KR20220046827A - 세포 온도 측정 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
세포 온도 측정 장치 및 방법이 개시된다. 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치는, 복수의 말단부를 포함하고, 이상 홀 효과(Anomalous Hall Effect, AHE) 특성을 갖는 홀 소자와, 말단부 중 한 쌍의 제 1 말단부에 전기적으로 연결되어 홀 소자에 전류를 인가하는 전류 인가부와, 홀 소자에 인가된 전류 방향과 수직한 방향으로 외부 자기장을 인가하는 자기장 인가부와, 말단부 중 한 쌍의 제 2 말단부에 연결되어 홀 소자의 홀 전압을 측정하는 신호 분석부와, 홀 전압과 온도의 관계 특성을 포함하는 온도 테이블, 홀 소자에 인가된 전류 및 외부 자기장에 기초하여 홀 소자와 직접적 또는 간접적으로 열전도 연결된 대상체의 온도를 산출하는 제어부를 포함할 수 있다.
Description
본 개시는 온도에 대한 자성 특성을 이용하여 세포의 온도를 측정할 수 있도록 하는 세포 온도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
온도는 다양한 산업 공정과 과학 연구에 필수적인 기본 매개 변수로서, 이를 측정하기 위한 다양한 방법이 알려져 있다.
기존의 전통적인 수은 온도계부터 물체의 정확한 온도를 측정하기 위하여 여러 가지 방법이 고안되어 왔다. 예를 들어, 바이메탈 방식의 서모커플(thermocouple), 적외선을 이용한 비접촉식 온도계, 적외선과 이에 반응하는 이미지 센서를 결합한 열화상 카메라 온도계, 라만 분광 현상을 이용한 온도계, 마이크로 니들 온도계, 형광 물질의 적외선 이미징 온도계, 액정의 상변화 온도계 그리고 AFM(Atomic Force Microscopy)을 응용한 주사 탐침 온도계 등 많은 기술로 보다 더 정확한 온도를 측정하기 위한 노력이 계속되고 있다. 그러나 이러한 온도 측정 기기들은 측정 온도, 면적, 측정 온도 범위 등의 제약과 장비의 거대화 같은 문제점들이 각각 단점으로 지적되고 있으며 응용에 대한 제한으로 작용하고 있다.
특히, 무수한 화학 반응이 생체 내 생명 현상의 유지에 관여하고 있으며, 온도는 반응의 진행 여부를 결정하는 매우 중요한 인자 중 하나이다. 더욱이, 선행기술 1(등록특허 10-1797817)에 개시된 바와 같이, 의료용 고집중 초음파 치료기술 및 온열 치료기술 등이 최근 개발됨에 따라 생체 내 국소적인 부위, 예를 들면 단일 세포 수준과 같은 나노 스케일의 온도 변화를 모니터링하는 기술에 대한 관심이 증폭되고 있다.
세포의 온도를 측정하는 분야에 있어서, 형광 물질을 이용한 기술이 대부분 적용되어 사용되고 있지만 분해능의 한계와 형광 물질의 지속 시간에 대한 제한 등 많은 문제점을 갖고 있다. 또한, 오염에 민감한 바이오 실험의 특성상 한번 측정된 센서는 재사용이 어려우므로 고가의 센서를 매 측정 시 교체하여야 하는 문제가 존재한다.
그리고 적외선 열영상을 통한 방식은 세포의 온도에 따라 방출되는 적외선을 직접적으로 측정하는 방식으로 적외선 이미지 센서 등을 이용하여 열영상을 얻는다. 그러나, 이러한 적외선 열영상을 통한 방식은 측정대상보다 주변환경에 의한 영향을 크게 받기 때문에 대상체의 정확한 온도측정이 어려우며, 이때, 사용되는 적외선 이미지 센서는 대개 감도가 떨어져 측정 데이터의 정확도가 떨어진다는 문제점이 존재한다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 개시의 실시 예의 일 과제는, 비정상 홀 효과(Anomalous Hall Effect, AHE)에 기반한 온도에 대한 자성 특성을 이용하여 극미량의 실험체만으로도 세포의 온도를 효율적으로 측정할 수 있도록 하는데 있다.
본 개시의 실시 예의 일 과제는, 홀 소자의 큐리 온도를 감소시키고 홀 소자와 열전도 연결된 세포에 의한 온도 변화량을 홀 전압 변화로 측정하여, 홀 소자에 올라가는 세포의 온도를 직접적으로 측정할 수 있도록 하는데 있다.
본 개시의 실시 예의 일 과제는, 홀 소자 자체의 온도 상승을 방지하여, 세포의 온도를 안정적으로 정확하고 정밀하게 측정할 수 있도록 하는데 있다.
본 개시의 실시 예의 일 과제는, 홀 소자를 리소그래피를 이용한 패턴으로 형성하여, 나노 또는 마이크로 크기의 초소형 온도계의 제작이 가능하도록 하는데 있다.
본 개시의 실시예의 목적은 이상에서 언급한 과제에 한정되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치는, 비정상 홀 효과(Anomalous Hall Effect, AHE)에 기반한 온도에 대한 자성 특성을 이용하여 단일 세포의 마이크로 측정을 수행할 수 있다.
구체적으로 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치는, 복수의 말단부를 포함하고, 이상 홀 효과 특성을 갖는 홀 소자와, 말단부 중 한 쌍의 제 1 말단부에 전기적으로 연결되어 홀 소자에 전류를 인가하는 전류 인가부와, 홀 소자에 인가된 전류 방향과 수직한 방향으로 외부 자기장을 인가하는 자기장 인가부와, 말단부 중 한 쌍의 제 2 말단부에 연결되어 홀 소자의 홀 전압을 측정하는 신호 분석부와, 홀 전압과 온도의 관계 특성을 포함하는 온도 테이블, 홀 소자에 인가된 전류 및 외부 자기장에 기초하여 홀 소자와 직접적 또는 간접적으로 열전도 연결된 대상체의 온도를 산출하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치를 통하여, 홀 소자의 큐리 온도를 감소시키고 홀 소자와 열전도 연결된 세포에 의한 온도 변화량을 홀 전압 변화로 측정함으로써, 홀 소자에 올라가는 세포의 온도를 직접적으로 측정할 수 있도록 하여 측정 결과의 정확도를 향상시킬 수 있다.
이 외에도, 본 발명의 구현하기 위한 다른 방법, 다른 시스템 및 상기 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체가 더 제공될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 개시의 실시 예에 의하면, 비정상 홀 효과(Anomalous Hall Effect, AHE)에 기반한 온도에 대한 자성 특성을 이용하여 세포의 온도를 정밀하게 측정할 수 있도록 함으로써, 세포 온도 측정 장치의 성능 및 신뢰도를 향상 시킬 수 있다.
또한, 홀 소자의 큐리 온도를 감소시키고 홀 소자와 열전도 연결된 세포에 의한 온도 변화량을 홀 전압 변화로 측정하여, 홀 소자에 올라가는 세포의 온도를 직접적으로 측정할 수 있도록 함으로써, 안정적이고 정확한 온도 측정이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 세포의 온도를 직접적으로 측정함으로써, 극미량의 실험체만으로도 세포의 온도에 기반한 실시간 병의 진행 정도를 간음할 수 있도록 할 수 있다.
또한, 홀 소자의 판독 전류를 감소시키거나 전자석의 냉각 기능을 통해 홀 소자 자체의 온도 상승을 방지함으로써, 홀 소자의 고장을 예방할 수 있으며, 세포 온도 측정 장치의 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 홀 소자를 리소그래피를 이용한 패턴으로 형성하여, 나노 또는 마이크로 크기의 초소형 온도계의 제작이 가능하도록 함으로써, 소형화(portable)에 따른 세포 온도 측정 장치의 산업 이용 가능성을 향상시킬 수 있다.
또한, 세포와 열전도 연결되어 세포 내부의 생물학적 활동에 의한 세포 온도 변화를 직접 측정할 수 있도록 함으로써, 단일 세포의 온도 측정 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 세포 온도 측정 장치의 전체 구성을 방수 가능하고, 세포의 독성에 의한 보호가 가능하도록 형성함으로써, 세포 온도 측정 장치의 제품 만족도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1(a) 및 도 1(b)는 본 개시의 일 실시 예에 따른 큐리 온도와 포화 자화 값이 온도의 함수임을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 이상 홀 효과와 자기장 및 온도의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3(a) 및 도 3(b)는 본 개시의 일 실시 예에 따른 자성합금에 대한 이상 홀 효과와 온도를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 홀 소자와 대상체의 열전도 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 개략적인 구조를 포함하는 블록도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 온도 측정부의 개략적인 구조를 나타낸 블록도이다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 개략적인 구조를 나타낸 예시도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 신호 분석 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 신호 분석 결과를 나타낸 예시도이다.
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 온도 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 이상 홀 효과와 자기장 및 온도의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3(a) 및 도 3(b)는 본 개시의 일 실시 예에 따른 자성합금에 대한 이상 홀 효과와 온도를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 홀 소자와 대상체의 열전도 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 개략적인 구조를 포함하는 블록도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 온도 측정부의 개략적인 구조를 나타낸 블록도이다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 개략적인 구조를 나타낸 예시도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 신호 분석 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 신호 분석 결과를 나타낸 예시도이다.
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 온도 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시 예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 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 출원에서, 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. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1(a) 및 도 1(b)는 본 개시의 일 실시 예에 따른 큐리 온도와 포화 자화 값이 온도의 함수임을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 이상 홀 효과와 자기장 및 온도의 관계를 설명하기 위한 도면이며, 도 3(a) 및 도 3(b)는 본 개시의 일 실시 예에 따른 자성합금에 대한 이상 홀 효과와 온도를 설명하기 위한 도면이다.
먼저 본 실시 예는, 자성 재료가 갖는 특성 중에 하나인 큐리 온도(curie temperature)와 포화 자화 값이 온도의 함수임을 이용하여 온도를 측정하고자 하는 대상체의 온도를 측정하는 것에 관한 것이다. 본 실시 예에서는, 세포를 대상체의 실시 예로 하여 세포의 온도를 측정할 수 있는 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고 실시 예에 따라 다른 대상체의 온도 측정이 가능할 수 있다.
도 1(a)에 도시된 바와 같이, 세로축은 자성 재료의 포화 자화의 세기를 나타내고, 가로축은 해당 자성 재료의 온도와 큐리 온도(Tc)의 비율을 나타내는 것으로, 세로축의 1은 자성 재료의 자화가 최대인 상태, 가로축의 1은 자성 재료의 큐리 온도를 의미할 수 있다. 즉 도 1(a)을 참조하면, 자성 재료는 큐리 온도에 가까워질수록 포화 자화 값이 급격하게 줄어들게 되고 큐리 온도 이상에서는 자화를 잃게 되는 특성임을 알 수 있다.
여기서 큐리 온도는, 퀴리온도 또는 퀴리점(Curie Point)이라고도 하며, 강자성(Ferromagnetism) 상태가 상자성(paramagnetism) 상태로 상전이 할 때의 온도를 의미한다. 즉 강자성체(paramagnetic substance)는 일정한 온도 이상으로 가열하면 자석으로서의 성질을 잃고 상자성체(paramagnetic substance)가 되며, 큐리 온도보다 높은 온도에서, 강자성체에서는 자화가 소실되어 상자성 상태가 되는 것이다. 큐리 온도에서는 일반적으로 큰 비열이 나타나며, 압력과는 거의 관계가 없다. 다시 말해, 강자성체는 큐리 온도 0 K에서 자화가 최대이고, 모든 스핀이 정렬할 수 있는 상황이 존재하지만, 온도가 계속 올라감에 따라 더욱 많은 평행 정렬이 열 운동에 의해 무질서하게 되어, 큐리 온도 바로 아래에서는 정렬이 급격하게 깨어지고 큐리 온도 이상에서는 정렬이 모두 사라진다.
일반적으로 자철석의 큐리 온도는 575℃, 적철석은 675℃, 순수한 철은 770℃, 니켈은 358℃, 코발트는 1131℃와 같이, 큐리 온도가 매우 높다. 본 실시 예는, 자성 재료의 강자성 상태가 유지되는 큐리 온도 이하에서, 세포의 온도를 측정하기 위한 것으로, 세포의 온도인 상온까지 큐리 온도를 감소시켜야 할 필요가 있다.
도 1(b)는 특히 자성 재료의 두께 감소에 따른 큐리 온도를 나타내는 도면으로, 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 자성 재료(예컨대, 코발트(Co))를 매우 얇은 박막(예컨대, 두께 0.6 nm)으로 만든 경우, 약 400 K까지 큐리 온도를 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
다만 본 실시 예에서는, 세포의 온도를 측정해야 하므로, 세포의 온도인 상온까지 큐리 온도를 더욱 더 감소시켜야 할 필요가 있다. 이에 본 실시 예에서는, 순수 자성 재료(예컨대, Co)에 일반 금속(예컨대, Cu)을 첨가한 자성 합금을 이용하여 큐리 온도를 약 300 K까지 감소시킬 수 있다. 보다 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
본 실시 예에서는, 강자성체에서 발현되는 이상 홀 효과(Anomalous Hall effect)의 크기가 강자성체의 자화량에 비례함을 기반으로 하여, 강자성체의 자화량이 온도의 함수이므로 이상 홀 효과의 크기가 온도의 함수임을 이용하여, 온도를 측정하고자 하는 대상체(즉, 세포)의 온도를 측정할 수 있다. 즉 본 실시 예에서는, 자성 재료, 즉 강자성체를 포함하여 이루어진 소자를 통해 세포의 온도를 측정하는 것에 관한 것으로, 이러한 소자를 이하 홀 소자(도 7의 110)라고 통칭하도록 한다.
본 실시 예에서는, 기판/백금(Pt)/Co/Pt로 구성된 홀 소자(110)의 샘플을 이용하여 온도 별 외부 자기장에 따른 이상 홀 효과를 측정하였다. 도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 이상 홀 효과와 자기장 및 온도의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 이러한 도 2를 참조하면, 예컨대 홀 소자(110)의 강자성 레이어(Co)가 0.4 nm 두께일 때, 이상 홀 효과의 크기와 외부 자기장의 크기, 그리고 온도의 관계를 확인할 수 있다.
여기서, 강자성체는 외부에서 강한 자기장을 걸어주었을 때 그 자기장의 방향으로 강하게 자화된 뒤 외부 자기장이 사라져도 자화가 남아 있는 물질을 의미하며, 외부 자기장이 없어도 전자가 자체 스핀에 따라 전기장의 수직 방향으로 휘어져 움직이는 현상을 의미한다. 일반적으로 도체 및 반도체 물질에 전류를 흘려준 상태에서 외부에서 자기장이 가해질 경우, 로렌츠 힘(Lorentz force)을 받아 전자가 휘면서 물질 경계면에 전하가 쌓이게 되며, 이를 홀 효과라 한다. 즉, 비정상 홀 효과는 강자성 물질에서 발생하는 현상으로, 전도 전자는 스핀궤도 결함(spin orbit coupling)에 의해 스핀-의존적 산란(Spin-dependent scattering)이 발생하게 되고, 이때, 전자들의 스핀 상태에 따라 산란 방향이 달라져서 한 쪽에는 스핀 업이 반대쪽에는 스핀 다운이 많이 쌓여 홀 효과가 발생하게 된다.
한편, 본 실시 예에서는, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 기판/Pt/CoCu/Pt로 구성된 홀 소자(110)의 샘플을 이용하여 이상 홀 효과와 온도를 측정하였다. 도 3(a)를 참조하면, 예컨대 홀 소자(110)의 강자성 레이어(
)가 0.4 nm 두께일 때, 강자성 레이어의 합금 조성 비율에 따라 큐리 온도가 달라질 수 있음을 알 수 있다. 본 실시 예에서는, 합금 조성 비율이, 예컨대 
일 때, 세포의 온도 범위에서의 온도의 변화가 다양하므로 이러한 조성 비율이 적용될 수 있다. 여기서 세포의 온도 범위는 도 3(a)의 그래프에서 기울기가 급격하게 달라지는 변곡점으로부터의 일정 범위일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉 본 실시 예에서, 홀 소자(110)는 세포의 온도 범위 중 최대값 이상의 큐리 온도를 가질 수 있으며, 이러한 큐리 온도에 해당하는 비율로 합금이 조성될 수 있다. 예컨대 본 실시 예에서, 홀 소자(110)는 300 K 내지 450 K의 큐리 온도를 가질 수 있다.
또한 본 실시 예에서는, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, Ta/Pt/Co/Pt 또는 Ta/Pt//Pt로 구성된 홀 소자(110)의 샘플을 이용하여 온도 변화에 따른 이상 홀 효과의 비율을 측정하였다. 도 3(b)를 참조하면, 순수 Co 일 때보다 
일 때, 온도 변화에 따른 이상 홀 효과의 비율, 즉 홀 저항의 변화가 커서 세포의 온도를 측정하기 용이함을 알 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는, 코발트와 구리의 자성 합금뿐만 아니라, 수직 자기 이방성을 갖는 다른 강자성 물질로 대체함으로써 세포 온도의 원하는 측정 범위를 설정할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치를 개략적으로 나타낸 예시도이고, 도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 홀 소자와 대상체의 열전도 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시 예는, 홀 소자(110) 위에 세포(또는 배양액, 혈액 등)가 위치하도록 하여, 홀 소자(110)의 홀 전압을 기반으로, 홀 소자(110)와 직접적 또는 간접적으로 열전도 연결된 세포의 온도를 산출하는 것에 관한 것이다. 이때 홀 소자(110)의 구조는 다양한 형태로 구현 가능할 수 있으나, 본 실시 예에서는 십자형으로 구현될 수 있다.
도 4에서는 홀 소자(110)의 십자형의 구조를 설명하기 위해 두께가 있는 막대 형태로 도시하고 있으나, 후술하는 도 8에 도시된 바와 같이, 얇은 반도체 조각이 기판 위에 부착되거나 또는 도포된 형태로 구현됨이 바람직할 것이다. 즉 본 실시 예에서, 홀 소자(110)는 홀 계수와 이동도가 크고 두께가 얇은 박편(薄片)일 수 있으며 십자형 구조로 형성되어 얇게 제작하기 보다 용이할 수 있다.
본 실시 예에서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 기판, 백금 및 실리콘 산화물로 이루어진 샘플 위에 액체에 담긴 세포가 놓여져 있을 때, 시간이 흐름에 따라 변하는 열 흐름(Heat flow)을 시뮬레이션 하였다. 이때 세포의 초기 온도는 312.5 K, 액체의 초기 온도는 310 K, 기판의 초기 온도는 300 K로 설정되었으며, 시뮬레이션 결과 100μs 이후 기판의 표면의 온도는 306.43 K로 출력되었다. 즉 도 5를 참조하면, 홀 소자(110) 위에 놓인 세포의 온도에 따라 홀 소자(110)의 온도가 변함을 알 수 있다. 이때 열용량이 큰 쪽에 열 평형이 맞추어지므로 홀 소자(110)의 크기를 세포에 비해 많이 줄일수록 정확한 온도 측정이 가능할 것이다. 즉 본 실시 예에서는 홀 소자(110)의 너비를 수십 nm 단위까지 감소시킬 수 있다.
한편, 본 실시 예에서, 홀 소자(110)는 이상 홀 효과(Anomalous Hall Effect, AHE) 특성을 갖는 것으로, 기판(substrate) 상에 형성된 십자형의 형상을 가지고, 십자형의 각 말단 중 서로 대향하는 한 쌍을 통해 전류를 인가하고, 나머지 서로 대향하는 한 쌍을 통해 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 이때, 홀 소자(110)에 인가되는 전류와 수직한 방향으로 자속을 통과시킴으로써 로렌쯔 힘(Lorentz Force)에 의해 전하가 옆으로 편향되어 전류가 인가되는 한 쌍의 말단 이외의 나머지 말단에 전압이 발생하게 된다. 홀 소자(110)마다 공정상 이유로 온도 특성에 작은 변동(variation)이 있을 수 있으나, 홀 소자(110)의 온도 특성 자체는 변하지 않기 때문에 홀 소자(110)의 온도 특성을 이용해, 세포와 열전도 연결된 홀 소자(110)의 온도 측정을 통해 세포의 온도를 알 수 있다.
본 실시 예에서, 홀 소자(110)는 복수의 레이어들을 포함할 수 있으며, 복수의 레이어들은 비자성을 갖는 제 1 레이어, 상기 제 1 레이어 상측에 형성되고, 자기장 인가부(도 6의 300)로부터 인가되는 자기장에 의해 이상 홀 효과가 발생되는 강자성을 갖는 제 2 레이어 및 상기 제 2 레이어 상측에 형성되고 비자성을 갖는 제 3 레이어를 포함할 수 있다.
또한 홀 소자(110)의 복수의 레이어들은 기판 상에 형성될 수 있으며, 따라서 기판도 홀 소자(110)에 포함된다고 볼 수 있다.
기판 상부에는 제 1 레이어가 형성될 수 있다. 제 1 레이어는 다결정 상태일 수 있으며, 제 2 레이어와의 계면에서 응력을 유발할 수 있다. 또한 제 1 레이어는 제 2 레이어와의 계면에서의 자기적 상호작용에 의해 제 2 레이어의 계면 부위에 수직 자기 이방성을 유도할 수 있다. 예컨대, 제 1 레이어는 Pt 또는 Pd 등의 heavy metal 일 수 있다.
또한 본 실시 예에서, 기판과 제 1 레이어 사이에는, 제 1 레이어의 형성을 용이하게 하기 위한 버퍼 레이어가 구비될 수도 있다. 즉, 절연성 재질의 기판 상에 직접 제 1 레이어를 형성하는 경우, 제 1 레이어는 일정한 격자 상수를 가지지 못하거나 결정립을 형성하지 못해 다결정 구조가 형성되지 않을 수 있다. 따라서 버퍼 레이어의 형성을 통해 제 1 레이어는 다결정 상태로 용이하게 형성될 수 있다. 예컨대 버퍼 레이어는 Ta, Ru 또는 Ti 일 수 있다.
제 2 레이어는 강자성 레이어로서, 제 1 레이어 또는 제 3 레이어와 접하는 계면에서 유도된 수직 자기 이방성에 의해 계면에 수직한 방향으로 자화 용이축을 가질 수 있다. 이때 제 2 레이어 내의 벌크 영역에서는 수직 자기 이방성과 수평 자기 이방성이 혼재된 상태일 수 있다. 즉, 수직 자화 및 수평 자화가 혼재되고, 수직과 수평의 중간 영역의 자화도 나타날 수 있다. 다만, 제 2 레이어의 하부 영역 및 상부 영역은 제 1 레이어와 제 3 레이어와 인접하거나 접하며, 접하는 영역 부근에서는 수직 자기 이방성이 우세하게 나타난다. 계면에서 나타나는 강한 수직 자기 이방성은 벌크 영역에 까지 스핀 궤도 상호작용을 유발할 수 있다.
스핀 궤도 상호작용에 의해 제 2 레이어는 수직 자화가 자화 용이축으로 설정될 수 있다. 따라서, 제 2 레이어에 수직한 방향으로 자계가 인가되는 경우, 수직 방향이 자화 용이축이 되므로 제 2 레이어는 인가되는 자계의 세기에 비례하여 수직 자기 이방성이 강화되고, 이는 홀 전압으로 나타날 수 있다.
본 실시 예에서, 제 2 레이어의 두께는 0.4 nm 내지 1.0 nm 일 수 있으며, Co, Fe, Ni, CoFe 및 CoNi 중 어느 하나와 Cu, Ti, Al 및 Ru 중 어느 하나가 합금으로 결합된 것일 수 있다. 예컨대, 본 실시 예에서 제 2 레이어는 CoCu를 포함할 수 있다.
즉 제 2 레이어는 적어도 2 가지의 금속이 결합되어 수직 자기 이방성을 갖는 강자성체 자성합금을 포함할 수 있으며, 제 2 레이어의 자성합금의 조성 비율에 따라, 홀 소자(110)는 서로 다른 큐리 온도를 가질 수 있다.
제 2 레이어는 수직 자기 이방성을 위해 0.4 nm 내지 1.0 nm의 두께로 구성될 수 있다. 이는 제 2 레이어의 두께가 0.4 nm 미만이면, 제 2 레이어가 균일한 막질로 형성되지 못하고, 제 1 레이어 상에서 아일랜드 형태로 형성되는 문제가 발생할 수 있고, 제 2 레이어의 두께가 1.0 nm를 상회하면 제 2 레이어의 수직 자기 이방성을 확보할 수 없을 수 있기 때문이다.
홀 소자(110)에 전류를 흘려주면 제 1 레이어에서 스핀 궤도 결합이 발생될 수 있다. 스핀 궤도 결합에 의해 동일한 스핀을 가진 스핀 전자들은 특정의 방향에 응집될 수 있다. 또한 제 1 레이어 상부에 형성된 제 2 레이어에서는 강자성체의 자화에 회전력이 가해질 수 있다. 이를 스핀 궤도 토크라 지칭할 수 있다. 즉, 제 2 레이어에서는 스핀 궤도 토크에 의해 전류가 인가되는 방향의 영향을 받아 특정 방향으로 자화가 정렬되는 현상이 발생할 수 있다.
또한 제 2 레이어의 표면과 평행한 방향이면서 인가되는 전류와 수직한 방향으로 자계가 인가되면, 제 2 레이어에서 점진적인 자화의 반전이 유도될 수 있으며, 펄스 전류의 인가 횟수에 따라 자구벽이 이동될 수 있다. 자구벽의 이동에 의해 수직 자기 이방성을 가지는 제 2 레이어의 강자성층의 영역은 확대되며, 이는 홀 소자(110)에서 이상 홀 효과를 증가시키고, 홀 전압을 발생시킨다. 홀 소자(110)의 십자형 구조의 교차 영역에서 자화 반전에 따른 자구벽의 이동 현상이 일어나면, 홀 전압은 자구벽의 이동 현상에 따라 증가 또는 감소될 수 있다.
제 2 레이어 상부에는 제 3 레이어가 형성될 수 있다. 예컨대, 제 3 레이어는 Pt 또는 Pd 등의 heavy metal 일 수 있다. 제 3 레이어는 하부의 제 2 레이어의 계면에 수직 자기 이방성을 유도할 수 있다. 유도된 수직 자기 이방성에 의해 제 2 레이어의 자화 용이축은 수직방향으로 결정될 수 있다. 제 3 레이어는 자기 대칭성의 확보를 위해 제 1 레이어와 동일 재질로 구성될 수 있다. 또한 제 3 레이어의 두께는 제 1 레이어의 두께와 동일할 수 있다. 이를 통해 자기 대칭성이 확보되고, 제 2 레이어의 벌크 영역에서의 자화 용이축들이 대칭적으로 설정될 수 있으며, 제조되는 홀 소자(110)의 출력 전압인 홀 전압의 오프 셋이 최소화될 수 있다.
한편, 홀 소자(110)의 복수의 레이어들은 스퍼터링(sputtering), 분자빔증착(MBE), 유기금속화학증착법(MOCVD) 또는 전기도금 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 기판에 감광물질을 도포하고 마스크(mask)를 이용하여 노광 및 현상하는 리소그래피(lithography)를 통해 패터닝 하여 형성될 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 개략적인 구조를 포함하는 블록도이며, 도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 온도 측정부의 개략적인 구조를 나타낸 블록도이고, 도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 개략적인 구조를 나타낸 예시도이며, 도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 신호 분석 결과를 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 신호 분석 결과를 나타낸 예시도이다.
본 실시 예에서는, 상술한 홀 소자(110)의 특징을 이용하여 세포의 온도를 측정할 수 있으며, 이러한 홀 소자(110)를 통한 세포 온도 측정 장치(1)를 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 세포 온도 측정 장치(1)는 온도 측정부(100), 전류 인가부(200), 자기장 인가부(300), 신호 분석부(400) 및 제어부(500)를 포함할 수 있다.
또한 도 7에 도시된 도면을 참조하면, 세포 온도 측정 장치(1)에서, 온도 측정부(100)는 홀 소자(110), 전극 패드(120) 및 마이크로 웰 플레이트(130)를 포함할 수 있으며, 자기장 인가부(300)는 전자석부(310) 및 전원 공급부(320)를 포함할 수 있다.
온도 측정부(100)는 세포의 온도를 측정하기 위한 것으로, 세포가 놓여지며, 홀 소자(110)의 상부에 위치하는 마이크로 웰 플레이트(130)와, 이상 홀 효과 특성을 갖는 홀 소자(110)와, 상기 홀 소자(110)에 전기적으로 연결되어, 홀 소자(110)에 전류가 인가되거나 홀 소자(110)의 전압이 측정될 수 있도록 하는 전극 패드(120)를 포함할 수 있다. 본 실시 예에서, 홀 소자(110)는 마이크로 웰 플레이트(130) 하부 측에 부착될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 본 실시 예에서는, 마이크로 웰 플레이트(130)와 홀 소자(110)의 중심 측이 맞닿는 위치에 홀(hole)이 구비되어 세포와 홀 소자(110)가 직접적으로 열전도 연결되도록 구현될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
홀 소자(110)는 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 말단부를 포함하는 십자형 구조일 수 있다. 그러나 본 실시 예에서, 홀 소자(110)는, 구체적으로 도 8에 도시된 바와 같이, 기판에 리소그래피로 패터닝되어, 동일한 폭을 갖는 2 개의 선형 홀 바(Hall bar)가 교차 지점에서 서로 교차하는 구조이고, 복수의 말단부는 2 개의 홀 바의 각 말단에 위치하고, 복수의 말단부의 적어도 일부는 교차 지점으로부터 멀어질수록 폭이 넓어지는 형태일 수 있다. 이러한 홀 소자(110)의 선형 홀 바가 교차하는 교차 지점에서는 수직 자기 이방성의 변화에 따른 홀 전압이 생성될 수 있다. 그리고 복수의 말단부는 연꼴 형태일 수 있으며, 선형 홀 바와 복수의 말단부의 재질은 동일하게 형성될 수 있다.
여기서, 기판은 사각형이고, 홀 소자(110)의 복수의 말단부 및 복수의 전극 패드(120)는 기판의 모서리에 위치할 수 있다. 또한 기판은 절연성 재질임이 바람직하며, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물, 유리 등을 포함할 수 있다. 이외 기판은 후 공정의 진행에서도 물성이 크게 변하지 않는 절연성 재질이라면 어느 것이나 사용 가능할 수 있다.
한편 도 8은 온도 측정부(100)에 대한 마스크 디자인의 예시도로서, 본 실시 예에서, 온도 측정부(100)는 선형 홀 바의 너비는 5 um, 말단부까지의 전체 홀 소자(110)의 길이는 20 mm, 각 전극 패드의 크기는 2.9 mm X 2.9 mm, water hole의 크기는 지름 5 mm, 기판의 크기는 18 mm로 구현될 수 있다. 다만 상기의 수치들은 한정되지 않으며 실시 예에 따라 변경될 수 있다.
전극 패드(120)는 홀 소자(110)의 각 말단부에 각각 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있으며, 제 1 전극 패드(121), 제 2 전극 패드(122), 제 3 전극 패드(123) 및 제 4 전극 패드(124)를 포함할 수 있다.
즉, 전극 패드(120)는 홀 소자(110)에 교류 전류를 입력하고 전류이동 경로를 제공하는 한 쌍의 전류단자(121, 123)를 포함하며, 자기장 변화에 대한 센서의 출력 신호인 교류 전압을 측정하기 위한 한 쌍의 전압단자(122, 124)를 포함하여 구성될 수 있다. 한 쌍의 전류단자(121, 123)는 두 전류단자가 서로 대향하도록 구비되며, 한 쌍의 전압단자(122, 124) 또한 두 전압 단자가 서로 대향하도록 구비될 수 있다.
따라서 전류단자(121, 123)는 외부의 전류소스(예컨대, 전류 인가부)와 연결되어 홀 소자(110)에 전류를 입력하고 전압단자(122, 124)는 외부의 전압 측정 장치(예컨대, 신호 분석부)와 연결되어 두 전압 단자 간의 전위차를 출력할 수 있다.
본 실시 예에서, 전극 패드(120)는 홀 소자(110)의 각 말단부를 덮는 형태 또는 홀 소자(110)의 일부 레이어에 물리적으로 신장된 형태 등 그 형태가 한정되지 않고 홀 소자(110)에 접하여 전기적으로 연결된 별도의 금속으로 구현될 수 있으며, 접촉 저항 및 면 저항의 최소화 측면에서, 비저항이 작은 비자성 금속 재료인 것이 바람직할 수 있다. 또한 실시 예에 따라서, 전극 패드(120)는 홀 소자(110)의 생산 단계에서 함께 형성될 수도 있으나, 세포 온도를 측정하고자 하는 경우에만 접촉되도록 할 수 있다.
즉 본 실시 예에서, 온도 측정부(100)는 홀 소자(110)의 이상 홀 효과 특성에 기반하여, 초기 온도 대비 세포의 온도가 상승하면 홀 전압이 감소할 수 있으며, 온도 측정부(100)에서는 이러한 홀 전압의 변화가 측정될 수 있다.
또한 홀 소자(110)는 도 8에 도시된 바와 같이, 홀 소자(110)의 적어도 일부 또는 전부를 보호하는 보호 레이어(Passivation layer)를 포함할 수 있다. 이러한 보호 레이어는 홀 소자(110)의 방수 처리 및 세포의 독성 방지를 위한 것으로, 
및 
중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전류 인가부(200)는 홀 소자(110)의 말단부 중 한 쌍의 제 1 말단부에 전기적으로 연결되어 홀 소자(110)에 전류를 인가할 수 있다. 여기서 제 1 말단부는 상술하는 전극 패드(120) 중 제 1 전극 패드(121)와 제 3 전극 패드(123)에 대응하는 위치의 말단부일 수 있다. 본 실시 예에서는 제 3 전극 패드(123)에 대응하는 위치의 말단부에 전류가 인가되어, 제 1 전극 패드(121)에 대응하는 위치의 말단부를 향할 수 있다.
이에, 제 2 전극 패드(122) 및 제 4 전극 패드(124)에 대응하는 위치의 말단부 사이에서 홀 전압이 발생될 수 있다. 또한, 인가된 전류에 의해 홀 소자(110)에서는 스핀 궤도 결합이 발생되며, 스핀 궤도 결합에 의해 자화 토크가 발생되고, 이는 스핀 궤도 토크를 일으킬 수 있다. 그리고 스핀 궤도 토크에 의해 홀 소자(110)의 자구벽이 제 1 전극 패드(121)에 대응하는 위치의 말단부 방향으로 이동할 수 있다. 다만, 인가되는 전류 만으로 자구벽의 이동이 원활하지 못할 수 있어, 자구벽의 이동을 강화하기 위해 홀 소자(110)의 표면과 평행하고, 수직인 방향으로 외부 자계(예컨대, 자기장 인가부)가 인가될 수 있다. 외부 자계의 인가에 의해 홀 소자(110) 내에서 자구벽의 이동이 강화될 수 있다.
즉 자기장 인가부(300)는 홀 소자(110)에 인가된 전류 방향과 수직한 방향으로 외부 자기장을 인가할 수 있다. 이러한 자기장 인가부(300)는 도 9에 도시된 바와 같이, 전류가 인가되는 코일을 포함하는 전자석부(310) 및 코일을 냉각하는 냉각부(330)를 포함할 수 있다. 따라서 본 실시 예에서, 전자석부(310)는 방수 가능한 재질로 구현될 수 있다.
또한 자기장 인가부(300)는 전원 공급부(320)를 포함할 수 있으며, 전원 공급부(320)는 전자석부(310)의 전류공급용 전원공급장치일 수 있다. 본 실시 예에서는, 제어부(500)에 의해 제어될 수 있으나 이에 한정되지 않고 별도로 구비될 수 있다.
한편, 자구벽의 이동은 십자형의 홀 소자(110)에서 제 3 전극 패드(123)에 대응하는 위치의 말단부와 제 1 전극 패드(121)에 대응하는 위치의 말단부 사이에만 발생될 수 있다. 즉, 자구벽이 다른 한 쌍의 말단부를 향해 이동되지 않는다. 이는 인가되는 전류가 제 3 전극 패드(123)에 대응하는 위치의 말단부와 제 1 전극 패드(121)에 대응하는 위치의 말단부 사이를 흐르는데 기인한 것일 수 있다. 즉, 홀 소자(110)를 흐르는 전류에 의해 스핀 궤도 토크가 발생되는 영역은 막대 형태의 제 3 전극 패드(123)에 대응하는 위치의 말단부와 제 1 전극 패드(121)에 대응하는 위치의 말단부가 차지하는 영역이며, 특히, 교차 지점에서 일어나는 자화의 반전에 따른 자구벽의 이동은 홀 전압의 변화에 큰 영향을 미칠 수 있다. 또한, 외부 자계의 인가에 따라 강화되는 자구벽의 이동에 의해 이상 홀 효과는 심화되고, 홀 전압은 증가할 수 있다.
홀 소자(110) 내에서 특정 방향의 자화는 외부 자기장과 같은 역할을 수행할 수 있다. 제 3 전극 패드(123)에 대응하는 위치의 말단부와 제 1 전극 패드(121)에 대응하는 위치의 말단부 사이를 흐르는 전자들은 업 스핀과 다운 스핀이 동일한 비율로 형성된 상태이나, 홀 소자(110) 내를 흐를 경우, 업 스핀과 다운 스핀은 홀 소자(110)의 자기 모멘트에 영향을 받으며, 이에 따라 업 스핀을 가지는 전자와 다운 스핀을 가지는 전자가 십자형 구조의 홀 소자(110)에서 측면에 해당하는 제 2 전극 패드(122)에 대응하는 위치의 말단부와 제 4 전극 패드(124)에 대응하는 위치의 말단부에 편향될 수 있다.
또한 홀 소자(110)의 제 3 전극 패드(123)에 대응하는 위치의 말단부와 제 1 전극 패드(121)에 대응하는 위치의 말단부 사이를 이동하는 스핀 전자는 강자성체인 불순물(스핀 궤도 결합이 있는 물질)과 충돌하는 경우, 산란(skew scattering)이 발생되고, 전자의 스핀 방향에 따라 산란의 방향은 다르게 나타날 수 있다. 만일 홀 소자(110)가 수직 자기 이방성을 가지지 않고 랜덤한 자기 모멘트를 가진다면 스핀 전자의 산란도 무작위로 발생되어 홀 전압이 생성되지 않는다. 그러나, 홀 소자(110)가 자구벽의 이동을 통해 수직 자기 이방성을 가지는 경우, 불순물 자체가 강자성체이므로 스핀 의존 산란(spin dependent scattering)에 의해 전자의 스핀에 따른 산란의 정도는 달라지며, 제 2 전극 패드(122)에 대응하는 위치의 말단부와 제 4 전극 패드(124)에 대응하는 위치의 말단부로 이동하는 전자의 양이 달라지고 홀 전압을 발생시킨다. 이를 통해 이상 홀 효과를 얻을 수 있다.
즉 신호 분석부(400)는 복수의 말단부 중 한 쌍의 제 2 말단부에 연결되어 홀 소자(110)의 홀 전압을 측정할 수 있다. 제 2 말단부는 제 2 전극 패드(122)에 대응하는 위치의 말단부와 제 4 전극 패드(124)에 대응하는 위치의 말단부를 나타낼 수 있다.
신호 분석부(400)는 제 2 말단부에 연결되어 홀 소자(110)의 홀 전압을 측정하는 락인 앰프(Lock-in Amplifier)를 포함할 수 있다. 즉 본 실시 예에서는, 락인 앰프를 통해 지정된 참조 신호에 관련된 신호의 진폭과 위상을 측정할 수 있으며, 세포 온도에 따른 홀 전압을 정밀하게 측정할 수 있다. 또한 본 실시 예에서는, 락인 앰프로부터 공급받은 참조 신호에 동기화하여 자기장 인가부(300)의 전류가 인가되는 코일에 교류 전류가 공급되도록 할 수 있다. 따라서 본 실시 예에서는, 측정 결과의 잡음 대비 신호 비율(SNR, signal-to-noise ratio)을 높일 수 있다.
한편 본 실시 예에서는, 판독 전류가 크면 줄 발열 등의 문제로 홀 소자(110) 자체의 온도가 상승할 수 있으므로, 판독 전류를 감소시킬 필요가 있다.
제어부(500)는 홀 전압과 온도의 관계 특성을 포함하는 온도 테이블, 홀 소자(110)에 인가된 전류 및 외부 자기장에 기초하여 홀 소자(110)와 직접적 또는 간접적으로 열전도 연결된 세포의 온도를 산출할 수 있다. 즉 제어부(500)는 세포가 홀 소자(110)에 열전도 연결되기 전과 세포가 홀 소자(110)에 열전도 연결된 이후의 홀 전압의 변화에 기초하여 세포의 온도를 산출할 수 있다.
이때, 본 실시 예에서, 홀 전압의 변화는 세포와 열 전도에 의해 연결된 홀 소자(110)의 자화값 변화에 기반할 수 있다. 또한 온도 테이블은, 홀 소자(110)의 자화값과 큐리 온도의 반비례 특성 및 홀 소자(110)의 홀 전압과 자화값의 비례 특성에 기반하여 설정될 수 있으며, 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.
다시 말해, 제어부(500)는 홀 전압에 근거한 세포의 온도를 수식에 의하여 산출하거나, 홀 전압에 근거한 세포의 온도를 수치테이블화 하여 비교함으로써 산출할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서는 홀 소자(110)의 스택(stack)이 Ta/Pt/Co/Pt 일 때, 홀 소자(110)의 온도 차이에 따른 홀 전압을 측정하였다. 즉 본 실시 예에서는, 홀 소자(110)의 온도 상승에 따라 홀 전압 차이가 감소함을 알 수 있으며, 홀 소자(110)의 온도에 따른 홀 전압이 온도 테이블로서 저장될 수 있다. 따라서, 제어부(500)는 이를 기초로 하여 세포의 온도를 산출할 수 있는 것이다.
또한, 도 11은 락인 앰프를 통해 출력되는 결과를 나타내는 것으로, 본 실시 예에서는, 홀 소자(110)의 스택이 Ta(3)/Pt(5)/Co(0.6)/Pt(5) 일 때의 홀 전압을 측정하였다. 또한 본 실시 예에서, 도 11은 주파수가 0.1 Hz이고, 전자석에 인가되는 최대 전류가 4 A이며, 판독 전류가 0.1 mA 일 때의 홀 전압 측정 결과를 나타낸 것이다.
즉 본 실시 예에서, 제어부(500)는 도 11에 도시된 바와 같은 설정 사항들에 기반하여, 홀 전압 측정 결과를 통해 세포 온도를 산출할 수 있다.
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 온도 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, S10단계에서, 세포 온도 측정 장치(1)는 홀 소자(110)의 복수의 말단부 중 한 쌍의 제 1 말단부에 전류를 인가한다.
본 실시 예에서, 세포 온도 측정 장치(1)는 세포가 놓여지며, 홀 소자(110)의 상부에 위치하는 마이크로 웰 플레이트(130)와, 이상 홀 효과 특성을 갖는 홀 소자(110)와, 상기 홀 소자(110)에 전기적으로 연결되어, 홀 소자(110)에 전류가 인가되거나 홀 소자(110)의 전압이 측정될 수 있도록 하는 전극 패드(120)를 포함할 수 있다.
이때, 홀 소자(110)는 복수의 말단부를 포함하는 십자형 구조일 수 있으며, 구체적으로는 동일한 폭을 갖는 2 개의 선형 홀 바(Hall bar)가 교차 지점에서 서로 교차하는 구조이고, 복수의 말단부는 2 개의 홀 바의 각 말단에 위치하고, 복수의 말단부의 적어도 일부는 교차 지점으로부터 멀어질수록 폭이 넓어지는 형태일 수 있다.
또한 전극 패드(120)는 홀 소자(110)의 각 말단부에 각각 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있으며, 제 1 전극 패드(121), 제 2 전극 패드(122), 제 3 전극 패드(123) 및 제 4 전극 패드(124)를 포함할 수 있다.
즉 세포 온도 측정 장치(1)는 전극 패드(120)를 통해 홀 소자(110)의 말단부 중 한 쌍의 제 1 말단부에 전기적으로 연결되어 홀 소자(110)에 전류를 인가할 수 있다. 여기서 제 1 말단부는 상술하는 전극 패드(120) 중 제 1 전극 패드(121)와 제 3 전극 패드(123)에 대응하는 위치의 말단부일 수 있다.
그리고 S20단계에서, 세포 온도 측정 장치(1)는 홀 소자(110)에 인가된 전류 방향과 수직한 방향으로 외부 자기장을 인가한다.
본 실시 예에서는, 외부 자기장을 인가하기 위해, 전류가 인가되는 코일을 포함하는 전자석부(310)와 코일을 냉각하는 냉각부(330)를 포함할 수 있다. 본 실시 예에서는, 자기장 인가 시 전자석부(310)에서 열이 발생할 수 있기 때문에, 냉각부(330)를 이용하여 전자석부(310)를 냉각시킴으로써, 발열에 의한 고장 등을 방지할 수 있다.
S30단계에서, 세포 온도 측정 장치(1)는 홀 소자(110)의 말단부 중 한 쌍의 제 2 말단부에서 홀 소자(110)의 홀 전압을 측정한다.
본 실시 예에서, 세포 온도 측정 장치(1)는 홀 소자(110)에 인가된 전류 방향과 수직한 방향으로 외부 자기장이 인가되면 발생하는 이상 홀 효과에 기반하여, 선형 홀 바의 교차 지점에 놓여지는 세포의 온도를 측정하는 것으로서, 홀 소자(110)의 선형 홀 바가 교차하는 교차 지점에서는 수직 자기 이방성의 변화에 따른 홀 전압이 생성될 수 있다.
따라서, 세포 온도 측정 장치(1)는 전극 패드(120)를 통해 복수의 말단부 중 한 쌍의 제 2 말단부에 연결되어 홀 소자의 홀 전압을 측정할 수 있다. 여기서 제 2 말단부는 제 2 전극 패드(122)에 대응하는 위치의 말단부와 제 4 전극 패드(124)에 대응하는 위치의 말단부를 나타낼 수 있다.
S40단계에서, 세포 온도 측정 장치(1)는 홀 전압과 온도의 관계 특성을 포함하는 온도 테이블, 홀 소자(110)에 인가된 전류 및 외부 자기장에 기초하여 홀 소자(110)와 직접적 또는 간접적으로 열전도 연결된 세포의 온도를 산출한다.
즉 세포 온도 측정 장치(1)는 세포가 홀 소자(110)에 열전도 연결되기 전과 세포가 홀 소자(110)에 열전도 연결된 이후의 홀 전압의 변화에 기초하여 세포의 온도를 산출할 수 있다.
이때, 본 실시 예에서, 홀 전압의 변화는 세포와 열 전도에 의해 연결된 홀 소자(110)의 자화값 변화에 기반할 수 있다. 또한 온도 테이블은, 홀 소자(110)의 자화값과 큐리 온도의 반비례 특성 및 홀 소자(110)의 홀 전압과 자화값의 비례 특성에 기반하여 설정될 수 있으며, 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.
이상 설명된 본 발명에 따른 실시 예는 컴퓨터 상에서 다양한 구성요소를 통하여 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수 있으며, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 이때, 매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은, 프로그램 명령어를 저장하고 실행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다.
한편, 상기 컴퓨터 프로그램은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함될 수 있다.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다.
본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1 : 세포 온도 측정 장치
100 : 온도 측정부 110 : 홀 소자
120 : 전극 패드 121 - 124 : 제 1 4 전극 패드
130 : 마이크로 웰 플레이트 200 : 전류 인가부
300 : 자기장 인가부 310 : 전자석부
320 : 전원 공급부 330 : 냉각부
400 : 신호 분석부 500 : 제어부
100 : 온도 측정부 110 : 홀 소자
120 : 전극 패드 121 - 124 : 제 1 4 전극 패드
130 : 마이크로 웰 플레이트 200 : 전류 인가부
300 : 자기장 인가부 310 : 전자석부
320 : 전원 공급부 330 : 냉각부
400 : 신호 분석부 500 : 제어부
Claims (20)
- 세포 온도 측정 장치로서,
복수의 말단부를 포함하고, 이상 홀 효과(Anomalous Hall Effect, AHE) 특성을 갖는 홀 소자;
상기 말단부 중 한 쌍의 제 1 말단부에 전기적으로 연결되어 상기 홀 소자에 전류를 인가하는 전류 인가부;
상기 홀 소자에 인가된 전류 방향과 수직한 방향으로 외부 자기장을 인가하는 자기장 인가부;
상기 말단부 중 한 쌍의 제 2 말단부에 연결되어 상기 홀 소자의 홀 전압을 측정하는 신호 분석부; 및
홀 전압과 온도의 관계 특성을 포함하는 온도 테이블, 상기 홀 소자에 인가된 상기 전류 및 상기 외부 자기장에 기초하여 상기 홀 소자와 직접적 또는 간접적으로 열전도 연결된 대상체의 온도를 산출하는 제어부를 포함하는,
세포 온도 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 홀 소자는,
동일한 폭을 갖는 2 개의 선형 홀 바(Hall bar)가 교차 지점에서 서로 교차하는 구조이고, 상기 복수의 말단부는 상기 2 개의 홀 바의 각 말단에 위치하고, 상기 복수의 말단부의 적어도 일부는 상기 교차 지점으로부터 멀어질수록 폭이 넓어지는 형태인,
세포 온도 측정 장치.
- 제 2 항에 있어서,
상기 복수의 말단부는 연꼴 형태이고,
상기 홀 소자가 리소그래피로 패터닝된 기판; 및
상기 복수의 말단부와 각각 전기적으로 연결되는 복수의 전극 패드를 더 포함하는,
세포 온도 측정 장치.
- 제 3 항에 있어서,
상기 기판은 사각형이고, 상기 복수의 말단부 및 상기 복수의 전극 패드는 상기 기판의 모서리에 위치하는,
세포 온도 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 대상체가 상기 홀 소자에 열전도 연결되기 전과 상기 대상체가 상기 홀 소자에 열전도 연결된 이후의 상기 홀 전압의 변화에 기초하여 상기 대상체의 온도를 산출하는,
세포 온도 측정 장치.
- 제 5 항에 있어서,
상기 홀 전압의 변화는,
상기 대상체와 열 전도에 의해 상기 홀 소자의 자화값 변화에 기반하는,
세포 온도 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 온도 테이블은,
상기 홀 소자의 자화값과 큐리 온도(curie temperature)의 반비례 특성 및 상기 홀 소자의 홀 전압과 자화값의 비례 특성에 기반하여 설정되는,
세포 온도 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 홀 소자는,
복수의 레이어들을 포함하고,
상기 복수의 레이어들은,
비자성을 갖는 제 1 레이어;
상기 제 1 레이어 상측에 형성되고, 상기 자기장 인가부로부터 인가되는 자기장에 의해 이상 홀 효과가 발생되는 강자성을 갖는 제 2 레이어; 및
상기 제 2 레이어 상측에 형성되고 비자성을 갖는 제 3 레이어를 포함하는,
세포 온도 측정 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 레이어는,
상기 제 1 레이어 또는 상기 제 3 레이어와 접하는 계면에서 유도된 수직 자기 이방성에 의해 계면에 수직한 방향으로 자화 용이축을 가지는,
세포 온도 측정 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 레이어의 두께는,
0.4 nm 내지 1.0 nm인,
세포 온도 측정 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 레이어 및 상기 제 3 레이어의 소재는 동일한,
세포 온도 측정 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 레이어는,
Co, Fe, Ni, CoFe 및 CoNi 중 어느 하나와 Cu, Ti, Al 및 Ru 중 어느 하나가 합금으로 결합된,
세포 온도 측정 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 홀 소자는,
상기 홀 소자의 적어도 일부 또는 전부를 보호하는 보호 레이어를 더 포함하는,
세포 온도 측정 장치.
- 제 13 항에 있어서,
상기 보호 레이어는,
및
중 적어도 하나를 포함하는,
세포 온도 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 홀 소자는,
적어도 2 가지의 금속이 결합되어 수직 자기 이방성을 갖는 강자성체 자성합금을 포함하고,
상기 자성합금의 조성 비율에 따라 서로 다른 큐리 온도를 갖는,
세포 온도 측정 장치.
- 제 15 항에 있어서,
상기 홀 소자는,
상기 대상체의 온도 범위 중 최대값 이상의 큐리 온도를 갖는,
세포 온도 측정 장치.
- 제 15 항에 있어서,
상기 홀 소자는,
300 K 내지 450 K의 큐리 온도를 갖는,
세포 온도 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 신호 분석부는 상기 제 2 말단부에 연결되어 상기 홀 소자의 홀 전압을 측정하는 락인 앰프(Lock-in Amplifier)를 포함하고,
상기 자기장 인가부는 전류가 인가되는 코일을 포함하고,
상기 락인 앰프로부터 공급받은 참조 신호에 동기화하여 상기 코일에 교류 전류를 공급하는,
세포 온도 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 자기장 인가부는,
전류가 인가되는 코일을 포함하는 전자석부; 및
상기 코일을 냉각하는 냉각부를 포함하는,
세포 온도 측정 장치.
- 복수의 말단부를 포함하고, 이상 홀 효과(Anomalous Hall Effect, AHE) 특성을 갖는 홀 소자를 포함하는 세포 온도 측정 장치의 온도 측정 방법으로서,
상기 말단부 중 한 쌍의 제 1 말단부에 상기 홀 소자에 전류를 인가하는 단계;
상기 홀 소자에 인가된 전류 방향과 수직한 방향으로 외부 자기장을 인가하는 단계;
상기 말단부 중 한 쌍의 제 2 말단부에서 상기 홀 소자의 홀 전압을 측정하는 단계; 및
홀 전압과 온도의 관계 특성을 포함하는 온도 테이블, 상기 홀 소자에 인가된 상기 전류 및 상기 외부 자기장에 기초하여 상기 홀 소자와 직접적 또는 간접적으로 열전도 연결된 대상체의 온도를 산출하는 단계를 포함하는,
세포 온도 측정 방법.
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|---|---|---|---|
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2020
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