KR20080058398A - 방향-편향성을 갖는 웨트 표면을 갖는 유체 취급 장치 - Google Patents

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찰스 더블유. 엑스트란드
마이클 라이트
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엔테그리스, 아이엔씨.
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Abstract

복수의 실질적으로 균일한 모양의 비대칭성 어스페리티들을 그 위에 갖는 기판을 포함하는 이방성 웨트 표면을 갖는 유체 취급 장치이다. 각 어스페리티는 기판에 대하여 제1 어스페리티 상승각 및 대향하는 제2 어스페리티 상승각을 갖는다. 상기 어스페리티들은 다음의 식에 따라 제1 어스페리티 상승각과 제2 어스페리티 상승각 간의 비대칭성에 의해 1 보다 크거나 작은 보유력 비율(f3/f2)을 제공하도록 구성된다: f3/f2=sin(ω3+1/2Δθ0)/sin(ω2+1/2Δθ0).
유체 취급 장치, 어스페리티, 이방성 웨트 표면, 보유력 비율.

Description

방향-편향성을 갖는 웨트 표면을 갖는 유체 취급 장치 {FLUID HANDLING DEVICE WITH DIRECTIONALLY-BIASED WETTING SURFACE}
본 발명은 대체로 유체 취급 장치에 관한 것이며, 보다 특히 유체 취급 장치의 웨트 표면(wetting surface)에 관한 것이다.
본 출원은 모두 2005년 9월 16일에 출원되고 본 명세서에서 전체로서 참조되는, 발명의 명칭이 방향-편향성을 갖는 웨트 표면을 갖는 유체 취급 장치(FLUID HANDLING DEVICE WITH DIRECTIONALLY-BIASED WETTING SURFACE)인 미국 실용특허 제11/229,478호, 발명의 명칭이 이방성 웨트 표면을 갖는 마이크로유체 장치(MICROFLUIDIC DEVICE WITH ANISOTROPIC WETTING SURFACES)인 미국 실용특허 제11/228,866호 및 발명의 명칭이 이방성 웨트 표면을 갖는 연료 전지(FUEL CELL WITH ANISOTROPIC WETTING SURFACES)인 미국 실용특허 제11/229,080호에 따른 이익을 주장한다. 상기 참조된 실용 출원을 가출원으로 전환하기 위한 청구서가 제출되었으나, 상기 전환이 상기 참조된 출원에 대한 우선권 주장에 대해 영향을 미치는 것은 아니다.
많은 산업 공정은 액체와 고체 표면의 상호 작용과 관련된다. 흔히 소정의 결과를 달성하기 위해 특히 표면의 웨트 정도와 같은 상기 상호 작용의 방법을 제 어하거나 그에 영향을 미치는 것이 바람직하다. 예를 들어, 더 큰 표면 웨트를 달성하기 위해 때로는 세정 공정에 사용되는 액체에 계면 활성제를 부가한다. 반대의 예로, 표면 웨트를 감소시키고 의류의 건조를 촉진시키기 위해 때로는 발액 코팅(liquid repellant coating)을 의류 제품에 부가한다.
표면 웨트의 원리와 그에 영향을 미치는 특성을 분석하고 이해하기 위한 노력이 수십년간 계속되고 있다. 액체에 의한 웨트에 대하여 저항하는 표면인 액체 "비친화성"(liquid "phobic") 표면에 대한 관심이 특히 크다. 상기 표면은 상기 액체가 특히 물이면 소수성(hydrophobic)이라 지칭하고, 대체로 물과 그 외의 모든 액체에 대하여 소액체성(lyophobic)이라 지칭한다. 작은 수적 또는 다른 액적이 상기 표면과 매우 높은 정지 접촉각(약 120도보다 큰 각도)을 이룰 정도로 상기 표면이 웨트에 대항(resist)하거나, 상기 표면의 액적 보유 경향이 현저하게 낮거나, 또는 액체 속에 완전하게 잠겼을 때 표면에 액체-기체-고체 계면이 존재하게 되면, 상기 표면은 일반적으로 초소수성(ultrahydrophobic) 또는 초소액체성(ultralyophobic) 표면이라 지칭한다. 본원의 목적을 위하여, 초비친화성(ultraphobic)이라는 용어는 대체로 초소수성 및 초소액체성 표면을 모두 지칭하는데 사용한다.
배수 가능한 표면은 여러 이유로 인하여 상업적 및 산업적 용도에 있어서 특히 관심의 대상이 된다. 액체가 표면으로부터 건조되어야 하는 거의 모든 공정에 있어서, 가열 또는 장시간의 건조 시간 없이 표면으로부터 상기 액체가 뿜어져(shed) 나온다면 상당히 효율적일 것이다. 흔히 제품들에서, 중력의 영향으로 유체가 공동이나 저점(low spot)에 보유되지 않게 하는 건조가 지향된다.
나아가, 액체와 초비친화성(ultraphobic) 표면 사이의 마찰은 종래의 표면에 비하여 현저하게 낮다. 결과적으로, 일정 방향의 표면 마찰을 감소시키고, 거시적 규모를 갖는 무수의 유압 및 유체역학적 용도 및 특히 마이크로유체(microfluidic) 용도에 있어 유동을 증가시키기 위하여, 방향-편향성을 갖는 웨트 표면(directionally biased wetting surface)이 매우 바람직하다. 일정한 마이크로유체 용도에 있어서, 유체가 대향하는 방향에 비해 한 쪽 방향으로 더 용이하게 도관을 관통하여 흐르는 것이 바람직할 수 있다. 다른 상황에서는 유체를 장치의 일정 부분이 보유하게 하거나, 유량을 줄어들게 하는 것이 바람직할 수 있다.
표면 거칠기(roughness)가 표면 웨트의 정도에 상당한 영향을 미친다는 것이 잘 알려져 있다. 어떤 환경에서는 액체가 대응하는 평탄 표면에 비해 거친 표면에 더 강하게 부착되는 것이 일반적으로 관찰되었다. 그러나, 다른 환경에서는 거칠기로 인해 액체가 평탄 표면에 비해 거친 표면에 더 약하게 결합할 수 있다. 어떤 환경에서는, 표면 거칠기로 인해 상기 표면이 방향에 대하여 편향성을 갖는 웨트를 나타낼 수 있다.
초비친화성 표면을 생성하기 위해 표면상에 의도적인 거칠기를 도입하기 위한 노력이 이전부터 계속되어 왔다. 상기 거칠어진 표면은 일반적으로 본원에서 "어스페리티(asperity)"라고 지칭하는 복수의 마이크로 규모 또는 나노 규모의 돌기 또는 공동을 갖는 기판 부재 형상을 갖는다.
표면의 웨트 특성은 특정의 유체 취급 제품에 대하여 상당한 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 연료 전지에서의 유체 처리 및 웨트 성향은 최근 연구의 주제이다. 연료 전지 설계의 지속적인 문제점은 전지 내 물의 처리에 관한 것이다. 연료 전지는 반응의 생성물로 물을 생성한다. 어떤 조건에서는 상기 전지에서 물이 매우 빠르게 발생한다. 상기 물은 대체로 전지의 음극 측에서 생성되고, 물이 축적되면 전지 내로의 연료의 유동을 제한 또는 차단한다. 이와 같은 조건은 당업계에서 "음극 침수(cathode flooding)"로 알려져 있다. 또한, 상기 전지와 대기 환경의 온도차가 클 경우, 작동 중에 공기가 전지 내외로 이동할 때에 수증기의 응축을 초래할 수 있다.
일반적으로, 물이 배수 채널을 지나 수집 구역으로 안내되어 전지로부터 배출되도록, 상기 배수 채널에 양극판의 표면부가 제공된다. 또한, 상기 양극판은 물이 양극판으로부터 더 쉽게 배출되도록 낮은 표면 에너지를 갖는 재료로 흔히 만들어진다. 그러나, 상기 어떤 조치에 의해서도 연료 전지에서의 음극 침수와 물 처리 문제를 완전하게 제거하지는 못하였다. 특히, 연료 전지에 PTFE와 같은 낮은 표면 에너지 재료를 사용한 경우에도, 수적은 요구대로 배수되지 않고 전지의 양극판 및 다른 표면에 달라붙는다. 전지 내 물의 배출을 향상시키는 구성 요소를 갖는 연료전지가 당업계에 요구된다.
다른 예로서, 마이크로유체 장치 설계의 중요한 요소는, 유체와 상기 장치의 미세(microscopic) 채널 표면과의 접촉에 의해 발생하는 유체 이동의 저항성이다. 유체가 상기 마이크로유체 장치 내에서 다른 방향에 비해 한 방향으로 더 쉽게 흐를 수 있도록 상기 유체의 유동을 제어하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 반응물 은 하나 이상의 유입구를 통해 마이크로유체 장치로 흘러 들어가야 하며 생성물은 하나 이상의 배출구로부터 흘러 나와야 한다. 후역 유동은 때때로 반응물의 오염 또는 다른 문제를 유발할 수 있다. 유체 유동에 대해 예상 가능한 레벨의 이방성 또는 편향성 저항을 보이는 유체 유동 채널을 갖는 마이크로유체 장치가 당업계에 요구된다.
일 실시예에 있어서, 본 발명은 이방성 웨트 품질을 갖고 일반적으로 소액체성 또는 초비친화성인 내구성 표면을 갖는 유체 취급 장치를 포함한다. 즉, 유체가 표면을 가로질러 흐를 때 그 흐르는 방향에 따라 가변적인 저항을 받게 된다. 상기 이방성 웨트 표면은 대체로 복수의 돌출하는 규칙적 모양의 마이크로 또는 나노 규모인 대칭성 어스페리티를 갖는 기판 부분을 포함한다. 본원에서, 유체 취급 장치는 파이프, 관, 피팅, 밸브, 유량계, 탱크, 펌프, 웨트(wetted) 연료 전지 구성요소, 마이크로유체 장치와 구성요소 및 유체를 취급, 이송, 함유 또는 전달하기 위해 사용되는 임의의 다른 장치 또는 구성요소를 포함한다. 유체 취급 장치는 또한 피펫, 뷰렛, 플라스크, 비커, 관, 노즐, 피팅 및 실험실 또는 제조 공정 환경에서 유체를 측정하고 이송하기 위해 사용하는 다른 장치를 포함한다.
상기 어스페리티는 상기 기판 재료 내에 또는 상기 기판 재료상에 형성되거나, 상기 기판의 상기 표면상에 배치되는 하나 이상의 재료층 내에 형성될 수 있다. 상기 어스페리티는 임의의 규칙적 또는 비규칙적 모양인 삼차원 고체(solid) 또는 공동이며, 임의의 규칙적인 기하학적 패턴으로 또는 무작위적으로 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 규모의 어스페리티는 공정에서 사용되는 주형 또는 스탬프 공구의 텍스쳐링(texturing)을 통해 공지된 성형 및 스탬핑(stamping) 방법으로 형성될 수 있다. 상기 공정은 사출 성형, 텍스쳐링된 칼렌더 롤(calender roll)을 이용한 압출, 압축 성형 공구, 또는 마이크로 규모의 에스페리티를 형성하기 적합한 임의의 다른 공지된 공구 또는 방법을 포함할 수 있다.
더 작은 규모의 어스페리티는 포토리소그래피(photolithography), 또는 나노기계가공(nanomachining), 마이크로스탬핑(microstamping), 마이크로접촉 인쇄(microcontact printing), 자기조립 금속 콜로이드 단층(self-assembling metal colloid mono-layers), 원자간력 현미경 나노기계가공(atomic force microscopy nanomachining), 솔-겔 성형, 자기조립 단층 안내 패터닝(self-assembled monolayer directed patterning), 화학적 에칭, 솔-겔 스탬핑, 콜로이드 잉크의 인쇄, 기판 상에 평행하게 탄소 나노 튜브의 층을 배치하는 것을 통해 형성할 수 있다.
비대칭의 어스페리티를 생성하면 표면의 유체 보유성을 방향에 따라 편향시킬 수 있다. 이러한 접근은 편평한 표면 뿐만 아니라 관 및 홈과 같은 만곡면에 대해서도 적용될 수 있다. 방향-편향성을 갖는 유체 보유는 종래의 웨트 표면뿐만 아니라 초비친화성 표면에도 도입될 수 있다. 상기 비대칭 특성은 무작위적으로 또는 주기적으로 설계될 수 있다. 주기적 어스페리티는 줄무늬, 리지(ridges), 홈 또는 퍼로우(furrow)와 같이 이차원적으로 다양하게 할 수 있다. 주기적 어스페리티는 또한 기둥, 피라미드, 원추 또는 구멍과 같이 삼차원적으로 다양하게 할 수 있다. 상기 어스페리티의 크기, 모양, 간격 및 각도는 요구되는 이방성 웨트 성향을 달성하도록 맞춰질 수 있다.
일반적으로, 이방성 웨트 품질은 표면의 액적과 관, 홈 또는 채널 내의 슬러그(slug)에 대해 효과적이다. 이방성 웨트 품질을 갖는 표면은 액체의 작은 액적 또는 슬러그가 상기 표면에서 완전히 배수되거나, 다르게는 주입 또는 배수 공정의 마지막에 액체의 적하 위험을 낮추기 위해 액적 또는 슬러그가 보유되도록 보장한다.
도1은 본 발명에 따른 이방성 유체 접촉 표면을 갖는 관의 길이부의 부분 종단면도이며;
도2는 도1에 도시된 관의 길이부를 단면선(2-2)에 따라 취한 단면도이며;
도3은 본 발명에 따른 관의 두 부분을 연결하는 90도 엘보우 피팅(90 degree elbow fitting)의 부분 종단면도이며;
도4는 본 발명에 따른 3-방향 밸브 구성요소의 단면도이며;
도5는 본 발명에 따른 2-방향 밸브 구성요소의 단면도이며;
도6은 본 발명에 따른 직렬 유량계의 단면도이며;
도7은 본 발명에 따른 직렬 유량계 사이트(sight) 관의 단면도이며;
도8은 본 발명에 따른 이방성 웨트 유체 접촉 표면을 갖는 마이크로유체 장치의 분해도이며;
도9는 도8에 도시된 상기 장치를 단면(9-9)에 따라 취한 단면도이며;
도10은 본 발명에 따른 마이크로유체 장치의 다른 실시예이며;
도11은 본 발명에 따른 이방성 유체 접촉 표면을 갖는 연료 전지 스택 기구의 개략 단면도이며;
도12는 상기 장치 내 하나의 채널을 도시한 도11의 연료 전지 스택 기구(fuel dell stack apparatus)의 확대 부분도이며;
도13a는 평탄 벽 표면을 갖는 모세관의 단면도이며;
도13b는 대칭성 어스페리티를 구비한 벽 표면을 갖는 모세관의 단면도이며;
도13c는 비대칭성 어스페리티를 구비한 벽 표면을 갖는 모세관의 단면도이며;
도14는 외부 힘의 영향을 받는 모세관 내 액체 슬러그의 단면도이며;
도15a는 표면 어스페리티 또는 형상과 상호작용하는 액체 슬러그의 전진 접촉선의 확대 측면도이며;
도15b는 표면 어스페리티 또는 형상과 상호작용하는 액체 슬러그의 후퇴 접촉선의 확대 측면도이며;
도16a는 일반적으로 톱니 모양의 대칭성 어스페리티를 구비한 모세관 벽의 확대 부분 단면도이며;
도16b는 일반적으로 톱니 모양의 비대칭성 어스페리티를 구비한 모세관 벽의 확대 부분 단면도이며;
도16c는 일반적으로 톱니 모양의 비대칭성 리지 형상인 어스페리티를 갖는 이방성 유체 접촉 표면의 확대 부분 사시도이며;
도16d는 각뿔대(prismoid) 모양의 비대칭성 어스페리티를 갖는 이방성 유체 접촉 표면의 확대 부분 사시도이며;
도16e는 원추대(frusto-conical) 모양의 비대칭성 어스페리티를 갖는 이방성 유체 접촉 표면의 확대 부분 사시도이며;
도17은 대응하는 평탄 표면에 대한 대칭성 톱니 형상을 갖는 표면의 보유력의 비율을 나타낸 그래프이며;
도18은 상승각 대 비대칭성 톱니 형상을 갖는 표면의 보유력의 비율의 그래프이며;
도19는 상승각 대 비대칭성 톱니 형상을 갖는 표면의 보유력의 비율의 그래프이며; 그리고
도20은 Fi=fi인 임계 조건에서의 고착된(sessile) 액적의 측면도이다.
본원에서, 유체 취급 장치는 파이프, 관, 피팅, 밸브, 유량계, 탱크, 펌프, 웨트(wetted) 연료 전지 구성요소, 마이크로유체 장치와 구성요소 및 유체를 취급, 이송, 함유 또는 전달하기 위해 사용되는 임의의 다른 장치 또는 구성요소를 포함한다. 유체 취급 장치는 또한 피펫, 뷰렛, 비커, 플라스크, 관, 노즐, 피팅, 및 실험실 또는 제조 공정 환경에서 유체를 측정하고 이송하기 위해 사용하는 필터, 열교환기와 그 구성요소를 포함하나 이들로 제한되지는 않는 열 또는 물질 교환 장 치와 같은 다른 장치들을 포함한다. "유체 접촉 표면(fluid contact surface)"이라는 용어는 유체와 접촉하는 유체 취급 구성요소의 모든 표면 또는 그 일부를 폭넓게 지칭한다. "유체 취급 시스템(fluid handling system)"은 유체 취급 구성요소가 유체적으로 상호연결된(fluidly interconnected) 구성 모두를 지칭한다.
본 발명에 따른 다양한 실시예의 유체 취급 구성요소가 도1 내지 도12에 도시된다. 도1 및 도2에서, 관(20)의 길이부는 일반적으로 유체의 이송을 위한 보어(24)를 특정하는 몸체(22)를 포함한다. 기판층(26)은 상기 보어(24)와 정렬되도록 배치한다. 이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)은 기판층(26) 상에 형성되며 보어(24)를 통과하여 흐르는 유체와 접촉하도록 내향으로 대면한다. 기판층(26)은, 본 발명의 소유자가 공동으로 소유하고 본원에서 그 전체로서 참조되는 발명의 명칭이 "유체 제어 장치를 위한 성능 폴리머 필름 인서트 성형(Performance Polymer Film Insert Molding for Luid Control Devices)"이며 동시 계류중인 미국 특허 출원 제10/304,459호에 개시된 필름 인서트 성형에 의해 몸체(22)에 적용될 수 있다. 비록 도1 및 도2의 실시예에서 별도의 기판층(26)이 도시되지만, 다른 실시예에 있어서는 몸체(22)가 그 내향으로 대면하는 표면에 직접적으로 형성된 이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)을 갖고 상기 기판으로 작용할 수 있는 것이 쉽게 이해된다. 또한, 이방성 웨트 유체 접촉 표면은 관(20)의 길이부 전체에 대해 진행되거나, 유동 조건이 중대한 경우 임의의 요구되는 지점에 선택적으로 위치할 수 있다는 것이 이해된다.
도3은 두 개의 파이프(32)의 길이부를 연결하는 90도 엘보우 피팅(30)의 형 상을 갖는 유체 취급 구성요소의 다른 실시예를 도시한다. 엘보우 피팅(30)은 대체로 내부 표면(36)에 직접적으로 이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)을 갖는 몸체 부분(34)을 포함한다. 각 파이프(32)의 내부 표면(38)은 또한 비이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)일 수 있다. 물론, 임의의 모양 또는 크기의 파이프, 관, 피팅 및 채널에 이방성 웨트 접촉 표면(28)이 제공될 수 있다는 것이 쉽게 이해될 것이다. 예를 들어, 도3에 비록 90도 엘보우 피팅이 도시되어 있지만, 스윕 엘보우(sweep elbow), 티(tees), 와이(wye) 및 새니터리 피팅(sanitary fitting), 매니폴드(manifold) 등과 같은 다른 피팅에도 또한 본 발명에 따른 이방성 웨트 유체 접촉 표면이 제공될 수 있다.
또한, 도5에 도시된 2-위치 밸브(two-position valve)(40)와 같은 더 복잡한 다른 유체 취급 구성요소에는 이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)이 제공될 수 있다. 2-위치 밸브(40)는 대체로 밸브 몸체(42)와 밸브 스템(44)을 포함한다. 빌브 몸체(42)는 대체로 연속적인 유동 채널(50)로 연결된 유입 포트(46)와 배출 포트(48)를 포함한다. 밸브 스템(44)은 핸들(52), 로드(54) 및 밀봉면(56)을 포함한다. 이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)은 배수를 촉진하는 방향을 갖고 유입 포트(46), 배출 포트(48) 및 유동 채널(50) 또는 그의 임의의 요구되는 부분을 포함하는 2-위치 밸브(40)의 전체 웨트 표면에 형성될 수 있다. 이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)은 또한 밸브 스템(44)의 웨트 부분에 형성될 수 있다.
도4에는 유체 취급 구성요소의 다른 대체적인 실시예가 도시된다. 도4의 3-위치 밸브(three-position valve)(60)는 유입 포트(64), 제1 배출 포트(66) 및 제2 배출 포트(68)를 구비한 밸브 몸체(62)를 포함한다. 3-위치 밸브(60)는 또한 중앙 보어(72) 내부에 밸브 스템(70)을 포함한다. 제1 배출 포트(66) 및 제2 배출 포트(68)는 나머지 유체 회로와의 상호 연결을 용이하게 하는 미늘 형성 단부(barbed ends)(73)를 구비하도록 구성된다. 다시, 이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)은 밸브 몸체(62)와 밸브 스템(70)의 전체 웨트(wetted) 표면에 형성되거나, 선택적으로 그 임의의 부분에 형성될 수 있다.
이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)이 임의의 밸브 구성에 적용될 수 있다는 것은 명백할 것이다. 이 구성은 임의의 수의 유입 및 배출 포트를 포함할 수 있으며, 수형 및 암형, 나사식(threaded) 유형 연결부, 새니터리(sanitary) 연결부를 포함하는 모든 종류의 밸브 연결부를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 이방성 웨트 유체 접촉 표면은 배수를 용이하게 하거나 유체 이동을 편향 또는 안내하기 위하여 볼 밸브, 게이트 밸브 및 격막(membrane) 밸브에 사용되는 것을 포함하는 다양한 밸브 스템에 선택적으로 적용될 수 있다.
도6 및 도7에 도시된 바와 같이, 상기 유체 취급 구성요소는 유량계 조립체(74)의 형상일 수 있다. 유량계 조립체(74)는 대체로 유입 포트(76), 배출 포트(78), 사이트 관(80) 및 플로트(float)(82)를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)은 유량계 조립체(74)의 모든 웨트(wetted) 표면에 형성된다. 도7에 도시된 대체적인 실시예에 있어서, 사이트 관(80)은 내부 기판층(84)을 갖고, 상기 기판층(84)의 내부 표면(86)에는 이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)이 구비된다. 이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)은 유체 유동 데이터를 전 송하는 센서를 구비한 유량계를 포함하는 모든 종류의 유체 기구에 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이와 같은 실시예에 있어서, 이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)은 외륜(paddle wheel), 터빈, 자석을 사용하는 센서 또는 본 업계에서 광범위하게 사용되는 유동 센서 장치에 형성될 수 있다.
종합적으로, 이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)은 그 특성이 바람직하게 요구되는 모든 유체 취급 구성요소에 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 유체 취급 구성요소의 다른 예로는 펌프, 노즐, 위어(weirs) 및 실린더와 같은 유압 구성요소 등의 유체 이동 장치를 포함한다. 본 발명의 이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)이 마이크로유체 유체 취급 구성요소에 유리하게 적용될 수 있다는 것이 쉽게 이해될 것이다.
본원에서, 유체가 하나 이상의 미세 치수의 유체 유동 채널을 관통하여 흐른다고 할 때, 상기 "마이크로유체 유체 취급 구성요소"라는 용어는 대체로 유체를 접촉, 취급, 이송, 함유, 처리, 또는 전달하는데 사용되는 모든 장치 또는 구성요소를 광범위하게 지칭한다. 본원에서, "미세(microscopic)"라는 용어는 500㎛ 이하의 치수를 의미한다.
본 발명에 따른 마이크로유체 장치(88)는 도8에서 크게 확대된 분해도로 도시된다. 장치(88)는 대체로 그 내부에 형성된 직각의 유동 채널(92)을 갖는 몸체(90)를 포함한다. 몸체(90)는 대체로 주요부(94)와 커버부(96)를 포함한다. 유동 채널(92)은 주요부(94) 상의 내향으로 대면하는 표면(98)인 세 개의 면과 커버부(96) 상의 내향으로 대면하는 표면(100)인 네 번째 면에 의해 특정된다. 도8 및 도9에 도시된 바와 같이, 면(98)들과 면(100)은 함께 채널 벽(102)을 특정한다.
본 발명에 따르면, 채널 벽(102)의 모든 또는 임의의 요구되는 부분에 이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)이 제공될 수 있다. 비록 2-부품 구성의 직사각형 유동 채널이 도8에 도시되지만, 마이크로유체 장치(88)가 또한, 1 부품 몸체이면서 내부에 원통형, 다각형, 또는 비규칙적인 모양인 유동채널을 갖는 것을 포함하여 임의의 다른 구성으로, 임의의 다른 형상 및 구성의 유동 채널을 갖도록 형성될 수 있다는 것이 물론 이해될 것이다.
마이크로유체 장치(88)의 다른 실시예가 도10의 단면도로 도시된다. 본 실시예에 있어서, 몸체(104)는 하나의 일체화된 부품으로 형성된다. 원통형 유동 채널(106)이 몸체(104) 내에 특정되며, 유동 채널(106) 내로 대면하는 이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)을 제공하는 채널 벽(108)을 갖는다.
본 발명이 특히 연료 전지 내에서 유체를 처리하는 용도를 갖는다는 것이 추가적으로 이해될 것이다. 본원에서, "연료 전지"라는 용어는 양자 교환 멤브레인 연료 전지(proton exchange membrane fuel cells(PEMFC)), 알칼라인 연료 전지(AFC), 인산 연료 전지(phosphoric acid fuel cells(PAFC)), 용융 탄산염 연료 전지(molten carbonate fuel cells(MCFC)), 및 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cells(SOFC))를 포함하나 이들로 제한되지는 않는 임의의 종류의 모든 전기화학적 연료 전지 장치 또는 기구를 의미한다. "연료 전지 스택(stack) 기구"라는 용어는 적어도 하나의 연료 전지 및 그 임의의 그리고 모든 구성요소와 함께, 수납부(enclosures), 절연부, 다지관, 파이프, 및 전기 부품을 포함하나 이들로 제한되 지는 않는 연료 전지의 작동과 관련된 임의의 그리고 모든 별도의 구성요소들을 포함하는 기구를 지칭한다.
본 발명에 따른 연료 전지 스택 기구(110)의 실시예의 일부가 개략화된 단면도로 도11에 도시된다. 연료 전지 스택 기구(110)는 대체로 양극판(114)으로 분리되는 막 전극 조립체(112)를 포함한다. 단부판(116)은 각 단부에서 상기 기구(110)를 보유한다. 각 막 전극 조립체(112)는 대체로 양극 막 구조부(118), 음극 막 구조부(120) 및 전해질(122)을 포함한다.
양극판(114) 및 단부판(116)은 전형적으로 금속 또는 탄소 충전 폴리머와 같은 전기전도성, 내식성 및 내열성을 갖는 재료로 만들어진다. 양극판(114)의 표면들(124)과 상기 단부판(116)의 내향으로 대면하는 표면들(126)은 전형적으로 연료 및 산화제를 막 전극 조립체(112)로 전달하고 반응의 생성물인 물을 배수하기 위한 채널(128)을 특정한다. 양극판(114)과 단부판(116)의 열전달부(130)는 상기 전지로부터 열을 제거하기 위한 추가적인 표면적을 제공한다.
본 발명에 따르면, 양극판(114) 또는 단부판(116)의 외부면의 모든 또는 임의의 요구되는 부분이 이방성 웨트 표면(28)일 수 있다. 도12에서 예로 도시된 바와 같이, 이방성 웨트 표면(28)은 상기 채널(128)내 물의 배수를 향상시키기 위해 채널(128)의 상기 내향으로 대면하는 표면(132) 상에 제공될 수 있다. 반응 공정 중에 발생하는 수적은 이방성 웨트 표면(28)에서 더 쉽게 요구되는 방향으로 흘러서 상기 물을 중력에 의해 상기 채널(128)로부터 배수시킬 수 있다.
도11에 도시된 바와 같이, 열전달부(140) 및 외부면(134)과 같은 상기 양극 판(114) 또는 단부판(116)의 다른 부분에도 상기 표면에 수집되고 응축되는 물의 배수를 향상시키기 위해 이방성 웨트 표면(28)이 제공될 수 있다. 연료 및 산화제 마니폴드 및 파이프(도시되지 않음), 통기구(도시되지 않음), 및 수납부(enclosure) 표면(도시되지 않음)과 같은 상기 연료 전지 스택 기구의 다른 구성요소에도, 대기 환경과 상기 전지 내 상승된 온도 사이에서 이동하는 습한 가스가 상기 구성요소에 응축되어 발생하는 물을 배수하기 위해 이방성 웨트 표면(28)이 제공될 수 있다. 본 발명에 따른 이방성 웨트 표면(28)은 물의 배수 특성을 향상시키기 위하여 임의의 연료 전지 스택 기구 구성요소의 임의의 요구되는 부분에 제공될 수 있다.
이방성 웨트 유체 접촉 표면의 구조를 이해하기 위하여, 각각 하나의 액체 슬러그(140)를 보유하는 유동 채널(138)을 특정하는 원통형 모세관들(136)이 설명적 목적을 위해 도13a 내지 도13c에 종단면도로 도시된다. 도13a에 상대적으로 평탄한 벽 표면(142)을 구비하는 모세관(136)의 유동 채널(138)이 도시된다. 도13b에는 벽(145) 상에 대체로 대칭성 톱니 형상(144)을 갖는 유동 채널(138)이 도시되며, 상기 톱니 형상(144)은 명료함을 위해 크기가 크게 과장되었다. 도13c에는 벽(147) 상에 비대칭성 톱니 형상(146)을 가져서 본 발명에 따른 이방성 웨트 표면(28)을 형성하는 유동 채널(138)이 도시되며, 상기 비대칭성 톱니 형상(146) 또한 명료함을 위해 크기가 크게 과장되었다.
도13a의 상기 평탄 관(136)에서는, 슬러그(140)의 왼쪽 이동에 저항하는 보 유력(f0)과 오른쪽 이동에 저항하는 보유력(f0)이 동일하다. 유사하게, 도13b의 대칭성 형상(144)을 갖는 상기 관에서는, 슬러그(140)의 왼쪽 이동에 저항하는 보유력(f1)과 오른쪽 이동에 저항하는 보유력(f1)이 동일하다. 그러나 도13c에 도시된 비대칭성 형상(146)을 갖는 상기 관에 대해서, 대체로 유체 유동이 상기 형상(146)에 의해 형성된 정점부와 골부를 가로지른다고 할 때, 슬러그(140)의 왼쪽 이동에 저항하는 보유력(f3)은 오른쪽 이동에 저항하는 보유력(f2)보다 측정 가능할 정도 만큼 적다. 이하에서 보다 상세하게 기재하는 바와 같이, 상기한 보유력의 차이는 상기 표면 형상의 기하구조에 의해 결정된다. 본원에서 기재되는 바와 같은 소정의 관계에 따르도록 비대칭성 표면 형상을 배치하는 것에 의하여, 상기 보유력의 차이는 이방성 웨트 유체 접촉 표면을 생성한다.
도13a 내지 도13c의 액체 슬러그(140)들은, 외부 힘의 영향이 없을 경우, 관성과 마찰을 이겨낼 에너지가 적용되지 않으므로 상기 관(136) 내에 정지하여 잔류하려 할 것임이 이해된다. 도14에 도시된 반지름(R)의 모세관(136) 내에 있는 슬러그(140)에 외부 힘(F)이 가해질 경우, 상기 유체-액체 계면(148, 150)은 상기 적용된 힘의 방향으로 굽어지도록 양 계면(148, 150)이 비틀어질 것이다. 상기 외부 힘(F)은 예를 들어 상기 관의 기울어짐 또는 상기 관의 단부(152)에 적용되는 유체 압력에 의해 발생할 수 있다. 선단(154) 및 후단(156) 접촉선에 존재하는 모세관 힘은 상기 적용된 외부 힘(F)이 임계값(Fi)을 초과할 때까지 슬러그(140)를 고정시 켜 이동을 억제할 것이다. 임계치에 도달하여 Fi가 보유력(fi)과 동일해지면, 상기 슬러그(140)의 비틀어진 계면(148, 150)은 선단 접촉선(154)에서 전진 접촉각(θa)과 후단 접촉선(156)에서 후퇴 접촉각(θr)을 갖는다. 상기 외부 힘(F)이 Fi>fi 되도록 더욱 증가할 경우, 슬러그(140)는 외부 힘(F)에 의해 가압된 방향으로 이동하기 시작할 것이다.
반지름(R)을 갖는 원통형 모세관 내의 초기 이동에 저항하는 상기 보유력(fi)의 크기는 상기 유체-액체 계면 장력(γ), 상기 전진 및 후퇴 접촉각에 의해 결정될 것이며,
fi=kγR(cosθr-cosθa)일 때 (1)
k=2π이다. (2)
상기 표면이 깨끗하고, 평탄하며 결점이 없다면, 상기 보유력은 고유 접촉각(θa,0 및 θr,0)으로 표현될 수 있다.
f0=kγR(cosθr,0-cosθa,0) (3)
표면 거칠기(roughness)는 대체로 평탄 표면에 비해 보유력을 증가시킨다. 이와 같은 증가는 표면 어스페리티 또는 형상과 상기 접촉각의 기하학적 상호작용에 의해 상기 접촉각이 변화하여 발생한다. 도15a 및 도15b에 도시된 바와 같이 슬러그(140)의 상기 접촉선이 기판 표면(158)의 표면 어스페리티 또는 형상(146)과 상호작용하는 것을 고려한다. 기판 표면(158)으로부터의 형상(146)의 상승각은 ωi 로 표시된다. 도15a는 겉보기 전진 접촉각(θa)을 갖고 형상(146)을 가로질러 전진하는 접촉선(162)을 도시한다. 상기 액체는 형상(146)의 면(164)상에서 진전진 접촉각(θa,0)을 보인다. 상기 기판 표면(158)에 대한 상기 겉보기 전진 접촉각(θa)과 진전진각(θa,0)의 차이는 상기 형상에 의해 정해진 상승각(ωi)에 의존한다. 형상(146)과의 상호작용은 θa를 다음과 같이 증가시킨다.
θa=θa,0+ωi (4)
도15b는 겉보기 후퇴 접촉각(θr)을 갖고 상기 동일한 형상(146)을 가로질러 후퇴하는 접촉선(166)을 도시한다. 상기 액체는 형상(146)의 면(164)상에서 진후퇴값(θr,0)을 보인다. 전진하는 경우와 달리, 상기 형상과의 상호작용은 θr를 다음과 같이 감소시킨다.
θr=θr,0-ωi (5)
예를 들기 위해, 모세관(136)의 내부 표면상에 있는 상기 형상(144, 146)이 도16a 및 도16b에 도시된 톱니 또는 래치트(ratchet) 형상을 갖고, 상기 관의 거칠기가 반경 방향으로 대칭적(상기 형상이 단면 모양의 변화 없이 전체 주연부를 둘러서 뻗는다)이라고 가정한다. 도16a에 도시된 바와 같은 상승각(ω1)을 갖는 대칭성 형상(144)에 있어서, 상기 보유력(-f1 및 f1)은 동일하며 웨트은 등방성이다. f1을 산정하기 위한 식은 식(1), (4) 및 (5)의 조합에 의해 유도되며,
f1=kγR[cos(θr,0-ω1)-cos(θa,0+ω1)]이다. (6)
도16에 도시된 바와 같이, 상기 모세관(136)의 내부 표면이 비대칭성 형상(146)을 갖는 경우, 보유력 차이(Δf) 또는 f3와 f2의 차이의 크기는 ω2와 ω3을 통해 표현될 수 있으며:
Δf=f3-f2=kγR[cos(θr,0-ω3)-cos(θa,0+ω3)-cos(θr,0-ω2)+cos(θa,0+ω2)]이다.(7)
기하학적 제한으로 인해, θr,0-ωi는 0°이상이어야 하고, θa,0+ωi는 180°이하이어야 한다. 여러 개의 삼각함수 식을 적용시켜 항을 분리하고 상기 식을 단순화할 수 있다. 보유력(fi)의 일반식은,
fi/kγR=2sin[1/2(θr,0+θa,0)]sin(ωi+1/2Δθ0)이며, (8)
하기의 고유 히스테리시스(Δθ0)로 정리할 수 있으며,
Δθ0=θa,0-θr,0, (9)
상승각(ωi)은, 깨끗하고 평탄한 표면에 대해서는 i=0이고 ω0=1이며; 대칭성 톱니 형상에 대해서는 i=1이고 ω1>0이며; 비대칭성 형상에 대해서는 i=2 또는 3이고 ω2≠ω3이다. 비대칭성 거칠기를 갖는 관을 설명하는 식(7)에서의 보유력 차이(Δf)는 다음과 같이 다시 작성할 수 있다.
Δf=f3-f2=2kγRsin[1/2(θr,0+θa,0)][sin(ω3+1/2Δθ0)-sin(ω2+1/2Δθ0)] (10)
식(8)은 또한 보유력을 비율로 나타내기 위해 사용할 수 있다. 예를 들어, 대응되는 평탄 표면을 갖는 관에 대하여 대칭성 톱니 형상을 갖는 모세관의 보유력은 다음의 비율을 갖는다.
f1/f0=sin(ωi+1/2Δθ0)/sin(1/2Δθ0) (11)
다른 예에서, 보유력이 직경 방향으로 대향(diametrically opposed)한다고 할 때, 비대칭성 톱니 형상을 갖는 관 내에서의 보유력의 비율은 다음과 같이 표현할 수 있다.
f3/f2=sin(ω3+1/2Δθ0)/sin(ω2+1/2Δθ0) (12)
보유력 비율로도 알려진 f3/f2가 1 보다 크거나 작으면, 상기 표면은 이방성 웨트 성향을 보임으로써 이방성 웨트 표면(28)을 형성하는 것이 이해될 것이다. 이방성 웨트의 정도는 보유력이 1에 가까워질수록 감소한다. 1에서는 웨트가 등방성이다.
이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)이 다양한 모양 및 다양한 패턴으로 배치된 비대칭성 형상을 포함할 수 있다는 것이 더 이해될 것이다. 예를 들어, 도16c에 도시된 바와 같이, 이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)은 기판(172) 상의 연속적인 톱니 리지(ridge)(170)를 통해 형성할 수 있다. 다른 예에서는, 도16d 및 도16e에 도시된 바와 같이, 상기 기판(172) 상에 어느 정도 규칙적인 패턴으로 각뿔대(174) 또는 원추대(176) 모양의 어스페리티를 배치할 수 있다. 상기 어스페리티는 또한 거의 모든 비규칙적 모양의 삼차원 고체 또는 공동을 포함하는, 상호 간에 다른 대 향 상승각을 갖는 임의의 다른 비대칭적 모양을 실질적으로 가질 수 있다.
상술한 예에 있어서, 당업자는 임의의 종류의 표면과 임의의 다른 종류의 표면에 대한 보유력의 관계가 표현될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 도17에서는, 예를 들어, 다른 레벨의 고유 히스테리시스(Δθ0)를 갖는 액체/고체 조합에 대하여 대응하는 평탄 관에 대한 대칭성 톱니 형상을 갖는 모세관의 보유력의 비율을 도시한다. 보유력은 상기 관의 상기 표면이 평탄하고 깨끗하더라도 존재하며, 즉, ｜f0｜는 언제나 0보다 크다. ω1가 증가하고 상기 관의 상기 표면이 거칠어지면, 상대적인 보유력은 증가한다. 더 작은 ω1값에 대해서는 f1/f0 증가가 선형적이다. 수학적 용어로는, ω1+1/2Δθ0<1이면 식(11)은 다음과 같이 단순화된다.
f1/f0
Figure 112008026605012-PCT00001
2ω1/Δθ0+1 (13)
도17과 식(13)에 의하면 시스템 내의 고유 히스테리시스가 더 클수록, 상기 표면의 거칠기가 보유력에 미치는 영향은 더 작아질 것이다. 예를 들어, 도17을 사용하여 동일한 지름의 두 개의 관에 대하여, 평탄한 내부 표면을 갖는 하나와 ω1=10°인 톱니 형상을 갖는 다른 하나를 비교할 때, 상기 액체 및 구조 재료가 Δθ0=10°인 고유 히스테리시스를 보이면, 보유력 비율(f1/f0=2.97)은 Δθ0=30°일 때(f1/f0=1.63)보다 매우 크다.
다른 예에서, 도18은 다양한 ω3값에 대하여 도표화한, ω2에 대한 비대칭성 톱니 형상을 갖는 표면의 보유력 비율(f3/f2)을 도시한다. 상기 시스템의 고유 히스테리시스는 Δθ0=10°라고 가정한다. ω2=45°이고 ω3=90°인 래치트 구조의 관에 대해서는 f3/f2=1.30이다. ω2와 ω3의 차이가 커질수록, 상기 두 대향하는 방향으로의 보유력의 불일치가 더 커진다; 만약 ω2=10°이고 ω3=90°이면, f3/f2=3.85이다. 얕은 상승각을 사용할 경우에는 강한 방향에 따른 편향이 생성될 것을 예상할 수 있다. 만약 ω2=1°이고 ω3=10°이면, f3/f2=2.48이다. 다르게는, 만약 ω2=1°이고 ω3=90°이면, f3/f2>9이다.
또 다른 예에서는, 도19는 다른 레벨의 고유 히스테리시스(Δθ0)에 대하여, 상승각(ω2)에 대한 비대칭성 톱니 형상을 갖는 표면의 보유력 비율(f3/f2)의 변화를 도시한다. 본 예에서, ω3=90°이다. 대칭성 형상에서와 같이, 상기 보유력의 비율은 Δθ0의 증가에 따라 감소한다. 예를 들어, ω2=10°이고 ω3=90°인 비대칭성 톱니 형상을 갖는 모세관에서는, 고유 히스테리시스가 Δθ0=10°이면, 보유력의 비율은 f3/f2=3.85이다. 만약 Δθ0가 30°로 증가하면, f3/f2는 2.29로 떨어진다.
상술한 관계는 또한 표면 보유력의 절대 크기(absolute magnitude)를 측정하기 위해 실용적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 평탄한 내부 표면과 R=1mm의 반 지름을 갖는 수평 PTFE관 내의 물 슬러그는, θa,0=108°의 전진 접촉각과 Δθ0=10°의 고유 히스테리시스를 갖는다. 도13a에 도시된 형상을 갖지 않는 관에서는, 상기 슬러그의 변위를 방해하는 보유력이 f0=77μN이다. 따라서, 어느 방향으로의 물 슬러그의 초기 이동도 77μN보다 큰 외부 힘을 필요로 한다. 만약 더 낮은 계면 장력을 갖는 유체-액체 조합이 채용되면, 상기 보유력은 더 작을 것이다.
도13c에 도시된 바와 같이 PTFE관의 내부 표면에 ω2=10°이고 ω3=90°인 비대칭성 톱니 형상을 도입할 경우, Δf=672μN이다. 상기 슬러그를 어느 방향으로 이동하기 위한 외부힘의 크기는, 물론, 평탄 관에서의 값(f2=228μN 및 f3=900μN)에 비하여 더 크다. 도13c에서 보는 바와 같이, 더 작은 보유력(f2)은 오른쪽을 향하므로, 상기 슬러그는 쉽게 왼쪽으로 이동할 것이다. 만약, 상기 관이 충분히 작게 만들어질 경우, 이동을 개시하기 위한 상기 압력 차이는 비교적 클 것이다. 상술한 PTFE관(θa,0=108°,Δθ0=10°,ω2=10°및 ω3=90°)에 대해서는, 만약 상기 관의 지름이 20㎛로 작아지면, 물 슬러그를 한 쪽 방향에 비해 다른 쪽 방향으로 이동시키기 위한 압력 차이는 약 20㎪일 것이다. 따라서, 이와 같은 구조는 마이크로유체 장치의 밸브 또는 게이트에 유용할 것이다.
상기 형상의 크기는 정적 슬러그에 대해서 상대적으로 중요하지 않을 것으로 예상된다. 작은 형상은 큰 것과 동일한 방향-편향성을 갖는 웨트 성향을 나타낼 것이다. 그러나, 일단 슬러그가 이동하기 시작하면, 작은 형상이 큰 것에 비해 유 리하다. 작은 형상은 유동을 덜 혼란시킬 것이다. 만약, 표면 형상이 너무 크면, 와류가 증가되어 유동 저항성이 증가할 것이다. 따라서, 본 발명의 어떤 실시예에 있어서는, 이방성 웨트 유체 접촉 표면(28)을 형성하는 어스페리티의 평균 크기는 대체로 500㎛보다 작을 것이며, 다른 실시예에서는 대체로 10㎛보다 작으며, 또한 다른 실시예에서는 100nm보다 작다.
비록 본원에서는 원형 단면을 갖는 모세관에 대한 분석에 집중하지만, 이는 비원형 관 및 고착된 액적에도 적용된다. 식(1)은 예비인자(k)만 다르다. 또한, 당업자는 유동의 개시와 함께 액체 점성, 관성 또는 수직 변위와 같은 추가적인 힘이 고려되어야 함을 이해할 것이다.
도20은 외부힘(Fi)의 영향을 받는 정지 고착 액적(180)의 측면도이다. 상기 외부힘은 액적(180)의 모양을 비틀어서 앞쪽으로 "기울도록" 한다. 도시된 바와 같이, 액적(180)은 보유력과 외부힘이 동일한(fi=Fi) 임계 상태에 도달하였다. 이와 같은 임계 구성에서, 전단 에지(edge)에서의 액적의 접촉각은 전진 값(θa)을 갖고, 후단 에지에서는 후퇴 값(θr)을 갖는다. 만약 Fi이 약간 증가하면, 액적(180)은 움직이기 시작한다. 모세관에서의 액체 슬러그와 관련된 보유력을 설명하는 일반식은 또한 고착 액적과 관련된 보유력을 설명한다.
fi=kγR(cosθr-cosθa)에서, (1)
이 경우 액적 폭은 2R이고, 예비인자(k)는 상기 접촉선의 모양에 의존한다. 만약 고착 액적의 접촉선이 원형일 경우,
k
Figure 112008026605012-PCT00002
1.5 이다. (22)
만약 액적이 외부힘에 의해 길어지면 k는 증가한다.
작은 지름의 모세관 내에 있는 액체 슬러그의 이동을 개시하기 위해서는, 접촉선에 작용하는 계면 장력과 관련된 보유력을 극복하기 위한 최소한의 외부힘이 인가되어야 한다. 상기 보유력의 크기는 상기 유체-액체 계면 장력과 표면 거칠기에 따라서 증가한다. 만약 상기 표면 거칠기가 대칭성 형상을 포함하는 것이면, 초기 운동에 대한 상승된 저항은 모세관의 축에 따라서 양쪽 방향으로 동일하게 작용하고, 웨트은 등방성이다. 상기 형상이 비대칭적이면, 상기 보유력은 한 쪽 방향으로 더 작으며, 웨트은 이방성이 된다. 표면 형상의 비대칭성이 커질수록, 상기 대향하는 방향으로의 보유력의 불일치는 더 커질 것이다. 표면 형상의 적절한 설계를 통해, 상기 보유력 차이(Δf)는 5배 넘게 커질 수 있다. 최소의 고유 접촉각 히스테리시스를 보이는 액체-고체 조합은 더 큰 교정(rectification)을 보일 것으로 예상된다.
대체로, 상기 유체 취급 장치가 만들어지는 상기 기판 재료는 비대칭성인 마이크로 또는 나노 규모의 어스페리티가 적절하게 형성될 수 있는 임의의 일반 소액체성 또는 초비친화성 재료일 수 있다. 상기 어스페리티는, 포토리소그래피 또는 여러 적절한 방법 중에 임의의 방법으로 기판 재료 그 자체에 직접적으로 형성되거나, 기판 재료상에 증착된 하나 이상의 상이한 재료층에 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 마이크로 규모의 어스페리티는 텍스쳐가 형성된 주형 또는 스탬프 공구를 사용하여 공지된 몰딩 및 스탬핑 방법으로 형성될 수 있다. 상기 공정은 사출 성형, 텍스쳐링된 칼렌더 롤을 이용한 압출, 압축 성형 공구, 또는 마이크로 규모의 에스페리티를 형성하기에 적합한 임의의 다른 공지된 공구 또는 방법을 포함할 수 있다.
요구되는 모양과 간격으로 더 작은 규모의 어스페리티를 형성하기 위한 적절한 방법은 미국 특허 출원 공보 제2002/00334879호에서 개시되는 나노기계가공, 미국 특허 제5,725,788호에서 개시되는 마이크로스탬핑, 미국 특허 제5,900,160호에서 개시되는 마이크로접촉 인쇄, 미국 특허 제5,609,907호에서 개시되는 자기조립 금속 콜로이드 단층, 미국 특허 제6,444,254호에서 개시되는 마이크로스탬핑, 미국 특허 제5,252,835호에서 개시되는 원자간력 현미경 나노기계가공, 미국 특허 제6,403,388호에서 개시되는 나노 기계 가공, 미국 특허 제6,530,554호에서 개시되는 솔-겔 성형, 미국 특허 제6,518,168호에서 개시되는 표면의 자기조립 단층 안내 패터닝(self-assemblied monolayer directed patterning of surfaces), 미국 특허 제6,541,389호에서 개시되는 화학적 에칭, 미국 특허 출원 공보 제2003/0047822호에서 개시되는 솔-겔 스탬핑(sol-gel stamping)을 포함하며, 이들 모두는 본원에서 전체로서 참조된다. 탄소 나노튜브 구조 또한 요구되는 어스페리티의 기하구조를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 탄소 나노튜브 구조의 예는 미국 특허 출원 공보 제2002/0098135호 및 제2002/0136683호에서 개시되며, 이들 또한 본원에서 전체로서 참조된다. 또한, 콜로이드 잉크 인쇄의 공지된 방법을 사용하여 적절한 어스페리티 구조를 형성할 수 있다. 물론, 마이크로/나노 규모의 어스페리티를 정확하게 형성할 수 있는 다른 방법들이 또한 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 마이크로 또는 나노 규모의 어스페리티를 형성하기에 적절한 포토리소그래피 방법이 PCT 특허 출원 공보 WO 02/084340에서 개시되며, 이는 본원에서 전체로서 참조된다.
본 발명의 이방성 웨트 표면은 무수한 용도로 유용할 것으로 예상된다. 예를 들어, 파이프, 관, 피팅, 밸브 및 다른 장치와 같은 유체 취급 시스템의 웨트 부분에 이방성 웨트 표면이 적용되면, 유체 마찰 및 와류를 상당히 감소시킬 수 있다. 중요한 세정 공정의 효율성은 빠른 건조 시간과, 건조 후 표면상에 잔류하는 화학적 이월 잔류물을 감소시켜 개선할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 이방성 웨트 표면은 크게 개선된 상기 표면의 방향성 배수를 통해 바이오-필름 표면상의 생물 증식을 막는데 부분적으로 기여함이 예상된다.
이방성 웨트 표면은 초비친화성 표면에도 적용될 수 있다. 초비친화성 웨트 표면은 후술하고 본원에서 전체로서 참조되는 다음의 미국 특허 및 미국 특허 출원 공보에 기재된다. 미국 특허 출원은 제10/824,340호; 제10/837,241호; 제10/454,743호; 제10/454,740호이며 미국 특허는 제6,845,788호이다. 상기 참조한 출원과 특허의 개시 내용을 본 출원을 함께 이용하여 이방성 웨트 특성 및 초비친화성 특성을 모두 보이는 표면을 설계할 수 있다.
본 발명은 그 주요 속성을 벗어나지 않으면서 다른 특정 형태로 실시할 수 있으며, 따라서 상기 설명된 실시예와 관련된 모든 내용은 제한적이 아니라 설명적이고, 본 발명의 범주는 상술한 상세한 설명이 아니라 첨부되는 청구항을 통해 나 타난다.

Claims (20)

  1. 이방성 웨트 표면부를 구비한 유체 취급 장치이며, 상기 이방성 웨트 표면 부는:
    복수의 실질적으로 균일한 모양의 마이크로 규모 또는 나노 규모의 비대칭성 어스페리티를 그 위에 갖는 기판을 포함하고,
    상기 어스페리티 각각은 상기 기판에 대하여 제1 어스페리티 상승각 및 대향하는 제2 어스페리티 상승각을 특정하고, 상기 어스페리티들은 다음의 식에 따라 결정되는 1 보다 크거나 작은 보유력 비율(f3/f2)을 제공하도록 구성되고,
    f3/f2=sin(ω3+1/2Δθ0)/sin(ω2+1/2Δθ0)
    여기서 상기 ω2는 도(°) 단위의 제1 어스페리티 각이고, 상기 ω3는 도(°) 단위의 제2 어스페리티 각이고, 상기 Δθ0=(θa,o-θr,0)에서, 상기 θa,o는 표면과 접촉하는 유체의 도(°) 단위의 진전진 접촉각이고, 상기 θr, 0는 표면과 접촉하는 유체의 도(°) 단위의 진후퇴 접촉각인, 이방성 웨트 표면부를 구비한 유체 취급 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 어스페리티들은 돌출부인 이방성 웨트 표면부를 구비한 유체 취급 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 어스페리티들은 다면체(polyhedral) 모양인 이방성 웨트 표면부를 구비한 유체 취급 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 각 어스페리티는 대체로 정사각형(square)의 횡단면을 갖는 이방성 웨트 표면부를 구비한 유체 취급 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 어스페리티들은 원통, 타원기둥(cylindroidal), 원뿔 또는 원추대 모양인 이방성 웨트 표면부를 구비한 유체 취급 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 어스페리티들은 기판 내에 형성된 공동인 이방성 웨트 표면부를 구비한 유체 취급 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 어스페리티들은 실질적으로 균일한 배열로 위치되는 이방성 웨트 표면부를 구비한 유체 취급 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 어스페리티들은 직사각형의 배열로 위치되는 이방성 웨트 표면부를 구비한 유체 취급 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 유체 취급 장치는 마이크로유체 장치인 이방성 웨트 표면부를 구비한 유체 취급 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 유체 취급 장치는 연료 전지 구성요소인 이방성 웨트 표면부를 구비한 유체 취급 장치.
  11. 유체 취급 장치상의 이방성 웨트 표면의 방법이며,
    표면을 제공하는 유체 취급 장치를 제공하는 단계와;
    이방성 웨트 표면을 형성하도록 복수의 실질적으로 균일한 모양의 마이크로 규모 또는 나노 규모의 어스페리티를 상기 유체 취급 장치의 상기 표면상에 배치하는 단계를 포함하며,
    상기 어스페리티 각각은 상기 표면에 대하여 제1 어스페리티 상승각 및 제2 어스페리티 상승각을 갖고, 상기 어스페리티들은 다음의 식에 따라 결정되는 1 보다 크거나 작은 보유력 비율(f3/f2)을 제공하도록 구성되고 배치되고,
    f3/f2=sin(ω3+1/2Δθ0)/sin(ω2+1/2Δθ0)
    여기서 상기 ω2는 도(°) 단위의 제1 어스페리티 각이고, 상기 ω3는 도(°) 단위의 제2 어스페리티 각이고, 상기 Δθ0=(θa,o-θr,0)에서, 상기 θa,o는 표면과 접촉하는 유체의 도(°) 단위의 진전진 접촉각이고, 상기 θr, 0는 표면과 접촉하는 유체의 도(°) 단위의 진후퇴 접촉각인, 유체 취급 장치상의 이방성 웨트 표 면의 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 어스페리티들은 포토리소그래피 공정을 이용하여 배치되는, 유체 취급 장치상의 이방성 웨트 표면의 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 어스페리티들은 나노기계가공, 마이크로스탬핑, 마이크로접촉 인쇄, 자기조립 금속 콜로이드 단층, 원자간력 현미경 나노기계가공, 솔-겔 성형, 자기조립 단층 안내 패터닝(self-assembled monolayer directed patterning), 화학적 에칭, 솔-겔 스탬핑, 콜로이드 잉크 인쇄 및 상기 기판상에 평행하게 탄소 나노 튜브의 층을 배치하는 것으로 이루어지는 군으로부터 선택된 공정을 이용하여 배치되는, 유체 취급 장치상의 이방성 웨트 표면의 방법.
  14. 복수의 실질적으로 균일한 모양의 마이크로 규모 또는 나노 규모의 비대칭성 어스페리티들을 그 위에 갖는, 이방성 웨트 표면을 포함하는 유체 취급 장치이며,
    상기 어스페리티 각각은 상기 기판에 대하여 제1 어스페리티 상승각 및 대향하는 제2 어스페리티 상승각을 특정하고, 상기 어스페리티들은 다음의 식에 따라 결정되는 1 보다 크거나 작은 보유력 비율(f3/f2)을 제공하도록 구성되고,
    f3/f2=sin(ω3+1/2Δθ0)/sin(ω2+1/2Δθ0)
    여기서 상기 ω2는 도(°) 단위의 제1 어스페리티 각이고, 상기 ω3는 도 (°) 단위의 제2 어스페리티 각이고, 상기 Δθ0=(θa,o-θr,0)에서, 상기 θa,o는 표면과 접촉하는 유체의 도(°) 단위의 진전진 접촉각이고, 상기 θr, 0는 표면과 접촉하는 유체의 도(°) 단위의 진후퇴 접촉각인, 이방성 웨트 표면을 포함하는 유체 취급 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 유체 취급 장치는 관 모양인 이방성 웨트 표면을 포함하는 유체 취급 장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 유체 취급 장치는 밸브인 이방성 웨트 표면을 포함하는 유체 취급 장치.
  17. 제14항에 있어서, 상기 유체 취급 장치는 마이크로유체 장치인 이방성 웨트 표면을 포함하는 유체 취급 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 유체 취급 장치는 연료전지 부품인 이방성 웨트 표면부를 구비한 유체 취급 장치.
  19. 유체 취급 장치를 세정하는 방법이며:
    이방성 웨트 표면을 제공하는 유체 취급 장치를 제공하는 단계와,
    상기 이방성 웨트 표면을 상기 유체와 접촉하는 단계를 포함하며,
    상기 이방성 웨트 표면은 복수의 실질적으로 균일한 모양의 마이크로 규모 또는 나노 규모의 비대칭성 어스페리티를 그 위에 갖는 기판을 포함하고,
    상기 어스페리티 각각은 상기 기판에 대하여 제1 어스페리티 상승각 및 대향하는 제2 어스페리티 상승각을 특정하고, 상기 어스페리티들은 다음의 식에 따라 결정되는 1 보다 크거나 작은 보유력 비율(f3/f2)을 제공하도록 구성되고,
    f3/f2=sin(ω3+1/2Δθ0)/sin(ω2+1/2Δθ0)
    여기서 상기 ω2는 도(°) 단위의 제1 어스페리티 각이고, 상기 ω3는 도(°) 단위의 제2 어스페리티 각이고, 상기 Δθ0=(θa,o-θr,0)에서, 상기 θa,o는 표면과 접촉하는 유체의 도(°) 단위의 진전진 접촉각이고, 상기 θr, 0는 표면과 접촉하는 유체의 도(°) 단위의 진후퇴 접촉각인, 유체 취급 장치를 세정하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 유체가 상기 이방성 웨트 표면상에서 이동하도록 상기 유체 취급 장치 또는 상기 유체에 힘을 가하는 단계를 더 포함하는 유체 취급 장치를 세정하는 방법.
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