KR101142430B1

KR101142430B1 - 마이크로 펌프 및 이의 작동 방법

Info

Publication number: KR101142430B1
Application number: KR1020100082546A
Authority: KR
Inventors: 이상준; 김보흠
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2012-05-08
Also published as: US20120051946A1; KR20110085849A

Abstract

전체 크기를 줄이면서도 유체의 펌핑 성능을 향상시킬 수 있는 마이크로 펌프 및 이의 작동 방법을 제공한다. 마이크로 펌프는 연결 유로를 통해 연결되는 제1 공간과 제2 공간을 형성하는 케이스와, 제1 공간에 연결되는 유체 흡입관과, 제2 공간에 연결되는 유체 토출관과, 제1 공간을 덮도록 케이스에 설치되는 제1 변형 부재와, 제2 공간을 덮도록 케이스에 설치되는 제2 변형 부재를 포함한다. 제2 변형 부재는 제1 변형 부재보다 크게 형성되고, 제2 변형 부재의 최대 변위는 제1 변형 부재의 최대 변위보다 크다.

Description

마이크로 펌프 및 이의 작동 방법 {MICRO PUMP AND DRIVING METHOD THEREOF}

본 발명은 유체 이송용 마이크로 펌프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유로에 강한 흡입력을 생성하여 유체를 흡입하고 흡입된 유체를 하류로 이송하는 마이크로 펌프 및 이의 작동 방법에 관한 것이다.

미세 가공 기술이 발전함에 따라 마이크로 머신, 미세 전자기계 시스템(Micro-Electro Mechanical System, MEMS) 등의 마이크로 디바이스에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이 중 마이크로 펌프는 유체 공학을 응용하여 미소량의 유체를 조작하기 위한 장치로서, 화학 분석 시스템, 약물 전달 시스템 등의 의화학 시스템과 의료기기, 및 잉크젯 헤드 등에 다양하게 적용되고 있다.

마이크로 펌프는 압전 액츄에이터를 이용한 압전형 마이크로 펌프로 구성될 수 있다. 통상의 압전형 마이크로 펌프는 하나의 펌프 케이스에 3개 이상의 압전 액츄에이터를 나란히 설치하고, 압전 액츄에이터들을 제어 장치에 전기적으로 연결한 구성으로 이루어진다.

전술한 압전형 마이크로 펌프는 제어 장치로부터 복수의 압전 액츄에이터에 기전력을 인가하면 복수의 압전 액츄에이터가 순차적으로 작동하면서 유체를 흡입 후 토출시키는 펌프 작용을 하게 된다. 이와 같이 복수의 압전 액츄에이터를 장착한 마이크로 펌프는 유체의 흐름을 용이하게 제어할 수 있으나, 펌핑 성능이 낮고 크기가 대형인 단점이 있다.

본 발명은 전체 크기를 줄이면서도 유체의 펌핑 성능을 향상시킬 수 있는 마이크로 펌프 및 이의 작동 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 펌프는, 연결 유로를 통해 연결되는 제1 공간과 제2 공간을 형성하는 케이스와, 케이스의 일측에 위치하며 제1 공간과 연결되는 유체 흡입관과, 케이스의 타측에 위치하며 제2 공간과 연결되는 유체 토출관과, 제1 공간을 덮도록 케이스에 설치되고 전기 신호에 의해 변형하는 제1 변형 부재와, 제2 공간을 덮도록 케이스에 설치되고 전기 신호에 의해 변형하는 제2 변형 부재를 포함한다. 제2 변형 부재는 제1 변형 부재보다 크게 형성되고, 제2 변형 부재의 최대 변위는 제1 변형 부재의 최대 변위보다 크다.

제1 변형 부재와 제2 변형 부재는 압전 액츄에이터로 이루어질 수 있다. 제1 변형 부재는 제1 도전성 탄성판과 제1 압전 소자를 포함할 수 있고, 제2 변형 부재는 제2 도전성 탄성판과 제2 압전 소자를 포함할 수 있다.

마이크로 펌프는 제1 도전성 탄성판, 제1 압전 소자, 제2 도전성 탄성판, 및 제2 압전 소자에 각각 연결되는 복수의 리드선과, 복수의 리드선과 전기적으로 연결되는 제어부를 더 포함할 수 있다.

다른 한편으로, 제1 변형 부재와 제2 변형 부재는 인공 근육으로 이루어질 수 있다. 제1 변형 부재는 제1 모방 근육부와 제1 전극부를 포함할 수 있고, 제2 변형 부재는 제2 모방 근육부와 제2 전극부를 포함할 수 있다.

제1 모방 근육부와 제2 모방 근육부는 전기 활성 하이드로겔로 합성된 나노 섬유를 포함할 수 있다. 마이크로 펌프는 제1 전극부와 제2 전극에 각각 연결되는 한 쌍의 리드선과, 한 쌍의 리드선과 전기적으로 연결되는 제어부를 더 포함할 수 있다.

제2 공간의 체적은 제1 공간의 체적보다 크게 형성될 수 있다.

마이크로 펌프는 연결 유로의 내부에 설치된 개폐 밸브와, 유체 흡입관 및 유체 토출관의 내부에 설치된 역류 차단 부재를 더 포함할 수 있다. 다른 한편으로, 마이크로 펌프는 유체 흡입관과 연결 유로 및 유체 토출관의 내부에 설치된 역류 차단 부재를 더 포함할 수 있다.

개폐 밸브는 연결 유로와 평행하게 배치된 제1 압전 디스크와 제2 압전 디스크를 포함하는 압전 밸브일 수 있다.

역류 차단 부재는 유체 흡입관을 향한 일측으로부터 유체 토출관을 향한 반대편 일측을 향해 내경이 점진적으로 확대되는 깔때기 모양으로 형성될 수 있다.

다른 한편으로, 역류 차단 부재는 고정단과 자유단을 구비하며 박막으로 제조되는 변형판과, 유체 흡입관으로부터 유체 토출관을 향하는 순방향을 따라 변형판의 자유단 앞쪽에 위치하는 고정 돌기를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 펌프의 작동 방법은 제1 변형 부재를 최소 변위로부터 최대 변위까지 팽창시킴과 아울러 제2 변형 부재를 최소 변위로부터 초기 팽창시키는 제1 구간과, 제1 변형 부재를 최대 변위로부터 수축시킴과 아울러 제2 변형 부재를 최대 변위까지 팽창시키는 제2 구간과, 제1 변형 부재를 최소 변위까지 수축시킴과 아울러 제2 변형 부재를 최대 변위로부터 수축시키는 제3 구간을 포함한다.

제1 구간에서 제2 변형 부재는 제1 변형 부재의 최대 변위 지점과 시간 차이를 두고 최소 변위로부터 팽창하기 시작할 수 있다. 제3 구간에서 제1 변형 부재의 최소 변위 지점은 제2 변형 부재의 최대 변위 지점과 시간 차이를 가질 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 마이크로 펌프의 작동 방법은, 제1 변형 부재를 최소 변위로부터 최대 변위까지 팽창시킴과 아울러 제2 변형 부재를 최소 변위로부터 초기 팽창시키는 제1 구간과, 제1 변형 부재를 최대 변위로부터 최소 변위까지 수축시킴과 아울러 제2 변형 부재를 최대 변위까지 팽창시키는 제2 구간과, 제1 변형 부재를 최소 변위로부터 초기 팽창시킴과 아울러 제2 변형 부재를 최소 변위까지 수축시키는 제3 구간을 포함한다.

제1 구간에서 제2 변형 부재는 제1 변형 부재의 최대 변위 지점과 시간 차이를 두고 최소 변위로부터 팽창하기 시작할 수 있다. 제2 구간에서 제1 변형 부재의 최소 변위 지점은 제2 변형 부재의 최대 변위 지점과 일치할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 펌프의 작동 방법은, 제1 변형 부재를 최소 변위로부터 최대 변위까지 팽창시켜 제1 공간으로 유체를 흡입하는 제1 구간과, 제1 변형 부재를 최대 변위로부터 최소 변위까지 수축시킴과 아울러 제2 변형 부재를 최소 변위로부터 최대 변위까지 팽창시켜 제1 공간과 제2 공간으로 유체를 흡입하는 제2 구간과, 제2 변형 부재를 최대 변위로부터 최소 변위까지 수축시켜 제1 공간과 제2 공간의 유체를 배출하는 제3 구간을 포함한다.

제1 변형 부재의 최대 변위 지점은 제2 변형 부재의 최소 변위 지점과 일치할 수 있다.

전술한 마이크로 펌프의 작동 방법 모두에서 마이크로 펌프의 연결 유로에 개폐 밸브가 위치할 수 있으며, 개폐 밸브는 제2 변형 부재의 팽창과 동시에 작동하여 연결 유로를 개방시키고, 제2 변형 부재가 최대 변위에 도달함과 동시에 작동하여 연결 유로를 폐쇄시킬 수 있다.

본 발명의 마이크로 펌프는 크기가 다른 2개의 변형 부재를 이용하여 역방향 흐름을 효과적으로 차단하면서 유체의 펌핑 성능을 향상시킬 수 있다. 따라서 점성 유체를 순방향으로 빠르게 펌핑할 수 있으며, 변형 부재의 개수를 줄임에 따라 마이크로 펌프 전체의 크기를 소형화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 펌프의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 펌프의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 마이크로 펌프 중 개폐 밸브를 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 1에 도시한 마이크로 펌프 중 역류 차단 부재의 변형예를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 펌프의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로 펌프의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 마이크로 펌프의 단면도이다.
도 8은 마이크로 펌프의 첫 번째 작동 방법을 설명하기 위해 도시한 제1 변형 부재와 제2 변형 부재의 인가 신호를 나타낸 파형도이다.
도 9는 마이크로 펌프의 두 번째 작동 방법을 설명하기 위해 도시한 제1 변형 부재와 제2 변형 부재의 인가 신호를 나타낸 파형도이다.
도 10은 마이크로 펌프의 세 번째 작동 방법을 설명하기 위해 도시한 제1 변형 부재와 제2 변형 부재의 인가 신호를 나타낸 파형도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1과 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 펌프의 평면도와 단면도이다.

도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예의 마이크로 펌프(100)는 케이스(10), 유체 흡입관(12), 유체 토출관(14), 제1 변형 부재(16), 제2 변형 부재(18), 및 제어부(20)를 포함한다.

케이스(10)는 그 내부에 일 방향을 따라 제1 공간(101)과 연결 유로(103) 및 제2 공간(102)을 차례로 형성한다. 제1 공간(101)과 제2 공간(102)은 서로간 거리를 두고 분리되어 위치하며, 두 공간(101, 102) 사이에 두 공간(101, 102)보다 작은 크기의 연결 유로(103)가 형성되어 두 공간(101, 102)을 연결한다.

유체 흡입관(12)은 제1 공간(101)과 접하는 케이스(10)의 일측에 고정되어 제1 공간(101)과 연결된다. 유체 토출관(14)은 제2 공간(102)과 접하는 케이스(10)의 타측에 고정되어 제2 공간(102)과 연결된다. 도 1과 도 2에서는 유체 흡입관(12)이 케이스(10)의 좌측에 위치하고, 유체 토출관(14)이 케이스(10)의 우측에 위치하는 경우를 예로 들어 도시하였다.

제1 변형 부재(16)는 제1 공간(101)을 덮도록 케이스(10)의 상측에 설치되며, 제2 변형 부재(16)는 제2 공간(102)을 덮도록 케이스(10)의 상측에 설치된다. 제1 변형 부재(16)와 제2 변형 부재(18)는 서로간 거리를 두고 떨어져 위치한다. 본 실시예에서 제1 변형 부재(16)와 제2 변형 부재(18)는 압전 액츄에이터로 이루어진다.

제1 변형 부재(16)는 제1 도전성 탄성판(161)과 제1 압전 소자(162)의 적층 구조로 이루어지고, 제2 변형 부재(18)는 제2 도전성 탄성판(181)과 제2 압전 소자(182)의 적층 구조로 이루어진다. 제1 도전성 탄성판(161), 제1 압전 소자(162), 제2 도전성 탄성판(181), 및 제2 압전 소자(182)에는 각각의 리드선(22)이 연결되고, 이 리드선들(22)은 제어부(20)에 연결된다.

제1 변형 부재(16)와 제2 변형 부재(18)는 제어부(20)로부터 기전력이 가해지면 극성에 따라 팽창 또는 축소하는 변위를 일으킨다. 이때, 유체 토출관(14)과 가까운 제2 변형 부재(18)의 최대 변위(제2 변위)는 유체 흡입관(12)과 가까운 제1 변형 부재(16)의 최대 변위(제1 변위)보다 크다. 그 결과, 제2 변형 부재(18)는 제1 변형 부재(16)보다 큰 압력 구배를 생성하여 다음에 설명하는 마이크로 펌프(100)의 작동 과정에서 유체 흐름을 효과적으로 제어할 수 있다.

제2 변형 부재(18)의 최대 변위를 확대시키기 위하여 제2 변형 부재(18)를 제1 변형 부재(16)보다 크게 형성한다. 즉, 제2 도전성 탄성판(181)은 제1 도전성 탄성판(161)보다 크고, 제2 압전 소자(182)는 제1 압전 소자(162)보다 크게 형성된다. 또한, 제2 변형 부재(18)와 접하는 제2 공간(102)의 체적은 제1 변형 부재(16)와 접하는 제1 공간(101)의 체적보다 크게 형성된다.

또한, 마이크로 펌프(100)는 연결 유로(103)의 내부에 설치된 개폐 밸브(24)와, 유체 토출관(14)의 내부에 설치된 역류 차단 부재(26)를 포함한다. 역류 차단 부재(26)는 유체 흡입관(12)의 내부에도 설치될 수 있다. 개폐 밸브(24)는 액티브 밸브(active valve)로서, 제어부(20)에 의해 동작이 제어되어 연결 유로(103)를 개방 또는 폐쇄시킨다. 개폐 밸브(24)는 통상의 기계적 밸브로 구성되거나, 압전 소자를 이용한 압전 밸브로 구성될 수 있다.

도 3은 도 1에 도시한 마이크로 펌프 중 개폐 밸브를 나타낸 개략도이다.

도 3을 참고하면, 압전 밸브(240)는 연결 유로(103)와 평행하게 배치되는 제1 압전 디스크(241)와 제2 압전 디스크(242)를 포함한다. 제1 압전 디스크(241)는 도전성 탄성판과 압전 소자의 적층 구조로 이루어지고, 제2 압전 디스크(242) 또한 도전성 탄성판과 압전 소자의 적층 구조로 이루어질 수 있다. 제1 압전 디스크(241)와 제2 압전 디스크(242)는 각각 리드선(243)을 통해 제어부(20)와 연결된다.

제1 압전 디스크(241)와 제2 압전 디스크(242)는 제어부(20)로부터 기전력이 해지지 않을 때 서로 밀착되어 연결 유로(103)를 폐쇄시키고, 제어부(20)로부터 기전력이 가해질 때 서로 멀어지도록 팽창하여 연결 유로(103)를 개방시킨다. 압전 밸브(240)는 이러한 작용으로 연결 유로(103)를 빠르게 개폐시킬 수 있다.

도 3에 나타낸 압전 밸브(240)는 개폐 밸브(24)의 한가지 예를 설명하기 위해 도시한 것으로서, 본 발명의 개폐 밸브(24)는 도시한 압전 밸브(240)에 한정되지 않으며, 연결 유로(103)를 개폐시킬 수 있는 모든 구성의 밸브가 적용될 수 있다.

다시 도 1과 도 2를 참고하면, 역류 차단 부재(26)는 패시브 밸브(passive valve)로서, 유체 흡입관(12)으로부터 유체 토출관(14)을 향한 순방향으로 유체 유입을 원활하게 하는 반면 그 역방향으로는 유체 유입을 억제하는 역할을 한다.

역류 차단 부재(26)는 유체 흡입관(12)을 향한 일측으로부터 유체 토출관(14)을 향한 반대편 일측을 향해 내경이 점진적으로 확대되는 깔때기 모양으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 유체는 역방향 흐름시 높아지는 압력에 의해 역류 차단 부재(26)를 통과하지 못하므로 역류 차단 부재(26)는 유체의 역방향 흐름을 효과적으로 차단할 수 있다.

도 4는 도 1에 도시한 마이크로 펌프 중 역류 차단 부재의 변형예를 나타낸 개략도이다.

도 4를 참고하면, 역류 차단 부재(260)는 깔때기 모양 대신 변형판(28)과 고정 돌기(30)의 조합 구조로 이루어질 수 있다. 변형판(28)은 변형이 용이한 박막으로 제조될 수 있다. 변형판(28)은 유체 흡입관(12)과 유체 토출관(14)의 내부에서 그 일부가 고정되는 고정단(281)과, 나머지 부분이 고정되지 않고 떨어져 위치하는 자유단(282)을 포함한다. 그리고 유체 흡입관(12)으로부터 유체 토출관(14)을 향하는 순방향을 따라 변형판(28)의 자유단(282) 앞쪽에 고정 돌기(30)가 위치한다.

따라서 역류 차단 부재(260)는 유체의 순방향 흐름시 변형판(28)의 자유단(282)이 고정 돌기(30)와 멀어지면서 유로를 개방하는 반면, 유체의 역방향 흐름시에는 변형판(28)의 자유단(282)이 고정 돌기(30)에 막히면서 유로를 폐쇄한다. 그 결과, 역류 차단 부재(260)는 유체의 역방향 흐름을 효과적으로 차단할 수 있다.

다시 도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예의 마이크로 펌프(100)는 제2 변형 부재(18)의 최대 변위를 제1 변형 부재(16)의 최대 변위보다 크게 설정함에 따라 2개의 변형 부재(16, 18)를 구비하고도 유체 흐름을 효과적으로 제어할 수 있다. 따라서 변형 부재(16, 18)의 개수를 줄여 마이크로 펌프(100)를 소형화할 수 있다.

또한, 제1 실시예의 마이크로 펌프(100)는 제1 및 제2 변형 부재(16, 18)와 더불어 개폐 밸브(24)와 역류 차단 부재(26)를 이용하여 점성 유체를 순방향으로 빠르게 펌핑할 수 있으므로 펌핑 성능을 향상시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 펌프의 단면도이다.

도 5를 참고하면, 제2 실시예의 마이크로 펌프(200)는 연결 유로(103)에 역류 차단 부재(26)가 설치되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 마이크로 펌프(100)와 동일한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.

제2 실시예의 마이크로 펌프(200)는 개폐 밸브를 구비하지 않으며, 연결 유로(103)의 내부와 유체 토출관(14)의 내부에 역류 차단 부재(26)를 설치한다. 역류 차단 부재(26)는 유체 흡입관(12)의 내부에도 설치될 수 있다.

역류 차단 부재(26)는 유체 흡입관(12)을 향한 일측으로부터 유체 토출관(14)을 향한 반대편 일측을 향해 내경이 점진적으로 확대되는 깔때기 모양으로 이루어질 수 있다. 다른 한편으로, 도 4에 도시한 바와 같이 역류 차단 부재(260)는 변형판(28)과 고정 돌기(30)의 조합 구조로 이루어질 수 있다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로 펌프의 단면도이다.

도 6을 참고하면, 제3 실시예의 마이크로 펌프(300)는 제1 변형 부재(160)와 제2 변형 부재(180)가 인공 근육으로 형성되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 마이크로 펌프(100)와 동일한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.

제1 변형 부재(160)는 제1 모방 근육부(163)와 제1 전극부(164)로 구성되고, 제1 전극부(164)는 해당 리드선(22)을 통해 제어부(20)와 전기적으로 연결된다. 제2 변형 부재(180)는 제2 모방 근육부(183)와 제2 전극부(184)로 구성되며, 제2 전극부(184)는 해당 리드선(22)을 통해 제어부(20)와 전기적으로 연결된다. 제2 모방 근육부(183)는 제1 모방 근육부(163)보다 크게 형성되어 제2 변형 부재(180)의 최대 변위가 제1 변형 부재(160)의 최대 변위보다 크도록 한다.

제1 및 제2 모방 근육부(163, 183)는 전기적 자극에 반응할 수 있는 나노 섬유로 제조될 수 있으며, 제1 및 제2 전극부(164, 184)를 통해 수신되는 전기적 자극에 의해 물리적으로 수축 또는 팽창한다. 제1 및 제2 모방 근육부(163, 183)는 나노 섬유를 전기 활성 하이드로겔로 합성하는 방법으로 제조될 수 있다. 제1 및 제2 모방 근육부(163, 183)의 소재와 제조 방법은 전술한 예에 한정되지 않고 다양하게 변화 가능하다.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 마이크로 펌프의 단면도이다.

도 7을 참고하면, 제4 실시예의 마이크로 펌프(400)는 제1 변형 부재(160)와 제2 변형 부재(180)가 인공 근육으로 형성되는 것을 제외하고 전술한 제2 실시예의 마이크로 펌프(200)와 동일한 구성으로 이루어진다. 제2 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다. 제1 변형 부재(160)와 제2 변형 부재(180)의 구성은 제3 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

도 8은 제1 실시예 내지 제4 실시예에 따른 마이크로 펌프의 첫 번째 작동 방법을 설명하기 위해 도시한 제1 변형 부재와 제2 변형 부재의 인가 신호를 나타낸 파형도이다. 도 8의 (a)에서는 한 사이클의 파형도를 나타내었고, (b)에서는 연속 파형도를 나타내었다. 도 8의 (a)에서 세로축은 제1 변형 부재와 제2 변형 부재의 변위로서 평탄한 상태를 0으로 가정할 때 위로 돌출되는 최대 변형량을 의미한다.

도 8을 참고하면, 마이크로 펌프의 작동 방법은, 제1 변형 부재에 전기 신호를 인가하여 제1 변형 부재를 최대 변위(제1 변위)까지 팽창시킴과 아울러 제1 변형 부재와 시간 차이를 두고 제2 변형 부재에 전기 신호를 인가하여 제2 변형 부재를 초기 팽창시키는 제1 구간과, 제1 변형 부재를 최대 변위로부터 수축시킴과 동시에 제2 변형 부재를 최대 변위(제2 변위)까지 팽창시키는 제2 구간과, 제1 변형 부재를 최소 변위까지 수축시킴과 아울러 제2 변형 부재를 수축시키는 제3 구간을 포함한다.

도 2와 도 8을 참고하면, 제1 구간에서 제1 변형 부재(16)는 최소 변위로부터 최대 변위까지 팽창한다. 이로써 제1 공간(101)에 흡입력이 발생하여 유체 흡입관(12)으로부터 제1 공간(101)으로 유체가 흡입된다. 여기서, 최소 변위는 제로 변위를 의미한다.

제1 구간에서 제2 변형 부재(18)는 제1 변형 부재(16)가 최대 변위에 도달하기 전, 도 8에 도시한 “a"만큼의 시간 차이를 두고 최소 변위로부터 팽창하기 시작한다. 그러면 제1 공간(101)의 유체들이 순방향으로 관성을 유지할 때 제2 공간(102)을 열어 제1 공간(101)의 유체들을 제2 공간(102)으로 흡입할 수 있으므로 마이크로 펌프(100)의 에너지 효율을 높일 수 있다.

제2 구간에서 제1 변형 부재(16)는 최대 변위로부터 수축하기 시작하고, 제2 변형 부재(18)는 최대 변위까지 팽창한다. 이로써 제2 공간(102)에 최대의 흡입력이 발생하여 제1 공간(101)과 연결 유로(103)를 거쳐 제2 공간(102)으로 유체가 흡입된다. 이때 제2 변형 부재(18)의 최대 변위가 제1 변형 부재(16)의 최대 변위보다 크므로 제2 변형 부재(18)는 제1 변형 부재(16)보다 큰 압력 구배를 생성한다.

제3 구간에서 제1 변형 부재(16)는 최소 변위까지 수축하고, 제2 변형 부재(18)도 수축한다. 제2 변형 부재(18)의 최소 변위는 다음 사이클의 제1 구간에 존재할 수 있다. 제1 변형 부재(16)와 제2 변형 부재(18)가 수축함에 따라, 제1 공간(101)과 제2 공간(102)의 유체는 유체 토출관(14)으로 송출된다. 제3 구간 중 제1 변형 부재(16)가 최소 변위를 유지할 때, 제1 변형 부재(16)는 유체 흡입관(12)을 통한 역방향 배출을 억제하는 기능을 한다.

연결 유로(103)에 개폐 밸브(24)가 위치하는 경우, 개폐 밸브(24)는 제1 구간 중 제2 변형 부재(18)의 팽창과 동시에 작동하여 연결 유로(103)를 개방시키고, 제2 구간과 제3 구간 사이에서 제2 변형 부재(18)가 최대 변위에 도달함과 동시에 작동하여 연결 유로(103)를 폐쇄시킨다.

개폐 밸브(24)는 제1 공간(101)에서 제2 공간(102)으로 유체가 넘어가는 시점을 능동적으로 조절하는 역할을 한다. 특히 개폐 밸브(24)가 도 3에 도시한 바와 같이 압전 밸브(240)로 이루어진 경우, 압전 밸브(240)는 스스로 팽창할 수 있는 구조로 이루어지므로 압전 밸브(240) 자체에서 흡입력을 발생하여 마이크로 펌프(100)의 펌핑 성능과 에너지 효율을 높이는데 기여할 수 있다.

또한, 유체 흡입관(12) 내부와 유체 토출관(14) 내부에 위치하는 역류 차단 부재(26)는 마이크로 펌프(100)의 작동 과정에서 유체의 역방향 흐름을 방지하는 역할을 한다.

이와 같이 제1 구간과 제2 구간 및 제3 구간이 하나의 펌핑 사이클을 구성하고, 제2 변형 부재(18)가 제1 변형 부재(16)보다 큰 변위를 형성하여 제1 변형 부재(16)보다 큰 압력 구배를 생성한다. 따라서 본 실시예의 마이크로 펌프(100)는 펌핑 성능을 높여 유체 흡입관(12)으로부터 유체 토출관(14)으로 이어지는 순방향으로 유체를 효과적으로 이송할 수 있으며, 변형 부재(16, 18)의 개수를 줄여 전체 크기를 소형화할 수 있다.

도 8에 도시한 마이크로 펌프의 작동 방법에서, 제2 변형 부재(18)의 최대 변위 지점과 제1 변형 부재(16)의 최소 변위 지점은 일치하지 않는다. 즉, 제2 변형 부재(18)가 최대 변위로 팽창한 이후 제1 변형 부재(16)가 최소 변위로 수축한다. 그리고 제1 변형 부재(16)의 최대 변위 지점과 제2 변형 부재(18)의 최대 변위 지점은 제2 구간만큼의 시간 차이를 유지한다.

도 9는 제1 실시예 내지 제4 실시예에 따른 마이크로 펌프의 두 번째 작동 방법을 설명하기 위해 도시한 제1 변형 부재와 제2 변형 부재의 인가 신호를 나타낸 파형도이다. 도 9의 (a)에서는 한 사이클의 파형도를 나타내었고, (b)에서는 연속 파형도를 나타내었다.

도 9를 참고하면, 마이크로 펌프의 작동 방법은, 제1 변형 부재에 전기 신호를 인가하여 제1 변형 부재를 최대 변위(제1 변위)까지 팽창시킴과 아울러 제1 변형 부재와 시간 차이를 두고 제2 변형 부재에 전기 신호를 인가하여 제2 변형 부재를 초기 팽창시키는 제1 구간과, 제1 변형 부재를 최대 변위로부터 최소 변위까지 수축시킴과 동시에 제2 변형 부재를 최대 변위(제2 변위)까지 팽창시키는 제2 구간과, 제1 변형 부재를 최소 변위로부터 초기 팽창시킴과 아울러 제2 변형 부재를 최소 변위까지 수축시키는 제3 구간을 포함한다.

마이크로 펌프의 두 번째 작동 방법은 제1 변형 부재의 최소 변위 지점과 제2 변형 부재의 최대 변위 지점이 일치하는 것과, 제3 구간에서 제1 변형 부재가 초기 팽창하는 것을 제외하고 전술한 첫 번째 작동 방법과 동일한 과정들을 포함한다.

이와 같이 제1 변형 부재의 최소 변위 지점과 제2 변형 부재의 최대 변위 지점이 일치하면, 제3 구간에서 제2 변형 부재가 수축할 때 제1 변형 부재가 완전한 밸브 역할을 하게 되므로 유체의 역방향 흐름을 방지할 수 있고, 유체의 펌핑 성능을 높일 수 있다. 또한, 두 번째 작동 방법에 따르면 제1 변형 부재로부터 제2 변형 부재로 전달되는 유량이 전술한 첫 번째 작동 방법의 경우보다 많게 되므로, 마이크로 펌프의 크기를 확대시키지 않고도 마이크로 펌프의 처리 유량을 증대시킬 수 있다.

도 10은 제1 실시예 내지 제4 실시예에 따른 마이크로 펌프의 세 번째 작동 방법을 설명하기 위해 도시한 제1 변형 부재와 제2 변형 부재의 인가 신호를 나타낸 파형도이다. 도 10의 (a)에서는 한 사이클의 파형도를 나타내었고, (b)에서는 연속 파형도를 나타내었다.

도 10을 참고하면, 마이크로 펌프의 작동 방법은, 제1 변형 부재에 전기 신호를 인가하여 제1 변형 부재를 최대 변위(제1 변위)까지 팽창시키는 제1 구간과, 제1 변형 부재를 최대 변위로부터 최소 변위까지 수축시킴과 동시에 제2 변형 부재에 전기 신호를 인가하여 제2 변형 부재를 최대 변위(제2 변위)까지 팽창시키는 제2 구간과, 제1 변형 부재를 최소 변위로 유지하면서 제2 변형 부재를 최소 변위까지 수축시키는 제3 구간을 포함한다.

마이크로 펌프의 세 번째 작동 방법은 제1 변형 부재의 최대 변위 지점과 제2 변형 부재의 최소 변위 지점이 일치하는 것을 제외하고 전술한 두 번째 작동 방법과 동일한 과정들을 포함한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100, 200, 300, 400: 마이크로 펌프
10: 케이스 12: 유체 흡입관
14: 유체 토출관 101: 제1 공간
102: 제2 공간 103: 연결 유로
16: 제1 변형 부재 18: 제2 변형 부재
20: 제어부 22: 리드선
24: 개폐 밸브 26: 역류 차단 부재

Claims

연결 유로를 통해 연결되는 제1 공간과 제2 공간을 형성하는 케이스;
상기 케이스의 일측에 위치하며 상기 제1 공간과 연결되는 유체 흡입관;
상기 케이스의 타측에 위치하며 상기 제2 공간과 연결되는 유체 토출관;
상기 제1 공간을 덮도록 상기 케이스에 설치되고, 전기 신호에 의해 변형하는 제1 변형 부재; 및
상기 제2 공간을 덮도록 상기 케이스에 설치되고, 전기 신호에 의해 변형하는 제2 변형 부재를 포함하며,
상기 제2 변형 부재는 상기 제1 변형 부재보다 크게 형성되고,
상기 제2 변형 부재의 최대 변위는 상기 제1 변형 부재의 최대 변위보다 큰 마이크로 펌프.
제1항에 있어서,
상기 제1 변형 부재와 상기 제2 변형 부재는 압전 액츄에이터로 이루어지는 마이크로 펌프.
제2항에 있어서,
상기 제1 변형 부재는 제1 도전성 탄성판과 제1 압전 소자를 포함하고,
상기 제2 변형 부재는 제2 도전성 탄성판과 제2 압전 소자를 포함하는 마이크로 펌프.
제3항에 있어서,
상기 제1 도전성 탄성판, 상기 제1 압전 소자, 상기 제2 도전성 탄성판, 및 상기 제2 압전 소자에 각각 연결되는 복수의 리드선; 및
상기 복수의 리드선과 전기적으로 연결되는 제어부
를 더 포함하는 마이크로 펌프.
제1항에 있어서,
상기 제1 변형 부재와 상기 제2 변형 부재는 인공 근육으로 이루어지는 마이크로 펌프.
제5항에 있어서,
상기 제1 변형 부재는 제1 모방 근육부와 제1 전극부를 포함하고,
상기 제2 변형 부재는 제2 모방 근육부와 제2 전극부를 포함하는 마이크로 펌프.
제6항에 있어서,
상기 제1 모방 근육부와 상기 제2 모방 근육부는 전기 활성 하이드로겔로 합성된 나노 섬유를 포함하는 마이크로 펌프.
제6항에 있어서,
상기 제1 전극부와 상기 제2 전극에 각각 연결되는 한 쌍의 리드선; 및
상기 한 쌍의 리드선과 전기적으로 연결되는 제어부
를 더 포함하는 마이크로 펌프.
제1항에 있어서,
상기 제2 공간의 체적이 상기 제1 공간의 체적보다 큰 마이크로 펌프.
제1항에 있어서,
상기 연결 유로의 내부에 설치된 개폐 밸브; 및
상기 유체 흡입관 및 상기 유체 토출관의 내부에 설치된 역류 차단 부재
를 더 포함하는 마이크로 펌프.
제1항에 있어서,
상기 유체 흡입관과 상기 연결 유로 및 상기 유체 토출관의 내부에 설치된 역류 차단 부재를 더 포함하는 마이크로 펌프.
제10항에 있어서,
상기 개폐 밸브는 상기 연결 유로와 평행하게 배치된 제1 압전 디스크와 제2 압전 디스크를 포함하는 압전 밸브인 마이크로 펌프.
제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 역류 차단 부재는 상기 유체 흡입관을 향한 일측으로부터 상기 유체 토출관을 향한 반대편 일측을 향해 내경이 점진적으로 확대되는 깔때기 모양으로 형성되는 마이크로 펌프.
제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 역류 차단 부재는,
고정단과 자유단을 구비하며 박막으로 제조되는 변형판; 및
상기 유체 흡입관으로부터 상기 유체 토출관을 향하는 순방향을 따라 상기 변형판의 자유단 앞쪽에 위치하는 고정 돌기
를 포함하는 마이크로 펌프.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 마이크로 펌프를 작동하는 방법에 있어서,
상기 제1 변형 부재를 최소 변위로부터 최대 변위까지 팽창시킴과 아울러 상기 제2 변형 부재를 최소 변위로부터 초기 팽창시키는 제1 구간;
상기 제1 변형 부재를 최대 변위로부터 수축시킴과 아울러 상기 제2 변형 부재를 최대 변위까지 팽창시키는 제2 구간; 및
상기 제1 변형 부재를 최소 변위까지 수축시킴과 아울러 상기 제2 변형 부재를 최대 변위로부터 수축시키는 제3 구간
을 포함하는 마이크로 펌프의 작동 방법.
제15항에 있어서,
상기 제1 구간에서 상기 제2 변형 부재는 상기 제1 변형 부재의 최대 변위 지점과 시간 차이를 두고 최소 변위로부터 팽창하기 시작하는 마이크로 펌프의 작동 방법.
제15항에 있어서,
상기 제3 구간에서 상기 제1 변형 부재의 최소 변위 지점은 상기 제2 변형 부재의 최대 변위 지점과 시간 차이를 가지는 마이크로 펌프의 작동 방법.
제15항에 있어서,
상기 마이크로 펌프의 연결 유로에 개폐 밸브가 위치하며,
상기 개폐 밸브는 상기 제2 변형 부재의 팽창과 동시에 작동하여 상기 연결 유로를 개방시키고, 상기 제2 변형 부재가 최대 변위에 도달함과 동시에 작동하여 상기 연결 유로를 폐쇄시키는 마이크로 펌프의 작동 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 마이크로 펌프를 작동하는 방법에 있어서,
상기 제1 변형 부재를 최소 변위로부터 최대 변위까지 팽창시킴과 아울러 상기 제2 변형 부재를 최소 변위로부터 초기 팽창시키는 제1 구간;
상기 제1 변형 부재를 최대 변위로부터 최소 변위까지 수축시킴과 아울러 상기 제2 변형 부재를 최대 변위까지 팽창시키는 제2 구간; 및
상기 제1 변형 부재를 최소 변위로부터 초기 팽창시킴과 아울러 상기 제2 변형 부재를 최소 변위까지 수축시키는 제3 구간
을 포함하는 마이크로 펌프의 작동 방법.
제19항에 있어서,
상기 제1 구간에서 상기 제2 변형 부재는 상기 제1 변형 부재의 최대 변위 지점과 시간 차이를 두고 최소 변위로부터 팽창하기 시작하는 마이크로 펌프의 작동 방법.
제19항에 있어서,
상기 제2 구간에서 상기 제1 변형 부재의 최소 변위 지점은 상기 제2 변형 부재의 최대 변위 지점과 일치하는 마이크로 펌프의 작동 방법.
제19항에 있어서,
상기 마이크로 펌프의 연결 유로에 개폐 밸브가 위치하며,
상기 개폐 밸브는 상기 제2 변형 부재의 팽창과 동시에 작동하여 상기 연결 유로를 개방시키고, 상기 제2 변형 부재가 최대 변위에 도달함과 동시에 작동하여 상기 연결 유로를 폐쇄시키는 마이크로 펌프의 작동 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 마이크로 펌프를 작동하는 방법에 있어서,
상기 제1 변형 부재를 최소 변위로부터 최대 변위까지 팽창시켜 상기 제1 공간으로 유체를 흡입하는 제1 구간;
상기 제1 변형 부재를 최대 변위로부터 최소 변위까지 수축시킴과 아울러 상기 제2 변형 부재를 최소 변위로부터 최대 변위까지 팽창시켜 상기 제1 공간과 상기 제2 공간으로 유체를 흡입하는 제2 구간; 및
상기 제2 변형 부재를 최대 변위로부터 최소 변위까지 수축시켜 상기 제1 공간과 상기 제2 공간의 유체를 배출하는 제3 구간
을 포함하는 마이크로 펌프의 작동 방법.
제23항에 있어서,
상기 제1 변형 부재의 최대 변위 지점은 상기 제2 변형 부재의 최소 변위 지점과 일치하는 마이크로 펌프의 작동 방법.
제23항에 있어서,
상기 마이크로 펌프의 연결 유로에 개폐 밸브가 위치하며,
상기 개폐 밸브는 상기 제2 변형 부재의 팽창과 동시에 작동하여 상기 연결 유로를 개방시키고, 상기 제2 변형 부재가 최대 변위에 도달함과 동시에 작동하여 상기 연결 유로를 폐쇄시키는 마이크로 펌프의 작동 방법.