KR100948715B1 - 목표 분류 입경의 제어가 가능한 입자 분류 방법, 이를 수행하기 위한 입자 분류 유닛, 그 제조방법 및 입자 분류 장치 - Google Patents

Abstract

유동장 내 입자 관성력의 차이 및 전기장에 의한 가속력의 차이를 이용하여 보다 미세한 입자 분류가 가능한 입자 분류 방법, 이를 수행하기 위한 입자 분류 유닛 및 입자 분류 시스템을 제공한다.

입자 분류 방법에 있어서, 제1축을 따라 전압을 걸어 전기장을 형성한다. 제1축을 따라 입자들을 포함한 유체를 유입시킨다. 제1축에 평행한 방향 및 제2축에 평행한 방향으로 입자들을 포함한 유체를 유출시켜 전기장에 의해 가해지는 입자들의 가속력의 차이에 따라 입자들을 입경별로 분류한다. 제2축에 평행한 방향들로 유출되는 유체의 유량이 제1축에 평행한 방향으로 유출되는 유체의 유량보다 크다.

이에 따르면 형성된 전기장의 크기에 따라 목표 분류 입경을 변화시킬 수 있으며, 나노미터 급의 미세입자를 분류할 수 있다.

Description

목표 분류 입경의 제어가 가능한 입자 분류 방법, 이를 수행하기 위한 입자 분류 유닛, 그 제조방법 및 입자 분류 장치 {METHOD OF SORTING PARTICLES CAPABLE OF TUNING THE CUT-OFF DIAMETER, PARTICLE SORTING UNIT, METHOD FOR PRODUCING THEREOF AND PARTICLE SORTING DEVICE FOR PERFORMING THE SAME}

본 발명은 입자 분류 방법 및 이를 수행하기 위한 입자 분류 유닛 및 입자 분류 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 유동장(流動場)에 놓인 입자 관성력의 차이 및 전기장에 의한 가속력의 차이를 이용하여 보다 미세한 입자의 분류가 가능하며 목표 분류 입경을 제어 가능한 입자 분류 방법 및 이를 수행하기 위한 입자 분류 유닛 및 입자 분류 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 기본적으로 임팩터에 관한 것으로서, 여기서 임팩터(impactor)라 함은 입자를 포함한 유체가 노즐을 통해 충돌 표면 또는 수집관으로 향할 때 충분한 관성력을 갖는 큰 입자는 충돌 표면 또는 수집관으로 포집되며, 관성력이 작은 입자는 유동에 따라 흐르도록 설계된 입자의 크기에 따라 분리하는 장치를 의미하고, 크게 관성 임팩터와 가상 임팩터로 구분된다.

이중 가상임팩터(virtual impactor)는 설계 및 제작이 비교적 간편하고, 입 자를 분리 및 농축하는데도 좋은 성능을 나타내기 때문에 널리 사용되어져 왔다.

이러한 미세입자의 분류를 위해 이용되어 온 기존의 가상임팩터는 그 구조(미세유로의 크기)에 의해 분류입경이 정해진다. 따라서 새로운 분류입경의 구현을 위해서는 가상 임팩터 자체를 새롭게 설계하고 새롭게 제작해야만 한다. 또한, 기존의 가상임팩터를 이용한 나노미터 급의 입자의 분류를 위해서는 초정밀 유량 제어 및 매우 작은 유로의 크기가 요구된다. 특히, 나노미터 급의 입자 분류를 위해서 요구되는 유량은 상용 정밀펌프로 대응하기가 매우 난해하였다. 이러한 어려움으로 기존의 가상임팩터는 마이크로미터 급 정도의 미세입자 분류에 주로 이용되었다.

한편 지금까지 개발된 90%이상의 가상임팩터는 전통적인 기계가공기술 (정밀가공)에 의해 제작되어져 그 크기가 크고 상대적으로 고가이다. 이러한 고가 및 큰 크기에 관한 문제점을 해결하기 위한 Microelectromechanical Systems(이하 MEMS) 기술을 이용한 미세가상임팩터가 제안된 바 있다. 그러나 이러한 MEMS 기반 미세가상임팩터의 경우에도 설계값에 의해 정해진 목표 분류입경은 마이크로채널의 기하학적 형상에 의해 고정되어 정해진 분류입경만을 분류할 수 있을 뿐이다.

즉, 미세가상임팩터의 일련의 물성치 및 설계값에 의해 목표 분류입경(target cut-off diameter)이 1μm 정도로 정해지며 마이크로채널의 크기에 의해서 고정된 목표 분류입경을 갖게 되므로, 미세가상임팩터의 분류입경을 변경하기 위해서는 임팩터를 새롭게 설계하고 제작하여야만 하였다. 또한, 미세가공기술의 표면가공 (surface micromachining) 기술을 이용하여 마이크로채널을 제작할 경우

첫째, 가공기술의 최소 분해능 (minimum resolution) 한계와

둘째, 상용 정밀펌프를 이용해 공급할 수 있는 유량 최소 분해능의 한계로 인해 100 nm 이하급의 미세입자의 분류가 거의 불가능했다.

특히, 화석연료의 연소로부터 배출되는 미세입자의 경우 (대표적 예: 엔진 배기가스), 대부분 그 크기가 수십 나노미터 이하이다. 또한, 이러한 나노미터급 입자는 사람의 폐포까지 침투하여 돌연변이 세포나 염증을 일으키고 심지어는 암을 유발하는 것으로 알려져 있다. 대기 중의 미세입자상 물질 자체에 관한 연구는 많이 이루어졌으나, 그 측정 장비에 있어서는 고가의 외산 장비에 의존하고 있다. 또한, 현재의 측정 장비들은 크기도 매우 크다.

기존의 가상임팩터(virtual impactor)는 기하학적 형상에 의하여 분류 입경이 정해진다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 유동장(流動場)내 입자 관성력의 차이 및 전기장에 의한 가속력의 차이를 이용하여 보다 미세한 입자 분류가 가능하며 목표 분류 입경을 능동적으로 변경(tuning) 가능한 입자 분류 방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 상기된 입자 분류 방법을 이용하는데 적합한 입자 분류 유닛을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 상기된 입자 분류 유닛의 제조 방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 상기 입자 분류 유닛을 이용한 입자 분류 시스템을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 입자 분류 방법에 있어서, 제1축을 따라 전압을 걸어 전기장을 형성한다. 상기 제1축을 따라 입자들을 포함한 유체를 유입시킨다. 상기 제1축에 평행한 방향 및 제2축에 평행한 방향으로 상기 입자들을 포함한 유체를 유출시켜 상기 전기장에 의해 가해지는 상기 입자들의 가속력의 차이에 따라 상기 입자들을 입경별로 분류한다. 상기 제2축에 평 행한 방향들로 유출되는 상기 유체의 유량이 상기 제1축에 평행한 방향으로 유출되는 상기 유체의 유량보다 크다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2축에 평행한 방향들로 유출되는 상기 유체의 유량은 상기 제1축을 따라 유입된 유량의 80% 내지 99%이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1축과 상기 제2축은 수직하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 입자들을 입경별로 분류하는 단계는 감광층 패턴으로 정의되는 마이크로채널 내에서 이루어진다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 마이크로채널의 폭은 500μm 내지 1000μm이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전압을 조절하여 상기 전기장의 크기를 조절한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 입자 분류 유닛은 기판, 제1 절연층, 감광층 패턴, 및 전극들을 포함한다. 상기 제1 절연층은 상기 기판의 상부면에 형성된다. 상기 감광층 패턴은 상기 제1 절연층 상에 형성되며, 입자들을 포함한 유체를 통과시키기 위하여 제1축을 따라 연장된 마이크로채널, 상기 마이크로채널의 입구에 연결되어 상기 유체를 유입시키기 위한 유입부 및 상기 마이크로채널에 연통되며 상기 유체를 유출시키기 위한 유출부를 정의한다. 상기 전극들은 상기 제1 절연층 상에 형성되며, 상기 마이크로채널에 전기장을 형성한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극들은 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 마이크로채널의 폭은 500μm 내지 1000μm이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 절연층은 산화막이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극들의 상부에 제2 절연층을 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유출부는 상기 마이크로채널의 측면들에 연통되는 제2 유출포트들 및 상기 마이크로채널의 출구에 연통되는 제1 유출포트를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 유출포트들은 상기 제1축과 수직한 방향으로 연장되며, 상기 제1 유출포트는 상기 제1축과 평행한 방향으로 연장된다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 입자 분류 유닛의 제조 방법에 있어서, 제1 절연층이 상부에 형성된 기판을 제공한다. 상기 제1 절연층 상에 전극을 형성한다. 상기 전극 상에 제2 절연층을 형성한다. 상기 기판 상에 감광층을 형성한다. 상기 감광층을 사진 식각(photolithography)하여 입자 분류 유닛을 형성한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 입자 분류 유닛은 입자들을 통과시키기 위하여 제1 방향으로 연장된 마이크로채널, 상기 마이크로채널의 입구에 연결되어 상기 입자들을 유입시키기 위한 유입부, 상기 마이크로채널의 측면들에 연통되는 제2 유출포트들 및 상기 마이크로채널의 출구에 연통되는 제1 유출포트를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 유출포트들은 상기 제1 방향과 수직한 방향으로 연장되며, 상기 제1 유출포트는 상기 제1 방향과 동일한 방향으로 연장된다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 입자 분류 시스템은 입자 분류 유닛, 전원 공급부, 유체 공급부, 입자 포집부 및 입경 분석부를 포함한다. 상기 입자 분류 유닛은 기판, 상기 기판의 상부면에 형성된 제1 절연층, 상기 제1 절연층 상에 형성되며, 입자들을 포함하는 유체를 통과시키기 위하여 제1 방향으로 연장된 마이크로채널, 상기 마이크로채널의 입구에 연결되어 상기 유체를 유입시키기 위한 유입부 및 상기 마이크로채널에 연통되며 상기 유체를 유출시키는 유출부를 정의하는 감광층 패턴 및 상기 제1 절연층 상에 형성되며 상기 마이크로채널에 전기장을 형성하기 위한 전극들을 포함한다. 상기 전원 공급부는 상기 전극들에 연결되며, 상기 전기장을 형성하기 위한 전원을 공급한다. 상기 유체 공급부는 상기 유입부에 연결되며, 상기 입자들이 포함된 유체를 공급한다. 상기 입자 포집부는 상기 유출부에 연결되며, 상기 유체에 포함된 입자를 포집한다. 상기 입경 분석부는 상기 입자 포집부에 연결된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유출부는 상기 마이크로채널의 측면들에 연통되며 상기 제1 방향과 수직한 방향으로 연장되는 제2 유출포트들 및 상기 마이크로채널의 출구에 연통되며 상기 제1 방향과 동일한 방향으로 연장되는 제1 유출포트를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 유출포트들로 유출되는 상기 유체 의 유량은 상기 유입부로 유입된 유량의 80% 내지 99%이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전원 공급부는 상기 전기장의 크기를 조절하기 위한 전압 조절부를 더 포함한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 전기장을 이용하여 입자를 분류하기 때문에 더 미세한 입자의 분류가 가능하며, 상기 전기장의 세기를 조절하면 목표 분류 입경의 제어가 가능하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 입자 분류 유닛의 물성치 및 설계값에 의해 정해진 목표 분류입경(target cut-off diameter)에 구속되지 않고 전기장의 세기를 조절해 목표 분류입경을 제어할 수 있다. 즉 마이크로채널의 크기와 같은 구조가 정해진 이후에도 상기 구조의 변경 없이 집적되어있는 전극에 전압을 가함으로써 능동적으로 분류입경을 변화시킬 수 있다.

또한, 기존의 나노미터급 미세입자를 분류하기 위한 입자 분류 유닛의 특성크기보다 약 3배 이상 큰 특성크기와 유량으로도 나노미터 급의 미세입자를 분류할 수 있다. 즉, 이전의 가공기술과 상용 정밀펌프의 최소 분해능으로도 100 nm이하 미세입자의 분류가 가능하다. 또한 제작이 용이하여 생산성 및 제작단가를 현저히 낮출 수 있다.

따라서 본 발명에서 제시하는 입자 분류 방법은 대기환경의 분석을 위한 전처리기로써 활용이 가능하다. 특히, 화석연료의 연소로부터 배출되는 미세입자의 경우 (대표적 예: 엔진 배기가스), 대부분 그 크기가 수십 나노미터이하이다. 또 한, 이러한 나노미터급 입자는 사람의 폐포까지 침투하여 돌연변이 세포나 염증을 일으키고 암의 주요원인으로 알려져 있다. 대기 중의 미세입자상 물질 자체에 관한 연구는 많이 이루어졌으나, 그 측정 장비에 있어서는 고가의 외산 장비에 의존하고 있다. 또한, 현재의 측정장비들은 크기가 크고 고가이다. 이에, 본 발명에서 제시하는 입자 분류 방법은 궁극적으로 관련 분야에서 사용하고 있는 고가의 외산장비의 수입대체 효과를 기대할 수 있고, 단기적으로는 현재의 미세입자 감지시스템의 저가형 추가 장치로써 그 응용이 가능하다. 이외에도 바이오에어로졸 분석기, 엔진 배기가스 분석 장비, 농축 샘플러 등으로 이용될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면에 있어서, 기판, 막, 영역, 패드 또는 패턴들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명에 있어서, 각 막, 영역, 패드 또는 패턴들이 기판, 각 막, 영역 또는 패드들의 "상에", "상부에" 또는 "상부면"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 막, 영역, 패드 또는 패턴들이 직접 기판, 각 막, 영역, 패드 또는 패턴들 위에 형성되는 것을 의미하거나, 다른 막, 다른 영역, 다른 패드 또는 다른 패턴들이 기판 상에 추가적으로 형성되는 것을 의미한다. 또한, 각 막, 영역, 패드, 부위 또는 패턴들이 "제1", "제2", "제3" 및/또는 "예비"로 언 급되는 경우, 이러한 부재들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 각 막, 영역, 패드, 부위 또는 패턴들을 구분하기 위한 것이다. 따라서, "제1", "제2", "제3" 및/또는 "예비"는 각 막, 영역, 패드, 부위 또는 패턴들에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따른 입자 분류 방법, 이를 수행하기 위한 입자 분류 유닛 및 입자 분류 시스템에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

입자 분류 유닛

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분류 유닛을 나타내는 평면도 및 부분확대도이다.

도 1을 참조하면, 입자 분류 유닛(100)은 기판(110), 감광층 패턴(120) 및 전극(160)을 포함한다.

기판(110)은 감광층 패턴(120)을 지지한다. 일 실시예로서, 기판(110)은 상부면에 제1 절연층이 형성된 반도체 웨이퍼일 수 있다.

감광층 패턴(120)은 기판(110)의 상부면에 형성된다. 감광층 패턴(120)은 유입부(130), 마이크로채널(200) 및 유출부를 정의한다. 일 실시예로서, 감광층 패턴(120)은 감광성 고분자인 SU-8 2100(MicroChem 사, 미국)을 이용하여 형성할 수 있으나, 이외에도 사진식각(photolithography)이 가능한 것이면 어떠한 감광성 물 질을 사용하여도 본 발명의 기술적 사상을 충족하는 것임을 당업자라면 쉽게 알 수 있다.

일 실시예로서, 유입부(130)는 제1축(320)을 따라 형성될 수 있다. 유입부(130)는 입자들을 포함하는 유체를 도면에 도시되지 않은 펌프와 연결된 유로에서 공급받아 유입시킨다.

마이크로채널(200)은 유입부(130)에 연통되며, 상기 유입된 유체를 통과시킨다. 일 실시예로서, 마이크로채널(200)의 폭(W)은 500μm 내지 1000μm일 수 있다.

상기 유출부는 마이크로채널(200)에 연통되며, 마이크로채널(200)을 통과한 상기 유체를 유출시킨다. 일 실시예로서, 상기 유출부는 마이크로채널(200)의 출구에 연통되는 제1 유출포트(150), 마이크로채널(200)의 측면들에 연통되는 제2 유출포트들(140)을 포함할 수 있다.

일 실시예로서, 제1 유출포트(150)는 제1축(320)을 따라 형성될 수 있으며, 제2 유출포트들(140)은 제2축(310)을 따라 형성될 수 있다. 제1축(320)과 제2축(310)을 수직할 수 있다. 한편 제2 유출포트들(140)을 통해 유출되는 상기 유체의 유량이 제1 유출포트(150)를 통해 유출되는 상기 유체의 유량보다 큰 것이 바람직하며, 제2 유출포트들(140)로 유출되는 상기 유체의 유량이 유입부(130)로 유입된 전체 유량의 80% 내지 99%일 수 있다.

전극들(160)은 마이크로채널(200)의 내부에 제1축(320)을 따라 형성된다. 일 실시예로서, 전극들(160)은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등으로 형성될 수 있으나 전압을 가하여 전기장을 형성할 수 있는 물질이면 어떤 것이나 가능하다.

전극들(160)에 전압을 가하지 않은 상태에서 제2 유출포트들(140)을 통해 유출되는 유량을 유입 유량의 90% 이상으로, 제1 유출포트(150)를 통해 유출되는 유량을 10% 이하로 유지하면, 상기 유체에 포함된 입자들 중 크기가 큰 입자는 큰 관성으로 인해 직선운동을 유지하여 제1방향(210)을 따라 제1 유출포트(150)로 이동하며, 크기가 작은 입자는 작은 관성으로 인하여 대부분의 유량이 이동하는 제2방향(220)을 따라 제2 유출포트들(140)로 이동한다. 따라서 이러한 원리에 의해 입자의 크기에 따른 분류가 가능하지만, 분류가능한 입경은 마이크로채널(200)의 기하학적 형상과 관련된 수치들에 의해 고정되어 변경이 불가능했다.

하지만 본 발명에 따라 전극들(160)에 전압을 가하여 제1축(320)을 따라 전기장을 형성한 상태에서 상기 유체를 통과시키면, 상기 유체에 포함되어 있는 입자들은 상기 전기장에 의해 가속되게 된다. 이 경우, 작은 입자일수록 전기적 이동도(electrical mobility)가 크므로 큰 직진성을 가지게 된다. 따라서 관성력이 작은 100nm 이하의 미세입자들이 제1방향(210)을 따라 직진하게 되므로, 100nm 이하의 미세입자를 보다 용이하게 분류할 수 있게 된다.

즉, 전기장을 이용하지 않고 입자를 분류할 경우, 분류하고자 하는 입자의 크기가 작아질수록 매우 정밀한 유량의 공급이 필요하여 100nm 이하의 입자의 분류를 위한 유량 제어 정밀도는 상용 정밀 펌프의 정밀도 범위를 벗어낫지만, 전기장을 이용하여 입자를 분류하면 상용 정밀 펌프의 정밀도 범위를 그대로 이용하면서 100nm 이하의 미세입자를 분류할 수 있게 된다.

또한 상기 전기장의 세기를 조절함으로써, 입자 분류 유닛(100)의 기하학적 치수가 정해진 이후에도 추가적 설계 및 제작과정 없이도, 목표 분류입경을 능동적으로 변경이 가능하다.

입자 분류 방법

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분류 방법을 나타내는 순서도이다.

도 2를 참조하면, 제1축을 따라 전압을 걸어 전기장을 형성한다(S110 단계). 일 실시예로서, 상기 전기장의 형성은 전극들에 의하여 형성될 수 있다.

상기 전압을 조절하여 형성되는 전기장의 세기를 조절한다(S115 단계). 상기 전기장의 세기를 조절함으로써, 분류될 입자의 직경을 조절할 수 있다. 즉, 전기장의 세기가 커지면 커질수록 더 작은 입자들을 더 직진 시킬 수 있기 때문에, 상기 작은 입자들의 포집율이 증가하게 된다. 상기 전압과 포집되는 입자들의 직경 및 포집율의 관계는 도 10 및 도 11에서 더 설명한다.

상기 제1축을 따라 입자들을 포함하는 유체를 유입시킨다(S120 단계). 일 실시예로서, 상기 유체의 유입은 상용 펌프에 의할 수 있다.

상기 제1축에 평행한 방향 및 상기 제1축과 다른 제2축에 평행한 방향으로 상기 유체를 각각 유출시켜 상기 유체에 포함된 상기 입자들을 분류한다(S130 단계). 이 때, 상기 제2축에 평행한 방향으로 유출되는 상기 유체의 유량은 상기 제1축에 평행한 방향으로 유출되는 상기 유체의 유량보다 크다.

일 실시예로서, 상기 제2축에 평행한 방향으로 유출되는 상기 유체의 유량은 상기 제1축을 따라 유입된 유량의 80% 내지 99%일 수 있으며, 상기 제1축과 상기 제2축은 서로 수직할 수 있다.

또한 상기 입자를 분류하는 단계는 감광층 패턴으로 정의되는 마이크로채널 내에서 이루어질 수 있으며, 상기 마이크로채널의 폭은 500μm 내지 1000μm일 수 있다.

미세한 입자를 분류하는 원리는 상술한 바와 같으므로, 간략화를 위해 반복되는 설명은 생략한다.

입자 분류 유닛의 제조 방법

도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분류 유닛의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 단면도이다.

도 3 내지 도 5는 도 1에서 설명한 입자 분류 유닛과 실질적으로 동일한 구성요소들을 포함한다. 따라서 동일한 구성요소는 동일한 참조번호로 나타내고 반복되는 설명은 생략한다.

도 3을 참조하면, 제1 절연층(112)이 상부에 형성된 기판(110)을 준비한다. 일 실시예로서, 기판(110)은 반도체 웨이퍼일 수 있으며, 제1 절연층(112)은 산화막일 수 있다. 제1 절연층(112) 상에 전극(160)을 형성한다. 일 실시예로서, 전극(160)은 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등의 금속 물질 또는 이들의 합금을 이용하여 형성될 수 있다. 전극(160)의 두께는 2μm일 수 있다.

도 4를 참조하면, 전극(160)의 상부면에 제2 절연층(162)을 형성한다. 일 실시예로서, 제2 절연층(162)은 폴리이미드일 수 있다. 제2 절연층(162)의 두께는 3 μm일 수 있다.

도 5를 참조하면, 제1 절연층(112)의 상부면에 감광층을 형성한다. 일 실시예로서, 상기 감광층은 감광성 고분자인 SU-8 2100(MicroChem 사, 미국)일 수 있으나, 통상의 포토레지스트 물질도 가능하다. 상기 감광층의 두께는 200μm일 수 있다. 상기 감광층을 통상의 사진식각(photolithography) 공정을 통하여 마이크로채널(200)을 정의하는 감광층 패턴(120)으로 형성하면, 입자 분류 유닛이 완성된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분류 장치를 나타내는 분해도이다.

도 6의 입자 분류 장치는 도 1에서 설명한 입자 분류 유닛과 동일한 구성요소를 포함한다. 따라서 동일한 구성요소는 동일한 참조번호로 나타내고 반복되는 설명은 생략한다.

도 6을 참조하면, 입자 분류 장치는 입자 분류 유닛(100), 가스킷(510), 상부판(520) 및 하부판(530)을 포함한다. 상부판(520)은 입자 분류 유닛(100)으로의 유체의 유입 및 유출을 위하여 유입부 및 유출부에 해당하는 부분은 관통홀(522)이 형성되어 있다.

도 7은 도 6의 입자 분류 장치를 조립한 조립도이다.

하부판(530)의 상부에 가스킷(510)이 놓여진다. 가스킷(510)의 상부에 입자 분류 유닛(100)이 놓여진다. 입자 분류 유닛(100)이 상부에 입자 분류 유닛의 유입부와 유출부에 상응하게 관통홀(522)이 배치되도록 상부판(520)이 놓여진다. 상부판(520) 및 하부판(530)을 고정시켜 상기 입자 분류 장치가 완성된다.

입자 분류 시스템

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분류 시스템을 나타내는 블록도이다.

입자 분류 시스템은 입자 분류 유닛(100), 전원 공급부(900), 유체 공급부(700), 입자 포집부(800) 및 입경 분석부(810)를 포함한다.

입자 분류 유닛(100)은 유입부, 유출부 및 전극들을 포함하며, 도1에서 설명한 것과 실질적으로 동일하므로 반복되는 설명은 생략한다.

유체 공급부(700)는 상기 유입부에 연결되어 입자들을 포함하는 유체를 공급한다. 일 실시예로서, 유체 공급부(700)는 상용 정밀 펌프일 수 있다.

전원 공급부(900)는 상기 전극들에 연결되어, 전기장을 형성하기 위한 전원을 공급한다. 일 실시예로서 전원 공급부(900)는 상기 전원에서 공급되는 전압을 조절하여 상기 전기장의 세기를 조절할 수 있는 전원 조절부를 더 포함할 수 있다. 상기 전원 조절부에 의해 상기 전기장의 세기를 조절함으로써, 입자 분류 유닛의 기하학적 수치에 구속되지 않고 분류 입자의 직경을 변경하는 것이 가능해지며, 그 원리에 대한 설명은 도2에서 설명한 바와 같다.

입자 포집부(800)는 상기 유출부에 연결되며, 상기 유체를 배출하는 한편 입자 분류 유닛(100)에 의해 분류된 입자를 포집한다.

입경 분석부(810)는 입자 포집부(800)에 연결되며, 상기 분류된 입자들의 입경을 분석한다.

상기 입자 분류 시스템은 대기환경의 분석을 위한 전처리기로써 활용이 가능하다. 특히, 엔진 배기가스와 같은 화석연료의 연소로부터 배출되는 미세입자의 경우 대부분 그 크기가 수십 나노미터 이하이다. 상기 미세입자는 사람의 폐포까지 침투하여 돌연변이 세포나 염증을 일으키고 암의 주요원인으로 알려져 있으나, 종래의 입자 분류 시스템은 나노미터 급의 입자 분류가 매우 어려웠다.

따라서 본 발명에 따른 상기 입자 분류 시스템은 나노미터 급의 미세입자까지 분석이 가능한 엔진 배기가스 감지 시스템으로 이용될 수 있다.

또한 바이러스나 세균은 일반적으로 나노미터 단위이기 때문에, 본 발명에 따른 상기 입자 분류 시스템은 바이오 에어로졸 분석기로 이용될 수 있다.

또한 제1 유출포트(150)에서의 유량은 유입부(130)에서 유입되는 유량보다 감소하면서 원하는 직경의 입자들은 그대로 유지할 수 있어 농도를 증가시키는 효과가 있으므로, 본 발명에 따른 상기 입자 분류 시스템은 농축 샘플러로써 이용될 수 있다. 즉, 상기 입자 분류 시스템은 농축 샘플러로 이용될 수 있기 때문에 고가의 센싱 장치의 사용을 대체할 수 있다.

도 9는 전기장이 형성되지 않은 입자 분류 유닛에 의한 입자 포집 결과를 나타내는 그래프이다.

도 9를 참조하면, 가로축은 입자의 직경(aerodynamic diameter)을 나타내며, 세로축은 포집율(collection efficiency)을 나타낸다. 컷오프(cut-off) 직경이 1μm가 되도록 설계된 입자 분류 유닛을 사용하였기 때문에 1μm에 근접한 1.1μm의 직경에서 포집율이 50%가 되는 것을 볼 수 있다.

다음은 이론적인 포집율을 나타내는 식이다. 도9에서는 곡선(curve fitting)으로 나타난다.

다음은 실험으로 인한(experimental result) 포집율을 나타내는 식이다. 도9에서는 점으로 나타난다.

전기장이 형성되지 않은 상태에서는 직경이 클수록 관성력이 더 크기 때문에, 직경이 큰 입자일수록 직진성이 크게 된다. 따라서 직경이 클수록 포집율이 높아지게 된다.

도 10은 전기장이 형성된 입자 분류 유닛의 전압에 따른 입자 포집 결과를 나타내는 그래프이다.

도 10을 참조하면, 가로축은 인가된 전압(applied voltage)을 나타내고 세로축은 포집율(collection efficiency)을 나타낸다. 인가되는 전압의 크기가 커질수록 포집율이 비례하여 커지는 것을 볼 수 있다. 이는 상기 전압의 크기가 커질수록 전기장의 세기가 강해져 입자들이 더 직진을 하게 되기 때문이다. 또한 입자들의 크기가 작아질수록 포집율이 더 높은 것을 볼 수 있는데, 이는 상기 입자들의 크기가 작을수록 전기적 이동도가 더 커서 더 잘 직진하기 때문이다.

도 11은 전기장이 형성된 입자 분류 유닛의 직경에 따른 입자 포집 결과를 나타내는 그래프이다.

도 11을 참조하면, 가로축은 입자 직경(particle diameter)을 나타내고 세로축은 포집율(collection efficiency)을 나타낸다. 입자의 직경이 작아질수록 포집율이 커지는 것을 볼 수 있다. 또한 인가되는 전압의 크기가 커질수록 포집율이 커지는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과를 발생시키는 원리는 도 10에서 설명한 바와 같다.

상기와 같은 본 발명의 입자 분류 방법, 입자 분류 유닛 및 입자 분류 시스템은 대기환경의 분석을 위한 전처리기로써 활용이 가능하다.

또한 본 발명에 따른 입자 분류 방법, 입자 분류 유닛 및 입자 분류 시스템은 나노미터 급의 미세입자까지 분석이 가능한 엔진 배기가스 감지 시스템으로 이용될 수 있다.

또한 바이러스나 세균은 일반적으로 나노미터 단위이기 때문에, 본 발명에 따른 입자 분류 방법, 입자 분류 유닛 및 입자 분류 시스템은 바이오 에어로졸 분석기로 이용될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 입자 분류 방법, 입자 분류 유닛 및 입자 분류 시스템은 유입되는 유량보다 감소시키면서 원하는 직경의 입자들은 그대로 유지할 수 있어 농도를 증가시키는 효과가 있으므로, 농축 샘플러로써 이용될 수 있다. 따라서 고가의 센싱 장치의 사용을 대체할 수 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분류 유닛을 나타내는 평면도 및 부분확대도이다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분류 방법을 나타내는 순서도이다.

도3 내지 도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분류 유닛의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 단면도이다.

도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분류 장치를 나타내는 분해도이다.

도7은 도6의 입자 분류 장치를 조립한 조립도이다.

도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분류 시스템을 나타내는 블록도이다.

도9는 전기장이 형성되지 않은 입자 분류 유닛에 의한 입자 포집 결과를 나타내는 그래프이다.

도10은 전기장이 형성된 입자 분류 유닛의 전압에 따른 입자 포집 결과를 나타내는 그래프이다.

도11은 전기장이 형성된 입자 분류 유닛의 직경에 따른 입자 포집 결과를 나타내는 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 입자 분류 유닛 110 : 기판

120 : 감광성 패턴 130 : 유입부

140 : 제2 유출포트들 150 : 제1 유출포트

160 : 전극들 200 : 마이크로채널

210 : 제1 방향 220 : 제2 방향

310 : 제2 축 320 : 제1 축

Claims (20)

1. 제1축을 따라 형성된 마이크로 채널에 전압을 걸어 전기장을 형성하는 단계;

   유입부를 통해 상기 제1축을 따라 입자들을 포함한 유체를 유입시키는 단계; 및

   상기 제1축에 평행한 방향 및 제2축에 평행한 방향으로 상기 입자들을 포함한 유체를 유출시켜 상기 전기장에 의해 가해지는 상기 입자들의 가속력의 차이에 따라 감광층 패턴으로 형성된 상기 마이크로 채널내에서 상기 입자들을 입경별로 분류하는 단계를 포함하며,

   상기 제2축에 평행한 방향들로 유출되는 상기 유체의 유량이 상기 제1축에 평행한 방향으로 유출되는 상기 유체의 유량보다 큰 것을 특징으로 하는 입자 분류 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2축에 평행한 방향들로 유출되는 상기 유체의 유량은 상기 제1축을 따라 유입된 유량의 80% 내지 99%인 것을 특징으로 하는 입자 분류 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1축과 상기 제2축은 수직한 것을 특징으로 하는 입자 분류 방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 마이크로채널의 폭은 500μm 내지 1000μm인 것을 특징으로 하는 입자 분류 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 전압을 조절하여 상기 전기장의 크기를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 분류 방법.
7. 기판;

   상기 기판의 상부면에 형성된 제1 절연층;

   상기 제1 절연층 상에 형성되며, 입자들을 포함한 유체를 통과시키기 위하여 제1축을 따라 연장된 마이크로채널, 상기 마이크로채널의 입구에 연결되어 상기 유체를 유입시키기 위한 유입부 및 상기 마이크로채널에 연통되며 상기 유체를 유출시키기 위한 유출부를 형성하는 감광층 패턴;

   상기 제1 절연층 상에 형성되며, 상기 마이크로채널에 전기장을 형성하기 위한 전극들을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 분류 유닛.
8. 제7항에 있어서, 상기 전극들은 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)를 이루어진 것을 특징으로 하는 입자 분류 유닛.
9. 제7항에 있어서, 상기 마이크로채널의 폭은 500μm 내지 1000μm 인 것을 특징으로 하는 입자 분류 유닛.
10. 제7항에 있어서, 상기 제1 절연층은 산화막인 것을 특징으로 하는 입자 분류 유닛.
11. 제7항에 있어서, 상기 전극들의 상부에 제2 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 분류 유닛.
12. 제11항에 있어서, 상기 유출부는,

    상기 마이크로채널의 측면들에 연통되는 제2 유출포트들 및 상기 마이크로채널의 출구에 연통되는 제1 유출포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 분류 유닛.
13. 제12항에 있어서, 상기 제2 유출포트들은 상기 제1축과 수직한 방향으로 연장되며, 상기 제1 유출포트는 상기 제1축과 평행한 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 입자 분류 유닛.
14. 제1 절연층이 상부에 형성된 기판을 제공하는 단계;

    상기 제1 절연층 상에 전극을 형성하는 단계;

    상기 전극 상에 제2 절연층을 형성하는 단계;

    상기 기판 상에 감광층을 형성하는 단계 및

    상기 감광층을 사진 식각하여 감광층 패턴으로 형성된 마이크로 채널을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 분류 유닛의 제조 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 입자 분류 유닛은 입자들을 통과시키기 위하여 제1 방향으로 연장된 마이크로채널, 상기 마이크로채널의 입구에 연결되어 상기 입자들을 유입시키기 위한 유입부, 상기 마이크로채널의 측면들에 연통되는 제2 유출포트들 및 상기 마이크로채널의 출구에 연통되는 제1 유출포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 분류 유닛의 제조 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 제2 유출포트들은 상기 제1 방향과 수직한 방향으로 연장되며, 상기 제1 유출포트는 상기 제1 방향과 동일한 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 입자 분류 유닛의 제조 방법.
17. 기판, 상기 기판의 상부면에 형성된 제1 절연층, 상기 제1 절연층 상에 형성되며, 입자들을 포함하는 유체를 통과시키기 위하여 제1 방향으로 연장된 마이크로채널, 상기 마이크로채널의 입구에 연결되어 상기 유체를 유입시키기 위한 유입부 및 상기 마이크로채널에 연통되며 상기 유체를 유출시키는 유출부를 형성하는 감광층 패턴 및 상기 제1 절연층 상에 형성되며 상기 마이크로채널에 전기장을 형성하기 위한 전극들을 포함하는 입자 분류 유닛;

    상기 전극들에 연결되며, 상기 전기장을 형성하기 위한 전원을 공급하는 전원 공급부;

    상기 유입부에 연결되며, 상기 입자들이 포함된 유체를 공급하는 유체 공급부;

    상기 유출부에 연결되며, 상기 유체에 포함된 입자를 포집하기 위한입자 포집부; 및

    상기 입자 포집부에 연결된 입경 분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 분류 장치.
18. 제17항에 있어서, 상기 유출부는,

    상기 마이크로채널의 측면들에 연통되며 상기 제1 방향과 수직한 방향으로 연장되는 제2 유출포트들 및 상기 마이크로채널의 출구에 연통되며 상기 제1 방향과 동일한 방향으로 연장되는 제1 유출포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 분류 장치.
19. 제18항에 있어서, 상기 제2 유출포트들로 유출되는 상기 유체의 유량은 상기 유입부로 유입된 유량의 80% 내지 99%인 것을 특징으로 하는 입자 분류 장치.
20. 제19항에 있어서, 상기 전원 공급부는 상기 전기장의 크기를 조절하기 위한 전압 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 분류 장치.

Images