수직 진동을 이용한 가열된 고체표면 위 증발하는 액적의 내부유동 제어연구 Study of the Internal Flow and Evaporation Characteristic Inside a Water Droplet on a Vertical Vibrating Hydrophobic Surface원문보기
가열된 표면에서의 액적은 일반적으로 내부에 마랑고니 유동이 발생하고, 이는 불균일한 침전물 패턴 형상을 구성하게 된다. 본 연구는 마랑고니 유동을 가시화하고, 수직진동을 사용해서 이를 제어하는 것을 주 목적으로 한다. 액적이 증발하는 동안, 액적의 접촉각 변화와 부피변화를 실험적으로 알 수 있었고, PIV(Particle Image Velocimetry) 실험 장치를 이용하여, 평판 온도별 마랑고니 유동의 내부 유동의 흐름을 가시화하였다. 그리고 평판에 각 주파수별 수직진동을 가해주는 실험을 진행하여, 그 결과 마랑고니 유동의 유동 방향과 수직진동의 유동 방향이 서로 반대인 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로 증발하는 액적에 수직진동을 가해줌으로써, 액적의 하단부분에서 내부유동의 흐름변화를 관찰하였다. 마랑고니유동에 의해 발생하는 내부유동 방향과 수직진동으로 발생하는 내부유동의 방향이 서로 반대 방향이므로 가열된 평판에 진동을 가해주었을 때 액적 내부유동의 흐름이 변화가 발생하였고, 이는 곧 불균일한 침전물 패턴이 억제된 것을 증발 후 침전물의 패턴형상을 통해 확인할 수 있었다.
가열된 표면에서의 액적은 일반적으로 내부에 마랑고니 유동이 발생하고, 이는 불균일한 침전물 패턴 형상을 구성하게 된다. 본 연구는 마랑고니 유동을 가시화하고, 수직진동을 사용해서 이를 제어하는 것을 주 목적으로 한다. 액적이 증발하는 동안, 액적의 접촉각 변화와 부피변화를 실험적으로 알 수 있었고, PIV(Particle Image Velocimetry) 실험 장치를 이용하여, 평판 온도별 마랑고니 유동의 내부 유동의 흐름을 가시화하였다. 그리고 평판에 각 주파수별 수직진동을 가해주는 실험을 진행하여, 그 결과 마랑고니 유동의 유동 방향과 수직진동의 유동 방향이 서로 반대인 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로 증발하는 액적에 수직진동을 가해줌으로써, 액적의 하단부분에서 내부유동의 흐름변화를 관찰하였다. 마랑고니유동에 의해 발생하는 내부유동 방향과 수직진동으로 발생하는 내부유동의 방향이 서로 반대 방향이므로 가열된 평판에 진동을 가해주었을 때 액적 내부유동의 흐름이 변화가 발생하였고, 이는 곧 불균일한 침전물 패턴이 억제된 것을 증발 후 침전물의 패턴형상을 통해 확인할 수 있었다.
Thermal Marangoni flow has been observed inside droplets on heated surfaces, finally resulting in a coffee stain effect. This study aims to visualize and control the thermal Marangoni flow by employing periodic vertical vibration. The variations in the contact angle and internal volume of the drople...
Thermal Marangoni flow has been observed inside droplets on heated surfaces, finally resulting in a coffee stain effect. This study aims to visualize and control the thermal Marangoni flow by employing periodic vertical vibration. The variations in the contact angle and internal volume of the droplet as it evaporates is observed by using a combination of continuous light and a still camera. With regard to the internal velocity, the particle image velocimetry system is applied to visualize the internal thermal Marangoni flow. In order to estimate the internal temperature gradient and surface tension on the surface of a droplet, the theoretical model based on the conduction and convection theory of heat transfer is applied. Thus, the internal velocity increases with an increase in plate temperature. The flow directions of the Marangoni and gravitational flows are opposite, and hence, it may be possible to control the coffee stain effect.
Thermal Marangoni flow has been observed inside droplets on heated surfaces, finally resulting in a coffee stain effect. This study aims to visualize and control the thermal Marangoni flow by employing periodic vertical vibration. The variations in the contact angle and internal volume of the droplet as it evaporates is observed by using a combination of continuous light and a still camera. With regard to the internal velocity, the particle image velocimetry system is applied to visualize the internal thermal Marangoni flow. In order to estimate the internal temperature gradient and surface tension on the surface of a droplet, the theoretical model based on the conduction and convection theory of heat transfer is applied. Thus, the internal velocity increases with an increase in plate temperature. The flow directions of the Marangoni and gravitational flows are opposite, and hence, it may be possible to control the coffee stain effect.
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문제 정의
하지만, 가열된 평판에서 발생하는 마랑고니유동을 억제하여 침전물 패턴의 변화에 대한 연구는 현재까지 보고된 바 없다. 따라서 본 연구에서는 가열된 소수성 평판에 놓인 반구형상의 액적이 증발하는 특성을 관찰하고, 증발로 인해 유발되는 액적 내부 유동을 가시화하고자 하였다. 특히, 기존 연구들을 기반으로 마랑고니 유동과 유동방향이 반대인 수직방향의 기계적 진동을(15) 이용하여 균일한 침전물 패턴을 얻고자 하였다.
본 연구에서는 가열된 표면에서 액적이 증발하는 동안 네 가지 공진모드(즉, 2, 4, 6, 8)에 따른액적 내부 유동패턴, 내부 속도 그리고 증발 후 침전물의 패턴을 파악하여 공진에서의 액적이 증발에 미치는 영향에 대하여 분석하고자 다음과 같은 실험 과정을 수행하였다
따라서 본 연구에서는 가열된 소수성 평판에 놓인 반구형상의 액적이 증발하는 특성을 관찰하고, 증발로 인해 유발되는 액적 내부 유동을 가시화하고자 하였다. 특히, 기존 연구들을 기반으로 마랑고니 유동과 유동방향이 반대인 수직방향의 기계적 진동을(15) 이용하여 균일한 침전물 패턴을 얻고자 하였다.
제안 방법
(7) 획득한 이미지는 왜곡이 존재하므로 여러 가지 정밀계산 사용프로그램들(MATLAB, Mathmatica 등)을 이용하여 렌즈효과가 보정된 이미지를 가지고 액적 내 유동변화를 분석한다
일정한 온도로 실리콘 웨이퍼를 가열해주기 위해 열기판을 사용하였고, 주기적인 강제 가진을 위해 스피커(HIAX32C20-8, HiWave) 표면에 앞서 표면코팅 처리한 실리콘 웨이퍼 표면을 접착제로 붙인 후 설치하였다. 가진 주파수와 여러 가지 전압 인가를 위해서 함수 발생기(function generator,33522A, Agilent)를 사용하여 일정한 정현파(sinusoidal wave), 특정 주파수와 전압을 인가할 수 있도록 설치하였다. 본 스피커에 인가한 전압은 실효값(root mean squared)으로 모든 실험은2Vrms으로 진행되었고, 초고속카메라(FASTCAMSA3 120K, Photron)를 고체 표면과 동일선상과 액적의 위에 위치시켜 측면(side view)에서 증발에 따른 액적의 접촉각 변화와, 내부유동을 관찰할 수 있도록 설치하였다.
또한, 일정한 실험 환경 조건을 위하여 실험 주위 온도를 25±1, 습도는 45%±5%로 유지하면서 보다 정확한 실험이 진행될 수 있도록 하였다.
3과 같다. 미세 바늘(33 gage)이 연결된주사기(500㎖, Hamilton)를 실린지 펌프(Legato, kdScidentific)에 연결하여 증류수 5㎕를 자중에 의해 분리한 뒤, 이를 초고속 카메라를 이용하여 매 30초마다 기록하였다.
가진 주파수와 여러 가지 전압 인가를 위해서 함수 발생기(function generator,33522A, Agilent)를 사용하여 일정한 정현파(sinusoidal wave), 특정 주파수와 전압을 인가할 수 있도록 설치하였다. 본 스피커에 인가한 전압은 실효값(root mean squared)으로 모든 실험은2Vrms으로 진행되었고, 초고속카메라(FASTCAMSA3 120K, Photron)를 고체 표면과 동일선상과 액적의 위에 위치시켜 측면(side view)에서 증발에 따른 액적의 접촉각 변화와, 내부유동을 관찰할 수 있도록 설치하였다. 본 실험의 시스템 구성은 Fig.
본 실험에서 소수성 표면을 가지는 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)를 만들기 위해 6 wt% Teflon AF(601S2-100-6, Dupont)을 불화탄소 용매(FC-40,3M)에 희석하여 농도 0.6 wt%인 Teflon 용액을 제조하여, 500rpm에서 5초간, 2000rpm에서 30초간 스핀 코팅하였고, Teflon 박막의 접착력(adhesion)을 강화시키기 위해 165℃ 핫플레이트에서 60분 간 베이킹(baking)하였다. 그 결과 약 100nm 정도의 코팅두께를 생성하였다.
본 실험에서는 액적이 소수성 표면에 놓였을 때 의 높이 h와 표면길이 a를 이용하여 다음과 같은 수식을 통해서 접촉각과 부피변화를 측정 및 계산하였다. (19)
본 연구는 증발하는 액적의 정중앙에 레이저 시트(laser sheet)를 생성시킨 후 유동가시화를 통해 가열된 소수성 표면에 놓인 액적 내부의 유동 패턴을 확인하였다.
본 연구에서는 초고속카메라를 통해 가열된 소수성 표면에 놓인 증발하는 액적의 접촉각 변화 및 부피변화, 내부유동 특성 등을 분석하였고, 액적의 공진 주파수로 수직 진동을 가했을 때 액적내부유동을 가시화하였다. 액적이 증발할 때 접촉각의 변화에 따라서 3가지 단계로 구별되며, 첫 번째 단계로 접촉선이 고정되면서 접촉각이 감소되는 단계, 두 번째로는 접촉선이 감소되면서 접촉각이 고정되는 단계, 그리고 마지막으로 세 번째로 접촉선 및 접촉각이 모두 감소하는 단계로 이루어져 있음을 실험적으로 확인하였다.
9는 평판의 온도를 30∼60℃까지 5℃마다 증가하였을 때 마랑고니 유동의 속도 값을 타나낸 것이다. 액적의 외곽영역의 왜곡을 잡아주기 위하여 MATLAB 코드를 사용하여 렌즈효과를 제거하였고, 액적의 중심역역의 속도 값을 평균하였다. 각 평판온도별 평균속도 값은 Table 1과 같다.
그 결과 약 100nm 정도의 코팅두께를 생성하였다. 액체는 탈이온수(deionized water)를 사용하였으며 액적의크기는 5㎕이고, 디지털 접촉각 측정기(CAM 100,KSV)를 사용하여 액적의 평형 접촉각(equilibrium contact angle)을 측정하였다. 그 결과 액적과 소수성 표면의 평균 접촉각은 110°±3°라는 것을 확인할 수 있었다.
증발하는 액적의 수직 진동에 의한 내부유동관찰을 위해 초고속 카메라를 사용하여 가로(512pixel), 세로(512pixel)의 해상도와 초당 1,000~2000 프레임의 속도로 액적의 움직임을 관찰하였으며, 함수 발생기에 발생하는 주파수의 범위는 이론적 공진주파수 최대값(=822.27Hz) 이하인 75Hz에서 810Hz 이내에서 액적의 n차 공진 주파수를 인가하였다. 또한, 일정한 실험 환경 조건을 위하여 실험 주위 온도를 25±1, 습도는 45%±5%로 유지하면서 보다 정확한 실험이 진행될 수 있도록 하였다.
대상 데이터
1은 수치해석에 사용된 조건으로 구리금속 표면에 40℃(313K)의 온도 조건을 가하고 반구형상의 4℃(277K) 액적을 위치시켜 열전도에 따른 내부 등온선과 온도구배를 열전달 방정식 식 (1)을 이용하여 계산하였다. 이때 수치해석을 위해 사용된 격자는 삼각격자(triangular grid)이고, 총 격자의 수는 26,800개로 구성하였다
일정한 온도로 실리콘 웨이퍼를 가열해주기 위해 열기판을 사용하였고, 주기적인 강제 가진을 위해 스피커(HIAX32C20-8, HiWave) 표면에 앞서 표면코팅 처리한 실리콘 웨이퍼 표면을 접착제로 붙인 후 설치하였다. 가진 주파수와 여러 가지 전압 인가를 위해서 함수 발생기(function generator,33522A, Agilent)를 사용하여 일정한 정현파(sinusoidal wave), 특정 주파수와 전압을 인가할 수 있도록 설치하였다.
데이터처리
가열된 표면 위 액적내부의 등온선과 그 온도구배에 대하여 상용 CFD 프로그램인 COMSOL을사용하여 수치해석을 진행하였다. 수치해석의 편의를 위해 액적의 증발에 따른 순간적인 부피 감소는 고려하지 않았다.
성능/효과
각 평판온도별 평균속도 값은 Table 1과 같다. 30℃평판에서는 주변공기온도(25℃)와 온도 차이가 크게 나지 않아 속도가 상대적으로 느리고, 40℃평판에서부터 내부유동 속도는 크게 증가하는 것을 확인하였다
그 결과 액적과 소수성 표면의 평균 접촉각은 110°±3°라는 것을 확인할 수 있었다.
하지만 레이저 시트를 투과시켜 침전물 패턴을 관찰해본 결과 패턴테두리에 링모양의 두꺼운 층을 발견하였는데, 이는 액적의 증발초기 마랑고니 유동이 진동에 의한 유동보다 더 빠르기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 본 연구결과 증발하는 액적 내부의 마랑고니 유동은 수직진동에 의해 변화가 발생하고, 이로 인해 침전물 패턴 형성이 균일하게 형성하는 것이 가능함을 확인하였다.
이는 총 증발 시간의 70% 이내에서만 존재하는 것을 확인하였다. 수직 진동에 의한 증발하는 액적의 내부유동은 20℃의 평판온도에서는 마랑고니 유동이 억제가 되었지만, 30℃ 및 40℃의 온도조건에서는 마랑고니 유동이 관찰되었다. 액적이 증발한 뒤 슬라이드 글라스에 남겨진 침전물의 패턴을 보면, 진동을 가해주지 않았을 경우 침전물 패턴내부에 빈공간이 생성된 것을 확인할 수 있었으며, Modes 2, 4, 6, 8의 공진주파수를 이용해서 진동을 가해주었을 경우 균일하게 침전물이 분포되었음을 확인할 수 있었다.
수직 진동에 의한 증발하는 액적의 내부유동은 20℃의 평판온도에서는 마랑고니 유동이 억제가 되었지만, 30℃ 및 40℃의 온도조건에서는 마랑고니 유동이 관찰되었다. 액적이 증발한 뒤 슬라이드 글라스에 남겨진 침전물의 패턴을 보면, 진동을 가해주지 않았을 경우 침전물 패턴내부에 빈공간이 생성된 것을 확인할 수 있었으며, Modes 2, 4, 6, 8의 공진주파수를 이용해서 진동을 가해주었을 경우 균일하게 침전물이 분포되었음을 확인할 수 있었다. 하지만 레이저 시트를 투과시켜 침전물 패턴을 관찰해본 결과 패턴테두리에 링모양의 두꺼운 층을 발견하였는데, 이는 액적의 증발초기 마랑고니 유동이 진동에 의한 유동보다 더 빠르기 때문인 것으로 판단된다.
본 연구에서는 초고속카메라를 통해 가열된 소수성 표면에 놓인 증발하는 액적의 접촉각 변화 및 부피변화, 내부유동 특성 등을 분석하였고, 액적의 공진 주파수로 수직 진동을 가했을 때 액적내부유동을 가시화하였다. 액적이 증발할 때 접촉각의 변화에 따라서 3가지 단계로 구별되며, 첫 번째 단계로 접촉선이 고정되면서 접촉각이 감소되는 단계, 두 번째로는 접촉선이 감소되면서 접촉각이 고정되는 단계, 그리고 마지막으로 세 번째로 접촉선 및 접촉각이 모두 감소하는 단계로 이루어져 있음을 실험적으로 확인하였다. 증발하는 액적 내부유동은 액적의 중심을 기준으로 대칭적인 와류의 형태로 존재하며, 왼쪽에서는 시계방향, 오른쪽에서는 시계반대방향으로 유동이 존재한다.
10은 초고속카메라로 촬영한 이미지를 각 10장씩 겹쳐서 입자의 움직임을 유선으로 나타낸 것이다. 이를 보면 20℃, 30℃, 40℃의 가열된 표면에서 Mode 2의 공진주파수로 진동하였을 경우가장 큰 로브변화를 보였으며, 내부유동 은 액적의 바닥면에서 상단으로 상승하는 유동이 관찰되었다. 그리고 Mode 4에서는 20℃에서 바닥면에서 상단으로 상승하는 유동만 관찰되었으나, 30℃에서는 바닥면에서 상승하는 유동과 마랑고니 유동이 동시에 관찰되었으며, 40℃에서는 비대칭적인 마랑고니 유동이 관찰되었다.
그리고 이 유동은 평판의 온도가 증가할수록 증발하는 액적의 유동속도 또한 증가하며, 주변 공기온도와 차이가 많이 날수록 빨라진다. 증발하는 액적 내부유동은 증발의 시작과 동시에 관찰 되었으며, 30℃ 온도의 평판에서 약 12분, 40℃ 온도의 평판에서 약 8분간 지속되다가 유동이 사라지는 것을 관찰하였다. 이는 총 증발 시간의 70% 이내에서만 존재하는 것을 확인하였다.
로브의 변화폭이 클수록 액적의 접촉선의 움직임이 커지는데, Mode 주파수가 증가할수록 로브의 변화폭도 작아지며 침전물의 패턴도 구 형태를 유지하는 것을 볼 수 있다. 진동을 가해주지 않았을 경우와 비교해 보면, 침전물 패턴 내부에 빈공간이발생하지 않고, 구 형상의 패턴을 유지하였으며, 외곽 부분은 제외한 영역에서 비교적 균일하게 분포됨을 확인할 수 있다
이때 소수성 표면처리 된 슬라이드 글라스를 사용하였고, 5㎕ 탈 이온수에30%의 농도로 형광입자를 섞어주었다. 진동을 전혀 가해주지 않았을 때 침전물의 패턴을 보면 균일하지 못하게 패턴내부에 빈공간이 발생 한 것을 확인할 수 있고, 온도가 증가했을 경우, 40℃에서는 20, 30℃보다 더 크게 빈공간이 발생하였다. 이는 표면온도에 따라 액적의 증발속도가 빨라짐에 따라서 내부 침전물의 패턴도 달라지는 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열모세관유동이란 무엇인가?
액적의 증발 현상에 대한 연구는 오래 전부터 많은 연구자들에게 흥미로운 문제로 다루어져 왔으며, 기초/응용 및 화학/기계공학 분야에서 많은 연구와 관심이 이루어져왔다. 자연적으로 고체 표면 위에 올려 진 액적이 증발할 때 액체-기체 계면에서 온도구배가 생성되는데, 이는 표면장력구배를 유발하여 액적 내부에 유동을 생성시킨다.(1) 이를 마랑고니유동 혹은 열모세관유동이라고 한다.
마랑고니 유동은 어떤 액체에서 관찰되는가?
(1) 이를 마랑고니유동 혹은 열모세관유동이라고 한다. 이러한 현상은 에탄올, 메탄올, 아세톤, n-pentane 등의 액체에서 관찰되며, 순수한 물에서의 존재는 확인된 바 없으나, 이는 순수한 물에서의 마랑고니 유동은 매우 약하고 보통의 실험에서 관찰하기가 용이하지 않기 때문이라고 보고되고 있다. (2) 그리고 마랑고니 유동은 커피얼룩효과 (coffee stain effect)를 발생시키는 것으로 알려져 있다.
커피얼룩효과는 어떤 현상인가?
(2) 그리고 마랑고니 유동은 커피얼룩효과 (coffee stain effect)를 발생시키는 것으로 알려져 있다. 특히, 이 현상은 액적의 증발 초기 접촉선이 고정된 상태로 접촉각이 점차 감소하는 단계에서 마랑고니 유동으로 인하여 침전물들이액적의 외곽지역에 많이 쌓이면서 발생하는 현상으로 잘 알려져 있다. (3,4,5) 이러한 현상을 기반으로 증발하는 액적내부에 발생하는 마랑고니 유동을 이용하여 액적에 포함된 부유물의 증발 후 침전 패턴에 대한 다양한 변화를 만들어내게 된다.
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