KR20070038779A - 열공압 구동 방식 모세관 마이크로 펌프 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학, 의학, 약학, 생명 공학, 환경 공학 등의 바이오산업 전반에 걸친 첨단 응용에 필수적인 극소량 유체의 자유로운 이용을 가능하게 하는 열공압 구동 방식의 펌프 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 마이크로 펌프는 일반적인 펌프와 같이 움직이는 구조물 즉, 박막이나 밸브가 존재하지 않으며, 그로 인해 구조가 단순하고 제조가 용이하며 제작 단가가 상대적으로 낮은 장점을 갖고 있다.

위에 기술한 장점을 지닌 본 열공압 구동 마이크로 펌프는 두 개의 공기 챔버와 마이크로 히터, 모세관, 펌프 챔버, 통기 유로 등으로 구성되며, 제조 방법은 다음과 같은 단계로 이루어진다. 유리 재질의 하부기판 위에 금속으로 마이크로 히터를 제작하는 단계, 음성 후막 감광제를 이용하여 펌프 챔버와 모세관, 공기 챔버, 통기 유로 등과 같은 마이크로 펌프의 구조를 형성하는 단계, 실리콘 재질의 상부기판과 접합하는 단계로 구성된다.

마이크로 펌프는 두 가지 원리로 작동된다. 마이크로 히터에 전류를 흘리면 발생되는 열로 인해서 공기 챔버 내에 있는 공기가 팽창하면서 펌프 챔버 내에 있는 유체를 출구로 밀어낸다. 이 때 통기 유로로 인해 두 공기 챔버의 압력은 동일하고 입구를 모세관의 유체 저항이 커서 펌프 챔버내의 유체는 출구쪽으로 토출된다. 펌프 챔버 내의 유체가 완전히 토출되자마자 히터의 전류를 끊으면 팽창된 공기가 수축한다. 펌프 챔버의 출구측 유체 경계선에 작용하는 표면 장력으로 출구측 유체의 유입이 저지되고 입구측에서만 유체가 펌프 챔버 내로 유입된다. 본 발명의 마이크로 펌프는 사진 식각 기술, 금속 증착 등의 마이크로머시닝 공정으로 제작함으로써 수 밀리미터 이하의 크기로 소형화가 가능하고, 소자의 집적화 및 일괄 공정에 의한 대량 생산 및 생산 단가의 절감을 꾀할 수 있다.

마이크로 펌프, 열공압, 마이크로머시닝

Description

열공압 구동 방식 모세관 마이크로 펌프 및 그 제조 방법 {A thermopneumatic capillary micropump and its manufacturing method}

도 1은 본 발명에 따른 열공압 모세관 마이크로 펌프의 평면도.

도 2는 본 발명에 따른 열공압 모세관 마이크로 펌프의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 열공압 모세관 마이크로 펌프의 제작 공정도.

도 4는 본 발명에 따른 열공압 모세관 마이크로 펌프의 동작도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 공기 챔버 2 : 마이크로 히터 3 : 펌프 입구 4 : 펌프 출구

5 : 모세관6 : 펌프 챔버

7 : 전극8 : 통기 유로

9 : 주공압 유로10 : 부공압 유로

11 : 상부 기판 12 : 산화막

13 : 하부 기판 14 : 음성 후막 감광제

본 발명은 화학, 생명 공학, 약학, 의학, 환경 공학 등의 여러 분야에서 적용 가능한 초소형의 극미량 유체를 제어 가능한 마이크로 펌프에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 열공압 방식으로 동작하여 나노리터 정도의 극미량의 유체를 전달할 수 있는 열공압 마이크로 펌프와 이를 제작하는 방식에 대한 것이다. 기존의 제작된 열공압 마이크로 펌프는 그 구동을 위해서 구동 박막과 별도의 체크 밸브 또는 능동형 밸브가 필수적으로 필요하므로 그 구조가 복잡하고 그로 인해 제작이 어려우며 제작 단가가 비싸다는 단점을 지닌다.

그리고 기존에 사용되고 있는 분석 및 검출 시스템은 대부분 고가의 대형 시스템이며, 분석시간이 길고 일정량 이상의 시료 양이 요구되므로 분석의 효율성, 편이성이 낮다. 특히, 화학 분야의 경우 미지의 물질 분석을 위해서는 고가의 설비와 높은 기술 수준의 인력으로 한정된 장소에서만 가능하고 장시간의 분석 시간이 필요하며, 인체에 유해한 물질의 분석에는 위험이 따른다. 그러나 랩온어칩 (Lab-on-a-chip)과 초소형 종합 분석 시스템 등과 같이 미세 유체 소자를 사용한 분석 시스템의 경우, 분석 장비가 소형화되어 필요한 시료의 양이 작아지게 되며, 시료 주입 이후 대부분의 검사 공정이 자동으로 진행되어 필요 인력 및 분석 시간이 줄어든다. 특히, 독성이 있는 위험물 검사의 경우, 검사시 환경, 인체에 미치는 영향과 위험을 최소한으로 줄일 수 있다. 환경, 군사 분야의 경우, 기존의 검사 장비로는 현장 실시간 데이터 분석이 불가능하다. 그러나 초소형 유체 소자를 적용한 휴대용 분석기를 이용하면 극한의 자연환경 혹은 오염지역, 화생방 전쟁지역에서 실시간으로 원격 시료를 채취하고 분석하여 원격으로 데이터를 얻을 수 있어 활용 범위가 매우 넓다.

본 발명은 첨단 의학, 화학, 바이오 응용 분야에서 요구되는 초소형 약물 전달 장치와 초소형 종합 화학 분석 장치, 랩온어칩 등에 적용할 수 있는 극미량 유체를 이송하는 마이크로 펌프와 그 제작 방법에 관한 것이다

본 발명에서 제시한 마이크로 펌프는 마이크로머시닝 기술을 적용하여 상기와 같은 문제점을 해소하고 효율을 극대화하기 위해 수 마이크로(10^-6)/나노(10^-9) 리터의 유체를 정량적으로 제어하고 공급할 수 있다. 또 기존의 마이크로 펌프와 달리 구동을 위한 밸브와 구동 박막이 필요하지 않기 때문에 그 구조가 간단하여 제작하기 쉽고 제작 단가가 낮다는 장점이 있다. 본 발명의 마이크로 펌프는 열공압 구동 방식으로 구동된다. 본 발명에서 사용된 열공압 구동 방식은 공기 챔버에 있는 공기의 부피변화를 이용한 것으로 낮은 전압으로 큰 구동력을 얻을 수 있다. 본 발명의 마이크로펌프에는 한 쌍의 공기 챔버와 마이크로 히터가 있으며 이 두 가지를 이용하여 펌프의 구동력을 발생시킨다. 본 발명의 마이크로 펌프는 그 구조가 간단하며 마이크로머시닝 기술로 제작할 수 있고 제작 공정이 간단하며 집적화가 가능하다.

본 발명은, 유리 재질의 하부 기판에 마이크로머시닝 공정을 적용하여 마이크로 히터를 제작하는 단계, 전기화학방전가공을 이용하여 유체의 입구, 출구를 제작하는 단계, 음성 후막 감광제를 이용하여 공기챔버, 펌프 챔버, 통기 유로 등과 같은 펌프의 구조를 제작하는 단계, 제작된 하부 기판과 실리콘 재질의 상부 기판을 접합하는 단계로 이루어진다.

상기 단계들로 제작된 펌프는 먼저 도4 (가)와 같이 유체가 펌프 입구(3)에서 모세관 인력에 의해 자가 충전되는 단계, 마이크로 히터(2)에 전압을 가하여 공기 챔버(1)에 있는 공기를 팽창시켜서 공압을 발생시키는 단계, 도4 (다)와 같이 발생한 공압을 이용하여 펌프 챔버(6) 내에 있는 유체를 외부로 토출하는 단계, 이때 통기 유로는 양쪽의 공기 챔버에서 팽창하는 공기의 부피 변화를 동일하게 만들어 준다. 따라서 양쪽의 공기 챔버에서 발생하는 공압은 서로 동일하게 된다. 도4 (라)와 같이 외부로 유체를 토출 후 모세관 인력에 의해 유체가 펌프의 펌프 챔버(6) 내부로 자가 충전되는 단계, 이때 팽창되어 펌프 챔버로 들어갔던 공기는 부피가 수축하면서 공기 챔버로 들어가게 되며 출구측 유체 경계선에 작용하는 표면 장력으로 출구측에서는 유체가 유입되지 않으며 입구측에서만 유체가 유입된다. 도4 (라)일 때는 주공압 유로(9)와 부공압 유로(10) 양쪽으로 공기가 유입되며, 유체가 펌프 챔버로 계속 유입되어 도4 (마)인 상태가 되면 수축되는 공기는 부공압 유로를 통해서 공기 챔버로 들어오게 되며 유체는 펌프 챔버로 유입되어 도4 (가)와 같이 완전히 충전되게 된다.

세포에 대한 기계적 자극과 검출 및 관찰을 단일 칩 상태에서 처리 가능하다는 점에서 줄기세포, 조직공학 분야에서의 응용 및 일반 세포와 의학, 약학 분야에도 응용 가능하며 인력, 시간, 비용을 획기적으로 감소시키는 특징이 있다.

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1과 2는 각각 본 발명의 열공압 방식으로 구동하는 마이크로 펌프의 평면도와 단면도이다. 열공압 구동 방식 마이크로 펌프는 두 개의 공기 챔버(1)와 마이크로 히터(2), 유체가 이동하고 토출되는 양이 저장되는 펌프 챔버로 구성된다. 상부 기판(11)에는 산화막(12)이 형성되어 있고, 하부 기판(13)에는 음성 후막 감광제로 제작된 펌프 챔버(6)와 두 개의 공기 챔버(1)와 통기 유로(8)가 있고, 또 금속으로 제작된 마이크로 히터(2)가 있다. 최종적으로 제작된 마이크로 펌프는 위에 언급한 상부 기판(11)과 하부 기판(13)이 접합된 구조로 되어있다.

도 3은 열공압 구동 방식 마이크로 펌프의 제작 공정도이다. 하부 기판(13)에 화학 기상 증착 방식으로 크롬과 금을 증착한 후, 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 마이크로 히터(2)와 전극(7)을 제작한다. 펌프에 유체가 유입, 토출 될 수 있도록 하기위해 도 3(나)와 같이 전기 화학 방전 가공 방식(ECDM)을 이용하여 펌프 입구(3)와 출구(4)를 제작한다. 그 후, 시편에 음성 후막 감광제를 도포한 후 사진 식각 기술을 이용하여 공기 챔버, 통기 유로, 펌프 챔버 등을 제작한다. 이렇게 제작된 하부 기판과 산화막이 증착되어 있는 상부 기판을 열공압 방식으로 접합시켜 열공압 구동방식 마이크로 펌프를 완성한다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에서 제안한 열공압 구동 방식 마이크로 펌프는 마이크로머시닝 기술로 제작하여 초소형화가 가능하므로 기존의 유체 펌프로는 제어하기 힘든 수 마이크로(10^-6)/나노/(10^-9) 리터의 유체를 정량적으로 공급하고 제어할 수 있다. 본 발명의 마이크로 펌프는 각종 분석 시스템의 핵심소자로서 대형 분석기기를 소형화하는 데 기여한다. 화학, 생명 공학 , 약학, 의학, 환경 공학 등의 다양한 분야에서 사용되고 있는 기존의 고가 대형 분석기기 및 검출 시스템을 소형화함으로써 분석 및 검사 작업의 효율성, 사용의 편이성 등을 대폭적으로 향상시킬 수 있다. 또 약물전달 시스템과 같은 의료, 치료 목적의 분야에서 응용이 가능하다. 또, 대량생산을 통한 생산 단가 절감으로 분석기기의 대중화 및 보급에도 크게 기여함으로써 기초과학과 산업의 발전 및 국민의 복지에도 직접 혹은 간접적으로 이바지할 것으로 기대된다.

Claims (2)

1. 전압을 인가하여 열을 발생시키는 마이크로 히터를 내장한 공기 챔버;

   공기 챔버 내에 있는 공기의 부피변화를 이용하여 공압을 발생시키는 구동 방식;

   모세관 인력을 이용하여 유체를 자가 충전시키는 방식;

   유체와 공압의 상태에 따라 다르게 작동하는 두 개의 공압유로;

   두 공기 챔버에서 발생되는 공압이 동일하게 하는 통기 유로;

   상기의 모든 항을 포함하여, 전압을 인가하면 히터에서 발생된 열로 공기챔버에 있는 공기의 부피가 팽창하면서 발생하는 압력으로 유로 내부에 있는 유체를 토출시키고, 전류를 끊으면 공기의 부피가 수축하고, 유로 내부의 모세관 인력에 의해 외부에서 유체가 자가 충전되고 발생된 공압은 주공압 유로를 통해서 내보내고, 수축된 공기가 유입 될 때는 유체의 유입 양에 따라 주공압 유로와 부공압 유로를 다르게 이용하여 공기가 유입되는 열공압 구동 방식 마이크로 펌프
2. 열공압 구동 방식 마이크로 펌프의 제조 방법에 있어서

   파이렉스 유리로 된 하부기판 위에 화학 기상 증착 방식으로 크롬/금을 증착하고 패터닝하여 마이크로 히터를 제작하는 단계;

   유리로 된 하부기판에 전기 화학 방전 가공을 이용하여 유체의 주입구와 출구를 제작하는 단계;

   음성 후막 감광제를 이용하여 공기 챔버, 펌프 챔버 등을 제작하는 단계;

   열압착 방식을 이용하여 하부 기판과 상부 기판을 접합하는 단계;

   상기의 모든 항을 포함하여 제작됨을 특징으로 하는 열공압 구동 방식 마이크로 펌프를 제작하는 방법

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