다중 물방울 증발의 숨은 메커니즘: 배열·거리·온도에 따른 수명 변화와 이론적 예측

초록

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맞춤형 고니오미터를 이용해 1·3·5개의 물방울 배열을 다양한 거리(L/d)와 기판 온도(25‑65 °C)에서 실험하였다. 주변 방울이 형성하는 증기 농도 상승(‘쉐딩 효과’)가 증발 속도를 감소시켜 단일 방울보다 수명이 길어짐을 확인했다. 거리 감소·방울 수 증가 시 수명이 연장되고, 온도 상승 시 전반적으로 수명은 감소하나 고온에서는 자연 대류로 쉐딩 효과가 약해진다. 중앙 방울의 수명은 배열과 온도에 관계없이 일정한 거동을 보이며, 확산‑냉각 모델이 실온에서는 정확히 예측하지만 고온에서는 약간 과대평가한다.

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상세 분석

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본 연구는 다중 sessile 물방울의 증발 동역학을 정량적으로 규명하고자, 맞춤형 고니오미터와 적외선 카메라를 결합한 실험 플랫폼을 구축하였다. 실험에서는 PTFE 기판 위에 3D‑프린트된 투명 HPO 기둥을 SHPO 코팅으로 부분적으로 처리한 후, 기둥에 방울을 놓고 뒤집어 동시에 기판에 접촉시키는 혁신적인 ‘pillars‑inverted’ 방식을 도입해 초기 부피 불균형을 최소화하였다. L/d 비율(1.6, 2.0)과 방울 수(1, 3, 5) 및 기판 온도(25‑65 °C)를 체계적으로 변형함으로써, 각 변수별로 증발 수명(τ)과 접촉각(θ), 높이(h), 부피(V)의 시간 변화를 고해상도 영상으로 추출하였다.

핵심 결과는 ‘쉐딩 효과’가 증기 포화도를 현지적으로 높여 확산 구배를 완화시키고, 이에 따라 증발 속도가 감소한다는 점이다. 거리 L이 작아질수록(즉, L/d 비율이 낮을수록) 중앙 방울 주변의 수증기 농도가 크게 증가해 τ가 약 30‑50 %까지 연장되었다. 방울 수가 늘어날수록(1→5) 전체 배열의 증기 농도가 누적되어 동일 L/d에서 τ가 추가적으로 증가한다. 반면, 기판 온도가 25 °C에서 65 °C로 상승함에 따라 τ는 전반적으로 전력 법칙(τ ∝ T⁻ⁿ, n≈1.2) 형태로 감소한다. 고온에서는 자유 대류가 증기 확산을 보강해 쉐딩 효과를 약화시키며, 이는 실험 데이터가 이론 모델(확산‑냉각)보다 낮게 나타나는 원인으로 해석된다.

이론적으로는 기존의 Picknett‑Bexon 모델을 확장해, 증발 냉각에 의한 온도 감소 ΔT를 고려한 확산‑제어 방정식을 도입하였다. 모델은 기판 온도와 물방울 초기 반경을 입력으로 중앙 방울의 수명을 예측하며, 실온(25 °C)에서는 실험값과 <5 % 오차로 일치한다. 그러나 55‑65 °C 구간에서는 대류 보강 효과를 반영하지 못해 τ를 약 10‑15 % 과대평가한다. 이는 모델에 자유 대류 항을 추가하거나, 온도 구배를 직접 측정하는 IR 데이터가 필요함을 시사한다.

본 연구는 다중 방울 시스템에서 거리·배열·온도라는 세 축이 복합적으로 작용해 증발 수명을 조절한다는 새로운 설계 원칙을 제시한다. 특히, 마이크로액체 디스플레이, 인쇄 전자공학, 바이오센서 등에서 방울 간 간격과 배열을 최적화함으로써 증발에 의한 성능 저하를 최소화할 수 있다.

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