KR102616211B1 - Apparatus and method for flow analysis - Google Patents
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Abstract
흐름 분석 장치 및 방법이 제공된다. 상기 흐름 분석 방법은 마이크로채널 내 유체의 흐름을 분석하는 방법으로서, 상기 유체의 흐름을 연속으로 기록하는 복수의 프레임을 포함하는 흐름 이미지를 획득하는 단계, 상기 복수의 프레임의 각 프레임에서 상기 흐름의 특징을 감지하는 단계, 및 상기 복수의 프레임 중 연속되는 두 프레임에서 각각 감지된 특징을 서로 매칭하는 단계를 포함한다.A flow analysis device and method are provided. The flow analysis method is a method of analyzing the flow of fluid in a microchannel, comprising the steps of acquiring a flow image including a plurality of frames continuously recording the flow of the fluid, and the flow image in each frame of the plurality of frames. It includes detecting a feature, and matching features detected in two consecutive frames among the plurality of frames.
Description
본 발명은 흐름 분석 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to flow analysis devices and methods.
유체 흐름의 속도를 추정하기 위해 일반적으로 입자 이미지 유속계(Particle Image Velocimetry)가 사용된다. 상기 입자 이미지 유속계는 상호 상관 분석을 사용하여 두 개의 연속 프레임을 비교하여 모든 픽셀에서 속도 필드를 계산한다. 상기 입자 이미지 유속계의 다음과 같은 한계가 있다. 첫째, 모든 픽셀에 대한 상호 상관을 계산하려면 많은 양의 계산이 필요하다. 둘째, 상호 상관은 주어진 윈도우 내부의 밝기 패턴을 비교하는 것을 기반으로 하기 때문에 노이즈나 조명 환경에 취약하다. 따라서 이미지 획득 환경이 변경되면 다른 결과를 얻을 수 있다. 셋째, 입자 이미지 유속계는 형광 입자와 같은 추적자를 많이 사용해야 한다. 그렇지 않으면 이미지에 형광 입자가 없는 공간이 생겨 부적절한 속도 장이 추정된다.Particle Image Velocimetry is commonly used to estimate the speed of fluid flow. The particle image velocimeter calculates the velocity field at every pixel by comparing two consecutive frames using cross-correlation analysis. There are the following limitations of the particle image velocimeter. First, calculating the cross-correlation for every pixel requires a large amount of computation. Second, because cross-correlation is based on comparing brightness patterns within a given window, it is vulnerable to noise or lighting environments. Therefore, if the image acquisition environment changes, different results may be obtained. Third, particle image velocimetry requires extensive use of tracers such as fluorescent particles. Otherwise, there will be spaces in the image without fluorescent particles, resulting in inappropriate velocity fields being estimated.
본 발명은 유체의 흐름을 효과적으로 분석할 수 있는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for effectively analyzing fluid flow.
본 발명은 유체의 흐름을 효과적으로 분석할 수 있는 장치를 제공한다. The present invention provides a device that can effectively analyze the flow of fluid.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해 질 것이다.Other objects of the present invention will become clear from the following detailed description and accompanying drawings.
본 발명의 실시예들에 따른 흐름 분석 방법은, 마이크로채널 내 유체의 흐름을 분석하는 방법으로서, 상기 유체의 흐름을 연속으로 기록하는 복수의 프레임을 포함하는 흐름 이미지를 획득하는 단계, 상기 복수의 프레임의 각 프레임에서 상기 흐름의 특징을 감지하는 단계, 및 상기 복수의 프레임 중 연속되는 두 프레임에서 각각 감지된 특징을 서로 매칭하는 단계를 포함한다.A flow analysis method according to embodiments of the present invention is a method of analyzing the flow of fluid in a microchannel, comprising the steps of acquiring a flow image including a plurality of frames continuously recording the flow of the fluid, the plurality of It includes detecting features of the flow in each frame, and matching features detected in two consecutive frames among the plurality of frames.
상기 복수의 프레임은 연속되는 제1 프레임과 제2 프레임을 포함할 수 있고, 상기 매칭 단계에서 상기 제1 프레임에서 감지된 특징과 상기 제2 프레임에서 감지된 특징이 서로 매칭될 수 있다.The plurality of frames may include consecutive first frames and second frames, and in the matching step, features detected in the first frame and features detected in the second frame may be matched to each other.
상기 유체는 형광 입자를 포함할 수 있고, 상기 형광 입자는 상기 제1 프레임에서 제1 특징점으로 나타날 수 있고, 상기 제2 프레임에서 제2 특징점으로 나타날 수 있다.The fluid may include fluorescent particles, and the fluorescent particles may appear as a first feature point in the first frame and may appear as a second feature point in the second frame.
상기 매칭 단계는 상기 제1 특징점과 상기 제2 특징점을 이용하여 상기 형광 입자의 속도를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.The matching step may include calculating the speed of the fluorescent particle using the first feature point and the second feature point.
상기 흐름 이미지 획득 단계에서, 상기 마이크로채널은 상기 유체의 흐름 방향에 대하여 반대 방향으로 이동될 수 있다.In the flow image acquisition step, the microchannel may be moved in a direction opposite to the flow direction of the fluid.
상기 유체는 폴리머 용액을 포함할 수 있다.The fluid may include a polymer solution.
본 발명의 실시예들에 따른 흐름 분석 장치는, 형광 현미경, 상기 형광 현미경에 배치되고 마이크로채널을 갖는 마이크로채널 구조체, 상기 마이크로채널에 연결되어 상기 마이크로채널에 유체를 주입하는 유체 주입기, 상기 마이크로채널 구조체에 인접하게 배치되고 상기 마이크로채널 내 상기 유체의 흐름을 기록하는 흐름 이미지를 생성하는 고속 카메라, 및 상기 마이크로채널 구조체에 연결되고 상기 마이크로채널 구조체를 이동시키는 선형 액추에이터를 포함한다.A flow analysis device according to embodiments of the present invention includes a fluorescence microscope, a microchannel structure disposed on the fluorescence microscope and having a microchannel, a fluid injector connected to the microchannel to inject fluid into the microchannel, and the microchannel. It includes a high-speed camera disposed adjacent to the structure and generating a flow image that records the flow of the fluid within the microchannel, and a linear actuator connected to the microchannel structure and moving the microchannel structure.
상기 선형 액추에이터는 상기 마이크로채널 내 상기 유체의 흐름 방향과 반대 방향으로 상기 마이크로채널 구조체를 이동시킬 수 있다.The linear actuator may move the microchannel structure in a direction opposite to the flow direction of the fluid in the microchannel.
상기 흐름 이미지는 상기 유체의 흐름을 연속으로 기록하는 복수의 프레임을 포함할 수 있다.The flow image may include a plurality of frames that continuously record the flow of the fluid.
본 발명의 실시예들에 따르면 유체의 흐름을 효과적으로 분석할 수 있다. 예를 들어, 폴리머 용액과 같이 점성이 높은 유체나 항복 응력을 갖는 유체의 마이크로채널 내 속도 프로파일을 구할 수 있다.According to embodiments of the present invention, the flow of fluid can be effectively analyzed. For example, the velocity profile within a microchannel of a highly viscous fluid such as a polymer solution or a fluid with a yield stress can be obtained.
도 1은 마이크로채널의 단면을 나타낸다.
도 2는 마이크로채널의 실제 이미지를 나타낸다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 흐름 분석 장치를 나타낸다.
도 5는 흐름 분석 장치에 의해 획득한 폴리머 마이크로겔 용액의 흐름 이미지를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 흐름 분석 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 흐름 분석 방법에 의한 분석 결과를 나타낸다.
도 8은 폴리머 용액의 레오메트리 결과를 나타낸다.
도 9는 허쉘-벌클리 모델을 사용한 계산 추정에 의한 속도 프로파일과 실험 측정에 의한 속도 프로파일을 비교하여 나타낸다.
도 10은 멱법칙 모델을 사용한 계산 추정에 의한 속도 프로파일과 실험 측정에 의한 속도 프로파일을 비교하여 나타낸다.
도 11은 마이크로채널의 높이에 따른 속도 프로파일을 나타낸다.Figure 1 shows a cross section of a microchannel.
Figure 2 shows an actual image of the microchannel.
3 and 4 show a flow analysis device according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows a flow image of a polymer microgel solution obtained by a flow analysis device.
Figure 6 is a diagram for explaining a flow analysis method according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows analysis results by a flow analysis method according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 shows the rheometry results of the polymer solution.
Figure 9 shows a comparison between the velocity profile obtained by computational estimation using the Herschel-Bulkley model and the velocity profile obtained by experimental measurement.
Figure 10 shows a comparison between the velocity profile obtained from computational estimation using a power law model and the velocity profile obtained from experimental measurements.
Figure 11 shows the velocity profile according to the height of the microchannel.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. The purpose, features, and advantages of the present invention will be easily understood through the following examples. The present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. The embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed content is thorough and complete and that the idea of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains. Accordingly, the present invention should not be limited by the following examples.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 요소들(elements)을 기술하기 위해서 사용되었지만, 상기 요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어들은 단지 상기 요소들을 서로 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. Although terms such as first and second are used in this specification to describe various elements, the elements should not be limited by these terms. These terms are merely used to distinguish the elements from one another.
[마이크로채널 구조체][Microchannel structure]
도 1은 마이크로채널 구조체의 단면을 나타내고, 도 2는 마이크로채널 구조체의 실제 이미지를 나타낸다. Figure 1 shows a cross-section of the microchannel structure, and Figure 2 shows an actual image of the microchannel structure.
도 1 및 도 2를 참조하면, 마이크로채널 구조체는 마이크로채널을 갖는다. 상기 마이크로채널 구조체는 PDMS로 제조될 수 있다. PDMS는 투명하기 때문에 마이크로채널 내 유체의 흐름을 관찰할 수 있다. 마이크로채널 구조체는 상단부와 하단부로 구성되며, 제조 과정은 다음과 같다. PDMS 엘라스토머 베이스와 실리콘 엘라스토머 경화제를 10:1의 비율로 혼합한다. 혼합물에 갇힌 공기는 진공 챔버에 의해 탈기된다. 몰드는 에폭시 기반 네거티브 포토레지스트인 SU-8의 UV 포토리소그래피에 의해 제조되며, 패턴은 200㎛×200 ㎛×150㎜(너비×높이×길이)의 마이크로채널이다. 몰드보다 약간 큰 페트리 접시에 몰드를 배치한다. 페트리 접시는 PDMS가 접시에 달라붙는 것을 방지하기 위해 알루미늄 호일로 덮여 있다. PDMS 혼합물을 포지티브 몰드에 캐스팅하여 상기 마이크로채널 구조체의 상단부(top part)를 얻는다. 상기 마이크로채널 구조체의 하단부(bottom part)는 몰드 대신 평평한 웨이퍼를 사용하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 제조된다. 상기 마이크로채널 구조체의 상단부와 하단부는 65℃에서 6시간 동안 경화된다. 상기 상단부 및 하단부를 슬라이드 유리(76mm×26mm)보다 약간 작은 크기로 절단한 다음 슬라이딩 유리 위에 적층한다. 플라즈마 처리를 500mTorr에서 3분 동안 수행하여 상단부, 하단부 및 슬라이드 유리를 조립한다. 조립성을 높이기 위해 180℃에서 2시간 동안 경화를 진행한다. 이에 의해 투명한 마이크로채널 구조체가 제조된다.Referring to Figures 1 and 2, the microchannel structure has microchannels. The microchannel structure may be made of PDMS. Because PDMS is transparent, the flow of fluid within the microchannel can be observed. The microchannel structure consists of an upper part and a lower part, and the manufacturing process is as follows. Mix PDMS elastomer base and silicone elastomer curing agent at a ratio of 10:1. Air trapped in the mixture is degassed by a vacuum chamber. The mold is manufactured by UV photolithography of SU-8, an epoxy-based negative photoresist, and the pattern is a microchannel of 200 ㎛ × 200 ㎛ × 150 mm (width × height × length). Place the mold in a Petri dish slightly larger than the mold. The Petri dish is covered with aluminum foil to prevent PDMS from sticking to the dish. The top part of the microchannel structure is obtained by casting the PDMS mixture into a positive mold. The bottom part of the microchannel structure is manufactured in the same manner except that a flat wafer is used instead of a mold. The upper and lower portions of the microchannel structure are cured at 65°C for 6 hours. The upper and lower parts are cut to a size slightly smaller than the slide glass (76mm x 26mm) and then laminated on the sliding glass. Plasma treatment is performed at 500 mTorr for 3 minutes to assemble the top part, bottom part and slide glass. To improve assembly, curing is carried out at 180°C for 2 hours. As a result, a transparent microchannel structure is manufactured.
[[ 폴리머polymer 마이크로겔microgel 용액] solution]
폴리머 마이크로겔 용액은 카보폴 폴리머(Carbopol 941)로 제조될 수 있다. 상기 폴리머 마이크로겔 용액은 항복 응력 및 전단 희석 유체이기 때문에 배터리 음극 슬러리와 같은 코팅 용액과 유사한 특성을 갖는다. 상기 폴리머 마이크로겔 용액은 투명하므로 형광입자를 이용하여 마이크로채널 내 흐름 패턴을 쉽게 시각화할 수 있다. 상기 폴리머 마이크로겔 용액의 제조 과정은 다음과 같다. 폴리머(Carbopol 941) 분말을 디지털 오버헤드 교반기를 이용하여 150rpm의 혼합 속도로 하루 동안 2L의 탈이온수에 혼합한다. 폴리머 용액의 농도는 0.2wt%이고, pH는 3 ~ 4이다. 폴리머 마이크로겔은 중성 pH에서 극적으로 팽창하고, 팽창된 마이크로겔은 상기 폴리머 용액 내부에 미세 구조를 구성하여 점도를 증가시킬뿐만 아니라 용액의 항복 응력을 유발한다. 따라서 상기 폴리머 용액의 pH가 6 ~ 8이 될 때까지 20wt%의 NaOH 용액을 상기 폴리머 용액에 첨가한다. 상기 폴리머 용액을 3시간 동안 교반하고 pH가 6 ~ 8 범위 내인지 확인한다. 상기 폴리머 용액의 흐름 패턴을 조사하기 위해 형광 입자(0.50μm)를 상기 폴리머 용액에 첨가한다. 예를 들어, 형광 입자의 부피 분율은 약 0.0025%이다.Polymeric microgel solutions can be prepared from Carbopol polymer (Carbopol 941). The polymer microgel solution has similar properties to coating solutions such as battery cathode slurries because it is a yield stress and shear thinning fluid. Since the polymer microgel solution is transparent, the flow pattern within the microchannel can be easily visualized using fluorescent particles. The manufacturing process of the polymer microgel solution is as follows. The polymer (Carbopol 941) powder was mixed in 2 L of deionized water for one day at a mixing speed of 150 rpm using a digital overhead stirrer. The concentration of the polymer solution is 0.2 wt% and the pH is 3 to 4. Polymer microgels swell dramatically at neutral pH, and the swollen microgels form microstructures inside the polymer solution, which not only increases the viscosity but also causes the yield stress of the solution. Therefore, 20 wt% NaOH solution is added to the polymer solution until the pH of the polymer solution reaches 6 to 8. Stir the polymer solution for 3 hours and check whether the pH is within the range of 6 to 8. To investigate the flow pattern of the polymer solution, fluorescent particles (0.50 μm) are added to the polymer solution. For example, the volume fraction of fluorescent particles is about 0.0025%.
[흐름 분석 장치][Flow analysis device]
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 흐름 분석 장치를 나타낸다.3 and 4 show a flow analysis device according to an embodiment of the present invention.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 흐름 분석 장치는 시린지 펌프(syringe pump), 형광 현미경(fluorescent microscopy) 및 고속 카메라(high speed camera)를 포함한다.3 and 4, the flow analysis device includes a syringe pump, a fluorescence microscope, and a high speed camera.
상기 시린지 펌프는 유체 주입기로서 폴리머 용액을 800㎕/h의 유량으로 상기 형광 현미경에 배치된 마이크로채널 구조체의 마이크로채널에 주입한다. 상기 현미경은 도립형 현미경일 수 있다. 흐름 이미지는 형광 입자의 방출 파장이 407nm이기 때문에 현미경 내부에 다피 필터(Dapi filter)를 장착하여 얻는다. 상기 현미경은 1.5픽셀/㎛의 공간 해상도를 제공하는 20배 대물 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 고속 카메라는 현미경에 부착되어 폴리머 용액의 흐름을 순차적으로 기록하는 흐름 이미지를 생성한다. 상기 흐름 이미지는 상기 유체의 흐름을 연속으로 기록하는 복수의 프레임을 포함한다. 예를 들어, 노출 시간은 10㎲, 픽셀 해상도는 320x2048, 프레임 속도는 초당 500 프레임으로 설정될 수 있다.The syringe pump is a fluid injector that injects the polymer solution into the microchannel of the microchannel structure disposed in the fluorescence microscope at a flow rate of 800 μl/h. The microscope may be an inverted microscope. Flow images are obtained by installing a Dapi filter inside the microscope because the emission wavelength of fluorescent particles is 407 nm. The microscope may include a 20x objective lens providing a spatial resolution of 1.5 pixels/μm. The high-speed camera is attached to a microscope and produces flow images that sequentially record the flow of the polymer solution. The flow image includes a plurality of frames that continuously record the flow of the fluid. For example, exposure time can be set to 10㎲, pixel resolution to 320x2048, and frame rate to 500 frames per second.
상기 흐름 분석 장치는 도립형 현미경을 사용하기 때문에 마이크로채널의 길이 방향을 따라 흐름을 관찰할 수 있다. 상기 폴리머 용액의 3D 흐름을 조사하기 위해 상기 현미경의 초점면을 높이 방향에 따라 변경하여 마이크로채널의 5개 섹션을 기록한다.Since the flow analysis device uses an inverted microscope, flow can be observed along the longitudinal direction of the microchannel. To investigate the 3D flow of the polymer solution, five sections of the microchannel were recorded by changing the focal plane of the microscope along the height direction.
상기 마이크로채널 구조체에 선형 액추에이터가 연결된다. 상기 선형 액추에이터는 일정한 속도로 흐름 방향의 반대 방향으로 상기 마이크로채널 구조체를 이동시킨다. 이에 의해 상기 폴리머 용액 내 형광 입자의 관찰되는 속도를 늦출 수 있고 선명한 흐름 이미지를 얻을 수 있으며 상기 형광 입자를 명확하게 식별할 수 있다. 상기 선형 액추에이터의 속도는 선명한 흐름 이미지를 얻을 때까지 3.5 ~ 6.5mm/s의 범위에서 조정될 수 있다.A linear actuator is connected to the microchannel structure. The linear actuator moves the microchannel structure in a direction opposite to the flow direction at a constant speed. As a result, the observed speed of the fluorescent particles in the polymer solution can be slowed, a clear flow image can be obtained, and the fluorescent particles can be clearly identified. The speed of the linear actuator can be adjusted in the range of 3.5 to 6.5 mm/s until a clear flow image is obtained.
도 5는 흐름 분석 장치에 의해 획득한 폴리머 마이크로겔 용액의 흐름 이미지를 나타낸다. 도 5의 상부 이미지는 선형 액추에이터를 사용하지 않은 경우의 흐름 이미지를 나타내고, 도 5의 하부 이미지는 선형 액추에이터를 사용한 경우의 흐름 이미지를 나타낸다. Figure 5 shows a flow image of a polymer microgel solution obtained by a flow analysis device. The upper image of FIG. 5 represents a flow image when a linear actuator is not used, and the lower image of FIG. 5 represents a flow image when a linear actuator is used.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에서는 폴리머 용액의 유량이 800㎕/h으로 커서 상기 폴리머 용액의 흐름 내에서 상기 형광 입자가 고속으로 이동하기 때문에 고속 카메라를 사용하여도 선명한 흐름 이미지를 얻기 어렵다. 그러나, 선형 액추에이터를 사용하여 폴리머 용액의 흐름에 상대 속도의 개념을 적용하면 선명한 흐름 이미지를 얻을 수 있다.Referring to FIG. 5, in the embodiment of the present invention, the flow rate of the polymer solution is as large as 800 μl/h and the fluorescent particles move at high speed within the flow of the polymer solution, so a clear flow image can be obtained even using a high-speed camera. difficult. However, by applying the concept of relative velocity to the flow of polymer solutions using linear actuators, clear flow images can be obtained.
[흐름 분석 방법][Flow analysis method]
폴리머 용액은 항복 응력 유체이며 높은 점도를 갖는다. 따라서, 많은 양의 형광 입자가 폴리머 용액에 첨가되면 폴리머 용액의 물리적 특성을 변화시킬 수 있으며, 폴리머 용액의 높은 점도로 인해 형광 입자가 모여서 응집될 수 있다. 따라서 폴리머 용액의 흐름을 분석하는 경우에는 소량의 형광 입자(2L 용액에 대하여 몇 방울)를 사용해야 하므로 종래의 입자 이미지 속도계를 사용하기 어렵다.Polymer solutions are yield stress fluids and have high viscosity. Therefore, when a large amount of fluorescent particles are added to a polymer solution, the physical properties of the polymer solution may change, and the high viscosity of the polymer solution may cause the fluorescent particles to gather and aggregate. Therefore, when analyzing the flow of a polymer solution, a small amount of fluorescent particles (a few drops per 2L solution) must be used, making it difficult to use a conventional particle image velocimeter.
본 발명의 실시예들에 따른 흐름 분석 방법은 특징을 감지하여 흐름 이미지에서 속도 프로파일을 추정한다. 특징점을 감지한 후 특징 매칭 과정을 통해 연속적인 프레임 사이의 입자 이동을 추적하고, 매칭을 기반으로 변위와 비디오 프레임 속도를 곱하여 입자의 속도를 추정한다. 상기 흐름 분석 방법은 이미지 획득 단계,특징 감지 단계, 및 특징 매칭 단계를 포함한다.The flow analysis method according to embodiments of the present invention detects features and estimates a velocity profile from a flow image. After detecting feature points, the movement of particles between successive frames is tracked through a feature matching process, and based on matching, the velocity of the particle is estimated by multiplying the displacement by the video frame rate. The flow analysis method includes an image acquisition step, a feature detection step, and a feature matching step.
1) 이미지 획득 단계1) Image acquisition step
마이크로채널 내 폴리머 용액의 흐름을 순차적으로 기록하는 흐름 이미지를 획득한다. 상기 흐름 이미지에 대하여 전처리를 수행하여 노이즈를 제거한다. 예를 들어, 노이즈는 윈도우 크기가 3x3 픽셀인 중앙값 필터를 사용하여 제거될 수 있다. 프레임의 경계에서 특징점이 잘 감지되지 않기 때문에 영상에 제로 패딩을 수행하여 영상의 상부 및 하부 경계로부터 관측된 흐름 이미지를 이격시킨다. 도 6의 (a1) 및 (a2)는 전처리된 연속 프레임을 보여준다. 상기 연속 프레임은 제1 프레임(Frame n)과 제2 프레임(Frame n+1)으로 표현될 수 있다. 도 6에서 황색 선은 마이크로채널을 명확하게 표시하기 위한 가상 선으로 마이크로채널의 벽을 나타낸다.Flow images are acquired that sequentially record the flow of the polymer solution within the microchannel. Preprocessing is performed on the flow image to remove noise. For example, noise can be removed using a median filter with a window size of 3x3 pixels. Because feature points are not easily detected at the border of the frame, zero padding is performed on the image to separate the observed flow image from the upper and lower boundaries of the image. Figures 6 (a1) and (a2) show preprocessed consecutive frames. The consecutive frames can be expressed as a first frame (Frame n) and a second frame (Frame n+1). In Figure 6, the yellow line is an imaginary line to clearly indicate the microchannel and represents the wall of the microchannel.
2) 특징 감지 단계 2) Feature detection step
특징 감지는 개별 프레임에서 수행된다. 특징점은 특징 감지 알고리즘, 예를 들어, ORB(Oriented FAST 및 rotated BRIEF)를 사용하여 추정될 수 있다. 형광 입자의 위치를 잘 지정할 수 있는 다양한 특징 감지 방법을 사용하는 것이 가능하다. 도 6의 (b1) 및 (b2)는 두 개의 연속 프레임에서 감지된 특징점의 위치를 나타낸다. 제1 프레임(Frame n)에서 감지된 제1 특징점은 적색으로 표시되고, 제2 프레임(Frame n+1)에서 감지된 제2 특징점은 청록색으로 표시된다. 개별 프레임 당 약 5,000개의 특징점이 감지되었지만 명확성을 위해 200개의 특징점만 표시되었다.Feature detection is performed on individual frames. Feature points can be estimated using a feature detection algorithm, for example, ORB (Oriented FAST and rotated BRIEF). It is possible to use a variety of feature detection methods that can well specify the location of fluorescent particles. Figures 6 (b1) and (b2) show the positions of feature points detected in two consecutive frames. The first feature point detected in the first frame (Frame n) is displayed in red, and the second feature point detected in the second frame (Frame n+1) is displayed in cyan color. Approximately 5,000 feature points were detected per individual frame, but only 200 feature points are displayed for clarity.
3) 특징 매칭 단계3) Feature matching step
연속 프레임의 특징을 매칭한다. 예를 들어, MATLAB®2020b 내장 함수 "matchFeatures"를 사용하여 특징을 매칭할 수 있다. 매개변수 'MatchThreshold'는 99%로 설정되었고, 다른 매개변수는 기본값을 이용하였다. 도 6의 (c1)은 (b1) 및 (b2)의 융합된 이미지로서 특징 매칭의 결과를 보여준다. 도 6의 (c2)는 (c1)의 청색 박스의 확대 이미지를 보여준다. 제1 프레임의 제1 특징점과 제2 프레임의 제2 특징점을 매칭하여 형광입자를 추적한다. 형광 입자의 움직임은 유체의 흐름 방향에서 지배적이어야 하므로 추정 속도가 흐름 방향에 대하여 수직인 방향으로 큰 값을 가질 경우 매칭에서 제외한다. 매칭되는 제1 특징점과 제2 특징점 사이의 이동 거리와 두 프레임 간 시간을 이용하여 형광 입자의 속도를 추정한다.Match the features of consecutive frames. For example, you can use the MATLAB®2020b built-in function "matchFeatures" to match features. The parameter 'MatchThreshold' was set to 99%, and other parameters used default values. Figure 6 (c1) is a fused image of (b1) and (b2) and shows the result of feature matching. Figure 6 (c2) shows an enlarged image of the blue box in (c1). Fluorescent particles are tracked by matching the first feature point of the first frame and the second feature point of the second frame. Since the movement of fluorescent particles must be dominant in the fluid flow direction, if the estimated velocity has a large value in the direction perpendicular to the flow direction, it is excluded from matching. The speed of the fluorescent particle is estimated using the moving distance between the matched first and second feature points and the time between two frames.
특징 감지와 특징 매칭은 모든 연속 프레임에 대하여 수행되며 측정된 속도는 마이크로채널의 개별 높이에서 평균화된다. 다양한 실험 측정과 계산 추정을 통하여 흐름 분석 장치에 의한 실험 측정값이 계산 추정값보다 항상 작게 나타나는 것으로 확인되었고, 이는 마이크로채널과 유체의 굴절률 및 저배율 또는 초점면이 채널의 높이 방향을 따라 두꺼운 영역을 포착할 수 있기 때문이다. 따라서 측정 속도에 보정 인자(예를 들어, 1.15)를 곱하여 측정값을 보정하고, 이에 의해 속도계의 측정값과 계산 추정값이 일치하게 된다. 속도는 로 표시된다. Feature detection and feature matching are performed for every consecutive frame and the measured velocities are averaged over the individual heights of the microchannel. Through various experimental measurements and computational estimates, it was confirmed that the experimental measurements by the flow analysis device are always smaller than the calculated estimates, which is due to the refractive index of the microchannel and the fluid and the low magnification or thick area along the height direction of the channel. Because you can. Therefore, the measured value is corrected by multiplying the measured speed by a correction factor (e.g., 1.15), thereby making the measured value of the speedometer and the calculated estimate match. The speed is It is displayed as .
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 흐름 분석 방법에 의한 분석 결과를 나타낸다. 선형 액추에이터에 의해 마이크로채널 구조체가 흐름의 반대 방향으로 이동하기 때문에 에 액추에이터의 속도를 더하여 유속 가 된다. 도 7(b)는 선형 액추에이터의 속도가 6.2mm/s인 경우의 결과를 보여준다. 슬립 속도()는 도 7(b)와 같이 채널의 상단과 하단에서 두 개의 속도를 평균하여 추정되었다. 에서 를 뺀 후 도 7(c)와 같이 명확한 속도 프로파일을 얻기 위해 11개 점 또는 23개 점의 이동 평균을 수행하였다.Figure 7 shows analysis results by a flow analysis method according to an embodiment of the present invention. Because the microchannel structure moves in the opposite direction of the flow by the linear actuator, Add the speed of the actuator to the flow rate It becomes. Figure 7(b) shows the results when the speed of the linear actuator is 6.2 mm/s. slip speed ( ) was estimated by averaging the two velocities at the top and bottom of the channel, as shown in Figure 7(b). at After subtracting, a moving average of 11 or 23 points was performed to obtain a clear velocity profile as shown in Figure 7(c).
[[ 레오메트리rheometry (( RheometryRheometry )])]
마이크로채널 내부의 항복 응력 유체의 슬립 거동 효과를 설명하기 위해 실험 속도계의 속도 프로파일을 수치 계산의 속도 프로파일과 비교한다. 계산에는 유변학적 특성을 포함한 재료 정보가 필요하다. 따라서 형광 입자가 포함된 폴리머(Carbopol 941) 마이크로겔 용액의 유변학적 특성을 측정하였다. 측정은 40mm 평행 플레이트가 있는 응력 제어 레오미터(stress-controlled rheometer)를 사용하여 수행되었으며, 플레이트 사이의 간격은 마이크로채널 높이의 절반인 100㎛였다. 측정 중에 발생하는 슬립을 방지하기 위해 샌드 블라스트(sand-blast) 재질의 플레이트를 이용하였다. 유변학적 특성을 측정하기 전에, 유체의 유변학적 이력을 제거하기 위해 30초 동안 50/s의 속도로 샘플을 사전 전단한 후 1분 이완하였다. 그 후 전단 속도를 0.01/s에서 100/s로 증가시키면서 측정하고, 이어서 전단 속도를 감소시키면서 측정하였다.To explain the effect of the slip behavior of the yield stress fluid inside the microchannel, the velocity profile from the experimental velocimeter is compared with the velocity profile from the numerical calculation. Calculations require material information including rheological properties. Therefore, the rheological properties of a polymer (Carbopol 941) microgel solution containing fluorescent particles were measured. Measurements were performed using a stress-controlled rheometer with 40 mm parallel plates, and the spacing between the plates was 100 μm, which is half the height of the microchannel. A plate made of sand-blast material was used to prevent slip that occurred during measurement. Before measuring the rheological properties, the samples were pre-sheared at a rate of 50/s for 30 s and then relaxed for 1 min to eliminate the rheological history of the fluid. Afterwards, measurements were made while increasing the shear rate from 0.01/s to 100/s, and then measurements were made while decreasing the shear rate.
[수치 계산][Numerical calculation]
수치 계산은 소프트웨어(Goma)를 사용하여 수행되었다. 상기 소프트웨어는 정상 상태에서 질량 및 운동량 균형을 추정하기 위해 유한 요소 방법을 사용한다. 속도 장을 근사하기 위해 2차 연속 기저 함수가 사용되었다. 선형 불연속 기저 함수는 압력 장을 근사하는데 사용되었다. 수치 계산에서 마이크로채널 내부의 폴리머(Carbopol 941) 마이크로겔 용액의 흐름이 모방되었고, 유체의 구성 방정식은 허쉘-벌클리(Herschel-Bulkley) 모델과 멱법칙(power law) 모델에 의해 모델링되었다. 모델 매개변수는 후술하는 도 8의 유동 측정 데이터에서 얻었다. 또, 슬립 경계 조건(slip boundary conditions)과 노-슬립 경계 조건(no-slip boundary conditions)을 모두 고려하였다. 슬립 경계 조건에서는 마이크로채널의 높이에 대한 슬립 속도, 를 결정하였다. 노-슬립 조건의 입구 유량()은 슬립 속도에 따른 유량의 양을 보정하기 위해 식 1과 같이 수정되었다.Numerical calculations were performed using software (Goma). The software uses the finite element method to estimate mass and momentum balance at steady state. A second-order continuous basis function was used to approximate the velocity field. A linear discontinuous basis function was used to approximate the pressure field. In numerical calculations, the flow of a polymer (Carbopol 941) microgel solution inside a microchannel was imitated, and the constitutive equation of the fluid was modeled by the Herschel-Bulkley model and the power law model. Model parameters were obtained from the flow measurement data in FIG. 8 described below. In addition, both slip boundary conditions and no-slip boundary conditions were considered. For slip boundary conditions, the slip rate versus the height of the microchannel, decided. Inlet flow rate under no-slip conditions ( ) was modified as in Equation 1 to correct the amount of flow rate according to the slip speed.
[식 1][Equation 1]
[식 2][Equation 2]
식 1 및 2에서,는 시린지 펌프에 의해 제어되는 실험 유량, 는 높이-평균 슬립 속도, A는 채널의 단면적, 그리고 H는 채널의 높이를 나타낸다.In equations 1 and 2, is the experimental flow rate controlled by the syringe pump, is the height-average slip velocity, A is the cross-sectional area of the channel, and H is the height of the channel.
3D 마이크로채널을 고려했기 때문에 슬립 거동은 높이 방향에서뿐만 아니라 폭 방향에서도 다양해야 한다. 그러나 시각화 및 유속계의 한계로 인해 높이 방향에 대해서만 속도 프로파일을 얻을 수 있었다. 따라서 슬립 속도를 높이의 함수로 간주하였다. 비선형 시스템의 이산화 방정식 시스템을 풀기 위해 뉴턴 방법을 사용했으며, 잔차(residual norm)가 5×10-7 아래로 감소할 때까지 반복적으로 수행하였다.Since 3D microchannels are considered, the slip behavior should vary not only in the height direction but also in the width direction. However, due to limitations in visualization and velocimetry, velocity profiles could only be obtained for the height direction. Therefore, slip speed was considered as a function of height. Newton's method was used to solve the discretized equation system of the nonlinear system, and it was performed repeatedly until the residual norm decreased below 5×10 -7 .
도 8은 폴리머 용액의 레오메트리 결과를 나타낸다. Figure 8 shows the rheometry results of the polymer solution.
도 8을 참조하면, 낮은 전단 속도를 제외하고 전단 속도의 업스위프(upsweep)와 다운스위프(downsweep) 사이의 이력현상이 거의 무시될 수 있다. 폴리머(Carbopol 941) 용액은 항복 응력 유체이기 때문에 허쉘-벌클리(Herschel-Bulkley) 모델에 의해 유변학적 특성을 식 3과 같이 모델링 할 수 있다.Referring to Figure 8, except at low shear rates, the hysteresis between upsweep and downsweep of shear rate can be almost ignored. Since the polymer (Carbopol 941) solution is a yield stress fluid, its rheological properties can be modeled by the Herschel-Bulkley model as shown in Equation 3.
[식 3][Equation 3]
식 3에서, 는 전단 응력(shear stress), 은 항복 응력(yield stress), 는 전단 속도(shear rate), K는 점조도 지수(consistency index), 그리고 n은 유동 지수(flow behavior index)를 나타낸다.In equation 3, is the shear stress, is the yield stress, represents the shear rate, K represents the consistency index, and n represents the flow behavior index.
도 8에 기반하여, 최소제곱법을 사용하여 , K, 및 n을 추산하면, 는 4.893Pa, K는 7.11Pa·S, n은 0.436이다. 이러한 유변학적 매개변수는 거시적 유변학적 특성을 나타낸다. 그러나 마이크로채널 내부의 유변학적 특성은 거시적 특성과 크게 다르다. 따라서 마이크로채널 내부의 대표 전단 속도 근처에서 멱법칙 모델의 매개 변수를 추정하였다. 멱법칙 모델은 식 4와 같다.Based on Figure 8, using the least squares method Estimating , K, and n, we get is 4.893Pa, K is 7.11Pa·S, and n is 0.436. These rheological parameters represent macroscopic rheological properties. However, the rheological properties inside the microchannel are significantly different from the macroscopic properties. Therefore, the parameters of the power law model were estimated near the representative shear rate inside the microchannel. The power law model is as shown in Equation 4.
[식 4][Equation 4]
대표 전단 속도()는 식 5에 의해 계산될 수 있다.Representative shear rate ( ) can be calculated by Equation 5.
[식 5][Equation 5]
식 5에서 , H/2는 채널의 중앙에서 벽까지의 높이를 나타낸다.In Equation 5, H/2 represents the height from the center of the channel to the wall.
식 5에 Qsp = 800㎕/h, A = 2002㎛2, H = 200㎛를 치환하면 은 약 55.56/s가 된다.Substituting Q sp = 800㎕/h, A = 200 2 ㎛ 2 , H = 200㎛ into Equation 5, becomes approximately 55.56/s.
따라서 구성 방정식의 매개변수를 추정하기 위해 (도 8의 적색 박스) 데이터를 사용할 수 있다. 최소제곱법에 근거하여 K = 3.705Pa·S이고, n = 0.512이었다. 계산에서 거시적 및 미시적 구성 방정식의 두 가지 다른 모델을 사용하였다.Therefore, to estimate the parameters of the constitutive equation (Red box in FIG. 8) data can be used. Based on the least squares method, K = 3.705Pa·S and n = 0.512. Two different models of macroscopic and microscopic constitutive equations were used in the calculations.
도 9는 허쉘-벌클리 모델을 사용한 계산 추정에 의한 속도 프로파일과 입자 이미지 유속계에 의한 속도 프로파일을 비교하여 나타내고, 도 10은 멱법칙 모델을 사용한 계산 추정에 의한 속도 프로파일과 입자 이미지 유속계에 의한 속도 프로파일을 비교하여 나타낸다. 도 9 및 도 10에서 적색 점은 5회 실험에 의한 평균값을 나타낸다. 도 9에서 흑색 실선은 허쉘-벌클리 모델을 사용했을 때 수치 계산에 의해 추정된 속도 프로파일을 나타내고, 도 10에서 흑색 실선은 멱법칙 모델을 사용했을 때 수치 계산에 의해 추정된 속도 프로파일을 나타낸다.Figure 9 shows a comparison between the velocity profile based on calculation estimation using the Herschel-Bulkley model and the velocity profile using particle image velocimetry, and Figure 10 shows the velocity profile based on calculation estimation using the power law model and the velocity using particle image velocimetry. The profiles are compared and displayed. In Figures 9 and 10, the red dot represents the average value from 5 experiments. In FIG. 9, the solid black line represents the velocity profile estimated by numerical calculation when using the Herschel-Bulkley model, and in FIG. 10, the solid black line represents the velocity profile estimated by numerical calculation when using the power law model.
도 9를 참조하면, 허쉘-벌클리 모델을 사용한 계산 추정값과 입자 이미지 유속계로 확보된 값 사이에 큰 차이를 보인다. 이는 높은 유량(800㎕/h)에도 불구하고 거시적 유변학적 특성이 마이크로채널 내부의 특성과 크게 다를 수 있음을 의미한다. Referring to Figure 9, there is a large difference between the calculated estimated value using the Herschel-Bulkley model and the value obtained by particle image velocimetry. This means that despite the high flow rate (800 μl/h), the macroscopic rheological properties can be significantly different from those inside the microchannel.
도 10을 참조하면, 멱법칙 모델을 사용한 계산 추정값과 실험 측정값이 비슷하게 나타난다. 도 9와 달리 도 10은 입자 이미지 유속계 데이터를 합리적으로 표현한다. 멱법칙 모델 매개변수는 대표 전단 속도 의 데이터에서 추산되었다. 모델은 간단하지만 구성 방정식을 사용하면 비국소적 효과를 갖는 마이크로채널 내부의 흐름을 합리적으로 예측할 수 있다. 따라서 마이크로채널 내부의 흐름을 고려할 때 대표 전단 속도에 가까운 유변학적 특성을 고려하는 것이 바람직하다.Referring to Figure 10, the calculated estimated value using the power law model and the experimental measured value appear similar. Unlike Figure 9, Figure 10 reasonably represents particle image velocimetry data. The power law model parameter is the representative shear rate It was estimated from the data of Although the model is simple, the constitutive equations allow reasonable prediction of the flow inside the microchannel with non-local effects. Therefore, when considering the flow inside a microchannel, it is desirable to consider rheological properties close to the representative shear rate.
도 11은 마이크로채널의 높이에 따른 속도 프로파일을 나타낸다. 슬립 경계 조건과 노-슬립 경계 조건을 모두 고려하여 실험 측정에 의한 속도 프로파일과 계산 추정에 의한 속도 프로파일을 비교하였다. 상기 계산 추정에서는 멱법칙 모델을 사용하였다.Figure 11 shows the velocity profile according to the height of the microchannel. Considering both slip and no-slip boundary conditions, the velocity profile obtained from experimental measurements was compared with the velocity profile obtained from computational estimation. In the above calculation estimation, a power law model was used.
도 11을 참조하면, 유속계의 속도 프로파일이 슬립 경계 조건의 결과와 일치한다. 이는 마이크로채널 내부의 폴리머(Carbopol 941) 마이크로겔 용액의 흐름이 슬립 거동을 나타낸다는 것을 의미한다. 대조적으로, 노-슬립 경계 조건은 상대적으로 높은 전단 속도, 즉 높이 방향에 따른 속도 구배를 나타내며 채널 중심 근처의 속도 프로파일이 과도하게 예측된다. 따라서, 거시적 시스템과 달리 마이크로채널 내부의 흐름을 분석하기 위해서는 슬립 거동을 고려해야 한다.Referring to Figure 11, the velocity profile of the velocimeter matches the result of the slip boundary condition. This means that the flow of polymer (Carbopol 941) microgel solution inside the microchannel exhibits slip behavior. In contrast, no-slip boundary conditions exhibit relatively high shear rates, i.e. velocity gradients along the height direction, and the velocity profile near the channel center is overpredicted. Therefore, unlike macroscopic systems, slip behavior must be considered to analyze the flow inside a microchannel.
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, we have looked at specific embodiments of the present invention. A person skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a restrictive perspective. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope should be construed as being included in the present invention.
Claims (9)
상기 유체의 흐름을 연속으로 기록하는 복수의 프레임을 포함하는 흐름 이미지를 획득하는 단계;
상기 복수의 프레임의 각 프레임에서 상기 흐름의 특징을 감지하는 단계; 및
상기 복수의 프레임 중 연속되는 두 프레임에서 각각 감지된 특징을 서로 매칭하는 단계를 포함하고,
상기 흐름 이미지 획득 단계에서, 상기 마이크로채널은 상기 유체의 흐름 방향에 대하여 반대 방향으로 이동되는 것을 특징으로 하는 흐름 분석 방법.In a method of analyzing the flow of fluid in a microchannel,
Obtaining a flow image including a plurality of frames continuously recording the flow of the fluid;
detecting characteristics of the flow in each frame of the plurality of frames; and
Comprising the step of matching features detected in two consecutive frames among the plurality of frames,
In the flow image acquisition step, the microchannel is moved in a direction opposite to the flow direction of the fluid.
상기 복수의 프레임은 연속되는 제1 프레임과 제2 프레임을 포함하고,
상기 매칭 단계에서 상기 제1 프레임에서 감지된 특징과 상기 제2 프레임에서 감지된 특징이 서로 매칭되는 것을 특징으로 하는 흐름 분석 방법.According to claim 1,
The plurality of frames include consecutive first frames and second frames,
A flow analysis method, characterized in that in the matching step, the features detected in the first frame and the features detected in the second frame are matched with each other.
상기 유체는 형광 입자를 포함하고,
상기 형광 입자는 상기 제1 프레임에서 제1 특징점으로 나타나고, 상기 제2 프레임에서 제2 특징점으로 나타나는 것을 특징으로 하는 흐름 분석 방법.According to claim 2,
The fluid includes fluorescent particles,
The fluorescent particle appears as a first feature point in the first frame, and appears as a second feature point in the second frame.
상기 매칭 단계는 상기 제1 특징점과 상기 제2 특징점을 이용하여 상기 형광 입자의 속도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름 분석 방법. According to claim 3,
The matching step includes calculating the velocity of the fluorescent particle using the first feature point and the second feature point.
상기 유체는 폴리머 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름 분석 방법.According to claim 1,
A flow analysis method, wherein the fluid includes a polymer solution.
상기 형광 현미경에 배치되고 마이크로채널을 갖는 마이크로채널 구조체;
상기 마이크로채널에 연결되어 상기 마이크로채널에 유체를 주입하는 유체 주입기;
상기 마이크로채널 구조체에 인접하게 배치되고 상기 마이크로채널 내 상기 유체의 흐름을 기록하는 흐름 이미지를 생성하는 고속 카메라; 및
상기 마이크로채널 구조체에 연결되고 상기 마이크로채널 구조체를 이동시키는 선형 액추에이터를 포함하고,
상기 선형 액추에이터는 상기 마이크로채널 내 상기 유체의 흐름 방향과 반대 방향으로 상기 마이크로채널 구조체를 이동시키는 것을 특징으로 하는 흐름 분석 장치.fluorescence microscopy;
a microchannel structure disposed on the fluorescence microscope and having microchannels;
a fluid injector connected to the microchannel and injecting fluid into the microchannel;
a high-speed camera disposed adjacent to the microchannel structure and generating a flow image recording the flow of the fluid within the microchannel; and
Comprising a linear actuator connected to the microchannel structure and moving the microchannel structure,
The linear actuator is a flow analysis device characterized in that it moves the microchannel structure in a direction opposite to the flow direction of the fluid in the microchannel.
상기 흐름 이미지는 상기 유체의 흐름을 연속으로 기록하는 복수의 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름 분석 장치.According to claim 7,
The flow image is a flow analysis device characterized in that it includes a plurality of frames that continuously record the flow of the fluid.
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