The Simulation of Droplet Impact on the Super-Hydrophobic Surface with Micro-Pillar Arrays Fabricated by Laser Irradiation and Silanization Processes

The simulation of droplet impact on the super-hydrophobic surface with micro-pillar arrays fabricated by laser irradiation and silanization processes

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.

Keywords: Laser irradiation; Wettability; Droplet impact; Simulation; VOF

Introduction

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
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.

Full Text View
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.

A non-fluorine mold release agent for Ni stamp in nanoimprint process

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.
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. 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. 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. 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.
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.

원문 보기 바로 가기

Cavitation | 캐비테이션

캐비테이션이란 무엇입니까?

The spillways of the Glen Canyon dam in 1983 (Lee and Hoopes, 1996).

캐비테이션은 유체 흐름의 매우 낮은 압력 또는 포화 압력을 높이는 온도 상승으로 인해 유체 내에서 증기 또는 기포가 빠르게 발생하는 것입니다. 기포의 갑작스런 출현 (및 후속 붕괴)은 비압축성 유체 내에서 압력의 급격한 변화를 일으켜 심각한 기계적 손상을 일으킬 수 있습니다. 캐비테이션에 의해 유도 된 힘은 1983 년 Glen Canyon 댐의 배수로에서 경험 한 손상에서 볼 수 있듯이 며칠 내에 수 피트의 암석을 침식 할 가능성이 있습니다 (Lee and Hoopes, 1996).

또한 고압 다이 캐스팅에서 캐비테이션이 발생할 수 있습니다. 다이의 수축 및 곡선을 통한 용융 합금의 빠른 이동은 급속한 압력 강하를 초래하고 후속 캐비테이션으로 이어질 수 있습니다. 생성된 증기 기포는 최종 주조에서 다공성을 유발하거나 더 나쁜 경우 다이에 손상을 일으켜 주조품을 훼손시키고 다이 수명을 감소시킬 수 있습니다.

캐비테이션은 터빈과 파이프에 손상을 줄 수 있고, 댐의 배수로에서 콘크리트를 침식하는 등의 원인이 될 수 있습니다. 아래 이미지는 댐의 배수로 바닥 근처의 콘크리트 침식을 보여줍니다. 댐에 사용되는 콘크리트는 일반적으로 강도가 높지만 캐비테이션은 여전히 그것을 부식시킬 수 있습니다.

Eroded concrete due to cavitation on the spillway of a dam

캐비테이션은 때때로 오염 물질과 유기 분자를 분해하고, 소수성 화학 물질을 결합하고, 캐비테이션 기포의 파열로 인해 생성 된 충격파를 통해 신장 결석을 파괴하고, 혼합을위한 난류를 증가시켜 수질 정화와 같은 특정 산업 응용 분야에서 의도적으로 유도됩니다.

따라서 캐비테이션이 발생할 가능성이있는 위치와 그 강도를 이해하는 것이 중요합니다. 캐비테이션을 실험을 수행하거나 실험 결과의 현상을 시각화하는 것이 어렵고, 잠재적으로 손상 될 수 있으므로 수치해석 시뮬레이션으로 검토하는 것이 매우 필요하고, 유용합니다.

Real-World Applications | 실제 응용 분야

  • 물 및 환경 구조 내에서 손상을 주는 캐비테이션 시뮬레이션
  • 다이 손상 및 주조 다공성을 유발할 수 있는 고압 다이 캐스팅 중 캐비테이션 시뮬레이션
  • MEMS 장치 내의 열 거품 형성 시뮬레이션
  • 열 전달 표면의 비등 거동 예측
  • 캐비테이션 역학으로 인한 혼합 예측

Modeling Cavitation in FLOW-3D

FLOW-3D의 캐비테이션 모델은 thermal bubble jets 와 MEMS devices를 시뮬레이션하는데 성공적으로 사용되었습니다. FLOW-3D는 “active”또는 “passive” 모델 옵션을 제공합니다. Active 모델은 기포 영역을 열고 수동 모델은 흐름을 통해 캐비테이션 기포의 존재를 추적하고 전파하지만, 기포 영역의 형성을 시작하지는 않습니다.

Active모델은 더 큰 캐비테이션 영역이 예상되고 유동장에 영향을 미치는 경우에 가장 적합하며, Passive모델은 작은 기포의 간단한 모양이 예상되는 시뮬레이션에 가장 적합합니다. 활성 모델과 에너지 전송 계산을 통해 위상 변화도 옵션입니다. 기포는 계면에서의 증발 또는 응축으로 인해 추가로 팽창하거나 수축 할 수 있습니다.

Sample Results

아래 시뮬레이션은 수축 노즐을 보여줍니다. 애니메이션은 매우 일시적인 진동 동작을 보여주는 캐비테이션 버블의 진화를 보여줍니다. 캐비테이션 부피 분율은 초기 연속 액체에서 캐비테이션의 시작을 시각화하기 위해 플롯됩니다.

아래 애니메이션은 진입 속도가 8m/s이고 수렴 기울기가 18 °이고 발산 기울기가 8 ° 인 벤츄리 내의 캐비테이션을 보여줍니다. 다시 말하지만, 캐비테이션의 과도 동작은 잘 모델링되어 있으며, 모델은 22ms의 실험 결과와 비교하여 17.4ms의 캐비테이션주기 기간을 예측합니다 (Stutz and Reboud 1997).

Cavitation in a venturi

물 탱크를 통해 이동하는 고속 발사체를 시뮬레이션하여 발사체 후류에서 생성 된 저압 영역의 공동 기둥을 보여줍니다. 발사체의 초기 속도는 600m / s입니다. 아래는 탱크의 움직임과 후행하는 캐비테이션 유체의 애니메이션입니다. 발사체가 감속함에 따라 캐비테이션 기둥의 반경이 좁아집니다.

@

High-speed bullet

References

Lee, W., Hoopes, J.A., 1996, Prediction of Cavitation Damage for Spillways, Journal of Hydraulic Engineering, 122(9): 481-488.

Plesset, M.S., Prosperetti, A., 1977, Bubble Dynamics and Cavitation, Annual Revue of Fluid Mech, 9: 145-185.

Rouse, H., 1946. Elementary Mechanics of Fluids, New York: Dover Publications, Inc.

Stutz, B., Reboud, J.L., 1997, Experiments on unsteady cavitation, Experiments in Fluids, 22: 191-198.

Thermocapillary Actuation

Thermocapillary Actuation

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.

Liquid droplet moving along hydrophilic microstripe
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 device
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.

FLOW-3D setup of three microheaters

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

접촉선의 이해(Contact Line Insights)

접촉선의 이해(Contact Line Insights)

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).

 

Lab-on-a-chip

다양한 표면 장력을 사용하는 패턴화된 표면

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.

Patterned surfaces in micro channels
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 - patterned surfaces using varied surface tension
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)

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

Agitational Stresses

Agitational Stresses / 동요 스트레스

This article was contributed by Ge Bai, Scientist, MedImmune LLC.

Agitation instruments and glass vial

Agitation 연구는 생물 요법 발달에 있어 흔하고 중요한 부분이지만, 관련된 스트레스의 근본적인 특성과 단백질 안정성에 대한 영향은 완전히 이해되지 않았습니다. 동요된 스트레스 방법의 특성화는 단백질 분해 메커니즘이나 특정 민감도를 식별하는데 매우 중요합니다. 전단, 경계면, 캐비 테이션 또는 기타 유체 및 계면 장력에 의한 응력은 실험적 방법으로 측정하기 어렵거나 불가능합니다. 최근에는 다양한 주파수에서 회전 장치(Rotator), 궤도 셰이커, 자석 교반기, 와류 혼합기(그림 1참조)를 포함한 다양한 계측기를 사용하여 3-4S 유리 바이알에서 동요하는 액체의 유체 역학을 모델링하여 단백질 안정성에 잠재적으로 중요한 응력을 확인하고 정량화하였습니다. 25°C에서 물의 유동성 특성이 이러한 시뮬레이션에 사용되었습니다.

Gaining better understanding on agitational stresses applied to proteins for biopharmaceutical development

표준 FLOW–3D코드는 최대 시스템 전단율, 볼륨 평균 전단률, 공기-액체 및 고체-액체 인터페이스 근처의 볼륨 평균 전단률, 총 전단, 고체-액체 인터페이스의 면적, 그리고 공기음 재생 인터페이스와 같은 단백질에 대한 잠재적으로 유해한 응력을 수치적으로 계산할 수 있도록 맞춤화하였다. 표준 소프트웨어 패키지의 추가 출력으로 표시됩니다. 시뮬레이션과 실험 사이에 바이알에 있는 유체의 자유 표면 형태를 비교하여 CFD모델을 검증하였습니다(그림 2).

Orbital schaker simulation
그림 2. CFD시뮬레이션과 300rpm정상 상태에서의(A)궤도 쉐이커와(B)35rpm, 55°위치에서의 회전 장치(Rotator)회전 장치(Rotator)에 대한 실험 사이의 유체 없는 표면 형태 비교.
Instantaneous shear rates
그림 3. 최대 진동 주파수(A)궤도 쉐이커,(B)자기 교반기,(C)와류 혼합기 및(D)회전 장치(Rotator)에서의 경계면 부근에서의 순간 전단율.

응력(전단 속도 및 인터페이스 생성 속도)의 예와 공기 액상 및 고체 액체 인터페이스에서의 비교는 그림 3과 그림 4에 나와 있다. 전체적으로, 와류 혼합기는 가장 강한 응력을 제공하는 반면, 자석 교반기는 소수성 절 표면에 국소적으로 강한 전단을 제시하였다. 회전 장치(Rotator)는 부드러운 유체 응력을 제공하지만 낮은 회전 주파수를 고려할 때 공기-물 내부 영역 및 표면 응력은 상대적으로 높습니다. 궤도 셰이커는 중간 수준의 스트레스를 제공하지만 일관된 생체-생체 동질성을 위한 크고 안정적인 플랫폼의 이점을 제공합니다.

Air-liquid interface generation rates
그림 4. 최대 진동 주파수(A)궤도 쉐이커,(B)자기 교반기,(C)와류 혼합기 및(D)회전 장치(Rotator)에서의 공기 액상 인터페이스 생성 속도.

우리는 설명한 각각의 동요된 방법에서 유리 용기 안의 액체에 복수의 응력이 동시에 작용한다는 것을 발견했다. 이러한 스트레스는 다양한 방법에 따라 다양했으며 종종 교란 주파수의 강력한 기능으로 밝혀졌다. 또한 알려진 유형과 강도의 스트레스를 가진 적절한 촉진 방법을 선택하면 단백질 저하 메커니즘에 대한 영향을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다는 것도 알아냈다. 우리는 CFD가 실험 시스템에서 유체 응력의 특성을 파악하고 실제 조건에 대한 관련성을 검증하는 데 중요한 역할을 할 수 있다고 결론지었습니다.

생명 공학 응용 분야

표준 FLOW-3D 코드는 시스템 전단 속도, 부피 평균 전단 속도, 공기-액체 및 고체-액체 계면 근처의 부피 평균 전단 속도, 총 전단, 고체 면적과 같은 단백질에 잠재적으로 유해한 응력이 발생하도록 맞춤화되었습니다. 액체 인터페이스 및 공기-액체 인터페이스 재생률을 수치적으로 계산하고, 표준 소프트웨어 패키지의 추가 출력과 비교할 수 있습니다. 시뮬레이션과 실험 사이에 VIAL에있는 유체의 자유 표면 모양을 비교하여 CFD 모델을 검증했습니다 (그림 2).

Orbital schaker simulation
Figure 2. Comparison of the shape of fluid free surface between CFD simulation and experiment for (A) orbital shaker at 300 rpm at steady state and (B) rotator at 35 rpm, 55° position.
Instantaneous shear rates
Figure 3. Instantaneous shear rates near interfaces at maximum agitation frequencies (A) orbital shaker, (B) magnetic stirrer, (C) vortex mixer and (D) rotator.

응력(전단 속도 및 인터페이스 생성 속도)의 예와 공기 액상 및 고체 액체 인터페이스에서의 비교는 그림 3과 그림 4에 나와 있습니다. 전체적으로, 와류 혼합기는 가장 강한 응력을 제공하는 반면, 자석 교반기는 hydrophobic stir bar 표면에 국소적으로 강한 전단을 제시합니다. 회전 장치(Rotator)는 부드러운 유체 응력을 제공하지만 낮은 회전 주파수를 고려할 때 공기-물 내부 영역 및 표면 응력은 상대적으로 높습니다. 궤도 셰이커는 중간 수준의 스트레스를 제공하지만 일관된 생체-생체 동질성을 위한 크고 안정적인 플랫폼의 이점을 제공합니다.

Air-liquid interface generation rates
Figure 4. Air-liquid interface generation rates at maximum agitation frequencies (A) orbital shaker, (B) magnetic stirrer, (C) vortex mixer and (D) rotator.

우리는 설명한 각각의 교반 방법에서 유리 용기 안의 액체에 여러가지 응력이 동시에 작용한다는 것을 발견했다. 이러한 스트레스는 다양한 방법에 따라 다양했으며 종종 교란 주파수의 강력한 기능으로 밝혀졌다. 또한 알려진 유형과 강도의 스트레스를 가진 적절한 촉진 방법을 선택하면 단백질 분해 메커니즘에 대한 영향을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다는 것도 알아냈습니다. 우리는 CFD가 실험 시스템에서 유체 응력의 특성을 파악하고 실제 조건에 대한 관련성을 검증하는 데 중요한 역할을 할 수 있다고 결론지었습니다.

Lab-on-a-chip – Thermocapillary actuation (열 모세관 작동)

Thermocapillary actuation (열 모세관 작동)

  • 열 효과를 사용한 랩온어칩의 미세 액체의 길
    – 온도에 의존하는 표면 장력
    – 외부의 기계적인 힘이 필요하지 않음
    – 프로그래밍이 가능한 마이크로 히터 어레이를 통해 열 효과 추가
  • 유체의 고유한 습윤성으로 인해 유체 손실이 발생
    – 열 모세관 작동 외에도 패턴화 된 (친수성 또는 소수성) 표면을 배치하여 손실을 최소화 할 수 있음

공간의 다양한 표면 장력

  • 차가운 유체에서 표면 장력이 높기 때문에 공간의 변화가 발생함
    – 높은 표면 장력으로 유체를 함께 유지
    – 유체가 따뜻한 곳에서 차가운 곳으로 당겨짐
    – 유체의 움직임은 다음의 식을 통해 알 수 있음

FLOW-3D에서의 시뮬레이션

  • 미세 액체는 인접 구역의 온도에 따라 움직임 (소수성과 친수성)

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

Contact Line Insights

Contact Line Insights

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