In this study, the oscillations of fluid drops in an alternating electric field are considered experimentally. The present theoretical analysis are based upon the leaky dielectric model for eletrostatics in conjunction with the hydrodynamics in the limt of small Reynolds numbers. We reported a series of experiments to show the effect of non-Newtonian properties on the oscillation and deformation of drop in an electric field. The difference of phase between the drop oscillation and electric field oscillation were also examined. There is no theoretical approach to the dynamics of liquid drop that considers the non-Newtonian properties in an electric field. However, the leaky dielectric theory has a good agreement with the experiments of Newtonian drop so that we consider non-Newtonian drops as Newtonian drops and examine the deviation from it. In that manner, we know about non-Newtonian properties qualitatively. Additionally, the simple system of oscillation was analyzed in order to examine the shift of phase retardation which is estimated from the theory about Newtonian fluids.
As approach for the application, we prepared the macrocrystalline colloidal assembly using a drop suspended in medium as confined geometry. A colloidal assembly is a packed material of nano-sized particle, which is obtained through the evaporation of water in suspension. The shape of the colloidal assembly can be controlled by electric fields and the micro-sized assembly is obtained by the breakup of the drop. The breakup occurs when the interfacial tension can no longer support the normal electric stress. The suspension that has a various concentration of the polystyrene has properties varing from Newtonian to non-Newtonian so that the mode of breakup changes with the concentration.
본 연구에서는 먼저 교류전기장에서 유체 방울의 진동을 기존의 이론과 실험을 통해 알아보았다. 이론적 해석은 leaky dielectric model에 기본을 두고 있는데 이는 레이놀즈 수가 작은 경우에 있어 수력학과 정전기학의 관련을 설명해 준다. 이론의 타당성을 파악하기 위해 기존의 실험은 주로 직류전기장과 진동이 거의 없는 높은 주파수의 교류전기장에서 전기장세기에 따른 변형을 관찰하는 것으로 이루어졌다.
대신에 여기서는 유체 방울의 진동이 크게 존재하는 낮은 주파수 대역에서 이론과 일치여부를 생각하였다. 유체방울의 주기적인 변형은 직류전기장 혹은 높은 주파수의 교류전기장에서의 유체 방울의 변형과 달리 유체 방울과 매질 각각의 점도의 영향을 많이 받는다. 방울로 물과 같은Newtonian유체를 사용한 경우에 일련의 실험결과는 이론에 잘 부합함을 알 수 있었다. Non-Newtonian 유체의 경우에는 이론과 벗어남을 볼 수 있었는데 이는 non-Newtonian유체가 가지는 점탄성, 탄성과 흐름의 세기에 따라 점도가 줄어드는 성질 때문으로 유추할 수 있었다.
다음으로, 유체 방울의 진동에 대해 알아보았다. 이론에서 유체 방울은 교류전기장의 주파수에 2배로 진동을 하고, 둘 사이에 위상차의 존재함을 알 수 있다. 우선, 위상차를 알아보기 위해 유체 방울의 끝에 레이져의 초점을 맞추고 진동을 할 때 방울과 매질사이의 굴절률 차이로 인해 레이져가 굴절되는 현상을 이용하였다. 유체방울의 진동은 주기적으로 변하는 레이져 강도의 차이로 관측하고 그에 따른 전기장의 세기의 변화를 오실로스코프로 동시에 관측하였다. 일반적으로 위상차는 주파수가 커질수록 그리고 점도가 증가할수록 증가하는 것을 알 수 있었다. Newtonian 유체의 경우는 진동과 위상차는 이론과 거의 일치하였으나 non-Newtonian 유체의 경우는 이론으로 예측한 위상보다 덜 차이가 나는 것을 알 수 있었다. 이것은 주기적으로 변하는 외부힘이 존재 할 때 진동하는 추 같은 간단한 시스템에서 탄성의 영향을 생각했을 때 그 효과와 경향이 일치하였다. 그러나 실험에서 사용한non-Newtonian유체중에서 점탄성 유체의 경우에는 점도가 감소하는 효과와 탄성으로 인해 위상차가 줄어드는 효과를 구분하기 어려웠다.
다음으로, 교류전기장에서 유체 방울 대신 나노크기의 입자가 분산되어 있는 서스펜션 유체를 이용해 변형된 결정성 콜로이드 구조체를 만들 수 있었다. 결정성 콜로이드 구조체는 잠재적으로 여러 적용범위가 알려져 있고, 전기장을 이용하면 구조체의 겉모양을 간단하게 조절할 수 있었다. 즉, 높은 주파수의 전기장에서는 eletrophoresis가 거의 없고 또한 전기장의 세기에 따라 다른 정도의 변형을 일으킬 수 있었다. 또한 전기장과 주파수의 조절을 통해 깨어지는 방울의 크기를 조절 할 수 있었고 이 현상을 통해 변형된 마이크로 단위의 구조체를 제조 할 수 있었다.
