KR100556736B1 - 미세 기전 소자를 이용한 초소형 팽창 밸브 및 미세 기전밸브 소자 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세 기전 소자를 이용한 초소형 팽창 밸브 및 미세 기전 밸브 소자 제조방법에 관한 것으로, 미세 유로가 관통 공 형태로 가공되어 있는 하부 기판과, 상기 하부 기판의 표면에 평행한 수평 방향으로 움직임이 자유롭게 형성되는 밸브 시트와, 상기 밸브 시트를 유동 가능하게 지지하고 복원력을 제공하도록 상기 하부 기판에 형성되는 탄지수단과, 상기 밸브 시트를 수평 방향으로 구동시키기 위하여 상기 하부 기판 상에 형성되는 수평 방향 미세 구동기와, 상기 미세 구동기에 구동 전원을 인가하기 위한 상기 하부 기판에 형성되는 도체 배선 및 전극 패드와, 상기 하부 기판의 미세 유로와 연통되고 상기 밸브 시트에 의해 개폐되는 미세 유로 개구가 형성되는 상부 기판을 포함하며, 상기 미세 구조물들이 집적된 상,하부 기판이 접합되어 구성되는 미세 기전 소자와 이 미세 기전 소자를 이용한 초소형 팽창 밸브 및 미세 기전 밸브 소자 제조방법을 제공한다. 이러한 본 발명에 의한 유체 조절 밸브를 에어컨디셔너 등의 실외기 또는 실내기, 냉장고 등의 예와 같이 냉매 등의 유체의 유량 조절, 팽창 및 냉각 성능 조절을 위한 팽창 밸브(expansion valve)에 적용하여 냉방(또는 냉각) 성능을 용이하게 임의로 조절할 수 있는 유체 열 교환 장치를 보다 저렴하고, 소형화하여 제공할 수 있다.

Description

미세 기전 소자를 이용한 초소형 팽창 밸브 및 미세 기전 밸브 소자 제조방법{MICRO EXPANSION VALVE USING MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICE AND MANUFACTURING METHOD MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICE}

도 1은 본 발명에 의한 미세 기전 소자(micro electro mechanical device)를 적용한 유량 조절용 초소형 유체 제어 밸브를 보인 도면으로서,

도 1a는 부분 절단 사시도.

도 1b는 상부 하우징을 제거한 상태의 평면도.

도 1c는 도 1b의 A-A 절단면 개략도.

도 2는 미세 기전 밸브 소자 단위 셀(unit cell)의 구조를 보인 것으로,

도 2a는 사시도.

도 2b는 평면도.

도 2c는 도 2b의 B-B 절단면단면도.

도 3은 미세 기전 밸브 소자의 개폐 동작을 보인 도면으로서,

도 3a는 밸브가 열린 상태를 보인 부분 횡단면도 및 부분 종단면도.

도 3b는 밸브의 닫힘 상태를 보인 부분 횡단면도 및 부분 종단면도.

도 4는 다수 개의 배열 형태로 구성된 미세 기전 밸브 어레이를 보인 것으로,

도 4a는 3x3열로 배열된 미세 기전 밸브 어레이의 사시도.

도 4b는 3x3열로 배열된 미세 기전 밸브 어레이의 상부 평면도.

도 5는 미세 밸브 어레이 및 밸브 하우징을 조립하여 구성한 유량 조절 팽창 밸브를 보인 것으로,

도 5a는 횡단면도.

도 5b는 상부 하우징이 조립되기 전 하부 하우징의 장착홈에 조립된 미세 밸브 어레이의 사시도.

도 6은 본 발명에 의한 미세 밸브 어레이에서 개방되는 밸브의 개수에 따른 출력 유량의 조절 특성을 보인 그래프.

도 7은 미세 밸브의 상부 기판 부품에 대한 가공 공정도.

도 8은 미세 유로 및 도체 배선 및 전극 패드가 형성된 하부 기판 부품의 가공 과정 공정도.

도 9는 상,하부 기판 부품을 접합(bonding)한 후 최종적으로 미세 밸브를 완성하는 제조 과정을 단계별로 보여준 공정도.

도 10은 본 발명에 의한 미세 기전 밸브 소자 또는 어레이를 이용한 유체 조절 밸브를 팽창 밸브(expansion valve)로 이용하는 에어컨디셔너 또는 냉장고 등의 냉각 기기용 열 교환 장치(heat exchanger)의 구성 실시예를 보여 주는 장치 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 상부 밸브 하우징 1-2 : 미세 현가 간극

3-1 : 스프링 4 : 상부 기판

5 : 밸브 시트 6 : 미세 유로

6-1 : 미세 유로 개구 7 : 하부 기판

8 : 수평 방향 미세 구동기 9 : 도체 배선 및 전극 패드

9-1 : 도체 박막 10 : 미세 기전 밸브 소자

11 : 기판 20 : 가스켓

21 : 유체 유입구 22 : 유체 유출구

23 : 전극 피드 스루 24 : 절연체

25 : 장착홈 51 : 식각 마스크

51, 52 : 박막 53 : 박막

54 : 식각 마스크 100 : 미세 기전 밸브 소자 어레이

200 : 초소형 유체 조절 밸브 장치 200' : 팽창 밸브

300 : 압축 장치 301 : 유로 관

310 : 응결 장치 320 : 기화 장치

330 : 임시 저장 장치

본 발명은 유로 관(flow channel) 내를 흐르는 유체의 흐름을 단속하거나 유량을 조절하기 위한 유체 제어 밸브(fluidic valve)에 관한 것으로, 공조기 또는 냉장고 등의 냉각 장치에 쓰이는 냉매(refrigerant) 등의 액체의 흐름을 단속하고 유량을 조절하거나, 관 내에 흐르는 소정의 기체의 유량 또는 액체 상태와 기체 상태가 혼재하는 유체의 흐름을 조절하는 유체 밸브 장치에 관한 것이며, 특히 냉동 사이클(cycle) 팽창 장치(expansion apparatus)로서, 고온/고압의 액체 상태의 냉매를 교축 작용에 의하여 저온/저압의 상태로 단열 팽창 시키고, 동시에 냉각 장치에 필요한 소정의 냉매의 양을 조절하여 공급하는 기능을 수행하는 미세 기전 소자를 이용한 초소형 팽창 밸브 및 미세 기전 밸브 소자 제조방법에 관한 것이다.

기존 기술에 의한 선형 유체 제어 밸브의 경우에는 개도(orifice)의 개방 정도를 조절하기 위해 바늘 형상의 밸브 로드(valve rod)를 개구로부터 소정의 변위만큼 이동하여 개구의 개방 면적을 선형적으로 조절함으로써 동작이 이루어진다. 이러한 바늘 형상의 밸브 로드의 이동을 위해 기존의 선형 유량 제어 밸브에서는 밸브 로드를 전동 스텝 모터(stepping motor)의 회전 축(rotor shaft)에 연결된 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 기어(gear) 또는 나사(screw) 구조에 연결하여 스텝 모터에 인가되는 구동 전원의 펄스(pulse) 수에 비례하여 밸브 로드가 축 방향으로 변위가 발생하도록 하는 방식이 이용된다. 그러나, 밸브 로드의 변위를 발생시키기 위한 모터는 가격이 비싸므로 밸브 장치의 단가를 상승시키고, 모터 부품의 회전 축과 밸브 로드가 위치하는 유로 관 간의 기밀 접합(hermetic sealing)이 필요하므로 밸브 장치 제조 시 조립 공정이 어렵고 공정 비용이 상승하게 된다. 또 다른 기존의 선형 유량 조절 밸브로는 밸브 로드의 위치 조절을 위하여 밸브 로드의 일부에 박판인 다이아프램(diaphragm) 또는 멤브레인(membrane)을 연결하고, 밸 브 로드가 연결된 다이아프램 이면에 압력 조절이 가능한 별도의 가압 공간을 마련하여, 이 가압 공간에 충진 된 소정의 유체를 가열함으로써 발생하는 팽창 압력에 의해 다이아프램이 변형됨으로써 발생되는 밸브 로드의 변위를 이용하는 다이아프램 밸브도 이용되고 있다. 이 다이아프램 밸브 역시 별도의 가압 공간을 마련하여야 하므로 밸브 장치의 소형화가 어렵고, 가압 공간의 가열에 의한 팽창 압력을 이용하므로 선형 동작을 위한 밸브의 응답 속도가 느리며, 발열에 의한 전력 소모가 크다는 단점이 있다. 또한, 솔레노이드 구동기를 이용한 밸브는 개폐 동작에 국한 된 용도에는 적합하나, 유체의 선형 제어에는 적합하지 않고 구성 부품이 복잡하며 개폐 동작 시 소음이 심하다는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 기존 팽창 밸브의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 집적화된 미세 기전 소자(micro electro mechanical device)를 적용하여 부품 수를 줄이고, 밸브를 초소형화 할 수 있을 뿐아니라, 정밀 조립 필요성을 감소시킬 수 있으며, 또한, 초소형의 미세 밸브를 다수 개 배열 형태로 구성하여 유량을 디지털 제어 방식에 의해 조절할 수 있도록 한 미세 기전 소자를 이용한 초소형 팽창 밸브 및 미세 기전 밸브 소자 제조방법을 제공하고자 함에 목적이 있다.

보다 구체적으로 본 발명의 목적은 다음과 같다.

① 유로 관 내의 유체의 흐름을 단속하거나 그 유량을 임으로 조절하는 초소형 유량 조절 밸브 장치를 제공하기 위한 것이다.

② 또, 밸브 시트, 유로의 개구(valve opening), 밸브 시트를 지지하고 복원력을 제공하는 탄성 스프링 요소 및 상기 밸브 시트로 상기 개구를 개폐할 수 있도록 밸브 시트를 구동시키기 위한 미세 구동기가 동일 기판 상에 집적된 미세 기전 소자인 미세 밸브 장치를 제공하기 위한 것이다.

③ 또한, 상기 미세 밸브 구조물을 다수 개의 배열 형태로 동일 기판 상에 가공하여 소정 개수의 밸브를 열고 나머지는 닫아 유량을 조절하는 이른바 디지털 유량 조절 기능을 제공하기 위한 것이다.

④ 상기 동일 기판 상에 집적되어 가공된 미세 밸브 또는 밸브 배열(array)과, 입 출력 포트를 포함하며, 상기 미세 밸브 구조물을 장착하기 위한 장착 홈 및 단열 팽창 작용이 일어나는 오리피스(orifice) 형상이 포함된 밸브 하우징을 조립하여 구성되는 초소형 팽창 밸브를 공개하고자 한다.

⑤ 또 다른 목적은 상기 유량 조절 밸브를 에어컨의 실외기 또는 실내기 등의 예와 같이 냉매 등의 유체의 유량 조절, 팽창 및 냉각 성능 조절을 위한 팽창 밸브(expansion valve)에 적용하기 위한 것이다.

⑥ 상기 냉방기의 예에서 유로 관 내의 유체의 흐름을 반대로 할 경우인 난방 용 유체 순환 시에도 역 방향 유체의 흐름을 조절할 수 있는 양 방향(또는 정 역 방향) 구동의 밸브를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 관내(tube or pipe)를 흐르는 유체의 흐름을 단속하거나 그 유량을 임의로 조절하기 위한 유체 흐름 제어 밸브에 관한 것으로, 기존의 선형 팽창 밸브(linear expansion valve)나 개폐 기능을 갖는 솔레노이드(solenoid) 밸브와 유사한 유량 제어 기능을 제공하기 위한 밸브의 구조 및 작동 원리, 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 의한 미세 기전 소자에 의한 유체 제어 밸브(초소형 미세 밸브)는 유체가 통과하는 미세 유로(flow channel), 상기 유로 일단의 개구를 막을 수 있는 밸브 시트 미세 구조물, 상기 밸브 시트에 연결되어 밸브 시트를 지지(suspend)하며 밸브 시트의 변위에 비례한 복원력(restoring force)을 제공하는 탄성 스프링 요소(spring element), 상기 스프링 요소의 일 측을 기판에 고정하기 위한 앵커(anchor) 미세 구조물, 또한 상기 밸브 시트에 수평 방향 구동력을 제공하기 위한 미세 구동기(microactuator) 등으로 구성되며, 상기 구성 부품은 단일 기판(substrate) 상에 집적화되어 형성된다. 특히, 미세 유로의 일 측 개구는 기판 표면에 수직방향으로 형성되어 있으며, 상기 유로의 개구를 개폐 하기 위한 밸브 시트는 기판 표면과 수평인 방향으로 구동되도록 구성되는 특징이 있다. 또한, 상기 밸브 미세 구조가 장착되는 밸브 하우징(housing)은 상기 밸브 미세 구조물 기판을 용이하게 조립하여 부착할 수 있는 밸브 장착 홈과, 유체의 입 출력 단(inlet & outlet ports)이 형성되어 있으며, 유체의 단열 팽창이 일어나는 오리피스(orifice)가 상기 입 출력 포트에 더 포함되어 구성된다. 상기 밸브 하우징은 미세 밸브 장착 홈 및 유체 출력 포트를 포함한 하부 부품, 유체 입력 포트 및 미세 밸브에 전원을 공급하기 위한 피드-스루(feed-through)가 포함되어 구성된 상부 부품 및 상기 상 하부 부품을 조립할 때 양 부품 사이에 기밀 유지를 위한 밀봉용(sealing) 가스켓(gasket) 등으로 구성된다.

보다 구체적으로 본 발명에 의한 미세 기전 밸브 소자는 마이크로 스트럭춰링 방법으로 제조되고, 유로를 개폐하는 밸브 시트가 탄지수단에 탄력지지되어 미세 기전력으로 구동되는 마이크로 밸브에 있어서, 미세 유로가 관통 공 형태로 가공되어 있는 하부 기판에 평행한 수평 방향으로 움직임이 자유로운 밸브 시트와, 상기 밸브 시트와 일연체로 연결되어 유동 가능하게 지지하고 복원력을 제공하는 탄지수단과, 상기 밸브 시트를 수평 방향으로 구동시키기 위하여 밸브 시트의 동작영역 외측으로 설치되는 수평 방향 미세 구동기와, 상기 미세 구동기에 구동 전원을 인가하기 위한 도체 배선 및 전극 패드가 형성되고, 상부 기판에는 상기 하부 기판의 미세 유로와 연통되고 상기 밸브 시트에 의해 개폐되는 미세 유로 개구가 형성되며, 상기 미세 구조물들이 집적된 상,하부 기판이 접합되어 구성된다.

상기 탄지수단은 상기 밸브 시트를 지지하며 상기 밸브 시트의 변위에 비례하여 변위의 반대 방향으로 복원력을 제공하는 탄성체 스프링과, 상기 스프링의 양단부를 하부 기판에 고정시켜 상기 밸브 시트의 변위에 기준 위치를 제공하는 고정부를 포함하여 구성된다.

또, 본 발명은 미세 기전 밸브 소자가 유체 유입, 출구를 각각 구비한 밸브 하우징의 내부에 장착되고, 상기 미세 기전 밸브 소자에 전원을 공급하기 위한 전원 공급 수단이 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 미세 가전 소자를 이용한 초소형 유체 조절 밸브.

본 발명의 다른 실시예는 상기 미세 기전 밸브 소자가 복수개 배열된 형태로 상,하부 기판에 집적되어 미세 기전 밸브 어레이 형태로 구성된다.

상기 미세 기전 밸브 어레이는 유체 유입, 출구가 구비된 밸브 하우징의 내 부에 장착되고, 외부와의 전원 연결을 위한 전극 피드 스루의 조립이 용이하도록 상기 각 미세 기전 밸브 소자의 도체 배선 및 전극 패드들을 상기 하부 기판의 테두리 영역의 소정 위치에 모이도록 형성하여 구성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의한 미세 기전 밸브 소자 제조방법은 웨이퍼 형태의 실리콘 기판을 시작 재료로 하여 기판의 상 하부 면에 각각 이후 식각 공정에서 식각 방지 마스크로 쓰이는 박막을 형성하는 단계와, 상기 실리콘 기판의 하부 면에 형성된 식각 마스크 박막 사이로 드러난 실리콘 하부 기판 면을 소정의 깊이만큼 식각하여 미세 현가 간극을 형성하고, 식각 마스크 박막을 선택적으로 식각하여 제거하는 단계와, 상기 실리콘 기판의 하부 면에 접합부 및 미세 유로 개구 형성용 식각 마스크 박막을 형성하는 단계와, 상기 단계에서 형성된 식각 마스크 박막 사이로 드러난 실리콘 부분을 소정의 깊이만큼 식각하여 미세 유로 개구를 한 후 상기 식각 마스크 박막을 선택적으로 제거하는 단계와, 상기 하부 기판용 웨이퍼의 일 면에 도체 박막을 증착하는 단계와, 상기 도체 박막을 패터닝하여 도체 배선 및 전극 패드 형상을 가공하기 위한 식각 마스크를 형성하는 단계와, 상기 식각 마스크 사이로 드러난 도체를 식각하여 제거하고 잔류 식각 마스크를 제거하여 도체 배선 및 전극 패드를 형성하는 단계와, 상기 도체 배선 및 전극 패드를 정렬하고 소정의 위치에 관통공을 가공하여 하부 기판 미세 유로를 형성하는 단계와, 상기 개별 공정에 의해 가공된 상부 기판 부품과 하부 기판 부품을 상부 기판 부품에 형성된 미세 유로 개구와 하부 기판 부품에 형성된 미세 유로가 겹치도록 정렬하여 접합하는 단계와, 상기 상부 기판 표면에 형성되어 있던 식각 마스크 사이로 드러난 상부 기판 부분을 하부 기판과의 접합면까지 식각하여 밸브 시트, 수평 방향 미세 구동기, 미세 유로 개구의 미세 구조물 형상을 완성하는 단계와, 잔류하는 상기 식각 마스크를 선택적으로 제거하고, 개별 칩 단위로 또는 복수개 단위로 기판 웨이퍼를 잘라내어 미세 기전 밸브 소자 또는 미세 기전 밸브 어레이를 완성하는 단계를 포함하여 구성된다.

본 발명에서는 상기 유체 제어 밸브의 구조, 구동 원리 및 제조 방법을 공개하고자 하며, 발명의 상세한 내용 및 구성은 발명의 상세한 설명 부분에서 보다 분명해 질 것이다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면에 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 미세 기전 소자(micro electro mechanical device)를 적용한 유량 조절용 초소형 유체 제어 밸브를 보인 도면으로서, 도 1a는 부분 절단 사시도, 도 1b는 상부 밸브 하우징을 제거한 상태의 평면도, 도 1c는 A-A 절단면 개략도를 각각 보이고 있다.
도 2는 미세 기전 밸브 소자 단위 셀(unit cell)의 구조를 보인 것으로, 도 2a는 사시도, 도 2b는 평면도, 도 2c는 B-B 절단면단면도를 각각 보이고 있다.

먼저 도 1, 도 2를 참조하면, 밸브 하우징(1),(2)의 내부에 미세 기전 밸브 소자(MEMS valve device)(10)가 장착되어 조립된 본 발명의 일 실시예에 의한 유량 조절용 초소형 유체 조절 밸브의 구조가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 미세 유로 개구(opening or gate)(6-1)가 형성된 상부 기판(4) 구조물 등 기본적인 밸브 미세 구조물과 더불어 밸브 시트(5)의 개폐 구동을 수행하기 위한 미세 구동기(8)가 하부 기판(7)에 집적된 형태로 구성된 미세 기전 밸브 소자(10)가 유체 유출구(outlet port)(22)가 형성되어 있는 하부 밸브 하우징(2)의 소정의 위치에 가공되어 상기 미세 기전 밸브 소자(10)를 정렬 장착하기 위한 장착홈(25)에 접합되어 장착되고, 유체 유입 구(inlet port)(21)가 형성된 또 다른 밸브 하우징인 상부 밸브 하우징(1)이 상기 하부 밸브 하우징(2)과 결합되어 기밀 조립됨으로써 초소형 유량 조절용 유체 제어 밸브가 완성된다. 상기 밸브 하우징(1),(2) 사이에는 유체의 누설(leakage)을 차단하기 위한 가스켓(gasket)(20) 부품을 더 결합하여 구성할 수도 있다.

또한, 상부 밸브 하우징(1)에는 상,하 밸브 하우징(1),(2) 사이에 봉합되어 장착된 미세 기전 밸브 소자(10)에 구동 전원을 인가할 수 있도록 전극 피드 스루(feed-through)(23)가 형성되어 밸브 외부로부터 구동 전원을 공급할 수 있도록 구성되며, 상부 밸브 하우징(1)이 금속인 경우에는 상기 전극 피드 스루(23)와의 사이에 절연체(24)를 이용하여 기밀 봉합(hermetic sealing)되도록 구성한다. 상기 하부 밸브 하우징(2)의 유체 유출구(22)는 상기 미세 기전 밸브 소자(10)를 통과한 유체가 단열 팽창이 일어날 수 있도록 좁은 폭을 갖는 관 형태의 오리피스(orifice)로 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 초소형 유체 조절 밸브장치는 팽창 밸브로 사용할 수 있다.

단일 미세 기전 밸브 소자(10)의 구조는 도 2에 상세히 도시되어 있다.

단일 미세 기전 밸브 소자(10)는 도 2와 같이 하부 기판(7)의 표면에 평행한 수평 방향(in-plane)으로 움직임이 자유로운 밸브 시트(5)와, 이를 지지하며 밸브 시트(5)의 변위에 비례하여 변위의 반대 방향으로 복원력(restoring force)을 제공하는 탄성체 스프링(3-1)과, 상기 스프링(3-1)의 일 측을 하부 기판(7)에 고정시켜 밸브 시트(5)의 변위에 기준 위치(reference position)를 제공하는 고정부(anchor)(3)와, 또한, 상기 밸브 시트(5)를 수평 방향(in-plane)으로 구동시키기 위한 수평 방향 미세 구동기(in-plane microactuator)(8)와, 미세 유로(6)가 관통 공(through hole) 형태로 가공되어 있는 하부 기판(7), 그리고 상기 하부 기판(7) 위에 접합되는 상부 기판(4), 상기 하부 기판(7)의 미세 유로(flow channel)(6)와 연통되도록 상기 상부 기판(4)에 형성되고 상기 밸브 시트(5)의 운동에 의해 닫히거나 열리도록 기판 표면에 수평 방향으로 뚫려 있는 미세 유로 개구(6-1) 미세 구조물 등이 집적되어(integrated) 구성된다. 도 2에서 8-1은 구동력 전달부를 보인 것이다.

특히, 상기 미세 구동기(8)에 구동 전원을 인가하기 위한 도체 배선 및 전극 패드(9)가 하부 기판(7)에 형성되어 미세 구동기(8)에 전기적으로 연결되도록 구성되며 상기 각각의 전극 패드(9)에 상부 밸브 하우징(1)에 형성된 전극 피드 스루(23)가 접촉되어 구동 전원을 공급하게 된다.

또, 상기 밸브 시트(5)가 하부 기판(7) 상에서 자유로이 운동할 수 있도록 상기 밸브 시트(5) 및 탄성체 스프링(3-1)은 하부 기판(7)으로부터 소정의 간극만큼 이격되어 구성되며, 도 2c에 도시한 미세 기전 밸브 소자(10)의 단면 구조에 미세 현가 간극(1-2)이 이러한 기능을 제공한다.

이러한 본 발명에 의한 미세 기전 밸브 소자(10)에서 밸브 시트(5)의 개폐 동작을 제공하는 미세 구동기(8)는 전술한 바와 같이 기판 표면과 평행하게(in-plane) 구동 변위를 발생하며, 정전기 구동력을 이용한 정전형 구동기(electrostatic actuator), 열 변형력을 구동력으로 이용하는 전열 구동기(electro-thermal actuator), 또는 상기 구동 원리를 융합한 복합 구동기로도 구성이 가능하다.

도 3은 하나의 미세 기전 밸브 소자(10)의 밸브 개폐 동작을 보여주기 위한 개략도이며, 도 3a에는 밸브가 열린 상태를 보인 부분 횡단면도 및 부분 종단면도가 도시되고, 도 3b에는 밸브의 닫힘 상태를 보인 부분 횡단면도 및 부분 종단면도가 도시된 것으로, 도시된 그림은 열린 상태(3a)와 닫힌 상태(3b)의 두 가지(binary) 밸브 동작을 보여준다. 상기 수평 방향 미세 구동기(8)에 도체 배선 및 전극 패드(9)를 통하여 소정의 구동 전압 또는 구동 전류를 인가하게 되면, 수평 방향 구동(actuation)에 의해 밸브 시트(5)가 이동하여 미세 유로 개구(6-1)를 막게 되며, 상기 구동 전압 또는 전류를 제거하면 밸브 시트(5)에 연결된 탄성 스프링(3-1) 구조물의 복원력에 의해 밸브 시트(5)가 도 3a의 초기 위치로 돌아오게 되어 밸브가 열리게 되는 것이다.

상기 구동 전압 또는 구동 전류의 크기를 조절하여 밸브 시트(5)를 상기 완전 열린 위치(도 3a)와 완전히 닫힌 위치(도 3b) 사이의 소정의 위치에 머물도록 하면, 상기 미세 밸브를 통과하는 유체의 양을 임의로 조절할 수 있는 아날로그 유량 제어가 가능하다. 이에 더하여 상기 미세 밸브의 개폐 구동에 필요한 구동 전압(또는 전류)을 구형파(square wave) 형태의 펄스로 인가하여 소정의 주기(frequency)로 반복하여 실시하고, 밸브가 열린 시간(duration)과 닫힌 시간이 점유하는 비(duty ratio)를 임의로 변경하여 밸브를 통과하는 유체의 시간 당 평균 유량을 조절하는 이른바 펄스(pulse width modulation)로 유량을 조절할 수도 있다.

전술한 구동 원리는 하나의 미세 기전 밸브 소자(10)를 적용한 초소형 유체 조절 밸브의 제어에 관한 것이며, 본 발명에서는 상기의 미세 기전 밸브가 다수개의 배열(array) 형태로 구성되어 밸브 하우징에 봉합되어 구성된 초소형 유체 조절 밸브도 공개하고자 한다.

도 4에는 상기 평행 방향 구동에 의한 미세 기전 밸브 소자 구조가 다수 개(도면에서는 3x3 배열) 배열된 미세 기전 밸브 소자 어레이(100)의 사시도 4a 및 평면 개략도 4b 도시한 것으로, 각각의 미세 밸브 구조는 앞서 설명한 단일 미세 기전 밸브 소자(10)와 동일하며, 단지 미세 유로(6)가 다수 개 형성된 하부 기판(7) 상에 상기 밸브의 구성 요소가 배열 형태로 집적되어 형성된 구조이며, 이 어레이 형태에서는 외부와의 전원 연결을 위한 전극 피드 스루(23)의 조립을 용이하게 하도록 하부 기판(7)의 소정의 테두리 영역에 도체 배선 및 전극 패드(9)들을 모아 놓는 것이 바람직하다.

그리고, 그림에서는 9개가 배열된 미세 밸브 중 4개는 완전히 닫힌 위치로 밸브 시트(5)가 구동되고, 나머지는 완전히 열린 상태로 유지된 경우를 예시하였다.

본 발명에서는 상기 그림의 예와 같이 배열의 임의의 개수의 밸브를 열어 상기 미세 밸브 소자 어레이(100)를 통과하는 유체의 유량을 조절하는 이산(discrete) 구동 방식을 발명하였다.

도 5는 상기 미세 기전 밸브 소자 어레이(100)를 밸브 하우징(1),(2)에 봉입하여 구성한 초소형 유체 조절 밸브(200)를 보인 것으로, 도 5a는 단면도를 보인 것이고, 도 5b는 상부 밸브 하우징(1)을 조립하기 전 단계의 하부 밸브 하우징(2)에 장착 조립된 미세 밸브 소자 어레이의 사시도를 보여준다.

이 그림에서는 하부 밸브 하우징(2)에 형성된 유체 유출구(22)에 단열 팽창 작용이 발생하는 좁은 오리피스(orifice)가 부가되어 가공된 초소형 팽창 밸브의 구조를 보여준다.

도 6은 본 발명에 의한 미세 밸브 소자 어레이에서 개방되는 밸브의 개수에 따른 출력 유량의 조절 특성을 보인 그래프로서, 상기의 미세 기전 밸브 소자 어레이(100)를 전술한 디지털 구동 제어에 의해 동작시킬 경우의 출력 유량 특성을 보여 주는 그래프(graph)이다.

그림에서 수평 축은 임의의 개수(그림에서는 N개)로 이루어진 미세 밸브 소자 어레이에서 열려있는 미세 밸브의 개수이며, 수직 축은 개방된 미세 밸브의 개수에 대응하여 출력되는 유량 q를 나타낸다. 그림에서와 같이, 개방된 밸브의 수가 증가함에 따라 출력 유량이 계단 형태로 증가하는 이산화된 특성을 보이게 된다. 이 경우 이상적인 선형 제어 특성에 근사 된 N+1 단계의 유량 조절 특성을 얻게 된다.
즉, 임의의 N개의 동일한 미세 밸브 소자 어레이를 이용하게 되면 N+1 단계의 유량을 조절할 수 있게 되며, 이 경우 개별 미세 밸브는 디지털화 된 개폐 구동으로 제어하면 되므로, 간단한 디지털 제어의 특징을 활용할 수 있다.

도 7 내지 도 9는 본 발명에 의한 미세 기전 밸브 소자(10) 또는 미세 밸브 소자 어레이(100)를 제조하는 방법의 실시예를 공정 별로 도시한 도면으로서, 도 7은 미세 밸브의 상부 기판(4) 부품에 대한 가공 공정을, 도 8은 미세 유로(6)와, 도체 배선 및 전극 패드(9)가 형성된 하부 기판(7) 부품의 가공 과정을, 그리고 도 9는 상기 하부 기판(7)을 접합(bonding)한 후 최종적으로 미세 밸브를 완성하는 제조 과정을 단계별로 보여준다. 그림에서 도시한 제조 방법은 실리콘 미세 가공(silicon micromachining) 기술 및 반도체 일관 제조공정(batch fabrication process)을 이용한 상기 미세 기전 밸브의 대량 제조 방법의 하나의 실시예를 보여준다.

이하, 도 7 내지 도 9에 도시 된 공정 순서도를 참고하여 본 발명에 의한 초소형 유체 조절 밸브(200)의 구성 부품인 미세 기전 밸브 소자 또는 어레이(10, 100)의 제조 방법을 제조공정 단계별로 상술하면 다음과 같다. 실제의 제조공정에는 그림에 도시한 소자가 다수 개 형성되는 웨이퍼(wafer) 형태의 기판에 공정이 진행되는 반도체 가공 공정을 이용하여 제조된다.

먼저 도 7에 의해 미세 밸브의 상부 기판 부품에 대한 가공 공정을 설명하면, 도 7(a)와 같이, 웨이퍼(wafer) 형태의 실리콘 기판(11)을 시작 재료로 하여 기판(11)의 상 하부 면에 각각 이후 식각(etching) 공정에서 식각 방지 마스크(etch mask)로 쓰이는 박막(51, 52)을 형성한다. 식각 방지 마스크의 재질은 이후 진행되는 실리콘 식각 공정에서 식각의 방법 및 식각 반응을 일으키는 화학 물질에 따라 실리콘과의 식각 선택도(etch selectivity)가 높은 물질을 도포, 증착, 도금 등의 반도체 소자 일관 제조공정의 기술로 형성한다. 식각 마스크 물질로는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등의 유전체 박막과 소정의 두께로 도포(coating) 된 감광막(photoresist)을 사진 묘화 공정(photolithography)으로 패터닝(patterning) 하여 이용할 수도 있으며, 알루미늄, 크롬, 금 등의 다양한 금속 박막 역시 이용할 수 있다.

이어서 도 7(b)와 같이, 실리콘 기판(11)의 하부 면에 형성된 식각 마스크 박막(51) 사이로 드러난 실리콘 하부 기판 면을 소정의 깊이만큼 식각하여 미세 현가 간극(release gap)(1-2)을 형성하고, 식각 마스크 박막(52)을 선택적으로 식각하여 제거한다.

이어서 도 7(c)와 같이, 기판(11)의 하부 면에 접합부(bonding area) 및 미세 유로 개구 형성용 식각 마스크 박막(53)을 박막 증착 공정에 이은 사진 묘화 공정을 이용하여 형성한다.

이어서, 도 7(c)와 같이 상기 단계에서 형성된 식각 마스크 박막(53) 사이로 드러난 실리콘 부분을 실리콘 깊은 반응성 이온 식각(silicon deep reactive ion etching) 등의 마이크로머시닝(micromachining) 기술로 소정의 깊이만큼 식각하여 미세 유로 개구(6-1)를 한 후 상기 식각 마스크 박막(53)을 선택적으로 제거한다.

또한, 도 8에 의해 미세 유로 및 도체 배선 및 전극 패드가 형성된 하부 기판 부품의 가공 공정을 설명하면, 도 8a와 같이 별도로 준비한 유리(glass) 또는 실리콘(silicon) 등의 하부 기판(7)용 웨이퍼(wafer)의 일 면에 금속 등의 도체 박 막(9-1)을 증착(deposition) 한다. 증착의 방법은 통상적인 반도체 소자 제조 기술인 스퍼터링(sputtering), 승화(evaporation), 화학 기상 증착(CVD; chemical vapor deposition), 도금(electroplating) 등의 다양한 방법으로 시행할 수 있다.

이어서 도 8b와 같이 증착 된 금속 등의 도체 박막 표면에 상기 금속 등의 도체 박막을 패터닝(patterning) 하여 도체 배선 및 전극 패드(9) 형상을 가공하기 위한 감광막(photoresist) 등의 식각 마스크(54)를 사진 묘화 공정으로 형성한다.

이어서 도 8c와 같이 상기 식각 마스크(54) 사이로 드러난 금속 등의 도체를 식각하여 제거하고 잔류 식각 마스크(54)를 제거하여 도체 배선 및 전극 패드(9)를 완성한다.

이어서 도 8d와 같이 도체 배선 및 전극 패드 패턴을 정렬(align)하여 소정의 위치에 관통 공(through hole)을 가공하여 하부 기판 미세 유로(6)를 형성한다.

관통 공 가공은 정밀 기계 가공에 의한 드릴링(drilling), 정밀 방전 가공(electro-discharge machining), 이방성 식각(anisotropic etching) 등의 다양한 방법으로 시행할 수 있다.

도 9는 상,하부 기판 부품을 접합(bonding)한 후 최종적으로 미세 밸브를 완성하는 제조 과정을 단계별로 보여준 공정도로서, 도 9(a)와 같이 상기 독립적인 개별 공정에 의해 가공된 상부 기판(4) 부품과 하부 기판(7) 부품을, 상부 기판(4) 부품에 형성된 미세 유로 개구(6-1)와 하부 기판(7) 부품에 형성된 미세 유로(6)가 겹치도록 정렬(align) 하여 접합(bonding) 한다. 접합 방법은 상부 기판(4)이 실리콘이고 하부 기판(7)이 소다 함유 유리(sodalime glass)일 경우 마이크로머시닝 기 술의 하나인 실리콘 유리 간 양극 접합(silicon glass anodic bonding) 기술을 적용할 수 있고, 양 기판의 접합 부위에 솔더(solder)를 삽입하여 접합하는 솔더 접합(solder bonding), 소정의 접합제(adhesive)를 이용한 에폭시 접합(epoxy bonding) 방법 등을 적용할 수 있다.

이어서 도 9(b)와 같이 상부 기판(4) 표면에 형성되어 있던 기판 상부면 패터닝용 식각 마스크(51) 사이로 드러난 상부 기판(4) 부분을 실리콘 깊은 반응성 이온 식각(silicon deep RIE) 방법으로 하부 기판(7)과의 접합면까지 식각하여 밸브 시트(5), 수평 방향 미세 구동기(8), 미세 유로 개구(6-1) 등의 미세 구조물 형상을 완성한다.

이어서 도 9(c)와 같이 잔류하는 상기 식각 마스크(51)를 선택적으로 제거하고, 개별 칩(chip) 단위로 하부 기판 웨이퍼를 잘라내어(dicing) 미세 기전 밸브 소자(10) 또는 어레이(100)를 완성한다.

이상과 같은 공정 단계를 거쳐 집적화되어 가공된 미세 기전 밸브 소자 또는 어레이 형태의 부품을 장착홈(25)이 가공되어 있는 하부 밸브 하우징(housing)(2)에 장착하여 접합하고, 기밀 조립을 위한 가스켓(20)을 삽입한 후, 상부 밸브 하우징(1)을 조립하고, 두 밸브 하우징을 봉인(sealing)하여 초소형 유체 조절 밸브(200)를 완성한다.

도 10은 본 발명에 의한 미세 기전 밸브 소자(10) 또는 어레이(100)를 이용한 유체 조절 밸브(200)를 팽창 밸브(expansion valve)로 이용하는 에어컨디셔너 또는 냉장고 등의 냉각 기기용 열 교환 장치(heat exchanger)의 구성 실시예를 보 여 주는 장치 구성도이다.

유체의 흐름을 따라 이 열 교환 장치의 구성을 설명하면, 압축 장치(compressor)(300)에서 고압으로 압축된 기체 상태의 냉매(refrigerant)가 유로 관(pipe)(301)을 통하여 응결 장치(condenser)(310)에 흘러 들어 액체 상태로 응결(condensation) 된다. 응결 과정에서 냉매로부터 방출되는 잠열(latent heat)은 응결 장치를 통하여 외부 환경으로 발산된다. 응결 장치(310)를 지나 액화된 냉매(R)는 유로 관(301)을 통하여 냉매 임시 저장 용기(receiver)(330)를 거쳐 본 발명에 의한 유체 조절 밸브(200)를 이용한 팽창 밸브(expansion valve)(200')로 인입된다. 도면에는 표시되지 않았지만, 상기 임시 저장 장치(330)는 냉매에 혼입 되거나 냉매에서 생성될 수 있는 입자를 걸러내는 여과 장치(filter), 상기 냉매에 혼입 되는 수분 등의 불순물 성분을 제거하기 위한 증발 장치(drier) 등이 더 포함되어 구성된다. 팽창 밸브(200')의 입력 단, 유체 유입구(21)에 유입된 냉매는, 미세 기전 밸브 소자 어레이(100)의 디지털 유량 제어에 의해 원하는 만큼의 유량이 유체 유출구(22)로 흘러 들게 되며, 도 5a와 같이 유체 유출구(22)에 부가되어 형성되어 있는 좁은 오리피스(orifice)(22a)를 통해 저압의 출력 단 측으로 분출되는 냉매는 유체의 단열 팽창 원리에 의해 온도가 급격히 낮아지고 밀도가 낮은 입자 상태로 변하게(atomize) 된다. 이 단열 팽창 작용은 전술한 바와 같이 본 발명에 의한 미세 기전 밸브 소자 어레이(100)의 열린 미세 밸브 개수를 디지털화하여 조절함으로써 선형특성에 근사하여 제어할 수 있게 되어, 냉각 효율 또는 냉방 능력을 용이하게 제어할 수 있는 기능을 제공하게 된다. 단열 팽창에 의해 입자화 된(atomized) 냉매는 유체 조절 밸브(200)의 유체 유출구(22) 측에 연결된 기화 장치(evaporator)(320)로 이송되며, 이 기화 장치(320)에서는 입자화 된 냉매가 기화 장치(320) 주변의 환경으로부터 열을 빼앗아 기화(vaporize)가 진행됨으로써 냉각 기능을 수행하게 되는 것이다. 기화 된 냉매는 유로 관(301)을 통하여 다시 압축 장치(300)로 들어가며, 전술한 과정이 반복적으로 순환되는 냉각 장치용 유체 폐회로(fluidic circuit or cycle)가 완성된다. 이 순환 과정에서 팽창 밸브(200')를 통과하는 유량을 본 발명에 의한 미세 기전 밸브 소자 어레이로 구성된 유량 조절 밸브에 의해 임의로 조절하면, 냉방(또는 냉각) 효율을 임의로 조절할 수 있게 되는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 초소형 팽창 밸브는 마이크로머시닝(micromachining) 기술 및 반도체 일관 제조 공정(batch fabrication process)에 의해 가공되는 초소형 미세 구조물로 구성되는 밸브 시트, 탄성 스프링 요소, 유로 및 상기 밸브 시트를 구동하기 위한 초소형 구동기가 기판 상에 집적되어 구성되고, 상기 미세 구조물 밸브 부품이 장착되며 유로 입출력 포트(port) 및 오리피스(orifice), 전원 연결 수단이 부가된 밸브 하우징(housing)을 더 포함하여 구성된다. 또한, 상기 초소형 밸브 미세 구조물을 하나 이상의 다수 개의 배열(array) 형태로 형성하여 임의의 개수의 밸브를 개폐함으로써 유량을 조절하는 원리를 공개하며, 이 경우 상기 각 미세 밸브는 열리거나 닫히는 두 가지 상태로 제어하는 디지털 제어의 특징을 갖는다. 본 발명에 의한 밸브 미세 구조물의 동작은 밸브 시트(valve seat)를 개폐하는 밸브 시트(valve member)를 상기 구조물이 형성된 기판(substrate) 표면에 대해 수평인(lateral) 방향으로 구동하여 이루어지며, 상기 기판에 집적된 기판 표면 방향(in-plane) 미세 구동기(microactuator)가 상기 밸브 시트의 개폐 구동력을 제공하도록 구성된 것이다. 특히, 기판 표면 방향(in-plane) 미세 구동기로는 정전기력(electrostatic force)을 이용한 미세 구동기(electrostatic actuator), 저항체의 열 변형력을 이용하는 전열 구동기(electro-thermal actuator) 등을 적용하여 구성하는 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명에 관한 기술적 특징적인 부분을 요약하면 다음과 같다.

① 본 발명에 의한 유체 제어 밸브는 미세 기전 소자(micro electro mechanical device)로 동일 기판 상에 구성된 미세 유로, 밸브 개구(valve seat or gate), 밸브 시트, 밸브 시트 현가용 탄성 스프링 요소, 밸브 시트로 상기 밸브 개구를 개폐하기 위해 상기 밸브 시트의 변위를 조절하는 구동력을 제공하는 미세 구동기 등으로 구성된다.

② 상기 밸브 미세 구조물은 밸브의 개구가 기판 표면에 수직으로 형성되며, 밸브 시트가 밸브 개구를 개폐할 수 있도록 기판 표면에 대해 평행인 방향인 수평 구동기(in-plane actuator)에 의해 변위가 조절되는 미세 밸브. 특히, 상기 밸브 시트를 지지하는 탄성체 스프링 요소는 일 측이 기판에 고정(anchoring)되어 구성되며, 상기 밸브 시트의 구동 변위에 비례하는 복원력(restoring force)을 제공하는 기능을 담당하도록 상기 기판 상에 집적되어 형성된다.

③ 상기 밸브 미세 구조물을 동일 기판 상에 다수 개 배열(array) 형태로 집적하여 각각의 밸브를 독립적으로 구동시키거나, 임의의 개수의 밸브를 동시에 개폐함으로써 소정의 유량을 조절하는 동작 원리를 갖는 초소형 유체 조절 밸브. 즉, 요구되는 유량에 비례하여 열리는 밸브의 개수를 조절하는 구동 방식을 이용하며, 임의의 N개의 밸브 배열인 경우 조절되는 유량은 N단계로 이산화(discrete)되어 제어하는 특징을 갖는 초소형 밸브. 이 때, 각 밸브의 구동은 밸브 개구를 열거나 닫는 개폐 동작으로 조절되는 것을 특징으로 한다.

④ 상기 원리에 의해 동작하는 밸브를 유체의 흐름을 단속하는 개폐(on/off) 용도로 이용하거나 관 내를 흐르는 유체의 유량을 임의로 조절하는 유량 제어 용도로 이용하기 위한 유량 조절 밸브가 제공된다.

⑤ 상기 밸브에 의해 흐름이 조절되는 유로 관 내의 유체는 기체 상태, 액체 상태, 기체 및 액체 상태가 혼재 된 초 임계(super critical) 상태 등을 포함하는 유체를 취급할 수 있다.

⑥ 상기 미세 가공된 밸브 또는 밸브 배열이 형성된 기판을 정렬 장착할 수 있는 장착 홈이 형성되어 있고, 미세 밸브를 통과한 유체의 입 출력 포트 및 상기 미세 밸브의 구동기에 구동 전원을 공급하기 위한 다수 개의 전기적 피드-스루(feed-through)가 더 포함되어 형성되어 있는 밸브 하우징이 구비된다.

⑦ 상기 하부 하우징의 장착 홈에 상기 미세 밸브 또는 밸브 어레이 소자를 정렬 접합하여 장착하고, 상부 하우징과 상기 하부 하우징 사이에 가스켓(gasket) 등을 삽입하여 기밀 접합하여 구성되는 유체 조절 밸브 장치가 제공된다.

⑧ 상기 밸브는 입력 단(inlet port)과 출력 단(outlet port)에 소정의 압력 차를 인가하고, 높은 압력이 걸린 입력 단의 유체가 오리피스(orifice)의 좁은 유로를 지나 상대적으로 낮은 압력의 출력 단으로 분출되면서 체적이 팽창하며 온도가 강하하는 단열 팽창 현상을 이용한 유체 팽창 밸브로 이용되며, 특히, 개구에 공급되는 또는 개구로부터 인입되는 유체의 양을 미세 기전 소자로 구성된 밸브 또는 밸브 어레이로 조절하는 방식으로 동작하는 팽창 밸브로 이용된다.

⑨ 상기 유체 밸브는 입력 단의 압력이 출력 단 보다 높아 유체의 흐름이 입력 단에서 출력 단으로 흐르는 정 방향의 유량 제어와 출력 단의 압력이 입력 단 보다 높아 유체의 흐름이 출력 단에서 입력 단으로 흐르는 역 방향의 유량 제어도 가능한 정역 방향 유량 조절 밸브로 이용된다.

⑩ 상기 구조의 미세 구동기는 정전기력을 이용한 정전 구동(electrostatic actuation) 원리 또는 열 변형력을 이용한 전열 구동(electro-thermal actuation) 원리 또는 상기 구동력에 대응하는 미세 평행 구동 장치(in-plane microactuator)에 의해 밸브의 개폐 동작을 조절하며, 상기 초소형 유량 조절 밸브를 에어컨디셔너(air-conditioner), 냉장고 등의 냉 난방기의 온도 조절용 장치에 적용하는 유체의 단열 팽창 작용을 이용한 팽창 밸브 및 상기 팽창 밸브, 압축기(compressor), 응축기(condenser), 증발기(evaporator) 및 상기 요소에 연결되고 냉매(refrigerant) 등의 유체가 순환하는 유로를 제공하는 파이프 형태의 유로 관 등으로 구성되는 냉각(또는 난방) 장치로 이용된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구 범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 의한 유량 조절 밸브는 구성 부품수가 적고, 일관 가공 공정에 의한 대량 생산 및 조립이 용이하므로 저렴한 밸브를 제공할 수 있고 초소형화에 적합하다. 또한 본 발명에 의한 유체 조절 밸브의 미세 기전 밸브 소자 또는 어레이의 개폐 동작을 아날로그 방식 또는 이산적인 디지털 방식 등으로 유량을 조절하게 되면 팽창 밸브(expansion valve)로 이용할 수 있다. 상기 미세 기전 밸브 소자 또는 미세 기전 밸브 어레이를 제조하는 한가지 방법으로, 반도체 일관 제조공정 및 마이크로머시닝 기술을 이용하여 대량으로 저렴하게 제조할 수 있다.
특히 본 발명에 의한 유체 조절 밸브는 밸브 시트가 간단한 구조로 형성되고, 밸브 시트의 동작 영역 외측으로 미세 구동기가 설치되어 있어, 유체가 유로를 통과하면서 밸브 시트에 부착되는 경우에도 유로 개폐 동작이 장기간 안정하게 유지되는 이점이 있으며, 밸브 시트의 반복적인 동작에 의해서도 미세 구동기가 손상되는 일이 없으므로 밸브 시트 동작 제어가 장기간 안정하게 유지되는 이점이 있다.

본 발명에 의한 유체 조절 밸브를 에어컨디셔너 등의 실외기 또는 실내기 등의 예와 같이 냉매 등의 유체의 유량 조절, 팽창 및 냉각 성능 조절을 위한 팽창 밸브(expansion valve)에 적용하여 냉방(또는 냉각) 성능을 용이하게 임의로 조절할 수 있는 유체 열 교환 장치를 보다 저렴하고, 소형화하여 제공할 수 있다.

Claims (12)

1. 마이크로 스트럭춰링 방법으로 제조되고, 유로를 개폐하는 밸브 시트가 탄지수단에 탄력지지되어 미세 기전력으로 구동되는 마이크로 밸브에 있어서, 미세 유로가 관통 공 형태로 가공되어 있는 하부 기판에 평행한 수평 방향으로 움직임이 자유로운 밸브 시트와, 상기 밸브 시트와 일연체로 연결되어 유동 가능하게 지지하고 복원력을 제공하는 탄지수단과, 상기 밸브 시트를 수평 방향으로 구동시키기 위하여 밸브 시트의 동작영역 외측으로 설치되는 수평 방향 미세 구동기와, 상기 미세 구동기에 구동 전원을 인가하기 위한 도체 배선 및 전극 패드가 형성되고, 상부 기판에는 상기 하부 기판의 미세 유로와 연통되고 상기 밸브 시트에 의해 개폐되는 미세 유로 개구가 형성되며, 상기 미세 구조물들이 집적된 상,하부 기판이 접합되어 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 기전 밸브 소자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄지수단은 상기 밸브 시트를 지지하며 상기 밸브 시트의 변위에 비례하여 변위의 반대 방향으로 복원력을 제공하는 탄성체 스프링과, 상기 스프링의 양단부를 하부 기판에 고정시켜 상기 밸브 시트의 변위에 기준 위치를 제공하는 고정부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 기전 밸브 소자.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 시트가 하부 기판 상에서 자유로이 운동할 수 있도록 상기 밸브 시트 및 탄성체 스프링은 하부 기판으로부터 소정의 간극만큼 이격되어 미세 현가 간극이 형성되어 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 기전 밸브 소자.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 미세 구조물은 밸브의 개구가 기판 표면에 수직으로 형성되고, 밸브 시트가 밸브 개구를 개폐할 수 있도록 기판 표면에 대해 평행인 방향인 수평 구동기에 의해 변위가 조절되며, 상기 밸브 시트를 지지하는 탄성체 스프링 요소는 일 측이 기판에 고정되어 구성되고, 상기 밸브 시트의 구동 변위에 비례하는 복원력을 제공하는 기능을 담당하도록 상기 기판 상에 집적되어 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 기전 밸브 소자.
5. 제 1항에 있어서, 상기 구조의 미세 구동기는 정전기력을 이용한 정전 구동원리, 또는 열 변형력을 이용한 전열 구동원리, 또는 유도 자기력을 이용한 전자기 구동원리, 또는 전왜(piezoelectric) 현상을 이용한 압전 구동원리, 또는 상기 구동력에 대응하는 미세 평행 구동 장치에 의해 밸브의 개폐 동작을 조절하며, 상기 미세 기전 밸브 소자를 이용한 초소형 유량 조절 밸브를 냉 난방기의 온도 조절용 장치에 적용하는 유체의 단열 팽창 작용을 이용한 팽창 밸브 및 상기 팽창 밸브, 압축기, 응축기, 증발기 및 상기 요소에 연결되고 냉매 등의 유체가 순환하는 유로를 제공하는 파이프 형태의 유로 관으로 구성되는 냉각(또는 난방) 장치에 이용되는 것을 특징으로 하는 미세 기전 밸브 소자.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 미세 기전 밸브 소자가 유체 유입, 출구를 각각 구비한 밸브 하우징의 내부에 장착되고, 상기 미세 기전 밸브 소자에 전원을 공급하기 위한 전원 공급 수단이 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 미세 가전 소자를 이용한 초소형 유체 조절 밸브.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 전원 공급 수단은 상기 상부 밸브 하우징에 전극 피드 스루가 설치되고, 상기 전극 피드 스루가 상기 전극 패드에 접촉되어 외부로부터 구동 전원이 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 미세 가전 소자를 이용한 초소형 유체 조절 밸브.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 하부 밸브 하우징의 유체 유출구는 상기 미세 기전 밸브 소자를 통과한 유체가 단열 팽창이 일어날 수 있도록 좁은 폭을 갖는 관 형태의 오리피스로 형성되어 팽창 밸브로 적합하게 사용됨을 특징으로 하는 초소형 유체 조절 밸브.
9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 미세 기전 밸브 소자가 복수개 배열된 형태로 상,하부 기판에 집적되어 구성된 것을 특징으로 하는 미세 기전 밸브 어레이.
10. 제 8 항에 기재된 미세 기전 밸브 어레이가 유체 유입,출구가 구비된 밸브 하우징의 내부에 장착되고, 외부와의 전원 연결을 위한 전극 피드 스루의 조립이 용이하도록 상기 각 미세 기전 밸브 소자의 도체 배선 및 전극 패드들을 상기 하부 기판의 테두리 영역의 소정 위치에 모이도록 형성하여 구성된 것을 특징으로 하는 초소형 유체 조절 밸브.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 밸브 미세 구조물을 동일 기판 상에 다수 개 배열 형태로 집적하여 각각의 밸브를 독립적으로 구동시키거나, 임의의 개수의 밸브를 동시에 개폐함으로써 소정의 유량을 조절하는 동작 원리를 갖고, 요구되는 유량에 비례하여 열리는 밸브의 개수를 조절하는 구동 방식을 이용하며, 임의의 N개의 밸브 배열인 경우 조절되는 유량은 N+1 단계로 이산화(discrete)되어 제어되고, 각 밸브의 구동은 밸브 개구를 열거나 닫는 개폐 동작으로 조절되도록 구성된 것을 특징으로 하는 초소형 유체 조절 밸브.
12. 웨이퍼 형태의 실리콘 기판을 시작 재료로 하여 기판의 상 하부 면에 각각 이후 식각 공정에서 식각 방지 마스크로 쓰이는 박막을 형성하는 단계와,

    상기 실리콘 기판의 하부 면에 형성된 식각 마스크 박막 사이로 드러난 실리콘 하부 기판 면을 소정의 깊이만큼 식각하여 미세 현가 간극을 형성하고, 식각 마스크 박막을 선택적으로 식각하여 제거하는 단계와,

    상기 실리콘 기판의 하부 면에 접합부 및 미세 유로 개구 형성용 식각 마스크 박막을 형성하는 단계와,

    상기 단계에서 형성된 식각 마스크 박막 사이로 드러난 실리콘 부분을 소정의 깊이만큼 식각하여 미세 유로 개구를 한 후 상기 식각 마스크 박막을 선택적으로 제거하는 단계와,

    상기 하부 기판용 웨이퍼의 일 면에 도체 박막을 증착하는 단계와,

    상기 도체 박막을 패터닝하여 도체 배선 및 전극 패드 형상을 가공하기 위한 식각 마스크를 형성하는 단계와,

    상기 식각 마스크 사이로 드러난 도체를 식각하여 제거하고 잔류 식각 마스크를 제거하여 도체 배선 및 전극 패드를 형성하는 단계와,

    상기 도체 배선 및 전극 패드을 정렬하고 소정의 위치에 관통공을 가공하여 하부 기판 미세 유로를 형성하는 단계와,

    상기 개별 공정에 의해 가공된 상부 기판 부품과 하부 기판 부품을 상부 기판 부품에 형성된 미세 유로 개구와 하부 기판 부품에 형성된 미세 유로가 겹치도록 정렬하여 접합하는 단계와,

    상기 상부 기판 표면에 형성되어 있던 식각 마스크 사이로 드러난 상부 기판 부분을 하부 기판과의 접합면까지 식각하여 밸브 시트, 수평 방향 미세 구동기, 미세 유로 개구의 미세 구조물 형상을 완성하는 단계와,

    잔류하는 상기 식각 마스크를 선택적으로 제거하고, 개별 칩 단위로 또는 복수개 단위로 기판 웨이퍼를 잘라내어 미세 기전 밸브 소자 또는 미세 기전 밸브 어레이를 완성하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 미세 기전 밸브 소자 제조방법.

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