KR20140046524A - 확산 흐름을 이용하여 해수에 포함된 유출유를 검출하는 유출유 검출 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포어 구조체를 구비함으로써 외부의 전원 공급없이 확산 흐름을 이용하여 유출되는 기름의 유무를 검출할 수 있는 확산 흐름을 이용하여 해수에 포함된 유출유를 검출하는 유출유 검출 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 확산 흐름을 이용하여 해수에 포함된 유출유를 검출하는 유출유 검출센서를 구비한 유출유 검출 시스템은, 제 1 유체가 포함된 제 1 영역과 제 2 유체가 포함된 제 2 영역을 구분하고, 상기 제 1 영역에서 상기 제 2 영역으로 제 1 유체의 이온 입자가 이동되도록 복수개의 포어 구조체가 형성된 유출유 검출센서 및 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역에 연결되어 상기 제 1 영역에서 상기 제 2 영역으로 이동되는 이온 입자에 의해 발생되는 이온 전류량을 검출하는 전류량 검출기를 포함하고, 상기 제 1 유체에 유출유가 포함되는 경우, 상기 이온 전류량은 감소되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 확산 흐름을 이용하여 해수에 포함된 유출유를 검출하는 유출유 검출센서를 구비한 유출유 검출 시스템은, 제 1 유체가 포함된 제 1 영역과 제 2 유체가 포함된 제 2 영역을 구분하고, 상기 제 1 영역에서 상기 제 2 영역으로 제 1 유체의 이온 입자가 이동되도록 복수개의 포어 구조체가 형성된 유출유 검출센서 및 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역에 연결되어 상기 제 1 영역에서 상기 제 2 영역으로 이동되는 이온 입자에 의해 발생되는 이온 전류량을 검출하는 전류량 검출기를 포함하고, 상기 제 1 유체에 유출유가 포함되는 경우, 상기 이온 전류량은 감소되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 유출유 검출 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 포어 구조체를 구비함으로써 외부의 전원 공급없이 확산 흐름을 이용하여 유출되는 기름의 유무를 검출할 수 있는 확산 흐름을 이용하여 해수에 포함된 유출유를 검출하는 유출유 검출 시스템에 관한 것이다.
선박은 엔진기관의 동력을 이용하여 추진되는 관계로 연료를 저장, 공급하기 위한 기름탱크가 구비되는데, 이러한 선박이 암초에 부딪히거나 다른 선박과의 충돌 등에 의하여 기름탱크가 파손되어 기름이 외부로 유출되는 일이 발생할 수 있다.
또한, 해저에 매립되어 기름을 운송하는 송유관으로부터 기름이 유출되는 경우, 해양의 생태계를 파괴하고 연근해 자원의 고갈 등 막대한 환경적 피해와 경제적 손실을 야기시키는 등의 심각한 문제를 일으킬 수 있다.
특히, 해양에는 바람, 해수 유동, 파도 등과 같은 많은 변수들이 있어 유출된 기름의 확산을 정확히 예측하는 것이 매우 어렵기 때문에 실시간 오염에 대한 신속하고 정확한 대처가 필요하다.
이러한 기름 유출의 감지방법과 관련하여, 공개특허 제10-2010-0123397호는 가시광대 위성자료를 이용한 기름 유출 탐지 방법에 관한 것으로, 인공위성에서 촬영된 가시광대 데이터를 이용하여 일반 해수와 기름이 유출된 해수를 구분하여 해양의 기름 유출 범위를 도출하는 방법이 개시되고 있다.
그러나, 이러한 종래기술에서는 기름 유출 지역에 기름이 두꺼운 층을 형성하고 있는지 또는 엷은 띠 형태로 해수의 표면에 위치하는지의 여부를 판단하는 것으로, 초기 기름 유출의 유무를 판단하기에는 어려움이 있다.
또한, 초기 기름 유출의 존재 유무를 판단하기 위해, 나노포어 구조를 이용한 탐지 장치를 도입할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 나타낸 공개특허 제10-2012-0000520호에서는 도전층(511), 도전층(511)의 양측의 제 1 절연층들(512a, 512b) 및 이 제 1 절연막들(512a, 512b)을 둘러싸는 제 2 절연층(513)을 포함하는 나노포어 막(500)을 형성하고, 이 나노포어 막(500)에 나노포어(520)를 형성함으로써 이 나노포어 막(520)을 통과하는 시료로부터 물질을 검출할 수 있는 기술이 개시되고 있다.
그러나, 이러한 종래의 나노포어와 관련한 기술에 있어서는, 시료 등의 테스트 샘플의 유체 흐름을 생성하기 위해, 즉 시료 내 이온을 흐르게 하려면 외부의 보조 유닛, 예를 들어 외부 전원의 인가가 필요하다. 그러나, 이러한 외부 유닛으로 인하여, 설비의 증대 및 인가하는 전원을 제어하기 위한 구성이 복잡해진다는 문제점이 있다.
상기한 문제점을 개선하기 위해 안출된 본 발명의 기술적 과제는, 기판에 형성된 나노포어(nanopore)와 마이크로포어(micropore) 사이의 농도 기울기(concentration gradient)를 이용함으로써, 외부 전원 공급 없이 나노포어를 통해 유입되는 해수 내에 포함되어 있는 유출유의 유무를 검출할 수 있는 확산 흐름을 이용하여 해수에 포함된 유출유를 검출하는 유출유 검출센서 구조체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 확산 흐름을 이용하여 해수에 포함된 유출유를 검출하는 유출유 검출센서를 구비한 유출유 검출 시스템은, 제 1 유체가 포함된 제 1 영역과 제 2 유체가 포함된 제 2 영역을 구분하고, 상기 제 1 영역에서 상기 제 2 영역으로 제 1 유체의 이온 입자가 이동되도록 복수개의 포어 구조체가 형성된 유출유 검출센서 및 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역에 연결되어 상기 제 1 영역에서 상기 제 2 영역으로 이동되는 이온 입자에 의해 발생되는 이온 전류량을 검출하는 전류량 검출기를 포함하고, 상기 제 1 유체에 유출유가 포함되는 경우, 상기 이온 전류량은 감소되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 유출유 검출 시스템은, 상기 유출유 검출센서가 제 1 유체를 공급하는 기판의 상측에 중공 형태로 형성된 나노포어와, 상기 나노포어의 양단으로부터 단차지게 형성되고, 상기 나노포어 보다 직경이 큰 제 1 마이크로포어 및 상기 제 1 마이크로포어의 양단으로부터 단차지게 형성되고, 상기 제 1 마이크로포어 보다 직경이 큰 제 2 마이크로포어를 포함하고, 상기 기판의 하측에는 제 2 유체를 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 유출유 검출 시스템은, 상기 제 2 유체가 정상 해수이고, 상기 제 2 유체는 상기 제 1 유체보다 낮은 이온 농도를 함유하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 유출유 검출 시스템은, 상기 기판이 소자층, SiO2 매립층 및 P형 핸들 웨이퍼로 이루어지는 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 유출유 검출 시스템은, 상기 제 1 유체의 이온 입자가 농도 기울기(concentration gradient)를 통한 확산 흐름으로 상기 나노포어를 통해 상기 제 2 마이크로포어로 이동되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 유출유 검출 시스템은, 상기 제 1 유체의 입자가 상기 나노포어와 상기 제 1 마이크로포어 및 제 2 마이크로포어의 농도 기울기를 통한 확산 흐름으로 제 1 영역에서 제 2 영역으로 이동되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유출유 검출센서를 구비한 유출유 검출 시스템을 이용한 유출유 검출방법은, 제 1 유체가 포함된 제 1 영역과 제 2 유체가 포함된 제 2 영역을 구분하고, 상기 제 1 영역에서 상기 제 2 영역으로 제 1 유체의 이온 입자와 유체 입자가 이동되도록 복수개의 포어 구조체가 형성된 유출유 검출센서를 제공하는 제 1 단계와, 상기 유출유 검출센서에 형성된 복수개의 포어 구조체를 통해 상기 제 1 영역에서 상기 제 2 영역으로 이동하는 이온 입자에 의해 발생되는 이온 전류량을 검출하는 제 2 단계 및 상기 검출된 이온 전류량에 근거하여 상기 1 영역에서 상기 제 2 영역으로 이동하는 유출유를 검출하는 제 3 단계를 포함하고, 상기 제 2 단계에서, 상기 제 1 유체에 유출유가 포함되는 경우 상기 이온 전류량은 감소되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 유출유 검출 시스템을 이용한 유출유 검출방법은, 상기 제 2 유체가 상기 제 1 유체보다 낮은 이온 농도를 함유하고, 상기 제 1 유체에 유출유가 함유되어 있지 않으면, 상기 이온 전류량은 일정하게 유지되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 또한, 본 발명에 따른 유출유 검출 시스템을 이용한 유출유 검출방법은, 상기 제 1 유체의 이온 입자와 유체 입자의 이동은 상기 포어 구조체의 농도 기울기(concentration gradient)를 통한 확산 흐름으로 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 유출유를 검출하는 유출유 검출 시스템에 따르면, 기판에 형성된 나노포어(nanopore)와 마이크로포어(micropore) 사이의 농도 기울기(concentration gradient)를 이용하여, 외부 전원 공급 없이 나노포어의 이온 입자를 이동시키고, 이로 인해 발생되는 이온 전류량을 검출함으로써, 이온 전류량의 변화를 측정하여 유입되는 해수 내에 포함되어 있는 유출유의 유무를 검출할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 유출유 검출센서를 구비하는 유출유 측정 시스템을 해상, 선박 또는 해저의 송유관 등에 장착하는 경우, 해상으로 유출되는 유출유를 신속히 검출함으로써 유출유로 인한 해양 오염 사고 등을 최소화시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 나노포어 막 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 확산 흐름을 이용한 유출유을 검출하는 유출유 검출센서를 구비하는 유출유 측정 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 유출유 검출센서를 구비한 유출유 측정 시스템을 이용한 유출유 검출방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 유출유 검출센서에서 나노 포어 내에 부착되는 유출유 입자에 따른 전류-시간 특성을 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 나노포어 및 마이크로포어로 구성된 포어 구조체를 포함하는 유출유 검출센서를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 유출유 검출센서의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 포어 구조체에 대해 마이크로포어 측에서 본 광학 현미경 사진을 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유출유 검출센서 구조체의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 확산 흐름을 이용한 유출유을 검출하는 유출유 검출센서를 구비하는 유출유 측정 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 유출유 검출센서를 구비한 유출유 측정 시스템을 이용한 유출유 검출방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 유출유 검출센서에서 나노 포어 내에 부착되는 유출유 입자에 따른 전류-시간 특성을 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 나노포어 및 마이크로포어로 구성된 포어 구조체를 포함하는 유출유 검출센서를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 유출유 검출센서의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 포어 구조체에 대해 마이크로포어 측에서 본 광학 현미경 사진을 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유출유 검출센서 구조체의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 예시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 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 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
즉, 유출유 검출센서(1)는 제 1 유체(1)가 포함된 제 1 영역(4)과 제 2 유체(7)가 포함된 제 2 영역(5)을 구분할 수 있다. 또한, 유출유 검출센서(1)에는 제 1 영역(4)에서 제 2 영역(5)으로 제 1 유체(6)의 이온 입자가 이동되도록 나노포어(20)를 포함하는 복수개의 포어 구조체(10)가 형성된다.
예를 들어, 유출유 검출센서(1)에는 중공 형태의 관통 홀로서, 포어 구조체(10)가 형성되어 있다. 따라서, 제 1 영역(4)의 제 1 유체(6)에 포함된 이온 입자와 유체 입자는 이 포어 구조체(10)를 통해 제 2 영역(5)의 제 2 유체(7) 측으로 이동하고, 이동되는 이온 입자에 의해 전류량 검출기(2)에서는 제 1 유체(6)와 제 2 유체(7) 사이에 흐르는 이온 전류(I)를 검출할 수 있다.
특히, 제 1 유체(6), 예를 들어 유출유가 함유된 해수의 이온 농도를 높게 함으로써, 외부의 전원 공급없이 제 1 영역(4)에 존재하는 제 1 유체(6)의 이온 입자를 포어 구조체(10)를 통해 제 2 영역(5)의 제 2 유체(7), 예를 들어 정상 해수로 이동시킬 수 있다.
이때, 제 2 유체(7)보다 상대적으로 높은 이온 농도를 가지는 제 1 유체(6)의 이온 입자의 이동에 의해, 전류량 검출기(2)를 통해 이온 전류량이 측정된다. 그러나, 제 1 유체(6)의 유체 입자가 나노포어(20)에 부착되어 나노포어(20)의 직경이 감소되고, 그에 따라 이동되는 이온 입자의 수도 감소됨으로써, 도 4에 나타낸 바와 같이, 전류량 검출기(2)에 측정되는 전류의 양이 감소하게 된다.
반면에, 제 1 유체(6)에 유출유가 포함되어 있지 않으면, 이동하는 이온 입자의 수는 일정하게 되고, 이로 인하여 측정되는 전류의 양도 일정하게 유지될 수 있다.
따라서, 전류량 검출기(2)를 통한 전류의 변화되는 양을 측정함으로써 제 1 유체(6) 내에 유출유의 유무를 검출할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 유출유 검출센서를 구비한 유출유 측정 시스템을 이용한 유출유 검출방법을 나타내는 흐름도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 복수개의 포어 구조체(10)가 형성된 유출유 검출센서(1)를 제공하여(S101), 챔버(3)의 제 1 유체(6)가 포함된 제 1 영역(4)과 제 1 유체(6)보다 이온 농도가 낮은 제 2 유체(7)가 포함된 제 2 영역(5)을 구분하고, 제 1 영역(4)에서 제 2 영역(5)으로 제 1 유체의 이온 입자가 이동되도록 한다.
전류량 검출기(2)에서는 유출유 검출센서(1)에 형성된 복수개의 포어 구조체(10)를 통해 제 1 영역(4)에서 제 2 영역(5)으로 이동하는 이온 입자에 의해 발생되는 전기적 신호, 즉 이온 전류량을 검출할 수 있다(S102). 예를 들어, 제 1 유체(6)에 유출유가 포함된 경우, 제 1 유체(6)의 유체 입자가 나노포어(20)에 부착됨으로써, 나노포어(20)의 직경이 감소되고, 그에 따라 제 1 영역(4)에서 제 2 영역(5)으로 이동되는 이온 입자의 수도 감소되어, 도 4에 나타낸 바와 같이, 전류량 검출기(2)에서 측정되는 전류의 양이 감소하게 된다.
따라서, 전류량 검출기(2)를 통해 검출된 이온 전류량에 근거하여 제 1 영역(4)에서 제 2 영역(5)으로 이동하는 유출유의 유무를 검출할 수 있다.
도 5는 도 본 발명의 일 실시예에 따른 나노포어 및 마이크로포어로 구성된 포어 구조체를 포함하는 유출유 검출센서를 나타내는 단면도이다. 도시한 바와 같이, 확산 흐름을 이용한 유출유 검출센서(1)에 있어서의 다수의 포어 구조체(10)는 유출유가 포함된 해수인 제 1 유체(6)를 공급하는 기판의 상측에 중공 형태로 형성된 나노포어(20), 나노포어(20)의 양단으로부터 단차지게 형성되고, 나노포어(20) 보다 직경이 큰 제 1 마이크로포어(30)를 포함한다.
또한, 제 1 마이크로포어(30)의 양단으로부터 단차지게 형성되고, 제 1 마이크로포어(30) 보다 직경이 큰 제 2 마이크로포어(40)를 포함할 수 있으며, 기판의 하측에는 유출유가 포함되지 않은 정상 해수인 제 2 유체가 공급될 수 있다.
본 발명에 있어서, 나노포어(20)의 직경은 175㎚, 제 1 마이크로포어(30)의 직경은 2.0㎛, 그리고 제 2 마이크로포어(40)의 직경은 100㎛인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 나노포어(20)는 형태에 따라 콘(깔대기) 형, 원형, 또는 사각형 형태 등 다향한 형태로 이루어질 수 있다.
기판의 하측에 공급되는 제 2 유체(7)는 기판의 상측에 공급되는 제 1 유체(6) 보다 낮은 이온 농도를 함유할 수 있다. 따라서, 제 1 유체(6)의 이온 입자는 나노포어(20)를 통해 제 2 마이크로포어(40)로 이동될 수 있으며, 특히, 제 1 유체의 이온 입자는 나노포어(20)와 제 1 마이크로포어(30) 및 제 2 마이크로포어(40)의 농도 기울기(concentration gradient)를 통해 확산 흐름(Diffusive flow)으로 이동된다. 또한, 제 1 유체(6)의 이온 입자뿐만 아니라 유체 입자도 이동될 수 있다.
기판은 도시하지는 않았지만, 소자층, SiO2 매립층 및 P형 핸들 웨이퍼로 이루어지는 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼일 수 있으며, 하나의 기판에는 나노포어(20)를 포함하는 다수의 포어 구조체(10)가 형성될 수 있다.
또한, 나노포어(20)는 소자층에, 제 1 마이크로포어(30)는 SiO2 매립층에 형성될 수 있으며, 제 2 마이크로포어(40)는 P형 핸들 웨이퍼에 형성될 수 있다. 특히, P형 핸들 웨이퍼 대신 N형 핸들 웨이퍼로 이루어진 기판을 사용하여도 괜찮다.
도 6은 본 발명에 따른 유출유 검출센서의 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 도 5 및 도 6를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유출유 검출센서(1)는, 소자층, SiO2 매립층 및 P형 핸들 웨이퍼로 이루어지는 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼로 이루어지는 기판(도시하지 않음)에 나노포어(20), 제 1 마이크로포어(20) 및 제 2 마이크로포어(30)를 포함하는 다수의 포어 구조체(10)를 형성하는 것으로, 먼저 기판의 상측에 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching)법을 이용하여 중공 형태의 나노포어(nanopore)(20), 예를 들어 직경이 175㎚인 나노포어를 형성한다(S201).
이후, 기판의 하측에 상기 나노포어의 중심과 일치하는 지점에서 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)을 통하여 중공 형태의 제 2 마이크로포어(micropore)(40), 예를 들어, 100㎛의 직경을 가지는 제 2 마이크로포어를 형성하고(S202), 다음에 나노포어(20)와 제 2 마이크로포어(40) 사이에 열 산화 공정을 통하여 2㎛의 직경을 가지는 제 1 마이크로포어를 형성한다(S203).
즉, 제 1 마이크로포어(30)는 나노포어(20)의 양단으로부터 단차지도록 형성되고, 제 2 마이크로포어(40)는 제 1 마이크로포어(30)의 양단으로부터 단차지게 형성될 수 있다.
<실시예>
본 발명에 따른 나노포어(nanopore)는 2개의 리소그래피 단계 및 3개의 에칭 단계를 이용하여 SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼 상에 제조한다.
1) 샘플은 340㎚ 소자층, 1㎛ 두께의 SiO2 매립층 및 450㎛ 두께의 P형 핸들 웨이퍼를 가지는 양면이 사용가능한, 연마된 100㎜ 직경의 SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼를 사용한다.
2) 소자층을 에칭하기 위해 60분 동안 1000℃로 건식 산화 분위기에서 60㎚ SiO2 층을 열 성장시켜 하드 마스크로 기능한다.
3) 소자층은 100㎚의 필름 두께를 얻기 위해 5,000rpm으로 메톡시벤젠(methoxybenzene)에 3% PPMA(poly(methyl methacrylate))으로 스핀코팅 되고, PPMA는 핫 플레이트 상에서 15분 동안 175℃로 소프트 베이크된다.
4) 서클을 패턴하기 위해 전자 빔 리소그래피(Electron beam lithography, EBL)가 사용되고 이후 패턴이 성장된다.
5) PPMA 내의 개구(opening)는 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE)에 의해 SiO2 하드 마스크로 전달된다.
6) 일반 에칭 설비를 이용하여 500W 코일 전원, 50W 플래턴 전원 및 2분 동안 Cl2의 10sccm으로 유도결합 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP) RIE에서 SiO2 하드 마스크를 활용함으로써, 상부 실리콘 소자층이 에칭된다.
이후, 웨이퍼의 후면 측 공정을 수행한다.
7) 웨이퍼의 후면은 2,500rpm에서 AZ4620으로 스핀 코팅되고 핫 플레이트 상에서 90초 동안 90℃로 소프트 베이크된다.
8) 소자 측 서클의 맞은편에 수직으로 100㎛ 서클 패턴을 형성하도록, 참고 정렬 마커(reference alignment marker)로서 전면 측에 EBL을 통해 패턴된 특징을 활용함으로써, 후면 포토리소그래피가 완료된다.
9) 핸들 웨이퍼는 보쉬(Bosch) 공정을 이용하여 SF6 및 C4F8로 DRIE(deep reactive ion etcher)에서 식각된다.
10) 그리고 나서 후면 측은 AZ4620으로 스핀 코팅되고 100㎛ 애퍼쳐를 채우기 위해 소프트 베이크 된다.
11) 상부측 애퍼쳐를 통해 매립된 SiO2를 식각하기 위해 완화된 산화물 에칭제(20:1)에 웨이퍼를 담근다.
12) 그리고 나서 SiO2의 층을 성장시키기 위해, 웨이퍼를 열산화 퍼니스 내에 위치시킨다. 열산화 공정은 등각이며, 따라서 필름은 포어의 측벽에서 성장하고, 포어의 직경을 제어 가능하게 감소시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 포어 구조체에 대해 마이크로포어 측에서 본 광학 현미경 사진을 나타낸 예시도로, 특히 100㎛의 직경과 2㎛이하의 직경이 서로 연결된 영역을 가지는 유출유 검출센서(1)의 후면 측 마이크로포어의 광학 현미경 사진을 나타낸다.
또한, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유출유 검출센서 구조체의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 예시도로, 도시한 바와 같이, 40㎚ 나노포어의 단면의 SEM 이미지를 나타낸다.
나노포어 아래의 넓은 영역은 2㎛이하의 연결된 영역, 즉, 마이크로포어와 연결되는 영역을 나타낸다.
상술한 바와 같이, 유출유 검출센서(1)에 형성된 나노포어(20)와 마이크로포어(30, 40) 사이의 농도 기울기에 의한 확산 흐름을 이용함으로써, 제 1 유체(6)에 함유된 이온입자가 이온 농도가 낮은 제 2 유체 측으로의 이동되고, 이온 입자의 이동에 의해 이온 전류가 발생된다. 특히, 확산 흐름에 의해 이온 입자의 이동 뿐만 아니라, 제 1 유체(6)의 유체 입자도 나노포어(20)를 통해 제 1 영역(4)에서 제 2 영역(5)으로 이동하게 된다.
이때, 제 1 유체(6)의 유체 입자가 나노포어(20)에 부착되어 이온 입자가 이동될 수 있는 나노포어(20)의 직경이 감소하게 되고, 그로 인하여 이동되는 이온 입자의 수가 감소되어 검출되는 이온 전류량도 감소하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 유출유 검출센서(1)를 통하여 별도의 에너지, 즉 외부 전원의 인가 없이도 이온 입자의 흐름을 유도하고, 검출되는 이온 전류량으로 유출유의 존재 여부를 검출할 수 있는 특징이 있다.
특히, 본 발명에 따른 유출유 검출센서를 구비하는 유출유 측정 시스템을 해상, 선박 또는 해저의 송유관 등에 장착하는 경우, 해상으로 유출되는 유출유를 검출함으로써 유출유로 인한 해양 오염 사고 등을 최소화시킬 수 있다.
상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1 : 유출유 검출센서 2 : 전류량 검출기
3 : 챔버 6 : 제 1 유체
7 : 제 2 유체 10 : 포어 구조체
20 : 나노포어 30 : 제 1 마이크로포어
40 : 제 2 마이크로포어
3 : 챔버 6 : 제 1 유체
7 : 제 2 유체 10 : 포어 구조체
20 : 나노포어 30 : 제 1 마이크로포어
40 : 제 2 마이크로포어
Claims (10)
- 확산 흐름을 이용하여 해수에 포함된 유출유를 검출하는 유출유 검출 시스템에 있어서,
제 1 유체가 포함된 제 1 영역과 제 2 유체가 포함된 제 2 영역을 구분하고, 상기 제 1 영역에서 상기 제 2 영역으로 제 1 유체의 이온 입자가 이동되도록 복수개의 포어 구조체가 형성된 유출유 검출센서; 및
상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역에 연결되어 상기 제 1 영역에서 상기 제 2 영역으로 이동되는 이온 입자에 의해 발생되는 이온 전류량을 검출하는 전류량 검출기;를 포함하고,
상기 제 1 유체에 유출유가 포함되는 경우, 상기 이온 전류량은 감소되는 것을 특징으로 하는 유출유 검출 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 유출유 검출센서는,
제 1 유체를 공급하는 기판의 상측에 중공 형태로 형성된 나노포어;
상기 나노포어의 양단으로부터 단차지게 형성되고, 상기 나노포어 보다 직경이 큰 제 1 마이크로포어; 및
상기 제 1 마이크로포어의 양단으로부터 단차지게 형성되고, 상기 제 1 마이크로포어 보다 직경이 큰 제 2 마이크로포어;를 포함하고,
상기 기판의 하측에는 제 2 유체를 공급하는 것을 특징으로 하는 유출유 검출 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 유체는 정상 해수이고,
상기 제 2 유체는 상기 제 1 유체보다 낮은 이온 농도를 함유하는 것을 특징으로 하는 유출유 검출 시스템.
- 제 2 항에 있어서,
상기 기판은 소자층, SiO2 매립층 및 P형 핸들 웨이퍼로 이루어지는 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 유출유 검출 시스템.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 유체의 이온 입자는 농도 기울기(concentration gradient)를 통한 확산 흐름으로 상기 나노포어를 통해 상기 제 2 마이크로포어로 이동되는 것을 특징으로 하는 유출유 검출 시스템.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 유체의 입자는 상기 나노포어와 상기 제 1 마이크로포어 및 제 2 마이크로포어의 농도 기울기를 통한 확산 흐름으로 제 1 영역에서 제 2 영역으로 이동되는 것을 특징으로 하는 유출유 검출 시스템.
- 유출유 검출센서를 구비한 유출유 검출 시스템을 이용한 유출유 검출방법에 있어서,
제 1 유체가 포함된 제 1 영역과 제 2 유체가 포함된 제 2 영역을 구분하고, 상기 제 1 영역에서 상기 제 2 영역으로 제 1 유체의 이온 입자와 유체 입자가 이동되도록 복수개의 포어 구조체가 형성된 유출유 검출센서를 제공하는 제 1 단계;
상기 유출유 검출센서에 형성된 복수개의 포어 구조체를 통해 상기 제 1 영역에서 상기 제 2 영역으로 이동하는 이온 입자에 의해 발생되는 이온 전류량을 검출하는 제 2 단계; 및
상기 검출된 이온 전류량에 근거하여 상기 1 영역에서 상기 제 2 영역으로 이동하는 유출유를 검출하는 제 3 단계;를 포함하고,
상기 제 2 단계에서, 상기 제 1 유체에 유출유가 포함되는 경우 상기 이온 전류량은 감소되는 것을 특징으로 하는 유출유 검출 시스템을 이용한 유출유 검출방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제 2 유체는 상기 제 1 유체보다 낮은 이온 농도를 함유하는 것을 특징으로 하는 유출유 검출 시스템을 이용한 유출유 검출방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 유체에 유출유가 함유되어 있지 않으면, 상기 이온 전류량은 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 유출유 검출 시스템을 이용한 유출유 검출방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 유체의 이온 입자와 유체 입자의 이동은 상기 포어 구조체의 농도 기울기(concentration gradient)를 통한 확산 흐름으로 수행되는 것을 특징으로 하는 유출유 검출 시스템을 이용한 유출유 검출방법.
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| KR20160065498A (ko) | 2014-12-01 | 2016-06-09 | 주식회사 네오텍 | 퍼지 제어를 이용한 해수면 상황 예측 시스템 |
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