KR101351447B1 - 일정 전기장에 의한 마이크로미터 크기 물체의 수송 및 역학적 일의 취출 - Google Patents

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Abstract

마이크로 크기에 있어서, 자유자재로 전류를 발생시키지 않고 물체를 운동시키고, 수송하며, 역학적 일을 추출할 수 있는 기술을 제공하는 것을 과제로 한다. 본 발명자들이 예의 검토한 결과, 오일 안 등의 절연성 유체에서, 예를 들어 마이크로 크기 등의 유전체에 전기장을 발생시키는 2개의 전극을, 상기 2개의 전극의 중심축이 동일 직선상이 되지 않게 배치하여 전기장(예를 들어, 일정 전기장)을 거는 것만으로, 유전체를 3차원적으로 자유롭게 수송할 수 있고, 또한 이에 의해 역학적인 일을 추출할 수 있는 것을 발견하고, 상기 과제를 해결하였다.

Description

일정 전기장에 의한 마이크로미터 크기 물체의 수송 및 역학적 일의 취출{Transportation of Micrometer-Sized Object and Extraction of Mechanical Work by Constant Electric Field}
본 발명은 일정 전기장에 의한 마이크로 크기 물체의 수송 및 역학적 일의 추출에 관한 것이다.
종래, 진동성, 주기성이 있는 운동에는 교류전기장이 사용되었다. 이와 같은 경우, 전류가 발생함으로써 운동이 발생된다.
또한, 마이크로 크기에서는 흐름의 관성력과 점성력의 크기의 비를 나타내는 레이놀즈수(Reynolds number)가 낮기 때문에, 기계적인(mechanical) 운동으로부터 일을 추출하기가 어려웠다.
비특허문헌 1은 일정 전기장이 오일 안에서의 수십㎛ 직경의 물방울에 주는 효과에 대하여 기재하고 있다.
일반적으로, 본 발명이 대상으로 하는 마이크로 크기의 세계는 낮은 레이놀즈수의 세계라고 불린다. 이와 같은 스케일의 세계에서는, 방향성을 가지지 않은 직선상의 주기운동을 실행시키는 것만으로는 일을 추출할 수 없다고 알려져 있다. 따라서, 비특허문헌 1에 기술된 바와 같은 직선적인 왕복운동만으로는 일을 추출할 수 없다.
이상으로부터, 마이크로 크기에 있어서, 일정 전기장 하에서도 자율적이며 자유자재로 물체를 운동시키고, 수송하며, 역학적 일을 추출할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
또한, 비특허문헌 2 내지 비특허문헌 5도 알려져 있는데, 마이크로 물체를 직선적으로 움직이게 하는 것은 이루어져 있지만, 일을 추출하는데 있어서 가장 중요한 2차원적인 운동을 실행시키는 것이 나와 있지 않고, 그것에 관한 발상도 전혀 기재되어 있지 않다.
나노메터~ 마이크로메터 스케일에서는, 레이놀즈수가 매우 낮고, 물체의 관성력은 중요한 역할을 하지 않으며, 그 물체의 운동은 환경의 점성력에 의해 바로 감쇠된다. 따라서, 물체를 지속적으로 추진시키기 위해서는, 어떠한 구동에너지가 공급되어야 한다. 이와 같이, 마이크로 물체의 운동은 비선형계 및 비평형계에서의 중요한 문제를 제기하고 있다. 더욱이, 생체고분자 및 세포를 포함하는 마이크로 물체를 추진 및 제어하는 능력은, 응용물리학 및 생체물리학의 연구에 있어서, 그리고 MEMS 및 μTAS 기술에 있어서 중요하며, 많은 적절한 기술이 활발하게 개발되어 왔는데, 실용화까지는 아직 멀었다.
없음
비특허문헌 1: PHYSICAL REVIEW E 74, 046301(마사히코 하세, 순 N. 와타나베, 켄이치 요시카와 저, 2006년) 비특허문헌 2: AIChE Journal 36, 1039(T. 모치즈키, Y. 모리, N. 카지 저, 1990년) 비특허문헌 3: Colloids Surf. A 225, 193(J. 에오. M. 가드리, A. 샤리프 저, 2003년) 비특허문헌 4: Colloid Interface Sci. 322, 617(Y. 정, H. 오, I, 강 저, 2008년) 비특허문헌 5: Nature 461, 377(W. D. 리스텐파트, J. C. 버드, A. 벨몬테, F. 달러, H. 스톤 저, 2009년)
마이크로 크기에 있어서, 자유자재로 전류를 발생시키지 않고, 일정 전기장에서도 물체를 운동시키고, 수송하며, 역학적 일을 추출할 수 있는 기술을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자들이 예의 검토한 결과, 오일 안 등의 절연성 유체 안에서 예를 들어, 마이크로 크기(본 명세서에서는 대표적으로 수 nm~1000㎛ 범위를 말함) 등의 유전체에 전기장을 발생시키는 2개의 전극을, 상기 2개의 전극의 중심축이 동일 직선상이 되지 않게 배치하여 전기장(예를 들어, 일정 전기장)을 거는 것만으로, 유전체를 3차원적으로 자유롭게 수송할 수 있고, 또한 그에 의해 역학적인 일을 추출할 수 있는 것을 발견하였다(도 1). 본 발명에서 유전체란, 예를 들어, 물방울, 폴리스틸렌 비즈, 글라스 비즈 등과 같은 임의의 유전물체인데, 마이크로 크기의 물체는 유전체이면 되고 물질에 의존하지 않는 것이 판명되었다. 또한, 주위의 매질도 오일로 한정되지 않고 절연성 유체이면 되는 것이 판명되었다. 그리고, 비특허문헌 1~5에서는 인식조차 되지 않았던 문제를 해결하였다. 따라서, 본 발명에서는, 일을 추출하는데 있어서 가장 중요한 2차원적인 운동의 하나인 회전운동을 실시하는데 세계 처음으로 성공하였다는 점에서 큰 진보가 되었다고 할 수 있다. 또한, 상기 비특허문헌 1~5에서는 일을 추출한다는 관점을 전혀 가지고 있지 않기 때문에, 그것으로부터 쉽게 추측할 수 있는 범위에서 이번 발명이 있었던 것도 아니다. 바꾸어 말하면, 이들 문헌은 '움직인다'는 점에서 기재되어 있는 것에 불과하다. 본 발명에서 특징이 되는 '일의 추출'이라는 점은 시사조차 되어 있지 않다. 일정 전기장하에서의 고차원의 주기적인(cyclic) 운동에 대해서는 어떠한 보고도 되어 있지 않다. 마이크로 크기의 운동으로부터 일 및 에너지를 추출하기 위해서는, 적어도 2차원의 주기적인 운동이 요구된다. 본 발명에서 보고하는 유전체의 마이크로 물체의 회전운동은 마이크로 물체의 제어를 위한 단순하고 유용한 전략의 발전에 유용할 수 있다.
즉, 본 발명은, 단지 액체방울을 운동시켰다는 문제만이 아니라, 매우 중요한 주기적인 운동을 실현하여 보였다는 것에 의의가 있으며, 본 발명과 같은 주기적인 운동을 이용함으로써, 일을 추출할 수 있는 것도 실증하였다.
본 발명은 정상 직류 전기장하에서의 유상(油相) 안의 마이크로 물방울의 회전운동에 관한 것이다. 액체방울은 플러스 전극 및 마이너스 전극의 적절한 기하학적 배치하에서 회전운동을 한다. 본 발명에서 회전운동은 특정한 임계전위를 넘으면 발생하고, 그 주파수는 전위의 증대에 따라 증대된다. 본 발명은 회전운동의 발생을 기술하는 단순한 이론적 모델을 제공하는 동시에, 마이크로 회전모터를 실현하기 위한 본 발명의 시스템의 응용예도 제공한다.
따라서, 본 발명은 아래의 것을 제공한다.
(1) 유전체를 수송하거나, 또는 역학적 일을 추출하는 방법으로서,
A) 전기장을 발생시키는 2개의 전극을, 상기 2개의 전극의 중심축이 동일 직선상이 되지 않게 배치하고, 절연성 유체 안에서 상기 유전체에 전기장을 거는 공정을 포함하는 방법.
(2) 상기 유전체는 마이크로 크기이고, 상기 마이크로 크기는 수 nm~1000㎛의 범위에 있는 상기 항목에 기재된 방법.
(3) 상기 마이크로 크기는 1㎛~100㎛ 범위의 것인 상기 항목에 기재된 방법.
(4) 상기 유전체는 정전기장을 가하였을 때 유전분극을 발생시키지만 전류를 발생시키지 않는 물질을 말하고, 더욱이 정전기의 대전성이 있는 물질인 상기 항목에 기재된 방법.
(5) 상기 유전체는 물방울; 폴리스틸렌 비즈, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리아크릴아미드 겔 등의 폴리머성 물질; 글라스 비즈로 이루어지는 군에서 선택되는 상기 항목에 기재된 방법.
(6) 상기 물방울은 계면활성제를 이용하여 생성되는 상기 항목에 기재된 방법.
(7) 상기 계면활성제는 디올레오일·포스파티딜콜린(DOPC), 디올레오일·포스파티딜에탄올아민(DOPE), 디올레오일·포스파티딜세린(DOPS), eggPC, 스테아릴트리메틸암모늄클로라이드(STAC), 스테아릴트리메틸암모늄브로마이드(STAB), 소듐도데실설페이트(SDS), 도데실트리메틸암모늄클로라이드, 펜타에틸렌글리콜도데실에테르 등을 이용하여 생성되는 상기 항목에 기재된 방법. 여기서, 계면활성제란, 친수기와 소수기를 한 분자 안에 함께 가지는 물질로, 소수성 유액(油液) 안에 물방울을 형성시킬 수 있는 물질이고, 오일과 물의 계면에 존재하는 것이다.
(8) 상기 절연성 유체는 비휘발성이고, 도전성이 없으며, 상온상압하에서 유동성이 있는 물질이고, 상기 마이크로 크기의 유전체와의 비중이 ±50% 이내의 것인 상기 항목에 기재된 것인 방법.
(9) 상기 절연성 유체는 미네랄 오일(광유;鑛油), 유동 파라핀, 알칸 및 실리콘 오일로 이루어지는 군으로부터 선택되는 상기 항목에 기재된 방법.
(10) 상기 전기장은 일정 전기장인 상기 항목에 기재된 방법.
(11) 상기 전기장은 1V~1000V 범위의 것인 상기 항목에 기재된 방법.
(12) 상기 전기장을 발생시키는 양극과 음극은 그들의 중심축이 평행하지 않게 배치되는 상기 항목에 기재된 방법. 전극의 중심축이 동일 직선상에 실리는 형태에서는 주기적인 운동이 추출되지 않기 때문에, 비대칭 배치인 것이 중요하다. 또한, 평행하지 않게 배치함으로써, 평행한 경우보다 더욱 주기적인 운동을 추출할 수 있다.
(13) 상기 전극은 선단이 예리한 각뿔형·원뿔형 또는 각기둥형·원기둥형의 형상을 가지고, 도전성이 있는 재질을 가지는 상기 항목에 기재된 방법.
(14) 상기 전극은 텅스텐, 텅스텐 카바이드, 금, 백금, 은, 동, 철, 알루미늄 등의 도전성 물질인 상기 항목에 기재된 방법.
(15) 상기 전기장은 양극·음극의 적어도 2개의 전극의 세트에 의해 발생되고, 상기 적어도 2개의 전극의 세트의 방향은 적어도 2개가 서로 다른 방향이며, 상기 전기장 및 상기 전기장을 발생하기 위한 전극의 공간적 배치를 제어함으로써, 운동의 루트 또는 모드를 변경하는 공정을 더욱 포함하는 상기 항목에 기재된 방법.
(16) 상기 제어는, 3차원 좌표 각각을 1㎛ 단위로 조작할 수 있는 마이크로 머니퓰레이터(manipulator)를 이용하여 각각의 좌표를 조작하여 전극을 원하는 위치로 이동시키거나, 손 또는 핀셋에 의한 조작에 의해 실현되는 상기 항목에 기재된 방법.
(17) 상기 유전체를 상기 전극의 공간적 제어 및 인가전압의 강도 제어에 의해 간접적으로 제어함으로써 상기 유전체를 수송하는 공정을 더욱 포함하는 상기 항목에 기재된 방법.
(18) 더욱이 마이크로 터빈을 상기 유전체가 운동할 수 있는 공간에 배치하고, 상기 유전체의 운동에 의해 운동하는 마이크로 터빈으로부터 일을 추출하는 것을 특징으로 하고, 상기 마이크로 터빈은 회전축과 날개 부분이 있으며, 날개가 회전축의 둘레로 회전할 수 있는 것인 상기 항목에 기재된 방법. 여기서, 마이크로 터빈이란, 마이크로 가공기술에 의해 만들 수 있는 예를 들어, 1㎛~100㎛ 크기의 물체로, 회전축과 날개 부분이 있으며, 날개가 회전할 수 있는 물체이다. 예를 들어, 마이크로 크기로 가공한 SiO2 레이어에 의한 물레방아(예를 들어, Proc. Natl Acad. Sci. USA 103, 13618-13623(2006년, Y. 히라츠카, M. 미야타, T. 타다, T.Q. 우에다 저)를 들 수 있다.
(19) 상기 유전체가 복수개 존재하고, 상기 복수개의 유전체를 집단운동시킴으로써 모터 작용을 하게 하는 것을 특징으로 하는 상기 항목에 기재된 방법.
(20) 폴리머의 역학적 조절, 약제의 액체방울 수송, 화학반응, 약제조합, 바이오 시료의 비접촉수송, 마이크로 유로에 대해서는 아래에 설명한다.
폴리머의 역학적 조절: DNA 등의 폴리머의 양끝을 각각 별개의 폴리머 비즈에 결합시키는 방법은 확립되어 있다. 본 연구의 성과를 이용하면, 폴리머의 양끝에 붙은 폴리머 비즈를 자유롭게 조절할 수 있기 때문에, 결과적으로 폴리머를 역학적으로 조절할 수 있다.
약제의 액체방울 수송: 상술한 바와 같이 물방울이 만들어지기 때문에, 이 물방울 안에 약제를 넣어두면 쉽게 수송할 수 있다.
화학반응: 수송하고 있는 액체방울을 충돌시켜서 융합시킴으로써 액체방울 안에서 화학반응을 개시할 수 있다.
약제조합: 화학반응과 마찬가지로, 수송하고 있는 액체방울을 충돌시켜서 융합시킴으로써 혼합 등이 가능하다. 반응을 시작하기 전에는 섞고 싶지 않은 것을 별도의 액체방울로 준비하여 두고, 섞고 싶은 장소에서 섞을 수 있다. 게다가, 마이크로 크기의 미소(微小) 공간에서 그것이 가능하다.
바이오 시료의 비접촉수송: 세포나 생체고분자도 일종의 유전체이기 때문에, 본 기술을 적용할 수 있다.
마이크로 유로와의 조합: 상술한 마이크로 터빈과 마찬가지. 마이크로 기술의 일환이다.
반도체 기술과의 조합이란, 운동을 직접 제어하는 것이 아니라, 전기장의 조절을 반도체 소자, 회로기판을 이용하여 실시한다는 의미이다.
본 발명은 또한 아래와 같은 장치에 따른 발명도 제공한다.
(21) 유전체를 수송하는 장치로서,
A) 상기 유전체를 받아들이기 위한 절연성 유체; 및
B) 상기 절연성 유체 안에 존재하는 2개의 전극을 포함하는 전기장을 거는 수단으로서, 상기 2개의 전극의 중심축이 동일 직선상이 되지 않게 배치되는 수단을 구비하는 장치.
여기서, 전기장을 거는 수단은 절연성 유체 안에 전극을 배치하고, 전압을 거는 장치이면 어느 것이어도 된다.
(22) 역학적 일을 추출하는 장치로서,
A) 절연성 유체;
B) 상기 절연성 유체 안에 배치된 유전체;
C) 상기 절연성 유체 안에 존재하는 2개의 전극을 포함하는 전기장을 거는 수단으로서, 상기 2개의 전극의 중심축이 동일 직선상이 되지 않게 배치되는 수단; 및
D) 상기 유전체로부터 역학적 일을 추출하는 수단을 구비하는 장치.
이와 같은 유전체로부터 역학적 일을 추출하는 수단 혹은 유전체의 운동을 일로 변환하는 수단으로는, 1㎛~수천㎛ 정도 크기의 프로펠러 형상의 물질을 물레방아와 같이 회전시켜서 터빈으로 하여 일을 추출하거나, 유전체에 자화(磁化)된 물질을 부착시킴으로써 간접적으로 자기장을 제어하고, 근방에 터빈을 배치함으로써 일을 추출하는 것 등을 생각할 수 있다.
또 다른 실시예에서 본 발명은 아래와 같은 장치에 따른 발명도 제공한다.
(23) 상기 유전체는 마이크로 크기이고, 상기 마이크로 크기는 수 nm~1000㎛ 범위에 있는 상기 항목에 기재된 장치.
(24) 상기 마이크로 크기는 1㎛~100㎛ 범위의 것인 상기 항목에 기재된 장치.
(25) 상기 유전체는 정전기장을 가하였을 때 유전분극을 발생시키지만 전류를 발생시키지 않는 물질을 말하고, 더욱이 정전기의 대전성이 있는 물질인 상기 항목에 기재된 장치.
(26) 상기 유전체는 물방울; 폴리스틸렌 비즈, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리아크릴아미드 겔 등의 폴리머성 물질; 글라스 비즈 등인 상기 항목에 기재된 장치.
(27) 상기 물방울은 계면활성제를 이용하여 생성되는 상기 항목에 기재된 장치.
(28) 상기 계면활성제는 디올레오일·포스파티딜콜린(DOPC), 디올레오일·포스파티딜에탄올아민(DOPE), 디올레오일·포스파티딜세린(DOPS), eggPC, 스테아릴트리메틸암모늄클로라이드(STAC), 스테아릴트리메틸암모늄브로마이드(STAB), 소듐도데실설페이트(SDS), 도데실트리메틸암모늄클로라이드, 펜타에틸렌글리콜도데실에테르 등을 이용하여 생성되는 상기 항목에 기재된 장치.
(29) 상기 절연성 유체는 비휘발성이고, 도전성이 없으며, 상온상압하에서 유동성이 있는 물질이고, 상기 마이크로 크기의 유전체와의 비중이 ±50% 이내의 것인 상기 항목에 기재된 장치.
(30) 상기 절연성 유체는 미네랄 오일(광유), 유동 파라핀, 알칸 및 실리콘 오일로 이루어지는 군으로부터 선택되는 상기 항목에 기재된 장치.
(31) 상기 전기장은 일정 전기장인 상기 항목에 기재된 장치.
(32) 상기 전기장은 1V~1000V 범위의 것인 상기 항목에 기재된 장치.
(33) 상기 전기장을 발생시키는 양극과 음극은 그들의 중심축이 평행하지 않게 비대칭으로 배치되는 상기 항목에 기재된 장치.
(34) 상기 전극은 선단이 예리한 각뿔형·원뿔형 또는 각기둥형·원기둥형의 형상을 가지고, 도전성이 있는 재질을 가지는 상기 항목에 기재된 장치.
(35) 상기 전극은 텅스텐, 텅스텐 카바이드, 금, 백금, 은, 동, 철 및 알루미늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 도전성 물질인 상기 항목에 기재된 장치.
(36) 상기 전기장을 거는 수단은 양극·음극의 적어도 2개의 전극의 세트이고, 상기 적어도 2개의 전극의 세트의 방향은 적어도 2개가 서로 다른 방향으로 배치되는 상기 항목에 기재된 장치.
(37) 3차원 좌표 각각을 1㎛ 단위로 조작할 수 있는 마이크로 머니퓰레이터를 더욱 구비하고, 상기 마이크로 머니퓰레이터는 각각의 좌표를 조작하여 전극을 원하는 위치로 이동시키는 것이며, 혹은 핀셋을 더욱 구비하는 상기 항목에 기재된 장치.
(38) 상기 유전체를 상기 전극의 공간적 제어 및 인가전압의 강도 제어에 의해 간접적으로 제어함으로써 상기 유전체를 수송하기 위한 수단을 더욱 구비하는 상기 항목에 기재된 장치.
(39) 더욱이 마이크로 터빈을 구비하는 상기 항목에 기재된 장치. 마이크로 터빈으로는, 마이크로 크기로 가공한 SiO2 레이어에 의한 물레방아(예를 들어, Proc. Natl Acad. Sci. USA 103, 13618-13623(2006년, Y. 히라츠카, M. 미야타, T. 타다, T.Q. 우에다 저) 안에서 이용되는 것 등)가 있다.
(40) 상기 유전체가 복수개 존재하고, 상기 복수개의 유전체를 집단운동시킴으로써 모터 작용을 하게 하는 것을 특징으로 하는 상기 항목에 기재된 장치.
(41) 폴리머의 역학적 조절, 약제의 액체방울 수송, 화학반응, 약제조합, 바이오 시료의 비접촉수송, 마이크로 유로에서 사용하기 위한 상기 항목에 기재된 장치.
이 모든 국면에 있어서, 본 명세서에 기재된 각각의 실시예는 적용가능한 한 다른 국면에서도 적용될 수 있는 것을 이해해야 할 것이다.
이상으로부터, 본 발명은 일정 전기장을 걸어서 마이크로 크기의 유전체에 역학적인 운동을 발생시키는데 성공하였다. 따라서, 본 발명은 회전모터같은 운동을 제공하고, 교류전기장이 아닌데도 진동성·주기성이 있는 운동을 발생시키는 것을 달성하였다. 또한, 전류는 발생하지 않기 때문에 전류에 의한 운동이 아니고, 전기장의 강도, 전극의 공간적 배치에 의해, 운동의 루트나 운동의 모드를 자유롭게 바꾸는 것을 달성하였다. 더욱이, 무접점·일정 전기장에서 모터같은 운동을 추출하는 점이 중요하고, 비접촉으로 물체를 수송할 수 있는 것이 판명되었다.
특히, 도 3에 나타내는 바와 같이, 전극을 동일 직선상에 배치하면 단순한 주기운동밖에 추출되지 않지만(비특허문헌 1), 도 3의 중앙 도면이나 오른쪽 도면과 같이 전극을 동일 직선상에 배치하지 않도록 하면, 유전체에 실리는 힘 중, 하전체에 작용하는 힘(도 4의 (i) 참조) 및 유전적인 힘(도 4의 (ii) 참조) 모두를 이용한 것과 같은 상태로 할 수 있기 때문에, 주기적인 운동을 추출할 수 있다. 이와 같은 상태로 할 수 있는지 여부에 관해서는 종래기술에서는 예측할 수 없고, 교과서적인 수준에서는 자명하지 않으므로, 신규 기술이라고 할 수 있다.
이러한 점은 비특허문헌 1에 기재되는 식 등 자체로부터는 쉽게 상상할 수 없는 수준의 것이며, 2개의 전극의 중심축이 동일 직선상이 되지 않게 배치하는 것을 채용함으로써 달성된 예상 외의 현상인 주기적인 운동이 본 발명에 의해 처음으로 달성되었다는 점에 본 발명의 현저한 효과 중의 하나가 있다고 할 수 있다.
마지막으로, 일반적으로 마이크로 크기는 낮은 레이놀즈수의 영역이기 때문에 기계적인 운동으로부터 일을 추출하기 어려운데, 이번 발명은 그것을 가능하게 하였다는 점에서 현저하다.
여러 도면에 걸쳐서 나타내어지는 같은 참조번호는 같은 요소를 나타낸다.
도 1은 마이크로 크기 물체의 수송의 개념도이다.
도 1a는 양극과 음극이 그것들의 중심축이 동일 직선상에 오지 않도록 배치된 경우의 모식도이다. 본 발명에서 사용되는 전기장을 구성하는 양극과 음극은 그것들의 중심축이 동일 직선상이 되지 않게 배치되는 것이 유리한 것을 나타낸다.
도 1b는 중심축이 평행하게 되지 않은 경우를 설명하는 도면이다. 평행한 경우보다 더욱 주기적인 운동을 추출할 수 있는 것이 설명된다.
도 1c의 (a)는 실험 설정의 측면도이다. 물방울을 포함하는 광유를 슬라이드 글라스 위에 배치하고, 상기 광유 안에 전극을 삽입하였다. 현미경을 이용하여 위쪽에서 실험을 관찰하였다. V는 전극 사이에 인가한 일정 전압이다. X-Z 좌표는 수직평면이다. O(원점)는 마이너스 전극의 정점이다. 도 1c의 (b)는 실험 설정을 위쪽에서 본 도면(현미경 화상)이다. X-Y 좌표는 수평평면이다. 여기서, 도 1c의 (a) 및 도 1c의 (b)에서 100은 물방울, 102는 미네랄 오일(광유), 104는 마이너스 전극, 106은 슬라이드 글라스, 108은 일정 전압, 110은 플러스 전극, 112는 현미경의 대물렌즈를 나타낸다.
[수 1]
Figure 112011071738406-pct00001

는 물방울의 중심이다. (I, d)는 플러스 전극의 정점이다.
도 2는 실험의 셋업(왼쪽)과 주기적인 운동을 하고 있는 물방울 1개의 스냅샷을 연속 촬영하여 겹친 합성사진(오른쪽)을 나타낸다. 전극: 텅스텐제, 계면활성제: 인지질 DOPC
도 2a의 (a) 내지 도 2a의 (d)는 w/o 액체방울의 회전운동이다. I=d=100㎛이었다. 액체방울의 크기는 r=17.1㎛이었다. 왼쪽 도면은 액체방울의 스냅샷을 겹친 것이다. 가운데 도면은 액체방울의 경시적 변화이다. x(실선), y(파선)로 나타내고 있다. 오른쪽 도면은 그것들의 푸리에 변환(Fourier transform; FT)의 스펙트럼이다. x(실선), y(파선)으로 나타내고 있다. 도 2a의 (a)에서는 V=20V이고, 2초마다의 스냅샷을 나타낸다. 도 2a의 (b)에서는 V=60V이고, 0.4초마다의 스냅샷을 나타낸다. 도 2a의 (c)에서는 V=120V이고, 0.2초마다의 스냅샷을 나타낸다. 도 2a의 (d)에서는 V=160V이고, 0.2초마다의 스냅샷을 나타낸다. 도 2a의 (e)는 수치 시뮬레이션이다. 왼쪽 도면은 액체방울의 궤적이다. 가운데 도면은 경시 데이터이다. 오른쪽 도면은 푸리에 변환의 스펙트럼이다. 여기서, 도 2a의 (a) 내지 도 2a의 (e)에서 221은 개시점을 나타낸다. 210은 작은방울을 나타내고, 212 및 215는 전극을 나타낸다. 도 2a의 (e)의 시뮬레이션에서 사용된 일정 전기장 및 수치 파라메터는 실시예에서 기재한 바와 같다.
도 3은 스냅샷을 겹친 것(별도의 실시예)을 나타낸다. 도면에서 각 번호 (a)~(c)는 각각 전극의 배치를 나타낸다. 여기서, (a) 전극의 배치(왼쪽): 중심축과 평행방향으로 120㎛·수직방향으로 0㎛; (b) 전극의 배치(가운데): 중심축과 평행방향으로 120㎛·수직방향으로 40㎛; (c) 전극의 배치(오른쪽): 중심축과 평행방향으로 120㎛·수직방향으로 120㎛이다. 이 실험(c)에서는 전극의 배치를 바꾸었다. 전극은 텅스텐 카바이드제이고, 계면활성제는 인지질 DOPC이다.
도 4는 물리 모델과 시뮬레이션의 결과이다. 왼쪽에는 본 발명을 설명하는 운동방정식을 기재하고, 오른쪽에는 그 계산결과를 나타낸다. 즉, 도 4의 왼쪽 (I)은 점성이 강할 때의 운동방정식(over-damped system)을 나타낸다. 이 운동방정식의 오른쪽 변에 대하여, (i) 우변 제1항은 하전체에 작용하는 힘을 나타내고, 여기서, 대전한 유전체는 전극과 서로 당기거나 또는 반발하는 것을 나타낸다; (ii) 우변 제2항은 유전체에 작용하는 힘을 나타내고, 여기서 유전체는 전기력선의 밀도가 높은 쪽으로 끌려가는 것을 나타낸다. 도 4의 왼쪽 (II)은 전하의 충전·방전에 관한 방정식을 나타내고, 전극접촉시의 경우와 전극비접촉시의 경우를 나타낸다. 전극접촉시에는 전하 충전이 일어나고, 전극비접촉시에는 방전이 일어난다. 도 4의 오른쪽 위의 그래프는 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 4의 왼쪽 (I)에 나타내는 (i) 및 (ii)의 힘의 방향이 다르기 때문에, 그 균형에 의해 운동방향이 결정된다. 결국 균형에 의해 회전운동이 발생한다.
도 5는 시뮬레이션 결과의 상세한 설명모식도이다. 도면에서 각 번호 (1)~(5)는 각각, (1) 양극으로부터 유전체에 전하를 충전하는 것; (2) 정전기적인 반발력으로 양극과 플러스로 대전한 유전체가 반발하여, 플러스 전하가 서서히 세는 것; (3) 정전기적인 인력(引力)이 작용하여 전극의 음극에 끌려서 접촉하는 것; (4) 음극으로부터 유전체에 전하를 충전하는 것; (5) 정전기적인 반발력이 음극과 마이너스로 대전한 유전체와의 사이에 발생하여 전하가 서서히 새는 것을 나타낸다.
도 5a의 (a)~(f)는 인가한 전압에 대한 회전운동 주파수의 의존성을 나타내는 실험결과이다. 도 5a의 (a)에서는 r=14.0㎛(r은 작은 방울의 직경을 나타냄), 도 5a의 (b)에서는 r=17.1㎛, 도 5a의 (c)에서는 r=18.8㎛, 도 5a의 (d)에서는 r=19.5㎛, 도 5a의 (e)에서는 r=31.8㎛, 도 5a의 (f)에서는 r=34.6㎛이다. 영역 (I)~(III)은 도 5a의 (g)의 상평형도(phase diagram)에서의 운동모드에 대응한다. 도 5a의 (g)는 인가한 전압에 의존하는 액체방울의 운동이다. 여기서, 도 5a의 (g)에서 G1은 (모드 I) 비회전운동, G2는 (모드 II) 회전운동, G3은 (모드 III) 전극상에서의 바운드를 동반하는 회전운동을 나타낸다.
도 6은 자유자재의 수송 및 일의 추출을 나타내는 모식도이다. 도면의 각 번호 (a) 및 (b)는 각각, (a) 자유자재의 수송; (b) 일의 추출을 나타낸다. 각 참조번호에 대하여 600은 마이크로 크기 유전체, 610은 마이크로 터빈, 602, 604, 606, 608, 612, 614는 전극을 나타낸다.
도 7은 마이크로 크기 유전체의 집단운동에 의한 모터 및 폴리머의 역학적 조절을 나타내는 모식도이다. 도면의 각 번호 (a) 및 (b)는, (a) 마이너스 크기 유전체의 집단운동에 의한 모터; (b) 폴리머의 역학적 조절을 나타낸다. 각 참조번호에 대하여 700은 마이크로 크기 유전체, 710은 폴리머, 702, 704, 712, 714, 716, 718은 전극을 나타낸다.
도 8은 약제 등의 액체방울 수송, 액체방울의 융합에 의한 화학반응, 약제조합, 세포 등의 바이오 시료의 비접촉수송을 나타내는 모식도이다. 도면의 각 번호 (a)~(c)는 각각, (a) 약제 등의 액체방울 수송, 액체방울의 융합에 의한 화학반응, 약제조합; (b) 세포 등의 바이오 시료의 비접촉수송. 세포는 접촉에 의한 손상이 있기 때문에, 비접촉인 점이 매우 중요하다. 액체의 낭비없이 낮은 비용으로 실현할 수 있으며, μTAS의 성질도 겸비한 것을 실현할 수 있다. 각 참조번호는 800은 액체방울, 810은 바이오 시료, 802, 804, 806, 808, 812, 814, 816, 818은 전극을 나타낸다.
도 9는 마이크로 유로를 나타내는 모식도이다. 원형 유로 안에 유전체가 도입된다. 마이크로 유로와의 조합으로 보다 큰 회전운동이 추출된다. 각 참조번호는 900은 원형유로, 902, 904는 전극을 나타낸다.
이하, 본 발명을 설명한다. 본 명세서 전체에 걸쳐서, 단수형 표현은 특별히 언급하지 않는 한, 그 복수형 개념도 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 단수형 관사(예를 들어, 영어의 경우 'a', 'an', 'the' 등)는 특별히 언급하지 않는 한, 그 복수형 개념도 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 특별히 언급하지 않는 한, 당 상기 분야에서 통상 사용되는 의미로 사용되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 따로 정의되지 않는 한, 본 명세서 안에서 사용되는 모든 전문용어 및 과학기술용어는 본 발명이 속하는 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 같은 의미를 가진다. 모순되는 경우, 본 명세서(정의를 포함)가 우선된다.
(용어의 정의)
본 명세서에서 '유전체'란, 전기전도를 책임지는 자유전자를 가지지 않고, 전기장을 가하였을 때 전기분극을 발생시키는 물질을 말한다. 대표적으로는, 정전기장을 가하였을 때 유전분극을 발생시키지만, 전류를 발생시키지 않는 물질을 말하고, 더욱이 정전기의 대전성이 있는 물질이다. 유전체로는 예를 들어, 물방울, 폴리머성 물질(예를 들어, 폴리스틸렌 비즈, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리아크릴아미드 겔) 및 글라스 비즈 등을 들 수 있다.
본 명세서에서 '수송'이란, 해당분야에서 통상 사용되는 것과 같은 의미를 가지고, 어느 표적물체를 이동시키는 것을 말한다.
본 명세서에서 '역학적 일'이란, '일'이라고도 하고, 물체가 움직이는 방향으로 그 성분을 가지는 힘이 물체에 가해져서 물체가 이동할 때 일어나는 에너지의 이동을 말한다. 물체가 이동하는 공정 전체에서의 힘의 1차적분과 같은 것이다.
본 명세서에서 '절연성 유체'란, 전기를 통과시키지 않는 유동성 물질을 말한다. 바람직하게는, 비휘발성이고, 도전성이 없으며, 상온상압하에서 유동성이 있는 액체 및 기체로서, 마이크로 크기의 유전체와의 비중이 ±50% 정도 이내인 것이 유리하게 사용된다. 예를 들어, 절연성 유체로는 미네랄 오일(광유), 유동 파라핀, 알칸, 실리콘 오일을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 절연성 유체는 용기에 넣어서 제공된다. 절연성 유체는 비전해질이어도 된다.
종래기술에서는, 마이크로 크기의 것과 같이 점성이 강한 상황에서 모터를 실현하는 것이 어려웠다. 본 발명에서 이번에는 그것을 실현하는데 성공하였다. 본 발명의 기술은 이와 같이 점성이 강함에도 불구하고 실현할 수 있다는 점에서도 특징이 있다. 또한, 당연하지만, 본 발명은 점성이 약하여도 실시할 수 있는 것을 알 수 있다.
본 명세서에서 '전기장'이란, 해당분야에서 통상 사용되는 의미로 사용되며, 하전체가 다른 하전체를 끌어당기거나 반발하는 원인이 되는 자연계의 기본적인 장을 말하고, 전계라고도 한다. 통상 복수개의 전극(양극 및 음극)에 의해 발생된다.
본 명세서에서 '일정 전기장'이란, 일정한 값의 전기장을 말한다. 예를 들어, 1V~1000V 범위의 것일 수 있는데, 이것으로 한정되지 않는다. 본 발명은 일정 전기장이라고 하여도 주기운동이나 회전운동 등의 역학운동을 추출시키는 점에서도 종래기술에 없는 이점을 제공할 수 있다.
본 발명에서 전기장은, 대표적으로는 양극과 음극으로 이루어지는 세트에 의해 발생된다. 전극은 바람직하게는 선단이 예리한 각뿔형·원뿔형 또는 각기둥형·원기둥형의 형상을 가지고, 도전성이 있는 재질을 가지는 것으로 실현될 수 있다. 전극은 텅스텐, 텅스텐 카바이드, 금, 백금, 은, 동, 철, 알루미늄 등의 도전성 물질을 들 수 있다. 예를 들어, 양극·음극의 적어도 2개의 전극의 세트에 의해 발생되며, 상기 적어도 2개의 전극의 세트의 방향은 적어도 2개가 서로 다른 방향이고, 상기 전기장 및 상기 전기장을 발생시키기 위한 전극의 공간적 배치를 제어함으로써 운동의 루트 또는 모드를 변경할 수 있다.
여기서, 제어는, 3차원 좌표 각각을 1㎛ 단위로 조작할 수 있는 마이크로 머니퓰레이터를 사용하여 각각의 좌표를 예를 들어 필요에 따라 손잡이 등의 수단으로 조작하여 전극을 원하는 위치로 움직이게 하거나, 손 또는 핀셋에 의한 조작에 의해 실현된다.
본 명세서에서 '마이크로 크기'란, 일반적으로는 수 nm~1000㎛ 정도의 범위이고, 경우에 따라, 서브마이크론(0.1㎛)~1000㎛ 범위가 마이크로 크기이며, 이 중에서도 특히 본 기술을 유효하게 이용할 수 있는 1㎛~100㎛ 범위일 수 있는데, 그것으로 한정되지 않는다. 여기서 수 nm이란, 적어도 1nm를 가리키고, 서브 nm~1nm 정도의 분자가 집합한 것의 크기이면 해당하는 것을 알 수 있으며, 대표적으로는 약 2~3nm 이상의 것을 가리키는데, 그것으로 한정되지 않는다. 하한으로는 서브 nm~1nm 정도의 분자가 집합한 수 nm의 유전체이면 실현할 수 있다는 것이다. 한편, 이론에 속박되는 것을 바라지는 않지만, 본 발명의 원리는 적어도 ㎛의 스케일, 즉 1000㎛까지의 범위에서 적용될 수 있다고 당업자에게 이해될 것이기 때문에, 상한으로서 적어도 1000㎛를 들 수 있다. 분명히, 그보다 큰 미리메터 스케일에서는 현상을 지배하는 방정식(원리)이 다를 수 있는데, 본 발명의 적용을 배제하는 것은 아니고, 1000㎛보다 큰 크기이어도 본 발명의 원리가 적용될 수 있는 한 본 발명이 실시될 수 있는 것을 알 수 있다.
본 명세서에서 '계면활성제'란, 친수기와 소수기를 한 분자 안에 함께 가지는 물질로, 소수성 유액 안에 물방울을 형성시킬 수 있는 것을 말한다. 이 경우, 계면활성제는 오일과 물의 계면에 존재하는 것이 통상이다. 계면활성제로는 예를 들어, 알킬 황산염류(예: 도데실황산나트륨(SDS)), 알킬트리메틸암모늄염류(예: 스테아릴트리메틸암모늄클로라이드(STAC), 도데실트리메틸암모늄클로라이드, 스테아릴트리메틸암모늄브로마이드(STAB)), 폴리옥시에틸렌알킬에테르류(예: 펜타에틸렌글리콜도데실에테르), 디아실포스파티딜콜린류(예: 디올레오일·포스파티딜콜린(DOPC), 디팔미토일·포스파티딜콜린(DPPC)), 디아실포스파티딜에탄올아민류(예: 디올레오일·포스파티딜에탄올아민(DOPE), 디팔미토일·포스파티딜에탄올아민(DPPE)), 디아실포스파티딜세린류(예: 디올레오일·포스파티딜세린(DOPS), 디팔미토일·포스파티딜세린(DPPS)), 디아실포스파티딜글리세롤(예: 디올레오일·포스파티딜글리세롤(DOPG), 디팔미토일·포스파티딜글리세롤(DPPG)), eggPC 등을 들 수 있는데, 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 사용할 수 있는 가능성이 있는 것은 이외에도 존재하며, 예를 들어, 디아실…류의 경우, 접미의 PC/PE/PS/PG는 자주 사용되는 것은 이 4가지인데, 접두의 DO/DP/DS/… 등은 아직도 여러개 들 수 있고, 이것들도 본 발명에서 사용할 수 있다.
본 명세서에서 '마이크로 터빈'이란, 마이크로 가공기술에 의해 만들 수 있는 예를 들어, 1㎛~100㎛ 크기의 물체이고, 회전축과 날개 부분이 있으며, 회전축 둘레를 날개가 회전할 수 있는 물체이다. 예를 들어, 마이크로 크기로 가공한 SiO2 레이어에 의한 물레방아(예를 들어, Proc. Natl Acad. Sci. USA 103, 13618-13623(2006년, Y. 히라츠카, M. 미야타, T. 타다, T.Q. 우에다 저) 안에서 이용되고 있는 것 등)를 들 수 있다. 마이크로 터빈을 이용하여 상기 유전체가 운동할 수 있는 공간에 배치하고, 상기 유전체의 운동에 의해 운동하는 마이크로 터빈으로부터 일을 추출할 수 있다. 여기서, 마이크로 터빈은 회전축과 날개 부분이 있으며, 날개가 회전할 수 있는 것인 것이 바람직하다.
일실시예에서는 본 발명에서 유전체가 복수개 존재하고, 상기 복수개의 유전체를 집단운동시킴으로써 모터의 작용을 시킬 수 있다.
(바람직한 실시예의 설명)
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재하는데, 본 발명은 이 바람직한 실시예들로 한정되지 않고, 본 명세서의 기재 전체에 근거하여 당업자가 적절히 변경할 수 있는 것을 알아야 한다.
(주기적인 운동 발생방법 및 그 응용)
하나의 국면에 있어서, 본 발명은 유전체를 수송하거나, 또는 역학적 일을 추출하는 방법으로서, A) 전기장을 발생시키는 2개의 전극을, 상기 2개의 전극의 중심축이 동일 직선상이 되지 않게 배치하고, 절연성 유체 안에서 상기 유전체에 전기장을 거는 공정을 포함하는 방법을 제공한다.
본 발명은 단지 액체방울을 운동시킨다는 문제뿐만 아니라, 매우 중요한 주기적인 운동을 실현하여 보였다는 것에 의의가 있으며, 종래기술(예를 들어, 비특허문헌 1)에 기재된 바와 같은 기술에서는 단순히 예상할 수 없었던, 2개의 전극의 중심축이 동일 직선상이 되지 않게 배치한다는 특징에 의해, 주기적인 운동을 달성할 수 있다는 점에서 현저성을 가진다고 하겠다. 또한, 본 발명과 같은 주기적인 운동을 이용함으로써, 일을 추출시킬 수 있는 것도 실증하였다.
따라서, 전극의 중심축이 동일 직선상에 실리는 대칭성이 좋은 형태에서는 주기적인 운동이 추출되지 않기 때문에, 전극의 중심축이 동일 직선상에 배치되지 않는 것, 바람직하게는 평행하지 않게 배치되는 것이 유리할 수 있다.
본 명세서에서 '2개의 전극의 중심축이 동일 직선상이 되지 않는다'란, 전기장을 발생시키는 2개의 전극의 배치에 대한 것으로, 그 전극들의 중심축이 하나의 직선상에 배치되지 않는 것을 의미한다. 여기서, '전극의 중심축'이란, 해당분야에서 통상 사용되는 의미로 사용되며, 상술한 예리한 전극 형상에 있어서, 길이가 가장 긴 방향으로 평행한 중심선을 말한다. 바람직하게는 중심축은 평행하지 않게 배치되는 것이 유리하다.
마이크로 크기의 유전체에 일정 전기장을 거는 것만으로, 유전체를 3차원적으로 자유롭게 수송할 수 있고, 또한 이에 의해 역학적인 일을 추출할 수 있는 것을 발견하였다(도 1). 본 발명에서 유전체란, 예를 들어 물방울, 폴리스틸렌 비즈, 글라스 비즈, … 등과 같은 임의의 유전물체인데, 마이크로 크기의 물체는 유전체이면 되고, 물질에도 형상에도 의존하지 않는 것이 판명되었다. 또한, 주위의 매질도 오일로 한정되지 않고, 절연성 유체이면 되는 것이 판명되었다. 마지막으로, 일반적으로 마이크로 크기는 낮은 레이놀즈수의 영역이기 때문에 기계적인 운동으로부터 일을 추출하기 어려운데, 이번 발명은 그것을 가능하게 하였다는 점에서 현저하다. 본 발명은 일정 전기장을 걸어 마이크로 크기의 유전체에 역학적인 운동을 발생시키는데 성공하였다.
따라서, 본 발명은 회전모터같은 운동을 제공하고, 교류전기장이 아닌데도 진동성·주기성이 있는 운동을 발생시키는 것을 달성하였다. 또한, 전류는 발생되지 않기 때문에 전류에 의한 운동이 아니며, 전기장의 강도, 전극의 공간적 배치에 의해 운동의 루트나 운동의 모드를 자유롭게 바꿀 수 있는 것을 달성하였다. 더욱이, 무접점·일정 전기장에서 모터같은 운동을 추출시키는 점이 중요하며, 비접촉으로 물체를 수송할 수 있는 것이 판명되었다는 점, 종래에는 불가능하였던 마이크로 모터 등의 응용이 가능하다는 점에서 우위이다.
종래기술에는 도 3에 나타내는 바와 같이, 전극을 동일 직선상에 배치하면 단순한 주기운동밖에 추출할 수 없었다(비특허문헌 1). 하지만, 본 발명에 개시된 바와 같이, 도 3의 가운데 도면이나 오른쪽 도면과 같이, 전극을 동일 직선상에 배치하지 않게 하면, 유전체에 실리는 힘 중, 하전체에 작용하는 힘(도 4의 (i) 참조) 및 유전적인 힘(도 4의 (ii) 참조) 모두를 이용하는 상태로 할 수 있기 때문에, 주기적인 운동을 추출할 수 있다. 이와 같은 상태로 할 수 있는지 여부에 관해서는, 종래기술에서는 예측할 수 없고, 교과서적인 수준에서는 자명하지 않아서, 신규의 기술이라고 할 수 있다. 또한, 본 발명은 비특허문헌 1에서의 1차원 운동과는 공간적으로는 본질적으로 전혀 다른 2차원 이상의 운동을 '전극을 동일 직선상에 배치하지 않는다'는 방법으로 실현하고 있는 점이 중요하다.
한편, 본 발명은 실시예에서 제시된 실시예로 한정되지 않는 것을 알아야 한다. 즉, 본 발명의 현상이 물리법칙 범위 안에 있는 것이며, 운동방정식이나 전자기학의 법칙과 같은 가장 근본적인 우주의 지배원리의 조합으로 당연히 설명할 수 있다. 즉, 본 명세서의 기재에 따르면, 물리법칙 등의 해당분야에서의 지식을 이용하여, 다른 실시예에 관해서도 본 발명에서 실증된 현상을 예측할 수 있으며, 설계변경할 수 있다는 점에 있다. 즉, 어떠한 조건을 어떻게 변경하면 예상하는 운동을 만들어 낼 수 있을까 등을 실험하지 않고 계산으로 구할 수 있다.
따라서, 이론적으로 설명이 된다는 것은 일종의 시뮬레이터를 개발하는 기반이 생겼다는 것이 된다.
본 발명에서 개시된 기술은, 그것을 응용할 때, 매우 유용한 방법론을 제공하는 것으로도 이어진다. 어느 현상의 이론적 뼈대를 만들었다는 것은 그 현상이 평범하다는 것을 증명하는 것이 아니다. 그전의 응용성을 나타내는 수단이 된다고 할 수 있다.
본 발명은 일반적인 물리이론 교과서에서는 예상할 수 없는 것이다. 왜냐하면, 일반교과서에서는 '하전체에 작용하는 힘'이라는 것을 일반적으로는 유전체에는 적용하지 않기 때문이다. 즉, 유전체에는 '유전체에 작용하는 힘'이라는 힘이 작용하는 것만으로 일반적으로는 다루어지고 있기 때문이다. 게다가, 일반적으로 알려져 있는 유전영동이라고 불리는 방법에서는, 이 유전체에 작용하는 힘을 '물·오일 등의 액체' 안에서 '주기전기장(비일정 전기장)'을 걸어서 이용하고 있다. 따라서, 본 발명에서 '하전체에 작용하는 힘과 유전체에 작용하는 힘의 융합' 및 '일정 전기장에서 주기적인 운동을 추출한다'라는 것은 일반 물리이론 교과서, 및 다른 논문 등에서는 간단히 예상할 수 있는 것이 아니라고 할 수 있다.
본 발명에서 발견된 이론 자체는 새로운 발견이며, 주기적인 운동이라는 현상을 발견하여, 이것을 수송 및 일의 추출이라는 본 발명의 완성을 가져오게 한 후, 본 발명에서 발견된 운동이 가능한가라는 것을 물리의 기본법칙을 이용하여 설명하는데 성공하였다는 점에서도 본 발명은 주목해야 할 것이다. 즉, 본 발명은 예시적으로 나타내어진 실시예뿐만 아니라, 본 발명에서 제시된 이론에 근거하여, 임의의 실시예를 설계하여 실시할 수 있다는 점에서도 주목할 만하다고 할 수 있다. 바꾸어 말하면, 종래의 교과서에 기재되어 있는 사항으로부터는 본 발명의 이론이 쉽게 도출되지 않고, 또한 그것을 이용하여 실험하면 그대로 되었다는 단순한 흐름도 아니라는 것에 주의해야 한다.
본 발명에서 사용되는 절연성 유체는 전기를 통과시키지 않고 유동성이 있는 물질이면 무엇이든 사용할 수 있고, 바람직하게는 비휘발성이고, 도전성이 없으며, 상온상압하에서 유동성이 있는 액체·기체이고, 마이크로 크기의 유전체와의 비중이 ±50% 정도 이내인 것이 유리하게 사용된다. 예를 들어, 절연성 유체로는 미네랄 오일(광유), 유동 파라핀, 알칸, 실리콘 오일을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 절연성 유체는 용기에 넣어서 제공된다. 그와 같은 용기는 이 절연성 유체에 적합하면 어떠한 것이든 사용할 수 있다.
종래기술에서는 마이크로 크기의 것과 같이 점성이 강한 상황에서 모터를 실현하기 어려웠다. 본 발명에서는 이번에 이를 실현하는데 성공하였다. 본 발명의 기술은 이와 같이 점성이 강함에도 불구하고 실현할 수 있다는 점에도 특징이 있다. 또한, 당연하지만, 본 발명은 점성이 약하여도 실시할 수 있는 것을 알아야 한다. 그리고 도 4의 물리모델과 시뮬레이션 결과의 기재에도 있듯이, 점성의 강도와 상관없는 것을 알아야 한다.
본 발명에서는 일정 전기장에서도 주기운동이나 회전운동 등의 역학운동을 추출할 수 있다는 점에서도 종래기술에 없는 이점을 제공할 수 있다.
일실시예에서 본 발명에서 사용되는 유전체는 마이크로 크기인 것이 바람직하다. 유전체의 크기는 대표적으로는 종횡높이 중 어느 하나를 측정하여도 되고, 시뮬레이션에 가장 적합한 부분의 크기를 채용할 수 있다. 일반적으로 마이크로 크기란, ㎛의 영역 또는 그보다 작은 범위를 말하고, 일반적으로는 수nm~1000㎛ 정도의 범위이며, 경우에 따라 서브 마이크론(0.1㎛)~1000㎛의 범위이며, 그 중에서도 특히 본 기술을 유효하게 이용할 수 있는 1㎛~100㎛ 범위일 수 있는데, 그것으로 한정되지 않는다. 일실시예에서는 1㎛~100㎛ 범위의 것이며, 다른 실시예에서는 5㎛~50㎛, 10㎛~100㎛, 1㎛~10㎛ 등일 수 있는데, 이것들로 한정되지 않는다. 이 중에서도 특히 본 기술에 유효하게 이용할 수 있는 1㎛~100㎛ 범위일 수 있는데, 이것으로 한정되지 않는다. 여기서, 수 nm란, 적어도 1nm을 가리키고, 서브nm~1nm 정도의 분자가 집합한 것의 크기이면 해당하는 것을 알아야 하며, 대표적으로는 약 2~3nm 이상의 것을 가리키는데, 그것으로 한정되지 않는다. 하한으로는 서브 nm~1nm 정도의 분자가 집합한 수 nm의 유전체이면 실현할 수 있다고 하겠다. 한편, 이론에 속박되는 것을 바라지는 않지만, 본 발명의 원리는 적어도 ㎛의 스케일 즉, 1000㎛까지의 범위에서 적용될 수 있다고 당업자에게 이해될 것이기 때문에, 상한으로서 적어도 1000㎛를 들 수 있다. 분명히, 그보다 큰 미리메터 스케일에서는 현상을 지배하는 방정식(원리)이 다를 수 있는데, 본 발명의 적용을 배제하는 것이 아니고, 1000㎛보다 큰 크기이어도, 본 발명의 원리가 적용될 수 있는 한 본 발명이 실시될 수 있는 것을 알아야 한다.
다른 실시예에서, 본 발명에서 사용되는 유전체는 정전기장을 가하였을 때 유전분극을 발생시키지만, 전류를 발생시키지 않는 물질을 말하며, 더욱이 정전기의 대전성이 있는 물질이면 임의의 것을 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 유전체로는 예를 들어, 물방울, 폴리머성 물질(폴리스틸렌 비즈, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리아크릴아미드 겔, 그 밖의 플라스틱류 등), 글라스 비즈 등을 들 수 있다.
일실시예인 물방울을 사용하는 경우, 바람직하게는 물방울은 계면활성제를 이용하여 생성된다. 계면활성제로는 친수기와 소수기를 한 분자 안에 함께 가지는 물질로, 소수성 유액 안에 물방울을 형성시킬 수 있는 것이면, 그 목적에 따라 어떠한 것을 이용하여도 된다. 이 경우, 계면활성제는 오일과 물의 계면에 존재하게 된다. 본 발명에서 사용될 수 있는 계면활성제로는, 알킬황산염류(예: 도데실황산나트륨(SDS)), 알킬트리메틸암모늄염류(예: 스테아릴트리메틸암모늄클로라이드(STAC), 도데실트리메틸암모늄클로라이드, 스테아릴트리메틸암모늄브로마이드(STAB)), 폴리옥시에틸렌알킬에테르류(예: 펜타에틸렌글리콜도데실에테르), 디아실포스파티딜콜린류(예: 디올레오일·포스파티딜콜린(DOPC), 디팔미토일·포스파티딜콜린(DPPC)), 디아실포스파티딜에탄올아민류(예: 디올레오일·포스파티딜에탄올아민(DOPE), 디팔미토일·포스파티딜에탄올아민(DPPE)), 디아실포스파티딜세린류(예: 디올레오일·포스파티딜세린(DOPS), 디팔미토일·포스파티딜세린(DPPS)), 디아실포스파티딜글리세롤(예: 디올레오일·포스파티딜글리세롤(DOPG), 디팔미토일·포스파티딜글리세롤(DPPG)), eggPC 등을 들 수 있다.
바람직한 실시예에서 본 발명에서 사용되는 절연성 유체는, 비휘발성이고, 도전성이 없으며, 유동성이 있는 물질이다. 절연성 유체가 비휘발성인 것이 바람직한 것은, 유전체의 장기 수송·이동에 적절하기 때문이며, 증발에 의한 액체의 대류(對流)에서 유전체의 수송·이동을 저해하지 않는데 적절하기 때문이다. 바람직하게는, 상온·상압에서 1일당 체적의 0.1% 이하의 휘발성밖에 보이지 않는 정도의 비휘발성이 유리하다. 본 발명에서 절연성 유체에 도전성이 없는 것이 바람직한 것은, 유전체에 작용하는 전기장의 강도가 확보될 수 있기 때문이며, 유전체에 대한 전하의 대전을 효율적이게 하기 때문이다.
또한, 본 발명의 절연성 유체의 비중은 본 발명에서 사용되는 유전체와의 비중이 ±50% 이내의 것인 것이 바람직하다. 유전체의 수송, 이동에 있어서, 비중이 극단적으로 다르면 부드러운 수송, 이동을 할 수 없기 때문이다.
본 발명에서 사용될 수 있는 절연성 유체란, 미네랄 오일(광유), 유동 파라핀, 알칸, 실리콘 오일 등을 들 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에서 이용되는 전기장은 일정 전기장이다. 본 발명은 일정 전기장에서도 마찬가지로 이용할 수 있으며, 수송 및 일의 추출 등의 주기운동, 회전운동 등의 동역학운동을 할 수 있다는 점에서 현저하다.
바람직한 실시예에서는, 본 발명에서 사용되는 전기장은 1V~1000V 범위의 것이며, 바람직하게는 5V~50V, 50V~500V, 혹은 10V~100V인데, 사용하는 유전체나 전극의 배치에 의존하여 적절한 사용범위가 다르다는 것을 알아야 할 것이다.
일실시예에서는, 본 발명에서 사용되는 전기장을 구성하는 양극과 음극은, 그들의 중심축이 동일 직선상이 되지 않게 배치되는 것이 유리하다. 이는 도 1a를 참조하여 설명할 수 있다. 즉, 예를 들어, 기준으로는 각각의 전극의 중심축의 어긋남(D)이 전극직경(R) 이상이며, 전극의 선단 사이의 폭(L)의 5배 정도 이내일 때 보다 유리하게 주기적인 운동을 추출할 수 있다. 즉, 도 1a에서 R＜D＜5L의 조건이 성립될 때 유리하게 추출시킨다. 또한, 도 1b와 같이 중심축이 평행하게 되어 있지 않은 경우, 오히려 주기적인 운동을 추출하기 쉽고, 0＜D＜5L과 같이 하한의 조건을 완화하는 것이 가능하다. 어떻든간에, 이 조건들로 한정되지 않고, 전극형상·인가전압 등에 의해 그 범위를 넓힐 수 있다.
다른 실시예에서는, 본 발명에서 이용되는 전극은 선단이 예리한 각뿔형·원뿔형 또는 각기둥형·원기둥형의 형상을 가지고, 도전성이 있는 재질로 구성된다. 각뿔형·원뿔형의 경우, 선단의 각도가 45° 정도 이하의 예리함, 각기둥형·원기둥형의 경우에는, 선단의 직경이 100㎛ 이하의 가늘기가 유리하다.
일실시예에서는, 본 발명에서 이용되는 전극은 텅스텐, 텅스텐 카바이드, 금, 백금, 은, 동, 철, 알루미늄, 스테인레스 등의 도전성 물질로 구성된다.
하나의 바람직한 실시예에서는, 본 발명의 전기장은 양극·음극의 적어도 2개의 전극의 세트에 의해 발생되고, 상기 적어도 2개의 전극의 세트의 방향은 적어도 2개가 서로 다른 방향이며, (예를 들어, 서로 다른 2방향으로 배치된 세트의 전극에서의 운동을 제어함으로써) 상기 전기장 및 상기 전기장을 발생하기 위한 전극의 공간적 배치를 제어함으로써, 운동의 루트 또는 모드를 변경할 수 있다. 이와 같은 루트·모드의 변경에는 아래의 이론을 응용할 수 있다.
[수 2]
Figure 112011071738406-pct00002
여기서,
[수 3]
Figure 112011071738406-pct00003
는 유전체의 위치 벡터를 나타내고,
[수 4]
Figure 112011071738406-pct00004
이다(x1, x2, x3은 각 좌표의 값).
q는 유전체에 대전하고 있는 전하량을 나타내고,
[수 5]
Figure 112011071738406-pct00005
는 전기장 벡터를 나타내며,
α는 전기감수율을 나타내고, 전기장에 의한 유전체의 분극의 정도를 나타내고 있다.
[수 6]
Figure 112011071738406-pct00006
은 위치에 의한 편미분을 하는 연산자를 나타내고,
[수 7]
Figure 112011071738406-pct00007
이다. 여기서,
[수 8]
Figure 112011071738406-pct00008
은
[수 9]
Figure 112011071738406-pct00009
에 의한 편미분을 나타낸다.
E는 전기장의 값을 나타내고,
전기장 벡터
[수 10]
Figure 112011071738406-pct00010
의 절대값과 같은 의미이다.
t는 시간을 나타낸다.
k는 유전체가 유체로부터 받는 점성 저항을 나타낸다.
여기서, 하전체에 작용하는 힘, 및 대전한 유전체가 전극과 서로 당기는 또는 반발하는 힘은 오른쪽 변의 제1항 (i)이다.
[수 11]
Figure 112011071738406-pct00011
로 나타내어진다.
그리고, 유전체에 작용하는 힘의 방향은, 전기력선의 밀도가 낮은 쪽으로부터 높은 쪽이며, 따라서 유전체는 전기력선의 밀도가 높은 방향으로 끌려간다. 이는 오른쪽 변의 제2항(ii)이다.
[수 12]
Figure 112011071738406-pct00012
로 나타내어진다. 전극과 유전체가 접촉하면, 유전체에는 전하가 충전된다. 유전체가 전극으로부터 떨어진 직후에는 유전체가 대전하고 있기 때문에, 유전체는 하전체에 작용하는 힘을 받아서, 상기 수 11의 항이 지배적이 된다. 하지만, 유전체가 전극으로부터 떨어진 후, 서서히 전하가 새어 대전하고 있는 전하량이 감소하면, 유전체는 하전체에 작용하는 힘을 받기 어려워지고, 상기 수 12의 항으로 나타내어지는 힘의 영향이 지배적이 된다.
(i) 및 (ii)의 힘의 방향이 서로 다르기 때문에, 그 균형에 의해 운동방향을 결정할 수 있다. 즉, 균형에 의해 회전운동을 발생시킬 수 있다.
구체적으로, 파라메터를 결정하여 계산한 결과를 아래에 나타낸다. 아래에 나타내는 바와 같이, 본 발명은 상기 운동방정식을 이용하여 시뮬레이션을 할 수 있는 것을 알아야 한다.
운동방정식과 전하의 충전·방전에 관한 방정식은 각각 아래와 같이 나타내어진다.
[수 13]
Figure 112011071738406-pct00013
이다. 다루기 쉽게 하기 위하여,
[수 14]
Figure 112011071738406-pct00014
의 정의에 따라 규격화하면, 운동방정식과 전하의 충전·방전에 관한 방정식은 아래와 같이 정리된다.
[수 15]
Figure 112011071738406-pct00015
여기서,
[수 16]
Figure 112011071738406-pct00016
로 하고, 전극의 중심축에 평행한 방향의 어긋남(I)과 수직한 방향(d)과, 액체방울의 반경(r0)의 규격화한 값을
[수 17]
Figure 112011071738406-pct00017
로 한 경우를 고려하여, 미분방정식의 수치적분법 Runge-Kutta법을 이용하여 C언어로 프로그램을 작성하면, 도 5에 도시하는 바와 같은 시뮬레이션 결과를 나타낼 수 있다.
여기서는, (1) 전극의 양극으로부터 유전체에 플러스 전하를 충전하고, (2) 정전기적인 반발력으로 양극과 플러스로 대전한 유전체가 반발하여, 전극으로부터 떨어진 상태가 되고, 플러스 전하가 서서히 샌다. (3) 그 후, 유전적인 인력이 작용하여, 전극의 음극에 끌려서 접촉, (4) 전극의 음극으로부터 유전체에 마이너스 전하가 충전되고, (5) 정전기적인 반발력이 음극과 마이너스로 대전한 유전체의 사이에서 발생하여, 전극으로부터 떨어진 상태가 되고, 마이너스 전하가 서서히 샌다. 이에 의해, 전극이 동일 직선상에 없는 경우에는, 유전체의 회전운동을 발생시키게 된다.
일실시예에서는, 본 발명에서의 운동제어는, 예를 들어, 3차원 좌표 각각을 1㎛ 단위로 조작가능한 마이크로 머니퓰레이터를 이용하여 각각의 좌료를 예를 들어, 손잡이 등의 수단으로 조작하여 전극을 원하는 위치로 움직이거나, 손 혹은 핀셋에 의한 조작으로 실현될 수 있다. 자동으로도 수동으로도 실현할 수 있다. 여기서 사용되는 머니퓰레이터는 상기 크기로 한정되지 않는다.
일실시예에서는 본 발명에서 사용되는 유전체를 상기 전극의 공간적 제어 및 인가전압의 강도의 제어에 의해 간접적으로 제어함으로써 상기 유전체를 수송할 수 있다. 구체적으로는 아래와 같이 하여 실시한다. 양극과 음극을 중심축과 평행한 방향으로 50㎛~100㎛ 정도, 중심축과 수직한 방향으로 50㎛~100㎛ 정도 떨어뜨려서 설치하고, 전극 사이에 유전체를 배치한다. 이 상태에서 100V 정도의 전압을 인가하면 자연과 유전체가 주기적인 운동을 시작한다.
하나의 특정 실시예에서는, 본 발명에서는 마이크로 터빈을 이용할 수 있다. 여기서, 마이크로 터빈이란, 마이크로 가공기술에 의해 만들 수 있는 마이크로 크기(대표적으로는 수 nm~1000㎛), 예를 들어, 1㎛~100㎛ 크기의 물체로서, 회전축과 날개 부분이 있으며, 날개가 회전할 수 있는 물체이다. 예를 들어, 마이크로 크기로 가공한 SiO2 레이어에 의한 물레방아(예를 들어, Proc. Natl Acad. Sci. USA 103, 13618-13623(2006년, Y. 히라츠카, M. 미야타, T. 타다, T.Q. 우에다 저) 안에서 이용되는 것 등)를 들 수 있다. 바람직한 실시예에서는, 본 발명에서는 마이크로 터빈을 상기 유전체가 운동할 수 있는 공간에 배치하고, 상기 유전체의 운동에 의해 운동하는 마이크로 터빈으로부터 일을 추출할 수 있다.
일실시예에서는 본 발명에서 사용되는 유전체가 복수개 존재하고, 상기 복수개의 유전체를 집단운동시킴으로써 모터의 작용을 시킬 수 있다. 이와 같은 예로서 도 7을 들 수 있는데, 그것들로 한정되지 않는다.
이 경우, 하나의 유전체를 이용한 경우와 비교하여, 보다 많은 일을 추출할 수 있다. 예를 들어, 복수개의 유전체가 집단적으로 주기적인 운동을 하는 중심에 상술한 마이크로 터빈을 배치함으로써 일을 추출할 수 있다.
여러가지 실시예에서, 본 발명은 이외에도 폴리머의 역학적 조절, 약제의 액체방울 수송, 화학반응, 약제조합, 바이오 시료의 비접촉수송, 마이크로 유로 등에서 사용할 수 있다. 여기서, 크기는 대표적으로는 마이크로 크기(예를 들어, 수 nm~1000㎛)를 사용할 수 있다.
예를 들어, 본 발명은 폴리머의 역학적 조절에서 이용할 수 있다(도 7). DNA 등의 폴리머의 양끝을 각각 별개의 폴리머 비즈에 결합시키는 방법은 확립되어 있기 때문에, 이 방법을 이용하여 본 발명을 응용할 수 있다. 그리고, 본 발명의 성과를 이용하면, 폴리머의 양끝에 붙은 폴리머 비즈를 자유롭게 조절할 수 있기 때문에, 결과적으로 폴리머를 역학적으로 조절할 수 있다.
일실시예에서는, 본 발명은 약제의 액체방울 수송에 사용할 수 있다(도 8). 본 발명에서 실증되듯이, 본 발명에서는 물방울을 이용할 수 있으며, 그와 같은 물방울을 제조하는 것은 해당분야에서 주지이기 때문에, 이 물방울 안에 약제를 넣어두면 쉽게 수송이 가능하다는 것을 알 수 있다. 본 발명은 모터, 전환요소 또는 가변구동장치로서 사용되며, 약물학, 화학 및 바이오 테크놀로지와 같은 각 기술분야에 응용가능한 초소형 배량장치, 펌프 및 밸브 등에 조립할 수 있다. 본 발명에서와 같이, 특히 현저한 소형화가 실시되는 경우, 모터의 시동에 필요한 시간을 마이크로초 범위의 시간으로 단축할 수 있게 된다.
일실시예에서는, 본 발명은 화학반응에서 응용할 수 있다(도 8). 본 발명의 실시예에서 실증된 바와 같이, 액체방울을 수송할 수 있고, 또한 액체방울 수송을 제어할 수 있기 때문에, 수송하고 있는 액체방울을 충돌시켜서 융합시킴으로써, 액체방울 안에서 화학반응을 개시할 수 있는 것을 알 수 있다.
일실시예에서는, 본 발명은 약제조합에 응용할 수 있다(도 8). 약제의 조합은 실질적으로는 화학반응과 같기 때문에, 본 발명의 실시예에서 실증된 바와 같이, 수송하고 있는 액체방울을 충돌시켜서 융합시킴으로써, 혼합 등을 실시할 수 있다. 예를 들어, 반응을 시작하기 전에는 섞고 싶지 않은 것을 별도의 액체방울로 준비하여 두고, 섞고 싶은 장소에서 섞을 수 있다. 본 발명은 이와 같이 각각의 요구에 맞춘(customized) 조합을 마이크로 크기의 미소 공간에서 실시할 수 있다는 점에서 현저하다.
일실시예에서는, 본 발명은 세포, 조직, DNA, 단백질, 지질, 및 그것들의 복합체 등의 바이오 시료의 비접촉수송에 응용할 수 있다(도 8). 세포 및 생체고분자도 일종의 유전체이기 때문에, 본 발명에서 실증된 바와 같이, 본 발명의 기술을 적용할 수 있는 것을 알 수 있다.
더욱이 다른 실시예에서는, 본 발명은 마이크로 유로와의 조합에서 이용할 수 있다. 마이크로 유로는 마이크로 터빈과 마찬가지의 양식에서 설계할 수 있다(도 9). 따라서, 마이크로 유로의 크기도 마이크로 크기이면 어떠한 것이어도 되는 것을 알 수 있다. 이에 의해, 보다 큰 회전운동을 추출할 수 있다. 이와 같은 것의 설계도 상기에서 설명한 운동방정식을 이용함으로써 설계할 수 있다. 따라서, 이와 같은 마이크로 유로도 마이크로 기술의 일환이라고 할 수 있다.
본 발명을 반도체 기술과의 조합에서 이용하는 경우, 전기장을 반도체 소자, 회로기판을 이용하여 조절함으로써 이용할 수 있다. 단, 이 경우, 운동을 직접 제어하는 것이 아니라, 간접적으로 제어한다는 의미에서 유용하다.
(수송장치 및 일 추출장치)
다른 국면에서, 본 발명은 유전체를 수송하는 장치로서, A) 상기 유전체를 받아들이기 위한 절연성 유체; 및 B) 상기 절연성 유체 안에 존재하는 2개의 전극을 포함하는 전기장을 거는 수단으로서, 상기 2개의 전극의 중심축이 동일 직선상이 되지 않게 배치되는 수단을 구비하는 장치를 제공한다.
본 발명에서 이용되는 전기장을 거는 수단은, 절연성 유체 안에 전극을 배치하고, 전압을 거는 장치이면 어떤 것이어도 되고, 예를 들어, 텅스텐제 프로브 니들(Probe needle) 사이 또는 금의 세선 사이에 시판되는 정전압전원을 이용하여 전압을 100V 정도 인가하면 된다.
다른 국면에서, 본 발명은 역학적 일을 추출하는 장치로서, A) 절연성 유체; B) 상기 절연성 유체 안에 배치된 유전체; C) 상기 절연성 유체 안에 존재하는 2개의 전극을 포함하는 전기장을 거는 수단으로서, 상기 2개의 전극의 중심축이 동일 직선상이 되지 않게 배치되는 수단; 및 D) 상기 유전체로부터 역학적 일을 추출하는 수단을 구비하는 장치를 제공한다.
이와 같은 유전체로부터 역학적 일을 추출하는 수단 혹은 유전체의 운동을 일로 변환하는 수단으로는, 1㎛~수천㎛ 정도 크기의 프로펠러 형상의 물질을 물레방아와 같이 회전시켜서 터빈으로 하여 일을 추출하거나, 유전체에 자화된 물질을 부착시킴으로써 간접적으로 자기장을 제어하고, 근방에 터빈을 배치함으로써 일을 추출하는 것 등을 생각할 수 있다.
본 발명은 단지 액체방울을 운동시켰다는 문제뿐만 아니라, 매우 중요한 주기적인 운동을 실현하여 보였다는 것에 의의가 있으며, 종래기술(예를 들어, 비특허문헌 1)에 기재된 바와 같은 기술에서는 단순히 예상할 수 없었던, 2개의 전극의 중심축이 동일 직선상이 되지 않게 배치한다는 특징에 의해, 주기적인 운동을 달성할 수 있다는 점에서 현저성을 가진다고 하겠다. 또한, 본 발명과 같은 주기적인 운동을 이용함으로써 일을 추출시킬 수 있는 것도 실증하였다. 여기서, 주기적인 운동을 이용함으로써 일을 추출할 수 있는 점에 대해서는 해당분야에서 주지의 지식을 이용할 수 있으며, 예를 들어, Proc. Natl Acad. Sci. USA 103, 13618-13623(2006년, Y. 히라츠카, M. 미야타, T. 타다, T.Q. 우에다 저)에서는, 대장균에 주기적인 운동을 시키고, 그 안에 마이크로 터빈을 배치하여 일을 추출하고 있다. 이와 같은 방식으로, 본 기술의 주기적인 운동으로부터 일을 추출할 수 있다.
여러 실시예에 있어서, 본 발명의 장치에서 '2개의 전극의 중심축이 동일 직선상이 되지 않는다', '유전체', '절연성 유체', '전극' 등의 점에 대해서는 (주기적인 운동 발생방법 및 그 응용)에 기재된 사항을 참착하여 응용할 수 있다.
일실시예에 있어서, 본 발명의 장치에서 상기유전체는 마이크로 크기인 것이 바람직하고, 마이크로 크기(즉, 수 nm~1000㎛ 정도의 범위)에 대해서는 (주기적인 운동 발생방법 및 그 응용)에 기재된 사항을 참착하여 응용할 수 있다. 바람직하게는, 절연성 유체는 용기에 넣어서 제공된다. 이와 같은 용기는 이 절연성 유체에 적합하면 무엇이든 사용할 수 있다. 따라서, 용기가 사용되는 경우, 용기도 또한 장치의 일부를 구성한다. 용기가 사용되는 경우에는 유전체가 수용가능한 것 뿐만 아니라, 전극 또는 전기장을 발생시키는 수단을 수용할 수 있어도 된다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명의 장치에서 이용되는 유전체는, 정전기장을 가하였을 때 유전분극을 발생시키지만 전류를 발생시키지 않는 물질을 말하고, 더욱이 정전기의 대전성이 있는 물질이며, 이러한 점에 대하여 (주기적인 운동 발생방법 및 그 응용)에 기재된 사항을 참착하여 응용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 이용되는 물방울은 계면활성제를 이용하여 생성된다. 계면활성제 등의 점에 대하여 (주기적인 운동 발생방법 및 그 응용)에 기재된 사항을 참착하여 응용할 수 있다.
바람직한 실시예에서는, 본 발명의 장치에서 사용되는 절연성 유체는 비휘발성이고, 도전성이 없으며, 상온상압하에서 유동성이 있는 물질이다. 절연성 유체가 비휘발성인 것이 바람직한 것은, 유전체의 장기 수송·이동에 적절하기 때문이며, 증발에 의한 액체의 대류에서 유전체의 수송·이동을 저해하지 않는데 적절하기 때문이다. 바람직하게는 상온·상압에서 1일당 체적의 0.1% 이하의 휘발성밖에 보이지 않을 정도의 비휘발성이 유리하다. 본 발명에서 절연성 유체에 도전성이 낮은 것이 바람직한 것은, 유전체에 작용하는 힘의 강도가 확보될 수 있기 때문이며, 유전체에 대한 전하의 대전을 효율적이게 하기 때문이다. 또한, 본 발명의 절연성 유체의 비중은 본 발명에서 사용되는 유전체와의 비중이 ±50% 이내의 것인 것이 바람직하다. 이러한 점들에 대하여, 그리고 이용될 수 있는 절연성 유체에 대하여 (주기적인 운동 발생방법 및 그 응용)에 기재된 사항을 참착하여 응용할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에서 이용되는 전기장은 일정 전기장이다. 본 발명은 일정 전기장에서도 마찬가지로 이용할 수 있고, 수송 및 일의 추출 등의 주기운동, 회전운동 등의 동역학운동을 할 수 있다는 점에서 현저하다.
본 발명에서 사용되는 일정 전기장을 발생시킬 수 있는 수단으로는, 예를 들어, 텅스텐제 프로브 니들 사이 또는 금의 세선 사이에 시판되는 정전압전원을 이용하여 전압을 100V 정도 인가하는 방법 등을 들 수 있다. 이 점에 대해서도 (주기적인 운동 발생방법 및 그 응용)에 기재된 사항을 참착하여 응용할 수 있다.
본 발명의 장치에서 이용되는 전기장은 1V~1000V 범위의 것이며, 바람직하게는 5V~50V, 50V~500V, 혹은 10V~100V인데, 사용하는 유전체나 전극의 배치에 의존하여 적절한 사용범위가 다른 것을 알 수 있다. 이러한 점에 대하여 (주기적인 운동 발생방법 및 그 응용)에 기재된 사항을 참착하여 응용할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에서 이용되는 전기장을 발생시키는 양극 및 음극은, 그들의 중심축이 동일 직선상이 되지 않도록 비대칭으로 배치된다. 이러한 점에 대하여 (주기적인 운동 발생방법 및 그 응용)에 기재된 사항을 참착하여 응용할 수 있다.
바람직한 실시예에서는, 본 발명에서 이용되는 전극은 선단이 예리한 각뿔형·원뿔형 또는 각기둥형·원기둥형의 형상을 가지고, 도전성이 있는 재질을 가진다. 이러한 점 및 구체적인 재질 등에 대해서는 (주기적인 운동 발생방법 및 그 응용)에 기재된 사항을 참착하여 응용할 수 있다.
일실시예에서는, 본 발명의 장치에서 이용되는 전기장을 거는 수단은 양극·음극의 적어도 2개의 전극의 세트이며, 상기 적어도 2개의 전극의 세트의 방향은 적어도 2개가 서로 다른 방향으로 배치된다. 이러한 점 및 구체적인 재질 등에 대해서는 (주기적인 운동 발생방법 및 그 응용)에 기재된 사항을 참착하여 응용할 수 있다.
일실시예에서는, 본 발명의 장치에서 대상이 되는 유전체를 양극과 음극을 중심축과 평행한 방향으로 50㎛~100㎛ 정도, 중심축과 수직한 방향으로 50㎛~100㎛ 정도 떨어뜨려서 설치한 사이에 배치하고, 이 상태에서 100V 정도의 전압을 인가하고, 전극 사이의 거리나 인가전압을 제어함으로써 상기 유전체를 수송하기 위한 수단을 더욱 구비한다. 이러한 점 및 구체적인 재질 등에 대해서는 (주기적인 운동 발생방법 및 그 응용)에 기재된 사항을 참착하여 응용할 수 있다.
다른 실시예에서는, 본 발명의 장치에서 3차원 좌표 각각을 1㎛ 단위로 조작할 수 있는 마이크로 머니퓰레이터를 더욱 구비하고, 상기 마이크로 머니퓰레이터는 각각의 좌표를 조작하여 전극을 원하는 위치로 움직이는 것이며, 혹은 핀셋을 더욱 구비한다. 여기서, 좌표 조작은 손잡이 등에 의해 실현할 수 있다. 이러한 점 및 구체적인 재질 등에 대해서는 (주기적인 운동 발생방법 및 그 응용)에 기재된 사항을 참착하여 응용할 수 있다.
하나의 바람직한 실시예에서는, 본 발명의 장치는 더욱이 마이크로 터빈을 구비한다. 마이크로 크기로 가공한 SiO2 레이어에 의한 물레방아의 예로서, Proc. Natl Acad. Sci. USA 103, 13618-13623(2006년, Y. 히라츠카, M. 미야타, T. 타다, T.Q. 우에다 저) 안에서 이용되는 것 등을 들 수 있다. 이러한 점 및 구체적인 재질 등에 대해서는 (주기적인 운동 발생방법 및 그 응용)에 기재된 사항을 참착하여 응용할 수 있다.
다른 실시예에서는, 본 발명의 장치에서 유전체가 복수개 존재하고, 상기 복수개의 유전체를 집단운동시킴으로써 모터의 작용을 시킬 수 있다. 이러한 점 및 구체적인 재질 등에 대해서는 (주기적인 운동 발생방법 및 그 응용)에 기재된 사항을 참착하여 응용할 수 있다.
여러가지 실시예에 있어서, 본 발명의 장치는 아래의 응용을 할 수 있다: 폴리머의 역학적 조절, 약제의 액체방울 수송, 화학반응, 약제조합, 바이오 시료의 비접촉수송, 마이크로 유로. 이러한 점 및 구체적인 재질 등에 대해서는 (주기적인 운동 발생방법 및 그 응용)에 기재된 사항을 참착하여 응용할 수 있다.
본 발명에서 인용된 과학문헌, 특허, 특허출원 등의 참고문헌은, 그들 전체가 각각 구체적으로 기재된 것과 같은 정도로 본 명세서에서 참고로 원용된다.
이상, 본 발명의 이해를 쉽게 하기 위하여 바람직한 실시예를 나타내어 설명하였다. 이하, 실시예에 근거하여 본 발명을 설명하는데, 상술한 설명 및 아래의 실시예는 예시의 목적으로만 제공되며, 본 발명을 한정하는 목적으로 제공되는 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 본 명세서에 구체적으로 기재된 실시형태나 실시예로도 한정되지 않고, 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
실시예
이하, 실시예에 따라 본 발명을 더욱 상세히 설명하는데, 이 실시예 등에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 이하에서 사용한 시약류는 특별히 언급한 경우를 제외하고 시판되는 것을 사용하였다.
(실험개략)
도 1c는 실험설정의 개략도를 나타낸다. 물방울을 슬라이드 글라스 위의 미네랄 오일(광유) 안에 현탁하고, 원뿔형 텅스텐 전극을 이용함으로써 일정 전압을 액체방울에 인가하였다(도 1c의 (a)). 이들 전극을 같은 높이에 배치하였는데(도 1c의 (a)), 비(菲)동축으로 배치하였다(도 1c의 (b)). 액체방울의 운동을 광학현미경(일본, keyence사 제품, VH-Z75)을 이용하여 관찰하였다.
(실시예 1)
본 실시예에서는, 양극 및 음극을 이용하고, 그것에 절연성 유체로서 오일 및 유전체로서 물방울을 이용하여, 회전운동이 일어나는지 여부를 실증하였다. 그 재료 및 방법은 아래와 같다.
(재료 및 방법)
(도 2에 대하여)
양극: 텅스텐제 (NPS 가부시키가이샤 제품)
음극: 텅스텐제 (NPS 가부시키가이샤 제품)
오일: 미네랄 오일 (NACALAI TESQUE 제품)
물방울: 인지질 DOPC (와코쥰코사 제품)에 의해 조제
전극의 배치: 양극과 음극을 중심축과 평행·수직 각각의 방향으로 50㎛ 씩 떨어뜨려서 설치
전극을 거는 방법: 정전압으로서 100V
(도 3에 대하여)
양극: 텅스텐 카바이드제 (NPS 가부시키가이샤 제품)
음극: 텅스텐 카바이드제 (NPS 가부시키가이샤 제품)
오일: 미네랄 오일 (NACALAI TESQUE 제품)
물방울: 인지질 DOPC (와코쥰코사 제품)에 의해 조제
전극의 배치(왼쪽): 중심축과 평행한 방향으로 120㎛·수직한 방향으로 0㎛
전극의 배치(가운데): 중심축과 평행한 방향으로 120㎛·수직한 방향으로 40㎛
전극의 배치(오른쪽): 중심축과 평행한 방향으로 120㎛·수직한 방향으로 120㎛
전극을 거는 방법: 좌우 중앙 모두 120V
(실험)
(액체방울의 제작 <도 2 및 도 3 공통>)
볼텍스 믹서(vortex mixer)를 이용함으로써, w/o 액체방울을 생성하였다. 계면활성제를 포함하는 광유를 준비하였다. 10㎛의 계면활성제(DOPC, 디올레오일· 포스파티딜콜린)(일본, 와코쥰코사 제품)를 50℃로 유지하면서, 90분간 음파를 걸어서 광유(일본, NACALAI TESQUE 제품) 안에 녹였다. 2㎕의 초순수(일본 밀리포어사 제품)를 준비한 200㎕의 광유에 더하고, 그 후 3초간 볼텍스 믹서로 섞었다. 보다 상세하게는 아래의 순서를 이용하였다.
1.5ml 이상 들어가는 듀람관(Durham tube)(마루엠사 제품) 또는 마이크로 튜브(어시스트사 제품)를 준비.
클로로포름(NACALAI TESQUE 제품) 대 메탄올(NACALAI TESQUE 제품)을 체적비 2:1로 혼합한 유기용제를 용매로 하여, 계면활성제 DOPC를 1mM가 되도록 녹인 용액을 준비하고, 상기 용기에 10㎕ 주입.
주입한 용액에 질소가스를 불어넣고, 유기용제가 완전히 없어질 때까지 건조시키면, 용기 바닥면에 DOPC 박막이 생긴다.
이것에 1000㎕의 미네랄 오일(NACALAI TESQUE 제품)을 주입.
초음파 발생장치부착 항온조(소니케이터; sonicator)(SND사 제품 US-1KS형)를 사용하여 상기 용액을 50℃로 유지하면서, 용액에 초음파를 걸어서(90분간) DOPC를 미네랄 오일에 잘 녹인다.
여기서 제작된 용액은 12시간 이내에 사용하는 것이 바람직하다.
이 용액을 200㎕ 꺼내어 다른 용기에 옮기고, 밀리Q(Milli-Q)수 1.75㎕를 더하였다.
이 용액을 볼텍스를 이용하여 교반하면, 용액에는 직경 1㎛~100㎛의 다양한 크기의 구형 작은 방울(droplet)이 혼재하여 생성된다.
DOPC 이외의 계면활성제를 이용한 경우에도 조작은 같은데, 농도는 물질에 의존하여 다른 경우가 있다.
(일정 전기장에 의한 작은 방울(droplet)의 수송)
작은 방울(droplet)이 생성한 상기 202㎕ 정도의 용액을 슬라이드 글라스 위에 옮긴다. 이 때, 실리콘 코팅된 슬라이드 글라스를 이용하면 실험하기 쉬운데, 이것으로 한정되지 않는다.
슬라이드 글라스를 현미경에 세팅한다.
선단 반경이 5㎛인 텅스텐 카바이드의 전극을 2개 준비한다. 선단 반경은 1㎛~100㎛ 정도까지 폭넓게 이용할 수 있다. 전극의 재질은 도전성이 있는 것이면 어떤 것이어도 된다(금, 백금, 은, 동, 철, 알루미늄, 텅스텐, 텅스텐 카바이드 등).
두 전극과 정전압전원 장치를 회로적으로 접속시키고, 전극의 한쪽을 양극, 또 한쪽을 음극으로 한다.
두 전극을 프레파라트(preparation) 상의 액체에 침지한다. 이 때, 액의 바닥 및 액과 공기의 계면 모두로부터 30㎛ 이상의 거리가 떨어진 상태가 되도록 한다.
전극의 선단이 서로 마주보도록 전극의 중심축을 평행하게 하여 배치한다. 선단이 축과 평행방향으로 100~120㎛, 축과 수직방향으로 50~100㎛의 거리를 두게 하여 배치한다.
현미경의 가동 스테이지를 조절하여, 이 두 선단 사이의 근방에 10~20㎛의 작은 방울이 오도록 한다.
정전압전원 장치를 온(on)으로 하여 두 전극 사이에 정전압을 건다. 전압은 100V~120V의 범위에서 어느 것이든 가능하다.
(결과)
도 2, 도 2a, 도 3에 기재된 바와 같이, 일정 전기장에 의한 마이크로 물체의 수송·공간적인 주기운동의 모습을 나타낸다. 이 예에서는 오일 안에서 마이크로 크기의 물방울에 주기적인 운동을 발생시켰다.
도 2의 왼쪽은 유액 안에 전극과 물방울이 들어 있는 상태이다. 물방울은 계면활성제에 의해 에멀젼으로 되어 오일 안에 부유하고 있다. 이 상태에서 정전압을 걸면, 물방울은 도 2의 오른쪽에 나타낸 바와 같은 주기적인 운동을 시작한다. 이 예에서는 정전압으로서 DC 100V를 걸었다. 전압이 너무 낮으면 전극 사이를 오가는 운동모드는 나타나지 않지만, 한쪽 전극 근방을 흔드는 운동모드가 나타난다. 또한, 전압을 강하게 하면 주기적인 운동이 아니라, 전극 사이를 직선적으로 오가는 선형운동모드가 나타난다.
도 2에서는 왼쪽에 실험의 셋업 장면이 기재되고, 오른쪽에 주기적으로 운동하고 있는 물방울 1개의 스냅샷을 연속촬영하여 겹친 합성사진을 나타낸다. 동영상으로 나타내면 보다 이 운동을 잘 이해할 수 있다(전극: 텅스텐제, 계면활성제: 인지질 DOPC).
물방울 운동을 도 2a의 (a)~도 2a의 (d)의 왼쪽 스냅샷 화상에 나타낸다. 인가한 전압이 낮았을 경우(V=20V, 도 2a의 (a)), 액체방울은 방황하고, 유전체의 포획력으로부터 벗어난다(모드 I). 인가한 전압이 임계전압을 넘었을 경우, 액체방울은 주기적인 운동을 시작하였다(도 2a의 (b)~ 도 2a의 (d)). 먼저, 액체방울은 어느 전극의 정점에 끌리고, 그 후 한쪽 전극으로부터 반발하여 반대측 전극을 향하여 이동하였다. 이러한 운동은 지속되었다. 액체방울의 운동은 액체방울의 초기위치에 의존하지 않는, 일방향성 원형 궤적을 지나갔다. 즉, 회전운동의 궤적은 일종의 리미트 사이클(limit cycle)이었다. 이 회전운동은 1개의 물방울로만 관찰한 것이 아니라, 2개 이상의 액체방울로도 관찰하였다. 2개의 물방울의 회전운동 데이터를 보면, 실제로 운동하고 있는 것을 알 수 있다.
실험에서는 단순한 회전운동(모드 II)과 전극상의 바운드를 동반하는 회전운동(모드 III)의 2종류의 회전운동을 관찰하였다. 이들의 거동은 인가한 전압에 의존하여 바뀌었다. 60V 및 120V에서는(도 2a의 (b) 및 도 2a의 (c)), 액체방울이 전극 사이에서 단순한 회전운동을 하였다(모드 II). 도 2a의 (b) 및 도 2a의 (c)에서의 가운데의 경시 그래프와 오른쪽의 푸리에 변환의 스펙트럼이 나타내고 있는 바와 같이, 회전운동의 속도는 인가한 전압에 따라 늘어났다. 인가한 전압이 160V이었던 경우, 액체방울은 빠른 회전운동을 하였다(도 2a의 (d)). 이 경우, 경시 데이터에서의 흔들림에 의해 나타내어지는 바와 같이, 액체방울은 항상 그 액체방울이 어느 전극에 접촉하였을 때 여러번 바운드하였다(모드 III).
도 3은 다른 실험예에서의 스냅샷을 겹친 것이다. 이 실험에서는 전극의 배치를 변경하였으며, 왼쪽은 중심축과 평행방향으로 120㎛, 동일 직선상(즉, 중심축과 수직방향으로 0㎛)에 배치하였을 경우, 가운데 및 오른쪽은 각각 중심축과 평행방향으로 120㎛·수직방향으로 40㎛, 중심축과 평행방향으로 120㎛·수직방향으로 120㎛이다(전극: 텅스텐 카바이드제, 계면활성제: 인지질 DOPC).
도 3의 왼쪽과 같이, 전극을 동일 직선상에 배치하면 단순한 주기운동밖에 추출할 수 없는데(비특허문헌 1과 유사한 조건), 도 3의 중앙이나 도 3의 오른쪽과 같이 전극이 동일 직선상에 배치되지 않게 하면, 유전체에 실리는 힘 중, 하전체에 작용하는 힘(도 4의 (i))과 유전적인 힘(도 4의 (ii)) 모두를 이용한 것과 같은 상태로 할 수 있기 때문에, 주기적인 운동을 추출할 수 있다. 이와 같은 상태로 할 수 있는지 여부에 관해서는 교과서적인 수준에서는 자명하지 않으며, 신규의 기술사항이라고 할 수 있다.
(실시예 2: 유전체의 재료)
본 실시예에서는 여러가지 조건을 검토한 결과, 아래와 같은 특징이 있는 것이 판명되었다는 것을 나타낸다. 기본적인 실험방법은 실시예 1에 따라 실시하였다.
(유전체의 재료)
본 실시예에서는 유전체의 재질이 무엇이든 가능하다는 것을 확인하였다: 마이크로 물방울이 아니고 움직이는 폴리스틸렌 비즈, 글라스 비즈 등이어도 같은 운동을 하는 것을 확인하엿다.
(실시예 3: 전극의 재질)
본 실시예에서는 여러가지 조건을 검토한 결과, 아래와 같은 특징이 있는 것이 판명되었다는 것을 나타낸다. 기본적인 실험방법은 실시예 1에 따라 실시하였다.
본 실시예에서는 전극의 재질은 상관없다(도전성만 필요)는 것을 확인하였다. 즉, 텅스텐, 텅스텐 카바이드, 금으로 확인하였다. 도 3이 텅스텐의 실시예이고, 도 4가 텅스텐 카바이드의 실시예이다. 금으로도 같은 효과가 확인되었다.
(실시예 4: 물방울 생성을 위한 계면활성제)
본 실시예에서는 여러가지 조건을 검토한 결과, 아래와 같은 특징이 있는 것이 판명되었다는 것을 나타낸다. 기본적인 실험방법은 실시예 1에 따라 실시하였다.
본 실시예에서는 물방울 생성을 위한 계면활성제가 무엇이든 가능하다: DOPC, DOPE, DOPS 등이어도 기능하는 것을 확인하였다. 또한, 폴리스틸렌 비즈나 글라스 비즈 등의 경우, 계면활성제가 필요하지 않다는 것도 확인하였다.
(실시예 5: 사용전압의 범위)
본 실시예에서는 여러가지 조건을 검토한 결과, 아래와 같은 특징이 있는 것이 판명되었다는 것을 나타낸다. 기본적인 실험방법은 실시예 1에 따라 실시하였다.
본 실시예에서는 사용전압의 범위가 넓다는 것을 실증하였다. 수V에서 수백V의 범위에서 실증하였다.
(실시예 6: 시뮬레이션)
본 실시예에서는 본 발명의 원리를 일반 물리이론으로 설명할 수 있는지 여부를 검증하기 위하여, 물리모델(운동방정식)과 시뮬레이션을 한 결과를 나타낸다(도 4, 도 5).
이 시스템에서는 마이크로 크기의 물체에 작용하는 2개의 힘이 중요한 역할을 하고 있다. (i) 하전체에 작용하는 힘과 (ii) 유전체에 작용하는 힘이다. 마이크로 크기의 유전체는 전극과 접촉함으로써 전하가 충전된다(대전한다). + 전극과의 접촉에서는 +로 대전하고, - 전극과의 접촉에서는 -로 대전한다.
그 결과, 이 유전체는 하전체로서도 행동하게 되어, 정전기적인 인력 및 반발력의 영향을 받는다(도 4의 (i)의 힘, 전기영동). 또한, 이 유전체가 전극으로부터 멀어지면, 전하는 자연히 서서히 방전되어 버리고, 하전체로서의 행동보다는 유전체로의 행동 쪽이 지배적이게 된다. 일반적으로 유전체는 전기력선의 밀도가 높은 쪽으로 끌리는 성질이 있다(도 4의 (ii)의 힘, 유전영동). 이들 2가지 힘의 방향은 평행하지 않기 때문에, 양자의 균형으로 운동방향이 결정된다.
이 시뮬레이션 결과는 아래의 모델을 이용하여 계산하였다.
운동방정식과 전하의 충전·방전에 관한 방정식은 각각 아래와 같이 나타내어진다.
[수 18]
Figure 112011071738406-pct00018
이다. 다루기 쉽게 하기 위하여,
[수 19]
Figure 112011071738406-pct00019
의 정의에 따라 규격화하면, 운동방정식과 전하의 충전·방전에 관한 방정식은 아래와 같이 정리된다.
[수 20]
Figure 112011071738406-pct00020
여기서,
[수 21]
Figure 112011071738406-pct00021
로 하고, 전극의 중심축에 평행한 방향의 어긋남(I)과 수직한 방향(d)과, 액체방울의 반경(r0)의 규격화한 값을
[수 22]
Figure 112011071738406-pct00022
로 한 경우를 고려하여, 미분방정식의 수치적분법 Runge-Kutta법을 이용하여, C언어로 프로그램을 작성하면, 도 5에 도시하는 바와 같은 시뮬레이션 결과를 나타낼 수 있다.
여기서는, (1) 전극의 양극으로부터 유전체에 플러스 전하를 충전하고, (2) 정전기적인 반발력으로 양극과 플러스로 대전한 유전체가 반발하여, 전극으로부터 떨어진 상태가 되고, 플러스 전하가 서서히 샌다. (3) 그 후, 유전적인 인력이 작용하여, 전극의 음극에 끌려서 접촉, (4) 전극의 음극으로부터 유전체에 마이너스 전하가 충전되고, (5) 정전기적인 반발력이 음극과 마이너스로 대전한 유전체의 사이에서 발생하여, 전극으로부터 떨어진 상태가 되고, 마이너스 전하가 서서히 샌다. 이에 의해, 전극이 동일 직선상에 없는 경우, 유전체의 회전운동을 발생시키게 된다.
(실시예 7: 인가한 전압에 대한 회전운동의 의존성)
본 실시예에서는 인가한 전압에 대한 회전운동의 의존성을 실증하였다(도 5a의 (a)~도 5a의 (f)).
도 1c 및 도 2a에 나타내는 바와 같이, 전극 사이에 액체방울을 배치하고, 전압을 걸어서, 액체방울의 회전운동을 관측하여, 도 2a와 같은 그래프를 작성하고, 그 회전의 진동수를 측정하였다. 전압을 0V에서 160V까지 20V씩 변화시켜서 각 전압마다 그 진동수를 기록한 것이 도 5a이다. 도 5a의 (a)~도 5a의 (f)는 각각 액체방울의 직경이 (a) 14.0㎛, (b) 17.1㎛, (c) 18.8㎛, (d) 19.5㎛, (e) 31.8㎛, (f) 34.6㎛인 예이다.
주파수는 인가한 전압(약 40~160V)에 따라, 약 0.1Hz에서 약 0.8Hz까지 늘어났다. 약 80V를 넘으면, 액체방울은 전극 상에서의 바운드를 동반하는 회전운동을 하였다(모드 III). 약 40~80V에서는 액체방울은 단순한 회전운동을 하였다(모드 II). 하지만, 훨씬 낮은 전압(약 20~40V)에서는 액체방울은 회전운동을 하지 않았다(모드 I). 이는 0Hz로 나타나 있다. 전압에 의존하는 액체방울의 거동을 상평형도로서 개략적으로 나타내었다(도 5a의 (g)).
w/o 액체방울의 회전운동을 기술하는 모델을 제안한다. 나노메터~마이크로메터 스케일에서의 운동방정식에 있어서, 점성력의 항은 관성력의 항보다 지배적이다. 왜냐하면, 레이놀즈수(Re)가 매우 작기 때문이다. 즉,
[수 23]
Figure 112011071738406-pct00023
이다. 여기서, ρ(~103kg/m3) 및 η(~103Pa·s)은 각각 광유의 밀도 및 점성이고, υ(~10-4m/s) 및 r(~10-5m)은 물방울의 속도 및 직경이다. 따라서, 일정 전기장
[수 24]
Figure 112011071738406-pct00024
하에서의 과감쇠의 운동방정식은
[수 25]
Figure 112011071738406-pct00025
에 의해 주어진다. 여기서, k(=6πηr~10-7kg/s)는 점성저항계수이고,
[수 26]
Figure 112011071738406-pct00026
는 직경(r) 및 속도
[수 27]
Figure 112011071738406-pct00027
로 액체방울을 이동시키기 위한 점성저항을 나타낸다.
[수 28]
Figure 112011071738406-pct00028
및
[수 29]
Figure 112011071738406-pct00029
는 전하(q) 및 분극율(α)(~10-30C·m2/V)에서의 액체방울 상에 작용하는 전기력 및 유전력을 나타낸다.
도 5a의 (a)~도 5a의 (f)는 인가한 전압에 대한 회전운동의 주파수 의존성을 나타낸다. 도 5a의 (a)에서는 r=14.0㎛, 도 5a의 (b)에서는 r=17.1㎛, 도 5a의 (c)에서는 r=18.8㎛, 도 5a의 (d)에서는 r=19.5㎛, 도 5a의 (e)에서는 r=31.8㎛, 도 5a의 (f)에서는 r=34.6㎛이다. 영역 (I)~(III)은 도 5a의 (g)의 상평형도에서의 운동모드에 대응한다. 도 5a의 (g)는 인가한 전압에 의존하는 액체방울의 운동이다. 여기서, 도 5a의 (g)에서 G1은 (모드 I)비회전운동, G2는 (모드 II)회전운동, G3은 (모드 III)전극상에서의 바운드를 동반하는 회전운동을 나타낸다.
리미트 사이클의 궤적을 나타내기 위해서는, 에너지의 산일(散逸)이 요구된다. 액체방울의 회전운동의 경우, 액체방울의 충전·방전 프로세스는 에너지의 산일에서 일정한 역할을 할 것이다. 단순화를 위해, 전하(q)의 시간에 의존하는 레이트가 아래와 같이 기술된다고 가정한다.
[수 30]
Figure 112011071738406-pct00030
이는, 액체방울이 플러스/마이너스의 전극 근방에서 ±α의 속도로 충전되고, 전극이 없는 상황에서 -bq의 속도로 방전되는 것을 의미한다.
도 2a의 (e)는 식 (1) 및 (2)를 이용하여 계산한 수치 시뮬레이션의 결과를 나타낸다. 도 2a의 (e)의 시뮬레이션에서 사용된 일정 전기장 및 수치 파라메터는 아래와 같다.
여기서, 사용된 일정 전기장은
[수 30a]
Figure 112011071738406-pct00031
로 표현할 수 있고, 아래의 작은 방울의 함수
[수 30b]
Figure 112011071738406-pct00032
로 표현할 수 있다고 가정한다.
그러면,
[수 30c]
Figure 112011071738406-pct00033
라고 계산할 수 있다. 여기서,
[수 30d]
Figure 112011071738406-pct00034
는 길이 단위의 정규화 계수이고,
[수 30e]
Figure 112011071738406-pct00035
는 인가한 전압이다. 여기서, 작은방울은
[수 30f]
Figure 112011071738406-pct00036
의 거리보다 가깝게는 전극에 가까워질 수 없다고 가정하고, 그리고 작은방울은,
[수 30g]
Figure 112011071738406-pct00037
의 거리 이내로 그 작은방울이 전극에 가까워지는 경우에 하전된다고 가정한다.
사용한 파라메터는 아래와 같다.
[수 30h]
Figure 112011071738406-pct00038
및
[수 30i]
Figure 112011071738406-pct00039
식 (2)의 파라메터는 아래와 같다.
[수 30j]
Figure 112011071738406-pct00040
및
[수 30k]
Figure 112011071738406-pct00041
이다.
[수 30l]
Figure 112011071738406-pct00042
및
[수 30m]
Figure 112011071738406-pct00043
의 초기조건은 아래와 같다:
[수 30n]
Figure 112011071738406-pct00044
및
[수 30o]
Figure 112011071738406-pct00045
.
시뮬레이션에서의 액체방울의 궤적은 일방향성의 회전운동이고, 이는 실험결과와 합치한다. 주파수도 또한 실험 경향에 대응한다.
인가한 전압에 대한 회전운동의 의존성에 대하여 이 모델을 이용하여 설명할 수 있다.
[수 31]
Figure 112011071738406-pct00046
이다. 여기서, f는 회전운동의 주파수이고, L의 둘레길이이다. 따라서, 식 (1)로부터 V에 대한 f의 의존성에 대하여 아래와 같이 도출할 수 있다.
[수 32]
Figure 112011071738406-pct00047
여기서, c1 및 c2는 비례계수이다. 식 (3)은 도 5a의 (a)~(f)에서 관찰한 바와 같이, 주파수가 인가한 전압에 따라 늘어나는 것을 의미하고 있다.
(고찰)
요약하면, 관찰한 회전운동의 메커니즘은 아래와 같이 설명할 수 있다. 먼저, 유전력에 의해 액체방울이 어느 전극의 정점으로 끌려간다. 액체방울은 전극 부근에서 충전된 후, 정전기적인 척력(斥力)에 의해 전극으로부터 반발되고, 전기력에 의해 반대측 전극을 향하여 이동을 시작한다. 반대측 전극을 향한 이 운동 사이에 액체방울은 벌크유상으로 거의 방전한다. 유전 전위의 기여에 의해 액체방울은 다시 반대측 전극으로 끌려간다. 전하의 산일에 의해 일어난 전기력과 유전력 사이의 전환이 일방향성의 회전운동을 발생시킨다. 왜냐하면, 전기력과 정전기력은 대체로 같은 방향을 가지지 않기 때문에다. 따라서, 2개의 전극의 배치는 회전운동을 발생시키기 위하여 중요하다. 예를 들어, 본 발명자들의 이전[비특허문헌 1]에 나타내어진 바와 같이, 선형배치에서 액체방울은 회전운동을 하지 않는다. 더욱이 회전운동은 w/o 액체방울에 한하여 발생하는 것이 아니다. 본 실시예에서 실증된 모델이 나타내고 있는 바와 같이, 이론적으로는 어떠한 유전체의 물체에서도 본 시스템에서는 회전운동을 할 수 있다.
기본적으로 나노메터~마이크로메터 스케일에서는 일방향성의 역학적 운동을 발생시키기 어렵다. 왜냐하면, 레이놀즈수가 매우 낮고, 관성력에 비하여 환경의 점성력이 지배적이기 때문이다. 따라서, 종래의 회전모터의 크기를 소형화하는데 한계가 있다. 즉, 통상 모터는 릴의 중심에 회전축을 가지기 때문에, 환경의 점성력에 기인하는 마찰력이 모터의 회전운동을 억제한다. 회전모터 크기의 소형화에 따라 마찰에 기인하는 이 억제효과는 현저히 증대된다. 본 발명에서 관찰한 회전운동은 나노메터~마이크로메터 스케일에서 일 및 에너지를 추출할 수 있다[Phys. 45, 3(1977년, E. M. 퍼셀, Am. J. 저)] 및 [Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 13618(2006년, Y. 히라츠카, M. 미야타, T.타다, T.Q.P. 우에다 저)] 비접촉 회전모터의 발전에 있어서 중요할 수 있다. 본 발명에서의 실시예의 결과는 새로운 전략하에서의 마이크로 메커니컬 시스템의 발전을 자극할 것으로 기대된다.
(실시예 8: 구체적 응용예)
마이크로 크기 물체의 수송기술로는 레이저 핀셋법이나 마이크로 유로기술 등을 생각할 수 있는데, 이들 방법에 비하여, 일정 전기장에 의한 방법은 매우 간편하고 반도체 회로기술과의 조합에 의한 큰 발전성을 가진다. 또한, 기존의 마이크로 기술과의 조합으로 더욱 발전시킬 수도 있다. 이하, 도 6 내지 도 9에 응용예를 나타낸다.
(자유자재의 수송의 예; 도 6)
전극의 재질은 텅스텐·텅스텐 카바이드·금·백금·철 등 어느 것이어도 된다. 또한, 배치는 10~100㎛ 정도의 거리를 떨어뜨려서 설치하면 된다.
(마이크로 터빈을 이용한 일의 추출; 도 6)
마이크로 터빈으로는 마이크로 가공기술에서 자주 이용되는 PDMS나 마이크로 레지스트용 필름 SAL601(Shipley Micro electronics) 등을 이용할 수 있다.
(마이크로 크기 유전체의 집단운동에 의한 모터; 도 7)
마이크로 크기 유전체로서 물방울, 폴리머성 물질(예를 들어, 폴리스틸렌 비즈, PDMS, 폴리아크릴아미드 겔) 및 글라스 비즈 등을 실시예와 마찬가지로 텅스텐·텅스텐 카바이드 등의 전극설치의 사이에 배치하여 전압을 인가할 수 있다.
(폴리머의 역학적 조절; 도 7)
폴리머로서 DNA·단백질 등의 양끝을 폴리스틸렌 비즈 등에 결합시키고, 실시예와 마찬가지로 텅스텐·텅스텐 카바이드 등의 전극 설치의 사이에 배치하여 전압을 인가하여 실시할 수 있다.
(약제 등의 액체방울 수송; 도 8)
임의의 약제를 상기 실시예와 마찬가지로 계면활성제를 이용하여 물방울 안에 임의의 약제에 넣고, 텅스텐·텅스텐 카바이드 등의 전극 설치의 사이에 배치하여 전압을 인가할 수 있다.
이들 구성으로부터, 액체의 낭비없이 저가로 실현할 수 있으며, 미소 화학 시스템의 성질도 겸비한 것을 실현할 수 있다.
(액체방울의 융합에 의한 화학반응; 도 8)
예로서,
약제 A: 초산수용액
약제 B: 수산화나트륨 수용액
화학반응: A 및 B를 이용한 중화반응을 할 수 있다.
약제 A 및 B를 상술한 물방울 제작법에 의해 조정하고, 텅스텐·텅스텐 카바이드 등의 전극의 사이에 배치하여 전압을 인가함으로써 실시할 수 있다.
이들 구성으로부터, 액체의 낭비없이 저가로 실현할 수 있으며, 미소 화학 시스템의 성질도 겸비한 것을 실현할 수 있다.
(액체방울의 융합에 의한 약제조합; 도 8)
액체방울에 복수개의 항생물질, 진통제 등을 포함시키고, 이것을 융합시킴으로써 약제를 조합할 수 있다. 이들 구성으로부터, 액체의 낭비없이 저가로 실현할 수 있으며, 미소 화학 시스템의 성질도 겸비한 것을 실현할 수 있다.
(바이오 시료의 비접촉수송; 도 8)
바이오 시료로서 대장균 등의 세균, 세포, 조직절편 등을 텅스텐·텅스텐 카바이드 등의 전극의 사이에 배치하여 전압을 인가할 수 있다. 즉, 액체방울에 세포, 세균 등을 내포시켜 두고, 본 발명에서 실현되는 운동을 이용하여 수송하거나 안의 세포의 성질 등에 따라 분리(소팅; sorting)하는 응용을 할 수 있다. 소팅에 관해서는 예를 들어, 레이저 핀셋 등의 기술과 조합함으로써 실현가능하다. 또한, MEMS·마이크로 유로 등과 조합하여 액체방울의 행선지를 분기시키는 것 등도 가능하다.
이러한 구성에 의해, 세포 등의 바이오 시료는 접촉에 의한 손상이 있지만, 비접촉으로 이동시킬 수 있기 때문에, 종래에 없는 실험계 등을 실현할 수 있다. 이와 같이 하여, 대장균 등의 세포, 세균, 조직절편 등의 개별수송·분리를 실현할 수 있다.
(마이크로 유로와의 조합으로 보다 큰 회전운동을 추출한다; 도 9)
마이크로 유로로서 마이크로 가공기술에 의해 제작된 원형유로 안에 텅스텐·텅스텐 카바이드 등의 전극 사이에 배치하고, 임의의 유전체를 유로 안에 도입하여, 전압을 인가할 수 있다.
(마이크로 화학반응계에서의 액체이송·교반)
본 발명을 이용하여 마이크로 화학반응계에서 액체방울에 반응용액을 넣거나, 혹은 검사용 검체 또는 시약 등을 넣어 두고, 이번에 발명한 운동을 이용하여 액체방울로서 액체이송·교반을 할 수 있다.
(마이크로 임상검사 시스템에서의 액체이송·교반)
본 발명을 이용하여 마이크로 임상검사 시스템에서 액체방울에 반응용액을 넣거나, 혹은 검사용 검체 또는 시약 등을 넣어 두고, 이번에 발명한 운동을 이용하여 액체방울로서 액체이송·교반을 할 수 있다.
<응용예>
본 발명은 아래의 예를 참고로 하여 응용할 수 있다. 예를 들어, 광학핀셋[D. G. 그리어, Nature 424, 810(2003)], 전기영동 및 유전영동[J. 볼드맨, Annu. Rev. Biomed. Eng. 8, 425(2006); P. 터벨링, Introduction to Microfluidics(옥스포드 대학 출판부, 2006); T. B. 존스, Electromechanics of Particles(캠브리지 대학 출판부, 1995)], 마이크로 유체 디바이스[P. 터벨링, Introduction to Microfluidics(옥스포드 대학 출판부, 2006); D. R. 링크, E. 그래스랜드-몽그레인, A. 듀리, F. 사라진, Z. 쳉, G. 크리스토발, M. 마르쿼즈, D. A. 웨츠, 앤드류. Chem. Int. Ed. Engl. 45, 2556(2006); S. 테흐, R. 린, L. 헝, A. 리, Lab Chip8, 198(2008)], 박테리아 구동모터[Y. 히라츠카, M. 미야타, T. 타다, T.Q.P. 우에다, Proc. Natl. Acad. Sci. USA103, 13618(2006); B. 벡캠, M. 시티, Appl. Phys. Lett. 90, 023902(2007)], 모터 단백질[S. 히야마, R. 고조, T. 시마, S. 타케우치, K. 스토, Nano Lett. 9, 2407(2009); M.G.L. 밴 덴 하우벨, C. 데커, Science 317, 333(2007)] 등이다.
이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예를 이용하여 본 발명을 예시하였는데, 본 발명은 이 실시예들로 한정되어 해석되지 않는다. 본 발명은 특허청구범위에 의해서만 그 범위가 해석되어야 할 것이다. 당업자는 본 발명의 구체적인 바람직한 실시예의 기재로부터 본 발명의 기재 및 기술상식에 근거하여 등가의 범위를 실시할 수 있을 것이다. 본 명세서에서 인용한 특허, 특허출원 및 문헌은 그 내용자체가 구체적으로 본 명세서에 기재된 것과 같이 그 내용이 본 명세서에 대한 참고로서 원용될 것이다.
본 발명 출원은 또한 2009년 2월 20일에 출원한 일본특허출원 2009-038446호에 대하여 우선권을 주장하는 것으로서, 일본특허출원 2009-038446호의 내용도 또한 구체적으로 본 발명에 기재된 것과 같이 그 내용이 본 명세서에 대한 참고로서 원용될 것이다.
이상으로부터, 본 발명은, 일정 전기장을 걸어서 마이크로 크기의 유전체에 역학적인 운동을 발생시키는데 성공하였다. 따라서, 본 발명은 회전모터같은 운동을 제공하고, 교류전기장이 아닌데도 진동성·주기성이 있는 운동이 발생되는 것을 달성하였다. 또한, 전류는 발생하지 않기 때문에 전류에 의한 운동이 아니며, 전기장의 강도, 전극의 공간적 배치에 의해 운동의 루트나 운동의 모드를 자유롭게 바꾸는 것을 달성하였다. 더욱이, 무접점·일정 전기장에서 모터같은 운동이 추출되는 점이 중요하며, 비접촉으로 물체를 수송할 수 있는 것이 판명되었다. 따라서, 본 발명은 폴리머의 역학적 조절, 약제의 액적수송, 화학반응, 약제조합, 바이오 시료의 비접촉수송, 마이크로 유로 등 다방면의 분야에서 이용할 수 있다.
100: 물방울 102: 미네랄 오일(광유)
104: 마이너스 전극 106: 슬라이드 글라스
108: 일정 전압 110: 플러스 전극
112: 현미경의 대물렌즈 210: 작은방울
212: 전극 215: 전극
221: 개시점 600: 마이크로 크기 유전체
602, 604, 606, 608, 612, 614: 전극
610: 마이크로 터빈 700: 마이크로 크기 유전체
710: 폴리머
702, 704, 712, 714, 716, 718: 전극
800: 액체방울
802, 804, 806, 808, 812, 814, 816, 818: 전극
810: 바이오 시료 900: 원형유로
902, 904: 전극

Claims (41)

  1. 유전체를 수송하거나, 또는 역학적 일을 추출하는 방법으로서,
    A) 전기장을 발생시키는 2개의 전극을, 상기 2개의 전극의 중심축이 동일 직선상이 되지 않게 배치하고, 절연성 유체 안에서 상기 유전체에 상기 전기장을 거는 공정을 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체는 마이크로 크기이고, 상기 마이크로 크기는 수 nm~1000㎛의 범위에 있는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로 크기는 1㎛~100㎛ 범위의 것인 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체는 정전기장을 가하였을 때 유전분극을 발생시키지만 전류를 발생시키지 않는 물질이고, 더욱이 정전기의 대전성이 있는 물질인 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체는 물방울, 폴리머성 물질 및 글라스 비즈로 이루어지는 군에서 선택되는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 물방울은 계면활성제를 이용하여 생성되는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 계면활성제는 디올레오일·포스파티딜콜린(DOPC), 디올레오일·포스파티딜에탄올아민(DOPE), 디올레오일·포스파티딜세린(DOPS), eggPC, 스테아릴트리메틸암모늄클로라이드(STAC), 스테아릴트리메틸암모늄브로마이드(STAB), 소듐도데실설페이트(SDS), 도데실트리메틸암모늄클로라이드 및 펜타에틸렌글리콜도데실에테르를 이용하여 생성되는 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 절연성 유체는 비휘발성이고, 도전성이 없으며, 상온상압하에서 유동성이 있는 물질이고, 상기 마이크로 크기의 유전체와의 비중이 ±50% 이내의 것인 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연성 유체는 미네랄 오일(광유), 유동 파라핀, 알칸 및 실리콘 오일로 이루어지는 군으로부터 선택되는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기장은 일정 전기장인 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기장은 1V~1000V 범위의 것인 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기장을 발생시키는 양극과 음극은 그들의 중심축이 평행하지 않게 배치되는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전극은 선단이 예리한 각뿔형·원뿔형 또는 각기둥형·원기둥형의 형상을 가지고, 도전성이 있는 재질을 가지는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 전극은 텅스텐, 텅스텐 카바이드, 금, 백금, 은, 동, 철 및 알루미늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 등의 도전성 물질로 이루어지는 군으로부터 선택되는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기장은 양극·음극의 적어도 2개의 전극의 세트에 의해 발생되고, 상기 적어도 2개의 전극의 세트의 방향은 적어도 2개가 서로 다른 방향이며, 상기 전기장 및 상기 전기장을 발생하기 위한 전극의 공간적 배치를 제어함으로써, 운동의 루트 또는 모드를 변경하는 공정을 더욱 포함하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어는, 3차원 좌표 각각을 1㎛ 단위로 조작할 수 있는 마이크로 머니퓰레이터(manipulator)를 이용하여 각각의 좌표를 조작하여 전극을 원하는 위치로 이동시키거나, 손 또는 핀셋에 의한 조작에 의해 실현되는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체를 상기 전극의 공간적 제어 및 인가전압의 강도 제어에 의해 간접적으로 제어함으로써 상기 유전체를 수송하는 공정을 더욱 포함하는 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    더욱이 마이크로 터빈을 상기 유전체가 운동할 수 있는 공간에 배치하고, 상기 유전체의 운동에 의해 운동하는 마이크로 터빈으로부터 일을 추출하는 것을 특징으로 하고, 상기 마이크로 터빈은 회전축과 날개 부분이 있으며, 날개가 회전축의 둘레로 회전할 수 있는 것인 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체가 복수개 존재하고, 상기 복수개의 유전체를 집단운동시킴으로써 모터 작용을 하게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    폴리머의 역학적 조절, 약제의 액체방울 수송, 화학반응, 약제조합, 바이오 시료의 비접촉수송 또는 마이크로 유로에서 사용되는 방법.
  21. 유전체를 수송하는 장치로서,
    A) 상기 유전체를 받아들이기 위한 절연성 유체; 및
    B) 상기 절연성 유체 안에 존재하는 2개의 전극을 포함하는 전기장을 거는 수단으로서, 상기 2개의 전극의 중심축이 동일 직선상이 되지 않게 배치되는 수단을 구비하는 장치.
  22. 역학적 일을 추출하는 장치로서,
    A) 절연성 유체;
    B) 상기 절연성 유체 안에 배치된 유전체;
    C) 상기 절연성 유체 안에 존재하는 2개의 전극을 포함하는 전기장을 거는 수단으로서, 상기 2개의 전극의 중심축이 동일 직선상이 되지 않게 배치되는 수단; 및
    D) 상기 유전체로부터 역학적 일을 추출하는 수단을 구비하는 장치.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 유전체는 마이크로 크기이고, 상기 마이크로 크기는 수 nm~1000㎛ 범위에 있는 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 마이크로 크기는 1㎛~100㎛ 범위의 것인 장치.
  25. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 유전체는 정전기장을 가하였을 때 유전분극을 발생시키지만 전류를 발생시키지 않는 물질이고, 더욱이 정전기의 대전성이 있는 물질인 장치.
  26. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 유전체는 물방울, 폴리머성 물질 및 글라스 비즈로 이루어지는 군에서 선택되는 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 물방울은 계면활성제를 이용하여 생성되는 장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 계면활성제는 디올레오일·포스파티딜콜린(DOPC), 디올레오일·포스파티딜에탄올아민(DOPE), 디올레오일·포스파티딜세린(DOPS), eggPC, 스테아릴트리메틸암모늄클로라이드(STAC), 스테아릴트리메틸암모늄브로마이드(STAB), 소듐도데실설페이트(SDS), 도데실트리메틸암모늄클로라이드 및 펜타에틸렌글리콜도데실에테르로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1개의 물질을 이용하여 생성되는 장치.
  29. 제 23 항에 있어서,
    상기 절연성 유체는 비휘발성이고, 도전성이 없으며, 상온상압하에서 유동성이 있는 물질이고, 상기 마이크로 크기의 유전체와의 비중이 ±50% 이내의 것인 장치.
  30. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 절연성 유체는 미네랄 오일(광유), 유동 파라핀, 알칸 및 실리콘 오일로 이루어지는 군으로부터 선택되는 장치.
  31. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 전기장은 일정 전기장인 장치.
  32. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 전기장은 1V~1000V 범위의 것인 장치.
  33. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 전기장을 발생시키는 양극과 음극은 그들의 중심축이 평행하지 않게 배치되는 장치.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 전극은 선단이 예리한 각뿔형·원뿔형 또는 각기둥형·원기둥형의 형상을 가지고, 도전성이 있는 재질을 가지는 장치.
  35. 제 32 항에 있어서,
    상기 전극은 텅스텐, 텅스텐 카바이드, 금, 백금, 은, 동, 철 및 알루미늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 도전성 물질인 장치.
  36. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 전기장을 거는 수단은 양극·음극의 적어도 2개의 전극의 세트이고, 상기 적어도 2개의 전극의 세트의 방향은 적어도 2개가 서로 다른 방향으로 배치되는 장치.
  37. 제 36 항에 있어서,
    3차원 좌표 각각을 1㎛ 단위로 조작할 수 있는 마이크로 머니퓰레이터를 더욱 구비하고, 상기 마이크로 머니퓰레이터는 각각의 좌표를 조작하여 전극을 원하는 위치로 이동시키는 것이며, 혹은 핀셋을 더욱 구비하는 장치.
  38. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 유전체를 상기 전극의 공간적 제어 및 인가전압의 강도 제어에 의해 간접적으로 제어함으로써 상기 유전체를 수송하기 위한 수단을 더욱 구비하는 장치.
  39. 제 22 항에 있어서,
    더욱이 마이크로 터빈을 구비하는 장치.
  40. 제 22 항에 있어서,
    상기 유전체가 복수개 존재하고, 상기 복수개의 유전체를 집단운동시킴으로써 모터 작용을 하게 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  41. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    폴리머의 역학적 조절, 약제의 액체방울 수송, 화학반응, 약제조합, 바이오 시료의 비접촉수송, 마이크로 유로에서 사용하기 위한 장치.
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