KR102140874B1 - 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프 및 곡면 형상의 유체 챔버 제조방법 - Google Patents

곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프 및 곡면 형상의 유체 챔버 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프 및 곡면 형상의 유체 챔버 제조방법에 관한 것으로, 유체 주입 및 배출을 위한 유체 연결구(Fluid port)와, 상기 유체 연결구 사이를 연결하여 유체가 흐르는 유체 채널과, 상기 유체 채널 상에 설치되는 복수개의 공압 구동기(Actuator)와, 상기 공압 구동기를 구동하기 위해 외부 압축 공기 주입을 위한 공압 연결구 (Pneumatic port)와, 상기 공압 연결구로부터 상기 복수개의 공압 구동기(Actuator) 사이의 연결하는 공압 채널과, 상기 공압 구동기 각각의 하부에 위치한 곡면 형상의 유체 챔버를 포함함으로써, 유체 챔버 내부에 사체적(dead volume)이 존재하는 것을 방지하고 유체 전송의 효율을 크게 개선할 수 있는 효과가 있다.

Description

곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프 및 곡면 형상의 유체 챔버 제조방법{Self-generated Peristaltic Micro Pump with Curved Fluid Chamber and Method for Manufacturing the Curved Fluid Chamber}
본 발명은 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프 및 곡면 형상의 유체 챔버 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체 챔버 내부에 사체적(dead volume)이 존재하는 것을 방지하도록 유체 챔버의 형상을 곡면으로 함으로써, 유체 전송의 효율을 크게 개선할 수 있는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프 및 유체 챔버 제조방법에 관한 것이다.
마이크로 펌프는 작동 유체를 특정 방향으로 이송하는 장치로서, 마이크로 유체 시스템(microfluidic system)의 핵심 부품 중 하나이다.
마이크로 펌프는 구동 방식에 따라 정전기, 전자기, 압전, 공압 등으로 구분된다. 각각의 구동 방식에 따른 마이크로 펌프의 제작 방법, 정밀도, 단위 시간당 처리량 등의 관점에서 각각의 마이크로 펌프를 평가할 수 있다. 근래, 공압 구동 방식의 연동형 펌프 구동 방식인 경우, 압축 공기의 저항으로 인한 압력 감소와 구동기 변형으로 인한 커패시턴스 효과를 활용한 인위적 시지연(time delay) 현상을 이용하여 자가 연동형 구동기를 활용한 펌프가 보고되었다.
그러나, 기존의 자가 연동형 구동기를 활용한 펌프는 전통적인 소프트 리소그래피(soft lithography) 공정을 활용하여 제작하였기 때문에, 직각면을 갖는 유체 챔버가 필연적으로 제작된다.
이러한 구조적 문제로 인하여 유체 챔버 내부에 사체적(dead volume)이 존재하게 되어, 유체 전송의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 위와 같은 자가 연동형 마이크로 펌프의 유체 챔버 내부에 존재하는 사체적을 줄이기 위한 노력이 필요하다.
[비특허문헌 1] Jeong O C and Konishi S, 'The self-generated peristaltic motion of cascaded pneumatic actuators for micropumps', J. Micromech. Microeng, 2008, 18, 085017, pp. 7. [비특허문헌 2] Jeong O C and Konishi S, 'Fabrication of Peristaltic Micropump Driven by a Single-Phase Pneumatic Force', Japanese Journal of Applied Physics, 2010, 49, 056506.
이에 본 발명에서는 사체적을 최소화하기 위하여 유체 전송을 위한 구동기 막의 변형과 일치하는 곡면형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동 방식의 마이크로 펌프를 제공하는데 그 목적이 있다.
이로써, 사체적으로 인한 유체 전송의 효율이 떨어지는 문제점을 해결하고, 기존의 직각면의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프와 비교하여 성능이 월등히 우수한 자가 연동 방식의 마이크로 펌프를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 유체 주입 및 배출을 위한 유체 연결구(Fluid port)와, 상기 유체 연결구 사이를 연결하여 유체가 흐르는 유체 채널과, 상기 유체 채널 상에 설치되는 복수개의 공압 구동기(Actuator)와, 상기 공압 구동기를 구동하기 위해 외부 압축 공기 주입을 위한 공압 연결구 (Pneumatic port)와, 상기 공압 연결구로부터 상기 복수개의 공압 구동기(Actuator) 사이의 연결하는 공압 채널과, 상기 공압 구동기 각각의 하부에 위치한 곡면 형상의 유체 챔버를 포함하는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프가 제공된다.
본 발명에 있어서, 상기 공압 채널은 상기 공압 연결구로부터 공압 구동기 사이를 연결하는 제1 공압 채널(R1)과, 상기 공압 구동기 사이를 연결하는 제2 공압 채널(R2)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 공압 채널과 제2 공압 채널은 시지연 효과를 유발하기 위하여 채널 형상을 구불구불하게 설계하여 저항을 증가시킬 수 있다.
특히, 상기 제1 공압 채널은 적어도 2개 이상의 굴곡부를 갖는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 공압 채널은 상기 제1 공압 채널보다 더 많은 굴곡부를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 유체 챔버는 상기 공압 구동기 박막의 변형을 극대화시키기 위하여 구동기 박막의 변형과 일치하는 형상을 갖는 반구형 유체 챔버(Dome-shape fluid chamber)일 수 있다.
본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프는 자가 연동형 마이크로 펌프는 다층 구조를 가지며, 상기 유체 연결구, 공압 연결구 및 공압 채널이 형성되어 외부 유체 연결 및 공압 연결을 위한 유체/공압 공급층과, 상기 유체 챔버 상면에 막 형성을 위한 박막 층(diaphragm layer)과, 상기 유체 챔버와 유체 채널이 형성되는 유체 챔버/채널 층(Fluid chamber and channel layer)을 포함할 수 있다.
상기 유체 챔버는 3개로 이루어지고, 상기 유체 채널은 상기 3개의 유체 챔버 중 중앙에 위치한 유체 챔버를 중심으로 대칭되는 형상으로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, (a) 유체 챔버와 채널 제작을 위한 몰드에 액체 수지를 도포한 후 경화하는 단계와, (b) 경화된 수지와 글래스 웨이퍼(Glass wafer)를 상압 플라즈마 처리 후 접합하는 단계와, (c) 곡면 형상 제작을 위해 글래스 웨이퍼에 액체 수지를 도포한 후 (b) 단계에서 제작한 경화된 수지를 정렬하는 단계와, (d) 열을 인가하여 닫힌 공간인 공기 공동(Air cavity) 내부의 공기가 팽창하여 경화된 수지 막이 부풀어 오르는 단계와, (e) 변형된 수지 막의 역상이 액체 수지에 복제되면서 동시에 액체 수지의 경화가 진행되는 단계와, (f) 경화 공정이 완료된 후 2개의 경화된 수지를 분리하여 곡면 형상의 유체 챔버 및 유체 채널을 제조하는 단계를 포함하는 곡면 형상의 유체 챔버 제조방법이 제공된다.
상기 (a) 단계에서, 상기 액체 수지는 80 ~ 95℃의 온도에서 20 ~ 40분 동안 경화하여 제조할 수 있다.
또한, (c) 단계에서, 상기 액체 수지는 120 ~ 140℃의 온도에서 20 ~ 40분 동안 경화할 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명에 의하면, 유체 챔버 내부에 사체적(dead volume)이 최소화하도록 유체 전송을 위한 구동기 막의 변형과 일치하는 곡면형상의 유체 챔버를 갖음으로써, 사체적으로 인한 유체 전송의 효율이 떨어지는 문제점을 해결하고, 기존의 직각면의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프와 비교하여 성능이 월등히 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프를 도시한 사시도이다(top view).
도 2는 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프를 도시한 저면 사시도이다(bottom view).
도 3은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프의 층별 구조를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명에서 외부 유체 및 공압 연결을 위한 층을 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명에서 유체 챔버 및 유체 채널층을 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버 제조방법을 도시한 공정도이다.
도 7은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이므로 펌프의 현미경 사진이다.
도 8 내지 도 9는 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프의 SEM 사진으로,
도 8은 (a) 구동기의 단면, 도 9는 (b) 공압 챔버와 채널의 형상 (R1 : 공압 주입구와 구동기 사이의 공압 채널에 의한 유체 저항, R2 : 각 구동기 사이의 공압 채널에 의한 유체 저항)이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 시험예로서, 주파수가 0.5 Hz일 때, 2개의 마이크로 펌프의 유량의 시응답 특성 그래프이다(a : 직각면의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프, b : 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프, 1 : 10 kPa, 2 : 30 kPa, 3 : 50 kPa).
도 13 내지 도 14는 직각면 및 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 펌프의 유량 특성을 나타낸 그래프이다.
도 15 내지 도 16은 다양한 구동 조건에서의 커패시턴스 특성 그래프로서, 도 15는 직각면의 유체 챔버를 갖는 마이크로 구동기, 도 16은 곡면 유체 챔버를 갖는 마이크로 구동기의 계산된 커패시턴스 특성 그래프이다.
도 17은 30 kPa의 압축공기를 0.4 Hz의 구형파로 인가하였을 때, 공압 채널 및 유체 챔버 형상에 따른 구동기의 시응답 곡선 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프를 도시한 사시도이고(top view), 도 2는 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프를 도시한 저면 사시도이고(bottom view), 도 3은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프의 층별 구조를 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명에서 외부 유체 및 공압 연결을 위한 층을 도시한 평면도이고, 도 5는 본 발명에서 유체 챔버 및 유체 채널층을 도시한 평면도이다.
본 발명의 자가 연동형 마이크로 펌프는 유체 주입 및 배출을 위한 유체 연결구(Fluid port)(10)(12)와, 상기 유체 연결구(10)(12) 사이를 연결하여 유체가 흐르는 유체 채널(20)과, 상기 유체 채널(20) 상에 설치되는 복수개의 공압 구동기(Actuator)(30)(32)(34)와, 상기 공압 구동기(30)(32)(34)를 구동하기 위해 외부 압축 공기 주입을 위한 공압 연결구(Pneumatic port)(40)(42)와, 상기 공압 연결구(40)(42)로부터 상기 복수개의 공압 구동기(Actuator) 사이의 연결하는 공압 채널(50)(52)과, 상기 공압 구동기 각각의 하부에 위치한 곡면 형상의 유체 챔버(60)(62)(64)를 포함한다.
상기 유체 연결구(10)(12)는 유체가 주입되는 유입구(Inlet port)(10)와, 상기 유입구(10)를 통해 주입된 유체가 상기 유체 채널(20)을 흐른 후 배출되는 배출구(Outlet port)(12)를 포함한다.
이와 같은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프는 도 3에서 보는 바와 같이, 다층 구조를 가지며, 본 발명에서는 3개의 층이 결합되어 마이크로 펌프를 구성한다.
본 발명의 자가 연동형 마이크로 펌프는 크게 유체/공압 공급층(70), 박막 층(diaphragm layer)(80), 유체 챔버/채널 층(Fluid chamber and channel layer)(90)을 포함한다.
상기 유체/공압 공급층(70), 박막 층(diaphragm layer)(80), 유체 챔버/채널 층(90)은 PDMS(Sylgard 184, Dow Corning)층으로 구성되는 것이 바람직하며, 각각의 층은 본 발명의 구성요소들을 포함하는데, 상기 유체/공압 공급층(70)은 상기 유체 연결구(10)(12), 공압 연결구(40)(42) 및 공압 채널(50)(52)이 형성되어 외부 유체 연결 및 공압 연결을 할 수 있도록 한다.
상기 박막 층(diaphragm layer)(80)은 상기 유체 챔버(60)(62)(64) 상면에 막 형성을 위한 층이고, 상기 유체 챔버/채널 층(Fluid chamber and channel layer)(90)은 상기 유체 챔버와 유체 채널이 형성되는 층이다.
본 발명에 있어서, 상기 공압 채널(50)(52)은 상기 공압 연결구(40)(42)로부터 공압 구동기 사이를 연결하는 제1 공압 채널(50)(R1)과, 상기 공압 구동기(30)(32)(34) 사이를 연결하는 제2 공압 채널(52)(R2)로 이루어진다.
여기서, 상기 제1 공압 채널(50)과 제2 공압 채널(52)은 시지연 효과를 유발하기 위하여 채널 형상을 구불구불하게 설계하여 저항을 증가시키는 것에 특징이 있다.
즉, 본 발명에서는 시지연 효과를 유발하기 위하여 공압 연결구로부터 구동기(R1) 및 구동기 사이의 채널(R2) 형상을 구불구불하게 설계하여 저항을 증가시켰으며, 구동기 박막의 변형을 극대화시키기 위하여 구동기 박막의 변형과 일치하는 형상을 갖는, 즉 곡면 형상을 갖는 유체 챔버(Fluid chamber)를 제작하여 커패시턴스(C) 효과를 증대한다. 기존의 soft-lithography 방식으로 제작할 경우, 직각 단면을 갖는 유체 챔버를 형성하게 되어 구동기 박막의 변형을 제한하기 때문에, 커패시턴스의 증대가 힘들다. 그러나, 본 발명에서는 곡면 형상을 갖는 유체 챔버를 제작하여 구동기 박막이 자유롭게 변형될 수 있도록 구조적 제한을 최소화하여 연동형 펌프의 펌핑 효율 증대 및 커패시턴스 증가를 통한 시지연 효과를 증대한다.
이를 위해, 상기 제1 공압 채널(50)은 적어도 2개 이상의 굴곡부(50a)를 갖는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 즉, 도 4에서 보는 바와 같이, 상기 제1 공압 채널(50)은 채널의 형상을 구불구불하게 설계하여 저항(R1)을 증가시켰으며, 구체적으로 3개의 굴곡부(50a)가 지그재그 형상으로 이루어지는 것이다.
또한, 상기 제2 공압 채널(52)은 상기 제1 공압 채널(50)보다 더 많은 굴곡부(52a)를 갖도록 형성될 수 있다. 본 발명에서는 상기 제2 공압 채널(52)의 형상을 도 4에서 보는 바와 같이, 총 8개의 굴곡부(52a)가 지그재그 형태로 이루어지도록 구성하였다.
이와 같이, 본 발명의 공압 채널은 형상을 구불구불하게 설계하여 저항을 증가시킴으로써, 시지연 효과를 유발할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 유체 챔버(60)(62)(64)는 상기 공압 구동기 박막의 변형을 극대화시키기 위하여 구동기 박막의 변형과 일치하는 형상을 갖는, 즉 곡면 형상을 갖는 유체 챔버(Fluid chamber)를 제작하여 커패시턴스(C) 효과를 증대한다. 구체적으로, 상기 유체 챔버(60)(62)(64)는 반구형 유체 챔버(Dome-shape fluid chamber)일 수 있다.
상기 유체 챔버(60)(62)(64)는 3개로 이루어지고, 본 발명의 상기 유체 채널은 상기 3개의 유체 챔버(60)(62)(64) 중 중앙에 위치한 유체 챔버(62)를 중심으로 대칭되는 형상으로 이루어질 수 있다.
본 발명에서 제시한 실시예에서는 도 5에서 보는 바와 같이, 유체 연결구(10)(12) 사이를 연결하면서도 상기 유체 챔버(62)를 중심으로 대칭되는 호(弧)형상으로 이루어질 수 있다.
실시예
도 1은 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 연동형 마이크로 펌프의 개략도이다. 본 발명의 마이크로 펌프는 3개의 공압 구동기(Actuator)(30)(32)(34)와, 이를 구동하기 위한 외부 압축 공기 주입을 위한 2개의 공압 연결구(Pneumatic port)(40)(42), 그리고 공압 구동기(30)(32)(34) 하부에 위치한 3개의 곡면 형상의 유체 챔버(60)(62)(64)와, 유체 주입 및 배출을 위한 2개의 유체 연결구(Fluid port)(10)(12)로 구성된다.
3개의 구동기(30)(32)(34)는 단일 신호로 제어 가능한 연동형 구동방식이다. 연동형 구동을 위하여 압축 공기를 공압 연결구(40)를 통하여 주입하고, 다른 공압 연결구(42)는 대기에 노출시킨다. 유입된 압축 공기는 공압 채널(Pneumatic channel)(50)(52)과 공압 구동기(30)(32)(34)를 순차적으로 지나가게 되는데, 효율적인 연동형 구동을 위하여 각각의 구동기(30)(32)(34)들의 순차적 구동이 필요하다. 기존의 연구들은 주로 채널의 길이 변화를 통한 저항 성분의 증가를 통한 시지연 효과 (Time delay)에 중점을 두고 있다.
본 발명에서는 시지연 효과를 유발하기 위하여 공압 연결구로부터 구동기 (R1) 및 구동기 사이의 채널(R2) 형상을 구불구불하게 설계하여 저항을 증가시켰으며, 구동기 박막의 변형을 극대화시키기 위하여 구동기 박막의 변형과 일치하는 형상을 갖는, 즉 곡면 형상을 갖는 유체 챔버(Fluid chamber)를 제작하여 커패시턴스(C) 효과를 증대한다. 기존의 soft-lithography 방식으로 제작할 경우, 직각 단면을 갖는 유체 챔버를 형성하게 되어 구동기 박막의 변형을 제한하기 때문에, 커패시턴스의 증대가 힘들다. 그러나, 본 발명에서는 곡면 형상을 갖는 유체 챔버(60)(62)(64)를 제작하여 구동기 박막이 자유롭게 변형될 수 있도록 구조적 제한을 최소화하여 연동형 펌프의 펌핑 효율 증대 및 커패시턴스 증가를 통한 시지연 효과를 증대한다.
도 3은 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프의 층별 구조도를 나타내는데, 총 3개의 PDMS(Sylgard 184, Dow Corning)층으로 구성된다. 외부 유체 및 공압 연결을 위한 층(Fluid / pneumatic supply layer)(70)과, 구동기 형성을 위한 얇은 막 층 (Diaphragm layer)(80), 그리고 미세 유체 채널 층(Fluid chamber and channel layer)(90)으로 구성된다.
도 6은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버 제조방법을 도시한 공정도로서, 상기와 같이 구성된 본 발명의 마이크로 펌프의 제작공정은 다음과 같다.
먼저, 유체 챔버와 채널 제작을 위한 SU-8 몰드에 액체 수지(112)를 도포한 후 경화한다(a).
이때, 유체 챔버와 채널 제작을 위한 SU-8 몰드에 액체 PDMS를 4mL를 도포 후 Spin coater(ACE-200, Dong Ah)를 이용해 1200rpm의 회전속도로 12초 동안 도포하고, hotplate(HI-1000, AS ONE)를 이용하여 80 ~ 95℃의 온도에서 20 ~ 40분 동안 경화한다. 가장 바람직하게는 90 oC에서 30분 동안 경화한다.
이후, 경화된 수지(112a)와 글래스 웨이퍼(Glass wafer)를 상압 플라즈마 처리 후 접합한다(b).
곡면 형상 제작을 위해 글래스 웨이퍼에 액체 수지(114)를 도포한 후 (b) 단계에서 제작한 경화된 수지를 정렬한다(c). 여기서, 곡면 형상 제작을 위하여 Glass wafer에 0.3 mL의 액상 PDMS 붓고, 앞선 (b) 단계에서 제작한 부품을 정렬한다. 상기 액체 수지는 120 ~ 140℃의 온도에서 20 ~ 40분 동안 경화할 수 있다.
열을 인가하여 닫힌 공간인 공기 공동(Air cavity)(115) 내부의 공기가 팽창하여 경화된 수지 막이 부풀어 오른다(d). 이 경우, hotplate를 이용하여 130 oC에서 30 분 동안 열을 인가하게 되면, 닫힌 공간인 Air cavity 내부의 공기가 팽창으로 인하여 PDMS 막이 부풀어 오르게 되는 것이다.
이후, 변형된 수지 막의 역상이 액체 수지(114)에 복제되면서 동시에 액체 수지의 경화가 진행된다(e). 이러한 변형된 PDMS막의 역상이 액체 PDMS(114)에 복제되고, 또 액상 PDMS의 경화 역시 진행된다. 공압 구동을 이용한 세포 농축 및 유체 제어를 위한 3개의 밸브 막의 역할을 하는 PDMS 박막의 변형과 유체 챔버의 형상이 일치하기 때문에, 완벽한 유체 제어 밸브 기능이 기대된다
경화 공정이 완료된 후 2개의 경화된 수지를 분리하여 곡면 형상의 유체 챔버 및 유체 채널을 제조한다(f).
외부에서 주입되는 유체 및 공압 연결을 위한 층(Fluid & Pneumatic supply layer)(70)인 경우에는, SU-8 몰드에 10 mL의 액체 PDMS를 도포하여 기포를 제거 후 경화하여 제작한다. 그리고 구동기 박막(Diaphragm layer)(80)은 4inch Silicon wafer 상에 약 4mL의 액체 PDMS를 도포한 후 Spin coater를 이용하여 1500rpm 속도에서 15초 동안 도포한 후, 경화하여 제작한다. 외부 유체 및 공압 연결을 위한 층과 구동기 박막 층을 제작을 위한 PDMS의 경화공정은 hotplate를 이용하여 90 oC에서 30분 동안 수행한다.
각 층들의 제작이 완료되면, 상압 플라즈마를 활용하여 순차적으로 Bonding 작업을 하여 마이크로 펌프를 완성한다.
도 7은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이므로 펌프의 현미경 사진이고, 도 8 내지 도 9는 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프의 SEM 사진으로, 도 8은 (a) 구동기의 단면, 도 9는 (b) 공압 챔버와 채널의 형상 (R1 : 공압 주입구와 구동기 사이의 공압 채널에 의한 유체 저항, R2 : 각 구동기 사이의 공압 채널에 의한 유체 저항)이다.
도 8에서 보는 바와 같이, 곡면 형상의 유체 챔버와 유체 채널이 존재하며 공압 챔버에 의해 얇은 막이 변형되어 유체를 유체 챔버와 채널 내에서 일정한 방향으로 전달한다. 구동기 박막의 두께는 약 80㎛이다. 유체 챔버의 직경은 575 ㎛, 높이는 190 ㎛이며, 부피는 약 0.028 ㎕이다.
도 9는 공압 챔버와 채널이다. 공압 채널은 저항의 역할을 하며, 공압 채널의 폭과 높이는 모두 25 ㎛이다. 계산된 유체 저항[6]은 R1과 R2는 약 6.54×1011 Pa·s/m3와 7.39×1011 Pa·s/m3이다.
유량시험
구동시스템
마이크로 펌프의 구동을 외한 외부 압축 공기는 air compressor를 이용하여 200 kPa의 압력을 공급하고, 함수발생기 (AFG-2225, GW Instek)를 활용한 solenoid valve (ITV0050-3MS, SMC)의 ON/OFF 제어를 통하여 외부 압축 공기를 제어한다. 마이크로 펌프로부터 발생한 유량은 유량센서 (SLI-1000, Sensirion)를 활용하여 측정하였다.
주파수 및 압력에 따른 유량 특성 시험
본 발명에서는 제안하는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 연동형 마이크로 펌프의 효율성을 검증하기 위하여 직각면 및 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 2 종류의 마이크로 펌프를 각각 제작하고 같은 공압을 인가하여 유량 실험을 수행하였다.
다양한 구동 조건에 대하여 펌프의 유량 특성 실험을 위하여, 26%의 duty ratio를 갖는 구형파의 주파수 및 공압의 크기는 각각 0.1 ∼ 0.5 Hz와 10 ∼ 50 kPa이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 시험예로서, 주파수가 0.5 Hz일 때, 2개의 마이크로 펌프의 유량의 시응답 특성 그래프이다(a : 직각면의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프, b : 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프, 1 : 10 kPa, 2 : 30 kPa, 3 : 50 kPa).
2개의 펌프 모두 같은 주파수에서 압력이 높아지면 유량이 높아진다. 그러나, 직각면 형상을 갖는 펌프의 유량이 곡면 형상을 갖는 펌프 보다 유량이 작음을 알 수 있다.
결과
도 13 내지 도 14는 다양한 압력 및 주파수에 따른 직각면 및 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 펌프의 유량 특성을 나타낸 그래프이다.
도 13에서 알 수 있듯이, 직각면의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프인 경우, 0.1 Hz로 구동시, 30 kPa의 압력 조건까지는 유량 변화가 거의 없으며, 나머지 모든 구동 조건에 대하여 유량이 발생하였으며, 주파수 및 압력이 증가하면 선형적으로 유량도 증가한다. 도 14는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프의 유량특성 그래프이다. 모든 경우에 유량이 발생하였으며, 주파수 및 압력이 증가하면 선형적으로 유량도 증가한다. 인가한 압력이 50 kPa인 경우, 직각면 및 곡면 형상을 갖는 펌프의 유량은 각각 0.06776 ㎕/mim 와 0.13445 ㎕/mim로써, 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프의 유량이 직각면을 갖는 경우보다, 1.98 배 크다. 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프가 사체적을 최소화할 수 있기 때문에, 같은 구동 조건에 대하여 직각면 형상을 갖는 펌프보다 상대적으로 큰 유량을 발생할 수 있음을 실험적으로 검증하였다.
모델링
본 발명에서는 공압 인가를 위한 채널의 물리적 구조를 활용한 유체 저항 및 유량 데이터로부터 구동기의 커패시턴스를 계산하고, 제안하는 마이크로 구동기의 3-stage low-pass filter 모델 [6]의 시간 응답을 추정한다. 이 결과를 활용하여 제안하는 곡면 형상을 갖는 펌프의 효율성을 검증하고자 한다.
유체 커패시턴스
도 15 내지 도 16은 다양한 구동 조건에서의 커패시턴스 특성 그래프로서, 도 15는 직각면의 유체 챔버를 갖는 마이크로 구동기, 도 16은 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 구동기의 계산된 커패시턴스 특성 그래프이다.
커패시턴스(△C)는 도 13에서 측정한 유량 특성 그래프를 활용하여 유량 챔버에서 발생된 부피의 계산값(△V)와 인가한 압력(△P)로부터 추정하였다. 계산 결과로부터, 직각면 형상을 갖는 구동기보다 곡면형상을 갖는 구동기의 커패시턴스가 더 큼을 알 수 있다. 이러한 이유는 직각면 유체 챔버를 갖는 구동기인 경우에는 구동기 박막의 변형이 유체 챔버의 형상 때문에 제한되지만, 곡면형상의 유체 챔버를 갖는 구동기의 경우, 구동기 박막의 변형은 주어진 압력에 대하여 제한이 없기 때문이다. 두 구동기 모두, 압력이 일정할 경우, 주파수가 커지면 커패시턴스는 증가하고, 주파수가 일정할 때, 압력이 커질 경우에는 인가한 주파수에 따른 커패시턴스 크기의 차이는 줄어들게 된다. 직각면 유체 챔버인 경우, 직각면 형상으로 기인하는 사체적으로 인하여 낮은 압력조건에는 주파수에 영향을 받게 되지만, 주파수가 일정할 경우, 압력이 증가하더라도 구동기 박막의 변형이 크게 증가하지 않기 때문에, 부피에 큰 변화가 없게 되고, 이로 인하여 커패시턴스가 큰 변화가 없게 되거나, 다소 감소하게 된다. 단, 0.1 Hz의 주파수인 경우, 30 kPa 까지 유량 발생이 미미하고, 50 kPa부터 유량이 발생하게 되어, 커패시턴스 값이 증가하게 된다.
곡면 형상 유체 챔버를 갖는 마이크로 구동기는 10 kPa의 압력조건에서는 주파수가 커지면 커패시턴스가 증가하게 되지만, 30 kPa에서는 그 차이가 줄어들게 되고, 50 kPa의 압력을 인가하였을 때 그 차이가 크지 않게 된다. 이러한 이유는 직각면 형상을 갖는 구동기와는 달리, 곡면형상인 경우 사체적의 최소화, 즉 구동기 박막의 변형과 곡면 형상을 갖는 유체 챔버의 물리적 형상이 일치하게 때문에 구동 조건에 따른 발생할 수 있는 부피의 변화가 포화되었기 때문인 것으로 사료된다.
시응답 특성
도 17은 3-stage low pass filter 모델[6]을 활용한 직각면과 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 구동기와 시지연 효과를 검증하기 위한 비교 모델 구조(Comparable structure)의 단위 계단 응답 입력에 따른 출력 그래프이다. 계산에 사용된 유체 커패시턴스는 도 15 및 16의 계산 결과 중, 압력의 크기가 30 kPa이고, 구동 주파수가 0.4 Hz일 때의 값이다. 유체 저항인 경우, 도 9의 공압 채널의 물리적 형상으로부터 계산한 값을 활용하였다.
비교 대상인 마이크로 구동기의 모델인 경우, R1과 R2에 해당하는 공압 채널의 길이를 최단 거리로 설정하고, 유체 챔버는 본 발명에서 제작한 직각면 형상을 갖는다. 시응답 특성 그래프로부터, 기존 연구들처럼(previous method), 직각면 유체 챔버를 갖는 구동기 사이의 공압 채널의 길이 증가를 통한 단순 유체 저항이 증가(ΔR)만으로도 시지연 효과를 얻을 수 있으며, 이를 활용한 연동형 펌핑이 가능하다. 그러나, 본 발명에서 제시하는 방법과 같이 (proposed method), 저항 증대 (ΔR) 및 곡면 형상의 유체 챔버를 통한 커패시턴스를 동시에 증대할 경우(ΔC), 상대적으로 시지연 효과가 증대되어, 각각의 구동기에 인가되는 외부 압축 공기의 순차적 유입이 보다 더 느려지게 된다. 즉, 각각의 구동기의 반응속도의 차이를 크게 할 수 있기 때문에, 단일 제어 신호에 의한 연동형 펌프 구동이 보다 효율적이다. 더불어, 구동기 박막의 변형과 유체 챔버의 형상이 같기 때문에 사체적 극소화를 구현하여 보다 큰 유량을 발생할 수 있다.
결론
본 발명에서는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프를 제안하였다. 직각면 및 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 2 가지 종류의 펌프를 제작하고, 유량 특성 시험을 수행하였으며, 결과 비교를 통하여 제안하는 펌프의 효율성을 증명하였다. 더불어, 실험 결과를 활용하여 마이크로 펌프의 시응답 특성 계산 및 분석을 수행으로부터 효율성을 확인하였다.
본 발명에서 제안하는 펌프는 기존의 soft-lithography 방식으로 제작된 직각면 형상의 유체 챔버를 갖는 펌프보다 상대적으로 큰 시지연 효과가 있기 때문에, 자가연동 방식의 유체 펌핑에 효율적이며, 더불어 구동기 박막의 변형과 유체 챔버의 구조의 일치를 통한 사체적 최소화 구현으로 유체 펌핑의 효율성 증대 및 유량 증대가 가능함을 증명하였다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
10, 12: 유체 연결구(Fluid port)
20: 유체 채널
30, 32, 34: 공압 구동기(Actuator)
40, 42: 공압 연결구 (Pneumatic port)
50, 52: 공압 채널
60, 62, 64: 유체 챔버
70: 유체/공압 공급층
80: 박막 층(diaphragm layer)
90: 유체 챔버/채널 층(Fluid chamber and channel layer)

Claims (11)

  1. 유체 주입 및 배출을 위한 유체 연결구(Fluid port);
    상기 유체 연결구 사이를 연결하여 유체가 흐르는 유체 채널;
    상기 유체 채널 상에 설치되는 복수개의 공압 구동기(Actuator);
    상기 공압 구동기를 구동하기 위해 외부 압축 공기 주입을 위한 공압 연결구 (Pneumatic port);
    상기 공압 연결구로부터 상기 복수개의 공압 구동기(Actuator) 사이의 연결하는 공압 채널; 및
    상기 공압 구동기 각각의 하부에 위치하여 공압 구동기 박막의 변형과 일치하는 형상을 갖도록 제작되어 커패시턴스(C) 효과가 증대되는 곡면 형상의 유체 챔버;
    를 포함하며,
    상기 공압 채널은 상기 공압 연결구로부터 공압 구동기 사이를 연결하는 제1 공압 채널(R1)과, 상기 공압 구동기 사이를 연결하는 제2 공압 채널(R2)로 이루어지되, 상기 제1 공압 채널과 제2 공압 채널은 시지연 효과를 유발하기 위하여 채널 형상을 구불구불하게 설계하여 적어도 2개 이상의 굴곡부가 지그재그 형상으로 이루어지고,
    상기 유체 채널은 상기 유체 연결구 사이를 연결하면서도 중앙에 위치한 유체 챔버를 중심으로 대칭되는 호(弧)형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 공압 채널은 상기 제1 공압 채널보다 더 많은 굴곡부를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 유체 챔버는 상기 공압 구동기 박막의 변형을 극대화시키기 위하여 구동기 박막의 변형과 일치하는 형상을 갖는 반구형 유체 챔버(Dome-shape fluid chamber)인 것을 특징으로 하는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프.
  7. 청구항 1에 있어서,
    자가 연동형 마이크로 펌프는 다층 구조를 가지며,
    상기 유체 연결구, 공압 연결구 및 공압 채널이 형성되어 외부 유체 연결 및 공압 연결을 위한 유체/공압 공급층;
    상기 유체 챔버 상면에 막 형성을 위한 박막 층(diaphragm layer); 및
    상기 유체 챔버와 유체 채널이 형성되는 유체 챔버/채널 층(Fluid chamber and channel layer);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프.
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