KR20220016645A - Particle collecting device and particle sensing method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 입자 포집 장치 및 입자 센싱 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a particle collection device and a particle sensing method.
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.Recently, as interest in environmental pollution has risen, the problem of contamination by invisible fine particles is emerging. Typically, interest and concerns about fine dust are very large, and various methods have been devised to remove fine dust.
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.In addition to fine dust, the fields where fine particle detection can be utilized are limitless, such as detecting and removing dust generated at industrial sites, and detecting gas particles for early warning of fires.
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.However, in the case of fine particles having a diameter of 300 nm or less, it is not easy to collect and sense them. In particular, when the concentration of fine particles in the fluid is low, it may take some time to collect a significant amount of fine particles that can be sensed. This is a fatal drawback for applications requiring rapid fine particle detection.
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.Attempts have been made to increase the sensitivity of the sensor in order to solve the above-described problem, but in order to implement a sensor with high sensitivity, the price of the device may increase. Therefore, there is a need for a new fine particle trapping and sensing device having a simple structure, low price, low operating cost, and high sensitivity.
본 발명은 직경이 300nm 이하인 미세 입자를 포집하고 센싱하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to collect and sense fine particles having a diameter of 300 nm or less.
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.According to an embodiment of the present invention, a fine particle collecting unit for collecting fine particles having a diameter of 300 nm or less; and a processor for receiving a detection signal from the fine particle collecting unit and matching the information of the fine particles collected from the sensing signal, wherein the fine particle collecting unit includes at least two conductor layers having different shapes on a plane and the A particle trapping device is provided, comprising an insulator layer provided between at least two conductive layers and exposing at least a portion of the conductive layers.
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.According to an embodiment of the present invention, the fine particle collecting unit includes a first conductor layer; an insulator layer provided on the first conductor layer; and a second conductor layer provided on the insulator layer, wherein the insulator layer has a thickness of at least 10 nm, the insulator layer comprising an insulator layer opening through which at least a portion is removed to expose the first conductor layer, , wherein the second conductor layer includes a second conductor layer opening through which at least a portion of the region is removed to expose the first conductor layer and the insulator layer.
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.According to an embodiment of the present invention, the fine particles are attached to the first conductor layer, and the fine particle collecting unit detects a difference in electrical conductivity before and after the fine particles are attached to the first conductor layer, particle collection A device is provided.
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.According to an embodiment of the present invention, the detection signal received by the processor includes at least one of electrical conductivity, frequency, and voltage magnitude that is changed according to the collection of the fine particles, and the processor determines the slope of the change of the detection signal A particle collecting device is provided that calculates and matches the stored slope of the change in the detection signal to determine the type of the fine particle.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 절연체층 개구부 및 상기 제2 전도체층 개구부는 평면 상에서 대응되는 형태를 갖는, 입자 포집 장치가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the insulating layer opening and the second conductor layer opening has a shape corresponding to the planar shape, there is provided a particle collecting device.
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.According to an embodiment of the present invention, the insulating layer opening and the second conductor layer opening each independently have an area of 50 nm 2 to 10,000 μm 2 , a particle collecting device is provided.
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.According to an embodiment of the present invention, there is provided a particle collecting device, wherein the particle collecting device includes a plurality of the fine particle collecting unit, and the plurality of fine particle collecting units are each operated independently or collectively.
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.According to an embodiment of the present invention, the fine particle collecting unit includes a plurality of the first conductor layers provided to be spaced apart from each other; an insulator layer including a plurality of insulator layer openings; and a second conductor layer comprising a plurality of said second conductor layer openings.
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.According to an embodiment of the present invention, a first step of forming a non-uniform electric field by applying electricity to the fine particle collecting unit; a second step of collecting fine particles in the fine particle collecting unit using the non-uniform electric field; and a third step of determining whether to collect fine particles by detecting a detection signal generated by the fine particles collected by the fine particle collecting unit through a processor.
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.According to an embodiment of the present invention, the fine particle collecting unit includes a first conductor layer; an insulator layer provided on the first conductor layer; and a second conductor layer provided on the insulator layer, wherein the insulator layer includes an insulator layer opening through which at least a partial region is removed to expose the first conductor layer, wherein the second conductor layer includes at least a partial region and a second conductor layer opening that is removed to expose the first conductor layer and the insulator layer, wherein the non-uniform electric field is generated by a shape difference between the second conductor layer and the first conductor layer. this is provided
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.According to an embodiment of the present invention, the fine particles are attached to the first conductor layer, and the fine particle collecting unit detects a difference in electrical conductivity before and after the fine particles are attached to the first conductor layer. Particle sensing A method is provided.
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.According to an embodiment of the present invention, the detection signal detected by the processor includes at least one of electrical conductivity, frequency, and voltage magnitude that is changed according to the collection of the fine particles, and the processor determines the slope of the change of the detection signal A particle sensing method is provided for calculating and determining the type of the fine particle by matching the stored slope of the change in the detection signal.
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.The device for collecting fine particles and the method for sensing fine particles according to the present invention are excellent in trapping and sensing sensitivity for fine particles of 300 nm or less. In addition, there is an advantage that the fine particle collecting device and the fine particle sensing method can be driven with low power.
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.1 is a perspective view showing a particle collecting device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2a is a perspective view showing a fine particle collecting unit according to an embodiment of the present invention, Figure 2b is a cross-sectional view taken along line AA' of Figure 2a.
3 is a diagram schematically illustrating a particle collection principle by dielectrophoresis using a patterned vertical nanogap electrode according to the present invention.
4A is a diagram showing the force received by particles under a uniform (left) and (right) non-uniform electric field gradient, respectively, and FIG. 4B is a diagram illustrating the principle of detecting the wire-coated nanoparticles floating in the air.
5 is a view schematically showing an electrode pair (patterned gold and ITO) spaced apart with SiO2 as a conductor layer according to the present invention and a method for manufacturing the same.
6 is a vertical nanogap electrode composed of a gold electrode and an ITO electrode including holes formed in patterns of various sizes and spaced apart with a 100 nm thick SiO2 layer, manufactured with a large area of several tens of mm2 using the method of the present invention; It is a diagram showing the results of observation of the shape and cross-section of , with the naked eye and with a scanning electron microscope (SEM).
7 is a schematic view of (A) a PVP-spaced electrode pair (patterned gold and ITO) and a manufacturing method thereof as a conductor layer according to an embodiment of the present invention, (B) a real vertical nanogap electrode manufactured according to the present invention; It is a diagram showing the results of observation of the shape and cross-section of , with the naked eye and SEM.
8 is a flowchart illustrating a method for sensing fine particles according to an embodiment of the present invention.
9 is (A) an electric field distribution in an electrode pair (patterned gold and ITO) spaced apart with PVP as a conductor layer according to an embodiment of the present invention, and (B) polystyrene particles having a diameter of 1 μm in simulation. It is a diagram showing the Clausius-Mosotti curve according to the frequency derived by
10 is a graph showing the collection and dispersion of particles by applying an alternating voltage of 100 mV while changing the frequency to 10 MHz and 100 KHz respectively selected in the region where the Clausius-Mosotti values of the calculated curve are positive and negative, respectively. A diagram showing the results.
11 shows the dispersion and distribution of particles by applying an alternating voltage of 100 mV while changing the frequency to (A) 100 KHz and (B) 1 MHz, respectively, selected in the region where the Clausius-Mosotti value of the calculated curve is positive and negative. It is a diagram showing the result of inducing collection.
12 shows the results of collecting Arizona test dust according to an experimental example.
13 is a perspective view illustrating a fire detection device as an example of application of the device for collecting fine particles according to an embodiment of the present invention.
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.Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
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.According to an embodiment of the present invention, a particle collecting device is provided. The particle trapping device can trap fine particles with a diameter of 300 nm or less with low power and high sensitivity by using the dielectrophoresis phenomenon. Accordingly, the particle collecting device can be used for various purposes. For example, the particle collection device may be used as a fire detection device, an air cleaning device for removing fine dust, or the like.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 포집 장치를 나타낸 사시도이다.1 is a perspective view showing a particle collecting device according to an embodiment of the present invention.
도 1에 따르면, 입자 포집 장치는 미세 입자 포집부(10) 및 프로세서(20)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , the particle collecting device includes a fine
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.The fine
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.The fine
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. Since the fine
미세 입자 포집부(10)의 구조 및 작동 원리에 대해서는 이하에서 더 자세히 살펴보고자 한다.The structure and operating principle of the fine
프로세서(20)는 미세 입자 포집부(10)로부터 감지 신호를 수신하고, 감지 신호로부터 포집한 미세 입자의 정보를 매칭한다.The
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.The detection signal received by the
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.The
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.The additional operation performed by the
이하에서는 미세 입자 포집부(10)의 구조에 대하여 더 자세히 살펴보고자 한다.Hereinafter, the structure of the fine
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.2A is a perspective view showing a fine particle collecting unit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line A-A' of FIG. 2A. 3 is a diagram schematically illustrating a particle collection principle by dielectrophoresis using a patterned vertical nanogap electrode according to the present invention.
도 2a 및 도 2b를 참고하면, 미세 입자 포집부(10)는 제1 전도체층(100), 절연체층(200), 및 제2 전도체층(300)을 포함한다.Referring to FIGS. 2A and 2B , the fine
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.According to the present invention, in collecting and sensing fine particles using the dielectrophoretic principle, there is provided a fine
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.Specifically, the
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.When an alternating voltage is applied to the
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.When the fine particles are collected in the fine
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.The fine
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.The second
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.The second
제1 전도체층(100) 및 제2 전도체층(300)은 서로 동일하거나 상이한 전도성 물질로 된 필름일 수 있다.The first
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.The fine
"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."Dielectrophoresis (DEP)" refers to the effect of a force on a dielectric particle when placed in a non-uniform electric field, which force changes the charge of the particle. is not required, and all particles can exhibit dielectrophoretic activity in the presence of an electric field. At this time, the strength of the applied force, that is, the force of dielectrophoresis (F DEP ) depends not only on the frequency of the electric field, but also on the electrical properties of the medium containing the particles and the particles themselves, and the shape and size of the particles. Accordingly, an electric field of a specific frequency can be used to control the particles, for example, to control the orientation and/or behavior of the particles. The principle of the dielectrophoresis is schematically shown in FIGS. 3 and 4A.
입자가 주파수, ω의 교류가 인가된 매질, 예컨대, 유체에 놓였을 때 받게 되는 유전영동력(FDEP)은 아래의 식으로 표현될 수 있다.The dielectrophoretic force (F DEP ) received when a particle is placed in a medium to which an alternating current of frequency, ω is applied, for example, a fluid can be expressed by the following equation.
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.where ω is the frequency of alternating current applied to the dielectrophoretic electrode pair, ε m is the permittivity of the fluid (medium) surrounding the particle, R is the radius of the particle, E is the magnitude of the electric field, Re(f CM (ω) ) is the real part of the Clausius-Mossotti (CM) function with respect to the frequency of the applied alternating current. In the above equation, the factor determining the sign of the dielectrophoretic force applied to the particle is the real part of the Clausius-Mossotti (CM) function, which can be calculated by the following equation.
이때, ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수, ε* p는 포집하고자 하는 입자의 유전율, ε* m은 유체의 유전율이다.In this case, ω is the frequency of alternating current applied to the dielectrophoretic electrode pair, ε * p is the dielectric constant of the particles to be collected, and ε * m is the dielectric constant of the fluid.
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.This is because under alternating current of frequency, ω, when the dielectric constant of the particle is greater than that of the medium, it has a positive Clausius-Mosotti value, that is, Re[f CM ] > 0, DEP at this time is called positive DEP, In this state, the particle moves toward the larger electric field gradient. Conversely, when the dielectric constant of the particle is smaller than that of the medium, it has a negative Clausius-Mosotti value, that is, Re[f CM ] < 0, DEP at this time is called negative DEP, and in this state, the particle moves toward the side with the smallest gradient of the electric field.
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.The
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.The
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.When the thickness of the
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.A plurality of fine
도 4b를 참고하면, 미세 입자 포집부(10)의 미세 입자 포집 원리를 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4B , the principle of collecting fine particles of the fine
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.The fine
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.Specifically, referring to FIG. 4B , a voltage is applied between the
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.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These Examples are for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by these Examples.
실시예 1: 일면에 패턴화된 홀을 갖고 양면이 SiOExample 1: With patterned holes on one side and SiO on both sides 22 로 이격된 대면적 수직 나노갭 어레이의 제조Fabrication of a large-area vertical nanogap array spaced by
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.After forming an ITO layer with a thickness of 100 nm on a glass substrate patterned with an area of 1 cm×1 cm with an area of 4 mm×3 mm, SiO 2 with a thickness of 100 nm using a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) apparatus layer was deposited. Then, a 100 nm-thick gold layer was formed on the SiO 2 layer by a thermal evaporation machine. Then, a photosensitive resin (AZ152, Microchemical) was spin-coated and heated to form a photosensitive resin layer. A photomask having an array pattern in which a series of 30 μm in diameter holes are arranged at intervals of 30 μm was placed on the surface on which the photosensitive resin layer was formed, and UV rays were irradiated on the photomask and then developed to remove the masked portion. . As described above, inductively coupled plasma (ICP) etching is performed on the layered structure in which the hole array pattern is formed with the photosensitive resin to form the second conductor layer and the insulator layer exposed at the bottom of the hole pattern in the same shape as the pattern. Etched. When etching through the ICP etching, the etch rate is different from gold constituting the second conductor layer and SiO 2 constituting the insulator layer, so that the first insulator layer is maintained but the second conductor layer and the insulator layer can be selectively removed. , the processing time was calculated by considering the thickness of each of these layers and the etching rate for the corresponding material. Specifically, in the case of SiO 2 etching by ICP etching, argon gas 15 sccm, CHF 3 gas 90 sccm at 4 mTorr pressure at 4 mTorr pressure,
실시예 2: 일면에 패턴화된 홀을 갖고 양면이 PVP로 이격된 대면적 수직 나노갭 어레이의 제조Example 2: Fabrication of a large-area vertical nanogap array with patterned holes on one side and spaced on both sides with PVP
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.A polyvinylphenol (PVP) solution was spin-coated on a glass substrate patterned with a 180 nm thick ITO layer having an area of 1 cm×1 cm and heated to form a 110 nm thick insulator layer made of PVP. Then, a photosensitive resin (AZ1512) was spin-coated on the PVP layer and heated to form a photosensitive resin layer. A photomask having an array pattern in which a series of 30 μm in diameter holes are arranged at intervals of 30 μm was placed on the surface on which the photosensitive resin layer was formed, and UV rays were irradiated on the photomask and then developed to remove the masked portion. . A gold thin film having a thickness of 120 nm was formed by thermal evaporation on the patterned surface of the laminate including the patterned photosensitive resin layer. Thereafter, the residual photosensitive resin pattern and an unnecessary gold thin film formed on the surface thereof were removed by treatment with acetone, and a gold thin film layer having a pattern in the form of a hole array was obtained. Furthermore, through reactive ion etching using oxygen gas with a flow rate of 100 sccm at a pressure of 100 mTorr, 150 W for 2 minutes and 15 seconds was used as a mask, and the patterned gold thin film was used as a mask, and the hole was not covered by this. The portion of the PVP insulator layer exposed to the was removed selectively.
실험예 1: 수직 나노갭 어레이의 형상 분석Experimental Example 1: Shape analysis of vertical nanogap arrays
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.According to Examples 1 and 2, one electrode and the other electrode formed with a plurality of hole array patterns and spaced apart by a nanogap made of an insulator, manufactured in an area of several mm 2 and several cm 2 , respectively, and a plurality of hole array patterns are continuously formed. 5, 6, and 7 schematically show the manufacturing process of the including electrode pair. In addition, the outer shape of the electrode pair prepared in this way was visually observed, and the fine hole array pattern and cross section were confirmed by SEM, and the results are shown in FIG. 7 .
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.In the above, the particle collecting device and the fine particle collecting unit included therein according to an embodiment of the present invention have been described. Hereinafter, a fine particle sensing method using a particle collecting device will be described.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 센싱 방법을 나타낸 순서도이다.8 is a flowchart illustrating a method for sensing fine particles according to an embodiment of the present invention.
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.Referring to FIG. 8 , the particle sensing method includes a first step (S100) of applying electricity to the fine particle collecting unit to form a non-uniform electric field, and a second step of collecting fine particles using the non-uniform electric field to the fine particle collecting unit ( S200), and a third step (S300) of determining whether to collect fine particles by detecting a detection signal generated by the fine particles collected in the fine particle collecting unit through a processor.
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.The non-uniform electric field formed in the first step S100 means that the electric field has a non-uniform gradient. In this case, the fact that the electric field has a non-uniform gradient may mean that the distance between electric field lines constituting the electric field is non-uniform. The non-uniform electric field may result from at least two facing conductor layers having different shapes. For example, when a plate-shaped first conductor layer and a second conductor layer including an opening are provided, the opening (second A non-uniform electric field may be formed around the conductor layer opening). In addition, since a non-uniform electric field may not be formed when a current flows between at least two conductive layers facing each other in the first step S100 , an insulating layer may be provided between the conductive layers. The insulating layer may have a thickness in which conduction due to a tunneling effect does not occur between at least two conductive layers facing each other.
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.In the first step ( S100 ), an alternating voltage may be applied to the fine particle collecting unit. By adjusting the frequency of the AC voltage, the characteristics of the electric field formed in the first step S100 and the resulting dielectrophoretic force may be adjusted.
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.Next, in the second step ( S200 ), the fine particles may be collected in the fine particle collecting unit by using the non-uniform electric field. At this time, the fine particles may receive a dielectrophoretic force within the non-uniform electric field and move toward the fine particle collecting unit. The fine particles may be attached to, for example, one of the first conductor layer and the second conductor layer facing each other. For example, when a second conductor layer comprising a first conductor layer and an opening is provided, fine particles may adhere to the first conductor layer.
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.Next, it is possible to determine whether to collect the fine particles by detecting a detection signal generated by the fine particles collected in the third step ( S300 ). The detection signal may include at least one of electrical conductivity, frequency, and voltage magnitude that is changed according to the collection of fine particles. Specifically, as the fine particles adhere to the conductive layer, at least one of electrical conductivity, frequency, and voltage magnitude may change, and the change is sensed by the processor.
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.In the third step ( S300 ), the processor may periodically or continuously receive electrical information from the fine particle collecting unit. The electrical information may include a magnitude of a voltage provided to the fine particle collecting unit, a frequency of an alternating current, a magnitude of a current flowing through the fine particle collecting unit (electrical conductivity), and the like. Accordingly, as described above, the processor may receive electrical information that changes as the fine particles are collected by the fine particle collecting unit, and an additional operation may be performed according to the received electrical information.
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.The additional operation performed by the processor in the third step S300 may be, for example, calculating the slope of the change in the detection signal and matching it with the stored slope of the change in the detection signal. The slope of the change in the stored detection signal is connected with information on the type of fine particles (fine particle size, fluid concentration, type of material constituting the fine particle, etc.). The processor receives the detection signal from the fine particle collecting unit, calculates a detection signal change slope, and compares the calculated detection signal change slope with stored information, thereby determining information on the type of particles currently collected by the fine particle collecting unit.
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.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These Examples are for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by these Examples.
실험예 2: 유전영동법을 이용한 폴리스티렌 비드의 포집 및 분산Experimental Example 2: Collection and dispersion of polystyrene beads using dielectrophoresis
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.In the present invention, using polystyrene (PS) particles having a diameter of 1 μm similar in size and properties to virus particles, the possibility of detecting fine particles of the electrode pairs prepared according to Examples 1 and 2 was confirmed.
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.First, before the actual experiment, the dielectrophoretic phenomenon was predicted through simulation. The force acting on the particle by the dielectrophoretic phenomenon is determined by the conductivity of the material surrounding the particle's teeth, the dielectric constant, and the frequency of the applied AC voltage, which can be calculated according to the following equation.
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.In this case, ω is the frequency of alternating current applied to the dielectrophoretic electrode pair, ε m is the dielectric constant of the fluid surrounding the particle, R is the radius of the particle used, E is the size of the electric field, and Re(f CM (ω)) is the applied It is the real part of the Clausius-Mossotti (CM) function for the frequency of the alternating current. In the above equation, the factor determining the sign of the dielectrophoretic force applied to the particle is the real part of the Clausius-Mossotti (CM) function, which can be calculated by the following equation.
이때, ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수, ε* p는 포집하고자 하는 입자의 유전율, ε* m은 유체의 유전율이다. In this case, ω is the frequency of alternating current applied to the dielectrophoretic electrode pair, ε * p is the dielectric constant of the particles to be collected, and ε * m is the dielectric constant of the fluid.
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. Fig. 9(A) shows the distribution of an electric field generated when an alternating voltage is applied to the dielectrophoretic electrode pair manufactured according to Examples 1 and 2, and Fig. 9(B) is theoretically derived through the above formula The Clausius-Mosotti function as a function of frequency for the polystyrene particles is shown.
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.As shown in Figure 9 (B), the Clausius-Mosotti value for the polystyrene particles was found to change its characteristics based on 1 MHz, specifically, a positive value at a frequency of less than 1 MHz, At frequencies above 1 MHz, negative values were shown.
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.From the graph of FIG. 9(B), when the dielectrophoretic force applied to the particle when the AC voltage calculated through the two equations is applied is coupled with the movement of the particle, the particle receiving the positive dielectrophoretic force moves toward the electrode. On the other hand, particles subjected to negative dielectrophoretic force were expected to move in a direction away from the electrode.
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.In order to confirm whether the result predicted by the theoretical calculation can be realized using the dielectrophoretic electrode pair of the present invention, the electrode pair prepared according to Examples 1 and 2 has a diameter of 1 μm on the surface on which the hole array pattern is formed. After composing the device to come into contact with the fluid containing polystyrene particles (tertiary distilled water of 18.2 MΩ or more) and connecting AC power to both electrically connected electrodes to induce the dielectrophoretic phenomenon, the behavior of particles in the fluid according to the frequency of AC was measured. It was confirmed by video. Specifically, a voltage of 100 mV was applied to the device having an electrode pair manufactured according to Example 1 while changing the frequency to 100 kHz and 10 MHz, and a low voltage of 0.1 V was applied to the electrode pair manufactured according to Example 2 The behavior of the particles was measured by applying alternating current at a frequency of 100 kHz and 1 MHz, and the results are shown in FIGS. 10 to 11, respectively.
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. As shown in FIG. 10 , when an alternating current of 100 kHz, which has a positive Clausius-Mosotti value, is applied, the particles receive dielectrophoretic force in the direction toward the electrode, are collected in the hole, and the edge of the hole is adjacent to the electrode. However, when an alternating current of 10 MHz, which has a negative Clausius-Mosotti value, is applied, the particles receive a force acting in the opposite direction to the outside of the hole or to the center of the hole away from the electrode. shown, and this was repeatedly observed as the frequency was changed.
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.In addition, as shown in FIG. 11, even in the electrode pair manufactured according to Example 2, similarly, when an alternating current of 100 kHz having a positive Clausius-Mosotti value is applied, the particles move toward the electrode and That is, when an alternating current of 1 MHz, which has a Clausius-Mosotti value close to 0, is applied, the particles tend to be dispersed while arranged at the boundary surface of the hole and collected in the hole. This indicates that the electrode pair manufactured according to the present invention can capture particles by dielectrophoretic force at a low voltage and further separate specific particles from a mixture of particles having different sizes and/or dielectric constants by the above principle.
실험예 3: 초미세먼지 센싱 실험을 통한 감지 능력 확인Experimental Example 3: Confirmation of detection ability through ultrafine dust sensing experiment
도 12는 실험예에 따라 아리조나 시험용 먼지를 포집한 결과를 나타낸 것이다.12 shows the results of collecting Arizona test dust according to an experimental example.
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.On an ITO film with a thickness of about 40 nm, a PVP insulator layer of about 500 nm and a gold (Au) electrode of about 40 nm were laminated to form a fine particle collecting part, and then the fine particle sensing ability was tested.
상술한 미세 입자 포집부 상에 아리조나 시험용 먼지(Arizona Test Dust)를 분사 후 교류 전원을 입가하여 미세 입자 포집을 실시하였다.After spraying Arizona Test Dust on the fine particle collecting unit, AC power was applied to collect fine particles.
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.For the experimental conditions, a voltage of 10V and a frequency of 15kHz were applied. For uniform particle spraying in the air, Arizona dust particles were placed on an ultrasonic atomizing humidifier, and then nano-sized fine dust particles were burned into water droplets and sprayed into the air. Comparing the Before DEP and After DEP collection of fine particles, the result is that the fine dust particles present in the water droplets are captured in the air by using the property that the sprayed water droplets are automatically dried in the air. could pay
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).As can be seen from the experimental results, it can be confirmed that particles having a size of about 300 nm are attached to the opening of the second conductor layer and/or the opening of the insulator layer (refer to After DEP).
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 포집 장치의 예시인 화재 감지 장치를 나타낸 사시도이다.13 is a perspective view illustrating a fire detection device that is an example of a device for collecting fine particles according to an embodiment of the present invention.
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.The
화재 감지 장치(1000)는 전력 계통과 함께 제공될 수 있다. 예를 들어, 화재 감지 장치(1000)는 배전함 등의 일부로 제공될 수 있다.The
화재 감지 장치(1000)는 미세 입자 포집부(10) 및 프로세서(20)를 포함한다.The
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.The fine
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.Since the fine
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.A detection signal is generated by the fine particles collected by the fine
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.The sensing signal detected by the
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.The
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.According to an embodiment of the present invention, it may further include a cover for covering the electrical wiring, the fine
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.Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art or those having ordinary knowledge in the technical field will not depart from the spirit and technical scope of the present invention described in the claims to be described later. It will be understood that various modifications and variations of the present invention can be made without departing from the scope of the present invention.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.Accordingly, the technical scope of the present invention should not be limited to the content described in the detailed description of the specification, but should be defined by the claims.
10: 미세 입자 포집부
20: 프로세서
100: 제1 전도체층
200: 절연체층
300: 제2 전도체층10: fine particle collecting unit 20: processor
100: first conductor layer 200: insulator layer
300: second conductor layer
Claims (12)
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 장치.a fine particle collecting unit for collecting fine particles having a diameter of 300 nm or less; and
A processor for receiving a detection signal from the fine particle collecting unit and matching the information of the fine particle collected from the detection signal,
The fine particle collecting unit includes at least two conductor layers having different shapes on a plane and an insulator layer provided between the at least two conductor layers and exposing at least a portion of the conductor layer.
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.According to claim 1,
The fine particle collecting unit
a first conductor layer;
an insulator layer provided on the first conductor layer; and
a second conductor layer provided on the insulator layer;
The insulator layer has a thickness of 10 nm or more,
the insulator layer includes an insulator layer opening through which at least a partial region is removed to expose the first conductor layer;
and the second conductor layer includes a second conductor layer opening through which at least a portion of the region is removed to expose the first conductor layer and the insulator layer.
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 장치.3. The method of claim 2,
The fine particles are attached to the first conductor layer,
The fine particle collecting unit detects a difference in electrical conductivity before and after the fine particles are attached to the first conductor layer, the particle collecting device.
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 신호의 변화의 기울기와 매칭하여 상기 미세 입자의 종류를 판별하는, 입자 포집 장치.4. The method of claim 3,
The detection signal received by the processor includes at least one of electrical conductivity, frequency, and voltage magnitude that is changed according to the collection of the fine particles,
The processor calculates the slope of the change in the detection signal, and matches the stored slope of the change in the detection signal to determine the type of the fine particle.
상기 절연체층 개구부 및 상기 제2 전도체층 개구부는 평면 상에서 대응되는 형태를 갖는, 입자 포집 장치.3. The method of claim 2,
The insulator layer opening and the second conductor layer opening have a shape corresponding to each other on a plane, the particle collecting device.
상기 절연체층 개구부 및 상기 제2 전도체층 개구부는 각각 독립적으로 50 nm2 내지 10,000 ㎛2의 면적을 갖는, 입자 포집 장치.6. The method of claim 5,
The insulator layer opening and the second conductor layer opening each independently have an area of 50 nm 2 to 10,000 μm 2 , a particle collecting device.
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.3. The method of claim 2,
The particle collecting device includes a plurality of the fine particle collecting unit,
A plurality of the fine particle collecting unit is each operated independently or collectively, the particle collecting device.
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.8. The method of claim 7,
The fine particle collecting unit
a plurality of the first conductor layers provided to be spaced apart from each other;
an insulator layer including a plurality of insulator layer openings; and
and a second conductor layer comprising a plurality of said second conductor layer openings.
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 방법.A first step of forming a non-uniform electric field by applying electricity to the fine particle collecting unit;
a second step of collecting fine particles in the fine particle collecting unit using the non-uniform electric field; and
and a third step of determining whether to collect fine particles by detecting a detection signal generated by the fine particles collected in the fine particle collecting unit through a processor.
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.10. The method of claim 9,
The fine particle collecting unit
a first conductor layer;
an insulator layer provided on the first conductor layer; and
a second conductor layer provided on the insulator layer;
the insulator layer includes an insulator layer opening through which at least a partial region is removed to expose the first conductor layer;
the second conductor layer includes a second conductor layer opening through which at least a portion of the region is removed to expose the first conductor layer and the insulator layer;
The non-uniform electric field is generated by a shape difference between the second conductor layer and the first conductor layer.
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.11. The method of claim 10,
The fine particles are attached to the first conductor layer,
Wherein the fine particle collecting unit detects a difference in electrical conductivity before and after the fine particles are attached to the first conductor layer, a particle sensing method.
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.12. The method of claim 11,
The detection signal detected by the processor includes at least one of electrical conductivity, frequency, and voltage magnitude that is changed according to the collection of the fine particles,
The processor calculates a slope of the change in the detection signal, and matches the stored slope of the change in the detection signal to determine the type of the fine particle.
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