타원체 입자 혹은 고분자를 활용한 기-액 계면현상 제어와 액-액 경계에서 발생하는 와류 생성 제어
Control of the air-liquid interfacial phenomenon by ellipsoidal particles and the polymer-induced vortex generation at the liquid-liquid boundary
초록/요약
고분자는 현시대의 인류에게 제일 많이 사용되는 재료이다. 따라서 고분자의 물성을 연구하는 일은 가장 중요한 연구과제 중 하나라고 할 수 있다. 하지만 고분자와 유체 사이의 계면에서 발생되는 여러 현상들에 대해서는 아직 이해가 많이 부족한 상태이다. 본 연구에서는 고분자 비구형 입자의 자기조립과 마이크로 유로에서 점탄성의 영향에 의해서 일어나는 와류 발생에 대해서 연구를 진행했다. 고분자 타원입자가 기-액 계면에 위치하게 되면, 고분자의 표면 물성이 유체계면을 변형시켜 모세관력을 유발하기 때문에 자기조립체가 형성된다. 본 연구에서는 같은 체적을 가지는 입자를 신장시켜 다양한 종횡비를 가지는 타원입자를 제조해서 기-액 계면에서 타원입자의 자기 조립체를 형성시켰다. 그 결과 타원입자의 종횡비에 따라 다른 형상의 자기조립체가 형성되었다. 본 연구에서는 이러한 자기조립체가 형성되는 원인을 규명하기 위해 종횡비에 따라 입자들이 어떤 배열을 하는 지를 관찰하고자 레이저 트위저 시스템을 활용하였다. 본 연구를 통해 타원입자의 종횡비에 따라 모세관력이 달라지고 결과적으로 비구형입자 자기조립체의 형상 제어에 중요한 역할을 한다는 것을 규명하였다. 이 연구는 코팅 공정 등 건조를 수반하는 다양한 공정의 이해와 개선에 기여할 수 있을 것으로 기대한다. 두 번째로, 최근 반도체공정의 발전으로 인해 수 마이크로미터 정도의 폭을 가지는 미세유로의 제작은 매우 용이해지고 있다. 미세유체시스템을 이용하면 액체의 아주 정밀한 제어가 가능한 장점 때문에 여러 연구자들이 미세유체 시스템의 가능성을 주목하고 있다. 하지만 미세유체 시스템을 화학반응기로 이용하기 위해서는 유체의 혼합이 필수적인데 미세유체시스템에서는 흐름이 기본적으로 층류의 성질을 가지기 때문에 혼합이 어렵다고 알려져 있다. 본 연구에서는 흐름집중 미세유로에서 중심흐름에 뉴튼유체, 측면 흐름 흐름에 비뉴튼 유체를 흘리게 되면, 중심의 뉴튼유체 부분에서 기존에는 관찰할 수 없었던 대칭적인 형태의 와류가 형성됨을 관찰하였다. 이 와류를 이용하면 간단한 형태의 유로에서도 교반을 일으킬 수 있다는 것이 가능하게 된다. 본 연구에서는 새로 발견한 와류 현상을 활용하면 미세유체채널에서도 혼합을 효과적으로 달성할 수 있다는 것을 제시하였다.
more목차
1 기-액 계면에서 고분자 타원체 입자의 자기조립현상 제어 1
1-1 서론 1
1-2 이론 4
1-3 실험 재료 및 과정 11
1-3-1 입자 제작 11
1-3-2 평탄한 기-액 계면 형성 방법 12
1-3-3 실험 과정 및 분석 방법 14
1-4 결과 및 토의 16
1-4-1 입자의 일대일 상호작용과 자기조립체 형태 16
1-4-2 자기조립체의 형상 제어 23
1-4-3 자기조립체 형상의 농도의 영향 28
1-4-4 자기조립체의 형상에서의 기-액 계면 곡률의 영향 32
1-5 결론 35
2 흐름집중 미세유로에서 뉴튼/비뉴튼유체 계면에 발생하는 와류 발생 및 이를 활용한 미세 혼합장치 37
2-1 서론 37
2-2 실험 재료 및 과정 40
2-2-1 미세유로 제작 40
2-2-2 사용물질 42
2-2-3 실험 과정 및 분석 42
2-2-4 사용한 유체의 유변학적 물성 44
2-3 결과 및 토의 49
2-3-1 뉴튼 유체 와류 발생 49
2-3-2 유동조건에 따른 와류의 크기와 형태 변화 54
2-3-3 탄성에 의해 발현된 와류를 이용한 미세 혼합장치 58
2-4 결론 63
3 맺음글 65
4 참고문헌 68
Abstract 78
