KR100430864B1 - 전자유체 통합 다층 인쇄회로기판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자유체 통합 다층 인쇄회로기판에 관한 것이다.

유체이송, 분기점등 다양한 유체회로를 가지는 유체회로패널; 유체회로패널의 상부에 밀착되며, 유체회로와 연통되는 다수의 연통공이 형성된 상부 인쇄회로기판; 및 유체회로패널의 하부에 접착되는 하부 인쇄회로기판들을 구비한 것을 특징으로 한다.

이러한 유체전자 통합 인쇄회로기판에서는 유체가 기판의 내부층으로 흐르면서 유체회로를 형성하고 기판의 표면으로는 전자가 흐르면서 전자회로를 형성한다. 기판의 표면에는 전자부품과 유체부품이 동시에 실장되며, 각 전자부품은 리드선이 돌출되어 전자가 이동하는 경로로 사용되며, 유체 부품에는 리드선 뿐 아니라 튜브가 돌출되어 유체가 이동하는 경로로 사용된다.

이와 같은 구조의 유체전자 통합 인쇄회로기판을 채용하는 것에 의해 유체의 흐름을 전기적으로 제어하는 장치를 소형이며, 저렴한 가격으로 대량 생산할 수 있다.

Description

전자유체 통합 다층 인쇄회로기판 {Electrofluidic multilayer printed circuit board }

본 발명은 전자유체 통합 다층 인쇄회로기판에 관한 것으로, 특히 다층 인쇄회로기판기술을 이용하여 전자유체 통합 인쇄회로기판를 형성하고 여러 가지 유체제어 부품들을 상기통합 인쇄회로기판에 실장시킨 다음 상기 통합 인쇄회로기판에 전자부품들까지 같이 실장하여 유체 및 전자회로를 한 기판에 동시에 생성할 수 있도록 한 전자유체 통합 다층 인쇄회로기판에 관한 것이다.

본 발명자는 1997년 실리콘웨이퍼를 기반으로 한 마이크로펌프 및 마이크로밸브들을 제작했으나 동일한 구조로 플라스틱을 이용하여 제조하는 것이 장점이 많다는 점에 착안하여 플라스틱에 기반한 마이크로펌프 및 마이크로 밸브 등을 발명하여 특허로 출원하여 등록을 받은 바 있다(10-1997-33869, 손문탁) 당시 발명은 각 미세 유체부품의 개별적인 구조 뿐 아니라 각 부품들의 상호 연결법에도 초점을 맞추어 플라스틱 보드 위에 각 유체부품들을 장착하고 상기 보드 밑에 유체채널층을 형성하여 유체가 보드에서 평면적으로 흐르도록 발명하였다(10-1997-33870, 손문탁).

그러나 이러한 방법보다 유체채널층 밑에 또 하나의 층을 만들어 일종의 다층기판을 형성하는 것이 더 바람직하다는 생각으로 3층 기판구조로 다시 1998년에 특허를 출원하였다(10-1998-017565, 손문탁). 이러한 구조의 장점은 유체채널층을 얇은 금속판으로 만들어 부식법에 의하여 유체채널을 형성하므로 유체채널층의 형성이 간단하다는 장점이 있다.

그러나 실험을 거듭한 결과 이러한 방법이 실제 공정상에서 장점이 많다는 것을 알게 되었고 초소형 화학분석기라는 실용적인 시제품을 만들게 되었다.

그리고 나서, 미세 유체부품을 제어하기 위해서는 어차피 전자부품도 함께 사용해야 하는데, 플라스틱보드 대신에 인쇄회로기판을 사용하면 유체부품과 전자부품을 동시에 장착할 수 있다는 아이디어를 얻었다. 1998년에 출원한 특허(10-1998-017565)에서는 인쇄회로기판을 사용할 수도 있다는 것을 언급하였으나 상세한 방법에 대해 알지 못하였다. 그러므로 상기의 기술을 정리할 필요가 있게 된다.

유체의 흐름을 제어하여 유용한 기능을 하는 장치는 대부분 유체회로 부분과 이를 제어하는 전기회로부분으로 구성되어 있다. 현재의 기술은 유체제어소자 및 유체제어소자간의 상호 연결부가 대부분 배관으로 연결되어 있다. 그리고 대부분의 장치들이 유체제어소자와 전자소자간의 전기적 연결은 공중배선으로 되어 있다. 이러한 배관과 공중배선은 수작업에 의존할 수 밖에 없으므로 양산이 곤란하다는 문제점을 안고 있다.

한편, 이러한 전자소자들을 모아 유용한 전자장치를 구성하는 조립기술 또한 발전하였는 바, 그 결정체가 바로 인쇄회로 기판이다. 인쇄회로기판에는 전자부품이 실장되는데, 전자부품에 장착된 리드선이 인쇄회로기판에 납땜이 되어 전기신호가 전자부품과 통할 수 있다. 최근에는 표면실장법이 발전하여 상기 리드선이 인쇄회로기판을 관통하지 않고 표면에 바로 납땜되므로 실장공정이 크게 단순화되었다(Coombs, 1995).

한편, 지금까지 기술된 내용은 오직 전자가 일정한 회로를 따라 이동하는 장치의 고집적 기술에 불과하다. 만일 유체가 일정한 회로를 따리 이동하는 장치를 고도로 집적하기 위해서 필요한 기술은 여전히 초창기에 와 있다.

한편 이러한 초소형 미세소자들의 가공기술의 발달로 이들을 상호연결하는 조립기술도 연구되었는데 크게 4가지로 나누어 볼 수 있다. 실리콘 웨이퍼를 매니폴드로 하여 한 웨이퍼 위에 초소형 유체소자들을 펼쳐 백플레이트에 유체회로를 형성하여 초소형 유체회로기판을 만드는 방법이 있고(Manz et al., 1990), 다른 한 주류는 웨이퍼에 유체소자를 한 두개 만든 다음 이들을 적층하여 만드는 방법이 있다(van der Schoot et.al. 1995).

그러나 이 방법들은 실리콘웨이퍼를 매니폴드로 사용하므로 고가의 반도체 공정이 필요하며 유체채널의 크기를 크게 하면 두꺼운 웨이퍼가 필요하기에 경제성이 없다는 문제점을 안고 있다.

이러한 점 때문에 매니폴드를 플라스틱으로 바꾸려는 시도가 있었고 그 결과 플라스틱 기판에 그루브(홈)를 파서 유체채널을 형성하고 덮개 기판을 붙여 평판형 유체채널을 만들려는 시도가 있었다(Ruzicka, 1983).

그러나 이러한 시도들은 플라스틱 기판을 사용하므로 배관문제에서 경제성이 향상될 지는 모르지만 여전히 전자제어회로부분이 필요하고 각 유체소자들과 전자회로간에 복잡한 배선이 필요하다는 단점이 있으며, 유체소자들이 작아 졌기 때문에 배선문제는 더욱더 세심한 주의가 필요하므로 오히려 양산이 더 어렵다는 문제점을 가지고 있다.

한편 특허부분을 조사하여 보면 주로 마이크로머시닝으로 가공된 초소형 유체제어부품들을 상호연결하기 통합시스템을 만드는 아이디어들이 주를 이루고 있다. Loux 등이 출원한 특허(US Patent 5,964,239)에 의하면, 기계적인 가공에 의하여 마이크로 밸브 및 센서 등을 상호 연결할 수 있는 미세 유체배선 구조에 대해 서술하고 있으나 인쇄회로기판을 이용하지 않고 기계적인 가공이 필요하므로 제조공정이 까다롭다.

한편 실리콘 웨이퍼 상에서 유체 채널을 형성하고 미세 유체부품들을 상호 연결하려는 특허(US Patent 2,989,445)는 실리콘웨이퍼를 이용하므로 극히 미세한 구조를 얻을 수 있으나 웨이퍼 가공 공정이 필요하므로 공정이 복잡하다는 단점이 있다.

한편 마이크로 머시닝으로 가공된 미세 유체부품은 결국 이를 제어하기 위한 전자회로가 필수적인 바, 유체입출력용 튜브와 전기 리드선이 외부로 노출되어야 하며 부품크기가 아주 작으므로 배관 및 배선이 까다롭기 때문에 아예 초소형 구조 속에 전자회로부분과 유체배관부분을 통합하여 하나의 모듈로 제조하는 방법에 대한 특허(US patent, Packardet al.)가 있는 바, 이 특허는 모듈화하는 부분에 초점이 맞추어져 있고, 유체 채널층 및 유체소자 장착층, 전기 회로층으로 구성되어 있으며, 기계가공을 통해 각 층이 구성되므로 역시 구조가 복잡하다는 단점이 있다. 그리고 각 모듈이 하나의 부품으로 작용하므로 이들의 상호연결이라는 역시 새로운 과제를 풀지 못하고 있다.

상기 팩커드의 구조와 비슷한 생각을 가지고 유럽에서 출원된 특허들을 조사해 보면, 미국보다 마이크로머시닝이 발달한 지역답게 많은 아이디어가 특허로 나와있다. 실리콘웨이퍼를 이용한 미세 유체부품들에 대한 많은 특허(micropump,microvalve 또는 micromachining fluid 를 키워드로 검색해보면 수백 개의 특허를 찾을 수 있다) 및 각 미세 유체부품들을 조합하여 하나의 시스템으로 상호 연결하려는 특허들이 본 발명에서 중요한 부분이다. 그 특허 중에서 대부분을 차지하고있는 실리콘웨이퍼를 사용한 특허는 본 발명과 방향이 다르다. 그러나 몇몇 특허는 플라스틱을 이용하여 미세 유체부품을 장착하려는 시도가 있었다(WO 9846438, Oct, 1998, CALIPER TECHNOLOGIES CORP., WO 9822811, May,1998, CALIPER TECHNOLOGIES CORP., WO 9116966, Jan, 1991, PHARMACIA BIOSENSOR AB).그러나 아직까지 인쇄회로기판 자체를 이용하여 이러한 시도를 한 예는 찾아볼 수 없다.

이에 본 발명은 전자산업에 산업표준 공정으로 자리잡고 있는 다층 인쇄회로기판기술을 이용하여 전자유체 통합 인쇄회로기판를 형성하고 여러가지 유체제어 부품들을 상기통합 인쇄회로기판에 실장시킨 다음 상기 통합 인쇄회로기판에 전자부품들까지 같이 실장하여 유체 및 전자회로를 한 기판에 동시에 생성할 수 있도록 한 전자유체 통합 다층 인쇄회로기판을 제공하는데 그 목적이 있다.상기의 인쇄회로공정을 이용하면 생산공정이 극히 단순해지지만 오직 전자회로의 형성 및 전자부품의 실장용으로 개발된 기술이므로 유체회로를 형성하고 유체부품을 탑재하기 위해서는 특별한 구조가 필요해진다. 내부에 유체가 흐르고 표면에 전자가 흐르게 하기 위해서는 유체채널을 내부에 형성해야 하며 유체부품은 전자 부품과 달리 전기신호용 리드선 및 유체용 튜브가 동시에 존재하므로 인쇄회로기판에 탑재하는 것이 용이하지 않다. 특히 유체의 누수문제를 반드시 극복해야 한다.상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다층 인쇄회로기판(PCB)과 유체회로패널층을 이용한 유체 및 전자 통합회로기판은, 하부의 제2 인쇄회로기판(PCB)위에, 유체회로패널을 부착하고, 그 위에 제1 인쇄회로기판(PCB)을 다시 부착하여 구성한다.상기 유체회로패널를 이용하여 유체 흐름의 여러 기능, 이송, 흐름전환을 구현하며; 상기 유체회로패널의 위, 아래에 부착된 인쇄회로기판에 여러 가지 장치, 예를 들판 소형 밸브 및 펌프를 부착하고, 이를 인쇄회로로서 제어하여 유체 흐름을 제어하게 한다.

도 1은 본 발명에 따른 대표적인 실시예를 표현한 사시도.

도 2는 전자유체 통합 다층 인쇄회로기판의 정면도.

도 3은 제 1 기판, 유체회로패널 및 제 2 기판 층이 정렬, 접합되는 것을 보여주는 분리사시도.

도 4는 상기 각 층이 접합이 완료된 것을 표현한 사시도.

도 5는 제 1, 제 2 인쇄회로기판의 솔더마스크를 처리한 것을 보여주는 상세도.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의하여 연속식 화학분석기를 전자유체 인쇄회로기판으로 설계한 상태를 표현한 계통도.

도 7은 상기 도6의 설계를 실제로 구현한 상태의 사시도.* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *101, 102, 104, 121 : 관통공 103 : 홈105 : 전자부품 111, 122 : 핀113 : 유체부품 114, 115 : 리드선117 : 표면실장형 전자부품 118 : 일반부품119 : 유체 120 : 튜브

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 전자유체 통합 다층 인쇄회로기판(PCB)을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조하면, 적층형 인쇄회로기판(PCB)과 금속판을 이용한 유체 및 전자 통합회로기판은 전기회로를 구성하는 제1 인쇄회로기판, 유체회로을 구성하는 유체회로패널, 제2 인쇄회로기판으로 구성되어 있는데;제1 및 제2 인쇄회로기판은 일반적인 인쇄회로기판, 예를 들면 에폭시수지 기판으로 전자회로가 인쇄 가공되어 있으며, 유체회로패널은 얇은 금속판(1.5mm두께)에 부식처리로 만든 홈(103)으로 유체가 지나갈 유체회로를 구성되어 있거나, 얇은 플라스틱 판에 유체회로를 형성할 수 있도록 필요한 부분을 홈을 파서 구성한다.상기 세 층을 유체의 유출을 방지하기 위하여 접착제를 이용하여 단단히 접합한다. 상기 제1 인쇄회로기판에는 다수의 관통공이 형성되어 있고 크게 전자부품이나 유체부품의 리드선을 위한 관통공(102)이나 유체부품의 튜브를 위한 관통공(101)으로 나눌 수 있다.제1 인쇄회로기판에는 전자부품(105) 및 유체부품들이 상기 관통공(101)(102)에 의하여 실장된다.한편 제2 인쇄회로기판에는 전자부품의 리드선들을 위한 관통공(104)이 형성되어 있다.한편, 유체회로패널에는 전자부품이나 유체부품의 리드선들의 관통공(105)이 형성되어 있으며 리드선과 전기전 접촉을 방지하도록 직경이 크다. 제1 및 제2 인쇄회로기판상의 전기회로는 일반적인 방법, 즉 캐드 소프트웨어로 레이아웃을 설계한 다음 마스크를 만들고 부식공정과 드릴링 공정을 이용해 구성한다. 이러한 방법은 산업표준 공정이다.

도 2를 참조하면 제1 인쇄회로기판에 어떻게 전자부품과 유체부품이 장착되는 지 알 수 있다.표면실장형 전자부품(117)은 통상적인 방법과 같이 제1 또는 제2 인쇄회로기판의 표면에 실장된다. 그러나 일반부품(118)의 경우는 통상적인 실장법과 달리 리드선이 제1 인쇄회로기판을 통과하여 제2 인쇄회로기판 바닥까지 내려와 납땜이 된다.

한편 유체부품은 전자부품과 달리 유체가 흐르는 튜브와 전기신호용 리드선이 동시에 돌출되어 있다. 리드선(115)이 표면실장형으로 좌우로 달려 있는 경우에는 상기 전자부품처럼 표면에서 납땜한다.그리고 투과형으로 아래방향으로 달려있는 리드선(114)은 제2 인쇄회로기판의 밑면에서 납땜한다.튜브(120)는 제1 인쇄회로기판을 통과하여 유체회로패널의 상부까지 연결되어 유체(119)의 이송을 담당한다. 한편 유체의 누설방지를 위하여 유체부품(113)들은 밑면에 개스킷이 달려있다. 한편 제1 인쇄회로기판과 제2 인쇄회로기판 사이의 전기적 연결 및 기계적인 접합을 위하여 핀(111)이 박혀 제1 및 제2 인쇄회로기판에 각각 납땜(112)이 되어 있다.

도 3을 참조하면 상기 3층을 상호 연결하는 핀(122)들의 의미를 이해할 수 있다. 이 핀(122)들은 제1 인쇄회로기판의 관통공(121)과 제2 인쇄회로기판의 관통공을 통과하여 각각 납땜이 되며, 얼라인먼트 및 전기신호 전달 및 기계적인 결합의 역할을 한다.

도 4는 조립된 전자유체 인쇄회로기판의 모습이다.

도 5는 제1 및 제2 인쇄회로기판(302)에 있어 한쪽 면에 솔더마스크층(301)을 형성하지 않고 에폭시기판 층을 노출시켜 유체회로패널과 접착이 잘되도록 고안한 것을 개시한 것이다.

솔더마스크 층(301)이 형성된 면에서는 일반 전자부품 및 유체부품(303-305)들이 실장될 수 있다.

도 6은 바람직한 실시예로 연속식 전자동 화학 분석기를 들어 실시예를 도시한 것이다. 마이크로 펌프 4개와 외부 플라스틱 튜브를 연결한 금속관 4개 그리고 센서를 전자유체 통합회로기판에 실장한 것이다. 먼저 추진액(carrier solution)이 펌프에 의하여 이송되어 센서를 세척하고, 외부시료를 펌프가 흡입한 다음 센서에 보내 측정한다.보정액 I과 보정액II는 펌프로 이소오디어 센서의 감도저하분을 측정하여 보상한다.흡입된 용액들은 배출구(waste)로 빠져나간다. 이리하여 자동측정, 자동보정, 자동세척이라는 기능을 수행하는 연속화학 측정기를 초소형으로 저렴하게 만들 수 있는 것이다.

도 7은 이러한 연속식 화학측정기의 실제 제조품의 사진이다.

상기 방법으로 제작된 전자유체 인쇄회로기판은 수동적인 방법뿐만 아니라, 일반적인 전기회로기판용 자동화 장비를 이용하여, 전자 부품등을 장착할 수 있어, 저렴하고 소형화된 조절 장치 모듈을 만드는데 사용된다

따라서 본 발명에 따른 전자유체 통합 다층 인쇄회로기판은 기존 인쇄회로기판 공정에 의하여 손쉽게 양산될 수 있어 가정과 산업전반에 걸쳐, 기존의 제품을 대체할 뿐만 아니라, 단순유체장치, 예를 들면 향 발생기 등의 새로운 수요를 창출하게되며, 유체와 전기를 동시에 조절하는 통합회로의 개발로, 인쇄회로기판 산업의 새로운 전기를 만들게 된다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 표면실장형 유체부품의 전기신호용 리드선은 제1 인쇄회로기판의 표면에 형성된 인쇄회로에 납땜되도록 하고,

   관통형 유체부품의 전기신호용 리드선은 제1 인쇄회로기판과 유체회로패널 및 제2 인쇄회로기판에 수직으로 정렬된 관통공을 지나 제2 인쇄회로기판의 하부에서 납땜되도록 하고,

   각 유체부품의 유체용 튜브는 제1 인쇄회로기판의 관통공을 지나 가운데 유체회로패널에 연결되어 유체가 흐르도록 하여 상기 두 종류의 유체부품을 모두 실장할 수 있는 것을 특징으로 하는 전자유체 통합 다층 인쇄회로기판.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1 인쇄회로기판과 제2 인쇄회로기판 사이에는 0.5mm 에서 1mm 두께의 금속판 또는 플라스틱 판의 유체회로패널이 삽입되도록 하고,

   상기 유체회로패널과 제1 및 제2 인쇄회로기판의 사이에는 접착제를 이용하여 접착하여 유체가 누설되지 않도록 구성됨을 특징으로 하는 전자유체 통합 다층 인쇄회로기판.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 유체회로패널이 금속판인 경우에는 스테인레스 스틸이나 황동 또는 구리판을 사용하고 제2 인쇄회로기판에 핫프레스 공정으로 압착시키고, 부식공정에 의하여 유체채널을 형성한 다음, 그 위에 제2 인쇄회로기판을 프리프레그나 접착필름이나 접착제에 의하여 접착시켜 구성함을 특징으로 하는 전자유체 통합 다층 인쇄회로기판.
9. 제 7 항에 있어서

   상기 유체회로패널이 플라스틱 판인 경우에는 평판 사출용 수지, 바람직하게는 폴리카보네이트, 폴리스타일렌, 폴리메사메칠아크릴레이트 같이 투명한 수지를 이용하여 사출공정으로 유체채널용 홈을 형성한 패널을 만든 다음 제2 인쇄회로기판에 접착하고, 그 위에 제2 인쇄회로기판을 프리프레그나 접착필름이나 접착제에 의하여 접착시켜 구성함을 특징으로 하는 전자유체 통합 다층 인쇄회로기판.