インクジェット液滴内のマランゴニ効果発生条件および薄膜大変形の解明

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インクジェット法を利用した基板上における高分子液滴からの製膜過程において、マランゴニ効果による薄膜大変形メカニズムの解明を目的とした。マランゴニ効果によって膜形状が特異的に変形する現象を体系的に把握し、液滴内の移動現象を実験および理論から解析した。インクジェット液滴の製膜過程において、接触角および蒸発速度を変化させ、液滴内流動、平均溶質濃度の経時変化および膜形状を定量的に比較検討した。流動および平均溶質濃度の解析結果から少なくとも接触線付近の溶質濃度分布は接触線固定後（セルフピニング後）に変化しないことがわかった。セルフピニングにおける液滴形状および膜形状から半径方向の濃度分布を算出した結果、接触角および蒸発速度に関係なく接触線局所濃度が1 kg/kgに到達するとともにセルフピニングが生じる。つまり、セルフピニングは操作因子に依存しないことが示唆された。この結果から、溶液滴における濃度差マランゴニ数を妥当に定義した。濃度差マランゴニ数が等しい場合、異なる接触角および蒸発速度から生じた膜形状はほぼ相似となることを示した。また、溶媒４種、基板温度25-100℃、基板４種（Glass、Sapphire、Si、SiC）、基板接触角10-80°において生じる膜形状を体系的に把握した。これらの乾燥プロセスの操作因子、膜形状変化の大小に関わらず濃度差マランゴニおよび温度差マランゴニ数により膜形状を相関できる可能性を確認できた。さらに、有限要素法による数値解析により、室温、親液面において、初期液滴径および初期溶質濃度を変化させ膜形状を数値的に計算した。膜形状の実験および数値計算結果は比較的良好に一致することを示した。今後、撥液面および加熱基板における薄膜大変形の数値解析だけでなく、実用的には界面活性剤添加インクからの膜形状の数値解析にも応用が期待される。