듀얼-뷰 이미징을 이용한 입자 동역학 및 형상 분석과 현탁액 유변물성과의 상관관계 연구
Dual-View Imaging of Particle Dynamics and Morphology in Relation to Suspension Rheology
- 주제(키워드) microfluidics , rheology , optical microscopy , particle dynamics , particle morphology
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 김주민
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000036561
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
이차전지 제조 및 열 계면 소재를 포함한 다양한 산업 분야에서는 입자계 시스템이 널리 활용된다. 이러한 입자계는 일반적으로 유동 조건 하에서 가공되기 때문에, 내부의 입자 거동과 현탁액의 유변학적 특성 사이의 관계를 이해하는 것은 공정 안정성 및 재료의 기능성을 향상시키는 데 필수적이다. 본 연구에서는 입자의 동역학 및 형태학적 특성을 효과적으로 규명하기 위해 미세유체（Microfluidic） 기반의 이중 시야（Dual-view） 이미지 시스템을 개발하고 이를 응용하였다. 본 시스템을 통해 입자의 거동, 입자의 형태학적 특성, 그리고 현탁액의 유변학적 특성 사이의 상관관계를 체계적으로 조사하였다. 개발된 시스템을 활용하여 먼저 비뉴턴 유체 내에서의 3차원 입자 동역학을 분석하였다. 점탄성 고분자 용액의 경우, 고분자의 탄성력이 관성 양력을 상쇄하고 입자의 측방향 이동을 억제함으로써 Segré–Silberberg effect를 억제하는 것으로 나타났다. 사각형 미세채널에서는 비대칭적인 전단율 분포가 이러한 억제 효과를 더욱 강화하여 결과적으로 더욱 균일한 입자 분포를 유도하였다. 반면, 카보폴 마이크로겔 용액에서의 입자 이동 거동은 기존의 항복 응력이나 전단 박화 특성만으로는 완전히 설명되지 않았다. 대신, 카보폴 마이크로겔은 미시적 수준에서 변형 가능한 입자처럼 행동하여 주변 유동장을 교란시켰으며, 이는 혈류에서 관찰되는 것과 유사한 마지네이션（Margination, 벽면 이동） 형태의 이동을 유발함을 확인하였다. 나아가, 본 이중 시야 이미지 시스템을 확장하여 흑연 및 질화붕소 입자를 포함한 이방성 판상 입자의 형태학적 특성을 규명하였다. 입자의 모서리면（Edge plane）과 바닥면（Basal plane）을 동시에 관찰함으로써 기존의 단일 평면 분석보다 더 포괄적인 형태학적 정보를 제공하였으며, 입자 형태와 현탁액 유변학 사이의 상관관계를 보다 효과적으로 조사할 수 있었다. 이러한 이중 평면 분석은 기존의 2차원 특성 평가에 비해 상당한 개선을 제공하지만, 실제 3차원 입자의 기하학적 구조를 정확하게 묘사하는 데는 여전히 한계가 존재했다. 이러한 한계를 해결하기 위해 이중 평면 이미지로부터 실제 3차원 입자 형상을 복원하는 방법론을 개발하였다. 제안된 프레임워크는 니켈·코발트·망간（NCM） 양극 활물질 입자에 성공적으로 적용되었으며, 레이저 회절（Laser diffraction） 측정 결과와의 비교를 통해 광학 이미지 데이터를 활용한 효과적인 3차원 입자 분석 능력을 입증하였다. 종합적으로 본 학위논문은 새롭게 개발된 미세유체 기반 이중 시야 이미지 시스템이 기존의 이미지 접근 방식에 비해 입자의 동역학 및 형태학적 특성을 더욱 포괄적으로 규명할 수 있음을 보여준다. 입자 거동과 형태에 대한 다차원적 정보를 제공함으로써, 본 시스템은 현탁액 유변학과의 상관관계 조사를 한층 더 효과적으로 촉진한다. 본 논문에서 제시된 연구 결과는 복잡한 입자계에 대한 깊은 이해에 기여할 뿐만 아니라, 입자 기반 재료 및 공정의 분석과 최적화를 위한 유용한 프레임워크를 제공할 것으로 기대된다.
more초록/요약
Particulate systems are widely utilized in various industrial applications, including secondary battery manufacturing and thermal interface materials. Because these systems are generally processed under flow conditions, understanding the relationship between internal particle and suspension rheology is essential for improving process stability and material functionality. This study presents the development and application of a microfluidic-based dual-view imaging system for the effective characterization of particle dynamics and morphology. Using this system, the correlations between particle behavior, particle morphology, and the rheological properties of suspensions are systematically investigated. Using the developed system, three-dimensional particle dynamics in non- Newtonian fluids were analyzed. In viscoelastic polymer solutions, polymer elasticity was found to suppress the Segré–Silberberg effect by screening inertial lift forces and inhibiting lateral particle migration. In square microchannels, the non-axisymmetric shear-rate distribution further enhanced this suppression, resulting in a more homogeneous particle distribution. In Carbopol microgel solutions, particle migration behaviors could not be explained solely by conventional yield-stress or shear-thinning characteristics. Instead, Carbopol microgels behaved as deformable particles at the microscale, disturbing the surrounding flow field and inducing margination-like migration similar to that observed in blood flow. Furthermore, the dual-view imaging system was extended to characterize the morphology of anisotropic platelet particles, including graphite and boron nitride particles. Simultaneous observation of the edge and basal planes provided more comprehensive morphological information than conventional single-plane analysis and enabled a more effective investigation of the correlations between particle morphology and suspension rheology. Although dual-plane analysis offers substantial improvements over conventional 2-D characterization methods, it still has limitations in accurately describing true 3-D particle geometry. To address this limitation, a methodology for reconstructing actual 3-D particle shapes from dual-plane images was developed. The proposed framework was successfully applied to nickel-cobalt-manganese （NCM） particles, and a comparison with laser diffraction measurements demonstrated its capability for effective 3-D particle characterization using optical imaging data. Overall, this study demonstrates that the newly developed microfluidic-based dual- view imaging system enables more comprehensive characterization of particle dynamics and morphology than conventional imaging approaches. By providing multidimensional information on particle behavior and morphology, the proposed system facilitates a more effective investigation of their correlations with suspension rheology. The findings presented in this study contribute to a deeper understanding of complex particulate systems and provide a useful framework for the analysis and optimization of particle-based materials and processes. Keywords: microfluidics, rheology, optical microscopy, particle dynamics, particle morphology
more목차
1. General Introduction 1
2. Design of a Dual-View Imaging System 4
2.1 Introduction 5
2.2 Design of dual-view imaging system 6
2.3 PDMS microchannel fabrication methods for a dual-view imaging 9
2.4 Cross-sectional distribution acquisition for analysis of particle dynamics using dual-view imaging system 11
2.5 Conclusion 13
3. Particle dynamics in viscoelastic fluids 15
3.1 Introduction 16
3.2 Experimental 18
3.2.1 Microchannel design 18
3.2.2 Materials and rheological properties 20
3.3 Direct numerical simulation of inertial migration of finite-sized spherical particle in a circular channel in a Newtonian fluid 23
3.4. Modelling of particle migration in a Boger fluid with finite extensibility of polymers 25
3.5 Results and discussion 28
3.5.1 Suppression of the Segré–Silberberg effect by polymer additives 28
3.5.2 Lateral particle migration and focusing in a cylindrical tube 30
3.5.3 Mechanism for the suppression of the Segré-Silberberg effect in a square channel 39
3.6 Conclusion 44
4. Particle dynamics in microscale flow of microgel-based yield stress fluid 45
4.1 Introduction 46
4.2 Experimental 47
4.2.1 Sample preparation 47
4.2.2 Microchannel 47
4.2.3 Fluorescence microscopy setup 48
4.2.4 Measurement of rheological properties 49
4.3 Results and discussion 54
4.3.1 Microstructures and rheological properties of Carbopol Solutions 54
4.3.2 Particle distribution in the microchannel cross-sections in Carbopol solution 56
4.3.3 Flow characteristics of Carbopol solution in confined flow 60
4.3.4 Effects of Carbopol concentration on the particle distribution 70
4.4 Conclusion 71
5. Multi-Dimensional Characterization of Non-Spherical Particles for Elucidating Shape–Rheology Relationships in Suspensions 73
5.1 Introduction 74
5.2 Experimental 76
5.2.1 Materials 76
5.2.2 Microchannel design 77
5.2.3 Particle suspension preparation 79
5.2.4 Rheological properties characterization 80
5.3 Dual-plane morphology characterization process 81
5.4 3-D shape reconstruction process from dual-plane images 85
5.5 Results and discussion 89
5.5.1 Dual-plane morphology of graphite and BN particles: Before and after ball milling comparison 89
5.5.2 Morphology-driven rheological variation in anode slurries 98
5.5.3 Morphology effects on the rheology of BN-PDMS composites at various concentrations 100
5.5.4 3-D reconstruction of spherical and prolate particles 111
5.5.5 3-D reconstruction of high-density NCM particle (1): rheology modification for sedimentation prevention and particle alignment 116
5.5.6 3-D reconstruction of high-density NCM particle (2): morphological results and comparison with conventional methods 120
5.6 Conclusion 124
6. Conclusion 126
7. References 129
국문 초록 145
