KR102643820B1 - 자기장 제어를 이용한 입자 이동 제어장치 및 이를 이용한 입자 이동 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 예는 자기장 제어를 이용한 입자 이동 제어장치 및 이를 이용한 입자 이동 제어방법을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 제어를 이용한 입자 이동 제어장치는, 상부를 통과하는 미세입자를 향해 자기장 영역이 일정하게 제공되는 자기장인 고정자기장을 발생시키는 고정자기장발생부; 및 고정자기장발생부의 상단에 형성되고, 자기장 영역이 가변되는 자기장인 조작자기장을 발생시켜 미세입자에 제공하는 조작자기장발생부를 포함한다.
Description
본 발명은 자기장 제어를 이용한 입자 이동 제어장치 및 이를 이용한 입자 이동 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 기존의 자성체 기반 미세입자 조작을 위해서 움직이고자 하는 축에 대하여 최소 두 개의 자석이 필요하던 구조를 벗어나 평면상에서 자기장 발생장치 다양한 조합을 통해 2차원 또는 3차원 방향의 비드 동작을 제어할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
영구자석 또는 전자석에서 발생하는 자기력을 통해서 미세입자의 동작을 제어하는 기술은, 바이오어플리케이션(약물전달, 다양한 병원균 조기진단 등), 자기영동, 마이크로 로봇, 금속프린팅 등 다양한 분야의 원천기술로 개발되고 있다. 그러나, 기존 기술은 자기적 인력 또는 척력 중 하나만 이용할 수 있으므로, 미세입자의 동작을 조작하는 것에 제한이 있다.
원래 자기적 상호작용에는 인력과 척력이 모두 존재한다. 그러나, 기존의 외부자기장을 이용한 미세입자(강자성, 초상자성)의 이송(transfer) 및 분리(separation)는 미세입자의 자기적 특성에 따라 외부에서 자기장을 인가하였을 때, 자구(magnetic domain) 방향이 외부 자기장의 인가 방향으로 회전하거나(Neel relaxation), 유체의 마찰력이 외부 자기장에 의한 회전력보다 작으면 입자 자체가 자기장 방향으로 회전하여(Brownian relaxation) 항상 인력만 작용하게 되어 자기장 세기가 큰 쪽으로 끌려오게 된다.
따라서 미세입자의 동작을 제어하기 위해서는 원하는 방향으로 최소한 1개의 자석이 필요하며 2차원 또는 3차원 움직임을 만들기 위해서는 4개, 6개 이상의 자석이 필요하다.
미국 공개특허 제 2020-0147604호(발명의 명칭: Apparatus for manipulating magnetic particles)에서는, 소정의 공간 내에서 자기 입자가 이동 가능하도록 위치하고, 이와 같은 자기 입자에 자석이 인접하게 설치되며, 자석의 자기력 변화에 따라 자기 입자의 이동이 수행되는 사항 및, 유층이 충진되고 유층 내 자기 입자가 위치하도록 하는 공간을 제공하는 컨테이너가 형성되며, 이와 같은 컨테이너의 외부에 자석이 위치하고, 자석이 자기 입자에 자기력을 제공하는 상태에서 자석이 이동함으로써 자기 입자가 이동되는 사항이 개시되어 있다.
그리고, 대한민국 등록특허 제10-1576624호(발명의 명칭: 미세자기영동 채널회로 및 자성구조체를 이용한 바이오물질의 이송, 트래핑 및 탈출 장치)에서는, 자성구조체가 이동할 수 있는 공간 주위에 자석이 배치되어 형성되고, 각각의 자석의 자기력을 임의로 제어함으로써 자성구조체의 이동이 평면 상 가변되도록 제어하는 사항 및, 자성구조체의 이동 공간에는 기판 상 연자성 미세 구조체가 형성되고, 이와 같은 연자성 미세 구조체 주위에 복수 개의 자기력 인가부가 배치되며, 각각의 자기력 인가부의 자기력을 제어함으로써 자성구조체의 이동을 제어하게 되는 사항이 개시되어 있다.
상기와 같은 종래기술에서는, 자력을 이용하여 입자를 이동시키기 위해 자석 자체를 이동시키거나 복수 개의 자기력 인가부를 각각 별도로 형성시켜 각각에 대한 제어를 수행하여야 하므로, 구성이 복잡하고 효율이 저하되는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 기존의 미세입자 조작을 위해서 움직이고자 하는 축에 대하여 최소 두 개의 자석이 필요하던 구조를 벗어나 평면상에서 자기장 발생장치 다양한 조합을 통해 2차원 또는 3차원 방향의 비드 동작을 제어할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 상부를 통과하는 미세입자를 향해 자기장 영역이 일정하게 제공되는 자기장인 고정자기장을 발생시키는 고정자기장발생부; 및 상기 고정자기장발생부의 상단에 형성되고, 자기장 영역이 가변되는 자기장인 조작자기장을 발생시켜 상기 미세입자에 제공하는 조작자기장발생부를 포함하고, 상기 조작자기장발생부에서 생성된 조작자기장의 제어에 의하여, 상기 고정자기장발생부의 표면 상 위치한 자속밀도 국소 최대점이 이동하게 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 자속밀도 국소 최대점은, 상기 조작자기장의 영역 내에서 자속밀도가 가장 최대인 지점일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 조작자기장발생부는, 전자석으로 형성되는 조작자기장발생기를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 조작자기장발생기는, 링 형상의 전도체를 적어도 하나 이상 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 복수 개의 전도체 각각은 서로 상이한 직경을 구비하고, 상기 복수 개의 전도체는 동심원 배열될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 조작자기장발생기는, 상기 고정자기장발생부의 상부면에 수평한 방향으로 복수 개 배치될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 조작자기장발생기는, 상기 고정자기장발생부의 상부면에 수직한 방향으로 복수 개 배치될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 고정자기장발생부는, 지속적으로 자기장을 발생시키는 고정자기장발생기를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 고정자기장발생기는, 전자석 또는 영구자석을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 복수 개의 고정자기장발생기는 수직한 방향으로 배치되어 각각 결합할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 상기 고정자기장발생부와 복수 개의 조작자기장발생부가 결합시켜 마련하는 제1단계; 상기 복수 개의 조작자기장발생부 중 일부 조작자기장발생부에 인가되는 전기를 제어하여 하나의 위치에 자속밀도 국소 최대점을 형성시키는 제2단계; 하나의 위치로 상기 미세입자가 이동하는 제3단계; 상기 복수 개의 조작자기장발생부 중 나머지 조작자기장발생부에 인가되는 전기를 제어하여 상기 하나의 위치에 있는 자속밀도 국소 최대점을 다른 위치로 이동시키는 제4단계; 및 상기 미세입자가 하나의 위치에서 다른 위치로 이동하는 제5단계를 포함한다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 고정자기장발생부에 포함된 복수 개의 고정자기장발생기와 조작자기장발생부에 포함된 복수 개의 조작자기장발생기에서 극성(자기장 방향: S극, N극) 조합을 통해 고정자기장발생부의 표면에 위치하던 자속밀도(자기장 세기) 국소 최대점의 위치를 자유롭게 이동시킴으로써, 평면 상의 자기장 발생 조합만으로 미세입자를 3축(x, y, z축)으로 이동 제어할 수 있다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 입자 이동 제어장치의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 입자 이동 제어장치의 실시상태도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자기장발생부의 자기장 영역에 대한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 입자 이동 제어장치의 자기장 영역에 대한 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 입자 이동 제어장치의 사용에 대한 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 입자 이동 제어장치의 실시상태도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자기장발생부의 자기장 영역에 대한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 입자 이동 제어장치의 자기장 영역에 대한 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 입자 이동 제어장치의 사용에 대한 이미지이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 입자 이동 제어장치의 모식도이다. 구체적으로, 도 1의 (a)는 전도체(111) 2개가 동심원 배열된 입자 이동 제어장치에 대한 것이고, 도 1의 (b)는 전도체(111) 4개가 동심원 배열된 입자 이동 제어장치에 대한 것이다. 그리고, 도 2의 (a)는 5개의 전도체(111)가 수평 방향으로 배치된 것에 대한 것이며, 도 2의 (b)는 3개의 전도체(111)가 수직 방향으로 배치된 입자 이동 제어장치에 대한 것이다.
도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 입자 이동 제어장치는, 상부를 통과하는 미세입자(10)를 향해 자기장 영역이 일정하게 제공되는 자기장인 고정자기장을 발생시키는 고정자기장발생부(200); 및 고정자기장발생부(200)의 상단에 형성되고, 자기장 영역이 가변되는 자기장인 조작자기장을 발생시켜 미세입자(10)에 제공하는 조작자기장발생부(100)를 포함한다. 여기서, 미세입자(10)가 자성체, 강자성체, 초상자성체 또는 금속체를 포함할 수 있다.
그리고, 조작자기장발생부(100)에서 생성된 조작자기장의 제어에 의하여, 고정자기장발생부(200)의 표면 상 위치한 자속밀도 국소 최대점이 이동하게 될 수 있다. 여기서, 자속밀도 국소 최대점은, 조작자기장의 영역 내에서 자속밀도가 가장 최대인 지점일 수 있다.
본 발명의 입자 이동 제어장치에서는, 고정자기장발생부(200)에 포함된 복수 개의 고정자기장발생기(210)와 조작자기장발생부(100)에 포함된 복수 개의 조작자기장발생기(110)에서 극성(자기장 방향: S극, N극) 조합을 통해 고정자기장발생부(200)의 표면에 위치하던 자속밀도(자기장 세기) 국소 최대점의 위치를 자유롭게 이동시킴으로써, 평면 상의 자기장 발생 조합만으로 미세입자(10)를 3축(x,z,y축)으로 이동 제어할 수 있다.
구체적으로, 미세입자(10)는 자속밀도 국소 최대점을 향해 이동하게 되고, 고정자기장발생부(200)만 있는 경우에는, 자속밀도 국소 최대점이 고정자기장발생부(200)의 표면에 형성되고 고정되므로, 미세입자(10)는 고정된 자속밀도 국소 최대점을 향해 이동할 수 있다.
그런데, 본 발명의 입자 이동 제어장치와 같은 구성에 의하여, 복수 개의 극성 조합 및 각각의 극성에 대한 제어를 통해 자속밀도 국소 최대점을 이동시킬 수 있고, 이를 이용하여 자속밀도 국소 최대점을 향해 이동하는 미세입자(10)의 이동을 제어할 수 있는 것이다.
고정자기장발생부(200)는, 지속적으로 자기장을 발생시키는 고정자기장발생기(210)를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 여기서, 고정자기장발생기(210)는, 전자석 또는 영구자석을 포함할 수 있다.
고정자기장발생기(210)가 영구자석으로 형성되는 경우, 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 고정자기장발생기(210)는 원기둥의 형상으로 형성될 수 있다. 다만, 영구자석으로 형성되는 고정자기장발생기(210)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니고 다른 형상을 구비할 수도 있다.
그리고, 고정자기장발생기(210)가 전자석을 포함하는 경우, 고정자기장발생기(210)는, 내부공간을 구비하는 원통 형상으로 형성되는 케이스 및, 케이스의 내부에 형성되고 전기 인가 시 자기장을 생성하는 전자석인 고정전자석을 구비할 수 있다.
이 때, 고정전자석은 원통 형상인 케이스의 상부면에 상기와 같은 자속밀도 국소 최대점이 형성되도록 케이스 내부에 배치되어 형성될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는, 케이스가 원통 형상으로 형성된다고 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 케이스는 다른 형상을 구비할 수도 있다.
복수 개의 고정자기장발생기(210)는 수직한 방향(y축)으로 배치되어 각각 결합할 수 있다. 구체적으로, 도 1과 도 2에서 보는 바와 같이, 하나의 고정자기장발생기(210) 상에 다른 고정자기장발생기(210)가 적층되어 형성될 수 있다.
이와 같이 고정자기장발생기(210)가 적층되어 고정자기장발생부(200)가 형성되는 경우, 고정자기장의 세기를 증가시킬 수 있다. 다만, 고정자기장발생부(200)에서 고정자기장발생기(210)의 배치에 이에 한정되는 것은 아니고, 용도에 따라, 고정자기장발생기(210)는 수평 방향(x, z축)을 따라 배치될 수도 있다.
조작자기장발생부(100)는, 전자석으로 형성되는 조작자기장발생기(110)를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 여기서, 조작자기장발생기(110)는, 링 형상의 전도체(111)를 적어도 하나 이상 구비할 수 있다. 조작자기장발생기(110)에서 자기장을 생성시키기 위하여 각각의 전도체(111)에는 각각 별도로 전기가 선택적으로 인가될 수 있다.
즉, 복수 개의 전도체(111) 각각에 인가되는 전기가 제어될 수 있으며, 이를 이용하여 조작자기장발생기(110)에서 생성되는 자기장의 세기를 제어할 수 있고,
본 발명의 실시 예에서는, 조작자기장발생기(110)가 링 형상의 전도체(111)를 구비하여 형성되는 것으로 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 다른 구조의 전자석이 이용될 수도 있다.
다만, 본 발명에서와 같이 링 형상의 전도체(111)를 조합하여 조작자기장발생기(110)를 형성하는 경우, 조작자기장발생기(110)를 고정자기장발생부(200)의 상부에 결합시키기에 용이하고, 고정자기장과의 조합이 용이한 조작자기장을 생성할 수 있어, 자속밀도 국소 최대점에 대한 제어 효율이 증대될 수 있다.
도 1의 (a)와 (b)에서 보는 바와 같이, 복수 개의 전도체(111) 각각은 서로 상이한 직경을 구비하고, 복수 개의 전도체(111)는 동심원 배열될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는, 링 형상의 전도체(111)가 동심원 배열된 구조의 조작자기장발생기(110)를 개시하고 있으나, 조작자기장발생기(110)는 하나의 전도체(111)로만 형성될 수도 있다.
도 1의 (a)에서는 서로 다른 직경을 구비하는 2개의 전도체(111)가 동심원으로 배열되어 조작자기장발생기(110)를 형성하고 있으며, 도 1의 (b)에서는 서로 다른 직경을 구비하는 4개의 전도체(111)가 동심원으로 배열되어 조작자기장발생기(110)를 형성하고 있다. 그리고, 가장 작은 직경을 구비하는 전도체(111)가 고정자기장발생부(200)의 상부 중심에 위치할 수 있다.
상기와 같은 전도체(111) 수의 조절에 따라, 조작자기장발생기(110)에서 발생되는 조작자기장의 세기를 조절할 수 있다.
상기와 같이 조작자기장발생기(110)가 형성되고 조작자기장발생기(110)에 의해 조작자기장이 생성되는 경우, 자속밀도 국소 최대점은, 고정자기장발생부(200)의 상부 중심이 아닌, 본 발명의 입자 이동 제어장치의 가장자리 측 또는 외부에 생성될 수 있다. 그리고, 상기와 같은 자속밀도 국소 최대점의 이동을 이용하여 미세입자(10)를 하나의 축(x축) 방향을 따라 이동시킬 수 있다.
구체적으로, 조작자기장발생기(110)에 전기가 인가 전이면, 고정자기장발생기(210)의 자기장에 의한 자속밀도 국소 최대점에 의해, 미세입자(10)가 본 발명의 입자 이동 제어장치 상부 중앙으로 위치하거나 이동할 수 있다.
다음으로, 조작자기장발생기(110)에 전기가 인가되면, 고정자기장과 조작자기장의 조합에 의하여 자속밀도 국소 최대점이 본 발명의 입자 이동 제어장치의 가장자리 또는 외부 등의 다른 위치로 이동할 수 있으며, 이와 같은 자속밀도 국소 최대점의 이동에 의해, 본 발명의 입자 이동 제어장치 상부 중앙에 위치하던 미세입자(10)가 다른 위치로 이동할 수 있다.
반대인 경우도 가능한데, 조작자기장발생기(110)에 전기가 인가된 상태에서는 본 발명의 입자 이동 제어장치의 가장자리 또는 외부로 위치하거나 이동한 미세입자(10)가, 조작자기장발생기(110)에 대한 전기 인가 해제 후, 자속밀도 국소 최대점을 따라 본 발명의 입자 이동 제어장치의 가장자리 또는 외부로부터 본 발명의 입자 이동 제어장치의 중앙으로 이동할 수 있다.
상기와 같이, 고정자기장발생부(200)에 하나의 조작자기장발생기(110)가 형성된 경우에서의 자속밀도 국소 최대점의 이동에 대한 원리는, 하기와 같이 복수 개의 조작자기장발생기(110)가 형성된 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 2의 (a)에서 보는 바와 같이, 조작자기장발생기(110)는, 고정자기장발생부(200)의 상부면에 수평한 방향(x축, z축)으로 복수 개 배치될 수 있다. 그리고, 이와 같이 형성된 복수 개의 조작자기장발생기(110) 각각에 대한 전기 인가에 대한 제어가 수행될 수 있으며, 복수 개의 조작자기장발생기(110) 전체 또는 일부에 대한 전기 인가 또는 전기 인가 해제를 제어하여 자속밀도 국소 최대점을 이동시킬 수 있다.
구체적인 일 실시 예로써, 고정자기장발생부(200)의 상부 중앙에 하나의 조작자기장발생기(110)가 형성되고, x축과 z축 각각의 축 방향을 따라 양 측에 조작자기장발생기(110)가 형성될 수 있다. 이는, 하나의 실시 예로써, 조작자기장발생기(110)의 수와 배치가 상이하게 형성될 수 있음은 당연하다.
이와 같은 경우, 모든 조작자기장발생기(110)에 전기가 인가 전이면, 고정자기장발생기(210)의 자기장에 의한 자속밀도 국소 최대점에 의해, 미세입자(10)가 본 발명의 입자 이동 제어장치 상부 중앙으로 위치하거나 이동할 수 있다.
다음으로, 적어도 하나 이상의 조작자기장발생기(110)에 전기가 인가되면, 고정자기장과 조작자기장의 조합에 의하여 자속밀도 국소 최대점이 다른 위치로 이동할 수 있으며, 이와 같은 자속밀도 국소 최대점의 이동에 의해, 본 발명의 입자 이동 제어장치 상부 중앙에 위치하던 미세입자(10)가 다른 위치로 이동할 수 있다.
반대인 경우도 가능한데, 조작자기장발생기(110)에 전기가 인가된 상태에서는 본 발명의 입자 이동 제어장치의 가장자리 또는 외부로 위치하거나 이동한 미세입자(10)가, 조작자기장발생기(110)에 대한 전기 인가 해제 후, 자속밀도 국소 최대점을 따라 본 발명의 입자 이동 제어장치의 가장자리 또는 외부로부터 본 발명의 입자 이동 제어장치의 중앙으로 이동할 수 있다.
다른 실시 예로써, 일부 조작자기장발생기(110)에 전기가 인가되고 나머지 조작자기장발생기(110)에 전기가 인가되지 않은 경우이면, 미세입자(10)가 자속밀도 국소 최대점의 영향에 의한 하나의 위치에 있거나 이동할 수 있다.
그리고, 다음으로, 나머지 조작자기장발생기(110) 중 전체 또는 일부에 전기를 인가하거나 전기가 인가된 조작자기장발생기(110) 중 일부에서 전기 인가가 해제되면, x축 방향 또는 z축 방향을 따라 자속밀도 국소 최대점의 위치가 이동하고, 이와 같은 자속밀도 국소 최대점의 이동에 의해 미세입자(10)가 하나의 위치에서 다른 위치로 이동할 수 있다.
도 2의 (b)에서 보는 바와 같이, 조작자기장발생기(110)는, 고정자기장발생부(200)의 상부면에 수직한 방향(y축)으로 복수 개 배치될 수 있다. 그리고, 이와 같이 형성된 복수 개의 조작자기장발생기(110) 각각에 대한 전기 인가에 대한 제어가 수행될 수 있으며, 복수 개의 조작자기장발생기(110) 전체 또는 일부에 대한 전기 인가 또는 전기 인가 해제를 제어하여 자속밀도 국소 최대점을 이동시킬 수 있다.
구체적인 일 실시 예로써, 고정자기장발생부(200)이 상부 중앙에서 y축 방향을 따라 복수 개의 조작자기장발생기(110)가 적층되어 형성될 수 있다. 이는, 하나의 실시 예로써, 조작자기장발생기(110)의 수와 배치가 상이하게 형성될 수 있음은 당연하다.
이와 같은 경우, 조작자기장발생기(110)에 전기가 인가 전이면, 고정자기장발생기(210)의 자기장에 의한 자속밀도 국소 최대점에 의해, 미세입자(10)가 본 발명의 입자 이동 제어장치 상부 중앙으로 위치하거나 이동할 수 있다.
다음으로, 일부 또는 전체 조작자기장발생기(110)에 전기가 인가되면, 고정자기장과 조작자기장의 조합에 의하여 자속밀도 국소 최대점이 본 발명의 입자 이동 제어장치 상부의 다른 위치로 이동할 수 있으며, 이와 같은 자속밀도 국소 최대점의 이동에 의해, 본 발명의 입자 이동 제어장치 상부 중앙에 위치하던 미세입자(10)가 다른 위치로 이동할 수 있다.
반대인 경우도 가능한데, 조작자기장발생기(110)에 전기가 인가된 상태에서는 본 발명의 입자 이동 제어장치의 상부로 위치하거나 이동한 미세입자(10)가, 조작자기장발생기(110)에 대한 전기 인가 해제 후, 자속밀도 국소 최대점을 따라 다른 위치부터 본 발명의 입자 이동 제어장치의 중앙으로 이동할 수 있다.
다른 실시 예로써, 상기와 같이 복수 개의 조작자기장발생기(110)가 적층되어 있으므로, 일부 조작자기장발생기(110)에 전기가 인가되고 나머지 조작자기장발생기(110)에 전기가 인가되지 않은 경우이면, 미세입자(10)가 자속밀도 국소 최대점의 영향에 의한 하나의 위치에 있거나 이동할 수 있다.
그리고, 다음으로, 나머지 조작자기장발생기(110) 중 전체 또는 일부에 전기를 인가하거나 전기가 인가된 조작자기장발생기(110) 중 일부에서 전기 인가가 해제되면, x축 방향 또는 z축 방향을 따라 자속밀도 국소 최대점의 위치가 이동하고, 이와 같은 자속밀도 국소 최대점의 이동에 의해 미세입자(10)가 하나의 위치에서 다른 위치로 이동할 수 있다.
상기와 같은 복수 개의 조작자기장발생기(110)의 수평 방향(x축, z축) 배치와 수직 방향(y축) 배치는 조합되어 복합적으로 이용될 수 있으며, 이와 같은 배치에 따라 자속밀도 국소 최대점의 3차원 이동이 가능하여, 미세입자(10)의 3차원 이동이 가능할 수 있다.
이와 같이 미세입자(10)를 3차원 이동시킬 수 있는 기능을 이용하여, 상기와 같은 본 발명의 입자 이동 제어장치를 포함하는 미세입자(10) 분리 시스템을 제작할 수 있다. 그리고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 입자 이동 제어장치의 실시상태도이며, 미세입자(10) 분리 시스템은 도 3에서와 같은 3개의 관(A, B 및 C관)을 구비한 분배관을 구비할 수 있다.
분배관의 하부에는 본 발명의 입자 이동 제어장치가 형성될 수 있으며, A관으로 미세입자(10)가 유입된 경우, 복수 개의 조작자기장발생기(110) 중 일부 조작자기장발생기(110)에 전기를 인가하여 A관 측에 자속밀도 국소 최대점을 위치시켜 미세입자(10)가 A관을 따라 이동하게 할 수 있다.
그 후, 다른 조작자기장발생기(110)에 전기를 인가하는 등으로 복수 개의 조작자기장발생기(110) 각각에 대한 전기 인가를 제어하여 자속밀도 국소 최대점을 B관 또는 C관 측으로 이동시킴으로써, A관을 통과한 미세입자(10)가 B관 또는 C관으로 이동하도록 할 수 있다.
그리고, 이와 같은 미세입자(10)의 이동 제어를 통해 각각의 미세입자(10)를 분리시킬 수 있으며, 각각의 미세입자(10)에 대한 분리를 수행하는 시스템을 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자기장발생부(200)의 자기장 영역에 대한 이미지이다. 도 4에서, 흰색 화살표는 자기 에너지의 기울기 방향으로 미세입자(10)의 이동 방향을 의미할 수 있다.
구체적으로, 도 4에서, 포텐셜 에너지 공식 U=-mXB을 고려할 때, 점선은 필드가 낮은 곳(=에너지 최대점; 하얀색 영역)에서 높은 곳(=에너지 최저점; 검은색 영역)으로 향하는 자기력의 예상 방향을 나타내며, 이와 같은 경우에는 미세입자들이 고정자기장발생부(200)의 표면으로 끌려 내려올 수 있다.
도 4에서 보는 바와 같이, 고정자기장발생부(200)가 생성하는 고정자기장은, 고정자기장발생부(200)의 상부 표면에서 가장 높은 자속밀도(가장 낮은 포텐셜 에너지)를 가지므로, 미세입자(10)는 고정자기장발생부(200)의 상부 표면을 향해 이동할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 입자 이동 제어장치의 자기장 영역에 대한 이미지이다. 도 5에서, 흰색 화살표는 자기 에너지의 기울기 방향으로 미세입자(10)의 이동 방향을 의미할 수 있다.
구체적으로, 도 5에서, 포텐셜 에너지 공식 U=-mXB을 고려할 때, 점선은 필드가 낮은 곳(=에너지 최대점; 하얀색 영역)에서 높은 곳(=에너지 최저점; 검은색 영역)으로 향하는 자기력의 예상 방향을 나타낼 수 있다.
만약, 미세입자(10) 솔루션을 담은 병과 같이 물리적인 벽이 있고, 이와 같은 병이 도 5와 같은 자기장을 생성하는 본 발명의 입자 이동 제어장치의 중앙에 위치하는 경우, 미세입자(10)는 병 중심 높이 근처로 끌려온 뒤 병의 내부 벽면 쪽으로 붙을 수 있다.
도 5에서 보는 바와 같이, 조작자기장발생부(100)와 고정자기장발생부(200)가 조합된 본 발명의 입자 이동 제어장치가 생성하는 자기장은, 본 발명의 입자 이동 제어장치의 외부에 자속밀도 국소 최대점이 있으며, 자기 에너지가 본 발명의 입자 이동 제어장치의 외부로 나가는 방향으로 기울어져 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 입자 이동 제어장치의 사용에 대한 이미지이다. 여기서, 도 6의 (a)는 고정자기장만 형성된 상태에 대한 것이고, 도 6의 (b)는 고정자기장과 조작자기장이 형성된 상태에 대한 것이다.
도 6에서 보는 바와 같이, 고정자기장과 조작자기장 각각의 조합을 이용하여 자속밀도 국소 최대점을 하나의 위치에서 다른 위치로 이동시킬 수 있으며, 이를 이용하여 미세입자(10)를 하나의 위치에서 다른 위치로 이동시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
이하, 본 발명의 입자 이동 제어장치를 이용한 입자 이동 제어방법에 대해서 설명하기로 한다.
제1단계에서, 고정자기장발생부(200)와 복수 개의 조작자기장발생기(110)를 결합시켜 마련할 수 있다. 그리고, 제2단계에서, 복수 개의 조작자기장발생기(110) 중 일부 조작자기장발생기(110)에 인가되는 전기를 제어하여 하나의 위치에 자속밀도 국소 최대점을 형성시킬 수 있다. 이에 따라, 제3단계에서, 하나의 위치로 미세입자(10)가 이동할 수 있다.
다음으로, 제4단계에서, 복수 개의 조작자기장발생기(110) 중 나머지 조작자기장발생기(110)에 인가되는 전기를 제어하여 하나의 위치에 있는 자속밀도 국소 최대점을 다른 위치로 이동시킬 수 있다. 그 후, 제5단계에서, 미세입자(10)가 하나의 위치에서 다른 위치로 이동할 수 있다.
본 발명의 입자 이동 제어방법에 대한 나머지 상세한 사항은, 상기된 본 발명의 입자 이동 제어장치에 기재된 사항과 동일하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 미세입자
100 : 조작자기장발생부
110 : 조작자기장발생기
111 : 전도체
200 : 고정자기장발생부
210 : 고정자기장발생기
100 : 조작자기장발생부
110 : 조작자기장발생기
111 : 전도체
200 : 고정자기장발생부
210 : 고정자기장발생기
Claims (12)
- 상부를 통과하는 미세입자를 향해 자기장 영역이 일정하게 제공되는 자기장인 고정자기장을 발생시키는 고정자기장발생부; 및
상기 고정자기장발생부의 상단에 형성되고, 자기장 영역이 가변되는 자기장인 조작자기장을 발생시켜 상기 미세입자에 제공하는 조작자기장발생부를 포함하고,
상기 조작자기장발생부에서 생성된 조작자기장의 제어에 의하여, 상기 고정자기장발생부의 표면 상 위치한 자속밀도 국소 최대점이 이동하게 되는 것을 특징으로 하는 자기장 제어를 이용한 입자 이동 제어장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 자속밀도 국소 최대점은, 상기 조작자기장의 영역 내에서 자속밀도가 가장 최대인 지점인 것을 특징으로 하는 자기장 제어를 이용한 입자 이동 제어장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 조작자기장발생부는, 전자석으로 형성되는 조작자기장발생기를 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 제어를 이용한 입자 이동 제어장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 조작자기장발생기는, 링 형상의 전도체를 적어도 하나 이상 구비하는 것을 특징으로 하는 자기장 제어를 이용한 입자 이동 제어장치.
- 청구항 4에 있어서,
복수 개의 전도체 각각은 서로 상이한 직경을 구비하고, 상기 복수 개의 전도체는 동심원 배열되는 것을 특징으로 하는 자기장 제어를 이용한 입자 이동 제어장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 조작자기장발생기는, 상기 고정자기장발생부의 상부면에 수평한 방향으로 복수 개 배치되는 것을 특징으로 하는 자기장 제어를 이용한 입자 이동 제어장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 조작자기장발생기는, 상기 고정자기장발생부의 상부면에 수직한 방향으로 복수 개 배치되는 것을 특징으로 하는 자기장 제어를 이용한 입자 이동 제어장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 고정자기장발생부는, 지속적으로 자기장을 발생시키는 고정자기장발생기를 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 제어를 이용한 입자 이동 제어장치.
- 청구항 8에 있어서,
상기 고정자기장발생기는, 전자석 또는 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 제어를 이용한 입자 이동 제어장치.
- 청구항 8에 있어서,
복수 개의 고정자기장발생기는 수직한 방향으로 배치되어 각각 결합하는 것을 특징으로 하는 자기장 제어를 이용한 입자 이동 제어장치.
- 청구항 1 내지 청구항 10 중 선택되는 어느 하나의 항에 의한 자기장 제어를 이용한 입자 이동 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세입자 분리 시스템.
- 청구항 1의 자기장 제어를 이용한 입자 이동 제어장치를 이용한 입자 이동 제어방법에 있어서,
상기 고정자기장발생부와 복수 개의 조작자기장발생기를 결합시켜 마련하는 제1단계;
상기 복수 개의 조작자기장발생기 중 일부 조작자기장발생기에 인가되는 전기를 제어하여 하나의 위치에 자속밀도 국소 최대점을 형성시키는 제2단계;
하나의 위치로 상기 미세입자가 이동하는 제3단계;
상기 복수 개의 조작자기장발생기 중 나머지 조작자기장발생기에 인가되는 전기를 제어하여 상기 하나의 위치에 있는 자속밀도 국소 최대점을 다른 위치로 이동시키는 제4단계; 및
상기 미세입자가 하나의 위치에서 다른 위치로 이동하는 제5단계를 포함하는것을 특징으로 하는 입자 이동 제어방법.
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