Recent trends of the micro/nano heaters are miniaturization and high efficiency. It is found that convective heat loss increase significantly with miniaturization, which hinders achieving high efficiency. However, the research on micro/nano heater structure considering convective heat loss is insufficient. Therefore, in this research, new structure to improve the efficiency of micro/nano-heaters by reducing convective heat loss is studied. Solid conduction theory is applied to qualitatively expect convective heat loss reduction since the dominant mechanism of convective heat loss around microwire is by conduction of gas molecules. Optimized device is fabricated to validate the theory. Heat transfer coefficient of microwire array is measured at various ratio of gap and the mean free path. Experimental result shows the rapid decrease of the power consumption to reach the same temperature of microwire array with decreasing ratio of array gap and mean free path. Also it is experimentally confirmed that convective heat loss change follows the size effect theory of solid conduction. To my knowledge, this is the first time to propose micro-heater structure considering the convective heat shielding.
마이크로/나노 히터는 가스 센서, 실리콘 포토닉스, 구동기, 발광체 등 다양한 분야에 쓰인다. 최근 마이크로/나노 히터의 연구 동향은 소형화와 고효율화이다. 소형화가 되면은 열전도도가 감소하여 전력효율이 증가한다. 하지만 소형화가 되면 대류 열손실이 매우 증가하게 되며 그 비중이 상당한 것으로 알려졌으나, 대류 열손실을 고려한 구조에 대한 연구가 부족하다. 따라서 본 연구에서는 대류 열손실 감소를 고려한 구조 설계를 통한 마이크로/나노 히터 효율 향상 방법을 연구하였다.
본 연구에서는 마이크로/나노스케일에서의 고체 전도 이론을 마이크로와이어 배열 주변의 대류에까지 확장하여 적용하고 구조에 따른 열차단 효과를 예상하였다. 또한 간격과 개수 조절이 자유로운 마이크로와이어로 이론을 검증하기로 하였다. 마이크로 와이어 배열의 기계적 안정성, 전력 효율, 공기의 압력 등을 고려하여 구조와 크기를 결정하였으며, 기판의 영향을 최소화하기 위해서 마이크로 와이어를 공중부유 시켰다. 도금으로 마이크로와이어 배열을 제작하였고, bulk micromachining으로 공중부유 시켰다.
마이크로와이어 배열의 전기적 및 열적 특성을 측정하였고, 소비전력에 따른 온도변화를 측정하였다. 간격과 mean free path의 비율이 감소하면 같은 온도를 올리는데 드는 소비전력 또한 감소하고, 간격과 mean free path의 비율이 2보다 작아지면 소비전력이 급격히 감소하는 것을 발견하였다. 이것이 대류에 의한 효과일 것이라고 가정하였다. Heat transfer coefficient 측정 setup 및 방법을 고안해서 마이크로와이어 배열을 줄 발열 시키고 heat transfer coefficient를 측정하였다. Heat transfer coefficient 또한 간격과 mean free path의 비율이 2보다 작아지면 급격히 감소하는 것을 보였으며, 따라서 소비전력의 급격한 감소는 대류 열 손실 감소로 인한 것임을 검증하였다. 본 연구는 알고 있는 한 대류 열 차단을 고려한 마이크로 히터 구조를 최초로 제안하였다는데 의의가 있다.
