KR100930979B1 - 압전 무밸브 마이크로 펌프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 무밸브 마이크로 펌프로써 그 상판의 내부에 형성된 챔버(10) 상부의 유체유입부측 압전 액츄에이터(24(a))의 팽창시에는 상기 챔버(10)의 유체유입부(12)에서 유체토출부(14)보다 많은 양의 유체가 유체 유입로(16)를 통해 상기 챔버(10)로 흡입되고, 유체토출부측 압전 액츄에이터(24(b))의 수축시에는 유체유입부(12)측보다 유체토출부(14)측으로 많은 유체를 송출함으로서 유체를 일정한 방향으로 토출하며, 다이아프램(20)은 상기 챔버(10) 상부에 위치되는 하부 전극(22)과, 상기 하부 전극(22)의 상부에 일정 간격을 두고 위치하는 한 쌍의 압전 액츄에이터(24) 및 상기 각 압전 액츄에이터(24)의 상부에 위치된 상부 전극(26)으로 구성하되, 유체가 유입되는 유체 유입로(16)측의 압전 액츄에이터(24(a))는 양(또는 음)의 전계를 인가하여 분극하고, 유체가 토출되는 유체 토출로(18)측의 압전 액츄에이터(24(b))는 음(또는 양)의 전계를 인가하여 분극함으로서 한 쌍의 압전 액츄에이터(24)는 서로 다르게 구동된다.
본 발명에 의하면, 단일 챔버에 서로 다른 방향으로 작동하는 한 쌍의 압전 액츄에이터에 의하여 입력 및 출력단에서의 유체의 흐름이 종래의 단일 압전 액츄에이터를 가지는 마이크로 펌프에 비해 원활하며, 역류를 줄일 수 있는 장점을 지니고 있어 우수한 특성의 마이크로 펌프를 제공할 수 있는 효과를 가진다.

Description

압전 무밸브 마이크로 펌프{PIEZOELECTRIC VALVELESS MICRO PUMP}
본 발명은 압전 무밸브 마이크로 펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두 개의 액츄에이터를 사용함으로써 무밸브 마이크로 펌프의 순방향과 역방향의 유량비를 개선하여 유체의 흐름을 보다 연속적으로 할 수 있는 압전 무밸브 마이크로 펌프에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 미세가공기술의 발전에 따라 마이크로머신, MEMS 등으로 불리는 마이크로디바이스와 마이크로시스템연구가 활발히 이뤄지고 있다. 마이크로펌프와 마이크로밸브는 유체공학을 응용한 마이크로디바이스의 대표적인 경우이며, 미소량의 유체를 조작하는 기계장치인 마이크로 펌프 기술은 실리콘이나 유리기판 등을 원하는 형상으로 가공하여 펌프(pump) 또는 밸브(valve) 등을 제작하고, 화학분석 시스템(Micro Total Analysis: μTAS), 의료기기 및 잉크젯 헤드(Inkjet Head) 등에 응용하여 원하는 양의 유체를 전달하는 기술을 말하며, 화학분석 시스템, 약물전달 시스템(Drug Delivery System: DDS), 랩온어 칩(Lab-on-a-chip: LOC) 등의 의화학 시스템과 의료기기를 중심으로 그 수요가 급증하고 있다. 또한 마이크로 팩토리(Micro Factory)와 같이 새로운 생산 시스템을 위해서는 유체 기기의 초소형화가 반드시 필요하며, 따라서 마이크로 펌프에 관한 기술수요가 점증하고 있다.
이러한 마이크로 유체시스템이 안정적이고 정확한 운전을 하기 위해서는 마이크로펌프의 안정적 동작이 필요하게 된다. 그런데, 마이크로펌프의 작동을 위해 기계적 밸브를 채용하는 경우, 마이크로 유로환경에서의 유체특성상 정상적인 밸브작동을 방해하게 되는 작동부분 마찰력(면적력)이 존재하게 된다. 예를 들어, 마이크로 시스템내에서의 유체의 흐름은 매우 작은 규모이기 때문에 점성의 지배를 받고, 점성은 온도변화에 큰 영향을 받게 되는 바, 예컨대, 평행평판 사이의 유체 흐름의 경우, 20℃와 70℃의 물의 점성계수를 사용하면, 고온시의 평균유속은 저온시의 약 2.5배에 달하게 된다.
따라서, 가동밸브를 배제하여 마찰력의 영향을 받지 않음에 따라 수명이 길고 신뢰성이 높은 무밸브(valveless) 마이크로 펌프의 개발이 요구되고 있다.
이에 발명의 명칭이 "DISPLACEMENT PUMP OF THE DIAPHRAGM TYPE HAVING FIXED GEOMETRY FLOW CONTROL MEANS"인 미합중국 특허 제6,203,291호에 무밸브 마이크로펌프를 개시하고 있다. 이 특허의 무밸브 마이크로펌프는 도 1에 도시된 바와 같이, 내부에 형성된 챔버(10) 상부의 유체유입부측 압전 액츄에이터(24)의 팽창시에는 상기 챔버(10)의 유체유입부(12)에서 유체토출부(14)보다 많은 양의 유체가 유체 유입로(16)를 통해 상기 챔버(10)로 흡입되고, 유체토출부측 압전 액츄에이터(24)의 수축시에는 유체유입부(12)측보다 유체토출부(14)측으로 많은 유체를 송출함으로서 일정한 유체를 한 방향으로 토출하는 것으로, 다이아프램(20)이 상기 챔버(10) 상부에 위치되는 하부 전극(22)과, 상기 하부 전극(22)의 상부에 위치하는 압전 액츄에이터(24) 및 상기 압전 액츄에이터(24)의 상부에 위치된 상부 전극(26)으로 구성됨에 따라, 하나의 압전 액츄에이터(24)가 다이아프램(20)의 상하 방향으로 작동하여 유체의 유입과 토출을 유도한다.
이와 같이 종래의 압전 무밸브 마이크로 펌프는 체크 밸브를 포함하는 기계적 밸브에 비해 유체의 흐름이 비교적 연속적이지만, 순방향과 역방향의 유량비를 크게 할 수 없어서, 불연속적인 유체의 흐름으로 인해 정밀한 유량 조절에 어려움이 있으며, 큰 펌프 압력을 발생시키기 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 두 개의 액츄에이터를 사용함으로써 무밸브 마이크로 펌프의 순방향과 역방향의 유량비를 개선하여 유체의 흐름을 보다 연속적으로 할 수 있는 압전 무밸브 마이크로 펌프를 제공하는 것이다.
본 발명의 압전 무밸브 마이크로 펌프는 상판의 내부에 형성된 챔버 상부의 유체유입부측 압전 액츄에이터의 팽창시에는 상기 챔버의 유체유입부로 유입되는 유체유입량이 유체토출부에서 토출되는 유체토출량보다 많은 양의 유체가 유체 유입로를 통해 상기 챔버로 흡입되고, 유체토출부측 압전 액츄에이터의 수축시에는 유체유입부측에서 유입되는 유입유체량보다 유체토출부측으로 토출되는 유체토출량을 많게 하여 유체 토출로를 통해 유체를 송출함으로서 일정의 유체를 한 방향으로 토출하는 것으로, 다이아프램은 상기 챔버 상부에 위치되는 하부 전극과, 상기 하부 전극의 상부에 일정 간격을 두고 위치하는 한 쌍의 압전 액츄에이터 및 상기 각 압전 액츄에이터의 상부에 위치된 상부 전극으로 구성되며, 상기 압전 액츄에이터의 각각을 서로 다른 방향으로 분극하고 반파장의 동일 전계가 인가되어 서로 다른 방향으로 구동되거나, 상기 압전 액츄에이터의 각각을 동일 방향으로 분극하고, 각각의 압전 액츄에이터에 서로 다른 방향의 반파장 동일 전계를 인가하여 각각이 다른 방향으로 구동되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 압전 액츄에이터의 각각에는 반파의 교류신호가 시간차를 두고 인가되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 단일 챔버에 서로 다른 방향으로 작동하는 한 쌍의 압전 액츄에이터에 의하여 입력 및 출력단에서의 유체의 흐름이 종래의 단일 압전 액츄에이터를 가지는 마이크로 펌프에 비해 원활하며, 역류를 줄일 수 있는 장점을 지니고 있어 우수한 특성의 마이크로 펌프를 제공할 수 있는 효과를 가진다.
이하 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 한다. 참고로 종래와 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 병기하고 그 상세한 설명을 생략하였다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 두 개의 압전 액츄에이터를 가지는 압전 무밸브 마이크로 펌프의 구성을 나타내며, 도 3은 도 2의 A-A 선을 따라 취한 단면도로서, 상판의 단면을 나타내고, 도 4는 도 3에 유사한 도면으로, 하판의 단면을 나타내고 있다.
도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 압전 무밸브 마이크로 펌프는 그 상판의 내부에 형성된 챔버(10) 상부의 유체유입부측 압전 액츄에이터(24(a))의 팽창시에는 상기 챔버(10)의 유체유입부(12)에서 유체토출부(14)보다 많은 양의 유체가 유체 유입로(16)를 통해 상기 챔버(10)로 흡입되고, 유체토출부측 압전 액츄에이터(24(b))의 수축시에는 유체유입부(12)측보다 유체토출부(14)측으로 많은 유체를 송출함으로서 일정한 유체를 한 방향으로 토출한다.
이때, 유체 유입로(16)는 유체유입부(12)쪽은 좁고, 챔버(10)쪽은 넓게 형성되는 반면, 유체 토출로(18)는 챔버(10)쪽은 좁고, 유체토출부(14)쪽은 넓게 형성되며, 유체유입부(12) 및 유체토출부(14)의 하부에 위치되는 하판에는 상부로 경사져서 좁아지는 경사유입부(15) 및 경사토출부(17)가 형성된다.
또한, 본 발명의 다이아프램(20)은 상기 챔버(10) 상부에 위치되는 하부 전극(22)과, 상기 하부 전극(22)의 상부에 일정 간격을 두고 위치하는 한 쌍의 압전 액츄에이터(24) 및 상기 각 압전 액츄에이터(24)의 상부에 위치된 상부 전극(26)으로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 압전 무밸브 마이크로 펌프는 한 쌍의 압전 액츄에이터(24)를 서로 같은 방향으로 분극하되, 유체가 유입되는 유체 유입로(16)측의 압전 액츄에이터(24(a))는 양(또는 음)의 전계를 인가하고, 유체가 토출되는 유체 토출로(18)측의 압전 액츄에이터(24(b))는 음(또는 양)의 전계를 인가함으로ㅓ 서로 다른 방향으로 구동괴고, 이와 달리 한 쌍의 압전 액츄에이터(24)는 서로 다른 방향으로 분극하되, 동일 전계 인가시 서로 다른 방향으로 구동된다.
또한, 컨트롤러(도시하지 않음)에서 도 5에 도시된 바와 같이, 유체가 유입되는 부분의 압전 액츄에이터(24(a))에 반파(Half Wave) 교류신호의 양(또는 음)의 전계를 인가하고, 유체가 토출되는 부분의 압전 액츄에이터(24(b))에 반파 교류신호의 양(또는 음)의 전계를 시간차를 두고 인가하면, 도 6에 도시된 바와 같이 유체가 유입되는 부분쪽의 압전 액츄에이터(24(a))는 위쪽으로만 구동되고, 유체가 토출되는 부분쪽의 압전 액츄에이터(24(b))는 아래쪽으로만 구동하게 된다.
이와 같이 본 발명의 압전 무밸브 마이크로 펌프는 서로 다른 방향으로 작동하는 두 개의 압전 액츄에이터로 인하여 순방향과 역방향의 유량비가 개선됨에 따라 유체는 보다 연속적으로 흐르게 되는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 압전 무밸브 마이크로 펌프는 하나의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 상기한 실시예에 한정되지 않는 것이므로, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1은 종래의 무밸브 마이크로 펌프의 구성을 나타내는 평면도이고,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 두 개의 압전 액츄에이터를 가지는 압전 무밸브 마이크로 펌프의 구성을 나타내는 평면도이고,
도 3은 도 2의 A-A 선을 따라 취한 단면도로서, 상판의 단면을 나타내는 단면도이고,
도 4는 도 3에 유사한 도면으로, 하판의 단면을 나타내는 단면도이고,
도 5는 본 발명에 따라 두 개의 압전 액츄에이터를 가지는 압전 무밸브 마이크로 펌프에 인가되는 신호도이고,
도 6은 본 발명 압전 무밸브 마이크로 펌프에 인가되는 신호에 따른 동작 특성을 나타내는 단면 예시도이고,
도 7은 본 발명 압전 무밸브 마이크로 펌프에 인가되는 신호에 따른 동작 특성을 단계적으로 나타낸 예시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 챔 12 : 유체 유입부
14 : 유체 토출부 15 : 경사유입부
16 : 유체 유입로 17 : 경사토출부
18 : 유체 토출로 20 : 다이아프램
22 : 하부전극 24 : 압전 액츄에이터
26 : 상부전극

Claims (4)

  1. 상판의 내부에 형성된 챔버 상부의 유체유입부측 압전 액츄에이터의 팽창시에는 상기 챔버의 유체유입부로 유입되는 유입유체량이 유체토출부에서 토출되는 토출유체량보다 많은 양의 유체가 유체 유입로를 통해 상기 챔버로 흡입되고, 유체토출부측 압전 액츄에이터의 수축시에는 유체흡입부측에서 유입되는 유입유체량보다 유체토출부측으로 토출되는 유체토출량을 많게 하여 유체 토출로를 통해 송출함으로서 일정의 유체를 한 방향으로 토출하는 압전 무밸브 마이크로 펌프로써,
    다이아프램은
    상기 챔버 상부에 위치되는 하부 전극과, 상기 하부 전극의 상부에 일정 간격을 두고 위치하는 한 쌍의 압전 액츄에이터 및 상기 각 압전 액츄에이터의 상부에 위치된 상부 전극으로 구성되며,
    상기 압전 액츄에이터의 각각을 서로 다른 방향으로 분극하고, 동일한 전계가 인가되어 서로 다른 방향으로 구동되거나, 상기 압전 액츄에이터를 각각 서로 같은 방향으로 분극하고, 서로 다른 전계가 인가되어 서로 다른 방향으로 구동되는 것을 특징으로 하는
    압전 무밸브 마이크로 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 액츄에이터의 각각에는 반파의 교류신호가 시간차를 두고 인가되는 것을 특징으로 하는
    압전 무밸브 마이크로 펌프.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 유입로는 상기 유체유입부쪽은 좁고, 상기 챔버쪽은 넓게 형성되며, 상기 유체 토출로는 상기 챔버쪽은 좁고, 상기 유체토출부쪽은 넓게 형성되며,
    상기 유체유입부 및 유체토출부의 하부에 위치되는 하판에는 상부로 경사져서 좁아지는 경사유입로 및 경사토출부가 형성되는
    압전 무밸브 마이크로 펌프.
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