Y-자 형상 및 확장-축소가 반복되는 미세유로에서 점탄성에 의한 와류 발달

Abstract

고분자 물질은 플라스틱, 필름, 전자, 반도체 등 산업적으로 다양하게 사용되고 있기 때문에 고분자의 물리적 특성을 파악하는 것이 중요하다. 또한, 반도체 공정과 생명 공학 분야의 발달로 미세공정이 주목받고 있다. 그러므로 미세유로 내에서 고분자 용액의 흐름을 파악하고 제어하는 것은 많은 산업 분야의 미세공정에 있어서 매우 중요하다. 특히, 와류는 뉴턴 유체에서는 생성되지 않는 조건에서도, 고분자 용액에서는 점탄성 성질로 인해 나타날 수 있어 많은 관심을 끌고 있는 연구 주제이다. 본 연구에서는 Y-자 형상과 확장-축소가 반복되는 미세유로 내에서의 poly(ethylene oxide) 용액의 와류 발달을 분석하였다. Y-자 형상은 두 흐름이 합쳐져 하나로 흐르는 형태로 쉽게 볼 수 있는 형태이다. 주로 반응이나 두 흐름이 만나 생기는 불안정성을 이용해 혼합할 때 사용된다. 본 연구에서는 Y-자 형상에서 점탄성 유체를 사용하여 두 흐름이 만나는 접합부에서의 중앙 와류와 상류 벽면 모서리에서 형성되는 lip vortex를 연구하였다. 와류의 형태와 거동은 상류와 하류의 각도, 고분자의 농도, 유량에 따라 달라지게 된다. 흐름이 꺾이는 각도가 커져 T-자 형상에 가까울수록 와류가 급격히 커지는 것을 보았고, 고분자의 농도와 유량에 따라서 와류의 크기와 불안정성이 달라진다. 다음으로는 확장-축소가 반복될 때 와류가 어떻게 발달하는지를 보았다. 본 연구의 미세유로는 확장-축소 cavity가 반복적으로 있으며 그 간격이 좁으면 연속적인 탄성의 영향으로 와류가 발달함을 보였다. 즉, 상류의 cavity에서 발달한 점탄성이 하류로 전달되며 와류가 발달한다. 와류 발달 과정을 와류의 형태별로 분류하여 유량, 고분자의 분자량을 변화시켜가며 탄성의 영향을 보았다. 그리고 용매를 다르게 하여 와류 발달이 관성에 의한 영향이 있는지도 살펴보았다. 본 연구의 결과로, 점탄성 용액은 조건에 따라 다양한 형태의 와류를 보이며 유로의 형태, 유량, 농도, 분자량에 의해 달라질 수 있다. 따라서 유로 형태 및 유동 특성에 따른 미세공정 설계에 도움을 줄 수 있으며 와류를 제어할 가능성을 제시하였다. 또한, 와류를 이용하여 혼합에 응용할 수 있을 것으로 기대한다.