KR20210104813A - 화학 반응기 - Google Patents

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말쉐 빔 드
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Abstract

본 발명은 기판 상에 구현된 화학 반응기에 관한 것이다. 화학 반응기는 화학 반응기의 사용 동안 유체 및/또는 가스를 이송하기 위한 다중 덕트를 포함하며, 덕트는 선택적으로 필라 구조를 포함하고, 유체 및/또는 가스를 한 덕트로부터 또 다른 덕트로 이송하기 위해 다중 덕트 중 2개의 덕트 사이에 연결된 적어도 하나의 연결 덕트를 포함한다. 연결 덕트에서, 일련의 개별 필라 구조가 연결 덕트의 종방향으로 서로의 뒤에 배치된다.

Description

화학 반응기
본 발명은 일반적으로 예를 들어 크로마토그래피 시스템과 같은 화학 반응기에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 직렬로 상호 연결된 다중 덕트를 갖는 화학 반응기에 관한 것이다.
액체 전파를 사용하는 시스템은, 화학 성분의 생산, 나노입자의 합성, 성분의 분리 및/또는 추출 등을 포함하여 많은 응용 분야를 가지고 있다. 예를 들어, 혼합물을 정확하게 분석할 수 있도록 혼합물을 분리하기 위한 분리 기술의 한 특정 예가 크로마토그래피 이다. 가스 크로마토그래피, 겔 크로마토그래피, 박막-코팅 크로마토그래피, 흡착 크로마토그래피, 친화성 크로마토그래피, 액체 크로마토그래피 등과 같이 크로마토그래피의 형태는 다양하다. 액체 크로마토그래피는 일반적으로 약학 및 화학에서 분석 및 생산 용도 모두에 대해 사용된다. 액체 크로마토그래피에서, 이동상(mobile phase)과 고정상(stationary phase)을 갖는 다양한 물질의 용해도 차이를 이용한다. 각각의 물질은 고정상에 대한 고유한 "결합력"이 있기 때문에, 이동상과 함께 더 빠르거나 느리게 이동하므로, 특정 물질이 다른 물질과 분리될 수 있다. 기본적으로, 재료의 증발이 필요하지 않고 온도 변화가 무시할 수 있는 효과만 있다는 이점이 있는 모든 연결에 적용할 수 있다.
액체 크로마토그래피의 전형적인 예는 직렬로 상호 연결된 다중 덕트에 따른 크로마토그래피 칼럼을 기반으로 한다. 다양한 덕트를 직렬로 상호 연결함으로써, 적절한 길이를 생성할 수 있으며, 실제 적용에 있어서 적절한 상 분리가 달성될 수 있다.
효율적인 분리를 생성하기 위해, Isokawa 등이 Analytical Chemistry 2016, vol. 88, p. 6485 - 6491에서, 덕트와 굽힘부를 가지며 굽힘부는 낮은 분산 및 낮은 압력 강하 특성을 보여주는 칼럼에 대해 기술하고 있다. 이에 따라, 굽힘부에는 도 1에 도시된 바와 같은 필라 구조가 제공되는데, 이러한 특정 특징은 굽힘부의 곡률 및 폭에 따른 필라 구조의 분포에 의해 생성된다. 그러나 이로 인해 필라 구조의 위치 지정 및 분포가 복잡해진다.
대안으로, 도 1b에서 볼 수 있는 바와 같이, 굽힘부에 어떠한 필라 구조도 배치되지 않는다.
본 발명에 따른 실시예의 목적은 재료를 분리하기 위한 효율적인 시스템을 생성하는 것이다.
전술한 목적은 본 발명의 실시예에 따른 장치에 의해 달성될 수 있다.
본 발명은 기판(substrate) 상에 구현된 화학 반응기에 관한 것으로서, 화학 반응기는, 화학 반응기의 사용 동안, 유체 및/또는 가스를 이송하기 위한 다중 덕트를 포함하고, 덕트는 선택적으로 필라 구조를 포함하며, 유체 및/또는 가스를 한 덕트로부터 또 다른 덕트로 이송하기 위해 다중 덕트 중 2개의 덕트 사이에 연결된 적어도 하나의 연결 덕트를 포함하며, 연결 덕트에서, 일련의 개별 필라 구조가 연결 덕트의 종방향으로 서로의 뒤에 배치된다.
연결 덕트에 필라 구조를 배치함으로써, 연결 덕트의 압력 저항이 화학 반응기의 전체 압력 저항을 결정하는 제한 요소가 아니라는 것이, 본 발명에 따른 실시예의 이점이다. 필라를 사용하여 연결 덕트를 지지할 수 있어, 예를 들어, 압력에 의해 덕트가 파손될 가능성이 적다는 것이, 본 발명의 실시예의 이점이다.
연결 덕트에 필라 구조를 배치하면 연결 덕트에서 압력 분포가 개선되며, 결과적으로 전체 반응기의 압력 분포가 개선된다는 것이 본 발명에 따른 실시예의 이점이다. 반응기의 생산 동안에, 이후 작동 동안에는, 연결 덕트에 결함을 일으킬 수 있는 폐기물이 적게 생성되거나 전혀 생성되지 않는다는 것이, 본 발명에 따른 실시예의 이점이다. 연결 덕트를 가로지르는 압력 강하가 제한된다는 것이 본 발명의 실시예의 이점이다.
연결 덕트의 각각의 횡단 섹션에 대해, 최대 하나의 전체 필라 구조가 발생한다. 예를 들어, 대안으로 또는 그 외에도, 벽에 대해 위치되는 하나 또는 2개의 부분 필라 구조가 발생할 수 있다. 횡단 섹션은 연결 덕트에서 유체의 평균 전파 방향에 횡단하는 섹션이다.
연결 덕트는, 제1 덕트, 연결 덕트 및 제2 덕트가 서로의 뒤에 하류에 있도록 다중 덕트 중 2개 덕트 사이에 연결될 수 있다.
연결 덕트는 사용 시에 동일한 유량이 제1 덕트, 연결 덕트 및 제2 덕트를 통해 흐르도록 연결될 수 있다.
연결 덕트는, 필라 구조가 발생하는 위치에서 넓어지는 것을 보여줄 수 있다. 일부 실시예에서, 연결 덕트의 벽은 직선 벽이 아니라 필라 구조의 레벨에서 국부적으로 필라 구조의 곡률을 따른다. 벽은 일종의 구불구불한 모양을 보일 수 있다. 필라 구조가 없는 곳에서는 연결 덕트가 좁아진다.
연결 덕트의 다양한 횡단 섹션에서, 유체의 자유 통로 표면은 30% 미만, 바람직하게는 20% 미만, 보다 바람직하게는 10% 미만으로 변할 수 있다.
필라 구조는 연결 덕트의 평균 폭의 적어도 20%, 바람직하게는 적어도 40%인 직경을 가질 수 있다.
연결 덕트의 종방향으로 위치된 일련의 전체 필라 구조에서 2개의 이웃 필라 사이의 거리는 필라 구조의 평균 직경의 1 내지 10배 사이, 예를 들어 필라의 평균 직경의 1 내지 5배 사이일 수 있다.
연결 덕트의 필라 구조는 원통형 형상을 가질 수 있다.
원통형 형상은 연결 덕트의 베이스(base)와 일치하는 지표면(ground surface)을 갖는다. 그러나 연결 덕트의 필라 구조는 회전하지 않는 대칭 형상과 같은 다른 형상을 가질 수도 있다. 대안으로, 필라 구조는 필라의 종축이 흐름 방향에서 종축으로 배향되는 둥근 육각형 형상을 가질 수 있다.
연결 덕트는 구부러질 수 있다.
다중 덕트는 실질적으로 평행한 복수의 덕트를 포함할 수 있으며, 실질적으로 평행한 덕트는 매번 U형 굽힘부를 형성하는 연결 덕트에 연결될 수 있다.
화학 반응기는 크로마토그래피 칼럼을 포함할 수 있다.
화학 반응기는 크로마토그래피 시스템일 수 있다.
크로마토그래피 시스템은 고성능 유체 크로마토그래피 시스템일 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 또한 전술한 바와 같은 화학 반응기를 위한 디자인에 관한 것이다.
본 발명의 구체적이고 바람직한 양태는 하기 독립항 및 종속항에 포함되어 있다. 종속항의 특징은 독립항의 특징과 결합될 수 있으며, 청구항에 명시적으로 제시될 뿐만 아니라 표시된 것과 같은 다른 종속항의 특징과 결합될 수 있다.
도 1a 및 1b는 종래 기술에 공지된 바와 같이 복수의 필라 구조를 포함하거나(도 1a) 필라 구조가 없는(도 1b) 굽힘부에 덕트가 연결된 화학 반응기의 일부를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 필라 구조를 갖는 굽힘부의 일부 및 덕트의 일부의 현미경 사진을 도시한다.
도 3a, 3b 및 3c는 본 발명의 실시예에 따른 화학 반응의 성분들의 상세 사진을 도시한다.
도면은 개략적인 것일 뿐 제한적인 것이 아니다. 설명을 위해, 일부 구성 요소의 수치가 과장되어 도에서 실측으로 표시되지 않을 수 있다. 수치 및 상대 수치는 본 발명의 실제 실시예의 치수와 반드시 일치하지는 않는다. 청구범위에 사용된 도면부호는 보호 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않을 수 있다.
본 발명은 특정 실시예 및 특정 도면을 참조하여 설명될 것이지만, 본 발명은 이들에 의해 제한되지 않고 특허청구범위에 의해서만 제한된다.
청구범위에 사용된 용어 "포함하다" 및 "함유하다"는 이후에 설명된 항목으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 이 조건은 다른 요소나 단계를 배제하지 않는다. 그들은 언급된 특징, 값, 단계 또는 구성요소의 존재를 명시하는 것으로 해석될 수 있지만, 하나 이상의 다른 특징, 값, 단계 또는 구성요소, 또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 따라서, “항목 A 및 B를 포함하는 기기”라는 표현의 범위는 구성요소 A와 B로만 구성된 기기에만 국한되어서는 안 된다. 이는 본 발명에 관해 A 및 B가 장치의 유일한 관련 구성요소임을 의미한다.
본 명세서 전체에서 "일 실시예" 또는 "한 실시예"에 대한 참조는 실시예에 관해 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되었음을 의미한다. 따라서, 본 명세서의 전반에 걸쳐 다양한 위치에서 "일 실시예에서" 또는 "한 실시예에서"라는 표현이 모두 동일한 실시예를 참조할 필요는 없지만 동일한 실시예를 참조할 수도 있다. 더욱이, 특정 특징, 구조 또는 특성은 하나 또는 여러 실시예에서 본 공보에 기초하여 당업자에게 명백한 바와 같이 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.
유사하게, 본 발명의 샘플 실시예의 설명에서, 본 발명의 다양한 특징은 간행물을 간소화하고 다음 중 하나 또는 여러 가지의 이해를 돕기 위해 때때로 하나의 단일 실시예, 도면 또는 설명으로 함께 그룹화됨을 이해해야 한다. 따라서 공보 방법은 본 발명이 각각의 청구항에 명시적으로 언급된 것보다 더 많은 특징을 필요로 한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 다음 청구범위가 반영하는 바와 같이, 독창적인 측면은 이전에 공개된 하나의 단일 실시예의 모든 특징보다 적은 양태에 있다. 따라서, 상세한 설명으로부터 이어지는 청구범위는 이 상세한 설명에 명시적으로 포함되었으며, 모든 독립 청구항은 본 발명의 별개의 실시예이다.
또한, 본 명세서에 기술된 일부 실시예는 다른 실시예에 포함된 특징 중 일부를 포함하지만, 다양한 실시예로부터의 특징의 조합은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도되며, 이들은 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 다양한 실시예를 형성한다. 예를 들어, 다음 청구범위에서 설명된 실시예 중 어느 하나는 임의의 조합으로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 최대 하나의 전체 필라 구조가 보이는 섹션이 언급되는 경우, 그 섹션이 덕트 내에 있고 덕트의 측벽을 건드리지 않는 최대 하나의 필라를 포함하는 상황이 참조된다.
본 발명의 실시예에서 다양한 횡단 섹션이 참조되는 경우, 연결 덕트의 평균 흐름 방향을 따라 다양한 위치에 위치된 평균 흐름 방향에 대해 수직인 다양한 횡단 섹션이 참조된다.
본 발명의 실시예에서, X% 미만으로 변하는 연결 덕트의 평균 흐름 방향에 대해 수직인 다양한 횡단 섹션의 유체에 대한 자유 통로 표면에 대해, 연결 덕트에서 평균 흐름 방향에 대해 수직인 모든 횡단 섹션을 가로질러 재추적할 수 있는 자유 통로의 최대 표면이 연결 덕트의 평균 흐름 방향에 대해 수직인 모든 횡단 섹션을 가로질러 재추적될 수 있는 자유 통로의 최소 표면보다 100% + X%보다 크지 않아야 한다.
본 발명의 실시예에서, 연결 덕트의 확장이라는 용어는, 연결 덕트의 평균 흐름 방향에 대해 수직인 방향으로 연결 덕트의 측벽 사이의 거리가 참조된다.
본 발명의 실시예에서 연결 덕트의 평균 폭이라는 용어는, 연결 덕트에서 평균 흐름 방향에 대해 수직인 방향으로 측정된 덕트의 폭이 참조된다.
제1 양태에서, 본 발명은 화학 반응기에 관한 것이다. 이러한 화학 반응기는 크로마토그래피 칼럼일 수 있지만 이에만 제한되지 않는다. 본 발명으로부터 이점을 얻을 수 있는 화학 반응기의 다른 예는, 예를 들어, 농축 필터 또는 트래핑 칼럼, (마이크로) 촉매가 있는 반응기, 다-상 반응기, 연료 전지, 전기화학 반응기, 모세관 전기크로마토그래피용 반응기 등일 수 있다. 본 발명은 기판 상에 구현된 화학 반응기에 관한 것이다.
화학 반응기는 화학 반응기의 사용 동안 유체 및/또는 가스를 이송하기 위한 다중 덕트를 포함하며, 덕트는 선택적으로 필라 구조를 포함한다. 이러한 덕트는 종종 마이크로 유체 덕트이다. 이러한 덕트는 일반적으로 물질을 정확하게 분리하도록 충분히 긴 칼럼을 얻기 위해 직렬로 연결된다. 화학 반응기는 또한 유체 및/또는 가스를 한 덕트로부터 또 다른 덕트로 이송하기 위해 다중 덕트 중 2개의 덕트 사이에 연결된 적어도 하나의 연결 덕트를 포함한다. 따라서 이러한 연결 덕트는 일반적으로 디자인에 굽힘부(bend)을 생성하고, 예를 들어, U 형태를 가질 수 있다. 연결 덕트에는 필라 구조가 제공된다. 그들은 연결 덕트의 종방향으로 서로의 뒤에 일련의 개별 필라 구조로서 배치된다. 따라서, 필라 구조는 연결 덕트의 각각의 횡단 섹션에 대해 최대 하나의 완전한 필라 구조가 발생하도록 일렬로 배치된다. 부분 필라 구조는 덕트의 내벽이 직선 벽이 아니라 굽힘부를 보이도록 벽에 대해 배치될 수 있다. 벽은, 예를 들어, 연결 덕트의 다양한 횡단 섹션에서, 유체에 대한 자유 통로의 표면이 30% 미만, 바람직하게는 20% 미만, 보다 바람직하게는 10% 미만으로 변하도록 조정될 수 있다. 이에 따라, 연결 덕트는 일반적으로 필라 구조가 발생하는 위치에서 더 넓다.
연결 덕트에 있는 필라 구조는 일반적으로 연결 덕트의 평균 폭의 적어도 20%, 바람직하게는 적어도 40%인 직경을 갖는다. 연결 덕트의 일련의 개별 필라 구조에서 2개의 이웃 필라 사이의 거리는 실시예에서 필라 구조의 평균 직경의 1 내지 10배 사이, 예를 들어 필라 구조의 평균 직경의 1 내지 5배 사이일 수 있다.
연결 덕트에서 필라 구조의 형상은 원통형일 수 있지만 실시예는 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 육각형, 다각형, 타원형, 난형 등의 섹션을 가진 필라가 사용될 수 있거나 심지어 더 불규칙한 형태를 가진 필라가 사용될 수도 있다.
연결 덕트의 폭은 일반적으로 연결 덕트의 분산을 최소로 유지하기 위해 덕트의 폭보다 작다. 덕트 폭에 대한 연결 덕트의 폭의 비율은 일반적으로 1 내지 1/100 사이이다. 본 발명은 또한 필라가 추가적인 강도를 제공할 수 있기 때문에 연결 덕트가 더 넓다는 이점이 있다.
화학 반응은 일반적으로 유체/가스가 덕트로 들어가는 다중 유효 덕트 중 하나에 연결된 입구와 유체/가스의 적어도 하나의 구성 요소가 덕트로부터 배출되는 다중 유효 덕트 중 하나에 연결된 출구를 가진다.
반응기가 제조되는 재료는 종래 기술에서 알려진 재료와 상응할 수 있다. 일반적으로, 양극 산화 처리될 수 있는 재료가 사용된다.
덕트 및 가능한 필라의 특징은 종래 기술에서 알려진 바와 같이 이에 상응할 수 있다. 덕트는 예를 들어 50㎛ 내지 250mm 사이, 예를 들어 50㎛ 내지 100mm 사이, 예를 들어 50㎛ 내지 100mm 사이, 예를 들어 50㎛ 내지 20mm 사이의 폭을 가질 수 있다. 덕트는 2μm 내지 1mm 사이, 예를 들어 2μm 내지 실리콘 디스크의 일반적인 웨이퍼 두께 사이의 깊이를 가질 수 있다. 덕트의 필라는, 100nm 내지 3mm 사이, 예를 들어 100nm 내지 100μm 사이의 일반적인 치수를 가질 수 있다.
예시로서, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 덕트 및 연결 덕트의 일부의 현미경 사진이다.
도 3a는 화학 반응기에 대한 디자인의 일부의 제1 예를 도시하며, 필라 구조를 포함하고 연결 덕트에 의해 상호 연결되는 복수의 평행한 유효 덕트가 제공된다. 도 3b에서, 덕트의 일부 및 굽힘부가 보다 상세하게 도시되어 있고, 도 3c는 실시예가 제한되지 않는 특정 예에 대한 연결 덕트의 마이크로필라의 세부사항을 도시한다. 이 예는 단지 예시로서 도시되고 도면에 표시된 특정 치수는 예시일 뿐이며 제한적이지 않다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (14)

  1. 기판 상에 구현되는 화학 반응기로서, 화학 반응기는:
    화학 반응기의 사용 동안 유체 및/또는 가스를 이송하기 위한 다중 덕트를 포함하되, 상기 덕트는 선택적으로는 필라 구조를 포함하고,
    유체 및/또는 가스를 한 덕트로부터 또 다른 덕트로 이송하기 위해 다중 덕트 중 2개의 덕트 사이에 연결된 적어도 하나의 연결 덕트를 포함하며,
    연결 덕트에서, 일련의 개별 필라 구조가, 연결 덕트의 평균 흐름 방향에 대해 수직인 각각의 횡단 섹션에 대해 최대 하나의 전체 필라 구조가 발생하도록, 연결 덕트의 종방향으로 서로의 뒤에 배치되는, 화학 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 연결 덕트는 구부러져 다중 덕트 중 2개의 덕트 사이를 연결하는, 화학 반응기.
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 연결 덕트는 필라 구조가 발생하는 위치에서 넓어지는 것을 보여주는, 화학 반응기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 연결 덕트의 평균 흐름 방향에 대해 수직인 다양한 횡단 섹션에서, 유체에 대한 자유 통로의 표면은 30% 미만, 바람직하게는 20% 미만, 보다 바람직하게는 10% 미만으로 변하는, 화학 반응기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 필라 구조는 연결 덕트의 평균 폭의 적어도 20%, 바람직하게는 적어도 40%인 직경을 갖는, 화학 반응기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 연결 덕트에서 2개의 인접한 필라 사이의 거리는 필라 구조의 평균 직경의 1 내지 10배 사이, 예를 들어, 필라 구조의 평균 직경의 1 내지 5배 사이인, 화학 반응기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 연결 덕트에서 필라 구조는 원통형 형상을 갖는, 화학 반응기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 연결 덕트는 굽힘부를 보여주는, 화학 반응기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 다중 덕트는 실질적으로 평행한 복수의 덕트를 포함하고, 실질적으로 평행한 덕트는 매번 U형 굽힘부를 형성하는 연결 덕트에 연결되는, 화학 반응기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 화학 반응기는 크로마토그래피 칼럼을 포함하는, 화학 반응기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 화학 반응기는 크로마토그래피 시스템인, 화학 반응기.
  12. 제11항에 있어서, 크로마토그래피 시스템은 고성능 유체 크로마토그래피 시스템인, 화학 반응기.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 연결 덕트는, 제1 덕트, 연결 덕트 및 제2 덕트가 서로의 뒤에 하류에 있도록, 다중 덕트 중 2개의 덕트 사이에 연결되는, 화학 반응기.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 연결 덕트는 다중 덕트 중 2개의 덕트 사이에 연결되며, 사용 시에, 동일한 유량이 제1 덕트, 연결 덕트 및 제2 덕트를 통해 흐르는, 화학 반응기.
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