KR20120084450A - 하이브리드 마이크로/나노 ｐｉｖ 시스템을 이용한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법 - Google Patents

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KR20120084450A KR1020110005816A KR20110005816A KR20120084450A KR 20120084450 A KR20120084450 A KR 20120084450A KR 1020110005816 A KR1020110005816 A KR 1020110005816A KR 20110005816 A KR20110005816 A KR 20110005816A KR 20120084450 A KR20120084450 A KR 20120084450A
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김경천
민영욱
김종욱
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법으로, 마이크로 스케일로 미세유체소자의 3차원 유동을 측정하는 디포커싱 PIV 장치 및 나노 스케일로 미세유체소자의 3차원 유동을 측정하는 전반사형광현미경을 결합한 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용하여, (a)디포커싱 PIV 장치 및 전반사형광현미경을 캘리브레이션하는 단계와 (b)상기 디포커싱 PIV 장치로 마이크로 스케일로 미세유체소자의 3차원 유동을 측정하고, 상기 전반사형광현미경으로 나노 스케일로 미세유체소자의 3차원 유동을 측정하는 단계를 포함하여 구성되며, 미세유체소자의 3차원 유동을 마이크로와 나노의 멀티스케일로 동시 측정이 가능하며, 식각공정을 통해 제작된 타겟을 캘리브레이션에 이용하여 미세유체소자의 3차원 유동을 보다 정확하게 계산함으로써, 세포의 물질이동을 연구하는데 유용한 수단으로서 3차원 유동의 측정과 함께 근접표면에서 거동하는 나노입자 및 센서의 3D3C 거동을 동시에 정확히 계측하는 효과를 제공한다.

Description

하이브리드 마이크로/나노 ＰＩＶ 시스템을 이용한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법{Particle Measuring Method in 3D Micro and Mano scale Useing Hybrid Micro/Nano PIV system}
본 발명은 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법으로, 보다 구체적으로는 마이크로 스케일로 미세유체소자의 3차원 유동을 측정하는 디포커싱 PIV 장치와 나노 스케일로 미세유체소자의 3차원 유동을 측정하는 전반사형광현미경을 결합한 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용하여, 미세유체소자의 3차원 유동을 마이크로와 나노의 멀티스케일로 동시 측정이 가능한 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법에 관한 것이다.
미세유체소자 내의 유동측정기법인 Micro-PIV기법은 유동가시화의 표준화 기법으로 미시영역의 유동현상 규명에 널리 활용되고 있다. 그러나 유체유동은 3차원적 현상으로 2차원 유동의 측정에 특화된 기존의 측정기법은 입체적이고 복합적인 미세유체의 유동구조를 정밀하게 측정하는데 한계를 가질 수 밖에 없었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 개발된 3차원유동측정 기법으로는 대표적으로 stereoscopic micro-PIV(Bown, M. R., MacInnes, J. M., Allen, R. W. K. and Zimmerman, W. B. J., 2006, “Three-dimensional, three-component velocity measurements using stereoscopic micro-PIV and PTV”, Meas. Sci. Technol., Vol.17, pp.2175-2185), digital-holographic PTV(Satake, S., Kunugi, T., Sato, K., Ito, T. and Taniguchi, J., 2005, “Three-dimensional flow tracking in a micro channel with high time resolution using micro digital-holographic particle-tracking velocimetry”, Opt. Rev. Vol.12, No.6, pp.442-444.)기법 등이 있으나 2D3C에 국한되는 유동장정보를 제공하거나 시스템의 구성이 복잡한 단점 등을 가졌다. 한편 3D3C의 속도장측정을 위해 Willert and Garib(Willert, C. E. and Gharib, M., 1992, “Three-dimensional particle imaging with a single camera”, Exp. Fluids., Vol.12, pp.353-358)는 단순한 aperture의 설치만으로 3차원 유동측정이 가능한 디포커싱 측정기법을 처음으로 소개하였으며 Pereira et al(Pereira, F., Gharib, M., Dabiri, D. and Modarress, D., 2000, “Defocusing Digital Particle Image Velocimetry: a 3-Component 3-Dimensional DPIV Measurement Technique, Application to Bubbly Flows”, Exp. Fluids, Vol.29, pp. 578-584.)는 이 기법을 활용하여 버블유동장을 측정하고 디포커싱 디지털PIV(DDPIV)기법이라 명명하였다. Yoon and Kim (Yoon, S.Y. and Kim, K.C., 2006, “3D particle position and 3D velocity field measurement in a microvolume via the defocusing concept”, Meas. Sci. Technol., Vol.17, pp.2897-2905)은 이러한 디포커싱 디지털PIV기법을 마이크로 분야에 적용할 때 발생할 수 있는 이론적 문제들을 극복하고자 캘리브레이션을 기초로 하는 미세유체유동의 3차원 측정기법을 확립한 바 있다. 또 다른 3차원 유동측정기법으로 벽면으로부터 수백 나노미터에 이르는 영역에서 유체 내의 나노입자의 3차원 거동을 정밀하게 해석하는 TIRFM기법이 Benerjee and Kihm(Banerjee, A. and Kihm, K.D., 2004, “Three-Dimensional Tracking of Nanoparticles Using R-TIRFM (Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy Technique)”, J. Heat Transfer, Vol.126, No.4, pp. 505)에 의해 소개되었으며, 이를 바탕으로 Li and Yoda는 Poiseuille 유동조건하에서 벽면근처 나노입자의 속도장을 측정함으로써 MnPIV(Multi-layer nano PIV)기법을 확립하였다. 이와 같은 측정기법들은 세포 및 물질전달과 관련된 생체공학연구에서 대사현상을 해석할 수 있는 유용한 측정기법들로, 특히 생체유체의 유동과 밀접하게 관련된 세포의 반응현상을 규명하기 위해서는 마이크로와 나노영역에서 유체유동 및 입자의 거동을 동시에 측정할 수 있는 시스템의 개발이 무엇보다 필요하다고 할 수 있다.
본 발명은 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정에 있어서, 마이크로 스케일로 미세유체소자의 3차원 유동을 측정하는 디포커싱 PIV 장치 및 나노 스케일로 미세유체소자의 3차원 유동을 측정하는 전반사형광현미경을 결합한 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용하여, 미세유체소자의 3차원 유동을 마이크로와 나노의 멀티스케일로 동시 측정이 가능한 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법을 제공한다.
본 발명은 상기 디포커싱 PIV 장치를 이용한 미세유체소자의 3차원 유동을 측정 방법을 개선하고자 식각공정을 통해 제작된 타겟을 캘리브레이션에 이용함으로써 미세유체소자의 3차원 유동을 보다 정확하게 계산하는 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법을 제공한다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법은, (a)디포커싱 PIV 장치 및 전반사형광현미경을 캘리브레이션하는 단계와; (b)상기 디포커싱 PIV 장치로 마이크로 스케일로 미세유체소자의 3차원 유동을 측정하고, 상기 전반사형광현미경으로 나노 스케일로 미세유체소자의 3차원 유동을 측정하는 단계를; 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법에 있어서, 상기 (a)단계에서 디포커싱 PIV 장치의 캘리브레이션은,
(a1)3개의 핀홀을 가진 어퍼처가 부착된 제1대물렌즈(12), 동일한 크기의 구멍이 XY평면상에 사방으로 같은 간격으로 배치된 타겟(16), 할로겐광원(15)을 일렬로 배치하여, 상기 할로겐광원(15)의 빛이 상기 타겟(16)을 통과하여 상기 제1대물렌즈(12)를 통해 관측되도록 하되, 상기 타겟(16)을 상기 제1대물렌즈(12)의 광축을 따라 앞뒤로 조절하면서 제1PC(50)로 광축 방향(Z축 방향)의 깊이에 따른 타겟(16)의 디포커싱 이미지를 획득하는 단계;
(a2)상기 제1PC(50)가 상기 획득한 각 디포커싱 이미지에서 정삼각형을 이루는 3개의 점을 추적하여 상기 3개의 점을 지나는 원의 직경(D)과 타겟(16)의 Z축 방향 위치(
Figure pat00001
)관계를 정의하는 제1캘리브레이션 함수를 도출하는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법에 있어서, 상기 (a)단계에서 전반사형광현미경의 캘리브레이션은,
(a3)제2레이저(21)에서 조사된 광이 광섬유를 지나 집광렌즈(26)를 통해 집광되어 정렬유닛(24)과 제2대물렌즈(22)를 상기 제2대물렌즈(22)의 광축과 평행한 경로로 통과하여, 상기 제2대물렌즈(22)의 관측지점에 설치된 삼각프리즘(25)을 통해 관측하여, 제2PC(60)가 상기 정렬유닛(24)의 마이크로미터를 조절함으로써 상기 집광된 제2레이저(21)의 입사광과 상기 제2대물렌즈(22)의 광축의 수직 거리(
Figure pat00002
)를 입력받아
Figure pat00003
에 따른 삼각프리즘(25)으로부터 굴절되어 나오는 광각(
Figure pat00004
)의 관계식을 도출하는 단계;
(a4)상기 제2PC(60)가 상기 (a3)단계에서 도출한
Figure pat00005
와
Figure pat00006
의 관계식 및 입사각인
Figure pat00007
과
Figure pat00008
의 관계식을 이용하여,
Figure pat00009
와
Figure pat00010
의 관계식 도출하는 단계;
(a5)상기 제2PC(60)가 상기 (a4)단계에서 도출한
Figure pat00011
와
Figure pat00012
의 관계식 및 침투깊이인
Figure pat00013
과
Figure pat00014
의 관계식을 이용하여,
Figure pat00015
와
Figure pat00016
의 관계식을 도출하는 단계;
(a6)상기 제2PC(60)가 상기 (a5)단계에서 도출한
Figure pat00017
와
Figure pat00018
의 관계식 및 미세유체소자 내의 입자의 Z축 방향 위치(
Figure pat00019
)에 따른 밝기인
Figure pat00020
와
Figure pat00021
의 관계식을 이용하여,
Figure pat00022
와
Figure pat00023
의 관계식인 제2캘리브레이션 함수를 도출하는 단계;로 구성되되,
상기
Figure pat00024
과
Figure pat00025
의 관계식은,
Figure pat00026
이며,
상기
Figure pat00027
과
Figure pat00028
의 관계은,
Figure pat00029
이며,
상기
Figure pat00030
와
Figure pat00031
의 관계식은,
Figure pat00032
인 것을 특징으로 한다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법에 있어서, 상기 (b)단계에서 상기 디포커싱 PIV 장치의 나노 스케일의 3차원 유동 측정은,
(b1)마이크로채널(30)에 제1레이저(11)를 조사하여 상기 제1대물렌즈(12)를 통과한 상기 미세유체소자의 입자이미지를 제1고속카메라(13)로 획득하여 상기 제1PC(50)로 저장하는 단계;
(b2)상기 제1PC(50)가 상기 획득한 입자이미지에서 동일한 입자의 이미지인 정삼각형을 이루는 3개의 점을 각 입자마다 추적하여, 상기 정삼각형의 중심 위치로 각 입자들의 XY평면 위치를 추적하는 단계;
(b3)상기 제1PC(50)가 상기 각 입자에 해당하는 정삼각형을 지나는 원의 직경(D)을 이용하여 제1캘리브레이션 함수로 Z축 방향 위치(
Figure pat00033
)를 계산하는 단계;
(b4)상기 제1PC(50)가 시간에 따른 입자의 X,Y,Z축 방향 위치변화로 속도 벡터를 구하는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법에 있어서,
상기 (b)단계에서 상기 전반사형광현미경의 나노 스케일의 3차원 유동 측정은,
(b5)상기 마이크로미터를 조절하여 제2레이저(21)가 마이크로채널(30)의 커버글래스(32)와 immersion oil의 경계에서 전반사되도록 조절되었을 때, 제2대물렌즈(22)를 통과한 상기 미세유체소자의 입자이미지를 제2고속카메라(23)로 획득하여 상기 제2PC(60)로 저장하는 단계;
(b6)상기 제2PC(60)가 상기 획득한 입자이미지에서 XY평면의 불균일한 광량을 보정하고 각 입자의 XY평면 위치를 추적하는 단계;
(b7)상기 제2PC(60)가 상기 획득한 입자이미지에서 측정한 각 입자의 광량(
Figure pat00034
) 및 Z축 방향 위치가 상기 커버글래스(32)의 벽면일 때의 입자의 광량(
Figure pat00035
)을 이용하여 제2캘리브레이션 함수로 Z축 방향 위치(
Figure pat00036
)를 계산하는 단계;
(b8)상기 제2PC(60)가 시간에 따른 입자의 X,Y,Z축 방향 위치변화로 속도 벡터를 구하는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 기존의 마이크로 스케일로 미세유체소자의 3차원 유동을 측정방법과는 달리 디포커싱 PIV 장치 및 나노 스케일로 미세유체소자의 3차원 유동을 측정하는 전반사형광현미경을 결합한 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용하여, 미세유체소자의 3차원 유동을 마이크로와 나노의 멀티스케일로 동시 측정이 가능하며, 식각공정을 통해 제작된 타겟을 캘리브레이션에 이용하여 미세유체소자의 3차원 유동을 보다 정확하게 계산함으로써, 세포의 물질이동을 연구하는데 유용한 수단으로서 3차원 유동의 측정과 함께 근접표면에서 거동하는 나노입자 및 센서의 3D3C 거동을 동시에 계측하는데 활용할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 적용되는 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 도시한 도면.
도 2는 도 1의 실시예의 디포커싱 PIV 장치에 적용되는 어퍼쳐를 도시한 도면.
도 3은 도 1의 실시예의 디포커싱 PIV 장치의 캘리브레이션에 적용되는 타겟(16)과 캘리브레이션 시스템을 도시한 도면.
도 4는 도 3의 캘리브레이션에 의해 획득한 디포커싱 이미지를 도시한 도면.
도 5는 도 3의 캘리브레이션에 의해 획득한 제1캘리브레이션 함수를 그래프로 도시한 도면.
도 6은 도 1의 실시예의 전반사형광현미경에 적용되는 캘리브레이션 시스템을 도시한 도면.
도 7은 도 1의 실시예에 적용되는 상기 마이크로채널(30)을 도시한 도면.
도 8은 본 발명에 적용되는 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법의 실시예를 도시한 도면.
도 9는 상기 (a4)단계에서 도출한
Figure pat00037
와
Figure pat00038
의 관계식의 그래프로 도시한 도면.
도 10은 상기 (a5)단계에서 도출한
Figure pat00039
와
Figure pat00040
의 관계식의 그래프로 도시한 도면.
도 11은 도 1의 실시예의 디포커싱 PIV 장치를 사용하여 입자의 3차원 위치를 추적한 결과를 도시한 도면.
도 12는 도 11의 결과를 바탕으로 무차원화된 높이에 따라 평균속도로 무차원화된 속도 프로파일을 도시한 도면.
도 13은 도 1의 실시예의 전반사형광현미경을 사용하여 벽면근처 영역에 나노입자의 궤적을 추적한 결과를 도시한 도면.
도 14는 도 13의 결과를 바탕으로 벽면으로부터 유동의 속도 프로파일을 도시한 도면.
본 발명의 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템에 의한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법은, 2D 직관 마이크로채널(30) 내 멀티스케일의 3차원 유동을 측정하는 방법으로, 마이크로 채널 내의 전 영역에 걸친 3차원 멀티스케일 유동장을 측정하고자 Defocusing(디포커싱)과 TIRFM(전반사현미경)을 결합시킨 Hybrid PIV(하이브리드 입자영상유속계) 시스템을 개발하여, 마이크로 채널 내 3차원 유동장을 동시에 측정하며, 획득된 이미지를 바탕으로 Far field와 Near field에서 거동하는 입자의 3차원 위치를 캘리브레이션을 통해 정밀하게 계산할 수 있는 새로운 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명에 적용되는 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템의 실시예를 도시한 도면이며, 도 2는 도 1의 실시예의 디포커싱 PIV 장치에 적용되는 어퍼쳐를 도시한 도면이며, 도 3은 도 1의 실시예의 디포커싱 PIV 장치의 캘리브레이션에 적용되는 타겟(16)과 캘리브레이션 시스템을 도시한 도면이며, 도 4는 도 3의 캘리브레이션에 의해 획득한 디포커싱 이미지를 도시한 도면이며, 도 5는 도 3의 캘리브레이션에 의해 획득한 제1캘리브레이션 함수를 그래프로 도시한 도면이며, 도 6은 도 1의 실시예의 전반사형광현미경에 적용되는 캘리브레이션 시스템을 도시하나 도면이며, 도 7은 도 1의 실시예에 적용되는 상기 마이크로채널(30)을 도시한 도면이며, 도 8은 본 발명에 적용되는 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법의 실시예를 도시한 도면이며, 도 9는 상기 (a4)단계에서 도출한
Figure pat00041
와
Figure pat00042
의 관계식의 그래프로 도시한 도면이며, 도 10은 상기 (a5)단계에서 도출한
Figure pat00043
와
Figure pat00044
의 관계식의 그래프로 도시한 도면이며, 도 11은 도 1의 실시예의 디포커싱 PIV 장치를 사용하여 입자의 3차원 위치를 추적한 결과를 도시한 도면이며, 도 12는 도 11의 결과를 바탕으로 무차원화된 높이에 따라 평균속도로 무차원화된 속도 프로파일을 도시한 도면이며, 도 13은 도 1의 실시예의 전반사형광현미경을 사용하여 벽면근처 영역에 나노입자의 궤적을 추적한 결과를 도시한 도면이며, 도 14는 도 13의 결과를 바탕으로 벽면으로부터 유동의 속도 프로파일을 도시한 도면으로, 상기 도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대하여 보다 구체적으로 설명을 하면 다음과 같다.
하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템
본 발명에 적용되는 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템은 도 1에서와 같이, 마이크로 스케일의 3차원 유동을 측정하는 디포커싱 PIV 장치 및 나노 스케일의 3차원 유동을 측정하는 전반사형광현미경 및 미세유체소자가 주입되는 마이크로채널(30)을 포함하여 구성된다.
상기 디포커싱 PIV 장치는, 측정 대상인 미세유체소자에 조사하는 488nm의 파장의 Ar-ion레이저인 제1레이저(11), 3개의 핀홀을 가진 어퍼쳐가 부착된 제1대물렌즈(12), 상기 제1대물렌즈(12)로 확대된 상기 미세유체소자를 촬영하는 제1고속카메라(13), 상기 제1대물렌즈(12)와 제1고속카메라(13) 사이에 위치하여 상기 어퍼쳐로 인해 감소된 상기 미세유체소자의 광량을 증폭하는 영상증폭장치(14)를 포함하여 구성되되, 캘리브레이션 시 사용하기 위해 상기 제1대물렌즈(12)의 전면을 향해 빛을 조사하는 할로겐광원(15) 및 구멍이 일정 간격으로 사방으로 배열된 타겟(16)을 더 포함한다.
상기 어퍼쳐의 핀홀은 디포커싱 PIV 기법의 핵심이 되는 광학적 구성 요소로, 도 2에 도시된 바와 같이 3개의 핀홀을 가진 원판이다. 이 원판은 대물렌즈 위에 위치하며，원판에 뚫려 있는 각 핀홀의 중심은 정삼각형의 정점에 위치하도록 설계된다. 또한 각 핀홀의 직경은 마이크로 시스템에서의 낮은 광 강도를 감안하여 매크로 스케일에서보다 상대적으로 크게 제작되었으며，상기 정삼각형의 외접원 지름은 3mm이며, 핀홀의 지름은 1.5mm이며, 원판의 두께는 O.2mm이되 상기 구멍 및 간격의 두께는 변경 가능하다.
상기 타켓은 도 3에 도시된 바와 같이 크롬이 증착된 유리기판 위에 식각공정을 통해 100μm의 간격으로 사방으로 배열된 3μm의 직경을 가진 구멍을 형성하여, 상기 제1대물렌즈(12)와 할로겐광원(15)의 사이에 배치하여 사용하며, 상기 구멍 및 간격의 크기는 변경 가능하다. 도 4는 상기 할로겐광원(15) 및 제1대물렌즈(12)의 간격을 고정하고, 상기 할로겐광원(15)으로부터 상기 타겟(16)의 거리를 조절하면서 촬영한 이미지이다. 기존에는 입자의 높이에 따른 3-hole의 이미지를 얻기 위하여 표면에 마이크로 입자가 부착된 슬라이드글라스를 마이크로 스테이지에 부착한 뒤 레이저 조명에 산란되는 입자영상을 획득하였으나 입자의 부착상태를 유지하기 힘들고 평면왜곡을 보정하기 위하여 정간격으로 배열된 입자의 이미지를 취득하는 것이 불가능한 단점이 있었다. 본 발명에서는 상기 타겟(16) 하부로부터 조사된 할로겐광원(15)에 의해 도4와같은 디포커싱 이미지를 획득할 수 있었으며, 3개의 점을 지나는 원의 직경(D)과 높이(z) 관계식을 1 차 선형 회귀법을 통해 도 5와 같이 구할 수 있다.
상기 전반사형광현미경은, 측정 대상인 미세유체소자에 조사하는 532nm의 파장의 Green DPSS 레이저인 제2레이저(21), oil-immersion 타입의 제2대물렌즈(22), 상기 제2대물렌즈(22)로 확대된 상기 미세유체소자를 촬영하는 제2고속카메라(23)를 포함하여 구성되되, 캘리브레이션 시 사용하기 위해 상기 제2대물렌즈(22)에 조사하는 제2레이저(21)의 입사각을 마이크로미터로 조절하는 정렬유닛(24), 상기 제2레이저(21)가 상기 미세유체소자에 입사되는 각을 측정하기 위해 상기 제2대물렌즈(22)의 전면에 설치되는 삼각프리즘(25), 집광렌즈(26)를 더 포함한다.
측정 이미지에 간섭이 나타나는 것을 피하기 위해 상기 제2레이저(21)는 상기 제1레이저(11)와 다른 파장을 가지며, 상기 한정한 488nm의 파장의 Ar-ion레이저, 532nm의 파장의 Green DPSS 레이저를 각각 다른 레이저로 변경할 수 있다.
상기 전반사형광현미경의 캘리브레이션 시스템은 도 6과 같이 구성되며, 상기 제2레이저(21)에서 조사된 광은 광섬유를 지나 현미경시스템의 집광렌즈(26)를 통해 집광되고 정렬유닛(24)의 마이크로미터를 조절함으로써 입사경로가 변하게 되며, 대물렌즈의 광축에는 삼각프리즘(25)을 설치한다.
상기 마이크로채널(30)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 주입구(31a)와 배출구(31b) 및 상기 주입구(31a)와 배출구(31b)를 연결하는 일측이 개구된 통로가 형성된 PDMS 몰딩(31)과, 상기 통로의 개구된 부분을 막도록 상기 PDMS몰딩에 부착되는 커버글래스(32)를 포함하여 구성된다. 상기 통로의 높이는 100μm, 깊이는 1mm가 되도록 하여 형상비를 크게 함으로써 2D 유동의 특성을 갖도록 하였다.
또한 상기 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템은, 상기 제1고속카메라(13)로 측정된 미세유체소자의 영상을 저장하는 제1PC(50)와 상기 제2고속카메라(23)로 측정된 미세유체소자의 영상을 저장하는 제2PC(60) 및 상기 제1고속카메라(13)와 제2고속카메라(23)를 동기화 하는 BNC케이블(40)을 더 포함한다.
마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법
본 발명의 미세유체소자 내의 3차원 유동 측정 방법은, 상기 설명한 도 1 내지 도 7에 도시된 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용하여, 도 8에 도시된 바와 같이, (a)디포커싱 PIV 장치 및 전반사형광현미경을 캘리브레이션하는 단계와 (b)상기 디포커싱 PIV 장치로 마이크로 스케일로 미세유체소자의 3차원 유동을 측정하고, 상기 전반사형광현미경으로 나노 스케일로 미세유체소자의 3차원 유동을 측정하는 단계를 포함하여 구성된다.
상기 (a)단계에서 디포커싱 PIV 장치의 캘리브레이션은,
(a1)도 3에 도시된 바와 같이, 3개의 핀홀을 가진 어퍼처가 부착된 제1대물렌즈(12), 동일한 크기의 구멍이 XY평면상에 사방으로 같은 간격으로 배치된 타겟(16), 할로겐광원(15)을 일렬로 배치하여, 상기 할로겐광원(15)의 빛이 상기 타겟(16)을 통과하여 상기 제1대물렌즈(12)를 통해 관측되도록 하되, 상기 타겟(16)을 상기 제1대물렌즈(12)의 광축을 따라 앞뒤로 조절하면서 제1PC(50)로 광축 방향(Z축 방향)의 깊이에 따른 타겟(16)의 디포커싱 이미지를 획득하는 단계와,
(a2)상기 제1PC(50)가 상기 획득한 각 디포커싱 이미지에서 정삼각형을 이루는 3개의 점을 추적하여 상기 3개의 점을 지나는 원의 직경(D)과 타겟(16)의 Z축 방향 위치(
Figure pat00045
)관계를 정의하는 제1캘리브레이션 함수를 도출하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 디포커싱 이미지는 도 4에 도시된 바와 같이, Z축 방향 위치(
Figure pat00046
)에 따라 상기 정삼각형의 크기가 달라지며, 상기 제1캘리브레이션 함수는 도 5에 도시된 바와 같이, Z축 방향 위치(
Figure pat00047
)가 원의 직경(D)에 비례하는 값을 가지도록 도출된다.
상기 (a)단계에서 전반사형광현미경의 캘리브레이션은,
(a3)도 6에 도시된 바와 같이, 제2레이저(21)에서 조사된 광이 광섬유를 지나 집광렌즈(26)를 통해 집광되어 정렬유닛(24)과 제2대물렌즈(22)를 상기 제2대물렌즈(22)의 광축과 평행한 경로로 통과하여, 상기 제2대물렌즈(22)의 관측지점에 설치된 삼각프리즘(25)을 통해 관측하여, 제2PC(60)가 상기 정렬유닛(24)의 마이크로미터를 조절함으로써 상기 집광된 제2레이저(21)의 입사광과 상기 제2대물렌즈(22)의 광축의 수직 거리(
Figure pat00048
)를 입력받아
Figure pat00049
에 따른 삼각프리즘(25)으로부터 굴절되어 나오는 광각(
Figure pat00050
)의 관계식을 도출하는 단계와,
(a4)상기 제2PC(60)가 상기 (a3)단계에서 도출한
Figure pat00051
와
Figure pat00052
의 관계식 및 입사각인
Figure pat00053
과
Figure pat00054
의 관계식인 수학식 1을 이용하여,
Figure pat00055
와
Figure pat00056
의 관계식을 도출하는 단계와,
(a5)상기 제2PC(60)가 상기 (a4)단계에서 도출한
Figure pat00057
와
Figure pat00058
의 관계식 및 침투깊이인
Figure pat00059
과
Figure pat00060
의 관계식인 수학식 2를 이용하여,
Figure pat00061
와
Figure pat00062
의 관계식을 도출하는 단계와,
(a6)상기 제2PC(60)가 상기 (a5)단계에서 도출한
Figure pat00063
와
Figure pat00064
의 관계식 및 입자의 Z축 방향 위치(
Figure pat00065
)에 따른 밝기인
Figure pat00066
와
Figure pat00067
의 관계식인 수학식 3을 이용하여,
Figure pat00068
와
Figure pat00069
의 관계식인 제2캘리브레이션 함수를 도출하는 단계로 구성된다.
Figure pat00070
Figure pat00071
Figure pat00072
상기 수학식 1 내지 수학식3에서의
Figure pat00073
는 Z축 방향 위치가 커버글래스(32)의 벽면일 때의 미세유체소자의 광량이며, 상기
Figure pat00074
는 미세유체소자에 조사하는 제2레이저의 파장이며, 상기
Figure pat00075
는 삼각프리즘의 굴절률이며, 상기
Figure pat00076
는 제2대물렌즈에 사용되는 immersion oil의 굴절률이며, 상기
Figure pat00077
는
Figure pat00078
와 동일하며, 상기
Figure pat00079
는
Figure pat00080
과 동일하다.
도 9는 상기 (a4)단계에서 도출한
Figure pat00081
와
Figure pat00082
의 관계식의 그래프이며, 도 10은 상기 (a5)단계에서 도출한
Figure pat00083
와
Figure pat00084
의 관계식의 그래프이다.
상기 (b)단계에서 상기 디포커싱 PIV 장치의 나노 스케일의 3차원 유동 측정은, (b1)마이크로채널(30)에 제1레이저(11)를 조사하여 상기 제1대물렌즈(12)를 통과한 상기 미세유체소자의 입자이미지를 제1고속카메라(13)로 획득하여 상기 제1PC(50)로 저장하는 단계와, (b2)상기 제1PC(50)가 상기 획득한 입자이미지에서 동일한 입자의 이미지인 정삼각형을 이루는 3개의 점을 각 입자마다 추적하여, 상기 정삼각형의 중심 위치로 각 입자들의 XY평면 위치를 추적하는 단계와, (b3)상기 제1PC(50)가 상기 각 입자에 해당하는 정삼각형을 지나는 원의 직경(D)을 이용하여 제1캘리브레이션 함수로 Z축 방향 위치(
Figure pat00085
)를 계산하는 단계와 (b4)상기 제1PC(50)가 시간에 따른 입자의 X,Y,Z축 방향 위치변화로 속도 벡터를 구하는 단계로 구성된다.
상기 (b)단계에서 상기 전반사형광현미경의 나노 스케일의 3차원 유동 측정은, (b5)상기 마이크로미터를 조절하여 제2레이저(21)가 마이크로채널(30)의 커버글래스(32)와 immersion oil의 경계에서 전반사되도록 조절되었을 때, 제2대물렌즈(22)를 통과한 상기 미세유체소자의 입자이미지를 제2고속카메라(23)로 획득하여 상기 제2PC(60)로 저장하는 단계와, (b6)상기 제2PC(60)가 상기 획득한 입자이미지에서 XY평면의 불균일한 광량을 보정하고 각 입자의 XY평면 위치를 추적하는 단계와, (b7)상기 제2PC(60)가 상기 획득한 입자이미지에서 측정한 각 입자의 광량(
Figure pat00086
) 및 Z축 방향 위치가 커버글래스(32)의 벽면일 때의 입자의 광량(
Figure pat00087
)을 이용하여 제2캘리브레이션 함수로 Z축 방향 위치(
Figure pat00088
)를 계산하는 단계와, (b8)상기 제2PC(60)가 시간에 따른 입자의 X,Y,Z축 방향 위치변화로 속도 벡터를 구하는 단계로 구성된다.
마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 결과
도 11은 디포커싱 PIV 장치를 사용하여 입자의 3차원 위치를 추적한 결과를 나타낸 것으로 nearest neighborhood tracking기법을 사용하였다. 근접한 두 입자간 추적 경로를 살펴볼 때 비정상적인 튐(jumping)현상이 발견되기도 하였으나 추적알고리즘 내 유효성 평가를 통해 제거되었으며 입자의 움직임이 직관채널 유동을 잘 따름을 확인할 수 있었다.
도 12는 상기 도 11의 결과를 바탕으로 무차원화된 높이에 따라 평균속도로 무차원화된 속도 프로파일을 나타낸 것으로 비중량이 1.04인 입자에 대해 2차 무한평판 사이의 Poiseuille 유동에 대한 이론적인 속도프로파일과 실험을 통해 얻은 데이터를 바탕으로 구한 보정곡선의 프로파일이 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
도 13은 및 전반사형광현미경을 사용하여 벽면근처 영역에 나노입자의 궤적을 추적한 결과로서 디포커싱의 입자추적 결과와 같이 직선유동을 반영하고 있음을 확인할 수 있었다.
도 14는 상기 도 13의 결과를 바탕으로 벽면으로부터 유동의 속도 프로파일을 나타낸 것으로 벽면에서의 거리를 표 1과 같이 세 개의 구간으로 나누어 각 구간에서 구한 평균속도값을 바탕으로 1차 피팅 곡선을 나타낸 것이다.
각 유량에 따른 전단율의 측정값은 이론값과 비교할 때 표 2와 같이 평균 5.7%의 오차를 가짐을 확인할 수 있다. 그러나, 하이브리드 결과를 통해 계산한 전단율의 측정값은 이론값에 비해 평균 2.7%의 적은 오차를 가짐을 표 3에서 확인할 수 있었으며 이는 본 발명의 본 발명의 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용한 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법이 일반적인 Micro-PIV나 TIRFM를 이용한 Nano-PIV 보다 정확한 정량적 결과를 산출할 수 있음을 보여주는 것으로 판단된다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시 예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
11 : 제1레이저 12 : 제1대물렌즈
13 : 제1고속카메라 14 : 영상증폭장치
15 : 할로겐광원 16 : 타겟
21 : 제2레이저 22 : 제2대물렌즈
23 : 제2고속카메라 24 : 정렬유닛
25 : 삼각프리즘 26 : 집광렌즈
31 : PDMS 몰딩 31a : 주입구
31b : 배출구 32 : 커버글래스
30 : 마이크로채널 40 : BNC케이블
50 : 제1PC 60 : 제2PC

Claims (5)

  1. 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용한 미세유체소자의 3차원 유동 측정 방법에 있어서,
    (a)디포커싱 PIV 장치 및 전반사형광현미경을 캘리브레이션하는 단계와;
    (b)상기 디포커싱 PIV 장치로 마이크로 스케일로 미세유체소자의 3차원 유동을 측정하고, 상기 전반사형광현미경으로 나노 스케일로 미세유체소자의 3차원 유동을 측정하는 단계를; 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용한 미세유체소자 내의 3차원 유동 측정 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (a)단계에서 디포커싱 PIV 장치의 캘리브레이션은,
    (a1)3개의 핀홀을 가진 어퍼처가 부착된 제1대물렌즈(12), 동일한 크기의 구멍이 XY평면상에 사방으로 같은 간격으로 배치된 타겟(16), 할로겐광원(15)을 일렬로 배치하여, 상기 할로겐광원(15)의 빛이 상기 타겟(16)을 통과하여 상기 제1대물렌즈(12)를 통해 관측되도록 하되, 상기 타겟(16)을 상기 제1대물렌즈(12)의 광축을 따라 앞뒤로 조절하면서 제1PC(50)로 광축 방향(Z축 방향)의 깊이에 따른 타겟(16)의 디포커싱 이미지를 획득하는 단계;
    (a2)상기 제1PC(50)가 상기 획득한 각 디포커싱 이미지에서 정삼각형을 이루는 3개의 점을 추적하여 상기 3개의 점을 지나는 원의 직경(D)과 타겟(16)의 Z축 방향 위치(
    Figure pat00089
    )관계를 정의하는 제1캘리브레이션 함수를 도출하는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 (a)단계에서 전반사형광현미경의 캘리브레이션은,
    (a3)제2레이저(21)에서 조사된 광이 광섬유를 지나 집광렌즈(26)를 통해 집광되어 정렬유닛(24)과 제2대물렌즈(22)를 상기 제2대물렌즈(22)의 광축과 평행한 경로로 통과하여, 상기 제2대물렌즈(22)의 관측지점에 설치된 삼각프리즘(25)을 통해 관측하여, 제2PC(60)가 상기 정렬유닛(24)의 마이크로미터를 조절함으로써 상기 집광된 제2레이저(21)의 입사광과 상기 제2대물렌즈(22)의 광축의 수직 거리(
    Figure pat00090
    )를 입력받아
    Figure pat00091
    에 따른 삼각프리즘(25)으로부터 굴절되어 나오는 광각(
    Figure pat00092
    )의 관계식을 도출하는 단계;
    (a4)상기 제2PC(60)가 상기 (a3)단계에서 도출한
    Figure pat00093
    와
    Figure pat00094
    의 관계식 및 입사각인
    Figure pat00095
    과
    Figure pat00096
    의 관계식을 이용하여,
    Figure pat00097
    와
    Figure pat00098
    의 관계식 도출하는 단계;
    (a5)상기 제2PC(60)가 상기 (a4)단계에서 도출한
    Figure pat00099
    와
    Figure pat00100
    의 관계식 및 침투깊이인
    Figure pat00101
    과
    Figure pat00102
    의 관계식을 이용하여,
    Figure pat00103
    와
    Figure pat00104
    의 관계식을 도출하는 단계;
    (a6)상기 제2PC(60)가 상기 (a5)단계에서 도출한
    Figure pat00105
    와
    Figure pat00106
    의 관계식 및 상기 미세소자 내의 입자의 Z축 방향 위치(
    Figure pat00107
    )에 따른 밝기인
    Figure pat00108
    와
    Figure pat00109
    의 관계식을 이용하여,
    Figure pat00110
    와
    Figure pat00111
    의 관계식인 제2캘리브레이션 함수를 도출하는 단계;로 구성되되,
    상기
    Figure pat00112
    과
    Figure pat00113
    의 관계식은,
    Figure pat00114
    이며,
    상기
    Figure pat00115
    과
    Figure pat00116
    의 관계은,
    Figure pat00117
    이며,
    상기
    Figure pat00118
    와
    Figure pat00119
    의 관계식은,
    Figure pat00120
    인 것을 특징으로 하는 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 (b)단계에서 상기 디포커싱 PIV 장치의 나노 스케일의 3차원 유동 측정은,
    (b1)마이크로채널(30)에 제1레이저(11)를 조사하여 상기 제1대물렌즈(12)를 통과한 상기 미세유체소자의 입자이미지를 제1고속카메라(13)로 획득하여 상기 제1PC(50)로 저장하는 단계;
    (b2)상기 제1PC(50)가 상기 획득한 입자이미지에서 동일한 입자의 이미지인 정삼각형을 이루는 3개의 점을 각 입자마다 추적하여, 상기 정삼각형의 중심 위치로 각 입자들의 XY평면 위치를 추적하는 단계;
    (b3)상기 제1PC(50)가 상기 각 입자에 해당하는 정삼각형을 지나는 원의 직경(D)을 이용하여 제1캘리브레이션 함수로 Z축 방향 위치(
    Figure pat00121
    )를 계산하는 단계;
    (b4)상기 제1PC(50)가 시간에 따른 입자의 X,Y,Z축 방향 위치변화로 속도 벡터를 구하는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 (b)단계에서 상기 전반사형광현미경의 나노 스케일의 3차원 유동 측정은,
    (b5)상기 마이크로미터를 조절하여 제2레이저(21)가 마이크로채널(30)의 커버글래스(32)와 immersion oil의 경계에서 전반사되도록 조절되었을 때, 제2대물렌즈(22)를 통과한 상기 미세유체소자의 입자이미지를 제2고속카메라(23)로 획득하여 상기 제2PC(60)로 저장하는 단계;
    (b6)상기 제2PC(60)가 상기 획득한 입자이미지에서 XY평면의 불균일한 광량을 보정하고 각 입자의 XY평면 위치를 추적하는 단계;
    (b7)상기 제2PC(60)가 상기 획득한 입자이미지에서 측정한 각 입자의 광량(
    Figure pat00122
    ) 및 Z축 방향 위치가 커버글래스(32)의 벽면일 때의 상기 입자의 광량(
    Figure pat00123
    )을 이용하여 제2캘리브레이션 함수로 Z축 방향 위치(
    Figure pat00124
    )를 계산하는 단계;
    (b8)상기 제2PC(60)가 시간에 따른 입자의 X,Y,Z축 방향 위치변화로 속도 벡터를 구하는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 마이크로/나노 PIV 시스템을 이용한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법.
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KR1020110005816A KR20120084450A (ko) 2011-01-20 2011-01-20 하이브리드 마이크로/나노 ｐｉｖ 시스템을 이용한 마이크로 및 나노스케일의 3차원 유동 측정 방법

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104914008A (zh) * 2015-06-11 2015-09-16 同济大学 类矩形盾构土舱渣土流动特性可视化观测试验系统及方法
CN108287122A (zh) * 2017-12-15 2018-07-17 浙江海洋大学 一种纳米通道中液体流动特征的实验方法
CN109061229A (zh) * 2018-08-02 2018-12-21 东南大学 一种光场Micro-PIV系统的标定方法
CN109061228A (zh) * 2018-06-19 2018-12-21 哈尔滨工程大学 一种piv设备的标定装置

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CN109061228A (zh) * 2018-06-19 2018-12-21 哈尔滨工程大学 一种piv设备的标定装置
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