KR20010071502A - 미세 구조화 분리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체 혼합물의 구성 성분을 제거하는 능동 유체 수송 분리 장치에 관한 것이다. 이러한 분리 장치는 하나의 표면에 한정된 복수의 유동 채널을 갖는 구조화 중합체 표면과, 유동 채널의 적어도 일부를 덮는 선택적 투과성 유체 분리 매체로 형성된다. 또한, 외부 공급원은 분리 매체를 통하여 유체의 이동을 증진시키도록 유동 채널에 걸쳐 포텐셜을 제공하도록 포함되고, 그에 의해 유체 혼합물의 구성 성분을 제거한다. 또한, 구조화 층의 유동 채널과 유체 접촉하는 매니폴드는 공급원이 유동 채널에 걸쳐 포텐셜을 제공하는 것을 작동식으로 허용하도록 사용될 수 있다.

Description

미세 구조화 분리 장치 {MICROSTRUCTURED SEPARATION DEVICE}

유체 분리 장치는 선택적 투과성 분리 매체를 통해 유체 혼합물을 통과시킴으로써 유체 혼합물로부터 구성 성분을 제거하는 장치에 관한 것이다. 분리 매체의 한쪽에는 유체 혼합물의 바람직하지 못한 성분들이 잔류하게 되고, 여과된 것은 분리 매체의 다른쪽으로 통과하게 된다. 이런 장치에서 수득 가능한 분리 형태는 기체-고체, 기체-기체, 기체-액체, 액체-액체, 액체-고체의 혼합을 포함한다. 이런 분리 형태를 이용하는 용도로는, 물의 담수화, 투석, 박테리아나 미세 분말 제거를 위한 미세 여과, 산업 폐기물의 해독, 오수 처리, 초미세 혹은 용해된 고체를 액체나 기체로부터 제거하기 위한 초미세 여과 등이 있다. 통상, 이들 유체 분리 장치는 분리 공정 중에 유체 혼합물 내에 적어도 부분적으로 침지되거나 완전히 침지되게 된다.

선택적 투과성 분리 매체를 통한 유체 혼합물의 수송 및 제어는 분리 매체와는 별도로 유체 수송 매커니즘에 의해 분리 시스템 내에서 달성될 수 있다. 이런형태의 시스템의 예는 유체 혼합물이 한 탱크로부터 펌핑하여 분리 매체를 거쳐 다른 탱크로 전달되는 형식의 펌핑 시스템을 포함한다. 한편, 유체 혼합물의 수송 및 제어는 분리 매체가 유체 수송 시스템에 결합되는 분리 장치의 일부로서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 분리 장치는 진공원에 의해 분리 매체를 통해 유체 혼합물을 구동하는 분리 매체에 결합된 진공 분배 기구를 포함할 수 있다.

도관 또는 기타 장치에 의해 유체를 수송하는 것은 도관이나 기타 장치 내에서 유동을 일으키는 기구에 의해 특징지워질 수 있다. 유체 유동의 대부분이 장치에 의해 가해진 외력으로 인한 것이어서, 유체 수송이 비자발성 유체 유동 거동에 어울리는 경우에, 이런 유체 수송 기구는 능동적이라고 생각된다. 한편, 유체 운동이 수송 장치의 고유한 성능으로부터 유발되는 것이어서 자발적 유체 유동 거동에 어울리는 경우에, 이런 유체 수송 기구는 수동적이라고 생각된다. 카테테르는 능동 유체 수송 장치의 주지된 하나의 예이다. 통상적으로, 체강(body cavity)으로부터 유체를 배출시키기 위해 의료 분야에서 사용되는 카테테르는 장치를 통해 액체를 흡인하기 위하여 진공원에 연결된다. 수동 유체 수송 장치는 흡수 패드이다.

구체적인 적용에 따라, 유체 수송 장치와 조합된 흡수 패드 또는 액체 투과층을 포함하는 능동 유체 수송 제품이 개발되었다. 예컨대, 능동 유체 수송 및 흡수 패드 또는 액체 투과층을 포함하는 매트(mat) 제품이 토드(Todd) 등에게 허여된 미국 특허 제5,437,651호 및 맥카버(McCarver)에게 허여된 미국 특허 제5,349,965호에 기재되어 있다. 각각의 경우에, 액체 투과층의 전체 영역으로부터 액체 유동을 안내하기 위해 기판의 표면 상에 채널이 형성된다. 이들 제품들은 액체 투과층이 액체 흡수 및 저장층으로서 역할을 하게 하거나 액체 수용 챔버를 형성하게 하면서 액체를 제거한다. 토드 등의 특허에서, 흡수부에 가요성 배면판(backing plate)이 부착되고 배면판에 흡입원이 인가된다. 배면판은 흡수부의 표면에 걸쳐 더욱 균일하게 흡인원에 의해 제공된 진공을 안내하기 위한 복수개의 채널을 포함한다. 맥카버 특허에서, 액체 투과성 상부면 및 액체 불투과성 하부면을 갖는 가요성 패드 또는 흡입 레일이 진공원에 연결된다. 흡입력은 액체 투과층을 통과함에 따라 액체를 액체 수용 챔버 내로 하방으로 흡인하여 축적된 액체를 외부로 흡인한다. 액체 수용 챔버는 챔버가 부압 하에 놓일 때 챔버가 붕괴되는 것을 방지하기 위하여 챔버를 채널로 분할하는 분리 수단을 내장한다.

다른 가요성 유체 수송 제품이 최근에 도입되었으며, 테크놀 메디컬 프로덕츠 인크.로부터 상표명 "유체 제어" 바닥 흡입 매트로 상업적으로 입수 가능하다. 이 제품은 수술 과정 중에 수술 부위로부터 떨어진 유체를 흡수하기 위해 사용된다. 이 장치는 복수개의 평행한 둘러싸인 채널들 위에 놓인 흡수 매트를 갖는다. 매트에 의해 회수된 유체가 채널 내로 흡인될 수 있도록 흡수 매트와 경계를 이루는 채널 표면에 구멍이 제공된다. 평행한 채널은 흡입 배관과의 부착을 위한 매니폴드에 연결된다. 따라서, 유체가 매트 내에 축적된 후에, 진공을 인가함으로써 복수개의 채널을 통해 유체가 용이하게 제거될 수 있다.

능동 및 수동 유체 수송 모두를 이용하는 가요성 유체 수송 장치의 예가 플라워(Flower)에게 허여된 미국 특허 제3,520,300호, 쿤츠(Kuntz)에게 허여된 미국특허 제4,747,166호, 및 스코우(Skow)에게 허여된 미국 특허 제5,628,735호에 기재되어 있다. 플라워 특허에서, 튜브를 통해 진공원에 연결되는 챔버의 천공된 벽 위에 흡수재를 갖는 외과용 스폰지 및 흡입 장치가 개시되어 있다. 쿤츠 특허에서, 소수성 재질에 내장되고 천공된 상부 면을 갖는 흡수재를 갖는 패드가 진공원에 결합된 천공된 튜브를 둘러싼다. 스코우 특허에서, 높은 위킹 성질(high wicking property)을 가지며 매트가 유체로 포화되는 것을 방지하기 위한 가요성 흡입 튜브가 내부에 제공된 재질로 구성된 매트가 제공된다. 이러한 세 가지 예에서 모두, 튜브는 장치 내에서 유체가 배출되는 곳을 한정한다.

유체 제거를 위한 다른 채널 형성 매트의 예가 밴 비크 등에 허여된 미국 특허 4,533,352호 및 허겐로더에 허여된 미국 특허 4,679,590호에서 도시되어 있다. 그러나, 이들 매트는 액체 침투 층에 의해 폐쇄된 수납 챔버를 한정하지 않고 유체를 수용하기 위한 구조를 제공한다. 밴 비크 등의 특허는 호스 내의 개구에 의해 리브에 연결된 중심 배치된 흡입 호스를 갖는 리브 형성된 매트(ribbed mat)를 도시한다. 허젠로더 특허는 진공원에 연결된 채널 내로 배출되는 수집 면을 형성하는 작은 용기의 격자구조(gridwork)를 갖는 매트를 도시한다.

채널 형성된 유체 수송 구조를 갖는 수동적인 유체 수송 장치의 예가, 발명의 명칭이 "흡수 물품을 위한 액체 조절 부재"인 PCT 국제 공개 공보 WO93/11727호에 개시되어 있다. 양호하게는 액체 침투성 상부 시트와 배면 시트와 상부 및 배면 시트 사이에 배치된 흡수제 코어가 조합되어, 미세 구조 함유 친수성 면을 갖는 액체 조절 부재의 사용이 개시된다. 액체 조절 부재는 액체의 신속한 방향성 확산을 촉진한다.

유체 분리 장치의 특정 예로 데겐에게 허여된 미국 특허 제5,455,771호에서 개시된 종류를 들 수 있다. 데겐 특허에서, 미세한, 중공의, 침수성 또는 반침투성 섬유 스트랜드의 집합이 유체 수송 장치로서 사용된다. 이러한 중공 섬유는 섬유의 외부 위로 유체를 통과시킴으로써 그리고/또는 섬유 벽을 통해 섬유의 내부로 유체를 통과시킴으로써 유체를 여과할 수 있다. 이러한 종류의 분리 장치와 관련된 문제점은 섬유의 생산과 관련된 문제점을 들 수 있다. 특히, 중공 섬유 분리 장치는 적용이 제한되며 그리고 다양한 문제점을 갖기 쉽다. 섬유의 취약성 및 작은 개개의 요소의 다발을 취급하는 일반적인 곤란성 때문에 사용이 용이하지 않다. 높은 단위 비용 및 불결성과 형상(프로파일) 유연성의 결핍으로 인해서 이들 섬유들의 분리 장치의 유체 수송 기구로서의 용도는 더욱 제한된다. 길이가 길고 수량이 만은 중공 섬유를 필요에 따라 유용한 수송 어레이로 실제로 분배하지 못하기 때문에 이들의 용도는 거의 전적으로 부적합하고 단지 제한된 범위에서만 실제 유체 수송 용도에 이용된다.

본 발명은 장치에 유체 혼합물을 주입하기 위한 공급원과 연결하여 사용되는 미세 구조 필름에 접착된 선택적 투과성 분리 매체를 포함하는 분리 장치에 관한 것이다.

도1은 유체 혼합물을 구동하도록 진공원을 이용하는 본 발명에 따른 분리 장치의 사시도이다.

도2는 도1의 분리 장치의 선 2-2를 따라서 취해진 단면도이다.

도3은 분리 매체용 부직포를 갖는 본 발명에 따른 분리 모듈의 사시도이다.

도4는 다중 분리 매체층을 갖는 본 발명에 따른 분리 모듈의 단면도이다.

도5는 본 발명에 따른 다른 채널 구성을 도시하는 구조화 층의 단부도이다.

도6은 본 발명에 따른 또 다른 채널 구성을 도시하는 구조화 층의 단부도이다.

도7은 본 발명에 따른 하나의 채널 배치 구성을 도시하는 구조화 층의 평면도이다.

도8은 본 발명에 따른 다른 채널 배치 구성을 도시하는 구조화 층의 평면도이다.

도9는 본 발명에 따른 또 다른 채널 배치 구성을 도시하는 구조화 층의 평면도이다.

도10은 용기 내의 유체 혼합물 속에 침지된 본 발명에 따른 분리 모듈의 사시도이다.

도11은 용기 내의 유체 혼합물 속에 침지된 본 발명에 따른 공통 매니폴드를 갖는 다중 분리 모듈의 사시도이다.

도12는 유체 혼합물을 구동하도록 압력원을 이용하는 본 발명에 따른 분리 장치의 사시도이다.

도13은 유체 혼합물을 구동하도록 분리 덮개를 통한 압력 차이를 이용하는 본 발명에 따른 분리 장치의 사시도이다.

본 발명은 가요성의 효율적이고 취급 및 사용이 용이하고, 제조 비용이 싸고 다양성이 매우 풍부하고 여러 가지의 분리 장치 용도에 적용할 수 있는 분리 장치를 제공함으로써 종래 기술의 단점 및 결함을 극복하고자 한다. 특히, 본 발명은 복수의 유동 채널을 갖는 구조화 층으로부터 형성된 분리 모듈과, 분리 매체 및 유체 혼합물로부터 구성 성분(들)을 제거하기 위하여 상기 분리 매체를 통해서 유체혼합물을 이동시키도록 구조화 층의 유동 채널에 걸쳐 포텐셜을 제공하는 공급원을 포함하는 분리 장치를 마련한다.

분리 모듈은 구조화 표면의 유동 채널에 유체 접촉 상태로 연결된 매니폴드를 포함하는 것이 바람직하다. 매니폴드는 공급원에 연결되거나, 또는 리셉터클 또는 또 다른 장치에 연결되기도 한다. 분리 장치의 일부분으로써 제공된 공급원은 매니폴드에 연결되거나, 또는 일부 다른 방식으로 분리 모듈에 연결되기도 한다. 공급원은 유체 혼합물을 분리 매체를 통해서 유동 채널 안으로 흡입하여 매니폴드를 통해서 배출시키거나, 또는 유체 혼합물을 매니폴드를 통해서 유동 채널 안으로 분리 매체에 걸쳐 흡입하기도 하는 진공원일 수 있다. 이와 달리, 공급원은 유체 혼합물을 앞에서 설명한 양방향으로 분리 매체를 통해서 밀어내는 펌프 등의 압력원일 수 있다.

분리 매체는 미세 다공성 필름(microporous film), 미세 천공 필름(micro-perforate film), 부직 여과 웨브(nonwoven filtration web) 또는 다른 형태의 여과 재료 등의 선택적으로 침투 가능한 분리 재료를 포함한다. 분리 모듈은 단일층의 분리 매체를 형성하거나, 또는 분리 용도에 따라 완전히 동일하거나 서로 다른 다중 층을 갖기도 한다.

구조화 층의 유동 채널은 일련의 피크들에 의해 형성되고, 이들 피크의 측벽들은 수렴되거나 평탄한 바닥에 의해 분리된다. 이와 달리, 피크들은 각각의 유동 채널 내에 서브 채널을 형성하는 적어도 하나의 서브 피크에 의해 분리된다. 유동 채널은 구조화 표면에 걸쳐, 채널 대 채널의 방식으로 또는 각 채널 내에서 가변적이다. 구조화 표면은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 다른 적절한 재료와 같은 중합체로 형성될 수 있다.

다른 실시예에서, 분리 모듈은 분리 매체에 의해 적어도 부분적으로 덮인 하나 이상의 구조화 층을 포함할 수 있다. 제1 층의 유동 채멀과 유체 접촉하는 매니폴드는 적어도 하나의 다른 층의 유동 채널과 유체 접촉한다.

또한, 본 발명의 분리 모듈을 구비하는 단계와, 분리 장치를 형성하도록 외부에 구비된 공급원에 모듈을 연결하는 단계와, 여과될 유체 혼합물 내에 모듈을 유체 혼합물 내에 침지하는 단계와, 공급원에 의해 모듈을 통하여 유체 혼합물을 보내서 유체 혼합물로부터 구성 성분(들)을 제거하는 단계를 포함하는 유체 혼합물의 구성 성분을 제거하는 방법을 본 발명에서 개시한다. 또한, 이 방법은 진공원 또는 압력원인 공급원을 둘러쌀 수 있다. 이 방법은 유체 혼합물을 매니폴드를 통하여 구조화 층의 유동 채널 내로 그리고 분리 매체를 가로질러 보낼 수 있거나, 또는 유체를 분리 매체를 통하여 유동 채널 내로 그리고 매니폴들르 통하여 외부로 보낼 수 있다. 이 방법의 분리 모듈은 하나의 분리 매체 층을 가질 수 있고, 또는 서로 동일하거나 혹은 서로 상이한 다중 분리 매체 층을 포함할 수 있다.

첨부된 도면을 참고하면, 동일한 구성 요소는 몇몇 도면을 통하여 동일한 도면 부호를 사용하였다. 도1 및 도2는 본 발명에 따른 분리 장치(50)를 도시한다. 도2는 도1의 선 2-2를 따라서 취해진 분리 장치(50)의 단면도이다. 분리 장치(50)는 공급원(68)에 연결된 분리 모듈(55)을 기본적으로 포함한다. 분리 모듈(55)은 2개의 주표면 중의 하나에 구조화 표면(58)을 갖는 구조화 층(57)을 갖는다. 구조화 표면(58)은, 도시된 바와 같이 바람직하게, 일관되게 정돈된 방식으로 층(57) 내에 형성된 복수의 채널(59)을 포함한다. 각각의 채널(59)은 층(57)의 다른 것과 동일할 필요는 없으나, 채널(59)은 각각의 채널(59)이 층(57)의 구조화 표면(58)의 소정 설계에 의해 설정된다는 점에서 양호하게 정렬된다.

층(57)은 분리 장치(50)의 특정 적용예에 따라서 선택될 수 있는 가요성 재료, 반강성 재료, 또는 강성 재료를 포함할 수 있다. 바람직하게도, 층(57)은 중합체 재료를 포함하는 데, 이러한 재료는 전형적으로 저가이기 때문이고, 이러한 중합체 재료는 구조화 표면(58)과 정밀하게 형성될 수 있기 때문이다. 더욱이, 예를 들어 필름 층의 형태로 중합체 층(57)을 사용함으로써 주표면 상의 유체 유동 채널(59)의 많은 수와 높은 밀도를 형성하는 구조화 표면을 구비할 수 있다. 따라서, 효율이 높고 가격이 낮은 본 발명의 분리 장치는 높은 정밀성 및 경제성을 갖고서 제조된다.

도2에 도시된 바와 같이, 층(57)의 채널(59)은 측벽(61)으로 형성된 일련의 피크(60)에 의해 한정된다. 어떤 경우에, 피크(60)가 층(57)의 한 엣지로부터 연장하는 것은 바람직하여, 다른 적용예에서 피크(60)가 구조화 표면(58)의 일부를 따라서만 연장하는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 피크(60)들 사이에 한정된채널(59)은 층(57)의 하나의 엣지로부터 다른 하나의 엣지로 완전히 연장할 수 있거나, 또는 이러한 채널(59)은 단지 층(57)의 일부 위에 연장하여 한정될 수 있다. 하나 이상의 채널부는 층(57)의 엣지에서 시작할 수 있고, 또는 층(57)의 구조화 표면(58) 내에 완전히 중간에 구비될 수 있다.

또한, 분리 모듈(55)은 구조화 층(57)의 적어도 일부를, 그러나 바람직하게는 그의 모두를 덮는 선택적 투과성 분리 매체(62)를 포함한다. 채널(59)의 각각은 일 단부에서, 폐쇄될 필요는 없지만, 폐쇄될 수 있고 분리 매체(62)에 의해 덮여서, 분리 모듈(55)을 통하여 유동하는 유체 혼합물의 모두가 분리 매체(62)를 통하여 지나갈 것이다. 바람직하게도, 분리 매체(62)는 일 단부(65)를 따라서 뿐만 아니라, 채널(59)에 평행한 2개의 측부(63)를 따라서, 구조화 층(57)에 결합되거나 또는 그렇지 않으면 그에 밀봉된다. 분리 매체(62)는, 만일 필요하다면, 채널(59)의 피크(60)에서 구조화 층(57)에 결합될 수 있다.

선택적 투과성 분리 매체(62)는 유체 혼합물이 분리 매체(62)를 통하여 지나갈 때 유체 혼합물로부터 원하던 성분을 제거하도록 선택될 수 있다. 분리 매체(62)는 "구조화 표면여과 매체"라는 제목으로 이 출원과 동일자로 출원된 인슬리(Insley) 등의 특허 출원 제09/106,506호에 도시되고 기술된 바와 같은 적층 구조 여과 매체, 미세 다공성 필름, 미세 천공 필름, 부직포, 직포, 미세 다공성 포움 등을 포함하며, 이에 제한되지 않는 많은 종류의 여과 매체의 어떤 것일 수 있다. 분리 매체(62)가 일 단부(76)에서 밀봉된 부직포인 본 발명의 분리 모듈(55)의 실시예가 도3에 도시되어 있다. 이러한 밀봉은 구조화 층(57)의 엣지에 부직포의 엣지를 밀봉하는 수두 압력에 의해 성취될 수 있는 데, 이 경우 엣지에서 구조화 표면(58)은 압착될 수 있다. 다른 접착제 또는 밀봉제가 대신 또는 조합하여 사용될 수 있다.

주어진 적용예에 사용되는 분리 매체(62)는 기체-고체, 기체-액체, 액체-고체, 또는 액체-액체와 같이, 분리의 필요에 달려 있다. 또한, 분리 매체(62, 72, 74)의 다중층은, 도4에 도시된 바와 같이, 적용예의 분리의 필요에 맞도록 주어진 실시예에서 사용될 수 있다. 이들 분리 매체(62, 72, 74)는, 증가된 분리 용량 및/또는 많은 성분의 제거와 같이, 다양한 분리 매체가 요구하는 것이 무엇이냐에 따라, 모두 동일하거나, 모두 상이하거나, 또는 일부는 동일하고 일부는 상이할 수 있다.

이와 달리, 분리 매체(62)는 분리 모듈(55)에 대해서 제거 및 대체 가능할 수 있다. 영구 결합 또는 그렇지 않으면 영구 밀봉 대신 분리 모듈(55)을 구조화 층(57)에 제거 가능하게 장착함으로써, 분리 매체(62)는 동일한 타입 또는 상이한 타입의 분리 매체 재료로 대체될 수 있다. 그 다음, 분리 모듈(55)은 다른 유체의 분리 공정에 재사용될 수 있거나, 또는 동일한 공정에서 계속 사용될 수 있다.

더욱이, 바람직하게도, 분리 모듈(55)은, 구조화 층(57)의 적어도 복수의 채널(59)에 결합되고 바람직하게는 본 실시예들에서 도시된 바와 같이 공통 측부에서 분리 매체(62)에 결합된 (도1 및 도3에 각각 도시된) 매니폴드(64 또는 64')를 또한 포함하여, 분리된 유체 채널(59)의 대다수는 매니폴드(64)와 유체 접촉을 한다. 매니폴드(64 또는 64')는 바람직하게는 (도시되지 않은) 출구를 통하여 각채널(59)과 유체 연통하고, 내부에 한정되고 채널(59)과 유체 연통하는 (도시되지 않은) 플리넘(plenum)을 구비한다. 플리넘은 적어도 복수의 채널(59)에 밀봉식으로 연결된 매니폴드(64) 내에 챔버를 단순히 포함할 수 있다. 매니폴드(64)는 층(57)과 같이 가요성, 반강성, 또는 강성일 수 있다. 더욱이, 제2 매니폴드 혹은 그 이상은, 도13에 도시된 (그리고 아래에서 상세히 설명되는) 바와 같이, 특정 적용예에 따라 층(57)의 다른 측부 상에 구비될 수 있다.

그러나, 매니폴드(64)는 플리넘과의 접촉으로부터 분리 매체를 배제시킴으로써, 또는 매니폴드와 분리 매체 사이의 구조화 층에 결합된 불투과성 덮개층을 추가함으로써, 분리 매체에 연결하지 않고 단지 채널(59)에만 연결할 수 있다. 그 다음, 이 덮개층은 구조화 층의 한 부분에 유동 경로를 형성하는데, 유체는 플리넘으로 개방된 하나의 포트와 분리 매체로 개방된 다른 포트 사이에서 수송된다. 매니폴드와 유동 채널들 사이에 유체 접촉을 제공하기에 적합한 어떤 다른 방식으로, 매니폴드는 구조화 층의 단부에서 유동 채널들에 결합될 수 있거나, 구조화 표면의 상부 상에서 유동 채널들에 결합될 수 있다. 이와 달리, 채널들은 도7 내지 도9에 도시된 (그리고 아래에서 설명되는 것들과 같이) 중심 통로에 연결되거나, 또는 매니폴드를 사용하지 않고 공급원에 직접 연결될 수 있다.

분리 장치는 유동 채널(59) 위로 포텐셜을 발생시키는 공급원(68)에 의해 작동하는 능동 유체 흐름을 생성한다. 포텐셜 공급원은 오직 중력을 제외하고는 제1 포텐셜로부터 제2 포텐셜까지 복수의 유동 채널(59)을 가로질러 포텐셜 차이를 제공하는 어떤 수단을 포함할 수 있다. 포텐셜 차는 어떤 특정 응용 예의 유체 특성에서 부분적으로 기초가 되는 복수의 유동 채널들(59)을 통하여 유체를 유동시키거나, 또는 유동하게 조력하기에 충분하여야 한다. 도1에 도시된 바와 같이, 포텐셜 공급원(68)은 수집 리셉터클(70)과 통상적으로 연결된 진공 발생기를 포함할 수 있다. 수집 리셉터클(70)은 종래의 가요성 관(66)을 사용하여 매니폴드(64)와 유체 연결된다. 따라서, 공급원(68)에서 진공을 마련함으로써, 유체나 유체 혼합물은 외부 분리 모듈(55)로부터 분리 매체(62)를 통하여 채널(59)로 이끌릴 수 있다. 그 다음, 여과된 유체 또는 여과액은 유동 채널(59)로부터 매니폴드(64)를 통하여 나와서 관(66)을 통하여 수집 리셉터클(70) 내로 유동한다. 리셉터클(70)은 유리하게는 여과액이 제거될 수 있도록 개방할 수 있거나 다른 용도 및/또는 처리를 위하여, 또는 그렇지 않으면 종래의 배수 시스템이나 메커니즘과 연결될 수 있다.

포텐셜 공급원(68)이 진공 발생기를 포함하는 경우, 매니폴드(64)를 거쳐 채널(59)로 제공된 진공은 구조화 표면(58)에 대항하여 분리 매체(62)를 적절히 유지하기에 충분할 수 있다. 즉, 진공 자체는 구조화 표면(58)의 피크(60)에 대항하여 분리 매체(62)를 유지하려 할 것이다. 따라서, 외부 공급원으로부터 제공된 포텐셜은 층(57)의 구조화 표면(58) 위에서 더 효과적이고 효율적으로 분포될 수 있다.

다른 포텐셜 공급원(68)은 진공 발생 장치 대신 또는 그와 함께 본 발명에 따라 사용 가능하다. 일반적으로, 채널(59)을 통하여 유체를 유동시키는 어떤 방법은 완전히 중력을 기초로 한 것을 제외하고 고려된다. 즉, 채널(59)을 통하여 유체가 수송되게 하는 어떤 외부 장치가 고려된다. 다른 포텐셜 공급원의 예들은 진공 펌프, 압력 펌프 및 압력 시스템, 자기 시스템, 자기 수력(magnetohydrodynamic) 드라이브, 음향 유동 시스템, 원심력 회전과 어떤 다른 알려지거나 개발된 적어도 어느 정도로 유체를 유동시키는 포텐셜 차의 생성을 이용하는 유체 구동 시스템을 포함하지만 그에 한정하지 않는다.

비록 도1, 도2 및 도4의 실시예가 다중 피크(60)(다중 피크의 각각 연속하는 피크(60)의 측벽(61)은 채널(59)의 기부에서 라인을 형성하도록 수렴함)를 포함하는 구조화 표면(57)과 함께 도시되지만, 다른 채널 구성이 고려된다. 분리 장치(50)의 특정 적용예는 분리 요구를 충족시키기 위해 제공된 채널(59)의 수, 타입 및 크기를 결정할 수 있다. 예를 들어 도5에서, 채널(87)은 넓고 평탄한 바닥(89)에 의해 분리된 연속하는 일련의 피크(86)에 의해 형성된다. 각 피크(86)는 상부에서 평탄하여, 분리 매체(62)와 같은 인접한 층과 결합하기 용이하다. 만일 필요하다면, 각 피크(86)가 예리하게 될 수도 있다. 도6에서, 광폭 채널(92)은 피크(91) 사이에서 형성되지만, 채널 측벽(93) 사이에 평면 바닥을 제공하는 대신, 복수의 작은 서브 피크(94)가 마련된다. 따라서, 이들 서브 피크(94)는 그들 사이에 제2 채널(95)을 형성한다. 서브 피크(94)는 피크(91)와 같은 레벨로 솟아오르거나 또는 그렇지 않을 수 있으며, 도시된 바와 같이 그에 분포된 더 작은 채널(95)을 포함하여 제1 광폭 채널(92)을 생성할 수 있다. 피크(91)와 서브 피크(94)는 그들 자신에 또는 서로에 대해 균일하게 분포될 필요는 없다. 더 작은 채널(95)은 더 넓은 채널(92)을 통하여, 예를 들어 유체 유동을 제어하도록, 사용될 수 있다.

비록 도1 내지 도6이 긴 선형의 채널들을 고려하더라도, 채널들은 많은 다른형상으로 마련될 수 있다. 예를 들어, 채널들이 채널 길이를 따라서 가변 단면을 가질 수 있다. 즉, 채널들이 채널 길이를 따라서 수렴 및/또는 발산할 수 있다. 또한, 채널 측벽은 채널의 확장 방향으로 또는 채널 높이로 직선이기보다는 오히려 기복을 가질 수 있다. 일반적으로, 분리 장치 내에서 제1 지점으로부터 제2 지점으로 연장하는 적어도 분리된 다중 채널부를 제공할 수 있는 어떤 채널 형상이 고려된다.

도7에서, 채널 형상은 구조화 표면(58)을 한정하도록 층(57)에 적용될 수 있는 평면도에 도시된다. 도시된 바와 같이, 복수의 수렴 채널(100)은 유체의 중간 수집을 위해 제공될 수 있고, 이는 더욱이 하나의 분리된 채널(102)과 더 연결된다. 이는 출구부의 마련을 하나로 최소화한다. 도8 및 도9에서 도시된 바와 같이, 중심 채널(103 또는 105)은, 그 특정 영역으로부터 유체를 제거하기 위해 구조화 표면의 특정 표면 영역을 덮도록 설계될 수 있는 복수의 채널 분관(102 또는 104)과 연결될 수 있다. 다시, 일반적으로 어떤 패턴은 분리된 복수의 채널이 제1 지점으로부터 제2 지점까지 구조화 표면(58)의 일부 위에 제공되는 한 본 발명에 따라서 고려된다. 채널 패턴의 목적은 분리 매체(62)를 통과할 때 유체 혼합물로부터 구성 성분을 분리하는 데 있어 분리 매체(62)를 효율적으로 이용하기 위하여 분리 매체(62)의 표면 영역을 가로질러 포텐셜을 분포시키는 것이다.

본 발명에 따라서는, 그리고 위에서 고려된 채널(59)의 어떤 것에 관한 한은, 이러한 채널(59)은 층(57)의 제1 주표면의 구조화 표면(58)에 의해 층(57) 내에 한정된다. 본 발명에 따른 채널은 어떤 하나의 채널이 다른 채널과 관계없이외계로부터 유체를 수용하는 것을 허용하도록 분리되게 구성된다. 각 채널의 미세 구조 크기가 단일 상(single phase)의 유동을 조장한다. 공기가 액체 내에 포함되도록 하지 않으면, 소음 발생은 현격히 감소되고, 작은 응력이 능동 유체 수송 장치를 통해 수송되는 액체 상에 놓여질 수 있다.

본 발명의 미세 구조화 표면의 개별 유동 채널은 사실상 분리되어 있다. 즉, 유체가 인접 채널 내의 유체와 관계없이 채널을 통하여 이동할 수 있다. 채널들은 인접 채널과 관계없는 특별한 채널을 통하여 또는 그를 따라 유체를 향하게 하기 위해서 서로에 대한 포텐셜을 독립적으로 수용한다. 바람직하게는, 비록 인접한 채널들 사이에 얼마간의 확산이 있더라도, 하나의 유동 채널로 들어가는 유체는, 상당한 정도까지는, 인접 채널로 들어가지 않는다. 유체를 효율적으로 수송하고 이러한 채널이 제공하는 장점을 유지하기 위하여 미세 채널의 분리를 효율적으로 유지하는 것이 중요하다. 그러나, 모든 채널은 모든 실시예에 대하여 분리될 필요는 없다. 어떤 채널들은 분리될 수 있는 한편 다른 채널들이 그렇지 않다. 더욱이, 채널 "분리"는, 예를 들어 압력을 변동시킴으로써, 야기되는 일시적 현상일 수 있다.

여기서 사용된 바와 같이, 가로 세로비는 채널의 길이대 그의 유압 반경의 비를 의미하고, 유압 반경은 가용(可溶, wettable) 채널 원주로 나눈 채널의 가용 단면적이다. 바람직하게도, 구조화 표면(58)은 10:1의 최소 가로 세로비(길이/유압 반경)를 갖는 분리 유동 채널을 한정하는 미세 구조화 표면으로, 어떤 실시예에서는 약 100:1을 초과하고, 그리고 다른 실시예에서는 적어도 약 1000:1의 비를 갖는다. 상단부에서, 가로 세로비는 무한히 높을 수 있으나, 일반적으로 약 1,000,000:1보다 작다. 채널의 유압 반경은 약 300 m보다 크지 않다. 많은 실시예에서, 100 m보다 작을 수 있고, 10 m보다 작아도 된다. 비록 많은 적용예에서 작을수록 통상 더 낫더라도 (그리고, 유압 반경의 크기는 1 미크론 이하일 수 있음), 유압 반경은 대부분의 실시예에서 대체로 1 m 보다 작지 않다. 아래에서 더 상세히 기술되지만, 이들 매개 변수 내에서 한정된 채널들은 능동 유체 수송 장치를 통해 효율적인 대량 유체 수송을 제공할 수 있다.

또한, 구조화 표면(58)에는 매우 낮은 프로파일이 구비될 수 있다. 따라서, 능동 유체 수송 장치는 구조화 중합체 층이 5000 미세미터 보다 작은, 가능하게는 1500 미세미터 보다 작은 두께를 갖는 것으로 고려된다. 이를 위하여, 채널은 약 5 내지 1200 미세미터의 높이를 갖고, 약 10 내지 2000 미세미터의 피크 거리를 갖는 피크에 의해 한정될 수 있다.

본 발명에 따른 미세 구조화 표면은 시스템의 체적이 크게 분포된 유동 시스템을 구비한다. 즉, 이러한 유동 시스템을 통하여 지나가는 유체 체적은 큰 영역에 걸쳐 분포된다. (채널을 통해 측정된) 1 cm 선형 길이당 약 10개(25/in)에서 1 cm 선형 길이당 약 1000개(2500/in)까지의 미세 구조화 채널 밀도는 높은 유체 수송률을 위해 제공된다. 일반적으로, 공통 매니폴드가 사용될 때, 각각의 개별 채널은 채널 입구와 출구에 배열된 매니폴드보다 적어도 400 퍼센트 더 큰, 보다 바람직하게는 적어도 900 퍼센트 더 큰 가로 세로비를 갖는다. 가로 세로비의 이러한 상당한 증가는 포텐셜의 효력을 분포시켜 본 발명의 두드러진 장점에 기여한다.

도10은 용기(118) 내에 보유된 유체 혼합물(119)로부터 구성 성분을 제거하는 데 사용되는 본 발명에 따른 침지 가능한 가요성 분리 모듈의 일 실시예를 도시한다. 분리 모듈(110)은 가요성 매니폴드(114)에 결합된 가요성 분리 매체(112)와 가요성 구조화 층(111)을 가져서, 매니폴드(114)와 구조화 표면(111)의 (도시되지 않은) 유동 채널들 사이에 유체 연결을 제공한다. 바람직하게도, 층(111, 112)은 모든 측부에서 그리고 매니폴드(114)에 함께 밀봉된다. 따라서, 분리 모듈(110)의 엣지는 유체 혼합물(119)이 분리 매체(112)를 통하여, 구조화 층(111)의 (도시되지 않은) 채널 내로, 그리고 매니폴드(114)를 통하여 외부로 나오도록 폐쇄된다. 가요성 호스(116)는 (도시되지 않은) 외부 공급원에 매니폴드(114)를 연결한다. 진공원과 같은 공급원은 호스(116) 및 매니폴드(114)를 통하여 유동하도록 구비되어서, 유체 혼합물(119)로부터 구성 성분(들)을 제거하기 위하여 유체 혼합물(119)은 분리 매체(112)를 통하여 지나간다. 그 다음, 여과된 유체는 구조화 층(111)의 (도시되지 않은) 유동 채널을 따라서 매니폴드(114) 내로 그리고 호스(116)를 나와 (도시되지 않은) 저장부 또는 다른 리셉터클로 유동한다. 가요성에 의해, 분리 모듈(110)은 벽 또는 바닥과 같은 용기(118)의 표면에 합치할 수 있어서, 분리 공정을 효율적으로 수행할 수 있는 분리 장치의 성능을 향상시킨다. 침지 가능한 분리 모듈(110)은 유체 혼합물로부터 구성 성분의 효과적인 제거를 용이하게 하도록 원하는 어떤 유체 혼합물 내에 침지될 수 있다. 더욱이, 모듈의 평탄하고 대형인 표면 영역은 분리 매체의 전체 표면 영역에 걸쳐서 유체 혼합물의 흡입을 분포시킴으로써 여과 분리 매체의 여과 용량을 효과적으로 이용한다. 비록 분리 모듈(110)이부분적으로 침지될 필요만 있더라도, 바람직하게는 대용량의 유체 혼합물을 보다 효율적으로 여과하기 위하여 완전히 침지된다.

분리 장치(50)의 용량을 증가시키기 위하여, 분리 모듈(110)의 크기가 증가될 수 있다. 그러나, 크기의 증가가 용기(118)의 크기 또는 형상으로 인해 제한될 때, 복수의 분리 모듈(110, 120, 121)은, 도11에 도시된 바와 같이, 그 대신 분리 용량을 증가시키기 위하여 공통 매니폴드(114) 상에 조합될 수 있다. 다시, 분리 모듈의 가요성은 분리 공정을 효율적으로 수행하기 위하여 분리 장치의 성능을 향상시킨다. 더욱이, 공통 공급원으로부터 개별적인 매니폴드를 갖는 분리 모듈, 또는 상이한 공급원을 갖는 더 개별적인 분리 모듈인 복수의 독립적인 분리 모듈(110)은 단일 용기(118) 내에도 사용될 수 있고, 또는 공통 매니폴드 상의 복수의 분리 모듈(110, 120, 121)은 분리 용기 내에 위치될 수 있다.

분리 모듈(55) 내에 사용된 분리 매체(62)의 층의 수를 증가시키는 것 외에, 분리 장치(50)의 분리 용량을 증가시키거나 또는 유체 혼합물로부터 하나 이상의 구성 성분을 분리하는 다른 방법은 유체 혼합물을 일련의 분리 모듈(55)을 통하여 지나가게 하는 것이다. 수행되는 분리 공정의 요구에 따라서, 이들 모듈(55)은 상이한 분리 매체(62)를 가질 수 있거나, 또는 그들은 동일한 분리 매체(62)를 가질 수 있다. 알려지거나 또는 개발된 다양한 방법은, 하나의 분리 모듈(55)이 다른 하나의 리셉터클(70) 내에 위치되는 일련의 분리 장치(50)의 사용을 포함하여, 일련의 분리 모듈(55)을 통하여 분리 공정을 수행하는 데 사용될 수 있다.

본 발명의 분리 장치(130)의 다른 실시예는 공급원(12)이 압력 펌프를 포함하는 도12에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 펌프(142)는 유체 혼합물을 가압하의 용기(144)로부터 가요성 호스(140)를 통하고 매니폴드(138)의 (도시되지 않은) 내부 챔버로 수송시킨다. 매니폴드(138)로부터, 유체 혼합물은 분리 모듈(132)의 구조화 표면(134)의 (도시되지 않은) 유동 채널을 통한 다음 분리 매체(136)를 통하여 외부로 수송된다. 여과된 유체는 분리 모듈(132)로부터 외계로, 또는 (도시되지 않은) 용기 또는 다른 적절한 리셉터클로 출력될 수 있다. 이러한 실시예에 대하여, 도12의 선 2-2를 따라서 취해진 도2에 도시된 단면이 또한 적용된다. 전술된 바와 같은 다른 채널 형상도 이러한 본 장치에 사용될 수 있다. 이 실시예의 분리 장치(130)는 일련의 분리 또는 다른 공정을 수행하기 위하여 도1에 도시된 이전 실시예의 분리 장치(50)와 관련하여 사용될 수 있다. 또한, 이 실시예의 분리 장치(130)는, 요구되는 바와 같이, 동일한 또는 상이한 실시예의 하나 이상의 분리 장치와 조합될 수 있다. 앞서 주어진 분리 장치의 구성 요소들에 대한 설명이 이 장치(130)의 구성 요소에 동일하게 적용된다.

본 발명에 따른 분리 장치(150)의 또 다른 실시예가 도13에 도시되어 있다. 이 실시예는 (도시되지 않은) 공급원이 분리 덮개(160)를 통하여 분리 모듈(151) 위에 포텐셜을 제공한다는 점에서 전술된 다른 실시예와는 상이하다. 분리 덮개(160)는 (도시되지 않은) 챔버를 한정하고 바람직하게는 분리 모듈(151)의 분리 매체(154)와 공급원 사이에 유체 연통을 제공하도록 분리 매체(154)를 완전히 에워싼다. 입구(162)는, 바람직하게는 (도시되지 않은) 도관에 의해, 분리 덮개(160)의 내부 챔버를 공급원에 연결한다. 또한, 이 분리 모듈(151)은 다른 실시예에서 전술된 동일한 방식으로 구조화 표면(152)의 유동 채널과 유체 연통하는 매니폴드(156)를 포함한다. 더욱이, 선택 사항인 제2 매니폴드(158)는 제1 매니폴드(156)보다 분리 모듈(151)의 대향측 상의 구조화 표면(154)의 유동 채널과 유체 연통하여 도시된다.

공급원이 압력원인 때, 유체 혼합물은 공급원으로부터 구비되어, 입구(162)를 통하여 분리 덮개(160)의 내부 챔버로 유동한 뒤, 분리 매체(154)를 통하여 유동한다. 여과된 유체는 분리 매체(154)로부터 구조화 표면(152)의 유동 채널을 통하여 매니폴드(156, 158) 내로, 그리고 리셉터클, 외계 또는 다른 적절한 영역으로 수송된다. 공급원이 분리 덮개(160)의 입구(162)에 연결된 진공원인 때, 유체 혼합물은 적절한 용기 등으로부터 흡입에 의해 매니폴드(156, 158)로 당겨진다. 만일 매니폴드가 구비되지 않으면, 유체 혼합물은 구조화 층(152)의 하나 이상의 측부의 하나 또는 모두에 들어갈 수 있다. 그 다음, 유체 혼합물은 구조화 층(152)의 유동 채널 내로, 그리고 분리 매체(154)를 통하여 수송된다. 그 다음, 여과된 유체는 분리 덮개(160)의 내서브 채널 내로 그리고 입구(162)를 통하여 (도시되지 않은) 리셉터클 또는 다른 적절한 위치로 유동한다. 이와 달리, 진공원은 매니폴드(156, 158)에서 분리 모듈(151)에 연결될 수 있어서, 유체 혼합물은 분리 덮개(160)의 입구(162)에 연결된 (도시되지 않은) 저장부로부터 당겨진다. 그 다음, 유체 혼합물은 분리 덮개(160)의 내서브 채널 내로 그리고 분리 매체(154)를 지나서 구조화 층(152)의 유동 채널 내로 수송된다. 그 다음, 여과된 유체는 매니폴드 내로 유동하고 (도시되지 않은) 연결 도관을 통하여 (도시되지 않은) 리셉터클 또는 다른 적절한 위치로 유동한다. 본 발명의 다른 실시예와 함께, 이 분리 장치(150)는 동일하거나 또는 상이한 실시예의 하나 이상의 분리 장치와 조합될 수 있다. 앞서 주어진 분리 장치의 구성 요소들에 대한 설명이 이 장치(150)의 구성 요소에 동일하게 적용된다.

중합체 필름과 같은 중합체 층 상에 구조화 표면과 특히 미세 구조화 표면을 만드는 것은 마렌틱(Marentic) 등의 미국 특허 제5,069,403호 및 5,133,516호에 개시되어 있다. 또한, 구조화 층은 벤슨 주니어(Benson Jr.) 등의 미국 특허 제5,691,846호에 개시된 원리 및 단계들을 사용하여 연속적으로 미세 복제될 수 있다. 미세 구조화 표면을 설명하는 다른 특허들은 존스톤(Johnston) 등의 미국 특허 제5,514,120호, 루(Lu) 등의 미국 특허 제5,158,557호, 노린(Noreen) 등의 미국 특허 제5,175,030호, 그리고 바버(Barber)의 미국 특허 제4,668,558호를 포함한다.

이러한 기술들에 따라 제조된 구조화 중합체 층은 미세 복제될 수 있다. 미세 복제된 구조화 층의 마련은, 생산품대 생산품으로부터 사실상의 변동 없이 그리고 비교적 복잡한 처리 기술을 사용하지 않고 이 표면이 대량 생산될 수 있기 때문에, 유리하다. "미세 복제" 또는 "미세 복사"는 구조화 표면의 특징들이 약 50 ㎛보다 크지 않게 변동하는, 생산품대 생산품으로부터, 제조 중에 개별 특징 충실도(individual feature fidelity)를 유지하는 공정을 통한 미세 구조화 표면의 생산을 의미한다. 바람직하게는, 미세 복제된 구조화 표면은 구조화 표면의 특징들이 약 50 ㎛보다 크지 않게 변동하는, 생산품대 생산품으로부터, 제조 중에 개별 특징 충실도를 유지하도록 생산된다.

본 발명에 따라서, 미세 구조화 표면은 50 미세미터와 0.05 미세미터 사이의, 보다 바람직하게는 25 미세미터와 1미세미터 사이의 분해능으로 유지되는 개별 특징 충실도를 갖는 형태(물체의 표면 특징, 위치 또는 영역)의 표면을 포함한다. 본 발명에 따른 어떤 실시예를 위한 구조화 층은 열가소성, 열경화성 및 경화성 중합체를 포함하여 다양한 중합체 또는 공중합체로 형성될 수 있다. 여기에서 사용된 바와 같이, 열경화성과 구별되는 것과 같은 열가소성은 열에 노출될 때 연성 및 융해되고 냉각될 때 다시 고형화되고 여러 번에 걸쳐 융해 및 고형화될 수 있는 중합체를 일컫는다. 다른 한편으로, 열경화성 중합체는 가열 및 냉각될 때 비가역적으로 고형화된다. 중합체 체인이 상호 연결 또는 교차 결합된 경화된 중합체 시스템은 화학 약제 또는 이온화 조사를 사용하여 실온에서 형성될 수 있다.

본 발명의 제품에서 구조화 층을 형성하는 데 유용한 중합체는 폴리에틸렌 및 폴리에틸렌 공중합체와 같은 폴리오레핀, 폴리비닐리덴 디플루오라이드 그리고 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하나 이들에 한정되지 않는다. 다른 중합체 재료는 아세테이트, 셀루로스 에테르, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리우레탄, 폴리우레아, 폴리카보네이트, 그리고 폴리스틸렌을 포함한다. 구조화 층은 아크릴레이트 또는 에폭시와 같은 경화성 수지로 캐스트되어 열, UV, 또는 전자빔 방사에 노출됨으로써 화학적으로 촉진된 자유 라디칼 경로를 통하여 경화될 수 있다.

앞에서 지적된 바와 같이, 가요성의 능동 유체 수송 장치가 요구되는 응용예들이 있다. 가요성은 스미스(Smith) 등의 미국 특허 제5,450,235호 및 벤슨 주니어의 미국 특허 제5,691,846호에 기재된 중합체를 사용한 구조화 중합체 층에 제공될 수 있다. 전체 중합체 층은 가요성 중합체 재료로 만들어질 필요는 없다. 예를 들어, 중합체 층의 주요부는 가요성 중합체로 이루어질 수 있는 반면, 구조화 부분 또는 그의 일부는 강성 중합체로 이루어질 수 있다. 여기에서 인용된 특허들은 미세 구조화 표면을 갖는 가요성 제품을 생산하기 위한 이러한 방식으로 중합체의 사용을 설명한다.

중합체 혼합물을 포함하는 중합체 재료는 계면 활성제와 같은 가소화 능동 작용제 또는 항균성 작용제의 융해 혼합을 통하여 변경될 수 있다. 구조화 표면의 표면 변경은 이온화한 방사선을 이용하여 기능성 성분의 공유 결합 이식(covalent grafting) 또는 증기 침전을 통하여 달성될 수 있다. 예를 들어 이온화한 방사선에 의해, 폴리프로필렌 상에 단량체의 이식-중합(graft-polymerization)을 위한 방법 및 기술은 미국 특허 제4,950,549호 및 제5,078,925호에 개시되어 있다. 또한, 중합체는 다양한 특성을 중합체 구조화 층에 주는 어떤 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 가요성을 향상시키기 위하여 탄성 모듈을 감소시키도록 가소제가 추가될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 미세 구조물 담지 요소로서 평행한 선형 형태를 갖는 얇은 가요성 중합체 필름을 사용할 수 있다. 이러한 발명을 위하여, "필름"은 중합체 재료로 된 (5 ㎜보다 작은 두께의) 얇은 가요성 시트가 고려될 수 있다. 상당히 한정된 미세 구조물 담지 필름 표면을 갖는 비싸지 않은 필름의 사용으로 경제적인 가치가 두드러진다. 가요성 필름은 넓은 범위의 분리 매체와 결합하여 사용될 수 있고, 지지되지 않거나 원하는 곳에 지지체와 결합하여 사용될수 있다. 미세 구조화 표면은 많은 적용예에서 가요성일 수 있으나, 적용이 적절한 곳에 강성의 구조화 몸체와 결합될 수 있다.

본 발명의 장치가 미세 구조화 채널을 포함하기 때문에, 이 장치는 장치당 많은 수의 채널들을 공통적으로 사용한다. 전술된 몇몇 실시예에 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치는 장치당 10 또는 100보다 많은 채널을 용이하게 소유할 수 있다. 개별 포텐셜 공급원에 연결된 복수의 채널들은 포텐셜의 효력이 고도로 분포되는 것을 허용한다.

미세 구조화 표면 및 분리 매체 덮개층에 미세 채널을 갖는 층에 의해 한정된 복수의 분리된 유동 통로를 갖는 능동 유체 수송 분리 장치의 성능을 결정하기 위하여, 분리 장치는 분리 매체로 덮인 미세 구조물 담지 필름 요소로 형성된 분리 모듈을 사용하여 구성된다. 미세 구조물 담지 필름은 채널을 갖는 연속 필름을 일 표면 상에 형성하기 위하여 미세 구조화 니켈 공구 상에 융해된 중합체를 캐스팅함으로써 형성된다. 채널은 캐스트 필름의 연속 길이로 형성된다. 니켈 캐스팅 공구는 니켈 공구를 형성하도록 비전기 니켈 도금 단계 전에 원하는 구조물을 생성하도록 다이아몬드 스코링 공구로 부드러운 구리 표면을 형성함으로써 제작된다. 필름을 형성하는 데 사용된 공구는 459 ㎛의 공칭 깊이와 420 ㎛의 개구 폭의 인접된 "V" 채널들을 갖는 미세 구조화 표면을 제작한다. 이는 62.5 ㎛의 평균 유압 반경을 갖는, 만일 폐쇄되었다면, 채널을 만든다. 필름을 형성하는 데 사용된 중합체는 이스트만 케미칼 컴퍼니(Eastman Chemical Company)로부터의 등록 상표 테나이트(Tenite) 1550P인 저밀도 폴리에틸렌이다. 롬 앤드 하스 컴퍼니(Rohm & Haas)로부터 트리톤 X-102인 비이온 계면 활성제(nonionic surfactant)는 필름의 표면 에너지(surface energy)를 증가시키도록 베이스 중합체 내에 융해 혼합된다.

분리 매체는 부직포인 불어서 만든 미세 섬유 웨브이다. 부직포는 피나(Fina) 100 MFI인 폴리프로필렌으로 생산되고 2 내지 5 Tm 의 직경과 50 g/㎡의 기초 중량으로 섬유를 갖는 8%의 고형성을 갖는다. 미세 복제된 필름을 덮는 작업은 부직포와 대면하는 필름의 미세 구조물로 필름 및 부직포를 적층함으로써 달성된다. 적층 후에, 합성물은 선형 미세 구조물에 평행한 2개의 측부 상에 밀봉된다. 또한, 미세 채널이 종단하는 합성물의 일 단부는 가열 밀봉된다. 밀봉되지 않은 단부는 모듈의 폭을 확장하는 매니폴드에 부착된다. 매니폴드는, 뉴욕주 로체스터(Rochester)의 날지 코.(Nalge Co.)의 VI 등급의 3.18 ㎜의 내경과 1.6 ㎜의 벽 두께를 갖는 관으로서, 관 일부의 측벽에 절결부를 가짐으로써 형성된다. 슬릿의 길이는 대략 모듈의 폭이다. 그 다음, 관은 모듈의 단부 위에 끼워 맞춤되어 제자리에 고온 융해 접착된다. 관의 일 개방 단부는, 모듈에서, 고온의 융해 접착제로 폐쇄되도록 밀봉된다. 모듈의 크기는 80 ㎜ × 120 ㎜이다.

시험 모듈(test module)의 액체/고체 분리 능력을 평가하기 위하여, 이 유닛은, 파우더 테크놀로지 인크(Powder Technology Inc.)로부터 상업적으로 입수 가능한 SAE 거칠기(coarse)의 AC 시험 분진(AC test dust)의 미립자 고형체와 물이 담긴 비커 내에 위치된다. 시험은, 비커의 내부 벽 다음의 평탄한 유닛의 필름 측을 갖고, 500 ml 비커 내에 위치된 시험 유닛으로 수행된다. 그 다음, 진공원을 갖는 액체 복귀 플라스크 시험 유닛에 부착된다. 진공 형성 후에, 비커는15g/1000ml의 농도로 물 내의 AC 시험 분진의 서스펜션으로 시험 유닛을 침지하는 상부에 충전된다. 비커 내의 액체는, AC 분진의 서스펜션이 비커 내에서 일정하게 교반될 때, 분리 모듈을 통하여 복귀 플라스크로 제거된다. 액체가 미세 구조물 담지 필름에 기초한 분리 장치를 통하여 추출된 후에, 복귀된 액체는 부유하는 물질의 존재에 대해 관찰된다. 서스펜션 물질은 복귀된 액체 내에서 관찰되지 않는다.

단일의 미세 구조물 담지 필름에 기초한 분리 장치가 평가에 사용되는 동안, 다중 유닛은 분리 용량을 증가시키는 데 사용될 수 있다. 적절한 분리 매체를 갖는 이러한 종류의 분리 장치는 공기 여과와 같은 다른 분리 적용예에 사용될 수 있다. 매우 미세한 분리를 위하여, 예를 들어 미세 다공성 필름이 분리 매체로서 사용된다. 다른 설계는, 분리 매체 내에 먼저 지나가는, 공급된 유체를 이용하여 그에 의해 채널을 통하여 유동하는 유체는 분리 매체를 통하여 주위와 교환된다.

예제 유닛이 액체/고체 분리를 보여주는 데 사용되는 한편, 다른 분리는 유사한 구조물의 사용으로 또한 달성될 수 있다. 다른 분리 매체는 적용예가 요구할 때 사용될 수 있다. 예를 들어, 미세 다공성 막은 기체/기체 또는 초미세의 고체/액체의 분리가 요구되는 적용예에 특히 적절할 것이다.

Claims (10)

1. 유체 혼합물의 구성 성분을 제거하는 능동 유체 수송 분리 장치에 있어서,

   (a) 제1 및 제2 주표면을 갖는 제1 층으로서, 제1 주표면은 층 내에 형성된 구조화 중합체 표면에 의해 형성되고, 구조화 중합체 표면은 층의 표면을 따라서 제1 지점에서 제2 지점으로 연장하는 복수의 유동 채널을 갖고, 유동 채널은 10:1의 최소 가로 세로비와 300 미세미터보다 크지 않은 유압 반경을 갖는, 중합체 재료로 된 제1 층과,

   (b) 상기 제1 층의 적어도 복수의 유동 채널을 덮는 선택적 투과성 유체 분리 매체로서, 유체가 이 분리 매체를 통하여 유동하는 것을 허용하나 유체 혼합물의 구성 성분을 제거하는 분리 매체와,

   (c) 상기 분리 매체를 통하고 유동 채널을 통하여 제1 포텐셜로부터 제2 포텐셜로 유체의 이동을 증진시키도록 유동 채널에 걸쳐 포텐셜을 제공하는 구조화 중합체 표면 외부의 공급원을 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 유체 수송 분리 장치.
2. 제1항에 있어서, 공급원이 유동 채널에 걸쳐 포텐셜을 제공하는 것을 작동식으로 허용하도록 제1 층의 구조화 표면의 각 유동 채널에, 공통측에서, 연결된 매니폴드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 유체 수송 분리 장치.
3. 제1항 내지 제2항에 있어서, 상기 공급원은 분리 매체를 통하여 유동 채널 내로 유체를 보내도록 매니폴드에 작동식으로 연결된 진공 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 유체 수송 분리 장치.
4. 제3항에 있어서, 압력원은 유체를 분리 매체를 통하여 유동 채널 내로 그리고 매니폴드를 통하여 외부로 보내고, 압력원은 유체를 매니폴드를 통하여 유동 채널 내로 그리고 분리 매체를 통하여 외부로 보내는 것을 특징으로 하는 능동 유체 수송 분리 장치.
5. 제1항 내지 제4항에 있어서, 상기 분리 매체는 미세 다공성 필름, 부직 여과 웨브, 미세 천공 필름으로 구성된 그룹으로부터 선택된 선택적 투과성 분리 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 유체 수송 분리 장치.
6. 제1항 내지 제5항에 있어서, 상기 복수의 유동 채널은 일련의 피크에 의해 한정되고, 각 피크는 2개의 측벽을 갖는 것을 특징으로 하는 능동 유체 수송 분리 장치.
7. 제1항 내지 제6항에 있어서, 유동 채널의 인접한 피크들의 측벽들은 평 바닥에 의해 분리되고, 유동 채널의 인접한 피크들의 측벽들은 적어도 하나의 서브 피크에 의해 분리되고, 상기 서브 피크는 각 유동 채널 내의 복수의 서브 채널을 한정하는 것을 특징으로 하는 능동 유체 수송 분리 장치.
8. 제1항 내지 제7항에 있어서, (1) 제1 및 제2 주표면을 갖는 적어도 하나의 추가 층으로서, 제1 주표면은 층 내에 형성된 구조화 중합체 표면에 의해 형성되고, 구조화 중합체 표면은 층의 표면을 따라서 제1 지점에서 제2 지점으로 연장하는 복수의 유동 채널을 갖고, 유동 채널은 10:1의 최소 가로 세로비와 300 미세미터보다 크지 않은 유압 반경을 갖는, 중합체 재료로 된 적어도 하나의 추가 층과; (2) 상기 적어도 하나의 추가 층의 적어도 복수의 유동 채널을 덮는 선택적 투과성 유체 분리 매체로서, 유체가 이 분리 매체를 통하여 유동하는 것을 허용하나 유체 혼합물의 구성 성분을 제거하는 분리 매체를 더 포함하고; 외부 공급원은 상기 분리 매체를 통하고 유동 채널을 통하여 제1 포텐셜로부터 제2 포텐셜로 유체의 이동을 증진시키도록 제1 층과 적어도 하나의 추가 층 모두의 유동 채널에 걸쳐 포텐셜을 제공하는 것을 특징으로 하는 능동 유체 수송 분리 장치.
9. 유체 혼합물의 구성 성분을 제거하는 방법에 있어서,

   (a) 제1 및 제2 주표면을 갖는 제1 층으로서, 제1 주표면은 층 내에 형성된 구조화 중합체 표면에 의해 형성되고, 구조화 중합체 표면은 층의 표면을 따라서 제1 지점에서 제2 지점으로 연장하는 복수의 유동 채널을 갖고, 유동 채널은 10:1의 최소 가로 세로비와 300 미세미터보다 크지 않은 유압 반경을 갖는, 중합체 재료로 된 제1 층과; 적어도 복수의 유동 채널을 덮는 선택적 투과성 유체 분리 매체를 포함하는 분리 모듈을 구비하는 단계와,

   (b) 상기 유동 채널을 통하여 제1 포텐셜로부터 제2 포텐셜로 유체의 이동을 증진시키도록 유동 채널에 걸쳐 포텐셜을 제공하기 위하여 구조화 중합체 표면 외부의 공급원에 분리 모듈을 연결하는 단계와,

   (c) 상기 분리 모듈을 유체 혼합물 내에 적어도 부분적으로 침지하는 단계와,

   (d) 상기 공급원에 의해 분리 모듈을 통하여 유체 혼합물을 보내고, 그에 의해 유체가 분리 매체를 통하여 유동하는 동안 분리 매체에 의해 유체 혼합물의 구성 성분을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제9항에 있어서, 외부에 구비된 공급원은 진공 발생기인 것을 특징으로 하는 방법.