KR102104868B1

KR102104868B1 - 외부 압력 대비 방향성 유체 이송을 위한 표면

Info

Publication number: KR102104868B1
Application number: KR1020197029225A
Authority: KR
Inventors: 카렌 엠. 고에더스; 마샤 알. 포트호퍼; 윙-착 응; 게르다 부흐베르거; 플로리안 히셴; 베르너 바움가트너
Original assignee: 킴벌리-클라크 월드와이드, 인크.
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2020-04-29
Also published as: US10927853B2; CN110325736B; WO2018183074A1; KR20190120820A; GB2575380B; AU2018246009B2; BR112019017923B1; GB2575380A; RU2718365C1; GB201914554D0; CN110325736A; US20200096009A1; AU2018246009A1; BR112019017923A2

Abstract

수동식, 방향성 유체 이송을 위한 모세관 구조는, x-y 평면으로 연장되는 전방 방향 및 후방 방향 및 z 방향으로 연장되는 깊이를 갖는 모세관을 포함하되, 모세관은 후방 말단, 전방 말단, 및 y 방향으로의 폭을 갖는 분기 섹션을 각각 갖는 제1 및 제2 모세관 유닛을 포함하고, 여기서 폭은 후방 말단에서 전방 말단까지 증가하고, 여기서 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단은 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단에 연결되어 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단에서 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단으로 폭의 계단식 감소를 갖는 전이 섹션을 형성하고, 여기서 전이 섹션의 깊이는 각각의 분기 섹션의 깊이보다 작다.

Description

외부 압력 대비 방향성 유체 이송을 위한 표면

본 발명은 외부 압력 대비 방향성 유체 이송을 위한 표면에 관한 것이다.

통상적으로, 흡수성의 유체 취급 구조에서 발견되는 많은 다공성 구조에서 섬유의 무작위 배향으로 인해 유체 체적을 이동시키는데 많은 양의 재료가 필요하다. 결과적으로, 상이한 특성을 갖는 몇몇 재료가 유체 이송을 위해 조합되어 사용된다. 유체의 이동을 향상시킬 수 있는 표면은 구조가 더 잘 수행하고 통상적으로 사용되지 않는 용량을 이용할 수 있도록 허용할 것이다. 이러한 표면은 액체 이동을 용이하게 하도록 형성 또는 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 유체는 무작위로 이동하지 않지만, 그 대신 중력에 반하거나 다른 외부 압력 소스에 반하여 유체 이송이 존재하도록 표면 구조가 굴곡되거나 다른 방식으로 위치되더라도 표면 구조를 따라간다. 이것은 유체가 주행하는 곳을 관리할 수 있는 능력을 제공한다.

이러한 문제 또는 관련 문제를 해결하려는 이전의, 성공적이지 않은 시도는, 상호 연결된 모세관을 설명하는 Comanns 등의 캐나다 특허 출원 번호 CA2875722 A1, 및 역류를 최소화하려고 시도하지만 제거하지 못한 방향성 유체 이송을 설명하는 기술 공개문헌 "채널 표면형태에 의해 제어되는 개방형 마이크로 채널의 일방향 위킹(One-way Wicking in Open Micro-channels Controlled by Channel Topography)", Colloid and Interface Science 404 (2013) 169-178의 저널을 포함한다. Baumgartner 등의 특허출원 번호 US 2016/0167043은 방향성 유체 이송(directional fluid transport)을 위한 표면을 기술하지만, 채널 깊이의 변화 또는 그의 임의의 효과를 개시하거나 교시하지 않는다. 또한, 특허출원 번호 WO 2016/124321 A1은 표면에 수직인 방향성 이송을 기술하여 액체 이송 방향에 직교하는 깊이의 변화를 개시하거나 교시하지 않는다. 기술 공개문헌 "자가 모세관 시스템용 밸브(Valves for Autonomous Capillary Systems)" Microfluidics and Nanofluidics 5 (2008) 395-402에 기술된 것들과 같은 미세유체 밸브는 한 방향으로 액체 흐름을 정지시키거나 지연시키도록 설계된다; 그러나, 이들은 표면을 따른 흐름을 허용하지 않는 방식으로 배치된다. 또한, 모세관 채널은 동일한 깊이를 가졌고, 단지 수 초 동안 액체 프런트를 정지시킬 수 있었다.

본원에 설명된 발명은 전술한 문제점을 해결하고 유체 취급 효과의 증가를 제공한다.

본 발명에 따르면, 수동식, 방향성 유체 이송을 위한 모세관 구조는, x-y 평면으로 연장되는 전방 방향 및 후방 방향 및 z 방향으로 연장되는 깊이를 갖는 모세관을 포함하되, 상기 모세관은 후방 말단, 전방 말단, 및 y 방향으로의 폭을 갖는 분기 섹션을 각각 갖는 제1 및 제2 모세관 유닛을 포함하고, 여기서 폭은 상기 후방 말단에서 상기 전방 말단까지 증가하고, 여기서 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단은 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단에 연결되어 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단에서 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단으로 폭의 계단식 감소를 갖는 전이 섹션을 형성하고, 여기서 전이 섹션의 깊이는 각각의 분기 섹션의 깊이보다 작다.

본 발명은 또한 접촉각 θ을 갖는 유체의 방향성 이송을 위한 기재를 설명하며, 상기 기재는 수동식, 방향성 유체 이송을 위한 모세관 구조를 포함하되, 상기 모세관 구조는, x-y 평면으로 연장되는 전방 방향 및 후방 방향 및 z 방향으로 연장되는 깊이를 각각 갖는 복수의 모세관을 포함하며, 각각의 모세관은 후방 말단, 전방 말단, 및 y 방향으로의 폭을 갖는 분기 섹션을 각각 갖는 제1 및 제2 모세관 유닛을 포함하고, 여기서 폭은 상기 후방 말단에서 상기 전방 말단까지 증가하고, 여기서 각각의 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단은 대응하는 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단에 연결되어 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단에서 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단으로 폭의 계단식 감소를 갖는 전이 섹션을 형성하고, 여기서 전이 섹션의 깊이는 각각의 분기 섹션의 깊이보다 작다.

본 발명은 모세관 구조에 대하여 접촉각 θ을 갖는 유체의 수동식 방향성 이송을 위한 모세관 구조를 추가로 설명하며, 상기 구조는, x-y 평면으로 연장되는 전방 방향 및 후방 방향 및 z 방향으로 연장되는 깊이를 갖는 모세관을 포함하되, 상기 모세관은 후방 말단, 전방 말단, 및 y 방향으로의 폭을 가지며, 여기서 폭이 상기 후방 말단에서 상기 전방 말단까지 선형으로 증가하는 분기 섹션, 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단과 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단 사이에 개재되는 연결 섹션을 각각 갖는 제1 및 제2 모세관 유닛을 포함하고, 여기서 연결 섹션은 각각의 분기 섹션과 유체 연통하고, 여기서 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단은 연결 섹션에 연결되고, 여기서 대응하는 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단은 연결 섹션에 연결되어 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단에서 연결 섹션으로 폭의 계단식 감소를 갖는 전이 섹션을 형성하고, 여기서 전이 섹션의 깊이는 각각의 분기 섹션의 깊이보다 작고, 여기서 폭 프로파일 w(x)을 갖는 연결 섹션은 각도 프로파일 β(x)에 의해 깊이를 변경하고 종횡비 α(x)_연결 = h(x)/w(x) > (1-cos(θ+β))/(2 cosθ) > 0를 가지고, 여기서 분기 섹션은 α < π/2 -θ 및 α < θ가 되도록 각도 α에서 연결 섹션으로부터 분기되고, 여기서 상기 전이 섹션은 상기 분기 섹션의 깊이보다 작은 깊이를 갖는다.

본 발명의 다른 특징 및 측면은 하기에서 보다 상세히 논의된다.

본 발명의 전술한 및 다른 특징들 및 측면들과 그것들을 얻는 방식은 보다 명백해질 것이고, 그 발명 자체는 다음의 설명, 첨부된 청구범위 및 수반되는 도면을 참조로 하여 더 잘 이해될 것이며, 여기에서:
도 1은 본 발명의 액체 다이오드의 모세관의 표면 설계의 개략적인 평면도이고;
도 2a는, 도 1에서 A로 표시된, 양방향 유동을 위한 선택적인 연결 섹션의 개략적인 절개도이고;
도 2b는, 도 2에서 B로 표시된, 양방향 유동을 위한 작은 기울기 각 α를 갖는 원추형 모세관 구성요소 또는 분기 섹션의 개략적인 절개도이고;
도 2c는, 정의된 곡률 반경을 가지고, 도 1에서 A로 표시된, 양방향 유동을 위한 선택적인 연결 섹션의 개략적인 절개도이고;
도 3은, 도 1에서 C로 표시된, 방향성 유동을 유발하는 단일 전이 지점을 형성하는 급격한 좁아짐을 갖는 도 2b의 원추형 모세관 구성요소와 도 2a의 연결 모세관 구성요소 사이의 접합부의 개략적인 절개도이고 이때 도 3에서의 곡률 반경 r1 및 r2는 상이한 길이를 가진다;
도 4는 모세관이 다양한 깊이를 갖는, 본 발명의 부분 모세관의 일 측면의 사시도이고;
도 5는 예시적인 치수를 갖는, 도 4의 부분 모세관의 평면도이고;
도 6은 예시적인 치수를 갖는, 도 4의 부분 모세관의 입면도이고;
도 7은 모세관이 다양한 깊이를 갖는, 본 발명의 부분 모세관의 다른 측면의 사시도이고;
도 8은 예시적인 치수를 갖는, 도 7의 부분 모세관의 평면도이고;
도 9는 예시적인 치수를 갖는, 도 7의 부분 모세관의 입면도이고;
도 10은 모세관이 일정한 깊이를 갖는, 본 발명의 부분 모세관의 또 다른 측면의 사시도이고;
도 11은 예시적인 치수를 갖는, 도 10의 부분 모세관의 평면도이고;
도 12는 예시적인 치수를 갖는, 도 10의 부분 모세관의 입면도이고; 그리고
도 13은 복수의 평행한 모세관을 갖는 표면의 사시도로, 이때 표면이 수평에 대해 각 Ω으로 설정되어 표면의 유체 이송 특성을 시험할 수 있게 한다.
본 명세서 및 도면에서 참조 문자의 반복적인 사용은 본 발명의 동일하거나 유사한 특징 또는 요소를 나타내기 위해 의도된다. 도면은 대표적인 것이고 반드시 일정 축척으로 도시되어야 하는 것은 아니다. 도면의 특정 비율은 과장될 수 있는 반면, 다른 부분은 최소화될 수 있다.

해당 기술분야의 숙련자는 본 논의가 본 발명의 예시적인 측면의 설명일 뿐이고, 본 발명의 더 넓은 측면을 제한하는 것으로 의도되지 않았음을 인지해야 한다.

본 발명은 일반적으로 방향성 유체 이송으로부터 이익을 얻는 용도에 관한 것이다. 일반적으로, 이러한 방향성 액체 이송의 적용 스펙트럼은 광범위하며 흡수 용품에서부터 미세 유체, 의료 용도, 증류기, 열 교환기, 전자 냉각, 여과 시스템, 윤활, 전자 잉크 디스플레이 및 물 하베스팅 장치에 이른다.

본 발명은 모세관력에 의한 완전한 방향성 액체 이송을 포함하는 방향성 유체 이송을 위한 표면에 관한 것이다. 설계는 소스 위치로부터 별도의 원하는 위치까지 유체 이송을 제어하기 위해 폐쇄, 부분 폐쇄 또는 개방 모세관(즉, 모세관)의 사용을 통해 중력에 반하는 (또는 중력에 반하지 않는) 방향성 유동을 허용한다.

일 예에서, 많은 다공성 구조에서 섬유의 무작위 배향으로 인해 유체 체적을 이동시키는데 많은 양의 재료가 필요하다. 결과적으로, 한 가지 접근법에서, 상이한 특성을 갖는 여러 재료가 조합되어 사용되어서 유체를 이송한다. 특히 중력에 의해 유도되는 것과 같이 심지어 외부 압력에 반하여 구조의 보다 먼 부분으로, 유체의 이동을 향상시킬 수 있는 표면이라면, 통상적으로 사용되지 않는 유동 면적 또는 흡수 용량을 구조가 이용할 수 있도록 허용할 것이다. 예를 들어, 이러한 표면은 액체 이동을 용이하게 하기 위해서 적층체, 복합재, 호일 또는 필름 상에 형성되거나 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 유체는 무작위로 이동하지 않고 그 대신에 표면 구조를 따른다. 이것은 유체가 주행하는 곳을 설계하고 관리할 수 있는 능력을 제공한다.

게다가, 섬유성, 다공성 구조는 일단 젖으면 기공 붕괴 또는 오염시키는 경향이 있어, 액체 이송에 있어서 비효율성을 유발한다. 본 발명의 표면 구조는, 액체를 다른 위치 또는 저장 재료로 전달함으로써 모세관이 재생 가능한 빈 공간을 제공하여, 채널이 사용을 위해 다시 이용 가능하도록 설계된다. 이것은 재료를 필름, 겔, 필름형 구조 또는 강성 중합체 재료를 포함한 강성 재료로부터 제조함으로써 달성될 수 있다.

(고유하게 또는 처리에 의해) 0 < θ < 90°의 접촉각을 갖는 모든 액체-재료 조합은 본 발명에 따른 방향성 액체 이송에 적합하다. 적합한 재료의 예로는 중합체, 금속, 세라믹, 반도체, 유리, 필름, 부직포 또는 임의의 다른 적합한 재료를 포함한다. 중합체라는 용어는 기술적 중합체에 국한되지 않고 생분해성 중합체, 예를 들어 셀룰로오스 화합물, 폴리포스파젠, 폴리락트산(PLA) 및 폴리(디메틸실록산) (PDMS)과 같은 엘라스토머를 포함한다. 특히 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), PLA, 폴리프로필렌(PP), 실리콘, 에폭시 수지, 하이드로겔, 폴리아미드(PA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 셀룰로오스 아세테이트(CA), 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트(CAB) 및 오프-화학양론 티올-엔(off-stoichiometry thiol-ene) 같은 중합체가 본원에서 사용하기에 특히 적합하다. 0 < θ <90°의 고유 접촉각을 갖지 않는 액체-재료 조합은, 플라즈마 개질, 코로나 방전, 스핀 코팅, 스프레이 코팅과 같은 표면 또는 화학적 처리에 의해, 또는 임의의 적합한 방법 또는 방법들의 조합에 의해 변경될 수 있다. 상기 재료는 친수성 또는 친유성일 수 있고 또는 친수성 또는 친유성으로 만들어질 수 있다.

본 발명의 특정 표면 구조에 관하여, 표면 구조가 형성된 기재는 유체가 흐르는 적어도 일부 영역에서 90° 미만의 액체에 대한 접촉각을 갖는 표면을 포함한다. 상기 표면은 상이한 기본 유형의 모세관 구성요소의 독특한 순차 배열을 갖는 복수의 모세관을 포함한 구조를 갖는다.

상기 구조는 레이저 조각되거나 다른 제조 방법에 의해 PMMA((폴리)메틸메타크릴레이트) 판 또는 다른 적합한 중합체 기판으로 형성될 수 있다. 적합한 제조 방법은 열 엠보싱, 스크린 인쇄, 3D 인쇄, 마이크로밀링, 복제 성형, 주조, 사출 성형, 임프린팅, 에칭, 광학 리소그래피 및 UV 리소그래피를 포함하는 포토 리소그래피, 광중합, 이광자 중합 또는 임의의 다른 적합한 방법 또는 방법들의 조합을 포함한다.

다른 미세유체 다이오드 기술과 달리, 플랩 또는 원통형 디스크와 같은 가동 부품은 본 발명의 구조에서 회피된다. 본 발명은 화학적 처리 또는 다공성 기판의 사용을 필요로 하지 않으면서 종래의 벌크 재료를 이용한다. 본 발명은 일방향 위킹을 위한 구조를 제공하지만, 제조된 구조는 또한 역방향으로 액체 프런트의 완전한 정지를 허용한다.

본 발명의 구조의 성능은, 상호 연결된 모세관을 설명하는, Comanns 등의 캐나다 특허 출원 번호 CA2875722 A1에서와 같은 이전의 시도에서 보여지는 바와 같이 2개 이상의 모세관의 상호 연결에 대한 필요성을 제거한다. 본 발명의 단일 모세관은 현저한 방향성 유체 이송에 충분하다. 그러나, 본 발명의 다른 측면에서, 모세관 망이 필요할 경우 모세관을 상호 연결할 수 있다. 예를 들어, 단일 모세관을 막는 장애물을 우회하도록 대안 경로가 제공되므로 여러 모세관의 망은 하나 이상의 모세관의 막힘에 응하여 더 많이 고장 방지될 수 있다.

본원에 설명된 구조는 이전 구조와 비교하여 상이한 설계로 인한 이점을 제공한다. 상기 구조는, 2개의 모세관 사이에서 상호 작용을 필요로 하지 않기 때문에, 부분적으로는 모세관을 보다 조밀하게 패킹하기 위한 능력으로 인해 (즉, 유체와 접촉하는 주어진 표면적 당) 더 높은 용적 유동을 제공한다. 환언하면, 상호 작용하는 두 모세관 사이에는 왕복 유동(oscillating flow)이 없다. 전방 방향으로 이송 속도를 제한하려는 경향이 있는 왕복 유동이 없기 때문에, 이런 더 높은 용적 유동은 부분적으로 더 높은 이송 속도로 인한 것이다. 전방 방향으로의 더 높은 순 용적 유동이 또한 후방 방향 흐름의 감소로부터 야기될 수 있다. 또한, 본 발명의 모세관은 설계가 보다 간단하다. 결과적으로, 상기 구조는 모세관 치수의 변화에 보다 내성이 있고, 이것은 상기 구조가 적용된 유체의 습윤 특성 변화(예: 표면 장력 및 접촉각)에 보다 내성이 있음을 의미한다. 상기 구조는 또한 제조 오차에 보다 내성이 있다.

본 구조의 모세관은 일반적으로, 예를 들어 도 2에서 나타낸 바와 같이, x-y 평면으로 연장된다. 본 구조는 또한 z 방향으로 깊이 프로파일을 포함한다. 그 결과, 본 구조는 중력에 의해 유도되는 것과 같은 외부 압력에 반한 방향성 액체 이송에 관하여 성능을 향상시키도록 설계된다.

본 구조는, 중력과 같은 외부 압력에 반한 방향성 액체 이송과 관련한 성능, 및 예를 들어 제조 부정확성에 대한 방향성 액체 이송의 강건성을 향상시키도록 하는 식으로 설계된 직교 깊이 프로파일을 포함한다. 또한, 이러한 깊이 프로파일은, 후방 방향으로 액체를 정지시키는 구조의 능력을 증가시킬 뿐만 아니라, 전체 마찰력을 감소시키고 전체 얕은 모세관 채널 프로파일에 비해 더 깊은 영역에서의 모세관 구동 압력 차이를 증가시켜서 더 높은 전체 유동 속도를 야기함에 따라 증가된 용적 유량을 가능하게 한다.

도 1은 연속적인 모세관 유닛(25)을 갖는 모세관(20)의 하나의 예시적인 일반적 배열을 도시한다. 모세관(20)은 선형으로 배열된 하나 이상의 모세관 유닛(25)을 포함하고, 각각의 모세관 유닛(25)은 이전 및 다음 모세관 유닛(25)과 유체 연통한다. 2개 이상의 모세관(20)은 도 13에 도시된 바와 같이 평행한 유체 경로를 제공하도록 나란한 배열로 배열될 수 있다. 본원에 설명된 모세관(20)은 도면의 x-y 평면에 수직 방향인 z 방향으로 개방, 부분 폐쇄 또는 폐쇄될 수 있다.

모세관(20)을 통한 유체 유동은 방향성 유동이라고도 알려진, 전방 방향(40)으로 우선적으로 존재한다.

도 1에 도시된 대로 그리고 보다 상세히 후술하는 바와 같이, 모세관 유닛(25)은 정의된 형상을 가지며 직교 또는 z 방향으로 특정 깊이 프로파일을 가진 모세관 구성요소들의 적어도 2개의 요소 종류를 포함한다. 중간 정도로 넓어지는 모세관 구성요소(분기 섹션)와, 유체 유동(40)의 방향으로 넓다가 좁아지는 급격한 전이를 갖는 모세관 구성요소가 포함된다. 분기 섹션에서의 원추형 모세관의 중간 정도의 넓어짐(widening)은 모세관의 중간 정도의 깊어짐(deepening)을 수반하고, 유체 이송(40)의 방향으로 C에서 넓다가 좁아지는 급격한 전이 역시 깊이 방향으로 일어난다. 전이 섹션은 액체 이송 방향에 수직인 양쪽 공간 치수로의 급격한 좁아짐을 포함한다. 급격한 좁아짐은 모세관 채널을 더 얕게 만드는 램프(ramp) 또는 계단(step) 형태로 실현될 수 있다.

모세관 유닛(25)은 또한 연결 섹션 모세관 구성요소를 포함할 수 있다. 모세관 구성요소의 요소 종류는 순차적으로 독특한 방식으로 배열되고, 모세관 구성요소의 요소 종류의 이러한 독특한 순차적 배열은 심지어 중력에 반하여, 전방 방향(40)으로 수동적 방향성 유체 이송을 유발한다.

본 출원의 구조는, 다른 모세관에 연결되는 임의의 접합부 또는 포크를 갖거나 갖지 않는, 적어도 단일 모세관(20)을 포함한다. 각각의 모세관(20)은 3개의 특정 기하학적 파라미터의 잠재적으로 반복되는 시퀀스를 포함하며, 그것의 설계는 기판의 특성과 조합된 유체 특성에 의존한다. 기하학적 변수들은 선택적인 연결 섹션(A), 분기 섹션(B), 및 적어도 하나의 전이 지점(C)이다. 깊이의 변화는 시스템 상의 소정의 외부 압력을 보상할 수 있는 모세관 압력의 변화를 유도한다; 이 외부 압력은 상이한 기원을 가질 수 있고, 예를 들어 중력 또는 정수압에 의해 유도될 수 있다.

오목에 대한 정의는, 물체가 그것의 중심점을 향해 어느 정도 구부러지는 것을 의미하는 "안으로 만곡되는(curving in)" 또는 "안으로 움푹 꺼진(hollowed inward)"을 의미한다. 본 출원에서, 오목한 유체는 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있다. 오목한 모양의 액체 프런트(front)는, 그 뒤에서 구동력으로서 모세관력을 가지고, 도 2a 및 도 2b에 표시된 모든 방향으로 액체 이동을 용이하게 할 것이다. 도 2c에 도시된 대로, 액체 프런트는 액체의 중심점에 대해 오목한 형상을 가지며, 곡률 반경 r은 액적 프런트를 통한 (가상) 원형 피트(fit)에 의해 주어진다. 도 2a에 도시된 상황에 대해, 곡률 반경은 도 2c에 도시되어 있다. 곡률 반경 r은, 양쪽에서 안쪽으로 액적을 "움푹 들어가게 만든(dents)" 가상 구의 반경이다.

대조적으로, 볼록은 "아치형(arched)" 또는 "바깥쪽으로 아치형(arched outwards)"을 의미한다. 본 출원에서, 볼록 유체는 도 3에 도시되어 있다. 좌측의 볼록 반경은 유체가 역방향으로 흐르지 못하게 한다. 이 경우에, 가상 구는 액체 방울 내부에서 비롯되고 곡률 반경은 r1로 주어진다. 우측의 오목한 모양의 액체 프런트는 곡률 반경 r2를 갖는다. 모세관 벽의 비대칭성으로 인해, 하나의 액체 액적에 대해 2개의 다른 곡률 반경이 있어서, 액적에 대해 비대칭 모세관 구동력을 발생시키고 방향성 유동을 가능하게 한다.

메니스커스의 곡률 반경은 유체가 전방 방향으로 흐를지, 또는 유체가 후방 방향으로 정지할지 결정하는데 사용될 수 있다. 간단한 가이드라인은 오목이 전방 방향 운동과 같고, 볼록이 후방 방향으로 정지와 같은 것이다. 액체 프런트는 서로 수직하고, 둘 다 오목하거나, 둘 다 볼록하거나, 또는 하나는 오목하고 다른 것은 볼록할 수 있는 2개의 주요 곡률 반경 r 및 r*에 의해 대략 설명된다. 한 곡률 반경이 볼록하고 다른 것이 오목한 경우, 오목한 메니스커스는 모세관 유동, 즉 모세관 구동 압력 차이 △p = γ(1/r + 1/r*)를 증가시킬 것이지만, 볼록한 것이 유동을 감소시킬 것이다. 그러나, 모세관 구동 압력 차이와 연관된 표지 및 볼록하고 오목한 곡률 반경은 먼저 정의될 필요가 있다. 여기서, 다음과 같은 표식을 사용한다: 각각, 모세관 유동에 대해 △p > 0, 액체 프런트 정지에 대해 △p < 0, 오목한 곡률 반경에 대해 r > 0, 및 볼록한 곡률 반경에 대해 r < 0. 모세관 채널이 개방되면, 모세관 채널의 깊이와 연관된 곡률 반경은 항상 볼록하고, 이와 같이 모세관 구동 압력 차이를 감소시킨다. 모세관 채널이 폭에 비하여 깊어지게 될수록, 모세관 채널의 깊이와 연관된 더 적은 곡률 반경이 전체 모세관 구동 압력 차에 기여한다.

레벨 표면에 일정한 표면 장력 용액 및 첨가된 용액의 일정한 부피가 주어진다면, 다양한 깊이를 갖는 샘플이 유체를 고정하고 후방 방향(45)으로의 채널 내의 유동을 차단할 수 있는 한편, 일정한 깊이의 채널이 후방 방향으로의 유체 유동을 허용한다. 예컨대 Ω = 45 및 90도와 같은 각도를 포함하여, 도 13에서 제시된 배향과 같이, 샘플들을 수평에 각 Ω로 유지할 때, 다양한 깊이를 갖는 샘플들만 중력에 대하여 수직으로 흐름을 허용하면서, 중력에 의해 야기되는 외부 압력에 반하여 후방 방향(45)으로 유동을 차단하도록 유체 프런트를 고정할 수 있다.

이론을 고수하지 않고, 본원에서 설명된 효과는 적어도 부분적으로 전이 지점에서 깊이 유도 압력 변화로부터 초래하는 것으로 여겨진다. 이러한 압력 강하는 일정한 깊이의 모세관보다 더 양호하게 외부 압력을 보상할 수 있다.

모세관은 전이 지점 C 근처에서 더 얕을 수 있다. 제1 예에서, 생성되는 구조는, 깊이가 약 0.4mm인 전이 지점 C 주위의 영역을 제외하고는 약 0.7mm의 통상적인 깊이를 갖는다. 전이 지점 C에 인접하여, 선택적인 연결 섹션 A은 145μm의 폭을 가지며, 약 0.4mm의 깊이를 가지면서 원추형 모세관 채널 B보다 얕으며, 약 2.8의 깊이 대 폭의 비율을 가지며, 이 비율을 모세관의 종횡비로 나타낸다. 연결 섹션 A은 도시된 바와 같이 직선이고 x 축에 평행할 수 있고, 또는 연결 섹션 A은 만곡형, 각진형, 또는 임의의 다른 적절한 기하학적 구조일 수 있다는 점에 주목해야 한다. 제2 예에서, 모세관이 제1 예에 비해서 2가지 인자에 의해 폭이 확대(scaled-up)되어 있지만, 깊이는 그렇지 않다. 이 예에서, 연결 섹션 A은 또한 약 0.4mm의 깊이를 가지면서 더 얕아서, 대략 1.4의 종횡비를 산출한다. 양쪽 예에서, 분기 섹션 B은 제1 및 제2 예 각각에 대해 20° 및 11°의 중간 정도의 기울기 각을 가지면서 램프에서 전방 방향(40)으로 전이 지점 C으로부터 깊어진다. 그러나, 제1 및 제2 예 각각에 대해 70° 및 79° 만큼 큰 기울기 각을 가지면서 전이 지점 C으로부터 후방 방향(45)으로의 더욱 급격한 깊어짐이 있다. 일반적으로, 연결 섹션 A의 일부 또는 전부는 분기 섹션 B보다 얕을 수 있다. 깊이의 변화는, 전이 지점 C의 부위가 모세관 채널의 바닥 및 벽에서의 원치 않는 유동에 의해 극복되지 않고, 액체 프런트가 전이 지점 C에서 효과적으로 고정될 수 있게 한다. 특정 측면들의 깊이 프로파일이 도 4 내지 도 12에 도시되어 있으며, 상단 및 단면도가 일치한다. 모세관(20)은 전이 지점 C에서 가장 얕다.

테스트는 모세관 채널의 깊이에 변동이 없는 모세관 채널 디자인이, 액적이 적용될 때 (또한, 중력에 대하여 소정의 정도로) 후방 방향으로 액체 프런트를 정지시킬 수 있는 것으로 입증했다. 전이 지점 근처에서 깊이 변화를 갖는 모세관 채널은 동일한 깊이를 갖는 모세관 채널보다 큰 유체 유동을 제공한다. 전이 지점 근처에서 깊이 변화를 갖는 모세관 채널은 특히 외부 압력에 반하여, 동일한 깊이를 갖는 모세관 채널보다 큰 액체 이송 방향성을 제공한다.

실시예

예: 연결 섹션은 도 1에서 A로 표시되고 도 2a에서 개략적으로 도시된다. 연결 섹션 A의 설계는 양방향 유동을 허용한다. 연결 섹션 A의 예시적인 기하학적 구조를 보여주기 위해서 영-라플라스 방정식에 의해 설명되는 모세관 구동 압력 차이 △p에 대해 다음 유도가 이용된다:

△p=γ·((-1+cos(θ(x)+β(x))))/h(x) + 2 cos(θ(x)+α(x))/w(x)).

여기서 γ는 주위 가스에 대한 액체의 표면 장력을 나타내고, h(x)는 모세관의 깊이 (도 6, 9 및 12에서 D₁ 및/또는 D₂), w(x)는 모세관의 폭 (도 5, 8 및 11에서 W₁ 및/또는 W₂), α(x) 및 β(x)은 폭 y 및 깊이 방향 z에서의 연결 모세관 벽면의 기울기 각을 나타낸다. 여기서, α(x) > 0과 β(x) > 0은 폭 및 깊이 방향으로 각각 넓어지는 모세관을 기술한다. 여기서 θ는 고체에 대한 액체의 접촉각을 나타낸다.

A 타입의 직선형 연결 섹션의 일례에서 동일한 깊이의 직선형 모세관 채널(△p _eds)의 경우 α,β = 0이고 램프형 직선형 모세관 (△p _rds)의 경우 α = 0, β (작고 큰 배열의 경우 20° 및 11°)

△p _rds=γ·((-1+cos(θ+β))/h(x) + 2 cosθ/w) 및

△p _eds=γ·((-1+cosθ)/h + 2 cosθ/w).

다음 식은 예시 연결 모세관에서 양방향 액체 이송을 위해 충족되어야 한다.

각각 △p _rds=γ·((-1+cos(θ+β))/h(x) + 2 cosθ/w) > 0 또는 △p _eds=γ·((-1+cosθ)/h + 2 cosθ/w) > 0. 이러한 공식은 또한 충족되어야 하는 모세관 채널의 종횡비에 대한 조건으로서 표현될 수 있다: △p _rds > 0에서 야기되는 a_rds(x) = h(x)/w > (1-cos(θ+β))/(2 cosθ) > 0 및 △p _eds > 0에서 야기되는 a_eds = h/w > (1-cosθ)/(2 cosθ) > 0.

결과적으로, 상기 조건을 충족시켜야 하고, 연결 섹션 A는 친수성일 필요가 있다.

분기 섹션은 도 1에서 B로 표시되고 도 2b에서 개략적으로 도시된다. 작은 기울기 각 α 및 β을 갖는 분기 섹션 B의 일반적으로 원추형 디자인은 또한 양방향 유동을 허용한다. α 및 β는 분기 섹션을 따라 일정할 필요가 없다는 점을 주목해야 한다. 분기 섹션 B의 예시적인 기하학적 구조를 보여주기 위해서 영-라플라스 방정식에 의해 설명되는 모세관 구동 압력 차이 △p _conic에 대해 다음 유도가 이용된다:

△p _conic,_±=γ·((-1+cos(θ(x)±β(x)))/h(x) + 2 cos(θ(x)±α(x))/w(x)).

여기서 △p _conic,+ 및 △p _conic,-는 각각 전방 방향 및 후방 방향으로 모세관 구동 압력 차이다. 여기서 γ는 주위 기체에 대한 액체의 표면 장력을 나타내고, h _conic(x)는 모세관의 깊이를 나타내고, w_conic(x)는 원추형 모세관의 폭을 나타내고 α(x) 및 β(x)는 폭과 깊이 방향으로의 원추형 모세관 벽의 기울기 각을 각각 나타낸다. 여기서 θ는 고체에 대한 액체의 접촉각을 나타낸다.

동일한 깊이(△p _conic,_ed,_±)를 가지고 램프형 모세관 깊이(△p _conic,_rd,_±)를 가진 예시적 원추형 모세관에서 양방향 액체 이송을 위해 다음 식을 충족시켜야 한다

△p _conic,_ed,_±=γ·((-1+cosθ)/h + 2 cos(θ±α)/w(x)) > 0 및

△p _conic,_rd,_±=γ·((-1+cos(θ±β(x)))/h(x) + 2 cos(θ±α)/w(x)) > 0.

따라서, 첫번째 표현이 > 0이 되기 위해서 2 cos(θ±α)/w(x) > - (-1+cosθ)/h 또는 a_conic,_ed,_±(x) = h/w(x) > (1-cosθ)/ (2 cos(θ±α)) > 0 및 두번째 표현이 > 0이 되기 위해서 2　cos(θ±α)/w(x) > - (-1+cos(θ±β(x)))/h(x) 또는 a_conic,_rd,_±(x) = h(x)/w(x) > (-1+cos(θ±β(x))/ (2 cos(θ±α)) > 0이다.

부가적으로, cos(θ+α)는 양의 값이도록 0도 < θ+α < 90도를 요구하고; cos(θ-α)는 양의 값이도록 0도 < θ-α < 90도를 요구한다. 마찬가지로, cos(θ+β(x))는 양의 값이도록 0도 < θ+β(x) < 90도를 요구하고; cos(θ-β(x))는 양의 값이도록 0도 < θ-β(x) < 90도를 요구한다.

0도 < θ < 90도의 접촉각 및 0도 < α, β(x) < 90도의 기울기 각의 이전 가정이 유지된다면, 라디안으로 변환할 때, 표현이 >0이도록 α < π/2 - θ, α < θ, β(x) < π/2 - θ 및 β(x) < θ가 적용되어야 한다. 제조된 예들에서 β(x)는 세그먼트식으로 일정하며 β 및 β´로 표시된다.

전이 섹션은 도 1에서 C로 표시되어 있다. 일반적으로 원추형 분기 섹션 B와 전이 섹션 C 사이 접합부는, 전방 방향(40)으로 방향성 유동을 유발하는 단일 전이 지점(50)을 형성하는 전방 방향으로 폭(90° 각을 갖는 예에서임) 및 깊이 방향 y 및 z에서 급격한 좁아짐을 유발한다. C 타입 전이 지점 근처에서, 연결 섹션 A는 분기 섹션 B에 비해 얕다. 예시적인 하나의 모세관 배열에서, 정확하게 전이 지점(50) 앞 연결 섹션 A의 깊이는 대략 400μm이고, 정확하게 전이 지점(50) 앞 원추형 모세관의 깊이는 대략 700μm이다. 전이 지점(50) 근처의 연결 섹션의 모세관 깊이와 더 깊은 원추형 모세관 채널의 차이를 갖는 이러한 배열은 심지어 중력로부터의 압력과 같은 외부 압력에 반하여 후방 방향(45)으로의 역류를 방지한다.

환언하면, 전이 섹션 C의 전이 지점(50)에서 오목부로부터 볼록부로 유체 프런트의 전이는 후방 방향(45)으로 유체의 이송을 정지시킨다. 모세관 구동 압력은 중력에 의해 모세관 내의 액체 슬러그 덩어리 상에 가해지는 소정의 정수압을 보상할 수 있다. 이는, 일방향성 액체 흐름이 소정의 높이의 모세관 상승에 대해 심지어 중력에 반하여 작동한다는 것을 의미하며, 여기서 전이 지점은 소정의 액체 용적에 대해 심지어 중력에 반하여 후방 방향(45)으로 액체 이송 지점을 정지시키는 기능을 한다.

이론에 제한되지 않고, 다음의 분석은 설명을 명확히 하는 데 도움이 될 수 있고 모세관의 기하학적 구조의 일례이다. 직교 방향으로 동일하고 램프형 깊이를 갖는 모세관 채널 기하 구조의 경우, 메니스커스가 전방 방향으로 구조에서 중력에 반하여 주행할 수 있지만, 후방 방향으로 정지되는, 거리 L _ed 및 L _rd는 동일하고 램프형 깊이의 모세관 채널에 대한 다음의 분석 공식을 의해 추정될 수 있다:

일정한 깊이를 가진 모세관 채널의 원추형 모세관 부분 (또는 α = 0인 직선형 모세관 부분)에서 액체가 멈추는 경우에 ρg L _ed sinΩ = γ·((-1+cosθ)/h + 2 cos(θ+α)/w(x _f)) - γ·((-1+cosθ)/h - 2 sinθ/w(x _b)) 및

램프형 깊이를 가진 모세관 채널의 원추형 모세관 부분 (또는 α = 0인 직선형 모세관 부분)에서 액체가 멈추는 경우에 ρg L _rd sinΩ = γ·((-1+cos(θ+β(x _f)))/h(x _f) + 2 cos(θ+α)/w(_f)) - γ·((-1+cos(θ+β´))/h(x _b) - 2 sinθ/w(x _b)). 여기서 x _f 및 x _b는 각각, 예시적인 원뿔 모세관 채널 (또는 α = 0인 직선형 연결 모세관 채널)에서 전방 방향으로 그리고 전이 지점에서 후방 방향으로 액체 메니스커스의 위치이다.

여기서, ρ, g, 및 Ω는 액체의 밀도, 중력 상수 및 경사각과 90°의 각도를 가진 모세관 채널의 즉각적 확장이 가정된다. 주행 거리 L _ed 및 L _rd는 각각 동일하고 램프형 깊이를 갖는 삼각형 열의 침투 거리 L _ed 및 L _rd 대비 부피 용량 V _ed(L _ed) 및 V _rd(L _rd)의 계산에 의해 적용된 액체 부피와 관련될 수 있다.

다양한 예에서, 샘플들은 임프린팅 공정을 통해 오프-화학양론 티올-엔(OSTE) 물질로 프로토타입화되었다. OSTE 샘플들을 알루미늄 플레이트에 미세 기계가공 설계에 의해 제조된 도구를 사용하여 제작하였다. 각 모세관 설계에 의 다수의 열을 도 4 내지 도 12에 도시된 바와 같은 모세관 치수 및 배열을 갖는 OSTE 물질의 섹션에서 반복하였다. 도 10 내지 도 12는 일정한 깊이를 갖는 샘플들에 대한 샘플 설계를 도시하는 한편, 도 4 내지 도 9는 다양한 깊이를 갖는 샘플들에 대한 샘플 설계를 도시한다. BASF로부터의 Pluronic F-38 계면활성제의 수용액(0.1중량%) 및 수성 적색 염료(Ponceau S, 0.25중량%)을 테스트 액체로 사용하였다. 이 테스트 액체는 표준 실험실 조건에서 52 ± 4 dynes/cm의 일정한 표면 장력 및 약 1 g/mL의 밀도를 갖는 것으로 밝혀졌다. 이 테스트 액체는 65° ± 3° (n=20)인 특정 OSTE 샘플 상의 접촉각을 가졌다. 조사된 샘플들은 상이한 개수의 채널을 포함하였고, 상이한 총 채널 부피를 포함하였고, 총 채널 부피의 액적 크기는 각 샘플의 중심에 첨가되었다. OSTE 샘플들이 수평, 45° 경사 및 90° 수직 구성인 동안 이러한 "유체 첨가" 단계를 반복하였다. 비디오 분석은 모든 경우에 있어서, 다양한 깊이를 갖는 샘플들이 전방 방향으로 유체를 이송하지만, 액체 프런트를 반대 방향으로 정지시킨다는 것을 보여주었다. 모든 경우에, 일정한 깊이의 채널을 갖는 샘플은 전방 방향과 후방 방향 모두에서 유체를 이송하였다. 일정한 깊이를 갖는 샘플들은 전방 방향으로 우선적인 유체 흐름을 나타내지만, 채널이 전방 말단에 충진된 후에는, 유체가 또한 후방 방향으로 흘렀다. 모든 경우에 테스트 거리는 각각 소형 시연용 및 대형 시연용으로, 양방향으로 대략 8 mm 및 16mm이었다.

본 발명의 다양한 측면에서, 도 4 내지 도 6은 다양한 깊이를 갖는 모세관 유닛의 특정 배열을 도시한다. 즉, 모세관 유닛의 깊이는 전방 유동(40)의 방향으로 변한다. 도 4 내지 도 6에 도시된 배열은 다음과 같은 치수 및 각도를 갖는, 대형 크기 및 소형 크기로 생산되었다(치수는 μm이며 각도의 절대값만 주어진다):

대형 소형

L 1650 825

D₁ 700 700

D₂ 400 400

W₁ 290 145

W₂ 880 440

L_S 520 260

α 15° 24.6°

α' 90° 90°

β 11° 20°

β' 79° 70°

β'' 79° 70°

본 발명의 다른 측면들에서, 도 7 내지 도 9는 다양한 깊이를 갖는 모세관 유닛의 특정 배열을 도시한다. 즉, 모세관 유닛의 깊이는 전방 유동(40)의 방향으로 변한다. 도 7 내지 도 9에 도시된 배열은 다음과 같은 치수 및 각도를 갖는, 대형 크기 및 소형 크기로 생산되었다(치수는 μm이며 각도의 절대값만 주어진다):

대형 소형

L 1650 825

D₁ 700 700

D₂ 400 400

W₁ 290 145

W₂ 880 440

L_S 520 260

α 15° 24.6°

α' 90° 90°

β 11° 20°

β' 79° 70°

β'' 90° 90°

본 발명의 또 다른 측면들에서, 도 10 내지 도 12는 평평한 바닥을 갖는 모세관 유닛의 특정 배열을 도시한다. 즉, 모세관 유닛은 일정한 깊이를 가진다. 도 10 내지 도 12에 도시된 배열은 다음과 같은 치수 및 각도를 갖는, 대형 크기 및 소형 크기로 생산되었다(치수는 μm이며 각도의 절대값만 주어진다):

대형 소형

L 1650 825

D₁ 700 700

W₁ 290 145

W₂ 880 440

L_S 520 260

α 15° 15°

α' 90° 90°

β' 90° 90°

유체 유동을 설명하기 위한 대안적인 방법은, "0"이 유체 방울이 배치되는 중심에 있는 좌표 평면과 샘플을 정렬시키는 것이며, 한편 전방 방향은 양의 거리로 표현되고 후방 방향은 음의 거리로 표현된다. 실험들의 시간 프레임(통상적으로 총 관찰 시간 ½분 내지 5분)을 고려하면, 다양한 깊이를 갖는 채널들은 순 양의 유체 이송의 거리의 결과를 낳은 반면, 일정한 깊이를 갖는 샘플들은 유체 유동의 양방향성 때문에, 순 0의 거리를 나타내었다.

제1 특정 측면에서, 수동식, 방향성 유체 이송을 위한 모세관 구조는, x-y 평면으로 연장되는 전방 방향 및 후방 방향 및 z 방향으로 연장되는 깊이를 갖는 모세관을 포함하되, 상기 모세관은 후방 말단, 전방 말단, 및 y 방향으로의 폭을 갖는 분기 섹션을 각각 갖는 제1 및 제2 모세관 유닛을 포함하고, 여기서 폭은 상기 후방 말단에서 상기 전방 말단까지 증가하고, 여기서 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단은 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단에 연결되어 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단에서 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단으로 폭의 계단식 감소를 갖는 전이 섹션을 형성하고, 여기서 전이 섹션의 깊이는 각각의 분기 섹션의 깊이보다 작다.

제2 특정 측면은 제1 특정 측면을 포함하고, 각각의 분기 섹션에서 상기 후방 말단에서 상기 전방 말단으로 폭 증가는 선형이다

제3 특정 측면은 제1 및/또는 제2 측면을 포함하고, 상기 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단과 상기 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단 사이에 개재되는 연결 섹션을 더 포함하고, 여기서 상기 연결 섹션은 각각의 분기 섹션과 유체 연통한다.

제4 특정 측면은 제1 내지 제3 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 전이 섹션의 깊이는 상기 연결 섹션의 깊이보다 작거나 같다.

제5 특정 측면은 제1 내지 제4 측면 중 하나 이상을 포함하며, 상기 모세관은 적어도 부분적으로 z 방향으로 개방된다.

제6 특정 측면은 제1 내지 제5 측면 중 하나 이상을 포함하고, 각각의 분기 섹션은 전방 방향으로 오목한 메니스커스를 유도하도록 구성되고, 여기서 상기 전이 섹션은 후방 방향으로 볼록한 액체 메니스커스 또는 무한 곡률 반경을 갖는 직선형 액체 메니스커스를 유도한다.

제7 특정 측면은 제1 내지 제6 측면 중 하나 이상을 포함하고, 서로 평행하게 배치된 복수의 모세관을 더 포함한다.

제8 특정 측면은 제1 내지 제7 측면 중 하나 이상을 포함하고, 각각의 모세관은 다른 모세관과 상호 연결되지 않는다.

제9 특정 측면은 제1 내지 제8 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 모세관은 친수성 또는 친유성이다.

제10 특정 측면은 제1 내지 제9 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 전이 섹션은 후방 방향으로 유체 이송을 정지시킨다.

제11 특정 측면은 제1 내지 제10 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 전이 섹션은 중력 또는 정수압에 반하여 후방 방향으로 유체 이송을 정지시킨다.

제12 특정 측면은 제1 내지 제11 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 깊이는 상기 분기 섹션으로부터 상기 전이 섹션으로의 계단식 변화를 겪는다.

제13 특정 측면은 제1 내지 제12 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 깊이는 상기 분기 섹션으로부터 상기 전이 섹션으로의 램프형 변화를 겪는다.

제14 특정 측면에서, 접촉각 θ을 갖는 유체의 방향성 이송을 위한 기재로, 상기 기재는 수동식, 방향성 유체 이송을 위한 모세관 구조를 포함하되, 상기 모세관 구조는, x-y 평면으로 연장되는 전방 방향 및 후방 방향 및 z 방향으로 연장되는 깊이를 각각 갖는 복수의 모세관을 포함하며, 각각의 모세관은 후방 말단, 전방 말단, 및 y 방향으로의 폭을 갖는 분기 섹션을 각각 갖는 제1 및 제2 모세관 유닛을 포함하고, 여기서 폭은 상기 후방 말단에서 상기 전방 말단까지 증가하고, 여기서 각각의 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단은 대응하는 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단에 연결되어 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단에서 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단으로 폭의 계단식 감소를 갖는 전이 섹션을 형성하고, 여기서 전이 섹션의 깊이는 각각의 분기 섹션의 깊이보다 작다.

제15 특정 측면은 제14 특정 측면을 포함하고, 상기 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단과 상기 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단 사이에 개재되는 연결 섹션을 각각의 모세관에 더 포함하고, 여기서 상기 연결 섹션은 각각의 분기 섹션과 유체 연통한다.

제16 특정 측면은 제14 및/또는 제15 측면을 포함하고, 상기 전이 섹션의 깊이는 상기 연결 섹션의 깊이보다 작거나 같다.

제17 특정 측면에서, 모세관 구조에 대하여 접촉각 θ을 갖는 유체의 수동식 방향성 이송을 위한 모세관 구조로, 상기 구조는, x-y 평면으로 연장되는 전방 방향 및 후방 방향 및 z 방향으로 연장되는 깊이를 갖는 모세관을 포함하되, 상기 모세관은 후방 말단, 전방 말단, 및 y 방향으로의 폭을 가지며, 여기서 폭이 상기 후방 말단에서 상기 전방 말단까지 선형으로 증가하는 분기 섹션, 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단과 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단 사이에 개재되는 연결 섹션을 각각 갖는 제1 및 제2 모세관 유닛을 포함하고, 여기서 연결 섹션은 각각의 분기 섹션과 유체 연통하고, 여기서 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단은 연결 섹션에 연결되고, 여기서 대응하는 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단은 연결 섹션에 연결되어 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단에서 연결 섹션으로 폭의 계단식 감소를 갖는 전이 섹션을 형성하고, 여기서 전이 섹션의 깊이는 각각의 분기 섹션의 깊이보다 작고, 여기서 폭 프로파일 w(x)을 갖는 연결 섹션은 각도 프로파일 β(x)에 의해 깊이를 변경하고 종횡비 α(x)_연결 = h(x)/w(x) > (1-cos(θ+β))/(2 cosθ) > 0를 가지고, 여기서 분기 섹션은 α < π/2 -θ 및 α < θ가 되도록 각도 α에서 연결 섹션으로부터 분기되고, 여기서 상기 전이 섹션은 상기 분기 섹션의 깊이보다 작은 깊이를 갖는다.

제18 특정 측면은 제17 특정 측면을 포함하고, 상기 연결 섹션은 각도 프로파일 β(x) ≥ 0을 가지고 전방 방향으로 깊이가 증가한다.

제19 특정 측면은 제17 및/또는 제18 측면을 포함하고, 상기 연결 섹션은 일정한 각도 β ≥ 0로 전방 방향으로 깊이가 증가한다.

제20 특정 측면은 제17 내지 제19 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 전이 섹션은 정수압 또는 중력 압력에 반하여 후방 방향으로 유체 이송을 정지시킨다.

본 발명에 대한 이들 및 다른 변형예 및 변경예가 첨부된 청구항들에 보다 구체적으로 기재되어 있는, 본 발명의 사상 및 범주를 이탈하지 않고서, 당 기술분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 실시될 수 있다. 또한, 본 발명의 다양한 측면들의 측면들이 전체적으로나 부분적으로 상호 교환될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 당 기술분야에 통상의 지식을 가진 자는 상기한 설명이 예시만을 위한 것이고, 이러한 첨부된 청구항에 더 설명되어 있는 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아님을 인지할 것이다.

Claims

수동식, 방향성 유체 이송을 위한 모세관 구조로, 상기 구조는
x-y 평면으로 연장되는 전방 방향 및 후방 방향 및 z 방향으로 연장되는 깊이를 갖는 모세관을 포함하되, 상기 모세관은 후방 말단, 전방 말단, 및 y 방향으로의 폭을 갖는 분기 섹션을 각각 갖는 제1 및 제2 모세관 유닛을 포함하고, 여기서 상기 폭은 상기 후방 말단에서 상기 전방 말단까지 증가하고,
여기서 상기 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단은 상기 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단에 연결되어 상기 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단에서 상기 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단으로 폭의 계단식 감소를 갖는 전이 섹션을 형성하고, 여기서 상기 전이 섹션의 깊이는 각각의 분기 섹션의 깊이보다 작은, 모세관 구조.
제1항에 있어서, 각각의 분기 섹션에서 상기 후방 말단에서 상기 전방 말단으로 폭 증가는 선형인, 모세관 구조.
제1항에 있어서, 상기 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단과 상기 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단 사이에 개재되는 연결 섹션을 더 포함하고, 여기서 상기 연결 섹션은 각각의 분기 섹션과 유체 연통하는, 모세관 구조.
제3항에 있어서, 상기 전이 섹션의 깊이는 상기 연결 섹션의 깊이보다 작거나 같은, 모세관 구조.
제1항에 있어서, 상기 모세관은 적어도 부분적으로 z 방향으로 개방되는, 모세관 구조.
제1항에 있어서, 각각의 분기 섹션은 전방 방향으로 오목한 메니스커스를 유도하도록 구성되고, 여기서 상기 전이 섹션은 후방 방향으로 볼록한 액체 메니스커스 또는 무한 곡률 반경을 갖는 직선형 액체 메니스커스를 유도하는, 모세관 구조.
제1항에 있어서, 서로 평행하게 배치된 복수의 모세관을 더 포함하는, 모세관 구조.
제7항에 있어서, 각각의 모세관은 다른 모세관과 상호 연결되지 않는, 모세관 구조.
제1항에 있어서, 상기 모세관은 친수성 또는 친유성인, 모세관 구조.
제1항에 있어서, 상기 전이 섹션은 후방 방향으로 유체 이송을 정지시키는, 모세관 구조.
제1항에 있어서, 상기 전이 섹션은 중력 또는 정수압에 반하여 후방 방향으로 유체 이송을 정지시키는, 모세관 구조.
제1항에 있어서, 상기 깊이는 상기 분기 섹션으로부터 상기 전이 섹션으로의 계단식 변화를 겪는, 모세관 구조.
제1항에 있어서, 상기 깊이는 상기 분기 섹션으로부터 상기 전이 섹션으로의 램프형 변화를 겪는, 모세관 구조.
접촉각 θ을 갖는 유체의 방향성 이송을 위한 기재로, 상기 기재는 수동식, 방향성 유체 이송을 위한 모세관 구조를 포함하되, 상기 모세관 구조는, x-y 평면으로 연장되는 전방 방향 및 후방 방향 및 z 방향으로 연장되는 깊이를 각각 갖는 복수의 모세관을 포함하며, 각각의 모세관은 후방 말단, 전방 말단, 및 y 방향으로의 폭을 갖는 분기 섹션을 각각 갖는 제1 및 제2 모세관 유닛을 포함하고, 여기서 상기 폭은 상기 후방 말단에서 상기 전방 말단까지 증가하고,
여기서 각각의 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단은 대응하는 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단에 연결되어 상기 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단에서 상기 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단으로 폭의 계단식 감소를 갖는 전이 섹션을 형성하고, 여기서 상기 전이 섹션의 깊이는 각각의 분기 섹션의 깊이보다 작은, 기재.
제14항에 있어서, 상기 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단과 상기 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단 사이에 개재되는 연결 섹션을 각각의 모세관에 더 포함하고, 여기서 상기 연결 섹션은 각각의 분기 섹션과 유체 연통하는, 기재.
제15항에 있어서, 상기 전이 섹션의 깊이는 상기 연결 섹션의 깊이보다 작거나 같은, 기재.
모세관 구조에 대해 0 < θ < 90°의 접촉각을 갖는 유체의 수동식 방향성 이송을 위한 모세관 구조로, 상기 구조는
x-y 평면으로 연장되는 전방 방향 및 후방 방향 및 z 방향으로 연장되는 깊이를 갖는 모세관으로, 상기 모세관은 후방 말단, 전방 말단, 및 y 방향으로의 폭을 갖는 분기 섹션을 각각 갖는 제1 및 제2 모세관 유닛을 포함하고, 여기서 상기 폭이 상기 후방 말단에서 상기 전방 말단까지 선형으로 증가하는, 상기 모세관,
상기 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단과 상기 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단 사이에 개재되는 연결 섹션을 포함하고, 여기서 상기 연결 섹션은 각각의 분기 섹션과 유체 연통하고,
여기서 상기 제2 모세관 유닛 분기 섹션의 후방 말단은 상기 연결 섹션에 연결되고, 여기서 상기 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단은 상기 연결 섹션에 연결되어 상기 제1 모세관 유닛 분기 섹션의 전방 말단에서 상기 연결 섹션으로 폭의 계단식 감소를 갖는 전이 섹션을 형성하고, 여기서 상기 전이 섹션의 깊이는 각각의 분기 섹션의 깊이보다 작고,
여기서 폭 프로파일 w(x)을 갖는 연결 섹션은 각도 프로파일 β(x)에 의해 깊이 h(x)를 변경하고 종횡비 α(x)_연결 = h(x)/w(x) > (1-cos(θ+β))/(2 cosθ) > 0를 가지고, 여기서 상기 분기 섹션은 α < π/2 -θ 및 α < θ가 되도록 각도 α에서 상기 연결 섹션으로부터 분기되고, 여기서 상기 전이 섹션은 상기 분기 섹션의 깊이보다 작은 깊이를 갖는, 모세관 구조.
제17항에 있어서, 상기 연결 섹션은 각도 프로파일 β(x) ≥ 0을 가지고 전방 방향으로 깊이가 증가하는, 모세관 구조.
제17항에 있어서, 상기 연결 섹션은 일정한 각도 β ≥ 0로 전방 방향으로 깊이가 증가하는, 모세관 구조.
제17항에 있어서, 상기 전이 섹션은 정수압 또는 중력 압력에 반하여 후방 방향으로 유체 이송을 정지시키는, 모세관 구조.