KR100366717B1 - 콴텀홀과 전계를 이용한 초미립자 분리장치 및 분리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콴텀홀과 전계를 이용한 초미립자 분리장치 및 분리방법에 대한 것이다. 콴텀홀이란 구멍의 직경의 크기가 나노미터 단위의 크기를 가지는 구멍을 말한다. 본 발명은 이러한 콴텀홀을 가공하는 기술을 바탕으로 수 나노미터 단위의 초 미립자를 다른 초 미립자로부터 분리하거나 필요한 갯수만큼 추출해 내는 방법 및 장치에 대한 것이다. 이러한 기술은 유전자를 분리해 내서 특정유전자를 분리해 내는 기술등에 응용이 가능하다. 전기적 성질을 가지는 초 미립자에 전계를 형성하여 전기적으로 유도하여 이동시키며, 또한 이들을 콴텀홀을 가지는 박막을 사용하여 필요한 크기의 초 미립자만 선택적으로 이동시키어 모을 수 있는 구성을 가진다.

Description

콴텀홀과 전계를 이용한 초미립자 분리장치 및 분리방법{THE METHOD AND APPARATUS OF SEPARTING VERY MINUTE PARTICLES BY USING QUANTUM AND ELECTRIC FIELD}

본 발명은 콴텀홀과 전계를 이용한 초미립자 분리장치 및 분리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초 미립자의 크기에 따른 분리를 가능케 하며, 특정한 크기를 가지는 초 미립자만 선택적으로 가려 낼 수 있는 초미립자 분리장치 및 분리방법에 관한 것이다.

일반적으로 초미립자를 분리하는 방법으로는 현미경을 통하여 관찰된 정보를 가지고, 로보트를 사용하여 하나하나의 초미립자를 분리하는 방법이 있었으나, 이러한 분리방법은 매우 수동적이며, 효율적이지 못하였다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 초 미립자의 크기에 따라 분리할 수 있으며, 특정한 크기를 가지는 초미립자만 선택적으로 추출할 수 있는 콴텀홀과 전계를 이용한 초미립자 분리장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.본 발명의 또 다른 목적은 전계를 이용하여 특수한 물질을 이동시킬 수 있으며, 일정개수의 초 미립자를 추출할 수 있는 콴텀홀과 전계를 이용한 초미립자 분리방법을 제공하는 데 있다.상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 콴텀홀과 전계를 이용한 초미립자 분리장치는 초미립자들이 혼합된 용액이 담겨져 있는 통체(31)와;상기 통체(31)의 내부에 삽입되고, 감싸여져 내부에 공간이 형성되며, 특정한 크기의 기준미립자보다 조금 큰 콴텀홀이 형성되어 추출하고자 하는 특정 초미립자를 필터링할 수 있는 필터와;이 필터의 상,하측을 지지하는 상,하측지지부와;상기 필터의 내부 공간에 삽입되어져 공간에 전류공급장치(30)에서 전류를 공급받아 상반되는 극성의 전계를 형성하여 초미립자를 유인할 수 있는 전극으로 이루어짐을 특징으로 한다.또한, 상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 콴텀홀과 전계를 이용한 초미립자 분리방법은 초미립자들이 혼합된 용액이 담겨져 있는 통체(31)를 제공하는 단계와;상,하측지지부에 의해 지지되고, 감싸여져 공간을 이루며, 특정한 크기의 기준미립자보다 조금 큰 콴텀홀이 형성된 필터를 상기 통체(31)의 초미립자들이 혼합된 용액에 담그는 단계와;상기 필터로 이루어진 공간의 내부에 전류공급장치(30)와 전기적으로 연결된 전극을 삽입하는 단계와;상기 전류공급장치(30)에서 전류를 상기 전극으로 공급하여 상기 콴텀홀을 통해 필터 내부 공간으로 미립자를 유인하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

제 1 도는 본 발명의 전계와 콴텀홀을 이용한 초미립자의 분리장치의 한 실시예도,

제 2 도는 다양한 종류의 초미립자를 제 1 도의 분리장치에 부은 상태도,

제 3 도는 제 1 도의 분리장치의 기준전극과 소경전극에 양극의 전류를 흐르게 하는 상태도,

제 4 도는 제 1 도의 분리장치에 기준필터와 소경필터에 음극의 전류를 흐르게 하는 상태도,

제 5 도는 제 1 도의 분리장치에서 기준미립자를 완전히 분리한 상태의 상태도,

제 6 도는 기준미립자를 일정한 갯수만큼 추출할 수 있는 장치의 설명도이다.

《 도면의 주요부분에 대한 설명 》

1:제 1 단자 2:제 2 단자 3:제 3 단자

4:제 4 단자 5:대경공간 6:기준공간

7:소경공간 8:기준필터 9:소경필터

10:기준전극 11:소경전극 12:콴텀홀

13:미립자선택장치 14:전류단자 30:전류공급장치

31:통체 32:덮개 33:제1상층지지부

34:제1하측지지부 35:제2상층지지부 36:제2하측지지부37:필터 38:상층지지부 39:하측지지부

본 발명은 초미립자를 전계를 사용하여 이동시키며, 이들을 특수한 크기의 초미립자만 선택하기 위하여 일정크기의 콴텀홀을 이용하여 필터링하게 하며 원하는 크기의 초미립자만을 분리시키는 방법 및 장치에 대한 것으로, 특정 초미립자를 다수의 초미립자로 부터 원하는 갯수만큼 추출해 낼 수가 있도록 하는 것이다. 본 발명에서의 콴텀홀이란 나노미터 단위의 크기를 가지는 홀이 무수히 형성되어져 있는 것을 의미한다. 이러한 콴텀홀을 형성하기 위하여 본 발명에서는 집속이온빔(FOCUSED ION BEAM 약자로 FIB라 칭함)에 의하여 형성한다. 이온빔의 직경을 수 nm ( =0.1㎛ )에서 부터 수백 nm ( =0.1㎛ )의 크기정도 포커싱하여 박막의 기판위에 콴텀홀을 형성한다. FOCUSED ION BEAM을 이용하여 콴텀홀을 형성함에 있어서 포커싱되어지고 가속전압에 의하여 운동력을 가지게 된 이온빔을 자계에 의하여 극미세 박막에 주사하듯이 스퍼터링하게 되면 이온빔의 굵기와 동일한 스폿형상의 콴텀홀이 규칙적으로 형성이 되어지게 된다. 고 진공상태에서 이를 행하게 되면 짧은시간 이내의 수백만개의 콴텀홀을 형성할 수가 있게 된다. 극미세 박막의 소재에 따라 달라지나 1 mm X 1mm 의 넓이의 면적은 불과 수십분이내에 100nm의 깊이로 400만개 정도의 콴텀홀을 형성할 수가 있다. 이때 형성이 되어지는 콴텀홀의 깊이는 이온빔을 가속시키는 가속전압을 조절함으로서 가능하며, 콴텀홀과 콴텀홀간의 간격의 조절은 배율을 조절함으로서 가능하며, 콴텀홀의 크기는 포커싱의 정도를 조절함으로서 가능하다. 이와 같이 가속전압과 배율과 포커싱 정도를 조절하여 원하는 크기와 깊이와 간격의 콴텀홀의 제작이 가능하며, 상기 FOCUSED ION BEAM을 이용하여 짧은 시간안에 무수한 콴텀홀의 형성을 가능케 하는 것이 본 발명의 콴텀홀을 형성하는 기술이다. 이러한 콴텀홀을 본 발명에서는 얇은 박막에 관통하게 형성하여 초미립자를 걸르는 필터로 사용한다. 이하 도면을 참고로하여 본 발명을 상세히 설명하도록 하겠다.

제 1 도는 본 발명의 초미립자 분리장치에 대한 설명도이다. 특정크기의 콴텀홀에 의하여 형성이 되어진 기준필터(8)가 상부가 개방된 통체(31)와 이 통체(31)의 개방부를 덮고 있는 덮개(32)로 구성된 큰통안에 삽입되어진다. 이 기준필터(8)는 제1 상측지지부(33)와 제 1 하측지지부(34)에 지지되어 감싸여져 기준공간(6)을 형성한다. 즉, 기준필터(8)란 분리하고자 하는 특정한 초미립자의 크기보다 조금 더 큰 콴텀홀이 형성되어진 필터를 의미하며, 수많은 콴텀홀이 관통되게 형성되어진 극히 얇은 박막으로 기준공간(6)을 형성하며, 상기 기준필터를 통하여 기준필터를 구성하는 콴텀홀의 크기보다 작은 사이즈의 초미립자만 기준공간내로 들어올 수가 있게 된다. 여기서 분리하고자 하는 크기의 초미립자의 직경의 크기를 기준사이즈라고 정의하겠다. 상기 기준필터에 의하여 형성되는 기준공간(6)의 내부에는 다시 기준필터를 형성하는 콴텀홀의 크기보다도 더욱 미세한 관통홀을 형성한 소경필터(9)가 형성되며, 상기 소경필터를 통하여 더욱 미세한 초미립자가 들어갈 수 있는 소경공간(7)이 형성이 되어진다. 즉, 이 소경필터(9)는 제2 상측지지부(35)와 제2 하측지지부(36)에 지지되어 감싸여져 소경공간(7)을 형성한다. 상기 기준필터(8)와 상기 상부가 개방된 통체(31)의 사이에는 기준사이즈보다 더 큰 초미립자들이 존재하는 대경공간(5)이 형성이 되어진다. 또한 소경공간(7)내에는 소경전극(11)이 형성되어지며 기준공간(6)내에는 기준전극(10)이 형성이 되어 진다.상기 기준필터(8)는 전류공급장치(30)의 제 1 단자(1)로부터 전류를 공급받고, 상기 기준전극(10)는 전류공급장치(30)의 제 2 단자(2)로부터 전류를 공급받으며, 상기 소경필터(9)와 소경전극(11)은 전류공급장치(30)의 제 3 단자(3)와 제 4 단자(4)로부터 각각 전류를 공급받는다.

제 2 도는 초미립자들이 혼합된 용액을 본 발명의 초미립자 분리장치에 부은상태를 설명하는 설명도이다. 제 2 도에 나타난 상태는 혼합된 초미립자들을 본 발명의 대경공간(5)에 부은 상태이다. 기준사이즈보다 큰 초미립자를 대미립자라 정의하며, 기준사이즈의 미립자를 기준미립자라하고 기준미립자보다 작은 사이즈의 초미립자를 소미립자라고 정의한다. 대미립자, 기준미립자, 소미립자가 혼재된 상태의 초미립자에는 양, 음의 이온을 띠도록 사전에 처리작업을 행하는 것이 중요한데 경우에 따라서는 분리하고자 목적하는 기준미립자에만 전기적 이온화를 행할 수 있도록 하면된다. 본 발명에서는 전기의 전극을 이용하여 목적하는 기준미립자에 전기를 특성을 띄게하여 움직일 수 있도록 유도할 필요가 있다. 즉 전계를 이용하여 기준미립자를 이동시키고자 하는 것이다. 본 발명에서는 기준미립자에 음이온을 띄고 있는 것을 가정하여 전계를 통하여 그리고 콴텀홀을 이용하여 기준미립자를 분리해 나가는 것을 설명하고자 한다. 즉 음이온을 띤 기준미립자와 대미립자와 양이온의 소미립자의 및 음이온의 소미립자 등의 초미립자로 분류할 수가 있게 된다. 제 2 도의 상태는 아직 전계를 가하지 않고 단순히 대경공간에 초미립자들을 부어 넣은 상태만을 의미한다.

제 3 도는 본 발명의 분리장치에 기준전극과 소경전극에 양극의 전류를 흐르게 한 상태를 나타낸다. 이때 대경공간(5)의 초미립자중에서 음이온의 기준미립자와 음이온의 소미립자는 전계에 이끌려서 기준필터(8)를 통과하여 안으로 들어가게 되고, 음이온의 소미립자는 전계에 이끌려서 소경필터(9)를 통과하여 소경공간(7)에 까지 들어 갈 수가 있게 된다. 이때 대미립자중에서 음전기를 띤 것도 전계에 이끌려서 기준공간(6)내로 들어가고자 하나 기준필터(8)에 의하여 막혀서 들어가지 못하게 되고 기준필터의 콴텀홀을 막게 된다. 이와 같이 일정시간이 지나면 기준필터의 콴텀홀이 음이온의 대미립자에 의하여 많이 막히게 되므로 이를 다시 떼어줄 필요성이 제기가 된다.

제 4 도는 본 발명의 분리장치에 기준필터와 소경필터에 음극의 전류를 흐르게 한 상태를 나타낸 것으로, 기준필터(8)와 소경필터(9)에 음극의 전기를 통하게 되면 기준필터와 소경필터의 콴텀공을 막고 있던 음이온을 띤 사이즈가 큰 초미립자들이 모두 분리되어 떨어져 나가게 되어 제 3 도 상태의 필터의 콴텀공들이 다시 개방이 되어지게 된다. 또한 이들의 전극의 변화에 의하여 대경공간내의 극성을 지니는 초미립자들이 전반적으로 운동을 행하게 되어 교반효과를 얻을 수가 있게 된다.

제 3 도와 제 4 도에서와 같은 행위를 반복적으로 행하게 되면 대경공간내의 초미립자들은 자기들의 가지는 전기적 특성에 의하여 끊임없이 이동하게 되며, 또한 이러한 이동의 반복으로 인하여 필터내로 들어갈 수가 있는 초미립자들은 결국에는 모두 자기의 크기에 알맞은 공간내로 들어가 자리를 잡게 된다. 결국 본 발명에 의하여 혼합되어진 초미립자가 들어있는 곳에 전극을 반복적으로 교대로 걸어주게 됨으로 인하여 전계에 의한 초미립자의 끊임없는 운동을 통해서 그들의 사이즈와 전기적 특성에 알맞는 공간으로 각각 분리를 할 수 있다는 것을 나타낸다.

제 5 도는 상기의 제 2 도와 제 3 도의 전극변화를 수없이 반복하고 난 뒤의 상태를 나타낸 설명도이다. 목적한 바의 초미립자의 분리가 이루어 졌을 때의 상황으로 이때의 전류의 상태는 기준전극전류(2)와 소경전극전류(4)에는 양극의 전기가 흐르게 되는 상황이다. 기준공간(6)내에는 음이온을 가지는 기준미립자가 기준전극을 중심으로 하여 모여 있는 상태가 되며, 음이온의 소미립자는 소경공간내에서 소경전극을 중심으로 모여 있게 된다. 그리고 양이온은 크기를 불문하고 기준필터를 통과하지 못하게 되며, 음이온중에서는 대미립자만 기준필터를 통과하지 못하게 된다. 즉 결국에는 도면 제 5 도의 그림에서와 같이 각 미립자들이 전기적 특성과 크기적 특성에 의하여 정확히 분리가 이루어 지는 것을 의미한다.

제 6 도는 기준미립자를 필요한 갯수만큼 인출하여 낼 수 있도록 하는 방법 및 장치에 대한 설명도이다. 도 1 내지 5에 제시된 바와 같은 필터(37)와 이 필터(37)가 상측지지부(38) 및 하측지지부(39)에 지지되어 감싸여져 형성된 공간(6,7)의 내부에 기준사이즈 보다 조금 더 크게 필요한 갯수만큼 콴텀홀 (12)이 형성된 미립자 선택장치(13)를 삽입하고, 이 미립자 선택장치(13)에 전류공급장치(30)의 전류단자(14)로부터 기준미립자의 전기적 극성과 상반된 극성의 전류를 흐르게 하여, 상기 일정한 갯수와 일정한 크기를 가지는 콴텀홀로 구성되는 미립자선택장치의 각각의 콴텀홀에 기준미립자가 위치되게 한 뒤, 이를 밖으로 인출하게 되면, 원하는 초미립자만 원하는 갯수만큼 원하는 위치에 위치를 시킬 수가 있게 되는 것이다. 초미립자의 크기는 나노미터의 크기에 불과하므로 손으로서는 결코 선택을 할 수가 없을 뿐만 아니라 원하는 개수만큼 원하는 위치에 위치시킨다는 것을 거의 불가능한 일이나 최근 로보트에 의하여 한정되어진 갯수와 속도로 초미립자를 분리하는 것이 가능하게 되었으나 본 발명에서와 같이 보다 효율적으로 선택할 수는 없었다.

본 발명은 콴텀홀을 이용한 필터와 전기적 특성을 충분히 이용하여 초미립자가 다양하게 혼재되어진 상태에서 원하는 크기의 기준미립자를 용이하게 그리고 효율적으로 분리하여 낼 수가 있음은 물론 원하는 갯수 만큼 추출 시킬 수가 있는 효과가 있다.

Claims (14)

1. 초미립자들이 혼합된 용액이 담겨져 있는 통체(31)와;

   상기 통체(31)의 내부에 삽입되고, 감싸여져 내부에 공간이 형성되며, 특정한 크기의 기준미립자보다 조금 큰 콴텀홀들이 형성되어 추출하고자 하는 특정 초미립자를 필터링할 수 있는 필터와;

   이 필터의 상,하측을 지지하는 상,하측지지부와;

   상기 필터의 내부 공간에 삽입되어져 공간에 전류공급장치(30)에서 전류를 공급받아 상반되는 극성의 전계를 형성하여 초미립자를 유인할 수 있는 전극으로 구성되는 콴텀홀과 전계를 이용한 초미립자 분리장치.
2. 상기 제 1 항에 있어서, 상기 필터로 이루어진 공간에는 상기 콴텀홀들보다 작은 콴텀홀들을 갖는 필터와, 이 필터를 지지하는 상하측지지부들과 전극으로 이루어진 특정 초미립자 분리세트가 둘 이상 존재하되,

   상기 특정 초미립자 분리세트들은 작은 콴텀홀들의 크기를 갖는 특정 초미립자 분리세트가 큰 콴텀홀들의 크기를 갖는 특정 초미립자 분리세트의 필터로 이루어진 공간에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 콴텀홀과 전계를 이용한 초미립자 분리장치.
3. 상기 제 1 항에 있어서, 상기 필터로 이루어진 공간에는,

   상부에 특정한 기준미립자보다 큰 요홈이 형성된 콴텀홀들을 다수 구비하고 있으며, 상기 특정한 기준미립자의 전기적 극성과 상반된 극성의 전류가 흘러 상기 콴텀홀들에 특정한 기준미립자가 안착될 수 있도록 전류공급장치(30)와 전기적으로 연결된 미립자 선택장치(13)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 콴텀홀과 전계를 이용한 초미립자 분리장치.
4. 상기 제 1 항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 콴텀홀들의 크기는 10nm 이상 100nm 이하 인 것을 특징으로 하는 콴텀홀과 전계를 이용한 초미립자 분리장치.
5. 초미립자들이 혼합된 용액이 담겨져 있는 통체(31)를 제공하는 단계와;

   상,하측지지부에 의해 지지되고, 감싸여져 공간을 이루며, 특정한 크기의 기준미립자보다 조금 큰 콴텀홀들이 형성된 필터를 상기 통체(31)의 초미립자들이 혼합된 용액에 담그는 단계와;

   상기 필터로 이루어진 공간의 내부에 전류공급장치(30)와 전기적으로 연결된 전극을 삽입하는 단계와;

   상기 전류공급장치(30)에서 전류를 상기 전극으로 공급하여 상기 콴텀홀들을 통해 필터 내부 공간으로 미립자를 유인하는 단계로 이루어진 콴텀홀과 전계를 이용한 초미립자 분리방법.
6. 상기 제 5 항에 있어서, 상기 미립자를 유인하는 단계후, 상기 필터에 미립자의 극성과 동일한 전류를 인가하여 콴텀홀이 막히는 것을 방지하는 단계가 더 구비된 것을 특징으로 하는 콴텀홀과 전계를 이용한 초미립자 분리방법.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 초미립자들이 혼합된 용액이 담겨져 있는 통체(31)를 제공하는 단계와;

    상기 콴텀홀들을 갖는 필터와, 이 필터를 지지하는 상하측지지부들과 상기 필터로 이루어진 공간의 내부에 전류공급장치(30)와 전기적으로 연결된 전극으로 이루어진 특정 초미립자 분리세트를 상기 통체(31)의 초미립자들이 혼합된 용액에 담그는 단계와;

    상기 특정 초미립자 분리세트의 콴텀홀들보다 작은 콴텀홀들이 형성된 필터를 갖는 둘 이상의 특정 초미립자 분리세트들을 상기 공간에 삽입하는 단계와;

    상기 전류공급장치(30)에서 전류를 상기 전극으로 공급하여 상기 콴텀홀들을 통해 필터 내부 공간으로 미립자를 유인하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 콴텀홀과 전계를 이용한 초미립자 분리방법.
13. 상기 제 12 항에 있어서, 상기 특정 초미립자 분리세트의 콴텀홀들보다 작은 콴텀홀들이 형성된 필터를 갖는 둘 이상의 특정 초미립자 분리세트들을 상기 공간에 삽입하는 단계에서,

    상기 둘 이상의 특정 초미립자 분리세트들은 큰 콴텀홀들이 형성된 필터를 갖는 분리세트 내부에 작은 콴텀홀들이 형성된 필터를 갖는 순차적인 분리세트들이 콴텀홀들의 크기 순서로 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 콴텀홀과 전계를 이용한 초미립자 분리방법.
14. 상기 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 콴텀홀들의 크기는 10 nm 이상 100 nm 이하 인 것을 특징으로 하는 콴텀홀과 전계를 이용한 초미립자 분리방법.