본 논문은 비이온의 계면 활성제에 의해 증발하는 물방울의 열모세관 유동(마랑고니 유동)이 억제되는 것을 실험적으로 검증한다. 물방울이 소수성 표면 위에서 증발할 때, 액적 내부의 마랑고니 유동을 관찰하였고, 계면 활성제 농도에 따라 이 유동이 억제되는 것을 조사하였다. 초기 계면 활성제 농도가 증가하면, 마랑고니 유동의 속도와 수명이 감소한다. 이 결과는 계면 활성제에 의해 액적 계면에서 점착 경계 조건이 성립됨을 보여주는데, 이것은 계면 점착 현상과 관련된 기존의 모델에 기초하여 설명되었다. 또한 액적의 초기 계면 활성제 농도가 임계 농도 이하일 때, 증발 초기 접촉선 비고정 현상을 발견했는데, 이것은 마랑고니 유동이 접촉각의 이력 현상을 감소시키기 때문이다.
본 논문은 비이온의 계면 활성제에 의해 증발하는 물방울의 열모세관 유동(마랑고니 유동)이 억제되는 것을 실험적으로 검증한다. 물방울이 소수성 표면 위에서 증발할 때, 액적 내부의 마랑고니 유동을 관찰하였고, 계면 활성제 농도에 따라 이 유동이 억제되는 것을 조사하였다. 초기 계면 활성제 농도가 증가하면, 마랑고니 유동의 속도와 수명이 감소한다. 이 결과는 계면 활성제에 의해 액적 계면에서 점착 경계 조건이 성립됨을 보여주는데, 이것은 계면 점착 현상과 관련된 기존의 모델에 기초하여 설명되었다. 또한 액적의 초기 계면 활성제 농도가 임계 농도 이하일 때, 증발 초기 접촉선 비고정 현상을 발견했는데, 이것은 마랑고니 유동이 접촉각의 이력 현상을 감소시키기 때문이다.
The suppression of a thermocapillary flow (Marangoni flow) by a nonionic surfactant is experimentally investigated for evaporating pure water droplets on hydrophobic substrates. The experiment shows that as the initial concentration of the surfactant increases, the velocity and lifetime of the flow ...
The suppression of a thermocapillary flow (Marangoni flow) by a nonionic surfactant is experimentally investigated for evaporating pure water droplets on hydrophobic substrates. The experiment shows that as the initial concentration of the surfactant increases, the velocity and lifetime of the flow monotonically decrease. The result confirms the no-slip boundary condition at a liquid-air interface, which is explained on the basis of the previous model regarding the effect of surfactants on the no-slip condition. Interestingly, at an initial concentration much less than a critical value, it is found that depinning of the contact line occurs during the early stage of evaporation, which is ascribed to a reduction in the contact angle hysteresis owing to the presence of the Marangoni flow.
The suppression of a thermocapillary flow (Marangoni flow) by a nonionic surfactant is experimentally investigated for evaporating pure water droplets on hydrophobic substrates. The experiment shows that as the initial concentration of the surfactant increases, the velocity and lifetime of the flow monotonically decrease. The result confirms the no-slip boundary condition at a liquid-air interface, which is explained on the basis of the previous model regarding the effect of surfactants on the no-slip condition. Interestingly, at an initial concentration much less than a critical value, it is found that depinning of the contact line occurs during the early stage of evaporation, which is ascribed to a reduction in the contact angle hysteresis owing to the presence of the Marangoni flow.
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문제 정의
본 연구는 소수성 표면 위에 놓인 순수한 물방울이 상온에서 증발할 때, 계면 활성제의 농도에 따라 마랑고니 유동 억제를 관찰하였다. 또한 물방울 증발 현상에서 계면 활성제에 의해 마랑고니 유동이 억제되는 메커니즘을 실험적으로 규명하였다.
본 연구는 소수성 표면 위에 놓인 순수한 물방울이 상온에서 증발할 때, 계면 활성제의 농도에 따라 마랑고니 유동 억제를 관찰하였다. 또한 물방울 증발 현상에서 계면 활성제에 의해 마랑고니 유동이 억제되는 메커니즘을 실험적으로 규명하였다.
본 연구에서 소수성 표면 위에 놓인 액적의 마랑고니 유동을 가시화 하였고, 마랑고니 유동의 속도와 수명에 대하여 토의하였다. 물방울의 마랑고니 유동은 계면 활성제에 의해 억제되는데, 이것은 계면 활성제가 계면의 점착 조건을 성립시키기 때문이다.
제안 방법
3 장에서 순수한 물방울(Case 1)에서 마랑고니 유동이 관찰되었지만, 임계 농도 이상의 계면 활성제로부터 오염된 물방울(Case 3)에서는 관찰되지 않았다. 두 경우 액적에 대해서 증발 시 접촉 반지름과 접촉각의 동적인 변화를 조사하였다. Fig.
레이저 빔은 파장이 532 nm 인 Nd:Yag 레이저(LGL200, AIXIZ)를 사용하였다. 레이저 빔을 빔 익스팬더(beam expander)와 원형 초점 렌즈(cylindrical focusing lens)에 순서대로 통과시키면서 레이저 시트(두께~0.2 mm)를 만들고, 이를 액적의 중앙을 관통시켜 액적 내부 유동을 관찰하였다. 순수한 물방울은 3 차 증류수(Direct-Q, Millipore)를 사용하여 얻었다.
이때 액적 초기 온도 25±1℃ 로 측정되었다. 액적 내부 유선을 파악하기 위해 접사 렌즈가 결합된 디지털 카메라를 이용하여 1~2 초간 노출된 사진을 촬영하였고, 유동의 속도 측정을 위해 초고속 카메라(Photron, Fastcam-1024 PCI)를 이용하여 초당 60~125 프레임으로 입자 분포 변화를 촬영하였다. 입자 분포 이미지는 물방울의 렌즈 효과로 인해 왜곡되었기 때문에, 촬영된 이미지를 복원시켰다.
열모세관 유동이 축대칭적으로 발생하는지 조사하기 위하여 도립현미경(inverted microscope, Zeiss)을 이용하여 고체 표면 근처에서 액적 내부 유동을 가시화하였다. Fig.
이를 확인하기 위해, 순수한 물과 비이온의 계면 활성제 (Tween 20) 혼합액을 다양한 농도(0, 5×10-6 , 7.5×10-6 wt %)로 제조하였고, 액적 증발 시 내부 유동을 관찰하였다.
액적 내부 유선을 파악하기 위해 접사 렌즈가 결합된 디지털 카메라를 이용하여 1~2 초간 노출된 사진을 촬영하였고, 유동의 속도 측정을 위해 초고속 카메라(Photron, Fastcam-1024 PCI)를 이용하여 초당 60~125 프레임으로 입자 분포 변화를 촬영하였다. 입자 분포 이미지는 물방울의 렌즈 효과로 인해 왜곡되었기 때문에, 촬영된 이미지를 복원시켰다.(17) 액적의 대칭 축에서의 높이를 h 라고 할 때, 유속은 0.
대상 데이터
7h 사이의 속도 데이터의 평균값을 계산하여 얻었다. 계면활성제는 비이온 계면활성제(nonionic surfactant)인 Tween 20 과 Span 20 을 사용하였다.
고체 표면은 약 100 nm 의 테프론(AF1600)이 코팅된 실리콘 웨이퍼가 사용되었다(측정된 정적 접촉각: 116±3°).
1 과 같이 입자영상유속계(particle image velocimetry) 장치가 도입되었다. 레이저 빔은 파장이 532 nm 인 Nd:Yag 레이저(LGL200, AIXIZ)를 사용하였다. 레이저 빔을 빔 익스팬더(beam expander)와 원형 초점 렌즈(cylindrical focusing lens)에 순서대로 통과시키면서 레이저 시트(두께~0.
추적 형광 입자는 직경 2.0 µm 그리고 밀도 1.05 g/cm3 의 입자(Polystylene, Nile Red F8825, Molecular Probes)를 사용하였다.
성능/효과
(12~15) 계면 활성제가 흡착 메커니즘으로 계면 속도를 감소시키는 것이 실험 및 수치 해석적으로 조사되었다.(12) 계면 활성제의 흡착/탈착에 의한 계면의 점착 조건의 모델이 제시되었고, 비정상 상태(transient state)에서 계면의 속도가 감소되는 것이 수치 해석적으로 조사되었다.(13,14) 염이 포함된 액적이 증발할 때 액적 표면에서 입자 거동이 거의 없는 것이 실험적으로 관찰되었다.
3.2 장에서 언급했듯이, 계면의 국부적인 농도( Γ )가 포화 농도( Γ∞ )보다 더 작을 경우에는 유동이 발생되고, 계면 국부적인 농도가 포화 농도만큼 커지게 되면 그 계면 주변에서 유동이 소멸된다.
3.3 장에서 순수한 물방울(Case 1)에서 마랑고니 유동이 관찰되었지만, 임계 농도 이상의 계면 활성제로부터 오염된 물방울(Case 3)에서는 관찰되지 않았다. 두 경우 액적에 대해서 증발 시 접촉 반지름과 접촉각의 동적인 변화를 조사하였다.
1 초 간격으로 촬영된 입자 이미지를 겹친 것이다. 가시화 결과, 입자들이 축대칭적으로 액적 중심에서 바깥 접촉선 방향으로 이동하는 것이 관찰되었다.
물방울의 마랑고니 유동은 계면 활성제에 의해 억제되는데, 이것은 계면 활성제가 계면의 점착 조건을 성립시키기 때문이다. 계면 활성제의 억제와 관련된 기존의 이론들로 메커니즘의 타당성을 입증하였고, 초기 물방울 내 계면 활성제의 농도에 따라 유동의 속도와 수명이 달라지는 실험 결과로 이를 검증하였다. 또한 본 연구에서 마랑고니 유동이 증발 첫 단계의 초기 접촉선 고정 효과를 감소시키는 것을 보였는데, 이는 커피 얼룩(coffee stain) 효과의 변화를 줄 것으로 기대된다.
이 유동은 액체-공기 계면에서의 온도 구배로부터 기인된 것인데, 증발 시작과 동시에 생성되고 몇 분간 지속되지만 곧 소멸되었다. 유동 속도는 약 1.0 mm/s (대칭 축 평균속도), 지속 시간은 증발 완료 시간의 약 15~30% 로 측정되었다. 상온 증발 현상에서, 순수한 물방울의 마랑고니 유동의 속도나 수명 등의 특징은 아직까지 보고된 바가 없다.
후속연구
계면 활성제의 억제와 관련된 기존의 이론들로 메커니즘의 타당성을 입증하였고, 초기 물방울 내 계면 활성제의 농도에 따라 유동의 속도와 수명이 달라지는 실험 결과로 이를 검증하였다. 또한 본 연구에서 마랑고니 유동이 증발 첫 단계의 초기 접촉선 고정 효과를 감소시키는 것을 보였는데, 이는 커피 얼룩(coffee stain) 효과의 변화를 줄 것으로 기대된다. 향후에는 기존 이론을 바탕으로 순수한 물방울의 내제된 계면 활성제(unintentional surfactant)의 점착 효과에 대한 정량적인 연구를 진행할 예정이다.
흡착 및 탈착 계수가 다르면, 계면에서 계면 활성제 분자의 총 질량 유입이 달라지기 때문에, 유동 억제 정도가 달라진다. 이 영향을 자세히 조사하기 위해서, 실험적인 흡착 및 탈착 계수 등의 변수값 예측과 수치해석적인 정량적 연구가 필요하다.
또한 본 연구에서 마랑고니 유동이 증발 첫 단계의 초기 접촉선 고정 효과를 감소시키는 것을 보였는데, 이는 커피 얼룩(coffee stain) 효과의 변화를 줄 것으로 기대된다. 향후에는 기존 이론을 바탕으로 순수한 물방울의 내제된 계면 활성제(unintentional surfactant)의 점착 효과에 대한 정량적인 연구를 진행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
순수한 물에서의 열모세관 유동이 억제되는 이유는?
열모세관 유동은 에탄올, 메탄올 등의 많은 액체에서 관찰이 되어 왔지만,(5~8) 순수한 물의 경우에는 거의 관찰이 되지 못하였다.(5,9) 순수한 물은 미량의 계면 활성제(5)나 대기 중의 오염 입자(10)로부터 쉽게 오염되어 열모세관 유동이 억제된다. Hu 와 Larson(5)은 액적 증발 현상에서 액적 표면의 온도 구배에 의한 마랑고니 유동을 수치 해석을 통해 추측하였고, 실험 결과와의 차이점을 미량의 내제되어 있는 계면 활성제(unintentional surfactant)의 영향으로 추정하였다.
열모세관 유동은 어디서 관찰되는가?
열모세관 유동은 에탄올, 메탄올 등의 많은 액체에서 관찰이 되어 왔지만,(5~8) 순수한 물의 경우에는 거의 관찰이 되지 못하였다.(5,9) 순수한 물은 미량의 계면 활성제(5)나 대기 중의 오염 입자(10)로부터 쉽게 오염되어 열모세관 유동이 억제된다.
열모세관 유동은 어떤 현상을 의미하는가?
액적의 증발 현상은 과학적으로 흥미로울 뿐만 아니라,(1) 잉크젯 프린팅,(2) 생체 분자 배열(biomolecular arrays)(3) 등으로 공학적으로도 널리 응용되고 있다. 액적 증발 시 액체-기체 계면에서 온도 구배가 생성되는데, 이것은 표면 장력 구배를 유발하여 유동을 생성시킨다. 이것을 열모세관 유동(thermocapillary flow) 또는 마랑고니 유동(Marangoni flow)이라고 한다.
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