KR101132657B1 - 단일 제어 신호에 의해 구동되는 연동형 마이크로 펌프 및 그 제조 방법 - Google Patents

단일 제어 신호에 의해 구동되는 연동형 마이크로 펌프 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라 작동 유체 채널에서 작동 유체를 이송하는 연동형 마이크로 펌프가 개시된다. 본 발명에 따르는 연동형 마이크로 펌프는, 상기 작동 유체 채널에 인접하게 배치되며, 원형 형상을 갖는 복수의 액추에이터; 상기 복수의 액추에이터를 직렬로 연결하는 적어도 하나의 연결 채널; 직렬로 연결된 상기 복수의 액추에이터 중 양끝에 있는 액추에이터에 각각 연결되는 제1, 2포트; 및 상기 작동 유체 채널과 상기 복수의 액추에이터 사이에 배치되며, 상기 복수의 액추에이터의 압력 변화에 따라 탄성 변형되어 상기 작동 유체를 이송할 수 있는 복수의 격막 영역을 포함한다.

Description

단일 제어 신호에 의해 구동되는 연동형 마이크로 펌프 및 그 제조 방법{PERISTALTIC MICROPUMP DRIVEN BY SINGLE CONTROL SIGNAL AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 마이크로 펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연동형 마이크로 펌프에 관한 것이다.
마이크로 펌프는 작동 유체를 특정 방향으로 이송하는 장치로서, 마이크로 유체 시스템(microfluidic system)의 핵심 부품 중 하나이다. 마이크로 전자 기계 시스템(microelectromechanical systems; MEMS) 기술의 발전에 따라, 마이크로 펌프는 다양한 용도에 적용될 수 있다. 예컨대, 미세 유체 제어칩, 바이오칩, 미세 약물 전달 장치, 및 미세 의료 장치 등등에 마이크로 펌프가 적용되어 액상 약물을 원하는 목적지로 전달시킬 수 있다.
연동형(peristaltic) 마이크로 펌프는 마이크로 펌프의 한 종류로서 액추에이터의 연동운동으로 작동 유체를 이송하는 장치이다. 다른 유형의 마이크로 펌프와 비교하여, 연동형 마이크로 펌프는 제조 공정이 단순하고 정확한 양의 작동 유체를 안정적으로 펌핑할 수 있기 때문에 마이크로 유체 시스템에 많이 사용되고 있다.
통상적으로 연동형 마이크로 펌프에는 다수의 액추에이터가 존재하고, 이런 다수의 액추에이터는 서로 다른 위상을 갖는 다수의 제어 신호에 의해 제어된다. 이와 같이 각각의 액추에이터를 제어하는 다수의 제어 신호가 필요하기 때문에 연동형 마이크로 펌프의 구조 및 제조공정이 복잡해지게 된다.
또한, 제어 신호를 각각의 액추에이터로 전달하는 추가적인 구조가 필요하기 때문에 전체적인 마이크로 유체 시스템이 차지하는 공간이 커지게 된다. 따라서 연동형 마이크로 펌프가 적용되는 미세 유체 제어칩, 바이오칩, 미세 약물 전달 장치, 및 미세 의료 장치의 전체적인 크기가 증가하게 된다.
연동형 마이크로 펌프의 펌핑 효율은 액추에이터의 행정 체적(stroke volume)과 밀접한 관계가 있다. 즉, 액추에이터의 행정 체적을 늘리게 되면 펌핑 효율이 증가할 수 있다. 그러나 액추에이터에는 사체적이 존재하게 되고, 이는 펌핑 효율을 떨어뜨리는 원인이 된다.
따라서, 위와 같은 연동형 마이크로 펌프의 문제점을 개선하기 위한 노력이 필요하다.
본 발명에 따라 전술한 문제점을 해소할 수 있는 연동형 마이크로 펌프가 개시된다.
본 발명의 한 양상에 따르면, 작동 유체 채널에서 작동 유체를 이송하는 연동형 마이크로 펌프는, 상기 작동 유체 채널에 인접하게 배치되며, 원형 형상을 갖는 복수의 액추에이터; 상기 복수의 액추에이터를 직렬로 연결하는 적어도 하나의 연결 채널; 직렬로 연결된 상기 복수의 액추에이터 중 양끝에 있는 액추에이터에 각각 연결되는 제1, 2포트; 및 상기 작동 유체 채널과 상기 복수의 액추에이터 사이에 배치되며, 상기 복수의 액추에이터의 압력 변화에 따라 탄성 변형되어 상기 작동 유체를 이송할 수 있는 복수의 격막 영역을 포함한다.
상기 복수의 격막 영역은 위상 차이를 가지고 순차적으로 변형될 수 있다.
상기 제1, 2포트 중 어느 하나의 포트를 통해 압축 유체가 공급되며, 다른 하나의 포트는 외부로 개방될 수 있다.
상기 압축 유체는 구형파(square wave) 형태로 공급될 수 있다.
상기 적어도 하나의 연결 채널은 구불구불한(serpentine) 형상을 가져서 유체 저항을 높일 수 있다.
상기 작동 유체 채널에서 상기 액추에이터에 대응되는 위치에는 원형 형상을 갖는 복수의 작동 유체 챔버가 형성될 수 있다.
상기 복수의 액추에이터 각각은 대응되는 작동 유체 챔버보다 클 수 있다.
상기 복수의 액추에이터는 상기 작동 유체 채널을 따라 순차적으로 배치된 제1액추에이터, 제2액추에이터, 및 제3액추에이터를 포함하고, 상기 적어도 하나의 연결 채널은, 상기 제1, 2액추에이터를 연결하는 제1연결 채널; 및 상기 제2, 3액추에이터를 연결하는 제2연결 채널을 포함하고, 상기 복수의 격막 영역은, 상기 제1액추에이터에 의해 탄성 변형되는 제1격막 영역; 상기 제2액추에이터의 의해 탄성 변형되는 제2격막 영역; 및 상기 제3액추에이터의 의해 탄성 변형되는 제3격막 영역을 포함한다.
상기 격막 영역은 PDMS 혼합물로 만들어질 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 연동형 마이크로 펌프의 제조 방법은, 원형 형상을 갖는 복수의 액추에이터 및 상기 복수의 액추에이터를 직렬로 연결하는 적어도 하나의 연결 채널이 형성된 액추에이터 레이어를 제공하는 단계; 작동 유체 채널 및 상기 복수의 액추에이터에 대응되는 위치에 원형 형상을 갖는 복수의 작동 유체 챔버가 형성된 작동 유체 채널 레이어를 제공하는 단계; 상기 복수의 액추에이터의 압력 변화에 탄성 변형될 수 있는 격막 레이어를 제공하는 단계; 상기 액추에이터 레이어, 상기 작동 유체 채널 레이어, 및 상기 격막 레이어를 정렬하여 결합하는 단계; 및 상기 액추에이터 레이어에 제1, 2포트를 천공하는 단계를 포함한다.
상기 액추에이터 레이어, 상기 작동 유체 채널 레이어, 및 상기 격막 레이어는 PDMS 혼합물로 만들어질 수 있다.
상기 작동 유체 채널 레이어 및 상기 액추에이터 레이어는 5: 1 PDMS 혼합물로 만들어지고, 상기 격막 레이어는 20: 1 PDMS 혼합물로 만들어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 마이크로 펌프의 평면도;
도 2는 도 1에 도시된 마이크로 펌프의 분해 사시도;
도 3은 도 1의 III-III'선에 대한 단면도;
도 4는 도 1의 IV-IV'선에 대한 단면도;
도 5는 도 1의 V-V'선에 대한 격막 레이어의 수직 변위를 나타낸 시뮬레이션 결과;
도 6은 격막 영역과 작동 유체 챔버 사이의 접촉을 고려한 격막 레이어의 수직 변위를 나타낸 시뮬레이션 결과;
도 7은 압축 유체가 공급되는 제1포트에서 측정된 시간에 따른 압력의 변화를 나타낸 그래프;
도 8a-8g는 작동 유체가 이송되는 과정을 나타낸 개략도;
도 9는 도 1에 도시된 마이크로 펌프의 전기적 상사 시스템;
도 10은 마이크로 펌프의 스텝 응답(step response)을 나타낸 그래프; 그리고
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 마이크로 펌프의 분해 사시도이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 마이크로 펌프(10)의 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 마이크로 펌프(10)의 분해 사시도이고, 도 3은 도 1의 III-III'선에 대한 단면도이고, 도 4는 도 1의 IV-IV'선에 대한 단면도이다.
본 설명에서, 작동 유체란 마이크로 펌프(10)가 이송하는 대상이 되는 유체를 의미하며, 예컨대 액상 약물이 될 수 있다. 또한, 압축 유체란 마이크로 펌프(10)를 작동시키기 위해 공급하는 유체를 의미하며, 통상적으로 압축 공기가 사용될 수 있다.
작동 유체와 압축 유체는 격막(diaphragm) 레이어(200)에 의해 분리되어 있다. 즉, 작동 유체는 격막 레이어(200) 아래에서 작동 유체 채널(310) 통해 흐른다. 압축 유체는 격막 레이어(200) 위에서 제1포트 연결 채널(141), 제1액추에이터(111), 제1연결 채널(121), 제2액추에이터(112), 제2연결 채널(122), 제3액추에이터(113), 및 제2포트 연결 채널(142)를 통해 흐른다.
본 발명의 일 실시 예에 따르는 마이크로 펌프(10)는 소프트 리소그래피(soft lithography)에 의해 만들어질 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 3개의 레이어(100, 200, 300)로 구성될 수 있다.
액추에이터 레이어(100)에는 제1, 2, 3액추에이터(111, 112, 113), 제1, 2연결 채널(121, 122), 제1, 2포트(131, 132), 및 제1, 2포트 연결 채널(141, 142)가 형성될 수 있다.
제1, 2, 3액추에이터(111, 112, 113)는 원형 형상을 가지며, 작동 유체 채널(310)을 따라 순차적으로 배치된다. 본 발명의 일 실시 예에서, 제1, 2, 3액추에이터(111, 112, 113)는 700 ㎛의 직경과 40 ㎛의 두께를 가진다. 그러나, 제1, 2, 3액추에이터(111, 112, 113)의 치수는 필요에 따라 적절히 변형되어 실시될 수 있을 것이다.
제1연결 채널(121)은 제1, 2액추에이터(111, 112)를 연결하고, 제2연결 채널(122)은 제2, 3액추에이터(112, 113)을 연결한다. 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 제1, 2연결 채널(121, 122)은 구불구불한(serpentine) 형상을 가진다. 제1, 2연결 채널(121, 122)에 의해 제1, 2, 3액추에이터(111, 112, 113)은 직렬로 연결될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에서, 제1, 2연결채널(121, 122)은 50 ㎛의 폭과 40 ㎛의 두께를 가진다. 그러나, 제1, 2연결채널(121, 122)의 치수는 필요에 따라 적절히 변형되어 실시될 수 있을 것이다.
제1, 2포트(131, 132)는 압축 유체(예컨대, 압축 공기)를 공급하는 외부의 압축 유체 공급 장치(미 도시)로 연결되거나 외부로 개방될 수 있다.
제1포트 연결 채널(141)은 제1포트(131)와 제1액추에이터(111)를 연결하고, 제2포트 연결 채널(142)은 제2포트(132)와 제3액추에이터(113)를 연결한다.
제1포트 연결 채널(141), 제1액추에이터(111), 제1연결 채널(121), 제2액추에이터(112), 제2연결 채널(122), 제3액추에이터(113), 및 제2포트 연결 채널(142)에 의해 압축 유체가 지나가는 하나의 압축 유체 유로가 형성된다. 아래에서 자세히 설명되는 바와 같이, 압축 유체가 이런 하나의 압축 유체 유로를 지나감에 따라 제1, 2, 3격막 영역(211, 212, 213) 순차적으로 변형되어 작동 유체 채널(310)에서 작동 유체(예컨대, 액상 약물)가 이송될 수 있다. 이와 같이 본 발명의 일 실시 예에서는 하나의 압축 유체 유로만으로도 복수의 액추에이터(111, 112, 113)를 작동시킬 수 있기 때문에 마이크로 펌프(10)의 구조 및 제조공정이 단순해질 수 있다.
격막 레이어(200)는 액추에이터 레이어(100)와 작동 유체 채널 레이어(300) 사이에 배치된다. 격막 레이어(200)에는 제1액추에이터(111)에 대응되는 제1격막 영역(211), 제2액추에이터(112)에 대응되는 제2격막 영역(212), 및 제3액추에이터(113)에 대응되는 제3격막 영역(213)이 형성된다. 제1, 2, 3격막 영역(211, 212, 213)은 제1, 2, 3액추에이터(111, 112, 113)의 압력 변화에 따라 탄성 변형될 수 있다.
예컨대, 도 3에서 실선은 제2격막 영역(212)이 변형되기 전의 모습을 나타내고, 점선은 제2격막 영역(212)이 변형된 모습을 나타낸다. 발명의 이해를 돕기 위하여, 도 3에서는 제2작동 유체 챔버(322)의 두께가 과장되게 도시되었음을 유념해야 할 것이다. 압축 유체가 제2액추에이터(112)로 공급되어 제2액추에이터(112)의 압력이 높아지게 되면, 제2격막 영역(212)이 아래로 내려가 작동 유체 채널(310) ?더욱 정확하게는, 제2작동 유체 챔버(322) ? 의 바닥면과 접촉하게 된다. 반대로, 압축 유체가 제2액추에이터(112)로 공급되지 않아 제2액추에이터(112)의 압력이 낮아지게 되면, 제2격막 영역(212)이 위로 올라간다. 여기서는 제2격막 영역(212)에 대해서만 언급되었지만, 이런 현상은 제1, 3격막 영역(211, 213)에 동일하게 적용된다. 제1, 2, 3격막 영역(211,212, 213)의 변형은 작동 유체 채널(310)에 있는 작동 유체에 영향을 주게 되어 작동 유체가 특정 방향으로 이송될 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시 예에 따르는 마이크로 펌프(10)는 소위 연동형(peristaltic) 마이크로 펌프에 해당된다.
본 발명의 일 실시 예에서, 격막 레이어(200)는 50 ㎛의 두께를 가진다. 그러나, 격막 레이어(200)의 두께는 필요에 따라 적절히 변형되어 실시될 수 있을 것이다.
작동 유체 채널 레이어(300)에는 작동 유체 채널(310)과 제1, 2, 3작동 유체 챔버(321, 322, 323)가 형성될 수 있다.
작동 유체 채널(310) 안에는 작동 유체(예컨대, 액상 약물)가 존재하며, 마이크로 펌프(10)에 의해 작동 유체는 특정 방향으로 이송될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에서, 작동 유체 채널(310)은 100 ㎛의 폭과 10 ㎛의 두께를 가진다. 그러나, 작동 유체 채널(310)의 치수는 필요에 따라 적절히 변형되어 실시될 수 있을 것이다.
제1작동 유체 챔버(321)는 제1액추에이터(111)에 대응되는 위치에 형성되고, 제2작동 유체 챔버(322)는 제2액추에이터(112)에 대응되는 위치에 형성되고, 제3작동 유체 챔버(323)는 제3액추에이터(113)에 대응되는 위치에 형성된다. 제1, 2, 3작동 유체 챔버(321, 322, 323)는 모두 원형 형상을 갖는다. 제1, 2, 3작동 유체 챔버(321, 322, 323)의 직경은 제1, 2,3액추에이터(111, 112, 113)의 직경보다 작은 것이 바람직하다. 액추에이터 레이어(100)와 작동 유체 채널 레이어(300)는 제1, 2, 3액추에이터(111, 112, 113)의 중심이 작동 유체 챔버(321, 322, 323)의 중심과 일치하게 배치된다. 본원발명의 일 실시 예에서 제1, 2, 3작동 유체 챔버(321, 322, 323)는 500 ㎛의 직경과 10 ㎛의 두께를 가진다. 그러나, 제1, 2, 3작동 유체 챔버(321, 322, 323)의 치수는 필요에 따라 적절히 변형되어 실시될 수 있을 것이다.
도 5는 압축 유체가 마이크로 펌프(10)로 공급되는 경우에 있어서 도 1의 V-V'선에 대한 격막 레이어(200)의 수직 변위를 나타낸 시뮬레이션 결과이다. 도 5에서 가로축은 V-V' 선에 따르는 거리를 나타내고, 세로축은 격막 레이어(200)의 수직 변위를 나타낸다. 이 경우, 압축 유체로서 16 kPa의 압축 공기가 사용되고, 제1포트(131)를 통해 압축공기가 공급되고 제2포트(131)는 외부로 개방된 경우를 가정하였다. 또한, 격막 레이어(200)의 변형 해석을 위해서는 two-term Mooney-Rivlin 모델을 적용하고 압축 공기의 유동 해석을 위해서는 비압축성 Navier-Stokes 모델을 적용하였다. 본 시뮬레이션을 위해서 Comsol사의 FEMLAB이 이용되었다.
압축 공기가 제1포트(131)를 통해 공급되고 제2포트(132)를 통해 배출되는 동안, 유체 저항에 의해 압력 손실이 발생한다. 따라서 제1액추에이터(111)의 압력(11 kPa)이 가장 높고 제3액추에이터(113)의 압력(4.3 kPa)이 가장 낮음을 도 5를 통해 알 수 있다. 그에 따라, 제1격막 영역(211)의 수직 변위가 가장 크고 제3격막 영역(213)의 수직 변위가 가장 작게 된다.
본 시뮬레이션에서는 작동 유체 챔버(321, 322, 323)가 존재하는 점을 고려하지 않았다. 즉, 격막 영역(211, 212, 213)의 수직 변위는 작동 유체 챔버(321, 322, 323)의 두께(여기서는 10 ㎛)에 의해 제한된다.
격막 영역(211, 212, 213)이 작동 유체 챔버(321, 322, 323)의 바닥면과 접촉하는 것까지 고려하여 시뮬레이션을 수행하였다. 여기서는 MSC Sofrware사의 Marc-Mentat가 이용되었다.
도 6은 격막 영역(211, 212, 213)과 작동 유체 챔버(321, 322, 323) 사이의 접촉을 고려한 격막 레이어(200)의 수직 변위를 나타낸 시뮬레이션 결과이다. 도 6에서 가로축은 각각의 액추에이터(111, 112, 113)의 중심을 기준으로 도 1에 표시된 V-V'선과 수직한 선에 따르는 거리를 나타내고 세로축은 격막 레이어(200)의 수직 변위를 나타낸다. 즉, 도 6에서 가로축의 좌표 0은 각각의 액추에이터(111, 112, 113)의 중심을 의미한다. 또한, 제1격막 영역(211)의 변위는 실선으로 표시되었고, 제2격막 영역(212)의 변위는 점선으로 표시되었고, 제3격막 영역(213)의 변위는 일점 쇄선으로 표시되었다.
도 6을 통해서, 각각의 격막 영역(211, 212, 213)이 각각의 작동 유체 챔버(321, 322, 323)의 바닥면과 접촉하는 면적이 달라진다는 것을 알 수 있다. 이는 각각의 액추에이터(111, 112, 113)의 압력이 다르기 때문이다. 이러한 격막 영역(211, 212, 213)의 변형은 작동 유체 채널(310)에 있는 작동 유체를 밀어내고, 그 양은 소위 액추에이터의 행정 체적(stroke volume)이 된다. 즉, 도 6에서 각 격막 영역(211, 213, 213)의 수직 변위를 나타낸 선과 수직 변위가 0인 선 사이의 영역(A)이 각 액추에이터(111, 112, 113)가 밀어낸 작동 유체의 양, 즉, 행정 체적을 의미하게 된다.
도 6을 통해서, 각각의 액추에이터(111, 112, 113)의 행정 체적이 서로 다른 것을 확인할 수 있다. 가장 큰 압력이 걸리는 제1액추에이터(111)의 행정 체적이 가장 크고, 가장 낮은 압력이 걸리는 제3액추에이터(113)의 행정 체적이 가장 작다. 본 시뮬레이션 결과에 따르면, 제1액추에이터(111)의 예측된 행정 체적은 6.80×10-12 ㎣이고, 제2액추에이터(112)의 예측된 행정 체적은 6.40×10-12 ㎣이고, 제1액추에이터(113)의 예측된 행정 체적은 5.88×10-12 ㎣이었다.
도 7 및 도 8a-8g을 참조하여, 마이크로 펌프(10)의 작동 과정을 더욱 상세히 설명한다.
도 7은 압축 유체가 공급된 제1포트(131)에서 측정된 시간에 따른 압력의 변화를 나타내고, 도 8a-8g는 작동 유체가 이송되는 과정을 나타낸다.
제1포트(131)를 통해서 공급되는 압축 유체는 도 7에 도시된 바와 같이 구형파(square wave) 형태로 공급될 수 있다. 즉, 압력 해제 과정과 압력 인가 과정으로 한 사이클(C)이 이루어진다. 도 8a-8d는 압력 해제 과정(즉, 사이클(C)의 전반부)에 대응되고, 도 8e-8g는 압력 인가 과정(즉, 사이클(C)의 후반부)에 대응된다.
우선, 도 8a는 압축 유체가 마이크로 펌프(10)로 공급되어 제1, 2, 3격막 영역(211, 212, 213)이 완전히 하강한 상태를 나타낸다.
제1포트(131)를 통해 압축 공기가 공급되지 않는 압력 해제 과정에서는, 제1, 2, 3액추에이터(111, 112, 113)의 압력이 순차적으로 감소한다.
도 8b와 같이 제1액추에이터(111)의 압력이 감소함에 따라 제1격막 영역(211)이 원래 상태로 복귀한다. 그에 의해 제1액추에이터(111)의 행정 체적(V1)만큼 작동 유체 채널(310)에 있는 작동 유체가 도 8b의 화살표 방향(도면을 기준으로 왼쪽)으로 이송된다.
다음으로, 도 8c와 같이 제2액추에이터(112)의 압력이 감소함에 따라 제2격막 영역(212)이 원래 상태로 복귀한다. 그에 의해 제2액추에이터(112)의 행정 체적(V2)만큼 작동 유체가 왼쪽으로 이송될 수 있다. 전체적으로 봤을 때, 작동 유체는 왼쪽으로 V1+V2 만큼 이송된다.
다음으로, 도 8d와 같이 제3액추에이터(113)의 압력이 감소함에 따라 제3격막 영역(213)이 원래 상태로 복귀한다. 그에 의해 제3액추에이터(113)의 행정 체적(V3)만큼 작동 유체가 왼쪽으로 이송될 수 있다. 전체적으로 봤을 때, 작동 유체는 왼쪽으로 V1+V2+V3 만큼 이송된다.
이와 같이, 압력 해제 과정 동안에는 V1+V2+V3 만큼의 작동 유체가 왼쪽으로 이송된다.
제1포트(131)를 통해 압축 공기가 공급되는 압력 인가 과정에서는, 제1, 2, 3액추에이터(111, 112, 113)의 압력이 순차적으로 증가한다.
도 8e와 같이 제1액추에이터(111)의 압력이 증가함에 따라 제1격막 영역(211)이 하강한다. 그에 의해 제1액추에이터(111)의 행정 체적(V1)의 절반만큼 작동 유체가 서로 반대편으로 이송된다.
다음으로, 도 8f와 같이 제2액추에이터(112)의 압력이 증가함에 따라 제2격막 영역(212)이 하강한다. 제2격막 영역(212)의 오른쪽은 제1격막 영역(211)이 작동 유체 채널(310)을 밀폐하고 있어서 작동 유체는 오른쪽으로 이송되지 못한다. 따라서 제2액추에이터(112)의 행정 체적(V2)만큼 작동 유체가 왼쪽으로 이송된다. 전체적으로 봤을 때, 작동 유체는 오른쪽으로는 1/2×V1 만큼 이송되고 왼쪽으로는 1/2×V1+V2 만큼 이송된다.
다음으로, 도 8g와 같이 제3액추에이터(113)의 압력이 증가함에 따라 제3격막 영역(213)이 하강한다. 제3격막 영역(213)의 오른쪽은 제2격막 영역(212)이 자동 유체 채널(310)을 밀폐하고 있어서 작동 유체는 오른쪽으로 이송되지 못한다. 따라서 제3액추에이터(113)의 행정 체적(V3)만큼 작동 유체가 왼쪽으로 이송된다. 전체적으로 봤을 때, 작동 유체는 오른쪽으로는 1/2×V1 만큼 이송되고 왼쪽으로는 1/2*V1+V2+V3 만큼 이송된다.
결과적으로, 압력 인가 과정 동안에는 V2+V3 만큼의 작동 유체가 왼쪽으로 이송된다.
따라서, 한 싸이클(C) 동안에 작동 유체는 V1+2×V2+2×V3의 체적만큼 이송될 수 있다. 이와 같이 본 발명의 일 실시 예에서는, 제1, 2, 3격막 영역(211, 212, 213)이 위상 차이를 가지고 순차적으로 변형됨으로써 작동 유체가 작동 유체 채널(310) 내에서 이송될 수 있다.
앞에서는, 제1포트(131)를 통해 압축 공기가 공급되고 제2포트(132)는 외부로 개방된 경우를 설명하였다. 이와는 반대로, 제2포트(132)를 통해 압축 공기가 공급되고 제1포트가 외부로 개방된 경우에서는, 작동 유체가 반대로(즉, 도 8a-8g를 기준으로 오른쪽) 이송될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르는 마이크로 펌프(10)는 작동 유체를 양방향을 이송시킬 수 있는 장점을 가진다. 또한, 제1, 2포트(131, 132) 모두를 통해 압축 공기가 공급되면 마이크로 펌프(10)가 밸브로서 작동할 수 있다. 즉, 제1, 2포트(131, 132)를 통한 압력 인가 방식을 적절히 조절함으로써 본 발명으로 일 실시 예는 작동 유체를 양방향으로 이송시키는 펌프로서 이용될 수도 있고 작동 유체의 유동을 선택적으로 차단하는 밸브로서 이용될 수도 있다. 따라서 본 발명의 일 실시 예에 따르는 마이크로 펌프(10)은 높은 자유도를 가지고 다양한 장치에 적용될 수 있다.
앞서서 살펴본 바와 같이, 액추에이터의 행적 체적은 마이크로 펌프(10)가 이송하는 작동 유체의 양과 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다. 즉, 액추에이터의 행정 체적이 높이게 되면 마이크로 펌프(10)의 펌핑 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 액추에이터의 행정 체적을 높이기 위하여, 작동 유체 채널(310)에서 제1, 2, 3액추에이터(111, 112, 113)에 대응되는 위치에 제1, 2, 3작동 유체 챔버(321, 322, 323)가 배치된다. 이러한 작동 유체 챔버(321, 322, 323)에 의해 액추에이터(111, 112, 113)의 행정 체적을 크게 늘릴 수 있으며, 그에 의해 펌핑 효율을 향상시킨다.
도 3을 참조하면 알 수 있듯이, 격막 영역(212)이 완전히 하강하더라도 자동 유체 챔버(322)의 가장자리와 하강한 격막 영역(212)의 사이에는 약간의 공간(330)이 존재하게 된다. 이 공간(330)에 해당되는 체적은 사체적(dead volume)이 되며, 이는 액추에이터(112)의 행정 체적의 손실을 야기한다. 이런 현상은 도 6을 통해서도 확인할 수 있다. 마이크로 펌프(10)는 매우 미소한 양의 작동 유체를 이송하는 것이기 때문에, 사체적이 매우 작더라도 펌핑 효율에 상당한 영향을 미치게 된다.
동일한 면적을 갖는 다른 형상(예컨대, 정방형)과 비교하여, 원형 형상은 둘레 길이가 가장 작다. 본 발명의 일 실시 예에서는 액추에이터(111, 112, 113)와 작동 유체 챔버(321, 322, 323)가 원형 형상을 갖도록 구성되어서 사체적을 최소화할 수 있으며 그에 의해 펌핑 효율을 향상시킬 수 있다.
도 8f와 관련하여 앞서 설명한 바와 같이, 제2격막 영역(212)이 하강할 때 제1격막 영역(211)이 유동 채널(310)을 막고 있다. 하지만 실질적으로 사체적이 존재하기 때문에 제1격막 영역(211)이 유동 채널(310)을 완전히 밀폐하지 못하여 일부 작동 유체가 오른쪽으로 역류할 수 있다. 이런 일부 작동 유체의 역류는 펌핑 효율의 감소를 초래한다. 본 발명의 일 실시 예에서는 앞서 설명한 바와 같이, 사체적을 최소화되기 때문에 작동 유체의 역류 현상이 개선될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에서는 액추에이터(111, 112, 113)가 작동 유체 챔버(321, 322, 323)보다 크게 형성된다. 그 결과, 격막 영역(211, 212, 213)이 하강할 경우 격막 영역(211, 212, 213)은 작동 유체 챔버(321, 322, 323)를 밀폐할 뿐만 아니라 작동 유체 챔버(321, 322, 323)와 인접한 작동 유체 채널(310)의 일부 영역(310a, 310b, 310c; 도 1 참조)도 밀폐하게 된다. 이로써 작동 유체의 역류 현상의 크게 개선될 수 있으며 펌핑 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 펌프(10)에 16 kPa의 압축 공기가 공급된 경우, 작동 유체의 유량을 실험적으로 측정한 결과는 5.7 nL/min로 관측되었다. 작동 유체 챔버가 없고 액추에이터가 정방형 형상을 갖는 마이크로 펌프에 40 kPa의 압축 공기가 공급된 경우, 작동 유체의 유량을 실험적으로 측정한 결과는 1.72 nL/min로 관측되었다. 이와 같이 본원발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 펌프(10)는 40%의 압력만으로도 3.3배 많은 유량의 작동 유체를 이송할 수 있었다.
도 9는 도 1에 도시된 마이크로 펌프(10)의 전기적 상사 시스템을 나타낸 것이다. 도 9에 도시된 전기적 상사 시스템을 통하여 마이크로 펌프(10)의 작동을 더욱 명확히 이해할 수 있을 것이다.
압축 유체의 압력은 전기적 상사 시스템의 전압(V)에 대응되고, 압축 유체의 유량은 전기적 상사 시스템의 전류(i)에 대응되고, 유체 저항은 전기적 상사 시스템의 저항(R)에 대응되고, 액추에이터의 유체 커패시턴스는 전기적 상사 시스템의 커패시턴스(C)에 대응된다. 여기서, 액추에이터의 유체 커패시턴스는 압력 변화에 대한 부피 변화의 비율(dV/dP)를 의미한다.
더욱 구체적으로, 제1포트 연결 채널(141)의 유체 저항은 도 9의 R1에 대응되고, 제1연결 채널(121)의 유체 저항은 도 9의 R2에 대응되고, 제2연결 채널(122)의 유체 저항은 도 9의 R3에 대응되고, 제2포트 연결 채널(142)의 유체 저항은 도 9의 R4에 대응된다. 또한, 제1액추에이터(111)의 유체 커패시턴스는 도 9의 C1에 대응되고, 제2액추에이터(112)의 유체 커패시턴스는 도 9의 C2에 대응되고, 제3액추에이터(113)의 유체 커패시턴스는 도 9의 C3에 대응된다.
도 9를 통해서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시 예에 따르는 마이크로 펌프(10)는 트리플(triple) 저역 통과 RC 필터(low-pass RC filter)로 상사될 수 있다.
일반적으로 연동형 마이크로 펌프에서는 복수의 액추에이터를 제어하는 복수의 제어 신호가 필요하게 된다. 이는 액추에이터 각각에 별도의 압력 유체 공급 라인을 만들어야 된다는 것을 의미한다. 이로써 연동형 마이크로 펌프의 구조 및 제조공정이 복잡해지고 전체적인 마이크로 유체 시스템의 크기가 증가하는 문제가 발생한다. 그러나, 도 7 및 도 8a-8g과 도 9의 전기적 상사 시스템으로 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시 예에서는 단지 하나의 제어 신호만으로도 복수의 액추에이터(111, 112, 113)를 순차적으로 제어할 수 있기 때문에 단지 하나의 압력 유체 공급 라인만이 요구된다. 따라서 연동형 마이크로 펌프(10)의 구조 및 제조공정이 단순해지고 전체적인 마이크로 유체 시스템의 크기를 줄일 수 있다.
도 10은 마이크로 펌프의 스텝 응답(step response)을 나타낸 그래프이다. 도 10에서 실선은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 마이크로 펌프(10)의 스텝 응답을 나타내고, 점선은 제1, 2연결 채널(121, 122)이 직선 형상을 가진 경우의 스텝 응답을 나타낸다. 스텝 응답을 계산하기 위하여 도 9에 도시된 전기적 상사 시스템을 이용하였다. 즉, 제1, 2연결 채널(121, 122)이 직선 형상을 가진 경우와 제1, 2연결 채널(121, 122)이 구불구불한(serpentine) 형상을 가진 경우의 대응되는 저항을 R2, R3에 적용하였다.
도 10을 통해서, 제1, 2연결 채널(121, 122)의 유체 저항이 줄어들게 되면 응답 시간이 매우 짧아지게 됨을 알 수 있다. 이는 제1, 2, 3격막 영역(211, 212, 213)이 즉각적으로 작동 유체 채널(310)를 막게 되는 것을 의미한다. 따라서, 제1, 2, 3격막 영역(211, 212, 213)이 마치 하나의 밸브처럼 작동하게 되어 작동 유체를 이송하지 못한다. 이로써, 제1, 2, 3격막 영역(211, 212, 213)의 순차적인 변형이 가능해지기 위해서는 제1, 2연결 채널(121, 122)에 일정량 이상의 유체 저항이 필요함을 알 수 있다. 제1, 2, 3액추에이터(111, 112, 113) 사이의 간격을 유지하면서 제1, 2연결 채널(121, 122)의 유체 저항을 높이기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에서는 제1, 2연결 채널(121, 122)이 구불구불한 형상을 가지도록 구성되어 복수의 액추에이터(111, 112, 113)의 시지연(time delay) 효과를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는, 액추에이터의 작동을 위해 압축 유체(예컨대, 압축 공기)가 이용되었다. 따라서 압전 소자와 같이 전기를 이용하는 마이크로 펌프와 비교하여, 줄 가열에 따른 열 발생으로 인한 열적 문제가 발생하지 않는다.
본 발명의 일 실시 예에서는, 액추에이터 레이어(100)가 작동 유체 채널 레이어(300) 위에 배치되고 그 사이에 격막 레이어(200)가 배치되었다. 그러나, 액추에이터 레이어(100)가 작동 유체 채널 레이어(300) 밑에 배치되고 그 사이에 격막 레이어(200)가 배치되는 것도 가능하다. 즉, 액추에이터 레이어(100)가 작동 유체 채널 레이어(300)에 인접하게 배치되어 격막 레이어(200)가 작동 유체 채널(310)을 막을 수만 있다면 이들 레이어(100, 200, 300)의 배치관계는 적절히 변형되어 실시될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시 예에서는, 3개의 액추에이터(111, 112, 113)가 사용되었으나 액추에이터의 수는 필요에 따라 적절히 변형되어 실시될 수 있다. 즉, 액추에이터의 수는 2개 또는 4개 이상이 사용될 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 마이크로 펌프(20)의 분해 사시도를 나타낸 것이다. 앞선 실시 예에서 동일한 기능을 수행하는 구성요소에는 동일한 참조부호를 부여하여 자세한 설명은 생략하기로 한다.
격막 레이어(200)와 작동 유체 채널 레이어(300)가 일체로 형성된다는 점을 제외하고는, 도 11의 실시 예는 앞선 실시 예와 실질적으로 동일하다. 본 실시 예에서는, 작동 유체 채널 레이어(300)의 저면이 다른 구조물에 접합됨으로써 작동 유체 채널(310)을 통해 작동 유체가 이송될 수 있다. 격막 레이어(200)와 작동 유체 채널 레이어(300)가 일체로 형성되기 때문에, 마이크로 펌프(20)의 제조공정이 단순해 질 수 있다.
이하, 본 발명의 마이크로 펌프(10, 20)의 제조 방법을 설명한다.
마이크로 펌프(10, 20)의 제조 방법은, 액추에이터 레이어(100)의 제공 단계, 작동 유체 채널 레이어(300) 제공 단계, 격막 레이어(200) 제공 단계, 결합 단계, 및 제1, 2포트(131, 132) 천공 단계를 포함한다.
액추에이터 레이어(100)에 제공 단계에서는, 5: 1(PDMS 베이스 5: 경화제 1) PDMS 혼합물을 액추에이터 레이어용 SU8 몰드에 넣고 75℃에서 10분간 경화시킨다. 액추에이터 레이어용 SU8 몰드에는 제1, 2, 3액추에이터(111, 112, 113), 제1, 2연결 채널(121, 122), 제1, 2포트 연결 채널(141, 42)에 대응되는 패턴이 형성되어 있다. 따라서 경화가 완료된 후에, 액추에이터 레이어(100)는 도 2에 도시된 바와 같은 형상을 갖게 된다. 5: 1 PDMS 혼합물을 사용하기 때문에, 액추에이터 레이어(100)는 일정 정도의 강성을 가질 수 있다.
작동 유체 채널 레이어(300) 제공 단계에서는, 5: 1 PDMS 혼합물을 작동 유체 채널 레이어용 SU8 몰드에 넣고 75℃에서 10분간 경화시킨다. 작동 유체 채널 레이어용 SU8 몰드에는 작동 유체 채널(310) 및 제1, 2, 3작동 유체 챔버(321, 322, 323)에 대응되는 패턴이 형성되어 있다. 따라서 경화가 완료된 후에, 작동 유체 채널 레이어(300)는 도 2에 도시된 바와 같은 형상을 갖게 된다. 5: 1 PDMS 혼합물을 사용하기 때문에, 작동 유체 채널 레이어(100)는 일정 정도의 강성을 가질 수 있다.
격막 레이어(200) 제공 단계에서는, 20: 1 PDMS 혼합물을 격막 레이어용 SU8 몰드에 넣고 75℃에서 10분간 경화시킨다. 20: 1 PDMS 혼합물을 사용하기 때문에, 격막 레이어(200)는 유연성을 갖게 되어 탄성 변형이 가능하다.
이와는 다르게, 도 11의 실시 예와 같이 작동 유체 채널 레이어용 SU8 몰드에 있는 작동 유체 채널 레이어(300) 위에 20: 1 PDMS 혼합물을 도포하여 경화시킴으로써 격막 레이어(200)가 제공될 수 있다. 이 경우, 격막 레이어(200)와 작동 유체 채널 레이어(300)가 일체로 형성되기 때문에 제조 공정이 단순해 질 수 있다.
결합 단계에서는, 앞서 형성된 액추에이터 레이어(100), 격막 레이어(200), 및 작동 유체 채널 레이어(300)를 정렬하여 결합한다. 이들 레이어(100, 200, 300)를 결합하기 위해서 75℃에서 5분간 경화시킬 수 있다.
이들 레이어(100, 200, 300) 정렬과정에서 약간의 오차가 발생할 수도 있다. 그러나 본 발명의 일 실시 예에서는 액추에이터(111, 112, 113)가 작동 유체 챔버(321, 322, 323)보다 크게 형성되기 때문에 어느 정도의 정렬 오차를 허용할 수 있고 엄밀한 정렬의 필요성을 완화할 수 있다.
제1, 2포트(131, 132) 천공 단계에서는, 액추에이터 레이어(100)에 제1, 2포트(141, 142)를 천공한다.
이와 같이 모든 레이어(100, 200, 300)가 PDMS 혼합물로 만들어지기 때문에 제조 공정이 단순해 진다. 또한 이렇게 제조된 마이크로 펌프(10, 20)는 중합체 구조(polymeric structure)를 갖기 때문에 마이크로 펌프(10, 20)를 다른 마이크로 유체 시스템에 접합시키는 과정도 매우 쉬어진다.
본 발명은 예시적인 방법으로 설명되었다. 여기서 사용된 용어들은 설명을 위한 것이며, 한정의 의미로 이해되어서는 안 될 것이다. 상기 내용에 따라 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 따로 부가 언급하지 않는 한 본 발명은 청구범위의 범주 내에서 자유로이 실행될 수 있을 것이다.
10; 마이크로 펌프 100; 액추에이터 레이어
111, 112, 113; 액추에이터 121, 122; 연결 채널
131, 132; 포트 141, 142; 포트 연결 채널
200; 격막 레이어 211, 212, 213; 격막 영역
300; 작동 유체 채널 레이어 310; 작동 유체 채널
321, 322, 323; 작동 유체 챔버

Claims (14)

  1. 작동 유체 채널에서 작동 유체를 이송하는 연동형 마이크로 펌프로서,
    상기 작동 유체 채널에 인접하게 배치되며, 원형 형상을 갖는 복수의 액추에이터;
    상기 복수의 액추에이터를 직렬로 연결하는 적어도 하나의 연결 채널;
    직렬로 연결된 상기 복수의 액추에이터 중 양끝에 있는 액추에이터에 각각 연결되는 제1, 2포트; 및
    상기 작동 유체 채널과 상기 복수의 액추에이터 사이에 배치되며, 상기 복수의 액추에이터의 압력 변화에 따라 탄성 변형되어 상기 작동 유체를 이송할 수 있는 복수의 격막 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 연동형 마이크로 펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 격막 영역은 위상 차이를 가지고 순차적으로 변형되는 것을 특징으로 하는 연동형 마이크로 펌프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 2포트 중 어느 하나의 포트를 통해 압축 유체가 공급되며, 다른 하나의 포트는 외부로 개방되는 것을 특징으로 하는 연동형 마이크로 펌프.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압축 유체는 구형파(square wave) 형태로 공급되는 것을 특징으로 하는 연동형 마이크로 펌프.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연결 채널은 구불구불한(serpentine) 형상을 가져서 유체 저항을 높이는 것을 특징으로 하는 연동형 마이크로 펌프.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 작동 유체 채널에서 상기 액추에이터에 대응되는 위치에는 원형 형상을 갖는 복수의 작동 유체 챔버가 형성되는 것을 특징으로 하는 연동형 마이크로 펌프.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 액추에이터 각각은 대응되는 작동 유체 챔버보다 큰 것을 특징으로 하는 연동형 마이크로 펌프.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 액추에이터는 상기 작동 유체 채널을 따라 순차적으로 배치된 제1액추에이터, 제2액추에이터, 및 제3액추에이터를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 연결 채널은,
    상기 제1, 2액추에이터를 연결하는 제1연결 채널; 및
    상기 제2, 3액추에이터를 연결하는 제2연결 채널을 포함하고,
    상기 복수의 격막 영역은,
    상기 제1액추에이터에 의해 탄성 변형되는 제1격막 영역;
    상기 제2액추에이터의 의해 탄성 변형되는 제2격막 영역; 및
    상기 제3액추에이터의 의해 탄성 변형되는 제3격막 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 연동형 마이크로 펌프.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 격막 영역은 PDMS 혼합물로 만들어지는 것을 특징으로 하는 연동형 마이크로 펌프.
  10. 원형 형상을 갖는 복수의 액추에이터 및 상기 복수의 액추에이터를 직렬로 연결하는 적어도 하나의 연결 채널이 형성된 액추에이터 레이어를 제공하는 단계;
    작동 유체 채널 및 상기 복수의 액추에이터에 대응되는 위치에 원형 형상을 갖는 복수의 작동 유체 챔버가 형성된 작동 유체 채널 레이어를 제공하는 단계;
    상기 복수의 액추에이터의 압력 변화에 탄성 변형될 수 있는 격막 레이어를 제공하는 단계;
    상기 액추에이터 레이어, 상기 작동 유체 채널 레이어, 및 상기 격막 레이어를 정렬하여 결합하는 단계; 및
    상기 액추에이터 레이어에 제1, 2포트를 천공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연동형 마이크로 펌프의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 액추에이터 레이어, 상기 작동 유체 채널 레이어, 및 상기 격막 레이어는 PDMS 혼합물로 만들어지는 것을 특징으로 하는 연동형 마이크로 펌프의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 작동 유체 채널 레이어 및 상기 액추에이터 레이어는 5: 1 PDMS 혼합물로 만들어지고,
    상기 격막 레이어는 20: 1 PDMS 혼합물로 만들어지는 것을 특징으로 하는 연동형 마이크로 펌프의 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연결 채널은 구불구불한(serpetine) 형상을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연동형 마이크로 펌프의 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 액추에이터 각각은 대응되는 작동 유체 챔버보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 연동형 마이크로 펌프의 제조 방법.
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