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SUMMARY

CONTENTS

목차

I.나노입자를 이용한 백색광 LED 개발(III) 34

제1장 나노구조 반도체 형성 기술 소개 36

제1절 원자층 증착법을 이용한 나노구조 물질 형성 응용 36

1. 개요 36

2. 원자층 증착법(ALD)의 원리 및 특성 36

3. 원자층 증착법의 여러 가지 응용 분야 40

제2절 전기화학적 원자층 증착법 48

1. 전기화학적 원자층 증착법의 원리 및 특성 48

제3절 본 연구의 목표 및 연구 추진 체계 53

제2장 원자층 증착법을 이용한 ZnS, ZnTe 박막 형성 54

제1절 서론 54

제2절 실험방법 56

1. ALD 설비 및 공정조건 56

2. 반도체 박막 특성 분석법 61

제3절 실험결과 및 토의 61

1. ALD법을 이용한 ZnS, ZnTe 박막 형성 61

제4절 결론 68

제3장 이산화티탄 산화물 박막 형성 69

제1절 서론 69

제2절 실험방법 69

1. 중형 다공성 TiO₂ 박막 제조 69

2. TiO₂ 나노박막 특성 조사법 71

제3절 실험결과 및 토의 71

1. 건조온도 및 용매 사용량 영향성 71

2. 용매의 종류 및 소성 영향성에 따른 TiO₂ 박막의 중형기공 형성 75

제4절 결론 77

제4장 유로피움이 도핑된 이트륨산화물 나노입자 헝광체 78

제1절 서론 78

제2절 실험방법 78

1. 실리카로 이루어진 중형다공성 물질 제조 및 Y₂O₃:Eu 나노입자 합성 78

2. Y₂O₃:Eu 나노입자 및 중형기공실리카의 특성 조사법 80

제3절 실험결과 및 토의 80

1. 중형기공 실리카 주형 제조 80

2. Y₂O₃:Eu 나노입자의 특성 81

3. Y₂O₃:Eu 나노입자의 형광특성 83

4. Y₂O₃:Eu 나노입자-실리카 복합체의 형광특성 88

제4절 결론 91

제5장 결론 및 향후 계획 92

제1절 결론 92

제2절 향후계획 92

참고문헌 93

II.백색 반도체 광원 고출력화 기술 개발(III) 98

제1장 서론 100

제1절 연구 추진 배경 100

제2절 연구 목표 및 내용 103

제2장 국내ㆍ외 개발 현황 및 특허 분석 105

제1절 LED 특허기술 동향 및 분석 105

1. LED 특허 기술 동향 105

2. LED 응용 조명기구 특허 기술 분석 112

3. 본 연구기술과 기존 특허와의 차별성 분석 122

제3장 방열특성 향상을 위한 새로운 LED 구조 137

제1절 현재 사용되고 있는 LED 구조 137

1. 칩의 크기 및 전극 형태 137

2. Package 형태 138

제2절 광추출 효율 향상을 위한 기술 139

1. 루미레즈사의 방법 139

2. 니찌아사의 방법 141

3. 오슬람사의 방법 142

4. UEC사의 방법 143

제3절 새로운 구조의 W급 LED 설계 및 제작 144

1. LED 칩의 선정 144

2. W급 LED의 제작 149

제4장 MEMS 공정을 통한 Micro-Reflector의 제작 154

제1절 MEMS 기본 공정의 이해 154

1. 사진공정(Photolithography)의 개요 154

2. 감광제 이론 155

3. 노광 시스템 158

4. 공정소개 163

제2절 Micro-Reflector의 제작 172

1. Micro-Reflector의 설계 및 구성 172

2. 반사경의 제작 및 성능 개선 174

제5장 고출력 백색 LED 램프 설계 및 제작 183

제1절 백색 LED의 구현 방법 183

제2절 백색 LED 램프의 설계 및 제작 185

1. 렌즈를 이용한 기존의 LED 구조의 효율 분석 185

2. 입삭각에 따른 굴절 효율의 비교 187

3. 반사형 구조의 고효율 LED 램프 설계 및 제작 188

제6장 결론 195

참고문헌 200

III.고성능 LED 마이크로 방열기술(III) 202

제1장 서론 204

제1절 전자장치와 LED의 방열 204

제2절 전자장치 방열 기술 및 연구 동향 205

1. 수동적 방열 기술 206

2. 능동적 방열 기술 207

3. 연구 동향 209

제3절 연구 목표 및 연구 수행 방법 209

제2장 LED 램프의 자연대류 냉각과 시작품 제작 210

제1절 분산형 LED 램프의 자연대류 방열기 213

1. 2차년도 LED 방열기 213

2. 3차년도 LED 방열기 215

제2절 분산형 LED 램프의 자연대류 방열기 시작품 218

1. 시작품 제작 218

2. 시작품의 방열 실험 221

제3장 콘 형상의 모세관을 이용한 모세관 펌프 루프 223

제1절 콘 형상 모세관 제작 및 칩의 구성 224

1. 콘 형상 모세관 224

2. 칩의 구성 226

제2절 실험장치 및 실험방법 227

1. 실험장치 227

2. 실험방법 228

제3절 데이터 분석 229

제4절 실험결과 및 토의 231

1. CPL 구동 및 열전달 특성 231

제5절 모세관 펌프 루프의 결론 248

제4장 결론 249

참고문헌 250

I. 나노입자를 이용한 백색광 LED 개발 33

〈표 1-1〉 전기화학 증착법에 의한 II-VI족, III-V족 반도체 형성[75] 52

II. 백색 반도체 광원 고출력화 기술 개발= 33

〈표 1-1〉 각국 국가주도 프로젝트 현황 102

〈표 2-1〉 청색 발광소자 관련 연도별/국가별 특허출원건수 106

〈표 2-2〉 대상기술 주요선행특허 목록 122

〈표 2-3〉 본 기술과 선행기술들 간의 비교분석 125

〈표 2-4〉 대상기술 주요선행특허 목록 127

〈표 2-5〉 본 기술과 선행기술들 간의 비교분석 130

〈표 2-6〉 대상기술 주요선행특허 목록 132

〈표 2-7〉 본 기술과 선행기술들 간의 비교분석 135

〈표 3-1〉 시제품 제작에 사용된 LED 칩의 사양 150

〈표 4-1〉 감광제의 물리적 성질 비교 158

〈표 4-2〉 해상도 향상 방법 162

〈표 4-3〉 감광막 도포과정의 예 164

〈표 4-4〉 마이크로 반사경의 제작 공정 173

〈표 4-5〉 증착두께에 따른 반사율의 비교 179

III. 고성능 LED 마이크로 방열기술 33

〈표 5-1〉 제조 방법에 따른 백색 LED의 특성 비교 185

〈표 1-1〉 방열 기술의 분류 및 특성과 연구 동향 208

〈표 2-1〉 당해 연도 시작품의 특징 비교 219

I. 나노입자를 이용한 백색광 LED 개발 25

[그림 1-1]Al₂O₃ 박막 형성을 위한 원자층 증착법의 cycle 구성:step (I) TMA 주입, step (ii) 불활성 가스로 세정, step (III) H₂O 주입, step (IV) 불활성 가스로 세정 38

[그림 1-2] 주사전자현미경으로 관찰한 DRAM device의 capacitor 구조의 단면구조:trench hole 내부에 ALD범으로 증착된 Al₂O₃ 박막이 hole의 위, 바닥과 같은 위치에 의존함이 없이 균일하게 분포되어 있음을 확인함[7] 41

[그림 1-3] 투과전자현미경으로 확인한 Al₂O₃/TiO₂ multilayer복합막의 단면구조[9] 42

[그림 1-4] 다층 GMR 물질의 자기장에 대한 반응 및 다층구조 모식도[14] 43

[그림 1-5] VO(OPri)의 silica 표면 결합:(a), (b) monodentate bonding (L/V＝2) on silica (111)표면, (c) bidentate bonding (L/V＝1) on (100) 표면[16] 44

[그림 1-6] 주사전자현미경으로 관찰한 anodic aluminum oxide membrane의 top view:(a) lumina 가 coating 되지 않은 AAO, (b) 15 nm alumina가 ALD방식으로 coating된 AAO. 그림(A)에서 AAO의 색깔이 다른 이유는 AAO 제조시 첨가된 oxalate ion이 일부 alumina layer에 침투되었기 때문으로 판단된다. 검은 색이 AAO의 가공을 의미한다.[20] 45

[그림 1-7] 유동층 ALD반응기에 의해서 Al₂O₃가 coating된 BN입자의 TEM 사진[22] 46

[그림 1-8] DNA coated CNT (a) 및 DNA coating 되지 않은 CNT (b)를 이용한 transistor의 형성 및 특성 비교[23] 47

[그림 1-9] Cyclic voltammogram을 통해 확인한 Ag 전극 위에 형성된 Pb:0.1 M HClO₄ 용액 내에서 Pb2+의 농도는 10-4 mol/l 였다. Scanning 속도는 10 mV/sec임(이미지참조) 50

[그림 1-10] 금속이온 M이 전극 substrate에 monolayer 이하로 흡착되는 개략도:IHP와 OPH는 각각 innner Helmholtz plane, outer Helmpholtz plane을 의미함[33] 51

[그림 1-11] 본 연구의 추진 계획 53

[그림 2-1] ALD 설비의 외형 및 control module 55

[그림 2-2] ALD설비 전체 구성도 55

[그림 2-3] ALD 설비의 gas, source line, valve 구성도 화면 56

[그림 2-4] source 공급line 및 gas line 모식도:각 channel을 통해서 해당 부위의 가열이 이루어짐 57

[그림 2-5] Souce 및 gas 공급 장치 실제 모습 58

[그림 2-6] ZnTe 형성을 위한 ALD 공정 중 Cd source feeding (a) 및 purge (b) 공정이 진행될 때의 형성되는 유로 및 유량 59

[그림 2-7] ZnTe 형성을 위한 ALD 공정 중 Se source feeding (a) 및 purge (b) 공정이 진행될 때의 형성되는 유로 및 유량 60

[그림 2-8] ALD법에 의한 ZnS 박막 형성 원리 62

[그림 2-9] ALD 방식으로 증착되는 ZnS 박막의 공정 cycle에 따른 두께 변화 63

[그림 2-10] ALD 방식으로 증착되는 ZnS 박막의 공정온도에 따른 증착속도 변화 64

[그림 2-11] ALD 공정 cycle 수에 따른 ZnS 박막의 X선 회절도 변화 65

[그림 2-12] ALD 공정 cycle 수에 따른 ZnS 박막의 X선 회절도 변화:공정온도 350℃ 66

[그림 2-13] ALD 공정 온도 및 cycle 수에 따른 ZnTe 박막의 X선 회절도 변화 67

[그림 3-1] Si 웨이퍼 위에 코팅된 TiO₂ 박막 사진 71

[그림 3-2] 합성조건 중 건조온도에 따른 TiO₂ 박막의 중형기공발달:X선 회절도 72

[그림 3-3] 합성조건 중 건조온도에 따른 TiO₂ 박막의 중형기공발달:X선 회절도 73

[그림 3-4] 용매사용량에 따른 TiO₂ 박막의 중형기공 형성 정도:X선 회절도 74

[그림 3-5] 사용용매의 종류 및 소성에 따른 영향성 75

[그림 3-6] 소성 전, 후 TiO₂ 박막의 결정성 변화:X선 회절도 76

[그림 4-1] 합성조건에 따라서 기공의 크기가 조절된 중형다공성 실리카 SBA-15, MCM-41의 X선 회절도 81

[그림 4-2] 기질인 SBA-15에 담지된 Y₂O₃:Eu, bulk상태 Y₂O₃:Eu의 X선 회절도 82

[그림 4-3] 주형합성법으로 제조된 Y₂O₃:Eu 입자의 투과전자현미경 사진 83

[그림 4-4] Y₂O₃:Eu 나노입자의 UV 조사 전, 후 사진 84

[그림 4-5] 입자 크기에 따른 Y₂O₃:Eu의 형광특성:(위) 614 nm 파장 형광을 위한 흡수 스펙트럼, (아래) 203 nm 여기에 의한 형광파장 스펙트럼 85

[그림 4-6] 함침횟수에 따른 Y₂O₃:Eu의 형광특성:(위) 614 nm 파장 형광을 위한 흡수 스펙트럼, (아래) 203 nm 여기에 의한 형광파장 스펙트럼 87

[그림 4-7] 입자 크기에 따른 Y₂O₃:Eu의 형광특성:(위) 614 nm 파장 형광을 위한 흡수 스펙트럼, (아래) 203 nm 여기에 의한 형광파장 스펙트럼 88

[그림 4-8] Y₂O₃:Eu bulk 입자, SBA-15, Y₂O₃:Eu 나노입자, Y₂O₃:Eu/SBA-15 복합체의 광학적 특성:(위) 614 nm 파장 형광을 위한 흡수 스펙트럼, (아래) 203 nm 여기에 의한 형광파장 스펙트럼 90

[그림 4-9] 주형합성법을 이용한 Y₂O₃:Eu 나노입자 제조법 91

II. 백색 반도체 광원 고출력화 기술 개발 27

[그림 1-1] LED 성능지수와 연도별 발전 추이 101

[그림 2-1] 청색 발광소자 관련 연도별 국가별 출원 동향 106

[그림 2-2] 외국 특허의 연도별 출원 동향 107

[그림 2-3] 외국 특허의 출원인별 점유 비율 108

[그림 2-4] 외국 특허의 기술분야별 출원 비율 109

[그림 2-5] 청색 발광소자 관련 한국특허 출원 동향 110

[그림 2-6] 국내 특허 주요 출원인 현황 111

[그림 2-7] 국내의 특허 기술 분야별 출원 비율 111

[그림 2-8] 국가별 출원건수 (국가별 기술 수준) 112

[그림 2-9] 출원인 분석 (leading group 파악) 113

[그림 2-10] 기술분석 (IPC, 국제특허 분류) F21: 조명, G09 ; 교육; 암호방법; 전시; 광고; 봉인 GO2; 광학, HO1; 기본적 전기소자, HO4; 전기통신기술 113

[그림 2-11] 기술의 점유율 분석 114

[그림 2-12] 연도별 특허 출원 추이 파악 114

[그림 2-13] 연도 및 출원인에 따른 분석 115

[그림 2-14] 매트릭스 분석 115

[그림 2-15] 연도별 출원 건수의 신장율 116

[그림 2-16] 출원인수-출원건수 분석 116

[그림 2-17] 국가별 출원건수 (국가별 기술 수준) 117

[그림 2-18] 출원인 분석 (leading group 파악) 118

[그림 2-19] 기술분석 (IPC, 국제 특허 분류)(F21; 조명, HO1; 기본적 전기소자, HO6 ; 분류되지 않은 전기기술,B60 ; 차량 일반, GO8 ; 신호) 118

[그림 2-20] 기술의 점유율 분석 119

[그림 2-21] 연도별 특허 출원 추이 파악 119

[그림 2-22] 연도 몇 출원인에 따른 분석 120

[그림 2-23] 매트릭스 분석 120

[그림 2-24] 연도별 출원 건수의 신장율 121

[그림 2-25] 출원인수 출원건수 분석 121

[그림 3-1] 금속 전극면의 형상 137

[그림 3-2] Flip chip bonding type package 기술에 대한 일반적인 개략도 138

[그림 3-3] Metal bonding type package 기술에 대한 일반적인 개략도 139

[그림 3-4] SMT LED의 구조 139

[그림 3-5] Lumileds Co.의 LED 구조 140

[그림 3-6] Lumileds Co.의 LED 램프 구조 140

[그림 3-7] Lumileds 램프의 chip 구조, flip chip bondiong, lamp의 구성 141

[그림 3-8] Flip chip bonding type의 package 142

[그림 3-9] Metal bonding type의 package 142

[그림 3-10] Osram Co.의 white LED lamp의 package 구조 143

[그림 3-11] UEC Co.의 white LED package 143

[그림 3-12] 절두형 역피라미드 구조 LED의 단면구조 145

[그림 3-13] AlgaInP LED 칩의 발광 모습 146

[그림 3-14] W급 LED 시제품에 사용된 적색 칩의 구조 146

[그림 3-15] Multi-quantum well LED 구조 148

[그림 3-16] 고출력 InGaN 플립 칩 형태의 LED 칩 구조 148

[그림 3-17] W급 LED 시제품에 사용된 녹색 및 청색 칩의 구조 149

[그림 3-18] LED의 구조 비교 150

[그림 3-19] 고출력 LED 모델링 151

[그림 3-20] Luxeon Star의 배광 분포 151

[그림 3-21] 반사경의 설계 152

[그림 3-22] 리드 프레임의 설계 사양 152

[그림 3-23] 새로운 구조의 LED 시제품 153

[그림 4-1] 사진 공정의 개략도 154

[그림 4-2] Transistor 제조를 위한 사진 공정의 예 155

[그림 4-3] 노광에너지에 따른 감광제의 침투깊이 157

[그림 4-4] 감광제의 Contrast 157

[그림 4-5] Slit을 투과하는 광원의 회절 159

[그림 4-6] E-beam Lithography 159

[그림 4-7] 접촉식 노광시스템의 모식도 161

[그림 4-8] 투사형 노광시스템의 모식도 162

[그림 4-9] Spin중의 감광막의 모양 163

[그림 4-10] 여러 가지 오븐의 종류와 특성 165

[그림 4-11] Alignment 마크 및 상태 166

[그림 4-12] 고압수은 방전시의 스펙트럼 167

[그림 4-13] 고압수은 방전관의 방사선 형태 167

[그림 4-14] 빛의 정상파 형성에 따른 감광막 측벽의 문제 168

[그림 4-15] 사진 공정의 결함 요소 170

[그림 4-16] LED 램프에 적용 가능한 마이크로 반사경의 구조 172

[그림 4-17] 4인치 웨이퍼에 제작된 마이크로 반사경 174

[그림 4-18] 식각용액의 종류에 따른 경사면의 형태 174

[그림 4-19] 식각용액의 농도에 따른 경사면의 형태 175

[그림 4-20] 식각용액의 온도(70도)에 따른 경사면의 형태 175

[그림 4-21] 식각용액의 온도(80도)에 따른 경사면의 형태 176

[그림 4-22] Micrographs comparing hillock free and hillocked films 176

[그림 4-23] Al-Si phase diagram 177

[그림 4-24] 마이크로 반사경의 반사율 177

[그림 4-25] 경사면의 비교 178

[그림 4-26] 알루미늄 증착두께를 달리 제작한 시제품 178

[그림 4-27] 다양한 경사면을 갖는 리플렉터 제작 공정 180

[그림 4-28] Oxide Release 전과 후의 모습 181

[그림 4-29] 공정 후 시료의 SEM 사진 181

[그림 4-30] 경사면의 확대된 모습 182

[그림 5-1] 청색 LED와 노란색 형광체를 이용한 백색광 구현 183

[그림 5-2] 자외선 LED와 적색, 녹색, 청색 형광체를 이용한 백색광 구현 184

[그림 5-3] 적색, 녹색, 청색 칩을 이용한 백색광 구현 184

[그림 5-4] 렌즈를 사용하는 LED의 효율 분석 186

[그림 5-5] 빛의 입사에 대한 반사와 굴절 187

[그림 5-6] 빛의 입 사각에 대한 효율 비교 188

[그림 5-7] 반사경을 이용한 LED 구조의 효율 분석 189

[그림 5-8] 고출력, 고광속의 LED 램프의 구조 190

[그림 5-9] LED 램프 시제품(2차년도) 190

[그림 5-10] 개선된 LED 배열 간격 191

[그림 5-10] 확대된 LED 배치 모습 191

[그림 5-11] 다양한 색상 구현이 가능한 LED 램프 시제품 192

[그림 5-12] LED 램프 시제품의 광 스펙트럼 193

[그림 5-13] 배광제어를 위한 반사경의 종류 193

[그림 5-14] 리플렉터에 따른 배광 특성 194

[그림 5-15] LED 램프 스탠드 194

[그림 6-1] 현재 기존 조명기구에 대한 백색 LED 전구의 가격 경쟁력 196

[그림 6-2] 조명용 램프의 색온도와 연색성 평가지수와의 관계 197

III. 고성능 LED 마이크로 방열기술 30

[그림 1-1] 전자장치의 냉각에 사용되는 기존의 냉각 방법 205

[그림 1-2] CPU의 냉각에 사용되는 상용화된 heat pipe 207

[그림 2-1] 일반적인 LED 램프와 방열 시스템 210

[그림 2-2] LED 램프의 열 등가 회로 211

[그림 2-3] 환형으로 배치된 LED 소자와 반사경을 이용한 LED 램프(출처:단위 과제II) 212

[그림 2-4] 2차년도 LED 램프의 방열기 213

[그림 2-5] Film heater가 부착된 LED 방열 기와 실험 장치 213

[그림 2-6] 입력 전력에 따른 방열핀의 열 저항 214

[그림 2-7] 방사형 설계를 통한 열전달 성능 향상 215

[그림 2-8] 경사진 fin 기저부와 공기 배출 구멍을 이용한 방열기 설계 216

[그림 2-9] LED 방열기의 자연대류 유동 가시화 217

[그림 2-10] 분산형 LED 램프와 자연대류 방열기 시작품 설계 218

[그림 2-11] 방열기의 옆 모습과 air-exhaling holes 219

[그림 2-12] 방열기와 LED 소자 220

[그림 2-13] 탁상 스탠드형 LED 램프 시작품 221

[그림 2-14] 탁상 스탠드형 LED 램프의 점등 사진 221

[그림 2-15] LED 램프 시작품의 방열 실험 결과 222

[그림 3-1]Capillary structured silicon wafer(a) capillary,(b) individual and (c)cross sectional view 225

[그림 3-2] Scanning electron microscopy (SEM) of the capillary structures (a) cross-sectional view and (b) top view 225

[그림 3-3] Schematic of experimental chip and apparatus:(a) top view, (b) inclined view of CPL, (c) configuration of CPL 226

[그림 3-4] Schematic of erperimental chip and apparatus (a) top view, (b) bottom view of CPL, (c) inclined view of CPL 227

[그림 3-5] Picture of experimental apparatus 227

[그림 3-6] Picture of experimental apparatus of prototype 228

[그림 3-7] Transient characteristics for present CPL 232

(a) H＝2 cm, fill ratio＝50 % and q"＝3.36 W/㎠ 232

(b) H＝2 cm, fill ratio＝60 % and q"＝3.36 W/㎠ 232

[그림 3-8] Transient characteristics for present CPL H＝0cm, H＝2cm fill ratio＝60 % and q"＝2.05 W/㎠ 233

[그림 3-9] Transient characteristics for present CPL 234

(a) H＝0 cm, fill ratio＝50 % and q"＝3.36 W/㎠ 234

(b) H＝0 cm, fill ratio＝60 % and q"＝3.36 W/㎠ 234

(c) H＝0 cm, fill ratio＝70 % and q"＝3.36 W/㎠ 235

[그림 3-10] Transient characteristics for present CPL 236

(a) H＝0 cm, fill ratio＝50 % and q"＝6.22 W/㎠ 236

(b) H＝0 cm, fill ratio＝60 % and q"＝6.22 W/㎠ 236

(c) H＝0 cm, fill ratio＝70 % and q"＝6.22 W/㎠ 237

[그림 3-11] Heat transfer coefficients depending on the heat flux for H＝0 cm. 238

[그림 3-12] Thermal resistances depending on the heat nor for H＝0 cm 238

[그림 3-13] Transient characteristics for present CPL 239

(a) H＝0.2 cm, fill ratio＝50 % and q"＝1.80 W/㎠ 239

(b) H＝0.2 cm, fill ratio＝60 % and q"＝1.80 W/㎠ 240

(c) H＝0.2 cm, fill ratio＝70 % and q"＝1.80 W/㎠ 240

[그림 3-14] Transient characteristics for present CPL 241

(a) H＝0.5 cm, fill ratio＝50 % and q"＝1.80 W/㎠ 241

(b) H＝0.5 cm, fill ratio＝60 % and q"＝1.80 W/㎠ 242

(c) H＝0.5 cm, fill ratio＝70 % and q"＝1.80 W/㎠ 242

[그림 3-15] Transient characteristics for present CPL 243

(a) H＝0.5 cm, fill ratio＝50 % and q"＝5.0 W/㎠ 243

(b) H＝0.5 cm, fill ratio＝60 % and q"＝5.0 W/㎠ 244

(c) H＝0.5 cm, fill ratio＝70 % and q"＝5.0 W/㎠ 244

[그림 3-16] Heat transfer coefficients depending on the relative height under q"＝1.80 W/㎠ 245

[그림 3-17] Thermal resistances depending on the relative height under q"＝1.80 W/㎠ 246

[그림 3-18] Heat transfer coefficients depending on the heat fluf for H＝0.5 cm. 247

[그림 3-19] Thermal resistances depending on the heat flux for H＝0.5 cm. 247