KR100974985B1 - 중공섬유 스피닝 노즐 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공급 구멍(Supply Bore)들과 이들과 연결되어 물질 배출구(Mass Discharge Opening)와 응고제 구멍(Coagulation Agent Bore)을 가지는 니들(Needle)을 구비한 노즐 구조가 기체(Base Body) 내에 형성된 중공섬유 스피닝 노즐(Hollow Fiber Spinning Nozzle)에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 마이크로 구조기술(Micro-structure Technology)에 의해 구성된 적어도 2개의 판 형상의 몸체(Body)가 상기 기체를 형성하도록 함께 결합된다.
중공섬유, 스피닝 노즐, 응고제, 폴리머, 통로

Description

중공섬유 스피닝 노즐{Hollow-Fiber Spinning Nozzle}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 중공섬유 스피닝 노즐에 관한 것이다.
중공섬유 스피닝 노즐(Hollow-Fiber Spinning Nozzle)은, 폴리머 중공섬유 멤브레인(Polymeric Hollow-Fiber Membrane)의 제조에 사용되는 것으로 이미 알려져 있다. 첨부된 도면 중 도 1에 도시된 바와 같이, 그러한 중공섬유 스피닝 노즐(10)은 금속으로 제작되며, 다수의 구멍(Bore, 14, 16, 18, 22)이 도입된 기체(Base Body, 12)로 이루어진다. 상기 구멍 14에는 튜브(Tube, 20)가 꼭 맞게 들어가 있으며, 응고제(Coagulation Agent) 또는 지지제(Support Agent)의 도입을 위하여 그 속에 응고제 통로 또는 지지제 통로(22)가 형성되어 있다. 상기 구멍 16과 18도, 대응하는 구멍을 이루는 고리 모양의 통로(Ring Passage, 22)를 경유하여 배출되는 폴리머(Polymer)를 위한 물질 공급 통로(Mass Supply Passage)를 형성한다. 통상적인 금속가공방법이 상기 공지된 중공섬유 스피닝 노즐(10)의 제조에 사용된다. 따라서, 여기에서 노즐 구조는 양쪽 노즐 부품의 조립에 의해 어떠한 불규칙성(Irregularity), 예컨대 기체(12)와 튜브(20)의 생산에서 생산 에러(Error)로부터 총체되는 상기 링 공간(Ring Space, 22)의 형상에서의 불규칙성을 발생시킨다는 것이다. 더욱이, 예상되는 조립 에러는 또한 기하학적 불규칙성을 초래할 수 있다. 결국, 종래기술에서 공지된 중공섬유 스피닝 노즐은 어떤 원하는 크기로 축소될 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은, 생산 오차를 최소화하고 이들 중공섬유 스피닝 노즐에 대한 제조공정을 훨씬 저렴하게 할 수 있는 한편, 미세한 모세관 멤브레인(Fine Capillary Membrane)도 제조할 수 있는 중공섬유 스피닝 노즐을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징부의 조합에 의해 본 발명에 따라 해결된다. 따라서, 본 발명은 종래의 금속가공과는 다르며 마이크로 구조기술(Micro-structure Technology)의 방법을 사용하기 때문에, 구조에 대한 완전 혁신적인 방식이 중공섬유 스피닝 노즐에 제공된다. 즉, 본 발명에 따르면, 마이크로 구조기술에 의해 구성된 적어도 2개의 판 형상의 몸체(Body)가 상기 중공섬유 스피닝 노즐을 형성하도록 조립된다. 바람직하게는, 아무 것도 구성되지 않은 제2판(Second Non-structure Plate)이 이 공정에서 마이크로 구조기술에 의해 형성된 제1판(First Plate) 위에 연결되며, 상기 제2판은 상기 제1판에 부착된 후에만 구성된다. 상기 판들은 미리 서로 연결된다. 상기 새로운 생산방법에 의해 많은 장점들이 개시된다. 먼저, 상기 노즐 구조에 대한 실질적으로 유사한 치수화가 마이크로 구조기술에 의해 실현될 수 있다. 게다가, 실질적으로 더 높은 정밀도가 상기 노즐 구조에 대하여 실현될 수 있다. 이러한 정밀도는 상기 노즐 구조가 하나의 단계에서 기인한다는 점에서 발생한다. 마이크로 구조기술에서 사용되는 하방의 리소그라피 마스크(Underlying Lithography Mask)의 정밀도에 의해서만 제한을 받는다. 그러나, 그러한 리소그라피 마스크는 100nm의 공차 정도로 극히 정밀하게 생산될 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서의 다른 장점은 실질적으로 상기 스피닝 노즐에 대한 더 적은 생산비용에 달려있다.
본 발명의 몇가지 관점들은 주 청구항을 인용하는 종속항들로부터 얻어진다.
일반적으로, 중공섬유 스피닝 노즐들이 이방성 에칭(Anisotropically Etching)과 접합이 가능하다면, 마이크로 구조기술의 모든 재료들이 자연히 본 발명에 따른 중공섬유 스피닝 노즐의 실현을 위하여 사용될 수 있다. 그러나, 단결정 실리콘(Mono-crystalline Silicon), 갈륨비화물(GaAs) 또는 게르마늄은 부분적으로 유리하게 사용될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 상기 중공섬유 스피닝 노즐은 2개의 판(Plate)으로 이루어지며, 상기 물질 공급 통로, 물질 유동 균일화 영역(Mass Flow Homogenization Zone), 응고제/지지제 공급 구멍 및 니들 돌출부(Needle Stub)가 제1판(First Plate)에 형성되는 반면, 물질 고리 모양의 갭(Mass Annular Gap)을 갖는 노즐 구조 및 응고제/지지제 구멍을 가지는 니들(Needle)이 제2판(Second Plate)에 형성된다.
택일적으로, 제2판에는 추가적으로 상기 물질 공급 통로 및 물질 유동 균일화 영역을 포함한 설계를 실행할 수 있다. 이들 부재들과 니들 돌출부들은 제1판 위에서 뺄 수 있다. 이러한 설계의 특별한 특징은, 상기 스피닝 노즐의 니들이 끝단면(End Face)에서 단지 상기 제1판에 연결되어 있다는 점이다.
중공섬유 스피닝 노즐을 위한 상기 바람직한 실시예에서는, 간단한 모세관 중공섬유 멤브레인(Capillary Hollow Fiber Membrane)이 제조될 수 있으며, 유리하게는 다음과 같은 치수를 갖는다:
제1판의 두께: 0.250 - 1.500mm
제2판의 두께: 0.050 - 1.500mm
상기 니들의 외경: 0.020 - 1.500mm
상기 니들 돌출부를 포함한 니들의 길이: 0.100 - 2.000mm
상기 응고제 구멍의 직경: 0.010 - 1.000mm
상기 응고제 구멍의 길이: 0.150 - 2.500mm
상기 고리 모양의 갭의 외경: 0.040 - 3.000mm
상기 고리 모양의 갭의 길이: 0.050 - 1.500mm
상기 스피닝 노즐의 높이: 0.300 - 3.000mm
상기 스피닝 노즐의 에지(Edge) 길이: 1.000 - 25.00mm
본 발명의 다른 바람직한 실시예는, 3개의 판으로 이루어지며, 제1판은 공급 통로, 균일화 영역, 중앙 공급 구멍(Central Supply Bore)을 가지는 니들 돌출부를 포함하고, 상기 제1판에 연결된 제2판은 공급 통로, 균일화 영역과, 동심원 링 통로(Concentric Ring Passage)를 가지는 다른 니들 돌출부 및 니들 확장부(Needle Extension)를 구비하며, 상기 제2판에 차례로 연결된 제3판은 중앙 구멍과 2개의 동심원 고리 모양의 갭(Concentric Annular Gap)으로 이루어지는 노즐 구조를 구비한다. 함께 압출된 이중층(Co-extruded Double Layer)을 구비한 모세관 멤브레인들 은 본 발명에 따른 상기 중공섬유 스피닝 노즐에 의해 제조될 수 있다.
다른 실시예에서는, 상기 중공섬유 스피닝 노즐이 3개의 단일판(Single Plate)으로 구성되는 데, 제1판은 중앙 공급 구멍을 가지며, 상기 제1판과 연결된 제2판은 동심원 링 통로와 중앙 구멍을 가지는 니들 돌출부는 물론 평행한 공급 통로(Parallel Supply Passage)들과 이들에 대하여 배열된 균일화 영역을 구비하고, 상기 제2판과 연결되는 제3판은 중앙 구멍과 2개의 동심원 고리 모양의 갭으로 이루어진 노즐 구조를 구비한다.
다단 통로(Multi-passage)의 중공섬유 스피닝 노즐의 외경은, 1mm보다 작은 것이 유리하다. 상기 다단 통로의 중공섬유 스피닝 노즐의 외경은, 0.45mm 이하인 것이 특히 바람직하다. 200 - 300㎛의 내경을 가지는 분해 멤브레인(Dialysis Membrane)은 이것과 함께 제조될 수 있다.
본 발명의 보다 자세한 사항 및 장점들은 도면에 도시된 실시예로부터 알 수 있다.
도 1은, 종래기술의 실시예에 따른 중공섬유 스피닝 노즐에 대한 개략 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 제1실시예에 따른 중공섬유 스피닝 노즐에 대한 개략 단면도이다.
도 3은, 물질 공급 통로에 대한 3가지 다양한 배치를 도시한, 본 발명의 제2실시예에 따른 중공섬유 스피닝 노즐의 개략 단면도이다.
도 4는, 도 2에 따른 중공섬유 스피닝 노즐의 3차원 부분 단면 사시도이다.
도 5는, 도 3의 실시예에 따른 중공섬유 스피닝 노즐에 대한 3차원 부분 단면 사시도이다.
도 2에, 본 발명의 제1실시예에 따른 중공섬유 스피닝 노즐(10)이 도시되어 있다. 여기서, 전체 기체(Total Base Body, 26)는 2개의 단일판(30과 32)으로 구성된다. 제1판(30)에는, 물질 공급 통로(34), 물질 유동 균일화 영역(36), 응고제 공급 구멍(38) 및 니들 돌출부(40)들이 후술될 상응하는 에칭 공정에 의해 형성되어 있다. 여기 도 2에 도시된 중공섬유 스피닝 노즐의 3차원 설계는 도 4에 있다. 상기 물질 공급 통로, 즉 침전될 폴리머 물질(Polymeric Mass)의 공급을 위한 통로가, 여기에서 도시된 실시예에서는 단면 형상으로 배치됨을 알 수 있다. 상기 물질 유동 균일화 영역(36)은 니들 돌출부(40) 주위의 링 공간으로 이루어진다. 상기 응고제 공급 구멍(38)은, 특히 도 2에서 볼 때, 상부측을 향한 영역에서는 확장되어 있다.
또한, 상기 제2판(32)의 설계 구조는, 도 2 및 도 4로부터도 알 수 있으며, 상기 물질 유동 균일화 영역(36)에 바로 연결된 물질 배출구(Mass Discharge Opening, 42)를 구비한다. 응고제 구멍(46)을 갖는 니들(Needle, 44)을 구비한 상기 물질 배출구 또는 물질 고리 모양의 갭(Mass Annular Gap, 42)은 고 정밀 노즐 구조(48)를 가져온다. 도 2 및 도 4에 도시된 단결정 실리콘의 실시예는, 예컨대 두께 0.4mm의 제1판, 두께 0.1mm의 제2판, 외경 0.05mm의 니들, 니들 돌출부를 포 함한 길이 0.15mm의 니들, 확장된 영역에서의 직경 0.1mm의 응고제 구멍(38), 외경 0.1mm의 고리 모양의 갭(42) 및 길이 0.1mm의 고리 모양의 갭(42)을 구비한다. 따라서, 상기 기체(26)의 높이, 즉 상기 전체 스피닝 노즐(10)의 높이는 0.5mm이지만, 상기 스피닝 노즐(10)의 기체(26)의 에지(Edge) 길이는 2mm이다.
마이크로 구조기술에 의한 중공섬유 스피닝 노즐의 제조는, 100 내지 300mm의 직경을 갖는 2개의 둥근 웨이퍼 디스크(Wafer Disk)가 출발점이다. 이들 웨이퍼들로부터 동시에 다수의 스피닝 노즐 구조들이 제조된다. 그 다음, 각각의 중공섬유 스피닝 노즐(10)들은 이미 처리된 웨이퍼들을 나눔으로써 얻어진다. 상기 분리된 각각의 스피닝 노즐들은 여기에 도시된 바와 같이, 단일 노즐 구조(Single Nozzle Structure)로 주어지거나 혹은, 하나의 노즐 구조 복합체(Compound)에 다수개의 노즐로 주어질 수 있다. 이것은, 웨이퍼 상에 형성되는 노즐 구조 전부가 서로 분리되지 않고, 다수의 노즐 구조가 그들의 윤곽을 따라 웨이퍼로부터 잘려 내어진 하나의 복수 노즐 유니트(One Multi-nozzle Unit)를 함께 형성함으로써 달성된다.
상기 스피닝 노즐(10)의 제조는, 상기 스피닝 노즐(10)의 판(30) 부재(Elements, 34, 36, 38, 40)들을 적층한 제1웨이퍼의 양면 구성(Two-side Structuring)으로 시작된다. 상기 구조들은 일련의 표준 리소그라피 공정(Standard Lithography Process), 즉 포토레지스트(Photoresist)의 마스크(Mask), SiO, Si-N 등 및 표준에칭공정으로 제조된다. 상기 표준에칭공정에서, 특히 반응 이온에칭(Reactive Ion Etching, RIE), 디프 반응 이온에칭(Deep Reactive Ion Etching, DRIE) 및 크라이오 에칭(Cryo-etching)이라 부른다. 특히, DRIE 및 크라이오 에칭과 같은 특별한 디프 에칭공정이 적절하다. 전면과 후면용 리소그라피 마스크는 광학적으로 서로 정렬되어야 한다. 계속하여, 제2판이 제조되어지는 제2웨이퍼는, 대응하는 구조를 갖는 제1웨이퍼에 접합된다. 이 과정에서, 애노드 접합(Anodic Bonding), 직접접합(Direct Bonding) 등과 같은 모든 접합 방법들이 사용될 수 있다.
그러나, 직접접합은, 최고의 강도를 이루며, 이에 따라 제1판의 니들을 양호하게 유지하는 것을 보장하기 때문에, 특히 바람직하다. 다음 단계에서, 상기 고리 모양의 갭(42)과 응고제 구멍(46)을 구비한 노즐 구조(48)는 2단계 에칭공정으로 제조된다. 제1단계에서 더 깊은 응고제 구멍만이 위쪽으로 유도된다. 제2단계에서 두 구조들은 에칭이 마무리된다. 상기 디프 에칭공정의 사용이 제1웨이퍼의 작업에서보다 여기에서 더 타당하기 때문에, 상기 리소그라피 공정과 에칭 공정이 다시 사용된다. 마지막 단계에서는, 상기 각각의 스피닝 노즐들은, 이미 설명된 바와 같이, 웨이퍼 절단 또는 레이저 작업과 같은 적절한 분리공정에 의해 상기 웨이퍼로부터 절단된다.
또 다른 본 발명의 실시예가 도 3 및 도 5를 참조하여 설명될 것이다. 여기에서, 중공섬유 스피닝 노즐(10)은 2개의 층으로부터 동시 압출성형된 중공섬유의 제조를 위해 도시되어 있다. 여기에서, 중공섬유 스피닝 노즐(10)은 3개의 단일판(102, 104 및 106)으로 구성된 기체(100)로 도시된다. 상기 단일판들은, 차례로 단결정 실리콘으로 이루어진다. 상기 응고제용 공급 통로(108)는 제1판에 형성된다. 또한, 상기 균일화 영역(114)으로 열려 있는 제1폴리머용 공급 통로(110, 112)가 제공된다. 상기 균일화 영역(114)은 대응하는 니들 돌출부(116) 주위를 둘러싸고 있다.
응고제 구멍(118)도 상기 제2판(104)에 형성되며 다른 니들 돌출부(120)와 링 공간(122)으로 둘러싸여 있다. 또한, 다른 공급 통로(124)는 연속적인 균일화 영역(126)을 구비한 제2판(104)에 형성된다. 최종적으로, 제3판(106)은, 응고제 구멍(134)을 구비한 니들(132)은 물론, 함께 압출성형되어야 하는 각각의 폴리머 재료를 위한 두개의 고리 모양의 갭(128과 130)을 구비한다. 도 3a, 도 3b 및 도 3c의 다양한 변형예에서, 상기 공급 통로(124)들은 각각 다르게 설계된다. 제2폴리머용 공급 통로(124)는 도 3a에 따른 실시예에서 제2판(104)에만 제공되지만, 도 3b에 따른 변형예에서는 제2판(104) 및 제3판(106) 양쪽을 통하여 연장된다. 도 3c에 따른 실시예에서, 제2폴리머용 공급 통로(124)는 도 3d에 도시된 바와 같이, 제2판(104) 및 제1판(102)을 통하여 연장된다. 도 5에 따른 대표도는 도 3a에 따른 단면도에 대응하며, 여기에서는 명확하게 8개의 공급 통로 112들이 별 모양의 형상으로 배열되지만, 4개의 공급 통로 124들만은 십자 모양으로 배열되어 있다.
상기 3개의 판(102, 104 및 106)들은, 적절한 접합공정, 바람직하게는 직접접합에 의해 상기 기체(100)를 형성하도록 서로 차례로 연결된다. 그렇지 않으면, 도 3 및 도 5에 따른 상기 중공섬유 스피닝 노즐(10)을 위한 제조방법은, 도 2 및 도 4를 참조하여 이미 자세히 설명한 방법과 유사하게 대응한다.

Claims (11)

  1. 응고제/지지제 통로(Coagulation Agent/Support Agent Passage)와 물질 공급 통로(Mass Supply Passage) 및 이들과 연결되며 물질 배출구(Mass Discharge Opening)와 응고제/지지제 구멍(Bore)을 갖는 니들(Needle)을 구비하는 노즐 구조(Nozzle Structure)가 기체(Base Body) 내에 형성된 중공섬유 스피닝 노즐(Hollow Fiber Spinning Nozzle)에 있어서,
    리소그라피 공정 및 에칭 공정을 사용한 마이크로 구조기술(Microstructure Technology)에 의해 구성되는 적어도 2개의 판 형상의 몸체(Plate-shaped Body)가 상기 기체를 형성하도록 함께 결합된 것을 특징으로 하는 중공섬유 스피닝 노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중공섬유 스피닝 노즐은 단결정 실리콘(Mono-crystalline Silicon), 갈륨비화물(GaAs) 또는 게르마늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공섬유 스피닝 노즐.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 물질 배출구는 고리 모양의 갭(Annular Gap)인 것을 특징으로 하는 중공섬유 스피닝 노즐.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 노즐은 2개의 판(Plate)으로 이루어지며, 제1판(First Plate)에는 상기 물질 공급 통로, 물질 유동 균일화 영역(Mass Flow Homogenization Zone), 응고제/지지제 공급 구멍 및 니들 돌출부(Needle Stub)가 형성되는 반면, 제2판(Second Plate)에는 고리 모양의 갭을 갖는 노즐 구조 및 응고제/지지제 구멍을 가지는 니들(Needle)이 형성되는 것을 특징으로 하는 중공섬유 스피닝 노즐.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 노즐은 2개의 판으로 이루어지며, 제1판에는 응고제/지지제 공급 구멍이 형성되는 반면, 제2판에는 물질 공급 통로, 물질 유동 균일화 영역과, 물질 고리 모양의 갭을 가지는 노즐 구조 및 응고제/지지제 구멍을 가지는 니들이 형성되는 것을 특징으로 하는 중공섬유 스피닝 노즐.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 노즐의 각각의 부재들은 다음과 같은 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 중공섬유 스피닝 노즐.
    제1판의 두께: 0.250 - 1.500mm
    제2판의 두께: 0.050 - 1.500mm
    상기 니들의 외경: 0.020 - 1.500mm
    상기 니들 돌출부를 포함한 니들의 길이: 0.100 - 2.000mm
    상기 응고제 구멍의 직경: 0.010 - 1.000mm
    상기 응고제 구멍의 길이: 0.150 - 2.500mm
    상기 고리 모양의 갭의 외경: 0.040 - 3.000mm
    상기 고리 모양의 갭의 길이: 0.050 - 1.500mm
    상기 스피닝 노즐의 높이: 0.300 - 3.000mm
    상기 스피닝 노즐의 에지(Edge) 길이: 1.000 - 25.00mm
  7. 제3항에 있어서,
    상기 노즐은 3개의 판으로 이루어지며, 제1판은 공급 통로, 균일화 영역, 중앙 공급 구멍(Central Supply Bore)을 가지는 니들 돌출부를 포함하고, 상기 제1판에 연결된 제2판은 공급 통로, 균일화 영역과, 중앙 구멍(Central Bore)을 가지는 니들 확장부(Needle Extension)는 물론 동심원 링 통로(Concentric Ring Passage)를 가지는 다른 니들 돌출부를 구비하며, 상기 제2판에 차례로 연결된 제3판은 중앙 구멍과 2개의 동심원 고리 모양의 갭(Concentric Annular Gap)으로 이루어지는 노즐 구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 중공섬유 스피닝 노즐.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 기체는 3개의 각각의 판으로 제작되며, 제1판은 중앙 공급 구멍을 가지며, 상기 제1판과 연결된 제2판은 동심원 링 통로와 중앙 구멍을 가지는 니들 돌출부는 물론 평행한 공급 통로(Parallel Supply Passage)들과 이들과 연결된 균일화 영역을 구비하고, 상기 제2판과 연결되는 제3판은 중앙 구멍과 2개의 동심원 고리 모양의 갭으로 이루어진 노즐 구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 중공섬유 스피닝 노즐.
  9. 제3항에 있어서,
    다단 통로(Multi-passage)의 중공섬유 스피닝 노즐의 외경은 1mm 이하인 것을 특징으로 하는 중공섬유 스피닝 노즐.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 노즐의 각각의 부재들은 다음과 같은 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 중공섬유 스피닝 노즐.
    제1판의 두께: 0.250 - 1.500mm
    제2판의 두께: 0.050 - 1.500mm
    상기 니들의 외경: 0.020 - 1.500mm
    상기 니들 돌출부를 포함한 니들의 길이: 0.100 - 2.000mm
    상기 응고제 구멍의 직경: 0.010 - 1.000mm
    상기 응고제 구멍의 길이: 0.150 - 2.500mm
    상기 고리 모양의 갭의 외경: 0.040 - 3.000mm
    상기 고리 모양의 갭의 길이: 0.050 - 1.500mm
    상기 스피닝 노즐의 높이: 0.300 - 3.000mm
    상기 스피닝 노즐의 에지(Edge) 길이: 1.000 - 25.00mm
  11. 제3항에 있어서,
    다단 통로(Multi-passage)의 중공섬유 스피닝 노즐의 외경은 0.45mm 이하인 것을 특징으로 하는 중공섬유 스피닝 노즐.
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