KR100546000B1

KR100546000B1 - 액적의 크기 조절이 가능한 미소유체분사기

Info

Publication number: KR100546000B1
Application number: KR1020040016088A
Authority: KR
Inventors: 조영호; 제창한; 강태구
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2006-01-25
Also published as: KR20050090822A

Abstract

본 발명은 유체가열과정에서 발생되는 기포의 압력을 이용하여 액적을 분사하는 미세 유체 분사기로서, 유체가 채워지는 분사실, 상기 분사실의 한 쪽 면에 형성된 분사공, 상기 분사실의 다른 쪽 면에 설치되는 미소히터, 및 상기 미소히터에 연결되고 상기 미소히터가 가열될 수 있도록 상기 미소히터에 전기신호를 인가시키는 다수의 입출력라인을 포함하고, 상기 미소히터의 발열면적 변화를 통해 상기 분사공으로 분사되는 액적의 크기를 조절할 수 있도록 전기신호가 인가되는 상기 입출력라인의 수 및 그 조합을 조절하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 이 미소유체분사기는 분사공을 통해 분사되는 액적의 크기를 전기신호로 인가하는 입출력라인의 수 및 그 조합의 변화를 이용하여 여러 단계로 조절할 수 있다.

Description

액적의 크기 조절이 가능한 미소유체분사기{DROPLET VOLUME ADJUSTABLE MICROINJECTOR}

도 1은 본 발명 미소유체분사기의 한 실시예에 따른 수직단면과 수평단면을 도시한 것이고,

도 2는 본 발명 미소유체분사기의 미소히터를 여러 가지 형태로 조합한 실시예를 나타낸 것이며,

도 3과 도 4는 도 2에 도시된 미소히터를 이용하여 기포를 생성하는 여러 가지 실시예를 나타낸 것이고,

도 5는 본 발명의 미소유체분사기를 집적한 유체 분사기 열의 한 실시예를 나타낸 것이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 미소유체분사기 110 : 분사실

120 : 분사공 130 : 유로

140 : 미소히터 150 : 입출력라인

160 : 홈

200 : 기포 300 : 액적

본 발명은 액적을 분사하는 미소유체분사기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분사실 내부에 분사압력을 발생시키는 기포의 크기를 조절하여 액적의 크기를 조절할 수 있는 액적의 크기 조절이 가능한 미소유체분사기에 관한 것이다.

잉크젯 프린터는 미세한 잉크방울을 분사하여 인쇄를 수행하는 방식으로서, 비교적 가격이 저렴하고 소음이 적으며 다양한 색깔을 표현할 수 있다는 장점이 있다. 때문에, 잉크젯 프린터는 사무실은 물론이고 일반 가정에서도 널리 사용되고 있다. 아울러 최근 보급된 디지털 카메라의 영향으로 잉크젯 프린터의 수요는 더 늘어날 것으로 전망되고 있다. 한편, 잉크젯 프린터와 같이 미세한 액체방울(이하, '액적' 이라고 함)을 응용한 기술은 여러 가지가 있는데 그 중에 한 예로는 바이오산업의 미소 약물주입기가 있다.

잉크젯 프린터와 미소 약물주입기와 같이 액적을 이용한 기술의 핵심은 pℓ(1조분의 1ℓ)정도의 액적을 원하는 시간에 원하는 양을 정밀하게 분사하는데 있다. 그러나, 현재까지 액적의 양을 정밀하게 조절할 수 있는 분사기의 개발은 미비하다.

종래 기술을 살펴보면 다음과 같다.

미국특허 제6,402,283호‘액적의 크기를 조절할 수 있는 잉크젯 분사기(Variable drop mass Inkjet drop generator)’는 미소히터들을 하나의 입력 라인에 직렬로 연결하고 전압의 인가 시간을 조절하여 분사되는 액적의 크기를 제어하는 방법이다. 그러나, 이 방법은 전압의 인가시간을 통해 미소히터의 가열면적을 조절하는 것으로서, 전압의 인가시간과 그에 따른 미소히터의 가열면적간의 비례가 실제로는 선형적이지 않기 때문에 분사되는 액적의 크기를 신뢰할 수 없다. 또한, 이 방법은 액적의 크기 조절단계가 다양하지 못하다.

미국특허 제6,137,502호 ‘2가지 방울크기를 갖는 프린트 헤드(Dual droplet size printhead)’는 크기가 다른 미소히터와 분사공을 갖는 2개의 미소유체분사기가 하나의 유로에 연결되어 있는 형태로서, 전압이 인가되는 히터를 바꾸어 줌으로써 분사되는 액적의 크기를 조절하는 방법이다. 그러나, 이 방법은 얻고자 하는 크기의 액적종류만큼 히터가 필요하고 다수의 히터를 사용하므로 미소유체분사기의 크기가 커지고 집적도가 낮아진다는 문제점이 있다.

미국특허 제6,406,115호 '다양한 크기의 미소 액체 분사기를 갖는 하나의 프린트 헤드를 이용한 인쇄방법(Method of printing with multiple sized drop ejectors on a single printhead)' 은 독립적으로 크기가 다른 액적을 분사하는 미소유체분사기를 집적해서 크기가 다른 유체를 분사하는 방법이다. 그러나, 이 방법은 원하는 크기의 단계만큼의 미소유체분사기가 집적되어야 하고 공간을 많이 차지한다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 분사공을 통해 분사되는 액적의 크기를 임의대로 다양하게 조절할 수 있는 액적의 크기 조절이 가능한 미소유체분사기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 한 실시예에 따르면 유체가열과정에서 발생되는 기포의 압력을 이용하여 액적을 분사하는 미세 유체 분사기로서, 유체가 채워지는 분사실, 상기 분사실의 한 쪽 면에 형성된 분사공, 상기 분사실의 다른 쪽 면에 설치되는 미소히터, 및 상기 미소히터에 연결되고 상기 미소히터가 가열될 수 있도록 상기 미소히터에 전기신호를 인가시키는 다수의 입출력라인을 포함하고, 상기 미소히터의 발열면적 변화를 통해 상기 분사공으로 분사되는 액적의 크기를 조절할 수 있도록 전기신호가 인가되는 상기 입출력라인의 수 및 그 조합을 조절하는 것을 특징으로 하는 액적의 크기 조절이 가능한 미소유체분사기가 제공된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면을 통해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명 미소유체분사기의 한 실시예에 따른 수직단면과 수평단면을 도시한 것이고, 도 2는 본 발명 미소유체분사기의 미소히터를 여러 가지 형태로 조합한 것을 나타낸 것이다.

미소유체분사기(100)는 매우 작은 유체방울(이하 액적이라 함)을 분사하는 장치로서, 내부에는 도 1에 도시된 바와 같이 분사실(110)이 형성되어 있다. 분사실(110)은 유체가 저장된 유로(130)와 연결되어 있으며, 항상 일정량의 유체를 함 유한다. 그리고 분사실(110)의 바닥에는 분사실(110)에 저장된 유체를 가열하는 미소히터(140)가 설치되어 있다. 미소히터(140)는 복수개의 입출력라인(150)과 연결되어 있으며 입출력라인(150)에 인가된 전기신호에 의해 발열한다. 미소히터(140)와 연결된 다수의 입출력라인(150)들 사이사이에는 미소히터에 인가된 전기신호의 흐름을 용이하게 제어할 수 있도록 특정 형상의 홈(160)이 미소히터(140) 내에 형성되어 있다.

이와 같이 구성된 미소유체분사기(100)의 작동방법은 다음과 같다.

먼저, 액적(300)의 크기를 결정한다. 다음으로 산정된 크기의 액적(300)을 분사하기 위한 기포(200)의 크기를 산정하고 이를 위한 미소히터(140)의 발열면적을 산출한다. 미소히터(140)의 발열면적이 산출되면 이를 위한 입출력라인(150)의 수 및 그 조합을 선정하고 전기신호를 인가시킨다. 그러면 미소히터(140)가 발열하면서 유체를 가열하여 기포(200)를 발생시킨다. 분사실(110)에 발생된 기포(200)는 분사실(110) 내부를 압박하게 되고 결국 저장된 유체 일부, 즉 액적이 도 1에서와 같이 분사공(120)을 통해 배출된다.

한편, 액적(300)의 크기를 좌우하는 기포(200)는 앞에서 잠시 언급한 바와 같이 미소히터(140)의 발열면적과 미소히터(140)의 발열부위에 따라 달라진다. 따라서, 본 발명은 이러한 점을 감안하여 기포(200)의 크기와 미소히터(140)의 발열부위를 용이하게 조절할 수 있도록 미소히터(140)의 형태를 변경하고 입출력라인(150)의 수를 늘렸다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에서는 미소히터(140)를 다각형, 원형, 다 각형의 조합 등의 형태로 변형시키고 이 미소히터(140)에 전기신호를 인가하는 입출력라인(150)을 사방으로 연결시켰다. 이와 같은 형태를 취하면 굳이 입출력라인(150)에 인가되는 전기신호의 크기를 조절하지 않고 입출력라인(150)에 인가되는 전기신호의 방향만 바꿔서 미소히터(140)의 발열면적과 발열부위를 용이하게 조절할 수 있다. 한편, 입출력라인(150)에 인가되는 전기신호방향에 따라서는 미소히터(140)에 전류 집중현상 또는 누설현상이 발생될 수 있다. 전류 집중현상 또는 누설현상은 지나치게 많은 열을 미소히터(140)의 일 부분에 집중시키므로 미소히터(140)가 파손될 수 있으며 기포발생을 어렵게 한다. 따라서, 본 실시예에서는 미소히터(140)에 전류가 집중되거나 누설되는 것을 사전에 차단할 수 있도록 미소히터(140)의 군데군데에 홈(160)을 형성시켰다. 이 홈(160)은 인접한 입출력라인(150)을 통해 인가된 전류의 흐름을 원활하게 하여 전류가 미소히터(140)의 일부분에 집중되는 것을 줄여준다.

실질적으로 입출력라인(150)에 인가되는 전기신호의 방향에 따른 기포(200)의 발생위치를 살펴보면 다음과 같다.

도 3과 도 4는 도 2에 도시된 미소히터를 이용하여 기포를 생성하는 여러 가지 실시예를 나타낸 것이고, 도 5는 본 발명의 미소유체분사기를 집적한 유체 분사기 열을 나타낸 것이다. 도 3과 도 4의 화살표는 전기신호의 방향을 나타낸다.

도 3에 도시된 바와 같이 입출력라인(150)에 인가되는 전기신호의 방향에 따라 미소히터(140)에 형성되는 기포(200)의 위치와 크기는 다르다. 도 3의 (가)는 미소히터(140)의 최소면적이 가열되도록 한 쌍의 입출력라인에 전기신호를 인가시 킨 것이고, 도 3의 (나)는 미소히터(140)에 인가된 전류의 경로를 가장 길게 한 것이며, 도 3의 (다)는 미소히터(140)에 인가된 전류의 경로를 짧게 한 것이고, 도 3의 (라)는 미소히터(140)에 인가된 전류의 경로를 겹치게 한 것이며, 도 3의 (마)는 4쌍의 입출력라인에 모두 전기신호를 인가하여 미소히터(140)의 전 면적이 발열되도록 한 것이다.

기포(200)는 미소히터(140)의 발열부위, 즉 전류가 소통되는 경로상에 위치하고, 그 크기 또는 수는 전기신호가 인가되는 입출력라인(150)의 수 및 그 조합에 변화한다. 따라서, 전류의 경로가 짧고 가장 적은 수의 입출력라인(150)에 전기신호가 인가되는 도 3의 (가)의 경우에는 작은 기포(200)가 발생되며, 가장 많은 수의 입출력라인(150)에 전기신호가 인가되는 도 3의 (마)의 경우에는 비교적 크고 많은 수의 기포(200)가 발생된다. 아울러, 똑 같은 수의 입출력라인(150)에 전기신호가 인가되어도 도 3의 (나), (다), 및 (라)의 경우처럼 전류의 경로가 다르면 실질적으로 가열되는 미소히터(140)의 면적이 다르므로 발생되는 기포(200)의 크기가 달라진다.

미소히터(140)를 도 2에 도시된 바와 같이 여러 개의 다각형을 조합한 형태로 변형할 수 있다. 이러한 형태는 원에 가까운 모양으로 입출력라인(150)의 연결방향의 제약이 적다. 즉, 입출력라인(150)을 어느 방향에서 연결하여도 미소히터(140)를 경유하는 전류의 경로가 동일하므로 입출력라인(150)의 수를 임의대로 늘릴 수 있다. 또한, 이와 같은 실시예에서는 미소히터(140)에 발생되는 기포(200)의 수가 전기신호가 인가되는 입출력라인(150)의 수에 비례하므로, 발생 되는 기포(200)의 수를 통해 분사되는 액적(300)의 크기를 정밀하게 조절할 수 있는 장점이 있다.

한편, 위에서 열거한 본 발명의 여러 실시예를 도 5에 도시된 바와 같이 하나의 기판(400)에 배열하여 동시에 동일 또는 각기 다른 형태의 액적을 분사할 수 있다. 이러한 형태는 고해상도 또는 고속분사용 미소유체분사기에 적합하다.

본 발명은 하나의 미소히터에 다수의 입출력라인을 연결하고 전기신호를 인가하는 입출력라인의 수 및 그 조합의 변화를 통해 분사되는 액적의 크기를 조절하므로 다양한 단계의 크기를 갖는 액적을 보다 정확하고 빠르게 분사할 수 있다.

이상에서 액적의 크기 조절이 가능한 미소유체분사기에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

유체가열과정에서 발생되는 기포의 압력을 이용하여 액적을 분사하는 미세 유체 분사기로서,

유체가 채워지는 분사실,

상기 분사실의 한 쪽 면에 형성된 분사공,

상기 분사실의 다른 쪽 면에 설치되는 미소히터, 및

상기 미소히터에 연결되고 상기 미소히터가 가열될 수 있도록 상기 미소히터에 전기신호를 인가시키는 다수의 입출력라인을 포함하고,

상기 미소히터의 발열면적 변화를 통해 상기 분사공으로 분사되는 액적의 크기를 조절할 수 있도록 전기신호가 인가되는 상기 입출력라인의 수 및 그 조합을 조절하는 것을 특징으로 하는 액적의 크기 조절이 가능한 미소유체분사기.
청구항 1에 있어서, 상기 미소히터는 다각형 또는 복수개의 다각형이 조합된 형태로 된 것을 특징으로 하는 액적의 크기 조절이 가능한 미소유체분사기.
청구항 1에 있어서, 상기 미소히터는 원형 또는 복수개의 원이 조합된 형태로 된 것을 특징으로 하는 액적의 크기 조절이 가능한 미소유체분사기.
청구항 1에 있어서, 상기 입출력라인은 상기 미소히터를 중심으로 사방으로 대칭되게 배열된 것을 특징으로 하는 액적의 크기 조절이 가능한 미소유체분사기.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미소히터에는 상기 입출력라인을 통해 인가된 전류의 집중현상 및 누설현상을 방지해 주는 홈이 상기 미소히터와 연결된 다수의 상기 입출력라인들 사이사이마다 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액적의 크기 조절이 가능한 미소유체분사기.