咖啡環效應，Coffee Ring Effect

在這個部落格中初看這個標題會覺得很突兀，

尤其是我本身體質並不適合喝咖啡，

一個從來不喝咖啡的中年大叔，

卻想要寫一篇好像跟咖啡有關係的文章^_^

典型的"Coffee ring" 的圖片如下：

圖片來源：The Coffee Ring Effect

這是一種在日常生活中很容易看到的飲料或湯汁乾燥後所形成的圖形，

稱為Coffee Ring Effect，

應該是因為喝咖啡的人很多，

咖啡不小心溢出、打翻在桌上、地上的機會相對高，

只要沒有馬上擦乾淨、乾掉，

咖啡很容易就會在桌上、地上留下這種中間顏色淺、周圍顏色深的環形圖案，

所以相關的論文研究就用了Coffee Ring Effect 來描述這種現象，

算是生活中有趣的科學知識、小常識。

"Coffe Ring Effect"是溶液在乾燥過程中，在邊緣液、氣、固三相介面位置，溶質在溶液中的溶劑液體蒸發、溶質濃縮跟流動沉積在邊緣的一連串物理現象所造成，如下圖所示：

圖片來源：Rate-dependent interface capture beyond the coffee-ring effect

"Coffee Ring Effect"是生活中非常常見的現象，原理也很簡單，

但應用在生產製造上，

這種現象會在各種液體乾燥成膜製程應用上，

在液體塗佈區域的邊緣位置造成厚度不均的瑕疵，非常麻煩！

第一次注意到是在第一份工作，

當時負責應用 IJP(Ink Jet Printing) 技術在 PI(Polyimide) Coating 製程設備開發上，

測試時在成品邊緣膜厚控制一直不好，如下圖右上所示：

圖片來源：同上，Rate-dependent interface capture beyond the coffee-ring effect

這種現象造成很大的困擾，

製程工程方一直認為是IJP控制不好造成，

要求設備改善，

但是不管怎麼調整在邊緣的液體塗佈量，

結果一直都還是不好，

查了一堆資料才發現是 Coffee Ring Effect ，

必須從溶液配方跟乾燥過程等多方面同時著手，

才能降低邊緣沉積厚度過厚的問題，

如上圖就是控制加熱溫度以達到慢速蒸發(Slow evaporation)跟快速蒸發(Fast Evaporation)的不同膜厚變化結果比較。

當然溶液中的溶質在溶劑中的流動性也會有影響。

生活中常見的現象，

有著不簡單的物理作用，

對相關製造流程產生驚人的影響，

非常有趣。