KR101208303B1 - 미세 토출기 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미세 토출기 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 미세 토출기는 외부에서 유체가 유입되는 유입구와 챔버 형성용 홈부가 형성되는 상부 기판, 상기 유입구를 통하여 유입되는 유체가 저장되는 리저버를 제공하기 위한 리저버 형성용 홈부가 형성되는 하부 기판, 상기 상부 기판의 상부에 형성되어 챔버로 유체 토출의 구동력을 제공하는 압전 액추에이터, 및 상기 상부 기판을 지지하도록 상기 리저버 형성용 홈부의 저면에서 돌출 형성되는 적어도 하나의 지지대를 포함하고, 상기 적어도 하나의 지지대는 상기 상부 기판 중 상기 압전 액추에이터에 전압을 인가하기 위한 전기 접속부에 대응하는 부분을 지지하도록 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
Description
본 발명은 미세 토출기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
고도로 발달된 현대의 첨단기술 중에서 최근 가장 주목받는 기술분야의 하나는 생명공학기술(bio-technology)이다. 일반적으로 생명공학에서 사용되는 시료들은 인체에 관계된 것들이 많기 때문에 필연적으로 유체 혹은 유체 매질에 용해된 상태로 존재하는 미세 유체시료의 운송, 제어, 분석 등의 역할을 수행하는 미세 유체 시스템이 생명공학기술에서는 필수적인 요소기술이다.
이러한 마이크로 유체 시스템은 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용한 것으로서, 인슐린 등의 약물 또는 생체 활성 물질의 지속적인 체내주입, 단일 칩 시험장치(lab-on-a-chip), 신약개발을 위한 화학분석, 잉크젯 인쇄, 소형 냉각 시스템, 소형 연료전지분야 등과 같은 분야에서 응용되고 있다.
이러한 마이크로 유체 시스템에서 유체이송을 위한 필수적인 요소로서 마이크로 이젝터, 즉 미세 토출기가 사용되고 있으며, 특히, 의료 생체용 물질 이송을 위한 미세 토출기의 경우, 생체물질의 특성상 점성이 강하면서 도전성이 있는 유체를 다루어야하므로 주로 압전소자를 이용한 미세 토출기가 이용되고 있다.
압전소자를 이용한 미세 토출기는 내부에 유체가 이송되는 유로가 형성되는 기판과 상기 기판의 상부에 형성되는 압전소자로 이루어질 수 있다. 압전소자에 전압이 인가되면, 기판에 형성된 유로내의 챔버와 압전소자 사이의 기판 부분이 진동하여 상기 챔버의 체적을 변화시키고, 이로 인해 챔버 내 유체의 압력이 변화하여 유체가 노즐을 통하여 토출된다.
이렇게, 상기 기판 부분이 진동하면, 기판의 다른 부분에도 진동이 전달되고 되고, 특히 유체를 저장하는 리저버를 형성하기 위한 홈의 상부는 기판의 다른 부분에 비해 두께가 얇기 때문에 파손될 위험이 있다.
더욱이, 외부 전원으로부터 압전소자에 전원을 인가하기 위하여 상기 홈의 상부에 압전소자의 전기적 연결을 위한 구성, 예를 들어 접속핀이 배치되는 경우, 접속핀에 의해 가해지는 압력을 지탱할 필요가 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 압전소자에 의해 전달되는 진동 및 압전소자의 전기적 연결을 위한 구성에 의해 가해지는 압력으로부터 유로 형성 기판이 안정적으로 지탱되는 미세 토출기 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 토출기는 외부에서 유체가 유입되는 유입구와 챔버 형성용 홈부가 형성되는 상부 기판, 상기 유입구를 통하여 유입되는 유체가 저장되는 리저버를 제공하기 위한 리저버 형성용 홈부가 형성되는 하부 기판, 상기 상부 기판의 상부에 형성되어 챔버로 유체 토출의 구동력을 제공하는 압전 액추에이터, 및 상기 상부 기판을 지지하도록 상기 리저버 형성용 홈부의 저면에서 돌출 형성되는 적어도 하나의 지지대를 포함하고, 상기 적어도 하나의 지지대는 상기 상부 기판 중 상기 압전 액추에이터에 전압을 인가하기 위한 전기 접속부에 대응하는 부분을 지지하도록 형성될 수 있다.
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또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 토출기는 외부에서 유체가 유입되는 유입구와 챔버 형성용 홈부가 형성되는 상부 기판, 상기 유입구를 통하여 유입되는 유체가 저장되는 리저버를 제공하기 위한 리저버 형성용 홈부가 형성되는 하부 기판, 상기 상부 기판의 상부에 형성되어 챔버로 유체 토출의 구동력을 제공하는 압전 액추에이터, 및 상기 상부 기판을 지지하도록 상기 리저버 형성용 홈부의 저면에서 돌출 형성되는 적어도 하나의 지지대를 포함하고, 상기 리저버 형성용 홈부의 상기 챔버측에 유로 막힘을 방지하도록 형성된 필터부를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 필터부는 메시(mesh) 구조일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 토출기는 상기 상부 기판 및 상기 하부 기판 중 어느 하나에 상기 챔버 내의 유체가 상기 리저버로 역류하는 것을 방지하도록 상기 챔버와 상기 리저버 사이에 형성되는 리스트릭터 형성용 홈부를 더 포함하고, 상기 필터부는 상기 리스트릭터 형성용 홈부측에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 토출기는 상기 유입구의 상부에 외부에서 유입되는 유체를 실링하도록 형성되는 실링 부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 토출기에 있어서, 상기 상부 기판은 유체를 토출하기 위한 노즐 형성용 홈부를 포함하고, 상기 노즐 형성용 홈부는 상기 챔버에 가해지는 압력의 방향에 수직한 방향으로 유체를 토출하도록 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 토출기의 제조방법은 상부 기판에 챔버 형성용 홈부와 외부에서 유체가 유입되는 유입구를 형성하는 단계, 하부 기판에 리저버 형성용 홈부를 형성하는 단계, 상기 상부 기판을 지지하도록 상기 리저버 형성용 홈부내에 적어도 하나의 지지대를 형성하는 단계, 내부에 유로가 형성되도록 상기 상부 기판과 상기 하부 기판을 결합하는 단계, 및 상기 상부 기판의 챔버 형성용 홈부에 대응하는 부분 상에 유체 토출의 구동력을 제공하는 압전 액추에이터를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 지지대를 형성하는 단계는 상기 상부 기판 중 상기 압전 액추에이터에 전압을 인가하기 위한 전기 접속부에 대응하는 부분에 형성할 수 있다.
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또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 토출기의 제조방법은 상부 기판에 챔버 형성용 홈부와 외부에서 유체가 유입되는 유입구를 형성하는 단계, 하부 기판에 리저버 형성용 홈부를 형성하는 단계, 상기 상부 기판을 지지하도록 상기 리저버 형성용 홈부내에 적어도 하나의 지지대를 형성하는 단계, 내부에 유로가 형성되도록 상기 상부 기판과 상기 하부 기판을 결합하는 단계, 및 상기 상부 기판의 챔버 형성용 홈부에 대응하는 부분 상에 유체 토출의 구동력을 제공하는 압전 액추에이터를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 리저버 형성용 홈부의 상기 챔버측에 유로 막힘을 방지하도록 필터부를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 토출기의 제조방법은 상기 유입구의 상부에 외부에서 유입되는 유체를 실링하도록 실링 부재를 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 토출기의 제조방법에 있어서, 상기 적어도 하나의 지지대를 형성하는 단계는 상기 리저버 형성용 홈부를 형성하는 단계와 동시에 이루질 수 있다.
이때, 상기 적어도 하나의 지지대 및 상기 리저버 형성용 홈부는 상기 하부 기판을 식각함으로써 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 미세 토출기 및 이의 제조방법에 의하면, 압전소자에 의해 전달되는 진동 및 압전소자의 전기적 연결을 위한 구성에 의해 가해지는 압력으로부터 유로 형성 기판이 안정적으로 지탱될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기의 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 토출기의 유로 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 토출기의 수직 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 토출기의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기의 제조 방법에 있어서 상부 기판에 유로를 형성하는 과정을 나타내는 공정도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기의 제조 방법에 있어서 하부 기판에 유로를 형성하는 과정을 나타내는 공정도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기의 제조 방법에 있어서 미세 토출기를 완성하는 과정을 나타내는 공정도이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기가 장착된 미세 토출 장치의 유체 및 전원 공급부를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기가 미세 토출 장치에 장착된 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기의 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 토출기의 유로 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 토출기의 수직 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 토출기의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기의 제조 방법에 있어서 상부 기판에 유로를 형성하는 과정을 나타내는 공정도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기의 제조 방법에 있어서 하부 기판에 유로를 형성하는 과정을 나타내는 공정도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기의 제조 방법에 있어서 미세 토출기를 완성하는 과정을 나타내는 공정도이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기가 장착된 미세 토출 장치의 유체 및 전원 공급부를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기가 미세 토출 장치에 장착된 상태를 나타내는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 형태를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 형태에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 형태를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시 형태의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일하거나 유사한 참조부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기의 수직 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기(100)는 내부에 유로가 형성되는 상부 기판(10) 및 하부 기판(20)과, 유로 내로 유체 토출의 구동력을 제공하는 압전 액추에이터(30)를 포함한다.
상부 기판(10) 및 하부 기판(20)은 단결정 실리콘 기판이나, 두 개의 실리콘층 사이에 절연층이 형성되는 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼로 이루어질 수 있다. 이때 상부 기판(10) 및 하부 기판(20) 모두 단결정 실리콘 기판 또는 SOI 웨이퍼로 이루어질 수 있으며, 또는 상부 기판(10) 및 하부 기판(20) 중 하나는 단결정 실리콘 기판으로, 다른 하나는 SOI 웨이퍼로 이루어질 수도 있다.
상부 기판(10)은 외부에서 유체가 유입되는 유입구(11), 챔버 형성용 홈부(12) 및 노즐 형성용 홈부(13)를 포함한다.
유입구(11)는 상부 기판(10)의 두께를 관통하여 형성되고, 챔버 형성용 홈부(12) 및 노즐 형성용 홈부(13)는 상부 기판(10)의 두께 방향에서 상측으로 함입 형성된다. 이들 홈부의 형성은 건식 또는 습식 식각에 의해 이루어질 수 있다.
하부 기판(20)은 리저버 형성용 홈부(21) 및 리스트릭터 형성용 홈부(23)를 포함할 수 있다. 리스트릭터 형성용 홈부(23)는 상부 기판(10)에 형성될 수도 있다.
리저버 형성용 홈부(21)내에는 리저버 형성용 홈부(21)의 상측에 위치하여 리저버(121)를 형성하는 상부 기판(10)의 부분(리저버 형성부)을 지지하는 지지대(22)가 형성될 수 있다.
지지대(22)는 리저버 형성용 홈부(21)의 저면에서 돌출 형성되고, 상부 기판(10)의 리저버 형성부와 접하도록 연장될 수 있다. 지지대(22)는 적어도 하나 이상인 것이 바람직하다.
리저버 형성용 홈부(21) 및 리스트릭터 형성용 홈부(23)는 하부 기판(20)을 건식 또는 습식 식각함으로써 형성될 수 있으며, 리저버 형성용 홈부(21)를 형성할 때 지지대(22) 부분을 남기고 식각함으로써 지지대(22)를 동시에 형성할 수 있다.
이렇게 유로 형성을 위한 홈부들이 형성된 상부 기판(10) 및 하부 기판(20)을 접합함으로써, 유입구(11)를 통하여 유입되는 유체가 저장되는 리저버(121), 유체를 외부로 토출하는 노즐(113), 노즐(113)로 유체를 이송하는 챔버(112), 챔버(112)내의 유체가 리저버(121)로 역류하는 것을 방지하는 리스트릭터(123)가 형성된다.
압전 액추에이터(30)는 상부 기판(10)의 상면에 챔버(112)에 대응하도록 형성되며, 공통 전극의 역할을 하는 하부 전극(31), 전압의 인가에 따라 변형되는 압전막(32), 및 구동 전극의 역할을 하는 상부 전극(32)을 포함하여 구성될 수 있다.
하부 전극(31)은 상부 기판(10)의 표면에 형성될 수 있으며, 하나의 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있으나, 티타늄(Ti)과 백금(Pt)으로 이루어진 두 개의 금속 박막층으로 구성되는 것이 바람직하다.
압전막(32)은 하부 전극(31) 위에 형성되며, 챔버(112)의 상부에 위치하도록 배치된다. 이러한 압전막(32)은 압전 물질, 바람직하게는 PZT(Lead Zirconate Titanate) 세라믹 재료로 이루어질 수 있다.
상부 전극(33)은 압전막(32) 위에 형성되며, Pt, Au, Ag, Ni, Ti 및 Cu 등의 물질 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
하부 전극(31)과 상부 전극(33)에는 외부 전원과 전기적 연결을 위한 접속 부재가 접촉하는 전기 접속부(A, B)가 챔버(112) 외측, 즉 리저버(121)측에 형성될 수 있다.
이를 위해, 압전막(32)과 상부 전극(33)은 상부 전극(33)의 전기 접속부(A)만큼 챔버(112)의 길이방향에서 리저버(121)측으로 연장되고, 하부 전극(31)은 압전막(32)과 상부 전극(33)에서 하부 전극(31)의 전기 접속부(B)만큼 더 연장되어 형성될 수 있다.
이때, 지지대(22)는 전기 접속부(A, B)에 대응하는 부분에 형성될 수 있다. 따라서 전기 접속부(A, B)에 접촉하는 접속 부재, 예를 들어 접속핀에 의해 가해지는 압력으로부터 상부 기판(10)의 리저버 형성부가 지지될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 토출기의 유로 구조를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 토출기는 유로 내에 필터부를 더 구비하고 있는 것으로, 이외의 구성은 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기와 동일하므로, 이들 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 토출기는 유로 내에 필터부(24)를 구비하고 있다. 필터부(24)는 리저버(121)의 챔버(112)측, 더욱 상세하게는 리스트릭터(123)측에 유로 막힘을 방지하도록 형성되며, 일정한 크기의 틈이 형성된 메시(mesh) 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 필터부(24)는 유체를 토출하는 노즐(113)의 개구부의 직경보다 작거나 동일한 크기의 틈이 형성된 메시로 이루어질 수도 있다.
이로 인해, 외부에서 유입되는 불순물이나 미립자가 노즐(113)의 개구부를 막지 않기 때문에, 유로가 막히는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 토출기의 수직 단면도이고, 도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 토출기의 평면도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 토출기는 유체가 유입되는 유입구에 실링 부재를 더 구비하고 있는 것으로, 이외의 구성은 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기와 동일하므로, 이들 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 토출기는 유입구(11)의 상부에 외부에서 유입되는 유체를 실링하도록 실링 부재(40)가 형성되어 있다.
실링 부재(40)는 유입구(11)의 둘레를 둘러싸도록 형성될 수 있으며, 유입구(11)에 연결되는 유체 공급부(50)의 유체(55)가 유입구(11) 밖으로 누출되지 않도록 한다. 또한, 실링 부재(40)는 유입구(11)에 연결되는 유체 공급부(50)의 압력을 지지할 수도 있다. 실링 부재(40)는 링 부재나 탄성 부재로 형성될 수 있다.
이하에서는 상기한 구성을 가진 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기의 제조 방법을 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기의 제조 방법에 있어서 상부 기판에 유로를 형성하는 과정을 나타내는 공정도이고, 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기의 제조 방법에 있어서 하부 기판에 유로를 형성하는 과정을 나타내는 공정도이며, 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기의 제조 방법에 있어서 미세 토출기를 완성하는 과정을 나타내는 공정도이다.
우선, 본 발명의 바람직한 제조 방법을 개략적으로 설명하면, 상부 기판 및 하부 기판에 유로를 형성하고, 하부 기판 상에 상부 기판을 적층하여 접합함으로써 본 실시예에 따른 미세 토출기가 완성된다. 한편, 상부 기판과 하부 기판에 유로를 형성하는 단계들은 순서에 관계없이 수행될 수 있다. 즉, 상부 기판과 하부 기판 중 어느 하나에 유로를 형성할 수도 있으며, 상부 기판과 하부 기판에 동시에 유로가 형성될 수도 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의상 상부 기판에 유로를 형성하는 공정을 먼저 설명하기로 한다.
도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 상부기판(10)으로서 대략 100~200㎛ 정도의 두께를 가진 단결정 실리콘 기판을 준비한다.
다음으로, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 상부 기판(10)에 유입구(11), 챔버 형성용 홈부(12) 및 노즐 형성용 홈부(13)를 형성한다. 이는 포토레지스트(photoresist)를 이용한 식각에 의하여 이루어질 수 있다.
즉, 상부 기판(10)의 하면에 포토레지스트를 도포하고, 도포된 포토레지스트를 패터닝하여, 유입구(11), 챔버 형성용 홈부(12) 및 노즐 형성용 홈부(13)에 대응하는 개구부를 형성한다. 이때, 포토레지스트의 패터닝은 노광과 현상을 포함하는 잘 알려진 포토리소그래피(photolithography) 방법에 의해 이루어질 수 있으며, 이하에서 설명되는 다른 포토레지스트들의 패터닝도 이와 동일한 방법으로 이루어질 수 있다.
패터닝된 포토레지스트를 식각 마스크로 하여 상기 개구부를 통하여 노출된 부위를 식각하여 유입구(11), 챔버 형성용 홈부(12) 및 노즐 형성용 홈부(13)를 형성한다. 이때, 상부 기판(10)의 식각은 유도결합 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma)를 이용한 반응성 이온 식각(RIE)과 같은 건식 식각 방법이나, 실리콘용 에칭액(etchant)으로서, 예컨대 테트라메틸 수산화 암모늄(TMAH: Tetramethyl Ammonium Hydroxide) 또는 수산화 칼륨(KOH)을 이용한 습식 식각 방법에 의해 수행될 수 있다. 이러한 실리콘 기판의 식각은 이하에서 설명되는 다른 실리콘 기판에 대한 식각에도 동일하게 적용될 수 있다.
이상에서는 상부 기판(10)으로서 단결정 실리콘 기판을 사용하여 유로를 형성하는 것을 도시하고 설명하였으나, 상부기판(10)으로서 SOI 웨이퍼를 사용할 수도 있음은 물론이다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 하부 기판(20)으로서 대략 수백 ㎛의 두께, 바람직하게는 대략 210㎛ 정도의 두께를 가진 단결정 실리콘 기판을 준비한다.
다음으로, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 하부 기판(20)을 습식 및/또는 건식 식각하여 리저버 형성용 홈부(21) 및 리스트릭터 형성용 홈부(23)를 형성한다. 이는 상부 기판(10)에 유로를 형성하는 공정과 마찬가지로 포토레지스트를 이용한 식각에 의하여 이루어질 수 있다.
즉, 하부 기판(20)의 하면에 포토레지스트를 도포하고, 도포된 포토레지스트를 패터닝하여, 리저버 형성용 홈부(21) 및 리스트릭터 형성용 홈부(23)를 형성하기 위한 개구부를 형성한다. 이때, 포토레지스트의 패터닝은 전술한 바와 같이 포토리소그래피 방법에 의해 이루어질 수 있다.
리저버 형성용 홈부(21)를 형성하기 위한 개구부를 형성하는 경우, 지지대(22)를 형성하기 위한 부분을 제외한 부분에 개구부를 형성한다.
다음으로, 패터닝된 포토레지스트를 식각 마스크로 하여 상기 개구부를 통하여 노출된 부위를 식각하여, 리저버 형성용 홈부(21) 및 리스트릭터 형성용 홈부(23)를 형성한다. 이때, 지지대(22)를 형성하기 위한 부분이 노출되지 않기 때문에, 지지대(22)는 리저버 형성용 홈부(21)의 식각에 의해 한번에 형성될 수 있다. 즉, 지지대(22)의 형성과 리저버 형성용 홈부(21)의 식각이 동시에 이루어질 수 있다.
하부 기판(20)의 식각은 TMAH 또는 KOH를 이용한 습식 식각이나, ICP를 이용한 RIE와 같은 건식 식각 방법에 의한다.
이상에서는 하부 기판(20)으로서 단결정 실리콘 기판을 사용하여 유로를 형성하는 것을 도시하고 설명하였으나, 하부 기판(20)으로서 SOI 웨이퍼를 사용할 수도 있음은 물론이다.
도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 이렇게 유로가 형성된 상부 기판(10) 및 하부 기판(20)을 접합한다. 하부 기판(20) 상에 상부 기판(10)을 적층하고 실리콘 직접 접합(Silicon Direct Bonding, SDB)을 통하여 접합할 수 있다.
즉, 상부 기판(10)의 하면과 하부 기판(20)의 상면을 접합면으로 하여, 이들 접합면을 밀착한 후, 열처리함으로써 접합할 수 있다.
이렇게 상부 기판(10)과 하부 기판(20)을 접합하면, 유로로서 리저버(121), 리스트릭터(123), 챔버(112) 및 노즐(113)이 형성될 수 있다.
다음으로, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 상부 기판(10)상의 챔버(112)에 대응하는 부분에 압전 액츄에이터(30)를 형성한다. 상부 기판(10)의 표면에 하부 전극(31)을 형성하고, 하부 전극(32)의 상부에 압전막(32)을 형성한 후, 압전막(32)상에 상부 전극(33)을 형성한다.
상부 전극(33)은 외부 전원과의 전기 접속을 위하여 챔버(112)의 길이방향 외측, 즉 리저버(121)측으로 연장하여 형성되고, 이때 상부 전극(33)을 지지하기 위하여 압전막(32)도 상부 전극(33)의 전기 접속부만큼 길게 형성된다.
하부 전극(31)도 외부 전원과의 전기 접속을 위하여 챔버(112)의 길이방향 외측, 즉 리저버(121)측으로 상부 전극(33)과 압전막(32)보다 더 길게 연장하여 형성될 수 있다.
이하에서는 상기한 구성을 가진 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기가 장착되는 미세 토출 장치를 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기가 장착된 미세 토출 장치의 유체 및 전원 공급부를 나타내는 도면이고, 도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기가 미세 토출 장치에 장착된 상태를 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 토출기가 장착되는 미세 토출 장치는 미세 토출기(100), 지지 플레이트(200), 및 유로 플레이트(60a, 60b)를 포함할 수 있다. 도 9 및 도 10에는 미세 토출기(100)가 2열로 배치되어 있으므로, 유로 플레이트 또한 제1열의 미세 토출기 세트에 결합하는 유로 플레이트(60a) 및 제2열의 미세 토출기 세트에 결합하는 유로 플레이트(60b)를 개시하고 있으나, 이들 유로 플레이트(60a, 60b)의 구조는 동일하므로, 이하에서는 설명의 편의상 유로 플레이트(60a)의 구성을 살펴보기로 한다.
지지 플레이트(200)는 장착홈을 구비하여 미세 토출기(100)가 착탈 가능하게 장착될 수 있다. 따라서 미세 토출기(100)의 교체가 용이하게 이루어질 수 있다.
유로 플레이트(60a)는 유체가 유입되는 유체 인렛(62), 유입되는 유체를 저장하는 저장부, 및 각각의 미세 토출기(100)로 유체를 공급하기 위한 유체 아웃렛(64)을 포함할 수 있다.
유로 플레이트(60a)는 미세 토출기(100)가 결합된 지지 플레이트(200)와 결합하여, 미세 토출기(100)를 고정하고, 미세 토출기(100)의 교체시 지지 플레이트(200)로부터 분리가능하게 결합된다.
유로 플레이트(60a)는 미세 토출기(100)의 압전 액추에이터(30)와 대응하는 부분에 외부 전원으로부터 압전 액추에이터(30)에 전원을 인가하기 위한 연결 부재로서 접속핀(66)이 형성된다.
접속핀(66)은 하나의 미세 토출기당 다수의 핀으로 이루어질 수 있으며, 도 9에 도시된 접속핀(66) 중 하나는 하부 전극(31)에 다른 하나는 상부 전극(31)에 각각 접촉할 수 있다.
유로 플레이트(60a)는 일측에 전원 인가용 기판(68)을 구비할 수 있다. 전원 인가용 기판(68)에는 접속핀(66)이 삽입되는 관통홀(미도시)이 형성될 수 있다. 지지 플레이트(200)와 유로 플레이트(60a)의 결합시, 접속핀(66)이 관통홀에서 슬라이딩할 수 있다.
본 실시예에서는, 미세 토출 장치가 미세 토출기(100)가 장착되는 지지 플레이트(200)와 미세 토출기(100)에 유체를 공급하는 유로 플레이트(60a)를 포함하는 것을 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 이에 한하지 않으며, 유체 공급 및 전원 공급을 위한 다양한 설계 변경이 이루어질 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명했지만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예컨대, 본 발명에서 미세 토출기의 내부에 형성되는 유로 구성은 단지 예시된 것으로서, 이외에 필요한 구성을 더 포함할 수도 있으며, 유로 형성을 위한 가공 방법도 식각 이외에 화학 및 기계적 가공 방법이 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 상부 기판 11: 유입구
12: 챔버 형성용 홈부 13: 노즐 형성용 홈부
20: 하부 기판 21: 리저버 형성용 홈부
22: 지지대 23: 리스트릭터 형성용 홈부
24: 필터부 30: 압전 액추에이터
31: 하부 전극 32: 압전막
33: 상부 전극 40: 실링 부재
50: 유체 공급부 55: 유체
12: 챔버 형성용 홈부 13: 노즐 형성용 홈부
20: 하부 기판 21: 리저버 형성용 홈부
22: 지지대 23: 리스트릭터 형성용 홈부
24: 필터부 30: 압전 액추에이터
31: 하부 전극 32: 압전막
33: 상부 전극 40: 실링 부재
50: 유체 공급부 55: 유체
Claims (13)
- 외부에서 유체가 유입되는 유입구와 챔버 형성용 홈부가 형성되는 상부 기판;
상기 유입구를 통하여 유입되는 유체가 저장되는 리저버를 제공하기 위한 리저버 형성용 홈부가 형성되는 하부 기판;
상기 상부 기판의 상부에 형성되어 챔버로 유체 토출의 구동력을 제공하는 압전 액추에이터; 및
상기 상부 기판을 지지하도록 상기 리저버 형성용 홈부의 저면에서 돌출 형성되는 적어도 하나의 지지대;를 포함하고,
상기 적어도 하나의 지지대는 상기 상 부 기판 중 상기 압전 액추에이터에 전압을 인가하기 위한 전기 접속부에 대응하는 부분을 지지하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 토출기. - 삭제
- 외부에서 유체가 유입되는 유입구와 챔버 형성용 홈부가 형성되는 상부 기판;
상기 유입구를 통하여 유입되는 유체가 저장되는 리저버를 제공하기 위한 리저버 형성용 홈부가 형성되는 하부 기판;
상기 상부 기판의 상부에 형성되어 챔버로 유체 토출의 구동력을 제공하는 압전 액추에이터; 및
상기 상부 기판을 지지하도록 상기 리저버 형성용 홈부의 저면에서 돌출 형성되는 적어도 하나의 지지대;를 포함하고,
상기 리저버 형성용 홈부의 상기 챔버측에 유로 막힘을 방지하도록 형성된 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 토출기. - 제3항에 있어서,
상기 필터부는 메시(mesh) 구조인 것을 특징으로 하는 미세 토출기. - 제3항에 있어서,
상기 상부 기판 및 상기 하부 기판 중 어느 하나에 상기 챔버 내의 유체가 상기 리저버로 역류하는 것을 방지하도록 상기 챔버와 상기 리저버 사이에 형성되는 리스트릭터 형성용 홈부를 더 포함하고,
상기 필터부는 상기 리스트릭터 형성용 홈부측에 배치되는 것을 특징으로 하는 미세 토출기. - 제1항에 있어서,
상기 유입구의 상부에 외부에서 유입되는 유체를 실링하도록 형성되는 실링 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 토출기. - 제1항에 있어서,
상기 상부 기판은 유체를 토출하기 위한 노즐 형성용 홈부를 포함하고,
상기 노즐 형성용 홈부는 상기 챔버에 가해지는 압력의 방향에 수직한 방향으로 유체를 토출하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 토출기. - 상부 기판에 챔버 형성용 홈부와 외부에서 유체가 유입되는 유입구를 형성하는 단계;
하부 기판에 리저버 형성용 홈부를 형성하는 단계;
상기 상부 기판을 지지하도록 상기 리저버 형성용 홈부내에 적어도 하나의 지지대를 형성하는 단계;
내부에 유로가 형성되도록 상기 상부 기판과 상기 하부 기판을 결합하는 단계; 및
상기 상부 기판의 챔버 형성용 홈부에 대응하는 부분 상에 유체 토출의 구동력을 제공하는 압전 액추에이터를 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 적어도 하나의 지지대를 형성하는 단계는 상기 상부 기판 중 상기 압전 액추에이터에 전압을 인가하기 위한 전기 접속부에 대응하는 부분에 형성하는 것을 특징으로 하는 미세 토출기의 제조방법. - 삭제
- 상부 기판에 챔버 형성용 홈부와 외부에서 유체가 유입되는 유입구를 형성하는 단계;
하부 기판에 리저버 형성용 홈부를 형성하는 단계;
상기 상부 기판을 지지하도록 상기 리저버 형성용 홈부내에 적어도 하나의 지지대를 형성하는 단계;
내부에 유로가 형성되도록 상기 상부 기판과 상기 하부 기판을 결합하는 단계; 및
상기 상부 기판의 챔버 형성용 홈부에 대응하는 부분 상에 유체 토출의 구동력을 제공하는 압전 액추에이터를 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 리저버 형성용 홈부의 상기 챔버측에 유로 막힘을 방지하도록 필터부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 토출기의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 유입구의 상부에 외부에서 유입되는 유체를 실링하도록 실링 부재를 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 토출기의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 적어도 하나의 지지대를 형성하는 단계는 상기 리저버 형성용 홈부를 형성하는 단계와 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 토출기의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 적어도 하나의 지지대 및 상기 리저버 형성용 홈부는 상기 하부 기판을 식각함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 토출기의 제조방법.
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