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      Study on the behavior of water droplet on the solid surface with Nano-sized structures = 나노 크기의 구조물을 갖는 고체 표면 위에 놓인 수액적의 거동에 관한 연구

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      https://www.riss.kr/link?id=T12668219

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      국문 초록 (Abstract)

      거칠기를 갖는 소수성 표면에서의 자정 효과(Lotus 효과)가 알려진 이래로 표면의 거칠기와 소수성의 관계를 규명하고자 하는 다양한 연구가 이루어져 왔다. 과거에는 표면의 거칠기 인가를 통한 정적 소수성 재현에 무게를 두고 연구가 수행되었다면, 최근에는 소수성 표면에서의 동적 소수성 규명 및 정적/동적 소수성 제어 등으로 그 연구 분야가 확장되고 있는 실정이다.
      본 논문에서는 동적 소수성 연구의 일환으로서 분자 동역학을 이용하여 주기적 사각 기둥 형태의 나노 구조물을 갖는 표면에서 움직이는 물 액적 거동을 해석하였다.
      단면적 및 높이에 대한 영향성을 평가하기 위해 2가지의 다른 단면적 및 간격과 7가지의 다른 높이를 갖는 총 14가지의 구조물을 채택하였으며, 구조물 표면 위에 형성된 액적에 가하기 위한 서로 다른 크기의 체적력 5가지를 선정하였다.

      연구의 첫 번째 단계는 채택된 구조물 위에 물 액적을 형성시킨 후 이로부터 나타나는 정적 특성을 파악하는 것이다. 계산 결과는 기둥의 높이가 커질수록 정적 소수성이 강화됨을 보여주었으며, 좁은 기둥 단면적 및 간격을 갖는 표면에서 상대적으로 강한 소수성을 가지는 것으로 나타났다. 계산 결과를 정량적으로 표현하기 위해 얻은 정적 접촉각은 이론식인 Cassie-Baxter 공식을 잘 따랐다.

      연구의 두 번째 단계는 첫 번째 단계에서 형성된 물 액적에 총 5가지의 체적력을 가하여 액적의 움직임을 유발한 후 이로부터 나타나는 동적 특성을 파악하는 것이다. 계산 결과는 정적 특성에 대한 결과와 마찬가지로 기둥의 높이가 커질수록 동적 소수성이 강화됨을 보여주었으며, 좁은 기둥 단면적 및 간격을 갖는 표면에서 상대적으로 강한 동적 소수성을 가지는 것으로 나타났다. 계산 결과를 정량적으로 표현하기 위해 얻은 접촉각 이력 및 전, 후진 접촉각의 코사인 차는 표면이 갖는 동적 소수성에 대한 특성을 잘 나타내주었다.
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      거칠기를 갖는 소수성 표면에서의 자정 효과(Lotus 효과)가 알려진 이래로 표면의 거칠기와 소수성의 관계를 규명하고자 하는 다양한 연구가 이루어져 왔다. 과거에는 표면의 거칠기 인가를 ...

      거칠기를 갖는 소수성 표면에서의 자정 효과(Lotus 효과)가 알려진 이래로 표면의 거칠기와 소수성의 관계를 규명하고자 하는 다양한 연구가 이루어져 왔다. 과거에는 표면의 거칠기 인가를 통한 정적 소수성 재현에 무게를 두고 연구가 수행되었다면, 최근에는 소수성 표면에서의 동적 소수성 규명 및 정적/동적 소수성 제어 등으로 그 연구 분야가 확장되고 있는 실정이다.
      본 논문에서는 동적 소수성 연구의 일환으로서 분자 동역학을 이용하여 주기적 사각 기둥 형태의 나노 구조물을 갖는 표면에서 움직이는 물 액적 거동을 해석하였다.
      단면적 및 높이에 대한 영향성을 평가하기 위해 2가지의 다른 단면적 및 간격과 7가지의 다른 높이를 갖는 총 14가지의 구조물을 채택하였으며, 구조물 표면 위에 형성된 액적에 가하기 위한 서로 다른 크기의 체적력 5가지를 선정하였다.

      연구의 첫 번째 단계는 채택된 구조물 위에 물 액적을 형성시킨 후 이로부터 나타나는 정적 특성을 파악하는 것이다. 계산 결과는 기둥의 높이가 커질수록 정적 소수성이 강화됨을 보여주었으며, 좁은 기둥 단면적 및 간격을 갖는 표면에서 상대적으로 강한 소수성을 가지는 것으로 나타났다. 계산 결과를 정량적으로 표현하기 위해 얻은 정적 접촉각은 이론식인 Cassie-Baxter 공식을 잘 따랐다.

      연구의 두 번째 단계는 첫 번째 단계에서 형성된 물 액적에 총 5가지의 체적력을 가하여 액적의 움직임을 유발한 후 이로부터 나타나는 동적 특성을 파악하는 것이다. 계산 결과는 정적 특성에 대한 결과와 마찬가지로 기둥의 높이가 커질수록 동적 소수성이 강화됨을 보여주었으며, 좁은 기둥 단면적 및 간격을 갖는 표면에서 상대적으로 강한 동적 소수성을 가지는 것으로 나타났다. 계산 결과를 정량적으로 표현하기 위해 얻은 접촉각 이력 및 전, 후진 접촉각의 코사인 차는 표면이 갖는 동적 소수성에 대한 특성을 잘 나타내주었다.

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      목차 (Table of Contents)

      • 1. Introduction 1
      • 1.1 The Wetting Phenomena on Hydrophobic Surfaces 1
      • 1.2 Dynamics of The Water Droplet on Hydrophobic Surfaces 10
      • 1.3 Organization of the Thesis 15
      • 2. Numerical Methodology 16
      • 1. Introduction 1
      • 1.1 The Wetting Phenomena on Hydrophobic Surfaces 1
      • 1.2 Dynamics of The Water Droplet on Hydrophobic Surfaces 10
      • 1.3 Organization of the Thesis 15
      • 2. Numerical Methodology 16
      • 2.1 Molecular Dynamics Simulation 16
      • 2.1.1 The idea 16
      • 2.1.2 Molecular dynamic ensembles 16
      • 2.2 Theoretical Backgrounds for NAMD 18
      • 2.2.1 Potential energy functions 18
      • 2.2.1.1 Bonded potential energy terms 18
      • 2.2.1.2 Nonbonded potential energy terms 20
      • 2.2.1.3 Full electrostatic computation 22
      • 2.2.2 Integrating the equations of motion 24
      • 2.2.3 Water model 24
      • 3. Simulation Details 26
      • 3.1 Modeling of the Computational Domain 26
      • 3.2 Simulation Conditions 27
      • 3.3 Simulation Processes 27
      • 3.4 Post-processing 28
      • 3.4.1 Static state 28
      • 3.4.2 Dynamic state 30
      • 4. Simulation Results 31
      • 4.1 Static State of Water Droplets 31
      • 4.2 Dynamic State of Water Droplets 36
      • 4.2.1 Qualitative analysis 36
      • 4.2.2 Quantitative analysis 39
      • 4.2.2.1 Advancing and receding contact angle 42
      • 4.2.2.2 Difference of cosine of receding and advancing contact angle 53
      • 5. Conclusions 58
      • Reference 129
      • Abstract 138
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