KR20120023395A - 미세유체 토출장치 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미세유체 토출장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 미세유체 토출장치는 미세유체가 유입되는 유입구, 상기 유입구와 연결되며 다수 개의 격벽에 의하여 구획되는 다수 개의 단위 챔버가 형성되는 가압 챔버, 및 상기 가압 챔버와 연결되며 상기 다수 개의 단위 챔버를 통과한 미세유체를 하나의 유로로 통합하여 토출하는 노즐을 포함하는 유로 플레이트; 및 상기 단위 챔버에 대응하도록 상기 유로 플레이트의 상부에 형성되며, 상기 가압 챔버에서 노즐로의 미세유체 토출의 구동력을 제공하는 엑추에이터를 포함한다. 본 발명에 따른 미세 유체 토출장치는 가압 챔버 내부의 압력 변화를 정밀하게 제어할 수 있어 미세유체의 토출 성능이 우수하다.
Description
본 발명은 미세유체 토출장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 미세유체의 토출 성능이 우수한 미세유체 토출장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 인간의 각종 질병을 빠르게 진단하기 위한 바이오 의료장치 및 바이오 기술의 수요가 증가하고 있다. 이에 따라 기존에 병원이나 연구소에서 장기간에 걸쳐 특정 질병에 대한 검사를 수행하던 것을 단시간에 검사 결과를 보여 줄 수 있는 바이오 센서 또는 바이오 칩에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다.
바이오 센서 또는 바이오 칩에 대한 연구의 필요성은 병원 뿐만 아니라 제약회사, 화장품 회사 등에서도 필요로 하는 기술이다. 제약 및 화장품 분야 등에서 특정 약물에 대한 세포의 반응을 검사하여 특정 약물의 유효성 및 안전성(독성)을 검증하는 방법이 사용되고 있는데, 기존 방식은 동물을 사용하거나 많은 양의 시약을 이용하여야 하므로 비용과 시간이 많이 드는 단점을 가지고 있다.
따라서, 비용 절감과 동시에 빠르고 정확한 진단이 가능한 바이오 센서 또는 바이오 칩의 개발이 요구되고 있다.
최근에는 종래의 바이오 칩과 달리 단일 세포(single cell)가 각각 어레이 형태로 패터닝된 단일 세포 칩이 개발되고 있으며, 이러한 세포 칩을 구현하기 위하여 잉크젯 인쇄에 이용되는 젯팅 기술을 사용하여 바이오 물질을 토출하는 방법이 사용되고 있다.
바이오 물질을 토출하는 방식에는 공기압을 이용하여 밀어내는 공압방식과 압전 세라믹을 통하여 압력실을 가압하여 토출시키는 압전 방식이 있다. 공압 방식은 세포 등의 바이오 물질을 포함하는 고점도 물질을 비교적 커다란 액적(nL단위)으로 토출 시키는 것에 유리하나, 토출 시 액적 간의 볼륨 편차가 크다는 단점이 있다. 반면에 압전 방식은 토출시키고자 하는 액적의 크기에 해당하는 가압실의 체적 변화를 정확히 조절할 수 있으므로 미세 액적(pL급)을 고 정밀도로 토출 시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 미세유체의 토출 성능이 우수한 미세유체 토출장치 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 미세유체가 유입되는 유입구, 상기 유입구와 연결되며 다수 개의 격벽에 의하여 구획되는 다수 개의 단위 챔버가 형성되는 가압 챔버, 및 상기 가압 챔버와 연결되며 상기 다수 개의 단위 챔버를 통과한 미세유체를 하나의 유로로 통합하여 토출하는 노즐을 포함하는 유로 플레이트; 및 상기 단위 챔버에 대응하도록 상기 유로 플레이트의 상부에 형성되며, 상기 가압 챔버에서 노즐로의 미세유체 토출의 구동력을 제공하는 엑추에이터;를 포함하는 미세유체 토출장치를 제공한다.
상기 가압 챔버는 너비가 1000 내지 1500㎛이고, 길이가 2000 내지 4000㎛이며, 높이가 30 내지 100㎛일 수 있다.
상기 유로 플레이트는 상기 가압 챔버에서 상기 노즐로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성될 수 있다.
상기 노즐은 상기 미세 유체의 토출방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 형성될 수 있다.
상기 유로 플레이트는 상부기판 및 하부기판을 포함하고, 상기 격벽은 상기 상부기판에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 미세 유체가 유입되는 유입구에서 노즐로 토출되는 유로가 형성되는 유로 플레이트를 준비하는 단계; 상기 유입구에서 미세 유체를 노즐로 이송하는 유로 플레이트 내에 다수 개의 격벽에 의하여 구획되는 다수 개의 단위 챔버를 형성하고, 상기 다수 개의 단위 챔버를 통과한 미세 유체가 하나의 유로로 통합되어 상기 노즐로 공급되도록 가압 챔버를 형성하는 단계; 및 상기 단위 챔버에 대응하도록 상기 유로 플레이트의 상부에 상기 가압 챔버에서 노즐로의 미세유체 토출의 구동력을 제공하는 액추에이터를 형성하는 단계; 를 포함하는 미세유체 토출장치의 제조방법을 제공한다.
상기 가압 챔버의 형성단계는 상기 가압 챔버의 너비가 1000 내지 1500㎛이고, 길이가 2000 내지 4000㎛이며, 높이가 30 내지 100㎛이 되도록 수행될 수 있다.
상기 유로 플레이트를 준비하는 단계는 상기 유로플레이트를 상기 가압 챔버에서 상기 노즐로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성될 수 있다.
상기 노즐을 상기 미세 유체의 토출방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 형성될 수 있다.
상기 유로 플레이트를 준비하는 단계는 상부기판 및 하부기판을 준비하는 단계로 이루어지고, 상기 격벽부를 형성하는 단계는 상기 상부기판을 가공하여 수행되 수 있다.
상기 미세유체 토출장치의 제조방법은 상기 상부기판과 상기 하부기판을 접합하는 단계를 더 포함하고, 상기 상부기판과 상기 하부기판을 접합하는 단계는 실리콘 직접 접합(Silicon Direct Bonding, SDB)에 수행될 수 있다.
본 실시예에 따르면 가압 챔버를 다수 개의 단위 챔버로 분리하여 가압 챔버 내부의 압력 변화를 정밀하게 제어할 수 있고, 가압 챔버 내부의 유동이 가지는 고유 진동수를 올릴 수 있다. 이에 따라 토출 가용 주파수 대역을 기존보다 향상시킬 수 있다.
또한, 토출되는 액면을 안정 시키기 위해서 단위 챔버 별로 다른 전압을 인가시킬 수 있고, 단위 챔버 중 일부의 단위 챔버만을 편향하여 가압하는 등의 조작이 가능하다.
또한, 본 실시예에 다른 토출장치는 단위 챔버 상에 형성되는 다수 개의 압전 엑츄에이터의 변위 및 파형과 더불어, 운용되는 단위 챔버의 수를 조절함으로써 다양한 사이즈의 액적을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 토출장치를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 2a는 도 1의 A-A'선을 따른 미세유체 토출장치의 수직 단면의 사시도이며, 도 2b는 도 1의 A-A'선을 따른 미세유체 토출장치의 수직 단면도이다.
도 3은 도 1의 B-B'선을 따른 미세유체 토출장치의 수직 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 토출장치의 상부기판에 미세 유체의 유로를 형성하는 방법을 나타내는 공정도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 토출장치의 하부기판에 미세 유체의 유로를 형성하는 방법을 나타내는 공정도이다.
도 2a는 도 1의 A-A'선을 따른 미세유체 토출장치의 수직 단면의 사시도이며, 도 2b는 도 1의 A-A'선을 따른 미세유체 토출장치의 수직 단면도이다.
도 3은 도 1의 B-B'선을 따른 미세유체 토출장치의 수직 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 토출장치의 상부기판에 미세 유체의 유로를 형성하는 방법을 나타내는 공정도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 토출장치의 하부기판에 미세 유체의 유로를 형성하는 방법을 나타내는 공정도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 다만, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 토출장치를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이고, 도 2a는 도 1의 A-A'선을 따른 미세유체 토출장치의 수직 단면의 사시도이며, 도 2b는 도 1의 A-A'선을 따른 미세유체 토출장치의 수직 단면도이고, 도 3은 도 1의 B-B'선을 따른 미세유체 토출장치의 수직 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 미세유체 토출장치(100)는 상부기판(110) 및 하부기판(120)으로 구성되는 유로 플레이트와 상부기판(110)의 상면에 형성되는 압전 액추에이터(130)를 포함한다.
본 실시예에 따르면 상부기판(110) 및 하부기판(120)에는 유로가 형성되고, 상부기판(110) 및 하부기판(120)은 노즐(115) 쪽으로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성될 수 있다.
상부기판(110)에는 미세유체가 유입되는 유입구(111), 리스트릭터(112) 홈, 가압 챔버(113) 홈이 형성될 수 있다. 이때, 상부기판(110)은 단결정 실리콘 기판 또는 두 개의 실리콘층 사이에 절연층이 형성되는 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼일 수 있다.
여기서, 미세유체 토출장치의 방향을 정의하면 두께방향은 상부기판(110)에서 하부기판(120)을 향하는 방향이나 그 반대방향을 의미하고, 길이방향은 미세유체 토출장치의 유로 방향, 즉 가압 챔버(113)에서 노즐(115)로 향하는 방향이나 그 반대방향을 의미하며, 폭방향은 길이방향과 수직한 방향을 의미한다. 또한, 높이는 두께방향의 치수를 의미한다.
또한, 상부기판(110)의 가압 챔버(113)가 형성되는 홈에 다수 개의 격벽(114)이 형성되며, 상기 격벽(114)에 의하여 가압 챔버(113)에는 다수 개의 단위 챔버(113a, 113b, 113c)가 형성된다. 상기 각 단위 챔버(113a, 113b, 113c)에 의하여 다수 개의 유로가 형성된다. 상기 리스트릭터(112)와 연결된 가압 챔버의 유입부(113d)는 하나의 유로를 형성하며, 단위 챔버에 의하여 다수 개의 유로로 나누어진 후 토출부(113e)에서 다시 하나의 유로를 형성한다.
즉, 리스트릭터(112)에서 가압 챔버(113)로 유입된 미세유체는 격벽(114)에 의해 분할된 단위 챔버(113a, 113b, 113c)내의 각 유로로 이동하며, 가압 챔버(113)의 노즐(115)측 부분에서 하나의 유로로 통합되어 노즐(115)로 토출된다.
본 실시예에서는 격벽(114)이 두 개 형성되어, 가압 챔버(113)내에서 3개의 단위 챔버(113a, 113b, 113c)가 형성되는 구조를 도시하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 변경될 수 있음은 물론이다.
압전 액추에이터(130)는 상부기판(110)의 상부에 형성되며, 가압 챔버(113)로 유입된 미세유체를 노즐(115)로 토출하기 위한 구동력을 제공한다.
본 실시예에서 압전 액추에이터(130)는 격벽(114)에 의해 분할된 단위 챔버(113a, 113b, 113c)내의 3개의 유로에 각각 대응하는 위치에 3개의 압전 액추에이터(130a, 130b, 130c)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 이루어지거나 티타늄(Ti)과 백금(Pt)으로 이루어진 두 개의 금속 박막층으로 구성될 수 있다. 하부 전극은 공통 전극의 역할뿐만 아니라, 압전막과 상부기판(110) 사이의 상호 확산을 방지하는 확산방지층의 역할도 할 수 있다.
압전막은 하부 전극 위에 형성되며, 가압 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.
하부기판(120)에는 유입구(111)로 유입되는 미세유체를 가압 챔버(113)로 이송하는 리저버(121) 홈 및 노즐 홈(115)이 형성될 수 있다.
하부기판(120)은 단결정 실리콘 기판 또는 하부 실리콘층, 절연층 및 상부 실리콘층이 순차로 적층하여 이루어지는 SOI(Silicon on Insulator)웨이퍼일 수 있다.
일반적으로 수 pL 내지 수십 pL급의 액적을 토출하는 잉크젯 프린트 헤드와 달리 세포 등의 바이오 물질이나 약물을 토출하는 토출장치는 수백pL 급의 대형 액적을 토출하여야 한다.
이에 따라 잉크젯 프린트 헤드의 가압 챔버의 크기는 100 내지 300 um 수준이나, 바이오 물질이나 약물을 포함하는 미세 유체를 토출하기 위한 토출 장치의 가압 챔버의 크기는 상당히 크게 제조되고 있다.
토출장치의 가압 챔버의 크기가 증가하며 가압 챔버 내부의 압력변화 주기가 잉크젯 프린트 헤드와 비교하였을 때, 느리게 일어날 수 밖에는 없다. 따라서, 잉크젯 프린트 헤드가 수십kHz 대역의 토출 주파수 성능을 가지고 있는 것과 비교하여 볼 때, 바이오 물질이나 약물을 포함하는 미세 유체 토출장치는 약 0.1 내지 1kHz 정도의 매우 낮은 주파수 성능 밖에는 구현할 수가 없었다.
바이오 물질이나 약물을 포함하는 미세 유체를 토출하는 미세유체 토출장치는 미세유체에 다양한 종류의 바이오 물질이나 약물이 섞여 있기 때문에 가능한 많은 매질에 대하여 안정적인 토출 성능을 가지고 있어야 한다. 안정적인 토출은 우선, 토출 액적의 직진성이 우수해야 하고, 2차 액적(Satellite Drop)이 없어야 하며, 액적의 속도가 우수해야 한다(2~3m/s 이상).
그러나, 가압 챔버의 크기가 커지면 다양한 종류의 매질을 안정적으로 토출시키는 것은 매우 어렵다. 한가지 매질에 대해서 2차 액적이 없고, 직진성이 좋은 토출 성능을 보인다 할 지라도, 모든 매질의 점도 및 표면 장력을 단일 가압 챔버에 의하여 제어하는 것은 어렵기 때문이다.
일반적으로 액츄에이터를 이용한 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드의 경우 노즐면의 표면형상(메니스커스)을 정밀하게 조절하여 액적의 토출 품질을 미세하게 조절하는 것이 가능하다. 그러나, 가압 챔버의 크기가 큰 경우에는 가압 챔버 내부의 압력 변화를 정밀하게 제어하는 것이 곤란하다.
그러나, 본 실시예에 따르면 유입구에 의하여 유입된 미세유체는 리저버(121)에 의하여 가압 챔버(130)로 이송되고, 가압 챔버로 이송된 미세 유체는 격벽(114)에 의하여 형성된 각 단위 챔버(113a, 113b, 113c)에 의하여 3개의 유로를 형성한 뒤 엑추에이터(130a, 130b, 130c)에 의하여 구동되어 하나의 유로로 통합되어 노즐로 토출된다.
즉, 본 실시예에 따르면 가압 챔버를 다수 개의 단위 챔버로 분리하여 가압 챔버 내부의 압력 변화를 정밀하게 제어할 수 있고, 가압 챔버 내부의 유동이 가지는 고유 진동수를 올릴 수 있다. 이에 따라 토출 가용 주파수 대역을 기존보다 향상시킬 수 있다.
이에 따라 본 실시예에 따른 미세유체 토출장치는 가압 챔버의 너비가 1000 내지 1500㎛일 수 있고, 가압 챔버의 길이가 2000 내지 4000㎛일 수 있으며, 가압 챔버의 높이가 30 내지 100㎛일 수 있다.
또한, 본 실시예예에 따르면 토출되는 액면을 안정 시키기 위해서 각 압전 엑츄에이터(130a, 130b, 130c)를 통하여 단위 챔버(113a, 113b, 113c)별로 다른 전압을 인가시킬 수 있다. 또는 단위 챔버(113a, 113b, 113c) 중 좌/우측의 일부 단위 챔버(113a, 113c)만을 편향하여 가압하는 등의 조작이 가능하게 된다.
또한, 단일 가압 챔버를 갖는 토출장치는 가압 챔버 상부에 형성되는 하나의 압전 엑츄에이터의 진동판 변위와 파형만으로 액적 사이즈를 조절할 수 있으나, 본 실시예에 다른 토출장치는 단위 챔버 상에 형성되는 다수 개의 압전 엑츄에이터의 변위 및 파형과 더불어, 운용되는 단위 챔버의 수를 조절함으로써 다양한 사이즈의 액적을 구현할 수 있다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 토출장치의 제조방법을 설명한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 토출장치의 상부기판에 미세 유체의 유로를 형성하는 방법을 나타내는 공정도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 토출장치의 하부기판에 미세 유체의 유로를 형성하는 방법을 나타내는 공정도이다.
우선, 본 실시예에 따른 미세유체 토출장치의 제조방법을 개략적으로 설명하면, 상부기판 및 하부기판에 미세유체의 유로를 형성하고, 하부기판 상에 상부기판을 적층하여 접합함으로써 미세유체 토출장치가 완성된다. 한편, 상부기판과 하부기판에 유로를 형성하는 단계들은 순서에 관계없이 수행될 수 있다. 즉, 상부기판과 하부기판 중 어느 하나에 미세 유체의 유로를 먼저 형성할 수도 있고, 상부기판과 하부기판에 동시에 미세 유체의 유로가 형성될 수도 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의상 상부기판에 미세 유체의 유로를 형성하는 공정을 먼저 설명하기로 한다.
도 4a를 참조하면, 상부기판(110)으로서 대략 100~200㎛ 정도의 두께를 가진 실리콘 웨이퍼를 준비한다. 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)에 리스트릭터(112), 가압 챔버(113)의 유입부(113d) 및 토출부(113e)를 형성하기 위한 홈을 형성하고, 유입구(111)를 형성하기 위한 관통홀을 형성한다. 상부기판(110)은 노즐 쪽으로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성될 수 있다.
상부기판(110)에 관통홀을 형성하는 방법은 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 4b에 도시된 바와 같이, 가압 챔버(113)의 내부 공간에 격벽(114)이 형성되도록 격벽을 형성하기 위한 부분을 남기고 식각한다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 토출장치의 하부 기판에 유로를 형성하는 공정을 살펴보기로 한다.
본 실시예에서는 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 사용할 수 있다. 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.
다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 하부 기판(120)에 리저버(121) 홈 및 노즐 홈(115)을 형성한다. 하부기판(120)의 상면을 덮도록 포토레지스트를 도포하고, 이를 패터닝하여 노즐 및 리저버를 형성하기 위한 개구부를 형성한 후, 패터닝된 포토레지스트를 식각 마스크로 하여, 상부 실리콘층, 절연층 및 하부 실리콘층의 일부를 식각하여 노즐 홈(115) 및 리저버(121) 홈을 형성한다. 리저버(121) 홈의 형성은 건식 식각이나 습식 식각 방법에 의하여 이루어질 수 있으며, 리저버(121)의 측면이 경사지도록 식각될 수 있다.
하부기판(120)은 노즐 쪽으로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성될 수 있고, 노즐(115)이 형성되는 부분은 미세유체의 토출방향으로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 폭이 단계적으로 감소하도록 형성되어 있으나, 폭이 좁아지는 양태에 대해서는 특별히 한정되지 않는다.
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 5에 도시된 방법과 동일한 방법으로 하부기판(120)에 리저버(121) 홈 형성할 수 있다.
이렇게 유로가 형성된 상부 기판(110) 및 하부 기판(120)을 접합하고, 상부 기판(110)의 상면에 가압 챔버(113)에 대응하는 위치에 압전 액추에이터(130)를 형성하면, 도 1에 도시된 바와 같은 미세 유체 토출장치가 완성된다.
이때, 상부 기판(110)과 하부 기판(120)의 접합은 실리콘 직접 접합(Silicon Direct Bonding, SDB)에 의해 이루어질 수 있다. 상부 기판(110)의 하면과 하부 기판(120)의 상면을 접합면으로 하여, 이들 접합면을 밀착한 후, 열처리함으로써 접합될 수 있다.
압전 액추에이터(130)는 상부기판(110)의 상면에 형성되며, 다수 개의 단위 챔버에 의해 형성되는 다수 개의 유로 각각에 대응하는 위치에 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 2개의 격벽(114)에 의해 분할된 각 단위 챔버(113a, 113b, 113c)의 공간에 대응하도록 3개의 압전 엑츄에이터(130a, 130b, 130c)가 형성될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100: 미세 유체 토출장치 110: 상부기판
111: 유입구 112: 리스트릭터
113: 가압 챔버 114: 격벽
115: 노즐 120: 하부기판
121: 리저버 130: 압전 액추에이터
111: 유입구 112: 리스트릭터
113: 가압 챔버 114: 격벽
115: 노즐 120: 하부기판
121: 리저버 130: 압전 액추에이터
Claims (11)
- 미세유체가 유입되는 유입구, 상기 유입구와 연결되며 다수 개의 격벽에 의하여 구획되는 다수 개의 단위 챔버가 형성되는 가압 챔버, 및 상기 가압 챔버와 연결되며 상기 다수 개의 단위 챔버를 통과한 미세유체를 하나의 유로로 통합하여 토출하는 노즐을 포함하는 유로 플레이트; 및
상기 단위 챔버에 대응하도록 상기 유로 플레이트의 상부에 형성되며, 상기 가압 챔버에서 노즐로의 미세유체 토출의 구동력을 제공하는 엑추에이터;
를 포함하는 미세유체 토출장치.
- 제1항에 있어서,
상기 가압 챔버는 너비가 1000 내지 1500㎛이고, 길이가 2000 내지 4000㎛이며, 높이가 30 내지 100㎛인 미세유체 토출장치.
- 제1항에 있어서,
상기 유로 플레이트는 상기 가압 챔버에서 상기 노즐로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성되는 미세유체 토출장치.
- 제1항에 있어서,
상기 노즐은 상기 미세 유체의 토출방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 형성되는 미세유체 토출장치.
- 제1항에 있어서,
상기 유로 플레이트는 상부기판 및 하부기판을 포함하고,
상기 격벽은 상기 상부기판에 형성되는 미세유체 토출장치.
- 미세 유체가 유입되는 유입구에서 노즐로 토출되는 유로가 형성되는 유로 플레이트를 준비하는 단계;
상기 유입구에서 미세 유체를 노즐로 이송하는 유로 플레이트 내에 다수 개의 격벽에 의하여 구획되는 다수 개의 단위 챔버를 형성하고, 상기 다수 개의 단위 챔버를 통과한 미세 유체가 하나의 유로로 통합되어 상기 노즐로 공급되도록 가압 챔버를 형성하는 단계; 및
상기 단위 챔버에 대응하도록 상기 유로 플레이트의 상부에 상기 가압 챔버에서 노즐로의 미세유체 토출의 구동력을 제공하는 액추에이터를 형성하는 단계;
를 포함하는 미세유체 토출장치의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 가압 챔버의 형성단계는 상기 가압 챔버의 너비가 1000 내지 1500㎛이고, 길이가 2000 내지 4000㎛이며, 높이가 30 내지 100㎛이 되도록 수행되는 미세유체 토출장치의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 유로 플레이트를 준비하는 단계는 상기 유로플레이트를 상기 가압 챔버에서 상기 노즐로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성하는 미세유체 토출장치의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 노즐을 상기 미세 유체의 토출방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 형성되는 미세유체 토출장치의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 유로 플레이트를 준비하는 단계는 상부기판 및 하부기판을 준비하는 단계로 이루어지고,
상기 격벽부를 형성하는 단계는 상기 상부기판을 가공하여 수행되는 미세유체 토출장치의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 상부기판과 상기 하부기판을 접합하는 단계를 더 포함하고,
상기 상부기판과 상기 하부기판을 접합하는 단계는 실리콘 직접 접합(Silicon Direct Bonding, SDB)에 수행되는 미세유체 토출장치의 제조방법.
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