KR20230059626A - 시료 가열 및 냉각 장치 및 이를 이용한 시료 가열 및 냉각 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시료 가열 및 냉각 장치 및 이를 이용한 시료 가열 및 냉각 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치는 시료를 수용하는 용기, 상기 시료에 포함되어 있는 자성입자, 상기 용기를 커버하도록 배치되며, 상기 시료를 가열하도록 자기장을 발생시켜 상기 자성입자에 열을 발생시키는 코일부, 상기 시료를 냉각시키는 냉각부를 포함한다.
Description
본 발명은 시료 가열 및 냉각 장치 및 이를 이용한 시료 가열 및 냉각 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자성입자의 발열을 이용하여 시료를 가열하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
생명공학 분야, 특히 유전자 진단 분야에서는 시료를 가열 및 냉각하여 시료의 온도를 제어하는 것이 매우 중요하다.
예컨대, 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction, PCR) 검사는 원하는 특정 표적 유전물질을 증폭시키는 반응으로, 효소를 이용하여 주형 DNA를 계속하여 복제한다. 중합효소 연쇄반응(PCR)의 단계는 일반적으로, 복제할 대상인 이중가닥 주형 DNA를 단일가닥으로 풀어주는 변성(denaturation) 단계, 풀어진 단일가닥에 반응이 시작될 곳을 지정하고 효소반응이 시작되는 것을 도와주는 프라이머(primer)를 결합하는 어닐링(annealing) 단계 및 프라이머가 붙은 위치로부터 DNA를 복제해서 완전한 이중 나선구조의 DNA를 만드는 연장(extention) 단계의 세 단계로 구분된다. 상기 세 단계를 진행하면 이론적으로 DNA의 양이 2배로 증가되고, 이를 반복하여 n번 수행함으로써 이론적으로 DNA의 양은 2의 n제곱 배로 증가하게 된다.
일반적으로 변성 단계는 약 90 내지 96℃, 어닐링 단계는 약 60℃, 연장 단계는 72℃ 와 같이, 각 단계는 특정 온도로 제어되는 것이 요구된다. 이를 위해 펠티어 소자를 이용하는 등 다양한 방법을 이용하는 시료 가열 및 냉각 장치를 통해 시료의 온도를 제어하고 있다. 또한 중합효소 연쇄반응(PCR) 이외에도 시험관 내의 단백질 번역(in-vitro protein translation), 무세포 단백질 발현(cell-free protein expression)에서도 시료의 온도 제어는 매우 중요한 요소이다.
그러나, 이러한 시료 가열 및 냉각 장치는 일반적으로 저전력으로 시료를 가열 및 냉각하기에 어려움이 있었다. 또한 일반적으로 전원과 연결된 도선 등을 통해 직접 전력을 공급받음으로써 야외에서의 사용이 어렵고 휴대성이 떨어지는 문제가 있었다.
이에 저전력으로 시료를 가열 및 냉각할 수 있는 장치 및 방법에 대한 요구가 있었다. 또한 무선 전력 송신을 이용하여 휴대성을 향상시킬 수 있는 시료 가열 및 냉각 장치 및 방법에 대한 요구가 있었다.
전술한 배경 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지 기술이라 할 수는 없다.
본 발명은 자성입자의 발열, 특히 자기이력손실(magnetic hysteresis loss)을 이용하여 저전력으로 시료를 가열 및 냉각하는 장치 및 방법을 제공한다. 또한 무선 전력으로 구동이 가능하여 휴대성이 향상된 시료 가열 및 냉각 장치 및 방법을 제공한다.
다만 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치는 시료를 수용하는 용기, 상기 시료에 포함되어 있는 자성입자, 상기 용기를 커버하도록 배치되며, 상기 시료를 가열하도록 자기장을 발생시켜 상기 자성입자에 열을 발생시키는 코일부, 상기 시료를 냉각시키는 냉각부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치에 있어서, 상기 자성입자는 상기 코일부가 발생시키는 자기장에 의한 자기이력손실(magnetic hysteresis loss)로 열을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치에 있어서, 상기 자성입자는 Fe, Co, Mg, Mn, Ni, Zn, Fe-Mn, Co-Ti, Mn-Mg, Zn-Fe, Zn-Ca, Mn-Zn, Co-Zn, Ni-Zn의 금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속 자체, 또는 그 합금, 또는 그의 산화물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치에 있어서, 상기 자성입자는 Fe, Co, Mg, Mn, Ni, Zn, Fe-Mn, Co-Ti, Mn-Mg, Zn-Fe, Zn-Ca, Mn-Zn, Co-Zn, Ni-Zn의 금속 중 적어도 어느 하나를 코어로 하여 상기 금속의 산화물을 껍질로 도핑(doping)한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치에 있어서, 상기 전원부는 상기 시료 가열 및 냉각 장치의 외부에 배치되어 무선으로 전력을 송신할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치에 있어서, 상기 코일부는 솔레노이드 코일을 포함하고 상기 용기는 상기 코일부가 형성하는 내부 공간에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치에 있어서, 상기 코일부는 나사선 코일을 포함하고 상기 용기는 상기 코일부의 상부 또는 하부에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치에 있어서, 상기 용기는 복수 개로 형성되며, 상기 코일부는 상기 복수 개의 용기를 모두 커버하도록 하나로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치에 있어서, 상기 용기는 복수 개로 형성되며, 상기 코일부는 상기 복수 개의 용기 각각을 커버하도록 복수 개로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치는 시료를 수용하는 용기, 상기 용기의 외측을 둘러싸도록 배치되며, 내부에는 자성입자가 포함된 가열 유체를 수용하는 가열부, 상기 가열부를 커버하도록 배치되며, 상기 시료를 가열하도록 자기장을 발생시켜 상기 자성입자에 열을 발생시키는 코일부, 상기 시료를 냉각시키는 냉각부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치에 있어서, 상기 자성입자는 상기 코일부가 발생시키는 자기장에 의한 자기이력손실(magnetic hysteresis loss)로 열을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 방법은 시료, 자성입자, 코일부, 냉각부, 전원부, 냉각부, 제어부를 포함하는 시료 가열 및 냉각 장치를 이용하는 시료 가열 및 냉각 방법으로서, 자성입자가 포함된 시료를 용기에 수용하는 단계, 전원부에 의해 전력이 인가되어 코일부가 자기장을 발생시키는 단계, 상기 자기장에 의해 상기 자성입자가 열을 발생시켜 상기 시료를 가열하는 단계, 냉각부에 의해 시료를 냉각시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 방법에 있어서, 상기 시료를 가열하는 단계는 상기 자성입자가 상기 코일부가 발생시키는 자기장에 의한 자기이력손실(magnetic hysteresis loss)로 열을 발생시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 방법에 있어서, 상기 전원부는 무선으로 전력을 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 장치 및 방법은 시료에 포함되는 자성입자에 자기장을 가하여 열을 발생시키도록 하고, 이 열을 이용하여 시료를 가열하여 저전력, 즉 고효율로 시료를 가열할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 장치 및 방법은 무선으로 전력을 송신받아, 휴대성이 향상되고 야외에서도 활용성이 높은 시료 가열 및 냉각 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치를 나타낸다.
도 2는 도 1에서 용기 및 코일부가 복수 개로 형성되는 것을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치를 나타낸다.
도 4는 도 3에서 용기 및 코일부가 복수 개로 형성되는 것을 나타낸다.
도 5는 자기이력곡선을 도시한다.
도 6은 자성입자의 크기에 따라 자성입자가 발생시키는 발열량을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 전원부가 무선전력송신부를 포함하는 것을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 방법을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1에서 용기 및 코일부가 복수 개로 형성되는 것을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치를 나타낸다.
도 4는 도 3에서 용기 및 코일부가 복수 개로 형성되는 것을 나타낸다.
도 5는 자기이력곡선을 도시한다.
도 6은 자성입자의 크기에 따라 자성입자가 발생시키는 발열량을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 전원부가 무선전력송신부를 포함하는 것을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 방법을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 발명의 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시예로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치(10)에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치(10)를 나타내고, 도 2는 도 1에서 용기(100) 및 코일부(300)가 복수 개로 형성되는 것을 나타낸다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치(10)를 나타내고, 도 4는 도 3에서 용기(100) 및 코일부(300)가 복수 개로 형성되는 것을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치(10)는 생명공학 분야, 특히 중합효소 연쇄반응에서 시료를 가열 및 냉각하기 위해 이용될 수 있다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니며, 시험관 내의 단백질 번역, 무세포 단백질 발현과 같은 다른 검사 또는 실험에서도 시료를 가열 및 냉각하여 시료의 온도를 제어하기 위해 이용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치(10)는 용기(100), 자성입자(200), 코일부(300), 냉각부(400), 전원부(500), 제어부(600) 및 센서부(700)를 포함할 수 있다.
용기(100)는 시료를 수용할 수 있도록 내부에 공동이 형성된 강체로, 일반적인 시료의 상(phase)인 유체 형태의 시료를 수용하기에 적합한 형상일 수 있다. 시료는 특정목적을 가진 과학적 시험, 검사, 화학 분석 등에 사용되는 물질을 지칭하는 것으로, 예컨대 중합효소 연쇄반응에서는 증폭 대상이 되는 DNA 등을 포함할 수 있다.
용기(100)는 하나의 시료를 수용하는 단일 용기(100)일 수 있고, 또는 복수 개의 시료를 수용하는 복수 개의 용기(100)로 구성될 수 있다. 용기(100)가 복수 개로 형성되는 경우, 분리된 복수 개의 용기(100)가 복수 개의 시료 각각을 수용할 수 있다. 또는 복수 개의 용기(100)는 하나의 랙(rack)에 복수 개의 시료를 수용하기 위한 복수 개의 오목부를 형성하는 방식으로 형성될 수 있다.
용기(100)의 내부에는 시료, 보다 구체적으로 유체 형태의 시료가 수용될 수 있고, 시료에는 자성입자(200)가 포함될 수 있다.
자성입자(magnetic particle, 200)는 외부 자기장 없이 자화되는 강자성 물질 또는 외부 자기장에 의해 자화되는 상자성 물질로서, 일 실시예로 자성입자(200)는 자성마이크로입자(magnetic micro particle) 또는 자성나노입자(magnetic nano particle)일 수 있다. 자성마이크로입자는 자성입자 중에서도 그 크기가 마이크로미터(μm), 즉 10-6 미터(m) 수준인 것을 의미한다. 자성나노입자는 자성입자 중에서도 그 크기가 나노미터(nm), 즉 10-9 미터(m) 수준인 것을 의미한다.
자성입자(200), 특히 자성나노입자(200)는 시료에 혼합되어 후술할 바와 같이, 코일부(300)의 자기장에 반응하여 열을 발생시킬 수 있다. 구체적으로 자성입자(200)는 코일부(300)의 자기장에 반응하여 자기이력손실(magnetic hysteresis loss)에 의해 열을 발생시킬 수 있다. 자성입자(200)가 발생시킨 열은 시료에 전달되어 시료의 온도를 상승시킬 수 있다.
일 실시예로 자성입자(200)는 Fe, Co, Mg, Mn, Ni, Zn, Fe-Mn, Co-Ti, Mn-Mg, Zn-Fe, Zn-Ca, Mn-Zn, Co-Zn, Ni-Zn의 금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속 자체, 또는 그 합금, 또는 그의 산화물일 수 있다.
일 실시예로 자성입자(200)는 Fe, Co, Mg, Mn, Ni, Zn, Fe-Mn, Co-Ti, Mn-Mg, Zn-Fe, Zn-Ca, Mn-Zn, Co-Zn, Ni-Zn의 금속 중 적어도 어느 하나 또는 그 합금을 코어로 하여, 외부 표면을 표면 화학 처리한 것일 수 있다. 표면 화학 처리는 예를 들어, 상기 금속 또는 그 합금의 산화물로 코어의 외부 표면을 도핑(doping)하거나, 고분자화합물(polymer)로 코어의 외부 표면을 코팅하여 구현될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며 산화방지를 위한 다양한 방법이 이용될 수 있다. 자성입자(200)는 이에 따라 상기 나열된 금속 또는 그 합금만으로 이루어진 경우와 비교하여 쉽게 산화될 수 있는 문제를 방지할 수 있다.
일 실시예로 자성입자(200)는 Mn을 기초로 한 페로브스카이트 구조(perovskite structure) 또는 Fe-Co 합금, 또는 Cu-Ni 합금으로 이루어질 수 있다.
도면에는 도시되지 않았으나, 자성입자(200) 및 시료를 수용하는 용기(100)의 외측에는 단열재가 용기(100)를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 이에 따라 후술할 코일부(300)에 의해 자성입자(200)가 열을 발생시키면 외부로의 열전달을 최소화하고 열을 용기(100) 내부, 즉 시료로 온전히 전달할 수 있다.
한편, 코일부(300)는 전력이 인가됨에 따라 자기장을 발생시킬 수 있는 부재로, 시료 및 자성입자(200)가 수용된 용기(100)를 커버하도록 배치될 수 있다.
코일부(300)는 후술할 전원부(500)로부터 인가된 전력에 의해 자기장을 발생시킬 수 있다. 이때 자기장은 교류 자기장일 수 있다. 코일부(300)에 의해 발생된 교류 자기장은 자성입자(200)가 열을 발생시키도록 할 수 있다. 구체적으로 자성입자(200), 특히 자성나노입자(200)는 자기이력손실에 의해 열을 발생시킬 수 있다.
도 5는 자기이력곡선을 도시하고, 도 6은 자성입자(200)가 발생시키는 발열량을 도시한다.
도 5를 참조하면, 자기이력손실은 자성입자(200)가 교류 자기장 내의 자속의 영향으로 자기장 방향으로 자화와 비자화가 반복되는 과정에서 외부 자기장 변화에 따른 자화 및 비자화 특성 곡선의 경로차이에 의해서 열이 발생되는 현상이다. 즉, 교류 자기장 내의 자속이 1회 반복될 때 도 5의 자기이력곡선으로 둘러싸인 면적에 해당하는 에너지 손실을 나타낸다. 이때 발생되는 열 에너지의 양은 다음의 수식으로 표현되는 자기이력곡선으로 둘러싸인 면적에 비례한다.
이때, P는 시간(초) 당 에너지의 양이고,
는 진공 투자율(vacuum magnetic permeability)이며, 
는 적용된 진동수이고, H는 외부 자기장, M은 자기화(magnetization)이다.
자성입자(200)는 시료에 포함된 상태에서, 코일부(300)에 의한 교류 자기장의 영향으로 자기이력손실에 의한 열을 발생시키고 시료를 가열할 수 있다. 이에 따라 기존의 와전류(eddy current) 또는 펠티어 소자를 이용한 발열 방법에 비해 저전력으로 구동될 수 있고, 발열 효율을 향상시킬 수 있다.
부가적으로, 자성입자(200)는 이완 현상(relaxation)으로 열을 발생시킬 수 있다. 이완 현상은 자성입자(200), 특히 자성나노입자(200)의 크기와 이방성에 따라 발생할 수 있다. 이완 현상은 자성나노입자(200)가 고정되어 있을 경우 자성나노입자(200)의 슈퍼스핀 방향이 외부 자기장 방향과 평행하게 정렬되는데, 슈퍼스핀의 재정렬을 방해하려는 에너지에 의해 열이 발생하는 닐 이완(neel relaxation)일 수 있다. 이완 현상은 자성나노입자(200)가 유체 내에서 자유롭게 움직이는 경우 슈퍼스핀은 자성나노입자(200)의 크리스탈(crystal) 구조와 같은 방향성을 가지며 외부 자기장에 대해 정렬하는데, 이때 유체와 자성나노입자 사이의 전단 응력에 의한 마찰에 의해 열이 발생하는 브라운 이완(brown relaxation)일 수 있다.
본 발명에 따른 시료 가열 및 냉각 장치(10)는 자성입자(200), 특히 자성나노입자(200)를 이용함으로써, 자기이력손실 뿐 아니라 부가적으로 이완 현상에 의한 열 발생을 통해 저전력으로 구동될 수 있다. 도 6에는 자성입자의 크기에 따른 발생열, 구체적으로 자기이력손실에 의한 열 및 이완 현상에 의한 열을 도시한다. 이와 같이, 자성입자(200)는 자기이력손실 및 이완 현상에 의한 발열량의 총합만큼의 열을 발생시킬 수 있다.
다시 도 1 내지 도 4를 참조하면, 코일부(300)는 용기(100)를 커버하도록 배치될 수 있다. 구체적으로, 코일부(300)는 용기(100)에 인접하게 배치되어 용기(100) 내부에 수용된 자성입자(200)에 자기장을 가할 수 있도록 용기(100)를 커버할 수 있다.
일 실시예로 코일부(300)는 도 1에 도시된 바와 같이 솔레노이드 코일을 포함할 수 있다. 이때 코일부(300)가 형성하는 내부 공간에는 용기(100)가 배치될 수 있다. 또한 코일부(300), 구체적으로 솔레노이드 코일의 중심축과 용기(100)의 길이방향 축이 평행하도록 배치될 수 있다. 이에 따라 코일부(300)에서 발생되는 자기장이 용기(100) 내의 자성입자(200)에 균등하게 자력을 미칠 수 있다.
일 실시예로 코일부(300)는 도 3에 도시된 바와 같이 나사선 코일을 포함할 수 있다. 이때 코일부(300)의 상부 또는 하부에는 용기(100)가 배치될 수 있다. 또한 코일부(300), 구체적으로 나사선 코일의 중심축은 용기(100)의 길이방향 축과 평행하도록 배치될 수 있다. 이에 따라 코일부(300)에서 발생되는 자기장이 용기(100) 내의 자성입자(200)에 균등하게 자력을 미칠 수 있다.
도 1 및 3에서는 코일부(300)가 솔레로이드 코일, 나사선 코일을 포함하는 것을 도시하였으나, 이에 제한되는 것은 아니며 자성입자(200)에 자기장을 가할 수 있는 다양한 종류의 코일을 포함할 수 있음이 이해될 것이다.
또한 도 1 및 도 3을 참조하면, 일 실시예로 코일부(300)는 용기(100)가 복수 개로 형성되는 경우, 복수 개의 용기(100)를 모두 커버하는 하나의 코일로 형성될 수 있다. 도 1과 같이 코일부(300)가 솔레노이드 코일을 포함하는 경우, 복수 개의 용기(100)를 모두 수용할 수 있는 내부 공간을 갖도록 코일부(300)의 반경이 결정될 수 있다. 도 2와 같이 코일부(300)가 나사선 코일을 포함하는 경우, 복수 개의 용기(100)를 모두 커버하도록 용기(100)의 상부 또는 하부에 용기(100)보다 반경이 큰 코일부(300)가 배치될 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 시료 가열 및 냉각 장치(10)는 복수 개의 용기(100)에 대한 하나의 코일부(300)만 배치될 수 있어 경제적이고, 각 구성의 배치를 위한 공간을 절약할 수 있다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 일 실시예로 코일부(300)는 용기(100)가 복수 개로 형성되는 경우, 복수 개의 용기(100) 각각을 커버하도록 복수 개로 형성될 수 있다. 도 2와 같이 코일부(300)가 솔레노이드 코일을 포함하는 경우, 복수 개의 용기(100) 각각은 복수 개의 코일부(300) 각각이 형성하는 내부 공간에 배치될 수 있다. 도 4와 같이 코일부(300)가 나사선 코일을 포함하는 경우, 복수 개의 용기(100) 각각은 복수 개의 코일부(300)의 상부 또는 하부에서 코일부(300)의 반경 내에 배치될 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 시료 가열 및 냉각 장치(10)는 복수 개의 용기(100) 각각에 수용된 복수 개의 시료의 온도를 각각 제어할 수 있다. 구체적으로 시료 가열 및 냉각 장치(10)는 복수 개의 코일부(300) 각각에 전력 공급을 제어함에 따라 복수 개의 시료의 온도를 각각 제어할 수 있다.
냉각부(400)는 용기(100)에 인접하게 배치되어 용기(100), 특히 용기(100) 내부에 수용된 시료를 냉각할 수 있다. 일 실시예로 코일부(300)가 솔레노이드 코일인 경우 용기(100)는 코일부(300)가 형성하는 내부 공간에 배치되고 용기(100)의 상부 또는 하부에 냉각부(400)가 배치될 수 있다. 일 실시예로 코일부(300)가 나사선 코일인 경우 용기(100)는 코일부(300)의 상부 또는 하부 중 어느 하나에 배치되고 냉각부(400)는 코일부(300)의 상부 또는 하부 중 다른 하나에 배치될 수 있다. 그러나 이에 제한되지 않고 냉각부(400)는 코일부(300)와 용기(100) 사이에 배치되는 것과 같이 용기(100)를 냉각시키기 위해 용기(100)에 인접하게 배치될 수 있음이 이해된다.
일 실시예로 냉각부(400)는 펠티어 소자를 이용한 열전 냉각 방식일 수 있다. 구체적으로 냉각부(400)는 전원부(500)로부터 공급된 전류를 펠티어 소자에 흐르게 함으로써 용기(100), 특히 용기(100)에 수용된 시료를 냉각할 수 있다.
일 실시예로 냉각부(400)는 팬(fan)을 이용한 공기 냉각 방식일 수 있다. 구체적으로 냉각부(400)는 압입식 팬(forced fan) 또는 유인식 팬(induced fan)을 포함할 수 있다. 냉각부(400)는 압입식 팬 또는 유인식 팬을 통해 공기의 유동을 유발하고 공기는 용기(100), 특히 용기(100)에 수용된 시료를 냉각할 수 있다. 이때 용기(100)는 공기와의 접촉면적을 확보하기 위해 주름진 형상으로 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 전원부(500)가 무선전력송신부를 포함하는 것을 나타낸다.
전원부(500)는 시료 가열 및 냉각 장치(10) 내부에 배치되어 코일부(300), 냉각부(400) 등 전력이 필요한 부분에 전력을 공급할 수 있다.
또는 일 실시예로 전원부(500)는 무선전력송신부를 포함할 수 있다. 이때 전원부(500)는 시료 가열 및 냉각 장치(10)의 외부에 배치될 수 있다. 전원부(500), 구체적으로 무선전력송신부는 시료 가열 및 냉각 장치(10)의 외부에서 송신코일(520)을 통해 무선으로 시료 가열 및 냉각 장치(10)에 전력을 공급할 수 있다. 이때 시료 가열 및 냉각 장치(10)는 무선전력송신부에서 송신된 전력을 수신할 수 있는 수신코일(800)을 더 포함할 수 있다.
무선전력송신부는 자기유도방식으로 전력을 송신할 수 있다. 무선전력송신부는 송신코일(520)을 통해 자기장을 발생시키고 수신코일(800)은 이로부터 유도전류가 흘러 전력을 수신할 수 있다.
또는 무선전력송신부는 자기공진방식으로 전력을 송신할 수 있다. 송신코일(520)은 공진주파수로 진동하는 자기장을 발생시키고 수신코일(800)은 동일한 공진주파수로 설계되어 전력을 수신할 수 있다.
자기유도방식 또는 자기공진방식의 무선전력송신은 일반적으로 알려진 방식과 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 시료 가열 및 냉각 장치(10)는 전원부(500)가 시료 가열 및 냉각 장치(10)의 외부에서 무선으로 전력을 송신할 수 있어 유선으로 전력을 공급하는 장치에 비해 휴대성이 향상될 수 있다. 또한 유선으로 전력 공급이 원활하지 않은 야외에서도 무선으로 전력을 공급하여 시료 가열 및 냉각 장치(10)를 이용할 수 있다. 또한 무선으로 전력을 공급받음으로 내장 배터리를 필요로 하지 않아 장치(10)를 경량화할 수 있다.
제어부(600)는 시료 가열 및 냉각 장치(10)에서 코일부(300)의 구동과 냉각부(400)의 구동 등을 제어할 수 있다. 구체적으로 제어부(600)는 코일부(300)와 냉각부(400)에 공급되는 전력을 제어하여 용기(100), 특히 용기(100)에 수용된 시료에 가해지는 열량을 제어할 수 있다. 예컨대 시료의 온도를 상승시켜야 하는 경우, 제어부(600)는 코일부(300)에 공급되는 전력의 크기와 주파수를 증가시켜 자성입자(200)가 발생시키는 열량을 보다 증가시킬 수 있다. 또는 시료의 온도를 하강시켜야 하는 경우, 제어부(600)는 코일부(300)의 구동을 정지시키고 냉각부(400)를 구동시켜 시료의 온도를 하강시킬 수 있다.
이와 같이 제어부(600)는 후술할 센서부(700)로부터 용기(100) 또는 시료의 온도 정보를 수신하여 코일부(300) 및 냉각부(400)의 구동을 제어함으로써 시료의 온도를 요구되는 온도로 제어할 수 있다.
센서부(700)는 광학적 또는 전기화학적 방법으로 용기(100) 및 용기(100)에 수용된 시료로부터 나오는 신호를 검출할 수 있다. 센서부(700)는 용기(100)에 인접하게 배치, 예컨대 용기(100)의 상부 또는 하부에 배치될 수 있다. 그러나 이에 제한되지 않고, 용기(100)에 수용된 시료로부터 나오는 신호를 검출하기 위해 용기(100)에 인접한 다양한 위치에 배치될 수 있다.
일 실시예로 센서부(700)는 온도센서를 포함하고, 온도센서는 용기(100)에 인접하게 배치되어 용기(100)의 온도 정보를 검출할 수 있다. 센서부(700)는 용기(100)의 온도를 검출하여 제어부(600)로 송신하고, 제어부(600)는 보정을 통해 용기(100)에 수용된 시료의 온도를 추정할 수 있다.
일 실시예로 센서부(700)는 광 조사부와 광 검출부를 포함하는 광학센서를 포함하고, 광 조사부는 시료에 광을 조사하고 광 검출부는 시료로부터의 광을 검출할 수 있다. 광학센서는 특정 파장의 빛을 시료에 통과시켜 빛의 강도가 감소하는 것을 측정할 수 있으며, 이를 통해 DNA의 농도를 측정할 수 있다.
전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치(10)는 시료에 포함되는 자성입자에 자기장을 가하여 열을 발생시키도록 하고, 이 열을 이용하여 시료를 가열하여 저전력, 즉 고효율로 시료를 가열할 수 있다. 또한 무선으로 전력을 송신받아 휴대성이 향상되고 야외에서도 활용성이 높은 시료 가열 및 냉각 장치(10)를 제공할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치(10')를 나타내는 사시도이다.
도 8을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치(10')는 용기(100'), 자성입자(200'), 가열부(900'), 코일부(300'), 냉각부(400'), 전원부(500'), 제어부(600') 및 센서부(700')를 포함할 수 있다. 이하에서는, 전술한 실시예와의 차이점을 중심으로 기술하도록 한다.
용기(100')는 시료를 수용할 수 있도록 내부에 공동이 형성된 강체로, 일반적인 시료의 상(phase)인 유체 형태의 시료를 수용하기에 적합한 형상일 수 있다.
용기(100')는 하나의 시료를 수용하는 단일 용기(100')일 수 있고, 또는 복수 개의 시료를 수용하는 복수 개의 용기(100')로 구성될 수 있다.
용기(100')의 내부에는 시료, 보다 구체적으로 유체 형태의 시료가 수용될 수 있다.
가열부(900')는 용기(100')의 외측을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 구체적으로, 가열부(900')는 용기(100') 및 용기(100')에 수용된 시료에 열을 전달할 수 있도록 용기(100')의 외측을 둘러싸는 원기둥 형상일 수 있다.
가열부(900')의 내부 공간에는 자성입자(200')가 포함된 가열 유체가 수용될 수 있다. 가열 유체는 자성입자(200')를 포함하여, 자성입자(200')가 코일부(300')의 자기장에 의해 열을 발생시키면 그 열을 전달받아 용기(100')에 전달하기 위한 매개 유체이다. 일 실시예로 가열 유체는 자성입자(200')를 포함하는 수용액일 수 있다. 또는 일 실시예로 가열 유체는 비열이 작아 온도가 쉽게 변할 수 있는 유체일 수 있다. 그러나 이에 제한되지 않고 자성입자(200')의 열을 전달받아 용기(100')에 열을 전달할 수 있는 다양한 유체가 채택될 수 있다.
가열부(900')는 도 8에서 용기(100')의 외측을 둘러싸는 원기둥 형상으로 도시되었으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 가열부(900')는 용기(100')의 외측을 둘러싸며, 사각기둥 등의 다각기둥 형상으로 형성될 수 있다. 예컨대, 가열부(900')는 용기(100')를 둘러싸는 고리형으로 형성되고, 용기(100')의 길이방향을 따라 이격되어 복수 개 배치될 수 있다.
일 실시예로 가열부(900')는 용기(100')를 둘러싸는 고리형으로 형성되고, 용기(100')의 길이방향을 따라 이격되어 배치되는 제1 가열부, 제2 가열부, 제3 가열부를 포함할 수 있다. 제1 가열부, 제2 가열부 및 제3 가열부에는 각각 종류가 다른 자성입자(200')가 포함될 수 있다. 또는 제1 가열부, 제2 가열부 및 제3 가열부에는 종류가 동일한 자성입자(200')가 포함되고, 비열이 다른 제1 가열 유체, 제2 가열 유체 및 제3 가열 유체가 각각 수용될 수 있다. 이로 인해 각각의 가열부(900')에 따라 자기장의 영향으로 발생시키는 열을 차등화할 수 있다. 이는 시료가 포함된 용기(100')를 부분적으로 다른 가열량으로 가열할 수 있다.
이와 같이 시료 가열 및 냉각 장치(10')는 가열부(900')를 포함하여, 시료와 자성입자(200')를 분리하여 배치할 수 있다. 즉, 자성입자(200')가 시료에 포함되지 않고 가열 유체에 포함됨에 따라 시료 가열 및 냉각 장치(10')는 시료에 다른 물질이 혼합되어서는 안되는 실험 내지 검사를 수행할 수 있다.
자성입자(200'), 특히 자성나노입자(200')는 가열부(900')에서 가열 유체에 혼합되어 후술할 바와 같이, 코일부(300')의 자기장에 반응하여 열을 발생시킬 수 있다. 구체적으로 자성입자(200')는 코일부(300')의 자기장에 반응하여 자기이력손실에 의해 열을 발생시킬 수 있다. 자성입자(200')가 발생시킨 열을 가열 유체에 전달되고 가열 유체의 온도를 상승시키며, 가열 유체는 다시 용기(100')로 열을 전달할 수 있다. 이에 따라 시료의 온도를 상승시킬 수 있다.
일 실시예로 자성입자(200')는 Fe, Co, Mg, Mn, Ni, Zn, Fe-Mn, Co-Ti, Mn-Mg, Zn-Fe, Zn-Ca, Mn-Zn, Co-Zn, Ni-Zn의 금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속 자체, 또는 그 합금, 또는 그의 산화물일 수 있다.
일 실시예로 자성입자(200)는 Fe, Co, Mg, Mn, Ni, Zn, Fe-Mn, Co-Ti, Mn-Mg, Zn-Fe, Zn-Ca, Mn-Zn, Co-Zn, Ni-Zn의 금속 중 적어도 어느 하나 또는 그 합금을 코어로 하여, 외부 표면을 표면 화학 처리한 것일 수 있다. 표면 화학 처리는 예를 들어, 상기 금속 또는 그 합금의 산화물로 코어의 외부 표면을 도핑(doping)하거나, 고분자화합물(polymer)로 코어의 외부 표면을 코팅하여 구현될 수 있다. 일 실시예로 자성입자(200')는 Mn을 기초로 한 페로브스카이트 구조(perovskite structure) 또는 Fe-Co 합금, 또는 Cu-Ni 합금으로 이루어질 수 있다.
가열부(900')의 외측에는 단열재(110')가 가열부(900')를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 이에 따라 후술할 코일부(300')에 의해 자성입자(200')가 열을 발생시키면 외부로의 열전달을 최소화하고 열을 단열재(110') 내부의 가열부(900'), 용기(100') 및 시료로 온전히 전달할 수 있다.
한편, 코일부(300')는 자기장을 발생시킬 수 있는 부재로, 용기(100') 및 가열부(900')를 커버하도록 배치될 수 있다.
코일부(300')는 전원부(500')로부터 인가된 전력에 의해 자기장을 발생시킬 수 있다. 이때 자기장은 교류 자기장일 수 있다. 코일부(300')에 의해 발생된 교류 자기장은 자성입자(200')가 열을 발생시키도록 할 수 있다. 구체적으로 자성입자(200'), 특히 자성나노입자(200')는 자기이력손실에 의해 열을 발생시킬 수 있다.
일 실시예로 코일부(300')는 솔레노이드 코일을 포함할 수 있다. 이때 코일부(300')가 형성하는 내부 공간에는 용기(100') 및 가열부(900')가 배치될 수 있다.
일 실시예로 코일부(300')는 나사선 코일을 포함할 수 있다. 이때 코일부(300')의 상부 또는 하부에는 용기(100') 및 가열부(900')가 배치될 수 있다.
일 실시예로 코일부(300')는 용기(100')가 복수 개로 형성되는 경우, 복수 개의 용기(100')를 모두 커버하는 하나의 코일로 형성될 수 있다. 코일부(300')가 솔레노이드 코일을 포함하는 경우, 복수 개의 용기(100')를 모두 수용할 수 있는 내부 공간을 갖도록 코일부(300')의 반경이 결정될 수 있다. 코일부(300')가 나사선 코일을 포함하는 경우, 복수 개의 용기(100')를 모두 커버하도록 용기(100')의 상부 또는 하부에 용기(100')보다 반경이 큰 코일부(300')가 배치될 수 있다.
일 실시예로 코일부(300')는 용기(100')가 복수 개로 형성되는 경우, 복수 개의 용기(100') 각각을 커버하도록 복수 개로 형성될 수 있다. 코일부(300')가 솔레노이드 코일을 포함하는 경우, 복수 개의 용기(100') 각각은 복수 개의 코일부(300') 각각이 형성하는 내부 공간에 배치될 수 있다. 코일부(300')가 나사선 코일을 포함하는 경우, 복수 개의 용기(100') 각각은 복수 개의 코일부(300')의 상부 또는 하부에서 코일부(300')의 반경 내에 배치될 수 있다.
냉각부(400')는 용기(100')에 인접하게 배치되어 용기(100'), 특히 용기(100') 내부에 수용된 시료를 냉각할 수 있다. 일 실시예로 코일부(300')가 솔레노이드 코일인 경우 용기(100')는 코일부(300')가 형성하는 내부 공간에 배치되고 용기(100')의 상부 또는 하부에 냉각부(400')가 배치될 수 있다. 일 실시예로 코일부(300')가 나사선 코일인 경우 용기(100')는 코일부(300')의 상부 또는 하부 중 어느 하나에 배치되고 냉각부(400')는 코일부(300')의 상부 또는 하부 중 다른 하나에 배치될 수 있다.
일 실시예로 냉각부(400')는 펠티어 소자를 이용한 열전 냉각 방식일 수 있다. 일 실시예로 냉각부(400)는 팬(fan)을 이용한 공기 냉각 방식일 수 있다.
전원부(500')는 시료 가열 및 냉각 장치(10') 내부에 배치되어 코일부(300'), 냉각부(400') 등 전력이 필요한 부분에 전력을 공급할 수 있다.
또는 일 실시예로 전원부(500')는 무선전력송신부를 포함할 수 있다. 이때 전원부(500')는 시료 가열 및 냉각 장치(10')의 외부에 배치될 수 있다. 전원부(500'), 구체적으로 무선전력송신부는 시료 가열 및 냉각 장치(10')의 외부에서 송신코일을 통해 무선으로 시료 가열 및 냉각 장치(10')에 전력을 공급할 수 있다. 이때 시료 가열 및 냉각 장치(10')는 무선전력송신부에서 송신된 전력을 수신할 수 있는 수신코일(800')을 더 포함할 수 있다.
제어부(600')는 시료 가열 및 냉각 장치(10')에서 코일부(300')의 구동과 냉각부(400')의 구동 등을 제어할 수 있다. 구체적으로 제어부(600')는 코일부(300')와 냉각부(400')에 공급되는 전력을 제어하여 용기(100'), 특히 용기(100')에 수용된 시료에 가해지는 열량을 제어할 수 있다.
센서부(700')는 광학적 또는 전기화학적 방법으로 용기(100') 및 용기(100')에 수용된 시료로부터 나오는 신호를 검출할 수 있다. 센서부(700')는 용기(100')에 인접하게 배치, 예컨대 용기(100')의 상부 또는 하부에 배치될 수 있다.
일 실시예로 센서부(700')는 온도센서를 포함하고, 온도센서는 용기(100')에 인접하게 배치되어 용기(100')의 온도 정보를 검출할 수 있다. 센서부(700')는 용기(100')의 온도를 검출하여 제어부(600')로 송신하고, 제어부(600')는 보정을 통해 용기(100')에 수용된 시료의 온도를 추정할 수 있다.
일 실시예로 센서부(700')는 광 조사부와 광 검출부를 포함하는 광학센서를 포함하고, 광 조사부는 시료에 광을 조사하고 광 검출부는 시료로부터의 광을 검출할 수 있다. 광학센서는 특정 파장의 빛을 시료에 통과시켜 빛의 강도가 감소하는 것을 측정할 수 있으며, 이를 통해 DNA의 농도를 측정할 수 있다.
전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 장치(10')는 가열부(900')를 포함하여, 자성입자(200')의 자기이력손실에 의한 발열을 이용하면서도 자성입자(200')가 시료와 분리되도록 배치할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 방법(S10)을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 방법(S10)은 시료 가열 및 냉각 장치(10)를 이용할 수 있다. 그러나, 시료 가열 및 냉각 방법(S10)은 이에 제한되는 것은 아니며, 자성입자(200)를 이용하는 다른 장치 또는 기구에 의해서 수행될 수 있음이 이해될 것이다.
시료 가열 및 냉각 방법(S10)은 먼저 자성입자(200)가 포함된 시료를 용기에 수용할 수 있다(S100).
다음, 전원부(500)에 의해 전력이 인가되어 코일부(300)는 자기장을 발생시킬 수 있다(S200). 이때 코일부(300)는 교류 자기장을 발생시킬 수 있다.
코일부(300)의 자기장의 영향으로 시료에 포함된 자성입자(200)는 열을 발생시킬 수 있다(S300). 구체적으로 자성입자(200)는 코일부(300)의 교류 자기장에 반응하여 자기이력손실에 의해 열을 발생시킬 수 있다. 자성입자(200)가 발생시킨 열은 시료에 전달되어 시료의 온도를 상승시킬 수 있다.
시료의 온도를 낮추기 위해서는, 냉각부(400)에 의해 시료를 냉각시킬 수 있다(S400). 냉각부(400)는 용기(100)에 인접하게 배치되어 용기(100), 특히 용기(100) 내부에 수용된 시료를 냉각할 수 있다. 일 실시예로 냉각부(400)는 펠티어 소자를 이용한 열전 냉각 방식으로 시료를 냉각시킬 수 있다. 일 실시예로 냉각부(400)는 팬(fan)을 이용한 공기 냉각 방식으로 시료를 냉각시킬 수 있다.
코일부(300)의 구동과 냉각부(400)의 구동은 제어부(600)에 의해 제어되고, 이로 인해 시료의 온도를 제어할 수 있다(S500). 구체적으로 제어부(600)는 코일부(300)와 냉각부(400)에 공급되는 전력을 제어하여 용기(100), 특히 용기(100)에 수용된 시료에 가해지는 열량을 제어할 수 있다. 예컨대 시료의 온도를 상승시켜야 하는 경우, 제어부(600)는 코일부(300)에 공급되는 전력을 증가시켜 자성입자(200)가 발생시키는 열량을 보다 증가시킬 수 있다. 또는 시료의 온도를 하강시켜야 하는 경우, 제어부(600)는 코일부(300)의 구동을 정지시키고 냉각부(400)를 구동시켜 시료의 온도를 하강시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 방법(S10)에 있어서, 전원부(500)는 무선으로 전력을 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 전원부(500)는 코일부(300), 냉각부(400) 등 전력이 필요한 부분에 전력을 공급할 수 있다. 또는 일 실시예로 전원부(500)는 무선전력송신부를 포함할 수 있다. 이때 전원부(500)는 시료 가열 및 냉각 장치(10)의 외부에 배치될 수 있다. 전원부(500), 구체적으로 무선전력송신부는 시료 가열 및 냉각 장치(10)의 외부에서 송신코일(520)을 통해 무선으로 시료 가열 및 냉각 장치(10)에 전력을 공급할 수 있다. 이때 시료 가열 및 냉각 장치(10)는 무선전력송신부에서 송신된 전력을 수신할 수 있는 수신코일(800)을 더 포함할 수 있다.
무선전력송신부는 자기유도방식 또는 자기공진방식으로 전력을 송신할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 가열 및 냉각 방법(S10)은 시료에 포함되는 자성입자(200)에 자기장을 가하여 열을 발생시키도록 하고, 이 열을 이용하여 시료를 가열하여 저전력, 즉 고효율로 시료를 가열할 수 있다.
또한, 무선으로 전력을 공급하여, 전력 공급이 원활하지 않은 야외에서도 용이하게 시료를 가열 및 냉각할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 실시한, 유체의 가열곡선을 나타낸다.
구체적으로, 도 1에 도시된 시료 가열 및 냉각 장치를 이용하여 유체를 가열한 것으로 가열에 따른 온도 상승을 나타낸다.
시료는 20μl의 탈염수(deionized water)가 이용되고, 자성입자는 직경 2.8 μm의 산화철이 이용되었다. 도 10에서 보여지는 바와 같이, 전력이 입력(input)됨에 따라 자성입자는 발열하고 이로 인해 시료의 온도가 점차적으로 상승되는 것이 확인될 수 있다.
이와 같이 도면에 도시된 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 충분히 이해할 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 기초하여 정해져야 한다.
실시예에서 설명하는 특정 기술 내용은 일 실시예들로서, 실시예의 기술 범위를 한정하는 것은 아니다. 발명의 설명을 간결하고 명확하게 기재하기 위해, 종래의 일반적인 기술과 구성에 대한 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재는 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로 표현될 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
발명의 설명 및 청구범위에 기재된 "상기" 또는 이와 유사한 지시어는 특별히 한정하지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 지칭할 수 있다. 또한, 실시 예에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 또한, 실시예에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 실시예들이 한정되는 것은 아니다. 실시예에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 실시예를 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상, 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 실시예의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
10: 시료 가열 및 냉각 장치
100: 용기
200: 자성입자 300: 코일부
400: 냉각부 500: 전원부
600: 제어부 700: 센서부
800: 수신코일 900: 가열부
200: 자성입자 300: 코일부
400: 냉각부 500: 전원부
600: 제어부 700: 센서부
800: 수신코일 900: 가열부
Claims (10)
- 시료를 수용하는 용기;
상기 시료에 포함되어 있는 자성입자;
상기 용기를 커버하도록 배치되며, 상기 시료를 가열하도록 자기장을 발생시켜 상기 자성입자에 열을 발생시키는 코일부;
상기 시료를 냉각시키는 냉각부;를 포함하는, 시료 가열 및 냉각 장치. - 제1항에 있어서,
상기 자성입자는 상기 코일부가 발생시키는 자기장에 의한 자기이력손실(magnetic hysteresis loss)로 열을 발생시키는, 시료 가열 및 냉각 장치. - 제1항에 있어서,
상기 코일부는 솔레노이드 코일을 포함하고,
상기 용기는 상기 코일부가 형성하는 내부 공간에 배치되는, 시료 가열 및 냉각 장치. - 제1항에 있어서,
상기 코일부는 나사선 코일을 포함하고,
상기 용기는 상기 코일부의 상부 또는 하부에 배치되는, 시료 가열 및 냉각 장치. - 제1항에 있어서,
상기 용기는 복수 개로 형성되며, 상기 코일부는 상기 복수 개의 용기를 모두 커버하도록 하나로 형성되는, 시료 가열 및 냉각 장치. - 제1항에 있어서,
상기 용기는 복수 개로 형성되며, 상기 코일부는 상기 복수 개의 용기 각각을 커버하도록 복수 개로 형성되는, 시료 가열 및 냉각 장치. - 시료를 수용하는 용기;
상기 용기의 외측을 둘러싸도록 배치되며, 내부에는 자성입자가 포함된 가열 유체를 수용하는 가열부;
상기 가열부를 커버하도록 배치되며, 상기 시료를 가열하도록 자기장을 발생시켜 상기 자성입자에 열을 발생시키는 코일부;
상기 시료를 냉각시키는 냉각부;를 포함하는, 시료 가열 및 냉각 장치. - 제7항에 있어서,
상기 자성입자는 상기 코일부가 발생시키는 자기장에 의한 자기이력손실(magnetic hysteresis loss)로 열을 발생시키는, 시료 가열 및 냉각 장치. - 시료, 자성입자, 코일부, 냉각부, 전원부, 냉각부, 제어부를 포함하는 시료 가열 및 냉각 장치를 이용하는 시료 가열 및 냉각 방법에 있어서,
자성입자가 포함된 시료를 용기에 수용하는 단계;
전원부에 의해 전력이 인가되어 코일부가 자기장을 발생시키는 단계;
상기 자기장에 의해 상기 자성입자가 열을 발생시켜 상기 시료를 가열하는 단계;
냉각부에 의해 시료를 냉각시키는 단계;를 포함하는, 시료 가열 및 냉각 방법. - 제9항에 있어서,
상기 시료를 가열하는 단계는 상기 자성입자가 상기 코일부가 발생시키는 자기장에 의한 자기이력손실(magnetic hysteresis loss)로 열을 발생시키는 단계를 포함하는, 시료 가열 및 냉각 방법.
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