KR102362856B1 - 입자 포집 장치 및 입자 센싱 방법 - Google Patents

입자 포집 장치 및 입자 센싱 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 미세 입자를 포집하는 미세 입자 포집부; 및 상기 미세 입자 포집부로부터 감지 신호를 수신하고, 상기 감지 신호로부터 포집한 상기 미세 입자의 정보를 매칭하는 프로세서를 포함하고, 상기 미세 입자 포집부는 평면 상에서 상이한 형태를 갖는 적어도 2개의 전도체층 및 상기 적어도 2개의 전도체층 사이에 제공되어 상기 전도체층의 적어도 일부를 노출하는 절연체층을 포함하는, 입자 포집 장치가 제공된다.

Description

입자 포집 장치 및 입자 센싱 방법{PARTICLE COLLECTING DEVICE AND PARTICLE SENSING METHOD}
본 발명은 입자 포집 장치 및 입자 센싱 방법에 관한 것이다.
최근 환경 오염에 대한 관심이 대두되면서 눈에 보이지 않는 미세 입자에 의한 오염 문제가 대두되고 있다. 대표적으로 미세먼지에 대한 관심과 우려는 매우 크며, 미세먼지를 제거하기 위한 다양한 방법이 고안되고 있다.
미세먼지뿐만 아니라, 산업 현장에서 발생하는 분진 감지 및 제거, 화재의 조기 경보를 위한 기체 입자 감지 등 미세 입자 감지를 활용할 수 있는 분야는 무궁무진하다.
다만, 300nm 이하의 직경을 갖는 미세 입자의 경우 포집하고 센싱하는 것이 쉽지 않다, 이들은 포집하기도 어려울 뿐만 아니라, 포집 여부를 센싱하는 것도 어렵다. 특히 유체 중 미세 입자의 농도가 낮을 경우, 센싱할 수 있을 정도의 유의미한 양의 미세 입자를 포집하는데 다소 시간이 소요될 수 있다. 이는 신속한 미세 입자 감지를 필요로 하는 응용 분야에는 치명적인 결점이다.
상술한 문제를 해결하기 위하여 센서의 감도를 높이고자 하는 시도가 이어져 왔으나, 높은 감도의 센서를 구현하기 위해서는 장치 가격이 상승할 수 있다. 따라서, 간단한 구조를 가짐으로써 가격이 저렴하고, 운영 비용이 저렴하고, 감도가 높은 새로운 미세 입자 포집, 감지 장치가 필요하다.
본 발명은 직경이 300nm 이하인 미세 입자를 포집하고 센싱하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 직경이 300nm 이하인 미세 입자를 포집하는 미세 입자 포집부; 및 상기 미세 입자 포집부로부터 감지 신호를 수신하고, 상기 감지 신호로부터 포집한 상기 미세 입자의 정보를 매칭하는 프로세서를 포함하고, 상기 미세 입자 포집부는 평면 상에서 상이한 형태를 갖는 적어도 2개의 전도체층 및 상기 적어도 2개의 전도체층 사이에 제공되며 상기 전도체층의 적어도 일부를 노출하는 절연체층을 포함하는, 입자 포집 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미세 입자 포집부는 제1 전도체층; 상기 제1 전도체층 상에 제공된 절연체층; 및 상기 절연체층 상에 제공된 제2 전도체층을 포함하고, 상기 절연체층은 10 nm 이상의 두께를 가지며, 상기 절연체층은 적어도 일부 영역이 제거되어 상기 제1 전도체층을 노출시키는 절연체층 개구부를 포함하고, 상기 제2 전도체층은 적어도 일부 영역이 제거되어 상기 제1 전도체층 및 상기 절연체층을 노출시키는 제2 전도체층 개구부를 포함하는, 입자 포집 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미세 입자는 상기 제1 전도체층에 부착되고, 상기 미세 입자 포집부는 상기 제1 전도체층에 상기 미세 입자가 부착되기 전후의 전기 전도성 차이를 감지하는, 입자 포집 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프로세서가 수신하는 감지 신호는 상기 미세 입자 포집에 따라 변화되는 전기 전도도, 주파수, 전압 크기 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 감지 신호의 변화의 기울기를 산출하고, 저장된 상기 감지 신호 변화의 기울기와 매칭하여 상기 미세 입자의 종류를 판별하는, 입자 포집 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 절연체층 개구부 및 상기 제2 전도체층 개구부는 평면 상에서 대응되는 형태를 갖는, 입자 포집 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 절연체층 개구부 및 상기 제2 전도체층 개구부는 각각 독립적으로 50 nm2 내지 10,000 ㎛2의 면적을 갖는, 입자 포집 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 입자 포집 장치는 상기 미세 입자 포집부를 복수 개 포함하고, 복수 개의 상기 미세 입자 포집부는 각각 독립적으로 또는 일괄적으로 작동되는, 입자 포집 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미세 입자 포집부는 서로 이격되어 제공되는 복수 개의 상기 제1 전도체층; 복수 개의 상기 절연체층 개구부를 포함하는 절연체층; 및 복수 개의 상기 제2 전도체층 개구부를 포함하는 제2 전도체층을 포함하는, 입자 포집 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 미세 입자 포집부에 전기를 인가하여 불균일 전기장을 형성하는 제1 단계; 상기 불균일 전기장을 이용하여 미세 입자를 상기 미세 입자 포집부에 포집하는 제2 단계; 및 프로세서를 통해 상기 미세 입자 포집부에 포집된 상기 미세 입자에 의해 발생되는 감지 신호를 감지하여 미세 입자 포집 여부를 판단하는 제3 단계를 포함하는, 입자 센싱 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미세 입자 포집부는 제1 전도체층; 상기 제1 전도체층 상에 제공된 절연체층; 및 상기 절연체층 상에 제공된 제2 전도체층을 포함하고, 상기상기 절연체층은 적어도 일부 영역이 제거되어 상기 제1 전도체층을 노출시키는 절연체층 개구부를 포함하고, 상기 제2 전도체층은 적어도 일부 영역이 제거되어 상기 제1 전도체층 및 상기 절연체층을 노출시키는 제2 전도체층 개구부를 포함하고, 상기 불균일 전기장은 상기 제2 전도체층과 상기 제1 전도체층의 형상 차이에 의해 발생되는, 입자 센싱 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미세 입자는 상기 제1 전도체층에 부착되고, 상기 미세 입자 포집부는 상기 제1 전도체층에 상기 미세 입자가 부착되기 전후의 전기 전도성 차이를 감지하는, 입자 센싱 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프로세서가 감지하는 감지 신호는 상기 미세 입자 포집에 따라 변화되는 전기 전도도, 주파수, 전압 크기 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 감지 신호의 변화의 기울기를 산출하고, 기 저장된 상기 감지 신호 변화의 기울기와 매칭하여 상기 미세 입자의 종류를 판별하는, 입자 센싱 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 미세 입자 포집 장치, 미세 입자 센싱 방법은 300nm 이하의 미세 입자에 대한 포집, 센싱 감도가 우수하다. 또한, 미세 입자 포집 장치 및 미세 입자 센싱 방법을 저전력으로 구동 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 포집 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 포집부를 나타낸 사시도이고, 도 2b는 도 2a의 A-A' 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 패턴화된 수직 나노갭 전극을 이용한 유전영동(dielectrophoresis)에 의한 입자의 포집 원리를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 4a는 각각 (좌) 균일한 및 (우) 불균일한 전기장 구배 하에서 입자가 받는 힘을 나타낸 도이고, 도 4b는 공기 중 부유하는 전선 피복 나노 입자를 검지하는 원리를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전도체층으로서 SiO2로 이격된 전극쌍(패턴된 금 및 ITO) 및 이의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 6은 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 7은 (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 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 센싱 방법을 나타낸 순서도이다.
도 9는 (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 10은 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 11은 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 12는 실험예에 따라 아리조나 시험용 먼지를 포집한 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 포집 장치의 적용 예시인 화재 감지 장치를 나타낸 사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 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.
본 발명의 일 실시예에 따르면 입자 포집 장치가 제공된다. 입자 포집 장치는 유전 영동 현상을 이용하여 직경이 300 nm 이하인 미세 입자를 저전력으로 높은 감도로 포집할 수 있다. 이에 따라, 입자 포집 장치는 다양한 용도로 이용될 있다. 예를 들어, 입자 포집 장치는 화재 감지 장치, 미세 먼지 제거를 위한 공기 청정 장치 등으로 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 포집 장치를 나타낸 사시도이다.
도 1에 따르면, 입자 포집 장치는 미세 입자 포집부(10) 및 프로세서(20)를 포함한다.
미세 입자 포집부(10)는 직경이 300nm 이하인 미세 입자를 포집한다. 이때 직경이 300nm 이하라는 것은 입자의 평균 직경을 의미하며, 입자가 직경을 산출하기 어려운 비정형 형태일 경우에도, 직경이 300nm 이하인 구형 입자의 부피와 유사한 부피를 갖는다면 본 발명에서 언급하는 직경이 300nm 이하인 미세 입자라고 지칭할 수 있다.
미세 입자 포집부(10)는 평면 상에서 상이한 형태를 갖는 적어도 2개의 전도체층 및 적어도 2개의 전도체층 사이에 제공되며 전도체층의 적어도 일부를 노출하는 절연체층을 포함한다. 미세 입자 포집부(10)에 포함된 적어도 2개의 전도체층에 의해 형성되는 불균일 전기장에 의하여 미세 입자가 포집될 수 있다. 미세 입자 포집부(10)는 구체적으로 유전 영동 현상을 이용하여 주변의 미세 입자를 높은 감도로 포집할 수 있다. 불균일 전기장은 전기장의 구배가 일정하지 않은 것을 의미한다.
미세 입자 포집부(10)가 불균일 전기장 및 이를 이용한 유전 영동 현상을 이용하여 미세 입자를 포집하기 때문에, 본 발명에 따른 장치는 저전력으로 구동 가능하다.
미세 입자 포집부(10)의 구조 및 작동 원리에 대해서는 이하에서 더 자세히 살펴보고자 한다.
프로세서(20)는 미세 입자 포집부(10)로부터 감지 신호를 수신하고, 감지 신호로부터 포집한 미세 입자의 정보를 매칭한다.
프로세서(20)가 수신하는 감지 신호는 미세 입자 포집에 따라 변화되는 전기 전도도, 주파수, 전압 크기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 구체적으로, 미세 입자는 미세 입자 포집부(10)에 제공된 적어도 2개의 전도체층 중 하나에 부착될 수 있는데, 미세 입자가 전도체층에 부착됨에 따라 전기 전도도, 주파수, 전압 크기 중 적어도 하나가 변화할 수 있다. 이러한 변화는 프로세서(20)에 의해 감지된다.
프로세서(20)는 주기적으로 또는 연속적으로 미세 입자 포집부(10)로부터 전기 정보를 수신할 수 있다. 전기 정보는 미세 입자 포집부(10)에 제공된 전압의 크기, 교류 전류의 주파수, 미세 입자 포집부(10)를 흐르는 전류의 크기(전기 전도도) 등을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상술한 것과 같이 미세 입자가 미세 입자 포집부(10)에 포집되어 변화하는 전기 정보를 프로세서(20)가 수신하고, 수신한 전기 정보에 따라 추가 동작을 수행할 수 있다.
프로세서(20)가 수행하는 추가 동작은 예를 들어 감지 신호의 변화의 기울기를 산출하고, 이를 저장된 감지 신호 변화의 기울기와 매칭하는 것일 수 있다. 저장된 감지 신호 변화의 기울기는 각각 미세 입자의 종류 정보(미세 입자 크기, 유체 중 농도, 미세 입자를 구성하는 물질 종류 등)와 연결되어 있다. 프로세서(20)는 미세 입자 포집부(10)로부터 감지 신호를 수신하여 감지 신호 변화 기울기를 산출하고, 산출된 감지 신호 변화 기울기를 저장된 정보와 비교함으로써, 현재 미세 입자 포집부(10)가 포집한 입자의 종류 정보를 파악할 수 있다.
이하에서는 미세 입자 포집부(10)의 구조에 대하여 더 자세히 살펴보고자 한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 포집부를 나타낸 사시도이고, 도 2b는 도 2a의 A-A' 단면도이다. 도 3은 본 발명에 따른 패턴화된 수직 나노갭 전극을 이용한 유전영동(dielectrophoresis)에 의한 입자의 포집 원리를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2a 및 도 2b를 참고하면, 미세 입자 포집부(10)는 제1 전도체층(100), 절연체층(200), 및 제2 전도체층(300)을 포함한다.
본 발명에 따르면 유전영동 원리를 이용하여 미세 입자를 포집 및 센싱함에 있어서, 낮은 전압을 인가하여도 우수한 유전영동 효과를 발휘할 수 있는 미세 입자 포집부(10)를 제공한다.
구체적으로, 제1 전도체층(100) 및 제2 전도체층(300)을 포함하고, 제1 전도체층(100)과 제2 전도체층(300)은 수십 내지 수백 나노미터 두께의 절연체층(200)에 의해 이격되어 전기적으로 분리된다. 제2 전도체층(300)은 적어도 일부 영역이 제거되어 제1 전도체층(100) 및 절연체층(200)을 노출시키는 제2 전도체층 개구부(300h)를 포함한다. 또한, 절연체층(200)은 적어도 일부 영역이 제거되어 제1 전도체층(100)을 노출시키는 절연체층 개구부(200h)를 포함한다.
미세 입자 포집부(10)가 상술한 형태를 가짐으로써 제1 전도체층(100)과 제2 전도체층(300)에 교류 전압을 인가하는 경우 절연체층 개구부(200h) 및 제2 전도체층 개구부(300h)에서 유전영동 현상을 발생시킬 수 있도록 하였으며, 저전압, 예를 들어, 1V 이하 수준의 낮은 전압을 인가하더라도 주파수를 적절히 조절하여 마이크론 또는 나노 수준의 미세 입자의 거동을 포집하여 센싱할 수 있도록 한다.
미세 입자 포집부(10)에 미세 입자가 포집되었을 때, 포집된 미세 입자는 제2 전도체층 개구부(300h)를 형성하는 제2 전도체층(300) 안쪽 면에 부착될 수 있다. 미세 입자가 제2 전도체층(300)에 부착됨에 따라, 제2 전도체층(300)의 저항, 전기 전도도가 달라질 수 있다. 미세 입자 포집부(10)는 미세 입자 포집에 따른 저항, 전기 전도도 변화를 감지하기 위한 저항 측정 부재를 더 포함할 수 있다.
미세 입자 포집부(10)는 수 cm2 이상의 대형으로 제조되거나 수 cm2 이하의 소형으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 미세 입자 포집부(10)의 크기는 수 mm2 또는 수 μm2 수준일 수 있다. 미세 입자 포집부(10)는 복수 개의 제2 전도체층 개구부(300h) 및 절연체층 개구부(200h)를 포함할 수 있다. 제2 전도체층 개구부(300h) 및 절연체층 개구부(200h)의 크기 및 홀 간의 간격을 조절하여 적게는 수 개 내지 수 백개로부터 많게는 수 백만개 이상까지 형성된 개구부를 포함하는 미세 입자 포집부(10)를 제조할 수 있다. 이를 이용하여 균등 및/또는 균일한 힘으로 미세 입자 포집/센싱이 가능하다.
제2 전도체층 개구부(300h) 및 절연체층 개구부(200h)는 서로 대응되는 형태를 갖고, 대응되는 위치에 제공될 수 있다. 이에 따라, 제2 전도체층 개구부(300h) 및 절연체층 개구부(200h)에 의해 제1 전도체층(100)의 적어도 일부 영역이 노출되고 유전영동 효과가 나타날 수 있다. 다만, 대응되는 형태와 위치를 갖는다는 것이 제2 전도체층 개구부(300h) 및 절연체층 개구부(200h)의 크기 및 형상이 반드시 일치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 제2 전도체층 개구부(300h) 및 절연체층 개구부(200h)는 불균일 전기장을 형성하고 유전영동 효과를 나타내는 범위 내에서 서로 다른 형상, 크기, 및 위치를 가질 수 있다.
제2 전도체층 개구부(300h) 및 절연체층 개구부(200h)는 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.
제1 전도체층(100) 및 제2 전도체층(300)은 서로 동일하거나 상이한 전도성 물질로 된 필름일 수 있다.
미세 입자 포집부(10)는 전기를 통할 수 있는 제1 전도체층(100)과 제2 전도체층(300)이 소정의 두께를 갖는 절연체층(200)으로 이격된 샌드위치 형태의 구조물로서, 상기 절연체층(200)을 통해 제1 전도체층(100)과 제2 전도체층(300)은 전기적으로 분리된 평행한 전극으로 작용할 수 있다. 제1 전도체층(100)과 제2 전도체층(300)은 교류 전압을 인가받아 유전영동 현상을 나타낸다.
"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 담긴 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 3 및 도 4a에 도식화하여 나타내었다.
입자가 주파수, ω의 교류가 인가된 매질, 예컨대, 유체에 놓였을 때 받게 되는 유전영동력(FDEP)은 아래의 식으로 표현될 수 있다.
Figure 112020081336232-pat00001
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.
Figure 112020081336232-pat00002
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.
제1 전도체층(100) 및 제2 전도체층(300)은 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.
절연체층(200)은 절연적 특성을 지닌 비전도성 물질을 제한없이 이용하여 형성할 수 있다. 예컨대, 절연체층(200)은 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 제1 전도체층(100) 및 제2 전도체층(300)의 형태적 특징상 제조공정에 있어서 절연체층의 선택적인 식각을 필요로 하는 바, 사용하고자 하는 공정에 따라 절연체층(200)의 소재를 선택하거나, 반대로 절연체층(200)의 소재로 특정 물질을 선택한 경우 이에 따라 제조공정을 설계할 수 있다. 예컨대, 절연체층(200)으로 폴리머 필름을 포함하는 경우 폴리머의 종류에 따라 선택되는 부식제 예컨대, 특정 용매로 처리함으로써 손쉽게 식각하여 패턴을 형성할 수 있다.
절연체층(200)의 두께가 5 nm 미만으로 얇은 경우, 이의 양면에 위치한 제1전도체 및 제2전도체 사이의 거리가 가까워져 절연체의 유무와 무관하게 전자가 전달되는 '터널링 효과'에 의해, 미세 입자 포집부(10)의 층상형 구조물 전체가 하나의 도체와 같이 거동하며 제1 전도체층(100)과 제2 전도체층(300)은 더이상 개별 전극으로 작동하기 어렵다. 따라서, 절연체층(200)의 두께는 터널링 효과를 허락하지 않는 절연체층(200)의 특징에 따라 최소 두께로 결정되며, 이는 제1 전도체층(100), 제2 전도체층(300), 및 절연체층(200)의 소재에 따라 상이할 수 있다. 다만, 상기 절연체층(200)의 두께가 나노 수준을 벗어나 마이크로미터 수준에 도달하면, 예컨대, 절연체층(200)의 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. 절연체층(200)의 두께가 증가하면 상대적으로 개구부에 의한 전기장의 결함이 작아지므로 이에 따른 유전영동 효과의 감소를 유도할 수 있다. 따라서, 절연체층(200)의 두께 및/또는 제2 전도체층 개구부(300h) 및 절연체층 개구부(200h)의 크기는 이에 도입되는 포집하고자 하는 입자의 크기를 고려하여 상호 유기적으로 조절할 수 있음은 당업자에 자명하다.
상술한 제1 전도체층(100), 절연체층(200), 및 제2 전도체층(300)이 적층되어 형성된 미세 입자 포집부(10)는 복수 개 제공될 수 있다. 복수 개의 미세 입자 포집부(10)는 각각 독립적으로 또는 일괄적으로 작동될 수 있다. 아울러, 복수 개의 미세 입자 포집부(10)는 그 형태가 각각 동일하거나 다를 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 미세 입자 포집부(10)에 제공된 절연체층 개구부(200h) 및 제2 전도체층(300h) 개구부의 형태 및 크기는 서로 다를 수 있다. 이 경우, 서로 다른 형태의 미세 입자 포집부(10)가 독립적으로 작동하여 각기 다른 크기의 미세 입자를 센싱할 수 있고, 어떤 미세 입자 포집부(10)에서 감지 신호가 발생하였는지를 추적하여 발생한 미세 입자의 형태를 감지할 수 있다.
도 4b를 참고하면, 미세 입자 포집부(10)의 미세 입자 포집 원리를 확인할 수 있다.
미세 입자 포집부(10)는 미세 입자를 포집할 수 있다. 미세 입자는 상술한 바와 같이 유전영동력에 의해 포집되고, 제2 전도체층(300) 상에 포집된 미세 입자에 의한 전기 전도도, 저항 변화를 감지하여 미세 입자를 센싱할 수 있다. 미세 입자는 크기가 약 300nm 이하인 물질일 수 있다. 특히, 미세 입자 포집부(10)가 부유하는 입자 중 랜덤하게 미세 입자 포집부(10)에 포착된 입자를 센싱하는 것이 아니라, 유전영동을 이용하여 미세 입자들을 포집한 후 센싱하기 때문에, 소량의 미세 입자가 존재하는 경우에도 정확하고 신속하게 센싱이 가능하다.
구체적으로, 도 4b를 참고하면, 미세 입자 포집부(10)에 포함된 제1 전도체층(100)과 제2 전도체층(300) 사이에 전압이 인가되고, 제2 전도체층(300)에 포함된 제2 전도체층 개구부(300h)의 영향으로 불균일한 전기장이 형성된다. 형성된 불균일한 전기장의 영향으로 미세 입자가 제2 전도체층 개구부(300h)를 구성하는 제2 전도체층(300) 일측에 포집될 수 있다. 이때 포집된 미세 입자에 의하여 제1 전도체층(100) 및 제2 전도체층(300)을 포함하는 회로의 임피던스가 달라질 수 있다. 구체적으로, 도 4b의 위의 도면에서 볼 수 있듯이, 미세 입자 포집 이전에는 임피던스가 Zair였으나, 미세 입자 포집 후 임피던스가 Zparticle로 증가할 수 있다. 이에 따라, 전기 신호가 변하고, 미세 입자 포집부(10)는 이러한 전기 신호의 변화를 포착하여 미세 입자 센싱 여부를 감지할 수 있다.
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 제2 전도체층 및 절연체층을 상기 패턴과 동일한 형태로 식각하였다. 상기 ICP 에칭을 통한 식각시 식각률은 제2 전도체층을 구성하는 금 및 절연체층을 구성하는 SiO2에서 상이한 바, 제1절연체층은 유지하되 제2 전도체층 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 5, 도 6, 및 도 7에 도시화하여 개략적으로 나타내었다. 또한 이와 같이 제조된 전극쌍의 외형을 육안으로 관찰하고, 미세 홀 어레이 패턴 및 단면은 SEM으로 확인하여, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 포집 장치 및 이에 포함된 미세 입자 포집부에 대하여 살펴보았다. 이하에서는 입자 포집 장치를 이용한 미세 입자 센싱 방법에 대하여 살펴보고자 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 센싱 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8을 참고하면, 입자 센싱 방법은 미세 입자 포집부에 전기를 인가하여 불균일 전기장을 형성하는 제1 단계(S100), 불균일 전기장을 이용하여 미세 입자를 미세 입자 포집부에 포집하는 제2 단계(S200), 및 프로세서를 통해 미세 입자 포집부에 포집된 미세 입자에 의해 발생되는 감지 신호를 감지하여 미세 입자 포집 여부를 판단하는 제3 단계(S300)를 포함한다.
제1 단계(S100)에서 형성되는 불균일 전기장은 전기장이 불균일한 구배를 갖는 것을 의미한다. 이때 전기장이 불균일한 구배를 갖는다는 것은 전기장을 구성하는 전기력선 간 간격이 불균일한 것을 의미할 수 있다. 불균일 전기장은 마주하는 적어도 2개의 전도체층이 서로 다른 형상을 갖는 것에서 기인할 수 있다. 예를 들어, 판상의 제1 전도체층과 개구부를 포함하는 제2 전도체층이 제공되는 때, 제1 전도체층과 제2 전도체층의 형상이 상이하기 때문에 제2 전도체층이 포함하는 개구부(제2 전도체층 개구부)를 중심으로 불균일 전기장이 형성될 수 있다. 아울러, 제1 단계(S100)에서 서로 마주하는 적어도 2개의 전도체층 사이에 전류가 흐를 경우 불균일 전기장이 형성되지 않을 수 있으므로, 전도체층들 사이에는 절연층이 제공될 수 있다. 절연층은 마주하는 적어도 2개의 전도체층 사이에 터널링 효과에 의한 통전이 발생하지 않는 두께를 가질 수 있다.
제1 단계(S100)에서 미세 입자 포집부에는 교류 전압이 인가될 수 있다. 교류 전압의 주파수를 조정함으로써 제1 단계(S100)에서 형성되는 전기장의 특성 및 이에 따른 유전영동력을 조절할 수 있다.
다음으로, 제2 단계(S200)에서 불균일 전기장을 이용하여 미세 입자를 미세 입자 포집부에 포집할 수 있다. 이때 미세 입자는 불균일 전기장 내에서 유전영동력을 받아 미세 입자 포집부쪽으로 이동될 수 있다. 미세 입자는 예를 들어, 마주하는 제1 전도체층과 제2 전도체층 중 어느 하나에 부착될 수 있다. 예를 들어, 제1 전도체층과 개구부를 포함하는 제2 전도체층이 제공되는 때, 미세 입자는 제1 전도체층에 부착될 수 있다.
다음으로, 제3 단계(S300)에서 포집된 미세 입자에 의해 발생되는 감지 신호를 감지하여 미세 입자 포집 여부를 판단할 수 있다. 감지 신호는 미세 입자 포집에 따라 변화되는 전기 전도도, 주파수, 전압 크기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 구체적으로 미세 입자가 전도체층에 부착됨에 따라 전기 전도도, 주파수, 전압 크기 중 적어도 하나가 변화할 수 있고, 이러한 변화는 프로세서에 의해 감지된다.
제3 단계(S300)에서 프로세서는 주기적으로 또는 연속적으로 미세 입자 포집부로부터 전기 정보를 수신할 수 있다. 전기 정보는 미세 입자 포집부에 제공된 전압의 크기, 교류 전류의 주파수, 미세 입자 포집부를 흐르는 전류의 크기(전기 전도도) 등을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상술한 것과 같이 미세 입자가 미세 입자 포집부에 포집되어 변화하는 전기 정보를 프로세서가 수신하고, 수신한 전기 정보에 따라 추가 동작을 수행할 수 있다.
제3 단계(S300)에서 프로세서가 수행하는 추가 동작은 예를 들어 감지 신호의 변화의 기울기를 산출하고, 이를 저장된 감지 신호 변화의 기울기와 매칭하는 것일 수 있다. 저장된 감지 신호 변화의 기울기는 각각 미세 입자의 종류 정보(미세 입자 크기, 유체 중 농도, 미세 입자를 구성하는 물질 종류 등)와 연결되어 있다. 프로세서는 미세 입자 포집부로부터 감지 신호를 수신하여 감지 신호 변화 기울기를 산출하고, 산출된 감지 신호 변화 기울기를 저장된 정보와 비교함으로써, 현재 미세 입자 포집부가 포집한 입자의 종류 정보를 파악할 수 있다.
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.
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 미세 입자 검출 가능성을 확인했다.
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.
Figure 112020081336232-pat00003
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.
Figure 112020081336232-pat00004
이때, ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수, ε* p는 포집하고자 하는 입자의 유전율, ε* m은 유체의 유전율이다.
도 9(A)에 상기 실시예 1 및 2에 따라 제조된 유전영동 전극쌍에 교류 전압을 인가하였을 때, 발생하는 전기장의 분포를 나타내었으며, 도 9(B)에 상기 수식을 통해 이론적으로 도출된 폴리스티렌 입자에 대한 주파수에 따른 클라우시우스-모소티 함수를 나타냈다.
도 9(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 9(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 10 내지 도 11에 나타내었다.
도 10에 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 11에 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: 초미세먼지 센싱 실험을 통한 감지 능력 확인
도 12는 실험예에 따라 아리조나 시험용 먼지를 포집한 결과를 나타낸 것이다.
약 40nm 두께의 ITO 필름 상에, 약 500nm의 PVP 절연체층 및 약 40 nm의 금(Au) 전극을 적층하여 미세 입자 포집부를 형성한 후 미세 입자 센싱 능력을 시험하였다.
상술한 미세 입자 포집부 상에 아리조나 시험용 먼지(Arizona Test Dust)를 분사 후 교류 전원을 입가하여 미세 입자 포집을 실시하였다.
실험 조건은 10V 전압, 15kHz의 주파수를 인가하였다. 공기 중에서 균일한 입자 분사를 위하여 애리조나 먼지 입자를 초음파 분무형 가습기위에 넣은 후, 나노크기의 미세먼지 입자를 물방울에 태워 공기중에 분사하였다. 미세 입자 포집 전(Before DEP)과 미세 입자 포집 후(After DEP)를 비교하면, 분사된 물방울이 공기중에서 자동적으로 건조되는 특성을 이용하여 물방울 안에 존재하는 미세먼지 입자가 공기 중에서 포집되는 결과를 얻어낼 수 있었다.
실험 결과에서 확인할 수 있듯이 300nm 내외의 크기를 갖는 입자들이 제2 전도체층 개구부 및/또는 절연체층 개구부 상에 부착된 것을 확인할 수 있다(After DEP 참고).
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 포집 장치의 예시인 화재 감지 장치를 나타낸 사시도이다.
화재 감지 장치(1000)는 전기 화재를 감지할 수 있는 장치일 수 있다. 예를 들어, 화재 감지 장치(1000)는 합선, 누전, 접촉 불량, 과전압 인가와 같은 다양한 원인으로 발생하는 전기 화재를 감지할 수 있다.
화재 감지 장치(1000)는 전력 계통과 함께 제공될 수 있다. 예를 들어, 화재 감지 장치(1000)는 배전함 등의 일부로 제공될 수 있다.
화재 감지 장치(1000)는 미세 입자 포집부(10) 및 프로세서(20)를 포함한다.
미세 입자 포집부(10)는 미세 입자를 센싱한다. 미세 입자는 전기 화재 발생 시 전류가 흐르는 배선의 적어도 일부가 기화되어 생성된 것일 수 있다. 예를 들어 배선의 피복은 절연성, 난연성 재질로 제공될 수 있다. 예를 들어, 피복은 폴리비닐클로라이드(PVC)와 같은 고분자 수지로 제공될 수 있다. 절연성, 난연성 재질을 갖는 피복은 가열되어 적어도 일부가 기화되었을 때, 특정 종류의 화합물을 발산할 수 있다. 예를 들어, 미세 입자는 나프탈렌(naphthalene), 벤진(benzene), 다이올레핀(diolefins), 모노올레핀(monoolefins), 파라핀(paraffins), 및 수트(soot)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
미세 입자 포집부(10)는 특정 종류의 입자를 포집하도록 제어될 수 있기 때문에, 상술한 물질들이 배선 화재로 인하여 기화되어 생성하는 미세 입자를 포집할 수 있다.
미세 입자 포집부(10)에서 포집한 미세 입자에 의하여 감지 신호가 발생한다. 미세 입자 포집부(10)에서 발생한 감지 신호는 상술한 것과 같이 프로세서(20)에 의해 감지되고 분석된다.
프로세서(20)가 감지하는 감지 신호는 전기 전도도 변화, 주파수 변화, 전압 크기 변화 등일 수 있다. 프로세서(20)는 이들의 변화, 변화의 폭(변화의 기울기) 등을 산출할 수 있다. 또한, 산출된 변화의 기울기를 저장된 감지 신호 정보와 비교하고, 감지 신호 정보에 매칭되는 미세 입자 정보를 로드할 수 있다. 이를 통해 프로세서(20)는 미세 입자 포집부(10)가 센싱한 미세 입자의 종류, 유체 중 농도 등을 파악할 수 있다.
프로세서(20)는 상술한 과정을 통해 배선으로부터 발생한 미세 입자의 종류 및 유체 중 농도를 확인할 수 있다. 이에 따라, 특정 종류의 미세 입자가 특정 농도 이상 감지되었을 때 프로세서(20)는 화재 여부를 판별하여 적절한 알림 메시지를 송출할 수 있다. 알림 메시지는 예를 들어 화재 발생 여부, 화재 발생 시간, 화재 발생 위치, 화재 정도 등의 데이터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 전기 배선, 미세 입자 포집부(10) 및 프로세서(20)를 커버하는 커버부를 더 포함할 수 있다. 커버부는 미세 입자 포집부(10)와 프로세서(20)를 커버하며 닫힌 공간을 형성할 수 있다. 커버부가 제공됨에 따라, 미세 입자 포집부(10)는 상대적으로 닫힌 공간에 제공될 수 있다. 이에 따라, 외부 공기에 포함된 입자가 미세 입자 포집부(10)에 센싱되어 잘못된 경보가 울리는 것을 방지할 수 있다. 또한, 커버부(30) 내의 상대적으로 좁은 공간에 배선과 미세 입자 포집부(10)가 제공됨에 따라, 배선으로부터 발생한 미세 입자가 보다 신속하게 미세 입자 포집부(10)에서 포집될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
10: 미세 입자 포집부 20: 프로세서
100: 제1 전도체층 200: 절연체층
300: 제2 전도체층

Claims (12)

  1. 직경이 300nm 이하인 미세 입자를 포집하는 미세 입자 포집부; 및
    상기 미세 입자 포집부로부터 감지 신호를 수신하고, 상기 감지 신호로부터 포집한 상기 미세 입자의 정보를 매칭하는 프로세서를 포함하고,
    상기 미세 입자 포집부는 평면 상에서 상이한 형태를 갖는 적어도 2개의 전도체층 및 상기 적어도 2개의 전도체층 사이에 제공되며 상기 전도체층의 적어도 일부를 노출하는 절연체층을 포함하고,
    상기 미세 입자 포집부는 상기 미세 입자가 부착되기 전후의 전기 전도성 차이를 감지하고,
    상기 프로세서는 상기 감지 신호의 변화의 기울기를 산출하고, 저장된 상기 감지 신호의 변화의 기울기와 매칭하여 상기 미세 입자의 종류를 판별하는, 입자 포집 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세 입자 포집부는
    제1 전도체층;
    상기 제1 전도체층 상에 제공된 절연체층; 및
    상기 절연체층 상에 제공된 제2 전도체층을 포함하고,
    상기 절연체층은 10 nm 이상의 두께를 가지며,
    상기 절연체층은 적어도 일부 영역이 제거되어 상기 제1 전도체층을 노출시키는 절연체층 개구부를 포함하고,
    상기 제2 전도체층은 적어도 일부 영역이 제거되어 상기 제1 전도체층 및 상기 절연체층을 노출시키는 제2 전도체층 개구부를 포함하는, 입자 포집 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    상기 절연체층 개구부 및 상기 제2 전도체층 개구부는 평면 상에서 대응되는 형태를 갖는, 입자 포집 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 절연체층 개구부 및 상기 제2 전도체층 개구부는 각각 독립적으로 50 nm2 내지 10,000 ㎛2의 면적을 갖는, 입자 포집 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 입자 포집 장치는 상기 미세 입자 포집부를 복수 개 포함하고,
    복수 개의 상기 미세 입자 포집부는 각각 독립적으로 또는 일괄적으로 작동되는, 입자 포집 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 미세 입자 포집부는
    서로 이격되어 제공되는 복수 개의 상기 제1 전도체층;
    복수 개의 상기 절연체층 개구부를 포함하는 절연체층; 및
    복수 개의 상기 제2 전도체층 개구부를 포함하는 제2 전도체층을 포함하는, 입자 포집 장치.
  9. 미세 입자 포집부에 전기를 인가하여 불균일 전기장을 형성하는 제1 단계;
    상기 불균일 전기장을 이용하여 미세 입자를 상기 미세 입자 포집부에 포집하는 제2 단계; 및
    프로세서를 통해 상기 미세 입자 포집부에 포집된 상기 미세 입자에 의해 발생되는 감지 신호를 감지하여 미세 입자 포집 여부를 판단하는 제3 단계를 포함하고,
    상기 미세 입자 포집부는 상기 미세 입자가 부착되기 전후의 전기 전도성 차이를 감지하고,
    상기 프로세서는 상기 감지 신호의 변화의 기울기를 산출하고, 저장된 상기 감지 신호의 변화의 기울기와 매칭하여 상기 미세 입자의 종류를 판별하는, 입자 센싱 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 미세 입자 포집부는
    제1 전도체층;
    상기 제1 전도체층 상에 제공된 절연체층; 및
    상기 절연체층 상에 제공된 제2 전도체층을 포함하고,
    상기상기 절연체층은 적어도 일부 영역이 제거되어 상기 제1 전도체층을 노출시키는 절연체층 개구부를 포함하고,
    상기 제2 전도체층은 적어도 일부 영역이 제거되어 상기 제1 전도체층 및 상기 절연체층을 노출시키는 제2 전도체층 개구부를 포함하고,
    상기 불균일 전기장은 상기 제2 전도체층과 상기 제1 전도체층의 형상 차이에 의해 발생되는, 입자 센싱 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 미세 입자는 상기 제1 전도체층에 부착되고,
    상기 미세 입자 포집부는 상기 제1 전도체층에 상기 미세 입자가 부착되기 전후의 전기 전도성 차이를 감지하는, 입자 센싱 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서가 감지하는 감지 신호는 상기 미세 입자 포집에 따라 변화되는 전기 전도도, 주파수, 전압 크기 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 감지 신호의 변화의 기울기를 산출하고, 저장된 상기 감지 신호의 변화의 기울기와 매칭하여 상기 미세 입자의 종류를 판별하는, 입자 센싱 방법.
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