KR20040032591A - 미소 유량의 제어가 가능한 마이크로 구조체 - Google Patents

Abstract

미소 유량의 제어가 가능한 마이크로 구조체가 개시된다. 개시된 마이크로 구조체는, 유체입구로부터 유입된 유체를 노즐을 통해 소정의 주파수로 토출시키는 액츄에이터와, 노즐의 전방에 노즐의 직경보다 큰 직경으로 형성되고 유체가 유출되는 유체출구를 가지며 그 내부 공간은 유체가 기상으로 존재하는 곳으로 노즐쪽에 위치하는 기상영역과 유체가 액상으로 존재하는 곳으로 유체출구쪽에 위치하는 액상영역으로 구분되는 리저버와, 리저버의 기상영역의 외주에 마련되어 기상영역 내에 기상의 유체를 생성시키는 기상생성수단을 구비한다. 그리고, 상기 액츄에이터는, 유체가 채워지는 곳으로 하류측에는 유체입구가 연결되고 상류측에는 노즐이 연결된 유체챔버와, 유체챔버의 외주에 마련되어 노즐을 통해 유체를 토출시키는 구동력을 제공하는 구동수단을 구비한다. 이러한 구성에 의하면, 그 크기가 작아 MEMS 분야에 적용이 용이하고, 미소 유량의 정밀한 제어가 가능하여 높은 에너지 효율을 갖는 마이크로 펌프나 밸브를 구현할 수 있다.

Description

미소 유량의 제어가 가능한 마이크로 구조체{Micro structure available for controlling minute quantity of fluid flow}

본 발명은 마이크로 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미소 유량의 제어가 가능한 마이크로 펌프 및 밸브에 적용될 수 있는 마이크로 구조체에 관한 것이다.

최근에 마이크로 머시닝(micro-machining) 기술의 비약적인 발전은 다양한 기능을 하는 마이크로 전자기계 시스템(MEMS: Micro Electro Mechanical System)의 개발을 가능하게 하였다. 이러한 MEMS 장치들은 크기, 비용 및 신뢰성의 관점에서 많은 장점을 가지고 있으므로 광범위한 적용예를 위해 개발되고 있다.

특히, 유전공학, 의료진단, 신약개발 분야에서 통상의 화학반응 및 분석 장치에 필요한 유체 시스템을 초소형화시켜 하나의 칩상에 구현하려는 연구가 진행되고 있으며, 이에 따라 유체 시스템을 구성하는 기본 요소로서 서브 마이크로 리터 단위의 극미소 유량의 제어가 가능한 마이크로 펌프 및 밸브 등과 같은 마이크로구조체에 관련된 기술 개발이 활발해지고 있다.

도 1a 및 도 1b에는 종래의 마이크로 구조체의 일례로서 첵크 밸브가 구비된 마이크로 펌프가 도시되어 있다.

도 1a와 도 1b를 함께 참조하면, 종래의 마이크로 펌프는 펌핑챔버(10)의 상부 박막에 부착되어 있는 압전체(12)에 의해 구동된다. 상기 펌핑챔버(10)의 하부에는 유체입구(14)와 유체출구(16)가 연결되어 있으며, 유체입구(14) 및 유체출구(16) 각각과 펌핑챔버(10)의 접속부에는 첵크밸브(15, 17)가 마련되어 있다. 이러한 구조를 가진 마이크로 펌프에 있어서, 도 1a에 도시된 바와 같이 압전체(12)에 인가되는 전압에 의해 압전체(12)가 변형됨으로써 펌핑챔버(10)의 부피가 증가하게 되면, 제2 첵크밸브(17)는 닫히고 제1 첵크밸브(15)가 열리면서 유체입구(14)를 통해 유체가 펌핑챔버(10) 내로 유입된다. 이어서, 도 1b에 도시된 바와 같이 압전체(12)의 반대 방향으로의 변형에 의해 펌핑챔버(10)의 부피가 감소하게 되면, 제1 첵크밸브(15)가 닫히고 제2 첵크밸브(17)가 열리면서 유체출구(16)를 통해 유체가 소정 량만큼 토출된다.

그런데, 이와 같은 구조를 가진 종래의 마이크로 펌프에는 한쪽 방향으로의 유체의 흐름을 유도하는 첵크밸브(15, 17)가 사용되는데, 이러한 첵크밸브(15, 17)는 미세한 구조물 내에서 작동하여야 하는 가동 요소이다. 그런데, MEMS 분야에 적용되는 펌프 및 밸브는 그 크기가 매우 작아야 하기 때문에 첵크밸브(15, 17)와 같은 가동 요소를 적용시키기 곤란하며, 가동 요소를 적용한다 하더라도 요구되는 작동 기간 동안 내구성을 확보하기 곤란한 단점이 있다. 또한, 첵크밸브(15, 17)가갖는 질량관성에 의해 높은 주파수에서의 작동이 어려운 단점과 함께, 유체가 첵크밸브(15, 17)를 통과할 때 발생하는 압력수두(pressure head)의 손실이 커서 펌프의 효율이 저하되는 단점이 있다.

도 2에는 종래의 마이크로 펌프의 다른 예가 도시되어 있다.

도 2에 도시된 마이크로 펌프는 첵크밸브 대신에 한 쌍의 디퓨저/노즐 요소(24)를 구비함으로써 펌프 내부에 가동 요소가 없는 구조를 가진다. 상기 두 개의 디퓨저/노즐 요소(24)는 펌핑챔버(20)의 하부에 연결되고, 펌핑챔버(20)의 상부 박막에는 구동 수단으로서 압전체(22)가 설치되어 있다. 두 개의 디퓨저/노즐 요소(24)는 각각 서로 다른 방향의 유동 손실을 유발하므로 첵크밸브 없이도 한쪽 방향으로 정미 유량을 발생시킬 수 있다. 그러나, 이러한 구조를 가진 마이크로 펌프는 디퓨저/노즐 요소(24)의 유동 손실에 의존하고, 이 유동 손실의 차이는 시스템의 크기가 작아짐에 따라 급속히 감소하므로 MEMS에 적용되는 펌프에서는 그 효율이 매우 작아지게 되는 단점이 있다. 반면에, 어느 정도 이상의 효율을 갖는 펌프를 설계하기 위해서는 펌프의 크기가 커져 MEMS 분야에 적용하기 어렵게 된다.

한편, 도시되지는 않았지만 마이크로 구조체의 또 다른 예로서 전기유체역학적(EHD: Electrohydrodynamic) 현상을 이용한 마이크로 펌프가 있다. 이러한 마이크로 펌프에서는, 유체의 유동이 강력한 정전력에 의해 유도되므로 작동 유체는 극성을 띄고 있어야 하는 제한점이 있다. 또한, 도 2에 도시된 마이크로 펌프와 마찬가지로 첵크밸브가 없기 때문에 높은 효율을 갖기가 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 특히 마이크로 펌프 및 밸브 등에 적용할 수 있도록 매우 작은 크기로 구성되며, 토출 주파수와 단위 액츄에이터의 수량을 조절함으로써 미소 유량의 정밀한 제어가 가능하고 높은 에너지 효율을 갖는 마이크로 구조체를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 마이크로 구조체의 일례로서 첵크 밸브를 구비한 마이크로 펌프를 도시한 도면이다.

도 2는 종래의 마이크로 펌프의 다른 예를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예로서 마이크로 펌프에 적용된 마이크로 구조체를 도시한 평면 구성도이다.

도 4a 내지 도 4l은 도 3에 도시된 마이크로 펌프에서 액적이 토출되는 과정을 해석한 결과를 나타낸 도면들이다.

도 5는 도 3에 도시된 노즐과 리저버의 직경에 따른 마이크로 펌프의 압력수두를 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예로서 다수의 노즐을 구비한 마이크로 펌프를 도시한 개략적인 사시도이다.

도 7은 본 발명의 바람직한 제3 실시예로서 마이크로 밸브에 적용된 마이크로 구조체를 도시한 평면 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100,200...마이크로 펌프 110...액츄에이터

112,212...유체입구 114...유체챔버

116,216...노즐 118...제1 히터

120,220...리저버 122,222...유체출구

124...제2 히터 300...마이크로 밸브

300a,300b,300c...단위 구조체 310a,310b,310c...액츄에이터

320a,320b,320c...리저버

상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은,

유체입구로부터 유입된 유체를 노즐을 통해 소정의 주파수로 토출시키는 액츄에이터;

상기 노즐의 전방에 상기 노즐의 직경보다 큰 직경으로 형성되고, 유체가 유출되는 유체출구를 가지며, 그 내부 공간은 유체가 기상으로 존재하는 곳으로 상기 노즐쪽에 위치하는 기상영역과 유체가 액상으로 존재하는 곳으로 상기 유체출구쪽에 위치하는 액상영역으로 구분되는 리저버; 및

상기 리저버의 기상영역의 외주에 마련되어 상기 기상영역 내에 기상의 유체를 생성시키는 기상생성수단;을 구비하는 마이크로 구조체를 제공한다.

상기 액츄에이터는, 유체가 채워지는 곳으로 하류측에는 상기 유체입구가 연결되고 상류측에는 상기 노즐이 연결된 유체챔버와, 상기 유체챔버의 외주에 마련되어 상기 노즐을 통해 유체를 토출시키는 구동력을 제공하는 구동수단을 구비하는 것이 바람직하다.

여기에서, 상기 구동수단은, 상기 유체챔버 내부의 유체를 가열하여 버블을발생시키는 제1 히터를 가지는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 구동수단은, 인가되는 전압에 의해 변형됨으로써 상기 유체 챔버의 부피를 변화시키는 압전체를 가질 수도 있다.

한편, 상기 기상생성수단은, 상기 리저버의 기상영역 내부의 유체를 가열하여 증발시킴으로써 기상의 유체를 생성시키는 제2 히터를 가지는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 기상생성수단은, 상기 리저버의 기상영역 내부의 유체를 전기분해하여 기상의 유체를 생성시키는 전극을 가질 수도 있다.

상기 마이크로 구조체는 유체 시스템의 마이크로 펌프에 적용될 수 있다. 이 경우, 상기 액츄에이터는 다수개가 하나의 리저버에 병렬로 배열될 수 있다.

그리고, 상기 마이크로 구조체는 유체 시스템의 유체 밸브에도 적용될 수 있다. 이 경우, 상기 마이크로 구조체는 다수개가 직렬로 연결될 수 있다.

또한, 상기 마이크로 구조체는 유체 시스템의 압력조절기에도 적용될 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 마이크로 구조체에 의하면, 매우 작은 크기로 구성되므로 MEMS 분야에 적용이 용이하고, 토출 주파수와 단위 액츄에이터의 수량을 조절함으로써 미소 유량의 정밀한 제어가 가능하여 높은 에너지 효율을 갖는 마이크로 펌프나 밸브를 구현할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 마이크로 구조체의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예로서 마이크로 펌프에 적용된 마이크로 구조체를 도시한 평면 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로 펌프(100)는, 유체입구(112)로부터 유입된 유체를 노즐(116)을 통해 소정의 주파수로 토출시키는 액츄에이터(110)와, 상기 액츄에이터(110)의 전방에 마련되며 유체가 유출되는 유체출구(122)를 가진 리저버(Reservoir, 120)를 구비한다.

상기 액츄에이터(110)는, 유체가 채워지는 곳으로 소정의 직경을 가진 실린더 형상의 유체챔버(114)를 구비한다. 상기 유체챔버(114)의 하류측과 상류측에는 각각 유체챔버(114)의 직경보다 작은 직경을 가진 상기 유체입구(112)와 노즐(116)이 서로 대향되는 위치에 마련되어 있다. 그리고, 상기 유체챔버(114)의 외주에는 유체챔버(114) 내부의 유체를 노즐(116)을 통해 토출시키기 위한 구동력을 제공하는 구동수단으로서 제1 히터(118)가 설치된다. 상기 제1 히터(118)는 유체챔버(114)의 둘레를 따라 환상으로 형성될 수 있으며, 제1 히터(118)에는 펄스 형태의 전류를 인가하기 위한 전원이 연결된다. 이와 같은 제1 히터(118)에 펄스 전류가 인가되면 유체챔버(114) 내부의 유체가 가열되어 버블(B)이 생성되고, 이 버블(B)의 팽창력에 의해 유체챔버(114) 내부의 유체는 노즐(116)을 통해 액적(D)의 형태로 토출된다. 이에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명하기로 한다.

한편, 유체챔버(114) 내부의 유체를 토출시키기 위한 구동수단으로서, 상기한 제1 히터(118)를 사용하는 열구동 방식 대신에 다른 여러가지 방식의 구동수단이 사용될 수 있다. 예컨대, 유체챔버(114)의 외주에 압전체(미도시)를 설치하여, 이 압전체의 변형에 의해 유체가 토출되도록 하는 압전 방식의 구동수단이 사용될수 있다. 구체적으로, 압전체에 전압을 인가하게 되면, 압전체가 변형되면서 유체챔버(114)의 부피를 변화시키게 되고, 이에 따라 유체챔버(114) 내부의 유체가 노즐(116)을 통해 토출될 수 있다. 또한, 정전력을 이용하는 방식의 구동수단도 사용될 수 있다. 이는, 유체챔버(120)에 멤브레인(미도시)을 설치하고 이와 인접하여 전극을 배치함으로써, 전극과 멤브레인 사이의 정전력에 의한 멤브레인의 변형에 따른 유체챔버(114)의 부피 변화에 의해 유체를 토출시키는 방식이다.

상기 리저버(120)는 상기 액츄에이터(110)의 노즐(116) 전방에 마련되며, 노즐(116)의 직경보다 큰 직경을 가진다. 따라서, 후술하는 바와 같이 유체입구(112)와 유체출구(122) 사이에 압력차이가 발생하게 된다. 그리고, 리저버(120)는 유체가 기상으로 존재하는 기상영역(V; Vapor phase)과 유체가 액상으로 존재하는 액상영역(L; Liquid phase)으로 구분된다. 상기 기상영역(V)은 노즐(116)쪽에 위치하고, 액상영역(L)은 유체출구(122)쪽에 위치한다. 상기 리저버(120)의 기상영역(V) 외주에는 기상영역(V) 내에 기상의 유체를 생성시키는 기상생성수단으로서 제2 히터(124)가 설치된다. 상기 제2 히터(124)는 리저버(120)의 기상영역(V)의 둘레를 따라 환상으로 형성될 수 있으며, 제2 히터(124)에는 전원이 연결된다. 따라서, 제2 히터(124)에 전원이 인가되면 리저버(120)의 기상영역(V) 내부의 유체가 가열되어 증발됨으로써 기상의 유체가 생성된다. 이에 따라 노즐(116) 내부의 유체와 기상영역(V) 사이의 계면에 작용되는 표면장력에 의해 모세관력이 생성된다.

한편, 상기 기상생성수단으로서 상기한 제2 히터(124) 대신에 다른 수단이 사용될 수 있다. 예컨대, 리저버(120)의 기상영역(V)의 외주에 양전극과 음전극(미도시)을 배치하고, 여기에 전압을 인가함으로써 리저버(120)의 기상영역(V) 내부의 유체를 전기분해하여 기상의 유체를 생성시킬 수 있다.

상기한 바와 같은 구조를 가진 마이크로 펌프(100)에 있어서, 액츄에이터(110)의 노즐(116)로부터 토출되는 유체 액적(D)은 기상영역(V)을 통과하여 액상영역(L)으로 이동하게 된다. 이와 같은 액적(D)의 토출은 소정의 주파수로 반복되고, 이에 따라 유체출구(122)를 통해 소정 량의 유체가 유출된다.

이하에서는, 도 4a 내지 도 4l을 참조하며 상기한 구조를 가진 마이크로 펌프에서 액적이 토출되는 과정을 상세하게 설명하기로 한다.

도 4a 내지 도 4l은 도 3에 도시된 마이크로 펌프에서 액적이 토출되는 과정을 경과 시간별로 수치해석한 결과를 나타낸 도면들이다. 본 수치해석에서, 노즐의 직경은 10㎛ 이고, 리저버의 직경은 100㎛ 이다. 그리고, 유체입구와 유체출구의 압력차이는 10㎪ 로서, 이는 후술하는 바와 같이 노즐과 리저버의 직경에 따라 결정된다.

도 4a에서 유체챔버 주위에 배치된 제1 히터에 펄스 전류가 인가되면 유체챔버 내부의 유체가 가열되어 버블이 생성된다. 이어서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 히터로부터 공급받은 열에너지에 의해 버블은 팽창하게 되고, 이에 따라 노즐로부터 리저버의 외주에 배치된 제2 히터에 의해 노즐의 전방에 형성된 기상영역쪽으로 유체가 토출되기 시작한다. t=2.0㎲ 까지 버블의 팽창에 의한 토출이 진행되다가(도 4c), t=3.0㎲ 에는 리저버에 존재하는 기상의 유체와 토출되는 액상의 유체 사이의 표면장력에 의해 토출되는 유체 중 노즐에 가까운 부분이 가늘어지게 된다(도 4d). t=4.0㎲ 에서 버블의 체적은 최대가 되고(도 4e), 그 이후부터 버블의 체적은 급격히 감소한다(도 4f). 이에 따라 이미 토출된 유체 액적의 후단부는 점점 더 가늘어지게 되고, t=7.0㎲ 에서 버블이 완전히 소멸되면 유체 액적은 유체챔버로부터 분리되게 된다(도 4g). 버블의 팽창력에 의해 운동량을 얻은 액적은 유체챔버로부터 분리된 후에도 관성력에 의해 계속 진행하여(도 4h), t=15㎲ 시점에서 액상영역으로 유입된다(도 4i). 도 4j 및 도 4k에 도시된 바와 같이, 시간이 경과함에 따라 주 액적을 따르던 부 액적까지 액상영역으로 유입되고, 이에 따라 액상영역의 계면이 유입된 액적의 운동량에 의해 흔들리게 된다. 이와 동시에 리저버 내의 기상과 노즐 내의 유체 사이에 형성된 모세관력에 의해 유체의 표면은 초기 상태와 같이 노즐의 상부까지 이동하게 되고, 이 힘에 의해 유체입구로부터 유체챔버로의 유체의 유입이 유도된다. 그리고, 도 4l에 도시된 바와 같이, t=30㎲ 시점에서는 유체챔버로의 유체의 리필이 완료되고 전방의 액상영역의 불완전성도 감소하여 다음 싸이클을 진행할 수 있는 초기상태로 돌아온다.

상기한 수치해석에서, 노즐을 통해 토출되는 주 액적의 직경은 약 12㎛ 이고, 이는 약 0.9pℓ(pico liter)의 부피에 해당된다. 그리고, 액적의 토출 후 다음 싸이클이 시작되는 주기를 약 50㎲ 로 설정하면 토출 주파수는 20㎑ 가 된다. 따라서, 단위 토출당 0.9pℓ의 액적을 20㎑ 의 주파수로 토출시킨다면 한 개의 노즐당 유량은 1.09㎕/min 가 된다. 이와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 펌프에 의하면, 미세한 노즐을 통해 토출되는 액적의 부피가 피코 리터 단위로 매우 적고 일정하게 유지된다.

도 5는 도 3에 도시된 노즐과 리저버의 직경에 따른 마이크로 펌프의 압력수두를 나타낸 그래프이다.

도 5의 그래프를 보면, 노즐의 직경(r) 대비 리저버의 직경(R)이 커질수록 압력수두(ΔP)가 커진다는 것을 알 수 있으며, 이 그래프는 아래 수학식 1로 표현될 수 있다.

여기에서, σ는 유체의 표면장력을 나타내며, θ는 액상과 기상의 경계에서의 접촉각을 나타낸다.

일반적인 펌프의 경우에는 유량이 많아지면 압력수두가 낮아지고 유량이 적어지면 압력수두가 높아지는 것처럼 유량에 따라 압력이 일정하지 않고 변하게 되나, 본 발명에 따른 마이크로 구조체가 적용된 마이크로 펌프에 의하면, 상기한 바와 같이 압력수두가 노즐과 리저버의 직경에 의해 정해지게 되므로 유량에 따른 압력의 변동이 적은 장점이 있다.

이러한 원리로 액츄에이터로부터 액적의 토출이 없을 때에는, 본 발명에 따른 마이크로 구조체는 유체입구보다 높은 유체출구의 압력을 견디는 유체 밸브의 역할을 할 수 있다. 즉, 제2 히터에 의해 발생되는 리저버의 기상영역이 존재할 때에는, 이로 인한 모세관력에 의해 약 10㎪ 의 역압력이 작용하여도 유체는 유체출구에서 유체입구쪽으로 역류하지 못하게 된다. 한편, 제2 히터에 공급되는 전원을차단하여 리저버의 기상영역을 제거하면 유로에 존재하는 압력 구배에 따라 유체가 역류하게 된다.

이상에서는 본 발명에 따른 마이크로 구조체의 단위 구조의 구성과 작동 원리에 대해 설명하였고, 이 단위 구조의 조합에 따라 여러가지 변형된 적용예가 가능하다.

도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예로서 다수의 노즐을 구비한 마이크로 펌프를 도시한 개략적인 사시도이다.

도 6에 도시된 마이크로 펌프(200)는 하나의 리저버(220)와 병렬로 배열된 다수의 노즐(216)을 구비하고 있다. 다수의 노즐(216) 각각에는 도 3에 도시된 바와 같이 유체챔버와 유체를 토출시키는 구동수단으로서 예컨대 히터 또는 압전체 등이 마련되어 있다. 그리고, 리저버(220)에는 기상영역(V)과 액상영역(L)이 존재하며, 기상영역(V)의 외주에는 기상생성수단으로서 히터 또는 전극이 배치된다. 즉, 도 6에 도시된 실시예는 하나의 리저버(220)에 다수의 액츄에이터가 병렬로 배열되는 점을 제외하고는 전술한 제1 실시예와 동일하다.

상기한 바와 같이 다수의 노즐(216)을 병렬로 배열시키면, 유체입구(212)를 통해 유입되어 유체출구(222)를 통해 유출되는 유체의 단위 시간당 유량은 단위 노즐을 통해 토출되는 유량보다 배열된 다수의 노즐(216)의 개수배만큼 증가하게 된다. 또한, 마이크로 펌프(200)가 발생시킬 수 있는 압력수두도 위 수학식 1에서와 같이 R/r이 커짐에 따라 더욱 증가하게 된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 단위 노즐을 통한 일정한 유량을 기본으로하여 토출 주파수 및 액츄에이터의 수량을 조절함으로써 피코 리터의 분해능으로 유량의 정밀 제어가 가능하게 된다.

도 7은 본 발명의 바람직한 제3 실시예로서 마이크로 밸브에 적용된 마이크로 구조체를 도시한 평면 구성도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 다수개의 본 발명에 따른 마이크로 구조체(300a, 300b, 300c)를 직렬로 연결하게 되면, 각 단위 구조체(300a, 300b, 300c)에서 각각 대략 10㎪의 압력수두를 얻을 수 있기 때문에 직렬 연결된 단위 구조체(300a, 300b, 300c)의 개수만큼 압력수두를 높일 수 있다. 다수의 단위 구조체(300a, 300b, 300c) 각각은 도 3에 도시된 바와 같은 구조, 즉 액츄에이터(310a, 310b, 310c)와 기상영역(V) 및 액상영역(L)을 가지는 리저버(320a, 320b, 320c)로 구성된다. 이러한 구조를 마이크로 밸브(300)에 적용할 경우, 필요에 따라 단위 구조체(300a, 300b, 300c)의 개수를 선정하여 다양한 압력하에서 작동할 수 있는 마이크로 밸브(300)를 구성할 수 있게 된다. 즉, 전술한 바와 같이 각 리저버(320a, 320b, 320c)에 기상영역(V)이 존재할 때에는 유체의 흐름이 차단되며, 각 리저버(320a, 320b, 320c)의 기상영역(V)을 제거하면 유로에 존재하는 압력 구배에 따라 유체가 역류하게 된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 마이크로 펌프 및 마이크로 밸브에서 발생하는 압력의 조절이 가능하므로, 이러한 구조를 이용하여 유체 시스템에서의 압력조절기(Pressure Regulator)나 첵크 밸브(Check Valve)로서의 역할을 수행할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 구조체는 MEMS 구조물에 적용할 수 있도록 종래 기술에 비해 보다 작은 크기로 구성할 수 있으며, 높은 에너지 효율을 갖는 장점이 있다. 그리고, 단위 노즐당 토출되는 액적의 부피가 매우 작고 일정하기 때문에 노즐의 개수와 토출 주파수를 제어함으로써 극소량의 유량을 효율적으로 제어할 수 있는 장점도 있다. 또한, 동일한 구조를 가지고 펌프와 유체 밸브의 역할을 동시에 수행할 수 있기 때문에 유체 시스템의 기본 요소로 사용될 수 있으며, 펌프의 유량에 관계없이 항상 일정한 압력수두를 유지할 수 있으므로 압력조절기나 첵크 밸브에도 적용될 수 있다.

Claims (13)

1. 유체입구로부터 유입된 유체를 노즐을 통해 소정의 주파수로 토출시키는 액츄에이터;

   상기 노즐의 전방에 상기 노즐의 직경보다 큰 직경으로 형성되고, 유체가 유출되는 유체출구를 가지며, 그 내부 공간은 유체가 기상으로 존재하는 곳으로 상기 노즐쪽에 위치하는 기상영역과 유체가 액상으로 존재하는 곳으로 상기 유체출구쪽에 위치하는 액상영역으로 구분되는 리저버; 및

   상기 리저버의 기상영역의 외주에 마련되어 상기 기상영역 내에 기상의 유체를 생성시키는 기상생성수단;을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 액츄에이터는, 유체가 채워지는 곳으로 하류측에는 상기 유체입구가 연결되고 상류측에는 상기 노즐이 연결된 유체챔버와, 상기 유체챔버의 외주에 마련되어 상기 노즐을 통해 유체를 토출시키는 구동력을 제공하는 구동수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 구동수단은, 상기 유체챔버 내부의 유체를 가열하여 버블을 발생시키는 제1 히터를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 제1 히터는 상기 유체챔버의 외주 둘레를 감싸는 환상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 구동수단은, 인가되는 전압에 의해 변형됨으로써 상기 유체 챔버의 부피를 변화시키는 압전체를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 기상생성수단은, 상기 리저버의 기상영역 내부의 유체를 가열하여 증발시킴으로써 기상의 유체를 생성시키는 제2 히터를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 제2 히터는 상기 리저버의 기상영역의 외주 둘레를 감싸는 환상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 기상생성수단은, 상기 리저버의 기상영역 내부의 유체를 전기분해하여 기상의 유체를 생성시키는 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 마이크로 구조체는 유체 시스템의 마이크로 펌프에 적용되는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 액츄에이터는 다수개가 하나의 리저버에 병렬로 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체.
11. 제 1항에 있어서,

    상기 마이크로 구조체는 유체 시스템의 유체 밸브에 적용되는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 마이크로 구조체는 다수개가 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체.
13. 제 1항에 있어서,

    상기 마이크로 구조체는 유체 시스템의 압력조절기에 적용되는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체.