KR100679071B1 - 유체 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체관에 포함된 전극에 양(+) 또는 음(-)의 전압을 가하여 전기적 성질을 띠는 유체와의 전기적 인력 또는 척력에 의한 유체 저항의 가감을 이용하여 유체를 전달하고 정밀하게 제어하는 장치에 관한 것이다. 초소형의 유로 내의 유체의 흐름을 제어하는 유체 제어 장치에 있어서, 전기적 성질을 가지는 유체가 흐르는 유로와, 상기 유로 벽면의 소정 지점에 위치하는 전극을 포함하는 유체관, 상기 유체의 특성을 측정하는 측정부, 상기 유체관의 전극에 소정량의 전하를 인가하는 전하 인가 장치 및 상기 측정부에서 측정된 유체의 특성에 따라, 상기 유체관 내의 유체가 소정 속도로 이동하도록 하는 전하량을 결정하여 상기 전하 인가 장치를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 전극에 인가되는 전하량에 따라 전기적 성질을 가지는 상기 유체와 상기 유체관 간의 마찰 저항을 조절하여 유체의 흐름을 유도 및 제어하는 유체 제어 장치에 관한 것이다.

유체, 흐름, 제어, 전하, 척력, 인력

Description

유체 제어 장치{Fluid control apparatus}

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유체 제어 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전극(150)에 인가된 전하량의 종류와 유체 흐름 간의 관계를 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유체관(100)에서의 유속을 시뮬레이션을 통해 측정한 도면.

도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 유체 제어 장치를 개략적으로 나타낸 도면.

도 5a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유체 제어 장치에 인가되는 직류 전압을 도시한 도면.

도 5b 내지 도 5c는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 유체 제어 장치에 인가되는 교류 전압을 도시한 도면.

도 6 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체관(100)의 다양한 형태를 입체적으로 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 유체관

110 : 측정부

120 : 전하 인가 장치

130 : 제어부

140 : 유로

150 : 전극

160 : 유도체 또는 부도체

본 발명은 유체 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체관에 포함된 전극에 양(+) 또는 음(-)의 전압을 가하여 전기적 성질을 띠는 유체와의 전기적 인력 또는 척력에 의한 유체 저항의 가감을 이용하여 유체의 흐름을 발생시키고 이를 정밀하게 제어하는 장치에 관한 것이다.

차세대 초소형 및 초경량 전자제품이나 의료기기가 점차 고정밀화, 고성능화 됨에 따라 해당 시스템에나 모듈에 사용하는 유체기계에 대한 초정밀도의 유동 제어가 절실히 요구된다. 초소형화됨에 따라 유동 제어 시스템을 위한 공간 확보 및 원활한 순환을 위한 충분한 구동력 확보가 큰 제약조건으로 작용한다.

종래 마이크로 펌프에서 유체 흐름을 제어하는 장치에는 물리적으로 그 형태가 변동하는 구동 박막을 이용하는 것이 있다. 구동 박막의 형태 변화에 의해 유체에 직접적으로 압력을 가함으로써 유체의 흐름을 제어하고자 하였다. 또는 유체가 기체로 상변화함에 따라 기체로 변화할 때 증가하는 부피 또는 증기압을 이용하여 유체의 흐름을 제어하고자 하였다.

하지만, 이 경우 유체관 자체에 구동 박막을 설치해야 하는 바 유로 자체의 변형이 불가피하였으며, 증기압을 이용하는 경우 상당한 공간을 필요로 하는 바 여러 문제점이 존재하였다.

따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전해질 용액이나 금속 잉크 등의 작동 유체와 동일 부호의 전하 또는 반대 부호의 전하를 유로 벽면에 위치한 전극에 인가하여 전기적 척력 또는 인력이 발생하도록 하는 유체 제어 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 전기적 척력 또는 인력으로 인해 유체와 유로 벽면 간의 유체 저항을 증감시켜 유동을 전달할 수 있는 유체 제어 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 유체와 유로 벽면 간의 유체 저항을 증감시켜 시간당 유량을 효율적으로 제어할 수 있는 유체 제어 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 초소형의 유로 내의 유체의 흐름을 제어하는 유체 제어 장치에 있어서, 극성을 가지는 유체가 흐르는 유로와, 상기 유로 벽면의 소정 지점에 위치하는 전극을 포함하는 유체관; 상기 전극에 소정량의 전하를 인가하는 전하 인가 장치; 및 상기 유체관 내의 유체가 소정 속도로 이동하도록 하는 전하량을 결정하여 상기 전하 인가 장치를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 전극에 인가되는 전하량에 따라 상기 유체와 상기 유체관 간의 마찰 저항을 조절하여 유체의 흐름을 제어하는 유체 제어 장치가 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 유체의 특성을 측정하는 측정부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 측정부에서 측정된 유체의 특성에 따라, 상기 유체관 내의 유체가 소정 속도로 이동하도록 하는 전하량을 결정한다. 또한, 상기 유체의 특성은 유속, 유압 및 이들의 결합 중 어느 하나이고, 상기 제어부는, 상기 유체의 특성에 따른 속도와 전하량 간의 상관관계에 대한 테이블(table)을 포함할 수 있다.

그리고 상기 전극은 상기 유로 벽면을 둘러싸고, 상기 전극은 부도체에 의해 둘러싸여 상기 유체와의 직접적인 접촉이 방지될 수 있다. 상기 유체관은 복수의 상기 전극을 포함하고, 상기 복수의 전극은 상기 유체의 흐름 방향으로 소정 거리 이격되어 있으며, 상기 전하 인가 장치는 상기 복수의 전극에 각각 서로 다른 양의 전하를 인가하고, 상기 전하 인가 장치는 상기 각 전극에 소정 주기에 따라 교번하여 서로 다른 극성을 가지는 전하를 인가할 수 있다.

또한, 상기 전하 인가 장치는 상기 각 전극에 소정 주기의 위상이 다른 교류 전압에 상응하는 전하를 인가하고, 상기 교류 전압은 소정 크기의 전압 옵셋(voltage offset)이 가감된 전압일 수 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다. 이하, 본 발명에 따른 유체 제어 장치의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 같은 의미를 갖는다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 실시예는 단지 예시적인 것이지 한정하고자 함이 아니다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유체 제어 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다. 상기 유체 제어 장치는 마이크로/나노 사이즈의 펌프에서 사용되고, 초소형의 유로를 통한 유체의 흐름을 제어하는 장치이다.

도 1을 참조하면, 유체 제어 장치는 유체관(100), 측정부(110), 전하 인가 장치(120) 및 제어부(130)를 포함한다. 상기 유체관(100)은 유체의 흐름을 보다 명확히 살펴보기 위해 단면도로 나타낸다.

유체관(100)은 전기적 성질을 가지는 유체가 흐르는 유로(140)와, 유로 벽면의 소정 지점에 위치하는 전극(150)을 포함한다.

본 발명에서는 전기적 척력 또는 인력을 이용하므로, 본 발명이 적용가능한 유체는 각종 전기적 성질을 띠고 있는 액체 또는 전하를 띠고 있는 입자일 수 있다. 양이온 또는 음이온 전해질, 금속 이온, 금속 잉크, 연료 전지 액체 등이 이에 해당한다. 또한, 본 발명에서는 전기력과 동일한 원리로 인해 자기적 척력 또는 인력을 이용함에 따라, 본 발명이 적용가능한 유체는 각종 자기적 성질을 띠고 있는 액체 또는 자성유체일 수 있다.

유로 벽면에 위치하는 전극(150)은 전기가 통할 수 있는 전도체를 의미한다. 상기 전극(150) 외부에서 유체와 접하는 부분에는 유전체(dielectric substance)(160) 또는 부도체가 코팅되어 전극(150)과 유체와의 직접적인 전기 작용을 방지할 수 있다. 예를 들면, 전극 외부에 실리콘 등으로 코팅을 하여 직접적으로 전기가 통하지는 아니하게 한다. 즉, 유체와 전극 사이에 유전체 또는 부도체가 존재하여 직접적인 전기 이온의 교환은 없으며, 단지 전기적 척력 또는 인력 만을 발생시킬 수 있다.

전극(150)은 유로 벽면에 소정 크기 부분 만을 차지할 수도 있고, 유로를 감싸는 형태로 유로 벽면을 차지할 수도 있다. 해당 단면을 통과하는 유체에 대해 모든 방향에서 일정한 힘을 작용할 수 있게 되므로, 전극(150)은 유로 벽면을 감싸 는 형태가 바람직하다.

측정부(110)는 유체관(100)을 흐르는 유체의 특성을 측정하는 부분이다. 유체의 특성으로는 유체의 속도, 유체의 압력, 유체의 종류 및 그에 따른 유체의 점성 등의 다양한 성질이 해당한다. 측정된 유속을 기초로 하여 유체 제어 장치를 통해 원하는 유속을 가질 수 있도록 피드백(feedback) 제어한다. 그리고 측정된 유압을 통해 역시 유속을 알아낼 수 있다. 이는 유압과 본 발명에 따른 유체관(100)의 단면적, 유로의 특성 등에 의한 유속 간의 관계를 미리 측정하여 테이블(table)화하여 저장하고 있던 중 제어부(130)에서 상기 테이블을 이용해 유압에 상응하는 유속을 알아낼 수 있다. 그리고 유체의 종류에 따라 각 유체의 점성, 유체의 압력에 따른 속도 등이 차이가 난다. 이 역시 미리 측정된 데이터를 이용하여 테이블화하여 저장하고 있던 중 제어부(130)에서 상기 테이블을 이용해 유체의 종류 등에 따른 유속, 유압 및 인가되는 전하량 간의 상관관계를 알 수 있다.

전하 인가 장치(120)는 유체관(100)의 전극(150)에 소정량의 전하를 인가하는 장치이다. 전극(150)에 인가되는 전하량에 따라 유체와의 전기적 척력 또는 인력, 전자기력의 크기가 결정된다. 이는 다음의 <수학식 1>을 참조하여 설명한다.

<수학식 1>

여기서, q는 유체가 띠고 있는 전하량, q'는 전극(150)에 인가된 전하량, r은 유체와 전극(150) 간의 거리, k는 비례상수를 나타낸다.

<수학식 1>은 쿨롱 법칙을 나타내는 식이며, f_E는 유체 및 전극(150) 간에 작용하는 전기력을 나타낸다. 이때 전기력 f_E의 방향은 유체가 띠고 있는 전하량과 전극(150)에 인가된 전하량의 극성이 동일한 경우 척력에 의해 서로 밀어내는 방향이고, 양 극성이 서로 다른 경우 인력에 의해 서로 끌어당기는 방향이다.

기본적으로 유체가 유로를 통해서 일정 방향으로 진행하는 경우에 가장자리에 위치한 유로 벽면 부분에서는 유체의 점성으로 인해 속도가 느리고, 가장자리에서 멀어질수록 속도가 빨라지는 모양을 가진다. 이는 도 2a 내지 도 2c를 참조하면 쉽게 알 수 있다. 다음의 <수학식 2>에서 그 특성이 잘 나타난다.

<수학식 2>

여기서, 유로의 단면에 대해서 중심부분으로부터 가장자리까지의 거리가 R, w중심부분으로부터 측정하고자 하는 지점까지의 거리가 r, 중심부분의 유속이 u_c인 경우에 측정지점에서의 유속 u을 나타낸다.

이는 유체 움직임에 대한 저항으로 발생하는 점성에 의한 것으로, 경게면 즉 유로의 벽면에서는 유체 운동에 저항하는 내부마찰이 작용하여 상대운동이 점차 감소하고, 유속이 줄어듦을 알 수 있다.

상기 유체의 특성에 기인한 점성은 상술한 쿨롱의 법칙에 의거한 전기력에 의해 그 영향이 커지거나 작아질 수 있다. 즉, 유체의 전하와 전극(150)에 인가된 전하가 서로 동일한 극성을 가지고 있으면 전기적 척력(반발력)이 발생한다. 이로 인해 유체의 흐름에 대한 점성의 효과에서 가장자리 부분에 의한 영향이 줄어들게 된다. 그리고 이와는 반대로, 유체의 전하와 전극(150)에 인가된 전하가 서로 다른 극성을 가지고 있으면 전기적 인력이 발생하여 유체의 흐름에 대한 점성의 효과에 가장자리 부분에 의한 영향이 증가하게 되고, 유체의 전체적인 흐름은 강한 저항력을 받는다.

제어부(130)는 측정부(110)에서 측정된 유체의 특성에 따라, 유체관(100) 내의 유체가 소정 속도로 이동하도록 하는 전하량을 결정하여 전하 인가 장치(120)를 제어하는 부분이다. 제어부(130)는 유체의 종류별, 점성별로 유압, 유속과 전극(150)에 인가되는 전하량 간의 상관관계에 대해 미리 측정된 테이블을 가진다.

그리고 측정부(110)에서 측정된 유체의 다양한 특성에 비추어 상응하는 테이블을 선택한다. 그리고 선택된 테이블로부터 원하는 유압 또는 유속을 가지는 전하량을 계산하거나 추출한다. 그리고 상기 전하량이 전극(150)에 인가될 수 있도록 전하 인가 장치(120)를 제어하는 신호를 생성하여 전하 인가 장치(120)에 인가한다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전극(150)에 인가된 전하량의 종류와 유체 흐름 간의 관계를 도시한 도면이다. 도 2a 내지 도 2c에서 유체는 양(+) 전하를 띠고 있는 것으로 가정한다. 이는 실시예의 하나일 뿐이 며, 한정하는 것이 아님은 물론이다.

도 2a를 참조하면, 유로 벽면 상의 전극(150)에 유체와 동일한 극성의 양(+) 전하를 인가한다. 동일한 극성을 가지는 전하 간에는 <수학식 1>에서 유도되는 전기력 f_E가 척력으로 작용하게 된다. 따라서, 유체는 유로의 형태가 변경가능한 유체관(100)의 경우 주변으로부터 압력이 가해져 유로의 단면적이 줄어든 것과 유사한 영향을 받는다. 하지만, 이 경우 물리적으로 압력이 가해져 유로의 단면적 또는 직경이 줄어드는 것과는 달리 유로의 단면적 등 물리적인 부분에는 변화가 없으며, 인가되는 전하량의 변화를 이용하여 유사한 효과를 만들어낼 뿐이다. 상기 척력에 의해 유체와 유로 벽면 간에 반발력이 생기고, 유로 벽면에서 미끄럼 유동(slip flow)이 발생하여 유체의 마찰 저항을 현저히 줄여주는 효과가 발생한다. 이는 도 2a에 도시된 미끄럼 길이(slip length)를 도 2b 또는 도 2c에 도시된 것과 비교하면 훨씬 긴 미끄럼 길이를 가짐을 통해 알 수 있다.

도 2b를 참조하면, 유로 벽면 상의 전극(150)에 인가되는 전하가 전혀 없다. 이때에는 종래의 일반적인 유체관(100)과 동일하며, 본 발명에서는 도 2b 상태에서의 유속 또는 유압이 유로 벽면 상의 전극(150)에 인가할 전하량을 결정하는 기준이 된다.

도 2c를 참조하면, 유로 벽면 상의 전극(150)에 유체와 반대되는 극성의 음(-) 전하를 인가한다. 반대되는 극성을 가지는 전하 간에는 <수학식 1>에서 유도되는 전기력 f_E가 인력으로 작용하게 된다. 따라서, 유체는 유로의 형태가 변경가능한 유체관(100)의 경우 주변으로부터 압력이 줄어들어 유로의 단면적이 평소보다 늘어난 것과 유사한 영향을 받는다. 하지만, 이 경우 물리적으로 압력이 유로 벽면 쪽으로 가해져 유로의 단면적 또는 직경이 늘어나는 것과는 달리 유로의 단면적 등 물리적인 부분에는 변화가 없으며, 인가되는 전하량의 변화를 이용하여 유사한 효과를 만들어낼 뿐이다. 상기 인력에 의해 유로 벽면에서 유체의 마찰 저항은 도 2b에서보다 현저히 증가하게 되는 효과가 발생한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유체관(100)에서의 유속을 시뮬레이션을 통해 측정한 도면이다. (310)은 도 2a에 도시된 바와 같이 유로 벽면 상의 전극(150)에 유체와 동일한 극성의 전하가 인가될 때의 유속을, (320)은 도 2b에 도시된 바와 같이 유로 벽면 상의 전극(150)에 전하가 인가되지 않을 때의 유속을, (330)은 도 2c에 도시된 바와 같이 유로 벽면 상의 전극(150)에 유체와 반대되는 극성의 전하가 인가될 때의 유속을 나타낸다.

상기한 <수학식 2>에서와 볼 수 있듯이, 중심부분(center)에서의 유속이 가장 빠르고 가장자리로 갈수록 유속이 느려짐을 알 수 있다. 그리고 유체와의 극성이 동일한 전하가 인가될 때 마찰 저항이 줄어들어 전체적으로 유속이 빨라지고, 유체와의 극성이 반대되는 전하가 인가될 때 마찰 저항이 증가하여 전체적으로 유속이 느려짐을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 유체 제어 장치를 개략적으 로 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 유체관(100)은 3개의 전극(150)을 포함하고 있으나, 이는 하나의 실시예일 뿐 권리범위를 한정하는 것은 아니다.

도 2a 내지 도 2c에서 설명한 바를 기초로 하여 도 4를 참조하면, 동일한 시간대에 A 위치(position A)의 전극에는 유체와 동일한 극성의 양전하가 인가되고, B 위치(position B)의 전극에는 인가되는 전하가 없으며, C 위치(position C)의 전극에는 유체와 반대되는 극성의 음전하가 인가된다. 이때 A 위치를 기준으로 보면, 전기적 척력으로 인해 유체의 마찰 저항이 줄어들고 유속은 증가한다. 이로 인해 증가한 유속을 가진 유체의 흐름이 B 위치로 이동할 때 제어부(130)에서 전하 인가 장치(120)를 제어하여 B 위치의 전극에 양전하를 인가하고, C 위치의 전극에는 전하를 인가하지 않고, A 위치의 전극에는 음전하를 인가한다. 그러면 B 위치에서도 역시 전기적 척력으로 인해 유체의 마찰 저항이 줄어든 상태가 유지되고 증가된 유속은 그대로 C 위치로 이동한다. 그리고 유체의 흐름이 C 위치로 이동할 때 제어부(130)에서 전하 인가 장치(120)를 제어하여 C 위치의 전극에 양전하를 인가하고, A 위치의 전극에는 전하를 인가하지 않고, B 위치의 전극에는 음전하를 인가한다. 이를 반복함으로써 유체의 속도를 증가시켜 유동을 좀더 빠르게 제어하는 것이 가능해진다.

여기서, A, B 및 C 위치 간의 간격 및 전극의 크기를 줄이고, 각 전극에 인가되는 전하의 극성 변화 주기를 빠르게 한다면, 유체의 속도를 아주 미세한 부분까지 세세하게 제어할 수 있게 된다. 즉, 초정밀도의 유체 제어 장치를 만들 수 있다.

도 5a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유체 제어 장치에 인가되는 직류 전압을 도시한 도면이고, 도 5b 내지 도 5c는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 유체 제어 장치에 인가되는 교류 전압을 도시한 도면이다.

도 5a를 참조하면, 전하 인가 장치(120)는 유로 벽면 상에 위치한 다수의 전극(140)에 각각 다양한 양의 전하를 인가한다. 이때 바람직하게는, 도 4에 도시된 유체관(100)의 A, B 내지 C 위치에 위치한 전극에 각각 다른 전하량을 인가한다. 이 경우 인가되는 전하량은 직류 전압에 상응하는 전하량이다. A 위치에는 도 5a의 (A)에서 점선 아닌 직선으로 표시된 DC 크기의 전압(510-A)이 걸리고, 이에 상응하는 전하량이 A 위치의 전극에 인가된다. 이때 동시에 도 5a의 (C)에서 점선 아닌 직선으로 표시된 -DC 크기의 전압(510-C)이 걸리고, 이에 상응하는 전하량이 C 위치의 전극에 인가된다. 즉, A 위치에는 양전하가 인가되고, C 위치에는 음전하가 인가되며, B 위치에는 아무런 전하도 인가되지 않는다. 이후 일정 시간 후에 A 위치에는 점선으로 표시된 -DC 전압(515-A)에 상응하는 음전하가 인가되고, C 위치에는 점선으로 표시된 DC 전압(515-C)에 상응하는 양전하가 인가되며, B 위치에는 여전히 아무런 전하고 인가되지 않는다. 이를 반복하게 되면, 마치 유체관(100)이 물리적으로 주기적으로 연동이 있는 것과 같은 효과를 나타내게 된다. 즉, 유체의 흐름에 있어서 A 위치와 C 위치 사이에 압력 차이가 생기는 효과가 발생되고, 상기 압력 차이에 상응하여 유체는 일정 방향으로 DC 전압 크기에 따른 속도로 이동하게 된다. 즉, DC 전압의 크기를 조절하거나 DC에서 -DC 로의 전압 변화 속도 즉, 주기 를 조절함으로써 유체의 속도 조절이 가능하다.

도 5b를 참조하면, 도 4에 도시된 유체관(100)의 A, B 내지 C 위치에 위치한 전극에 각각 다른 전하량을 인가한다. 이 경우 인가되는 전하량은 교류 전압에 상응하는 전하량이다. 도 5b의 (A)에 도시된 교류전압(520-A) 및 (C)에 도시된 교류전압(520-C)는 서로 180도의 위상차가 있다. 상기 교류전압이 각각 도 4에 도시된 유체관(100)의 A 위치 및 C 위치에 있는 전극에 인가되면, 도 5a에 도시된 직류 전압이 주기적으로 그 크기가 변화하면서 인가되는 것과 동일한 효과를 나타낸다. 그리고 각 교류전압에 일정 크기의 전압 옵셋(voltage offset)이 가감된 경우(525-A 및 525-C)에는 증가하거나 감소한 옵셋만큼 유체의 역류가 발생할 확률이 줄어들어 일정 방향으로 유체를 이동시킬 수 있게 된다.

도 5c를 참조하면, 이 경우는 A 위치에 인가되는 교류전압(A)와 C 위치에 인가되는 교류전압(C)이 90도의 위상차가 있는 경우이다. 위상차를 달리함으로써 유체의 흐름을 좀더 정밀하게 제어할 수 있다.

도 6 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체관(100)의 다양한 형태를 입체적으로 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 유체관은 유체가 직접 흐르는 통로인 유로(630)가 있으며, 그 주위를 전극(610)이 감싸고 있다. 유로(630)와 전극(610) 사이에는 직접적으로 전기적 작용이 없도록 하기 위한 중간 물질 즉, 유전체 또는 부도체로 전극(610)을 감싸는 영역(620)이 더 포함될 수도 있다.

그리고 전극(610)은 상기 유로(630)를 감싸는 원통형 모양으로 다수개로 나뉘어져 구성될 수도 있다. 이 경우 도 4, 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 설명한 대로, 유체의 흐름에 대한 좀더 정밀한 조절이 가능하게 된다.

도 7을 참조하면, 유체관은 그 단면이 직사각형 모양으로, 상부 기판과 하부 기판 사이에 위치한다. 유체가 직접 흐르는 통로인 유로(730)가 있으며, 그 상하에 상부 전극 및 하부 전극(710)이 위치하고 있다. 이때에도 유로(730)와 전극(710) 사이에는 직접적으로 전기적 작용이 없도록 하기 위한 중간 물질 즉, 유전체 또는 부도체로 전극(710)을 감싸는 영역(720)이 더 포함될 수도 있다.

이때에도 물론 전극(710)은 상기 유로 방향에 따라 다수개로 나뉘어져 구성될 수 있다. 이 경우 도 4, 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 설명한 대로, 유체의 흐름에 대한 좀더 정밀한 조절이 가능하게 된다.

본 발명에서, 각 위치에 위치한 전극에 비교적 높은 주파수를 가지도록 하여 주기적으로 양전하에서 음전하, 또는 음전하에서 양전하로 인가하는 전하의 극성을 달리하면, 유체 입자들은 마치 먼지를 터는 것과 동일한 효과로 인해 유로 벽면에 유체가 달라붙지 않게 된다. 따라서, 마찰 저항에 의한 유체의 효과를 최소화하고 안정적인 유동 전달을 확보할 수 있다. 그리고 유체의 점성으로 인한 초소형 유로에 유체가 달라붙음으로 인한 노즐 막힘 현상 등을 방지할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서 전기적 척력 또는 인력을 이용하는 것과 동일한 원리에 의해 자기적 척력 및 인력을 이용하는 것도 가능하다. 전극 대신 자극을 이용하여 유로를 둘러싸고, 자극에 N성분 또는 S성분을 사용자가 원하는 일정량 공급함으로써, 유로를 흐르는 자성 유체의 흐름 제어가 가능하다.

또한, 유로를 솔레노이드 형식으로 전기도선으로 감싼 후 전류를 흐르게 하면 유체 흐름의 상류 및 하류에 N극 또는 S극이 형성되어 유체의 흐름 제어가 가능하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유체 제어 장치는 전해질 용액이나 금속 잉크 등의 작동 유체와 동일 부호의 전하 또는 반대 부호의 전하를 유로 벽면에 위치한 전극에 인가하여 전기적 척력 또는 인력이 발생하도록 할 수 있다.

그리고 전기적 척력 또는 인력으로 인해 유체와 유로 벽면 간의 유체 저항을 증감시켜 유동을 전달할 수 있게 하고, 시간당 유량을 효율적으로 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유체 제어 장치는 초소형화에 따른 공간 제약으로 인해 기존의 방열 시스템을 적용하기는 무리가 있는 마이크로/나노 쿨링 시스템에 적용될 수 있다. 컴퓨터 부품 등의 방열 시스템, LED 패키지, CRU(complete RF unit) 방열 시스템 등에 적용 가능하다.

그리고 연료 공급 장치 또는 잉크젯의 잉크 분사 장치에 있어서, 유로 벽면에 작용하는 전압을 디지털 방식으로 제어하여 정확한 양을 정확한 시간에 전달가능하도록 본 발명에 따른 유체 제어 장치를 적용할 수 있다. 즉 초소형의 연료 공 급 장치나 잉크 분사 장치에서 정확한 양 제어 및 고주파수로 동작하는 전극 전하의 변화로 인해 노즐 막힘 현상을 방지하여 시스템 유지 비용을 현저히 낮출 수 있다.

또한, 생명에 직접적인 영향을 미치는 치명적 약물을 정확한 시간에 정확한 양만큼만 인체에 투입함에 있어서 초정밀도의 유체 공급 장치에도 상기 유체 제어 장치를 적용할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

1. 초소형의 유로 내의 유체의 흐름을 제어하는 유체 제어 장치에 있어서,

   극성을 가지는 유체가 흐르는 유로와, 상기 유로 벽면의 소정 지점에 위치하는 전극을 포함하는 유체관;

   상기 전극에 소정량의 전하를 인가하는 전하 인가 장치; 및

   상기 유체관 내의 유체가 소정 속도로 이동하도록 하는 전하량을 결정하여 상기 전하 인가 장치를 제어하는 제어부를 포함하되,

   상기 전극에 인가되는 전하량에 따라 상기 유체와 상기 유체관 간의 마찰 저항을 조절하여 유체의 흐름을 제어하는 유체 제어 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 유체의 특성을 측정하는 측정부를 더 포함하고,

   상기 제어부는 상기 측정부에서 측정된 유체의 특성에 따라, 상기 유체관 내의 유체가 소정 속도로 이동하도록 하는 전하량을 결정하는 유체 제어 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 유체의 특성은 유속 또는 유압 또는 이들의 결합 중 어느 하나인 유체 제어 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,

   상기 유체의 특성에 따른, 속도와 전하량 간의 상관관계에 대한 테이블(table)을 포함하는 유체 제어 장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 전극은 상기 유로 벽면을 둘러싸는 유체 제어 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 전극은 부도체에 의해 둘러싸여 상기 유체와의 직접적인 접촉이 방지되는 유체 제어 장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 유체관은 복수의 상기 전극을 포함하고, 상기 복수의 전극은 상기 유체의 흐름 방향으로 소정 거리 이격되어 있으며, 상기 전하 인가 장치는 상기 복수 의 전극에 각각 서로 다른 양의 전하를 인가하는 유체 제어 장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 전하 인가 장치는 상기 각 전극에 소정 주기에 따라 교번하여 서로 다른 극성을 가지는 전하를 인가하는 유체 제어 장치.
9. 제7항에 있어서,

   상기 전하 인가 장치는 상기 각 전극에 소정 주기의 위상이 다른 교류 전압에 상응하는 전하를 인가하는 유체 제어 장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 교류 전압은 상기 유체 제어 장치에 초기에 인가된 교류 전압으로부터 소정 크기의 전압 옵셋(voltage offset)이 가감된 전압인 유체 제어 장치.

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