KR100575018B1 - 미세 구조화된 필터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상호 병치 관계의 적어도 2개의 행(3)으로 배열되고 기본판(1) 밖으로 돌출하고 기본판(1)의 구성 요소인 복수의 돌출부들(7), 돌출부들(7) 사이의 복수의 통로들(8), 및 돌출부(7) 및 통로(8)를 커버하도록 기본판(1)에 고정될 수 있는 커버판을 포함하고, 여기서, 통로들은 입구로부터 출구에 이르는 복수의 직통 경로들을 형성하고, 상기 입구는 실질적으로 전체 필터 폭 이상으로 연장하고, 필터의 입구 측면 상의 기본판 밖으로 돌출하는 돌출부(7)만큼 실질적으로 높은 여과되지 않은 유체를 위한 연장 입구 슬롯(5)을 포함하고, 상기 출구는 실질적으로 전체 필터 폭 이상으로 연장하고, 필터의 출구 측면 상의 기본판 밖으로 돌출하는 돌출부(7)만큼 실질적으로 높은 여과된 유체를 위한 연장 출구 슬롯(5)을 포함하는, 여과되지 않은 유체를 위한 입구 및 여과된 유체를 위한 출구를 갖는 유체용의 미세 구조화된 필터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 필터는 그 필터 영역의 일부가 차단되는 경우에도 작동 유지된다. 이 필터는 예를 들면 에어로졸이 의약을 함유하는 유체로부터 생성되는 분무기에 이용된다.

Description

미세 구조화된 필터{Microstructured filter}
본 발명은 유체를 위한 미세 구조화된 필터들에 관한 것이다.
필터 매체가 서브마이크로미터의 범위에 이르는 미세 공극들을 갖고, 공극 크기가 재료에 따라 통계적으로 분포되어 있는 여러 가지 필터들이 공지되어 있다. 이러한 종류의 필터 매체들의 외적인 치수들(external dimensions)은 평균 공극 직경보다 10의 제곱 배 더 크고, 이들 필터가 원하는 만큼 가능한 한 작게 용이하게 제조될 수 없음을 경험으로 보여준다.
100㎛ 이하의 두께이고, 예를 들면 니켈을 포함하고, 스크린 인쇄를 위해 이용되며 스트립 상에 균일하게 분포되어 있는 구멍들을 갖는 마이크로-구경(micro-aperture) 금속 스트립들 역시 공지되어 있으며, 상기 구멍들의 직경은 수 마이크로미터이다. 이들 스트립은 예를 들면 갈바니 전기식으로 생산된다. 이러한 종류의 금속 스트립들은 미세 구조화된 부품들과 함께 조립될 수 없다.
삭제
유럽 특허 출원 제0 231 432호는 교차 흐름 마이크로 필터(cross-flow microfilter)를 기술하는데, 이 마이크로 필터에 여과될 유체가 공급되어 그 안에서 농축액 흐름 및 여과액 흐름이 얻어진다. 유체가 흘러들어가는 챔버와 여과액을 수집하기 위한 수집 챔버 사이에는 웹들(webs) 또는 랜드들(lands)의 행이 배치되고, 그 사이에는 통로가 존재한다. 웹과 통로들의 행은 마이크로필터를 형성한다. 통로의 방향은 유체/농축액 흐름의 방향에 대하여 90°내지 135°각도로 경사진다. 농축액 흐름들에 공급되는 유체는 웹들의 행을 통과한다. 여과액은 복수의 챔버들 내에서 수집되고 필터 표면에 대해 수직으로 필터를 떠나거나 또는 농축액을 위한 통로들 사이로 연장하는 복수의 통로들 내의 필터 표면 내에 남겨진다.
국제 특허 출원 제WO 93/11862호는 3개의 층으로 구성된 마이크로 메커니컬 필터(micromechanical filter)를 기재하고 있다. 주어진 영역들의 밀폐된 기본층 상에는 중간층이 배치되고, 그 위에는 영역-방향 방식(region-wise manner)으로 연장하는 개구들(openings)을 갖는 커버층이 배치된다. 중간층은 개구들의 길이 방향 측면 한쪽 또는 양쪽에 대해 병렬 관계를 잃는다. 이들 영역들에서, 커버층은 캔틸레버(cantilever) 또는 오버행(overhung) 구조로 배열된다. 개구에 인접한 커버층의 캔틸레버 부분 아래에는, 중간층만큼의 두께이며 연장된 개구만큼의 길이인 얕은 슬롯이 배치된다. 여과액은 그 슬롯을 통해 중간 챔버보다 더 두꺼운 여과액 수집 챔버로 흐른다. 커버층은 서로에 대해 평행한 행-방향 방식(row-wise manner)으로 배열된 많은 수의 연장된 개구들을 포함한다. 슬롯들의 행은 커버층 내에 미로 구조(meander configuration)로 배열될 수 있다. 유체는 필터 표면에 대해 수직인 복수의 개구들을 통해 복수의 입구 챔버들로 흐르고, 여과액 필터에 대해 수직인 복수의 개구들을 통해 복수의 여과액 수집 챔버들로부터 제거된다. 그러한 필터 층들은 실리콘, 플라스틱 재료 또는 금속으로부터 제조될 수 있고, 에칭, 엠보싱 또는 기계적 처리나 기계 가공에 의해 구조화되는 반면, 박막 기술 및 기상으로 금속 침착(deposition)을 수반하는 방법들이 포함될 수 있다.
이미 제안된 이들 장치 및 기타 장치들은 수많은 문제점을 겪는다. 예를 들면, 이미 제안된 장치들 중의 적어도 일부는 차단물에 대해 과도하게 영향을 받기 쉽고 따라서 그 장치는 기능을 중단할 수 있다. 이러한 문제점을 완화하기 위한 노력으로 보다 큰 필터들을 제공하도록 제안되고 있지만, 이들보다 큰 필터들은 바람직하지 않게 큰 데드 볼륨(dead volume)을 갖는다. 또한, 이전에 제안된 장치들 중 일부는 매우 복잡하고, 따라서 고가이며 제조하는 데 시간을 많이 소모한다. 더욱이, 이전에 제안된 장치들 중 일부는 이들 장치가 다른 미세 구조화된 부품들과 함께 용이하게 조립될 수 없는 것들이다.
따라서, 본 발명의 목적은 본 명세서에 기재된 하나 또는 그 이상의 문제점들을 완화한, 유체용 미세 구조화된 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 양상에 따라, 여과되지 않은 유체를 위한 입구 및 여과된 유체를 위한 출구를 갖는 미세 구조화된 필터가 제공되어 있으며, 상기 필터는,
입구와 출구 사이에 제공되는 필터 챔버로서, 상기 챔버는 실질적으로 평평한 기본판과 그에 고정된 커버판에 의해 부분적으로 규정되는 상기 필터 챔버, 및
상기 필터 챔버 내에 제공된 필터 몸체로서, 상기 필터 몸체는 복수의 돌출부들에 의해 형성되며, 상기 돌출부들 각각은 상기 기본판의 구성 요소를 포함하고, 각각 기본판으로부터 돌출하며, 상기 돌출부들은 상기 입구로부터 필터 챔버를 통해 상기 출구로 유체 경로를 형성하는 통로들에 의해 서로 떨어져 있으며, 기본판에 고정될 때의 커버판은 상기 돌출부들 및 통로들을 커버하는, 상기 필터 몸체를 포함하며,
여기서, 상기 복수의 돌출부들은 지그-재그 구조로 및 필터 챔버를 가로질러 상호 병치 관계로 연장하도록 적어도 2개의 행으로 배열되고,
삭제
입구 및 출구 각각은 여과되지 않은 유체 및 여과된 유체 각각에 대한 연장 슬롯을 포함하고, 상기 슬롯들 각각은 필터 챔버만큼 실질적으로 넓으며 필터 몸체의 입구 측면 및 출구 측면들 각각 상의 돌출부들만큼 실질적으로 높다.
삭제
삭제
본 발명의 바람직한 실시예는, 여과되지 않은 유체를 위한 입구 및 여과된 유체를 위한 출구를 갖는 유체를 위한 미세 구조화된 필터를 제공하며, 상기 필터는 전체 필터를 통한 유체의 흐름 방향이 한 표면 내에 있고, 다음 특징들,
- 상호 병치된 관계의 행-방향 방식으로 배열되고, 바람직하게는 평평한 기본판 밖으로 돌출하며 기본판의 구성 요소인 복수의 돌출부들,
- 돌출부들 사이의 복수의 통로들,
- 돌출부 상에 배치되고 통로들을 커버하는 바람직하게 평평한 커버판으로서,
- 통로들은 필터의 입구 측면에서 출구 측면으로 관통 경로(a through path)를 형성하고,
- 돌출부들 주변 영역 내의 기본판과 돌출부들의 행 내의 커버판 사이의 간격은 유체가 통로들의 행으로 통과하는 돌출부들의 측면 상의 통로들만큼 실질적으로 넓은, 상기 바람직하게 평평한 커버판,
- 필터의 전체 폭에 걸쳐 실질적으로 연장하고, 필터의 입구 측면 상의 기본판 밖으로 돌출하는 돌출부들만큼 실질적으로 높은, 여과되지 않은 유체를 위한 연장 입구 슬롯, 및
필터의 전체 폭에 걸쳐 실질적으로 연장하고, 유체의 출구 측면 상의 기본판 밖으로 돌출하는 돌출부들만큼 실질적으로 높은, 여과된 유체를 위한 연장 출구 슬롯을 갖는다.
바람직하게는, 입구 슬롯 및 출구 슬롯의 높이 대 폭의 비율은 1:5 내지 1:1000이다. 입구 슬롯은 굵은 입자들을 보유하는 것이 바람직하다.
복수의 돌출부들의 행들은 캐스케이드 구조로 배열될 수 있다. 필터의 입구 측면에 가깝게 배열된 돌출부들은 필터의 출구 측면에 더 많이 배열된 돌출부들보다 더 큰 것이 바람직하다.
캐스케이드 형태로 배열된 돌출부들의 행 각각의 주변 영역 내에서 상기 기본판과 상기 커버판 사이의 간격은 유체가 상기 통로들의 행으로 통과하는 상기 돌출부들의 측면 상의 통로들 폭만큼 실질적으로 큰 것이 바람직하다. 그 간격은 통로 폭의 절반 내지 2배인 것이 바람직하다. 그 간격은 흐름 방향에서 관찰한바 하나의 행으로부터 다른 행으로 감소하는 것이 바람직하다. 따라서, 그 통로는 실질적으로 유체를 위한 통로들의 입구 측 상의 정사각형 단면일 수 있다.
돌출부들 주변 영역의 평평한 기본판과 평평한 커버판 사이의 간격은 돌출부의 행 내에서 일정할 수 있다. 미로 구조 또는 지그-재그 구조로 배열된 돌출부의 행들의 경우에, 간격은 필터의 입구 측면 근처에 있는 행의 단부의 영역에서보다 필터의 출구 측면 근처에 있는 행의 단부의 영역에서 더 클 수 있다. 그 간격은 돌출부들의 행의 한쪽 단부로부터 다른 쪽 단부로 선형으로 증가하는 것이 바람직하다.
돌출부들의 2개의 인접한 행들의 상호 대향하는 측면들은 서로 연결된 공간을 규정하여 유체가 제 1 행의 돌출부들 사이의 모든 통로들로부터 서로 연결된 공간으로 흐르고, 유체가 서로 연결된 공간에서 흐름 방향을 따르는 상기 행의 돌출부들 사이의 모든 통로들로 흐른다. 제 1 행의 돌출부들의 업스트림에는 연장 단면의 수집 챔버가 배치되어, 여과되지 않은 유체가 연장 단면의 수집 챔버로 통과되고, 상기 유체가 연장 단면의 수집 챔버에서 제 1 행의 돌출부들의 사이의 모든 통로들로 흐른다. 마지막 행의 돌출부들의 업스트림에는 연장 단면의 수집 챔버가 배치되어, 상기 유체가 상기 마지막 행의 모든 통로들로부터 수집 챔버로 흐르고, 상기 여과된 유체가 수집 챔버에서 통과된다.
상기 돌출부들이 흐름 방향으로 관찰한바, 직선이거나 또는 곡선인 랜드들의 형태일 수 있다. 돌출부는 바람직하게는 임의의 단면, 바람직하게는 둥글거나 또는 다각형 단면의 일직선-칼럼들(straight-columns)의 형태일 수도 있다.
웹들 또는 랜드들 사이에 연장하는 통로들의 길이는 유체의 입구 측 상의 이들의 높이의 적어도 2배 더 큰 것이 바람직하다. 통로의 단면은 실질적으로 정사각형 또는 통 형상 또는 사다리꼴인 것이 바람직하고: 후자의 경우에 사다리꼴에서 더 긴 측면이 커버판에 의해 형성된다. 통로는 예를 들면 5 내지 50㎛ 길이, 2.5 내지 25㎛ 높이 및 2.5 내지 25㎛ 폭이다. 통로의 폭은 출구 측면을 향하여 더 커진다.
돌출부의 행들 사이의 간격은 입구 측 상의 통로 폭의 2배만큼 더 큰 것이 바람직하다. 돌출부의 행들은 미로 구조 또는 지그-재그 구조에서 서로 평행하게 연장할 수 있다. 지그-재그 구조로 배열된 행들은 2°내지 25°각도를 통해 서로에 대해 상대적으로 경사질 수 있다.
필터가 미로 또는 지그-재그 구조로 배열된 돌출부의 행들을 가질 때, 여과될 입자들은 필터의 출구 측면 근처에 있는 유체의 입구 측면 상의 영역들 내에 최초로 침착되고, 입구 측면 상의 돌출부의 행들 사이의 공간은 필터의 출구 측면의 영역에서 시작하여 점진적으로 증가한다. 돌출부의 2개의 행들 각각 사이의 입구 챔버가 여과될 입자들로 거의 전부 채워지면, 필터는 거의 완전히 차단되고, 필터 용량이 소진된다.
필터의 분리 정도는 통로 치수들에서 최소 변동들 때문에 비교적 급격하게 규정되는 것이 바람직하다. 필터는 여과될 유체에 대한 피드 흐름 분배기(feedflow distributor) 및 여과된 유체를 위한 여과액 수집 장치(filtrate collecting device)를 필요로 하지 않을 수 있다.
필터는 예를 들면 금속, 실리콘, 글래스, 세라믹 또는 플라스틱 재료로부터 공지된 공정들을 이용하여 생성될 수 있다. 기본판은 커버판과 동일한 재료 또는 그와 상이한 재료로부터 제조될 수 있다. 필터는 예를 들면 30 MPa(300 bar)에 이르는 고압 범위에 대해 적절한 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 구조화된 필터에서, 추가로 미세 구조화된 유체 소자들은 동일한 기본판, 예를 들면 유체를 분무하거나 고압 범위에서 에어로졸을 생성하기 위한 노즐 상에 배열된다.
본 발명의 여러 가지 실시예들에 따른 미세 구조화된 필터는 하기 장점들 중의 일부 또는 전부를 나타낼 수 있다:
- 필터는 적은 영역에 걸쳐 많은 수의 통로를 갖기 때문에, 일부 통로들이 유체를 오염시키는 불순물로 봉쇄되는 경우에도 작동 유지될 수 있다. 이는 의약 관리를 위해 분무기가 이용될 때 지정된 이용 기간 내에 분무기의 투약 실패는 이용자에게 치명적인 결과를 가져올 수 있기 때문에, 분무기에 이용을 위한 조립된 노즐이 개선될 때 필터를 이용할 수 있게 하고,
- 통로들은 형상, 단면적 및 길이(가장 바람직한 실시예에서, 필터 내의 모든 통로들의 치수는 동일함)에 관하여 엄밀한 한계치들로 규정될 수 있고,
- 통로 단면적이 또 다른 조건들, 예를 들면, 다운스트림에 접속된 노즐의 단면적에 적응될 수 있고,
- 큰 필터 표면적은 작은 필터 부피 내로 배치될 수 있고,
- 유체가 통로 내로 통과할 수 있기 전에, 유체의 흐름은 통로의 흐름에 대해 실질적으로 수직인 미로 또는 지그-재그 구조로 배열된 행들 사이로 배향될 수 있고,
- 개방된 필터 영역(모든 통로들의 단면적의 합)은 전체 필터 영역의 적어도 50%일 수 있고,
- 필터는 적은 데드 볼륨을 가질 수 있고,
- 필터는 다른 미세 구조화된 부품들로 단순한 형식으로 조립될 수 있다.
본 명세서에 기재된 미세 구조화된 필터는 흡입 응용(inhalative application)을 위한 에어로졸을 생성하기 위해 용매에 용해된 의약을 여과하는데 이용될 때의 특정 용도를 밝히고 있다. 적절한 용매로는 예를 들면 물 또는 에탄올 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다. 적절한 의약은 예를 들면 베로텍(Berotec), 아트로벤트(Atrovent), 베로듀얼(Berodual), 살부타몰(Salbutamol), 컴비벤트(Combivent), 옥시벤트(Oxivent), Ba679, BEA 2108 등이다.
본 발명에 따른 필터는 PCT 출원 제WO91/14468호 또는 PCT/EP96/04351호에 기재된 것과 같은 분무기에 이용될 수도 있다.
본 명세서에 기재된 미세 구조화된 필터는 하기 예시적인 방식으로 생성될 수 있다: 예를 들면 몇 천의 크기 순으로 된 복수의 상호 연결된 기본판은 큰 표면적 상에 동시에 마이크로 구조화되고, 일 단계에서 크고 평평한 커버판에 접속된다(배치 프로세스). 이어서, 이와 같이 조합된 조립품은 많은 개개의 조각들로 분할될 수 있다.
이러한 제조 방식은 약간의 특정한 장점을 갖는다. 한편으로, 배치 생산(batch production)은 수 마이크로미터에서, 일련의 처리 절차에서 단지 실질적으로 보다 큰 비용으로 생산될 수 있는 서브마이크로미터 범위로 떨어진 구조 정확도들과 높은 정밀도를 가진 특별히 비싸지 않은 개개의 부품들의 생산 가능성을 제공하지만, 다른 한편으로, 배치 생산은 동일한 처리 조건들 하에 재생 가능하게 달성될 수 있고 서서히 변화하기 쉽지 않은 모든 부품들에 관하여 균일하게 정제된 품질을 제공하고, 이는 예를 들면 공구 마모로 인해 일련의 처리 절차의 경우일 수 있다.
또한, 프로세스에서 부품들의 위치는 디자인으로 미리 결정되기도 하고, 이전에 제안된 배열들 중의 일부의 경우와 같이 고가의 분류 메커니즘 및 운용 메커니즘에 의해 조절 및 설정되지 않아야 한다.
기본판은 예를 들면 반응성 이온 에칭, 갈바노-쉐이핑(galvano-shaping), 또는 플라스틱 재료의 경우에 리소그래피, 갈바노-쉐이핑 및 몰딩에 의해 LIGM 공정에 따라 생성될 수 있다. 특정 통로 형상을 생성하기 위한 추가의 구조화 공정이 존재할 수 있다. 사다리꼴 또는 원통형 단면의 통로가 특이한 오버-에칭(over-etching) 또는 언더-에칭(under-etching)에 의해 생성될 수 있다. 그러한 형상은 건식 에칭 및 습식 에칭 공정 모두에 의해 생성될 수 있다. 삼각형 통로 단면은 실리콘의 단결정 기본판에서 이방성으로 작동하는 에칭 공정에 의해 생성될 수 있다. 기본판은 등방성 또는 이방성 습식 또는 건식 에칭 또는 이들 공정의 조합에 의해, 특히 바람직하게는 이방성 건식 에칭에 의해 구조화되는 것이 바람직하다.
미세 구조화된 기본판 및 그의 돌출부는 예를 들면 실리콘과 글래스의 양극 결합, 예를 들면 알칼리 보로실리케이트 글래스에 의해 평평한 커버판에 결합될 수 있다. 일 실시예에서, 글래스판은 미세 구조화된 실리콘판 상에 놓이고 전극과 접촉한다. 전체적인 조립품은 200 내지 500℃의 온도로 가열되고, 약 1000V의 음의 전압이 실리콘판과 글래스판 사이에 인가된다. 그 전압으로 인해, 양으로 하전된 알칼리 이온은 글래스를 통해 이들이 중화되는 음극으로 통과한다. 글래스와 실리콘 사이에서 전이 상태인 글래스 내에는 2 표면의 정전기적 인력을 위해 제공되는 음의 공간 전하가 형성되고, 게다가 산소 다리 결합들(oxygen bridge bonds)에 의해 글래스 표면과 실리콘 표면 사이에 영속적인 화학적 결합을 초래한다.
상기 예시된 공정에 따라, 글래스의 커버판은 한편으로는 결합 접속의 품질 때문에, 그리고 다른 한편으로는 필터를 제조하는데 초래되는 결함 또는 포함된 입자들이 육안으로 조사함으로써 용이하게 인식될 수 있기 때문에 품질 보장을 위해 특히 유리하다.
결합 공정 후에, 조립품은 바람직하게는 고속 회전 다이아몬드 둥근 톱에 의해 개개의 필터로 분할될 수 있고, 단, 각각의 필터의 입구 측면 및 출구 측면은 이전에 노출되지 않은 경우, 노출되는 것이다. 엄밀한 절단부가 수 마이크로미터 내의 어떤 정확도로 배치될 수 있다.
양극 결합을 이용하는 것 외에, 미세 구조화된 기본판은 초음파 용접, 레이저 용접, 접착(glueing) 또는 납땜 또는 당업계의 숙련자들에게 명백한 임의의 기타 수단에 의해 평평한 커버판에 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 이하 수반된 도면을 참조하여 단지 실시예로써 기재할 것이다.
도 1은 필터의 일 실시예의 개략도.
도 2는 도 1의 필터의 행들에서 돌출부의 배열을 보여주는 확대도.
도 3은 도 2의 직선 A-A를 따라 취한 단면도.
도 4는 여러 가지 상이한 돌출부들의 개략도.
도 5는 다른 돌출부들의 개략도.
도 6은 돌출부가 배열될 수 있을지도 모를 많은 예시적인 패턴의 개략도.
도 7은 돌출부의 배향들 중 하나의 예시적인 실시예를 나타내고,
도 8은 이용 수명의 종료시에 필터의 주사 전자 현미경에 이용된 영상을 나타낸 도면.
상기한 바와 같이, 도 1은 초기 개방된 측면에서 관찰한바, 이후에 커버판(도시되지 않음)으로 커버되는 필터의 예시적인 실시예를 나타낸다. 필터의 기본판(1)은 에지 영역들(2a 및 2b) 사이에서 미세 구조화된다. 이 실시예에서, 미세 구조화는 지그-재그 구조로 배열된 돌출부의 행(3)을 제공한다. 이 행(3)은 각도 알파를 통해 서로에 대해 경사지는 것이 밝혀졌을 수도 있다.
이 실시예에서, 기본판은 필터 및 그의 업스트림 외에, 매우 거친 필터를 형성하고 그를 통해 흐르는 유체를 휘젓는(agitate) 역할을 하는 돌출부(4)의 추가의 행을 구비한다. 돌출부(4)의 업스트림에는 여과되지 않은 유체가 그를 통해 필터로 통과하는 입구 슬롯(5)이 배치된다. 이 실시예에서, 노즐(6)이 필터에 인접하게 배열되어 노즐(6)로부터 여과된 유체가 배출될 수 있다. 노즐(6)은 예시된 실시예에서 기본판(1)의 구성 요소로서 형성되고 있다. 필터는 노즐(6) 및 거친 필터(4) 없이 형성될 수 있음을 인식할 수 있다.
도 2는 행(3)의 돌출부의 예시적인 배열을 보여주는 도 1의 일부의 확대도이다. 이러한 경우에, 돌출부(7)는 직사각형 웹 또는 랜드일 수 있지만, 이후에 기재하는 바와 같이, 이들 돌출부는 다른 형태를 가질 수 있다. 행(3)은 기본판(1)으로부터 똑바로 서고 우수한 유체 필터를 제공하도록 서로 일정한 간격을 두는 복수의 돌출부들(7)을 포함한다.
도 3은 도 2에서 직선 A-A를 따라 취한 돌출부의 행에 걸친 단면도이다. 예시된 실시예에서, 돌출부(7)는 원통형 단면의 통로들(8) 사이에 오목하게 만곡된 길이 방향 측면을 갖는다.
도 4는 각각 필터의 초기 개방된 측면으로부터 관찰한바(즉, 위로부터), 복수의 돌출부들의 실시예를 보여준다. 예시된 돌출부들 중 어느 것 또는 임의의 조합(또는 임의의 다른 돌출부)이 본 명세서에 기재된 필터에 이용될 수 있다. 도 4는 직사각형 랜드(11), 둥글게 된 좁은 측면을 갖고 폭이 일정한 연장 랜드(12), 날개-형상의 랜드(13), 경사지게 연장하는 좁은 측면들을 가지며 폭이 일정한 랜드(14), 및 원의 조각형으로 만곡된 랜드(18)를 도시한 것이다. 또한, 정사각형 칼럼(16), 삼각형 칼럼(17), 둥근 칼럼(18) 및 팔각형 칼럼(19)이 예시된다. 상기한 바와 같이, 이들 랜드들 중 임의의 것 또는 이들의 임의의 조합은 필터에 이용하기 적절하다.
도 5는 여러 가지 상이한 돌출부, 특히 직사각형 단면(21)의 돌출부, 오목하게 만곡된 길이 방향 측면을 갖는 단면(22)의 돌출부, 사다리꼴의 긴 측면이 기본판(1)에 접속된 사다리꼴 단면(23)의 돌출부, 사다리꼴의 짧은 측면이 기본판(1)에 접속된 사다리꼴 단면(24)의 돌출부, 및 2개의 모를 없앤 수직 에지들(round-off longitudinal edges)을 갖는 돌출부(25)에 걸쳐 여러 단면도를 보여준다.
도 6은 각각의 형태의 돌출부들이 상이한 크기의 점들로 지시되는 돌출부의 여러 가지 배열을 나타낸다. 돌출부는 매트릭스 형태(31) 또는 행(32)에서 선형으로 또는 미로 형태(33) 또는 지그-재그 구조(34)로 배열될 수 있다. 행 형태(35) 또는 미로 또는 지그-재그 구조(36)로 배열된 복수의 돌출부들은 캐스케이드 관계로 연속적으로 배열될 수 있다.
도 7은 유체의 흡입 흐름 방향(41)에 관하여 랜드의 예시적인 배향을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 랜드들의 일부(참조 번호(42)로 나타냄)는 흡입 흐름 방향에 평행하게 배열되고, 랜드들의 다른 일부(참조 번호(43)로 나타냄)는 흡입 흐름 방향에 대해 수직으로 배열되고, 랜드들의 나머지(참조 번호(44)로 나타냄)는 흡입 흐름 방향과 상이한 각도로 경사지게 배열된다. 랜드들은 흡입 흐름 방향에 관하여 동일한 배향을 가질 필요가 없음을 도 7로부터 이해해야 한다. 사실상, 상이하게 배향된 랜드들을 제공하는 것은 유체가 필터를 통해 이동함에 따라 배향을 달리하는 것이 유체 휘젓는 정도(the degree of fluid agitation)를 개선하는 작용을 하는 독특한 장점이다.
도 8은 작용 수명의 종료시에 도 1에 나타낸 것 등의 미세 구조화된 필터의 주사 전자 현미경에 이용된 영상을 나타낸다. 영상은 글래스의 커버판(보이지 않음)을 통해 기록되었다. 도시된 영상은 지그-재그 구조로 배열된 돌출부들의 행을 갖는 필터를 예시하지만: 돌출부 자체들은 선택된 크기로 나타날 수 없다.
유체는 필터를 이용하는 동안 화살표 방향으로 필터를 통해 흐르고, 유체 내에 부유하는 입자들(particles suspended)은 인접한 돌출부들에 의해 포집(trap)된다. 도시된 바와 같이, 돌출부의 행들은 여과된 입자들로, 특히 필터의 중심 영역보다 에지 영역(2a 및 2b) 근처에서 더 큰 정도까지 커버된다. 필터의 흡입 흐름 측면에 있는 돌출부의 행들 사이의 공간에는 어떠한 입자들도 거의 존재하지 않고, 따라서 필터는 그 영역에서 완전히 작동한다(즉, 유체는 그것을 통해 여전히 통과함). 도 8로부터 알 수 있듯이, 자유로운 필터 영역과 차단된 필터 영역 사이의 한계선은 실질적으로 포물선 형상으로 연장한다. 도 8로부터 알 수 있듯이, 필터 표면 영역의 상당한 부분이 이미 차단되었더라도 유체는 여전히 필터를 통해 통과할 수 있다.
따라서, 본 명세서에 기재된 필터는, 비교적 큰 비율의 필터 표면이 차단되었을 때조차 그것이 여전히 적절히 기능할 수 있으므로, 이전에 제안된 필터들보다 봉쇄되기 쉽지 않음을 알 수 있다. 이러한 개선의 결과로서, 필터(및 필터를 포함하는 임의의 장치)의 이용 수명은 크게 증가될 수 있다. 이는 비교적 소량의 필터 차단(obstruction)이 장치로 하여금 정확하게 기능하는 것을 중단하도록 야기하는 이전에 제안된 배열들과 정반대이다.
예 : 분무기용의 미세 구조화된 필터
상기한 바와 같이, 본 명세서에 기재된 필터는 분무기에서, 특히 의약-배출 유체의 에어로졸을 생성하기 위한 분무기에 많이 이용되고 있다.
그러한 분무기의 하나의 예시적인 실시예를 이하 기재할 것이다. 이와 같이 예시된 실시예에서, 필터는 많은 다른 미세 구조화된 부품들과 함께 기본판 상에 형성된다. 기본판은 2.6mm 폭 및 약 5mm 길이이다. 약 2mm 폭 상에는 40 행의 돌출부들을 포함하고, 그 행들은 지그-재그 구조로 배열된다. 각각의 행은 1.3mm 길이이다. 돌출부들은 10㎛ 길이와 2.5㎛ 폭인 직사각형 랜드이고: 이들은 기본판로부터 벗어나 5㎛만큼 돌출한다. 랜드들 사이에는 5㎛ 높이 및 3㎛ 폭인 통로들이 제공된다.
필터의 유체 입구 측면 상에는 200㎛ 길이 및 50㎛ 폭인 10개의 직사각형 랜드의 행이 배치되고, 이들은 기본판 밖으로 100㎛만큼 돌출한다. 이들 랜드 사이에는 100㎛ 높이 및 150㎛ 폭인 통로들이 제공된다. 10개의 직사각형 랜드들은 거친 필터 및 그것을 통해 흐르는 유체를 휘젓는 수단을 제공한다. 랜드들의 행의 정면에서 약 300㎛의 간격으로 약 2mm 폭 및 100㎛ 높이인 유체 입구 갭이 제공된다.
여과액 수집 챔버는 지그-재그 구조로 배열된 랜들의 행 뒤로 제공된다. 여과액 수집 챔버는 5㎛ 높이이고, 2mm 폭으로부터 점차로 좁아지고, 5㎛ 높이 및 8㎛ 폭인 직사각형 단면의 노즐과 소통한다. 이 실시예에서, 노즐 개구들은 기본판의 마이크로 구조화와 동시에 생성되었다.
1.5mm 두께인 기본판은 니켈을 포함하고, 이는 1083 필터에 대한 상보적인 구조물을 포함하는 플라스틱 몰딩 삽입물의 갈바노-쉐이핑에 의해 생성된다. 이는 기본판에 납땜된 0.8mm 두께의 평평한 니켈 플레이트로 커버된다.

Claims (25)

  1. 여과되지 않은 유체를 위한 입구 및 여과된 유체를 위한 출구를 갖는 미세 구조화된 필터에 있어서, 상기 필터는:
    실질적으로 평평한 기본판(1)과 그에 고정될 수 있는 커버판, 및
    각각이 상기 기본판(1)의 구성 요소(integral component)를 포함하고, 상기 기본판으로부터 돌출한 복수의 돌출부들(7)로서, 상기 돌출부들(7)은 상기 입구에서 상기 필터를 통하여 상기 출구로 유체 경로를 형성하는 통로들(8)에 의해 서로 떨어져 있고, 상기 커버판은 상기 기본판에 고정될 때 상기 돌출부들(7) 및 상기 통로들(8)을 커버하는, 상기 복수의 돌출부들(7)을 포함하며,
    상기 복수의 돌출부들은 지그-재그 구조(34)로 및 상기 필터를 가로질러 상호 병치 관계로 연장하도록 적어도 2개의 행으로 배열되고,
    상기 입구 및 출구 각각은 여과되지 않은 유체 및 여과된 유체 각각에 대한 연장 슬롯을 포함하고, 상기 슬롯들 각각은 상기 필터만큼 실질적으로 넓으며 상기 필터의 입구 및 출구 측면들 각각 상의 돌출부들만큼 실질적으로 높은, 미세 구조화된 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기본판과 상기 커버판 사이의 간격이 인접한 돌출부들(7) 사이의 통로들(8)의 폭만큼 실질적으로 큰, 미세 구조화된 필터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    - 돌출부들(7)의 복수의 행들(3)은 캐스케이드 형태로 배열되고,
    - 상기 유체의 흐름 방향에 대해 수직인 통로들(8)의 단면은 -흐름 방향에서 관찰한바- 행에서 행으로 감소하고,
    - 상기 필터의 입구 측면에 가깝게 배열된 돌출부들(3)은 상기 필터의 출구 측면에 더 많이 배열된 돌출부들(3)보다 더 크고,
    - 캐스케이드 형태로 배열된 돌출부들(7)의 행 각각의 주변 영역 내에서 상기 기본판과 상기 커버판 사이의 간격은 유체가 상기 통로들의 행으로 통과하는 상기 돌출부들(7)의 측면 상의 통로들 폭만큼 실질적으로 큰, 미세 구조화된 필터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커버판은 실질적으로 평평한, 미세 구조화된 필터.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입구 슬롯(5)은 높이 대 폭의 비율이 1:5 내지 1:1000이고, 상기 출구 슬롯은 높이 대 폭의 비율이 1:5 내지 1:1000인, 미세 구조화된 필터.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 돌출부들(7)의 주변 영역 내의 기본판(1)과 상기 돌출부들(7)의 행(3) 내의 커버판 사이의 간격은 상기 유체가 상기 통로들(8)의 행 내로 통과하는 상기 돌출부들의 측면 상의 통로 폭의 절반 내지 2배인, 미세 구조화된 필터.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 돌출부들(7)의 2개의 인접한 행들의 상호 대향하는 측면들은 서로 연결된 공간을 규정하여 상기 유체가 제 1 행의 돌출부들 사이의 모든 통로들로부터 상기 서로 연결된 공간으로 흐르고, 상기 유체가 상기 서로 연결된 공간에서 흐름 방향을 따르는 상기 행의 돌출부들 사이의 모든 통로들로 흐르는, 미세 구조화된 필터.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 입구 슬롯(5)과 제 1 행의 돌출부들(4) 사이의 연장 단면의 수집 챔버로서, 상기 여과되지 않은 유체는 수집 챔버로 통과되고, 상기 유체가 수집 챔버에서 상기 제 1 행의 돌출부들 사이의 모든 통로들로 흐르는, 상기 입구 슬롯(5)과 제 1 행의 돌출부들(4) 사이의 연장 단면의 수집 챔버, 및
    - 돌출부들의 마지막 행과 상기 출구 슬롯 사이의 연장 단면의 수집 챔버로서, 상기 유체가 상기 마지막 행의 모든 통로들로부터 상기 수집 챔버로 흐르고, 상기 여과된 유체가 상기 수집 챔버에서 흘러나오는, 상기 돌출부들의 마지막 행과 상기 출구 슬롯 사이의 연장 단면의 수집 챔버를 포함하는, 미세 구조화된 필터.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 돌출부들은, 흐름 방향으로 관찰한바, 직선이거나 또는 곡선인 랜드들(11, 12, 13, 14, 15)의 형태이거나 또는 컬럼들(16, 17, 18, 19)의 형태인, 미세 구조화된 필터.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통로들(8)은 실질적으로 일정한 단면이고, 상기 유체의 입구(entry) 측면 상의 통로들 높이의 적어도 2배만큼 더 큰 길이를 갖는, 미세 구조화된 필터.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통로들(8)은 상기 통로 길이에 걸쳐 실질적으로 일정한 단면이고, 5㎛ 내지 50㎛의 길이, 2.5㎛ 내지 25㎛의 높이 및 2.5㎛ 내지 25㎛의 폭인, 미세 구조화된 필터.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 통로들은 실질적으로 정사각형 단면을 갖는, 미세 구조화된 필터.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통로들은 원통형(barrel-shaped) 또는 사다리꼴 단면을 갖는, 미세 구조화된 필터.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 사다리꼴 통로들의 보다 긴 측면이 상기 커버판에 의해 형성되는, 미세 구조화된 필터.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    통로들(8)은 상기 필터의 출구 측면 쪽으로 더 넓어지는 필터의 입구 측면 상에 실질적으로 정사각형 단면을 갖는, 미세 구조화된 필터.
  16. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 돌출부의 행들 사이의 간격이 바람직하게는 입구 측면 상의 통로 폭의 2배만큼 더 큰, 미세 구조화된 필터.
  17. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지그-재그 구조가 2°내지 25°의 각도 알파를 통해 서로에 대해 경사진 돌출부의 행들을 포함하는, 미세 구조화된 필터.
  18. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 돌출부들(7)의 주변 영역의 기본판(1)과 상기 돌출부들의 행(3) 내의 커버판 사이의 간격은 실질적으로 일정한, 미세 구조화된 필터.
  19. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 돌출부들(7)의 주변 영역의 기본판(1)과 돌출부들(7)의 행(3) 내의 커버판 사이의 간격은 상기 필터의 입구 근처에 있는 행의 단부의 영역에서보다 상기 필터의 출구 근처에 있는 행의 단부의 영역에서 더 큰, 미세 구조화된 필터.
  20. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 돌출부들(7)의 주변 영역의 평평한 기본판(1)과 돌출부들의 행 내의 평평한 커버판 사이의 간격은 상기 필터의 입구 측면 근처에 있는 행의 단부의 영역으로부터 상기 필터의 출구 측면 근처에 있는 행의 단부의 영역쪽으로 향하는 방향으로 선형적으로 증가하는, 미세 구조화된 필터.
  21. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기본판(1)은 등방성 또는 이방성 습식 또는 건식 에칭 또는 이들 공정들의 조합에 의해 구조화되는, 미세 구조화된 필터.
  22. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기본판(1)은 실리콘이고, 상기 커버판은 글래스이며, 상기 기본판은 양극 결합(anodic bonding)에 의해 상기 커버판에 결합되는, 미세 구조화된 필터.
  23. 흡입 치료용 분무기로서, 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 미세 구조화된 필터를 포함하는 흡입 치료용 분무기.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 필터에 조립된 노즐(6)을 포함하는, 흡입 치료용 분무기.
  25. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기본판(1)은 이방성 건식 에칭에 의해 구조화되는, 미세 구조화된 필터.
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