KR20220092731A - 액체의 전기적 특성 측정 시스템 및 액체의 전기적 특성 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
액체의 전기적 특성 측정 시스템이 개시된다. 상기 시스템은, 액체가 주입되는 미세 유체 칩; 상기 미세 유체 칩에 주입된 액체로 전기 신호를 인가할 수 있도록 상기 미세 유체 칩에 연결되는 복수 개의 전극; 상기 복수 개의 전극을 통해 인가되는 상기 전기 신호를 제어하고, 상기 액체에 인가된 전기 신호를 측정하는 전원제어측정부; 및 상기 전원제어측정부에서 측정된 전기 신호를 통해 상기 액체의 전기적 특성을 연산하는 연산부;를 포함하고, 상기 복수 개의 전극으로 인가되는 신호 및 측정되는 신호는 전압 또는 전류 신호일 수 있다.
Description
본 발명은 액체의 전기적 특성 측정 시스템 및 액체의 전기적 특성 측정 방법에 관한 발명이다. 보다 상세하게는, 미세 유체 칩 내에 배치된 복수 개의 전극에서 측정된 전압 값 및 인가한 전류 값을 이용하여 액체의 전기 전도도 및 전기장을 측정하는 방법에 관한 발명이다.
액체의 전기적 특성의 정확한 측정은 전기 화학, 에너지 공학, 생명공학 등 다양한 분야에서 중요한 문제이다. 액체의 전기적 특성은 액체 내의 이온과 밀접한 관련이 있으며, 이러한 특성들을 명확하게 분석하여야 할 필요성이 있다.
전기 전도도는 전해질 용액에서의 기본 매개 변수 중의 하나이다. 그러나 액체의 전기 전도도를 측정할 수 있는 기존 상용 장비들은 대부분 다량의 시료, 일 예시에 따르면 5 mL 이상의 양을 필요로 하고, AC 측정 기반이기 때문에 복잡한 고가의 장비가 필요하고 측정 시간도 비교적 긴 문제점이 있었다.
기존의 액체의 전기 전도도의 측정이 가능한 상용 장비 중 하나인 EIS(Electrochemical impedance spectroscopy)에 따르면 교류 신호의 주파수를 지속적으로 바꾸면서 측정하여야 하기 때문에 복잡하고, 또한 측정하고자 하는 액체의 특성에 따라 적합한 등가 회로 모델을 적용해야 정확한 결과를 얻을 수 있어 계산이 복잡한 문제점이 있었다.
본 발명의 일 과제는, 전기 신호를 기반으로 하여 액체의 전기적 특성을 정확하게 측정할 수 있는 측정 시스템을 제공하고자 함이다.
본 발명의 다른 일 과제는, 측정하고자 하는 액체 시료의 양이 적은 경우에도 용이하게 액체 시료의 전기적 특성을 측정할 수 있는 측정 시스템을 제공하고자 함이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 액체의 전기적 특성 측정 시스템이 개시된다.
상기 시스템은, 액체가 주입되는 미세 유체 칩; 상기 미세 유체 칩에 주입된 액체로 전기 신호를 인가할 수 있도록 상기 미세 유체 칩에 연결되는 복수 개의 전극; 상기 복수 개의 전극을 통해 인가되는 상기 전기 신호를 제어하고, 상기 액체에 인가된 전기 신호를 측정하는 전원제어측정부; 및 상기 전원제어측정부에서 측정된 전기 신호를 통해 상기 액체의 전기적 특성을 연산하는 연산부;를 포함하고, 상기 복수 개의 전극으로 인가되는 신호 및 측정되는 신호는 전압 또는 전류 신호일 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 미세 유체 칩은 액체가 채워지는 채널을 포함하고, 상기 복수 개의 전극은 각각 상기 채널의 모서리와 인접한 위치에 배치될 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 미세 유체 칩은 액체가 채워지는 채널을 포함하고, 상기 복수 개의 전극은 제1 전극; 제2 전극; 제3 전극 및 제4 전극;을 포함하며, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 상기 제3 전극 및 상기 제4 전극은 상기 채널 내의 임의의 위치에 배치될 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 전원제어측정부는 상기 복수 개의 전극 중 서로 인접한 두 개의 전극 사이에 제1 전기 신호를 인가하고, 나머지 인접한 두 전극 사이에 걸리는 제2 전기 신호를 측정할 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 연산부는 상기 제1 전기 신호의 값과, 상기 제2 전기 신호의 값, 상기 채널의 두께 및 보정 계수를 이용하여 상기 액체의 전기 전도도를 계산할 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 제1 전기 신호는 전류이고, 상기 제2 전기 신호는 전압일 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 연산부는 상기 계산된 액체의 전기 전도도를 이용하여 상기 액체에 인가된 전기장을 계산할 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 전기장을 계산 시 상기 전원제어측정부는 상기 복수 개의 전극 중 서로 인접한 두 개의 전극에서 나머지 두 전극으로 제3 전기 신호를 인가할 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 연산부는 상기 인가된 제3 전기 신호와, 상기 미세 유체 칩 내의 채널의 상기 제3 전기 신호를 인가한 방향의 수직 방향으로의 단면적 및 상기 액체의 전기 전도도를 이용하여 상기 액체에 인가된 전기장을 계산할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 액체의 전기적 특성을 측정하는 방법이 개시된다.
상기 방법은, 상기 액체가 주입된 채널에 배치되는 복수 개의 전극 중 인접한 두 개의 전극에 제1 전기 신호를 인가하는 단계; 상기 복수 개의 전극 중 나머지 인접한 두 개의 전극 사이의 제2 전기 신호를 측정하는 단계; 및 상기 제1 전기 신호의 값. 상기 제2 전기 신호의 값, 상기 채널의 두께 및 보정 계수를 이용하여 상기 액체의 전기적 특성을 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 제1 전기 신호의 값. 상기 제2 전기 신호의 값, 상기 채널의 두께 및 보정 계수를 이용하여 상기 액체의 전기적 특성을 계산하는 단계;는, 상기 액체의 전기 전도도를 1차적으로 계산하고, 상기 액체의 전기장을 2차적으로 계산할 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 액체의 전기장을 2차적으로 계산하는 단계는, 상기 복수 개의 전극 중 서로 인접한 두 개의 전극에서 나머지 두 전극으로 제3 전기 신호를 인가할 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 액체의 전기장을 2차적으로 계산하는 단계는, 상기 인가된 제3 전기 신호와, 상기 채널의 상기 제3 전기 신호를 인가한 방향의 수직 방향으로의 단면적 및 상기 액체의 전기 전도도를 이용하여 상기 액체에 인가된 전기장을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 액체의 전기적 특성을 정확하게 측정할 수 있다.
본 발명에 의하면, 측정하고자 하는 액체 시료의 양이 적은 경우에도 용이하게 액체 시료의 전기적 특성을 측정할 수 있다.
본 발명에 의하면, 하나의 칩에 하나의 채널만 있는 경우에도 용이하게 액체의 전기적 특성을 측정할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성 측정 시스템을 간략히 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 미세 유체 칩과 전극의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 3(a) 내지 도 3(b)은 본 발명에 따른 미세 유체 칩 내의 채널에 전극들이 배치되는 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따라 액체의 전기적 특성을 계산하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라 액체의 전기장을 측정하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 6(a) 내지 도 6(b)는 도 5의 방법에 따라 전기장을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 미세 유체 칩과 전극의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 3(a) 내지 도 3(b)은 본 발명에 따른 미세 유체 칩 내의 채널에 전극들이 배치되는 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따라 액체의 전기적 특성을 계산하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라 액체의 전기장을 측정하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 6(a) 내지 도 6(b)는 도 5의 방법에 따라 전기장을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어와 첨부된 도면은 본 발명을 용이하게 설명하기 위한 것이므로, 본 발명이 용어와 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 이용되는 기술 중 본 발명의 사상과 밀접한 관련이 없는 공지의 기술에 관한 자세한 설명은 생략한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 구체적으로, "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 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 명세서 전체에서 사용되는 '~부' 및 '~모듈' 은 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위로서, 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부' 및 '~모듈'이 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부' 및 '~모듈'은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.
일 예로서 '~부' 및 '~모듈'은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소와 '~부' 및 '~모듈'에서 제공하는 기능은 복수의 구성요소 및 '~부' 및 '~모듈'들에 의해 분리되어 수행될 수도 있고, 다른 추가적인 구성요소와 통합될 수도 있다.
본 발명은 소량의 액체, 즉 1 mL 미만의 액체의 전기 전도도 및 액체에 인가된 전기장을 실시간으로 정확하면서도 간단하게 측정할 수 있는 기술 및 장치에 대한 발명이다.
본 발명에 따른 액체의 전기적 특성 측정 시스템은 소량의 액체가 주입되는 채널(11)을 포함하는 미세 유체 칩(10), 미세 유체 칩에 주입된 액체에 전기 신호가 인가될 수 있도록 미세 유체 칩(10)과 연결되는 복수 개의 전극(20), 복수 개의 전극(20)을 통해 미세 유체 칩(10)에 주입된 액체에 인가되는 전기 신호를 제어하고, 액체에 인가되는 전기 신호를 측정하는 전원제어측정부(30) 및 전원제어측정부(30)에서 측정한 값을 이용하여 액체의 전기 전도도 및 액체에 인가된 전기장의 크기를 연산하는 연산부(40)를 포함할 수 있다. 이하에서 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성 측정 시스템 및 방법에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성 측정 시스템(1)을 간략히 나타내는 블록도이다.
본 발명에 따른 액체의 전기적 특성 측정 시스템(1)은 미세 유체 칩(10), 전극(20), 전원제어측정부(30) 및 연산부(40)를 포함할 수 있다.
미세 유체 칩(10)은 채널(11)을 포함할 수 있다. 미세 유체 칩(10)은 복수 개의 채널(11)을 포함할 수 있다. 채널(11)은 미세 유체 칩(10)의 상부면에 형성될 수 있다. 미세 유체 칩(10)은 PDMS와 같은 물질을 이용하여 리소그래피와 같은 미세 유체 공정을 통해 제작될 수 있다.
미세 유체 칩(10)의 채널(11)에는 소량의 액체가 주입될 수 있다. 일 예시에 따르면 채널(11)에는 1mL 미만의 액체가 주입될 수 있다. 미세 유체 칩(10)의 채널(11)에는 전기적 특성을 측정하고자 하는 액체 시료가 주입될 수 있다.
미세 유체 칩(10)의 채널(11)은 일 예시에 따르면, 직육면체의 형상으로 제공될 수 있다.
일 예시에 따르면 미세 유체 칩(10)의 채널(11)에는 복수 개의 전극(20)이 연결될 수 있다. 일 예시에 따르면 복수 개의 전극(20)은 적어도 4개 이상일 수 있다. 채널(11)에 배치된 복수 개의 전극(20)을 통해 채널(11) 내에 주입된 액체로 전기 신호를 전달할 수 있다. 인가되는 전기 신호는 직류 또는 교류 신호일 수 있다. 인가되는 전기 신호는 전류 또는 전압일 수 있다.
복수 개의 전극(20)은 미세 유체 칩(10)의 채널(11)에 배치될 수 있다. 복수 개의 전극(20)은 미세 유체 칩(10)의 채널(11)의 임의의 위치에 배치될 수 있다. 일 예시에 따르면, 복수 개의 전극(20)은 서로 일정한 간격을 가지고 이격되어 배치될 수 있다. 일 예시에 따르면, 복수 개의 전극(20)은 적어도 4개 이상으로 제공될 수 있다. 일 예시에 따르면, 복수 개의 전극(20) 사이의 간격은 전극 4개에서 모두 동일할 수 있다. 혹은, 복수 개의 전극(20) 중 인접한 2개 사이의 간격과, 나머지 2개 사이의 간격은 동일할 수 있다. 일 예시에 따르면, 복수 개의 전극(20)은 채널(11)의 중심부를 기준으로 대칭되는 형태로 배치될 수 있다. 일 예시에 따르면, 복수 개의 전극(20)은 채널(11)의 중심부를 기준으로 방사형 대칭 형태로 배치될 수도 있고, 좌우 대칭 형태로 배치될 수도 있다.
그러나 복수 개의 전극(20)의 배치 형태는 전술한 바에 한정되지 아니하고, 채널 내의 임의의 위치에 배치될 수 있다.
후술할 바에 따르면 전극(20)에는 전기 신호가 인가될 수 있다. 일 예시에 따르면 전극(20)에 인가되는 신호는 직류 전류일 수 있다. 일 예시에 따르면, 복수 개의 전극(20)은 직육면체 형상의 채널(11)의 모서리 부분에 배치될 수 있다. 일 예시에 따르면, 복수 개의 전극(20)은 직육면체 형상의 채널(11)의 높이와 동일한 높이를 가지도록 제공될 수 있다. 일 예시에 따르면 하나의 채널(11) 내에 배치되는 복수 개의 전극(20)은 동일한 크기로 제공될 수 있다. 일 예시에 따르면, 하나의 채널(11) 내에는 4개의 전극(20)이 배치될 수 있다.
채널(11) 내에 배치되는 복수 개의 전극(20)에는 전원제어측정부(30)가 연결될 수 있다. 전원제어측정부(30)는 복수 개의 전극(20)을 통해 인가되는 전기 신호의 크기를 제어할 수 있다. 전원제어측정부(30)는 이를 통해 채널(11) 내에 주입된 액체에 인가되는 전기 신호의 크기를 제어할 수 있다. 전원제어측정부(30)는 복수 개의 전극(20)과 연결되어 각각의 전극(20)으로 인가되는 전기 신호를 조절할 수 있다. 일 예시에 따르면 전원제어측정부(30)는 각각의 전극(20)으로 인가되는 직류 전류의 크기를 조절할 수 있다. 전원제어측정부(30)는 복수 개의 전극(20) 중 일부에만 전기 신호를 인가할 수도 있다. 전원제어측정부(30)는 센서(미도시)를 포함하여 채널(11) 내에 주입된 액체에 의해 변화된 전기 신호를 센싱할 수 있다. 일 예시에 따르면 전원제어측정부(30)는 복수 개의 전극(20)들 중 일부 전극 사이에 흐르는 전류를 측정할 수 있다. 일 예시에 따르면 전원제어측정부(30)는 복수 개의 전극(20)들 중 일부 전극 사이에 걸리는 전압을 측정할 수 있다.
전원제어측정부(30)에는 연산부(40)가 연결될 수 있다. 연산부(40)는 센서를 통해 측정된 값들을 이용하여 채널 내에 포함된 액체의 전기적 특성을 계산할 수 있다. 일 예시에 따르면, 연산부(40)에서는 센서를 통해 측정된 값들을 이용하여 액체의 전기 전도도 및 전기장을 계산할 수 있다.
이하에서 추가적인 도면들을 통해 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성 측정 시스템(1)에서 액체의 전기적 특성을 측정하는 방법을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 미세 유체 칩(10)과 전극(20)의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 2에 따르면 하나의 미세 유체 칩(10)은 하나 이상의 채널(11)을 포함할 수 있다. 도 2의 일 예시에 따르면 미세 유체 칩(10)은 1개의 채널(11)을 포함하는 예시가 도시된다. 도 2는 일 예시에 불과하며, 하나의 미세 유체 칩(10)은 2개 이상의 채널(11)을 포함할 수 있고, 2개의 채널(11)에는 각각 상이한 액체가 제공되어 하나의 미세 유체 칩(10)을 사용하여 서로 다른 액체의 전기적 특성을 동시에 측정하는 것도 가능할 수 있다.
도 2를 참조하면 채널(11)은 직육면체의 형상으로 제공될 수 있다. 일 예시에 따르면 채널(11)은 정육면체의 형상으로 제공될 수 있다. 일 예시에 따르면 채널(11)은 원통형의 형상으로 제공될 수도 있다. 채널(11)은 액체 시료가 주입될 수 있는 다양한 형상으로 제공될 수 있다. 채널(11)의 형상은 일정한 형상으로 한정되지 아니한다.
도 2를 참조하면, 미세 유체 칩(10)에 포함되는 채널(11) 각각은 복수 개의 전극(20)을 포함할 수 있다. 도 2를 참조하면, 미세 유체 칩(10)에 포함되는 채널(11)의 모서리 각각에는 전극(21, 22, 23, 24)이 배치될 수 있다. 도 2의 일 예시에 따르면 채널(11)이 직육면체의 형상으로 제공되며, 전극(20)이 직육면체의 모서리에 배치되는 일 예시로 개시되었으나, 채널(11)의 형상은 이에 한정되지 아니한다. 또한 복수 개의 전극(20)의 배치 역시 모서리에 배치되는 것으로 한정되지 아니한다. 일 예시에 따르면, 복수 개의 전극(20)은 모서리와 인접한 위치에 배치될 수 있다. 모서리와 인접한 위치란, 채널의 모서리와 배치된 전극 사이의 거리가 일정 범위 이내인 경우일 수 있다.
일 예시에 따르면, 복수 개의 전극(20)은 채널(11) 내에서 일정 간격을 가지고 이격되어 배치되며, 일정 간격은 복수 개의 전극(20)의 일부에서 동일하게 제공될 수 있다. 복수 개의 전극(20)은 채널(11)의 중심부를 기준으로 대칭되어 배치될 수 있다. 일 예시에 따르면 채널(11)이 원기둥의 형상으로 제공되는 경우, 복수 개의 전극(20)은 서로 동일한 간격을 가지고 이격되어 배치될 수 있다. 즉 복수 개의 전극(20) 사이의 직선 거리가 동일한 간격을 가지도록 이격되어 배치될 수 있다. 복수 개의 전극(20)은 채널(11)의 어느 일 측면과 접촉하는 위치에 배치될 수 있다.
그러나 도 2는 일 예시에 불과하고, 본 발명에서는 미세 유체 칩이나 채널의 형상과 관계없이, 그리고 전극이 배치된 위치나 간격 등에 관계 없이 액체의 전기적 특성을 측정할 수 있다. 본 발명에서는 미세 유체 칩의 형태에 관계없이 액체의 전기적 특성을 측정할 수 있다. 일 예시에 따르면 채널의 형태가 대칭에 가까울 경우 전기적 특성 측정의 정확도가 높아질 수 있다. 일 예시에 따르면 전극이 채널의 가장자리에 가까워질수록 전기적 특성 측정의 정확도가 높아질 수 있다.
도 2에서는 전원제어측정부(30) 및 연산부(40)가 전극(20)에 별도로 연결되는 구성으로 개시되어 있으나, 전원제어측정부(30) 및 연산부(40)는 미세 유체 칩(10)의 하부에 위치할 수도 있다. 전원제어측정부(30) 및 연산부(40)는 인시츄(in-situ) 형태로 제공될 수도 있다.
이하에서는 도 2의 실시예에 따른 미세 유체 칩 및 채널 그리고 복수 개의 전극의 형상을 기준으로 설명한다.
도 3(a) 내지 도 3(b)은 본 발명에 따른 미세 유체 칩(10) 내의 채널(11)에 전극(20)이 배치되는 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3(a) 내지 도 3(b)에 따르면 본 발명에 따른 미세 유체 칩(10) 내의 채널(11)에는 4개의 전극(21, 22, 23, 24)이 배치될 수 있다. 복수 개의 전극(21, 22, 23, 24) 각각은 직육면체 형상의 채널(11)의 세로 모서리 부에 접촉되도록 배치될 수 있다. 복수 개의 전극(21, 22, 23, 24) 각각은 서로 이격되어 배치될 수 있다. 또한 복수 개의 전극(21, 22, 23, 24) 각각은 채널(11)의 내부 일 측면에 접촉되도록 배치될 수 있다. 복수 개의 전극(21, 22, 23, 24)이 4개로 제공되는 경우, 복수 개의 전극 중 인접한 두 개의 전극 사이의 거리와, 나머지 두 개의 전극 사이의 거리는 동일할 수 있다. 일 예시에 따르면, 왼쪽 상단부터 제1 전극(21), 반시계 방향으로 제2 전극(22), 제3 전극(23), 제4 전극(24)이라고 할 때, 제1 전극과 제2 전극 사이의 거리와, 제3 전극과 제4 전극 사이의 거리는 동일할 수 있다. 같은 이치로, 제1 전극과 제3 전극 사이의 거리와, 제4 전극과 제2 전극 사이의 거리는 동일할 수 있다.
전술한 바에 따른 액체의 전기적 특성 측정 시스템(1)을 이용하여 액체의 전기 전도도를 구하기 위해, 반도체 소자의 비저항(resistivity) 측정에 많이 활용되는 반데르포우(van der Pauw) 방법을 활용한다. 액체가 주입된 미세 유체 칩(10)의 4개의 전극(20)(왼쪽 상단부터 제1 전극(21), 반시계 방향으로 제2 전극(22), 제3 전극(23), 제4 전극(24))이 배치된 상태에서, 제1 전극(21)에서 제2 전극(22)으로 전류를 인가하고 제4 전극(24)과 제3 전극(23) 사이의 전압을 측정하여 가상의 저항값을 구한다. 동일한 방법으로 제2 전극(22)에서 제3 전극(23)으로 전류를 인가하고 제1 전극(21)과 제4 전극(24) 사이의 전압을 측정하여 또 하나의 가상의 저항값을 구한다. 이 두 저항값을 반데르포우 방정식에 대입하면 액체의 비저항을 구할 수 있고, 비저항의 역수를 취하면 이 값이 액체의 전기 전도도가 된다. 또한, 액체에 인가되는 전기장을 구하기 위해서는 제3 전극(23) 및 제4 전극(24)을 접지시키고 제1 전극(21) 및 제2 전극(22)을 통해 DC 전류를 인가하면 옴의 법칙(J=σE)을 통해 간단하게 계산된다. 미세 유체 칩(10)의 형태가 직육면체일 경우, 인가한 직류 전류의 크기와 전류 방향에 수직인 방향의 채널의 단면적을 알 수 있기 때문에 전류 밀도 J를 계산할 수 있다. 또한 전기 전도도 σ는 앞선 측정에서 구하였으므로, 전기장 E를 연산할 수 있다.
이하에서 보다 상세하게 액체의 전기 전도도 및 전기장을 구하는 방법에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명에 따라 액체의 전기적 특성을 계산하는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 4에서도 설명을 용이하게 하기 위해, 채널(11)의 왼쪽 상부에 배치된 전극(20)부터 반시계 방향으로 제1 전극(21), 제2 전극(22), 제3 전극(23), 제4 전극(24)으로 칭한다.
일 예시에 따르면, 제1 전극(21)에서 제2 전극(22)으로 전류를 인가하여 제1 전극(21)과 제2 전극(22) 사이에 흐르는 전류 I12를 구할 수 있다. 일 예시에 따르면, 제3 전극(23)에서 제4 전극(24) 사이에 인가되는 전압을 측정하여 제4 전극(24)과 제3 전극(23) 사이의 전압 V43을 구할 수 있다.
상기와 같이 제1 전극(21)과 제2 전극(22) 사이에 흐르는 전류 I12, 제4 전극(24)과 제3 전극(23) 사이의 전압 V43를 이용하여 가상저항 값인 
를 구할 수 있다.
가상저항 값인 
는 다음과 같은 수식으로 계산될 수 있다.
같은 방식을 이용하여, 제2 전극(22)에서 제3 전극(23)으로 전류를 인가하여 제2 전극(22)과 제3 전극(23) 사이에 흐르는 전류 I23를 구할 수 있다. 일 예시에 따르면, 제4 전극(24)에서 제1 전극(21) 사이에 인가되는 전압을 측정하여 제1 전극(21)과 제4 전극(24) 사이의 전압 V14을 구할 수 있다.
상기와 같이 제2 전극(22)과 제3 전극(23) 사이에 흐르는 전류 I23, 제1 전극(21)과 제4 전극(24) 사이의 전압 V14를 이용하여 가상저항 값인 
를 구할 수 있다.
가상저항 값인 
는 다음과 같은 수식으로 계산될 수 있다.
이 때 비저항 
값은 다음과 같은 수식에 따라 계산될 수 있다.
이 때 t는 채널(11)의 두께, F는 보정 계수일 수 있다.
이 때 보정 계수 F는 저항에 관한 함수일 수 있다. 일 예시에 따르면 F는 다음과 같은 수식에 따라 계산될 수 있다.
이 때 
은 
로 계산될 수 있다.
이 때, 측정되는 채널이 대칭성이 존재하고 접촉 저항이 무시될 만큼 작은 경우 
일 수 있고, 이 때 보정 계수 
일 수 있다. 일 예시에 따르면, 측정되는 채널이 정육면체나 원기둥 형태와 같이 대칭성이 존재하는 경우 
일 수 있고, 이 때 보정 계수 
일 수 있다. 만일 측정되는 채널이 직육면체의 형태거나, 다른 형태와 같이 대칭성이 존재하지 않는 경우라 하더라도, 상기의 수식에 대입하여 보정 계수 값을 용이하게 구할 수 있다.
따라서 대칭성이 있는 경우, 상기와 같은 수식에 따르면 비저항은 다음과 같이 표현될 수 있다.
따라서 채널(11) 내의 복수의 전극 중 두 개의 인접한 전극(20) 사이에 인가된 전류와, 상기 두 개의 인접한 전극을 제외한 나머지 두 전극(20) 사이에 걸리는 전압의 크기와, 채널(11)의 두께 및 보정 계수를 이용하여 채널(11) 내에 포함된 액체의 비저항을 계산할 수 있다. 또한 비저항 값을 알면 액체의 전기 전도도도 계산할 수 있는 효과가 있다.
도 5는 본 발명에 따라 액체의 전기장을 측정하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
J = σE
J는 전류 밀도이다. 상기와 같은 수식에 의해 액체의 전기 전도도와 전류 밀도를 아는 경우 액체에 인가되는 전기장을 계산할 수 있다. 본 발명에 따르면 액체에 인가되는 전기장을 측정함으로써 액체에 포함된 개별 나노 입자의 정확한 제타 전위를 계산할 수도 있다.
도 5에 따르면 본 발명에 따라 액체의 전기장을 측정하기 위해서는 두 개의 인접한 전극 중 일부에만 전기 신호를 인가하고, 나머지 전극은 접지시켜 전류가 일정한 방향으로 흐르도록 처리할 수 있다.
일 예시에 따르면, 액체에 인가되는 전기장을 측정하기 위해서는 4개의 전극 중 인접한 2개의 전극에서 나머지 인접한 2개의 전극으로 전류를 인가할 수 있다.
이를 통해, 상기 인가한 전류 값과, 상기 미세 유체 칩 내 채널의 전류 인가 방향의 수직 방향으로의 단면적, 그리고 측정된 액체의 전기 전도도를 이용하여 액체에 인가된 전기장을 계산할 수 있다.
도 6(a) 내지 도 6(b)는 서로 다른 조건 하에서 도 5의 방법에 따라 전기장을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6(a)의 경우, KCl 0.1M 수용액이 채워진 채널(11)의 네 꼭지점에 1-mm-직경의 Pt 전극(20)을 위치시키고, 가까운 두 전극(20)을 접지로 두고 나머지 두 전극(20)으로 직류 전류를 인가하여 시뮬레이션 한 결과이다. 이 때 인가된 직류 전류의 값은 45.3μA이다. 이 때 채널(11)의 가로 길이는 60mm이다.
시뮬레이션을 이용하여 계산된 액체의 전기 전도도는 12.73 mS/cm으로 계산된다. 이는 실제 액체의 전기 전도도 값인 12.88mS/cm와 0.15mS/cm만큼 차이가 있으며, 오차율은 1.17%으로 작다. 상기와 같이 계산된 전기 전도도를 이용하여 J = σE의 수식에 따라 계산한 전기장의 크기는 3.448V/m로 계산된다. 즉 측정된 전기 전도도를 이용하여 균일한 영역에서의 전기장의 크기를 계산할 수 있는 효과가 존재한다. 이 때 균일한 전계가 형성되는 범위는 채널(11)의 18.2~41.8mm 영역일 수 있다.
도 6(b)의 경우 KCl 0.1M 수용액이 채워진 채널(11)의 네 꼭지점에 1-mm-직경의 Pt 전극(20)을 위치시키고, 가까운 두 전극(20)을 접지로 두고 나머지 두 전극(20)으로 직류 전류를 인가하여 시뮬레이션 한 결과이다. 이 때 인가된 직류 전류의 값은 45.3μA이다. 이 때 채널(11)의 가로 길이는 30mm이다.
시뮬레이션을 이용하여 계산된 액체의 전기 전도도는 12.86 mS/cm으로 계산된다. 이는 실제 액체의 전기 전도도 값인 12.88mS/cm와 0.02mS/cm만큼 차이가 있으며, 오차율은 0.17%으로 작다. 상기와 같이 계산된 전기 전도도를 이용하여 J = σE의 수식에 따라 계산한 전기장의 크기는 3.456V/m로 계산된다. 즉 측정된 전기 전도도를 이용하여 균일한 영역에서의 전기장의 크기를 계산할 수 있는 효과가 존재한다. 이 때 균일한 전계가 형성되는 범위는 채널(11)의 13.7~16.3mm 영역일 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7에 따르면, 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성 측정 방법은 액체가 배치된 채널(11)의 꼭지점에 위치한 복수개의 전극(20)에 직류 신호를 인가할 수 있다. 일 예시에 따르면 복수 개의 전극(20)은 4개의 전극(20)으로 제공될 수 있다. 이하에서 제1 전극(21), 제2 전극(22), 제3 전극(23), 제4 전극(24)으로 칭한다. 전원제어측정부(30)는 4개의 전극(20) 중 서로 인접한 제1 전극(21)과 제2 전극(22) 사이에 전류를 인가할 수 있다. 전원제어측정부(30)는 복수 개의 전극(20) 중 서로 인접한 제1 전극(21)과 제2 전극(22)을 제외한 나머지 전극, 즉 제3 전극(23)과 제4 전극(24) 사이의 전압을 측정할 수 있다. 제1 전극(21)과 제2 전극(22) 사이에 인가한 전류의 값과, 제3 전극(23)과 제4 전극(24) 사이에 걸리는 전압의 값과, 액체가 주입되어 있는 채널(11)의 두께의 값, 그리고 보정 계수를 수식에 대입하여 액체의 전기 전도도를 계산할 수 있다. 또한 액체의 전기 전도도 값을 구하면 이를 이용하여 액체에 인가되는 전기장의 크기도 계산할 수 있다.
본 발명은 액체의 전기 전도도를 측정하기 위한 기존 장비들과는 달리 소량, 즉 1 mL 미만의 액체 시료 액체에 대한 전기 전도도를 측정할 수 있어, 생체 시료와 같이 다량을 확보하기 어려운 액체에 활용성이 높다. 또한, 액체의 전기 전도도를 실시간으로 측정할 수 있어 액체의 전기적 특성 변화 모니터링에도 적용 가능하다. 뿐만 아니라 액체에 인가되는 전기장의 크기도 실시간으로 정확하게 측정할 수 있어, 정확한 전기장의 크기가 중요한 연구 분야(예: 제타전위, 전기영동 등)에 활용 가치가 높다. 일 예시에 따르면, 엑소좀(Exosome)(세포외 소포체(extracellular vesicle, EV) 중 하나)의 정확한 제타 전위(zeta-potential) 계산, 전기 영동(electrophoresis)를 통한 엑소좀 분리 등 다양한 연구 분야에서 액체에 인가되는 전기장을 정확히 아는 것은 매우 중요하다. 따라서, 최근 암 조기진단을 위한 바이오마커로서 주목 받고 있는 세포외 소포체(extracellular vesicle, EV) 분석에도 활용할 수 있다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
1 : 액체의 전기적 특성 측정 시스템
10 : 미세 유체 칩
11 : 채널
20 : 전극
30 : 전원제어측정부
40 : 연산부
10 : 미세 유체 칩
11 : 채널
20 : 전극
30 : 전원제어측정부
40 : 연산부
Claims (13)
- 액체가 주입되는 미세 유체 칩;
상기 미세 유체 칩에 주입된 액체로 전기 신호를 인가할 수 있도록 상기 미세 유체 칩에 연결되는 복수 개의 전극;
상기 복수 개의 전극을 통해 인가되는 상기 전기 신호를 제어하고, 상기 액체에 인가된 전기 신호를 측정하는 전원제어측정부; 및
상기 전원제어측정부에서 측정된 전기 신호를 통해 상기 액체의 전기적 특성을 연산하는 연산부;를 포함하고,
상기 복수 개의 전극으로 인가되는 신호 및 측정되는 신호는 전압 또는 전류 신호인 것을 특징으로 하는 액체의 전기적 특성 측정 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 미세 유체 칩은 액체가 채워지는 채널을 포함하고,
상기 복수 개의 전극은 각각 상기 채널의 모서리와 인접한 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 액체의 전기적 특성 측정 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 미세 유체 칩은 액체가 채워지는 채널을 포함하고,
상기 복수 개의 전극은 제1 전극; 제2 전극; 제3 전극 및 제4 전극;을 포함하며,
상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 상기 제3 전극 및 상기 제4 전극은 상기 채널 내의 임의의 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 액체의 전기적 특성 측정 시스템. - 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 전원제어측정부는 상기 복수 개의 전극 중 서로 인접한 두 개의 전극 사이에 제1 전기 신호를 인가하고, 나머지 인접한 두 전극 사이에 걸리는 제2 전기 신호를 측정하는 액체의 전기적 특성 측정 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 연산부는 상기 제1 전기 신호의 값과, 상기 제2 전기 신호의 값, 상기 채널의 두께 및 보정 계수를 이용하여 상기 액체의 전기 전도도를 계산하는 액체의 전기적 특성 측정 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 제1 전기 신호는 전류이고, 상기 제2 전기 신호는 전압인 액체의 전기적 특성 측정 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 연산부는 상기 계산된 액체의 전기 전도도를 이용하여 상기 액체에 인가된 전기장을 계산하는 액체의 전기적 특성 측정 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 전기장을 계산 시 상기 전원제어측정부는 상기 복수 개의 전극 중 서로 인접한 두 개의 전극에서 나머지 두 전극으로 제3 전기 신호를 인가하는 액체의 전기적 특성 측정 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 연산부는 상기 인가된 제3 전기 신호와, 상기 미세 유체 칩 내의 채널의 상기 제3 전기 신호를 인가한 방향의 수직 방향으로의 단면적 및 상기 액체의 전기 전도도를 이용하여 상기 액체에 인가된 전기장을 계산하는 액체의 전기적 특성 측정 시스템. - 액체의 전기적 특성을 측정하는 방법에 있어서,
상기 액체가 주입된 채널에 배치되는 복수 개의 전극 중 인접한 두 개의 전극에 제1 전기 신호를 인가하는 단계;
상기 복수 개의 전극 중 나머지 인접한 두 개의 전극 사이의 제2 전기 신호를 측정하는 단계; 및
상기 제1 전기 신호의 값, 상기 제2 전기 신호의 값, 상기 채널의 두께 및 보정 계수를 이용하여 상기 액체의 전기적 특성을 계산하는 단계;를 포함하는 액체의 전기적 특성 측정 방법. - 제10항에 있어서,
상기 제1 전기 신호의 값. 상기 제2 전기 신호의 값, 상기 채널의 두께 및 보정 계수를 이용하여 상기 액체의 전기적 특성을 계산하는 단계;는,
상기 액체의 전기 전도도를 1차적으로 계산하고,
상기 액체의 전기장을 2차적으로 계산하는 단계를 포함하는 액체의 전기적 특성 측정 방법. - 제11항에 있어서,
상기 액체의 전기장을 2차적으로 계산하는 단계는,
상기 복수 개의 전극 중 서로 인접한 두 개의 전극에서 나머지 두 전극으로 제3 전기 신호를 인가하는 액체의 전기적 특성 측정 방법. - 제12항에 있어서,
상기 액체의 전기장을 2차적으로 계산하는 단계는,
상기 인가된 제3 전기 신호와, 상기 채널의 상기 제3 전기 신호를 인가한 방향의 수직 방향으로의 단면적 및 상기 액체의 전기 전도도를 이용하여 상기 액체에 인가된 전기장을 계산하는 단계를 포함하는 액체의 전기적 특성 측정 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200183701A KR102618172B1 (ko) | 2020-12-24 | 2020-12-24 | 액체의 전기적 특성 측정 시스템 및 액체의 전기적 특성 측정 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200183701A KR102618172B1 (ko) | 2020-12-24 | 2020-12-24 | 액체의 전기적 특성 측정 시스템 및 액체의 전기적 특성 측정 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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2020
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Patent Citations (5)
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