KR100398309B1

KR100398309B1 - 연속 전기습윤에 의해 유도된 운동하는 액체 방울에 의해구동되는 마이크로펌프

Info

Publication number: KR100398309B1
Application number: KR10-2001-0008341A
Authority: KR
Inventors: 윤의식; 윤광석
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2003-09-19
Also published as: US20020114715A1; KR20020068096A; US6629826B2

Abstract

본 발명은 연속 전기습윤(Continuous Electrowetting)에 의해 유도된 운동하는 액체 방울에 의해 구동되는 마이크로 펌프(Micropump)에 관한 것이다. 연속 전기습윤이란 전기적으로 액체 방울의 표면장력을 연속적으로 변화시킴으로서 액체 방울이 운동하는 현상을 말한다. 전해질과 액체 금속 방울이 삽입되어 있는 관에 금속 전극을 통하여 주기적으로 극성이 바뀌는 전압을 인가해 주면, 액체 금속의 표면 장력에 변화가 생기게 되어 액체 금속 방울이 관 내부에서 왕복 운동하게 되는데, 이때 발생되는 압력 및 힘을 마이크로 펌프의 구동력으로 이용한다. 이러한 마이크로 펌프는 저전압에서 동작이 가능하며 낮은 소비전력을 가지게 된다.

Description

연속 전기습윤에 의해 유도된 운동하는 액체 방울에 의해 구동되는 마이크로 펌프 {Micropump actuated by the movement of liquid drop induced by continuous electrowetting}

본 발명은 마이크로 펌프(Micropump)에 관한 것으로서, 특히 연속 전기습윤(Continuous Electrowetting)에 의해 구동되는 마이크로 펌프에 관한 것이다.

극소량의 용액을 다루는 마이크로 펌프는 마이크로 화학분석 시스템, 생체 이식형 의료 기구, 마이크로 약물 투여기, 미소 생산 시스템 등의 많은 분야에서 그 필요성이 제기 되고 있다.

기존에 제안된 마이크로 펌프는 압전(piezoelectric), 정전력(electrostatic force), 열공압(thermopneumatic), 전자력(electromagnetic force) 등을 그 구동 에너지로 사용하였다. 그러나 압전 또는 정전력을 이용하는 경우 그 구동전압이 높고 ( ~ 수백 V), 열공압 또는 전자력을 이용한 경우는 소비 전력이 커서 생체 이식형 의료기구(Implantable medical devices), 원격 환경감시 시스템, 소형 분석시스템(Handheld chemical analysis system) 등에 사용되는 데 한계가 있다.

마크 디. 포터 (Mark D. Porter)등에게 1995년 12월 5일자로 부여된 미합중국 특허 제5,472,577호에서는 액체 금속의 표면장력을 전기적으로 변화시킴으로서 구동되는 마이크로 펌프에 대해 개시한다. 이 특허에서는 용기에 담겨진 액체 금속의 전해질과의 접합면의 표면 장력을 전기적으로 변화시킴으로써 곡률 반경이 변화되는 것을 마이크로 펌프의 구동에너지로 사용하였다. 그러나, 이 경우 액체 금속의 수위 변화에는 한계가 있게되어 큰 막의 휨을 얻기가 힘들다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상술한 종래의 마이크로 펌프의 문제점을 해결할 수 있도록 연속 전기습윤 현상을 이용하여 향상된 동작특성을 가지는 마이크로 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 기술적 과제는, 저전력, 저전압으로 동작 가능한 마이크로 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 기존의 표면장력의 변화를 이용한 마이크로 펌프에 비해 큰 박막의 휨을 얻을 수 있는 마이크로 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 두 개 이상의 구동기를 직렬 또는 병렬로 연결함으로써 펌핑 압력을 증가시키고 큰 박막의 휨을 얻을 수 있는 마이크로 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 마이크로머시닝 및 반도체 공정을 응용하여 용이하게 제작될 수 있는 마이크로 펌프를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 펌프의 개략적 단면도;

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 펌프의 개략적 단면도;

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 펌프의 구동기의 분해사시도;

도 3b는 조립된 도 3a의 마이크로 펌프의 구동기를 액체 방울 왕복통로 방향으로 절단하여 나타낸 도면;

도 4는 도 1의 실시예에 대한 변형례의 단면도;

도 5는 도 2의 실시예에 대한 변형례의 단면도;

도 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 펌프의 분해사시도;

도 6b는 조립된 도 6a의 마이크로 펌프를 A-A'선에 따라 절단하여 나타낸 단면도;

도 6c는 도 6a의 마이크로 펌프에서 연동식 유체 펌핑을 위한 유연막들의 운동에 대한 예를 나타낸 도면;

도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 펌프의 분해사시도;

도 7b는 도 7a의 마이크로 펌프의 동작을 설명하기 위해 챔버와 유로를 강조하여 도시한 도면;

도 7c는 도 7b의 전압원들에 인가하는 전압파형의 일 예를 나타낸 그래프;

도 7d는 도 7c의 전압 파형이 도 7b의 전압원에 인가되었을 때, 네 개의 유연막들의 움직임 상태를 보여주는 도면;

도 8a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 펌프의 구동기의 개략적 단면도;

도 8b는 도 8a에 도시된 마이크로 펌프의 구동기의 분해 사시도; 및

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 펌프의 구동기의 분해 사시도이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 마이크로 펌프는, 그 구동력을 얻기 위해, 전기적으로 액체 방울의 표면 장력을 연속적으로 변화시킴으로서 액체 방울의 움직임을 얻는 연속 전기습윤 현상을 이용함을 특징으로 한다.

본 발명에서 구동부분은, 전해질 용액으로 채워져 있는 가는 모세관 또는 미소 튜브와 그 속에 삽입되어 있는 액체 금속 방울, 전압을 가해 주기 위한 금속 전극들과 그리고 액체 방울의 움직임에 의해 밀려진 전해질에 의해 움직이게 되는 얇은 유연막들로 구성되어 있다.

상기 구동부분에서 금속 전극에 가해진 전압에 따라 액체 방울이 압력을 받아 움직이게 되며 그에 따라 전해질이 움직이게 되며, 이 움직임이 유연막의 휨으로 나타나는 구조를 가진다. 금속 전극을 통하여 전해질에 가해진 전압에 의해 튜브 내에 삽입되어 있는 액체 방울의 표면을 따라 표면장력의 크기가 서로 다르게 분포하게 되고, 이러한 표면 장력의 차이에 의해 액체 방울은 한 방향으로 힘을 받아 움직이게 된다. 이 움직임은 전해질의 이동을 수반하게 되며, 상응하는 압력으로 모세관의 양끝을 막고 있는 얇은 막을 휘게 된다.

상기 구동부분은 액체 또는 기체의 흐름을 유도 또는 제어하기 위한 마이크로 펌프의 구동기로서 본 발명에서 제안되었다. 전해질로 채워진 모세관 또는 가느다란 튜브의 중앙에 액체 방울이 삽입되어 있다. 액체 방울은 일반적으로 오일 또는 액체 금속인 수은이나 인듐합금 등이 사용될 수 있다. 전압을 가하기 위한 전극이 튜브의 양 끝단에 삽입되며 튜브의 양끝은 넓게 벌어진 뒤 얇은 유연막으로 막혀 있다. 이 유연막은 다시 실제 펌핑 하고자 하는 유체가 지나가는 튜브의 외벽을 이루고 있으며, 상하 왕복운동을 통하여 유체의 흐름을 유도하게 된다. 바람직하게는, 액체 방울의 왕복운동, 그로 인한 막의 상하 왕복운동을 유도하기 위하여, 인가하는 전압은 일정한 주기를 가지고 극성을 바꾸는 전압이다. 보다 바람직하게는, 인가 전압은 일정한 주기와 크기를 가지는 구형파 전압이다.

본 발명의 또 다른 내용으로, 마이크로 펌프는 반도체 공정 및 마이크로머시닝을 이용하여 제작된다. 구조체의 형성은 유리기판 또는 실리콘 기판 등의 평탄한 기판을 사용하여 반도체 공정 또는 마이크로머시닝을 이용하여 형성된다. 금속 전극은 기판 위에 형성되게 되며, 전해질과 액체 방울이 움직이는 튜브는 감광막이나 폴리머 같은 두꺼운 코팅 물질로 형성될 수 있다. 액체 방울의 움직임은 역시 튜브를 덮고있는 유연막을 통하여 펌핑하고자 하는 유체에 전달된다.

본 발명의 또 다른 내용으로, 구동기의 성능을 향상시키기 위하여 상기에서 기술된 하나의 액체 방울이 삽입되어 있는 튜브 두 개 이상이 직렬 또는 병렬로 연결되어 사용될 수 있다. 두 개 이상의 구동기를 직렬로 연결하여 각각의 액체 방울들을 구동할 경우, 증가된 펌핑 압력을 얻을 수 있다. 또한 구동기의 병렬 연결을 통하여 많은 양의 전해질을 밀고 당김으로써 큰 막의 휨을 얻을 수 있다. 또한 구동기의 직렬연결 및 병렬연결을 병행함으로써 큰 펌핑 압력으로 큰 막의 휨을 얻을 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 도면에서 동일, 유사한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 펌프의 개략적 단면도이다. 도 1을 참조하면, 마이크로 펌프는, 전해질(20)로 채워져 있는 가느다란 전해질 저장튜브(10)와, 저장튜브(10)에 있는 전해질(20) 내에 삽입된 액체 방울(30)과, 저장튜브(10)의 양끝에 삽입된 금속 전극들(40, 45)과, 액체 방울과 금속전극의 반응을 막기 위한 그물 모양의 구조체들(50, 55)과, 저장튜브(10)의 양쪽 끝을 막고있는 유연막들(60, 65)과, 유연막들(60, 65)과 접해 있으며 실제 펌핑 유체가 지나가는 통로를 제공하는 유체통로용 튜브들(70, 80)로 구성되어 있다. 또한, 도 1의 예에서 펌핑 유체가 지나가는 유체통로용 튜브들(70, 80) 내에는 각각 두 개씩의 체크 밸브들(71,72; 81, 82)이 있어서 유체의 흐름을 화살표로 표시된 한쪽 방향으로 유도한다. 도 1의 마이크로 펌프는 하나의 액체 방울(30), 예컨대 수은 방울과 전해질 저장튜브(10)를 이용하여, 동시에 두 개의 서로 다른 유체통로용 튜브들(70, 80)의 유체를 펌핑할 수 있음을 보여준다. 액체 방울의 재질로서, 수은 이외에 인듐합금이 사용될 수도 있다.

이하에서 도 1에 도시된 마이크로 펌프의 작동에 대해 설명한다.

금속 전극들(40, 45) 사이에 전압을 인가하면, 튜브 내의 액체 방울(30)이 움직이게 되는데 이는 연속 전기습윤(Continuous electrowetting)현상에 의해 기인한다. 이 현상에 대한 기본적인 원리는 지. 베니 (G. Beni)등이 1982년 5월 어플라이드 피직스 레터(Appl. Phys. Lett) 40권 912쪽에 발표한 "Continuous electrowetting effect"논문과 이정훈(J. Lee) 등이 2000년 IEEE 저널 오브 마이크로일렉트로미캐니컬 시스템스(Journal of Microelectromechanical Systems) 198권 171쪽에 발표한 "Surface tension driven microactuation based on continuous electrowetting (CEW)" 논문에 설명되어 있다. 연속 전기습윤 현상은 3V 이하의 낮은 전압에서 발생하며, 연속 전기습윤 현상을 이용한 마이크로 펌프의 작동에는 수십 마이크로 와트 이하의 낮은 전력이 소비된다.

금속 전극들(40, 45)을 통해서 전해질(20)에 인가된 전압에 따라, 수은 방울 등의 액체 방울(30) 표면의 전하들이 서로 다른 밀도로 액체 방울(30) 표면에 분포하게 되며, 이것에 의하여 액체 방울(30) 표면에서 표면장력의 차이가 나타나고, 이것에 의해서 액체 방울(30)이 힘을 받아 운동을 하게 된다. 액체 방울(30)이 움직임에 따라 전해질 저장튜브(10) 내부의 전해질(20)도 같이 이동하게 되며, 이에 의해 전해질 저장튜브(10)의 양쪽 끝을 막고 있는 유연막들(60, 65)이 서로 다른 방향으로 휘게 된다. 이러한 유연막의 재질로서는, 실리콘 고무, 패릴린(Parylene), 폴리이미드(Polyimide), 실리콘산화막, 실리콘질화막, 실리콘으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나가 사용될 수 있다. 이 유연막들(60, 65)은 펌핑 유체(미도시)가 흘러가는 유체통로용 튜브들(70, 80)과 접해 있다. 금속전극들(40, 45)에 인가하는 전압의 극성을 주기적으로 바꾸어주면 액체 방울(30)은 왕복운동을 하게 되며, 유연막들(60, 65)의 상하 왕복 운동을 얻을 수 있다. 액체 방울이 오른쪽으로 이동하면 제1 유연막(60)이 아래쪽으로 운동하게 되며, 제1 유체통로용 튜브(75) 내의 압력이 낮아져 제1 체크밸브(check valve; 71)가 열리면서 유체가 흘러들어 온다. 다시 액체 방울(30)이 왼쪽으로 이동하게 되면 제1 유연막(60)이 위쪽으로 운동하게 되며, 제1 유체통로용 튜브(75) 내의 압력이 높아져 입구 쪽의 제1 체크밸브(71)는 닫히고 출구 쪽의 제2 체크밸브(72)는 열리면서 제1 유체통로용 튜브(75) 내에 있는 유체가 화살표 방향으로 흘러 나가게 된다. 다른 한쪽의 제2 유체통로용 튜브(80)에서도 같은 방식으로 유체의 펌핑이 이루어진다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 펌프의 개략적 단면도이다. 도 1에 도시된 실시예의 구조와 비교할 경우, 본 실시예는 하나의 유체만을 펌핑할 수 있다는 단점을 가지지만 두 배의 압력으로 유체를 펌핑할 수 있다는 장점을 가진다.

도 2를 참조하면, 도 1의 경우와 같이, 두 개의 금속 전극들(140, 145)에 가해진 전압에 따라 유연막들(160,165)이 상보적으로 상하 왕복 운동을 하게 된다. 즉, 액체 방울(130)이 오른쪽으로 이동하면, 제1 유연막(160)이 아래쪽으로 운동하며 제1 체크밸브(171)가 열리면서 유체가 들어오게 되며, 제2 유연막(165)은 위쪽으로 운동하며 유체를 오른쪽 방향으로 밀어내게 된다. 한편, 액체 방울(130)이 왼쪽으로 이동하면, 제1 유연막(160)은 위쪽으로 올라가고 제2 유연막(165)은 아래쪽으로 내려가게 된다. 따라서 제1 체크밸브(171)는 닫히고 제2 체크밸브(172)는 열리면서 유체가 제2 유연막(165)까지 이동하게 된다. 다시 액체 방울(130)이 오른쪽으로 이동하면 제2 유연막(165)의 상승운동에 의해 유체가 흘러나가게 된다.

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 펌프의 구동기의 분해사시도이다. 도 3a의 구동기는 반도체 공정 및 마이크로머시닝을 이용하여 제작된다. 이러한 전기습윤방식의 구동기는 실리콘 또는 유리와 같은 기판들(201, 203)을 사용하여 제작될 수 있으며, 각각의 기판들(201, 203)은 서로 접합함으로서 적절한 작용을 할 수 있다. 기판의 재질로서, PDMS (Poly Dimetyl Siloxane) 또는 플라스틱과 같은 폴리머가 사용될 수도 있다.

전압을 인가하기 위한 금속 전극들(240, 245)은 반도체 공정을 이용하여 제1 기판(203) 위에 형성된다. 금속 전극으로는 액체 방울(230)로 사용되는 금속인 수은과 화학적 반응을 잘 하지 않는 백금, 이리듐 등을 사용한다. 액체 방울(230)이 왕복운동하기 위한 통로와 전해질(220)이 저장될 저장튜브의 외벽을 이루게되는 벽체 물질(210)도 역시 제1 기판(203) 위에 형성된다. 이 벽체 물질(210)은 반도체 공정으로 쉽게 형성될 수 있는 감광막, 폴리이미드(polyimide), 실리콘 산화막 등의 재질로 형성될 수 있다. 다른 가능한 물질로는 각종 폴리머, 유리 등이 사용될 수 있다. 형성된 벽체 물질(210)의 구조체 위에 휘기 쉬운 유연막(202)을 덮어씌움으로써 전해질(220)과 액체 방울(230)을 가두게 된다. 유연막(202)은 제2기판(201)의 하부에 덮여져 있으며 제2 기판(201)은 관통구멍(275, 285)이 뚫어져 유체통로용 튜브(미도시)에 맞닿는 유연막들(260, 265)이 상보적으로 휠 수 있게 된다. 유연막(202)의 재질로는 실리콘고무(silicone rubber), 폴리이미드(polyimide), 패릴린(Parylene) 등의 비교적 영계수(Young's modulus)가 낮은 물질을 사용한다. 또한 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 그리고 얇게 식각된 실리콘 막 등도 사용될 수 있다. 이 구조에서도 액체 방울과 금속 전극의 접촉을 막기 위하여 그물모양의 구조체들(250, 255)을 액체 방울(230)이 왕복운동하는 채널의 양끝에 형성한다.

도 3b는 조립된 도 3a의 마이크로 펌프의 구동기(200)를 액체 방울 왕복통로 방향으로 절단한 도면이다. 도 1의 경우와 마찬가지로, 도 3b의 경우도, 두 개의 금속 전극들(240, 245) 사이에 전압을 걸어줌으로써 액체 방울(230)의 왕복운동을 얻게되며, 결과적으로 유연막들(260, 265)의 상하 왕복 운동을 얻게 된다.

도 4는 도 1의 실시예에 대한 변형례의 단면도로서, 반도체 공정 및 마이크로머시닝등을 이용해 마이크로 펌프(300)를 소형, 집적화시킨 것이다. 도 4의 마이크로 펌프(300)는 도 3b의 구동기(200) 위에 체크밸브들(371, 372, 381, 382)이 형성된 제3 기판(304)을 접합한 구조를 취한다. 액체 방울(330)의 왕복운동에 따른 유연막들(360, 365)의 상하 왕복운동에 의해 제1 챔버(375)에서는 유체가 제1 입구(391)에서 들어와 제1 출구(392)로 나가게 되며, 제2 챔버(385)에서는 유체가 제2 입구(393)에서 들어와 제2 출구(394)로 나가게 된다.

도 5는 도 2의 실시예에 대한 변형례의 단면도로서, 반도체 공정 및 마이크로머시닝 등을 이용해 마이크로 펌프(400)를 소형, 집적화시킨 것이다.

도 5를 참조하면, 액체 방울(430)이 왼쪽으로 움직이면 제1 유연막(460)은 올라가고, 제2 유연막(465)은 내려가게 되며, 그에 따라 입구(491)에 위치한 제1 챔버(475)에 있는 제1 체크밸브(471)는 닫히고 출구(494)에 위치한 제2 챔버(485)에 있는 제2 체크밸브(481)는 열리면서 입구(491)쪽의 제1 챔버(475)에 있던 유체가 출구(494)쪽의 제2 챔버(485)로 통로(490)를 통하여 이동하게 된다. 다시 액체 방울(430)이 오른쪽으로 움직이면 제1 체크밸브(471)가 열리면서 유체가 제1 챔버(471) 내부로 흘러들어 오게 되며, 제2 체크밸브(481)는 닫히면서 제2 챔버(485) 내부의 유체가 출구(494)를 통해 흘러 나가게 된다.

도 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 펌프의 분해사시도이다. 즉, 도 6a에는 연속 전기습윤 현상을 이용한, 체크밸브 없는 연동식 마이크로 펌프(500)가 도시된다. 본 실시예에서는, 연속 전기습윤 현상을 이용한 세 개의 구동기들(505, 506, 507)이 사용되며, 그 각각에 독립적으로 전압이 인가되어 막을 휘게 함으로써, 연동방식에 의해 유체가 한쪽 방향으로 흐를 수 있게 한다.

도 6b는 조립된 도 6a의 마이크로 펌프를 A-A'선에 따라 절단하여 나타낸 단면도이다. 도 6b에서 알 수 있듯이, 체크밸브를 사용한 도 1 내지 도 5의 마이크로 펌프들과 본 실시예의 마이크로 펌프와의 구조상 차이점은, 연동식 마이크로 펌프의 경우에는 유연막들(560, 561, 562)과 접해 있는 챔버들(570, 571, 572)의 깊이가 얕다는 것이다. 이와 같이 깊이가 얕으면, 유연막이 위쪽으로 올라갔을 때 챔버 내의 유체를 밀어내는 역할뿐만 아니라, 막과 반대편 면과의 접촉으로 인해 펌핑유체가 흐를 수 있는 통로를 막는 밸브 역할도 한다. 연동식으로 유체를 펌핑하기 위해서는, 세 개의 구동기의 유연막들을 연속적으로 적절한 시간 지연을 가지고 상하 운동을 시켜 준다. 이렇게 하면, 입구(590) 쪽으로부터 세 개의 챔버들(570, 571, 572)을 차례로 거쳐 출구(591) 쪽으로 유체의 흐름을 유도할 수 있다.

도 6c는 도 6a의 마이크로 펌프에서 연동식 유체 펌핑을 위한 유연막들의 운동에 대한 예를 나타낸 도면이다. 도 6b 및 6c를 공통으로 참조하며 유연막들의 동작을 아래에 설명한다.

첫 번째 시각(t₁)에서 제1 유연막(560) 및 제3 유연막(562)은 올라가고 제2 유연막(561)은 내려간다. 다음 시각(t₂)에서 제2 유연막(561)은 올라가고 제3 유연막(562)은 내려가면서 제2 챔버(571)에 있던 유체가 제3 챔버(572)로 이동한다. 다음 시각(t₃)에서 제3 유연막(562)이 올라가면서 제3 챔버(572) 내에 있는 유체를 출구(591) 쪽으로 내보내며, 제1 유연막(560)은 올라가면서 입구(590) 쪽으로부터 유체를 제1 챔버(570) 내부로 빨아들이게 된다. 상기 일련의 과정을 반복함으로서 입구(590) 쪽에서부터 출구(591) 쪽으로 유체가 연속적으로 흐르게 된다.

도 6a 내지 6c에서 설명한 마이크로 펌프구조에서는 여섯 개의 챔버를 구비한 것을 예로 들었으나 실제 마이크로 펌프의 작동에 참여하는 것은 세 개이며, 따라서 소자의 크기나 효율성에서 좋지 않다.

도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 펌프의 분해사시도이다.

즉, 도 7a에는 연속 전기습윤 현상을 이용한, 체크밸브 없는 연동식 마이크로 펌프(600)의 다른 예가 도시된다. 본 실시예의 마이크로 펌프는 네 개의 유연막들(660, 661, 662, 663)을 구비하며, 이들 네 개 모두 유체를 펌핑하는 데 참여하게 된다. 도 6a에 도시된 구조와 비교할 경우, 다른 점은 유연막들(660, 661, 662, 663)과 접해 있는 챔버들(670, 671, 672, 673)이 서로 일렬로 연통되어 있다는 것이다.

도 7b는 도 7a의 마이크로 펌프의 동작을 설명하기 위해 챔버와 유로를 강조하여 도시한 도면이다. 도 7b를 참조하면, 액체방울들(630, 631)의 각각에 대한 왕복운동을 제어하기 위해 제1 전극들(640, 642)과 제2 전극들(641, 643) 사이에 서로 다른 전압을 가할 수 있는 전압원들(V₁, V₂)이 각각 연결되어 있음을 알 수 있다.

도 7c는 도 7b의 전압원들에 인가하는 전압 파형의 일 예를 나타낸 그래프이다. 도 7c를 참조하면, 제1 전압원(V₁)은 0 ~ t₁, t₃~ t₅의 시간간격(time interval) 동안 "양(positive)"의 극성을 유지하며, t₁~ t₃의 시간간격 동안 "음(positive)"의 극성을 유지한다. 이에 반해, 제2 전압원(V₂)은 0 ~ t₂, t₄~ t₅의 시간간격 동안 "양(positive)"의 극성을 유지하며, t₂~ t₄의 시간간격 동안 "음(positive)"의 극성을 유지한다.

도 7d는 도 7c의 전압 파형이 도 7b의 전압원에 인가되었을 때, 네 개의 유연막들의 움직임 상태를 보여주는 도면이다. 도 7a 내지 7d를 참조하여 마이크로펌프의 동작을 설명하면 다음과 같다. 0 ~ t₁의 시간간격 동안 제1 액체 방울(630)은 제3 챔버(672) 쪽으로, 제2 액체 방울(631)은 제4 챔버(673) 쪽으로 각각 이동하면서 제1 및 제2 유연막들(660, 661)은 아래로 내려가게 되고, 제3 및 제4 유연막들(662, 663)은 위로 올라가게 된다. 그 다음, t₁~ t₂의 시간간격 동안 제1 액체 방울(630)은 제1 챔버(670) 쪽으로 이동하면서 제1 유연막(660)은 올라가고, 제3 유연막(662)은 내려가면서, 유체가 제3 챔버(672) 쪽으로 흐르게 된다. 이어서, t₂~ t₃의 시간간격 동안에는, 제2 액체 방울(631)이 제2 챔버(671) 쪽으로 이동하면서 제2 유연막(661)이 올라가게 되고, 유체는 제4 챔버(673) 쪽으로 흐르게 된다. 그 다음, t₃~ t₄의 시간간격 동안에 제1 액체 방울(630)은 제3 챔버(672) 쪽으로 이동하게 되어 제1 유연막(660)이 내려가면서 입구(690)를 통하여 제1 챔버(670) 내로 유체가 들어오게 되며, 제3 유연막(662)이 올라가면서 유체가 제4 챔버(673) 쪽으로 이동하게된다. 이어서, t₄~ t₅의 시간간격 동안에는, 0 ~ t₁의 시간간격에서와 동일한 상태가 되어 제2 액체 방울(631)이 제4 챔버(673) 쪽으로 이동하면서 유체가 출구(691)로 흘러나가게 된다. 상기의 과정을 반복함으로써 입구(690) 쪽으로부터 출구(691) 쪽으로의 연속적인 유체흐름을 얻을 수 있다.

도 8a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 펌프의 구동기의 개략적 단면도로서, 유체통로용 튜브와 챔버를 제외하고 도시한 것이다. 본 실시예의 마이크로 펌프는, 하나의 액체 방울이 들어 있는 저장튜브 세 개를 직렬로 연결한 구조로 이루어져 있음을 알 수 있다. 이는 하나의 저장튜브를 사용한 경우에 비해, 더 큰 펌핑 압력을 얻을 수 있다. 세 개의 저장튜브에는 공통적으로 전해질이 채워져 있으며, 각각의 저장튜브에는 전극쌍이 포함되는데, 인접한 저장튜브 사이에는 전극을 공유할 수 있기 때문에 전체적으로 네 개의 전극들(740, 741, 742, 743)이 삽입된다. 그러나, 액체 방울과 금속전극의 반응을 막기 위한 그물 모양의 구조체들은 인접한 저장튜브 사이에서 공유될 수 없기 때문에 각각의 저장튜브마다 하나의 그물 모양 구조체들이 포함되어 전체적으로 6개의 구조체들(750a, 755a; 750b, 755b; 750c, 755c)이 포함된다. 연결된 저장튜브의 양단에는 유연막들(760, 765)이 위치한다. 전압원들(V₁, V₂, V₃)에 의해 액체 방울들(730, 731, 732)의 각각에 가해지는 전압 파형이 같은 위상을 갖게 하거나 약간의 시간지연을 가지며 주기적으로 극성이 변하게 하면, 세 배의 펌핑 압력을 발휘하는 마이크로 펌프를 구현할 수 있다.

도 8b는 도 8a에 도시된 마이크로 펌프의 구동기의 분해 사시도로서, 이 구동기를 반도체 공정 및 마이크로머시닝 등을 이용해 기판에 제작한 일 예를 나타내었다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 펌프의 구동기의 분해 사시도로서, 하나의 액체 방울이 들어 있는 저장튜브 세 개를 병렬로 연결한 구조를 채택한 구동기를 나타낸 것이다. 본 실시예의 구동기를 사용하는 마이크로 펌프는, 하나의 방울을 사용하는 구조와 비교하여 펌핑 압력은 같지만 많은 양의 전해질을밀고 당김으로써 유연막들(860, 865)에 대해 큰 휨을 얻을 수 있다. 따라서, 본 실시예의 구조는 유연막의 면적이 커서 하나의 방울 운동에 의해 충분한 막의 휨을 얻을 수 없을 때 적용될 수 있다.

또한, 큰 압력으로 큰 막의 휨을 얻기 위하여, 하나의 액체 방울이 들어있는 관들의 직렬연결과 병렬연결을 병행하는 구조를 사용할 수 있음은 자명하다.

앞서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 펌프는 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 마이크로 펌프의 구동방식으로서 연속 전기습윤 현상을 이용함으로써, 낮은 전압으로 구동이 가능하며, 소비 전력이 매우 낮다.

둘째, 연속 전기습윤 현상에 의한 액체 방울의 왕복운동을 이용하여 막을 휘게 함으로써, 기존의 액체 금속의 표면 곡률을 변화시킨 방식에 비해 막의 휨을 크게 할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 앞서 설명한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환과 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims

전해질로 채워진 저장튜브 내에 삽입된 액체 방울과;

상기 튜브의 양쪽 끝에 전해질과 접하게 각각 설치된 전극들과;

상기 저장튜브의 양단을 막는 유연막들과;

상기 유연막들과 접하며, 펌핑 유체가 지나가는 통로를 제공하는 유체 통로용 튜브;를 구비하며,

연속 전기습윤 현상에 의한 액체 방울의 왕복운동을 구동력으로 사용하는 마이크로 펌프.
저장튜브(a-1)와;

상기 저장튜브 내에 채워진 전해질액(a-2)과;

상기 전해질액 내에 삽입된 액체 방울(a-3)과;

상기 액체 방울이 상기 저장튜브 내에서 왕복운동하도록, 상기 액체 방울의 양쪽에 설치된 금속전극(a-4)들과;

상기 금속전극들 사이에 전압을 인가하기 위한 전압원(a-5)과;

상기 액체 방울과 금속 전극과의 반응을 막기 위해 상기 액체 방울과 금속 전극의 사이에 설치된 그물 모양의 구조체(a-6)와;

상기 저장튜브의 양단을 막고 있는 유연막(a-7)들과;

펌핑 유체가 지나가는 통로를 제공하도록 상기 유연막들과 접하여 있으며, 펌핑 유체가 출입할 수 있도록 그 양단에 입구 및 출구가 각각 형성된 유체통로용 튜브(a-8)와;

상기 유체통로용 튜브 내에서의 펌핑 유체의 역류를 방지하도록 상기 유체통로용 튜브 내에 1개 이상 설치된 체크 밸브(a-9)들;

을 구비하는 마이크로 펌프.
제2항에 있어서, 하나의 액체 방울의 운동을 통하여 동시에 서로 다른 두 가지 유체를 펌핑할 수 있도록, 상기 유연막들에 대해 서로 다른 유체통로용 튜브가 설치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
제2항에 있어서, 하나의 액체 방울의 운동을 통하여 하나의 유체를 펌핑할 수 있도록, 상기 유연막들에 대해 공통의 유체통로용 튜브가 설치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
제2항에 있어서, 상기 저장튜브(a-1)와, 전해질액(a-2)과, 액체 방울(a-3)과, 금속전극(a-4)들과, 전압원(a-5)과, 그물 모양의 구조체(a-6)로 이루어진 집합이 적어도 둘 이상 직렬 연결되며, 상기 액체 방울들이 상기 전압원들에 의해 독립적으로 왕복운동하는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
제5항에 있어서, 상기 직렬 연결된 상기 저장튜브(a-1)와, 전해질액(a-2)과, 액체 방울(a-3)과, 금속전극(a-4)들과, 전압원(a-5)과, 그물 모양의 구조체(a-6)로 이루어진 집합이, 적어도 둘 이상 병렬연결된 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
제2항에 있어서, 상기 액체 방울(a-3)이 삽입된 상기 전해질액(a-2)이 채워진 저장튜브(a-1)와, 상기 액체 방울의 양쪽에 설치된 금속전극(a-4)들과, 상기 액체 방울과 상기 금속 전극의 사이에 설치된 그물 모양의 구조체(a-6)를 포함하여 이루어진 집합이 적어도 둘 이상 병렬 설치되며,

각각의 상기 집합의 일측에 있는 금속전극들은 공통의 전압원에 의해 전압을 공급받고 각각의 상기 집합의 타측에 있는 금속전극들은 공통의 전압원에 의해 전압을 공급받아, 상기 액체 방울들이 동일한 방향으로 왕복운동하는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
적어도 둘 이상의 저장튜브(b-1)와;

상기 저장튜브의 각각의 내부에 채워진 전해질액(b-2)과;

상기 전해질액 내에 삽입된 액체 방울(b-3)과;

상기 액체 방울이 상기 저장튜브 내에서 왕복운동하도록, 상기 액체 방울의 양쪽에 설치된 금속전극(b-4)들과;

상기 금속전극들 사이에 독립적으로 전압을 인가하기 위한 전압원(b-5)들과;

상기 액체 방울과 금속 전극과의 반응을 막기 위해 상기 액체 방울과 금속 전극의 사이에 설치된 그물 모양의 구조체(b-6)와;

상기 저장튜브의 양단을 막고 있는 유연막(b-7)들과;

펌핑 유체가 지나가는 통로를 제공하도록 상기 유연막들과 접하여 있으며, 펌핑 유체가 출입할 수 있도록 그 양단에 입구 및 출구가 각각 형성되되, 상기 유연막들의 휨이 그 위쪽에 있는 펌핑 유체를 밀어내는 역할뿐만이 아니라, 상기 펌핑 유체의 흐름을 차단하는 밸브역할을 할 수 있도록 그 깊이가 조절, 형성된 유체통로용 튜브(b-8);

를 구비하는 마이크로 펌프.
제8항에 있어서, 상기 유연막을 세 개 이상 유체가 흐르는 통로 상에 직렬로 배열하고 상기 유연막들의 각각을 연동적으로 상하 왕복운동시킴으로써, 상기 펌핑유체의 역류를 방지하면서 체크 밸브를 사용하지 않고 유체를 한 방향으로 흘릴 수 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
제2항 또는 제8항에 있어서, 상기 저장튜브가 기판 상의 구조물에 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
제10항에 있어서, 상기 구조물이 감광막 또는 폴리머의 코팅물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
제2항 또는 제8항에 있어서, 상기 저장튜브가 기판에 오목홈을 형성함으로서 만들어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
제12항에 있어서, 상기 기판의 재질이 실리콘, 유리, PDMS 또는 플라스틱과같은 폴리머인 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
제2항 또는 제8항에 있어서, 상기 액체 방울의 재질이 수은 또는 인듐합금인 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
제2항 또는 제8항에 있어서, 상기 유연막은 실리콘 고무, 패릴린, 폴리이미드, 실리콘산화물, 실리콘질화물 또는 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.