KR20020032509A - 버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체를 정밀하게 토출시키기 위한 마이크로 펌프에 있어서, 히터와의 전기적 연결을 위한 두 개의 관통구가 선형적으로 형성되어 있고 하부에는 알루미늄 프린팅 히터가 설치되어 있는 덮개판과 실린더 형상으로 바닥판과의 유격을 만들기 위한 펌핑 챔버와 노즐밸브와 확산밸브가 성형되어 있는 바닥판으로 구성된 버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프에 관한 것이다. 프린팅 히터는 재질은 알루미늄이고 덮개판의 하부에 지그재그로 배열되는 것을 특징으로 하고, 바닥판에 성형된 노즐밸브와 확산밸브는 원추형 미세 구멍으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프{A micro pump using bubble jet method}

본 발명은 약물탱크, 마이크로 니들, 제어 시스템 등과 결합하여 인체 및 기타 생체에 연속적으로 약물을 주입하는 인슐린 공급기 등에 사용되는 버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 히터와의 전기적 연결을 위한 두 개의 관통구가 선형적으로 형성되어 있고 하부에는 알루미늄 프린팅 히터가 설치되어 있는 덮개판과 실린더 형상으로 바닥판과의 유격을 만들기 위한 펑핑 챔버와 노즐밸브와 확산밸브가 성형되어 있는 바닥판으로 구성된 버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프에 관한 것이다.

최근에 들어 급격하게 발전을 이룬 미세 가공 기술은 전자, 기계, 광, 생물산업 등과 결합하여 다양한 형태의 제품들을 도출하고 있다. 특히, 박판 세라믹 소자의 적층 기법을 이용하여 제작한 서브 마이크로 리터 단위의 극 미세 유량을 펌핑할 수 있는 마이크로 정량 펌프는 미세 밸브-펌프 시스템을 비롯하여 마이크로 리액터, 인슐린 펌프, 랩 온어칩, 공해물질 미세 분석기 등에 다양한 응용이 가능한 부품이고, 특히 인슐린 펌프의 경우 패치 형태로 칩을 피부에 부착하여 일정량의 약물을 투여할 수 있어 매우 실용화 가능성이 높은 대상이다.

일반적인 미세가공 기술은 주로 실리콘 웨이퍼를 가공대상으로 하는데, 실리콘의 경우에는 가공성은 안정적이지만, 생물학적, 화학적 안전성과 전기, 열 안전성에서 많은 의문이 제기되고 있는 실정이어서, 마이크로 펌프를 위한 주재료로서 오히려 파이렉스 유리(Pyrex glass)를 선호하고 있는 실정이다.

미세가공 기술을 사용하여 개발된 마이크로 펌프는 압전소자(PZT)와 다이아프램을 사용하는 방법과 극소형 열선이 공기 방울의 크기를 제어하여 펌핑작용을 일으키는 마이크로 방울 동력 펌프(micro bubble-powered pump)의 방법으로 크게 나눌 수 있다. 그런데, 미세 가공된 마이크로 부품들은 대부분 내구성 측면에서 심각할 정도로 취약하므로 다이아프램을 사용하는 펌프의 경우 내구성의 문제점을 안고 있다.

종래에는 일반적으로 상기한 바와 같은 다이아프램을 사용한 마이크로 펌프가 주로 사용되어 왔다. 다이아프램을 사용한 마이크로 펌프는 제 1펌프 몸체와 격판 영역을 갖는 제 2펌프 몸체를 구비하며, 상기 각 펌프 몸체들은 접압원과 접속되고 또한 서로에 대해 전기적으로 절연된 전도 전극을 갖는다. 상기 2개의 펌프 몸체들은 격판 영역과 접하는 펌프 챔버를 정의한다.

그러나, 상기와 같은 다이아프램을 사용한 마이크로 펌프의 펌프 용량은 항상 만족스러운 것이 아닐 뿐만 아니라 토출된 액체가 전계에 의해서 활성화되는 문제점이 있었다. 또한, 다이아프램을 사용하는 마이크로 펌프의 경우에는 구동 수단의 실현에 있어서, 피에조 필름 또는 피에조 스택 상의 접착 공정과 같은 표준 공법에 속하지 않는 제조공정이 있어야 하기 때문에 제조 비용이 많이 든다.

반면에 일명 버블젯 방식으로 부르는 마이크로 방울 동력 펌프는 운동부가 없고 단지 공동과 노즐로만 펌프가 구성되므로 비록, 토출 유량의 제어 정밀도의 측면에서는 다이아프램 방식에 비해 제어성이 떨어지지만 내구성의 측면에서는 월등히 뛰어나기 때문에 이미 잉크젯 프린터와 같은 경우에 실용화되어 널리 쓰이고 있는 실정이다.

버블젯 방식의 액체 토출 방식으로는 열원을 이용하여 액체에 기포(버블)를 발생시켜 이 힘으로 액체를 토출시키는 전기-열 변환 방식(electro-thermaltransducer)이 사용된다. 상기의 방식은 노즐이 형성된 액체의 유로에 저항 발열체로 이루어진 히터에 전류 펄스를 인가하면, 히터에서 발생되어진 열이 액체를 가열하여 액체유로내에 버블이 생성되고 그 힘에 의하여 액체가 토출되는 방식이다.

그러나, 이러한 버블젯 방식의 액체 토출 방식은 액체 토출량의 정밀도를 위해 토출되는 주 액적(mail droplet)에 뒤따르는 주 액적보다 작은 미세한 부 액적(satellite droplet)의 생성이 억제되어야 하며, 하나의 노즐에서 액체를 토출하거나 액체의 토출 후 펌핑 챔버로 액체가 다시 채워질 때, 액체를 토출하지 않은 다른 노즐과의 간섭이 억제되어야 한다. 따라서, 이를 위해서는 액체의 토출시 노즐 반대방향으로 액체가 역류하는 것을 억제하여야 한다.

그러나, 이러한 요건들은 서로 상충되는 경우가 많고, 따라서, 결국은 펌핑챔버, 히터의 구조, 그에 따른 버블의 생성 및 팽창 형태, 또는 각 요소의 상대적인 크기와 밀접한 관련이 있다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 버블젯 방식의 마이크로 펌프에 있어서, 유로판의 형상을 간단하게 하여 유로판의 재질을 실리콘 재질 대신에 유리 재질로 제작할 수 있도록 하기 위하여 유로가 수직으로 배열되도록 하여 생물적,화학적 측면에서 실리콘 재료에 비해 월등히 뛰어난 버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프의 일반적인 구성을 나타내는 사시도이다.

도 2는 종래의 버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프의 작동원리를 나타내는 도면이다.

도 3는 본 발명의 버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프의 작용기작을 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명의 버블벳 방식을 이용한 마이크로 펌프의 입체형상을 나타내는 도면이다.

※도면부호의 설명

10. 덮개판20. 히터

30. 액체출구40. 확산밸브

50. 펌핑챔버60. 노즐밸브

70. 액체입구80. 유로판

90. 중간판100. 바닥판

110. 관통구120. 버블

따라서, 본 발명의 목적은, 유체를 정밀하게 토출시키기 위한 마이크로 펌프에 있어서, 히터(20)와의 전기적 연결을 위한 두 개의 관통구(110)가 선형적으로 형성되어 있고 하부에는 알루미늄 프린팅 히터(20)가 설치되어 있는 덮개판(10)과 실린더 형상으로 바닥판(100)과의 유격을 만들기 위한 펌핑챔버(50)와 노즐밸브(60)와 확산밸브(40)가 성형되어 있는 바닥판(100)으로 구성된 버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프를 제공하는 것이다.

상기의 프린팅 히터(20)는 재질은 알루미늄이고 덮개판(10)의 하부에 지그재그로 배열되는 것을 특징으로 하고, 바닥판(100)에 성형된 노즐밸브(60)와 확산밸브(70)는 원추형 미세 구멍으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래의 버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프의 일반적인 구성을 나타내는 사시도이다. 본 도면에 나타난 바와 같이, 버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프는 히터(20)가 프린트되어진 파이렉스 유리 재질의 덮개판(10)와 액체출구(30), 확산밸브(40), 펌핑챔버(50), 노즐밸브(60) 및 액체입구(70)로 구성된 유로판(80)으로 구성된다.

그런데, 종래의 버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프의 유로판(80)은 비교적 그 형상이 복잡하여 가공이 어렵기 때문에 일반적으로 유리계 재료를 사용하지 못하고, 생물적, 화학적으로 문제점을 안고 있는 실리콘 재질을 사용하는 것이 일반적이다.

도 2는 종래의 버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프의 작동원리를 나타내는 도면이다. 본 도면에 나타난 바와 같이, 히터(20)에 전류가 공급되지 않으면 버블(120)의 체적은 줄어들고, 전류가 공급되면 히터에 발생된 열에 의하여 버블이 팽창하게 된다. 이와 같이 히터의 전류 공급 유무에 의하여 버블이 팽창과 수축을 반복하면 유동이 발생하는데, 유체는 유로의 직경이 좁아지는 방향보다는 점차로 직경이 넓어지는 방향으로 흐르게 된다. 따라서, 버블의 수축과 팽창에 따라 유체는 노즐밸브(60)로 유입되어 펌핑챔버(50)를 거쳐 확산밸브(40)로 흐르게 된다.

그런데, 도 1에서 도시한 바와 같이, 버블젯 펌프의 유로는 일반적으로 수평 구조로 성형되기 때문에 가공성이 나쁜 유리제 재료를 사용하지 못하는 문제점이 있었다.

도 3는 본 발명의 버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프의 작용기작을 나타내는 도면이다. 본 도면에 나타난 바와 같이, 유리 재질로 가공이 가능하도록 유로가 수직으로 배열된 버블젯 펌프를 성형하기 위하여, 노즐밸브(60)와 확산밸브(40) 및 펌핑챔버(50)는 원형단면을 갖고 덮개판(10), 중간판(90) 및 바닥판(100)의 적층형의 구조를 갖도록 한다.

일반적으로 유리 재료는 전기 화학적 방전 가공(ECDM)이나 초음파 가공 방법을 사용하여 가공할 수 있는데, 상기의 두 방법 모두 미세 구멍 가공시 전극이 소모되어 원추형 미세 구멍이 가공되는 경향이 있다. 따라서, 노즐밸브와 확산밸브를 원추형으로 가공하는 것이 가능하다. 또한, 비교적 직경이 큰 펌핑챔버는 초음파 가공으로 용이하게 성형할 수 있어 수직 적층형 유로 구조는 유리 재질로 가공이 가능하게 되는 것이다.

세 층의 유리판을 접착하기 위해서는 다양한 방법들이 개발되어 있는데, 대표적으로는 금을 표면에 코팅하여 가열 접착하는 공융 용접(Eutectic Bonding)방법이 있다.

도 4는 본 발명의 버블벳 방식을 이용한 마이크로 펌프의 입체형상을 나타내는 도면이다. 본 도면에 나타난 바와 같이, 덮개판(10)에는 히터(20)와의 전기적연결을 위한 두 개의 관통구(110)가 성형되어 있으며, 하부에는 알루미늄 프린팅 히터(20)가 설치된다. 펌핑챔버(50)는 단순한 실린더 형상으로 바닥판(100)과의 유격을 만들며 바닥판에는 노즐밸브(60)와 확산밸브(40)가 성형되어진다.

도시한 바와 같이, 프린팅 히터는 재질은 알루미늄이고 덮개판(10)의 하부에 지그재그로 배열됨으로써, 버블(120)이 반구형태로 생성될 수 있도록 하여, 펌핑챔버(50)에서 유체를 확산밸브(40)로 밀어낼 수 있도록 한다.

이와 같이 성형된 마이크로 펌프는 약물탱크, 마이크로 니들, 제어 시스템 등과 결합하여 인체 및 기타 생체에서 연속적인 약물 주입이 필요한 인슐린 공급기 등의 용도로 사용되어 질 수 있다.

본 발명의 효과는 유로판의 형상을 간단하게 하여 유로판의 재질을 실리콘 재질 대신에 유리 재질로 제작함으로써, 생물적, 화학적 측면에서 실리콘 재료에 비해 월등히 뛰어난 버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프를 제작할 수 있어 지속적인 약물 주입이 필요한 인슐린 펌프 등의 용도로 사용될 수 있으며, 의료분야, 기계공업분야 등에서 마이크로 리터 단위의 액체를 정밀하게 투여하는데 사용될 수 있다.

Claims (2)

1. 히터(20)와의 전기적 연결을 위한 두 개의 관통구(110)가 선형적으로 형성되어 있고 하부에는 알루미늄 프린팅 히터(20)가 설치되어 있는 덮개판(10)과 실린더 형상으로 바닥판(100)과의 유격을 만들기 위한 펌핑챔버(50)와 노즐밸브(60)와 확산밸브(40)가 성형되어 있는 바닥판(100)으로 구성된 버블젯 방식을 이용한 유체를 정밀하게 토출시키기 위한 마이크로 펌프에 있어서, 상기의 프린팅 히터(20)는 재질은 알루미늄이고 덮개판(10)의 하부에 지그재그로 배열되는 것을 특징으로 하는 버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프
2. 제 1항에 있어서, 상기 바닥판(100)에 성형된 노즐밸브(60)와 확산밸브(70)는 원추형 미세 구멍으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 버블젯 방식을 이용한 마이크로 펌프