[논문]가열된 금속표면에 놓인 증발하는 액적의 내부유동 가시화

박창석; 임희창

doi:10.5407/jksv.2017.15.1.025

[국내논문] 가열된 금속표면에 놓인 증발하는 액적의 내부유동 가시화
Internal flow visualization of an evaporating droplet placed on heated metal plate 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.15 no.1, 2017년, pp.25 - 31

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to visualize the Marangoni flow inside a droplet placed on heated hydrophobic surface and to measure its internal velocity field. The experimental result shows that the internal velocity increases with the increase of the plate temperature. In addition, the temperature difference induces the initial flow and drives the Marangoni circulation inside the droplet as soon as the evaporation starts (i.e. the thermal Marangoni flow). The fluorescence particles in the droplet trace two large-scale counter-rotating vortex pairs yielding the downwards flow along the vertical central axis. These vortex pairs gradually become small and move towards the contact line as time goes by, and this Marangoni flow sustains only for a half of the total evaporation time.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 액적이 차지하는 많은 응용분야들의 적용 가능성을 파악하기 위한 기초연구로 단순한 액적에 대해 열을 가함으로써 마랑고니 유동이 발생하는지 확인하고, 그 액적의 내부유동특성을 파악하는 것을 목적으로 한다.
본 연구에서는 가열된 표면에서 액적이 증발하는 동안 액적 내부 유동패턴, 내부 유동속도에 대하여 분석하고자 다음과 같은 실험 과정을 수행하였다.
본 연구는 초고속카메라를 이용하여 가열된 소수성 표면에 놓인 액적의 증발에 따른 내부유동을 가시화 하였다. 증발하는 액적 내부유동은 액적의 중심을 기준으로 대칭적인 와류의 형태로 존재하며, 왼쪽에서는 시계방향, 오른쪽에서는 시계반대 방향으로 유동이 존재한다.

제안 방법

액체는 탈이온수(deionized water)를 사용하였으며 액적의 크기는 5㎕이고, 디지털 접촉각 측정기(CAM 100, KSV)를 사용하여 액적의 평형 접촉각(equilibrium contact angle)을 측정하였다.
(4) Laser sheet를 액적 정중앙에 배치한 뒤 초고속 카메라를 이용하여 초당 1000 ∼ 2000 프레임의 속도로 연속 촬영한다.
증발하는 액적의 내부유동 관찰을 위해 초고속 카메라를 사용하여 가로(512pixel), 세로(512pixel) 의 해상도와 초당 1,000 ∼ 2000 프레임의 속도로 액적 내부의 움직임을 관찰하였으며, 일정한 실험 환경 조건을 위하여 실험 주위 온도를 25±1℃, 습도는 45 %±5 %로 유지하면서 보다 정확한 실험이 진행될 수 있도록 하였다.
본 실험에서 소수성 표면을 가지는 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)를 만들기 위해 6wt% Teflon AF(601S2-100-6, Dupont)을 불화탄소 용매(FC-40, 3M)에 희석하여 농도 0.6wt%인 Teflon 용액을 제조하여, 500rpm에서 5초간, 2000rpm에서 30초간 스핀 코팅하였고, Teflon 박막의 접착력(adhesion) 을 강화시키기 위해 165℃ 핫플레이트에서 60분간 베이킹(baking)하였다. 그 결과 약 100nm 정도의 코팅두께를 생성하였다.
일정한 온도로 실리콘 웨이퍼를 가열해주기 위해 열기판을 사용하였고, 표면에 앞서 표면코팅 처리한 실리콘 웨이퍼 표면을 접착제로 붙인 후 설치하였다. 초고속카메라(FASTCAM SA3 120K, Photron)를 열기판 표면위에 놓인 액적을 관찰 할 수 있도록 위치시켜 측면(side view)에서 내부유동을 관찰할 수 있도록 설치하였다. 본 실험의 시스템 구성은 Fig.
(6) 획득한 이미지는 왜곡이 존재하므로 여러 가지 상용프로그램들 (MATLAB, Mathmatica 등)을 이용하여 Fig 3과 같이 렌즈효과가 보정된 이미지 를 가지고 액적 내 유동변화를 분석한다.
바닥의 온도가 60℃ 보다 높을 경우, 액적의 증발속도가 빨라서 증발초기의 내부유동 관찰이 어려우며, 내부 유동 왜곡이 심하게 발생 하였다. 따라서 측정 범위를 주변 공기의 온도와 비슷한 20℃부터 60℃ 까지 실험을 진행 하였으며, 액적의 외곽영역으로 인해 발생하는 왜곡을 잡아주기 위하여 MATLAB 코드를 사용하여 렌즈 효과를 제거 하여 얻은 속도 값을 각 온도별 평균하였다. 각 금속 표면 온도별 평균 속도 값은 Table 1과 같다.

대상 데이터

일정한 온도로 실리콘 웨이퍼를 가열해주기 위해 열기판을 사용하였고, 표면에 앞서 표면코팅 처리한 실리콘 웨이퍼 표면을 접착제로 붙인 후 설치하였다. 초고속카메라(FASTCAM SA3 120K, Photron)를 열기판 표면위에 놓인 액적을 관찰 할 수 있도록 위치시켜 측면(side view)에서 내부유동을 관찰할 수 있도록 설치하였다.
본 연구는 증발하는 액적의 내부유동 가시화를 위해서 형광입자와 레이져 시트(laser sheet)를 이용하였다. Fig.

성능/효과

Thomson에 의해 1850년대에 처음 관찰된 마랑고니 유동은 많은 관심을 일으킨 현상으로 알려져 있다.⁽¹⁾그는 와인 잔의 벽면에서 연속적으로 알코올이 증발하면서 표면 장력차이가 발생하고, 국부적으로 표면장력이 큰액적(droplet)들이 형성되는 것을 확인하였다. 이 액적들은 중력에 의해 벽면을 따라 불규칙하게 흘러내리면서 벽면에 커튼형상을 보임으로써 흥미로운 공학적 관심을 끌게 되었다.
그 결과 액적과 소수성 표면의 평균 접촉각은 110°±3° 라는 것을 확인할 수 있었다.
각 금속 표면 온도별 평균 속도 값은 Table 1과 같다. 20~30℃의 표면온도에서는 주변 공기의 온도(25℃)와 온도차이가 크게 나지않아 상대적으로 속도값이 작고, 표면온도가 40℃ 부터 내부 유동 속도는 크게 증가 하는 것을 확인 하였다. 이는 Guggenheim - Katayama 식에 따르면 바닥면의 온도와 액적 상단의 온도의 차이가 커질수록 표면장력 구배가 차이가 나며, 이로 인해서 내부 유동속도 또한 빨라지는 것으로 판단된다.
이 내부유동은 액적의 왼편에서는 시계방향, 오른편에서는 시계 반대방향의 두 개의 대칭적인 와류형태로 존재하며, 증발의 시작과 동시에 관찰되었다. 바닥 온도가 20℃의 경우 액적의 상단과 바닥면 사이의 온도구배가 크지 않아 내부 유동 또한 느리며, 바닥의 온도가 증가 할수록 온도구배가 증가하여 내부 유동속도가 빨라짐을 확인 할 수 있었다.
7에서 증발이 진행될 때 액적 내부에 분포된 대부분의 형광입자들이 고체표면위에 얼룩으로 남게 되어, 증발로 인한 액적의 부피가 감소하게 되면 그만큼 액적 내부에 잔류한 형광입자가 액적의 가장자리에서만 관찰될 수 있다. 두 번째로 액적의 증발초기 마랑고니 유동을 살펴보면 액적의 접촉선을 따라 가장자리를 중심으로 유동이 발생하는 것을 확인 할 수 있는데, 이는 열원에 가까운 액적의 바닥면 가장자리에서 증발이 빠르게 일어남으로 인해서 형광입자 들이 가장자리에 많이 머무르게 되어 일어나는 현상으로 볼 수 있다. 이 두 가지 현상 모두 증발이 진행됨에 따라서 액적 내부 유동이 액적의 가장자리에서만 관찰되는 가능한 원인으로 설명될 수 있다.

후속연구

이 두 가지 현상 모두 증발이 진행됨에 따라서 액적 내부 유동이 액적의 가장자리에서만 관찰되는 가능한 원인으로 설명될 수 있다. 하지만 해당 실험의 결과만으로는 어떠한 현상으로 인해서 나타난 결과인지 정확하게 알 수 없기 때문에 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
이는 총 증발 시간의 70%이내에서만 존재하는 것을 확인 하였다. 본 연구는 액적의 열전달 및 미세유동과 같은 많은 응용분야 들의 기초연구로 활용할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마랑고니 유동(Marangoni flow) 혹은 열모세관유동이란 무엇인가?	고체표면 위에 올려 진 액적이 증발할 때 액체-기체 계면에서 온도구배가 생성되는데, 이는 표면 장력 구배를 유발하여 액적 내부에 유동을 생성 시킨다. 이를 마랑고니 유동(Marangoni flow) 혹은 열모세관유동이라고 한다.
	표면장력의 변화 및 차이에 의한 마랑고니유동이 발생하는 이유는 무엇인가?	표면장력의 변화 및 차이에 의한 마랑고니유동은 액적이 증발하는 동안 액적 내부에서 불균일한 온도, 액적 표면에서의 불순물 혹은 계면활성제 등의 변화에 의해 일반적으로 발생 된다고 알려져 있으며 이후 많은 연구가 진행되었다. (2~9)
	증발하는 액적 내부유동에 대해서 온도와 속도는 어떤 연관이 있는가?	증발하는 액적 내부유동은 액적의 중심을 기준으로 대칭적인 와류의 형태로 존재하며, 왼쪽에서는 시계방향, 오른쪽에서는 시계반대 방향으로 유동이 존재한다. 그리고 이 유동은 평판의 온도가 증가 할수록 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 사라졌다.

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저자의 다른 논문 :

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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