KR100986760B1 - 공압 디스펜서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세 입자가 포함된 액체를 정확한 양으로 토출하는 공압 디스펜서에 관한 것이다. 본 발명의 공압 디스펜서는, 액체 공급부, 상기 액체 공급부에 연결되는 제1 챔버 및 상기 제1 챔버에 연결되는 액체 토출부를 포함하는 제1 플레이트, 적어도 상기 제1 플레이트의 상기 제1 챔버 상에 설치되어 상기 제1 챔버의 일측을 설정하는 유연 구동막, 상기 유연 구동막을 사이에 두고 상기 제1 플레이트와 서로 마주하면서 상기 제1 챔버 반대측에 제2 챔버를 형성하는 제2 플레이트, 및 상기 액체 공급부를 상기 유연 구동막 측으로 돌출 형성하는 범프를 포함한다.
챔버, 범프, 유연 구동막, 액체 토출부, 액체 공급부

Description

공압 디스펜서 {Pneumatic Dispenser}
본 발명은 공압 디스펜서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 범프를 적용하여 액체 토출시 역류를 제한하는 공압 디스펜서에 관한 것이다.
액체를 토출하는 디스펜서의 일례로 잉크젯 헤드가 있다. 잉크젯 헤드는 써멀 버블 타입(thermal bubble type)과 압전 소자 타입(piezo type)을 구분될 수 있다.
써멀 버블 타입의 잉크젯 헤드에서, 히터에 버블이 형성될 때, 액체 토출구(예를 들면, 잉크젯 헤드의 노즐)의 반대 방향으로 버블이 역류하는 현상이 발생한다.
압전 소자 타입의 잉크젯 헤드에서, 챔버와 연결된 박막을 가압하는 방식에서도 액체 토출구의 반대 방향으로 액체가 역류하는 현상이 발생한다.
액체를 토출하는 디스펜서, 예를 들면, 잉크젯 헤드는 버블의 역류 또는 액체의 역류 현상을 줄이기 위하여, 액체 공급부에 연결되는 유로에 흐름 제한 장치(restrictor or neck)를 구비한다.
예를 들면, 흐름 제한 장치는 액체의 토출 방향에 비하여 역류 방향의 유로 단면적을 상대적으로 작게 형성하여 역류 방향의 유동 저항을 증가시켜, 액체의 역류를 줄인다.
이와 같이 유로의 단면적을 작게 형성하는 흐름 제한 장치를 적용하는 경우, 디스펜서는 토출 대상 액체 속에 포함되는 미세입자 또는 세포의 크기에 따라 제한적으로 사용된다. 즉 디스펜서에서, 미세입자들은 액체 공급부와 가압 챔버 사이를 막히게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 미세 입자가 포함된 액체를 정확한 양으로 토출하는 공압 디스펜서에 관한 것이다.
또한 본 발명의 일 실시예는 간단하고 저렴하며 대량 생산을 가능하게 하는 공압 디스펜서에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공압 디스펜서는, 액체 공급부, 상기 액체 공급부에 연결되는 제1 챔버 및 상기 제1 챔버에 연결되는 액체 토출부를 포함하는 제1 플레이트, 적어도 상기 제1 플레이트의 상기 제1 챔버 상에 설치되어 상기 제1 챔버의 일측을 설정하는 유연 구동막, 상기 유연 구동막을 사이에 두고 상기 제1 플레이트와 서로 마주하면서 상기 제1 챔버 반대측에 제2 챔버를 형성하는 제2 플레이트, 및 상기 액체 공급부를 상기 유연 구동막 측으로 돌출 형성하는 범프를 포함할 수 있다.
상기 유연 구동막은 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트에 대응하여 형성될 수 있다.
상기 유연 구동막은 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트 사이에 고정되는 고정부와, 상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버 사이서 펌핑 작용하는 구동부를 포함할 수 있다. 상기 유연 구동막은 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 형성될 수 있다.
상기 구동부의 일측인 상기 제1 챔버는 액체를 공급하여 토출하는 액체 챔버를 형성하고, 상기 구동부의 다른 일측인 상기 제2 챔버는 부압과 정압을 형성하는 공압 챔버를 형성할 수 있다.
상기 제1 챔버와 상기 제2 챔버는 동일 중심선 상에서 동일 크기의 면적으로 형성될 수 있다.
상기 제1 챔버는 원통형 홈으로 형성되고, 상기 범프는 상기 유연 구동막의 중심에 대응하여 원통형으로 돌출 형성될 수 있다.
상기 제1 챔버의 바닥을 기준으로, 상기 범프의 돌출 높이는 상기 제1 챔버의 홈 높이보다 낮게 형성될 수 있다.
상기 액체 공급부는 상기 제1 챔버 내에 연결되는 인입구를 포함하며, 상기 범프는 상기 제1 챔버의 바닥에서 상기 유연 구동막 측으로 돌출 형성되어, 상기 인입구를 상기 유연 구동막 측으로 연장할 수 있다.
상기 액체 토출부는 상기 제1 챔버에 연결되는 토출구를 포함하며, 상기 제1 챔버는 상기 토출구에 연결하는 유로를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 범프가 액체 공급부를 구동 유동막 측으로 돌출 형성하여, 액체 토출시, 유연 구동막으로 액체 공급부를 차단하여 액체의 역류를 방지한 상태에서, 유연 구동막의 이차적인 변형으로 액체를 토출하므로, 미세 입자가 포함된 액체도 정량적으로 토출 가능하게 하는 효과가 있다.
또한 일 실시예의 공압 디스펜서는 전기적인 장치를 사용하지 않고 제2 챔버에 공압(부압과 정압)을 작용시키므로 구조를 간단하게 하고 저렴하게 하면서 또한 대량 생산을 가능하게 하는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 디스펜서의 사시도이고, 도2는 도1 공압 디스펜서의 분해 사시도이다.
도1 및 도2를 참조하면, 공압 디스펜서(1)는 액체 및 미세 입자 또는 세포가 포합된 액체를 정량적으로 토출할 수 있도록 구성된다. 예를 들면, 공압 디스펜서(1)는 제1 플레이트(10), 유연 구동막(flexible membrane)(20), 제2 플레이트(30) 및 범프(40)를 포함한다.
제1 플레이트(10)와 제2 플레이트(30)는 유연 구동막(20)을 사이에 두고 서로 접합된다. 제1 플레이트(10)는 액체를 공급하여 토출하도록 형성된다. 제2 플레이트(30)는 유연 구동막(20)에 공압(부압 및 정압)을 작용시키도록 형성된다.
예를 들면, 제1 플레이트(10)는 액체 공급부(11), 제1 챔버(C1) 및 액체 토출부(12)를 포함하여, 공압 디스펜서(1)의 몸체를 형성한다. 제2 플레이트(30)는 제1 챔버(C1)에 대응하는 제2 챔버(C2)를 형성한다.
유연 구동막(20)은 제1 플레이트(10) 상에 설치되어 제1 챔버(C1)의 일측을 설정한다. 유연 구동막(20)은 적어도 제1 챔버(C1) 상에 대응하여 설치된다.
본 실시예에서 유연 구동막(20)은 제1 플레이트(10)와 제2 플레이트(30)에 대응하여 형성된다. 즉 유연 구동막(20)은 조립 상태에서 제1 플레이트(10) 및 제2 플레이트(30)와 동일 크기의 면적으로 형성된다.
유연 구동막(20)은 고정부(21)와 구동부(22)를 포함한다. 고정부(21)는 서로 마주하는 제1 플레이트(10)와 제2 플레이트(30) 사이에서 고정된다. 구동부(22)는 제1 챔버(C1)와 제2 챔버(C2) 사이 배치되어, 제1 챔버(C1)와 제2 챔버(C2) 측으로 작동하면서 펌핑 작용한다.
예를 들면, 유연 구동막(20)은 실리콘 베이스 유기 폴리머(PDMS; Polydimethylsiloxane)로 형성될 수 있다.
유연 구동막(20)은 제1 플레이트(10)와 제2 플레이트(30) 사이에서, 제1 챔버(C1)와 제2 챔버(C2)의 대향측을 각각 설정한다. 구동부(22)와 이의 일측인 제1 챔버(C1)는 액체를 공급하여 토출하는 액체 챔버를 형성한다. 구동부(22)와 이의 다른 일측인 제2 챔버(C2)는 부압과 정압을 형성하는 공압 챔버를 형성한다.
도3은 제1 플레이트에서 제1 챔버의 평면도이고, 도4는 제1 플레이트에서 제1 챔버에 연결되는 유로의 부분 사시도이며, 도5는 제1 챔버에서 범프와 인입구의 확대 평면도이다.
도3 내지 도5를 참조하면, 제1 챔버(C1)와 제2 챔버(C2)는 동일 중심선 상에 배치되는 원통형 홈으로 형성되고, 서로 동일 크기의 면적으로 형성된다. 따라서 제2 챔버(C2)에 작용하는 부압 및 정압이 유연 구동막(20)의 구동부(22)를 통하여 제1 챔버(C1)에 효과적으로 작용한다.
범프(40)는 제1 플레이트(10)와 제2 플레이트(30) 사이에서 유연 구동막(20)이 액체 토출부(12)로 액체를 토출할 때, 토출되는 액체가 액체 공급부(11)로 역류하는 것을 방지한다. 예를 들면, 범프(40)는 액체 공급부(11)를 유연 구동막(20) 측으로 돌출하여 형성된다.
제1 챔버(C1)는 원통형 홈으로 형성되고, 범프(40)는 유연 구동막(20)의 중심에 대응하여 제1 챔버(C1) 내에서 원통형으로 돌출 형성된다. 제1 챔버(C1)의 바닥을 기준으로 할 때, 범프(40)의 돌출 높이(H40)는 제1 챔버(C1)의 홈 높이(HC1)보다 낮게 형성된다.
제1 챔버(C1)에 연결되는 액체 공급부(11)는 인입구(11a)를 포함한다. 인입구(11a)는 범프(40) 내부에 형성된다. 즉 범프(40)는 제1 챔버(C1)의 바닥에서 유연 구동막(20) 측으로 돌출 형성되므로 액체 공급부(11)의 인입구(11a)는 유연 구동막(20) 측으로 연장된다. 액체 토출시, 유연 구동막(20)은 인입구(11a)를 막은 후, 더 가압된다.
도6은 제1 플레이트에서 액체 토출부의 사시도다.
도6을 참조하면, 제1 플레이트(10)에서, 액체 토출부(12)는 제1 챔버(C1)에 연결되는 토출구(12a)를 포함한다. 제1 챔버(C1)와 토출구(12a)는 유로(13)를 통하여 연결된다.
유로(13)는 제1 챔버(C1)의 홈 높이(HC1)와 동일하게 형성된다. 따라서 범프(40)의 돌출 높이(H40)는 유로(13)의 홈 높이(HC1)보다 더 낮게 형성된다. 유로(13)의 일측은 유연 구동막(20)에 의하여 설정된다.
이하에서 공압 디스펜서(1)의 제작 공정에 대하여 설명한다. 예를 들면, 실리콘 건식 식각 방법에 의하여, 제1 플레이트(10)에 액체 공급부(11), 액체 토출부(12) 및 유로(13)를 형성한다.
즉, 2단계의 실리콘 건식 식각 방법으로 제1 챔버(C1) 및 유로(13)와 범프(40)를 형성한다. 범프(40)는 1단계의 식각으로 형성되고, 제1 챔버(C1)와 유로(13)는 1단계에 더하여 진행되는 2단계의 식각으로 형성된다.
따라서 제1 챔버(C1) 및 유로(13)의 홈 높이(HC1)와 제1 챔버(C1)에 돌출 형성되는 범프(40)의 돌출 높이(H40)는 서로 다르게 형성된다. 예를 들면, 범프(40)는 유로(13) 및 제1 챔버(C1)와 약 20㎛의 높이 차이를 가질 수 있다.
유로(13) 및 제1 챔버(C1)의 높이(HC1)가 범프(40)의 높이(H40)보다 더 높기 때문에, 제1 플레이트(10)에 유연 구동막(20)이 접할 때, 유연 구동막(20)은 범프(40)에 붙지 않는다.
제1 챔버(C1), 유로(13) 및 범프(40)를 형성한 후, 제1 플레이트(10)의 제1 챔버(C1) 반대측 면을 제1 챔버(C1) 면에 정렬하여, 패터닝 한 후, 실리콘 건식 식각 방법으로 액체 공급부(11)의 인입구(11a)와 액체 토출부(12)의 토출구(12a)를 형성한다.
유연 구동막(20)은 PDMS를 사용하여 형성된다. 예를 들면, 제2 플레이트(30)의 내면에 PDMS를 수십 내지 수백 ㎛로 코팅하고, 약 70℃로 경화함으로써 제2 플레이트(30)의 내면에 PDMS를 제작한다.
제작된 PDMS 표면에 산소 플라즈마를 약 30초 동안 처리하여, 유연 구동막(20)이 형성된 제2 플레이트(30)를 제1 플레이트(10)에 접합한다. 이로써, 제1 플레이트(10)와 제2 플레이트(30) 사이에 유연 구동막(20)이 구비된다.
그리고 제1 챔버(C1)에 대응하는 제2 플레이트(30)에 구멍을 형성하여 제2 챔버(C2)를 형성한다. 제2 챔버(C2)를 제1 챔버(C1)의 직경과 동일한 크기로 형성한다. 제2 챔버는 공압 즉, 부압 또는 정압이 작용하여 유연 구동막(20)의 구동부(22)을 작동시킨다.
도7 내지 도9는 도1 공압 디스펜서의 작동 상태도이다. 도7 내지 도9를 참조하여, 공압 디스펜서(1)의 작동에 대하여 설명한다.
도7을 참조하면, 제2 챔버(C2)에 부압이 작용하면, 유연 구동막(20)의 구동부(22)는 제1 챔버(C1)에서 제2 챔버(C2) 측으로 인장되면서 제1 챔버(C1)에 부압을 형성한다.
부압에 의하여 액체 공급부(11)의 인입구(11a)를 통하여, 제1 챔버(C1) 및 유로(13)로 액체가 인입된다.
도8을 참조하면, 제2 챔버(C2)에 부압이 해제되고 정압이 작용하면, 유연 구동막(20)의 구동부(22)는 제2 챔버(C2)에서 제1 챔버(C1) 측으로 가압되어 범프(40)에 밀착되어 인입구(11a)를 차단한다.
인입구(11a)의 차단에 의하여, 제1 챔버(C1) 및 유로(13) 내의 액체는 유연 구동막(20)의 가압에도 불구하고, 액체 공급부(11)의 인입구(11a)를 통하여 역류되지 않고 차단 상태를 유지한다.
도9를 참조하면, 제2 챔버(C2)에 정압이 더욱 크게 작용하면, 유연 구동막(20)의 구동부(22)는 범프(40)에 밀착되어 인입구(11a)를 차단한 상태를 유지하면서, 제2 챔버(C2)에서 제1 챔버(C1) 측으로 더욱 가압되면서 제1 챔버(C1) 내부를 가압한다,
인입구(11a)를 차단한 상태에서 제1 챔버(C1)를 가압하므로, 제1 챔버(C1) 및 유로(13) 내의 액체는 액체 토출부(12)의 토출구(12a)를 통하여 토출된다.
이때, 제2 챔버(C2)에 작용하는 정압의 크기 및 작동시간을 제어함으로써, 토출구(12a)로 토출되는 액체를 정량적으로 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예의 공압 디스펜서(1)는 유연 구동막(20)이 범프(40)에 밀착되어 인입구(11a)를 완전히 차단한 상태에서, 직경을 그대로 유지하는 토출구(12a)로 액체를 토출한다.
따라서 일 실시예의 공압 디스펜서(1)는 다양한 미세 입자들 및 세포들이 포함된 액체를 정량적으로 토출할 수 있고, 이런 필요성이 있는 분야, 예를 들면, 바 이오 관련 실험장치에 많이 응용될 수 있다.
또한 일 실시예의 공압 디스펜서(1)는 전기적인 구조를 포함하지 않고 공압으로 작동하는 간단한 구조를 가지므로 저렴하고 다양한 방법으로 제작될 수 있다.
따라서 일 실시예의 공압 디스펜서(1)는 액체의 토출이 필요한 시스템에 적용하기 용이하여, 통합 시스템 개발, 예를 들면 랩온어칩(Lab-On-A-Chip) 형태의 시스템 개발에 도움을 줄 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 디스펜서의 사시도이다.
도2는 도1 공압 디스펜서의 분해 사시도이다.
도3은 제1 플레이트에서 제1 챔버의 평면도이다.
도4는 제1 플레이트에서 제1 챔버에 연결되는 유로의 부분 사시도이다.
도5는 제1 챔버에서 범프와 인입구의 확대 평면도이다.
도6은 제1 플레이트에서 액체 토출부의 사시도다.
도7 내지 도9는 도1 공압 디스펜서의 작동 상태도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 공압 디스펜서 10, 30 : 제1, 제2 플레이트
20 : 유연 구동막(flexible membrane) 40 : 범프
11 : 액체 공급부 11a : 인입구
12 : 액체 토출부 12a : 토출구
21 : 고정부 22 : 구동부
C1, C2 : 제1, 제2 챔버 H40 : 돌출 높이
HC1 : 홈 높이

Claims (10)

  1. 액체 공급부, 상기 액체 공급부에 연결되는 제1 챔버 및 상기 제1 챔버에 연결되는 액체 토출부를 포함하는 제1 플레이트;
    적어도 상기 제1 플레이트의 상기 제1 챔버 상에 설치되어 상기 제1 챔버의 일측을 설정하는 유연 구동막;
    상기 유연 구동막을 사이에 두고 상기 제1 플레이트와 서로 마주하면서 상기 제1 챔버 반대측에 부압과 정압을 선택적으로 형성하는 제2 챔버를 형성하는 제2 플레이트; 및
    상기 액체 공급부를 상기 유연 구동막 측으로 돌출 형성하는 범프를 포함하며,
    상기 액체 토출부는,
    상기 제1 챔버에 연결되는 토출구를 포함하고,
    상기 액체 공급부는,
    상기 제1 챔버 내에 연결되는 인입구를 포함하며,
    상기 범프는,
    상기 제1 챔버의 바닥에서 상기 유연 구동막 측으로 돌출 형성되어, 상기 인입구를 상기 유연 구동막 측으로 연장하고,
    상기 제1 챔버의 바닥을 기준으로,
    상기 범프의 돌출 높이는 상기 제1 챔버의 홈 높이보다 낮게 형성되는 공압 디스펜서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 유연 구동막은 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트에 대응하여 형성되는 공압 디스펜서.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 유연 구동막은,
    상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트 사이에 고정되는 고정부와,
    상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버 사이서 펌핑 작용하는 구동부를 포함하는 공압 디스펜서.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 유연 구동막은 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 형성되는 공압 디스펜서.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 구동부의 일측인 상기 제1 챔버는 액체를 공급하여 토출하는 액체 챔버를 형성하고,
    상기 구동부의 다른 일측인 상기 제2 챔버는 부압과 정압을 형성하는 공압 챔버를 형성하는 공압 디스펜서.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 챔버와 상기 제2 챔버는 동일 중심선 상에서 동일 크기의 면적으로 형성되는 공압 디스펜서.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 챔버는 원통형 홈으로 형성되고,
    상기 범프는 상기 유연 구동막의 중심에 대응하여 원통형으로 돌출 형성되는 공압 디스펜서.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 챔버는 상기 토출구에 연결하는 유로를 더 포함하는 공압 디스펜서.
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