The coffee-ring effect is the physical phenomenon explaining why the ring-like deposit is left behind along the perimeter of a colloidal drop. It has been renowned as one of the major obstacles in the processes which require homogeneous distribution of dried deposit such as printing or coating. Extensive attempts have been made to suppress this phenomenon, and the most general approach of these is to alter the flow to circulate, thereby redistributing the solutes back to the central region of the droplet. However, the evaporation of a liquid drop is a complicated non-equilibrium system, which is difficult to be controlled, thus much simpler and more effective approaches are needed. This dissertation explores the well-known drying technique, termed ‘freeze-drying’, as a powerful tool to avoid the coffee-ring effect, and describes its efficacy. The dried deposit prepared by the freeze-drying technique resulted in well-dispersed and locally homogeneous features. The method was applied to two following applications, thus confirming its potential use in the future: 1) analytes sampling by drop-deposition for surface-enhanced Raman spectroscopy, 2) nanoparticle deposition on a surface for its size measurement using electron microscopy. The findings in this dissertation have extended further options for uniform coating process by effectively eliminating the coffee-ring effect.
비휘발성 입자를 함유한 액적을 말렸을 때 반지 모양으로 불균일한 증착 패턴이 생기는 커피링 현상은 프린팅 및 코팅 작업 등과 같이 균일한 증착 패턴을 요구하는 작업에서 문제가 되어왔다. 이 현상을 제거하기 위해 기존에는 증발과정 중에 유체 흐름을 조절할 수 있는 다양한 기법을 사용함으로써 입자가 재분포될 수 있도록 하는 방식들이 탐구되어 왔다. 하지만, 증발 과정의 조절이 쉽지 않기 때문에 보다 효과적이고 간단한 방식으로 균일한 증착물을 얻기 위한 기법의 개발을 필요로 하였다. 본 연구는 이러한 관점에서 동결건조라는 잘 알려진 건조방식에 대해 탐구한 결과, 이 방식이 커피링 효과 제거를 효과적으로 수행할 수 있는 방법임을 확인하였다. 동결건조 방식을 통해 말린 증착물은 마른 액적의 면적 내에서 고르게 분산되고 국부적으로 균일한 형태로 얻어졌으며, 이러한 특성이 필요하다고 여겨지는 다음의 두 가지 응용에 적용하여 효과를 확인하였다: 1) 표면 증강 라만 분석의 액상 증착 분석 시료 준비, 2) 전자현미경 나노파티클 사이즈 분석의 액상 증착 분석 시료 준비. 본 연구는 커피링 현상을 피하여 균일한 증착물을 얻기 위해 가용할 수 있는 방식을 확장시켰다는 점에서 의의가 있다.
