Brownian 확산형 입자와 비확산형 입자의 거동 특성을 이용한 정상 초음파장 해석 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 미세공진기에서 형성되는 1/4 파장의 정상 초음파장 내 확산형/비확산형 미세 입자들의 거동을 분석하여, 입자에 작용하는 음향복사력의 크기를 결정하는 정상 초음파장의 평균 에너지 밀도와 미세공진기 인가전압의 상관관계를 도출하였다. 미세 입자의 거동 측정을 위하여 정지 유체층 내 1/4 파장의 정상 초음파장을 형성할 수 있는 미세공진기를 제작하였으며, 이때 적용된 미세공진기 설계의 유효성은 실험과 전산모사를 통하여 검증하였다.
1/4 파장의 정상 초음파장이 인가된 미세공진기 내 확산형/비확산형 입자는 음향복사력에 의해 압력점으로 이동한다. 따라서 본 연구에서는 미세 입자의 Brownian 확산 유무에 따른 입자 평균 이동 속도, 확산층 두께 및 입자 분포를 측정한 결과를 기반으로 미세 입자 거동을 결정하는 외력들의 영향을 분석하여 미세공진기 인가전압과 정상 초음파장의 평균 에너지 밀도의 상관관계를 수식화하였다.
또한 Brownian 확산 입자의 거동에 영향을 주는 입자의 음향 경계층의 영향을 실험적으로 확인하고 평가하여, 본 연구에서 제안한 인가전압과 평균 에너지 밀도에 대한 상관관계 식에 보정 계수로 반영함으로써 정상 초음파장에 대한 해석의 정확성을 개선하였다.
본 연구는 확산형/비확산형 미세 입자를 활용한 정상 초음파장의 특성 분석 방법을 제시함으로써, 초음파 기반의 다양한 미세 유체 응용 시스템 개발을 위한 기초 설계 자료로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, a quantitative correlation was established between the applied voltage of a micro-resonator and the average acoustic energy density generated in a quarter-wavelength ultrasonic standing wave field, using both diffusive and non-diffusive particles. The micro-resonator, designed to generate a quarter-wavelength standing wave with its pressure node located at the top surface, was validated experimentally and numerically. Under the established ultrasonic standing wave field both particle types migrated toward the pressure nodal plane. For non-diffusive particles, the migration velocity was measured, while for diffusive particles, the diffusion layer thickness and the concentration ratio were analyzed to determine the average acoustic energy density. Based on these measurements and theoretical analysis, a voltage–energy-density correlation was formulated. The acoustic boundary layer effect was also experimentally verified and incorporated into the correlation as a correction factor. This study presents a method for characterizing ultrasonic standing wave fields using micro/nano particles.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 1 절 연구 배경 및 목적 1
• 제 2 절 음향복사력 해석 이론 4
• 제 2 장 실험 방법 10
• 제 1 절 초음파 공진기 설계 10
• 제 1 항 정상 초음파장 형성 메커니즘 10
• 제 2 항 미세공진기 제작 11
• 제 2 절 미세 입자 거동 측정 14
• 제 3 절 미세 입자에 대한 force balance 17
• 제 4 절 전산 해석 21
• 제 1 항 지배 방정식 21
• 제 2 항 경계 조건 23
• 제 3 장 실험 결과 26
• 제 1 절 미세공진기 특성 평가 26
• 제 1 항 공진 주파수 26
• 제 2 항 미세공진기 운전 온도 29
• 제 3 항 음향 스트리밍 32
• 제 2 절 음향 영동을 이용한 정상 초음파장 해석 34
• 제 1 항 미세 입자 평균 이동 속도 34
• 제 2 항 입자 평균 이동 속도를 이용한 음향복사력 평가 37
• 제 3 절 Brownian 입자의 확산 특성을 이용한 정상 초음파장 해석 40
• 제 1 항 정상 초음파장 내 Brownian 입자 확산 40
• 제 2 항 정상 초음파장 내 Brownian 입자 확산층 특성 평가 43
• 제 3 항 Brownian 입자 확산층을 이용한 음향복사력 평가 46
• 제 4 절 미세 입자 음향 경계층 48
• 제 4 장 결론 52
• 참고문헌 54
• 부록 61
• Abstract 62