KR100993810B1 - 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 '유전체 위의 전기습윤' 현상을 응용, 대상 유체에 직접적인 운동량을 부과하는 동적펌프(dynamic pump) 방식의 디지털 마이크로펌프로서, 이송대상 유체의 이동통로인 메인채널의 단면적과, 상기 메인채널 내부로 개재된 방울의 이동횟수와, 상기 방울의 실질적 이동거리에 해당되는 제 1 전극 간 거리에 비례해서 상기 이송대상 유체의 부피를 정밀 제어하는 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로펌프에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 이송대상의 제 1 유체가 유입되는 인렛 홀과 상기 제 1 유체가 유출되는 아웃렛 홀을 연결하는 메인채널; 상기 인렛 홀과 상기 아웃렛 홀 사이에서 상기 메인채널에 각각 연결된 서브 인렛 홀과 상기 서브 아웃렛 홀을 연결하고, 상기 제 1 유체와 섞이지 않는 제 2 유체가 충진된 서브채널; 상기 서브 인렛 홀과 상기 서브 아웃렛 홀 사이의 상기 메인채널에 삽입된 상기 제 2 유체의 방울; 및 상기 메인채널 일측을 따라 배치되어 구동전압이 인가되는 제 1 전극을 포함하는 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로펌프를 제공한다.

Description

유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로펌프{digital micropump by using electrowetting on dielectric}

본 발명은 디지털 마이크로펌프(digital micropump)에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 '유전체 위의 전기습윤(electrowetting on dielectric)' 현상을 응용, 대상 유체에 직접적인 운동량을 부과하는 동적펌프(dynamic pump) 방식의 디지털 마이크로펌프로서, 이송대상 유체의 이동통로인 메인채널(main channel)의 단면적(A)과, 상기 메인채널 내부로 개재된 방울(droplet 또는 bubble)의 이동횟수(n)와, 상기 방울의 실질적 이동거리에 해당되는 제 1 전극 간(p)에 비례해서 상기 이송대상 유체의 이송부피(V, 단 V∝A×n×p)를 정밀 제어하는 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로펌프에 관한 것이다.

최근 들어 생명공학, 의학, 생화학 등의 폭넓은 분야에서 수요를 넓혀가고 있는 '마이크로펌프(micropump)'는 극소량의 액체를 원하는 방향으로 이송하기 위한 정밀제어 장치로서, MEMS(micro-electromechanical systems)에 기반한 마이크로 유체시스템의 핵심소자에 해당된다.

이러한 마이크로펌프는 그 구동방식에 따라 정전형(electrostatic type), 압전형(piezoelectric type), 열공압형(thermo-pneumatic type), 바이메탈형(bimetal type), 형상기억합금형(shape memory alloy type, SMA), 이온성 유도 폴리머필름형(Ionic Conductive Polymer Film type, ICPF) 등의 기계식 마이크로펌프와, 자기유체역학형(magneto hydro dynamic type, MHD), 전기유체역학형(Electro Hydro Dynamics type, EHD), 전기삼투압형(Electroosmotics type), 전기화학형(Electro chemistry type), 모세관형(capillary type), 전기습윤형(electrowetting type) 등의 비 기계식 마이크로펌프로 나누어볼 수 있다.

이 중에서도 특히 비 기계식의 전기습윤형 마이크로펌프는 여타의 다른 방식과 비교해서 구동전압이 낮고 소비전력이 적으며 토출속도가 빠르고 회복시간이 짧은 것은 물론, 펌프 자체의 온도상승 문제를 해결할 수 있고 제조비용이 저렴한 장점을 보여 마이크로 단위의 정밀제어분야, 예컨대 정확한 양의 약물을 체내로 보내는 DDS(Drug Delivery System), 미량의 시료/시약을 분석하는 μ-TAS(Micro Total Analysis System), 단일 칩 위에서 시료의 혼합/ 반응/분석을 수행하는 LOC(Lab On a Chip) 등에서 주목받고 있다.

한편, '전기습윤(electrowetting)' 현상이란 액적의 표면장력이 정전력에 의해 변화되는 현상으로, 가역적(reversible)이고 저전력에 의한 고속 및 정밀제어가 가능하여 마이크로펌프를 비롯한 엑츄에이션(actuation) 등의 유체수송분야를 비롯한 액체렌즈(liquid lens), 전자종이(Electronic Paper), 마이크로 컨베이어 시스 템(micro conveyor system) 등에 활발히 적용되고 있다.

일례로, 대한민국 등록특허 제10-0398309호를 통해서는 연속 전기습윤(continuous electrowetting) 현상을 이용한 마이크로펌프가 소개된 바 있다.

이때, 동(同) 특허는 전해질로 채워진 저장튜브 내에 삽입된 액체 방울과; 상기 튜브의 양쪽 끝에 상기 전해질과 접하게 각각 설치된 전극들과; 상기 저장튜브의 양단을 막는 유연막들과; 상기 유연막들과 접하며 펌핑 유체가 지나가는 통로를 제공하는 유체 통로용 튜브로 이루어진 것을 특징으로 하는바, 연속 전기습윤 현상에 의한 액체방울의 왕복운동으로 유연막을 휘게 하고, 이로 인한 유체 통로용 튜브의 부피변화를 체크밸브 등으로 적절히 제어해서 펌핑 유체를 이송하는 방식을 나타낸다.

하지만, 해당 특허는 몇 가지 문제점을 나타내는데, 액체 방울의 왕복 운동에너지를 직접적으로 이용하는 대신, 액체방울의 왕복운동으로 유연막을 휘게 해서 유체통로용 튜브의 부피변화를 발생시키고, 이를 체크밸브로 제어하는 간접적인 변위펌프(displacement pump) 방식을 채택함에 따라 효율이 낮고 불필요한 손실이 발생될 가능성이 크다.

또한, 상기 특허에서는 유체통로용 튜브의 부피변화를 펌핑 유체의 이송력으로 전환하기 위해 실질적으로 둘 이상의 상호 연동되는 체크밸브 내지는 이와 유사한 역할의 구성요소를 필수적으로 요구하므로 전체적인 구성이 복잡하고 오동작의 가능성이 커서 신뢰성이 저하되는 단점을 나타낸다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 상대적으로 간단한 구성을 나타내면서도 마이크로 단위의 극소량 유체에 대한 고효율의 고속 및 정밀제어가 가능한 마이크로펌프를 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명은 기존의 연속 전기습윤 현상을 이용한 변위펌프 방식과 달리 '유전체 위의 전기습윤(electrowetting on dielectric)' 현상을 응용, 대상 유체에 직접적인 운동량을 부과하는 동적펌프(dynamic pump) 방식의 마이크로펌프로서, 이송대상 유체의 이동통로인 메인채널의 단면적과, 상기 메인채널 내부로 개재된 방울의 이동횟수와, 상기 방울의 실질적 이동거리에 해당되는 제 1 전극 간 거리에 비례해서 상기 이송대상 유체의 이송부피를 정밀 제어할 수 있는 디지털 마이크로펌프를 제공하는데 그 목적을 둔다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 이송대상의 제 1 유체가 유입되는 인렛 홀과 상기 제 1 유체가 유출되는 아웃렛 홀을 연결하는 메인채널; 상기 인렛 홀과 상기 아웃렛 홀 사이에서 상기 메인채널에 각각 연결된 서브 인렛 홀과 상기 서브 아웃렛 홀을 연결하고, 상기 제 1 유체와 섞이지 않는 제 2 유체가 충진된 서브채널; 상기 서브 인렛 홀과 상기 서브 아웃렛 홀 사이의 상기 메인채널에 삽입된 상기 제 2 유체의 방울; 및 상기 메인채널 일측을 따라 배치되어 구동전 압이 인가되는 제 1 전극을 포함하는 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로펌프를 제공한다.

이때, 상기 메인채널과 상기 서브채널의 내면은 소수성을 나타내는 것을 특징으로 하고, 상기 제 1 전극과 마주보도록 상기 메인채널의 또 다른 일측을 따라 배치되고, 공통전압이 인가되는 제 2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 제 1 기판; 상기 제 1 기판 일면을 따라 배치되고 구동전압이 인가되는 제 1 전극; 상기 제 1 전극을 덮는 유전체막; 상기 제 1 전극을 지나는 메인채널과, 상기 제 1 전극을 사이에 두고 상기 메인채널에 각각 연결된 서브 인렛 홀과 서브 아웃렛 홀을 연결하는 서브채널이 관통 형성되어 상기 유전체막을 덮는 채널층; 및 상기 채널층을 덮는 제 2 기판을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 기판 중 하나로부터는 상기 서브 인렛 홀과 상기 서브 아웃렛 홀을 사이에 두고 상기 메인채널에 각각 연결되어 이송대상의 제 1 유체가 유입되는 인렛 홀과 상기 제 1 유체가 유출되는 아웃렛 홀이 관통되고, 상기 서브채널에는 상기 제 1 유체와 섞이지 않는 제 2 유체가 충진되고, 상기 서브 인 렛홀과 상기 서브 아웃렛 홀 사이의 상기 메인채널에는 상기 제 2 유체의 방울이 삽입되는 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로펌프를 제공한다.

이때, 상기 유전체막과 상기 채널층 사이로 개재된 제 1 소수성막; 및 상기 제 2 기판과 상기 채널층을 사이로 개재된 제 2 소수성막을 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제 1 전극과 마주보도록 상기 제 2 기판과 상기 제 2 소수성막 사이로 개재되고, 공통전압이 인가되는 제 2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 한 다.

아울러 본 발명은 메인채널 및 상기 메인채널에 각각 연결된 서브 인렛 홀과 서브 아웃렛 홀을 연결하는 서브채널이 일면에 구비된 제 1 기판; 상기 제 1 기판을 덮는 유전체막; 상기 서브 인렛 홀과 상기 서브 아웃렛 홀 사이의 상기 메인채널을 따라 배치되어 구동전압이 인가되는 상기 유전체막 일면의 제 1 전극; 및 상기 유전체막과 상기 제 1 전극을 덮는 제 2 기판을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 기판 중 하나로부터는 상기 서브 인렛 홀과 상기 서브 아웃렛 홀을 사이에 두고 상기 메인채널에 각각 연결되어 이송대상의 제 1 유체가 유입되는 인렛 홀과 상기 제 1 유체가 유출되는 아웃렛 홀이 관통되고, 상기 서브채널에는 상기 제 1 유체와 섞이지 않는 제 2 유체가 충진되고, 상기 서브 인렛 홀과 상기 서브 아웃렛 홀 사이의 상기 메인채널에는 상기 제 2 유체의 방울이 삽입되는 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로 펌프를 제공한다.

이때, 상기 제 1 기판과 상기 유전체막 사이의 상기 제 1 기판 외면을 따라 형성된 제 1 소수성막; 및 상기 제 1 기판과 상기 유전체막 사이의 상기 유전체막 외면을 따라 형성된 제 2 소수성막을 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제 1 전극과 마주보도록 상기 제 1 기판과 상기 제 1 소수성막 사이로 개재되고, 공통전압이 인가되는 제 2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

더불어, 이상에 있어서 상기 제 1 유체는 액체이고, 상기 제 2 유체는 액체 또는 기체인 것을 특징으로 하고, 상기 제 1 전극은 상기 메인채널과 교차되게 서로 나란히 배치된 복수의 어레이 전극인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로펌프는 구동전압이 낮고 소비전력이 적으며 토출속도가 빠르고 회복시간이 짧은 것 이외에 도 여러 가지 장점을 나타낸다.

따라서 기존의 마이크로펌프와 비교해서 상대적으로 간단한 구조를 나타내면서도 극소량 유체에 대한 고효율의 고속 및 정밀제어가 가능한 장점이 있다.

특히, 본 발명은 대상 유체에 직접적인 운동량을 부과하는 동적펌프 방식의 마이크로 펌프로서, 이송대상 유체에 해당되는 제 1 유체 이동통로인 메인채널의 단면적과, 상기 메인채널 내부로 개재된 제 2 유체 방울의 이동횟수와, 상기 방울의 실질적 이동거리에 해당되는 제 1 전극 간에 비례해서 상기 제 1 유체의 이송부피를 정밀 제어하는 디지털 방식을 보임에 따라 사용목적에 적합한 장점을 나타낸다.

이하, 도면을 참조해서 본 발명을 상세하게 살펴본다.

본격적인 설명에 앞서, 본 발명은 '유전체 위의 전기습윤' 현상을 이용하는 것을 특징으로 한다. 여기서 '전기습윤'이란 액적에 정전력이 가해지면 그 표면장력이 변화되어 고체 계면과 이루는 고유의 접촉각(contact angle)이 변화되는 현상을 지칭하며, 특히 액적에 작용되는 전위차를 크게 하기 위해 고체 계면과 액적 사 이로 얇은 유전체막을 재재시킨 경우를 '유전체 위의 전기습윤' 현상이라 한다.

참고로, 도 1은 '유전체 위의 전기습윤' 현상을 설명하기 위한 모식도이다.

보이는 것처럼, 전극층(E)과 유전체층(D)이 차례로 적층된 기판(S) 위에 소정의 액적(B)을 올려놓은 후, 전극층(E)과 액적(B) 사이로 전압을 인가하면 액적(B)의 표면장력이 변화되어 유전체층(D) 위 액적(B)의 접촉각이 변화된다(θ0~θv). 이때, 미설명 부호 A는 유전체층(D) 위에 형성된 소수성막(A)을 나타낸다.

그리고 이 경우 전극층(E)에 인가되는 전압을 매개로 액적(B)의 접촉각 변화를 적절히 제어하면 액적(B)의 고속 이송이 가능한바, 해당 현상에 대해서는 이미 1990년 대 미국의 폴락(Pollack) 등에 의해 자세히 소개되었으므로 본 명세서에서는 구체적인 언급을 생략한다.

첨부된 도 2는 본 발명에 따른 '유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로펌프'(이하, 간략하게 '마이크로펌프'라 한다.)를 나타낸 모식도이다.

보이는 것처럼, 본 발명에 따른 마이크로펌프는 제 1 유체의 이동경로를 정의하는 메인채널(main-channel:10)과, 메인채널(10)과 일부 중첩된 제 2 유체의 이동 및 저장경로를 정의하는 서브채널(sub-channel:30)과, 메인채널(10)의 일측을 따라 배치된 복수의 제 1 전극(60)을 포함한다.

각각을 세부적으로 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 메인채널(10)은 이송대상 유체인 제 1 유체의 이동경로를 정의하는 부분으로, 제 1 유체가 유입되는 인렛 홀(inlet hole:12)과 제 1 유체가 토출되는 아웃렛 홀(outlet:14)을 연결하는 관로 형상을 나타낸다. 그리고 메인채널(10) 내부 에는 제 1 유체와 섞이지 않는 제 2 유체의 방울(50)이 내장된다.

이때, 바람직하게는 제 1 유체는 액체이고, 제 2 유체는 제 1 유체와 섞이지 않는 액체 또는 기체일 수 있으며, 일례로 제 1 유체가 수용액 등의 극성용액이라면 제 2 유체는 기름 등의 비극성 용액이나 불활성 기체일 수 있다. 따라서, 제 2 유체의 방울(50)이라 하면 액체방울과 기체방울을 모두 포함하는 의미이며, 일관되게 동일한 의미를 나타낸다.

다음으로, 서브채널(30)은 메인채널(10)과 일부 중첩된 제 2 유체의 이동 및 저장경로를 정의하는 부분으로, 인렛 홀(12)과 아웃렛 홀(14) 사이에서 메인채널(10)과 각각 연결된 서브 인렛 홀(sub-inlet hole:32)과 서브 아웃렛 홀(sub-outlet hole:34)을 연결하는 관로 형상을 나타낸다. 그리고 서브채널(30) 에는 제 2 유체가 충진된다.

이때, 바람직하게는 서브채널(30)은 제 2 유체의 불필요한 유출을 방지하기 위해 메인채널(10)과 동일평면에 배치될 수 있고, 메인채널(10)과 서브채널(30)의 내면은 소수성을 나타낸다.

다음으로, 제 1 전극(60)은 메인채널(10)의 일측을 따라 배치되어 메인채널(10) 내부의 방울(50)을 서브 인렛 홀(32)로부터 서브 아웃렛 홀(34)까지 고속 이동시키기 위한 부분으로, 방울(50)의 이동을 위한 소정의 구동전압이 인가된다.

이때, 바람직하게는 제 1 전극(60)은 금속 또는 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등의 투명도전성 물질로 이루어져 메인채널(10)과 교차 배열되는 복수의 나란한 스트라이프 형태의 어레이 전극을 이룰 수 있고, 비록 도면 에 나타나지는 않았지만 제 1 전극(60)과 마주보는 메인채널(10)의 또 다른 일측에는 별도의 제 2 전극(도 7의 62 참조)이 구비되어 공통전압(common voltage)이 인가될 수 있다.

그 결과, 본 발명에 따른 마이크로펌프는 제 1 전극(60)으로 인가되는 구동전압을 통해 인렛 홀(12)로 유입된 제 1 유체를 아웃렛 홀(14)로 정밀 제어 및 토출하는 디지털 마이크로펌프의 역할을 수행한다.

즉, 제 1 전극(60)으로 구동전압이 인가되면 메인채널(10) 내부의 방울(50)은 서브 인렛 홀(32)로부터 서브 아웃렛 홀(34)로 이동되고, 이 같은 방울(50)의 이동에 의해 메인채널(10) 내부의 제 1 유체는 아웃렛 홀(14)로 토출된다. 이와 동시에 서브 아웃렛 홀(34)에 도달한 방울(50)은 동종(同種) 유체 간 응집력(cohesive force)에 의해 서브 아웃렛 홀(34)을 통해 서브채널(30)로 유입되고, 서브 인렛 홀(32)로부터는 동량의 방울(50)이 메인채널(50)로 유출되는바, 해당 방울(50)은 제 1 전극(60)에 의해 또다시 서브 인렛 홀(32)로부터 서브 아웃렛 홀(34)로 이동된다.

이때, 상기의 작용은 제 1 전극(60)으로 인가되는 구동전압에 의해 목적하는 시간 동안 반복 진행되며, 결국 아웃렛 홀(14)을 통해 배출되는 제 1 유체의 양(V)은 제 1 유체의 이동통로인 메인채널(10)의 단면적(A)과, 상기 메인채널(10) 내부에 개재된 방울(50)의 이동횟수(n)와, 상기 방울(50)의 실질적 이동거리라 할 수 있는 제 1 전극(60) 간 거리(p)에 에 비례하게 된다. (즉, V∝A×n×p)

한편, 이상의 본 발명에 따른 마이크로펌프는 반도체 공정 또는 마이크로머 시닝 공정을 통해 구현 가능하다.

이하 본 발명의 바람직한 일 양태(樣態)를 살펴본다.

첨부된 도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 마이크로펌프의 일례를 나타낸 도면으로, 도 3은 평면도, 도 4는 단면도, 도 5는 분해 사시도에 해당된다. 설명의 편의상 앞서 살펴본 구성요소와 동일역할을 수행하는 동일부분에 대해서는 동일도면부호를 부여하여 중복된 설명을 생략한다.

보이는 것처럼, 본 발명에 따른 마이크로펌프는 제 1 및 제 2 기판(2,22)의 대면합착 구조를 나타낼 수 있다.

편의상 제 1 및 제 2 기판(2,22)이 아래위 대면 합착된 것을 전제로, 제 1 기판(2)의 상면에는 제 1 전극(60)이 배열되고, 그 상부 전면에 걸쳐 유전체막(4)이 덮여 있다. 그리고 유전체막(4) 상부로는 제 1 전극(60)을 지나는 메인채널(10) 및 이와 일부 중첩되도록 메인채널(10) 일측의 서브 인렛 홀(32)과 서브 아웃렛 홀(34)을 연결하는 서브채널(30)이 관통 형성된 채널층(6)이 덮인다.

이때, 메인채널(10) 및 서브채널(30)은 후술하는 제 2 기판(22)과의 대면 합착을 통해 비로소 유체의 이동경로로 완성되지만 구별의 실익이 없으므로 동일명칭을 사용하였는바, 메인채널(10)은 이송대상 유체인 제 1 유체의 이동경로를 정의하고, 서브채널(30)에는 제 1 유체와 섞이지 않는 제 2 유체가 충진되며, 메인채널(10)과 서브채널(30)의 중첩구간인 서브 인렛 홀(32)과 서브 아웃렛 홀(34) 사이로는 제 2 유체의 방울(50)이 삽입된다.

이 경우 제 1 기판(2)은 실리콘 등의 반도체 재질이나 유리, 쿼츠(quartz), 플라스틱 등의 절연재질로 이루어질 수 있고, 제 1 전극(60)은 금속 등으로 이루어져 메인채널(10)과 교차되는 스트라이프 형태의 어레이 전극을 이룰 수 있다. 또한 유전체막(4)과 채널층(6) 사이로는 소수성 표면처리에 따른 제 1 소수성막(5)이 개재될 수 있는데, 필요하다면 유전체막(4)을 소수성 재질로 형성하여 제 1 소수성막(5)을 생략하는 것도 가능하다.

그리고 제 2 기판(22)에는 서브채널(30)의 서브 인렛 홀(32)과 서브 아웃렛 홀(34)을 사이에 두고 메인채널(10)에 각각 연결되는 인렛 홀(14)과 아웃렛 홀(14)이 관통되어 채널층(6)을 덮는다.

이때, 제 2 기판(22)의 재질은 앞서 제 1 기판(2)과 동일할 수 있지만 마이크로펌프의 작동상태를 육안으로 확인할 수 있도록 가급적 투명재질인 것이 적절하다. 아울러 제 2 기판(22)의 저면에는 소수성 표면처리에 따른 제 2 소수성막(25)이 형성될 수 있고, 필요하다면 제 2 기판(22)을 소수성 재질로 선택하여 제 2 소수성막(25)을 생략하는 것도 가능하다.

또한, 도면에서와 같이 유전체층(4)과 채널층(6)을 비롯한 제 2 기판(22)의 사이즈 등을 적절히 조절해서 제 1 전극(60)의 일부를 노출시키는 것도 가능하며, 이와 같이 외부로 노출된 제 1 전극(60)의 일부는 구동전압의 인가를 위해 별도의 외부장치와 접속되는 패드부로 활용될 수 있다.

그 결과 본 발명에 따른 마이크로펌프는 앞서 도 2에서 살펴본 것과 실질적으로 동일한 구성 및 작용을 나타낸다.

즉, 본 발명에 따른 마이크로펌프에 있어서 제 1 전극(60)으로 인가되는 구 동전압에 의해 인렛 홀(12)로 유입된 제 1 유체는 아웃렛 홀(14)로 정밀 제어 및 토출되며, 아웃렛 홀(14)을 통해 배출되는 제 1 유체의 양(V)은 제 1 유체의 이동통로인 메인채널(10)의 단면적(A)과, 상기 메인채널(10) 내부로 개재된 방울(50)의 이동횟수(n)와, 상기 방울(50)의 실질적 이동거리라 할 수 있는 제 1 전극(60) 간 거리(p)에 비례한다.(V∝A×n×p)

참고로, 본 발명에 따른 마이크로펌프의 제조과정을 간단히 살펴보면, 제 1 기판(2)을 준비한 후 그 상면에 금속 등의 전도성 박막을 증착하고 포토리소그라피(photolithography) 공정을 통해 제 1 전극(60)을 얻는다.

이때, 포토리소그라피 공정이란 대상 박막의 상부로 포토레지스트(photo-resist)와 같은 감광성 물질을 도포한 후 소정의 마스크(mask)로 노광 및 현상해서 포토레지스트패턴(photo-resist pattern)을 형성한 다음, 이를 토대로 대상박막을 식각(etching)하여 패터닝(patterning)하는 일련의 과정과 더불어 잔류 포토레지스트를 제거하는 스트립(strip) 및 세정(clean) 등의 일체의 과정을 총칭하며, 이는 이하에서 일관되게 동일한 의미로 사용되었다.

그리고 제 1 전극(60)이 완성된 제 1 기판(2) 일면에 유전체막(4)을 증착하고, 유전체막(4)의 표면을 소수화 처리하여 제 1 소수성막(5)을 형성한다. 이때, 유전체막(4)이 소수성 재질인 경우에 별도의 소수화 표면처리는 생략될 수 있다.

이어서 유전체막(4) 상부로 수지 등을 도포하여 채널층(6)을 형성하고, 포토리소그라피 공정을 통해 메인채널(10)과 서브채널(30)을 구현한다. 이때, 바람직하게는 메인채널(10)과 서브채널(30)은 채널층을 관통하도록 형성되고, 메인채널(10) 과 서브채널(30)의 바닥으로부터는 제 1 소수성막(5)이 노출된다.

다음으로, 제 2 기판(22)을 준비해서 그 일면을 소수화 표면처리하고 인렛 홀(12)과 아웃렛 홀(14)을 관통 형성한다. 이때, 인렛 홀(12)과 아웃렛 홀(14)은 물리적 펀칭 내지는 포토리소그라피 공정으로 구현될 수 있고, 제 2 기판이 소수성 재질이라면 별도의 소수화 표면처리는 생략될 수 있다.

이어서, 제 2 기판(22)을 채널층(6)에 밀착 결합한 후 인렛 홀(12) 또는 아웃 렛 홀(14)을 통해 서브채널(30)에 제 2 유체를 주입하고 메인채널(10)과 서브채널(30)의 중첩 구간에 제 2 유체의 방울(50)이 삽입되게 하여 본 발명에 따른 마이크로펌프를 완성한다.

이 경우, 본 발명에 따른 마이크로펌프의 제작방법은 그 밖에 여러 변형이 있을 수 있고, 위의 설명은 예시에 지나지 않음은 당업자에게 자명한 사실이다.

한편, 첨부된 6 내지 도 9는 각각 본 발명에 따른 마이크로펌프의 몇 가지 변형예를 나타낸 단면도이다. 편의상 앞서와 동일역할을 수행하는 동일부분에 대해서는 동일부호를 부여하였으므로 차이점만을 간략하게 살펴본다.

먼저, 도 6에 나타난 마이크로펌프는 제 1 기판(2)의 일면에 메인채널(10) 과 서브채널(30)이 형성된 채널층(6)이 덮여 있고, 채널층(6)의 상부로 유전체막(4)이 덮여 있다. 그리고 유전체막(4) 상부로 제 1 전극(60)이 배열되고, 유전체막(4)과 제 1 전극(60) 상부로는 인렛 홀(12)과 아웃렛 홀(14)이 관통된 제 2 기판(22)이 덮여 있다.

이 경우, 바람직하게는 제 1 기판(2)과 채널층(6) 사이로 제 1 기판(2)의 소 수화 표면처리에 따른 제 1 소수성막(5)이 개재될 수 있지만 제 1 기판(2)이 소수성 재질인 경우에 별도의 소수화 처리단계는 생략될 수 있고, 채널층(6)과 유전체막(4) 사이로 유전체막(4)의 소수화 표면처리에 따른 제 2 소수성막(25)이 개재될 수 있지만 유전체막(4)이 소수성 재질인 경우에 별도의 소수화 처리단계는 생략될 수 있다.

이때, 본 도면을 앞서 도 4와 비교하면, 도 4의 인렛 홀(12)과 아웃렛 홀(14)을 제 1 기판(2)으로부터 메인채널(10)에 연결되게 관통한 후 전체적인 상하를 반전시킨 것과 실질적으로 동일하며, 그 작용 또한 동일하다.

결국 본 발명에 따른 마이크로펌프는 제 1 또는 제 2 기판(2 또는 22) 중 하나 및 이의 일면을 따라 배열된 제 1 전극(60)과, 상기 제 1 전극(60)을 덮는 유전체막(4)과, 메인채널(10) 및 서브채널(30)이 관통 형성된 상태로 유전체막(4)을 덮는 채널층(6)과, 상기 채널층(6)을 덮는 나머지 하나의 제 2 또는 제 1 기판(22 또는 2)을 포함하되, 제 1 또는 제 2 기판(2 또는 22) 중 하나로부터 메인채널(10)에 각각 연결되는 인렛 홀(12)과 아웃렛 홀(14)을 관통 형성하고, 서브채널(30)는 제 1 유체와 섞이지 않는 제 2 유체를 충진하며, 서브 인렛 홀(32)과 서브 아웃렛 홀 (34)사이의 메인채널(10)에는 제 2 유체의 방울(50)을 삽입한 것이라 할 수 있다.

또한, 도 7에 나타난 마이크로펌프를 도 4와 비교하면 제 2 기판(22) 저면에 별도의 판(plate) 형상을 나타내는 제 2 전극(62)이 마련되고, 제 2 전극(62) 및 제 2 기판(22) 저면을 덮도록 제 2 소수성막(25)이 형성된 것에 차이가 있다. 이때, 제 2 전극(62)은 제 1 전극(60)과 마주본 상태로 일정전위의 공통전압이 인가 되고, 제 1 전극(60)으로는 방울(50)의 이동을 위한 구동전압이 인가되는바, 구체적인 작용은 앞서와 실질적으로 동일함을 쉽게 예상할 수 있다.

또한, 도 8에 나타난 마이크로펌프는 도 6과 비교하면 제 1 기판(2) 상면에 제 2 전극(62)이 마련되고, 제 2 전극(62) 및 제 1 기판(2)을 덮도록 제 1 소수성막(5)이 형성되어 있다. 이때, 제 2 전극(62)은 제 1 전극(60)과 마주본 상태로 일정전위의 공통전압이 인가되고, 제 1 전극(60)으로는 방울(50)의 이동을 위한 구동전압이 인가되며, 이에 따른 구체적인 작용은 앞서와 실질적으로 동일하다.

이 경우, 도 8을 도 7을 비교하면, 도 6 및 도 4의 관계와 마찬가지로 도 7의 인렛 홀(12)과 아웃렛 홀(14)을 제 1 기판(2)으로부터 메인채널(10)에 연결되게 관통한 후 전체적인 상하를 반전시킨 것과 실질적으로 동일하다.

그 결과 본 발명에 따른 마이크로펌프는 제 1 또는 제 2 기판(2 또는 22) 중 하나 및 이의 일면을 따라 배열된 제 1 전극(60)과, 상기 제 1 전극(60)을 덮는 유전체막(4)과, 메인채널(10) 및 서브채널(30)이 관통 형성된 상태로 유전체막(4)을 덮는 채널층(6)과, 상기 채널층(6)을 덮는 나머지 하나의 제 2 또는 제 1 기판(22 또는 2)을 포함하되, 채널층(6)에 밀착되는 제 2 또는 제 1 기판(22 또는 2)의 일면에 제 1 전극(60)과 대향되는 제 2 전극(62)을 형성하여 제 2 전극(62) 및 해당기판 일면을 소수성 표면처리하고, 제 1 또는 제 2 기판(2 또는 22) 중 하나로부터 메인채널(10)에 각각 연결되는 인렛 홀(12)과 아웃렛 홀(14)을 관통 형성하며, 서브채널(30)는 제 1 유체와 섞이지 않는 제 2 유체를 충진하고, 서브 인렛 홀(32)과 서브 아웃렛 홀(34) 사이의 메인채널(10)에는 제 2 유체의 방울(50)을 삽입한 것이 라 할 수 있다.

또한, 도 9에 나타난 마이크로펌프를 도 6과 비교하면 제 1 기판(2)과 유전체층(4) 사이로 개재되는 채널층(도 6의 6 참조)을 생략하는 대신, 제 1 기판(2) 상면에 메인채널(10) 및 서브채널(30)을 형성한 것에 차이가 있다. 이때, 바람직하게는 제 1 기판(2)의 상면을 따라 소수화 표면처리에 따른 제 1 소수성막(5)이 형성될 수 있지만 제 1 기판(2)이 소수성 재질이라면 별도의 소수성 표면처리를 생략할 수 있고, 해당 마이크로펌프의 작용은 앞서와 실질적으로 동일하다.

더 나아가, 제 1 기판(2)과 제 1 소수성막(5) 사이로 제 2 전극(도 7, 도 8의 62 참조)을 삽입하는 것도 가능하고, 제 1 기판(2)으로부터 메인채널(10)에 연결되는 인렛 홀(12)과 아웃렛 홀(14)을 관통 형성한 후 상하를 반전시킨 구조를 나타내는 것도 가능한바, 이는 앞서 도 4, 도 6 내지 도 8에 대한 설명을 참조하면 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

계속해서, 첨부된 도 10과 도 11 그리고 도 12와 도 13은 각각 본 발명에 따른 마이크로펌프의 몇 가지 활용예를 나타낸 평면도와 단면도로서, 앞서와 동일역할을 수행하는 동일부분에 대해서는 동일부호를 부여하였으므로 간략하게 살펴본다.

우선, 도 10과 도 11을 참조하면, 메인채널(10)과 서브채널(30)의 중첩구간 내에 일정간격을 유지하는 둘 이상의 방울(50)이 삽입되어 있다.

따라서 제 1 전극(60)으로 구동전압이 인가되면 둘 이상의 방울(50)은 서브 인렛 홀(32)로부터 서브 아웃렛 홀(34)로 각각 이동되어 서브채널(30) 내의 제 2 유체에 각각 응집되는 한편, 서브 인렛 홀(32)로부터는 각각 동량의 방울(50)이 다시 메인채널로 유입된다. 그 결과 메인채널(10) 내에는 일정한 수의 방울(50)이 존재하고, 그에 따른 작용은 앞서와 동일하지만, 각각의 방울(50)이 제 1 유체를 이송하므로 아웃렛 홀(14)로 배출되는 제 1 유체의 압력은 상대적으로 증가한다.

다음으로, 도 12과 도 13을 참조하면, 하나의 메인채널(10)에 둘 이상의 서브 채널(30)이 각각 중첩된 것을 특징으로 한다.

다시 말해, 본 경우는 하나의 메인채널(10)에 둘 이상의 서브채널(30)이 영역별(I,II,III 으로 구분한다.)로 중첩된 형태로서, 메인채널(10)과 각 서브채널(30)의 중첩 구간에는 별도의 방울(50)이 각각 삽입되어 상호 연동된 움직임을 보인다.

그 결과 실질적인 작용은 앞서와 동일하지만, 인렛 홀(12)로 유입된 제 1 유체는 두 개 이상의 서브채널(30)로부터 각각 제공된 두 개 이상의 방울(50)에 의해 이송되므로 아웃렛 홀(14)로 배출되는 제 1 유체의 압력은 상대적으로 증가한다.

이때, 도 10과 도 11, 도 12와 도 13 역시 앞서 설명한 도 6 내지 도 9의 설명이 적용될 수 있음은 물론인바, 이상의 설명은 본 발명의 몇 가지 예에 지나지 않는다. 즉, 본 발명을 만족시키는 변형은 얼마든지 다양하게 있을 수 있지만, 이들 변형이 본 발명의 기술적 사상을 만족시킨다면 본 발명의 권리범위 내에 속한다 해야 할 것이며, 이러한 본 발명의 권리범위는 오직 이하의 청구범위를 통해서만 해석되어야 한다.

도 1은 유전체 위의 전기습윤 현상을 설명하기 위한 모식도.

도 2는 본 발명에 따른 마이크로펌프의 개념도.

도 3은 본 발명에 따른 마이크로펌프의 평면 투시도.

도 4는 본 발명에 따른 마이크로펌프의 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 마이크로펌프의 분해사시도.

도 6은 본 발명에 따른 마이크로펌프의 제 1 변형예를 나타낸 단면도.

도 7은 본 발명에 따른 마이크로펌프의 제 2 변형예를 나타낸 단면도.

도 8은 본 발명에 따른 마이크로펌프의 제 3 변형예를 나타낸 단면도.

도 9는 본 발명에 따른 마이크로펌프의 제 4 변형예를 나타낸 단면도.

도 10은 본 발명에 따른 마이크로펌프의 제 1 활용예를 나타낸 평면도.

도 11은 본 발명에 따른 마이크로펌프의 제 1 활용예를 나타낸 단면도.

도 12는 본 발명에 따른 마이크로펌프의 제 2 활용예를 나타낸 평면도.

도 13은 본 발명에 따른 마이크로펌프의 제 2 활용예를 나타낸 평면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 메인채널 12 : 인렛 홀

14 : 아웃렛 홀 30 : 서브채널

32 : 서브 인렛 홀 34 : 서브 아웃렛 홀

50 : 방울 60 : 제 1 전극

Claims (11)

1. 이송대상의 제 1 유체가 유입되는 인렛 홀과 상기 제 1 유체가 유출되는 아웃렛 홀을 연결하는 메인채널;

   상기 인렛 홀과 상기 아웃렛 홀 사이에서 상기 메인채널에 각각 연결된 서브 인렛 홀과 서브 아웃렛 홀을 연결하고, 상기 제 1 유체와 섞이지 않는 제 2 유체가 충진된 서브채널;

   상기 서브 인렛 홀과 상기 서브 아웃렛 홀 사이의 상기 메인채널에 삽입된 상기 제 2 유체의 방울;

   상기 메인채널의 일측을 따라 배치되어 구동전압이 인가되는 제 1 전극; 및

   상기 제 1 전극과 마주보도록 상기 메인채널의 또 다른 일측을 따라 배치되고, 공통전압이 인가되는 제 2 전극을 포함하는 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로펌프.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 메인채널과 상기 서브채널의 내면은 소수성을 나타내는 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로펌프.
3. 삭제
4. 제 1 기판;

   상기 제 1 기판 일면을 따라 배치되고 구동전압이 인가되는 제 1 전극;

   상기 제 1 전극을 덮는 유전체막;

   상기 제 1 전극을 지나는 메인채널과, 상기 제 1 전극을 사이에 두고 상기 메인채널에 각각 연결된 서브 인렛 홀과 서브 아웃렛 홀을 연결하는 서브채널이 관통 형성되어 상기 유전체막을 덮는 채널층; 및

   상기 채널층을 덮는 제 2 기판을 포함하며,

   상기 제 1 및 제 2 기판 중 하나로부터는 상기 서브 인렛 홀과 상기 서브 아웃렛 홀을 사이에 두고 상기 메인채널에 각각 연결되어 이송대상의 제 1 유체가 유입되는 인렛 홀과 상기 제 1 유체가 유출되는 아웃렛 홀이 관통되고,

   상기 서브채널에는 상기 제 1 유체와 섞이지 않는 제 2 유체가 충진되고,

   상기 서브 인렛 홀과 상기 서브 아웃렛 홀 사이의 상기 메인채널에는 상기 제 2 유체의 방울이 삽입되는 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로펌프.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 유전체막과 상기 채널층 사이로 개재된 제 1 소수성막; 및

   상기 제 2 기판과 상기 채널층을 사이로 개재된 제 2 소수성막을 더 포함하는 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로 펌프.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 제 1 전극과 마주보도록 상기 제 2 기판과 상기 제 2 소수성막 사이로 개재되고, 공통전압이 인가되는 제 2 전극을 더 포함하는 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로펌프.
7. 메인채널 및 상기 메인채널에 각각 연결된 서브 인렛 홀과 서브 아웃렛 홀을 연결하는 서브채널이 일면에 구비된 제 1 기판;

   상기 제 1 기판을 덮는 유전체막;

   상기 서브 인렛 홀과 상기 서브 아웃렛 홀 사이의 상기 메인채널을 따라 배치되어 구동전압이 인가되는 상기 유전체막 일면의 제 1 전극; 및

   상기 유전체막과 상기 제 1 전극을 덮는 제 2 기판을 포함하며,

   상기 제 1 및 제 2 기판 중 하나로부터는 상기 서브 인렛 홀과 상기 서브 아웃렛 홀을 사이에 두고 상기 메인채널에 각각 연결되어 이송대상의 제 1 유체가 유 입되는 인렛 홀과 상기 제 1 유체가 유출되는 아웃렛 홀이 관통되고,

   상기 서브채널에는 상기 제 1 유체와 섞이지 않는 제 2 유체가 충진되고,

   상기 서브 인렛 홀과 상기 서브 아웃렛 홀 사이의 상기 메인채널에는 상기 제 2 유체의 방울이 삽입되는 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로 펌프.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 제 1 기판과 상기 유전체막 사이의 상기 제 1 기판 외면을 따라 형성된 제 1 소수성막; 및

   상기 제 1 기판과 상기 유전체막 사이의 상기 유전체막 외면을 따라 형성된 제 2 소수성막을 더 포함하는 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로 펌프.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 제 1 전극과 마주보도록 상기 제 1 기판과 상기 제 1 소수성막 사이로 개재되고, 공통전압이 인가되는 제 2 전극을 더 포함하는 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로펌프.
10. 청구항 1, 4, 7 중 어느 하나의 선택된 항에 있어서,

    상기 제 1 유체는 액체이고, 상기 제 2 유체는 액체 또는 기체인 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로펌프.
11. 청구항 1, 4, 7 중 어느 하나의 선택된 항에 있어서,

    상기 제 1 전극은 상기 메인채널과 교차되게 서로 나란히 배치된 복수의 어레이 전극인 유전체 위의 전기습윤 현상을 이용한 디지털 마이크로펌프.

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