JP2005234390A - 科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】安価で、環境負荷が小さく、先端技術を手軽に楽しむのに好適な科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】板状体の表面に断面積が1mm2 以下の長溝14、16、20が形成されている基板12と、基板の表面に密着配置され、長溝を覆うことにより基板に微細な流路14A、16A、20Aを形成する覆い板22とを備え、流路内の科学現象を視覚により認識可能とする。
【選択図】 図1
【解決手段】板状体の表面に断面積が1mm2 以下の長溝14、16、20が形成されている基板12と、基板の表面に密着配置され、長溝を覆うことにより基板に微細な流路14A、16A、20Aを形成する覆い板22とを備え、流路内の科学現象を視覚により認識可能とする。
【選択図】 図1
Description
本発明は科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法に係り、特に、安価で、環境負荷が小さく、先端技術を手軽に楽しむのに好適な科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法に関する。
科学現象の評価装置や理科実験教材については、これまでに各種の構成のものが提案されている(特許文献1参照。)。
たとえば、特許文献1は、空気中の水蒸気や容器に入れた水や水蒸気を冷却又は凍結せしめることにより、水の温度変化による自然現象を観察できるようにした理科教材であり、小型で構造が簡単であり、水の温度変化による各種の自然現象を忠実に再現することが可能であるとされている。
また、教育用途の化学実験装置としては、学習研究社等より、『科学と学習 実験キットシリーズ』、『大人の科学地球環境分析キット』等の実験キットが発売されている。このような実験キットは、数百円から3千円程度の比較的安い価格で販売されており、子供たちに夢を与えたり、ユーザーに実験の楽しみを与えたりする実験キットであり、好評を博している。
特開2000−242162号公報
しかしながら、従来のこの種の科学現象の評価装置として、特許文献1に記載のようなものは、構成が比較的複雑で、安価に提供するのは困難であり、クラスの生徒全員が購入するのは不適である。
一方、構成が比較的単純な実験キットは、比較的安い価格のものが多く、クラスの生徒全員が購入して使用するのに適しているものの、仕上がり精度の点で不十分なものが多く、その分薬品など使用量が多く、クラスの生徒全員が使用した場合には、たとえば廃液処理等の点で環境負荷となり、望ましくない。
また、従来の実験キットによって体験できる実験内容は、古典的な科学実験法であり、先端技術を手軽に楽しむことができるものは、非常に限られている。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、安価で、環境負荷が小さく、先端技術を手軽に楽しむのに好適な科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、前記目的を達成するために、板状体の表面に断面積が1mm2 以下の長溝が形成されている基板と、該基板の表面に密着配置され、前記長溝を覆うことにより該基板に微細な流路を形成する覆い板とを備え、前記流路内の科学現象が視覚により認識可能となっていることを特徴とする科学現象の評価装置を提供する。
本発明によれば、この評価装置には、断面積が1mm2 以下の微細な流路が形成されているので、先端技術、たとえば、この微細な流路内で生じる液体の拡散現象、液体の伝熱現象、液体の混合現象、液体の化学反応(たとえば、酸アルカリ反応、加水分解反応、等)、等の各種の現象を体験するのに十分な精度が得られ、薬品などの使用量が少なく環境負荷が小さい。したがって、このような科学現象の評価装置は理科実験教材としてふさわしい。
なお、微細な流路の断面積としては、1mm2 以下が好ましく、0.0025〜0.64mm2 がより好ましく、0.01〜0.25mm2 が最も好ましい。
本発明において、前記基板及び/又は覆い板が透明であることが好ましい。また、本発明において、前記基板及び/又は覆い板が樹脂材よりなることが好ましい。基板及び/又は覆い板が透明であれば、流路内の科学現象が視覚により認識でき、また、基板及び/又は覆い板が樹脂材よりなるのであれば、評価装置を安価に提供できる。
また、本発明において、複数の前記流路の一端が、一箇所の合流点で合流するとともに、複数の前記流路の他端がそれぞれ容積5〜5000mm3 の液溜め部と連通していることが好ましい。このように、複数の流路の一端が、一箇所の合流点で合流しており、流路の他端が液溜め部と連通していることにより、各種の実験が可能となる。
なお、「液溜め部」とあるが、通常は空洞状となっており、この評価装置を操作する際に、ここに薬品等が供給されるものである。
また、本発明において、略同一長さの2本の前記流路である第1の流路及び第2の流路の一端が一箇所の合流点で合流するとともに、前記第1の流路の他端が容積5〜5000mm3 の第1液溜め部と連通しており、前記第2の流路の他端が容積5〜5000mm3 の第2液溜め部と連通しており、1本の前記流路である第3の流路の一端が前記合流点に連通するとともに、該第3の流路の他端が容積5〜5000mm3 の第3液溜め部と連通していることが好ましい。
このように、3本の流路と3個の液溜め部よりなる構成とすれば、マイクロなチャンネルの中で起こる拡散現象等を簡便な方法で確認でき、先端技術を手軽に楽しむのに好適である。
また、本発明において、前記覆い板には、前記第1液溜め部、第2液溜め部及び第3液溜め部の1以上と外気とが連通可能な貫通孔が形成されていることが好ましい。このように、液溜め部と外気とが連通していれば、マイクロなチャンネルの中で起こる各現象のコントロールが容易に行える。
また、本発明は、前記の科学現象の評価装置又は理科実験教材の製造方法であって、前記基板の長溝の反転形状が表面に形成されている反転型板の表面に樹脂材を塗布し、該樹脂材を硬化させ、硬化後の該樹脂材を前記反転型板より剥離することにより前記基板を形成することを特徴とする科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法を提供する。
本発明によれば、長溝の反転形状が表面に形成されている反転型板を使用して転写成形により基板を形成するので、精度よく、かつ、安価に基板が提供でき、評価装置を安価にできる。ここで、「反転型板の表面に樹脂材を塗布し、該樹脂材を硬化させ、」とあるが、反転型板の表面に樹脂材を当て、ホットプレス等により長溝の形状を樹脂材の表面に転写形成する等の方法も、同一技術思想に基づくものであり、本発明の均等範囲であると言える。
なお、科学現象とは、上記の微細な流路内で生じる液体の各種化学現象、物理現象等であり、液体の拡散現象、液体の伝熱現象、液体の混合現象、液体の化学反応(たとえば、酸アルカリ反応、加水分解反応、等)、等各種の現象を含むものである。
以上説明したように、本発明によれば、この評価装置には、断面積が1mm2 以下の微細な流路が形成されているので、先端技術を体験するのに十分な精度が得られ、薬品などの使用量が少なく環境負荷が小さい。
以下、添付図面に従って、本発明に係る科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法の好ましい実施の形態について詳説する。図1は、本発明に係る科学現象の評価装置である理科実験教材10の構成を説明する平面図である。図2及び図3は、図1の部分拡大断面図等であり、図2は、第1液溜め部24(図1の左上部点線内)を示し、図3は、第3液溜め部28(図1の右下部点線内)を示す。
すなわち、理科実験教材10は、板状体の表面に断面積が1mm2 以下の長溝(14、16及び20)が形成されている基板12と、この基板12の表面に密着配置され、長溝を覆うことにより基板12に微細な流路(14A、16A及び20A)を形成する透明な覆い板22とより構成される。
上記の長溝(14、16及び20)により形成される微細な流路は、合流点18で合流する略同一長さの第1の流路14A及び第2の流路16Aと、この第1の流路14A及び第2の流路16Aと更に合流点18で合流する第3の流路20Aよりなる。
また、第1の流路14Aの他端は、覆い板22に形成された円柱状空洞部である第1液溜め部24と連通しており、第2の流路16Aの他端は、覆い板22に形成された円柱状空洞部である第2液溜め部26と連通しており、第3の流路20Aの他端は、基板12に形成された円柱状空洞部である第3液溜め部28と連通している。
更に、覆い板22の第3液溜め部28に相対する部分には、第3液溜め部28と外気とが連通可能な貫通孔30が形成されている
第1液溜め部24、第2液溜め部26及び第3液溜め部28の容積は、5〜5000mm3 であることが好ましい。このような容積にすることにより、マイクロなチャンネルの中で起こる各現象のコントロールが容易に行える。
第1液溜め部24、第2液溜め部26及び第3液溜め部28の容積は、5〜5000mm3 であることが好ましい。このような容積にすることにより、マイクロなチャンネルの中で起こる各現象のコントロールが容易に行える。
基板12及び覆い板22の平面サイズは、特に制限はないが、学校で使用する理科実験教材10の性質上より、携帯できるサイズ、たとえば、80×50mmとすることができる。基板12及び覆い板22の厚さも、特に制限はないが、強度、経済性等より、たとえば、それぞれ5mm程度とすることができる。
基板12の材質としては、特に制限はないが、後述する製造方法を容易にする点より、樹脂材料、より具体的には、ポリ・ジメチル・スルホキシド(PDMS)、ポリ・メチル・メタアクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、紫外線硬化樹脂、ポリカーボネート(PC)等が好ましく使用できる。
基板12の表面に形成する長溝(14、16及び20)の断面積としては、既述のように、1mm2 以下が好ましく、0.0025〜0.64mm2 がより好ましく、0.01〜0.25mm2 が最も好ましい。この長溝(14、16及び20)の断面形状は、特に制限はなく、矩形(正方形、長方形)、台形、V形、半円形等、各種の形状が採用できるが、後述する製造方法を容易にする点より、矩形(正方形、長方形)が好ましい。
覆い板22の材質としては、特に制限はないが、流路内の科学現象を視覚により認識可能とすることより、透明であることが好ましい。このような材料として、各種樹脂板、より具体的には、ポリジメチルスルホキシド(PDMS)、ポリメチルメタアクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、紫外線硬化樹脂、ポリカーボネート(PC)等、各種樹脂膜、より具体的には、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、トリアセチルセルロース(TAC)等、各種ガラス(ソーダライムガラス、硼珪酸ガラス等)が採用できる。
この覆い板22は、表面及び裏面が平坦な平板であるのが一般的であるが、微細な流路(14A、16A及び20A)に対応する表面を蒲鉾状の凸レンズ状に形成して、拡大した状態で観察ができるような構成とすることも可能である。
なお、覆い板22が不透明であり、基板12を透明とする構成も採用できる。
基板12の表面(長溝が形成される面)及び覆い板22の裏面(基板12に密着する面)は、流路(14A、16A及び20A)の形成、及び液漏れの防止等の点より、十分な平坦性を確保できていることが好ましい。
次に、基板12の形成方法について説明する。先ず、基板12の長溝(14、16及び20)の反転形状が表面に形成されている反転型板を準備する。この反転型板の表面には、更に第3液溜め部28の反転形状を形成しておく必要がある。この反転型板の製造方法としては、マシニングセンタ等による機械加工、放電加工、超音波加工、フォトエッチング加工等、公知の各種加工方法が採用できる。
次いで、この反転型板の表面に剥離剤を塗布する。この剥離剤としては、基板12となる樹脂材の種類、加工条件(温度等)等に応じて適宜のものが採用できる。
次いで、反転型板の表面に樹脂材を塗布し、この樹脂材を硬化させる。樹脂材が、たとえば紫外線硬化樹脂である場合には、塗布後の樹脂材に紫外線を照射して硬化させる。樹脂材が、たとえばポリ塩化ビニル(PVC)のような熱可塑性樹脂である場合には、反転型板の表面に樹脂材を当ててホットプレス機により熱転写成形を行う。
そして、硬化後の樹脂材を反転型板より剥離する。
このような方法によれば、長溝が精度よく、かつ、安価に形成でき、評価装置を安価にできる。
次に、本発明に係る理科実験教材10の使用方法について説明する。理科実験教材10としては、以下の1)〜12)の部材をセットとして提供する必要がある。
1)反転型板
2)基板12用の樹脂材
3)基板12形成用の型枠
(基板12の形成時に樹脂を流し込むときに型枠として使用する。)
4)覆い板22
5)サンプル液用スポイト
(テスト目的に応じて、必要なサンプル液(試薬)を、第1液溜め部24及び第2液溜め部26に供給するために使用する。薬品ごとに専用でも、1つを洗浄して使いまわしても構わない。)
6)サンプル液出入り口封止用テープ
(サンプル液供給用ホールである第1液溜め部24及び第2液溜め部26の蓋となる。サンプル液をピペットで第1液溜め部24及び第2液溜め部26に供給後、蓋をするためのものである。また、第3液溜め部28の蓋として使用することもできる。)
7)針
(サンプル液を供給する場合、又は、回収する場合、液体が送受液される時に液体の変動分の空気を第1液溜め部24及び第2液溜め部26に入れるため、必要に応じてテープに孔を開けるためのものである。)
8)ケーシング
(本実験セットを組み上げた時、覆い板22と基板12との間よりの液漏れを防いだり、覆い板22等の破損を防止したりする目的で、このケーシングを取り付ける。なお、このケーシングには実験目的に沿った各種機能、たとえば、流路を観察しやすくするための拡大鏡等の取り付けも可能である。)
9)送液手段
(第1液溜め部24及び第2液溜め部26にテープで蓋をした状態で、この第1液溜め部24及び第2液溜め部に熱を加えると(指先をテープに当て、体温で加熱等すると)、この第1液溜め部24及び第2液溜め部2内の液体、及び/又は、気体が体積膨張する。この現象を利用した送液方法。
2)基板12用の樹脂材
3)基板12形成用の型枠
(基板12の形成時に樹脂を流し込むときに型枠として使用する。)
4)覆い板22
5)サンプル液用スポイト
(テスト目的に応じて、必要なサンプル液(試薬)を、第1液溜め部24及び第2液溜め部26に供給するために使用する。薬品ごとに専用でも、1つを洗浄して使いまわしても構わない。)
6)サンプル液出入り口封止用テープ
(サンプル液供給用ホールである第1液溜め部24及び第2液溜め部26の蓋となる。サンプル液をピペットで第1液溜め部24及び第2液溜め部26に供給後、蓋をするためのものである。また、第3液溜め部28の蓋として使用することもできる。)
7)針
(サンプル液を供給する場合、又は、回収する場合、液体が送受液される時に液体の変動分の空気を第1液溜め部24及び第2液溜め部26に入れるため、必要に応じてテープに孔を開けるためのものである。)
8)ケーシング
(本実験セットを組み上げた時、覆い板22と基板12との間よりの液漏れを防いだり、覆い板22等の破損を防止したりする目的で、このケーシングを取り付ける。なお、このケーシングには実験目的に沿った各種機能、たとえば、流路を観察しやすくするための拡大鏡等の取り付けも可能である。)
9)送液手段
(第1液溜め部24及び第2液溜め部26にテープで蓋をした状態で、この第1液溜め部24及び第2液溜め部に熱を加えると(指先をテープに当て、体温で加熱等すると)、この第1液溜め部24及び第2液溜め部2内の液体、及び/又は、気体が体積膨張する。この現象を利用した送液方法。
第1液溜め部24及び第2液溜め部26内をポンプの原理を利用した方法で加圧して、内部の液体を送り出す方法、などが可能である。
この場合、前述7)の針を用いて、第3液溜め部28にテープが貼られている場合には、これに小さな孔を開ける。
また、第3液溜め部28側をポンプなどを用いて減圧したり、第3液溜め部28上に氷塊を置き、第3液溜め部28内部の気体を収縮させて減圧したりすることにより、第1液溜め部24及び第2液溜め部26内にあるサンプル液を流路(14A、16A及び20A)に入れる場合には、第1液溜め部24及び第2液溜め部のテープ蓋に前述7)の針を用いて小さな孔を開けることにより送液を可能にする。)
10)試験用サンプル液(試薬)
(本科学実験を行うためのテスト試薬として目的に合った必要な薬品を試薬容器に入れて供給する。サンプル液としては、たとえば、色素、又は、顔料などに代表される着色性液体と水など透明液体とが挙げられる。)
11)実験解説書
(本セットで行う実験の目的、現象の説明、応用用途など、このセットで学習できる事象の解説書を必要に応じて添付する。)
12)実験方法手順書
なお、本セットは、生徒に基板12を手作りさせるためのセットであるが、この基板12の手作りを省略する場合には、1)〜3)に代えて、完成した基板12を入れればよい。
10)試験用サンプル液(試薬)
(本科学実験を行うためのテスト試薬として目的に合った必要な薬品を試薬容器に入れて供給する。サンプル液としては、たとえば、色素、又は、顔料などに代表される着色性液体と水など透明液体とが挙げられる。)
11)実験解説書
(本セットで行う実験の目的、現象の説明、応用用途など、このセットで学習できる事象の解説書を必要に応じて添付する。)
12)実験方法手順書
なお、本セットは、生徒に基板12を手作りさせるためのセットであるが、この基板12の手作りを省略する場合には、1)〜3)に代えて、完成した基板12を入れればよい。
このセットを使用した実験の詳細については、以下に詳述する。図4及び図5は、実験方法の手順を示す断面図である。このうち、図4は、第1液溜め部24及び第2液溜め部26における時系列的な手順を示す。一方、図5(a)は、第1液溜め部24及び第2液溜め部26にサンプル液を供給した実験開始の状態を示し、図5(b)は、第3液溜め部28にサンプル液が到達した実験終了の状態を示す。
図4(a)に示されるように、サンプル液用スポイト32により第1液溜め部24(又は第2液溜め部26)に所定量のサンプル液34を供給する。このサンプル液34は、図4(b)及び図5(a)に示されるように、第1液溜め部24(又は第2液溜め部26)内の流路14A(又は16A)と連通する部分を塞ぐように供給される。
次いで、図4(c)に示されるように、サンプル液出入り口封止用のテープ36により第1液溜め部24(又は第2液溜め部26)に蓋をする。このテープ36は、片面(図では下面)に粘着材がコートされているものであり、これにより、第1液溜め部24(又は第2液溜め部26)が外気と遮断される。
次いで、図4(d)に示されるように、テープ36の上に指先38を接触させる。これにより、第1液溜め部24(又は第2液溜め部26)に送液手段が形成される。この送液手段は、既述したように、指先38の熱により第1液溜め部24(又は第2液溜め部26)内の気体が体積膨張し、サンプル液34を流路14A(又は16A)に送り込むことによりなされる。
また、図4(d)に示される同様の構成において、この送液手段が、指先38でテープ36を押して下方に撓ませ、第1液溜め部24(又は第2液溜め部26)の容積を減少させることにより、サンプル液34を流路14A(又は16A)に送り込むことによりなされるのであってもよい。
以上に説明した送液手段により、図5(b)に示されるように、サンプル液34が第3液溜め部28に到達し、実験が終了する。この際、図1の第1液溜め部24及び第2液溜め部26より、それぞれ送液手段により、同時にサンプル液34を流路14A及び流路16Aに送り込むことにより、サンプル液34が合流点18で合流する様が観察できる。
特に、第1液溜め部24と第2液溜め部26に供給するサンプル液34の色を違えておくことにより、サンプル液34が合流点18で合流する様が観察しやすい。たとえば、第1液溜め部24に着色したサンプル液34を供給し、第2液溜め部26に無色透明なサンプル液34を供給する態様である。
実験者は、このようにして流れるサンプル液34の合流点18以降の流路20Aを観察することにより、マイクロチャンネル内を流れる着色液側から色素、又は、顔料など着色性分子が透明液中に向かって拡散して行く現象を確認することができる。
また、第1液溜め部24と第2液溜め部26に供給するサンプル液34の色を違えておくのみならず、粘度を違えておくことにより、サンプル液34が合流点18で合流する様が異なって観察できる。
なお、これらの現象をより観察しやすくするために、虫眼鏡、拡大鏡などを使用することもできる。また、既述のように、流路20Aの部分の覆い板22に拡大鏡機能(レンズ機能)を持たせることもできる。
以上に説明した理科実験教材10によれば、マイクロな世界での科学実験を子供たちに楽しく夢を持って行って貰うために、重要な部分をできるだけ簡素化して、安価にでき、かつ、実験は高精度に行える。
特に、化学反応の元になる分子の拡散現象等を定性的に観察する場合、実験精度を向上させるために、複数の液が少なくとも同じ条件で流路内を流れることが非常に重要であるが、この要求に十分に答えられる。すなわち、非常に簡便、安価な手段で比較的精度よい実験が可能である。また、マイクロな世界での実験のため、色素、又は、顔料などに代表される化学薬品の使用量も非常に少なくて済み、環境負荷が大幅に軽減できる。
以上、本発明に係る科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。
たとえば、本実施形態では、2種類のサンプル液34が合流点18で合流し、色素、又は、顔料など着色性分子が透明液中に向かって拡散して行く現象を観察できる実験教材の例を説明したが、これ以外の各種の実験教材としても適用できる。
また、本実施形態では、第1液溜め部24及び第2液溜め部26を覆い板22に形成し、第3液溜め部28を基板12に形成しているが、これ以外の態様、たとえば、全ての液溜め部を覆い板22に形成する態様も採用できる。
また、本実施形態では、流路と液溜め部を3組設ける構成としたが、4組以上設ける構成も採用できる。
更に、サンプル液(試薬)を液溜め部(24、26等)に供給するために、サンプル液用スポイト32が使用されているが、これに代えて、同様の機能を有する注射器、マイクロシリンジ等を使用することもできる。理科実験教材としては、一般的には、安価なスポイトを使用するのが望ましいが、テスト目的に応じては、上記のように同様の機能を有するものが好ましいこともある。
10…理科実験教材、12…基板、14、16、20…長溝、14A…第1の流路、16A…第2の流路、18…合流点、20A…第3の流路、22…覆い板、24…第1液溜め部、26…第2液溜め部、28…第3液溜め部、30…貫通孔、32…サンプル液用スポイト、34…サンプル液、36…テープ、38…指先
Claims (8)
- 板状体の表面に断面積が1mm2 以下の長溝が形成されている基板と、
該基板の表面に密着配置され、前記長溝を覆うことにより該基板に微細な流路を形成する覆い板とを備え、
前記流路内の科学現象が視覚により認識可能となっていることを特徴とする科学現象の評価装置。 - 前記基板及び/又は覆い板が透明である請求項1に記載の科学現象の評価装置。
- 前記基板及び/又は覆い板が樹脂材よりなる請求項1又は2に記載の科学現象の評価装置。
- 複数の前記流路の一端が、一箇所の合流点で合流するとともに、複数の前記流路の他端がそれぞれ容積5〜5000mm3 の液溜め部と連通している請求項1〜3のいずれか1項に記載の科学現象の評価装置。
- 略同一長さの2本の前記流路である第1の流路及び第2の流路の一端が一箇所の合流点で合流するとともに、
前記第1の流路の他端が容積5〜5000mm3 の第1液溜め部と連通しており、
前記第2の流路の他端が容積5〜5000mm3 の第2液溜め部と連通しており、
1本の前記流路である第3の流路の一端が前記合流点に連通するとともに、該第3の流路の他端が容積5〜5000mm3 の第3液溜め部と連通している請求項1〜4のいずれか1項に記載の科学現象の評価装置。 - 前記覆い板には、前記第1液溜め部、第2液溜め部及び第3液溜め部の1以上と外気とが連通可能な貫通孔が形成されている請求項5に記載の科学現象の評価装置。
- 前記請求項1〜6のいずれか1項に記載の科学現象の評価装置が携帯式の実験装置であることを特徴とする理科実験教材。
- 前記請求項1〜6のいずれか1項に記載の科学現象の評価装置の製造方法、又は、前記請求項7に記載の理科実験教材の製造方法であって、
前記基板の長溝の反転形状が表面に形成されている反転型板の表面に樹脂材を塗布し、該樹脂材を硬化させ、硬化後の該樹脂材を前記反転型板より剥離することにより前記基板を形成することを特徴とする科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法。
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- 2004-02-20 JP JP2004045319A patent/JP2005234390A/ja active Pending
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KR100879736B1 (ko) | 2007-11-19 | 2009-01-20 | 노종우 | 이온 확산 실험장치 |
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