Analysis of coating processes with extensional flows = 신장 유동을 동반하는 코팅 공정의 해석 및 모델링

국문 초록 (Abstract)

코팅 공정은 움직이는 기재에 균일한 두께의 박막을 도포하는 방법으로써 기재의 움직임으로 인한 점성력과 액체의 표면장력이 경쟁하는 공정이다. 기존에 연구된 딥 코팅, 블레이드 코팅, 슬롯 코팅 등과 같은 공정의 경우 평평하고 연속적인 기재의 표면을 코팅하는데 주로 사용되었고, 그 특성상 정상상태(steady-state) 위주의 분석이 선행되었다. 그러나, 최근 산업에서 불연속적이거나 비정형적인 기재위에 균일하게 도포하는 기술에 대한 수요가 발생하고, 사용되는 유체의 유변학적 특성 또한 점점 더 복잡해지고 있다. 이러한 배경에서 신장 유동(extensional flow)이 동반된 코팅 공정의 정량적 해석과 이해가 필요하게 되었다.
이 논문에서는 신장 유동을 동반하는 코팅 공정과, 공정에 사용되는 점탄성 유체의 복잡한 거동을 분석하는데 초점을 맞추었다. 첫 번째 파트에서는 유한한 실린더 형태의 기재에 뉴토니안 코팅액을 도포하는 딥 코팅 공정을 전산 모사하고, 코팅량이 결정되는 시점을 확인한 후, 계면의 형상을 이용해 코팅량을 정량하는 이론 기반의 단순화된 모델을 개발하였다.
두 번째 파트에서는 배터리 공정 등에서 사용되는 복합 유체의 신장 거동을 실험적으로 관찰하고, 변형 응답을 점탄성 액체로 모델링하였다. 또한, 점성력과 탄성력이 전환되는 시점을 이론 기반 모델과 트랜스포머 기반 머신러닝 모델을 통해 분석하였고, 두 방법 모두에서 유사한 경계 시점을 검출할 수 있었다. 본 연구는 복잡한 유동 특성을 단순화하고 분해하는 방식을 제시함으로써, 실제 제조 공정 개선에 기여할 수 있는 기반을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Coating processes are widely used to apply thin liquid films onto moving substrates, where viscous forces arising from substrate motion compete with the liquid's surface tension. Traditional coating techniques, such as dip coating, blade coating, and slot-die coating, have been primarily developed for flat and continuous substrates and are therefore often analyzed under steady-state assumptions. However, growing industrial demand for uniform coating on discontinuous or non-flat substrates, along with the increasing complexity of fluid rheology, necessitates a better understanding of transient coating flows accompanied by extensional deformation.
This thesis investigates coating process with extensional flows and the complex behavior of viscoelastic fluids commonly used in such processes. The first part of the study involves computation of a dip coating of a finite cylinder using Newtonian fluids. A critical moment at which the final coating volume is determined is identified, and a simplified theoretical model is developed to quantitatively predict the coating volume based on the interfacial shape at that moment.
The second part explores the extensional behavior of complex fluids through experimental observations, particularly focusing on viscoelastic responses. The transition between visco-capillary and elasto-capillary regimes is analyzed using both a theoretical approach based on the Oldroyd-B model and a machine-learning-based method using a Transformer encoder.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iii
• List of Tables v
• List of Figures vii
• 1 Introduction 1
• 2 Dip coating of a finite cylinder 3
• 2.1 Introduction 3
• 2.2 Phase-field formulation and computational methods 7
• 2.3 Measures 17
• 2.4 Results 21
• 2.5 Simple model for critical moment 26
• 2.6 Conclusion 39
• 3. Extensional behavior of complex fluids 41
• 3.1 Introduction 41
• 3.2 Simplification of extensional behavior 42
• 3.2.1 Methods 44
• 3.2.2 Results 52
• 3.2.3 Conclusion 69
• 3.3 Decomposition of extensional behavior 71
• 3.3.1 Materials and Methods 74
• 3.3.2 Results and Discussion 87
• 3.3.3 Conclusion 92
• 4 Final remarks 94
• Abstract(In Korean) 117
• 감사의 글 118