KR100472494B1 - 형상 기억 합금을 이용한 마이크로 액추에이터 - Google Patents

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Abstract

마이크로 액츄에이터가 개시된다. 개시된 마이크로 액츄에이터는 공간부가 형성된 기판과, 기판의 상면에 공간부를 덮도록 설치되어 형상기업합금으로 이루어진 박막 및 압축잔류응력이 작용하는 적어도 하나의 다른 박막로 이루어져 있으며,초기에 적어도 하나의 다른 부재의 압축잔류응력이 제1중립축에 작용하여 발생되는 굽힘모우멘트에 의하여 상기 공간부 또는 공간부의 반대쪽으로 변형되고, 온도가 상승되어 상기 형상기억합금이 상 변태되면서 상기 제1중립축이 제2중립축으로 이동되어 발생되는 굽힙모우멘트에 의하여 상기 제1중립축에 대하여 발생되는 굽힘모우멘트에 의한 변형과 같은 쪽 또는 반대쪽으로 변형되어 그 상면에 형성되는 유체를 저장하는 챔버의 면적을 변화시킴으로써 유체에 압력을 제공한다. 위와 같은 구성에 의하면, 진동판을 구성하는 제1박막 및 제2박막의 차원, 물성 및 잔류응력의 관계에서 진동판의 초기변형을 의도하는 방향으로 선택할 수 있으므로 원하는 동작시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

형상 기억 합금을 이용한 마이크로 액추에이터 {Micro actuator using a shape memory alloy }
본 발명은 마이크로 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 형상기억합금을 이용한 마이크로 액츄에이터에 관한 것이다.
일반적으로 잉크젯 프린트헤드는 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지의 원하는 위치에 토출 시킴으로써 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치로서, 필요한 경우에만 기록용지에 잉크의 미소한 액적을 분사하는 DOD(Drop On Demand)방식을 주로 이용하고 있다.
이러한 DOD(Drop On Demand)방식을 이용하는 잉크젯 프린트헤드의 잉크 토출방식으로는 열원을 이용하여 잉크에 기포(buble)를 발생시켜 이 힘으로 잉크를 토출시키는 가열식 분사방식과, 압전체를 이용하여 압전체의 변형으로 인해 생기는 잉크의 체적변화에 의해 잉크를 토출시키는 진동식 분사방식 및 형상기억합금(shape memory alloy)을 이용하여 기억하고 있는 원래의 형상으로 복귀함으로 인해 생기는 잉크의 체적변화에 의해 잉크를 토출시키는 형상기억합금을 이용한 분사방식이 있다.
가열식 분사방식은 헤드의 챔버 내에 열을 공급할 수 있는 장착된 히터에 매우 짧은 시간 안에 상당히 큰 전기에너지를 공급함에 따라 히터의 고유저항 때문에 발생하는 열을 이용한다. 히터로부터 발생한 열은 접촉하고 있는 잉크로 전달되어 수용성잉크는 임계점 이상으로 온도가 급격히 상승하게 된다. 잉크의 온도가 임계점 이상으로 상승하게 되면 기포가 형성되고, 형성된 기포는 주변의 잉크에 압력을 가하면서 형성된 기포의 부피만큼 잉크를 밀어낸다. 압력과 부피변화에 의한 운동에너지를 받은 잉크는 노즐을 통해 외부로 토출된다. 이때 토출되는 잉크는 잉크 고유의 표면에너지를 최소화하기 위해 잉크방울을 형성하면서 지면으로 토출된다.
이와 같은 가열식 분사방식은 열에너지에 의해 발생되는 기포의 붕괴 시 발생하는 압력으로 인한 연속적인 충격 때문에 내구성에 문제가 있으며, 잉크방울의 크기를 조절하기 어려운 문제점이 있다.
진동식 분사방식은 헤드의 챔버에 압력을 가할 수 있도록, 다이아프램에 압전물질을 부착하여 전압이 인가되면 힘을 발생시키는 압전특성을 이용하여 챔버에 압력을 제공하여 잉크를 토출시키는 방식이다.
이와 같은 진동식 분사방식을 이용한 잉크젯 프린터헤드는 고가의 압전소자를 사용하기 때문에 가격이 비싸며, 압전소자를 전극, 절연층, 보호층 등과 잘 조화시켜야 하기 때문에 그 제조공정이 까다로워 수율이 저조한 문제점이 있다.
도 1a 및 도 1b는 미국특허 US 6123414호에 기재되어 있는 것으로 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터헤드용 마이크로 액츄에이터의 동작을 도시한 단면도들이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 마이크로 액츄에이터는 기판(10)에 관통되어 공간부(11)가 형성되어 있으며, 기판(10)의 상면에는 공간부(11)를 덮도록 실리콘박막(12b) 및 형상기억합금(12a)이 적층되어 형성되어 있는 진동판(12)이 설치되어 있다. 진동판(12)에는 그 양측에 전류를 인가하는 전극(21a)이 접촉되도록 설치되어 있다. 기판(10)위에는 잉크액적(20)이 토출되는 통로인 노즐(19)이 형성되어 있는 노즐판(18)이 설치되어 있고, 기판(10) 및 노즐판(18)의 사이에는 잉크를 저장하는 챔버(14)가 형성된 유로판(13)이 설치되어 있고, 유로판(13)에는 챔버(14)에 잉크가 흘러갈 수 있는 통로를 제공하는 유로(16)가 형성되어 있다.
위와 같이 구성되는 잉크젯 프린트헤드용 마이크로 액츄에이터는 진동판(12)이 실리콘박막(12b)자체의 잔류응력에 의하여 공간부(11)쪽으로 휘어지므로, 그 위에 적층되어 있는 형상기억합금(12a)도 실리콘박막(12b)과 함께 공간부(11)쪽으로 휘어지게 된다. 전극(21a)을 통하여 전류가 형상기억합금(12a)에 인가되면 그 자체의 저항에 의하여 발열되어 온도가 상승함에 따라 형상기억합금(12a)은 마르텐사이트 상(martensite phase)에서 오스테나이트 상(austenite phase)으로 상 변태 되어 편평한 형상으로 복귀한다.
이때, 형상기억합금의 기계적 탄성율은 온도가 상승되면서 상승되어 연신량이 줄어들고, 온도가 내려가면 하강되어 연신량이 늘어난다. 위와 같은 동작이 반복되면서 챔버(14)의 체적은 진동판(12)의 변위 량에 해당하는 만큼 변화되어 그 운동에너지에 의하여 잉크액적(20)이 노즐(19)을 통하여 기록용지로 토출된다.
위와 같이 구성되는 잉크젯 프린트헤드용 마이크로 액츄에이터는 진동판이 실리콘박막 및 형상기억합금으로 형성된 이중 막으로 구성되어 있어, 실리콘박막 내에 존재하는 잔류응력의 분포를 정확하게 파악하는 것이 어려워 공간부(11)에 접하는 진동판(10)의 폭 및 두께에 따라 냉각 시에 진동판(10)이 공간부(11) 또는 챔버(14) 중 어느 쪽으로 휘어질 것인지를 파악하는 것이 어렵다.
이는 잉크젯 프린트헤드는 필요에 따라 마이크로 액츄에이터의 진동판을 공간부 또는 챔버 쪽으로 휘어지도록 형성시키거나, 진동판의 폭을 작게 형성시킬 필요가 있는데, 실리콘박막 내에 존재하는 잔류응력의 분포 및 형상기억합금의 동작특성을 파악하기가 어려워 원하는 방향으로 진동판을 변형되도록 할 수 없게되어 마이크로 액츄에이터의 원하는 기능을 얻을 수 없어 마이크로 액츄에이터의 구조설계 및 동작제어를 정밀하게 행하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 감안한 것으로, 필요에 따라 원하는 구조를 가지도록 형성시킬 수 있으며, 원하는 동작을 제어할 수 있도록 개선된 잉크젯 프린트헤드용 마이크로 액츄에이터를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 마이크로 액츄에이터는 공간부가 형성된 기판과, 상기 기판의 상면에 상기 공간부를 덮도록 설치되어, 형상기업합금으로 이루어진 박막 및 압축잔류응력이 작용하는 적어도 하나의 다른 박막로 이루어진 진동판을 포함하며, 상기 진동판은 초기에 적어도 하나의 다른 부재의 압축잔류응력이 제1중립축에 작용하여 발생되는 굽힘모우멘트에 의하여 상기 공간부 또는 공간부의 반대쪽으로 변형되고, 온도가 상승되어 상기 형상기억합금이 상 변태되면서 상기 제1중립축이 제2중립축으로 이동되어 발생되는 굽힙모우멘트에 의하여 상기 제1중립축에 대하여 발생되는 굽힘모우멘트에 의한 변형과 같은 쪽 또는 반대쪽으로 변형되어 그 상면에 형성되는 유체를 저장하는 챔버의 면적을 변화시킴으로써 유체에 압력을 제공한다.
본 발명에 따르면, 상기 진동판은 상기 기판의 상면에 설치되어 상기 공간부의 상부를 덮도록 실리콘기판으로 이루어진 제1박막 및 상기 제1박막의 상면에 설치되어 온도변화에 따라 상 변화하는 형상기억합금층으로 이루어진 제2박막을 포함하며, 상기 공간부에 접하는 진동판의 폭을 W 라하고, 상기 제1박막의 두께를 t1, 상기 제2박막의 두께를 t2 라 할 때, 상기 진동판의 폭(W)은 100㎛이하이고, 상기 제1박막의 두께(t1)와 상기 제2박막의 두께(t2)의 비를 1:2.5 이하가 되도록 하여 상기 진동판을 상기 공간부 쪽또는 상기 공간부의 반대쪽으로 선택적으로 휘어진다.
본 발명에 따르면, 상기 진동판의 폭(W)은 85㎛미만이고, 상기 제1박막의 두께(t1)와 상기 제2박막의 두께(t2)의 비를 1:2이하가 되도록 하여, 상기 진동판을 상기 공간부 쪽을 휘어진다.
본 발명에 따르면, 상기 제2박막의 두께(t2)는 2.1㎛이하이다.
본 발명에 따르면, 상기 진동판의 폭(W)은 85㎛미만이고, 상기 제1박막의 두께(t1)와 상기 제2박막의 두께(t2)의 비는 1:2보다 크게 형성되도록 하여, 상기 진동판이 상기 공간부의 반대쪽으로 휘어진다.
본 발명에 따르면, 상기 제2박막의 두께는 2.1㎛보다 크다.
본 발명에 따르면, 상기 공간부의 상면에 접하는 상기 진동판의 길이를 l 이라 할 때, 상기 진동판의 폭(W)과 길이(l)의 비가 1:3 이상이다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 공간부가 형성된 기판과, 상기 기판의 상측에 설치되어 유체가 일시적으로 저장되는 소정공간인 챔버가 형성되어 있으며, 일측에 유체를 상기 챔버에 공급하는 통로인 공급구가 형성되어 있고, 타측에 상기 챔버로부터 유체를 배출하는 통로인 배출구가 형성되어 있는 유로판과, 상기 기판과 유로판의 사이에 마련되어 상기 챔버의 체적을 변화시켜 유체를 이송시키기 위한 압력을 발생시키기 위한 것으로, 상기 기판의 상면에 설치되어 상기 공간부의 상부을 덮도록 실리콘으로 이루어진 제1박막 및 상기 챔버에 접하도록 설치되어 온도변화에 따라 상 변화하는 형상기억합금층으로 이루어진 제2박막으로 이루진 진동판;을 구비하며, 상기 공급구에는 상기 챔버 쪽으로만 유체를 흐르도록 규제하는 제1밸브장치가 설치되어 있고, 상기 배출구에는 상기 챔버로부터 상기 배출구 쪽으로만 유체를 흐르도록 규제하는 제2밸브장치가 설치되어 있다.
본 발명에 따르면, 상기 공간부에 접하는 진동판의 폭을 W 라하고, 상기 제1박막의 두께를 t1이라 하고, 상기 제2박막의 두께를 t2 라 할 때, 상기 진동판의 폭(W)은 100㎛이하이고, 상기 제1박막의 두께(t1)와 상기 제2박막의 두께(t2)의 비를 1:2.5 이하가 되도록 하여 상기 공간부 쪽으로 또는 상기 잉크챔버 쪽으로 선택적으로 휘어진다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 형상기억합금을 이용한 마이크로 액츄에이터를 나타낸 평면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 마이크로 액츄에이터를 Ⅱ-Ⅱ'를 따라 진동판이 공간부로 변형되는 예를 도시한 단면도이고, 도 4는 도 2에 도시된 마이크로 액츄에이터를 Ⅱ-Ⅱ'를 따라 진동판이 공간부의 반대쪽으로 변형되는 예를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 마이크로 액츄에이터는 공간부(101)가 형성되어 있는 기판(100)과, 상기 기판(100)의 상면에 설치되어 상기 공간부(101)의 상부를 덮도록 실리콘기판(SiO2)으로 이루어진 제1박막(110)과, 상기 제1박막(110)의 상면에 설치되어 온도변화에 따라 상 변화하는 형상기억합금 층으로 이루어진 제2박막(120)으로 이루어진 진동판(130)을 포함하여 구성된다.
도 2에서 상기 기판(100), 제1박막(110) 및 제2박막(120)순차적으로 면적이 적어지도록 도시되어 있는데, 이는 설명의 편의를 위한 것으로 실제로는 도 3 및 도4에 도시된 바와 같이 상기 기판(100)의 상면을 상기 제1박막(110)이 덮고 있고, 상기 제1박막(110)의 상면을 상기 제2박막(120)이 덮고 있다.
도 2에서 상기 진동판(130)은 하나의 상기 제1박막(110)과 형상기업합금으로 이루어진 상기 제2박막(120)으로 이루어지는 것으로 되어 있으나, 상기 제1박막(110)은 적어도 하나 이상으로 이루어질 수도 있다.
도 3을 참조하면, 상기 진동판(130)은 상기 공간부(101)쪽으로 휘어지도록 설치되어 있다. 도 4를 참조하면, 상기 진동판(130)은 상기 공간부(101)의 반대쪽으로 휘어지도록 설치되어 있다. 이처럼 상기 진동판(130)을 상기 공간부(101) 또는 상기 공간부(101)의 반대쪽으로 휘어지게 하는 것은 상기 진동판(130)이 가열되기 전 상기 공간부(101)의 상부에 접하고 있는 상기 진동판(130)의 폭(W) 및 길이(l) 와 상기 제1박막(110)의 두께(t1) 및 제2박막(120)의 두께(t2)에 대응하여 상기 제1박막(110)의 내부에 존재하는 잔류응력과의 관계에 의해서 정해진다.
상기 진동판(130)의 초기변형방향은 순수한 이론적 모델에 의해 어느 정도는 예측이 가능하나 실제로는 박막의 제작과정이나 내부적인 결함 등에 의한 영향으로 정확하게 이론적 모델과 일치하지 않으므로 실험적으로 측정할 수 있다.
( 표 1 )
제2박막의 두께(t2) 비 고
1.5㎛ 2.1㎛ 2.3㎛
진동판의 폭 (W) 69㎛ 오목 볼록 볼록
75㎛ 오목 오목 볼록
78㎛ 오목 오목 볼록
85㎛ 오목 - - 링클(wrinkle)발생
110㎛ 오목 - - 링클(wrinkle)발생
( 표 1 )은 상기 제1박막(110)의 두께(t1)를 1㎛로 고정하고, 상기 진동판(130)의 폭(W)에 대응하여 상기 제2박막(120)의 두께(t2)에 따른 상기 진동판(130)의 초기변형 방향을 측정한 결과이다.
표1을 참조하면, 상기 진동판(130)의 폭(W)이 85㎛미만이고, 상기 제2박막(120)의 두께(t2)가 2.1㎛이하인 경우에, 상기 진동판(130)은 도 3에 도시된 바와 같이 상기 공간부(101)쪽으로 휘어지도록 변형되어 전체적으로 오목한 형상을 나타낸다.
그리고, 상기 진동판(130)의 폭(W)이 85㎛미만이고, 상기 제2박막(120)의 두께(t2)가 2.1㎛보다 큰 경우에, 상기 진동판(130)은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 공간부(101)의 반대쪽으로 휘어지도록 변형되어 전체적으로 볼록한 형상을 나타낸다.
한편, 상기 진동판(130)의 폭(W)이 85㎛이상이면 상기 제1박막(110)의 내부에 존재하는 잔류응력이 상기 진동판(130)의 폭(W)방향을 따라 불 균일하게 분포하게 되어, 잔류응력의 불 균일분포에 의한 링클(wrinkle)이 발생되므로 상기 진동판(130)이 상기 공간부(110)또는 상기 공간부(110)의 반대쪽으로 오목하게 또는 볼록하게 휘어지게 변형되는 것이 어렵게 되어 원하는 방향으로 휘어지게 변형시킬 수 없게 된다. 그러므로, 상기 제1박막(110)의 내부에 잔류응력의 불균일 분포에 의한 링클(wrinkle)이 발생하지 않도록 상기 진동판(130)의 폭(W)을 선택해야 한다.
이때, 상기 공간부(101)의 상면에 접하는 진동판(130)의 길이를 l이라 할 때, 상기 진동판(130)의 폭(W)과 길이(l)의 비는 1:3 이상 인 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 마이크로 액츄에이터의 동작을 도면을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터를 응력 및 변형과의 관계를 설명하기 위한 모식도이고, 도 6은 도 3에 도시된 마이크로 액츄에이터의 시간에 따른 변형방향과 변형량과의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 7 내지 도 10은 도 6에 도시된 각 시간구간에 따른 마이크로 액츄에이터에서 응력 및 굽힘모우멘트에 따른 변형과의 관계를 나타낸 도면들이고,
도 11은 도 4에 도시된 마이크로 액츄에이터의 시간에 따른 변형방향과 변형량과의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 12 내지 15는 도 11에 도시된 각 시간구간에 따른 마이크로 액츄에이터에서 응력 및 굽힘모우멘트에 따른 변형과의 관계를 나타낸 도면들이다.
도 5를 참조하면, 도 3 및 도 4에 도시된 본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터에서 진동판에 작용하는 역학관계는 재료역학적으로 양단 고정보로 이상화하여 이에 작용하는 역학관계를 도시함으로써 표시할 수 있다.
상기 제1박막(110) 및 제2박막(120)으로 이루어진 상기 진동판(130)은 양단이 상기 기판(100)에 고정되어 있다. 상기 제1박막(110)의 하면을 기준으로 위쪽으로 플러스Y(+Y)방향으로, 아래쪽으로 마이너스Y(-Y) 방향으로 정한다.
도 6 내지 도 10을 참조하면, 도 6에서 상기 진동판(130)은 가열되어 온도가 상승함에 하면서 시간에 따라 B 구간에서는 -Y방향으로 변형되었다가, C 구간에서는 +Y방향으로 변형되며, D 구간에서 냉각됨에 따라 다시 원래의 형상으로 복귀한다는 것을 알 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 A구간에서의 상기 진동판(130)에 작용하는 응력 및 굽힘모우멘트의 역학관계를 도시한 도면이다. 이를 참조하면, 상기 진동판(130)이 상온상태에 있을 때, 상기 제1박막(110) 및 제2박막(120)에는 그 내부에 존재하는 잔류응력은 상기 제1박막(110) 및 제2박막(120)의 양단에 작용되어, 상기 제1박막(110)에는 압축응력(σ1)으로, 상기 제2박막(120)에는 압축응력(σ2)으로 작용한다. 이때, 양 압축하중 σ1 와 σ2는 하나의 집중하중(P1)이 작용하는 것으로 표시할 수 있다.
이때, 외부에서 작용하는 하중에 대하여 변형이 일어나지 않는 중립평면(neutral plane)이 존재하는 중립축(Yn)은 다음과 같은 (수학식 1)로부터 구할 수 있다.
여기서, E1,E2는 제1박막 및 제2박막의 영률(Young's modulus)
h1, h2는 제1박막 및 제2박막의 높이
를 나타낸다.
따라서, 집중하중(P)은 상기 중립축(Yn)으로부터 위쪽으로 y1만큼 떨어져 작용하므로 상기 중립축(Yn)에 대하여 굽힘모우멘트(Mb)가 발생된다. 상기 굽힘모우멘트(Mb)에 의하여 상기 진동판(130)은 화살표 E 방향으로 변형된다.
도 8을 참조하면, 도 6에 도시된 B구간에서의 상기 진동판(130)에 작용하는 응력 및 굽힘모우멘트의 역학관계를 도시한 도면이다. 상기 제1박막(110) 및 제2박막(120)은 외부의 열원 또는 외부로부터 전달되는 전류에 의한 자체저항에 의하여 발열되어 온도가 상승되면서 그 자체의 열팽창계수 만큼 늘어나려고 하는데, 그 양단이 고정되어 있으므로 상기 제1박막(110) 및 제2박막(120)에 각각 추가적인 압축응력σ1β,σ2β로 작용한다. 양 하중σ1β,σ2β은 하나의 추가적인 집충하중 P'이 상기 제1박막(110) 및 제2박막(120)에 작용하는 것으로 표시할 수 있다. 이때, 상온에서 작용하는 집중하중 P1와 열팽창계수에 의한 추가적인 집중하중 P'를 합하여 P2로 표시할 수 있다.
이때, 상기 중립축(Yn)은 변동되지 않으므로, 집중하중 P2에 의하여 굽힘모우멘트(Mb)가 더 커지게 되어 상기 진동판(130)은 화살표 E 방향으로 추가적인 변형이 일어난다.
도 9를 참조하면, 도 6에 도시된 C구간에서의 상기 진동판(130)에 작용하는 응력 및 굽힘모우멘트의 역학관계를 도시한 도면이다.
상기 제2박막(120)은 외부의 열원 또는 외부로부터 전달되는 전류에 의한 자체저항에 의하여 발열되어 온도가 상승되면서 열팽창에 의한 추가변형이 제동되고 상변태의 진행정도가 많아지면서, 상(phase)이 마르텐사이트(martensite)에서 오스테나이트(austenite)로 변태한다.
이때, 상기 제2박막(120)의 영률(Young's modulus)은 상 변태에 의하여 마르텐사이트의 값에서 오스테나이트의 값으로 높아진다. 높아진 영률에 의하여 중립축이 상기 수학식 1에 따라 제2중립축(Yn2)으로 +Y방향으로 더 이동된다.
이때, 압축응력 σ1, σ2 에 의한 집중하중(P1)은 도 7에 도시된 위치에 그대로 작용하므로, 상기 제2중립축(Yn2)을 중심으로 굽힘모우멘트(Mb)가 도 7에 도시된 방향과 반대방향으로 작용한다. 따라서, 상기 진동판(130)은 화살표 F 방향으로 변형되게 된다.
도 6에 도시된 D구간에서는 상기 진동판(130)의 온도상승이 정지되거나 서서히 냉각되기 시작하면 상기 제2박막(120)이 오스테나이트상을 유지하고 있는 상태에서 점차 열팽창에 의한 응력감소로 상기 진동판(130)의 변형이 점차 감소된다. 상기 제2박막(120)이 마르텐사이트상으로 복귀하면 상기 진동판(130)은 도 7에 도시된 원래의 형상으로 돌아가게 된다.
도 10 내지 도 13을 참조하면, 도 10에서 상기 진동판(130)은 가열되어 온도가 상승함에 하면서 시간에 따라 B 구간에서는 +Y방향으로 변형되었다가, C 구간에서 상변태에 의하여 +Y방향으로 더 변형되며, D 구간에서 냉각됨에 따라 다시 원래의 형상으로 복귀한다는 것을 알 수 있다.
도 11은 도 10에 도시된 A구간에서의 상기 진동판(130)에 작용하는 응력 및 굽힘모우멘트의 역학관계를 도시한 도면이다. 이를 참조하면, 상기 진동판(130)이 상온상태에 있을 때, 상기 제1박막(110) 및 제2박막(120)에는 그 내부에 존재하는 잔류응력은 상기 제1박막(110) 및 제2박막(120)의 양단에 작용되어, 상기 제1박막(110)에는 압축응력(σ1)으로, 상기 제2박막(120)에는 압축응력(σ2)으로 작용한다. 이때, 양 압축하중 σ1 와 σ2는 하나의 집중하중(P1)이 작용하는 것으로 표시할 수 있다.
이때, 외부에서 작용하는 하중에 대하여 변형이 일어나지 않는 중립평면(neutral plane)이 존재하는 중립축(Yn)은 상기 (수학식 1)로부터 구할 수 있다.
따라서, 집중하중(P)은 상기 중립축(Yn)으로부터 위쪽으로 y2만큼 떨어져 작용하므로 상기 중립축(Yn)에 대하여 굽힘모우멘트(Mb)가 발생된다. 상기 굽힘모우멘트(Mb)에 의하여 상기 진동판(130)은 화살표 F 방향으로 변형된다.
도 12를 참조하면, 도 10에 도시된 B구간에서의 상기 진동판(130)에 작용하는 응력 및 굽힘모우멘트의 역학관계를 도시한 도면이다. 상기 제1박막(110) 및 제2박막(120)은 외부의 열원 또는 외부로부터 전달되는 전류에 의한 자체저항에 의하여 발열되어 온도가 상승되면서 그 자체의 열팽창계수 만큼 늘어나려고 하는데, 그 양단이 고정되어 있으므로 상기 제1박막(110) 및 제2박막(120)에 각각 추가적인 압축응력σ1β,σ2β로 작용한다. 양 하중σ1β,σ2β은 하나의 추가적인 집충하중 P'이 상기 제1박막(110) 및 제2박막(120)에 작용하는 것으로 표시할 수 있다. 이때, 상온에서 작용하는 집중하중 P1와 열팽창계수에 의한 추가적인 집중하중 P'를 합하여 P2로 표시할 수 있다.
이때, 상기 중립축(Yn)은 변동되지 않으므로, 집중하중 P2에 의하여 굽힘모우멘트(Mb)가 더 커지게 되어 상기 진동판(130)은 화살표 F 방향으로 추가적인 변형이 일어난다.
도 13을 참조하면, 도 10에 도시된 C구간에서의 상기 진동판(130)에 작용하는 응력 및 굽힘모우멘트의 역학관계를 도시한 도면이다.
상기 제2박막(120)은 외부의 열원 또는 외부로부터 전달되는 전류에 의한 자체저항에 의하여 발열되어 온도가 상승되면서 열팽창에 의한 추가변형이 제동되고 상변태의 진행정도가 많아지면서, 상(phase)이 마르텐사이트(martensite)에서 오스테나이트(austenite)로 변태한다.
이때, 상기 제2박막(120)의 영률(Young's modulus)은 상 변태에 의하여 마르텐사이트의 값에서 오스테나이트의 값으로 높아진다. 높아진 영률에 의하여 중립축이 상기 수학식 1에 따라 제2중립축(Yn2)으로 +Y방향으로 더 이동된다. 따라서, 상기 진동판(130)은 화살표 F 방향으로 더 변형되게 된다.
도 10에 도시된 D구간에서는 상기 진동판(130)의 온도상승이 정지되거나 서서히 냉각되기 시작하면 상기 제2박막(120)이 오스테나이트 상을 유지하고 있는 상태에서 점차 열팽창에 의한 응력감소로 상기 진동판(130)의 변형이 점차 감소된다. 상기 제2박막(120)이 마르텐사이트 상으로 복귀하면 상기 진동판(130)은 도 10에 도시된 원래의 형상으로 돌아가게 된다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 액츄에이터가 적용된 잉크젯 프린트헤드를 나타낸 단면도이다.
도 14를 참조하면, 잉크젯 프린트헤드는 공간부(101)가 형성되어 있는 기판(100)과, 상기 기판(100)위에 설치되어 잉크가 저장되는 잉크챔버(141)가 마련되어 있고, 상기 잉크챔버(141)의 위쪽에 잉크가 토출되는 노즐(142)이 형성되어 있으며, 일측에는 잉크가 공급되는 공급구(143)가 마련되어 있는 노즐판(140)과, 상기 기판(100)과 노즐판(140)의 사이에 위치되어 상기 공간부(101)의 상면에 접하도록 설치되는 제1박막(110) 및 상기 제1박막(110)위에 상기 잉크챔버(141)에 접하도록 설치되어 형상기억합금층으로 이루어진 제2박막(120)으로 이루어진 진동판(130)으로 구성된다.
상기 진동판(130)이 화살표 방향으로 움직이면서 상기 잉크챔버(141)의 체적을 변화시켜 이에 따른 압력변화를 이용하여 잉크를 상기 노즐(142)을 통하여 외부로 토출시킨다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 액츄에이터가 적용된 유체이송장치의 동작을 나타내는 단면도들이다.
도면을 참조하면, 유체이송장치는 공간부(201)가 형성된 기판(200)과, 상기 기판(200)의 상측에 설치되어 유체가 일시적으로 저장되는 소정공간인 챔버(241)가 마련되어 있으며, 일측에 유체를 상기 챔버(241)에 공급하는 통로인 공급구(242)가 형성되어 있고, 타측에 상기 챔버(241)로부터 유체를 배출하는 통로인 배출구(244)가 형성되어 있는 유로판(240)과, 상기 기판(200)과 유로판(240)의 사이에 마련되어 상기 챔버(241)의 체적을 변화시켜 유체를 이송시키기 위한 압력을 발생시키는 진동판(230)을 포함하여 구성된다.
상기 진동판(230)은 상기 공간부(201)의 상부를 덮도록 실리콘(SiO2)으로 이루어진 제1박막(210) 및 상기 챔버(241)에 접하도록 설치되어 온도변화에 따라 상 변화하는 형상기억합금층으로 이루어진 제2박막(220)을 구비한다.
상기 공급구(242)에는 상기 챔버(241)쪽으로만 유체를 흐르도록 규제하는 제1밸브장치(243)가 설치되어 있고, 상기 배출구(244)에는 상기 챔버(241)로부터 상기 배출구(244)쪽으로만 유체를 흐르도록 규제하는 제2밸브장치(245)가 설치되어 있다.
상기와 같이 구성되는 유체이송장치의 동작을 도15a 및 도 15b를 참조하여 설명한다.
도 15a를 참조하면, 상기 진동판(230)이 상기 공간부(201)쪽으로 변형되면서 상기 챔버(241)의 체적이 일시적으로 증가된다. 이때, 상기 제1밸브장치(243)는 상기 공급구(242)를 열어 유체가 상기 챔버(241)로 유입되도록 하며, 상기 제2밸브장치(245)는 상기 배출구(244)를 닫아 유체가 상기 챔버(241)로 유출되지 못하도록 한다.
도 15b를 참조하면, 상기 진동판(230)이 상기 챔버(241)쪽으로 변형되어 편평하게 되면서 상기 챔버(241)의 체적이 감소된다. 이때, 상기 제1밸브장치(243)는 상기 공급구(242)를 닫아 유체가 상기 챔버(241)로 유입되지 못하도록 하며, 상기 제2밸브장치(245)는 상기 배출구(244)를 열어 유체가 상기 챔버(241)로부터 유출되도록 한다.
상기와 같은 동작을 반복하면서 유체는 상기 유체이송장치를 통하여 이송되게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 진동판을 구성하는 제1박막 및 제2박막의 차원, 물성 및 잔류응력의 관계에서 진동판의 초기변형을 의도하는 방향으로 선택할 수 있으므로 원하는 동작시킬 수 있다.
둘째, 진동판의 응력에 대한 변형특성을 파악할 수 있어 진동판을 구동하기 위해 인가하는 신호를 조절하여 입력구동신호에 대한 복합박막의 운동효율을 증대시킬 수 있고, 효율의 증대로 복합박막과 주변부재에 축적되는 열을 최소화하여 복합박막의 작동주파수를 높일 수 있다.
셋째, 종래의 형상기업합금을 이용한 마이크로 애츄에이터에 비하여 액츄에이터의 폭을 좁게 형성할 수 있기 때문에 액츄에이터의 배열 밀집도를 높일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1a 및 도 1b는 미국특허 US 6123414호에 기재되어 있는 것으로 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터헤드용 마이크로 액츄에이터의 동작을 도시한 단면도들,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 형상기업합금을 이용한 마이크로 액츄에이터를 나타낸 평면도,
도 3은 도 2에 도시된 마이크로 액츄에이터를 Ⅱ-Ⅱ'를 따라 진동판이 공간부로 변형되는 예를 도시한 단면도,
도 4는 도 2에 도시된 마이크로 액츄에이터를 Ⅱ-Ⅱ'를 따라 진동판이 공간부의 반대쪽으로 변형되는 예를 도시한 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터를 응력 및 변형과의 관계를 설명하기 위한 모식도,
도 6은 도 3에 도시된 마이크로 액츄에이터의 시간에 따른 변형방향과 변형량과의 관계를 나타낸 그래프,
도 7 내지 도 10은 도 6에 도시된 각 시간구간에 따른 마이크로 액츄에이터에서 응력 및 굽힘모우멘트에 따른 변형과의 관계를 나타낸 도면들,
도 11은 도 4에 도시된 마이크로 액츄에이터의 시간에 따른 변형방향과 변형량과의 관계를 나타낸 그래프,
도 12 내지 13은 도 11에 도시된 각 시간구간에 따른 마이크로 액츄에이터에서 응력 및 굽힘모우멘트에 따른 변형과의 관계를 나타낸 도면들,
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 액츄에이터가 적용된 잉크젯 프린트헤드를 나타낸 단면도,
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 액츄에이터가 적용된 유체이송장치의 동작을 나타내는 단면도들.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100,200...기판 101,201...공간부
110,210...제1박막 120,220...제2박막
130,230...진동판 140,240...노즐판
141,241...잉크챔버 142...노즐
143,242...공급구 243...제1밸브장치
244...배출구 245...제2밸브장치

Claims (14)

  1. 공간부가 형성된 기판과;
    상기 기판의 상면에 상기 공간부를 덮도록 설치되어, 형상기억합금으로 이루어진 박막 및 압축잔류응력이 작용하는 적어도 하나의 다른 박막로 이루어진 진동판을 포함하며,
    상기 진동판은
    초기에 적어도 하나의 다른 부재의 압축잔류응력이 제1중립축에 작용하여 발생되는 굽힘모우멘트에 의하여 상기 공간부 또는 공간부의 반대쪽으로 변형되고, 온도가 상승되어 상기 형상기억합금이 상 변태되면서 상기 제1중립축이 제2중립축으로 이동되어 발생되는 굽힙모우멘트에 의하여 상기 제1중립축에 대하여 발생되는 굽힘모우멘트에 의한 변형과 같은 쪽 또는 반대쪽으로 변형되어 그 상면에 형성되는 유체를 저장하는 챔버의 면적을 변화시킴으로써 유체에 압력을 제공하는 것을 특징으로 하는 형상기업합금을 이용한 마이크로 액츄에이터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 진동판은 상기 기판의 상면에 설치되어 상기 공간부의 상부를 덮도록 실리콘기판으로 이루어진 제1박막 및 상기 제1박막의 상면에 설치되어 온도변화에 따라 상 변화하는 형상기억합금층으로 이루어진 제2박막을 포함하며,
    상기 공간부에 접하는 진동판의 폭을 W 라하고, 상기 제1박막의 두께를 t1, 상기 제2박막의 두께를 t2 라 할 때,
    상기 진동판의 폭(W)은 100㎛이하이고, 상기 제1박막의 두께(t1)와 상기 제2박막의 두께(t2)의 비를 1:2.5 이하가 되도록 하여 상기 진동판을 상기 공간부 쪽또는 상기 공간부의 반대쪽으로 선택적으로 휘어지게 할 수 있는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 마이크로 액츄에이터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 진동판의 폭(W)은 85㎛미만이고, 상기 제1박막의 두께(t1)와 상기 제2박막의 두께(t2)의 비를 1:2이하가 되도록 하여, 상기 진동판을 상기 공간부 쪽을 휘어지게 하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 마이크로 액츄에이터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제2박막의 두께(t2)는 2.1㎛이하 인 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 마이크로 액츄에이터.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 진동판의 폭(W)은 85㎛미만이고, 상기 제1박막의 두께(t1)와 상기 제2박막의 두께(t2)의 비는 1:2보다 크게 형성되도록 하여, 상기 진동판이 상기 공간부의 반대쪽으로 휘어지게 하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 마이크로 액츄에이터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제2박막의 두께는 2.1㎛보다 큰 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 마이크로 액츄에이터.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 공간부의 상면에 접하는 상기 진동판의 길이를 l 이라 할 때, 상기 진동판의 폭(W)과 길이(l)의 비가 1:3 이상인 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 마이크로 액츄에이터.
  8. 공간부가 형성된 기판과;
    상기 기판의 상측에 설치되어 유체가 일시적으로 저장되는 소정공간인 챔버가 형성되어 있으며, 일측에 유체를 상기 챔버에 공급하는 통로인 공급구가 형성되어 있고, 타측에 상기 챔버로부터 유체를 배출하는 통로인 배출구가 형성되어 있는 유로판과;
    상기 기판과 유로판의 사이에 마련되어 상기 챔버의 체적을 변화시켜 유체를 이송시키기 위한 압력을 발생시키기 위한 것으로, 상기 기판의 상면에 상기 공간부를 덮도록 설치되어, 형상기억합금으로 이루어진 박막 및 압축잔류응력이 작용하는 적어도 하나의 다른 박막로 이루어져 있으며,
    초기에 적어도 하나의 다른 부재의 압축잔류응력이 제1중립축에 작용하여 발생되는 굽힘모우멘트에 의하여 상기 공간부 또는 공간부의 반대쪽으로 변형되고, 온도가 상승되어 상기 형상기억합금이 상 변태되면서 상기 제1중립축이 제2중립축으로 이동되어 발생되는 굽힙모우멘트에 의하여 상기 제1중립축에 대하여 발생되는 굽힘모우멘트에 의한 변형과 같은 쪽 또는 반대쪽으로 변형되어 그 상면에 형성되는 유체를 저장하는 챔버의 면적을 변화시킴으로써 유체에 압력을 제공하는 진동판과,
    상기 공급구에는 상기 챔버 쪽으로만 유체를 흐르도록 규제하는 제1밸브장치가 설치되어 있고, 상기 배출구에는 상기 챔버로부터 상기 배출구 쪽으로만 유체를 흐르도록 규제하는 제2밸브장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 유체이송장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 진동판은 상기 기판의 상면에 설치되어 상기 공간부의 상부을 덮도록 실리콘으로 이루어진 제1박막 및 상기 챔버에 접하도록 설치되어 온도변화에 따라 상 변화하는 형상기억합금층으로 이루어진 제2박막을 구비하며,
    상기 공간부에 접하는 진동판의 폭을 W 라하고, 상기 제1박막의 두께를 t1이라 하고, 상기 제2박막의 두께를 t2 라 할 때,
    상기 진동판의 폭(W)은 100㎛이하이고, 상기 제1박막의 두께(t1)와 상기 제2박막의 두께(t2)의 비를 1:2.5 이하가 되도록 하여 상기 공간부 쪽으로 또는 상기 잉크챔버 쪽으로 선택적으로 휘어지게 할 수 있는 것을 특징으로 하는 유체이송장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 진동판의 폭(W)은 85㎛미만이고, 상기 제1박막의 두께(t1)와 상기 제2박막의 두께(t2)의 비를 1:2이하가 되도록 하여, 상기 진동판을 상기 공간부 쪽을 휘어지게 하는 것을 특징으로 하는 유체이송장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제2박막의 두께(t2)는 2.1㎛이하 인 것을 특징으로 하는 유체이송장치.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 진동판의 폭(W)은 85㎛미만이고, 상기 제1박막의 두께(t1)와 상기 제2박막의 두께(t2)의 비는 1:2보다 크게 형성되도록 하여, 상기 진동판이 상기 잉크챔버 쪽으로 휘어지게 하는 것을 특징으로 하는 유체이송장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제2박막의 두께는 2.1㎛보다 큰 것을 특징으로 하는 유체이송장치.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 기판 위에 설치되는 상기 진동판의 길이를 l 이라 할 때, 상기 진동판의 폭(W)과 길이(l)의 비가 1:3 이상인 것을 특징으로 하는 유체이송장치.
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