KR101354118B1 - 세포실험용 균등자계 발생 시스템 - Google Patents

Abstract

세포실험용 균등자계 발생 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 세포실험용 균등자계 발생 시스템은, 항온 챔버; 항온 챔버에 수용되며, 균등자계를 발생하는 자계발생 케이지; 입력 전원으로부터 1상의 정현파 전원을 공급하는 전원 공급장치; 항온 챔버에 수용되며, 전원 공급장치를 통해 외부 전원으로부터 유입되는 노이즈를 차단하도록 자계발생 케이지를 차폐시키는 차폐박스; 및 자계발생 케이지를 냉각시키는 워터베스(Water bath)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

세포실험용 균등자계 발생 시스템 {Uniformed Magnetic Field Generating System for Cell Experiment}

본 발명은 세포실험용 균등자계 발생 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전력설비의 극저주파 전자계 노출에 대한 환경영향 중에서 생체영향을 규명하고 기전을 제공할 수 있는 세포연구를 수행함에 있어 균등자계를 발생시키며, 자계노출을 통한 생체영향 평가의 어려움을 해소하고 원만한 결과를 얻을 수 있도록 하는, 세포실험용 균등자계 발생 시스템에 관한 것이다.

최근, 극저주파 영역의 전자장에 대한 생체영향 연구가 많이 진행되고 있다. 전자계(EMF: Electric and Magnetic Field)에 의한 생체영향에 관한 연구에 있어서 사람에게 직접 실험하는 것은 윤리적으로나 객관적으로 제한점이 많다. 따라서, 생체에 대한 유, 무해성을 파악하기 위해 대부분 생체외(in vitro)나 인간과 유사한 동물실험을 통해 그 영향을 조사하고, 결과를 생체와 연관지어 예측하는 간접적인 방법을 이용한다. 이러한 실험에서는 아무리 약한 전자장의 세기를 이용한 실험이라도 외부의 전자기기와의 상호 간섭 문제, 가능성 있는 생물학적 영향 등을 충분히 고려하여야 한다.

한편, 생체(세포)실험은 임상적으로 접근하는 분야지만, 실험 장치는 주로 공학적 지식이 요구되는 분야이다. 그러나 그동안 전자계의 생체에 대한 양성 효과들은 신뢰할 수 있는 체계적인 실험조건에서 독립적인 실험이 재현되지 못하는 어려움이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 전력설비의 극저주파 전자계 노출에 대한 환경영향 중에서 생체영향을 규명하고 기전을 제공할 수 있는 세포연구를 수행함에 있어 균등자계를 발생시키며, 자계노출을 통한 생체영향 평가의 어려움을 해소하고 원만한 결과를 얻을 수 있도록 하는, 세포실험용 균등자계 발생 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 세포실험용 균등자계 발생 시스템은, 항온 챔버; 항온 챔버에 수용되며, 균등자계를 발생하는 자계발생 케이지; 입력 전원으로부터 1상의 정현파 전원을 공급하는 전원 공급장치; 항온 챔버에 수용되며, 전원 공급장치를 통해 외부 전원으로부터 유입되는 노이즈를 차단하도록 자계발생 케이지를 차폐시키는 차폐박스; 및 자계발생 케이지를 냉각시키는 워터베스(Water bath)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

자계발생 케이지는, 목재를 이용하여 복수의 층으로 만들어지며, 각 층에 홈을 형성하고, 형성된 각 홈에 실리콘을 투입한 후, 각 층별로 서로 다른 코일 권수와 굵기를 설정하여 외부에 노출되지 않도록 감아 형성될 수 있다.

차페박스는, 그물망 형태의 차폐재로 이루어지며, 내부에 자계발생 케이지를 수용할 수 있다.

전원 공급장치는, 입력된 출력 레벨 신호에 따라 60Hz의 DAC 출력 레벨을 조정하는 정현파 제어부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 전력설비의 극저주파 전자계 노출에 대한 환경영향 중에서 생체영향을 규명하고 기전을 제공할 수 있는 세포연구를 수행함에 있어 균등자계를 발생시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 자계노출을 통한 생체영향 평가의 어려움을 해소하고, 실험에 대한 원만한 결과를 얻을 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세포실험용 균등자계 발생 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 자계발생 케이지의 예를 도시한 도면이다.
도 3은 외부전원 노이즈를 차폐하기 위한 차폐박스의 예를 도시한 도면이다.
도 4는 전원 공급장치의 전체 시스템 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 전체 앰프(AMP) 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 정현파제어의 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 파워 앰프(POWER AMP)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 8은 파워 서플라이(Power Supply)부의 구성을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 여기서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세포실험용 균등자계 발생 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 세포실험용 균등자계 발생 시스템은, 항온 챔버(100), 자계발생 케이지(200), 차폐박스(300), 전원 공급장치(400) 및 워터 배스(Water bath)(500)를 포함한다.

항온 챔버(100)는 내부의 온도를 항온상태로 유지시킨다. 이에 대한 기술은 공지의 기술을 따르며, 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.

자계발생 케이지(200)는 항온 챔버(100)에 수용되며, 균등자계를 발생한다. 자계발생 케이지(200)의 구성은 후술한다.

차폐박스(300)는 항온 챔버(100) 내부에 수용되며, 전원 공급장치(400)를 통해 외부 전원으로부터 유입되는 노이즈를 차단하도록 자계발생 케이지(200)를 차폐시킨다. 이때, 전원 공급장치(400)는 입력 전원으로부터 1상의 정현파 전원을 공급한다.

워터배스(500)는 자계발생 케이지(200)를 냉각시킨다. 즉, 항온 챔버(100)의 항온 기능만으로는 자계발생 케이지(200)에 감긴 코일의 연속 전류 발생으로 인한 온도 변화를 방지시키는 데에 어려움이 있으며, 따라서 워터배스(500)가 냉각호스(600)를 통하여 자계발생 케이지(200)에 냉각수를 공급함으로써 자계발생 케이지(200)의 온도를 유지시킨다.

도 2(a) 및 도 2(b)는 자계발생 케이지(200)의 예를 도시한 도면이다.

자계발생 케이지(200)는 주변시스템(항온항습 챔버, 외부노이즈 차폐박스 등)과의 연계를 위해서 그 크기에 한계가 있기 때문에, 도 2(a)에 도시한 바와 같이 최적의 실용성을 감안하여 설계된다. 이때, 자계발생 케이지(200)는 유도되는 외부요인을 배제하기 위하여 목재를 사용하여 복수의 층으로 만들어지며, 균등 자계 발생을 위해 각 층별 코일 권수와 굵기를 선정하여 최적의 균등자계가 발생할 수 있도록 설계된다.

또한, 도 2(b)에 도시된 바와 같이 코일(20)은 자계발생 케이지(200)의 각 층의 케이지 프레임(10)에 홈을 만들어 외부에 노출되지 않도록 하고, 이 경우 소음을 줄이기 위해 실리콘을 먼저 홈에 투입한 후 코일을 감아 전류의 흐름에 따른 떨림 소음을 최소화하는 것이 바람직하다.

또한, 세포는 온도변화에 민감하게 반응하므로, 자계발생 케이지(200) 내부의 온도를 인체 온도로 일정하게 유지시키기 위해서는 항온 챔버(100)의 기능만으로는 불가능하다. 따라서, 냉각 호스(600)를 자계발생 케이지(200)의 각 층의 케이지 프레임(10)의 홈에 감아 연결하고, 워터배스(500)를 통해 냉각수를 공급함으로써 자계발생 케이지(200)의 온도를 최적의 상태로 유지할 수 있다.

또한, 자계발생 케이지(200)는 도 2a에 도시된 바와 같이 최적의 공간에서 많은 세포 셀 실험을 위해 상, 중, 하의 세 개의 공간 각각에 홈을 만들어 한 번의 실험에 다양한 셀을 넣을 수 있는 조건을 구비하는 것이 바람직하다.

자기장 생성을 위한 코일은 가장 간단한 두 가지 방법으로 선택될 수 있다. 하나는 직경이 20 cm이고 높이가 20 cm인 원통에 윗 부분과 아랫 부분만 코일을 감은 헬름홀츠 코일(helmholtz coil: dual turn)이고, 다른 하나는 원통 자체에 고르게 감은 솔레노이드 코일(solenoid coil: single turn)이다. 그러나, 코일의 배치 방법은 상술한 방법에 한정되는 것은 아니며, 다양하게 변형된 방법이 선택될 수도 있다.

도 3은 외부전원 노이즈를 차폐하기 위한 차폐박스의 예를 도시한 도면이다.

차폐박스(300)는 외부전원 자기장 차폐 케이지로 세포실험에서 외부의 전자기적 노이즈로 인한 상호 간섭문제 인한 어려움을 해소하고, 실험의 신뢰성을 높이기 위해 자계발생 케이지(200)를 내부에 넣고 온도를 유지시킬 수 있도록 밀폐형이 아닌 그물망 형태의 틀로 형성되며, 그물망 형태의 틀은 차폐재를 이용하여 형성됨으로써 외부노이즈 차폐문제를 충분히 해결할 수 있다.

도 4는 전원 공급장치(400)의 전체 시스템 구성을 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 전원 공급장치(400)의 전체 시스템 구성은, 분압기에서 검출된 AC전압을 필터회로(41)를 거쳐서 RMS 검출회로(42)에서 전압을 측정하여 화면에 디스플레이하는 AC전압검출회로, 화면은 LCD로 구성하여 정현파레벨, 출력전압, 출력전류등을 나타내는 LCD 디스플레이부(43), 60Hz 오실레이터(48)에서 발생시킨 정현파를 신호증폭회로(AMP)(이하 “앰프”라 한다)(49)에 신호를 입력하여 공급하는 60Hz 오실레이터 회로, LCD를 제어하고 정현파 출력 및 전류, 전압 등을 측정하여 출력정보를 표시하는 임베디드 정현파 제어부(44), CT에서 생성된 전류파형을 LC필터링하고 DC전압으로 변환한 후 RMS를 측정하는 CT 전류 검출회로(50), 앰프(49)에 필요한 전원을 생성하여 공급하는 파워 서플라이부(46) 등의 주요 기능으로 구성될 수 있다.

도 5는 전체 앰프 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 5는 전원공급장치의 전체 앰프 구성도로서 220V의 AC전압을 인가하면 파워 서플라이(46)에서 DC 정전압 전원을 만들어내고, 이 전원은 파워 앰프 1 및 2(49-1, 49-2) 각각의 전원에 공급되며 LC 필터(50, 51)을 거쳐 출력된다. 이 경우 파워 서플라이는 과전류나 과열시 자동 차단되는 것이 바람직하다.

이 경우 정현파 제어부(44)는 임베디드의 출력 레벨 신호를 통신으로 입력받아 60Hz의 DAC 출력 레벨을 조정한다. 그리고 60Hz의 주파수 출력은 별도의 오실레이터 회로에 신호 데이터를 제어하여 가변이 가능하게 되어 있으며, 파워 앰프(49-1, 49-2)는 정현파 60Hz의 미약한 신호를 공급받아 큰 전류로 부하를 제어한다.

도 6은 정현파제어부(44)의 구성을 나타낸 도면이다.

정현파제어부(44)는 마이크로 콘트롤러(61)를 내장하고 있으며 도 4의 제어 파워(Control Power)(45) 내의 전원 회로들(64, 66)로부터 전원을 인가받는다. 마이크로 콘트롤러(61)에서는, AC 전압 검출회로(42)에서 측정된 AC 전압을 A/D 컨버터(67)을 통하여 전압에 대한 데이터를 수집하고, CT 전류 검출회뢰(50)에서 측정된 AC 전류를 A/D 컨버터(68)를 통하여 전류에 대한 데이터를 수집하고 제어한다. 그리고 오실레이터 전용 IC인 60Hz 오실레이터(48)를 제어하여 60Hz 정현파를 생성하고 앰프(49)를 통하여 출력파형을 파워 앰프(49-1, 49-2)로 공급한다. 또한 현재의 AC 전압과 전류 출력 설정치는 LCD 디스플레이(43)를 통해 화면에 디스플레이하고 모니터링하고 있는 현재 상태를 실시간으로 표시한다. 또한 내부 온도를 확인하여 50도 이상이면 팬제어부(65)를 통해 팬을 가동시켜 내부 온도를 낮춘다. 한편 상기 정현파 제어부는 키 입력부(47)를 통한 외부의 키를 통해 출력 설정치를 조정하고 임베디드에서 설정값을 입력받아 임베디드 제어값과 외부키를 동시에 사용할 수 있도록 되어있다.

도 7은 도 5에 도시된 파워 앰프(POWER AMP)의 구성을 나타낸 도면이다.

파워 앰프는 각각의 회로 2개로 구성되어 있으며, 각각의 회로는 DC 정류회로(81)를 통해 노이즈나 순간 방전 전류에도 영향이 없도록 설계되어 있다. DC전원 입력부(82)는 DC 전원 승압부(82), DC/AC 변환부(84) 및 AC 전원 출력부(85)를 통해 제어부 전원과 파워 앰프 전원을 각각 정전압 회로를 통해 공급하도록 하며, 제어부(87)에서는 60Hz 오실레이터(48)로부터 60Hz 정현파를 입력받아 정현파 신호를 FET로 제어하여 출력을 내보낸다. 이때 위험 판단부(86)에 의해 전압과 전류를 모니터링하여 위험하다고 판단되면 구동부(92)에게 경고부(93)로 하여금 경고 알림음을 내보내도록 지시하거나 램프로 출력을 내보내고 출력을 차단한다. 그리고 FET가 부착된 방열판의 온도 검지부(88)의 온도를 체크 하여 FET가 고온이 되면 팬(90)을 구동하도록 팬 구동부(91)를 구동시켜 FET가 파손되지 않도록 설계되어 있다. 2개의 파워 앰프에는 부하를 연결하여 제어한다.

도 8은 파워 서플라이의 구성을 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 파워 서플라이는 DC출력전압 및 전류를 모니터하고 안정된 기준전압과 비교한다. 그리고 출력 전압이 변화하면 전압 및 전류 검출부(805)에 의해 이를 검출하여 전압 및 전류 조절부(808)에서 원하는 출력 전압을 유지시키도록 한다. 이때 PWM(pulse-width modulation) 검출부(807)를 이용하여 MOSFET의 on - time과 off - time의 비를 조절하도록 스위칭 MOSFET부(806)를 조절하도록 한다. 또한 안전장치 기능으로 OVP 검출부(801)는 출력 전압을 유지 시켰는데도 전압이 상승하면 이를 검출하여 파워를 차단하고, OT 검출부(802)는 MOSFET의 온도를 체크하여 온도가 너무 높으면 파워를 차단한다. OCP 검출부(803)는 전류를 감지하여 과전류가 흐르면 파워를 차단하는 기능을 가지고 있다.

종래 기술에 따르면 60Hz 극저주파전자계(ELF)로부터 생체에 대한 유무해성을 파악하기 위한 in vitro 실험에 있어 균등한 자계노출과 온도변화, 외부의 전자기기의 노이즈등으로부터 상호간섭, 양질의 전류원을 공급받는 장치가 뒷받침되지않아 실험 프로토콜을 구성함에 어려움이 많고 재현성을 보여주기가 어려웠다. 그러나 본 발명에 따르면 세포실험시 중요한 균등자계의 발생을 위한 케이지 및 세부 구성, 일정한 온도 유지를 위해 미세한 온도변화에도 대처할 수 있는 쿨링 장치, 장시간 연속(3600시간)운전에도 안정적인 60Hz 스위칭 노이즈가 포함되지 않는 안정적인 정현파 전류를 공급함으로써 향후 전자계 문제로 인한 생체 영향 평가 및 체계적인 실험조건에서 독립적인 실험이 재현할 수 있어 신뢰성 확보에 기여할 수 있다.

이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 항온 챔버 200: 자계발생 케이지
300: 차폐박스 400: 전원 공급장치
500: 워터 배스(Water bath) 600: 냉각 호스

Claims (4)

1. 항온 챔버;
   상기 항온 챔버에 수용되며, 균등자계를 발생하는 자계발생 케이지;
   입력 전원으로부터 1상의 정현파 전원을 공급하는 전원 공급장치;
   상기 항온 챔버에 수용되며, 상기 전원 공급장치를 통해 외부 전원으로부터 유입되는 노이즈를 차단하도록 상기 자계발생 케이지를 차폐시키는 차폐박스; 및
   상기 자계발생 케이지를 냉각시키는 워터배스(Water bath)
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포실험용 균등자계 발생 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 자계발생 케이지는,
   목재를 이용하여 복수의 층으로 만들어지며, 각 층에 홈을 형성하고, 형성된 각 홈에 실리콘을 투입한 후, 각 층별로 서로 다른 코일 권수와 굵기를 설정하여 외부에 노출되지 않도록 감아 형성되는 것을 특징으로 하는 세포실험용 균등자계 발생 시스템.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 차폐박스는,
   그물망 형태의 차폐재로 이루어지며, 내부에 상기 자계발생 케이지를 수용하는 것을 특징으로 하는 세포실험용 균등자계 발생 시스템.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 전원 공급장치는,
   입력된 출력 레벨 신호에 따라 60Hz의 DAC 출력 레벨을 조정하는 정현파 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포실험용 균등자계 발생 시스템.

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