Figure 2. Experimental setups for the (a) Al/Cu overlap joint and (b) laser welding process.

Investigation on Laser Welding of Al Ribbon to Cu Sheet: Weldability, Microstructure, and Mechanical and Electrical Properties

알루미늄 리본과 구리 시트의 레이저 용접에 대한 조사 : 용접성, 미세 구조, 기계적 및 전기적 특성

Won‐Sang Shin 1,†, Dae‐Won Cho 2,†, Donghyuck Jung 1, Heeshin Kang 3, Jeng O Kim 3, Yoon‐Jun Kim 1,*
and Changkyoo Park 3,*

Al 리본과 Cu 시트의 펄스 레이저 용접은 전력 전자 모듈의 전기적 상호 연결에 대해 조사되었습니다. 결함 없는 Al / Cu 조인트를 얻기 위해 레이저 출력, 스캔 속도 및 열 입력이 서로 다른 다양한 실험 조건이 사용되었습니다. Al / Cu 레이저 용접 중에 금속 간 화합물이 용접 영역에 형성되었습니다. 전자 탐침 마이크로 분석기와 투과 전자 현미경으로 Al4Cu9, Al2Cu, AlCu 등으로 밝혀진 금속 간 화합물의 상을 확인했습니다. 전산 유체 역학 시뮬레이션은 Marangoni 효과가 용융 풀의 순환을 유도하여 혼합물을 생성하는 것으로 나타났습니다. Al과 Cu의 결합과 Al / Cu 조인트에서 소용돌이 모양의 구조 형성. Al / Cu 접합부의 인장 전단강도와 전기 저항을 측정하였으며 용접 면적과 강한 상관 관계를 보였다. Al / Cu 접합부의 용접 면적이 증가함에 따라 기계적 강도의 감소와 전기 저항의 증가가 측정 되었습니다. 또한 무결점 Al / Cu 접합을 위한 공정 창을 개발하고 Al / Cu 레이저 브레이즈 용접을 위한 실험 조건을 조사하여 Al / Cu 접합에서 금속 간 화합물 형성을 최소화했습니다.

Introduction

전기 상호 연결은 전력 전자 모듈을 패키징하는 데 중요합니다. 우수한 기계적 및 전기적 특성을 가진 견고한 전기적 상호 연결은 전력 전자 모듈의 전기적 고장을 방지하는 데 필수적입니다. 저항 스폿 용접, 브레이징, 납땜 및 초음파 용접 (USW)이 전기 상호 연결에 사용되었습니다.

납땜과 납땜 모두 저온 공정으로 인해 접합부에서 한계 변형과 잔류 응력이 발생합니다 [1]. 필러 합금은 두 공정 모두 견고한 전기 접촉을 달성하는 데 필수적입니다. 따라서 조인트는 서로 접촉하는 서로 다른 금속으로 구성됩니다.

결과적으로 조인트는 부식 환경에서 갈바닉 부식에 취약 할 수 있습니다 [2,3]. 더욱이, 비금속과 충전재 사이의 친화도를 고려해야 하기 때문에 제한된 충전재 만 특정 조인트에 사용할 수 있습니다 [1]. USW는 용접 온도가 낮고 용접 시간이 짧기 때문에 접합부의 변형이 비교적 적습니다.

따라서 이는 특히 연질 재료 (예 : Al, Cu, Ag, Au 및 Ni)의 경우 기존 접합 방법을 대체하고 있습니다 [4–6]. 그러나 Cu를위한 USW 공정의 경우, 표면 산화물이 강해 용접성이 저하되는 것을 방지하기 위해 Cu 표면에 Sn 또는 Ni 코팅이 필요하며, 이는 공정 속도를 늦추고 산업적 응용을위한 경제적 측면을 악화시킨다 [7 , 8].

레이저 용접은 쉬운 제어, 고정밀 및 원격 처리의 특성으로 인해 전력 전자 모듈의 전기 연결에 대한 유망한 후보입니다. 열의 영향을 받는 작은 영역과 변형은 전기 접점의 손상을 최소화 할 것으로 예상됩니다 [9-11]. 또한 레이저 용접을 위해 추가 표면 준비가 필요하지 않습니다.

이종 재료의 용접은 산업 응용 분야에서 중요했습니다. 더욱이 그림 1 [12,13]에서 볼 수 있듯이 전기 연결을위한 와이어 또는 리본 본딩에 여러 다른 조인트가 필요하기 때문에 전력 전자 모듈에서 필수적인 기술이되고 있습니다.

전기 접점의 다양한 조합 중에서 Al과 Cu는 높은 전기 전도성으로 인해 전기 연결에 중요한 재료로 종종 간주됩니다 [14]. 그러나 Al과 Cu의 서로 다른 용접은 금속 간 화합물 (IMC)의 형성을 촉진하고 동시에 Al / Cu 조인트의 기계적 및 전기적 특성에 영향을 줍니다. 일반적으로 Al / Cu 조인트 내부에 IMC가 있으면 연성 및 전기 저항에 해를 끼치므로 균열이 쉽게 발생하고 용접을 통한 전기 전도도를 방해합니다 [15,16].

따라서 견고한 Al / Cu 조인트를 얻으려면 IMC의 형성을 피해야합니다. 여러 연구에서 Al 및 Cu 시트의 레이저 빔 용접을 조사했습니다. 연속파 (CW) 레이저가 Al / Cu 조인트에 사용되었습니다 [17-23]. 큰 열 입력과 상당한 IMC 형성으로 인해 용접 영역에서 많은 균열이 관찰되었습니다 [18,19].

CW 레이저 빔의 공간 진동은 Al / Cu 조인트의 용접 품질을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 직선 CW 레이저 빔 [18-20]과 비교하여 용접 영역에서 IMC 크기가 더 작은 기공과 균열이 더 적습니다.

Al과 Cu 시트의 겹침 접합에는 CW 단일 모드 파이버 레이저를 사용했으며, IMC 형성을 억제하여 높은 용접 속도 (즉, 50m / min)에서 견고한 Al / Cu 접합을 얻었습니다 [22]. Mai et al. [23]은 다른 Al / Cu 용접을 달성하기 위해 펄스 레이저를 사용했습니다.

그들은 Al / Cu 용접성이 레이저 공정 매개 변수에 크게 의존한다는 것을 밝혔으며 100mm / min 미만의 스캔 속도에서 균열없는 Al / Cu 접합을 달성하는 데 성공했습니다.

본문 내용 생략 : 문서 하단부의 원문보기를 참고하시기 바랍니다.

Figure 1. Schematic diagram of the insulated gate bipolar transistors (IGBT) power module. Red‐dotted box indicated the electrical connections
Figure 1. Schematic diagram of the insulated gate bipolar transistors (IGBT) power module. Red‐dotted box indicated the electrical connections
Figure 2. Experimental setups for the (a) Al/Cu overlap joint and (b) laser welding process.
Figure 2. Experimental setups for the (a) Al/Cu overlap joint and (b) laser welding process.
Figure 3. Schematic diagram of the numerical simulation domain and boundary conditions.
Figure 3. Schematic diagram of the numerical simulation domain and boundary conditions.
Figure 4. Experimental setup for the four‐point electrical resistance measurement.
Figure 4. Experimental setup for the four‐point electrical resistance measurement.
Figure 5. Cross‐sectional OM image of the Al/Cu joints in parallel to the laser welding direction. The laser power and scan speed were set at 2300 W and 20 mm/s, respectively.
Figure 5. Cross‐sectional OM image of the Al/Cu joints in parallel to the laser welding direction. The laser power and scan speed were set at 2300 W and 20 mm/s, respectively.
Figure 6 shows the cross‐sectional SEM images of the Al/Cu joints, and corresponding EPMA element mapping of Al and Cu for the (a) 23/20, (b) 25/28.6, (c) 25/15.4, and (d) 27/20.
Figure 6 shows the cross‐sectional SEM images of the Al/Cu joints, and corresponding EPMA element mapping of Al and Cu for the (a) 23/20,
Figure 6. Cross‐sectional SEM image and elemental distribution mapping of Al and Cu elements for the (a) 23/20, (b) 25/28.6, (c) 25/15.4, and (d) 27/20.
Figure 6. Cross‐sectional SEM image and elemental distribution mapping of Al and Cu elements for the (d) 27/20.
Figure 7. EPMA line scan analysis and identification of the IMCs for the (a) 23/20 and (b) 25/15.4.
Figure 7. EPMA line scan analysis and identification of the IMCs for the (a) 23/20 and (b) 25/15.4.
Figure 8. TEM analysis for the 25/28.6. (a) Indicating the location of TEM analysis in SEM image of the welding zone. (b) TEM bright‐field image and SAED pattern insets, examined at the location (1) in figure (a), confirmed Al‐rich phase (white globular shape) and Al2Cu eutectic phase (gray region), and (c) TEM bright‐field image and SAED pattern inset of Al4Cu9, examined at the location (2) in figure (a).
Figure 8. TEM analysis for the 25/28.6. (a) Indicating the location of TEM analysis in SEM image of the welding zone. (b) TEM bright‐field image and SAED pattern insets, examined at the location (1) in figure (a), confirmed Al‐rich phase (white globular shape) and Al2Cu eutectic phase (gray region), and (c) TEM bright‐field image and SAED pattern inset of Al4Cu9, examined at the location (2) in figure (a).
Figure 9. Temperature profiles and molten pool flow on transverse cross‐section (y–z plane at x = 1.23 cm): (a) Negative surface tension gradient for the 23/20 (Case 1), (b) negative surface tension gradient for the 25/15.4 (Case 2), (c) positive surface tension gradient for the 25/15.4 (Case 3), and (d) without surface tension for the 25/15.4 (Case 4).
Figure 9. Temperature profiles and molten pool flow on transverse cross‐section (y–z plane at x = 1.23 cm): (a) Negative surface tension gradient for the 23/20 (Case 1), (b) negative surface tension gradient for the 25/15.4 (Case 2), (c) positive surface tension gradient for the 25/15.4 (Case 3), and (d) without surface tension for the 25/15.4 (Case 4).
Figure 12. Results of the tensile shear tests for the (a) 23/20: fracture at the Al ribbon and (b) 25/15.4: fracture at the weld
Figure 12. Results of the tensile shear tests for the (a) 23/20: fracture at the Al ribbon and (b) 25/15.4: fracture at the weld
Figure 13. Stress–strain curves obtained by the tensile shear tests.
Figure 13. Stress–strain curves obtained by the tensile shear tests.

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그림 2 : FLOW-3D를 사용한 흐름 및 형태 시뮬레이션. 파스칼 단위의 압력 및 mm 단위의 거리.

Microscopic Bubbles Switch Fiber-Optic Circuits

Figure 1: The Agilent Photonic Switching Platform
Figure 1: The Agilent Photonic Switching Platform

컴퓨터 시뮬레이션은 광섬유 회로에서 광 신호를 전환하는데 사용되는 혁신적인 스위치에서 미세 기포 문제를 이해하고 해결하는 데 중요한 역할을 했습니다. Agilent Photonic Switching Platform은 평면 광파 회로에서 잘린 작은 트렌치의 올바른 지점에 거품을 불어서 작동합니다. 버블은 광섬유 네트워크를 재구성하기 위해 광선을 다른 경로로 리디렉션 합니다. 초기 프로토타입은 기포 반사로 인해 무언가 불안정하다는 것을 나타내는 성능 문제를 보여주었습니다. 그러나 거품의 크기가 작기 때문에 문제를 진단하고 해결하는데 필요한 포괄적인 물리적 측정을 수행할 수 없었습니다.

애질런트의 선임 과학자인 John Uebbing은 전산 유체 역학 (CFD) 소프트웨어를 사용하여 거품을 시뮬레이션했습니다. 기포는 실리콘 기판에 위치한 전기 히터에 의해 유도된 증발에 의해 유지됩니다. 애질런트 팀은 트렌치 벽의 응결로 인해 유체가 축적된다는 사실을 발견했습니다. 스위치 동작의 대부분을 결정하는 것은 이러한 축적입니다. 추가 시뮬레이션을 통해 연구원들은 안정적인 신호를 제공하기 위해 장치를 변경하는 두 가지 다른 방법을 검증 할 수 있었습니다.  “처음에 우리 팀원 중 일부는 이러한 결과를 믿지 않았지만 계속된 물리적 테스트를 통해 사실이 입증되었습니다.”라고 Uebbing은 말했습니다. “CFD가 없었다면 이 문제의 해결책에 도달하지 못했을 것입니다.”

신기술 개발

광섬유 케이블은 데이터 통신 처리량을 크게 증가 시켰으며, 광 신호 전환을 위한 전기 신호로 전환한 다음 다시 광 신호로 전환하지 않고도 대량의 광섬유 데이터를 전환 할 수 있기를 원했습니다. 1990 년대 중반 Agilent Laboratories (Hewlett-Packard Labs 소속)는 전광 회로 스위치의 중요성을 인식하고 이러한 기술을 개발하기 위한 연구 프로그램을 시작했습니다. 현재 Agilent Labs의 CORL (Communications and Optical Research Laboratory) 내에 엔지니어와 과학자 팀이 구성되어 컴팩트하고 확장 가능하며 광 신호에 최소한의 영향을 미치는 이 고유한 스위치 패브릭을 개발했습니다.

 시뮬레이션은 딤플의 원인을 정확히 파악하는데 도움이 되었으며 여러 대안 솔루션을 식별하고 평가하는 데 도움이되었습니다. 버블 스위치 엔지니어링의 이러한 발전은 FLOW-3D  소프트웨어 에서 사용할 수 있는 고급 모델링 기능 없이는 불가능했을 것  입니다. 우리에게 중요한 것은 프로젝트 시작부터 Flow Science 팀이 입증한 지식과 무결성이었습니다. 우리가 이야기 한 다른 소프트웨어 회사에는 관련된 문제에 대한 표면적 이해만 있는 영업 담당자가 있었지만 Flow Science는 전문 지식을 갖춘 기술 직원을 고용하여 우리가 달성하고자 하는 것을 정확히 이해했습니다. 프로세스의 여러 단계에서 중요한 장애물을 극복 할 수 있는 중요한 도움을 제공했습니다.
– John Uebbing, 애질런트 선임 과학자

작동을 위해 Agilent Photonic Switching Platform은 두 개의 광섬유 네트워크의 교차점에 배치됩니다 (그림 1). 광 신호가 광섬유를 통해 들어 오면 직선 도파관을 통해 방해받지 않고 평면 광파 회로를 통과 할 수 있습니다. 그러나 신호가 다른 광섬유로 리디렉션되어야하는 경우 잉크젯 기술은 두 도파관 경로의 교차점에 거품을 삽입하여 광학 특성을 변경하고 신호를 출력 광섬유로의 경로 아래로 반사합니다. 기포는 거울이나 기계적으로 움직이는 부품을 사용하지 않고도 5 밀리 초 이내에 형성 및 제거 할 수 있습니다. 이 스위치는 교차된 광 도파관 배열과 인덱스 매칭되는 유체에 거품을 불어서 작동합니다. 기포는 소자 기판의 전기 히터에 의해 유도 된 증발에 의해 형성됩니다. 유체는 도파관의 교차점에 위치한 일련의 마이크로 트렌치를 채웁니다. 기포 벽으로부터의 내부 전반사로 인해 빛이 한 도파관에서 다른 도파관으로 전환됩니다. 문제는 광 도파관의 수용 각 또는 개구 수가 상당히 낮다는 것입니다. 기포의 수직 반사벽이 도파관의 축에 수직이 아니면 빛이 출력 도파관으로 제대로 반사되지 않고 신호 손실이 발생합니다.

프로토 타입의 딤플 충격 성능

초기 프로토 타입에서 광범위한 실험 테스트를 수행하여 히터 전력 및 주변 압력이 광학 반사 특성과 기포 모양 및 크기에 미치는 영향을 보여주었습니다. 이 테스트는 반사된 광 신호 대 히터 전력 곡선이 효과적인 광 스위칭에 필요한 엄격한 요구 사항을 충족하지 못하고 반사된 광 신호에 불안정성이 있음을 보여주었습니다.

그림 2 : FLOW-3D를 사용한 흐름 및 형태 시뮬레이션. 파스칼 단위의 압력 및 mm 단위의 거리.
그림 2 : FLOW-3D를 사용한 흐름 및 형태 시뮬레이션. 파스칼 단위의 압력 및 mm 단위의 거리.

컴퓨터 시뮬레이션에서 그림 2와 같이 버블의 각 면에 딤플이 형성되어 있음을 보여 주었을 때, 딤플이 전력 곡선의 혹의 원인이 되었고 반사된 신호가 그렇게 불안정한 이유 일 수 있다는 사실이 애질런트 연구팀에 나타났습니다. 센서로 물리적 측정을 수행하는 팀의 능력은 MEMS 장치의 규모까지 확장되지 않았습니다. 그들이 할 수 있는 최선은 특수 광학 장치를 사용하여 현미경 사진을 찍는 것입니다. 이 사진은 딤플이 파장 스케일에서 매우 얇기 때문에 딤플을 직접 보여줄 수 없습니다.

거품 시뮬레이션

처음에는 버블의 작동을 시뮬레이션하기 위한 여러 가지 대안이 고려되었습니다. 팀은 다양한 분석 모델을 사용하여 기포 형성을 조사했지만 이 모델은 현재 프로토 타입이 좋은 기포를 생성해야 한다고 예측했기 때문에 문제를 포착하기에는 너무 단순했습니다. 맞춤 소프트웨어를 작성하기 위해 대학 교수를 고용했지만 이 프로젝트를 완료하는 데 상당한 시간이 소요되었습니다. 그 동안 Uebbing은 문제의 복잡한 물리학을 처리 할 수 있는 상용 소프트웨어 패키지를 찾기 시작했습니다. “저는 여러 CFD 소프트웨어 개발자들과 이야기를 나눴지만 그들 중 누구도 광범위한 수정 없이 문제를 해결할 수 있는 버블 모델을 가지고 있지 않다고 판단했습니다.”라고 Uebbing은 말했습니다. “반면에 Flow Science는

Flow Science의 새로운 균질 기포 모델은 균일한 기포 압력과 온도를 가정합니다. 이것은 현실에 대한 좋은 근사치입니다. 주요 문제 중 하나는 액체, 증기 및 고체가 모두 결합되는 접점 라인의 모델링입니다. 동질 버블 모델은 이 시점에서 계산 셀의 힘과 플럭스의 균형을 맞춥니 다. Uebbing은 이전 버전의 소프트웨어를 사용하기 시작했지만 새 모델이 출시 되자마자 Uebbing은 문제를 해결해 보았습니다. “시뮬레이션 결과는 결국 실험을 설명하는 데 매우 중요한 dimple 을 보여주었습니다.”라고 Uebbing은 말했습니다. 흥미롭게도 시뮬레이션 결과 버블이 35kHz에서 진동하는 것으로 나타났습니다. 우리는 그것이 실제로 그 주파수에서 진동한다는 것을 보여주는 실험 데이터를 가져 왔지만 우리는 이유를 몰랐습니다.

현실과의 다소 예상치 못한 상관 관계는 팀에게 시뮬레이션 결과에 대한 확신을주었습니다. 시뮬레이션 결과는 문제 영역의 모든 지점에서 유속, 압력 및 온도를 보여줌으로써 테스트에서 측정 할 수 있었던 것 이상이었습니다. 이 결과로 우리는 무슨 일이 일어나고 있는지 파악할 수 있었습니다. dimple은 모세관 현상으로 인해 발생합니다. 응축액이 거품 벽에 쌓입니다. 트렌치 벽에 있는 액체의 얇은 막을 통해 빠져 나 가려고 합니다. 이러한 얇은 층을 통해 액체를 밀어 넣으려면 상당한 압력 차이가 필요합니다. 기포 벽 중앙의 높은 압력으로 인해 기포가 dimple을 형성합니다.”

문제 해결

딤플이 어떻게 형성되었는지 이해하면 안정적인 신호를 제공하기 위해 거품 모양을 수정하는 두 가지 방법이 제안되었습니다. 첫 번째는 트렌치의 유리 측벽 아래로 버블 히터를 확장하는 것입니다. 그런 다음 열이 마이크로 트렌치의 벽 위로 흘러 표면을 건조시킵니다. FLOW-3D를 사용한 시뮬레이션   은 건식 벽 거품이 매우 안정적인 스위치 신호를 제공함을 보여줍니다. 기본 물리학에 따르면 기포 온도가 벽 온도보다 낮 으면 벽이 건조해질 것입니다. 이러한 기대는 FLOW-3D  시뮬레이션 으로 확인되었습니다  .

FLOW-3D로 확인 된 두 번째 방법은 마이크로 트렌치에 소위 정적 버블을 만드는 것입니다. 장치 온도가 압력 설정 저장소 온도보다 약간 더 높으면 정적 거품이 존재합니다. 이 장치 온도는 기포를 트렌치의 모서리로 밀어 넣을 수있는 충분한 압력을 생성하지만 기포가 도파관 어레이와 히터 기판 사이의 틈을 통해 불어 나기에는 충분하지 않습니다. 이러한 정적 기포는 근처의 “crusher”기포를 사용하여 끌 수 있습니다. 이 기포는 일시적으로 충분한 과압을 생성하여 정적 기포가 붕괴되도록합니다. 분쇄기 거품 자체는 더 작은 트렌치에 있으므로 표면 장력이 작업을 완료 한 후 붕괴 될 수 있습니다. FLOW-3D 시뮬레이션은 이 모드에서 스위치 작동을 보여주기 위해 사용되었습니다.

FLOW-3D를 사용 하여 미세 유체 애플리케이션 모델링  의 성능과 다양성에 대해 자세히 알아보십시오. 

Lost Foam Workspace | FLOW-3D CAST

Lost Foam의 장점

  • 공차가 엄격하고 복잡한 부품 모델링
    -표면 마감은 2.5~25㎛
    -크기는 파운드에서 톤까지 다양함
    -2.5mm의 최소 두께를 요구함
    -주철, 알루미늄 합금, 니켈 합금 및 강철과 같은 금속이 Lost Foam에 사용됨 (때로는 스테인리스 스틸 및 구리도 사용)
  • 코어가 필요 없음
    -코어는 바인더로 만들어지며 열분해로 인한 다공성 결함을 유발할 수 있음
  • 분리선이 필요 없음
    -분리선이 발생할 수 있음

결함 예측

  • 시뮬레이션은 결함 영역을 정확하게 식별하고 결함의 원인에 대한 통찰력을 제공할 수 있음
    -탕경
    -기포
    -접힘
    -기포 잔여물
    -초과 및 잔류 모멘텀

모델링 가정

  1. 모든 폴리머 패턴은 기체로 제거됨
  2. 코팅, 모래의 투과성, 패턴은 기체를 제거하는데 충분함
  3. 금속 속도는 열전달 및 기포 분해 특성에 의해 제어됨
  4. 금속과 패턴의 접점에서 금속의 온도는 패턴을 기체로 완전히 분해하고 금속과 패턴의 접점 뒤의 모래 손실로 인해 필요한 에너지의 결과

복잡하게 채워지는 동작

Lost Foam 작업 공간

  • 2000년 일반 모터 회사, AFS Lost Foam Consortium, 미국 에너지부 및 앨라배마 버밍엄 대학과 공동으로 개발
  • GM의 연구원은 Lost Foam casting 시뮬레이션과 실제 주조 시험과 연관시킴
  • 기포와 금속의 접정을 분석하여 금속의 흐름이 어떻게 결함을 발전시키고 주조의 품질에 영향을 미치는지 알아냄

GM “Box Cast” 검증

Lab-on-a-chip

다양한 표면 장력을 사용하여 도장된 표면

마이크로 채널의 패턴 표면은 액체 사이의 실제 물리적 벽 없이 여러 액체가 나란히 흐르는 특정 경로를 따라 한 저장 장치에서 다른 저장 장치로 액체를 운반하는 데 사용될 수 있습니다. 패턴이 있는 표면은 액체를 lab-on-a-chip, 생물학적 경로, 마이크로 프로세서 및 화학적, 생물학적 감지 장치로 운반하는 데 사용됩니다.

이 경우 표면 장력은 미세 채널의 유체 흐름을 조작하여 패턴이 있는 흐름을 만드는 데 사용됩니다. 고체 표면에 있는 유체의 친수성 또는 소수성 거동은 마이크로 채널을 통해 복수 유체의 움직임을 제어하기 위해 이용됩니다.

마이크로 채널 내부의 유체 흐름은 층류로, 이는 다중 유체 흐름(이 경우 2개)이 난류 혼합 없이 나란히 흐를 수 있음을 의미합니다. 유체 스트림 측면에 물리적 벽이 없기 때문에 스트림은 이른바 가상 벽으로 제한됩니다. 이 벽들은 기본적으로 두 액체 사이의 친수성 경계입니다.

세가지 단계를 보여 주는 실험 결과 – A, B및 C(왼쪽에서 오른쪽으로), Bin Zhao et al.

위의 그림은 실험에서의 마이크로 채널을 보여준다. 중앙 수평 채널의 중간 스트립은 친수성인 반면, 상단 및 하단 수직 채널과 함께 남아 있는 채널은 친수성의 정도가 다릅니다. 그들은 단지 몇도의 접촉점 각도에 의해서만 그들의 친수성이 다릅니다. 상부 채널의 접점 각도는 118o 이고 하부 채널의 접점 각도는 112o입니다. 그러나 이러한 접촉 각도의 작은 차이는 유체가 이러한 영역으로 흐르기 위해 상당히 다른 압력을 필요로 합니다.

수치해석 시뮬레이션

처음에는 모든 채널에 각기 다른 유체가 주입됩니다(투명). 분홍색 유체를 수평 채널로 밀어 넣으면 중앙 영역의 친수성 경로(PhaseA)를 따라 이동합니다. 압력이 증가함에 따라, 유체는 하부 친수성-친수성 장벽을 깨고 바닥 소수성 구역으로 흐르기 시작합니다(상 B). 압력이 더욱 증가하면 유체가 마침내 상부 친수성-친수성 장벽을 깨고 상부 영역에서도 흐르기 시작합니다(단계 C).

A, B, C의 세 단계를 보여주는 수치 결과입니다.

위의 수치해석 결과는 두가지 사이에 중요한 차이가 있다는 점을 고려할 때 실험에서 패턴이 있는 표면 연구의 전반적인 아이디어와 비교할 수 있는 합당한 수준을 보여줍니다. 위에 표시된 수치해석 결과는 과도 상태(압력이 지속적으로 증가함)이므로 유체 경계는 실험 결과와 정확히 동일하지 않습니다. 마찬가지로 유체 특성은 실험에 사용된 특성과 정확히 동일하지 않습니다.

그럼에도 불구하고 유체 1은 실험에서와 같이 압력이 증가함에 따라 A, B, C단계를 거칩니다. B단계에서는 투명한 유체가 상부 채널을 통해 계속 흐르지만, 하부 영역에서는 분홍색 유체만 흐릅니다. 이것은 실험과 일치합니다.

흥미로운 것은 C단계의 거품 형성입니다. C단계의 거품 형성과 같은 흥미로운 물리현상의 재현과 연구는 미세 유체학 장치의 설계와 제작 과정에 중요할 수 있습니다.

FLOW-3D 해석 결과

아래의 애니메이션은 위와 같은 실험에 대한 FLOW-3D 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 유체 1( 연한 파란 색)은 실험 중인 분홍색 유체와 같습니다. 처음에는 전체 영역이 Fluid2(투명 유체)로 채워집니다. 압력은 단계적으로 증가하며 시뮬레이션이 진행됨에 따라 세 단계를 모두 볼 수 있습니다.

Evolution of fluid flow with increasing pressure in patterned micro channels created by varying contact angles.

Ref: Bin Zhao, Jeffrey S. Moore, David J. Beebe, Surface-Directed Liquid Flow Inside Microchannels, Science 291, 1023 (2001)

Learn more about the power and versatility of modeling microfluidic applications with FLOW-3D