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KR20090081882A - 압전 방식 전압 발생기를 구비한 액적 토출 장치, 및 이를이용한 액적 토출 방법 - Google Patents

압전 방식 전압 발생기를 구비한 액적 토출 장치, 및 이를이용한 액적 토출 방법 Download PDF

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KR20090081882A
KR20090081882A KR1020080008033A KR20080008033A KR20090081882A KR 20090081882 A KR20090081882 A KR 20090081882A KR 1020080008033 A KR1020080008033 A KR 1020080008033A KR 20080008033 A KR20080008033 A KR 20080008033A KR 20090081882 A KR20090081882 A KR 20090081882A
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문재석
조혜정
이정건
홍진석
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Abstract

본 발명은, 용액을 수용하는 저수조; 상기 용액이 액적(液滴) 형태로 토출되는 개구(開口)를 구비한 노즐(nozzle); 및, 순간적인 가압에 의해 전압이 발생하는 압전 물질(piezoelectric material)을 포함하며, 상기 노즐을 통해 액적을 토출시키기 위하여 상기 압전 물질을 가압하여 발생하는 전압을 상기 용액에 인가하는 전압 발생기(voltage generator);를 구비한 액적 토출 장치와, 상기 액적 토출 장치를 이용한 액적 토출 방법을 제공한다.

Description

압전 방식 전압 발생기를 구비한 액적 토출 장치, 및 이를 이용한 액적 토출 방법{Droplet ejaculating apparatus with piezoelectric voltage generator, and droplet ejaculating method using the same}
본 발명은 액적 토출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기전하집중(Electric Charge Concentration)과 액기둥 잘림(liquid bridge breakup)을 이용하여 표적물(標的物)에 액적을 토출하는 장치와 액적을 토출하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 액적 토출 장치는 액적 토출 장치는 용액을 매우 작은 크기의 액적 단위로 토출하여 기판, 용지 등의 표적물에 안착되게 하는 장치를 일컫는다. 액적을 토출하는 방식에는 여러 가지가 있다. 잉크젯 프린터에 사용되는 잉크젯 방식도 상기 여러 방식들 중에 하나이다. 다만, 잉크젯 방식은 용액(잉크)에 열을 가하기 때문에 열 변성이 일어날 수 있는 용액의 토출에는 적합하지 않다. 특히, 바이오칩을 제작하는 경우와 같이 핵산, 단백질, 생체세포, 바이러스, 또는 박테리아 등의 생체분자를 포함하는 용액의 액적을 토출하고자 하는 경우에는 열을 가하지 않고 용액을 토출할 수 있는 액적 토출 장치가 요구된다.
본 발명은 전기전하집중 현상과 액기둥 잘림 현상을 이용하여 액적을 토출하고, 압전 방식의 전압 발생기(piezoelectric voltage generator)를 구비한 액적 토출 장치와, 상기 액적 토출 장치를 이용한 액적 토출 방법을 제공한다.
본 발명은, 용액을 수용하는 저수조; 상기 용액이 액적(液滴) 형태로 토출되는 개구(開口)를 구비한 노즐(nozzle); 및, 순간적인 가압에 의해 전압이 발생하는 압전 물질(piezoelectric material)을 포함하며, 상기 노즐을 통해 액적을 토출시키기 위하여 상기 압전 물질을 가압하여 발생하는 전압을 상기 용액에 인가하는 전압 발생기(voltage generator);를 구비한 액적 토출 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전압 발생기는 적어도 1kV 크기의 전압을 발생하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압전 물질은 자연계 생성물, 인공 생성물, 또는 고분자 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 자연계 생성물은 Bernite, Quartz, Cane sugar, 또는 dry bone 으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 인공 생성물은 Pb(ZrTi)O3, PbTiO3 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 고분자 물질은 PVDF(Polyvinylidene fluoride)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 노즐은, 상기 저수조 내의 용액에 잠기는 후단과, 상기 저수조 외부로 돌출된 전단을 구비한 모세관을 포함하고, 상기 액적이 토출되는 개구는 상기 전단과 후단을 관통하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액적 토출 장치는 상기 용액이 토출될 표적물(標的物)이 상기 노즐과 대면(對面)하도록 장착되는 표적물 장착부; 및, 상기 노즐에 대한 상기 표적물의 상대 위치를, 거리가 상대적으로 가까운 제1 위치와 거리가 상대적으로 먼 제2 위치 사이에서 왕복 이동시키는 거리 조정 수단;을 더 구비하고, 상기 제1 위치는 상기 노즐 전단으로부터 상기 표적물까지의 거리가 상기 용액에 인가된 전압에 의해 상기 표적물과 상기 노즐 전단 사이에 액기둥이 형성될 수 있는 최대 거리인 임계거리보다 가까운 위치이고, 상기 제2 위치는 상기 액기둥의 잘림이 일어날 정도로 먼 위치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 거리 조정 수단은 상기 노즐에 대한 상기 표적물의 상대 위치를 상기 제2 위치에서 제1 위치로, 그리고 다시 제2 위치로 이동시키고, 상기 전압 발생기는 상기 노즐 전단과 상기 표적물 사이의 거리가 0 보다 크고 상기 임계거리 이하일 때 상기 용액에 전압을 인가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 저수조 및 상기 노즐은 고정되고, 상기 거리 조정 수단은 상기 표적물 장착부를 움직여 상기 노즐 전단과 상기 표적물 사이의 거리를 조정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 표적물 장착부는 고정되고, 상기 거리 조정 수단은 상기 저수조 및 상기 노즐을 움직여 상기 노즐 전단과 기판 사이의 거 리를 조정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 모세관은 상기 저수조로부터 수직 상향으로 돌출되고, 상기 표적물 장착부는 상기 모세관의 상측에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 모세관은 하나의 저수조에 대하여 복수 개가 구비되고, 상기 전압 발생기는 상기 모세관의 개수와 동수(同數)가 구비되며, 상기 복수의 전압 발생기와 복수의 모세관은 일대일(一對一)로 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전압 발생기는 상기 저수조 내의 용액에 침지(沈漬)된 전극(electrode)을 통해 상기 용액에 전압을 인가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전압 발생기는 상기 노즐과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 저수조, 노즐, 및 전압 발생기를 내부에 수용하는 하우징(housing)을 더 구비하고, 상기 전압 발생기는 상기 하우징 내부의 일측에, 상기 노즐은 상기 하우징 내부의 타측에, 그리고 상기 저수조는 상기 하우징 내부의 상기 전압 발생기와 상기 저수조 사이에 배치될 수 있다.
또한 본 발명은, 저수조에 수용된 용액에 연결된 노즐과 상기 용액이 토출될 표적물(標的物) 사이의 상대 거리가, 0보다는 크고 상기 표적물과 상기 노즐 전단 사이에 액기둥이 형성될 수 있는 최대 거리인 임계거리와 같거나 작게 되도록 상기 노즐과 표적물을 접근시키는 단계; 압전 물질(piezoelectric material)을 포함하는 전압 발생기(voltage generator)를 준비하고, 상기 압전 물질을 가압하여 발생하는 전압을 상기 용액에 인가하여 상기 노즐과 표적물 사이에 액기둥을 형성하는 단계; 및, 상기 액기둥이 잘려 상기 표적물에 액적이 남을 수 있도록 상기 노즐과 표적물을 이격시키는 단계;를 구비하는 액적 토출 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액적의 크기를 조절하기 위하여 상기 노즐과 표적물을 이격시키는 속도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 노즐과 표적물 사이의 상대 거리를 변화시키기 위하여 상기 기판을 이동시키거나 상기 표적물을 이동시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 장치 및 액적 토출 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 토출 장치를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 전압 발생기를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 토출 장치(1)는 용액(25)을 수용하는 저수조(20)와, 상기 용액(25)을 액적(液滴) 형태로 미량씩 토출해내는 개구(開口, 11, 도 3a 참조)를 구비한 노즐(10)과, 상기 용액에 전압을 인가하기 위한 전압 발생기(voltage generator, 100)를 구비한다. 상기 노즐(10)은 상기 저수조(20) 내의 용액에 잠기는 후단(12, 도 3a 참조)과 상기 저수조(20) 외부로 돌출된 전단(13, 도 3a 참조)을 구비한 모세관(capillary tube)을 포함하며, 상기 개구(11)는 상기 전단(13)과 후단(12)을 관통하도록 형성된다.
상기 용액(25)의 액적이 토출될 표적물(30)은 상기 노즐(10)의 전단(13, 도 3a 참조)과 대면(對面)하게 배치된다. 상기 표적물(30)은 표적물 장착부(33)에 장착될 수 있다. 상기 표적물(30)은 액적이 토출될 매체를 지칭하는 것으로서, 예컨대 실리콘, 유리, 금속, 또는 플라스틱 등으로 만들어진 단단한 플레이트(plate) 혹은 종이, 폴리머 필름 등으로 만들어진 유연성 시트(sheet)도 표적물에 포함된다. 상기 표적물(30)의 표면에는 상기 노즐(10)의 개구(11, 도 3a 참조)로부터 토출된 액적(27)이 부착된다. 본 발명의 액적 토출 장치(1)를 DNA 마이크로어레이 등과 같은 바이오칩 제작에 사용하는 경우, 상기 표적물(30)의 표면은 아민기, 카르복실기, 스트렙타이비딘(streptavidine), 바이오틴(biotin), 티올(thiol), 폴리엘라이신(Poly-L-Lysine) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 물질이 코팅되어 토출될 액적(27)에 포함된 생체분자의 부착력을 향상시킬 수 있다.
상기 노즐(10)은 상기 도 1에 도시된 바와 같이 그 전단(13, 도 3a 참조)이 위를 향하도록 상기 저수조(20)로부터 수직 상향(z축 방향)으로 배치될 수 있고, 이때 표적물(30)은 상기 노즐(10)의 전단(13) 위에 배치될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니고, 노즐(10)이 비스듬하게, 수평으로 또는 수직 하향으로도 배치될 수도 있다. 상기 노즐(10)이 수직 상향으로 배치될 때, 용액의 수면 위로 노출된 상기 모세관의 길이는 상기 모세관 내에서 용액을 끌어 올리는 모세관력이 중력보다 큰 범위 내에서 결정될 수 있다.
상기 노즐(10)은 도전성 재료 또는 비(非)도전성 재료로 형성될 수 있다. 도전성 재료의 예로는 금, 백금, 구리, 알루미늄 등의 금속과 전도성 폴리머 등을 들 수 있고, 비도전성 재료의 예로는 유리 또는 폴리카보네이트, 폴리프로필렌 등의 비전도성 폴리머 등을 들 수 있다. 상기 노즐(10)이 도전성 재료로 형성된 경우, 상기 전압 발생기(100)는 상기 노즐(10)로 직접 연결된 리드선(45A, 45B, 45C, 45D, 도 5 참조)을 통해 용액(25)에 전압을 인가할 수 있다.
상기 노즐(10)이 비도전성 재료로 형성된 경우, 상기 전압 발생기(100)는 도 1에 도시된 것과 같이 저수조(20) 내의 용액(25)에 잠겨있는 침지전극(42)을 통해 용액(25)에 전압을 인가할 수도 있다. 한편, 상기 노즐(10)은 비도전성 재료로 형성되고 그 내벽에 도전성 재료층을 가지는 것일 수도 있다. 이 경우에도 상기 전압 발생기(100)는 상기 노즐(10) 내벽의 도전성 재료층으로 직접 연결된 리드선을 통해 용액에 전압을 인가할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 전압 발생기(100)는 순간적인 가압에 의해 전압이 발생하는 압전 물질(piezoelectric material)을 포함하는 압전 방식 전압 발생기이다. 상기 전압 발생기(100)는 케이스(101)와, 상기 케이스(101) 내부에 고정되고 상측이 개방된 고정 부재(105)와, 상기 고정 부재(105)의 상측 개구에 부분적으로 삽입되어 승강 가능한 승강 부재(110)와, 상기 승강 부재(110)를 아래로 하강시키기 위한 푸쉬 버튼(130)을 구비한다. 또한, 상기 승강 부재(110)는 하단에 하단 통공(112)과 걸림턱(113)을 구비하고 내부에는 압전 물질(115)이 삽입되어 있다. 상기 압전 물질(115)은 자연계 생성물, 인공 생성물, 또는 고분자 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 자연계 생성물은 예컨대, Bernite, Quartz, Cane sugar, 또는 dry bone 으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 인공 생성 물은 예컨대, Pb(ZrTi)O3, PbTiO3 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 고분자 물질은 예컨대, PVDF(Polyvinylidene fluoride)일 수 있다.
또한, 상기 전압 발생기(100)는 상기 압전 물질(115)을 타격하기 위한 햄머(120)와, 상기 햄머(120)를 탄성 지지하는 햄머 스프링(107)과, 상기 승강 부재(110)를 하강된 위치에서 원래 위치로 복귀시키기 위한 복귀 스프링(108)을 구비한다. 상기 햄머(120)는 양 측으로 돌출된 한 쌍의 햄머 날개(121)와, 상기 햄머 스프링(107)의 위치 이탈을 방지하기 위한 스프링지지 돌기(123)를 구비한다.
상기 푸쉬 버튼(130)을 아래로 누르면 승강 부재(110)가 고정 부재(105)에 삽입되도록 아래로 하강하고, 햄머(120)도 자신의 햄머 날개(121)가 승강 부재(110)의 걸림턱(113)에 걸려 하강한다. 상기 승강 부재(110) 및 햄머(120)의 하강 도중에 상기 승강 부재(110)가 z축을 기준으로 회전하거나, 아니면 상기 햄머(120)가 z축을 기준으로 회전한다. 이로 인해 상기 햄머(120)의 햄머 날개(121)가 상기 걸림턱(113)을 벗어나게 된다. 상기 승강 부재(110)의 회전 또는 햄머(120)의 회전은 상기 승강 부재(110) 또는 햄머(120)가 적절한 가이드(미도시)를 따라 승강함에 의해 수행될 수 있다.
상기 햄머 날개(120)가 상기 걸림턱(113)을 벗어나면 상기 햄머 스프링(107)의 탄성 복원력에 의해 상기 햄머(120)가 압전 물질(115)을 타격하여 적어도 1kV 크기의 전압이 발생한다. 이때 상기 압전 물질(115)과 결합된 전극(117)이 상기 승강 부재(110)의 하강으로 인해 단자(119)와 전기적으로 연결되므로 상기 압전 물 질(115) 타격으로 인해 발생된 전압은 리드선(41)을 따라 용액(25)에 인가된다. 한편, 전압 발생기(100)의 다른 하나의 전극은 도전성 재질로 이루어진 햄머(120), 햄머 스프링(107) 및, 고정 부재(105)를 통해 접지(earth)된다. 상기 푸쉬 버튼(130)에 대한 누름을 해제하면 상기 복귀 스프링(108)의 탄성 복원력에 의해 상기 승강 부재(110)가 도 2에 도시된 원위치로 복귀한다. 상기 압전 방식 전압 발전기(100)는 매우 저렴하여 액적 토출 장치(1)의 제조 비용을 크게 절감할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 액적 토출 장치(1)는 상기 표적물(30)과 상기 노즐(10)의 전단(13, 도 3a 참조) 사이의 거리를 미리 설정된 속도로 변화시키는 거리 조정 수단을 구비한다. 도시된 실시예에 따르면, 상기 거리 조정 수단은 표적물 장착부(33)를 상하(z축 방향)로 왕복 이동시킬 수 있는 기구 장치를 포함한다. 이러한 기구 장치는 기어(95)를 통해 상기 표적물 장착부(33)를 이동시키는 리니어 기어드 모터(linear geared motor, 미도시) 또는 리니어 모터(linear motor, 미도시)를 포함할 수 있다. 일 예로서, 도 1에 도시된 바에 따르면, 상기 표적물 장착부(33)의 일부가 기어(95)와 연결되어 동력을 전달받고, 프레임(90)의 가이드(92)를 따라 이동한다.
다만, 본 발명이 이러한 구성에 한정되는 것은 아니며, 상기 거리 조정 수단으로서, 상기 표적물(30)이 장착된 표적물 장착부(33)를 고정하고, 상기 노즐(10)을 저수조(20)와 함께 이동시키는 구성이나, 상기 표적물 장착부(33)와 상기 노즐(10)을 동시에 이동시키는 구성을 가질 수도 있다. 이러한 거리 조정 수단의 구체적인 기구 구성은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하 게 설계할 수 있는 것이므로 본 명세서에서는 그에 대한 설명을 생략한다.
상기 저수조(20)는 이동 마운트(70) 상에 탑재될 수 있다. 상기 이동 마운트(70)는 상기 저수조(20)를 수평적으로(xy평면상에서) 이동시킴으로써 상기 표적물(30) 상에 액적이 토출되는 위치를 이동시킬 수 있다. 한편, 상기 액적 토출 장치(100)는 액적을 토출하는 모습을 점검할 수 있는 카메라(50)를 선택적으로 추가할 수도 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 토출 방법을 순차적으로 도시한 단면도이다. 상기 도면에 도시된 액적 토출 방법은 도 1의 액적 토출 장치(1)의 작동을 통하여 수행된다.
도 3a를 참조하면, 저수조(20) 내에 담긴 용액(25)은 상기 용액(25)에 잠겨있는 모세관 형태의 노즐(10) 후단(12)부터 수면 외부로 노출되어 있는 전단(13)까지 관통하는 개구(11)를 통하여 모세관력에 의해 이송된다. 상기 노즐(10)의 전단(13)에 도달한 용액은 표면장력에 의해 흘러 넘치지 않고 맺혀있게 된다. 이때 용액(25)이 노즐 전단(13)에 맺혀있는 형상은 상기 용액(25)과 접하는 상기 노즐(10)의 접촉각에 따라 다양한 형상을 보일 수 있다.
도 3b를 참조하면, 상기 노즐(10) 전단에 용액(25)이 공급된 상태에서 표적물 장착부(33)와 함께 표적물(30)을 화살표 방향으로 이동시켜 상기 노즐(10)과 표적물(30)을 접근시킨다. 이로써, 표적물(30) 표면과 노즐 전단(13) 사이의 거리(d, 도 3a 참조)는 점차 가까워져서 임계 거리(critical distance)보다 가까운 제1 위치에 도달하게 된다. 즉, 제1 위치에서의 표적물(30)과 노즐(10) 전단(13) 사이의 거리(d1)는 임계 거리보다 짧다. 여기서, 임계 거리란 상기 용액(25)에 소정의 전압이 인가될 때, 노즐(10)과 표적물(30) 사이에 액기둥(26, 도 3c 참조)이 형성될 수 있는 최대의 거리를 의미한다. 따라서, 상기 임계 거리는 용액(25)의 특성, 인가 전압의 특성, 그리고 노즐(10)의 지름 등의 요인들에 의해서 정해진다.
도 3c를 참조하면, 표적물(30)이 상기 제1 위치에 도달한 상태에서 상기 전압 발생기(100, 도 1 참조)의 푸쉬 버튼(130)을 눌러 발생된 적어도 1kV 크기의 전압을 용액(25)에 인가한다. 그리하면, 상기 노즐(10) 전단(13)의 액체 표면에 전하가 집중되고, 동시에 그와 인접한 상기 표적물(30)의 표면에 상대전하가 유도된다. 이때, 상기 노즐 전단(13)의 용액 표면과 상기 표적물(30) 표면 사이에 발생하는 전기적 인력, 즉 쿨롱힘에 의해서 용액 표면이 변형되어 상기 표적물(30) 표면에 닿으면서 액기둥(26)이 형성된다.
도 3d를 참조하면, 액기둥(26) 형성과 동시에 또는 그 이후에 상기 노즐(10)과 표적물(30) 사이의 거리가 이격되도록 상기 표적물(30)을 제2 위치까지 이동시킨다. 상기 제2 위치에서 상기 표적물(30)과 상기 노즐(10) 전단(13) 사이의 거리(d2)는 상기 액기둥(26)의 잘림(breakup)이 일어나는 거리보다 멀다. 즉, 상기 표적물(30)이 제2 위치로 이동하는 도중에 상기 액기둥(26)이 끊기고 상기 표적물(30) 표면에는 용액(25)의 액적(27)이 남겨 진다.
도 4는 도 1의 액적 토출 장치를 동작시켜 토출된 액적의 크기 분포를 도시한 그래프로서, 전압 발생기(100)을 작동시켜 전압을 발생하며, 개구(11, 도 3a 참조)의 외경이 460㎛ 이고 내경이 230㎛ 인 노즐(10)을 통하여 17회 동안 동일한 조 건으로 액적 토출을 반복한 결과, 액적의 평균 지름이 162.7㎛, 표준편차가 10.4㎛, %CV(coefficient of variance)가 6.4% 라는 양호한 결과를 얻었다.
도 5는 하나의 저수조와 다수의 모세관 노즐을 구비한 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 토출 장치를 도시한 사시도이다. 도시된 실시예는 하나의 저수조(20)에 모세관 형태의 노즐(10)을 복수 개 구비하고, 전압 발생기(100)도 상기 노즐(10)의 개수와 동수(同數)로 구비하며, 상기 복수의 전압 발생기(100)와 복수의 노즐(10)은 리드선(45A, 45B, 45C, 45D)을 통하여 일대일(一對一)로 전기적으로 연결된다는데 특징이 있다. 상기 복수의 전압 발생기(100)의 푸쉬 버튼(130)를 자동적 또는 수동적인 방법으로 적시에 눌러 줌으로써 표적물(30)에 대한 액적 토출을 에러(error)없이 수행할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 액적 토출 장치를 개략적으로 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 6 및 도 7에 도시된 액적 토출 장치(200)는 펜(pen) 형태의 휴대 가능한 기구로서, 기판 형태의 표적물(30)에 액적을 토출하는데 사용할 수도 있고, 도시되진 않았으나 피부 표면 등의 표적물에 약품을 포함한 용액을 토출하는데 사용할 수도 있다.
상기 액적 토출 장치(200)는 펜(pen) 형상의 하우징(201)과, 상기 하우징(201) 내부에 수용된 저수조(225), 노즐(210) 및 전압 발생기(230)를 구비한다. 상기 전압 발생기(230)는 상기 하우징(201) 내부의 일측에, 상기 노즐(210)은 상기 하우징(201) 내부의 타측에, 그리고 용액(225)을 수용하는 상기 저수조(220)는 상 기 하우징(201) 내부의 상기 전압 발생기(230)와 노즐(210) 사이에 배치된다. 상기 하우징(201)의 일측 바깥으로는 전압 발생기(230)의 푸쉬 버튼(240)이 돌출되어 있다. 상기 용액(225)에 전압을 인가하기 위하여 상기 전압 발생기(230)로부터 상기 저수조(220) 내부로 연장된 침지(沈漬) 전극(232)이 마련되며, 상기 전압 발생기(230)의 다른 하나의 전극은 접지(earth)된다. 상기 저수조(220), 노즐(210), 및 전압 발생기(230)는 도 1의 저수조(20), 노즐(10), 및 전압 발생기(100)보다 소형화된 것이나 그 구조와 기능은 상기 도 1의 그것들과 같으므로 반복적인 설명은 생략한다.
상기 액적 토출 장치(200)를 이용한 액적 토출 방법은 다음과 같다. 먼저, 액적 토출 장치(200)를 손에 쥐고 노즐(210)과 표적물(30) 사이의 거리가 0보다는 크고 임계거리(critical distance)보다는 같거나 작게 되도록 상기 노즐(210)과 표적물(30)을 접근시킨다. 다음으로, 전압 발생기(230)의 푸쉬 버튼(240)을 눌러 저수조(220)의 용액(225)에 전압을 인가하여 액기둥(26, 도 3c 참조)을 형성한다. 다음으로, 상기 액기둥(26)이 잘리도록 상기 노즐(210)과 표적물(30)을 이격시켜 액적(27, 도 3d 참조)을 표적물(30)에 남긴다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 토출 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 전압 발생기를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 토출 방법을 순차적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1의 액적 토출 장치를 동작시켜 토출된 액적의 크기 분포를 도시한 그래프이다.
도 5는 하나의 저수조와 다수의 모세관 노즐을 구비한 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 토출 장치를 도시한 사시도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 액적 토출 장치를 개략적으로 도시한 사시도 및 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1, 200 ...액적 토출 장치 10, 210 ...노즐
20, 220 ...저수조 25, 225 ...용액
26 ...액기둥 27 ...액적
30 ...표적물 33 ...표적물 장착부
100, 230 ...전압 발생기 115 ...압전 물질

Claims (19)

  1. 용액을 수용하는 저수조;
    상기 용액이 액적(液滴) 형태로 토출되는 개구(開口)를 구비한 노즐(nozzle); 및,
    순간적인 가압에 의해 전압이 발생하는 압전 물질(piezoelectric material)을 포함하며, 상기 노즐을 통해 액적을 토출시키기 위하여 상기 압전 물질을 가압하여 발생하는 전압을 상기 용액에 인가하는 전압 발생기(voltage generator);를 구비한 액적 토출 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전압 발생기는 적어도 1kV 크기의 전압을 발생하도록 구성된 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 압전 물질은 자연계 생성물, 인공 생성물, 또는 고분자 물질을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 자연계 생성물은 Bernite, Quartz, Cane sugar, 또는 dry bone 으로 이 루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 인공 생성물은 Pb(ZrTi)O3, PbTiO3 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 고분자 물질은 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 인 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 노즐은, 상기 저수조 내의 용액에 잠기는 후단과, 상기 저수조 외부로 돌출된 전단을 구비한 모세관을 포함하고, 상기 액적이 토출되는 개구는 상기 전단과 후단을 관통하도록 형성된 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 용액이 토출될 표적물(標的物)이 상기 노즐과 대면(對面)하도록 장착되는 표적물 장착부; 및, 상기 노즐에 대한 상기 표적물의 상대 위치를, 거리가 상대적으로 가까운 제1 위치와 거리가 상대적으로 먼 제2 위치 사이에서 왕복 이동시키 는 거리 조정 수단;을 더 구비하고,
    상기 제1 위치는 상기 노즐 전단으로부터 상기 표적물까지의 거리가 상기 용액에 인가된 전압에 의해 상기 표적물과 상기 노즐 전단 사이에 액기둥이 형성될 수 있는 최대 거리인 임계거리보다 가까운 위치이고, 상기 제2 위치는 상기 액기둥의 잘림이 일어날 정도로 먼 위치인 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 거리 조정 수단은 상기 노즐에 대한 상기 표적물의 상대 위치를 상기 제2 위치에서 제1 위치로, 그리고 다시 제2 위치로 이동시키고, 상기 전압 발생기는 상기 노즐 전단과 상기 표적물 사이의 거리가 0 보다 크고 상기 임계거리 이하일 때 상기 용액에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 저수조 및 상기 노즐은 고정되고, 상기 거리 조정 수단은 상기 표적물 장착부를 움직여 상기 노즐 전단과 상기 표적물 사이의 거리를 조정하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 표적물 장착부는 고정되고, 상기 거리 조정 수단은 상기 저수조 및 상기 노즐을 움직여 상기 노즐 전단과 기판 사이의 거리를 조정하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 모세관은 상기 저수조로부터 수직 상향으로 돌출되고, 상기 표적물 장착부는 상기 모세관의 상측에 배치된 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  13. 제7 항에 있어서,
    상기 모세관은 하나의 저수조에 대하여 복수 개가 구비되고, 상기 전압 발생기는 상기 모세관의 개수와 동수(同數)가 구비되며, 상기 복수의 전압 발생기와 복수의 모세관은 일대일(一對一)로 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 전압 발생기는 상기 저수조 내의 용액에 침지(沈漬)된 전극(electrode)을 통해 상기 용액에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 전압 발생기는 상기 노즐과 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 저수조, 노즐, 및 전압 발생기를 내부에 수용하는 하우징(housing)을 더 구비하고, 상기 전압 발생기는 상기 하우징 내부의 일측에, 상기 노즐은 상기 하우징 내부의 타측에, 그리고 상기 저수조는 상기 하우징 내부의 상기 전압 발생기와 상기 저수조 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  17. 저수조에 수용된 용액에 연결된 노즐과 상기 용액이 토출될 표적물(標的物) 사이의 상대 거리가, 0보다는 크고 상기 표적물과 상기 노즐 전단 사이에 액기둥이 형성될 수 있는 최대 거리인 임계거리와 같거나 작게 되도록 상기 노즐과 표적물을 접근시키는 단계;
    압전 물질(piezoelectric material)을 포함하는 전압 발생기(voltage generator)를 준비하고, 상기 압전 물질을 가압하여 발생하는 전압을 상기 용액에 인가하여 상기 노즐과 표적물 사이에 액기둥을 형성하는 단계; 및,
    상기 액기둥이 잘려 상기 표적물에 액적이 남을 수 있도록 상기 노즐과 표적물을 이격시키는 단계;를 구비하는 액적 토출 방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 액적의 크기를 조절하기 위하여 상기 노즐과 표적물을 이격시키는 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 방법.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 노즐과 표적물 사이의 상대 거리를 변화시키기 위하여 상기 기판을 이동시키거나 상기 표적물을 이동시키는 것을 특징으로 하는 액적 토출 방법.
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