[논문]정재초음파를 이용한 입자제어 시스템의 유한요소해석

조승현; 박재하; 안봉영; 김기복

doi:10.5050/ksnve.2010.20.1.003

정재초음파를 이용한 입자제어 시스템의 유한요소해석
Finite Element Analysis of a Particle Manipulation System Using Ultrasonic Standing Wave 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.20 no.1 = no.154, 2010년, pp.3 - 9

조승현 (한국표준과학연구원 안전측정센터) , 박재하 (한국표준과학연구원 안전측정센터) , 안봉영 (한국표준과학연구원 안전측정센터) , 김기복 (한국표준과학연구원 안전측정센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Micro particles in fluid can be manipulated by using ultrasonic standing wave since the ultrasound makes particles move by means of its acoustic radiation force. This work concerns the micro particle manipulation system using ultrasonic standing wave which consists of a microchannel, a reflector, and an ultrasonic transduer. In the present system, the effects of the structural elements should be carefully considered to comprehend the system and find the optimal operational condition. In this investigation, finite element analysis was employed to analyze the system. Some interesting characteristics on the reflector thickness, the channel width, and the operational frequency were observed. Several experimental results were compared with the analytic results. Consequently, this work solidifies the importance of those system parameters and reveals the possibility of various applications of the particle manipulation using ultrasonic standing wave.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이 연구에서는 유한요소해석을 수행하여 미세채널, 초음파 변환기, 반사체로 구성된 정재초음파 발생 모듈에서 각 구성요소가 정재초음파 발생에 미치는 영향을 이해하고자 하였다. 이 때, 중요 파라미터로 미세채널의 폭, 반사체의 두께, 초음파의 가진 주파수를 선택하고 각 파라미터가 채널 내에 형성된 정재초음파 장에 어떠한 영향을 미치는지 분석하였다.
이 연구에서는 정재초음파 발생용 미세채널 모듈의 중요 설계 파라미터인 반사체 두께, 채널 폭, 가진 주파수가 정재초음파 형성에 미치는 영향에 대해 유한요소해석을 통해 고찰해 보았다. 해석 결과를 통해 미세채널 내 정재초음파 발생 기전에 대하여 잘 이해할 수 있었으며, 몇 가지 결론을 얻을 수 있었다.
이 외에도 다양한 입자제어 방법이 존재하지만 이 연구에서는 정재초음파(ultrasonic standing wave)를 이용한 입자제어 방법을 다루고자 한다. 정재초음파 장(field) 내에 입자가 위치하면 입자는 음압마디(sound pressure node) 또는 반음압마디(sound pressure antinode)로 힘을 받아 이동한다⁽⁷⁾.

가설 설정

(2) 주파수에 따라 음압마디의 위치와 개수가 크게 영향을 받는다. 즉, 입자의 위치를 주파수를 통해 제어할 수 있다.

제안 방법

마지막으로 채널의 폭을 Fig. 3의 실험과 같은 조건인 1.5 mm로 결정하고, 주파수의 변화에 따른 영향을 해석하였다. Fig.
4와 같이 2차원 모델링을 하였다. 미세채널 모델은 아래로부터 반사체, 채널, 초음파 변환기 세 부분으로 구성되어 있고, 초음파 변환기는 각각 음향 임피던스 정합층(acoustic impedance matching layer)과 압전소자(piezoelectric element)로 구성하였다. 일반적으로 초음파 변환기에 반드시 포함되는 후면재(backing)는 주로 파를 흡수하여 감쇄시키는 역할이어서 정재초음파 발생장치에서는 기능상 중요하지 않으므로 유한요소 모델에는 포함하지 않았다.
앞선 모델에서 반사체의 두께에 따른 영향을 확인하기 위해 다른 조건을 그대로 두고 반사체의 두께만 바꿔가면서 해석을 수행하였다. Fig.
5는 조화해석 수행 후 해석결과로서, 각각 채널에서 음압 분포, 반사체에서 변위 및 응력 분포, 변환기에서 변위 및 응력 분포의 해석 결과를 보여준다. 이 때, 가진 주파수는 변환기의 중심주파수인 2.25 MHz이고, 채널의 폭과 반사체의 두께는 2.25 MHz에서 각각 한 파장 및 4분의 3 파장의 거리가 되도록 설정하였다. 채널 내 유체 영역에서는 거의 한 파장 길이의 음압분포를 가진 정재초음파장이 잘 형성됨을 확인할 수 있다.
이 연구에서는 유한요소해석을 수행하여 미세채널, 초음파 변환기, 반사체로 구성된 정재초음파 발생 모듈에서 각 구성요소가 정재초음파 발생에 미치는 영향을 이해하고자 하였다. 이 때, 중요 파라미터로 미세채널의 폭, 반사체의 두께, 초음파의 가진 주파수를 선택하고 각 파라미터가 채널 내에 형성된 정재초음파 장에 어떠한 영향을 미치는지 분석하였다. 이를 위해서 간략화된 유한요소 모델을 수립하고, 채널 내에서 정재초음파 발생 양상에 대해 해석을 수행하였다.
이 연구에서는 Fig. 2에서와 같이 초음파 변환기, 미세채널, 반사체로 이루어진 정재초음파 발생 모듈을 구성하고, 이를 포함하여 입자거동 관찰을 위한 실험장치를 구성하였다. 실험을 위한 입자는 평균 직경 약 30 마이크로미터 내외의 탄화규소(SiC, silicon carbide) 입자를 이용하였고, 액체는 물을 사용하였다.
입자제어 효율이 미세채널시스템의 다양한 파라미터에 영향을 받는다는 것은 자명하므로, 미세채널 구성 요소가 정재초음파 장 형성에 미치는 영향에 대해 파악할 필요가 있다. 이 연구에서는 이를 위해 미세채널 모듈을 유한요소로 모델링하고 정재초음파 발생 양상의 해석을 위해 조화해석(harmonic analysis)을 수행하였다. 유한요소해석은 상용 프로그램인 ANSYS를 이용하였다.
이 연구에서는 정재초음파 발생을 위한 미세채널을 Fig. 4와 같이 2차원 모델링을 하였다. 미세채널 모델은 아래로부터 반사체, 채널, 초음파 변환기 세 부분으로 구성되어 있고, 초음파 변환기는 각각 음향 임피던스 정합층(acoustic impedance matching layer)과 압전소자(piezoelectric element)로 구성하였다.
이 때, 중요 파라미터로 미세채널의 폭, 반사체의 두께, 초음파의 가진 주파수를 선택하고 각 파라미터가 채널 내에 형성된 정재초음파 장에 어떠한 영향을 미치는지 분석하였다. 이를 위해서 간략화된 유한요소 모델을 수립하고, 채널 내에서 정재초음파 발생 양상에 대해 해석을 수행하였다. 실험 결과와의 비교를 통해 해석의 유효성을 확보하였으며, 결과적으로 미세채널 모듈에서 정재초음파가 형성되는 현상에 대한 이해의 폭을 넓히고, 이를 기반으로 미세채널 모듈 설계를 위해 필수적으로 고려해야 할 시스템 파라미터에 대한 정보를 얻을 수 있었다.

대상 데이터

실험에는 Table 1에 기술된 장치들을 사용하였다. 미세채널 모듈의 반사체는 두께 15.57 mm의 스테인레스스틸로 제작되었으며, 관찰을 위해 아크릴 창을 두었다.
2에서와 같이 초음파 변환기, 미세채널, 반사체로 이루어진 정재초음파 발생 모듈을 구성하고, 이를 포함하여 입자거동 관찰을 위한 실험장치를 구성하였다. 실험을 위한 입자는 평균 직경 약 30 마이크로미터 내외의 탄화규소(SiC, silicon carbide) 입자를 이용하였고, 액체는 물을 사용하였다. 이 경우 대비계수는 양의 값을 가지므로 탄화규소 입자에 음압마디쪽으로 음향방사력이 작용한다.

데이터처리

이 연구에서는 이를 위해 미세채널 모듈을 유한요소로 모델링하고 정재초음파 발생 양상의 해석을 위해 조화해석(harmonic analysis)을 수행하였다. 유한요소해석은 상용 프로그램인 ANSYS를 이용하였다.

성능/효과

(1) 채널 내에 형성된 정재초음파의 음압 크기는 반사체의 두께, 채널 폭, 가진 주파수는 매우 큰 영향을 받는다. 큰 음압을 얻는 것이 목적이라면 정해진 주파수에서 채널 폭은 반 파장의 정수배로 선택하는 것이 효과적이다.
(3) 해석 조건이 실제 실험 조건과 차이가 있지만 실험 결과와 유사한 결론이 얻었고, 이를 바탕으로 유한요소해석의 타당성을 어느 정도 검증할 수 있었다.
6은 반사체의 두께가 바뀔 때 채널 내 최대 음압의 크기를 나타낸 것이다. 결과에 따르면 음압을 최대로 만드는 반사체의 두께는 각각 파장의 0.14배, 0.72배, 1.31배이다. 일반적으로 파의 전반사를 위한 반사체의 두께는 파장의 1/4배, 3/4배, 5/4배, 7/4배 등으로서⁽¹⁵⁾, 해석 결과와 차이가 있다.
이를 위해서 간략화된 유한요소 모델을 수립하고, 채널 내에서 정재초음파 발생 양상에 대해 해석을 수행하였다. 실험 결과와의 비교를 통해 해석의 유효성을 확보하였으며, 결과적으로 미세채널 모듈에서 정재초음파가 형성되는 현상에 대한 이해의 폭을 넓히고, 이를 기반으로 미세채널 모듈 설계를 위해 필수적으로 고려해야 할 시스템 파라미터에 대한 정보를 얻을 수 있었다.
이를 기준으로 음압마디가 형성되므로 주파수에 따라서 음압마디의 위치가 변한다. 주파수가 커지면서 채널 내에 음압마디의 개수가 점점 증가하고 음압마디가 점점 반사체쪽으로 접근하는데, 이러한 사실은 Fig. 3의 실험 결과와 일치하는 것으로, 이를 통해 본 유한요소 해석이 타당하다는 사실을 확인할 수 있다. Fig.

후속연구

추후 미세채널로 구성된 정재초음파 시스템을 제작할 때, 이 연구의 결과가 시스템 파라미터를 결정할 때 많은 도움이 될 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정재초음파 이용 입자제어 방법은 무엇이 가능한가?	정재초음파 이용 입자제어 방법은 다량의 입자를 동시에 처리할 수 있고 입자의 응답 특성이 빨라 고속 제어가 가능하다. 또한, 전자기적 방법이나 광학적 방법에 비해 분석용 센서에 대한 간섭이 적다는 장점을 가지고 있다.
	미세입자의 종류는 어떻게 분류되는가?	일반적으로 미세입자 제어는 성장(growing), 이동(moving), 포집(harvesting), 분리(separation), 농축(concentration), 여과(filtration), 고정(fixation, trapping) 등 그 목적에 따라서 매우 다양한 입자제어 과정이 있다. 뿐만 아니라, 입자 또한 공기 중 미세먼지, 세라믹 분말과 같은 무기입자, 박테리아나 살아있는 세포와 같은 유기입자 등 크기나 재질에 따라 대상이 매우 다양하다. 이렇게 입자의 종류 및 제어 목적, 또한 입자가 섞여있는 유체에 따라서 적절한 제어 기술이 요구된다.
	미세입자 제어 과정은 어떻게 되는가?	일반적으로 미세입자 제어는 성장(growing), 이동(moving), 포집(harvesting), 분리(separation), 농축(concentration), 여과(filtration), 고정(fixation, trapping) 등 그 목적에 따라서 매우 다양한 입자제어 과정이 있다. 뿐만 아니라, 입자 또한 공기 중 미세먼지, 세라믹 분말과 같은 무기입자, 박테리아나 살아있는 세포와 같은 유기입자 등 크기나 재질에 따라 대상이 매우 다양하다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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