KR20100003299A - 패터닝된 다공성 통기 재료 - Google Patents

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Abstract

개구를 갖는 통기 장치 내부에 패터닝된 가스 투과성 통기 재료가 고정된다. 통기 재료는 개구의 액밀식(液密式) 가스 투과성 시일을 형성한다. 패터닝된 재료는 기공율이 80 % 미만이고, 표면 만입부의 깊이가 12 미크론이 넘는 PTFE막을 포함한다.

Description

패터닝된 다공성 통기 재료{PATTERNED POROUS VENTING MATERIALS}
본 발명은 액체 노출 이후에 패턴이 실질적인 재료의 가스 투과성을 유지하는 데 기여하는 패터닝된 다공성 가스 투과성 재료에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 표면 장력이 낮은 점성 유체를 포함하는 통기 시스템에서 그러한 패터닝된 재료를 사용하는 것에 관한 것이다.
많은 엔클로져(enclosure)는 엔클로져 내부 체적과 외부 대기의 임의의 압력차를 경감하기 위해서 엔클로져 외부의 대기로의 통기를 필요로 한다. 그러한 통기는 내부에 포함된 액체의 온도 변동, 높이 변화 및 증기압으로 인해 필요할 수 있다. 통기부는 압력 평형을 위한 가스 흐름을 허용하는 한편, 액체 진입과 입자 오염을 방지한다. 통기부로서 다공성 재료를 사용하는 수요 영역으로는 자동차, 전자 장치, 산업, 의학 및 포장이 있으며, 이것으로 제한되지 않는다. 팽창 PTFE(expanded PTFE; ePTFE)는 이들 어플리케이션에 공지되어 있는 다공성 통기 재료이다. 그러나, 이러한 통기 재료가 표면 장력이 낮은 점성 유체에 노출되는 경우에는 가스 투과성의 손실을 관찰할 수 있다. 통기 재료 상에 남아 있는 잔여 액막 또는 액적은 가스 흐름을 위해 이용 가능한 통기 면적을 제한할 수 있다. 유체는 통기 재료의 표면 상에서 건조되고 굳을 수 있어, 전체 표면에 불투과성 막층이 남겨지고, 이에 따라 가스 투과성을 제거하는 것에 의해 통기가 불가능해진다. 본 명세서에서 사용되는 "가스 투과성"이라는 용어는 재료가 이 재료를 가로지르는 가스의 압력차의 영향을 받을 때 가스가 제1 측면에서 제2 측면으로 흐르게 하는 2개의 측면을 갖는 재료의 특성을 뜻한다. 공기 투과성은, 예컨대 걸리 넘버(Gurley number)를 특징으로 할 수 있다.
유체 노출 후에, 특히 통기부가 표면 장력이 낮은 점성 유체에 노출된 경우에 적절한 공기 흐름을 갖는 다공성 재료가 필요하다.
일양태에서, 내부에 엔클로져를 통기하기 위한 개구를 갖는 통기 장치가 마련된다. 통기 장치는 이 통기 장치 내에 고정되고 개구의 액밀식(液密式) 가스 투과성 시일을 형성하는 다공성 통기 요소를 포함한다. 다공성 통기 요소는 기공율이 80 % 미만이고, z축차가 적어도 12 미크론인 적어도 하나의 표면 만입부를 포함한다.
다른 양태에서, 액밀식 엔클로져를 통기하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 엔클로져에 개구를 마련하고, 기공율이 80 % 미만인 다공성 폴리머를 마련하며, 상기 다공성 폴리머 표면의 일부에 깊이가 12 미크론을 넘는 만입부를 형성하고, 개구의 액밀식 가스 투과성 시일을 형성하도록 개구를 다공성 폴리머로 덮는 것을 포함한다.
또 다른 양태에서, 패터닝된 소유성(疎油性) 물품은 도전 유체에 대한 노출후에 공기 흐름 회복율이 패터닝되지 않은 베이스 물품에 비해서 5 % 넘게 크다. 보다 바람직하게는, 공기 흐름 회복율은 패터닝되지 않은 베이스 물품에 비해 10 % 넘게 크다. 가장 바람직하게는, 공기 흐름 회복율은 패터닝되지 않은 베이스 물품에 비해 15 % 넘게 크다. 여기에서, 패터닝되지 않은 베이스 물품은 도전 유체에 대한 노출이 일어난 후에도 흐름 회복을 갖지 않는다(0 %).
또 다른 양태에서, 내부에 엔클로져를 통기하기 위한 개구를 갖는 통기 장치가 제공된다. 통기 장치는 내부에 고정되고 개구의 액밀식 가스 투과성 시일을 형성하는 다공성 통기 요소를 포함한다. 다공성 통기 요소는 통기 장치가 액체 접촉후에 다공성 통기 요소의 효과적인 압력 감소를 제공하도록 적어도 하나의 표면 만입부를 포함한다.
다른 양태에서, 패터닝된 소수성 물품은 도전 유체에 대한 노출이 일어난 후에 공기 흐름 회복율이 패터닝되지 않은 베이스 물품에 비해 5 % 넘게 크다. 보다 바람직하게는, 공기 흐름 회복율은 패터닝되지 않은 베이스 물품에 비해 10 % 넘게 크다. 가장 바람직하게는, 공기 흐름 회복율은 패터닝되지 않은 베이스 물품에 비해 15 % 넘게 크다. 여기에서 패터닝되지 않은 베이스 물품은 도전 유체에 대한 노출이 일어난 후에 흐름 회복율이 약 17 %이다.
도 1은 통기 장치를 보여주는 도면이다.
도 2는 통기되는 엔클로져를 보여주는 도면이다.
도 3은 패터닝된 통기 재료의 표면 토포그래피를 보여주는 도면이다.
도 4는 패터닝된 다공성 통기 재료의 단면도이다.
도 5는 패턴 형상을 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 6a는 공기 흐름 회복율 테스트 장치를 보여주는 도면이다.
도 7은 엠보싱 가공 장치의 개략도이다.
도 8은 만입부의 광 형상 측정 이미지이다.
본 발명의 패터닝된 다공성 통기 재료는 표면 장력이 낮은 점성 유체에 대한 노출후에 실질적인 가스 투과성을 제공한다. "실질적인 가스 투과성"은 (유체 노출후의) 공기 흐름 회복율이 패터닝되지 않은 베이스 재료의 공기 흐름 회복율보다 적어도 5 % 크다는 것을 의미한다. "표면 장력이 낮은 점성 유체"는 점도가 50 cP(센티푸아즈)보다 크고 표면 장력이 35 mN/m 미만인 유체를 의미한다. 그러한 유체에 관련된 어플리케이션에서, 패터닝된 다공성 통기 재료는 기지의 통기 재료의 단점을 극복한다. 패터닝된 다공성 통기 재료는 통기 장치에서 사용될 수 있다. 통기 장치는 내부에 통기를 허용하는 개구를 갖는 통기 본체를 포함할 수 있다.
패터닝된 다공성 통기 재료는 개구의 액밀식 가스 투과성 시일을 형성하도록 통기 본체에 고정될 수 있다. 통기 장치는 액밀식 엔클로져에서 사용될 수 있다. "액밀식"은 누설없이 적어도 0.5 psi의 입수 압력(water entry pressure)을 견딜 수 있는 시일 또는 엔클로져를 의미한다. 예로는 액체를 에워싸는 컨테이너 또는 컴퓨터 디스크 드라이브, 자동차 엔진 제어 유닛 또는 자동차 헤드 램프에서와 같은 전자 장치 엔클로져가 있다.
통기 본체(42)는 인서트, 캡 또는 성형부품의 형태를 취할 수 있다. 다른 양태에서, 도 2에 도시한 바와 같이 엔클로져는 내부에 포함된 통기 본체를 가질 수 있다. 간단한 형태에서, 엔클로져는 통기를 제공하도록 상부가 다공성 통기 재료로 시일된 개구를 가질 수 있다.
바람직하게는, 통기 본체는 폴리머 재료로 구성되는데, 이 폴리머 재료는 통기 본체에 다공성 복합재 물품을 열실링(heat sealing)하는 것을 포함하는 쉬운 처리를 용이하게 한다. 이러한 통기 본체는 다양한 형상 및 형태로 구성될 수 있고, 엔클로져 상에 임의의 방위(수직 방향, 수평 방향 또는 소정 각도로 경사짐)로 설치될 수 있다. 통기 본체를 엔클로져에 부착하는 수단은 의도된 통기 어플리케이션에 좌우된다. 예시적인 부착 수단으로는 억지 끼워맞춤식 이음쇠, 나사 또는 접착제가 있다. 이와 같이, 통기 본체는 부착을 향상시키기 위해 바브(barb), 나사 등을 포함할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 통기 장치(40)는 가스용 통로(45)를 갖는 통기 본체(42)와, 통기 재료(47)를 포함할 수 있다. 통기 재료(47)는 통로(45)의 액밀식 가스 투과성 시일을 형성할 수 있다.
패터닝된 다공성 통기 재료는 엔클로져에서 통기 요소로서 사용될 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 통기 재료(47)는 유리하게는 액체(38)를 수용하거나 액체를 차단하는 엔클로져(32)에 있는 개구(36)의 액밀식 시일(34)을 형성하는 데 사용될 수 있다. 예시한 실시예에서, 통기 재료(47)는 가스 팽창, 화학물의 가스 제거 등에 필요한 가스 투과성을 제공한다. 다공성 통기 재료(47)의 표면은 엠보싱 가공된 표면 패턴(24)을 갖는다. 액체 세제 용기와 같은 이러한 어플리케이션에서는 액체가 수용되지만, 패터닝된 다공성 통기 재료가 가스 투과성을 제공한다. 가스 투과성은 열 사이클링으로 인한 엔클로져 변형 또는 파손을 방지할 수도 있고, 액체의 가스 제거를 허용할 수도 있다. 다른 실시예에서, 패터닝된 다공성 통기 재료는 엔클로져에 액체가 침입하는 것을 방지하는 데 사용될 수 있다.
패터닝된 다공성 통기 재료는 사실상 유기질일 수도 있고 무기질일 수도 있다. 바람직하게는, 다공성 폴리머 막으로 이루어진 재료가 사용된다. 바람직한 다공성 폴리머 막 재료로는 초고분자량 폴리에틸렌(Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PolyVinyliDene Fluoride; PVDF), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 셀룰로오스 아세테이트(Cellulose acetate), 폴리술폰(Polysulfone), 폴리에테르술폰(Polyethersulfone), 테트라플루오로에틸렌/헥사플루오로프로필렌코폴리머(tetrafluoroethylene/hexafluoropropylenecopolymer)(FEP), 테트라플루오로에틸렌/퍼플루오로알킬 비닐 에테르 코폴리머(tetrafluoroethylene/perfluoroalkyl vinyl ether copoylmer)(PFA) 및 PTFE를 함유하는 모노머로 이루어진 폴리머가 있으며, 이것으로 제한되지 않는다. 보다 바람직하게는 다공성 PTFE로 이루어진 재료가 사용된다.
도 3은 패터닝된 통기 재료의 평면도이고, 도 4는 패터닝된 통기 재료의 부분 단면도이다. 패터닝된 토포그래피는 재료 표면에 있는 하나 이상의 만입부(10)에 의해 형성될 수 있다. 이들 만입부는 또한 도 4에 도시한 바와 같은 x, y, z 직교 좌표계를 이용하여 3차원으로 정의될 수 있다. 2차원 x-y 평면은 통기 재료의 외면에 대응하고, 통기 재료의 두께 방향(z축)과 직교한다. z축은 통기 재료의 두께 방향과 평행하고, 통기 재료의 표면과 직교한다. 만입부의 z축차(12), 즉 깊이는 패터닝된 표면(14) 상부에서 만입부의 최내측면(16)까지의 거리이다. z축차는 광 형상 측정(optical profilometry)을 이용하여 측정할 수 있다.
z축차가 12 미크론보다 큰 패터닝된 통기 재료가 바람직하다. 더욱이, z축차가 20 미크론보다 큰 통기 재료가 더 바람직하다. 만입부의 패턴 및 형상은 통기 재료 표면의 2차원 x-y 평면에 형성되고, 임의의 형태를 취할 수 있다. 하나 이상의 만입부는 만입부 어레이로 구성된다. (통기 재료 표면의 x-y 평면에서) 25 미크론 내지 5 ㎠의 면적을 차지하는 만입부 또는 만입부 어레이가 바람직하다. 만입부 또는 만입부 어레이는 최대 90 %의 통기 재료 면적 적용 범위를 가질 수 있다. 통기 재료의 x-y 평면에 있어서의 주어진 표면적에 대하여, 면적 적용 범위의 백분율은 통기 재료의 전체 표면적에 대한 만입부 또는 만입부 어레이가 차지하는 면적으로 정의된다.
바람직한 패턴 형상은 정사각형, 원형, 선, 다각형, 아메바 형상, 폭이 유한한 스플라인(spline) 및 이들의 조합을 포함- 이것으로 제한되지 않음 -하는 단순한 단일 형상 그룹으로부터 선택될 수 있다. 패턴은 또한 상기 단순한 단일 형상의 복잡한 조합을 포함하는 복잡한 형상을 취할 수 있다. 패턴 형상은 규칙적일 수도 있고 불규칙적일 수도 있다. 패턴은 규칙적인 간격으로나 무작위로 방향이 변하는 연속적인 곡선을 갖는 비표준 형상의 것일 수 있다. 다른 형상은 또한 알 파벳 또는 숫자와 문자를 포함할 수도 있다. 또한, 패턴은 단순한 규칙적인 어레이와, 무작위적인 분포 또는 프랙탈 패턴을 시뮬레이팅하기 위해 형성된 더 복잡한 어레이를 포함하는 상기 형상의 조합으로 형성될 수 있다.
예시적인 패턴은 도 5에 도시한 것들을 포함하며, 이것으로 제한되지 않는다. 도 5에 도시한 형상은 삼각형(13F), 별(13E) 형상과 같은 단순한 형상과, 원형 어레이(7A), 정사각형 어레이(7B), 직사각형 어레이(7C), 오각형 어레이(13C)로 도시한 바와 같은 간단한 형상의 어레이, 그리고 (13G) 및 (13B)로 도시한 패턴을 포함하는 몇몇 비표준 조합을 포함한다.
통기 재료 표면 상의 다공성 구역과 비다공성 구역의 패턴은 압력 및/또는 열에 의한 엠보싱 가공, 레이저 제거, 마스크식 플라즈마 처리, 기계적 스크래칭이나 조각, 마이크로 접촉 인쇄(micro-contact printing), 마스크식 화학적 기상 증착, 마스크식 코팅, 잉크젯 인쇄 및 샌드 블라스팅을 포함- 이것으로 제한되지 않음 -하는 기술을 통해 구현될 수 있다. 일반적으로, 패터닝 조건은 통기 어플리케이션에서 사용되는 유체에 대한 재료의 불투과성을 손상시키지 않는 방식으로 재료를 천공하지 않도록 제어되어야 한다.
통기 재료는 1 온스 또는 5 온스의 구리와 폴리머 포토마스크로 포토리소그래피식으로 패터닝된 스탬프를 이용하여 엠보싱 가공될 수 있다. 엠보싱 가공은 압력을 이용하여 통기 재료에 패터닝된 스탬프를 가압하는 것에 의해 실시된다. 유압 프레스가 통기 재료의 표면에 패턴이 엠보싱 가공되도록 압축력을 형성하는 데 사용될 수 있다.
패턴은 또한 메쉬, 스크림(scrim), 부직포 층과 같은 개구 재료에 다공성 통기 재료를 적층하는 것을 통해 얻을 수 있다. 개구 재료에 통기 재료를 적층하는 것은 열과 압력에만 관련되거나 폴리머 접착제와 관련된다. 폴리머 접착제는 웹(web), 분말, 도트 매트릭스 패턴으로 롤오프(roll off)되거나, 코팅되거나, 분사되거나 인쇄되는 고온 용융물 또는 액체 형태일 수 있다. 상기 재료는 압축력을 인가하는 닙 롤러(nip roller)를 통과하여 이동한다. 롤러는 접착제를 용용시켜 통기 재료와 개구 재료를 접합시키도록 가열될 수 있다. 이렇게 하여 통기 재료 상에 형성된 패턴의 형상은 개구 재료 특성의 기능이다,
패터닝된 다공성 통기 재료는 소유성으로 될 수 있고, 이에 따라 표면 장력이 낮은 액체에 대한 저항을 필요로 하는 소정 통기 어플리케이션에 적용 가능하게 된다. "소유성"이라는 것은 AATCC 테스트법 118-2002 오일 등급이 적어도 2인 물품을 의미한다. 여러가지 기술 중 한가지는 미국 특허 제5,116,650호에 설명되어 있는 바와 같은, 퍼플루오로다이옥솔 폴리머 용액을 이용하여 패터닝된 재료를 코팅하는 것을 포함한다. 코팅은 또한 패턴을 형성하기 전에 통기 재료에 도포될 수 있다.
패터닝된 다공성 물품은 적층제로서 구성될 수 있다. 적층체는 지지물(backer) 상에 패터닝된 다공성 막을 지지하는 것에 의해 구성될 수 있다. 백커는 보다 구조적인 지지를 제공하고 또한 엔클로져에 통기 재료를 부착하는 데 기여할 수 있다. 적절한 공기 투과성 백커는 니트, 부직포, 스크림, 멜트블로운(melt-blown), 직조물, 메쉬, 발포체 등과 같은 공기 투과성 매체의 형태일 수 있다. 백 커는 고온 롤 적층, 접착제, 초음파 접합과 같은 기지의 방법을 통해 패터닝된 다공성 통기 재료에 고정될 수 있다.
이하에 제공하는 비제한적인 예에 관하여 본 발명을 더 설명하겠다.
예
테스트 방법
표면 장력 측정
Kruss Laboratory Desktop Software version 2.0.0.2207을 실행시키는 Kruss K12 hardware bios version 4.04를 사용하는 것에 의해 Whilhelmy 플레이트 방법을 사용하여 도전 유체의 표면 장력을 측정하였다. Whilhelmy 플레이트 침지는 플레임드 Kruss 표준 백금 플레이트(flamed Kruss standard platinum plate)와 소프트웨어 디폴트 딥 파라메터(software default dip parameter)를 이용하여 수행하였다.
점도 측정
UL 저체적 스핀들과 튜브 부속품을 지닌 Brookfield DⅦ+ 점도계를 이용하여 점도를 측정하였다. 점도는 22.5 ℃의 온도, 30 RPM, 36.7 second-1의 전달율에 대해 센티푸아즈(cP) 단위로 기록된다. 점도는 토크에 의해 허용된 최대 RPM으로 이미 작동된 샘플에 대해서 30 RPM에서 5분후에 판독하였다.
밀도 측정 & 기공율 계산
패터닝되지 않은 통기 재료 샘플을 다이컷팅하여 소정 길이와 폭의 섹션을 형성하였다. 상기 섹션의 질량은 분석용 저울(analytical balance)을 사용하여 측정하였다. 상기 섹션의 두께는 스냅 게이지를 이용하여 측정하였다. 이들 데이터를 이용하여, 다음 공식에 의해 밀도를 계산하였다.
Figure 112009071017795-PCT00001
[식 1]
상기 식 1에서 ρ= 밀도(g/cc); m = 질량(g); w = 폭(cm); l = 길이(cm); 및 t = 두께(cm)이다.
패터닝되지 않은 베이스 통기 재료의 기공율은 백분율 기공율로 나타냈고, 1에서 (앞서 설명한) 패터닝되지 않은 통기 재료의 평균 밀도의 비율과 PTFE의 벌크 밀도의 비율을 감산한 후, 이렇게 하여 얻은 값에 100 %을 곱하는 것에 의해 결정하였다. 이러한 계산을 위해, PTFE의 벌크 밀도는 2.2 g/cc가 되게 취하였다.
도전 유체
3개의 대표적인 도전 유체를 조제하여 유체 노출후에 공기 흐름 회복율 테스트와 압력 감소 테스트를 위해 사용하였다. 이들 유체의 특성은 아래의 표에 기입되어 있다. 오일 등급이 적어도 2인 소유성 물품의 경우, 공기 흐름 회복율과 압력 감소 테스트를 위해 유체 V57S24와 V57S27를 사용하였다. 소수성 물품의 경우, 유체 V51S34를 사용하였다. "소수성"이라는 용어는 물 접촉각(water contace angle)이 90도를 넘는, 물로 적시기가 매우 어려운 표면을 갖는 재료를 의미한다.
유체 점도 (cP) 표면 장력 (mN/m) 성분(단위 질량당 비율)
V57S27 57 27 증류수 : (92) Tergitol® TMN6 : (1) PVP : (7)
V57S24 57 24 증류수 : (92) Tegopren® 5847 : (1) PVP : (7)
V51S34 51 34 증류수 : (19) Tween® 80 : (1) Glycerol : (80)
성분을 혼합하고, 한시간 동안 교반한 후, 즉시 테스트를 위해 사용하였다. 조제된 유체에 사용된 성분은 다음과 같다. 증류수, 글리세롤(99.5+% 분광 광도 등급, Sigma-Aldrich Chemical, 카탈로그 제191612호), PVP(폴리비닐피롤리돈 1,300,000 Mw, Sigma-Aldrich Chemical, 카탈로그 제437190호), Tween® 80(Sigma Aldrich Chemical, 카탈로그 제274364호), Tegopren® 5847((Degussa Chemical) 및 Tergitol® TMN6(Dow Chemical)
유체 노출후의 공기 흐름 회복율 테스트
도 6 및 도 6a에는 공기 흐름 회복율 테스트를 위해 사용되는 장치가 예시되어 있다. 통기 재료(100)는 상부판(102)과 하부판(104) 사이에서 시일된다. 상부판과 하부판 각각은 직경이 2.54 cm인 오리피스를 포함한다. 상부판은 액체 우물(well)(106)을 포함한다. 통기 재료(100)는 가스켓(108)과 나비 나사(thumb screw)(110)를 이용하여 상부판과 하부판 사이에 고착된다. 다음에, 조립된 상부판과 하부판이 클램프(302), 나비 나사(304) 및 가스켓(306)에 의해 어댑터(300)에 고착된다. 어댑터(300)는 공기 챔버(301)와 이 공기 챔버로 공기를 이송하기 위한 채널(310)을 포함한다. Telydyne Genuine GurleyTM 시험기(모델 번호 제4320호)가 가스켓(308)을 이용하여 어댑터(300)의 유입 포트(312)에 부착된다.
100 ㎤의 공기가 12.4 cm의 물의 압력으로 샘플에 이송되고, 흐름 시간을 초 단위로 기록한다. 이러한 측정값은 유체 접촉전의 걸리(초)이다.
다음에, 어댑터로부터 판을 제거하고, 통기 재료의 표면 전체가 유체로 커버되도록 액체 우물(106)을 충전하는 것에 의해 통기 재료를 테스트 액체에 노출시킨다. 이것은 약 0.5 내지 1.25 ㎤의 테스트 유체를 액체 우물(106)에 첨가하기 위해 전달 피펫(transfer pipette)을 사용하는 것에 의해 실시할 수 있다. 30초후, 판 조립체를 뒤집고, 액체 우물 외측에 있는 과량의 액체를 닦아냈다(액체 우물에 약 0.1 g의 유체를 남겨놓음). 액체 우물이 비이커의 저부를 향하도록 판을 비이커의 상부에 수평으로 5분 동안 얹어놓는다. 그 다음에, 판을 Telydyne Genuine Gurley(TM) 시험기(모델 번호 제4320호)에 고정되어 있는 어댑터(300)에 고착시킨다.
100 ㎤의 공기가 12.4 cm의 물의 압력으로 샘플을 통해 흐르게 하여 흐름 시간을 초 단위로 기록한다. 이러한 측정값은 유체 접촉후의 걸리(초)이다. 이 테스트에서 공기 흐름이 10분후에 시작되지 않은 경우, 시험을 중단하고, 샘플은 공기 흐름의 회복이 없음에 대해서 NR로 나타낸 바와 같이 회복이 일어나지 않는 것으로 간주하였다. 이 때, 공기 흐름 회복 백분율은 다음 방정식을 사용하는 것에 의해 결정된다.
Figure 112009071017795-PCT00002
[식 2]
오일 등급 테스트
오일 등급 테스트는 AATCC 테스트법 118-2002에 따라 수행하였다.
z축차
만입부의 z축차 또는 깊이는 광 형상 측정(독일 텔토우/베를린에 소재하는 GFMesstechnik에 의한 GFM Mikrocad)을 이용하여 표면 토포그래피를 그리는 것에 의해 추정할 수 있다. 4 mm × 3 mm의 x-y 뷰렌즈(Teltow) 영역을 이용하여 측정값을 얻었다. 측정하기 전에, 제조업자에 의해 공급되는 적절한 기준을 이용하여 x축, y축 및 z축 해상도에 대해 기구를 교정하였다. x축, y축 및 z축 해상도는 모두 1 미크론보다 양호하였다. 이미지 수집전에 이미지의 질을 최적화하기 위해 제조업자에 의해 추천되는 바와 같이 조명과 포커스를 조정하였다. 제조업자에 의해 공급된 OSCAD Software version 4.02의 5차 다항식 세팅을 이용하여 얻은 데이터로부터 토포그래피 프로파일을 추출하였다. 히스토그램을 생성하기 위해 이렇게 하여 얻은 토포그래피 이미지 데이터 파일을 Solarmap software(Solarius Development Inc.)를 이용하여 열었다. 재료의 최외측면과 만입부의 최내측면을 나타내는 2개의 피크가 일반적으로 관찰되었다. z축차는 이들 피크의 중심에 기초하여 추정되었고, 패터닝된 표면의 상부에서 만입부의 최내측면까지의 거리를 나타낸다.
입수 압력(Water Entry Pressure; WEP)
입수 압력은 통기 본체를 통한 물의 침투에 대한 테스트법을 제공한다. 통기 본체는 고정구에 배치되고 물에 의해 가압된다. 물의 통과를 증명하기 위한 표 시기인 pH 시험지 조각을 통기 본체의 상부에서 비가압측에 배치할 수 있다. 그 후, pH 시험지의 색상 변화가 물의 통과를 나타낼 때까지 증분을 작게 하여 샘플을 가압한다. 돌파 또는 진입시의 물의 압력을 입수 압력으로 기록한다.
유체 노출후의 압력 감소 테스트
3 리터 컨테이너 상의 통기 구멍(2.54 cm의 직경)을 샘플로 시일하였다. 컨테이너에는 압력 변환기와 공기 유입 포트가 설치된다. 컨테이너를 부분적으로 도전 유체로 충전하고, 유체가 샘플 표면을 덥도록 뒤집었다. 이제, 압축 공기를 이용하여 컨테이너를 약 1 psi의 초기 압력으로 가압하였다. 그 후, 공기 유입 포트를 폐쇄하여 샘플에 의해 덮힌 통기 구멍을 제외하고 컨테이너를 시일하였다. 샘플이 수평 위치가 되도록 컨테이너를 본래 방향으로 되돌려, 샘플 표면으로부터 도전 유체를 인출하였다. 컨테이너를 이 상태로 15분 동안 기립한 상태로 둔 후, 잔여 압력을 측정하였다. 15분후에 이렇게 하여 측정된 잔여 압력이 초기 압력의 90 %보다 큰 경우, 샘플은 이 테스트에서 실패하여 도전 유체에 대한 노출 후에 비효율적인 통기 기능을 나타내는 것으로 간주하였다. 15분후에 이렇게 하여 측정된 잔여 압력이 초기 압력의 90 % 미만인 경우, 샘플은 이 테스트를 통과하여 도전 유체에 대한 노출후의 압력 감소의 면에서 효과적인 통기 기능을 나타내는 것으로 간주하였다. 이 테스트로부터의 결과를 통과 또는 실패값으로 보고한다.
반발력(repellant power)
DSA software version 1.90.0.11 software를 실행하는 Kruss DSA 100 비디오 접촉각 기구를 이용하여 반발력을 측정하였다. 양면 테이프를 이용하여 유리 슬라 이드에 부착된 통기 재료 상에 관심 대상인 유체 액적을 침적하였다. 슬라이드-테이프-통기 조립체를 분석 저울 상에서 무게를 달고, 유체 액적을 통기 재료 표면 상의 관심 대상인 구역에 약 25 mg의 질량에 도달할 때까지 첨가하였다. 그 후, 이들 액적과 함께 슬라이드-테이프-통기 조립체를 기구의 경사단에 고정하였다. 샘플 표면을 액적이 연속적으로 이동하는 것이 관찰되는 제1 각도까지 소프트웨어 디폴트 저속 세팅으로 여러 단계로 기울였다. 이 각도를 α로 명명하였다. 다음 방정식을 사용하여 반발력을 계산하였다.
반발력(mN-1 단위) =
Figure 112009071017795-PCT00003
[식 3]
예 1
팽창 PTFE 재료(기공율 = 53 %, 밀도 1.025 g/cc)의 한면을, 1 온스의 구리와 폴리머 포토마스크로 포토리소그래피에 의해 패터닝된 스탬프를 이용하여 엠보싱 가공하였다. 포지티브 폴리머 포토레지스트(positive polymeric photoresist)로 이루어진 2장의 시트 사이에 1 온스의 구리면을 갖는 FR-4 난연성 에폭시 직조 유리 복합 회로 기판을 적층하였다. 16,000 dpi(인치 당 도트) 이상으로 프린팅하는 것에 의해, CAD 도면에 기초한 포지티브 투명 포토마스트(positive transparency photomask)를 형성하였다. 진공을 이용하여 포토마스크를 포토레지스트 적층체의 일면과 접촉시키고, UV광 소스에 노출시켜 이미지를 전사하였다. 다음에, 포토레지스트 적층체를 현상욕(developing bath)을 통과시켜 포토마스크 패턴의 폴리머 포토레지스트를 형성하였다. 그 후, 이렇게 패터닝된 적층 구리 복 합 회로 기판을 에칭하여 폴리머 포토레지스트가 상면에 있는 구리 패턴을 남겨놓았다. 복합 회로 기판의 표면 상의 구리의 상부에 남겨진 폴리머 포토레지스트에 대하여 패터닝된 1 온스 구리의 스탬프를 사용하였다.
도 7에 도시한 구성을 사용하여 엠보싱 가공을 수행하였다. PTFE 재료(70)는 약 1. 57 mm 두께의 스테인리스 강판(72)의 상부에 배치하였다. 패터닝된 스템프(74)는 PTFE 재료의 상부에 배치하였다. 파코 패드(Paco Pad)(뉴욕주에 소재하는 Pacothane Technologies로부터의 부품 번호 제5500-10호)(76)를 스탬프의 상부에 배치하였고, 스템프의 상부에는 약 1.57 mm 두께의 제2 스테인리스 강판(72)이 지지되었다. 상기 적층체를 수동 카버 유압 프레스(manual carver hydraulic press)(모델 번호 제4350.L호)의 가압 압반(壓盤)(78) 사이에 배치하고, 압반을 대략 10초 동안 함께 가압하였다. 그 다음, 압반을 개방하고 샘플을 제거하였다. 카버 프레스는 그 압반에 인가되는 힘을 판독한다. 이 예에서, 인가된 압축력은 2000 lbs였다.
엠보싱 가공후에, 필터 재료를 1.25 중량%의 퍼플루오로다이옥솔 폴리머(독일 윌밍톤에 소재하는 DuPont Fluoroproducts부터의 테플론® AF 1600)로 코팅하여 샘플이 소유성이 되게 하였다. AATCC 오일 등급은 6.5인 것으로 측정되었다.
표 Ⅰ은 주어진 영역(37.5 mm × 37.5 mm)에 있는 만입부의 백분율 범위와 z축차를 보여준다.
도전 유체 V57S24에 대한 노출후의 공기 흐름 회복율에 대해 패터닝된 소유성 디스크를 테스트하였다. 테스트는 도전 유체를 패터닝된 면에 노출시키는 것에 의해 수행되었다. 테스트는 또한 패터닝된 소유성 디스크의 패터닝되지 않은 면을 도전 유체에 노출시키는 것에 의해서도 수행되었다. 양자의 테스트는 동일한 공기 흐름 회복율을 초래하였다. 표 Ⅱ에 결과를 보고한다.
[표 Ⅰ]
z축차(미크론) % 범위
패터닝되지 않은 PTFE - -
패턴 7B 15 19
패턴 7C 15 38
패턴 13B 45 7
패턴 13C 25 40
패턴 13E 55 4
패턴 13F 55 2
[표 Ⅱ]
유체 접촉 이전의 투과성 걸리(초) 유체 접촉 이후의 투과성 걸리(초) 공기 흐름 회복율 (%)
패터닝되지 않은 PTFE 43 흐름 없음(NR) 0
패턴 7B 55 102 54
패턴 7C 37 46 80
패턴 13B 42 106 40
패턴 13C 54 84 64
패턴 13E 47 96 49
패턴 13F 40 55 72
예 2
팽창 PTFE 재료(기공율 = 53 %, 밀도 = 1.025g/cc)의 한면을, 스탬프가 5 온스의 구리와 폴리머 포토마스크로 포토리소그래피식으로 패터닝된다는 점을 제외하고는 예 1에서 설명한 바와 같은 스탬프를 이용하여 엠보싱 가공하였다. 엠보싱 가공은 예 1에 설명한 바와 같은 카버 프레스를 이용하여 2000 파운드의 힘으로 수행하였다.
표 Ⅲ은 주어진 영역(37.5 mm × 37.5 mm)에 있는 만입부의 백분율 범위와 z축차를 보여준다. 도 8에는 패턴 7A의 만입부의 광 측정 형상 이미지를 보여준다.
패터닝된 소수성 디스크를 도전 유체 V51S34에 대한 노출후의 공기 흐름 회복율에 대하여 테스트하였다. 테스트는 도전 유체에 패터닝된 면을 노출시키는 것에 의해 수행하였다. 테스트는 또한 도전 유체에 패터닝된 디스크의 패터닝되지 않은 면을 노출시키는 것에 의해서도 수행하였다. 양자의 테스트는 동일한 공기 흐름 회복율을 초래하였다. 표 Ⅳ에 결과를 보고한다.
V51S34 테스트 유체를 사용하여, 반발력 테스트를 수행하였다. 표 Ⅲ에 패턴 7A, 7B 및 7C를 갖는 샘플의 패터닝된 구역과 패터닝되지 않은 구역에서의 반발력의 차이를 기입되어 있다. 패터닝되지 않은 구역의 반발력은 패터닝되지 않은 제어 샘플을 측정하는 것에 의해 추정하였다. 패터닝된 구역의 반발력은 보다 큰 샘플을 평평한 가압 압반 사이에서 스탬프에 의해 인가되는 적절한 압력으로 가압하는 것에 의해 추정하였다. 패터닝 동안의 적절한 압력은 스탬프 영역에 의해 분할되는 인가 하중과 동일하다. 예컨대, 패턴 7C에 있어서, 엠보싱 가공 중의 압력은 하중/면적 = 2000 lbs/0.4275 인치2 = 10526 psi와 동일하다. 비가압 제어 샘플에서 측정된 반발력은 4.6 mN-1이었다. 반발력의 차이는 비압축 제어 샘플값에서 압축값을 감산하는 것에 의해 결정하였다.
또한, 정사각형 패턴 형상의 패터닝된 구역에서 직접, 그리고 이 정사각형 패턴 형상의 패터닝된 구역에 인접한 곳에서 반발력을 측정하였다. 한가지 테스트에서는 상기 패턴의 정사각형 구역 중 하나에 액적을 배치하였고, 다른 테스트에서는 패턴의 에지에 인접한 패터닝되지 않은 구역에 액적을 배치하였다. 정사각형 가압 구역의 반발력은 6.9 mN-1이었고, 정사각형 구역에 인접한 패터닝되지 않은 구역의 반발력은 4.6 mN-1이었다.
[표 Ⅲ]
z축차(미크론) % 범위 반발력 차이(mN-1)
패터닝되지 않은 PTFE - -
패턴(7A) 20 15 2.3
패턴(7B) 15 19 2.3
패턴(7C) 15 38 2.4
[표 Ⅳ]
액체 접촉 이전의 투과성 걸리(초) 액체 접촉 이후의 투과성 걸리(초) 공기 흐름 회복율 (%)
패터닝되지 않은 PTFE 28 162 17
패턴(7A) 31 41 76
패턴(7B) 37 46 80
패턴(7C) 36 46 77
패턴(11) 34 51 66
예 3
팽창 PTFE 재료(기공율 = 53 %, 밀도 = 1.025 g/cc)의 한면을, 예 2에서 설명한 것과 같이 포토리소그래피식으로 패터닝된 스탬프를 이용하여 엠보싱 가공하였다. 엠보싱 가공은 예 1에서 설명한 것과 같은 카버 프레스를 이용하여 54000 파운드의 힘으로 수행하였다.
엠보싱 가공후에, 필터 재료를 1.25 중량%의 퍼플루오로다이옥솔 폴리머 용액으로 코팅하여 샘플이 소유성이 되게 하였다. AATCC 오일 등급은 6.5인 것으로 측정되었다.
패터닝된(패턴 7A, 7B, 7C) 소유성 디스크를 도전 유체 V57S24에 대한 노출 후의 압력 감소에 대해 테스트하였다. 패터닝된 소유성 디스크(패턴 13I, 13J)를 도전 유체 V57S27에 대한 노출후의 압력 감소에 대해 테스트하였다. 테스트는 패터닝된 면을 도전 유체에 노출시키는 것에 의해 수행하였다. 테스트는 또한 패터닝된 디스크의 패터닝되지 않은 면을 도전 유체에 노출시키는 것에 의해 수행하였다. 양자의 테스트는 동일한 압력 감소 결과를 초래하였다. 결과는 표 Ⅴ에 보고한다.
[표 Ⅴ]
압력(초기) psi 압력 감소 통과 또는 실패
패터닝되지 않은 PTFE 1.03 실패
패턴 7A 1.03 통과
패턴 7B 1.03 통과
패턴 7C 1.03 통과
패턴 13I 0.995 통과
패턴 13J 0.995 통과
본 명세서에서는 소정 실시예와 상세한 설명에 관하여 본 발명을 개시하였지만, 본 발명의 사상에서 벗어나는 일 없이 그러한 세부 사항을 수정 및 변경할 수 있으며, 그러한 수정 또는 변경은 본 명세서에 있는 청구 범위의 범주 내에 속하는 것으로 고려된다는 점이 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (23)

  1. 내부에 엔클로져(enclosure)를 통기하기 위한 개구를 갖는 통기 장치로서,
    상기 통기 장치 내에 고정되고, 상기 개구의 액밀식(液密式) 가스 투과성 시일을 형성하는 다공성 통기 요소
    를 포함하고, 상기 다공성 통기 요소는 기공율이 80 % 미만이고, z축차가 적어도 12미크론인 적어도 하나의 표면 만입부를 포함하는 것인 통기 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표면 만입부의 z축차는 적어도 15 미크론인 것인 통기 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 표면 만입부의 z축차는 적어도 20 미크론인 것인 통기 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 표면 만입부의 z축차는 적어도 25 미크론인 것인 통기 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다공성 통기 요소는 기공율이 75 % 미만인 것인 통기 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 표면 만입부는 통기 요소 표면적의 약 2 %를 차지하는 것인 통기 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 표면 만입부는 통기 요소 표면적의 약 20 %를 차지하는 것인 통기 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 표면 만입부는 통기 요소 표면적의 약 40 %를 차지하는 것인 통기 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 다공성 통기 요소는 적어도 하나의 소유성(疎油性) 표면을 갖는 것인 통기 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 다공성 통기 요소는 PTFE를 포함하는 것인 통기 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 다공성 통기 요소는 폴리에테르술폰(Polyethersulfone), 폴리술폰(Polysulfone), 초고분자량 폴리에틸렌(Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 비닐 폴리머(vinyl polymer), 스티렌(styrene), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride), 아크릴레이트(acrylate), 메타크릴레이트(methacrylate), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리비릴리덴 플루오라이드(PolyVinyliDene Fluoride; PVDF), 폴리카보네이 트(Polycarbonate), 셀룰로오스 아세테이트(Cellulose acetate), 테트라플루오로에틸렌/헥사플루오로프로필렌코폴리머(tetrafluoroethylene/ hexafluoropropylenecopolymer)(FEP), 및 테트라플루오로에틸렌/퍼플루오로알킬 비닐 에테르 코폴리머(tetrafluoroethylene/ perfluoroalkyl vinyl ether copoylmer)(PFA)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함하는 것인 통기 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 다공성 통기 요소는 압축 구역과 비압축 구역을 갖는 PTFE를 포함하는 것인 통기 장치.
  13. 내부에 엔클로져를 통기하기 위한 개구를 갖는 통기 장치로서,
    상기 통기 장치 내에 고정되고, 상기 개구의 액밀식 가스 투과성 시일을 형성하는 다공성 통기 요소
    를 포함하며, 상기 다공성 통기 요소는 적어도 하나의 표면 만입부를 포함하고, 만입된 상기 다공성 통기 요소는 다른 패터닝되지 않은 동일한 베이스 통기 요소의 공기 흐름 회복율을 초과하는 것인 통기 장치.
  14. 제2항에 있어서, 만입된 상기 다공성 통기 요소는 패터닝되지 않은 베이스 통기 요소의 공기 흐름 회복율을 적어도 5 %만큼 초과하는 것인 통기 장치.
  15. 제2항에 있어서, 만입된 상기 다공성 통기 요소는 패터닝되지 않은 베이스 통기 요소의 공기 흐름 회복율을 적어도 10 %만큼 초과하는 것인 통기 장치.
  16. 제2항에 있어서, 만입된 상기 다공성 통기 요소는 패터닝되지 않은 베이스 통기 요소의 공기 흐름 회복율을 적어도 15 %만큼 초과하는 것인 통기 장치.
  17. 액밀식 엔클로져를 통기하는 통기 방법으로서,
    a) 엔클로져에 개구를 마련하고,
    b) 기공율이 80 % 미만인 다공성 폴리머를 마련하며,
    c) 상기 다공성 폴리며 표면의 일부에 만입부를 형성하고,
    d) 상기 만입부는 12 미크론을 넘는 깊이를 가지며,
    e) 상기 개구를 다공성 폴리머로 덮어 개구의 액밀식 가스 투과성 시일을 형성하는 것
    을 포함하는 통기 방법.
  18. 내부에 엔클로져를 통기하기 위한 개구를 갖는 통기 장치로서,
    상기 통기 장치 내에 고정되고, 상기 개구의 액밀식 가스 투과성 시일을 형성하는 다공성 통기 요소
    를 포함하고, 상기 다공성 통기 요소는 액체 접촉후에 이 다공성 통기 요소의 효과적인 압력 감소를 제공하는 적어도 하나의 표면 만입부를 포함하는 것인 통 기 장치.
  19. 내부에 엔클로져를 통기하기 위한 개구를 갖는 통기 장치로서,
    상기 통기 장치 내에 고정되고, 상기 개구의 액밀식 가스 투과성 시일을 형성하는 다공성 통기 요소
    를 포함하고, 상기 다공성 통기 요소는 기공율이 80 % 미만이고, 2개 이상의 인접한 표면 구역을 포함하는 표면 패턴을 가지며, 적어도 하나의 표면 구역은 인접한 구역보다 적어도 1.3 mN-1 큰 반발력을 갖는 것인 통기 장치.
  20. 제19항에 있어서, 표면 구역은 약 5 um2 이상 약 5 cm2 미만의 x-y 평면 면적을 갖는 것인 통기 장치.
  21. 제19항에 있어서, 적어도 하나의 표면 구역은 인접한 구역보다 적어도 2.5 mN-1 큰 반발력을 갖는 것인 통기 장치.
  22. 다공성 통기 요소의 공기 흐름 회복율을 증가시키는 공기 흐름 회복율 증가 방법으로서,
    반발력이 상이한 구역을 갖는 다공성 통기 요소 표면을 형성하기 위해 다공성 통기 요소 표면 중 적어도 하나의 구역에서의 반발력을 증대시키는 것을 포함하 는 것인 공기 흐름 회복율 증가 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 반발력은 다공성 통기 요소의 표면 기공율을 감소시키도록 다공성 통기 요소의 일부를 압축하는 것에 의해 증가되는 것인 공기 흐름 회복율 증가 방법,
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