KR20190018410A - 흐름 통로들을 갖는 2차원 막 구조들 - Google Patents
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Abstract
2차원 막 층형 구조는 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기판 통로들을 갖는 지지 기판층, 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치된 2차원 막 층, 및 지지 기판 층과 2차원 막 층 사이에 배치된 복수의 흐름 통로들을 포함할 수 있다. 2차원 막 층은 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기공들을 가질 수 있다. 복수의 기공들은 복수의 기판 통로들과 중첩하는 기공들의 제 1 부분과, 복수의 기판 통로들과 중첩하지 않는 기공들의 제 2 부분을 포함할 수 있다. 복수의 흐름 통로들은 유체가 기공들의 제 2 부분을 통해 복수의 기판 통로들에 흐르도록 구성될 수 있다.
Description
본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합되는 "TWO-DIMENSIONAL MEMBRANE STRUCTURES HAVING FLOW PASSAGES"라는 명칭으로 2016년 4월 14일에 출원된 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/099,420의 우선권을 주장한다.
2차원 막들은 원자 규모의 두께를 갖는 물질들이다. 여과, 장벽, 및 분리 디바이스들에서의 그 이용을 포함하는 2차원 막들의 잠재적인 응용들은 광범위하다. 하지만, 그 원자-레벨의 두께로 인해, 2차원 막들은 종종 의도된 이용을 위한 필요한 기계적 지지를 제공하기 위해 지지 기판 상에 배치될 필요가 있다. 더욱이, 지지 기판은 개선된 생체 적합성 및/또는 더 용이한 디바이스 통합을 막 구조에 제공할 수 있다.
2차원 막이 지지 기판에 도포될 때, 2차원 막에 존재하는 기공들의 큰 단편은 지지 기판에 존재하는 통로들과 중첩하지 않는다. 따라서, 유체는 지지 기판 통로들과 중첩하는 이들 기공들을 통해 단지 흐를 수 있다. 지지 기판 통로들과 중첩하지 않는 기공들은 활용되지 않아서, 막에서의 낮은 전체 기공 활용을 야기한다. 많은 경우들에서, 이들 구조들에 대한 전체 기공 활용은 5%만큼 낮을 수 있어서, 2차원 막 구조를 통하는 낮은 전체 유체 흐름을 초래한다.
2차원 막 구조를 통하는 흐름을 증가시키기 위해 그리고 전체 기공 활용을 증가시키기 위해, 한 가지 방법은, 지지 기판 채널들과 중첩하는 기공들의 양이 증가하도록 2차원 막에서의 기공들의 밀도를 증가시키는 것일 수 있다. 하지만, 막에서의 기공들의 밀도를 증가시키는 것은 2차원 막 상의 기계적 스트레인(strain)에 추가할 수 있고, 지지 기판으로의 대규모 막들(예를 들어, > 1 cm2)의 전달 능력을 어렵게 할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 2차원 막 층형 구조는 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기판 통로들을 갖는 지지 기판 층, 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치된 2차원 막 층, 및 지지 기판 층과 2차원 막 층 사이에 배치된 복수의 흐름 통로들을 포함할 수 있다. 2차원 막 층은 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기공들을 가질 수 있다. 복수의 기공들은 복수의 기판 통로들과 중첩하는 기공들의 제 1 부분, 및 복수의 기판 통로들과 중첩하지 않는 기공들의 제 2 부분을 포함할 수 있다. 복수의 흐름 통로들은 유체가 기공들의 제 2 부분을 통해 복수의 기판 통로들에 흐르도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 2차원 막 층형 구조는 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치된 복수의 층간 지지부들을 포함할 수 있다. 복수의 층간 지지부들은 복수의 흐름 통로들을 형성할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 2차원 막 층형 구조는 지지 기판 층의 상부 표면 상에 형성된 복수의 그루브들(grooves)을 포함할 수 있다. 복수의 그루브들은 복수의 흐름 통로들을 형성할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 2차원 막 층형 구조는 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치된 복수의 층간 지지부들과, 지지 기판 층의 상부 표면 상에 형성된 복수의 그루브들을 포함할 수 있다. 복수의 층간 지지부들 및 복수의 그루브들은 복수의 흐름 통로들을 형성할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 2차원 막 층형 구조는 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기판 통로들을 갖는 지지 기판 층, 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치된 2차원 막 층, 및 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치된 복수의 층간 지지부들을 포함할 수 있다. 2차원 막 층은 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기공들을 가질 수 있다. 복수의 기공들은 복수의 기판 통로들과 중첩하는 기공들의 제 1 부분과, 복수의 기판 통로들과 중첩하지 않는 기공들의 제 2 부분을 포함할 수 있다. 복수의 층간 지지부들은 유체가 기공들의 제 2 부분을 통해 복수의 기판 통로들에 흐르도록 하는 복수의 흐름 통로들을 형성하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 복수의 층간 지지부들은 탄소 나노튜브들을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 복수의 층간 지지부들은 전기 방사(electrospun) 섬유들을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 복수의 층간 지지부들은 지지 기판 층의 상부 표면의 총 영역의 약 5% 내지 약 50%의 범위를 갖는 지지 기판 층의 상부 표면의 영역 상에 배치될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 복수의 층간 지지부들은 기능화될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 복수의 층간 지지부들은 지지 기판 층의 상부 표면의 총 영역의 약 40% 내지 약 45%의 범위를 갖는 지지 기판 층의 상부 표면의 영역 상에 배치될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 2차원 막 층형 구조는 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기판 통로들을 갖는 지지 기판 층, 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치된 2차원 막 층, 및 지지 기판 층의 상부 표면 상에 형성된 복수의 그루브들을 포함할 수 있다. 2차원 막 층은 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기공들을 가질 수 있다. 복수의 기공들은 복수의 기판 통로들과 중첩하는 기공들의 제 1 부분과, 복수의 기판 통로들과 중첩하지 않는 기공들의 제 2 부분을 포함할 수 있다. 복수의 그루브들은 침투부(permeate)가 기공들의 제 2 부분을 통해 복수의 기판 채널들에 흐르도록 하는 복수의 흐름 채널들을 형성하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 복수의 그루브들은 격자 패턴으로 지지 기판 층의 상부 표면 상에 형성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 복수의 그루브들은 약 10 나노미터 내지 약 1000 나노미터의 폭을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 복수의 그루브들은 기능화될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 2차원 막 층형 구조에서 기공 활용을 증가시키는 방법은 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기판 통로들을 갖는 지지 기판 층을 제공하는 단계, 지지 기판 층의 상부 표면 상에 복수의 층간 지지부들을 배치하는 단계, 및 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기공들을 갖는 2차원 막 층을 복수의 층간 지지부들을 갖는 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 복수의 기공들은 복수의 기판 통로들과 중첩하는 기공들의 제 1 부분과, 복수의 기판 통로들과 중첩하지 않는 기공들의 제 2 부분을 포함할 수 있다. 복수의 층간 지지부들은 복수의 흐름 통로들을 형성할 수 있다. 복수의 흐름 통로들은 유체가 기공들의 제 2 부분을 통해 복수의 기판 통로들에 흐르도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 복수의 층간 지지부들은 탄소 나노튜브들을 포함할 수 있고, 탄소 나노튜브들은 스프레이-코팅을 통해 지지 기판의 상부 표면 상에 배치될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 2차원 막 층형 구조에서 기공 활용을 증가시키기 위한 방법은 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기판 통로들을 갖는 지지 기판 층을 제공하는 단계, 지지 기판 층의 상부 표면 상에 복수의 그루브들을 형성하는 단계, 및 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기공들을 갖는 2차원 막 층을 복수의 그루브들을 갖는 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 복수의 기공들은 복수의 기판 통로들과 중첩하는 기공들의 제 1 부분과, 복수의 기판 통로들과 중첩하지 않는 기공들의 제 2 부분을 포함할 수 있다. 복수의 그루브들은 복수의 흐름 통로들을 형성할 수 있다. 복수의 흐름 통로들은 유체가 기공들의 제 2 부분을 통해 복수의 기판 통로들에 흐르도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 복수의 그루브들은 격자 패턴으로 형성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 2차원 막 층형 구조는 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기판 통로들을 갖는 지지 기판 층과, 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치된 2차원 막 층을 포함할 수 있다. 2차원 막 층은 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기공들을 가질 수 있다. 복수의 기공들은 복수의 기판 통로들과 중첩하는 기공들의 제 1 부분과, 복수의 기판 통로들과 중첩하지 않는 기공들의 제 2 부분을 포함할 수 있다. 2차원 막 층형 구조는 2차원 막 층의 전체 기공 활용을 증가시키기 위해 유체가 기공들의 제 2 부분을 통해 복수의 기판 통로들에 흐르도록 하기 위한 흐름 통로 수단을 더 포함할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 2차원 막 층형 구조의 사시도.
도 2는 유체 흐름 통로들을 갖는 도 1의 2차원 막 층형 구조의 사시도.
도 3은 제 1 실시예에 따라 도 2의 흐름 통로들을 갖는 2차원 막 층형 구조의 단면도.
도 4는 제 2 실시예에 따라 도 2의 흐름 통로들을 갖는 2차원 막 층형 구조의 단면도.
도 5는 유체 흐름 통로들을 형성하기 위해 층간 지지부들을 갖는 지지 기판 층의 주사 전자 현미경(SEM) 현미경 사진.
도 6은 도 5의 지지 기판 층의 상세한 SEM 현미경 사진.
도 2는 유체 흐름 통로들을 갖는 도 1의 2차원 막 층형 구조의 사시도.
도 3은 제 1 실시예에 따라 도 2의 흐름 통로들을 갖는 2차원 막 층형 구조의 단면도.
도 4는 제 2 실시예에 따라 도 2의 흐름 통로들을 갖는 2차원 막 층형 구조의 단면도.
도 5는 유체 흐름 통로들을 형성하기 위해 층간 지지부들을 갖는 지지 기판 층의 주사 전자 현미경(SEM) 현미경 사진.
도 6은 도 5의 지지 기판 층의 상세한 SEM 현미경 사진.
몇몇 실시예들은 2차원 막 층과 지지 기판 층 사이에 형성된 복수의 흐름 통로들을 갖는 2차원 막 층형 구조에 관한 것이다. 흐름 통로들은 유체가 에 존재하는 통로들과 중첩하지 않는 2차원 막 층에서의 기공들을 통해 흐르도록 함으로써 기공 활용에서의 증가를 제공한다. 흐름 통로들을 통해, 유체는 비-중첩 기공들로부터 흐름 통로들을 통해 근처의 지지 기판 통로에 흐를 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 흐름 통로들은 지지 기판 층의 상부 표면 상에 측면으로 배치된 층간 지지부들에 의해 및/또는 지지 기판 층의 상부 표면 상에 측면으로 형성된 그루브들에 의해 형성될 수 있다. 막 층 및 막 구조를 통하는 전체 흐름의 전테 기공 활용을 증가시키는 것 외에도, 흐름 통로들은 또한 바람직하지 않은 스트레인을 막 층에 추가하지 않고도 충분한 지지를 2차원 막에 제공할 수 있다.
도 1은 2차원 막 층형 구조(100)의 사시도를 도시한다. 2차원 막 층형 구조(100)는 복수의 기공들(115)을 갖는 2차원 막 층(110), 및 지지 기판 층(120)의 두께를 따라 연장하는 복수의 기판 통로들(125)을 갖는 지지 기판 층(120)을 포함할 수 있다.
2차원 막 층(110)은 단일-층 2차원 물질 또는 적층된 2차원 물질일 수 있다. 가장 일반적으로, 단일-층 2차원 물질은 원자적으로 얇아서, 연장된 평면 구조 및 나노미터 규모의 두께를 갖는다. 단일-층 2차원 물질들은 일반적으로, 그러한 층들이 적층될 때 층들 사이에 존재하는 약한 결합에 대해 강력한 평면 내 화학적 본딩을 나타낸다. 단일-층 2차원 물질들의 예들은 금속 칼코게나이드(예를 들어, 전이 금속 디칼코게나이드), 전이 금속 산화물, 붕소 질화물(예를 들어, 육각형 붕소 질화물), 그라핀, 실리콘, 게르마늄, 탄소 나노막(CNM), 및 몰리브덴 디설파이드를 포함한다. 적층된 2차원 물질들은 단일-층 2차원 물질의 소수의 층들(예를 들어, 약 20 이하) 또는 단일-층 2차원 물질들의 다양한 조합들을 포함할 수 잇다. 몇몇 실시예들에서, 2차원 막 층(110)은 단일-층 2차원 물질 또는 적층된 2차원 물질로서 그라핀 또는 그라핀-계 2차원 물질일 수 있다.
지지 기판 층(120)은 임의의 적절한 평면-형 기판을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 지지 기판 층(120)은 실리카, 실리콘, 실리콘 질화물, 및 이들의 조합들과 같은 세라믹 다공성 물질들로 만들어질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 지지 기판 층(120)은 트랙-에칭된 폴리머, 팽창된 폴리머, 패턴화된 폴리머, 부직포 폴리머, 및 이들의 조합들과 같은 폴리머 물질로 만들어질 수 있다. 지지 기판 층(120)은 폴리설폰, 폴리우레탄, 폴리메틸메타 크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리락트산-코-글리콜산(PLGA), PLA, PGA, 폴리아미드(나일론-6,6, 수프라미드 및 나일라미드와 같은), 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리에테르설폰(PES), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 셀룰로스 아세테이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)(테플론과 같은), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 이들의 임의의 혼합물 및 블록 공중합체, 및 이들의 조합들 및/또는 혼합물들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 폴리머들은 생체 적합성, 생체 불활성 및/또는 의료용 물질일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 지지 기판 층(120)은 트랙-에칭된 폴리카보네이트(TEPC) 막일 수 있다. 다른 실시예들에서, 지지 기판 층(120)은 실리콘 질화물, 트랙-에칭된 폴리이미드, 트랙-에칭된 폴리에스테르, 트랙-에칭된 SiN, 나노 다공성 실리콘, 나노 다공성 실리콘 질화물, 전기 방사 막, 및/또는 PVDF 막으로 형성된 막일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 기판 통로들(125)은 무작위로 또는 패턴화된 방식으로 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 2차원 막 층(110)을 지지 기판(120) 상에 배치할 때, 기공들(115)의 특정한 백분율은 기판 통로들(125)과 중첩한다. 예를 들어, 기공들의 제 1 부분(115a)은 지지 기판 통로들(125)과 중첩하거나, 이와 유체 왕래한다. 기공들의 제 1 부분(115a)은 유체가 기판 통로들(125)에 흐르도록 하기 때문에 전체 기공 활용에 기여한다. 다른 한 편으로, 기공들의 제 2 부분(115b)은 지지 기판 통로들(125)과 중첩하지 않거나, 이와 유체 왕래하는 것을 실패한다. 따라서, 기공들의 제 2 부분(115b)은 유체가 이들 기공들로부터 지지 기판 통로들(125)에 흐를 수 없기 때문에 전체 기공 활용에 기여하지 않는다. 더욱이, 도 1에 추가로 도시된 바와 같이, 몇몇 경우들에서, 지지 기판 통로(125a)는 임의의 기공들(115)과 유체 왕래하는 것을 실패할 수 있다. 따라서, 이러한 차단된 지지 기판 통로(125a)는 유체 흐름을 수용하지 않아서, 지지 기판 통로들(125)의 전체 활용을 감소시킨다.
도 2는 2차원 막 층(110)과 지지 기판 층(120) 사이에 배치된 복수의 흐름 통로들(155)을 갖는 2차원 막 층형 구조(100)의 사시도를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 흐름 통로들(155)은 유체가 각 기공(115b)으로부터 근처의 기판 통로(125)에 흐르도록 하기 위한 흐름 경로를 제공함으로써 기공들의 제 2 부분(115b)이 활용되게 하기 위한 수단을 제공한다. 몇몇 실시예들에서, 흐름 통로들(155)은 또한, 유체가 차단된 지지 기판 통로(125a)를 통해 흐를 수 있도록 기공들의 제 2 부분(115b)으로부터 차단된 지지 기판 통로(125a)로의 흐름 경로를 제공할 수 있다. 따라서, 흐름 통로들(155)의 통합은 2차원 막 층(110)의 전체 기공 활용에서의 증가와, 지지 기판 층(120)을 통하는 증가된 유체 흐름을 위한 수단을 제공한다.
도 3은 제 1 실시예에 따라 그 안에 형성된 흐름 통로들(155)을 갖는 2차원 막 층형 구조(100)의 단면도를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 층간 지지부들(150)은 지지 기판 층(120)의 상부 표면(126) 상에 측면으로 배치될 수 있다. 2차원 막 층(110)은 그런 후에 그 위에 배치된 층간 지지부들(150)을 갖는 지지 기판 층(120)의 상부 표면(126) 상에 배치된다. 층형일 때, 층간 지지부들(150)은 2차원 막 층(110)을 지지하면서, 유체가 기공들(115b)을 통해 흐르도록 하는 흐름 통로들(155)을 형성하기 위해 지지 기판 층(120)으로부터 위쪽으로 2차원 막 층(110)을 밀어 넣는다.
층간 지지부들(150)은 다수의 형태들을 취할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 층간 지지부들(150)은 탄소 나노튜브들일 수 있다. 예를 들어, 도 5 및 도 6은, 2차원 막 층이 지지 기판 층 상에 배치되기 전에 트랙-에칭된 폴리이미드 층의 형태로 지지 기판 층의 상부 표면 상에 스프레이-코팅된 탄소 나노튜브들의 형태로 층간 지지부들을 도시한다. 도면들에 도시된 바와 같이, 탄소 나노튜브들은, 기판 통로들로의 유체 흐름을 위한 액세스를 제공하기 위해 상부 표면을 측면으로 가로질러 연장하도록 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치된다. 몇몇 실시예들에서, 탄소 나노튜브들은 단일-벽 또는 다중-벽을 가질 수 있다.
다른 실시예들에서, 층간 지지부들(150)은 전기 방사 섬유들일 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 층간 지지부들(150)은 나노로드, 나노입자(예를 들어, 옥사이드 나노입자, 옥타데실트리클로로실란 나노입자), 풀러렌, 콜라겐, 케라틴, 방향족 아미노산, 폴리에틸렌 글리콜, 리튬 니오베이트 입자, 장식된 나노-도트, 나노와이어, 나노스트랜드, 레이시 탄소 물질, 단백질, 폴리머(예를 들어, 흡습성 폴리머, 얇은 폴리머, 비정질 폴리머), 하이드로겔, 자가-조립된 나노층, 동소체, 4-디메틸아미노-N-메틸-4-스틸바졸리움 토실레이트의 나노 결정, 결정질 폴리테트라플루오로에틸렌, 또는 이들의 조합들일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 중간층 지지부들(150)의 밀도는 복합체(100)에 충분한 기공 활용 증가를 제공하기 위해 기판 지지 층(120)의 상부 표면(126)의 총 영역의 약 5% 내지 약 50%를 포함할 수 있으면서, 동시에, 2차원 막 층(110)의 기계적 지지부에서의 감소를 최소화한다. 몇몇 실시예들에서, 층간 지지부들(150)의 밀도는 지지 기판 층(120)의 상부 표면(126)의 총 영역의 40 내지 45%를 포함한다,
중간층 지지부들(150)은 임의의 적절한 방식으로 지지 기판 층(120)의 상부 표면(126)에 도포될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 중간층 지지부들(150)은 지지 기판 층(120)의 상부 표면(126) 상으로 무작위 배향들로 스프레이-코팅될 수 있는 탄소 나노튜브들일 수 있다. 스프레이-코팅은, 상부 표면(126)에 도포된 탄소 나노튜브들의 밀도가 미세-튜닝될 수 있도록 제어될 수 있다. 중간층 지지부들(150)을 지지 기판 층(120)의 상부 표면(126) 상에 배치하는 다른 방법들은 정전기 증착, 드롭 주조(drop casting), 스핀-코팅, 스퍼터링, 리소그래피, 이온 빔 유도 증착, 원자 층 증착, 또는 전자 빔 유도 증착을 포함할 수 있지만, 여기에 제한되지 않는다. 추가 방법들은 전기장에 의한 전기 방사 섬유들의 도포, 전위에 의한 나노 입자들의 가속도, 또는 지지 기판 층(120)의 상부 표면(126) 상에 상승된 구조들을 형성하기 위해 상부 표면(126) 상에 존재하는 물질을 조사하기 위한 이온 빔의 이용을 포함한다.
도 4는 제 2 실시예에 따라 그 안에 형성된 흐름 통로들(155)을 갖는 2차원 막 층형 구조(100)의 단면도를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 2차원 막 층(110)을 지지 기판 층(120) 상에 전달하기 전에, 복수의 그루브들(150')은 흐름 채널들(155)을 형성하기 위해 지지 기판 층(120)의 상부 표면(126) 상에 측면으로 형성된다. 이와 같이, 유체는 기공들(115b)을 통해 지지 기판 채널들(125)에 흐를 수 있어서, 이를 통해 2차원 막 층(110)의 전체 기공 활용을 증가시킨다.
복수의 그루브들(150')은 임의의 적절한 수단에 의해 지지 기판 층(125)의 상부 표면(126) 안에 형성될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 그루브들(150')은 상부 표면(126)을 에칭함으로써 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 그루브들(150')은 저항시 집속된 이온 빔 밀링, 리소그래피 방법들(예를 들어, 광학, 전자 빔 리소그래피, 극 UV 리소그래피)에 의해, 뒤이어 적합한 에칭(예를 들어, 반응 이온 에칭), 컬럼 및 정렬된 구조들 상에 집속된 블록 공중합체 마스크에 의해, 뒤이어 적합한 에칭, 레이저 연마, 나노 임프린트, 스캐닝 프로브 리소그래피, 새도우 마스크 증착에 의해, 뒤이어 적합한 에칭, 또는 산재 애퍼처 마스킹 방법들에 의해 형성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 그루브들(150')은 격자-형 패턴과 같은 규칙적인 구조화된 패턴으로, 또는 무작위 패턴으로 형성될 수 있다. 더욱이, 그루브들(150')은 약 1 nm 내지 약 5 ㎛의 깊이 및 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 길이 및 폭은 약 10 nm 내지 약 1000 nm의 범위를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 그루브들(150')의 깊이 및 폭은 약 50 nm 내지 약 250 nm의 범위를 가질 수 있다. 특정한 실시예들에서, 그루브들(150')의 밀도는 지지 기판 층(120)의 상부 표면(126)의 총 영역의 최대 50 내지 75%를 포함할 수 있다.
전술한 것과 같은 몇몇 실시예들은 2차원 막 층형 구조에서 유체 흐름 통로들의 형성을 허용한다. 몇몇 실시예들에서, 흐름 통로들은 지지 기판 층의 상부 표면 상에 증착된 층간 지지부들에 의해 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 흐름 통로들은 지지 기판 층의 상부 표면 상에 제공된 그루브들에 의해 형성될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 흐름 통로들은 지지 기판 층의 상부 표면 상에 증착된 층간 지지부들 및 지지 기판 층의 상부 표면 상에 제공된 그루브들에 의해 모두 형성될 수 있다. 유체 흐름 통로들은 2차원 지지 층과 지지 기판 층 사이에 형성될 수 있어서, 유체가 지지 기판 층에서의 통로들에 흐르도록 하는 기공들의 양에서의 증가가 실현될 수 있다. 따라서, 흐름 통로들은 2차원 막에 제공된 기계적 지지부의 손실을 초래하지 않고도 층형 구조에서 전체 기공 활용에서의 증가를 초래할 수 있다.
본 명세서에 기재된 2차원 막 층형 구조들은 물 여과, 면역-격리, (즉, 면역 반응으로부터 요소들을 보호), 적시의 약물 방출(예를 들어, 유지된 또는 지연된 방출), 혈액 투석, 및 혈액 여과를 포함하는 광범위한 응용을 갖는다. 본 명세서에 기재된 몇몇 실시예들은 물 여과, 물 탈염, 물 정화, 면역-격리, 적시의 약물 방출, 혈액 투석, 또는 혈액 여과 방법을 포함하고, 방법은 2차원 막 층형 구조를 환경적 자극에 노출하는 단계를 포함하고, 2차원 막 층형 구조는 복수의 기공들(예를 들어, 다공성 그라핀-계 물질)을 갖는 2차원 막 층 및 복수의 기판 통로들을 갖는 지지 기판 층을 포함한다.
몇몇 실시예들은 물을 2차원 막 층형 구조에 통과시키는 단계를 포함하는 물을 여과하는 방법들을 포함한다. 몇몇 실시예들은 물을 2차원 막 층형 구조에 통과시키는 단계를 포함하는 물을 탈염하거나 정화하는 단계를 포함한다. 물은 확산 또는 중력 여과, 또는 인가된 압력(예를 들어 펌프를 통해 또는 삼투압을 통해 인가된)과 같은 임의의 알려진 수단에 의해 2차원 막 층형 구조를 통과할 수 있다.
몇몇 실시예들은 생물학적 환경에서 요소들을 선택적으로 분리하거나 격리하는 방법들을 포함하고, 2차원 막 층형 구조는 크기와 같이 요소의 특징들에 기초하여 생물학적 요소들을 분리하거나 격리한다. 그러한 방법들은 당뇨병의 치료에서와 같이 질병 치료의 정황에서 유용할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 특정한 크기 임계치 아래의 생물학적 요소들은 2차원 막 층형 구조를 가로질러 이주할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 심지어 크기 임계치 아래의 생물학적 요소들은 복수의 기공들, 복수의 기판 통로들, 복수의 층간 지지부들 및/또는 복수의 그루브들의 기능화로 인해 2차원 막 층형 구조를 가로질러 이주하는 것으로부터 배제된다.
몇몇 실시예들에서, 복수의 기공들, 또는 복수의 기공들의 적어도 일부분은 기능화된다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 기판 통로들, 또는 복수의 기판 통로들의 적어도 일부분은 예를 들어, 기능기를 부착하거나 내장함으로써 기능화된다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 층간 지지부들 및/또는 복수의 그루브들, 또는 적어도 일부분은 예를 들어, 기능기를 부착하거나 내장함으로써 기능화된다. 몇몇 실시예들에서, 기능화 반족(moieties)은 2개의 층들 사이에서 포획될 뿐 아니라, 흐름 통로들에서의 단일 위치에 제한된다(즉, 이들은 흐름 통로들 내에서 이동 가능하지만, 예를 들어 2차원 막 층에서의 기공들의 크기에 기초하여, 층들을 횡단하는 것으로부터 금지된다). 몇몇 실시예들에서, 기능화는 기공들, 기판 통로들, 층간 지지부들, 및/또는 그루브들에 부착된 표면 전하들(예를 들어, 설포네이트)을 포함한다. 이론에 의해 구속되지 않고도, 표면 전하들은 어떤 분자들 및/또는 이온들이 2차원 막 층형 구조를 횡단할 수 있는 지에 영향을 미칠 수 있다고 여겨진다. 몇몇 실시예들에서, 기능화는 기공들, 기판 통로들, 층간 지지부들, 및/또는 그루브들에 부착된 특정한 결속 사이트들(binding sites)을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 기능화는 기공들, 기판 통로들, 층간 지지부들, 및/또는 그루브들에 부착된 단백질 또는 펩타이드를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 기능화는 기공들, 기판 통로들, 층간 지지부들, 및/또는 그루브들에 부착된 항체 및/또는 항원(예를 들어, IgG-결속 항원)을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 기능화는 기공들, 기판 통로들, 층간 지지부들, 및/또는 그루브들에 부착된 흡착 요소들을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 기능화는 촉매성 및/또는 재생성 요소들 또는 기들을 수반한다. 몇몇 실시예들에서, 기능화는 기공들, 기판 통로들, 층간 지지부들, 및/또는 그루브들에 부착된 음으로 또는 부분적으로 음으로 대전된 기(예를 들어, 산소)를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 기능화는 기공들, 기판 통로들, 층간 지지부들, 및/또는 그루브들에 부착된 양으로 또는 부분적으로 양으로 대전된 기를 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 기공들, 기판 통로들, 층간 지지부들, 및/또는 그루브들을 기능화하는 것은, 오염물이 2차원 막 층형 구조를 횡단하는 것으로부터 제약하고; 1회용 필터, 캡처, 또는 진단 도구로서 작용하고; 생체 적합성을 증가시키고(예를 들어, 폴리에틸렌 글리콜이 기능화에 사용될 때); 여과 효율을 증가시키고; 층간 지지부들을 위치시키고(예를 들어, 층간 지지부들은 기공들에서의 친화력-기반의 기능화를 통해 기공들 근처에 위치될 수 있고; 추가 스페이서들은 추궁판관 영역들에 위치될 수 있다); 기공들에 또는 기공들 근처에 또는 비대칭 2차원 막 층형 구조에서 선택도를 증가시키고; 및/또는 층간 지지부들을 보호(예를 들어, 외부 환경으로부터 또는 열화와 같은 특정한 취약성으로부터)하도록 기능한다.
몇몇 실시예들은 특히 바람직한 실시예들을 참조하여 구체적으로 기재되었지만, 변경들 및 변형들이 청구항의 사상 및 범주 내에서 달성될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
Claims (19)
- 2차원 막 층형 구조로서,
유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기판 통로들을 갖는 지지 기판 층;
상기 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치된 2차원 막 층으로서, 상기 2차원 막 층은 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기공들을 갖고, 상기 복수의 기공들은 상기 복수의 기판 통로들과 중첩하는 기공들의 제 1 부분과, 상긱 복수의 기판 통로들과 중첩하지 않는 기공들의 제 2 부분을 포함하는, 2차원 막 층; 및
상기 지지 기판 층과 상기 2차원 막 층 사이에 배치된 복수의 흐름 통로들로서, 상기 복수의 흐름 통로들은 유체가 기공들의 상기 제 2 부분을 통해 상기 복수의 기판 통로들에 흐르도록 구성되는, 복수의 흐름 통로들을
포함하는, 2차원 막 층형 구조. - 제 1항에 있어서, 상기 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치된 복수의 층간 지지부들을 더 포함하고, 상기 복수의 층간 지지부들은 상기 복수의 흐름 통로들을 형성하는, 2차원 막 층형 구조.
- 제 1항에 있어서, 상기 지지 기판 층의 상부 표면 상에 형성된 복수의 그루브들을 더 포함하고, 상기 복수의 그루브들은 상기 복수의 흐름 통로들을 형성하는, 2차원 막 층형 구조.
- 제 1항에 있어서, 상기 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치된 복수의 층간 지지부들, 및 상기 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치된 복수의 그루브들을 더 포함하고, 상기 복수의 층간 지지부들 및 상기 복수의 그루브들은 상기 복수의 흐름 통로들을 형성하는, 2차원 막 층형 구조.
- 2차원 막 층형 구조로서,
유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기판 통로들을 갖는 지지 기판 층;
상기 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치된 2차원 막 층으로서, 상기 2차원 막 층은 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기공들을 갖고, 상기 복수의 기공들은 상기 복수의 기판 통로들과 중첩하는 기공들의 제 1 부분과, 상긱 복수의 기판 통로들과 중첩하지 않는 기공들의 제 2 부분을 포함하는, 2차원 막 층; 및
상기 지지 기판 층의 상기 상부 표면 상에 배치된 복수의 층간 지지부들을 포함하고,
상기 복수의 층간 지지부들은 유체가 기공들의 상기 제 2 부분을 통해 상기 복수의 기판 통로들에 흐르도록 하는 복수의 흐름 통로들을 형성하도록 구성되는, 2차원 막 층형 구조. - 제 5항에 있어서, 상기 복수의 층간 지지부들은 탄소 나노튜브들을 포함하는, 2차원 막 층형 구조.
- 제 5항에 있어서, 상기 복수의 층간 지지부들은 전자 방사 섬유들을 포함하는, 2차원 막 층형 구조.
- 제 5항에 있어서, 상기 복수의 층간 지지부들은 상기 지지 기판 층의 상기 상부 표면의 총 영역의 약 5% 내지 약 50%의 범위를 갖는 상기 지지 기판 층의 상기 상부 표면의 영역 상에 배치되는, 2차원 막 층형 구조.
- 제 5항에 있어서, 상기 복수의 층간 지지부들은 기능화되는, 2차원 막 층형 구조.
- 제 5항에 있어서, 상기 복수의 층간 지지부들은 상기 지지 기판 층의 상기 상부 표면의 총 영역의 약 40% 내지 약 45%의 범위를 갖는 상기 지지 기판 층의 상기 상부 표면의 영역 상에 배치되는, 2차원 막 층형 구조.
- 2차원 막 층형 구조로서,
유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기판 통로들을 갖는 지지 기판 층;
상기 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치된 2차원 막 층으로서, 상기 2차원 막 층은 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기공들을 갖고, 상기 복수의 기공들은 상기 복수의 기판 통로들과 중첩하는 기공들의 제 1 부분과, 상긱 복수의 기판 통로들과 중첩하지 않는 기공들의 제 2 부분을 포함하는, 2차원 막 층; 및
상기 지지 기판 층의 상기 상부 표면 상에 형성된 복수의 그루브들을 포함하고,
상기 복수의 그루브들은 침투부(permeate)가 기공들의 상기 제 2 부분을 통해 복수의 기판 채널들에 흐르도록 하는 복수의 흐름 채널들을 형성하도록 구성되는, 2차원 막 층형 구조. - 제 11항에 있어서, 상기 복수의 그루브들은 격자 패턴으로 상기 지지 기판 층의 상기 상부 표면 상에 형성되는, 2차원 막 층형 구조.
- 제 11항에 있어서, 상기 복수의 그루브들은 약 10 나노미터 내지 약 1000 나노미터의 폭을 포함하는, 2차원 막 층형 구조.
- 제 11항에 있어서, 상기 복수의 그루브들은 기능화되는, 2차원 막 층형 구조.
- 2차원 막 층형 구조에서의 기공 활용을 증가시키는 방법으로서,
유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기판 통로들을 갖는 기판 지지 층을 제공하는 단계;
복수의 층간 지지부들을 상기 기판 지지 층의 상부 표면 상에 배치하는 단계; 및
유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기공들을 갖는 2차원 막 층을 상기 복수의 층간 지지부들을 갖는 상기 기판 지지 층의 상기 상부 표면 상에 배치하는 단계로서, 상기 복수의 기공들은 상기 복수의 기판 통로들과 중첩하는 기공들의 제 1 부분과, 상기 복수의 기판 통로들과 중첩하지 않는 기공들의 제 2 부분을 포함하는, 2차원 막 층을 배치하는 단계를 포함하고,
상기 복수의 층간 지지부들은 복수의 흐름 통로들을 형성하고,
상기 복수의 흐름 통로들은 유체가 기공들의 상기 제 2 부분을 통해 상기 복수의 기판 통로들에 흐르도록 구성되는, 2차원 막 층형 구조에서의 기공 활용을 증가시키는 방법. - 제 15항에 있어서, 상기 복수의 층간 지지부들은 탄소 나노튜브들을 포함하고, 상기 탄소 나노튜브들은 스프레이-코팅을 통해 상기 지지 기판 층의 상기 상부 표면 상에 배치되는, 2차원 막 층형 구조에서의 기공 활용을 증가시키는 방법.
- 2차원 막 층형 구조에서의 기공 활용을 증가시키기 위한 방법으로서,
유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기판 통로들을 갖는 기판 지지 층을 제공하는 단계;
상기 기판 지지 층의 상부 표면 상에 복수의 그루브들을 형성하는 단계; 및
유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기공들을 갖는 2차원 막 층을 상기 복수의 그루브들을 갖는 상기 기판 지지 층의 상기 상부 표면 상에 배치하는 단계로서, 상기 복수의 기공들은 상기 복수의 기판 통로들과 중첩하는 기공들의 제 1 부분과, 상기 복수의 기판 통로들과 중첩하지 않는 기공들의 제 2 부분을 포함하는, 2차원 막 층을 배치하는 단계를 포함하고,
상기 복수의 그루브들은 복수의 흐름 통로들을 형성하고,
상기 복수의 흐름 통로들은 유체가 기공들의 상기 제 2 부분을 통해 상기 복수의 기판 통로들에 흐르도록 구성되는, 2차원 막 층형 구조에서의 기공 활용을 증가시키기 위한 방법. - 제 17항에 있어서, 격자 패턴으로 상기 복수의 그루브들을 형성하는 단계를 더 포함하는, 2차원 막 층형 구조에서의 기공 활용을 증가시키기 위한 방법.
- 2차원 막 층형 구조로서,
유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기판 통로들을 갖는 지지 기판 층;
상기 지지 기판 층의 상부 표면 상에 배치된 2차원 막 층으로서, 상기 2차원 막 층은 유체가 이를 통해 흐르도록 구성된 복수의 기공들을 갖고, 상기 복수의 기공들은 상기 복수의 기판 통로들과 중첩하는 기공들의 제 1 부분과, 상기 복수의 기판 통로들과 중첩하지 않는 기공들의 제 2 부분을 포함하는, 2차원 막 층; 및
상기 2차원 막 층의 전체 기공 활용을 증가시키기 위해 유체가 기공들의 상기 제 2 부분을 통해 상기 복수의 기판 통로들에 흐르도록 하기 위한 흐름 통로 수단을
포함하는, 2차원 막 층형 구조.
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