KR102593559B1 - 미세구조화된 위상 계면 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 개시내용은 그립 표면들, 및 그를 포함하는 디바이스들에 관한 것이고, 그립 표면은 형상 동조가능한 표면 미세구조물을 포함하고, 미세구조물들의 높이, 폭 및 공간 주기성은 타겟 표면의 샬라마흐 파의 진폭들 및 파장들의 정수 배에 대응하며, 디바이스 미세구조물들 및 유도된 샬라마흐 파들은 디바이스에 스트레인을 인가함으로써 혼입된다.

Description

미세구조화된 위상 계면 디바이스
관련출원에 대한 상호참조
본 출원은 2017년 11월 1일자로 출원된 미국 가출원 제62/580,436호의 우선권의 이익을 주장하며, 그것의 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
기술분야
미세구조화된 표면들(microstructured surfaces), 및 그를 포함하는 디바이스들이 본 명세서에 기술된다. 본 개시내용의 표면들 및 디바이스들은 미세구조화된 디바이스와 변형가능한 표면(deformable surface) 사이와 같은 고체-고체 계면에서 미끄러짐을 방지하거나 최소화하도록 의도되는 임의의 미끄럼 방지 응용에서 유용하다. 본 발명은 그립(grip)하는 표면들을 획득하기 위해, 계층적으로 구조화된 표면들에 피닝(pinning)된 동적 샬라마흐 파(Schallamach wave), 슬립 펄스(slip pulse), 및 분리 펄스를 이용한다.
본 섹션은 확립된 관찰들 및 이론들에 주로 집중되어 있지만, 본 섹션에 포함된 자료 중 일부는 비록 그 기본 이론이 알려져 있더라도, 해석 또는 인지되는 응용과 관련하여서는 새로운 것이다. 따라서, 본 출원인들은 본 섹션에 개시된 사상들이 반드시 종래 기술을 구성하고, 종래 기술의 변형 상태들 사이에서 이루어진 연결들 중 일부가 본 발명을 구성할 수 있다고 의도하지는 않는다.
본질적으로 매우 다양한 표면 패턴들이 발견된다. 그들의 기능은 다른 표면들을 밀어내고 또한 끌어당기는 것이다. 자연 발생 표면들에 대한 합성 유사체들을 만들기 위해, 리소그래피로부터 탄소 나노튜브 합성에 이르기까지 복잡하고 값비싼 제조 기술이 사용되었다.
자연적인 표면들의 기능과 관련하여, 종종 간과되는 양태는 하나의 표면이 계면에서 다른 표면과 상호작용할 때 발생하는 동역학적 변화들이다. 사실상 많은 경우들에서, 본질적으로 제1 기하학적 계면은 제2 기하구조를 유도하기 위해 주로 존재하며, 제2 기하구조는 성능면에서 제1 기하구조를 초월하는데, 왜냐하면 제2 기하구조의 발현은 다수의 형태를 취할 수 있기 때문이다.
자발적(spontaneous)이거나 자기-형성(self-forming)인 유도된 표면 기하구조들은 "주름진(wrinkled)" 표면들이라고 포괄적으로 지칭될 수 있다. 주름들은 표면의 압축 스트레인(compressive strain)에 의해, 그리고 재료 속성들, 정적 표면 기하구조, 및 계면 조건들을 통해 스트레인 조건들(strain conditions)을 변경하는 것에 의해 야기된다. 자연은 넓은 표면적에 걸친 주름 파장, 진폭 및 배향에 대한 강력한 통제를 발휘할 수 있었다.
표면들 사이의 그립은 복잡한 계층 구조들의 시간 의존적 스트레인에 연관되어 있기 때문에, 변형가능한 주로 고체인 표면들에 대한 부착 메커니즘을 직접 이해하는 것은 어렵다. 이러한 구조들 중 일부는 표면들에 미리 배치되고(predisposed), 다른 구조들은 상호작용의 에너지에 의해 표면들에 유도된다.
고전적인 마찰의 개념은 표면에 대한 디바이스의 병진에 반대되는 힘이며, 이 마찰력은 수직력 및 접촉 면적의 선형 함수이다. 개념으로서의 고전적인 마찰은 본 발명의 미세구조화된 위상 계면 디바이스들과 상호작용하는 타겟 표면들에 대한 작용에서의 동작 메커니즘을 설명하기에는 불충분하다.
보다 기술적인 용어가 없는 상태에서, 그립(grip)은 고전적인 마찰 개념에 의해서는 완전히 설명될 수 없는, 표면에 대해 디바이스를 병진시키는 데에 요구되는 에너지이다. 사실, 그립력(grip force)에 대한 가장 큰 기여는 마찰이 아니라, 표면 에너지들 사이의 상호작용이며, 이는 결국 디바이스와 표면 사이에서 수직 하중(normal load) 및 접촉 면적에 대해 고도로 비선형인 그립 계면의 변형을 초래할 수 있다.
고전적인 마찰 개념과 직관에 어긋나게 다른, 그립에 대한 미묘한 차이들이 있다. 예를 들어, 본 발명의 디바이스들에 대해, 접촉 면적이 감소할 때 병진력(translational force)이 증가할 수 있다. 특히, 디바이스와 타겟 표면 사이의 접촉 면적이 디바이스의 표면적에 대략 반비례할 때, 그립은 통상적으로 향상되며, 이는 병진력이 증가됨을 의미한다.
추가로, 디바이스 계면에 미세구조물들이 존재할 때, 병진력으로서의 그립은 마찰로부터 상당히 벗어난다. 본 출원에서, 디바이스 상의 미세구조물들은 타겟 환경 표면 상의 미세구조물들과 상호작용하도록 설계되고/되거나 타겟 환경 표면 상에 미세구조물들을 유도하도록 설계된다.
여기서 미세구조물은 디바이스에 비해 작은 구조들을 특징으로 하는 임의의 표면 기하학적 특징형상(feature)을 지칭한다. 따라서, 여기서 미세구조물이라는 용어는 전형적으로 크기가 10 밀리미터(mm)로부터 1 나노미터(nm)까지인 임의의 구조물을 의미하기 위해 포괄적으로 사용된다. 정밀도가 요구되는 경우, 1-10mm 구조물은 메소스코픽(mesoscopic)이라고 지칭될 것이고, 1000-1 미크론 범위의 구조물들은 마이크로스코픽(microscopic)이라고 지칭될 것이고, 1000-1nm 범위의 구조물들은 나노스코픽(nanoscopic)이라고 지칭될 것이다.
여기에 개시된 예기치 않은 현상 중 다수는 샬라마흐 파로 알려진 현상에 부분적으로 의존한다. 종래의 이해에 의해, 샬라마흐 파는 평활한 강성 표면에 반하는 변형가능한 표면의 마찰 슬라이딩 동안 때때로 발생하는 잠재적 분리의 파동을 설명하기 위해 사용된다. 그러나, 샬라마흐 파가 디바이스의 미세텍스쳐화된 표면과 인터페이싱할 때, 샬라마흐 파는 분리를 대신하여, 디바이스가 타겟 표면을 그립하게 한다. 샬라마흐 파는 분리를 일으키지 않으며, 혼입을 일으킨다. 혼입(entrainment)은 다른 공간 주기적 구조물과 체결되거나 이와 연동하는 파동 구조의 현상이다. 샬라마흐 파들은 디바이스 또는 타겟 표면 상의 미세텍스쳐(microtexture)에 의해 개시될 수 있고, 파동들 자체는 디바이스 및 타겟 표면 중 어느 하나 또는 둘 다에서 전개될 수 있다.
샬라마흐 파들은 플로잉 메커니즘(plowing mechanism)에 연관될 수 있다. 샬라마흐 플로잉을 유도하도록 설계된 디바이스는 반대 방향으로 배향된 표면 미세구조물로 이루어진다. 타겟 표면 내의 샬라마흐 파들은 자연스럽게 디바이스 상의 미세구조물 배향들에 평행하게 정렬된다. 결과적인 이중 배향(doubly oriented) 샬라마흐 파들은 샬라마흐 파들의 진폭이 중첩되는 중심선을 따라 수렴한다. 결과적인 중첩된 샬라마흐 파들은 중첩되지 않은 샬라마흐 파의 부분들의 진폭보다 큰 진폭을 갖는다. 샬라마흐 플로잉은 2가지 결과, 즉 디바이스 표면 분리, 또는 슬립 펄스들의 형성의 억제를 초래할 수 있다. 전자가 금지되고 후자가 실현되는 경우, 병진 모드를 차단함으로써 그립이 급격히 증가한다.
샬라마흐 파에 연관하여, 쿨롱 잠금(Coulomb locking)이 있으며, 여기서 유도된 미세구조물들은 기존의 또는 유도된 구조물들과 연동되며, 여기서 하나의 구조물의 주기성은 다른 구조물의 주기성의 정수 배이다. 쿨롱 잠금은 구조물들 중 하나가 다른 구조물의 영률보다 큰 영률을 갖는 경우에 가장 효과적이다.
샬라마흐 파에 연관하여, 본 명세서의 발견인 고유 쿨롱 잠금(eigen coulomb locking)이 있고, 여기서 타겟 표면의 자연 공명 진동수 또는 고유 주름 진동수(eigen wrinkle frequency)는 디바이스 상의 미세구조물의 공간 주기성과 일치한다. 고유 쿨롱 잠금이 이용될 때, 강건한 잠금을 유도하는 데에 요구되는 전단 응력(shear stress)은, 타겟 표면의 자연적인 고유 주름 모드들로부터 먼 진동수를 갖는 샬라마흐 파로 타겟 표면을 강제하는 데 요구되는 전단 응력보다 2-10배 적다.
상기 변형 현상을 이용하는 기본 메커니즘은 일반적으로 그립력에 의해 유도된 표면들의 동역학적 순환 진동(kinetic cyclic oscillation)으로서 특징지어질 수 있다. 일반적으로, 두 가지 주기적인 표면이 존재하는데, 하나는 디바이스에 연관되어 있고, 이는 사전배치되거나 유도될 수 있으며, 다른 하나는 타겟 표면에 연관되어 있고, 이는 사전배치되거나 유도될 수 있다. 메커니즘들은 디바이스의 구조물들과 타겟 표면 상의 구조물들 사이의 위치 관계에 초점을 둠으로써 가장 잘 이해된다.
그립력은 디바이스 상의 피크의 중심이 타겟 표면 상의 2개의 피크 사이에 위치될 때 최대이다. 피크들 둘 다는 전형적으로 상대적 변형(relative deformation)을 겪는다. 타겟 피크의 전방 부분에 접촉하는 디바이스 상의 피크의 변형이 증가하여, 그 동안 디바이스가 타겟 피크를 일시적으로 플로잉할 때, 그립력이 증가한다. 따라서, 쿨롱 연동, 및 연동 기간에서의 주름진 표면의 플로잉 둘 다의 증가 효과는 그립력 증가를 설명한다. 그립력은, 타겟 피크의 전방 부분과 접촉하는 디바이스 피크의 변형이 최대인 것으로 간주되고 디바이스 피크의 후방 부분과 접촉하는 타겟 피크의 변형이 사라질 때 최대이다.
중요한 다른 특징은 라킨 길이(Larkin length)이다. 라킨 길이는 특징적인 길이로서 정의되며, 그것을 초과하면, 변위 필드의 변동은 피닝 중심(pinning center)의 전형적인 크기보다 커진다. 변위 필드로서 표면과 접촉하는 디바이스를 모델링하는 경우, 타겟 표면 또는 디바이스의 불균질성들은 작은 영역들에서의 상대적 운동의 변동을 발생시킬 수 있다. 이러한 변동들이 특정 크기인 라킨 길이를 초과하면, 피닝 중심들이 붕괴된다.
궁극적으로, 디바이스 또는 타겟 표면 상의 패턴의 유도는 그립의 맥락에서의 재료 속성들의 차이에 의존한다. 예를 들어, 디바이스 및 타겟 표면이 재료에 있어서 동일하게 구성되고 임의의 치수 또는 재료 속성들에 관해 동일하다면, 접촉 상태의 디바이스 및 표면은 구별할 수 없게 된다. 하나의 기하구조에 임의의 변화가 존재하면, 그것은 다른 것에서도 발생한다. 또한, 기하구조에 어떤 변화라도 있다면, 그러한 기하구조의 변화는 인가되는 힘의 국소성(locality)에 기인한다. 따라서, 디바이스와 표면 사이의 유도된 기하학적 변화는 디바이스와 타겟 표면의 소정의 차이에 의존한다.
예를 들어, 주름의 파장 및 진폭은 재료 속성들, 표면 기하구조, 및 공정 매개변수들의 선택을 통해 독립적으로 제어될 수 있는 것으로 알려져 있다. 주름진 표면의 파장 λ는 경직된(stiff) 디바이스와 연질 기판 사이의 유효 탄성 계수 불일치(Ef/Es), 및 디바이스의 두께(t)에 의해 결정된다:
주름들을 하나의 유형으로서 말하는 것은 아마도 오해의 소지가 있거나 지나치게 단순하다. 본 출원인들은 3가지의 주름 유형, 즉 1) 샬라마흐 파들, 2) 슬립 펄스, 및 3) 분리 펄스를 식별하였다. 샬라마흐 파는 본질적으로 디바이스와 타겟 표면 사이에 확립된 공명 현상이다. 본질적으로, 퍼텐셜 에너지는 그 퍼텐셜 에너지가 안정적인 방식으로 저장될 수 있는 탄성 변형 모드들을 찾는다. 종종, 샬라마흐 파들은 저장된 퍼텐셜 에너지가 미끄러짐을 통해 운동 에너지로 됨으로써 방출되는 동역학적 환경들(kinetic circumstances) 하에서 확립된 정상 상태(steady state)에 기인한다.
그러나, 이 현상은 두가지 유형의 파동들의 중첩의 결과인데, 제1 파동은 엄밀히 샬라마흐 파이고, 제2 파동은 슬립 펄스이다. 슬립 펄스는 공진 스펙트럼에 포함되지 않은 진폭 및 진동수를 갖는다. 슬립 펄스는 좌굴(buckling)에 대응하는 탄성 상태이며, 이는 퍼텐셜 에너지와 공진 형태들 사이의 정상 상태를 일시적으로 붕괴시킨다.
몇몇 상황들에서, 슬립 펄스는 소산되고, 부착이 재확립된다. 다른 상황들에서, 슬립 펄스는 에너지가 커져 결국 계면이 실질적으로 붕괴되는 진폭에 도달한다. 이 경우, 슬립 펄스는 분리 펄스를 작동시킨다. 슬립 펄스가 소산되는 상황에서, 분리 펄스가 형성되고 계면의 선단(leading edge)에 국소화된다. 슬립 펄스가 소산되지 않는 경우, 분리 펄스의 에너지는 상호작용 영역을 통해 전송된다.
계면이 움직이는 동안 3개의 파동 전부가 동시에 존재하게 하는 것이 가능하다. 즉, 계면에서 압축 파들이 형성되고, 선단에서 분리 파형이 형성되고, 분리파로부터의 에너지가 슬립 파들의 전파를 통해 계면으로 누출된다. 따라서, 상기 3가지의 식별된 파들에 관련하여 적절히 이해되는 특징적인 스틱-슬립 현상(stick-slip phenomenon)은 상당히 다른 파장 및 진폭을 각각 갖는 별개의 표면 파들에 연관된다.
샬라마흐 파는 타겟 표면에 대한 계면 운동과 동일한 방향으로 전파되는 국소 압축 영역들로 이루어진다. 분리 펄스는 또한 샬라마흐 파와 같은 국소 압축 영역일지라도, 기본적으로 구별되는 속성들을 갖는다. 첫째, 분리 펄스는 샬라마흐 파와 반대 방향으로, 그리고 훨씬 낮은 속도로 전파된다. 분리 펄스는 수직력에 크게 의존한다. 따라서, 낮은 수직력 인가들에 대해, 분리 펄스의 전파가 억제되도록 슬립 펄스들이 전개되도록 허용하는 것이 바람직할 수 있다. 또 다른 중요한 관찰은 샬라마흐 파들이 거의 항상 표면 주름들에 연관되는 반면, 전파되는 분리 펄스는 전형적으로 주름들과 같은 표면 특징형상들을 전혀 갖지 않는다는 것이다.
동적 계면 현상을 모델링할 때, 종종 변위력(displacement force)은 일정한 것으로 가정된다. 그렇지 않은 경우가 종종 있다. 예를 들어, 계면을 통한 슬립 펄스의 전파는 인가된 힘을 변조한다. 그러므로, 변조하는 인가된 힘과 계면 내의 다양한 공간적 및 시간적 주기성들 사이에 공명이 존재할 수 있다. 이것은 또한 높은 그립의 디바이스들을 설계할 때 고려되어야 한다.
슬립 펄스와 분리 펄스 사이의 주요한 차이는, 두 가지 경우 모두에서 병진이 발생하더라도, 분리 펄스가 계면의 완전한 붕괴를 초래하는 반면, 슬립 펄스는 계면을 붕괴시키지 않는다는 것이다. 또한, 두가지 경우 모두에서, 장기 평균 계면(long-time averaged interface)이 유지된다.
요약하면, 동역학적 환경들 하에서, 분리 펄스, 슬립 펄스, 및 샬라마흐 파들로 인한 병진들의 합인, 타겟 표면에 대한 디바이스의 병진이 존재한다. 이제, 계면이 유지되는 영역 내에서, 3가지의 특징적인 속도, 즉 분리 펄스들의 파동 속도, 슬립 펄스들의 파동 속도, 및 샬라마흐 파들의 파동 속도가 존재한다. 이러한 파동 속도들에 연관된 것은, 공간 성분들과 시간 성분들 둘 다의 진동 주파수이다. 마지막으로, 실험에 의해, 계면에서의 파동 전파로 인해서만 계면 움직임이 발생한다는 것이 밝혀졌다. 본 명세서에 개시된 혁신을 이끌어내는 것이 바로 이러한 통찰이다.
또 다른 중요한 관찰은, 좌굴이 디바이스에 있는지 타겟 표면에 있는지에 관계없이, 변형가능한 표면 상에서의 좌굴 불안정성에 의해 슬립 펄스들이 응집(nucleate)된다는 것이다. 한편, 분리 펄스들은 인장 박리 과정(tensile peel off process)에 의해 응집된다. 이러한 2가지 병진 과정의 독립성을 이해하는 것이 중요하다.
예를 들어, 분리 펄스들 및 샬라마흐 파들이 계면 영역에서 상호작용한다. 2가지 유형의 파동들이 반대 방향으로 전파됨에 따라, 그것들은 서로 충돌하여 단일 정체 위상 불연속(single stagnant phase discontinuity)을 야기한다. 위상 불연속은 고체 위상들 사이의 액체 응축의 방울, 또는 액체 계면에서 형성되는 기포일 수 있다. 계면이 접촉 영역에서 정지한 때에도 위상 불연속의 형성이 발생할 수 있다. 위상 불연속의 형성에 이어, 샬라마흐 파는 그러한 불연속에서 응집하고, 접촉 영역 내부로 전파된다. 응집된 샬라마흐 파들은 종종 계면 붕괴에 책임이 있다. 그러므로, 무작위 응집된 샬라마흐 파들에 비해 안정적인 샬라마흐 파들을 촉진하는 표면 패터닝은 전형적으로 향상된 그립을 갖는다.
상기 논의는 소정의 부착성을 갖는 디바이스와 타겟 표면 사이의 계면에서의 현상을 설명한다. 부착 메커니즘은 기계적이거나, 전하 유도되거나, 또는 리모델링에 저항하는 복잡한 계면 체적(complicated interface volume)의 형성일 수 있다. 복합 계면들(complex interfaces)의 역학은 아마도 3가지 중에서 가장 잘 이해되지 않은 계면일 것이다.
복합 계면들은, 예를 들어 고체-액체 계면과 같이, 적어도 2개의 위상이 존재하는 곳에서 형성된다. 상이한 표면 에너지 또는 표면 장력을 갖는 2개의 액체 위상을 고려하여, 계면 역학에 관한 위상의 개념을 일반화할 수 있다. 2개의 혼합불가능한 위상은 2개의 상이한 위상으로 고려될 수 있다. 2개의 액체가 평형 조건들 하에서 강제로 분리되어, 평형 상태를 붕괴시키는 것에 연관된 에너지 결손을 생성하면, 그립이 향상될 수 있다. 평형 상태가 평형 상태에서 준위상 분리되는 액체들(quasi-phase separated liquids)로 이루어진 계면에서 병진 움직임을 방해할 때 그립이 향상된다. 이러한 위상 분리된 상태들이 표면 미세구조물에 잡히면 그립이 현저하게 증가한다.
부착은 표면 에너지의 개념에 연관된다. 액체 계면의 경우에서, 표면 에너지는 습윤 현상에 연관된다. 고체 또는 액체의 표면에서의 원자들 또는 분자들은 고체 또는 액체의 벌크에서에 비해 이웃 원자들과의 결합을 더 적게 갖는다. 표면 또는 계면이 생성될 때, 결합을 끊는 데에 에너지가 소비된다. 결과적으로 표면의 원자들은 더 높은 에너지를 갖는다. 액체 방울이 고체 표면 상에 배치되면, 액체 및 고체 표면들은 정적 접촉 각도(static contact angle)라고 지칭되는 특징적인 각도로 함께 평형 하에 놓인다. 접촉 각도 는 고체-소수성 , 고체-친수성 및 친수성-소수성 계면의 표면 에너지들에 관련된다.
습윤(wetting)은 액체 위상과 고체 위상 사이의 관계이고, 습윤은 유체 피닝(fluid pinning)에 필수적이다. 습윤은 액체와 고체 표면 사이의 계면에서 접촉 각도에 의해 특징지어진다. 접촉 각도는 액체와 고체 사이의 분자간 상호작용들을 나타내며, 여기서 상호작용 에너지는 최소화된다. 접촉 각도는 또한 부착력과 응집력 사이의 힘 균형에 연관될 수 있다. 습윤은 2가지 재료의 결합 또는 부착에 중요하다.
추가로, 접촉 각도는, 전형적으로 그 각도가 움직이는 계면의 선단에서 측정되든 또는 후단에서 측정되든 변화한다. 선단 접촉 각도와 후단 접촉 각도 사이의 차이는 접촉 각도 히스테리시스이다. 큰 접촉 각도 히스테리시스는 큰 부착력에 연관된다.
표면이 미세텍스쳐화될(microtextured) 때, 액체 방울은 큰 접촉 각도를 가질 수 있고, 이 경우 액체는 미세구조물들의 최상부에 놓인다. 반대로, 작은 접촉 각도를 갖는 방울은 미세구조물들로 흘러들어간다. 이러한 상태들은 각각 캐시(Cassie) 및 웬젤(Wenzel) 상태라고 지칭된다. 미세구조화된 표면 상에 웬젤 및 캐시 상태가 나란히 존재할 때 유체 피닝이 발생한다. 웬젤-캐시 상태들은 표면들 사이의 다른 부착 형태이다.
2가지 유형의 습윤, 즉 비-반응성(정적) 습윤 및 활성(동적) 습윤이 존재한다. 액체와 고체 사이의 부착력은 액체 방울이 고체의 표면을 가로질러 확산되게 한다(웬젤 습윤). 액체 내의 응집력은 방울이 뭉쳐져서(ball up) 표면과의 접촉을 피할 수 있게 한다(캐시-벡스터 습윤). 부착력과 응집력의 병치는 유체 피닝을 초래하며, 이는 본질적으로 유체가 표면에 부착성으로 확산되는 경향과 유체가 표면 상에서의 부착 및 확산에 저항하는 경향 사이의 균형이다.
우리는 본 디바이스의 표면과 환경 표면 사이의 병진력이 인가된 수직력 및 접촉 면적의 비선형 함수임을 예기치 않게 발견했다. 추가로, 디바이스와 환경 표면 사이의 접촉 면적이 디바이스의 표면적에 대략 반비례할 때 그립이 통상적으로 향상되는 것, 즉 병진력이 증가된다는 것을 예기치 않게 발견했다.
본 발명에서 활성인 그립 메커니즘은 디바이스 상에 배치된 경질 미세구조물들과 연질의 대략 평탄한 환경 표면들 사이의 그립을 포함한다. 다른 경우들에서, 본 발명에서 활성인 그립 메커니즘은 디바이스 상의 연질 미세구조물들과 경질의 대략 평탄한 환경 표면들 사이의 그립을 포함한다. 또 다른 경우들에서, 본 발명의 그립 메커니즘은 병진을 억제하기 위해 상호작용하는 병진력 유도 미세구조물들(translational force induced microstructures)을 포함한다.
연질의 텍스쳐화된 표면 상의 그립에 관련한 예기치 못한 결과들의 예를 들어, 본 출원인들은 병진 방향에 직교 정렬된 디바이스 상의 평행 그루브들이, 표면 접촉 면적 및 수직력에 독립적이며 병진 하에서 샬라마흐 파들의 형성을 야기한 큰 동적 그립력을 예기치 않게 발생시킨 병진력에 기인하여, 마찰력을 감소시키면서도 환경 표면 내의 진동을 유도했음을 발견하였다.
샬라마흐 파들에서의 퍼텐셜 및 운동 에너지는 병진에서 소비되는 에너지에 대략 비례한다는 것이 밝혀졌다. 따라서, 그립 메커니즘은 병진 억제에 대한 가장 큰 기여가 정적 마찰 계수인 마찰력과 달리, 거의 완전히 동적이었다. 일반적으로, 단위 시간당 단위 병진 길이 당 소비되는 에너지는, 마찰에 대해서는 감소하고, 본 발명의 일부 설계들에서 달성되는 일부 그립 메커니즘들에 대해서는 증가한다.
따라서, 본 출원의 하나의 목적은 형상 동조가능한 미세구조물을 갖는 디바이스들을 개시하는 것이며, 본 디바이스들의 미세구조물들의 깊이 및 방향은 디바이스에 스트레인(strain)을 인가함으로써 가역적으로 제어될 수 있다.
본 출원의 다른 목적은 형상 동조가능한 미세구조물을 갖는 디바이스들을 개시하는 것이며, 본 디바이스들의 이러한 미세구조물들의 모세관 작용은 마이크로스코픽 또는 나노스코픽 스케일들로 환경 계면에서 액체들을 성형하여, 액체-디바이스 정렬을 제어하도록 미세구조물 형상 내의 변화들을 통해 모세관 현상을 제어한다.
본 출원의 다른 목적은 요구되는 결과들을 차별화할 수 있는 형상 의존적 그립력들을 갖는 동조가능한 주름들을 갖는 터치스크린 디바이스들을 개시하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은 디바이스 상의 형상 동조가능한 미세구조물들 상에 동역학적 진동이 유도되는 본 디바이스들에 의해 확립되는 마모없는 슬라이딩 계면들을 개시하는 것이고, 여기서 디바이스 미세구조물과 환경 표면 상의 미세구조물 사이의 위치 관계는 미세구조물들의 형상(종횡비)에 대해 동역학적 진동들을 최대화하도록 설계된다.
본 출원의 다른 목적은 스트레인이 1%를 초과할 때 스트레인 동조가능한 디바이스가 파장 λ의 주름들로 좌굴하는 스트레인 동조가능한 디바이스를 개시하는 것이며, 주름들의 진폭 A는 10 내지 1000 미크론의 범위 내에서 A를 증가시키는 파장에 대한 역-2차 관계(inverse-quadratic relationship)를 나타내고, 더 전형적으로 A는 25 미크론 내지 약 100 미크론 범위이다.
본 출원의 다른 목적은 종횡비 A/λ가 약 0.01 내지 0.20의 스트레인 범위 내의 스트레인에 대해 역 2차인, 스트레인 동조가능한 디바이스를 개시하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은 그립이 디바이스의 영률과 타겟 표면의 영률의 차이에 비례하는, 스트레인 동조가능한 디바이스를 개시하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은 유도된 샬라마흐 파들의 진폭이 디바이스의 영률과 타겟 표면의 영률의 차이에 비례하는, 스트레인 동조가능한 디바이스를 개시하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은 디바이스가 2개 이상의 층으로 이루어지는 스트레인 동조가능한 디바이스를 개시하는 것이고, 제1 접촉 층은 디바이스의 원위 층들(distal layers)의 영률에 대해 상이한 영률을 갖는다.
본 출원의 다른 목적은 디바이스가 계층적 미세구조물들로 이루어지는 스트레인 동조가능한 디바이스를 개시하는 것이고, 각각의 계층은 상이한 영률들의 기판 재료로 이루어진다.
본 출원의 다른 목적은 디바이스가 계층적 미세구조물들로 이루어지는 스트레인 동조가능한 디바이스를 개시하는 것이고, 디바이스의 기판 벌크의 두께는 타겟 표면에 대한 최대 그립을 생성하도록 선택된다.
본 출원의 다른 목적은 타겟 표면에 유도된 샬라마흐 파들이 미세구조물 배향들에 평행하게 정렬되어, 이중 배향된 샬라마흐 파들이 샬라마흐 파들의 진폭이 중첩하는 중심선을 따라 수렴하여, 중첩되지 않은 샬라마흐 파들의 부분들의 진폭보다 큰 진폭을 갖는 샬라마흐 파들을 생성하도록, 디바이스가 반대 방향들로 배향된 표면 미세구조물로 이루어지는, 디바이스를 개시하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은 디바이스와 타겟 표면 사이의 부착 접합들((adhesion junctions)을 전개하는 표면 미세구조물들로 이루어지는 디바이스를 개시하는 것이고, 전단력은 접촉 영역에 바로 인접한 영역들에서의 에너지 소산에 의해 특징지어진다.
본 출원의 다른 목적은 디바이스와 타겟 표면 사이에 쿨롱 잠금(Coulomb locking)을 전개하는 표면 미세구조물로 이루어진 디바이스를 개시하는 것이고, 전단력은 접촉 영역 내의 영역들에서의 디바이스와 타겟 표면 사이의 표면 에너지 감소에 의해 특징지어진다.
본 출원의 다른 목적은 디바이스와 타겟 표면 사이에 샬라마흐 플로잉(Schallamach plowing), 부착 접합들 및 쿨롱 잠금을 전개하는 표면 미세구조물로 이루어지는 디바이스들을 개시하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은 디바이스와 타겟 표면 사이에 쿨롱 잠금을 전개하는 표면 미세구조물로 이루어지는 디바이스를 개시하는 것이고, 쿨롱 잠금은 디바이스 상의 미세구조물들의 공간 주기성과 타겟 표면 내의 고유 주름들(eigen wrinkles) 사이에 있다.
본 출원의 다른 목적은 전단 응력이 디바이스와 타겟 표면 사이의 접촉 영역에 걸쳐 최대로 균일하도록, 디바이스 표면과 타겟 표면 사이의 계면에서 외부 전단 응력을 분산시키는 표면 미세구조물로 이루어지는 디바이스를 개시하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은 디바이스 표면과 타겟 표면 사이의 계면에서 외부 전단 응력을 분산시켜, 디바이스와 타겟 표면 사이의 각각의 접촉 지점에서의 전단 응력 벡터가 그 지점에서의 타겟 벡터로부터 최소한으로 벗어나게 하는 영률 및 표면 미세구조물로 이루어진 디바이스를 개시하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은 타겟 표면과 접촉하는 디바이스의 패턴이 디바이스 패턴과 타겟 표면 주기성 사이의 탄성 결합을 증가시킴으로써 순차적인 계면 슬립(sequential interfacial slip)을 방지하도록 내부 구조물 및 표면 미세구조물로 이루어진 디바이스를 개시하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은 2가지 유형으로 분할가능한 표면 미세구조물로 이루어진 디바이스를 개시하는 것이다. 제1 유형 미세구조물은 모듈러스가 낮고, 작은 수직 하중을 위해 설계되며, 여기서 약한 피닝이 예상되고, 그립의 영역이 탄성 변형이 우세한 라킨 길이보다 작은 경우, 힘의 공간적 변동들로 인한 그립이 확립된다. 제2 유형 미세구조물은 모듈러스가 높고, 높은 하중들을 위해 설계되며, 여기서 길이 패턴은 라킨 길이보다 크고, 장애 퍼텐셜(disorder potential)이 지배적이고, 패턴 계면의 다른 부분들은 변형되지 않고, 고정된 피닝 중심들을 유지한다.
본 출원의 다른 목적은 그립을 향상시키는 표면 변형들을 유도하기 위해 타겟 표면과 상호작용하는 표면 미세구조물로 이루어지는 디바이스를 개시하는 것이고, 디바이스는 부착력, 디바이스 재료 속성들, 및 유도된 주름 기하구조(induced wrinkle geometry) 사이의 최적 스케일링 관계를 달성하는, 알려진 탄성 계수들 및 계면 속성들로 이루어진다.
본 출원의 다른 목적은 반복적으로 타겟 표면을 강하게 그립한 다음 가역적으로 분리되는 디바이스를 개시하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은 1) 샬라마흐 파, 2) 슬립 펄스, 및 3) 분리 펄스와 개별적으로 또는 조합하여 인터페이싱하는 특징형상들을 갖는 디바이스를 개시하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은 디바이스와 타겟 표면 사이의 계면 영역을 통한 샬라마흐 파들, 슬립 펄스들, 및 분리 펄스들의 전파를 제어하는 특징형상들을 갖는 디바이스를 개시하는 것이다.
본 발명의 이들 및 다른 목적들, 특징들 및 장점들은 첨부 도면들과 함께 이하의 명세서를 읽을 때 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 디바이스와 변형가능한 표면 사이의 고유 쿨롱 잠금의 샬라마흐 혼입 메커니즘을 도시한다.
도 2는 형상 동조가능한 미세구조물을 예시하는 본 출원의 디바이스를 도시하며, 디바이스의 미세구조물들의 깊이 및 방향은 디바이스에 스트레인을 인가함으로써 가역적으로 제어된다.
도 3은 모세관 작용이 이용되는 형상 동조가능한 미세구조물을 갖는, 본 출원의 디바이스를 도시한다.
도 4는 변형이 미세구조물들의 편향 및 코어 재료에 대한 스트레인을 포함하는, 형상 동조가능한 미세구조물 임플란트를 도시한다.
도 5는 유도된 샬라마흐 파들이 미세구조물 플로잉을 야기하는, 형상 동조가능한 미세구조물 임플란트의 평면도를 도시한다.
도 6은 변형가능한 표면에서의 유도된 변동들이 라킨 길이를 초과하는, 미세구조물 디바이스와 변형가능한 표면 사이의 전단력을 예시한다.
도 7은 디바이스-표면 분리를 생성하지 않으면서, 작은 슬립 펄스들의 형태로 분리 펄스 압축 에너지의 주기적 방출을 허용함으로써 높은 전단력 그립을 제공하는, 디바이스 변형가능한 표면을 도시한다.
도 8은 손가락 끝 표면의 텍스쳐에 적응된 미세구조물 터치스크린을 도시한다.
도 9는 물이나 부스러기의 오염에 견디도록 적응된 계층적 미세구조물 터치스크린을 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 기둥들 및 융기부들을 포함하는 다기능 형상 동조가능한 표면을 도시한다.
도 11은 스트레인 동조가능한 디바이스의 실시예를 도시한다.
도 12는 그립이 디바이스의 영률과 타겟 표면의 영률의 차이에 비례하는, 스트레인 동조가능한 디바이스를 도시한다.
도 13은 샬라마흐 파들을 피닝 구조물 상에 플로잉함으로써 그립이 향상되는, 동조가능한 디바이스를 도시한다.
본 발명의 다양한 실시예들의 원리들 및 특징들의 이해를 용이하게 하기 위해, 다양한 예시적인 실시예들이 아래에 설명된다. 본 발명의 예시적인 실시예들이 상세하게 설명되지만, 다른 실시예들이 고려되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위가 이하의 설명에 제시되거나 도면들에 도시된 컴포넌트들의 구성 및 배열의 상세들로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명은 다른 실시 예들이 가능하며, 다양한 방식들로 실시 또는 수행될 수 있다. 또한, 예시적인 실시예들을 설명함에 있어서, 명확성을 위해 특정 용어가 이용될 것이다.
계면이 무엇이든 간에, 표면 텍스쳐는 다른 표면에 대한 하나의 표면의 이동성에서 큰 역할을 한다. 미세구조화된 표면과 변형가능한 표면 사이의 상호작용의 스케일은 미세구조화된 디바이스의 표면 텍스쳐에 의해 정의된다. 미세구조물은 전형적으로 계층적이며, 적어도 3개의 공간 스케일로 특징지어진다.
본 개시내용에서, 계층은 상이한 공간 스케일의 미세구조물들을 의미한다는 것을 알아야 한다. 이러한 구조물들은 나란히 있을 수 있거나 서로의 상부에 적층될 수 있다. 계층적 미세구조물은 치수 x 및 y, 및 평면 외 치수 z에 의해 특징지어지는 2차원 표면 상에 정의된다. 각각의 미세구조물 스케일은 함수 f(x, y)로 기술되는 2차원 표면에 위치하는 특징적인 치수들 x', y' 및 z'에 의해 정의될 수 있다. 함수 f(x, y)가 반드시 평면일 필요는 없다. 계층적 미세구조물은 각각 (x', y', z'), (x", y", z") 등에 의해 특징지어지는 스케일링된 미세구조물의 세트이고, 여기서, 제1 미세구조물은 (x, y, z1)에 의해 정의된 영역에 위치하고, 제2 미세구조물은 (x, y, z2)에 의해 정의된 영역에 위치하는 등이다. 범위 z1은 zmin <z1 <zmax 등에 의해 정의된 z 값들의 범위에 걸쳐 있다.
적층된 계층적 미세구조물은 제1 미세구조물의 대부분이 영역 z1에 상주하고, 제2 미세구조물의 대부분이 영역 z2에 상주하는 등의 3차원 미세구조물이며, 임의적인 유클리드 좌표 세트 (x, y, z)와 관련하여 z1 > z2 > ...이다. 예를 들어, 계층적 미세구조물은 높이 100 및 직경 20의 평면 내에 배열된 실린더들의 최상부 표면들 상에 배열된 높이 10 및 직경 2의 실린더들의 세트를 포함할 수 있다.
특징형상 치수들의 비율이 일정한 인자에 의해 스케일링되는 경우, 계층적 미세구조물은 자기-유사(self-similar)이다. 자기-유사성은 모든 스케일 치수들에서, 또는 스케일 치수들의 임의의 서브세트에서 발생할 수 있다. 실린더들의 예에서, 다양한 공간 스케일들 p1, p2, p3,...에서의 실린더들 사이의 피치는, 피치들이 일정한 비율 p1/p2 = p2/p3 = .... = c를 만족하는 경우에 자기-유사이고, 여기서 c는 상수이다. 피치는 2개의 유사 구조물의 중심들 사이의 거리로서 정의된다. 대부분의 경우들에서, 피치는 주어진 유형의 구조물에 대해 일정하다. 종횡비는 구조물의 폭에 대한 높이의 비율로서 정의되는 관련 측정치다.
도 1을 참조하면, 샬라마흐 혼입 메커니즘(100)이 예시되어 있다. 단면도로 보여진 제1의 규칙적으로 이격된 평행 융기부 패터닝된 디바이스(first regularly spaced parallel ridge patterned device)(102)가 도시되어 있고, 샬라마흐 파들을 혼입하도록 최적화된 평행 융기부 패터닝된 디바이스(104)는 단면도로 도시되어 있다. 디바이스들(102 및 104)은 변형가능한 표면(108)에 대하여 우측(106)으로 변위된다. 샬라마흐 파가 전개된다(110). 디바이스(102)에 관련하여, 샬라마흐 파(110)는 디바이스(102)와 변형가능한 표면(108) 사이의 표면 영역 접촉을 감소시킨다. 결과적으로, 디바이스(102)의 경우, 샬라마흐 파가 전개될 때 병진(106)을 유지하기 위해 요구되는 전단 응력이 상당히 감소된다. 반대로, 디바이스(104)의 경우, 동일한 샬라마흐 파(110)가 미세구조물들(114) 사이의 간격에 혼입된다(112). 샬라마흐 파 주기성(110)은 접촉하는 디바이스 상의 미세구조물의 주기성에 비교적 독립적이다. 샬라마흐 파장(110)은 변형가능한 표면(108)의 본질적인 속성을 갖는다. 디바이스(104)의 경우, 도시된 바와 같이 혼입이 발생할 때, 병진에 요구되는 전단력이 상당히 증가된다. 결과적으로, 디바이스(104)는 변형가능한 표면(108)에 대하여 고정된다.
도 1은 본 디바이스(104)의 표면과 환경 표면(108) 사이의 병진력이, 인가된 수직력 및 접촉 면적의 비선형 함수임을 예시한다. 도 1은 본 발명의 표면 텍스쳐화된 디바이스에 대해, 샬라마흐 파의 혼입이, 병진을 위해 요구되는 전단력이 움직임에 따라 증가하는 고전적인 마찰 모델과 반대된다는 주장을 예시한다. 고전적인 경우에서, 정적 마찰 계수는 운동 마찰 계수보다 높다.
도 2와 관련하여, 본 출원의 디바이스는 형상 동조가능한 미세구조물(shape tunable microstructure)(200)을 예시하고, 디바이스(202)의 미세구조물들의 깊이 및 방향은 디바이스에 스트레인을 인가함으로써 가역적으로 제어될 수 있다. 도 2는 본 발명의 단지 하나의 특징형상의 특히 간단한 예시임을 알아야 한다. 가요성 미세구조물(204)을 갖는 디바이스(202)는 변형가능한 표면(206)에 평행하게 병진하고 있다. 초기에 변형가능한 표면(206)은 평탄하다. 디바이스(202)와 변형가능한 표면(206) 사이의 힘들은 샬라마흐 파들(208)을 유도한다. 미세구조물(204) 사이의 간격은 샬라마흐 파(208) 공간 주기성으로 조정되지 않는다. 그러나, 미세구조물(204)의 변형가능한 특성으로 인해, 샬라마흐 파(208)는 미세구조물(204)을 변형시키고, 여기서 도시된 바와 같이 혼입이 달성된다.
도 3과 관련하여, 본 출원의 디바이스는 모세관 작용이 이용되는 형상 동조가능한 미세구조물(300)을 도시한다. 타겟 변형가능한 표면들의 샬라마흐 진동수를 예상하는 것이 항상 실용적이지는 않다. 타협 전략은 이상적인 타겟 표면에 따라 디바이스를 패터닝하는 것이다. 그러나, 모세관 작용이 타겟 변형가능한 표면의 고유 진동수들을 가공된(engineered) 텍스쳐화된 표면에 맞추는 데 도움이 된다면, 임플란트의 고정화(immobilization)가 크게 향상될 수 있다. 예를 들어, 디바이스(302)는 타겟 변형가능한 표면을 예상하도록 이격된 큰 미세구조물(304)을 갖는다. 그러나, 변형가능한 표면(306)은 예상된 가공된 진동수(310)와 다소 다른 샬라마흐 공간 진동수(308)를 갖는다. 변형가능한 표면(306)이 미세구조물들(304)을 변형시킬 때, 2차 모세관 미세구조물들(312)은 변형가능한 표면(306)을 이용가능한 갭(310) 내로 끌어들인다. 모세관 작용은 영역(314)에서 물을 제거함으로써 변형가능한 표면(306)과 디바이스(302) 사이에 부분 진공을 생성한다.
도 4와 관련하여, 본 출원의 디바이스는 형상 동조가능한 미세구조물 임플란트를 예시하며, 여기서 변형은 미세구조물들의 편향 및 코어 재료에 대한 스트레인을 포함한다. 본 발명의 스트레인가능한 디바이스(400)는 코어 부재(402) 및 미세구조물들(404)을 포함하고, 여기서 전형적인 전단력이 인가될 때 코어 부재(402)는 1 내지 20%의 스트레인을 위해 프로파일(406)을 갖는다. 코어 부재(402)는 스트레인 하에서 폭(410) 및 진폭(412)을 갖는 주름들(408)로 좌굴된다. 프로파일(406)은 진폭(412)을 폭(410)으로 나눈 종횡비에 따라 역-2차적으로(inversely quadratically) 변화한다. "역-2차적으로"는 스트레인이 2배로 되면 진폭(412)에 대판 폭(410)이 2의 제곱근의 계수로 증가함을 의미한다.
도 5와 관련하여, 본 출원의 디바이스는, 유도된 샬라마흐 파들이 미세구조물 플로잉을 야기하는, 형상 동조가능한 미세구조물 임플란트를 평면도로 도시한다. 본 발명의 미세구조물 디바이스(500)는 코어 부재(502) 및 미세구조물(504)을 포함한다. 변형가능한 표면(506)은 미세구조물 디바이스(500)에 대해 병진된다. 샬라마흐 파들(508)은 방향(510)을 향한다. 결국, 샬라마흐 파는 2개의 부분(512, 514)으로 분할되고, 각각의 부분은 교차점(516)을 향한다. 부분들(512 및 및 514)은 교차점(516)에서 만나고, 추가 병진(518)을 차단한다.
도 6과 관련하여, 미세구조물 디바이스와 변형가능한 표면 사이의 전단력이 예시되는데, 여기서 변형가능한 표면에서의 유도된 변동들은 라킨 길이를 초과한다. 라킨 길이는 그것을 초과하면 변위 필드의 변동들이 피닝 중심의 전형적인 크기보다 커지게 되는 특징적인 길이로서 정의된다. 변위 필드로서 표면과 접촉하는 디바이스를 모델링하는 경우, 타겟 표면 내의 또는 디바이스 상의 불균질성들은 작은 영역들에서 상대 운동의 변동들을 발생시킬 수 있다. 그러한 변동들이 특정 크기인 라킨 길이를 초과하는 경우, 피닝 중심들이 붕괴된다.
도 7과 관련하여, 디바이스-변형가능한 표면 계면(700)이 예시된다. 그립 현상은 2가지 유형의 파동의 중첩의 결과이고, 제1 파동은 엄밀히 샬라마흐 파(702)이고 제2 파동은 슬립 펄스(704)이다. 슬립 펄스(704)는 공진 스펙트럼(706)에 포함되지 않는 진폭과 진동수를 가지며, 미세구조물(708)의 공간 진동수는 샬라마흐 파(702)의 공간 진동수와 일치한다. 슬립 펄스(704)는 좌굴에 대응하는 탄성 상태이며, 이는 퍼텐셜 에너지와 공진 형태들(706) 사이에서 710에서의 정상 상태를 일시적으로 붕괴시킨다.
몇몇 상황들에서, 슬립 펄스(704)는 소산되고(712), 부착이 재확립된다. 다른 상황들에서, 슬립 펄스는 에너지가 커져서, 결국에는 계면이 실질적으로 붕괴되는 진폭에 도달한다. 이 경우, 슬립 펄스는 분리 펄스(714)를 작동시킨다. 슬립 펄스(704)가 소산되는 상황에서, 분리 펄스(714)는 계면의 선단에 형성되어 국소화된다. 슬립 펄스(704)가 소산되지 않는 경우, 분리 펄스(714)의 에너지는 상호작용 영역(716)을 통해 전송된다.
예시된 바와 같이, 계면이 움직이는 동안, 3가지 파동 전부가 동시에 존재하는 것이 가능하다. 즉, 압축 파들이 계면에서 형성되고, 분리 파형(714)은 선단에 형성되고, 분리파로부터의 에너지가 슬립 파들(704)의 전파의 형태로 계면 내로 누설된다(718). 따라서, 상당히 다른 파장 및 진폭을 각각 갖는 별개의 표면 파들에 연관하여 상기 3가지의 식별된 파동에 관해 적절히 이해되는 특징적인 스틱-슬립 현상이 야기된다.
예 1
요구되는 결과들을 차별화할 수 있는 형상 의존 그립력들을 갖는 동조가능한 주름들을 갖는 터치스크린 디바이스.
도 8을 참조하면, 손가락 끝 표면(802)은 텍스쳐화된 액정 터치 감지 스크린(804)과의 계면(800)을 형성한다. 손가락 끝 표면(802)은 수평(808) 및 수직(810) 영역들로 배향된 융기부들(806)의 곡선형 평행 세트를 포함한다. 터치스크린 표면(804)은 수평(814) 및 수직(816) 영역들로 배향된 융기부들(812)의 직선형 평행 세트를 포함한다. 808의 공간 주기성은 814의 공간 주기성과 일치한다. 810의 공간 주기성은 816의 공간 주기성과 일치한다. 818에 도시된 바와 같이 손가락 표면(802)이 스크린 표면(804)과 접촉하게 되면, 패턴(808)은 전단력(820)이 인가될 때 패턴(814)으로 잠금되고, 패턴(810)은 전단력(822)이 인가될 때 패턴(816)으로 잠금된다.
터치스크린이 2개의 별개의 직교 방향(820 및 822)으로 힘을 맞추는(register) 데에 병진 운동이 요구되지 않음을 알아야 한다. 터치스크린 텍스쳐(812)는 전단 응력 하에서 약간 변형되는 융기부들의 탄성 세트일 수 있다. 따라서, 매우 민감한 이진 동작(binary operation)이 본 기술분야에 공지된 컴퓨팅 시스템들에 전달될 수 있다. 824에 도시된 바와 같이, 큰 터치스크린은 다수의 텍스쳐화된 유닛(804)으로 타일링될 수 있다. 텍스쳐 유닛(804)은 직경이 1mm, 더 바람직하게는 0.5mm 내지 100미크론일 수 있다. 텍스쳐(806)가 812의 공간 주기성의 정수 배인 경우, 텍스쳐(812)는 806의 공간 주기성보다 상당히 작은 공간 주기성을 가질 수 있다.
상기 예시적인 발명은 터치스크린 표면의 수분 응축 또는 오염이 전형적으로 터치스크린 감도를 감소시키는 습한 환경들에서 특히 유용하다. 표면은 임의적으로(optionally) 초소수성(superhydrophobic) 또는 계층적일 수 있다. 계층적 패턴은 소수성 표면의 역할을 하는 작은 스케일, 및 혼입 표면의 역할을 하는 더 큰 치수의 제2 텍스쳐를 포함할 수 있다.
도 9를 참조하면, 단위 표면 텍스쳐(902)가 터치스크린 표면(900) 상에 예시된다. 단위 표면 텍스쳐(902)는 벌크 두께(906) 또는 다음의 역 패턴(908)을 가질 수 있다. 가장 작은 텍스쳐(910)는, 직경이 5-10 미크론이고 5-10 미크론의 공간 주기성 및 직경의 1-5배의 높이를 갖는 기둥들로 이루어진다. 표면 텍스쳐(910)는 물을 받아들이지 않는다. 중간 텍스쳐(912)는, 직경이 10-50 미크론이고 50-500 미크론의 공간 주기성 및 직경의 5-15배의 높이를 갖는 기둥들로 이루어진다. 큰 텍스쳐(902)는 100-1000 미크론의 진폭을 갖는 2차원 정현파이다.
예 2
본 출원의 본 발명들의 다른 예는 디바이스 상의 형상 동조가능한 미세구조물 상에 동역학적 진동이 유도되는 본 디바이스들에 의해 확립된 마모없는 슬라이딩 계면들을 개시하고, 여기서 디바이스 미세구조물과 환경 표면 상의 미세구조물 사이의 위치 관계는 미세구조물의 형상(종횡비)에 대한 동역학적 진동들을 최대화하도록 설계된다. 도 10을 참조하면, 교차점들(1002) 및 정점들(vertex points)(1004)에 의해 정의된 형상 동조가능한 표면(1000)은 직경이 패턴의 직경(1006)의 0.001 내지 0.1의 범위인 가요성 기둥들의 위치를 정의한다. 기둥들의 높이는 직경(1006)의 0.01 내지 0.1의 범위 내에 있다. 기둥들의 위치들은 도 10b를 참조하여 아래의 목록 A에 의해 주어진다.
목록 A
예 3
도 11을 참조하면, 스트레인 동조가능한 디바이스(1100)는 스트레인(1104)에 의해 유도된 Shallamach 파(1102)를 혼입한다. 디바이스 스트레인(1106)이 1%를 초과할 때, 스트레인 동조가능한 디바이스(1100)는 파장(1110)의 주름들로 좌굴되고(1108), 여기서 주름들(1008)의 진폭(1112)은 10 내지 1000 미크론의 범위, 더 전형적으로는 25 미크론 내지 약 100 미크론의 범위(1112)에서 진폭(1112)을 증가시키는 파장(1110)에 대한 역-2차 관계를 나타낸다. 바람직하게는, 스트레인 동조가능한 디바이스에서, 종횡비[진폭(1112)/파장(1110)]는 약 0.01 내지 0.20의 스트레인 범위에서 스트레인에 대해 역-2차이다.
임의적으로, 기둥들(1114)은 도시된 바와 같이 테이퍼링될 수 있거나 직각 실린더들일 수 있다. 바람직하게는, 기둥들(1114)은 축 방향으로 지향된 세로 홈들(flutes) 또는 융기부들(1116), 또는 임의적으로 동심으로 지향된 세로 홈들 또는 융기부들(1118)을 갖는다.
예 3에서 유용한 재료들은 탄성 폴리우레탄들 또는 실리콘들이다. 패터닝된 표면들을 구성하기에 적합한 중합체들은 폴리에스테르 우레탄들을 포함한다. 폴리 에스테르 우레탄들은 락티드 디올과 공중합된 폴리우레탄들이다.
락티드 디올의 제조
이 절차는 극저온 증류(건조) 아르곤 또는 질소로 연속적으로 퍼지된 밀폐 용기에서 수행되어야 한다. 30g의 1,6-헥산디올은 자석 교반 막대가 장착된 눈금이 매겨진 2 리터 평저 플라스크에서 600ml의 톨루엔에 넣어진다. 플라스크는 2-홀 스토퍼로 캡핑되어야 하는데, 하나의 홀에는 입력 도관이 장착되고 다른 홀에는 오일 트랩에 연결된 출력 도관이 장착된다(수증기의 역류를 방지하기 위해). 입력 도관은 질소 소스에 연결되어야 하고, 질소는 시간당 약 5 리터로 흐른다. 플라스크는 자기 교반기/핫 탑 조합에 배치되어야 한다.
톨루엔 용액은 용액 온도를 70℃까지 상승시킨 후 헥산 디올이 완전히 용해 될 때까지 10℃씩 증분시키면서 교반되어야 한다. 용해 시, 용액 부피가 기록되어야 한다. 용액 부피가 150ml 감소할 때까지 온도 및 질소 흐름이 계속되어야 한다. 톨루엔 기화를 촉진하기 위해 온도가 130℃로 상승될 수 있다.
용액의 샘플은 (습한 공기와의 접촉을 피하기 위해) 주사기에 의해 회수되어야 하고, 톨루엔은 진공 증발에 의해 제거된다. 고체 헥산디올에 대해 칼 피셔(Karl Fischer) 수분 함량 측정이 수행되어야 한다.
상기 증류 절차는 수분 함량이 중량으로 <300 ppm H2O가 될 때까지 계속되어야 한다. 용액은 질소 하에서 냉각 및 보관되어야 한다.
상기 셋업을 사용하여, 150g의 D,L-락티드 및 150g의 L,L-락티드는 질소 흐름 하에서 교반하면서 115℃로 가열함으로써 1750ml의 톨루엔에 용해되어야 한다.
용해 시에 용액 부피가 기록되어야 하고, 온도는 130℃로 상승되어야 한다. 400ml의 톨루엔이 제거될 때까지 질소 흐름이 계속되어야 한다.
용액의 샘플은 (습한 공기와의 접촉을 피하기 위해) 주사기에 의해 회수되어야 하고, 톨루엔은 진공 증발에 의해 제거된다. 고체 헥산디올에 대해 칼 피셔 수분 함량 측정이 수행되어야 한다.
상기 증류 절차는 수분 함량이 중량으로 <300 ppm H2O가 될 때까지 계속되어야 한다. 용액은 질소 하에서 냉각 및 보관되어야 한다.
적절한 크기의 플라스크(4L)를 계량한다. 플라스크 중량, 바람직하게는 중량은 폐쇄 수단, 또는 폐쇄 도관들이 분리된 스토퍼를 포함하는 것이 바람직하다는 점에 유의해야 한다. 헥산디올 및 락티드 용액들은 계량된 플라스크에서 조합되고 질소 흐름에 연결되고 교반되어야 한다. 조합된 용액은 70℃까지 10℃ 증분으로 가열되어야 한다.
15분 후, 600mg의 주석 헥사논산에틸을 격렬하게 교반하면서 1cc 주사기를 사용하여 점적 방식으로(drop-wise) 첨가해야 한다. 용액의 온도는 10℃ 증분들로 120℃까지 상승되어야 한다. [온도 제어식 가열 맨틀(temperature controlled heating mantle)이 사용되는 경우에는 온도 상승이 충분히 느려서 10℃ 가열 증분이 무시될 수 있다.]
용액 부피가 공기와의 접촉으로부터 폐쇄되도록 도관을 연결된 상태로 유지하면서 질소 흐름을 차단한다. 교반 및 가열하면서 5시간 동안 반응시킨다. 추가의 400mg의 주석 헥사논산에틸을 첨가한다. 질소로 세척한다. 추가 3시간 동안 계속한다. 추가의 400mg의 주석 헥사논산에틸을 첨가한다. 질소로 세척한다. 120℃에서 추가 11시간 동안 계속한다. 용액 온도를 70℃로 감소시킨다. 오일 트랩의 출력 포트를 진공 소스에 연결한다. 톨루엔이 제거될 때까지 교반을 멈추고 가열한다. 진공을 중단한다. 800ml의 건조 클로로포름을 첨가하고, 질소로 세척하고, 고체가 완전히 용해될 때까지 70℃에서 교반한다. 결과적인 혼탁 용액은 0.2 미크론 PTFE 필터를 사용하여 여과되어야 한다. 진공 하에서 여과액으로부터 용매를 제거한다. 건조된 고체의 샘플은 칼-피셔를 사용하여 수분 함량에 관해 측정되어야 한다. 수분 함량은 <300ppm이어야 한다. 이러한 규격 내에 들지 않는다면, 고체는 클로로포름 증류에 의해 건조될 수 있다.
폴리에스테르 우레탄의 제조
원료
모든 동작들은 질소 및 건조 용매들 하에서 수행되어야 한다. 권장되는 장비는 다음과 같다:
모터 추진 교반 막대의 도입을 위한 중앙 포트를 갖는 2 리터의 4 포트 눈금있는 유리 반응기가 권장된다. 교반 막대는 바람직하게는 층류 혼합을 피하기 위해, 각이 있는 날들을 갖는 다층식(multi-tier)이다. 반응기에는 열전대와 프로그래밍가능한 온도 제어기에 맞춰진 가열 맨틀이 장착되어야 한다. [바람직하게는, 맨틀은 또한 냉각 능력을 가지며, 여기서 유체로 채워진 맨틀이 순환 제어 유닛과 함께 사용된다.] 바람직하게는, 반응 부피는 열전대에 노출되지 않고, 오히려 열전대는 가열 맨틀에 내장된다. 최종 생성물의 높은 점도 및 신속하고 완전한 혼합의 필요성으로 인해, 자기 교반 막대의 사용은 권장되지 않는다. 2개의 비어있는 포트에는 질소의 전달 및 제거를 위한 도관들이 장착되어야 한다. 출력 포트는 수증기의 역류를 방지하기 위해 오일 트랩에 연결되어야 한다. 이상적으로, 도관들은 공기에의 노출 없이 반응 부피 수송할 수 있는 밸브들을 포함한다. 마지막 포트인 진단 포트는 반응 부피의 첨가 및 회수를 위해 사용된다. 진단 포트의 주기적 개방 및 외부 교반 수단을 보상하기 위해, 질소 분위기는 양의 분압으로 전달되어야 한다. 분압은 오일 트랩에서의 질소 기포들의 관찰에 의해 나타나며, 그것들의 생성 속도는 합리적인 질소 유량을 설정하고 유지하는 데 사용될 수 있다.
반응기를 질소로 퍼지한다. 상기 절차로부터 획득된 40.32g의 PLA 디올, 및 40.11g의 테라테인 2000 및 810ml의 톨루엔을 상기 셋업을 사용하여 첨가한다. 교반 속도를 분당 100 사이클로 설정한다. 질소 흐름 하에서 교반하면서, 115℃로 가열함으로써 용해가 달성된다.
용해 시에 용액 부피가 기록되어야 하고, 온도는 130℃로 상승되어야 한다. 200ml의 톨루엔이 제거될 때까지 질소 흐름이 계속되어야 한다.
반응기를 15℃(또는 맨틀에 냉각제가 장착되지 않은 경우에는 실온)로 냉각시킨다. 교반하면서, 진단 포트를 통해, 질소 흐름 하에서, 30ml 톨루엔에 이어서 45.09g의 IPDI를 첨가한다. 30분 동안 교반한다. 점적 방식으로 6.74 ml의 다이부틸틴 디라우레이트를 첨가한다.
진단 포트를 사용하여, 용액 샘플을 제거하여 %NCO를 측정한다. %NCO는 디 부틸아민 역 적정(dibutylamine back titration)을 사용하여 측정될 수 있다. 이러한 방법에 의해, 적어도 3회의 NCO 측정을 수행하는 것이 전통적이고, 또는 요구되는 표준 편차가 획득될 때까지 그것을 수행할 수 있다.
반응기의 온도를 75℃로 상승시킨다. 75℃에서 4시간 동안 질소 흐름 하에서 혼합물을 반응시킨다. NCO를 취한다. 1시간 더 반응시켜 NCO를 취한다. 5시간에서의 NCO가 4시간에서의 측정값의 95% 미만인 경우, 연속 측정들 사이에서 NCO 변화가 5% 미만이 될 때까지 1시간의 지속시간들 동안 계속 반응시킨다.
PLA 디올의 제조 셋업을 사용하여, 12.872g의 부탄디올을 230ml의 건조 톨루엔에 용해시킨다. 75℃로 가열함으로써 용해가 달성된다.
부탄디올 용액을 반응기에 첨가한다. 혼합물을 질소 흐름 하에 75℃에서 9 시간 동안 반응시킨다. NCO를 취한다. 1시간 더 반응시켜, NCO를 취한다. 10시간에서의 NCO가 9시간에서의 측정값의 95% 미만인 경우, 연속 측정들 사이에서 NCO 변화가 5% 미만이 될 때까지 1시간의 지속시간들 동안 계속 반응시킨다.
이 과정 동안, 반응물의 점도를 감소시키고 혼합을 개선하기 위해 톨루엔이 첨가될 수 있다. 이러한 반응 동안 상당한 토크가 전개될 수 있다.
NCO가 안정화되었을 때[이것은 물이 시스템으로 유입되고 있지 않으면 배치(batch)마다 재생될 수 있어야 함], 반응 부피를 진공 챔버에 따라버린다(decant). 반응 부피가 여전히 뜨거우면 이것은 더 쉽게 수행될 수 있다. 진공을 가하고 톨루엔을 제거하며, 결과적인 고체는 1000ml THF에 용해되어야 한다. 중합체는 15L의 펜탄에 침전되고, 여과되며, 펜탄으로 반복 세척되고, 50℃에서 진공 건조된다. n-펜탄은 Acros로부터 얻어질 수 있고, 재증류 후 사용되었고, (역시 Acros로부터의) THF는 수취된 대로 사용되었다.
결과적인 폴리에스테르 우레탄은 132℃의 용융 온도를 갖고, 대부분의 용매들, 예를 들어 톨루엔 및 아세톤에서 가용성이다. 결과적으로, 예 3의 텍스쳐화된 표면들은 몰드 위에 용액 캐스팅하거나 몰드 위에 용융 압출함으로써 제조될 수 있다.
예 4
도 12를 참조하면, 그립이 디바이스의 영률과 타겟 표면의 영률의 차이에 비례하는 스트레인 동조가능한 디바이스(1200)가 도시되어 있다. 이러한 스트레인 동조가능한 디바이스들은 자가 국소화 임플란트들(self-localizing implants)로서 유용하다. 예를 들어, 예 3의 폴리우레탄들은 극도로 탄성적이고, 전형적으로 100% 내지 약 800%의 파단 스트레인 값들(strain-at-break values)을 갖는다. 대부분의 생물학적 조직들은 탄성적이기 때문에, 디바이스가 미끄러짐 없이 그 위에 배치되도록 의도되는 조직의 자연 탄성을 따르는 표면들을 구성하는 것이 유용하다. 예를 들어, 신체 내의 조직 표면들 사이의 부착 방지 장벽의 배치이다.
타겟 조직에 대한 영률의 범위가 25 내지 100 kPa 범위임을 고려하면, 50 내지 200 미크론 범위의 기관들 및 근육 조직의 좌굴 파장이 특히 중요하다. 그러므로, 200 미크론보다 큰 피치를 갖는 임의의 큰 스케일의 미세구조물은 피부의 좌굴에 대해 미세구조화된 디바이스를 안정화시키기에 충분하다. 큰 스케일의 미세구조물의 진폭이 50-200 미크론 범위에 있다고 가정하면, 50 미크론에 가까운 피치에 대해 더 큰 계층적 피닝이 발생할 것이다.
조직의 샬라마흐 파 진폭 및 진동수를 조직과 접촉하는 표면의 진폭 및 진동수에 일치시키면, 표면 디바이스를 타겟 조직에 국소화하는 데에 요구되는 특징형상들의 크기 및 거칠기가 최소화된다. 거친 표면과 조직 사이의 임의의 미끄러짐은 조직 부착들, 및 다수의 임플란트들에 연관된 부작용을 유도하므로, 이러한 고려 사항이 특히 중요하다.
도 12를 참조하면, 부착 방지 임플란트 표면(1200)은 미끄럽고 평활한 표면(1202) 및 텍스쳐화된 면(1204)을 갖는다. 텍스쳐화된 면(1204)은 조직 면(1206)에 부착되도록 설계되고, 평활 면(1202)은 디바이스 면(1202)과 제2 조직 면(1208) 사이의 조직 부착에 저항하도록 설계된다. 디바이스(1200)의 두께(1210)는 20 미크론 내지 1000 미크론이다. 기둥들(1212)은 높이가 10 내지 100 미크론이고, 직경이 10 내지 100 미크론이며, 50 내지 200 미크론으로 이격된다. 더 작은 기둥들(1214)은 높이가 5 내지 10 미크론이고, 직경이 5 내지 10 미크론이며, 7 내지 25 미크론으로 이격된다.
본 예의 두께(1210)를 조절함으로써, 조직에서의 유도된 샬라마흐 파의 진폭이 디바이스의 영률과 타겟 표면의 영률의 차이에 비례하는 스트레인 동조가능한 디바이스가 획득된다.
임의적으로, 도 12를 참조하면, 디바이스(1200)는 2개 이상의 층으로 이루어지며, 제1 접촉 층(1216)은 디바이스의 원위 층들(1218)의 영률에 비해 상이한 영률을 갖는다. 특히, 평활 층(1216)의 모듈러스는 미세구조물들의 모듈러스(1218)와 다르다.
임의적으로, 스트레인 동조가능한 디바이스(1200)는 계층적 미세구조물들로 이루어지고, 각각의 계층적 층(1112 및 1214)은 상이한 영률들의 기판 재료로 이루어진다.
임의적으로, 스트레인 동조가능한 디바이스(1200)는 계층적 미세구조물들로 이루어지고, 디바이스의 기판 벌크의 두께(1216)는 타겟 표면에 대한 최대 그립을 생성하도록 선택된다.
예 5
도 13을 참조하면, 본 발명의 그립 디바이스(1300)는 전단력 하에서 디바이스(1300)와 접촉하는 조직이 기둥들(1304)을 향하는(1306) 조직 플로잉(tissue plowing)을 유도하도록, 융기부들(1302) 및 기둥들(1304)을 사용한다. 기둥들(1304) 및 융기부들(1302)은 스트립들(1308 및 1310)로, 또는 임의의 규칙적인 패턴으로 배열될 수 있다. 융기부들(1302)은 방향성을 갖고, 2개의 융기부 스트립들(1310, 1312)은 방향성이 반대로 될 수 있다.
조직 플로잉(1306)은 기둥들(1308)의 영역들에서 샬라마흐 파들을 유도한다. 따라서, 1314가 유도된 샬라마흐 파들의 공간 주기성에 대응하도록 기둥들을 이격(1314)시키는 것이 유리하다.
그러므로, 그립 디바이스로 획득되는 추가된 그립력이, 타겟 표면에 유도된 샬라마흐 파들이 미세구조물 배향들에 평행하게 정렬되어, 이중 배향된 샬라마흐 파들이 샬라마흐 파들의 진폭이 중첩하는 중심선을 따라 수렴하여, 중첩되지 않은 샬라마흐 파들의 부분들의 진폭보다 큰 진폭을 갖는 샬라마흐 파들을 생성하도록, 반대 방향들로 배향된 표면 미세구조물로 이루어짐을 알 수 있다.
따라서, 도 13을 참조하면, 표면 주름이 미끄러짐 없이 축적될 수 있는 영역들(1308)에는 구조물의 부재가 있을 수 있다. 더욱이, 이러한 축적 영역들은 병진 방향(1316)에 수직(도시됨) 또는 평행하게 배향될 수 있다.
예 5에 의해 일반적으로 설명된 표면 텍스쳐 배열들이 텍스쳐화된 디바이스를 국소화하는 데 특히 효과적인 한가지 이유는 디바이스와 타겟 표면 사이에 부착 접합들을 전개하는 표면 미세구조물에 기인하며, 여기서 전단력은 접촉 영역(1308)에 바로 인접한 영역들(1310)에서의 에너지 소산에 의해 특징지어진다. 또는, 반대로, 1308이 텍스쳐를 갖지 않는 경우이다.
특히, 예 5는 디바이스와 타겟 표면 사이에 쿨롱 잠금을 전개하고, 전단력은 접촉 영역 내의 영역들에서의 디바이스와 타겟 표면 사이의 표면 에너지 감소에 의해 특징지어진다.
바람직하게는, 예 5는 디바이스와 타겟 표면 사이에 샬라마흐 플로잉, 부착 접합들 및 쿨롱 잠금을 전개하는 표면 미세구조물로 이루어진다.
더 바람직하게는, 예 5는 디바이스와 타겟 표면 사이에 쿨롱 잠금을 전개하는 표면 미세구조물들로 이루어지고, 쿨롱 잠금은 디바이스 상의 미세구조물들의 공간 주기성과 타겟 표면 내의 고유 주름들 사이에 있다.
예 4에서와 같은 본 출원의 또 다른 예들에서, 디바이스는, 전단 응력이 디바이스와 타겟 표면 사이의 접촉 영역에 걸쳐 최대로 균일하도록, 디바이스 표면과 타겟 표면 사이의 계면에서 외부 전단 응력을 분산시키는 표면 미세구조물로 이루어진다. 이러한 특징은 인간 조직과 자주 접촉하는 임플란트 응용들 또는 표면들에서 특히 유용하다.
본 출원의 일반적인 동작 원리는, 디바이스 표면과 타겟 표면 사이의 계면에서 외부 전단 응력을 분산시켜, 디바이스와 타겟 표면 사이의 각각의 접촉 지점에서의 전단 응력 벡터가 그 지점에서의 타겟 벡터로부터 최소한으로 벗어나게 하는 영률 및 표면 미세구조물로 이루어진 디바이스들의 개시이다.
본 출원의 다른 목적은, 타겟 표면과 접촉하는 디바이스의 패턴이 디바이스 패턴과 타겟 표면 주기성 사이의 탄성 결합을 증가시킴으로써 순차적인 계면 슬립을 방지하도록 내부 구조물 및 표면 미세구조물로 이루어진 디바이스를 개시하는 것이다.
일반적으로, 본 출원의 디바이스들은 2가지 유형으로 분할가능한 표면 미세구조물로 이루어진 디바이스들이다. 제1 유형 미세구조물은 모듈러스가 낮고, 작은 수직 하중을 위해 설계되며, 여기서 약한 피닝이 예상되고, 그립의 영역이 탄성 변형이 우세한 라킨 길이보다 작은 경우, 힘의 공간적 변동들로 인한 그립이 확립된다. 제2 유형 미세구조물은 모듈러스가 높고, 높은 하중들을 위해 설계되며, 여기서 길이 패턴은 라킨 길이보다 크고, 장애 퍼텐셜이 지배적이고, 패턴 계면의 다른 부분들은 변형되지 않고, 고정된 피닝 중심들을 유지한다.
본 명세서에 제공된 교시로부터, 본 출원은 그립을 향상시키는 표면 변형들을 유도하기 위해 타겟 표면과 상호작용하는 표면 미세구조물로 이루어진 디바이스들을 개시하고, 디바이스는 부착력, 디바이스 재료 속성들, 및 유도된 주름 기하구조 사이의 최적 스케일링 관계를 달성하는, 알려진 탄성 계수 및 계면 속성들로 이루어짐을 알 수 있다.
본 발명의 다른 일반적인 특징은 타겟 표면을 손상시키지 않으면서, 반복적으로 타겟 표면을 강하게 그립한 다음 가역적으로 분리하는 능력을 갖는 디바이스들이다.
본 발명의 다른 일반적인 특징은 1) 샬라마흐 파, 2) 슬립 펄스, 및 3) 분리 펄스와 개별적으로 또는 조합하여 인터페이싱하는 특징형상들을 갖는 디바이스들이다.
본 발명의 다른 일반적인 특징은 디바이스와 타겟 표면 사이의 계면 영역을 통한 샬라마흐 파들, 슬립 펄스들 및 분리 펄스들의 전파를 제어하는 특징형상들을 갖는 디바이스들이다.

Claims (25)

  1. 표면 미세구조물(surface microstructure)이 배치되는 기판을 포함하는 그립 표면(gripping surface)을 갖는 디바이스로서,
    표면 미세구조물은 20 미크론 내지 1000 미크론의 두께를 포함하고,
    표면 미세구조물은 높이와 폭을 구비한 복수의 미세구조물을 더 포함하며,
    복수의 미세구조물은 섹션으로 그룹핑되어 제1 복수의 미세구조물의 제1 섹션은 제2 복수의 미세구조물의 제2 섹션에 평행하게 위치되고,
    제1 및 제2 섹션 사이에는 그루브가 배치되며,
    그루브는 타겟 표면의 샬라마흐 파(Schallamach wave) 진폭들 및 파장들의 정수 배에 대응하도록 구성된 50 미크론 내지 200 미크론의 폭을 구비하고,
    표면 미세구조물은 스트레인(strain)이 복수의 평행한 그루브의 직교 방향에서 디바이스에 인가될 때 샬라마흐 파들이 복수의 평행한 그루브에 의해 혼입(entrained)되도록 구성되는, 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표면 미세구조물은 상기 복수의 미세구조물과 상기 타겟 표면 사이에 모세관 작용을 야기하도록 구성되고, 상기 타겟 표면에 존재하는 액체들은 마이크로스코픽 또는 나노스코픽 표면 텍스쳐 스케일 중 적어도 하나로 끌어당겨지고, 상기 모세관 작용은 스트레인이 상기 표면 디바이스에 인가될 때 상기 표면의 미세구조물 형상의 변화들을 통해 유지되는, 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 디바이스는 상기 표면 미세구조물에 인가된 상이한 압력에 응답하여 이산적인(discrete) 응답을 생산하도록 구성되는, 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 표면 미세구조물은 상기 표면에 의해 확립된 슬라이딩 계면들로 인해 마모에 대한 저항성이 있고, 디바이스 상의 미세구조물 상에 동역학적 진동(kinetic oscillation)이 유도되고, 상기 표면 미세구조물과 상기 타겟 표면 상의 미세구조물 사이의 위치 관계는 상기 표면 미세구조물들의 형상에 대한 동역학적 진동들을 최대화하도록 설계되는, 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 표면 미세구조물은 상기 스트레인이 1%를 초과할 때 기능적으로 활성화되고, 상기 표면은 스트레인이 표면에 인가될 때 예상 파장의 주름들로 좌굴(buckle)되도록 구성되고, 상기 주름들의 진폭은 공간 파장에 대해 역-2차 관계(inverse-quadratic relationship)를 나타내며, 상기 진폭은 10 내지 1000 미크론 범위에서 감소하는, 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 표면 미세구조물의 진폭 및 공간 주기성은 0.01 내지 0.20의 스트레인 범위 내에서 스트레인에 대해 역-2차(inversely quadratic)인 종횡비를 가지는, 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 기판의 조성물은 표면 미세구조물로의 전단 응력(shear stress)이 기판 조성물의 영률과 상기 타겟 표면의 영률에 비례하도록 하는 영율을 포함하는, 디바이스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 표면 미세구조물은 상기 조성물의 영률과 상기 타겟 표면의 영률의 차이에 비례하는 진폭을 갖는 샬라마흐 파를 유도하도록 구성되는, 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 상기 표면 미세구조물은 2개 이상의 층으로 이루어지고, 제1 층은 제2 또는 그 이상의 층들의 영률에 대해 상이한 영률을 갖는, 디바이스.
  10. 제9항에 있어서, 상기 표면 미세구조물은 계층적 미세구조물들로 이루어지고, 각각의 계층적 층은 상이한 영률들을 포함하는, 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 표면 미세구조물은 계층적 미세구조물들을 포함하고, 기판은 타겟 표면을 위한 최대 그립을 생성하도록 선택되는 두께를 갖는, 디바이스.
  12. 제1항에 있어서, 상기 표면 미세구조물은 상기 디바이스와 상기 타겟 표면 사이의 부착 접합들(adhesion junctions)을 야기하도록 구성되고, 전단력(shear force)은 상기 디바이스와 상기 타겟 표면 사이의 접촉 영역에 바로 인접한 영역들에서의 에너지 소산에 의해 특징지어지는, 디바이스.
  13. 제1항에 있어서, 상기 표면 미세구조물은 상기 디바이스와 상기 타겟 표면 사이에 쿨롱 잠금(Coulomb locking)을 야기하도록 구성되고, 전단력은 상기 디바이스와 상기 타겟 표면 사이의 접촉 영역 내의 영역들에서의 상기 디바이스와 타겟 표면 사이의 표면 에너지 감소에 의해 특징지어지는, 디바이스.
  14. 제1항에 있어서, 상기 표면 미세구조물은 상기 디바이스와 상기 타겟 표면 사이에 샬라마흐 플로잉(Schallamach plowing), 부착 접합들 및 쿨롱 잠금을 야기하도록 구성되는, 디바이스.
  15. 제1항에 있어서, 상기 표면 미세구조물은 상기 디바이스와 상기 타겟 표면 사이에 쿨롱 잠금을 야기하도록 구성되고, 상기 쿨롱 잠금은 상기 복수의 미세구조물의 공간 주기성과 상기 타겟 표면 내의 고유 주름들(eigen wrinkles) 사이에서 발생하는, 디바이스.
  16. 제1항에 있어서, 상기 표면 미세구조물은, 전단 응력이 미세구조물 표면과 타겟 표면 사이의 접촉 영역에 걸쳐 최대로 균일하도록, 미세구조물 표면과 타겟 표면 사이의 계면에서 외부 전단 응력을 분산시키도록 구성되는, 디바이스.
  17. 제1항에 있어서, 상기 기판은 미세구조물 표면과 타겟 표면 사이의 계면에서 외부 전단 응력을 분산시켜, 미세구조물 표면과 타겟 표면 사이의 각각의 접촉 지점에서의 전단 응력 벡터가 해당 지점에서의 타겟 벡터로부터 최소한으로 벗어나게 하는, 디바이스.
  18. 제1항에 있어서, 상기 표면 미세구조물은 상기 타겟 표면과 접촉할 때, 미세구조물 표면 패턴과 타겟 표면 주기성 사이의 탄성 결합이 증가됨으로써 순차적인 계면 슬립(sequential interfacial slip)이 방지되도록 구성되는, 디바이스.
  19. 제1항에 있어서, 상기 표면 미세구조물은 상기 타겟 표면의 1) 샬라마흐 파, 2) 슬립 펄스, 및 3) 분리 펄스와 개별적으로 또는 조합하여 인터페이싱하는 특징형상들(features)을 갖는 타겟 표면과 상호작용하도록 구성되는, 디바이스.
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