KR102369404B1 - 유체 조성물을 공기 중으로 상향으로 분배하기 위한 미세유체 전달 장치 및 방법 - Google Patents

유체 조성물을 공기 중으로 상향으로 분배하기 위한 미세유체 전달 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

미세유체 전달 장치, 및 이로부터 유체 조성물을 분배하는 방법이 제공된다. 미세유체 전달 장치는 전원과 전기적으로 연결가능한 하우징; 하우징과 해제가능하게 연결가능한 카트리지, 및 하우징과 연결되는 팬을 포함한다. 카트리지는 유체 조성물을 수용하기 위한 저장조, 및 저장조와 유체 연통하는 미세유체 다이를 구비한다. 다이는 유체 조성물의 실질적으로 전부가 수평 방향으로 또는 수평에 대해 하향 방향으로 미세유체 다이를 빠져나가도록 구성된다. 팬은, 미세유체 다이로부터 분배된 유체 조성물과 수렴하고 이 유체 조성물을 수평에 대해 상향 방향으로 방향전환시키는 공기 유동을 발생시키도록 구성된다.

Description

유체 조성물을 공기 중으로 상향으로 분배하기 위한 미세유체 전달 장치 및 방법
본 발명은 일반적으로 유체 조성물을 공기 중으로 분배하기 위한 미세유체 전달 장치(microfluidic delivery device) 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 유체 조성물을 공기 중으로 수평으로 또는 하향으로 전달하여 팬(fan)의 도움으로 유체 조성물을 공기 중으로 상향으로 방향전환시키기 위한 미세유체 전달 장치 및 방법에 관한 것이다.
동력식(즉, 전동식/배터리 급전식) 분무(atomization)에 의해 방향제 조성물과 같은 유체 조성물을 공기 중으로 전달하기 위한 다양한 시스템이 존재한다. 게다가, 최근에는, 방향제 조성물과 같은 유체 조성물을 열 및 피에조(piezo) 잉크젯 헤드들과 같은 미세유체 전달 기술을 사용하여 공기 중으로 전달하려는 시도가 이루어졌다.
미세유체 전달 기술을 사용하여 유체 조성물을 전달할 때, 특히 유체 조성물을 공기 중으로 전달할 때, 주위 공간 내로의 분무된 유체 조성물의 적절한 분산이 소비자를 위해 현저하게 중요할 수 있다. 또한, 인근 표면 상에의 유체 조성물의 침착을 최소화하는 것이 또한 중요할 수 있다.
일부 분무 장치는 유체 조성물을 하향으로 분배하도록 구성된다. 그러한 장치는 미세유체 요소의 배치에 대한 요건으로 인해 유체 조성물을 하향 또는 수평 방향으로 분배하도록 구성될 수 있다. 하향 방향으로 공기 중으로 유체 조성물을 분무하는 것은 장치 자체 상에의 또는 인근 표면 상에의 유체 조성물의 침착의 원인이 될 수 있다. 또한, 유체 조성물을 하향으로 분무하는 것은 허용가능한 소비자 인지성(noticeability)을 제공하기에 충분히 유체 조성물을 방 또는 공간 내에 분산시키지 않을 수 있다.
그 결과, 유체 조성물을 공기 중으로 하향으로 또는 수평 방향으로 분배하고 유체 조성물을 방 또는 공간 전체에 걸쳐 분산시킬 수 있는 장치를 제공하는 것이 유익할 것이다. 또한, 유체 조성물을 공기 중으로 분배하면서 인근 표면 상에의 유체 조성물의 침착을 최소화할 수 있는 장치를 제공하는 것이 유익할 것이다.
"조합:"
A. 미세유체 전달 장치로서,
전원과 전기적으로 연결가능한 하우징;
하우징과 해제가능하게 연결가능한 카트리지로서, 카트리지는 유체 조성물을 수용하기 위한 저장조 및 저장조와 유체 연통하는 미세유체 다이(die)를 포함하고, 저장조는 상단 표면, 상단 표면의 반대편에 있는 저부 표면, 및 상단 표면과 저부 표면을 연결하는 측벽을 포함하며, 미세유체 다이는 유체 조성물의 실질적으로 전부를 수평 방향으로 또는 수평에 대해 하향 방향으로 분배하도록 구성되고, 수평은 중력 방향에 수직인, 상기 카트리지; 및
하우징과 연결되는 팬(fan)으로서, 팬은 미세유체 다이로부터 분배된 유체 조성물과 수렴하고 유체 조성물을 수평에 대해 상향 방향으로 방향전환시키는 공기 유동을 생성하도록 구성되는, 상기 팬을 포함하는, 미세유체 전달 장치.
B. 단락 A에 따른 미세유체 전달 장치로서, 미세유체 다이는 저장조의 저부 표면 또는 측벽 상에 배치되는, 미세유체 전달 장치.
C. 단락 A 또는 단락 B에 따른 미세유체 전달 장치로서, 팬으로부터 하우징의 공기 출구로 연장되는 공기 유동 채널을 추가로 포함하고, 공기 유동 채널은 팬에 인접하게 배치되는 제1 영역, 공기 출구에 인접하게 배치되는 제2 영역, 및 제1 영역과 제2 영역을 결합시키는 제3 영역을 포함하며, 적어도 제2 영역은 수평에 대해 공기 출구로 상향으로 경사지는, 미세유체 전달 장치.
D. 단락 C에 따른 미세유체 전달 장치로서, 미세유체 다이를 빠져나가는 유체 조성물은 공기 출구를 빠져나가는 공기 유동과 수렴하는, 미세유체 전달 장치.
E. 단락 C에 따른 미세유체 전달 장치로서, 미세유체 다이는 저장조의 저부 표면 상에 배치되고, 미세유체 다이를 빠져나가는 유체 조성물은 공기 유동 채널 내로 분배되는, 미세유체 전달 장치.
F. 단락 C 또는 단락 E에 따른 미세유체 전달 장치로서, 공기 유동 채널은 상부 표면 및 하부 표면을 포함하고, 상부 표면은 배플(baffle) 및 배플에 인접하게 배치된 유체 조성물 출구를 포함하고, 배플은 유체 조성물 출구의 상류에 배치되고 공기 유동 채널 내로 돌출되는, 미세유체 전달 장치.
G. 단락 C 내지 단락 F 중 어느 한 단락에 따른 미세유체 전달 장치로서, 공기 유동 채널은 스크린을 포함하는, 미세유체 전달 장치.
H. 단락 A 내지 단락 G 중 어느 한 단락에 따른 미세유체 전달 장치로서, 카트리지는 스펀지를 포함하는, 미세유체 전달 장치.
I. 단락 A 내지 단락 H 중 어느 한 단락에 따른 미세유체 전달 장치로서, 유체 조성물은 방향제를 포함하는, 미세유체 전달 장치.
J. 단락 A 내지 단락 I 중 어느 한 단락에 따른 미세유체 전달 장치로서, 미세유체 다이는 압전 결정체(piezoelectric crystal) 또는 히터를 포함하는, 미세유체 전달 장치.
K. 유체 조성물을 미세유체 장치를 이용하여 분배하는 방법으로서,
유체 조성물을 미세유체 전달 장치로부터 수평 방향으로 또는 수평에 대해 하향 방향으로 공기 중으로 분배하는 단계;
팬으로부터 유체 조성물을 향해 공기 유동을 지향시키는 단계; 및 공기 유동을 분사된 유체 조성물과 수렴시켜 유체 조성물을 수평에 대해 상향으로 방향전환시키는 단계로서, 공기 유동은 공기 유동 및 유체 조성물이 수렴하는 지점에서 유체 조성물보다 더 큰 운동량으로 이동하는, 상기 단계를 포함하는, 방법.
L. 단락 K에 따른 방법으로서, 유체 조성물은 방향제를 포함하는, 방법.
M. 단락 K 또는 단락 L에 따른 방법으로서, 미세유체 전달 장치는 압전 결정체 또는 히터를 포함하는 미세유체 다이를 포함하는, 방법.
N. 단락 K 내지 단락 M 중 어느 한 단락에 따른 방법으로서, 미세유체 전달 장치는 하우징, 하우징과 해제가능하게 연결가능한 카트리지, 및 팬을 포함하는, 방법.
O. 단락 K 내지 단락 N 중 어느 한 단락에 따른 방법으로서, 미세유체 전달 장치는 팬으로부터 하우징의 공기 출구로 연장되는 공기 유동 채널을 추가로 포함하고, 공기 유동 채널은 팬에 인접하게 배치되는 제1 영역, 공기 출구에 인접하게 배치되는 제2 영역, 및 제1 영역과 제2 영역을 결합시키는 제3 영역을 포함하며, 적어도 제2 영역은 수평에 대해 공기 출구로 상향으로 경사지는, 방법.
도 1은 미세유체 전달 장치의 상부 사시도의 개략도.
도 2는 선 2-2를 따라 취해진 도 1의 단면도.
도 3은 미세유체 전달 장치의 상부 사시도의 개략도.
도 4는 선 4-4를 따라 취해진 도 1의 단면도.
도 5는 미세유체 전달 장치의 상부 사시도의 개략도.
도 6은 선 6-6을 따라 취해진 도 1의 단면도.
도 7은 미세유체 전달 장치를 위한 카트리지의 측면도의 개략도.
도 8은 선 8-8을 따라 취해진 도 7의 단면도.
도 9는 선 2-2를 따라 취해진 도 1의 대안적인 단면도.
도 10은 공기 유동 채널을 갖는 카트리지의 측면도의 개략도.
도 11은 선 11-11을 따라 취해진 도 10의 단면도.
도 12는 강성 PCB를 갖는 미세유체 전달 부재의 상부 사시도.
도 13은 강성 PCB를 갖는 미세유체 전달 부재의 저부 사시도.
도 14는 미세유체 전달 부재를 위한 반-연성(semi-flex) PCB의 사시도.
도 15는 미세유체 전달 부재를 위한 반-연성 PCB의 측면도.
도 16은 미세유체 전달 부재의 분해도.
도 17은 미세유체 전달 부재의 미세유체 다이(die)의 상부 사시도.
도 18은 다이의 유체 챔버들을 보여주기 위해 노즐 플레이트가 제거된 미세유체 다이의 상부 사시도.
도 19는 미세유체 다이의 유전체 층을 보여주기 위해 다이의 층들이 제거된 미세유체 다이의 상부 사시도.
도 20은 선 20-20을 따라 취해진 도 17의 단면도.
도 21은 도 20으로부터 취해진 부분(21)의 확대도.
도 22는 선 22-22를 따라 취해진 도 17의 단면도.
도 23은 선 23-23을 따라 취해진 도 17의 단면도.
본 발명은 미세유체 전달 부재를 갖는 카트리지를 포함하는 미세유체 전달 장치, 및 유체 조성물을 공기 중으로 상향으로 전달하기 위한 방법을 포함한다. 유체 조성물은, 예를 들어, 청향(freshening) 조성물, 악취 감소 조성물, 방향제 혼합물, 및 이들의 조합을 포함한 다양한 성분을 포함할 수 있다.
유체 조성물은 미세유체 다이의 배치에서의 요건으로 인해 미세유체 다이 밖으로 실질적으로 하향 또는 수평 방향으로 이동할 수 있다. 미세유체 전달 장치는 미세유체 다이를 작동불가능하게 만들 수 있는, 미세유체 통로 내로의 공기의 도입에 취약할 수 있다. 실질적으로 유체 저장조 아래에서의 또는 유체 저장조의 측부에의 미세유체 다이의 배치, 및 저장조와 미세유체 다이 사이에 배치되는 연결 통로는 공기가 미세유체 다이와 접촉하지 않도록 하는 방식으로 공기가 통로 내에 축적되게 할 수 있다. 반대로, (유체 조성물을 실질적으로 상향 방향으로 분배하기 위해) 상기 통로 위에 배치된 미세유체 다이는 부력으로 인해 상승하는 공기 기포와 접촉할 수 있다. 공기 기포는 유체 조성물 내의 공기의 용해로 인해, 또는 미세유체 전달 장치의 불완전한 충전을 통해 유체 조성물 내에 존재할 수 있다.
본 발명의 미세유체 전달 장치는 유체 조성물을 수평 방향으로 또는 수평에 대해 하향 방향으로 분배하는 것과 연관된 난제를 극복한다. 미세유체 전달 장치는 전원과 전기적으로 연결가능한 하우징, 하우징과 해제가능하게 연결가능한 카트리지, 및 하우징과 연결된 팬을 포함할 수 있다. 카트리지는 유체 조성물을 수용하기 위한 저장조, 및 저장조와 유체 연통하는 미세유체 다이를 구비한다. 저장조는 상단 표면, 상단 표면의 반대편에 있는 저부 표면, 및 상단 표면과 저부 표면을 연결하는 측벽을 포함한다. 다이는 유체 조성물의 실질적으로 전부가 수평 방향으로 또는 수평에 대해 하향 방향으로 미세유체 다이를 빠져나가도록 구성된다. 팬은, 미세유체 다이로부터 분배된 유체 조성물과 수렴하고 이 유체 조성물을 수평에 대해 상향 방향으로 방향전환시키는 공기 유동을 발생시키도록 구성된다. 유체 조성물을 상향으로 방향전환시키기 위해, 공기 유동의 운동량은 공기 유동 및 유체 조성물이 수렴하는 지점에서 다이로부터 분배되는 유체 조성물의 운동량보다 클 수 있다.
미세유체 전달 장치는 팬으로부터 하우징의 공기 출구로 연장되는 공기 유동 채널을 포함할 수 있다. 공기 유동 채널은 팬에 인접하게 배치된 제1 영역, 공기 출구에 인접하게 배치된 제2 영역, 및 제1 영역과 제2 영역을 연결하는 제3 영역을 포함한다. 제2 영역은 공기 유동을 수평에 대해 대체로 상향 방향으로 지향시키기 위해, 수평에 대해 공기 출구로 상향으로 경사질 수 있다.
유체 조성물을 공기 중으로 분배하는 방법은 본 발명의 미세유체 전달 장치를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 미세유체 전달 장치는 전원과 같은 벽 콘센트(wall outlet) 내로 플러깅될 수 있다. 벽에 배치된 전기 콘센트에 플러깅되는 경우, 벽 및 콘센트는 수직 평면 상에 배치될 수 있다. 유체 조성물은 카트리지로부터 수평 방향으로 또는 수평에 대해 하향 방향으로 공기 중으로 분사될 수 있다. 공기 유동은 유체 조성물을 향해 지향될 수 있다. 공기 유동은 분사된 유체 조성물과 수렴하여, 유체 조성물을 수평에 대해 상향으로 방향전환시킬 수 있다. 공기 유동은 공기 유동 및 유체 조성물이 수렴하는 지점에서 유체 조성물보다 더 큰 운동량을 가지고 이동하고 있어, 유체 조성물의 유동 방향을 변화시킬 수 있다.
유체 조성물을 공기 중으로 분배하는 방법은 본 발명의 미세유체 전달 장치를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 미세유체 전달 장치는 미세유체 전달 장치가 표면 상에 놓이도록 배터리 또는 코드(cord)에 의해 급전될 수 있다. 표면은 수평 평면 상에 배치될 수 있다. 유체 조성물은 카트리지로부터 수평 방향으로 또는 수평에 대해 하향 방향으로 공기 중으로 분사될 수 있다. 수평 방향은 미세유체 전달 장치가 놓이는 수평 평면과 평행할 수 있다. 공기 유동은 유체 조성물을 향해 지향될 수 있다. 공기 유동은 분사된 유체 조성물과 수렴하여, 유체 조성물을 수평에 대해 상향으로 방향전환시킬 수 있다. 공기 유동은 공기 유동 및 유체 조성물이 수렴하는 지점에서 유체 조성물보다 더 큰 운동량을 가지고 이동하고 있어, 유체 조성물의 유동 방향을 변화시킬 수 있다.
아래의 설명은 각각 다양한 구성요소들을 갖는 하우징, 카트리지, 및 팬을 포함하는 미세유체 전달 장치를 기술하지만, 미세유체 전달 장치가 하기의 설명에 기재되거나 도면에 예시되는 구성과 배열로 제한되지 않음이 이해될 것이다. 본 발명의 미세유체 전달 장치, 카트리지, 및 팬은 다른 구성에 적용가능하거나, 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다. 예를 들어, 하우징의 구성요소들이 카트리지 상에 위치될 수 있고 그 반대일 수도 있다. 또한, 하우징과 카트리지는 하기의 설명에 기술되는 바와 같이 하우징으로부터 분리가능하고/하거나 교체가능한 카트리지를 구성하는 것과 대조적으로 단일 유닛으로서 구성될 수 있다. 또한, 카트리지는 유체 조성물을 공기 중으로 전달하기 위한 다양한 장치와 함께 사용될 수 있다.
본 발명이 열 또는 피에조(piezo) 잉크젯 인쇄 헤드 유형 시스템과 같은 미세유체 전달 장치(10)의 사용을 논의하지만, 본 발명의 태양이 또한 복수의 노즐 및 초음파 욕 분무기(ultrasonic bath atomizer)를 갖는 초음파 피에조 시스템 등과 같은 다른 유체 소적(droplet) 분무 장치와 조합가능하다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 본 발명의 팬 및 공기 유동 채널은 분무된 유체 조성물을 제1 방향으로의 이동으로부터 제2 방향으로 방향전환시키기 위해 다른 분무 장치와 함께 사용될 수 있다.
미세유체 전달 장치
도 1 내지 도 8을 참조하면, 미세유체 전달 장치(10)는 하우징(12), 하우징(12)과 해제가능하게 연결가능할 수 있는 카트리지(26), 및 팬(32)을 포함할 수 있다. 미세유체 전달 장치(10)는 상부 부분(14), 하부 부분(16), 및 상부 부분(14)과 하부 부분(16) 사이에서 연장되고 이들을 연결하는 몸체 부분(18)으로 구성될 수 있다.
미세유체 전달 장치는 본체 부분(14)이 수직 벽에 인접하도록 벽 콘센트 내로 직접 플러깅되도록 구성될 수 있다. 또는, 미세유체 전달 장치는 미세유체 전달 장치의 하부 부분(16)이 테이블, 카운터톱(countertop), 데스크톱, 기구 등과 같은 수평 표면 상에 놓이도록 전력 코드 또는 배터리를 가지고 구성될 수 있다.
하우징(12)은 단일 구성요소로부터 구성될 수 있거나, 하우징(12)을 형성하도록 연결되는 다수의 구성요소를 구비할 수 있다. 하우징(12)은 내부(21) 및 외부(23)에 의해 한정될 수 있다. 하우징(12)은 카트리지(26) 및 팬(32)을 적어도 부분적으로 수용하고/하거나 이와 연결될 수 있다.
카트리지(26)는 하우징(12) 내에 부분적으로 또는 실질적으로 수용될 수 있거나, 카트리지(26)는 부분적으로 또는 실질적으로 하우징의 외부(23)에 배치되고/되거나 외부와 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2를 참조하면, 카트리지(26)는 하우징(12) 내에 적어도 부분적으로 배치되고 그와 연결될 수 있다. 도 3을 참조하면, 카트리지(26)의 적어도 일부분이 하우징(23)의 외부에 배치되고 이와 연결될 수 있다. 카트리지(26)는 다양한 방식으로 하우징과 연결될 수 있다. 예를 들어, 카트리지는 다양한 커넥터 유형을 사용하여 하우징(12)과 활주가능하게 또는 회전가능하게 연결될 수 있다. 커넥터는 스프링-부하식(spring-loaded) 커넥터, 압축 커넥터, 스냅(snap) 커넥터, 또는 다양한 다른 커넥터일 수 있다.
아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 카트리지는 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 카트리지(26)는 유체 조성물(52)을 수용하기 위한 저장조(50), 저장조(50)와 유체 연통하는 미세유체 다이(92), 및 하우징(12) 상의 전기 접점(48)들과 연결되어 전력 및 제어 신호를 미세유체 다이(92)로 전달하는 전기 접점(74)들을 포함한다. 미세유체 다이(92)는 유체 조성물(52)이 실질적으로 수평인 방향, 실질적으로 수직으로 하향인 방향, 또는 수평에 대해 대체로 하향인 방향으로 미세유체 다이(92)로부터 분배되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 다이(92), 및 구체적으로 다이 상의 노즐들은 유체 조성물이 미세유체 다이(92)를 빠져나갈 때 유체 조성물을 실질적으로 수평 방향으로 분배하도록 구성될 수 있다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 유체 조성물은 미세유체 다이(92) 밖으로 실질적으로 수직으로 하향인 방향으로 이동할 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같은 일부 구성에서, 유체 조성물은 대체로 하향으로 경사진 방향으로 이동할 수 있다.
마이크로유체 전달 부재 섹션에서 추가로 논의되는 바와 같이 그리고 도 7 및 도 8을 참조하면, 미세유체 다이 상의 노즐들이 유체 조성물을 수평 방향 또는 하향 방향으로 분배하기 위해, 다이(92), 및 구체적으로 다이(92)의 노즐 플레이트는 유체 조성물이 미세유체 다이가 배치되는 방향에 수직하게 하향으로 또는 수평으로 분배되도록 수평으로부터 -90° 내지 0°의 각도로 배향되거나 수직으로 배향될 수 있다. 미세유체 전달 장치(10)가 수직 벽 내의 전기 콘센트 내로 플러깅되는 구성에서, 다이(92)의 노즐 플레이트는 -90° 내지 0°의 벽으로부터 비스듬히 배향되거나 수직으로 배향될 수 있다.
도 1과 도 2 및 도 5와 도 6을 참조하면, 유체 조성물은 미세유체 다이(92)를 빠져나가서, 미세유체 다이(92)에 인접하게 배치되는 유체 조성물 출구(19)를 통해 이동할 수 있다. 유체 조성물 출구(19)는 카트리지(26)에 또는 하우징(12)에 배치될 수 있다. 그러나, 도 3 및 도 4를 참조하면, 일부 구성에서, 유체 조성물이 미세유체 다이(92)를 빠져나가고 유체 조성물 출구를 통과함이 없이 공기 중으로 직접 이동할 수 있음이 인식될 것이다.
미세유체 전달 장치(10)는 유체 조성물을 대체로 하향인 또는 수평인 방향으로의 이동으로부터 수평에 대해 실질적으로 상향인 방향으로의 이동으로 방향전환시키는 것을 돕는 팬(32)을 포함한다. 유체 조성물을 실질적으로 상향인 방향으로 이동하도록 방향전환시킴으로써, 유체 조성물은 공간 전체에 걸쳐 더 잘 분산될 수 있고, 인근 표면 상에서의 더 큰 소적의 침착이 최소화될 수 있다. 다이로부터 분배되는 유체 조성물을 방향전환시키기 위해, 유체 조성물은 제1 유동 경로로 분배될 수 있고, 팬으로부터의 공기 유동은 수렴점(C)에서 제1 유동 경로와 수렴하는 제2 유동 경로로 이동하도록 구성될 수 있다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 팬(32)은 공기를 공기 유동 채널(34)을 통해 그리고 공기 출구(28) 밖으로 대체로 상향인 방향으로 지향시키도록 구성될 수 있다. 다이(92)를 빠져나가는 유체 조성물 및 팬(32)에 의해 발생된 공기 유동은 공기 유동 채널(34) 내에서 또는 공기 유동이 공기 출구(28)를 빠져나간 후에 조합될 수 있다. 어느 구성에서도, 팬(32)으로부터의 공기 유동은 실질적으로 수평인, 실질적으로 하향인, 또는 실질적으로 수직으로 하향인 방향으로 유동하고 있는 유체 조성물과 수렴하고 유체 조성물을 방향전환시키며, 유체 조성물을 대체로 상향인 방향으로 유동하도록 방향전환시킨다. 유체 조성물을 방향전환시키기 위해, 공기 유동은 공기 유동 및 유체 조성물이 수렴하는 지점인 수렴점(C)에서 유체 조성물의 유동의 운동량보다 큰 운동량을 지닐 수 있다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 미세유체 전달 장치(10)는 팬(32) 내로 흡인될 하우징(12)의 외부(23)로부터의 공기를 수용할 수 있는 하나 이상의 공기 입구(27)를 포함할 수 있다. 공기 입구(들)(27)는 팬(32)의 상류에 위치될 수 있거나, 팬(32)은 공기 입구(27)와 연결될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 미세유체 전달 장치(10)는 하나 이상의 공기 출구(28)를 포함할 수 있다. 공기 출구(들)(28)는 팬(32)의 하류에 위치될 수 있다. 참고로 그리고 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 공기 유동은 공기 유동 채널(34)을 통해 상류로부터 하류로 이동한다. 아래에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 팬(32)은 공기를 공기 입구(들)(27)로부터 하우징(12) 내로 끌어당기고, 공기를 공기 유동 채널(34)을 통해 공기 출구(들)(28) 밖으로 지향시킨다. 공기 입구(들)(27) 및 공기 출구(들)(28)는 원하는 공기 유동 조건에 기초하여 다양한 상이한 치수를 가질 수 있다.
팬(32)은 적어도 부분적으로 하우징(12)의 내부(21) 내에 배치될 수 있거나, 팬(32)은 하우징(12)의 외부(23)에 배치될 수 있다. 다양한 상이한 유형의 팬이 사용될 수 있다. 예시적인 팬(32)은 난류-감소 스크린과 같은 공기 유동 채널 내에 배치된 유동 제한이 없는 구성에서 약 10 내지 약 50 리터/분(l/min)의 공기, 또는 약 15 l/min 내지 약 25 l/min을 전달할 수 있는 5V 25 × 25 × 8 mm DC 축류 팬(EBMPAPST로부터의 시리즈 250, 타입 255N)을 포함한다. 그러한 유동 제한을 포함하는 구성에서, 공기 유동 체적은 실질적으로 적을 수 있는데, 예를 들어 약 1 l/min 내지 약 15 l/min, 대안적으로 약 1 l/m 내지 약 15, 대안적으로 1 l/m 내지 4 l/min일 수 있다. 유체 조성 및 공기 유동이 수렴하는 지점에서의 평균 공기 유동 속도는 약 0.5 미터/초("m/s") 내지 약 15 m/s의 범위일 수 있다.
유체 조성물과 수렴하는 공기 유동의 평균 속도는 유체 조성물의 이동 방향을 변화시키기 위해 이용가능한 유동 채널의 치수에 의해 제한될 수 있다. 유체 조성물이 공기 유동 채널(34)을 통해 이동하는 구성(예를 들어, 단지 예시적인 목적을 위해 도 5 및 도 6에 도시된 것)에서, 평균 공기 유동 속도, 채널 치수, 및 유체 조성 소적 크기는 모두, 유체 조성물의 소적이 공기 유동에 들어가고, 공기역학적 항력을 통해, 동시에 감속하고 방향을 변화시켜 공기 유동 채널(34) 내의 공기 유동을 따르게 하도록 마련되어야 한다. 예를 들어, 평균 공기 유동 속도가 공기 유동 채널(34) 내에서 너무 높은 경우, 미세유체 다이(92)를 빠져나가는 유체 조성물은 유체 조성물이 공기 유동 채널의 표면에 매우 가깝게 또는 인접하게 이동하도록 공기 유동 채널(34) 내의 유동에 평행하게 방향을 바꿀 것이다. 이 경우에, 심지어 작은 난류성 와류는 액적이 공기 유동 채널의 표면과 충돌하고 그 표면 상에 침착하게 할 수 있다. 예를 들어 도 5 및 도 6에 도시된 것과 같은 구성의 경우, 공기 유량은 횡단류(crossflow)로 이동하는 소적들의 공기역학적 거동의 경험적 관찰 또는 수학적 모델링의 일부 조합을 통해 선택될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 공기 유동의 "평균 속도"는 전체 공기 유동 스트림에 걸친 속도의 평균인데, 그 이유는 공기 유동 스트림은 공기 유동 채널의 표면 부근에서 더 낮은 속도 및 공기 유동 스트림의 중심에서 더 높은 속도를 가질 것이기 때문이다. 마찬가지로, 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "평균 운동량"은 전체 공기 유동 스트림에 걸친 운동량의 평균이다.
운동량은 3차원 공간의 3개의 방향으로의 물체의 운동량을 나타내는 3차원 벡터이다. 운동량은 하기 수학식에 따라 물체의 질량 및 물체의 속도의 함수이다:
p= mv,
여기서, v는 각각의 방향으로의 물체의 이동 속도를 제공하는 3차원 속도 벡터이고, m은 물체의 질량이다. 운동량은 유체 조성물 소적
Figure 112019102505669-pct00001
및 공기 유동
Figure 112019102505669-pct00002
둘 모두의 크기 및 방향을 제공하는 벡터이다. 공기 유동 및 유체 조성물 소적의 운동량이 동일한 방향으로 있지 않는 한, 유체 조성물 방향이 변화될 수 있다. 공기 유동에 의해 유발되는 유체 조성물 방향 변화의 정도는 공기 유동과 유동 조성물 사이의 운동량 크기 및 각도에 의존한다. 공기 유동 운동량의 수직 성분이 유체 조성물 운동량의 수직 성분보다 높고 상향 방향으로 있다면, 유체 조성물 방향이 변화되고 상향으로 이동될 것이다.
유체 조성물을 상향 방향으로 밀기 위해, 공기 유동의 들어올림 항력
Figure 112019102505669-pct00003
는 소적의 중력
Figure 112019102505669-pct00004
보다 커야 한다. 유체 조성물을 수평으로 분배하기 위해, 공기의 들어올림 항력은 하기 수학식에 의해 정의된다:
Figure 112019102505669-pct00005
,
여기서,
Figure 112019102505669-pct00006
는 소적 반경이고;
Figure 112019102505669-pct00007
는 수평 방향에 대한 출구 공기 유동 각도이고;
Figure 112019102505669-pct00008
는 항력을 생성하는 공기 점도이고;
Figure 112019102505669-pct00009
는 공기 유동 속도의 크기이고;
Figure 112019102505669-pct00010
는 유체 조성물 밀도이고;
Figure 112019102505669-pct00011
는 공기 밀도이다. 수직 하향으로 분배하기 위해, 공기의 들어올림 항력은 하기 수학식에 의해 정의된다:
Figure 112019102505669-pct00012
,
여기서,
Figure 112019102505669-pct00013
는 소적 하향 속도이다.
유체 조성물이 수직 하향 방향으로부터
Figure 112019102505669-pct00014
의 임의의 각도로 분배되는 경우, 공기의 들어올림 항력은 하기 수학식에 의해 정의된다:
Figure 112019102505669-pct00015
.
소적의 중력은 하기 수학식에 의해 정의된다:
Figure 112019102505669-pct00016
Figure 112019102505669-pct00017
이면, 유체 조성물은 상향으로 유동할 수 있다.
하나의 예시적인 구성에서, 유체 조성물은 6 미터/초("m/s")의 평균 속도로 체적 8 pL를 갖는 소적으로서 하향으로 분배될 수 있는데, 이때 공기 유동 채널은 약 80 ㎟의 단면적을 갖고, 평균 공기 유동 속도는 약 1.0 m/s 내지 약 4.0 m/s의 범위이다.
유체 조성물이 수평으로 지향되고, 이동 방향이 변화해야 하는 각도가 작은(예컨대, 20 내지 45도 정도) 구성에서, 공기 유동 평균 속도는 훨씬 더 높을 수 있다(예컨대, 5 내지 15 m/s 정도). 예시만을 위한 도 1 내지 도 4 및 도 9에 도시된 것과 같은 이러한 구성에서, 소적은 매우 짧은 채널 내에서 이동하거나, 오로지 분배기의 외부에서만 이동할 수 있어서, 공기 유동 채널의 벽 상의 침착은 관심사가 아니다. 이러한 구성에서의 공기 유동 속도는 주변 내에서의 소적의 분산을 최대화하기 위해 더 높은 속도로 규정될 수 있는데, 그 이유는 분배기 내의 침착이 속도의 상한에 제약을 부여하지 않기 때문이다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 공기 유동 채널(34)은 미세유체 전달 장치(10)의 하부 또는 본체 부분(16 또는 18)에 배치될 수 있다. 공기 유동 채널(34)은 미세유체 전달 장치가 표면 상에 놓여 있거나 전기 콘센트에 플러깅될 때 다이(92) 아래에 배치될 수 있다. 공기 유동 채널(34)은 미세유체 전달 장치의 적어도 2개의 표면 사이에 형성될 수 있고, 팬(32)으로부터 공기 출구(28)까지 연장될 수 있다. 공기 유동 채널(34)을 형성하는 표면들은 팬(32) 및 공기 출구(28)를 제외하고는 공기 유동 채널(34)을 완전히 또는 실질적으로 둘러쌀 수 있다. 공기 유동 채널(34)은 미세유체 전달 장치(10)의 적어도 상부 표면(38) 및 미세유체 전달 장치(10)의 하부 표면(39)으로부터 형성될 수 있다. 하우징의 상부 표면 및/또는 하부 표면은 하우징(12) 또는 카트리지(26) 또는 둘 모두의 일부일 수 있다. 장치 및 특히 공기 유동 채널(34)은 도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이 예시되어 있지만, 공기 유동 채널(34) 및 공기 유동 채널(34)을 형성하는 표면들이 유동 경로, 평균 속도, 난류, 및 공기 유동의 임의의 다른 파라미터를 조절하면서 궁극적으로 유체 조성물을 대체로 상향인 방향으로 방향전환시킬 수 있는 공기 유동을 전달하기 위해 다양한 상이한 방식으로 구성될 수 있음이 이해된다.
공기 유동 채널(34)은 팬(32)에 인접하게 배치되는 제1 영역(35), 공기 출구(28)에 인접하게 배치되는 제2 영역(36), 및 제1 단부 영역(35)과 제2 단부 영역(36) 사이에서 연장되는 제3 영역(37)을 가질 수 있다. 공기 유동 채널(34)의 적어도 제2 영역(36)은 공기 출구(28)를 향해 그리고 수평에 대해 상향으로 경사져 있다. 공기 유동 채널(34)의 경사진 부분은, 카트리지의 외부에서의 시점으로부터, 수평으로부터 각도 θ를 형성할 수 있다. 수평에 대한 공기 유동 채널의 제2 영역(36)의 각도 θ가 도 4에 예시의 목적을 위해 도시되어 있다. 제3 영역(37) 및/또는 제1 영역(35)은 또한 상향으로 경사질 수 있다. 상부 표면(38) 및/또는 하부 표면(39)은 공기 유동 채널(34)을 적어도 제2 영역(36)에서 상향으로 경사지게 하기 위해 공기 출구(28)를 향해 상향으로 경사질 수 있다. 그 결과, 공기 유동 채널(34)을 빠져나가는 공기는 수평에 대해 실질적으로 상향인 방향으로 유동한다. 각도 θ는 0° 내지 90°일 수 있다.
공기 유동 채널(34) 및 공기 출구(28)의 구성은 공기 유동의 평균 공기 속도, 평균 운동량, 및 방향에 영향을 미칠 수 있다. 구체적으로, 공기 유동 채널(34) 및 공기 출구(28)의 형상, 배향, 및 치수는 미세유체 전달 장치(10)에 의해 얻어지는 공기 유동의 평균 속도, 평균 운동량, 및 방향에 영향을 미칠 수 있다. 미세유체 전달 장치로 달성가능한 공기 유동의 평균 속도를 최대화하기 위해 공기 유동 채널(34) 내에서 그리고 공기 출구(28)에서 생성되는 배압을 제한하는 것이 바람직할 수 있다. 배압은 또한 공기 중에서의 유체 조성물의 분배를 방해할 수 있는 난류 또는 와류를 야기한다. 그 결과, 공기 유동 채널(34) 및 공기 출구(28)의 표면들이 공기 유동 내에 난류 또는 와류를 유도할 수 있는 급격한 회전을 최소화하고 매끄러운 전이를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 공기 유동 채널(34), 공기 출구(28), 및 팬(32)은 유체 조성물의 방향을 변화시키기 위해, 공기 유동 및 유체 조성물이 수렴할 때 유체 조성물의 운동량보다 큰 평균 공기 유동 운동량을 생성하도록 설계될 수 있다.
공기 출구(28)의 단면 영역 및 공기 출구(28)의 배향은 공기 유동이 유체 조성물 상에 미치는 영향에 영향을 미칠 수 있다. 하나의 측면에서, 공기 출구(28)의 단면 영역의 치수 및 형상은 공기 유동에 의해 방향전환되는 유체 조성물의 백분율 및 평균 공기 속도에 영향을 줄 수 있다. 하나의 설계 고려사항은 공기 유동의 대부분이 유체 조성물과 접촉하도록 공기 출구(28)의 단면 영역의 배향을 최적화하는 것일 수 있다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 공기 출구(28)는 원형 단면 영역을 가질 수 있고, 공기 출구(28)의 단면 영역은 공기 유동이 유체 조성물에 미치는 영향을 최대화하기 위해 다이(92)의 표면 영역보다 클 수 있다. 도 3 및 도 4의 미세유체 전달 장치를 도 1 및 도 2의 미세유체 전달 장치(10)와 비교하면, 공기 출구의 단면 영역이 유체 조성물 출구의 단면 영역보다 상당히 더 큰 것이 도 1 및 도 2에 예시되어 있다. 도 1 및 도 2의 미세유체 전달 장치와 유사한 설계의 결과로서, 공기 유동의 큰 부분이 유체 조성물과 접촉하지 않거나 유체 조성물의 이동 방향에 영향을 주지 않을 것이다. 반면에, 도 3 및 도 4와 유사한 미세유체 전달 장치의 설계는 공기 유동의 더 큰 부분이 유체 조성물과 접촉하게 할 것이다. 유체 조성물과 접촉하는 공기 유동의 더 큰 부분의 결과로서, 공기 유동은 유체 조성물의 방향 변화에 더 큰 영향을 미칠 수 있다. 달리 말하면, 공기 유동의 대부분이 유체 조성물과 직접 접촉할 때 유체 조성물은 더 수직으로 상향으로 지향될 수 있다.
공기 출구(28)의 단면 영역은 다양한 상이한 형상으로 구성될 수 있다. 공기 출구(28)의 단면 영역의 형상은 둥근형, 원형, 타원형, 눈물방울 형상, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 또는 임의의 다른 형상일 수 있다. 공기 유동과 유체 조성물 사이의 접촉을 최대화하기 위하여, 단면 영역의 더 많은 것은 유체를 이동시키는 것이 요구되는 방향으로 배치되어야 한다. 예를 들어, 도 1 및 도 2에 예시된 바와 같이, 공기 출구(28)의 단면 영역의 더 많은 것이 채널 폭(W)을 가로질러 수평으로 배치되며, 이는 미세유체 전달 장치가 유체 조성물을 지향시키려고 하는 상향 방향으로부터 다른 방향으로 있다. 그 결과, 더 높은 전력이 급전되는 팬이 사용될 수 있거나, 공기 출구의 단면 영역은 공기 유동이 유체 조성물 상에 미치는 영향을 최대화하도록 형상화될 수 있다. 공기 출구(28)의 단면 영역을 위한 원형(예를 들어, 도 3 및 도 4에 예시된 것), 수직 배향된 직사각형, 수직 배향된 타원, 또는 눈물방울 형상은 유체 조성물과 접촉하는 공기 유동의 양을 최대화할 수 있다.
다른 설계 고려사항은 공기 출구(28)에서의 그리고 공기 출구(28) 부근에서의 공기 유동 채널(34)의 각도이다. 공기 유동 채널의 경사진 부분과 수평 사이의 각도 θ가 클수록, 공기 유동은 잠재적으로 유체 조성물을 더욱 수직으로 상향으로 지향시킬 수 있다. 한편, 공기 유동 채널(34)에서의 각도가 더 작거나 덜 가파를수록, 공기 유동은 잠재적으로 유체 조성물을 덜 수직으로 상향으로 지향시킬 수 있다. 따라서, 공기 유동과 수렴한 후의 유체 조성물의 이동 경로는 공기 출구(28) 부근의 공기 유동 채널(34)의 각도, 공기 출구(28)의 단면 영역의 형상 및 치수에 의해 영향을 받는다.
위에서 논의된 바와 같이, 공기 유동 및 유체 조성물은 공기 유동이 공기 출구(28)를 빠져나간 후에 수렴할 수 있다. 그러한 구성에서 그리고 도 1 내지 도 4를 참조하면, 공기 유동 채널(34)은 공기 출구(28)가 미세유체 다이(92) 및/또는 유체 조성물 출구(19)에 인접하게 배치되도록 위치될 수 있다. 그러한 구성에서, 공기 유동은 공기 출구를 빠져나가고, 공기 유동이 미세유체 다이(92)로부터 분배된 유체 조성물과 함께 수렴하기 전에 상향 방향으로 이동한다. 수렴 시에, 유체 조성물은 수평에 대해 대체로 상향 방향으로 방향전환된다.
또한 위에서 논의된 바와 같이, 공기 유동 및 유체 조성물은 공기 유동 채널(34) 내에서 수렴할 수 있다. 특히, 도 5 및 도 6을 참조하면, 미세유체 다이(92)는 유체 조성물을 공기 유동 채널(34) 내로 하향으로 분배하도록 구성될 수 있다. 그러한 구성에서, 공기 유동 채널(34) 내의 공기 유동은 유체 조성물을 공기 유동 채널(34)로부터 공기 출구 밖으로 지향시킨다. 유체 조성물이 공기 유동 채널(34) 내의 공기 유동과 함께 수렴할 때, 공기 유동은 수평에 대해 대체로 수평 또는 상향 방향으로 이동할 수 있다. 그러한 구성에서, 공기 유동 및 유체 조성물의 조합된 스트림은 공기 출구(28)를 빠져나가 수평에 대해 대체로 상향 방향으로 이동한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 채널 길이(L)는 약 10 mm 내지 약 30 mm일 수 있는 카트리지(26)의 두께에 의해 주로 결정될 수 있다. 채널 폭(W)은 약 5 mm 내지 약 50 mm일 수 있다. 채널 높이(H)는 위에서 논의된 바와 같이 최소 침착을 가지고서 채널(34)을 통해 소적을 지향시키는 공기역학적 요건에 의해 좌우될 수 있고, 약 10 mm 내지 약 25 mm일 수 있다. 공기 유동 채널의 단면 영역은 채널 폭(W) 및 채널 높이(H) 치수를 사용하여 계산된다. 공기 유동 채널(34)의 단면적은 약 40 ㎟ 내지 약 150 ㎟, 대안적으로 약 60 ㎟ 내지 약 100 ㎟의 범위일 수 있다.
공기 유동이 공기 중으로의 유체 조성물의 방향을 정밀하게 제어하기 위해 난류 또는 와류 없이 층류인 것이 바람직할 수 있다. 이는, 예를 들어 유체 조성물이 공기 출구에 도달하기 전에 일부 거리에 걸쳐 공기 유동 채널(34) 내에서 이동해야 할 때 특히 유용하다. 과도한 난류 또는 와류는 공기 유동의 중심으로부터 공기 유동 채널의 표면까지 소적이 이동하게 하여서, 분배기 내에서 침착을 초래할 수 있다. 층류는 또한 방 또는 공간 전체에 걸쳐 유체 조성물의 분산을 개선할 수 있다. 또한, 유체 조성물이 공기 유동 채널(34) 내로 분배되는 구성에서, 층류는 공기 유동 채널(34)의 표면 상의 유체 조성물의 침착을 최소화할 수 있다. 공기 유동 채널을 형성하는 표면들은 전체 공기 유동 채널 전체에 걸쳐 층류를 최대화하도록 구성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 공기 유동 채널(34)은 공기 유동을 제한하기 위한 하나 이상의 구멍(41)을 갖는 스크린(40)을 포함할 수 있다. 스크린(40)은 층류를 촉진할 수 있고, 이어서 난류 및 와류를 감소시킬 수 있다. 스크린(40)은 난류성 와류의 규모를 채널 높이보다 훨씬 더 작은 치수로 감소시키도록 크기설정된 구멍(41)들을 가질 수 있다. 이들 개구의 크기는 공기 유동 채널 높이(34)의 높이(H)의 약 1% 내지 약 10%일 수 있다. 스크린(40)은 공기 유동 채널(34) 내의 다양한 위치에 위치될 수 있다. 스크린이 도 6의 미세유체 전달 장치에 도시되어 있지만, 미세유체 전달 장치가 스크린을 가지고 또는 스크린 없이 구성될 수 있음이 인식될 것이다.
도 6을 계속 참조하면, 유체 조성물이 공기 유동 채널(34) 내로 분배되는 구성에서, 공기 유동 채널(34)의 제1 및/또는 제3 영역(35, 37)들 내의 상부 표면(38)은 공기 유동을 하우징(12)에서의 유체 조성물 출구(19)로부터 멀리 지향시키도록 구성되는 배플(42)을 포함할 수 있다. 배플(42)은 공기 유동이 유체 조성물을 공기 유동 채널(34)을 통해 그리고 공기 출구(28) 밖으로 지향시키기 전에 유체 조성물이 공기 유동 채널 내로 하향으로 분사되게 할 수 있다. 배플(42)은 유체 조성물 출구(19)에 인접하게 그리고 그로부터 상류측에 배치될 수 있다. 배플(42)은 공기 유동 채널(34) 내로 돌출할 수 있고/있거나 하부 표면(39)을 향해 하향으로 경사질 수 있다. 배플(42)은 공기 유동 채널(34)의 상부 표면(38)의 연속 부분으로서 또는 상부 표면(38)의 나머지 부분과는 별개의 구성요소로서 구성될 수 있다. 배플이 도 6의 미세유체 전달 장치에 도시되어 있지만, 미세유체 전달 장치가 배플을 가지고 또는 배플 없이 구성될 수 있음이 인식될 것이다.
도 1, 도 2, 도 5 및 도 6을 참조하면, 공기 유동 채널(34), 하부 표면(39), 및/또는 상부 표면(38)의 일부분이 미세유체 전달 장치(10)의 인접 몸체 부분(18)을 지나 수평으로 밖으로 돌출될 수 있다. 또는, 도 3 및 도 4를 참조하면, 공기 유동 채널(34), 하부 표면(39), 및/또는 상부 표면(38)의 실질적으로 전부가 카트리지(26)의 미세유체 다이(92) 또는 유체 조성물 출구(19)와 실질적으로 수직으로 정렬될 수 있다.
카트리지(26)가 하우징의 내부(21) 내에 적어도 부분적으로 배치되는 구성에서, 하우징은 단지 예시적인 목적을 위해 도 1에 도시된 것과 같은 커버(30)를 포함할 수 있고, 커버는 카트리지(26)를 삽입 및 제거하기 위한 개구를 통해 하우징(12)의 내부에 대한 접근을 제공하도록 개폐된다. 커버는 다양한 상이한 방식으로 구성될 수 있다. 커버(30)는 하우징(12)의 내부(21) 내의 가압 공기가 커버(30)와 하우징 사이의 임의의 간극을 통해 빠져나가지 않도록 하우징(12)의 나머지 부분과 실질적으로 기밀성(air tight)인 연결을 형성할 수 있다. 하우징(12)은 또한 커버(30) 없이 개구(31)를 포함할 수 있다.
미세유체 전달 장치(10)는 전원과 전기 연통하도록 구성된다. 전원은 미세유체 다이(92)에 전력을 제공한다. 하우징(12)상의 전기 접점(48)들은 카트리지 상의 전기 접점(74)들과 연결된다. 일회용 배터리 또는 재충전가능 배터리와 같은 전원은 하우징(12)의 내부(21)에 위치될 수 있다. 또는, 전원은 하우징(12)과 연결된 전기 플러그(62)와 연결되는 전기 콘센트와 같은 외부 전원일 수 있다. 하우징(12)은 전기 콘센트와 연결가능한 전기 플러그를 포함할 수 있다. 미세유체 전달 장치는 소형이고 용이하게 휴대가능하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 전원은 재충전가능 또는 일회용 배터리를 포함할 수 있다. 미세유체 전달 장치는 9-볼트 배터리, "A", "AA", "AAA", "C", 및 "D"와 같은 종래의 건전지, 버튼 전지, 시계 배터리, 태양 전지, 뿐만 아니라 충전대를 갖는 재충전가능 배터리로서의 전원과 함께 사용할 수 있다. 하우징(12)은 하우징(12)의 외부(23)에 전원 스위치를 포함할 수 있다.
카트리지
위에서 논의된 바와 같이, 카트리지(26)는 다양한 상이한 방식으로 구성될 수 있다. 도 1 및 도 7과 도 8을 참조하면, 카트리지(26)는 수직축(Y) 및 수평축(X)을 가질 수 있고, 유체 조성물(52)을 수용하기 위한 저장조(50)를 포함할 수 있다.
저장조(50)는 상단 표면(51), 상단 표면(51)의 반대편에 있는 저부 표면(53), 및 상단 표면(51)과 저부 부분(53) 사이에서 연장되고 이들과 연결되는 적어도 하나의 측벽(61)으로 구성될 수 있다. 저장조(50)는 내부(59) 및 외부(57)를 한정할 수 있다. 저장조(50)는 통기구(air vent)(93) 및 유체 출구(90)를 포함할 수 있다. 저장조(50)가 상단 표면(51), 저부 표면(53), 및 적어도 하나의 측벽(61)을 구비하는 것으로 도시되어 있지만, 저장조(50)가 다양한 상이한 방식으로 구성될 수 있음이 인식될 것이다.
상단 표면(51), 저부 표면(53), 및 측벽(들)(61)을 포함하는 저장조(50)는 단일 요소로서 구성될 수 있거나, 함께 결합되는 별개의 요소들로서 구성될 수 있다. 예를 들어, 상단 표면(51) 또는 저부 표면(53)은 저장조(50)의 나머지 부분과 별개의 요소로서 구성될 수 있다.
다이(92)는 저장조(50)의 저부 표면(53) 또는 측벽(61) 상에 배치될 수 있다. 어느 구성에서도, 중력 및/또는 모세관력이 유체 조성물(52)을 다이에 공급하는 것을 도울 수 있다.
저장조(50)는 약 5 밀리리터(mL) 내지 약 100 mL, 대안적으로 약 10 mL 내지 약 50 mL, 대안적으로 약 15 mL 내지 약 30 mL의 유체 조성물을 수용하도록 구성될 수 있다. 카트리지(26)는 다수의 저장조를 구비하도록 구성될 수 있으며, 이때 각각의 저장조는 동일하거나 상이한 유체 조성물을 수용한다.
저장조는 유리, 플라스틱, 금속 등을 비롯한 유체 조성물을 수용하기 위한 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 저장조는 투명, 반투명 또는 불투명하거나, 이들의 임의의 조합일 수 있다. 예를 들어, 저장조는 저장조 내의 유체 조성물의 레벨의 투명 표시기를 가지고서 불투명할 수 있다.
공기 유동 채널
도 10 및 도 11을 참조하면 그리고 위에서 논의된 바와 같이, 미세유체 전달 장치(10)의 공기 유동 채널(34)은 카트리지(26)와 연결되고 그의 일부분을 형성할 수 있다. 공기 유동 채널(34)은 저장조(50)의 저부 표면(53)에 인접할 수 있다. 공기 유동 채널(34)은 저장조(50)와 영구적으로 부착되는 독립적인 구성요소일 수 있거나, 공기 유동 채널(34)은 저장조(50)와 단일 구성요소로서 성형될 수 있다. 예를 들어, 공기 유동 채널(34)을 형성하는 상부 표면(38)은 저장조(50)의 저부 표면(53)의 일부분일 수 있고, 하부 표면(39)은 저장조의 측벽의 일부분을 따라 저장조와 연결되는 별개의 벽으로서 구성될 수 있다.
공기 유동 채널이 카트리지와 연결되게 하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 작동 조건, 미세유체 다이 구성, 유체 조성물 상세 사항 등에 따라, 유체 조성물의 일부분이 공기 유동 채널을 형성하는 표면 상에 침착될 수 있다. 공기 유동 채널이 교체가능 카트리지와 연결될 때, 공기 유동 채널을 형성하는 표면은 유체 조성물이 카트리지로부터 소진될 때 깨끗한 공기 유동 채널로 교체될 수 있다.
스펀지
도 7 및 도 8을 참조하면, 카트리지(26)는 저장조(50) 내에 배치되는 스펀지(80)를 포함할 수 있다. 스펀지는 유체 조성물을 방출하도록 다이(92)가 분사할 때까지 저장조 내에 유체 조성물을 보유할 수 있다. 스펀지는 다이가 분사하지 않을 때 유체 조성물이 다이(92)로부터 누출되는 것을 방지하기 위해 배압을 생성하는 것을 도울 수 있다. 유체 조성물은 유체에 작용하는 중력과 모세관력의 조합으로 스펀지를 통해 다이로 이동할 수 있다.
스펀지는 금속 또는 천 메시(fabric mesh), 개방 셀 중합체 폼(foam), 또는 유체 통로를 형성하는 다수의 상호연결된 개방 셀을 포함하는 섬유상 또는 다공성 심지(wick)의 형태일 수 있다. 스펀지 재료는 방향제 조성물과 상용성이도록 선택될 수 있다.
스펀지(80)는 약 10 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터, 대안적으로 약 50 마이크로미터 내지 약 150 마이크로미터, 대안적으로 약 70 마이크로미터의 평균 기공 크기를 나타낼 수 있다. 구조적 조성물에 의해 차지되지 않는 스펀지의 분율로서 표현되는, 스펀지의 평균 기공 부피는 약 15% 내지 약 85%, 대안적으로 약 25% 내지 약 50%이다.
스펀지(80)의 평균 기공 크기 및 그의 표면 특성은 조합되어 모세관 압력을 제공하며, 이 모세관 압력은 다이(92) 내의 미세유체 채널에 의해 생성되는 모세관 압력에 의해 균형을 이룬다. 이들 압력이 균형을 이룰 때, 노즐 플레이트(132)를 습윤시키는 경향으로 인해 또는 중력의 영향으로 인해 유체 조성물이 다이(92)를 빠져나가는 것이 방지된다.
미세유체 전달 부재
도 12 내지 도 23을 참조하면, 미세유체 전달 장치(10)는 잉크젯 인쇄 헤드 시스템의 태양, 보다 상세하게는, 열 또는 피에조 잉크젯 인쇄 헤드의 태양을 이용하는 미세유체 전달 부재(64)를 포함할 수 있다. 미세유체 전달 부재(64)는 카트리지(26)의 저부 표면(53) 및/또는 측벽(61)과 연결될 수 있다.
"드롭-온-디맨드(drop-on-demand)" 잉크젯 인쇄 과정에서, 유체 조성물이 급속한 압력 임펄스(rapid pressure impulse)에 의해 미소한 소적의 형태로 직경이 전형적으로 약 5 내지 50 마이크로미터, 또는 약 10 내지 약 40 마이크로미터인 매우 작은 오리피스를 통해 배출된다. 전형적으로, 급속한 압력 임펄스는 고주파수로 진동하는 압전 결정체의 팽창에 의해 또는 급속한 가열 사이클에 의한 잉크 내의 휘발성 조성물(예를 들어, 용매, 물, 추진제)의 휘발에 의해 인쇄 헤드에서 발생된다. 열 잉크젯 프린터는 인쇄 헤드 내에 가열 요소를 채용하여 조성물의 일부분을 휘발시키고, 휘발된 일부분은 오리피스 노즐을 통해 유체 조성물의 제2 부분을 추진시켜서, 가열 요소에 대한 온/오프 사이클 수에 비례하여 소적들을 형성한다. 유체 조성물은 필요할 때 노즐 밖으로 밀어내어진다. 종래의 잉크젯 프린터는 미국 특허 제3,465,350호 및 제3,465,351호에 더 상세히 기술되어 있다.
미세유체 전달 부재(64)는 미세유제 전달 장치의 전원과 전기 연통할 수 있고, 인쇄 회로 기판("PCB")(106), 및 저장조(50)와 유체 연통하는 미세유체 다이(92)를 포함할 수 있다.
PCB(106)는 단지 예시적인 목적을 위해 도 12와 도 13에 도시된 것과 같은 강성 평면 회로 기판, 연성 PCB, 또는 단지 예시적인 목적을 위해 도 14와 도 15에 도시된 것과 같은 반-연성 PCB일 수 있다. 도 14와 도 15에 도시된 반-연성 PCB는 PCB(106)의 일부분이 구부러지게 하는 부분에서 부분적으로 밀링된(milled) 유리섬유-에폭시 복합재를 포함할 수 있다. 밀링된 부분은 약 0.2 밀리미터의 두께로 밀링될 수 있다. PCB(106)는 상부 표면(68)과 하부 표면(70)을 구비한다.
PCB(106)는 종래의 구성을 가질 수 있다. 이는 세라믹 기재(substrate)를 포함할 수 있다. 이는 상부 및 저부 표면들 상에 유리섬유-에폭시 복합재 기재 재료와 전도성 금속, 통상적으로 구리의 층을 포함할 수 있다. 전도성 층은 에칭 공정을 통해 전도성 경로 내에 배열된다. 전도성 경로는 흔히 솔더마스크 층(soldermask layer)으로 지칭되는 광-경화성(photo-curable) 중합체 층에 의해 기판의 대부분의 영역에서 기계적 손상 및 다른 환경 영향으로부터 보호된다. 액체 유동 경로 및 와이어 본드 부착 패드(wire bond attachment pad)와 같은 선택된 영역에서, 전도성 구리 경로는 금과 같은 불활성 금속 층에 의해 보호된다. 다른 재료 선택물은 주석, 은, 또는 다른 저 반응성, 고 전도율 금속일 수 있다.
도 12 내지 도 16을 여전히 참조하면, PCB(106)는 모든 전기 접속부 - 접점(74), 트레이스(75), 및 접촉 패드(contact pad)(112) - 를 포함할 수 있다. 접점(74)과 접촉 패드(112)는 도 12 내지 도 16에 도시된 바와 같이 PCB(106)의 동일한 면 상에 배치될 수 있거나, PCB의 상이한 면들 상에 배치될 수 있다.
도 12와 도 13을 참조하면, 미세유체 다이(92)와 접점(74)은 평행 평면들 상에 배치될 수 있다. 이는 간단한 강성 PCB(106) 구성을 허용한다. 접점(74)과 미세유체 다이(92)는 PCB(106)의 동일한 면 상에 배치될 수 있거나, PCB(106)의 반대 면들 상에 배치될 수 있다.
도 12 내지 도 16을 계속 참조하면, PCB(106)는 제1 단부에 있는 전기 접점(74), 및 미세유체 다이(92)에 근접하게 제2 단부에 있는 접촉 패드(112)를 포함할 수 있다. 도 14는 접촉 패드(112)로부터 전기 접점으로 연장되고 솔더 마스크 또는 다른 유전체 층에 의해 덮이는 전기 트레이스(75)를 예시한다. 미세유체 다이(92)로부터 PCB(106)로의 전기 접속은, 금 또는 알루미늄으로 구성될 수 있는 소형 와이어가 실리콘 미세유체 다이 상의 접합 패드에 그리고 기판 상의 대응하는 접합 패드에 열 부착되는 와이어 본딩 공정에 의해 확립될 수 있다. 봉지재(encapsulant) 재료(116), 통상적으로 에폭시 화합물이 와이어 본드 영역에 적용되어 연약한 접속부를 기계적 손상 및 다른 환경 영향으로부터 보호한다.
도 13 및 도 16을 참조하면, 미세유체 전달 부재(64)는 필터(96)를 포함할 수 있다. 필터(96)는 PCB(106)의 하부 표면(70) 상에 배치될 수 있다. 필터(96)는 미립자들 중 적어도 일부가 개구(78)를 통과하는 것을 방지하여 미세유체 다이(92)의 노즐(130)의 막힘을 방지하도록 구성될 수 있다. 필터(96)는 노즐(130)의 직경의 1/3보다 큰 미립자를 차단하도록 구성될 수 있다. 필터(96)는 스테인리스강 메시일 수 있다. 필터(96)는 폴리프로필렌 또는 규소 기반의 랜덤 직조된 메시일 수 있다.
도 13 및 도 16을 참조하면, 필터(96)는 저장조(50) 내의 유체 조성물에 의해 쉽게 열화되지 않는 접착제 재료로 저부 표면에 부착될 수 있다. 접착제는 열 또는 자외선 활성화될 수 있다. 필터(96)는 기계적 스페이서(98)에 의해 미세유체 전달 부재(64)의 저부 표면으로부터 분리된다. 기계적 스페이서(98)는 미세유체 전달 부재(64)의 저부 표면(70)과 개구(78)에 근접한 필터(96) 사이에 간극을 생성한다. 기계적 스페이서(98)는 필터(96)와 미세유체 전달 부재(64) 사이의 형상에 합치되는 강성 지지체 또는 접착제일 수 있다. 이와 관련하여, 필터(96)의 출구는 개구(78)의 직경보다 크고 그로부터 오프셋되어, 필터가 기계적 스페이서(98) 없이 미세유체 전달 부재(64)의 저부 표면(70)에 직접 부착된 경우에 제공될 것보다 큰 필터(96)의 표면적이 유체 조성물을 여과할 수 있도록 한다. 기계적 스페이서(98)가 필터(96)를 통해 적합한 유량을 허용하는 것이 인식될 것이다. 즉, 필터(96)가 입자를 축적함에 따라, 필터는 필터를 통해 유동하는 유체를 느리게 하지 않을 것이다. 필터(96)의 출구는 약 4 ㎟ 이상일 수 있고, 스탠드오프(standoff)는 약 700 마이크로미터 두께이다.
개구(78)는 도 16에 예시된 바와 같이 타원형으로서 형성될 수 있지만, 응용에 따라 다른 형상이 고려된다. 타원형은 약 1.5 mm의 제1 직경 및 약 700 마이크로미터의 제2 직경의 치수를 가질 수 있다. 개구(78)는 PCB(106)의 측벽(102)들을 노출시킨다. PCB(106)가 FR4 PCB이면, 섬유 다발이 개구에 의해 노출될 것이다. 이들 측벽은 유체 조성물에 취약하며, 따라서 이들 측벽을 덮고 보호하기 위해 라이너(liner)(100)가 포함된다. 유체 조성물이 측벽에 들어가면, PCB(106)가 열화되기 시작하여, 이러한 제품의 수명을 단축시킬 수 있다.
도 16 내지 도 23을 참조하면, PCB(106)는 미세유체 다이(92)를 지탱할 수 있다. 미세유체 다이(92)는 박막 침착(thin film deposition), 패시베이션(passivation), 에칭, 스피닝(spinning), 스퍼터링(sputtering), 마스킹(masking), 에피택시 성장(epitaxy growth), 웨이퍼/웨이퍼 접합(wafer/wafer bonding), 마이크로 박막 라미네이션(micro thin-film lamination), 경화, 다이싱(dicing) 등과 같은 반도체 마이크로 제조 공정을 사용하여 제조되는 유체 분사 시스템을 포함한다. 이들 공정은 MEMS 장치를 제조하는 것으로 당업계에 알려져 있다. 미세유체 다이(92)는 규소, 유리, 또는 이들의 혼합물로부터 제조될 수 있다. 도 20 및 도 21을 참조하면, 미세유체 다이(92)는 대응하는 작동 요소, 즉 가열 요소 또는 전기기계 액추에이터(electromechanical actuator)를 각각 포함하는 복수의 미세유체 챔버(128)를 포함한다. 이러한 방식으로, 미세유체 다이의 유체 분사 시스템은 마이크로 열 핵생성(micro thermal nucleation)(예컨대, 가열 요소) 또는 마이크로 기계적 작동(예컨대, 박막 압전기(piezoelectric))일 수 있다. 미세유체 전달 부재를 위한 하나의 유형의 미세유체 다이는 스위스 제네바 소재의 에스티마이크로일렉트로닉스 에스.알.아이.(STMicroelectronics S.R.I.)에 양도된 미국 특허 출원 공개 제2010/0154790호에 기술된 바와 같은 MEMS 기술을 통해 얻어지는 노즐의 통합형 멤브레인(integrated membrane)이다. 박막 피에조의 경우에, 압전 재료(예컨대, 납 지르코늄 티타네이트)는 전형적으로 스피닝 및/또는 스퍼터링 공정을 통해 적용된다. 반도체 마이크로 제조 공정은 1개 또는 수천 개의 MEMS 장치를 하나의 배치 공정(batch process)(배치 공정은 다수의 마스크 층을 포함함)으로 동시에 제조하도록 허용한다.
도 16을 참조하면, 미세유체 다이(92)는 개구(78) 위에서 PCB(106)의 상부 표면(68)에 고정될 수 있다. 미세유체 다이(92)는 반도체 미세유체 다이를 기판에 유지시키도록 구성되는 임의의 접착제 재료에 의해 PCB(106)의 상부 표면에 고정될 수 있다.
미세유체 다이(92)는 규소 기재, 전도성 층, 및 중합체 층을 포함할 수 있다. 규소 기재는 다른 층을 위한 지지 구조체를 형성하고, 유체 조성물을 미세유체 다이의 저부로부터 상부 층으로 전달하기 위한 채널을 포함한다. 전도성 층은 규소 기재 상에 침착되어, 높은 전도율을 가진 전기 트레이스와 보다 낮은 전도율을 가진 히터를 형성한다. 중합체 층은 통로, 분사 챔버(firing chamber), 및 액적 형성 기하학적 구조(drop formation geometry)를 한정하는 노즐(130)을 형성한다.
도 16 내지 도 19를 참조하면, 미세유체 다이(92)는 기재(107), 복수의 중간 층(109), 및 노즐 플레이트(132)를 포함한다. 노즐 플레이트(132)는 외측 표면(133)을 포함한다. 복수의 중간 층(109)은 기재와 노즐 플레이트(132) 사이에 위치되는 유전체 층과 챔버 층(148)을 포함한다. 노즐 플레이트(132)는 약 12 마이크로미터 두께일 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이 그리고 도 7, 도 8 및 도 17을 참조하면, 유체 조성물을 수평 또는 하향 방향으로 분배하기 위해, 다이(92) 및 구체적으로 다이(92)의 노즐 플레이트(132)는 수직 배향되거나 수평으로부터 -90° 내지 0°의 각도로 배향될 수 있다. 미세유체 전달 장치(10)가 벽 내의 전기 콘센트 내로 플러깅되는 구성에서, 다이(92)의 노즐 플레이트(132)는 -90° 내지 0°의 벽으로부터 비스듬히 배향되거나 수직으로 배향될 수 있다.
도 16 내지 도 18을 참조하면, 미세유체 다이(92)는 중간 층(109)들 중 하나로부터 회로 PCB(106) 상의 접촉 패드(112)들까지 하향 연장되는 복수의 전기 접속 도선(electrical connection lead)(110)을 포함한다. 적어도 하나의 도선이 단일 접촉 패드(112)에 결합된다. 미세유체 다이(92)의 좌측 및 우측에 있는 개구(150)들은 접속 도선(110)들이 결합되는 중간 층(109)들에의 접근을 제공한다. 개구(150)는 노즐 플레이트(132)와 챔버 층(148)을 통과하여, 중간 유전체 층(109) 상에 형성되는 접촉 패드(152)를 노출시킨다. 미세유체 다이로부터 연장되는 모든 도선이 일 측부로부터 연장되는 반면 다른 측부는 도선에 의해 방해되지 않는 상태로 유지되도록 미세유체 다이(92)의 일 측부에만 위치되는 하나의 개구(150)가 있을 수 있다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 노즐 플레이트(132)는 약 4개 내지 100개의 노즐(130), 또는 약 6개 내지 80개의 노즐, 또는 약 8개 내지 64개의 노즐을 포함할 수 있다. 단지 예시적인 목적을 위해, 노즐 플레이트(132)를 통해 중심선의 각각의 측부에 9개씩 18개의 노즐(130)이 도시되어 있다. 각각의 노즐(130)은 전기 분사 펄스당 약 0.5 내지 약 20 피코리터(picoliter), 또는 약 1 내지 약 10 피코리터, 또는 약 2 내지 약 6 피코리터의 유체 조성물을 전달할 수 있다. 전기 분사 펄스당 각각의 노즐로부터 전달되는 유체 조성물의 체적은, 일례가 미국 뉴 햄프셔주 내슈아 소재의 이미지엑스퍼트, 인크.(ImageXpert, Inc.)로부터 입수가능한 젯엑스퍼트(JetXpert) 시스템인, 스트로브(strobe) 조명이 액적의 생성과 제 시간에 조화되는 이미지-기반 액적 분석을 사용하여 분석될 수 있으며, 이때 소적은 미세유체 다이의 상부로부터 1 내지 3 mm의 거리에서 측정된다. 노즐(130)들은 약 60 μm 내지 약 110 μm 떨어져 위치될 수 있다. 20개의 노즐(130)은 3 ㎟ 면적 내에 존재할 수 있다. 노즐(130)은 약 5 μm 내지 약 40 μm, 또는 10 μm 내지 약 30 μm, 또는 약 20 μm 내지 약 30 μm, 또는 약 13 μm 내지 약 25 μm의 직경을 가질 수 있다. 도 18은 노즐 플레이트(132)가 제거되어 챔버 층(148)이 노출된 미세유체 다이(92)의 하향 등각도이다.
일반적으로, 노즐(130)들은 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이 미세유체 다이(92)를 통해 유체 공급 채널을 따라 위치된다. 노즐(130)은 상부 개구가 하부 개구보다 작도록 테이퍼 형성된(tapered) 측벽을 포함할 수 있다. 히터는 일정 길이를 갖는 변들을 갖는 정사각형일 수 있다. 일례에서, 상부 직경은 약 13 μm 내지 약 18 μm이고, 하부 직경은 약 15 μm 내지 약 20 μm이다. 상부 직경에 대해 13 μm와 하부 직경에 대해 18 μm에서, 이는 132.67 μm의 상부 면적과 176.63 μm의 하부 면적을 제공할 것이다. 하부 직경 대 상부 직경의 비는 대략 1.3 대 1일 것이다. 게다가, 히터의 면적 대 상부 개구의 면적은 5 대 1 초과 또는 14 대 1 초과와 같이 높을 것이다.
각각의 노즐(130)은 유체 경로에 의해 저장조(50) 내의 유체 조성물과 유체 연통한다. 도 8, 도 16, 도 20 및 도 21을 참조하면, 저장조(50)로부터의 유체 경로는 관통 구멍(90), PCB(106)의 개구(78)를 통해, 미세유체 다이(92)의 입구(94)를 통해, 채널(126)을 통해, 그리고 이어서 챔버(128)를 통해 그리고 미세유체 다이(92)의 노즐(130) 밖으로를 포함한다.
미세유체 다이(92)의 접촉 패드(152)들 중 하나에 전기적으로 결합되고 이 접촉 패드에 의해 제공되는 전기 신호에 의해 활성화되는 가열 요소(134)(도 19 및 도 22 참조)가 각각의 노즐 챔버(128)에 근접하여 있다. 도 19를 참조하면, 각각의 가열 요소(134)는 제1 접점(154) 및 제2 접점(156)에 결합된다. 제1 접점(154)은 전도성 트레이스(155)에 의해 미세유체 다이 상의 접촉 패드(152)들 중 각각의 접촉 패드에 결합된다. 제2 접점(156)은 미세유체 다이의 일 측에 있는 제2 접점(156)들 각각과 공유되는 접지 라인(158)에 결합된다. 미세유체 다이의 양측에 있는 접점들에 의해 공유되는 단일 접지 라인이 있을 수 있다. 도 19는 모든 특징부가 단일 층 상에 있는 것처럼 예시되어 있지만, 이들은 유전체 및 전도성 재료의 수 개의 적층된 층 상에 형성될 수 있다. 또한, 예시된 실시예가 활성화 요소로서 가열 요소(134)를 도시하지만, 미세유체 다이(92)는 미세유체 다이로부터 유체 조성물을 분배하기 위해 각각의 챔버(128) 내에 압전 액추에이터를 포함할 수 있다.
사용시, 도 18 및 도 21을 참조하면, 챔버(128)들 각각 내의 유체 조성물이 가열 요소(134)에 의해 가열될 때, 유체 조성물이 증발하여 기포를 생성한다. 기포를 생성하는 팽창은 유체 조성물이 노즐(130)로부터 배출되게 하고 하나 이상의 소적의 기둥을 형성하게 한다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 기재(107)는 개별 챔버(128)와 유체 연통하여 유체 경로의 일부를 형성하는 채널(126)에 결합되는 입구 경로(94)를 포함한다. 복수의 노즐(130)을 포함하는 노즐 플레이트(132)는 챔버(128)들 위에 있다. 각각의 노즐(130)은 챔버(128)들 중 각자의 챔버 위에 있다. 미세유체 다이(92)는 하나의 챔버와 노즐을 포함한 임의의 개수의 챔버와 노즐을 가질 수 있다. 단지 예시적인 목적을 위해, 미세유체 다이는 각자의 노즐과 각각 연관되는 18개의 챔버를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 대안적으로, 다이는 10개의 노즐, 및 5개의 노즐의 그룹에 대해 유체 조성물을 제공하는 2개의 챔버를 가질 수 있다. 챔버와 노즐 사이에 일대일 대응을 가질 필요가 없다.
도 18에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 챔버 층(148)은 유체 조성물을 채널(126)로부터 챔버(128) 내에 공급하는 비스듬한 깔때기 경로(160)를 한정한다. 챔버 층(148)은 중간 층(109)의 상부 상에 위치된다. 챔버 층은 각각의 노즐(130)과 관련되는 복수의 챔버(128)와 채널들의 경계들을 한정한다. 챔버 층은 주형에서 별도로 형성된 다음에 기재에 부착될 수 있다. 챔버 층은 기재의 상부 상에 층을 침착, 마스킹, 및 에칭함으로써 형성될 수 있다.
도 18 내지 도 21을 참조하면, 중간 층(109)은 제1 유전체 층(162) 및 제2 유전체 층(164)을 포함한다. 제1 및 제2 유전체 층들은 노즐 플레이트와 기재 사이에 있다. 제1 유전체 층(162)은 기재 상에 형성되는 복수의 제1 및 제2 접점(154, 156)을 덮고, 각각의 챔버와 관련되는 히터(134)를 덮는다. 제2 유전체 층(164)은 전도성 트레이스(155)를 덮는다.
도 19를 참조하면, 제1 및 제2 접점(154, 156)들은 기재(107) 상에 형성된다. 히터(134)는 각자의 히터 조립체의 제1 및 제2 접점(154, 156)들과 중첩하도록 형성된다. 접점(154, 156)은 제1 금속 층 또는 다른 전도성 재료로 형성될 수 있다. 히터(134)는 제2 금속 층 또는 다른 전도성 재료로 형성될 수 있다. 히터(134)는 제1 및 제2 접점(154, 156)들을 측방향으로 연결하는 박막 저항기이다. 접점의 상단 표면 상에 직접 형성되는 대신에, 히터(134)는 비아(via)를 통해 접점(154, 156)에 결합될 수 있거나 접점 아래에 형성될 수 있다.
히터(134)는 20-나노미터 두께의 탄탈륨 알루미늄 층일 수 있다. 히터(134)는 상이한 백분율의 크롬과 규소를 각각 갖고 각각이 10 나노미터 두께인 크롬 규소 필름을 포함할 수 있다. 히터(134)를 위한 다른 재료는 탄탈륨 규소 질화물 및 텅스텐 규소 질화물을 포함할 수 있다. 히터(134)는 또한 규소 질화물의 30-나노미터 캡(cap)을 포함할 수 있다. 히터(134)는 다수의 박막 층을 연속하여 침착시킴으로써 형성될 수 있다. 박막 층들의 스택(stack)이 개별 층들의 기본적인 특성을 조합한다.
히터(134)의 면적 대 노즐(130)의 면적의 비는 7 대 1보다 클 수 있다. 히터(134)는 각각의 변이 일정 길이(147)를 갖는 정사각형일 수 있다. 길이는 47 마이크로미터, 51 마이크로미터, 또는 71 마이크로미터일 수 있다. 이는 각각 2209, 2601, 또는 5041 제곱 마이크로미터의 면적을 가질 것이다. 노즐 직경이 20 마이크로미터이면, 제2 단부에서의 면적이 314 제곱 마이크로미터이어서, 각각 7 대 1, 8 대 1, 또는 16 대 1의 대략적인 비를 제공할 것이다.
도 23을 참조하면, 입구(94)에 인접한 일정 길이의 제1 접점(154)을 볼 수 있다. 비아(151)가 제1 접점(154)을 제1 유전체 층(162) 상에 형성된 트레이스(155)에 결합시킨다. 제2 유전체 층(164)은 트레이스(155) 상에 있다. 비아(149)가 제2 유전체 층(164)을 통해 형성되고, 트레이스(155)를 접촉 패드(152)에 결합시킨다. 비아(149)와 에지(163) 사이에서 다이의 에지(163)를 향한 접지 라인(158)의 일부분을 볼 수 있다.
미세유체 다이(92)는 비교적 간단하고, 복잡한 집적 회로가 없을 수 있다. 이러한 미세유체 다이(92)는 외부 마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서에 의해 제어 및 구동될 것이다. 외부 마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서는 하우징 내에 제공될 수 있다. 이는 PCB(106)와 미세유체 다이(92)가 간단해지고 비용 효과적이게 한다. 기재 상에 형성되는 2개의 금속 또는 전도성 평탄부(level)가 있을 수 있다. 이들 전도성 평탄부는 접점(154)과 트레이스(155)를 포함한다. 이들 특징부 모두가 단일 금속 평탄부 상에 형성될 수 있다. 이는 미세유체 다이가 제조하기에 간단하게 하고, 히터와 챔버 사이의 유전체의 층의 개수를 최소화시킨다.
도 16을 참조하면, 미세유체 전달 부재(64)의 개구(78)는 PCB(106)의 노출된 측벽(102)을 덮는 라이너(100)를 포함할 수 있다. 라이너(100)는 예컨대 기판의 섬유들이 분리되는 것을 방지하기 위해, 유체 조성물의 존재로 인한 열화로부터 PCB(106)를 보호하도록 구성되는 임의의 재료일 수 있다. 이와 관련하여, 라이너(100)는 유체 경로 내로 진입하여 노즐(130)을 차단하는 PCB(106)로부터의 입자를 막을 수 있다. 예를 들어, 개구(78)는 PCB(106)의 재료보다 저장조 내의 유체 조성물에 덜 반응하는 재료로 라이닝될 수 있다. 이와 관련하여, PCB(106)는 유체 조성물이 PCB를 통과할 때 보호될 수 있다. 관통 구멍은 금과 같은 금속 재료로 코팅될 수 있다.
센서
미세유체 전달 장치는 공기 내의 광, 잡음, 운동, 및/또는 냄새 수준과 같은 환경 자극에 응답하는 구매가능한 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 미세유체 전달 장치는 광을 감지할 때 켜지고, 그리고/또는 광을 감지하지 않은 때 꺼지도록 프로그래밍될 수 있다. 다른 예에서, 미세유체 전달 장치는 센서가 센서 부근에서 이동하는 사람을 감지할 때 켜질 수 있다. 센서는 또한, 공기 중의 냄새 수준을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 냄새 센서는 미세유체 전달 장치를 켜고, 열 또는 팬 속도를 증가시키고, 그리고/또는 필요할 때 미세유체 전달 장치로부터의 유체 조성물의 전달을 단계적으로 증가시키는 데 사용될 수 있다.
VOC 센서가 인접 또는 원격 장치로부터 방향제의 강도를 측정하고 다른 방향제 장치와 상승 작용하도록 작동 조건을 변경하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 원격 센서가 방출 장치로부터의 거리와 향기 강도를 검출한 다음에 실내 충전성을 최대화시키고/시키거나 실내에서의 "원하는" 강도를 사용자에게 제공하기 위해 미세유체 전달 장치를 어디에 위치시킬지에 대한 피드백을 미세유체 전달 장치에 제공할 수 있다.
미세유체 전달 장치는 다른 방향제 전달 장치와 상승 작용하기 위해 서로 통신하고 작동을 조정할 수 있다.
센서는 또한 소진되기 전에 카트리지의 수명 종료(end-of-life)를 표시하기 위해 저장조 내의 유체 조성물 수준을 측정하거나 가열 요소의 점호(firing)를 계수하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 경우에, 저장조가 충전되거나 새로운 저장조로 대체되어야 할 필요가 있음을 표시하기 위해 LED 조명이 온 상태로 될 수 있다.
센서들은 미세유체 전달 장치 하우징과 일체화될 수 있거나, 원격 컴퓨터 또는 이동 스마트 디바이스/폰과 같은 원격지에 있을 수 있다(즉, 미세유체 전달 장치 하우징으로부터 물리적으로 분리될 수 있다). 센서는 저 에너지 블루투스(low energy blue tooth), 6 로우 팬 라디오(6 low pan radio), 또는 장치 및/또는 제어기(예를 들어, 스마트 폰 또는 컴퓨터)와 무선 통신하는 임의의 다른 수단을 통해 원격으로 미세유체 전달 장치와 통신할 수 있다.
사용자는 저 에너지 블루투스, 또는 다른 수단을 통해 원격으로 장치의 작동 조건을 변경할 수 있다.
스마트 칩
카트리지(26)는 최적 작동 조건을 미세유체 전달 장치에 전송하기 위해 메모리를 포함할 수 있다.
유체 조성물
미세유체 전달 장치 내에서 만족스럽게 작동시키기 위해, 유체 조성물의 많은 특성이 고려된다. 일부 인자는, 미세유체 전달 부재로부터 방출하기에 최적인 점도를 갖는 유체 조성물의 제형, 미세유체 전달 부재를 막히게 할 현탁 고형물을 제한된 양으로 갖거나 전혀 갖지 않는 유체 조성물의 제형, 미세유체 전달 부재를 건조하지 않게 하고 막히지 않게 하기에 충분히 안정한 유체 조성물의 제형, 가연성이 아닌 유체 조성물의 제형 등을 포함한다. 미세유체 다이로부터의 적절한 분배를 위해, 공기 청향 또는 악취 감소 조성물의 적절한 분무 및 효과적인 전달이 유체 조성물을 설계하는 데 고려될 수 있다.
유체 조성물은 방향제 조성물을 포함할 수 있다.
유체 조성물은 20 센티푸아즈(centipoise, "cp") 미만, 대안적으로 18 cp 미만, 대안적으로 16 cp 미만, 대안적으로 약 5 cp 내지 약 16 cp, 대안적으로 약 8 cp 내지 약 15 cp의 점도를 나타낼 수 있다. 그리고, 유체 조성물은 센티미터당 약 35 다인(dyne) 미만, 대안적으로 약 20 내지 약 30 다인의 표면 장력을 가질 수 있다. 점도는 하기 조건 하에서, 단일 간극 스테인리스강 컵 및 밥(bob)을 갖는 티에이 인스트루먼트 레오미터(TA Instrument Rheometer): 모델 AR-G2(디스커버리(Discovery) HR-2)를 사용하여 결정되는 바와 같이 cp 단위이다:
설정:
온도 25℃
지속기간 60.0초
변형률 % 2%
각주파수 10 rad/s
기하학적 구조: 40 mm 평행 플레이트(펠티어(Peltier) 강판)
수행 절차 정보:
컨디셔닝
온도 25C
사전 전단(pre-shear) 없음
평형 2분
정상 상태(steady state) 유동
램프(ramp) 1 내지 100 1/s
모드 - 로그
5개 점/디케이드(decade)
샘플 주기 10초
허용오차 내에 3 연속점을 갖는 5% 허용오차
유체 조성물에는, 미립자 물질이 액체 매트릭스 중에 분산된 혼합물 내에 존재하는 현탁 고형물 또는 고형물 입자가 실질적으로 없을 수 있다. 유체 조성물은 5 중량% 미만의 현탁 고형물, 대안적으로 4 중량% 미만의 현탁 고형물, 대안적으로 3 중량% 미만의 현탁물, 대안적으로 2 중량% 미만의 현탁 고형물, 대안적으로 1 중량% 미만의 현탁 고형물, 대안적으로 0.5 중량% 미만의 현탁 고형물을 가질 수 있거나, 현탁 고형물이 없을 수 있다 현탁 고형물은 일부 방향제 물질의 특성인 용해된 고형물과 구별될 수 있다.
유체 조성물은 방향제 혼합물에 부가하여 또는 이를 대체하여 다른 휘발성 물질들을 포함할 수 있는 것으로 고려되는데, 이들 물질은 휘발성 염료; 살충제 또는 방충제로서 기능하는 조성물; (예를 들어, 수면, 각성, 호흡기 건강 등의 상태를 돕기 위하여) 환경을 조절, 변경, 또는 그렇지 않다면 변경시키도록 작용하는 에센셜 오일 또는 물질; 탈취제 또는 악취 제어 조성물(예를 들어, 악취 중화 물질, 예컨대 (미국 특허 출원 공개 제2005/0124512호에 개시된 바와 같은) 반응성 알데하이드, 악취 차단 물질, 악취 차폐 물질, 또는 감각 변경(sensory modifying) 물질, 예컨대 (미국 특허 출원 공개 제2005/0124512호에 또한 개시된) 이오논을 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
방향제 혼합물
유체 조성물은 유체 조성물의 중량을 기준으로 약 50% 초과, 대안적으로 약 60% 초과, 대안적으로 약 70% 초과, 대안적으로 약 75% 초과, 대안적으로 약 80% 초과, 대안적으로 약 50% 내지 약 100%, 대안적으로 약 60% 내지 약 100%, 대안적으로 약 70% 내지 약 100%, 대안적으로 약 80% 내지 약 100%, 대안적으로 약 90% 내지 약 100%의 양으로 존재하는 방향제 혼합물을 함유할 수 있다. 유체 조성물은 전적으로 방향제 혼합물로 구성될 수 있다(즉, 100 중량%).
방향제 혼합물은 하나 이상의 방향제 원료를 함유할 수 있다. 원료 방향제 물질은 물질의 비등점(boiling point, "B.P.")에 기초하여 선택된다. 본 명세서에서 언급되는 B.P.는 760 mm Hg의 정상 표준 압력 하의 비등점이다. 표준 760 mm Hg에서의 많은 방향제 성분의 B.P.가 문헌["Perfume and Flavor Chemicals (Aroma Chemicals)," written and published by Steffen Arctander, 1969]에서 확인될 수 있다. 개별 성분들의 실험적으로 측정된 비등점이 이용가능하지 않은 경우, 값은 에이씨디/랩스(ACD/Labs)(캐나다 온타리오주 토론토 소재)로부터 입수가능한 비등점 피스켐(PhysChem) 모델에 의해 추정될 수 있다.
방향제 혼합물은 약 2.9 미만, 대안적으로 약 2.5 미만, 대안적으로 약 2.0 미만의 옥탄올-물 분배 계수(partitioning coefficient)("ClogP")의 몰-가중 평균 로그를 가질 수 있다. 개별 성분들의 실험적으로 측정된 logP가 이용가능하지 않은 경우, 값은 에이씨디/랩스(캐나다 온타리오주 토론토 소재)로부터 입수가능한 비등점 피스켐 모델에 의해 추정될 수 있다.
방향제 혼합물은 몰-가중 평균 B.P.가 250℃ 미만, 대안적으로 225℃ 미만, 대안적으로 200℃ 미만, 대안적으로 약 150℃ 미만, 대안적으로 약 150℃ 내지 약 250℃일 수 있다.
대안적으로, 방향제 혼합물의 약 3 중량% 내지 약 25 중량%는 몰-가중 평균 B.P.가 200℃ 미만이며, 대안적으로 방향제 혼합물의 약 5 중량% 내지 약 25 중량%는 몰-가중 평균 B.P.가 200℃ 미만이다.
본 발명의 목적을 위해, 방향제 혼합물 비등점은 상기 방향제 혼합물을 구성하는 개별 방향제 원료의 몰-가중 평균 비등점에 의해 결정된다. 개별 방향제 물질의 비등점이 공개된 실험 데이터로부터 알려져 있지 않은 경우, 이는 에이씨디/랩스로부터 입수가능한 비등점 피스켐 모델에 의해 결정된다.
표 1은 방향제 혼합물에 적합한 일부 비제한적인 예시적 개별 방향제 재료들을 열거한다.
[표 1]
Figure 112019102505669-pct00018
표 2는 총 몰 가중 평균 B.P.("몰-가중 평균 비등점")가 200℃ 미만인 예시적인 방향제 혼합물을 나타낸다. 몰-가중 평균 비등점을 계산함에 있어서, 결정하기 어려울 수 있는 방향제 원료의 비등점은 표 2에 예시된 바와 같이 방향제 원료가 총 방향제 혼합물의 15 중량% 미만을 구성한다면 무시될 수 있다.
[표 2]
Figure 112019102505669-pct00019
물
유체 조성물은 물을 포함할 수 있다. 유체 조성물은, 유체 조성물의 중량을 기준으로, 약 0.25 중량% 내지 약 9.5 중량%의 물, 대안적으로 약 0.25 중량% 내지 약 7.0 중량%의 물, 대안적으로 약 1% 내지 약 5%의 물, 대안적으로 약 1% 내지 약 3%의 물, 대안적으로 약 1% 내지 약 2%의 물의 양으로 물을 포함할 수 있다. 이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 약 2.5 미만의 몰-가중 평균 ClogP를 갖는 방향제 혼합물을 제형화함으로써, 물이 전체 조성물의 중량을 기준으로 약 0.25 중량% 내지 약 9.5 중량%, 대안적으로 약 0.25 중량% 내지 약 7.0 중량%의 수준으로 유체 조성물 내로 혼입될 수 있음이 밝혀졌다.
함산소 용매(oxygenated solvent)
유체 조성물은 하나 이상의 함산소 용매, 예를 들어 폴리올(하나 초과의 하이드록실 작용기를 포함하는 성분), 글리콜 에테르, 또는 폴리에테르를 함유할 수 있다.
폴리올을 포함하는 예시적인 함산소 용매는 에틸렌 글리콜, 다이에틸렌 글리콜, 트라이에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 다이프로필렌 글리콜, 및/또는 글리세린을 포함한다. 본 발명의 청향 조성물에 사용되는 폴리올은, 예를 들어 글리세린, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 다이프로필렌 글리콜일 수 있다.
폴리에테르를 포함하는 예시적인 함산소 용매는 폴리에틸렌 글리콜 및 폴리프로필렌 글리콜이다.
글리콜 에테르를 포함하는 예시적인 함산소 용매는 프로필렌 글리콜 메틸 에테르, 프로필렌 글리콜 페닐 에테르, 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트, 프로필렌 글리콜 n-부틸 에테르, 다이프로필렌 글리콜 n-부틸 에테르, 다이프로필렌 글리콜 n-프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 페닐 에테르, 다이에틸렌 글리콜 n-부틸 에테르, 다이프로필렌 글리콜 n-부틸 에테르, 다이에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르, 다이프로필렌 글리콜 메틸 에테르, 트라이프로필렌 글리콜 메틸 에테르, 트라이프로필렌 글리콜 n-부틸 에테르, 기타 글리콜 에테르, 또는 이들의 혼합물이다. 함산소 용매는 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 사용되는 글리콜은 다이에틸렌 글리콜일 수 있다.
함산소 용매는 조성물의 중량을 기준으로 약 0.01 중량% 내지 약 20 중량%, 대안적으로 전체 조성물의 중량을 기준으로 약 0.05 중량% 내지 약 10 중량%, 대안적으로 약 0.1 중량% 내지 약 5 중량%의 수준으로 조성물에 첨가될 수 있다.
유체 조성물은 방향제 혼합물, 폴리올, 및 물을 포함할 수 있다. 그러한 조성물에서, 유체 조성물이 유체 조성물의 중량을 기준으로 약 50% 내지 약 100%의 방향제 혼합물, 폴리올; 및 유체 조성물의 중량을 기준으로 약 0.25 중량% 내지 약 9.5 중량%의 물, 대안적으로 약 0.25 중량% 내지 약 7.0 중량%의 물을 포함하는 것이 바람직하다. 이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 방향제 혼합물을 포함하는 유체 조성물에의 물의 첨가는 유체 조성물의 비등점을 감소시키며, 이는 이어서 유체 조성물을 분무하는 데 필요한 에너지 또는 열을 감소시키는 것으로 여겨진다. 다이의 히터 상에서의 감소된 분사 온도의 결과로서, 더 적은 유체 조성물 및 유체 조성물의 더 적은 분해 생성물이 히터 상에 축적되는 것으로 여겨진다. 또한, 물이 각각의 분사시 노즐에서 유체 조성물의 더 많은 것을 분배함으로써 스프레이율을 증가시키며, 이는 원하는 스프레이율을 위한 요구되는 노즐들의 감소된 개수 또는 미세유체 다이의 각각의 노즐의 더 적은 분사 횟수를 초래하여, 노즐에 대한 수명을 증가시키는 것으로 여겨진다. 물의 혼입을 용이하게 하기 위하여, 방향제 혼합물은 약 2.9 미만의 몰 가중 평균 ClogP를 가질 수 있다.
기능성 방향제 성분
유체 조성물은 기능성 방향제 성분(functional perfume component, "FPC")을 함유할 수 있다. FPC는 전통적인 유기 용매 또는 휘발성 유기 화합물(volatile organic compound, "VOC")과 유사한 증발 특성을 가진 한 부류의 방향제 원료이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "VOC"는, 20℃에서 측정된 증기압이 0.2 mm Hg 초과이고 방향제 증발을 돕는 휘발성 유기 화합물을 의미한다. 예시적인 VOC는 하기의 유기 용매를 포함한다: 다이에틸렌 글리콜 에틸 에테르, 다이에틸렌 글리콜 메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 메틸 에테르, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸의 다이프로필렌 글리콜 에스테르, 휘발성 실리콘유, 3-메톡시-3-메틸-1-부탄올("MMB"), 및 다이프로필렌 글리콜 메틸 에테르("DPM"), 또는 도와놀(Dowanol)™ 글리콜 에테르의 상표명의 임의의 VOC. VOC는 방향제 증발을 돕기 위해 유체 조성물 중에 20% 초과의 수준으로 흔히 사용된다.
FPC는 방향제 물질의 증발을 보조하고, 쾌락적 향기의 이점을 제공할 수 있다. FPC는 전체 조성물의 방향제 특성에 부정적으로 영향을 주지 않고서 비교적 큰 농도로 사용될 수 있다. 이와 같이, 유체 조성물에는 VOC가 실질적으로 없을 수 있는데, 이는 유체 조성물이 조성물의 중량을 기준으로 18% 이하, 대안적으로 6% 이하, 대안적으로 5% 이하, 대안적으로 1% 이하, 대안적으로 0.5% 이하의 VOC를 갖는 것을 의미한다. 유체 조성물에는 VOC가 없을 수 있다.
FPC로서 적합한 방향제 물질은 위에서 한정된 바와 같이 약 800 내지 약 1500, 대안적으로 약 900 내지 약 1200, 대안적으로 약 1000 내지 약 1100, 대안적으로 약 1000의 KI를 가질 수 있다.
FPC로서 사용하기에 적합한 방향제 물질은 또한, 주어진 방향제 특성 향기 캠프(camp)에 대한 비-극성 향기 특성 및 냄새 검출 역치(odor detection threshold, "ODT")를 사용하여 규정될 수 있다. ODT는 화염 이온화 및 흡입구가 갖추어진 시판되는 GC를 사용하여 결정될 수 있다. GC는 주사기에 의해 주입되는 물질의 정확한 부피, 정확한 분할 비와, 공지된 농도 및 사슬 길이 분포의 탄화수소 표준물을 사용한 탄화수소 반응성을 결정하기 위하여 보정된다. 공기 유량을 정확하게 측정하며, 12초간 지속되는 사람 흡입 지속 시간을 가정하여 표본 추출되는 부피를 계산한다. 임의의 시점에서의 검출기에서의 정확한 농도는 알려져 있기 때문에 흡입되는 부피 당 질량은 알려져 있으며 물질의 농도가 계산될 수 있다. 물질이 50 ppb 미만의 역치를 가지는지를 결정하기 위하여, 용액을 역계산한 농도로 흡입구에 전달한다. 참가자는 GC 유출물을 코로 흡입하며 냄새가 인지되는 체류 시간을 확인한다. 모든 참가자의 평균으로 인지성의 역치를 결정한다. 필요량의 분석물을 컬럼 상으로 주입하여 검출기에서의 50 ppb의 농도를 성취한다. ODT를 결정하기 위한 전형적인 GC 파라미터가 이하에서 열거된다. 본 시험은 장비와 관련한 지침에 따라 실시한다.
장비:
GC: FID 검출기가 있는 5890 시리즈(애질런트 테크놀로지즈, 인더스트리(Agilent Technologies, Ind.), 미국 캘리포니아주 팔로 알토 소재)
7673 자동 시료 주입기(애질런트 테크놀로지즈, 인더스트리, 미국 캘리포니아주 팔로 알토 소재);
컬럼: DB-1 (애질런트 테크놀로지즈, 인더스트리, 미국 캘리포니아주 팔로 알토 소재) 길이 30 m, 내경 0.25 mm, 필름 두께 1 마이크로미터(분리가 일어나게 하는 선택적인 분배를 제공하는, 모세관의 내벽 상의 중합체 층).
방법 상의 파라미터:
분할 주입: 17/1의 분할 비
자동 시료 주입기: 주입 당 1.13 마이크로리터
컬럼 유량: 1.10 mL/min
공기 유량: 345 mL/min
입구 온도 245℃;
검출기 온도 285℃
온도 정보:
초기 온도: 50℃;
속도: 5C/min;
최종 온도: 280℃;
최종 시간: 6분;
주요 가정: (i) 흡입 당 12초
(ii) GC 공기는 샘플 희석을 보조한다.
FPC는 약 1.0 십억 분율(part per billion, "ppb") 초과, 대안적으로 약 5.0 ppb 초과, 대안적으로 약 10.0 ppb 초과, 대안적으로 약 20.0 ppb 초과, 대안적으로 약 30.0 ppb 초과, 대안적으로 약 0.1 ppm(part per million) 초과의 ODT를 가질 수 있다.
유체 조성물 내의 FPC들은 약 900 내지 약 1400; 대안적으로 약 1000 내지 약 1300 범위의 KI를 가질 수 있다. 이들 FPC는 에테르, 알코올, 알데히드, 아세테이트, 케톤, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
FPC는 휘발성이고 낮은 B.P.의 방향제 물질일 수 있다. 예시적인 FPC는 아이소-노닐 아세테이트, 다이하이드로 미르센올 (3-메틸렌-7-메틸 옥탄-7-올), 리날로올 (3-하이드록시-3, 7-다이메틸-1, 6 옥타디엔), 제라니올 (3, 7 다이메틸-2, 6-옥타디엔-1-올), d-리모넨 (1-메틸-4-아이소프로페닐-1-사이클로헥산, 벤질 아세테이트, 아이소프로필 미스트리스테이트, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 표 3에는 소정의 FPC의 예시적인 특성들에 대한 대략적인 보고된 값이 열거되어 있다.
[표 3]
Figure 112019102505669-pct00020
방향제 혼합물 내의 FPC들의 총량은 방향제 혼합물의 약 50 중량% 초과, 대안적으로 약 60 중량% 초과, 대안적으로 약 70 중량% 초과, 대안적으로 약 75 중량% 초과, 대안적으로 약 80 중량% 초과, 대안적으로 약 50 중량% 내지 약 100 중량%, 대안적으로 약 60 중량% 내지 약 100 중량%, 대안적으로 약 70 중량% 내지 약 100 중량%, 대안적으로 약 75 중량% 내지 약 100 중량%, 대안적으로 약 80 중량% 내지 약 100 중량%, 대안적으로 약 85 중량% 내지 약 100 중량%, 대안적으로 약 90 중량% 내지 약 100 중량%, 대안적으로 약 100 중량%일 수 있다. 방향제 혼합물은 전적으로 FPC로 이루어질 수 있다(즉, 100 중량%).
표 4에는 FPC들을 포함하는 비제한적인 예시적인 유체 조성물 및 이들 FPC의 KI와 B.P.에 대해 보고된 근사값이 열거되어 있다.
[표 4]
Figure 112019102505669-pct00021
유체 조성물을 제형할 때, 용제, 희석제, 증량제, 정착제, 점증제 등을 또한 포함할 수 있다. 이러한 물질의 비제한적 예로는 에틸 알코올, 카르비톨, 다이에틸렌 글리콜, 다이프로필렌 글리콜, 다이에틸 프탈레이트, 트라이에틸 시트레이트, 아이소프로필 미리스테이트, 에틸 셀룰로오스, 및 벤질 벤조에이트가 있다.
사용 방법
미세유체 전달 장치(10)는 유체 조성물을 공기 중으로 전달하는 데 사용될 수 있다. 미세유체 전달 장치(10)는 또한 공간 내의 하나 이상의 표면 상의 궁극적인 침착을 위해 유체 조성물을 공기 중으로 전달하는 데 사용될 수 있다. 예시적인 표면은 카운터, 기구, 바닥 등과 같은 경질 표면을 포함한다. 예시적인 표면은 또한 카펫, 가구, 의류, 침구, 린넨, 커튼 등을 포함한다. 미세유체 전달 장치는 주택, 사무실, 사업장, 개방 공간, 자동차, 임시 공간 등에 사용될 수 있다. 미세유체 전달 장치는 청향, 악취 제거, 방충제 등에 사용될 수 있다.
본 명세서에 개시된 치수 및 값은 언급된 정확한 수치 값으로 엄격하게 제한되는 것으로 이해되어서는 안 된다. 대신에, 달리 명시되지 않는 한, 각각의 그러한 치수는 언급된 값과, 그 값 부근의 기능적으로 등가인 범위 둘 모두를 의미하도록 의도된다. 예를 들어, "40 mm"로 개시된 치수는 "약 40 mm"를 의미하는 것으로 의도된다.
본 명세서 전반에 제시된 모든 최대 수치 제한은, 모든 더 낮은 수치 제한이 마치 본 명세서에 명시적으로 기재된 것처럼 이러한 더 낮은 수치 제한을 포함하는 것임을 알아야 한다. 본 명세서 전반에 걸쳐 주어진 모든 최소 수치 제한은 모든 더 높은 수치 제한이 마치 본 명세서에 명시적으로 기재된 것처럼 그러한 더 높은 수치 제한을 포함할 것이다. 본 명세서 전반에 걸쳐 주어진 모든 수치 범위는 그러한 더 넓은 수치 범위 내에 있는 모든 더 좁은 수치 범위가 마치 본 명세서에 모두 명시적으로 기재된 것처럼 그러한 더 좁은 수치 범위를 포함할 것이다.
임의의 상호 참조된 또는 관련된 특허 또는 출원, 및 이러한 출원이 우선권을 주장하거나 그의 이익을 청구하는 임의의 특허 출원 또는 특허를 비롯한, 본 명세서에 인용된 모든 문헌은 이에 의해, 명백히 배제되거나 달리 제한되지 않는 한, 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다. 어떠한 문헌의 인용도 본 명세서에 개시된 또는 청구된 임의의 발명에 대한 종래 기술인 것으로 인정되거나, 또는 독립적으로 또는 임의의 다른 참조 문헌 또는 참조 문헌들과의 임의의 조합으로 임의의 이와 같은 발명을 교시, 제안 또는 개시하는 것으로 인정되지 않는다. 또한, 본 문헌의 용어의 임의의 의미 또는 정의가 참고로 포함된 문헌의 동일한 용어의 임의의 의미 또는 정의와 상충되는 경우에는, 본 문헌의 용어에 부여된 의미 또는 정의가 우선할 것이다.
본 발명의 특정한 실시예가 예시되고 설명되었지만, 다양한 다른 변경과 수정이 본 발명의 사상과 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주 내에 있는 모든 그러한 변경 및 수정을 첨부된 청구범위에서 포함하고자 한다.

Claims (15)

  1. 미세유체 전달 장치(microfluidic delivery device)로서,
    전원과 전기적으로 연결가능한 하우징;
    상기 하우징과 해제가능하게 연결가능한 카트리지로서, 상기 카트리지는 유체 조성물을 수용하기 위한 저장조 및 상기 저장조와 유체 연통하는 미세유체 다이(die)를 포함하고, 상기 저장조는 상단 표면, 상기 상단 표면의 반대편에 있는 저부 표면, 및 상기 상단 표면과 상기 저부 표면을 연결하는 측벽을 포함하며, 상기 미세유체 다이는 상기 유체 조성물의 실질적으로 전부를 수평 방향으로 또는 수평에 대해 하향 방향으로 분배하도록 구성되고, 상기 수평은 중력 방향에 수직인, 상기 카트리지;
    상기 하우징과 연결되는 팬(fan)으로서, 상기 미세유체 다이로부터 분배된 상기 유체 조성물을 수평에 대해 상향 방향으로 방향전환시키는 공기 유동을 생성하도록 구성되는, 상기 팬; 및
    상기 팬으로부터 상기 하우징의 공기 출구로 연장되는 공기 유동 채널을 포함하고,
    상기 미세유체 다이로부터 분배된 상기 유체 조성물은 상기 팬에 의해 발생되어 상기 공기 출구를 빠져나가는 공기 유동과 수렴하는, 미세유체 전달 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미세유체 다이는 상기 저장조의 저부 표면 또는 측벽 상에 배치되는, 미세유체 전달 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공기 유동 채널은 상기 팬에 인접하게 배치되는 제1 영역, 상기 공기 출구에 인접하게 배치되는 제2 영역, 및 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 결합시키는 제3 영역을 포함하며, 적어도 상기 제2 영역은 수평에 대해 상기 공기 출구로 상향으로 경사지는, 미세유체 전달 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제3항에 있어서, 상기 공기 유동 채널은 상부 표면 및 하부 표면을 포함하고, 상기 상부 표면은 배플(baffle) 및 상기 배플에 인접하게 배치된 유체 조성물 출구를 포함하고, 상기 배플은 상기 유체 조성물 출구의 상류에 배치되고 상기 공기 유동 채널 내로 돌출되는, 미세유체 전달 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 공기 유동 채널은 스크린을 포함하는, 미세유체 전달 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 카트리지는 스펀지를 포함하는, 미세유체 전달 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유체 조성물은 방향제를 포함하는, 미세유체 전달 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 미세유체 다이는 압전 결정체(piezoelectric crystal) 또는 히터를 포함하는, 미세유체 전달 장치.
  11. 유체 조성물을 미세유체 장치를 이용하여 분배하는 방법으로서,
    유체 조성물을 미세유체 전달 장치로부터 수평 방향으로 또는 수평에 대해 하향 방향으로 공기 중으로 분배하는 단계;
    팬으로부터 공기 유동 채널을 통해 하우징의 공기 출구 밖으로, 그리고 상기 유체 조성물을 향해 공기 유동을 지향시키는 단계; 및
    상기 팬에 의해 발생되어 상기 공기 출구를 빠져나가는 상기 공기 유동을 분사된 유체 조성물과 수렴시켜 상기 유체 조성물을 수평에 대해 상향으로 방향전환시키는 단계로서, 상기 공기 유동은 상기 공기 유동 및 상기 유체 조성물이 수렴하는 지점에서 상기 유체 조성물보다 더 큰 운동량으로 이동하는, 상기 단계
    를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 유체 조성물은 방향제를 포함하는, 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 미세유체 전달 장치는 압전 결정체 또는 히터를 포함하는 미세유체 다이를 포함하는, 방법.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 미세유체 전달 장치는 하우징, 상기 하우징과 해제가능하게 연결가능한 카트리지, 및 팬을 포함하는, 방법.
  15. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 미세유체 전달 장치는 상기 팬으로부터 하우징의 공기 출구로 연장되는 공기 유동 채널을 추가로 포함하고, 상기 공기 유동 채널은 상기 팬에 인접하게 배치되는 제1 영역, 상기 공기 출구에 인접하게 배치되는 제2 영역, 및 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 결합시키는 제3 영역을 포함하며, 적어도 상기 제2 영역은 수평에 대해 상기 공기 출구로 상향으로 경사지는, 방법.
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