KR101708990B1 - 마이크로 공압 밸브 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 밸브 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 마이크로 공압 밸브 소자는 유체 흐름을 위한 유체 채널 및 유체 차단을 위한 유체 챔버가 형성된 유체 채널층과, 상기 유체 채널층 위에 적층된 밸브 다이어프램, 및 상기 밸브 다이어프램 위에 적층되며 외부 압축 공압 유입을 위한 공압 채널과 외부 공기 유입에 따른 압력 상승을 위한 밸브 챔버가 형성된 밸브 챔버층을 포함하며, 특히 상기 유체 채널 및 상기 유체 챔버의 형상은 바닥면은 열 공압에 의해 반원형상(semicircular)으로 변형되어 경화됨에 따라 형성된다. 따라서 외부에서 압축공기가 유입되면 상기 밸브 챔버 내부의 압력 증가에 따라 상기 밸브 다이어프램의 변형으로 인하여 상기 유체 채널과 유체 챔버가 연결되는 부분을 차단할 수 있는 이점이 있다.

Description

마이크로 공압 밸브 소자 및 그 제조방법{Micro Valve device and the fabricating method thereof}

본 발명은 마이크로 공압 밸브 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유체가 누설되는 것을 완전하게 차단할 수 있도록 유체 채널 및 유체 챔버가 반원 형상으로 형성된 공압식 마이크로 공압 밸브 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 작은 부피의 유체를 조작하여 생물학적 또는 화학적인 반응을 수행하는 장치를 미세유동 장치라 한다. 미세유동 장치는 칩, 디스크 등 다양한 형상의 플랫폼 내에 배치된 미세유동 구조물을 포함하고, 미세유동 구조물은 유체를 가두어 둘 수 있는 유체 챔버와, 유체가 흐를 수 있는 유체 채널 및 유체의 흐름을 조절할 수 있는 마이크로 밸브를 포함하고, 이들의 다양한 조합에 의해 만들어질 수 있다.

여기서 상기 마이크로 밸브는 유체의 흐름을 단속하여 정확한 양의 유체를 공급하는 장치(소자)로서 높은 신뢰성과 극소형화가 요구된다. 즉 마이크로 밸브는 유체 플랫폼에서 유체 흐름을 제어하는 필수 구성요소라 할 수 있고, 자기식, 전기식, 압전식, 공압식 등으로 구분할 수 있다. 특히 공압식 마이크로 밸브는, 마이크로 유체 역학 및 소프트 리소그래피(soft-lithography) 기반으로 제조된다.

상기 공압식 마이크로 밸브는 개방형과 폐쇄형 2가지로 구분할 수 있다. 그 중 개방형 마이크로 밸브가 용이한 제조, 집적화에 따른 소형화의 이유 등으로 상기 폐쇄형 마이크로 밸브보다 더 많이 사용된다. 개방형 공압식 마이크로 밸브는 밸브 챔버, 변형 가능한 멤브레인, 유체 채널을 포함하여 구성된다. 여기서 멤브레인은 밸브 챔버 내의 압력 변화를 이용하여 유체 챔버 또는 유체 채널을 완전하게 밀봉해야 한다.

하지만, 현재 사용되는 마이크로 밸브는 유체 흐름을 완전하게 차단하지 못하는 단점이 있다. 이는 유체 챔버 및 유체 채널의 형상이 직사각형 단면(rectangular-cross-section)으로 형성되기 때문이다.

이와 같이 종래 마이크로 밸브의 챔버 및 채널 구조에 따라 유체를 완전하게 차단하지 못하는 문제점에 대해서는 아래에서 본 발명의 마이크로 밸브소자의 구조를 설명하면서 함께 설명하기로 한다.

대한민국 공개 특허공보 10-2011-0136629호(2011. 12. 21. 마이크로 밸브를 갖는 미세 유체 소자)

본 발명의 목적은 마이크로 밸브의 유체 챔버 및 유체 채널의 형상을 변경하여 유체 흐름을 정확하게 단속할 수 있도록 하는 마이크로 공압 밸브 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 실리콘 웨이퍼 상부면에 유체 채널 및 챔버 형상을 가지는 SU-8 구조물을 위치시킨 후, 폴리디메틸 실록산(PDMS)을 소정 두께로 부어 경화시켜 PDMS 구조물을 형성하는 단계; 상기 실리콘 웨이퍼와 상기 SU-8 구조물을 제거한 후, 상기 PDMS 구조물의 하부면에 글래스 기판(glass substrate)을 접합시켜 상기 SU-8 구조물이 제거된 홈을 형성하는 단계; 상기 PDMS 구조물의 상부면에 액상의 PDMS을 도포한 후 열 경화 과정을 수행함으로써, 상기 액상의 PDMS을 열경화시킴과 동시에 상기 홈 내부의 공기를 열팽창시키는 단계; 및 상기 PDMS 구조물과 상기 글래스 기판을 제거하여 반원통 형상의 유체 채널과 반구형 형상의 챔버를 형성한 후, 상기 유체 채널과 상기 챔버가 밀폐되도록 상기 열경화된 PDMS 위에 밸브 다이어프램과 밸브 챔버층을 순차 결합하는 단계를 포함하는 마이크로 공압 밸브 소자의 제조방법을 제공한다.

상기 유체 챔버와 상기 유체 채널의 높이는 각각 125㎛ 및 40㎛로 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 열 경화과정은 100℃에서 30분간 진행되는 것을 특징으로 한다.

상기 밸브 다이어프램 및 상기 마이크로 공압 밸브 소자는 PDMS으로 제조되는 것을 특징으로 한다.

상기 유체 챔버의 직경보다 외부 압축 공기 유입에 따라 상기 밸브 다이어프램의 변형을 유도하는 상기 밸브 챔버의 직경이 더 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 유체 챔버 및 상기 밸브 챔버의 직경은 각각 650㎛, 900㎛이고, 상기 유체 채널과 공압 채널의 폭은 250㎛으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 유체 채널과 상기 공압 채널은 서로 수직되게 형성되는 것을 특징으로 한다.

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이와 같은 본 발명에 따른 마이크로 공압 밸브 소자 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명은 유채 채널층, 밸브 다이어프램 및 밸브 챔버 층의 3개 층으로 구성되는 마이크로 공압 밸브 소자를 제공하는데, 이때 유체 채널층에 형성되는 유체 챔버와 유체 채널의 단면을 반원형상으로 형성하고 있다.

따라서 외부 압축공기가 유입되면 밸브 챔버의 팽창에 따라 밸브 다이어프램은 반원형상의 유체 챔버의 바닥면과 접촉하기 때문에, 유체 채널을 통해 흐르는 유체를 누설시키지 않으면서 차단할 수 있다.

그 결과, 본 발명의 마이크로 공압 밸브 소자는 유체 흐름을 정확하게 단속할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마이크로 밸브 소자의 사시도
도 2는 도 1의 분리 사시도
도 3은 종래 마이크로 밸브 소자와 본 발명의 마이크로 밸브 소자의 동작 예시도
도 4는 본 발명에 따른 마이크로 밸브 소자의 제조공정을 설명하는 공정도
도 5a는 도 4의 방법으로 제조된 마이크로 밸브 소자의 유체 챔버 및 유체 채널을 보인 SEM 사진
도 5b는 도 5a의 부분 확대도
도 6은 종래 마이크로 밸브 소자와 본 발명의 마이크로 밸브 소자의 누설 상태를 보인 도면
도 7은 종래 마이크로 밸브 소자와 본 발명의 마이크로 밸브 소자의 시간 대비 유량 분포 상태를 보인 그래프
도 8은 종래 마이크로 밸브 소자와 본 발명의 마이크로 밸브 소자의 효율 특성을 비교한 그래프
도 9는 다양한 압력하에서 밸브 다이어프램의 수직 변위를 보여주는 그래프

본 발명은 마이크로 밸브의 유체 챔버 및 유체 채널의 단면을 반원형상으로 형성함으로써, 외부에서 공급되는 압축공기에 의해 팽창하는 밸브 다이어프램이 유체 채널을 완전하게 차단하여 유체 흐름을 단속하는 것을 기본적인 기술적 요지로 한다.

이하 본 발명에 의한 마이크로 밸브 소자 및 그 제조방법의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

여기서 본 발명을 설명함에 있어 마이크로 밸브, 마이크로 공압 밸브, 공압식 마이크로 밸브, 개방형 공압식 마이크로 밸브는 모두 동일한 밸브를 말하고 있으며, 이하에서는 마이크로 밸브라 칭하기로 한다.

또한 본 발명은 유체 누설을 차단하기 위하여 종래 마이크로 밸브의 구조 일부를 개선한 마이크로 밸브를 제안한 것이고, 이 둘의 성능은 여러 실험 비교를 통해 분석하고 있다. 따라서 이하에서는 비교 설명시에는 종래 마이크로 밸브와 본 발명 마이크로 밸브로 칭하여 설명하도록 한다. 아울러 종래 마이크로 밸브로 칭하지 않고 마이크로 밸브로 칭할 경우 상기 마이크로 밸브는 본 발명에 따른 마이크로 밸브를 지칭하는 것임에 유의하도록 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마이크로 밸브 소자의 사시도이고, 도 2는 도 1의 분리 사시도이다.

도 1 및 도 2를 살펴보면, 마이크로 밸브 소자(100)는 3개의 폴리디메틸 실록산(polydimethylsiloxane: PDMS) 층으로 구성된다. 즉 마이크로 밸브 소자(100)는 하부에서부터 유체 채널층(fluid channel layer)(110), 밸브 다이어프램(valve diaphragm layer)(120), 밸브 챔버층(valve chamber layer)(130)이 적층되어 구성된다.

유체 채널층(110)은 유체의 통로 역할을 하는 유체 채널(fluid channel)(112)이 형성되며, 상기 유체 채널(112)의 경로 중간에 유체 챔버(fluid chamber)(114)가 형성된다. 그리고 유체 채널(112) 및 유체 챔버(114)의 바닥면은 단면에서 봤을 때 모두 반원형상(semicircular)으로 형성된다. 본 실시 예에서 유체 챔버(114)의 직경은 650㎛이고 유채 채널(112)의 폭은 250㎛이다.

밸브 챔버층(130)에는 밸브 챔버(valve chamber)(134), 그 밸브 챔버(134)의 일 측에 연결되는 공압 채널(pneumatic channel)(132)이 형성된다. 공압 채널(132)은 외부에서 압축 공기를 공급하는 채널로서, 상기 유체 채널(112)과는 직각 방향으로 형성된다. 본 실시 예에서 밸브 챔버(134)의 직경은 900㎛이고, 공압 채널(132)의 폭은 250㎛이다.

유체 채널층(110)과 밸브 챔버층(130) 사이에 개재된 밸브 다이어프램('PDMS 다이어프램'이라고도 함)(120)은 압력 변화에 의해 유체 챔버(114) 방향으로 팽창하면서 유체 챔버(114)와 연결된 유체 채널(112)을 폐쇄시키는 역할을 한다. 즉, 마이크로 밸브 소자(100)는 외부에서 압축 공기가 공압 채널(132)을 통해 밸브 챔버(134)로 공급되면, 얇은 막으로 형성된 밸브 다이어프램(120)은 하방향(즉, 유체 챔버의 바닥 방향)으로 팽창하면서 유체 채널(112)을 폐쇄시키는 것이다. 이에 유체 채널(112)을 통해 흐르는 유체 흐름과 유체가 외부로 누설되는 것을 완벽하게 차단하게 된다.

이는 종래 마이크로 밸브 소자와 본 발명의 마이크로 밸브 소자의 동작 예시도를 보인 도 3을 보면 알 수 있다. 도 3의 (a) 및 (b)는 종래 마이크로 밸브로서 단면에서 봤을 때 유체 챔버가 사각형상이다. 그래서 밸브 챔버의 팽창에 따라 밸브 다이어프램도 하 방향으로 팽창하게 되는데, 이 경우 유채 채널의 모서리 영역(A)은 구조적인 문제로 인해 차단하지 못함을 알 수 있다. 반면 도 3의 (c) 및 (d)을 보면, 밸브 챔버(134)의 팽창에 따라 밸브 다이어프램(120)은 유체 챔버(114)의 반원 형상과 일치하면서 팽창하게 된다. 그래서 밸브 다이어프램(120)은 유체 챔버(114)의 바닥면과 완벽하게 접촉하는 형태이고, 따라서 유체 챔버(114)의 양측과 연계된 유체 채널(112)이 모두 차단되는 효과를 제공할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 마이크로 밸브소자의 제조공정을 설명하는 공정도이다.

(a)는 평편한 실리콘 웨이퍼(1)에 유체 챔버를 만들기 위한 성형물, 즉 SU-8 몰드(2)를 올려놓은 상태에서 그 위에 폴리디메틸 실록산(PDMS)(3)을 부어 경화시킨다. 실시 예에서 상기 PDMS(3)의 두께는 약 43㎛이다.

그 상태에서 (b)와 같이 상기 경화된 PDMS 층(3)을 SU-8(2)로부터 박리하면, SU-8(2)이 제거된 홈(4)이 형성된 PDMS 층(3)이 얻어지고, 이를 글래스 기판(glass substrate)(5)에 접합한다. 그런 다음, (c)에 도시된 바와 같이 상기 PDMS 층(3) 위에 액상의 PDMS(liquid PDMS)(6)을 제공한다. 이때 액상의 PDMS(6)는 상기 PDMS 층(3) 위에 놓여진 일련의 구조물(미도시) 내에 공급될 것이다.

이후, 일련의 핫 플레이트(hot plate) 장치를 이용하여 상기 액상의 PDMS(6)을 경화시킨다. 열 경화과정은 100℃에서 약 30분간 진행시켰다. 그리고 상기 열 경화과정이 진행되면, (d)와 같이 홈(4)의 공간 내에 존재하는 포획된 공기의 열팽창에 따라 PDMS 층(3)은 화살표 방향과 같이 부풀리게 되어 도면부호 3'과 같이 된다. 그리고 상기 변형된 PDMS 층(3')의 변형된 형상은 액상의 PDMS(6)에 그대로 전이되고, 따라서 변형된 PDMS(6')가 형성된다.

열 경화과정이 완료된 다음에는 글래스 기판(5)과 PDMS 층(3')을 제거하면 (e)와 같이 반원형상의 유체 챔버가 형성된 PDMS 층(7)을 얻을 수 있다. 그리고 추가적으로 유체 채널을 형성하는 과정이 더 수행된다. 유체 채널 역시 바닥면은 반원형상으로 형성된다. 본 실시 예에서 반원형상의 유체 챔버와 유체 채널의 높이는 각각 150㎛, 40㎛로 만들어진다.

마지막으로 (e)의 PDMS 층, 즉 유체채널 층(110, 도 2 참조) 위에, 도 2에서 설명한 밸브 다이어프램(valve diaphragm layer)(120)과 밸브 챔버층(valve chamber layer)(130)을 결합한다.

이로써, 마이크로 밸브 소자(100)를 제조할 수 있다.

도 5a는 도 4의 방법으로 제조된 마이크로 밸브 소자의 유체 챔버 및 유체 채널을 보인 SEM 사진이고, 도 5b는 도 5a의 부분 확대도이다. 도 5a를 보면 위에서 설명한 바와 같이 유체 챔버(114)의 높이는 150㎛이고 유체 채널(112)의 높이는 40㎛로서 차이가 있음을 확인할 수 있다. 그리고 5b는 PDMS 패턴에 주름 패턴이 형성되고 있는데, 상기 주름 패턴은 상기 열 경화공정으로 인하여 액상의 PDMS가 수축되는 동안 PDMS에 작용하는 압축응력(compressive stress) 때문에 발생한다.

다음에는 종래 마이크로 밸브 소자와 본 발명의 마이크로 밸브 소자의 차이점에 대해 비교설명을 통해 더 자세하게 설명한다.

도 6에는 종래 마이크로 밸브 소자와 본 발명의 마이크로 밸브 소자의 누설 상태를 보인 도면으로서, 도 6의 (a) 및 (b)는 종래 마이크로 밸브 소자이고, (c) 및 (d)는 본 발명의 마이크로 밸브 소자를 나타낸다.

이를 보면, 종래 마이크로 밸브 소자는 유체 채널에서 유체 누설 현상이 발생하고 있으나, 본 발명의 마이크로 밸브 소자의 경우 유체가 완벽하게 차단되고 있음을 알 수 있다. 참고로, 도 6의 실험 조건은 외부에서 압축 공기를 100 kPa 압력으로 공급하였고, 이때 유체 누설 상태는 디지털 마이크로스코프(Hi-Rox, KH-7700) 및 유량센서(Sensirion, ASL 1600)를 통해 관찰하였다.

이처럼 본 발명의 마이크로 밸브 소자(100)에서는 밸브 다이어프램(120)에 의해 유체 채널이 완전하게 닫힌다는 것을 알 수 있는 것이다.

도 7은 시간 대비 유량 분포를 보인 그래프로서, (a)는 종래 마이크로 밸브 소자이고 (b)는 본 발명의 마이크로 밸브 소자이다.

본 발명의 마이크로 밸브 소자가 종래 마이크로 밸브 소자보다 밸브의 온/오프 시간을 짧게 하면서도 대략 400 초까지 유량 감소가 크게 나타나고 있음을 알 수 있다.

도 8은 마이크로 밸브 소자들의 효율 특성을 보인 그래프이다.

밸브 효율은 공급된 유량(Q) 대비 유량 차(△ Q)의 비율로 정의된다. 그리고 그래프와 같이 유량은 분당 200에서 500 ㎕까지 다양하게 공급되는 것을 예시하였다.

그래프를 보면, 도입 유량이 분당 200㎕인 경우 본 발명의 밸브 효율이 종래 밸브 효율보다 더 컸다. 즉, 외부 압력이 40kPa일 때 본 발명의 마이크로 밸브 소자는 97%이고 종래 마이크로 밸브 소자는 65%이다. 또한 본 발명이 밸브 효율이 빠르게 증가하고, 압력이 증가하면 포화상태가 되었다. 반면 종래 밸브의 효율은 서서히 증가하였고 포화상태가 되었다. 즉 종래 마이크로 밸브 소자는 적용된 압력 범위 내에서 100% 효율을 달성하기 어려웠다. 유량이 증가할수록 본 발명의 밸브 효율은 더 낮은 압력하에서 종래 밸브보다 낮았지만 압력이 증가할수록 본 발명의 밸브 효율은 훨씬 더 크게 나타나고 있음을 알 수 있다.

도 9는 다양한 압력하에서 밸브 다이어프램의 수직 변위를 보여주는 그래프이다.

종래 밸브의 변위는 유체 채널과 챔버 영역의 깊이에 의해 제한받고 있다. 따라서 종래 밸브 다이어프램은 20kPa의 압력이 적용되는 경우에도 변형이 일어나고 유체 챔버의 중심과 접촉한다. 그리고 압력이 증가하면 그 접촉 영역은 팽창하지만, 유체 챔버 영역을 완전하게 폐쇄하지 못하고 있다.

그러나 본 발명의 밸브는 압력이 커질수록 밸브 다이어프램은 완전하게 팽창하고 있다. 이에 변형된 밸브 다이어프램은 유체 채널의 경계면과 유체 채널의 상부를 모두 덮게 된다. 그렇기 때문에 유체 채널을 차단할 수 있다.

이와 같이 본 실시 예는 유체 챔버의 바닥면을 반원 형상으로 형성시켜서 압축공기가 공급될 때 밸브 챔버의 팽창 동작과 대응되어 하방향으로 팽창되는 밸브 다이어프램에 의해 유체 채널이 차단되도록 구성됨을 기술적 요지로 제공한다.

이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

110 : 유체 채널층 112 : 유체 채널
114 : 유체 챔버 120 : 밸브 다이어프램
130 : 밸브 챔버층 132 : 공압 채널
134 : 밸브 챔버

Claims (11)

1. 실리콘 웨이퍼 상부면에 유체 채널 및 챔버 형상을 가지는 SU-8 구조물을 위치시킨 후, 폴리디메틸 실록산(PDMS)을 소정 두께로 부어 경화시켜 PDMS 구조물을 형성하는 단계;
   상기 실리콘 웨이퍼와 상기 SU-8 구조물을 제거한 후, 상기 PDMS 구조물의 하부면에 글래스 기판(glass substrate)을 접합시켜 상기 SU-8 구조물이 제거된 홈을 형성하는 단계;
   상기 PDMS 구조물의 상부면에 액상의 PDMS을 도포한 후 열 경화 과정을 수행함으로써, 상기 액상의 PDMS을 열경화시킴과 동시에 상기 홈 내부의 공기를 열팽창시키는 단계; 및
   상기 PDMS 구조물과 상기 글래스 기판을 제거하여 반원통 형상의 유체 채널과 반구형 형상의 챔버를 형성한 후, 상기 유체 채널과 상기 챔버가 밀폐되도록 상기 열경화된 PDMS 위에 밸브 다이어프램과 밸브 챔버층을 순차 결합하는 단계를 포함하는 마이크로 공압 밸브 소자의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 챔버와 상기 유체 채널의 높이는 각각 125㎛ 및 40㎛로 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 공압 밸브 소자의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 열 경화과정은 100℃에서 30분간 진행되는 것을 특징으로 하는 마이크로 공압 밸브 소자의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 다이어프램 및 상기 마이크로 공압 밸브 소자는
   PDMS으로 제조되는 것을 특징으로 하는 마이크로 공압 밸브 소자의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 챔버의 직경보다 외부 압축 공기 유입에 따라 상기 밸브 다이어프램의 변형을 유도하는 상기 밸브 챔버의 직경이 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 공압 밸브 소자의 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 챔버 및 상기 밸브 챔버의 직경은 각각 650㎛, 900㎛이고,
   상기 유체 채널과 공압 채널의 폭은 250㎛으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 공압 밸브 소자의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 유체 채널과 상기 공압 채널은 서로 수직되게 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 공압 밸브 소자의 제조방법.
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