KR102382908B1 - 동적 유체를 고정하기 위한 장치 - Google Patents

동적 유체를 고정하기 위한 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102382908B1
KR102382908B1 KR1020217022561A KR20217022561A KR102382908B1 KR 102382908 B1 KR102382908 B1 KR 102382908B1 KR 1020217022561 A KR1020217022561 A KR 1020217022561A KR 20217022561 A KR20217022561 A KR 20217022561A KR 102382908 B1 KR102382908 B1 KR 102382908B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hierarchical
microns
cassie
contact
wenzel
Prior art date
Application number
KR1020217022561A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210093370A (ko
Inventor
루카스 블뤼햐
마이클 밀보커
Original Assignee
비브이더블유 홀딩 에이쥐
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 비브이더블유 홀딩 에이쥐 filed Critical 비브이더블유 홀딩 에이쥐
Publication of KR20210093370A publication Critical patent/KR20210093370A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102382908B1 publication Critical patent/KR102382908B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B9/00—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00
    • B32B9/04—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising such particular substance as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B9/042—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising such particular substance as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of wood
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A41—WEARING APPAREL
    • A41D—OUTERWEAR; PROTECTIVE GARMENTS; ACCESSORIES
    • A41D19/00—Gloves
    • A41D19/0055—Plastic or rubber gloves
    • A41D19/0082—Details
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00206—Processes for functionalising a surface, e.g. provide the surface with specific mechanical, chemical or biological properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B17/00—Methods preventing fouling
    • B08B17/02—Preventing deposition of fouling or of dust
    • B08B17/06—Preventing deposition of fouling or of dust by giving articles subject to fouling a special shape or arrangement
    • B08B17/065—Preventing deposition of fouling or of dust by giving articles subject to fouling a special shape or arrangement the surface having a microscopic surface pattern to achieve the same effect as a lotus flower
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B21/00—Layered products comprising a layer of wood, e.g. wood board, veneer, wood particle board
    • B32B21/02—Layered products comprising a layer of wood, e.g. wood board, veneer, wood particle board the layer being formed of fibres, chips, or particles, e.g. MDF, HDF, OSB, chipboard, particle board, hardboard
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B21/00—Layered products comprising a layer of wood, e.g. wood board, veneer, wood particle board
    • B32B21/04—Layered products comprising a layer of wood, e.g. wood board, veneer, wood particle board comprising wood as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B21/042—Layered products comprising a layer of wood, e.g. wood board, veneer, wood particle board comprising wood as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of wood
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B21/00—Layered products comprising a layer of wood, e.g. wood board, veneer, wood particle board
    • B32B21/04—Layered products comprising a layer of wood, e.g. wood board, veneer, wood particle board comprising wood as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B21/06—Layered products comprising a layer of wood, e.g. wood board, veneer, wood particle board comprising wood as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of paper or cardboard
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B21/00—Layered products comprising a layer of wood, e.g. wood board, veneer, wood particle board
    • B32B21/04—Layered products comprising a layer of wood, e.g. wood board, veneer, wood particle board comprising wood as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B21/08—Layered products comprising a layer of wood, e.g. wood board, veneer, wood particle board comprising wood as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of synthetic resin
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B21/00—Layered products comprising a layer of wood, e.g. wood board, veneer, wood particle board
    • B32B21/10—Next to a fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B25/00—Layered products comprising a layer of natural or synthetic rubber
    • B32B25/04—Layered products comprising a layer of natural or synthetic rubber comprising rubber as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B25/042—Layered products comprising a layer of natural or synthetic rubber comprising rubber as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of natural rubber or synthetic rubber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B25/00—Layered products comprising a layer of natural or synthetic rubber
    • B32B25/04—Layered products comprising a layer of natural or synthetic rubber comprising rubber as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B25/08—Layered products comprising a layer of natural or synthetic rubber comprising rubber as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of synthetic resin
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B25/00—Layered products comprising a layer of natural or synthetic rubber
    • B32B25/12—Layered products comprising a layer of natural or synthetic rubber comprising natural rubber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B25/00—Layered products comprising a layer of natural or synthetic rubber
    • B32B25/14—Layered products comprising a layer of natural or synthetic rubber comprising synthetic rubber copolymers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/06—Layered products comprising a layer of synthetic resin as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B27/08—Layered products comprising a layer of synthetic resin as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of synthetic resin
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/06—Layered products comprising a layer of synthetic resin as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B27/10—Layered products comprising a layer of synthetic resin as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of paper or cardboard
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/12—Layered products comprising a layer of synthetic resin next to a fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/16—Layered products comprising a layer of synthetic resin specially treated, e.g. irradiated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/28—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising synthetic resins not wholly covered by any one of the sub-groups B32B27/30 - B32B27/42
    • B32B27/281—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising synthetic resins not wholly covered by any one of the sub-groups B32B27/30 - B32B27/42 comprising polyimides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/28—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising synthetic resins not wholly covered by any one of the sub-groups B32B27/30 - B32B27/42
    • B32B27/283—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising synthetic resins not wholly covered by any one of the sub-groups B32B27/30 - B32B27/42 comprising polysiloxanes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/30—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising vinyl (co)polymers; comprising acrylic (co)polymers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/30—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising vinyl (co)polymers; comprising acrylic (co)polymers
    • B32B27/308—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising vinyl (co)polymers; comprising acrylic (co)polymers comprising acrylic (co)polymers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/32—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising polyolefins
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/32—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising polyolefins
    • B32B27/322—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising polyolefins comprising halogenated polyolefins, e.g. PTFE
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/36—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising polyesters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/36—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising polyesters
    • B32B27/365—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising polyesters comprising polycarbonates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/40—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising polyurethanes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B29/00—Layered products comprising a layer of paper or cardboard
    • B32B29/002—Layered products comprising a layer of paper or cardboard as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B29/005—Layered products comprising a layer of paper or cardboard as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material next to another layer of paper or cardboard layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B29/00—Layered products comprising a layer of paper or cardboard
    • B32B29/02—Layered products comprising a layer of paper or cardboard next to a fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B29/00—Layered products comprising a layer of paper or cardboard
    • B32B29/08—Corrugated paper or cardboard
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B3/00—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form
    • B32B3/26—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by a particular shape of the outline of the cross-section of a continuous layer; characterised by a layer with cavities or internal voids ; characterised by an apertured layer
    • B32B3/30—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by a particular shape of the outline of the cross-section of a continuous layer; characterised by a layer with cavities or internal voids ; characterised by an apertured layer characterised by a layer formed with recesses or projections, e.g. hollows, grooves, protuberances, ribs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/22—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed
    • B32B5/24—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being a fibrous or filamentary layer
    • B32B5/26—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being a fibrous or filamentary layer another layer next to it also being fibrous or filamentary
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B9/00—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00
    • B32B9/02—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising animal or vegetable substances, e.g. cork, bamboo, starch
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B9/00—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00
    • B32B9/04—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising such particular substance as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B9/00—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00
    • B32B9/04—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising such particular substance as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B9/045—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising such particular substance as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of synthetic resin
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B9/00—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00
    • B32B9/04—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising such particular substance as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B9/047—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising such particular substance as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material made of fibres or filaments
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A41—WEARING APPAREL
    • A41D—OUTERWEAR; PROTECTIVE GARMENTS; ACCESSORIES
    • A41D2500/00—Materials for garments
    • A41D2500/50—Synthetic resins or rubbers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/08—Regulating or influencing the flow resistance
    • B01L2400/084—Passive control of flow resistance
    • B01L2400/086—Passive control of flow resistance using baffles or other fixed flow obstructions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502746—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the means for controlling flow resistance, e.g. flow controllers, baffles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2255/00—Coating on the layer surface
    • B32B2255/20—Inorganic coating
    • B32B2255/205—Metallic coating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2255/00—Coating on the layer surface
    • B32B2255/26—Polymeric coating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2262/00—Composition or structural features of fibres which form a fibrous or filamentary layer or are present as additives
    • B32B2262/06—Vegetal fibres
    • B32B2262/062—Cellulose fibres, e.g. cotton
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2262/00—Composition or structural features of fibres which form a fibrous or filamentary layer or are present as additives
    • B32B2262/06—Vegetal fibres
    • B32B2262/062—Cellulose fibres, e.g. cotton
    • B32B2262/067—Wood fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2270/00—Resin or rubber layer containing a blend of at least two different polymers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2274/00—Thermoplastic elastomer material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/30—Properties of the layers or laminate having particular thermal properties
    • B32B2307/304—Insulating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/70—Other properties
    • B32B2307/716—Degradable
    • B32B2307/7163—Biodegradable
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/70—Other properties
    • B32B2307/728—Hydrophilic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/70—Other properties
    • B32B2307/73—Hydrophobic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2535/00—Medical equipment, e.g. bandage, prostheses or catheter
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/05—Microfluidics
    • B81B2201/058—Microfluidics not provided for in B81B2201/051 - B81B2201/054
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/03—Static structures
    • B81B2203/0361—Tips, pillars
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2207/00—Microstructural systems or auxiliary parts thereof
    • B81B2207/05—Arrays
    • B81B2207/056—Arrays of static structures

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

본 개시 내용은 미세구조화된 소수적 표면 및 습윤 변형 가능 표면을 파지하기 위한 장치를 제공한다. 본원에서 개시된 표면 및 장치는 다수-레벨 Wenzel-Cassie 구조물을 생성하기 위한 분할 접촉 Wenzel-Cassie 메커니즘을 이용한다. Wenzel-Cassie 구조물은, 미세구조물 또는 장치가 접촉되도록 설계된 습윤 변형 가능 표면의 적어도 하나의 주름 고유모드에 상응하는 공간적 주기로 분리되어, 활주가 없이 변형 가능 표면을 파지할 수 있다. 본 발명의 미세구조물은, 전단력이 변형 가능 표면에 인가될 때, Shallamach 파동의 형성을 방지하도록 특별히 설계된다. 본 개시 내용의 다수-레벨 Wenzel-Cassie 상태는 일시적으로 발생되고, 그에 따라, 활주의 경우에 그리고 더 중요하게 국소화의 경우에, 계층적 유체 고정을 특징으로 한다.

Description

동적 유체를 고정하기 위한 장치{DEVICE FOR DYNAMIC FLUID PINNING}
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은, 전체가 본원에 참조로 포함되는, 2017년 9월 28일자로 출원된 미국 가출원 제62/564,783호의 이익을 주장한다.
본 개시 내용은 일반적으로 미세구조화된 표면 및 이를 포함하는 장치에 관한 것이다. 본원에서 개시된 표면은 미세구조화된 표면과 변형 가능 표면 사이의 액체 계면에서 활주를 방지하거나 최소화하는데 있어서 유용하다. 미세구조화된 표면은 소수적 표면 상의 미세피쳐(microfeature)의 계층적 배열을 가질 수 있고, 접촉 각도 이력(contact angle hysteresis)을 증가시키기 위해서 동적 유체 고정(pinning)을 이용할 수 있으며, 그에 의해서 척력적인 대신 인력적인(adherent) 표면을 제공할 수 있다.
습윤은 액체 상과 고체 상 사이의 관계이고, 습윤은 유체 고정에 있어서 필수적이다. 습윤은 액체와 고체 표면 사이의 계면에서의 접촉 각도를 특징으로 한다. 접촉 각도는 액체와 고체 사이의 분자간 상호 작용을 나타내고, 여기에서 상호 작용의 에너지가 최소화된다. 접촉 각도는 또한 접착력과 응집력 사이의 힘의 균형과 연관될 수 있다. 습윤은 2개의 재료의 결합 또는 접착에 있어서 중요하다.
2가지 유형의 습윤: 비-반응적 (정적) 습윤 및 능동적 (동적) 습윤이 있다. 액체와 고체 사이의 접착력은 액체 방울이 고체의 표면에 걸쳐 확전(spread)되게 한다(Wenzel 습윤). 액체 내의 응집력은 방울이 구르게 하고 표면과 접촉되는 것을 방지한다(Cassie-Baxter 습윤). 접착력 및 응집력의 병치는 유체 고정을 초래하고, 이는 본질적으로 유체가 표면 상에서 접착적으로 확전하려는 경향과 표면 상에서의 부착 및 확전을 저지하는 유체의 경향 사이의 균형이다.
접촉 각도는 표면 텍스쳐(surface texture) 및 관련 상들의 화학적 조성의 복합적인 작용이다. 표면 텍스쳐 상의 액체에서 접촉 각도가 작을 때, 액체-고체 계면은 Wenzel 상태에 있다고 한다. 표면 텍스쳐 상의 액체에서 접촉 각도가 클 때, 액체-고체 계면은 Cassie-Baxter 상태에 있다고 한다. 액체의 일부가 Wenzel 상태에 있고 액체의 다른 부분이 Cassie-Baxter 상태에 있을 때, 조합된 상태는 Wenzel-Cassie 상태에 있다고 한다.
Wenzel-Cassie 표면 텍스쳐는, 접촉 각도의 전진(advancing)과 후퇴(receding) 사이에 큰 차이(접촉 각도 이력)가 있는 상태를 초래한다. Wenzel-Cassie 상태는, 적어도 하나의 위치에 적어도 하나의 Wenzel 상태가 있고 다른 위치에 적어도 하나의 Cassie-Baxter 상태가 있는, 표면 상의 복합 상태이다. Wenzel 상태(습윤 상태)는 작은 접촉 각도를 특징으로 한다. Cassie-Baxter 상태(탈-습윤 상태)는 큰 접촉 각도를 특징으로 한다. 유체 고정을 초래하는 것은 병치된 이러한 2개의 상태의 반대되는 속성이다.
유체 고정은, 미세구조화된 표면과 접촉되는 유체가 국소화되는(localized) 상태이다. 유체 고정은 일반적인 용어이고, 가능한 양태를 이해하는데 있어서 특수성(specificity)이 중요할 때, Wenzel-Cassie 표면 상의 유체 고정을 Wenzel-Cassie 고정으로 지칭할 것이다.
계층적 Wenzel-Cassie 상태는 다수의 공간적인 스케일 레벨(spatial scale level)을 가지는 미세구조화된 표면 상에서 생성된다. 각각의 레벨은 Wenzel 상태 또는 Cassie-Baxter 상태를 개별적으로 또는 함께 유도할 수 있거나, Wenzel의 상태 및 Cassie-Baxter 상태의 쌍이 공간적 스케일 레벨들 사이에서 조합되어 생성될 수 있다.
Wenzel-Cassie 상태는 3개 상의 현상이고, 통상적으로 표면 텍스쳐의 치수에 의해서 매개되는 고체, 액체 및 기체 접촉으로 구성된다. 덜 일반적으로, Wenzel-Cassie 상태는 고체, 수성 액체 및 지질 상을 포함할 수 있다. Wenzel-Cassie 상태는, 큰 표면 에너지의 미세구조물과 낮은 표면 에너지의 미세구조물의 공간적 병치를 특징으로 한다. 대안적으로, 미세구조물들의 병치는, 다른 미세구조물에 비해서 더 소수적인, 또는 친지질적(lipophilic)인 그리고 달리 친수적인 하나의 미세구조물을 특징으로 할 수 있다.
표면 에너지의 개념은 습윤 현상의 분석에 있어서 핵심이다. 고체 또는 액체의 표면에서의 원자 또는 분자는, 고체 또는 액체의 벌크(bulk) 내의 것에 비해서, 이웃 원자와 더 적은 결합을 갖는다. 표면이 생성될 때 결합들을 파괴하기 위해서 에너지가 소비된다. 결과적으로, 표면에서의 원자는 더 큰 에너지를 갖는다. 액체 액적(liquid droplet)이 고체 표면 상에 배치되는 경우에, 액체 표면과 고체 표면은 정적 접촉 각도로 지칭되는 특성적인 각도에서 함께 평형에 도달한다. 접촉 각도는 고체-소수적, 고체-친수적, 및 친수적-소수적 계면의 표면 에너지와 관련된다.
동적 Wenzel-Cassie 미세구조물은, 다수의 Wenzel 상태 및 Cassie-Baxter 상태 쌍이 일시적으로 위에 생성되는 계층적 텍스쳐이다. 액체 환경에 노출될 때, 미세구조화된 표면 상의 Cassie-Baxter 상태 및 Wenzel 상태가 생성된다. 전형적으로, 미세구조화된 장치와 변형 가능 표면 사이의 계면에 액체 환경이 존재한다.
비-병진운동적 상태에서 또는 무한소 병진운동 상태(infinitesimal translation state)에서, 유체 고정이 일시적으로 발전될 때, 결과적으로 계층적 고정이 초래된다. 계층적 고정은 Wenzel-Cassie 고정과 구별된다. Wenzel-Cassie 고정은 열역학적 평형의 정적 상태이다. 계층적 고정은, 심지어 무한소 병진운동의 부재시에도, 열역학적으로 평형이 아닌 동적 상태이고; 또는 무한소 병진운동을 초래하는 힘의 인가에 의해서 열역학적 평형을 벗어난다. 전자의 경우에, 수성-공기 또는 수성-지질 계면의 증발은 힘이 인가되지 않는 상태에서 유체 고정 구조물을 일시적으로 생성할 수 있다. 사실상, 심지어 액체 계면 내의 브라운 운동(Brownian motion)이 유체 고정 구조물 수정을 일으킬 수 있다. 계층적 고정을 특징으로 하는 이러한 동적 양태는, 의도적인 것이든 또는 주변에 의한 것(ambient)이든 간에, 환경적 상호 작용에 기인한다.
Cassie-Baxter 상태 및 Wenzel 상태는 일반적으로 동적이 아니다. 그러나, 대부분의 고체 습윤은 동적이다. 따라서, 이러한 상태들은 특정의 극단적으로 단순한 상황에서만 존재한다. 일반적인 경우에, 접촉 각도는 삼중선(triple line)에 따라 달라진다. 삼중선은 계면 표면과 접촉되나, 방울의 나머지와 같이 계면 표면 상에 놓일 수 없다. 순수 Cassie-Baxter 이론 또는 Wenzel 이론을 만족시키기 위해서, 삼중선이 비물리적 불연속성을 포함하여야 할 수 있다. Cassie-Baxter 방정식을, 삼중선이 최소화된 에너지 상태를 반드시 따라야 하는 원리와 이론적으로 연관시키기 위해서, 그러한 상태에 대한 동적 양태가 존재한다는 것을 가정하여야 한다.
그러한 상태의 동적 양태는 종종 전구체 필름으로 지칭된다. 마이크로미터 이하의 두께를 가지는 이러한 필름은 액적(또는 2개의 표면들 사이의 계면)의 이동에 앞서서 전진되고 삼중선 주위에서 발견된다. 중요하게, 전구체 필름은 삼중선이 굽혀질 수 있게 하고 불연속성을 방지하는 상이한 구조들을 취할 수 있게 한다. 전구체 필름 개념의 도입으로, 삼중선은 에너지적으로 실행 가능한 구조를 따를 수 있고 그에 의해서 Cassie-Baxter 모델의 예측을 따를 수 있다. 전구체 필름 이론에서의 중요한 성분은, 특성적으로 속성이 일시적인, 모세관 작용이다.
다수-레벨 미세구조물 상에서, 계면은 계층적으로 형성된 범위들 사이에 존재하고, 그 중 하나의 범위는 친수적이고 그 중 다른 범위는 소수적 또는 친유적이다. 친수적 범위는 혼합된 물-지방산 상과 평형을 이루는 물 습윤 표면이고, 소수적 범위는 동일한 혼합된 물-지방산 상과 평형을 이루는 포화 지방산 습윤 표면이다.
여기에서 계층적 미세구조화된 표면에 맞춰 구성된, 전구체 필름 이론의 맥락에서, 부분적 습윤의 일반적인 상태는 얇은 Wenzel-Cassie 고정된 지방산 액체 필름과 연관된 거시적 지방산 액체 방울로 구성되고, Wenzel-Cassie 고정의 Wenzel-부분은 물이다. 다른 한편으로, Wenzel-Cassie 상태에서의 완전한 습윤의 상태는, 물 표면에 균질하게 확전된, 거시적 포화 지방산 액체 층에 상응한다. 중단된(frustrated) 습윤의 중간 상태는 중시적(mesoscopic) 지방산 필름으로 구성되고, 그러한 필름의 상단부에는 유한 접촉 각도를 가지는 지방산 방울이 형성될 수 있다. 부분적 습윤으로부터 완전한 습윤으로의 전이가 하나의 단계로 발생되지 않는다는 것이 문헌에서 알려져 있다. 온도 및 압력이 확실하게 분리된, 2개의 구분된 전이가 발생된다. 하나의 전이는 이력을 갖는 일반적인 1-차 습윤 전이와 유사하고, 다른 전이는 연속적이다.
중단된 습윤은 하나의 계층적 구조물 상에 형성되는 중시적으로 두꺼운 필름을 지칭하고, 그 형성은 계층적 레벨들 사이의 소수적 계면과 친수적 계면 사이의 상호 작용 자유 에너지의 장범위 테일(long-range tail)에 의해서 매개된다. 계층적 레벨의 상대적인 크기 및 그 소수성에 따라서, 거시적으로 두꺼운 습윤 층의 형성이 촉진되거나 방지된다. 친수적 범위가 클 때, 계면은 지방산에 의한 거시적 습윤에 대해서 반대로 작용한다. 따라서, 반대적인 반데르발스력이 완전한 습윤을 중단시키는 한편, 모든 다른 힘의 기여분의 효과는 완전한 습윤을 촉진한다.
관련된 현상은 접촉 표면 중단이다. 이러한 현상에서, 접촉 표면은, 계층적 지형에 의해서 부여되는 경계 조건에 의해서 일반적으로 생성되는, 준안정 상태이다. 하나의 상태에서, 소수적 상에 유리한 접촉 표면이 생성되고, 다른 상태에서 친수적 상에 유리한 접촉 표면이 생성된다. 압력적으로, 열적으로, 또는 전단력의 인가에 의해서 계면이 교란될 때, 접촉 표면은 하나의 상태로부터 다른 상태로 불연속적으로 전이될 수 있다. 잘 균형 잡힌 준안정적 구성이 상태들 사이의 연장된 진동을 겪을 수 있다. 계면이 평형 상태에 도달하지 못하는 것은 희망하는 향상된 유체 고정의 효과를 제공한다. 접촉 표면 중단은 에너지 장벽을 유지하고, 그러한 장벽은, 장치-표면 계면이 병진운동 방향을 따라 구성될 수 있기 전에, 극복되어야 한다.
친수적 표면은 순수한 물 방울과 90 도 미만의 접촉 각도를 만든다. 초소수적 표면은, 140도 초과의 물과의 접촉 각도를 가지는 표면이다. 친수성에 대한 개념은 또한 운동적 해석을 갖는다. Washburn 모델에 따라, 친수성은 모세관의 충진률과 관련된다. 예를 들어, 내경이 5 nm인 유리 모세관에 대한 약 2 mm/분의 충진률은 80 도의 접촉 각도에 상응한다.
친수성은 또한 표면 에너지와 관련된다. 일반적으로, 큰 표면 에너지는 친수적 표면에 상응하고, 작은 표면 에너지는 소수적 표면에 상응한다. 표면 에너지는 화학물질과 표면의 기하형태의 복잡한 조합이다.
4개의 일반적으로 인식되는 습윤 상태: 1) Wenzel, 2) Cassie 또는 Cassie-Baxter, 3) Wenzel-Cassie, 및 4) 반-위킹(hemi-wicking)가 있다. 계층적 표면은 이러한 습윤 상태의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 제1 레벨(A) 및 말단 레벨(B)을 가지는 기재, 그리고 기재의 범위(C)를 덮는 물의 방울을 포함하는 표면을 고려한다. 범위(C) 내의 기재의 전부가 물과 접촉될 필요는 없다. Wenzel 상태는, 순수한 물이 모든 레벨(A 및 B)의 전체 표면과 접촉되고, 그에 따라 범위(C) 내의 기재의 전체 표면을 덮는, 습윤 상태이다. Cassie 상태는, 물이 레벨(B)과만 접촉하는 습윤 상태이다. 마지막으로, Wenzel-Cassie 상태는, 물이 범위(C) 내에서 하나의 레벨과만 접촉하고 다른 레벨과는 부분적으로만 접촉하는 습윤 상태이다. 반-위킹 상태는, 물이 범위(C) 외부의 범위와 접촉되는 전술한 3개의 습윤 상태 중 임의의 상태이다.
Wenzel 습윤 상태는, 초기에 기재를 끌어 당기는 것에 의해서 습윤 표면과 상호 작용하고, 이어서 물 포화 및 인력의 소멸이 후속되는 상태이다. Cassie 습윤 상태는, 습윤 표면을 밀어 내는 것에 의해서 습윤 표면과 상호작용하는 상태이다. Wenzel-Cassie 습윤 상태는 습윤 표면을 끌어 당기고 밀어내며, 결과적으로 압축 에너지의 인가가 없이 포화될 수 없다. 결과적으로, 반-위킹 Wenzel-Cassie 상태가, 살아 있는 조직과 접촉되는 표면에서 특히 유용할 수 있다.
이러한 모든 습윤 상태는 물의 쌍극 성질과 기재의 쌍극 성질의 복잡한 상호 작용 및 물의 표면 장력과 기재 표면의 기하형태 사이의 상호 작용에 기인한다. 인간 신체에서 발견되는 것과 같은, 완전한 액체 환경에서, 물 표면 장력은 기재의 친지질 범위 상에서 국소화된 지질과 상호 작용하는 기재의 친수적 범위 상에서 국소화된 물로부터 초래될 수 있다. 따라서, 4개의 앞서 기재한 습윤 상태가 통상적으로 가스-물-고체 시스템에서 규정되지만, 유사한 습윤 상태가 지질-물-고체 시스템에서 얻어진다. 대부분의 경우에, 계층적 표면 상의 소수적 범위는, 살아 있는 신체 내에 배치될 때, 친지질 범위에 상응한다.
특히 의료 이식물, 의료 장치, 및 다른 접촉 표시부(indication)에서 유용한 초소수적인 계층적 접촉 표면이 필요하다. 그러한 표면은 적절한 조직 접착을 제공할 수 있다. 또한, 왜곡 또는 침착(fouling)이 발생되는 기하형태적 피쳐를 가지지 않도록 기계적 특징부들이 개선된 초소수적인 계층적 표면이 필요하다. 본 개시 내용은 이러한 필요성을 해결한다.
본 개시 내용은, 포유류 신체의 내측 또는 외측에, 파지를 위해서 이용될 수 있는 미세구조화된 표면을 제공한다. 미세구조화된 표면은 유리하게, 특히 액체 환경의 존재 하에서, 접촉 표면과의 접촉 계면을 생성한다. 보다 특히, 본 개시 내용은, 적어도 2개의 계층적 레벨을 가지는 미세구조화된 표면을 포함하는, 의료 장치와 같은 장치를 제공하고, 적어도 2개의 계층적 레벨은, 습윤 표면과 접촉되게 배치될 때, Wenzel-Cassie 유체 고정 상태를 생성하고, 적어도 2개의 계층적 레벨은, 습윤 표면과 접촉될 때, 분할 접촉 Wenzel-Cassie 습윤 상태를 생성한다. 일부 실시예에서, 표면은, 포유류의 피부 또는 내부 조직과 같은, 가요성 또는 변형 가능 표면이다. 특정 실시예에서, 계층적 레벨은 중단된 습윤 상태 또는 중단된 접촉 표면을 생성한다. 특정 실시예에서, 본 개시 내용은 적어도 하나의 계층적 레벨 상에서 준안정 습윤 상태를 제공한다.
일부 실시예에서, 계층적 레벨은 주기적이다. 보다 특히, 계층적 레벨은 표적 변형 가능 표면의 주름 고유모드(eigenmode)를 수용할 수 있는 주기성을 갖는다. 일부 실시예에서, 계층적 레벨은, 전단력이 장치에 인가될 때, 표적 변형 가능 표면 내에서 좌굴 상태(buckled state)가 생성되는 것을 방지한다.
본 개시 내용의 표면 및 장치는 유리하게, 전단력이 장치에 인가될 때 변형 가능 표면과 접촉되는 경우에, 표면 또는 장치의 병진운동을 방지한다.
특정 실시예에서, 구조적 계층적 레벨은, 대체되는 계층적 레벨과 동일한 친수성, 소수성, 소유성, 또는 친유성을 가지는 매끄러운 화학적 표면으로 대체된다.
특정 실시예에서, 계층적 구조물들은 자가-유사적이다.
일부 실시예에서, 미세구조화된 표면은 2개의 계층적 레벨을 포함하고, 다른 실시예에서, 계층적 표면은 3개의 계층적 레벨을 포함한다.
일부 실시예에서, 미세구조화된 표면은 폭이 1 내지 20 마이크로미터(미크론)의 범위인 제1 계층적 레벨, 폭이 10 내지 500 미크론의 범위인 제2 계층적 레벨, 및 폭이 100 내지 10000 미크론의 범위인 제3 계층적 레벨을 포함한다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 폭은 표면의 x, y 평면 내의 미세구조물의 가장 큰 치수를 지칭한다.
일부 실시예에서, 미세구조화된 표면은 높이가 1 내지 20 마이크로미터(미크론)의 범위인 제1 계층적 레벨, 높이가 10 내지 500 미크론의 범위인 제2 계층적 레벨, 및 높이가 100 내지 10000 미크론의 범위인 제3 계층적 레벨을 포함한다.
일부 실시예에서, 미세구조화된 표면은 1 내지 20 마이크로미터(미크론) 범위의 피치를 가지는 제1 계층적 레벨, 10 내지 500 미크론 범위의 피치를 가지는 제2 계층적 레벨, 및 100 내지 10000 미크론 범위의 피치를 가지는 제3 계층적 레벨을 포함한다.
특정 실시예에서, 장치는 다수의-주기적인 구조물을 포함한다.
일부 실시예에서, 미세구조화된 표면은, 습윤 접촉 표면과 접촉될 때, 계면을 형성하고, 그러한 계면은 적어도 4개의 접촉 표면을 포함하고, 각각의 접촉 표면은 고체 접촉 표면, 소수적 액체 접촉 표면, 친수적 액체 접촉 표면을 포함한다.
일부 실시예에서, 미세구조화된 표면은, 다른 습윤 표면과 접촉될 때, 고체 접촉 표면, 가스 접촉 표면, 친수적 액체 접촉 표면을 포함하는 계면을 형성한다.
일부 실시예에서, 계층적 레벨은 다수의-주기적이고, 적어도 하나의 주기는 표적 변형 가능 표면의 하나 이상의 주름 고유모드와 매칭된다. 추가적인 실시예에서, 적어도 2개의 접촉 표면이 중단된다. 추가적인 실시예에서, 표적 접촉 표면 내의 Shallamach 이동이 방지된다.
일부 실시예에서, 적어도 1 mN의 전단력이 장치에 인가될 때, 적어도 하나의 Wenzel-Cassie 습윤 상태가 Wenzel 습윤 상태로 전이된다. 다른 실시예에서, 적어도 1 mN의 전단력이 장치에 인가될 때, 적어도 하나의 Wenzel-Cassie 습윤 상태가 Cassie-Baxter 습윤 상태로 전이된다.
다른 실시예에서, 미세구조화된 표면은 적어도 10도의 접촉 이력을 갖는다.
계층적 미세구조화된 표면 상의 습윤 상태의 동적 양태의 중요한 결과는, 유체 고정 상태를 구축하는데 있어서 중요한 것이 접촉 라인이고, 접촉 면적은 아니라는 것이다. 변형 가능 표면과 접촉되는 계층적 미세구조화된 표면에서, 접촉 라인들이 동적으로 개선되고, 장치-표면 계면에 인가되는 계속-변화되는 응력에 따라서, 종종 미세구조물 스케일의 하나의 하위세트를 포함하고 다른 시간에 미세구조물 스케일의 다른 하위세트를 포함한다. 이러한 이유로, 본 발명의 미세구조화된 장치는 일반적으로 전단 병진운동에 대해서 안정화된다.
출원인은, 변형 가능 표면과 습윤 접촉되는 계층적 미세구조화된 장치를 포함하는 공기-물 및 지질-물 계면 실험을 포함하는 실험의 세트를 통해서 이러한 관점에 도달하였다. 이러한 실험의 결과는, 접촉 표면적, 마찰, 및 기타가 유체 고정 상태의 안정성을 결정하는데 있어서 일차적인 입력이라는 통상적인 믿음에 대조적이다.
또한, 다수의 Wenzel 상태가 Cassie-Baxter 상태에 의해서 계층적 미세구조화된 표면과 변형 가능 습윤 표면의 계면에서 고정될 때, Wenzel 상태와 Cassie-Baxter 상태 사이의 접촉 라인의 동적 양태는 유체 고정 상태의 강도를 결정하는데 있어서 실질적으로 유일한 입력이다. 유체 고정의 크기, 또한 접촉 각도 이력의 크기는 3 상 접촉 라인에서만의 액체 및 고체의 상호 작용에 의해서 결정되고, 접촉 주변부 내의 계면간 면적은 관계가 없다.
계층적 미세구조화된 표면은, 접촉 계면 내에 다수의 접촉 표면이 주로 계층적 레벨들 사이에서 존재할 수 있다는 점에서 특이하다. 변형 가능 표면과 접촉되는 비-텍스쳐 표면에서, 접촉 표면은 2개의 표면의 연부에서만 존재한다. 계층적 미세구조화된 표면이, 미세구조화된 장치와 변형 가능 표면 사이의 물 층의 응집 에너지에 의해서 함께 커플링된 극히 복잡한 접촉 라인들의 세트를 가질 수 있다는 것을 인지하는 것이 중요하다.
오랫동안, Cassie-Baxter 모델은 접촉 각도 이력을 액체-고체 및 액체-증기 계면의 면적 비율에 관련시키는 것으로 생각되어 왔다. Cassie-Baxter 모델은, 전진 및 후퇴되는 접촉 각도가 열역학적 평형에서 정적인 상태를 나타내는 것으로 가정한다. Cassie-Baxter 모델은 본 발명의 계면 상태를 설명하지 못하는데, 이는 접촉 라인들이 계층적이고 항상 변화되기 때문이다.
사실상, 출원인은, 접촉 라인의 이동에 관한 방정식이 매우 비선형적인 방정식에 의해서 설명되고, 그에 따라 브라운 운동에 의해서 생성되는 것만큼 작은 섭동이 습윤 변형 가능 표면 상의 계층적 미세구조화된 장치의 국소화의 안정성 및 강도에서 그 역할을 할 수 있는 것으로 가정한다. 그러나, 본 발명의 메커니즘은 이러한 가설에 의존하지 않는데, 이는, 실제로, 미세구조화된 장치와 변형 가능 표면 사이의 힘은 결코 정적이지 않기 때문이다. 사실상, 변형 가능 표면에 대해서 미세구조화된 장치를 변위시키고자 하는 행동은 미세구조물 장치를 병진운동에 대해서 안정화시키는 역할을 한다.
놀랍게도, Cassie-Baxter 모델은 후퇴되는 접촉 각도와 관련하여 특히 부정확하다. 이러한 관찰은 본 발명에서 특히 중요한데, 이는, 후퇴되는 접촉 라인의 초-응집 성질이, 무한소 변위의 작용 하에서, 미세구조화된 장치의 전진 연부가 변형 가능 표면 위에서 전진하는 한편, 미세구조화된 장치의 후퇴 연부가 변형 가능 표면 위에서 전진하지 않는 것을 초래하기 때문이다. 전진하는 그리고 후퇴하는 접촉 각도는 전형적으로 장치와 표면 사이의 접촉 연부 또는 액적의 연부와 연관된다. 계층적 계면에서, 접촉 표면, 그리고 그에 따라 전진 및 후퇴하는 접촉 각도는 장치-표면 계면의 부피 내에 존재할 수 있다.
이러한 것이 미세구조물 연구 분야에서 널리 이용되지만, 제조 기술의 큰 발전으로 인해서, 모든 이미지화 가능 미세구조물을 테스트하기 위해서 그렇게 하는 것은 본원에서 개시된 발명을 초래하지 못한다. 출원인은, 본 발명의 활주-방지 기능을 제공하기 위해서 정밀하고 특이적으로 조합으로 작용하는, 미세구조물 크기들의 비율, 종횡비, 표면 에너지, 재료 및 미세구조물의 친수성 및 친지질성, 그리고 접촉 표면의 지형을 밝혀냈다.
미세구조화된 장치와 접촉되는 변형 가능 표면의 기계적 변형은 일반적으로 변형 가능 표면 상의 장치 국소화에 있어서 불리한 것으로 간주된다. 미세구조화된 장치 상의 미세구조물이 변형 가능 표면의 하나 이상의 주름 고유모드와 매칭되는 주기적인 구조물을 가질 때, 장치 국소화가 향상된다는 것을 예상치 못하게 발견하였다. 미세구조화된 장치 상의 주기적인 구조물이 계층적인 경우에, 더 바람직하게 자가-유사적인 경우에 국소화가 더 향상되고, 여기에서 미세구조화된 장치의 각각의 계층적 레벨의 주기는 변형 가능 표면의 상응 주름 고유모드에 대략적으로 커플링된다.
사실상, 변형 가능 표면의 주름 고유모드의 일부와 매칭되는 계층적 구조물과 올바르게 조합된 미세구조화된 장치는 하나 이상의 주름 고유모드 상태를 보강하는 역할을 한다. 그러한 고유모드 록킹 상태를 파괴하는데 그리고 활주를 유발하는데 필요한 전단 응력은, 변형 가능 표면이 좌굴 상태에 있을 때 활주를 유발하는데 필요한 전단 응력보다 상당히 더 크다.
건조한 변형 가능 표면 상에서, 미세구조화된 장치와 변형 가능 표면 사이의 응력은 전형적으로 미세구조화된 장치 상의 미세구조물 피쳐와 변형 가능 표면 상의 불규칙부 사이의 기계적 결합이다. 기계적 결합은 또한 국소화된 마찰 지점 및 미세구조화된 장치 상의 미세구조물에 의한 변형 가능 표면의 파괴적인 침범에 의해서 전달될 수 있다. 건조한 변형 가능 표면 상의 국소화의 메커니즘에서, 그러한 메커니즘은 변형 가능 표면의 응력-유도된 주름 고유모드와 간섭되는(interleaving) 미세구조화된 장치의 미세구조물에 상응한다. 변형 가능 표면의 고유모드를 예상하는 것 그리고 미세구조화된 장치 상의 주기적인 미세구조물로서 그러한 고유모드를 구축하는 것은, 변형 가능 표면 상에서 매우 큰 장치 국소화를 초래한다. 그러한 상황은 2개의 코그(cog)의 상호 록킹된 치형부와 유사하다.
본 발명의 주 목적이 계층적 미세구조화된 장치를 습윤 표면 상에서 국소화하는 것이지만, 주름 고유모드의 수용과 관련하여 건조한 경우를 배제하는 것은 아니다.
습윤 변형 가능 표면 상에서, 본 발명의 미세구조화된 장치와 습윤 변형 가능 표면 사이의 응력은 기계적 결합을 포함할 수 있으나, 보다 중요하게 유체 고정을 포함한다. 유체 고정은, 공간적으로 교번적인 Wenzel 상태 및 Cassie-Baxter 상태가 미세구조화된 장치와 변형 가능 표면 사이의 계면에 동시에 있을 때, Wenzel-Cassie 상태로 발생된다. 미세구조화된 장치의 표면 주기성을 변형 가능 표면의 주름 고유모드에 대해서 매칭시키는 것은 변형 가능 표면에 대한 미세구조화된 장치의 전단 병진운동에 대한 예상치 못한 큰 저항을 초래한다.
본 발명의 미세구조화된 표면이 다수의 주기성 및 변형 가능 표면의 다수의 주름 고유모드에 상응하는 종횡비로 계층적일 때, 미세구조화된 장치의 국소화는 넓은 범위의 전단 응력에 걸쳐 병진운동에 대해서 현저하게 저항적이 된다는 것을 발견하였다.
변형 가능 표면의 기계적 불안정성은 전형적으로, 장치가 변형 가능 표면과 계면을 형성하여야 하는 적용예에서 바람직하지 못한 특성으로 간주된다. 역으로, 그러한 성질은 생물학적 시스템의 성능을 향상시키기 위해서 이러한 불안정성을 이용하고; 예를 들어, 손가락 끝의 피부의 주름은 대상의 정밀한 조작을 가능하게 한다. 변형 가능 표면의 불안정성이 이용될 수 있다는 관점을 고려하는 것은, 아직까지 알지 못했던 신규한 기계적 현상이 가능하다는 것을 발견하게 한다.
본 발명은, 좌굴 불안정성을 방지하면서, 변형 가능 표면의 주름 불안정성을 촉진하는 것을 목적으로 한다. 변형 가능 표면의 내부 응력이 임계 문턱값을 초과할 때, 파형(undulation)이 표면 상에서 발생된다. 그러한 파형의 주기성 및 진폭은 변형 가능 표면의 기계적 특성, 변형 가능 표면과 미세구조화된 장치 사이의 계면, 및 응력 상태에 따라 달라진다. 파형이 미세구조화된 장치의 주기성과 대략적으로 매칭될 때, 장치는 변형 가능 표면과 접촉되어 유지되고, 그러한 불안정성은 주름 불안정성이다. 파형이 미세구조화된 장치의 주기성과 매칭되지 않을 때, 변형 가능 표면이 좌굴되어, 미세구조화된 표면이 변형 가능 표면으로부터 멀리 상승되는 범위를 초래한다. 미세구조화된 표면의 주기성이 변형 가능 표면의 적어도 하나의 주름 고유모드와 매칭될 때, 좌굴이 상당히 감소된다.
역-직관적으로(Counter-intuitively), 미세구조화된 장치의 큰 표면적이 향상된 장치 국소화와 항상 상호 관련되는 것은 아니다. 예를 들어, 고종횡비의 미세구조화된 표면은 작은 종횡비를 갖는 동일한 치수의 장치에 비해서 더 큰 표면적을 갖는다. 고종횡비 미세구조물은, 높이 스케일(평면-외)이 측방향(평면-내) 치수보다 큰 미세구조물이다. 고종횡비의 미세구조화된 장치에서, 변형 가능 표면의 좌굴은 외부 부하에 의해서 용이하게 개시된다. 좌굴은, 변형 가능 표면에 대해서 미세구조화된 장치를 병진운동시키는데 필요한 전단 응력의 상당한 감소를 초래한다.
상이한 매체의 주름을 위한 파장 및 진폭은, 총 굽힘 에너지 및 탄성 에너지를 기초로 기하형태적으로 비선형적인 고유값 문제를 풀이하는 것에 의해서 얻어진다. 미세구조화된 장치와 변형 가능 표면 사이의 선형적인 계면(이중층) 응답은, 변형 가능 표면의 재료 특성에만 의존하는, 고유값 문제의 고유모드이다.
직관적으로, 편평한 인접 접촉 표면을 다수의 접촉 지점으로 분할하는 것은, 변형 가능 표면과 접촉되는 총 면적을 감소시킨다. 사실상, 반대의 경우도 발생된다. 접착 메커니즘은 접촉 분할로서 알려져 있다. 이는, 게코 도마뱀(Gecko)에게 놀라운 등반 능력을 부여하는 주요 메커니즘이다.
본 발명에서, 접촉 분할은, 미세구조화된 장치 표면을 계층적이 되게 하는 것에 의해서 달성된다. 그러한 배열에서, 미세구조화물 장치의 가장 높은 지점이 습윤 변형 가능 표면에 먼저 접촉하고, 그 곳에서 제1 접착 Wenzel-Cassie 상태가 달성된다. 이러한 제1 접착 상태는 장치를 변형 가능 표면과 더 친밀하게 접촉되도록 끌어 당긴다. 미세구조화된 장치와 변형 가능 표면 사이의 더 근접한 접촉은 제2 계층 레벨과 결합되고, 제2 접착 Wenzel-Cassie 상태를 형성한다. 본 발명은 적어도 2개의 계층적 레벨, 그리고 더 바람직하게 3개의 계층적 레벨을 이용한다.
각각의 계층적 레벨은, 변형 가능 표면의 주름 고유모드의 범위에 대해서 최적으로 접착적인 주기성을 형성한다. 따라서, 단일 접촉 기하형태 대신, 다수의 접촉 기하형태가 넓은 범위의 전단력에 걸쳐 전단 저항 효과를 만든다.
확률적인 전단력 하에서의 순수 효과는, 전단 병진운동에 대한 상당히 개선된 저항이다. 파괴점(failure point)은 일반적으로 좌굴 이벤트와 연관된다. 좌굴 이벤트에서, 장치-표면 탈착은 전파될 수 없다. 좌굴 이벤트는 각각의 계층적 레벨에서 재개시되어야 하고, 이는 좌굴 전파를 제한하고, 완전 접촉 실패 전에 Wenzel-Cassie 상태가 접착을 재-구축할 수 있게 한다.
그러나, 본 발명의 미세구조화된 표면의 분할 접촉 Wenzel-Cassie 상태가 당업계에서 인지되는 기계적 분할 접촉 상태가 아니라는 것을 인식하여야 한다. 분할 접촉 Wenzel-Cassie 상태는 본 발명을 가능하게 하는 발견이다.
인장 또는 압축 하의 탄성 막에 관한 연구에서, 막의 하나의 주름 고유모드와 막의 다른 주름 고유모드 사이의 전이가 연속적이 아니라는 것이 관찰되었다. 이러한 거동은 좌굴 및 주름 고유모드 형성 사이의 교환(tradeoff)과 관련하여 설명될 수 있다.
인장 하의 후속되지 않은 막에서, 고유모드의 에너지가, 작은 진폭을 가지는 더 큰 고유모드로 전이되기에 충분할 때까지, 주름 고유모드의 진폭이 축적된다. 막이 구속될 때, 더 큰 고유 모드가 형성될 수 없도록, 막이 좌굴 상태로 전이된다.
좌굴 상태에서, 미세구조화된 장치와 변형 가능 표면 사이의 계면은 활주 상태로 전이된다. Shallamach 미세구조물은, 활주가 또한 수반된, 하나의 주름 고유모드로부터 다른 주름 고유모드로 이동하려는 이러한 경향을 나타내는데, 이는, 주로 에너지 입력이 좌굴 상태로의 전이를 위한 에너지를 초과하기 때문이다. 특징적인 이동은 주름 고유모드 상태에서의 파지(grab)이고 좌굴 상태에서의 활주이다. 활주 중에 과다 에너지가 방출되면, 새로운 고유모드 상태가 발생되기 시작한다.
좌굴 상태로의 전이 대신 주름 고유모드 이동을 촉진하는 것은 좌굴의 시작을 지연시키고, 최종적으로 저마찰 활주를 방지한다.
본 발명의 하나의 목적은, 계층적 미세구조물의 적어도 하나의 주기성이 적어도 하나의 주름 고유모드의 주파수와 매칭되도록 계층적 미세구조물을 미세구조화된 장치 상에 배치하는 것에 의해서, Shallamach 프로세스를 전적으로 방지하는 것이다. 계층적 미세구조물은, 좌굴 상태 대신, 주름 고유모드의 형성을 촉진하기 위한 것이다.
Shallamach 미세구조물의 주파수가 변형 가능 표면의 주름 고유모드의 주파수에 상응하지 않는 것이 중요하다. Shallamach 미세구조물의 주파수는 활주 속력의 연속 함수이고, 그에 따라 주름 고유모드가 양자화(quantize)되는 것과 같이, 양자화되지 않는다. 사실상, 전체 주름 고유모드는 Shallamach 상태에서 변형 가능 표면 상에서 결코 완전히 발생되지 않는다. 부분적으로 형성된 주름 고유모드의 길이는 활주 속력에 비례한다. 좌굴 활주와 부분적인 주름 고유모드 상태의 조합은, 활주 속력에 비례하는 공간적 주기를 갖는 공간적 Shallamach 미세구조물을 초래한다.
본 발명의 다른 목적은, 계층적 구조물이 적층된, 계층적 미세구조화된 장치의 실시예를 제공하는 것이다.
다른 목적은, 미세구조물이 다수의 크기의 스케일에서 Wenzel-Cassie 유체 고정 상태를 생성하는, 계층적 미세구조화된 장치의 실시예를 제공하는 것이다.
다른 목적은, 계층적 레벨이 분할 콘텐트(split content) Wenzel-Cassie 상태를 생성하는, 계층적 미세구조물 장치의 실시예를 제공하는 것이다.
다른 목적은, 계층적 레벨이, 중단된 습윤 상태를 생성하는, 계층적 미세구조물 장치의 실시예를 제공하는 것이다.
다른 목적은, 계층적 레벨이, 중단된 접촉 표면을 생성하는, 계층적 미세구조화된 장치의 실시예를 제공하는 것이다.
다른 목적은, 계층적 레벨이 준안정 습윤 상태를 적어도 하나의 계층적 레벨에서 생성하는, 계층적 미세구조화된 장치의 실시예를 제공하는 것이다.
다른 목적은, 전단력이 실시예 장치에 인가될 때, 계층적 레벨이 표적 변형 가능 표면의 주름 고유모드를 수용할 수 있는 주기성을 가지는, 계층적 미세구조화된 장치의 실시예를 제공하는 것이다.
다른 목적은, 전단력이 실시예 장치에 인가될 때, 계층적 레벨이 표적 변형 가능 표면 내의 좌굴 상태의 발전을 방지하는, 계층적 미세구조화된 장치의 실시예를 제공하는 것이다.
다른 목적은, 전단력이 실시예 장치에 인가될 때, 계층적 레벨이, 변형 가능 표면과 접촉될 때, 장치의 병진운동을 방지하는, 계층적 미세구조화된 장치의 실시예를 제공하는 것이다.
다른 목적은, 하나 이상의 패턴 계층적 레벨이, 대체되는 계층적 미세구조물과 동일한 친수성, 소수성, 또는 친지질성을 가지는 매끄러운 화학적 표면으로 대체되는, 계층적 미세구조화된 장치의 실시예를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예는 전술한 목적 중 하나의 또는 임의의 조합을 만족시킬 수 있다.
도 1은 병진운동적 힘 하에서 습윤 변형 가능 표면과 접촉되는 미세구조화된 장치의 전진 연부에 대한 후퇴 연부를 도시한다.
도 2는 미세구조화된 장치 상의 Wenzel-Cassie 고정 상태를 도시한다.
도 3은 무한소 병진운동의 부재 시의 계층적 Wenzel-Cassie 고정 상태를 도시한다.
도 4는 무한소 병진운동의 존재 시의 계층적 Wenzel-Cassie 고정 상태를 도시한다.
도 5는 변형 가능 표면과 접촉되는 미세구조화된 장치를 포함하는 주름 고유모드 안정화 모드를 도시한다.
도 6은, 긴 축들이 함께-평행한 제1 및 제2 스케일 미세구조물을 가지는 분류 I 미세구조물을 도시한다.
도 7은, 긴 축들이 수직으로 배향된 제1 및 제2 스케일 미세구조물을 가지는 분류 II 미세구조물을 도시한다.
도 8은 고체-물-공기 계면 및 고체-오일-물 계면 사이의 차이를 도시한다.
도 9는 평면형 어레이 내의 삼각형 팩킹 체계(triangular packing scheme)의 세로 홈 컬럼(fluted column)을 포함하는 미세구조화된 표면의 실시예를 도시하며, 여기에서 컬럼은 L1 레벨이고, 세로홈은 L2 레벨이다.
도 10은 도 9의 표면에 대한 친수적/소수적 접촉 표면의 소수적 부피를 도시한다.
도 11은 본 개시 내용의 미세구조화된 표면을 포함하는 리트랙터 장치(retractor device)의 예를 도시한다.
도 12는, 낮은 높이의 L2 레벨의 매끄러운 필라(pillar) 및 높은 높이의 매끄러운 필라, 그리고 필라의 벽 상에 나노구조물을 갖는 밸리-위치(valley-located) L2 레벨 필라가 그 위에 놓이는, 사인파부(sinusoid) L1 레벨을 포함하는 계층적 미세구조물 표면의 특정 실시예를 도시한다.
도 13은 도 12의 표면에 대한 친수적/소수적 접촉 표면의 소수적 부피를 도시한다.
도 14는 본 개시 내용의 미세구조화된 표면을 포함하는 장갑을 도시한다.
도 15는, L1 레벨 실린더, 채널 및 융기부, L2 레벨 실린더, 및 L3 레벨 나노구조물 및 미세 필라를 포함하는 계층적 미세구조물의 특정 실시예를 도시한다.
도 16은 도 15의 표면에 대한 친수적/소수적 접촉 표면의 소수적 부피를 도시한다.
도 17은 L1 레벨 세로 홈 필라 및 채널, L2 레벨 나노구조물을 포함하는 계층적 미세구조화된 패턴의 특정 실시예를 도시한다.
도 18은 도 17의 표면에 대한 친수적/소수적 접촉 표면의 소수적 부피를 도시한다.
도 19는 접촉 표면 중단된 계층적 미세구조화된 패턴의 특정 실시예를 도시한다. 중단된 계층적 패턴은 L1 필라의 삼각형 어레이를 포함하고, 그 어레이의 일부는 L2 세로 홈 표면을 가지고 다른 부분은 L2 나노구조물을 갖는다. 친수적 필라들이 친수적 채널들에 의해서 연결된다.
도 20은 2차원적인 접촉 표면 중단된 계층적 미세구조물 패턴의 특정 실시예를 도시한다.
도 21은 이하의 치수를 가지는 계층적 미세구조물 장치의 특정 실시예를 도시한다.
L3: 3um 원/핀(fin) 6um 피치 삼각형 어레이 4um 높이
L2: 35um 원 45um 피치 삼각형 어레이 45um 높이
Ll: 750um 사인파부 750um 피치 삼각형 어레이 220um 높이
도 22는 도 21의 L2 및 L1 미세구조물 상의 물 고정을 도시한다.
도 23은 이하의 치수를 가지는 폴리프로필렌 계층적 미세구조물 장치의 특정 실시예를 도시한다:
L3: 1Oum 정사각형 20um 피치 직사각형 어레이 25㎛ 높이
L2: 1O0um 정사각형 200um 피치 직사각형 어레이 70㎛ 높이
L1: 1O0um 채널 200um 피치 평행한 채널들 100㎛ 높이
이하의 설명은 본 개시내용의 원리의 예시이고, 본원에서 설명된 특정 실시예로 제한하기 위한 것은 아니다.
본원의 미세구조화된 표면 및 장치는, 전단 병진운동을 방지하거나 감소시키는 습윤된 미끄러운 표면에 대한 접착을 형성한다. 본 발명의 미세구조화된 장치는 장치의 적어도 하나의 면 상에서 계층적 미세구조화된 표면을 갖는 장치이다. 각각의 계층적 미세구조물은, 특정 적용예를 위해서 설계된 많은 수의 특정 실시예, 습윤된 미끄러운 표면 상의 활주를 방지하도록 설계된 장치를 위해서 여기에서 개시된 바와 같이, 특정 적용예를 위해서 설계된다. 2개의 고체 표면이 액체 계면을 형성할 때, 표면 텍스쳐는 다른 표면에 대한 하나의 표면의 이동성에서 큰 역할을 한다. 미세구조화된 표면과 변형 가능 표면 사이의 상호 작용의 스케일이 미세구조화된 장치의 표면 텍스쳐에 의해서 형성된다.
미세구조물은 전형적으로 계층적이고, 하나가 약 1 내지 20 마이크로미터(미크론)이고 다른 하나가 약 10 내지 1000 미크론인, 적어도 2개의 공간적 스케일을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 미세구조물은, 하나가 약 1 내지 20 마이크로미터(미크론)이고, 다른 하나가 약 10 내지 500 미크론이며, 다른 하나가 약 100 내지 10000 미크론의 폭인, 3개의 공간적 스케일을 포함한다. 일부 실시예에서, 공간적 스케일들은 약 1 내지 10 마이크로미터(미크론)이고, 다른 하나가 약 10 내지 250 미크론이며, 다른 하나가 약 200 내지 5000 미크론의 폭이다. 일부 실시예에서, 공간적 스케일들은 약 1 내지 10 마이크로미터(미크론)의 폭이고, 다른 하나가 약 10 내지 250 미크론의 폭이며, 다른 하나가 약 200 내지 1000 미크론의 폭이다. 일부 실시예에서, 미세구조물은, 하나가 약 1 내지 20 마이크로미터(미크론)이고, 다른 하나가 약 10 내지 500 미크론이며, 다른 하나가 약 100 내지 10000 미크론의 높이인, 3개의 공간적 스케일을 포함한다. 일부 실시예에서, 공간적 스케일들은 약 1 내지 10 마이크로미터(미크론)이고, 다른 하나가 약 10 내지 250 미크론이며, 다른 하나가 약 200 내지 5000 미크론의 높이이다. 일부 실시예에서, 공간적 스케일들은 약 1 내지 10 마이크로미터(미크론)이고, 다른 하나가 약 10 내지 250 미크론의 폭이며, 다른 하나가 약 200 내지 1000 미크론의 높이이다.
특정 실시예에서, 미세구조물은, 각각, 1 내지 20 마이크로미터(미크론), 다른 하나가 약 10 내지 500 미크론, 다른 하나가 약 100 내지 10000 미크론 범위의 피치를 갖는다. 일부 실시예에서, 공간적 스케일들은 약 1 내지 10 마이크로미터(미크론)이고, 다른 하나가 약 10 내지 250 미크론이며, 다른 하나가 약 200 내지 5000 미크론이다. 일부 실시예에서, 공간적 스케일들은 약 1 내지 10 마이크로미터(미크론)이고, 다른 하나가 약 10 내지 250 미크론의 폭이며, 다른 하나가 약 200 내지 1000 미크론이다.
이러한 개시 내용에서, 계층적이 상이한 공간적 스케일의 미세구조물을 의미한다는 것을 이해하여야 한다. 계층적 미세구조물은 치수 x 및 y를 특징으로 하는 2차원적인 표면 상에서 그리고 평면-외 치수 z로 규정된다. 각각의 미세구조물 스케일은, 함수(f(x, y))에 의해서 설명되는 2차원적인 표면 상에 놓이는 특징적인 치수 x', y' 및 z'에 의해서 규정될 수 있다. 함수(f(x, y))가 반드시 평면적인 것은 아니다. 계층적 미세구조물은 스케일링된 미세구조물의 세트이고, 각각의 미세구조물은 (x', y', z'), (x", y", z"), 및 기타를 특징으로 하고; 제1 미세구조물은 (x, y, zl)에 의해서 규정되는 범위 내에 있고, 제2 미세구조물은 (x, y, z2)에 의해서 규정되는 범위 내에 있으며, 기타 등등에서도 마찬가지이다. 범위(zl)는 zmin < zl < zmax, 및 기타에 의해서 규정되는 z 값의 범위에 걸쳐진다. 계층적 미세구조물은 3차원적 미세구조물이고, 여기에서, 유클리드 좌표 (x, y, z)의 임의의 세트와 관련하여 zl > z2 > ...가 되도록, 제1 미세구조물의 대부분은 범위(zl) 내에 있고, 제2 미세구조물의 대부분은 범위(z2) 내에 있고, 그리고 기타 등등에서도 마찬가지이다. 예를 들어, 계층적 미세구조물은 높이 100 및 직경 20의 평면 내에 배열된 실린더의 상단 표면 상에 배열된 높이 10 및 직경 2의 실린더의 세트를 포함할 수 있다.
피쳐 치수의 비율이 상수 인자(constant factor)에 의해서 스케일링(scale)되는 경우에, 계층적 미세구조물은 자가-유사적이다. 자가-유사성은 모든 스케일 치수에서 발생될 수 있거나, 스케일 치수의 임의의 하위 세트에서 발생될 수 있다. 실린더의 예에서, 피치가 일정 비율(pl/p2 = p2/p3 = ... = c, 여기에서 c는 상수이다)을 만족시키는 경우에, 다양한 공간적 스케일(pl, p2, p3, ...)의 실린더들 사이의 피치는 자가-유사적이다. 피치는 2개의 유사-구조물들 사이의 거리로서 정의된다. 대부분의 경우에, 피치는 주어진 구조물의 유형에서 일정하다. 종횡비는 관련된 측정치이고, 이는 구조물의 높이 대 그 폭의 비율로서 정의된다.
Wenzel-Cassie 상태가 미세구조화된 장치와 습윤 변형 가능 표면 사이에서 발생되고 전단력이 인가될 때, 변형 가능 표면은 주름 고유모드로 지칭되는 형상으로 왜곡된다. 고유모드라는 용어는, 왜곡된 표면이 취할 수 있는 가능한 기하형태의 구별성(discreteness)을 지칭한다. 전단력이 충분한 경우에, 변형 가능 표면의 주름 고유모드 형상이 좌굴 상태로 전이되고, 미세구조화된 장치는 변형 가능 표면에 대해서 병진운동(활주)된다. 본 발명의 목적은, 계층적 미세구조물 장치가 습윤 변형 가능 표면 상에 배치될 때, 좌굴 상태로 전이되는 것을 금지하거나 방지하는 것이다.
분할 접촉 Wenzel-Cassie 상태는, 상이한 크기 스케일에서 미세구조화된 표면 상에서 발생되는 다수의 Wenzel-Cassie 상태를 지칭한다. 분할 접촉은 변형 가능 표면 내에서 주름 고유모드 상태로부터 좌굴 상태로 전이되는 것을 방지한다.
주름 고유모드 안정화는, 변형 가능 표면 내에서 주름 고유모드 상태로부터 좌굴 상태로 전이되는 것을 방지하는 미세구조물 설계를 지칭한다. 주름 고유모드 안정화는, 하나가 미세구조화된 장치의 미세구조물 구조물을 표적 변형 가능 표면 또는 표적 변형 가능 표면의 분류에 매칭시킬 수 있게 하는, 중요한 가능하게 하는 양태이고 본 발명의 목적이다. 이러한 종류의 의도적인 설계는 적용예에 대한 설계로 지칭된다.
전구체 필름과 계층적 미세구조물의 상호 작용은 고체 표면 상의 접촉 구조물, 임계적 또는 연속적 습윤 전이 내의 1-차 전이를 초래하고, 이들 모두는 장범위 또는 단범위 특징이다. 계층적 미세구조물의 습윤은, 일반적인 부분적 습윤 체제와 완전한 습윤 체제 사이에 있는 중간 습윤 상태를 특징으로 한다.
비-텍스쳐 표면의 맥락에서, 문헌은 이러한 중간 습윤 상태를 "중단된-완전한 습윤"으로 지칭한다. 출원인은, 중단된 습윤, 및 연관된 중단된 접촉 각도가 미세구조물 계층적 텍스쳐 표면 내의 공통된 특징이라는 것을 발견하였다. 특히, 물에 흡착된 포화 지방산은 의사-부분적 습윤(pseudo-partial wetting)을 초래한다. 중단된 습윤의 상태는, 계층적 레벨들에서 고정된 반대되는 장범위 반데르발스힘들의 결과이다. London 분산력 및 Debye 쌍극-비-극성 힘이, 계층적으로 형성된 범위들 사이의 계면에서 미묘한 방식으로 경쟁하여, 물과 접촉되는 포화 지방산의 동적 습윤 전이를 초래한다. 포화 지방산이 계층적 표면 상에서 중단된 습윤 체제를 반드시 구축할 필요가 없으나, 포화 지방산은 보다 일반적으로, 고체-액체-공기 계면에서보다, 고체-지질-물 계면 내에 존재한다.
특정 용도에 대해서 의도적으로 설계하기 위해서, 본 발명의 목적에서, Wenzel-Cassie 고정, 계층적 고정, 및 분할 접촉 Wenzel-Cassie 기하형태를 이용한 주름 고유모드 안정화와 관련된 이론적 양태를 이해하여야 한다. 이하에서, 각각의 이론적 양태가 구체적으로 설명된다. 습윤 변형 가능 표면과 접촉되는 미세구조화된 장치의 전진 연부에 대한 후퇴 연부의 전단 전이 저항이 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 설명에서, 접촉 각도는 지질 상을 통해서 취해진다. 따라서, 이러한 설명에서만, 고체-물-공기 계면을 설명하기 위해서 이용되는 통상적인 것과 대조적으로, 작은 접촉 각도가 소수성과 동일시된다.
무한소 변위(100)는 미세구조화된 장치(102), 변형 가능 표면(104), 및 친수적 상(108) 및 소수적 상(110)을 포함하는 습윤 계면(106)을 포함한다. 친수적 상(108)은 전형적으로, 물을 포함하는 수성 상이다. 소수적 상(110)은 공기, 또는 지질과 같은 소수적 액체를 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 소수적 상은 지질이다.
미세구조화된 장치(102)는 방향(112)으로 변형 가능 표면(104)에 대해서 병진운동된다. 변위(112)의 결과로서, 미세구조화된 장치(114)와의 전진 접촉 각도가 증가되고, 미세구조화된 장치(116)와의 후퇴 접촉 각도는 감소된다. 역으로, 변형 가능 표면(118)과의 전진 접촉 각도는 감소되고, 변형 가능 표면(120)과의 후퇴 접촉 각도는 증가된다. 계면(106)과 2개의 표면(102 및 104) 중 어느 하나 사이의 접착성은 접촉 각도와 비례적으로 관련된다. 큰 접촉 각도는 전단 방향(112)으로 병진운동될 가능성이 작은 접촉 연부에 상응한다.
미세구조화된 장치 상의 접촉 각도(114 및 116)는, 각각, 변형 가능 표면 상의 상응 접촉 각도(118 및 120)보다 작다. 그러나, 4개 모두의 접촉 각도 중 가장 작은 접촉 각도는 변형 가능 표면(104) 상의 전진 접촉 각도(118)이다. 따라서, 접촉 연부(120)는 변형 가능 표면(104)에 대해서 전진할 것인 반면, 다른 접촉 연부는 전진하지 않을 것이다. 접촉 각도(118)가 가장 작은 접촉 각도라는 사실은, 계면(106, 108)과, 특히, 미세구조화된 장치(102) 사이의 Wenzel-Cassie 유체 고정의 결과이다.
변형 가능 표면(104)과 계면(106) 사이에는 Wenzel-Cassie 유체 고정이 존재하지 않는다. 그에 따라, 미세구조화된 장치(102) 측면 상의 접촉 길이(122)는 무한소 병진운동(112) 하에서 대략적으로 일정하게 유지된다. 다른 한편으로, 접촉 연부(120)는 무한소 병진운동(112)으로 병진운동된다. 접촉 연부(126)는 무한소 병진운동(112)으로 병진운동되지 않는다. 그에 따라, 변형 가능 표면(104) 측면 상의 접촉 길이(124)는 무한소 병진운동(112) 하에서 증가된다.
이제, 무한소 병진운동(112)이 0으로 복귀될 때, 변형 가능 표면(104) 상의 영향을 고려한다. 전진 접촉 각도(118)는 접촉 각도(120)와 대략적으로 동일한 습윤 값으로 복귀된다. 그러나, 이제 미세구조화된 장치 접촉 길이(112)는 변형 가능 표면 접촉 길이(124)보다 짧다. 112와 124 사이의 차이는 압축력을 생성하고, 변형 가능 표면(104)은 주름지기 시작한다. 이는 주름 고유모드가 형성되게 하는 메커니즘이거나; 대안적으로, 극단적인 경우에, 좌굴 상태가 형성되고, 미세구조물 장치(102)가 변형 가능 표면(104)으로부터 탈착된다.
접촉 각도가 조밀 상(denser phase)을 통해서 통상적으로 측정된다는 것을 주목하여야 한다. 도 1에서, 접촉 각도는 소수적 상을 통해서 측정된다. 그러나, 소수적 상이 공기인 경우에, 접촉 각도는 수성 상을 통해서 측정된다. 공기-물 계면의 경우에, 접촉 각도는 접착성과 반대로 관련된다. 도 1에서, 접착성은 비례적으로 관련된다.
따라서, 변형 가능 표면은, 미세구조화된 장치가 접촉되는 범위 내에서 압축된다. 무한소 변위에 의한 변형 가능 표면의 압축은 변형 가능 표면 내에서 주름 고유모드를 여기시킨다(excite). 주름진 변형 가능 표면과 미세구조화된 장치 사이의 계면에 변형 가능 표면의 주름을 수용할 수 있는 공간이 있는 경우에, 미세구조화된 장치는 변형 가능 표면 상에서 국소화되어 유지된다. 미세구조화된 장치의 수직 횡단면이 이러한 주름 고유모드를 수용하지 않는 경우에, 주름은 좌굴 상태로 신속하게 발전된다. 좌굴 상태는 미세구조화된 장치가 변형 가능 표면으로부터 탈착되게 하고, 전단 병진운동에 대한 저항이 상당히 감소된다.
이러한 이유로, 본 발명의 미세구조화된 장치를 안정화하는데 있어서, 본 발명의 가장 큰 스케일의 미세구조물, 예를 들어 약 100 미크론 이상의 진폭의 2차원적인 사인파형 미세구조물이 중요하다. 장치의 계층적 구조물 내의 가장 작은 구조물은 약 1 내지 100 미크론이다. 더 작은 구조물은, 후퇴 접촉 연부가 전진 접촉 연부보다 더 접착적이 되게 하는, 그에 따라 더 큰 스케일의 미세구조물이 수용하는 주름 고유모드를 생성하게 하는, 동적 접촉 라인을 생성하는데 있어서 중요하다. 하나의 장치 상의 이러한 계층적 미세구조물은, 본 발명의 장치 전단 병진운동에 대한 예상치 못한 저항을 협력적으로 생성하는 역할을 한다.
도 2를 참조하면, 실시예에서, 미세구조화된 장치 상의 Wenzel-Cassie 고정 상태(200)가 도시되어 있다. Wenzel-Cassie 미세구조물(202)은 기재(204), 및 핀(208)이 위에 배치된 원통형 필라(206)를 포함한다. Wenzel-Cassie 미세구조물(202)은 계층적 구조물이고, 여기에서 핀들(208)의 2차원적 두께 및 간격(피치)은 핀들(208)의 치수 두께 및 피치보다 작다. 수성 상(210)의 방울은 202에 Wenzel-Cassie 고정된다. Cassie-Baxter 상태(214)는, 수성 상(210)이 원통형 필라들(206) 사이의 간극 공간(212) 내로 돌출되지 않는 상태라는 것을 주목하여야 한다. Wenzel 상태(216)는, 수성 상(210)이 Wenzel-Cassie 미세구조물(202)의 모든 표면과 접촉되는 상태이다. Wenzel-Cassie 상태는 습윤 및 탈습윤(dewetting) 표면의 혼합과 연관된 접촉 상태이다. 강건한 Wenzel-Cassie 상태는, 모두가 습윤된 2개의 계층적 미세구조물과 연관된 접촉 상태이나, 그러한 계층적 구조물은 기재(204)의 습윤을 방지한다. 예를 들어, 원통형 필라 상단부(218) 및 핀(208)이 수성 상(210)과 실질적으로 접촉되는 경우에, 200은 강건한 Wenzel-Cassie 상태이다. 원통형 필라(206)와 기재(204)의 표면 사이의 공간은 소수적 상, 예를 들어 지질 또는 공기와 접촉된다. 소수적 상은 수성 상(210)의 돌출부(220)의 전단 병진운동(222)을 잡거나 저지한다. Wenzel-Cassie 상태에서의 소수적 상 및 친수적 상의 병치는 Wenzel-Cassie 고정을 초래한다.
도 3을 참조하면, 무한소 병진운동의 부재 시의 계층적 Wenzel-Cassie 고정 상태(300)의 실시예가 도시되어 있다. 적층된 계층적 Wenzel-Cassie 미세구조물(302)은 기재(304), 제1 원통형 필라(306), 제2 원통형 필라(308), 및 제3 사인파부(310)를 포함한다. 습윤은 제1 Wenzel-Cassie 상태(312)로부터 제2 Wenzel-Cassie 상태(314)로, 그리고 제3 Wenzel-Cassie 상태(316)로 시간적으로 발전된다.
더 큰 구조물로부터 더 작은 구조물로의, 또는 그 반대의, 또는 임의의 조합의 진행의 순서는, 구조물의 조성, 그 형상, 그 간격, 계면의 조성, 및 기타를 포함하는, 많은 수의 인자에 따라 달라진다. 실시예에서, 친수적 상과 소수적 상 사이의 접촉은 그 계면간 발전을 통해서 일시적으로 발전된다. 도시된 접촉 상태의 구성에 도달한 때에도, 열적 요동, 유체적 이동 및 기타가 연속적으로 존재하여 친수적 상과 소수적 상 사이의 접촉 표면을 변화시킬 수 있다.
각각의 계층적 레벨에서의 접촉 상태의, 그리고 결과적인 접촉 각도의 시간적 발전은 여기에서 접촉 각도 혼동으로 정의된다. 접촉 각도 혼동은 계층적 유체 고정을 Wenzel-Cassie 유체 고정으로부터 구별한다. 힘이 인가될 때, 접촉 각도는 인가된 힘의 방향으로 정렬된다. Wenzel-Cassie 고정에서, 전단 병진운동이 개시되면, 접촉 각도가 변화되어 계속되는 전단 병진운동을 촉진한다. 그러나, 계층적 고정의 경우에, 접촉 각도는 인가된 힘의 방향으로 효과적으로 구성될 수 없고, 결과적으로, 접촉 각도에 대한 확률적인 변화는 계속적인 전단 병진운동을 방해한다. 일부 경우에, 병진운동을 통해서 에너지를 공급하는 작용은 계속적인 전단 병진운동에 필요한 힘의 양을 증가시킬 수 있다.
도 4를 참조하면, 무한소 병진운동의 존재 시의 계층적 Wenzel-Cassie 고정 상태(400)의 실시예가 도시되어 있다. 적층된 계층적 Wenzel-Cassie 미세구조물(402)은 기재(404), 제1 원통형 필라(406), 제2 원통형 필라(408), 및 제3 사인파부(410)를 포함한다. 도 3의 습윤 상태 발전이, 제1 Wenzel-Cassie 상태(412), 제2 Wenzel-Cassie 상태(414), 및 제3 Wenzel-Cassie 상태(416)에 의해서 도시된, 준-안정 습윤 상태인 것으로 가정한다. 힘이 방향(418)으로 인가된다. Wenzel-Cassie 상태(412)의 무한소 병진운동은 정적인 Wenzel-Cassie 고정을 파괴하고, Wenzel-Cassie 상태(412)는 Wenzel-Cassie 상태(418)로 전이된다. Wenzel-Cassie 고정은 계층적 고정에 비해서 비교적 약하다. 상태(412)로부터 상태(418)로의 전이는 접촉 표면의 그리고 연관된 각도가 비교적 작은 재구성을 필요로 한다. 그러나, Wenzel-Cassie 상태(412)로부터 Wenzel-Cassie 상태(420)로의 병진운동은 Wenzel-Cassie 상태(412)를 효과적으로 파괴한다. 결과적인 성분들이 혼합 상으로 진입하고, 이는 무한소 병진운동(418)에 의해서 공급되는 운동 에너지의 일부를 흡수한다. 혼합된 상은 결국 Wenzel-Cassie 상태들로 다시 분리되나, 이는 모든 접촉 각도를 변화시킨다. 전단 병진운동을 촉진하는 하나의 세트의 접촉 각도 정렬만이 존재하기 때문에, 순 효과는 계속적인 전단 병진운동을 방지한다.
Wenzel-Cassie 상태가 공간적으로 구분된 레벨들을 형성하는 조건이 Wenzel-Cassie 분할 접촉으로 지칭되고, 이는 일부 방식에서 게코 도마뱀이 표면에 접착하는 것을 담당하는 기계적 분할 접촉과 유사하다. 분명하게, Wenzel-Cassie 분할 접촉이 계층적일 때, 전단 병진운동이 강력하게 방지된다. 예를 들어, Wenzel-Cassie 상태(416)의 파괴는 병진운동 에너지의 상당량을 흡수한다. 그러나, 모든 정적인 Wenzel-Cassie 고정 상태를 파괴할 정도로 전단력이 충분히 큰 경우에, 접착력을 실질적으로 상실한다.
도 5를 참조하면, 변형 가능 표면(504)과 접촉되는 미세구조화된 장치(502)를 포함하는 주름 고유모드 안정화 모드(500)의 실시예가 도시되어 있다. 일반적으로, 압축 하의 변형 가능 표면은, 변형 가능 표면(504)이 그 주름 고유모드(506) 중 하나에 진입되게 할 정도로 압축 에너지가 충분할 때까지, 압축될 것이다. 계층적 기간(508) 및 진폭(510)이 주름 고유모드(506)를 수용할 수 있을 정도로 충분하지 않은 경우에, 주름 고유모드(506)는 좌굴 상태로 신속하게 발전될 것이다. 계층적 기간(508) 또는 진폭(510)이 수용 요건과 편평한 상태(자발적인 좌굴 또는 자발적인 활주) 사이에 있을 때, Shallamach 조건이 얻어지고, 이는 시간적인 일련의 활주 및 파지 이벤트를 초래한다. 주름 고유모드 안정화(512)는 Shallamach 파동 생성의 경우에 단계적으로 진행된다. 압축이 변형 가능 표면(504) 내에 축적됨에 따라, 변형 가능 표면은 공간(514 및 516) 내로 연속적으로 변형된다(더 큰 고유 모드). 압축이 변형 가능 표면(504)을 통해서 확전됨에 따라, 더 큰 주름 고유모드가 여기된다. 여기에서, 고유모드의 차수(order of the eigenmode)는 여기된 주름의 수이다. 좌굴 상태를 생성하는데 필요한 압축이 고유모드를 여기시키는데 필요한 압축보다 크기 때문에, 미세구조화된 장치(502)는 좌굴 상태로의 전이를 능동적으로 억제한다.
대부분의 변형 가능 표면에서, 미세구조화된 장치의 큰 스케일의 미세구조물을 표적 변형 가능 표면의 굴곡 공간 기간(flexural spatial period)으로 튜닝하는 것으로 충분하다. 굴곡 공간 기간을 결정하는 방법은 임펄스 여기 기술을 이용하는 종래 기술에서 알려져 있다. 실시예는, 가장 큰 스케일의 미세구조물을 주름 고유모드로 튜닝하는 계층적 미세구조물 장치이다.
특히 관심이 있는 것은 피부의 좌굴 파장이고, 이는 피부에 대한 영률(Young's modulus)의 주어진 범위가 25 내지 100 kPa인 경우에 50 내지 200 미크론 범위이다. 그에 따라, 피치가 200 미크론 초과인 임의의 큰 스케일의 미세구조물은 피부 상의 좌굴을 대해서 미세구조화된 장치를 충분히 안정화시킨다. 큰 스케일의 미세구조물의 진폭이 50 내지 200 미크론 범위인 것으로 가정하면, 50 미크론에 더 가까운 피치에서 더 큰 계층적 고정이 발생될 것이다.
실시예는, 가장 큰 스케일의 미세구조물을 피부의 주름 고유모드로 튜닝하는 계층적 미세구조물 장치이다.
지형적 설계 고려 사항
계층적 미세구조물이라는 용어는 몇 개의 구분된 지형적 형태를 취한다. 본 발명에서 유용한 적층된 계층적 형태가 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. Wenzel-Cassie 습윤 상태는 계층적 구조물에서 특유한 것이다. 샘플 1-레벨 미세구조물에서, 습윤 상태는 Wenzel 또는 Cassie-Baxter 습윤 상태로 제한된다. 따라서, 생성된 Wenzel-Cassie 습윤 상태는 구분된 계층적 레벨 중 임의의 것 상의 Wenzel 상태와 Cassie-Baxter 상태의 조합을 포함한다.
도 6 및 도 7에서, 일반적인 실시예인, Wenzel, Cassie-Baxter, 및 Wenzel-Cassie 습윤 상태의 2-레벨 미세구조물이 도시되어 있고, 적어도 하나의 Wenzel 및 적어도 하나의 Cassie-Baxter 습윤 상태를 포함하는 이러한 습윤 상태들의 임의의 조합이 Wenzel-Cassie 상태로서 충분하다는 것이 이해된다.
2개의 일반적인 2-레벨 미세구조물이 있다. 도 6에 도시된 제1 분류는, 제1 및 제2 스케일 미세구조물이 서로 평행한 긴 축을 가지는, 미세구조물을 포함한다. 도 7에 도시된 제2 분류는, 제1 및 제2 스케일 미세구조물이 서로 수직으로 배향된 긴 축을 가지는, 미세구조물을 포함한다.
도 6을 참조하면, 분류 I의 계층적 미세구조물(600)은 4개의 원칙적인 형태를 취한다. 형태(602)는 Wenzel 습윤 상태이다. 형태(604)는 Wenzel-Cassie 습윤 상태이고, Wenzel 상태는 레벨 1에 있고 Cassie-Baxter 상태는 레벨 2에 있다. 형태(606)는 Wenzel-Cassie 습윤 상태이고, Cassie-Baxter 상태는 레벨 1에 있고 Wenzel 상태는 레벨 2에 있다. 형태(608)는 Cassie-Baxter 습윤 상태이다.
도 7을 참조하면, 분류 I의 계층적 미세구조물(700)은 4개의 원칙적인 형태를 취한다. 형태(702)는 Wenzel 습윤 상태이다. 형태(704)는 Wenzel-Cassie 습윤 상태이고, Wenzel 상태는 레벨 1에 있고 Cassie-Baxter 상태는 레벨 2에 있다. 형태(706)는 Wenzel-Cassie 습윤 상태이고, Cassie-Baxter 상태는 레벨 1에 있고 Wenzel 상태는 레벨 2에 있다. 형태(708)는 Cassie-Baxter 습윤 상태이다.
접촉 각도 설계 고려 사항
일반적으로, 정적 Wenzel-Cassie 고정 강도는 레벨 1과 레벨 2에서의 접촉 각도들 사이의 차이에 따라 달라진다. 원통형 필라를 이용하는 Cassie-Baxter 1-레벨 미세구조물에 대한 접촉 각도는 필라의 피치 및 직경에 의해서 특성화될 수 있다. Cassie-Baxter 습윤에 대한 접촉 각도는 종횡비에 의존하지 않는다. 문헌의 조사에 따르면, 미세구조물 재료의 편평한 시트에 대한 접촉 각도에 대한 접촉 각도의 이하의 변화가 제공된다. 양의 값은, 미세구조물이 없는 것에 비해서 미세구조물이 덜 습윤된다는 것을 나타낸다. 표 1을 참조하면, 열(column) 라벨은 피치를 나타내고, 행 라벨은 필라 직경을 나타내며, 그 둘 모두는 미크론으로 주어진 것이다.
Figure 112021082256921-pat00001
일반적으로, 정적 Wenzel-Cassie 고정 강도는 레벨 1과 레벨 2에서의 접촉 각도들 사이의 차이에 따라 달라진다. Wenzel 습윤 상태는 도 6 및 도 7의 2-레벨 구조물을 고려하는 것에 의해서 설계 고려 사항에 포함된다. 원통형 필라를 이용하는 계층적 2-레벨 미세구조물에 대한 접촉 각도는 양 레벨에서 3:1 종횡비에 대한 필라의 피치 및 직경에 의해서 특성화될 수 있다. 계층적 구조물 상의 접촉 각도에 대한 실험적 데이터가 없기 때문에, 이론적 값이 주어질 것이다. 양의 값은, 미세구조물이 없는 것에 비해서 미세구조물이 덜 습윤된다는 것을 나타낸다. 표 2 및 표 3을 참조하면, 접촉 각도의 이론적 값이 도 6 및 도 7의 미세구조물의 각각에 대해서 주어졌다. 직경 및 피치 값은 미크론으로 주어진다.
Figure 112021082256921-pat00002
Figure 112021082256921-pat00003
계층적 구조물이 거의 항상 초소수적이고, 편평한 접촉 각도가 전형적으로 90 내지 110의 범위라는 것을, 표 2 및 표 3으로부터 확인될 수 있다. 초소수적 미세구조물은, 접촉 각도가 150도 초과인 미세구조물이고, 표 2 및 표 3의 값에 110도 기준선에 더하는 것은 초소수적 접촉 각도를 초래한다.
계층적 구조물을 포함하는 미세구조화된 장치의 특징은 둘 이상의 초소수적 상태가 미세텍스쳐화된 소수적 기재 상에 공존할 수 있다는 것이다. 중간의 소수적인 기재에서, 공기-포획(trapping) 또는 지질-포획의 Cassie-Baxter 체제가 준안정적인 것으로 종종 관찰된다. 미세구조화된 장치와 변형 가능 표면 사이의 액체 계면에 압력을 인가함으로써, Cassie-Baxter 상태로부터 Wenzel 상태로의 비가역적인 전이를 유도할 수 있다. 놀랍게도, 양 상태에서의 접촉 각도가 비슷하다는 것이 관찰되었다. Wenzel 접촉 각도는 일반적으로 Cassie-Baxter 접촉 각도보다 약간 작다. 그러나, 습윤 상태 변환은 접촉 각도 이력을 크게 변화시킨다. 전단 병진운동에 대한 저항을 결정하는데 있어서 가장 중요한 것은 접촉 각도 이력의 크기이다.
실시예는, 장치와 표면 사이의 계면 내부의 접촉 표면이 준안정인 계층적 미세구조물 장치이다.
준안정 Cassie-Baxter 상태에서, Wenzel 습윤 상태에서의 접촉 각도 이력은 Cassie-Baxter 습윤 상태에서의 접촉 각도 이력보다 10 내지 20배 더 크다는 것을 발견하였다. 초소수적 계층적 미세구조물의 준안정 특성은, 초소수적 표면에 대한 통상적인 예상과 대조적으로, 큰 접촉 각도 이력을 가능하게 한다.
전술한 관찰은, 내부 접촉 각도 또는 접촉 표면 지형이 미세구조화된 장치의 선행 및 후행 연부에서의 전진 및 후퇴 접촉 각도의 차이를 결정한다는 것을 제시한다. 이러한 이유로, 계층적 레벨들 사이에서 접촉 각도의 큰 차이를 제공하는 스케일링된 미세구조물을 선택하는 것은, 비록 전술한 바와 같이, 해당 선택이 미세구조화된 장치의 선행 및 후행 연부에서 정적인 접촉 각도에 거의 영향을 미치지 않지만, 접촉 각도 이력을 향상시키기 위한 실질적인 지침을 제공한다.
계층적 미세구조물 계면의 준안정성은, 미세구조화된 장치를 습윤 변형 가능 표면 상에서 전단 병진운동시키기 위해서 미세구조화된 장치에 힘을 인가하는 작용이 종종 전단 병진운동에 대한 향상된 저항을 초래한다는 관찰을 설명한다.
실시예는, 습윤 변형 가능 표면과 접촉될 때, 초기 무한소 전단력이 인가된 후에 전단 병진운동에 필요한 힘을 증가시키는 계층적 미세구조물 장치이다.
습윤 변형 가능 표면에 대한 미세구조화된 장치의 접촉이 습윤 상태의 발생을 초래하는 특정 아키텍처에서, 미세구조화된 장치의 계층적 레벨에 걸친 위킹의 작용은 분할 접촉 Wenzel 전이를 유도하게 충분한 수직 항력을 초래한다.
예시적인 실시예에서, 출원인은, 준안정적인 계층적 미세구조화된 표면으로 습윤 컨테이너를 파지하는 작용은 본질적으로 전단 병진운동과 관련된 손에 대해서 컨테이너를 록킹한다는 것을 발견하였다. 컨테이너 표면에 수직인 병진운동 즉, 파지를 느슨하게 하는 것은 컨테이너의 미세구조화된 표면에 의해서 영향을 받지 않는다.
다른 예시적인 실시예에서, 출원인은, 준안정적인 계층적 미세구조물을 포함하는 차단된 수술-후 접착을 위한 시트-형태의 수술 이식체가 수직 항력의 부재 시에 조직 상으로 당겨지는 것으로 보인다는 것을 발견하였다. 분할 접촉 Wenzel 전이가 발생된 후에, 이식체의 전단 병진운동이 본질적으로 차단된다. 분명하게, 수직 항력의 부재 시에 분할 접촉 Wenzel 전이가 발생되게 하기 위해서, 유도된 수직 항력에 반대로 작용하지 않을 정도로 미세구조화된 장치의 경직도가 충분히 작아야 한다.
초소수적 표면 상의 극단적인 습윤은 많은 하부의 미시적 길이 스케일을 요구하고, 출원인은, 그러한 미시적 길이 스케일이 거시적 특성에 영향을 미치고 또한 복잡한 에너지 지형 및 접촉-라인 동역학을 초래한다는 것을 발견하였다.
준안정적인 계층적 설계에서의 자가-유사성의 역할
문헌의 연구로부터, 가장 복잡한 다수-스케일 미세구조물 제조 방법이, 크기 및 피치 스케일의 연속적인 스펙트럼에 일치되는 표면 조도를 생성한다는 것이 확인되었다. 본 발명의 기능에 관한 중요한 설계적 특징은, 미세구조화된 표면이 습윤 변형 가능 표면과 접촉될 때 분할 접촉 Wenzel-Cassie 습윤 상태가 얻어진다는 것이다.
분할 접촉 Wenzel-Cassie 조건은, 크기 및 피치의 스펙트럼이 연속적이 아닌 경우에만 달성될 수 있다. 사실상, 크기 및 피치 스펙트럼의 불연속성은 계층적 미세구조물의 불변의 특징이다. 분할 접촉 개념에 대해서 상세히 설명하면, 크기 및 피치 특징이 일정한 비율로 서로 관련된다. 이러한 경우에, 계층적 미세구조물의 스케일링된 특징은 자가-유사적이다. 자가-유사성 상수의 선택은 표적 변형 가능 표면에 따라 달라진다.
실시예 장치는 계층적 미세구조물을 포함하고, 각각의 계층적 레벨은 공간적 주기성의 특성적인 범위를 포함하고, 각각의 계층적 레벨의 공간적 주기성의 범위는 다른 레벨의 공간적 주기성의 범위를 포함하는 공간적 주기를 포함하지 않는다.
아직, 초소수적 재료 내의 구분되게 분리된 상이한 길이 및 피치 스케일의 존재의 결과는 문헌에서 거의 연구되어 있지 않다. 특히, 습윤 상태의 계면적으로 구동되는 운반에 미치는 계층적 구조물의 영향은 완전히 무시되어 왔다.
계층적인 자가-유사성이 중요한 역할을 하는 하나의 적용 분야는 단열 분야이다. 초소수적 자가-유사적인 계층적 미세구조화된 표면은 강력한 단열체로서 작용한다. 이러한 적용예에서, Cassie-Baxter 습윤 상태의 준안정성은 의도된 용도에 반하여 작용한다. 이러한 적용예에서, Cassie-Baxter 습윤 상태를 안정화하기를 원한다. 이러한 적용예에서, 표 1이 특히 유용하다. 자가-유사적인 구성에서 표 1을 이용함으로써, Wenzel 상태의 전파를 초래할 수 있는 계층적 구조물의 취약점은 존재하지 않는다.
자가-유사성 개념이 양 방향으로 작용하고, Wenzel 상태 전파를 차단할 수 있을 정도로 스케일 분리가 충분한 경우, 자가-유사성은 Cassie-Baxter 안정성을 촉진하는 점을 이해하여야 한다. 스케일 분리가 Wenzel 상태 전파를 촉진할 정도로 충분히 작은 경우에, 자가-유사성 보장 Wenzel 상태는, 모든 스케일에서 Wenzel 포화를 차단하는 중간 스케일에서 차단되지 않는다.
실시예인, 단열 적용예에서, 목적은, 계층적 피쳐가 열적으로 격리하는 브릿지로서 작용하도록 계층적 피쳐의 첨단부에 의해서 액체 계면이 지지되는 상태를 획득하는 것이다. 이러한 적용예에서, 미세구조물은 컨테이너의 내측에 있다. 실질적인 용도는 커피 컵의 절연으로부터 극저온 유체 도관의 절연까지의 범위를 갖는다.
열 전도성이 요구되는, 반대 방향으로 적용된 자가-유사성과 관련하여, 열 교환기 및 증기 냉각 분야의 적용예를 생각할 수 있다. 초소수적 재료는 초-핵생성 계면으로서 작용할 수 있다. 사실상, 초소수성은 계층적 텍스쳐 스케일의 상단부 상의 방울 방식의 응축을 촉진한다. 응축되는 액적은 용이하게 굴러서(roll off), 강력하게 향상된 열 전달을 초래한다. 전자 장치 냉각과 같은, 이러한 그리고 많은 다른 잠재적인 적용예에도 불구하고, 본 개시 내용은 초소수적 표면에서 열 전달을 개선하는데 필요한 기본적인 이해를 제공한다.
실시예는, 응축 핵생성에 의해서 열 전달을 촉진하는 계층적 미세구조물 장치이다.
자가-유사성은, 미세구조화된 표면의 열화가 예상되는 적용예에서 특히 유용하다. 자가-유사성은, 미세구조화된 장치의 상단 층이 제거되는 경우에, 아래의 층이 동일한 비율의 크기 및 피치를 본질적으로 공유할 것이다. 이는, 표면의 미끄럼 방지 특성이 그 두께를 통해서 변화 없이 유지되게 보장한다.
실시예는 자가-유사적인 계층적 구조물을 갖는 계층적 미세구조물 장치이고, 패턴의 열화는 장치의 습윤 특성에 크게 영향을 미치지 않는다.
재료 설계 고려 사항
본 발명의 미세구조화된 장치를 제조하는데 유용한 중합체는, 비제한적으로: PDMS, PMMA, PTFE, 폴리우레탄, 테프론, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴레이트, 열가소성 수지, 열가소성 엘라스토머, 플루오로폴리머, 생분해성 중합체, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리비닐, 폴리올레핀, 실리콘, 천연 고무, 합성 고무 및 그 임의의 조합을 포함한다.
일부 실시예에서, 기재 및/또는 그 위에 배치된 미세 피쳐를 포함하는, 미세구조화된 표면은 동물 및/또는 식물로부터 얻어진 산업적인 재료, 예를 들어 탄수화물, 셀룰로오스, 리그닌, 당, 단백질, 섬유, 바이오중합체 및/또는 전분을 포함하는 재료를 포함한다. 예시적인 식물 및/또는 동물 유래 산업적 재료는, 비제한적으로: 종이; 판지; 텍스타일, 예를 들어 양모, 린넨, 면 또는 가죽; 바이오플라스틱; 고체 바이오 연료 또는 바이오 매스, 예를 들어 톱밥, 밀가루 또는 차콜; 및 건축 재료, 예를 들어 목재, 섬유판, 리놀륨, 코르크, 대나무 및 견목을 포함한다.
특정 실시예에서, 미세구조화된 표면은 복합 재료를 포함한다. 예를 들어, 기재 및/또는 그 위에 배치된 미세 피쳐를 포함하는, 미세구조화된 표면은 둘 이상의 구분된 재료, 층 및/또는 구성요소를 포함할 수 있다.
실시예에서, 미세구조화된 표면은 복수의 미세구조물 상의 및/또는 위의 코팅을 포함한다. 유용한 코팅은, 비제한적으로: 플루오르화 중합체, 플루오르화 탄화수소, 실란, 티올, 및 이들의 임의의 조합을 포함한다. 여러 실시예에서, 미세구조화된 표면은 표면을 프로세스하는 단계를 거친다. 유용한 표면 프로세스 방법은, 비제한적으로, 경화, 쿠킹, 어닐링, 화학적 프로세스, 화학 코팅, 도장, 코팅, 플라즈마 프로세싱 및 이들의 임의의 조합을 포함한다.
코팅 대 미세구조물
말단 레벨이 매끄러운 친수적 물질로 대체된 계층적 미세구조화된 장치가 전통적인 습윤 모델과 반대되는 Wenzel-Cassie 거동을 나타낸다는 것을 예상치 못하게 발견하였다. 사실상, 기하형태적으로 유도된 친수성을 화학적 친수성으로 대체하는 것은 임의의 미세구조물 레벨에서 적용될 수 있고, 반대로 적용될 수도 있다. 예를 들어, 매끄러운 친수적 물질을 갖는 범위 내에서 코팅된 매끄러운 소수적 기재는, 그러한 기재 상에 놓이는 계층적 미세구조물 상에 놓이는 Wenzel-Cassie 상태를 위한 고정 장소로서 작용할 수 있다.
실시예에서, 미세한 구조화된 말단 레벨을 다른 미세구조물 레벨과 구분되는 친수성 또는 친유성을 가지는 코팅으로 교체하는 것에 의해서, 환경적 열화에 보다 더 저항적인 계층적 미세구조물 장치가 제조된다.
본 개시 내용의 미세구조화된 계층적 표면은, 임의의 적합한 및/또는 희망하는 수단에 의해서 말단으로 기능화될 수 있는 것을 포함한다. 예를 들어, 미세구조물 계층적 표면의 초소수적 표면의 첨단부 부근의 희망 범위가 임의의 희망하는 그룹, 예를 들어 정전기 결합, 공유 결합, 수소 결합, 및/또는 반데르발스 상호 작용할 수 있는 그룹으로 기능화될 수 있다.
일 실시예에서, 말단 미세 구조물을 가지는 표면 구조물이, 미세 구조물을 특정 화학적 친수성을 가지는 매끄러운 표면으로 대체하는 표면 그룹과의 접착에 의해서 기능화될 수 있다. 따라서, 기하형태적 친수성을 화학적 친수성으로 대체한다.
특정 실시예에서, 계층적 미세구조화된 장치의 상승된 표면 구조물을 다양한 방식으로 기능화하여, 용액으로부터의 재료의 석출, 흡착, 또는 부착이 발생되게 하는 표면을 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상승된 표면 구조물을 처리하여 금의 층을 부착할 수 있고, 그러한 금의 층은 이어서 다양한 재료, 예를 들어 소수적 티올 화합물과 반응하여 소수적 표면을 형성할 수 있다. 예시적인 티올화된 분자는 폴리(스티렌-코-2,3,4,5,6-펜타플루오로스티렌-SH), 폴리(메틸 메타크릴레이트-코-펜타플루오로옥틸 메타크릴레이트-SH)를 포함하나, 일반적으로 임의의 플루오르화된 또는 메틸레이트화된 티올이 이용될 수 있다.
다른 실시예에서, 상승된 표면 구조물의 첨단부는, 티올-처리된 표면을 희망하는 표면 특성을 가지는 다른 화합물을 포함하는 용액과 접촉시키는 것에 의해서, 더 선택적으로 기능화될 수 있다. 일부 예시적인 분자는 카르복실산-말단 티올, 술폰화 티올 분자, 히드록실-말단 티올, PEG-말단 티올, 및 기타를 포함한다.
이러한 처리는 새롭지 않으나, 미끄럼 방지 초소수적 표면을 획득하기 위해서 계층적 미세구조화된 장치를 그러한 처리로 말단화하는 아이디어는 출원인의 신규한 발견이다. 초소수성의 개념과 연관된 부착방지 적용예의 대부분에 반대되는 초소수적 계층적 표면에 의해서 미끄럼 방지 특징의 증가가 강화되었다. 초소수적 표면 내의 척력적인 특징의 강도는, 계면 부피 내부의 평면 내의 Wenzel-Cassie 습윤 상태를 강력하게 록킹하는 것과 동일한 메커니즘이다.
일반적으로, 기하형태적으로 친수적/소수적인 말단 구조물을 화학적으로 친수적/소수적인 매끄러운 표면으로 대체하는 실시예가 예상된다. 그렇게 하는 것은, 사용 시에 웰(well)을 재생하지 않을 수 있거나 열화되지 않을 수 있는 작은 스케일 피쳐를 제거하는 것에 의해서, 그러한 계층적인 미세구조화된 장치가 기계적으로 더 강건하게 한다.
물-공기 대 물-지질 계면 설계 고려 사항
온도 증가에 따라 소수적 상호 작용의 강도가 증가되기 때문에, 이들은 종종 엔트로픽으로 보여지며; 다시 말해서 소수적 유닛은 주변 물 내에서 약간의 오더(order)를 유도한다. 이러한 개념은, 작은 소수적 유닛이 수소 결합을 위해서 이용 가능한 구성 공간의 부피를 감소시키는 한 정확하다.
소수적 분자는, 부피를 제거하는 것에 더하여, 다양한 방식으로 물과 상호 작용한다. 이들은 반데르발스 상호 작용에 의해서 물 분자에 약한 인력을 가한다. 이들은 또한, 알코올 상의 히드록실기와 같은, 친수적 성분을 통해서 강력한 인력을 가한다. 비록 반데르발스 상호 작용이 너무 약해서 물 내의 계면의 존재에 영향을 미치지 못하지만, 이는 계면의 위치에는 영향을 미친다. 유사하게, 양극성 분자의 친수적 부분이 소수적 조립체의 직접적인 원인이 아닌 반면, 이들은 계면 및 다른 구조물에 대한 이러한 조립체의 배열에 영향을 미친다.
실시예에서, 계층적 미세구조물 장치는, 장소로부터 장소로 이동하는 것을 방지하기 위해서, 분할 접촉 Wenzel-Cassie 구성에서 고체-오일-물 계면의 양태를 구성하는 물을 이용한다. 장소로부터 장소로 이동하는 것을 공기가 또한 방지하지만, 지질은 불가능하고, 지질의 구성은 물-고체 계면 평형 구조물을 고정하려는 경향에 기여한다.
중요하게, 출원인은, 친수적 및 친유적 표면(고체-공기-물 계면 및 고체-공기-오일 계면)이 물(고체-물-오일 계면) 내에서 소유적 표면으로 전환될 수 있다는 것을 발견하였다.
실시예에서, 친유적-대-소유적 전이되는 계층적 미세구조화된 장치는 환경적으로 오일이 많은 오염물질에 노출되는 표면에 도포된다. 예를 들어, 사용 중에 오일 잔류물이 축적되는 차량의 부품 및 그 표면은, 비에 주기적으로 노출될 때, 자가-세정 모드로 전이된다. 일반적으로, 그러한 오일 잔류물은 물을 포함하는 세정 처리에 대해서 내성을 갖는다.
도 8을 참조하면, 고체-물-공기 계면(802) 및 고체-오일-물 계면(804) 사이의 차이가 도시되어 있다. 고체(806)-물(808)-공기(810) 접촉 각도(812) 및 고체-오일(814)-물 접촉 각도(816)가 도시되어 있다. 각도가 수직선(818)을 중심으로 측정되는 경우에, 고체-물-공기 접촉 각도(812)는 고체-오일-물 접촉 각도(816)와 반대 부호이고 동일한 크기이다. 이는, 표면이 고체-물-공기 계면에서 친수적인 경우에, 그러한 표면은 고체-오일-물 계면에서 친유적 및 소유적 모두라는 것을 의미한다. 미세구조물 표면이 친유적 또는 소유적인지의 여부는 표면 에너지에 따라 달라진다. 고체-물-공기 계면에서의 소수적 표면에서도 마찬가지다. 친유적/소유적 계면의 쌍안정 성질은 복잡한 내부 접촉 라인 동역학의 준안정성에서 기여하는 인자이다.
실시예에서, 계층적 미세구조화된 장치는, 친유적/소유적 전이에 가까운 표면 에너지 구성을 가지며, 극단적인 불안정성을 가지는 변형 가능 표면과 계면을 형성한다. 병진운동적 섭동은 준안정 상태가 안정적 전이 모드들 중 하나에서 록킹되게 한다.
이러한 실시예의 설계는 표 4에 의해서 가능해진다. 15 미크론 직경 및 30 미크론 높이의 필라의 어레이에서, 피치의 함수로서의 접촉 각도의 이론적 변화가 표 4에 주어졌다.
Figure 112021082256921-pat00004
계층적 레벨에서 지형적 고려 사항
상호 작용 부피 내에서 친수적/소수적 접촉 표면을 가시화하는 것은 설계를 유리하게 안내할 수 있다. 이제, 컬럼은 L1 레벨이고, 세로 홈은 L2 레벨인, 평면형 어레이 내의 삼각형 패킹 체계의 세로 홈 컬럼을 포함하는 특정 실시예를 고려한다. 도 9는 컬럼 어레이의 상면도이다.
친수적/소수적 접촉 표면은 경계 표면으로서 작용하는 계층적 구조물을 갖는 최소 표면이다. 도 10은 지질 상 내에 담긴 물 접촉 표면을 도시한다.
일부 실시예에서, 표면은 의료 장치의 일부 상에 배치된다. 이식 가능한 의료 장치는 유리하게, 본원에서 개시된 표면으로 인해서, 현장(in situ)에서의 병진운동을 유리하게 저지할 수 있다. 일부 실시예에서, 장치는 수술용 리트랙터이다. 도 11은 아암(1103) 및 수술용 앵커(1105)를 포함하는 리트랙터(1101)를 도시한다. 수술용 앵커(1105)는 의사가 리트랙터(1101)를 수술용 외과 드레싱에 고정시킬 수 있게 한다. 리트랙터(1101)의 근위 단부(1107)는 초소수적 표면(1119)을 갖는다. 초소수적 표면의 구체적인 예가 앞서서 도시 및 설명되었다. 선택적으로, 리트랙터는, 관(1115)을 통해서 가압될 수 있는 중공형 섹션(1113) 상에 포함된 팽창 요소(1111)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 중공형 섹션(1113)이 팽창되고, 리트랙터는 방향(1117)을 따라 강성이 되고 직선형이 된다. 선택적으로, 리트랙터는, 측면(1121)에 접촉되는 조직으로부터 내부 흡입 부피(1123)까지 전체를 통해서 제공되는 일련의 홀(1119)로 이루어진 흡입 블래더(suction bladder)를 포함할 수 있다. 흡입 블래더는 조직 접촉 측면(1121) 및 외부 측면(1125)을 포함한다. 외부 측면(1125)은 탭(1126)을 포함할 수 있고, 의사는 그러한 탭에 스테이 라인(stay line)을 봉합하거나 파지하여 리트랙터(1)를 조직 표면에 대해서 배치할 수 있다. 흡입 블래더에 부착된 흡입 관(1127)은 흡입을 제공하고 조직 유체(1129)를 흡입 블래더 내로 끌어 당긴다. 선택적으로, 폭(1131)이 직선적이 되도록 그리고 길이(1133)가 곡률 반경(17135)을 가지고 곡선화되도록, 리트랙터(1)가 미리 형성된 형상을 가질 수 있다. 선택적으로, 리트랙터(1101)는 주름진(37) 조직 접촉 표면(1121)을 갖는다. 주름 주파수(1139)가 팽창 요소(1111)를 통해서 조정될 수 있고, 그에 따라 증가된 팽창은 주파수(1139)를 감소시키고 길이(1133)를 증가시킨다.
3 레벨 실시예에서, 도 12는, 낮은 높이의 L2 레벨의 매끄러운 필라(1204) 및 높은 높이의 매끄러운 필라(1206), 그리고 필라(1208)의 벽에서 나노구조물(1210)을 갖는 밸리-위치 L2 레벨 필라(1208)가 위에 놓이는, 사인파부(sinusoid) L1 레벨(1202)을 포함하는 계층적 미세구조물 표면(1200)을 도시한다. 필라(1204 및 1206)의 상단부에는 L3 레벨 작은 필라(1212)가 위치된다. 피쳐(1210 및 1212)는 소수적이다. 친수적/소수적 접촉 표면의 소수적 부피가 도 13에 도시되어 있다.
도 14는, 장갑의 상이한 지역들(1402) 내에 배치된 본 개시 내용의 미세구조화된 표면을 포함하는 장갑(1400)을 도시한다.
도 15는, L1 레벨 실린더(1506), 채널(1504) 및 융기부(1514), L2 레벨 실린더(1508), 및 L3 레벨 나노구조물(1510) 및 미세 필라(1512)를 포함하는 계층적 미세구조물(1500)의 실시예를 도시한다. 친수적/소수적 접촉 표면의 소수적 부피가 도 16에 도시되어 있다.
최소 접촉 표면을 아는 것에 의해서, 삼각형의 센터링된 어레이(도 10)와 정사각형의 센터링된 어레이(도 18) 사이의 차이가 향상될 수 있다. 실시예에서, 도 17은 L1 레벨 세로 홈 필라(1702) 및 채널(1704), L2 레벨 나노구조물(1706)을 포함하는 계층적 미세구조화된 패턴이다. 친수적/소수적 접촉 표면의 친수적 부피가 도 18에 도시되어 있다.
친수적/소수적 접촉 표면의 최소 표면 구조물을 아는 것은, 접촉 표면 중단된 계층적 미세구조화된 패턴의 설계를 가능하게 한다. 도 19는 접촉 표면 중단된 계층적 미세구조화된 패턴(1900)의 실시예이다. 중단된 계층적 패턴은 L1 필라의 삼각형 어레이를 포함하고, 그 어레이의 일부는 L2 세로 홈 표면(1902)을 가지고 다른 부분은 L2 나노구조물(1904)을 갖는다. 친수적 필라들(1902)이 친수적 채널들(1906)에 의해서 연결된다. 소수적 필라들(1904)이 소수적 나노구조물(1908)에 의해서 연결된다. 전술한 바와 같이, 육각형 형상의 연결된 소수적 부피(1910)는 1910의 필라를 구성할 것으로 예상된다. 유사하게, 마름모꼴 형상의 접촉 친수적 부피(1912)는 1912의 필라를 구성할 것으로 예상된다. 그러나, 범위(1914) 내에서, 범위(1914)의 일부가, 1910의 소수적 구조물에 의해서 개시되어, 소수적으로 구성될 것이고; 범위(1914)의 다른 부분은, 1912의 친수적 구조물에 의해서 개시되어, 친수적으로 구성될 것이다. 범위(1914)는 중단되고, 특정 조건 하에서 소수적 구조물이 완성될 것이고, 약간의 섭동 하에서 친수적 구조물이 완성될 것이다. 접촉 중단된 계층적 미세구조물 패턴은 습윤 오일 표면 상에서 국소화시키고자 하는 패터닝된 장치에서 특히 유용하다.
하나의 기본적인 라인이 도시된 도 19의 전술한 실시예는 1차원적 접촉 표면 중단된 계층적 미세구조물 패턴인데, 이는 인접한 라인들이 중단되지 않기 때문이다. 2차원적인 접촉 표면 중단된 계층적 미세구조물 패턴의 실시예가 도 20에 도시되어 있다. 도 20은 실시예의 유닛 셀을 도시한다. 유닛 셀은 삼각형 어레이로 또는 정사각형 어레이로 타일 작업된다(tiled). 타일 작업에서의 유닛 셀의 원형 주변부에는 교번적으로 소수적 및 친수적이고, 예를 들어 나노구조물의 라인 및 채널의 라인이 각각 위치된다. 도 20의 삼각형은, 위를 향하는 그리고 아래를 향하는, 2개의 배향을 갖는다. 4개의 상향 삼각형 및 5개의 하향 삼각형이 있다. 원형 주변부가 소수적인 경우, 5개의 하향 삼각형은 친수적 채널을 포함한다. 원형 주변부가 친수적인 경우, 5개의 하향 삼각형은 소수적 나노구조물의 라인을 포함한다. 삼각형의 꼭지점은, 라인이 친수적인 경우에 친수적 세로 홈 컬럼이고, 또는 라인이 소수적인 경우에 소수적 나노구조물 컬럼이다. 중심점은 주변부와 동일한 친수성의 컬럼이다.
제조 방법
계층적 구조물을 제조하기 위한 다양한 방법이 본원에서 고려된다. 하나의 그러한 방법은 표면 구조물 복제를 이용하는 미세구조물의 생산, 및 소수적 알칸의 자가-조립을 통한 나노 돌기(asperity)의 후속 생산이다.
또한, 많은 수의 초소수적 표면이 몰딩, 전착, 나노리소그래피, 콜로이달 시스템 및 포토리소그래피를 이용하여 계층적 구조물과 함께 제조되었다. 몰딩은 저렴하고 신뢰 가능한 표면 구조물 복제 방식이고, 약 10 nm의 정밀도를 제공한다. 나노구조물의 자가-조립은, 당업자에게 친숙한 여러 가지 방법, 예를 들어 열착 및/또는 증발 프로세스를 통해서 달성될 수 있다.
이하의 예에서, 계층의 레벨은 L#로 표시된 레벨에 표시될 것이고, 여기에서 #는 레벨을 나타낸다. 더 높은 레벨은 더 미세한 미세구조물에 상응한다. 모든 예에서, 규소 마스터 몰드를 제조하였고, 그로부터 실리콘 음화(silicone negatives)를 획득하였다. 음화는, 용액 주조 또는 용융 압력 주조를 통해서, 양화 테스트 물품을 생성하기 위해서 이용되었다. 이러한 방법은 당업자에게 친숙한 것이다.
실시예
예시적인 실시예 1
실시예에서, 폴리프로필렌 계층적 미세구조물 장치는 이하의 치수로 제조되었다.
L3: 3 ㎛ 원/핀 6 ㎛ 피치 삼각형 어레이 4 ㎛ 높이
L2: 35 ㎛ 원 45 ㎛ 피치 삼각형 어레이 45 ㎛ 높이
L1: 750 ㎛ 사인파부 750 ㎛ 피치 삼각형 어레이 220 ㎛ 높이
삼각형 어레이는 표시된 피쳐의 오프셋 패킹을 지칭한다. 피치는 규정된 라인을 따른 피쳐 중심들 사이의 거리, 및 규정된 라인들 사이의 거리를 지칭한다. 원은 편평한 상단부를 갖는 실린더를 지칭한다. 핀은 실린더의 축과 정렬된 측방향 돌출부를 지칭한다. 도 21은 실시예 1의 대표적인 샘플의 화상이다.
고체-오일-액체 계면은, 식물 오일 및 수성 녹색 식품 색소의 혼합물을 포함하는 트레이 내에 계층적 미세구조물 장치를 배치하는 것에 의해서 맵핑되었다. 패터닝된 측면은 트레이 내에서 위쪽으로 배치되었다. 혼합 시에, 실리콘 막이 미세구조물 장치 상에 배치되어 장치-표면 계면을 완성하였다. 조립체를 냉동하였다. 응고 시에, 실리콘 층을 제거하였고 계면 구성을 촬영하였다. 도 22를 참조하면, L2 및 Ll 미세구조물(2200) 상의 물 고정(짙은 회색)(2202)이 도시되어 있다.
예시적인 실시예 2
실시예에서, 폴리프로필렌 계층적 미세구조물 장치는 이하의 치수로 제조되었다.
L3: 10 ㎛ 정사각형 20 ㎛ 피치 직사각형 어레이 25 ㎛ 높이
L2: 100 ㎛ 정사각형 200 ㎛ 피치 직사각형 어레이 70 ㎛ 높이
L1: 100 ㎛ 채널 200 ㎛ 피치 평행한 채널 100 ㎛ 높이
대표적인 샘플이 도 23에 도시되어 있다.
예시적인 실시예 3
계층적 미세구조화된 장치의 말단 계층적 레벨, 패턴(68)이 매끄러운 소수적 및 매끄러운 친수적 코팅으로 대체되었다. 필라의 상단부 상의 필라를 포함하는 패턴(68)이 구축되었고 비프 스테이크에 대항하여(against) 배치된 때에 전단 테스트되었다. 테스트 물품은 패턴(68)만이었고, 패턴(68)은 대체된 말단 레벨을 갖는다. 테스트 재료는 폴리우레탄(AP1780), 폴리락트산(PLA) 및 실리콘이었다. 모든 결과는 lbs/cm2 단위로 주어졌다. 5개의 샘플이 각각의 스터디 아암(study arm) 내에서 테스트되었다.
증가되는 소수성의 순서
AP1780 PLA 실리콘
테스트 물품 전단력(lbs/cm2)
HMSS 단독
AP1780 0.046 +/- 0.007
PLA 0.059 +/- 0.005
기능화된 HMSS
APl780 HMSS 상의 PLA 0.031 +/- 0.004
패턴 68-Ll, PLan HMSS 상의 AP1780 0.068 +/- 0.006
패턴 68-Ll, PLan HMSS 상의 실리콘 0.043 +/- 0.004
예시적인 실시예 4
300, 400, 500 미크론의 사인파부 깊이를 갖는 실리콘 상의 세로 홈의 큰 사인파형 꽃잎 설계(도 21) 주조에 대한 전단력의 측정을 실시하였다. 결과를 비-사인파형 패턴(패턴(86))과 비교하였다. 패터닝된 장치는 흡수 가능한 폴리우레탄 AP1780, 흡수 가능한 폴리우레탄 AP1959, 및 폴리락틱산(PLA)의 주조품이었다.
재료 및 방법:
아세톤 내에 용해된 PLA 704를 이용하였다.
기계적인 국소화 특성을 평가하였다. 소고기 커틀렛 "스테이크"를 구매하였고, 3cm 입방체로 썰고 국소화된 플랫폼에 부착하였다. 고기를 22 ℃의 생리식염수로 수화시켜 잘 유지하였다. 테스트 물품을 1 X 1 cm 정사각형으로 절단하고, 필라멘트가 부착된 디스크 상에 장착하였으며, 그러한 필라멘트를 통해서 테스트 물품에 힘이 인가될 것이다. 전단은, 테스트 물품을 고기의 3 cm 입방체 상에 배치하는 것, 그리고 표면에 대해서 수평으로 당기는 것에 의해서 측정되었다. 따라서, 이러한 측정은 단위 면적당 힘을 나타낸다(1 cm2).
모든 측정에서, 분명한 특이값(clear outlier)을 버리고, 부가적인 테스트 물품으로 반복하여 측정하였다. Instron Mini 55를 이용하여 힘을 기록하였고, 크로스헤드(crosshead) 속력은 0.1 cm/초였다. 로드 셀 한계는 200 g이었고, 정확도는 +/- 0.1 g이었다.
패턴:
85A L3: 3 미크론 원형 필라, 6 미크론 필라 피치, 5 미크론 필라 깊이.
L2: 25 미크론 원형 필라, 35 미크론 필라 피치, 30 미크론 필라 깊이는, 세로 홈 3 미크론 세로 홈 폭, 6 미크론 세로 홈 피치, 5 미크론 세로 홈 깊이를 포함한다
087A Ll: 450 미크론 사인파부, 450 미크론 피치, 300 미크론 깊이
088A Ll: 600 미크론 사인파부, 600 미크론 피치, 400 미크론 깊이
089A Ll: 750 미크론 사인파부, 750 미크론 피치, 500 미크론 깊이
테스트 물품:
090A 패턴(085A 및 087A)의 조합(Ll 300 미크론 사인파부 깊이 - 실제는 90 미크론 깊이였다); 실제로 몰드 상의 사인파부의 실제 깊이를 의미한다
091A 패턴(085A 및 088A)의 조합(Ll 400 미크론 사인파부 깊이 - 실제는 160 미크론 깊이였다)
092A 패턴(085A 및 089A)의 조합(Ll 500 미크론 사인파부 깊이 - 실제는 205 미크론 깊이였다)
적층된, 세로 홈, 사인파부(093AH):
일차: 25 ㎛ 원형 홀, 35 ㎛ 피치, 45 ㎛ 깊이
세로 홈 3 ㎛ 너비, 6 ㎛ 피치, 5 ㎛ 깊이 포함
이차: 3 ㎛ 원형 홀, 6 ㎛ 피치, 5 ㎛ 깊이
사인파부 배경: 450 ㎛ 사인파부 홀, 450 ㎛ 피치, 300 ㎛ 깊이
적층된, 세로 홈, 사인파부(094AH):
일차: 25 ㎛ 원형 홀, 35 ㎛ 피치, 45 ㎛ 깊이
세로 홈 3 ㎛ 너비, 6 ㎛ 피치, 5 ㎛ 깊이 포함
이차: 3 ㎛ 원형 홀, 6 ㎛ 피치, 5 ㎛ 깊이
사인파부 배경: 600 ㎛ 사인파부 홀, 600 ㎛ 피치, 400 ㎛ 깊이
적층된, 세로 홈, 사인파부(095AH):
일차: 25 ㎛ 원형 홀, 35 ㎛ 피치, 45 ㎛ 깊이
세로 홈 3 ㎛ 너비, 6 ㎛ 피치, 5 ㎛ 깊이 포함
이차: 3 ㎛ 원형 홀, 6 ㎛ 피치, 5 ㎛ 깊이
사인파부 배경: 750 ㎛ 사인파부 홀, 750 ㎛ 피치, 500 ㎛ 깊이
적층된, 세로 홈, 사인파부(086AH):
일차: 25 ㎛ 원형 홀, 35 ㎛ 피치, 45 ㎛ 깊이
세로 홈 3 ㎛ 너비, 6 ㎛ 피치, 5 ㎛ 깊이 포함
이차: 3 ㎛ 원형 홀, 6 ㎛ 피치, 5 ㎛ 깊이
결과:
당김 테스트:
모든 측정을 가장 근사한 그램으로 반올림하였다. 모든 측정은 1.0 그램 디스크로 이루어졌다. 모든 측정은 텍스쳐 충진을 피하기 위해서 새로운 주조품으로 이루어졌다.
비교 APl780, AP1959, PLA
텍스쳐 습한 고기(그램 힘)
Figure 112021082256921-pat00005
Figure 112021082256921-pat00006
전술한 비제한적인 예시적인 적용예에 의해서, 당업자는 본 발명의 계층적 미세구조화된 표면으로 예상될 수 있는 많은 다른 적용예를 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 제1 레벨 및 제2 레벨을 포함하는 적어도 2개의 계층적 레벨을 가지는 미세구조화된 표면을 포함하는 장치이며, 제1 레벨 및 제2 레벨 각각은 미세피쳐(microfeature)를 포함하고, 제1 레벨의 미세피쳐는 10 내지 500 미크론의 폭, 10 내지 500 미크론의 높이 및 인접 미세피쳐 사이에서 10 내지 500 미크론의 피치를 가지고, 제2 레벨의 미세피쳐는 100 내지 10000 미크론의 폭, 100 내지 10000 미크론의 높이 및 인접 미세피쳐 사이에서 100 내지 10000 미크론의 피치를 갖는 사인파 패턴을 포함하고, 제1 레벨은 제2 레벨 주위에 배치되고, 제1 레벨의 미세피쳐 또는 제2 레벨의 미세피쳐 중 적어도 어느 하나의 피치는 표적 표면의 주름 고유모드 중 어느 하나의 주기성과 매칭되는 주기성을 갖도록 하여 미세구조화된 표면이 주름 고유모드의 형성을 포함하는 제1 상태 및 표적 표면이 좌굴을 거치는 제2 상태를 촉진하고, 적어도 2개의 계층적 레벨은, 표적 표면과 접촉되어 배치될 때, Wenzel-Cassie 유체 고정 상태를 생성하고, 적어도 2개의 계층적 레벨은 분할 접촉 Wenzel-Cassie 습윤 상태를 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 2개의 계층적 레벨은 중단된 습윤 상태를 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    적어도 2개의 계층적 레벨은 중단된 접촉 표면을 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    적어도 2개의 계층적 레벨이 적어도 하나의 계층적 레벨 상에서 준안정 습윤 상태를 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 표적 표면은 변형 가능한 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    적어도 2개의 계층적 레벨은, 전단력이 장치에 인가되는 경우에, 변형 가능 표적 표면과 접촉될 때, 장치의 병진운동을 방지하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    미세구조화된 표면은, 친수성, 소수성, 친유성 또는 소유성이 적어도 2개의 계층적 레벨 중 어느 하나와 동일한, 매끄러운 화학적 표면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    적어도 2개의 계층적 레벨은 자가-유사적인 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    미세구조화된 표면이 적어도 3개의 계층적 레벨을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    적어도 3개의 계층적 레벨은 폭이 1 내지 20 마이크로미터(미크론)인 제1 계층적 레벨, 폭이 10 내지 500 미크론인 제2 계층적 레벨 및 폭이 100 내지 10000 미크론인 제3 계층적 레벨을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    적어도 3개의 계층적 레벨은 높이가 1 내지 20 마이크로미터(미크론)인 제1 계층적 레벨, 높이가 10 내지 500 미크론인 제2 계층적 레벨 및 높이가 100 내지 10000 미크론인 제3 계층적 레벨을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    적어도 3개의 계층적 레벨은 1 내지 20 마이크로미터(미크론)의 피치를 갖는 제1 계층적 레벨, 10 내지 500 미크론 범위의 피치를 갖는 제2 계층적 레벨 및 100 내지 10000 미크론 범위의 피치를 갖는 제3 계층적 레벨을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    미세구조화된 표면은, 습윤 표면과 접촉될 때, 계면을 형성하고, 상기 계면은 고체 접촉 표면, 소수적 액체 접촉 표면, 및 친수적 액체 접촉 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    미세구조화된 표면은, 다른 습윤 표면과 접촉될 때, 계면을 형성하고, 상기 계면은 고체 접촉 표면, 가스 접촉 표면, 및 친수적 액체 접촉 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    적어도 2개의 계층적 레벨 각각은 다수의-주기적인 구조물을 포함하고, 적어도 하나의 주기는 표적 변형 가능 표면의 하나 이상의 주름 고유모드와 매칭되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    적어도 2개의 접촉 표면이 중단되는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    표적 접촉 표면 내의 Shallamach 이동은 다수의-주기적인 계층적 레벨 중 적어도 하나의 주기를 표적 변형 가능 표면의 하나 이상의 주름 고유모드와 매칭시킴으로써 방지되는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    적어도 1 mN의 전단력이 장치에 인가될 때, 적어도 하나의 Wenzel-Cassie 습윤 상태가 Wenzel 습윤 상태로 전이되는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    적어도 1 mN의 전단력이 장치에 인가될 때, 적어도 하나의 Wenzel-Cassie 습윤 상태가 Cassie-Baxter 습윤 상태로 전이되는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    미세구조화된 표면이 적어도 10도의 접촉 이력을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
KR1020217022561A 2017-09-28 2018-09-28 동적 유체를 고정하기 위한 장치 KR102382908B1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762564783P 2017-09-28 2017-09-28
US62/564,783 2017-09-28
KR1020207011821A KR20200058491A (ko) 2017-09-28 2018-09-28 동적 유체를 고정하기 위한 장치
PCT/US2018/053522 WO2019067963A1 (en) 2017-09-28 2018-09-28 DYNAMIC FLUID ANCHOR DEVICE

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207011821A Division KR20200058491A (ko) 2017-09-28 2018-09-28 동적 유체를 고정하기 위한 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210093370A KR20210093370A (ko) 2021-07-27
KR102382908B1 true KR102382908B1 (ko) 2022-04-04

Family

ID=65903241

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217022561A KR102382908B1 (ko) 2017-09-28 2018-09-28 동적 유체를 고정하기 위한 장치
KR1020207011821A KR20200058491A (ko) 2017-09-28 2018-09-28 동적 유체를 고정하기 위한 장치

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207011821A KR20200058491A (ko) 2017-09-28 2018-09-28 동적 유체를 고정하기 위한 장치

Country Status (6)

Country Link
US (2) US11051567B2 (ko)
EP (1) EP3687786A4 (ko)
KR (2) KR102382908B1 (ko)
CN (1) CN111629891B (ko)
TW (1) TWI835750B (ko)
WO (1) WO2019067963A1 (ko)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11613461B2 (en) 2015-10-05 2023-03-28 Bvw Holding Ag Textiles having a microstructured surface and garments comprising the same
US12060261B2 (en) 2019-11-06 2024-08-13 Bvw Holding Ag Extremal microstructured surfaces
US11672635B2 (en) * 2020-04-29 2023-06-13 Bvw Holding Ag Microstructure soft tissue graft
CN118401307A (zh) * 2021-09-27 2024-07-26 Bvw控股公司 毛细管桥增强的流体抓持装置
EP4414092A1 (de) 2023-02-13 2024-08-14 IMOS Gubela GmbH Modulares mikrostrukturelement
DE202023000325U1 (de) 2023-02-13 2024-05-17 IMOS Gubela Gesellschaft mit beschränkter Haftung Superhydrophobe modulare Struktur
WO2024176509A1 (ja) * 2023-02-24 2024-08-29 株式会社村田製作所 撥水膜及び撥水膜の製造方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140200679A1 (en) 2013-01-11 2014-07-17 Bvw Holding Ag Implantable superhydrophobic surfaces
US20160169867A1 (en) 2014-01-07 2016-06-16 The Regents Of The University Of California Evaporation on superhydrophobic surfaces for detection of analytes in bodily fluids

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100028604A1 (en) 2008-08-01 2010-02-04 The Ohio State University Hierarchical structures for superhydrophobic surfaces and methods of making
JP2012517910A (ja) * 2009-02-17 2012-08-09 ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ ユニヴァーシティー オブ イリノイ 可撓性を有するマイクロ構造の超疎水性材料
WO2011109793A1 (en) * 2010-03-05 2011-09-09 Massachusetts Institute Of Technology Superhydrophobic surfaces
US20110287217A1 (en) * 2010-05-21 2011-11-24 Prantik Mazumder Superoleophobic substrates and methods of forming same
US20170044010A1 (en) * 2014-04-02 2017-02-16 Mitsubishi Electric Corporation Sensor element, method for manufacturing sensor element, detection device, and method for manufacturing detection device
US20170014111A1 (en) * 2015-07-17 2017-01-19 Hoowaki, Llc Microstructured Surface
CN106756777B (zh) * 2016-11-28 2019-07-16 山东大学 一种通过应变调控褶皱表面亲疏水性可逆转变的方法及应用
CN106586950B (zh) * 2017-01-13 2018-01-02 温州大学激光与光电智能制造研究院 一种基于润湿性调控的微纳自组装结构制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140200679A1 (en) 2013-01-11 2014-07-17 Bvw Holding Ag Implantable superhydrophobic surfaces
US20160169867A1 (en) 2014-01-07 2016-06-16 The Regents Of The University Of California Evaporation on superhydrophobic surfaces for detection of analytes in bodily fluids

Also Published As

Publication number Publication date
CN111629891A (zh) 2020-09-04
US11051567B2 (en) 2021-07-06
TWI835750B (zh) 2024-03-21
TW201925078A (zh) 2019-07-01
US20190133222A1 (en) 2019-05-09
KR20210093370A (ko) 2021-07-27
WO2019067963A1 (en) 2019-04-04
KR20200058491A (ko) 2020-05-27
EP3687786A1 (en) 2020-08-05
EP3687786A4 (en) 2021-02-24
US20210251318A1 (en) 2021-08-19
CN111629891B (zh) 2021-11-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102382908B1 (ko) 동적 유체를 고정하기 위한 장치
Chen et al. Robust and durable liquid-repellent surfaces
Andreotti et al. Statics and dynamics of soft wetting
Yang et al. Creation of topological ultraslippery surfaces for droplet motion control
Joshipura et al. Patterning and reversible actuation of liquid gallium alloys by preventing adhesion on rough surfaces
Purtov et al. Switchable adhesion in vacuum using bio-inspired dry adhesives
Dai et al. Slippery wenzel state
Liu et al. Tree frog-inspired micropillar arrays with nanopits on the surface for enhanced adhesion under wet conditions
Extrand et al. Repellency of the lotus leaf: contact angles, drop retention, and sliding angles
US7709087B2 (en) Compliant base to increase contact for micro- or nano-fibers
Zhang et al. Strain-controlled switching of hierarchically wrinkled surfaces between superhydrophobicity and superhydrophilicity
Rahmawan et al. Recent advances in wrinkle-based dry adhesion
Noderer et al. Enhanced adhesion and compliance of film-terminated fibrillar surfaces
De Volder et al. Corrugated carbon nanotube microstructures with geometrically tunable compliance
JP6951249B2 (ja) 複合柱状体構造物
Raspal et al. Nanoporous surface wetting behavior: The line tension influence
Zhang et al. Fabrication of micro-/submicro-/nanostructured polypropylene/graphene superhydrophobic surfaces with extreme dynamic pressure resistance assisted by single hierarchically porous anodic aluminum oxide template
Seo et al. Flexible and stable omniphobic surfaces based on biomimetic repulsive air-spring structures
Chen et al. Influence of packing density and surface roughness of vertically-aligned carbon nanotubes on adhesive properties of gecko-inspired mimetics
Zhang et al. Ultrastable super-hydrophobic surface with an ordered scaly structure for decompression and guiding liquid manipulation
Guan et al. Tuning 3D topography on biomimetic surface for efficient self-cleaning and microfluidic manipulation
Wang et al. Snakeskin-inspired elastomers with extremely low coefficient of friction under dry conditions
Song et al. Flexible tri-switchable wettability surface for versatile droplet manipulations
Wu et al. Microtemplated electrowetting for fabrication of shape‐controllable microdomes in extruded microsucker arrays toward Octopus‐inspired dry/wet adhesion
Zhao et al. Mushroom-shaped micropillar with a maximum pull-off force

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant