In the present work, for non-invasive measurement of the liquid temperature in microchannels, the 2-color ratiometric laser-induced fluorescence (LIF) technique was combined with the confocal microscopy. By using this technique, the fluorescent light from the tiny volume around a focusing spot can be selectively detected, and it enables us to measure the local liquid temperatures even at the close vicinity of the walls.
To check the general performance of this method, as the preliminary stage, a test section consists of two horizontal plates in different temperatures, separated by a narrow gap filled with a mixture of Rhodamine B (a temperature-sensitive dye) and methanol was made, and the temperature distribution was examined. Based on the relationship between the fluorescence intensity and the temperature, a linear temperature distribution across the gap (by conduction heat transfer) could be confirmed.
However, the measured results were subject to external disturbances such as the excitation laser intensity fluctuation, the irregular reflection of the light from the glossy walls and the concentration fluctuation of each dye in the mixture solution. Therefore, in the second stage, Rhodamine 110 (a temperature-insensitive dye), having a different emission spectrum peak (520 nm) from the Rhodamine B (575 nm), was added to the mixture. In principle, the external disturbance effects cancel out each other when the intensity ratio between Rhodamine B and Rhodamine 110 is considered (instead of taking data only with Rhodamine B). To compensate substantial reduction of the fluorescence intensity from Rhodamine 110 by the re-absorption phenomenon within the liquid, which is inherent in using the 2-color thermometry, dependency of the intensity ratio on the depth of the measuring point was examined as well.
In the final verification stage, the robustness of the developed thermometry on external disturbances(such as by the fluctuation of the excitation laser intensity or variation of the fluorescent dye concentration) was confirmed through the experiments. To show the practical applicability of the 2-color technique, the local temperatures in the straight microchannel under the steady-state, laminar flow heat transfer condition was measured experimentally and compared with the theoretical results through CFD analysis. In summary, the 2-color ratiometric confocal-LIF thermometry was found to be a very useful tool to measure the local temperatures of the liquid flow field in micro-fluidic devices.
본 실험 연구를 통해 미소 채널 내부 액체의 온도장을 정량적으로 규명하기 위한 비접촉식 계측 기법의 개발을 수행하였다. 이는 미소 채널 내의 물리적 상황을 나타내는 가장 중요한 정량적 측정 변수의 하나인 온도의 시간에 따른 변화와 2상유동 가시화 결과를 연계하여, 인과적 관계를 파악하는 것이 향후 미소 채널을 이용한 히트 싱크 개발에 중요한 역할을 담당할 것으로 기대하였기 때문이다. 여기서 얻은 결과는 압력강하 및 열전달 성능을 사용자에 유리하게 극대화시키고, 안정적으로 운전하기 위한 작동 조건의 범위(열 입력량, 작동유체 유량, 펌프 용량)를 찾는데 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.
본 연구에서는 미소 온도장에 대한 기존 1색 레이저 유도 형광 현미경 기법의 본질적 한계인 체적 조명 문제를 극복하기 위한 방법으로 공초점 레이저 주사 현미경 기법과의 결합을 고려하였다. 공초점 현미경의 광학적 절편 기능을 활용하여 광축 방향에 따른 정확한 위치 선정이 가능할 것으로 생각하였으며, 따라서 단면 평균이 아닌 3차원 국소 유동장의 측정이 가능하다고 보았다. 또, 형광 발생에 필요한 레이저 입사광 강의 공간 및 시간에 따른 불균일성, 형광 염료의 매질 내 불균일 분포, 그리고 CCD와 같은 면적 센서의 각 단위 셀에 대한 반응 감도의 차이 등을 극복하기 위한 방법으로 기존의 1색 기법 대신, 2색 레이저 유도 형광 기법을 도입하고자 하였다. 이를 통해 미소 채널 내부의 3차원 온도장을 충분한 측정 정밀도와 공간 분해능으로 획득하는 방법을 모색하였다.
먼저, 공초점 현미경 기법의 광축 방향 온도 분해능 검증을 위한 예비 단계의 실험을 수행한 결과, 실험 오차 등에 의해 측정 불확실성이 큰 액체층 경계면 부근(벽면 주위30 ~ 40 마이크론 영역)을 제외한다면, 액체층 내부의 광축 방향 온도 변화를 매우 정밀하게 측정 가능함을 확인하였다.
다음으로, 외부 교란에 의한 측정 오차를 줄이기 위하여 도입한2색공초점-레이저 유도 형광 온도 측정 기법을 검증하기 위한 실험적 연구에서는 R110 형광이 RB에 비하여 측정 깊이가 증가함에 따라 급격히 감소하여 형광 신호비가 증가하는 특이 현상이 관찰되었다. 이는 RB 및 R110 그리고 각종 광 필터를 이용한 본 광학 시스템의 특성상 회피가 불가능한 형광 재흡수 현상 때문이다. 따라서 이를 보정하기 위하여 액체 내부에서 형광이 깊이에 따라 감소하는 비율에 대한 correction factor R0를 도입하였으며, 그 결과 실험 영역 내에서 충분한 정밀도로 온도 측정이 가능함을 확인하였다.
마지막으로 본 연구에서 개발한 2색 기법의 측정 사례 제시 및 외란 보상 효과를 추가적으로 검증하기 위한 실험적 연구를 진행하였다. 레이저 조사광과 염료의 절대 농도(두 염료의 농도 비는 일정 조건) 변화에 대하여 형광 비는 매우 안정적인 측정 결과를 보이는 것을 실험적으로 확인하였다. 그리고 사각 단면 내의 유리 미소 채널을 이용한 층류, 정상 상태, 열전달 조건의 실제 측정 사례 및 이론 결과와의 비교 제시를 통해 본 2색 기법의 유효성 검증 결과를 제시하였다.
