具体实施方式

根据本发明的一个实施例的利用声波的气泡去除装置及利用该气泡去除装置的气泡去除方法将声波发生装置与涂有溶液的基板或者输送溶液的管进行声耦合(acousticcoupling)之后，对溶液施加声波，以将存在于溶液内部的气泡移动到基板外部或容易去除气泡的特定位置，从而可以去除溶液中的气泡。

可以使用相位调制驻声波(phase-modulated standing acoustic wave)或者定向声波来移动气泡。为了产生上述的声波，可以使用声表面波装置、压电装置、微细加工的声波发生装置阵列(micro-fabricated ultrasound transducer array)等。

当气泡去除对象是涂覆在一对平板之间、单一平板或曲面板上的溶液时，可以使用以平板形式制造的声波装置。另外，为了去除容纳在管等被曲面包围的内部的溶液中的气泡，可以使用在弯曲状态下也能够产生声波的柔软的声波装置。

另外，为了将声波装置与基板或管进行声耦合，可以在装置和对象之间使用声耦合材料。另外，在声波装置需要输送的情况下，可以使用液体材料。当使用液体材料时，可以使用油等蒸发少的液体，或者设置能够定期或连续注入液体的注入装置。

图1示出利用声波的气泡捕集原理的概念图。

如图所示，为了输送在通道20内部流动的溶液L中的气泡B，可以在通道20的一侧或另一侧或两侧设置声波发生装置10、10a，之后通过声波发生装置10、10a产生驻声波W以将气泡B固定(捕集)在溶液L中的特定位置，然后控制驻声波W的相位以将气泡B输送到容易去除的位置。

此时，可以在向相反的方向产生相同波长的声波W1、W2之后进行重叠以产生驻声波W。在使用声表面波装置作为声波发生装置10、10a的情况下，从装置的两侧电极产生的声表面波重叠以产生驻留声表面波，而驻留声表面波传递到设置在声表面波基板上的流体以产生驻波声场F。在使用两个以上的压电装置作为声波发生装置10、10a向水施加压力波的情况下，压力波会在水中重叠以产生驻波声场F。此时，驻波声场的压力振幅最大的地方称为波腹an(antinode)，振幅最小的地方称为节点n(node)。此时，由下面数式1确定的声对比系数(acoustic contrast factor)为正数的流体中的粒子将移动到驻波声场的节点n，声对比系数为负数的粒子将移动到驻波声场的波腹an。

(数式1)

(其中，ρp：粒子的密度，ρ_m：流体的密度，β_p：粒子的压缩率，β_m：流体的压缩率)

此时，在诸如水的普通流体内气泡的声对比系数是负数，因此气泡将移动到驻波声场F的波腹an。

如本发明所示，在利用相位调制驻声波移动气泡B的情况下，可以通过理论式来计算最佳地输送气泡的条件。在驻波声场中作为影响粒子的力的声辐射力(acousticradiation force)F_rad如下数式2所示。

(数式2)

F_rad＝F₀sin(2kx-φ)

此时，

(其中，R：气泡的半径，μ：流体的粘性，φ：声波的相位，ω₀：气泡的共振频率，ω：声频，|A|：速度势的复振幅，λ：声波的波长)

另外，粒子移动时流体的阻力(drag force)F_drag如下数式3所示。

(数式3)

此时，在雷诺数小的情况下，加速度项可以忽略不计，因此声辐射力F_rad和阻力F_drag可视为相同，因此粒子的运动方程式可以记为如下数式4。

(数式4)

此时，在连续改变声波相位的情况下，相位将改变在如上所述的情况下，当假设粒子受到最大力而能够线性地移动时，粒子的运动方程式即可转换为如下的无量纲化式(数式5)。

(数式5)

此时，

(其中，X^*：无量纲化的位移，T^*：无量纲化的时间，R^*：无量纲化的粒子的半径)

此时，当无量纲化的粒子的半径R^*为1时，意味着该粒子可以受到最大力而移动，因此，这可以是最优的相位调制率值。

即，由于因此，优化的相位调制率如下数式6所示。

(数式6)

因此，可以通过上述的数式6计算根据气泡半径的优化的相位调制率，从而可以提高气泡输送效率。即，当通过相位调制的波腹(antinode)的移动速度过快时，可能会发生波腹中捕集的气泡在输送时脱离的情况，因此优化波腹的移动速度以能够安全地输送气泡。

以下，参照附图对上述的根据本发明的多种实施例的利用声波的气泡去除装置100～700进行详细说明。

-实施例1，驻声波单数型

图2示出根据本发明的第一实施例的利用声波的气泡去除装置100(以下称为“气泡去除装置”)的示意图。

如图所示，根据本发明的第一实施例的气泡去除装置100用于去除容纳在一对基板C1、C2之间的溶液L中的气泡B。为此，气泡去除装置100包括：声波发生装置110，设置在一对基板C1、C2中的任一基板C1的外表面。

声波发生装置110包括：声波发生部111，将驻声波W1施加到溶液L中；以及声波传递部112，用于声耦合基板C1和声波发生部111。声波传递部112可以由诸如PDMS的高分子材料或诸如油/水的液体材料构成。

上述结构的气泡去除装置100通过声波发生部111将驻声波W1施加到溶液L中，并通过驻声波W1的波腹(antinode)捕集溶液L中的气泡B。然后，通过驻声波W1的相位移，将气泡B移动到特定位置，之后将气泡B从溶液L中分离以去除气泡B。所述特定位置可以是一对基板C1、C2的周围部或边角部。

-实施例2，驻声波复数型

图3示出根据本发明的第二实施例的气泡去除装置200的示意图。

如图所示，根据本发明的第二实施例的气泡去除装置200用于去除容纳在一对基板C1、C2之间的溶液L中的气泡B，并且所述气泡去除装置200包括：第一声波发生装置210，设置在一对基板C1、C2中的任一基板C1的外表面；以及第二声波发生装置220，设置在另一个基板C2的外表面。

第一声波发生装置210包括：第一声波发生部211，将第一驻声波W1施加到溶液L中；以及第一声波传递部212，用于声耦合基板C1和第一声波发生部211。另外，第二声波发生装置220包括：第二声波发生部221，将第二驻声波W2施加到溶液L中；以及第二声波传递部222，用于声耦合基板C2和第二声波发生部221。

上述结构的气泡去除装置200通过第一声波发生部211和第二声波发生部221将第一驻声波W1和第二驻声波W2施加到溶液L中，以将气泡B从溶液L中分离并去除气泡B，因此与上述的实施例1相比，气泡去除装置200具有可以提高气泡去除速度的优点。

-实施例3，定向声波型

图4示出根据本发明的第三实施例的气泡去除装置300的示意图。

如图所示，根据本发明的第三实施例的气泡去除装置300用于去除涂覆在单个基板C的一面或另一面的溶液L中的气泡B。为此，气泡去除装置300包括：声波发生装置310，设置在基板C上的没有涂覆溶液L的一侧外表面。

声波发生装置310包括：声波发生部311，将沿单一方向施加的定向声波W3施加到溶液L中；以及声波传递部312，用于声耦合基板C和声波发生部311。声波传递部312可以由诸如PDMS的高分子材料或诸如油/水的液体材料构成。

上述结构的气泡去除装置300通过声波发生部311将定向声波W3施加到溶液L上的与基板C相对的一侧以捕集溶液L中的气泡B，并将气泡B输送到溶液L的外侧即涂覆到基板C的一侧的相对侧，从而将气泡B从溶液L中分离以去除气泡B。

上述实施例的气泡去除装置300仅利用通过定向声波将气泡B输送到溶液L外侧的结构即可去除气泡B，因此不需要精确的相位控制，从而与上述的实施例相比，气泡去除装置300具有结构简单且容易控制的优点。

-实施例4，声波发生装置输送型

图5示出根据本发明的第四实施例的气泡去除装置400的示意图。

如图所示，根据本发明的第四实施例的气泡去除装置400用于去除容纳在一对基板C1、C2之间的溶液L中的气泡B。为此，气泡去除装置400包括：声波发生装置410，设置在一对基板C1、C2中任一基板C1的外表面；气泡检测部420，用于检测溶液L中的气泡B；输送部430，用于牵引声波发生装置410以输送声波发生装置410；以及控制部450，与上述声波发生装置410、气泡检测部420以及输送部430通信连接以进行控制。

声波发生装置410包括：声波发生部，将驻声波施加到溶液L中；以及声波传递部，用于声耦合基板C1和声波发生部。

气泡检测部420用于检测溶液L中的气泡B，其可以是用于分析气泡B的位置、尺寸以及速度的机器视觉。通过气泡检测部420检测气泡B，从而可以优化声波发生装置410的移动路径。

输送部430是用于使声波发生装置410在基板C1上沿平面方向移动的结构，例如，输送部430可以是用于牵引并直接移动声波发生装置410的机械臂或者是设置有声波发生装置410并通过马达移动声波发生装置410的马达平台。

控制部450用于声波发生装置410的驻声波施加控制、通过气泡检测部420的气泡信息分析、输送部430的控制，其可适用传统控制部的结构。

参照附图对利用上述结构的根据本发明的第四实施例的气泡去除装置400的气泡去除方法进行详细说明。

图6至图8示出利用根据本发明的第四实施例的气泡去除装置400的气泡去除方法的示意图。

首先，如图6所示，执行气泡分析步骤，所述气泡分析步骤利用气泡检测部420通过获取气泡B的图像来分析气泡的尺寸、位置以及速度，从而得出用于去除气泡的优化的装置移动路径。

然后，如图7所示，执行气泡捕集步骤，所述气泡捕集步骤通过输送部430使声波发生装置410位于靠近气泡B的基板C1上，之后施加驻声波W1以捕集气泡B，并通过驻声波W1的相位控制来控制气泡B的微细位置。

然后，如图8所示，执行气泡输送步骤，所述气泡输送步骤通过输送部430将声波发生装置410移动到容易去除气泡的位置，并将通过声波发生装置410捕集的气泡B移动到容易去除气泡的位置。此时，气泡B可以是诸如基板C1边角的基板C1的周围部。

上述的根据本申请的第四实施例的气泡去除装置400通过输送部430输送通过声波发生装置410捕集的气泡B，因此与利用相位控制的气泡输送相比，所述气泡去除装置400具有可以广泛地控制气泡位置的优点。

另外，利用气泡检测部420分析溶液中气泡的尺寸以及位置等，并使用路径优化算法优化声波装置的移动路径，因此可以使气泡的去除速度最大化。

另外，当气泡短距离移动时，通过控制施加到气泡的声波的相位来微细调节气泡的位置，当气泡移动长距离时，可以在通过施加声波捕集气泡的状态下，通过输送部430输送声波装置以去除气泡。

-实施例5，柔软型

图9的(a)示出根据本发明的第五实施例的气泡去除装置500的示意图，图9的(b)示出根据本发明的第五实施例的气泡去除装置500的剖视图。

如图所示，根据本发明的第五实施例的气泡去除装置500用于去除容纳在管型基板C3内部的溶液中的气泡B。为此，气泡去除装置500包括：声波发生装置510，设置在管型基板C3的外表面，且构成为沿管型基板C3的圆周方向包围管型基板C3。此时，由于声波发生装置510构成为包围弯曲的面，因此其可以由柔性材料构成。另外，声波发生装置510包括：声波发生部511，将驻声波W1施加到溶液；以及声波传递部512，用于声耦合基板C3和声波发生部511。

上述结构的气泡去除装置500通过声波发生部511将驻声波W1施加到溶液，并通过驻声波W1的波腹(antinode)捕集溶液中的气泡B。然后，通过驻声波W1的相位移，将气泡B移动到特定位置，并将气泡B从溶液L中分离以去除气泡B。所述特定位置可以是基板C3的端部。

-实施例6，多个柔软型

图10的(a)示出根据本发明的第六实施例的气泡去除装置600的示意图，图10的(b)示出根据本发明的第六实施例的气泡去除装置600的剖视图。

如图所示，根据本发明的第六实施例的气泡去除装置600用于去除容纳在管型基板C3内部的溶液中的气泡B。为此，气泡去除装置600包括：声波发生装置610，设置在管型基板C3的外表面，且构成为沿管型基板C3的圆周方向包围管型基板C3。此时，声波发生装置610-1、610-2、610-3、610-4可以沿管型基板C3的长度方向隔开设置多个。

上述结构的气泡去除装置600通过驻声波W1捕集并移动气泡B，并且沿管型基板C3的长度方向在多个位置上分别施加驻声波W-1、W-2、W-3、W-4，从而具有可以在沿管型基板C3内部高速流动的层流或湍流的流体内，沿管型基板C3的径向引导气泡B移动的优点。

如上述的实施例5和6所述，为了去除被曲面包围的液体中的气泡，可以向流体移动方向的垂直方向(管型基板的径向)施加声波。尤其，在液体高速流动的情况下，通过将声波装置设置在曲面的多个位置以扩大施加声波的区域，从而可以将气泡移动到管型基板上期望的位置。

-实施例7，分配型

图11示出根据本发明的第七实施例的气泡去除装置700的剖视图。如图所示，气泡去除装置700包括与多个分配器D1、D2连通的储液器750，并且进一步包括连接多个分配器D1、D2和储液器750的连接流路751。另外，所述气泡去除装置700通过声波发生装置(未示出)将驻声波W1施加到分配器D1、D2的注入口和喷嘴N之间，并通过驻声波W1将溶液L中的气泡B引导至连接流路751，以使通过连接流路751引导的气泡B储存到储液器750。

因此，可以去除通过分配器D1、D2排出到喷嘴N的溶液中的气泡。

-声波发生部的实施例

另一方面，根据发明的一个实施例的气泡去除装置能够以相同的速度同时输送彼此不同尺寸的气泡，为此，可以得到如下数式7所示的相位调制时气泡的移动速度。

(数式7)

根据上述数式7，气泡的移动速度υ由气泡的尺寸、声波强度、声波频率等确定。因此，在对大型气泡施加低频率-低相位调制率的声波，对小型气泡施加高频率-高相位调制率的声波时，可以使大型气泡和小型气泡均以相同的速度移动。由此，可以以均匀的速度输送各种尺寸的多个气泡，因此具有可以容易地设计诸如储液器的用于去除气泡的附加结构的效果。

为此，可以设置排列有不均匀的间距的电极的声表面波基板或能够产生多种频率的超声波发生装置来产生多种频率的声波。

图12的(a)示出根据本发明的第一实施例的声波发生部111的示意图，图12的(b)示出根据本发明的第二实施例的声波发生部115的示意图。另外，图13的(a)和图13的(c)示出根据本发明的第一实施例的通过声波发生部111的气泡输送的概念图，图13的(b)和图13的(d)示出根据本发明的第二实施例的通过声波发生部115的气泡输送的概念图。

如图所示，根据本发明的第一实施例的声波发生部111可以包括第一电极111a、111b和第二电极111c、111d。第一电极包括：第一主体111a，其以声波施加方向为长度方向；以及第一分支111b，从第一主体111a沿第二电极方向延伸形成，且沿着第一主体111a的长度方向隔开设置有多个。第二电极包括：第二主体111c，其以声波施加方向为长度方向；以及第二分支111d，从第二主体111c沿第一电极方向延伸形成，且沿着第二主体111c的长度方向隔开设置有多个。

第一分支111b和第二分支111d彼此交错地隔开设置以形成多个第一隔开部，并且通过调节所述第一隔开部的间距，可以调节声波发生部111产生的声波的波长或频率。根据第一实施例的声波发生部111的多个隔开部的各距离G1可以设置为均匀。在这种情况下，多个波长声波均具有相同的波长，并且在通过根据本发明的第一实施例的声波发生部111施加驻声波来移动气泡的情况下，如图13的(a)所示，具有低共振频率的大型气泡的输送速度快，并且如图13的(c)所示，具有高共振频率的小型气泡的输送速度慢，从而在输送多个气泡时产生速度差。

为了改善上述问题，根据本发明的第二实施例的声波发生部115可以包括第三电极115a、115b和第四电极115c、115d。第三电极包括：第三主体115a，其以声波施加方向为长度方向；以及第三分支115b，从第三主体115a沿第四电极方向延伸形成，且沿着第三主体115a的长度方向隔开设置有多个。第四电极包括：第四主体115c，其以声波施加方向为长度方向；以及第四分支115d，从第四主体115c沿第三电极方向延伸形成，且沿着第四主体115c的长度方向隔开设置有多个。

第三分支115b和第四分支115d彼此交错地隔开设置以形成多个第二隔开部，并且通过调节所述第二隔开部的间距，可以调节声波发生部115产生的声波的波长或频率。根据第二实施例的声波发生部115的多个隔开部的各距离G2可以设置为不同。在这种情况下，多个波长声波将成为具有彼此不同波长的多波长声波。在通过根据本发明的第二实施例的声波发生部115施加驻声波来移动气泡的情况下，可以施加针对各个气泡尺寸具有优化的波长的驻声波，如图13的(b)所示，对于具有低共振频率的大型气泡，通过具有低频率的低相位调制率的驻声波来输送，如图13的(d)所示，对于具有高共振频率的小型气泡，通过具有高频率的高相位调制率的驻声波来输送，从而具有可以与气泡的尺寸无关地均以相同速度输送的优点。

另一方面，当使用声表面波装置作为声波发生装置时，在压电元件上将以特定形式排列的电极图案化来制造装置。压电元件的材料可以使用铌酸锂(LiNbO₃)、氮化铝(AlN)、钽酸锂(LiTaO₃)等。可以使用光刻(photolithography)方式在压电元件上沉积诸如铝、金的材料来将电极图案化。此时，与声表面波装置相同地，电极可以构成为以等间距排列的矩形或混合多种间距而排列的矩形。

另外，当使用柔软(Flexible)的材料作为声波发生装置时，在发生弯曲而不会发生塑性变形的柔性材料上涂覆具有压电特性的材料，并使用光刻(photolithography)方式在压电材料上沉积诸如铝、金的材料来将电极图案化。此时，与声表面波装置相同地，电极可以构成为以等间距排列的矩形或混合多种间距而排列的矩形。柔性材料可以使用诸如聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)的塑料材料。压电材料可以使用氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)、铌酸锂(LiNbO₃)等。

上述的根据本发明的多种实施例的气泡去除装置可以在-30～200℃之间使用。另外，用于使用气泡去除装置的声波频率可以在1MHz～10GHz之间。另外，气泡去除装置可适用于粘度在0.1～50000mPas范围内的溶液。另外，为了去除管内溶液中的气泡，可以从管内流动的方向以0.1～179°之间的角度施加声波。利用所提出的装置，可以在最大流速1μm/s～100m/s之间的流动内去除气泡。此时，可以在管上设置多个声波装置以增加气泡的移动速度。

本发明的技术思想不应解释为局限于上述实施例。本发明的适用范围多样，并且可以在不超出本发明的要旨的情况下由本领域技术人员进行多种变形。因此，只要这种改良和变更对于本领域技术人员是显而易见的，均属于本发明的保护范围内。