KR20140112759A - 검사 대상의 물체를 검출하는 장치 - Google Patents

Abstract

실시예에 따른 검사 대상의 물체를 검출하는 장치는 자성입자가 결합된 검체의 자기적 성분을 감지하는 자기저항(MR)센서와, 상기 자기저항센서의 제1방향과 제2방향으로 외부자기장을 인가하는 외부자기장 인가부를 포함하고, 상기 외부자기장인가부는 제2방향의 외부자기장을 순환시켜 손실자기장을 보상하는 자기장보상유닛을 포함하고, 상기 자기장보상유닛은, 유출되는 외부자기장을 순환시키는 자기장순환모듈과, 상기 자기장 순환모듈 내부에 형성되는 자기장발생유닛을 포함한다.

Description

검사 대상의 물체를 검출하는 장치{Apparatus for detecting target molecules}

본 발명은 검사 대상의 물체를 검출하는 장치 및 방법에 대한 것이다.

일반적으로 자기센서 카트리지(magnetic sensor)는 자기장 또는 자력선의 크기와 방향을 측정하는 센서 카트리지로서, 자기장의 영향으로 여러 가지 물질의 성질 등이 변하는 것을 이용하여 자기장을 측정한다. 홀 효과나 자기저항효과 등을 이용하여 홀소자나 MR(Magnetic Resistance) 소자 등을 만들기도 하고, VTR(Video Tape Recorder), 테이프 리코더 등의 제조에도 이용한다. 이러한 자기장의 영향을 받은 물질은 기본적으로 자성입자와 결합된 검출대상체에 자기장을 인가하여 자성의 변화를 검출하는 것을 요지로 한다.

상술한 자성입자는 자철광으로부터 제조되는 것으로, 입자의 표면을 관심의 대상이 되는 생체물질로 코팅하여 결합된 대상물의 존재를 검출하기 위한 태그로서 매우 유망하기 때문에 특히, 생화학 분야에서 오랫동안 연구되고 사용되어 왔다. 그러나 매우 작은 부피의 자성입자로부터 나오는 자기 신호는 극히 작기 때문에 자기 검출기제조는 어려운 도전과제로 남겨져 있고 다양한 방식으로 연구되고 있는 실정이다.

이와 관련한 장치 및 방법으로는, 초전도 콴텀 인터피어런스 디바이스에 기초한 방법이 있으나, SQUID의 일반적인 복잡성 및 극저온의 요소들로 인해 현장검사 기기로는 적합하지 않은 방법이다. 더 전통적인 방법으로 힘 자력 계의 몇몇 형태를 포함하는데, 정량적 측정이나 고감도 측정에는 한계가 있다. 이후, 자성 입자의 국지축적을 정량적으로 측정하기 위한 방법으로서, 홀 센서(hall sensor)을 이용하거나 거대 자기저항(Giant Magneto-Resistance) 센서를 이용하는 방법이 제안되기는 하였으나, 감도의 부정확성이나 측정장비의 구성면에서 이를 실용화하는 데에는 많은 한계가 있는 실정이다.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 자기저항센서를 이용한 검체의 신호검출 시스템을 제공하되, 자기저항센서에 인가되는 자기장의 방향을 자기저항센서의 Y축 방향과 Z축 방향에서 인가하여 센서의 감도 성능이 최대화할 수 있는 검출시스템 및 이를 이용한 검출방법을 제공하는 데 있다.

실시예에 따른 검사 대상의 물체를 검출하는 장치는 자성입자가 결합된 검체의 자기적 성분을 감지하는 자기저항(MR)센서와, 상기 자기저항센서의 제1방향과 제2방향으로 외부자기장을 인가하는 외부자기장 인가부를 포함하고, 상기 외부자기장인가부는 제2방향의 외부자기장을 순환시켜 손실자기장을 보상하는 자기장보상유닛을 포함하고, 상기 자기장보상유닛은, 유출되는 외부자기장을 순환시키는 자기장순환모듈과, 상기 자기장 순환모듈 내부에 형성되는 자기장발생유닛을 포함한다.

본 발명에 따르면, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호검출 시스템을 제공하되, 자기저항센서에 인가되는 자기장의 방향을 자기저항센서의 Y축 방향과 Z축 방향에서 인가하여 센서의 감도 성능이 최대화할 수 있으며, 특히 Z축 방향의 자기장의 손실을 최소화할 수 있는 자기장보상유닛을 형성하여 강한 자기장을 확보할 수 있도록 하여 검출감도를 최대화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에서 사용되는 자기저항센서의 센싱 원리를 설명한 개념도이다.
도 2를 참조하여 본 발명에 따른 기본 검출시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 홀센서의 자기장 인장방식을 나타내는 도면이다.
도 4와 도 5는 실시예에 따른 자기저항 센서의 자기장 인가 방식을 설명하는 도면이다.
도 6 및 도 7은 실시예의 외부자기장 인가장치를 보여주는 도면이다.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.

본 발명에서는 종래의 방법에 의해 측면 유동 멤브레인(lateral flow membrane)에 축적된 자성입자를 거대 자기 저항 센서를 이용하여 정량적으로 측정할 수 있는 고감도의 현장검사 장치 및 측정 방법을 제공하되, 자기저항 센서(이를 테면, GMR 센서)가 종래의 기술에서 사용한 자기 검출 장치에서 나타날 수 있는 센서 성능 구현의 문제점 및 이에 대한 해결 방안을 제시하고, 홀 센서 이외의 자기저항 방식(예, GMR, TMR)이 활용 가능한 고감도 자계 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 요지로 한다. 특히 자기저항센서를 이용하여 외부자기장을 인가함에 있어서, 손실되는 자기장을 보상할 수 있는 자기장보상유닛을 구비하여 강한 자기장을 구현할 수 있도록 함으로써, 감도를 최대화할 수 있는 검출시스템을 제공하는 것을 그 요지로 한다.

도 1은 본 발명에서 사용되는 자기저항센서의 센싱 원리를 설명한 개념도이다. 다만, 설명의 편의를 위하여, 자기저항 센서 중 거대자기저항(GMR; Giant Magneto Resistance)를 이용한 센싱 원리를 일례로 설명하기로 한다.

이는 스핀 밸브 타입(Spin-valve type) GMR(Giant Magneto Resistance) 디바이스를 보인 것이다. 도시된 바와 같이, 자기저항센서는 두 개의 강자성체 금속층 사이에 비자성 금속층이 끼어 있는 형태로 첫 번째 층의 강자성층 금속층의 자력은 고정되어 있고, 두 번째 층의 강자성체의 자력을 가변적으로 조정하여 첫 번째 층과 자력이 평행할 경우 오직 특정방향으로 스핀이 배향된 전자만이 도체를 통과하는 원리를 이용한다. 즉, 두 강자성층의 자화방향의 정렬에 따라 재료 내부에서 유도되는 전기저항의 차이, 또는 전위차가 발생하고 이것을 디지털 신호로 인식하게 된다. 층간 물질이 도체인 경우가 바로 GMR 디바이스에 해당된다.

도 2를 참조하여 본 발명에 따른 기본 검출시스템의 구성을 설명하기로 한다.

본 발명의 기본구성은 검출하고자 하는 검체와 상기 검체를 고정하는 검체고정유닛(120), 상기 검체에 외부에서 자기장을 인가하는 외부자기장인가장치(110), 그리고 자기저항 센서(130)를 포함하여 이루어진다. 이 기본구조를 이용해 검체를 검체고정유닛(120)에 마운팅(mounting)하고, 외부자기장인가장치(110)에서 외부자기장을 인가하며, 자기저항센서(130)에서 자기적 성분(자성입자)와 결합한 검체에 대한 자기신호를 감지하여 전기적 성분으로 분리하고 분석할 수 있도록 한다. 자성입자는 10~100emu/g의 자화 값을 구비할 수 있다. 이 경우 상기 자성입자는 그 특성이 초상자성(superparamagnetism) 또는 상자성(paramagnetism)을 갖을 수 있다.

상기 외부자기장 인가장치는 기본적으로 상기 자기저항센서(130)의 제1방향 및 제2방향 외부자기장을 인가하는 것이 바람직하다. 상술한 제1방향 및 제2방향은 특히 바람직하게는 상기 자기저항센서에 수평방향(Y축)으로 자기장을 인가시키는 제1인가유닛(111), 그리고 상기 자기저항센서에 수직방향(Z축)으로 자기장을 인가시키는 제2인가유닛(112)를 포함함이 바람직하다. 물론 상술한 수평 방향 수직 방향은 상기 자기저항 센서의 입면에 반드시 수직만을 의미하는 것이 아니라, 일정 정도의 입사방향의 유동성을 구비하는 것을 포함하는 개념이다.

특히, 상기 제2인가유닛(112)은 상기 자기저항센서의 수직방향(Z축)으로 자기장을 인가함에 있어서, 제2방향의 외부자기장을 순환시켜 손실자기장을 보상하는 자기장보상유닛을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 자기장보상유닛은 기본적으로 유출되는 외부자기장을 순환시키는 자기장순환모듈(112a)과 상기 자기장 순환모듈 내부에 형성되는 자기장발생유닛(112b)을 포함하여 이루어진다. 상기 자기장발생유닛(112b)에서는 Z축 방향으로 자기장을 인가하며, 인가되는 자기장에서 외부로 유출되는 자기장은 자기장순환모듈(112b)를 통해 외부로 유출되는 것이 방지되어 강한 자기장을 확보할 수 있도록 해 검출감도를 향상시킬 수 있게 된다.(이에 대해서는 도 6을 통해 상세히 후술하기로 한다.)

본 발명에서 사용할 수 있는 자기저항 센서(130)는 정상자기저항(Ortrinary Magnetoresistance, OMR)센서, 이방성 자기저항(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)센서, 거대자기저항(giant Magnetoresistance, GMR)센서, 초거대자기저항(Colossal Magnetoresistance, CMR)센서, 터널링자기저항(Tunnelling Magnetoresistance, TMR) 센서, MJT (Magnetic Tunneling Junction)센서, 평면홀저항(Planar Hall Resistance)센서 중 선택되는 어느 하나를 이용함이 바람직하다.

도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명에서의 바람직한 일실시예로서 GMR 센서를 가지고 본 발명에 따른 요지를 구체적으로 설명한다.

도 3은 종래의 홀센서를 이용한 방식을 나타낸 것으로, 종래 기술에서는 초상자성의 자성입자를 포화 자화시키기 위해 센서의 수직 방향(Bext)으로 영구자석을 이용하여 직류자기장(DC magnetic field)를 인가하고, 자기장에 수직인 방향(Ic)으로 인가되는 교류편향전류(AC bias current)를 이용하여 홀 센서를 여기 및 편향 시켜 동작하였다. VH는 자기장에 대해 수직의 전류를 인가할 때 발생하는 기전력이다. 이와 같은 종래의 기술에서는 센서의 수직방향으로만 자기장이 인가되기 때문에, 그 검출 성능이 떨어지는 문제가 있었다.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 자기저항 센서 중 일 실시예로서 GMR 센서의 개념도를 도시한 것으로, 이는 자기저항 센서가 적용되는 검출디바이스에서 자기저항센서의 개념도이다. 도시된 개념도에서 화살표는 박막형물질의 적층으로 구성되는 센서를 중심으로, 박막형 물질의 수평방향(X축 방향), 박막형물질의 수평방향(Y축 방향), 박막형 물질의 수직방향(Z축 방향)을 나타낸다. 이러한 GMR 센서는 센서와 직각 방향(Y축)의 자기장에 대해서만 매우 강한 영향을 받고, 센서와 평행한 방향(X축)에 대해서는 약간의 영향을 받는 반면에 센서와 수직인방향(Z축)에 대해서는 전혀 영향을 받지 않는 특성을 지닌다. 또한, Y축 방향의 자기장에 대해서는 고유의 선형구간(linear range) 안에서 편향(biasing) 조절이 가능하다.

따라서, GMR 센서의 최대 성능 구현을 위한 시스템 디자인은 Z축 방향으로 직류 자기장(DC magnetic field)을 인가하여 초상자성의 자성입자를 포화 자화시키고, Y축 방향으로 자기장을 인가하여 센서의 감도 성능이 최대가 되는 편향 조절을 하는 것이 필수적이다. 이때, Y축 방향의 자기장 인가는 직류전류(DC current)를 통해 발생되는 유도 자기장(induced magnetic field)을 사용하는 것이 신호 대 잡음 비 향상에 매우 효과적이다. 또한, 측면 유동 멤브레인에 국지 축적된 자성입자는 Y축 방향의 유도 자기장과 같은 방향으로 스캐닝(scanning)을 통해 이송되도록 하는 것이 가장 바람직하다.

도 6은 본 발명에 따른 외부자기장 인가 장치를 포함하는 검출시스템의 구성을 보여주는 도면이다.

본 발명에 따른 외부자기장 인가장치는 도 2의 요부구성에 대한 설명에서 상술한 바와 같이, 자기저항센서에 수평방향(Y축)으로 자기장을 인가시키는 제1인가유닛(111), 상기 자기저항센서에 수직방향(Z축)으로 자기장을 인가시키는 제2인가유닛(112)와 내부에 검체(ex, 멤브레인 등), 그리고 스캐너(미도시)를 구비하고 있다.

특히, 상기 제2인가유닛(112)은 상기 자기저항센서의 수직방향(Z축)으로 자기장을 인가함에 있어서, 상기 자기 저항센서의 수직방향(Z축)의 외부자기장을 순환시켜 손실자기장을 보상하는 자기장보상유닛을 구비한다.

상기 자기장보상유닛은 기본적으로 유출되는 외부자기장을 순환시키는 자기장순환모듈(112a)과 상기 자기장 순환모듈 내부에 형성되는 자기장발생유닛(112b)을 포함하여 이루어진다. 상기 자기장발생유닛(112b)에서는 Z축 방향으로 자기장을 인가하며, 인가되는 자기장에서 외부로 유출되는 자기장은 자기장순환모듈(112a)를 통해 외부로 유출되는 것이 방지되어 강한 자기장을 확보할 수 있도록 해 검출감도를 향상시킬 수 있게 된다.

제1인가유닛(111)과 제2인가유닛에서 자기장을 발생시키는 자기장발생유닛(112b)은 솔레노이드 코일, 헬름홀츠 코일, 전자석요크, 영구자석 등을 이용하여 외부자기장을 인가시킬 수 있다. 즉 솔레노이드 코일, 헬름홀츠 코일, 전자석요크, 영구자석 중에서 선택되는 어느 하나로 구성되거나, 또는 복수인 형태로 구성될 수도 있다. 또한, 제1 및 제2인가 유닛이 서로 다른 종류로 형성될 수도 있다.

상술한 바와 같이, 위 시스템에서는 Z축 방향으로 직류자기장(DC magnetic field)을 인가하여 측면 유동 멤브레인에 국지 축적된 초상자성의 자성입자를 포화 자화 시키고, Y축 방향으로 자기장을 인가하여 센서의 감도 성능이 최대가 되는 편향 조절을 하게 된다. 이때, Y축 방향의 자기장 인가는 직류전류(DC current)를 통해 발생되는 유도 자기장(induced magnetic field)을 인가할 수 있다. 즉, 검출하고자 하는 대상물질이 결합된 검체(112)는 Y축 방향(수평방향)으로 이송하게 되며, 수평방향으로 스캐닝 되는 경우 가장 좋은 감도로 측정이 가능하다. 본 발명에서는 상기 제1인가유닛에 인가되는 자기장의 범위는 2~300가우스(Gauss), 거대자기저항센서(GMR)가 반응 가능한 범위는 2~300가우스(Gauss)인 것이 바람직하다. 아울러 상기 제2인가유닛에 인가되는 자기장은 1200 ~ 1400 가우스(Gauss)의 범위에서 인가됨이 바람직하다.

이하에서는 도 6의 본 발명에 따른 외부자기장인가장치를 구성하는 일 실시예로서 제1인가유닛(111)을 헬름홀츠 코일(H)을 이용하고, 제2인가유닛에서의 자기장인가는 영구자석을 이용하여 구현한 구조를 들어 본 발명에 따른 요지를 설명하기로 한다.(상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자기장인가유닛은 솔레노이드 코일, 헬름홀츠 코일, 전자석, 자석 요크 등 전류 값의 변화를 통해 자기장영역(applied field)이 형성되는 모든 장치 또는 영구자석의 적용이 가능하다.)

본 발명에서의 제1인가유닛(111)을 구성하는 헬름홀츠 코일(H)의 사이즈는 (50 X 100 X 80 mm)으로 소형 기기에 장착을 할 수 있도록 설계하였다. 헬름홀츠 코일에는 0.5파이 두께의 구리 선을 162번을 감았고, 1A 또는 0.5A의 전류 인가시 헬름홀츠 코일 중심(5 X 5 X 5mm공간)에서 30Gauss 자기장이 형성되며 자기장 균일도는 ±1%이내이다. 이 헬름홀츠 코일에 의해서 형성되는 자기장은 수평방향 (Y축)의 자기장으로 본 발명에서 사용되는 거대자기저항(GMR)센서의 초기값 설정 및 안정성에 영향을 미치게 된다. 이러한 헬름홀츠 코일의 사이즈 및 전류에 의해 형성되는 자기장의 세기는 모두 가변이 가능한 것으로 본 발명에서는 30 Gauss, 균일도 ±1% 이내, 균일도를 유지해야 하는 공간 사이즈 (5 X 5 X 5mm)를 주요 성능으로 제작을 하였다.

아울러 자기장발생유닛(112b)와 자기장순환모듈(112a)을 형성함에 있어서, 자기장발생유닛(112b)는 2개의 영구자석을 대향 되게 배치하며, 자기장순환모듈(112a)는 순철(S10C) 재질로 만들어진 요크 구조로 형성하여, 상기 영구자석을 이 요크구조물의 내부에 형성하였다. 사용하는 영구자석의 사이즈는 (20 X 20 X 10mm)의 ND계열의 영구자석을 사용하였으며, 영구자석 사이의 간격은 4cm로 유지시켰다. 사용된 영구자석의 표면 자기장 세기는 4000~5000 Gauss이며 2개의 자석 사이의 중간 지점에서의 자기장 세기는 1200~1400 Gauss를 유지시키도록 하였다.

Claims (2)

1. 자성입자가 결합된 검체의 자기적 성분을 감지하는 자기저항(MR)센서와,
   상기 자기저항센서의 제1방향과 제2방향으로 외부자기장을 인가하는 외부자기장 인가부를 포함하고,
   상기 외부자기장인가부는 제2방향의 외부자기장을 순환시켜 손실자기장을 보상하는 자기장보상유닛을 포함하고,
   상기 자기장보상유닛은,
   유출되는 외부자기장을 순환시키는 자기장순환모듈과,
   상기 자기장 순환모듈 내부에 형성되는 자기장발생유닛과,
   을 포함하는 검사 대상의 물체를 검출하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 자기장순환모듈은 내부 공간의 일면에 대향되는 자기장발생유닛을 구비하며,
   외부는 자기장순환이 이루어질 수 있는 폐쇄형 구조물로 형성되는 검사 대상의 물체를 검출하는 장치.

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