KR102522280B1 - Electrical impactor with cicada wings imitation nano-spike impaction plate - Google Patents
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Abstract
매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터에 관한 것으로, 최상층에 위치하며 미생물 입자를 유입하는 도입부와; 상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 1 센싱부;와 상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 2 센싱부;를 포함하고, 상기 제 1 센싱부;는 센싱부 표면에 일반 충돌판;이 포함되어 있으며, 상기 제 2 센싱부;는 센싱부 표면이 나노스파이크 충돌판;이 포함되어있고, 제 1 센싱부;와 제 2 센싱부;의 전기석 신호를 입력받는 측정부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기적 임팩터를 제공한다.It relates to an electric impactor to which a cicada wing structure biomimetic nano-spike impact plate is applied, and an inlet located on the uppermost layer and introducing microbial particles; A first sensing unit for measuring a current due to collision of microbial particles introduced through the inlet; and a second sensing unit for measuring a current due to collision of microbial particles introduced through the inlet; The sensing unit includes a general collision plate on the surface of the sensing unit, and the second sensing unit includes a nano-spike collision plate on the surface of the sensing unit, and the first sensing unit and the second sensing unit have It provides an electric impactor characterized in that it is configured to include; a measurement unit for receiving a tourmaline signal.
Description
본 발명은 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터에 관한 것이다.The present invention relates to an electric impactor to which a biomimetic nanospike impact plate having a cicada wing structure is applied.
에어로졸은 기체와 기체 중에 부유하고 있는 고체 또는 액체 입자로써 정의 된다. 이러한 에어로졸은 크기가 1 nm에서 100 μm 이상의 아주 넓은 범위를 가지고 있기 때문에 이를 정확히 계측하기 어려운 실정이다. 또한 에어로졸의 물리적 화학적 특성 다르고 형상, 밀도 등 다양한 변수가 존재하기 때문에 계측에 있어서 이를 반영하기가 극히 힘들다.Aerosols are defined as gases and solid or liquid particles suspended in gases. Since these aerosols have a very wide range in size from 1 nm to 100 μm or more, it is difficult to accurately measure them. In addition, since the physical and chemical properties of aerosols are different and there are various variables such as shape and density, it is extremely difficult to reflect them in measurement.
이러한 에어로졸은 다양한 성분으로 구성되어 있는데, 이 중에는 최근 이슈가 되고 있는 COVID-19 같은 바이러스뿐만 아니라 박테리아 같은 바이오에어로졸도 에어로졸의 범주에 포함된다. 바이오 에어로졸 계측은 대표적으로 군집계수법(Colony forming unit, CFU), 중합효소 연쇄 반응(Polymerase chain reaction, PCR) 등이 있다. 하지만 CFU는 1일 이상, PCR은 수 시간 이상의 시간이 걸리기 때문에 실시간 계측과는 다소 거리가 멀다고 볼 수 있다.These aerosols are composed of various components, among which not only viruses such as COVID-19, which have recently become an issue, but also bioaerosols such as bacteria are included in the category of aerosols. Bio-aerosol measurement typically includes colony forming unit (CFU) and polymerase chain reaction (PCR). However, since CFU takes more than one day and PCR takes more than several hours, it can be seen that it is somewhat far from real-time measurement.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 전기식 임팩터를 이용하여 PSL (Polystyrene Latex) 실험입자와 박테리아 (Staphylococcus epider midis)를 동시에 하전시켜 충돌판에 아무처리를 하지 않은 임팩터와 매미 날개를 모방한 나노스파이크(nano-spike) 형태로 가공한 충돌판이 삽입되어 있는 임팩터로 동시 측정하여 전류 값의 차이로 에어로졸과 바이오에어로졸의 양을 정량적으로 측정하였다.In order to solve the above problems, in the present invention, an electric impactor is used to simultaneously charge PSL (Polystyrene Latex) test particles and bacteria (Staphylococcus epider midis), and the impactor without any treatment on the impact plate and nano mimicking cicada wings The amount of aerosol and bioaerosol was quantitatively measured by the difference in current value by simultaneous measurement with an impactor into which a collision plate processed in the form of a spike (nano-spike) was inserted.
이에 본 발명의 목적은, 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an electric impactor to which a biomimetic nanospike impact plate having a cicada wing structure is applied.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 전기적 임팩터를 이용한 바이오에어로졸 농도 측정 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a bioaerosol concentration measurement method using the electric impactor.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 최상층에 위치하며 미생물 입자를 유입하는 도입부와; 상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 1 센싱부;와 상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 2 센싱부;를 포함하고, 상기 제 1 센싱부;는 센싱부 표면에 일반 충돌판;이 포함되어 있으며, 상기 제 2 센싱부;는 센싱부 표면이 나노스파이크 충돌판;이 포함되어있고, 제 1 센싱부;와 제 2 센싱부;의 전기석 신호를 입력받는 측정부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기적 임팩터를 제공한다.In order to achieve the object of the present invention as described above, the present invention is located on the uppermost layer and introduces the microbial particles; A first sensing unit for measuring a current due to collision of microbial particles introduced through the inlet; and a second sensing unit for measuring a current due to collision of microbial particles introduced through the inlet; The sensing unit includes a general collision plate on the surface of the sensing unit, and the second sensing unit includes a nano-spike collision plate on the surface of the sensing unit, and the first sensing unit and the second sensing unit have It provides an electric impactor characterized in that it is configured to include; a measurement unit for receiving a tourmaline signal.
또한, 본 발명은 상기 전기적 임팩터를 이용한 바이오에어로졸 농도 측정 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a bioaerosol concentration measurement method using the electric impactor.
본 발명에 따르면, 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide an electric impactor to which a cicada wing structure biomimetic nanospike impact plate is applied.
또한, 본 발명의 전기적 임팩터는 기존의 군집계수법보다 훨씬 짧은 시간이 소요되어 실시간으로 바이오에어로졸을 계측할 수 있다.In addition, the electrical impactor of the present invention can measure bioaerosols in real time because it takes much shorter time than conventional cluster counting methods.
도 1은 전기적 임팩터를 이용한 바이오에어로졸의 측정 방법에 대한 개략도이다.
도 2는 전기적 임팩터의 개략도이다.
도 3은 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판 제조 방법의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 임팩터의 충돌판에서 세포용해(cell lysis)실험 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 임팩터의 충돌판에서 나노스파이크와 충돌 시 박테리아(S.aureus)의 손상도를 확인한 SEM 사진이다.1 is a schematic diagram of a bioaerosol measurement method using an electric impactor.
2 is a schematic diagram of an electrical impactor.
3 is a schematic diagram of a method for manufacturing a cicada wing structure biomimetic nanospike impact plate.
Figure 4 is a graph of the results of cell lysis test on the impactor plate according to the present invention.
5 is a SEM photograph confirming the degree of damage of bacteria (S. aureus) upon collision with nanospikes on the impact plate of the impactor according to the present invention.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터에 관한 것이다.The present invention relates to an electric impactor to which a biomimetic nanospike impact plate having a cicada wing structure is applied.
본 발명에 따른 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터는 최상층에 위치하며 미생물 입자를 유입하는 도입부와; 상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 1 센싱부;와 상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 2 센싱부;를 포함하고, 상기 제 1 센싱부;는 센싱부 표면에 일반 충돌판;이 포함되어 있으며, 상기 제 2 센싱부;는 센싱부 표면이 나노스파이크 충돌판;이 포함되어있고, 제 1 센싱부;와 제 2 센싱부;의 전기석 신호를 입력받는 측정부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The electric impactor to which the biomimetic nanospike impact plate of the cicada wing structure according to the present invention is applied includes an introduction part located on the uppermost layer and introducing microbial particles; A first sensing unit for measuring a current due to collision of microbial particles introduced through the inlet; and a second sensing unit for measuring a current due to collision of microbial particles introduced through the inlet; The sensing unit includes a general collision plate on the surface of the sensing unit, and the second sensing unit includes a nano-spike collision plate on the surface of the sensing unit, and the first sensing unit and the second sensing unit have Characterized in that it is configured to include; a measuring unit that receives a tourmaline signal.
본 발명에서 "충돌판"은 도 2에서와 같이 전기적 임팩터의 센싱부의 표면에 위치하며, 바이어에어로졸이 충돌판에 포집되면 센싱부에서 전류가 발생하여 측정부에서 전류값을 측정한다.In the present invention, the “impact plate” is located on the surface of the sensing unit of the electric impactor as shown in FIG. 2, and when the Bayer aerosol is collected on the collision plate, current is generated in the sensing unit and the current value is measured in the measuring unit.
본 발명에서 "일반 충돌판"은 표면에 아무런 처리를 하지 않은 실리콘 웨이퍼(si wafer)를 말한다.In the present invention, "general impact plate" refers to a silicon wafer (si wafer) without any treatment on the surface.
본 발명에서 "바이오에어로졸"은 기체상의 미생물이나 생물에서 발생한 기체상의 모든 물질을 가리킨다. 예를 들어 살아있거나 죽은 미생물 (박테리아), 미생물 부스러기, 곰팡이포자, 꽃가루, 동식물에서 발생한 알레르기물질, 사람의 몸에서 나온 기침 및 체액, 그리고 미생물에서 발생한 독소 등을 포함한다. 바이오에어로졸은 자연에 무한히 많으며 존재 하는 곳도 집 안과 밖, 건물내부 및 외부, 그리고 동식물의 거주지 등등 다양하다. 또한 그 크기도 1 마이크론보다 작은 크기에서 100 마이크론까지 아우르고 있다.In the present invention, "bioaerosol" refers to all gaseous substances generated from gaseous microorganisms or organisms. Examples include living and dead microorganisms (bacteria), microbial debris, mold spores, pollen, allergens from animals and plants, cough and bodily fluids from the human body, and toxins from microorganisms. Bioaerosols are infinitely numerous in nature and exist in various places, such as inside and outside houses, inside and outside buildings, and habitats of animals and plants. They also range in size from less than 1 micron to 100 microns.
미생물은, 박테리아 또는 곰팡이 일 수 있다. 더욱 바람직하게는 박테리아일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.Microorganisms can be bacteria or fungi. More preferably, it may be bacteria, but is not limited thereto.
나노스파이크 충돌판은, 다음과 같은 나노스파이크가 충돌판 표면에 형성되어 있을 수 있다. 나노스파이크는 폭이 100 내지 200nm, 더욱 바람직하게는 120 내지 150nm일 수 있고, 높이가 300 내지 400nm, 더욱 바람직하게는 330 내지 370일 수 있으며, 나노스파이크 사이의 거리가 100 내지 200nm, 더욱 바람직하게는 120 내지 150nm일 수 있다.In the nanospike collision plate, the following nanospikes may be formed on the surface of the collision plate. Nanospikes may have a width of 100 to 200 nm, more preferably 120 to 150 nm, a height of 300 to 400 nm, more preferably 330 to 370 nm, and a distance between nanospikes of 100 to 200 nm, more preferably may be 120 to 150 nm.
발명의 다른 양태로서, 본 발명에 따른 바이오에어로졸 농도 측정 방법은 최상층의 도입부로 미생물이 도입되는 단계; 도입된 미생물이 충돌판에 충돌하여 발생하는 전기적 신호를 측정하는 단계; 및 제 1 센싱부;와 제 2 센싱부;의 전기적 신호의 차이로 미생물의 농도를 확인하는 단계;를 포함할 수 있다.As another aspect of the present invention, the bioaerosol concentration measurement method according to the present invention includes the steps of introducing microorganisms into an introduction part of the uppermost layer; Measuring an electrical signal generated when the introduced microorganisms collide with the impact plate; and confirming the concentration of microorganisms with a difference in electrical signals between the first sensing unit and the second sensing unit.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면을 참조하여 실시예 및 실험예에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예 및 실험예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples and experimental examples will be described in more detail with reference to the accompanying drawings to aid understanding of the present invention. However, the following Examples and Experimental Examples are only provided to more easily understand the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following Examples and Experimental Examples.
<실험예 1> 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판 제조<Experimental Example 1> Manufacturing cicada wing structure biomimetic nanospike impact plate
매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판 제조 방법의 개략도는 도 3으로 표현된다.A schematic diagram of a method for manufacturing a cicada wing structure biomimetic nanospike impact plate is represented in FIG. 3 .
먼저 실리콘 웨이퍼(si wafer)위에 백금합금(Pt/pd)을 얇게 증착한다. 이 후 열을 800℃이상 가하여 백금합금을 액화시킨 후 상온으로 식히면 백금합금이 필름(film)형태에서 부분부분 뭉친 형태로 바뀐다. 이 후 염소(Cl2)가스를 이용하여 60초 내지 200초간 이온에칭(ion etching)을 하면 백금합금이 에치 마스크(etch mask)역할을 하여 백금합금부분은 에칭되지 않고 백금합금이 없는 부분만 에칭되어 나노구조체를 제작할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.First, a platinum alloy (Pt/pd) is thinly deposited on a silicon wafer. Thereafter, heat is applied at 800° C. or higher to liquefy the platinum alloy, and then, when cooled to room temperature, the platinum alloy is changed from a film form to a partially aggregated form. Then, when ion etching is performed for 60 to 200 seconds using chlorine (Cl 2 ) gas, the platinum alloy serves as an etch mask, so that the platinum alloy part is not etched and only the part without platinum alloy is etched It is possible to manufacture a nanostructure, but is not limited thereto.
<실험예 2> 나노스파이크 구조체로 인한 미생물의 손상 확인<Experimental Example 2> Confirmation of damage to microorganisms due to nanospike structure
나노스파이크 충돌판에 충돌한 박테리아의 손상을 실험적으로 확인하였고, 이는 도 4 및 도 5에서 확인할 수 있다.The damage of the bacteria colliding with the nanospike impact plate was experimentally confirmed, which can be confirmed in FIGS. 4 and 5 .
일반적인 충돌판(실리콘 웨이퍼)의 경우 박테리아는 높은 유속에서 충돌해야만 세포벽손상이 확인되었고, 나노스파이크 구조체 충돌판의 경우 포집 최속 유속인 15m/s이상에서 모든 박테리아가 세포벽손상으로 죽는것이 확인되었다. 일반적인 충돌판에서는 그람 음성균 E.coli의 경우 45m/s, 그람 양성균 S.aureus의 경우 110m/s의 충돌 유속에서 손상되었지만, 나노스파이크 충돌판은 15m/s이상이면 모든 박테리아의 세포벽이 손상되었다.In the case of a general impact plate (silicon wafer), cell wall damage was confirmed only when bacteria collided at high flow rates, and in the case of the nanospike structure impact plate, it was confirmed that all bacteria died due to cell wall damage at 15 m/s or higher, the fastest collection speed. In the normal impact plate, the gram-negative bacterium E.coli was damaged at a collision flow rate of 45 m/s and the gram-positive bacterium S. aureus was damaged at a collision flow velocity of 110 m/s, but the nanospike impact plate damaged the cell walls of all bacteria at 15 m/s or more.
도 5를 보면, 나노스파이크 충돌판에 충돌한 박테리아(S.aureus)는 모두 손상된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5 , it can be seen that all bacteria (S. aureus) that collided with the nanospike impact plate were damaged.
<실시예><Example>
본 발명에 의한 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 최상층에 위치하며 입자를 수직방향으로 유입하는 도입부(10)와, 상기 도입부(10)로 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 1 센싱부(11)와 상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 2 센싱부(12)를 포함하고, 상기 제 1 센싱부(11)는 센싱부 표면에 일반 충돌판(13)이 포함되어 있으며, 상기 제 2 센싱부(12)는 센싱부 표면이 나노스파이크 충돌판(14)이 포함되어있고, 제 1 센싱부(11)와 제 2 센싱부(12)의 전기석 신호를 입력받는 측정부(15)를 포함하여 구성된다.As shown in FIGS. 1 and 2, the electric impactor to which the cicada wing structure biomimetic nanospike impact plate according to the present invention is applied has an
상기 도입부(10)를 통해 들어오는 입자는 두 갈래로 나뉘어 이동하여 일반 충돌판(13)과 나노스파이크 충돌판(14)에 충돌한다. 이때 나노스파이크 충돌판(14) 표면에서, 박테리아가 세포용해(cell lysis)되어 흘러나온 박테리아 내부의 물질로 인해 제 2 센싱부(12)는, 상대적으로 세포용해가 적은 제 1 센싱부(11)보다 전류값이 높게 측정이 된다. 이러한 세포용해로 인한 전류값의 차이로 공기중 바이오에어로졸의 농도를 측정할 수 있다.Particles entering through the
10: 도입부
11: 제 1 센싱부
12: 제 2 센싱부
13: 일반 충돌판
14: 나노스파이크 충돌판
15: 측정부10: Introduction
11: first sensing unit
12: second sensing unit
13: General crash plate
14: Nanospike Collider
15: measuring unit
Claims (4)
상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 1 센싱부;와
상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 2 센싱부;를 포함하고,
상기 제 1 센싱부;는 센싱부 표면에 일반 충돌판;이 포함되어 있으며,
상기 제 2 센싱부;는 센싱부 표면이 나노스파이크 충돌판;이 포함되어있고,
제 1 센싱부;와 제 2 센싱부;의 전기석 신호를 입력받는 측정부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기적 임팩터.an inlet located on the uppermost layer and introducing microbial particles;
a first sensing unit for measuring a current caused by the collision of the microbial particles introduced through the introduction unit; and
A second sensing unit for measuring the current caused by the collision of the microbial particles introduced through the introduction unit;
The first sensing unit; includes a general collision plate on the surface of the sensing unit,
The second sensing unit; includes a nano-spike collision plate on the surface of the sensing unit,
An electric impactor comprising a first sensing unit and a measuring unit that receives a tourmaline signal from the second sensing unit.
상기 미생물은, 박테리아 또는 곰팡이인 것을 특징으로 하는,
전기적 임팩터.According to claim 1,
Characterized in that the microorganism is a bacterium or a fungus,
electric impactor.
상기 나노스파이크 충돌판은,
다음과 같은 나노스파이크가 충돌판 표면에 형성되어 있는 전기적 임팩터;
폭이 100 내지 200nm이고,
높이가 300 내지 400nm이며,
나노스파이크 사이의 거리가 100 내지 200nm.According to claim 1,
The nanospike collision plate,
An electric impactor in which the following nanospikes are formed on the surface of the collision plate;
a width of 100 to 200 nm;
The height is 300 to 400 nm,
The distance between the nanospikes is 100 to 200 nm.
도입된 미생물이 충돌판에 충돌하여 발생하는 전기적 신호를 측정하는 단계; 및
제 1 센싱부;와 제 2 센싱부;의 전기적 신호의 차이로 미생물의 농도를 확인하는 단계;를 포함하는 바이오에어로졸 농도 측정 방법.
introducing microorganisms into an introduction part of an uppermost layer of an electric impactor manufactured according to any one of claims 1 to 3;
Measuring an electrical signal generated when the introduced microorganisms collide with the impact plate; and
A method for measuring bioaerosol concentration, comprising determining the concentration of microorganisms based on a difference in electrical signals between the first sensing unit and the second sensing unit.
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2020
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