所包夾而成的金屬層/介電質/金屬層共振腔中共振。當該熱輻射耦合至該金屬層/介電質/金屬層共振腔並與所存在的模態達到相位匹配(phase-matching)的狀態時會產生共振效應，而由於具 次波長結構的金屬層24’具有次波長結構，可增強此種共振效應，故滿足共振條件的熱輻射波段會有較高的熱輻射輸出效率，而不滿足共振條件的熱輻射波段則的熱輻射輸出效率較低，藉此利用共振而達到調變熱輻射頻譜之功效。

綜上所述，本發明之熱輻射發射器係利用一導線在其外周圍沈積金屬層/介電質/金屬層之共振腔，取代以往僅能在基板一側製作共振腔之製程。此外，透過調整本發明之熱輻射發射器之金屬層或介電質層各層之厚度、厚度比例，或者改變製作金屬層過程中的加熱溫度，可調變熱輻射發射器所發出的熱輻射，亦即提升特定波段熱輻射輸出效率並壓抑另一特定波段熱輻射輸出效率，進一步言，本發明之熱輻射發射器可應用在壓抑紅外線波段熱輻射而提升可見光波段輸出效率之白熾燈泡，以及輸出窄頻波段的同調光源，或是依需求而被設計成具有特定頻譜輸出之熱輻射發射器。

上述實施形態僅例示性說明本發明之原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

1、2‧‧‧熱輻射發射器

11、21‧‧‧導線

101、201‧‧‧外表面

12、22‧‧‧第一金屬層

102、202‧‧‧外表面

13、23‧‧‧介電質層

103、203‧‧‧外表面

14、24‧‧‧第二金屬層

204‧‧‧第二金屬層外表面

24’‧‧‧具次波長結構的金屬層

25‧‧‧犧牲層

30‧‧‧電流源

S31~S34‧‧‧步驟

S301~S304‧‧‧步驟

第1A圖係本發明之熱輻射發射器之橫截面圖； 第1B圖係本發明之熱輻射發射器之製法流程圖；第2圖係本發明之熱輻射發射器之具體實施例之橫截面圖；第3A圖係本發明之熱輻射發射器之另一時施形態之橫截面圖；第3B圖本發明之熱輻射發射器之另一時施形態之多孔性金屬層形成階段之橫截面圖；第3C圖係本發明之熱輻射發射器之另一時施形態之製法流程圖；以及第4圖係本發明之熱輻射發射器之另一實施形態之具體實施例之橫截面圖；以及第5圖係本發明之熱輻射發射器之熱輻射隨著溫度變化之反射特性。

1‧‧‧熱輻射發射器

11‧‧‧導線

101‧‧‧外表面

102‧‧‧外表面

103‧‧‧外表面

12‧‧‧第一金屬層

13‧‧‧介電質層

14‧‧‧第二金屬層

Claims (10)

1. 一種熱輻射發射器之製法，包括以下步驟：將第一金屬層形成於一導線的外表面上以包覆該導線；將介電質層形成於該第一金屬層的外表面上以包覆該第一金屬層；以及將第二金屬層形成於該介電質層的外表面上以包覆該介電質層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之製法，其中，該第一金屬層或該第二金屬層係為具有次波長結構之金屬層。
3. 如申請專利範圍第2項所述之製法，其中，該具有次波長結構之金屬層之製作係包括以下步驟：於該第一金屬層上沈積第一犧牲層，接著進行高溫處理以使該第一犧牲層向該第一金屬層擴散，再蝕刻擴散至該第一金屬層內的第一犧牲層，俾使該第一金屬層成為具有次波長結構之多孔性金屬層。
4. 如申請專利範圍第2項所述之製法，其中，該具有次波長結構之金屬層之製作係包括以下步驟：於該第二金屬層上沈積第二犧牲層，接著進行高溫處理以使該第二犧牲層向該第二金屬層擴散，再蝕刻擴散至該第二金屬層內的第二犧牲層，俾使該第二金屬層成為具有次波長結構之多孔性金屬層。
5. 如申請專利範圍第3或4項所述之製法，其中，所述之高溫處理之溫度範圍在200℃至250℃之間。
6. 如申請專利範圍第2項所述之製法，其中，該具有次波長結構之金屬層之製作係包括以下步驟：加熱該導線和該第一金屬層，使該第一金屬層藉其與該導線之間熱膨脹係數之差異而形成具有次波長結構之顆粒型金屬層。
7. 如申請專利範圍第2項所述之製法，其中，該具有次波長結構之金屬層之製作係包括以下步驟：加熱該導線和該第二金屬層，使該第二金屬層藉其與該導線之間熱膨脹係數之差異而形成具有次波長結構之顆粒型金屬層。
8. 一種熱輻射發射器，包括：導線；第一金屬層，係形成於該導線的外表面以包覆該導線；介電質層，係形成於該第一金屬層的外表面以包覆該第一金屬層；以及第二金屬層，係形成於該介電質層的外表面以包覆該介電質層，其中，於該導線連接電流源時，由該導線所產生之熱輻射在該第一金屬層與該第二金屬層所形成之共振腔中共振。
9. 如申請專利範圍第8項所述之熱輻射發射器，其中，該第一金屬層或該第二金屬層的厚度範圍在20nm至100nm之間。
10. 如申請專利範圍第8項所述之熱輻射發射器，其中， 該介電質層的厚度範圍在20nm至150nm之間。