[논문]친수성/소수성 수평 표면상에서의 액적이송 메커니즘

명현국

doi:10.3795/ksme-b.2014.38.6.513

친수성/소수성 수평 표면상에서의 액적이송 메커니즘
Droplet Transport Mechanism on Horizontal Hydrophilic/Hydrophobic Surfaces 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.38 no.6 = no.345, 2014년, pp.513 - 523

초록
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유체이송 기술은 최근 마이크로 유체시스템 개발에서 핵심문제로 인식되고 있다. 본 연구에서는 최근 저자가 제안한 외부동력을 사용하지 않고 액적을 이송시킬 수 있는 새로운 개념인 친수성/소수성 수평 표면에서의 액적이송을 자체개발 코드(PowerCFD)를 사용하여 수치해석하였다. 수치해석에 사용된 코드는 보존적인 압력기반 유한체적방법에 기초한 비정렬 셀 중심 방법 및 VOF 방법에 체적포착법인 CICSAM을 채용하고 있다. 액적 내 및 주위의 속도벡터, 압력분포 및 전체운동에너지와 같은 수치해석 결과를 제시하고 이 결과들을 통해 액적이송 메커니즘을 규명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A fluid transport technique is a key issue for the development of microfluidic systems. In this study, the movement of a droplet on horizontal hydrophilic/hydrophobic surfaces, which is a new concept to transport droplets without external power sources that was recently proposed by the author, was simulated using an in-house solution code(PowerCFD). This code employs an unstructured cell-centered method based on a conservative pressure-based finite-volume method with interface capturing method(CICSAM) in a volume of fluid(VOF) scheme for phase interface capturing. The droplet transport mechanism is examined through numerical results that include velocity vectors, pressure contours, and total kinetic energy inside and around the droplet.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 외부동력을 사용하지 않고 표면을 친수성과 소수성 표면의 복합표면으로 단순하게 구성하고 액적을 이 경계면에 놓음으로써 유체의 응집력과 부착력 사이의 힘의 불균형 특성을 최대한 이용하여 액적을 이송시킬 수 있다는 최근 명(6)이 제안한 액적이송에 대한 기본적인 메커니즘을 보다 명확히 파악하고자, 친수성/소수성 표면상에 놓인 반원통형 액적을 대상으로 수치해석 방법을 포함하여 액적 내 압력분포, 속도분포 및 내부(운동)에너지 변화 등에 관해 보다 상세한 분석을 수행하였다. 또한 이 새로운 개념에 대한 실험적 및 수치해석적 연구결과가 존재하지 않는 상황에서, 향후 실험 및 수치해석 연구결과와의 비교분석을 위한 연구 자료를 제공하였다.
본 논문에서는 외부동력을 사용하지 않고 표면을 친수성과 소수성 표면의 복합표면으로 단순하게 구성하고 액적을 이 경계면에 놓음으로써 유체의 응집력과 부착력 사이의 힘의 불균형 특성을 최대한 이용하여 액적을 이송시킬 수 있다는 최근 명(6)이 제안한 액적이송에 대한 기본적인 메커니즘을 보다 명확히 파악하고자, 친수성/소수성 표면상에 놓인 반원통형 액적을 대상으로 수치해석 방법을 포함하여 액적 내 압력분포, 속도분포 및 내부(운동)에너지 변화 등에 관해 보다 상세한 분석을 수행하였다. 또한 이 새로운 개념에 대한 실험적 및 수치해석적 연구결과가 존재하지 않는 상황에서, 향후 실험 및 수치해석 연구결과와의 비교분석을 위한 연구 자료를 제공하였다.
본 논문은 친수성/소수성 표면상에 놓인 반원통형 액적을 대상으로 수치해석 방법을 포함하여 액적 내 압력분포, 속도분포 및 내부(운동)에너지 변화 등에 관해 보다 상세한 분석을 통해 명⁽⁶⁾이 제안한 액적이송에 대한 기본적인 메커니즘을 보다 명확히 파악하고자 한다. 이것은 이 새로운 개념에 대한 실험적 및 수치해석적 연구결과가 존재하지 않는 상황에서, 향후 실험 및 수치해석 연구결과와의 비교분석을 위한 연구 자료를 제공하는 면에서 중요하다고 할 수 있다.
본 수치해석방법의 유효성은 벽면부착에 의해 야기되는 다상유동현상의 동적거동을 연구한 이전 연구⁽¹²⁾에서 입증되었으므로, 여기서는 해석대상에 대해 시간에 따른 전체 액적의 체적변화 결과를 통해 유효성을 살펴보았다. 본 수치해석 결과는 비교적 성긴 격자를 사용하였음에도 불구하고 시간이 경과해도 초기의 경계가 퍼지거나 하는 현상이 거의 없으며, 약 100,000 시간스텝이 지난 후에도 처음 액적의 전체체적에 대해 0.

가설 설정

(6) 또한 본 연구에서는 공기 중에 움직이는 실제 물 액적을 상정하여 배경 유체는 공기로 가정하고, 표면장력 계수 σ는 7.0 x 10-2 N/m을, 시간스텝 ∆t= 5 x 10-6 s를 사용하였다.
1 참조). 참고로 이 액적은 실제 액적과는 달리 3차원 특성을 반영시키고 있지 않으나, 계산의 편의성과 새로운 개념을 입증하고 기본적인 메커니즘을 파악하기 위한 목적으로 이와 같이 가정하였다. 또한 액적이송 문제에서 영향을 미칠 수 있는 접촉각 히스테리시스(contact angle hysteresis)는 이전 논문⁽⁶⁾에 기술한 바와 같은 이유로 향후 연구과제로 남기고 여기서는 고려하지 않았다.

제안 방법

격자계는 격자민감도 테스트를 거친 후 최종적으로 비정렬 등간격 격자계로 12,500(250×50) 개의 제어체적을 사용하였으며, 등간격 정사각 격자계를 사용하는데 따른 초기오차를 줄이기 위해, 초기 상태에서의 액적이 차지하는 분율, 즉 VOF 값 α을 정확히 산정하는 처리를 하였다.
따라서 액적이송에 대한 적절한 수치해석방법이 필수적으로 요구되며, 본 연구에서는 각 상의 체적이 잘 보존되는 장점을 가진 셀(또는 검사체적)내에 액상의 체적비로 정의된 VOF(Volume Of Fluid) 값 α를 사용하여 상경계면을 추적하는 경계면 포착법(interface capturing method)인 VOF 방법 중에서 α를 자유표면의 정확한 위치에 대한 정보가 필요 없는 함수형태로 표현하고 이를 이송하는 방정식을 HR(High Resolution) 도식으로 풀어 경계면의 움직임을 정확하게 포착하는 체적포착법(volume capturing method)(7~10)을 사용하여 수치해석을 수행하였다.
본 절에서는 친수성/소수성 표면상에 놓인 반원통형 액적을 대상으로 본 연구에서 제시한 수치해석방법을 사용하여 수치적으로 해석한 결과를 토대로 명⁽⁶⁾이 제안한 액적이송에 대한 기본적인 메커니즘을 보다 명확히 파악하였다.
수치해석은 비정렬격자계 및 체적포착법을 채택한 VOF 방법을 사용하는 수치해석방법에 비정렬격자계에 적용할 수 있도록 제안된 표면장력에 대한 CSF 모델 및 벽면부착 경계조건 모델을 삽입하여 수행하였다.

대상 데이터

해석공간은 Fig. 1과 같이 수평방향으로 0.05 m, 수직 방향으로 0.010 m이며, 초기에 반원통형 액적 중심은 x =0.044 m에 놓여 있으며, x > 0.044 m 표면은 소수성 표면이고 x < 0.044 m 표면은 친수성 표면이다.
해석대상은 명(6)의 논문에서와 같이 친수성 표면과 소수성 표면 경계에 중심을 둔 반경 R=0.002 m인 가상적인 반원통형 액적으로, 초기에 표면(벽면)과의 접촉각을 90°로 한 후, 이 액적이 명기된 접촉각(소수성 표면에서 θ=135°, 친수성 표면에서 θ=45°)을 가진 친수성/소수성 표면상에서의 시간에 따른 움직임을 파악하는 초기 경계치 문제이다(Fig. 1 참조).

이론/모형

수치해석은 Myong and Kim⁽⁷⁾ 및 Myong^(8~10,12)이 개발한 비정렬격자계 및 체적포착법을 채택한 VOF 방법을 사용하는 수치해석방법(PowerCFD 코드)에 비정렬격자계에 적용할 수 있도록 제안된 식 (7) 형태의 표면장력에 대한 CSF 모델 및 식 (8) 또는 식 (9)의 벽면부착 경계조건 모델을 삽입하여 수행하였다. 참고로 PowerCFD 코드는 일반 상용 CFD 코드와 같이 유한체적법에 기초하여 비정렬 셀 중심방법을 채용하고 압력수정방법에 기반을 둔 3차원 유동해석방법^(13,14)에 체적포착법에서 크게 문제가 되는 번짐현상과 같은 계면의 비물리적인 변형 및 수치확산 문제를 크게 개선한 것으로 알려진 HR(High Resolution)도식인 CICSAM⁽¹⁵⁾(Compressive Interface Capturing Scheme for Arbitrary Meshes)을 도입하고 있다.

성능/효과

3의 결과는 액적이 과도하게 신장된 상태로까지 진행한 후(Fig. 2(n)), 시간과 함께 높은 압력 영역이 중심부로 이동하면서 평형상태보다 표면과의 접촉면적이 작은 수축된(볼록한) 형상으로 회귀하였다가, 다시 양쪽 표면과의 계면 부근 영역으로 옮겨가면서 액적이 다시 넓게 퍼지는 신장된 형상을 가지는 현상을 반복하며 점차 느려지기는 하나 평형상태에 도달할 때까지 왼쪽으로 움직여 가는 것을 확인할 수 있다. 또한 Fig.
결과를 보면 액적은 친수성 표면에서는 부착력이 강해 퍼지고, 소수성 표면에서는 응집력이 강해 오그라드는 양상을 보이며 다양한 형상변화를 일으키며 변형되면서 왼쪽(친수성 표면쪽)으로 움직인다(Fig. 2(a)-(e)).
넷째, Fig. 8에서 보는 바와 같이 이후에도 액적 내 속도분포는 전체적으로 왼쪽으로 향하고 있으며, 웨이브 형태의 진동과 같은 액적의 곡률 수정에 따른 신장과 수축은 계속되나 그 강도가 크게 약화되며 액적 내부 및 주위의 속도도 빠르게 감쇄됨을 알 수 있다. 따라서 액적은 왼쪽으로 움직임을 계속하지만 시간과 더불어 움직임이 점차 느려지다 멈추게 된다.
둘째, 액적이 소수성 표면을 벗어나면 액적 오른쪽 표면과의 계면 근방의 속도가 액적 왼쪽 표면과의 계면 근방의 속도에 비해 매우 미약하며, 곡률이 심한 영역을 완화시키기 위한 속도가 액적내 유동장을 변화시키면서 왼쪽으로 향하는 웨이브 형태의 속도분포를 나타내고 있음을 알 수 있다(Fig. 6(d)-(f)).
3의 결과와 함께 고려하면 이 변곡점들이 나타나는 영역은 액적이 평형상태보다 넓게 펴지는 신장에서 볼록한 수축 형상으로 바뀌는 영역으로, 이러한 결과는 액적이 수축하면서 움직이는 경우에 상대적으로 벽면마찰손실이 적어지며, 이와 동시에 다음 절에서 기술하는 바와 같이 액적 주변의 속도분포가 급격하게 변하면서 이것이 액적의 수축과정에 일부 기여하고 있다고 판단된다. 또한 60,000 시간 스텝이 진행된 0.3 s에서 운동에너지는 최댓값의 약 3.75%로 떨어진 후, 이후에는 역시 아주 미약한 진동을 주나 값이 변하지 않는데, 이 결과로부터 약 0.3 s에서 평형상태에 도달한 것을 알 수 있다. 참고로 TKE의 최솟값이 TKE_d의 최솟값보다 상대적으로 큰 것은 액적을 제외한 계산영역에 발생된 속도장이 소멸되지 않은 결과이다.
에서 입증되었으므로, 여기서는 해석대상에 대해 시간에 따른 전체 액적의 체적변화 결과를 통해 유효성을 살펴보았다. 본 수치해석 결과는 비교적 성긴 격자를 사용하였음에도 불구하고 시간이 경과해도 초기의 경계가 퍼지거나 하는 현상이 거의 없으며, 약 100,000 시간스텝이 지난 후에도 처음 액적의 전체체적에 대해 0.3 %의 매우 작은 오차를 가지면서 질량보존을 잘 만족시켜 주고 있어, 본 수치해석방법의 유효성 및 정확성을 입증해 주고 있다.
연구결과, 액적이송의 기본적인 메커니즘이 소수성 표면상에서는 응집력에 의한 힘이, 반대로 친수성 표면에서는 부착력에 의한 힘이 상대적으로 강하여 이 두 힘이 서로 시너지 효과를 내며 결합하여 액적 내부(운동)에너지를 증가시키면서, 액적 전체에 강한 비평형 상태를 만들어, 결과적으로 액적 계면에서의 곡률의 심한 비균일 분포로 인해 액적이 평형을 이루지 못하는 강한 비평형상태와 그 후에 액적 표면에서 발생하는 모세관파로 설명할 수 있음이 명확하게 확인되었다.
7). 이상의 결과는 액적이 소수성 표면을 벗어나면 액적의 계면은 전체적으로 친수성 표면의 특성을 가지게 되나 액적 오른쪽 표면과의 계면에서 다시 오른쪽으로 움직이려고 하나, 소수성 표면으로 인해 정지되며 이로 인해 결과적으로 왼쪽으로 미는 반작용 힘이 작용되어 이것이 왼쪽 표면과의 계면에서의 부착력에 의한 왼쪽 친수성 표면으로의 움직임을 가속화시키며, 액적 내부 운동에너지는 최댓값을 가진 후 시간과 더불어 이 반작용 힘이 사라지므로 액적 내부 에너지는 급격히 감소하기 시작하며, 액적은 액적 내부의 불균일 압력분포를 가진 비평형상태로 인해 양쪽으로 퍼지는 형태로 과도하게 신장된 형태로 변할 것이라는 명⁽⁶⁾의 액적이송 개념을 간접적으로 입증해 주고 있다고 사료된다. 또한 평형상태와 유사한 액적형상을 가지는 t=0.
7에서 보는 바와 같이 액적이 액적의 곡률수정을 액적의 후행부분인 오른쪽(진행방향의 반대쪽)부터 시작하여 선행부분인 왼쪽까지 진행한 후, 다시 반대 방향으로 진행하면서 웨이브 형태의 진동을 하며 빠르게 신장되면서 액적 주위의 강한 유동을 유발하고 있다. 즉, 액적의 곡률수정이 액적의 선행부분인 왼쪽까지 진행한 t=0.03 s(Fig. 6(f))에서 액적 주위 전체로 강한 유동장이 형성되고, 이보다 더 과도 신장되는 영역으로 들어서면 액적 주위의 강한 유동장은 액적으로부터 떨어져 나가며 액적 내 속도분포는 전체적으로 왼쪽으로 향하고 있으나 액적은 수축을 시작하면서 웨이브 형태의 진동을 하는 액적의 곡률로 인해 불안정한 형태로 변함을 알 수 있다(Fig.
그림에 보여준 결과로부터 몇 가지 사실을 확인할 수 있다. 첫째 시간이 경과함에 따라 액적 계면에서 곡률의 심한 비균일 분포로 인해 액적 전체에 강한 비평형 상태가 만들어져 액적이 소수성 표면을 벗어날 때까지 액적 내부 및 주변에 속도를 증가시키며, 액적 내부의 속도 벡터는 액적의 곡률수정과 함께 일부 방향이 바뀌나 전체적으로 왼쪽 친수성 표면쪽으로 향하고 있음을 알 수 있다(Fig. 6(a)-(c)).

후속연구

이 새로운 개념은 동력을 사용하지 않고 액적 안팎에서 발생되는 비평형 Laplace 압력을 이용하는 면에서는 기존의 개념^(1~5)과 유사하나, 기존의 개념이 비평형 Laplace 압력을 표면 습윤성 기울기 차이로 야기하기 때문에 주로 표면과 접하는 계면 부근에서만 비평형 Laplace 압력이 생성되는 이른바 준평형(quasi-equilibrium) 과정인데 반해, 새로운 개념은 유체의 응집력과 부착력 사이의 힘의 불균형 특성을 최대한 이용하기 때문에 액적 전체 계면 안팎에 강한 비평형 Laplace 압력을 생성시킬 수 있다.⁽⁶⁾ 또한 명⁽⁶⁾이 제안한 유체작동을 위한 새로운 액적이송 장치는 단순하게 친수성과 소수성 표면으로 구성된 복합표면을 구성하고 액적을 이 경계면에 놓는 것으로 이 개념을 적용한 마이크로 장치는 제작 면에서도 기존의 방법보다 용이하므로, 이 개념의 가능성이 입증된다면 마이크로 유체 시스템에서의 유체 이송 기술개발에 크게 기여할 것으로 사료된다. 명⁽⁶⁾은 이 새로운 개념을 입증하기 위해 해석대상으로 친수성 표면과 소수성 표면 경계에 중심을 둔 가상적인 반원통형 이차원 액적을 대상으로 액적의 움직임에 대한 수치해석을 통해 액적이송에 대한 새로운 개념 및 성능의 우수성을 입증하였다.
향후 실제 액적에 대한 액적모양, 초기 액적 위치, 액적 크기, 친수성/소수성 표면 평형 접촉각, 동적 접촉각 등의 영향에 대한 연구를 진행시킬 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유체이송 기술은 최근 무엇으로 인식되고 있는가?	유체이송 기술은 최근 마이크로 유체시스템 개발에서 핵심문제로 인식되고 있다. 본 연구에서는 최근 저자가 제안한 외부동력을 사용하지 않고 액적을 이송시킬 수 있는 새로운 개념인 친수성/소수성 수평 표면에서의 액적이송을 자체개발 코드(PowerCFD)를 사용하여 수치해석하였다.
	마이크로 스케일 시스템에서 관성력을 압도하는 주된 힘은?	현재 마이크로 유체(micro fluidic) 시스템 개발에서 유체이송(fluid transport) 기술은 핵심문제로 인식되고 있다. 이러한 마이크로 스케일 시스템에서는 표면장력이 관성력을 압도하는 주된 힘이 되므로, 표면장력에 의해 구동되는 유체작동(fluidic actuation)에 대한 연구가 많이 수행되고 있다. 특히 표면 습윤성 기울기(surface wettability gradient)는 오랫동안 액적이송을 제어하기 위해 적용되어져 왔으며, 일반적으로 액적조작(droplet manipulation)은 액적 표면 습윤성 기울기를 인공적으로 조작하는 것으로, 현재 열적, 전기적 및 감응원리에 기초한 다양한 메커니즘을 이용하고 있다.
	액적 표면 습윤성 기울기를 인공적으로 조작하기 위한 메커니즘들은 어떤 문제가 수반되는가?	특히 표면 습윤성 기울기(surface wettability gradient)는 오랫동안 액적이송을 제어하기 위해 적용되어져 왔으며, 일반적으로 액적조작(droplet manipulation)은 액적 표면 습윤성 기울기를 인공적으로 조작하는 것으로, 현재 열적, 전기적 및 감응원리에 기초한 다양한 메커니즘을 이용하고 있다. 그러나 이러한 메커니즘들은 화학적 상용성, 온도상승, 전기퍼텐셜의 간섭과 같은 근본적인 문제가 수반된다.(1) 따라서, 최근 표면에 거칠기(roughness) 등을 주는 방법과 같이 물리적으로 표면의 미세구조 형상(pattern)을 변화시키던지, 화학적으로 표면에 표면에너지의 기울기(gradient)를 만들어 주는 포토 패터닝(photo patterning) 기술을 이용함으로써 결과적으로 표면 습윤성 기울기를 변화시키는 방법이 제안되어 이에 관한 연구가 활발하게 수행되고 있다.

참고문헌 (15)

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상세보기
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Ubbink, O., 1997, Numerical Prediction of Two Fluid Systems with Sharp Interface, PhD Thesis, University of London.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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