WO2011105668A1 - 유체 점도 측정 장치 - Google Patents

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viscosity
measured
counting
resistance
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양성
강양준
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Gwangju Institute of Science and Technology
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    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/49—Blood

Definitions

  • the present invention relates to a viscometer, and more particularly to a fluid viscosity measuring device capable of measuring the viscosity of a fluid, such as blood (Blood).
  • a fluid viscosity measuring device for measuring the viscosity of a fluid such as blood is called a viscometer (viscometer), and the type of viscometer widely used at present is a capillary viscometer, a rotary viscometer.
  • viscometer a fluid viscosity measuring device for measuring the viscosity of a fluid such as blood
  • conventional viscometers such as capillary viscometers and rotary viscometers, require relatively large amounts of sample consumption ( ⁇ mL), require a large amount of measurement time ( ⁇ 1hr), and relatively high measurement errors.
  • microfluidic-based viscometers offer many advantages in this field due to the advantages of low sample consumption ( ⁇ uL), short measurement time ( ⁇ min), and accurate evaluation of repeatability and reproducibility in continuous real-time. Research is ongoing.
  • fluid viscometers are essential for accurate rheological characterization. In particular, it is considered as one of the important analytical tools in the fields of chemistry, biology and medical engineering. Because of the need and availability of viscosity, there is an increasing demand for equipment that can measure quickly and accurately.
  • the present invention has been made to solve the above problems, to provide a fluid viscosity measuring device that can accurately measure the viscosity of the fluid to be measured without complex calibration or correction using a micro-channel array having a plurality of counting channels have.
  • a fluid viscosity measuring apparatus for achieving the above object, the first fluid injecting unit and the reference fluid having a reference viscosity is injected is injected into the fluid to be measured viscosity (viscosity)
  • a boundary measurement for measuring the number of counting channels each filled with the measurement target fluid and the reference fluid flowing on a connecting pipe flow path, and the counting channels each filled with the measurement target fluid and the reference fluid It may include wealth.
  • the counting channel may be formed in a direction perpendicular to the connecting pipe.
  • the fluid viscosity measuring apparatus of the present invention by increasing the fluid resistance ratio of the connecting tube and the counting channel by the normalized relative viscosity (m A / m B ) of the measurement target fluid and the reference fluid expected / [m A / m B ] known , where [m A / m B ] is the relative viscosity ratio of the measured fluid (A) and the reference fluid (B), and the subscripts known and expected are known and expected values). It is desirable to converge to 1.
  • the fluid resistance of the connecting pipe is set to be at least 1000 times smaller than the fluid resistance of the counting channel so that the friction loss between the measurement object fluid and the reference fluid is mostly generated in the counting channel, more preferably 3000 times or more. Set it small.
  • the fluid viscosity measuring apparatus of the present invention by using the ratio of the number of the counting channel filled by the measurement object fluid and the reference fluid, and the injection flow rate ratio of the measurement object fluid and the reference fluid of the fluid to be measured Viscosity can be measured.
  • the viscosity of the fluid to be measured may be expressed as a function of the injection flow rate of the fluid to be measured and the reference fluid and the number of counting channels filled by each fluid, and more specifically, the viscosity of the fluid to be measured.
  • the coefficient can be calculated based on the following equation.
  • the fluid to be measured includes a non-Newtonian fluid whose viscosity changes according to a shear rate
  • the reference fluid includes a Newtonian fluid having a constant viscosity regardless of the shear rate.
  • Newtonian Fluid may be blood
  • the reference fluid may be Phosphate Buffered Saline (PBS).
  • the measurement object fluid and the reference fluid may include a Newtonian fluid having a constant viscosity regardless of the shear rate.
  • the measurement object fluid may be an SDS solution
  • the reference fluid may be ultra pure water (DI water).
  • the interface measuring unit may include a first electrode provided in any one of the counting channels filled with the measurement target fluid, and a first resistance detector electrically connected to the first electrode to detect resistance of the first electrode; A second electrode provided in one of the counting channels filled with the reference fluid, and a second resistance detector electrically connected to the second electrode to detect resistance of the second electrode, the measurement object fluid and the A third electrode provided in any one of the counting channels between the first electrode and the second electrode to detect a fixed interface while changing the injection flow rate of the reference fluid to move the interface between the two fluids, and the third electrode And a third resistance detector electrically connected to the third electrode to detect the resistance of the third electrode.
  • the fluid viscosity measuring apparatus of the present invention the first fluid injecting unit into which the fluid to be measured to be measured (viscosity) is injected, the second fluid injecting unit into which the reference fluid having a reference viscosity is injected, and the first A connection pipe which interconnects a fluid injection part and the second fluid injection part, and forms a flow path between the measurement object fluid and the reference fluid, and is in communication with the connection pipe at a predetermined interval, and flows on the connection pipe flow path.
  • the number of channels filled in the counting channel is changed by the relative viscosity difference between the reference fluid having a reference viscosity and the fluid to be measured, such as blood, and changes the electrical resistance.
  • the viscosity of the fluid to be measured can be easily measured. That is, the fluid viscosity measuring apparatus of the present invention can accurately measure the viscosity of the fluid to be measured without complicated calibration or correction using a micro channel array having a plurality of counting channels.
  • FIG. 1 is a schematic view of a fluid viscosity measuring apparatus according to a preferred embodiment of the present invention
  • N A / N B the number of channels filled in the counting channel according to the injection flow rate (Q A / Q B ) of the measurement target fluid (A) and the reference fluid (B),
  • FIG. 5 is a view for explaining the variables (L m , W m , H m ) related to the fluid resistance of the connector and the variables (L c , W c , H c ) related to the fluid resistance of the counting channel;
  • FIG. 8 is a view showing an image measured for detecting the number of each fluid filled in the counting channel according to the change in the flow rate ratio of the two fluids having the same viscosity to experimentally verify the derived theoretical equation for the fluid viscosity measuring apparatus of the present invention ,
  • 10 is a view for explaining a method for measuring the viscosity by adjusting the injection flow rate ratio of the two fluids in order to fix the number of channels filled in the counting channel with the measurement fluid and the reference fluid;
  • FIG. 11 is a view for explaining a method of moving an interface between two fluids at an electrode position for detecting an interface by adjusting an injection flow rate ratio between a measurement target fluid and a reference fluid;
  • FIG. 16 illustrates four viscosity conditions using four SDS concentrations (2.5%, 5%, 7.5%, and 10%), using the method proposed in the present invention and a commercial viscometer (conventional HAAKE MARS).
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a fluid viscosity measuring device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the fluid viscosity measuring device 1 may include fluid inlets 11 and 12, a connecting pipe 20, a counting channel 30, and the like. .
  • the fluid injection part includes a first fluid injection part 11 into which a measurement target fluid A to measure viscosity is injected, and a second fluid injection part 12 into which a reference fluid B having a reference viscosity is injected. It may include.
  • the reference fluid (B) which already knows the viscosity, is a fluid which is not mixed with the measurement target fluid (A), and a Newtonian fluid having a constant viscosity regardless of the shear rate is used.
  • the reference fluid (B) is a Newton behavior when the fluid to be measured (A) is a non-Newtonian fluid, for example blood (Blood), the viscosity changes according to the shear rate
  • PBS Phosphate Buffered Saline
  • the fluid viscosity measuring apparatus 1 can simultaneously measure the viscosity for a Newtonian fluid having a constant viscosity and a non-Newtonian fluid whose viscosity varies depending on the shear rate regardless of the shear rate.
  • a pump (not shown) and a valve (not shown) may be used to inject the measurement target fluid A and the reference fluid B into the first fluid injection part 11 and the second fluid injection part 12, respectively. It can be provided.
  • the connecting tube 20 interconnects the first fluid inlet 11 and the second fluid inlet 12.
  • the connecting pipe 20 is provided in a tube shape in which flow paths of the fluid A and the reference fluid B are formed.
  • the connection pipe 20 is provided in a rectangular cylindrical shape having a rectangular cross-sectional shape, unlike the present invention may be provided in a circular and polygonal cross-sectional shape.
  • the counting channel 30 is disposed in communication with the connection pipe 20 at predetermined intervals, and is provided in plural so that the measurement object fluid A and the reference fluid B flowing on the connection pipe 20 flow paths may be filled, respectively. .
  • the counting channel 30 is disposed in the transverse direction of the flow direction of the measurement target fluid A and the reference fluid B in the connection pipe 20, that is, the direction perpendicular to the connection pipe 20.
  • the flow characteristics of the fluid to be measured (A) and the reference fluid (B), in particular, the viscosity of the two fluids (A, B) under the condition that the fluid resistance is relatively higher than the fluid resistance of the connecting pipe (20) counting channel (30) ) To be determined.
  • the counting channel 30 is a MEMS can be produced in a rectangular and arbitrary shape of the cross-sectional area of the channel.
  • FIG. 2 is a view for explaining the principle of measuring the viscosity of the fluid using the fluid viscosity measuring device of the present invention.
  • the number of channels changes. Using this, namely, the number N A , N B of counting channels 30 filled by the measurement target fluid A and the reference fluid B , and the measurement target fluid A and the reference fluid B
  • the viscosity (m A ) of the fluid (A) to be measured can be calculated using the injection flow rates (Q A , Q B ).
  • FIG. 3 is a view for explaining the mathematical modeling of the fluid viscosity measuring device of the present invention.
  • the viscosity (m A ) of the measurement target fluid (A) is counted by the viscosity (m B ) of the reference fluid ( B ), the measurement target fluid (A) and the reference fluid (B). It is determined by the number N A , N B of the channels 30, the injection flow rates Q A , Q B of the measurement target fluid A and the reference fluid B.
  • 3 (a) is mathematical modeling considering the fluid resistances R m, A and R m, B generated in the connecting pipe 20 by the injection of the measurement target fluid A and the reference fluid B. to be. Instead of this modeling, if the connector 20 is designed to ignore the pressure drop caused by the friction loss caused by the measurement target fluid A and the reference fluid B in the connector 20, as shown in FIG.
  • the connection tube to have a certain pressure drop occurs a counting channel 30 arranged perpendicularly to 20, the relationship of the measurement object fluid (a) viscosity (m a) and a reference fluid (B) viscosity (m B) of the Can be simply derived, the number of counting channels (N A , N B ) filled by the measurement target fluid (A) and the reference fluid (B), the measurement target fluid (A) and the reference fluid ( It can be expressed as the injection flow rate (Q A , Q B ) of B ).
  • the relation of the viscosity (m A ) of the fluid (A) to be measured is a relation between the pressure drop (DP) and the flow rate (Q),
  • Equation (6) substituting the fluid resistance relation (5) for the channel having a low aspect ratio into Equation (4) is as in Equation (6).
  • equation (6) can be simply summarized as in equation (7).
  • the viscosity m A of the fluid A to be measured can be calculated based on Equation (8).
  • Equation (8) When Equation (8) is expressed as Equation (9), the relative viscosity ratio (m A / m B ) of the two fluids (A, B) is counted by the fluid to be measured (A) and the reference fluid (B). It refers to the slope of the injection flow rate ratio Q A / Q B of the two fluids A and B to the number ratio N A / N B of the channel 30.
  • Equation (9) is derived in a condition that the friction loss in the connecting pipe (20) is relatively negligible compared to the counting channel (30). In order to find a condition that satisfies this assumption, Equation (9) can be represented schematically as shown in FIG.
  • N A / N B is a theoretical description of the number of channels (N A / N B ) filled in the counting channel 30 according to the injection flow rate (Q A / Q B ) of the measurement target fluid (A) and the reference fluid (B) This is a graph.
  • CASE (a) and (b) refers to the relative viscosity ratio (m A / m B ) of the two fluids (A, B) compared to CASE (c) that satisfies the condition (9)
  • the slope is relatively small. This is due to the frictional loss in the connection pipe 20, in order to reduce this, the fluid resistance of the connection pipe 20 should be reduced. That is, the condition that satisfies Equation (9) can be achieved by increasing the fluid resistance ratio of the connector 20 and the counting channel 30.
  • FIG. 5 is a view for explaining the variables (L m , W m , H m ) related to the fluid resistance of the connector and the variables (L c , W c , H c ) related to the fluid resistance of the counting channel.
  • the fluid resistance R of the connecting pipe 20 and the counting channel 30 is affected by the cross-sectional area (width W, height H) and length L.
  • L c , W c , H c means the length, width, height of the counting channel 30
  • L m , W m , H m means the length, width, height of the connector (20). That is, according to the fluid resistance ratio relation (10), the influence of the height (H m , H c ) of the connecting pipe 20 and the counting channel 30 is relatively high, and from this relation the fluid resistance ratio (R c) / R m ) can be calculated.
  • the number of counting channels 30 filled with the two fluids (A, B) is equal to 25, but Figure 6 (b)
  • the injection flow rate (Q B ) of the reference fluid (B) is 10 times larger than the injection flow rate (Q A ) of the measurement target fluid (A)
  • the measurement target fluid (A) and the reference fluid (B) are respectively counting channels (
  • the designed fluid viscosity measuring device generates a lot of frictional losses in the connecting pipe, and thus, inevitably, many measurement errors occur when the viscosity is calculated using Equation (9).
  • Relative viscosity (m A / S) which is the slope of the injection flow rate ratio (Q A / Q B ) of the two fluids (A, B) to the channel number ratio (N A / N B ) of the two filled fluids (A, B) m B , relative viscosity) is shown in FIG. 7.
  • Normalized relative viscosity ([m A / m B ] expected / [m A / m B ] known ) converges to 1 under the condition that the fluid resistance ratio (R c / R m ) is more than 3000, using equation (9) Viscosity calculation error is less than 1%, showing that the viscosity can be measured accurately. If the fluid resistance ratio (R c / R m ) is 3000 or more, the viscosity measurement error converges to less than 1%, so there is no need to set an upper limit, but the upper limit of the fluid resistance ratio (R c / R m ) is less than 1 million. It is desirable to design under conditions.
  • the fluid resistance ratio R c / R m of the connecting pipe 20 and the counting channel 30 is It is preferable to select more than 1000. That is, the fluid resistance (R m ) of the connecting pipe (20) is counted so as to reduce the friction loss between the measurement target fluid (A) and the reference fluid (B) in the connecting pipe (20) and to generate most of the counting channel (30). It is set at least 1000 times smaller than the fluid resistance R c of the channel 30.
  • the fluid resistance ratio (R c / R m ) is determined by six variables (L c , W c , H c, L m , W m , H m ) as shown in equation (10).
  • FIG. 8 shows the same viscosity (E) to experimentally verify the induced viscosity relation (8) using a fluid viscosity measuring device in which the fluid resistance ratio R c / R m of the connecting pipe and the counting channel 30 is designed to be 6300.
  • FIG. 9 illustrates the number of channels N A filled in the counting channel 30 by the measurement target fluid A according to the flow rate ratio Q B / Q A of the two fluids A and B using the experimental result of FIG. 8.
  • Experimental and theoretical results, and the normalized deviation of the two methods that is, the experimental results and the theoretical prediction results show sufficient accuracy within 1% on average.
  • FIG. 10 is a view for explaining a method for measuring the viscosity by adjusting the injection flow rate ratio of the two fluids in order to fix the number of channels filled in the counting channel with the measurement fluid and the reference fluid.
  • the fluid viscosity measuring apparatus 1 measures the number of each counting channel 30 filled by the measurement target fluid A and the reference fluid B.
  • FIG. It may include an interface measuring unit 40 for measuring.
  • the interface measuring unit 40 may include a measurement target fluid measuring unit, a reference fluid measuring unit, and a fixed boundary measuring unit.
  • the measurement target fluid measurement unit is electrically connected to the first electrode 41 and the first electrode 41 provided in any one of the counting channels 30 filled with the measurement target fluid A, and the first electrode ( The first resistance detector 42 detects the resistance of 41.
  • the reference fluid measuring unit is electrically connected to the second electrode 43 and the second electrode 43 provided in any one of the counting channels 30 filled with the reference fluid B, and the second electrode 43. Is a second resistance detector 44 for detecting the resistance of?).
  • the fixed boundary measurement unit may change the injection flow ratios of the measurement target fluid A and the reference fluid B to move the boundary surfaces of the two fluids A and B while detecting the fixed boundary surfaces, so as to detect the fixed boundary surfaces.
  • a third electrode 45 provided in any one of the counting channels 30 between the two electrodes 43, and a third electrically connected to the third electrode 45 to detect resistance of the third electrode 45. It is a resistance detector 46.
  • the electrical resistance varies depending on the fluid A to be measured, it is accurate to detect the resistance for each counting channel 30. To this end, the same number of resistance detectors as the number of counting channels 30 is required. In this case, many resistance detectors are installed and signal processing is performed using them, which is inefficient.
  • the fixed boundary surface measuring units 45 and 46 are provided, and the interface between the two fluids A and B is adjusted by appropriately adjusting the injection flow rates of the two fluids A and B. It is a method of adjusting to exist in the measuring part 45.46.
  • the two fluids A and B injected are counted. Since the number of channels filled in (30) is fixed, and the injection flow rates of the measurement target fluid (A) and the reference fluid (B) respectively injected are known, the viscosity of the measurement target fluid (A) is determined by using the viscosity relationship (8). Viscosity (m A ) can be measured.
  • FIG. 11 is a view for explaining a method of moving a boundary between two fluids to a fixed boundary measuring unit by appropriately adjusting the injection flow rate ratio between the measurement target fluid and the reference fluid.
  • FIGS. 12 (a), 13 (a), 14 (a) and 15 (a) show the flow rates Q A of the measurement target fluid A and the flow rates of the reference fluid B ( Q B ) is measured at 1000 mL / h, respectively, and FIGS. 12 (b), 13 (b), 14 (b) and 15 (b) show that the measurement target fluid A is counting channel 30.
  • the viscosity measured by the fluid viscosity measuring device 1 proposed in the present invention with respect to the viscosity measured under four SDS concentration conditions is averaged compared to the viscosity measured by the conventional HAAKE MARS viscometer. Since it is very accurate to within 4.0%, the fluid viscosity measuring device of the present invention shows that the viscosity measurement can be precise.
  • the present invention can be used in the viscometer industry based on microfluidic devices capable of accurately measuring the viscosity for a variety of fluids, including Newtonian fluids as well as non-Newtonian fluids such as Blood.

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Abstract

혈액(Blood) 등과 같은 유체의 점도(viscosity)를 측정할 수 있는 유체 점도 측정 장치가 개시된다. 본 발명의 유체 점도 측정 장치는, 점도(viscosity)를 측정하고자 하는 측정대상유체가 주입되는 제 1 유체 주입부 및 기준 점도를 가지는 기준유체가 주입되는 제 2 유체 주입부와, 상기 제 1 유체 주입부와 상기 제 2 유체 주입부를 상호 연결하며 상기 측정대상유체 및 상기 기준유체의 유로를 형성하는 연결관과, 상기 연결관에 일정 간격으로 연통 배치되며 상기 연결관 유로 상으로 유동되는 상기 측정대상유체 및 상기 기준유체가 각각 채워지는 복수 개의 카운팅채널과, 상기 측정대상유체와 상기 기준유체에 의해 채워지는 각각의 상기 카운팅채널의 개수를 측정하기 위한 경계면측정부를 포함할 수 있다.

Description

유체 점도 측정 장치
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.
일반적으로 혈액 등과 같은 유체의 점도를 측정하기 위한 유체 점도 측정 장치를 점도계 (viscometer)라고 하며, 현재 많이 사용되는 점도계의 종류는 모세관 점도계, 회전식 점도계 등이 있다. 그러나, 모세관 점도계나 회전식 점도계와 같은 종래의 점도계는 시료의 소모량(~mL) 이 비교적 많고, 많은 측정시간(~1hr) 이 필요하며, 측정 오류가 상대적으로 높다. 이에 비하여, 미세유체소자 기반의 점도계는 적은 시료 소모량(~uL), 짧은 측정시간(~min), 그리고, 연속적- 실시간으로 반복성 및 재연성에 대한 정확한 평가 등의 장점으로 인하여, 이 분야에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 유체점도계는 정확한 유변학적 특성분석을 위하여 필수적이다. 특히, 화학, 생물학, 의용공학분야에서 중요한 분석적인 도구 중의 하나로 고려되고 있다. 점도에 대한 필요성과 유용성 때문에, 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 장비에 대한 요구는 증가하고 있다.
마이크로 유체소자 기반으로 측정대상 유체의 점도를 측정하기 위하여, 측정대상유체의 유체유동에 의하여 발생되는 마찰손실에 의한 압력강하를 이용한 다양한 방법들이 제안되었다. 종래에 제안된 방법으로는 "a) 직접적인 압력센서를 이용한 점도측정방법과. b) 두 유체의 점도비에 따른 경계면 변화를 이용한 간접적인 점도측정방법"으로 분류된다. 먼저 직접적인 압력센서를 이용하여 점도를 측정하는 방법은 복잡한 캘리브래이션(calibration)과 보정이 필수적이다. 이에 비하여, 두 유체의 경계면의 변화를 이용한 간접적인 점도 측정방법은 압력센서 없이 점도를 쉽게 측정 할 수 있다. 하지만, 두 유체의 점도비나 표면 장력비에 따라 경계면의 형상이 다양하게 바뀌기 때문에, 측정대상유체의 정확한 경계면 검출을 위하여 calibration 및 보정이 필요하고, 더불어 이미지 프로세싱(image processing)이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 복수개의 카운팅채널을 갖는 마이크로 채널 어래이를 이용하여 복잡한 calibration 또는 보정 없이 측정대상유체의 점도를 정확하게 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 측정대상유체가 주입되는 제 1 유체 주입부 및 기준 점도를 가지는 기준유체가 주입되는 제 2 유체 주입부와, 상기 제 1 유체 주입부와 상기 제 2 유체 주입부를 상호 연결하며 상기 측정대상유체 및 상기 기준유체의 유로를 형성하는 연결관과, 상기 연결관에 일정 간격으로 연통 배치되며 상기 연결관 유로 상으로 유동되는 상기 측정대상유체 및 상기 기준유체가 각각 채워지는 복수 개의 카운팅채널과, 상기 측정대상유체와 상기 기준유체에 의해 채워지는 각각의 상기 카운팅채널의 개수를 측정하기 위한 경계면측정부를 포함할 수 있다.
상기 카운팅채널은 상기 연결관에 수직방향으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 유체 점도 측정 장치는, 상기 연결관과 상기 카운팅채널의 유체저항비를 증가시켜 상기 측정대상유체와 상기 기준유체의 정규화 상대점도비(normalized relative viscosity, [mA/mB]expected / [mA/mB]known, 여기서, [mA/mB]는 측정대상유체(A)와 기준유체(B)의 상대점도비, 하첨자 known 및 expected는 기지값 및 예측값)가 1에 수렴되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 측정대상유체와 상기 기준유체의 마찰손실이 대부분 상기 카운팅채널에서 발생하도록 상기 연결관의 유체저항을 상기 카운팅채널의 유체저항보다 적어도 1000배 이상 작게 설정하며, 더욱 바람직하게는 3000배 이상 작게 설정한다.
또한, 본 발명의 유체 점도 측정 장치는, 상기 측정대상유체와 상기 기준유체에 의해 채워지는 상기 카운팅채널의 개수비와, 상기 측정대상유체와 상기 기준유체의 주입유량비를 이용하여 상기 측정대상유체의 점도를 측정할 수 있다. 여기서, 상기 측정대상유체의 점도는 상기 측정대상유체와 상기 기준유체의 주입유량 및 각각의 유체에 의해 채워지는 카운팅채널의 개수의 함수로 표현될 수 있으며, 보다 구체적으로, 상기 측정대상유체의 점성 계수는 이하 수학식에 기초하여 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2010005498-appb-I000001
여기서,
Figure PCTKR2010005498-appb-I000002
와
Figure PCTKR2010005498-appb-I000003
는 각각 측정대상유체와 기준유체의 점성계수이고,
Figure PCTKR2010005498-appb-I000004
와
Figure PCTKR2010005498-appb-I000005
는 각각 측정대상유체와 기준유체에 의해 채워지는 카운팅채널의 개수이며,
Figure PCTKR2010005498-appb-I000006
와
Figure PCTKR2010005498-appb-I000007
는 각각 측정대상유체와 기준유체의 주입유량이다.
상기 측정대상유체는 전단률(Shear Rate)에 따라 점도가 변화되는 비뉴턴 유체(non-Newtonian Fluid)를 포함하고, 상기 기준유체는 전단률(Shear Rate)에 관계없이 일정한 점도를 가지는 뉴턴 유체(Newtonian Fluid)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 측정대상유체는 혈액(Blood)이고, 상기 기준유체는 인산완충식식염수(Phosphate Buffered Saline,PBS)일 수 있다.
혹은, 상기 측정대상유체와 상기 기준유체는 전단률에 관계없이 일정한 점도를 가지는 뉴턴 유체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 측정대상유체는 SDS 용액(SDS solution)이고, 상기 기준유체는 초순수(DI water)일 수 있다.
상기 경계면측정부는, 상기 측정대상유체가 채워지는 상기 카운팅채널 중 어느 하나에 마련되는 제 1 전극, 및 상기 제 1 전극과 전기적으로 연결되어 상기 제 1 전극의 저항을 검출하는 제 1 저항 검출부와, 상기 기준유체가 채워지는 상기 카운팅채널 중 어느 하나에 마련되는 제 2 전극, 및 상기 제 2 전극과 전기적으로 연결되어 상기 제 2 전극의 저항을 검출하는 제 2 저항 검출부와, 상기 측정대상유체와 상기 기준유체의 주입유량비를 변경하여 두 유체의 경계면을 이동시키면서 고정 경계면을 검출하기 위하여 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 상기 카운팅채널 중 어느 하나에 마련되는 제 3 전극, 및 상기 제 3 전극과 전기적으로 연결되어 상기 제 3 전극의 저항을 검출하는 제 3 저항 검출부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 유체 점도 측정 장치는, 점도(viscosity)를 측정하고자 하는 측정대상유체가 주입되는 제 1 유체 주입부 및 기준 점도를 갖는 기준유체가 주입되는 제 2 유체 주입부와, 상기 제 1 유체 주입부와 상기 제 2 유체 주입부를 상호 연결하며, 상기 측정대상유체 및 상기 기준유체의 유로를 형성하는 연결관과, 상기 연결관에 일정 간격으로 연통 배치되며, 상기 연결관 유로 상으로 유동되는 상기 측정대상유체 및 상기 기준유체가 각각 채워지는 복수 개의 카운팅채널을 포함하며, 상기 측정대상유체와 상기 기준유체의 마찰손실이 대부분 상기 카운팅채널에서 발생하도록 상기 연결관의 유체저항을 상기 카운팅채널의 유체저항보다 적어도 1000배 이상 작게 설정하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 유체 점도 측정 장치에 따르면, 기준 점도를 갖는 기준유체와 혈액 등과 같은 점도 측정대상유체의 상대적인 점도 차이에 의해 카운팅 채널에 채워진 채널의 개수가 변하고, 이를 전기 저항의 변화를 이용하면 측정가능하며, 이로부터 측정대상유체의 점도를 쉽게 측정할 수 있다. 즉, 본 발명의 유체 점도 측정 장치는 복수개의 카운팅채널을 갖는 마이크로 채널 어래이를 이용하여 복잡한 calibration 또는 보정 없이 측정대상유체의 점도를 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 뉴턴 유체뿐만 아니라, 혈액 등과 같은 비뉴턴 거동을 하는 유체에 대해서도 다양한 전단률에 대한 점도를 간편하고, 정확하게 측정할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 점도 측정 장치의 개략도,
도 2는 본 발명의 유체 점도 측정 장치를 이용하여 유체의 점도를 측정하는 원리를 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 유체 점도 측정 장치의 수학적 모델링을 설명하기 위한 도면,
도 4는 측정대상유체(A)와 기준유체(B)의 주입유량비(QA/QB)에 따른 카운팅채널에 채워진 채널 개수비(NA/NB)에 대한 이론적인 설명을 위한 그래프,
도 5는 연결관의 유체저항에 관련된 변수(Lm, Wm, Hm)와 카운팅채널의 유체저항에 관련된 변수(Lc, Wc, Hc)를 설명하기 위한 도면,
도 6은 연결관 및 카운팅채널의 유체저항비(Rc/Rm) 조건을 만족하는 유체 점도 측정 장치에서, 동일한 점도(mA=mB)를 갖는 측정대상유체와 기준유체의 주입유량비 변화에 따른 카운팅채널에 채워진 채널 개수에 대한 수치해석 결과를 보여주는 도면,
도 7은 연결관 및 카운팅채널의 유체저항비에 따른 정규화 상대점도(normalized relative viscosity, [mA/mB]expected / [mA/mB]known, 여기서, [mA/mB]는 측정대상유체(A)와 기준유체(B)의 상대점도비, 하첨자 known 및 expected는 기지값 및 예측값)와 측정오류 관계를 보여주는 그래프,
도 8은 본 발명의 유체 점도 측정 장치에 대하여 유도된 이론관계식을 실험적으로 검증하기 위하여 동일점도를 갖는 두 유체의 유량비 변화에 따른 각 유체가 카운팅채널에 채워진 개수 검출을 위하여 측정된 이미지를 보여주는 도면,
도 9는 측정대상유체와 기준유체의 주입유량비에 따라 카운팅채널에 측정대상유체가 채워진 채널 개수에 대한 이론적 예측, 실험결과, 그리고 두 방법의 편차에 대한 그래프,
도 10은 측정대상유체와 기준유체가 카운팅채널에 채워진 채널 개수를 일정 고정하기 위하여 두 유체의 주입유량비를 조정하여 점도를 측정하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면,
도 11은 측정대상유체와 기준유체의 주입유량비의 조정에 의하여 두 유체의 경계면을 경계면 검출용 전극 위치에 이동하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 12는 (a) 동일유량조건 (QA/QB=1000:1000 mL/h)에서 2.5%의 SDS 농도에 의하여 카운팅채널에 채워진 채널 개수와, (b) 기준유체가 채워진 채널 개수가 26개를 만족할 때의 주입유량(QA/QB=750:1000 mL/h)을 보여주는 도면,
도 13은 (a) 동일유량조건 (QA/QB=1000:1000 mL/h)에서 5.0%의 SDS 농도에 의하여 카운팅채널에 채워진 채널 개수와, (b) 기준유체가 채워진 채널 개수가 26개를 만족할 때의 주입유량(QA/QB=620:1000 mL/h)을 보여주는 도면,
도 14는 (a) 동일유량조건 (QA/QB=1000:1000 mL/h)에서 7.5%의 SDS 농도에 의하여 카운팅채널에 채워진 채널 개수와, (b) 기준유체가 채워진 채널 개수가 26개를 만족할 때의 주입유량(QA/QB=490:1000 mL/h)을 보여주는 도면,
도 15는 (a) 동일유량조건 (QA/QB=1000:1000 mL/h)에서 10.0%의 SDS 농도에 의하여 카운팅채널에 채워진 채널 개수와, (b) 기준유체가 채워진 채널 개수가 26개를 만족할 때의 주입유량(QA/QB=430:1000 mL/h)을 보여주는 도면, 그리고,
도 16은 4가지 SDS 농도(2.5%, 5%, 7.5%, 10%)를 이용하여 4가지 점도조건을 만들고, 이를 이용하여 본 발명에서 제안된 방법과 상용 점도계 (conventional HAAKE MARS)를 이용하여 측정된 점도값 및 두 방법에 대한 차이(normalized deviation)을 보여주는 도면이다.
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 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 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 점도 측정 장치(1)는 유체 주입부(11,12), 연결관(20) 및 카운팅채널(30) 등을 포함할 수 있다.
유체 주입부는 점도(viscosity)를 측정하고자 하는 측정대상유체(A)가 주입되는 제 1 유체 주입부(11)와, 기준 점도를 가지는 기준유체(B)가 주입되는 제 2 유체 주입부(12)를 포함할 수 있다.
여기서, 점도를 이미 알고 있는 기준유체(B)는 측정대상유체(A)와 혼합되지 않는 유체이고, 전단률(Shear Rate)과 무관한 일정한 점도를 갖는 뉴턴 유체(Newtonian Fluid)가 사용된다. 본 발명의 실시예로서, 측정대상유체(A)가 전단률에 따라 점도가 변화하는 비뉴턴 유체(non-Newtonian Fluid), 예컨대, 혈액(Blood)일 경우에 기준유체(B)는 뉴턴 거동을 하는 인산완충식염수(Phosphate Buffered Saline: PBS)를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 측정대상유체(A)가 전단률에 관계없이 일정한 점도를 가지는 뉴턴 유체(Newtonian Fluid), 예컨대, SDS 용액일 경우에 기준유체(B)는 뉴턴 거동을 하는 초순수(DI water)를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에 따른 유체 점도 측정 장치(1)는 전단률에 관계없이 일정한 점도를 가지는 뉴턴 유체와 전단률에 따라 점도가 변화하는 비뉴턴 유체에 대한 점도를 동시에 측정이 가능하다.
또한, 측정대상유체(A)와 기준유체(B)를 제 1 유체 주입부(11)와 제 2 유체 주입부(12)에 각각 주입하기 위해서는 펌프(미도시)와 밸브(미도시) 등을 구비할 수 있다.
연결관(20)은 제 1 유체주입부(11)와 제 2 유체주입부(12) 사이를 상호 연결한다. 연결관(20)은 내부에 측정대상유체(A) 및 기준유체(B)의 유로가 형성되는 관(Tube)형상으로 마련된다. 본 발명의 실시예로서, 연결관(20)은 사각 단면 형상을 갖는 사각통 형상으로 마련되나, 본 발명과 달리 원형 및 다각형 단면 형상으로 마련 될 수 있다.
카운팅채널(30)은 연결관(20)에 일정 간격으로 연통 배치되고, 연결관(20) 유로상으로 유동되는 측정대상유체(A) 및 기준유체(B)가 각각 채워질 수 있도록 복수 개로 마련된다. 카운팅채널(30)는 연결관(20) 내 측정대상유체(A) 및 기준유체(B)의 유동방향의 가로방향, 즉 연결관(20)에 수직 방향으로 배치되고, 카운팅채널(30)의 유체저항이 연결관(20)의 유체저항에 대비하여 상대적으로 큰 조건하에서 측정대상유체(A)와 기준유체(B)의 유동특성, 특히 두 유체(A,B)의 점도가 카운팅채널(30)에서 결정되게 하는 역할을 한다. 이러한 카운팅채널(30)은 MEMS으로 채널의 단면적을 사각형 및 임의 형상으로 제작이 가능하다.
도 2는 본 발명의 유체 점도 측정 장치를 이용하여 유체의 점도를 측정하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 측정대상유체(A) 및 기준유체(B)의 상대점도 차이로 인한 마찰손실에 의한 압력강하에 의하여 카운팅채널(30)에 채워지는 두 유체(A,B)의 채널 개수가 변한다. 이를 이용하면, 즉, 측정대상유체(A)와 기준유체(B)에 의해 채워지는 카운팅채널(30)의 개수(NA, NB)와, 측정대상유체(A)와 기준유체(B)의 주입유량(QA, QB)을 이용하여 측정대상유체(A)의 점도(mA)를 계산할 수 있다.
도 3은 본 발명의 유체 점도 측정 장치의 수학적 모델링을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 측정대상유체(A)의 점도(mA)는 기준유체(B)의 점도(mB), 측정대상유체(A)와 기준유체(B)에 의해 채워지는 카운팅채널(30)의 개수(NA, NB), 측정대상유체(A)와 기준유체(B)의 주입유량(QA, QB)에 의하여 결정된다.
간단하게 상사화(Similarity Law)를 이용하면, 주입유량 및 유체저항을 각각 전류 및 저항으로 간략하게 표시할 수 있다. 여기서, 도 3(a)는 측정대상유체(A)와 기준유체(B)의 주입에 의하여 연결관(20)에서 발생하는 유체저항(Rm,A 및 Rm,B)을 고려한 수학적인 모델링이다. 이러한 모델링 대신에 연결관(20) 내의 측정대상유체(A)와 기준유체(B)에 의한 마찰손실에 의한 압력강하를 무시할 수 있도록 연결관(20)을 설계한다면, 도 3(b)와 같이 연결관(20)에 수직으로 배치된 카운팅채널(30)에는 일정한 압력강하가 발생하기 때문에, 측정대상유체(A)의 점도(mA)와 기준유체(B)의 점도(mB)의 관계식은 단순하게 유도될 수 있으며, 측정대상유체(A)와 기준유체(B)에 의해 채워지는 카운팅채널(30)의 개수(NA, NB)와, 측정대상유체(A)와 기준유체(B)의 주입유량(QA, QB)으로 표현될 수 있다.
즉, 측정대상유체(A)의 점도(mA)에 대한 관계식은 잘 알려진 Poiseuille flow 특성을 고려하면, 압력강하(pressure drop, DP) 와 유량(Q)의 관계식,
Figure PCTKR2010005498-appb-I000008
(1)
으로부터, 측정대상유체(A)와 기준유체(B) 각각의 압력강하(DP)와 유량(Q)에 대한 관계는 식(2) 와 (3)과 같다.
Figure PCTKR2010005498-appb-I000009
(2)
Figure PCTKR2010005498-appb-I000010
(3)
여기서, 압력강하(DP)는 동일하기 때문에, 식(2)와 (3)을 이용하면,
Figure PCTKR2010005498-appb-I000011
(4)
이다.
이때, 낮은 종횡비(Aspect Ratio)를 갖는 채널에 대한 유체 저항 관계식 (5)을 식(4)에 대입하면, 식(6)과 같다.
Figure PCTKR2010005498-appb-I000012
(5)
Figure PCTKR2010005498-appb-I000013
(6)
식(6)에서 채널 높이(h), 길이(L) 및 폭(w)은 동일하기 때문에, 식(6)을 식(7)와 같이 간단히 정리할 수 있다.
Figure PCTKR2010005498-appb-I000014
(7)
따라서, 측정대상유체(A)의 점도(mA)는, 식(8)에 기초하여 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2010005498-appb-I000015
(8)
여기서,
Figure PCTKR2010005498-appb-I000016
와
Figure PCTKR2010005498-appb-I000017
는 각각 측정대상유체(A)와 기준유체(B)의 점성계수이고,
Figure PCTKR2010005498-appb-I000018
와
Figure PCTKR2010005498-appb-I000019
는 각각 측정대상유체(A)와 기준유체(B)에 의해 채워지는 카운팅채널(30)의 개수이며,
Figure PCTKR2010005498-appb-I000020
와
Figure PCTKR2010005498-appb-I000021
는 각각 측정대상유체(A)와 기준유체(B)의 주입유량이다.
식(8)을 식(9)와 같이 표현하면, 두 유체(A,B)의 상대점도비(mA/mB)는 측정대상유체(A)와 기준유체(B)에 의해 채워지는 카운팅채널(30)의 개수비(NA/NB)에 대한 두 유체(A,B)의 주입유량비(QA/QB)의 기울기(slope)를 의미한다.
Figure PCTKR2010005498-appb-I000022
(9)
식(9)는 연결관(20) 내에서 마찰손실이 카운팅채널(30) 대비하여 상대적으로 무시할 수 있는 조건에서 유도된 것이다. 이러한 가정을 만족하는 조건을 찾기 위하여, 식(9)를 도 4와 같이 도식적으로 표현할 수가 있다.
도 4는 측정대상유체(A)와 기준유체(B)의 주입유량비(QA/QB)에 따른 카운팅채널(30)에 채워진 채널 개수비(NA/NB)에 대한 이론적인 설명을 위한 그래프이다.
도 4를 참조하면, CASE (a) 및 (b)는 식(9) 조건을 만족하는 CASE (c)에 대비하여 두 유체(A,B)의 상대점도비(mA/mB)를 의미하는 기울기가 상대적으로 작다. 이는 연결관(20) 내에서의 마찰손실에 의한 것으로, 이를 줄이기 위해서는 연결관(20)의 유체저항을 작게 해야 한다. 즉, 식(9)를 만족하는 조건은 연결관(20) 및 카운팅채널(30)의 유체저항비를 증가시킴으로써 가능하다.
도 5는 연결관의 유체저항에 관련된 변수(Lm, Wm, Hm)와 카운팅채널의 유체저항에 관련된 변수(Lc, Wc, Hc)를 설명하기 위한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 연결관(20) 및 카운팅채널(30)의 유체저항(R)은 단면적(폭(W), 높이(H)) 및 길이(L)에 의하여 영향을 받는다. 유체저항 관계식 (5)를 이용하면, 연결관(20) 및 카운팅채널(30)의 유체저항비(Rc/Rm, 카운팅채널 유체저항/연결관 유체저항)는 식(10)과 같이 유도된다.
Figure PCTKR2010005498-appb-I000023
(10)
여기서, Lc, Wc, Hc는 카운팅채널(30)의 길이, 폭, 높이를 의미하며, Lm, Wm, Hm은 연결관(20)의 길이, 폭, 높이를 의미한다. 즉, 유체저항비 관계식(10)에 의하면, 연결관(20) 및 카운팅채널(30)의 높이(Hm, Hc)에 의한 영향도가 상대적으로 높고, 이 관계식으로부터 유체저항비(Rc/Rm)가 계산 될 수 있다.
도6은 카운팅채널(30)의 개수, 및 연결관(20) 및 카운팅채널(30)의 유체저항비(Rc/Rm)가 각각 50, 116으로 설계된 유체 점도 측정 장치(1)에서, 동일한 점도(mA=mB)를 갖는 측정대상유체(A)와 기준유체(B)의 주입유량비에 의하여 카운팅채널(30)에 채워진 두 유체(A,B)의 채널개수에 대한 수치해석 결과이다.
수치해석결과에 의하면, 도 6(a)에서 동일한 유량조건(QA=QB)에서는 두 유체(A,B)가 채워진 카운팅채널(30)의 개수는 25로 동일하지만, 도 6(b)에서 기준유체(B)의 주입유량(QB)이 측정대상유체(A)의 주입유량(QA)보다 10배 크지만, 각각 측정대상유체(A)와 기준유체(B)가 카운팅채널(30)에 채워진 채널개수가 NA=14 및 NB=36이다. 즉, 유량비(QB/QA)가 10인 조건에서 카운팅채널(30)에 채워진 채널 개수비(NB/NA)가 2.6으로써, 연결관(20) 내에서 마찰손실이 없는 조건에서는 채널개수비가 10이 되어야 됨을 고려한다면, 설계된 유체 점도 측정 장치는 연결관에서 많은 마찰손실이 발생하고 이로 인하여, 식(9)를 이용하여 점도계산을 하면 필연적으로 많은 측정오류가 발생한다.
따라서, 연결관(20) 내에서 발생하는 마찰손실에 대한 효과를 줄이기 위하여, 연결관(20) 및 카운팅채널(30)의 유체저항비의 증가가 필요하다.
우선, 두 유체(A,B)는 동일한 점도조건(mA=mB)으로 설정하고, 유체저항비(Rc/Rm)의 증가에 의하여 식(9)와 같이 카운팅채널(30)에 채워진 두 유체(A,B)의 채널개수비(NA/NB)에 대한 두 유체(A,B)의 주입유량비(QA/QB)의 기울기(slope)인 상대점도( mA/mB, relative viscosity)에 대한 수치해석 결과는 도 7과 같다.
도 7은 연결관 및 카운팅채널의 유체저항비에 따른 정규화 상대점도(relative relative viscosity, [mA/mB]expected / [mA/mB]known, 여기서, [mA/mB]는 측정대상유체(A)와 기준유체(B)의 상대점도비, 하첨자 known 및 expected는 기지값 및 예측값)와 측정오류 관계를 보여주는 그래프이다.
도 7을 참조한 수치해석 결과에 의하면, 유체저항비(Rc/Rm)가 증가할수록 정규화 상대점도(normalized relative viscosity, [mA/mB]expected/ [mA/mB]known)가 1에 근접하고, 식(9)를 이용한 점도계산의 오류는 점점 감소한다. 즉, 연결관(20) 내에서의 마찰손실에 의한 효과는 점점 감소하게 된다.
유체저항비(Rc/Rm)가 3000 이상 조건에서는 정규화 상대점도([mA/mB]expected / [mA/mB]known)가 1에 수렴하게 되고, 식(9)를 이용한 점도계산 오류는 1%이만으로, 점도를 정확하게 측정할 수 있음을 보여주고 있다. 유체저항비(Rc/Rm)가 3000 이상에서는 점도 측정오류가 1% 미만으로 수렴하기 때문에 특별히 상한을 정할 필요는 없지만, 유체저항비(Rc/Rm)의 상한을 100만 미만의 조건에서 설계하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 결과로부터, 제안된 유체 점도 측정 장치(1)의 측정오류가 최소한 30% 이하가 되도록 하기 위해서는 연결관(20) 및 카운팅채널(30)의 유체저항비(Rc/Rm)는 1000 이상으로 선정하는 것이 바람직하다. 즉, 연결관(20) 내에서 측정대상유체(A)와 기준유체(B)의 마찰손실을 감소시키고 대부분 카운팅채널(30)에서 발생하도록 연결관(20)의 유체저항(Rm)을 카운팅채널(30)의 유체저항(Rc)보다 적어도 1000배 이상 작게 설정한다. 여기서, 유체저항비(Rc/Rm)는 식(10)과 같이 6개의 변수(Lc, Wc, Hc, Lm, Wm, Hm)에 의하여 결정된다.
도 8은 연결관 및 카운팅채널(30)의 유체저항비(Rc/Rm)가 6300으로 설계된 유체 점도 측정 장치를 이용하여, 유도된 점도관계식(8)을 실험적으로 검증하기 위하여 동일한 점도 (mA=mB)를 갖는 두 유체(A,B)에 대하여 기준유체(B)의 주입유량 (QB)을 200mL/h로 고정하고, 측정대상유체(A)의 주입유량(QA) 200~2000mL/h의 조건에서 두 유체(A,B)에 채워진 카운팅채널(30)에 개수 검출을 위하여 microscope로 측정된 이미지이다.
도 9는 도 8의 실험결과를 이용하여 두 유체(A,B)의 유량비(QB/QA)에 따른 측정대상유체(A)가 카운팅채널(30)에 채워진 채널개수(NA)에 대한 실험적, 이론적 결과와 그리고, 두 방법의 차이(normalized deviation)이다. 즉, 실험적인 결과와 이론적인 예측결과가 평균 1%이내로 충분한 정확도를 보여주고 있다.
도 10은 측정대상유체와 기준유체가 카운팅채널에 채워진 채널 개수를 일정 고정하기 위하여 두 유체의 주입유량비를 조정하여 점도를 측정하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 점도 측정 장치(1)는 측정대상유체(A)와 기준유체(B)에 의해 채워지는 각각의 카운팅채널(30)의 개수를 측정하기 위한 경계면측정부(40)를 포함할 수 있다.
경계면측정부(40)는 측정대상유체 측정부, 기준유체 측정부 및 고정경계면 측정부로 구성될 수 있다.
여기서, 측정대상유체 측정부는 측정대상유체(A)가 채워지는 카운팅채널(30) 중 어느 하나에 마련되는 제 1 전극(41), 및 제 1 전극(41)과 전기적으로 연결되어 제 1 전극(41)의 저항을 검출하는 제 1 저항 검출부(42)이다. 또한, 기준유체 측정부는 기준유체(B)가 채워지는 상기 카운팅채널(30) 중 어느 하나에 마련되는 제 2 전극(43), 및 제 2 전극(43)과 전기적으로 연결되어 제 2 전극(43)의 저항을 검출하는 제 2 저항 검출부(44)이다. 또한, 고정경계면 측정부는 측정대상유체(A)와 기준유체(B)의 주입유량비를 변경하여 두 유체(A,B)의 경계면을 이동시키면서 고정 경계면을 검출하기 위하여 제 1 전극(41)과 제 2 전극(43) 사이의 카운팅채널(30) 중 어느 하나에 마련되는 제 3 전극(45), 및 제 3 전극(45)과 전기적으로 연결되어 제 3 전극(45)의 저항을 검출하는 제 3 저항 검출부(46)이다.
일반적으로, 측정대상유체(A)에 따라서, 전기저항이 달라지기 때문에 각각의 카운팅채널(30)에 대하여 저항을 검출하는 것이 정확하다. 이를 위하여, 카운팅채널(30)의 개수와 동일한 수의 저항검출부가 필요하게 되는데, 이 경우 많은 저항검출부를 설치하고, 이를 이용하여 신호처리를 하게 되므로 비효율적이다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여, 본 발명에서는 고정경계면 측정부(45,46)를 설치하고, 두 유체(A,B)의 주입유량을 적절하게 조정하여 두 유체(A,B)의 경계면을 고정경계면 측정부(45.46)에 존재하도록 조정하는 방법이다.
즉, 두 유체(A,B)의 경계가 고정경계면 측정부(45.46)에서 검출되도록 두 유체(A,B)의 주입유량을 적절하게 조정하면, 주입되는 두 유체(A,B)가 카운팅채널(30)에 채워진 채널개수는 고정되고, 각각 주입되는 측정대상유체(A)와 기준유체(B)의 주입유량은 알 수 있기 때문에, 점도 관계식(8)을 이용하여 측정대상유체(A)의 점도(mA)측정이 가능하다.
도 11은 측정대상유체와 기준유체의 주입유량비의 적절한 조정에 의하여 두 유체의 경계면을 고정경계면 측정부로 이동하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11(a)에 도시된 바와 같이, 측정대상유체(A)의 점도(mA)가 기준유체(B)의 점도(mA)보다 큰 경우에는 두 유체(A,B)의 경계면이 고정경계면 측정부(45,46)보다 오른쪽에 존재한다. 이 경우에는 측정대상유체(A)의 주입유량을 낮추거나, 기준유체(B)의 주입유량을 증가시켜서 두 유체(A,B)의 경계면이 고정경계면 측정부(45,46)에서 검출되도록 적절하게 조정할 수 있다. 이와 반대로, 도 11(b)에 도시된 바와 같이, 측정대상유체(A)의 점도(mA)가 기준유체(B)의 점도(mB)보다 작은 경우에는 두 유체(A,B)의 경계면이 고정경계면 측정부(45,46)보다 왼쪽에 존재한다. 이 경우에는, 두 유체(A,B)의 경계면을 고정경계면 측정부(45,46)로 이동시키기 위하여 주입되는 측정대상유체(A)의 주입유량을 증가시키거나 기준유체(B)의 주입유량을 감소시키면 두 유체(A,B)의 경계면이 고정경계면 측정부(45,46)에 존재하게 된다.
도 12, 도 13, 도 14 및 도 15는 측정대상유체(A)로 SDS(Sodium Dodecyl Sulfate) 농도를 각각 2.5%, 5.0%, 7.5%, 및 10.0%의 조건에서 DI-water를 기준유체(B)로 하여 측정된 이미지이다. 보다 상세하게는, 도 12(a), 도 13(a), 도 14(a) 및 도 15(a)는 측정대상유체(A)의 유량(QA)와 기준유체(B)의 유량(QB)을 각각 1000mL/h 조건에서 측정된 것이고, 도 12(b), 도 13(b), 도 14(b) 및 도 15(b)는 측정대상유체(A)가 카운팅채널(30)에 채워진 채널개수(NA)가 24를 만족하기 위하여 측정대상유체(A)의 주입유량(QA)을 750mL/h, 620mL/h, 490mL/h, 430mL/h 으로 설정하여 측정된 이미지이다.
본 발명에서는 SDS 농도(2.5%, 5%, 7.5%, 10%) 별로 측정된 실험결과에 대하여, 정확성에 대한 비교를 위하여 conventional HAAKE MARS 점도계를 이용하여 점도값을 측정했다. 이러한 2가지 방법으로 측정된 실험결과에 대한 점도값은 도 16에 도시된 그래프와 같다.
도 16을 참조하면, 4가지 SDS 농도조건에서 측정된 점도값에 대하여 본 발명에서 제안된 유체 점도 측정 장치(1)로 측정된 점도측정값이 conventional HAAKE MARS 점도계로 측정된 점도값에 대비하여 평균적으로 4.0%이내로 아주 정확하기 때문에, 본 발명의 유체 점도 측정 장치로 점도 측정을 정밀하게 할 수 있음을 보여주고 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.
본 발명은 혈액(Blood) 등과 같은 비뉴턴 유체뿐만 아니라 뉴턴 유체를 포함하여 다양한 유체에 대한 점도(viscosity)를 정확하게 측정할 수 있는 미체유체소자를 기반으로 하는 점도계 산업분야에 이용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 점도(viscosity)를 측정하고자 하는 측정대상유체가 주입되는 제 1 유체 주입부 및 기준 점도를 가지는 기준유체가 주입되는 제 2 유체 주입부;
    상기 제 1 유체 주입부와 상기 제 2 유체 주입부를 상호 연결하며, 상기 측정대상유체 및 상기 기준유체의 유로를 형성하는 연결관;
    상기 연결관에 일정 간격으로 연통 배치되며, 상기 연결관 유로 상으로 유동되는 상기 측정대상유체 및 상기 기준유체가 각각 채워지는 복수 개의 카운팅채널; 및
    상기 측정대상유체와 상기 기준유체에 의해 채워지는 각각의 상기 카운팅채널의 개수를 측정하기 위한 경계면측정부를 포함하는 유체 점도 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 카운팅채널은 상기 연결관에 수직방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 연결관과 상기 카운팅채널의 유체저항비를 증가시켜 상기 측정대상유체와 상기 기준유체의 정규화 상대점도비(normalized relative viscosity)가 1에 수렴되도록 하는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 측정대상유체와 상기 기준유체의 마찰손실이 대부분 상기 카운팅채널에서 발생하도록 상기 연결관의 유체저항을 상기 카운팅채널의 유체저항보다 적어도 1000배 이상 작게 설정하는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 측정대상유체와 상기 기준유체에 의해 채워지는 상기 카운팅채널의 개수비와, 상기 측정대상유체와 상기 기준유체의 주입유량비를 이용하여 상기 측정대상유체의 점도를 측정하는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 측정대상유체의 점성 계수는 이하 수학식에 기초하여 계산되는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
    Figure PCTKR2010005498-appb-I000024
    Figure PCTKR2010005498-appb-I000025
    : 측정대상유체의 점성계수
    Figure PCTKR2010005498-appb-I000026
    : 기준유체의 점성계수
    Figure PCTKR2010005498-appb-I000027
    : 측정대상유체에 의해 채워지는 카운팅채널의 개수
    Figure PCTKR2010005498-appb-I000028
    : 기준유체에 의해 채워지는 카운팅채널의 개수
    Figure PCTKR2010005498-appb-I000029
    : 측정대상유체의 주입유량
    Figure PCTKR2010005498-appb-I000030
    : 기준유체의 주입유량
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 측정대상유체는 전단률(Shear Rate)에 따라 점도가 변화되는 비뉴턴 유체(non-Newtonian Fluid)를 포함하고, 상기 기준유체는 전단률에 관계없이 일정한 점도를 가지는 뉴턴 유체(Newtonian Fluid)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 측정대상유체는 혈액(Blood)이고, 상기 기준유체는 인산완충식식염수(Phosphate Buffered Saline, PBS)인 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 측정대상유체와 상기 기준유체는 전단률에 관계없이 일정한 점도를 가지는 뉴턴 유체를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 측정대상유체는 SDS 용액(SDS solution)이고, 상기 기준유체는 초순수(DI water)인 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 경계면측정부는,
    상기 측정대상유체가 채워지는 상기 카운팅채널 중 어느 하나에 마련되는 제 1 전극, 및 상기 제 1 전극과 전기적으로 연결되어 상기 제 1 전극의 저항을 검출하는 제 1 저항 검출부;
    상기 기준유체가 채워지는 상기 카운팅채널 중 어느 하나에 마련되는 제 2 전극, 및 상기 제 2 전극과 전기적으로 연결되어 상기 제 2 전극의 저항을 검출하는 제 2 저항 검출부; 및
    상기 측정대상유체와 상기 기준유체의 주입유량비를 변경하여 두 유체의 경계면을 이동시키면서 고정 경계면을 검출하기 위하여 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 상기 카운팅채널 중 어느 하나에 마련되는 제 3 전극, 및 상기 제 3 전극과 전기적으로 연결되어 상기 제 3 전극의 저항을 검출하는 제 3 저항 검출부를 포함하는 유체 점도 측정 장치.
  12. 점도(viscosity)를 측정하고자 하는 측정대상유체가 주입되는 제 1 유체 주입부 및 기준 점도를 갖는 기준유체가 주입되는 제 2 유체 주입부;
    상기 제 1 유체 주입부와 상기 제 2 유체 주입부를 상호 연결하며, 상기 측정대상유체 및 상기 기준유체의 유로를 형성하는 연결관; 및
    상기 연결관에 일정 간격으로 연통 배치되며, 상기 연결관 유로 상으로 유동되는 상기 측정대상유체 및 상기 기준유체가 각각 채워지는 복수 개의 카운팅채널을 포함하며,
    상기 측정대상유체와 상기 기준유체의 마찰손실이 대부분 상기 카운팅채널에서 발생하도록 상기 연결관의 유체저항을 상기 카운팅채널의 유체저항보다 적어도 1000배 이상 작게 설정하는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치.
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