90˚ 직각 미세채널 내 점탄성 용액의 관성-탄성에 의한 유동 불안정성
Inertio-Elastic Flow Instabilities in 90˚ Bending Microchannel
- 주제(키워드) 점탄성 , 불안정성 , 직각구조
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 김주민
- 발행년도 2017
- 학위수여년월 2017. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000025417
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
점탄성의 특성을 가지는 생물학적 시료들을 미세채널 장치를 사용하여 시험·분석 하는 경우가 많다. 또한, 고분자 용액과 같은 점탄성 유체는 미세채널 내에서 입자들을 집속시키는 매질로도 사용된다. 한편, 매우 작은 레이놀즈 수 에서 유동이 불안정해 지는 것은 점탄성 유체가 가지는 독특한 특성이다. 본 연구에서는, 직각으로 꺾이는 구조를 가지는 채널에서 점탄성 유체 유동의 불안정성을 연구하였다. 흥미롭게도, 50 ppm 과 같이 PEO 농도가 낮은 경우에도, poly(ethylene oxide) (PEO) 수용액에서 유동 불안정성이 발생 하는 것을 관찰 할 수 있었다. 본 연구에서는, 유동 불안정성에 대한 탄성 수, 유량, 그리고 고분자 농도의 효과를 체계적으로 분석하였다. 그 결과, 전단박화 유체에서는 유동이 안정화 되는 반면 탄성과 관성의 효과가 모두 중요한 경우, 유동 불안정성이 증폭된다는 것을 알 수 있었다. 따라서 본 연구를 통해서, 점탄성 입자 집속을 기본으로 한 세포 변형 측정 소자와 같은 미세 유체 소자를 만드는데 유용하게 사용될 것으로 기대한다. 그 다음, 십자 미세 유로 채널을 기반으로 한 비구형 입자의 크기를 측정하기 위한 응용 연구를 진행했다. 앞선 실험에서 90도로 꺾인 구조에서 다양한 용액의 유동을 살펴본 결과, PVP 6.8 wt%의 용액은 꺾이는 구조를 지나도 유동 불안정성이 발생하지 않고, 안정적인 흐름을 보였다. 따라서 앞선 실험의 결과를 통해, 꺾이는 구조가 많은 십자 미세 채널에는 PVP 6.8wt% 용액이 적합하다는 판단을 통해 입자를 집속시키기 위한 점탄성 용액으로 사용하였다. 기존의 입자크기를 측정하는 방법으로는, scanning electron microscope(SEM)으로 촬영하거나, 광학 장비등을 이용하는 방법이 있다. 하지만, 이와 같은 방법은 입자가 동일한 평면위에 서있지 않거나, 입자들끼리 뭉쳐 있는 경우에는, 비구형 입자의 정확한 크기를 측정하는 것이 어렵다. 따라서, 본 실험에서는 점탄성 유체를 이용하여 입자를 채널의 중앙으로 이동시킨 뒤에, 신장 흐름 영역에서 나타나는 정체점을 이용해 입자를 90도로 정지시켜 입자 모양을 측정하는 실험을 진행하였다. 그 결과, 다양한 종횡비(aspect ratios)을 가진 입자를 십자 채널 중앙으로 집속시켜 개별적인 크기를 측정할 수 있었다.
more초록/요약
Biological samples having viscoelastic properties are frequently tested using microfluidic devices. In addition, viscoelastic fluids such as polymer solutions have been used as a suspending medium to spatially focus particles in microchannels. The occurrence of flow instability even at low Reynolds number is a unique property of viscoelastic fluids. In this study, we report the instability in a viscoelastic flow for a channel having a 90° bending geometry, which is a characteristic of many microfluidic devices. Interestingly, we observed that the flow instability in aqueous poly(ethylene oxide) (PEO) solution occurs when the concentration of PEO is as low as 50 ppm. We systematically investigated the effects of the polymer concentration, flow rate, and elasticity number on the flow instability. The results show that the flow is stabilized in shear-thinning fluids, whereas the flow instability is amplified when both elastic and inertial effects are pronounced. We believe that this study is useful to design microfluidic devices such as cell-deformability measurement devices based on the viscoelastic particle focusing. Next, we conducted an experiment to measure the size of non-spherical particles based on the cross-microchannel channel. Conventional methods for measuring particle size include a scanning electron microscope (SEM) or optical microscope equipment. However, it is difficult to measure the exact size of non-spherical particles with such methods, when the particles are not aligned on the same plane or when the particles are clustered together. Therefore, in this work, the experiments were carried out to send the particles to the stagnation point by viscoelastic particle focusing. As a result, particles with different aspect ratios (AR’s) could be focused at stagnation point of the cross channel to accurately measure the shapes of individual particles. These results will be useful for various studies using non-spherical particles.
more목차
1. 90˚ 직각 미세채널 내 점탄성 용액의 관성-탄성에 의한 유동 불안정성 1
1-1 서론 1
1-2 실험 재료 및 과정 4
1-2-1 사용된 물질과 물리적 특성 4
1-2-2 유동의 시각화 및 점탄성 유체의 특성 5
1-3 결과 13
1-3-1 유동 불안정성에 대한 PEO 농도의 효과 13
1-3-2 유량 효과에 의한 유동 불안정성 16
1-3-3 유동 불안정성에 대한 탄성 수(El)의 효과 25
1-4 결론 31
2. 신장 흐름 영역을 이용한 비구형 입자의 크기 측정 32
2-1 서론 32
2-2 실험 재료 및 실험 과정 35
2-2-1 실험에 사용된 십자 미세채널의 구조 및 사용된 물질 35
2-2-2 비구형 입자의 모양 분석 방법 39
2-3 실험 결과 및 토의 42
2-3-1 비구형 입자의 크기 측정 및 분석 42
2-4 결론 49
3. 맺음말 51
4. 참고문헌 53
Abstract 59
