KR101103626B1 - 유체 점도 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

기준 점도를 갖는 기준 유체와 점도 측정 대상 유체의 상대적인 점도 차이에 의한 경계면 변화를 이용하여 측정 유체의 점도를 쉽게 측정할 수 있는 유체 점도 측정 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 유체 점도 측정 장치는, 점도(viscosity)를 측정하고자 하는 제 1 유체를 주입하기 위한 제 1 주입구와 제 1 유체와 혼합되지 않고 점도를 알고 있는 제 2 유체를 주입하기 위한 제 2 주입구가 형성되는 유체 주입부, 및 유체 주입부와 연결되고 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 다양한 전단률(shear rate)을 가질 수 있도록 채널의 단면적이 변경되며 제 1 유체와 제 2 유체의 점도 차이에 의한 유체 경계면을 형성하는 채널부를 포함할 수 있다.
점도(viscosity), 점도계(viscometer), 혈액(blood), 경계면, 채널

Description

유체 점도 측정 장치{DEVICE FOR MEASURING FLUID VISCOSITY}
본 발명은 점도계(viscometer)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 혈액(Blood) 등과 같은 유체의 점도(viscosity)를 측정할 수 있는 유체 점도 측정 장치에 관한 것이다.
오늘날, 현대인들은 식습관 변화 등의 요인에 의해 많은 혈관계 질환을 포함하여 각종 성인병 질환에 노출되어 있으며, 이러한 질환을 미연에 방지하거나, 체내에서 진행중인 성인병 질환의 징후를 미리 감지하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 많은 연구를 통해 혈액의 점도가 성인병 질환의 징후를 파악하기 위한 우수한 지표가 됨이 확인된 바 있으며, 따라서 혈액의 점도를 측정하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
일반적으로 혈액 등과 같은 유체의 점도를 측정하기 위한 유체 점도 측정 장치를 점도계(viscometer)라 하며, 현재 많이 사용되는 점도계의 종류는 모세관 점도계, 회전식 점도계 등이 있다.
그러나, 모세관 점도계나 회전식 점도계와 같은 종래의 점도계는 다양한 전단률에 걸친 점도를 측정할 때 환경 변화에 의한 오차 발생의 우려가 있었다.
최근에는 기준 점도를 갖는 기준유체와 혈액 등과 같은 점도 측정 대상 유체를 상호 비교함으로써, 측정 대상 유체의 점도를 측정할 수 있는 유체 점도 측정 장치가 개발되고 있지만, 혈액등과 같은 유체의 점도를 간단하고 안정적으로 측정하는데 한계가 있다.
또한, 혈액은 물과 같은 유체와 달리 적혈구, 혈소판 등을 포함하고 있음에 따라 점성 계수와의 관계가 일정하지 않은 비뉴턴 유체(non-Newtonian Fluid)이기 때문에 다양한 전단률에서 점도를 안정적으로 측정할 수 있는 유체 점도 측정 장치가 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기준 점도를 갖는 기준 유체와 점도 측정 대상 유체의 상대적인 점도 차이에 의한 경계면 변화를 이용하여 측정 유체의 점도를 쉽게 측정할 수 있는 유체 점도 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 혈액 등과 같은 비뉴턴 유체에 대하여 다양한 전단률에 대한 점도를 간단하고 안정적으로 측정할 수 있는 유체 점도 측정 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 점도 측정 장치는, 점도를 측정하고자 하는 제 1 유체를 주입하기 위한 제 1 주입구와 상기 제 1 유체와 혼합되지 않고 점도를 알고 있는 제 2 유체를 주입하기 위한 제 2 주입구가 형성되는 유체 주입부, 및 상기 유체 주입부와 연결되고 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 변경되며 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 점도 차이에 의한 유체 경계면을 형성하는 채널부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 및 제 2 주입구는 입구측에서 출구측으로 갈수록 단면적이 점점 작게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 채널부는, 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 단면적이 단계적으로 변경되는 다단 형상의 채널을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 채널부는, 상기 유체 주입부와 연결되며, 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 단계적으로 증가되도록 다단 확장 형상을 가지는 제 1 채널을 포함할 수 있다. 또한, 상기 채널부는, 상기 제 1 채널과 연결되며, 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 단계적으로 감소되도록 다단 축소 형상을 가지는 제 2 채널을 포함할 수 있다.
또는, 상기 채널부는, 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 연속적으로 변경될 수 있다.
예를 들어, 상기 채널부는, 상기 유체 주입부와 연결되며 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 연속적으로 증가되는 형상을 가지는 제 1 채널을 포함할 수 있다. 또한, 상기 채널부는, 상기 제 1 채널과 연결되며 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 연속적으로 감소되는 형상을 가지는 제 2 채널을 포함할 수 있다.
또한, 상기 채널부는, 상기 제 1 채널과 상기 제 2 채널이 연결되는 중심 부위를 기준으로 대칭 형상을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 유체 점도 측정 장치는, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 점도 차이에 의한 유체 경계면을 검출하여 상기 채널부의 단면적 변경에 따른 다양한 전단률에 대하여 상기 제 1 유체의 점도를 측정할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 유체의 점도는 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 각각 유동폭 및 유량에 의한 함수로 계산될 수 있으며, 보다 구체적으로, 상기 제 1 유체의 점성계수는 이하 수학식에 기초하여 계산될 수 있다.
Figure 112009061681533-pat00001
여기서,
Figure 112009061681533-pat00002
와
Figure 112009061681533-pat00003
는 각각 제 1 유체와 제 2 유체의 점성계수이고,
Figure 112009061681533-pat00004
와
Figure 112009061681533-pat00005
는 각각 제 1 유체와 제 2 유체의 유동폭이며,
Figure 112009061681533-pat00006
와
Figure 112009061681533-pat00007
는 각각 제 1 유체와 제 2 유체의 유량이다.
또한, 본 발명에 따른 유체 점도 측정 장치는, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 경계면 위치를 측정하기 위한 경계면 측정부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 경계면 측정부는, 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하 여 가로 방향으로 상기 채널부에 마련되는 전극, 및 상기 전극과 연결되며 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 경계면 이동에 따른 상기 전극의 저항 변화를 검출하여 상기 경계면의 위치를 측정하는 저항 검출부를 포함할 수 있다.
상기 제 1 유체는 전단률(shear rate)에 따라 점도가 변화하는 비뉴턴 유체(non-Newtonian Fluid)를 포함하고, 상기 제 2 유체는 전단률에 관계없이 일정한 점도를 가지는 뉴턴 유체(Newtonian Fluid)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 유체는 혈액(Blood)이고, 상기 제 2 유체는 인산완충식염수(PBS)일 수 있다.
혹은, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체는 전단률에 관계없이 일정한 점도를 가지는 뉴턴 유체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 유체는 SDS 용액(SDS solutions)이고, 상기 제 2 유체는 초순수(DI water)일 수 있다.
또한, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 안정적인 경계면을 유지하기 위하여 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 표면장력비(surface tension ratio)가 2 이하인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 유체 점도 측정 장치는, 상기 유체 주입부와 상기 채널부 사이에 연결되며 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체가 유입되어 하나의 이동 경로를 형성하도록 가이드 하는 유체 가이드부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유체 점도 측정 장치는, 점도를 측정하고자 하는 제 1 유체를 주입하기 위한 제 1 주입구와 상기 제 1 유체와 혼합되지 않고 점도를 알고 있는 제 2 유체를 주입하기 위한 제 2 주입구가 형성되는 유체 주입부, 상기 유체 주입부와 연결되며 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체가 유입되어 하나의 이동 경로 를 형성하도록 가이드 하는 유체 가이드부, 상기 유체 가이드부와 연결되고 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 변경되며 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 점도 차이에 의한 유체 경계면을 형성하는 채널부, 및 상기 채널부와 연결되며 상기 채널부를 통과한 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체가 유출되는 유체 유출부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유체 점도 측정 장치는, 점도를 측정하고자 하는 제 1 유체를 주입하기 위한 제 1 주입구와 상기 제 1 유체와 혼합되지 않고 점도를 알고 있는 제 2 유체를 주입하기 위한 제 2 주입구가 형성되는 유체 주입부, 및 상기 유체 주입부와 연결되고 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 단면적이 단계적으로 변경되는 다단 형상의 채널을 가지며 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 점도 차이에 의한 유체 경계면을 형성하는 유체 유출부를 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 유체 점도 측정 장치에 따르면, 기준 점도를 갖는 기준 유체와 혈액 등과 같은 점도 측정 대상 유체의 상대적인 점도 차이에 의한 경계면 변화를 이용함으로써, 측정 유체의 점도를 쉽게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 유체 점도 측정 장치는 다양한 전단률을 가질 수 있도록 채널의 단면적 형상을 변경시켜 유체의 평균 속도를 변화시킴으로써, 혈액 등과 같은 비뉴턴 거동을 하는 유체에 대해서도 다양한 전단률에 대한 유체의 점도를 안정적 으로 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 유체 점도 측정 장치는 채널의 중심 부위를 기준으로 대칭 형상을 가진다. 따라서, 이러한 대칭 구조는 채널의 단면적 변화에 따른 전단률의 증가 -> 감소, 감소-> 증가에 의한 유체의 점도 측정 시 동일한 전달률에 대하여 실시간으로 반복 실험이 가능하다.
또한, 본 발명의 유체 점도 측정 장치는 기준 점도를 갖는 기준 유체와 점도 측정 대상 유체의 각각 유동폭 및 유량과, 기준 유체의 점도에 대한 정보로부터 측정 대상 유체의 점도를 간단하게 계산할 수 있다.
또한, 본 발명의 유체 점도 측정 장치는 혈액뿐만 아니라 그 밖의 다양한 유체에 대한 점도 측정이 가능하며, 특히 전단률에 대하여 점도가 크게 바뀌는 유체에 대하여 특히 유용하게 적용할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알 려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 점도 측정 장치를 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 점도 측정 장치를 개략적으로 도시한 구성도, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 점도 측정 장치는 기판(1)과, 기판(1) 상에 본딩(bonding) 결합되는 투명한 재질의 구조물(3) 등으로 구성될 수 있다. 여기서, 유체 점도 측정 장치를 구성하는 구조물(3)은 유체 주입부(10), 유체 가이드부(20), 채널부(30) 및 유체 유출부(40)를 포함할 수 있다.
유체 주입부(10)는 점도(viscosity)를 측정하고자 하는 제 1 유체(A)를 주입하기 위한 제 1 주입구(11)와, 점도를 알고 있는 제 2 유체(B)를 주입하기 위한 제 2 주입구(12)가 각각 형성된다.
여기서, 점도를 이미 알고 있는 제 2 유체(B)는 제 1 유체(A)와 혼합되지 않는 유체이고, 전단률(shear rate)에 관계없이 일정한 점도를 가지는 뉴턴 유체(Newtonian Fluid)를 사용한다. 예를 들어, 제 1 유체(A)가 전단률에 따라 점도가 변화하는 비뉴턴 유체(non-Newtonian Fluid), 예컨대 혈액(Blood)일 경우에 제 2 유체(B)는 뉴턴 거동을 하는 인산완충식염수(Phosphate buffered saline: PBS)를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 유체(A)가 전단률에 관계없이 일정한 점도를 가지는 뉴턴 유체(Newtonian Fluid), 예컨대 SDS 용액(SDS solutions)일 경우에 제 2 유체(B)는 뉴턴 거동을 하는 초순수(DI water)를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에 따른 유체 점도 측정 장치는 전단률에 관계없이 일정한 점도를 갖는 뉴턴 유체와, 전단률에 따라 점도가 변화하는 비뉴턴 유체에 대한 점도를 동시에 측정이 가능하다.
아래 표 1은 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 경계면 안정성 테스트 실험 결과이다.
Figure 112009061681533-pat00008
위 표 1에서 보여주는 실험 결과를 참고하면, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 안정적인 경계면을 유지하기 위해서는 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 표면장력비(surface tension ratio)가 2 이하를 만족할 수 있도록 제 2 유체(B)를 선정하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서, 제 1 주입구(11)와 제 2 주입구(12)는 입구측에서 출구측으로 갈수록 단면적이 점점 작게 형성되는 구성을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 제 1 주입구(11)와 제 2 주입구(12)의 단면적이 일정한 직선 관 형태로 형성될 수도 있다.
또한, 도면에는 도시된 바 없지만, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)를 제 1 주입구(11)와 제 2 주입구(12)에 각각 주입하기 위해서는 펌프와 밸브 등을 구비할 수 있다.
유체 가이드부(20)는 유체 주입부(10)의 제 1 주입구(11)와 제 2 주입구(12)가 하나로 만나는 출구와 후술하는 채널부(30)의 입구 사이를 연결하며, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)가 유입되어 하나의 이동 경로를 형성하도록 가이드하는 역할을 한다. 이때, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)는 섞이지 않은 상태로 유체 가이드부(20)를 통해 이동하게 된다.
채널부(30)는 유체 가이드부(20)의 출구와 연결되며, 유체 가이드부(20)를 통해 유입되는 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 상대 점도 차이에 의한 유체 경계면(S, 도 3 참조)이 형성된다.
또한, 채널부(30)는 제 1 및 제 2 유체(A,B)의 유동 방향에 대하여 다양한 전단률을 가질 수 있도록 채널의 단면적이 변경되게 형성된다. 여기서, 채널부(30)는 제 1 및 제 2 유체(A,B)의 유동 방향에 대하여 단면적이 단계적으로 변경되는 다단 형상의 채널을 가질 수 있다.
예를 들어, 채널부(30)는 유체 가이드(20)의 출구와 연결되고 제 1 및 제 2 유체(A,B)의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 단계적으로 증가되도록 다단 확장 형상을 가지는 제 1 채널(31)과, 제 1 채널(31)의 출구와 연결되고 제 1 및 제 2 유체(A,B)의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 단계적으로 감소되도록 다단 축소 형상을 가지는 제 2 채널(32)로 구성될 수 있다. 이때, 채널의 단면적이 점점 증가하는 제 1 채널(31)에서는 평균 속도가 감소함에 따라 전단률은 감소하게 되고, 채널의 단면적이 점점 감소하는 제 2 채널(32)에서는 평균 속도가 증가함에 따라 전단률은 증가하게 된다. 즉, 채널의 단면적을 단계적으로 변경함으로써 전단률을 변경할 수 있고, 다양한 전단률에 대하여 유체의 점도를 측정할 수 있다.
또한, 채널부(30)는 제 1 채널(31)과 제 2 채널(32)이 연결되는 중심 부위(C)를 기준으로 대칭 형상을 가지는 것이 바람직하다. 이러한 대칭 구조는 채널의 단면적 변화에 따른 전단률의 증가 -> 감소, 감소-> 증가에 의한 유체의 점도 측정 시 동일한 전단률에 대하여 실시간으로 반복 실험이 가능하다.
본 실시예에서, 채널부(30)는 제 1 채널(31) 및 제 2 채널(32)의 대칭 구조를 가지는 구성을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 채널부(30)는 제 1 채널(31) 또는 제 2 채널(32) 어느 한 개의 채널만으로 구성될 수도 있다. 또한, 채널부(30)는 도 4에 도시된 바와 같이 사각형 단면을 가지는 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 채널부(30)는 MEMS으로 채널의 단면적을 임의 형상으로 제작이 가능하다.
유체 유출부(40)는 채널부(30)의 출구와 연결되며, 채널부(30)를 통과한 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)가 유출되도록 한 개의 유출구(41)가 형성된다.
도 3은 본 발명의 유체 점도 측정 장치를 이용하여 유체의 점도를 측정하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에서는 유체의 점도 측정 원리를 설명하기 위하여 채널부(30) 중 제 2 채널(32)에 대하여 예시하고 있지만, 제 1 채널(31)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)를 일정 유량으로 제 1 주입구(11)와 제 2 주입구(12)를 통해 각각 주입하면, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)는 섞이지 않은 상태로 유체 가이드부(20)를 통과하면서 채널부(30)로 이동하게 된다. 이때, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)는 서로 섞이지 않으면서 상대적인 점도 차이에 의하여 경계면(S)이 형성된다.
채널부(30)의 단면적 변경에 따른 각 전단률에 대하여 제 1 유체(A)의 점도를 측정하기 위하여, 우선 ①~② 구간에서, 낮은 종횡비(low aspect ratio)를 갖는 채널, 즉 유동폭(
Figure 112009061681533-pat00009
) 방향으로는 속도가 일정하며, 깊이(h) 방향으로만 속도가 변하는 채널에 대하여 Poiseuille flow 특성을 고려하면, 압력강하(pressure drop) DP와 유량 Q의 관계식,
Figure 112009061681533-pat00010
으로부터, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B) 각각의 압력강하(DP)와 유량(Q)에 대한 관계는 아래 식 (2), (3)와 같다.
Figure 112009061681533-pat00011
여기서, ①~② 구간에 대하여 압력강하(DP)는 동일하기 때문에, 식 (2), (3)을 이용하면,
Figure 112009061681533-pat00012
이다.
낮은 종횡비를 갖는 채널에 대한 유체 저항 관계식 (5)을 식 (4)에 대입하면, 아래 식 (6)과 같다.
Figure 112009061681533-pat00013
식 (6)에서 채널 길이(L)과 깊이(h)는 동일하기 때문에, 식 (6)은 아래 식 (7)와 같이 간단히 정리할 수 있다.
Figure 112009061681533-pat00014
따라서, 제 1 유체(A)의 점성 계수(
Figure 112009061681533-pat00015
)는, 이하 식 (8)에 기초하여 계산될 수 있다.
Figure 112009061681533-pat00016
여기서,
Figure 112009061681533-pat00017
와
Figure 112009061681533-pat00018
는 각각 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 점성계수이고,
Figure 112009061681533-pat00019
와
Figure 112009061681533-pat00020
는 각각 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 유동폭이며,
Figure 112009061681533-pat00021
와
Figure 112009061681533-pat00022
는 각각 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 주입유량이다.
즉, Reference 유체인 제 2 유체(B)의 점도와, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 각각 유동폭(
Figure 112009061681533-pat00023
,
Figure 112009061681533-pat00024
) 및 유량(
Figure 112009061681533-pat00025
,
Figure 112009061681533-pat00026
)에 대한 정보로부터 제 1 유체(A)의 점도를 측정할 수 있다.
또한, 다른 다수 개의 구간들에 대해서도 상술한 바와 같은 동일한 절차로 제 1 유체(A)의 점도를 측정할 수 있다. 즉, 채널부(30)의 단면적 변경에 따른 다양한 전단률에 대하여 제 1 유체(A)의 점도를 측정할 수 있다.
또한, 점도를 측정하고자 하는 대상인 제 1 유체(A)는 전단률에 따라 점도가 변하는 비뉴턴 유체일 경우, 이러한 경향은 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 주입유량(Q)을 적절하게 조정하면 다양한 조건의 전단률에 대하여 점도 측정이 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 유체 점도 측정 장치는 점도 측정 대상인 제 1 유체(A)의 점도를 연속적으로 모니터링이 가능하다.
도 4는 전극 신호를 이용하여 제 1 유체와 제 2 유체의 경계면 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유체 점도 측정 장치는 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 경계면 위치를 측정하기 위한 경계면 측정부(50)를 구비할 수 있다.
경계면 측정부(50)는 제 1 및 제 2 유체(A,B)의 유동 방향에 대하여 가로 방향으로 채널부(30)의 각 구간들에 마련되는 전극(51)과, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 경계면 이동에 따른 전극(51)의 저항 변화를 검출하여 경계면(S)의 위치를 측정할 수 있도록 전극(51)과 전기적으로 연결되는 저항 검출부(53)로 구성될 수 있다. 이때, 전극(51)은 저항 검출부(53)과 연결되는 반대측에 그라운드(GND)와 연결된다.
본 실시예에서는 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 경계면(S) 위치를 측정하기 위해 전극(51)을 이용하는 구성을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 전극(51)뿐만 아니라 이미지 프로세싱 방법(image processing) 등 여러 방법들을 이용하여 유체의 경계면(S)을 측정할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 점도 측정 장치를 이용한 실험에서 유체의 경계면 패턴을 보여주는 도면이다.
도 5에서 보는 바와 같이, 제 1 유체(A)는 전단률에 따라 점도가 변화하는 비뉴턴 유체이고, 제 2 유체(B)는 전단률에 관계없이 일정한 점도를 가지는 뉴턴 유체이다. 여기서, 제 1 유체(A)는 혈액(Blood)이고, 제 2 유체(B)는 인산완충식염수(PBS)인 것을 예로 들어 실험하였다.
본 실험 결과에 의하면, 본 발명의 유체 점도 측정 장치는 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 점도 차이에 의한 유체 경계면(S)을 검출하고, 다양한 전단률을 가질 수 있도록 채널의 단면적 형상을 변경시켜 유체의 평균 속도를 변화시키기 때문에, 다양한 전단률에 대하여 유체의 점도를 간단하고 안정적으로 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 유체 점도 측정 장치는 혈액뿐만 아니라 그 밖의 다양한 유체에 대한 점도 측정이 가능하며, 특히 전단률에 대하여 점도가 크게 바뀌는 유체에 대하여 특히 유용하게 적용할 수 있다.
또한, 본 실험에서는 전단률에 따라 점도가 변화하는 비뉴턴 유체에 대한 점도를 측정하는 실험을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고, 전단률에 관계없이 일정한 점도를 갖는 뉴턴 유체에 대한 점도 측정도 적용이 가능하다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 점도 측정 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 점도 측정 장치는 유체 주입부(10), 유체 가이드부(20), 채널부(60) 및 유체 유출부(40) 등을 포함하며, 채널부(60)의 형상을 제외하고는 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 상기 일 실시예와 동일하다. 따라서, 일 실시예와 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 병기하며, 상세한 설명은 생략한다.
채널부(60)는 유체 가이드부(20)의 출구와 연결되며, 유체 가이드부(20)를 통해 유입되는 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 상대 점도 차이에 의한 유체 경계면(S, 도 3 참조)이 형성된다.
또한, 채널부(60)는 제 1 및 제 2 유체(A,B)의 유동 방향에 대하여 다양한 전단률을 가질 수 있도록 채널의 단면적이 변경되게 형성된다. 여기서, 채널부(60)는 제 1 및 제 2 유체(A,B)의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 연속적으로 변경되는 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 채널부(60)는 유체 가이드(20)의 출구와 연결되고 제 1 및 제 2 유체(A,B)의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 연속적으로 증가되는 확장 형상을 가지는 제 1 채널(61)과, 제 1 채널(61)의 출구와 연결되고 제 1 및 제 2 유체(A,B)의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 연속적으로 감소되는 축소 형상을 가지는 제 2 채널(62)로 구성될 수 있다. 이때, 채널의 단면적이 점점 증가하는 제 1 채널(61)에서는 평균 속도가 감소함에 따라 전단률은 감소하게 되고, 채널의 단면적이 점점 감소하는 제 2 채널(62)에서는 평균 속도가 증가함에 따라 전단률은 증가하게 된다. 즉, 채널의 단면적을 연속적으로 변경함으로써 전단률을 변경할 수 있고, 다양한 전단률에 대하여 유체의 점도를 측정할 수 있다.
또한, 채널부(60)는 제 1 채널(61)과 제 2 채널(62)이 연결되는 중심 부위(C)를 기준으로 대칭 형상을 가지는 것이 바람직하다. 이러한 대칭 구조는 채널의 단면적 변화에 따른 전단률의 증가 -> 감소, 감소-> 증가에 의한 유체의 점도 측정 시 동일한 전단률에 대하여 실시간으로 반복 실험이 가능하다.
본 실시예에서, 채널부(30)는 제 1 채널(31) 및 제 2 채널(32)의 대칭 구조를 가지는 구성을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 채널부(30)는 제 1 채널(31) 또는 제 2 채널(32) 어느 한 개의 채널만으로 구성될 수도 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 점도 측정 장치는 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 경계면 위치를 측정하기 위한 경계면 측정부를 구비할 수 있다.
경계면 측정부는 제 1 및 제 2 유체(A,B)의 유동 방향에 대하여 가로 방향으로 채널부(60)에 일정 간격을 두고 복수 개 마련되는 전극(51)과, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 경계면 이동에 따른 각 전극(51)의 저항 변화를 검출하여 유체 경계면(S)의 위치를 측정할 수 있도록 각 전극(51)과 전기적으로 연결되는 복수 개의 저항 검출부(53)로 구성될 수 있다. 이때, 각 전극(51)은 저항 검출부(53)과 연결되는 반대측에 그라운드(GND)와 연결된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 점도 측정 장치를 개략적으로 도시한 구성도,
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도,
도 3은 본 발명의 유체 점도 측정 장치를 이용하여 유체의 점도를 측정하는 원리를 설명하기 위한 도면,
도 4는 전극 신호를 이용하여 제 1 유체와 제 2 유체의 경계면 측정을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 점도 측정 장치를 이용한 실험에서 유체의 경계면 패턴을 보여주는 도면,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 점도 측정 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 유체 주입부 11 : 제 1 주입구
12 : 제 2 주입구 20 : 유체 가이드부
30,60 : 채널부 31,61 : 제 1 채널
32,62 : 제 2 채널 40 : 유체 유출부
51 : 전극 53 : 저항 검출부

Claims (21)

  1. 점도(viscosity)를 측정하고자 하는 제 1 유체를 주입하기 위한 제 1 주입구와, 상기 제 1 유체와 혼합되지 않고 점도를 알고 있는 제 2 유체를 주입하기 위한 제 2 주입구가 형성되는 유체 주입부; 및
    상기 유체 주입부와 연결되고, 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 변경되며, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 점도 차이에 의한 유체 경계면을 형성하는 채널부를 포함하는 유체 점도 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 주입구는 입구측에서 출구측으로 갈수록 단면적이 점점 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 채널부는, 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 단면적이 단계적으로 변경되는 다단 형상의 채널을 가지는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 채널부는, 상기 유체 주입부와 연결되며, 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 단계적으로 증가되도록 다단 확장 형상을 가지는 제 1 채널을 포함하는 유체 점도 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 채널부는, 상기 제 1 채널과 연결되며, 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 단계적으로 감소되도록 다단 축소 형상을 가지는 제 2 채널을 포함하는 유체 점도 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 채널부는, 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 연속적으로 변경되는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 채널부는, 상기 유체 주입부와 연결되며, 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 연속적으로 증가되는 형상을 가지는 제 1 채널을 포함하는 유체 점도 측정 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 채널부는, 상기 제 1 채널과 연결되며, 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 연속적으로 감소되는 형상을 가지는 제 2 채널을 포함하는 유체 점도 측정 장치.
  9. 제 5 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 채널부는, 상기 제 1 채널과 상기 제 2 채널이 연결되는 중심 부위를 기준으로 대칭 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 점도 차이에 의한 유체 경계면을 검출하여 상기 채널부의 단면적 변경에 따라 변화된 전단률에 대하여 상기 제 1 유체의 점도를 측정하는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 유체의 점도는 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 각각 유동폭 및 유량에 의한 함수로 계산되는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 유체의 점성계수는 이하 수학식에 기초하여 계산되는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
    Figure 112009061681533-pat00027
    Figure 112009061681533-pat00028
    : 제 1 유체의 점성계수
    Figure 112009061681533-pat00029
    : 제 2 유체의 점성계수
    Figure 112009061681533-pat00030
    : 제 1 유체의 유동폭
    Figure 112009061681533-pat00031
    : 제 2 유체의 유동폭
    Figure 112009061681533-pat00032
    : 제 1 유체의 유량
    Figure 112009061681533-pat00033
    : 제 2 유체의 유량
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 경계면 위치를 측정하기 위한 경계면 측정부를 더 포함하는 유체 점도 측정 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 경계면 측정부는,
    상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 가로 방향으로 상기 채널부에 마련되는 전극; 및
    상기 전극과 연결되며, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 경계면 이동에 따른 상기 전극의 저항 변화를 검출하여 상기 경계면의 위치를 측정하는 저항 검출부를 포함하는 유체 점도 측정 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유체는 전단률(shear rate)에 따라 점도가 변화하는 비뉴턴 유체(non-Newtonian Fluid)를 포함하고, 상기 제 2 유체는 전단률에 관계없이 일정한 점도를 가지는 뉴턴 유체(Newtonian Fluid)를 포함하는 유체 점도 측정 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제 1 유체는 혈액(Blood)이고, 상기 제 2 유체는 인산완충식염수(PBS)인 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체는 전단률에 관계없이 일정한 점도를 가지는 뉴턴 유체를 포함하는 유체 점도 측정 장치.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 표면장력비(surface tension ratio)가 2 이하인 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 주입부와 상기 채널부 사이에 연결되며, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체가 유입되어 하나의 이동 경로를 형성하도록 가이드 하는 유체 가이드부를 더 포함하는 유체 점도 측정 장치.
  20. 점도를 측정하고자 하는 제 1 유체를 주입하기 위한 제 1 주입구와, 상기 제 1 유체와 혼합되지 않고 점도를 알고 있는 제 2 유체를 주입하기 위한 제 2 주입구가 형성되는 유체 주입부;
    상기 유체 주입부와 연결되며, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체가 유입되어 하나의 이동 경로를 형성하도록 가이드 하는 유체 가이드부;
    상기 유체 가이드부와 연결되고, 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 변경되며, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 점도 차이에 의한 유체 경계면을 형성하는 채널부; 및
    상기 채널부와 연결되며, 상기 채널부를 통과한 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체가 유출되는 유체 유출부를 포함하는 유체 점도 측정 장치.
  21. 점도를 측정하고자 하는 제 1 유체를 주입하기 위한 제 1 주입구와, 상기 제 1 유체와 혼합되지 않고 점도를 알고 있는 제 2 유체를 주입하기 위한 제 2 주입구가 형성되는 유체 주입부; 및
    상기 유체 주입부와 연결되고, 상기 제 1 및 제 2 유체의 유동 방향에 대하여 채널의 단면적이 단계적 또는 연속적으로 변경되며, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 점도 차이에 의한 유체 경계면을 형성하는 유체 유출부를 포함하는 유체 점도 측정장치.
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