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잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅, 표면 처리, 자가 세정 소재 개발 분야에서는 액체 방울이 고체 표면에 닿은 뒤 어떻게 퍼지고, 수축하며, 다시 반동하는지를 정밀하게 관찰하는 과정이 중요합니다.
액적이 표면과 충돌하는 순간에는 짧은 시간 안에 급격한 변형, 내부 유동 변화, 압력 펄스, 압축 충격파가 함께 발생합니다. 이번 글에서는 Revealer 고속카메라 NEO25M과 G536M Pro를 활용해 액적 충돌 직후 나타나는 충격파 진동과 확산·수축·반동 과정을 분석한 연구 사례를 소개합니다.
▲ 액적이 고체 표면에 충돌하는 순간에는 압축 충격파가 발생하고, 자유 표면에서 반사되며 충격파 진동 현상이 나타납니다.
▲ Revealer 고속카메라 NEO25M과 G536M Pro를 활용해 액적 충돌 과정을 수평·수직 직교 시점에서 동시에 촬영했습니다.
▲ 수평 시점에서는 마이크로초 단위 충격파 변화를, 수직 시점에서는 액적 확산 대칭성과 동심원 간섭 무늬를 분석했습니다.
수평 시점 촬영에 사용된 NEO25M은 1280×512 해상도에서 50,000fps 촬영을 수행해 액적 내부의 충격파 생성, 반사, 진동 과정을 마이크로초 단위로 관찰하는 데 활용되었습니다.
NEO25 제품 보기수직 시점 촬영에 사용된 G536M Pro는 2560×2016 해상도에서 3,000fps 촬영을 수행해 액적의 확산 대칭성, 윤곽, 접촉각, 동심원 간섭 무늬를 분석하는 데 활용되었습니다.
G시리즈 제품 보기액적 충돌은 계면 유체역학에서 중요한 연구 주제이며, 잉크젯 프린팅, 농약 살포, 스프레이 코팅, 표면 공학 등 다양한 응용 분야와 연결됩니다. 액적이 고체 표면에 부딪히는 순간에는 하부의 급격한 감속, 압력 펄스 발생, 압축 충격파 생성, 충격파 반사, 확산과 수축, 반동이 매우 짧은 시간 안에 연속적으로 나타납니다.
이러한 현상은 밀리초보다 더 짧은 마이크로초 단위에서 발생합니다. 일반 산업용 카메라는 프레임 속도와 노출 시간에 한계가 있어 충격파의 생성과 반사, 순간적인 액적 형상 변화를 분리해 관찰하기 어렵습니다.
또한 고속 촬영에서는 프레임 속도가 높아질수록 이미지 밝기와 감도가 부족해지는 경우가 많습니다. 따라서 액적 윤곽, 접촉각, 내부 유동 구조, 충격파 전면을 선명하게 관찰하기 위해서는 높은 프레임 속도와 감도, 해상도를 모두 고려한 고속카메라 구성이 필요합니다.
액적 충돌 직후 압축 충격파 발생 관찰
20 μs 시간 해상도로 순간 변화 기록
수평·수직 방향 동시 촬영으로 입체적 해석
액막 두께 분포와 비대칭 확산 확인
이번 실험에는 두 대의 Revealer 고속카메라가 사용되었습니다. 두 카메라는 Revealer RCC4.0 이미지 획득 소프트웨어를 통해 동기화되었으며, 실시간 미리보기, 트리거 기반 촬영, 촬영 후 재생 및 분석 기능을 활용했습니다.
해상도 : 1280 × 512
프레임 속도 : 50,000 FPS
시간 해상도 : 20 μs
주요 역할 : 액적 윤곽 변화, 동적 접촉각, 충돌 지점 부근 충격파 전파 및 충격파 진동 관찰
해상도 : 2560 × 2016
프레임 속도 : 3,000 FPS
시간 해상도 : 333 μs
주요 역할 : 확산·수축의 2차원 공간 대칭성, 비축대칭 불안정성, 윤곽·접촉각·확산 계수 분석
수평 시점에서는 NEO25M을 활용해 액적이 실리콘 웨이퍼에 충돌하는 순간부터 내부 충격파가 생성되고, 자유 표면에서 반사되며, 이후 확산과 반동으로 이어지는 과정을 관찰했습니다.
액적이 분리된 뒤 자유낙하하는 구간입니다. 액적은 거의 구형에 가깝고 표면도 매끄러워, 이후 충돌 과정과 비교할 수 있는 기준 형상을 제공합니다.
액적의 하단 가장자리가 실리콘 웨이퍼와 처음 접촉합니다. 하부가 급격히 감속되면서 운동에너지가 압력 펄스로 전환되고, 구형 압축 충격파가 발생합니다.
접촉선 부근에서 곡선 형태의 어두운 띠가 나타납니다. 이는 충격파 전면에서 발생한 급격한 굴절률 변화로, 액적 내부에 밀도 구배가 형성되었음을 보여줍니다.
충격파가 공기-액체 계면에 도달한 뒤 팽창파로 반사됩니다. 반사된 팽창파와 기존 충격파가 중첩되면서 밝고 어두운 띠가 교대로 나타나는 충격파 진동 현상이 발생합니다.
충격파 진동은 점성 소산에 의해 점차 감쇠되고, 액적은 관성 지배 확산 단계로 들어갑니다. 하부 접촉선이 빠르게 바깥쪽으로 이동하면서 상부 캡과 하부 브림 구조가 형성됩니다.
캡이 사라지고 액적은 납작한 팬케이크 형태에 가까운 최대 확산 형상을 보입니다. 이 시점 이후 표면장력의 영향으로 수축 단계가 시작됩니다.
표면장력의 영향으로 액적은 수축과 반동을 시작합니다. 상부 캡이 다시 형성되며, 액적은 두 번째 최고 높이에 도달한 뒤 다음 확산-수축 사이클로 이어집니다.
수직 시점에서는 G536M Pro를 사용해 액적이 표면 위에서 어떻게 퍼지고, 수축하며, 다시 확산되는지를 상부에서 관찰했습니다. 수직 시점에서 확인된 형태 변화는 수평 시점에서 관찰된 확산·수축 흐름과도 일치했습니다.
액적이 실리콘 웨이퍼와 접촉하기 전 자유낙하하는 구간입니다. 수직 시점에서는 이후 표면 위 확산 형태와 비교할 수 있는 기준 상태로 볼 수 있습니다.
액적 윤곽이 실리콘 웨이퍼와 처음 접촉하며 원형 접촉 영역을 형성합니다. 이는 액적이 비교적 수직으로 충돌했고, 초기 젖음이 등방성에 가깝게 진행되었음을 보여줍니다.
액적이 표면 위로 퍼지기 시작하며 액막 외곽부에서 동심원 형태의 간섭 무늬가 나타납니다. 이는 확산 전면부의 액막이 매우 얇고, 중앙부는 상대적으로 두꺼운 상태를 유지하고 있음을 의미합니다.
확산 직경이 최대에 도달하며 액적은 납작한 원반 형태를 보입니다. 동심원 간섭 무늬도 선명하게 관찰되며, 이후 표면장력과 접착력의 영향으로 수축 단계로 전환됩니다.
수축 과정에서 액적 중앙부가 위쪽으로 상승하며 특징적인 원뿔형 형상이 형성됩니다. 이는 확산 후 표면장력에 의해 액적이 다시 중심 방향으로 모이는 과정으로 볼 수 있습니다.
액적은 두 번째 확산 단계에 진입하며, 중심이 이동하거나 타원형으로 왜곡된 비대칭 동심원 간섭 무늬가 나타납니다. 이는 액막 두께 분포의 축대칭성이 상실되었음을 의미합니다.
수평 시점에서는 액적이 고체 표면에 충돌하는 순간 수격 현상에 의해 압축 충격파가 발생하는 과정을 확인했습니다. 이 충격파는 자유 계면으로 전파된 뒤 팽창파로 반사되었고, 기존 충격파와 반사파의 중첩으로 충격파 진동 현상이 나타났습니다.
수직 시점에서는 액적의 비산이나 액막 파열 없이 확산과 수축이 진행되는 과정을 확인했습니다. 확산 과정에서 선명한 동심원 간섭 무늬가 관찰되었으며, 이를 통해 액막 두께 분포를 간접적으로 추정할 수 있었습니다.
두 시점의 결과를 함께 보면, 충격파에 의해 유도된 내부 유동의 비대칭성이 첫 번째 확산-수축 단계에서 증폭되고, 이후 접촉선 수축과 액막 두께 분포에도 영향을 주는 것으로 해석할 수 있습니다. 이는 두 번째 확산 단계에서 나타난 비대칭 동심원 간섭 무늬와도 연결됩니다.
액적이 고체 표면에 닿는 순간에는 마이크로초 단위의 급격한 변형과 내부 유동 변화가 발생합니다. 일반 카메라로는 충격파 생성, 반사, 진동과 같은 순간적인 현상을 분리해 관찰하기 어렵기 때문에 높은 프레임 속도와 감도, 해상도를 갖춘 고속카메라가 필요합니다.
수평 시점에는 NEO25M이 사용되어 1280×512 해상도에서 50,000fps로 충격파 진동을 촬영했습니다. 수직 시점에는 G536M Pro가 사용되어 2560×2016 해상도에서 3,000fps로 액적 윤곽, 접촉각, 확산 계수 분석에 활용되었습니다.
액적이 표면에 충돌하면 수격 현상에 의해 압축 충격파가 형성됩니다. 이 충격파가 자유 표면에서 팽창파로 반사되고, 반사파가 기존 충격파와 중첩·간섭하면서 밝고 어두운 띠가 교대로 나타나는 충격파 진동 현상이 발생합니다.
동심원 간섭 무늬는 액막이 매우 얇아졌을 때 나타나는 박막 간섭 현상으로 볼 수 있습니다. 무늬의 형태와 대칭성은 액막 두께 분포와 확산 균일성을 해석하는 데 활용될 수 있습니다.
수평 시점은 충격파의 생성, 반사, 진동을 관찰하는 데 유리하고, 수직 시점은 액적이 표면 위에서 확산·수축하는 과정과 액막 두께 분포 변화를 확인하는 데 유리합니다. 두 시점을 결합하면 내부 유동 변화와 거시적 형상 변화를 함께 분석할 수 있습니다.
액적 위치 제어, 반동 억제, 인쇄 품질 안정화 연구
균일한 박막 형성, 젖음성 제어, 코팅 결함 분석
액적 제거 효율, 표면 반발성, 액막 두께 변화 분석
