hotchpotch/wikipedia-multilingual-ir-pairs huggingface dataset:
전류-전압 특성 일렉트로닉스
대조적으로, 두 번째 또는 네 번째 사분면을 통과하는 I-V 곡선을 가진 장치는 능동 부품, 즉 전원으로, 전력을 생산할 수 있다. 배터리와 발전기가 그 예이다. 두 번째 또는 네 번째 사분면에서 작동할 때, 전류는 전기장의 반대 힘에 맞서 음에서 양 전압 단자로 장치를 통해 흐르도록 강제되므로, 전하는 위치 에너지를 얻는다. 따라서 장치는 다른 형태의 에너지를 전기 에너지로 변환하고 있다.
선형 vs 비선형: 원점을 통과하는 직선은 선형 회로 요소를 나타내는 반면, 곡선은 비선형 요소를 나타낸다. 예를 들어, 저항기, 커패시터, 인덕터는 선형이지만, 다이오드와 트랜지스터는 비선형이다. 원점을 통과하고 양의 기울기를 가진 직선 I-V 곡선은 회로에서 가장 흔히 접하는 저항 유형인 선형 또는 옴성 저항기를 나타낸다. 이는 옴의 법칙을 따르며, 전류는 넓은 범위에서 인가 전압에 비례한다. 선의 기울기의 역수와 같은 전기저항은 일정하다. 곡선 I-V 선은 다이오드와 같은 비선형 저항을 나타낸다. 이 유형에서는 저항이 인가 전압 또는 전류에 따라 달라진다.
전류-전압 특성 일렉트로닉스
부저항 vs 양의 저항: I-V 곡선이 전체적으로 양의 기울기(오른쪽으로 증가)를 가지면 양의 저항을 나타낸다. 비단조적인(정점과 골짜기가 있는) I-V 곡선은 부저항을 가진 장치를 나타낸다. 곡선 중 음의 기울기(오른쪽으로 감소)를 가진 영역은 장치가 음의 미분 저항을 가진 작동 영역을 나타내고, 양의 기울기 영역은 양의 미분 저항을 나타낸다. 부저항 장치는 앰프와 발진기를 만드는 데 사용될 수 있다. 터널 다이오드와 건 다이오드는 부저항을 가진 부품의 예이다.
이력 현상 vs 단일 값: 이력 현상을 가진 장치, 즉 전류-전압 관계가 현재 인가된 입력뿐만 아니라 과거 입력의 이력에도 의존하는 장치는 닫힌 루프 패밀리로 구성된 I-V 곡선을 갖는다. 루프의 각 가지는 화살표로 표시된 방향으로 표시된다. 이력 현상을 가진 장치의 예로는 철심 유도자와 변압기, SCR 및 DIAC와 같은 사이리스터, 그리고 네온등과 같은 가스 방전관이 있다.
전류-전압 특성 전기생리학
I-V 곡선은 모든 전기 시스템에 적용 가능하지만, 생체 전기 분야, 특히 전기생리학 하위 분야에서 널리 사용된다. 이 경우 전압은 생체막을 가로지르는 전압, 즉 막 전위를 나타내고, 전류는 이 막의 이온 통로를 통한 전하를 띤 이온의 흐름을 나타낸다. 전류는 이러한 통로의 전도도에 의해 결정된다.
생체막을 가로지르는 이온 전류의 경우, 전류는 내부에서 외부로 측정된다. 즉, "외향 전류"라고 알려진 양의 전류는 양전하를 띤 이온이 세포막을 내부에서 외부로 건너거나, 음전하를 띤 이온이 외부에서 내부로 건너는 것에 해당한다. 유사하게, 음의 값을 가진 전류는 "내향 전류"라고 불리며, 양전하를 띤 이온이 세포막을 외부에서 내부로 건너거나, 음전하를 띤 이온이 내부에서 외부로 건너는 것에 해당한다.
전류-전압 특성 전기생리학
오른쪽 그림은 흥분성 생체막(예: 뉴런의 축삭돌기) 내 전류와 더 관련이 있는 I-V 곡선을 보여준다.
파란색 선은 칼륨 이온에 대한 I-V 관계를 나타낸다. 이는 선형이며, 칼륨 이온 통로의 전압 의존성 게이팅이 없음을 나타낸다. 노란색 선은 나트륨 이온에 대한 I-V 관계를 나타낸다. 이는 선형이 아니며, 나트륨 이온 통로가 전압 의존성임을 나타낸다. 녹색 선은 나트륨 및 칼륨 전류를 합산하여 얻은 I-V 관계를 나타낸다. 이는 두 가지 유형의 통로를 모두 포함하는 세포의 실제 막 전위 및 전류 관계를 근사화한다.
열 산화
미세가공에서 열 산화(thermal oxidation)는 웨이퍼 표면에 얇은 산화물(일반적으로 이산화 규소) 층을 생성하는 방법이다. 이 기술은 산화제가 고온에서 웨이퍼로 확산되어 웨이퍼와 반응하게 한다. 산화물 성장 속도는 종종 딜-그로브 모델에 의해 예측된다. 열 산화는 다양한 재료에 적용될 수 있지만, 가장 일반적으로는 규소 기판의 산화를 통해 이산화 규소를 생성한다.
열 산화 화학 반응
규소의 열 산화는 일반적으로 800에서 1200 °C 사이의 온도에서 수행되며, 소위 고온 산화물(HTO) 층을 형성한다. 산화제로 수증기(일반적으로 초고순도 증기) 또는 분자 산소를 사용할 수 있으며, 이에 따라 습식 또는 건식 산화라고 불린다. 반응은 다음 중 하나이다:
산화 분위기에는 몇 퍼센트의 염산이 포함될 수도 있다. 염소는 산화물에 발생할 수 있는 금속 이온을 중화한다.
열 산화물은 기판에서 소모된 규소와 주변에서 공급된 산소를 포함한다. 따라서 웨이퍼 안으로 그리고 웨이퍼 밖으로 자라난다. 규소 두께 단위당 2.17 단위 두께의 산화물이 나타난다. 맨 규소 표면이 산화되면 산화물 두께의 46%는 원래 표면 아래에, 54%는 원래 표면 위에 위치한다.
열 산화 화학 반응
일반적으로 사용되는 딜-그로브 모델에 따르면, 맨 규소 표면에 일정한 온도에서 두께 Xo의 산화물을 성장시키는 데 필요한 시간 τ는 다음과 같다:
여기서 상수 A와 B는 각각 반응 및 산화물 층의 특성과 관련된다. 이 모델은 Si 나노선 및 기타 나노구조의 제작 및 형태학적 설계를 위해 사용되는 자기 제한적 산화 공정을 설명하도록 추가적으로 개조되었다.
이미 산화물을 포함하는 웨이퍼가 산화 분위기에 놓이면, 이 방정식은 현재 조건에서 미리 존재하는 산화물을 성장시키는 데 필요했을 시간인 보정 항 τ를 추가하여 수정해야 한다. 이 항은 위의 t에 대한 방정식을 사용하여 찾을 수 있다.
Xo에 대한 이차 방정식을 풀면 다음과 같다:
열 산화 산화 기술
대부분의 열 산화는 용광로에서 800에서 1200°C 사이의 온도에서 수행된다. 단일 용광로는 특수 설계된 석영 랙("보트"라고 불림)에 많은 웨이퍼를 동시에 수용한다. 역사적으로 보트는 측면에서 산화 챔버로 들어갔고(이 디자인은 "수평"이라고 불림), 웨이퍼를 서로 옆에 수직으로 고정했다. 그러나 많은 현대 디자인은 웨이퍼를 서로 위아래로 수평으로 고정하고 아래에서 산화 챔버로 로딩한다.
수직 용광로는 수평 용광로보다 높기 때문에 일부 미세가공 시설에는 맞지 않을 수 있다. 이들은 먼지 오염을 방지하는 데 도움이 된다. 수평 용광로에서는 떨어지는 먼지가 어떤 웨이퍼든 오염시킬 수 있는 반면, 수직 용광로는 공기 필터링 시스템을 갖춘 밀폐된 캐비닛을 사용하여 먼지가 웨이퍼에 도달하는 것을 방지한다.
열 산화 산화 기술
수직 용광로는 또한 수평 용광로를 괴롭히던 문제인 웨이퍼 전체에 걸쳐 성장된 산화물의 비균일성을 제거한다. 수평 용광로는 일반적으로 튜브 내부에 대류 전류가 있어 튜브 바닥이 튜브 상단보다 약간 더 차갑다. 웨이퍼가 튜브에 수직으로 놓여 있기 때문에 대류 및 그에 따른 온도 기울기로 인해 웨이퍼 상단이 웨이퍼 하단보다 두꺼운 산화물 층을 갖게 된다. 수직 용광로는 웨이퍼를 수평으로 놓고 용광로 내의 가스 흐름이 위에서 아래로 흐르게 하여 열 대류를 크게 감쇠시켜 이 문제를 해결한다.
수직 용광로는 또한 산화 전에 로드 록을 사용하여 질소로 웨이퍼를 퍼징하여 Si 표면의 자연 산화물 성장을 제한할 수 있다.
열 산화 산화물 품질
습식 산화는 더 높은 성장 속도 때문에 두꺼운 산화물을 성장시키는 데 건식 산화보다 선호된다. 그러나 빠른 산화는 규소 계면에 더 많은 미결합을 남겨 전자에 대한 양자 상태를 생성하고 계면을 따라 전류가 누설되도록 한다. (이를 "더러운" 계면이라고 한다.) 습식 산화는 또한 낮은 밀도의 산화물을 생성하며, 절연 내력이 낮다.
건식 산화에서 두꺼운 산화물을 성장시키는 데 필요한 긴 시간은 이 공정을 비현실적으로 만든다. 두꺼운 산화물은 일반적으로 짧은 건식 산화 사이에 긴 습식 산화를 배치하여 성장시킨다(건식-습식-건식 주기). 시작과 끝의 건식 산화는 각각 산화물 층의 외부 및 내부 표면에 고품질 산화물 막을 생성한다.
이동성 금속 이온은 MOSFET의 성능을 저하시킬 수 있다(나트륨이 특히 우려된다). 그러나 염소는 염화 나트륨을 형성하여 나트륨을 고정화할 수 있다. 염소는 종종 염화 수소 또는 트라이클로로에틸렌을 산화 매질에 첨가하여 도입된다. 그 존재는 또한 산화 속도를 증가시킨다.
열 산화 기타 사항
열 산화는 웨이퍼의 특정 영역에서 수행될 수 있고 다른 영역에서는 차단될 수 있다. 필립스에서 처음 개발된 이 공정은 일반적으로 LOCOS 공정으로 불린다. 산화되지 않을 영역은 질화 규소 막으로 덮여 있는데, 이는 산소와 수증기의 확산을 훨씬 느린 속도로 산화되어 차단한다. 질화물은 산화가 완료된 후 제거된다. 이 공정은 날카로운 특징을 생성할 수 없는데, 이는 질화물 마스크 아래에서 산화제 분자의 측면(표면에 평행한) 확산으로 인해 산화물이 마스크된 영역으로 돌출되기 때문이다.
불순물은 규소와 산화물에 다르게 용해되므로, 성장하는 산화물은 도펀트를 선택적으로 흡수하거나 거부한다. 이 재분배는 산화물이 도펀트를 얼마나 강하게 흡수하거나 거부하는지를 결정하는 분리 계수와 확산성에 의해 지배된다.
열 산화 기타 사항
규소 결정의 배향은 산화에 영향을 미친다. <100> 웨이퍼(밀러 지수 참조)는 <111> 웨이퍼보다 느리게 산화되지만 전기적으로 더 깨끗한 산화물 계면을 생성한다.
모든 종류의 열 산화는 약 600°C에서 TEOS의 반응으로 인해 저온 산화물 층이 생성되는 산화물의 화학기상증착보다 훨씬 더 깨끗한 계면을 가진 고품질 산화물을 생성한다. 그러나 고온 산화물(HTO)을 생성하는 데 필요한 고온은 그 유용성을 제한한다. 예를 들어, MOSFET 공정에서 열 산화는 소스 및 드레인 단자의 도핑이 수행된 후에는 절대 수행되지 않는데, 이는 도펀트의 배치를 방해할 것이기 때문이다.
리미트 스위치
전기공학에서 리미트 스위치(limit switch)는 기계 부품의 움직임이나 물체의 존재에 의해 작동하는 개폐기이다. 리미트 스위치는 제어 시스템의 일부로 기계를 제어하거나, 안전 인터락으로, 또는 특정 지점을 통과하는 물체의 수를 세는 계수기로 사용될 수 있다.
리미트 스위치 용도
리미트 스위치는 견고함, 설치 용이성, 작동 신뢰성 때문에 다양한 응용 분야 및 환경에서 사용된다. 이들은 물체의 존재, 통과, 위치 지정, 이동 종료를 결정할 수 있다. 이들은 처음에는 물체의 이동 한계를 정의하는 데 사용되었으며, 그 이름에서 "리미트 스위치"가 유래되었다.
표준화된 리미트 스위치는 레버, 롤러 플런저, 위스커 타입 등 다양한 작동기 유형으로 제조되는 산업 제어 부품이다. 리미트 스위치는 작동 레버의 움직임에 의해 직접 기계적으로 작동될 수 있다. 리드 스위치는 움직이는 부품에 장착된 자석의 근접을 나타내는 데 사용될 수 있다. 근접 센서는 전자기장의 교란, 정전 용량, 또는 자기장 감지를 통해 작동한다.
드물게 램프나 솔레노이드 밸브와 같은 최종 작동 장치가 산업용 리미트 스위치의 접점에 의해 직접 제어되지만, 일반적으로 리미트 스위치는 제어 전자계전기, 모터 컨택터 제어 회로를 통해 연결되거나 프로그래머블 로직 컨트롤러의 입력으로 사용된다.
리미트 스위치 예시
마이크로스위치는 복사기, 프린터, 컨버터블 상단 또는 전자레인지와 같은 장치의 부품으로, 내부 부품이 작동을 위해 올바른 위치에 있는지 확인하고 접근 도어가 열렸을 때 작동을 방지한다. 차고문 개폐기에 설치된 조정 가능한 리미트 스위치 세트는 문이 완전히 올라가거나 완전히 내려간 위치에 도달하면 모터를 차단한다. 선반과 같은 수치 제어 기계에는 기계 부품의 최대 한계를 식별하거나 증분 동작에 대한 알려진 참조 지점을 제공하기 위한 리미트 스위치가 있다.
메틀러 톨레도
메틀러 톨레도(Mettler Toledo)는 올 캡스로 표기되며, 정밀 기기 및 서비스의 다국적 공급업체이다. 이 회사는 실험실, 산업, 제품 검사 및 식품 소매 응용 분야에 중점을 둔다. 이 회사의 제품은 생명 과학, 식품, 화학 및 기타 여러 산업 분야의 연구, 품질 관리 및 제조 공정에서 사용된다. 이 회사의 사업은 지리적으로 다각화되어 있으며, 2023년 매출의 41%는 북미 및 남미에서, 27%는 유럽에서, 32%는 아시아 및 기타 국가에서 발생했다. 이 회사의 전 세계 인력은 2023년 12월 31일 기준으로 17,300명으로 구성되어 있다.
메틀러 톨레도 형성 및 역사
앨런 데빌비스 주니어(1873-1911)는 미국 오하이오주 털리도에 살았던 발명가였다. 그는 계량기 개념에 관심을 갖게 되었고, 자동 계산 진자 저울의 아이디어를 구상했다. 그는 지역 정육점 주인과 함께 자신의 개념을 입증할 수 있었는데, 정육점 주인은 고객들이 과도한 요금 부과 위험을 없애는 자동 계산 기능을 높이 평가한다는 것을 깨달았다. 그의 발명품이 인기를 얻었지만, 데빌비스는 이를 수익성 있는 사업으로 만드는 데는 관심이 없었다.
1900년, 헨리 테오발트(1868-1924)는 내셔널 캐시 레지스터 컴퍼니에서 해고되었다. 그는 자신의 사업을 시작하기로 결심했고, 자동 계산 저울을 판매하는 것이 좋은 사업이 될 수 있다고 확신했다. 그는 추가적인 재정 투자자들을 모집하고 데빌비스로부터 회사를 인수했다. 1901년 7월 10일, 톨레도 계산 저울 및 금전등록기 회사가 설립되었다.
메틀러 톨레도 형성 및 역사
1902년 5월까지 테오발트의 회사는 한 달에 100대 이상의 금전등록기를 저울과 함께 판매하고 있었다. 그 무렵, NCR의 테오발트 상사였던 존 H. 패터슨은 특허 침해로 새로운 회사를 고소하겠다고 위협했다. 대안으로 패터슨은 테오발트가 더 이상 금전등록기 사업에 종사하지 않겠다는 조건과 함께 모든 금전등록기 특허와 재산을 구매하겠다고 제안했다. 특허 침해 소송 비용을 걱정한 투자자들은 1902년 6월에 매각에 동의했다. 금전등록기가 더 이상 테오발트 사업의 일부가 아니었기 때문에 그는 이름을 톨레도 계산 저울 회사로 변경했다. 테오발트는 나중에 "용수철 없음, 정직한 무게(No Springs, Honest Weight)"라는 문구를 새 회사의 슬로건으로 만들었다.
메틀러 톨레도 형성 및 역사
이후 몇 년 동안 테오발트는 상인과 고객 간의 소매 거래에서 계량 저울이 가장 중요한 부분이라는 것을 깨달았다. 그는 특히 데이턴 스케일 컴퍼니와 같이 용수철 저울 기술을 사용하는 많은 경쟁자들이 측정된 상품의 총 가격을 잘못 계산하여 상인들이 고객을 속이도록 허용하고 있다고 느꼈다. 그는 부정직한 계량 시스템을 없애기 위해 중량 및 측정에 대한 정부 규제를 강화하기 위한 운동을 벌였다. 1907년 10월 1일, 매사추세츠는 미국에서 최초의 중량 및 측정 법률을 채택했다.
1912년, 회사 이름은 다시 톨레도 스케일 컴퍼니로 변경되었다. 또한, 이중 진자 메커니즘과 다이얼 면을 특징으로 하는 새로운 저울 라인이 도입되었으며, 이는 산업 응용 분야에 가장 적합했다.
1957년, 릴라이언스 일렉트릭 컴퍼니가 톨레도 스케일 컴퍼니와 합병했다. 릴라이언스는 이 인수를 위해 약 7천만 달러 상당의 주식을 지불했다.
메틀러 톨레도 형성 및 역사
1945년, 스위스 엔지니어 에르하르트 메틀러 룩 박사는 스위스 퀴스나흐트에서 정밀 기계 회사를 설립했다. 그는 단일 팬 저울로 치환 원리를 발명했으며, 이를 연속 생산할 수 있었다. 단일 계량 팬을 가진 분석 저울은 점차 실험실에서 기존의 두 팬 저울을 대체했다.
메틀러는 1970년에 자동 적정 시스템을 도입하고 저울 제조업체인 마이크로와 AG를 인수하면서 제품 라인을 다각화했다. 1971년, 메틀러는 알프슈타트-에빙겐에 있는 500명의 직원을 둔 경쟁업체 아우구스트 자우터 KG를 인수하여 산업 및 소매 저울 전문 분야를 강화했다.
1980년, 메틀러 박사는 자신의 사업을 치바-가이기 AG에 매각했다. 실험실 및 산업 부문 다음으로 세 번째 기둥인 소매 사업이 창출되었다. 기술 발전으로 소매 저울을 부패하기 쉬운 상품 관리를 위한 기기로 발전시키는 것이 가능해졌다.
1989년, 릴라이언스 일렉트릭은 톨레도 스케일 사업부를 치바-가이기 AG에 매각했다. 이 사업부는 이후 메틀러 인스트루먼츠와 합병되었다. 이 합병으로 회사의 글로벌 범위가 크게 확장되었고, 그 결과 18개국에서 사업을 운영하게 되었다. 메틀러는 1990년에 또 다른 경쟁업체인 오하우스 코퍼레이션을 인수했다. 1992년, 이 회사는 메틀러 톨레도로 법인화되었다.
1996년부터 1997년까지 메틀러 톨레도는 치바-가이기 AG에서 뉴욕에 본사를 둔 AEA 인베스터스에 매각되었고, 이는 후속 기업공개를 준비하기 위한 것이었다. 기업공개가 완료되어 뉴욕 증권거래소에서 티커 심볼 뉴욕: MTD로 거래되기 시작했다.
그 결과로 설립된 이 회사는 현재 스위스 그라이펜제에 본사를 두고 있으며, 전 세계 여러 브랜드의 사무실을 두고 있다.
메틀러 톨레도 운영 구조
이 회사는 약 40개국에 지사를 두고 있으며, 중국, 스위스, 미국, 독일, 노르웨이, 영국, 멕시코에서 제조 사업을 운영하고 있다. 메틀러 톨레도는 약 9,000명의 직원을 둔 광범위한 글로벌 판매, 서비스 및 마케팅 조직을 보유하고 있다.
메틀러 톨레도는 시료 준비, 합성, 분석용 벤치탑 활동, 재료 특성 분석 및 인라인 측정에 사용되는 정밀 실험실 기기를 생산한다. 이들의 포트폴리오에는 실험실 저울, 라이닌 실험실 피펫, 실시간 분석 기능을 갖춘 자동 실험실 반응기, 적정기, pH 측정기, 공정 분석 센서 및 분석기 기술이 포함된다.
또한 이 회사는 밀도 및 굴절률 측정 기기, 열 분석 시스템, 그리고 UV/VIS 분광광도계 및 수분 분석기와 같은 기타 분석 도구와 같은 물리적 값 분석기를 제공한다. 이러한 실험실 기기에는 임베디드 소프트웨어가 내장되어 있으며, 메틀러 톨레도는 또한 자사 기기에서 데이터를 관리하고 분석하기 위한 독점적인 실험실 소프트웨어 플랫폼을 제공한다.
메틀러 톨레도 운영 구조
이 회사는 산업용 계량 기기 및 관련 단말기를 제조하며, 제약, 화학, 식품, 개별 제조 및 기타 산업을 위한 소프트웨어를 제공한다. 또한, 생산 및 포장에서 사용되는 금속 탐지, X-ray, 체크 계량 및 기타 생산 라인 끝 제품 검사 시스템도 생산한다. 메틀러 톨레도는 또한 중공업용 저울 및 관련 소프트웨어도 제공한다.
2023년 12월 31일 기준으로 영업 및 서비스 그룹은 약 40개국에 걸쳐 판매, 마케팅, 고객 서비스 및 판매 후 기술 서비스 분야에 약 9,000명의 직원을 두고 있었다.
메틀러 톨레도 서비스 사업은 가동 시간 및 교정 서비스를 제공하며, 규제 준수, 성능 향상, 애플리케이션 전문성 및 교육, 원격 서비스 등 다양한 시장 요구에 대한 부가 가치 서비스를 제공한다. 이 회사는 미국 식품의약국(FDA) 및 기타 국제 규정 준수를 보장하기 위해 제약 고객에게 전문 서비스를 제공한다.
서비스는 회사 순매출의 상당 부분을 차지한다. 수익 외에도 서비스 사업은 고객 유지를 유도하여 메틀러 톨레도가 대규모 고객 기반과 긴밀한 관계 및 빈번한 접촉을 유지할 수 있게 한다.
소프트 센서
소프트 센서(soft sensor) 또는 가상 센서는 여러 측정을 함께 처리하는 소프트웨어의 일반적인 이름이다. 일반적으로 소프트 센서는 제어 이론에 기반하며 상태 관측기라는 이름으로도 불린다. 수십 개 또는 수백 개의 측정값이 있을 수 있다. 신호의 상호작용은 측정할 필요가 없는 새로운 양을 계산하는 데 사용될 수 있다. 소프트 센서는 특히 다른 특성과 동역학의 측정을 결합하는 데이터 융합에서 유용하다. 이는 제어 응용뿐만 아니라 고장 진단에도 사용될 수 있다.
소프트 센서로 볼 수 있는 잘 알려진 소프트웨어 알고리즘에는 칼만 필터가 있다. 소프트 센서의 최신 구현은 신경망 또는 퍼지 컴퓨팅을 사용한다.
소프트 센서 응용의 예:
소프트 센서 각주
Fortuna, Luigi; Graziani, Salvatore; Rizzo, Alessandro; Xibilia, M. Gabriella (2007), 《Soft Sensors for Monitoring and Control of Industrial Processes》, Springer-Verlag, ISBN 978-1-84628-479-3
Kadlec, Petr; Gabrys, Bogdan; Strandt, Sybille (2009), “Data-driven Soft Sensors in the Process Industry” (PDF), 《Computers and Chemical Engineering》 33 (4): 795–814, doi:10.1016/j.compchemeng.2008.12.012
소프트 센서 각주
Karri, Rama Rao; Damaraju, Phaneswara Rao; Venkateswarlu, Chimmiri (2009), “Soft Sensor Based Nonlinear Control of a Chaotic Reactor”, 《Intelligent Control Systems and Signal Processing》 2 (1): 537–543, doi:10.3182/20090921-3-TR-3005.00093
Venkatasubramanian, V.; Rengaswamy, R.; Yin, S.; Kavuri (2003), “A review of process fault detection and diagnosis, three Parts”, 《Computers and Chemical Engineering》 27 (3): 293–326, CiteSeerX 10.1.1.91.2319, doi:10.1016/S0098-1354(02)00161-8
변형 게이지
변형 게이지(strain gauge) 또는 스트레인 게이지(strain gauge, strain gage), 변형계는 물체의 변형을 측정하는 데 사용되는 장치이다. 1938년 에드워드 E. 시먼스와 아서 C. 루지가 발명한 가장 일반적인 유형의 변형 게이지는 금속 포일 패턴을 지지하는 절연 유연성 지지대로 구성된다. 게이지는 순간 접착제와 같은 적절한 접착제로 물체에 부착된다. 물체가 변형되면 포일도 변형되어 전기저항이 변경된다. 일반적으로 휘트스톤 브리지를 사용하여 측정되는 이 저항 변화는 게이지 계수로 알려진 양에 의해 변형과 관련된다.
변형 게이지 역사
에드워드 E. 시먼스와 아서 C. 루지 교수는 독립적으로 변형 게이지를 발명했다.
시먼스는 1936년에서 1938년 사이에 칼텍의 데트윌러와 클라크의 연구 프로젝트에 참여했다. 그들은 충격 하중 하에서 금속의 응력-변형 거동을 연구했다. 시먼스는 미세 저항 와이어로 동력계를 장착하여 시료에 가해지는 힘을 측정하는 독창적인 방법을 고안했다.
MIT 교수인 아서 C. 루지는 지진학 연구를 수행했다. 그는 진동 테이블에 설치된 모델 물탱크의 거동을 분석하려고 했다. 그는 모델의 작은 크기와 낮은 변형으로 인해 당시의 표준 광학 변형 측정 방법을 활용할 수 없었다. 루지 교수(및 그의 조교 J. 한스 마이어)는 물탱크 모델의 얇은 벽에 시멘트로 붙인 금속 와이어의 변형으로 인한 저항 변화를 측정하는 아이디어를 얻었다.
변형 게이지 역사
변형 게이지의 개발은 본질적으로 다른 연구 프로젝트의 부산물이었다. 에드워드 E. 시먼스와 아서 C. 루지 교수는 당시 대안의 부족으로 인해 널리 사용되고 유용한 측정 도구를 개발했다.
아서 C. 루지는 변형 게이지의 상업적 유용성을 깨달았다. MIT의 고용주는 경제적이고 대규모 사용 잠재력을 예측하지 못했기 때문에 발명권에 대한 모든 주장을 포기했다. 이 예측은 틀린 것으로 판명되었다. 변형 게이지 응용 프로그램은 변형을 유발하는 다른 모든 양을 간접적으로 감지하는 데 사용되었기 때문에 빠르게 인기를 얻었다. 또한 과학자들이 설치하기 쉽고, 관찰 대상에 어떤 장애물이나 속성 변화를 일으키지 않아 측정 결과를 왜곡하지 않았다. 아마도 마지막이자 가장 중요한 속성은 전기 출력 신호의 쉬운 전송이었다.
변형 게이지 물리적 작동
변형 게이지는 전기 전도도의 물리적 특성과 도체의 기하학적 구조에 대한 의존성을 활용한다. 전기 전도체가 파손되거나 영구적으로 변형되지 않는 탄성 한계 내에서 늘어나면 더 얇고 길어져 끝에서 끝까지의 전기 저항이 증가한다. 반대로 도체가 휘어지지 않도록 압축되면 더 넓고 짧아져 끝에서 끝까지의 전기 저항이 감소한다. 변형 게이지의 측정된 전기저항으로부터 유도된 응력의 양을 추론할 수 있다.
일반적인 변형 게이지는 길고 얇은 전도성 스트립을 평행선의 지그재그 패턴으로 배열한다. 이는 감도를 높이지 않는다. 주어진 변형에 대한 전체 지그재그의 저항 변화율이 단일 트레이스의 저항 변화율과 동일하기 때문이다. 단일 선형 트레이스는 매우 얇아야 하므로 과열되기 쉽거나(저항을 변경하고 팽창을 유발할 수 있음) 훨씬 낮은 전압에서 작동해야 하므로 저항 변화를 정확하게 측정하기 어렵다.
변형 게이지 게이지 계수
게이지 계수 는 다음과 같이 정의된다.
여기서
는 변형으로 인한 저항 변화,
는 변형되지 않은 게이지의 저항,
는 변형이다.
일반적인 금속 포일 게이지의 경우 게이지 계수는 일반적으로 2보다 약간 높다. 균형 잡힌 휘트스톤 브리지 구성에서 활성 게이지에 대해 활성 게이지와 동일한 저항을 가진 3개의 더미 저항이 있는 단일 활성 게이지의 경우, 브리지의 출력 센서 전압 는 대략 다음과 같다.
여기서
는 브리지 여기 전압이다.
포일 게이지는 일반적으로 약 2–10 mm2 크기의 활성 영역을 가진다. 주의 깊은 설치, 올바른 게이지 및 올바른 접착제를 사용하면 최소 10%까지의 변형을 측정할 수 있다.
변형 게이지 실제 적용
게이지 네트워크의 입력 리드에 여기 전압이 인가되고, 출력 리드에서 전압 판독값이 취해진다. 일반적인 입력 전압은 5V 또는 12V이며, 일반적인 출력 판독값은 밀리볼트 단위이다.
포일 변형 게이지는 다양한 상황에서 사용된다. 다양한 응용 분야는 게이지에 다른 요구 사항을 부과한다. 대부분의 경우 변형 게이지의 방향이 중요하다.
로드셀에 부착된 게이지는 일반적으로 수십 년까지는 아니더라도 수년 동안 안정적으로 유지될 것으로 예상된다. 반면 동적 실험에서 응답을 측정하는 데 사용되는 게이지는 며칠 동안만 물체에 부착되어야 하고, 한 시간 미만으로 에너지를 공급받으며, 1초 미만으로 작동해야 할 수 있다.
변형 게이지 실제 적용
변형 게이지는 특수 접착제로 기판에 부착된다. 접착제의 종류는 측정 시스템의 필요한 수명에 따라 달라진다. 단기 측정(수주 이내)에는 순간 접착제가 적합하며, 장기 설치에는 에폭시 접착제가 필요하다. 일반적으로 에폭시 접착제는 고온 경화(약 80-100 °C)를 필요로 한다. 변형 게이지를 부착할 표면 준비는 매우 중요하다. 표면은 부드럽게 만들고(예: 매우 미세한 사포로), 용제로 탈지해야 하며, 용제 흔적은 제거되어야 하고, 변형 게이지는 준비된 영역의 산화 또는 오염을 피하기 위해 즉시 부착해야 한다. 이러한 단계를 따르지 않으면 표면에 대한 변형 게이지의 결합이 신뢰할 수 없고 예측할 수 없는 측정 오류가 발생할 수 있다.
변형 게이지 기반 기술은 압력 센서 제조에 일반적으로 사용된다. 압력 센서에 사용되는 게이지 자체는 일반적으로 실리콘, 폴리실리콘, 금속 필름, 후막 및 접착 포일로 만들어진다.
온도 변화는 여러 가지 효과를 유발한다. 물체는 열팽창에 의해 크기가 변하고, 이는 게이지에 의해 변형으로 감지된다. 게이지의 저항이 변하고, 연결 전선의 저항도 변한다.
변형 게이지 실제 적용
대부분의 변형 게이지는 콘스탄탄 합금으로 만들어진다. 다양한 콘스탄탄 합금과 카르마 합금은 변형 게이지 자체의 저항에 대한 온도 효과가 테스트 중인 물체의 열팽창으로 인한 게이지 저항 변화를 크게 상쇄하도록 설계되었다. 다른 재료는 열팽창량이 다르기 때문에 자가 온도 보상(STC)은 테스트 중인 물체의 재료와 일치하는 특정 합금을 선택해야 한다.
자가 온도 보상이 되지 않는 변형 게이지(예: 등탄성 합금)는 더미 게이지 기술을 사용하여 온도 보상이 가능하다. 더미 게이지(활성 변형 게이지와 동일)는 테스트 시편과 동일한 재료의 변형되지 않은 샘플에 설치된다. 더미 게이지가 있는 샘플은 활성 게이지 옆에 있는 테스트 시편과 열 접촉하게 배치된다. 더미 게이지는 활성 게이지의 인접한 암에 휘트스톤 브리지에 연결되어 활성 및 더미 게이지의 온도 효과가 서로 상쇄되도록 한다. (머피의 법칙은 원래 휘트스톤 브리지에 게이지 세트가 잘못 연결된 것에 대한 응답으로 만들어졌다.)
모든 재료는 가열되거나 냉각될 때 반응한다. 이로 인해 변형 게이지는 재료의 변형을 기록하여 신호가 변경된다. 이를 방지하기 위해 변형 게이지는 이러한 온도 변화를 보상하도록 만들어진다. 변형 게이지가 조립되는 표면 재료에 따라 다른 팽창이 측정될 수 있다.
리드선의 온도 효과는 "3선 브리지" 또는 "4선 옴 회로"(일명 "4선 켈빈 연결")를 사용하여 상쇄할 수 있다.
어떤 경우든, 휘트스톤 브리지 전압 구동을 변형 게이지의 자체 발열을 피할 수 있을 만큼 충분히 낮게 유지하는 것이 좋은 엔지니어링 관행이다. 변형 게이지의 자체 발열은 기계적 특성(대형 변형 게이지는 자체 발열에 덜 취약함)에 따라 달라진다. 브리지의 낮은 전압 구동 레벨은 전체 시스템의 감도를 감소시킨다.
변형 게이지 적용 분야
구조 건전성 모니터링 (SHM)은 구조물 완공 후 모니터링하는 데 사용된다. 고장을 방지하기 위해 변형 게이지는 손상 및 크리프를 감지하고 위치를 파악하는 데 사용된다. 특정 예시로는 교량 케이블 모니터링을 통해 가능한 손상을 감지하여 안전성을 높이는 것이다. 또한 특수 중량물 운송과 같은 비정상적인 하중에 대한 교량의 거동을 분석할 수 있다.
피부 변형을 측정하면 사람과 다른 동물 모두에서 자세, 관절 회전, 호흡 및 부기와 같은 다양한 생체 역학적 측정을 제공할 수 있다. 그러나 저항성 포일 변형 게이지는 낮은 변형 한계로 인해 이러한 용도로는 거의 사용되지 않는다. 대신, 부드럽고 변형 가능한 변형 게이지는 센서를 신체의 올바른 부위에 쉽게 적용할 수 있도록 숙주 의류에 부착되는 경우가 많지만, 때로는 피부에 직접 부착되기도 한다. 일반적으로 이러한 응용 분야에서 이러한 부드러운 변형 게이지는 신축 센서로 알려져 있다. 의료용으로는 센서가 정확하고 반복 가능해야 하며, 이는 일반적으로 용량성 신축 센서의 사용을 필요로 한다.
변형 게이지 적용 분야
산업 응용 분야의 많은 물체와 재료는 수명이 제한적이다. 수명과 소유 비용을 개선하기 위해 예측 유지보수 원칙이 사용된다. 변형 게이지는 재료의 피로 지표로서 변형을 모니터링하는 데 사용되어 소프트웨어 시스템이 특정 구성 요소가 언제 교체되거나 수리되어야 하는지 예측할 수 있도록 한다. 저항성 포일 게이지는 금속, 세라믹, 복합 재료 등과 같은 단단한 재료를 계측하는 데 사용될 수 있는 반면, 고탄성 변형 게이지는 고무, 플라스틱, 직물 등과 같은 부드러운 재료를 모니터링하는 데 사용된다.
항공 분야에서 변형 게이지는 구조 하중을 측정하고 날개 처짐을 계산하는 표준적인 접근 방식이다. 변형 게이지는 항공기의 여러 위치에 고정된다. 그러나 처짐 측정 시스템은 변형을 원격으로 안정적으로 측정하는 것으로 나타났다. 이는 항공기 계측 중량을 줄여 (특정) 변형 게이지를 대체한다.
원하는 결과를 얻기 위해 변형을 측정해야 하는지 처음에는 명확하지 않은 응용 분야도 있다. 예를 들어 특정 구조물에 침입자를 탐지하는 경우 변형 게이지를 사용하여 침입자의 존재를 감지할 수 있다. 이는 해당 구조물의 미세한 변형 변화를 측정하여 이루어진다.
변형 게이지 오류 및 보상
게이지 계수 온도 계수(TCGF)는 온도 변화에 따른 변형에 대한 장치 감도의 변화이다. 이는 일반적으로 입력단에 고정 저항을 도입하여 보상하며, 이로써 효과적인 공급 전압이 온도 증가에 따라 감소하여 온도 증가에 따른 감도 증가를 보상한다. 이는 변환기 회로에서 모듈러스 보상으로 알려져 있다. 온도가 상승하면 로드셀 요소는 더 탄력적이 되어 일정한 하중 하에서 더 많이 변형되어 출력이 증가하지만, 하중은 여전히 동일하다. 이 모든 것의 영리한 점은 브리지 공급의 저항이 게이지가 접착되는 재료와 게이지 요소 재료 모두에 일치하는 온도 감응 저항이어야 한다는 것이다. 해당 저항의 값은 이 두 값에 모두 의존하며 계산할 수 있다. 간단히 말해 출력이 증가하면 저항 값도 증가하여 변환기로의 순 전압이 감소한다. 저항 값을 올바르게 설정하면 변화가 나타나지 않을 것이다.
변형 게이지 오류 및 보상
전자파장애로 인한 오류 - 변형 게이지의 출력 전압은 mV 범위에 있으며, 요소의 자체 발열을 피하기 위해 휘트스톤 브리지 전압 구동을 낮게 유지하면 μV 범위도 될 수 있으므로 중첩된 노이즈도 증폭되지 않도록 출력 신호 증폭에 특별한 주의를 기울여야 한다. 자주 채택되는 해결책은 "캐리어 주파수" 증폭기를 사용하는 것이다. 이 증폭기는 전압 변화를 주파수 변화(예: 전압 제어 발진기에서)로 변환하고 좁은 대역폭을 가지므로 대역 외 EMI를 줄인다.
변형 게이지 오류 및 보상
습도 – 변형 게이지를 신호 조절기에 연결하는 전선이 노출된 전선처럼 습기로부터 보호되지 않으면 부식이 발생하여 기생 저항이 생길 수 있다. 이로 인해 전선과 변형 게이지가 접착된 기판 사이에 전류가 흐르거나 두 전선 사이에 직접 전류가 흐를 수 있어 변형 게이지를 통해 흐르는 전류와 경쟁하는 오류가 발생한다. 이러한 이유로 고전류, 저저항 변형 게이지(120옴)는 이러한 유형의 오류에 덜 취약한다. 이 오류를 피하려면 변형 게이지 전선을 절연 에나멜(예: 에폭시 또는 폴리우레탄 유형)로 보호하는 것으로 충분한다. 보호되지 않은 전선을 가진 변형 게이지는 건조한 실험실 환경에서만 사용할 수 있으며 산업 환경에서는 사용할 수 없다.
일부 응용 분야에서 변형 게이지는 측정 대상 하드웨어의 진동 프로필에 질량과 감쇠를 추가한다. 터보 기계 산업에서 회전 하드웨어의 진동 측정에 변형 게이지 기술의 대안으로 사용되는 것은 비침습적 응력 측정 시스템으로, 블레이드나 디스크에 장착된 하드웨어 없이 블레이드 진동을 측정할 수 있다.
변형 게이지 변형 게이지의 기하학적 구조
시중에는 다음과 같은 다양한 종류의 변형 게이지가 있다.
변형 게이지 기타 유형
변형 게이지 측정 장치는 표류 문제에 취약한다. 또한 제조에는 모든 생산 단계에서 정확한 요구 사항이 필요하다. 따라서 변형을 측정하는 여러 가지 다른 방법이 있다.
미세 규모 변형 게이지는 미세전기기계시스템(MEMS)에서 힘, 가속도, 압력 또는 소리에 의해 유도되는 변형과 같은 변형을 측정하는 데 널리 사용된다. 예를 들어, 자동차의 에어백은 MEMS 가속도계로 자주 작동된다. 압저항 변형 게이지의 대안으로 집적 광학 링 공진기를 사용하여 미세광전기기계시스템(MOEMS)에서 변형을 측정할 수 있다.
변형 게이지 비접촉 변형 측정
변형은 디지털 이미지 상관법 (DIC)을 사용하여도 측정할 수 있다. 이 기술은 하나 또는 두 대의 카메라를 DIC 소프트웨어와 함께 사용하여 부품 표면의 특징을 추적하여 작은 움직임을 감지한다. 테스트된 샘플의 전체 변형 맵을 계산할 수 있어 유한요소 해석과 유사한 디스플레이를 제공한다. 이 기술은 많은 산업에서 전통적인 변형 게이지 또는 변위계, 스트링 포트, LVDT, 가속도계와 같은 다른 센서를 대체하는 데 사용된다. 상용 DIC 소프트웨어의 정확도는 일반적으로 변위 측정의 경우 픽셀의 1/100에서 1/30 정도이며, 이는 백만 분의 20에서 100 사이의 변형 감도를 나타낸다. DIC 기술은 특히 충격, 고변형, 고온 또는 고주기 피로 시험에서 전통적인 접촉 방법의 일부 문제를 피하면서 형상, 변위 및 변형을 비접촉 방식으로 빠르게 측정할 수 있도록 한다.
변형 게이지 문헌
1995년 스테판 카일 박사는 변형 게이지와 그 사용법에 대한 상세한 책인 Dehnungsmessstreifen의 초판을 출판했다. 이 초판은 독일어로만 출판되었지만, 다양한 분야에서 변형 게이지의 폭넓은 사용으로 인해 독일 외 지역에서도 인기를 얻었다. 20년 이상이 지난 2017년, 그는 영문으로 번역된 제2판을 출판하여 변형 게이지를 사용하는 더 많은 엔지니어들이 접근할 수 있게 되었다. 이 최신 책의 제목은 Technology and Practical Use of Strain Gages이다.
변형 게이지 변형 게이지 이론 (사회학)
변형 게이지라는 용어는 사회학에서도 볼 수 있다. 사회 변형 게이지 이론은 위치크래프트와 주술 비난을 이해하는 접근 방식이다. 남아프리카 인류학자 맥스웰 마윅은 1965년 잠비아와 말라위에서 이러한 사회학적 현상을 연구했다. 마법 비난은 관계나 전체 사회 구조에 대한 변형을 반영한다. 이 이론은 주술 비난이 사회의 압력 완화 장치였다고 말한다.
핵산 혼성화
분자생물학에서 혼성화(hybridization)는 단일 가닥 DNA 또는 RNA 분자가 어닐링하여 상보적인 DNA 또는 RNA와 결합하는 현상이다. 이중 가닥 DNA 서열은 일반적으로 생리학적 조건에서 안정하지만, 실험실에서 이러한 조건을 변경하면 (일반적으로 주변 온도를 높여서) 분자가 단일 가닥으로 분리된다. 이 가닥들은 서로 상보적이지만, 주변에 존재하는 다른 서열과도 상보적일 수 있다. 주변 온도를 낮추면 단일 가닥 분자들이 서로 어닐링되거나 "혼성화"될 수 있다.
DNA 복제와 DNA의 RNA로의 전사는 모두 뉴클레오타이드 혼성화에 의존하며, 서던 블롯 및 노던 블롯과 같은 분자생물학 기술, 중합효소 연쇄 반응(PCR), 그리고 대부분의 DNA 시퀀싱 접근법도 마찬가지이다.
핵산 혼성화 응용
혼성화는 뉴클레오타이드 서열의 기본적인 특성이며, 수많은 분자생물학 기술에서 활용된다. 전반적으로, 두 종의 유전적 연관성은 DNA 조각을 혼성화하여 결정할 수 있다(DNA–DNA 혼성화). 밀접하게 관련된 유기체 간의 서열 유사성으로 인해, 더 멀리 떨어진 유기체에 비해 이러한 DNA 혼성체를 녹이는 데 더 높은 온도가 필요하다. 다양한 방법은 혼성화를 사용하여 중합효소 연쇄 반응(PCR)을 포함한 DNA 샘플의 기원을 정확히 찾아낸다. 다른 기술에서는 짧은 DNA 서열이 세포 mRNA에 혼성화되어 발현된 유전자를 식별한다. 제약 회사들은 역센스 RNA를 사용하여 원치 않는 mRNA에 결합하여 리보솜이 mRNA를 단백질로 번역하는 것을 방지하는 방법을 연구하고 있다.
핵산 혼성화 응용
형광 제자리 혼성화(FISH)는 DNA 서열, 종종 특정 염색체상의 위치를 감지하고 찾아내는 데 사용되는 실험실 방법이다.
1960년대에 조셉 갈과 메리 루 파듀 연구원들은 분자 혼성화를 사용하여 DNA 서열의 위치를 제자리(즉, 염색체 내의 자연 위치)에서 식별할 수 있음을 발견했다. 1969년에 두 과학자는 리보솜 DNA 서열의 방사성 복사본을 사용하여 개구리 알 핵에서 상보적인 DNA 서열을 감지할 수 있음을 보여주는 논문을 발표했다. 이러한 원래의 관찰 이후, 많은 개선이 절차의 다용성과 민감도를 증가시켜 제자리 혼성화는 현재 세포유전학에서 필수적인 도구로 간주된다.
압타머
압타머(aptamer) 또는 앱타머는 인공 ssDNA, RNA, Xeno 핵산 또는 펩타이드의 올리고머로서 특정 표적 분자 또는 표적 분자 계열에 결합한다. 이들은 pM에서 μM 범위의 다양한 친화도(KD)를 보이며, 다양한 수준의 탈표적 결합이 발생한다 이들은 때때로 화학 항체로 분류되기도 한다. 압타머와 항체는 많은 동일한 응용 분야에서 사용될 수 있지만, 대부분 올리고뉴클레오타이드인 압타머의 핵산 기반 구조는 단백질인 항체의 아미노산 기반 구조와 매우 다르다. 이러한 차이로 인해 압타머가 특정 목적에는 항체보다 더 나은 선택이 될 수 있다 (세부 사항은 항체 대체 참조).
압타머는 생물학 실험실 연구 및 의료 테스트에 사용된다. 여러 압타머를 단일 분석으로 결합하면 샘플에서 많은 수의 다른 단백질을 측정할 수 있다. 이들은 질병의 분자 마커를 식별하는 데 사용되거나, 약물, 약물 전달 시스템 및 조절 약물 방출 시스템으로 기능할 수 있다. 또한 다른 분자 공학 작업에도 활용된다.
압타머
대부분의 압타머는 SELEX(Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment)에서 유래한다. SELEX는 다양한 DNA 서열의 거대한 풀에서 유용한 압타머를 찾는 시험관 실험 계열이다. 이 과정은 자연선택, 방향성 진화 또는 인공선택과 매우 유사하다. SELEX에서 연구자는 약 1경 개의 다른 무작위로 생성된 DNA 또는 RNA 조각으로 구성된 초기 DNA 라이브러리에서 가장 좋은 압타머를 반복적으로 선택한다. SELEX 후 연구자는 압타머를 돌연변이시키거나 화학적 변형을 가하여 다른 선택을 수행하거나, 합리적 설계 과정을 사용하여 개선을 설계할 수 있다. 압타머를 발견하는 비-SELEX 방법도 존재한다.
압타머
연구자들은 다양한 유익한 특성을 얻기 위해 압타머를 최적화한다. 가장 중요한 특성은 선택된 표적에 대한 특이적이고 민감한 결합이다. 혈청 검사나 압타머 치료제처럼 압타머가 체액에 노출될 때, DNA 및 RNA 파괴 효소에 의한 소화에 저항하는 것이 종종 중요하다. 치료용 압타머는 체내에서 느리게 청소되도록 종종 변형되어야 한다. 표적에 결합할 때 극적으로 모양을 바꾸는 압타머는 센서를 켜고 끄는 분자 스위치로 유용하다. 일부 압타머는 바이오센서나 생물학적 샘플 테스트에 맞도록 설계된다. 어떤 경우에는 압타머가 미리 정의된 수준 또는 속도의 결합을 달성하는 것이 유용할 수 있다. 알려진 압타머를 생산하는 데 사용되는 합성의 수율이 서열이 길어질수록 급격히 감소하므로, 연구자들은 생산 비용을 줄이기 위해 압타머를 최소 결합 서열로 단축하는 경우가 많다.
압타머 어원
"압타머"라는 단어는 앤드루 D. 엘링턴과 잭 쇼스택이 이 주제에 대한 첫 출판물에서 만든 신조어이다. 그들은 정확한 정의를 제공하지 않고 "우리는 이 개별 RNA 서열을 '압타머'라고 불렀는데, 이는 라틴어 aptus에서 유래하며, '적합하다'는 뜻이다."라고 명시했다.
이 단어 자체는 그리스어 단어 ἅπτω (연결하다 또는 맞추다, 호메로스(기원전 8세기경) 사용)와 μέρος (더 큰 것의 구성 요소)에서 유래한다.
압타머 분류
전형적인 압타머는 DNA, RNA, XNA 또는 펩타이드의 조합 다양성을 활용하여 특정 표적 분자 또는 표적 분자 계열에 대해 강력하고 특이적인 결합을 달성하는 합성적으로 생성된 리간드이다. 압타머는 가끔 "화학 항체" 또는 "항체 모방체"로 분류된다. 그러나 대부분의 압타머는 분자량이 6-30 kDa로 작으며, 150 kDa 크기의 항체와는 대조적으로 두 개의 일치하는 항원 결합 부위 대신 하나의 결합 부위를 포함한다.
압타머 역사
1967년 처음 적용된 이후, 방향성 진화 방법론은 새로운 특성과 기능을 가진 생체분자를 개발하는 데 사용되었다. 초기 사례로는 박테리오파지 Q베타 복제 시스템의 변형과 변형된 결합 절단 활성을 가진 리보자임의 생성이 있다.
1990년, 두 팀이 독립적으로 SELEX(Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment) 방법을 개발하고 발표하여 RNA 압타머를 생성했다. 래리 골드의 연구실은 T4 DNA 중합효소에 대한 RNA 리간드를 선택하는 과정에 SELEX라는 용어를 사용했고 잭 쇼스택의 연구실은 다양한 유기 염료에 대한 RNA 리간드를 선택했다. 2년 후, 쇼스택 연구실과 길리어드 사이언스는 서로 독립적으로 시험관내 선택 방식을 사용하여 유기 염료와 인간 트롬빈에 대한 DNA 압타머를 생성했다. 2001년, SELEX는 엘링턴 연구실의 J. Colin Cox에 의해 자동화되어, 몇 주 걸리던 선택 실험 기간을 단 3일로 단축시켰다.
압타머 역사
2002년, 로널드 브레이커와 예브게니 누들러가 이끄는 두 연구팀은 이전에 존재가 의심되었던 핵산 기반의 유전자 조절 요소인 리보스위치에 대한 첫 번째 명확한 증거를 발표했다. 리보스위치는 압타머와 유사한 분자 인식 특성을 가지고 있다. 이 발견은 지구의 생명 기원에서 가정된 시간적 단계인 RNA 세계 가설에 대한 지지를 더했다.
압타머 속성
대부분의 압타머는 20-100개의 뉴클레오타이드 염기와 3-20 kDa의 특정 올리고머 서열을 기반으로 한다. 일부는 기능 향상 또는 더 큰 공학적 분자 시스템과의 호환성을 위해 화학적 변형이 되어 있다. DNA, RNA, Xeno 핵산 및 펩타이드 압타머 화학은 각각 저장 안정성, 혈청 또는 생체 내 내구성, 특이성 및 민감도, 비용, 생성 용이성, 증폭 및 특성화, 사용자 친숙성 측면에서 뚜렷한 프로필을 제공할 수 있다. 일반적으로 DNA 및 RNA 기반 압타머는 낮은 면역원성을 나타내며, 중합효소 연쇄 반응 (PCR)을 통해 증폭 가능하며, 복잡한 2차 구조와 3차 구조를 가진다. DNA 및 XNA 기반 압타머는 우수한 저장 안정성을 나타낸다. XNA 기반 압타머는 결합 친화도를 높이거나 혈청 또는 생체 내에서 더 큰 내구성을 제공하기 위해 추가적인 화학적 다양성을 도입할 수 있다.
압타머 속성
유전적으로 암호화된 22가지 및 자연적으로 발생하는 500가지 이상의 아미노산이 존재하므로, 펩타이드 압타머는 항체와 마찬가지로 DNA 또는 RNA의 4가지 핵산에 비해 단위 길이당 조합 다양성이 훨씬 더 크다. 핵산 염기 또는 골격의 화학적 변형은 표준 핵산 염기의 화학적 다양성을 증가시킨다.
분할 압타머는 분자 절단에 의해 둘로 나뉜 더 큰 모체 압타머의 조각인 두 개 이상의 DNA 가닥으로 구성된다. 각 구성 가닥의 표적 결합 능력은 절단 위치와 딸 가닥의 2차 구조에 따라 달라진다. 표적 분자의 존재는 DNA 단편의 결합을 촉진한다. 이는 바이오센서의 기초로 사용될 수 있다. 일단 조립되면 두 개의 분리된 DNA 가닥은 단일 가닥으로 연결될 수 있다.
압타머 속성
변형되지 않은 압타머는 혈액에서 반감기가 몇 초에서 몇 시간으로 빠르게 제거된다. 이는 주로 압타머를 물리적으로 파괴하는 핵산 분해 효소 분해와 압타머의 낮은 분자량 및 크기로 인한 신장에 의한 제거 때문이다. 2'-플루오린 치환된 피리미딘 및 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 연결과 같은 여러 변형은 며칠에서 몇 주까지의 혈청 반감기를 허용한다. PEG화는 생체 내에서 신장에 의한 제거를 방지하기에 충분한 질량과 크기를 더할 수 있다. 변형되지 않은 압타머는 혈액응고 장애를 치료할 수 있다. 압타머를 눈에 적용할 경우, 핵산 분해 효소 농도가 낮고 제거 속도가 느리기 때문에 제거 및 핵산 분해 효소 소화 문제가 줄어든다. 혈청에서 빠른 제거는 진단 영상과 같은 일부 응용 분야에서도 유용할 수 있다.
압타머 속성
에볼라 감염 관련 단백질에 결합하도록 설계된 압타머에 대한 연구에서 에볼라 바이러스 sGP 표적 단백질에 결합하는 능력에 따라 분리된 세 가지 압타머 간의 비교가 이루어졌다. 이 압타머들은 서열과 구조가 모두 다르지만, 에볼라 바이러스와 수단 바이러스의 sGP 및 에볼라 바이러스 GP1.2에 대해 놀랍도록 유사한 상대적 친화도를 보였다. 특히, 이 압타머들은 GP 유전자 산물에 대해 높은 특이도를 나타냈다. 특히 한 압타머는 전기화학 센서에서 인식 요소로 효과적이며, 용액 내 sGP 및 GP1.2뿐만 아니라 막 컨텍스트 내 GP1.2를 감지할 수 있었다. 이 연구 결과는 단백질 표면의 특정 영역이 압타머 친화적 특성을 가질 수 있다는 흥미로운 가능성을 시사한다. 이러한 부위의 핵심 특징을 식별하고, 압타머의 향상된 3D 구조 예측과 결합하면 단백질에 대한 압타머 상호작용 부위 예측의 정확성을 높일 수 있는 잠재력이 있다. 이는 결과적으로 높은 친화도로 단백질에 결합할 가능성이 높은 압타머를 식별하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 압타머 결합에 큰 영향을 미 미칠 수 있는 단백질 돌연변이를 밝히는 데도 기여할 수 있다. 압타머와 단백질 간의 구조 기반 상호작용에 대한 포괄적인 이해는 압타머-단백질 결합의 계산적 예측 가능성을 정교하게 만드는 데 필수적이다. 또한, 궁극적으로 실험적 SELEX 프로토콜의 필요성을 없앨 잠재력도 가지고 있다.
압타머 속성
압타머의 표적은 작은 분자 및 중금속 이온과 같은 작은 리간드부터 단백질과 같은 더 큰 리간드, 심지어 전체 세포까지 포함할 수 있다. 이러한 표적에는 리소자임, 트롬빈, 인간 면역결핍 바이러스 전사 활성 반응 요소 (HIV TAR), 헤민, 인터페론 감마, 혈관 내피 성장 인자 (VEGF), 전립선 특이 항원 (PSA), 도파민, 및 비고전적 암유전자인 열 충격 인자 1 (HSF1)이 포함된다.
압타머는 암세포, 프리온, 박테리아, 및 바이러스에 대항하여 생성되었다. 압타머의 바이러스 표적에는 인플루엔자 A 및 B 바이러스, 호흡기세포융합바이러스 (RSV), SARS 코로나바이러스 (SARS-CoV) 및 SARS-CoV-2가 포함된다.
압타머 속성
압타머는 환경과학 단백체학에 특히 유용할 수 있다. 항체는 다른 단백질과 마찬가지로 핵산보다 서열을 분석하기가 더 어렵다. 또한 유지 및 생산 비용이 많이 들고, 세포 배양을 통해 생산되거나 동물 혈청에서 채취되기 때문에 오염 위험이 끊임없이 존재한다. 이러한 이유로, 잘 연구되지 않은 단백질과 종에 관심이 있는 연구자들은 회사들이 자신들이 관심 있는 표적에 대한 항체를 생산, 유지 또는 충분히 품질을 검증하지 않을 수 있다는 것을 알게 될 수 있다. 반면, 압타머는 서열 분석이 간단하고 유지 비용이 들지 않는데, 그 정확한 구조가 디지털로 저장되어 필요에 따라 합성될 수 있기 때문이다. 이는 자금이 부족한 생물학 연구 분야에서 연구 도구로서 경제적으로 더 실현 가능하게 만들 수 있다. 압타머는 차에서 발견되는 테오필린 및 아브시스산 (식물 면역 호르몬)과 같은 식물 화합물에도 존재한다. 치명적인 광대버섯속 중독을 일으키는 독소인 알파 아마니틴에 대한 압타머가 개발되었는데, 이는 버섯 표적에 대한 압타머의 한 예이다.