KR101190521B1 - 나노구조 또는 마이크로구조 표면상의 유체의 흐름 저항을제어하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

나노구조 또는 마이크로구조 표면상의 유체의 흐름 저항을제어하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

나노구조 또는 마이크로구조 표면상에 배치된 액적의 흐름 저항이 제어되는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 상기 표면의 셀들 중 하나 이상내의 적어도 제 1 유체의 압력이 원하는 수준 이하로 감소될 때, 그 표면상에 배치된 액적이 적어도 부분적으로 상기 표면으로 침투하게 하는 방식으로 폐쇄-셀 형상부가 사용된다. 다른 예시적 실시예에서, 액체의 액적이 적어도 부분적으로 그 원래의 비침투 위치로 복귀되는 방식으로 셀들 중 하나 이상내의 압력이 원하는 레벨 이상으로 증가한다. 또 다른 실시예에서, 폐쇄-셀 구조 형상부 패턴은 표면상에 배치된 유체의 압력이 비교적 높을 때에도 나노구조 또는 마이크로구조 표면의 침투를 방지하기 위해 사용된다.
Figure 112004043487374-pat00001
나노구조, 마이크로구조, 액적, 흐름 저항, 폐쇄-셀 형상부

Description

나노구조 또는 마이크로구조 표면상의 유체의 흐름 저항을 제어하기 위한 방법 및 장치{Method and apparatus for controlling the flow resistance of a fluid on nanostructured or microstructured surfaces}
도 1a, 도 1b, 도 1c, 도 1d 및 도 1e는 본 발명에 사용하기에 적합할 수 있는 사전규정된 나노구조의 다양한 종래기술 나노구조 형상부 패턴을 도시하는 도면.
도 2는 액적이 나노구조 또는 마이크로구조 형상부 패턴상에 배치되어 있는 예시적 종래기술 장치를 도시하는 도면.
도 3a는 도 3의 나노구조 형상부 패턴상에 부유된 도 2a의 액체의 액적을 도시하는 도면.
도 3b는 도 3의 나노구조 형상부 패턴을 침투하기 위해 사용될 때의 도 4a의 액체의 액적을 도시하는 도면.
도 4a 및 도 4b는 액체 액적이 나노구조 형상부 패턴을 침투하게 하기 위해 전자습윤 원리가 사용되는 예시적 종래 기술 장치를 도시하는 도면.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 액적이 나노구조 형상부 패턴의 위에 부유되어 있는 개시 위치에 배치되고(도 5a), 형상부 패턴으로 침투하게 되며(도 5b), 그 후, 형상부 패턴 위에 부유된 위치로 복귀하게 되는(도 5c) 본 발명의 원리에 따른 장치를 도시하는 도면.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 원리에 따른 예시적 폐쇄-셀 구조를 도시하는 도면.
도 7a 및 도 7b는 도 6a 및 도 6b의 예시적 구조의 일 셀의 세부를 도시하는 도면.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 액적이 나노구조 형상부 패턴의 위에 부유되어 있는 개시 위치에 배치되고(도 8a), 형상부 패턴으로 침투하게 되며(도 8b), 그 후, 형상부 패턴 위에 부유된 위치로 복귀하게 되는(도 8c) 본 발명의 원리에 따른 장치를 도시하는 도면.
도 9는 도 5a의 장치로부터 도 5b의 장치로의 전이를 달성하기 위해 필요한 폐쇄 셀내의 유체의 온도의 그래프를 그 셀내의 개시 온도와 셀의 크기(d)의 함수로서 도시하는 도면.
도 10은 도 5b의 장치로부터 도 5c의 장치로의 전이를 달성하기 위해 필요한 폐쇄 셀내의 유체의 온도의 그래프를 그 셀내의 개시 온도와 셀의 크기(d)의 함수로서 도시하는 도면.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 원리에 따른 폐쇄-셀 구조의 다른 실시예를 도시하는 도면.
도 12는 도 11a 및 도 11b의 실시예를 위한 압력 대 셀 치수의 그래프를 도시하는 도면.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 원리에 따른 폐쇄-셀 구조의 다른 실시예를 도시하는 도면.
도 14는 도 11a 및 도 11b의 실시예를 위한 압력 대 셀 치수의 그래프를 도 시하는 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
501, 801 : 액적 504, 804 : 패턴
505, 805 : 기판
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 극도로 작은, 사전결정된 표면 형상부를 가지는 표면상에 배치된 액체의 운동에 관련하며, 특히 사전결정된 나노구조 또는 마이크로구조 형상부를 가지는 표면상에 배치된 액체가 받는 흐름 저항을 제어하는 것에 관련한다.
발명의 배경
무수한 용도들의 다수의 유익한 장치 또는 구조는 적어도 하나의 고체 표면과 접촉하는 액체를 가지는 것을 적어도 부분적인 특징으로 한다. 최근의 용도는 리소그래피 또는 에칭의 다양한 수단과 같은 다양한 방법에 의해 제조될 수 있는 나노구조 또는 마이크로구조 표면상에 배치된 액체의 작은 액적의 운동에 집중되어 있다. 이런 표면은 이 표면상에 배치된 액체의 액적이 받는 흐름 저항을 현저히 감소시키기 위해 유용한 표면을 도출한다.
이러한 한가지 용도가 본 명세서에 그 전문을 참조로 인용하고 있는 "Nanostructed Surfaces for Dramatic Reduction of Flow Resistance in Droplet-based Microfluidics(J. Kim 및 C. J. Kim, IEEE conf. MEMS, Las Vegas, NV, 2002년 1월, pp. 479-482)에 기술되어 있다. 이 참조문헌은 사전결정된 나노구조 형상부를 가지는 표면을 사용함으로써, 표면과 접촉하는 액체에 대한 흐름 저항을 현저히 감소시킬 수 있는 방식을 개요 설명한다. Kim의 참조문헌은 액체와 접촉하는 표면을 미세하게 패턴화하고, 상술된 액체 표면 장력의 원리를 사용함으로써, 표면과 액체 사이의 접촉 면적을 크게 감소시킬 수 있다는 것을 개시한다. 이어서, 표면상의 액체에 대한 흐름 저항이 대응적으로 감소된다. 그러나, Kim의 참조문헌에 전형적으로 고려된 바와 같이, 액체에 대한 흐름 저항은 액체의 운동을 제어하는 것이 곤란하거나 불가능한 수준으로 감소된다. 따라서, 사전규정된 영역내로 액적의 자유 운동을 제어하기 위해 좁은 채널 또는 다른 수납부내에 액적을 배치할 필요가 있다.
나노구조 또는 마이크로구조로 패턴화된 표면상에 배치된 액체 액적의 운동을 보다 양호하게 제어하기 위해서, 보다 최근의 시도는 액체 액적의 측방향 운동을 제어하기 위해, 액적의 특성 또는 대안적으로 나노구조 또는 마이크로구조의 내재-패턴(intra-pattern) 특성에 의존한다. 이런 제어는 본 명세서에 그 전문을 참조로 인용하고 있는, 2003년 3월 31일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Method And Apparatus For Variably Controlling The Movement Of A Liquid On A Nanostructured Surface"인 동시계류중인 미국 특허 출원 제10/403159호의 주제이다. 이 출원에 기술된 일 실시예에서, 액체 액적의 측방향 운동은 예시적으로, 나노구조 또는 마이크로구조의 크기, 형상, 밀도 또는 전기적 물성을 액적의 선도 에지의 접촉각이 액적의 추종 에지의 접촉각 보다 낮아지도록 설계함으로써 달성된다. 결과적인 힘의 불균형은 선도 에지의 방향으로 액적이 이동하게 한다. 다른 실시예에서, 액적은 실질적으로 이동불가상태가 되도록 원하는 영역에서 형상부 패턴에 침투하게 된다. 이 침투는 예로서, 액적의 표면 장력, 패턴 또는 액적 중 어느 하나의 온도 또는 액적과 형상부 패턴 사이의 전압차를 변경함으로써 영향을 받을 수 있다.
상기 미국 특허 출원 제10/403159호에 기술된 바와 같이, 상기 실시예들 중 하나 또는 양자 모두는 예시적으로, 생물학적 또는 미소-화학적 검출기, 화학적 반응기, 패터닝 용도, 조율형 회절 격자, 내부 전반사 거울, 미소유체 혼합기, 미소유체 펌프 또는 열 소산 장치와 같은 다양한 용도에 유용할 수 있다.
따라서, 상술된 종래의 노력은 표면을 가로지른 물의 액적의 이동을 제어하거나, 액적이 받는 흐름 저항을 감소시키는 것 중 어느 하나에 집중되어 있다. 다른 최근 시도에서, 나노구조 또는 마이크로구조는 유체를 통해 이동하는 물체가 받는 흐름 저항을 감소시키기 위해 사용된다. 이 시도는 본 명세서에 그 전문을 참조로 인용하고 있는, 2003년 8월 27일자로 출원된 발명의 명칭이 "Method And Apparatus For Reducing Friction Between A Fluid And A Body"인 동시계류중인 미국 특허 출원 제10/649285호에 기술되어 있다. 상기 미국 특허 출원 제10/649285호에 기술된 발명의 실시예에 따르면, 유체를 통해 운동하는 매체의 표면의 적어도 일부가 나노구조 또는 마이크로구조로 패턴화된다. 따라서, 상술된 원리에 따라서, 패턴화된 표면에 걸친 흐름 저항이 감소된다. 또한, 상술된 바와 같이, 유체를 패턴화된 표면에 침투시킴으로써, 패턴화된 표면에 걸친 흐름 저항이 증가될 수 있다.
표면과 접촉하는 유체의 흐름 저항을 감소시키기 위한 종래의 시도가 다수의 관점에서 유익하지만, 나노구조 또는 마이크로구조 표면상에 배치된 유체의 침투도를 제어할 수 있는 것이 극도로 유리하다는 것을 지각하였다. 따라서, 제 1 예시적 실시예에서, 상기 표면의 셀들 중 하나 이상내의 적어도 제 1 유체의 압력이 원하는 수준 이하로 감소될 때, 표면상에 배치된 액적이 적어도 부분적으로 표면에 침투하게 되는 방식으로, 폐쇄-셀 나노구조 또는 마이크로구조 표면이 사용되는 방법 및 장치를 발명하였다. 다른 예시적 실시예에서, 액체의 액적이 그 원래의 비침투 위치로 적어도 부분적으로 복귀되는 방식으로 셀들 중 하나 이상내의 압력이 원하는 수준 이상으로 증가된다. 이 방식으로, 표면내로의 액적의 침투는 액체의 액적이 받는 흐름 저항의 원하는 수준을 달성하도록 변화될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 표면상에 배치된 유체의 압력이 비교적 높을 때에도 나노구조 또는 마이크로구조 표면의 침투를 방지하기 위해 폐쇄-셀 구조 형상부 패턴이 사용된다.
상술된 바와 같이, 표면을 가로질러 이동할 때, 액체가 받게되는 흐름 저항을 감소시키기 위해 마이크로구조 및 나노구조가 최근 사용된다. 이런 종래의 마이크로 또는 나노구조는 다수의 형태를 취할 수 있다. 예로서, 도 1a 내지 도 1e는 다양한 방법을 사용하여 제조된 나노포스트의 서로 다른 예시적인 종래 기술 배열을 도시하며, 또한, 이런 다양한 직경의 나노포스트가 서로 다른 규칙도를 가지는 형태일 수 있다는 것을 보여준다. 이들 도면은 다양한 거리 만큼 이격된 다양한 직경을 갖는 나노포스트를 생성할 수 있다는 것을 보여 준다. 2001년 2월 13일자로 허여된 발명의 명칭이 "Nanopost arrays and process for making same"인 미국 특허 제6,185,961호에서 발견되는 일 예시적 나노포스트 생성 방법이 본 명세서에 그 전문을 참조로 인용하고 있다. 나노포스트는 포스트를 형성하기 위한 형판의 사용에 의한, 다양한 리소그래피 수단에 의한, 그리고, 다양한 에칭 방법에 의한 것 같은 다양한 방법에 의해 제조되어 왔다. 여기에서 사용될 때, 달리 특정하지 않는 한, 나노구조/나노포스트 및 마이크로구조/마이크로포스트 용어는 서로 호환적으로 사용된다. 본 명세서의 설명 전반에 걸쳐, 본 기술의 숙련자는 나노포스트 또는 나노구조의 사용에 적용되는 동일한 원리가 마이크로포스트 또는 형상부 패턴의 다른 보다 큰 형상부에 동등하게 적용될 수 있다는 것을 인지할 것이다.
전술된 Kim 참조문헌에 언급된 바와 같이, 나노구조 또는 마이크로구조를 갖는 표면상에 액적을 배치하는 종래기술의 시도는 액적이 받는 극도로 낮은 흐름 저항이 각 표면상에 정지상태로 액적을 유지하는 것을 거의 불가능하게 하기 때문에 문제가 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이 낮은 흐름 저항의 이유는 적절한 액체의 액적(201)의 표면 장력(표면 구조에 의존)이 액적과 하층의 고체 표면(203) 사이에서 어떠한 접촉도 없이 나노구조 형상부 패턴(202)의 위에 액적(201)을 부유될 수 있게 하기 때문이다. 나노구조(202)가 도 2에서 예시적으로 원통형 포스트이지만, 본 기술의 숙련자는 원추형 포스트와 같은 다수의 적절한 기하학적 형상이 동등하게 유리할 수 있다는 것을 인지할 것이다. 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이, 나노구조 상의 액적의 부유는 액적과 나노구조 표면(204) 사이의 극도로 낮은 접촉 면적(즉, 액적은 단지 각 포스트(202)의 상단부와 접촉함), 및 그에 따른 낮은 흐름 저항을 초래한다.
도 3a는 나노구조 형상부 패턴(202) 위에 부유될 때, 도 2의 액적(201)의 확대도를 도시한다. 도 2에서와 같이, 도 3a의 액적은 형상부 패턴(202)에 침투하지 않으며, 따라서, 낮은 흐름 저항을 받는다. 그러나, 도 3b는 형상부 패턴(202)에 침투하는 구조의 예시적 액적(201)을 도시한다. 액적(201)이 형상부 패턴(202)에 침투할 때, 액적은 비교적 이동불가상태가 된다. 즉, 비교적 높은 정도의 흐름 저항을 받는다. 일반적으로, 액체 액적은 예로서, 액체 액적의 표면 장력이 현저히 낮을 때 형상부 패턴에 침투한다. 따라서, 형상부 패턴(202)의 특성에 의존하여, 본 기술의 숙련자는 이런 패턴(202)의 침투를 촉진시키기 위해 적절한 표면 장력을 갖는 액적(201)을 위한 액체를 선택할 수 있을 것이다. 대안적으로, 상술된 참조문헌에 포함 및 언급되어 있는 동시계류중인 미국 특허 출원 제10/403159호에 기술된 바와 같이, 도 3a에 예시된 바와 같이, 형상부 패턴상에 부유된 액적(201)의 표면 장력을 감소시키기 위해 다양한 방법이 사용될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 나노구조 형상부 패턴에 액적(201)을 침투시키기 위해 유용한 일 방법의 이런 종래 기술의 실시예를 도시한다. 도 4a는 예로서, 형상부 패턴(202)과 접촉하는 액적(201)의 도 3의 영역(301)을 예시한다. 도 4a를 참조하면, 액적(201)은 원추형 나노포스트의 나노구조 형상부 패턴(202)상에 배치되며, 예시적으로 도전성 액체이다. 도 3a에 예시된, 그리고, 상술된 바와 같이, 액적(201)의 표면 장력은 액적(201)이 형상부 패턴(202)의 상부 부분상에 부유되도록 이루어진다. 이 배열에서, 액적(201)은 단지 각 나노포스트의 표면적(f1)만을 덮는다. 형상부 패턴(202)의 나노포스트는 도전성 기판(203)의 표면에 의해 지지된다. 액적(201)은 예시적으로, 리드(402)를 통해 전원(401)에 의해 인가된, 기판(203)에 관한 전위차로 유지된다.
도 4b는 액체(201)의 도전성 액적에 낮은 전압(예로서, 10-20V)을 인가함으로써, 액체(201)와 형상부 패턴(202)의 나노포스트 사이에 전압차가 초래되는 것을 도시한다. 결과적으로, 액적(201)의 접촉각은 감소하고, 액적(201)은 나노포스트의 표면을 따라 y-방향으로 하향 이동하며, 나노포스트 각각을 완전히 둘러싸고, 기판(203)의 상부면과 접촉할 때까지, 나노구조 형상부 패턴(202)에 침투한다. 이 구성에서, 액적은 각 나노포스트의 표면적(f2)을 덮는다. f2>>f1이기 때문에, 액적(201)과 형상부 패턴(202)의 나노포스트 사이의 전체 접촉 면적은 비교적 높고, 따라서, 액적(201)이 받는 흐름 저항은 도 4a의 실시예에서 보다 크다. 따라서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 액적(201)은 형상부 패턴(202)으로부터 액적(201)을 분리시키기에 충분한 다른 힘의 부재시, 나노구조 형상부 패턴에 대해 효과적으로 정지상태가 된다.
본 발명자는 액체의 액적을 형상부 패턴에 선택적으로 침투시키고, 그 후, 선택적으로 이 침투를 반전시킬 수 있게 되는 것이 바람직하다는 것을 인지하였다. 도 5a, 도 5b 및 도 5c는 패턴(504)내로의 액적(501)의 이런 선택적/가역적 침투를 예시한다. 도 5a는 기판(505)에 의해 지지되어 있는 나노구조 또는 마이크로구조 형상부 패턴상에 배치된 예시적 액적(501)을 도시한다. 형상부 패턴과 액적 사이의 접촉각은 θ1로 도시되어 있다. 다음에, 도 5b에 도시되고, 상술된 바와 같이, 액적(501)은 형상부 패턴(504)으로 침투하게 된다. 액적이 기판(505)을 향해 개별 소자(예로서, 나노포스트)를 따라 이동하기 때문에, 액적과 형상부 패턴 사이의 접촉각은 이 경우 θ2로 증가한다. 마지막으로, 도 5c에 도시된 바와 같이, 패턴(504)내로의 액적(501)의 침투를 반전시킬 수 있는 것이 적합하다. 이 경우, 액적과 형상부 패턴 사이의 접촉각은 θ1 만큼 낮거나 그보다 낮다. 여기서, 예시적으로, 액적(501)과 형상부 패턴(504) 사이의 접촉각은 예시적으로 θ1 보다 작은 각도인 θ3으로 도시되어 있다.
도 6a 및 도 6b는 각각 도 5a 내지 도 5c에 도시된 가역적 침투를 달성할 수 있는 본 발명의 원리에 따른 예시적 형상부 패턴의 3차원 도면 및 상단면도를 도시한다. 구체적으로, 도 6a 및 6b에 도시된 본 예시적 실시예에서, 형상부 패턴은 서로 떨어진 거리로 이격 배치된 다수의 포스트를 포함하지 않는다. 대신, 다수의 폐쇄 셀은 여기서는, 6각 단면의 예시적 셀이 사용된다. 본 명세서에 사용되는 용어, 폐쇄 셀은 그 위에 액체가 배치되어 있거나 배치될 수 있는 측면을 제외한 모든 측면상에서 둘러싸여져 있는 셀로서 규정된다. 본 기술의 숙련자는 다른, 동등하게 유리한 셀 구성 및 기하학적 형상이 동등한 효과의 폐쇄-셀 배열을 달성할 수 있다는 것을 인지할 것이다. 도 7a 및 도 7b는 도 6a 및 도 6b의 형상부 패턴의 예시적인 개별 셀의 상단면도 및 측면도를 도시한다. 구체적으로, 도 7a를 참조하면, 각 개별 셀(701)은 폭 d의 최대 폭(702), 길이 d/2의 개별 측면 길이(703) 및 두께 t의 벽두께(704)를 갖는다. 도 7b를 참조하면, 셀(701)의 높이(705)는 높이 h이다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 여기에 단면으로 도시된 도 6a 및 도 6b의 형상부 패턴과 유사한 예시적 폐쇄-셀 형상부 패턴이 액체가 형상부 패턴에 가역적으로 침투하게 하기 위해 예시적으로 사용되는 방식을 보여준다. 구체적으로, 6각형 단면을 가지는 셀(701)과 같은 형상부 패턴(804)내의 각 셀은 액체의 액적이 셀의 개구를 덮고 나면 완전히 폐쇄된 셀이다. 따라서, 도 8a를 참조하면, 그 위에 액적이 배치되어 있는 이런 폐쇄 셀 각각은 개시 온도(T=T0) 및 개시 압력(P=P0)을 가지는 유체를 함유한다. 본 명세서에서 사용된 용어, 유체는 형상부 패턴의 셀내에 배치될 수 있는 가스(예시적으로, 공기 같은) 및 액체 양자 모두를 포괄한다. 본 발명자들은 셀(701)과 같은 개별 셀 내의 압력을 변경함으로써, 액체 액적(801)이 셀 내로 당겨지거나, 대안적으로, 셀 외부로 축출될 수 있다는 것을 인지하였다. 구체적으로, 도 8b를 참조하면, 셀(701)내의 압력이 개시 압력 미만(즉, P<P0)이 되는 경우, 이때, 형상부 패턴과 액적의 접촉각이 θ1로부터 θ2로 증가하고, 셀 위의 액적이 압력(P)의 감소 크기에 상관된 거리로 셀 내로 당겨진다. 이런 압력의 감소는 예시적으로, T<T0가 되도록 셀내의 유체의 온도를 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 이런 온도 감소는 예시적으로, 형상부 패턴(804) 및/또는 기판(805)의 온도를 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 본 예시적 실시예에서, 유체의 온도는 잘 알려진 전도/대류 원리에 의해 감소될 수 있으며, 따라서, 셀내의 압력이 강하한다. 본 기술의 숙련자는 셀내의 유체의 온도를 감소시키는 소정의 다른 방법을 포함하는 셀내의 압력을 감소시키는 소정의 방법이 유사한 결과를 가질 수 있다는 것을 인지할 것이다.
도 8c는 개시 압력(P0) 이상으로 압력을 증가시킴으로써, 액적(801)의 침투를 반전시킬 수 있는 방식을 도시한다. 다시 한번, 이런 압력 증가는 예시적으로, 도 8c에서, 개시 온도(T0) 보다 높은 온도로 셀내의 유체의 온도를 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 증가된 온도는 개시 압력(p0) 이상으로 셀내의 압력을 증가시킨다. 따라서, 액적과, 형상부 패턴의 엘리먼트 사이의 접촉각은 θ1 보다 작은 θ3으로 변경되며, 액체는 셀의 외측으로 이동하고, 액적(801)을 형상부 패턴(804)과 초 저 흐름 저항 접촉하도록 복귀시킨다. 다시 한번, 본 기술의 숙련자는 셀 내의 유체의 온도를 증가시키는 소정의 다른 방법을 포함하는 액적(801)의 침투를 반전시키기 위해 셀 내의 압력을 증가시키는 소정의 방법이 유사한 결과를 가질 수 있다는 것을 인지할 것이다.
도 9는 형상부 패턴내로의 액적의 침투를 달성하기 위해 120°접촉각의 전진을 달성하기 위해 필요한 온도(Ttrans)의 그래프(904)를 도시한다. 도 9는 160㎛의 셀 높이(h)와, 62mN/m의 액적 경계면 장력을 가정한다. 이들 조건에서, 도 9는 셀 내의 유체의 개시 온도(T0) 및 대표적인 폭(d)(도 7a 및 7b에 치수 702로 도시되어 있으며, 플롯(901, 902 및 903)으로 표시되어 있음)에 대하여, 그 이하에서 액적이 형상부 패턴에 침투하게 되는 소정 온도(Ttrans)가 존재한다는 것을 보여준다. 예로서, 셀의 폭이 그래프(904) 상에서 플롯(902)에 의해 예시된 15㎛이고, 셀내의 유체의 개시 온도(T0)가 60℃인 경우, 압력은 플롯(902) 상에서 지점(905)으로 표시된 약 15℃의 전이 온도(Ttrans) 이하에서 액적이 형상부 패턴에 침투하게 하기에 충분히 강하한다.
도 10은 상술된 서로 다른 셀 폭(d)을 나타내는 플롯(1001, 1002, 1003)을 가지는 그래프(1004)를 도시한다. 다시 한번, 액적의 경계면 장력은 62mN/m인 것으로 가정되고, 셀 높이(h)는 160㎛인 것으로 가정된다. 도 10은 형상부 패턴에 침투한 이후 액적의 침투를 이론적으로 반전시킬 수 있는 최소 접촉각인 0° 접촉각(도 8b의 θ2)을 달성하기 위해 필요한 온도 변화를 보여 준다. 예로서, 다시 한번, 40℃의 개시 온도(T0)(형상부 패턴의 소정의 침투 이전)를 위한 플롯 1002로 표시된 15㎛의 셀 폭에 대해, 플롯(1002)상의 지점(1005)은 셀내의 압력을 증가시키고, 액적의 접촉각을 0°로 반전시키며, 완전가역적 침투를 달성하기 위해 약 110℃의 전이온도(Ttrans)가 필요하다는 것을 보여 준다. 본 기술의 숙련자는 서로 다른 접촉각이 달성될 수 있으며, 침투의 반전의 경우, 보다 낮은 전이 온도는 일반적으로 보다 큰 접촉각을 초래하고, 나머지 모두는 동일하다는 것을 인지할 것이다. 따라서, 다수의 서로 다른 온도(T0 미만)가 형상부 패턴내로 액체를 침투시키기 위해 사용될 수 있으며, 유사하게, 이 침투를 반전시키기 위해 다수의 다른 온도(T0 이상)가 사용될 수 있다.
따라서, 상기 설명은 형상부 패턴의 침투가 달성되는 방식 및 이 침투가 선택적으로 반전될 수 있는 방식을 예시한다. 그러나, 침투를 가역적이 되게 하는 것에 부가하여, 본 발명자는 상술된 바와 같은 폐쇄 셀 형상부 패턴이 다른 목적에 유용하다는 것을 인지하였다. 예로서, 이런 형상부 패턴은 그 형상부 패턴상으로의 액적에 의해 작용되는 증가하는 압력의 존재시에도 형상부 패턴의 소정의 침투를 실질적으로 방지하도록 기능할 수 있다. 이런 기능은 예로서, 잠항가능한 탈것에 바람직할 수 있다. 상술된 개방 셀 나노구조 형상부 패턴의 잠항가능한 탈것에 대한 사용은 본 명세서에서 그 전문을 참조로 인용하고 있는 2003년 8월 27일자로 출원된 발명의 명칭이 "Method And Apparatus For Reducing Friction Between A Fluid And A Body"인 동시계류중인 미국 특허 출원 제10/649285호의 주제이다.
상기 미국 특허 출원 제10/649285호는 개방 셀 나노구조 형상부 패턴이 잠수함 또는 어뢰와 같은 잠항가능한 탈것 상에 사용될 때, 예시적으로 수중 탈것의 표면을 횡단 통과하는 물의 흐름 저항에 의해 유발되는 마찰(항력)을 극적으로 감소시는 방식을 기술한다. 그러나, 이런 감소된 마찰이 다수의 상황에서 유리하지만, 본 발명자는 물의 압력이 특정 임계값(형상부 패턴의 특성에 의존)을 초과할 때, 물은 형상부 패턴내로 침투하며, 잠항가능한 탈것상의 항력을 극적으로 증가시킬 수 있다는 것을 인지하였다. 따라서, 본 발명자는 비교적 높은 압력의 존재시에도 형상부 물이 형상부 패턴에 침투하는 것을 방지하는 것이 바람직하다는 것을 추가로 인지하였다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 원리에 따른 일 예시적 실시예를 도시하며, 여기서, 액체는 액체가 비교적 높은 압력일 때에도 형상부 패턴에 침투하는 것이 방지된다. 도 11a를 참조하면, 나노구조 또는 마이크로구조 형상부 패턴이 도시되어 있으며, 여기서, 각 셀은 직사각형 단면을 갖는다. 각 셀은 길이(l), 벽 두께(t) 및 폭(r)을 갖는다. 도 11b를 참조하면, 각 셀은 또한 높이(h)를 갖는다. 예시적으로, l=10㎛, t=.3㎛, r=4㎛ 및 h=.25㎛이다. 초기에, 도 11a의 셀 각각 내의 압력은 대기압(P0)이다. 따라서, 예로서, 도 11a 및 11b의 형상부 패턴이 잠수함의 표면상에 배치되는 경우에, 잠수함이 수면상을 진행할 때, 셀의 적어도 일부는 잠수함을 둘러싸는 공기의 개시 압력을 갖는다. 그러나, 도 11b에 도시된 바와 같이, 잠수함이 잠항할 때, 물은 형상부 패턴상에 압력(P2)을 작용하기 시작하며, 따라서, 액체와 패턴 사이의 접촉각(θ)을 초래한다. 결과적인 증가된 접촉각은 셀내의 유체(즉, 공기)의 압력을 P0에서 P1로 대응적으로 증가시킨다. 잠수함의 깊이가 증가하고, 압력 P2가 증가할 때, 접촉각(θ)은 증가하며, 결과적으로, 셀내의 압력(P1)은 유사하게 증가한다. 형상부 패턴(1103)의 특성(예로서, 셀의 길이, 높이 및 폭)에 의해 결정되는 임계값에서, 압력(P2) 및 이에 따른 접촉각(θ)은 너무 커지게 되고, 물(1102)은 기판(1101)에 접촉할 때까지 형상부 패턴(1103)으로 침투한다. 따라서, 도 11a 및 도 11b의 형상부 패턴에 대하여, 특정 압력 한계까지의, 물이 형상부 패턴으로 침투하지 않는 압력의 범위(잠수함의 예시적 실시예에 대해 수중 깊이에 대응)가 존재한다. 따라서, 잠수함의 경우, 잠항가능한 탈것은 예로서, 나노포스트의 개방 셀 형상부 패턴이 사용되는 경우에서 보다 형상부 패턴의 침투 없이 보다 큰 깊이로 잠항할 수 있다. 결과적으로, 낮은 흐름 저항은 이런 개방 패턴을 사용하면 보다 큰 깊이로 유지될 수 있다.
도 12는 셀이 특정 높이 대 폭 비율(h/r)로 규정될 때, 도 11a 및 도 11b의 형상부 패턴의 셀내의 서로 다른 압력이 특정 접촉각을 초래하는 방식을 예시하는 플롯(1201, 1202 및 1203)을 가지는 그래프(1204)를 도시한다. 예로서, 플롯(1201)은 h/r=0.18을 가지는 셀에 대하여, 개시 압력(P0)의 두배인 압력(P1)이 120°의 접촉각을 초래한다는 것을 도시한다. 플롯(1202, 1203)은 압력(P1)의 변화가 주어진 셀 치수에 대하여 서로 다른 접촉각을 초래하는 방식을 도시한다. 본 기술의 숙련자는 도 13의 것들 이외의 다른 접촉각을 위한 다른 플롯을 쉽게 개발할 수 있을 것이다.
도 12는 또한, 그래프(1204)의 영역(1205)내에 드는 압력 및 셀 치수 조합에 대하여, 형상부 패턴의 비침투 표면을 도출할 수 있는 어떠한 해답도 없다는 것을 도시한다. 따라서, 예로서, 소정의 셀 치수에 대하여, 개시 대기압(P0)의 5배인 압력(P1)은 형상부 패턴의 침투를 초래한다. 그러나, 이런 압력은 잠수함과 같은 수중 탈것이 일상적으로 받게되기 때문에, 현저히 보다 큰 압력에 대하여 형상부 패턴의 침투를 방지하는 것이 매우 바람직하다.
도 13a 및 도 13b는 현저히 보다 큰 압력에서 형상부 패턴내로의 물의 침투를 방지하는 예시적 셀 구조를 도시한다. 도 13a에 도시된 바와 같이, 보다 큰 압력을 견딜 수 있는 형상부 패턴의 상단면도는 도 11a의 것과 동일한 것으로 나타나며, 사실, 이 도면의 실시예에서와 동일한 길이(l=10㎛), 벽 두께(t=.3㎛) 및 폭(r=4㎛)을 갖는다. 유사하게, 도 13b를 참조하면, 개별 셀의 높이는 예시적으로, 도 11b의 셀의 높이(h)(.25㎛)와 동일하다. 그러나, 도 13b는 도 11b의 셀에서와 같은 직사각형 측단면으로 이루어지는 대신, 도 13b의 셀은 저면에서 라운딩되며, 따라서, 각 셀은 보다 적은 유체(예로서, 공기)를 유지할 수 있다. 결과적으로, 압력(P2)이 상승하고, 유체를 셀 내에 압축할 때, 압력(P1)은 도 11a 및 도 11b의 실시예의 경우에서 보다 신속히 증가한다. 따라서, 셀은 액체가 형상부 패턴의 셀에 침투하기 이전에 매우 보다 높은 압력을 견딜 수 있다.
도 14는 도 13a 및 도 13b의 형상부 패턴의 셀내의 서로 다른 압력이 셀이 특정 높이 대 폭 비율(h/r)에 의해 규정될 때 특정 접촉각을 초래하는 방식을 예시하는 플롯(1401, 1402 및 1403)을 갖는 그래프(1404)를 도시한다. 지점 1405에서 볼 수 있는 바와 같이, 약 0.12의 높이 대 폭 비에 대하여, 약 110°의 접촉각은 개시 대기압(P0)의 5배의 압력(P1)을 초래한다. 유사하게, 지점 1406은 0.18의 미소하게 보다 높은 셀 높이 대 폭 비율에 대하여, 접촉각 120°는 형상부 패턴의 침투 없이 견딜 수 있는 압력(P1)에 관하여 실질적으로 무한하다. 따라서, 표면의 낮은 흐름 특성은 불변으로 유지되고, 잠수함의 경우에, 큰 수압/깊이에서도 낮은 마찰(항력)을 계속 받게 된다.
상술한 바는 단지 본 발명의 원리를 예시하는 것이다. 따라서, 본 기술의 숙련자는 비록 여기에 명시적으로 설명 또는 예시되지는 않았지만, 그 개념 및 범주내에 있는 본 발명의 원리를 구현하는 다양한 배열을 안출할 수 있을 것이다. 부가적으로, 본 기술의 숙련자는 본 명세서의 다양한 실시예의 설명의 견지에서, 본 발명의 원리가 광범위한 다른 분야 및 용도에 활용될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 예로서, 본 기술의 숙련자는 비록 명시적으로 상술되지는 않았지만, 엠보싱, 타출, 인쇄 등과 같은 나노구조 또는 마이크로구조를 제조하는 다른 널리 알려진 방법이 사용될 수 있다는 것을 인지할 것이다.
본 발명의 양태 및 실시예와 그 특정 예를 설명하는 본 명세서의 모든 기술은 그 기능적 등가체를 포괄하는 것이다. 또한, 여기에 언급된 모든 예시 및 조건 언어는 전적으로 독자가 본 발명의 원리를 이해하는 것을 돕기 위한 교수적 목적을 위한 것일 뿐이며, 이런 특정하게 언급된 실시예 및 조건에 한정되지 않는 것으로서 해석된다. 예로서, 상기 실시예의 설명이 나노구조 또는 마이크로구조 표면상에 배치된 액적을 설명하는 것으로 제한되어 있지만, 본 기술의 숙련자는 상기 실시예가 액체를 통한 표면의 이동 또는 표면을 가로지른 액체의 소정의 흐름을 포괄하는 것이라는 것을 쉽게 인지할 것이다. 부가적으로, 형상부 패턴에 액체가 침투하게 하기 위해 사용되는 것으로서 압력 변화가 설명되어 있지만, 본 기술의 숙련자는 액적의 표면 장력을 강하시키는 것 같은 이런 침투를 유발하는 종래의 방법이 동등하게 유리하다는 것을 인지할 것이다.
또한, 상술된 원리의 견지에서, 본 기술의 숙련자는 형상부 패턴의 침투를 방지하는 기능으로부터 또는 이런 패턴을 반전하는 것으로부터 장점을 얻을 수 있는 다수의 다른 용도를 안출할 수 있을 것이다. 마지막으로, 형상부 패턴내로의 침투 및 침투의 반전은 폐쇄 셀내의 유체의 온도를 증가 또는 감소시키는 것 이외에 다른 수단에 의해 달성될 수 있다. 예로서, 공기가 셀내로/셀로부터 송풍/인출되어, 각각 이들 셀 내의 압력을 증가/감소시킬 수 있다.
본 발명의 방법 및 장치에 의하면, 표면내로의 액적의 침투는 액체의 액적이 받는 흐름 저항의 원하는 수준을 달성하도록 변화될 수 있다.

Claims (10)

  1. 나노구조 또는 마이크로구조 표면상의 액체의 흐름 저항을 제어하기 위한 장치로서,
    적어도 제 1 표면을 가지는 기판;
    상기 적어도 제 1 표면상의 형상부 패턴으로서, 복수의 폐쇄 셀을 갖는 형상부 패턴; 및
    선택된 액체가 상기 구조 표면 내부로 또는 밖으로 상기 복수의 폐쇄 셀상에 배치될 수 있는 상기 액체의 침투도를 변화시키도록 하기 위해 상기 복수의 폐쇄 셀 내에 배치된 적어도 제 1 유체의 압력을 변경하기 위한 수단을 제공하는 구조;를 포함하고,
    상기 복수의 폐쇄 셀 각각은 상부에 액체가 배치될 수 있는 개방 측면을 제외한 모든 측면들상에서 둘러싸여져 있으며, 상기 복수의 폐쇄 셀은 나노구조 또는 마이크로구조 표면을 형성하는 것을 특징으로 하는, 나노구조 또는 마이크로구조 표면상의 액체의 흐름 저항을 제어하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 폐쇄 셀은 상기 나노구조 표면을 형성하고, 상기 나노구조 표면의 각 셀은 1mm 미만의 적어도 제 1 치수를 갖는, 나노구조 또는 마이크로구조 표면상의 액체의 흐름 저항을 제어하기 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 폐쇄 셀은 상기 나노구조 표면을 형성하고, 상기 나노구조 표면의 각 셀은 1㎛ 미만의 적어도 제 1 치수를 갖는, 나노구조 또는 마이크로구조 표면상의 액체의 흐름 저항을 제어하기 위한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유체의 압력을 변경하기 위한 수단은 상기 제 1 유체의 온도를 변경하기 위한 수단을 포함하는, 나노구조 또는 마이크로구조 표면상의 액체의 흐름 저항을 제어하기 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유체의 압력을 변경하기 위한 수단은 상기 유체의 변화하는 양을 각각 상기 셀들의 내부로 그리고 밖으로 주입 및 제거하기 위한 수단을 포함하는, 나노구조 또는 마이크로구조 표면상의 액체의 흐름 저항을 제어하기 위한 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유체의 압력을 변경하기 위한 수단은 상기 액체의 압력 변화시 상기 유체의 압력이 변화하는 방식으로 상기 형상부 패턴상에 배치된 액체를 포함하는, 나노구조 또는 마이크로구조 표면상의 액체의 흐름 저항을 제어하기 위한 장치.
  7. 복수의 폐쇄 셀을 갖는 형상부 패턴을 위에 갖는 나노구조 또는 마이크로구조 표면상의 액체의 흐름 저항을 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 복수의 폐쇄 셀과 접촉하게 액체를 배치하는 단계로서, 상기 복수의 폐쇄 셀 각각은 상부에 액체가 접촉하는 개방 측면을 제외한 모든 측면들상에서 둘러싸여져 있으며, 상기 복수의 폐쇄 셀은 나노구조 또는 마이크로구조 표면을 형성하는, 상기 액체를 배치하는 단계; 및
    상기 셀들과 접촉하는 액체가 상기 적어도 하나의 셀에 진입하고 그로부터 배출되도록 상기 복수의 폐쇄 셀 내의 적어도 하나의 셀에서 적어도 제 1 유체의 압력을 변화시키는 단계;를 포함하는 나노구조 또는 마이크로구조 표면상의 액체의 흐름 저항을 제어하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 압력은 상기 적어도 하나의 셀 내의 상기 유체의 온도를 변화시킴으로써 변화되는, 나노구조 또는 마이크로구조 표면상의 액체의 흐름 저항을 제어하기 위한 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 나노구조 또는 마이크로구조 표면을 형성하는 상기 복수의 폐쇄 셀 내의 각 셀은 1mm 미만의 적어도 제 1 치수를 갖는, 나노구조 또는 마이크로구조 표면상의 액체의 흐름 저항을 제어하기 위한 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 나노구조 또는 마이크로구조 표면을 형성하는 상기 복수의 폐쇄 셀 내의 각 셀은 1㎛ 미만의 적어도 제 1 치수를 가지는, 나노구조 또는 마이크로구조 표면상의 액체의 흐름 저항을 제어하기 위한 방법.
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