Malte Stief∗, Jens Gerstmann∗∗, and Michael E. Dreyer∗∗∗ ZARM, Center of Applied Space Technology and Microgravity, University of Bremen, Am Fallturm, D-28359 Bremen Experiments to observe the surface oscillation of cryogenic liquids have been performed with liquid nitrogen inside a 50 mm diameter right circular cylinder. The surface oscillation is driven by the capillary force that becomes dominant after a sudden reduction of the gravity acceleration acting on the liquid. The experiments show differences from the speculated behavior and enables one to observe new features.
Introduction and motivation
최근 몇 년 동안 Bremen의 낙하탑에서 중력의 단계적 감소 시 방향 재지향 거동과 표면 진동을 조사하기 위해 수많은 실험이 수행되었습니다[1]. 이 실험의 원리는 그림 1에 나와 있습니다.
그림 1의 왼쪽에 표시된 것처럼 오른쪽 원형 원통형 용기에 테스트 액체를 레벨 h0까지 채웁니다. 처음에 액체는 정지 상태이며 중앙에서 평평한 인터페이스를 형성합니다.
초기 중력 가속도 kzi ≈ 9.81 [m/s2]와 결과적으로 높은 BOND 수(Bo = ρkziR2/σ)로 인해 실린더의 대칭축에서. 낙하탑에서 실험 캡슐의 방출에 의해 확립된 μ-중력 환경 kz ≈ 0 [m/s2]로의 갑작스러운 전환과 함께 자유 표면은 진동 운동으로 새로운 평형 구성을 찾기 시작합니다(그림의 오른쪽) 1). 이러한 움직임은 그림 1의 중앙에 스케치되어 있습니다.
표면 진동의 구동력은 접착력과 결합된 표면 장력이며, 댐핑은 액체의 점도에 의해 제어됩니다. 위치가 zw인 벽에서 접촉선의 이동은 접촉각 γ에 의해 제어됩니다. 접촉각이 작은 액체용 γ ≈ 0◦
In recent years numerous experiments have been carried out to investigate the reorientation behavior and surface oscillations upon step reduction of gravity at the drop tower in Bremen [1]. The principals of these experiments are shown in figure 1. A right circular cylindrical container is filled up to the level h0 with the test liquid, as shown on the left of figure 1. Initially the liquid is quiescent and forms a flat interface at the center, in the symmetry axis of the cylinder, due to the initial gravity acceleration kzi ≈ 9.81 [m/s2] and the resulting high BOND number (Bo = ρkziR2/σ). With the sudden transition to the µ-gravity environment kz ≈ 0 [m/s2], which is established by the release of the experiment capsular in the drop tower, the free surface is initiated to search its new equilibrium configuration (right side of figure 1) with an oscillatory motion. These movements are sketched in the center of figure 1. The driving force for the surface oscillation is the surface tension in combination with the adhesion force where the damping is controlled by the viscosity of the liquid. The movement of the contact line at the wall, with its position zw, is governed by the contact angle γ. For liquids with small contact angle γ ≈ 0◦
Fig. 1 Oscillation of a free surface due to the step reduction of gravity acceleration from kzi ≈ 9.81 to kz ≈ 0Fig. 2 Experiment picture-series showing the oscillation of the free surface at different times for a 50 mm diameter cylinder.
References
[1] M. Michaelis, Kapillarinduzierte Schwingungen freier Fl¨ussigkeitsoberfl¨achen, Dissertation Universit¨at Bremen, Fortschritt-Berichte Nr. 454 (VDI Verlag, D¨usseldorf, 2003).
This paper demonstrates that the Volume of Fluid (TruVOF) method in FLOW-3D (a general purpose CFD software) is an effective tool for studying droplet dynamics and mixing in microfluidic devices. The first example studied is a T-junction where flow patterns for both droplet generation and passive mixing are analyzed. The second example studied is a co-flowing device where the formation and breakup of bubbles is simulated. The effect of viscosity on bubble formation is also analyzed. For a T-junction the bubble size is corroborated with experimental data. Both the bubble size and frequency are studied and corroborated with experimental data for a co-flowing device. The third example studied is the electrowetting phenomenon observed in a small water droplet resting on a dielectric material. The steady-state contact angle is plotted against the voltage applied. The results are compared with both the Young-Lippmann curve and experimental results.
이 논문은 FLOW-3D (범용 CFD 소프트웨어)의 유체 부피 (TruVOF) 방법이 미세 유체 장치에서 액적 역학 및 혼합을 연구하는데 효과적인 도구임을 보여줍니다.
연구된 첫 번째 예는 액적 생성 및 수동 혼합에 대한 흐름 패턴이 분석되는 T- 접합입니다. 연구된 두 번째 예는 기포의 형성 및 분해가 시뮬레이션 되는 동시 유동 장치입니다.
기포 형성에 대한 점도의 영향도 분석됩니다. T 접합의 경우 기포 크기는 실험 데이터로 확증됩니다. 기포 크기와 빈도 모두 공동 유동 장치에 대한 실험 데이터로 연구되고 확증됩니다.
연구된 세 번째 예는 유전 물질 위에 놓인 작은 물방울에서 관찰 된 전기 습윤 현상입니다. 정상 상태 접촉각은 적용된 전압에 대해 플롯됩니다. 결과는 Young-Lippmann 곡선 및 실험 결과와 비교됩니다.
Simulation of Droplet Dynamics and Mixing in Microfluidic Devices using a VOF-Based Method Fig 1Simulation of Droplet Dynamics and Mixing in Microfluidic Devices using a VOF-Based Method Fig 2
Open surface microfluidic systems are becoming increasingly popular in the fields of biology, biotechnology, medicine, point-of-care (POC) and home care systems. The design of such systems usually involves fluid being transported by capillary forces. Capillarity can enhance fluid transport for small volumes of fluid and can provide a reliable alternative to micro-scale pumping mechanisms. Advantages of capillary systems include:
Low cost due to easy and fast fabrication
User friendliness due to the simplicity of their design
Increased portability ensured by the capillary actuation of fluids
Enhanced accessibility caused by the open-surface nature of their design
Complete elimination of air bubbles guaranteed by the uniformly moving fluid front
For these reasons, open capillary systems are the preferred design option for various POC systems.
개방형 표면 미세 유체 시스템은 생물학, 생명 공학, 의학, POC (Point-of-Care) 및 홈 케어 시스템 분야에서 점점 인기를 얻고 있습니다. 이러한 시스템의 설계에는 일반적으로 모세관 힘에 의해 유체가 운반됩니다. 모세관은 소량의 유체에 대한 유체 수송을 향상시킬 수 있으며 마이크로 규모 펌핑 메커니즘에 대한 신뢰할 수있는 대안을 제공 할 수 있습니다. 모세관 시스템의 장점은 다음과 같습니다.
쉽고 빠른 제작으로 인한 저렴한 비용
디자인의 단순성으로 인한 사용자 편의성
유체의 모세관 작동으로 인한 휴대 성 향상
디자인의 개방형 특성으로 인한 접근성 향상
균일하게 움직이는 유체 전면으로 보장되는 기포의 완전한 제거
이러한 이유로 개방형 모세관 시스템은 다양한 POC 시스템에서 선호되는 설계 옵션입니다.
모세관 흐름의 시작 조건
그림 1. V 홈 채널의 단면 치수 : W = 150 μm, h1 = 300 μm, h2 = 1200 μm, α = 14.5ο.
University at Buffalo와 University of Grenoble의 연구원들의 최근 논문에서 마이크로 그루브가 잠재적으로 모세관 효과를 향상시킬 수있는 방법을 보여주었습니다 [1]. 이 논문의 결과를 바탕으로, FLOW-3D를 사용하여 평행 한 플레이트로 대체 된 좁은 V- 홈 마이크로 채널 내부 유체의 자발적 모세관 흐름 (SCF)에 대한 사례 연구를 논의 할 것 입니다. 모세관 흐름의 시작에 대한 특정 조건이 충족되면 혈류를 모니터링하기위한 POC 시스템의 설계를 위해 전혈과 같은 점성 유체를 사용해도 큰 유체 속도를 얻을 수 있습니다.
모세관 흐름의 조건은 Gibbs 자유 에너지의 최소화를 기반으로 한 정적 접근 방식을 사용하여 이론적으로 설정할 수 있습니다. 보다 구체적으로, 입구 압력이 0 일 때 모세관 흐름이 시작되는 조건은 다음과 같습니다.
(수식 1) pF/pW < cos θ
여기서 θ 는 영 접촉각이고 p F 및 p W 는 각각 유동의 임의 단면에서 자유 및 습식 둘레입니다. 그림 1에 표시된 것과 같은 반각 α 를 갖는 V- 홈 마이크로 채널의 경우 몇 가지 수학적 조작 후 eq. 1은 다음과 같이 다시 작성할 수 있습니다.
(수식 2) sin α = cos θ
우리의 경우 α ≈ 14.5 ο 가 있으므로 모세관 흐름의 조건은 θ <75.5 o 입니다.
FLOW-3D 에서 시뮬레이션
정적 접근 방식이 SCF의 시작에 관한 중요한 정보를 제공하지만 수치 접근 방식은 현장 진료 장치에서 유동 역학을 연구하는 데 더 적합합니다. 접촉각이 37 ° 이고 전혈의 유체 특성 을 갖는 V- 홈 마이크로 채널에 대해 CFD 분석을 수행했습니다 . 혈액의 점도는 거의 일정하기 때문에 흐름 체제는 뉴턴으로 간주됩니다 [1]. 유체 운동이 모세관 효과에 의해서만 발생하도록 모든 경계와 계산 영역 전체에 균일 한 주변 압력이 적용되었습니다. 시뮬레이션은 처음 4mm의 유체 이동을 포함하는 초기 시뮬레이션과 4mm에서 8mm의 유체 이동을 예측하는 재시작 시뮬레이션의 두 부분으로 나뉩니다.
결과 및 검증
처음 8mm 이동에 대한 유동 역학은 그림 2에 나와 있습니다.이 그림은 세 가지 다른 시간에 슬롯에서 전진 인터페이스의 모양을 보여줍니다. 필라멘트 (Concus-Finn 필라멘트)의 점진적인 확장은 주 흐름보다 앞서 볼 수 있습니다.
그림 2. 세 가지 다른 시간에서 FLOW-3D를 사용하여 진행하는 모세관 흐름의 동적 계산 : (a) 0.04, (b) 0.07 및 (c) 0.11 초와 삽입물 (i1), (i2) 및 (i3) Concus-Finn 필라멘트의 진화 [1].
분석, 수치 및 실험 결과 간의 비교는 그림 3에 나와 있습니다. 수치 예측과 실험 간에는 탁월한 일치가 있습니다. 분석 솔루션도 플롯되었지만 채널 하단에있는 Concus – Finn 필라멘트의 효과가 고려되지 않았기 때문에 수치 및 실험 결과에 대한 유효한 비교를 나타내지 않을 수 있습니다.
그림 3. (A) 시간의 함수로서 채널의 속도. 빨간색 점 : FLOW-3D 시뮬레이션 (중간 높이에서); 녹색 점 : 실험 관찰 (채널 중앙 높이); 파선 녹색 선 : 하단 V 홈의 효과를 무시한 분석 속도. (B) 시간의 함수로서 액체 전면의 원점으로부터의 거리. 빨간색 점 : FLOW-3D 시뮬레이션 (중간 높이에서); 녹색 점 : 실험 관찰 (채널 중앙 높이); 파선 녹색 선 : 하단 V 홈의 효과를 무시한 분석 속도 [1].
전혈 이외에도 식용 색소로 착색 한 물과 점성이 높은 알기 네이트 용액을 포함하여 장치가 고점도 유체를 이동시킬 수있는 가능성을 테스트하는 등 다양한 유체를 연구했습니다. 혈액과 같은 고점도 액체는 1 초 이내에 이동할 수 있습니다 (아래 애니메이션 참조).https://www.youtube.com/embed/v4OYoHStJ1w?controls=1&rel=0&playsinline=0&modestbranding=0&autoplay=0&enablejsapi=1&origin=https%3A%2F%2Fwww.flow3d.com&widgetid=1
사례 연구는 상대적으로 큰 점도 (물의 4 배)를 갖는 전혈의 경우 최대 7.5cm / s의 속도를 달성했음을 보여줍니다. 실험 결과 및 FLOW-3D 예측에 따라 전체 채널은 0.2 초 이내에 혈액으로 채워졌습니다. FLOW-3D 시뮬레이션 결과는 실험 관찰 결과와 매우 일치하며, V-groove 내부의 거리에 따라 속도가 감소하지만 장치의 전체 길이에 걸쳐 중요 함을 나타냅니다.
참고 문헌
Berthier, J., K. Brakke, E. P. Furlani, I. H. Karampelas, and G. Delapierre. “Open-surface microfluidics.” In Proceedings of the Nanotech International Conference, pp. 15-19. 2014.
Hirt, Cyril W., and Billy D. Nichols. “Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries.” Journal of computational physics 39, no. 1 (1981): 201-225.
Rajaratnam, N., and M. R. Chamani. “Energy loss at drops.” Journal of Hydraulic Research 33, no. 3 (1995): 373-384.
레이저 조사 및 silanization 공정으로 제작된 micro-pillar arrays를 사용하여 초 소수성 표면에 대한 액적 영향 시뮬레이션
ZhenyanXiaa YangZhaoa ZhenYangabc ChengjuanYangab LinanLia ShibinWanga MengWangab aSchool of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin, 300054, China bKey Laboratory of Mechanism Theory and Equipment Design of Ministry of Education, Tianjin, 300072, Chinac School of Engineering, University of Warwick, Coventry, CV4 7AL, UK
Received 23 September 2020, Revised 17 November 2020, Accepted 26 November 2020, Available online 11 December 2020.
Abstract
Super-hydrophobicity is one of the significant natural phenomena, which has inspired researchers to fabricate artificial smart materials using advanced manufacturing techniques. In this study, a super-hydrophobic aluminum surface was prepared by nanosecond laser texturing and FAS modification in sequence. The surface wettability turned from original hydrophilicity to super-hydrophilicity immediately after laser treatment. Then it changed to super-hydrophobicity showing a WCA of 157.6 ± 1.2° with a SA of 1.7 ± 0.7° when the laser-induced rough surface being coated with a layer of FAS molecules. The transforming mechanism was further explored from physical and chemical aspects based on the analyses of surface morphology and surface chemistry. Besides, the motion process of droplet impacting super-hydrophobic surface was systematically analyzed via the optimization of simulation calculation grid and the simulation method of volume of fluid (VOF). Based on this simulation method, the morphological changes, the inside pressure distribution and velocity of the droplet were further investigated. And the motion mechanism of the droplet on super-hydrophobic surface was clearly revealed in this paper. The simulation results and the images captured by high-speed camera were highly consistent, which indicated that the computational fluid dynamics (CFD) is an effective method to predict the droplet motion on super- hydrophobic surfaces. This paper can provide an explicit guidance for the selection of suitable methods for functional surfaces with different requirements in the industry.
Korea Abstract
초 소수성은 연구원들이 첨단 제조 기술을 사용하여 인공 스마트 재료를 제작하도록 영감을 준 중요한 자연 현상 중 하나 입니다. 이 연구에서 초 소수성 알루미늄 표면은 나노초 레이저 텍스처링과 FAS 수정에 의해 순서대로 준비되었습니다.
레이저 처리 직후 표면 습윤성은 원래의 친수성에서 초 친수성으로 바뀌 었습니다. 그런 다음 레이저 유도 거친 표면을 FAS 분자 층으로 코팅했을 때 WCA가 157.6 ± 1.2 °이고 SA가 1.7 ± 0.7 ° 인 초 소수성으로 변경되었습니다.
변형 메커니즘은 표면 형태 및 표면 화학 분석을 기반으로 물리적 및 화학적 측면에서 추가로 탐구 되었습니다. 또한, 초 소수성 표면에 영향을 미치는 물방울의 운동 과정은 시뮬레이션 계산 그리드의 최적화와 유체 부피 (VOF) 시뮬레이션 방법을 통해 체계적으로 분석되었습니다.
이 시뮬레이션 방법을 바탕으로 형태학적 변화, 내부 압력 분포 및 액 적의 속도를 추가로 조사했습니다. 그리고 초 소수성 표면에 있는 물방울의 운동 메커니즘이 이 논문에서 분명하게 드러났습니다.
시뮬레이션 결과와 고속 카메라로 캡처한 이미지는 매우 일관적 이었습니다. 이는 전산 유체 역학 (CFD)이 초 소수성 표면에서 액적 움직임을 예측하는 효과적인 방법임을 나타냅니다.
이 백서는 업계의 다양한 요구 사항을 가진 기능 표면에 적합한 방법을 선택하기 위한 명시적인 지침을 제공 할 수 있습니다.
서식지에 적응하기 위해 많은 자연 식물과 동물에서 특별한 습윤 표면이 진화되었습니다 [1-3]. 연잎은 먼지에 의한 오염으로부터 스스로를 보호하기 위해 우수한 자가 청소 특성을 나타냅니다 [4]. 사막 딱정벌레는 공기에서 물을 수확할 수 있는 기능적 표면 때문에 건조한 사막에서 생존 할 수 있습니다 [5].
자연 세계에서 영감을 받아 고체 기질의 표면 습윤성을 수정하는데 더 많은 관심이 집중되었습니다 [6-7]. 기능성 표면의 우수한 성능은 고유 한 표면 습윤성에 기인하며, 이는 고체 표면에서 액체의 확산 능력을 반영하는 중요한 특성 중 하나입니다 [8].
일반적으로 물 접촉각 (WCA) 값에 따라 90 °는 친수성과 소수성의 경계로 간주됩니다. WCA가 90 ° 이상인 소수성 표면, WCA가 90 ° 미만인 친수성 표면 [9 ]. 특히 고체 표면은 WCA가 10 ° 미만의 슬라이딩 각도 (SA)에서 150 °를 초과 할 때 특별한 초 소수성을 나타냅니다 [10-11].
<내용 중략> ……
The Simulation of Droplet Impact on the Super-Hydrophobic
Surface with Micro-Pillar Arrays Fabricated by Laser Irradiation
and Silanization Processes
References
[1] H.W. Chen, P.F. Zhang, L.W. Zhang, Y. Jiang, H.L. Liu, D.Y. Zhang, Z.W. Han, L. Jiang, Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata, Nature 532 (2016) 85-89. [2] Y. Liu, K.T. Zhang, W.G. Yao, J.A. Liu, Z.W. Han, L.Q. Ren, Bioinspired structured superhydrophobic and superoleophilic stainless steel mesh for efficient oilwater separation, Colloids Surf., A 500 (2016) 54-63. [3] Y.X. Liu, W.L. Liu, G.L. Wang, J.C. Hou, H. Kong, W.L. Wang, A facile one-step approach to superhydrophilic silica film with hierarchical structure using fluoroalkylsilane, Colloids Surf., A 539 (2018) 109-115. [4] F.P. Wang, S. Li, L. Wang, Fabrication of artificial super-hydrophobic lotus-leaflike bamboo surfaces through soft lithography, Colloids Surf., A 513 (2017) 389-395. [5] W. Huang, X.Y. Tang, Z. Qiu, W.X. Zhu, Y.G. Wang, Y.L. Zhu, Z.F. Xiao, H.G. Wang, D.X. Liang, Jian, L. Y.J Xie, Cellulose-based Superhydrophobic Surface Decorated with Functional Groups Showing Distinct Wetting Abilities to Manipulate Water Harvesting, ACS Appl. Mater. Interfaces DOI: 10.1021/acsami.0c12504. [6] M.Y. Zhang, L.J. Ma, Q. Wang, P. Hao, X. Zheng, Wettability behavior of nanodroplets on copper surfaces with hierarchical nanostructures, Colloids Surf., A 604 (2020) 125291. [7] A.F. Pan, W.J. Wang, X.S. Mei, K.D. Wang, X.B. Yang, Rutile TiO2 flocculent ripples with high antireflectivity and superhydrophobicity on the surface of titanium under 10 ns laser irradiation without focusing, Langmuir 33 (2017) 9530-9538. [8] M. Li, X.H. Liu, N. Liu, Z.H. Guo, P.K. Singh, S.Y. Fu, Effect of surface wettability on the antibacterial activity of nanocellulose-based material with quaternary ammonium groups, Colloids Surf., A 554 (2018) 122-128. [9] T.C. Chen, H.T. Liu, H.F. Yang, W. Yan, W. Zhu, H. Liu, Biomimetic fabrication of robust self-assembly superhydrophobic surfaces with corrosion resistance properties on stainless steel substrate, RSC Adv. 6 (2016) 43937-43949. [10] P. Zhang, F.Y. Lv, A review of the recent advances in superhydrophobic surfaces and the emerging energy-related applications, Energy 82 (2015) 1068-1087. [11] Z. Yang, X.P. Liu, Y.L. Tian, Novel metal-organic super-hydrophobic surface fabricated by nanosecond laser irradiation in solution, Colloids Surf., A 587 (2020) 124343. [12] J.Y. Peng, X.J. Zhao, W.F. Wang, X. Gong, Durable Self-Cleaning Surfaces with Superhydrophobic and Highly Oleophobic Properties, Langmuir, 35 (2019) 8404- 8412. [13] Z. Yang, X.P. Liu, Y.L. Tian, A contrastive investigation on anticorrosive performance of laser-induced super-hydrophobic and oil-infused slippery coatings, Prog. Org. Coat. 138 (2020) 105313. [14] J.L. Yong, F. Chen, Q. Yang, J.L. Huo, X. Hou, Superoleophobic Surfaces, Chem. Soc. Rev. 46 (2017) 4168-4217. [15] D.W. Li, H.Y. Wang, Y. Liu, D.S. Wei, Z.X. Zhao, Large-Scale Fabrication of Durable and Robust Super-Hydrophobic Spray Coatings with Excellent Repairable and Anti-Corrosion Performance, Chem. Eng. J. 367 (2019) 169-179. [16] R.J. Liao, Z.P. Zuo, C. Guo, Y. Yuan, A.Y. Zhuang, Fabrication of superhydrophobic surface on aluminum by continuous chemical etching and its antiicing property, Appl. Surf. Sci. 317 (2014) 701-709. [17] Z. Yang. X.P. Liu, Y.L. Tian, Hybrid laser ablation and chemical modification for fast fabrication of bio-inspired super-hydrophobic surface with excellent selfcleaning, stability and corrosion resistance, J Bionic Eng 16 (2019) 13-26. [18] Z. Yang, Y.L. Tian, Y.C. Zhao, C.J. Yang, Study on the fabrication of superhydrophobic surface on Inconel alloy via nanosecond laser ablation, Materials 12 (2019) 278. [19] Y. Wang, X. Gong, Superhydrophobic Coatings with Periodic Ring Structured Patterns for Self-Cleaning and Oil-Water Separation, Adv. Mater. Interfaces 4 (2017) 1700190. [20] N. Chik, W.S.W.M. Zain, A.J. Mohamad, M.Z. Sidek, W.H.W. Ibrahim, A. Reif, J.H. Rakebrandt, W. Pfleging, X. Liu, Bacterial adhesion on the titanium and stainless-steel surfaces undergone two different treatment methods: Polishing and ultrafast laser treatment, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng.358 (2018) 012034. [21] N.K.K. Win, P. Jitareerat, S. Kanlayanarat, S. Sangchote, Effects of cinnamon extract, chitosan coating, hot water treatment and their combinations on crown rot disease and quality of banana fruit, Postharvest Biol. Technol. 45 (2007) 333–340. [22] A. Yarin, Drop impact dynamics: splashing, spreading, receding, bouncing, Annu. Rev. Fluid Mech. 38 (2006) 159–192. [23] N. Wang, L.L. Tang, Y.F. Cai, W. Tong, D.S. Xiong, Scalable superhydrophobic coating with controllable wettability and investigations of its drag reduction, Colloids Surf. A 555 (2018) 290–295. [24] R. Fürstner, W. Barthlott, C. Neinhuis, P. Walzel, Wetting and self-cleaning properties of artificial superhydrophobic surfaces, Langmuir 21 (2005) 956–61. [25] U. Trdan, M. Hočevar, P. Gregorčič, Transition from superhydrophilic to superhydrophobic state of laser textured stainless steel surface and its effect on corrosion resistance, Corros. Sci. 123 (2017) 21–44. [26] A.L. Biance, C. Clanet, D. Quere, First steps in the spreading of a liquid droplet, Phys. Rev. E 69 (2004) 016301. [27] S. Kulju, L. Riegger, P. Koltay et al, Fluid flow simulations meet high-speed video: computer vision comparison of droplet dynamics, J. Colloid Interface Sci. 522 (2018) 48. [28] C.J. Yong, B. Bhushan, Dynamic effects of bouncing water droplets on superhydrophobic surfaces, Langmuir 24.12 (2008) 6262–6269. [29] G. Karapetsas, N.T. Chamakos, A.G. Papathanasiou, Efficient modelling of droplet dynamics on complex surfaces, J. Phys.: Condens. Matter 28.8 (2016) 085101. [30] D. Khojasteh, N.M. Kazerooni, S. Salarian et al, Droplet impact on superhydrophobic surfaces: a review of recent developments, J. Ind. Eng. Chem. 42 (2016) 1–14. [31] S.H. Kim, Y. Jiang, H. Kim, Droplet impact and LFP on wettability and nanostructured surface, Exp. Therm. Fluid Sci. 99 (2018) 85–93. [32] M. Rudman, Volume‐Tracking Methods for Interfacial Flow Calculations, Int. J. Numer. Methods Fluids 24.7 (1997) 671-691.
Tien-Li Chang a,*, Jung-Chang Wang b , Chun-Chi Chen c , Ya-Wei Lee d , Ta-Hsin Chou a a Mechanical and Systems Research Laboratories, Industrial Technology Research Institute, Rm. 125, Building 22, 195 Section 4, Chung Hsing Road, Chutung, Hsinchu 310, Taiwan, ROC bDepartment of Manufacturing Research and Development, ADDA Corporation, Taiwan cNational Nano Device Laboratories, Taiwan d Research and Development Division, Ordnance Readiness Development Center, Taiwan
Abstract
이 연구는 나노 임프린트 공정에서 Ni 몰드 스탬프와 PMMA (폴리 메틸 메타 크릴 레이트) 기판 사이의 접착 방지 층으로서 새로운 재료를 제시합니다. 폴리 벤족 사진 ((6,6′-bis (2,3-dihydro3-methyl-4H-1,3-benzoxazinyl))) 분자 자기 조립 단층 (PBO-SAM)은 점착 방지 코팅제로 간주되어 불소 함유 화합물은 Ni / PMMA 기판의 나노 임프린트 공정을 개선 할 수 있습니다. 이 작업에서 나노 구조 기반 Ni 스탬프와 각인 된 PMMA 몰드는 각각 전자빔 석판화 (EBL)와 수제 나노 임프린트 장비에 의해 수행됩니다. 제작 된 나노 패턴의 형성을 제어하기 위해 시뮬레이션은 HEL (hot embossing lithography) 공정 동안 PBO-SAM / PMMA 기판의 변형에 대한 온도 분포의 영향을 분석 할 수 있습니다. 여기서 기둥 패턴의 직경은 Ni 스탬프 표면에 200nm 및 400nm 피치입니다. 이 적합성 조건에서 소수성 PBO-SAM 표면을 기반으로하여 Ni 몰드 스탬프의 결과는 품질 및 수량 제어에서 90 % 이상의 개선을 추론합니다.
Introduction
나노 임프린트 리소그래피 (NIL)는 초 미세 패터닝 기판 기술을 대량 생산할 수있는 가장 큰 잠재력입니다 [1,2]. 최근에는 광전자 장치 [3], 양자 컴퓨팅 장치 [4], 바이오 센서 [5] 및 전자 장치 [6]에 요구 될 수있는 NEMS / MEMS 기술의 빠른 개발이 이루어지고 있습니다.
따라서 기존의 포토 리소 그래프는 할당에 적합한 방법이 아닐 수 있습니다 [7]. X 선, 이온빔, 전자빔 리소그래피의 경우 LCD의 도광판 초박막 판과 같은 대 면적 패턴 제작에 적합하지 않습니다. 제어하기 어렵습니다. 일부 제작된 문제를 기반으로 NIL 프로세스는 재료, 패턴 크기, 구조 및 기판 지형면에서 유연성을 제공합니다 [8].
오늘날 NIL 제조 방법은 낮은 비용과 높은 처리량의 높은 패터닝 해상도의 조합으로 학제 간 나노 스케일 연구 및 상용 제품의 새로운 문을 열 수 있는 큰 관심을 받고 있습니다. 그러나 이 나노 임프린트 기술이 산업 규모 공정을 위해 충분히 성숙하기 전에 몇 가지 응용 문제를 해결해야 합니다.
각인된 몰드 공정은 종종 고온 (폴리머의 유리 전이 온도에 대해> 100oC)과 고압 (> 100bar)에서 수행되기 때문에 분명히 바람직하지 않습니다. 가열 및 냉각 공정의 열주기는 금형 및 각인 된 기판의 왜곡을 유발할 수 있습니다. 한 가지 특별한 문제는 스탬프와 폴리머 사이의 접착 방지 층 처리를 제어하여 기계적 결함이 임프린트 품질과 스탬프 수명에 영향을 미칠 수있는 중요한 패턴 결함이되는 것을 방지하는 것입니다.
Schift et al. 플루오르화 트리클로로 실란을 마이크로 미터 체제에서 실리콘에 대한 접착 방지 코팅으로 사용하는 것으로 입증되었습니다 [9]. 또한 Park et al. Ni 몰드 스탬프에 더 나은 접착 방지 코팅 공정을 달성하기 위해 불소화 실란제를 사용했습니다 [10].
그러나 지금까지 Ni 스탬프에 대한 접착 방지 코팅 처리의 NIL 공정에서 비 불소 물질에 대한 시도는 거의 이루어지지 않았습니다. 우리의 생활 환경은 그것을 유지하기 위해 불소가 아닌 물질이 필요합니다. 또한 Ni 계 소재의 부드러운 특성을 바탕으로 가장 중요한 롤러 나노 임프린트 기술을 개발할 수 있습니다.
본 연구의 목적은 Ni 스탬프와 PMMA 기판 사이의 점착 방지 코팅제로 PBO-SAM을 개발하여 나노 제조 기술, 즉 NIL을 향상시키는 것입니다.
Experiment
먼저 4,4′- 이소 프로필 리 덴디 페놀 (비스페놀 -A, BA-m), 포름 알데히드 및 메틸 아민을 반응시켜 폴리 벤족 사진을 제조 하였다. 미국 Aldrich Chemical company, Inc.에서 구입 한 모든 화학 물질. 합성 과정에서 포름 알데히드/디 옥산 및 메틸 아민 / 디 옥산 물질을 10 o C에서 항아리에서 10분 동안 측정하는 벤족 사진 단량체가 필요했습니다.
디 에틸 에테르를 기화시킨 후, 벤족 사진 전구체가 완성되었다. benzoxazine 전구체를 140 o C에서 1 시간 동안 가열하면 BA-m 폴리 벤족 사진을 얻을 수 있습니다. 다음으로 4 인치입니다.
이 연구에서는 p 형 Si (10 0) 웨이퍼를 사용할 수 있습니다. SiO2 기반 Ni (원자량 5.87g / mole) 기판의 제조를 위해 Ti (5nm) 및 SiO2 (20nm)를 순차적으로 증착 한 후 O2- 플라즈마 처리를 수행했습니다. Ni 기판과 SiO2 층 사이의 접착력을 높이기 위해 Ti 중간층이 사용되었습니다. 아세톤, 이소프로판올 및 탈 이온수를 사용하여 세척 한 후 샘플을 포토 레지스트 (ZEP520A-7, Nippon Zeon Co., Ltd.)로 스핀 코팅했습니다.
Fig. 1. Schematic diagram of nanostructures using NIL process: (A) EBL equipment for fabricated mold stamp. (B) HEL equipment for nanoimprint pattern with computer
controlled electronics. (C) A nickel-based pillar mold can imprint into a PBO-SAM polymer resist layer; afterward, the mold removal and pattern transfer are based on
anisotropic etching to remove reside.
마스터 몰드는 그림 1 (A)에서 Ni 필름의 반응성 이온 에칭 (RIE)과 함께 Crestec CABL8210 전자 빔 직접 쓰기 도구 (30 keV, 100 pA)를 사용하여 제작되었습니다. 그런 다음 시뮬레이션된 결과는 NIL 프로세스에서 엠보싱 압력으로 기계적 고장의 효과를 제공할 수 있으며, 이는 우리가 원하는 나노 패턴 설계 및 연구에 도움이 될 수 있습니다.
PBOSAM / PMMA 기판 모델의 변형은 3 차원 접근법에 기반한 유한 체적 방법 (FVM)을 통해 예측할 수 있습니다. Navier-Stokes 방정식 [11]에서 압력과 속도 사이의 결합은 SIMPLE 알고리즘을 사용하여 이루어집니다. 2 차 상향 이산화 방식은 대류 플럭스 및 운동량의 확산 플럭스, 유체의 질량 분율에 대한 중심 차이 방식에 대해 구현됩니다. 완화 부족 요인의 일반적인 값은 0.5입니다.
수렴 기준이 1105로 설정된 연속성을 제외한 모든 변수에 대해 잔차가 1103 미만인 경우 솔루션이 수렴된 것으로 간주됩니다. 여기서 각인된 나노 패턴은 그림 1 (B)와 같이 수제 장비에서 수행한 HEL 공정을 통해 사용할 수 있습니다. PBO-SAM 코팅 방법으로 HEL 절차를 활용 한 나노 패턴의 제작은 그림 1 (C)에 개략적으로 표시되었습니다.
200nm의 얇은 PMMA 필름 (분자량 15kg / mole)을 SiO2 기판에 스핀 코팅 한 후 160oC에서 30 분 동안 핫 플레이트에서 베이킹했습니다. 또한 PBO-SAM 코팅은 접착 방지제입니다. CVD 공정에 의해 증착되었습니다. 마스터는 150oC 및 50bar에서 10 분 동안 PBO-SAM / PMMA 기판 필름에 엠보싱하여 복제되었습니다.
마지막으로, 엠보싱 된 나노 구조물의 바닥에 남아 있던 PBO-SAM / PMMA 층은 RIE 처리로 제거되었습니다. 각 임프린트 후 스탬프 및 기판의 품질이 제작 된 후 현미경을 사용하여 관찰하고 물 접촉각 (CA) 측정을 사용하여 습윤 및 접착 특성을 알아낼 수 있습니다.
Fig. 2. FTIR absorption spectrum of polybenzoxazines indicates the vibrational
modes of molecular bonds.Fig. 3. FE-SEM micrograph of Ni stamps before imprinted PMMA substrate. The
pillar diameter is 200 nm, and its period is 400 nm.Fig. 5. Contact angles of water drops on (A) a PMMA polymer film surface, and (B) a smooth PBO-SAM coating film surfaceFig. 6. Simulation of Ni stamps and PBO-SAM/PMMA substrate in NIL process: (A) A
nanoimprint system geometry, and (B) its grid plot.Fig. 7. Simulation results of temperature distribution between Ni stamps and
PBO-SAM/PMMA substrate in NIL process: (A) stamp cross-sectional, (B) PMMA
substrate cross-sectional, (C) 3-dimensional and (D) intrinsic 3-dimensional views,
respectively. The study of computed condition in nanoimprint process is at 150 o
C
and 50 bar during 10 min. Note that for NIL experimental parameters, the simulated
results have already decided before doing nanoimprint experiment.
References
[1] M.D. Austin, H.X. Ge, W. Wu, M.T. Li, Z.N. Yu, D. Wasserman, S.A. Lyon, S.Y. Chou, Nature 417 (2002) 835. [2] S.Y. Chou, C. Keimel, J. Gu, Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 5299. [3] Q. Wang, G. Farrell, P. Wang, G. Rajan, T. Thomas, Sensor Actuator A 134 (2007) 405. [4] C. Kentsch, W. Henschel, D. Wharam, D.P. Kern, Microelectron. Eng. 83 (2006) 1753. [5] T.L. Chang, Y.W. Lee, C.C. Chen, F.H. Ko, Microelectron. Eng. 84 (2007) 1689. [6] S. Tisa, F. Zappa, A. Tosi, S. Cova, Sensor Actuator A 140 (2007) 113. [7] M. Agirregabiria, F.J. Blanco, J. Berganzo, M.T. Arroyo, A. Fullaondo, K. Mayora, J.M. Ruano-López, Lab Chip 5 (2005) 5545. [8] W. Hu, E.K.F. Yim, R.M. Reano, K.W. Leong, S.W. Pang, J. Vac. Sci. Technol. B 84 (2005) 2984. [9] H. Schift, L.J. Heyderman, C. Padeste, J. Gobrecht, Microelectron. Eng. 423 (2002) 61. [10] S. Park, H. Schift, C. Padeste, B. Schnyder, R. Kötz, J. Gobrecht, Microelectron. Eng. 73–74 (2004) 196. [11] A. Yokoo, M. Nakao, H. Yoshikawa, H. Masuda, T. Tamamura, Jpn. J. Appl. Phys. 38 (1999) 7268.
자동차 경량화를 위해 주요 구성 재료인 철강과 비강도가 높은 알루미늄 접합 기술이 요구되고 있습니다. FLOW-3D Weld 에서는 플럭스의 사용을 피하기 위해 주빔에 더해 예열빔을 이용한 탠덤빔에 의한 레이저 브레이징 과정을 검토할 수 있습니다.
탠덤 빔 레이저에 의한 플럭스리스 브레이징
주빔의 영향을 용융재 초기 온도, 예열빔의 영향을 모재의 온도 분포로 각각 모델화하고, 알루미늄 합금과 아연도금강의 레이저 브레이징 과정에서의 용융재료의 젖음과 유동성을 해석하였습니다. 여기에서는 아연도금강이 ScG270(GA)인 경우와 l170(GI)인 경우를 비교하고 있습니다.
불균일한 온도장에서 FLOW3D의 표면장력 접촉각기능을 통해 누수확대 재현
GI강 조인트는 GA강 조인트에 비해 용융 밀림, 퍼짐성이 뛰어납니다. FLOW-3D@에 의한 해석 결과도 실험 결과와 잘 일치합니다. 이음매의 차이 이 외에도 주빔/예열빔 출력, 빔 간의 어긋남 거리등의 최적화 설계가 가능합니다.
by Vahid Bazargan M.A.Sc., Mechanical Engineering, The University of British Columbia, 2008 B.Sc., Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, 2006 B.Sc., Chemical & Petroleum Engineering, Sharif University of Technology, 2006
고착 방울은 평평한 기판에 놓인 액체 방울입니다. 작은 고정 액적이 증발하는 동안 액적의 접촉선은 고정된 접촉 영역이 있는 고정된 단계와 고정된 접촉각이 있는 고정 해제된 단계의 두 가지 단계를 거칩니다. 고정된 접촉 라인이 있는 증발은 액적 내부에서 접촉 라인을 향한 흐름을 생성합니다.
이 흐름은 입자를 운반하고 접촉 선 근처에 침전시킵니다. 이로 인해 일반적으로 관찰되는 “커피 링”현상이 발생합니다. 이 논문은 증발 과정과 고착성 액적의 증발 유도 흐름에 대한 연구를 제공하고 콜로이드 현탁액에서 입자의 침착에 대한 통찰력을 제공합니다. 여기서 우리는 먼저 작은 고착 방울의 증발을 연구하고 증발 과정에서 기판의 열전도도의 중요성에 대해 논의합니다.
현재 증발 모델이 500µm 미만의 액적 크기에 대해 심각한 오류를 생성하는 방법을 보여줍니다. 우리의 모델에는 열 효과가 포함되어 있으며, 특히 증발 잠열의 균형을 맞추기 위해 액적에 열을 제공하는 기판의 열전도도를 포함합니다. 실험 결과를 바탕으로 접촉각의 진화와 관련된 접촉 선의 가상 움직임을 정의하여 고정 및 고정 해제 단계의 전체 증발 시간을 고려합니다.
우리의 모델은 2 % 미만의 오차로 500 µm보다 작은 물방울에 대한 실험 결과와 일치합니다. 또한 유한한 크기의 라인 액적의 증발을 연구하고 증발 중 접촉 라인의 복잡한 동작에 대해 논의합니다. 에너지 공식을 적용하고 접촉 선이 구형 방울의 후퇴 접촉각보다 높은 접촉각을 가진 선 방울의 두 끝에서 후퇴하기 시작 함을 보여줍니다. 그리고 라인 방울 내부의 증발 유도 흐름을 보여줍니다.
마지막으로, 계면 활성제 존재 하에서 접촉 라인의 거동을 논의하고 입자 증착에 대한 Marangoni 흐름 효과에 대해 논의합니다. 열 Marangoni 효과는 접촉 선 근처에 증착 된 입자의 양에 영향을 미치며, 기판 온도가 낮을수록 접촉 선 근처에 증착되는 입자의 양이 많다는 것을 알 수 있습니다.
Figure 1.1: A water droplet with a radius of 1 mm resting on a glass substrate.
The surface of the droplet takes on a spherical cap shape. The contact
angle θ is defined by the balance of the interfacial forces.Figure 2.1: Evaporation modes of sessile droplets on a substrate: (a) evaporation at constant contact angle (de-pinned stage) and (b) evaporation at
constant contact area (pinned stage)Figure 2.2: A sessil droplet with its image can be profiled as the equiconvex
lens formed by two intersecting spheres with radius of a.Figure 2.3: The droplet life time for both evaporation modes derived from
Equation 2.2.Figure 2.4: A probability of escape for vapor molecules at two different sites
of the surface of the droplet for diffusion controlled evaporation. The
random walk path initiated from a vapor molecule is more likely to result in a return to the surface if the starting point is further away from
the edge of the droplet.Figure 2.5: Schematic of the sessile droplet on a substrate. The evaporation
rate at the surface of the droplet is enhanced toward the edge of the
droplet.Figure 2.6: The domain mesh (a) and the solution of the Laplace equation for
diffusion of the water vapor molecule with the concentration of Cv =
1.9×10−8 g/mm3
at the surface of the droplet into the ambient air with
the relative humidity of 55%, i.e. φ = 0.55 (b).Figure 3.1: The portable micro printing setup. A motorized linear stage from
Zaber Technologies Inc. was used to control the place and speed of the
micro nozzle.Figure 4.6: Temperature contours inside the substrate adjacent to the dropletFigure 4.7: The effect of substrate cooling on the evaporation rate, the basic
model shows the same value for all substrates.
[1] R. G. Picknett and R. Bexon, “The evaporation of sessile or pendant drops in still air,” Journal of Colloid and Interface Science, vol. 61, pp. 336–350, Sept. 1977. → pages viii, 8, 9, 18, 42 [2] H. Y. Erbil, “Evaporation of pure liquid sessile and spherical suspended drops: A review,” Advances in Colloid and Interface Science, vol. 170, pp. 67–86, Jan. 2012. → pages 1 [3] R. Sharma, C. Y. Lee, J. H. Choi, K. Chen, and M. S. Strano, “Nanometer positioning, parallel alignment, and placement of single anisotropic nanoparticles using hydrodynamic forces in cylindrical droplets,” Nano Lett., vol. 7, no. 9, pp. 2693–2700, 2007. → pages 1, 54, 71 [4] S. Tokonami, H. Shiigi, and T. Nagaoka, “Review: Micro- and nanosized molecularly imprinted polymers for high-throughput analytical applications,” Analytica Chimica Acta, vol. 641, pp. 7–13, May 2009. →pages 71 [5] A. A. Sagade and R. Sharma, “Copper sulphide (CuxS) as an ammonia gas sensor working at room temperature,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 133, pp. 135–143, July 2008. → pages [6] W. R. Small, C. D. Walton, J. Loos, and M. in het Panhuis, “Carbon nanotube network formation from evaporating sessile drops,” The Journal of Physical Chemistry B, vol. 110, pp. 13029–13036, July 2006. → pages 71 [7] S. H. Ko, H. Lee, and K. H. Kang, “Hydrodynamic flows in electrowetting,” Langmuir, vol. 24, pp. 1094–1101, Feb. 2008. → pages 42 [8] T. T. Nellimoottil, P. N. Rao, S. S. Ghosh, and A. Chattopadhyay, “Evaporation-induced patterns from droplets containing motile and nonmotile bacteria,” Langmuir, vol. 23, pp. 8655–8658, Aug. 2007. → pages 1 [9] R. Sharma and M. S. Strano, “Centerline placement and alignment of anisotropic nanotubes in high aspect ratio cylindrical droplets of nanometer diameter,” Advanced Materials, vol. 21, no. 1, p. 6065, 2009. → pages 1, 54, 71 [10] V. Dugas, J. Broutin, and E. Souteyrand, “Droplet evaporation study applied to DNA chip manufacturing,” Langmuir, vol. 21, pp. 9130–9136, Sept. → pages 2, 71 [11] Y.-C. Hu, Q. Zhou, Y.-F. Wang, Y.-Y. Song, and L.-S. Cui, “Formation mechanism of micro-flows in aqueous poly(ethylene oxide) droplets on a substrate at different temperatures,” Petroleum Science, vol. 10, pp. 262–268, June 2013. → pages 2, 34, 54 [12] T.-S. Wong, T.-H. Chen, X. Shen, and C.-M. Ho, “Nanochromatography driven by the coffee ring effect,” Analytical Chemistry, vol. 83, pp. 1871–1873, Mar. 2011. → pages 71 [13] J.-H. Kim, S.-B. Park, J. H. Kim, and W.-C. Zin, “Polymer transports inside evaporating water droplets at various substrate temperatures,” The Journal of Physical Chemistry C, vol. 115, pp. 15375–15383, Aug. 2011. → pages 54 [14] S. Choi, S. Stassi, A. P. Pisano, and T. I. Zohdi, “Coffee-ring effect-based three dimensional patterning of Micro/Nanoparticle assembly with a single droplet,” Langmuir, vol. 26, pp. 11690–11698, July 2010. → pages [15] D. Wang, S. Liu, B. J. Trummer, C. Deng, and A. Wang, “Carbohydrate microarrays for the recognition of cross-reactive molecular markers of microbes and host cells,” Nature biotechnology, vol. 20, pp. 275–281, Mar. PMID: 11875429. → pages 2, 54, 71 [16] H. K. Cammenga, “Evaporation mechanisms of liquids,” Current topics in materials science, vol. 5, pp. 335–446, 1980. → pages 3 [17] C. Snow, “Potential problems and capacitance for a conductor bounded by two intersecting spheres,” Journal of Research of the National Bureau of Standards, vol. 43, p. 337, 1949. → pages 9 [18] R. D. Deegan, O. Bakajin, T. F. Dupont, G. Huber, S. R. Nagel, and T. A. Witten, “Contact line deposits in an evaporating drop,” Physical Review E, vol. 62, p. 756, July 2000. → pages 10, 14, 18, 27, 53, 54, 71, 84 [19] H. Hu and R. G. Larson, “Evaporation of a sessile droplet on a substrate,” The Journal of Physical Chemistry B, vol. 106, pp. 1334–1344, Feb. 2002. → pages 12, 18, 29, 43, 44, 48, 49, 53, 61, 71, 84 [20] Y. O. Popov, “Evaporative deposition patterns: Spatial dimensions of the deposit,” Physical Review E, vol. 71, p. 036313, Mar. 2005. → pages 14, 27, 43, 44, 45, 54 [21] H. Gelderblom, A. G. Marin, H. Nair, A. van Houselt, L. Lefferts, J. H. Snoeijer, and D. Lohse, “How water droplets evaporate on a superhydrophobic substrate,” Physical Review E, vol. 83, no. 2, p. 026306,→ pages [22] F. Girard, M. Antoni, S. Faure, and A. Steinchen, “Influence of heating temperature and relative humidity in the evaporation of pinned droplets,” Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, vol. 323, pp. 36–49, June 2008. → pages 18 [23] Y. Y. Tarasevich, “Simple analytical model of capillary flow in an evaporating sessile drop,” Physical Review E, vol. 71, p. 027301, Feb. 2005. → pages 19, 54, 62, 72 [24] A. J. Petsi and V. N. Burganos, “Potential flow inside an evaporating cylindrical line,” Physical Review E, vol. 72, p. 047301, Oct. 2005. → pages 22, 55, 62, 68, 71 [25] A. J. Petsi and V. N. Burganos, “Evaporation-induced flow in an inviscid liquid line at any contact angle,” Physical Review E, vol. 73, p. 041201, Apr.→ pages 23, 53, 55, 72 [26] H. Masoud and J. D. Felske, “Analytical solution for stokes flow inside an evaporating sessile drop: Spherical and cylindrical cap shapes,” Physics of Fluids, vol. 21, pp. 042102–042102–11, Apr. 2009. → pages 23, 55, 62, 71, 72 [27] H. Hu and R. G. Larson, “Analysis of the effects of marangoni stresses on the microflow in an evaporating sessile droplet,” Langmuir, vol. 21, pp. 3972–3980, Apr. 2005. → pages 24, 28, 53, 54, 56, 62, 68, 71, 72, 74, 84 [28] R. Bhardwaj, X. Fang, and D. Attinger, “Pattern formation during the evaporation of a colloidal nanoliter drop: a numerical and experimental study,” New Journal of Physics, vol. 11, p. 075020, July 2009. → pages 28 [29] A. Petsi, A. Kalarakis, and V. Burganos, “Deposition of brownian particles during evaporation of two-dimensional sessile droplets,” Chemical Engineering Science, vol. 65, pp. 2978–2989, May 2010. → pages 28 [30] J. Park and J. Moon, “Control of colloidal particle deposit patterns within picoliter droplets ejected by ink-jet printing,” Langmuir, vol. 22, pp. 3506–3513, Apr. 2006. → pages 28 [31] H. Hu and R. G. Larson, “Marangoni effect reverses coffee-ring depositions,” The Journal of Physical Chemistry B, vol. 110, pp. 7090–7094, Apr. 2006. → pages 29, 74 [32] K. H. Kang, S. J. Lee, C. M. Lee, and I. S. Kang, “Quantitative visualization of flow inside an evaporating droplet using the ray tracing method,” Measurement Science and Technology, vol. 15, pp. 1104–1112, June 2004. → pages 34 [33] S. T. Beyer and K. Walus, “Controlled orientation and alignment in films of single-walled carbon nanotubes using inkjet printing,” Langmuir, vol. 28, pp. 8753–8759, June 2012. → pages 42, 71 [34] G. McHale, “Surface free energy and microarray deposition technology,” Analyst, vol. 132, pp. 192–195, Feb. 2007. → pages 42 [35] R. Bhardwaj, X. Fang, P. Somasundaran, and D. Attinger, “Self-assembly of colloidal particles from evaporating droplets: Role of DLVO interactions and proposition of a phase diagram,” Langmuir, vol. 26, pp. 7833–7842, June→ pages 42 [36] G. J. Dunn, S. K. Wilson, B. R. Duffy, S. David, and K. Sefiane, “The strong influence of substrate conductivity on droplet evaporation,” Journal of Fluid Mechanics, vol. 623, no. 1, p. 329351, 2009. → pages 44 [37] M. S. Plesset and A. Prosperetti, “Flow of vapour in a liquid enclosure,” Journal of Fluid Mechanics, vol. 78, pp. 433–444, 1976. → pages 44 [38] S. Das, P. R. Waghmare, M. Fan, N. S. K. Gunda, S. S. Roy, and S. K. Mitra, “Dynamics of liquid droplets in an evaporating drop: liquid droplet coffee stain? effect,” RSC Advances, vol. 2, pp. 8390–8401, Aug. 2012. → pages 53 [39] B. J. Fischer, “Particle convection in an evaporating colloidal droplet,” Langmuir, vol. 18, pp. 60–67, Jan. 2002. → pages 54 [40] J. L. Wilbur, A. Kumar, H. A. Biebuyck, E. Kim, and G. M. Whitesides, “Microcontact printing of self-assembled monolayers: applications in microfabrication,” Nanotechnology, vol. 7, p. 452, Dec. 1996. → pages 54 [41] T. Kawase, H. Sirringhaus, R. H. Friend, and T. Shimoda, “Inkjet printed via-hole interconnections and resistors for all-polymer transistor circuits,” Advanced Materials, vol. 13, no. 21, p. 16011605, 2001. → pages 71 [42] B.-J. de Gans, P. C. Duineveld, and U. S. Schubert, “Inkjet printing of polymers: State of the art and future developments,” Advanced Materials, vol. 16, no. 3, p. 203213, 2004. → pages 71 [43] H. Sirringhaus, T. Kawase, R. H. Friend, T. Shimoda, M. Inbasekaran, W. Wu, and E. P. Woo, “High-resolution inkjet printing of all-polymer transistor circuits,” Science, vol. 290, pp. 2123–2126, Dec. 2000. PMID:→ pages [44] D. Soltman and V. Subramanian, “Inkjet-printed line morphologies and temperature control of the coffee ring effect,” Langmuir, vol. 24, pp. 2224–2231, Mar. 2008. → pages 54 [45] R. Tadmor and P. S. Yadav, “As-placed contact angles for sessile drops,” Journal of Colloid and Interface Science, vol. 317, pp. 241–246, Jan. 2008. → pages 56 [46] J. Drelich, “The significance and magnitude of the line tension in three-phase (solid-liquid-fluid) systems,” Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, vol. 116, pp. 43–54, Sept. 1996. → pages 56 [47] R. Tadmor, “Line energy, line tension and drop size,” Surface Science, vol. 602, pp. L108–L111, July 2008. → pages 69 [48] C.-H. Choi and C.-J. C. Kim, “Droplet evaporation of pure water and protein solution on nanostructured superhydrophobic surfaces of varying heights,” Langmuir, vol. 25, pp. 7561–7567, July 2009. → pages 71 [49] K. F. Baughman, R. M. Maier, T. A. Norris, B. M. Beam, A. Mudalige, J. E. Pemberton, and J. E. Curry, “Evaporative deposition patterns of bacteria from a sessile drop: Effect of changes in surface wettability due to exposure to a laboratory atmosphere,” Langmuir, vol. 26, pp. 7293–7298, May 2010. [50] D. Brutin, B. Sobac, and C. Nicloux, “Influence of substrate nature on the evaporation of a sessile drop of blood,” Journal of Heat Transfer, vol. 134, pp. 061101–061101, May 2012. → pages 71 [51] D. Pech, M. Brunet, P.-L. Taberna, P. Simon, N. Fabre, F. Mesnilgrente, V. Condra, and H. Durou, “Elaboration of a microstructured inkjet-printed carbon electrochemical capacitor,” Journal of Power Sources, vol. 195, pp. 1266–1269, Feb. 2010. → pages 71 [52] J. Bachmann, A. Ellies, and K. Hartge, “Development and application of a new sessile drop contact angle method to assess soil water repellency,” Journal of Hydrology, vol. 231232, pp. 66–75, May 2000. → pages 71 [53] H. Y. Erbil, G. McHale, and M. I. Newton, “Drop evaporation on solid surfaces: constant contact angle mode,” Langmuir, vol. 18, no. 7, pp. 2636–2641, 2002. → pages [54] X. Fang, B. Li, J. C. Sokolov, M. H. Rafailovich, and D. Gewaily, “Hildebrand solubility parameters measurement via sessile drops evaporation,” Applied Physics Letters, vol. 87, pp. 094103–094103–3, Aug.→ pages [55] Y. C. Jung and B. Bhushan, “Wetting behaviour during evaporation and condensation of water microdroplets on superhydrophobic patterned surfaces,” Journal of Microscopy, vol. 229, no. 1, p. 127140, 2008. → pages 71 [56] J. Drelich, J. D. Miller, and R. J. Good, “The effect of drop (bubble) size on advancing and receding contact angles for heterogeneous and rough solid surfaces as observed with sessile-drop and captive-bubble techniques,” Journal of Colloid and Interface Science, vol. 179, pp. 37–50, Apr. 1996. →pages 72, 75 [57] D. Bargeman and F. Van Voorst Vader, “Effect of surfactants on contact angles at nonpolar solids,” Journal of Colloid and Interface Science, vol. 42, pp. 467–472, Mar. 1973. → pages 73 [58] J. Menezes, J. Yan, and M. Sharma, “The mechanism of alteration of macroscopic contact angles by the adsorption of surfactants,” Colloids and Surfaces, vol. 38, no. 2, pp. 365–390, 1989. → pages [59] T. Okubo, “Surface tension of structured colloidal suspensions of polystyrene and silica spheres at the air-water interface,” Journal of Colloid and Interface Science, vol. 171, pp. 55–62, Apr. 1995. → pages 73, 76 [60] R. Pyter, G. Zografi, and P. Mukerjee, “Wetting of solids by surface-active agents: The effects of unequal adsorption to vapor-liquid and solid-liquid interfaces,” Journal of Colloid and Interface Science, vol. 89, pp. 144–153, Sept. 1982. → pages 73 [61] T. Mitsui, S. Nakamura, F. Harusawa, and Y. Machida, “Changes in the interfacial tension with temperature and their effects on the particle size and stability of emulsions,” Kolloid-Zeitschrift und Zeitschrift fr Polymere, vol. 250, pp. 227–230, Mar. 1972. → pages 73 [62] S. Phongikaroon, R. Hoffmaster, K. P. Judd, G. B. Smith, and R. A. Handler, “Effect of temperature on the surface tension of soluble and insoluble surfactants of hydrodynamical importance,” Journal of Chemical & Engineering Data, vol. 50, pp. 1602–1607, Sept. 2005. → pages 73, 80 [63] V. S. Vesselovsky and V. N. Pertzov, “Adhesion of air bubbles to the solid surface,” Zh. Fiz. Khim, vol. 8, pp. 245–259, 1936. → pages 75 [64] Hideo Nakae, Ryuichi Inui, Yosuke Hirata, and Hiroyuki Saito, “Effects of surface roughness on wettability,” Acta Materialia, vol. 46, pp. 2313–2318, Apr. 1998. → pages [65] R. J. Good and M. Koo, “The effect of drop size on contact angle,” Journal of Colloid and Interface Science, vol. 71, pp. 283–292, Sept. 1979. → pages
이 기사에서 Tony Hirt 박사는 다가오는 FLOW-3D v12.0 릴리스에서 사용할 수있는 새로운 Steady-State Accelerator에 대해 설명합니다 .
일시적인 흐름의 점근 적 상태를 계산하는 것보다 안정된 자유 표면 흐름을 생성하는 더 빠른 방법이 자주 필요합니다. 상황은 압축성 흐름 솔버를 사용하여 비압축성 흐름을 해결하는 것과 유사합니다. 후자의 경우 압축 파는 붕괴하는 데 오랜 시간이 걸리고 결과적으로 비압축성 흐름을 남길 수 있습니다. 이에 따라 자유 표면 흐름에서 유체는 비압축성이지만 표면 파동은 안정된 자유 표면 구성을 생성하는 데 오랜 시간이 걸릴 수 있습니다.
비압축성 흐름의 경우, 압축 파를 심각하게 감쇠시키는 반복적 인 프로세스 (즉, 압력-속도 반복)를 사용합니다. 물리적으로 반복은 압력과 같은 파동이 국부적 인 영역에 영향을 미치는 짧은 거리를 이동하도록 허용하지만 압력 장에 상당한 노이즈를 유발할 수있는 장거리 전파 및 반사를 피할 수있을만큼 빠르게 감쇠됩니다.
이 노트에서 자유 표면 셀에 적용된 간단한 압력 조정은 표면 교란에 대한 감쇠력으로 작용합니다. 이 댐핑은 안정적인 자유 표면 구성에 대한 접근을 가속화합니다.
Steady-State Accelerator Idea
유체 인터페이스 또는 자유 표면은 VOF (Volume-of-Fluid) 기술을 사용하여 FLOW-3D 에서 추적됩니다 . 유체 변수 F의 비율은 유체가 차지하는 영역을 찾습니다. 유체에 고정 된 자유 표면이있는 경우 유체를 정의하는 F 값도 안정된 값을 유지해야합니다. F가 일정하려면 표면에 수직 인 유체 속도가 0이어야합니다. 물론 표면에서의 접선 유체 속도는 0 일 필요는 없습니다. 예를 들어, 위어 위의 흐름에는 일정한 흐름이 있지만 계단에서 나오는 흐름의 위치와 모양은 변하지 않습니다.
자유 표면 흐름에 대한 정상 상태 솔버를 사용하려면 흐름의 비압축성을 유지하면서 정상 표면 속도를 0으로 유도하는 방법을 찾아야합니다.
이를 수행하는 한 가지 방법은 정상 속도를 0으로 유도하는 방식으로 표면 압력을 조정하는 것입니다. 특히 정상 속도에 비례하는 총 표면 압력에 “댐핑”압력 기여를 추가하는 것입니다. 속도는 표면 밖으로 향하고 그렇지 않으면 음수입니다.
정상 속도가 0에 가까워지면 수정 압력도 0이되어야 표면이 고정 위치를 초과하지 않게됩니다. 물론 보정이 너무 크면 오버 슈트가 발생할 수 있습니다. 따라서 안정적인 보정 적용을 위해서는 몇 가지 제한 요소가 있어야합니다.
계수 약어 ssacc 을 나타내며, S는 teady- S 테이트 액세서리 elerator이 새로운 옵션을 활성화하는 프로그램 입력에 추가되었다. ssacc 의 값 은 편리한 상한 인 1.0보다 작거나 같아야합니다. 프로그램 내에서 댐핑 압력에 자동으로 적용되는 여러 제한 기가 불안정 해 지거나 일시적인 현상에 악영향을 미치는 것을 방지합니다.
안정성 및 댐핑 리미터에 대한 이전 문제는 강조되어야합니다. 정상 상태 가속기를 사용하면 자유 표면 흐름의 모든 과도 현상이 더 이상 완전히 사실적인 것으로 볼 수 없습니다. 댐핑 압력은 물리적 인 힘이 아니라 파동 전파와 반사를 줄이는 메커니즘입니다. 댐퍼는 큰 과도 현상의 발생을 방해하지 않도록 고안되었으며 흐름이 안정됨에 따라 안정된 결과를보다 빠르게 얻는 데에만 기여해야합니다. 그러나 사용자는 리미터가 예상하지 못한 초과 댐핑에 대해 주의를 기울여야 합니다. 이는 댐핑 계수 ssacc 의 입력 값을 줄임으로써 제거 할 수 있습니다 .
두 가지 예는 정상 상태 가속기의 댐핑 메커니즘이 어떻게 작동하는지 보여줍니다.
Steady-State Accelerator Examples
Collapse of Raised Fluid Column
첫 번째 예는 길이 100cm, 깊이 5cm의 2 차원 물 웅덩이로 구성됩니다. 물을 담은 탱크의 모든 경계는 대칭 경계입니다. 수영장 중앙에는 폭 10cm, 높이 3cm의 수영장 위에 물 블록이 있습니다. 이 블록은 중력으로 인해 물에 떨어지고 충돌 지점에서 멀리 이동 한 다음 탱크 끝에서 반사되는 파도를 생성합니다. 100 초 후에도 반복되는 반사 때문에 여전히 상당한 파동 작용이 있습니다 (그림 1).
새로운 정상 상태 가속기를 계수 ssacc = 1.0 과 함께 사용하면 모든 파동이 빠르게 감쇠되어 거의 평평한 표면이됩니다. 일부 잔류 흐름은 표면 아래에 남아 있지만 점도의 작용으로 서서히 감쇠됩니다 (그림 2). 이 예에서 추가 된 댐핑은 특히 인상적입니다.
Figure 1. Column collapse without damping. Times of flow plots are 0.0, 10.0, and 100.0s. Bottom figure is the mean kinetic energy vs. time.
Figure 2. Column collapse with damping coefficient ssacc=1.0 at times of 0.0, 10.0 and 100.0s. Bottom figure is the mean kinetic energy vs. time.
사각형 격자에서 45 °의 정사각형 채널에서 모세관 상승
수직 채널에서 유체의 모세관 상승은 간단한 분석할 수 있으며 솔루션이 있는 양호한 정상 상태 문제입니다. 중력에 대해 상승 된 유체의 양은 벽의 접착력, 즉 접촉각의 코사인에 표면 장력 곱하기 접촉 선 길이에 의해 결정됩니다. 이 예에서 유체는 물이며 표면 장력은 70 dynes / cm이고 접촉각은 30 °입니다. 채널은 단면이 정사각형이며 가장자리 길이가 0.707cm이고 직사각형 격자에서 45 ° 회전합니다. 문제가 x 및 y 방향으로 대칭을 이루기 때문에 그리드의 사분면 만 모델링됩니다. 그리드의 바닥에는 제로 게이지 압력의 물이 있으며 그리드의 가장자리 길이는 0.0125cm (41x41x80 셀)입니다. 상승시켜야하는 이론적 유체 량은 0.04373cc입니다. 그림 3a는 정상 상태 결과를 보여줍니다. 이는 감쇠 사용 여부와 비슷합니다. 댐핑없이 계산된 유체의 양은 이론 값보다 1.74 % 높습니다. 그림 3b와 같이 댐핑이 있는 경우에는 2.24 %가 너무 높습니다. 가속기를 사용하면 정상 상태는 약 0.15 초에 도달하는 반면 표준 솔버는 0.8 초 후에 만 정상 상태 솔루션을 생성하므로 5 배 이상 더 오래 걸립니다.
Figure 3a. Capillary rise in square channel without damping pressures.
Figure 3b. Histories of fluid volume in the two simulations (blue is with damping).
ssacc가 1.0보다 작으면 댐핑이 적어 수렴에 더 빨리 도달합니다. 1.0을 포함한 모든 ssacc 값은 댐핑되지 않은 ssacc = 0.0 경우와 비교하여 이론과 밀접하게 일치하고 후면 벽에 적은 양의 유체를 나타내는 수렴된 솔루션을 만듭니다.
뒤쪽 벽에있는 작은 유체 조각은 평형 위치를 초과하는 유체의 오버 슈트에서 발생하며, 이는 점성력으로 인해 정착하는 데 오랜 시간이 필요한 소량의 유체를 벽에 남기고 뒤로 떨어집니다. 이 오버 슈트는 ssacc 가 0이 아닐 때 제거됩니다 .
슬라이드 코팅 흐름은 정밀 필름 코팅 제품의 제조에 널리 사용됩니다. 코팅 속도를 높이고 코팅 필름의 성능을 향상시키기 위해 슬라이드 코팅 공정을 더 잘 이해하기 위해 상당한 노력을 기울이고 있습니다. 예를 들어 Chen1과 같이 잘 정의 된 한계 이상으로 코팅 속도를 높이면 코팅 비드가 완전히 파손될 수 있음이 입증되었습니다.
이 논문에서는 유체 표면의 임의, 3 차원 및 시간에 따른 변형을 설명 할 수있는 계산 방법에서 얻은 슬라이드 코팅 흐름의 시뮬레이션 결과를 제시합니다. 상용 프로그램에서 사용할 수있는이 방법은 VOF (Volume-of-Fluid) 기술 3,4로 유체를 추적하는 고정 그리드를 사용합니다. 표면 장력, 벽 접착력, 유체 운동량 및 점성 응력은 분석에서 완전히 설명됩니다.
기본 방법은 딥 코팅 데이터와의 비교를 통해 설명됩니다 5. 그런 다음 접촉 선과 동적 접촉각이 우리의 방법에서 암시 적으로 처리되는 방법에 대한 논의를 제시합니다. VOF 기술을 사용하기 때문에 유체를 포함하는 각 제어 볼륨에 작용하는 힘의 합계 만 필요합니다. 그러면 접촉 선의 위치와 동적 접촉각이 계산 된 힘 균형에서 자동으로 발생합니다. 우리의 기술은 코팅 흐름에서 시작 및 비드 분해 현상의 예와 함께 설명됩니다.
그림에서 볼 수 있듯이 신속한 공정의 경우 당사의 접근 방식은 기존 분석 방법으로는 달성하기 어려운 코팅 공정 설계 및 최적화 시뮬레이션을위한 효율성과 견고성을 제공합니다.
Introduction
모든 코팅 공정에는 일정한 조건을 달성하기 전에 코팅 재료가 큰 변형을 겪는 일종의 시작 기간이 포함됩니다. 시작 프로세스의 우수한 특성화는 낭비를 줄이고 프로세스가 원하는 한계 내에서 작동하는지 확인하는 데 종종 중요합니다.
다양한 섭동에 대한 코팅 흐름의 과도 응답에 대한 유사한 이해가 또한 바람직하여 코팅 비드의 파손 및 코팅의 불균일성을 피할 수 있습니다. 코팅 흐름의 역학은 일반적으로 비선형이고 다양한 경쟁 물리적 프로세스의 결합 된 상호 작용을 포함하기 때문에 이론적 조사를 수행하기 위해 특수한 계산 도구에 의존해야합니다.
이 작업을 위해 선택한 모델링 도구의 장점은 고정 그리드를 통해 임의의 유체 변형을 추적 할 수있는 강력한 수치 기법 인 VOF (Volume-of-Fluid) 방법을 사용한다는 것입니다. 코팅 흐름 분석에 중요한 프로그램의 다른 기능과 함께 이것이 수행되는 방식은 다음 섹션에서 설명합니다.
Overview of Numerical Method
여기에 사용 된 수치 프로그램 FLOW-3D®는 1960 년대 중반 Los Alamos National Laboratory에서 개발 된 Marker-and-Cell (MAC) 방법 6에서 유래되었습니다. 원래 MAC 방법에 대한 많은 개선이 수년에 걸쳐 이루어졌습니다.
본 출원에서 가장 흥미로운 것은 유체 영역을 찾기 위해 연속적인 유체 부피 함수에 의해 개별 마커 입자를 대체하는 것입니다. VOF 방법에서는 관심있는 계산 영역을 포함하는 사각형 제어 볼륨의 고정 그리드가 구성됩니다. 각 제어 볼륨에 대해 숫자 F는 액체가 차지하는 볼륨의 비율을 표시하기 위해 유지됩니다.
F 함수를 사용하는 것 외에도 VOF 방법은 날카로운 액체-가스 인터페이스를 유지하는 방식으로 직사각형 셀의 고정 그리드를 통해 F 함수를 전진시키기 위해 특수 수치 기법을 사용합니다. 마지막으로 VOF 방법은 경계면에서 적절한 법선 및 접선 응력 조건을 충족하기 위해 신중하게 구현 된 자유 표면 경계 조건 세트를 사용합니다. 접근 방식의 또 다른 특징은 복잡한 기하학적 영역을 정의하는 방식입니다.
장애물은 제어 볼륨의 일부를 차단할 수 있도록하여 고정 그리드에 포함됩니다. 각 제어 볼륨에서 흐름을 위해 열린 분수 영역 및 볼륨은 지오메트리 표현으로 저장됩니다. FAVOR 방법 7이라고하는이 방법은 형상을 질량, 운동량 및 에너지에 대한 이산화 된 방정식에 자동으로 통합합니다. VOF 및 FAVOR 방법을 사용하면 코팅 문제에 대한 지오메트리 및 초기 유체 구성을 정의하는 데 필요한 복잡한 그리드 생성 프로세스가 없기 때문에 시간과 노력이 절약됩니다.
다음 섹션에서는 플랫 시트에 코팅을 담그는 응용 프로그램과 함께 기본적인 수치 방법의 유용성을 설명합니다.
Dip Coating – A Validation Test
Lee와 Tallmadge는 액체 수조에서 수직으로 인출 된 평판에 딥 코팅하는 과정에 대해 광범위한 조사를 수행했습니다.
이 프로세스는 다양한 상업용 응용 프로그램에서 널리 사용됩니다. 그들의 연구는 2 차원 흐름 (즉, 가장자리 효과 없음)에 초점을 맞추고 실험 데이터에 맞는 경험적 매개 변수를 포함하는 분석 표면 프로파일로 구성되었습니다. 0.085에서 23.9 사이의 모세관 수에 대한 실험 데이터가 수집되었으며, 레이놀즈 수는 0.044에서 12.7 사이입니다. 필름 두께에 대한 실험 데이터는 약 10 % 이하로 추정되는 오류를 가졌습니다.
이 실험에 대한 계산 모델은 코팅 할 시트의 수직 (접선) 속도와 동일한 수직 (접선) 속도가 주어진 직사각형 욕조로 구성되어 매우 간단합니다. 처음에 코팅액은 수평면을 가지며 시트는 충동 적으로 시작됩니다 (그림 1c 참조). 다양한 모세관 수 사례가 시뮬레이션되었으며 모든 경우에 예측 된 필름 두께는 실험 오차 범위 내에있었습니다. 예를 들어 모세관 번호 1.17에 해당하는 경우를 고려하십시오. 시트를 3.31cm / s에서 수조 (밀도 0.885gm / cc, 표면 장력 32.7dynes / cm 및 점도 1159.4cp를 갖는 점성 윤활유)에서 꺼냈다. 우리는 2.5cm의 욕조 너비와 2.0cm의 깊이 (35 x 25 그리드 셀)를 사용했습니다.
필름 흐름을 캡처하기 위해 욕조 위의 2.0cm 영역이 모델에 포함되었습니다 (수직으로 추가 25 개 셀 필요). 수조의 오른쪽은 유체 높이가 일정하게 유지되고 압력이 수압이고 흐름이 계산 영역으로 들어갈 수있는 열린 경계 였지만 휴식에서 시작해야했습니다. 이른바 “정체”경계 조건은 움직이는 시트의 오른쪽으로 충분히 멀리 떨어져있는 경우 수평 무한 욕조에 대한 좋은 근사치입니다. 모델링이 필요한 수조의 폭을 설정하기 위해 여러 가지 계산이 수행되었으며, 필름 두께가이 폭에 크게 민감하지 않다는 것이 밝혀졌으며 그 결과는 실험에서도 발견되었습니다.
그림 1a는 초기 조건, 그림 1b는 계산 된 과도 상태의 스냅 샷, 그림 1c는 최종 정상 상태 결과를 보여줍니다. 처음에 시트에 의해 그려지는 액체 팁의 모양은 정적 접촉각 (즉, 시트와 액체 사이의 접착력)에 따라 달라지며 임의로 10 도로 취해졌습니다. 액체가 끌어 올려짐에 따라, 배출되는 액체 필름을 대체하기 위해 시트쪽으로 흐름이 시작되어야한다는 신호로서 함몰 파가 나머지 수조에 대한 신호로 오른쪽으로 이동합니다. 약 5.0 초만에 정상 상태에 도달합니다. 필름 두께는 0.145cm로 계산되었으며, 이는 0.142cm의 측정 값과 매우 일치합니다.
증발하는 빗방울에서 남은 잔류의 물은 새로 씻은 자동차에서 좋지 못할 수 있습니다. 그러나, 동일한 증발 공정은, 예를 들어, 드롭 잔류 물이 인쇄 된 이미지 또는 텍스트의 일부가되는 잉크젯 인쇄에서 유리할 수있다. 그러나 동일한 증발 과정이 어떤 경우엔 도움이 될 수 있습니다 예를 들면, 잉크 찌꺼기가 인쇄 된 이미지나 텍스트의 일부가 되는 잉크젯 인쇄가 그렇습니다.
액체 방울의 증발로 인한 잔류의 물이 예상치 못한 방식으로 나타날 수 있습니다. 커피 링 얼룩이 잘 알려진 예이며, 커피의 잔류의 물이 물방울의 바깥 쪽 가장자리에 모여 얇은 원형 링 얼룩이 남습니다. 이 현상은 흥미로운 유체역학적인 과정의 결과입니다. 커피 링 얼룩이 형성 되려면 액체가 증착 된 고체 표면에 고정 된 접촉선이 있어야합니다. 고정 된 접촉선은 액체 방울이 고체 기판과 교차하는 액체 방울의 외부의 가장자리가 방울이 증발함에 따라 정지 상태를 유지함을 의미합니다. 증발은 기판의 열에 의해 발생하며 방울의 얇은 외부의 가장자리에서 가장 크게 생깁니다. 표면 장력은 액체가 증발하면서 손실 된 액체를 대체하기 위해 가장자리를 향해 발생하게 됩니다. 이는 결국 더 많은 용질을 가장자리로 운반하며 모든 액체가 증발 한 후, 결과적으로 커피 링 얼룩을 형성하게하는 더 높은 농도의 용질 잔류 물을 생성합니다.
모델링 접근법
FLOW-3D v12.0의 최신 업데이트로 인해 ‘접촉선의 고정’ 모델이 개발되었으며, 소프트웨어의 기능이 표면 장력 중심의 애플리케이션으로도 광범위하게 확장되었습니다. 표면 접촉의 고정 및 비고정 특성은 잉크젯 인쇄, 코팅 및 스프레이 냉각에서 중요한 역할을 합니다. 습윤 특성에 대한 표면 공법은 미세 유체 장치에서 액체 샘플의 이동을 제어하는 데 사용될 수 있습니다. 모델의 주요 특징은 방울의 가장자리를 고정 위치에 고정하는 수단을 제공하는 것입니다. 형상 구성 요소 및 하위 구성 요소중에 표면에 ‘고정’ 속성을 지정할 수 있습니다. 유체의 접촉선은 처음 표면과 접촉하는 곳에 고정됩니다. 전방 속도를 0으로 유지하면 고정이 적용됩니다. 유체는 접촉선과 표면을 따라 이동하는 것이 아니라 롤오버하여 접촉점을 지나야만 이동할 수 있습니다.
커피 링 얼룩 검증
그림 1은 평평한 수평 표면에 놓인 원형 물방울의 결과를 보여줍니다. 표면은 30 ℃의 일정한 온도로 유지됩니다. 초기 유체 온도는 20 ℃이고 주변 공극의 온도는 일정한 20 ℃입니다. 유체는 밀도 0.967 g/cm3, 점도 0.02022 poise, 비열 1.645e+07 cm2/s/K, 열전도도 1.2964e+4 g*cm/s3/K, 표면 장력 계수 33.15 g/cm2의 일반적인 잉크를 나타냅니다.
그림 1. 고정 된 접촉선을 사용하여 건조 공정 중의 물방울 모양의 변화.
액적 표면의 초기 곡률 반경은 7.5e-03 cm이고, 차지하는 공간은 반경 4.5e-03 cm의 원이며, 겉보기의 초기 접촉각은 37.87 도입니다. 그림 1-a를 참조하시기 바랍니다. 지정된 정적 접촉각은 0 도입니다.
정압에 의한 상변화 모델이 활성화됩니다. 공극 내의 증기 분압은 0이고 상변화 수용 계수는 Rsize = 0.01 입니다.
잉크가 건조될 때 기판 상에 고체가 잔류하는 물이 형성되는 것을 포착하기 위해 잔류 물 모델도 켜집니다. 유체에 용해 된 안료의 농도는 초기 농도 0.01 g/cm3 이고 최대 농도 rmax = 1.1625 g/cm3 에서 운반이 가능한 스칼라로 표시됩니다. 용해 된 안료는 질량 평균을 기준으로 안료의 단위질량당 0.05 poise의 속도로 유체의 순 점도를 향상시킵니다.
이 공정은 3.0 도의 방위 방향으로 하나의 셀에 걸쳐있는 축 대칭 원통형 메쉬로 모델링됩니다. (x 간격 = 6e-05 cm, z 간격 = 4e-05 cm.)
그림 1은 유체가 증발함에 따라 접촉선이 고정 된 상태를 유지하고 있음을 보여줍니다. 0 도의 정적 접촉각 조건은 액적의 중심을 향한 압력 구배를 가져오고, 이는 접촉선 방향으로의 유동을 생성합니다. 용해 된 안료의 농도는 증발로 인해 자유 표면 근처에서 증가하며, 흐름을 따라 농도는 접촉선을 향해 더욱 재분배합니다. (그림 2). 액체가 계속 증발함에 따라, 남아있는 액체의 안료 농도는 증가합니다. 농도가 최대 rmax에 도달하면, 과잉된 안료는 고체가 잔류하는 물로 전환됩니다.
그림2. g / cm3 단위의 안료 농도 및 t = 2.0ms에서의 흐름 패턴. 흐름은 고정 된 접촉선을 향하여 안료 농도가 증가합니다.
접촉선 근처의 유체가 먼저 건조되어 고체가 잔류하는 물이 남습니다. 해당 영역의 유체에 안료 농도가 높기 때문에 고체가 잔류하는 물의 특징인 ‘커피 링’ 패턴이 기판 표면에 생성됩니다. (그림 3 및 4). 안료의 총 질량(용해 + 건조 잔류 물)은 초기 질량의 0.025 % 이내로 보존됩니다.
그림 3. 모든 유체가 증발 된 후 기판 표면에 건조된 잔류 물의 분포 (단위 : g / cm3) . 가장 높은 농도는 고정 된 접촉선의 위치에 있으며, 이는 ‘커피 링’ 효과를 만들어냅니다.
그림 4. 유체가 완전히 증발 한 후 초기 액적의 반경을 따라 건조된 잔류 물의 예상 분포.
물방울 벽의 검증
그림5. 수직 벽에 고정 된 물방울의 변형 : t = 0 ms (파란색), t = 4e-02 ms (연한 파랑) t = 0.2 ms (빨간색). 해당 이미지는 “Effects of microscale topography”, Y.V.Kalinin, V.Berejnov and R. E. Thorne, Langmuir 25, 5391-5397. (2009). 에서의 이미지입니다.
접촉선 고정 응용의 두 번째 예는 수직의 벽에 고정 된 한 방울의 액체 알루미늄의 거동입니다. 유체 밀도는 2.7 g / cm3, 표면 장력 계수 200 g / cm2 및 점도 0.27 poise입니다. 정적 접촉각은 0 도입니다.
초기의 겉보기의 접촉각이 90도가 되도록 반경 0.5cm의 물방울을 수직 벽에 놓습니다 (그림 5). 7e+06 cm/s2의 중력 크기는 표면 장력의 복원 작용을 없애고 액적이 눈에 띄도록 변형시키기 위하여 인위적으로 향상되었습니다. 결과들은 비슷한 크기의 물방울에 대한 실험 결과와의 질적 비교를 포함하여 그림 5에서 보여줍니다.
요약
FLOW-3D의 접촉선 고정 모델은 표면 장력 및 벽의 접착 기능을 확장하여 표면 공법에서 복잡한 상호 작용을 모델링합니다. 접촉선 고정이 실제로 응용되는 분야에 관하여 더 많은 예시와 추가적인 참조를 찾으신다면여기에서 찾을 수 있습니다.
표면 장력의 온도 의존성은 유체 방울을 패턴 있는 표면 위로 전달하는 데 사용될 수 있습니다. 표면은 유체 방울이 친수성-수소성 인터페이스에 의해 형성된 채널을 따르도록 제한되도록 친수성 또는 친수성 접촉 각도로 패턴화됩니다. 또한 프로그램 가능한 방식으로 가열된 마이크로 히터의 배열은 열전압 작동을 유발하여 유체 방울을 뜨거운 영역에서 차가운 지역으로 유도합니다. 아래 이미지는 문제 설정의 상단 및 단면 뷰(Anton A)를 보여줍니다. Darhuber 외.) 다음에 Flow-3D를 설정합니다.
Top-view of a liquid droplet moving along a hydrophilic microstripe. The array of Ti-resistors (shown in light gray) beneath the hydrophilic stripes locally heat the droplet thereby modifying the surface tension and propelling the liquid toward the colder regions of the device surface. The dark gray stripes represent the leads and contacts (Au) for the heating resistors.Cross-sectional view of a portion of the device containing two micro-heaters and an overlying droplet.
더 차가운 표면 온도 영역은 인접한 따뜻한 지점보다 더 높은 표면 장력을 유지하여 액체를 당기는 접선 표면 힘을가합니다. 부분적 습윤 (접촉각> 0) 표면은 전체 습윤 표면 (접촉각 = 0)에 비해 부피 손실이 적은 유체 수송을 허용하기 때문에 바람직한 옵션입니다.
Top view of the setup in FLOW-3D showing three microheaters in pink, yellow and blue respectively. The central hydrophilic strip is shown in black with a fluid (water) droplet in sky blue.
아래 애니메이션은 완전히 젖은 표면과 부분적으로 젖은 표면의 비교를 보여줍니다. 예상대로 완전히 젖은 표면은 부분적으로 젖은 표면보다 액적을 더 평평하게 (그리고 더 많이 퍼지게) 만듭니다. 히터가 한 번에 하나씩 활성화되면 물방울이 더 차가운 영역으로 이동됩니다. 더 많은 유체가 남겨질수록 시뮬레이션이 끝날 때까지 완전히 젖은 표면은 더 많은 유체 볼륨을 잃는 것을 볼 수 있습니다. 따라서 부분적으로 젖은 표면은 유체 손실을 줄이기위한 더 바람직한 옵션입니다. 두 경우 모두 소수성 표면으로 둘러싸인 중앙 친수성 스트립으로 인해 물방울이 중앙에 머물러야합니다.
Animation of the results post-processed in FlowSight.
References
Anton A. Darhuber, Joseph P. Valentino, Sandra M. Trian and Sigurd Wagner, Thermocapillary Actuation of Droplets on Chemically Patterned Surfaces by Programmable Microheater Arrays, Journal of Microelectrochemical Systems, Vol. 12, No. 6, December 2003
Electrowetting은 전기장을 사용하여 표면 습윤 특성을 변경하는 과정입니다. Digital microfluidics는 전기 습식이 개별 유체 방울을 제어하고 조작하는데 사용되는 미세 유체 분야입니다. 이 아이디어는 디지털 마이크로 일렉트로닉스에서 영감을 얻었지만 전류 대신 이산 (또는 디지털화 된)액적을 사용하여 특정 시간 내에 특정 거리에 포함된 특정 양의 유체 또는 반응물을 이동합니다. 디지털 마이크로 플루이딕스는 높은 재구성 가능성과 대규모 병렬화를 통해 프로세스 속도를 높일 수있는 능력 때문에 다양한 바이오칩 설계에서 응용 분야를 찾습니다.
가장 중요한 표면 습윤 특성은 유체와 표면 사이의 접촉각입니다. FLOW-3D의 강력한 표면장력 모델은 전기 운동 모델과 함께 유전 영동, 열 모세관 작동 (온도에 따른 표면 장력을 통한 작동) 및 전기 습윤 자체와 같은 디지털 미세 유체 공정에서 습윤 역학을 포착하는 데 사용됩니다.
FLOW-3D는 코팅 성능 향상에 관심이있는 엔지니어에게 이상적인 수치 모델링 기능을 많이 갖추고 있습니다. 전산 시뮬레이션은 코팅 흐름에 영향을 미치는 여러 물리적 과정의 상대적 중요성과 효과를 연구 할 수있는 훌륭한 방법입니다. 물리적인 테스트에서 항상 프로세스를 분리하거나 해당 프로세스의 크기를 임의로 조정할 수있는 것은 아닙니다. 여기에서는 리 볼렛 형성(rivulet formation), 핑거링(fingering), 증발, 거친 표면에서의 접촉선 이동 및 유체 흡수와 관련하여 정적 및 동적 접촉각에 대하여 FLOW-3D의 처리에 대해 설명합니다.
정적 및 동적 접촉각(Static and Dynamic Contact Angles)
FLOW-3D는 정적 접촉각의 함수로 동적 접촉각을 정확하게 계산하고 입력으로 설정하며 자유 표면 인터페이스에서 작용하는 관련된 힘을 정확하게 계산하여 유체의 소수성을 캡처 할 수 있습니다. 아래 시뮬레이션은 물방울이 경사를 따라 내려갈 때 정적 접촉각이 동적 접촉각에 미치는 영향을 보여줍니다.
흡수(Absorption)
종이 기판에 액 적의 충격 및 흡수는 전산 유체 역학 소프트웨어를 사용하여 연구 할 수 있습니다. 여기서 FLOW-3D는 섬유층에서 물방울 충돌을 시뮬레이션하는데 사용되며 표면 장력, 접촉각 및 점도와 관련된 유체 전면의 전파를 살펴 봅니다.
아래의 FLOW-3D 시뮬레이션에서, 낙하는 직경이 40 미크론이며 초기 하향 속도는 300 cm / s입니다. 기재는 종이이고, 기공률이 30 % 인 20 미크론 두께입니다.
액체 필름의 핑거링(Fingering in Liquid Films)
FLOW-3D에서 동적 접촉선은 동적 접촉각이나 접촉선의 위치를 지정할 필요없이 직접 모델링됩니다. 이는 소량의 유체에서 유체에 영향을 미치는 모든 동적 힘을 포함하는 수치 모델을 사용하여 수행됩니다. 정적 접촉각은 액체-고체 접착력을 특성화 하는데 사용됩니다.
액체 시트의 핑거링. 왼쪽은 0 °, 오른쪽은 70 °
여기서, 이러한 접근법의 힘의 적용은 경사 표면 아래로 흐르는 액체 필름에서 관찰 된 핑거링에 의해 제공됩니다. 실험적 관찰에 따르면 두 가지 뚜렷한 핑거링 패턴이 발생합니다. 첫 번째 패턴은 작은 정적 접촉각(즉, 습윤 조건)이며 상하한이 모두 하향으로 움직이는 쐐기형 핑거를 나타냅니다. 두 번째 패턴은 큰 정적 접촉각(즉, 습윤 조건이 열악함)이며 가장 균일한 폭을 가진 긴 핑거이고 가장 큰 한계점은 하향으로 움직이지 않는 것이 특징입니다.
증발 효과(Evaporative Effects)
퇴적(Deposit)
분산 된 고체 물질을 함유하는 액 적은 고체 표면에서 건조 될 때, 함유하고 있는 고체 물질을 침전물로서 남깁니다. 이 침전물의 형상이 많은 인쇄 공정, 청소 및 코팅 공정에 중요한 영향을 미칩니다. 한 종류의 퇴적물의 전형적인 예는 위의 이미지와 같이 엎질러 진 커피 패치의 둘레를 따라 링 얼룩이 형성되는 “커피 링” 문제입니다. 이 유형의 링 침전물은 액체의 증발로 인한 표면 장력 구동 흐름의 결과로, 특히 낙하 둘레에서 발생합니다.
건조(Drying)
FLOW-3D의 증발 잔류 액체 모델은 건조 후 톨루엔으로 형성된 잔류된 물의 3D형상을 시뮬레이션합니다. (30 배 확대)
건조는 코팅 공정의 중요한 부분입니다. 하지만 건조의 결함으로 잘 도포 된 코팅을 완전히 취소 할 수도 있습니다. 건조 중에 온도 및 용질 구배는 밀도 및 표면 장력 구배로 인해 코팅 내 유동을 유도 할 수 있으며, 이는 코팅 품질을 잠재적으로 파괴 할 수 있습니다. FLOW-3D의 증발 잔류 물 모델을 사용하면 건조로 인한 흐름을 시뮬레이션하고 값 비싼 물리적 실험에 소요되는 시간을 줄일 수 있습니다.
모델링 링 형성(Modeling Ring Formation)
증발에 의해 접촉 라인에서 생성 된 흐름 시뮬레이션
윗쪽 그림에서 FLOW-3D는 증발이 가장 큰 접촉선에서의 증착으로 인해 에지 피닝(edge pinning)이 발생함을 보여줍니다. 증발은 증발로 인한 열 손실로 인해 액체를 냉각시킵니다 (색상은 온도를 나타냄). 동시에 고체 표면은 전도에 의해 액체를 가열합니다. 접촉선 주변에서 증발이 가장 커서, 액체가 접촉선을 향해 흘러 정적 조건을 재설정합니다. 최종 결과는 액체가 완전히 증발하는 액체 가장자리에 현탁 된 고체의 증착입니다.
참고 [1] Deegan, R., Bakajin, O., Dupont, T. et al. Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops, Nature 389, 827–829 (1997).
마이크로 채널의 패턴화된 표면은 액체 사이의 실제 물리적 벽 없이도 여러 액체가 나란히 흐르는 특정 경로를 따라 한 저장소에서 다른 저장소로 액체를 운반하는 데 사용할 수 있습니다. 패턴화된 표면은 랩 온어 칩 (lab-on-a-chip), 바이오어세이, 마이크로 리액터 및 화학적 및 생물학적 감지를 통해 유체를 운반하는 데 사용됩니다. 이 경우 표면 장력은 패턴화된 흐름을 생성하기 위해 마이크로 채널의 유체 흐름을 조작하는데 사용됩니다. 고체 표면에서 유체의 친수성 또는 소수성 거동을 이용하여 마이크로 채널을 통한 여러 유체의 움직임을 제어합니다. 마이크로 채널 내부의 유체 흐름은 층상이므로 여러 유체 흐름 (이 경우 2 개)이 난류 혼합없이 나란히 흐를 수 있습니다. 유체 흐름의 측면에는 물리적 벽이 없기 때문에 흐름은 소위 가상 벽에 의해 제한됩니다. 이 벽은 기본적으로 두 유체 사이의 친수성 경계입니다.
Experimental results showing the three phases – A, B and C (left to right), Bin Zhao et al.
위 그림은 마이크로 채널의 실험을 보여줍니다. 중앙 수평 채널의 중간 스트립은 친수성이지만 상부 및 하부 수직 채널과 함께 나머지 채널은 소수성의 정도가 다릅니다. 소수성은 접촉각의 몇도 정도만 다릅니다. 상부 채널의 접촉각은 118o이고 하부 채널의 접촉각은 112o입니다. 그러나 접촉각의 작은 차이는 유체가 이러한 영역으로 흐르기 위해 상당히 다른 압력을 필요로합니다.
Numerical Simulation
처음에는 모든 채널이 다른 유체(투명)로 채워집니다. 분홍색 액체가 수평 채널로 밀리면 중앙 영역(단계 A)의 친수성 경로를 사용합니다. 압력이 증가하면 유체는 하부 친수성-수성 장벽을 깨고 하부 친수성 영역(단계 B)으로 흐르기 시작합니다. 압력을 더 높이면 마침내 유체가 상부 친수성-수소성 장벽을 부수고 상부 영역에서도 흐르기 시작합니다(Phase C).
Numerical results showing the three phases – A, B and C.
위의 수치 결과는 둘 사이에 중요한 차이가 있다는 점을 고려할 때 실험에서 패턴화된 표면 연구의 전반적인 아이디어와 합리적인 비교 가능성을 보여줍니다. 위에 표시된 수치 결과는 과도 상태 (압력이 지속적으로 증가)이므로 유체 경계가 실험 결과와 정확히 유사하지 않습니다. 마찬가지로 유체 특성은 실험에 사용 된 특성과 정확히 유사하지 않습니다. 그럼에도 불구하고 유체 1은 실험에서와 같이 압력이 증가함에 따라 단계 A, B 및 C를 통과합니다. 단계 B에서 투명한 유체는 계속해서 위쪽 채널을 통해 흐르지 만 분홍색 유체만 아래쪽 영역으로 흐릅니다. 이것은 실험과 일치합니다. 흥미로운 것은 C 단계에서 나타난 기포 형성입니다. C 단계에서 기포 형성과 같은 흥미로운 물리학에 대한 계시와 연구는 미세 유체 장치의 설계 및 제작 과정에 중요 할 수 있습니다.
FLOW-3D Results
아래 애니메이션은 위의 실험에 대한 FLOW-3D의 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 유체 1 (하늘색)은 실험의 분홍색 유체와 동일합니다. 처음에는 전체 도메인이 Fluid 2 (투명 유체)로 채워집니다. 압력은 단계적으로 증가하고 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)
이 접근 방식의 힘의 적용은 경사면 아래로 흐르는 액체 필름에서 관찰되는 핑거링에 의해 주어집니다.
실험적 관찰에 따르면 두 가지 뚜렷한 핑거링 패턴이 발생합니다. 작은 정적 접촉각 (즉, 고도의 습윤 조건)에 해당하는 한 패턴은 상단 및 하단 한계가 모두 아래로 이동하는 쐐기 모양의 핑거를 나타냅니다.
두 번째 패턴은 큰 정적 접촉각 (즉, 열악한 습윤 조건)에 해당하며, 최대 한계가 아래로 이동하지 않는 거의 균일 한 너비의 긴 핑거가 특징입니다.
Coating Validation
좌측 도면에서, 두 FLOW-3D 시뮬레이션의 결과는 실험과 잘 비교됩니다. (Silvi, N. and Dussan V, E.B., “On the rewetting of an inclined solid surface by a liquid,” Phys. Fluids, 28, p.5, 1985).액막 필름의 두께로 인한 depth-averaged flow 가정이 사용되었고, 시뮬레이션 유일한 차이점은 정적 접촉각의 값입니다. 계산된 결과는 실험에서 관찰된 흐름을 잘 따라가고 있음을 볼 수 있습니다.
FLOW-3D의 수치 모델링 기능은 코팅 성능 향상에 관심이 있는 엔지니어에게 이상적입니다. 계산 시뮬레이션은 코팅 흐름에 영향을 미치는 다양한 물리적 공정의 상대적 중요성과 효과를 연구하는 훌륭한 방법입니다. 물리적 테스트에서 프로세스를 분리하거나 해당 프로세스의 규모를 임의로 조정하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다. 이 섹션에서는 리 블릿 형성(rivulet formation), 핑거링(fingering), 증발, 거친 표면 위의 접촉선 이동 및 유체 흡수와 관련하여 FLOW-3D의 정적 및 동적 접촉각 처리에 대해 설명합니다.
Static and Dynamic Contact Angles
FLOW-3D는 입력으로 설정된 정적 접촉각의 함수로 동적 접촉각과 자유 표면 인터페이스에서 작용하는 관련 힘을 정확하게 계산하여 유체의 소수성을 캡처 할 수 있습니다. 아래 시뮬레이션은 물방울이 경사면 아래로 이동함에 따라 정적 접촉각이 동적 접촉각에 미치는 영향을 보여줍니다.
L.M. Hocking 박사는 그의 저서 [“A moving fluid interface on a rough surface,” J. Fluid Mech., 76, 801, (1976)]에서 표면에 미세한 요철이 흐름 구조를 유도하기 때문에 Contact line이 고체 표면을 통해 이동할 수 있으며 이는 거시적 관점에서 “velocity slip”로 해석 될 수 있다고 했습니다.
이 가설에 대한 전산 해석은 FLOW-3D를 이용하여 쉽게 수행됩니다. 선택된 테스트는 가로, 규칙적으로 이격 된 직사각형 슬롯 패턴 이차원 고체 표면 구성됩니다. 슬롯은 2mm 깊이 10mm 폭, 그리고 그들 사이 폭 10mm 고체 조각을 갖고 이격 됩니다. 이 크기는 전형적으로 상대적으로 부드러운 표면에 긁힌 모양입니다. 액체와 고체 사이의 정적인 접촉각이 60 °가 되도록 선택 하였습니다. 작동 유체는 물로 선정되었고 시험은 채널을 통해 속도30cm / s의 평균 물높이 15mm의 채널의 바닥에 있는 거친 표면을 두고 구동 이루어져 있습니다. 채널의 상단은 free-slip boundary로 정해집니다.
Hocking의 주장대로 micro-scale 교란이 Large scale 관점에서 보았을 때 계산된 속도장으로 보면 velocity slip의 한 종류로서 해석 될 수 있습니다. 아래는 계산된 수평 속도 분포를 나타내고 있습니다. 이것은 표면 바로 위에 제어 볼륨 층의 계산 된 수평 속도 분포를 제공하는 X-Y 플롯에 그래픽으로 보여 주고 있습니다. 격자 미세화에 의해 표면의 고체 부분의 윗쪽 속도가 영이 되는 경향이 있지만, 슬롯들 위에 있는 속도는 영이 안되게 유지됩니다. 많은 요철 위의 이러한 속도의 평균은 효과적인 슬립으로 해석 될 수 있는 non-zero 수평 이송 속도를 일으킵니다.
Evaporative Effects
분산된 고체 물질을 포함하는 액체 방울이 고체 표면에서 건조되면 고체 물질이 침전물로 남습니다. 이 퇴적물의 패턴은 많은 인쇄, 청소 및 코팅 공정에 중요한 의미를 갖습니다. 한 가지 유형의 침전물의 전형적인 예는 왼쪽 이미지와 같이 유출 된 커피 조각의 둘레를 따라 링 얼룩이 형성되는 “커피 링”문제입니다. 이러한 유형의 링 침전물은 액체의 증발로 인한 표면 장력 구동 흐름의 결과로 발생하며, 특히 방울 주변에서 발생합니다 [1].
Drying
건조는 코팅 공정의 중요한 부분입니다. 잘 도포된 코팅은 건조 결함으로 인해 완전히 손상될 수 있습니다. 건조 중에 온도 및 용질 구배는 밀도 및 표면 장력 구배로 인해 코팅 내 흐름을 유도 할 수 있으며, 이로 인해 잠재적으로 코팅 품질이 손상 될 수 있습니다. FLOW-3D의 증발 잔류물 모델을 통해 사용자는 건조로 인한 흐름을 시뮬레이션하고 값 비싼 물리적 실험에 소요되는 시간을 줄일 수 있습니다.
FLOW-3D’s evaporation residue model simulates a 3D view of residue formed from toluene after drying (magnified 30x)
Modeling Ring Formation
FLOW-3D는 증발이 가장 큰 접촉 라인에서의 증착으로 인해 에지 고정이 발생 함을 보여줍니다.
링 형성 모델링 증발에 의해 접촉 라인에서 생성 된 흐름 시뮬레이션 증발은 증발로 인한 열 손실로 인해 액체를 냉각시킵니다 (색상은 온도를 나타냄). 동시에 고체 표면은 전도에 의해 액체를 가열합니다. 증발은 접촉 라인 근처에서 가장 크므로 액체가 접촉 라인을 향해 흐르게하여 정적 상태를 다시 설정합니다. 최종 결과는 액체가 완전히 증발하는 액체 가장자리에 부유 고체가 증착됩니다.
FLOW-3D의 접촉 선 고정 모델에 대해 자세히 알아보십시오.
Simulation of flow generated at a contact line by evaporation
FLOW-3D는 슬롯 다이 코팅의 산업 연구 및 설계에 사용됩니다. 슬롯 다이 코팅에서 유체는 슬롯에서 슬롯에 매우 가까운 곳에 위치한 빠르게 움직이는 기판 위로 강제 배출됩니다. 때로는 여러 슬롯을 사용하여 여러 재료의 레이어드 코팅을 만들기도 합니다. 많은 산업에서 슬롯 다이 코팅 기계는 상대적으로 단순하기 때문에 슬롯 다이코팅이 사용됩니다. 슬롯 다이 코팅의 또 다른 이점은 나노미터 단위로 측정한 코팅 두께에서도 높은 코팅 균일성 비율입니다.
아래 예에서, 한 슬롯은 120미크론 두께의 뉴턴이 아닌 재료를 오른쪽에서 왼쪽으로 움직이는 기질에 적용하고 있습니다.
FLOW-3D에서 유체-솔리드 접촉 선과 접촉각은 흐름의 전체 역학의 일부로 자동으로 계산됩니다. 이것은 슬롯과 웹(Web) 사이의 영역에서 세 개의 개별 접촉 선이 발생하는이 예에서 잘 설명됩니다.
Case Study
Roche Diagnostics GmbH가 2014년 FLOW-3D 유럽 사용자 컨퍼런스에서 발표한 산업 사례 연구의 이 이미지는 진공 보조 장치가 없는 슬롯 다이 코팅의 3D 모델을 보여줍니다. 왼쪽 상단에 그려진 실험과 FLOW-3D로 수행된 시뮬레이션 사이에는 훌륭하게 일치하고 있습니다.
Simulation of a slot die coating without vacuum assist, courtesy Roche Diagnostics GmbH
Slot Die Design
아래에 표시된 3M의 FLOW-3D 시뮬레이션은 슬롯 다이의 내부 캐비티 내부의 유체 체류 시간을 보여줍니다. 슬롯 다이 설계는 코팅 프로세스의 성공에 매우 중요하며 코팅 액의 유변학(rheology)에 따라 다릅니다.
Simulation courtesy of 3M
Two-Layer Slot Coating
왼쪽의 시계열 이미지에서 보면 웹(web)이 이동되고, 슬롯 코팅 다이는 두 개의 슬롯에서 서로 다른 물성의 두 유체가 나오고 있습니다. two-layer slot die를 사용하는 이점은 코팅기의 die station의 수를 감소시킬 수 있는 것입니다. 그러나, 단일 층의 경우에는 존재하지 않는 이층 슬롯 코팅에 존재하는 많은 문제점들이 나타납니다. 두 개의 유체 층 사이의 계면(interface), 보통은 혼합될 수 있는 물성을 가진 Interlayer 는 die surfae에 안정적으로 잘 고정되어야 합니다. 그리고 Interlayer 부근이 순환은 두 유체의 혼합을 막기 위해 최소화 되어야만 합니다. 일반적으로 이것들은 각각의 유체의 밀도, 점도 및 유량이 배출율을 조작함으로써 제어될 수 있습니다.
Start-Up of Slot Coating
슬롯 코터를 이용하여 연속 코팅 공정을 시작하면 시작부터 폐기해야 불완전한 재료의 양을 감소시키기 위해, 가능한 한 빨리 균일한 wettig을 수립하는 것이 바람직합니다. Wet start 기술은 잉크가 웹에 가까워지기 전에 슬롯에서 잘 빠져 나오는 것 보장하는 중요한 기술중의 하나입니다. 이 예에서, web은 액체의 상류 및 하류 모두 압착 슬롯을 향해 이동된다.
슬롯 장치의 경사진 앞쪽면에 유체를 위로 밀어올리는 약간 늦은 적당한 접근 속도는 슬롯장치의 더 나은 성능을 제공합니다.
