마이크로 구조물이 설치된 표면에 충돌하는 액적의 퍼짐 거동에 관한 실험적 연구

Abstract

고체 표면에 대한 분무 액적의 충돌현상은 분무냉각, 잉크젯 프린팅, 분무도장과 같은 분야에 응용되고 있다. 특히 분무냉각의 측면에서 열전달 성능을 촉진시키기 위해 표면에 마이크로 구조물을 설치하는 시도가 이루어지고 있으며, 먼저 마이크로 구조물 표면에 대한 액적충돌 거동에 대한 이해가 필수적이다. 본 연구에서는 마이크로 구조물 표면에 충돌하는 단일 액적의 충돌 후 거동에 대한 실험적 연구가 제시되었다. 본 연구에서는 사각형 기둥들이 사각형 배열을 이루어 배치된 실리콘 웨이퍼 재질의 마이크로 구조물 표면을 포토리소그라피 공정으로 제작하여 사용하였고, 실험 유체로는 에탄올과 물의 혼합물을 사용하였다. 액적의 충돌 후 거동은 고속카메라를 이용하여 가시화하였으며, 젖음면적의 측정에는 CCD 카메라를 이용하였다. 충돌 후 거동은 스플래시, 리바운드, 스프레드-고정, 스프레드-침투로 4가지로 구분될 수 있으며 특히 본 연구에서는 스프레드-고정 거동과 스프레드-침투 거동에 대한 천이조건에 대해서 형상적 임계 조건과 비교하면서 분석하였다. 그 결과 구조물 기둥의 높이가 30μm인 표면들에 대해서는 형상적 임계 조건과 비교적 잘 일치하였지만, 구조물 기둥의 높이가 60μm인 표면들에 대해서는 그렇지 않은 것이 실험적으로 확인되었다. 즉, 구조물 기둥사이의 거리 및 구조물 높이가 스프레드-침투 거동과 스프레드-고정 거동의 천이에 중요한 역할을 한다는 것이 확인되었다. 또한 구조물 기둥사이가 좁고 기둥의 높이가 높은 경우 마이크로 사이즈의 기포가 생성됨이 관찰되었다. 마지막으로 본 연구에서는 이러한 기포의 생성 원인에 대해서 가능성이 있는 시나리오를 통해 설명을 시도하였다.