KR20220041971A - 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터 - Google Patents

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Abstract

매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터에 관한 것으로, 최상층에 위치하며 미생물 입자를 유입하는 도입부와; 상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 1 센싱부;와 상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 2 센싱부;를 포함하고, 상기 제 1 센싱부;는 센싱부 표면에 일반 충돌판;이 포함되어 있으며, 상기 제 2 센싱부;는 센싱부 표면이 나노스파이크 충돌판;이 포함되어있고, 제 1 센싱부;와 제 2 센싱부;의 전기석 신호를 입력받는 측정부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기적 임팩터를 제공한다.

Description

매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터{Electrical impactor with cicada wings imitation nano-spike impaction plate}
본 발명은 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터에 관한 것이다.
에어로졸은 기체와 기체 중에 부유하고 있는 고체 또는 액체 입자로써 정의 된다. 이러한 에어로졸은 크기가 1 nm에서 100 μm 이상의 아주 넓은 범위를 가지고 있기 때문에 이를 정확히 계측하기 어려운 실정이다. 또한 에어로졸의 물리적 화학적 특성 다르고 형상, 밀도 등 다양한 변수가 존재하기 때문에 계측에 있어서 이를 반영하기가 극히 힘들다.
이러한 에어로졸은 다양한 성분으로 구성되어 있는데, 이 중에는 최근 이슈가 되고 있는 COVID-19 같은 바이러스뿐만 아니라 박테리아 같은 바이오에어로졸도 에어로졸의 범주에 포함된다. 바이오 에어로졸 계측은 대표적으로 군집계수법(Colony forming unit, CFU), 중합효소 연쇄 반응(Polymerase chain reaction, PCR) 등이 있다. 하지만 CFU는 1일 이상, PCR은 수 시간 이상의 시간이 걸리기 때문에 실시간 계측과는 다소 거리가 멀다고 볼 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 전기식 임팩터를 이용하여 PSL (Polystyrene Latex) 실험입자와 박테리아 (Staphylococcus epider midis)를 동시에 하전시켜 충돌판에 아무처리를 하지 않은 임팩터와 매미 날개를 모방한 나노스파이크(nano-spike) 형태로 가공한 충돌판이 삽입되어 있는 임팩터로 동시 측정하여 전류 값의 차이로 에어로졸과 바이오에어로졸의 양을 정량적으로 측정하였다.
이에 본 발명의 목적은, 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 전기적 임팩터를 이용한 바이오에어로졸 농도 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 최상층에 위치하며 미생물 입자를 유입하는 도입부와; 상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 1 센싱부;와 상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 2 센싱부;를 포함하고, 상기 제 1 센싱부;는 센싱부 표면에 일반 충돌판;이 포함되어 있으며, 상기 제 2 센싱부;는 센싱부 표면이 나노스파이크 충돌판;이 포함되어있고, 제 1 센싱부;와 제 2 센싱부;의 전기석 신호를 입력받는 측정부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기적 임팩터를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 전기적 임팩터를 이용한 바이오에어로졸 농도 측정 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 전기적 임팩터는 기존의 군집계수법보다 훨씬 짧은 시간이 소요되어 실시간으로 바이오에어로졸을 계측할 수 있다.
도 1은 전기적 임팩터를 이용한 바이오에어로졸의 측정 방법에 대한 개략도이다.
도 2는 전기적 임팩터의 개략도이다.
도 3은 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판 제조 방법의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 임팩터의 충돌판에서 세포용해(cell lysis)실험 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 임팩터의 충돌판에서 나노스파이크와 충돌 시 박테리아(S.aureus)의 손상도를 확인한 SEM 사진이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터는 최상층에 위치하며 미생물 입자를 유입하는 도입부와; 상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 1 센싱부;와 상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 2 센싱부;를 포함하고, 상기 제 1 센싱부;는 센싱부 표면에 일반 충돌판;이 포함되어 있으며, 상기 제 2 센싱부;는 센싱부 표면이 나노스파이크 충돌판;이 포함되어있고, 제 1 센싱부;와 제 2 센싱부;의 전기석 신호를 입력받는 측정부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 "충돌판"은 도 2에서와 같이 전기적 임팩터의 센싱부의 표면에 위치하며, 바이어에어로졸이 충돌판에 포집되면 센싱부에서 전류가 발생하여 측정부에서 전류값을 측정한다.
본 발명에서 "일반 충돌판"은 표면에 아무런 처리를 하지 않은 실리콘 웨이퍼(si wafer)를 말한다.
본 발명에서 "바이오에어로졸"은 기체상의 미생물이나 생물에서 발생한 기체상의 모든 물질을 가리킨다. 예를 들어 살아있거나 죽은 미생물 (박테리아), 미생물 부스러기, 곰팡이포자, 꽃가루, 동식물에서 발생한 알레르기물질, 사람의 몸에서 나온 기침 및 체액, 그리고 미생물에서 발생한 독소 등을 포함한다. 바이오에어로졸은 자연에 무한히 많으며 존재 하는 곳도 집 안과 밖, 건물내부 및 외부, 그리고 동식물의 거주지 등등 다양하다. 또한 그 크기도 1 마이크론보다 작은 크기에서 100 마이크론까지 아우르고 있다.
미생물은, 박테리아 또는 곰팡이 일 수 있다. 더욱 바람직하게는 박테리아일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
나노스파이크 충돌판은, 다음과 같은 나노스파이크가 충돌판 표면에 형성되어 있을 수 있다. 나노스파이크는 폭이 100 내지 200nm, 더욱 바람직하게는 120 내지 150nm일 수 있고, 높이가 300 내지 400nm, 더욱 바람직하게는 330 내지 370일 수 있으며, 나노스파이크 사이의 거리가 100 내지 200nm, 더욱 바람직하게는 120 내지 150nm일 수 있다.
발명의 다른 양태로서, 본 발명에 따른 바이오에어로졸 농도 측정 방법은 최상층의 도입부로 미생물이 도입되는 단계; 도입된 미생물이 충돌판에 충돌하여 발생하는 전기적 신호를 측정하는 단계; 및 제 1 센싱부;와 제 2 센싱부;의 전기적 신호의 차이로 미생물의 농도를 확인하는 단계;를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면을 참조하여 실시예 및 실험예에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예 및 실험예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1> 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판 제조
매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판 제조 방법의 개략도는 도 3으로 표현된다.
먼저 실리콘 웨이퍼(si wafer)위에 백금합금(Pt/pd)을 얇게 증착한다. 이 후 열을 800℃이상 가하여 백금합금을 액화시킨 후 상온으로 식히면 백금합금이 필름(film)형태에서 부분부분 뭉친 형태로 바뀐다. 이 후 염소(Cl2)가스를 이용하여 60초 내지 200초간 이온에칭(ion etching)을 하면 백금합금이 에치 마스크(etch mask)역할을 하여 백금합금부분은 에칭되지 않고 백금합금이 없는 부분만 에칭되어 나노구조체를 제작할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
<실험예 2> 나노스파이크 구조체로 인한 미생물의 손상 확인
나노스파이크 충돌판에 충돌한 박테리아의 손상을 실험적으로 확인하였고, 이는 도 4 및 도 5에서 확인할 수 있다.
일반적인 충돌판(실리콘 웨이퍼)의 경우 박테리아는 높은 유속에서 충돌해야만 세포벽손상이 확인되었고, 나노스파이크 구조체 충돌판의 경우 포집 최속 유속인 15m/s이상에서 모든 박테리아가 세포벽손상으로 죽는것이 확인되었다. 일반적인 충돌판에서는 그람 음성균 E.coli의 경우 45m/s, 그람 양성균 S.aureus의 경우 110m/s의 충돌 유속에서 손상되었지만, 나노스파이크 충돌판은 15m/s이상이면 모든 박테리아의 세포벽이 손상되었다.
도 5를 보면, 나노스파이크 충돌판에 충돌한 박테리아(S.aureus)는 모두 손상된 것을 확인할 수 있다.
<실시예>
본 발명에 의한 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 최상층에 위치하며 입자를 수직방향으로 유입하는 도입부(10)와, 상기 도입부(10)로 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 1 센싱부(11)와 상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 2 센싱부(12)를 포함하고, 상기 제 1 센싱부(11)는 센싱부 표면에 일반 충돌판(13)이 포함되어 있으며, 상기 제 2 센싱부(12)는 센싱부 표면이 나노스파이크 충돌판(14)이 포함되어있고, 제 1 센싱부(11)와 제 2 센싱부(12)의 전기석 신호를 입력받는 측정부(15)를 포함하여 구성된다.
상기 도입부(10)를 통해 들어오는 입자는 두 갈래로 나뉘어 이동하여 일반 충돌판(13)과 나노스파이크 충돌판(14)에 충돌한다. 이때 나노스파이크 충돌판(14) 표면에서, 박테리아가 세포용해(cell lysis)되어 흘러나온 박테리아 내부의 물질로 인해 제 2 센싱부(12)는, 상대적으로 세포용해가 적은 제 1 센싱부(11)보다 전류값이 높게 측정이 된다. 이러한 세포용해로 인한 전류값의 차이로 공기중 바이오에어로졸의 농도를 측정할 수 있다.
10: 도입부
11: 제 1 센싱부
12: 제 2 센싱부
13: 일반 충돌판
14: 나노스파이크 충돌판
15: 측정부

Claims (4)

  1. 최상층에 위치하며 미생물 입자를 유입하는 도입부와;
    상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 1 센싱부;와
    상기 도입부를 통해 유입된 미생물 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 제 2 센싱부;를 포함하고,
    상기 제 1 센싱부;는 센싱부 표면에 일반 충돌판;이 포함되어 있으며,
    상기 제 2 센싱부;는 센싱부 표면이 나노스파이크 충돌판;이 포함되어있고,
    제 1 센싱부;와 제 2 센싱부;의 전기석 신호를 입력받는 측정부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기적 임팩터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 미생물은, 박테리아 또는 곰팡이인 것을 특징으로 하는,
    전기적 임팩터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 나노스파이크 충돌판은,
    다음과 같은 나노스파이크가 충돌판 표면에 형성되어 있는 전기적 임팩터;
    폭이 100 내지 200nm이고,
    높이가 300 내지 400nm이며,
    나노스파이크 사이의 거리가 100 내지 200nm.
  4. 최상층의 도입부로 미생물이 도입되는 단계;
    도입된 미생물이 충돌판에 충돌하여 발생하는 전기적 신호를 측정하는 단계; 및
    제 1 센싱부;와 제 2 센싱부;의 전기적 신호의 차이로 미생물의 농도를 확인하는 단계;를 포함하는 바이오에어로졸 농도 측정 방법.
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