KR20100036263A - 젖을 수 있는 구조화 면들을 포함하는 물품 - Google Patents

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찰스 더블유 익스트랜드
성인 문
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엔테그리스, 아이엔씨.
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Abstract

본 발명의 실시예들은 하나 이상의 요철들을 갖는 수퍼 웨팅 구조화 면들을 포함하거나 품고, 때때로 헤미 위킹이라고 불린다. 사각 기둥들 또는 절두체들과 같은 요철들의 규칙적인 어레이들을 갖는 구조화된 기판들은 그라파이트 블록들로부터 머시닝되고 그 후 처리되어 친액성이 되었다. 액체들은 이 표면들 위에 퍼져 원이 아닌 젖음 면적들을 만든다. 요철들 사이에 형성된 채널들이 더 얕게 또는 더 좁게 만들어짐에 따라, 액체들은 더 위킹되었고 더 넓은 면적에 걸쳐 퍼졌다. 기판의 고유한 젖음성은 기판과 독립적이거나 거의 독립적이었다. 적절한 표면 구조의 조합 및 온건한 고유 젖음성은 액체들을 효과적으로 평탄화하여, 그들을 매우 넓은 면적들에 걸쳐 퍼지게 한다.
젖음성, 접촉각, 헤미 위킹, 컴플라이언스, 전진 접촉각

Description

젖을 수 있는 구조화 면들을 포함하는 물품{ARTICLES COMPRISING WETTABLE STRUCTURED SURFACES}
본 출원은 2007년 5월 23일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 60/939,709호의 이익을 주장하며, 그 내용 전체는 본 명세서에 참조로서 포함된다.
액체들을 완벽하게 퍼지게 하는 친액성 표면들(lyophilic surfaces)의 광범위한 실제 적용들에서 이익을 얻을 수 있었다. 그러한 적용들은 염색, 유체 처리 시스템에서의 거품 감소, 또는 연료 전지들과 같은 유체-액체 다상 흐름을 갖는 디바이스 또는 장치에서의 채널 방해물의 감소를 포함할 수 있다. 평활한 소액성(lyophobic) 표면들을 젖을 수 있게 하기 위한 방법들이 있지만, 실제로는 이 친액성 표면들이 주위 환경에 노출된다면, 이 표면들의 친액성을 유지하기는 어렵다. 이러한 고에너지 표면들은 탄화수소물 및 다른 저에너지 오염물질들을 재빨리 끌어당겨서, 그들의 친액성이 약해진다.
친액성과 표면 형태가 결합하는 젖음 현상은 수퍼 웨팅(super wetting), 수퍼 퍼짐, 구조 어시스트형 젖음(structure-assisted wetting), 및 헤미 위킹(hemi-wicking)으로 기술될 수 있다. 동일한 유형의 표면들이 소액성이 되면, 그들은 수퍼 소액성 또는 수퍼 반발성(super repellent) 거동을 나타낼 수 있다.
젖음은 두 개의 경쟁하는 힘들에 의해 결정된다. 액적이 고체 표면 상에 놓일 때, 접촉 라인에서의 분자 상호 작용들은 방울(drop)을 아래 방향으로 끈다. 기체-액체 계면의 관점으로부터, 방울은 퍼진다. 표면 상에 배치되기 전에, 방울은 그의 면적을 최소화함으로써 그 표면 에너지를 최소화해왔다. 표면 상에서, 이 직경상의 반대의 힘들은 평형에 도달하여, 방울은 퍼지는 것을 멈춘다. 평활하고, 평평한 면 상에서, 액적의 퍼짐 정도는 통상적으로 도 2에 도시된 전진 접촉각, θa에 의해 정량화된다. θa가 0보다 충분히 크면, 예를 들어 5-10°만큼 크면, 액체가 부분적으로 젖는다고 한다. 한편 평활하고 평평한 면에 대해서는, θa에 대하여 0 또는 예를 들면 0-5°의 거의 0인 값이 완벽한 젖음을 특징짓는 것으로 간주된다.
본 발명의 실시예들은 요철들(asperities)을 갖는 하나 이상의 처리면들을 갖는 기판으로서, 상기 요철들은 상기 요철들 사이에 교차하는 모세관 채널들(intersecting capillary channels)을 형성하되, 요철들을 갖는 상기 처리면은 요철들이 없는 기판의 비처리면보다 적어도 30° 작은 고착성 물방울(sessile drop of water)에 의해 측정된 전진 접촉각(advancing contact angle)을 가질 수 있고, 일부 실시예들에서 적어도 40° 작은 전진 접촉각을 가질 수 있는 기판을 포함한다. 더 큰 전진 접촉각들을 갖는 처리면들은 더 젖을 수 있다. 요철들을 갖는 처리면은 요철들을 갖는 처리면 상에서 액체 퍼짐에 의해 젖은 면적이 요철들을 갖는 처리면 상에 배치된 액적의 체적에 비례하고, 요철들을 갖는 처리면과 접촉 라인에서의 액체의 상호 작용의 세기는 기체-액체 계면 장력과 관련된 복원력들보다 크다는 것으로 특징지어질 수 있다. 요철들을 갖는 처리면 상의 액체가 교차하는 모세관 채널들 내로 완벽하게 당겨지고 액체는 요철들의 측면 상에 전진 접촉각을 형성하고 상기 요철들 사이에 메니스커스들(menisci)을 형성한다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 요철들은 상기 요철들 사이에 형성된 모세관 채널들의 바닥으로부터 약 90°의 상승각을 갖고, 상기 요철들은 y가 1500μm 미만이고 최대 표면 형상부 치수 x 가 1000μm 미만이며 높이 치수 z가 1000μm 미만인 하나 이상의 단위 셀들을 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예는 요철들을 갖는 하나 이상의 처리면들을 갖는 기판으로서, 요철들은 요철들 사이에 교차하는 모세관 채널들을 형성하고, 요철들을 갖는 처리면은 요철들이 없는 기판의 비처리면보다 적어도 30° 작은 고착성 물방울에 의해 측정된 전진 접촉각을 갖고, 일부 경우들에서 요철들이 없는 비처리면보다 적어도 40° 작은 전진 접촉각을 갖는 기판을 구성하거나 또는 포함하는 물품이다. 일부 예들에서 요철들을 갖는 처리면은, 요철들을 갖는 상기 처리면 상의 액체 퍼짐에 의해 젖은 면적이 요철들을 갖는 상기 처리면 상에 배치된 액적의 체적에 비례하여, 모세관 채널들에 당겨진 구조화된 표면 상의 액체는 요철들의 측면 상에 전진 접촉각을 형성하지 않고, 액체는 상기 요철들 사이에 메니스커스들을 형성하지 않는 것으로 특징지어질 수 있다. 일부 실시예들에서 요철들은 90°미만의 상승각을 갖고, 요철들 사이에 형성된 모세관 채널들은 치수 y가 1200μm 미만이고 최대 표면 형상부 치수 x 가 800μm 미만이며 높이 치수 z가 500μm 미만인 하나 이상의 단위 셀들을 갖는다.
본 발명의 또다른 실시예는 요철들을 갖는 하나 이상의 처리면들을 갖는 기판으로서, 요철들은 요철들 사이에 교차하는 모세관 채널들을 형성한다. 요철들을 갖는 처리면은 요철들이 없는 상기 기판의 비처리면보다 적어도 30° 작은 고착성 물방울에 의해 측정된 전진 접촉각을 가질 수 있고, 일부 실시예들에서 요철들이 없는 기판의 비처리면보다 적어도 40° 작은 전진 접촉각을 가질 수 있는 기판을 포함한다.
요철들을 갖는 처리면은 요철들을 갖는 처리면 상의 액체 퍼짐에 의해 젖은 면적이 요철들을 갖는 처리면 상에 배치된 액적의 체적에 비례하고, 접촉 라인 액체 힘 비율 fline/fliquid 은 1.4 이상이고, fline은 접촉 라인에서의 힘이고, fliquid는 아래 수학식에 따른 액체의 퍼짐에 저항하는 계면힘이며,
Figure 112009079900750-PCT00001
여기서 치수 z는 채널 높이이고, 치수 y 는 단위 셀의 측정 크기이고, ω 는 평균 상승각이며 약 90°이고, θa 는 물의 전진 접촉각이고;
요철들을 갖는 처리면은 물에 대하여 완전히 컴플라이언트한(compliant) 젖음 헤미 위킹면이라는 것으로 특징지어질 수 있다. 일부 실시예들에서 상기 요철들 사이에 형성된 상기 모세관 채널들은 치수 y가 1200μm 미만이고 최대 표면 형상부 치수 x 가 800μm 미만이며 높이 z가 500μm 미만인 하나 이상의 단위 셀들을 갖는다. 일부 실시예들에서 요철들은 정사각 배열을 형성할 수 있다.
유리하게도, 본 발명의 실시예들에 포함되는 표면들 및 물품들은 친수성 및 친액성을 향상시킬 수 있다. 그러한 친액성 표면들이 액체들이 완벽하게 퍼지게 할 수 있기 때문에 개선된 젖음은 광범위한 실제적인 적용들에서 사용될 수 있다. 그러한 적용들은 건조, 유체 처리 시스템들에서의 거품 감소, 또는 감광성 패키징 또는 연료 전지들과 같은 유체-액체 다상 흐름을 갖는 작은 채널들을 통한 개방 기체 흐름을 이용하는 디바이스 또는 장치에서의 채널 방해물의 감소를 포함할 수 있다. 그러한 표면들은 또한 필터들 및 하우징들과 같은 액체 처리 구성 요소들을 위한 플러쉬 횟수들을 감소시킬 수 있고, 수용액들로 세정될 수 있는 웨이퍼 캐리어들, 디스크 쉬퍼들, 헤드 트레이들 등의 건조 시간을 감소시킬 수 있다. 본 발명의 실시예들의 표면들은 또한 화학 물질의 사용을 저감하고 건조 시간들을 개선시킬 수 있다.
도 1은 평활한 구조화된 그라파이트면들 상에 퍼진 4마이크로리터(μl)의 물방울을 도시하는 도면이다. 양쪽 표면들은 그들의 전진 접촉각이 θa = 40°이도록 처리되었다. 구조화 면은 폭 x = 390μm이고, 단위 셀 폭 y = 770μm이며 높이 z = 420μm인 사각 기둥들(요철들)의 규칙적인 어레이를 구성한다. 도 1a는 평활면의 젖은 면적의 평면도이다. 도 1b는 젖은 평활면의 측면도이다. 도 1c는 젖은 구조화 면의 평면도이다. 도 1d는 요철들을 갖는 젖은 처리면의 측면도이다. 도 1d에 삽입된 이미지는 액체의 배치 전의 요철들을 갖는 처리면의 측면도를 도시한다.
도 2는 평활한, 고체면 상에 퍼진 작은, 고착성(sessile) 액적을 도시하는 도면이다. 도 2a는 전진 접촉각(advancing contact angle) θa를 도시하는 측면도이다. 도 2b는 원형 접촉 면적 As를 도시하는 평면도이다.
도 3은 요철들로서 피라미드 절두체들의 규칙적인 어레이로 구성되는 표면의 개략도이다. 도 3a는 젖은 단위 셀의 평면도이다. 도 3b는 젖은 단위 셀의 측면도이다. 도 3c는 젖은 단위 셀의 확대 측면도이다.
도 4는 평활한 구획, 평행한 홈들을 갖는 두 개의 구획들, 및 형상부들 또는 요철들의 규칙적인 어레이를 갖는 구획을 만드는 머시닝 패턴의 평면도이다.
도 5는 기하학적 형상이 일정하고 친수성이 변화하는 구조화된 헤미 위킹면들 상의 물에 대한, 젖은 셀들의 개수 n과 젖은 면적 A를 도시하는 도면이다. 표면들은 x
Figure 112009079900750-PCT00002
380 μm, y
Figure 112009079900750-PCT00003
780 μm 그리고 z
Figure 112009079900750-PCT00004
420 μm인 사각 기둥 요철들 (ω = 90°)로 덮였다. 점들은 실험 데이터이고, 실선들은 수학식 (20) 및 수학식 (21)로부터 나온다.
도 6은 구조화된 헤미 위킹면들 상의 각종 액체에 대하여 젖은 셀들의 개수 n, 및 젖은 면적 A를 도시하는 도면이다. 구조화 면들은 x
Figure 112009079900750-PCT00005
380 μm, y
Figure 112009079900750-PCT00006
780 μm 및 z
Figure 112009079900750-PCT00007
420 μm인 사각 기둥 요철들(ω = 90°)의 어레이로 덮였다. 액체들은 θa= 40°인 물, θa = 26°인 포름아미드 (formamide: FA) 그리고 θa= 17°인 에틸렌 글리콜(ethylene glycol: EG)이었다. 점들은 실험 데이터이고, 실선들은 수학식 (20) 및 수학식 (21)로부터 나온다.
도 7은 일련의 구조화된 헤미 위킹면들 상의 물에 대하여 젖은 셀들의 개수 n, 및 젖은 면적 A를 도시하는 도면이며, 사각 기둥 요철들(ω = 90°) 사이의 채널 폭 w (= y - x)는 400 μm로 유지되고 셀 이격 비율들에 대한 기둥 폭 x/y는 변화하였다. z
Figure 112009079900750-PCT00008
420 μm, 이고 θa
Figure 112009079900750-PCT00009
40°이었다. 점들은 실험 데이터이고, 실선들은 수학식 (20) 및 수학식 (21)로부터 나온다.
도 8은 사각 기둥 요철들(ω = 90°)로 덮인 일련의 구조화된 헤미 위킹면들 상의 물에 대하여 젖은 셀들의 개수 n, 및 젖은 면적 A를 도시하는 도면이며, 셀 이격 비율들에 대한 기둥 폭은 x/y = 0.5에서 일정하게 유지되고 단위 셀 폭들 y는 변화하였다. z
Figure 112009079900750-PCT00010
420 μm 였으며, θa
Figure 112009079900750-PCT00011
40°였다. 점들은 실험 데이터이고, 실선들은 수학식 (20) 및 수학식 (21)로부터 나온다.
도 9는 각종 기둥 높이들 또는 채널 깊이들 z를 갖는 구조화된 헤미 위킹면들 상의 물에 대하여 젖은 셀들의 개수 n, 및 젖은 면적 A를 도시하는 도면이다. 표면 형상부들은 x
Figure 112009079900750-PCT00012
380 μm, y
Figure 112009079900750-PCT00013
780 μm이고, θa
Figure 112009079900750-PCT00014
40°인 정사각 기둥 요철들 (ω = 90°)이었다. 점들은 실험 데이터이고, 실선들은 수학식 (20) 및 수학식 (21)로부터 나온다.
도 10은 절두체들(ω < 90°) 또는 사각 기둥 요철들(ω = 90°)의 규칙적인 어레이들로 덮인 구조화된 헤미 위킹면들 상의 물에 대하여 젖은 셀들의 개수 n, 및 젖은 면적 A를 도시하는 도면이고, 여기서 x
Figure 112009079900750-PCT00015
500 μm, y
Figure 112009079900750-PCT00016
1000μm, z
Figure 112009079900750-PCT00017
400 μm이고 θa
Figure 112009079900750-PCT00018
40°이다. 점들은 실험 데이터이고, 실선들은 수학식 (11), 수학식 (12), 수학식 (20) 및 수학식 (21)로부터 나온다.
도 11은 사각 기둥 요철들의 규칙적인 어레이들로 구조화된 헤미 위킹면들 상의 물에 대하여 nf/V 및 Af/V 대 y의 계산값들을 도시하는 도면이고, 여기서 θa= 40°, w = z = y 이고 x/y = 0.50, 0.75 또는 0.90이다.
도 12는 처리된 평평한 그라파이트 면 상의 방울들(상부) 및 아래(하부)의 기둥 요철들을 갖는 처리된 기판들 상의 액체의 대응하는 체적을 도시하는 도면이다. 결과들은 방울의 체적 증가와 함께 커버리지의 증가 및 구조화 면 상의 완벽하게 컴플라이언트한(compliant) 젖음성을 도시한다.
각종 구성들 및 방법들이 본 명세서에서 기술되지만, 기술된 특정 분자들, 구성들, 방법들 또는 프로토콜들이 변할 수 있으므로, 기술된 특정 분자들, 구성들, 방법들 또는 프로토콜들에 본 발명이 한정되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용된 용어는 특정한 버전들 또는 실시예들만을 기술할 목적이며, 본 발명의 범위를 제한하고자 의도되지는 않았고, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위들에 의해서만 한정될 것이라는 것도 이해되어야 한다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위들에서 사용될 때, 문맥이 명백히 다른 경우를 지시하지 않는다면, 단수 형태들인 "하나의(a)", "하나의(an)" 및 "그"가 복수의 참조들을 포함한다는 것이 또한 주목되어야 한다. 그리하여, 예를 들어, 하나의 "요철"에 대한 참조는 하나 이상의 요철들 및 본 기술 분야의 숙련된 기술자들에게 공지된 요철들의 등가물에 대한 참조인 식이다. 달리 정의되지 않으면, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 용어들 및 과학적 용어들은 본 기술 분야에서 보통의 기술자 중 한 사람에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에서 기술된 방법들 및 재료들과 유사하거나 동등한 방법들 및 재료들이 본 발명의 실시예들의 실시 또는 검사에서 사용될 수 있다. 본 명세서에서 언급된 모든 공개물들은 참조로서 포함되었다. 본 명세서에서 어떤 것도 종래 발명 덕분에 그러한 개시보다 선행하는 자격을 받는 것으로서 해석되면 안된다. "선택적인" 또는 "선택적으로"는 다음에 기술된 사건 또는 환경이 일어날 수도 있고 일어나지 않을 수도 있으며, 사건이 일어나는 예들 및 사건이 일어나지 않는 예들을 명세서가 포함함을 의미한다. 본 명세서에서의 모든 수치값들은 명백하게 지시되든지 또는 명백하게 지시되지 않든지 "약"이라는 용어에 의해 수식될 수 있다. "약"이라는 용어는 일반적으로 본 기술분야의 숙련자가 열거된 값과 동등하다고 간주할(즉, 동일한 기능 또는 결과를 갖는) 숫자들의 범위를 가리킨다. 일부 실시예들에서 "약"이라는 용어는 언급된 값의 ±10%를 가리키고, 다른 실시예들에서 "약"이라는 용어는 언급된 값의 ±2%를 가리킨다. 구성들 및 방법들이 각종 구성 요소들 또는 단계들을 "포함하는"("포함하지만 그에 한정되지 않는" 것을 의미하는 것으로 해석됨)이라는 말로 기술되지만, 구성들 및 방법들은 또한 각종 구성 요소들 및 단계들로 "본질적으로 구성"되거나 또는 "구성될" 수 있고, 그러한 용어들은 본질적으로 유한 한 원소의 그룹들을 정의하는 것으로서 해석되어야 한다.
본 발명의 실시예들은 이 표면들 상의 액체의 퍼짐을 향상시킬 수 있는 이 표면들의 교차하는 모세관 채널들의 2차원 어레이들을 형성하는 요철들을 갖는 표면들을 구성하거나 또는 포함한다. 일부 실시예들에서 표면들은 친액성이거나 또는 비처리면보다 더 친액성이 되도록 처리된다. 이 헤미 위킹면들은 방울들의 높이가 실질적으로 0이도록 방울들을 평탄화할 수 있다. 액적이 그러한 헤미 위킹면에 의해 평평하게 되는 본 발명의 실시예들의 표면들에 대해서, 젖음 거동은 표면의 기하학적 형상, 액체의 표면 장력 및 (접촉각에 의해 측정되는) 접촉 라인에서의 분자 상호 작용들의 세기에 기인하여 변화할 수 있다. 본 발명의 실시예들은 완전히 컴플라이언트하거나 또는 부분적으로 컴플라이언트 할 수 있는 헤미 위킹을 초래하는 요철들을 갖는 표면들을 구성하거나 또는 포함한다. 일부 실시예들에서 표면들은 헤미 위킹면들의 완전히 컴플라이언트한 젖음을 제공하는 구조 또는 요철들을 갖고, 이러한 완전히 컴플라이언트한 젖음은 접촉 라인에서의 상호 작용들의 세기가 기체-액체 계면 장력과 연관된 복원력들보다 큰 경우에 발생한다. 이 버전들에서 액체는 요철들의 틈의 공간들(interstitial spaces)로 완벽하게 끌어당겨지고 요철들 또는 친액성 요철들의 측면들 상에 전진 접촉각을 형성한다. 그리하여 도 1d에 도시한 바와 같은 형상부들 사이의 메니스커스들이 형성된다. 일부 실시예들에서 완전히 컴플라이언트한 젖음은 기판을 형성하는 재료의 평활면 상의 전진 접촉각 θa 가 0보다 클 때 일어난다. 다른 실시예들에서 표면들은 헤미 위킹면들 의 부분적으로 컴플라이언트한 젖음을 제공하는 구조를 가지고, 부분적으로 컴플라이언트한 젖음은 요철들 또는 요철들의 친액성 형상부들 사이의 체적에서 액체가 그 전진 접촉각을 형성하지 않는 경우 퍼짐의 임의의 단계일 수 있다. 예를 들면, 액체는 형상부들 사이의 틈의 공간들에 완전히 스며들었을 수 있지만 메니스커스들을 나타내지 않을 수 있다. 일부 경우들에서 액체는 형상부들 사이의 틈의 공간들에 완전히 스며들었을 수 있지만, 메니스커스들을 나타내지 않고, 방울은 형상부들을 덮는 얇은 액체층을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 표면들이 하나 이상의 요철들을 갖는 경우 하나 이상의 처리면들을 갖는 기판을 구성하거나 또는 포함하는 물품이다. 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이, 요철들은 요철들 사이에 교차하는 모세관 채널들을 형성한다. 요철들을 갖는 처리면은 요철들을 갖지 않는 기판의 비처리면보다 적어도 30° 적은 고착성 물방울에 의해 측정된(measured) 전진 접촉각을 갖는다. 표면의 처리는 플라즈마 처리, 습식 화학 처리, 증착 코팅, 이들의 임의의 조합, 또는 다른 수단들에 의한 것일 수 있다. 일부 실시예들에서 요철들을 갖는 처리면은 요철들을 갖는 처리면 상의 액체 퍼짐에 의해 젖은 면적이 Vn에 비례하고 여기서 n은 0.67보다 큰 것으로써 특징지어진다. 다른 실시예들에서 요철들을 갖는 처리면은, 요철들을 갖는 처리면 상의 액체 퍼짐에 의해 젖은 면적이 요철들을 갖는 처리면 상에 배치된 액적의 체적에 비례하고 접촉 라인에서의 액체와 요철들을 갖는 처리면의 상호 작용의 세기가 기체-액체 계면 장력과 관련된 복원력들보다 크다는 것으 로 특징지어질 수 있다. 요철들을 갖는 처리면 상의 액적은 교차하는 모세관 채널들에 완벽하게 당겨지고 액체는 요철들의 측면 상에 전진 접촉각을 형성하고 상기 요철들 사이에 메니스커스들을 형성하여 표면은 완전히 컴플라이어트한 헤미 위킹면이다. 요철들을 갖는 처리면의 체적은 요철들의 개수, 그들의 높이, 또는 커버리지 면적을 변경함으로써 액체의 상이한 체적들을 통합하도록 수정될 수 있다.
표면에 완전히 컴플라이언트한 일부 실시예들에서 요철들은 상기 요철들 사이에 형성된 모세관 채널들의 바닥으로부터 요철의 영역까지 약 90°의 상승각을 가지고 요철들은 y가 1200μm 미만이고 최대 표면 형상부 치수 x 가 800μm 미만이며 요철 높이 z가 500μm 미만인 하나 이상의 단위 셀들을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서 요철들을 갖는 처리면은 고착성 물방울에 의해 측정되고 요철들을 갖지 않는 기판의 비처리면보다 적어도 35° 작고, 일부 실시예들에서 적어도 40° 작고, 또 다른 실시예들에서 적어도 약 40과 65°사이의 각도가 적은 전진 접촉각을 갖는다.
일부 실시예들에서 표면들은 요철들 사이에 형성된 모세관 채널들의 바닥으로부터 약 90°인 상승각을 갖는 요철들을 가질 수 있다. 요철들은 y가 1500μm 미만이고 최대 표면 형상부 치수 x 가 1000μm 미만이며 높이 z가 1000μm 미만인 하나 이상의 단위 셀들을 갖는다. 일부 실시예들에서 요철들을 갖는 처리면은 고착성 물방울에 의해 측정되고, 요철들을 갖지 않는 기판의 비처리면보다 적어도 35° 작고, 일부 실시예들에서 적어도 40° 작고, 또 다른 실시예들에서 적어도 약 40과 65°사이의 각도가 적은 전진 접촉각을 갖는다.
본 발명의 하나의 실시예는 요철들을 갖는 하나 이상의 처리면들을 갖는 기판이고, 요철들은 요철들 사이에 교차하는 모세관 채널들을 형성한다. 요철들을 갖는 처리면은 고착성 물방울에 의해 측정되고, 요철들을 갖지 않는 기판의 비처리면보다 적어도 30° 작은 전진 접촉각을 갖는다. 일부 실시예들에서 요철들을 갖는 처리면은 요철들을 갖는 처리면 상의 액체 퍼짐에 의해 젖은 면적이 Vn에 비례하고 여기서 n은 0.67보다 큰 것으로써 특징지어진다. 다른 실시예들에서 요철들을 갖는 처리면은, 요철들을 갖는 처리면 상의 액체 퍼짐에 의해 젖은 면적이 요철들을 갖는 처리면 상에 배치된 액적의 체적에 비례한다는 것에 의해 특징지어질 수 있다. 구조화 면 상의 액적은 모세관 채널들에 당겨지지만 요철들의 측면 상에 전진 접촉각을 형성하지 않고 액체는 상기 요철들 사이에 메니스커스들을 형성하지 않아, 그러한 요철들을 갖는 처리면은 부분적으로 컴플라이언트한 헤미 위킹 표면이다. 표면이 부분적으로 컴플라이언트한 일부 실시예들에서 요철들은 90° 미만의 상승각 및 요철들 사이에 형성된 모세관 채널들을 가지며 요철들은 y가 1200μm 미만이고 최대 표면 형상부 치수 x 가 800μm 미만일 수 있으며 요철 높이 z가 500μm 미만인 하나 이상의 단위 셀들을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서 요철들을 갖는 부분적으로 컴플라이언트한 표면은 고착성 물방울에 의해 측정되고, 요철들을 갖지 않는 기판의 비처리면보다 적어도 35° 작고, 일부 실시예들에서 적어도 40° 작고, 또 다른 실시예들에서 적어도 약 40과 65°사이의 각도가 적은 전진 접촉각을 가질 수 있다. 요철들을 갖는 처리면의 체적은 요철들의 개수, 그들의 높 이, 또는 커버리지 면적을 변경함으로써 액체의 상이한 체적들을 통합하도록 수정될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 하나 이상의 요철들을 갖는 하나 이상의 처리면들을 갖는 기판을 구성하거나 또는 포함할 수 있고, 요철들은 그들 사이에 교차하는 모세관 채널들을 형성한다. 요철들을 갖는 처리면은 고착성 물방울에 의해 측정되고, 요철들을 갖지 않는 기판의 비처리면보다 적어도 30° 작은 전진 접촉각을 갖는다. 일부 실시예들에서 요철들을 갖는 처리면은 요철들을 갖는 처리면 상의 액체 퍼짐에 의해 젖은 면적이 Vn에 비례하고 여기서 n은 0.67보다 큰 것에 의해 특징지어질 수 있다. 다른 실시예들에서 요철들을 갖는 처리면은, 요철들을 갖는 처리면 상의 액체 퍼짐에 의해 젖은 면적이 요철들을 갖는 처리면 상에 배치된 액적의 체적에 비례하고, 접촉 라인 액체 힘 비율 fline/fliquid가 1.4 이상이라는 것에 의해 특징지어질 수 있다. 접촉 라인 액체 힘 비율에서 fline은 접촉 라인에서의 힘이고 fliquid는 다음 식에 따라 액체의 퍼짐에 저항하는 계면 힘(interfacial force)이다:
Figure 112009079900750-PCT00019
여기서 요철들의 하나 이상의 단위 셀들에 대하여, z는 채널 높이이고, y는 단위 셀이고, ω는 약 90°인 평균 상승각이며, θa는 평활한 처리면 상의 물의 전진 접촉각이다. 접촉 라인 액체 힘 비율이 1.4 이상인 요철들을 갖는 처리면은 물에 대하여 완전히 컴플라이언트한 젖음 헤미 위킹면이다. 일부 실시예들에서 요철 들은 y가 1200μm 미만이고 최대 표면 형상부 치수 x 가 800μm 미만이며 높이 z가 500μm 미만인 하나 이상의 단위 셀들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서 요철들을 갖는 처리면은 고착성 물방울에 의해 측정되고 요철들을 갖지 않는 기판의 비처리면보다 적어도 35° 작고, 일부 실시예들에서 적어도 40° 작고, 또 다른 실시예들에서 적어도 약 40과 65°사이의 각도가 적은 전진 접촉각을 갖는다.
본 발명의 각종 실시예들에서 상호 접속된 채널들을 형성하는 하나 이상의 요철들을 갖는 처리면은 그 요철들에 의해 형성된 채널들에 스며드는 액체에 의해 젖는다. 이 실시예들에서 액체 및 채널들은 관계 θa + ω < 180°를 만족시키는 것으로 기술될 수 있고 여기서 θa 는 전진 접촉각이고 ω는 요철들의 상승각 또는 평균 상승각이다. 일단 액체가 채널들 안에 있고, 채널 벽들이 평행하고 θa < 90°인 경우, 액체는 밖으로 위킹하여 다른 요철들 사이에 형성된 채널들을 점유할 것이다. 수직 벽들(ω = 90°)을 가지고 θa < 90°인 형상부들 또는 요철들을 갖는 일부 구조화 면들에 대하여, 액체들은 채널에 스며들 수 있고 헤미 위킹이다. 다른 실시예들에서 표면들은 완전히 평활하거나 균일하지 않을 수 있고 채널들을 젖게 하고 채널들에 스며드는 액체는 θa + ω < 150°라고 기술될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서 구조화 면 및 액체는 각 단위 셀에서 이용가능한 체적의 15% 내지 30%를 나타낼 수 있는 메니스커스에 기인한 빈 체적(void volume)을 초래할 수 있다. 다른 실시예들에서 구조화 면 및 액체는 10%로부터 40%까지의 범위에 이르는 빈 체적을 제공할 수 있는 메니스커스에 기인한 빈 체적을 초래할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 제공된 바와 같은 구조 또는 텍스처(texture)는 표면이 보통 정도로 친액성일 뿐이더라도 액체들의 퍼짐을 크게 향상시킬 수 있다. 예를 들면 일부 실시예들에서 평활면은 물을 가지고 측정했을 때, θa > 10°이고, 다른 실시예들에서 θa > 25°이고, 또 다른 실시예들에서 θa > 40°인 θa 를 갖거나 그러한 θa 를 갖도록 처리될 수 있다. 다른 실시예들에서 평활면은 물과 같은 액체를 가지고 측정했을 때 비처리면보다 적어도 30° 적은 전진 접촉각 θa를 갖도록 처리될 수 있고, 다른 실시예들에서 평활면은 물과 같은 액체를 가지고 측정했을 때 비처리면보다 적어도 40° 적은 전진 접촉각 θa를 갖도록 처리될 수 있고, 또 다른 실시예들에서 평활면은 물과 같은 액체를 가지고 측정했을 때 비처리면보다 적어도 40-65°사이의 각도가 적은 전진 접촉각 θa 를 갖도록 처리될 수 있다. 표 2에 예시된 바와 같은 그러한 표면들의 예들은 그라파이트 비처리면이다. 도 1은 평활하고 구조화된 친액성 그라파이트 표면 상에 퍼진 물의 예들을 도시한다. 도 1c 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에서 완전히 컴플라이어트한 젖음을 보여주는, 요철들을 갖는 처리면 상의 물과 같은 액체의 예시이다. 도 1a 및 도 1b는 평활한 그라파이트 면의 평면도 및 측면도를 도시한다. 이러한 경우에, 물방울의 퍼짐은 원형의 접촉 면적을 산출한다. 측면에서 보았을 때, 방울은 원의 구획과 유사한 유한한 단면을 가진다. 구조화된 요철들을 갖는 대응 구조화 처리면 상의 젖음 거동은 도 1c 및 도 1d에 도시된 바와 같이 많이 다르다. 위로부터 보았을 때, 액체 접촉 패치는 표면 상의 요철들에 대응한다. 달리 말하면 접촉 패치는 대략 사각형 형상이고 요철들의 어레이에 대응한다. 측면으로부터 보았을 때, 액체는 모세관 구조로 당겨지고 표면 형상부들의 상부면에 또는 그 아래에 있다. 측면으로부터 보았을 때, 모세관 구조 안의 액체는 요철들에 의해 형성된 표면 형상부들 또는 채널들 사이의 메니스커스들을 나타낸다. 요철들은 그들 사이에 교차 모세관 공간들 또는 채널들을 형성하는 절두체 또는 기둥들(사각 기둥들이 도시됨)과 같은 구조들일 수 있지만 거기에 한정되지는 않는다.
요철들 또는 표면 형상부들은 기판 재료 자체 내에 또는 그 위에 또는 기판의 표면 상에 배치된 재료의 하나 이상의 층들 내에 형성될 수 있다. 요철들은 임의의 규칙적으로 또는 불규칙적으로 성형된 3차원 고체 또는 캐비티일 수 있고 임의의 규칙적인 기하학적 패턴으로 배치될 수 있다. 요철들의 한정되지 않는 예들은 도 1c 및 도 1d에 사각형 형상의 요철들 및 도 3c의 절두체 형상의 요철들을 포함하고, 다른 요철 형상들은 원기둥들 및 이들의 조합을 포함할 수 있다
요철들은 머시닝, 포토리소그래피를 이용하여 형성될 수 있거나 머시닝, 나노머시닝, 마이크로스탬핑, 마이크로접촉 프린팅, 자기 조립형 금속 콜로이드 단층들(self-assembling metal colloid monolayers), 원자힘 현미경 나노머시닝, 졸겔 몰딩, 자기 조립형 단층 패터닝(self-assembled monolayer directed patterning), 화학적 에칭, 졸겔 스탬핑, 콜로이드 잉크를 이용한 인쇄 등을 이용하지만 그에 한 정되지 않는 방법, 또는 기판 상에 탄소 나노튜브들의 층을 배치함으로써 형성될 수 있다.
각종 주형 공정들을 포함하여 다양한 종류의 방법들이 이들 표면을 만드는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예들에서 사출 성형을 통해 텍스처가 있는 표면들을 만들기 위해 사용될 수 있는 성형 가능한 재료들의 예들은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)과 같은 열가소성 플라스틱, 및 PFA와 FEP와 같은 과불화 열가소성 플라스틱을 포함하지만 그에 한정되지 않는다. 또한 본 명세서에서 기술된 것과 같은 텍스처 외에, PFA, FEP 및 PTFE와 같은 저표면 에너지를 갖는 재료들은 그들을 친수성 또는 친액성이 되게 하는 표면 처리들을 사용할 수 있으며, 예를 들면 본 명세서에 그 전체가 참조로서 포함된 미국 특허 번호 6,354,443호를 참조한다. 사출 성형된 부품용으로, 원하는 텍스처의 반전 화상이 금형에 새겨질 수 있다.
일부 실시예들에서 요철들 또는 형상부들은 교차 그리드 상에 놓일 필요가 없다. 적절하게 설계된 평행 채널들 또는 행들의 어레이들도 유효하다. 따라서 본 발명의 실시예들은 압출 기법들에 의해 만들어질 수 있다. 압출된 부분들에 대한 예로서, 플라스틱 프로파일에 평행한 홈들을 도입하기 위해 형상부들이 다이 헤드에 부착될 수 있다.
도 1에서는 요철 상승각 ω가 90°이지만, 요철의 다른 기하학적 형상들 및 상승각들이, 예를 들면 ω가 예각일 수 있는 표 2의 각종 샘플로부터 도시된 바와 같이 또는 예를 들면 도 3에 도시된 바와 같이 가능하다.
각종 요철 형상들 및 배열들이 본 발명의 범위 내에 있을 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다. 예를 들어, 요철들은 다면체(polyhedral), 원기둥, 타원 기둥, 또는 임의의 적당한 3차원 형상일 수 있다. 요철들은 힘 비율이 완전히 컴플라이언트한 표면들에 대하여 1.4로 또는 그 이상으로 유지되는 한 임의적으로 분포될 수도 있다. 요철들의 접촉 라인 밀도 및 다른 관련 파라미터들이 표면에 대하여 평균들로서 개념화될 수 있다. 요철들은 기판에 형성된 캐비티들을 상호 접속할 수도 있다. 일부 실시예들에서 요철들은 기계적 동작, 디지털 공정 및 또는 광학 공정들을 위하여 사용될 수 있거나 또는 후에 그러한 공정들을 위한 용도로 변환될 수 있는 구조들을 포함하지 않는다. 일부 실시예들에서 요철들은 패시브 구조들(passive structures)이다.
요철들은 도 1에 도시된 바와 같은 직사각형 어레이, 6각형 어레이와 같은 다각형 어레이, 또는 원형 또는 계란형 배열, 또는 이들의 조합들, 또는 다른 배열들로 배열될 수 있다. 요철들은 또한 접촉 라인 힘 비율이 완전히 컴플라이언트한 헤미 위킹면들에 대하여 1.4 이상으로 유지되는 한, 임의적으로 분포될 수 있다. 요철들의 그러한 랜덤 배열에서, 교차하는 모세관 채널들 및 다른 관련 파라미터들이 표면에 대하여 평균들로서 개념화될 수 있거나 표면에 대한 영역들에서 특징지어질 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 모세관 구조들은 약 1-3μm, 또는 일부 실시예들에서 1μm 미만인 폭과 약 1μm 미만의 깊이를 갖는 교차 채널들을 포함할 수 있다. 채널들은 패터닝되거나 또는 임의의 방식으로 교차할 수 있다.
표면용 재료들은 중합체들, 또는 중합체들의 복합물들 및 세라믹들, 탄소 함유 섬유들 또는 나노 섬유들 등과 같은 충전재, 그라파이트와 같은 탄소 기재의 재료들, 및 친액성이거나 추가 처리 시 친액성으로 될 수 있는 코팅들을 갖는 재료들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 평활한 바닥 재료는 친액성일 수 있거나 표면 처리 또는 코팅에 의해 선택적으로 친액성이 될 수 있다. 친액성은 평활한 수평면 상에서 고착성 물방울에 대한 전진 접촉각에 의해 특징지어지고, 일부 실시예들에서 전진 접촉각은 80°미만이고, 일부 실시예들에서 40°미만이고, 다른 실시예들에서 30°미만이며, 또 다른 실시예들에서 20°미만이고, 또 다른 실시예들에서 15°미만이다. 친액성은 비처리면에 대하여 특징지어질 수 있고 일부 실시예들에서 산화, 코팅, 또는 이들의 조합에 의한 것과 같은 표면 처리가 비처리면에 대하여 접촉각을 30°이상 감소시킬 수 있으며, 일부 실시예들에서 표면 처리는 비처리면에 대하여 접촉각을 40° 이상 감소시킬 수 있고, 또 다른 실시예들에서 표면 처리는 비처리면에 대하여 접촉각을 40으로부터 65°까지 감소시킬 수 있다. 실시예들은 완전히 컴플라이언트하거나 부분적으로 컴플라이언트한 표면을 포함할 수 있다.
본 발명의 버전들에서 완전히 컴플라이언트하거나 부분적으로 컴플라이언트한 헤미 위킹면들의 젖음 거동은 정량적으로 기술될 수 있다. 친수성 형상부들의 규칙적인 어레이로 덮인 표면을 고려한다. 도 3은 상부 폭이 t, 바닥 폭이 x, 단위 셀 폭이 y, 및 높이가 z인 피라미드 절두체들을 포함하는 구조화 면의 확대도 및 평면도를 도시한다. 본 발명의 각종 실시예들에서 표면 형상부 파라미터 값들 y, z 및 ω는 이 파라미터들 중 임의의 것의 평균값 또는 약 ±10% 내에서 이 값들의 일부의 변동 또는 분포를 갖는 평균값이 될 수 있다. 도시된 바와 같이 표면이 수평인 것으로 가정되지만, 본 발명의 부분적으로 또는 완전히 컴플라이언트한 표면의 실시예들은 수평면들에 한정되지 않는다. 표면 형상부들 또는 평균의 상승각은 ω이고 상부들 사이의 간격 또는 형상부들의 평균은 b이다. 그들의 바닥에서 채널폭의 게이지인 형상부들 사이의 거리는 w이다. 상승각 ω = 90°이라면, 절두체들은 t = x 이고 b = w인 사각 기둥들이 된다. 그렇지 않으면, ω < 90°인 다른 실시예들에 대하여, 형상부들의 상부폭은 형상부 치수들 및 ω로부터,
<수학식 1>
t = x - 2z cot ω
로 추정될 수 있다.
각 젖은 단위 셀의 액체의 체적 Vu는
<수학식 2>
Vu = Vt - Vf- Vc
와 같이 추정될 수 있다.
여기서 Vt 는 각 단위 셀의 전체 체적이고, Vf는 형상부의 체적이며 Vc는 메니스커스에 기인한 공기의 체적이다. 각 단위 셀 Vt의 전체 체적은
<수학식 3>
Vt = y2z
이고, 형상부의 체적 Vf는
<수학식 4>
Figure 112009079900750-PCT00020
이다.
도 3의 젖은 단위 셀의 확대 측면도는 완전히 컴플라이언트한 액체와 친액성의 구조화 면과의 상호 작용에 기인하여 형성되는 메니스커스를 도시한다. 액체는 그 전진 접촉각 θa를 갖는 형상부들의 측면들을 적실 수 있고 θa와 메니스커스 각 φ 사이의 기하학적 관계는
<수학식 5>
φ= ω-θa
이다.
제한되지 않는 도시된 실시예에서, 메니스커스의 단면 영역 Ac는 원의 구획의 형태를 갖는다.
<수학식 6>
Figure 112009079900750-PCT00021
이고, 여기서
<수학식 7>
b = y - x + 2z cot ω
이다.
그리하여, 기체-액체 계면 곡률에 기인한 각 단위 셀의 공기의 체적 Vc은 x, y 및 Ac로부터
<수학식 8>
Vc=(y+x-z cot ω)Ac
와 같이 근사될 수 있다.
수학식 6 내지 수학식 8을 결합하여
<수학식 9>
Figure 112009079900750-PCT00022
가 된다.
요철들을 갖는 표면에 대해 젖은 셀들의 개수를 세는 것 또는 젖은 면적을 측정하는 것이 가능하다. 완전히 채워진 셀의 개수 nf는 표면 상에 배치된 액체의 체적 V 및 완전히 채워진 단위 셀의 체적 Vu로부터 계산될 수 있다.
<수학식 10>
nf=V/Vu
수학식 2 내지 수학식 4와 수학식 9를 결합하고 수학식 10에 대입하면 배치 체적(deposition volume), 표면의 기하학적 형상 및 표면의 젖음성으로부터 채워진 단위 셀의 개수의 추정을 가능하게 하는 식이 된다.
<수학식 11>
Figure 112009079900750-PCT00023
그 면적이 완전히 채워지거나 덮인 셀들에 대하여, 젖은 면적 Af는
<수학식 12>
Figure 112009079900750-PCT00024
와 같이 추정될 수 있다.
표면 형상부들이 사각 기둥들(ω = 90°)이면, 예를 들어
<수학식 13>
Figure 112009079900750-PCT00025
이고
<수학식 14>
Figure 112009079900750-PCT00026
이다.
다른 형태의 표면 형상부들 또는 요철들에 대하여 nf 및 Af에 대하여 유사한 식들이 유도될 수 있다. 표면들은 안정적인 친액성 표면들을 제공하기 위한 선택 적인 표면 처리에 의해 충분히 크게 만들어진 nf 및 Af 및 충분히 낮게 만들어진 접촉각을 가지고 설계될 수 있고 그것은 부분적으로 또는 완전히 컴플라이언트한 젖음을 초래하여 액체의 예상된 체적 V를 수용하며, 표면들은 예상된 체적의 액체를 수용하기 위해 공지의 표면 에너지들 또는 표면 에너지들의 범위 및 메니스커스 각 φ를 가지고 만들어질 수 있다. 일부 셀들이 완전히 보다는 적게 채워지는 경우 본 명세서에서 기술된 바와 같이 nf 및 Af의 값들은 예상된 셀 개수 n 및 액체로 채워지는 영역(A)의 예상되는 증가를 수용하기 위해 더 커질 수 있다. 완전히 채워진 셀은 액체에 대한 접촉 라인이 요철의 상부면과 측벽 사이의 요철의 가장자리들에서 일어나는 셀을 가리킨다.
액체의 전진 접촉각 및 요철들 및 그들이 형성하는 교차 채널들의 기하학적 형상에 따라, 예상된 체적의 액체를 수용하기 위하여 필요한 단위 셀들의 수와 면적이 형성될 수 있도록, 요철들을 갖는 표면들(선택적으로 처리됨)이 수학식 11 내지 수학식 14를 사용하여 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서 요철들을 갖는 표면들은 표면의 단위 셀들 중 일부가 액체로 완전히 채워지는 것보다는 덜 채워진 경우 액체의 예상되는 체적을 수용하도록 만들어질 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예들에서 가장자리 효과들을 고려하는 젖은 단위 셀들의 개수 ne는, 젖은 면적이 ne 1/2 x ne 1 /2 형상부들의 정사각 배열로 구성된다고 가정함으로써 추정될 수 있다. 젖은 사각형 영역의 중간 영역 nm을 갖는 단위 셀들의 개수는
<수학식 15>
nm = (ne 1 /2 - 2)2
가 될 수 있고, 둘레의 변들을 따르는 개수는
<수학식 16>
ns = ne- (ne 1 /2 - 2)2 - 4
이며, 코너들에 있는 수는
<수학식 17>
nc = 4
이다.
한정되지 않는 예에서, 요철들을 갖는 표면에 대한 하나의 근사는 그의 표면 에너지를 수정하도록 선택적으로 처리되고, 변들을 따르는 단위 셀들이 3/4(3/4Vu)만큼 채워지고 코너의 단위 셀들이 1/2(1/2Vu)만큼 채워진다고 가정한다. 그리하여, 가장자리 효과들을 고려하면, 구조화 면 상에 배치된 액체의 체적은 중간, 변들 및 코너들의 젖은 단위 셀들의 합과 동등하다.
<수학식 18>
Figure 112009079900750-PCT00027
수학식 10과 수학식 15 내지 수학식 18을 결합하면
<수학식 19>
nf = ne- ne 1 /2
이 된다.
2차식을 이용하여, ne가 nf로 풀릴 수 있다.
<수학식 20>
Figure 112009079900750-PCT00028
주어진 표면 구성에 대하여, 가장자리 효과들을 고려하는 젖은 면적 Ae는
<수학식 21>
Ae=(ne/nf)Af
로서 추정될 수 있거나
또는 ne와 각 단위 셀의 평면 면적 Au의 곱
<수학식 22>
Ae=neAu=ney2
로서 추정될 수 있다.
면적 일부 실시예들에서 요철들을 갖는 구조화 면들은 대략 정사각형 형상인 젖은 면적들을 만들고, 이들 젖은 면적들의 둘레들은 대략 또는 약
<수학식 23>
pe=4ne 1 /2y
이다.
본 발명의 일부 실시예들에서 가장자리를 따르는 단위 셀들은 전술된 것보다 훨씬 적은 액체를 포함할 수 있다. 메니스커스 곡률 및 단위 셀들로의 메니스커스 스며듬의 깊에 기인한 형상부들 사이의 기체-액체 계면 면적의 상대적인 증가뿐만 아니라 접촉각, 방울의 체적 및/또는 표면의 기하학적 형상, 액체-고체 접촉 면적, 기체-액체 계면 면적 및 평활면들 상의 작은 방울들의 둘레와 같은 각종 기하학적 파라미터들이 위에서 주어진 수학식들과 유사한 식들을 유도하기 위해 사용될 수 있고 그들의 가장자리들을 따라 채워지는 변화하는 양의 액체를 수용하는 변화하는 면적들 및 요철들을 갖는 표면들을 만드는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서 주어진 액체의 양, 예를 들면 물의 양은 알려지지 않을 수 있고 물품의 구조화 면에서 동작 또는 공정 조건들에 따를 수 있다. 예를 들면 연료 전지에서 분배판들(distribution plates)의 채널들 안에 액화(응축)되는 물의 양은 연료 전지의 동작 동안 변화할 수 있다. 요철들을 갖는 구조화 면은 구조화 면의 부분적으로 또는 완전히 컴플라이언트한 젖음에 의해 분배판 채널들로부터 물 액화를 제거하기 위해 사용될 수 있고 그에 의해 연료 기체들이 전극에 들어가도록 한다. 연료 전지판의 모세관들 안의 액체상태의 물은 그 후 공지된 방법들에 의해 연료 전지판으로부터 제거될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 구조화된 면을 완벽하게 적시는 또는 부분적으로 적시는 액체의 계면 면적을 증가시 켜 표면으로부터의 액체의 증발 속도를 증가시키는 데 사용될 수 있다. 이것은 배관(tubing), 필터 하우징들, 웨이퍼 캐리어들, FOUP들, SMIF 포드들, 레티클 포드들, 칩 트레이들, 헤드 트레이들 등과 같은 그러나 그것들에 한정되지 않는 젖은 물품들을 세정하고 건조시키는 데 필요한 시간 및 에너지를 감소시킬 뿐만 아니라 증발식 냉각 장치(evaporative cooling apparatus) 및 동작들에 유용할 수 있다.
예를 들면, 위의 한정되지 않는 예시에서, 둘레를 따르는 젖은 단위 셀들이 부분적으로만 채워졌고, 변들을 따르는 젖은 단위 셀들이 3/4만큼 채워졌고, 코너들의 젖은 단위 셀들이 1/2만큼 채워진다. 밀접하게 관련된 수학식들이 이전의 경우보다 적은 액체를 포함하는 둘레 셀들에 대해 유도될 수 있다. 예를 들면, 만약 변들을 따르는 단위 셀들이 1/2만큼 채워지고 코너들의 단위 셀들이 1/4만큼 채워진다면,
<수학식 26>
ne = (nf 1 /2 + 1)2
이다.
변 및 가장자리의 셀들이 훨씬 적은 액체를 포함하여, 변들이 1/4만큼 채워지고 코너들이 1/8만큼 채워지면
<수학식 27>
Figure 112009079900750-PCT00029
이다.
일반적으로 둘레의 단위 셀들의 액체의 비율이 감소함에 따라, 주어진 체적의 액체를 수용하기 위해 더 큰 면적이 젖는다. 수학식 23과 수학식 13 및, 수학식 26, 수학식 27 등에서와 같이 유도된 ne을 이용함으로써, 젖음의 둘레가 결정될 수 있고 단위 셀들의 개수 및 주어진 예상되는 액체의 체적에 대한 면적이 결정될 수 있고 주어진 표면에 형성될 수 있다. 더 큰 수 또는 더 작은 수의 단위 셀들 및 면적을 갖는 표면이 그에 따라 만들어질 수 있다.
접촉각, 방울 체적 및/또는 표면의 기하학적 형상으로부터 각종 기하학적 파라미터들을 추정하는 데 이하의 수학식들이 사용될 수 있다. 평활면 상에 퍼질 때 구의 비율을 유지하는, 즉, 중력이 그것을 찌그러뜨리지 않는 작은 액적의 체적에 대하여, 액체-고체 계면 면적은
<수학식 28>
Figure 112009079900750-PCT00030
와 같이 추정될 수 있고,
기체-액체 계면 면적은
<수학식 29>
Figure 112009079900750-PCT00031
와 같이 추정될 수 있고, 둘레는
<수학식 30>
Figure 112009079900750-PCT00032
와 같이 추정될 수 있다.
메니스커스 곡률에 기인한 형상부들 사이에서 기체-액체 계면 면적에서의 상대적인 증가는
<수학식 31>
Am/Anm=(θa-ω)/sin(θa-ω)
와 같이 계산될 수 있다.
셀로의 메니스커스 스며듬의 깊이 dm은
<수학식 32>
Figure 112009079900750-PCT00033
이다.
접촉 라인-액체 힘 비율. 액적이 고체 표면 상에 배치될 때, 기체-액체 계면의 면적을 최소화하는 힘들에 대항하여 분자 상호작용들이 접촉 라인을 전진시킨다. 접촉 라인에서의 분자 상호작용들의 상대적인 세기 대 기체-액체 계면의 복원력은 헤미 위킹면 상의 액체의 퍼짐이 완전히 컴플라이언트한지 또는 부분적으로 컴플라이언트한지의 여부를 결정하는 데 사용될 수 있다.
이론에 의해 제약되기를 바라지 않지만, 이 힘들의 상대적인 크기의 1차 추정을 하기 위해, 접촉 라인에서 힘들 fline의 임의의 증가가 단위 셀 당 접촉 라인의 길이 L, 표면의 기하학적 형상에 평행한 액체 표면 장력의 성분 γ의 증가에 비례한다고 추정될 수 있다.
<수학식 33>
fline = Lγcosθa
여기서 단위 셀당 접촉 라인의 증가는
<수학식 34>
L = y + 2z(cscω - cotω)
이다.
액체의 퍼짐에 저항하는 계면 힘들은
<수학식 35>
fliquid = γy
와 같이 근사될 수 있다.
수학식 34와 수학식 35를 결합하고 선과 면적 힘들의 비율을 취함으로써, 표면 형태 주도 퍼짐(topography driven spreading)에 대한 상대적인 기여는
<수학식 25>
Figure 112009079900750-PCT00034
일 수 있다.
0보다 큰 평활면 접촉각과 약 90° 또는 90°의 요철 상승각을 갖는 구조화 면들의 완전히 컴플라이언트한 젖음에 대하여, 비율 fline/fliquid는 1.4보다 크고, 일부 실시예들에서 1.6보다 크고, 또 다른 실시예들 또는 버전들에서 2보다 크다. 이들 비율들을 산출하도록 표면 형상부 파라미터 값들 y, z, 및 ω를 선택함으로써 그리고 접촉각을 변경하기 위하여 요철들 또는 기판의 표면을 선택적으로 처리함으로써, 이 표면들은 완전히 컴플라이언트한 헤미 위킹 표면들로 될 수 있다. 본 발명의 각종 실시예들에서 표면 형상부 파라미터 값들 y, z, 및 ω이 이들 파라미터들 중 임의의 파라미터의 평균값 또는 이 값들의 소정의 편차 또는 분포를 갖는 평균값이 될 수 있으나, 이 평균값들에 대한 비율 fline/fliquid는 1.4보다 크고, 일부 실시예들에서 1.6보다 크고, 또 다른 실시예들 또는 버전들에서 2보다 크다.
예 1
구조화된 기판들은 5 cm x 5 cm x 1 cm의 그라파이트 블록들(포코 그라파이트, 인크, 등급: EDM-AF5)로부터 카바이드 또는 DLC 코팅된(diamond-like-carbon-coated) 커터들을 사용하여 가공되었다. 평행 경로들이 일방향으로 커트(cut)되었고, 그 후 블록이 회전되었으며, 평행한 경로들이 다시 커트되어 그리드 어레이를 생성했다. 각 커트 방향에서, 블록의 상부면이 도 4에 도시된 것과 같이, 하나의 평활한 사분면(라인들이 없는, 우측 상부의 사분면), 평행한 홈들을 갖는 2개의 사분면(좌측 상부 및 우측 하부의 사분면), 및 형상부들의 규칙적인 어레이를 갖는 사분면(좌측 하부의 사분면)의, 4개의 4분면으로 분할되도록 평행한 경로들이 커트되었다. 경로들 사이의 커터 깊이 및 거리는 변화되어 원하는 형상부 크기 및 간격을 갖는 구조화 면들을 생산한다. 대부분의 경우들에서, 스퀘어-엔디드 커터(square-ended-cutter)가 사각 기둥들 및 사각형의 저부를 갖는 채널들을 생성하는 데 사용되었다. 다른 커터 형상들은 절두체들과 같은 다른 형상들을 갖는 형상 부들을 만드는 데 사용되었다.
구조화 면들의 치수들 및 그들의 젖음 거동이 광학 현미경을 이용하여 관찰되었다. 니콘 이클립스(Nikon Eclipse) ME600L 현미경을 이용하여 5OX 배율에서 DXM 1200 디지털 카메라로 화상들이 캡처되었다. 형상부 폭 및 간격은 이미지-프로 플러스(Image-Pro Plus) 소프트웨어를 이용하여 측정되었다. 형상부 높이 및 젖음 거동은 니콘 SMZ1500 현미경을 이용하여 저배율들(10X 내지 20X)에서 DXM1200 디지털 카메라로 관찰되었다.
젖음 실험들 전에, 블럭들은 이소프로판올로 세척되었고, 그 후 탈이온수로 세척되고 공기 건조되었다. 세정 후에, 그라파이트는 상대적으로 소액성이었다. 그라파이트의 표면은 산화 처리에 의해 친액성이 되었다(아래에 언급된 바와 같이 예 2 내지 예 7의 표면들 상에도 유사한 처리가 사용되었다). 산화 표면 처리 직후에, 산화된 표면들의 평평한 또는 형상부없는 부분들은 거의 물에 젖을 수 있었다(water wettable). 몇일간의 코스에 걸쳐, 처리된 표면들은 천천히 그들의 소수성의 성질을 회복하였다. 이 기간 동안의 간격들에서, 그라파이트 블록들의 형상부없는 부분들 및 구조화된 부분들 양쪽에 젖음 측정들이 수행되었다.
본 명세서에서 기술된 각종 예들에서 사용된 젖음 액체들은 18 MΩ 탈이온수, 포름아미드 (알파-에사, ACS, 99.5+%) 및 에틸렌 글리콜(시그마-알드리히, 무수물, 99.8%)이었다. 액체들의 방울들은 1ml 유리 주사기(엠-에스, 도쿄, 일본)로부터 서서히 압출되었다. 주사기 플런저 변위는 액체 체적 V로 변환되었다. 기판 의 평활한 4분면 상에 방울들을 서서히 놓은 후에, 전진 접촉각들 θa가 크뤼스(Kruss) 방울 형상 분석기 (DSAlO)로 측정되었다. 구조화 영역들 상에 놓인 방울들에 대하여는, 퍼지는 액체에 의해 젖은 단위 셀들의 개수 n이 계산되었다. 이 측정들은 보통 3회씩 측정되었고, 평균 및 표준 편차가 계산되었다. 주어진 표면 구조에 대하여, 퍼짐 면적들 A는 젖은 단위 셀들의 개수 n과 단위 셀의 평면 면적 Au를 곱하여 추정되었다.
<수학식 24>
A = nAu = ny2
"A"의 불확실성은 표준 편차들을 사용하는 표준 오차 전파 방법들(error propagation method)에 의해 n 및 y 측정치들로부터 추정되었다.
완전히 컴플라이언트한 수퍼 웨팅 또는 완전히 컴플라이어트한 헤미 위킹은 교차하는 모세관 채널들의 네트워크를 생성하는 형상부들 또는 요철들의 어레이에 의해 표면의 하나 이상의 부분들을 덮음으로써 이 부분들 상에서 달성될 수 있고, 어레이는 규칙적이거나 임의적일 수 있다. 도 1c 내지 도 1d는 완전히 컴플라이언트한 표면의 일 실시예의 일례를 도시하며 완전하게 컴플라이언트한 표면은 방울들의 높이가 실질적으로 0이 되도록 방울들을 평탄화시킬 수 있고 기판 상에 요철들을 갖는 구조화 면에 대하여 θa가 0°가 아니거나 약 5 °이상이다. 예를 들면, 이러한 그라파이트 검사 표본의 평활한 부분은 친수성 처리되어 θa가 약 40°이었 고 그리하여 전진 접촉각은 비처리된 그라파이트에 대한 전진 접촉각을 약 80°라고 가정하였을 때 약 40°만큼 감소되었다. 물은 도 1a에 도시된 것과 같은 원형 패치를 형성하도록 평활한 부분 상에 퍼졌다. 원형 접촉 패치의 면적은 11mm2이었고 기체-액체 계면 면적은 대략 13mm2이었다. 이러한 검사 표본에 대한 표면의 구조화된 부분은, 액체의 퍼짐을 향상시키는 친액성 모세관 채널들의 상호 연결망(interconnected network)을 생성하는 사각 기둥 요철들의 어레이로 덮였다. 이러한 구조화 면 상의 물로의 젖음은 도 1c 및 도 1d에 도시된 바와 같이 완전히 컴플라이언트했다.
도 1a의 평활면과 대조적으로, 도 1d에서는 요철들을 갖는 처리면 상에 물이 퍼져 대략 정사각형 형상이며, 30개의 단위 셀들이 물을 포함하는 젖은 면적들을 생성하였다. 둘레 주위의 단위 셀들은 부분적으로 채워졌고, 안쪽 구역의 12개의 단위 셀들이 완전히 채워졌다. 구조화 면의 젖은 면적은 18mm2로 평활면보다 훨씬 컸다. 헤미 위킹면 상에서, 물방울의 높이 및 그것의 단면적은 본질적으로 0으로 감소되었다.
구조화 면들에 대하여 여기에서 열거된 영역들은 일반적으로 젖은 단위 셀들의 계산으로부터 추정된 평면 근사들(planar approximation)이다. 이 영역들은 액체막으로부터 돌출할 수 있는 형상부들의 건조한 상부들 또는 형상부들 사이의 액체의 곡률을 고려하지 않는다. 위의 주어진 예에서, 형상부 상부들의 면적을 빼는 것은 계면 면적을 18mm2로부터 14mm2로 감소시킨다. 메니스커스 곡률을 고려하는 것은 추정을 14mm2로부터 16mm2로 증가시킨다.
통상적으로 임의의 액체 체적들은 완벽하게 대칭적인 젖음 패턴들(wetting patterns)을 생산하지 않는다. 도 1에 도시된 표면에 대하여, 대략 4.6mm3 의 체적을 갖는 물방울이 놓이면, 초래되는 젖은 면적은 한 변당 6개의 젖은 셀들을 갖는 36개의 젖은 단위 셀들(n1 /2는 정수이다)의 행렬로 구성되는 완벽한 사각형일 것이다. 약간 더 작거나 약간 더 큰 체적은 거의 확실히 부분적으로 채워지거나 비는 "완벽하지 않은" 행을 만들 것이다.
표 1은 체적들 V가 1 내지 8mm3범위에 있는 물방울들에 대한 젖은 단위 셀들의 개수 및 젖은 면적들을 열거한다. 이 준비된 구조화 면은 도 1에 도시된 구조화 면과 유사하다. 그것은 폭 x= 380 μm이고, 높이 z = 420 μm, 단위 셀 폭 y = 780 μm이며, 전진 접촉각 θa= 40°인 사각 기둥들(ω = 90°) 의 규칙적인 어레이로 구성된다. 이 표면의 젖음은 완전히 컴플라이언트했다. V, n, 및 A의 값들은 실험적으로 결정되었다. nf 및 Af 는 표면의 기하학적 형상 및 젖음성에 대해 실험적으로 결정된 값들을 이용하여 수학식 13과 수학식 14로 계산되었고, 그 후 차례로 수학식 20 및 수학식 21을 이용하여 ne 및 Ae가 계산되었다. 가장자리 효과들을 고려하는 값들인 ne 및 Ae는 측정값들 n과 A에 일치하였다. 이 결과들은 주어진 체 적의 액체에 대하여 본 발명의 실시예들의 구조화 면이 완전히 컴플라이언트한 젖음을 초래하도록 만들어질 수 있다는 것을 보여준다.
메니스커스에 의해 치환된 액체의 체적은 수학식 13 및 수학식 14로부터 정량화될 수 있다.
분모의 제1항인 z[l+(x/y)2] 은 기체-액체 계면이 평평했다면(곡률이 0인 메니스커스) 점유되었을 전체 체적을 제공한다. 제2항인 (y/4)(l+x/y)(l-x/y)2(φ -cosφsinφ)/sin2φ는, 메니스커스의 곡률에 기인하여 배제된 체적을 추정한다. 완전히 젖은 내부 구역에서, 각 단위 셀에서 사용가능한 전체 체적은 0.194 mm3였다. 메니스커스의 존재는 체적을 0.030 mm3만큼 또는 대략 15% 만큼 감소시켰다. y는 0으로 향하려는 경향이 있기 때문에, 메니스커스의 위 및 형상부 상부면 사이의 공기의 체적은 감소한다. 예를 들어, 이 구조화 면의 폭 방향의 치수들의 축소 동안 z 및 x/y의 값들이 일정하게 유지된다면(z = 420μm 이고 x/y = 0.5), 메니스커스 체적으로부터의 기여는 y = 250μm에 대하여 5%로 감소한다. y < 1μm에 대하여, 메니스커스 항의 기여는 무의미하게 될 것이다.
구조화 면들이 상대적으로 큰 단위 셀 치수들을 갖는 경우 상대적으로 적은 단위 셀 가장자리 효과들이 중요해질 수 있다. nf와 ne의 계산값들 사이의 차이는 일반적으로 작은 V에 대하여 크지만, 젖은 단위 셀들의 수가 증가함에 따라 줄어든 다. 사용된 가장 큰 액체 체적이 V = 96mm3임에 주목하면, 가장자리 효과들을 무시하는 것은 여전히 n 및 A에 대한 합리적인 추정을 제공한다. 이것은 계산된 nf와 ne 값들의 비교에 기초하여 기대된 결과이다. 예를 들어, nf = 30이면, nf와 ne 사이의 차이는 20%이다. 젖은 형상부들의 수가 300개이면, 그들의 차이는 6%로 떨어진다. 3000개의 젖은 형상부들에 대해서 nf와 ne 사이의 차이는 2%보다 적다.
예 2
도 5는 기하학적 형상은 일정하고 친액성은 변화하는 경우에 젖은 셀들의 개수 n 및 젖은 면적 A 대, 기둥 요철들을 갖는 처리된 그라파이트인 구조화된 헤미 위킹면들 상의 물에 대한 체적들의 플롯을 도시한다. 친액성은 산화 표면 처리의 지속 기간을 변화시킴으로써 변화된다. 표 1에 대한 표면과 유사하게, 표면은 x
Figure 112009079900750-PCT00035
380 μm, y
Figure 112009079900750-PCT00036
780 μm이고 z
Figure 112009079900750-PCT00037
420 μm인 사각 기둥들(ω = 90°)로 덮였다. 점들은 실험 데이터이고(표 2, 샘플 1-3 참조), 실선들은 수학식 20 및 수학식 21에 기초한 모델 계산들이다. n과 A 둘 다 V와 함께 선형적으로 증가하는 것으로 관찰된다. 젖음은 완전히 컴플라이언트하여서 제안된 모델은 실험 데이터와 잘 맞았다 표면들의 친수성이 변했음에도 불구하고, 이 구조화 면들은 모두 완전히 컴플라이언트한 헤미 위킹이었다.
젖음 패턴들의 명확한 형태를 넘어서, 구조화 면들은 몇 가지 다른 면들에서 평활면들과 극적으로 상이했다. 주어진 전진 접촉각을 갖는 표면에 대하여, 평활 면 상의 액체 퍼짐에 의해 젖은 면적은 V2 /3으로서 개산(scale)된다. 본 발명의 실시예들에서 주어진 전진 접촉각(처리 또는 코팅에 의하여 결정됨)에 대하여 구조화된 헤미 위킹면 상의 액체 퍼짐에 의해 젖은 면적 (A)가 V에 대략 비례한다는 것이 예기치 않게 관찰되었다. 평활한 친수성 표면들에 대하여, θa의 작은 감소와 함께 면적 및 둘레가 크게 증가할 수 있다. 예를 들어,θa가 40°로부터 10°로 감소하면, A는 166%만큼 증가한다. 한편, 도 5에 도시된 구조화된 헤미 위킹면들에 대하여, 40°로부터 10°까지의 θa의 감소는 단지 19%만큼 A를 증가시킨다. 일반적으로 본 발명의 버전들에서 선택적으로 표면 처리된, 요철들을 갖는 표면은 일부 실시예들에서 n이 0.67보다 크고 다른 실시예들에서 n이 대략 1인 경우에 요철들을 갖는 표면 상의 액체 퍼짐에 의해 젖은 면적이 Vn에 비례한다는 것으로 특징지어질 수 있다.
원칙적으로, θa + ω < 180°이면, 젖음 액체(wetting liquid)는 본 발명의 버전들에서 요철들에 의해 형성된 채널들에 스며들어야 한다. 일단 액체가 채널들 안에 있으면, 채널 벽들이 평행하고 θa < 90°이면, 액체는 바깥으로 위킹될 것이다. 수직 벽들(ω = 90°)을 가지고 θa < 90°인, 형상부들 또는 요철들을 갖는 구조화 면들에 대하여, 액체들은 채널들에 스며들고 헤미 위킹이라고 예상되었을 것이다. 여기서 사용된 그라파이트면들이 완벽하게 평활하지도 않고 균일하지도 않다는 것이 관찰되었다. θa > 60°인 사각 기둥들은 물이 쉽게 스며들고 퍼지게 하지 않는다는 것이 관찰되었다. 다른 재료들 및 표면 마감들이 물이 스며들고 퍼지는 것을 허용할 수 있거나, 채널들로의 액체 스며듬을 달성하기 위해 전진 접촉각이 추가 표면 처리에 의해 수정될 수 있다.
도 5에 도시된 표면들에 대하여, 메니스커스에 기인한 빈 체적은 각 단위 셀의 이용 가능한 체적의 15% 내지 28%를 나타낸다. 본 명세서에서 시험된 모든 구조화 면들에 대하여, 예를 들어 표 2를 참조하면, 빈 체적의 비율은 11%로부터 38%까지로 약간 더 광범위했다.
예 3
도 6은 구조화된 헤미 위킹면들(기둥 요철들을 갖는 처리된 그라파이트) 상의 각종 액체들에 대하여, 체적 V에 대한 젖은 셀들의 개수 n 및 젖은 면적 A를 도시한다. 표 2의 샘플들 4-6을 참조하면, 액체들은 θa = 17°인 에틸렌 글리콜(EG), θa = 26°인 포름아미드(FA) 및 θa = 40°인 물이었다. 표면들은 x
Figure 112009079900750-PCT00038
380 μm, y
Figure 112009079900750-PCT00039
780 μm이고 z
Figure 112009079900750-PCT00040
420 μm인 사각 기둥들(ω = 90°)의 어레이로 덮였다. 도 6의 실험 데이터는 점들로 도시된다. 이러한 특별한 표면 기하학적 형상 위의 물은 전진 접촉각이 θa= 40°였고 완전히 컴플라이언트한 헤미 위킹을 보였으며, 앞의 예 및 도 5를 참조한다. 물보다 더 낮은 θa 값들을 제공하는 다른 액체들을 사용하면, 에틸렌 글리콜(EG) 및 포름아미드(FA) 둘 다의 접촉 라인에서 상호작용들의 세기가 물의 접촉 라인에서 상호작용들의 세기보다 훨씬 컸다. 유사하게, 더 낮은 γ값들은 기체-액체 계면에서 작용하는 복원력들을 감소시켰다. 도시된 바와 같이, EG 및 FA 또한 완전히 컴플라이언트하였다(약 90°의 요철 상승각에 대하여 접촉력 비율이 1.4 이상이다). 실선들로서 도시된 수학식 20 및 수학식 21은 헤미 위킹을 다시 적절하게 기술하였다.
예 4
도 7은 기둥 요철들을 갖는 처리된 그라파이트인 일련의 구조화된 헤미 위킹면들 상의 물의, 체적 V에 대하여 젖은 셀들의 개수 n 및 젖은 면적 A를 도시하고, 채널 폭 w(= y - x)는 400 μm에서 일정하게 유지되었고 셀 간격에 대한 기둥 폭의 비율들 x/y는 0.38로부터 0.65까지 변화했으며, 데이터 표 2의 샘플 7-10을 참조한다. 모든 네개의 표면들에 대해, z
Figure 112009079900750-PCT00041
420 μm이고 θa
Figure 112009079900750-PCT00042
40°이다. n과 A 둘 다 V와 함께 선형적으로 증가하였다. 채널의 상대적인 크기가 감소함(즉, x/y가 작아짐)에 따라, n 및 A는 증가한다. 좁은 채널들은 액체가 더 넓은 면적을 덮으면서 더 멀리 위킹하도록 한다. 수학식 20 및 수학식 21로부터 계산된 실선들은 실험 데이터와 정확하게 맞는다. 샘플들은 모두 완전히 컴플라이언트 하였고, 접촉 힘 비율은 1.4 이상이었으며 요철 상승각은 약 90°였다.
예 5
도 8에서, 다른 일련의 구조화된 헤미 위킹면들(기둥 요철들을 갖는 처리된 그라파이트) 상의 물에 대하여, 젖은 셀들의 개수 n 및 젖은 면적 A가 체적 V에 대 하여 도시된다. 이전의 도면과는 대조적으로, 셀 간격에 대한 기둥 폭의 비율들이 약 x/y=0.5에서 일정하게 유지되고 단위 셀 폭들 y는 변했으며, 표 2의 샘플 11-13을 참고한다. 이 표면들은 도 7의 채널 깊이 및 친액성과 동일한 채널 깊이 및 친액성을 가졌고, z
Figure 112009079900750-PCT00043
420 μm였고 θa
Figure 112009079900750-PCT00044
40°였다. 점들은 실험 데이터이다. 여기서, n은 단위 셀들의 크기가 증가함에 따라 감소한다. 그러나 A는 불변이었다. 이 결과들은 x/y, z 및 θa가 일정하게 유지된다면, 단위 셀의 절대적인 크기는 상대적으로 중요하지 않다는 것을 보여준다. 실선들로서 도시된 예측값들은 데이터에 잘 맞았다. 약 90°의 상승각에 대하여 샘플들은 접촉력 비율이 1.4 이상인 경우 모두 완전히 컴플라이언트하였고 접촉 비율이 1.4 이상인 경우 부분적으로 컴플라이언트하였다.
예 6
도 9는 기둥 요철들을 갖는 처리된 그라파이트인 일련의 구조화된 헤미 위킹면들 상의 물에 대하여, 젖은 셀들의 개수 n 및 젖은 면적 A를 체적 V에 대하여 도시하고, 각종 기둥의 높이들 또는 채널 깊이들은 z = 180 μm로부터 540 μm까지의 범위이며, 표 2의 샘플 14-17을 참조한다. 표면 형상부들은, 폭 x
Figure 112009079900750-PCT00045
380 μm 이고 단위 셀 폭 y
Figure 112009079900750-PCT00046
780 μm인, 사각 기둥들(ω = 90°)이었다. 이 표면들의 평활한 부분들 상의 접촉각은 θa
Figure 112009079900750-PCT00047
40°이었다. 점들은 실험 데이터들이고 실선들은 수학식 20 및 수학식 21로 계산되었다. z = 420 μm 및 540 μm인 더 깊은 채널들을 갖는 두 개의 구조화 면들은 완전히 컴플라이언트한 헤미 위킹을 산출하였다. 여기에서, 실험 데이터와 n과 A의 예측값들은 실험 데이터와 잘 맞았다.
z = 180 μm 및 270 μm인 더 얕은 채널들을 갖는 두 개의 표면들의 경우에, 물이 퍼져서 정사각형 형상의 패치를 만들었음에도 불구하고, 젖음은 오직 부분적으로만 컴플라이언트하였다. 그 결과, 예측값들은 너무 컸다. 이론에 의해 제약되기를 바라지 않지만, 더욱 열악하게 정의된 표면 모세관들에 대하여도 일치하는 각 단위 셀에서의 접촉 라인의 길이의 감소는, 사각 기둥들 사이의 채널들이 더 얕아짐에 따라, 기체-액체 계면을 신장하는데 사용가능한 젖음 힘의 크기를 감소시킬 수 있다. 측면으로부터 보았을 때, 물은 짧은 기둥들의 상부들 위에 평평하게 퍼졌지만 그들 사이에 메니스커스들을 형성하지는 않았다. 그리하여, 수학식 14의 메니스커스 곡률에 대한 항을 무시하는 것은 n과 A의 관찰값들과 계산값들 사이의 일치를 개선시킨다.
예 7
도 10은 절두체들(ω = 60° 및 77°)의 규칙적인 어레이로 덮인 절두체 요철들을 갖는 처리된 그라파이트인 구조화된 헤미 위킹면들 상의 물에 대하여, 젖은 셀들의 개수 n 및 젖은 면적 A를 체적 V에 대하여 도시한다. 표 2의 샘플 18-20 참조. 사각 기둥들(ω = 90°)에 대한 데이터는 비교를 위해 포함되었다. 모든 3개의 표면들에 대하여, x
Figure 112009079900750-PCT00048
500 μm, y
Figure 112009079900750-PCT00049
1000μm, z
Figure 112009079900750-PCT00050
400 μm이고 θa
Figure 112009079900750-PCT00051
40°이다. 점들은 실험 데이터이고, 실선들은 수학식 11, 수학식 12, 수학식 20 및 수학식 21로부터 계산된다. 사각 기둥들로 덮인 표면은 완전히 컴플라이언트한 젖음을 나타낸다. 한편, 절두체들을 갖는 두 개의 표면들은 부분적으로만 컴플라이언트했다. 절두체들은 메니스커스들을 생성하는 그들의 능력에 있어서 기둥들과 달랐다. ω 값들이 더 작았다면 메니스커스 곡률들이 더 작았을 것이다. θa
Figure 112009079900750-PCT00052
40°이면, 메니스커스들은 ω = 77°에 대하여 얕았을 것이고 ω = 60°에 대하여는 거의 존재하지 않았을 것이다. ω = 77°에 대하여, 절두체들은 기체-액체 계면에 구멍을 내었지만, 메니스커스들을 보여주지는 않았다. ω = 60°에 대하여, 절두체들은 물을 통과하여 돌출하지 않았다 - 그들의 상부들은 얇은 수막으로 덮였다. 이론에 의해 제약되기를 바라지 않지만, 형상부들이 동일한 바닥 치수들을 갖는 한편, 절두체들은 각 단위 셀에서 기둥들보다 적은 체적을 점유하였다. 절두체들의 더 작은 ω 값들은 또한 기체-액체 계면을 신장하는 데 사용가능한 각 단위 셀의 접촉 라인의 길이를 감소시켰다.
표 2에서 도시된 샘플들에서, fline/fliquid 비율이 1.3보다 큰 샘플들은 완전히 컴플라이언트 하였다.
접촉 라인에서 및 액체 내의 경쟁하는 힘들의 간단한 비율 fline/fliquid 은 표면 형태 주도 퍼짐에 대한 그들의 상대적인 기여를 계측하는 데 사용될 수 있었다.
<수학식 25>
Figure 112009079900750-PCT00053
fline/fliquid 이 충분히 클 때, 접촉 라인에서의 상호 작용들은 기체-액체 계면 의 최소화 힘들을 압도할 수 있고 헤미 위킹은 완전히 컴플라이언트할 수 있다. 표 2는 예들에서 시험된 각종 액체면 조합들에 대한 값들을 도시한다. 조합들은 키 파라미터들인 θa, γ, x/y, w = y-x, y 및 ω의 영향을 보여주도록 그룹화된다. 각종 표면들에 대하여 fline/fliquid 비율이 1.4 이상이면 약 90°의 상승각들에 대하여 완전히 컴플라이언트한 젖음이 된다는 것이 관찰되었다.
접촉 라인에서의 힘들과 기체-액체 계면 내의 힘들 사이의 경쟁이 젖음의 정도를 결정하고, 단위 셀 당 접촉 라인의 양을 증가시킴으로써 또는 젖음성을 증가시킴으로써 부분적으로 컴플라이언트한 표면을 완전히 컴플라이언트한 표면으로 변화시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들면, 얕은 채널들을 갖는 물에 대하여 부분적으로 컴플라이언트한 구조화 면 (x = 370 μm, y = 780 μm, z = 270 μm 및 ω = 90°, 샘플 15)은 θa를 40°로부터 대략 10°로 감소시키도록 더 처리된다. 여기서, 물방울이 놓이고 퍼짐의 정도가, 큰 θa 값들을 갖는 표면들과 비교되었다. 더 작은 접촉각은 커버리지를 개선하였지만, 완전한 컴플라이언스를 산출하지는 않았다. 이 표면들 상의 퍼짐을 결정하는 것에 있어서, 표면 구조가 젖음성(즉, θa 또는 γ)보다 중요할 수 있는 것으로 생각된다.
표면 구조화된 헤미 위킹면들의 일부 실시예들에서, 채널들은 완전히 컴플라이언트한 젖음이 달성되기에 충분히 깊고 친액성이도록 될 수 있다. 일부 실시예들에서 채널들은 위킹 액체가 더 넓은 영역을 덮도록 좁게 만들어질 수 있다. 표 면들의 내구성 및 제조의 용이성을 위해, 채널들이 너무 좁거나 너무 깊지 않도록 형상부들을 만들 수 있다. 그러나 너무 얕으면 n 및 A가 감소될 수 있다. 일부 실시예들에서 표면들은 폭과 깊이가 대략 같은(w = z), 좁고, 친액성인 채널들을 포함할 수 있다(x/y ≥ 0.5이고 θa < 50°). 예를 들면, 도 11은 y 값들의 범위가 넓은 사각 기둥들의 규칙적인 어레이를 구성하는 균일한 일련의 헤미 위킹면들 상에 퍼진 물에 대해 계산된 nf/V 및 Af/V 값들을 도시하고, 여기서 θa = 40°, z = y - x 및 x/y = 0.50, 0.75 또는 0.90이다. y의 값을 감소시키는 것은, 채널 단면의 애스펙트 비 및 단위 셀 간격에 대한 그 크기를 둘 다 일정하게 유지하면서 단위 셀 치수들을 축소하는 것과 같다. 그리하여, 치수들이 작아짐에 따라 주어진 체적의 액체에 대하여, 면적 커버리지는 증가한다. 따라서, 이 헤미 위킹면들 상에 놓인 액체의 체적이 1 mm3이고 x/y = 0.50일 경우, y = 100 μm에 대하여, Af = 32 mm2이다. 그러나 약 1 μm인 y에 대하여, Af는 약 3200 mm2의 크기의 정도만큼 증가한다. 대조적으로, 평활한 친액성면(θa = 10°) 상의 동일한 체적의 액적은 12mm2만을 덮을 것이다. 유리하게도, 교차된 채널들을 갖는 요철들을 포함하는 구조화된 면들을 갖는 본 발명의 실시예들에서 재료들은, 구조 또는 요철들을 갖지 않는 그러한 재료들의 평평한 표면들이 0보다 큰 전진 접촉각, 일부 실시예들에서 10° 이상의 전진 접촉각, 일부 실시예들에서 25° 이상의 전진 접촉각, 및 또 다 른 실시예들에서 40° 이상의 전진 접촉각을 가질 때 완전히 컴플라이언트한 젖음 또는 부분적으로 컴플라이언트한 젖음을 제공할 수 있다. 대조적으로 이전의 거친 표면들은 영 접촉각(Young contact angle)이 0일 때 또는 접촉각이 0일 때에 거친 표면 상에서만 완벽한 젖음(외관 상의 또는 실질적인 접촉각이 0)을 달성하는 것이 가능하다. 높은 친액성 표면들은 오염물질들을 끌어당겨 0 또는 거의 0인 접촉각들이 유지되기 어려울 수 있기 때문에 본 발명의 구조화 면들의 실시예들은 표면 젖음 특성들에 대한 더 큰 안정성 및 내구성을 제공한다.
예를 들면 연료 전지 분배판에서 또는 필터 코어(filter core), 새장, 또는 가정용 볼(bowl)의 일부들처럼 본 발명의 실시예들의 구조화 면들은 기울어질 수 있다. 예를 들면 분배판 채널들의 하나 이상의 표면들 또는 이들의 페이스들 상에 이 구조화 면들이 만들어질 수 있다. 배향은 퍼짐의 정도, 퍼짐의 방향, 또는 젖은 면적의 형상에 큰 영향력을 갖지 않을 수 있다. 동일한 접근이 순서가 있는 또는 임의적인 다른 채널 기하학적 형상들에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 구조 또는 텍스처를 도입함으로써 표면의 명백한 친액성을 개선시킨다. 모세관 채널들의 망을 생성하는 표면 형상부들은 액체 퍼짐을 향상시킨다. 일부 실시예들에서 이들 특정한 표면들의 직교하는 기하학적 형상에 의해 정사각형 형상의 젖은 영역들이 만들어진다. 헤미 위킹은 표면들의 기하학적 형상에 따라 변하고 더 적은 영역에 대하여 (접촉각에 의해서 계산되는) 액체의 표면 장력 또는 접촉 라인에서의 분자 상호 작용들의 세기에 따라 변한다.
본 발명의 실시예들에서 완전히 컴플라이언트하거나 부분적으로 컴플라이언 트한 두 개의 상이한 유형들의 헤미 위킹 거동이 표면 구조들에 의해 제공될 수 있다. 헤미 위킹면들의 완전히 컴플라이언트한 젖음은 접촉 라인에서의 상호작용들의 세기가 기체-액체 계면 장력과 관련된 복원력들을 압도했을 경우에 발생하였으며, 액체들은 틈의 공간들에 완벽하게 당겨졌고 친액성 요철들의 측면 상의 전진 접촉각을 나타내는 메니스커스들을 확립하였다. 부분적으로 컴플라이언트한 헤미 위킹에서, 경쟁하는 힘들은 크기에서 비교 가능하고 이 실시예들에서 액체는 메니스커스들 얇은 액체층으로 마스킹된 형상부들을 나타내지 않았다.
액체가 표면 구조에 스며드는 경우 및 완전한 컴플라이언스가 달성된 경우 표면들의 실시예들에서 고유한 젖음성은 상대적으로 중요하지 않았다. 이 실시예들에서 채널들이 더 얕게 또는 더 좁게 만들어지면, 액체는 더 큰 영역에 걸쳐 퍼진다.
표 1. 다양한 체적들 V의 물방울들의 배치 후 요철들을 갖는 구조화된 완전히 컴플라이언트한 헤미 위킹 처리된 그라파이트면 상의 젖은 단위 셀들의 개수 n 및 젖은 면적 A. 폭 x = 380 μm이고 높이 z = 420 μm 이고 단위 셀 폭 y = 780 μm인 사각 기둥들(ω = 90°)의 규칙적인 어레이로 표면이 구성되었다. 대응하는 평활면은 θa= 40°인 전진 접촉각을 가졌다.
Figure 112009079900750-PCT00054
nf 및 Af의 값들이 수학식 13 및 수학식 14로 계산되었고, ne 및 Ae는 수학식 20 및 수학식 21로부터 계산되었다.
표 2. 다양한 기체-액체 조합들에 대하여 접촉 라인 및 기체-액체 계면 내에서 작용하는 힘들의 비율 fline/fliquid.
Figure 112009079900750-PCT00055
본 발명이 본 발명의 소정의 바람직한 실시예들을 참조하여 매우 세부적으로 기술되었지만, 다른 버전들이 가능하다. 그리하여 첨부된 청구범위들의 사상 및 범위는 본 명세서 내의 기술 및 바람직한 버전들에 한정되지 않아야 한다.

Claims (9)

  1. 물품이며,
    요철들을 갖는 하나 이상의 처리면들을 갖는 기판으로서, 상기 요철들은 상기 요철들 사이에 교차하는 모세관 채널들을 형성하고, 요철들을 갖는 상기 처리면은 요철들이 없는 상기 기판의 비처리면보다 적어도 30° 작은 고착성 물방울(sessile drop of water)에 의해 측정된 전진 접촉각(advancing contact angle)을 갖는 기판을 포함하고,
    상기 요철들을 갖는 처리면은, 요철들을 갖는 상기 처리면 상의 액체 퍼짐(liquid spreading)에 의해 젖은 면적이 요철들을 갖는 상기 처리면 상에 배치된 액적의 체적에 비례하고, 요철들을 갖는 처리면과 접촉 라인에서의 액체의 상호 작용의 세기는 기체-액체 계면 장력과 관련된 복원력들보다 커서, 요철들을 갖는 상기 처리면 상의 액체가 교차하는 모세관 채널들 내로 완전히 당겨지고 액체는 요철들의 측면 상에 전진 접촉각을 형성하고 상기 요철들 사이에 메니스커스들을 형성하는 것으로 특징지어지는, 물품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요철들은 상기 요철들 사이에 형성된 상기 모세관 채널들의 바닥으로부터 약 90°의 상승각을 갖고, 상기 요철들은 y가 1500μm 미만이고 최대 표면 형상부 치수(feature dimension) x 가 1000μm 미만이며 높이 z가 1000μm 미만인 하나 이상의 단위 셀(unit cell)들을 갖는, 물품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    요철들을 갖는 상기 처리면은, 요철들이 없는 상기 기판의 비처리면보다 적어도 40° 작은 고착성 물방울에 의해 측정된 전진 접촉각을 갖는, 물품.
  4. 물품이며,
    요철들을 갖는 하나 이상의 처리면들을 갖는 기판으로서, 상기 요철들은 상기 요철들 사이에 교차하는 모세관 채널들을 형성하고, 요철들을 갖는 상기 처리면은 요철들이 없는 상기 기판의 비처리면보다 적어도 30° 작은 고착성 물방울에 의해 측정된 전진 접촉각을 갖는 기판을 포함하고,
    상기 요철들을 갖는 처리면은, 요철들을 갖는 상기 처리면 상의 액체 퍼짐에 의해 젖은 면적이 요철들을 갖는 상기 처리면 상에 배치된 액적의 체적에 비례하여, 상기 모세관 채널들에 당겨지는 상기 구조화된 표면 상의 액체는 상기 요철들의 측면 상에 전진 접촉각을 형성하지 않고, 액체는 상기 요철들 사이에 메니스커스들을 형성하지 않는 것으로 특징지어지는, 물품.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 요철들은 90°미만의 상승각을 갖고, 상기 요철들 사이에 형성된 상기 모세관 채널들은 y가 1200μm 미만이고 최대 표면 형상부 치수 x 가 800μm 미만이 며 높이 z가 500μm 미만인 하나 이상의 단위 셀들을 갖는, 물품.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    요철들을 갖는 상기 처리면은, 요철들이 없는 상기 기판의 비처리면보다 적어도 40° 작은 고착성 물방울에 의해 측정된 전진 접촉각을 갖는, 물품.
  7. 물품이며,
    요철들을 갖는 하나 이상의 처리면들을 갖는 기판으로서, 상기 요철들은 상기 요철들 사이에 교차하는 모세관 채널들을 형성하고, 요철들을 갖는 상기 처리면은 요철들이 없는 상기 기판의 비처리면보다 적어도 30° 작은 고착성 물방울에 의해 측정된 전진 접촉각을 갖는 기판을 포함하고,
    상기 요철들을 갖는 처리면은, 요철들을 갖는 상기 처리면 상의 액체 퍼짐에 의해 젖은 면적이 요철들을 갖는 상기 처리면 상에 배치된 액적의 체적에 비례하고, 접촉 라인 액체 힘(liquid force) 비율 fline/fliquid 은 1.4 이상이고, fline은 상기 접촉 라인에서의 힘이고, fliquid는 액체의 퍼짐에 저항하는, 아래 식에 따르는 계면힘(interfacial force)이며,
    Figure 112009079900750-PCT00056
    여기서 z는 채널 높이이고, y 는 상기 단위 셀이고, ω 는 평균 상승각이며 약 90°이고, θa 는 물의 상기 전진 접촉각이고,
    요철들을 갖는 상기 처리면은 물에 대하여 완전히 컴플라이언트한(compliant) 젖음 헤미 위킹(hemi- wicking)면인, 물품.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 요철들 사이에 형성된 상기 모세관 채널들은 y가 1200μm 미만이고 최대 표면 형상부 치수 x 가 800μm 미만이며 높이 z가 500μm 미만인 하나 이상의 단위 셀들을 갖는, 물품.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 요철들은 정사각 배열(square array)을 형성하는, 물품.
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