KR100991752B1 - 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치 및구동방법 - Google Patents

단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치 및구동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치 및 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세입자를 구동하기 위하여 전원을 인가하기 위한 두 개의 전극을 단일 평면 상에 형성시키고 광전자적인 전기장 형성 및 미세입자 구동이 가능하도록 함으로써 다양한 장치에 적용가능한 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치 및 구동방법에 관한 것이다.
본 발명의 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치는 빛을 조사하는 광원; 상기 빛의 조사여부에 따라 부분적으로 도통되는 광전도성층; 상기 광전도성층을 통해 인가되는 전원에 의해 미세입자의 구동을 위한 전위차를 형성하며 단일기판 상에 서로 이격되어 위치하는 두 개 이상의 전극;을 포함한다.
위와 같은 구성의 본 발명의 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치는 미세입자의 구동이 용이하고 부피가 감소하여 휴대성이 증가하고 공정수, 공정단가 및 제작 복잡도가 감소하며 다양한 조건에 맞게 랩온어칩(Lab-on-a-Chip)을 구현할 수 있는 효과가 있다.
미세입자, 광전도성층, 미세채널, 유전영동, 단일 평면

Description

단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치 및 구동방법 {Apparatus and Method for Microparticle Manipulation Using Single Planar Optoelectronic Device}
본 발명은 광전자소자를 이용한 미세입자 구동장치 및 구동방법에 대한 것으로 두 개 이상의 전극과 광전도성 물질을 이용하여 빛이 조사된 특정 구역에 전기장 구배를 형성하여 미세입자의 광전자적 구동이 가능한 미세입자 구동장치 및 구동방법에 대한 것이다.
유체 내부의 고체입자를 제어하는 기술 중에서 입자를 자유자재로 구동하는 대표적인 방법으로서 유전영동(DEP; dielectrophoresis) 원리가 있다. 일반적으로, 유전 영동(DEP: Dielectrophoresis)은 불균일한 전기장 내에서 유전체 입자(Dielectric Particle)가 유도 쌍극자를 띄고, 이로 인해 발생하는 힘을 이용하여 유전체 입자를 이동시키는 방법이다. 상기 유전 영동은 유체 내부의 고체 입자를 자유자재로 제어하는 방법으로, 유전 영동에 의한 입자의 이동은 인가된 교류 전압의 주파수, 유체의 종류, 고체 입자의 종류에 따라 변경되며, 전기장이 약한 방향으로 이동하는 음(Negative, -)의 유전 영동 현상과, 전기장이 강한 방향으로 입자가 이동하는 양(Positive, +)의 유전 영동으로 이루어진다. 유전영동을 이용하여 미소 알갱이(bead) 및 살아있는 세포 등을 움직이는 연구가 보고되었다(IEEE J. of Solid-state Circuits 38: 2297-2305).
최근 유전영동에서 표면의 특정 영역에만 전압을 인가해 주기위해 빛을 이용하는 광전자집게(Optoelectronics Tweezers)에 관한 연구(Nature 2005, 436: 370-372)가 보고된 바 있다. 이와 같은 빛을 이용한 광전자적 미세입자 구동장치는 광전도성 물질에 영상을 조사함으로써 일정구역에 가상의 전극을 형성시키고, 이에 따라 유전 영동, 전기영동, 전기삼투 또는 전열효과 등을 이용하여 미소 알갱이(Bead) 및 살아있는 세포 등을 사용자가 원하는 방향으로 이동시키는 장치이다. 즉, 광원에 의한 영상 패턴이 조사되는 광전도성층의 특정 영역에만 전압을 인가시켜, 상기 영상 패턴에 따라 가상의 전극이 형성되고, 유전 영동에 의하여 미세입자의 이동이 가능하다.
그러나, 광전자적 미세입자 구동장치는 광전도성층과 접지층이 이격되고, 그 사이로 미세유체가 이동하기 때문에, 다른 장치들과의 통합성이 좋지 않고 미세채널과 연결하여 응용장치에 이용할 수 없었으며, 미세유체를 주입한 후의 조작 등이 불가능한 문제점이 있다.
또한, 이러한 문제점 때문에 광전자적 미세입자 구동장치의 응용 분야의 범위가 제한적인 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 단일 평면에 전원을 인가하기 위한 두 개 이상의 전극을 형성시키고, 그 위에 도포되어 있는 광전도성 물질에 의해 각각의 전극이 빛에 의해 구동될 수 있도록 함으로써 하나의 평판에서 미세입자를 이동시킬 수 있도록 하여 다른 장치와 통합이 가능하고 유연하게 다양한 분야에 적용할 수 있는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치 및 구동방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치는 빛을 조사하는 광원; 상기 빛의 조사여부에 따라 부분적으로 도통되는 광전도성층; 상기 광전도성층을 통해 인가되는 전원에 의해 미세입자의 구동을 위한 전위차를 형성하며 단일기판 상에 서로 이격되어 위치하는 두 개 이상의 전극;을 포함한다.
또한, 상기 전극은 일정 패턴을 가지고 형성되고, 상기 광전도성층은 상기 전극 상에 증착되되, 상기 일정 패턴을 제외한 영역에는 증착되지 않는다.
또한, 상기 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치는 상기 광원으로부터 조사되는 빛을 집중시켜 상기 광전도성층으로 입사시키기 위한 집광부를 더 구비한다.
또한, 상기 구동되는 미세입자가 미세유체에 포함되고 상기 미세유체가 이동하는 유로를 더 구비한다.
또한, 상기 광원은 DMD, LCD, PDP, OLED, 레이저 중 어느 하나로 이루어진다.
또한, 상기 광원은 상기 전극 또는 상기 광전도성 층을 통하여 입사된다.
또한, 상기 광원이 상기 전극을 통하여 입사되는 경우, 상기 전극은 투명한 전도성 물질인 ITO (Indium Tin Oxide)로 형성된다.
또한, 상기 광원이 상기 광전도성 층을 통하여 입사되는 경우, 상기 평판형 전극은 투명한 전도성 물질인 ITO (Indium Tin Oxide) 또는 불투명한 전도성 물질인 금, 알루미늄, 구리, N형 실리콘 기판 중 어느 하나로 형성된다.
또한, 상기 두 개 이상의 전극 간 전기적 절연을 위한 절연 물질을 더 포함한다.
또한, 상기 절연 물질은 질화 실리콘, 산화실리콘, 에폭시(epoxy) 고분자, 감광제(photoresist) 등으로 형성된다.
또한, 상기 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치 상에 미세유체의 이동의 이동을 위한 미세채널을 더 포함한다.
또한, 상기 미세채널은 미세유체가 외부에서 유입되는 유입구; 및 상기 미세채널을 통과한 미세유체가 외부로 배출되는 배출구;를 포함한다.
또한, 상기 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치를 이용하여 구동하는 미세입자 및 물질을 감지하기 위한 감지장치를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 광전도성층은 비정질 실리콘(amorphous silicon), 황화 카드뮴(CdS) 또는 npn 포토트랜지스터 등과 같은 광전도성 물질들로 이루어진다.
또한, 상기 광전도성층과 상기 전극 사이에 접촉저항을 줄이기 위한 중간층을 더 구비한다.
또한, 상기 중간층은 도핑된 비정질 실리콘 (heavily doped amorphous silicon), 몰리브덴(molybdenum) 등을 사용한다.
또한, 상기 미세유체 내 미세입자가 전하를 띄는 경우에는 전기 영동을 통해 미세입자를 구동한다.
또한, 상기 미세유체 내 미세입자가 전하를 띄지 않는 경우에는 유전 영동을 통해 미세입자를 구동한다.
또한, 상기 전극 및 상기 광전도성층에 조사된 빛에 의해 전기삼투 및 전열현상이 발생하여 상기 미세유체의 유동이 있는 경우 미세입자의 유동을 통해 미세입자를 이동시킨다.
또한, 상기 전극에 인가되는 교류 전압의 주파수를 조절하여 미세입자의 이동을 조절한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동방법은 미세유체 또는 미세유체 내 미세입자가 이동하는 영역으로 빛을 조사하는 단계; 상기 빛의 조사여부에 따라 도통되는 광전도성층을 통해 특정 영역으로 전압을 인가하는 단계; 상기 인가되는 전압에 의해 단일 기판 상에 마련 된 두 개 이상의 전극에 의해 형성되는 전위차를 통해 상기 미세유체 또는 미세유체 내 미세입자를 이동시키는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 빛을 조사하는 단계는 상기 광원과 상기 광전도성층 사이에 마련된 집광부를 통해 상기 광원으로부터 조사된 빛을 굴절 및 집광하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 미세유체 또는 미세유체 내는 미세입자를 이동시키는 단계에서 상기 미세입자가 전하를 띄는 경우 전기 영동을 이용하여 이동시킨다.
또한, 상기 미세유체 또는 미세유체 내는 미세입자를 이동시키는 단계에서 상기 미세입자가 전하를 띄지 않는 경우 유전 영동으로 이동시킨다.
또한, 상기 미세유체 또는 미세유체 내는 미세입자를 이동시키는 단계에서 상기 전극 및 상기 광전도성층에 조사된 빛에 의해 전기삼투 및 전열현상이 발생하여 상기 미세유체의 유동이 있는 경우 미세입자의 유동을 통해 미세입자를 이동시킨다.
또한, 상기 미세유체 또는 미세유체 내는 미세입자를 이동시키는 단계에서 상기 전극에 인가되는 교류 전압의 주파수를 조절하여 미세유체 및 미세유체 내 미세입자의 유전 영동 및 전기삼투 등에 의한 미세입자의 이동특성을 변경한다.
이상과 같은 구성의 본 발명은 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치를 이용함으로써, 미세입자의 구동이 용이해지며, 단일 평판으로 부피가 감 소함으로써, 휴대성이 편리하고, 공정수, 공정 단가 및 제작 복잡도가 감소하고, 다양한 조건에서 자유롭게 구동되므로 다양한 요구 조건에 맞게 랩온어칩 (Lab-on-a-Chip)을 구현할 수 있는 등의 효과를 거둘 수 있다. 뿐만 아니라, 한쪽 평판을 사용함과 동시에, 전압인가를 위한 전원전극과 접지전극간을 한쪽 평판 상에서 충분히 이격시킴으로써 완전히 단전되는 효과를 거둘 수 있어, 전압의 효율을 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 구성 요소를 분리하여 도시한 사시도이며, 도 3은 도 1의 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치에 미세유체를 포함시켜 개략적으로 도시한 사시도이다.
도면에서 도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 전단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치(1)는 광원(10)과, 기판과, 전극(20)과, 광전도성층(30)과, 전원(60)을 포함하여 이루어진다.
그리고, 광원(10)은 사용자가 원하는 영역 및 형상으로 명암을 형성시킬 수 있으며, 상기 전극(20) 및 광전도성층(30)과 평행하게 배열되어 상기 광원(10)이 비추는 영역으로 입사되도록 구비된다.
이를 위하여, 상기 광원(10)은 DMD(Digital Micromirror Device), LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), OLED(Organic Light Emitting Diode), 레이저 등이 적용될 수 있으며, 일정 신호로 사용자가 원하는 영역에 빛을 입사시키도록 부분적으로 발광하거나 또는 일정 신호로 사용자가 원하는 패턴을 형성시켜, 패턴이 비추는 부분에 빛을 입사시킬 수도 있으며, 패턴이 비추는 영역에는 명(明), 그 외의 부분에는 암(暗)을 형성시킬 수 있는 장치로 대체되는 것도 바람직하다.
본 발명에 따른 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치(1)는 액정 디스플레이(LCD: Liquid Crystal Display)를 적용하여 설명한다.
여기서, 상기 액정 디스플레이(LCD)인 광원(10)은 인가 전압에 따른 액정 투과도의 변화를 이용하여 전기적인 신호를 시각 정보로 변화시켜 전달하는 장치로써, 자기 발광성이 없어 후광이 요구되지만, 소비 전력이 낮고 휴대가 용이하고, 액정에 사용자가 원하는 신호에 따른 전압을 인가하면, 액정의 배열이 변하며, 이에 따라 광원이 투과하면 회절이 발생하고, 편광판에 투과시켜 원하는 영상을 얻을 수 있다.
더불어, 광원(10)에 적용가능한 상기 PDP(Plasma Display Panel)는 2장의 얇은 유리판 사이에 작은 셀이 다수 배치되어, 상하에 장착된 전극 사이에서 네온 및 아르곤 등의 가스 방전을 일으켜 발생되는 자외선에 의하여 자기 발광시켜 영상을 얻을 수 있고, 휴대가 용이하므로 본 발명에 적용가능하다.
또한, 광원(10)에 적용가능한 상기 OLED(Organic Light Emitting Diodes)는 형광성 유기화합물에 전류를 입력시켜 빛을 조사시키는 전계 발광 현상을 이용하여 자체발광형 유기 다이오드로써, 낮은 제조 단가와 유연성으로 제작 및 휴대에 용이하고, 입력된 전류에 따라 사용자가 원하는 영상을 출력할 수 있으므로, 본 발명에 적용가능하다.
상기 광원(10)은 상기 LCD, PDP, OLED 이외에도 특정 패턴의 명암을 형성시킬 수 있고, 빛을 조사할 수 있는 장치로 대체되는 것도 바람직하다.
덧붙여서, 상기 광원(10)은 상기 전극(20) 및 하부 기판을 통하여 빛을 투과시키는 예를 들어 설명하였으나, 상기 광원(10)이 상기 광전도성층(30)을 통하여 빛을 투과시키도록 위치되는 것도 바람직하다.
전극(20)은 상기 광원(10)으로부터 사용자가 원하는 패턴 및 영역의 빛이 입사되면, 빛이 입사된 패턴 및 영역에 포토 트랜지스터에 의한 전압이 인가될 수 있도록, 투명한 전극인 ITO(Indium Tin Oxide)를 일정 패턴으로 형성된다.
여기서, 상기 광원(10)이 상기 광전도성층(30)을 통하여 빛을 투과시키는 경우에는, 상기 전극(20)은 투명한 전도성 물질인 ITO 뿐 아니라, 불투명한 전도성 물질인 금, 알루미늄, 구리, N 형 실리콘 기판 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
그래서, 상기 광원(10)으로부터 입사된 빛이 광전도성층(30)으로 인가될 수 있도록 빛을 투과시키고, 상기 광전도성층(30)에서 빛이 입사된 영역 및 패턴에 따른 특정 영역으로 전압을 인가시킬 수 있게 된다.
상기 광전도성층(30)은 포토 트랜지스터 특성을 가지는 비정질 실리콘(33) 또는 황화 카드뮴(CdS)으로 이루어는데, 유리 기판 상에 투명한 전극인 상기 ITO 전극(20)이 일정 패턴으로 증착되고 나서, 그 상부면에 상기 비정질 실리콘(33)이 증착된다.
이 때 상기 광전도성층(30)은 상기 전극(20) 상에 증착되되, 상기 전극(20)의 상기 일정 패턴을 제외한 영역에는 증착되지 않는 것을 특징으로 한다.
그리고, 광전도성층(30)과 상기 전극(20) 간 접촉 저항을 최소화하기 위하여 수소화된 n 형 비정질 실리콘(n+ Doped Hydrogenated Amorphous Silicon, 31), 몰리브덴(molybdenum) 또는 알루미늄 등의 중간층을 더 포함하는 것도 가능하다.
또한, 상기 광전도성층(30)의 비정질 실리콘(33)은 진성의 수소화된 비정질 실리콘(Intrinsic hydrogenated amorphous silicon)인 진성의 a-Si:H 가 이용될 수 있고, 상기 중간층은 수소화된 n 형 비정질 실리콘(31)인 n+ a-Si:H 가 이용되거나 몰리브덴 또는 알루미늄 막을 증착하여 접촉 저항을 최소화할 수 있다.
또한, 상기 광전도성층(30)의 비정질 실리콘(33)은 포토 트랜지스터 특성을 가지는 NPN 형의 단결정 실리콘 또는 PIN 형의 비결정 실리콘으로 대체 가능하며, 빛에 의해 전압을 인가할 수 있는 광전도성 물질로도 변경할 수 있다.
더불어, 상기 전극(20) 중 최소한 하나의 전극(21)은 상기 전극(20) 중 전원 전극(22)에 인가되는 전원과의 전위차를 형성시키기 위한 기준 전위를 제공하기 위해, 접지전극(21)으로써 서로 이격되어 일정 패턴을 가지고 형성된다.
따라서, 상기 광원(10)으로부터 조사된 빛이 하부 기판 및 상기 전극(20)을 통하여 광전도성층(30)으로 입사된 영역 중에서, 상기 접지 전극(21) 및 상기 전원 전극(22)이 함께 포함되는 영역에서만 전위차가 형성되어 전압이 걸리게 된다.
즉, 빛이 입사된 영역에서는 포토 트랜지스터 특성을 가지는 비정질 실리콘(33)에 의하여 전압이 걸리면, 기준 전압을 제공하는 접지전극(21)이 형성된 부분에서 전위차가 형성되며, 이에 따라 전위차가 형성된 영역에서 전계가 형성된다.
그리고, 상기 전극(20)은 접지전극(21)을 포함하여 두 개 이상의 이격된 전극으로 패터닝되되, 가능한 모든 구동면적에 대하여 존재할 수 있도록 서로 교차하는 형식의 손가락(finger) 모양으로 패턴이 되는 것이 바람직한데, 이동시킬 미세입자를 포함한 미세유체의 특성 또는 사용자가 원하는 방향에 따라 선(Line) 또는 그물 등의 형태로 패터닝(Patterning)될 수 있고, 상기 전극(20)을 이루는 물질은 금, 알루미늄, 구리, ITO 등 전류가 흐를 수 있는 물질로 대체가능하다.
또한, 상기 광전도성층(30)이 증착되어 있는 상기 두 개 이상의 전극(20)들 사이에 전기적으로 완전히 이격시키고, 미세채널과 같은 다른 미세유체 소자들을 통합시키기 위해 절연 물질(40)을 채워넣을 수 있는데, 상기 절연물질(40)은 산화 실리콘, 질화 실리콘 또는 감광제와 같은 에폭시 고분자 등을 이용한다.
그리고, 전원(60)은 상기 전극(20)에 직류 또는 교류 전압이 인가되도록 구비되어 사용자가 원하는 전위를 형성하도록 이루어지는데, 교류 전압이 인가될 경우, 상기 전원(60)의 주파수는 미세유체 내에 포함된 미세입자의 크기 및 종류에 따라 조절가능하다.
그리고, 교류 전압이 인가될 경우, 상기 전극(20) 중 최소한 하나의 전극이 접지(GND)의 역할을 수행하도록 변경될 수 있다. 이 때 광전도성 층(30)에 빛을 조사하면 그 영역에만 전기가 도통하게 되어 빛에 의해 가상의 전극이 형성될 수 있는 것이다.
도 4는 도 3의 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치의 동작 과정을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도면에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치(1)는 광원(10)으로부터 빛이 조사되면서 시작된다(①).
그리고 나서, 사용자가 원하는 패턴 또는 영역으로 조사된 빛이 투명 기판 등의 기판을 통하여 전극(20)로 입사되고(②), 이를 통과한 빛은 포토 트랜지스터 특성을 가지는 비정질 실리콘(33)에서 사용자가 원하는 패턴 또는 영역에서 전압이 상기 전원(60)으로부터 인가된다(③).
이 때 상기 전극(20) 중 접지전극(21)이 포함되어 있어야 하며, 이로 인해 빛을 받은 영역에만 국소적으로 전위차가 발생한다(④).
그렇게 되면, 일정 패턴이 형성된 전극(20) 상의 광전도성층(30) 상부면에서 접지전극(21)과 전원전극(22) 사이에 전계가 형성되고, 이에 따라 미세유체 내 미세입자가 유전영동, 전기영동, 전기삼투, 전열효과 등에 따라 이동할 수 있으며(⑤), 사용자는 이를 이용하여 상황에 맞는 방법을 이용할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치 에 미세채널을 추가한 실시예를 도시한 도이다. 도면에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전극일체형 광전자적 미세입자 구동장치(1)에 미세유체가 이동할 수 있는 미세채널(80)을 더 구비한다.
이에 따라, 미세채널이 형성된 미세유체칩의 기능과, 미세유체 내 미세입자를 움직이는 영상 패턴을 이용하여 사용자가 원하는 위치로 이동시키는 광전자적 미세입자 구동장치의 기능을 동시에 가질 수 있다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치(1)의 상부면, 즉 광전도성층(30) 및 경우에 따라 전극간 절연을 위한 절연물질(40) 및 전기분해를 막기 위한 유전체층(50)의 상부면에 미세유체를 주입하고, 배출시킬 수 있는 미세채널을 포함하는 미세유체칩을 형성시킨다.
여기서, 일정한 주입 속도로 인하여, 일정 속도를 가지는 미세유체는 미세채널을 이동하면서, 미세채널의 폭, 길이, 크기 또는 상기 미세채널을 이루는 물질 등의 성질에 따라 미세유체 내 미세입자를 분리할 수 있음과 동시에, 미세유체 내 미세입자를 사용자가 원하는 위치로 이동시킬 수 있다.
그리고, 본 실시예는 장시간의 실험이 요구될 때, 미세유체 즉 용액을 지속적으로 주입하면서 실험하는 경우에 적용될 수 있으며, 미세유체를 주입하는 펌프를 이용하여 미세유체의 이동성을 기반으로 다양한 응용 실험에 적용될 수 있다.
또한, 전기 적심(Electrowetting) 또는 광전기 적심(Optoelectrowetting) 등과 같은 미세유체방울 구동장치와 통합시켜 미세유체방울을 이동시키고, 그 내부의 미세입자도 구동할 수 있는 통합적인 미세유체 및 미세입자 구동장치를 이룰 수 있 다.
도 6은 본 발명에 따른 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치에 렌즈를 추가한 실시예를 도시한 도이다. 도면에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치(1)에 광원(10)의 빛을 집중시킬 수 있는 집광부(70)를 더 구비한다.
이에 따라, 광원(10)에서 조사된 빛이 상기 전극(20) 및 광전도성층(30)으로 도달할 때까지, 사용자가 원하는 패턴 및 영역에 따른 빛이 분산되지 않고 입사될 수 있다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치(1)는 상기 광원(10)과 상기 전극이 올라가 있는 기판(20) 간에 렌즈 등의 광학계를 이용한 집광부(70)를 구비하여 위치시킨다.
여기서, 렌즈 등의 집광부(70)는 집광 렌즈(Condenser Lens) 또는 대물 렌즈 (Objective Lens)로 이루어지는데, 사용자가 원하는 패턴 및 영역에 조사되는 빛에 대하여 상(像)을 형성시킬 목적이 아니라, 빛을 상기 광전도성층(30)으로 집중시키기 위하여 이용되고, 사용자가 원하는 패턴 및 영역에 조사되는 빛의 해상력(解像力)를 높일 수 있으며, 이를 굴절시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 집광부(70)는 상기 광전도성층(30)에 포함된 포토 다이오드를 구동시킬 수 있는 임계광량(Threshold Light Quantity) 이상의 빛으로 전압이 인가될 수 있도록 구비되며, 전압이 인가되는 영역의 경계를 뚜렷하게 해주어 전기 장의 기울기가 커질 수 있도록 하여 미세입자를 원활히 구동할 수 있도록 한다.
그리고, 상기 집광부(70)는 해상력을 결정하는 개구수(開口數, Numerical Aperture)가 높은 렌즈 등으로 구비하는데, 개구수가 증가할수록 많은 광선속(光線束)이 이용되어 사용자가 원하는 영역 및 패턴을 조사하는 빛이 더 밝아지며, 근접한 두 점을 식별할 수 있는 분해능(分解能)도 증가된다.
따라서, 짧은 초점 거리를 가질 수 있도록 구비되어 상기 집광부(70)가 광원(10)과 광전도성층(30) 사이에 삽입될지라도, 본 발명에 따른 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치(1)의 전체적인 크기가 커지지 않아 휴대가 용이하도록 이루어진다.
다시 말하면, 광원(10)이 전압을 인가할 영역 및 패턴으로 빛을 조사하면(①), 집광부(70)에서는 조사되는 빛을 집중시켜 유리 기판 등의 기판 및 상기 광전도성층(30)으로 출력하고(②), 유리 기판 등의 기판은 집광된 빛을 투과시킨다(③).
그리고 나서, 사용자가 원하는 패턴 및 영역으로 조사되는 빛을 이용하여 상기 광전도성층(30)에서 전원(60)의 전압이 도통하도록 전원을 인가시키며(④), 상기 광전도성층(30)의 포토 트랜지스터가 상기 빛을 전압으로 바꾸면, 빛을 조사한 영역에만 전위가 형성되고(⑤), 이에 따라 미세입자가 이동하게 되는 것이다(⑥).
본 발명에 의한 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치를 이용하여 미세유체 내의 미세입자를 이동시키는 방법에는 유전영동, 전기영동, 전기삼 투, 전열효과 등이 있다.
전기영동의 경우, 미세유체 내 미세입자가(+) 전하를 띄고 있고, 상기 전극(20) 상에 (+) 전압이 형성되어 있는 상태를 가정하면, 척력(斥力, Repulsive Force)에 의하여 상기 미세유체 내 미세입자는 상기 전극(20)으로부터 멀어지는 방향으로 이동하게 된다.
음의 유전영동의 경우, 광전도성층(30) 상에 전압이 형성되어 있고, 미세유체 내 미세입자는 전하를 띄고 있지 않은 상태라면, 일부 영역에만 빛을 조사하였을 경우, 전기 쌍극자 유도 현상에 의해 미세유체 내 미세입자는 전기쌍극자(Dipole) 형태로 형성되고, 약한 전기장 즉, 상대적으로 약한 전위(電位, Electric Potential)를 가지는 방향, 즉 빛을 조사한 영역에서 멀어지는 방향으로 이동하게 된다.
양의 유전영동의 경우, 광전도성층(30) 상에 전압이 형성되어 있고, 미세유체 내 미세입자는 전하를 띄고 있지 않은 상태라면, 전기 쌍극자 유도현상에 의하여 미세유체 내 미세입자는 전기쌍극자(Dipole) 형태로 형성되고, 강한 전기장 즉, 상대적으로 강한 전위(電位, Electric Potential)를 가지는 빛을 조사한 영역으로 미세입자들이 이동하게 된다.
덧붙여서, 유전영동의 성질은 유체의 종류, 미세입자의 종류, AC 전압 신호의 주파수에 따라 달라질 수 있으며, 유체의 분극화(polarization) 정도가 미세입자의 분극화 정도보다 크다면, 미세입자에 작용하는 유전영동력의 방향은 전기장의 기울기와 반대방향으로 형성이 되고, 이에 따라 미세입자는 전기장이 약한 쪽으로 이동하게 된다. 반대로, 미세입자의 분극화 정도가 유체보다 더 크다면 유전영동력은 전기장의 기울기 방향으로 형성되고, 이에 따라 미세입자는 전기장이 강한 쪽으로 이동하게 되는 것이다.
그리고, 상기 분극화 정도는 미세입자, 유체의 고유의 특성이고, AC 전압의 주파수에 의존하여 변하게 되는데, 대부분의 세포는 양의 유전영동현상을 보이며, 대부분의 고분자 입자는 음의 유전 영동 현상을 보인다.
또한, 유전영동력은 입자의 크기의 세제곱에 비례하고 전기장(Electric Field)의 기울기의 제곱에 비례하므로, 입자가 크고 전기장 기울기가 클수록 그 힘을 더 강하게 작용하여 미세입자의 이동속도가 더 빠르게 된다. 본 발명에서는 음영을 뚜렷하게 형성시켜줌으로써 광전도성 층에 뚜렷한 가상의 전극이 형성되도록 하여 전기장 기울기를 크게 해주어서 유전영동력을 더 강하게 해줄 수 있다.
또한, 크기가 작아서 유전영동력이 상대적으로 약한 나노 입자(Nano Particle)들을 전기 삼투에 의한 유체의 흐름을 이용하여 구동할 수 있는 전기삼투(Electroosmosis)를 이용하는 것도 바람직하다.
전기삼투의 경우, 상기 전극(20)에 전압을 인가하고 광전도성층(30)의 일부영역에만 빛을 조사하면, 그 영역에만 전위가 형성되어 미세유체 내부의 이온들이 전극 표면상에 전기 이중층(electric double layer)를 형성하고, 전기장 방향에 의해 이동하게 되면서 유동을 발생하게 된다. 이러한 유동을 이용하여 미세입자를 이동시킬 수 있다. 일반적으로 전기삼투는 낮은 주파수 신호 영역에서 발생하며 미세 입자를 포함한 미세유체의 전기전도도가 낮을수록 그 이동속도가 빠르다.
도 7은 본 발명에 따른 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치에 발생되는 전기장을 시뮬레이션한 도이다. 도면에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치(1)는 전기장이 다음과 같이 형성된다.
접지전극(21) 및 전원전극(22)을 포함한 일정 패턴의 두 개 이상의 전극(20) 위에 위치한 포토 트랜지스터 특성을 보유한 광전도성층(30)의 특정 영역에 빛을 조사하면, 그 영역에만 전압이 인가되고, 이에 따라 미세유체 내부에 전기장이 형성된다.
따라서, 전기장을 도시한 그래프를 보면, 빛이 조사된 부분에 전기장이 높게 나타난 것을 알 수 있으며, 전기장의 형성에 따라 미세입자가 이동됨을 알 수 있게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동방법은 광원에서 빛을 기판을 향해 조사하면서 시작된다(S10).
그리고, 광원에 의해 광전도성층으로 빛이 입사되고, 이에 따라 빛이 조사된 영역에 전원으로부터 전압이 인가된다(S20).
또한, 빛이 조사되어 전압이 인가된 광전도성층의 특정 영역에 접지전극이 포함되어 있을 경우 전위차가 발생하여 전위가 형성되고, 이에 따른 전기장이 형성된다(S30). 만약 접지전극상의 광전도성층에 빛이 조사되지 않아 접지전극에 의해 전위가 형성되지 않을 경우, 다시 상기 단계(S10)로 이동한다.
더불어, 인가된 전압에 의하여 미세유체의 유동이 발생하는지의 여부에 따라 전기삼투와 전열효과 및 유전영동과 전기영동으로 나뉜다(S40). 유동이 발생하면 전기삼투 또는 전열효과라고 볼 수 있으며, 유동없이 미세입자만 움직일 경우 유전영동 또는 전기영동이라고 볼수 있다.
상기 단계(S40)에서, 인가된 전압에 의해 미세유체의 유동이 발생하였을 때 신호의 주파수가 높은 영역에서 유동이 발생하거나 유체의 온도가 변하면 그것은 전열효과에 의한 유동이라고 볼 수 있다. 반면, 낮은 주파수 영역에서 유동이 발생하고 전기 이중층이 형성되며 유체의 온도에 큰 변화가 없이 빠른 유동이 발생한다면 그것은 전기삼투라고 볼 수 있다(S60). 전열효과에서는 온도차이에 의한 표면장력의 차이로 미세유체가 이동하게 된다(S70). 반면 전기삼투에서는 미세유체 내부의 이온들이 전기이중충을 형성하고 전극 표면을 따라 이동하면서 유동이 발생하게 된다(S80).
상기 단계(S40)에서 유동없이 미세입자만 움직일 경우 미세유체 내 미세입자가 전자기 유도되어 전기 쌍극자(Dipole)를 형성하는지의 여부에 따라 유전영동, 전기영동으로 나뉜다(S50). 만약 입자가 전하를 띠고 있다면 전기영동, 전하를 띠 지 않고 전기쌍극자가 유도되는 유전체 물질이라면 유전영동을 따른다.
상기 단계(S50)에서 고체입자가 전하를 띄고 있는 경우에는, 전기영동으로 인력 및 척력에 의해 미세유체 내 고체입자가 사용자가 원하는 방향으로 이동하게 된다(S90).
상기 단계(S50)에서, 미세유체 내 미세입자가 전하를 띄고 있지 않은 경우 인가된 전압에 의해 미세유체 내 고체입자가 전자기 유도되어 전기 쌍극자(Dipole)를 형성하는 경우에는, 유전영동으로 미세유체 내 고체입자가 사용자가 원하는 방향으로 이동하게 된다(S100).
마지막으로, 사용자가 원하는 영역 및 패턴에 따라 미세유체 내 미세입자가 이동 완료되었을 경우에는 종료하고, 사용자가 원하는 영역 및 패턴에 따라 미세유체 내 미세입자가 이동되지 않았을 경우에는 상기 단계(S10)로 이동한다(S110).
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며 해당 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허 청구 범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치를 개략적으로 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 구성 요소를 분리하여 도시한 사시도.
도 3은 도 1의 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치에 미세유체를 포함시켜 개략적으로 도시한 사시도.
도 4는 도 3의 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치의 동작 과정을 개략적으로 도시한 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치에 미세채널을 추가한 실시예를 도시한 도.
도 6은 본 발명에 따른 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치에 렌즈를 추가한 실시예를 도시한 도.
도 7은 본 발명에 따른 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치에 발생되는 전기장을 시뮬레이션한 도.
도 8는 본 발명에 따른 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동방법을 개략적으로 도시한 흐름도.
<도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 간단한 설명>
1: 전극일체형 광전자적 미세입자 구동장치 10: 광원
20: 전극 21: 접지전극
22: 전원전극 30: 광전도성층
31: 수소화된 n형 비정질 실리콘 33: 비정질 실리콘
40: 절연물질 50: 유전체층
60: 전원 70: 집광부
80: 미세채널

Claims (26)

  1. 빛을 조사하는 광원;
    상기 빛의 조사여부에 따라 부분적으로 도통되는 광전도성층;
    상기 광전도성층을 통해 인가되는 전원에 의해 미세입자의 구동을 위한 전위차를 형성하며 단일기판 상에 서로 이격되어 위치하는 두 개 이상의 전극;을 포함하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극은 일정 패턴을 가지고 형성되고, 상기 광전도성층은 상기 전극 상에 증착되되, 상기 일정 패턴을 제외한 영역에는 증착되지 않는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치는
    상기 광원으로부터 조사되는 빛을 집중시켜 상기 광전도성층으로 입사시키기 위한 집광부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동되는 미세입자가 미세유체에 포함되고 상기 미세유체가 이동하는 유로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원은 DMD, LCD, PDP, OLED, 레이저 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원은 상기 전극 또는 상기 광전도성 층을 통하여 입사되는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 광원이 상기 전극을 통하여 입사되는 경우, 상기 전극은 투명한 전도성 물질인 ITO (Indium Tin Oxide)로 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 광원이 상기 광전도성 층을 통하여 입사되는 경우, 상기 전극은 투명한 전도성 물질인 ITO (Indium Tin Oxide) 또는 불투명한 전도성 물질인 금, 알루미늄, 구리, N형 실리콘 기판 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 두 개 이상의 전극 간 전기적 절연을 위한 절연 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 절연 물질은 질화 실리콘, 산화실리콘, 에폭시(epoxy) 고분자, 감광제(photoresist) 등으로 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치 상에 미세유체의 이동의 이동을 위한 미세채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 미세채널은 미세유체가 외부에서 유입되는 유입구; 및
    상기 미세채널을 통과한 미세유체가 외부로 배출되는 배출구;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치를 이용하여 구동하는 미세입자 및 물질을 감지하기 위한 감지장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 광전도성층은 비정질 실리콘(amorphous silicon), 황화 카드뮴(CdS) 또는 npn 포토트랜지스터 등과 같은 광전도성 물질들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 광전도성층과 상기 전극 사이에 접촉저항을 줄이기 위한 중간층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 중간층은 도핑된 비정질 실리콘 (heavily doped amorphous silicon) 등을 사용하는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  17. 청구항 4에 있어서,
    상기 미세유체 내 미세입자가 전하를 띄는 경우에는 전기 영동을 통해 미세입자를 구동하는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구 동장치.
  18. 청구항 4에 있어서,
    상기 미세유체 내 미세입자가 전하를 띄지 않는 경우에는 유전 영동을 통해 미세입자를 구동하는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  19. 청구항 4에 있어서,
    상기 전극 및 상기 광전도성층에 조사된 빛에 의해 전기삼투 및 전열현상이 발생하여 상기 미세유체의 유동이 있는 경우 미세입자의 유동을 통해 미세입자를 이동시키는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극에 인가되는 교류 전압의 주파수를 조절하여 미세입자의 이동을 조절하는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치.
  21. 미세유체 또는 미세유체 내 미세입자가 이동하는 영역으로 빛을 조사하는 단계;
    상기 빛의 조사여부에 따라 도통되는 광전도성층을 통해 특정 영역으로 전압을 인가하는 단계;
    상기 인가되는 전압에 의해 단일 기판 상에 마련된 두 개 이상의 전극에 의해 형성되는 전위차를 통해 상기 미세유체 또는 미세유체 내 미세입자를 이동시키는 단계;를 포함하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 빛을 조사하는 단계는 광원과 상기 광전도성층 사이에 마련된 집광부를 통해 상기 광원으로부터 조사된 빛을 굴절 및 집광하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동방법.
  23. 청구항 21에 있어서,
    상기 미세유체 또는 미세유체 내는 미세입자를 이동시키는 단계에서 상기 미세입자가 전하를 띄는 경우 전기 영동을 이용하여 이동시키는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동방법.
  24. 청구항 21에 있어서,
    상기 미세유체 또는 미세유체 내는 미세입자를 이동시키는 단계에서 상기 미세입자가 전하를 띄지 않는 경우 유전 영동으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동방법.
  25. 청구항 21에 있어서,
    상기 미세유체 또는 미세유체 내는 미세입자를 이동시키는 단계에서 상기 전극 및 상기 광전도성층에 조사된 빛에 의해 전기삼투 및 전열현상이 발생하여 상기 미세유체의 유동이 있는 경우 미세입자의 유동을 통해 미세입자를 이동시키는 것을 특징으로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동방법.
  26. 청구항 21에 있어서,
    상기 미세유체 또는 미세유체 내는 미세입자를 이동시키는 단계에서 상기 전극에 인가되는 교류 전압의 주파수를 조절하여 미세유체 및 미세유체 내 미세입자의 유전 영동 및 전기삼투 등에 의한 미세입자의 이동특성을 변경하는 것을 특징으 로 하는 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동방법.
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