KR101727624B1

KR101727624B1 - 미세유체 밸브

Info

Publication number: KR101727624B1
Application number: KR1020150067196A
Authority: KR
Inventors: 조영호; 김성진
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2015-05-14
Filing date: 2015-05-14
Publication date: 2017-04-17
Also published as: KR20160133946A

Abstract

미세유체 밸브는 입구와 출구에 각각 연통된 제1 개구부와 제2 개구부 그리고 상기 제1 개구부와 상기 제2 개구부 사이에서 연장하여 상기 제1 및 제2 개구부들을 구분하는 밸브 시트를 갖는 채널 유로층 구조물, 상기 채널 유로층 구조물을 커버하고 상기 밸브 시트와 선택적으로 접촉 가능하도록 작동하고 상기 제1 개구부 및 상기 제2 개구부와 함께 제1 영역 및 제2 영역을 각각 정의하는 가변형 멤브레인, 및 상기 가변형 멤브레인을 사이에 두고 상기 채널 유로층 구조물 상에 배치되고 상기 가변형 멤브레인과 함께 상기 가변형 멤브레인을 상기 밸브 시트로 가압 또는 감압하기 위한 제3 영역을 형성하기 위한 제3 개구부를 갖는 멤브레인 제어층 구조물을 포함하고, 상기 밸브 시트는 상기 밸브 시트의 적어도 일부가 상기 제2 영역으로 돌출하도록 구부러진 형상을 갖는다.

Description

미세유체 밸브{MICROFLUIDIC VALVE}

본 발명은 미세유체 밸브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세 유로를 흐르는 유체의 흐름을 단속하기 위한 미세유체 밸브에 관한 것이다.

정확하고, 저압으로 구동되는 미세유체 요소들은 다양한 생화학 응용에 매우 중요하게 사용되고 있다. 이러한 요소 중에서도 유체의 흐름과 방향을 제어하는 미세유체 밸브는 핵심적인 요소이다. 상기 미세유체 밸브는 평상시 닫혀있는 미세유체 밸브(Normally closed microfluidic valve, NC 밸브)와 평상시 열려있는 미세유체 밸브(Normally open microfluidic valve, NO 밸브)로 나뉘게 된다. 이 중에서 NC 밸브는 디지털 유체 논리회로와 유체 진동자 등의 자율적으로 동작하는 미세유체 회로에서 매우 중요한 요소이다. 상기 NC 밸브(이하 미세밸브)는 탄성변형이 가능한 유연한 맴브레인을 변형 구동시켜 밸브의 개폐 동작을 수행할 수 있다.

하지만, 기존의 미세밸브의 문제점은 열림 압력이 약 9kPa 내지 83kPa 정도로 높으며, 구동 조건에 따라 열림 압력이 변하는 것이었다. 이러한 문제점들에 의해, 미세유체 시스템에서 밸브의 집적도가 높아질수록 시스템 전체의 구동 압력이 매우 증가하고, 응답특성도 비선형적이 되는 문제점이 있다.

본 발명의 일 과제는 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 미세밸브가 열리는 압력을 일정하고 낮게 유지할 수 있는 미세유체 밸브를 제공하는 데 있다.

다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위해 예시적인 실시예들에 따른 미세유체 밸브는 입구와 출구에 각각 연통된 제1 개구부와 제2 개구부 그리고 상기 제1 개구부와 상기 제2 개구부 사이에서 연장하여 상기 제1 및 제2 개구부들을 구분하는 밸브 시트를 갖는 채널 유로층 구조물, 상기 채널 유로층 구조물을 커버하고 상기 밸브 시트와 선택적으로 접촉 가능하도록 작동하고 상기 제1 개구부 및 상기 제2 개구부와 함께 제1 영역 및 제2 영역을 각각 정의하는 가변형 멤브레인, 및 상기 가변형 멤브레인을 사이에 두고 상기 채널 유로층 구조물 상에 배치되고 상기 가변형 멤브레인과 함께 상기 가변형 멤브레인을 상기 밸브 시트에 대해 가압 또는 감압하기 위한 제3 영역을 형성하기 위한 제3 개구부를 갖는 멤브레인 제어층 구조물을 포함하고, 상기 밸브 시트는 상기 밸브 시트의 적어도 일부가 상기 제2 영역으로 돌출하도록 구부러진 형상을 갖는다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 밸브 시트는 V자 형상, U자 형상 또는 이들의 조합 형상을 가질 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 개구부 및 상기 제2 개구부의 면적들은 상기 밸브 시트의 돌출 형상에 따라 결정될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 개구부의 면적은 상기 제2 개구부의 면적보다 더 작을 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 미세유체 밸브는 상기 가변형 멤브레인 및 상기 밸브 시트의 접촉면들 중 적어도 하나의 표면 상에 형성된 코팅막을 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 개구부 및 상기 제2 개구부는 제1 방향으로 서로 이격 형성되고, 상기 밸브 시트는 상기 제1 방향을 가로지르는 제2 방향으로 연장하고, 상기 밸브 시트의 적어도 일부는 상기 제1 방향으로 상기 제2 영역 내부로 돌출할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 가변형 멤브레인은 플렉서블한 폴리머 물질을 포함할 수 있다.

상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위해 예시적인 실시예들에 따른 미세유체 밸브는 하부층 구조물, 상기 하부층 구조물 상에 배치되고 밸브 시트를 갖는 상부층 구조물, 및 상기 하부층 구조물 및 상기 상부층 구조물 사이에 개재되며 상기 하부층 구조물을 커버하여 입구와 출구에 각각 연통되는 소스 영역과 드레인 영역을 형성하고 상기 상부층 구조물을 커버하여 상기 밸브 시트에 대해 가압 또는 감압하기 위한 게이트 영역을 형성하는 가변형 멤브레인을 포함하고, 상기 밸브 시트는 상기 밸브 시트의 적어도 일부가 상기 드레인 영역으로 돌출하도록 구부러진 형상을 갖는다.

이와 같이 구성된 발명에 따른 미세유체 밸브는 유량 변화와 같은 구동 환경에 영향을 받지 않고, 설계된 일정한 압력에서 열리게 된다. 또한 상기 미세유체 밸브가 열리는 임계 압력도 매우 낮게 유지할 수 있다. 이에 따라 선형적이고 낮은 구동압력을 가지는 미세유체 밸브를 제공할 수 있다.

다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 미세유체 밸브를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 A-A' 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 미세유체 밸브가 닫히고 열리는 과정을 나타내는 단면도들이다.
도 4는 도 1의 미세유체 밸브를 나타내는 광학 현미경 사진이다.
도 5는 I자 형상의 밸브 시트와 V자 형상의 밸브 시트가 각각 사용된 미세유체 밸브들에서의 가변형 멤브레인의 변형 정도를 나타내는 도면들이다.
도 6은 도 1의 미세유체 밸브의 유량에 따른 열림 압력을 나타내는 그래프이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 미세유체 밸브를 나타내는 평면도이다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 미세유체 밸브를 나타내는 평면도이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 미세유체 밸브를 나타내는 평면도이다. 도 2는 도 1의 A-A' 라인을 따라 절단한 단면도이다. 도 3a 및 도 3b는 도 1의 미세유체 밸브가 닫히고 열리는 과정을 나타내는 단면도들이다. 도 4는 도 1의 미세유체 밸브를 나타내는 광학 현미경 사진이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 미세유체 밸브(100)는 밸브 시트(116)에 의해 구분된 제1 개구부(112) 및 제2 개구부(114)를 갖는 채널 유로층 구조물(110), 채널 유로층 구조물(110)을 커버하고 밸브 시트(116)와 선택적으로 접촉 가능하도록 작동하는 가변형 멤브레인(120) 및 가변형 멤브레인(120)을 밸브 시트(116)와 접촉하도록 가압하는 멤브레인 제어층 구조물(130)을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 미세유체 밸브(100)는 유로의 입구(10)와 출구(20) 사이에 배치될 수 있다. 채널 유로층 구조물(110)의 제1 개구부(112)는 유로의 입구(10)와 연통되고, 채널 유로층 구조물(110)의 제2 개구부(114)는 유로의 출구(20)에 연통될 수 있다.

상기 채널 유로층 구조물, 상기 가변형 멤브레인 및 상기 멤브레인 제어층 구조물은 포토리소그래피, 이온리소그래피, 전자리소그래피 및 스캐닝 프로브를 이용한 결정 구조의 성장 및 에칭을 포함하는 반도체 제조 공정들에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 채널 유로층 구조물 및 상기 멤브레인 제어층 구조물은 폴리머 물질, 무기 물질 등을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 가변형 멤브레인은 플렉서블한 특성을 갖는 폴리머 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 폴리머 물질의 예로서는, PDMS, PMMA, SU-8 등을 들 수 있다. 상기 무기 재료의 예로서는, 유리, 석영, 실리콘 등을 들 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 미세유체 밸브(100)는 순차적으로 적층된 하부층 구조물로서의 채널 유로층 구조물(110), 가변형 멤브레인(120) 및 상부층 구조물로서의 멤브레인 제어층 구조물(130)을 포함할 수 있다. 가변형 멤브레인(120)은 채널 유로층 구조물(110) 및 멤브레인 제어층 구조물(130) 사이에 개재될 수 있다.

채널 유로층 구조물(110)은 제1 방향으로 이격 형성된 제1 개구부(112) 및 제2 개구부(114) 그리고 제1 개구부(112)와 제2 개구부(114) 사이에서 상기 제1 방향을 가로지르는 제2 방향으로 연장하여 제1 및 제2 개구부들(112, 114)을 구분하는 밸브 시트(116)를 포함할 수 있다. 제1 개구부(112) 및 제2 개구부(114)는 채널 유로층 구조물(110)의 하부면에 리세스 형상으로 각각 형성될 수 있다. 밸브 시트(116)는 제1 및 제2 개구부들(112, 114)의 저면으로부터 돌출하도록 형성되어 제1 및 제2 개구부들(112, 114)을 구분할 수 있다. 평면도에서 보았을 때, 제1 개구부(112), 제2 개구부(114) 및 밸브 시트(116)는 정사각형 또는 직사각형 형상을 가질 수 있지만, 이에 제한되지 않고, 밸브의 열림 압력, 흐르는 유체의 유량 및 유속 등을 고려하여 다양한 형상을 가질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

가변형 멤브레인(120)은 채널 유로층 구조물(110)의 하부에서 채널 유로층 구조물(110)을 커버하도록 결합될 수 있다. 가변형 멤브레인(120)은 밸브 시트(116)와 선택적으로 접촉 가능하도록 작동할 수 있다. 가변형 멤브레인(120)은 제1 개구부(112)를 커버하여 입구(10)와 연통된 제1 영역, 즉, 소스 영역을 정의하고, 가변형 멤브레인(120)은 제2 개구부(114)를 커버하여 출구(20)와 연통된 제2 영역, 즉, 드레인 영역을 정의할 수 있다.

멤브레인 제어층 구조물(130)은 가변형 멤브레인(120)을 사이에 두고 채널 유로층 구조물(110) 하부에 배치되고, 가변형 멤브레인(120)을 밸브 시트(116)에 대해 가압 또는 감압하기 위한 기 설정된 내부 압력을 제공하기 위한 제3 개구부(132)를 포함할 수 있다. 제3 개구부(132)는 멤브레인 제어층 구조물(130)의 상부면에 리세스 형상으로 형성될 수 있다. 평면도에서 보았을 때, 제3 개구부(132)는 제1 개구부(112), 제2 개구부(114) 및 밸브 시트(116)에 대응하도록 직사각형 또는 정사각형 형상을 가질 수 있다.

가변형 멤브레인(120)은 멤브레인 제어층 구조물(130)의 상부에서 멤브레인 제어층 구조물(130)을 커버하도록 결합될 수 있다. 가변형 멤브레인(120)은 제3 개구부(112)를 커버하여 가변형 멤브레인(120)을 밸브 시트(116)에 대해 가압 또는 감압하기 위한 공간으로서 제3 영역, 즉, 게이트 영역을 형성할 수 있다. 상기 게이트 영역은 제어 유공압 라인(30)과 연통되고, 상기 게이트 영역은 유체 소스(도시되지 않음)에 제어 유공압 라인(30)을 통해 연결될 수 있다. 따라서, 상기 게이트 영역 내부로 기체, 액체 등과 같은 유체가 공급되어 상기 게이트 영역은 기 설정된 내부 압력을 갖게 되어 가변형 멤브레인(120)을 밸브 시트(116)에 대해 가압 또는 감압함으로써, 가변형 멤브레인(120)은 상기 내부 압력에 따라 밸브 시트(116)와 선택적으로 접촉하여 상기 유로를 개폐시킬 수 있다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 소스 영역과 상기 게이트 영역 사이에 기 설정된 값보다 작은 압력 차이가 있을 때 가변형 멤브레인(120)은 밸브 시트(116)와 접촉하여 미세밸브가 닫혀있는 상태를 유지할 수 있다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 소스 영역에 미세유체가 유입되어 압력이 증가하기 시작하면 제1 개구부(112) 아래에 위치한 가변형 멤브레인(120)이 아래로 변형하기 시작하고, 상기 소스 영역의 압력이 상기 게이트 영역의 압력보다 기 설정된 값 이상으로 커지게 되면 가변형 멤브레인(120)은 밸브 시트(116)로부터 떨어져 미세밸브가 열리게 된다. 이로 인해, 상기 소스 영역으로부터 상기 드레인 영역으로 유체가 흐르게 된다. 미세밸브가 열릴 때의 상기 소스 영역과 상기 게이트 영역 사이의 압력 차이를 임계 압력(threshold pressure) 또는 열림 압력이라 하기로 한다.

예시적인 실시예들에 있어서, 밸브 시트(116)는 밸브 시트(116)의 적어도 일부가 출구측(20)을 향해 돌출하도록 구부러진 형상을 가질 수 있다. 평면도에서 보았을 때, 제1 개구부(112) 및 제2 개구부(114)의 면적들은 밸브 시트(116)의 돌출 형상에 따라 결정될 수 있다. 밸브 시트(116)가 돌출 형상을 가질 때, 제1 개구부(112)의 면적은 제2 개구부(114)의 면적보다 더 클 수 있다. 이에 따라, 상기 임계 압력을 감소키시고 상기 임계 압력이 유량에 대해 일정한 값을 갖도록 유지할 수 있다.

평면도에서 보았을 때, 밸브 시트(116)는 V자 형상으로 연장할 수 있다. 밸브 시트(116)는 밸브 시트(116)의 중심부가 상기 드레인 영역으로 돌출하도록 구부러진 막대 형상을 가질 수 있다. 밸브 시트(116)는 입구(10)로부터 출구(20)를 향하는 제1 방향을 가로지르도록 제2 방향을 따라 연장할 수 있다. 입구(10)를 향하는 밸브 시트(116)의 내측부(116a) 및 출구(20)를 향하는 밸브 시트(116)의 외측부(116b)는 직선 형상으로 연장할 수 있다.

밸브 시트(116)의 돌출 정도를 돌출 지수(L/W)로 표현할 수 있다. 여기서, 기준 폭(W)은 미세유체 밸브(100)의 전체 폭(Wvalve)의 절반이고, 돌출 길이(L)은 밸브 시트(116)의 외측부(116b)의 시작 위치에서 밸브 시트(116)의 최외측부(117)까지의 거리이다. 돌출 지수(L/W)가 커질수록 밸브 시트(116)가 상대적으로 돌출된 정도가 커지게 된다.

예를 들면, 미세유체 밸브(100)의 전체 폭(Wvalve)은 0.5 내지 1mm의 범위 이내에 있을 수 있다. 밸브 시트(116)의 폭(Wseat)은 약 100 내지 200㎛의 범위 이내에 있을 수 있다. 밸브 시트(116)의 최외측부(117)의 돌출 길이(L)는 200㎛ 이하일 수 있다.

도 5는 I자 형상의 밸브 시트와 V자 형상의 밸브 시트가 각각 사용된 미세유체 밸브들에서의 가변형 멤브레인의 변형 정도를 나타내는 도면들이다.

도 5를 참조하면, 밸브 시트(116)의 돌출 정도에 따라 제2 개구부(114) 내부로의 가변형 멤브레인(120)의 변형을 효과적으로 억제할 수 있다.

미세유체 밸브에 미세유체가 유입되면, I자 형상의 밸브 시트(216)가 사용된 경우 가변형 멤브레인(220)은 드레인 영역 내부로 상당한 깊이만큼 변형하게 되는 반면, V자 형상의 밸브 시트(116)가 사용된 경우에는 드레인 영역 내부로의 가변형 멤브레인(120)의 변형이 감소될 수 있다. 가변형 멤브레인(120)이 제2 개구부(114) 내로 변형하는 정도가 클수록 미세밸브가 열리는 것을 현저히 방해하여 열림 압력이 커질 수 있다. 따라서, 상기 밸브 시트가 돌출된 형상을 가질 때 제2 개구부(114) 내로 변형하는 정도를 감소시켜, 임계 압력의 변화를 감소시킬 수 있고 압력 변화와는 거의 무관하게 임계 압력을 일정하게 유지할 수 있다.

도 6은 도 1의 미세유체 밸브의 유량에 따른 열림 압력을 나타내는 그래프이다.

도 6을 참조하면, 돌출 지수(L/W)가 0인 경우는 밸브 시트(116)가 돌출하지 않은 I형 형상인 경우이고, 돌출 지수(L/W)가 0.87이면 돌출된 최외측부(117)가 거의 밸브의 끝부분에 있는 것이다. 돌출 지수(L/W)가 0인 경우는 돌출 지수(L/W)가 0.87인 경우에 비하여 임계 압력이 2 내지 6배 정도 높게 나오며, 유량 변화에 임계 압력도 크게 영향을 받음을 알 수 있다. 따라서, 밸브 시트(116)의 돌출된 형상은 효과적으로 임계 압력을 감소시킬 수 있고, 임계 압력 값도 일정하게 유지할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 미세유체 밸브(100)는 가변형 멤브레인(120) 및 밸브 시트(116)의 접촉면들 중 적어도 하나의 표면 상에 형성된 코팅막(122)을 더 포함할 수 있다. 가변형 멤브레인(120)은 점착력을 가지고 있는 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 이용하여 형성될 수 있다. 코팅막(122)은 세포 배양액, 혈청(serum)과 알부민(albumin)과 같은 단백질 용액, 플루로닉(pluronic)과 같은 계면 활성제 등을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 코팅막(122)이 세포 배양액을 이용하여 형성될 때, 임계 압력이 30%정도 감소하는 결과를 보였다. 특히, 상기 미세밸브가 PDMS와 같은 점착력을 가지고 있는 물질을 이용하여 형성될 때, 세포배양액을 미세밸브의 코팅 용액으로 사용함으로써, 여러 단백질 물질들이 미세밸브 표면에 흡착되어 접착성을 현저히 감소시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 미세유체 밸브는 상ㅇ하부의 두 유로 층으로 구성되고, 상기 두개의 유로 사이에는 탄성 변형이 가능한 플렉서블 멤브레인이 개재될 수 있다. 또한, 상부 유로에는 입력 부분과 출력 부분을 나누는 밸브 시트가 형성되어 상기 멤브레인이 위쪽으로 변형하여 상기 밸브 시트와 접촉하면 상부 유로에서의 유동 흐름이 멈추게 된다. 반대로 상기 멤브레인이 아래쪽으로 변형되면 상부 유로에서의 유동 흐름이 가능하다. 이 때, 상기 밸브 시트는 돌출 형상을 가지며, 상기 밸브 시트와 멤브레인의 접촉면에는 코팅막이 형성될 수 있다.

이에 따라, 상기 미세유체 밸브는 유량 변화와 같은 구동 환경에 영향을 받지 않고, 설계된 일정한 압력에서 열리게 된다. 또한 상기 미세유체 밸브가 열리는 임계 압력도 매우 낮게 유지할 수 있다. 이에 따라 선형적이고 낮은 구동압력을 가지는 미세유체 밸브를 제공할 수 있다.

도 7은 예시적인 실시예들에 따른 미세유체 밸브를 나타내는 평면도이다. 상기 미세유체 밸브는 밸브 시트의 형상을 제외하고는 도 1의 미세유체 밸브와 실질적으로 동일하거나 유사하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명을 생략하기로 한다.

도 7을 참조하면, 밸브 시트(118)는 U자 형상으로 연장할 수 있다. 평면도에서 보았을 때, 밸브 시트(118)는 아치 형상의 구부러진 막대 형상을 가질 수 있다. 입구(10)를 향하는 밸브 시트(118)의 내측부(118a) 및 출구(20)를 향하는 밸브 시트(118)의 외측부(118b)는 곡선 형상으로 연장할 수 있다. 내측부(118a) 및 외측부(118b)는 약 200 내지 600㎛의 곡률 반경을 가질 수 있다.

밸브 시트(116)는 밸브 시트(116)의 적어도 일부가 출구측(20)을 향해 돌출하도록 구부러진 형상을 가짐으로써, 임계 압력(열림 압력)을 감소키시고 임계 압력을 유량에 대해 일정한 값으로 유지할 수 있다.

도 8은 예시적인 실시예들에 따른 미세유체 밸브를 나타내는 평면도이다. 상기 미세유체 밸브는 밸브 시트의 형상을 제외하고는 도 1의 미세유체 밸브와 실질적으로 동일하거나 유사하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명을 생략하기로 한다.

도 8을 참조하면, 밸브 시트(118)는 V자 형상과 U자 형상의 조합 형상으로 연장할 수 있다. 입구(10)를 향하는 밸브 시트(119)의 내측부(119a)는 직선 형상으로 연장하고 출구(20)를 향하는 밸브 시트(119)의 외측부(119b)는 곡선 형상으로 연장할 수 있다. 외측부(119b)는 약 200 내지 600㎛의 곡률 반경을 가질 수 있다. 돌출 형상을 갖는 밸브 시트(119)는 선형적이고 낮은 구동 압력으로 구동되는 미세유체 밸브를 제공할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 입구 20: 출구
30: 제어 유공압 라인 100: 미세유체 밸브
100: 미세유체 밸브 110: 채널 유로층 구조물
112: 제1 개구부 114: 제2 개구부
116, 118, 119: 밸브 시트 117: 최외측부
120: 가변형 멤브레인 122: 코팅막
130: 멤브레인 제어층 구조물 132: 제3 개구부

Claims

입구와 출구에 각각 연통된 제1 개구부와 제2 개구부 그리고 상기 제1 개구부와 상기 제2 개구부 사이에서 연장하여 상기 제1 및 제2 개구부들을 구분하는 밸브 시트를 갖는 채널 유로층 구조물;
상기 채널 유로층 구조물을 커버하고 상기 밸브 시트와 선택적으로 접촉 가능하도록 작동하고, 상기 제1 개구부 및 상기 제2 개구부와 함께 제1 영역 및 제2 영역을 각각 정의하는 가변형 멤브레인; 및
상기 가변형 멤브레인을 사이에 두고 상기 채널 유로층 구조물 상에 배치되고, 상기 가변형 멤브레인과 함께 상기 가변형 멤브레인을 상기 밸브 시트에 대해 가압 또는 감압하기 위한 제3 영역을 형성하기 위한 제3 개구부를 갖는 멤브레인 제어층 구조물을 포함하고,
상기 밸브 시트는 상기 밸브 시트의 적어도 일부가 상기 제2 영역으로 돌출하도록 구부러진 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 미세유체 밸브.
제 1 항에 있어서, 상기 밸브 시트는 V자 형상, U자 형상 또는 이들의 조합 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 미세유체 밸브.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 개구부 및 상기 제2 개구부의 면적들은 상기 밸브 시트의 돌출 형상에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 미세유체 밸브.
제 3 항에 있어서, 상기 제2 개구부의 면적은 상기 제1 개구부의 면적보다 더 작은 것을 특징으로 하는 미세유체 밸브.
제 1 항에 있어서, 상기 가변형 멤브레인 및 상기 밸브 시트의 접촉면들 중 적어도 하나의 표면 상에 형성된 코팅막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 밸브.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 개구부 및 상기 제2 개구부는 제1 방향으로 서로 이격 형성되고, 상기 밸브 시트는 상기 제1 방향을 가로지르는 제2 방향으로 연장하고, 상기 밸브 시트의 적어도 일부는 상기 제1 방향으로 상기 제2 영역 내부로 돌출하는 것을 특징으로 하는 미세유체 밸브.
제 1 항에 있어서, 상기 가변형 멤브레인은 플렉서블한 폴리머 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 밸브.
상부층 구조물;
상기 상부층 구조물 상에 배치되고, 밸브 시트를 갖는 하부층 구조물; 및
상기 하부층 구조물 및 상기 상부층 구조물 사이에 개재되며, 상기 하부층 구조물을 커버하여 입구와 출구에 각각 연통되는 소스 영역과 드레인 영역을 형성하고, 상기 상부층 구조물을 커버하여 상기 밸브 시트에 대해 가압 또는 감압하기 위한 게이트 영역을 형성하는 가변형 멤브레인을 포함하고,
상기 밸브 시트는 상기 밸브 시트의 적어도 일부가 상기 드레인 영역으로 돌출하도록 구부러진 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 미세유체 밸브.
제 8 항에 있어서, 상기 밸브 시트는 V자 형상, U자 형상 또는 이들의 조합 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 미세유체 밸브.
제 8 항에 있어서, 상기 가변형 멤브레인 및 상기 밸브 시트의 접촉면들 중 적어도 하나의 표면 상에 형성된 코팅막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 밸브.