Experimental and Numerical Investigation of Ultrasound-Fluid-Solid Interaction in Viscoelastic Material = 점탄성 물질 내 초음파-유체-고체 상호작용의 실험적 및 수치해석적 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Acoustofluidics has emerged as a promising technology that leverages acoustic waves for the precise manipulation of micro/nano-scale flows and suspended objects within microchannels. As this novel approach offers label-free, contactless, and non-invasive manipulation, it has been utilized for numerous biomedical applications, including drug delivery, bioparticle separation, and cell culture. Despite many advantages, the practical applicability of conventional acoustofluidic platforms has been limited due to an irreversible bonding between the piezoelectric actuator and the microfluidic chip. Recently, reconfigurable acoustofluidic platforms have enabled reversible bonding between the reusable actuator and the replaceable polydimethylsiloxane (PDMS) microfluidic chip by incorporating a thin PDMS membrane for sealing the microchannel and indirectly coupling the acoustic waves with the fluid. During the wave propagation through the PDMS, viscoelastic nature of PDMS leads to the wave attenuation and conversion of acoustic energy into thermal energy. However, a comprehensive guideline for selecting a suitable PDMS membrane for various acoustofluidic applications is still missing. This thesis proposes a design rule for reconfigurable acoustofluidic platforms based on thorough investigation of the PDMS thickness effect on acoustofluidic phenomena: acousto-thermal heating, acoustic radiation, and acoustic streaming. We performed a thermo-fluidic analysis of viscoelastic attenuation in PDMS within the ultrasonic frequency regime using both numerical and experimental approaches. Our results show that the relative thickness of the PDMS membrane with respect to acoustic wavelength (λPDMS) is critical in determining the degree of acoustic wave attenuation in the PDMS membrane, which consequently results in different acoustofluidic phenomena within the microchannel. For t/λPDMS ~ O(1), the transmission of acoustic waves through the membrane was significant, which resulted in the observation of the acoustic radiation and acoustic streaming phenomena. In contrast, for t/λPDMS ~ O(10), the acoustic waves are absorbed entirely within the membrane, resulting in the acousto-thermal heating phenomenon.

국문 초록 (Abstract)

음향유체역학 기술은 음파를 외력으로 사용하여 마이크로/나노 스케일의 유동과 유체 내 부유 입자를 정밀하게 제어할 수 있어 미세유체역학 분야에서 유망한 기술로 주목받고 있다. 이는 비표지, 비접촉 및 비침습적 정밀 조작 장점을 기반으로 우수한 생체적합성을 지녀 약물 전달, 생체 입자 분리, 세포 배양 등 다양한 생물학적 응용에 활발히 활용되고 있다. 음향미세유체 플랫폼은 음파 생성 장치와 미세유로로 구성되며, 미세유로는 유체 누출 방지를 위해 음파 생성 장치와 영구적 접착을 필요로 한다. 이는 생물학적 시료의 교차오염으로 인한 음향미세유체 기술 응용을 제한하여, 최근 얇은 Polydimethylsiloxane (PDMS) 막을 추가하여 일회용 미세유체 칩 및 가역적 접착을 형성하는 분리형 음향미세유체 플랫폼이 등장하였다. 이는 음파 생성 장치의 재사용과 사용 후 오염된 미세유체 칩 교체를 가능하게 하는 장점을 지닌다. 그러나 PDMS의 점탄성 특성으로 인한 음파 감쇄는 음향에너지의 열에너지로의 전환을 유발하여 생물학적 시료의 열적 손상, 유체의 국부적 가열 등의 문제를 수반한다. 음파 감쇄 길이 단위는 PDMS 두께와 관련이 있지만, PDMS 내 음파의 점탄성 감쇄 현상에 대한 분석이 수행되지 않아, 음향미세유체 기술의 다양한 응용에 적합한 PDMS 막을 선택하기 위한 정량적 가이드라인이 부족하다. 본 학위논문에서는 PDMS 두께가 음파 유도 물리 현상인 음향열적가열, 음향 방사, 음향 흐름 현상에 미치는 영향을 정량적으로 규명함으로써 분리형 음향미세유체 플랫폼 설계 가이드라인을 제안한다. 이를 위해 초음파 대역 내 PDMS의 점탄성 감쇄 현상을 수치적 및 실험적 방법을 통해 열·유체역학적으로 분석하였다. 음향열적가열, 음향 방사, 음향 흐름 현상을 이용하여 PDMS 두께에 따른 점탄성 감쇄 현상을 간접적 분석하였으며, 이를 통해 PDMS 막 두께(t)와 PDMS 내 음파의 파장(λPDMS)의 상대적 비율이 PDMS 내에서의 음파 감쇄 정도와 그에 따른 음파 유도 물리현상을 결정함을 확인하였다. 특히, t/λPDMS ~ O(1)인 경우, 음파가 PDMS 막을 통과하여 유체 내로 음향에너지가 전달되어 음향 방사 및 음향 흐름 현상이 유도되는 반면, t/λPDMS ~ O(10)인 경우에는 음파가 막 내부에서 거의 완전히 감쇄되어 음향열적가열 현상이 지배적으로 나타남을 밝혔다. PDMS 박막을 사용한 선행 연구와의 비교분석을 통해 해당 결과와 경향이 일치하는 것을 확인하였으며, 이를 통해 본 연구 결과를 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Acoustofluidic platform 1
• 1.2 Reconfigurable acoustofluidic platform 2
• 1.3 Viscoelastic attenuation in polydimethylsiloxane 4
• 2. Methodology and Experimental 6
• 2.1 Working mechanism 6
• 2.2 Experimental section 9
• 2.3 Numerical section 12
• 3. Results and Discussion 17
• 3.1 Viscoelastic attenuation on acousto-thermal heating 17
• 3.2 Viscoelastic attenuation on acoustic radiation force 20
• 3.3 Viscoelastic attenuation on acoustic streaming flow 23
• 3.4 Acoustic waves with power-law attenuation 25
• 4. Conclusion 31
• References 32
• Abstract (in Korean) 39