In this paper, the technology of electrodynamic focusing of nanoparticles using the quadrupole electric field has been investigated by numerical simulations and experiments.
First, the numerical scheme to simulate the particle motion in the quadrupole electric field was established. A new iterative Brownian Dynamics Simulation (BDS) method for analyzing the diffusive behavior of particles in an alternating electric field is proposed and tested in comparison with several previous techniques, including the most widely used BDS method developed by Ermak. To evaluate the proposed method with other schemes, particle trajectories in constant, AC, non-uniform DC in DMA, and quadrupole electric fields were obtained from each algorithm with various integration time steps. It is shown that the proposed BDS method is much more accurate at predicting the mean and variance of particle position for most cases. With respect to algorithm efficiency, the new scheme is about 5~50 times more efficient than the conventional BDS method for high-frequency AC electric fields. The simulation results for a particle beam generated in a quadrupole electric field show that the selection of a suitable algorithm and the proper size of time step are important for calculating system properties related to the diffusive motion of particles. In addition, a correction to the stochastic term is suggested and its effect examined.
Particle focusing characteristics in the quadrupole electric field were investigated by the developed numerical scheme. From numerical simulations neglecting Brownian diffusion, the basic mechanism of electrodynamic focusing by the quadrupole electric field was illustrated, the dimensionless parameters and the primary variables to determine the particle focusing characteristics were found, and the operational conditions at which aerosol particles can be focused were proposed. When Brownian diffusion was considered, the simulation results showed that charged particles can be focused in the center region of the quadrupole electric field, even though there is some random motion due to strong diffusion effect of nanoparticles. The map of distribution characteristics for focused diffusive particles was also presented at various conditions. In addition, the new electrode design for improving the focusing performance was proposed. The proposed electrode configuration is designed to increase the degree of inhomogeneity by separating each electrode as two parts and applying the higher voltage at the central part. The numerical simulation shows that the smallest size of particle beam generated by the new electrode design is 20~30% smaller than that for the usual quadrupole configuration.
Finally, some fundamental experiments were performed to clarify the results predicted by numerical simulations. A nanoparticle focusing apparatus using the quadrupole electric field was designed and constructed. The focusing characteristics with the changes of the primary variables, such as particle size, gas pressure, AC voltage and AC frequency, was evaluated. The experimental results are in qualitative agreement with the tendency predicted by the numerical simulation.
In conclusion, the possibility of electrodynamic focusing of nanoparticles using the quadrupole electric field was validated through the numerical simulations and experiments.
수치해석과 기초 실험을 이용하여 사중극자 전기장을 이용한 나노입자 집속기술에 대한 연구를 수행하였다.
먼저 AC 전기장 내에서의 확산입자 거동해석을 위한 수치적 방법에 대하여 검토해보고, 기존의 방법들에 비해 이론적으로 좀더 정확하고, 계산시간 면에서 효율적인 반복형 브라운 운동학 모사법을 개발하였다. 여러가지 외력장 하에서의 계산수행 결과, 개발한 방법이 전통적인 브라운 운동학 모사법에 비해 계산효율 면에서 5배에서 100배에 이르기까지 우수함을 알 수 있었다.
개발한 수치모사법을 이용하여 사중극자 전기장 내에서의 하전입자의 거동을 분석함으로써 입자집속 장치로서의 가능성을 이론적으로 검증해 보았다. 먼저 사중극자 전기장에 의한 입자집속의 기본 미캐니즘 이해와 입자집속이 가능한 작동조건을 찾아내기 위하여 입자확산을 고려하지 않은 경우의 기초적인 수치해석을 수행하였으며, 주요 변수 변화에 따른 입자집속 특성을 조사하였다. 입자확산을 고려한 거동분석 결과, 입자집속이 가능한 작동범위에서 확산력이 크게 작용하여 대상입자가 불규칙한 거동을 보임에도 불구하고, 중심축을 기준으로 일정 정도의 분포를 가지는 입자집속이 가능하다는 것을 확인할 수 있었으며, 다양한 조건에서 형성되는 입자빔의 분포 특성을 수치적으로 제시하였다. 부가적으로 이러한 일반적인 형태의 사중극자 전기장의 입자집속 가능 작동범위를 확장시키기 위하여 새로운 형태의 전극구조를 제안하였다. 제안된 전극구조를 이용할 경우, 일반적인 조건에서의 입자집속 성능이 20~30% 정도 향상될 뿐만 아니라 기존의 방법으로 집속이 불가능한 영역에서도 집속이 가능함을 이론적으로 확인할 수 있었다. 마지막으로 일반적인 형태의 사중극자 전극구조를 이용한 입자집속 장치를 설계, 제작하였으며, 입자크기, 작동압력, AC 전기장의 전압값과 주파수 등의 주요 변수를 변화시켜 가면서, 입자집속 특성 변화를 실험하였다. 실제로 0.2~0.6torr의 작동압력 조건에서 70nm 이하 크기 입자의 집속이 가능함을 실험적으로 확인하였으며, 주요 변수 변화에 따른 입자집속 특성의 변화를 관찰한 결과 수치해석에서 예측할 수 있는 결과와 정성적으로 일치하였다. 부가적인 수치해석 결과는 사중극자 전기장 내에서의 입자거동이 실험적으로 얻어지는 결과와 정확하게 부합하고 있음을 보여준다.
결론적으로 본 연구에서는 사중극자 전기장을 이용한 나노입자 집속기술의 가능성을 수치해석과 관련 기초실험을 통하여 검증하였으며, 이 기술의 특성과 우수성을 나타내는 기본적인 연구결과들을 제시하였다.
