KR100582892B1 - 마이크로 펌프 - Google Patents

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Abstract

고압을 생성할 수 뿐만 아니라 고유량의 유체를 유동시킬 수 있는 마이크로 펌프가 개시된다. 본 발명에 의한 마이크로 펌프는, 적어도 하나의 작동유체 유입구 및 배출구가 마련되며, 수축 및 팽창 가능한 펌프챔버; 상기 펌프챔버를 1차로 수축시키는 피스톤 액츄에이터; 및 상기 펌프챔버를 2차로 수축시키는 정전 액츄에이터;를 포함한다.
정전 액츄에이터, 피스톤 액츄에이터, 고압, 고유량, 마이크로, 펌프

Description

마이크로 펌프{Micro pump}
도 1은 일반적인 정전 액츄에이터와 피스톤 액츄에이터의 생성압력을 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로 펌프를 개략적으로 나타낸 단면도,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 펌프의 작용을 설명하기 위한 단면도, 그리고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 펌프의 생성압력을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100...하우징 120...정전 액츄에이터
124...전극부재 126...고정전극부재
128...유연전극부재 126a,128a...전극
126b,128b...절연체 140...펌프챔버
160...피스톤 액츄에이터 162...피스톤
166...피스톤 챔버
본 발명은 유체를 이동시키는 펌프에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 초소형의 유체시스템에서 작동유체를 이동시키는데 사용되는 마이크로 펌프에 관한 것이다.
최근에 마이크로 머시닝(Micro-machining) 기술의 비약적인 발전은 다양한 기능을 하는 마이크로 전자기계 시스템(MEMS:Micro Electro Mechanical System)의 개발을 가능하게 하였다. 이러한 MEMS 장치들은 크기, 비용 및 신뢰성의 관점에서 많은 장점을 가지고 있으므로 광범위한 적용예를 위해 개발되고 있다.
특히, 유체시스템을 초소형화시켜 하나의 칩상에 구현하려는 연구가 진행되고 있으며, 이처럼 초소형화된 유체시스템에는 작동유체를 유동시키는 마이크로 펌프가 기본요소로서 사용되고 있다.
상기와 같은 마이크로 펌프에는 정전 액츄에이터를 사용하는 정전형 마이크로 펌프와, 피스톤 액츄에이터를 사용하는 피스톤형 마이크로 펌프등이 알려져 있다.
정전 액츄에이터는 한쌍의 유전물질인 절연체로 이루어진 격막에 전극을 각각 설치하고, 상기 전극에는 동일한 극성의 전하를 충전시키거나 상호 반대되는 극성의 전하를 충전한다. 상기 한쌍의 격막은 충전된 극성에 따라 정전력에 의하여 근접 및 이격되며, 이에 의해 한쌍의 격막에 의해 형성되는 챔버가 수축 및 팽창된다. 이러한 원리로 외부의 작동유체를 유입 및 배출한다. 이러한 정전형 액츄에이 터의 경우, 구조가 간단하여 마이크로 펌프의 소형화가 가능하고, 액츄에이터의 크기에 비해 상대적으로 강한 정전력을 얻을 수 있어 유체의 토출압력을 높일 수 있다는 장점이 있다.
F ∝ 1/D2
그러나, 상기 수학식 1 및 도 1에서 보여지는 것처럼, 상기 격막사이 거리(D)가 멀어지는 경우, 전극사이에 작용하는 정전력(F)이 급격히 떨어지는 단점이 있다.
V ∝ D
또한, 수학식 2에서 나타나는 것처럼, 격막사이의 간격이 멀어지는 경우, 일정이상의 압력을 생성시키기 위하여 고전압이 필요하게 된다. 이 때 고전압을 만들기 위한 장치의 크기가 커지며 손실이 증대하여 소비전력이 많아진다는 단점이 있다. 결국, 작은 소비전력으로 큰 압력을 생성시키기 위해서는 격막사이의 간격이 좁아야 한다. 이러한 이유로 정전 액츄에이터는 고유량의 유체를 이송시키는 데는 부적합하다.
한편, 피스톤 액츄에이터의 경우, 피스톤의 운동거리를 크게 하여 고유량을 유동시킬 수 있는 장점이 있으나, 피스톤을 구동시키는 모터의 사이즈적 한계로부터 발생하는 모터의 용량 한계로 생성압력이 낮다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 고압을 생성할 수 있을 뿐만 아니라 고유량의 유체를 유동시킬 수 있는 마이크로 펌프를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 마이크로 펌프는, 적어도 하나의 작동유체 유입구 및 배출구가 마련되며, 수축 및 팽창 가능한 펌프챔버; 상기 펌프챔버를 1차로 수축시키는 피스톤 액츄에이터; 및 상기 펌프챔버를 2차로 수축시키는 정전 액츄에이터;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 정전 액츄에이터는 한 쌍의 전극부재를 포함하며, 상기 전극부재는 돔 형상을 가지는 고정전극부재; 및 상기 고정전극부재에 그 양단이 연결되어 상기 펌프챔버를 형성하며 상기 고정전극부재에 대하여 유동 가능한 유동전극부재;를 포함한다. 상기 고정전극부재 및 상기 유연전극부재는, 각각 외부 전원과 연결되는 전극 및 상기 전극의 안쪽면에 피복된 유전물질로 구성된 절연체를 포함한다. 그리고, 상기 피스톤 액츄에이터는, 모터와 이 모터로부터 동력을 전달받아 왕복이동하면서 상기 유동전극부재를 상기 고정전극부재 측으로 미는 피스톤을 포함하며, 상기 작동유체 유입구 및 유출구에는 각각 작동유체를 어느 한방향으로만 이동시키기 위한 체크밸브가 설치된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 펌프는, 하우징 (100)과, 정전 액츄에이터(120)와, 펌프챔버(140) 및 피스톤 액츄에이터(160)를 포함하여 구성된다.
상기 하우징(100)에는 상기 펌프챔버(140)내로 작동유체가 유입 및 배출될 수 있도록 상기 펌프챔버(140)와 연통되는 유입구(102) 및 배출구(104)가 형성된다. 그리고, 유입구(102) 및 배출구(104) 각각에는 작동유체가 일방향으로만 유동될 수 있도록 체크밸브(103, 105)가 설치된다.
상기 정전 액츄에이터(120)는 전원공급부(122)와, 상기 전원공급부(122)로부터 전하를 충전받는 전극부재(124)를 포함한다.
상기 전극부재(124)는, 상기 하우징(100)에 고정되는 고정전극부재(126)와, 상기 고정전극부재(126)와 마주보도록 상기 하우징(100)에 설치된 유연전극부재(128)를 포함한다.
상기 고정전극부재(126)는 소정 부피를 가지는 펌프챔버(140)를 형성하기 위하여 상기 하우징(100)에 돔 형상으로 고정되며, 전극(126a)과 유전물질로 구성된 절연체(126b)를 포함한다. 상기 고정전극부재(126)의 전극(126a)은 전원공급부(122)에 전기적으로 연결되며, 상기 유연전극부재(128)의 전극(128a)과 한쌍을 이루어 정전력을 형성한다. 상기 고정전극부재(126)의 유전물질로 구성된 절연체(126b)는, 펌프챔버(140)내의 작동유체가 상기 전극(126a)에 접촉되는 것을 방지할 수 있도록 상기 전극(126a)의 일면에 부착된다.
상기 유연전극부재(128)는 상기 고정전극부재(126)와는 달리 유연한 재질로 이루어져서 변형이 가능하다. 따라서, 상기 고정전극부재(126)와의 사이에 인력 및 척력이 작용할 경우, 상기 유연전극부재(128)가 상기 고정전극부재(126)에 접근 및 이격되면서 펌프챔버(140)가 수축 및 팽창하게 된다. 그리고, 상기 유연전극부재(128)는 상기 고정전극부재(126)와 마찬가지로, 상기 전원공급부(122)에 전기적으로 연결된 전극(128a)과 상기 전극(128a)이 펌프챔버(140)내의 유체와 접촉을 방지하며 분극현상을 일으키는 유전물질로 구성된 절연체(128b)를 포함한다.
상기 펌프챔버(140)는, 상기 고정전극부재(126)와 유연전극부재(128)에 의하여 형성된다.
상기 피스톤 액츄에이터(160)는, 모터(164)와, 상기 모터(164)로 부터 동력을 전달받아 하우징(100)내에서 왕복운동하는 피스톤(162)을 포함한다. 상기 피스톤(162)은 상기 유연전극부재(128)를 접촉가압하여 아치형상으로 변형하여 양 말단에서 유연전극부재(128)가 고정전극부재(126)와 접촉할 수 있도록 그 상부가 돔형인 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 하우징(100) 내에서 왕복운동하는 피스톤(162)을 예시하였으나, 이외에도 캠형의 형상을 가지고 회전하는 피스톤등이 적용될 수 있다.
미설명된 부호 166은 피스톤 챔버(166)를 나타내는 것으로서 피스톤(162)의 왕복운동에 의해 압축 및 팽창되어 그 부피가 변화된다.
이하 도 3a 내지 도 3d를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 펌프의 동작에 대하여 설명한다.
도 3a를 참조하면, 피스톤(162)은 모터(164)로부터 동력을 전달받아 A방향으로 이동한다. 그리고, A방향으로 이동하는 피스톤(162)은 유연전극부재(128)를 밀 어서 상기 고정전극부재(126)로 근접시킨다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 유연전극부재(128)와 고정전극부재(126)가 근접하여 그 거리(L)가 기설정된 거리(LPR)와 동일하게 되면, 미도시된 제어부는 전원공급부(122)로부터 상기 유연전극부재(128)와 상기 고정전극부재(126)에 서로 상반대 전하를 충전시킨다. 이에 의해, 상기 유연전극부재(128)와 상기 고정전극부재(126)는 상호간에 정전인력이 작용하여 유연전극부재(128)는 상기 고정전극부재(126)로 더 근접하게 되어 상기 펌프챔버(140)를 더 수축시킨다.
그리고, 도 3c 및 도 3d를 참조하면, 펌프챔버(140)의 수축이 완료되면, 상기 제어부는 전원공급부(122)로부터 상기 유연전극부재(128)와 상기 고정전극부재(126)에 동일한 전하를 충전시킨다. 동일한 전하가 충전된 상기 유연전극부재(128)와 상기 고정전극부재(126)는 상호 정전척력에 의해 이격되기 시작하여 상기 펌프챔버(140)를 팽창시킨다. 그러나, 본 실시예와는 달리, 충전된 전하를 제거하고 상기 유연전극부재(128)의 탄성력에 의해 상기 유연전극부재(128)는 상기 고정전극부재(126)로부터 이격되는 방법이 사용될 수도 있다. 그리고, 피스톤(162)은 하강하기 시작하여 피스톤 챔버(166)의 압력을 하강시키므로서 상기 정전척력과 함께 상기 펌프챔버(140)를 팽창시키는 동력을 제공한다. 그러나, 본 실시예와 달리 피스톤 챔버가 밀폐되지 않았다면, 상기 유연전극부재(128)를 상기 고정전극부재(126)로부터 이격시키기 위해 상기 정전척력만이 작용할 것이다.
도 4는, 본 발명에 따른 마이크로 펌프의 생성압력을 상기 유연전극부재 (128, 도 2참조)와 상기 고정전극부재(126, 도 2참조)사이의 거리에 따라 나타낸 그래프로서, 상기 거리가 LPR 이상인 경우는 피스톤(162, 도 2참조)에 의해 압력이 상승하며 LPR 이하인 경우에는 정전 액츄에이터(120, 도 2참조)에 의해 급격히 상승됨을 볼 수 있다. 따라서, 피스톤(162, 도 2참조)은 유연전극부재(128, 도 2참조)를 상기 고정전극부재(126, 도 2참조)와의 거리가 LPR이 되는 지점까지만 미는 것이 가장 바람직하다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 피스톤 액츄에이터와 정전 액츄에이터를 하나의 펌프에 적용하므로서 고유량의 작동유체를 유동시킬 수 있을 뿐만 아니라, 작동유체를 고압으로 유동시킬 수 있다.
그리고, 피스톤 액츄에이터가 정전 액츄에이터의 정전력이 급격히 상승하는 거리까지 한 쌍의 전극부재 사이의 거리를 좁혀서, 정전 액츄에이터의 효율이 향상된다.
또한, 상기 정전 액츄에이터의 효율이 향상됨에 따라 소비전력을 줄일 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (5)

  1. 적어도 하나의 작동유체 유입구 및 배출구가 마련되며, 수축 및 팽창 가능한 펌프챔버;
    상기 펌프챔버를 1차로 수축시키는 피스톤 액츄에이터; 및
    상기 펌프챔버를 2차로 수축시키는 정전 액츄에이터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정전 액츄에이터는 한 쌍의 전극부재를 포함하며,
    상기 전극부재는 돔 형상을 가지는 고정전극부재; 및 상기 고정전극부재에 그 양단이 연결되어 상기 펌프챔버를 형성하며 상기 고정전극부재에 대하여 유동 가능한 유연전극부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고정전극부재 및 상기 유연전극부재는, 각각 외부 전원과 연결되는 전극 및 상기 전극의 안쪽면에 피복된 유전물질로 구성된 절연체를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 피스톤 액츄에이터는, 모터와 이 모터로부터 동력을 전달받아 왕복이동하면서 상기 유연전극부재를 상기 고정전극부재 측으로 미는 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동유체 유입구 및 유출구에는 각각 작동유체를 어느 한방향으로만 이동시키기 위한 체크밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
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