다양한 습윤성 표면 위 액적의 증발 거동과 서로 다른 밀도의 미세 입자 분리

Abstract

최근 액적의 증발은 잉크젯 프린팅, 자기 조립, 자기 청정, 3차원 패터닝 등 다양한 공학적 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 이에 따라 오랫동안 수많은 액적 관련 연구가 진행되었으나 3상 계면(고체, 액체, 기체)에서의 복잡한 증발 현상은 아직도 명확하게 설명되지 않는다. 액적의 증발율을 분석하고 예측하는 것은 증발하는 액적의 거동을 이해하는 데에 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 접촉각의 간단한 함수로서 새로운 경험식 f(θ)를 제안한다. 이전 연구들은 이상적으로 단순화된 영역을 기초로 한 액적 증발의 이론적 모델을 제안하였으나 실험 결과와 잘 일치하지 않았다. 친수성, 소수성 표면에 대해 기존의 이론적 모델을 이용한 것보다 경험식 선형 함수 f(θ)로 표현함으로써 증발 과정에서 액적의 부피를 더욱 정확하게 예측할 수 있다. 게다가 제안된 경험식은 거친 표면보다 매끈한 표면에서 더 높게 측정되는 증발율을 고려할 수 있기 때문에 다양한 표면에 대한 폭넓은 적용 가능성을 제공한다. 초소수성 표면의 경우, 증발 과정 동안 접촉각이 일정하기 때문에 f(θ)는 경험 상수로 표현되며 이는 실험적 관찰과 잘 일치한다. 또한 본 연구는 증발하는 액적 안의 고밀도 입자와 저밀도 입자가 각각 커피얼룩 효과 (coffee stain effect)와 치리오스 효과 (Cheerios effect)에 의해 액적의 가장자리와 중앙부로 이동함을 보고한다. 콜로이드 액적의 경우, 일반적으로 액체보다 높은 밀도의 미세한 입자들은 밖으로 향하는 유동을 따라 액적의 가장자리로 이동하고 그 자리에 쌓인다. 반대로 액체보다 낮은 밀도의 입자들은 높은 밀도의 입자들과 전혀 다른 거동 양상을 보인다. 즉, 입자들은 부력과 표면장력에 의해 액적의 꼭대기에 서로 모인다. 본 연구에서는 간단한 동역학식을 풀어 상승하는 입자의 위치와 속도를 계산하고 이론적 결과를 실험 자료와 비교하였다. 또한 다양한 습윤성 표면 위에서 증발한 액적 안의 입자 분포를 분석하여 작은 접촉각에서 입자가 효과적으로 분리되었음을 밝혔다. 마지막으로 온도는 습윤성과 함께 증발 특성을 결정하는 중요한 요소이기 때문에 70도의 열판과 열가압실에서 동일한 실험을 수행하였다. 그 결과 열판에서는 액적의 내부 유동이 발생하기 때문에 열가압실이 입자 분리에 더 적합함을 확인하였다.

Recently, evaporating droplet plays a significant role in various engineering application such as inkjet printing, self-assembling, self-cleaning, 3-dimensional patterning and so forth. Accordingly, though numerous droplet-related investigations are carried out for a long time, the complex phenomenon of 3-phase interfaces (solid, liquid, and air) was not cleared up yet. It is important to analysis and predicts the behavior of evaporating droplet, particularly evaporation rate. Thus the present study proposes a novel empirical correlation f(θ) as a simple function of the contact angle θ. Previous studies suggest that most theoretical models for droplet evaporation based on an ideally simplified domain in which evaporation occurs do not correlate well with experimental results. For hydrophilic and hydrophobic surfaces, the evolution of the droplet volume during the evaporation process can be predicted more accurately by representing f(θ) as an empirical linear function rather than by using previous theoretical models. Furthermore, the proposed correlation can account for the increased evaporation rate on smooth surfaces, thus providing a wide applicability to various substrate surfaces. For cases involving a superhydrophobic surface, f(θ) can be represented by an empirical constant because the contact angle remains constant during evaporation, which is in excellent agreement with the experimental observation. This study also report that high and low density particles in a sessile evaporating droplet migrate respectively toward the edge and the center of the droplet by coffee stain effect and Cheerios effect. In case of a colloidal droplet, fine particles which have higher density than liquid generally move toward the edge of the droplet following the outward flow and are deposited at there. The particles which have lower density than liquid, on the other hands, have the entirely different behavior pattern with the higher density particles. That means the particles gather together at the top of the droplet due to buoyancy and surface tension. We obtain the position and velocity of rising particle by solving the simple dynamics and compare the theoretical results with experimental data. By analyzing the distribution of particles in dried droplets on substrate with various wettability conditions, we reveal that the particles can be separated efficiently at small contact angles. The temperature as well as wettability is the major factor which determines the evaporation characteristic, so that the experiments are conducted for conditions with heating by hot plate and chamber at 70°C. As a result, we confirm that the hot chamber is more appropriate for particle separation because the hot plate causes the internal flow of droplet.