KR20040095246A - 모세관 막과 그 제조를 위한 장치 - Google Patents

모세관 막과 그 제조를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 본 발명의 용액에 대응되도록 공압출된 적어도 2개의 층을 포함하는 모세관 막에 관한 것이다. 본 발명은 또한 된 다층 모세관 막을 제조하기 위한 장치에 관한 것이다

Description

모세관 막과 그 제조를 위한 장치{CAPILLARY MEMBRANE AND DEVICE FOR PRODUCTION THEREOF}
모세관 막의 대규모의 산업적 제조를 위하여, 예컨대, 중공 섬유(hollow-fibre) 다이(die)가 사용된다. 여기서, 중공 섬유 막은 침전 스핀 공정(precipitation spining process)으로 제조된다. 침전되는 폴리머는 다이 장치의 환상 갭(annular gap)으로부터 나오는 한편, 상응하는 침전제는 중앙의 침전제용 구멍으로부터 흘러나온다. 이미 공지되어 있는 중공 섬유 방적돌기(spinnerets)는, 보통은 금속으로 이루어져 있고, 많은 구멍이 만들어져 있는 기본 몸체를 포함한다. 하나의 작은 튜브가 구멍 하나에 끼워져, 침전제를 도입하기 위한 침전제 채널을 형성한다. 다른 구멍은 폴리머를 위한 물질 공급채널을 형성하는데, 이는 상기에서 언급한 환상 갭을 통하여 나오게 된다. 이미 공지된 중공 섬유 방적돌기의 제조에 있어서, 통상의 금속작업 공정이 사용된다. 따라서 여기서의 다이구조는 두개의 다이 부분을 서로 맞추어서 제조되는데, 어떤 비정밀성, 예컨대, 환상공간의 공간적 배치의 비정밀성은 기본 몸체와 튜브의 제조 중에 제조오류를 축적시키는 결과가 된다. 상기에 더하여서, 또한 조립오류도 발생할 수 있는데, 이는 공간적 배치의 비정밀성으로 귀착될 수 있다. 제조과정에서, 이러한 공지된 중공 섬유 방적돌기는 언급된 비정밀성만을 가지는 것이 아니다. 그 제조과정에 있어서, 그들은 또한 최소화된 사이즈를 가지므로써, 무제한적으로 모세관 막이 그 크기가 감소되는 것을 저지한다. 게다가, 지금까지 투석에 사용되어온 모세관 막은, 일반적으로 특정한 폴리머 또는 폴리머 혼합물로부터 제조되었다. 폴리머 또는 폴리머 혼합물로부터 제조된 그러한 막은, 특정한 적용분야에서 중요성을 띠는 특정한 성질을 가진다. 그러나 물질의 선택은, 선택된 특성때문에 받아들일 수 밖에 없는 불이익을 종종 수반한다.
본 발명의 목적은 몇 가지의 긍정적인 특성을 결합시키고, 그러면서도 상대적으로 작은 투석기 내의 작은 직경에서 비롯하는 큰 교환면적이 생성된 모세관 막을 제공하는 것이다.
다양한 형태의 모세관 막이 이미 충분히 공지되어 있다. 그것들은 투석분야에서 광범위하게 사용된다. 넓은 교환 표면적을 가지면서도, 가장 컴팩트한 투석기의 제조가 가능하도록, 모세관 막은 가능한 한 가장 작은 직경을 가지는 것이어야 한다.
도 1은 본 발명의 첫번째 구체예에 따른 중공섬유 방적돌기의 부분 구획화된 삼차원적 도면을 나타낸 것이다.
도2는 도1에 의한 중공섬유 방적돌기의 개략 단면도인데, 두번째 폴리머용 물질 공급채널의 배열의 세가지 변형예를 보여주고 있다.
본 발명에 따르면, 최소한 두개의 공압출된 층(coextruded layers)을 포함하고, 1mm 미만의, 바람직하게는 0.45mm 이하의 외부직경을 가지는 모세관 막을 통하여 그 목적이 달성된다. 서로 다른 층의 공압출에 기인하여, 여기서는 여러가지 두드러진 성질을 가지는 다른 폴리머를 서로 조합하여 사용할 수 있다. 아주 작은 직경은 큰 특정의 교환표면을 생성하고, 이것은 작고 경량인 투석기로 이어진다.
본 발명의 바람직한 구체예는 독립청구항에 따르는 종속항들에 나타나 있다. 모세관 막은 하기의 물질 중 하나 이상으로 구성되어 있는 것이 바람직하다: 폴리설폰(PS), 폴리설폰과 폴리비닐피롤리돈(PS/PVP), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르설폰과 폴리비닐피롤리돈(PES/PVP), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에테르이미드와 폴리비닐피롤리돈(PEI/PVP), 폴리아미드(PA), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리이미드(PI), 및/또는 폴리우레탄(PU). 예컨대, 내층은 폴리설폰과 폴리비닐피롤리돈의 조합물을 포함하고, 외층은 폴리설폰을 포함할 수 있다. 그러나, 반면에, 내층은 또한 고폴리머 농도의 폴리설폰/폴리비닐피롤리돈 조합물로 구성되고, 외층은 저폴리머 농도의 폴리설폰/폴리비닐피롤리돈 조합물로 구성될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 본 발명의 막은 작은 구멍이 있는 분리층과 큰 구멍이 있는 캐리어층을 포함한다. 단일층의 비대칭 또는 대칭막과 비교할 때, 다수의 층을 포함하는 그러한 공압출된 모세관 막의 투과성은 같은 분리한도(separation limit)에서 현저하게 개선된다.
층들 중의 하나는 또한 생체적합성이 있는 물질로 구성될 수 있고, 두번째 층은 캐리어 또는 실질적인 막으로서 기능한다.
본 발명의 더욱 바람직한 구체예는, 층들 중의 하나가 막으로서 기능하고, 두번째층은 흡수물질로 구성된 것이다. 그래서 이 두번째 층은 여과액과 접촉하게 된다. 모든 것이 망라되어 있지는 않은 이들 실시예에 근거하여, 두 폴리머의 특성을 조합시키므로써 각 경우에 실질적으로 필요한 다기능성 모세관 막이 만들어 질 수 있다.
본 발명에 의한 모세관 막의 제조는, 청구항 제6항에 따르는 장치에 의하므로써 가능하다. 둘 또는 가능하면 그 이상의 층들로부터 공압출된 모세관 막을 제조하기 위한 본 발명에 의한 이 장치는, 공압출된 다이가 구비된 중공섬유 방적돌기를 가지는데, 그 외부 직경은 1mm 미만이다. 본 발명에 의한 장치 중 바람직한 구체예는, 제6항에 이어지는 종속항인 제7항 내지 제9항에 나타나있다.
따라서, 중공섬유 방적돌기는 삼층으로 이루어진 기본 몸체를 포함할 수 있는데, 플레이트형(plate-like) 몸체인 각각의 층들은 정밀한 패턴기술로 구조화된 것이며, 그것들은 서로 결합되어 기본 몸체를 형성한다. 이 경우에, 첫번째 플레이트는 예비구조플레이트(pre-structured plate)로 사용되며, 그 위에 아직 구조화되지 않은 두번째 플레이트가 접착된다. 이어서 접착된 두번째 플레이트는 구조화된다. 그 후, 다시 한번 구조화되지 않은 세번째 플레이트가 이 구조화된 플레이트위에 접착되고 나서, 마찬가지로 최종적으로 구조화된다.
기본 몸체는 단결정 실리콘, 갈륨아르세나이드(GaAs) 또는 게르마늄으로 구성되는 것이 바람직하다.
특히 바람직하게는, 중공-섬유 방적돌기는 침전제용의 중앙 공급채널, 폴리머 물질용 물질 공급채널, 물질 흐름 유연부(material flow smoothing zone) 및 상기 첫번째 폴리머용 환상 갭과 더불어, 두번째 폴리머 물질용 물질 공급채널, 이들 추가 물질 공급채널용 유연부 및 두번째 폴리머용 환상 물질 갭을 가진다.
본 발명의 더 많은 상세한 점과 유익성을 하기의 도면에 나타낸 구체예를 근거로 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 구체예를 도 1과 도 2에 근거하여 설명한다. 여기서 나타내는 것은 두 층으로부터 공압출되는 중공섬유 제조용 중공섬유 방적돌기(10)이다. 이 경우에, 세개의 개별 플레이트(individual plates)(102, 104 및 106)을 포함하는 기본 몸체(100)을 가지는 중공섬유 방적돌기(10)을 보여 준다. 개별 플레이트들은 단결정 실리콘으로 구성된다. 첫번째 플레이트(102)에서, 침전제용 공급채널(108)이 제거되어 있다. 또한 첫번째 폴리머용 공급채널(110, 112)가 제공되고, 결합된 유연부(114)쪽으로 개구된다. 유연부(114)는 대응하는 니들 스탐프(needle stump)(116)을 둘러싼다.
두번째 플레이트(104)에서, 침전제용 구멍(118)은 마찬가지로 제거되어 있고, 두번째 니들 스탐프(120)와 환상강(anuular space)(122)으로 둘러싸여 있다. 게다가 유연부(126)와 인접한 추가 공급채널(124)는 두번째 플레이트(104)로부터 제거되어 있다. 마지막으로, 세번째 플레이트(106)은 공압출되는 각각의 폴리머 물질용의 두개의 환상 갭(128 및 130)과, 또한 침전제용 구멍(134)가 있는 니들(132)를 가진다. 도 2a, 도 2b, 및 도 2c의 변형예의 경우에, 공급채널(124)는 각각의 경우에 따라 다르게 형성된다. 도 2a에 따른 구조의 변형예에 있어서, 두번째 폴리머용 공급채널(124)가 단지 두번째 플레이트(104)에 제공되는 데에 반하여, 도 2b에 따르는 변형예에서는 그것이 두번째 플레이트(104)와 세번째 플레이트(106) 양쪽 모두를 통하여 이어져있다, 도 2c에 따르는 구조의 변형예에 있어서, 두번째 폴리머용 공급채널(124)는, 도 2c에 나타내는 바와 같이, 두번째 플레이트(104)와 첫번째 플레이트(102)를 통하여 이어져있다.
도 2 a에 따르는 단면에 대응하는 도 1에 따른 도면에서, 8개의 공급채널(112)는 별 모양으로 배열하고 있고, 반면에, 4개의 공급채널(124)는 십자형으로 배열되어 있는 것이 명백하게 여기에 밝혀져 있다.
정밀 패턴기술을 이용하여 중공섬유 방적돌기를 제조함에 있어서, 직경 100~300mm의 세개의 둥근 웨이퍼 슬라이스(wafer slices)가 토대로 사용된다. 이들 웨이퍼 슬라이스는 많은 방적돌기 구조를 동시에 제조하는 데에 사용된다. 그리고 나서 각각의 중공섬유 방적돌기(10)은 일단 프로세싱을 끝낸 웨이퍼 슬라이스를 분리하므로써 얻어진다. 각각으로 분리된 방적돌기는, 여기에 나타낸 바와 같이 단일다이(single die) 구조 또는 다이 구조 집합체 내의 수개의 다이 구조를 포함할 수 있다. 이것은, 모든 다이 구조가 서로 분리되는 웨이퍼상에 형성되는 것이 아니라, 수개의 다이 구조가 함께 다중 다이 단위체를 형성하고, 그 외곽을 따라 웨이퍼로부터 절단되므로써 달성된다.
방적돌기의 제조는, 첫번째 웨이퍼의 앙면을 구조화하는 것으로 시작되는데, 이는 방적돌기의 첫번째 플레이트(102)의 요소를 수용하는 것이다. 그러한 구조는 일련의 표준 리소그라피 공정, 예컨대, 포토레지스트, SiO, SiN 등과 같은 마스크 및 표준 에칭 공정을 통하여 제조된다. 표준 에칭 공정 중에서, 특히 반응성 이온 에칭(RIE), 심부 반응성 이온 에칭(D-RIE), 및 크리오(cryo) 에칭을 들 수 있다. 특히 적절한 것은 D-RIE 및 크리오 에칭과 같은 특별한 심부 에칭 공정이다. 전면부 및 후면부용 리소그라피 마스크는 서로 광학적으로 배열되어야 한다. 그리고 나서, 두번째 웨이퍼를 이 구조화된 웨이퍼 위에 접착한다. 아노딕 접착(anodic bonding), 직접 접착(direct bonding)과 같은 모든 접착공정이 이 목적으로 사용될 수 있다. 그러나 직접 접착이 가장 큰 강도를 얻을 수 있고, 따라서 기본 몸체상에의 니들의 유지를 좋게 하기 때문에 특히 바람직하다. 다음 단계에서, 공급 채널, 유연부, 및 니들 스터브(stub)(120)는 두번째 플레이트(104) 위에 구조화 되고, 이것이 첫번째 플레이트에 접착된다. 이러한 목적에서 리소그라피 마스크는 첫번째 플레이트 위의 구조에 맞게 광학적으로 배열되어야 한다. 그리고 나서 세번째 웨이퍼를 접착한다. 또 다시, 상기한 바와 같은 모든 접착 공정이 이러한 목적으로 사용될 수 있다. 다음 단계에서, 환상 갭과 중앙의 구멍을 포함하는 다이 구조는, 2단계 에칭 공정에서 제조된다. 이 경우에, 첫번째 단계에서, 깊은 중앙 구멍과 내부 환상 갭이 형성되고, 두번째 단계에서는 모든 구조의 에칭이 완료된다. 또한, 여기서는 비록 첫번째 웨이퍼를 프로세싱할 때에 심부 에칭 공정이 더욱 바람직하기는 하지만, 리소그라피 및 에칭공정이 사용된다. 마지막 단계에서, 각각의 방적돌기를, 웨이퍼 톱질 및 레이저 프로세싱 등의 적절한 분리 공정을 통하여 웨이퍼로부터 잘라낸다. 3단계 또는 다단계 에칭 공정도 고려할 수 있다.
상기의 중공-섬유 방적돌기(10)으로, 매우 작은 직경을 가지는 공압출된 중공 섬유를 두가지 물질로부터 매우 정밀하게 제조할 수 있다.

Claims (11)

  1. 적어도 두개의 공압출된 층들을 포함하고, 1mm 미만의 외부 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 모세관 막.
  2. 제1항에 있어서, 0.45mm 이하의 외부 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 모세관 막.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하기의 물질 중 하나 이상으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 모세관 막: 폴리설폰(PS), 폴리설폰과 폴리비닐피롤리돈(PS/PVP), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르설폰과 폴리비닐피롤리돈(PES/PVP), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에테르이미드와 폴리비닐피롤리돈(PEI/PVP), 폴리아미드(PA), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리이미드(PI), 및/또는 폴리우레탄(PU).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 작은 구멍이 있는 분리층과 큰 구멍이 있는 캐리어층을 포함하는 것을 특징으로 하는 모세관 막.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 층들 중의 하나는 생체적합성 물질로 구성되고, 두번째 층은 캐리어 또는 실질적인 막으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 모세관 막.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 층들 중의 하나는 막으로서 기능하고, 두번째층은 흡수물질로 구성된 것을 특징으로 하는 모세관 막.
  7. 공압출 다이가 구비된 중공섬유 방적돌기를 가지며, 그 외부 직경이 1mm 미만인 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제6항 중 어느 한항에 따른 모세관 막의 제조 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기의 중공섬유 방적돌기는 삼층으로 이루어진 기본 몸체를 포함하고, 각각의 플레이트형 몸체는 정밀한 패턴기술로 구조화된 것이며, 그것들은 서로 결합되어 기본 몸체를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기의 기본 플레이트는 단결정 실리콘, 갈륨아르세나이드(GaAs) 또는 게르마늄으로 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기의 중공섬유 방적돌기는 침전제용의 중앙 공급채널, 첫번째 폴리머용 물질 공급채널, 물질 흐름 유연부 및 환상 갭과 더불어, 두번째 폴리머용 물질 공급채널, 물질 흐름 유연부 및 환상 물질갭을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 3개, 4개 또는 그 이상의 공압출된 층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 모세관 막.
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