모세관 브릿지의 전단 거동 연구

Abstract

고체와 고체사이에 액체가 존재할 때, 액체의 양이 충분하면 액체는 막(film)으로 구분할 수 있다. 그러나 액체의 양이 충분하지 않을 경우 액체의 표면장력과 기하학적 구속조건에 의해 고체 사이의 액체는 특정 형상을 가지게 되고, 이는 모세관 브릿지(capillary bridge)라고 불린다. 모세관 브릿지는 육안으로 관찰 할 수 있는 매크로 스케일에서부터 육안으로 관찰하기 어려운 마이크로 스케일까지 다양한 스케일에서 형성된다. 마이크로 스케일의 모세관 브릿지는 작은 크기임에도 불구하고 마이크로 구조물의 전단변형을 야기하여 AFM(atomic force microscope) cantilever와 같은 마이크로 기계의 변형, 젖은 입자상 물질(wet granular material)의 결합력 증가와 같은 현상의 원인이 된다. 본 연구에서는 마이크로 모세관 브릿지의 전단변형에 대해 실험적으로 관측하고, 실험결과를 이론적으로 분석하였다. 또한, 마이크로 모세관 브릿지의 전단변형 속도를 고속과 저속으로 구분하여 실험하였고, 발생하는 힘의 크기와 전단변형 메커니즘이 전단변형 속도와 연관성이 없음을 관측하였다. 마이크로 모세관 브릿지에 의해 발생되는 힘의 크기는 매우 작기 때문에 로드셀(load cell)로는 측정이 불가하다. 이에 모세관 브릿지 힘을 측정하기 위해 유리 캔틸레버(glass cantilever)를 이용한 실험장치를 구성하였다. 이를 이용하여 마이크로 모세관 브릿지가 전단작용에 의해 변형되었을 때 발생되는 힘을 실험적으로 측정하였고, 이러한 힘을 마이크로 모세관 브릿지의 높이, 부피, 표면장력으로 예측할 수 있는 수학적 모델링을 제시하였다. 본 연구 결과는 마이크로 스케일의 메커니즘에서 모세관 브릿지 힘의 영향을 파악하고 해석하는데 기여할 수 있다.