KR101422049B1 - 무전극 멀티채널 수정진동자 미세저울 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수정진동자 미세 저울 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보 다 상세하게는 무전극 멀티채널 수정진동자 미세저울 센서에 관한 것이다.
본 발명에 따른 멀티채널 수정 진동자 미세저울 센서는 무전극 수정 진동자 표면에 국소적으로 코팅된 무게가 다른 여러 개의 패턴이 외부 전기장에 노출되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 멀티채널 수정 진동자 미세저울은 하나의 수정 진동자에서 패턴의 무게를 달리해 다채널의 신호를 얻을 수 있으며, 에칭 공정을 거치지 않아 제조가 간편하다.
또한, 여러 쌍의 전극이 수정 진동자 양 표면에 패턴되어 각 전기 쏘스에 의해 구동하는 일반 멀티채널 수정 진동자 미세저울과 달리, 무전극 멀티채널 수정 진동자 미세저울은 수정 진동자 표면에 국소적으로 패턴된 무게가 다른 물질에 의해 멀티채널 수정 진동자가 생성되며, 수정 진동자 표면에 가깝게 위치한 한 쌍의 전극으로 멀티채널 수정 진동자 주파수를 모두 측정할 수 있다는 특징을 갖고 있다.

Description

무전극 멀티채널 수정진동자 미세저울 센서{electroless multichannel quartz crystal microbalance}

본 발명은 수정진동자 미세 저울 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보 다 상세하게는 무전극 멀티채널 수정진동자 미세저울 센서에 관한 것이다.

수정진동자 미세 저울을 이용해서 다채널 센서를 개발하려는 시도가 계속되고 있다. Hirotsugu Ogi 등은 Analytical Chemistry, Vol. 82, No. 9, May 1, 2010다채널 수정진동자 미세저울(MQCM)에 관련해 종래 개발된 기술들과 개발한 기술에 대해서 기술하고 있다.

다수의 채널 형성을 위한 종래 기술에는 Tatsuma 와 Abe 등에 의해 개발된 하나의 수정판에 다수의 영역을 여러 개의 다른 깊이로 에칭하여 다수 채널을 형성하는 방법과 Jin 등에 의해 개발된 하나의 수정판에 여러 개의 대칭 및 비대칭 전극을 형성하여 다수의 채널을 구현하는 방법이 있다

그러나, 이러한 방식은 수정 진동자를 에칭하여 채널을 형성하기가 어렵고, 채널 상호간의 상호 작용을 제어하기가 쉽지 않다는 문제가 있다. 또한 각 채널은 각각의 전극에 연결되어야 하므로 전극 형성하는 방식도 복잡하다는 문제가 있다.

한편, Hirotsugu Ogi 등은 도 1에서 도시된 바와 같이, 안테타가 형성된 그라운드 필름에 다수의 QCM을 나열함으로써 멀티채널 센서를 형성하는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 이는 다수의 QCM과 별도의 안테나 및 그라운드 필름이 필요하여 장치의 부피가 커지는 문제 뿐만아니라, 수정 진동자간의 차이(chip-to-chip variation)에 의한 에러발생의 문제가 있다.

이에 따라, 하나의 수정 진동자에 센싱용 멀티 채널을 형성하면서도, 제조가 쉽고 상호 작용이 적은 새로운 수정진동자 멀티센서에 대한 요구가 계속되고 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 하나의 수정판에 종래 에칭을 통해 다수의 센싱 영역을 형성하는 대신, 보다 간편하게 다수의 센싱 영역을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 채널간 상호 작용을 최소화하면서도 종래의 복잡한 전극형성을 최소화하는 새로운 전극 형성 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해서,

본 발명에 따른 멀티채널 수정 진동자 미세저울 센서는 무전극 수정 진동자 표면에 국소적으로 코팅된 무게가 다른 여러 개의 패턴이 외부 전기장에 노출되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 멀티 채널 수정 진동자 미세저울은 하나의 수정 진동자에서 2 이상의 서로 다른 고유 진동수가 발생하는 수정 진동자 미세저울이다.

본 발명에 있어서, 상기 '무전극'이라 함은 수정 진동자의 표면에 양극과 음극으로 이루어진 한 쌍의 전극이 형성되지 않는 것을 의미한다.

본 발명에 있어서, 상기 표면은 수정 진동자의 표면, 바람직하게는 일 측의 표면을 의미한다.

본 발명에 있어서, 상기 '국소적으로 코팅'은 수정진동자의 표면의 일부에 코팅 영역들이 독립적인 도메인, 예를 들어 원과 같은 폐곡선 형태의 도메인을 형성하면서 코팅된 것을 의미한다.

본 발명에 있어서, 상기 '외부 전기장'이라 함은 양극과 음극으로 이루어진 한 쌍의 전극 중 적어도 하나의 전극이 수정 진동자의 표면에 접촉하지 않는 전극에 의해서 발생되는 전기장을 의미한다.

본 발명에 있어서, 상기 '무게'는 국소적으로 코팅된 패턴의 전체 무게를 의미하는 것을 의미한다.

본 발명에 있어서, 상기 국소적으로 코팅된 패턴들은 동일한 재질일 경우 면적에 따라서 무게가 달라지며, 또한 동일한 재질일 경우 두께에 따라서 무게가 달라질 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 국소적으로 코팅된 패턴들은 나노 구조체, 바람직하게는 나노 섬유, 나노 막대 또는 와이어, 나노 튜브, 나노 입자를 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시에 있어서, 상기 패턴의 코팅은 패턴을 이루는 물질들이 수정 진동자의 표면에 증착, 융착 또는 성장을 통해 이루어질 수 있다. 다른 실시에 있어서, 상기 패턴의 코팅은 나노구조체를 바인더를 이용해서 수정체 표면에서 코팅하는 것도 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 국소적으로 코팅된 패턴은 수정 진동자의 표면에서 성장된 나노 막대일 수 있다. 상기 나노 막대는 각 패턴에서 동일 또는 상이한 길이로 성장할 수 있으며, 동일한 시간을 성장시켜 실질적으로 동일한 길이로 성장할 경우, 패턴의 면적을 달리함으로써 패턴의 무게가 달라지게 할 수 있다. 나노 막대를 성장시킬 경우 표면적이 넓어 흡착에 따른 각 패턴의 진동수 변화를 용이하게 측정할 수 있다. 이론적으로 한정된 것은 아니지만, 패턴으로 나노 구조를 이용할 경우 표면적 증대로 인한 민감도의 향상이 이루어지게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 패턴들은 패턴의 위치에 따른 편차를 줄이기 위해서 수정 진동자의 일면에만 형성되는 것이 바람직하며, 이 경우, 수정 진동자의 다른 일면에는 한 쌍의 전극 중 하나의 전극이 형성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 전극들은 상기 수정진동자에서 가까울수록 좋으며, 바람직하게는 2000 마이크로미터 이하, 보다 바람직하게는 1000 마이크로미터 이하, 예를 들어 800 마이크로미터 정도 떨어져서 전기장을 인가할 수 있다.

본 발명은 일 측면에서, 수정 진동자 표면에 국소적으로 코팅된 무게가 다른 여러 개의 패턴이 형성된 수정 진동자를 외부 전기장을 이용하여 진동시키는 것을 특징으로 하는 방법을 제시한다.

본 발명은 다른 일 측면에서, 표면에 국소적으로 코팅된 무게가 다른 여러 개의 패턴이 형성된 무전극 멀티채널 수정 진동자를 제시한다.

본 발명에 따른 멀티채널 수정 진동자 미세저울은 하나의 수정 진동자에서 패턴의 무게를 달리해 다채널의 신호를 얻을 수 있으며, 에칭 공정을 거치지 않아 제조가 간편하다.

또한, 여러 쌍의 전극이 수정 진동자 양 표면에 패턴되어 각 전기 쏘스에 의해 구동하는 일반 멀티채널 수정 진동자 미세저울과 달리, 무전극 멀티채널 수정 진동자 미세저울은 수정 진동자 표면에 국소적으로 패턴된 무게가 다른 물질에 의해 멀티채널 수정 진동자가 생성되며, 수정 진동자 표면에 가깝게 위치한 한 쌍의 전극으로 멀티채널 수정 진동자 주파수를 모두 측정할 수 있다는 특징을 갖고 있다. 각 패턴은 독립된 수정 진동자로 구동하며, 각 패턴의 무게에 따라 해당 수정 진동자의 주파수는 결정되고, 무게가 무거울수록 상대적으로 낮은 주파수를 갖게된다. 또한, 생성되는 수정 진동자의 수는 도 3과 같이 패턴 수와 일치한다. 무게의 근원으로써 다양한 패턴 크기의 산화아연 나노막대 구조를 수정 진동자 표면에 키우게 되면 성장시간을 조절하여 원하는 주파주의 멀티채널 수정 진동자를 간편하게 생성할 수 있다. 개발된 멀티채널 센서는 다양한 고분자를 각 수정 진동자에 코팅하여 그림 3과 같이 불순물이 혼합된 가솔린을 검출하는 전자코로 응용될 수 있고, 이 외에도 각 채널의 프로브물질과 타켓분자간의 질량변화를 측정하여 다목적/다기능 바이오/화학센서로 이용할 수 있다.

또한, 여러 쌍의 전극이 수정 진동자 양 표면에 패턴되어 각 전기 쏘스에 의해 구동하는 일반 멀티채널 수정 진동자 미세저울과 달리, 무전극 멀티채널 수정 진동자 미세저울은 수정 진동자 표면에 국소적으로 패턴된 무게가 다른 물질에 의해 멀티채널 수정 진동자가 생성되며, 수정 진동자 표면에 가깝게 위치한 한 쌍의 전극으로 멀티채널 수정 진동자 주파수를 모두 측정할 수 있다는 특징을 갖고 있다.

도 1은 종래 실시예에 따른 안테타가 형성된 그라운드 필름에 다수의 QCM을 형성함으로써 멀티채널 센서를 형성하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 한 쌍의 리모트(remote) 전극으로 구동하는 크기 다른 산화아연 나노막대 패턴이 코팅된 무전극 멀티채널 수정 진동자 미세저울 센서를 나타내는 도면이다.
도 3은 (a) 두개, (b) 세개, (c) 네개의 넓이가 다른 산화아연 나노막대 패턴이 코팅된 무전극 멀티채널 수정 진동자 미세저울의 전도도 스펙트럼. 패턴의 무게에 따라 다른 주파수에서 전도도 픽 (peak) 이 나타난다.
도 4는 다양한 고분자를 각 수정 진동자에 코팅한 후, 불순물이 혼합된 가솔린 증기를 흘려주어 나타난 각 수정 진동자의 주파수 변화를 Principal component analysis 로 나타낸 그래프이다.
도 5는 희석된 가솔린을 무전극 MQCM을 이용하여 측정하기 위한 전체적인 장치 셋업을 보여준다.

이하, 실시예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니며, 본 발명을 예시하기 위한 것이다.

실시예

수정 진동자의 제조 공정

상이한 패턴 직경을 가지는 Ti(5nm 두께)와 ZnO(30 nm 두께) 원형 패턴 시드층이 5 MHz 수정진동자(직경 2.54cm)의 한 면에 차례로 스퍼터링 되었다. 스퍼터링 조건은 base pressure는 3x10^-6Torr, working pressure는 7x10^-3Torr (Ar gas)이며, RF power는 100 W이며, 실온으로 고정되었다. ZnO 나노막대가 10 mM Zn(NO₃)·H₂O 용액에 pH 10.6에서 암모니아를 투입하여 다양한 시간 동안 90 ℃에서 하이드로써멀하게(hydrothermally) 성장되었다. ZnO 나노막대가 성장된 수정진동자는사용전에 물과 에탄올로 세척되었다.

장치

ZnO-나노막대가 성장된 수정판은 측정 챔버에 한 쌍의 17 mm(직경) 원형 전극과 함께 장착되었다. 각 전극과 수정판 표면 사이의 거리는 약 800 마이크로미터이고, O-링으로 유지되었다. 한 쌍의 전극은 통상적인 PC를 기반으로 하는 전도도 측정 시스템에 연결되었으며, 이는 제너레이터(NI PXI-5406), 디지타이저(NI PXI-5114), 및 멀티플렉서(NI PXI-2593)로 구성되어 PXI-1033 chassis (National Instrument, Texas)에 장착되었다. 측정 소프트웨어는 LabVIEW에서 프로그램되었으며, 전도도 스펙트럼은 선택된 진동수 범위에 걸쳐 수정상과 admittance를 측정하여 얻었다.

ZnO 나노 막대 패턴의 고유 진동수는 전도도 스펙트럼의 로렌츠 피트(Lorentzian fit)에 기초해서 측정되었으며, 분자 흡착시 고유 진동수의 변화는 인시추(in situ)로 측정되었다.

불순물이 합류된 가솔린과 그렇지않은 가솔린의 구분을 위한 전자코 응용을 위한셋업은 도 5와 같다. 건 질소 흐름을 캐리어 가스로 이용하였고 버블링되어 증기로 만들어진 가솔린 및 불순물 합류 가솔린 샘플을 3-way 밸브를 이용하여 질소와 샘플증기 사이에서 바꾸었다. 가스는 두개의 입구를 통해서 측정 챔버로 도입되어 하나의 중앙 출구를 통해서 빠져나갔다.

도 2에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시에 따른 다채널 수정진동자 미세저울은 하나의 수정 진동자(10)의 표면에 다수의 독립된 패턴(30)들이 형성된다. 상기 패턴(30)들은 공지된 ZnO 금속 나노 막대의 성장법에 의해서 수정진동자(10)의 표면에 형성된다. 상기 수정진동자(10)의 상하면에는 소정 간격 이격되어 상하로 한 쌍의 전극이 형성되어, 전원(31)의 인가에 의해서 수정 진동자(10)가 전기장에 노출된다.

Claims (17)

1. 무전극 수정 진동자 표면에 국소적으로 코팅된 무게가 다른 여러 개의 패턴들과, 상기 패턴들을 진동시키는 외부 전기장을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티채널 수정 진동자 미세저울 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 패턴들의 무게가 무거울수록 낮은 주파수를 나타내는 것을 특징으로 하는 멀티채널 수정 진동자 미세저울 센서.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 패턴들은 나노 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티채널 수정 진동자 미세저울 센서.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 패턴들은 수정 진동자의 일면에 형성된 것을 특징으로 하는 멀티채널 수정 진동자 미세저울 센서
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 패턴들은 수정진동자의 표면에서 서로 다른 길이로 성장한 나노 막대들인 것을 특징으로 하는 멀티채널 수정 진동자 미세저울 센서.
6. 제4항에 있어서, 상기 패턴들이 형성되지 않는 수정 진동자의 다른 일면에 하나의 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 멀티채널 수정 진동자 미세저울 센서.
7. 무전극 수정 진동자 표면에 국소적으로 코팅된 무게가 다른 여러개의 패턴들이 형성된 무전극 수정 진동자를 외부 전기장을 이용하여 진동시키는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 질량 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 패턴들의 무게를 증가시켜 고유진동수를 낮추는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 패턴들은 수정 진동자의 일면에 형성된 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 외부 전기장은 적어도 하나의 전극이 수정 진동자 표면에서 이격되어 전극쌍에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 패턴들은 수정진동자의 표면에서 성장한 나노 막대들인 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 패턴들위에 프로브를 형성하거나 항원 또는 항체를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법
14. 표면에 국소적으로 코팅된 무게가 다른 여러 개의 패턴들이 형성된 무전극 수정 진동자.
15. 제14항에 있어서, 상기 패턴들은 나노 막대로 이루어진 것을 특징으로 하는 무전극 수정 진동자.
16. 제15항에 있어서, 상기 나노 막대는 ZnO 나노 막대인 것을 특징으로 하는 무전극 수정 진동자.
17. 제1항 또는 제2항에 따른 멀티 채널 수정 진동자 미세저울 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자코 시스템.

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