KR100904310B1 - 비전도성유체 내에서 밀도차에 의한 위치에너지를 갖는전도성액체의 이동을 일렉트로웨팅으로 통제하는 방법 및그에 따른 게이트 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비전도성유체(절연성 액체, insulating fluid) 내에서 밀도차에 의한 위치에너지를 갖는 전도성액체(conductive liquid)의 이동을 통제하는 방법 및 게이트 장치에 대한 것으로 비전도성유체를 다수의 게이트를 구비한 분리판을 이용하여 상하로 나누고, 비전도성유체와 다른 밀도를 갖는 전도성액체가 위치에너지를 갖도록 전도성액체를 분리수단의 한 쪽에 위치시키며, 각각의 게이트에는 서로 다른 전압을 인가할 수 있는 두 개의 전극을 설치함으로써 일렉트로웨팅(electrowetting)을 이용하여 게이트를 통한 전도성액체의 낙하 또는 상승 이동을 제어하는 방법 및 그에 따른 장치에 관한 것이다.

전도성액체, 일렉트로웨팅, 게이트, 밀도차에 의한 위치에너지, 전기장

Description

비전도성유체 내에서 밀도차에 의한 위치에너지를 갖는 전도성액체의 이동을 일렉트로웨팅으로 통제하는 방법 및 그에 따른 게이트 장치{Method and Apparatus for controlling conductive liquid's passing through gates in insulating fluid}

도 1은 게이트의 사용 환경을 도시한 개념도이다.

도 2a 및 도 2b 그리고 도 2c는 밀도차에 의한 유체의 흐름을 통제하는 기계적 게이트의 사례이다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 의한 게이트 장치의 작동 상태도이다.

도 4는 본 발명에 의한 다른 실시예의 사시도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

31 : 분리판 40 : 비전도성유체

41 : 전도성액체 42 : 액적

51 : 제 1극 52 : 제 2극

80 : 게이트 81 : 게이트-구멍

82 : 플립 84 : 전자석

신병철, "밀도차를 이용한 디스플레이 장치" ; 대한민국 특허출원 10-2005-0116076, 2005년 12월 1일.

Michael C. Lea, Rochester, N.Y., "Electrocapillary Devices"; United States Patent No. US 4,583,824, Apr. 22, 1986.

Bokke Johannes Feenstra, "Variable Focus Lens"; United States Patent Application No. US 2005/0113912 A1, May 26, 2005.

Frieder Mugele and Jean-Christophe Baret, "Electrowetting: from basics to applications"; Journal of Physics : Condensed Matter, Institute of Physics Publishing, July 1, 2005.

본 발명은 비전도성유체(절연성 유체, insulating fluid) 내에서 밀도차에 의한 위치에너지를 갖으며 서로 섞이지 않는 전도성액체(conductive liquid)의 이동을 통제하는 게이트장치에 대한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 비전도성유체를 다수의 게이트를 구비한 분리판을 사용하여 상하로 나누고 비전도성유체 내부로 밀도가 상이하며 서로 섞이지 않는 전도성액체를 투입하되, 밀도차에 의한 위치에너지를 갖도록 조건화한 상태에서, 게이트를 통과하려는 전도성액체의 부력(양성 또는 음성)을 일렉트로웨팅에 따른 젖음성(wettability)의 크기로 상쇄하여 전도성액체의 이동을 통제하는 방법 및 게이트 장치에 관한 것이다.

이러한 게이트 장치는 전도성액체를 착색된 표시체로 하여 투명하고 서로 섞이지 않는 비전도성유체 내에서 다수의 액적(droplet)의 형태로 낙하 또는 상승시키되, 게이트 통과 시각을 제어함으로써 표시체들의 공간적 배치를 통해 2차원 또는 3차원의 형상정보를 표시하는 디스플레이 장치에 사용할 목적으로 개발되었다.

동일한 목적을 달성하기 위한 게이트 장치의 종래기술로는 기계적인 개폐방식을 취한 장치들로, 도 2a와 2b에 도시한 장치는 전자석(84)으로 플립(82)을 열고 닫음으로써 유체가 액적의 형태로 게이트(80)를 통과하는 시기를 제어하는 구조이며, 이 장치의 단점은 플립(82) 주변에 진동으로 인한 와류가 형성되어 액적의 직선 운동을 방해하는 것이다. 액적의 흔들림을 방지하기 위해 도 2c에 도시한 측면 개폐식 게이트를 설계할 수 있으나 실험결과 액체의 모세관현상으로 인해 게이트(80)가 닫혀진 상태에서도 액체가 분리판(31)과 플립(82) 사이로 스며들어 게이트를 통과함으로써 정확한 통제가 안 됨이 확인되었다. 또한 이렇듯 전자석을 사용하는 기계적 게이트 장치는 전력소모가 크고 과열현상에 대한 우려를 동반하기 때문에 시장 형성에 어려움이 많을 것으로 판단된다.

본 발명의 이론적 배경이 되는 일렉트로웨팅은 전기장으로 유체의 계면장력을 제어하는 기술로서, 이 기술의 대표적인 적용 사례는 필립스의 액체렌즈로서 곡률변경을 통해 초점거리를 자유로이 조절할 수 있는 렌즈이다 또한, 랩온어칩의 기본개념은 배열된 여러개의 전극에 순차적으로 전압을 인가함으로써 액적을 정해진 경로로 이동시키는 것이다. 이 외에 전자종이 개발에도 일렉트로웨팅 기술이 적용된다.

이렇듯 일렉트로웨팅에 따른 젖음성(wettability)의 크기를 이용하여 전도성액체의 계면 곡률을 변화시키거나(액체렌즈) 배열된 전극을 따라 전도성액체를 직선이동시키는 방법에 대한 연구와 개발은 있었으나, 아직까지 전도성액체의 부력(양성 또는 음성)을 전극에 대한 전도성액체의 젖음성으로 상쇄함으로써, 전도성액체의 낙하 또는 상승 운동을 제어하는 방법은 본 발명이 유일하다.

본 발명의 목적은 비전도성유체 내에서 위치에너지를 갖는 전도성액체의 이동을 게이트를 통하여 제어하되 모세관현상에 따른 전도성액체의 누출 없이 정확히 통제할 수 있는 게이트 장치를 제공함에 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 도 1에 제시한 상황에서 게이트를 통한 전도성액체의 이동을 통제하는 수단으로 일렉트로웨팅을 이용한다. 도 1의 게이트 작동 환경을 설명하면, 비전도성유체(40)가 분리판(31)에 의해 상하로 나뉘어 있으며; 전도성액체(41)는 상기 비전도성유체와 섞이지 않으며 밀도차에 의한 위치에너지를 부여받아 상기 분리판에 접촉한다; 동시에 상기 분리판(31)에는 다수의 게이트(80)가 구비되어 전도성액체는 이 게이트를 통과하여 액적(42)의 형태로 이동할 수 있다.

본 발명에서는 상기 게이트(80)를 전기장을 형성할 수 있는 두 전극으로 구성하고; 두 전극 중 적어도 하나의 전극은 전기분해를 유발하지 못하도록 박막 코팅함으로써; 일렉트로웨팅에 따른 상기 전도성액체의 젖음성의 크기를 조절하여; 전도성액체의 부력(양성 또는 음성)을 상기 젖음성으로 상쇄함으로써: 전도생액체의 게이트 통과를 제어하는 방법을 제공한다.

또한 본 발명에서는 이러한 제어 방법을 효과적으로 이용한 게이트 장치를 제공한다. 본 발명의 게이트 장치를 설명하기에 앞서 종래의 기계적 게이트를 살펴보면 도 2a와 같이 플립(82)을 전자석(84)로 당겨 게이트를 측면에서 여닫는 장치 또는, 도 2b와 같이 동일한 물리적 현상으로 게이트를 수직으로 여닫는 장치 그리고, 도 2c에 도시한 바와 같이 전자석(84)을 비전도성유체(40) 외부에 장착하여 액체 내부의 진동을 최소화한 상태에서 플립(82)으로 게이트-구멍(81)을 여닫는 장치가 있다. 이러한 기계적 게이트 장치의 단점은 게이트를 플립으로 닫은 상태에서 미세한 틈으로 전도성액체가 누출되는(모세관 현상에 따라) 것이다. 또한 게이트의 작동성을 보장하기 위한 전자석의 전력소모가 크다.

본 발명의 게이트 장치 구조 및 기능을 도 3a 및 도 3b에서 설명한다. 도 3a의 게이트 장치는 서로 다른 전압을 인가할 수 있는 막대형의 제 1극(51)과 원통형의 제 2극(52)으로 구성되며; 상기 제 1극은 제 2극의 중앙에 위치한다. 현재 도면에 표시된 상태는, 제어신호가 없어 제 1극과 제 2극 사이의 전위차가 전원의 11분의 10만큼 형성되었으며 이에 따른 일렉트로웨팅으로 전극에 대한 전도성액체의 젖음성이 증가하여 전도성액체는 게이트를 통과할 수 없다. 도 3b에서는 제어신호가 발생하여 트랜지스터를 통해 회로의 단락이 이루어져, 제 1극과 제 2극 사이의 전위차는 제로가 되며 따라서 전도성액체는 주변의 비전도성유체와의 밀도차에 의한 부력으로 인해 게이트를 통과하여 액적의 형태로 이동하게 된다.

본 발명의 게이트 장치의 또다른 구성은 도 4에 도시하였다. 일측이 잘린 고리형의 제 2극(52)의 잘린 측면을 통해 막대형의 제 1극(51)이 삽입된 구성이다. 이 장치는 비전도성유체와 전도성액체간의 밀도차가 미세하거나 게이트의 통과 구멍이 비교적 작은 환경에 적합하다.

또한 본 발명에서는 상기 비전도성유체와 전도성액체간의 밀도차가 비교적 큰 상황에 적합한 게이트 장치의 구성을 제시한다. 이 게이트 장치는 도 2c에 도시한 기계적인 게이트 장치의 게이트-구멍(81)에 도 4에 도시한 슬림형의 게이트 장치를 구성한 것이다.

물론, 도 4에 도시한 슬림형의 게이트 장치는 도 2a부터 도 2c를 포함하여 게이트-구멍에 변화가 없는 모든 기계적 게이트 장치에 적용이 가능하다.

또한, 비전도성유체는 대기(또는 공기)를 포함하며, 아예 없을 수도(진공상태) 있다.

본 발명에 따르면 비전도성유체 내부에서 위치에너지를 갖는 전도성액체의 이동을 일렉트로웨팅을 이용하여 통제할 수 있다. 본 통제 방법 및 게이트 장치를 이용하면 전도성액체의 정량 토출이나 또는 발생되는 액적의 공간적 배열을 통해 영상정보를 표시하는 것이 가능하다.

Claims (8)

1. 비전도성유체를 상하로 분리하는 분리판과;

   상기 비전도성유체 내에서 서로 섞이지 않으며 위치에너지를 얻어 상기 분리판에 접촉한 전도성액체로 구성된 환경에서;

   상기 분리판에 위치하여 전도성액체의 이동을 제어하는 게이트 장치에 있어서,

   상기 게이트는 서로 다른 전압을 인가할 수 있는 두 개의 전극을 구비하며;

   상기 두 개의 전극 중 적어도 하나의 전극은 전도성액체의 전기분해를 방지하기 위해 박막 코팅이 되어 있으며;

   상기 두 개의 전극에 접촉한 전도성액체의 젖음성을 인가된 전위차로 조절함으로써 전도성액체의 통과를 제어하는 게이트 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 두 개의 전극에서 제 1극은 막대형 그리고 제 2극은 원통형이되;

   상기 제 1극이 상기 제 2극의 중앙에 위치함을 특징으로 하는 게이트 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 두 개의 전극에서 제 1극은 막대형 그리고 제 2극은 일측이 잘린 고리형이되;

   상기 제 1극이 상기 제 2극의 잘린 부분으로 측면 삽입됨을 특징으로 하는 게이트 장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 비전도성유체를 상하로 분리하는 분리판과;

   상기 비전도성유체 내에서 위치에너지를 얻어 상기 분리판에 접촉한 전도성액체로 구성된 환경에서;

   상기 분리판에 게이트를 구성하여 이를 통한 전도성액체의 이동을 제어하는 방법에 있어서,

   상기 게이트에는 서로 다른 전압을 인가할 수 있는 두 개의 전극을 구비하며;

   상기 두 개의 전극 중 적어도 하나의 전극은 전도성액체의 전기분해를 방지하기 위해 박막 코팅을 하며;

   상기 두 개의 전극에 접촉한 전도성액체의 젖음성을 인가된 전위차에 따른 일렉트로웨팅으로 조절함으로써 전도성액체의 게이트 통과를 제어하는 방법.
8. 삭제

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