乾燥方法對液滴在基材上形成薄膜的影響
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(2) 乾燥方法對液滴在基材上形成薄膜的影響 The Effects of Drying Method for Droplet on the Forming of the Film on the Substrate. 研 究 生：盧春貴. Student： Chun-Kui Lu. 指導教授：陳仁浩. Advisor： Ren-Haw Chen. 國 立 交 通 大 學 機 械 工 程 學 系 碩 士 論 文. A Thesis Submitted to Institute of Mechanical Engineering College of Engineering National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Scinece in Mechanical Engineering June 2007 Hsinchu, Taiwan, Republic of China. 中華民國九十六年六月.
(3) 乾燥方法對液滴在基材上形成薄膜的影響. 研 究 生：盧 春 貴. 指 導 教 授：陳 仁 浩 教 授. 國立交通大學機械工程學系. 摘要 隨著印表機的普遍化與其相關技術的研究與開發，噴墨技術 不再只是噴印墨水在紙上，也使用了導電性高分子、陶瓷材料或 奈米顆粒等材料噴印在不同的基材上，而被應用在各種工業上， 其自動化、微小化與降低成本的特性，使得噴墨技術倍受矚目。 當液滴在基材上乾掉後，容易形成環狀沉積而造成內薄外厚 的形狀。其中，乾燥過程被認為是影響薄膜形成的關鍵。本研究 乃針對液滴乾燥成膜的現象與特性進行探討，期能改善噴墨製程 的加工品質，加速其在各種工業生產上的可應用性。研究中，使 用 不 同 黏 度 的 水 溶 性 高 分 子 聚 乙 烯 醇 （ PVA） 為 噴 液 材 料 ， 並 利 用熱氣流與水浴法使液滴表面產生溫度差，探討平行氣流溫度與 速度對成膜行為之影響，並以有限元素軟體作數值模擬與分析。 期望能藉由調查乾燥方法對液滴在基材上薄膜形成的影響，以找 出合適的噴印製造條件。 研究結果顯示，氣流溫度與速度對黏度高的液滴影響較明 顯。溫度差越大，溶質往中心沉積的效果越大；風速越大，則造 成沉積均勻性越差。 i.
(4) The Effects of Drying Method for Droplet on the Forming of the Film on the Substrate Advisors： Dr. Ren-Haw. Student： Chun-Kui Lu Chen. Institute of Mechanical Engineering National Chiao Tung University. Abstract. With the generalization of inkjet printer and the study of relevant technology, inkjet printing technology is not only applied to jet ink on paper, it also jets other materials such as conductive polymers, ceramic materials, nanoparticles, and etc. on different substrates, and can be applied to many industrial fields. Inkjet printing techniques are getting more attention by it’s properties of automation, miniaturization, cost reduction and so on. When a droplet dries on a substrate, it leaves a ring-like deposit along the perimeter. The drying process of droplets on the substrate is found to be a key factor that forms the film. The experiment and simulation are constructed to investigate the drying processing of droplet formed the film on the substrate. In experiment, we use different viscosity of polyvinyl alcohol aqueous solutions and the combination of convective drying and water bath ii.
(5) to investigate that the effect of temperature gradient and wind velocity for forming film. In simulation, we use ANSYS to analyze the heat transfer in droplet and to explain the experimental result. The findings display that the effect of wind temperature and velocity. to form the film is obvious for the higher viscosity of. solution. The more the temperature gradient, the more the effect that solute deposit toward center. The higher the wind velocity, the worse the roughness of deposition.. iii.
(6) 誌謝 轉眼間，研究所兩年的時間已到了尾聲，回顧這兩年裡的點 點滴滴，充滿了許多令人難忘的回憶，在此，要感謝許多人讓我 能夠擁有這些美好的收穫。 首先感謝的是指導教授陳仁浩老師，在一開始什麼都不懂的 情 況 下，漸 漸 地 指 引 我 該 走 的 方 向，以 及 給 予 許 多 的 建 議 與 方 法， 讓我能夠了解研究的精神與如何解決各種的問題，以完成我的碩 士論文。此外，也感謝口試委員洪景華老師、徐瑞坤老師和陳大 潘老師在論文上給予了許多的意見與指導，使本論文能夠更為完 整。 同 時，也 感 謝 大 學 時 代 的 同 學 和 實 驗 室 裡 所 有 的 成 員，安 誠、 明初、忠晉、旭昌、沛原學長，振家、悅慈同學，以及智翔、亞 平、正剛、子敬和聰連學弟的指導與關懷，讓我能在研究外的生 活中，獲得許多的協助與陪伴，使我在這兩年裡能夠擁有各種的 回憶與多采多姿的生活，非常感謝你們陪我渡過這兩年來的時時 刻刻。 最後，感謝家人的支持，讓我在此時此刻能夠遇到這些人， 讓我能無憂無慮的完成我的學業，讓我了解到許多的事情，讓我 在人生的求學階段中邂逅了許許多多美好的回憶，謝謝你們的支 持。. iv.
(7) 目錄 中 文 摘 要 .................................................................................... i 英 文 摘 要 ................................................................................... ii 誌 謝 ......................................................................................... iv 目 錄 .......................................................................................... v 表 目 錄 ..................................................................................... vii 圖 目 錄 .................................................................................... viii 第一章. 序 論 ............................................................................ 1. 1.1. 研 究 背 景 ..................................................................... 1. 1.2. 1.1.1. 噴 墨 印 刷 技 術 （ inkjet printing） 簡 介 ................. 1. 1.1.2. 噴 墨 印 刷 技 術 的 應 用 .......................................... 2. 文 獻 回 顧 ..................................................................... 5 1.2.1. 環 狀 沉 積 （ Ring-like deposit） ........................... 5. 1.2.2. 微 液 滴 （ Micro-droplet） .................................... 6. 1.2.3. 乾 燥 方 法 （ Drying method） .............................. 7. 1.3. 研 究 動 機 與 目 的 .......................................................... 9. 1.4. 研 究 方 法 ....................................................................10. 第二章. 實 驗 理 論 與 方 法 .........................................................18. 2.1. 實 驗 理 論 ....................................................................18. 2.2. 2.1.1. 能 量 守 恆 ...........................................................18. 2.1.2. 熱 傳 遞 的 機 制 ....................................................18. 2.1.3. 強 制 對 流 (Forced Convection) ...........................20. 實 驗 方 法 ....................................................................21 2.2.1. 實 驗 設 備 ...........................................................21. 2.2.2. 實 驗 材 料 ...........................................................22. 2.2.3. 實 驗 流 程 ...........................................................22. 第三章. 結 果 與 討 論 ................................................................29. 3.1. 實 驗 結 果 ....................................................................29 3.1.1. 自 然 乾 燥 ...........................................................29 v.
(8) 3.2. 3.1.2. 固 定 風 速 與 不 同 的 氣 流 溫 度 ..............................29. 3.1.3. 固 定 氣 流 溫 度 與 不 同 的 風 速 ..............................30. 3.1.4. 黏 度 不 同 的 影 響 ................................................31. 數 值 分 析 ....................................................................32 3.2.1. 物 理 模 型 的 建 構 與 材 料 性 質 的 設 定 ...................32. 3.2.2. 初 始 條 件 與 邊 件 條 件 的 設 定 ..............................33. 3.2.3. 模 擬 結 果 與 討 論 ................................................34. 第四章. 結 論 與 未 來 展 望 .........................................................51. 4.1. 結 論 ...........................................................................51. 4.2. 未 來 展 望 ....................................................................52. 參 考 文 獻 ..................................................................................53. vi.
(9) 表目錄 表 2-1. 黏 度 量 測 表 ..................................................................24. 表 3-1. 實 體 模 型 資 料 表 [30] ....................................................35. 表 3-2. 水 的 特 性 資 料 表 [30] ....................................................35. 表 3-3. 空 氣 的 特 性 資 料 表 [30] .................................................35. 表 3-4. 不 同 氣 流 溫 度 之 表 面 熱 通 量 向 量 .................................36. 表 3-5. 不 同 風 速 之 表 面 熱 通 量 向 量 .........................................37. vii.
(10) 圖目錄 圖 1-1. 連 續 式 噴 墨 [1] ............................................................. 11. 圖 1-2. 供 需 式 噴 墨 [3] ............................................................. 11. 圖 1-3. 熱 氣 泡 式 致 動 器 [4] ......................................................12. 圖 1-4. 壓 電 式 致 動 器 [4] ..........................................................12. 圖 1-5. 熱 彎 曲 式 致 動 器 [4] ......................................................13. 圖 1-6. 聲 波 式 致 動 器 [4] ..........................................................13. 圖 1-7. 靜 電 式 致 動 器 [4] ..........................................................14. 圖 1-8. 噴 墨 沉 積 的 應 用 [7] ......................................................14. 圖 1-9. 傳 統 彩 色 濾 光 片 製 程 ...................................................15. 圖 1-10. 全 聚 合 物 構 成 的 薄 膜 電 晶 體 [10] .................................15. 圖 1-11. 垂 直 形 態 的 熱 致 動 器 [12]............................................16. 圖 1-12. 聚 合 物 基 材 的 微 結 構 [13] ...........................................16. 圖 1-13. 環 狀 沉 積 [16] .............................................................17. 圖 2-1. 通 過 平 牆 的 熱 傳 導 [30] .................................................25. 圖 2-2. 平 板 上 的 平 行 流 動 [30] .................................................25. 圖 2-3. 乾 燥 裝 置 設 計 圖 ...........................................................26. 圖 2-4. 乾 燥 裝 置 .....................................................................26. 圖 2-5. 光 學 顯 微 鏡 ..................................................................27. 圖 2-6. 三 維 輪 廓 及 表 面 粗 度 量 測 儀 .........................................27. 圖 2-7. 黏 度 計 .........................................................................28. 圖 3-1. 自 然 乾 燥 .....................................................................38. 圖 3-2. 10cps 自 然 乾 燥 ...........................................................38. 圖 3-3. 100cps 自 然 乾 燥 .........................................................39. 圖 3-4. 1000cps 自 然 乾 燥 .......................................................40. 圖 3-5. 風 速 1±0.1m/s， 氣 流 溫 度 55±1℃ ................................40. 圖 3-6. 風 速 1±0.1m/s， 氣 流 溫 度 75±1℃ ................................40. 圖 3-7. 10cp， 風 速 1±0.1m/s， 氣 流 溫 度 55±1℃ ......................41. 圖 3-8. 100cp， 風 速 1±0.1m/s， 氣 流 溫 度 55±1℃ ....................41 viii.
(11) 圖 3-9. 1000cp， 風 速 1±0.1m/s， 氣 流 溫 度 55±1℃ ..................42. 圖 3-10. 10cp， 風 速 1±0.1m/s， 氣 流 溫 度 75±1℃ ....................42. 圖 3-11. 100cp， 風 速 1±0.1m/s， 氣 流 溫 度 75±1℃ ...................43. 圖 3-12. 1000cp， 風 速 1±0.1m/s， 氣 流 溫 度 75±1℃ .................43. 圖 3-13. 氣 流 溫 度 55±1℃ ， 風 速 1.5±0.1m/s ............................44. 圖 3-14. 氣 流 溫 度 55±1℃ ， 風 速 2.0±0.1m/s ............................44. 圖 3-15. 10cp， 氣 流 溫 度 55±1℃ ， 風 速 1.5±0.1m/s .................44. 圖 3-16. 100cp， 氣 流 溫 度 55±1℃ ， 風 速 1.5±0.1m/s ................45. 圖 3-17. 1000cp， 氣 流 溫 度 55±1℃ ， 風 速 1.5±0.1m/s ..............45. 圖 3-18. 10cp， 氣 流 溫 度 55±1℃ ， 風 速 2.0±0.1m/s .................46. 圖 3-19. 100cp， 氣 流 溫 度 55±1℃ ， 風 速 2.0±0.1m/s ................46. 圖 3-20. 1000cp， 氣 流 溫 度 55±1℃ ， 風 速 2.0±0.1m/s ..............47. 圖 3-21. 物 理 模 型 ....................................................................47. 圖 3-22. 平 面 的 熱 傳 元 素 PLANE35 .........................................47. 圖 3-23. 網 格 化 的 模 型 圖 .........................................................48. 圖 3-24. 固 定 風 速 ， 不 同 氣 流 溫 度 之 熱 對 流 係 數 分 布 圖 ..........48. 圖 3-25. 固 定 氣 流 溫 度 ， 不 同 風 速 之 熱 對 流 係 數 分 布 圖 ..........49. 圖 3-26. 風 速 1.0m/s， 氣 流 溫 度 55℃ 之 熱 通 量 向 量 圖 .............49. 圖 3-27. 風 速 1.0m/s， 氣 流 溫 度 75℃ 之 熱 通 量 向 量 圖 .............49. 圖 3-28. 氣 流 溫 度 55℃ ， 風 速 1.5m/s 之 熱 通 量 向 量 圖 ............50. 圖 3-29. 氣 流 溫 度 55℃ ， 風 速 2.0m/s 之 熱 通 量 向 量 圖 ............50. ix.
(12) 第一章 1.1 1.1.1. 序論. 研究背景 噴 墨 印 刷 技 術 （ inkjet printing） 簡 介 近年來，隨著個人電腦的快速發展與普及，印表機已成為一. 種非常普遍的周邊設備，而噴墨式的印表機又以其低價格提供了 高解析度與全彩的圖片輸出，讓我們可在相片、海報或貼紙等紙 上印出各種精緻的圖案。噴墨印刷是一種無接觸的印刷方式，可 在凹處或任何形狀與材料的表面上噴出微量液滴形成圖像，這種 將液滴噴出到表面上的方式主要分成兩類：供需式 （ drop-on-demand, DOD） 與 連 續 式 （ continuous） 。 連 續 式 噴 墨 為連續噴出具電導性的墨滴，經由帶電荷液滴與電場的作用下將 需要的液滴帶到被印面上，而不需要的部分則導入回收槽以回收 再 利 用 ， 如 圖 1-1 所 示 。 其 主 要 優 點 為 速 度 快 ， 噴 頭 與 被 印 面 距 離遠，所以可應用在各種形狀或尺寸的任意表面上，如條碼、藥 品 和 食 品 包 裝 等 應 用 [1,2]。 供需式噴墨則是藉由在每個位置控制是否產生液滴來決定圖 形，如 圖 1-2。相 較 於 連 續 式 噴 墨 印 刷，供 需 式 噴 墨 的 速 度 較 慢 ， 但具有高解析度與多色彩、減少墨水的浪費、不需要回收槽和電 壓板等裝置、體積小且成本低等優點，使供需式噴墨印刷成為主 要 的 運 用 技 術 [2,3]。 供 需 式 噴 墨 技 術 若 以 液 滴 產 生 的 致 動 方 式 來 分，主 要 分 為：熱 氣 泡 式（ thermal bubble） 、壓 電 式（ piezoelectric） 、 熱 彎 曲 式 (thermal buckling) 、 聲 波 式 （ acoustic） 和 靜 電 式 （ electrostaic）五 種 類 型。前 兩 者 為 主 要 的 使 用 類 型，如 EPSON、 HP 和 Canon 等 公 司 皆 有 在 研 究 開 發 ， 在 文 獻 中 也 有 許 多 其 他 的 設 計 報 告 ， 而 市 面 上 使 用 的 噴 墨 印 表 機 也 多 為 此 兩 種 類 型 [4]。 熱氣泡式的原理為利用電阻在極短的時間內通電加熱，使附 近的墨水變成氣體而形成一高壓氣泡將墨水擠出噴嘴形成液滴， 如 圖 1-3。由 於 其 高 溫 氣 化 的 運 作 原 理 使 得 能 用 的 液 體 選 擇 性 低 ， 因此應用的領域有限。壓電式是利用壓電材料會因施加電壓而產 1.
(13) 生 形 變，來 擠 壓 液 體 而 將 液 滴 噴 出，如 圖 1-4。相 較 於 熱 氣 泡 式 ， 壓電式噴頭具有反應速度快、容易控制液滴大小、無高溫使材料 產生化學變化等優點，使得壓電式在運用上有較寬廣的應用。熱 彎曲式為利用一個由兩種材料組成的可彎曲隔膜固定在底層邊 緣，經由通電加熱使兩種材料因熱膨脹係數不同而產生的彎曲現 象 來 擠 壓 液 體 ， 產 生 微 液 滴 ， 如 圖 1-5。 其 缺 點 為 消 耗 能 量 與 裝 置大小皆比熱氣泡式大。聲波式致動為利用聲波的建設性干涉來 產 生 液 滴 ， 如 圖 1-6。 在 晶 片 上 的 透 鏡 可 將 薄 膜 的 壓 電 致 動 器 產 生的聲波聚焦以形成液滴，並利用特定的頻率來控制噴出的液滴 大小。與傳統的噴嘴相比，降低了液體阻塞在噴嘴的問題，但其 聲波的擾動會導致很難維持穩定的界面來產生相同的液滴。靜電 式的原理則是藉由在電極板與壓力板之間加上直流電，利用電荷 相 吸 來 使 壓 力 板 可 以 活 動 ， 以 壓 迫 墨 水 來 噴 出 液 滴 ， 如 圖 1-7。 由於其構造複雜，需要精密的製程與固體材料形變的考量，使噴 嘴 不 能 輕 易 的 再 縮 小 ， 而 無 法 有 更 高 解 析 度 的 應 用 [4]。 以上為產生微液滴的幾種致動方式。至於影響噴墨印刷品質 的因素包括墨點大小、墨點的位置控制、與基材的吸收性、色彩 轉換、乾燥速度和墨水品質等，另外也需考慮墨匣與墨水間的相 容性、墨水流道和穩定供墨等等，各種相關研究與開發的文獻持 續 的 被 發 表 出 來 ， 使 噴 墨 印 刷 技 術 能 夠 有 更 好 的 表 現 與 展 望 [5]。 1.1.2. 噴墨印刷技術的應用 噴墨印刷技術除了被應用在高品質與彩色的圖片輸出，隨著. 不斷的改良與開發，各種不同的材料也能被當成墨水般的使用在 精密的噴印成形，以其液滴的微量化與精準的位置控制能有效率 的 利 用 材 料，減 少 廢 棄 物 的 產 生。此 外，在 許 多 工 業 製 造 技 術 上 ， 噴墨印刷還具有自動化、降低成本、減少製程步驟和適合用於非 平 面 基 材 等 優 點 ， 在 各 種 應 用 上 具 極 大 的 潛 力 [6]。 如 圖 1-8， 噴 墨 技 術 可 用 來 做 圖 樣 沉 積 （ patterned 2.
(14) deposition）、 連 續 薄 膜 沉 積（ continuous film deposition）與 直 接 印 刷 (direct printing)。 傳 統 上 製 造 彩 色 PLED 顯 示 器 與 LCD 彩 色 濾 光 片 的 圖 樣 沉 積 如 圖 1-9， 大 多 是 以 顏 料 分 散 法 （ pigment dispersion method）來 製 造 所 需 的 紅 色、綠 色 與 藍 色 的 光 阻 區 域 ， 而藉由紅綠藍三原色混合來產生各種顏色。由於每一種光阻都需 要 經 過 塗 佈（ spin-coating） 、曝 光（ exposure） 、顯 影（ development） 、 硬 烤 （ hard bake） 等 步 驟 來 留 下 需 要 的 部 分 ， 經 過 三 次 的 製 程 使 得大部分光阻都浪費掉而增加成本與降低產率。為了解決這些問 題，噴墨印刷被用來直接在各個區域裡噴出需要的彩色光阻，使 製程簡化與節省材料。另一方面，連續薄膜沉積可被用在大型積 體 電 路 、 LCD 製 造 或 其 它 各 種 不 同 的 表 面 上 沉 積 許 多 種 的 薄 膜 層，如光阻或絕緣層等。藉由控制每單位面積內的液滴數量與它 的 擴 展 直 徑 ， 經 過 混 合 與 乾 燥 可 行 成 一 大 薄 膜 層 [7-9]。 直接印刷在應用上就如同使用一般印表機在紙上印出所需的 圖案，只是墨水的成分與基材不相同。自從在導電性聚合物的領 域發展後，即開啟了全由聚合物所構成的電子零件與電路的方 法 。 如 圖 1-10 為 一 全 聚 合 物 構 成 的 薄 膜 電 晶 體 （ thin film transistors, TFTs），利 用 噴 墨 技 術 印 出 源 極（ source）、汲 極（ drain） 和 閘 極 （ gate） 與 利 用 旋 轉 塗 佈 出 半 導 體 層 和 絕 緣 層 。 與 傳 統 的 非晶矽半導體技術相比，雖然聚合物的轉換速度低於矽，但其優 點為較少的製程與較低的成本，可用在成本比速度重要的產品， 如 智 慧 卡 、 電 子 標 籤 或 感 測 器 等 [8,10]。 Chen 等 人 利 用 印 表 機 成 功 的 印 出 全 聚 合 物 的 電 容 與 RC 電 路 ， 使 噴 墨 技 術 在 未 來 能 夠 提 供 我 們 更 方 便 的 製 造 微 電 子 儀 器 與 應 用 [11]。 除了在電子業的發展外，噴墨技術在各種不同的材料與功能 應用皆有研究開發。如利用噴墨技術噴印奈米金屬膠體，可製造 電 子 電 路 或 三 維 的 微 機 電 系 統 （ MEMS）， 如 圖 1-11 為 一 垂 直 形 態 的 熱 致 動 器 [12]。 或 利 用 噴 印 溶 劑 來 蝕 刻 聚 合 物 基 材 形 成 不 同 的 微 結 構 ， 如 圖 1-12， 提 供 一 種 新 的 蝕 刻 方 式 [13]。 或 者 利 用 導 3.
(15) 電性聚合物暴露在某些氣體下會使導電性明顯增加，以噴墨技術 噴 印 在 軟 性 基 材 上 當 作 氣 體 感 測 器 [14]。 在 生 醫 材 料 的 發 展 上 ， 利用高通量噴墨印刷的方法來精確地控制細胞的接觸與增殖，使 膠原自動沉積。而經由生物學的活性蛋白質沉積，噴墨列印技術 可 被 用 來 製 造 活 的 細 胞 圖 案 [15]。 在 未 來 的 應 用 甚 至 可 能 用 來 做 3D 噴 印，印 出 各 種 產 品，或 者 在 家 設 計 電 路 圖，直 接 印 出 電 路 等 等，具有極大的發展空間與潛力。. 4.
(16) 1.2. 文獻回顧. 1.2.1. 環 狀 沉 積 （ Ring-like deposit） 當一個濺出的咖啡液滴在桌上乾掉時，我們會發現在液滴的. 周 圍 形 成 一 個 密 集 的 環 狀 沉 積 ， 如 圖 1-13。 這 個 現 象 不 僅 只 發 生 在咖啡液滴，在含有溶質或固體成分的液滴蒸發後，我們也可觀 察 到 此 現 象。Deegan 等 人 指 出 液 滴 乾 掉 時，接 觸 線（ contact line） 的固定是形成圓環的主要原因。由於液滴在邊緣的蒸發率最大和 接觸線固定，使得液滴內部的溶劑會往邊緣流動來補充蒸發掉的 溶 劑 ， 而 形 成 一 種 毛 細 流 （ capillary flow） 將 大 部 分 的 溶 質 運 往 接 觸 線 而 沉 積 在 邊 緣 [16]。 他 們 也 提 出 了 理 論 與 數 學 式 來 描 述 液 滴 內 的 液 體 流 動 與 質 量 傳 輸 ， 了 解 和 預 測 形 成 圓 環 的 過 程 [17]。 環 狀 沉 積 在 此 之 前 也 曾 被 研 究 過，Parisse 和 Allain 觀 察 不 同 體積的矽膠溶液液滴在乾燥時，其外形的變化與比較。他們發現 不同體積的液滴在乾掉時，溶解的矽膠會由邊緣逐漸往中央凝 結，而皆有著相似的外形與過程，他們以一簡單的模型來描述這 種 環 狀 沉 積 的 實 驗 結 果 [18]。 Adachi 等 人 研 究 在 乾 燥 時 液 滴 的 接 觸 線 會 像 滯 滑 （ stick-slip） 移 動 似 的 向 中 央 收 縮 ， 產 生 細 條 紋 的 圖案。為了解釋此種振盪移動與條紋形成，他們以數學式來表示 粒子由中心往邊緣流動時接觸線上的情況，並了解在摩擦力與表 面張力的競爭下，使液滴在乾掉時產生振動與形成由顆粒組成的 條 紋 [19]。Conway 等 人 使 用 不 同 的 液 滴 大 小、顆 粒 直 徑 和 初 始 濃 度來量測對蒸發時圓環形成的影響。他們發現在各種不同的情況 下，液滴在蒸發後邊緣都產生了環狀沉積，但較小的顆粒直徑會 產生較高的邊緣高度和較深的中心點而與液滴體積較無關係。此 外，當顆粒直徑減小或初始濃度增加時，會使圓環的寬度增加 [20]。 有 關 沉 積 圖 形 的 研 究 上 ， Takhistov 和 Hsueh-Chia 探 討 液 滴 在親水性或斥水性表面上蒸發後的結晶形態與沉積圖案。他們建 議 在 斥 水 性 或 部 分 斥 水 性 的 基 材 上 使 用 低 濃 度 （ 小 於 1M） 液 滴 5.
(17) 來消除圓環或晶格形成，並且可使圖形擴散和晶格尺寸減小。若 必 須 使 用 高 濃 度 溶 液，濃 度 約 1M 的 20μL 液 滴 可 在 任 意 基 材 上 形 成單結晶，但若使用斥水性表面則可讓液滴的初始擴散減小，而 有 更 好 的 精 度 控 制 [21]。 1.2.2. 微 液 滴 （ Micro-droplet） 自從噴印技術被應用在各種工業上，其相關製程、材料和噴. 印 元 件 等 皆 有 被 研 究 開 發。微 液 滴（ 直 徑 約 為 10 到 100μm）由 噴 頭射出，飛行後撞擊基材，擴展到最大直徑，蒸發，最後乾掉形 成薄膜。在這些過程中，液滴在基材上的乾燥過程是控制薄膜或 粒 子 層 形 成 的 關 鍵。Morozumi 等 人 研 究 聚 苯 乙 烯 － 二 甲 苯 的 微 量 液 滴 在 基 材 上 蒸 發 後 薄 膜 的 形 成。他 們 的 實 驗 結 果 指 出 大 液 滴（ 直 徑 大 於 1mm）和 小 液 滴（ 直 徑 小 於 1mm）在 乾 燥 後 都 發 現 了 環 狀 沉積。當基材溫度低時，會抑制接觸線附近的蒸發率增加；當基 材溫度提高後，會增加液滴內的流動速度，使溶質運往接觸線的 量 增 多，而 圓 環 的 寬 度 則 變 窄 [22]。之 後 Fukai 等 人 研 究 液 滴 大 小 與溶質濃度對沉積在均質表面的影響。他們發現隨著大液滴的初 始濃度增加，在接觸線開始縮減時的接觸角會減小；而對小液滴 則無明顯的關係，兩者的差異是受到尺寸效應的影響。另外也指 出接觸線的固定時間或縮減距離是決定薄膜形狀的重要因素之一 [23]。 為 了 改 善 沉 積 的 均 勻 性，Lyon 等 人 提 出 對 同 一 溶 質 混 合 兩 種 或兩種以上不同溶劑的方法。其中一種溶劑為高沸點且低溶解 性，而另一種則為低沸點且高溶解性。當液滴乾燥時，易揮發的 低沸點溶劑會較快蒸發使留下的高沸點溶劑飽和而快速沉積，以 降 低 液 滴 內 的 徑 向 流 影 響 而 改 善 其 均 勻 性 [24]。 而 當 使 用 單 一 溶 劑 時 ， 降 低 蒸 發 率 可 減 少 環 狀 沉 積 的 產 生 [25]。 此 外 ， 液 滴 離 開 噴 頭 的 速 度 與 蒸 發 情 況 對 沉 積 的 形 狀 也 會 有 影 響 [26]。 在製造精密的電子零件時，藉由噴印技術來決定微米級或次 6.
(18) 微米級的結構，需要能夠精準的控制表面上液體的流動與分布。 Wang 等 人 藉 由 表 面 能 不 同 的 方 法 ， 使 液 滴 能 在 基 材 上 預 先 定 義 的區域裡形成不同的形狀。他們利用電子束微影在親水性表面上 定義出斥水性的障礙，當水溶液液滴滴在上面時，受表面能不同 使 液 滴 去 濕（ dewetting）而 控 制 液 滴 的 幾 何 形 狀 [27]。之 後，Gans 和 Schubert 研 究 在 一 全 氟 化 表 面 上 使 用 不 同 的 聚 合 物 墨 水 會 產 生 不同的沉積形狀。使用單一溶劑時，當接觸線在初始時固定，即 產生了環狀沉積；而當接觸線在初始時未固定，則產生了側面如 火山狀的點狀沉積。此外，在揮發性溶劑裡添加少量的非揮發性 溶劑，會使原本為環狀沉積變成一完好的點狀，這可能是因為在 接觸線上的揮發性溶劑較快蒸發掉，使接觸線上的非揮發性溶劑 佔較大比例而延緩了接觸線固定的發生，使得兩種溶解性好的混 合 液 可 印 出 完 整 的 點 陣 列 [28]。 1.2.3. 乾 燥 方 法 （ Drying method） 乾燥，是指由物料中除去適量的水份或其它液體，在工業上. 或日常生活中常可看見其應用。如在化工產業中，將原料乾燥可 減少其含水量，也就降低其重量而減少運費。木材的乾燥可避免 在製成各種產品之前，因水分蒸發而導致木材出現收縮、發霉等 缺陷，而影響品質。食品的乾燥可提高其保存性，加工過的食物 體積小、重量輕，容易分包裝攜帶、運輸和儲存。在日常生活中 如除濕機、乾衣機、烘碗機等等，都是利用乾燥的方法來除去多 餘的水分。從古至今，依照不同的乾燥需求與不斷改良，而發展 出各種不同的乾燥方法與應用。 以食品的乾燥為例，早期是以放置在太陽底下自然乾燥。此 方法不消耗能源，但乾燥時間受環境影響，也使其很難有均勻的 品質與營養成份流失的問題。後來提出利用熱來蒸發水分而不使 用太陽的方法，但仍會造成食物的顏色與營養成份損失。當使用 低 溫 來 乾 燥 食 物 時，可 保 持 住 食 物 的 顏 色，但 只 有 溫 度 控 制 的 話， 7.
(19) 乾 燥 速 度 慢 且 內 部 溫 度 不 易 均 勻 。 於 是 Nagaya 等 人 提 出 利 用 控 制 氣 流 與 溫 度 的 低 溫 乾 燥 系 統 可 改 善 上 述 的 問 題 [29]。 除了利用氣流這種對流供熱的乾燥方法外，還有利用滾筒供 熱來使物料直接加熱的傳導供熱乾燥；或利用紅外線將輻射能照 射在表面產生熱能的輻射供熱乾燥；或利用電磁波震盪形成電磁 場使具極性的分子隨磁場震盪而摩擦生熱的微波乾燥；或利用減 壓使水的沸點降低而使其容易汽化的真空乾燥；或利用降低溫度 使水分凍結，再降低壓力使沸點與冰點結合令固態冰可直接轉化 為汽態的冷凍真空乾燥等等，各種的乾燥方式隨著應用的對象和 需求不同而有不同的方法可以選擇。. 8.
(20) 1.3. 研究動機與目的 噴墨印刷技術在工業上的運用日趨愈廣，而當欲利用噴墨技. 術在基材上沉積一薄膜層時，薄膜原材料先被溶解在溶劑中，經 由噴頭射出、撞擊、擴展、液滴成形、蒸發，最後薄膜形成。在 這些過程中每個步驟都有被研究過，其中液滴的乾燥被認為是控 制薄膜形狀的關鍵過程。 Deegan 等 人 觀 察 認 為 只 要 (1)溶 劑 與 基 材 表 面 為 非 零 接 觸 角，(2)接 觸 線 會 固 定，和 (3)溶 劑 會 蒸 發 時，就 會 產 生 環 狀 沉 積 而 影 響 薄 膜 沉 積 的 形 狀 [16]。 為 了 改 善 沉 積 的 均 勻 性 ， 使 用 單 一 溶 劑時，可降低其蒸發率來增加均勻性；使用高沸點低溶解性和低 沸點高溶解性溶劑的揮發性混合溶液時，沉積形成的機械性質不 好；或者藉由表面處理和溶劑的選擇來延緩接觸線固定的時間以 增 加 均 勻 性 [28]， 但 其 只 能 使 用 在 某 些 溶 液 或 基 材 上 的 配 合 而 無 法在任意表面上形成均勻的薄膜層。 為了在不同的表面上能夠噴印出均勻的薄膜層，本研究針對 液滴在乾燥時因表面蒸發率的不同使得溶劑會往邊緣流動的現 象 ， 嘗 試 利 用 乾 燥 方 法 與 水 浴（ water bath）的 結 合 ， 探 討 不 同 的 溫度條件以及不同的風速設定對液滴乾燥後產生環狀沉積現象的 影響，其能改變薄膜沉積的形狀以找出合適的噴印條件。. 9.
(21) 1.4. 研究方法 本研究中，將藉由液滴乾燥時液滴外緣與基材的接觸線容易. 在初始時固定的特性，利用熱氣流與水浴的溫度控制而在液滴表 面形成一溫度梯度，使液滴內部產生由高溫處往低溫處的流動， 來 緩 和 因 表 面 蒸 發 率 不 同 所 產 生 的 徑 向 流 （ radial flow)， 以 改 變 乾燥後薄膜形成的形狀，使在各種不同的基材或溶液組成的運用 上有更大的選擇性。此外，由於液滴表面受到熱氣流的影響，本 研究也探討熱氣流的風速對液滴乾燥後所造成的影響。 實驗方式為利用注射器將含有不同黏度的聚乙烯醇 (polyvinyl alcohol, PVA)水 溶 液 滴 在 長 有 二 氧 化 矽 的 矽 晶 片 上，以 模擬蝕刻製程中利用噴墨技術產生的光阻液滴在晶片上的乾燥結 果，經由數種不同的氣流溫度以及風速條件設定下使其乾燥，比 較其與自然乾燥後薄膜形成的差異。另一方面，藉由熱傳學裡的 熱 分 析 與 利 用 工 程 分 析 軟 體 － ANSYS 進 行 乾 燥 時 的 數 值 模 擬 研 究，以解釋實驗方法對液滴乾燥時的影響，期能藉由不同的條件 設定來控制薄膜形成的形狀，使噴墨技術的運用更為廣泛。. 10.
(22) 圖 1-1. 連 續 式 噴 墨 [1]. 圖 1-2. 供 需 式 噴 墨 [3]. 11.
(23) 圖 1-3. 圖 1-4. 熱 氣 泡 式 致 動 器 [4]. 壓 電 式 致 動 器 [4]. 12.
(24) 圖 1-5. 圖 1-6. 熱 彎 曲 式 致 動 器 [4]. 聲 波 式 致 動 器 [4]. 13.
(25) 圖 1-7. 圖 1-8. 靜 電 式 致 動 器 [4]. 噴 墨 沉 積 的 應 用 [7]. 14.
(26) 圖 1-9. 圖 1-10. 傳統彩色濾光片製程. 全 聚 合 物 構 成 的 薄 膜 電 晶 體 [10]. 15.
(27) 圖 1-11. 垂 直 形 態 的 熱 致 動 器 [12]. 圖 1-12. 聚 合 物 基 材 的 微 結 構 [13]. 16.
(28) 圖 1-13. 環 狀 沉 積 [16]. 17.
(29) 第二章 2.1. 實驗理論與方法. 實驗理論. 2.1.1. 能量守恆 熱力學第一定律，也就是能量守能原理中說明了能量不能被. 創造也不能被毀滅，它只會改變其形式而以另一種方式存在。能 量守恆對任一系統內所經歷的過程，其系統內所有能量的淨改變 量會等於所有進入系統的能量與所有離開系統的能量差，可表示 成： Ein − Eout = ΔE system. （ J）. （ 2-1）. 其中能量可以熱、功或質量流的形式來傳遞。在熱傳的分析中， 能量主要受溫度差的影響而以熱或熱能的形式傳遞，其熱平衡方 程式可表示成： Qin − Qout + E gen = ΔEthermal ,system. （ J）. （ 2-2）. 其 中 Egen 為 其 它 形 式 的 能 量 (如 ： 化 學 能 、 電 能 、 電 磁 能 或 核 能 )所 轉換的熱能產生量。 2.1.2. 熱傳遞的機制 在自然界中，只要有溫度差的存在，熱就能夠以能量的形式. 從 一 個 系 統 傳 遞 到 另 一 個 ， 而 發 生 熱 傳 遞 （ heat transfer） 。 熱 傳 遞 的 方 式 有 三 種 ： 熱 傳 導 （ conduction） 、 熱 對 流 (convection)與 熱 輻 射 (radiation)。所 有 的 傳 遞 方 式 都 需 要 有 溫 度 差 的 存 在，而 會 從較高溫的介質傳遞到較低溫的介質，直到兩介質達到相同的溫 度。 1.. 熱傳導 熱傳導為能量由物質中高能粒子藉由之間的交互作用傳遞到. 鄰近的低能粒子，可發生在固體、液體或氣體之中。在氣體和液 體內，熱傳導發生在分子隨機運動時的碰撞與擴散；在固體內， 則為晶格內分子的振動與自由電子傳送的結合。以一維座標為 18.
(30) 例 ， 如 圖 2-1， 熱 傳 導 率 可 由 下 式 表 示 ： ΔT T −T Q cond = kA 1 2 = − kA Δx Δx. （ W）. （ 2-3）. 其中，負號保證熱傳導率在傳導方向上為一正值， k 為該材料的 熱 傳 導 係 數 ， A 為 熱 傳 的 截 面 積 ， ΔT Δx 為 溫 度 梯 度 。 以 微 分 的 形 式可表示為： dT Q cond = −kA dx. （ W）. （ 2-4）. 又 稱 為 Fourier 的 熱 傳 導 定 律 。 2.. 熱對流 熱對流為能量傳遞於一固體表面和鄰近的移動液體或氣體之. 間 ， 可 由 流 體 傳 遞 到 物 體 表 面 (或 由 物 體 表 面 傳 遞 到 流 體 )， 它 包 含了熱傳導與結合流體移動的影響，使得越快的流體移動會有越 大的熱對流傳遞。儘管熱對流包含了複雜的流體移動或流體的相 變 化 ， 熱 對 流 率 仍 可 由 Newton 的 冷 卻 定 律 來 表 示 ： Q conv = hAs (Ts − T∞ ) （ W）. （ 2-5）. 其 中 h 為 熱 對 流 係 數 ， As 為 產 生 熱 對 流 的 表 面 面 積 ， Ts 為 表 面 溫 度 ， 以 及 T∞ 為 流 體 溫 度 。 3.. 熱輻射 熱輻射是能量因原子或分子的電子組態改變而藉由電磁波或. 光子的形式放射出來，不像熱傳導或熱對流需要中間介質的傳 遞，而可在真空中傳遞能量。與一般電磁輻射不同的是，熱輻射 放射是因為它具有溫度，只要溫度在絕對零度以上都會放射出熱 輻射，其放射率可表示為： Q emit = εσAsTs4. （ W）. （ 2-6）. ε 為 表 面 的 放 射 率， σ = 5.67 × 10 −8 W m 2 ⋅ K 4 為 Stefan-Boltzmann 常 數 ， As 為 表 面 面 積 ， 以 及 Ts 為 表 面 絕 對 溫 度 。 而 當 物 體 被 完 全 包 覆 於. 19.
(31) 一 具 有 絕 對 溫 度 Tsurr 的 較 大 表 面 時 ， 其 淨 熱 輻 射 率 可 表 示 為 ： 4 Q rad = εσAs (Ts4 − Tsurr ) (W) （ 2-7） 2.1.3. 強 制 對 流 (Forced Convection) 強制對流與自然對流主要不同的是流體在初始時如何的移. 動 。 強 制 對 流 為 流 體 藉 由 外 在 的 作 用 (如 ： 幫 浦 或 風 扇 )強 制 的 流 過一個表面或管子內；而自然對流則為任意流體由於自然作用 (如 ： 浮 力 效 應 )使 得 較 熱 的 流 體 會 上 升 ， 而 較 冷 的 流 體 會 下 沉 。 對 於 一 流 體 在 一 長 度 L 平 板 上 的 平 行 流 動 ， 如 圖 2-2， x 軸 為 流 體 由 起 始 邊 緣 沿 著 平 板 表 面 的 流 動 方 向 ， 流 體 溫 度 為 T∞ ， 上 游 速度為 V 。流體在接觸平板時，其流動方式在速度邊界層內會形 成 一 層 流 (laminar flow)； 若 平 板 夠 長 ， 則 流 動 方 式 會 變 成 亂 流 (turbulent flow)。 由 層 流 轉 換 成 亂 流 主 要 受 表 面 形 狀 、 表 面 粗 糙 度、上游速度、表面溫度和流體種類等影響，而可由無因次量雷 諾 數 (Reynolds number)來 判 別 ， 其 可 表 示 為 ： Re x =. ρVx Vx = μ ν. （ 2-8）. 其中 ρ 為流體密度， μ 為動力黏度，ν = μ ρ 為 動 黏 度。對於 流 體 在 平板上的流動，由層流轉換成亂流通常會發生在臨界雷諾數 Re cr = 5 × 105 上 。. 在 熱 對 流 的 分 析 中 ， 通 常 以 紐 賽 數 (Nusselt number)為 熱 對 流 係數的無因次數，可定義為： Nu =. hLc k. （ 2-9）. 其 中， k 為 流 體 的 熱 傳 導 係 數， Lc 為 特 徵 長 度。而 對 於 平 板 上 每 個 位置的紐賽數則可由下式表示之： Nu x =. 層流： 亂流：. Nu x =. hx x = 0.332 Re 0x.5 Pr1 3 k. hx x = 0.0296 Re 0x.8 Pr1 3 k 20. Pr > 0.60. 0.6 ≤ Pr ≤ 60 5 × 105 ≤ Re x ≤ 107. （ 2-10） （ 2-11）.
(32) 其 中 ， Pr 為 普 朗 特 數 (Prandtl number)， 表 明 速 度 與 溫 度 邊 界 層 的 關係，亦是一無因次數。 2.2. 實驗方法. 2.2.1 1.. 實驗設備. 乾燥裝置 乾燥裝置的主要功能為提供實驗所需的溫度及風速條件設. 定，是藉由吹風機、風箱與水浴來對液滴表面與底部的基材作條 件 控 制 ， 如 圖 2-3 所 示 。 吹 風 機 為 一 般 商 業 產 品 ， 其 消 耗 功 率 為 1000W， 測 試 後 其 氣 流 溫 度 最 高 可 達 110℃ 。 由 吹 風 機 所 提 供 的 熱氣流會經過風箱，使熱氣流能與空氣混合均勻的吹往液滴，同 時藉由控制風箱內的調節口與吹風機的電阻值來控制氣流的速度 與溫度，並利用熱電偶作實際的量測以達到實驗需求。水浴則利 用水配合水循環來保持在穩定的溫度，並以溫度計做即時的監 控，然後經由金屬塊使基材能與水同溫而達到溫度控制的效果。 實 際 裝 置 如 圖 2-4。 2.. 光學顯微鏡 型 號 為 ZEISS Axioskop 40。目 鏡 10X，物 鏡 2X、5X、10X、. 20X、 50X， 具 CCD 顯 像 、 偏 光 等 功 能 ， 並 與 個 人 電 腦 連 結 以 擷 取 影 像 圖 檔 。 如 圖 2-5， 用 來 觀 察 液 滴 乾 燥 後 的 俯 視 圖 。 3.. 三維輪廓及表面粗度量測儀 如 圖 2-6，其 廠 牌 及 型 號 為 Kosaka Laboratory Ltd. ,ET-4000，. 可用來量測晶片的表面輪廓以及粗糙度。 4.. 黏度計 如 圖 2-7，為 美 國 Brookfield 公 司 製 作 的 指 針 式 黏 度 計，LVF. 型。搭配不同的轉子以及轉速，可量測各種範圍的黏度。 21.
(33) 2.2.2. 實驗材料. 1. 溶 液 本研究採用長春石油化學股份有限公司所製造的聚乙烯醇 (polyvinyl alcohol, PVA)， 材 料 等 級 為 BP-24S。 聚 乙 烯 醇 為 一 種 白色到微黃色，顆粒或粉狀，安定無毒的水溶性高分子。其具有 良好的造膜性，所形成的膜具有優異的接著力、耐溶劑性、耐摩 擦性、伸張強度與氧氣阻絕性。此外，聚乙烯醇同時擁有親水基 和疏水基兩種官能基，使其具有界面活性的性質，可做為高分子 乳 化，懸 浮 聚 合 反 應 時 的 保 護 體。以 上 這 些 性 質 使 PVA 被 廣 泛 的 應用在紡織、造紙、電子、建築等工業上。 實 驗 中，利 用 PVA 與 水 配 製 不 同 重 量 百 分 比 濃 度 的 水 溶 液 ， 可得到不同的黏度，以及其具有良好的造膜性與強度，可用來做 乾 燥 後 的 輪 廓 量 測 ， 因 此 選 用 PVA 水 溶 液 作 為 實 驗 液 滴 材 料 。 2. 基 材 二 氧 化 矽 (SiO 2 )在 半 導 體 製 程 中 的 運 用 相 當 廣 泛 ， 舉 凡 介 電 層、隔離層、犧牲層或是蝕刻阻擋層都可利用二氧化矽充當之。 以蝕刻阻擋層為例，二氧化矽常被用來作為厚多晶矽薄膜在乾式 蝕刻的蝕刻遮罩，因為其具有對多晶矽乾蝕刻化學反應物較高的 選 擇 比 與 抵 抗 力 [4]。 因此，實驗中所使用的基材為切割過的矽晶片上長有一層 0.2 um 的 二 氧 化 矽 ， 其 尺 寸 大 小 為 2cm × 2cm × 2mm。 使 用 前 以 丙 酮 (acetone)超 音 波 震 盪 5 分 鐘 以 去 除 表 面 的 有 機 雜 質 ， 而 後 以 去 離 子水沖洗 5 分鐘，再以氮氣吹乾。 2.2.3. 實驗流程 所 有 的 實 驗 皆 在 大 氣 壓 力 下，相 對 溼 度 50±10%，室 溫 25±1℃. 的 設 定 下 操 作 。 PVA 水 溶 液 液 滴 依 黏 度 可 分 成 10cps、 100cps 以 22.
(34) 及 1000cps， 如 表 2-1 所 示 ， 取 各 轉 速 之 量 測 值 的 平 均 值 為 準 。 實驗內容主要分成自然乾燥法與使用水浴和熱風乾燥法兩 類： 1.. 自然乾燥法： 在 室 溫 25±1℃ 下，置 於 室 內 使 其 自 然 蒸 發 而 乾 燥，作 為 實 驗. 的對照組。 2.. 使用水浴和熱風乾燥法： 此法為分別給予液滴底部和表面不同的溫度，使其在具有溫. 度差與氣流的環境下乾燥。液滴的底部藉由將金屬塊浸於水浴中 使 其 保 持 在 25±1℃，利 用 基 材 與 金 屬 塊 的 接 觸，在 其 之 間 加 入 些 微的水以幫助熱傳導，以此來控制液滴底部的溫度。液滴的表面 溫度則由氣流的溫度來決定，由於表面的熱對流除了受氣流溫度 的影響，氣流速度也會有影響，因此將實驗分成固定風速下 (1.0±0.1m/s)不 同 的 氣 流 溫 度 (55±1℃ 和 75±1℃ )以 及 固 定 氣 流 溫 度 下 (55±1℃ )不 同 的 風 速 (1.0±0.1m/s、 1.5±0.1m/s 和 2.0±0.1m/s) 兩 種，作 為 實 驗 的 實 驗 組。以 上 實 驗 皆 分 成 黏 度 10cps、 100cps， 和 1000cps 三 組 ， 利 用 注 射 器 (內 徑 0.5mm)將 溶 液 滴 在 基 材 的 中 央 位 置 上，比 較 其 同 條 件 下 不 同 黏 度 乾 燥 後 所 產 生 的 影 響 與 結 果。. 23.
(35) 表 2-1. 黏度量測表. 理 論 值 (cps). 10. 轉 速 (rpm). 60. 30. 12. 6. 讀數. 10.6. 5.2. 2.1. 1. 轉子. LV1. LV1. LV1. LV1. 係數. 1. 2. 5. 10. 黏 度 (cps). 10.6. 10.4. 10.5. 10. 實 際 值 (cps). 10.375. 理 論 值 (cps). 100. 轉 速 (rpm). 60. 30. 12. 6. 讀數. 19.9. 9.9. 4. 2.1. 轉子. LV2. LV2. LV2. LV2. 係數. 5. 10. 25. 50. 黏 度 (cps). 99.5. 99. 100. 105. 實 際 值 (cps). 100.875. 理 論 值 (cps). 1000. 轉 速 (rpm). 60. 30. 12. 6. 讀數. 49.4. 25.9. 10.2. 4.9. 轉子. LV3. LV3. LV3. LV3. 係數. 20. 40. 100. 200. 黏 度 (cps). 988. 1036. 1020. 980. 實 際 值 (cps). 1006. 黏 度 = 各 轉 速 之 讀 數 *各 轉 子 與 其 相 對 應 轉 速 之 係 數. 24.
(36) 圖 2-1. 通 過 平 牆 的 熱 傳 導 [30]. 圖 2-2. 平 板 上 的 平 行 流 動 [30]. 25.
(37) 圖 2-3. 乾燥裝置設計圖. 圖 2-4. 乾燥裝置. 26.
(38) 圖 2-5. 圖 2-6. 光學顯微鏡. 三維輪廓及表面粗度量測儀. 27.
(39) 圖 2-7. 黏度計. 28.
(40) 第三章 3.1. 結果與討論. 實驗結果 為了了解實驗方法對液滴乾燥後的影響，我們利用光學顯微. 鏡 與 ET4000 來 量 測 液 滴 乾 燥 後 的 俯 視 圖 與 剖 面 圖 ， 以 比 較 其 之 間的差異與探討其原因。此外，由於液滴的體積無法精準的控制 在定值，使得沉積量在各個液滴間會有些微差異，因此，本研究 主要探討其輪廓間的差異與其成因，其數值僅供參考。 3.1.1. 自然乾燥 液滴乾燥時，由於表面蒸發率的不同以及接觸線會固定，使. 得液滴內中心的溶劑會往邊緣流動，而將溶質運往邊緣沉積，形 成 如 圖 3-1 的 圓 環，此 即 為 環 狀 沉 積。其 剖 面 輪 廓 圖 如 圖 3-2、3-3 及 3-4，(a)圖 為 橫 切 面，(b)圖 為 縱 切 面，可 發 現 其 不 管 黏 度 為 何 ， 都會產生邊緣比中央高的環狀沉積。由於本實驗的黏度為控制溶 質的重量百分比濃度，因此黏度越高的液滴所含的溶質越多，而 造成黏度越高其沉積的厚度會越大。 在 圖 3-2 中 ， 可 發 現 在 中 心 處 的 沉 積 與 圖 3-3 和 3-4 相 比 ， 會略為凸出而不是越往中心其沉積厚度越小，這是因為此液滴發 生了兩次的環狀沉積。一般在乾燥時，接觸線固定後隨著溶劑的 蒸發，會使得液滴邊緣與基材的接觸角越來越小，直到臨界接觸 角後，接觸線會開始往內縮直到完全蒸發而消失。而當沉積厚度 較小時，接觸線內縮時容易與基材形成兩次或三次以上的接觸線 固 定 ， 而 形 成 如 圖 3-2 的 多 個 環 狀 沉 積 。 3.1.2. 固定風速與不同的氣流溫度 本 實 驗 中，利 用 水 浴 法 控 制 液 滴 底 部 保 持 在 25±1℃，利 用 風. 速計測量與調整風箱內調節口以控制氣流的上游速度為 1.0±0.1m/s， 並 改 變 吹 風 機 的 電 阻 值 以 控 制 氣 流 的 溫 度 在 55±1℃ 和 75±1℃ ， 結 果 如 圖 3-5 與 3-6， 其 中 風 的 流 向 為 圖 中 的 上 方 流 29.
(41) 向 下 方 。 與 自 然 乾 燥 相 比 ， 黏 度 10cps 的 液 滴 在 不 同 的 氣 流 溫 度 乾 燥 後 較 無 明 顯 的 差 異 。 在 氣 流 溫 度 55±1℃ 時 ， 黏 度 100cps 的 環 狀 沉 積 範 圍 變 的 較 不 明 顯 ； 黏 度 1000cps 的 圖 片 中 其 凹 陷 處 不 在 中 間 ， 而 位 於 圖 片 的 較 下 方 處 。 在 氣 流 溫 度 75±1℃ 時 ， 黏 度 100cps 的 圖 片 下 方 有 個 明 顯 的 大 凹 洞 ； 黏 度 1000cps 的 則 已 經 看 不見其凹陷的地方。 其 剖 面 輪 廓 圖 如 圖 3-7 至 3-12， 圖 的 左 方 為 靠 近 出 風 口 的 迎 風面，右方為遠離出風口。以橫切面來看，不同的氣流溫度對黏 度 10cps 的 影 響 不 大，其 與 自 然 乾 燥 的 結 果 相 似；而 在 黏 度 100cps 與 1000cps 中 ， 其 差 異 則 較 明 顯 。 當 氣 流 溫 度 提 高 時 ， 邊 緣 高 度 與 中 心 的 高 度 差 會 減 小 ， 甚 至 中 心 高 度 會 比 周 圍 高 ， 如 圖 3-12， 這表示溶質可能有產生往中間沉積的現象。以縱切面來看，所有 的液滴皆有傾斜的傾向，在接近出風口的厚度會較大，而遠離出 風 口 的 厚 度 則 較 小，此 外，有 凹 陷 的 地 方 也 會 較 偏 下 方 (即 遠 離 出 風 口 )。造 成 這 現 象 的 原 因 可 能 是 因 為 熱 氣 流 流 過 液 滴 表 面 後，使 其前後的乾燥速率不一樣，除了液滴本身蒸發率不同的影響，還 要加上氣流的影響，使得靠近出風口的液面蒸發較快，令較多的 溶 劑 往 靠 近 出 風 口 的 邊 緣 流 動，而 造 成 縱 切 面 的 沉 積 變 得 不 對 稱。 3.1.3. 固定氣流溫度與不同的風速 本 實 驗 中 ， 固 定 液 滴 底 部 溫 度 在 25±1℃ ， 氣 流 溫 度 保 持 在. 55±1℃，主 要 改 變 氣 流 的 上 游 速 度，分 別 為 1.0±0.1m/s、1.5±0.1m/s 和 2.0±0.1m/s， 以 觀 察 不 同 的 風 速 對 液 滴 的 影 響 ， 其 結 果 如 圖 3-5、3-13 與 3-14。比 較 後 由 圖 中 可 發 現，黏 度 10cps 在 不 同 的 風 速 時 較 無 明 顯 的 差 異。黏 度 100cps 在 風 速 較 大 時，原 本 位 於 圖 片 中 央 的 凹 陷 處 會 變 成 較 偏 於 下 方 且 較 大 ； 而 黏 度 1000cps 在 風 速 1.5±0.1m/s 時 ， 其 凹 陷 處 較 不 明 顯 ， 其 它 則 較 偏 於 下 方 。 其 剖 面 輪 廓 圖 如 圖 3-7 至 3-9， 以 及 圖 3-15 至 3-20。 以 橫 切 面 來 看 ， 與 自 然 乾 燥 比 較 後 可 發 現 ， 黏 度 10cps 對 於 風 速 的 影 響 30.
(42) 較 不 明 顯 ， 幾 乎 沒 什 麼 改 變 ； 而 在 黏 度 100cps 和 1000cps 的 圖 中 則 有 較 明 顯 的 差 異。在 黏 度 100cps 中，當 風 速 由 1.0±0.1m/s 增 加 到 1.5±0.1m/s 時 ， 其 中 間 與 周 圍 的 高 度 差 會 減 小 ， 甚 至 可 達 到 平 坦 的 沉 積 ， 如 圖 3-16(a)， 表 示 溶 質 有 往 中 間 沉 積 的 現 象 ； 當 風 速 增 加 到 2.0±0.1m/s， 其 中 間 處 卻 又 出 現 凹 陷 ， 推 測 其 可 能 是 受 到 風 速 的 影 響 。 而 在 黏 度 1000cps 中 ， 其 結 果 與 黏 度 100cps 的 結 果 類 似 ， 在 風 速 2.0±0.1m/s 時 ， 其 沉 積 形 狀 也 與 其 它 風 速 的 結 果 較 不一樣。 由 縱 切 面 來 看 ， 在 黏 度 10cps 中 ， 當 風 速 越 高 時 ， 可 發 現 其 傾 斜 的 角 度 會 越 高 ，如 圖 3-18(b)，這 表 示 液 滴 在 乾 燥 時 ， 風 速 越 高，靠近出風口的邊緣與遠離出風口的邊緣其蒸發率差越多，而 使得溶劑往靠近出風口的邊緣流動會比遠離出風口的邊緣多，造 成 溶 質 沉 積 量 的 不 同，其 結 果 與 黏 度 100cps 與 黏 度 1000cps 中 相 似 。 在 黏 度 100cps 中 ， 又 可 發 現 當 風 速 由 1.0±0.1m/s 增 加 到 2.0±0.1m/s 時 ， 其 凹 陷 的 地 方 除 了 偏 離 中 心 外 ， 其 凹 陷 的 範 圍 也 變大，這可能是因為風速越大，造成液滴的蒸發率越高，使得內 部溶劑往邊緣的流動速度越快，而帶往邊緣的溶質越多所造成的 影 響 。 因 此 可 解 釋 在 風 速 2.0±0.1m/s 時 ， 黏 度 100cps 與 1000cps 的橫切面圖其沉積又出現了凹陷的地方，而影響沉積形狀。 3.1.4. 黏度不同的影響 綜合以上的結果，可發現當黏度低時，不同的氣流溫度對其. 沉積的影響不大，而不同的風速則主要造成液滴兩邊的蒸發率不 同使得液面具有傾斜的現象，對液滴的橫切面而言，其影響也不 大。當黏度增加時，相對於不同的氣流溫度與速度，其沉積現象 也跟著改變。當溫度增加或風速增加時，可發現其橫切面有溶質 往 中 心 沉 積 的 現 象，可 以 改 善 環 狀 沉 積 的 影 響。但 在 風 速 過 大 時， 液滴周圍的蒸發率會差更多，而影響到橫切面的沉積形狀。以縱 切面來看，風速對液滴的沉積形狀影響很明顯，會使得沉積形狀 31.
(43) 更不均勻。相同條件對黏度不同的液滴卻有不同的結果，這是因 為液滴在乾燥時，溶劑在液滴內的流動會受到黏度的影響，使得 黏度較低的液滴在發生接觸線固定時，溶質較容易由中心往邊緣 流動而沉積在外圍；而當黏度較高時，則溶質外流的速度較慢， 令溫差的影響效果變得較明顯，而改善沉積的均勻性。 3.2. 數值分析 為了了解液滴在經過水浴和熱氣流的影響下，其乾燥後沉積. 形 狀 的 改 變，本 研 究 利 用 工 程 分 析 軟 體 － ANSYS 進 行 簡 單 的 數 值 模擬與研究，以探討其改變的原因。 3.2.1. 物理模型的建構與材料性質的設定 物 理 模 型 如 圖 3-21， 是 一 個 二 維 的 直 角 座 標 系 統 。 對 一 個 擴. 展 半 徑 r0 且 高 度 為 h0 的 液 滴 在 一 基 材 上，基 材 厚 度 為 d 0 ，其 液 滴 與 基材的熱傳導方程式可由下式表示： ρc. ∂T ∂ ∂T ∂ ∂T = (k ) + (k ) ∂t ∂x ∂x ∂y ∂y. (3-1). 其中 ρ 為密度、 c為比熱、 T 是溫度、 t為時間， k 為熱傳導係數。 依實際的裝置來設定模型的尺寸資料，由熱傳學書本後的資料表 來 設 定 材 料 的 性 質 ， 其 設 定 如 表 3-1 所 示 。 其 中 ， 基 材 材 料 為 矽 上 面 長 有 一 層 0.2 um 的 二 氧 化 矽 ， 由 於 其 厚 度 與 矽 相 差 甚 遠 ， 因 此忽略二氧化矽的厚度而假設以矽為整個基材的材質。不同黏度 的 液 滴 為 不 同 重 量 百 分 比 濃 度 的 PVA 水 溶 液，由 於 無 法 量 測 各 個 溶 液 的 詳 細 資 料，因 此 假 設 液 滴 全 由 水 組 成，此 外，由 於 其 密 度 、 比熱和熱傳導係數在實驗條件中的變化率小，因此假設其性質固 定 在 25℃ 時 的 數 據 ， 如 表 3-2。 液 滴 的 形 狀 假 設 為 球 面 蓋 ， 其 初 始高度為量測水與二氧化矽的接觸角所得，實驗上量測接觸角約 為 30 度 ， 則 換 算 成 高 度 約 為 0.268r0 ， 而 在 模 擬 時 假 設 液 滴 外 形 不 受蒸發的影響而改變，且忽略其內部的對流影響。 32.
(44) 利用有限元素法來解出液滴與基材的熱傳方程式，將實體模 型 以 三 角 形 元 素 -平 面 的 熱 傳 元 素 PLANE35(如 圖 3-22)來 分 割 ， 其 具 有 6 個 節 點 ， 每 個 節 點 具 有 一 個 自 由 度 -溫 度 ， 且 其 為 三 角 形 ， 較 適 合 於 不 規 則 狀 的 網 格 化 。 之 後 利 用 ANSYS 的 自 由 網 格 功能，在液滴部分做較細的分割，使液滴在模擬時較能獲得準確 的 結 果 與 分 析 。 其 網 格 圖 如 圖 3-23 所 示 。 3.2.2. 初始條件與邊件條件的設定 模擬過程採用穩態熱分析的設定，其初始條件與邊界設定如. 下： 1.. 初始條件 根據實驗設定，基材底部的金屬塊浸於水浴之中，保持在. 25±1℃ ， 因 此 ， 實 驗 前 整 個 基 材 溫 度 設 定 為 25℃ 。 而 液 滴 長 時 間 位 於 室 溫 25±1℃ 下 ， 所 以 滴 下 後 的 整 個 液 滴 初 始 溫 度 設 定 為 25 ℃。 2.. 邊界條件 實 驗 中，基 材 底 部 的 金 屬 塊 維 持 在 25±1℃ 下，則 基 材 底 部 其. 邊 界 條 件 設 定 為 25℃ 。 假 設 液 滴 體 積 不 影 響 氣 流 在 基 材 上 的 流 動 ， 其 表 面 的 熱 對 流 係 數 可 由 表 3-3 及 式 (2-8)、 (2-10)和 (2-11)求 得 ， 如 圖 3-24 和 3-25 所 示 ， 左 邊 為 靠 近 出 風 口 ， 右 邊 為 遠 離 出 風 口，為 不 同 的 實 驗 條 件 設 定 下，基 材 表 面 的 熱 對 流 係 數 分 布 圖。 依實驗條件的不同，對應其相對之熱對流係數作為施加於基材和 液滴表面的邊界條件。 實際上，液滴表面會受到蒸發率的影響而改變其表面溫度的 分 布 ， 可 由 式 (3-2)表 示 其 氣 -液 介 面 之 邊 界 條 件 ， 其 中 n 為 液 滴 表 面 的 法 線 方 向、 m 為 蒸 發 率， L 為 蒸 發 的 潛 熱。在 本 研 究 中，由 於 無法量測與獲得詳細的蒸發率分布，因此忽略蒸發率的影響將問 題簡化成熱傳分析，以探討實驗條件對沉積的影響。 33.
(45) k. 3.2.3. ∂T ∂n. + m L + h(Ts − T∞ ) = 0. (3-2). droplet. 模擬結果與討論 由於液滴內的質量傳遞機制會與熱傳遞的機制相似，因此可. 用熱傳遞方程式的解來解釋質量如何的傳遞。由實驗上觀察得 知，液滴的縱切面受氣流影響使得沉積變的更不均勻。但是由橫 切面來看，風速不大時，不同的氣流溫度以及不同的風速會使黏 度較高的液滴截面有較均勻的沉積，因而模擬此條件設定以探討 其原因。 首 先，針 對 固 定 風 速 (1.0m/s)與 不 同 的 氣 流 溫 度 (55℃ 和 75℃ ) 作 模 擬，其 熱 通 量 向 量 圖 如 圖 3-26 和 3-27。圖 中 的 箭 頭 方 向 為 熱 通量的方向，因此質量的傳遞會與此箭頭的數值大小與方向有 關。由圖中可發現，箭頭主要朝向下方，以及少許的朝向液滴中 央，這表示液滴在乾燥時，溶質受熱傳影響而主要會往下沉積與 些微的往中央聚集，證實了實驗中會有聚集的現象產生。環狀沉 積的產生主要是溶劑會往外流，為水平方向流動的影響，因此我 們主要觀察的是水平方向的變化，也就是 x 方向的向量值。其表 面 的 熱 通 量 向 量 如 表 3-4 所 示 ， 可 發 現 氣 流 溫 度 較 高 時 ， x 方 向 的向量也會較高，使聚集的效果更為明顯。 接 著 比 較 固 定 氣 流 溫 度（ 55℃ ）與 不 同 風 速 (1.0m/s、1.5m/s， 2.0m/s)的 影 響 ， 其 結 果 如 圖 3-26、 3-28 和 3-29 所 示 ， 比 較 後 其 結 果 都 很 相 似，皆 有 往 中 央 聚 集 的 現 象。表 面 熱 通 量 向 量 如 表 3-5 所示，可發現速度越大，x 方向的向量也會越大。綜合比較後， 理論上在具有溫差的條件下，改變風速或氣流溫度都能產生溶質 往中心聚集的現象，但與實驗比較後，可知道風速會影響另一切 面的沉積形狀，而黏度太低則對聚集的現象較不明顯。因此在實 際的應用上，需要使用較高黏度的溶液配合使其具有溫差的自然 乾燥或其它乾燥方式來改善其沉積均勻性。. 34.
(46) 表 3-1 部位. 實 體 模 型 資 料 表 [30]. 尺寸. 數值. 長. 0.02m. 寬. 0.02m. 厚 d0. 0.002m. 半 徑 r0. 0.001m. 高 度 h0. 0.000268m. 曲率半徑. 0.002m. 基材. 液滴. 表 3-2. 材料. 材料性質. 數值. 熱傳導係. 148 W m ⋅ K. 數. 矽. 比熱. 712 J kg ⋅ K. 密度. 2330 kg m3. 熱傳導係 水. 數. 0.607 W m ⋅ K. 比熱. 4180 J kg ⋅ K. 密度. 997 kg m3. 水 的 特 性 資 料 表 [30]. 溫 度 (℃ ). 密 度 ( kg m 3 ). 比 熱 ( J kg ⋅ °C ). 熱 傳 導 係 數 ( W m ⋅ °C ). 25. 997.0. 4180. 0.607. 55. 985.2. 4183. 0.649. 75. 974.7. 4193. 0.667. 表 3-3. 空 氣 的 特 性 資 料 表 [30] 熱傳導係. 普朗特. 密度. 比熱. ( kg m 3 ). ( J kg ⋅ °C ). 40. 1.127. 1007. 0.02662. 0.7255. 50. 1.092. 1007. 0.02735. 0.7228. 溫 度 (℃ ). 35. 數 ( W m ⋅ °C ). 數.
(47) 表 3-4. 不同氣流溫度之表面熱通量向量 1m/s， 55℃. NODE. TFX. TFY. 1m/s， 75℃. TFSUM. TFX. TFY. TFSUM. 10. 13.646 -644.55 644.7. 22.707 -1072.6 1072.8. 12. 18.075 -629.98 630.24 30.078 -1048.3 1048.8. 14. 22.714 -615.9 616.31 37.797 -1024.9 1025.6. 16. 23.243 -604.8 605.25 38.678 -1006.4 1007.2. 18. 21.917 -595.97 596.38 36.471 -991.74 992.41. 20. 19.227 -589.42 589.73 31.996 -980.84 981.36. 22. 15.66. 24. 11.555 -580.98 581.09 19.227 -966.78 966.97. 26. 7.1022 -578.68 578.72 11.819 -962.96 963.03. 28. 2.4928 -577.52 577.53 4.1482 -961.04 961.05. 30. -2.1393 -577.43 577.44 -3.5598 -960.89 960.89. 32. -6.7479 -578.54 578.58 -11.229 -962.74 962.8. 34. -11.223 -580.75 580.86 -18.675 -966.41 966.59. 36. -15.381 -584.17 584.38 -25.595 -972.11 972.44. 38. -19.013 -588.98 589.29 -31.64 -980.11 980.62. 40. -21.969 -595.33 595.73 -36.557 -990.66 991.34. 42. -22.868 -603.98 604.41 -38.054 -1005.1 1005.8. 44. -22.207 -615.4. 46. -17.338 -629.42 629.66 -28.851 -1047.4 1047.8. 48. -11.14 -644.59 644.69 -18.537 -1072.6 1072.8. -584.5 584.71 26.059 -972.65. 973. 615.8 -36.953 -1024.7 1024.7. 36.
(48) 表 3-5. 不同風速之表面熱通量向量. 1.5m/s， 55℃ NODE. TFX. TFY. 2m/s， 55℃. TFSUM. TFX. TFY. TFSUM. 10. 16.718 -789.48 789.66 19.302 -911.31 911.51. 12. 22.143 -771.63 771.95 25.564 -890.7 891.07. 14. 27.825 -754.38 754.9. 16. 28.473 -740.8 741.34 32.869 -855.1 855.74. 18. 26.848 -729.98 730.47 30.993 -842.62 843.19. 20. 23.553 -721.95 722.34 27.189 -833.35 833.8. 22. 19.183 -715.93 716.19 22.145 -826.4. 24. 14.154 -711.61 711.75 16.339 -821.41 821.57. 26. 8.6999 -708.79 708.85 10.043 -818.16 818.22. 28. 3.0536 -707.38 707.39. 30. -2.6205 -707.27 707.27 -3.025 -816.4 816.41. 32. -8.2659 -708.63 708.68 -9.542 -817.97 818.03. 34. -13.747 -711.33 711.46 -15.87 -821.09 821.25. 36. -18.842 -715.53 715.78 -21.75 -825.93 826.22. 38. -23.291 -721.42 721.79 -26.887 -832.73 833.17. 40. -26.911 -729.19 729.68 -31.066 -841.7 842.28. 42. -28.013 -739.79 740.32 -32.339 -853.94 854.55. 44. -27.203 -753.78 754.27 -31.404 -870.09 870.66. 46. -21.24 -770.95 771.25 -24.521 -889.92 890.25. 48. -13.649 -789.53 789.65 -15.76 -911.36 911.5. 37. 32.121 -870.79 871.38. 826.7. 3.525 -816.53 816.54.
(49) (a)10cps. (b)100cps 圖 3-1. 圖 3-2. 自然乾燥. (a). 橫切面. (b). 縱切面. 10cps 自 然 乾 燥. 38. (c)1000cps.
(50) 圖 3-3. (a). 橫切面. (b). 縱切面. 100cps 自 然 乾 燥. (a). 橫切面. 39.
(51) (b) 圖 3-4. (a). 10cps 圖 3-5. (a). 10cps 圖 3-6. 縱切面. 1000cps 自 然 乾 燥. (b). 100cps. (c). 1000cps. 風 速 1±0.1m/s， 氣 流 溫 度 55±1℃. (b). 100cps. (c). 風 速 1±0.1m/s， 氣 流 溫 度 75±1℃. 40. 1000cps.
(52) 圖 3-7. 圖 3-8. (a). 橫切面. (b). 縱切面. 10cp， 風 速 1±0.1m/s， 氣 流 溫 度 55±1℃. (a). 橫切面. (b). 縱切面. 100cp， 風 速 1±0.1m/s， 氣 流 溫 度 55±1℃. 41.
(53) 圖 3-9. 圖 3-10. (a). 橫切面. (b). 縱切面. 1000cp， 風 速 1±0.1m/s， 氣 流 溫 度 55±1℃. (a). 橫切面. (b). 縱切面. 10cp， 風 速 1±0.1m/s， 氣 流 溫 度 75±1℃. 42.
(54) 圖 3-11. 圖 3-12. (a). 橫切面. (b). 縱切面. 100cp， 風 速 1±0.1m/s， 氣 流 溫 度 75±1℃. (a). 橫切面. (b). 縱切面. 1000cp， 風 速 1±0.1m/s， 氣 流 溫 度 75±1℃. 43.
(55) (a)10cps. (b)100cps. 圖 3-13. (a)10cps. 圖 3-15. 氣 流 溫 度 55±1℃ ， 風 速 1.5±0.1m/s. (b)100cps. 圖 3-14. (c)1000cps. (c)1000cps. 氣 流 溫 度 55±1℃ ， 風 速 2.0±0.1m/s. (a). 橫切面. (b). 縱切面. 10cp， 氣 流 溫 度 55±1℃ ， 風 速 1.5±0.1m/s. 44.
(56) 圖 3-16. 圖 3-17. (a). 橫切面. (b). 縱切面. 100cp， 氣 流 溫 度 55±1℃ ， 風 速 1.5±0.1m/s. (a). 橫切面. (b). 縱切面. 1000cp， 氣 流 溫 度 55±1℃ ， 風 速 1.5±0.1m/s. 45.
(57) 圖 3-18. 圖 3-19. (a). 橫切面. (b). 縱切面. 10cp， 氣 流 溫 度 55±1℃ ， 風 速 2.0±0.1m/s. (a). 橫切面. (b). 縱切面. 100cp， 氣 流 溫 度 55±1℃ ， 風 速 2.0±0.1m/s. 46.
(58) 圖 3-20. (a). 橫切面. (b). 縱切面. 1000cp， 氣 流 溫 度 55±1℃ ， 風 速 2.0±0.1m/s. 圖 3-21. 圖 3-22. 物理模型. 平 面 的 熱 傳 元 素 PLANE35 47.
(59) 圖 3-23. 網格化的模型圖. 風速=1m/s. 35度 55度. 0.0 17 0.0 19. 0.0 07 0.0 09 0.0 11 0.0 13 0.0 15. 75度. 0.0 01 0.0 03 0.0 05. 熱對流係數(W/m 2*K). 80 70 60 50 40 30 20 10 0. 距離(m). 圖 3-24. 固定風速，不同氣流溫度之熱對流係數分布圖. 熱對流係數(W/m2*K). 氣流溫度=55度 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0. 1.0m/s 1.5m/s 2.0m/s. 0. 0.005. 0.01. 0.015 距離(m). 48. 0.02. 0.025.
(60) 圖 3-25. 固定氣流溫度，不同風速之熱對流係數分布圖. 圖 3-26. 風 速 1.0m/s， 氣 流 溫 度 55℃ 之 熱 通 量 向 量 圖. 圖 3-27. 風 速 1.0m/s， 氣 流 溫 度 75℃ 之 熱 通 量 向 量 圖. 49.
(61) 圖 3-28. 氣 流 溫 度 55℃ ， 風 速 1.5m/s 之 熱 通 量 向 量 圖. 圖 3-29. 氣 流 溫 度 55℃ ， 風 速 2.0m/s 之 熱 通 量 向 量 圖. 50.
(62) 第四章 4.1. 結論與未來展望. 結論 為了改善液滴在乾燥後形成的環狀沉積，本研究採用水浴與. 熱氣流乾燥法的結合，給予液滴表面與底部不同的溫度，實驗探 討不同的氣流溫度與速度所造成的溫差對液滴乾燥後薄膜沉積的 影響，同時利用有限元素軟體進行數值模擬研究，獲得初步的了 解。在此歸納出具體的結論如下： 1.. 在自然乾燥中，可發現不同黏度的液滴皆有環狀沉積的 產生，而黏度越高時，其環的寬度會增加。這是因黏度 低的的液滴溶質較容易往邊緣流動而沉積在周圍。. 2.. 在固定風速與不同的氣流溫度實驗中，液滴的橫切面形 狀主要受溫差的影響，黏度越大，其受溫差越大，溶質 沉積在中間的效果會越明顯。液滴的縱切面形狀主要受 風速的影響，造成靠近出風口的邊緣蒸發率會比遠離出 風口的邊緣大，使得溶劑流往兩邊的量不同，造成不對 稱的沉積形狀。. 3.. 在固定氣流溫度與不同的風速實驗中，液滴的橫切面主 要受不同的熱對流係數影響，可發現黏度越大，其受風 速越大，溶質沉積在中間的效果會越明顯。對縱切面而 言，風速越大使得蒸發率越高且兩邊的蒸發率差會越 大，使液滴在乾燥後兩邊的高度差會增加且凹陷處的面 積會因流動率增加而變大進而影響到橫切面的沉積形 狀。. 4.. 黏度不同的液滴在實驗中主要的差異為溶劑的流動速 率。在各個實驗中，黏度低的液滴對實驗的條件設定影 響較不明顯，而黏度較高的液滴則對實驗條件的反應較 明顯。. 5.. 由數值分析中可知，提高氣流溫度與速度對液滴橫切面 皆可增加溶質往中心沉積的效果，可改變其沉積的形 51.
(63) 狀。然而其影響很小，對黏度低的液滴較不適用。 4.2. 未來展望 1.. 由實驗與模擬的結果顯示，氣流的溫度與速度對液滴造 成的溫度差使沉積的形狀確實有改變，在應用中可以這 兩個參數來控制薄膜沉積的形狀。. 2.. 若以改善沉積的均勻性為目標，使用具有風速的平行氣 流並不合適，而可考慮用其它方法對液滴產生溫度差的 方式嘗試。. 3.. 溫度差的效果對黏度低的液滴較無影響，然而對黏度高 的液滴影響則較明顯，在光阻塗佈或高黏度溶液的應用 上可以溫度差為參數設定。. 4.. 本實驗在儀器或環境上的控制較不精準，而無法詳細的 分析其影響，若能改善實驗裝置以獲得更準確的控制， 相信能對其現象會有更清楚的了解。. 52.
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數據
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