KR102060099B1 - 수직 나노갭 유전영동 전극, 이의 제조방법 및 이를 이용한 입자 포집 및 분리 방법 - Google Patents
수직 나노갭 유전영동 전극, 이의 제조방법 및 이를 이용한 입자 포집 및 분리 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 각각 연속적인 평면 및 복수의 홀을 갖는 패턴화된 평면인 2개의 전극면이 수십 내지 수백 nm 두께의 절연체층으로 형성된 수직 나노갭으로 이격된 샌드위치 형태의 유전영동용 대면적 전극쌍 및 이의 용도에 관한 것이다.
Description
본 발명은 연속적인 평면을 갖는 제1전극면과 복수의 홀을 갖는 패턴화된 평면인 제2전극면이 수십 내지 수백 nm 두께의 절연체층으로 형성된 수직 나노갭으로 이격된, 샌드위치 형태의 유전영동용 대면적 전극쌍 및 이의 용도에 관한 것이다.
최근 생명공학 및 의료공학 분야의 발전은 나노기술과 마이크로 기반의 패터닝 기술을 토대로 한 미세전자기계시스템(microelectromechanical systems; MEMS) 기술을 기반으로 기술 개발 노력이 활발히 이뤄지고 있다. 특히 미세 수술기구 및 초소형 내시경, 약물전달 시스템(drug delivery system)으로 활용하기 위한 체내 삽입형 바이오 센서 개발 및 초미세 캡슐 개발은, 생명 공학의 응용분야와 함께 시스템 생물학의 주요 수단으로 사용되고 있다. 유전자와 단백질을 스크리닝하거나, 진단할 수 있는 DNA 칩과 단백질 칩, 그리고 실험실을 하나의 칩으로 옮겨놓은 랩온어칩(Lap-on-a-chip) 등이 대표적인 예일 수 있다.
이러한 시스템을 구현하기 위하여, 기존의 실험 공정은 마이크로 미세유체공학 분야를 통해 미세종합분석시스템(micro total analysis system) 즉, 랩온어칩의 상용화에 기초가 되는 기반과 핵심기술을 연구 및 개발하는 분야를 중심으로 성장하여, 마이크로 단위의 생명공학 진단 시스템을 발전시켜 왔다. 상기 미세종합분석시스템의 경우, 여러 실험 단계와 반응을 거치는 화학 및 생물학 실험과 분석이 한 실험대 위에 구비된 단일 유닛에서 종합적으로 구현되는 시스템이기 때문에 다양한 기능을 가진 부분으로 나뉘어지며, 크게 시료 채취부, 미세유체 회로부, 그리고 이들을 제어하는 가장 핵심적인 역할을 수행하는 제어부(controller)로 구성될 수 있다. 따라서 랩온어칩을 구현하기 위해서는, 미세채널로 회로를 만들어 시료의 전처리, 분리, 희석, 혼합, 생화학 반응, 검출 등을 연속적으로 수행할 수 있도록, 하나의 칩에 소형화, 집적화시킬 수 있어야 한다. 현재까지 이러한 모든 기능이 통합된 랩온어칩 개발보다는 몇 가지 기능을 수행할 수 있는 랩온어칩, 정확한 의미로는 특정기능을 수행하는 바이오유체소자(bio-fluidic device) 분야의 개발에 머무르고 있는 실정이다. 이 경우 바이오 물질을 유체 혹은 수용액 내에서 이송 및 분리, 이를 통한 정제할 수 있는 미세유체공학의 역할은 매우 중요하다.
현재 미세유체공학을 이용하여 입자를 분리하는 방법은 크게 능동적 분리방법(active separation method)과 수동적 분리방법(passive separation method)으로 나눌 수 있다.
이중 수동적 분리방법은 외부로부터 에너지를 제공하지 않고 시료공급을 위한 유동에너지를 이용하여 입자를 분리하는 방법으로, 미세유로 이외에 부가적인 장비 없이 미세입자를 분리할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 이러한 수동적 분리방법은 입자를 분리하기 전에 미세유로 내 초기 위치를 동일하게 정렬시켜주기 위한 시료유동(sample flow)과 제어유동(sheath flow) 간의 정교한 미세유량제어가 필요하다는 문제점이 있다.
반면, 능동적 분리방법은 전기장과 같은 외부 에너지장을 이용하여 입자를 분리하는 것으로, 대표적인 예로 모세관 전기영동과 유전영동 분리법이 있다. 이중 모세관 전기영동은 주로 단백질 또는 DNA와 같이 극성을 띄는 물질을 크기별로 분리하는데 이용되고 있으나 분리시 높은 전압을 필요로 하며, 세포와 같은 비극성 입자를 분리할 수 없다는 단점이 있다. 이에 반해 유전영동 분리법은 불균일한 전기장에 노출된 입자가 입자의 크기와 종류에 따라 받는 유전영동력의 차이를 이용하기 때문에 비극성 분자나 세포 등도 전처리 과정 없이 분리할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 유전영동 분리법은 세포 배지와 같은 전해질 용액 내에서 전기분해를 일으킬 수 있으므로 세포친화적인 용액은 분리용액으로 사용할 수 없다는 문제점이 있다. 또한 세포와 같은 바이오 물질의 경우 인가된 전압에 의해 세포의 활성이 영향을 받으므로 분리 수확물을 세포치료용의 목적으로 사용하고자 할 때에는 제약이 있을 수 있다.
본 발명자들은 인가되는 외부 에너지에 의한 손상 없이 유전영동법을 적용하여 세포 등의 바이오 물질을 포집 및/또는 분리할 수 있는 방법 및 장치를 발굴하고자 예의 연구 노력한 결과, 연속적인 하나의 전극과 수십 내지 수백 나노미터 두께의 절연체층을 통해 전기적으로 이격되어 있으면서 복수의 홀이 패턴된 어레이를 포함하는 다른 하나의 전극으로 구성되고, 상기 절연체층에는 전극과 동일한 패턴의 홀이 형성되어 있는 전극쌍을 이용하여, 이들 전극쌍에 교류 전압을 인가하면, 낮은 전압 즉, 열을 발생하지 않고도 유전영동 효과를 나타내어 이에 인가되는 교류의 주파수를 조절함으로써 이와 접한 유체 내에 포함된 입자의 거동을 조절 예컨대, 입자를 홀 내에 포집하거나 분산시킬 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 제1양태는 순차적으로 적층된 제1전도체층; 절연체층; 및 제2전도체층;을 포함하는 층상형 구조물로서, 상기 절연체층은 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께를 가지며, 상기 제1전도체층은 연속이나, 절연체층 및 제2전도체층은 동일한 패턴으로 형성된 1 이상의 홀을 갖는 것인 층상형 구조물을 제공한다.
본 발명의 제2양태는 순차적으로 적층된 제1전도체 전극; 절연체층; 및 제2전도체 전극;을 포함하며 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 유전영동 전극쌍으로서, 상기 절연체층은 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께를 가지며, 상기 제1전도체 전극은 연속적이나, 절연체층 및 제2전도체 전극은 동일한 패턴으로 형성된 1 이상의 홀을 갖는 것인 유전영동 전극쌍을 제공한다.
본 발명의 제3양태는 제1전도체층, 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께의 절연체층, 제2전도체층, 및 원하는 패턴이 고안된 감광성 수지층을 포함하는 층상형 구조물을 준비하는 제1단계; 에칭에 의해 절연체층, 제2전도체층, 및 감광성 수지층을 고안된 패턴에 따라 선택적으로 식각하는 제2단계; 및 잔류하는 감광성 수지층을 제거하는 제3단계를 포함하는, 제1양태의 홀을 갖는 층상형 구조물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제4양태는 제1전도체층, 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께의 절연체층, 및 패턴이 고안된 감광성 수지층을 포함하는 층상형 구조물을 준비하는 제1단계; 상기 층상형 구조물에 절연체층 및 감광성 수지층에 의해 제1전도체층과 이격되도록 제2전도체층을 형성하는 제2단계; 잔류하는 감광성 수지층을 이의 상단에 형성된 제2전도체층과 함께 제거하여, 상기 제1전도체층과 절연체층이 차례로 적층된 층상형 구조물 상에 감광성 수지층의 패턴과 반대 이미지의 패턴으로 형성된 제2전도체층이 추가된 구조물을 형성하는 제3단계; 및 에칭에 의해 제2전도체층과 동일한 패턴을 갖도록 절연체층을 선택적으로 식각하는 제4단계를 포함하는, 제1양태의 홀을 갖는 층상형 구조물의 제조방법으로서, 상기 제1단계의 층상형 구조물은 제1전도체층, 절연체층, 및 감광성 수지층 순으로, 또는 제1전도체층, 감광성 수지층, 및 절연체층 순으로 적층된 것인 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제5양태는 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 제2양태에 따른 유전영동 전극쌍이 교류 전원 공급부와 함께 전기적으로 연결된 회로를 구비하고, 상기 유전영동 전극쌍의 홀이 형성된 전극면이 시료를 포함하는 유체와 접하도록 고안된 장치를 이용하여, 유체 중의 특정 입자를 포집하는 방법을 제공한다.
본 발명의 제6양태는 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 제2양태에 따른 유전영동 전극쌍이 교류 전원 공급부와 함께 전기적으로 연결된 회로를 구비하고, 상기 유전영동 전극쌍의 홀이 형성된 전극면이 시료를 포함하는 유체와 접하도록 고안된 장치를 이용하여, 유체 중의 수종의 입자를 포함하는 혼합물로부터 특정 입자를 분리하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.
본 발명은 유전영동 원리를 이용하여 입자를 포집 및/또는 분리함에 있어서, 종래 유전영동 효과를 발휘하기 위하여 높은 전압을 요구하여 이로 인해 수반되는 전해질의 전기분해, 상기 높은 전압을 이용한 반응계에서 발생하는 열에 의한 단백질 변성 및/또는 세포 손상 등으로 인해 바이오 물질에 적용시 분리는 가능하였으나, 회수하여 본래의 목적으로 사용하는 것이 제한되는 단점을 극복하기 위하여, 낮은 전압을 인가하여도 우수한 유전영동 효과를 발휘할 수 있는 전극 구조물을 개발한 것에 기초한다. 구체적으로, 2개 전도체 필름으로 구성된 전극을 구성하되, 양 전극은 수십 내지 수백 나노미터 두께의 절연체층에 의해 이격되어 전기적으로 분리되며, 하나의 전극면과 이와 대응되는 절연체층에만 동일한 패턴의 홀 어레이가 형성된 전극쌍을 고안하여, 상기 양 전극에 교류 전압을 인가하는 경우 각각의 홀에서 유전영동 현상을 발생시킬 수 있도록 하였으며, 서브 V 수준의 낮은 전압을 인가하더라도 주파수를 적절히 조절하여 마이크론 수준의 입자의 거동을 조절, 예컨대, 홀 내에 포집하거나 유체 내로 분산시킬 수 있는 것이 본 발명의 특징이다.
본 발명은 순차적으로 적층된 제1전도체층; 절연체층; 및 제2전도체층;을 포함하는 층상형 구조물로서, 상기 절연체층은 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께를 가지며, 상기 제1전도체층은 연속이나, 절연체층 및 제2전도체층은 동일한 패턴으로 형성된 1 이상의 홀을 갖는 것인 층상형 구조물을 제공할 수 있다.
구체적으로, 상기 층상형 구조물은 수 cm2 이상의 대면적으로 제조할 수 있으며, 이에 포함되는 홀의 크기 및 홀 간의 간격을 조절하여 적게는 수 개 내지 수 백개로부터 많게는 수 백만개 이상까지 형성된 홀을 포함하므로, 이를 이용하여 균등 및/또는 균일한 힘으로 대용량 바이오 물질의 제어가 가능할 수 있다.
예컨대, 상기 홀은 각각 독립적으로 50 nm2 내지 10,000 ㎛2의 면적을 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 한편, 상기 홀은 원형일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 상기 홀은 당업계에 공지된 나노제조기술(nanofabrication technology)를 이용하여 달성할 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있다.
상기 "동일한 패턴"으로 형성된다는 의미는 제2전도체층과 이에 상응하는 위치에서 절연체층이 갖는 홀의 형태와 크기가 서로 동일함을 의미할 수 있으며, 전체 홀의 형태와 크기가 동일함을 의미하지는 않는다. 예컨대, 하나의 층상형 구조물에서 1 이상의 홀은 각각 독립적으로 서로 동일하거나, 상이한 모양 및/또는 크기를 가질 수 있다.
상기 제1전도체층 및 제2전도체층은 서로 동일하거나 상이한 전도성 물질로 된 필름일 수 있다.
상기 본 발명의 층상형 구조물은 전기를 통할 수 있는 제1전도체층과 제2전도체층이 소정의 두께를 갖는 절연체층으로 이격된 샌드위치 형태의 구조물로서, 상기 절연체층을 통해 제1전도체층과 제2전도체층은 전기적으로 분리된 평행한 전극으로 작용할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 순차적으로 적층된 제1전도체 전극; 절연체층; 및 제2전도체 전극;을 포함하며 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 유전영동 전극쌍으로서, 상기 절연체층은 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께를 가지며, 상기 제1전도체 전극은 연속적이나, 절연체층 및 제2전도체 전극은 동일한 패턴으로 형성된 1 이상의 홀을 갖는 것인 유전영동 전극쌍을 제공한다.
본 발명에서 용어, "유전영동(dielectrophoresis; DEP)"은 불균일한(non-uniform) 전기장(electric field)에 놓였을 때, 유전체(dielectric) 입자에 힘이 가해지는 현상을 의미하는 것으로, 이러한 힘은 입자의 하전을 필요로 하지 않으며, 모든 입자는 전기장 존재 하에 유전영동 활성을 나타낼 수 있다. 이때, 가해지는 힘 즉, 유전영동력(force of dielectrophoresis; FDEP)의 세기는 전기장의 주파수는 물론 입자가 담겨진 매질(medium) 및 입자 자체의 전기적 특성, 입자의 모양과 크기에 의존한다. 따라서, 특정 주파수의 전기장을 이용하여 입자를 조절, 예컨대, 입자의 배향 및/또는 거동을 조절할 수 있다. 상기 유전영동의 원리를 도 2에 도식화하여 나타내었다.
상기 유전영동을 이론적으로 살펴보면, 입자가 주파수, ω의 교류가 인가된 매질, 예컨대, 유체에 놓였을 때 받게 되는 유전영동력(FDEP)은 아래의 식으로 표현될 수 있다.
상기 식에서, ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수, εm은 입자를 둘러싼 유체(매질)의 유전율, R은 상기 입자의 반경, E는 전기장의 크기이며, Re(fCM(ω))는 인가되는 교류의 주파수에 대한 클라우시우스-모소티(Clausius-Mossotti; CM) 함수의 실수부이다. 상기 방정식에 있어서, 입자에 가해지는 유전영동력의 부호를 결정하는 인자는 클라우시우스-모소티(Clausius-Mossotti; CM) 함수의 실수부이며, 이는 하기의 방정식으로 계산될 수 있다.
이때, ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수, ε* p는 포집하고자 하는 입자의 유전율, ε* m은 유체의 유전율이다.
이는 주파수, ω의 교류 하에서 입자의 유전율이 매질의 유전율보다 큰 경우, 양의 클라우시우스-모소티 값을 갖게 되므로, 즉, Re[fCM]＞0, 이때의 DEP를 양의 DEP라 칭하고, 이러한 상태에서 입자는 전기장의 구배가 큰 쪽으로 움직이게 된다. 이와 반대로, 입자의 유전율이 매질의 유전율보다 작은 경우, 음의 클라우시우스-모소티 값을 갖게 되므로, 즉, Re[fCM]＜0, 이때의 DEP를 음의 DEP라 칭하고, 이러한 상태에서 입자는 전기장의 구배가 적은 쪽으로 움직이게 된다.
예컨대, 상기 제1전도체 전극 및 제2전도체 전극은 각각 독립적으로 구리(copper), 금(gold), 은(silver), 백금(platinum) 및 팔라듐(palladium)으로 구성된 군으로부터 선택되는 금속; 구리, 금, 은, 백금 및 팔라듐으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속과 그라파이트, 텔루륨(tellurium), 텅스텐(tungsten), 아연(zinc), 이리듐(iridium), 루테늄(rithenium), 비소(arsenic), 인(phosphorus), 알루미늄(aluminum), 망간(manganese), 실리콘(silicon)으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 함유하는 합금(alloys) 또는 복합체; 그라파이트(graphite), 그래핀(graphene) 및 이들의 유도체로 구성된 군으로부터 선택되는 전도성 탄소물질; 또는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO), 티타늄 산화물(TiO2), 루테늄 산화물(RuO2), 이리듐 산화물(IrO2), 및 백금 산화물(PtO2)로 구성된 군으로부터 선택되는 혼합 금속 산화물(mixed metal oxides)의 소재로 된 필름 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 절연체층은 절연적 특성을 지닌 비전도성 물질을 제한없이 이용하여 형성할 수 있다. 예컨대, 상기 절연체층은 SiO2, Nb2O5, TiO2, Al2O3, 또는 MgO 등의 금속 산화물 또는 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP) 등의 폴리머로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 원하는 수준에서 균일한 두께로 형성할 수 있는 한, 소재의 종류 및 형성되는 층의 두께는 제한되지 않는다. 다만, 본 발명의 전극쌍의 형태적 특징상 제조공정에 있어서 절연체층의 선택적인 식각을 필요로 하는 바, 사용하고자 하는 공정에 따라 절연체층의 소재를 선택하거나, 반대로 절연체층의 소재로 특정 물질을 선택한 경우 이에 따라 제조공정을 설계할 수 있다. 예컨대, 절연체층으로 폴리머 필름을 포함하는 경우 폴리머의 종류에 따라 선택되는 부식제 예컨대, 특정 용매로 처리함으로써 손쉽게 식각하여 패턴을 형성할 수 있다.
상기 절연체층의 두께가 5 nm 미만으로 얇은 경우, 이의 양면에 위치한 제1전도체 및 제2전도체 사이의 거리가 가까워져 절연체의 유무와 무관하게 전자가 전달되는 '터널링 효과'에 의해, 상기 층상형 구조물 전체가 하나의 도체와 같이 거동하며 제1전도체층과 제2전도체층은 더이상 개별 전극으로 작동하기 어렵다. 따라서, 절연층의 두께는 터널링 효과를 허락하지 않는 절연체층의 특징에 따라 최소 두께로 결정되며, 이는 선택되는 각 전극 및 절연체층의 소재에 따라 상이할 수 있다. 반면, 상기 절연체층의 두께가 나노 수준을 벗어나 마이크로미터 수준에 도달하면, 예컨대, 절연체층의 두께가 1000 nm를 초과하게 되면, 유효한 입자 포집에 요구되는 가용 전압이 커지게 되어 유체 내에 버블 또는 반응계의 과도한 발열을 유발하여 유전영동 효과 및 효율성 및/또는 민감성이 현저히 저하될 수 있다. 전술한 바와 같이, 유전영동 효과는 불균일한 전기장에 의해 나타나는 현상이며, 본 발명의 전극쌍은 연속적인 평면인 하나의 전극과 nm 수준의 절연체층에 의해 서로 평행하게 이격된 홀이 형성된 다른 하나의 전극 즉, 서로 상이한 형태의 대치되는 전극에 의해 형성되는 불균일한 전기장에 의해 유전영동 효과를 나타내는 것임을 고려할 때, 절연층의 두께가 증가하면 상대적으로 홀에 의한 결함이 작아지므로 이에 따른 유전영동 효과의 감소를 유도할 수 있다. 따라서, 절연체층의 두께 및/또는 홀의 크기는 이에 도입되는 포집 또는 분산시키고자 하는 입자의 크기를 고려하여 상호 유기적으로 조절할 수 있음은 당업자에 자명하다.
상기 본 발명에 따른 층상형 구조물 및 유전영동 전극쌍은 제1전도체층, 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께의 절연체층, 제2전도체층, 및 원하는 패턴이 고안된 감광성 수지층을 포함하는 층상형 구조물을 준비하는 제1단계; 에칭에 의해 절연체층, 제2전도체층, 및 감광성 수지층을 고안된 패턴에 따라 선택적으로 식각하는 제2단계; 및 잔류하는 감광성 수지층을 제거하는 제3단계를 포함하는 공정을 통해 제조할 수 있다. 예컨대, 상기 제조방법은 당업계에 공지된 다양한 소재의 적층 및 식각 방법을 조합하여 수행할 수 있다. 각 단계를 수행하는 구체적인 방법은 선택된 각 층의 소재에 따라 선택할 수 있다.
예컨대, 에칭에 의해 식각하는 단계는 건식 및/또는 습식 에칭방법을 사용하여 수행할 수 있다. 각 구성 층이 기지의 소재 및 두께로 형성된 경우, 건식 에칭방법을 선택할 수 있으며, 이때 수행 시간은 선택된 방법에 따른 각 층의 식각률(etching rate)을 고려하여 결정할 수 있다. 한편, 절연체층으로 PVP 등의 고분자 필름을 포함하는 경우, 특정 용매(etchant)로 처리하는 간단한 방법으로 해당 고분자 필름만을 선택적으로 제거할 수 있는 점을 고려하여, 습식 에칭방법을 선택할 수 있다. 또는 필요에 따라, 제2전도체층은 건식 에칭방법으로, 절연체층은 습식 에칭방법으로 식각하는 복합적인 방법을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 각 구성층의 소재, 당업계에 공지된 식각 방법 및/또는 공정 수행의 편의성과 경제성을 복합적으로 고려하여 식각 방법을 선택할 수 있다.
또한 상기 본 발명에 따른 층상형 구조물 및 유전영동 전극쌍을 제조하는 다른 방법은 제1전도체층, 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께의 절연체층, 및 패턴이 고안된 감광성 수지층을 포함하는 층상형 구조물을 준비하는 제1단계; 상기 층상형 구조물에 절연체층 및 감광성 수지층에 의해 제1전도체층과 이격되도록 제2전도체층을 형성하는 제2단계; 및 잔류하는 감광성 수지층을 이의 상단에 형성된 제2전도체층과 함께 제거하여, 상기 제1전도체층과 절연체층이 차례로 적층된 층상형 구조물 상에 감광성 수지층의 패턴과 반대 이미지의 패턴으로 형성된 제2전도체층이 추가된 구조물을 형성하는 제3단계를 포함할 수 있다. 이때, 제1단계의 층상형 구조물은 제1전도체층, 절연체층, 및 감광성 수지층 순으로, 또는 제1전도체층, 감광성 수지층, 및 절연체층 순으로 적층된 것일 수 있다.
상기 제조방법에 있어서, 제1단계에서 제1전도체층, 절연체층, 및 감광성 수지층 순으로 적층된 층상형 구조물을 사용하는 경우, 상기 제3단계 이후 에칭에 의해 제2전도체층과 동일한 패턴을 갖도록 절연체층을 선택적으로 식각하는 제4단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 식각 과정에서는 절연체층 상에 형성된 패턴화된 제2전도체층이 마스크로 작용할 수 있다. 상기 제4단계는 당업계에 공지된 건식 또는 습식 에칭방법을 이용하여 수행할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른, 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 유전영동 전극쌍은, 유전영동 효과에 의해 이에 도입된 입자의 움직임을 조절할 수 있으므로, 이들 전극쌍에 교류 전원 공급부와 함께 전기적으로 연결된 회로를 구비하고, 상기 유전영동 전극쌍의 홀이 형성된 전극면이 시료를 포함하는 유체와 접하도록 고안된 장치를 이용하여, 유체 중의 특정 입자를 포집하는데 사용할 수 있다.
구체적으로, 상기 입자의 포집은 하기 방정식 1을 이용하여 포집하고자 하는 입자에 대한, 인가되는 교류 주파수에 따른 클라우시우스-모소티(Clausius-Mossotti; CM) 곡선을 도출하는 제1단계; 및 상기 제1단계로부터 도출한 곡선에서 클라우시우스-모소티의 실수부가 양의 값을 나타내는 범위에서 선택되는 주파수의 교류를 인가하는 제2단계를 포함하는 방법에 의해 달성될 수 있다:
[방정식 1]
상기 방정식에서,
ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수,
ε* p는 포집하고자 하는 입자의 유전율(permittivity),
ε* m은 유체의 유전율임.
또한, 본 발명에 따른, 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 유전영동 전극쌍은, 교류 전원 공급부와 함께 전기적으로 연결된 회로를 구비하고, 상기 유전영동 전극쌍의 홀이 형성된 전극면이 시료를 포함하는 유체와 접하도록 고안된 장치를 이용하여, 전술한 입자 포집 방법과 유사한 원리로, 유체 중의 N종의 입자를 포함하는 혼합물(N은 2 이상의 자연수)로부터 특정 입자를 분리하는 데에 사용될 수 있다.
구체적으로, 하기 방정식 1-1을 이용하여 분리하고자 하는 개별 입자들의, 주파수에 따른 클라우시우스-모소티 곡선을 도출하는 제1단계; 상기 제1단계로부터 도출된 곡선으로부터 클라우시우스-모소티의 실수부가 일부 입자(들)에 대해서는 양 또는 음의 값을, 이와 분리하고자 하는 다른 입자(들)에 대해서는 이와 반대의 값을 나타내는 주파수를 선택하는 제2단계; 및 상기 제2단계로부터 선택된 주파수의 교류를 인가하는 제3단계를 포함하는 방법에 의해 달성될 수 있다:
[방정식 1-1]
상기 방정식에서,
ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수,
n은 입자의 종류를 구분하는 임의의 숫자로서, 1≤n≤N인 자연수,
ε* pn은 입자 n의 유전율,
ε* m은 유체의 유전율임.
본 발명의 방법으로 포집 및/또는 분리할 수 있는 입자는 서브 마이크로미터 내지 수 마이크로미터 직경을 갖는 바이러스, 미생물 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이를 토대로, 본 발명의 포집 및/또는 분리 방법은 유체 중의 예컨대, 수중의 박테리아나 미생물의 존재를 검출하거나, 나아가 박테리아나 미생물의 존재가 확인된 유체로부터 이들 물질을 제거하는 데에 사용될 수 있다.
나아가, 본 발명의 입자 분리 방법은 상기 제3단계에서 포집 또는 배제된 입자(들)에 대해 제2단계 및 제3단계를 1회 이상 반복하여 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 입자 분리 방법에서 반복되는 단계는 인가되는 교류의 주파수를 변경하여 수행하되, 일차 분리에 사용한 장치를 그대로 이용하거나, 이와 병렬로 연결된 동일한 장치를 이용하여 연속적으로 수행할 수 있다. 예컨대, 일차적인 입자의 분리를 수행한 후, 홀 내에 관심 입자를 포함하여 2종 이상의 입자가 잔류하여 이들 입자로부터 관심 입자를 분리하고자 하는 경우에는, 상기 일차 분리 후 홀 내에 포집된 입자들을 제외한 유체 내에 분산된 입자들을 제거한 후, 동일한 유전율의 신선한 유체를 채우고 동일 장치에 일차 분리에서와 상이한 주파수의 교류를 인가하거나, 일차 분리에서와 상이한 유전율을 갖는 유체를 채우고 주파수는 유지한 채로 반복적인 분리를 수행할 수 있다. 또는 분리하고자 하는 관심 입자가 일차 분리에서 홀 내에 포집되지 않고 유체 내에 다른 입자와 함께 분산된 경우에는, 이와 연결된, 본 발명의 유전영동 전극쌍을 구비한 신규한 분리 장치에 관심 입자를 포함하는 유체를 전송시키고 상기 신규한 분리 장치에서 변경된 주파수를 인가하여 동일한 방식으로 혼합 입자를 분리하는 단계를 반복 수행할 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시예에서는 본 발명의 전극쌍을 구비하고, 교류 전원을 인가할 수 있도록 고안된 장치를, 바이러스와 유사한 크기를 갖는 직경 약 1 μm 크기의 폴리스티렌 입자를 포함하는 유체와 접촉시키고 다양한 주파수의 교류 전압을 인가함으로써 100 mV의 낮은 전압으로 상기 입자를 포집 또는 분산시킬 수 있음을 확인하였다(도 7 내지 9). 나아가, 바이오 물질인 탄저균 모사체, 예컨대, 바실러스 서브틸리스(Bacilus Subtilis)에 적용하여 이를 포집할 수 있음을 확인하였다(도 10). 이는 본 발명의 전극쌍을, 유전영동 효과에 의해 이와 유사한 크기의 바이러스를 포집하는 장치에 적용할 수 있음을 나타내는 것이다. 나아가, 최근 큰 관심의 대상인 초미세먼지가 이보다 큰 2.5 μm 수준의 입자임을 고려할 때, 본 발명의 전극쌍은 저전압에서 구동 가능한 (초)미세먼지 포집 및/또는 제거 장치에 적용할 수 있을 것이다.
본 발명은 하나의 전극에 선택적으로 형성된 일련의 패턴화된 홀을 가지며, 절연체층에 의해 형성된 수직 나노갭에 의해 이격된 전극쌍을 제공하여, 상기 형성된 복수의 홀에서 동시에 유전영동 효과를 나타내어 특정 성질의 입자를 선택적으로 포집할 수 있으므로, 이러한 현상을 토대로 미세 입자의 혼합물로부터 원하는 입자만을 회수하거나 특정 입자를 선택적으로 제거하는 데에 유용하게 적용할 수 있다. 또한, 이러한 현상은 낮은 전압에서 구현할 수 있으므로 열을 발생하지 않으므로 바이오 물질에까지 그 적용 분야를 확장할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 패턴화된 수직 나노갭 전극을 이용한 유전영동(dielectrophoresis)에 의한 입자의 포집 원리를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 각각 (좌) 균일한 및 (우) 불균일한 전기장 구배 하에서 입자가 받는 힘을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전도체층으로서 SiO2로 이격된 전극쌍(패턴된 금 및 ITO) 및 이의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 방법을 이용하여 수십 mm2의 대면적으로 제조된, 100 nm 두께의 SiO2 층으로 이격되고, 다양한 크기의 패턴으로 형성된 홀을 포함하는 금 전극과 ITO 전극으로 된 수직 나노갭 전극의 형태 및 단면을 육안 및 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM)으로 관찰한 결과를 나타낸 도이다.
도 5는 (A) 본 발명의 일 실시예에 따른 전도체층으로서 PVP로 이격된 전극쌍(패턴된 금 및 ITO) 및 이의 제조방법을 개략적으로, (B) 이에 따라 제조된 실물 수직 나노갭 전극의 형태 및 단면을 육안 및 SEM으로 관찰한 결과를 나타낸 도이다.
도 6은 (A) 본 발명의 일 실시예에 따른 전도체층으로서 PVP로 이격된 전극쌍(패턴된 금 및 ITO)에서의 전기장 분포 및 (B) 직경 1 ㎛ 크기의 폴리스티렌 입자에 대해, 시뮬레이션에 의해 도출한, 주파수에 따른 클라우시우스-모소티 곡선을 나타낸 도이다.
도 7은 산출된 곡선의 클라우시우스-모소티 값이 양인 영역과 음인 영역에서 각각 선택된 10 MHz 및 100 KHz로 주파수를 변경하면서 100 mV의 교류 전압을 인가하여 입자의 포집 및 분산을 반복적으로 유도한 결과를 나타낸 도이다.
도 8은 산출된 곡선의 클라우시우스-모소티 값이 양인 영역과 음인 영역에서 각각 선택된 (A) 100 KHz 및 (B) 1 MHz로 주파수를 변경하면서 100 mV의 교류 전압을 인가하여 입자의 분산 및 포집을 유도한 결과를 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 100 nm 두께의 SiO2 층으로 이격된, 패턴화된 금-ITO 전극에 양의 유전영동력(dielectrophoretic force)에 상응하는 주파수의 교류 전압을 인가하여 직경 1 ㎛ 크기의 폴리스티렌 입자를 포집하는 과정을 SEM으로 관찰한 결과를 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴화된 금-ITO 전극을 이용한 바이오 물질인 탄저균 모사체(Bacilus Subtilis)의 포집을 나타낸 도이다.
도 2는 각각 (좌) 균일한 및 (우) 불균일한 전기장 구배 하에서 입자가 받는 힘을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전도체층으로서 SiO2로 이격된 전극쌍(패턴된 금 및 ITO) 및 이의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 방법을 이용하여 수십 mm2의 대면적으로 제조된, 100 nm 두께의 SiO2 층으로 이격되고, 다양한 크기의 패턴으로 형성된 홀을 포함하는 금 전극과 ITO 전극으로 된 수직 나노갭 전극의 형태 및 단면을 육안 및 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM)으로 관찰한 결과를 나타낸 도이다.
도 5는 (A) 본 발명의 일 실시예에 따른 전도체층으로서 PVP로 이격된 전극쌍(패턴된 금 및 ITO) 및 이의 제조방법을 개략적으로, (B) 이에 따라 제조된 실물 수직 나노갭 전극의 형태 및 단면을 육안 및 SEM으로 관찰한 결과를 나타낸 도이다.
도 6은 (A) 본 발명의 일 실시예에 따른 전도체층으로서 PVP로 이격된 전극쌍(패턴된 금 및 ITO)에서의 전기장 분포 및 (B) 직경 1 ㎛ 크기의 폴리스티렌 입자에 대해, 시뮬레이션에 의해 도출한, 주파수에 따른 클라우시우스-모소티 곡선을 나타낸 도이다.
도 7은 산출된 곡선의 클라우시우스-모소티 값이 양인 영역과 음인 영역에서 각각 선택된 10 MHz 및 100 KHz로 주파수를 변경하면서 100 mV의 교류 전압을 인가하여 입자의 포집 및 분산을 반복적으로 유도한 결과를 나타낸 도이다.
도 8은 산출된 곡선의 클라우시우스-모소티 값이 양인 영역과 음인 영역에서 각각 선택된 (A) 100 KHz 및 (B) 1 MHz로 주파수를 변경하면서 100 mV의 교류 전압을 인가하여 입자의 분산 및 포집을 유도한 결과를 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 100 nm 두께의 SiO2 층으로 이격된, 패턴화된 금-ITO 전극에 양의 유전영동력(dielectrophoretic force)에 상응하는 주파수의 교류 전압을 인가하여 직경 1 ㎛ 크기의 폴리스티렌 입자를 포집하는 과정을 SEM으로 관찰한 결과를 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴화된 금-ITO 전극을 이용한 바이오 물질인 탄저균 모사체(Bacilus Subtilis)의 포집을 나타낸 도이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
1: 일면에 패턴화된 홀을 갖고 양면이
SiO
2
로
이격된
대면적 수직
나노갭
어레이의 제조
1 cm×1 cm 면적으로 패터닝된 유리 기판 상에 100 nm 두께로 ITO 층을 4 mm×3 mm 면적으로 형성한 후, PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition) 장치를 이용하여 100 nm 두께로 SiO2 층을 증착시켰다. 이후, 열증착기로 100 nm 두께의 금 층을 SiO2 층 상에 형성하였다. 이어서, 감광성 수지(AZ152, Microchemical)를 스핀코팅하고 가열하여 감광성 수지층을 형성하였다. 상기 감광성 수지층이 형성된 면에 일련의 직경 30 μm의 홀이 30 ㎛ 간격으로 배열된 어레이 형태의 패턴을 갖는 포토마스크를 위치시키고 상기 포토마스크 상에 자외선을 조사한 후 현상하여 마스킹된 부분을 제거하였다. 이상과 같이 감광성 수지로 홀 어레이 패턴이 형성된 층상형 구조물에 유도결합플라즈마(inductively coupled plasma; ICP) 에칭을 수행하여 홀 패턴의 하단에 노출된 제2전도체층 및 절연체층을 상기 패턴과 동일한 형태로 식각하였다. 상기 ICP 에칭을 통한 식각시 식각률은 제2전도체층을 구성하는 금 및 절연체층을 구성하는 SiO2에서 상이한 바, 제1절연체층은 유지하되 제2전도체층 및 절연체층을 선택적으로 제거할 수 있도록, 이들 각 층의 두께 및 해당 소재에 대한 식각률을 고려하여 처리 시간을 산출하였다. 구체적으로, ICP 에칭에 의한 SiO2 식각의 경우, 아르곤 가스 15 sccm, CHF3 가스 90 sccm 하에 4 mTorr 압력에서 ICP 2700 W, 바이어스 75 W로 헬륨 5 mTorr 압력으로 약 230 nm/초의 조건으로 식각하였다. 한편, 금 층의 경우, 아르곤 가스 8 sccm, Cl2 가스 4 sccm 하에 0.5 Torr 압력에서 ICP 1000 W, 바이어스 150 W로 헬륨 5 mTorr 압력으로 약 130 nm/초의 조건으로 식각하였다.
실시예
2: 일면에 패턴화된 홀을 갖고 양면이
PVP로
이격된
대면적 수직
나노갭
어레이의 제조
180 nm 두께의 ITO 층이 1 cm×1 cm 면적으로 패터닝된 유리 기판 상에 폴리비닐페놀(polyvinylphenol; PVP) 용액을 스핀코팅하고 가열하여 PVP로 된 110 nm 두께의 절연체층을 형성하였다. 이어서 상기 PVP 층 상에 감광성 수지(AZ1512)를 스핀코팅하고 가열하여 감광성 수지층을 형성하였다. 상기 감광성 수지층이 형성된 면에 일련의 직경 30 μm의 홀이 30 ㎛ 간격으로 배열된 어레이 형태의 패턴을 갖는 포토마스크를 위치시키고 상기 포토마스크 상에 자외선을 조사한 후 현상하여 마스킹된 부분을 제거하였다. 상기 패턴화된 감광성 수지층을 포함하는 적층 구조물 상의 패턴화된 면에 열증착 방식으로 120 nm 두께의 금 박막을 형성하였다. 이후, 아세톤으로 처리하여 잔여 감광성 수지 패턴 및 이의 표면에 형성된 불필요한 금 박막을 제거하고 홀 어레이 형태의 패턴을 갖는 금 박막층을 획득하였다. 나아가, 100 mTorr 압력에서 100 sccm 유속의 산소 가스를 이용한 반응성 이온 식각(reactive ion etching)을 통해 150 W로 2분 15초 동안 처리하여 패턴된 금 박막을 마스크로 사용하여 이에 의해 가리워지지 않은 홀 부분에 노출된 PVP 절연체층의 부분을 선택적으로 제거하였다.
실험예
1: 수직
나노갭
어레이의 형상 분석
상기 실시예 1 및 2에 따라, 각각 수 mm2 및 수 cm2 면적으로 제조된, 절연체로 된 나노갭으로 이격되고, 연속적으로 형성된 하나의 전극과 복수의 홀 어레이 패턴이 형성된 다른 하나의 전극을 포함하는 전극쌍의 제조 과정을 도 3 및 5A에 도시화하여 개략적으로 나타내었다. 또한 이와 같이 제조된 전극쌍의 외형을 육안으로 관찰하고, 미세 홀 어레이 패턴 및 단면은 SEM으로 확인하여, 그 결과를 도 4 및 5B에 나타내었다.
실험예
2:
유전영동법을
이용한 폴리스티렌
비드의
포집
및 분산
본 발명에서는 바이러스 입자와 크기 및 성질이 유사한 직경 1 μm의 폴리스티렌(polystyrene; PS) 입자를 사용하여, 상기 실시예 1 및 2에 따라 제조한 전극쌍의 바이러스 등의 생물학적 물질의 검출에서 응용 가능성을 확인하였다.
먼저, 실제 실험에 앞서, 시뮬레이션을 통해 유전영동 현상을 예측하였다. 유전영동 현상에 의해 입자에 작용하는 힘은 입자의 이를 둘러싼 물질의 전도도, 유전율 및 인가되는 교류 전압의 주파수에 의해 결정되며, 이는 하기 방정식에 따라 산출할 수 있다.
이때, ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수, εm은 입자를 둘러싼 유체의 유전율, R은 사용하는 입자의 반경, E는 전기장의 크기이며, Re(fCM(ω))는 인가되는 교류의 주파수에 대한 클라우시우스-모소티(Clausius-Mossotti; CM) 함수의 실수부이다. 상기 방정식에 있어서, 입자에 가해지는 유전영동력의 부호를 결정하는 인자는 클라우시우스-모소티(Clausius-Mossotti; CM) 함수의 실수부이며, 이는 하기의 방정식으로 계산될 수 있다.
이때, ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수, ε* p는 포집하고자 하는 입자의 유전율, ε* m은 유체의 유전율이다. 상기 실시예 1 및 2에 따라 제조된 유전영동 전극쌍에 교류 전압을 인가하였을 때, 발생하는 전기장의 분포를 도 6(A)에, 상기 수식을 통해 이론적으로 도출된 폴리스티렌 입자에 대한 주파수에 따른 클라우시우스-모소티 함수를 도 6(B)에 나타내었다. 나아가, 교류 전압 인가시 폴리스티렌 입자에 대한 교류 주파수 의존적 클라우시우스-모소티 그래프를 도 8(B)에 나타내었다. 도 6(B)에 나타난 바와 같이, 폴리스티렌 입자에 대한 클라우시우스-모소티 값은 1 MHz를 기준으로 그 특성이 변화하는 것으로 나타났으며, 구체적으로, 1 MHz 미만의 주파수에서 양의 수치를, 1 MHz 초과의 주파수에서는 음의 수치를 나타내었다.
상기 도 6(B)의 그래프로부터, 상기 2개 방정식을 통해 산출되는 교류 전압 인가 시 입자에 가해지는 유전영동력을 입자의 움직임과 결부시키면, 양의 유전영동력을 받는 입자는 전극을 향하여 이동하는 반면, 음의 유전영동력을 받는 입자는 전극을 등지는 방향으로 이동할 것으로 예상되었다.
상기 이론적 계산으로 예측한 결과가 실제 본 발명의 유전영동 전극쌍을 이용하여 구현 가능한지 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 및 2에 따라 제조한 전극쌍의 홀 어레이 패턴이 형성된 면에 직경 1 μm 크기의 폴리스티렌 입자를 포함하는 유체(18.2 MΩ 이상의 3차 증류수)와 접하도록 장치를 구성하고 전기적으로 연결된 양 전극에 교류 전원을 연결하여 유전영동 현상을 유도한 후 교류의 주파수에 따른 유체 내 입자의 거동을 비디오로 찍어 확인하였다. 구체적으로, 실시예 1에 따라 제조된 전극쌍을 구비한 장치에는 100 kHz 및 10 MHz로 주파수를 변경하면서 100 mV의 전압을 인가하고, 실시예 2에 따라 제조된 전극쌍에는 0.1 V의 낮은 전압으로 100 kHz 및 1 MHz 주파수의 교류를 인가하여 입자의 거동을 측정하고, 그 결과를 각각 도 7과 8에 나타내었다.
도 7에 나타난 바와 같이, 양의 클라우시우스-모소티 값을 갖게 되는 100 kHz의 교류가 인가되는 경우, 입자는 전극을 향하는 방향으로 유전영동력을 받아 홀 내에 포집되어 전극과 인접하게 홀의 테두리를 따라 배열되었으나, 음의 클라우시우스-모소티 값을 갖게 되는 10 MHz의 교류가 인가된 경우에는 이와 반대 방향으로 작용하는 힘을 받아 입자들이 홀의 외부로 또는 전극과 멀어지는 홀의 중앙부로 분산 이동되는 경향을 나타내었으며, 이는 주파수를 변경함에 따라 반복적으로 관찰되었다. 또한, 도 8에 나타난 바와 같이, 실시예 2에 따라 제조된 전극쌍에 있어서도, 이와 유사하게 양의 클라우시우스-모소티 값을 갖게 되는 100 kHz의 교류가 인가된 경우 입자들은 전극 방향으로 이동하여 즉, 홀의 경계면으로 배열되어 홀 내에 포집되는 반면, 0에 가까운 클라우시우스-모소티 값을 갖게 되는 1 MHz의 교류를 인가한 경우에는 입자들이 분산되는 경향을 나타내었다. 이는 본 발명에 따라 제조된 전극쌍은 낮은 전압에서 유전영동력에 의한 입자의 포집 나아가, 상기 원리에 의해 크기 및/또는 유전율이 상이한 입자들의 혼합물로부터 특정 입자를 분리할 수 있음을 나타내는 것이다.
실험예
3:
유전영동법을
이용한 박테리아의
포집
본 발명의 전극쌍을, 유전영동법을 이용한 바이오 물질의 포집에 적용할 수 있는지 확인하기 위하여, 폴리스티렌 입자 대신에 탄저균 모사체인 바실러스 서브틸리스를 함유하는 시료를 이용하여 상기 실험예와 유사한 방법으로 시험하였다.
구체적으로, 직경 10 μm의 홀 어레이를 갖는 금-ITO 전극쌍을 구비한 장치에 37℃에서 16 내지 20시간 배양한 바실러스 서브틸리스 포자(spore)를 접촉시키고, 100 kHz 주파수의 3 V 교류 전압을 인가하고, 상기 전극 홀 내에 박테리아가 포집된 것을 SEM으로 확인하여, 그 결과를 도 10에 나타내었다. 도 10에 나타난 바와 같이, 상기 교류 전압 인가시 바실러스 서브틸리스는 전극에 포집되어, 패턴된 홀의 경계를 따라 배열되었다. 이는 본 발명의 전극쌍을 이용한 전기영동법에 의해 유체 중에 존재하는 실제 바이오 물질 예컨대, 박테리아의 포집 및/또는 분리가 가능함을 나타내는 것이다.
Claims (13)
- 순차적으로 적층된 제1전도체 전극; 절연체층; 및 제2전도체 전극;을 포함하며 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 수직나노갭 유전영동 전극쌍으로서,
상기 절연체층은 20 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께를 가지고,
상기 제1전도체 전극은 연속적이나, 절연체층 및 제2전도체 전극은 동일한 패턴으로 형성된 1 이상의 홀을 갖는 것이며,
상기 홀은 각각 독립적으로 50 nm2 내지 10,000 ㎛2의 면적을 갖는 것이며,
상기 홀에 의해 10 V 이내의 전압을 인가하여도 유전영동 현상이 발생되는, 유전영동 전극쌍.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1전도체 전극 및 제2전도체 전극은 각각 독립적으로 구리(copper), 금(gold), 은(silver), 백금(platinum) 및 팔라듐(palladium)으로 구성된 군으로부터 선택되는 금속; 구리, 금, 은, 백금 및 팔라듐으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속과 그라파이트, 텔루륨(tellurium), 텅스텐(tungsten), 아연(zinc), 이리듐(iridium), 루테늄(rithenium), 비소(arsenic), 인(phosphorus), 알루미늄(aluminum), 망간(manganese), 실리콘(silicon)으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 함유하는 합금(alloys) 또는 복합체; 그라파이트(graphite), 그래핀(graphene) 및 이들의 유도체로 구성된 군으로부터 선택되는 전도성 탄소물질; 또는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO), 티타늄 산화물(TiO2), 루테늄 산화물(RuO2), 이리듐 산화물(IrO2), 및 백금 산화물(PtO2)로 구성된 군으로부터 선택되는 혼합 금속 산화물(mixed metal oxides)의 소재로 된 것인 유전영동 전극쌍.
- 제1항에 있어서,
상기 절연체층은 SiO2, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP), Nb2O5, TiO2, Al2O3, 및 MgO로 구성된 군으로부터 선택되는 소재로 된 것인 유전영동 전극쌍.
- 제1전도체층, 20 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께의 절연체층, 제2전도체층, 및 원하는 패턴이 고안된 감광성 수지층을 포함하는 층상형 구조물을 준비하는 제1단계;
에칭에 의해 절연체층, 제2전도체층, 및 감광성 수지층을 고안된 패턴에 따라 선택적으로 식각하는 제2단계; 및
잔류하는 감광성 수지층을 제거하는 제3단계를 포함하는, 제1항의 홀을 갖는 수직나노갭 유전영동 전극쌍의 제조방법으로,
상기 홀에 의해 10 V 이내의 전압을 인가하여도 유전영동 현상이 발생되는, 유전영동 전극쌍의 제조방법.
- 제1전도체층, 20 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께의 절연체층, 및 패턴이 고안된 감광성 수지층을 포함하는 층상형 구조물을 준비하는 제1단계;
상기 층상형 구조물에 절연체층 및 감광성 수지층에 의해 제1전도체층과 이격되도록 제2전도체층을 형성하는 제2단계;
잔류하는 감광성 수지층을 이의 상단에 형성된 제2전도체층과 함께 제거하여, 상기 제1전도체층과 절연체층이 차례로 적층된 층상형 구조물 상에 감광성 수지층의 패턴과 반대 이미지의 패턴으로 형성된 제2전도체층이 추가된 구조물을 형성하는 제3단계; 및
에칭에 의해 제2전도체층과 동일한 패턴을 갖도록 절연체층을 선택적으로 식각하는 제4단계를 포함하는, 제1항의 홀을 갖는 수직나노갭 유전영동 전극쌍의 제조방법으로서,
상기 제1단계의 층상형 구조물은 제1전도체층, 절연체층, 및 감광성 수지층 순으로, 또는 제1전도체층, 감광성 수지층, 및 절연체층 순으로 적층된 것이고,
상기 홀에 의해 10 V 이내의 전압을 인가하여도 유전영동 현상이 발생되는, 유전영동 전극쌍의 제조방법.
- 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 제1항의 유전영동 전극쌍이 교류 전원 공급부와 함께 전기적으로 연결된 회로를 구비하고, 상기 유전영동 전극쌍의 홀이 형성된 전극면이 시료를 포함하는 유체와 접하도록 고안된 장치를 이용하여, 유체 중의 특정 입자를 포집하는 방법으로,
상기 입자는 변성 및/또는 손상이 없는 상태인, 입자 포집 방법.
- 제8항에 있어서,
하기 방정식 1을 이용하여 포집하고자 하는 입자에 대한, 인가되는 교류 주파수에 따른 클라우시우스-모소티(Clausius-Mossotti; CM) 곡선을 도출하는 제1단계; 및
상기 제1단계로부터 도출한 곡선에서 클라우시우스-모소티의 실수부가 양의 값을 나타내는 범위에서 선택되는 주파수의 교류를 인가하는 제2단계를 포함하는 방법에 의해 달성되는 것인 입자 포집 방법:
[방정식 1]
상기 방정식에서,
ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수,
ε* p는 포집하고자 하는 입자의 유전율(permittivity),
ε* m은 유체의 유전율임.
- 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 제1항의 유전영동 전극쌍이 교류 전원 공급부와 함께 전기적으로 연결된 회로를 구비하고, 상기 유전영동 전극쌍의 홀이 형성된 전극면이 시료를 포함하는 유체와 접하도록 고안된 장치를 이용하여, 유체 중의 N종의 입자를 포함하는 혼합물(N은 2 이상의 자연수)로부터 특정 입자를 분리하는 방법으로,
상기 입자는 변성 및/또는 손상이 없는 상태인, 입자 분리 방법.
- 제10항에 있어서,
하기 방정식 1-1을 이용하여 분리하고자 하는 개별 입자들의, 주파수에 따른 클라우시우스-모소티 곡선을 도출하는 제1단계;
상기 제1단계로부터 도출된 곡선으로부터 클라우시우스-모소티의 실수부가 일부 입자(들)에 대해서는 양 또는 음의 값을, 이와 분리하고자 하는 다른 입자(들)에 대해서는 이와 반대의 값을 나타내는 주파수를 선택하는 제2단계; 및
상기 제2단계로부터 선택된 주파수의 교류를 인가하는 제3단계를 포함하는 방법에 의해 달성되는 것인, 입자 분리 방법:
[방정식 1-1]
상기 방정식에서,
ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수,
n은 입자의 종류를 구분하는 임의의 숫자로서, 1≤n≤N인 자연수,
ε* pn은 입자 n의 유전율,
ε* m은 유체의 유전율임.
- 제11항에 있어서,
상기 제3단계에서 포집 또는 배제된 입자(들)에 대해 제2단계 및 제3단계를 1회 이상 반복하여 수행하는 것인, 입자 분리 방법.
- 제12항에 있어서,
인가되는 교류의 주파수를 변경하여 수행하되, 제10항에서 사용한 장치를 이용하거나, 이와 병렬로 연결된 동일한 장치를 이용하여 연속적으로 수행하는 것인, 입자 분리 방법.
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