KR20110037539A - 유체 점도 측정 장치 - Google Patents

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KR20110037539A
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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 연결되며 제 1 유체와 제 2 유체의 점도 차이에 의한 유체 경계면을 표시하기 위해 다수 개의 표시 채널이 형성되는 표시 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 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, 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 연결되며 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 점도 차이에 의한 유체 경계면을 표시하기 위해 다수 개의 표시 채널이 형성되는 표시 채널부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 및 제 2 주입구는 입구측에서 출구측으로 갈수록 단면적이 점점 작게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 표시 채널부의 상기 표시 채널들은 상기 유체 주입부와의 연결 부위를 중심으로 원주 형상으로 배열되며, 상기 표시 채널들은 반경 방향으로 유로가 형성될 수 있다.
또한, 상기 표시 채널들은 MEMS으로 채널의 단면적을 사각형 및 임의 형상으로 제작이 가능하다.
또한, 상기 표시 채널부는 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체에 의해 각각 채워지는 상기 표시 채널들의 개수를 표시하기 위하여 상기 표시 채널들 각각에 표시 포트가 마련될 수 있다.
여기서, 상기 표시 포트는 상기 표시 채널의 중간 부위에 원형 또는 다각형으로 형성될 수 있다.
상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체에 의해 각각 채워지는 상기 표시 채널의 개 수비를 이용하여 상기 제 1 유체의 점도를 측정할 수 있다.
상기 제 1 유체의 점성 계수는 이하 수학식에 기초하여 계산될 수 있다.
Figure 112009061364553-PAT00001
여기서,
Figure 112009061364553-PAT00002
와
Figure 112009061364553-PAT00003
는 각각 제 1 유체와 제 2 유체의 점성계수이고,
Figure 112009061364553-PAT00004
와
Figure 112009061364553-PAT00005
는 각각 제 1 유체와 제 2 유체에 의해 채워지는 표시 채널의 개수이다.
상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체에 의해 각각 채워지는 상기 표시 채널의 개수를 측정하기 위하여 상기 표시 채널 또는 상기 표시 포트들 각각에 전극이 마련되고 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체에 대한 각 전극의 저항 변화를 측정할 수 있도록 상기 전극과 연결되는 전극 측정부가 구비될 수 있다.
또한, 전극 측정부는 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체, 상기 제 1 유체와 상기 제 1 유체, 상기 제 2 유체와 상기 제 2 유체에 대한 각 전극의 저항값이 상이한 것을 이용하여 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 유체 경계면 위치를 측정할 수 있다.
여기서, 상기 표시 포트들은 상기 유체 주입부가 상기 표시 채널부와 연결되는 부위를 기준으로 대칭 형상을 가지며, 대칭 기준선으로 갈수록 각각의 상기 표시 채널에 대하여 출구 방향으로 오프셋(offset)된 위치에 배치되는 것이 바람직하다.
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 표시 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 경로를 형성하도록 가이드 하는 유체 가이드부, 상기 유체 가이드부와 연결되며 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 점도 차이에 의한 유체 경계면을 표시하기 위해 다수 개의 표시 채널이 형성되는 표시 채널부, 및 상기 표시 채널부와 연결되며 상기 표시 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 유체와 상기 제 2 유체의 점도 차이에 의한 유체 경계면을 표시하기 위해 다수 개의 표시 채널이 형성되는 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, 뉴턴 유체 뿐만 아니라, 혈액 등과 같은 비뉴턴 거동을 하는 유체에 대해서도 다양한 전단률에 대한 점도를 안정적으로 측정할 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 발 명은 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 알려주기 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 바람직한 실시예에 따른 유체 점도 측정 장치의 사시도, 도 2는 본 발명의 유체 점도 측정 장치를 개략적으로 도시한 구성도, 도 3은 도 2의 요부 확대도, 및 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 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), 표시 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 뉴턴 유체, 예컨대 SDS 용액(SDS solutions)일 경우에 제 2 유체(B)는 뉴턴 거동을 하는 초순수(DI water)를 사용하는 것이 바람직하다. 이에 대해서는 후술하는 도 8 내지 도 15를 참고한 실험예에서 구체적으로 설명하기로 한다.
아래 표 1은 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 경계면 안정성 테스트 실험 결과이다.
Figure 112009061364553-PAT00006
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 표면 장력(surface tension)의 비가 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 표시 채널부(30)의 입구 사이를 연결하며, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)가 유입되어 하나의 이동 경로를 형성하도록 가이드 하는 역할을 한다. 이때, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)는 섞이지 않은 상태로 유체 가이드부(20)를 통해 이동하게 된다.
표시 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 5 참조)을 표시하기 위해 다수 개의 표시 채널(C1,C2,...,Cn-1,Cn)이 형성된다. 이때, 표시 채널부(30)와 유체 가이드부(20) 사이에는 챔버(31) 공간을 형성하면서 이격되는 것이 바람직하다.
또한. 표시 채널들(C1,C2,...,Cn-1,Cn)은 유체 주입부(10)와의 연결 부위, 보다 구체적으로는 유체 주입부(10)와 연결되는 유체 가이드(20)를 중심으로 원주 형상으로 배열되고, 표시 채널들(C1,C2,...,Cn-1,Cn)은 반경 방향으로 직선 유로를 형성한다.
본 실시예에서, 표시 채널들(C1,C2,...,Cn-1,Cn)은 도 4에 도시된 바와 같이 사각형 단면을 가지는 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 표시 채널들(C1,C2,...,Cn-1,Cn)은 MEMS으로 채널의 단면적을 임의 형상으로 제작이 가능하다.
표시 채널부(30)는 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)에 의해 각각 채워지는 표시 채널들(C1,C2,...,Cn-1,Cn)의 개수(NA,NB)를 표시하기 위하여 표시 채널들(C1,C2,...,Cn-1,Cn) 각각에 표시 포트(P1,P2,...,Pn-1,Pn)가 마련될 수 있다.
표시 포트들(P1,P2,...,Pn-1,Pn)은 각 표시 채널들(C1,C2,...,Cn-1,Cn)의 대략 중간 부위에 표시 채널들(C1,C2,...,Cn-1,Cn) 보다 크게 원형 또는 다각형으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는, 각 표시 채널들(C1,C2,...,Cn-1,Cn)에 표시 포트들(P1,P2,...,Pn-1,Pn)을 형성하는 구성을 예시하였으나, 표시포트들(P1,P2,...,Pn-1,Pn)을 형성하지 않고 표시 채널들(C1,C2,...,Cn-1,Cn)만 형성하는 구성도 가능하다.
유체 유출부(40)는 표시 채널부(30)의 출구와 연결되며, 표시 채널부(30)를 통과한 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)가 유출되도록 유출구(41)가 형성된다.
또한, 유체 유출부(40)는 표시 채널부(30)와 대응되는 형상을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 표시 채널부(30)가 반원 형상을 가지는 경우 유체 유출부(40)는 표시 채널부(30)를 수용할 수 있는 크기의 반원 형상을 가지는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 유체 점도 측정 장치를 이용하여 유체의 점도를 측정하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 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 표시 채널부(30)로 이동하게 되고, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 상대적인 점도 차이에 의해 표시 채널들(C1,C2,...,Cn-1,Cn) 및 표시 포트들(P1,P2,...,Pn-1,Pn)이 제 1 유체(A)에 의해 NA개, 제 2 유체(B)에 의해 NB개 채워지게 된다.
이때, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)는 서로 섞이지 않으면서 원주 형상의 표시 채널부(30)의 중심점(a)까지 상대적인 점도 차이에 의하여 경계면(S)이 형성되고, 표시 채널부(30)의 중심점(a)부터 표시 채널들(C1,C2,...,Cn-1,Cn)의 끝점(b)을 지나서 유체 유출부(40)로 흐르게 된다.
제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)에 대하여 표시 채널부(30)의 중심점(a)에서 각각의 표시 채널들(C1,C2,...,Cn-1,Cn)의 끝범(B)까지의 압력강하(pressure drop)는 동일하다. 즉, 각 표시 채널들(C1,C2,...,Cn-1,Cn)의 압력강하(DP=Pa-Pb)는 일정하다.
제 1 유체(A)에 의해 표시 채널이 NA개 만큼 채워질 때 제 1 유체(A)의 주입량(QA)은,
Figure 112009061364553-PAT00007
이고,
제 2 유체(B)에 의해 표시 채널이 NB개 만큼 채워질 때 제 2 유체(B)의 주입유량(QB)은,
Figure 112009061364553-PAT00008
이다.
도 4에 도시된 사각형 단면을 가지는 표시 채널(C1,C2,...,Cn-1,Cn)에 대한 유체저항(Rf)은 Poiseuille flow 관계식을 이용하면, 압력강하(Dp) 와 유량(Q) 관계식은,
Figure 112009061364553-PAT00009
으로 표현되며, 사각형 단면을 가지는 표시 채널(C1,C2,...,Cn-1,Cn)에 대한 유체저항(Rf)은,
Figure 112009061364553-PAT00010
이다.
본 발명에서 표시 채널들(C1,C2,...,Cn-1,Cn)은 동일한 단면 형상을 가지므로 유체저항(Rf)은 아래 식(5)와 같이 오직 점성 계수(m)에만 비례관계를 갖는다.
Figure 112009061364553-PAT00011
만약, 동일한 유량(Q)으로 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)를 주입하면,
Figure 112009061364553-PAT00012
의 관계식으로부터, 식 (1), (2)를 이용하면,
Figure 112009061364553-PAT00013
이며, 식 (5)의 관계식을 식 (6)에 대입하면,
Figure 112009061364553-PAT00014
이다.
따라서, 제 1 유체(A)의 점성 계수(
Figure 112009061364553-PAT00015
)는, 이하 식 (8)에 기초하여 계산될 수 있다.
Figure 112009061364553-PAT00016
여기서,
Figure 112009061364553-PAT00017
와
Figure 112009061364553-PAT00018
는 각각 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 점성 계수이고,
Figure 112009061364553-PAT00019
와
Figure 112009061364553-PAT00020
는 각각 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)에 의해 채워지는 표시 채널(C1,C2,...,Cn-1,Cn)의 개수이다.
즉, Reference 유체인 제 2 유체(B)의 점도와, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)에 의해 각각 채워지는 표시 채널의 개수비를 이용하여 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 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 6 및 도 7은 전극 신호를 이용하여 제 1 유체와 제 2 유체에 의해 채워지는 표시 채널의 개수 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유체 점도 측정 장치는 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)에 의해 각각 채워지는 표시 채널의 개수(NA, NB)를 카운팅하기 위한 채널 카운팅부를 구비할 수 있다.
채널 카운팅부는 표시 채널들(C1,C2,...,Cn-1,Cn) 또는 표시 포트들(P1,P2,...,Pn-1,Pn) 각각의 저면에 마련되는 전극(E1,E2,...,En-1,En)과, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)에 대한 각 전극(E1,E2,...,En-1,En)의 저항(R) 변화를 측정할 수 있도록 각 전극(E1,E2,..,En-1,En)과 전기적으로 연결되는 전극 측정부(33)로 구성될 수 있다. 이때, 각 전극(E1,E2,...,En-1,En)은 전극 측정부(33)과 연결되는 반대측에 그라운드(GND)(35)와 연결된다. 여기서, 표시 포트들(P1,P2,...,Pn-1,Pn)은 유체 가이드부(20)를 기준으로 좌우 대칭 형상을 가진다. 또한, 표시 포트들(P1,P2,...,Pn-1,Pn)은 대칭 기준선(X)으로 갈수록 각 표시 채널들(C1,C2,...,Cn-1,Cn)에 대하여 출구 방향으로 오프셋(offset)된 위치에 배치되는 것이 바람직하다.
채널 카운팅부는 전극 측정부(33)에서 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B), 제 1 유체(A)와 제 1 유체(A), 제 2 유체(B)와 제 2 유체(B)에 대한 각 전극(E1,E2,...,En-1,En)의 저항값이 상이하게 측정된 것을 이용하여 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 유체 경계면(S) 위치를 측정함으로써, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)에 의해 각각 채워지는 표시 채널의 개수(NA, NB)를 카운팅할 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 전극 측정부(33)에서 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)에 대한 전극의 저항값
Figure 112009061364553-PAT00021
와, 제 1 유체(A)와 제 1 유체(A)에 대한 전극의 저항값
Figure 112009061364553-PAT00022
와, 제 2 유체(B)와 제 2 유체(B)에 대한 전극의 저항값
Figure 112009061364553-PAT00023
을 측정하게 되는데, 이때,
Figure 112009061364553-PAT00024
혹은
Figure 112009061364553-PAT00025
을 측정하게 되면 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)의 경계면(S) 위치를 측정할 수 있고, 측정된 경계면(S)의 위치를 기초하여 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)에 의해 각각 채워지는 표시 채널의 개수(NA, NB)를 카운팅할 수 있다.
본 실시예에서는 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)에 의해 각각 채워지는 표시 채널(C1,C2,...,Cn-1,Cn)의 개수를 카운팅하기 위해 전극(E1,E2,...,En-1,En)을 이용하는 구성을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 전극뿐만 아니라 다른 여러 방법들을 이용하여 카운팅할 수도 있다.
이하, 본 발명의 유체 점도 측정 장치에서 실험 유체에 대한 점도 측정 예를 다양한 실험을 통해 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 유체 점도 측정 장치를 이용한 실험에서 점도 측정 대상이 뉴턴 유체일 때 유체의 경계면 패턴을 보여주는 도면, 도 9는 측정 유체의 농도 차이에 따른 경계면 위치 변화를 보여주는 도면이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B) 모두는 전단률에 관계없이 일정한 점도를 가지는 뉴턴 유체인 것을 예로 들어 실험하였다. 여기서, 제 1 유체(A)는 SDS 용액(SDS solutions)이고, 제 2 유체(B)는 초순수(DI water)이다. 일반적으로 SDS(Sodium Dodecyl Sulfate)는 계면활성제의 한 종류로서 단백질의 표면에 달라붙으면서 바깥쪽에 음전하를 띄게 만들어준다.
본 실험에서는 농도(Concentration)가 다른 4가지 종류, 1.16%, 3.16%, 11.94%, 18.26%의 SDS 용액을 사용하였다.
본 실험 결과에 의하면, 뉴턴 거동을 하는 제 1 유체(A)의 농도가 클수록 점도가 커지게 되어, 제 1 유체(A)에 의해 채워지는 표시 채널 개수(NA)가 점점 증가하게 된다는 것을 알 수 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명과 종래의 유체 점도 측정 장치에서 SDS 용액의 4가지 종류의 농도차에 따른 상대 점도와 평균 편차를 각각 비교한 그래프이다.
도 10 및 도 11에서 보는 바와 같이, 본 발명의 유제 점도 측정 장치(Microfluidic viscometer)를 이용하면 종래의 유체 점도 측정 장치(Rheometer-MARS) 보다 유체의 점도를 더 정확하게 측정할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 12는 농도 18.26%의 SDS 용액의 전단률에 대한 상대 점도의 유체 패턴을 보여주는 도면, 도 13은 본 발명과 종래의 유체 점도 측정 장치에서 전단률에 대한 상대 점도를 비교한 그래프이다.
도 12 및 도 13에서 보는 바와 같이, 본 발명의 유체 점도 측정 장치를 이용하면 전단률에 관계없이 유체의 점도를 안정적으로 측정할 수 있다.
도 14는 점도 측정 대상이 비뉴턴 유체일 때 전단률에 대한 상대 점도의 유체 패턴을 보여주는 도면, 도 15는 본 발명과 종래의 유체 점도 측정 장치에서 전단률에 대한 상대 점도를 비교한 그래프이다.
도 14 및 도 15에서 보는 바와 같이, 제 1 유체(A)는 전단률(shear rate)에 따라 점도가 변화하는 비뉴턴 유체(non-Newtonian Fluid)이고, 제 2 유체(B)는 전단률에 관계없이 일정한 점도를 가지는 뉴턴 유체(Newtonian Fluid)인 것을 예로 들어 실험하였다. 여기서, 제 1 유체(A)는 혈액(Blood)이고, 제 2 유체(B)는 인산완충식염수(PBS)이다.
본 실험 결과에 의하면, 본 발명의 유체 점도 측정 장치(Microfluidic viscometer)는 종래의 유체 점도 측정 장치(Rheometer-HAAKE MARS)에 비하여 전단률에 관계없이 유체의 상대 점도의 산포가 현저히 적기 때문에 유체의 점도를 안정적으로 측정할 수 있다.
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 바람직한 실시예에 따른 유체 점도 측정 장치의 사시도,
도 2는 본 발명의 유체 점도 측정 장치를 개략적으로 도시한 구성도,
도 3은 도 2의 요부 확대도,
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선에 따른 단면도,
도 5는 본 발명의 유체 점도 측정 장치를 이용하여 유체의 점도를 측정하는 원리를 설명하기 위한 도면,
도 6 및 도 7은 전극 신호를 이용하여 제 1 유체와 제 2 유체에 의해 채워지는 표시 채널의 개수 측정을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 유체 점도 측정 장치를 이용한 실험에서 점도 측정 대상이 뉴턴 유체일 때 유체의 경계면 패턴을 보여주는 도면,
도 9는 측정 유체의 농도 차이에 따른 경계면 위치 변화를 보여주는 도면,
도 10 및 도 11은 본 발명과 종래의 유체 점도 측정 장치에서 SDS 용액의 4가지 종류의 농도차에 따른 상대 점도와 평균 편차를 각각 비교한 그래프,
도 12는 점도 측정 대상이 뉴턴 유체일때 전단률에 대한 상대 점도의 유체 패턴을 보여주는 도면,
도 13은 본 발명과 종래의 유체 점도 측정 장치에서 전단률에 대한 상대 점도를 비교한 그래프,
도 14는 점도 측정 대상이 비뉴턴 유체일 때 전단률에 대한 상대 점도의 유체 패턴을 보여주는 도면,
도 15는 본 발명과 종래의 유체 점도 측정 장치에서 전단률에 대한 상대 점도를 비교한 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 유체 주입부 11 : 제 1 주입구
12 : 제 2 주입구 20 : 유체 가이드부
30 : 표시 채널부 33 : 전극 측정부
40 : 유체 유출부
C1,C2,...,Cn-1,Cn : 표시 채널
P1,P2,...,Pn-1,Pn : 표시 포트
E1,E2,...,En-1,En : 전극

Claims (20)

  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 연결되며, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 점도 차이에 의한 유체 경계면을 표시하기 위해 다수 개의 표시 채널이 형성되는 표시 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 표시 채널부의 상기 표시 채널들은 상기 유체 주입부와의 연결 부위를 중심으로 원주 형상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 표시 채널들은 반경 방향으로 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 표시 채널부는 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체에 의해 각각 채워지는 상기 표시 채널들의 개수를 표시하기 위하여 상기 표시 채널들 각각에 표시 포트가 마련되는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 표시 포트는 상기 표시 채널의 중간 부위에 원형 또는 다각형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체에 의해 각각 채워지는 상기 표시 채널의 개수비를 이용하여 상기 제 1 유체의 점도를 측정하는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 유체의 점성 계수는 이하 수학식에 기초하여 계산되는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
    Figure 112009061364553-PAT00026
    Figure 112009061364553-PAT00027
    : 제 1 유체의 점성 계수
    Figure 112009061364553-PAT00028
    : 제 2 유체의 점성 계수
    Figure 112009061364553-PAT00029
    : 제 1 유체에 의해 채워지는 표시 채널의 개수
    Figure 112009061364553-PAT00030
    : 제 2 유체에 의해 채워지는 표시 채널의 개수
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체에 의해 각각 채워지는 상기 표시 채널의 개수를 카운팅하기 위한 채널 카운팅부를 더 포함하는 유체 점도 측정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 채널 카운팅부는,
    상기 표시 채널들 또는 상기 표시 포트들 각각에 마련되는 전극; 및
    상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체에 대한 각 전극의 저항 변화를 측정할 수 있도록 상기 전극과 연결되는 전극 측정부를 포함하는 유체 점도 측정 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 채널 카운팅부는 상기 전극 측정부에서 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체, 상기 제 1 유체와 상기 제 1 유체, 상기 제 2 유체와 상기 제 2 유체에 대한 각 전극의 저항값이 상이하게 측정된 것을 이용하여 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 경계면 위치를 측정하고, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체에 의해 각각 채워지는 상기 표시 채널의 개수를 카운팅하는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 표시 포트들은 상기 유체 주입부가 상기 표시 채널부와 연결되는 부위를 기준으로 대칭 형상을 가지며, 대칭 기준선으로 갈수록 각각의 상기 표시 채널에 대하여 출구 방향으로 오프셋(offset)된 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  13. 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.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 유체는 혈액(Blood)이고, 상기 제 2 유체는 인산완충식염수(PBS)인 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체는 전단률에 관계없이 일정한 점도를 가지는 뉴턴 유체를 포함하는 유체 점도 측정 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제 1 유체는 SDS 용액(SDS solutions)이고, 상기 제 2 유체는 초순수(DI water)인 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  17. 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.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 주입부와 상기 표시 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.
  19. 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 연결되며, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 점도 차이에 의한 유체 경계면을 표시하기 위해 다수 개의 표시 채널이 형성되는 표시 채널부; 및
    상기 표시 채널부와 연결되며, 상기 표시 채널부를 통과한 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체가 유출되는 유체 유출부를 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; 및
    상기 유체 주입부와 연결되고, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 점도 차이에 의한 유체 경계면을 표시하기 위해 다수 개의 표시 채널이 형성되는 유체 유출부를 포함하는 유체 점도 측정장치.
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