KR100582893B1 - Ｅｈｄ기술을 이용한 유체 회전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멤스 공정 및 EHD를 이용한 유체 회전장치에 관한 것이다. 개시된 본 발명에 의한 유체 회전장치는 극성유체가 흡입되는 공간부가 형성된 기저층; 기저층에 설치된 제 1 및 제 2 전극; 공간부를 밀폐하며, 극성유체를 공간부로 공급하는 유입구와 공간부에 수용된 극성유체가 배출되는 토출구를 포함하는 커버; 커버 또는 기저층에 설치되는 제 3 전극; 및 각 전극에 전원을 공급하는 전원장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이상과 같은 본 발명에 의하면, 극성유체를 회전시키기 위해 움직이는 구조물이 없기 때문에 장치의 수명이 연장될 수 있으며, 맴스 공정을 이용하여 유체 회전장치를 매우 작은 크기로 제작하기 때문에, 이 유체 회전장치를 원심분리기로 사용할 경우, 적은양의 샘플만으로도 세포 레벨의 미세한 입자를 손상없이 원심분리할 수 있다.
멤스, MEMS, EHD, 원심분리, 마이크로머신, 마이크로펌프

Description

ＥＨＤ기술을 이용한 유체 회전장치{Fluid rotating apparatus using EHD technology}
도 1은 본 발명에 의한 유체 회전장치의 평면도,
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면도,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 유체 회전장치의 분해 사시도,
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 유체 회전장치의 분해 사시도, 그리고,
도 5는 제 1, 제 2, 제 3 전극이 동일평면상에 위치된 상태를 도시한 유체 회전장치의 평면도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
110,210; 기저층 110a,240a; 공간부
120,220; 제 1 전극 130,230; 제 2 전극
140,240; 커버 141,241; 유입구
142,242; 토출구 150,250; 제 3 전극
본 발명은 유체 회전장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 멤스(MEMS) 공정과 EHD 기술을 접목하여 구현한 미소 유체 회전장치에 관한 것이다.
멤스(MEMS)란 Micro Electro-Mechanical System의 머릿글자로 반도체 가공방법을 응용해 미세기계구조를 가공하는 기술 또는 가공된 제품을 지칭한다. 이를 이용하면 수㎛ 이하의 초미세구조를 지닌 기계·장비를 설계할 수 있다는 점에서, 전자·기계·의료·방산 등 전 산업 분야에 엄청난 변혁을 불러올 것으로 예측되어, 세계 각국은 멤스를 전략산업으로 육성하고 있다.
이러한 멤스 기술을 EHD 기술(Electrohydorodynamic technology)과 접목할 경우 아주 작은 크기의 유체 회전장치를 제작할 수 있다. 일반적으로 EHD 기술은 움직이는 부품이 없이 유전체(dielectric) 액체를 이동시키는 것을 가능하게 하는데, 이러한 유전체 액체로 소금물과 같은 극성유체를 사용할 수 있다. 만일 EHD 기술을 통해 상기 유전체 액체를 움직이는 펌프 또는 회전장치를 제작할 경우, 유전체 액체를 움직이는 원동력인 압력차는 유전체 액체에 존재하는 전기장과 주위에 부하된 전기장에 의해 얻어질 수 있다. 이와 같이 멤스 공정과 EHD 기술을 이용한 유체 회전장치는 유전체 액체를 이동시키기 위해 움직이는 부품이 필요없어 긴 사용수명을 제공할 수 있으며, 아주 작은 샘플만이 획득되더라도 사용할 수 있을 것으로 기대되어 많은 연구가 진행되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 멤스 기술과 EHD 기술을 접목시켜 긴 사용수명과 아주 작은 샘플만으로도 세포 레벨의 미세한 입자를 손 상없이 원심분리할 수 있는 유체 회전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 EHD 기술을 이용한 유체 회전장치는 극성유체가 흡입되는 공간부가 형성된 기저층; 상기 공간부에 설치된 복수의 제 1 및 제 2 전극; 상기 공간부를 밀폐하며, 상기 극성유체를 상기 공간부로 공급하는 유입구와 상기 공간부에 수용된 상기 극성유체가 배출되는 토출구를 포함하는 커버; 상기 커버 또는 기저층에 설치되는 제 3 전극; 및 상기 제 1, 제 2 , 제 3 전극에 전원을 공급하는 전원장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 실시예에 의하면, 상기 상기 제 1, 제 2 , 제 3 전극은 판상으로 형성되며, 서로 엇갈리게 원형으로 배치되는 것이 바람직하다.
상기 전원장치는 서로 다른 위상차를 가지는 3상 교류전원을 상기 제 1 내지 제 3 전극에 공급하는 것이 바람직하다.
상기 기저층은 실리콘 재질로 형성되는 것이 좋다.
본 발명의 제 2 실시예에 의한 EHD 기술을 이용한 유체 회전장치는 기저층; 상기 기저층에 설치된 복수의 제 1 및 제 2 전극; 상기 기저층 상부에 설치되며, 극성유체가 흡입되는 공간부와 상기 공간부로 상기 극성유체를 공급하는 유입구 및 상기 공간부에 수용된 상기 극성유체가 배출되는 토출구를 포함하는 커버; 상기 커버 또는 기저층에 설치되는 제 3 전극; 및 상기 제 1 내지 제 3 전극에 전원을 공급하는 전원장치;를 포함하는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 제 1 내지 제 3 전극 및 기저층의 구조는 본 발명의 제 1 실시 예와 동일하다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 극성유체를 회전시키기 위해 움직이는 구조물이 없기 때문에 장치의 수명이 연장될 수 있으며, 맴스 공정을 이용하여 유체 회전장치를 매우 작은 크기로 제작하기 때문에, 이 유체 회전장치를 원심분리기로 사용할 경우, 적은양의 샘플만으로도 세포 레벨의 미세한 입자를 손상없이 원심분리할 수 있다. 아울러, 본 발명은 유입구와 토출구에 개별적인 유도관을 연결하여 유체펌프로 사용할 수도 있고, 토출구를 통해 배출되는 유체의 배출압력을 이용하여 초미세기계(micro machine)의 동력원으로도 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 제 1 실시예를 첨부된 도 1 내지 도 3과 함께 설명한다.
도시된 바와 같이 본 발명에 의한 EHD 기술을 이용한 유체 회전장치는 기저층(110), 제 1 및 제 2 전극(120,130), 커버(140), 제 3 전극(150) 및 전원장치(160)를 포함한다.
상기 기저층(110)의 상측에는 소금물과 같은 통전 가능한 극성유체(F, 도 2 참조)가 배치되며, 상기 극성유체(F)가 흡입되는 공간부(110a)가 형성된다. 상기 기저층(110)은 실리콘 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 공간부(110a)의 직경은 대략 2mm를 넘지 않도록 제작되는 것이 바람직하며, 상기 공간부(110a)의 높이는 대략 0.1mm 정도로 형성될 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 전극(120,130)은 복수개가 상기 공간부(110a)에 서로 엇갈리게 설치된다. 바람직하게는 제 1 전극(120)은 링 형 몸체의 내측을 향해 돌출 형성되고, 제 2 전극(130)은 링 형 몸체의 외측을 향해 돌출 형성된다.
상기 커버(140)는 상기 공간부(110a)를 밀폐하며, 유입구(141)와 토출구(142)를 구비한다. 상기 기저층(110)의 상측에 배치된 상기 극성유체(F)는 상기 유입구(141)를 통해 상기 공간부(110a)로 흡입되고, 흡입된 상기 극성유체(F)는 상기 토출구(142)를 통해 상기 기저층(110)의 상측으로 배출된다. 상기 토출구(142)에는 토출되는 극성유체(F)를 유도하기 위한 유도관(143)이 설치될 수도 있다.
상기 제 3 전극(150)은 상기 제 1 및 제 2 전극(120,130)과 대면되게 상기 기저층(110) 또는 커버(140)에 설치된다. 이 때, 상기 제 3 전극(150)은 링 형상의 몸체의 내측을 향해 복수개가 돌출 형성되되, 상기 제 1 및 제 2 전극(120,130)과 어긋나게 설치되는 것이 바람직하다. 상기 제 3 전극(150)은 상기 커버(140)에 설치될 경우, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제 1 전극(120)과 유사한 형태로 일부가 상기 제 1 및 제 2 전극(120,130)과 중첩되게 설치된다. 한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제 1, 제 2, 제 3 전극(320,330,350)은 상기 기저층(110)에 함께 설치되는 것도 가능하다.
상기 전원장치(160)는 상기 제 1 내지 제 3 전극(120,130,150)에 각각 서로 다른 위상의 전원을 공급하는 3상 교류전원장치로 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 2 실시예에 의한 EHD 기술을 이용한 유체 회전장치는 도 4에 도시된 바와 같이, 기저층(210), 제 1 및 제 2 전극(220,230), 커버(240), 제 3 전극(250) 및 전원장치(260)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기저층(210)의 상측에는 소금물과 같은 통전 가능한 극성유체(F, 도 2 참조)가 배치되며, 실리콘 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제 1 및 제 2 전극(220,230)은 도 4에 도시된 바와 같이, 복수개가 상기 기저층(211)에 서로 엇갈리게 설치되는 것이 바람직하다. 즉, 제 1 전극(220)은 링 형 몸체의 내측을 향해 돌출 형성되고, 제 2 전극(230)은 링 형 몸체의 외측을 향해 돌출 형성된다.
상기 커버(240)는 상기 기저층(210)의 상부에 설치되며, 상기 극성유체(F)가 흡입되는 공간부(240a)와 상기 공간부(240a)로 상기 극성유체(F)를 공급하는 유입구(241) 및 상기 공간부(240a)에 수용된 상기 극성유체(F)가 배출되는 토출구(242)를 구비한다. 상기 기저층(210)의 상측에 배치된 상기 극성유체(F)는 상기 유입구(241)를 통해 상기 공간부(240a)로 흡입되고, 흡입된 상기 극성유체(F)는 상기 토출구(242)를 통해 상기 기저층(210)의 상측으로 배출된다.
상기 제 3 전극(250)은 상기 제 1 및 제 2 전극(220,230)과 대면되게 상기 커버(240)에 설치된다. 이 때, 상기 제 3 전극(250)은 링 형상의 몸체의 내측을 향해 복수개가 돌출 형성되되, 상기 제 1 및 제 2 전극(220,230)과 어긋나게 설치되는 것이 바람직하다.
상기 전원장치(260)는 상기 제 1 내지 제 3 전극(220,230,250)에 각각 서로 다른 위상의 전원을 공급하는 3상 교류전원장치로 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 구성된 제 1 내지 제 3 전극(120,130,150)(220,230,250)(320,330,350)은 평판으로 형성되는 것이 바람직하다. 만일 상기 제 1 내지 제 3 전극(120,130,150)(220,230,250)(320,330,350)이 돌기형상을 가지도록 형성될 경우 돌출된 전극으로 전기장이 집중되어 상기 극성유체(F) 의 회전이 방해될 수 있기 때문이다.
이하, 첨부된 도면과 함께 본 발명에 의한 유체 회전장치의 동작을 설명한다. 참고로 본 발명의 제 1 실시예의 공간부(110a)의 형성위치는 기저층(110)이고, 제 2 실시예의 공간부(240a)의 형성위치는 커버(240)라는 차이점 이외에는 동일한 동작을 수행하므로, 이하에서는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 구성을 참조로 하여 동작을 설명한다.
전원장치(160)를 통해 상기 제 1 내지 제 3 전극(120,130,150)에 서로 다른 위상차로 3상 교류전원이 공급되면, 상기 공간부(110a)에 수용된 극성유체(F)는 상기 제 1 내지 제 3 전극(120,130,150)의 위상변화에 따라 발생하는 쿨롱(Coulomb) 힘에 의해 상기 공간부(110a)내부에서 회전한다. 이처럼 극성유체(F)가 회전을 시작하면 원심력에 의해, 상기 공간부(110a)의 바깥쪽은 압력이 높아지고, 중앙 부근의 압력은 낮아진다. 따라서, 상기 기저층(110)의 상측에 배치된 극성유체(F)는 압력차에 의해 상기 유입구(141)를 통해 상기 공간부(110a)로 흡입되고, 상기 유입구(141)로 흡입된 극성유체(F) 만큼 상기 공간부(110a)에 있던 극성유체(F)가 밀려나가면서 상기 토출구(142)를 통해 상기 공간부(110a) 외부로 토출된다.
이와 같은 구조에 의하면, 극성유체(F)에 회전력을 부가하기 위해 움직이는 구조물을 필요로 하지 않기 때문에, 오랜 시간을 사용하더라도 마모 등에 의한 손실이 발생되지 않아 장치 수명이 연장될 수 있다. 또한, 작동 전압으로는 약 5∼20㎸ 정도의 고전압이 요구되지만 전류량은 극히 적어 약 10㎂ 정도면 충분하다.
이와 같은 구조의 유체 회전장치는 세포단위의 물질을 원심분리하는 원심분 리기로 사용할 수 있다. 이 경우에는 상기 기저층(110)의 상측에 히터(미도시)를 설치하여 극성유체(F) 내부에 함유된 다양한 크기의 세포간 연결을 먼저 끊어주면서, 상기 전원장치(160)를 통해 3상 교류전원을 상기 제 1 내지 제 3 전극(120,130,150)에 공급한다. 그러면, 상기 공간부(110a)에 있던 상기 극성유체(F)가 고속으로 회전하면서 상기 유입구(141)로 다양한 크기의 세포를 포함하고 있는 극성유체(F)를 흡입한다. 흡입된 상기 극성유체(F)는 원심력에 의해 포함하고 있는 세포가 질량별로 분리되면서 상기 토출구(142)를 통해 상기 공간부(110a) 바깥으로 배출된다. 상기 토출구(142)에는 도 2에 도시된 바와 같이, 유도관(143)을 설치할 수도 있는데, 이 유도관(143)을 통해 배출되는 세포의 포집을 보다 간편하게 할 수 있다.
또한, 이와 같은 구조의 유체 회전장치는 상기 유입구(141)와 토출구(142)를 서로 개별적인 유도관으로 형성하여 유체펌프로 사용할 수도 있고, 상기 토출구(142)를 통해 배출되는 극성유체(F)의 배압을 이용하여, 초미세기계의 동력원으로도 사용할 수도 있다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 극성유체를 회전시키기 위해 움직이는 구조물이 없기 때문에 장치의 수명이 연장될 수 있으며, 맴스 공정을 이용하여 유체 회전장치를 매우 작은 크기로 제작하기 때문에, 이 유체 회전장치를 원심분리기로 사용할 경우, 적은양의 샘플만으로도 세포 레벨의 미세한 입자를 손상없이 원심분리할 수 있다.
아울러, 본 발명은 유입구와 토출구에 개별적인 유도관을 연결하여 유체펌프로 사용할 수도 있고, 토출구를 통해 배출되는 유체의 배출압력을 이용하여 초미세기계(micro machine)의 동력원으로도 사용할 수 있는 등 그 적용범위가 매우 넓다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하다는 것을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 극성유체가 흡입되는 공간부가 형성된 기저층;
    상기 공간부에 설치된 복수의 제 1 및 제 2 전극;
    상기 공간부를 밀폐하며, 상기 극성유체를 상기 공간부로 공급하는 유입구와 상기 공간부에 수용된 상기 극성유체가 배출되는 토출구를 포함하는 커버;
    상기 커버에 설치되는 제 3 전극; 및
    상기 제 1 내지 제 3 전극에 전원을 공급하는 전원장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 회전장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 내지 제 3 전극은,
    판상으로 형성되며, 서로 엇갈리게 원형으로 배치된 것을 특징으로 하는 유체 회전장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전원장치는,
    서로 다른 위상차를 가지는 3상 교류전원을 상기 제 1 내지 제 3 전극에 공급하는 것을 특징으로 하는 유체 회전장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 기저층은,
    실리콘 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 유체 회전장치.
  5. 극성유체가 흡입되는 공간부가 형성된 기저층;
    상기 공간부에 설치된 복수의 제 1, 제 2 및 제 3 전극;
    상기 공간부를 밀폐하며, 상기 극성유체를 상기 공간부로 공급하는 유입구와 상기 공간부에 수용된 상기 극성유체가 배출되는 토출구를 포함하는 커버; 및
    상기 제 1 내지 제 3 전극에 전원을 공급하는 전원장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 회전장치.
  6. 기저층;
    상기 기저층에 설치된 복수의 제 1 및 제 2 전극;
    상기 기저층 상부에 설치되며, 극성유체가 흡입되는 공간부와 상기 공간부로 상기 극성유체를 공급하는 유입구 및 상기 공간부에 수용된 상기 극성유체가 배출되는 토출구를 포함하는 커버;
    상기 커버에 설치되는 제 3 전극; 및
    상기 제 1 내지 제 3 전극에 전원을 공급하는 전원장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 회전장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 내지 제 3 전극은,
    판상으로 형성되며, 서로 엇갈리게 원형으로 배치된 것을 특징으로 하는 유체 회전장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 전원장치는,
    서로 다른 위상차를 가지는 3상 교류전원을 상기 제 1 내지 제 3 전극에 공급하는 것을 특징으로 하는 유체 회전장치.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 기저층은,
    실리콘 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 유체 회전장치.
  10. 기저층;
    상기 기저층에 설치된 복수의 제 1, 제 2 및 제 3 전극;
    상기 기저층 상부에 설치되며, 극성유체가 흡입되는 공간부와 상기 공간부로 상기 극성유체를 공급하는 유입구 및 상기 공간부에 수용된 상기 극성유체가 배출되는 토출구를 포함하는 커버; 및
    상기 제 1 내지 제 3 전극에 전원을 공급하는 전원장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 회전장치.
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