Experimente zur Ausbreitung von Tropfen auf rotierenden Platten und deren Stabilität

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Ehrhard
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 194067256

Die Ausbreitung von Flüssigkeiten auf rotierenden Platten ist einerseits Grundlage des sog. Spin-Coating-Verfahrens, welches an vielen Stellen zur festen Beschichtung ebener Substrate Anwendung findet. Beispiele sind hier Halbleiter, Solarzellen oder Flüssigkristall-Bildschirme (LCDs), wo etwa zahlreiche Schichten mit spezifischen elektrischen oder optischen Eigenschaften aufgebracht werden müssen. In der Regel wird hier zunächst eine homogene flüssige Schicht aufgebracht, gefolgt von einem Aushärten oder einem Verdampfen des Lösungsmittels, sodass am Ende die feste Schicht verbleibt. Andererseits stellt die Beschreibung solcher Ausbreitungsströmungen und ihrer Stabilität eine wissenschaftliche Herausforderung dar, weil mindestens eine bewegte Kontaktlinie an der Benetzungsfront vorliegt, eine Zone in der die Dicke des Flüssigkeitstropfens verschwindet und deshalb die Kontinuumsmechanik nicht ohne weiteres gültig bleibt. Eine weitere bewegte Kontaktlinie tritt hinzu, wenn der Flüssigkeitsfilm im Rotationszentrum aufreißt und eine Entnetzungsfront entsteht, die nach außen wandert.In den letzten Jahren ist die theoretische Modellierung dieses Prozesses relativ weit vorangeschritten. Insbesondere finden sich heute adäquate Modelle, welche die rotationssymmetrische Grundströmung der Ausbreitung sowie ihre (lineare) Stabilität gegen kleine Störungen, welche periodisch in Umfangsrichtung sind, erfassen. Gleichwohl bleiben sorgfältige Experimente zu diesem Prozess Mangelware, was insbesondere die Validierung der theoretischen Modelle erschwert. Die vereinzelten publizierten Experimente betreffen Flüssigkeitskonturen bei kontinuierlicher zentraler Flüssigkeitsaufgabe, Flüssigkeitskonturen bei Ausbreitung über nicht ebene Substrate sowie die sog. Finger-Instabilität der Kontaktlinie. Die vorgeschlagenen Experimente haben das Ziel eine breite Datenbasis bereitzustellen, welche das Ausbreitungsverhalten für vollständig und partiell benetzende, Newtonsche Flüssigkeiten betreffen. Neben dem dynamischen Verhalten des (mittleren) Tropfenradius und der Geschwindigkeit der Kontaktlinie, werden weitergehend Konturen des Flüssigkeitstropfens und, daraus abgeleitet der Kontaktwinkel, in der Zeit erfasst. Weiterhin sind der Filmaufriss im Rotationszentrum und das dynamische Verhalten der daraus entstehenden Entnetzungsfront ein wesentliches Ziel dieser Untersuchungen. Schließlich ist die systematische Untersuchung der Instabilität der Benetzungsfront ein wichtiges Anliegen dieser Arbeit.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Dr.-Ing. Konrad Boettcher