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KR20070061109A - 멤브레인을 구비하는 열공압 마이크로밸브 - Google Patents

멤브레인을 구비하는 열공압 마이크로밸브 Download PDF

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KR20070061109A
KR20070061109A KR1020060046522A KR20060046522A KR20070061109A KR 20070061109 A KR20070061109 A KR 20070061109A KR 1020060046522 A KR1020060046522 A KR 1020060046522A KR 20060046522 A KR20060046522 A KR 20060046522A KR 20070061109 A KR20070061109 A KR 20070061109A
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control chamber
membrane
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pressure
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Abstract

본 발명은 유체의 유동 및 그의 유량을 제어할 수 있는 열공압 마이크로 밸브에 관한 것이다. 상기 본 발명에 따른 열공압 마이크로밸브는 유체를 유동시키기 위한 채널들; 상기 채널들을 연결하는 유동 제어 챔버; 온도 변화에 따라 부피가 팽창하는 매질을 포함하는 압력 제어 챔버; 상기 압력 제어 챔버의 매질의 온도를 제어하기 위한 온도 제어부; 및 상기 유동 제어 챔버 및 압력 제어 챔버를 분할하고 상기 압력 제어 챔버의 압력이 증가하는 경우 탄성 변형되어 상기 유동 제어 챔버를 차지함으로써 상기 채널들의 유체 유동을 제어하는 멤브레인을 포함한다.

Description

멤브레인을 구비하는 열공압 마이크로밸브{Thermopneumatic microvalve with membrane}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열공압 마이크로 밸브를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열공압 마이크로 밸브를 도시하는 분리 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 멤브레인의 형상 변화에 따른 밸브 작동을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시된 멤브레인의 형상 변화에 따른 유량 조절을 설명하기 위한 단면도 및 선도이다.
도 5a 내지 도 5d는 유동 제어 챔버의 다양한 형상을 도시하는 일부 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 적용된 본딩에 의한 멤브레인 고정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 유동 제어 챔버 및 멤브레인 챔버의 다양한 형태의 조합을 도시하는 일부 평면도이다.
본 발명은 열공압 마이크로 밸브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오칩 및 랩온어칩에 사용되는 마이크로유동장치에 적용될 수 있는 열공압 마이크로 밸브에 관한 것이다.
일반적으로, DNA칩 또는 단백질칩과 같은 생화학적 분석을 위한 바이오칩, 및 미소 유체 제어 기술을 이용한 랩온어칩 등에서는 액체 상태의 시료 샘플을 마이크로 채널들에서 정지, 유량조절, 펌핑, 혼합, 배분 및 분리와 같은 유동 제어 기술을 필요로 하며, 이를 위한 다양한 제어 방식이 제안되고 있다.
상기 미소 유체의 정지 및 유량조절의 역할을 하는 것이 마이크로밸브이며, 미소 유체의 펌핑을 수행하는 것은 마이크로펌프라고 통칭한다. 상기 마이크로밸브와 마이크로펌프는 그 구동 방식이 상호 연관되어 있으며, 다양한 방식의 마이크로밸브 및 펌프가 제안되고 있다.
예컨대, 상기 마이크로 펌프 및 밸브의 구동방식으로서 기계적 공압식 및 PZT(Piezoelectric effect) 등을 이용한 마이크로 액츄에이터형 구동법(Microactuating method), 전기영동법(Electrophoretic method) 및 전기삼투법(Electroosmotic method)과 같은 전기수력학적(EHD, Electro-hydrodynamic) 구동법, 전기화학적(Electrochemical) 반응을 이용한 구동법, 파라핀, 젤, 다공성 풀리머 또는 비드의 열적 광학적 및 전기적 특성 변화를 이용한 구동법, 표면장력에 의한 모세관 유동법(Capillary flow method), 표면음파(SAW, Surface Acoustic Wave) 구동법, 원심력 또는 코리올리힘을 이용한 체적력 제어식 구동법, 열적, 전기적 전하 또는 광학적 표면 재료 특성 변화를 이용한 구동법 등의 다양한 방식이 존재한다.
이와 같이 지금까지 다양한 구동방식에 의한 다양한 마이크로펌프 및 밸브가 제안되었으나 구동방식, 제조 및 제어가 복잡하거나, 실리콘과 같은 고가의 재료를 필요로 하거나, 구동 유량 및 압력 등의 한계를 보이는 경우가 많았다.
따라서, 이러한 단점을 극복한 간단하고 저가의 고성능 마이크로펌프 및 마이크로밸브의 제안이 요구된다. 특히, 바이오칩과 랩온어칩의 경우 직접도가 높아질수록 다양한 기능을 수행하는 챔버와 채널들의 수가 많아지고, 이에 따라 직접 시켜야 할 마이크로밸브의 수가 증가하여 구동 제어가 복잡해지고 고가가 된다. 따라서, 기존의 방식을 이용할 경우 일회용으로 사용하기에 적합하지 않은 경우가 발생하게 된다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 간단한 구동 방식으로 유체의 유동 및 그의 유량을 제어할 수 있는 저가의 마이크로밸브를 제공하는 것이다.
본 발명은 유체를 유동시키기 위한 채널들; 상기 채널들을 연결하는 유동 제어 챔버; 온도 변화에 따라 부피가 팽창하는 매질을 포함하는 압력 제어 챔버; 상기 압력 제어 챔버의 매질의 온도를 제어하기 위한 온도 제어부; 및 상기 유동 제 어 챔버 및 압력 제어 챔버를 분할하고 상기 압력 제어 챔버의 압력이 증가하는 경우 탄성 변형되어 상기 유동 제어 챔버를 차지함으로써 상기 채널들의 유체 유동을 제어하는 멤브레인을 포함하는 열공압 마이크로밸브를 제공한다.
상기 열공압 마이크로밸브는 상기 채널들에 연결된 유체의 유입구 및 유출구를 더 포함할 수 있다.
상기 압력 제어 챔버의 측벽은 열전달 계수가 낮은 재료로 형성될 수 있다.
상기 압력 제어 챔버는 원뿔대 또는 각뿔대 형태를 가질 수 있다.
상기 매질은 공기일 수 있다.
상기 매질은 질소, 산소, 이산화탄소 및 헬륨을 포함하는 기체; 물, 알코올, 아세톤 및 수은을 포함하는 액체; 및 파라핀, 젤, 폴리머 및 다공성 물질을 포함하는 고체 물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 유동 제어 챔버 및 압력 제어 챔버를 형성하는 측벽은 탄성 변형이 없는 플라스틱으로 형성될 수 있다.
상기 멤브레인에 접하는 유동 제어 챔버의 단면 및 압력 제어 챔버의 단면은 동일한 형상을 가질 수 있다.
상기 온도 제어부는 히터 및 온도 센서를 포함할 수 있다.
상기 멤브레인은 기체 및 액체를 투과시키지 않고 탄성 변형 및 복원이 가능한 것일 수 있다.
상기 멤브레인은 실리콘 고무, 라텍스 필름 및 PDMS 필름으로 이루어진 군에서 선택되는 재료로 형성될 수 있다.
본 발명은 유체를 유동시키기 위한 채널들 및 상기 채널들을 연결하는 유동 제어 챔버가 형성되어 있는 제1 기판; 온도 변화에 따라 부피가 팽창하는 매질을 포함하는 압력 제어 챔버의 측벽 및 멤브레인 챔버가 형성되어 있고 상기 제1 기판에 접합되는 제2 기판; 상기 멤브레인 챔버의 적어도 일부에 형성되어 상기 유동 제어 챔버 및 압력 제어 챔버를 분할하고 상기 압력 제어 챔버의 압력이 증가하는 경우 탄성 변형되어 상기 유동 제어 챔버를 차지함으로써 상기 채널들의 유체 유동을 제어하는 멤브레인; 및 상기 압력 제어 챔버의 매질의 온도를 제어하기 위하여 히터 및 온도센서를 포함하고 상기 압력 제어 챔버의 일면을 형성하는 온도 제어 기판을 포함하는 열공압 마이크로밸브를 제공한다.
상기 제1 기판 및 제2 기판은 탄성 변형이 없는 플라스틱으로 형성될 수 있다.
상기 제1 기판 및 제2 기판의 접합은 열간 가압 접합, 접착제 접합 또는 초음파 접합에 의해 수행될 수 있다.
상기 멤브레인의 두께는 상기 멤브레인 챔버의 깊이 보다 크고 상기 제1 기판 및 제2 기판의 접합시에 상기 멤브레인은 부분적으로 압축되어서 고정될 수 있다.
상기 압력 제어 챔버의 상기 멤브레인에 접하는 단면은 상기 유동 제어 챔버의 단면과 일치하고 그와 대향하는 단면은 상기 히터의 면적과 상응하는 원뿔대 또는 각뿔대 형태를 가질 수 있다.
상기 매질은 공기일 수 있다.
상기 매질은 질소, 산소, 이산화탄소 및 헬륨을 포함하는 기체; 물, 알코올, 아세톤 및 수은을 포함하는 액체; 및 파라핀, 젤, 폴리머 및 다공성 물질을 포함하는 고체 물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 멤브레인은 기체 및 액체를 투과시키지 않고 탄성 변형 및 복원이 가능한 것일 수 있다.
상기 멤브레인은 실리콘 고무, 라텍스 필름 및 PDMS 필름으로 이루어진 군에서 선택되는 재료로 형성될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열공압 마이크로 밸브를 도시하는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열공압 마이크로밸브는 채널들, 유동 제어 챔버(102), 압력 제어 챔버(107), 온도 제어부(105, 106) 및 멤브레인(101)을 포함한다.
채널들은 유체를 유동시키는 통로 역할을 수행하고, 유동 제어 챔버(102)에 연결된다. 도 1에 있어서, 채널들은 유동 제어 챔버(102)의 단면에 수직 방향으로 형성되어 있어 도시되어 있지 않다. 상기 채널들은 제1 기판(103) 상에 형성되어 있다.
유동 제어 챔버(102)는 채널들을 연결하고, 상기 채널들에 흐르는 유체의 유동 및 그의 유량을 제어하는 기능을 수행한다. 유동 제어 챔버(102)를 형성하는 측벽은 탄성 변형이 없는 플라스틱으로 형성되는 것이 바람직하다. 유동 제어 챔버(102)는 제1 기판(103) 상에 형성되어 있다. 유동 제어 챔버(102)는 제1 기판(103) 및 멤브레인(101)으로 둘러싸여 있다.
압력 제어 챔버(107)는 제2 기판(104)에 형성된 측벽으로 둘러싸이고, 상부에는 멤브레인(101) 및 하부에는 온도 제어 기판(108)에 의해 둘러싸인다. 압력 제어 챔버(107)를 형성하는 측벽은 탄성 변형이 없고 열전달 계수가 낮은 재료, 예컨대 플라스틱으로 형성되는 것이 바람직하다.
압력 제어 챔버(107)는 온도 변화에 따라 부피가 팽창하는 매질을 포함한다. 상기 매질은 공기일 수 있고, 상기 공기와 함께 또는 독립적으로 질소, 산소, 이산화탄소 및 헬륨을 포함하는 기체; 물, 알코올, 아세톤 및 수은을 포함하는 액체; 및 파라핀, 젤, 폴리머 및 다공성 물질을 포함하는 고체 물질 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
압력 제어 챔버(107)는 구멍이 형성된 일 측면이 상기 제1 기판(103) 상의 유동 제어 챔버(102)의 중심에 위치하며, 반대 측면은 상기 온도 제어 기판의 히터(105)와 대응하도록 형성된다. 가열 온도 및 제2 기판(104)의 두께를 고려하여 공기 팽창율에 따라 체적을 조절할 수 있도록 두께 방향으로 테이퍼형, 즉 원뿔대 또는 각뿔대 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 멤브레인(101)에 접하는 유동 제어 챔버(102)의 단면 및 압력 제어 챔버(107)의 단면은 동일한 형상을 갖도록 대응되는 것이 바람직하다.
상기 유동 제어 챔버(102) 및 압력 제어 챔버(107)를 형성하는 측벽, 즉 제1 기판(103) 및 제2 기판(104)은 플라스틱, 특히 딱딱한 가소성 플리스틱으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 플라스틱은 예컨대, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 시클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer, COC), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether, PPE), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK), 폴리테트라프로오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate, PBT), 불소화 에틸렌프로필렌(fluorinated ethylenepropylene, FEP) 또는 퍼플로로알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane, PFA)일 수 있다.
온도 제어부는 압력 제어 챔버(107)의 매질의 온도를 제어한다. 온도 제어부는 온도 제어 기판(108) 상에 형성된 히터(105) 및 온도 센서(106)를 포함한다.
멤브레인(101)은 상기 유동 제어 챔버(102) 및 압력 제어 챔버(107)를 분할하고 상기 압력 제어 챔버(107)의 압력이 증가하는 경우 탄성 변형되어 상기 유동 제어 챔버(102)를 차지함으로써 상기 채널들의 유체 유동을 제어한다.
상기 멤브레인(101)은, 실리콘 고무, 라텍스 필름 및 PDMS 필름 등과 같이 공기와 같은 기체 및 액체를 투과시키지 않으면서 탄성 변형 및 회복이 가능한 재료로 제작되며, 제1 기판(103)의 유동 제어 챔버(102) 보다는 면적이 크고 제2 기 판(104)의 멤브레인 챔버(109) 내에 형성이 되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 멤브레인(101)은 스핀코팅(spin coating), 펀칭(punching) 또는 레이저 절단 등으로 제작될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열공압 마이크로 밸브를 도시하는 분리 사시도이다.
도 2를 참조하면, 열공압 마이크로 밸브는 제1 기판(203), 멤브레인(201), 제2 기판(204), 온도 제어 기판(208)으로 구성된다. 제1 기판(203)에는 유체를 유동시키기 위한 채널들(212), 상기 채널들을 연결하는 유동 제어 챔버(202) 및 상기 채널들에 연결된 유입구(211) 및 유출구(212)가 형성되어 있다. 상기 각 요소들은 NC 머신 또는 레이저 등에 의한 드릴링으로 형성될 수 있다. 상기 유입구(211) 및 유출구(212)는 목적에 따라 다수개 형성될 수 있고, 필요에 따라 제1 기판(203)이 아닌 제2 기판(204) 및 온도 제어 기판(208)을 통하여 형성될 수도 있다.
제2 기판(204)에는 온도 변화에 따라 부피가 팽창하는 매질을 포함하는 압력 제어 챔버(207)의 측벽 및 멤브레인 챔버(209)가 형성된다.
상기 제1 기판 및 제2 기판의 접합과 같은 기판들 간의 접합은 열간 가압 접합, 접착제 접합 또는 초음파 접합에 의해 수행될 수 있다.
멤브레인(201)은 상기 멤브레인 챔버(209)의 적어도 일부에 형성되어 상기 유동 제어 챔버(202) 및 압력 제어 챔버(207)를 분할하고 상기 압력 제어 챔버(207)의 압력이 증가하는 경우 탄성 변형되어 상기 유동 제어 챔버(202)를 차지함으로써 상기 채널들(210)의 유체 유동을 제어한다.
온도 제어 기판(208)에는 상기 압력 제어 챔버(207)의 매질의 온도를 제어하기 위하여 히터(205), 온도센서(206) 및 전극(213)이 형성된다.
제1 기판(203) 상의 채널들(210), 유동 제어 챔버(202), 유입구(211) 및 유출구(212), 제2 기판(204) 상의 멤브레인 챔버(209), 압력 제어 챔버(207)의 가공은 NC(Numerical Control) 머시닝, 레이저 어블레이션(Laser Ablation), 전기방전, 캐스팅(Casting), 광조형(Stereolithography), 쾌속조형(Rapid Prototyping), 사진식각법(photolithography), 핫엠보싱(Hot Embossing), 사출성형(Injection Molding)과 같은 통상적인 폴리머 가공법으로 제작될 수 있다. 특히, 저가의 다중 제작을 위하여 핫엠보싱이나 사출성형이 적합하다.
상기 밀폐된 압력 제어 챔버(207)의 가열은, 온도 제어 기판(208)에 형성되는 전극(213)을 통한 히터(205)로의 전력 전달로 이루어지며, 압력 제어 챔버(207)의 온도 조절은 히터(205)에 인접한 온도센서(206)를 통한 온도 측정으로 히터(205)로의 전력 전달을 제어하여 이루어진다. 전술한 밀폐된 압력 제어 챔버(207)는 측면의 모든 재료가 플라스틱과 같은 열 전달률이 작은 재질로 구성되어 히터(205)의 열이 공기를 데우는데 주로 이용되어 열손실을 최소화시키는 것이 바람직하다.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 멤브레인의 형상 변화에 따른 밸브 작동을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 압력 제어 챔버(307)는 멤브레인(301), 제2 기판(304) 및 온도 제어 기판(308)에 의해 공기가 밀폐된다. 온도 제어 기판(308)에 형성된 히터(305)에 의해 압력 제어 챔버(307) 속의 공기를 가열하면 공기의 열팽창에 의해 부피가 증가하고 이로 인해 밀폐된 공기의 압력이 증가한다. 증가된 압력은 탄성 변형이 가능한 얇은 멤브레인(301)을 변형시켜서 유동 제어 챔버(302)를 막게 된다. 즉, 채널들 및 유동 제어 챔버(302)를 흐르는 액체의 압력보다 압력 제어 챔버(307)의 압력이 커지면 유동 제어 챔버(302)는 멤브레인(301)에 의해 축소 또는 막히게 된다. 반대로, 온도 제어 기판(308)의 히터(305)를 통한 가열을 중단하면 압력 제어 챔버(307)의 열이 유동 제어 챔버(302), 멤브레인(301), 제2 기판(304) 및 온도 제어 기판(308)으로 전달되어 압력 제어 챔버(307) 속의 공기의 온도가 하강하여 공기가 수축되고 압력 제어 챔버(307)의 압력이 낮아져서 멤브레인(301)이 탄성 회복되어 원래 상태로 되돌아온다. 열공압 마이크로밸브는 가열이 없는 상온에서는 열림 상태가 되고(도 3a 참조), 가열에 의해 막힘 상태가 된다(도 3b 참조).
도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시된 멤브레인의 형상 변화에 따른 유량 조절을 설명하기 위한 단면도 및 선도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 멤브레인(401)과 유동 제어 챔버(402)의 상면 사이의 간극 δ과 이에 관련된 압력 제어 챔버(407)의 온도 사이의 관계를 보여준다. 간극 δ은 가열되지 않은 초기 상태에서는 유동 제어 챔버(402)의 높이 H이며, 압력 제어 챔버(407)의 온도가 증가하여 멤브레인 팽창 시작 온도(T1)이 되면 멤브레인의 변형이 시작되고, 온도가 증가함에 따라 압력 제어 챔버(407)의 압력이 증가하여 서서히 간극 δ가 감소하여, 유동 제어 챔버의 막힘 온도(T2)가 되면 유 동 제어 챔버(402)가 완전히 막히게 된다. 이후 압력 제어 챔버(407)의 추가적인 온도 증가에 따른 멤브레인(401)의 추가적인 변형이 없게 된다. 여기서, 멤브레인(401)의 변형이 시작되는 팽창 시작 온도(T1)는 압력 제어 챔버(407)의 압력이 유동 제어 챔버(402)의 액체 압력과 멤브레인 변형 시작 응력의 합보다 커지기 시작하는 온도이다. 멤브레인 팽창 시작 온도(T1)와 유동 제어 챔버의 막힘 온도(T2) 사이의 간극 δ의 변화는 멤브레인(401)의 재질 및 형상에 따라 비선형적으로 변화할 수 있으며, 온도를 적절히 조절하여 간극 δ을 조절하면 본 발명에서 제시한 열공압 마이크로밸브는 유량조절 밸브로도 사용이 가능하다.
도 5a 내지 도 5d는 유동 제어 챔버의 다양한 형상을 도시하는 일부 단면도이다.
도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 유동 제어 챔버(502)는 상기 멤브레인(501)이 변형되어 유동 제어 챔버 속의 액체를 밀어내고 유동 제어 챔버(502)의 상면과 쉽게 밀착이 가능한 구조가 바람직하며, 예컨대, 사각형(도 5a 참조), 타원형(도 5b 참조), 삼각형(도 5c 참조) 또는 마름모형(도 5d 참조)으로 형성이 가능하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 적용된 본딩에 의한 멤브레인 고정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6을 참조하면, 상기 멤브레인(601)은 제1 기판(603)과 제2 기판(604)의 결합을 통하여 고정되며, 이때 상기 제1 기판(603) 및 제2 기판(604)의 결합은 열간 가압 접합, 점착제 접합 및 초음파 접합 등이 이용될 수 있다.
한편, 멤브레인(601)의 두께(t)는 멤브레인 챔버(609)의 높이(h)보다 미소하 게 커서 상기 제1 기판(603)과 제2 기판(604) 접합시에 멤브레인(601)이 부분적으로 압축되어서 고정되는 것이 바람직하다. 또한, 접합시의 압축에 의해 멤브레인(601)의 수평방향으로의 확장변형을 고려하여 멤브레인 챔버(609)가 멤브레인(601)보다 적당항 크기(d) 만큼 크게 형성되는 것이 바람직하다.
도 7은 유동 제어 챔버 및 멤브레인 챔버의 다양한 형태의 조합을 도시하는 일부 평면도이다.
도 7을 참조하면, 유동 제어 챔버(702)는 멤브레인 챔버(709)의 중심에 위치하고 채널들(710)의 폭보다는 크고 멤브레인 챔버(709) 보다는 크기가 작다. 유동 제어 챔버(702)와 멤브레인 챔버(709)의 형상은 구동압력, 구동온도 및 채널들(710)의 형상 등의 변화에 따라 크기 및 모양을 변형하는 것이 바람직하다. 예컨대, 유동 제어 챔버(702)와 멤브레인 챔버(709)의 형상은 원형(도 7a 참조), 수평타원형(도 7b 참조), 마름모형(도 7c 참조), 직사각형(도 7d 참조) 또는 수직타원형(도 7e 참조) 등일 수 있다.
한편, 상기 본 발명에 따른 열공압 마이크로밸브는, 압력 제어 챔버의 연속적인 가열 및 냉각을 통하여 유동 제어 챔버 내의 액체를 일정한 방향으로 펌핑시키는데도 응용이 가능하며, 이 경우 열공압 마이크로펌프로 이용이 가능하다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 열공압 마이크로밸브는 간단한 구동 방식으로 유체의 유동 및 그의 유량을 제어할 수 있고 제조 가격이 저렴하다. 또한, 간단한 제작 공정, 간단한 제어 방식 및 넓은 구동 범위를 갖고 폴리머 유체소자에 국부적으로 형성 가능하여 다양한 유체 제어를 요구하는 각종 바이오칩, 랩온어칩, 바이오센서 및 화학 센서에 응용이 용이한 이점이 있다. 본 발명의 열공압 마이크로밸브는 유체의 유동을 온오프할 수 있을 뿐만 아니라 멤브레인의 변형률을 조절하여 유량을 제어할 수 있고 연속적인 가열 및 냉각을 통하여 유동 제어 챔버 내의 액체를 일정한 방향으로 펌핑 시키는데 응용할 수 있다.

Claims (16)

  1. 유체를 유동시키기 위한 채널들;
    상기 채널들을 연결하는 유동 제어 챔버;
    온도 변화에 따라 부피가 팽창하는 매질을 포함하는 압력 제어 챔버;
    상기 압력 제어 챔버의 매질의 온도를 제어하기 위한 온도 제어부; 및
    상기 유동 제어 챔버 및 압력 제어 챔버를 분할하고 상기 압력 제어 챔버의 압력이 증가하는 경우 탄성 변형되어 상기 유동 제어 챔버를 차지함으로써 상기 채널들의 유체 유동을 제어하는 멤브레인을 포함하는 열공압 마이크로밸브.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 채널들에 연결된 유체의 유입구 및 유출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 압력 제어 챔버의 측벽은 열전달 계수가 낮은 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 압력 제어 챔버는 원뿔대 또는 각뿔대 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 매질은 공기인 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 매질은 질소, 산소, 이산화탄소 및 헬륨을 포함하는 기체; 물, 알코올, 아세톤 및 수은을 포함하는 액체; 및 파라핀, 젤, 폴리머 및 다공성 물질을 포함하는 고체 물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 유동 제어 챔버 및 압력 제어 챔버를 형성하는 측벽은 탄성 변형이 없는 플라스틱으로 형성되는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 멤브레인에 접하는 유동 제어 챔버의 단면 및 압력 제어 챔버의 단면은 동일한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 온도 제어부는 히터 및 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 멤브레인은 기체 및 액체를 투과시키지 않고 탄성 변형 및 복원이 가능한 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 멤브레인은 실리콘 고무, 라텍스 필름 및 PDMS 필름으로 이루어진 군에서 선택되는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브.
  12. 유체를 유동시키기 위한 채널들 및 상기 채널들을 연결하는 유동 제어 챔버가 형성되어 있는 제1 기판;
    온도 변화에 따라 부피가 팽창하는 매질을 포함하는 압력 제어 챔버의 측벽 및 멤브레인 챔버가 형성되어 있고 상기 제1 기판에 접합되는 제2 기판;
    상기 멤브레인 챔버의 적어도 일부에 형성되어 상기 유동 제어 챔버 및 압력 제어 챔버를 분할하고 상기 압력 제어 챔버의 압력이 증가하는 경우 탄성 변형되어 상기 유동 제어 챔버를 차지함으로써 상기 채널들의 유체 유동을 제어하는 멤브레인; 및
    상기 압력 제어 챔버의 매질의 온도를 제어하기 위하여 히터 및 온도센서를 포함하고 상기 압력 제어 챔버의 일면을 형성하는 온도 제어 기판을 포함하는 열공압 마이크로밸브.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 제2 기판은 탄성 변형이 없는 플라스틱으로 형성되는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 제2 기판의 접합은 열간 가압 접합, 접착제 접합 또는 초음파 접합에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 멤브레인의 두께는 상기 멤브레인 챔버의 깊이 보다 크고 상기 제1 기판 및 제2 기판의 접합시에 상기 멤브레인은 부분적으로 압축되어서 고정되는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 압력 제어 챔버의 상기 멤브레인에 접하는 단면은 상기 유동 제어 챔버의 단면과 일치하고 그와 대향하는 단면은 상기 히터의 면적과 상응하는 원뿔대 또는 각뿔대 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브.
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