KR100693904B1 - 양방향 마이크로 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양방향 마이크로 펌프에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 별도의 밸브를 구비하지 않고서도 유체의 흐름 제어가 가능하며 양방향으로 구동 가능할 뿐만 아니라, 구조가 간단하여 제조가 용이하고 내구성이 우수한 양방향 마이크로 펌프에 관한 것이다.

본 발명은, 판 상의 하부 기판과 상부 기판이 결합되어 형성되는 마이크로 펌프에 있어서, 상기 하부 기판에는 주 통로가 형성되고 상기 주 통로의 양측에는 상기 주 통로와 예각의 분기각을 이루며 분기되는 제 1 보조통로와 제 2 보조통로가 구비되며, 상기 제 1 보조통로와 상기 제 2 보조통로는 각각 제 1 펌핑 체임버와 제 2 펌핑 체임버와 연결되며, 상기 제 1 보조통로와 상기 주 통로의 분기점 및 상기 제 2 보조통로와 상기 주 통로의 분기점에 대향되는 위치에는 유체의 역류를 방지하는 제 1 역류방지턱과 제 2 역류방지턱이 각각 구비되고, 상기 상부 기판에는 상기 제 1 펌핑 체임버와 상기 제 2 펌핑 체임버에 대응하는 위치에 제 1 펌프 구동 소자와 제 2 펌프 구동 소자를 각각 수용하는 제 1 소자 수용부와 제 2 소자 수용부가 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 양방향 마이크로 펌프를 제공한다.

MEMS, 마이크로 펌프, 밸브, 양방향

Description

양방향 마이크로 펌프{Two-way Micro Pump}

도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프의 분해 사시도,

도 2는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서 하부 기판의 평면도,

도 3a는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서 제 1 펌핑 체임버에 유체가 유입되는 상태를 도시한 도면,

도 3b는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서 제 1 펌핑 체임버로부터 유체가 토출되는 상태를 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프의 분해 사시도,

도 5는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서 하부 기판의 평면도,

도 6은 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프의 분해 사시도,

도 7은 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서 하부 기판의 평면도,

도 8a는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서 제 1 펌핑 체임버에 유체가 유입되는 상태를 도시한 도면,

도 8b는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서 제 1 펌핑 체임버로부터 유체가 토출되는 상태를 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 하부 기판 102 : 주 통로

104 : 제 1 보조통로 106 : 제 1 합류부

108 : 제 1 펌핑 체임버 110 : 제 1 역류방지턱

112 : 제 1 공급통로 114 : 제 2 보조통로

116 : 제 2 합류부 118 : 제 2 펌핑 체임버

120 : 제 2 역류방지턱 122 : 제 2 공급통로

130 : 상부 기판 132 : 제 1 출입공

134 : 제 2 출입공 136 : 제 1 소자 수용부

138 : 제 2 소자 수용부 140 : 제 1 펌프 구동 소자

142 : 제 2 펌프 구동 소자

본 발명은 양방향 마이크로 펌프에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 별도의 밸브를 구비하지 않고서도 유체의 흐름 제어가 가능하며 양방향으로 구동 가능할 뿐만 아니라, 구조가 간단하여 제조가 용이하고 내구성이 우수한 양방향 마이크로 펌프에 관한 것이다.

최근 국제적으로 마이크로 유체 시스템에 대한 관심과 개발이 증가되고 있는 실정이다. 이러한 마이크로 유체 시스템은 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용한 것으로서, 임상진단, DNA와 펩타이드와 같은 생체의학 연구, 신약개발을 위한 화학분석, 잉크젯 인쇄, 소형 냉각 시스템, 소형 연료전지분야 등과 같은 분야에서 응용되는 매우 중요한 시스템이다. 또한, 마이크로 펌프(Micro Pump)와 마이크로 밸브(Micro Valve)는 이러한 마이크로 유체 시스템에서 유체의 흐름을 가능하게 하고 유체의 양과 속도를 조절하고 흐름을 차단하는 등 유체제어기능을 갖는 핵심 부품에 해당한다.

마이크로 펌프는 작동 원리, 구동 방식, 용도 등에 따라 여러 가지 형식이 제안되고 있다. 지금까지 개발되고 있는 마이크로 펌프는 적층형 PZT(티탄산지르콘산아연) 소자와 벨로스(Bellows)를 조합시킨 공진구동 마이크로 펌프, 형상기억합금과 다이아프램(Diaphragm)을 조합시킨 마이크로 펌프, 압전 디스크와 유리박막을 조합시킨 마이크로 펌프, 열공압 액츄에이터(Actuator)와 폴리이마이드(Polyimide)막을 조합한 마이크로 펌프 등이 있다. 이러한 마이크로 펌프는 내부 용적이 변화하는 펌프실과 체크 밸브(Check-Valve)가 조합된 형태가 주류를 이룬다.

일반적인 마이크로 펌프는 펌핑을 하는 구동부와 유체의 흐름을 개폐하기 위한 밸브를 포함한다. 마이크로 펌프에 사용되는 밸브는 체크 밸브(Check Valve)와 같이 수동적으로 작동하는 밸브와 능등적으로 유체의 흐름을 개폐하는 밸브가 일반 적이다.

미국 특허 제6,261,066호에 따른 마이크로 펌프에 의하면, 덮개용 절연 기판과 몸체용 실리콘 기판 두 개를 포함하고, 압전 소자를 절연 기판 상에 구비하는 것을 특징으로 한다. 그런데, 이러한 마이크로 펌프의 구조는 복잡하고 일방향으로만 유체를 전달할 수 있으며, 유체의 흐름을 제어하기 위한 별도의 밸프 플랩을 구비하여야 하는 문제점이 존재하였다.

한편, 대한민국 공개특허공보 제2003-0089986호에 개시된 압전형 마이크로 펌프의 경우에는, 판 상의 덮개 부재와 상기 덮개 부재에 결합되는 지지 본체 부재를 갖는 마이크로 펌프에 있어서 압전 소자를 이용한 유체유동펌프와 유체의 흐름을 개폐하기 위한 2 개의 압전 밸브를 구비하는 것을 특징으로 한다. 그런데, 이러한 마이크로 펌프에 있어서는 유체의 흐름을 밸브를 이용하여 용이하게 제어할 수는 있어도 유체의 펌핑에 있어서 유체유동펌프뿐만 아니라 유체유동펌프의 좌우에 설치된 밸브도 또한 제어해야 한다는 문제점이 존재하였다. 또한, 압전 소자를 이용한 밸브는 압전 소자가 압전 소재막을 압착하는지 여부에 따라 밸브의 개폐가 결정되므로 이물질이 그 사이에 끼는 경우에는 밸브의 작동이 완전하지 못하는 단점이 존재할 여지가 있었다.

즉, 종래의 마이크로 펌프의 경우에는 유체를 일방향으로만 이동시킬 수밖에 없는 단점이 존재하거나, 양방향으로 유체를 이동시키더라도 별도의 수동적 또는 능동적 밸브가 구비되어야 함에 따라 밸브 내부의 이물질 부착이나 밸브의 피로 누적 등에 따른 밸브의 오작동 문제가 존재하였다.

한편, 종래의 마이크로 펌프의 경우에는 그 구조가 복잡하여 제조 공정이 복잡한 문제점이 존재하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 별도의 밸브를 구비하지 않고서도 유체의 흐름 제어가 가능하며 양방향으로 구동 가능할 뿐만 아니라, 구조가 간단하여 제조가 용이하고 내구성이 우수한 양방향 마이크로 펌프를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 판 상의 하부 기판과 상부 기판이 결합되어 형성되는 마이크로 펌프에 있어서, 상기 하부 기판(100)에는 유체의 이송 통로가 되는 주 통로(102)가 구비되고, 상기 주 통로(102)의 일측에는, 상기 주 통로(102)와 예각의 분기각(θ)을 형성하며 분기되는 제 1 보조통로(104)와, 상기 제 1 보조통로(104)의 일단에 구비되는 제 1 펌핑 체임버(108)와, 상기 제 1 보조통로(104)와 상기 주 통로(102)의 분기점 대향측에 구비되어 제 1 펌핑 체임버(108)로 유체 유입시 상기 주 통로(102)로 유체가 역류하는 것을 방지하는 제 1 역류 방지턱(110)이 구비되고, 상기 주 통로(102)의 타측에는, 상기 주 통로(102)와 예각의 분기각(θ)을 형성하며 분기되는 제 2 보조통로(114)와, 상기 제 2 보조통로(114)의 일단에 구비되는 제 2 펌핑 체임버(118)와, 상기 제 2 보조통로(114)와 상기 주 통로(102)의 분기점 대향측에 구비되어 제 2 펌핑 체임버(118)로 유체 유입시 상기 주 통로(102)로 유체가 역류하는 것을 방지하는 제 2 역류 방지턱(120)이 구비되 며, 상기 상부 기판(130)에는, 상기 제 1 펌핑 체임버(108)와 상기 제 2 펌핑 체임버(118)에 대응하는 위치에 형성되고 저면이 박막을 형성하게 되는 제 1 소자 수용부(136)와 제 2 소자 수용부(138)가 각각 구비되며, 상기 제 1 소자 수용부(136)와 상기 제 2 소자 수용부(138)에는 각각 제 1 펌프 구동 소자(140)와 제 2 펌프 구동 소자(142)가 구비되는 것을 특징으로 하는 양방향 마이크로 펌프를 제공한다.

또한, 본 발명은, 판 상의 하부 기판과 상부 기판이 결합되어 형성되는 마이크로 펌프에 있어서, 상기 하부 기판(100)에는 유체의 이송 통로가 되는 주 통로(102)가 구비되고, 상기 주 통로(102)의 양측에는 상기 주 통로(102)에서 분기되는 제 1 보조통로(104)와 제 2 보조통로(114)가 형성되되, 상기 제 1 보조통로(104)와 상기 제 2 보조통로(114)의 출구방향은 상기 주 통로(102)의 중앙부를 향하고, 상기 제 1 보조통로(104)의 일단에는 제 1 펌핑 체임버(108)가 구비되고, 상기 제 1 보조통로(104)와 상기 주 통로(102)의 분기점 대향측에 구비되어 제 1 펌핑 체임버(108)로 유체 유입시 상기 주 통로(102)로 유체가 역류하는 것을 방지하는 제 1 역류 방지턱(110)이 구비되며, 상기 제 2 보조통로(114)의 일단에는 제 2 펌핑 체임버(108)가 구비되고, 상기 제 2 보조통로(114)와 상기 주 통로(102)의 분기점 대향측에 구비되어 제 2 펌핑 체임버(118)로 유체 유입시 상기 주 통로(102)로 유체가 역류하는 것을 방지하는 제 2 역류 방지턱(120)이 구비되며, 상기 상부 기판(130)에는, 상기 제 1 펌핑 체임버(108)와 상기 제 2 펌핑 체임버(118)에 대응하는 위치에 형성되고 저면이 박막을 형성하게 되는 제 1 소자 수용부(136)와 제 2 소자 수용부(138)가 각각 구비되며, 상기 제 1 소자 수용부(136)와 상기 제 2 소자 수용부 (138)에는 각각 제 1 펌프 구동 소자(140)와 제 2 펌프 구동 소자(142)가 구비되는 것을 특징으로 하는 양방향 마이크로 펌프를 제공한다.

또한, 본 발명은, 판 상의 하부 기판과 상부 기판이 결합하여 형성되는 마이크로 펌프에 있어서, 상기 하부 기판에는 주 통로 및 상기 주 통로와 연결되어 유체를 공급 또는 유출시키는 공급통로가 형성되고, 상기 주 통로와 예각의 분기각(θ)을 이루며 분기 되는 보조통로 및 상기 보조통로와 연결되는 펌핑 체임버가 구비되며, 상기 주 통로와 보조통로의 분기점에 대향되는 위치에는 유체의 역류를 방지하기 위한 역류방지턱이 구비되고, 상기 상부 기판에는 상기 펌핑 체임버와 대응하는 위치에 형성되고 저면이 박막을 형성하게 되는 소자 수용부가 구비되며, 상기 소자 수용부에는 펌프 구동 소자가 구비되는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프를 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

이하의 설명에 있어서, 주 통로와 보조 통로가 이루는 분기각은 주 통로를 연장한 직선과 보조 통로를 연장한 직선이 만나는 점을 각의 꼭지점으로 하여, 상기 각의 꼭지점으로부터 주 통로 방향으로 반직선을 형성하고, 보조 통로 방향으로 반직선을 형성한 경우 양 반직선이 이루는 각도를 의미하는 것으로 정의한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프는, 유체가 흐르는 주 통로와 유체의 펌핑을 위한 보조통로가 형성되고 보조통로와 연결되어 유체가 유입된 후 펌핑 작용을 하게 되는 펌핑 체임버가 형성되는 하부 기판과, 상기 하부 기판의 상부에 접착되고 상기 펌핑 체임버에 대응되는 위치에 펌프 구동 소자가 구비되는 상부 기판을 포함한다. 여기서, 상기 펌프 구동 소자는 정방향과 역방향의 양방향으로 유체를 구동할 수 있도록 각각 구비되는 것이 바람직하다.

이러한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프는 별도의 개폐 밸브를 구비하지 않고서도 하부 기판에 형성된 주 통로와 보조통로의 구성에 따라 유체의 이동 경로가 제어됨에 따라 펌프 구동 소자의 펌핑 작용에 의해 원하는 방향으로 유체를 펌핑할 수 있게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서 하부 기판의 평면도이다.

본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프(100)는, 유체의 이동 통로와 유체의 펌핑을 위한 펌핑 체임버가 형성된 하부 기판(100)과, 펌프 구동을 위한 펌프 구동 소자가 안착되는 소자 수용부가 구비된 상부 기판(130)을 포함하여 이루어진다.

하부 기판(100)에는 유체가 이동하는 주 통로(102)가 형성되고, 주 통로(102)의 양 측에는 주 통로(102)와 소정의 분기각(θ)를 이루며 분기되는 제 1 보조통로(104)와 제 2 보조통로(114)가 구비된다. 여기서 제 1 보조통로(104)와 제 2 보조통로(114)의 출구 방향은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 외측으로 향하게 된다. 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서는 제 1 보조통로(104)는 주 통로(102)의 위쪽에 위치하고 제 2 보조통로(114)는 주 통로(102)의 아래쪽에 위치하도록 하였다.
전술한 바와 같이 분기각은 주 통로(102)를 연장한 직선과 제 1 보조통로(104) 또는 제 2 보조통로(114)를 연장한 직선이 만나는 점을 각의 꼭지점으로 하여, 상기 각의 꼭지점으로부터 주 통로 방향으로 반직선을 형성하고, 보조 통로 방향으로 반직선을 형성한 경우 양 반직선이 이루는 각도를 의미하는 것으로 정의하였다. 이러한 분기각은 도 2의 평면도를 참고할 때 주 통로(102)와 제 1 보조통로(104) 또는 제 2 보조통로(114)를 이루는 벽면 중 서로 연접하는 벽면이 이루는 각도로 이해될 수 있다.

제 1 보조통로(104) 및 제 2 보조통로(114)가 주 통로(102)와 이루는 분기각(θ)은 예각이 되도록 하여야 하며 후술하는 바와 같이 유체가 펌핑 체임버(108, 118) 내로 유입되고 다시 펌핑 체임버(108, 118)로부터 토출되는 경우 유체가 펌핑되는 방향으로 원만히 흘러 갈 수 있도록 하기 위하여 5° 내지 45°가 되는 것이 바람직하다. 그러나 본 발명의 기본 사상을 유지하는 한도 내에서는 분기각의 범위는 상기한 바에 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라서는 5°보다 작거나 45°보다 큰 것도 가능하다.

제 1 보조통로(104)와 주 통로(102)가 연결되는 부위에는 소정의 곡률로 형성된 제 1 합류부(106)가 형성되고, 제 2 보조통로(114)와 주 통로(102)가 연결되는 부위에는 소정의 곡률로 형성된 제 2 합류부(116)가 형성된다. 이러한 제 1 합류부(106)와 제 2 합류부(116)는 유체가 주 통로(102)에서 제 1 보조통로(104) 및 제 2 보조통로(114)로 각각 흘러들어갈 때 유로가 용이하게 변경될 수 있도록 소정의 곡률을 이루며 형성되는 것이다.

제 1 보조통로(104)의 연장부에는 제 1 펌핑 체임버(108)가 구비되고, 제 2 보조통로(114)의 연장부에는 제 2 펌핑 체임버(118)가 구비된다. 제 1 펌핑 체임버 (108)와 제 2 펌핑 체임버(118)의 상측에는 각각 상부 기판(130)의 제 1 소자 수용부(136)와 제 2 소자 수용부(134)가 위치하게 되는데, 제 1 펌프 구동 소자(140)와 제 2 펌프 구동 소자(142)의 작동에 따라 유체가 유입 또는 토출되게 된다.

한편, 제 1 보조통로(104)와 주 통로(102)는 제 1 합류부(106)를 지나 제 1 공급통로(112)로 연결된다. 그런데 제 1 보조통로(104)의 하단부의 연장선상에는 제 1 역류방지턱(110)이 구비된다. 즉, 주 통로(102)와 제 1 공급통로(112)는 제 1 역류방지턱(110)에 의해 구분되는 형상을 취하게 된다. 이 제 1 역류방지턱(110)은 유체가 제 1 합류부(106)에서 주 통로(102) 방향으로 이동할 경우 주 통로(102) 방향으로 이동하는 것을 방지하고, 유체가 제 1 보조통로(104) 방향으로 이동하도록 하는 역할을 한다. 또한, 제 2 보조통로(114)와 주 통로(102)는 제 2 합류부(116)를 지나 제 2 공급통로(122)로 연결되는데, 제 2 보조통로(114)의 하단부의 연장선상에는 제 1 역류방지턱(110)과 마찬가지로 제 2 역류방지턱(120)이 구비된다.

상부 기판(130)에는 제 1 펌핑 체임버(108)와 제 2 펌핑 체임버(118)에 대응하는 위치에 제 1 소자 수용부(136) 및 제 2 소자 수용부(138)가 각각 함몰 형성된다. 제 1 소자 수용부(136) 및 제 2 소자 수용부(138)의 저면은 얇은 막 형태로 형성되고, 제 1 소자 수용부(136) 및 제 2 소자 수용부(138)의 내부에는 제 1 펌프 구동 소자(140)와 제 2 펌프 구동 소자(142)가 구비된다. 제 1 펌프 구동 소자(140)와 제 2 펌프 구동 소자(142)는 압전 소자로 이루어지는 것이 일반적이며, 전기 신호의 공급에 따라 수축 또는 팽창함으로써 제 1 소자 수용부(136) 또는 제 2 소자 수용부(138)의 저면을 압착 또는 복귀시키게 된다. 이에 따라 제 1 펌핑 체임 버(108) 또는 제 2 펌핑 체임버(118)로 유체가 유입 또는 토출되도록 하는 것이다.

한편, 상부 기판(130)에는 관통 형성된 제 1 출입공(132)과 제 2 출입공(134)이 구비될 수 있다. 제 1 출입공(132) 및 제 2 출입공(134)은 유체의 유출 또는 유입 통로가 되는 것으로서, 하부 기판(100)의 제 1 공급통로(112) 또는 제 2 공급통로(122)와 연결되어 유체가 내부로 유입되거나 외부로 유출되도록 하는 유입구 또는 유출구의 기능을 한다. 그러나 본 발명의 실시에 있어서는 제 1 출입공(132)과 제 2 출입공(134)을 상부 기판(130)에 구비하도록 하는 것이 아니라 하부 기판(100)에 형성하도록 하는 것도 가능하다. 또한, 별도의 제 1 출입공(132)이나 제 2 출입공(134)을 구비하지 않고 펌핑된 유체가 제 1 공급통로(112) 또는 제 2 공급통로(122)를 통해 유체가 공급되고 다른 부분으로 유체를 이송시키는 것도 가능하다.

전술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 있어서는 유체를 양방향으로 구동하기 위하여 제 1 펌프 구동소자(140)와 제 1 소자 수용부(136) 및 제 1 펌핑 체임버(108)를 포함하는 제 1 펌핑부와, 제 2 펌프 구동소자(142)와 제 2 소자 수용부(138) 및 제 2 펌핑 체임버(118)을 포함하는 제 2 펌핑부를 포함하게 된다. 여기서 제 1 펌핑부는 유체를 도 2를 기준으로 우측으로 펌핑하기 위한 것이며, 제 2 펌핑부는 유체를 도 2를 기준으로 좌측으로 펌핑하기 위한 것이다.

이러한 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프의 구동 방식을 설명하면 다음과 같다. 제 1 펌핑부와 제 2 펌핑부는 그 펌핑 방향만 다를 뿐 작동 방식은 동일하므로 제 1 펌핑부를 대상으로 설명한다.

도 3a는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서 제 1 펌핑 체임버에 유체가 유입되는 상태를 도시한 도면이고, 도 3b는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서 제 1 펌핑 체임버로부터 유체가 토출되는 상태를 도시한 도면이다.

제 1 펌프 구동 소자(140)를 수축시키면 제 1 펌핑 체임버(108)의 상부에 위치하는 제 1 소자 수용부(136)의 바닥면이 상방으로 동작하므로 제 1 펌핑 체임버(108)의 내부 용적이 증가하게 된다. 이에 따라 유체가 제 1 펌핑 체임버(108) 내부로 유입되게 된다. 제 1 펌핑 체임버(108)로 유입되는 유체는 주 통로(102)로부터 공급되는 유체와 제 1 공급통로(112) 상에 존재하는 유체가 모두 해당된다. 도 3a에 도시된 바와 같이 주 통로(102) 상에 있는 유체는 제 1 합류부(106)를 우회하여 제 1 보조통로(104)를 거쳐 제 1 펌핑 체임버(108)로 유입되고, 제 1 공급통로(112) 상에 존재하는 유체는 제 1 역류 방지턱(110)에 의해 주 통로(102) 방향이 아닌 제 1 보조통로(104) 방향으로 이동하여 제 1 펌핑 체임버(108)로 유입된다.

이 후 제 1 펌프 구동 소자(140)를 팽창시키면 제 1 펌핑 체임버(108)의 상부에 위치하는 제 1 소자 수용부(136)의 바닥면이 하방으로 동작하므로 제 1 펌핑 체임버(108)의 내부 용적이 감소하게 된다. 이에 따라 유체는 제 1 펌핑 체임버(108)로부터 제 1 보조통로(104)를 따라 제 1 공급통로(112)로 펌핑된다. 제 1 보조통로(104)는 주 통로(102)와 예각을 이루면서 분기되어 있으므로 제 1 펌핑 체임버(108)로부터 펌핑된 유체는 주 통로(102)가 아닌 제 1 공급통로(112)로 펌핑되는 것이다.

한편 주 통로(102), 제 1 보조통로(104), 제 1 공급통로(112), 제 1 역류 방지턱(110) 등의 기하학적 형상에 의해 제 1 펌핑 체임버(108)로 공급되는 유체가 달라진다. 경우에 따라서는 제 1 공급통로(112)로부터 유입되는 유체가 주 통로(102)로부터 유입되는 유체보다 더 많을 수 있다. 그러나 제 1 펌핑 체임버(108)에 유입된 유체는 제 1 역류 방지턱(110)에 의해 주 통로(102)가 아닌 제 1 보조통로(104)로 유입되고, 주 통로(102)에서 제 1 펌핑 체임버(108)로 유입된 유체는 제 1 펌핑 체임버의 펌핑 작동시 대부분 제 1 공급통로(112) 측으로 토출되게 됨에 따라, 주 통로(102)로부터 제 1 펌핑 체임버(108)로 유입된 유체는 모두 제 1 공급통로(112)로 펌핑되는 것이다.

이러한 작동에 의하여 주 통로(102)로부터 제 1 펌핑 체임버(108)로 공급된 유체는 제 1 공급통로(112)로 이송되게 되며, 펌핑 동작에 의해 매번 일정량만큼씩 이송할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프의 제작에 있어서는 기계적인 가공법을 이용하여 하부 기판(100)과 상부 기판(130)에 필요한 형상을 가공할 수도 있으나, 반도체 소자 공정을 이용한 마이크로 시스템으로 제작하는 것도 가능하다.

하부 기판(100)과 상부 기판(130)의 재료로서는 유리, 파이렉스 글래스(Pyrex Glass), 석영, 실리콘(Silicon), 폴리머(Polymer) 등을 사용할 수 있다. 하부 기판(100)과 상부 기판(130) 각각의 판 면에 포토 및 식각 공정을 거쳐서 주 통로(102), 보조통로(104, 114), 펌핑 체임버(108, 118), 소자 수용부(136, 138) 등 을 형성한다. 식각 공정은 RIE(Reactive Ion Etching)나 플라즈마 식각 등의 건식 식각법을 사용할 수도 있고 습식 식각법을 사용할 수도 있다.

하부 기판(100)과 상부 기판(130)을 형성한 후에 하부 기판(100)과 상부 기판(130)을 결합하는데, 결합 방법으로는 UV 경화제, 에폭시, 저온용 폴리머 접착제 등을 포함하는 접착 부재를 사용할 수도 있고 수소 결합을 이용하는 등 다양한 방법을 사용할 수 있다. 그 후, 상부 기판(130)의 제 1 소자 수용부(136) 및 제 2 소자 수용부(138)에 강유전체로 형성된 제 1 펌프 구동 소자(140)와 제 2 펌프 구동 소자(142)를 형성한다. 여기서 압전 소재는 외부에서 소정의 스트레스를 가하면 전류를 발생시키는 압전 현상을 일으키는 재료들이다.

이상과 같이 형성된 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프는 별도의 밸브를 구비하지 않고서도 양방향에 대해 선택적으로 유체를 펌핑할 수 있게 된다. 이러한 본 발명의 특징은 유체의 이동 경로와 운동량을 이용하는 한편, 유체의 역류를 방지하도록 하는 기구적인 형상에 의해 달성되는 것이다. 이상과 같은 특징을 유지하는 한도 내에서 본 발명은 다른 형태로 실시되는 것도 가능하다.

도 4는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프의 분해 사시도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서 하부 기판의 평면도이다.

본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프는, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프의 구성과 실질적으로는 동일하 며, 단지 제 1 보조통로(104)와 제 2 보조통로(114)를 주 통로(102)를 기준으로 하여 같은 측에 위치하도록 한 것이다.

즉, 제 1 보조통로(104)와 제 2 보조통로(114)의 출구 방향은 각각 제 1 공급통로(112)와 제 2 공급통로(122)를 향하도록 유지된다. 제 1 펌핑 체임버(108)와 제 2 펌핑 체임버(118)의 위치가 제 1 보조통로(104)와 제 2 보조통로(114)의 연장선상에 위치함에 따라 상부 기판(130) 상의 제 1 소자 수용부(136)와 제 2 소자 수용부(138)의 위치가 이에 대응하도록 변경된다. 또한, 유체의 출입통로가 되는 제 1 출입공(132)과 제 2 출입공(134)도 제 1 공급통로(112)와 제 2 공급통로(122) 상에 위치하게 되는 것이다.

이상의 설명에 따른 본 발명의 바람직한 제 1 실시예와 제 2 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서는 각각의 펌핑 체임버(108, 118)에서 토출된 유체가 바로 제 1 공급통로(112) 또는 제 2 공급통로(122)로 전달되도록 하였으나, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 각각의 펌핑 체임버(108, 118)에서 토출된 유체가 주 통로(102)를 경유하여 이송되도록 하는 것도 가능하다.

도 6은 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프의 분해 사시도이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서 하부 기판의 평면도이다.

본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서는, 제 1 보조통로(104)와 제 2 보조통로(114)가 주 통로(102)와 둔각을 이루며 분기되어 형성된다. 이때, 제 1 보조통로(104)의 하방 연장선상의 주 통로(102)에는 제 1 역류방지턱(110)이 구비되고, 제 2 보조통로(114)의 하방 연장선상의 주 통로(102)에는 제 2 역류방지턱(120)이 구비된다.

한편, 제 1 보조통로(104)와 제 2 보조통로(114)의 연장부에는 각각 제 1 펌핑 체임버(108)와 제 2 펌핑 체임버(118)가 구비되며, 상부 기판(130)에는 이에 대응하여 제 1 소자 수용부(136)와 제 2 소자 수용부(138)가 형성된다.

이러한 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프의 구동 방식을 설명하면 다음과 같다. 구동 방식은 제 1 펌핑 체임버(108)의 작동을 대상으로 하여 설명한다.

도 8a는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서 제 1 펌핑 체임버에 유체가 유입되는 상태를 도시한 도면이고, 도 8b는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서 제 1 펌핑 체임버로부터 유체가 토출되는 상태를 도시한 도면이다.

제 1 펌프 구동 소자(140)를 수축시키면 제 1 펌핑 체임버(108)의 상부에 위치하는 제 1 소자 수용부(136)의 바닥면이 상방으로 동작하므로 제 1 펌핑 체임버(108)의 내부 용적이 증가하게 된다. 이에 따라 주 통로(102)와 제 1 공급통로(112)의 유체가 제 1 펌핑 체임버(108) 내부로 유입되게 된다. 도 8a에 도시된 바와 같이 주 통로(102) 상에 있는 유체는 제 1 역류방지턱(110)에 의해 제 1 보조통로(104) 방향으로 방향이 변경되어 제 1 보조통로(104)를 통해 제 1 펌핑 체임버 (108)로 유입되고, 제 1 공급통로(112) 상의 유체는 제 1 합류부(106)를 우회하여 제 1 보조통로(104)를 통해 제 1 펌핑 체임버(108)로 유입된다.

이 후 제 1 펌프 구동 소자(140)를 팽창시키면 제 1 펌핑 체임버(108)의 상부에 위치하는 제 1 소자 수용부(136)의 바닥면이 하방으로 동작하므로 제 1 펌핑 체임버(108)의 내부 용적이 감소하게 된다. 이에 따라 유체는 도 8b에 도시된 바와 같이 제 1 펌핑 체임버(108)로부터 제 1 보조통로(104)를 따라 주 통로(102)로 펌핑된다. 제 1 보조통로(104)는 주 통로(102)와 둔각을 이루고 있으므로, 즉 제 1 보조통로(104)의 출구방향은 주 통로(102)의 내측 방향을 향하고 있으므로 유체는 주 통로(102)를 통해 제 2 공급통로(122) 방향으로 이송된다.

이상에서는 유체를 양방향으로 펌핑하기 위하여 두 개의 펌핑부를 구비하도록 하였으나, 본 발명의 일 특징은 별도의 밸브를 구비하지 않고 유체의 펌핑이 가능하도록 형성된 주 통로(102), 주 통로와 소정의 분기각(θ)을 이루며 분기되는 보조통로(104, 114), 및 유체의 역류를 방지하기 위해 구비되는 역류방지턱(110, 120)의 구성이다. 즉, 본 발명에 따른 양방향 마이크로 펌프에 있어서, 어느 일 방향으로 유체를 펌핑하는 구성에 있어서도 본 발명은 독창적인 특징이 있음을 주지하여야 할 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상 을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 별도의 밸브를 구비하지 않고 유체를 양방향으로 펌핑하는 것이 가능하게 됨에 따라 밸브의 노후나 이물질의 부착에 따른 문제 및 밸브 구동에 따른 별도 에너지의 공급 문제를 해결할 수 있으며, 간단한 구성으로 내구성이 있고, 하나의 주 통로를 통해 유체를 양방향으로 공급하는 것이 가능한 효과가 있다.

Claims (9)

1. 판 상의 하부 기판과 상부 기판이 결합하여 형성되는 마이크로 펌프에 있어서,

   상기 하부 기판(100)에는 유체의 이송 통로가 되는 주 통로(102)가 구비되고,

   상기 주 통로(102)의 일측에는, 상기 주 통로(102)와 예각의 분기각(θ)을 형성하며 분기되는 제 1 보조통로(104)와, 상기 제 1 보조통로(104)의 일단에 구비되는 제 1 펌핑 체임버(108)와, 상기 제 1 보조통로(104)와 상기 주 통로(102)의 분기점 대향측에 구비되어 제 1 펌핑 체임버(108)로 유체 유입시 상기 주 통로(102)로 유체가 역류하는 것을 방지하는 제 1 역류 방지턱(110)이 구비되고,

   상기 주 통로(102)의 타측에는, 상기 주 통로(102)와 예각의 분기각(θ)을 형성하며 분기되는 제 2 보조통로(114)와, 상기 제 2 보조통로(114)의 일단에 구비되는 제 2 펌핑 체임버(118)와, 상기 제 2 보조통로(114)와 상기 주 통로(102)의 분기점 대향측에 구비되어 제 2 펌핑 체임버(118)로 유체 유입시 상기 주 통로(102)로 유체가 역류하는 것을 방지하는 제 2 역류 방지턱(120)이 구비되며,

   상기 상부 기판(130)에는, 상기 제 1 펌핑 체임버(108)와 상기 제 2 펌핑 체임버(118)에 대응하는 위치에 형성되고 저면이 박막을 형성하게 되는 제 1 소자 수용부(136)와 제 2 소자 수용부(138)가 각각 구비되며, 상기 제 1 소자 수용부(136)와 상기 제 2 소자 수용부(138)에는 각각 제 1 펌프 구동 소자(140)와 제 2 펌프 구동 소자(142)가 구비되는 것

   을 특징으로 하는 양방향 마이크로 펌프.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 주 통로(102)의 일측과 상기 제 1 보조통로(104)는 합류하여 제 1 공급 통로(112)로 연결되고, 상기 주 통로(102)의 타측과 상기 제 2 보조통로(114)는 합류하여 제 2 공급통로(122)로 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 마이크로 펌프.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 분기각(θ)은 5° 내지 45°인 것을 특징으로 하는 양방향 마이크로 펌프.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 상부 기판(130)과 상기 하부 기판(100) 중 어느 하나에는 유체의 유입 및 유출 통로가 되는 제 1 출입공(132)과 제 2 출입공(134)이 형성되는 것을 특징으로 하는 양방향 마이크로 펌프.
5. 판 상의 하부 기판과 상부 기판이 결합하여 형성되는 마이크로 펌프에 있어서,

   상기 하부 기판(100)에는 유체의 이송 통로가 되는 주 통로(102)가 구비되고,

   상기 주 통로(102)의 양측에는 상기 주 통로(102)와 둔각의 분기각을 이루며 분기되는 제 1 보조통로(104)와 제 2 보조통로(114)가 각각 형성되고,

   상기 제 1 보조통로(104)의 일단에는 제 1 펌핑 체임버(108)가 구비되고, 상기 제 1 보조통로(104)와 상기 주 통로(102)의 분기점 대향측에 구비되어 제 1 펌핑 체임버(108)로 유체 유입시 상기 주 통로(102)로 유체가 역류하는 것을 방지하는 제 1 역류 방지턱(110)이 구비되며,

   상기 제 2 보조통로(114)의 일단에는 제 2 펌핑 체임버(108)가 구비되고, 상기 제 2 보조통로(114)와 상기 주 통로(102)의 분기점 대향측에 구비되어 제 2 펌핑 체임버(118)로 유체 유입시 상기 주 통로(102)로 유체가 역류하는 것을 방지하는 제 2 역류 방지턱(120)이 구비되며,

   상기 상부 기판(130)에는, 상기 제 1 펌핑 체임버(108)와 상기 제 2 펌핑 체임버(118)에 대응하는 위치에 형성되고 저면이 박막을 형성하게 되는 제 1 소자 수용부(136)와 제 2 소자 수용부(138)가 각각 구비되며, 상기 제 1 소자 수용부(136)와 상기 제 2 소자 수용부(138)에는 각각 제 1 펌프 구동 소자(140)와 제 2 펌프 구동 소자(142)가 구비되는 것

   을 특징으로 하는 양방향 마이크로 펌프.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 주 통로(102)의 양측에는 상기 주 통로(102)로 유체를 공급해 주거나 상기 주 통로(120)로부터 유체가 이송되는 제 1 공급통로(112)와 제 2 공급통로(122)가 형성되는 것을 특징으로 하는 양방향 마이크로 펌프.
7. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,

   상기 주 통로(102)와 상기 제 1 보조통로(104), 상기 주 통로(102)와 상기 제 2 보조통로(114)가 이루는 상기 분기각은 135° 내지 185 °인 것을 특징으로 하는 양방향 마이크로 펌프.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,

   상기 상부 기판(130)과 상기 하부 기판(100) 중 어느 하나에는 유체의 유입 및 유출 통로가 되는 제 1 출입공(132)과 제 2 출입공(134)이 형성되는 것을 특징으로 하는 양방향 마이크로 펌프.
9. 판 상의 하부 기판과 상부 기판이 결합하여 형성되는 마이크로 펌프에 있어서,

   상기 하부 기판에는 주 통로 및 상기 주 통로와 연결되어 유체를 공급 또는 유출시키는 공급통로가 형성되고, 상기 주 통로와 예각의 분기각(θ)을 이루며 분기되는 보조통로 및 상기 보조통로와 연결되는 펌핑 체임버가 구비되며, 상기 주 통로와 보조통로의 분기점에 대향되는 위치에는 유체의 역류를 방지하기 위한 역류 방지턱이 구비되고,

   상기 상부 기판에는 상기 펌핑 체임버와 대응하는 위치에 형성되고 저면이 박막을 형성하게 되는 소자 수용부가 구비되며, 상기 소자 수용부에는 펌프 구동 소자가 구비되는 것

   을 특징으로 하는 마이크로 펌프.

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