[논문 리뷰] Dynamics of Coalescence-Induced Jumping Water Droplets

Nenad Miljkovic, Daniel J. Preston외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 10.

Surface Modification and Superhydrophobicity참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고속 영상 촬영 및 외부 전기장 조건에서 초수소성 나노구조 표면에서의 응집 유도 점적 이동 현상을 조사한다. 점적이 발사될 때 양전하를 띠며 다중 점프가 가능하고, 수증기 유입에 의해 표면으로 복귀하며 상호 간에 전기적 반발력을 경험함을 입증한다. 이는 응축 열전달 및 자가청소 응용 분야의 성능 햖스에 핵심적인 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

This fluid dynamics video shows the different interaction mechanisms of coalescence-induced droplet jumping during condensation on a nanostructured superhydrophobic surface. High speed imaging was used to show jumping behavior on superhydrophobic copper oxide and carbon nanotube surfaces. Videos demonstrating multi-jumping droplets, jumping droplet return to the surface, and droplet-droplet electrostatic repulsions were analyzed. Experiments using external electric fields in conjunction with high speed imaging in a custom built experimental chamber were used to show that all coalescence-induced jumping droplets on superhydrophobic surfaces become positively charged upon leaving the surface, which is detailed in the video.

연구 동기 및 목표

• 초수소성 나노구조 표면에서의 응집 유도 점적 이동 역학을 최초 발사 이후의 행동을 초월하여 이해하고자 한다.
• 다중 점프, 표면 재접촉, 전기적 상호작용과 같은 발사 후 행동을 조사하고자 한다.
• 점적 이동 중의 전하 상태를 규명하고, 점적 간 상호작용에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
• 중력에 반하여 점적 궤적을 뒤집는 수증기 유동 유인의 역할을 탐구하고자 한다.
• 외부 전기장이 점적 운동 및 전하 극성에 미치는 영향을 평가하고자 한다.

제안 방법

• 1000 fps로 촬영한 고속 영상 촬영을 통해 초수소성 구리 산화물(CuO) 및 탄소 나노튜브(CNT) 표면에서의 점적 응집, 발사, 발사 후 역학을 기록하였다.
• 고정된 응축 조건을 유지하기 위해, 약 2.7 kPa 및 26 °C에서 포화 수증기 조건을 유지를 위한 맞춤형 환경 챔버를 사용하였다.
• 수평 방향 외의 점적 궤적을 고확대 촬영하기 위해, 5배 광학 줌 및 68mm 연장 튜브를 장착한 확장 매크로 렌즈 시스템을 적용하였다.
• 구리 와이어 전극(±30 V)을 통해 외부 전기장을 적용하여 점적 전하 및 전기적 상호작용을 탐색하였다.
• 플라즈마 증착을 이용해 초수소성 표면를 형성하기 위해, 30 nm 두께의 균일한 프리온화된 고분자 코ating을 도포하였다(접촉역수 각도: 진행 시 약 124°, 후퇴 시 약 113°).
• 외부 전기장에 대한 방향성 운동을 통해 점적 전하를 유추하였으며, 양극성 전압에서의 반발력은 순수한 양전하를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 응집 유도 점적 이동 현상은 표면에서 발사된 후에도 다중 점프를 반복할 수 있는가?
• RQ2 점적 발사 후 중력에 반해 표면으로 복귀하는 원인은 무엇인가?
• RQ3 점적 이동 중에 순수 전하가 부여되는가, 만약 그렇다면 그 극성은 무엇인가?
• RQ4 점적 간 전기적 반발력이 비행 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 외부 전기장은 점적 운동 및 전하 상태에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 초수소성 CuO 및 CNT 표면에서의 점적 이동은 발사 후에도 다중 점프를 반복할 수 있으며, 이는 응집에 의해 지속적으로 에너지가 방출됨을 시사한다.
• 점적은 응결 수증기 유인에 의해 중력을 상쇄하는 순방향의 힘을 받아 중력에 반해 표면으로 복귀한다.
• 모든 응집 유도 점적 이동 현상에서 점적은 양전하를 띠며, 양극성 전극에서의 반발력과 음극성 전극에서의 접근을 통해 확인되었다.
• 비행 중 점적 간 전기적 반발력이 관찰되었으며, 근접할 경우 점적 간 상호 방향으로 이격되는 현상이 나타났다.
• 다수의 점적 발사 과정에서 표면 전하 극성이 일관되게 유지되었으며, 이는 초수소성 표면에서의 이동 시 일관된 전하 부여 메커니즘이 존재함을 시사한다.
• 고속 영상 분석을 통해, 수증기 유동 역학이 局부적으로 상향 방향 운동량을 생성함으로써, 수평 구조에서도 점적 복귀가 발생하는 것으로 확인되었다.