KR101829021B1 - 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브에 관한 것으로서, 중간에 형성된 접촉홈의 한쪽에 유입부가 연결되고 다른 쪽에 적어도 2개 이상의 유출부가 간격을 두고 연결된 유체채널 네트워크부와, 상기 유체채널 네크워크부의 일면에 배치되어, 공급통로를 통해 상기 접촉 홈의 위치에 공급되는 압력에 의해 일부분이 상기 접촉 홈의 형상으로 변형되면서 접촉함으로써, 적어도 2개 이상의 상기 유출부를 통해 다수의 유체 경로를 개별적 혹은 동시다발적으로 제어하도록 한 밸브 제어부를 포함한 것이며, 유체채널 네트워크부와 밸브 제어부의 2개 층 또는 밸브 제어막을 포함하여도 3개 층의 단순한 PDMS 재질의 구조로 되어 있어, 이로 인해 PDMS만의 제작공정으로 간단하게 제작할 수 있고 제작비용도 적게 들고, 밸브 제어부에 의해 공급되는 압력의 차이에 따라 다수개의 유출부를 통해 개별적으로 또는 동시다발적으로 유체를 배출할 수 있는 효과가 있다.

Description

압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브{Pressure-gain controlled multi-way control valve}
본 발명은 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브에 관한 것으로서, 상세히는 유체채널 네트워크부와 밸브 제어부로 이루어져, 상기 유체채널 네크워크부에 형성된 접촉 홈의 위치에 공급되는 압력에 의해 상기 밸브 제어부의 일부분이 변형되어 접촉홈과 접촉함으로써, 상기 접촉 홈에 연결된 유입부와 다수의 유출부를 통과하는 유체의 흐름을 적절하게 제어할 수 있도록 한 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브에 관한 것이다.
유체의 흐름을 미세하게 제어하기 위한 밸브는 다양한 형태와 구성으로 이루어지는데, 그 중에서도 본 발명의 제어밸브와 같이 유체가 배출되는 통로의 개폐를 통해 유체의 배출을 제어하는 유체 논리 소자가 있다.
이러한 종래 유체 논리 소자의 밸브로 다중채널(multiplexer) 유체 논리 소자 밸브가 있는바, 도 1에 도시한 바와 같이, 제어층(10), 멤브레인층(20), 배출층(30) 및 공급층(40)이 차례로 적층되어 전체가 실리콘 및 폴리디메틸실록산(PDMS)의 4층 구조로 되어 있다. 상기한 종래 다중채널 유체 논리 소자 밸브에서의 유체 제어는 제어층(10)을 통해 멤브레인층(20)을 변형시켜 실시하게 된다. 즉 상기 공급층(40)을 통해 배출층(30)으로 유체를 통과시키는 통로의 역할을 하게 되는 배출층(30)에 형성된 오리피스(50)를 상기 멤브레인층(20)의 리지드 디스크(60) 부분이 변형하여 접촉함으로서 폐쇄(도 1의 a)하거나, 상기 리지드 디스크(60) 부분이 변형되지 않는 멤브레인층(20)에 의해 상기 오리피스(50)가 개방(도 1의 b)됨으로써 유체의 흐름을 제어하게 된다.
그러나 상기한 바와 같은 종래 다중채널 유체 논리 소자 밸브는 실리콘 및 PDMS의 재질로 구성하기 위해 실리콘 가공 및 PDMS 공정 등을 거쳐야 하는 등의 문제와, 실리콘 및 PDMS 층이 4층으로 적층되는 복잡한 구조로 되어 있다는 문제가 있다.
또한 상기 다중 채널 유체 논리 조사는 밸브로서의 동작 및 활용 가능성은 어느 정도 있지만, 제작 공정이 매우 복잡하고, 유체의 흐름이 유입부 및 유출부가 일대일로 연결된 하나의 경로를 통해서만 제어되고 있어 특정 목적을 위해 사용되는 밸브의 특성상 다양한 유체경로를 필요로 하는 밸브에서는 적용할 수 없다고 하는 문제가 있다.
한국 등록특허공보 제10-0768443호
본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 압력의 공급으로 밸브 제어부의 일부분을 변형시켜 유체채널 네트워크부의 유입부와 유출부가 연결된 접촉 홈과 접촉시킴으로써 유체의 흐름을 제어하되, 상기 접촉 홈에 유입부를 간격을 두고 다수개 연결함으로써 다수의 유체 경로를 개별적 혹은 동시다발적으로 제어하도록 한 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브는, 중간에 형성된 접촉홈의 한쪽에 유입부가 연결되고 다른 쪽에 적어도 2개 이상의 유출부가 간격을 두고 연결된 유체채널 네트워크부와, 상기 유체채널 네크워크부의 일면에 배치되어, 공급통로를 통해 상기 접촉 홈의 위치에 공급되는 압력에 의해 일부분이 상기 접촉 홈의 형상으로 변형되면서 접촉함으로써, 적어도 2개 이상의 상기 유출부를 통해 다수의 유체 경로를 개별적 혹은 동시다발적으로 제어하도록 한 밸브 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
또 상기 유체채널 네크워크는 접촉홈의 다른 쪽에 수직방향으로 간격을 두고 연결되거나 수직 및 수평방향으로 간격을 두고 연결되는 것이 바람직하다.
또 상기 유체채널 네트워크부와 밸브 제어부의 사이에 배치되어, 상기 밸브 제어부를 통해 접촉 홈의 위치에 공급되는 압력에 의해 일부분이 상기 접촉 홈의 형상으로 변형되면서 접촉하도록 한 밸브 제어막을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또 상기 밸브 제어부와 벨브 제어막 사이의 밸브 제어부 면에 유입부 및 접촉 홈과 대응하여 형성되는 압력통로와 압력 저장공간을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또 상기 유체채널 네크워크부와 밸브 제어부 및 밸브 제어막의 재질은 폴리디메틸실록산(PDMS)과 경화제를 혼합한 혼합물이며, 폴리디메틸실록산(PDMS)과 경화제의 혼합비율은 10:1 중량비인 것이 바람직하다.
또 상기 접촉 홈은 반구형 또는 곡면 형상인 것이 바람직하다.
또 상기 밸브 제어부를 통해 접촉 홈 위치에 공급되는 압력은 공압구동기 또는 유압구동기에 의해 공급되는 공압 또는 유압인 것이 바람직하다.
본 발명의 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브에 의하면, 유체채널 네트워크부와 밸브 제어부의 2개 층 또는 밸브 제어막을 포함하여도 3개 층의 단순한 PDMS 재질의 구조로 되어 있어, 이로 인해 PDMS만의 제작공정으로 간단하게 제작할 수 있고 제작비용도 적게 드는 효과가 있다.
또 밸브 제어부에 의해 공급되는 압력의 차이에 따라 다수개의 유출부를 통해 개별적으로 또는 동시다발적으로 유체를 배출할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 미세밸브는 보다 재현성이 높고 또 초심자의 접근성도 용이하여 유체 논리 소자 개발의 대중화에 기여할 수 있으며, 일반적인 복제 조형(replica molding) 및 접합 공정만으로 제작할 수 있는 효과가 있다.
따라서 다양한 방향으로 유체를 동시에 또는 순차적으로 배출하고자 하는 밸브에 적절하게 적용하여 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 다중채널 유체 논리 소자로 밸브의 작동상태도로, (a)는 유체 통로 폐쇄, (b)는 유체 통로 개방
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 종단면도로, (a)는 유체 통로 폐쇄, (b)는 유체 통로 개방
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 평면도
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 내부 사시도 및 일부 구성 분리도
도 5는 본 발명에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 구성 및 접합 순서도
도 6은 본 발명에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 밸브 제어부와 밸브 제어막 및 기저층의 제작공정 순서도
도 7은 본 발명에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 전체 제작공정 순서도
도 8은 본 발명에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 사진으로, (a)는 밸브 부분 사진 및 (b)는 밸브 영역 확대 사진
도 9는 본 발명에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 단면 사진으로, (a)는 밸브 전체 구조의 단면 사진, (b)는 유체채널 네트워크부의 상부 유입부 영역 사진
도 10은 본 발명에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브에 공압 구동방식을 적용하여 밸브 동작의 특성을 시험하기 위한 장치도
도 11은 본 발명에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 동작 특성 시험 사진으로, (a)는 Pv=OFF, (b)는 Pv=PLow, (c)는 Pv=PHigh
도 12는 본 발명에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 두 유출부에서 발생하는 유량을 나타내는 그래프
도 13은 본 발명에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 유출부에서 압력에 따른 유량 특성을 보여주는 그래프
이하, 본 발명에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 종단면도로, (a)는 유체 통로 폐쇄, (b)는 유체 통로 개방을 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 평면도이다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 유체 논리 소자의 개념으로 구성된 일 실시예에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브는 폴리디메틸실록산(PDMS) 재질의 유체 챔버(1)와 밸브 제어부(2)를 기본 구성으로 하고 있다.
유체채널 네트워크부는 유입부(3), 유출부(4a, 4b), 접촉 홈(6)로 이루어진 유체 챔버(1)와 밸브 제어부(2)를 포함한다.
상기 밸브 제어부(2)의 내부에는 공압이나 유압을 공급하는 공급통로(5)가 형성되어 한쪽 부분이 후술하는 유체 챔버(1)의 접촉 홈(6)과 마주보게 된다.
상기 유체 챔버(1)는 밸브 제어부(2)의 일면에 밀착하여 2층을 이루면서 배치되며 중간에 상기 공급통로(5)와 마주보는 접촉 홈(6)이 형성되고, 상기 공급통로(5)와 대응하는 접촉 홈(6)의 한쪽에는 유체가 유입되는 유입부(3)가 연결되고 다른 쪽에는 유출부(4)가 연결된다. 이때 상기 유출부(4)는 도 3에 도시한 바와 같이, 접촉 홈(6)의 상부에 연결되는 유출부(4a)와 상기 접촉 홈(6)의 하부에 연결되는 유출부(4b)의 2개의 유입부로 연결되어, 상기 두 유출부(4a)(4b)는 수직방향으로 상하 또는 수직방향으로 상하 및 수평방향으로 좌우로 간격을 두고 접촉 홈(6)에 연결된다. 상기한 일 실시예에서 유출부(4a)(4b)는 2개를 연결하여 구성하였으나 필요에 따라 3개 이상 여러 개로 연결하여 구성할 수도 있을 것이다. 여기서 상부의 유출부(4a) 부분은 도면 전체에서 Q1으로 표기하고, 하부의 유출부(4b) 부분은 도면 전체에서 Q2로 표기한다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 작동상태를 보면, 밸브 제어부(2)의 공급통로(5)를 통해 공압구동기로 공압이나 유압구동기로 유압의 압력이 상기 접촉 홈(6)의 위치까지 공급되면, 유체 챔버(1)의 접촉 홈(6)과 마주보는 밸브 제어부(2)의 일부분이 상기 접촉 홈(6)의 공간으로 팽창하여 접촉함으로써 유입부(3)와 유출부(4)를 폐쇄하게 되고, 유체의 배출이 중단된다(도 2의 a). 물론 공압이나 유압의 압력이 제거되면, 팽창되었던 접촉 홈(6) 부분의 밸브 제어부(2) 일부분이 원상복귀하여, 유입부(3)와 유출부(4)가 상기 접촉 홈(6)을 통해 서로 연결되고 유체는 배출된다(도 2의 b). 이때 도 3에서는 유출부(4a)(4b)가 접촉 홈(6)의 상부 및 하부에 연결되어 있으므로 공압이나 유압의 압력공급으로 유출부(4a)(4b)를 폐쇄할 때, 압력 차이에 의한 밸브 제어부(2) 일부분의 팽창 정도에 따라 상부의 유출부(4a)가 먼저 폐쇄되고 하부의 유출부(4b)는 그 이후에 폐쇄된다.
다시 말해, 밸브 제어부(2)는 유체 챔버(1)의 일면에 배치되어 공급통로(5)를 통해 상기 접촉 홈(6)의 위치에 공급되는 제1 압력에 의해 일부분이 상기 접촉 홈(6)의 형상으로 변형되면서 상단 부분의 유출부(4a)의 경계 부분이 막히게 되고, 하단 부분의 유출부(4b)로 물이 유출되고, 상기 제1 압력보다 큰 제2 압력이 상기 접촉 홈(6)의 위치에 공급되면, 상기 유체 챔버(1)의 형상으로 변형되어 상기 상단 부분의 유출부(4a)와 상기 하단 부분의 유출부(4b)를 막는 구조로 상기 접촉 홈(6)에 공급되는 압력 상태에 따라 복수의 유체 경로를 흐르는 유체를 선택적으로 차단하도록 제어한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 내부 사시도 및 일부 구성 분리도를 도시한 것이다.
삭제
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브는 상기한 일 실시예의 제어밸브 구성, 즉 유체 챔버(1)와 밸브 제어부(2)의 2층 구조 사이에 밸브 제어막(7)을 배치하여 3층의 구조로 한 것이다.
상기 유체 챔버(1)에는 상기한 바와 같이 접촉 홈(6)을 사이에 두고 양쪽에서 하나의 유입부(3)와 2개의 유출부(4a)(4b)가 각각 연결되어 있으며, 상기 유출부(4a)(4b) 또한 접촉 홈(6)에서 상하 또는 상하 및 좌우로 간격을 두고 연결된다.
상기 밸브 제어막(7)은 PDMS 재질로 된 단순한 막으로 구성된다.
상기 밸브 제어부(2)에 형성되는 공급통로(5)는 한쪽에서 일자로 이어지다가 중간의 접촉 홈(6)과 마주보는 부분에서는 상기 접촉 홈(6)의 형상으로 넓게 구성되어 압력 저장공간으로 형성되고, 상기 압력 저장공간까지 공압이나 유압의 압력이 공급되면 상기 접촉 홈(6)과 마주보는 밸브 제어막(7)의 해당 부위를 팽창시키게 된다.
상기한 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 작동상태는 상기한 일 실시예의 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 작동상태와 거의 동일하며, 단지 밸브 제어부(2)의 압력통로와 연결된 압력 저장공간을 통해 공급된 압력에 의해 밸브 제어막(7)의 일부분이 팽창하여 접촉 홈(6)과 접촉함으로써 유입부(3) 및 유출부(4a)(4b)를 개폐하는 것만 다르다.
밸브 제어막(7)은 접촉 홈(6)의 위치에 공급되는 압력에 의해 일부분이 상기 접촉 홈(6)의 형상으로 변형된다.
밸브 제어부(2)는 유체 챔버(1)의 일면에 배치되어 공급통로(5)를 통해 상기 접촉 홈(6)의 위치에 공급되는 제1 압력에 의해 상기 밸브 제어막(7)의 일부분이 상기 접촉 홈(6)의 형상으로 변형되면서 상단 부분의 유출부(4a)의 경계 부분이 막히게 되고, 하단 부분의 유출부(4b)로 물이 유출되고, 상기 제1 압력보다 큰 제2 압력이 상기 접촉 홈(6)의 위치에 공급되면, 상기 밸브 제어막(7)의 일부분이 상기 유체 챔버(1)의 형상으로 변형되어 상기 상단 부분의 유출부(4a)와 상기 하단 부분의 유출부(4b) 구조로 상기 접촉 홈(6)에 공급되는 압력에 따라 복수의 유체 경로를 흐르는 유체를 선택적으로 차단하도록 제어한다.
여기에서도 상기한 일 실시예의 제어밸브에서와 같이, 유입부(3)를 통해서 유입되는 유체는 밸브 제어부(2)의 공급통로(5)를 통하여 인가되는 공압 또는 유압의 압력의 ON/OFF 제어 및 크기에 따라 유출부(4a)(4b)를 통해 유출할 때, 유체의 흐름을 선택적으로 유도하거나 완전히 차단할 수 있는 구조로 되어있다.
상기한 일 실시예 및 다른 실시예의 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브에서 유체 챔버(1)의 접촉 홈(6)은 밸브 제어부(2) 또는 밸브 제어막(7)이 팽창하여 상기 접촉 홈(6)과 접촉하여야 하기 때문에 반구형이나 곡면으로 구성하는 것이 바람직하다.
다음의 표 1은 도 2 또는 도 3의 밸브 구동을 나타낸 것이다.
밸브 제어부에 공급되는 압력 상태에 따른 두 유출부의 유량 발생 여부 진리표
밸브 제어 신호(P) Flow rate
Q1 Q2
OFF (또는 0 kPa) ON ON
PLow OFF ON
PHigh OFF OFF
상기 표 1에 의하면, 밸브 구동을 위한 외부 압축 공기가 인가되지 않은 상태에서 유입부로부터 유체를 인가하게 되면, 본 발명의 제어밸브가 보통의 개방 밸브 형태이기 때문에 두 개의 유출부로 유체가 흐르게 된다. 만일 외부 압축 공기를 유입하게 되면, 밸브 제어부 또는 밸브 제어막의 변형으로 인하여 반구형 유체 챔버의 형태로 된 접촉 홈의 상단 부분의 유출부가 먼저 닫히게 되어, 유량은 하부에 위치한 유출부로 흐르게 된다. 만일 밸브 제어부 또는 밸브 제어막이 완전히 접촉 홈 바닥의 접촉 면과 닿을 수 있을 정도의 충분한 압력을 인가하게 되면, 밸브는 결국 하부의 유출부로 흐르는 유체도 차단하게 된다. 즉 공압으로 본 발명의 제어밸브에 제공되는 압력의 상태에 따라 두 유체 채널로 흐르는 유체를 선택적으로 차단할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 구성 및 접합 순서도를 도시한 것이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 각 구성, 즉 접촉 홈(6)이 형성된 유체 챔버(1)와 밸브 제어막(7) 및 밸브 제어부(2)에 해당하는 각각의 필요한 PDMS 층을 제작한 후 순차적으로 접합함으로써 본 발명의 제어밸브를 완성한다. 각각의 공정들은 도 6과 7에 상세히 도시되어 있다. 이때 도면에서는 상기 유체 챔버(1)와 기저층(8)을 별개로 제작하여, 상기 기저층(8) 위에 유체 챔버(1)와 밸브 제어막(7) 및 밸브 제어부(2)를 순차적으로 접합하고 있으나, 상기 기저층(8)과 유체 챔버(1)를 별개가 아닌 한 몸체로 하여 제작할 수도 있을 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 밸브 제어부와 밸브 제어막 및 기저층의 제작공정 순서도를 도시한 것이다. 도면에서 왼쪽은 밸브 제어부의 제작공정 순서도이고, 오른쪽은 밸브 제어막 및 기저층의 제작공정 순서도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, PDMS의 주재료와 경화제 비율을 10:1 중량비로 혼합한 후, 준비된 SU-8 몰드 위에 도포하고, 75℃에서 30분 동안 경화시켜 밸브 제어부를 제작한다. 밸브 제어막 및 기저층의 경우에는 SU-8 몰드가 필요 없기 때문에, 혼합된 PDMS를 유리 기판 위에 도포 및 경화시킨다. 밸브 제어막의 생성을 위한 경우에는 스핀 코터로 막의 두께를 조절하고, 경화 후 미리 준비한 밸브 제어부와 상압 플라즈마를 이용하여 접합을 하고, 접합된 두 구조물을 유리 기판으로부터 같이 벗겨낸다. 특별한 기능이 없는 기저층의 경우에는 단순 도포 및 경화 공정만으로 제작하고, 벗겨낸 후 공기와의 접촉을 차단할 수 있는 상태로 보관한다.
도 7은 본 발명에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 전체 제작공정 순서도를 도시한 것으로, 유체채널 네트워크부의 제작공정과 함께 도시한 것이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 유입부와 접촉 홈 및 유출부로 형성된 상부 유체 채널 형상을 갖도록 SU-8 몰드 위에 혼합된 PDMS를 도포하고, 경화시켜 구조물을 제작한다. 이렇게 제작된 구조물을 상압 플라즈마를 이용하여 유리 기판과 접합하여 열공합 몰드를 제작한다.
이후 하부 형상을 갖는 SU-8 몰드 위에 혼합된 PDMS를 도포한 후, 현미경을 사용하여 앞서 준비한 열공합 몰드를 정렬하고, 가열 판 위에서 경화시킨다. 액상 PDMS의 경화 과정 중 열공압 몰드 내 공기가 팽창하여 풍선처럼 부풀어 오르게 되고, 이러한 형상의 역상이 SU-8 위에 도포된 액상 PDMS에 전사된다. 본 발명의 제어밸브의 제작경험에 따르면, 150도에서 30분간 수행하면 열공압 몰드의 막이 충분히 부풀어 오르게 되고 또한 역상이 전사되는데 충분하다. 다소 낮은 온도 및 적은 시간에서 공정을 수행하게 되면, 전사 및 경화가 충분히 이루어지지 않게 된다.
경화 후 자연 냉각을 수행하고, 열공압 몰드 제거 및 하부 SU-8 몰드 구조로부터 제작된 유체채널 네트워크부를 분리한다. 분리 한 후, 기저층과 접합하고, 최종적으로 미리 제작한 밸브 제어부와 밸브 제어막이 접합된 구조와 다시 접합하여 본 발명의 제어밸브의 제작을 완료한다.
도 8은 본 발명에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 사진으로, (a)는 밸브 부분 사진 및 (b)는 밸브 영역 확대 사진이고, 도 9는 본 발명에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브의 단면 사진으로, (a)는 밸브 전체 구조의 단면 사진, (b)는 유체채널 네트워크부의 상부 유입부 영역 사진이다. 도 8 및 도 9로부터 상기한 공정을 통해 제작된 본 발명의 제어밸브의 형태와 내부구조를 잘 보여주고 있다. 도 8 내지 도 9에서 Inlet port는 유입부(3), Valve control port와 Valve control channel는 밸브 제어부(2)의 공급통로(5), Valve chamber는 유체 챔버(1), Fluid channel은 유출부(4a)(4b), Semicircular fluid chamber는 접촉 홈(6), Contact area는 접촉 홈(6)의 바닥면, Valve diaphram은 밸브 제어막(7)에 해당한다(도 1 내지 도 5 기준).
본 발명에 따른 제어밸브의 각각의 주요 구성요소들의 두께 및 크기는 다음의 표 2와 같다.
제작된 본 발명의 제어밸브의 주요 구성요소의 두께 및 크기
구분 두께 및 높이(측정된) 직경(2D 마스크 배치)
밸브 제어부 61.538㎛ 1000㎛
밸브 제어막 51.282㎛ 1000㎛
유체채널 네트워크 148.718㎛ 700㎛
접촉 면적 26.923㎛ 300㎛
상기 본 발명의 제어밸브의 각 구성요수의 두께 및 크기를 보면 유체의 미세한 흐름을 제어하는 미세밸브임을 잘 알 수 있지만, 본 발명의 개념은 상기 미세밸브에 한정되는 것은 아니다.
다음은 본 발명에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브를 이용하여 밸브의 흐름을 제어하는 구동 시험을 설명한 것이다.
먼저 동작 특성의 가시화로 도 10과 같은 동작 특성 시험 장치를 활용하여 도 11과 같은 동작 특성을 확인하였으며, 상기의 표 1에서 예상한 결과와 동일함을 확인하였다. 즉 Labview 프로그램 및 DAQ를 활용하여 외부 압축공기를 전자기 밸브로 제어함으로써, 본 발명의 제어밸브 구동에 필요한 공압 신호를 생성하였다. 유량인 경우, 수압을 발생시켜 본 발명의 제어밸브의 유체채널 네트워크부 내부로 유량을 주입하였으며, 발생된 유량은 유량 센서로 측정하고, 밸브의 동작특성은 디지털 현미경으로 동영상 정보를 확보하는데 이용하였다.
그리고 본 발명의 제어밸브에서 유입부와 유출구로 구성되는 유체채널의 유체 저항 및 밸브 동작 특성를 시험하였다. 도 12는 본 발명의 제어밸브를 구동하지 않는 상태에서 수두압을 이용하여 상기 제어밸브의 두 유출부에서 발생하는 유량을 각각 측정한 것이다. 압력(dP)과 유량(dQ) 정보로부터 유체 저항의 비율을 계산한 결과, 4.1 배 정도 상부 채널의 유출부(Q1)의 유체 저항이 하부 채널 유출부(Q2)의 유체저항보다 큼을 알 수 있었다.
도 13은 본 발명의 제어밸브의 구동시 압력에 따른 유량 특성을 나타낸다. PLow(=33 kPa) 및 PHigh(=73 kPa)를 순차적으로 인가하였을 때, 유량의 변화는 각각 ΔQ1 및 ΔQ2가 각각 6.8과 21.1 ㎕/min이었다. 도 12의 결과를 고려할 때, PLow에 의한 유량 차이가 상부 채널의 유출부(Q1)의 유량 특성과 비슷함을 알 수 있었고, 이로부터 PLow 인가시 상부 채널의 유출부(Q1)가 그리고 PHigh인 경우에는 상부 및 하부 채널의 모든 유출부(Q2)가 닫힘을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
1 : 유체채널 네트워크부 2 : 밸브 제어부
3 : 유입부 4,4a,4b : 유출부
5 : 공급통로 6 : 접촉 홈
7 : 밸브 제어막 8 : 기저층

Claims (8)

  1. 중간에 형성된 접촉 홈의 한쪽에 유입부가 연결되고 다른 쪽에 적어도 2개 이상의 유출부가 상하 또는 상하 및 좌우 간격을 두고 연결된 3차원 형상의 유체 챔버; 및
    상기 유체 챔버의 일면에 배치되어 공급통로를 통해 상기 접촉 홈의 위치에 공급되는 제1 압력에 의해 일부분이 상기 접촉 홈의 형상으로 변형되면서 상단 부분의 유출부의 경계 부분이 막히게 되고, 하단 부분의 유출부로 물이 유출되고, 상기 제1 압력보다 큰 제2 압력이 상기 접촉 홈의 위치에 공급되면, 상기 유체 챔버의 형상으로 변형되어 상기 상단 부분의 유출부와 상기 하단 부분의 유출부를 막는 구조로 상기 접촉 홈에 공급되는 압력 상태에 따라 복수의 유체 경로를 흐르는 유체를 선택적으로 차단하도록 제어하는 밸브 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브.
  2. 중간에 형성된 접촉 홈의 한쪽에 유입부가 연결되고 다른 쪽에 적어도 2개 이상의 유출부가 상하 또는 상하 및 좌우 간격을 두고 연결된 3차원 형상의 유체 챔버;
    상기 유체 챔버의 상부에 배치되어 상기 접촉 홈의 위치에 공급되는 압력에 의해 일부분이 상기 접촉 홈의 형상으로 변형되는 밸브 제어막; 및
    상기 유체 챔버의 일면에 배치되어 공급통로를 통해 상기 접촉 홈의 위치에 공급되는 제1 압력에 의해 상기 밸브 제어막의 일부분이 상기 접촉 홈의 형상으로 변형되면서 상단 부분의 유출부의 경계 부분이 막히게 되고, 하단 부분의 유출부로 물이 유출되고, 상기 제1 압력보다 큰 제2 압력이 상기 접촉 홈의 위치에 공급되면, 상기 밸브 제어막의 일부분이 상기 유체 챔버의 형상으로 변형되어 상기 상단 부분의 유출부와 상기 하단 부분의 유출부를 막는 구조로 상기 접촉 홈에 공급되는 압력에 따라 복수의 유체 경로를 흐르는 유체를 선택적으로 차단하도록 제어하는 밸브 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유입부, 상기 접촉 홈 및 상하 간격으로 형성된 상기 복수의 유출부가 하나의 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS) 층에 일체형으로 형성하는 것을 특징으로 하는 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 밸브 제어부와 상기 밸브 제어막 사이의 밸브 제어부 면에 유입부 및 접촉 홈과 대응하여 형성되는 압력통로와 압력 저장공간을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 유체 챔버, 밸브 제어부 및 밸브 제어막의 재질은 폴리디메틸실록산(PDMS)과 경화제를 혼합한 혼합물인 것을 특징으로 하는 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 폴리디메틸실록산(PDMS)과 경화제의 혼합비율은 10:1 중량비인 것을 특징으로 하는 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브.
  7. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉 홈은 반구형 또는 곡면 형상인 것을 특징으로 하는 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브.
  8. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 제어부를 통해 접촉 홈 위치에 공급되는 압력은 공압구동기 또는 유압구동기에 의해 공급되는 공압 또는 유압인 것을 특징으로 하는 압력이득 제어방식의 다방향 제어밸브.
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