KR20110129271A - 마이크로 이젝터 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로 이젝터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터는 챔버내 상부 공간에 배치되는 격벽부, 및 상기 챔버내 하부 공간에 배치되며 상기 격벽부와 함께 유체의 토출 방향과 동일한 방향으로 유로를 형성하는 돌출부를 포함하는 유로 플레이트, 및 상기 유로 플레이트의 상부에 상기 챔버와 대응하도록 형성되어, 상기 챔버에서 노즐로의 유체 토출의 구동력을 제공하는 액추에이터를 포함할 수 있다.

Description

마이크로 이젝터 및 그 제조방법 {Micro-ejector and method for manufacturing the same}
본 발명은 마이크로 이젝터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 챔버에 다수의 유로를 형성하고, 챔버의 높이 또는 부피를 감소함으로써 챔버에서 노즐로의 유체의 토출을 용이하게 하는 마이크로 이젝터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고도로 발달된 현대의 첨단기술들 중에서 최근 가장 주목받는 기술분야의 하나는 생명공학기술(bio-technology)이다. 일반적으로 생명공학에서 사용되는 시료들은 인체에 관계된 것들이 많기 때문에 필연적으로 유체 혹은 유체 매질에 용해된 상태로 존재하는 미세 유체시료의 운송, 제어, 분석 등의 역할을 수행하는 미세 유체 시스템이 생명공학기술에서는 필수적인 요소기술이다.
이러한 마이크로 유체 시스템은 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용한 것으로서, 인슐린 등의 약물 또는 생체 활성 물질의 지속적인 체내주입, 단일 칩 시험장치(lab-on-a-chip), 신약개발을 위한 화학분석, 잉크젯 인쇄, 소형 냉각 시스템, 소형 연료전지분야 등과 같은 분야에서 응용되고 있다.
이러한 마이크로 유체 시스템에서 유체이송을 위한 필수적인 요소로서 마이크로 이젝터가 사용되고 있으며, 특히, 의료 생체용 물질 이송을 위한 마이크로 이젝터의 경우, 생체물질의 특성상 점성이 강하면서 도전성이 있는 유체를 다루어야하므로 주로 압전소자를 이용한 마이크로 이젝터가 이용되고 있다.
이러한 마이크로 이젝터의 경우, 압전소자의 변위 변화에 의해 챔버에 가해지는 압력의 변화(구동 에너지)가 노즐까지 전달됨에 있어서, 챔버의 높이 또는 부피가 댐핑 역할을 하여 구동 에너지의 손실이 발생하고, 따라서 유체의 토출 특성이 저하되는 문제가 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 챔버의 공간을 줄이고 챔버 내의 유로를 분할하여, 원하는 속도나 볼륨의 액적을 토출할 수 있는 마이크로 이젝터 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 마이크로 이젝터는 챔버 내 상부 공간에 배치되는 격벽부, 및 상기 챔버내 하부 공간에 배치되며 상기 격벽부와 함께 유체의 토출 방향과 동일한 방향으로 유로를 형성하는 돌출부를 포함하는 유로 플레이트, 및 상기 유로 플레이트의 상부에 상기 챔버와 대응하도록 형성되어, 상기 챔버에서 노즐로의 유체 토출의 구동력을 제공하는 액추에이터를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터에 있어서, 상기 유로 플레이트는 상기 챔버에서 상기 노즐로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터에 있어서, 상기 챔버 내에서 상기 격벽부와 상기 돌출부에 의해 형성된 유로를 통과한 유체는 하나의 유로로 통합되어 상기 노즐로 공급되도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터에 있어서, 상기 노즐은 상기 유체의 토출 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 형성될 수 있으며, 특히 폭이 단계적으로 감소하도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터에 있어서, 상기 격벽부는 길이방향의 단부에, 상기 챔버 내로 또는 상기 챔버로부터의 유동을 안내하는 가이드부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터에 있어서, 상기 액추에이터는 상기 격벽부와 상기 돌출부에 의해 형성되는 유로 각각에 대응하도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터에 있어서, 상기 유로 플레이트는 상부기판 및 하부기판을 포함하고, 상기 격벽부는 상기 상부기판에 형성되고, 상기 돌출부는 상기 하부기판에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터에 있어서, 상기 하부기판은 하부 실리콘층, 절연층, 및 상부 실리콘층이 순차로 적층되어 이루어지고, 상기 돌출부는 상기 상부 실리콘층에 의하여 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터의 제조방법은 내부에 유체의 유로가 형성되는 유로 플레이트를 준비하는 단계, 상기 유로에서 유체를 노즐로 이송하는 챔버내 상부 공간에 격벽부를 형성하고, 상기 챔버내 하부 공간에 상기 격벽부와 함께 유체의 토출 방향과 동일한 방향으로 유로를 형성하는 돌출부를 형성하는 단계, 및 상기 유로 플레이트의 상부에 상기 챔버와 대응하는 위치에, 상기 챔버에서 노즐로의 유체 토출의 구동력을 제공하는 액추에이터를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터의 제조방법에 있어서, 상기 유로 플레이트를 준비하는 단계는 상기 유로플레이트를 상기 챔버에서 상기 노즐로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터의 제조방법에 있어서, 상기 격벽부와 상기 돌출부를 형성하는 단계는 상기 챔버 내에서 상기 격벽부와 상기 돌출부에 의해 형성된 유로를 통과한 유체가 하나의 유로로 통합되어 상기 노즐로 공급되도록 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터의 제조방법에 있어서, 상기 노즐을 상기 유체의 토출 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터의 제조방법에 있어서, 상기 노즐을 상기 유체의 토출 방향으로 갈수록 폭이 단계적으로 감소하도록 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터의 제조방법에 있어서, 상기 격벽부를 형성하는 단계는 길이방향의 단부에, 상기 챔버 내로 또는 상기 챔버로부터의 유동을 안내하는 가이드부를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터의 제조방법에 있어서, 상기 액추에이터를 형성하는 단계는 상기 격벽부와 상기 돌출부에 의해 형성되는 유로 각각에 대응하도록 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터의 제조방법에 있어서, 상기 유로 플레이트를 준비하는 단계는 상부기판 및 하부기판을 준비하는 단계로 이루어지고, 상기 격벽부를 형성하는 단계는 상기 상부기판을 가공하여 이루어지고, 상기 돌출부를 형성하는 단계는 상기 하부기판을 가공하여 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터의 제조방법에 있어서, 상기 하부기판을 준비하는 단계는 하부 실리콘층, 절연층, 및 상부 실리콘층을 순차로 적층하고, 상기 돌출부를 형성하는 단계는 상기 상부 실리콘층에서 상기 돌출부가 형성될 부분을 제외한 부분을 제거하여 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터의 제조방법에 있어서, 상기 상부기판과 상기 하부기판을 접합하는 단계를 더 포함하고, 상기 상부기판과 상기 하부기판을 접합하는 단계는 실리콘 직접 접합(Silicon Direct Bonding, SDB)에 의해 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 이젝터의 제조방법에 있어서, 상기 상부기판과 상기 하부기판을 접합하는 단계를 더 포함하고, 상기 상부기판과 상기 하부기판을 접합하는 단계는 상기 상부기판의 저면과 상기 하부기판의 상기 절연층의 상면을 접합하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 이젝터 및 그 제조방법에 의하면, 챔버의 공간을 줄이고 챔버 내에 다수의 유로를 형성함으로써, 마이크로 이젝터의 유체 토출 속도나 볼륨 등의 유체 토출 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 이젝터의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1a의 A-A'선을 따른 마이크로 이젝터의 수직 단면도이다.
도 3은 도 1a의 B-B'선을 따른 마이크로 이젝터의 수직 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 이젝터의 상부기판에 유로를 형성하는 방법을 나타내는 공정도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 이젝터의 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 단계를 나타내는 공정도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 이젝터의 상부기판의 저면도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 형태를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 형태에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 형태를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시 형태의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일하거나 유사한 참조부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 이젝터의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1a의 A-A'선을 따른 마이크로 이젝터의 수직 단면도이며, 도 3은 도 1a의 B-B'선을 따른 마이크로 이젝터의 수직 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 이젝터(100)는 유로가 형성되는 상부기판(110) 및 하부기판(120)과, 상부기판(110)의 상면에 형성되는 압전 액추에이터(130)를 포함한다. 상부기판(110) 및 하부기판(120)은 노즐(115)로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성될 수 있다.
상부기판(110)에는 유체가 유입되는 유입구(111), 리스트릭터(112) 홈, 챔버(113) 홈, 및 노즐(115) 홈이 형성될 수 있다. 이때, 상부기판(110)은 단결정 실리콘 기판이나, 두 개의 실리콘층 사이에 절연층이 형성되는 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼일 수 있다. 상부기판(110)이 SOI 웨이퍼인 경우, 챔버(113)의 높이는 SOI 웨이퍼의 두 개의 실리콘층 중 하부의 실리콘층의 두께와 실질적으로 동일하게 할 수 있다.
여기서, 마이크로 이젝터의 방향을 정의하면, 두께방향은 상부기판(110)에서 하부기판(120)을 향하는 방향이나 그 반대방향을 의미하고, 길이방향은 마이크로 이젝터의 유로 방향, 즉 챔버(113)에서 노즐(115)로 향하는 방향이나 그 반대방향을 의미하며, 폭 방향은 길이방향과 수직인 방향을 의미한다. 또한, 높이는 두께방향의 치수를 의미한다.
또한, 상부기판(110)의 챔버(113)가 형성되는 홈에 하나 이상의 격벽(114)이 형성되며, 이 격벽(114)에 의해 챔버(113) 내에 다수의 유로가 형성된다. 즉, 리스트릭터(112)를 통하여 챔버(113)로 유입된 유체는 격벽(114)에 의해 분할된 챔버(113) 내의 3개의 유로로 이동하며, 챔버(113)의 노즐(115)측 부분에서 하나의 유로로 모아져서 노즐(115)로 토출된다. 본 실시예에서는 격벽(114)이 두 개 형성되어, 챔버(113) 내에서 3개의 유로가 형성되는 구조를 도시하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 변경될 수 있음은 물론이다.
압전 액추에이터(130)는 챔버(113)에 대응하도록 상부기판(110)의 상부에 형성되며, 챔버(113)로 유입된 유체를 노즐(115)로 토출하기 위한 구동력을 제공한다.
본 실시예에서, 압전 액추에이터(130)는 격벽(114)에 의해 분할된 챔버(113)내의 유로에 대응하는 위치에 각각 형성될 수 있다. 즉, 챔버(113)내의 3개의 유로에 각각 대응하는 위치에 3개의 압전 액추에이터(130)가 형성될 수 있다.
압전 액추에이터(130)는 공통 전극의 역할을 하는 하부 전극, 전압의 인가에 따라 변형되는 압전막, 및 구동 전극의 역할을 하는 상부 전극을 포함하여 구성될 수 있다.
하부 전극은 상부기판(110)의 전 표면에 형성될 수 있으며, 하나의 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있으나, 티타늄(Ti)과 백금(Pt)으로 이루어진 두 개의 금속 박막층으로 구성되는 것이 바람직하다. 하부 전극은 공통 전극의 역할뿐만 아니라, 압전막과 상부기판(110) 사이의 상호 확산을 방지하는 확산방지층의 역할도 하게 된다.
압전막은 하부 전극 위에 형성되며, 챔버(113)의 상부에 위치하도록 배치된다. 이러한 압전막은 압전 물질, 바람직하게는 PZT(Lead Zirconate Titanate) 세라믹 재료로 이루어질 수 있다. 상부 전극은 압전막 위에 형성되며, Pt, Au, Ag, Ni, Ti 및 Cu 등의 물질 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서는 압전 액추에이터(130)를 사용한 압전 구동 방식에 의해 유체가 토출되는 구성을 예로서 설명하고 있지만, 유체 토출 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니며, 요구되는 조건에 따라 열 구동 방식 등 다양한 방식으로 유체가 토출되도록 구성될 수 있다.
하부기판(120)에는 유입구(111)로 유입되는 유체를 챔버(113)로 이송하는 리저버(122) 홈 및 챔버(113)의 공간 내로 배치되는 돌출부(121)를 포함할 수 있다.
하부기판(120)은 단결정 실리콘 기판이나 SOI 웨이퍼로 이루어질 수 있으나, 하부 실리콘층, 절연층 및 상부 실리콘층이 순차로 적층하여 이루어지는 SOI 웨이퍼인 것이 바람직하다.
돌출부(121)는 수평 단면이 직사각형 형태로 이루어질 수 있으며, 이는 예시적인 것으로, 이외에 평행사변형 형태 또는 긴 육각형 형태 등 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 돌출부(121)의 높이는 상부 실리콘층의 두께와 실질적으로 동일하며, 요구되는 챔버(113)의 높이에 따라 10~100㎛일 수 있다. 이때, 다른 유체 유로 구성들과의 관계에서 패터닝에 문제가 없다면 돌출부의 높이를 100㎛ 이상으로 하는 것도 가능하다.
돌출부(121)는 상면이 챔버(113) 내에 형성된 격벽부(114)의 하면과 맞닿도록 배치되어, 격벽부(114)와 함께 챔버(113) 내에서 유체의 토출 방향과 동일한 방향으로 유로를 형성한다. 또한, 돌출부(121)는 챔버(113) 내로 돌출 배치되어 챔버(113)의 높이를 줄이면서 챔버(113) 내의 유로를 다수의 부분으로 분할한다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여 상기한 구성을 가진 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 이젝터를 제조하는 방법을 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 이젝터의 상부기판에 유로를 형성하는 방법을 나타내는 공정도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 이젝터의 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 단계를 나타내는 공정도이다.
우선, 본 발명의 바람직한 제조 방법을 개략적으로 설명하면, 상부기판 및 하부기판에 유로를 형성하고, 하부기판상에 상부기판을 적층하여 접합함으로써 본 실시예에 따른 마이크로 이젝터가 완성된다. 한편, 상부기판과 하부기판에 유로를 형성하는 단계들은 순서에 관계없이 수행될 수 있다. 즉, 상부기판과 하부기판 중 어느 하나에 유로를 형성할 수도 있으며, 상부기판과 하부기판에 동시에 유로가 형성될 수도 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의상 상부기판에 유로를 형성하는 공정을 먼저 설명하기로 한다.
도 4의 (a)를 참조하면, 본 실시예에서는 상부기판(110)으로서 대략 100~200㎛ 정도의 두께를 가진 실리콘 웨이퍼를 사용한다. 준비된 상부기판(110)을 습식 및/또는 건식 산화시켜, 상부기판(110)의 상면과 하면에는 대략 5,000~15,000Å 정도의 두께를 가진 실리콘 산화막을 형성할 수 있다.
상부기판(110)의 하면에 리스트릭터(112), 챔버(113)의 하부, 및 노즐(115)을 형성하기 위한 홈을 형성하고, 유입구(111)를 형성하기 위한 관통홀을 형성한다. 상부기판(110)은 노즐(115)로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 홈에서 노즐(115)이 형성되는 부분은 유체의 토출 방향으로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 상기 폭이 단계적으로 감소하도록 형성되어 있으나, 폭이 좁아지는 양태에 대해서는 특별히 한정되지 않는다.
상부기판(110)에 상기 홈 및 상기 관통홀의 형성은, 상부기판(110)의 하면에 포토레지스트(photoresist)를 도포하고, 도포된 포토레지스트를 패터닝한 후, 패터닝된 포토레지스트를 식각 마스크로 하여 식각함으로써 형성될 수 있다. 이때, 포토레지스트의 패터닝은 노광과 현상을 포함하는 잘 알려진 포토리소그래피(photolithography) 방법에 의해 이루어질 수 있으며, 이하에서 설명되는 다른 포토레지스트들의 패터닝도 이와 동일한 방법으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 상부기판(110)에 유로를 형성하기 위한 식각은 유도결합 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma)를 이용한 반응성 이온 식각(RIE)과 같은 건식 식각 방법이나, 실리콘용 에칭액(etchant)으로서, 예컨대 테트라메틸 수산화 암모늄(TMAH: Tetramethyl Ammonium Hydroxide) 또는 수산화 칼륨(KOH)을 이용한 습식 식각 방법에 의해 수행될 수 있다. 이러한 실리콘 웨이퍼의 식각은 이하에서 설명되는 다른 실리콘 웨이퍼에 대한 식각에도 동일하게 적용될 수 있다.
다음으로, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 챔버(113)의 상부를 형성하기 위하여 실리콘 웨이퍼를 식각한다. 이때, 상부 기판(110)이 두 개의 실리콘층 사이에 절연층이 형성된 SOI 웨이퍼인 경우, 절연층이 식각 정지층으로서의 역할을 한다.
이때, 챔버(113)의 내부 공간에 격벽(114)이 형성되도록 격벽(114)을 형성하기 위한 부분을 남기고 식각한다.
이하에서는, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 이젝터의 하부 기판에 유로를 형성하는 공정을 살펴보기로 한다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 하부 기판(120)으로서 대략 수백 ㎛의 두께, 바람직하게는 대략 210㎛ 정도의 두께를 가진 하부 실리콘층과, 대략 1㎛ ~ 2㎛ 정도의 두께를 가진 절연층과, 대략 10㎛ ~ 100㎛ 정도의 두께를 가진 상부 실리콘층으로 이루어진 SOI 웨이퍼를 사용한다. 준비된 하부기판(120)을 습식 및/또는 건식 산화시켜, 하부기판(120)의 상면과 하면에 대략 5,000~15,000Å 정도의 두께를 가진 실리콘 산화막을 형성할 수 있다.
하부기판(120)의 상면, 특히 상부 실리콘층의 상면에 포토레지스트를 도포하고, 포토레지스트에서 돌출부(121)를 형성하기 위한 부분을 제외한 부분을 제거한 후, 이렇게 노출된 부위의 상부 실리콘층을 상기 포토레지스트를 식각 마스크로 하여 식각한다. 이때, 돌출부(121)를 형성하기 위한 상부 실리콘층의 식각은 TMAH 또는 KOH를 이용한 습식 식각이나, ICP를 이용한 RIE와 같은 건식 식각 방법에 의한다.
돌출부(121)의 수평 단면은 직사각형 또는 평행사변형 등의 형태로 이루어질 수 있으며, 직사각형 단면을 갖는 돌출부(121)는 상부 실리콘층을 건식 식각하여 얻을 수 있으며, 평행사변형 단면을 갖는 돌출부(121)는 상부 실리콘층을 습식 식각하여 얻을 수 있다. 이외에 마주보는 두 변이 긴 육각형, 또는 타원형 등 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
돌출부(121)는 상부 실리콘층을 식각하여 형성되기 때문에 상부 실리콘층의 두께와 실질적으로 동일한 높이를 가지며, 돌출부(121)의 높이는 상부 실리콘층의 두께를 조정함으로써 다양하게 조정할 수 있다. 이렇게 조정되는 돌출부(121)의 높이에 따라 챔버(113)의 높이도 조정될 수 있다.
이렇게 형성된 돌출부(121)의 상면에 존재하는 포토레지스트는 습식 식각이나 건식 식각에 의해 제거될 수 있으며, 화학·기계적 연마(CMP: Chemical Mechanical Planarization)에 의해 제거될 수도 있다. 이때, 돌출부(121)의 두께 일부를 함께 제거하여 돌출부(121)의 높이를 조정할 수 있다.
다음으로, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 돌출부(121)가 형성된 하부 기판(120)에 리저버(122) 홈을 형성한다. 이는 하부기판(120)의 상면, 즉 절연층의 상면과 돌출부(121)의 상면을 덮도록 포토레지스트를 도포하고, 이를 패터닝하여 리저버(122)를 형성하기 위한 개구부를 형성한 후, 패터닝된 포토레지스트를 식각 마스크로 하여, 절연층과, 하부 실리콘층의 일부를 식각하여 리저버(122) 홈을 형성한다. 리저버(122) 홈의 형성은 건식 식각이나 습식 식각 방법에 의하여 이루어질 수 있으며, 리저버(122)의 측면이 경사지도록 식각될 수 있다.
이상에서는 하부기판(120)으로서 SOI 웨이퍼를 사용하여 유로를 형성하는 것을 도시하고 설명하였으나, 하부기판(120)으로서 단결정 실리콘 기판을 사용할 수도 있음은 물론이다. 즉, 대략 100~200㎛ 정도의 두께를 가진 단결정 실리콘 기판을 준비한 뒤, 도 5의 (a) 및 (b)에 도시된 방법과 동일한 방법으로 하부기판(120)에 돌출부(121)와 리저버(122) 홈 형성할 수 있다.
이렇게 유로가 형성된 상부 기판(110) 및 하부 기판(120)을 접합하고, 상부 기판(110)의 상면에 챔버(113)에 대응하는 위치에 압전 액추에이터(130)를 형성하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 마이크로 이젝터가 완성된다.
이때, 상부 기판(110)과 하부 기판(120)의 접합은 실리콘 직접 접합(Silicon Direct Bonding, SDB)에 의해 이루어지는 것이 바람직하다. 즉, 상부 기판(110)의 하면과 하부 기판(120)의 절연층의 상면을 접합면으로 하여, 이들 접합면을 밀착한 후, 열처리함으로써 접합될 수 있다.
압전 액추에이터(130)는 상부기판(110)의 상면에 하나의 압전부로 이루어질 수 있으나, 챔버(113) 내에서 격벽부(114)와 돌출부(121)에 의해 형성되는 다수의 유로 각각에 대응하는 위치에 형성된 다수의 압전부로 이루어질 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 격벽부(114)에 의해 분할된 챔버(113)의 공간에 대응하도록 3개의 압전부가 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 이젝터의 상부기판의 저면도이다.
도 6에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 이젝터는 격벽부의 길이 방향 단부에, 챔버 내로 또는 챔버로부터의 유동을 안내하는 적어도 하나의 가이드부를 포함하는 것으로, 이외의 구성은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 이젝터와 동일하므로, 이들 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 이젝터는 챔버(113) 내에 형성된 격벽부(114)에 있어서, 마이크로 이젝터의 길이방향의 단부에 가이드부(114a, 114b)가 설치되어 있다.
격벽부(114)는 리스트릭터(112)로부터 챔버(113) 내로 이송된 유체가 격벽부(114)에 의해 분할된 다수의 유로 각각에 이송되도록 안내하는 제1 가이드부(114b)와, 격벽부(114)에 의해 분할된 다수의 유로 각각에서 노즐(115)로의 유체 이송을 안내하는 제2 가이드부(114a)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 가이드부(114a, 114b)는 리스트릭터(112) 및 노즐(115)로 향할수록 단부가 샤프하게 형성될 수 있다. 이는 제1 가이드부(114b)에 의한 챔버(113) 내의 분할된 공간으로 유체의 이송 및 제2 가이드부(114a)에 의한 노즐(115)로의 유체의 이송을 용이하게 하기 위함이다.
본 실시예에서는 격벽부(114)의 길이방향 양단부에 각각 제1 및 제2 가이드부(114a, 114b)가 형성되어 있는 것을 도시하고 설명하고 있지만, 본 발명에서 가이드부는 마이크로 이젝터의 길이방향 일단부에만 형성되어도 좋다.
이하의 표 1은 본 발명에 따른 마이크로 이젝터와 비교예에 따른 마이크로 이젝터의 유체 토출 특성을 나타낸다. 본 발명에 따른 마이크로 이젝터는 챔버 내에 격벽부 및 돌출부를 형성하여 챔버의 높이를 줄이는 구성이며, 비교예에 따른 마이크로 이젝터는 종래의 챔버 구성인 것으로, 이들에 대하여 각각 유체의 토출 속도 및 토출 액적의 볼륨을 측정하였다. 이때, 압전 액추에이터의 변위는 모두 120nm로 하였다.
실시예 비교예
챔버 높이(㎛) 70 130
토출 속도(m/s) 3.86 0.95
액적 볼륨(pL) 149 95.2
상기 표 1에 나타나는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 이젝터는 챔버의 높이를 줄이고 챔버의 공간을 다수의 부분으로 분할함으로써, 액적 볼륨은 비교예보다 약 1. 56배, 토출 속도는 약 4배 정도 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 압전 액추에이터의 변위 변화에 의해 노즐 출구까지 전달되는 구동 에너지(압력 변화)의 손실이 감소하기 때문이다. 즉, 비교예에서는 챔버의 높이 또는 부피만큼 노즐 출구까지 전달되는 구동 에너지의 댐핑이 발생하여 구동 에너지의 손실이 커지기 때문이다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명했지만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예컨대, 본 발명에서 마이크로 이젝터의 유로를 형성하는 각 구성요소를 형성하는 방법은 단지 예시된 것으로서, 다양한 식각 방법이 적용될 수 있으며, 제조방법의 각 단계의 순서도 예시된 바와 달리할 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 마이크로 이젝터 110: 상부기판
111: 유입구 112: 리스트릭터
113: 챔버 114: 격벽부
115: 노즐 120: 하부기판
121: 돌출부 122: 리저버
130: 압전 액추에이터

Claims (20)

  1. 챔버 내 상부 공간에 배치되는 격벽부, 및 상기 챔버 내 하부 공간에 배치되며 상기 격벽부와 함께 유체의 토출 방향과 동일한 방향으로 유로를 형성하는 돌출부를 포함하는 유로 플레이트; 및
    상기 유로 플레이트의 상부에 상기 챔버와 대응하도록 형성되어, 상기 챔버에서 노즐로의 유체 토출의 구동력을 제공하는 액추에이터;
    를 포함하는 마이크로 이젝터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유로 플레이트는 상기 챔버에서 상기 노즐로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 내에서 상기 격벽부와 상기 돌출부에 의해 형성된 유로를 통과한 유체는 하나의 유로로 통합되어 상기 노즐로 공급되는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 노즐은 상기 유체의 토출 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 노즐은 상기 유체의 토출 방향으로 갈수록 폭이 단계적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 격벽부는 길이방향의 단부에, 상기 챔버 내로 또는 상기 챔버로부터의 유동을 안내하는 가이드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 액추에이터는 상기 격벽부와 상기 돌출부에 의해 형성되는 유로 각각에 대응하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유로 플레이트는 상부기판 및 하부기판을 포함하고,
    상기 격벽부는 상기 상부기판에 형성되고,
    상기 돌출부는 상기 하부기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하부기판은 하부 실리콘층, 절연층, 및 상부 실리콘층이 순차로 적층되어 이루어지고,
    상기 돌출부는 상기 상부 실리콘층에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터.
  10. 내부에 유체의 유로가 형성되는 유로 플레이트를 준비하는 단계;
    상기 유로에서 유체를 노즐로 이송하는 챔버내 상부 공간에 격벽부를 형성하고, 상기 챔버 내 하부 공간에 상기 격벽부와 함께 유체의 토출 방향과 동일한 방향으로 유로를 형성하는 돌출부를 형성하는 단계; 및
    상기 유로 플레이트의 상부에 상기 챔버와 대응하는 위치에, 상기 챔버에서 노즐로의 유체 토출의 구동력을 제공하는 액추에이터를 형성하는 단계;
    를 포함하는 마이크로 이젝터의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 유로 플레이트를 준비하는 단계는 상기 유로플레이트를 상기 챔버에서 상기 노즐로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 격벽부와 상기 돌출부를 형성하는 단계는 상기 챔버 내에서 상기 격벽부와 상기 돌출부에 의해 형성된 유로를 통과한 유체가 하나의 유로로 통합되어 상기 노즐로 공급되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 노즐을 상기 유체의 토출 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터의 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 노즐을 상기 유체의 토출 방향으로 갈수록 폭이 단계적으로 감소하도록 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터의 제조방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 격벽부를 형성하는 단계는 길이방향의 단부에, 상기 챔버 내로 또는 상기 챔버로부터의 유동을 안내하는 가이드부를 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터의 제조방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 액추에이터를 형성하는 단계는 상기 격벽부와 상기 돌출부에 의해 형성되는 유로 각각에 대응하도록 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터의 제조방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 유로 플레이트를 준비하는 단계는 상부기판 및 하부기판을 준비하는 단계로 이루어지고,
    상기 격벽부를 형성하는 단계는 상기 상부기판을 가공하여 이루어지고,
    상기 돌출부를 형성하는 단계는 상기 하부기판을 가공하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 하부기판을 준비하는 단계는 하부 실리콘층, 절연층, 및 상부 실리콘층을 순차로 적층하고,
    상기 돌출부를 형성하는 단계는 상기 상부 실리콘층에서 상기 돌출부가 형성될 부분을 제외한 부분을 제거하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터의 제조방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 상부기판과 상기 하부기판을 접합하는 단계를 더 포함하고,
    상기 상부기판과 상기 하부기판을 접합하는 단계는 실리콘 직접 접합(Silicon Direct Bonding, SDB)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터의 제조방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 상부기판과 상기 하부기판을 접합하는 단계를 더 포함하고,
    상기 상부기판과 상기 하부기판을 접합하는 단계는 상기 상부기판의 저면과 상기 하부기판의 상기 절연층의 상면을 접합하는 것을 특징으로 하는 마이크로 이젝터의 제조방법.
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