Recent advent of micro thermal devices such as lab-on-a-chip and micro heat pump necessitates development of highly effective insulation chips or layers. This thesis reports the development of a vacuum insulation chip (VIC) having very low effective thermal conductivity and very small thickness. The VIC developed in this work is a multi-layer insulation chip with two vacuum gaps between three plates. A staggered array of support legs in the vacuum layers withstands the atmospheric pressure and increases the heat flow path line. Also, an LCD glass plate is selected by considering the gas permeation, low thermal conductivity, high strength and very small thickness. A complete analysis of radiative transfer in multi-layered structure is performed using electromagnetic wave theory. As the result, fifty nanometer thickness aluminum coating on both sides of the middle LCD glass plate and $5\mu m$ vacuum gaps are found to be enough to virtually eliminate the radiation heat transfer. Design of VIC involves trade-offs between the heat conduction through the multi-layer structure and the mechanical strength. An approximate procedure to determine the actual dimensions is proposed. The results are in reasonable agreement with more refined results using commercial numerical codes. Based on these results, a VIC of $32 \times 32 \times 1.88 mm^3$ is fabricated through glass etching and metal coating. Vacuum bell jar system for evacuation of VIC and guarded hot plate (GHP) for measuring the thermal conductivity of VIC are constructed. The latter apparatus is validated with a reference specimen of 10 mm thick polystyrene. The chip shows effective thermal conductivities of 0.0015 and 0.001 W/m·K at vacuum levels of 1.33 and 0.24 Pa, respectively. The total uncertainty in $\it{k}$ is less than 7.2% for all cases at a 95% confidence level. The results prove the practical applicability of VIC and the design methodology proposed in this thesis.
최근 랩온어칩과 마이크로 히트 펌프와 같은 미소기기의 등장은 매우 뛰어난 단열칩 혹은 단열층의 개발을 필요로 하고 있다. 본 논문은 매우 작은 열전도도를 가지면서도 매우 작은 두께를 가지는 진공 단열칩의 개발을 이야기 하고 있다.
본 연구에서 개발된 진공 단열칩은 3개의 판 사이에 진공층을 가지는 다층 구조 형태이다. 각각의 진공층에 존재하는 지지기둥들은 서로 엇갈린 형태로 위치되어 대기압에 견딜 수 있고 열이 이동하는 경로를 증가시켜준다. 또한 가스 투과, 낮은 열 전도도, 높은 강성 그리고 작은 두께를 고려하여 LCD 기판 유리가 선택되었다.
다층 구조에서의 완벽한 복사 열전달 해석은 전자기파 이론을 이용해 수행하였다. 그 결과 진공층의 두께 $5 \mu m$ 와 가운데 유리판의 모든 표면에 $0.05 \mu m$ 의 알루미늄 코팅은 복사에 의한 열전달을 무시할 수 있을 만큼 효과적임을 알 수 있었다. 진공 단열칩의 설계는 다층 구조를 통한 열전도 해석과 기계적 강성을 서로 고려하여야 한다. 설계 변수들을 결정하기 위한 근사 과정이 제안 되었다. 결과들은 상용 프로그램을 사용하여 얻을 수 있는 정확한 결과와 신뢰할 만한 수준에서 일치했다.
해석을 통한 결과를 바탕으로 유리 절단과 유리 에칭을 통하여 $32 \times 32 \times 1.88 mm^3$ 크기의 진공 단열칩을 제작하였다.
진공 단열칩 내부를 진공을 만들기 위한 진공 펌핑 시스템과 진공 단열칩의 열전도도를 측정하기 위한 가디드 핫 플레이트가 구축되었다. 가디드 핫 플레이트는 두께 10mm의 폴리스티렌을 이용하여 실험장치의 검증이 수행되었다.
1.33 과 0.24 Pa 압력하에서 실험한 결과 진공 단열칩의 유효열전도도는 각각 0.0015 와 0.001 W/m·K이었다. 얻어진 유효 열전도도의 불확실성은 95% 신뢰 수준에서 모든 경우에 대해서 7.2%보다 작았다. 이러한 결과들은 본 논문에서 제안된 설계 방법과 제작된 진공 단열칩의 실질적 이용성을 입증했다고 볼 수 있다.
