KR101610197B1 - 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프 및 이를 이용한 용액 디스펜싱 방법 - Google Patents

압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프 및 이를 이용한 용액 디스펜싱 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디스펜싱 속도를 향상시키고 구조를 단순화시킨 새로운 구조의 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프 및 이를 이용한 용액 디스펜싱 방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 의한 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프는, 유입구와 저장부 및 토출구를 구비하는 밸브 몸체와, 저장부에 저장된 용액을 가압하여 토출구를 통해 토출할 수 있도록 저장부에 삽입되는 밸브 로드와, 밀폐된 공기 챔버와 공기 챔버에 연결되어 각각 공기압을 전달하는 제 1 유로 및 제 2 유로를 구비하는 펌프 몸체와, 제 1 유로 및/또는 상기 제 2 유로를 통해 전달되는 공기압에 따라 펌프 몸체에 대해 이동 가능하도록 공기 챔버에 설치되고 밸브 로드에 연결되는 피스톤과, 인가 전압에 따라 길이가 변하는 제 1 압전 액튜에이터의 작동에 의해 제 1 유로를 개폐하는 제 1 압전 밸브와, 인가 전압에 따라 길이가 변하는 제 2 압전 액튜에이터의 작동의 의해 상기 제 2 유로를 개폐하는 제 2 압전밸브를 포함하는 점에 특징이 있다.

Description

압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프 및 이를 이용한 용액 디스펜싱 방법{Piezo-Pneumatic Valve Driving Type Dispensing Pump and Method for Dispensing Viscous Liquid Using the Same}
본 발명은 디스펜싱 펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자제품 생산 공정 등에 사용되어 액상의 합성수지와 같은 용액을 정확한 용량으로 고속으로 디스펜싱할 수 있는 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프 및 이를 이용한 용액 디스펜싱 방법에 관한 것이다.
물, 기름, 레진 등의 액체 상태의 용액을 일정한 양으로 공급하는 디스펜서는 반도체 공정, 의료 분야 등 다양한 분야에 사용되고 있다.
특히 반도체 공정에는 언더필(underfill) 공정에 디스펜서가 많이 사용되며, 반도체 소자의 패키지 내부를 레진으로 채우는 용도로도 디스펜서가 많이 사용된다. LED 소자를 제조하는 공정에는 LED 소자에 형광물질과 레진이 혼합된 형광액을 LED 칩에 도포하는 공정에 디스펜서가 사용된다.
이와 같은 디스펜서에는 용액을 공급받아 정확한 위치에 정량을 디스펜싱하는 펌프가 핵심 장치로 사용된다.
현재 디스펜싱 펌프는 다양한 구동 방식을 이용하는 것이 개발된 바 있다. 예컨대, 등록특허공보 제1041067호(2011. 06. 13.)에는 회전캠과 캠팔로우의 상호작용에 의해 밸브를 승강시킴으로써 레진을 디스펜싱하는 펌프가 개시되어 있다. 그리고 등록특허공보 제1100828호(2012. 01. 02.)에는 모터와 LM 가이드 및 가이드 블록을 포함하는 승강 수단으로 피스톤을 승강시켜 용액을 디스펜싱하는 펌프가 개시되어 있다. 또한 등록특허공보 제1301107호(2013. 08. 27.)에는 압전 소자를 액츄에이터로 사용하는 압전 펌프가 개시되어 있다.
상술한 것과 같이, 현재 다양한 구조의 디스펜싱 펌프가 개발되었지만, 종래 기술의 단점을 보완하고 작동 효율을 향상시키는 등 구조 개선을 위한 다양한 연구 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출된 것으로, 종래에 비해 디스펜싱 속도를 향상시키고 구조를 단순화시킨 새로운 구조의 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프 및 이를 이용한 용액 디스펜싱 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프는, 외부로부터 용액을 공급 받는 유입구와, 상기 유입구를 통해 공급받은 용액이 저장되는 저장부와, 상기 저장부에 저장된 용액이 토출되는 토출구를 구비하는 밸브 몸체; 상기 밸브 몸체의 저장부에 저장된 용액을 가압하여 상기 토출구를 통해 토출할 수 있도록 상기 저장부에 삽입되는 밸브 로드; 밀폐된 공기 챔버와 상기 공기 챔버에 연결되어 각각 공기압을 전달하는 제 1 유로 및 제 2 유로를 구비하고, 상기 밸브 몸체와 결합되는 펌프 몸체; 상기 펌프 몸체의 공기 챔버 내부에 적어도 일부분이 수용되고, 상기 제 1 유로 및/또는 상기 제 2 유로를 통해 전달되는 공기압에 따라 상기 펌프 몸체에 대해 이동 가능하도록 상기 공기 챔버에 설치되며, 상기 밸브 로드에 연결되는 피스톤; 인가 전압에 따라 길이가 변하는 제 1 압전 액튜에이터를 구비하고, 상기 제 1 압전 액튜에이터의 작동에 의해 상기 제 1 유로를 개폐하는 제 1 압전 밸브; 및 인가 전압에 따라 길이가 변하는 제 2 압전 액튜에이터를 구비하고, 상기 제 2 압전 액튜에이터의 작동의 의해 상기 제 2 유로를 개폐하는 제 2 압전밸브;를 포함하는 점에 특징이 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 용액 디스펜싱 방법은, 밸브 몸체의 저장부에 저장된 용액을 펌프 몸체의 공기 챔버에 설치된 피스톤과 연결된 밸브 로드를 움직여 상기 밸브 몸체에 구비된 토출구를 통해 토출시키는 용액 디스펜싱 방법에 있어서, (a) 상기 밸브 로드가 삽입된 상기 밸브 몸체의 저장부에 용액을 공급하는 단계; (b) 인가 전압에 따라 길이가 변하는 제 1 압전 액튜에이터를 구비하고 상기 제 1 압전 액튜에이터의 작동에 의해 상기 공기 챔버에 연결된 제 1 유로를 개폐하는 제 1 압전 밸브를 제어하여 상기 제 1 유로를 개방하고, 인가 전압에 따라 길이가 변하는 제 2 압전 액튜에이터를 구비하고 상기 제 2 압전 액튜에이터의 작동에 의해 상기 공기 챔버에 연결된 제 2 유로를 개폐하는 제 2 압전 밸브를 제어하여 상기 제 2 유로를 차단하는 단계; (c) 상기 제 1 유로를 통해 상기 공기 챔버에 공기압을 전달하여 상기 피스톤 및 상기 밸브 로드를 제 1 방향으로 움직이는 단계; (d) 상기 제 1 압전 밸브를 제어하여 상기 제 1 유로를 차단하고, 상기 제 2 압전 밸브를 제어하여 상기 제 2 유로를 개방하는 단계; 및 (e) 상기 제 2 유로를 통해 상기 공기 챔버로부터 공기를 배출하여 상기 공기 챔버의 공기압을 낮춤으로써 상기 피스톤 및 상기 밸브 로드를 상기 제 1 방향과 반대 방향인 제 2 방향으로 움직이는 단계;를 포함하는 점에 특징이 있다.
본 발명에 의한 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프는 용액이 저장된 저장부에 삽입된 밸브 로드를 공압을 이용하여 왕복 이동시킴으로써 용액을 원활하게 디스펜싱할 수 있다. 특히, 압전 소자 기반의 압전 밸브를 이용하여 공기의 유출입을 위한 유로를 개폐함으로써 공압을 정밀하게 제어할 수 있다. 따라서, 밸브 로드를 고속으로 정밀하게 작동시킬 수 있어 용액을 정확한 용량으로 고속으로 디스펜싱할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의한 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프는 구조가 단순하여 고장의 위험이 적고, 내구성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프의 주요 구성을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프를 부분적으로 단면 처리하여 나타낸 것이다.
도 3은 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프의 작용을 설명하기 위한 것이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프를 이용한 용액 디스펜싱 방법을 단계별로 나타낸 블록도이다.
도 8은 펌프 몸체의 변형예를 나타낸 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프 및 이를 이용한 용액 디스펜싱 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프의 주요 구성을 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프를 부분적으로 단면 처리하여 나타낸 것이고, 도 3은 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 취한 단면도이며, 도 4는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프(100)는 밸브 몸체(110)와, 밸브 로드(116)와, 펌프 몸체(120)와, 피스톤(134)과, 압전 밸브(140)(142)와, 컨트롤러(147)를 포함한다. 밸브 몸체(110)와 펌프 몸체(120)는 연결부재(149)를 통해 연결된다.
밸브 몸체(110)는 저장부(111)와, 유입구(112)와, 노즐(113)을 구비한다. 저장부(111)는 상측으로 개방되는 용기 형태로 형성되고, 밸브 로드(116)가 저장부(111)에 끼워져서 저장부(111)의 상측을 밀폐한다. 유입구(112)는 저장부(111)와 연결된다. 유입구(112)를 통해 외부로부터 공급되는 용액이 저장부(111)로 전달된다. 저장부(111)의 용액은 노즐(113)의 토출구(114)를 통해 외부로 토출된다.
펌프 몸체(120)는 피스톤(134)이 설치되는 피스톤 하우징(121)과, 압전 밸브(140)(142)가 설치되는 압전 밸브 하우징(128)을 포함한다. 피스톤 하우징(121)에는 공기 챔버(122)와, 제 1 유로(123)와, 제 2 유로(124)가 구비된다. 피스톤 하우징(121)의 상측 및 하측에는 각각 상부 커버(125)와 하부 커버(126)가 결합되어 공기 챔버(122)의 상하부를 밀폐한다. 제 1 유로(123)는 공기 챔버(122)로 공기를 유입시킬 수 있도록 공기 챔버(122)와 연결된다. 제 2 유로(124)는 공기 챔버(122)로부터 공기를 배기시킬 수 있도록 공기 챔버(122)와 연결된다.
압전 밸브 하우징(128)은 피스톤 하우징(121)의 제 1 유로(123)와 제 2 유로(124)를 덮도록 피스톤 하우징(121)에 결합된다. 압전 밸브 하우징(128)에는 피스톤 하우징(121)의 제 1 유로(123)와 연결되는 제 1 연결 챔버(129)와, 제 2 유로(124)와 연결되는 제 2 연결 챔버(130)와, 제 1 연결 챔버(129)와 연결되는 제 1 통로(131)와, 제 2 연결 챔버(130)와 연결되는 제 2 통로(132)가 구비된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 피스톤(134)은 제 1 유로(123) 및/또는 제 2 유로(124)를 통해 전달되는 공기압에 따라 펌프 몸체(120)에 대해 이동 가능하도록 공기 챔버에 설치된다. 피스톤(134)은 헤드부(135)와 헤드부(135)의 하부로 연장된 로드부(136)를 포함한다. 피스톤(134)의 헤드부(135)는 그 외주면이 피스톤 하우징(121)의 내면주면에 밀착됨으로써 공기 챔버(122)를 상하 두 개의 공간으로 구획한다. 피스톤(134)의 헤드부(135)에 의해 구획되는 두 개의 공간 사이에서는 공기 유동이 발생하지 않는다. 제 1 유로(123)와 제 2 유로(124)는 피스톤(134)의 헤드부(135)에 의해 구획되는 두 개의 공간 중 상대적으로 하부에 위치하는 공간과 연결된다. 따라서, 제 1 유로(123)를 통해 주입되는 공기는 헤드부(135)의 하측 공간에 채워진다. 피스톤(134)의 로드부(136)는 하부 커버(126) 중간의 관통구멍에 삽입되어 관통구멍을 밀폐하면서 공기 챔버(122) 외부로 돌출된다. 피스톤(134)의 로드부(136)는 결합부재(137)를 통해 밸브 로드(116)와 결합된다. 따라서, 밸브 로드(116)는 피스톤(134)과 함께 움직인다.
피스톤 하우징(121)의 공기 챔버(122)에는 탄성부재(138)가 설치된다. 탄성부재(138)는 피스톤(134)의 헤드부(135)에 의해 구획되는 두 개의 공간 중에서 상대적으로 상부에 위치하는 공간에 설치된다. 탄성부재(138)는 피스톤(134)에 대해 밸브 로드(116)를 밸브 몸체(110)의 토출구(114) 쪽으로 가압하는 방향으로 탄성력을 가한다. 따라서, 피스톤(134)은 공기 챔버(122)의 공기압과 탄성부재(138)의 탄성력에 의해 공기 챔버(122)에서 왕복 이동하게 된다. 그리고 피스톤(134)의 움직임에 의해 헤드부(135)에 의해 구획되는 두 개의 공간의 크기는 변하게 된다. 즉, 제 1 유로(123)를 통해 공기가 공기 챔버(122)로 주입되어 피스톤(134)이 상승하면 피스톤(134) 하측의 공간은 커지고, 탄성부재(138)에 의해 피스톤(134)이 하강하면 피스톤(134) 하측의 공간은 작아진다.
제 1 압전 밸브(140)는 피스톤 하우징(121)의 제 1 유로(123)를 개폐하기 위해 압전 밸브 하우징(128)의 제 1 연결 챔버(129)에 설치된다. 그리고 제 2 압전 밸브(142)는 피스톤 하우징(121)의 제 2 유로(124)를 개폐하기 위해 압전 밸브 하우징(128)의 제 2 연결 챔버(130)에 설치된다. 제 1 압전 밸브(140)는 인가 전압에 따라 길이가 변하는 제 1 압전 액튜에이터(141)를 구비하고, 제 2 압전 밸브(142)는 인가 전압에 따라 길이가 변하는 제 2 압전 액튜에이터(143)를 구비한다. 즉, 전압을 인가하면 그 인가 전압의 전위에 따라 길이가 늘어나거나 줄어드는 구조의 압전 소자를 사용하여 제 1 압전 밸브(140) 및 제 2 압전 밸브(142)를 구성한다. 제 1 압전 액튜에이터(141) 및 제 2 압전 액튜에이터(143)는 전체적인 변형량을 증가시킬 수 있도록 다수의 압전 소자가 적층된 멀티 스택(multi stack) 구조를 취할 수 있다.
제 1 압전 밸브(140) 및 제 2 압전 밸브(142)의 동작은 컨트롤러(147)에 의해 제어된다. 컨트롤러(147)는 시간의 흐름에 따라 다양한 형태의 펄스 파형을 가진 전압을 제 1 압전 액튜에이터(141) 및 제 2 압전 액튜에이터(143)에 인가함으로써 제 1 압전 액튜에이터(141) 및 제 2 압전 액튜에이터(143) 각각의 변형 특성을 제어할 수 있다.
제 1 압전 밸브(140) 및 제 2 압전 밸브(142)의 상단에는 각각 제 1 위치 조절기(144) 및 제 2 위치 조절기(145)가 배치된다. 이들 제 1 위치 조절기(144) 및 제 2 위치 조절기(145)는 각각의 끝부분이 제 1 압전 액튜에이터(141) 및 제 2 압전 액튜에이터(143)의 끝부분에 접촉한 상태로 압전 밸브 하우징(128)에 나사 결합된다. 제 1 위치 조절기(144)와 제 2 위치 조절기(145)를 이용하여 제 1 압전 액튜에이터(141)와 제 2 압전 액튜에이터(143) 각각의 위치를 조절할 수 있다. 즉, 제 1 위치 조절기(144)를 조여서 제 1 압전 액튜에이터(141)를 가압하면 제 1 압전 액튜에이터(141)는 하강하게 된다. 제 2 위치 조절기(145)도 제 1 위치 조절기(144)와 동일한 방법으로 제 2 압전 액튜에이터(143)의 위치를 조절한다.
압전 액튜에이터(141)(143)는 일반적으로 세라믹 재질로 형성된다. 그 재료적 특성상 장기간 사용하면 인가 전압에 따른 팽창 변위가 초기와는 달라질 수도 있다. 이와 같은 경우, 제 1 위치 조절기(144) 및 제 2 위치 조절기(145)을 이용하여 제 1 압전 액튜에이터(141) 및 제 2 압전 액튜에이터(143)의 위치를 조정함으로써, 펌프 몸체(120)의 제 1 유로(123) 및 제 2 유로(124)에 대한 개폐 특성을 유지할 수 있다.
도 2에 나타낸 것과 같이, 제 1 압전 액튜에이터(141) 및 제 2 압전 액튜에이터(143)에는 변위 센서(150)가 연결된다. 변위 센서(150)는 제 1 압전 액튜에이터(141) 및 제 2 압전 액튜에이터(143) 각각의 변형량을 검출하여 검출 신호를 컨트롤러(147)에 제공한다. 컨트롤러(147)는 변위 센서(150)로부터 검출 신호를 피드백 받아 제 1 압전 액튜에이터(141) 및 제 2 압전 액튜에이터(143)에 대한 인가 전압을 제어함으로써, 제 1 압전 액튜에이터(141) 및 제 2 압전 액튜에이터(143)의 작동에 따른 펌프 몸체(120)의 제 1 유로(123) 및 제 2 유로(124)의 개폐 특성을 조절할 수 있다. 제 1 압전 밸브(140)는 제 1 유로(123)를 안정적으로 밀폐할 수 있도록 제 1 압전 액튜에이터(141)에 결합되는 밀폐부재를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 제 1 압전 밸브(140)도 제 2 유로(124)를 안정적으로 밀폐할 수 있도록 제 2 압전 액튜에이터(143)에 결합되는 밀폐부재를 포함할 수 있다.
압전 밸브 하우징(128)의 제 1 통로(131)는 압전 밸브 하우징(128) 내부의 제 1 연결 챔버(129)를 통해 펌프 몸체(120)의 제 1 유로(123)와 연결된다. 압전 밸브 하우징(128)의 제 2 통로(132)는 제 2 연결 챔버(130)를 통해 펌프 몸체(120)의 제 2 유로(124)와 연결된다. 압전 밸브 하우징(128)의 제 1 통로(131)에는 제 1 펌프(152)가 연결되고, 제 2 통로(132)에는 제 2 펌프(154)가 연결된다. 제 1 펌프(152)는 제 1 통로(131)와 제 1 연결 챔버(129) 및 제 1 유로(123)를 통해 펌프 몸체(120)의 공기 챔버(122)에 압축 공기를 공급하여 공기 챔버(122)에 양의 공기압을 전달한다. 제 2 펌프(154)는 제 2 통로(132)와 제 2 연결 챔버(130) 및 제 2 유로(124)를 통해 펌프 몸체(120)의 공기 챔버(122)에 음의 공기압을 전달한다. 펌프 몸체(120)의 공기 챔버(122)에 압축 공기가 주입되어 공기 챔버(122)의 공기압이 상승한 상태에서 펌프 몸체(120)의 제 2 유로(124)를 개방하면 공기 챔버(122)의 공기가 자연적으로 외부로 배출된다. 그러나 펌프 몸체(120)의 제 2 유로(124)를 개방한 상태에서 제 2 펌프(154)로 공기 챔버(122)의 공기를 흡입하면 공기 챔버(122)로부터 공기를 더욱 신속하게 배출할 수 있다.
이하에서는, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 실시예에 따른 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프(100)를 이용한 용액 디스펜싱 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 밸브 몸체(110)의 유입구(112)를 통해 저장부(111)에 디스펜싱할 용액을 공급한다(S10, (a) 단계).
저장부(111)에 용액이 채워진 상태에서 컨트롤러(147)는 제 1 압전 밸브(140) 및 제 2 압전 밸브(142)에 대한 인가 전압을 제어하여 제 1 압전 액튜에이터(141) 및 제 2 압전 액튜에이터(143)의 변형량을 조절함으로써 펌프 몸체(120)의 제 1 유로(123)를 개방하고 제 2 유로(124)를 차단한다(S20, (b) 단계). 즉, 도 5에 나타낸 것과 같이, 컨트롤러(147)는 제 1 압전 밸브(140)에 대한 인가 전압을 제어하여 제 1 압전 액튜에이터(141)의 길이를 수축시킴으로써 펌프 몸체(120)의 제 1 유로(123)를 개방한다. 동시에 컨트롤러(147)는 제 2 압전 밸브(142)에 대한 인가 전압을 제어하여 제 2 압전 액튜에이터(143)의 길이를 늘림으로써 펌프 몸체(120)의 제 2 유로(124)를 차단한다.
이렇게 펌프 몸체(120)의 제 1 유로(123)가 개방되면, 제 1 펌프(152)로 제 1 유로(123)를 통해 공기 챔버(122)에 정압(正壓)을 전달하여 피스톤(134) 및 밸브 로드(116)를 제 1 방향으로 작동시킨다(S30, (c) 단계). 즉, 공기 챔버(122)에 압축 공기를 주입하여 공기 챔버(122)의 공기압을 일정 크기 이상으로 높임으로써 탄성부재(138)의 탄성력을 극복하고 피스톤(134)을 움직여 밸브 로드(116)를 작동시킨다. 여기에서, 제 1 방향은 밸브 로드(116)를 밸브 몸체(110)의 토출구(114)로부터 멀어지게 하는 방향이다.
다음으로, 제 1 압전 밸브(140) 및 제 2 압전 밸브(142) 각각의 인가 전압을 제어하여 펌프 몸체(120)의 제 1 유로(123)를 차단하고 제 2 유로(124)를 개방한다(S40, (d) 단계). 즉, 도 6에 나타낸 것과 같이, 컨트롤러(147)는 제 1 압전 밸브(140)에 대한 인가 전압을 제어하여 제 1 압전 액튜에이터(141)의 길이를 늘림으로써 펌프 몸체(120)의 제 1 유로(123)를 차단한다. 동시에 컨트롤러(147)는 제 2 압전 밸브(142)에 대한 인가 전압을 제어하여 제 2 압전 액튜에이터(143)의 길이를 수축시킴으로써 펌프 몸체(120)의 제 2 유로(124)를 개방한다.
이렇게 펌프 몸체(120)의 제 2 유로(124)가 개방된 후, 제 2 펌프(154)를 이용하여 공기 챔버(122)로부터 공기를 강제 배기시키면서 공기 챔버(122)의 압력을 낮추어 피스톤(134) 및 밸브 로드(116)를 제 2 방향으로 작동시킨다(S50, (e) 단계). 제 2 펌프(154)가 공기 챔버(122)의 공기를 배기하여 공기 챔버(122)의 공기압을 낮추면 압축되었던 탄성부재(138)가 탄성 복원되면서 피스톤(134) 및 밸브 로드(116)의 움직임을 돕는다. 여기에서, 제 2 방향은 상술한 제 1 방향과 반대 방향으로 밸브 로드(116)를 밸브 몸체(110)의 토출구(114)로 가압하는 방향이다. 펌프 몸체(120)의 제 2 유로(124)를 통해 공기 챔버(122)의 공기를 배기함에 있어서 제 2 펌프(154)로 공기 챔버(122)에 부압(負壓)을 전달하면 공기를 더욱 신속하게 배기할 수 있고, 피스톤(134)의 움직임을 더욱 빠르게 할 수 있다.
이와 같이, 피스톤(134)을 제 1 방향으로 움직였다 제 2 방향으로 움직이는 과정을 반복하여 밸브 로드(116)를 밸브 몸체(110)의 저장부(111)에서 왕복 운동시킴으로써 용액을 토출시키고 기판 등의 작업 대상물 상에 디스펜싱할 수 있다. 이러한 각 단계는 컨트롤러(147)에 의해 제어된다. 컨트롤러(147)는 공기 챔버(122)에 대한 1회 공기 주입량, 공기 주입 속도, 제 1 압전 밸브(140)에 의한 제 1 유로(123)의 개도량(opening degree of valve), 제 2 압전 밸브(142)에 의한 제 2 유로(124)의 개도량 등을 제어한다. 이에 의해, 피스톤(134) 및 밸브 로드(116)의 이동 변위나 이동 속도가 조절됨으로써, 용액의 토출량이나 토출 속도 등 용액 디스펜싱 특성을 다양하게 변화시킬 수 있다.
한편, 용액 디스펜싱 중에 컨트롤러(147)는 제 1 압전 액튜에이터(141) 및 제 2 압전 액튜에이터(143)의 변형량을 실시간으로 피드백 받아 제 1 압전 액튜에이터(141) 및 제 2 압전 액튜에이터(143)에 대한 인가 전압을 제어한다. 장시간 사용 시, 부품의 파손이나 압전 액튜에이터(141)(143)의 성능 저하로 인가 전압에 따른 압전 액튜에이터(141)(143)의 변형량이 초기값과 달라질 수 있다. 따라서, 컨트롤러(147)는 변위 센서(150)로부터 변형량 검출 신호를 제공받고, 인가 전압에 따른 압전 액튜에이터(141)(143)의 변형량이 초기값과 다르면 인가 전압을 조절하는 등의 방법으로 압전 액튜에이터(141)(143)의 변형량을 초기값으로 유지시킬 수 있다. 또한 컨트롤러(147)는 변위 센서(150)로부터 변형량 검출 신호를 피드백 받아 압전 액튜에이터(141)(143)의 성능이 과도하게 저하되거나 압전 액튜에이터(141)(143)가 작동하지 않으면, 용액 디스펜싱 작업을 중지함으로써, 잘못된 용액 디스펜싱으로 작업 대상물을 폐기시키는 문제를 방지할 수 있다.
상술한 것과 같이, 본 실시예에 따른 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프(100)는 용액이 저장된 저장부(111)에 삽입된 밸브 로드(116)를 공압을 이용하여 왕복 이동시킴으로써 용액을 원활하게 디스펜싱할 수 있다. 특히, 압전 소자 기반의 압전 밸브(140)(142)를 이용하여 공기의 유출입을 위한 제 1 유로(123)와 제 2 유로(124)를 개폐함으로써 공압을 정밀하게 제어할 수 있다. 따라서, 밸브 로드(116)를 고속으로 정밀하게 작동시킬 수 있어 용액을 고속으로 디스펜싱할 수 있고, 용액 토출량을 정밀하게 조절할 수 있다.
이상 본 발명에 대하여 바람직한 예를 들어 설명하였으나 본 발명의 범위가 앞에서 설명한 실시예로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 도면에는 펌프 몸체(120)의 공기 챔버(122)에 전달된 공기압에 의해 움직인 피스톤(134)을 반대 방향으로 움직이기 위해 펌프 몸체(120)에 탄성부재(138)가 설치된 것으로 나타냈으나 탄성부재(138)는 생략될 수도 있다. 이 경우, 제 1 펌프로 공기 챔버에 양의 공기압을 전달하여 피스톤을 상승시키고, 제 2 펌프로 공기 챔버에 음의 공기압을 전달하여 피스톤을 하강시킬 수 있다.
또한 도면에는 제 1 유로(123)와 제 2 유로(124)가 피스톤(134)에 의해 구획되는 피스톤 하우징(121)의 두 개의 내부 공간 중 피스톤(134) 하측에 배치되는 공간에 함께 연결되는 것으로 나타냈으나, 제 1 유로와 제 2 유로는 피스톤에 의해 구획되는 서로 다른 공간에 각각 연결될 수 있다. 이 경우, 제 1 펌프는 제 1 유로를 통해 공기 챔버에 공기압을 전달하여 피스톤을 한쪽 방향으로 움직이고, 제 2 펌프는 제 2 유로를 통해 공기 챔버에 공기압을 전달하여 피스톤을 반대 방향으로 움직일 수 있다. 이러한 변형 실시예에서 탄성부재는 생략될 수 있다.
또한 도면에는 피스톤(134)이 공기 챔버(122)의 공기압에 의해 밸브 로드(116)를 토출구(114)로부터 멀어지게 이송하는 방향으로 움직이고, 탄성부재(138)에 의해 밸브 로드(116)를 토출구(114) 쪽으로 가압하는 방향으로 움직이는 것으로 나타냈으나, 공기 챔버(122)의 공기압과 탄성부재(138)의 탄성력에 의한 피스톤(134)의 이동 방향은 그 반대가 될 수 있다. 즉, 공기 챔버의 공기압이 밸브 로드를 토출구 쪽으로 가압하는 방향으로 움직이고, 탄성부재가 밸브 로드를 토출구로부터 멀어지게 이송하는 방향으로 움직이는 구성도 가능하다.
또한 도면에는 펌프 몸체(120)가 두 개의 하우징(121)(128)을 포함하는 것으로 나타냈으나, 펌프 몸체는 피스톤과 압전 밸브가 모두 설치되는 하나의 하우징을 갖는 다른 구조로 변형될 수 있다.
또한 도면에는 제 1 압전 밸브(140) 및 제 2 압전 밸브(142)가 그 길이가 증가함으로써 제 1 유로(123) 및 제 2 유로(124)를 차단하고 그 길이가 수축됨으로써 제 1 유로(123) 및 제 2 유로(124)를 개방하는 것으로 나타냈으나, 그 반대의 구성도 가능하다. 즉, 제 1 압전 밸브 및 제 2 압전 밸브의 구조 및 배치 구조를 적절히 변형함으로써, 이들 압전 밸브가 그 길이가 늘어날 때 제 1 유로 및 제 2 유로를 각각 개방하고, 압전 밸브의 길이가 수축될 때 제 1 유로 및 제 2 유로를 각각 차단할 수 있다.
또한 앞서서는 제 2 펌프(154)를 이용하여 펌프 몸체(120)의 공기 챔버(122)로부터 공기를 강제 배기하는 것으로 나타냈으나, 제 2 펌프를 사용하지 않고 제 2 유로의 개폐를 통해 공기 챔버의 공기를 자연 배기시킬 수도 있다.
또한 펌프 몸체(120)의 공기 챔버(122)에 연결되는 공기 유로 구조는 도시된 것으로 한정되지 않고 다양하게 변형될 수 있다. 예컨대, 펌프 몸체(160)는 도 8에 나타낸 것과 같은 유로 구조를 가질 수 있다. 도 8에 나타낸 펌프 몸체(160)는 피스톤(134; 도 2 참조)이 설치되는 피스톤 하우징(161)에 공기 챔버(122; 도 2 참조)와 연결되는 하나의 관통구멍(162)이 마련되고, 압전 밸브 하우징(163)에 제 1 유로(164) 및 제 2 유로(165)가 관통구멍(162)까지 연장되도록 구비된다. 제 1 압전 밸브(140) 및 제 2 압전 밸브(142)는 압전 밸브 하우징(163)에 설치되어 제 1 유로(164) 및 제 2 유로(165)를 각각 개폐한다. 이러한 펌프 몸체(160)는 피스톤 하우징(161)에 구비되는 하나의 관통구멍(162)을 통해 압축 공기를 공기 챔버(122)에 공급하거나, 공기 챔버(122)로부터 공기를 배기할 수 있다.
100 : 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프
110 : 밸브 몸체 111 : 저장부
112 : 유입구 113 : 노즐
114 : 토출구 116 : 밸브 로드
120, 160 : 펌프 몸체 121, 161 : 피스톤 하우징
122 : 공기 챔버 123, 164 : 제 1 유로
124, 165 : 제 2 유로 128, 163 : 압전 밸브 하우징
129, 130 : 제 1, 2 연결 챔버 131, 132 : 제 1, 2 통로
134 : 피스톤 135 : 헤드부
136 : 로드부 137 : 결합부재
138 : 탄성부재 140, 142 : 제 1, 2 압전 밸브
141, 143 : 제 1, 2 압전 액튜에이터
144, 145 : 제 1, 2 위치 조절기 147 : 컨트롤러
149 : 연결부재 150 : 변위 센서
152 : 제 1 펌프 154 : 제 2 펌프
162 : 관통구멍

Claims (9)

  1. 외부로부터 용액을 공급 받는 유입구와, 상기 유입구를 통해 공급받은 용액이 저장되는 저장부와, 상기 저장부에 저장된 용액이 토출되는 토출구를 구비하는 밸브 몸체;
    상기 밸브 몸체의 저장부에 저장된 용액을 가압하여 상기 토출구를 통해 토출할 수 있도록 상기 저장부에 삽입되는 밸브 로드;
    밀폐된 공기 챔버와 상기 공기 챔버에 연결되어 각각 공기압을 전달하는 제 1 유로 및 제 2 유로를 구비하고, 상기 밸브 몸체와 결합되는 펌프 몸체;
    상기 펌프 몸체의 공기 챔버 내부에 적어도 일부분이 수용되고, 상기 제 1 유로 및/또는 상기 제 2 유로를 통해 전달되는 공기압에 따라 상기 펌프 몸체에 대해 이동 가능하도록 상기 공기 챔버에 설치되며, 상기 밸브 로드에 연결되는 피스톤;
    인가 전압에 따라 길이가 변하는 제 1 압전 액튜에이터를 구비하고, 상기 제 1 압전 액튜에이터의 작동에 의해 상기 제 1 유로를 개폐하는 제 1 압전 밸브; 및
    인가 전압에 따라 길이가 변하는 제 2 압전 액튜에이터를 구비하고, 상기 제 2 압전 액튜에이터의 작동의 의해 상기 제 2 유로를 개폐하는 제 2 압전밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 챔버의 공기압에 의해 움직인 상기 피스톤에 대해 반대 방향으로 탄성력을 가하기 위해 상기 펌프 몸체에 설치되는 탄성부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 압전 액튜에이터 및 상기 제 2 압전 액튜에이터 각각의 변위를 검출하여 검출 신호를 발생하는 변위 센서; 및
    상기 변위 센서의 검출 신호를 피드백 받아 상기 제 1 압전 액튜에이터 및 상기 제 2 압전 액튜에이터에 대한 인가 전압을 제어하는 컨트롤러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유로를 통해 상기 펌프 몸체의 공기 챔버에 정압(正壓)을 전달하기 위해 상기 제 1 유로에 연결되는 제 1 펌프; 및
    상기 제 2 유로를 통해 상기 펌프 몸체의 공기 챔버에 부압(負壓)을 전달하기 위해 상기 제 2 유로에 연결되는 제 2 펌프;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유로와 공기 유동이 가능하게 연결되는 제 1 연결 챔버;
    상기 제 2 유로와 공기 유동이 가능하게 연결되는 제 2 연결 챔버;
    상기 제 1 연결 챔버와 공기 유동이 가능하게 연결되는 제 1 통로; 및
    상기 제 2 연결 챔버와 공기 유동이 가능하게 연결되는 제 2 통로;를 더 포함하고,
    상기 제 1 압전 밸브는 상기 제 1 연결 챔버에 설치되고, 상기 제 2 압전 밸브는 상기 제 2 연결 챔버에 설치되는 것을 특징으로 하는 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프.
  6. 밸브 몸체의 저장부에 저장된 용액을 펌프 몸체의 공기 챔버에 설치된 피스톤과 연결된 밸브 로드를 움직여 상기 밸브 몸체에 구비된 토출구를 통해 토출시키는 용액 디스펜싱 방법에 있어서,
    (a) 상기 밸브 로드가 삽입된 상기 밸브 몸체의 저장부에 용액을 공급하는 단계;
    (b) 인가 전압에 따라 길이가 변하는 제 1 압전 액튜에이터를 구비하고 상기 제 1 압전 액튜에이터의 작동에 의해 상기 공기 챔버에 연결된 제 1 유로를 개폐하는 제 1 압전 밸브를 제어하여 상기 제 1 유로를 개방하고, 인가 전압에 따라 길이가 변하는 제 2 압전 액튜에이터를 구비하고 상기 제 2 압전 액튜에이터의 작동에 의해 상기 공기 챔버에 연결된 제 2 유로를 개폐하는 제 2 압전 밸브를 제어하여 상기 제 2 유로를 차단하는 단계;
    (c) 상기 제 1 유로를 통해 상기 공기 챔버에 공기압을 전달하여 상기 피스톤 및 상기 밸브 로드를 제 1 방향으로 움직이는 단계;
    (d) 상기 제 1 압전 밸브를 제어하여 상기 제 1 유로를 차단하고, 상기 제 2 압전 밸브를 제어하여 상기 제 2 유로를 개방하는 단계; 및
    (e) 상기 제 2 유로를 통해 상기 공기 챔버로부터 공기를 배출하여 상기 공기 챔버의 공기압을 낮춤으로써 상기 피스톤 및 상기 밸브 로드를 상기 제 1 방향과 반대 방향인 제 2 방향으로 움직이는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 용액 디스펜싱 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 (e) 단계는 상기 펌프 몸체에 설치되는 탄성부재로 상기 피스톤에 대해 상기 제 2 방향으로 탄성력을 가하여 상기 피스톤을 상기 제 2 방향으로 움직이는 것을 특징으로 하는 용액 디스펜싱 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는, 상기 제 1 압전 액튜에이터 및 상기 제 2 압전 액튜에이터에 연결된 변위 센서에서 상기 제 1 압전 액튜에이터 및 상기 제 2 압전 액튜에이터 각각의 변형량을 피드백 받아 상기 제 1 압전 액튜에이터 및 상기 제 2 압전 액튜에이터 각각의 인가 전압을 제어하고,
    상기 (d) 단계는 상기 변위 센서에서 상기 제 1 압전 액튜에이터 및 상기 제 2 압전 액튜에이터 각각의 변형량을 피드백 받아 상기 제 1 압전 액튜에이터 및 상기 제 2 압전 액튜에이터 각각의 인가 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 용액 디스펜싱 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 (e) 단계는 부압을 발생하는 제 2 펌프로 상기 제 2 유로를 통해 상기 펌프 몸체의 공기 챔버에 부압을 전달하여 상기 공기 챔버로부터 공기를 강제 배출하는 것을 특징으로 하는 용액 디스펜싱 방법.
KR1020140160690A 2014-11-18 2014-11-18 압전 공압 밸브 구동형 디스펜싱 펌프 및 이를 이용한 용액 디스펜싱 방법 KR101610197B1 (ko)

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