(51) Int. Cl. (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) B81B 7/00 (2006.01) (21) 출원번호 10-2007-0007106 (22) 출원일자 2007 년 01 월 23 일 심사청구일자 2007 년 01 월 23 일 (65) 공개번호 10-2008-0069416 (43) 공개일자 2008 년 07 월 28 일 (56) 선행기술조사문헌 KR1020050117811 A* Sensors and Actuators A 120 pp.365-369 (2005.01.28.)* * 는심사관에의하여인용된문헌 (45) 공고일자 2008년09월30일 (11) 등록번호 10-0860801 (24) 등록일자 2008년09월23일 (73) 특허권자 한국생산기술연구원 충남천안시입장면홍천리 35-3 (72) 발명자 황준영 경기용인시수지구동천동수진마을써니벨리 101-806 호 이상호 서울관악구봉천 9 동 635-353 ( 뒷면에계속 ) (74) 대리인 공인복 전체청구항수 : 총 23 항심사관 : 민정임 (54) 상변화방식마이크로구동기, 이구동기의작동액실내온도제어방법및이구동기를적용한마이크로펌프 (57) 요약 본발명에따른마이크로펌프에사용되는마이크로구동기는, 전압을인가하면열을발생하는마이크로히터를내장하고있는하부기판 ; 상기히터를내장하고있는하부기판상부에작동액을넣을수있도록형성된작동액실 ; 및히터에서발생된열에의해작동액이기화하면서팽창되도록제작된구동박막을포함하여, 전압을인가하면히터에서발생된열로작동액실에채워진작동액이기화되면서발생하는압력으로박막이팽창하고, 히터에인가되고있는전압을끊으면증기가응축하면서박막이원상으로수축되도록한다. 또한, 본발명에서는작동액실의온도를측정하는온도센서 ; 및일정하게유지시키고자하는작동액실의기준온도를설정하고, 상기작동액실의온도가상기기준온도인지그여부를판단하며, 상기작동액실의온도가상기기준온도이면현상태를계속유지하고, 상기작동액실의온도가상기기준온도가아니면히터전력을제어하여작동액실의온도를상기기준온도로유지하는제어부를더포함하여, 상기기준온도로유지된작동액실내의작동액을상변화하고자할경우, 히터에인가되는전력의미세조정을통해작동액의상변화를최대한빨리이루어지도록하는것을특징으로한다. 대표도 - 도 2-1 -
(72) 발명자 강경태 서울서초구반포본동반포주공아파트 110 동 105 호 강희석 경기용인시수지구풍덕천동삼성쉐르빌 102 동 202 호 박문수 경기용인시기흥구신갈동도현마을현대 201-805 호 박승인 경기수원시영통구영통동 1041-1 3 층 - 2 -
특허청구의범위청구항 1 마이크로펌프에사용되는마이크로구동기에있어서, 전압을인가하면열을발생하는마이크로히터를내장하고있는하부기판 ; 상기히터를내장하고있는하부기판상부에작동액을넣을수있도록형성된작동액실 ; 및히터에서발생된열에의해작동액이기화하면서팽창되도록제작된구동박막을포함하여, 전압을인가하면히터에서발생된열로작동액실에채워진작동액이기화되면서발생하는압력으로박막이팽창하고, 히터에인가되고있는전압을끊으면증기가응축하면서박막이원상으로수축되도록하며, 작동액실의온도를측정하는온도센서 ; 및일정하게유지시키고자하는작동액실의기준온도를설정하고, 상기작동액실의온도가상기기준온도인지그여부를판단하며, 상기작동액실의온도가상기기준온도이면현상태를계속유지하고, 상기작동액실의온도가상기기준온도가아니면히터전력을제어하여작동액실의온도를상기기준온도로유지하는제어부를더포함하여, 상기기준온도로유지된작동액실내의작동액을상변화하고자할경우, 히터에인가되는전력의미세조정을통해작동액의상변화를최대한빨리이루어지도록하고, 상기작동액실의표면을요철형상으로설계하여상기작동액실내작동액과히터부착면의접촉면적을증가시켜작동액의기화및응축이빨리이루어지도록하는것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기. 청구항 2 제 1항에있어서, 상기구동박막과상기하부기판간접착은, 상기하부기판에상기구동박막을선택적으로접착하기위하여감광막을도포하고패터닝하고, 상기감광막이패터닝된하부기판을소정의시간동안산소플라즈마로표면처리한후, 표면처리된하부기판표면에실리코운러버재질의상기구동박막을소정의압력으로소정의시간동안밀착시킴으로써, 밀착표면에서발생하는공유결합에의해상기구동박막과하부기판간접착이이루어지는것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기. 청구항 3 제 1항에있어서, 상기히터전력제어방식은히터에인가되는전압펄스의듀티비 (%) 를제어하는방식인것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기. 청구항 4 제 1항에있어서, 상기히터전력제어방식은히터에인가되는전압펄스의주기를제어하는방식인것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기. 청구항 5 제 1항에있어서, 상기작동액실의온도측정은 RTD 센서를이용하는것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기. 청구항 6-3 -
삭제청구항 7 제 2항에있어서, 상기히터전력제어방식은히터에인가되는전압펄스의듀티비 (%) 를제어하는방식인것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기. 청구항 8 제 2항에있어서, 상기히터전력제어방식은히터에인가되는전압펄스의주기를제어하는방식인것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기. 청구항 9 제 2항에있어서, 상기작동액실의온도측정은 RTD 센서를이용하는것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기. 청구항 10 제 2항에있어서, 상기작동액실의표면을요철형상으로설계하여상기작동액실내작동액과히터부착면의접촉면적을증가시켜작동액의기화및응축이빨리이루어지도록하는것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기. 청구항 11 제 3항에있어서, 상기작동액실의온도측정은 RTD 센서를이용하는것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기. 청구항 12 제 3항에있어서, 상기작동액실의표면을요철형상으로설계하여상기작동액실내작동액과히터부착면의접촉면적을증가시켜작동액의기화및응축이빨리이루어지도록하는것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기. 청구항 13 제 4항에있어서, 상기작동액실의온도측정은 RTD 센서를이용하는것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기. 청구항 14 제 4항에있어서, 상기작동액실의표면을요철형상으로설계하여상기작동액실내작동액과히터부착면의접촉면적을증가시켜작동액의기화및응축이빨리이루어지도록하는것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기. 청구항 15 제 1항내지 5항, 7항내지 14항중어느한항의상변화방식마이크로구동기에, 상기구동박막의상측에상기구동박막과경계로유체공간및유로를더포함하여이루어지는것을특징으로하는마이크로펌프. 청구항 16-4 -
제 1항내지 5항, 7항내지 14항중어느한항의상변화방식마이크로구동기에, 상기구동박막의운동에의해부피가변화하는공간인펌핑액실 ; 상기펌핑액실에연결되어유체가드나드는유입구와유출구 ; 및상기펌핑액실과유입구사이, 상기펌핑액실과유출구사이에설계된한쌍의디퓨저를포함하는상부기판을추가로접합하여이루어지는것을특징으로하는마이크로펌프. 청구항 17 상변화방식마이크로구동기에서의작동액실내온도를일정하게유지하기위한온도제어방법에있어서, 일정하게유지시키고자하는작동액실의기준온도를설정하는단계 ; 상기작동액실의온도를측정하는단계 ; 상기작동액실의온도가상기기준온도인지그여부를판단하는단계 ; 및상기작동액실의온도가상기기준온도이면현상태를계속유지하고, 상기작동액실의온도가상기기준온도가아니면히터전력을제어하여작동액실의온도를상기기준온도로유지하는단계 ; 를포함하여, 상기기준온도로유지된작동액실내의작동액을상변화하고자할경우, 히터에인가되는전력의미세조정을통해작동액의상변화를최대한빨리이루어지도록하며, 상기작동액실의표면을요철형상으로설계하여상기작동액실내작동액과히터부착면의접촉면적을증가시켜작동액의기화및응축이빨리이루어지도록하는것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기에서의작동액실내온도제어방법. 청구항 18 제 17항에있어서, 일정하게유지시키고자하는작동액실의기준온도를상기작동액의상변화온도미만이면서최대온도로설정하는것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기에서의작동액실내온도제어방법. 청구항 19 제 17항에있어서, 일정하게유지시키고자하는작동액실의기준온도를, 상기작동액의상변화온도를초과하면서최저온도로설정하는것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기에서의작동액실내온도제어방법. 청구항 20 제 17항내지제 19항중어느한항에있어서, 상기히터전력제어방식은히터에인가되는전압펄스의듀티비를제어하는방식인것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기에서의작동액실내온도제어방법. 청구항 21 제 17항내지제 19항중어느한항에있어서, 상기히터전력제어방식은히터에인가되는전압펄스의주기를제어하는방식인것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기에서의작동액실내온도제어방법. 청구항 22 제 17항내지제 19항중어느한항에있어서, 상기작동액실의온도측정은 RTD 센서를이용하는것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기에서의작동액실내온도제어방법. - 5 -
청구항 23 삭제청구항 24 제 20항에있어서, 상기작동액실의표면을요철형상으로설계하여상기작동액실내작동액과히터부착면의접촉면적을증가시켜작동액의기화및응축이빨리이루어지도록하는것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기에서의작동액실내온도제어방법. 청구항 25 제 21항에있어서, 상기작동액실의표면을요철형상으로설계하여상기작동액실내작동액과히터부착면의접촉면적을증가시켜작동액의기화및응축이빨리이루어지도록하는것을특징으로하는상변화방식마이크로구동기에서의작동액실내온도제어방법. 명세서 발명의상세한설명 발명의목적 <20> <21> <22> <23> 발명이속하는기술및그분야의종래기술본발명은마이크로펌프에사용되는상변화구동방식마이크로구동기및상기구동기의작동액실내온도제어방법에관한것으로, 특히히터에인가되는전력의미세조정을통해서도작동액의상변화를최대한빨리이루어지도록한마이크로구동기및이구동기의작동액실내온도제어방법에관한것이다. 지금까지개발된마이크로펌프는분석시스템의유체이송에사용될목적으로고안되었으며, 이경우전체시스템의전력소모에비하여마이크로펌프의전력소모비율이크지않아서마이크로펌프의전력소모량은중요한이슈가아니었다. 그러나최근대두되고있는초소형연료전지나각종휴대용 착용 IT 기기및바이오 의료기기에사용되는마이크로펌프의경우는마이크로펌프의전력소모량이상기기기의 1회충전사용시간에영향을주는가장큰요인으로작용하고있다. 이러한배경에서, 상기초소형연료전지나휴대용 착용 IT 기기및바이오 의료기기에사용되는마이크로펌프는정밀한제어나개선된구동원리를적용하여본래의펌프기능을수행하면서도고에너지효율, 저전력소모의특징을갖추는것이매우중요하다. 본발명에서는초소형연료전지나휴대용 착용 IT 기기및바이오 의료기기분야의적용에서요구되는고에너지효율, 저전력소모의마이크로펌프용상변화방식마이크로구동기와그마이크로구동기에서의작동액실내온도제어방법을제시하고자한다. <24> <25> <26> 발명이이루고자하는기술적과제본발명의목적은히터에인가되는전력의미세조정을통해서도작동액의상변화를최대한빨리이루어지도록하기위해평시에작동액실내의온도를일정하게유지시키는상변화방식마이크로구동기, 이구동기의작동액실내온도제어방법및이구동기를적용한마이크로펌프를제공하는데있다. 본발명에서제시한상변화구동마이크로펌프는초당수나노 (10-9 ) 리터에서수백마이크로 (10-6 ) 리터의액체시료를정량적으로공급하고제어할수있다. 본발명의마이크로펌프는액체에서기체로의상변화시에발생하는부피팽창현상을이용하는열공압형마이크로구동장치이다. 상변화구동방식은낮은전압으로큰구동력을얻을수있다. 상변화마이크로구동기에사용되는막으로는작은구동력에도큰변형을얻을수있는고신축성의실리코운러버를사용한다. 본발명의마이크로펌프에는한쌍의수동형마이크로밸브가있으며이수동형마이크로밸브는역류를방지하는체크밸브의기능을갖는다. - 6 -
본발명의마이크로펌프는그구조가간단하며마이크로머시닝기술로제작할수있고제작공정이간단하며 집적화가가능하다. <27> <28> <29> <30> <31> <32> <33> <34> <35> <36> <37> <38> <39> <40> <41> 발명의구성및작용상기와같은목적을이루기위해본발명은마이크로펌프에사용되는마이크로구동기에있어서, 전압을인가하면열을발생하는마이크로히터를내장하고있는하부기판 ; 상기히터를내장하고있는하부기판상부에작동액을넣을수있도록형성된작동액실 ; 및히터에서발생된열에의해작동액이기화하면서팽창되도록제작된구동박막을포함하여, 전압을인가하면히터에서발생된열로작동액실에채워진작동액이기화되면서발생하는압력으로박막이팽창하고, 히터에인가되고있는전압을끊으면증기가응축하면서박막이원상으로수축되도록하며, 작동액실의온도를측정하는온도센서 ; 및일정하게유지시키고자하는작동액실의기준온도를설정하고, 상기작동액실의온도가상기기준온도인지그여부를판단하며, 상기작동액실의온도가상기기준온도이면현상태를계속유지하고, 상기작동액실의온도가상기기준온도가아니면히터전력을제어하여작동액실의온도를상기기준온도로유지하는제어부를더포함하여, 상기기준온도로유지된작동액실내의작동액을상변화하고자할경우, 히터에인가되는전력의미세조정을통해작동액의상변화를최대한빨리이루어지도록하는것을특징으로한다. 상기구동박막과상기하부기판간접착은상기하부기판에상기구동박막을선택적으로접착하기위하여감광막을도포하고패터닝하고, 상기감광막이패터닝된하부기판을소정의시간동안산소플라즈마로표면처리한후, 표면처리된하부기판표면에실리코운러버재질의상기구동박막을소정의압력으로소정의시간동안밀착시킴으로써, 밀착표면에서발생하는공유결합에의해상기구동박막과하부기판간접착이이루어지는것을특징으로한다. 또한, 본발명에서는상기상변화방식마이크로구동기에, 상기구동박막의상측에상기구동박막과경계로유체공간및유로를더포함하여마이크로펌프를구성시킬수있다. 또한, 본발명에서는상기상변화방식마이크로구동기에, 상기구동박막의운동에의해부피가변화하는공간인펌핑액실 ; 상기펌핑액실에연결되어유체가드나드는유입구와유출구 ; 및상기펌핑액실과유입구사이, 상기펌핑액실과유출구사이에설계된한쌍의디퓨저를포함하는상부기판을추가로접합하여마이크로펌프를구성시킬수있다. 또한, 본발명은상변화마이크로구동기에서의작동액실내온도를일정하게유지하기위한온도제어방법에있어서, 일정하게유지시키고자하는작동액실의기준온도를설정하는단계 ; 상기작동액실의온도를측정하는단계 ; 상기작동액실의온도가상기기준온도인지그여부를판단하는단계 ; 및상기작동액실의온도가상기기준온도이면현상태를계속유지하고, 상기작동액실의온도가상기기준온도가아니면히터전력을제어하여작동액실의온도를상기기준온도로유지하는단계 ; 를포함하여, 상기기준온도로유지된작동액실내의작동액을상변화하고자할경우, 히터에인가되는전력의미세조정을통해작동액의상변화를최대한빨리이루어지도록하는것을특징으로한다. 본발명에서는상기일정하게유지시키고자하는작동액실의기준온도를상기작동액의상변화온도미만이면서최대온도로설정할수도있고, 상기작동액의상변화온도를초과하면서최저온도로설정할수도있다. 상기히터전력제어방식에는그일례로, 히터에인가되는전압펄스의듀티비를제어하는방식또는히터에인가되는전압펄스의주기를제어하는방식등이있다. 상기작동액실의온도측정은 RTD 센서를이용하는것이바람직하다. 본발명에서는상기작동액실의표면을요철형상으로설계하여상기작동액실내작동액과히터부착면의접촉면적을증가시켜작동액의기화및응축이빨리이루어지도록하는것을특징으로한다. 이하, 첨부된도면을참조하여본발명에따른바람직한실시예를상세하게설명하고자한다. 도 1은본발명의일실시예에따른마이크로구동기의단면도이다. - 7 -
<42> <43> <44> <45> <46> <47> <48> <49> <50> <51> <52> <53> <54> <55> <56> <57> 도면을참조하면, 본발명에따른마이크로구동기는전압을인가하면열을발생하는마이크로히터 (1) 를내장하고있는하부기판 (3); 상기히터 (1) 를내장하고있는하부기판상부에작동액주입구 (6) 를통하여작동액을넣을수있도록형성된작동액실 (5); 히터 (1) 에서발생된열에의해작동액이기화하면서발생하는증기압에의하여팽창되도록제작된구동박막 (4) 을포함하여, 전압을인가하면히터 (1) 에서발생된열로작동액실 (5) 에채워진작동액이기화되면서발생하는압력으로구동박막 (4) 이팽창하고, 히터 (1) 에전압을인가하지않으면기화된증기가응축하면서박막 (4) 이원상으로수축되도록구성된다. 또한, 본발명에서는온도센서 (2) 및제어부 ( 미도시됨 ) 를더포함하는데, 상기온도센서 (2) 는작동액실 (5) 의온도를측정한다. 제어부는일정하게유지시키고자하는작동액실 (5) 의기준온도를설정하고, 상기작동액실 (5) 의온도가상기기준온도인지그여부를판단하며, 상기작동액실의온도가상기기준온도이면현상태를계속유지하고, 상기작동액실 (5) 의온도가상기기준온도가아니면히터 (1) 에인가되는전력을제어하여작동액실 (5) 의온도를상기기준온도로유지하도록한다. 도 7에서도상세히설명되겠지만, 일정하게유지시키고자하는작동액실의기준온도는작동액실에있는작동액의종류에따라달라지며, 또한상변화방식에따라달라진다. 여기서, 상변화방식이라함은, 액체에서기체로의상변화, 기체에서액체로의상변화를말한다. 상기와같이, 작동액실의온도를일정하게유지시키는이유는추후작동액실내의작동액의상변화를용이하면서빠르게이루어지도록하기위한것이다. 다시말하면, 작동액실의온도를일정하게유지한상태에서상기히터에인가되는전력의미세조정을통해작동액의상변화를최대한빨리이루어지도록할수있으며, 이로인해밸브의빠른온 / 오프제어도가능해진다.( 도 7 참조 ) 상기히터전력제어방식은다양하나, 그일례로, 히터에인가되는전압펄스의듀티비 (%) 를제어하는방식, 히터에인가되는전압펄스의주기를제어하는방식등이있다. 상기히터 (1) 의재질로는금속재질이바람직하며, 상기온도센서 (2) 는백금재질의 RTD 센서가바람직하다. 도 2는본발명의일실시예로서히터가부착된하부기판과작동액실내작동액과의접촉면을요철형상으로제작하여상기접촉면을증가시킨마이크로구동기의단면도이다. 도면에도도시된바와같이, 본발명에서는상기작동액실 (5) 내작동액과접촉하는하부기판 (3) 의접촉면적을증가시키기위해, 하부기판 (3) 의히터 (1) 및온도센서 (2) 부착면을요철 ( 凹凸 ) 형상으로설계하였다. 도면부호 7a는돌출부이고, 7b는요홈부이다. 이를보다상세히설명하면, 본발명에서는상기히터 (1) 로가열하여작동액실 (5) 내작동액을기화시키는과정에서, 상기히터 (1) 에서발생된열은작동액에비해전기전도도가높은하부기판 (3) 의온도를신속히상승시키므로, 작동액실로의열전달은상기히터 (1) 뿐만아니라상기하부기판 (3) 의표면을통해서도이루어진다. 반대로기화된작동액증기를냉각하여응축시키는과정에서도, 상대적으로온도가낮은외기에의하여상기하부기판 (3) 이냉각되면, 상기하부기판 (3) 과작동액과의접촉표면을통하여열전달이이루어진다. 따라서도 2와같이상기하부기판의표면을요철형상으로설계하여작동액과의접촉면적으로증가시키면더욱신속히더욱많은양의작동액을기화또는응축시킴으로서구동기의응답특성을개선시킬수있다. 도 3은본발명의일실시예에따른마이크로구동기의하부기판 (3) 의평면도이다. 도면은도 2에서설명한하부기판 (3) 에설계된요철모양의접촉면과히터 (1) 및온도센서 (2) 의배치의일례를보다쉽게이해할수있도록도시하였다. 도 4와도 5는본발명의일실시예에따른마이크로구동기의적용예로서, 상기구동기에유 출입구와밸브및펌핑액실이포함된상부기판을접합하여구성한마이크로펌프의단면도와분해사시도이다. 본발명에서는상기구동박막 (5) 의운동에의해부피가변화하는공간인펌핑액실 (15); 상기펌핑액실 (15) 에연결되어유체가드나드는유입구 (11) 와유출구 (12); 상기펌핑액실 (15) 과상기유입구 (11) 사이, 펌핑액실 (15) 과유출구 (12) 사이에설계된한쌍의디퓨저 (13) 를포함하는상부기판 (14) 을마이크로구동기에추가로접합함으로써도 3과같이마이크로펌프를구성할수있다. - 8 -
<58> <59> <60> <61> <62> <63> <64> <65> <66> <67> <68> <69> <70> <71> <72> 도 6은본발명의일실시예에따른마이크로구동기의제작공정도이다. 도 6a에서와같이먼저 P 타입실리콘기판 (21) 위에가열로를사용하여실리콘옥사이드 (22) 를증착하였다. 상기실리콘옥사이드 (22) 는감광제와함께에칭공정진행시실리콘웨이퍼를보호하는보호막역할을하여정확한형상의구동기제작을돕는다. 다음은도 6b와같이 Deep RIE (Reactive Ion Etching) 장비를이용한사진식각공정을통하여요철모양의작동액실 (5) 을형성시킨다. 다음은식각면의절연을위하여도 6c와같이 CVD (Chemical Vapor Deposition) 공정을이용하여실리콘옥사이드 (22) 를다시한번증착시킨다. 다음은감광막을도포한후패터닝하여히터와온도센서가증착될부분을제외한나머지부분에선택적으로감광막을도포한후 E-Beam Evaporator를사용하여타타늄, 백금순서로증착시킨다. 백금만을증착할경우에는실리콘옥사이드와접착이좋지않아서공정후에저항이떨어질위험이있으므로접착력을높이기위하여실리콘옥사이드및백금에접착력이좋은티타늄을먼저증착한다. 증착이끝난후감광제를녹여도 6d와같이원하는부위만금속층 (23) 이남아히터 (1) 층및온도센서 (2) 를구성하게된다. 다음은금속층 (23) 윗면의절연을위하여도 6e와같이 CVD (Chemical Vapor Deposition) 공정을이용하여실리콘옥사이드 (22) 를다시한번증착시킨다. 다음은하부기판의열용량을줄이기위해도 6f와같이 Deep RIE (Reactive Ion Etching) 장비를이용한사진식각공정으로기판의아래부분을식각하여작동액실 (5) 과접하는하부기판의두께를얇게만든다. 마지막으로, 상기공정으로제작된하부기판 (3) 에구동박막 (4) 을접착하기위한일련의단계로서, 접착면 (2 4) 만을선택적으로접착하기위하여감광막을도포하고패터닝하는단계 ; 상기감광막이패터닝된하부기판을소정의시간동안산소플라즈마로표면처리하는단계 ; 표면처리된하부기판표면에실리코운러버재질의상기구동박막 (4) 을소정의압력으로소정의시간동안밀착시킴으로써, 밀착된접착면 (24) 에서발생하는공유결합에의하여상기구동박막 (4) 과상기하부기판 (3) 이접착하는단계를순서대로수행한다. 도 7a는본발명의일실시예에따른상변화마이크로구동기에서의작동액실내온도제어방법을설명하기위한그래프이고, 도 7b는본발명의다른일실시예에따른상변화마이크로구동기에서의작동액실내온도제어방법을설명하기위한그래프이다. 또한, 도 8은본발명의일실시예에따른상변화마이크로구동기에서의작동액실내온도제어방법을나타내는순서도이다. 도 7a 및도 7b에서직선 (a) 는작동액실내에있는작동액의상변화온도를나타내고, 직선 (b) 는일정하게유지시키고자하는작동액실의기준온도이다. 또한구동파 (c) 는히터에인가되는전압펄스이고, (d) 파형은 (c) 파형과같은전압이히터에인가되었을때, 작동액의온도를나타낸다. 도 7a 및도 7b의차이는도 7a에서는직선 (b) 가직선 (a) 의아래에위치하고, 도 7b에서는직선 (b) 가직선 (a) 의위에위치한다. 이를보다상세히설명하면, 도 7a에서는히터등을제어하여작동액실내의온도 (b) 를작동액의상변화온도 (a) 보다낮게설정해놓는다. 그런후, 상변화를통한유체를순방향으로진행하고자할때, 현재히터에인가되는온도를조금더 ( Δt 이상 ) 상승시켜작동액을기화상태로만든다. 여기서 Δt는상변화온도 - 현재작동액실내온도를말한다. 작동액을기화상태에서액화상태로변경할때는작동액실내의온도를낮춰 (b) 온도로일정하게유지시키면된다. 본발명의요지는상기 Δt를최소화시켜히터에가해지는전압을미세조정하여빠른상변화가이루어지도록하기위한것이다. 이를위해작동액실내의온도를일정하게유지시키는것이다. 한편, 도 7b에서는히터등을제어하여작동액실내의온도 (b) 를작동액의상변화온도 (a) 보다높게설정해놓은다. 그런후, 상변화를통한유체를순방향으로진행하고자할때, 현재히터에인가되는온도를조금더낮춰 (Δt 이상 ) 시켜작동액을액화상태로만든다. 작동액을다시기화상태로변경할때는작동액실내의온도를높여 (b) 온도로일정하게유지시키면된다. 이에따라, 본발명에서는작동액실내의온도 (b) 를작동액의상변화온도 (a) 와최대한근접하게유지시키는것이바람직하다. 즉, 일정하게유지시키고자하는작동액실의기준온도를도 7a인경우처럼상기작동액의상변화온도미만이면서최대온도로설정하거나, 도 7b인경우처럼상기작동액의상변화온도를초과하면서최저 - 9 -
온도로설정하는것이바람직하다. 다시말하면, Δt 가 '0' 이아니면서 '0' 에가까운수치이면좋다. <73> <74> <75> <76> <77> <78> <79> <80> <81> <82> 도 8을참조하여본발명의일실시예에따른상변화마이크로구동기에서의작동액실내온도제어방법을설명하면다음과같다. 먼저, 본발명에서는일정하게유지시키고자하는작동액실의기준온도를설정한다.(S101) 상기기준온도는작동액에따라달라진다. 이작동액은증발열이작고, 화학적으로안정한액체이며, 사용환경에최적화된끓는점을갖는액체인것이바람직하다. 또한, 상기기준온도는도 7a 및도 7b와같이두가지경우로설정할수있으나이하설명에서는도 7a의경우에한정하여설명한다. 상기와같이, 본발명에서는일정하게유지시키고자하는작동액실의기준온도를설정한후, 상기작동액실의온도를측정한다.(S102) 단계 101 및 102를동시에실시하여도무방하고, 그순서를바꾸어도무방하다. 그런후, 본발명에서는상기작동액실의온도가상기기준온도인지그여부를판단한다.(S103) 단계 103에서작동액실의온도가단계 101에서설정한기준온도와같으면현상태 ( 시스템 ) 를계속유지 (S104) 하나, 그렇지않은경우, 즉작동액실의온도가기준온도와다르면히터전력을제어 (S105) 하여단계 104처럼작동액실의온도를상기기준온도로유지한다. 상기와같이, 기준온도로유지된작동액실내의작동액을상변화하고자할경우, 히터에인가되는전력의미세조정을통해작동액의상변화를최대한빨리이루어지도록할수있다. 상기와같이, 본발명의바람직한실시예를참조하여설명하였지만, 해당기술분야의숙련된당업자라면하기의특허청구범위에기재된본발명의사상및영역으로부터벗어나지않는범위내에서본발명을다양하게수정및변경시킬수있음을이해할수있을것이다. <83> <84> <85> <86> <87> 발명의효과이상에서와같이, 본발명은상변화방식마이크로구동기에서의작동액실내온도제어방법을제공하여 RTD센서피드백을이용한히터를제어함으로써다음과같은효과가발생한다. 첫째, 불필요한온도변화를최소화하여효율과응답특성을개선시킬수있다. 둘째, 사용환경이변화하더라도작동액실의온도를상변화온도에근접하게유지할수있다. 셋째, 상변화온도와센서온도를비교함으로써최적의전력신호파형및주기를결정할수있다. 또한, 상기와같은본발명에따른상변화방식마이크로구동기는초소형연료전지나휴대용 착용 IT 기기및바이오 의료기기분야의적용에서요구되는고에너지효율, 저전력소모의마이크로펌프에사용되어제한된에너지원으로부터최소한의전력을소모함으로써, 시스템의효율을높이고, 휴대용 착용기기의사용시간을증대시키는데기여함으로써, 상기친환경, 미래형제품의상품성을제고하는데크게기여할것으로기대된다. <1> <2> <3> <4> <5> <6> 도면의간단한설명도 1은본발명의일실시예에따른마이크로구동기의단면도이다. 도 2는본발명의일실시예로서히터가부착된하부기판과자동액실내작동액과의접촉면을요철형상으로제작하여상기접촉면을증가시킨마이크로구동기의단면도이다. 도 3은본발명의일실시예에따른마이크로구동기의하부기판의평면도이다. 도 4는본발명의일실시예에따른마이크로구동기의적용예로서, 상기구동기에유 출입구와밸브및펌핑액실이포함된상부기판을접합하여구성한마이크로펌프의단면도이다. 도 5는본발명의일실시예에따른마이크로구동기의적용예로서, 상기구동기에유 출입구와밸브및펌핑액실이포함된상부기판을접합하여구성한마이크로펌프의분해사시도이다. 도 6은본발명의일실시예에따른마이크로구동기의제작공정도이다. - 10 -
<7> <8> <9> <10> <11> <12> <13> <14> <15> <16> <17> <18> <19> 도 7a는본발명의일실시예에따른상변화방식마이크로구동기에서의작동액실내온도제어방법을설명하기위한그래프이다. 도 7b는본발명의다른일실시예에따른상변화방식마이크로구동기에서의작동액실내온도제어방법을설명하기위한그래프이다. 도 8은본발명의일실시예에따른상변화방식마이크로구동기에서의작동액실내온도제어방법을나타내는순서도이다. < 도면의주요부분에대한부호의설명 > 1: 히터 2: 온도센서 3: 하부기판 4: 구동박막 5: 작동액실 6: 작동액주입구 7a: 돌출부 7b: 요홈부 11: 유입구 12: 유출구 13: 디퓨저 14: 상부기판 15: 펌핑액실 21: 실리콘기판 (= 하부기판 ) 22: 실리콘옥사이드 23: 금속층 24: 접착면 도면 도면 1 도면 2-11 -
도면 3 도면 4-12 -
도면 5 도면 6a 도면 6b - 13 -
도면 6c 도면 6d 도면 6e 도면 6f - 14 -
도면 6g 도면 7a 도면 7b - 15 -
도면 8-16 -