KR100603477B1 - 미세채널을 갖는 능동 유체 이송 장치 - Google Patents

Abstract

중합체 재료층(12)을 포함하는 능동 유체 이송 장치(10, 40, 54, 60). 상기 층(12)은 다수의 실질적으로 분리된 유동 채널들(16)을 포함하는 구조화 표면(13)을 갖는다. 상기 유동 채널들(16)의 최소 종횡비는 약 10 대 1이고 수압반경은 약 300 마이크로미터 이하이다. 또한 본 장치는 구조화 표면(13) 외부의 위치에너지 공급원(14)이 분리된 유동 채널들(16)과 유체 소통상태에 있도록 하는 커넥터(20,55)를 포함할 수 있다. 위치에너지 공급원(14)는 제1 위치에서 제2 위치로의 유동 채널들(16)을 통한 유체 이동을 촉진시킨다.

능동 유체 이송 장치, 미세구조화 채널, 아스피레이터, 열교환기, 유체 흡입 및 배출 매트

Description

미세채널을 갖는 능동 유체 이송 장치{Microchanneled Active Fluid Transport Devices}

본 발명은 유체를 이송시키기 위한 분리된 미세구조화 채널들을 포함하는 구조화 중합체 표면을 갖는 장치에 관한 것이다. 또한 본 장치는 분리된 미세구조를 갖는 채널들을 그 채널들을 통한 유체 이송을 유발하는 위치에너지 공급원에 유체 소통 상태로 연결하는 커넥터(connector)를 갖는다. 또한 본 발명은 상기 장치를 이용하는 유체 이송 방법 및 상기 장치를 이용하는 다양한 물품들에 관한 것이다.

유체 이송은 장치내에서 유동을 일으키는 메커니즘에 기초하여 특징지워질 수 있다. 유체 이송이 주로 장치 외부의 힘의 결과인 비자발적인 유체 유동 형태에 관련된 경우 이러한 유체 이송은 "능동적"이라 한다. 반면, 유체 이송이 장치 고유의 성질로부터 유래한 자발적인 유동 형태에 관련된 경우 이러한 유체 이송은 "수동적"이라 한다. 도뇨관(catheter)은 능동 유체 이송 장치의 잘 알려진 예이다. 전형적으로는 도뇨관은 장치를 통해 액체를 끌어들이는 진공 공급원에 연결된다. 수동 액체 이송 장치의 일 예는 흡수 패드 또는 스폰지이다.

능동 유체 이송 장치의 고안은 그것이 적용되는 특정 응용분야에 크게 의존한다. 많은 경우에 유체 유동 경로를 조절하는 것이 바람직하다. 어떤 의미에서 는 열교환기에서와 같이 또 다른 대상 또는 유체 가까이 특정 유체를 흐르게 할 목적으로 유체 유동 경로를 조절할 수 있다.

제1 및 제2 다기관(manifold) 사이에 걸쳐 연장되는 분리된 미세채널을 갖는 열교환기는 미국특허 제5,317,805호(Hoopman et al.)에 개시되어 있다. 미세채널을 갖는 이 열교환기는 전기 방식용(sacrificial) 코어의 둘레에 쉘(shell)을 물질적으로 축적(예컨대 금속을 전기도금하거나 증착시킴)시켜 제조한다. 미세채널을 갖는 또 다른 열교환기는 미국특허 제5,070,606호(Hoopman et al.)에 개시되어 있으며, 이는 배열된 섬유 주위에 플라스틱 또는 세라믹 본체를 제조하고 이어서 섬유를 제거하여 제조된 본체 내에 미세채널이 남도록 하는 방법으로 제조한다.

또 다른 의미에서는, 유체를 특정 유동 특성에 따라 흐르게 하기 위하여 유체 유동 경로를 조절할 수 있다. 즉, 층 간의 단일 도관을 통해 또는 다중 채널의 방법으로 유체 유동을 간단히 촉진시킬 수 있다. 기타 예로는 위치에너지 발생 장치에 부착될 수 있는 다공성 제품이 포함되는데 여기에서 상기 위치에너지 발생 장치는 상기 다공성 제품을 통해 유체가 흐르게한다[예컨대 미국특허 제5,599,330호(Rainin), 동 제4,533,352호(Van Beck et al) 및 동 제3,935,863호(Kliger) 참조].

유체 이송 유동 경로는 수집 부위로부터 저장 용기와 같은 또 다른 장소로 액체를 이송하기 위해 사용되는 다중 채널로 정의될 수 있다. 이러한 장치를 매우 자주 사용하는 경우, 액체는 가스와 혼합되고 2상 유동(two-phase flow)은 종종 액체와 가스의 난류 혼합을 유발할 수 있다. 혼합 비율 및 유체 흐름 속도에 따라 액체 및 가스는 바람직하지 못한 유동 패턴으로 결합할 수 있다. 거품(froth), 분산, 및 슬러그(slug) 유동으로 알려진 패턴들은 종종 이송되는 유체에 불리한 영향을 미칠 수 있거나, 또는 그러한 유동은 이송 시스템 및(또는) 주위 환경에 영향을 미칠 수 있다.

예를 들면, 거품 유동에서 가스의 거품은 액체 전체에 걸쳐 분산되고, 공기와 액체의 밀접한 접촉은 예컨대 액체의 산화를 가속화할 수 있다. 분산 유동에서는 거의 모든 액체가 가스 중의 미세 액적으로 부유된 상태로 운반된다. 이 유동 패턴에 의해 생성되는 에어러솔 액적들은 국소적인 환경내로 운반될 수 있고, 따라서 액체의 성질에 따라 위험을 초래한다. 일 예로는 폐기시키기 위해 흡입한 생물학적으로 오염된 유체들이 에어러솔화하여 수집 용기가 열려있는 경우 작업 환경내로 들어오는 것과 같이 외과 분야에서 찾아볼 수 있다. 슬러그 유동에서는 빠르게 이동하는 가스에 의해 액체의 파동이 주기적으로 포착되어 평균 액체 속도보다 빠른 속도로 시스템을 따라 통과하는 거품 형태의 슬러그를 형성한다. 이러한 유형의 유동에서, 슬러그는 시스템 구성 요소에 충돌할때 장비의 진동을 유발할 수 있다. 이러한 충격은 피팅(fitting) 및 굴곡부와 같은 시스템 중의 요소들 뿐 아니라 유체에 높은 정도의 기계적인 스트레스를 가할 수 있다. 또한 격렬한 유체 이송 작용은 외과 처치 과정동안 재투여하기 위해 수집되는 혈액과 같이 스트레스에 민감한 유체들의 세포 구조를 파괴할 수도 있다.

또한 2상 유동은 유체 이송 과정 동안 소음을 발생시켜 작업장에 유해한 영향을 줄 수 있다. 즉, 난류 액체 혼합물이 장치를 이동할 때 소음이 종종 발생한 다. 많은 환경, 특히 수술실과 같이 원활한 의사 소통이 필수적인 곳에서는 소음 공해가 최소화되어야 한다.

미국특허 제4,966,584호(Nguyen)는 소음 문제를 언급한 능동 유체 이송 장치를 기술하고 있다. 특히, 외과 처치 과정동안 사용되는 흡입 아스피레이터 (aspirator)를 개시하고 있다. 상기 장치는 소음을 감소시키기 위하여 장치를 통과하는 유동을 조절하는 밸브 어셈블리를 포함한다. 상기 밸브는 장치를 통한 흡입 유동을 조절함으로써 의도적으로 소음을 조절한다.

의료 분야에서 사용되는 또 다른 능동 유체 이송 장치는 테크놀 메디컬 프로덕츠 인크(Technol Medical Products Inc.)사로부터 "Fluid Control" 플로어 흡입 매트라는 상품명으로 입수 가능한 유체 회수 플로어 매트이다. 이 제품은 외과 처치 과정 동안 처치 부위로부터 떨어지는 유체를 제거하기 위해 수동 및 능동 방식 모두를 사용한다. 상기 장치는 다수의 평행한 채널들 위에 위치하는 흡수성 매트를 포함한다. 이 매트에 의해 회수된 유체가 채널내로 들어갈 수 있도록 상기 흡수성 매트와 접촉하는 채널의 표면에는 구멍들을 제공한다. 평행한 채널들은 흡입 튜브에 부착된 다기관에 연결된다. 따라서, 유체가 매트상에 축적된 다음 진공을 걸어 다중 채널을 통하여 용이하게 제거할 수 있다. 회수된 액체는 액체/공기 혼합물로 채널을 통해 흐를 수 있으므로 상기 장치는 소음을 발생시킬 가능성이 있다. 즉, 흡입 시스템에 의해 유체가 채널을 통해 흡입될때 공기가 액체와 혼합되어 작업 환경에 좋지 않은 영향을 줄 수 있는 소음을 발생시킬 수 있다.

미국특허 제5,628,735호(Skow)는 수술 과정 동안 수술 부위로부터 원하지 않 는 유체를 조용하고 연속적으로 제거한다는 능동 유체 이송 장치를 개시하고 있다. 상기 장치는 수동 및 능동 유체 이송 메커니즘 모두를 사용하여 외고 처치 과정 동안 과잉 유체를 제거한다. 이 장치는 높은 위킹(wicking) 성질을 갖는 유연성 매트를 포함하며 상기 매트내에는 흡입원에 부착되어 상기 매트가 포화되지 않도록 매트로부터 유체를 제거하는 유연성 튜브를 삽입한다. 상기 튜브는 그 내부에 하나 이상의 구멍들을 포함하여 회수된 유체가 매트로부터 튜브 내로 흐르게 한다. 상기 장치는 분리된 다중 채널들을 사용하지 않으므로 그러한 채널들간에 흡입 효과를 분배시킬 수 없으며, 튜브를 사용하는 것은 상기 장치의 응용 분야를 제한할 수 있다.

유체를 회수하는데 사용하는 기타 능동 유체 이송용 제품들은 미국특허 제5,437,651호(Todd et al.) 및 동 제4,679,590호(Hergenroeder)에 개시되어 있다. 토드 등(Todd et al.)의 특허에는 외과 처치 과정동안 환자에 축적되는 혈액 및 기타 유체들을 수집하는데 유용한 의료용 흡입 장치가 개시되어 있다. 상기 장치는 유연성 지지판(backing plate)을 통해 흡입원에 부착되는 흡수성 발포체 패드를 포함한다. 지지판은 회수된 유체를 오리피스를 향해 안내하는 채널들을 포함한다. 일반적으로 액체/공기 혼합물이 상기 장치를 통해 흡입되므로 이 장치는 소음을 발생시키기가 아주 쉽다.

헤르겐로더(Hergenroeder)의 특허는 수술실의 바닥으로부터 유체를 회수하기 위한 용기를 개시하고 있다. 상기 장치는 관절(예컨대 무릎)의 관절경 수술과 같은 수술 과정에서 사용되는 세척 유체(irrigation fluid)를 회수하는데 특히 적합 하다고 개시되어 있다. 상기 용기는 얇고 일반적으로 평평하며, 용기와 플로어 사이에 형성된 채널로 회수된 유체가 통과하여 흐르는 드레인과 함께 수집 표면을 형성하는 작은 대야(basin)의 그리드웍(gridwork)을 갖는다. 상기 채널들은 유체를 공통의 배출구로 안내하고, 상기 배출구는 흡입 장치에 연결될 수 있다. 채널 구조때문에 이 장치는 상술한 기타 장치들과 유사하게 2상 액체/공기 유동을 발생시키기 쉬우며, 이는 심각한 소음 공해를 유발할 수 있다.

기타 유연성 튜브 장치 또는 도뇨관들은 예컨대 미국특허 제5,445,771호 (Degen), 동 제4,623,329호(Drobish et al.), 및 동 제3,598,127호(Wepsic)에 기재되어 있다. 데겐(Degen)의 특허에서는 열가소성 중공 섬유 스트랜드의 다발을 함께 고정하며 분리용 장치의 방식으로 사용된다. 드로비시 등(Drobish et al.) 및 웹식(Wepsic)의 특허에 기재된 장치들은 1차 유동 통로 및 튜브 층들간에 위치한 하나 이상의 2차 유동 통로를 갖는 도뇨관에 관한 것이다. 드로비시 등의 장치는 2차 통로의 내부를 통과하는 유체에 접근할 수 있는 표면적을 증가시켜주기 위해 한정 표면들 중 하나의 내부에 형성된 홈을 갖는 동심의 2차 통로를 포함한다. 웹식(Wepsic)의 특허에서는 다수의 2차 V형 홈들이 1차 통로 주위에 배열된다. 상기 V형 홈들은 항균성 물질이 통과할 수 있는 외부 튜브에 의해 둘러싸인다.

도 1은 진공 공급원(14)과 통해 있는 다중의 분리된 채널들(16)을 제공하기 위한 덮개층(24)과 결합한 구조화층(12)을 갖는, 본 발명에 따른 능동 유체 이송 장치(10)의 투시도이다.

도 2a 내지 2c는 본 발명에 따른 능동 이송 장치에서 사용될 수 있는 가능한 채널 구조들을 예시하는 구조화층(12, 12b, 12c)의 말단부 도면이다.

도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 능동 이송 장치에서 사용될 수 있는 또 다른 채널 구조들을 예시하는 구조화층의 개략적인 평면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 액체 회수 장치(40)의 투시도이다.

도 4a는 선 4a-4a를 따라 절단한 도 4의 액체 회수 장치(40)의 부분 단면도이다.

도 5는 다중 분리 채널(16)을 정의하기 위해 층들(12)의 바닥 주표면들(51)이 아래층의 구조화 표면(13)을 막도록 서로의 위에 배치된 구조화 층들(12)의 스택(stack)(50)의 말단부 도면이다.

도 6은 다중 미세구조 층들(12)의 스택(50)을 사용한 본 발명에 따른 아스피레이터(54)의 투시도이다.

도 7은 제1 다기관(66) 및 제2 다기관(68) 사이에 연결된 다중 분리 채널들(도시되지 않음)을 정의하기 위한 덮개층(64)으로 덮힌 미세구조 층(62)을 갖는, 본 발명에 따른 또 다른 능동 유체 이송 장치(60)의 투시도이다.

도 8은 도 6에 도시된 아스피레이터를 환자에 사용하는 것을 예시한다.

도 9는 수술실에서 능동 유체 이송 장치들(40, 54 및 60)을 복합적으로 사용하는 것을 예시한다.

상기 도면들에서, 같은 구성 요소들은 여러 개의 도면에 걸쳐 같은 숫자들로 표시한다.

본 발명은 제1 주표면을 갖는 중합체 재료층을 포함하는 능동 유체 이송 장치를 제공한다. 상기 제1 주표면은 구조화 표면을 포함하며, 구조화 표면은 그 위에 배치된 실질적으로 분리된 다수의 유동 채널들을 갖는다. 유동 채널들은 제1 지점으로부터 제2 지점까지 상기 구조화 표면을 따라 연장되어 있으며 최소 종횡비(aspect ratio)가 약 10:1이고 수압 반경(hydraulic radius)이 약 300 마이크로미터(㎛) 이하이다. 또한 상기 이송 장치는 상기 분리된 유동 채널들과 유체소통 상태인 커넥터를 포함한다. 상기 커넥터는 구조화 중합체 표면 외부의 공급원으로부터 유래한 위치에너지를 유동 채널에 인가하여 제1 위치에너지로부터 제2 위치에너지로의 유동 채널들을 통한 유체의 이동을 유발한다.

본 발명은 본 발명을 구현하는 능동 유체 이송 장치에 수 많은 이점들을 부여하는 다수의 특성들을 갖는다. 그 중 특별한 한 가지 특징은 중합체 재료로 형성된 미세구조 표면을 사용하는 것이다. 중합체 재료는 제조과정 동안 비교적 저렴한 방식으로 구조화 표면을 정확하게 복제할 수 있게 한다. 미세구조 표면을 갖는 중합체 층은 몰딩 또는 캐스팅 기술을 사용하여 쉽게 복제할 수 있다. 따라서 기계를 사용하는 공작 및 화학적 에칭 방법과 같은 다른 기술들을 사용할 때 수반되는 비용이 많이 드는 공정 조건없이 구조화 표면을 제조할 수 있다. 또한 미세구조 표면을 제조하는데에 중합체 재료를 사용하면 개개의 특징에 대한 정확성이 비교적 높은 용인 한도로 제조 과정동안 유지될 수 있게 한다. 또한, 중합체 재료는 인장 모듈러스가 낮은 중합체를 선택함으로써 유연성을 갖는 능동 유체 이송 장 치를 제조할 수 있게 한다. 이러한 중합체들을 사용한 물품들은 다양한 용도를 위한 다양한 형태에 일치시킬 수 있다.

최소 종횡비가 약 10:1이고 수압 반경이 약 300 ㎛ 이하인 분리된 유동 채널들을 제공함으로써 미세구조 채널들이 위치에너지의 영향을 다수의 채널들에 매우 잘 분포된 방식으로 나눌 수 있게 한다. 위치에너지의 전체 효과를 예컨대 단일의 큰 채널을 통해 전달시키기 보다는, 위치에너지를 많은 수의 작은 채널들간에 분배시켜 어떠한 채널도 채널을 통해 이송되는 유체에 불리한 영향을 미치지 않게 할 수 있다. 잘 분포된 위치에너지 효과는 유체가 개개의 채널들을 통해 이동할 때 유체에 가해지는 스트레스를 줄일 수 있다. 스트레스를 줄이는 것은 유체가 취급에 세심한 주의를 요하는 것이거나 그 몰폴로지가 변화되어서는 안되는 경우에 중요하다. 이는 예컨대 이송되는 유체가 혈액, 콜로이드성 유체, 및 기타 비균질 액체 혼합물 또는 현탁액인 경우 중요하게 고려되는 사항일 수 있다.

또한, 잘 분포된 위치에너지 효과는 채널 입구 또는 출구와 접촉하게 되는 물품에 가해지는 스트레스를 줄일 수 있다. 예컨대 본 발명의 능동 유체 이송 장치가 진공 공급원에 연결된 도뇨관의 형태를 갖는 것인 경우, 분리된 미세구조 유동 채널들을 사용하는 것은 진공으로부터의 위치에너지를 매우 잘 분포되게 하여 채널 입구에서 위치에너지에 노출되는 신체 조직에 최소한의 스트레스가 가해지도록 한다. 따라서 본 발명의 능동 유체 이송 장치는 주변 조직에의 손상을 최소화하면서 신체의 공동(cavity)으로부터 유체를 제거할 수 있게 한다.

본 발명의 능동 유체 이송 장치의 미세채널 구조는 또한 각각의 채널이 용이 하게 주위 환경으로부터 유체로 채워질 수 있다는 이점이 있다. 그리고 분리된 채널 시스템은 채널들이 서로에 무관하게 채워지거나 또는 비어있는 상태를 유지할 수 있게 한다. 예를 들면 하나의 채널은 그 주위의 채널이 오직 공기만을 포함하고 있는 동안 액체로 완전히 채워질 수 있다. 통상적인 유체 이송 장치에서는 채널들이 훨씬 크고(크거나) 분리되어 있지 않아 종종 액체 및 공기의 2상 유동을 포함한다. 또한 본 발명의 액체에 대한 단일상 유동 촉진은 장치를 통과하는 액체에 대한 스트레스를 감소시키고 소음 공해를 최소화할 수 있다. 따라서 본 발명은 한 장소에서 또 다른 장소로 액체를 안전하고 조용하게 이송시킬 수 있다는 점에서 유리하다.

또한, 구조화 표면 중의 작은 유동 채널들을 사용하는 것은 유동 채널의 붕괴 없이 비교적 높은 충격 및 압축력, 굴곡각 및 진공에 견딜 수 있게 한다. 이러한 이점은 그러한 힘들이 존재할 수 있는 경우, 예컨대 무거운 물체 아래에서, 또는 사람이 걸어다니는 플로어 위에서, 또는 수술 부위를 팽창되고 시각적으로 손상되지 않도록 유지하는데 유체가 사용지만, 종종 압축되거나 또는 큰 각도로 구부려져서 통상적인 튜브가 조여지게 되는 유연성 유체 적출 수단이 필요한 정상경(orthoscopic) 수술 과정과 같은 상황에서 본 발명의 능동 유체 이송 장치를 사용할 수 있게 한다.

본 발명을 기술함에 있어서 용어들을 아래와 같이 정의하였다.

"종횡비"는 채널의 수압 반경에 대한 그 길이의 비이다.

"커넥터"는 위치에너지 공급원으로부터 분리된 미세구조 유동 채널을 따라 위치에너지를 인가할 수 있게 하는 형상을 갖는 임의의 메커니즘, 예컨대 기구, 장치 또는 부품의 조합을 뜻한다.

"모세관 모듈"은 채널 입구 및 채널 출구를 갖는 분리된 미세구조 유동 채널들을 갖춘 장치이다.

"분리된 유동 채널들"은 인접한 채널들에 실질적으로 무관하게 하나의 특정 채널을 따라 독립적으로 위치에너지를 유체에 공급할 수 있는 채널들이다.

"수압 반경"은 채널의 습윤성 단면적을 그 습윤성 주변 길이로 나눈 값이다. 원형 채널의 경우에 수압 반경은 그 직경의 4분의 1이다.

"유연성"이란 현저한 유동 채널의 수축 없이 구부리거나 굴곡시킬 수 있는 것을 뜻한다.

"유체"는 일정 부피의 가스 및(또는) 액체를 뜻한다.

"미세복제" 또는 "미세복제된"이란 용어는 구조화 표면의 특징들이 제조과정 동안 제품들간에 50 ㎛ 이하로 변화되는 각각의 특징 정확도(fidelity)를 갖는 공정을 거쳐 미세구조 표면을 제조하는 것을 뜻한다.

본 명세서에서 "미세구조 채널" 또는 "미세구조 유동 채널"이란 용어는 최소 종횡비가 약 10:1이고 수압 반경이 약 300 ㎛ 이하인 채널들을 지칭하기 위해 사용한다.

"중합체 재료"란 유기 분자(들)내에 규칙적으로 또는 불규칙적으로 배열된 1종 이상의 반복 단위들을 함유하는 천연 또는 합성 유기 분자(들)을 제조하기 위해 단량체들을 결합시켜 제조한 물질을 뜻한다.

"위치에너지"는 유체를 이동시킬 수 있는 에너지를 뜻한다.

"위치에너지 공급원" 또는 "위치에너지를 제공하는 공급원"은 유체를 이동시킬 수 있는 일을 하기 위한 에너지를 공급할 수 있는 임의의 실체이다.

"구조화 표면"은 미리 예정된 배열로 정의된 특징을 갖는 평평하지 않은 표면을 뜻한다.

도 1에는 두 개의 주표면 중 하나의 위에 구조화 표면(13)을 갖는 중합체 재료층(12)를 기본적으로 포함하는 능동 유체 이송 장치(10)이 도시되어 있다. 또한 이 장치(10)은 능동 유체 이송 장치(10)의 구조화 표면(13)위로 유체를 이동시키는 것을 돕기 위한 위치에너지를 제공하기 위한 공급원(14)를 포함한다. 또한 층(12)는 그로부터 구조화 표면이 돌출되어 나온 본체층(15)을 포함한다. 본체층(15)는 층(12) 중에서 각각의 구조화 특징들을 함께 유지하기 위하여 구조화 표면(13)을 지지하는데 기여한다.

층(12)는 유연성, 반강체(semi-rigid), 또는 강체(rigid) 재료로 이루어질 수 있으며, 이는 능동 유체 이송 장치(10)의 특정 용도에 따라 선택할 수 있다. 상기 층(12)는 중합체 재료를 포함할 수 있는데 이는 이러한 재료들이 미세구조 표면(13)을 제조하기 위해 정확하게 성형될 수 있기 때문이다. 중합체 재료들은 다양한 요구에 적합한 많은 상이한 성질들을 가지므로 상당한 변경이 가능하다. 예를 들면, 중합체 재료들은 유연성, 강직성, 투과성 등에 기초하여 선택할 수 있다. 또한 중합체층(12)을 사용함으로써, 덮개층으로 덮히면 분리된 유체 유동 채널들(16)을 형성하게 되는 다수의 고 밀도의 채널들을 제조하기 위해 구조화 표 면을 일관성있게 제조할 수 있게 한다. 따라서, 높은 수준의 정밀도와 경제성으로 제조할 수 있는, 고도로 잘 분배된 유체 이송 시스템을 제공할 수 있다. 상기 구조화 중합체 표면(13)은 본체층(15)의 재료와 동일하거나 상이한 재료로 제조할 수 있다.

도 2a에 나타낸 바와 같이, 채널들(16)은 일련의 V형 측벽들(17) 및 피크들(18)에 의해 예시된 실시 태양에 따른 층(12) 내에 정의될 수 있다. 비록 일부 응용분야에서는 측벽들(17)을 짧게 하여 피크들(18)이 구조화 표면(13)의 일부만을 따라 전개되도록 하는 것이 바람직할 수 있으나, 어떤 경우에는 측벽들(17) 및 피크들(18)이 층(12)의 한 쪽 모서리에서 또 다른 모서리까지 변형없이 완전하게 전개될 수 있다. 즉, 피크들(18) 사이에서 정의되는 채널들(16)은 층(12)의 한 쪽 모서리에서 또 다른 모서리까지 완전하게 전개될 수 있거나, 또는 상기 채널들(16)은 층(12)의 일부만에 걸쳐 전개되도록 정의될 수 있다. 일부만에 걸쳐 전개된 채널들은 층(12)의 한 모서리에서 시작하거나, 또는 층(12)의 구조화 표면(13)내의 중간에서 시작하고 끝날 수 있다. 상기 채널들은 중합체 재료의 연속적인 표면위에 예정된, 바람직하게는 정렬된 배열로 정의된다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 각 채널들(16)은 채널 입구(19)를 정의하기 위해 층(12)의 한 쪽 모서리가 개방되어 있다. 따라서 유체는 채널들(16)에 의해 안내되는 입구(19)를 통해 커넥터(20) 방향의 층(12)의 또 다른 모서리를 향해 통과할 수 있다. 커넥터(20)은 바람직하게는 출구(도시하지 않음)들을 통해 각 채널들(16)과 유체 소통상태에 있으며, 또한 위치에너지 공급원(14)와도 유체 소통 상태에 있다. 커넥터(20)은 다양한 형태로 제조될 수 있으나 도 1에 예시한 바와 같이 다기관(22)를 포함한다. 다기관(22)는 그 내부에 내부적으로 정의되는 플리넘(plenum)(도시하지 않음)이 제공되고 채널들(16)과 유체 소통상태로 있다. 상기 플리넘은 단순히 적어도 다수의 채널들(16)에 밀봉 연결된 다기관(22)내의 챔버를 포함할 수 있다. 다기관(22)는 층(12)와 같이 유연성, 반강체, 또는 강체 재료로 이루어질 수 있다. 또한 특정 용도에 따라 채널(16)에 유체를 공급해 주기 위해 입구(20)을 갖는 층(12)의 면에 제2 다기관(도시하지 않음)을 제공할 수 있다.

본 발명에 따라 커넥터는 본질적으로 위치에너지를 그 공급원으로부터 다중 채널들로 전달할 수 있는 어떠한 적용도 받을 수 있다. 비록 플리넘 및 튜브를 포함하는 다기관을 기술하였지만 도관을 유동 채널에 유체 소통 상태로 연결하고 주위 환경으로부터 보다 높거나 낮은 위치에너지 영역의 분리 또는 분획을 가능케하는 압축 연결장치, 또는 밀봉재 및 개스킷과 같은 기타의 커넥터들도 본 발명에서 사용할 수 있다. 또한 커넥터는 각 채널들과 유체 소통상태에 있어서 각 유체들이 분리된 채널들을 통해 분리되어 흐를 수 있게 하는 모세관 섬유(예컨대 내부 직경이 10 ㎛이하인 것)를 포함할 수 있다. 또한 커넥터는 성형 챔버(들), 분리된 유동 채널들에 대응하여 필수적으로 또는 비필수적으로 배치된 미세구조 도관, 또는 예컨대 분리된 미세구조 유동 채널들을 원심분리기내에 설치할 수 있거나 또는 분사(jet)와 같은 유동 흐름을 채널 입구 또는 출구로 안내할 수 있는 시스템 또는 메커니즘이다.

피크(18)에서 적어도 다수의 채널들(16)을 둘러싸기 위해 덮개층(24)는 구조 화 표면에 대해 나란히 놓일 수 있다. 따라서 덮개층(24)는 적어도 다수의 채널들을 밀폐하여 모세관 모듈(25) 중의 분리된 유동 채널들(16)을 형성한다. 전형적으로는 모세관 모듈의 두께는 1 내지 10 밀리미터(mm), 더욱 전형적으로는 2 내지 6 mm이다. 덮개층(24)는 또한 다수의 분리된 채널들(16)이 제1 위치에너지로부터 제2 위치에너지로 채널들(16)을 따른 위치에너지 차의 생성에 기초하여 능동 유체 이송 채널들을 제공할 수 있도록 다기관(22)에 밀봉 연결될 수 있다. 덮개층(24)의 두께는 전형적으로는 약 0.01 내지 1 mm, 더욱 전형적으로는 0.02 내지 0.5 mm이다. 본 발명의 채널들이 밀폐되도록 밀봉되면 작은 개개 채널들의 후프 강도의 결과로 유연성 채널 시스템은 일반적으로 파단됨이 없이 고압을 견딜 수 있다.

덮개층(24)는 분리된 채널들(16)의 형성을 강화하기 위해 구조화 표면(13)의 일부 또는 모든 피크들(18)에 결합될 수 있다. 이는 열적으로 또는 덮개층 재료(24) 및 중합체 구조화층(12)에 상용성인 통상의 접착제를 사용하여 수행할 수 있다. 분리된 채널들(16)의 형성은 열 접착, 초음파 용접, 압축 또는 간섭(interference) 피팅과 같은 기계적인 맞물림을 통해 달성할 수 있다. 결합은 덮개층(20)에 대해 피크들(18) 전체를 따라 제공되거나 또는 점 접합하거나 또는 규칙적인 또는 불규칙적인 패턴으로 제공될 수 있다.

덮개층(24)는 바람직하게는 구조화 중합체층에 대해 후술하는 중합체들과 같은 중합체 재료로 제조할 수 있다. 중합체는 덮개층이 접착제를 사용하지 않고 구조화 표면(13)에 단단히 결합되도록 선택할 수 있다. 그러한 중합체는 덮개층이 예컨대 초음파 용접 조작으로부터 발생하는 것과 같은 열을 가함으로써 구조화 표 면에 단단히 용접될 수 있도록 선택할 수 있다.

위치에너지 공급원은 본질적으로 제1 위치로부터 제2 위치로의 유체이동을 유발할 수 있도록 다수의 유동 채널들(16)을 따라 위치에너지 차이를 줄 수 있는 임의의 수단을 포함한다. 위치에너지는 다수의 유동 채널들(16)을 통한 유체 유동을 유발하거나 또는 유발에 도움을 주기에 충분하며, 이는 부분적으로 임의의 특정 용도의 유체 특성에 기초한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 위치에너지 공급원(14)는 통상적으로 또는 그렇지 않으면 컬렉터 용기(26)에 연결된 진공 발생기(V)를 포함할 수 있다. 컬렉터 용기(26)은 통상적인 유연성 튜브(28)에 의해 다기관(18)과 유체가 소통될 수 있도록 연결된다. 따라서, 유체는 모세관 모듈(25) 외부로부터 입구(19)내로, 채널들(16), 다기관(22), 튜브(28)를 거쳐 수집 용기(26)내로 흡입될 수 있다. 용기(26)은 유리하게는 그 내용물을 비울 수 있게 개방 가능하거나 또는 그렇지 않으면 통상적인 배출 시스템에 연결될 수 있다.

위치에너지 공급원(14)가 진공 발생기(V)를 포함하는 경우, 다기관(22)를 거쳐 채널들(16)에 제공되는 진공은 피크들(18)에 대해 덮개층(24)를 적절히 밀봉시키기에 충분할 수 있다. 즉, 진공 자체가 덮개층(24)를 피크들(18)에 대해 고정시켜 분리된 채널들(16)을 형성시킬 수 있다. 바람직하게는, 독립적으로 위치에너지를 수용할 수 있는 최대 갯수의 분리된 채널들(16)을 정의하도록 구조화 표면(13)에 의해 정의되는 각 채널들(16)은 덮개층(24)에 의해 밀봉된다. 채널들(16)간의 유체 교차는 효과적으로 최소화할 수 있으며 외부 공급원으로부터 제공되는 위치에너지를 효과적이고 효율적으로 층(12)의 구조화 표면(13)상에 분배시킬 수 있다.

미세구조를 포함하는 표면, 또는 모세관 모듈과 유체 전달 또는 위치에너지 공급원간의 연결은 부착된 다기관 또는 필요한 다기관들을 통해 달성될 수 있다. 또한 특정한 적용 또는 용도에 따라 다수의 위치에너지원들을 사용할 수 있다. 압력차는 미세구조를 포함하는 표면(들)을 가로질러 흐름을 유발하는데 사용될 수 있는 효과적인 유체 이동 방법 또는 위치에너지이다. 압력차는 펌프 시스템을 사용하여 쉽게 설정할 수 있으며 양 또는 음의 압력 형태로 가할 수 있다.

기타 위치에너지 공급원(14)들을 진공 발생 장치(V) 대신 또는 이와 함께 본 발명에서 사용할 수 있다. 본질적으로 채널들(16)을 통한 유체 유동, 특히 액체 유동을 유발하거나 촉진시킬 수 있는 임의의 인공적인 방법을 본 발명에 사용할 수 있다. 위치에너지 공급원은 채널 구조 및(또는) 모세관 모듈로부터 분리되며, 달리 표현하면 채널 구조 및(또는) 모세관 모듈에 내재적인 것이 아니다. 즉, 본 발명은 모세관 현상과 같은 유체 유동을 유발하기 위한 채널 구조의 성질에만 관한 것이 아니다. 기타 위치에너지 공급원의 예로는 진공 펌프, 압력 펌프, 및 팬과 같은 압력 시스템, 자기유체역학 드라이브(magento hydrodynamic drives), 음향 유동 시스템(acoustic flow systems), 원심 스피닝, 유체정력학 헤드(hydrostatic heads), 및 적어도 일정한 정도로 유체 유동을 유발하거나 촉진시키는 위치에너지 차이의 생성을 이용하는 임의의 공지된 또는 최근에 개발된 유체 구동 시스템들이 포함되나 이들로 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 채널들내에서 유체가 이동하도록 하는 원심력 또는 자기장과 같은 유체에 직접 작용하는, 가해진 임의의 장력(field force)은 유체 동력원으로 생각할 수 있다. 그러나, 본 발명은 예컨대 유체를 장치내로 중력에 의해 구동시키는 유체정력학 헤드와 같이 일정 부피의 액체와 유체 소통상태에 있는 도관과 같은 커넥터의 방식으로 사용되지 않는 한 중력을 유동 채널들을 따라 가해지는 위치에너지 공급원으로 고려하지 않는다. 또한 대기압이 채널들내의 유체를 움직이는 위치에너지를 생성하는 사이펀(siphon) 작용으로 유체를 채널들을 통해 흐르게 할 수 있다.

도 1에 도시한 유체 이송 장치는 다중의 V형 피크들(도 2a의 18)을 포함하는 구조화 표면을 갖지만, 다른 구조들을 고려해볼 수 있다. 예컨대, 도 2b에 도시한 바와 같은 채널들(16')은 약간 평평한 피크들(18') 사이로 보다 넓은 평평한 골(valley)을 갖는다. 도 2a의 실시 태양과 유사하게 분리된 채널들(16')을 정의하기 위해 하나 이상의 피크들(18')을 따라 덮개층을 고정시킬 수 있다. 도 2a의 실시 태양에서는 측벽들(17)이 선을 따라 함께 연결되는 반면, 이 경우에는 바닥 표면들(30)이 채널 측벽들(31) 사이로 연장된다.

도 2c는 넓은 채널들(32)이 피크들(18")사이에서 정의되나 채널 측벽들사이에 평평한 표면을 제공하는 대신 피크(18") 측벽들 사이에 다수의 작은 피크들(33)이 배치되는 구조를 예시한다. 따라서 이러한 작은 피크들(33)은 그 사이에서 2차 채널들(34)을 정의한다. 피크들(33)은 피크(18")과 같은 높이이거나 아닐 수 있고, 도시한 바와 같이 그 안에 분포된 보다 작은 채널들(34)를 포함하는 제1의 폭넓은 채널을 형성할 수 있다. 피크(18") 및 (33)들은 그 자신들 또는 서로에 대해 골고루 분포될 필요는 없다. 보다 작은 채널들(34)는 채널의 길이 방향을 따라 마찰력을 변경시킴으로써 보다 넓은 채널들(32)을 통한 유체 유동을 조절하는데 사용 될 수 있다.

도 1 및 2a 내지 2c는 연장된 선형 채널들을 도시하고 있으나, 채널들은 다른 구조로 제공될 수 있다. 예를 들면, 채널들은 채널 길이방향을 따라 다양한 단면폭을 가질 수 있고, 즉 채널의 길이 방향을 따라 채널들이 벌어지거나 수렴될 수 있다. 또한 채널 측벽들은 채널의 연장 방향 또는 채널 높이 방향으로 곧은 것이 아니라 곡선형일 수 있다. 일반적으로 유체 이송 장치내에서 제1의 지점으로부터 제2의 지점으로 연장되어 있는 적어도 다수의 분리된 채널부를 제공할 수 있는 임의의 채널 구조가 가능하다. 원하는 경우 채널들은 그들의 전체 길이를 따라 분리된 형태를 유지하도록 형성될 수 있다.

도 3a 및 3b는 본 발명의 능동 유체 이송 장치 중의 구조화 표면을 정의할 수 있는 평면도 형태의 채널 구조를 개략적으로 도시한다. 도시한 바와 같이, 다수의 분리된 비평행 수렴(converging) 채널들(36)이 유체의 중간 수집처를 제공한다. 이들 수렴 채널(36)은 단일의 분리 채널(37)에 연결된다. 이는 출구의 제공을 하나로 최소화한다. 도 3b에 도시한 바와 같이 중앙 채널(38)은 유사한 이유로 특정 영역을 덮도록 고안될 수 있는 다수의 채널 가지들(39)에 연결된다. 다시 말해 일반적으로 다수의 분리된 채널들이 제1 지점으로부터 제2지점까지 구조화 표면의 일부에 걸쳐 제공되는 한, 본 발명에 따른 임의의 패턴이 가능하다. 상기 실시 태양과 유사하게 도 3a 및 3b에 도시한 패턴화 채널들은 바람직하게는 그 이웃하는 채널들에 본질적으로 무관하게 특정 채널을 따라 위치에너지가 수용되도록 하는 분리된 유동 채널들을 추가로 정의하기 위해 덮개층으로 덮힌다.

상술한 임의의 본 발명에 따른 채널들은 층의 제1 주표면의 구조화 표면에 의해 구조화 층 내에 정의된다. 본 발명에 따른 채널들은 임의의 한 채널이 다른 채널들에 대해 독립적으로 주위 환경으로부터 유체를 수용할 수 있도록 분리된 구조를 갖는다. 각 채널의 미세구조 크기는 벌크 부피 중의 유체의 단일상 유동을 촉진한다. 공기가 액체 중에 부유되어 이송되지 않고, 소음 발생이 현저히 감소되며 능동 유체 이송 장치를 통해 이송되는 액체에 가해지는 스트레스가 현저히 적다.

본 발명의 미세구조 표면의 유동 채널들 각각은 실질적으로 분리되어 있다. 즉, 유체는 인접한 채널들 중의 유체에 무관하게 채널들을 통과할 수 있다. 인접한 채널들에 대해 독립적으로 특정의 채널을 따라 또는 통과하여 유체를 안내하기 위해 채널들은 서로에 대해 독립적으로 위치에너지를 수용한다. 비록 인접한 채널들간에 약간의 확산이 있을 수 있다 하더라도 바람직하게는 하나의 유동 채널에 들어간 유체는 인접한 채널에 상당한 정도로 들어가지 않는다. 유체를 효과적으로 이송하고 이러한 채널들이 제공하는 장점들을 유지하기 위해 미세채널들의 분리상태를 효과적으로 유지하는 것이 중요하다. 그러나 모든 채널들이 모든 실시 태양의 경우에 분리되어야 할 필요는 없다. 일부 채널들은 분리된 반면 나머지는 그렇지 않을 수 있다. 또한, 채널 "분리"는 예컨대 동요하는 압력에 의해 강요되는 일시적인 현상일 수 있다.

미국특허출원 제09/099,565호에는 장치를 어울리는 짝 프로파일(mating profile)을 갖는 표면(예컨대 평평한 표면상에 놓인 평평한 구조화 채널을 갖는 표 면)상에 놓을 때 표면이 덮히게 되는, 표면이 덮히지 않은 미세구조 유동 채널들을 사용하는 능동 유체 이송 장치를 개시하고 있다. 상기 특허 출원은 "유체 이송원에 부착시키기 위한 개방된 구조 표면을 갖는 유체 안내 장치(Fluid Guide Device Having An Open Structured Surface For Attachment To A Fluid Transport Source)"라는 발명의 명칭으로 본 출원과 동일자로 출원되었다.

구조화 표면은 10:1, 일부 실시 태양에서는 약 100:1을 초과하는 최소 종횡비(길이/수압 반경)를 갖는 분리된 유동 채널들을 정의하는 미세구조화 표면이다. 상부 말단부에서 종횡비는 무한히 높을 수 있으나 일반적으로 약 1,000,000:1 미만이다. 채널의 수압 반경은 약 300 ㎛ 이하이다. 많은 실시 태양에 있어서, 이는 100 ㎛ 이하, 및 10 ㎛ 이하일 수 있다. 일반적으로 많은 실시 태양에 있어서 작을 수록 좋지만(그리고 수압 반경은 미크론 이하의 크기일 수 있음), 수압 반경은 전형적으로는 대부분의 실시 태양에서 1 ㎛ 보다 작지 않다. 이하에 더욱 충분히 기술한 바와 같이, 상기 파라미터내에서 정의된 채널들은 능동 유체 이송 장치를 통한 효율적인 벌크 유체 이송을 제공할 수 있다.

또한 매우 낮은 프로파일을 갖는 구조화 표면을 제공할 수 있다. 따라서, 구조화 중합체층의 두께가 5000 마이크로미터 이하, 바람직하게는 1500 마이크로미터 이하인 능동 유체 이송 장치를 고려해볼 수 있다. 이를 이루기 위해서, 채널들은 높이가 약 5 내지 1200 마이크로미터이고 피크 간격이 약 10 내지 2000 마이크로미터인 피크들에 의해 정의될 수 있다.

본 발명에 따른 미세구조화 표면은 시스템의 부피가 고도로 분배되는 유동 시스템을 제공한다. 즉, 그러한 유동 시스템을 통과하는 유체 부피는 큰 영역에 걸쳐 분포된다. 직선 cm 당 약 10 (25/in) 내지 1,000 (2500/in)의 미세구조 채널 밀도(채널들을 가로질러 측정)는 높은 유체 이송 속도를 제공한다. 일반적으로, 공통 다기관을 사용하는 경우 각 개별적인 채널은 채널 입구 및 출구에 위치하는 다기관보다 적어도 400 퍼센트, 더욱 바람직하게는 적어도 900 퍼센트 크다. 이러한 종횡비에서의 현저한 증가는 위치에너지의 영향을 분배하여 본 발명의 뚜렷한 이점들에 기여한다.

도 4는 도 1에서 상술한 장치(10)과 유사한 능동 유체 이송 장치가 포함된 액체 흡수 및 배출 매트(40)를 도시한다. 상기 액체 흡수 및 배출 매트(40)은 도 1의 모듈(25)와 유사하지만 페넌트(pennant) 구조이고 지지층(42) 및 액체 흡수층(44) 사이에 끼인 모세관 모듈(25')을 포함할 수 있다. 액체 흡수층(44)는 매트(40)의 사용시에 모세관 모듈(25') 위에 위치하여 액체의 컬렉터 또는 저장용기로서의 역할을 하고, 층과 접촉하는 액체가 그것을 통해 지나갈 수 있도록 한다. 액체 흡수층(44)는 본질적으로 부직포, 특히 용융블로운(meltblown) 미세섬유를 포함하는 부직포 및 미세섬유 마이크로웹과 같이 상기 작용을 수행할 수 있는 임의의 재료를 포함한다. 적합한 웹 재료의 예는 미국특허 제4,813,948호(Insley)에 개시되어 있다. 지지층(42)는 상기 액체 흡수 및 배출 매트(40)에 구조적인 지지 및 완전한 상태를 제공할 뿐 아니라 바람직하게는 수집되는 액체에 대해 불투과성인 바닥 표면을 제공한다. 따라서, 액체는 액체 흡수층(44)내로 수집 및 보유되며, 지지층(42)을 통과하지 못한다. 모세관 모듈(25')은 진공 발생 장치와 같은 위치 에너지원에 바람직하게는 밀봉 연결되는 다기관(46)과 같은 커넥터를 포함한다.

모세관 모듈(25')은 바람직하게는 액체 배출 매트(40)의 길이 방향을 따라 도처에 입구(48)들이 노출된 형상을 갖는다. 이를 수행하기 위한 한 방법은 다기관(46) 근처의 지점으로부터 액체 배출 매트(40)의 반대 모서리를 향해 수렴하는 비스듬한 모서리(49)를 갖는 모세관 모듈(25')을 제공하는 것이다. 비스듬한 모서리(49)를 사용함으로써 각 입구(48)의 단면적을 확대시킨다. 도 4a는 여러 채널들에 대한 입구(48)가 확대된 모서리(49) 부분을 도시한다. 입구들(48)은 액체 배출 매트(40)의 구조 내부에서, 바람직하게는 실질적으로 액체 배출 매트(40)의 전체 길이 방향을 따라, 또한 전체적으로 다양한 가로 폭으로 개방되어 있다. 이와 유사하거나 또는 상이한 결과를 얻기 위해 다른 구조를 갖는 모서리들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 보다 큰 유체 회수를 필요로 할 수 있는 매트 제품의 특정 영역에 입구들을 집중시키는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 다수의 모세관 모듈(25')을 단일의 액체 배출 매트(40)내로 도입시킬 수 있다. 다수의 모세관 모듈(25')들은 각각이 분리된 다기관들 또는 공통의 다기관에 연결된 상태로 액체 배출 매트(40)의 동일한 면 또는 상이한 면에 제공될 수 있다.

액체 흡수층(44) 및 지지층(42) 사이에 끼인 모세관 모듈(25')을 갖는 액체 흡수 및 배출 매트(40)를 제조함으로써, 액체 흡수층(44)이 지지층(42) 위에 그 사이의 모세관 모듈 없이 직접 놓인, 매트(40)의 유체 보유 용량 대부분을 제공할 수 있다. 즉, 능동 유체 이송 장치(41)내에 도입된 덮개층(24)(이는 유체 불투과성일 수 있음)가 존재하면, 유체는 장치(41) 주위의 보다 낮은 영역으로 흘러들어 가려 는 경향을 갖는다. 입구(48)에서, 그리고 능동 유체 이송 장치(41)의 임의의 갯수의 독립 채널을 통해 유체를 회수함으로써, 실질적으로 액체 배출 매트(40)의 전체 표면으로부터 유체를 효율적으로 제거할 수 있다.

또한 상기 매트(40)은 지지층(42)이 층(12)와 같이 미세채널을 갖는 구조화 표면이 되도록 제조할 수 있다. 또한 지지층(42)는 제거될 수 있고, 구조화층(12)는 모세관 모듈(25')을 넘도록, 바람직하게는 적어도 액체 흡수층(44)의 전체 표면 아래(또는 상당 부분 아래)까지 연장되는 크기를 가질 수 있다. 이러한 실시 태양에 있어서, 연장된 구조화층(12)는 유체가 매트(40) 아래로 통과하지 못하게 하는 지지층으로서의 역할을 한다. 연장된 구조화층은 층(12)와 함께 전체를 구성할 수 있다. "전체를 구성한다"는 의미는 지지층과 구조화층(12)은 하나이면서 동일한 것, 즉 별도로 제조되는 것이 아니라 동시에 제조되고 이어서 함께 접합된다는 뜻이다. 상기 지지층 중의 채널들은 연장된 층(12)의 외부 말단으로부터 모세관 모듈(25')내로의 유체 이동을 촉진시키기 위해 도 3a 및 3b에 도시한 바와 같은 나무가지 모양의 구조를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 미세구조 채널을 사용함으로써, 상당한 소음을 발생시키지 않고 능동 유체 이송 장치(41)로 유체를 제거할 수 있다. 상술한 바와 같이, 이는 주로 미세구조 채널이 공기/액체 혼합 및 난류(turbulance)를 최소화하면서 각 독립적인 채널을 통해 유체의 단일상 유동을 촉진하기 때문이다. 단일상 유동은 채널들을 통한 플러그 유동(plug flow) 또는 연속적인 단일상 유동으로서 작용할 수 있다.

상술한 바와 같은 액체 흡수 및 배출 매트는 유체 배출 및 제거가 필요한 분야에 응용될 수 있다. 이러한 응용분야에는 외과 분야에서 바닥 및 장비로부터 유체를 제거하는 것, 외과용 드레이프(drape), 침대 패드, 및 실금 기저귀 및 패드와 같은 개인 위생용품에서의 작은 형태등을 포함할 수 있다. 또한 배출 매트는 누출되었거나 기계류로부터 떨어진 오일 및 기타 액체들을 제거하기 위해 공업용 용도로 사용될 수 있다.

원하는 성능을 내기 위해 다양한 구조의 모세관 모듈을 고안할 수 있다. 모듈의 단위 폭 당 처리량을 증가시키기 위해 다층의 선형 미세구조들을 사용할 수 있다. 도면에 도시한 바와 같이 구조화 층의 주변부 또는 외부 경계가 아니라 내부 경계상에 노출된 채널 입구들을 제공하기 위하여 말단-다기관을 갖는 모듈을 구성할 수 있다. 채널 입구들은 층의 내부 일부를 잘라냄으로써 구조화층 상에 노출될 수 있다. 이렇게 함으로써 진공과 같은 위치에너지 공급원, 및 말단 다기관을 통해 상기 공급원에 연결되고 직접 채널에 연결된 개구부에 직접 연결된 채널 입구들을 노출시킨다.

유사하게 구성되지만 미세구조 유동 채널들이 선택적인 투과성을 갖는 분리 매질로 덮힌 장치는 "미세구조화 분리 장치(Microstructured Separation Device)"란 발명의 명칭으로 본 출원과 같은 날 출원된 미국특허출원 제09/100,163호에 기재되어 있다.

도 5에 도시한 바와 같이, 각각 미세구조 표면(13)을 갖는 다수의 층들(12)는 스택(50)을 형성하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성은 각 층들이 현저하게 유 동 용량을 증가시키기 때문에 유체를 이송하는 구조의 능력을 배가시킨다. 층들은 특정 용도에 따라 상이한 채널 구조 및(또는) 채널수를 가질 수 있다. 또한, 이러한 유형의 적층 구조는 폭이 제한된, 따라서 일정한 유체 이송 용량이 필요한 상대적으로 좁은 유체 이송장치를 필요로 하는 용도에 특히 적합할 수 있다. 따라서, 증가된 유동 용량을 갖는 좁은 장치를 제조할 수 있다.

스택(50)의 중요한 이점은 층(12)의 제2 주표면(51)(구조화 표면(13)을 마주보는 표면)이 인접한 층(12)의 채널들을 밀봉하거나 덮을 수 있다는 점이다. 달리 표현하면, 특히 최상부 층의 노출된 미세구조 표면(13)을 덮기 위해 사용할 수는 있지만 별도의 덮개층들이 필요하지 않다. 그러나, 추가의 층으로서 별도의 덮개층들이 제2 주표면(51)상에 노출될 수 있다. 상기 추가 층에 대하여 선택된 재료는 중합체 재료이거나 또는 특정 용도에 따라 기타 재료일 수 있다. 스택 중의 층들은 상술한 바와 같이 임의의 통상적인 방법으로 서로 결합되거나 또는 스택의 구조적인 집합이 분리된 유동 채널들을 충분히 정의할 수 있도록 서로의 위에 간단히 쌓을 수 있다. 상술한 바와 같이, 이러한 능력은 위치에너지 공급원으로 진공을 사용하는 경우 증대된다. 제2 주표면(51)은 도시한 바와 같이 평면이거나 또는 표면(13)과 유사하거나 상이한 구조화 표면일 수 있다.

비록 도 5에 도시한 장치는 5 구조화 표면들(12)의 스택을 포함하지만, 스택은 예컨대 10 이상 또는 심지어 100 이상의 구조화층들 같이 다른 숫자의 스택을 포함할 수 있으며, 보다 큰 스택으로 수렴하는 지류(tributary) 스택들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 5에 도시한 5층 스택은 4분의 1로 나누어질 수 있고 4개 의 지류 스택들(채널 입구를 가짐) 각각은 도 5에 도시한 바와 같은 보다 큰 스택 구조로 수렴할 수 있으며 이는 위치에너지 공급원과 소통상태에 있는 커넥터에 연결될 수 있다. 상기 스택은 다양한 위치에너지를 갖는 다수의 위치에너지 공급원이 스택 중의 부분 집합(subset)으로서 부착되도록 다수의 커넥터들을 포함할 수 있다.

또한 스택 미세구조 채널들은 "구조화 표면 여과 매체(Structured Surface Filtration Media)"이라는 발명의 명칭으로 본 출원과 동일자로 출원된 미국특허출원 제09/106,506호에 기재된 바와 같은 여과 매체로 사용될 수 있다.

도 6에서는 도 5에 도시한 것과 같은 스택 구조를 아스피레이터(54) 내에서 사용한다. 아스피레이터(54)는 각각 그들의 하나의 주표면상에 미세구조 중합체 표면(13)을 갖는 다수의 층들(12)를 포함하는 스택(50)을 사용한다. 층들(12)의 제2 주표면(51)은 덮개층으로서 역할하고, 인접한 서브층(12)의 채널들(16)을 밀폐시켜 아스피레이터 선단부(tip) 또는 말단부에 다수의 채널 입구(19)들을 갖는 스택 또는 모세관 모듈(50)을 형성한다. 제2 주표면(51)은 중합체로 이루어지거나 또는 원하는 경우 예컨대 금속 박편 등과 같은 다른 물질로 피복될 수 있다.

모세관 모듈(50)은 튜브(56) 및 어댑터(58)를 포함하는 커넥터(55)에 결합될 수 있다. 튜브(56)은 진공과 같은 위치에너지 공급원에 단단히 고정되거나 또는 결합될 수 있다. 어댑터(58)은 밀봉 연결 영역(59)에서 단면이 정방형인 모세관 모듈(50)을 단면이 원형인 튜브(56)에 연결시킨다. 어댑터(58)은 통상적으로 접착제 또는 기타 결합 기술로 튜브(56) 및 모듈(50)에 밀봉 연결될 수 있다. 스택 또 는 모듈(50)은 추가로 도관 또는 튜브를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 별법으로, 튜브(56) 및 모듈(50)의 말단부를 수축전의 열수축 튜브 단편에 삽입함으로써 튜브(56) 및 모듈(50)을 함께 연결할 수 있다. 층(12) 및 스택(50)은 상대적으로 뻣뻣한 아스피레이터 말단부를 제공하기 위해 어댑터(58)로부터 짧게 연장되거나, 아스피레이터(54)가 더욱 유연성을 갖도록 더 연장될 수 있다. 유연하고 형태를 변형시킬 수 있는 아스피레이터 말단부를 제공하기 위해 각 층들(12)은 바람직하게는 채널들(12)의 길이 방향으로 서로에 대해 미끄러지거나 이동할 수 있도록 층의 전체 표면에 걸쳐, 특히 말단부에서 서로 결합시키거나 고정시키지 않는다. 이러한 독립적인 미끄러짐 운동은 유동 채널들(16)에 대해 수직으로 축 주위로 선단부를 구부릴 수 있게 한다. 아스피레이터 내에서 사용하는 경우, 상기 모듈의 길이는 전형적으로는 약 1 내지 10 cm이다. 뻣뻣한 아스피레이터는 조밀한 공간내로 삽입하는 용도로 더욱 적당한 반면, 어떤 위치에 이르는 경로에 맞게 하는 동안 아스피레이터 선단부가 보다 거리를 둔 위치에 위치할 수 있도록 유연성이 요구될 수 있다.

또한 원하는 경우 모세관 모듈(50)상에 덮개(sheath)를 제공할 수 있다. 용도분야에 따라 스택 주위로 다공성 또는 밀폐 덮개를 제공할 수 있다. 다공성 덮개는 덮개가 체(sieve) 또는 필터로 작용하는 경우의 용도에 사용될 수 있으며, 밀폐 덮개 구조는 액체 유체 운송 또는 적출이 필요한 내시경 수술 절차에서의 용도에 특히 적합할 수 있다.

또한 능동 유체 이송 장치를 연기 또는 가스 배출기로 사용할 수 있다. 예 컨대 유연성 아스피레이터는 레이저 수술에서 발생할 수 있는 연기를 제거하는 것과 같은 용도에 사용할 수 있다. 또한 합성 지오멤브레인으로서 작용하여 쓰레기 매립지로부터 메탄가스 및 투과 유체 또는 가스를 회수하는데 사용할 수 있다.

층들(12)는 필요한 경우 연결시킬 수 있으나 바람직하게는 서로 부착시키지 않는다. 층들(12)을 서로 결합시키지 않은 경우 스택(50) 본체 및(또는) 튜브(56)를 통해 인가된 진공은 독립적인 유동 채널들(16)을 충분히 정의할 수 있다. 본 발명에 따라, 층들(12)의 미세구조 표면(13)은 단일상 액체 유동을 촉진하는 유동 채널들(16)을 정의한다. 이는 소음이 감소한다는 점에서 유리하며, 이는 특히 의료분야에서 특히 유리하다.

서로 부착되지 않은 개별적인 층들(12)의 스택을 포함하는 아스피레이터(54)의 또 다른 장점은 상기 스택(50)을 분할할 수 있고 심지어는 다수의 아스피레이터 분지로 더 재분할할 수 있다는 점이다. 즉, 스택(50)의 일부는 유체 X를 적출하는 하나의 특정 위치에 향하게 하고, 스택(50)의 또 다른 부분은 유체 Y를 적출하는 또 다른 영역으로 향하게 할 수 있다. 특히, 아스피레이터(54)가 유체를 제거하기 위해 도관 또는 튜브(56)를 통해 공급된 진공에 의존하는 경우, 상기한 분할을 임의의 갯수로 행할 수 있고, 이에 따라 다수의 개별적인 분리된 유동 채널들을 각 분지내에 제공할 수 있다. 또한 스택(50) 중의 각 특정 분지 또는 재분할로부터 나온 유체를 각각 그 고유의 도관으로 안내하여 적절한 유체 유동이 이루어지도록 튜브(56)을 재분할할 수 있다. 상기 장치에 의해 동시 세척(irrigation) 및(또는) 흡입을 달성할 수 있다. 즉, 세척 유체 및 흡입 유체를 이송하도록 별개의 도관들 을 적용할 수 있다. 이러한 특징은 동시에 하나 이상의 지점에서 흡입하기 위한 치과용 용도를 포함하여 의료 분야의 용도에 특히 유리하다.

스택 모듈 구조는 서로의 옆으로 배열된 다수의 스택들을 포함할 수 있다. 즉, 도 5에 도시한 것과 같은 스택은 유사하거나 또는 상이한 스택에 인접하여 배열될 수 있다. 이어서, 도 6에 도시한 바와 같이 이들을 어댑터로 함께 모으거나, 또는 이들을 유체 이송 튜브 등에 각각 연결시킨다.

도 6에 도시한 아스피레이터는 실질적으로 선형의 프로파일을 가지지만, 일부 실시 태양에 있어서는 상이한 구조를 갖는 아스피레이터를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 아스피레이터를 다다르기 곤란한 영역에 다다르게 하거나 또는 아스피레이터 그 자체를 지지하게 하기 위해 튜브(56) 또는 어댑터(58) 및(또는) 스택(50)은 굽은 모양이거나 구부릴 수 있는 것일 수 있다. 예컨대, 도 6에 도시한 아스피레이터의 경우 환자의 구강내에 존재하는 타액 및 세척용 수성 유체를 빼내기 위해 치과의사가 사용할 수 있다. 아스피레이터의 말단부가 휘어져 있는 경우, 이를 환자의 입술에 의지할 수 있다. 튜브(56) 또는 어댑터(58)은 그러한 휘어진 구조를 가질 수 있도록, 또는 아스피레이터가 상기 구부러진 구조로 일시적으로 구부러질 수 있도록 바람직하게는 유연하고, 전적으로 부드러운 재료로 제조될 수 있거나, 그러한 재료를 포함할 수 있다. 상기 장치는 통상적인 치과용 아스피레이터에 연관된 소음을 극복해야 할 필요 없이 치과의사가 환자 등과 더욱 쉽게 의사소통할 수 있다는 점에서 매우 유리할 것이다.

또한 추가의 기능을 위해 채널들(16)로의 입구(19) 앞에 기타의 특징들 또는 물품을 제공할 수 있다. 예를 들면, 면 거즈 또는 스펀지와 유사한 재료 덩어리를 부착시킴으로써 아스피레이터 선단부에 부드러운 섬유상 말단부를 위치시킬 수 있다. 이러한 특징은 치과용 또는 기타 의료용 용도에 특히 유용할 수 있다. 또한 예컨대 아스피레이터와 함께 또는 그 대신에 세척 기능을 제공하기 위해 모듈의 채널 출구쪽에 특징들을 추가할 수 있다.

현재의 아스피레이터 기술들은 일반적으로 흡입된 액체를 획득하고 나르기 위해 비교적 큰 직경의 튜브를 사용한다. 내부 직경이 1 센티미터 이상인 튜브들은 드물지 않다. 전형적이지는 않으나 사용하는 동안 완전히 넘치치 않는 한 아스피레이터는 주로 그 유동 시스템 중에서 액체 이동의 동기가 되는 연속상의 공기와 함께 2상 유동으로 작용한다. 이는 비교적 큰 공기-대-액체비 1을 필요로 하고, 여기에서 유동 공기의 운동량은 액체를 나르기에 충분하다. 공기 유동의 필요한 운동량은 전형적인 의료용 아스피레이터의 작용에 많은 부정적인 영향을 미친다. 이러한 부정적인 영향에는 아스피레이터 선단부에 접촉되는 조직의 외상, 전단력 및 폭기(aeration)에 의한 흡입된 혈액 세포의 손상, 잠재적으로 생물학적으로 유해한 액체의 안개화를 유발할 수 있는 큰 부피의 공기 유동, 직업상 노출의 증가, 및 작동시의 일반적인 소음 수준이 포함된다.

도 7은 본 발명에 따른 능동 유체 이송 장치(60)의 또 다른 실시 태양을 예시한다. 장치(60)은 도 1에 도시한 장치(10)과 유사한 구조를 포함할 수 있다. 즉, 그 주표면들 중 하나 위에 미세구조 표면을 갖고, 덮개층(64)으로 덮여 모세관 모듈(65)을 형성하는 적어도 다수의 채널들을 갖는 층(62)를 포함할 수 있다. 덮 개층(64)는 도 1을 참고로 하여 상술한 치수의 두께일 수 있다. 우수한 열전달 특성을 부여하기 위해 덮개층(64)는 바람직하게는 두께가 약 0.02 내지 0.2 mm이다. 또한 모세관 모듈은 도 1을 참고로 하여 상술한 치수일 수 있다. 채널들(도시하지 않음)은 바람직하게는 입구들(도시하지 않음)이 입구 다기관(66)과 유체 소통상태에 있는 반면 장치(60)의 또 다른 모서리, 출구 다기관(68)은 채널 출구(도시하지 않음)와 유체적으로 소통 상태로 연결되도록 배열된다. 위치에너지원은 어떻게 유체를 장치를 통해 이동시키느냐에 따라 입구 다기관(66) 또는 출구 다기관(68)을 경유하여 이송 장치(60)에 연결될 수 있다. 예를 들면, 다기관(66)을 포함할 수 있는 커넥터를 경유하여 펌프를 입구 다기관에 유체적으로 연결함으로써 입구 다기관(66)으로부터 출구 다기관(68)으로 유체를 이동시키기 위해 펌프(도시하지 않음)를 사용할 수 있다. 별법으로, 다기관을 포함하는 커넥터를 경유하여 출구 다기관(68)과 유체 소통상태에 있도록 진공을 걸 수 있다.

능동 유체 이송 장치(60)은 층들(62) 또는 (64)와 접촉시켜 유체의 특성에 영향을 주기 위해 장치(60)을 통해 특정 유체를 순환시키는 것이 바람직한 경우에 특히 유용할 수 있다. 즉, 유체를 층들(62) 및 (64)에 의해 정의된 채널들을 통해 통과시킴으로써 처리할 수 있다. 유체 처리에는 채널표면 상에 또는 내에 위치한 성분에 의해 촉진되는 화학적, 촉매적 및 이온화 반응이 포함될 수 있다. 유체 성분을 적절하게 준비된 채널 표면들 위로 흡입하는 것과 같은 분리 처리는 채널 부피에 대한 채널 표면적의 비율이 크기 때문에 효과적이다. 센서 또는 검출기 시스템에서 접촉층(62) 또는 (64)가 유체 인터페이스 성분으로서 작용하는 통과 유체의 탐지 또는 검출을 위해 동일한 특성을 사용할 수 있다. 유체 검출 시스템은 유체 전도성, pH, 온도, 또는 조성을 모니터할 수 있다. 별법으로, 채널들을 통해 순환할 때 주위 환경에 의해 영향받는 유체는 장치(60)이 그 자체로 센서 또는 검출 시스템 중의 구성 요소로 작용하는 검출 시스템의 일부분으로서 모니터할 수 있다. 유동 채널의 표면은 이러한 물리적 조건들에 반응하거나 검출할 수 있도록 기능성을 부여할 수 있다. 유체를 열적으로 처리하는데 가열 또는 냉각을 사용할 수 있다. 미세구조 채널 능동 유체 열교환기는 "미세채널 능동 유체 열교환기(Microchanneled Active Fluid Heat Exchanger)"라는 발명의 명칭으로 본 출원과 동일자로 출원된 미국특허출원 제09/099,632호 (대리인 사건 번호 53634USA8A)에 개시되어 있다. 또한 반응, 희석 또는 블렌딩을 유발하기 위한 수단으로서 상호반응하고 서로를 처리하도록 상이한 조성의 유체 흐름들이 함께 통합되도록 제조할 수 있다. 다른 방법으로는, 유체가 예컨대 열교환기와 같이 층(62) 또는 (64) 중 하나 또는 모두의 특성을 변경시킬 수 있다. 층(62) 또는 (64)와 멀리 떨어진, 현미경 또는 분광기와 같은 관찰, 검출 또는 분석 장치는 채널을 통해 얇은 막으로 통과하는 유체를 분석하는데 사용할 수 있다. 어느 경우에서나 전술한 실시 태양 어느것에서나 그렇듯이 구조체는 유연성 재료, 반강체 또는 강체 재료로 제조될 수 있다.

유연성 재료를 사용하는 경우, 상기 장치의 기계적으로 유연한 성질은 굴곡 구조로 사용될 수 있게 한다. 파단되지 않고 쉽게 취급될 수 있고, 장치에 의해 영향받을 필요가 있는 큰 영역에 걸쳐 고도로 분포된 유체 유동을 제공하기 위해 유연성 장치는 비교적 크기가 클 수 있다. 유연성 유체 이송 장치는 예컨대 환자를 냉각 또는 가열하기 위한 담요의 형태를 취할 수 있다. 이러한 유연성 장치는 물체의 형태에 맞게 변형될 수 있거나, 또는 물체와 함께 변형 가능할 수 있다(예컨대 쿠션상에 제공). 유체 이송 장치가 유연성을 가질 수 있기는 하지만, 하중 및 비틀림으로 인한 파괴에 대한 저항성을 나타낼 수도 있다. 모세관 모듈(65)의 미세구조 성질은 예컨대 서있는 사람을 버틸 수 있는 하중에 견디는 성질을 부여하기 위해 임의의 능동 유체 이송 장치내에서 이용될 수 있는 충분한 구조를 제공한다. 유동 채널의 작은 크기 및 그들의 기하학적 구조는 유동 채널들을 붕괴시키지 않고 비교적 큰 힘(예컨대, 10 kPa을 초과하거나 또는 50 kPa 이상)이 표면에 가해질 수 있도록 한다.

도 8은 환자에 사용되며 수집 용기(57)에 연결되어 있는 아스피레이터(54)를 도시한다. 이 경우에 수집 용기(57)은 작은 진공 펌프와 같은 위치에너지원에 연결될 수 있다. 도 8에 도시된 아스피레이터는 혈액, 혈장과 같은 체액, 또는 수술 부위로부터의 신체 분비물, 또는 완충화 식염 용액, 멸균 용액 등과 같은 수술 세척 유체를 제거하는데 사용될 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 능동 유체 이송 장치의 다양한 특정 용도들의 예를 도시한다. 의료 분야에서 액체 흡수 및 배출 매트(40)는 유출된 유체를 흡수 및 제거하기 위하여 유출이 발생할 수 있는 곳에 위치시킬 수 있다. 제거 작업은 필요에 따라 연속적으로 또는 간헐적으로 수행할 수 있다. 회수된 유체는 체액 또는 의료용 세척 유체일 수 있다. 또한 상술한 바와 같이, 예컨대 환자를 가열 또는 냉각하기 위한 유연성 담요의 형태일 수 있는 장치(60)상에 환자가 위치하도록 도시된 반면 아스피레이터(54)는 예컨대 체액을 제거하기 위해 의료 처치 과정 동안에 사용되는 것으로 도시된다.

도 7 및 도 9에 도시된 장치(60)과 같은 열 전송 장치들은 몇 가지 이점들을 갖는다. 열전달 유체는 매우 작은 채널내에 보유되므로 채널중의 유체 정체는 아주 작다. 채널 내에서 층상 유동(laminar flow)하는 유체들은 채널의 중앙에서 유체가 가장 큰 속도를 보이는 속도 유동 프로파일을 나타낸다. 그러한 유동 체계에서의 채널 가장자리의 유체는 본질적으로 정체상태이다. 채널의 크기, 유체의 열전도성 및 유체가 채널을 이동하는데 소요되는 시간에 따라 이러한 유동 프로파일은 채널을 가로질러 상당한 온도 구배를 형성할 수 있다. 이와 대조적으로, 본 발명에 따라 최소한의 종횡비 및 수압 반경을 갖는 채널들은 열전달 거리가 작기때문에 채널을 가로질러 작은 온도 구배를 나타낼 것이다. 유체는 채널을 통해 통과할때 균일한 열 하중을 경험할 것이므로 보다 작은 온도 구배가 유리하다.

또한 작은 채널들의 시스템 전체에 걸친 열 전달 유체의 체류 시간은 입구 다기관(66)으로부터 출구 다기관(68)에 까지 본질적으로 균일할 수 있다. 유체가 경험하는 열 하중에서의 비균일성을 최소화할 수 있으므로 균일한 체류 시간이 유리하다.

온도 구배의 감소 및 균일한 체류 시간의 발현 또한 전체적인 효율에 기여하며, 주어진 열전달 속도에 대해 열전달 유체와 가열 또는 냉각될 요소간의 온도 차이를 작게한다. 보다 작은 온도 차이는 피부 또는 조직과 접촉하는 것과 같은 열 적으로 민감한 용도에 열교환기가 사용되는 경우에 바람직하지 않은 국부적으로 뜨겁거나 차가운 영역이 생길 가능성을 감소시킨다. 열전달 모듈내의 열전달 유체의 단위 부피 당 접촉 표면적이 크면 시스템의 부피 효율이 증가한다.

또한 열전달 장치는 제한된 분야에서 특히 유용할 수 있다. 미세구조를 갖는 필름을 기초로 하는 구성 단위는 재료 비용이 저렴하여 오염이 염려되어 폐기할 필요가 있는 의료용 장치와 같이 제한된 또는 단일의 용도에 적합하다.

본 발명의 열전달 장치는 유연성을 갖출 수 있고 다양한 용도에 사용할 수 있다는 점에서 유리하다. 본 장치는 단단한 만곡부 또는 굴곡부 주위로 굴곡될 수 있다. 유연성은 장치가 불규칙한 표면과 밀접한 접촉을 해야 할 필요가 있는 상황에 사용될 수 있도록 한다. 열교환기를 포함하여, 본 발명의 유체 이송 장치는 매우 유연하도록 제조되어 유동 채널들 또는 구조화 중합체층을 현저히 수축시키지 않으면서 직경이 약 1 인치(2.54 cm) 이상인 굴대(mandrel) 주위에 상기 장치 또는 모세관 모듈의 형상을 일치시킬 수 있다. 또한 본 발명의 장치는 중합체 재료로 제조되어 유체 이송 장치가 직경이 약 1 cm인 굴대 주위에 손상없이 형상을 일치시킬 수 있다.

중합체 필름과 같은 중합체층 상에 구조화 표면, 특히 미세구조 표면을 제조하는 것은 미국특허 제5,069,403호 및 동 제5,133,516호(모두 발명자는 Marentic et al.)에 개시되어 있다. 구조화층은 또한 미국특허 제5,691,846호(Benson, Jr. et al.)에 기재된 원리 또는 단계들을 사용하여 연속적으로 미세복제될 수 있다. 미세구조화 표면에 대해 기술하고 있는 기타 특허들로는 미국특허 제5,514,120(Johnston et al.), 동 제5,158,557호(Noreen et al.), 동 제5,175,030호(Lu et al.), 및 동 제4,668,558호(Barber)가 포함된다.

상기 기술들에 의거하여 제조된 구조화 중합체층은 미세복제될 수 있다. 미세복제된 구조화층의 제공은 제품간의 현저한 변화없이, 그리고 상대적으로 복잡한 가공 기술을 사용하지 않고 표면들을 대량 생산할 수 있기 때문에 유리하다. 바람직하게는 미세복제된 표면들은 그 구조화 표면들의 특징이 제조과정 중 제품과 제품간에 25 ㎛ 이하로 변화하는 개별적인 특징 정확도(fidelity)를 유지하도록 제조된다.

본 발명에 따른 임의의 실시 태양에서의 유체 이송층들은 열가소성, 열경화성 및 경화가능한 중합체를 포함하는 다양한 중합체 또는 공중합체로부터 제조될 수 있다. 본 명세서에서 열경화성과 구분하여 사용되는 열가소성 중합체란 열에 노출되었을 때에는 연화되고 용융되며, 냉각되었을 때에는 다시 고화되고, 여러번의 순환을 통해서도 용융 및 고화될 수 있는 중합체를 뜻한다. 이와 반대로, 열경화성 중합체는 가열하고 냉각하였을 때 비가역적으로 고화된다. 중합체 사슬들이 상호 연결되거나 가교 결합하는 경화 중합체 시스템은 화학 시약 또는 이온화 조사(irradiation)를 사용하여 실온에서 제조될 수 있다.

본 발명의 물품 중의 구조화층을 제조하는데 유용한 중합체들에는 폴리에틸렌 및 폴리에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌, 에틸렌/비닐아세테이트 중합체, 에틸렌/에틸아크릴레이트 중합체와 같은 폴리올레핀류가 포함되나 이들로 제한되지는 않는다. 기타 유용한 중합체 재료로는 비닐 중합체류(예컨대 폴리비닐클로라이 드, 폴리비닐알코올, 비닐클로라이드/비닐알코올 공중합체, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF)), 아크릴레이트 중합체류(예컨대 폴리메틸메타크릴레이트), 폴리카보네이트 중합체류, 폴리에스테르류(예컨대 폴리에틸렌테레프탈레이트), 폴리아미드류(예컨대 나일론), 폴리우레탄류, 다당류(예컨대 셀룰로오스 아세테이트), 폴리스티렌류(예컨대 폴리스티렌/메틸메타크릴레이트 공중합체), 폴리실록산 중합체류(예컨대 폴리실록산 및 오르가노폴리실록산 중합체류)가 포함된다. 유체 이송 요소들은 아크릴레이트류 또는 에폭시류와 같은 경화성 수지 재료(단량체 및 예비중합체 혼합물)로부터 캐스팅될 수 있고, 열, 자외선, 감마선 또는 전자빔 조사에 노출시켜 화학적으로 촉진되는 자유 라디칼 중합반응 경로를 거쳐 경화시킨다. 가소제, 충전재 또는 연장제, 산화방지제, 자외선 안정제, 계면활성제 등을 본 발명의 중합체내에 사용할 수 있다.

위에 나타낸 바와 같이 유연한 능동 유체 이송장치가 바람직한 응용분야가 있다. 유연성은 미국특허 제5,450,235호(Smith et al.) 및 동 제5,691,846호(Benson, Jr. et al.)에 기재된 중합체를 사용하여 구조화 중합체층에 부여될 수 있다. 전체 중합체층이 유연성 중합체 재료로부터 제조될 필요는 없다. 예컨대 본체층(15, 도 1)은 유연성 중합체를 포함할 수 있는 반면 구조화 부분은 더욱 굳은 중합체를 포함할 수 있다. 본 단락에 인용된 특허들은 미세구조화 표면을 갖는 유연성 제품을 제조하기 위해 이러한 형식으로 중합체를 사용하는 것을 기재하고 있다. 또한 본체층은 원하는 경우 중합체가 아닌 재료로 제조할 수 있다.

중합체 블렌드를 포함하는 중합체 재료들은 계면활성제 또는 항균제와 같은 가소화 활성 물질을 용융 블렌딩함으로써 개질할 수 있다. 구조화 표면들의 표면 개질은 이온화 조사를 사용하여 작용성 모핵을 증착시키거나 또는 공유결합 그래프팅시켜 달성할 수 있다. 예컨대 이온화 조사에 의해 폴리프로필렌 상에 단량체를 그래프트 중합시키는 방법 및 기술들은 미국특허 제4,950,549호 및 동 제5,078,925호에 개시되어 있다. 또한 중합체들은 중합체 구조화층내로 다양한 특성들을 부여하는 첨가제들을 함유할 수 있다. 예를 들면, 유연성을 증가시키기 위한 목적으로 탄성모듈러스를 감소시키기 위해 가소제를 첨가할 수 있다.

유체, 즉 가스 및 액체 모두의 능동 이송은 많은 단위 조작의 중심이다. 이러한 조작에는 예컨대 열 전달, 질량 전달, 이온 교환, 및 화학 반응이 포함된다. 또한, 본 발명은 화학 또는 복사 반응기와 같은 용도에서의 활성 박막 반응에 관한 장치 및 방법을 제공한다. 화학 반응기에 있어서, 화학 또는 촉매 시약은 미세구조화 채널 또는 상호 접촉 표면상에 유사하게 지지될 수 있다. 복사 반응기에 있어서 일부 형태의 복사가 표면을 통해 전달되어 이송되는 유체상에 일정 효과를 유발할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 태양은 미세구조를 포함하는 구성요소와 같이 평행한 선형 토폴로지를 갖는 유연성 중합체 필름을 사용할 수 있다. 본 발명의 목적상 "필름"은 얇고(두께가 5 mm 이하) 일반적으로 유연한 중합체 재료의 시이트로 간주한다. 고도로 정의된 미세구조를 포함하는 필름 표면을 갖는 저렴한 필름을 사용하는 데 있어서의 경제적 가치는 아주 크다. 유연성 필름은 광범위한 캡핑(capping) 재료와 함께 사용될 수 있으며 원하는 경우 지지되지 않거나 또는 지지체와 함께 사용될 수 있다. 그러한 미세구조화 표면들로부터 제조되는 모세관 모듈 및 덮개는 많은 용도분야에서 유연할 수 있으나 용도가 허용하는 경우 굳은 구조체와 함께 결합될 수도 있다. 예를 들면, 미세구조화 표면들을 유체 흡입에 사용하는 경우, 손잡이로서 역할하는 강체에 모듈을 부착시키는 것이 바람직할 수 있다. 구조화 표면은 독립적인 구조를 갖는 채널들간의 독립적인 유체 이동을 허용하기 위해 연속적인 표면 영역에 걸쳐 각각 발현될 수 있는 독립적인 채널들을 갖는다.

본 발명의 능동 유체 이송 장치가 미세구조화 채널을 포함하기 때문에, 상기 장치는 통상적으로 장치마다 다수의 채널들을 사용한다. 위에 도시한 일부 실시 태양에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 능동 유체 이송 장치는 장치당 10 또는 100개 이상의 채널들을 쉽게 포함할 수 있다. 일부 용도에서는 본 능동 유체 이송 장치는 장치당 1,000 또는 10,000개 이상의 채널들을 포함할 수 있다. 각각의 위치에너지 공급원에 연결된 채널들이 많을수록 위치에너지의 효과는 더욱 더 고도로 분포된다. 아스피레이터와 같은 장치의 경우 위치에너지는 통상적으로 약 20 내지 약 40 kPa, 더욱 통상적으로는 약 40 내지 약 60 kPa의 범위로 사용된다.

본 발명의 능동 유체 이송 장치는 단면적 1 평방 센티미터당 10,000개의 채널 입구들을 가질 수 있다. 본 발명의 능동 유체 이송 장치는 1 평방 센티미터당 적어도 약 50개의 채널 입구들을 가질 수 있다. 전형적인 장치의 1 평방 센티미터당 채널 입구의 수는 약 1,000개다. 단위 단면적당 채널 입구수를 많게 함으로써 위치에너지의 효과는 능동 유체 이송 장치의 그 위치에서 고도로 분포되어 채널 입구 영역과 접촉하게 되는 대상에 무시할만한 힘이 가해지도록 한다.

실시예 1 -- 액체 흡수 및 배출 매트

미세구조화 채널을 포함하고 평평한 필름으로 덮힌 중합체층으로 제조한 모세관 모듈을 사용하여 진공을 이용하는 액체 수집 장치를 구성하였다. 상기 장치는 도 4에 도시한 장치와 유사하였다. 장치를 완성하기 위하여 부직포 흡수체를 모세관 모듈위에 두고, 상기 모듈을 진공원에 연결하였다.

모세관 모듈은 Scotch Pack™ 유형 29905 필름 단일층에 미세구조화 채널을 포함하는 중합체층을 적층시켜 제조하였다. 미세구조를 포함하는 층은 하나의 표면상에 미세구조화 채널을 갖는 니켈 용구상에 용융 중합체를 캐스팅하여 제조하였다. 구조화층을 제조하는데 사용된 중합체는 이스트만 케미컬 캄파니사(Eastman Chemical Company)로부터 입수한 Tenite™ 1550P인 저밀도 폴리에틸렌이었다. ASTM D790의 방법으로 측정한 이 중합체의 시컨트 모듈러스(secant modulus)는 193 × 10⁶ 파스칼(Pascals)이었다. 구조화층의 표면에너지를 증가시키기 위하여 롬앤하스 캄파니사(Rohm & Haas Company)로부터 입수한 Triton X-102 비이온성 계면활성제를 기초 중합체에 용융 블렌딩시켰다. 채널들을 캐스트 중합체의 길이방향으로 연속적으로 형성시켰다. 원하는 구조를 만들기위해 니켈 캐스팅 용구는 매끄러운 구리 표면을 다이아몬드 새김 용구(scoring tool)로 형태를 새긴 다음, 이어서 비전착성 니켈 도금 단계를 수행하여 니켈 용구를 제조하였다. 중합체층을 제조하는데 사용한 용구는 도 2a에 도시한 것과 같은 미세구조화 "V" 채널을 형성하도록 제조하였다. 형성된 채널들은 명목상의 깊이가 459 ㎛이고 개구부 폭이 420 ㎛였다. 이러한 과정으로 덮개층으로 덮었을때 수압 반경이 62.5 ㎛인 채널을 제조하였다. 구조화 중합체층 및 덮개층의 치수는 모두 40 × 10 cm 이었다. 미세구조를 포함하는 층의 선형 미세구조는 적층의 길이 방향 축에 대해 평행을 이루었다. 중합체층 및 덮개층은 미세구조화 채널들이 저융점 Scotch Pack™ 필름을 향하도록 나란히 놓일 수 있다.

이어서 열 용접으로 구조화층 및 덮개층을 함께 융합시켰다. 열 용접부는 약 5 mm 폭이고 오직 외부 모서리상의 적층의 길이 축방향에 대해 평행하게 위치하였다. 용접된 적층의 한 쪽 끝을 갈매기 무늬(chevron) 패턴으로 절단하여, 모듈의 길이 축 방향을 따라 모세관 개구부를 노출시킴으로써 모세관 모듈의 제조를 완료하였다.

상기 모세관 모듈을 부직포 흡수층 및 얇은 액체 불투과성 필름 사이에 끼움으로써 장치를 조립하였다. 블로운 미세섬유 흡수체는 미국특허 제4,813,948호(Insley)에 기재된 바와 같이 제조하였고 이는 15 데니어 PET 스테이플 섬유(20 중량%)와 결합되고 직경이 5 내지 10 ㎛인 섬유로 이루어진 폴리프로필렌(Fina 400 MFI) 미세섬유의 원료 웹(60 중량%) 및 미세섬유 마이크로웹(20 중량%)으로 이루어졌다. 섬유들이 물과 순간적으로 습윤화될 수 있도록 노쓰 캐롤라이나주에 소재한 헨켈 오브 샬럿사(Henkel of Charlotte)로부터 입수 가능한 비 이온성 계면활성제 유형 OP9을 10 중량%의 섬유 부가 비율(add-on rate)로 압출 과정동안 모든 미세섬유 구성요소 중의 수지와 용융 블렌딩하였다. 결과로 얻은 웹의 중량 및 고체성은 각각 180 g/㎡ 및 6% 이었다. 웹의 벌크 흡수성은 2,000 ㎤/㎡이었다. 지지층은 0.02 mm 필름이었다(PP 75 중량%/EVA 25 중량%, Dow Chemical). 흡수 웹 및 지지층은 핫 멜트 스프레이(hot melt spray) 접착제를 사용하여 함께 고정시켰다. 접착제(HL-1358-X ZP, H.B. Fuller. St. Paul, Minnesota)를 10 g/㎡의 비율로 흡수체에 도포하였다. 오직 모듈의 작은 부분만이 흡수체 및 지지층을 넘어 연장되도록 모세관 모듈을 구조물내에 위치시켰다. 모듈의 갈매기 모양 끝을 흡수체 시이트의 중앙과 정렬시켰다.

이어서 다기관을 모세관 모듈의 연장된 끝에 설치하였다. 뉴욕주 로체스터에 소재한 날게 캄파니(Nalge Co.)사로부터 입수한 내경이 3.18 mm이고 벽 두께가 1.6 mm인 VI 등급 튜브인 튜브 단편의 측벽에 구멍을 뚫어 다기관을 제조하였다. 상기 슬릿은 튜브 축 방향을 따라 직선으로 면도날로 잘랐다. 상기 슬릿의 길이는 대략 모세관 모듈 폭과 같았다. 이어서 상기 튜브를 모세관 모듈의 끝에 설치하고 핫 멜트를 적소에 붙였다. 튜브의 한 쪽 개구 말단부를 모세관 모듈에 핫 멜트 접착제로 밀봉 밀폐시켰다.

상기 장치의 유체 배출 용량은 흡수체를 포화시키고 모세관 모듈을 튜브를 통해 진공원에 연결하여 평가하였다. 흡수체 면을 위로 향하게 하여 시험 장치를 탑-로딩 저울 위에 놓여있는 팬 안에 두었다. 28 mmHg의 진공을 장치에 가한 다음, 패드 중의 물의 양을 기록하고 액체의 적출 속도를 측정하였다. 적출 속도 결과는 아래 표 1에 나타낸 바와 같다.

포화도 (%)	순간적인 적출 속도 (㎖/분)
100%	950
77%	400
68%	180
62%	138
57%	108
53%	78
50%	72
39%	40
33%	20

예시한 바와 같이 본 장치는 배출 지점으로부터의 액체 흡수 및 제거에 있어서 효과적이다. 시험 장치는 특히 높은 포화도 또는 넘쳐 흐르는 수준의 유체를 관리하는데 적합하며 분당 1리터에 가까운 속도로 유체를 적출할 수 있다. 본 장치는 다양한 유체량을 수용할 수 있고 실질적으로 조용한 방식으로 작동할 수 있다. 흡입병(aspiration bottle)에서 관찰된 바와 같이 오직 비교적 작은 부피의 공기만이 적출된 유체와 함께 비산되어 이동한다. 본 액체 흡수 및 배출 매트는 내구성이 있고 유연성을 가지며 상기 장치가 위치하는 표면 굴곡부를 덮고 그 형상에 맞게 변형될 수 있으며 모세관 구조를 손상시키지 않으면서 예리한 굴곡부 위에 구부려질 수 있다. 모세관 모듈의 미세구조화 표면은 기계적으로 내구성이 있으며 모듈이 손상되지 않으면서 서있거나 앉아 있는 사람의 중량(약 25 kPa) 또는 구르는 이동용 바퀴가 달린 발판의 하중을 견딜 수 있다.

실시예 2 -- 의료용 흡입 장치

도 5에 도시된 스택과 유사한 중합체 미세구조 채널층의 스택을 사용하여 도 6에 도시된 아스피레이터와 유사한 진공을 이용하는 흡입 장치를 제조하였다. 한 필름층의 미세구조가 인접한 층의 매끄러운 뒷면과 접하여 모세관 모듈을 형성하도록 실시예 1의 미세구조화 채널을 포함하는 층의 세편들(strips)을 함께 쌓아 상기 스택을 제조하였다. 미세구조 중합체층의 선형 채널 구조는 스택의 장축 방향으로 평행하게 배향되었다. 각 구조화층의 치수는 5 mm × 115 mm였다. 모세관 모듈을 제조하는데 10개의 구조화 중합체층을 사용하였다. 다기관을 스택의 한 끝에 설치하여 진공 부착을 용이하게 하였다. 상기 다기관은 열에 의해 활성화되는 수축 튜브로부터 제조하였으며 스택의 말단부 및 실시예 1에서 사용한 것과 같은 인접 튜브 상에 설치하였다. 이어서 수축 튜브(미네소타주 세인트폴에 소재한 3M사로부터 입수 가능한 FP-301-1/4")를 부속 튜브 및 스택 모두의 주위에서 열로 활성화시켰다.

장치의 흡수 및 수송 용량을 시험하기 위해 25 밀리리터(㎖) 눈금 실린더에 물을 채우고 배출시켰다. 모세관 모듈의 다기관에 28 mmHg의 진공원을 연결한 다음 아스피레이터의 선단부를 액체 표면의 약 5 mm 아래로 접촉하고 연장되도록 하였다. 물이 줄어듦에 따라 아스피레이터 선단부를 표면으로부터 아래로 이동시켰다. 눈금 실린더를 비우는데 걸린 시간은 7초 였고, 따라서 평균 적출속도는 214 ㎖/분이다.

흡입 장치의 채널들이 작기 때문에 획득된 액체와 함께 공기가 거의 운반되지 않았다. 이는 공지된 아스피레이터 기술에 비해 중요한 차별점이다.

본 실시예의 장치는 약 200개의 개별적인 채널들을 포함하며 각 채널들의 종횡비는 1840 대 1이고 수압 반경은 62.5 ㎛이었다. 모세관 모듈의 작은 채널들은 흡입된 유체로 쉽게 넘칠 수 있고 따라서 유체를 운반하는데 2상 유동 체계로 작동하지 않았다.

흡입 모듈에 낮은 압력 강하를 걸어주면 상기 장치는 캐뉼라(cannula) 또는 외과용 드레인(drain)으로 사용될 수 있다. 개봉된 튜브보다는 충만한 모세관을 작동시킴으로써 튜브는 신체 공동내로 공기가 역류할 가능성을 최소화시킨다.

Claims (70)

1. (a) 그 위에 배치된 다수의 분리된 유동 채널들을 갖는 구조화 표면을 포함하는, 제1 주표면을 갖는 중합체 재료층(상기 유동 채널들은 제1 지점으로부터 제2 지점으로 구조화 표면을 따라 연장되며 최소 종횡비(aspect ratio)는 10:1이고 수압 반경(hydraulic radius)은 300 마이크로미터 이하임), 및

   (b) 상기 분리된 유동 채널들과 유체 소통상태에 있는 커넥터(상기 커넥터는 외부 공급원으로부터 구조화 표면으로, 위치에너지가 제1 위치로부터 제2 위치로의 상기 유동 채널들을 통한 유체 이동을 촉진시키기 위해 유동 채널에 작용할 수 있도록 함)를 포함하는 능동 유체 이송 장치.
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40. 제1항의 유체 유송 장치를 포함하고, 매트 사용시에 중합체 재료층의 위에 배치되는 액체 흡수층을 추가로 포함하며, 상기 액체 흡수층은 그 층과 접촉하는 액체가 그를 통해 지나갈 수 있게 하는 것인 액체 흡수 및 배출 매트.
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46. 제1항의 능동 유체 이송 장치를 포함하는 아스피레이터 (aspirator).
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57. (a) 그 위에 배치된 다수의 분리된 유동 채널들을 갖는 구조화 표면을 포함하는, 제1 주표면을 갖는 중합체 재료층(상기 유동 채널들은 제1 지점으로부터 제2 지점으로 구조화 표면을 따라 연장되며 최소 종횡비는 10;1이고 수압 반경은 300 마이크로미터 이하임)을 포함하는 능동 유체 이송 장치를 제공하는 단계,

    (b) 상기 분리된 유동 채널들과 유체 소통상태에 있는 커넥터를 통해 상기 능동 유체 이송 장치를 구조화 표면 외부의 위치에너지 공급원에 연결하는 단계, 및

    (c) 공급원으로부터 상기 유동 채널들로 가해지는 위치에너지의 작용으로 제1 위치로부터 제2 위치로 상기 유동 채널들을 통해 유체를 이송시키는 단계를 포함하는 유체 이송 방법.
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