다양한 표면 위 증발하는 물방울 내부의 마이크로 유체 흐름

Abstract

자연계에서 표면 위의 수용액 또는 물방울이 증발하는 현상은 매우 흔하게 관찰할 수 있다. 오래전부터 최근까지 수많은 연구자들은 이러한 표면 위의 수용액 또는 물방울의 증발현상에 대하여 표면 분석 및 확산 거동의 이해 등의 기초 과학적 관심으로 증발현상을 연구하여 왔다. 최근, 증발하는 수용액 방울 내부에 마이크로 유체 흐름이 존재한다는 연구결과가 보고된 이 후에는 마이크로 유체 흐름 및 증발 후 형성된 용질의 분포 등에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 증발하는 용액 방울 내부의 마이크로 유체 흐름은 용액 방울 내부의 용질의 농도를 불균일하게 분포하도록 하므로, 증발 후 표면에 형성된 용질 패턴의 형태를 이해하는데 매우 중요하다. 따라서 증발하는 수용액 또는 물방울 내부의 마이크로 유체 흐름에 관한 이해는 잉크젯 프린팅 기술 개발에 응용될 수 있다. 본 학위 논문은 고분자, 유리, 금속 등의 다양한 표면 위에서 증발 하는 물방울 내부의 마이크로 유체 흐름의 연구 결과에 대한 내용이다.제 1장에서는, 본 연구의 동기와 응용성, 증발하는 수용액 방울 내부의 마이크로 유체 흐름이 용질 분포에 미치는 효과 및 마이크로 유체 흐름의 생성 원인, 흐름의 방향을 결정 짓는 요인, 그리고 물방울 증발 시 발생하는 마이크로 유체 흐름에 대한 지금까지의 이론적, 실험적 연구결과에 대해서 정리하였다.제 2장에서는, 소수성이 다른 두가지 고분자 박막 표면 위 물방울의 증발 과정 및 마이크로 유체 흐름에 대한 연구 결과를 보고하였다. 물방울의 증발 과정은 고분자 표면의 소수성 및 물방울의 크기와 관계없이 접촉 각 감소 단계, 접촉 면적 감소 단계, 접촉 각과 접촉 면적 동시 감소 단계의 3단계의 증발과정을 거친 후 완료 됨을 발견하였다. 첫 번째 전이와 두 번째 전이에 미치는 주요 물리적 인자는 각각 증발 과정 중 접촉 각의 후진 각 도달과 물방울의 표면장력 구배임을 알 수 있었다. 위 3단계의 각 증발과정에 대한 마이크로 유체흐름을 해석하였고, 마지막 단계에서는 바깥방향의 유체흐름이 형성됨을 보였다. 이를 통해 물방울이 증발 한 후 고분자 박막 표면에는 반지 모양의 용질 패턴이 형성 된다는 사실을 이해할 수 있었다.제 3장은, sodium n-alkylate가 첨가된 수용액 방울의 고분자 박막 표면 위 증발과정에 대한 연구 결과이다. Sodium n-alkylate의 알킬기의 길이가 특정 길이 이상으로 증가함에 따라 3단계의 증발과정이 4단계 또는 5단계로 변화함을 관찰 하였고, 그로 인해 고분자 표면 위 형성된 용질 패턴 역시 변화하게 됨을 관찰 하였다. 이는 알킬기의 길이가 증가함에 따라 sodium n-alkylate의 양친매성 발현으로 수용액 방울 내부에서 용질의 농도 분포 변화 때문으로 해석하였다. 또한 물과 공기의 계면에 놓인 용질의 초기 농도에 따라서 수용액 방울의 증발 과정이 달라짐을 관찰 하였다. 이는 물과 공기의 계면에 놓인 용질의 초기 농도가 수용액 방울의 증발과정에 지대한 영향을 미친다는 것을 보여준 결과이다.제 4장에서는, 표면 처리가 된 유리 기판 위에서 수용액 방울이 증발할 때 기판의 온도에 따른 마이크로 유체 흐름 변화에 대한 연구 결과를 보고하였다. 유리 기판의 표면 효과로서 수용액 방울의 증발 과정의 대부분은 접촉각 감소 단계로 나타남을 관찰하였고, 마이크로 유체 흐름의 방향을 실험적으로 관찰하기 위해서 레이저 흡광도 모니터링 장치를 셋업하였다. 이 장치를 통하여 기판의 온도가 상온 보다 낮을 때 증발하는 수용액 내부에서는 안쪽 방향의 흐름이 우세하며 상온 보다 높을 때 바깥 방향의 흐름이 우세함을 관찰 하였다. 이를 간단한 열전달 모델로 해석한 결과, 상온 또는 가열하는 기판 위 증발하는 수용액 방울 내부에는 물과 기판의 계면을 따라 바깥방향의 유체흐름이 발생하게 되고, 냉각하는 기판 위의 수용액 방울 내부에는 반대 방향의 유체흐름이 발생하게 됨을 알 수 있었다. 이를 통해서 수용액 방울의 증발 후, 표면에는 마이크로 유체의 흐름의 방향에 따라 중심 또는 가장자리에 용질이 집중된 용질 패턴이 형성됨을 이해 할 수 있었다.제 5장은, 앞 장의 연구 결과를 바탕으로 증발하는 물방울 내부 마이크로 유체 흐름의 방향이 전기 아연도금 강판 표면의 부식에 어떠한 영향을 주는지에 대한 연구 결과이다. 습도 조절이 가능한 챔버내에서 기판의 온도를 달리 함으로서 물방울 내부의 마이크로 유체 흐름의 방향을 물과 기판의 계면을 따라 바깥 방향 또는 안쪽 방향으로 제어하였다. 그 결과, 부식 생성물의 분포는 마이크로 유체 흐름의 방향에 따라서 변화하게 됨을 발견할 수 있었다. 부식 생성물의 형성 위치를 설명하기 위하여 마이크로 유체 흐름이 고려된 새로운 부식 모델을 제시 하였다.

The evaporation of water droplets on solid surfaces is a fundamental phenomenon in nature and plays an important role in many applications. In this thesis, microfluid flow inside evaporating water droplets on varous surfaces are investigated by using a digital image analysis technique and a laser absorbance monitoring sytem.In Chapter I, a motivation and potential applications of this study is briefly introduced and theoretical backgrounds for the microfluid flow inside evaporating droplets are also reviewed.In Chapter II, the evaporation of water droplets on polymer surfaces was investigated by using a digital image analysis technique. There were three distinct stages in the water evaporation process: a constant contact area mode, a constant contact angle mode, and a mixed mode that is independent of both the initial quantity of water droplets and hydrophobic properteise of the polymer surfaces. The physical factors influencing the first and second transitions in the evaporation process were found to be the attainment of receding angle on the polymer surfaces and the Marangoni instability in the evaporating water droplets. In addition, qualitative information about the microfluid flows inside the evaporating water droplets are provided for the three distinct stages. The contaminants were found to be concentrated at the perimeter of the stains in agreement with the observed outward microfluid flow in the mixed mode of the evaporation process.In Chapter III, the evaporation process of aqueous solution droplets containing sodium n-alkylates was investigated on polymer surfaces by varying the alkyl length and the initial concentration of sodium dodecanoate (C12). Although the initial contact angles of the droplets were not significantly different, the evaporation process varied significantly with the alkyl length of the sodium n-alkylate employed. For C12, showing the highest surface activity, the concentration was found to have a significant effect on the evaporation process of the droplets. In the evaporation of water droplets, variations in the three distinct stages were caused by the different concentration of solutes distributed near or at the air/water interface. The initial C12 concentration-dependence of the evaporation of C12 solution droplets is discussed with particular emphasis on the sudden spreading or sudden contraction of the contact area near the end of evaporation. It is suggested that the cluster formation by C12 molecules at the air/liquid interface during the evaporation causes Marangoni instability in an evaporating droplet, and the clusters are expected to move dynamically, depending on the droplet concentration of C12, from the dropet center to the contact line and vice versa, showing Marangoni flow along the air/water interface.In Chapter IV, the flow dynamics inside evaporating water droplets containing a polymer solute were investigated on surface-modified glass at various substrate temperatures. A laser absorbance monitoring system was established to estimate the flow dynamics by measuring the central concentration of the solute in the evaporating droplet. The system shows that the polymer transports inside the evaporating droplets near the end of evaporation changed direction depending on the substrate temperature. The resulting deposit patterns after the evaporation were also changed from center-concentrated to edge-concentrated deposit patterns by the flow dynamics. The experimental results are discussed with the calculation results obtained from a simple heat transfer model. This study clearly shows that controlling the substrate temperature is an effective way to manipulate the flow dynamics inside evaporating water droplets.In Chapter V, the effect of microfluid flow in evaporating water droplets on the corrosion of electro-galvanized steel was investigated. The microfluid flow was directed radially outward or radially inward along the liquid？substrate interface at two substrate temperatures (20？C and 26？C ). The formation of corrosion products (mainly zinc hydroxycarbonate) strongly depended on the flow direction immediately above the liquid？solid interface. To account for the corrosion distribution, the corrosion mechanism from Evans？s model was modified to consider the direction of microfluid flow in an evaporating droplet.