In this dissertation, Cu nanowire arrays and CuO nanostructures were successfully fabricated to enhance nucleate boiling for high heat flux devices with low profile. The conventional structures used to enhance nucleate boiling are often too large to integrate into real application or need specialized equipment or elevated temperature for fabrication. Thus there is a critical need for developing the boiling enhancement structure that has low profile and low temperature process.
First, copper nanowire arrays on a silicon (Si) substrate were fabricated by electro-chemical deposition through an anodized aluminum oxide (AAO) template to generate a high performance boiling surface. In this study, the pitch (~300 nm) and diameter (~200 nm) of the nanowires were fixed, and the height was varied between 1 and 8 ??m. In the experiments, the performance of copper nanowires is found to depend on the wire height. Incipience temperature for boiling was found to increase as the nanowire height increases, an optimum value of critical heat flux (CHF) was found at 3 ??m, and the superheat for nucleate boiling regime decreases as the nanowire length increases.
Copper nanowires are highly thermal conductive, are effective at short lengths, need low temperature process and can be integrated with future semiconductor cooling methodologies.
Secondly, low profile, flower-like, CuO nanostructures on the surface of a silicon thermal test die was presented to enhance nucleate pool boiling. The CuO nanostructures are composed of a ~3 ??m diameter flower bud and ~20 nm thick petals. Since the CuO nanostructures are both easy to synthesis and integrate, they can be added to current
micro-sized cavities for an additional boiling enhancement. An alkali assisted surface oxidation technique was used to create the CuO nanostructures by immersing a Cu source into a 2.5 M NaOH and 0.1 M (NH_4 )_2 S_2 O_8 solution. 6.4~6.8 W/cm^2 improvement in CHF was obtained by the addition of CuO nanostructures to both a smooth
surface and a microgrooved surface.
These results are meaningful because copper nanowire arrays and flower-like, CuO nanostructures can increase the boiling performance while possessing a thickness of less than 3 ??m. In addition, the fabrication of these structures is inexpensive, quick, and is done at room temperature. Potentially, these copper nanowire arrays and
flower-like, CuO nanostructures could be integrated into any boiling surface by electrochemical deposition or oxidation of Cu in a solution. The works reported here are enhancements over previous studies on structured surfaces, which mainly considered structures on the order of 100 ??m and low temperature process.
단위면적당 발열량이 높은 소형 디바이스의 핵비등 성능 향상을 위한 구리 나노와이어와 산화구리 나노구조를 성공적으로 제작하였다. 기존의 개선 구조들도 비등성능 개선을 위해 사용될 수 있으나, 실제 시스템에 적용하기에 너무 크거나, 구조를 제작하기 위해 특별한 장비나 고온이 요구되었다. 따라서, 크기가 작으면서도 낮은 공정 온도를 갖는 비등성능 향상 구조가 절실히 필요하다.
첫째로, 성능이 좋은 비등 표면을 만들기 위해서 양극 산화 알루미늄 틀을 통한 전기도금에 의해 구리 나노와이어들이 실리콘 기판 위에 제작되었다. 본 연구에서는 나노와이어의 피치는 약 300 nm, 지름은 약 200 nm로 고정하고, 길이를 1 ??m에서 8 ??m까지 변화시켰다. 실험 결과, 구리 나노와이어의 성능은 와이어의 길이에 의존함이 밝혀졌다. 비등 시작 온도는 나노와이어가 길어질수록 낮아지고, 임계열유속(CHF)은 2 ??m에서 최고의 값을 갖고, 핵비등 영역에서의 과열 온도는 나노와이어의 길이가 길어질수록 낮아졌다. 구리 나노와이어는 열전도도가 높고 짧은 길이에서도 효과가 있고, 낮은 공정 온도를 갖기 때문에 차세대 반도체 냉각 방법에 접목될 수 있다.
둘째로, 핵비등을 향상시키기 위해 크기가 작은 꽃 모양의 산화구리를 열 실험용 실리콘 다이에 만들었다. 산화구리 나노구조는 약 직경 3??m의 꽃봉오리와 약 20nm 두께의 꽃잎을 가지고 있다. 산화구리 나노구조는 제작과 적용이 쉽기 때문에, 기존의 마이크로 사이즈의 공동의 비등성능을 추가적으로 높일 수 있다. 산화구리 나노구조를 만들기 위해 and 0.1 M (NH_4 )_2 S_2 O_8 용액 속에 구리를 담그는 알칼리 표면 산화 기술이 사용되었다. 산화구리 나노구조를 평평한 구리와 마이크로 크기의 홈을 갖는 구리 표면에 만들어서 열유속이 6.4~6.8 W/cm^2 증가되었다.
구리 나노와이어와 꽃모양 산화구리가 3 ??m이하의 두께를 가지고도 비등성능을 향상 시킬 수 있는 것은 의미 있는 결과이다. 또한 이들 구조의 제작은 저렴하고, 신속하고, 상온에서 제작될 수 있다. 이러한 구조들은 어떠한 비등 표면이라도 구리를 전기도금 또는 산화시켜서 응용될 수 있다. 본 연구 결과는 100 ??m급의 크기와 상온 공정에 사용될 수 있는, 기존에 비해 향상된 내용이다.
