Surface Tension Driven Flows During Drying - Surface Deformation Measurements and Numerical Simulations

Surface Tension Driven Flows During Drying - Surface Deformation Measurements and Numerical Simulations

Ansprechpartner:	Cavadini
Förderung:	DFG

Auf den Gebieten der organischen und gedruckten Elektronik besteht ein wachsender Bedarf an funktionalen Schichten mit sehr homogener Oberflächentopologie. Die Schichtdicken bewegen sich hier im Rahmen zwischen 10 nm und 10µm mit einer zulässigen mittleren Abweichung von 1 – 2 % der Endschichtdicke. Die Oberflächenspannung der verarbeiteten Polymerlösungen besitzt eine Abhängigkeit von Feldgrößen wie Temperatur und Lösemittelgehalt (Abbildung 1).

Auf den Gebieten der organischen und gedruckten Elektronik besteht ein wachsender Bedarf an funktionalen Schichten mit sehr homogener Oberflächentopologie. Die Schichtdicken bewegen sich hier im Rahmen zwischen 10 nm und 10µm mit einer zulässigen mittleren Abweichung von 1 – 2 % der Endschichtdicke. Die Oberflächenspannung der verarbeiteten Polymerlösungen besitzt eine Abhängigkeit von Feldgrößen wie Temperatur und Lösemittelgehalt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Oberflächenspannung der binären Mischung Methanol-Poly(vinyl -acetat) als Funktion von Temperatur und Zusammensetzung.1

surface tension

Abbildung 1: Oberflächenspannung der binären Mischung Methanol-Poly(vinyl -acetat) als Funktion von Temperatur und Zusammensetzung.1

Diese Parameter (Temperatur und Zusammensetzung) werden durch die Trocknung beeinflusst. Aus diesem Grund führt eine inhomogene Verdunstungsraten zu einem Gradienten im physicochemischen Potential. Abhängig von Art und Ausbildung dieses Gradienten kommt es an der Oberfläche zu Scherspannungen, die zu Oberflächenströmungen und aufgrund der Viskosität zu Bewegung im Film führen. Inhomogene Trocknungsraten können über lokal unterschiedliche Bedingungen im umgebenden Trocknungsmedium, oder über lokale Unterschiede im Substrat induziert werden (Abbildung 2).

Diese Parameter (Temperatur und Zusammensetzung) werden durch die Trocknung beeinflusst. Aus diesem Grund führt eine inhomogene Verdunstungsraten zu einem Gradienten im physicochemischen Potential. Abhängig von Art und Ausbildung dieses Gradienten kommt es an der Oberfläche zu Scherspannungen, die zu Oberflächenströmungen und aufgrund der Viskosität zu Bewegung im Film führen.

Inhomogene Trocknungsraten können über lokal unterschiedliche Bedingungen im umgebenden Trocknungsmedium, oder über lokale Unterschiede im Substrat induziert werden (Abbildung 2).

Abbildung 2: Beispiele für Randbedingungen, die zu inhomogenen Verdunstungsraten führen und somit potentiell oberflächenspannungsgetrieben Konvektionsströmungen hervorrufen können.

reasons

Abbildung 2: Beispiele für Randbedingungen, die zu inhomogenen Verdunstungsraten führen und somit potentiell oberflächenspannungsgetrieben Konvektionsströmungen hervorrufen können.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es die auftretenden Instabilitäten zu verstehen und mittels experimentellen und numerischen Methoden zu erfassen. Experimentell Oberflächenrekonstruktion während der Trocknung dünner Polymerfilme. Um die sich, als Reaktion des Systems auf inhomogene Trocknungsbedingungen, einstellende Deformation der Oberfläche zu visualisieren, dient ein Versuchsstand der es ermöglicht von der virtuellen Verschiebung eines Punktmusters und der Information der aktuellen Filmhöhe auf die Oberflächenstruktur rückzuschließen. In Abbildung 3 ist der Versuchsaufbau schematisch dargestellt, Abbildung 4 zeigt das zugehörige Messprinzip und Abbildung 5 zeigt die Rekonstruierte Filmoberfläche eines Polymerfilms, die sich als Reaktion auf ein gezielt strukturiertes Substrat einstellt.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es die auftretenden Instabilitäten zu verstehen und mittels experimentellen und numerischen Methoden zu erfassen.

Experimentell

Oberflächenrekonstruktion während der Trocknung dünner Polymerfilme. Um die sich, als Reaktion des Systems auf inhomogene Trocknungsbedingungen, einstellende Deformation der Oberfläche zu visualisieren, dient ein Versuchsstand der es ermöglicht von der virtuellen Verschiebung eines Punktmusters und der Information der aktuellen Filmhöhe auf die Oberflächenstruktur rückzuschließen. In Abbildung 3 ist der Versuchsaufbau schematisch dargestellt, Abbildung 4 zeigt das zugehörige Messprinzip und Abbildung 5 zeigt die Rekonstruierte Filmoberfläche eines Polymerfilms, die sich als Reaktion auf ein gezielt strukturiertes Substrat einstellt.

Abbildung 3: Versuchsaufbau zur Oberflächenrekonstruktion. CCD Kamera zur Analyse der virtuellen Verschiebung des Punktmusters und Laser zur Schichtdickenmessung.

kanal

Abbildung 3: Versuchsaufbau zur Oberflächenrekonstruktion. CCD Kamera zur Analyse der virtuellen Verschiebung des Punktmusters und Laser zur Schichtdickenmessung.

Abbildung 4: Schematische Darstellung des Prinzips der Oberflächenrekonstruktion. Der Strahlengang des Lichtes ändert sich entsprechend der Oberflächenstruktur des transparenten Polymerfilms.

Messprinzip

Abbildung 4: Schematische Darstellung des Prinzips der Oberflächenrekonstruktion. Der Strahlengang des Lichtes ändert sich entsprechend der Oberflächenstruktur des transparenten Polymerfilms.

Abbildung 5: Visualisierung einer strukturierten Filmoberfläche zu verschiedenen Zeitpunkten.¹⁾

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Abbildung 5: Visualisierung einer strukturierten Filmoberfläche zu verschiedenen Zeitpunkten.¹⁾

Strömungsfeldvisualisierung. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe für Angewandte Mechanik des Instituts für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (KIT) besteht die Möglichkeit der Partikelverfolgung mittels eines invertierten Fluoreszenz-Mikroskops. Hieraus können Informationen über die Strömungsbedingungen im Film gewonnen werden, die während der Trocknung auftreten. Numerisch Basierend auf dem kommerziellen Solver ANSYS FLUENT ist ein Modell in der Entwicklung, das es erlaubt den Trocknungsprozess von Mehrkomponenten Gemischen analytisch zu betrachten. 1) Joachim Krenn

Strömungsfeldvisualisierung. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe für Angewandte Mechanik des Instituts für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (KIT) besteht die Möglichkeit der Partikelverfolgung mittels eines invertierten Fluoreszenz-Mikroskops. Hieraus können Informationen über die Strömungsbedingungen im Film gewonnen werden, die während der Trocknung auftreten.

Numerisch

Basierend auf dem kommerziellen Solver ANSYS FLUENT ist ein Modell in der Entwicklung, das es erlaubt den Trocknungsprozess von Mehrkomponenten Gemischen analytisch zu betrachten.

1) Joachim Krenn