KR20230109183A - 다공성 폴리에틸렌 필터 멤브레인과, 관련 필터 및방법 - Google Patents

다공성 폴리에틸렌 필터 멤브레인과, 관련 필터 및방법 Download PDF

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KR20230109183A
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비나이 칼리아니
크리스티 에이 다위디악
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엔테그리스, 아이엔씨.
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Abstract

2개의 대향 측면, 두께, 및 대향 측면 사이의 다공성 구조를 포함하는 다공성 필터 멤브레인; 이러한 유형의 다공성 필터 멤브레인을 포함하는 필터 구성요소 및 필터; 공압출 기술에 의해 다공성 폴리에틸렌 필터 멤브레인, 필터 구성요소, 및 필터를 제조하는 방법; 및 설명된 바와 같은 다공성 필터 멤브레인, 필터 구성요소, 또는 필터를 사용하는 방법을 설명한다.

Description

다공성 폴리에틸렌 필터 멤브레인과, 관련 필터 및 방법
하기의 설명은 2개의 대향 측면, 두께, 및 대향 측면 사이의 다공성 구조를 포함하는 다공성 폴리에틸렌 필터 멤브레인에 관한 것이며; 추가적으로 이러한 유형의 다공성 폴리에틸렌 필터 멤브레인을 포함하는 필터 구성요소 및 필터; 공압출(co-extrusion) 기술에 의해 다공성 폴리에틸렌 필터 멤브레인, 필터 구성요소, 및 필터를 제조하는 방법; 및 다공성 폴리에틸렌 필터 멤브레인, 필터 구성요소, 또는 필터를 사용하는 방법에 관한 것이다.
필터 멤브레인 및 필터 제품은 유용한 유체의 유동으로부터 원치 않는 물질을 제거하는 데 사용되는 현대 산업의 필수적인 도구이다. 필터 멤브레인을 사용하여 처리되는 유용한 유체에는 물, 산업용 용매 및 처리 유체, (예를 들어, 반도체 제조에 있어서) 제조에 사용되는 산업용 가스, 및 의료 또는 제약 용도의 액체가 포함된다. 필터 멤브레인에 의해 유체로부터 제거될 수 있는 불순물 및 오염물의 예에는 원치 않는 입자, 미생물, 휘발성 유기 물질, 및 원치 않는 화학종이 포함된다.
많은 필터 멤브레인은 액체로부터 원치 않는 물질을 제거하도록 설계된다. 상업적 또는 산업적 규모로 액체를 여과하는 데 사용되는 필터 멤브레인은, 반도체 또는 마이크로 전자 디바이스 제조에 사용되는 장치("도구(tool)")와 같이, 액체를 사용하는 상업적 시스템에 일정량(시간당 체적)의 액체를 효율적으로 공급하는 유동 레벨을 의미하는, 필터를 통한 원하는 액체의 유용한 유동 레벨(유량, 플럭스, 또는 "유동 시간(flow time)"으로서 측정될 수 있음)을 허용하는 데 효과적인 공극 크기 및 다공도를 가질 것이다. 기체 유체를 처리(여과하여 물질을 제거)하도록 설계된 필터 멤브레인과 비교하면 액체를 처리(여과)하는 데 사용되는 필터 멤브레인은 "액체 유동(liquid-flow)" 또는 "액체 유동성(liquid-flowable)" 필터 멤브레인이라고 지칭된다.
특정 유형의 폴리올레핀, 폴리할로올레핀, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리술폰, 및 폴리아미드(예를 들어, 나일론)를 포함하여, 다양한 폴리머 재료가 필터 멤브레인을 제조하는 데 사용되었다. 일반적인 재료의 일례는 고분자량 폴리에틸렌 및 "초고분자량 폴리에틸렌(ultra-high molecular weight polyethylene)"(UPE)이라고 지칭되는 폴리에틸렌 유형을 포함하는 폴리에틸렌이다. 폴리에틸렌(예를 들어, UPE) 필터 멤브레인은 포토리소그래피 처리 및 반도체 처리를 위한 "습식 에칭 및 세정(wet etch and clean)"(WEC) 용례에 사용되는 액체 재료를 여과하는 데 일반적으로 사용된다.
기체 유동 멤브레인 또는 액체 유동 멤브레인일 수 있는 다공성 필터 멤브레인을 형성하기 위한 많은 상이한 기술이 공지되어 있다. 예시적인 기술은 무엇보다도 용융 압출(예를 들어, 용융 주조) 기술 및 응고 코팅(상 분리) 기술을 포함한다. 다공성 폴리머 필터 멤브레인을 형성하기 위한 서로 다른 기술은 종종 멤브레인 내에 형성되는 공극의 크기 및 분포의 관점에서 서로 다른 멤브레인 구조를 생성할 수 있다. 서로 다른 기술은 서로 다른 공극 크기 및 멤브레인 구조를 생성하며, 이러한 특성을 때때로 다공성 멤브레인의 모폴로지(morphology)라고 지칭하며, 이는 멤브레인 내의 공극의 크기, 형상, 균일성, 및 분포를 포함하는 다공성 멤브레인의 특징을 나타낼 수 있다.
멤브레인 모폴로지의 예에는 균질(등방성) 및 비대칭(이방성) 모폴로지가 포함된다. 멤브레인 전체에 걸쳐 균등하게 분포된 실질적으로 균일한 크기의 공극을 갖는 멤브레인을 종종 등방성 또는 "균질(homogeneous)"이라고 지칭한다. 이방성(일명 "비대칭(asymmetric)") 멤브레인은 멤브레인에 걸친 공극 크기 구배(비균일 공극 분포)를 포함하는 모폴로지를 갖는 것으로 고려될 수 있으며 -- 예를 들어, 멤브레인은 멤브레인의 두께에 따라 달라지는 공극 구조로, 하나의 멤브레인 표면에서는 상대적으로 더 큰 공극을, 그리고 다른 멤브레인 표면에서는 상대적으로 더 작은 공극을 가질 수 있다.
반도체 칩 및 기타 마이크로 전자 디바이스의 피처 크기가 계속해서 점점 더 작아짐에 따라, 이러한 제품을 처리하는 데 사용되는 액체에서 오염물을 감소시켜야 할 필요성이 증가한다. 마이크로 전자 디바이스 및 반도체 칩을 처리하는 데 사용되는 유체("프로세스 유체(process fluids)")에 존재할 수 있는 오염물은 결함을 유발하고 프로세스 수율을 감소시킨다. 점점 더 작은 피처를 갖는 디바이스에 사용되는 프로세스에서는 프로세스 유체로부터 점점 더 작은 크기의 오염물을 제거할 수 있는 필터가 필요하다. 점점 더 작은 입자를 제거하기 위해, 필터 멤브레인은 점점 더 작은 공극 크기를 갖도록 설계될 수 있다. 그러나, 여과 멤브레인의 공극 크기가 감소됨에 따라, 더 작은 크기의 공극의 더 작은 유로로 인해 일반적으로 필터를 통과하는 유체의 유량이 감소한다.
필터의 더 작은 공극 크기로 인해 필터 멤브레인을 통과하는 액체의 감소된 유량(필터의 면적 당 체적)을 극복하는 한 가지 방법은 액체가 통과해서 유동할 수 있는 필터의 양(즉, 면적)을 증가시키는 것이다. 필터 면적 당 감소된 액체 유량에서는, 필터의 면적이 클수록 시간당 더 많은 총 체적의 유체를 처리할 수 있다. 필터 멤브레인의 면적 당 더 적은 유량을 수용하는 더 많은 개별 필터를 사용함으로써 더 큰 필터 면적을 제공할 수 있다. 그러나, 필터 면적 당 더 적은 유량으로 인해, 필터를 추가하거나 그렇지 않으면 주어진 액체 유동을 처리하는 데 사용되는 필터 멤브레인의 양(면적)을 늘리면 전체 처리 비용이 추가된다. 추가적으로, 필요한 여과 장비의 크기를 증가시키기 위해 처리 도구에서 이용할 수 있는 공간이 제한되어 있어, 더 큰 필터 또는 다수의 필터를 사용하는 것은 모두 복잡하고 비용이 많이 들게 된다.
하기의 설명은 바람직하게는 효과적인 입자 제거 특성(예를 들어, 다양한 크기의 입자 보유)과 함께 유용한 유동 특성(예를 들어, 유량, 유동 시간)을 포함하는, 액체 프로세스 유체를 여과하기 위한 유용한 또는 유리한 성능 특성을 나타내는 다공성 여과 멤브레인(예를 들어, 간단히 "멤브레인(membrane)"이라고 함)에 관한 것이다.
설명된 멤브레인은 2개의 대향하는 측면을 가지며, 각각의 측면은 표면을 갖고, 2개의 대향하는 표면 사이에는 두께가 있다. 각각의 표면은 멤브레인 표면으로부터 표면 아래의 깊이까지 확장되는 공극 구조와 연관된다. 멤브레인의 "조밀 측면(tight side)" 또는 "보유 측면(retention side)"으로 지칭될 수 있는 하나의 측면은 더 작은 공극을 갖고, 보유 특성이 더 높고, 필터를 통과하는 액체의 상대적으로 더 적은 유량(더 높은 유동 저항을 나타냄)을 허용한다. 멤브레인의 "개방 측면(open side)"으로 지칭될 수 있는 대향 측면은 더 큰 공극을 갖고, 보유 특성이 더 낮고, 필터를 통과하는 액체의 상대적으로 더 많은 유량(더 낮은 유동 저항을 나타냄)을 허용한다.
조밀 측면은 개방 측면의 두께보다 더 작은 두께를 갖는다. 이와 관련하여 두께는 개방 측면을 구성하는 폴리머의 양과 비교하여 조밀 측면을 구성하는 폴리머의 양(중량 기준)을 의미한다.
설명된 바와 같은 멤브레인은 공압출 방법에 의해 제조될 수 있다. 설명된 바와 같은 유동 특성(예를 들어, 기포점, 유동 시간)으로, 설명된 바와 같은 조밀 측면 및 개방 측면을 갖는 멤브레인을 생성하기 위해, 개방 측면과 비교하여 더 작은 두께를 갖는 조밀 측면을 생성하기 위한 폴리머 용액의 상대적인 유량; (조밀 측면에서 더 작은 크기의 공극을 형성하기 위해) 개방 측면에 대해 조밀 측면을 형성하는 데 사용되는 가열된 폴리머 용액에서의 더 높은 폴리머 농도와 같은 선택 및 제어된 특징으로 공압출 방법이 수행될 수 있다.
본 개시내용은 첨부 도면과 함께 다양한 예시적인 실시예에 대한 하기의 설명을 고려하여 더 완전하게 이해될 수 있다.
도 1은 설명된 바와 같은 멤브레인의 측면 절개도를 도시한다.
도 2a는 설명된 바와 같은 공압출 방법의 예를 도시한다.
도 2b는 설명된 바와 같은 공압출 방법의 예를 도시한다.
도 3은 설명된 바와 같은 필터 제품의 예를 도시한다.
도 4는 예에서 테스트된 멤브레인에 대한 Y 축선 상의 log10 유동 시간 및 X 축선 상의 평균 기포점의 플롯을 도시한다.
본 출원에서는 액체 유체를 여과(액체 유체로부터 오염물을 제거)하는 데 효과적인 다공성 폴리에틸렌 여과 멤브레인에 대해 설명한다. 멤브레인은 멤브레인의 효율적인 여과 성능을 제공하기 위해 효과적인 입자 제거 특성(예를 들어, 다양한 크기의 입자의 보유)과 함께 멤브레인을 통과하는 액체의 유용한 유동 특성(예를 들어, 유량, 유동 시간)을 나타낸다.
예시적인 다공성("개방 공극(open pore)") 필터 멤브레인은 2개의 대향 측면(즉, 2개의 대향 표면) 및 2개의 측면 사이의 두께를 포함하는 박막 또는 시트 타입 멤브레인의 형태일 수 있다. 2개의 대향 측면 사이에는, 멤브레인의 두께를 따라, 다공성 필터 멤브레인을 형성하는 고체 폴리머 재료의 매트릭스에 의해 정의되는 개방 셀 형태의 3차원 보이드 미세구조를 포함하는 개방 공극 셀 구조가 있다. 이러한 셀은 서로 연결되어 있으며, 즉, 액체 유체가 멤브레인의 하나의 측면으로부터 멤브레인의 대향 측면으로 멤브레인의 두께를 통과할 수 있게 하는 "개방 셀(open cell)"이다. 개방 셀은 개구, 공극, 채널, 또는 통로라고 지칭될 수 있으며, 액체 유체가 멤브레인의 두께를 통해 유동할 수 있게 인접하는 셀 사이에서 주로 상호 연결된다.
설명된 바와 같은 멤브레인에서, 개방 공극 구조는 멤브레인의 두께 전체에 걸쳐 분포되고 멤브레인의 상이한 부분에, 즉, 멤브레인의 두께의 상이한 구역에 존재하는 상이한 공극 크기 및 상이한 평균 공극 크기로 배열되는 공극을 포함한다. 멤브레인은 상대적으로 더 작은 공극의 분포를 포함하는 제1 측면(때때로 "조밀" 측면 또는 "보유" 측면이라고도 지칭됨) 및 상대적으로 더 큰 공극의 분포를 포함하는 제2 측면("개방" 측면 또는 "지지" 측면)을 포함한다. 멤브레인의 조밀 측면은 평균적으로 더 작은 공극을 갖고, 보유 특성이 더 높고, (평균적으로) 더 작은 공극으로 인해 멤브레인을 통한 더 높은 유동 저항을 나타낼 수 있다. 조밀 측면은 개방 측면에 비해 더 높은 유동 저항을 나타내고, 개방 측면보다 더 큰 정도로 필터를 통한 액체의 유동을 억제한다. 개방 측면은 상대적으로 더 큰 공극을 갖고, 보유 특성이 더 낮으며, (조밀 측면에 비해) 감소된 유동 저항을 야기하고, 필터의 해당 부분을 통과하는 상대적으로 더 많은 액체 유량을 허용한다.
"조밀 측면" 및 "개방 측면" 각각은 멤브레인의 두께 방향으로 표면 아래의 깊이(또는 "두께")까지 표면 아래로 확장되는 멤브레인의 3차원 부분과 함께 멤브레인의 한 표면을 포함하는 멤브레인 부분을 지칭하는 것으로 간주된다. 따라서, "조밀 측면" 및 "개방 측면" 각각은, 표면 아래에 존재하는 멤브레인의 3차원 부분을 경계짓고, 멤브레인의 총 두께에 대한 두께를 갖는 것으로 특징지어질 수 있고, 또한 추가적으로 전체 멤브레인과 공유되는 폭 및 길이를 갖는 것으로 특징지어질 수 있는 멤브레인의 한 표면을 포함하는 것으로 간주된다.
멤브레인의 조밀 측면과 개방 측면 사이, 및 각각의 측면을 생성하는 데 사용된 폴리머 재료 사이에서 멤브레인 내부의 위치에서의 경계를 식별하기 어려울 수 있기 때문에, 조밀 측면 및 개방 측면의 두께는 멤브레인의 물리적 검사에 의해 반드시 식별되지 않을 수 있다. 멤브레인의 조밀 측면 또는 개방 측면의 두께 및 각각의 두께의 상대적인 크기는, 개방 측면과 비교하여 조밀 측면을 형성하는 데, 또는 양자 모두를 형성하는 데 사용되는 폴리머 또는 폴리머 용액의 상대적인 양(질량 또는 체적 기준)에 의해, 멤브레인을 생성하는 데 사용되는 공압출 단계의 특징에 기초하여 대신 평가될 수 있다. 예를 들어, 조밀 측면과 개방 측면의 상대적인 두께는 개방 측면을 형성하는 데 사용된 폴리머 용액의 유량에 대한 조밀 측면을 형성하는 데 사용된 폴리머 용액의 상대적인 체적 유량 또는 질량 유량으로서 측정될 수 있다. 다른 예로서, 조밀 측면과 개방 측면의 상대적인 두께는 압출된 개방 측면 폴리머 용액의 폴리머의 양(중량 기준)에 대한 압출된 조밀 측면 폴리머 용액의 일부인 폴리머의 양(중량 기준)으로서 측정될 수 있다.
어떤 기준으로든, 설명된 바와 같은 예시적인 멤브레인은, 예를 들어 개방 측면에서의 폴리머의 양과 비교하여 적은 양(질량 또는 체적 기준)의 폴리머를 함유하도록 제조되는 조밀 측면에 기초하여, 개방 측면의 두께보다 작은 (멤브레인의 총 두께에 대한) 두께를 갖는 조밀 측면을 갖는 것으로 간주된다. 멤브레인의 조밀 측면과 개방 측면의 예시적인 두께는 개방 측면과 조밀 측면의 통합된 총 두께를 기준으로, 멤브레인의 20 내지 45%의 두께를 갖는 조밀 측면 및 55 내지 80%의 두께를 갖는 개방 측면으로 될 수 있으며; 예를 들어, 멤브레인은 개방 측면과 조밀 측면의 총 두께를 기준으로, 멤브레인의 25 내지 40%의 두께를 갖는 조밀 측면 및 멤브레인의 60 내지 75%의 두께를 갖는 개방 측면을 포함할 수 있다.
멤브레인의 조밀 측면은 멤브레인의 보유 부분으로서 기능하고 유체가 멤브레인의 공극을 통과할 때 액체 유체로부터 입자 또는 불순물을 물리적으로 보유(포획)하고 제거하는 역할을 한다. 조밀 측면은 과도하게 또는 지나치게 두껍지 않으면서 멤브레인의 보유 부분으로서 효과적으로 기능할 수 있으며, 실제로 덜 두꺼운(즉, 더 얇은) 조밀 측면은 멤브레인을 통과하는 액체의 유동에 대해 상대적으로 감소된 저항을 도입할 것이므로, 유리할 수 있다. 따라서, 설명된 바와 같은 다공성 멤브레인은 멤브레인의 개방 측면의 두께와 비교하여 (더 작은 두께를 갖는) 상대적으로 얇은 조밀 측면을 포함하도록 제조될 수 있다.
멤브레인의 개방 측면은 보유 측면을 지지하는 기능을 하며, 바람직하게는 멤브레인을 통한 액체의 유동에 덜 제한적이다. 개방 측면의 공극의 평균 크기는 조밀 측면의 공극의 평균 크기보다 더 클 것이다.
조밀 측면과 개방 측면을 모두 포함하는 멤브레인은 단일 유형의 폴리에틸렌 조성물(예를 들어, 분자량 기준) 또는 2개 이상의 상이한 폴리에틸렌 조성물의 블렌드(예를 들어, 상이한 분자량을 갖는 2개 이상의 폴리에틸렌 조성물의 블렌드)를 포함하는 폴리에틸렌을 포함하거나, 이로 구성되거나, 또는 이로 필수적으로 구성되는 폴리머로 제조될 수 있다.
용어 "폴리에틸렌(polyethylene)"은 부분적으로 또는 실질적으로 반복되는 -CH2-CH2- 단위의 선형 분자 구조를 갖는 폴리머를 의미한다. 폴리에틸렌은 일반적으로 부서지기 전에 신장되어 인성이 개선되는 반결정질 폴리머이다. 폴리에틸렌은 에틸렌 모노머를 포함하거나, 이로 구성되거나, 또는 이로 필수적으로 구성되는 모노머를 포함하는 모노머 조성물을 반응시켜 제조될 수 있다. 따라서, 폴리에틸렌 폴리머는 에틸렌 모노머로 구성되거나 또는 필수적으로 구성되는 모노머를 반응시켜 제조된 폴리에틸렌 호모폴리머일 수 있다. 대안적으로, 폴리에틸렌 폴리머는 다른 알파-올레핀 모노머, 예를 들어 부텐, 헥센, 또는 옥탄, 또는 이들의 조합과 같은 다른 유형의 모노머와 함께 에틸렌 모노머를 포함하거나, 이로 구성되거나, 이로 필수적으로 구성되는 에틸렌 및 비-에틸렌 모노머의 조합을 반응시켜 제조된 폴리에틸렌 코폴리머일 수 있으며; 폴리에틸렌 코폴리머의 경우, 비에틸렌 모노머에 대한, 코폴리머를 생성하는 데 사용되는 에틸렌 모노머의 양은 에틸렌 코폴리머를 제조하는 데 사용된 모노머 조성물에서 모든 모노머(에틸렌 모노머 및 비-에틸렌 모노머)의 총 중량 당 적어도 50, 60, 70, 80, 또는 90%(중량 기준) 에틸렌 모노머의 양과 같은 임의의 유용한 양일 수 있다.
본 출원에 사용되는 바와 같이, 특정 성분 또는 특정 성분의 조합으로 "필수적으로 구성되는(consisting essentially of)" 것으로 설명된 조성물(예를 들어, 모노머 조성물)은 성분 또는 특정 성분의 조합과 작은 또는 미미한 양 이하의 다른 재료, 예를 들어 3, 2, 1, 0.5, 0.1, 또는 0.05 중량% 이하의 임의의 다른 성분 또는 성분의 조합을 함유하는 조성물이다. 에틸렌 모노머로 "필수적으로 구성되는" 모노머를 함유하는 것으로 설명된 모노머 조성물은 에틸렌 모노머와 작은 또는 미미한 양 이하의 다른 모노머 재료, 예를 들어 3, 2, 1, 0.5, 0.1, 또는 0.05 중량% 이하의 임의의 다른 모노머를 함유하는 모노머 조성물이다.
설명된 바와 같은 필터 멤브레인은 다공성 필터 멤브레인에 일반적으로 사용되는 폴리머인 폴리에틸렌을 포함하는(예를 들어, 포함하거나, 이로 필수적으로 구성되거나, 또는 이로 구성되는) 폴리머로 제조된다. 폴리에틸렌 폴리머 조성물(성분)은 분자량, 밀도, 분자량 분포, 및 용융 지수와 같은 특성이 다양하다. 실질적으로 1,000,000 Dalton(달톤)보다 더 큰 분자량을 갖는 폴리에틸렌은 때때로 초고분자량 폴리에틸렌(UPE)으로 지칭된다. 설명된 멤브레인의 경우, 500,000 내지 2,000,000 또는 3,000,000 Dalton 범위와 같이, 500,000 Dalton을 초과하는, 예를 들어 1,000,000 Dalton을 초과하는 평균 분자량을 갖는 폴리에틸렌을 함유하는 폴리에틸렌 성분이 멤브레인의 조밀 측면 또는 개방 측면에 유용할 수 있다. "Daltons"으로 보고된 폴리머의 분자량은 공지된 겔 투과 크로마토그래피(GPC)(크기 배제 크로마토그래피(SEC)로도 공지됨) 기술 및 장비를 사용하여 측정될 수 있다.
필터 멤브레인, 예를 들어 필터 멤브레인의 조밀 측면, 필터 멤브레인의 개방 측면, 또는 양자 모두는 단일 폴리에틸렌 폴리머 성분(특정 평균 분자량 및 분자량 범위를 가짐)으로 제조될 수 있거나 또는 2개 이상의 상이한 폴리에틸렌 폴리머 성분의 블렌드(각각의 성분은 상이한 평균 분자량 및 분자량 범위를 가짐)로 제조될 수 있다.
특정 예에서, 멤브레인 또는 이의 조밀 측면 또는 개방 측면은 하나 이상의 폴리에틸렌 폴리머 성분에 의해 제공되는 폴리에틸렌을 포함하고, 멤브레인(또는 이의 측면)은 평균 분자량이 500,000 내지 3,000,000 Dalton 범위, 예를 들어, 500,000 Dalton 내지 1,000,000 Dalton, 1,500,000 Dalton, 또는 2,000,000 Dalton 범위인 적어도 50, 60, 70, 80, 또는 90 중량% 폴리에틸렌을 포함하거나, 이로 구성되거나, 또는 이로 필수적으로 구성된다.
도 1은 설명한 바와 같은 멤브레인의 개략도이다. 멤브레인(100)은 조밀 측면(102) 및 개방 측면(112)을 포함하고(예를 들어, 포함하거나, 이로 필수적으로 구성되거나, 또는 이로 구성됨), 총 두께(120)를 갖는다. 조밀 측면(102)은 조밀 측면 표면(104) 및 조밀 측면 두께(106)를 포함한다. 개방 측면(112)은 개방 측면 표면(114) 및 개방 측면 두께(116)를 포함한다. 점선(108)은 조밀 측면(102)과 개방 측면(112) 사이의 경계를 나타내며, 경계는 조밀 측면과 개방 측면 사이의 경계면 또는 분할부의 근사적 또는 이론적 위치이다.
예시된 바와 같이, 조밀 측면(102)의 두께(106)는 개방 측면(112)의 두께(116)보다 더 작다. 두께의 차이는 상이한 두께 및 상이한 모폴로지(평균 공극 크기)를 가진 설명된 바와 같은 조밀 측면 및 개방 측면을 갖는 멤브레인(100)을 생성하기 위해 폴리머 조성물을 공압출하여 멤브레인(100)을 제조하는 방법의 특징의 결과이다. 경계(108)는 근사치이며, 멤브레인(100)의 물리적 검사 시에 뚜렷한 경계(108)를 반드시 식별할 수 있는 것은 아니다.
설명된 바와 같은 멤브레인은 (설명된 바와 같은 개방 측면 및 조밀 측면을 갖는 것에 더하여) 두께(멤브레인의 총 두께), 다공도, 멤브레인을 통한 한 방향 또는 두 방향의 기포점, 유동 시간, 및 보유를 포함하는 특징에 의해 특징지어질 수 있다.
설명된 바와 같은 다공성 멤브레인은 시트의 폭 및 길이에 걸쳐 실질적으로 균일한 두께를 갖는 시트 형태일 수 있으며, 두께는 30, 50, 또는 80으로부터 최대 200 미크론의 범위, 예를 들어 50 내지 150 미크론 범위이다.
설명된 바와 같은 멤브레인은 액체로부터 효과적인 양의 오염물 또는 불순물을 제거하면서도 적절한 유량의 액체가 멤브레인을 통과하도록 허용하기 위해 멤브레인이 본 출원에서 설명된 바와 같이 효과적이게 할 수 있는 다공도를 가질 수 있다. 유용한 멤브레인의 예는 최대 80%의 다공도, 예를 들어 60 내지 80% 범위, 예를 들어 60 내지 70% 범위의 다공도 또는 40 내지 60% 범위의 다공도를 가질 수 있다. 본 출원 및 다공체 분야에서 사용되는 바와 같이, 다공체의 "다공도(porosity)"(때때로 "공극률(void fraction)"이라고도 지칭됨)는 다공체의 총 체적의 백분율로서 다공체에서의 보이드(즉, "빈(empty)") 공간의 척도이며 다공체의 총 체적에 대한 다공체의 보이드의 체적의 비율로서 계산된다. 다공도가 0%인 물체는 완전히 고체이다.
멤브레인의 다공도 및 두께와 함께, 멤브레인의 공극의 크기("공극 크기(pore size)")(즉, 멤브레인의 전체에 걸친 또는 멤브레인의 상이한 부분에서의 공극의 평균 크기), 및 멤브레인에서의 상이한 크기의 공극의 분포는, 원하는 높은 레벨의 여과(예를 들어, 보유에 의해 측정됨)를 수행하면서도 멤브레인을 통한 액체 유체의 원하는 유동을 제공한다.
멤브레인의 상이한 부분에서는 멤브레인의 공극 크기가 다를 것이고, 조밀 측면의 공극이 개방 측면의 공극보다 더 작다. 조밀 측면의 공극은 평균적으로 유용한 여과 특성(보유에 의해 측정됨) 및 바람직한 유동 특성의 조합을 제공하는 크기로 될 수 있다. 멤브레인의 조밀 측면의 예시적인 공극 크기는, 예를 들어 때때로 "미세다공성(microporous)", "초다공성(ultraporous)", 또는 "나노다공성(nanoporous)"으로 분류되는 크기의, 약 10, 20, 30 나노미터 또는 0.05 미크론으로부터, 최대 약 10 미크론의 범위일 수 있으며; 본 상세한 설명 및 청구범위의 목적을 위해, "미세다공성"이라는 용어는 때때로 더 큰 공극 크기를 갖는 재료와 구별하는 방식으로, 즉, "거대다공성(macroporous)"으로 간주되는 재료와 구별하기 위해, 미세다공성 및 서브-미세다공성 크기를 포함하여, 이들 크기 범위 중 어느 하나의 범위 내의 공극을 의미하는 데 사용된다. 설명된 멤브레인의 개방 측면의 평균 공극 크기의 예는 이들과 동일한 범위일 수 있지만 조밀 측면의 공극보다는 더 클 것이다.
멤브레인의 공극 크기는 반드시 직접 측정되는 것이 아니라, 다공성 필터 멤브레인의 이해된 특성인 "기포점(bubble point)"(본 출원에서는 "평균 기포점(mean bubble point)"을 의미함)으로 공지된 특성에 대한 상관 관계에 기초하여 평가될 수 있다. 기포점은 공극 크기에 대응하며, 이는 예를 들어 보유에 의해 측정된 여과 성능에 대응할 수 있다. 더 작은 공극 크기는 더 높은 기포점 및 종종 더 양호한 여과 성능(더 높은 보유)과 상호 관련될 수 있다. 그러나, 일반적으로 더 높은 기포점은 또한 다공성 재료를 통한 상대적으로 더 높은 유동 저항 및 더 높은 유동 시간(주어진 압력 강하에 대한 더 높은 유동 저항 및 더 낮은 유량)과 상호 관련된다. 본 상세한 설명의 예시적인 필터 멤브레인은 상대적으로 더 높은 기포점, 양호한 여과 성능, 및 유용한 유동 레벨, 예를 들어 필터 멤브레인이 상업적 여과 프로세스에서 사용될 수 있게 하는 유량 또는 "유동 시간"의 조합을 나타낼 수 있다.
본 개시의 목적을 위해, 평균 기포점은 이하에서 "평균 기포점 테스트(Mean Bubble Point Test)"로 지칭되는 하기의 절차를 사용하여 결정된다. 건조한 멤브레인 샘플이 홀더 상에 배치되고 압축 공기를 사용하여 가스 압력이 건조한 멤브레인의 조밀 측면에 점진적으로 인가된다. 건조한 멤브레인을 통과하는 공기 유량이 압력의 함수로서 측정된다. 다음으로 멤브레인이 에톡시-노나플루오로부탄 HFE-7200(3M에서 시판)으로 습윤된다. 압축 공기를 사용하여 습윤된 멤브레인의 조밀 측면에 가스 압력을 점진적으로 인가한다. 습윤된 멤브레인을 통한 공기 유량이 압력의 함수로 측정된다. 이 테스트는 주위 온도(예를 들어, 대략 섭씨 25도이지만, 제어된 온도는 아님)에서 수행된다. 평균 기포점은 건조한 멤브레인의 공기 유동에 대한 습윤 멤브레인의 공기 유동의 비율이 0.5가 되는 압력이다.
평균 기포점 테스트를 사용하여 측정된, 설명된 바와 같은 다공성 필터 멤브레인의 유용한 평균 기포점의 예는 적어도 50, 80, 90, 100, 또는 120 제곱인치당 파운드(psi) 또는 그 이상, 예를 들어 최대 200 또는 300 제곱인치당 파운드일 수 있으며, 멤브레인은 또한 본 출원의 다른 곳에서 설명된 바와 같이 유동 시간 및 보유의 유용한 특성을 나타낸다.
원하는 기포점 및 여과 성능과 함께, 설명된 바와 같은 멤브레인은 멤브레인을 통과하는 액체의 유동에 대한 유용하고 효과적인 레벨의 저항을 나타낼 수 있다. 멤브레인을 통과하는 액체 유동에 대한 저항은 유량 또는 유동 시간(유량과 반비례)의 관점에서 측정할 수 있다. 설명된 바와 같은 멤브레인은 바람직하게는 비교적 높은 기포점과 함께, 유용한 또는 비교적 낮은 유동 시간 및 양호한 여과 성능을 가질 수 있는 것이 바람직하다. 액체에서 원치 않는 물질(즉, "오염물(contaminant)")을 제거함에 있어서 필터 멤브레인의 유효성 레벨은 한 가지 방식으로 "보유(retention)"로 측정될 수 있다. 필터 멤브레인(예를 들어, 설명된 바와 같은 필터 멤브레인)의 유효성을 참조하여, 보유는 일반적으로 필터 멤브레인을 통해 액체가 통과하기 전에 액체에 있던 불순물의 총량에 대한, 불순물을 함유하는 액체로부터 제거되는 불순물의 총량(실제 또는 성능 테스트 동안)을 지칭한다. 따라서, 필터 멤브레인의 "보유" 값은 백분율이며, 보유 값이 높은 필터(높은 백분율)는 액체로부터 입자를 제거하는 데 상대적으로 더 효과적이고, 보유 값이 낮은 필터(낮은 백분율)는 액체로부터 입자를 제거하는 데 상대적으로 덜 효과적이다. 본 상세한 설명의 예시적인 방법에 따라 제조된 멤브레인은 비슷한, 거의 비슷한, 또는 다소 유사한 두께를 갖는 비슷한 재료(예를 들어, 폴리에틸렌)로 제조된 상업적 필터 멤브레인과 적어도 비슷한 보유에 의해 측정된 여과 성능, 및 광범위하게 유사한 범위 내에 있는 유동 특성(유동 시간에 의해 측정됨) 및 기포점을 나타낼 수 있다. 아래에서 예에 도시된 바와 같이, 본 출원에 설명된 바와 같은 멤브레인은 이전의 멤브레인과 비교할 때 기포점에 대하여 더 낮은 유동 시간을 가지며, 다시 말해서 이전의 비교 멤브레인은 본 출원에 개시된 특성을 갖는 멤브레인의 기포점 및 유동 시간 특성을 모두 공유하지 않을 것이다.
특정 예에서, 본 상세한 설명의 멤브레인은 기포점(평균 기포점) 및 멤브레인을 통과하는 액체의 유동 특성(예를 들어, 유동 시간의 관점에서 측정됨)의 유용한 또는 개선된 조합을 나타낼 수 있다. 비슷한 폴리에틸렌 다공성 필터 멤브레인과 비교하여, 본 상세한 설명의 유용한 또는 바람직한 멤브레인은 유사한 유동 시간 동안 증가된 기포점의 매우 바람직한 조합을 가질 수 있다. 유동 시간에 대한 기포점의 범위에 걸쳐, 예시적인 멤브레인은 동일한 유동 시간 동안 더 높은 기포점을 나타낼 수 있거나, 또는, 바꿔 말하면, 동일한 기포점에서 감소된(개선된) 유동 시간을 나타낼 수 있다. 예시적인 멤브레인은 다음과 같은 유동 시간 및 기포점 특성을 나타낼 수 있으며: 즉, 2000초 미만의 유동 시간 및 75 psi 이상의 평균 기포점; 3000초 미만의 유동 시간 및 100 psi 이상의 평균 기포점; 4000초 미만의 유동 시간 및 125 psi 이상의 평균 기포점; 6000초 미만의 유동 시간 및 150 psi 이상의 평균 기포점; 또는 10000초 미만의 유동 시간 및 175 psi 이상의 평균 기포점을 나타낼 수 있다. 이들 멤브레인은 또한 "보유"의 관점에서 측정된 유용한 여과 레벨, 예를 들어 비슷한 두께의 다른 폴리에틸렌 필터와 비슷한 범위의 여과 성능을 나타낸다.
본 개시의 목적을 위해, 유동 시간은 이하 "유동 시간 테스트(Flow Time Test)"로 지칭되는 하기의 절차를 사용하여 결정된다. 유동 시간을 측정하기 위해, 이소프로필 알콜(IPA)이 14.2 psi의 압력에서 47 mm 멤브레인 디스크의 개방 측면(더 큰 공극 크기)에 도포된다. 압력이 14.2 psi와 다르면, 유동 시간은 14.2 psi로 정규화된다. 멤브레인을 통해 특정 체적의 유체를 유동하는 데 필요한 시간을 측정하고 500 mL를 유동하는 데 필요한 시간을 계산한다. 유체의 온도도 측정되며, 온도에 대한 점도 변화에 대해 시간을 보정하고, 다음 식을 사용하여 섭씨 21도로 정규화한다:
유동 시간(s) = 측정 시간(s)*[500(ml)/측정 체적(ml)]*[측정 압력(psi)/14.2(psi)]*점도 보정
점도 보정 = 측정 온도(C)*0.0313 + 0.356
다른 바람직한 척도에 따르면, 설명된 바와 같은 예시적인 멤브레인은 다음과 같은 유동 시간 및 기포점 특성을 나타낼 수 있으며: 즉, 1500초 미만의 유동 시간 및 75 psi 이상의 평균 기포점; 100 psi 이상의 평균 기포점에서 2500초 미만의 유동 시간; 125 psi 이상의 평균 기포점에서 3000초 미만의 유동 시간; 150 psi 이상의 평균 기포점에서 5000초 미만의 유동 시간; 및 175 psi 이상의 평균 기포점에서 8000초 미만의 유동 시간을 나타낼 수 있다. 이들 멤브레인은 또한 "보유"의 관점에서 측정된 유용한 여과 레벨, 예를 들어 비슷한 두께의 다른 폴리에틸렌 필터와 비슷한 범위의 여과 성능을 나타낸다.
평균 기포점에 대한 필터의 최대 유동 시간의 범위를 특징짓는 방식으로 말하면, 설명된 바와 같은 예시적인 멤브레인은 식, 즉, log 10(유동 시간) = 2.757 + 0.007105 * (평균 기포점)에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간 미만인 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 측정된 log 10 유동 시간(초)을 나타낼 수 있다. 다른 실시예에서, 설명된 바와 같은 예시적인 멤브레인은 식, 즉, log 10(유동 시간) = 2.707 + 0.006485 * (평균 기포점)에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간 이하인 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 측정된 log 10 유동 시간(초)을 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, 설명된 바와 같은 예시적인 멤브레인은 식, 즉, log 10(유동 시간) = 2.757 + 0.007105 * (평균 기포점)에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간 미만이고, 또한 식, 즉, log 10(유동 시간) = 2.4888 + 0.006593 * (평균 기포점) 이상인 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 측정된 log 10 유동 시간(초)을 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, 설명된 바와 같은 예시적인 멤브레인은 식, 즉, log 10(유동 시간) = 2.707 + 0.006485 * (평균 기포점)에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간 이하이고, 또한 식, 즉, log 10(유동 시간) = 2.4888 + 0.006593 * (평균 기포점) 이상인 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 측정된 log 10 유동 시간(초)을 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, 설명된 바와 같은 예시적인 멤브레인은 식 log 10(유동 시간) = 2.757 + 0.007105 * (평균 기포점) 또는 식 log 10(유동 시간) = 2.707 + 0.006485 * (평균 기포점)에 따른 평균 기포점에 대한 유동 시간보다 5% 더 적은, 또는 10% 더 적은 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대해 측정된 log 10 유동 시간(초)을 나타낼 수 있다.
설명된 바와 같은 다공성 필터 멤브레인을 제조하는 프로세스는 때때로 조밀 측면 및 개방 측면을 포함하는, 설명된 바와 같은 멤브레인을 형성하기 위해 2개의 폴리머 유동(2개의 상이한 가열된 폴리머 용액)을 공압출하여 수행되는 "압출 용융-주조(extrusion melt-cast)" 프로세스 또는 "열 유도 액체-액체 상 분리(thermally-induced liquid-liquid phase separation)"로 지칭되는 유형의 방법일 수 있다.
일반적으로, 이러한 유형의 프로세스에서, 폴리머(예를 들어, 폴리에틸렌)는 예를 들어 압출기를 통해 처리 및 성형될 수 있는 가열된 폴리머 용액을 형성하기 위해 상승된 온도("압출 온도(extrusion temperature)")에서 하나 이상의 용매에 용해된다. 가열된 폴리머 용액은 압출기 및 압출 다이를 통과하여 다이를 빠져나와 시트형 멤브레인 형태와 같은 원하는 형상으로 응고되게 할 수 있다. 가열된 폴리머 용액은 다이를 통과하고 압출 온도보다 훨씬 더 낮은 온도, 즉, "냉각 온도(cooling temperature)"인 성형 표면에 분배된다. 압출된 가열된 폴리머 용액이 저온의 성형 표면과 접촉하는 경우, 가열된 폴리머 용액의 폴리머 및 용매는 폴리머가 개방 공극 다공성 멤브레인으로 형성되게 하는 방식으로 하나 이상의 상 분리를 겪는다.
가열된 폴리머 용액은 제1("강한(strong)") 용매 및 제2("약한(weak)") 용매를 포함하는 용매에 용해된 폴리에틸렌(본 출원에 설명된 바와 같음)을 함유하도록 준비될 수 있다. 폴리머 용액의 폴리머는 본 출원에 설명된 바와 같이 폴리에틸렌을 포함하거나, 이로 구성되거나, 또는 이로 필수적으로 구성될 수 있다.
강한 용매는 폴리머를 가열된 폴리머 용액에 실질적으로 용해시킬 수 있다. 유용한 강한 용매는 본 출원에 설명된 바와 같은 폴리에틸렌 폴리머가 압출 온도에서 매우 용해되기 쉽고, 폴리에틸렌 폴리머가 냉각 온도에서 낮은 용해도를 갖는 유기 액체를 예로서 포함한다. 유용한 강한 용매는 미네랄 오일과 등유를 예로서 포함한다.
약한 용매는 폴리에틸렌 폴리머가 압출 온도 및 냉각 온도에서 낮은 용해도를 갖는 것으로, 압출 온도에서 강한 용매와 섞이고 냉각 온도에서 강한 용매와 섞이지 않는 용매이다. 약한 용매의 특정한 예는 디옥틸 프탈레이트, 디부틸 세바타케이트(DBS), 디옥틸 세바케이트, 디(2-에틸헥실) 프탈레이트, 디-(2-에틸헥실) 아디페이트, 디부틸프탈레이트, 테트랄린, n-데칸올, 1-도데칸올, 디페닐메탄, 및 그 혼합물을 포함한다.
용매의 양에 대한 가열된 폴리머 용액에 함유된 폴리머(예를 들어, 폴리에틸렌 또는 하나 이상의 다른 폴리머를 갖는 폴리에틸렌)의 양은 압출기 및 다이를 통한 압출에 의해 가열된 폴리머 용액이 처리될 수 있게 하기에 충분히 높고, 폴리머 용액 내의 폴리머가 융합되어 주조 및 냉각 시 원하는 다공성 모폴로지로 형성될 수 있게 하기에 충분히 낮은 양일 수 있다. 설명된 바와 같이 가열된 폴리머 용액에 포함될 수 있고 설명된 바와 같이 처리되는 본 출원에서 설명된 바와 같은 폴리머의 유용한 또는 바람직한 양은 가열된 폴리머 용액의 총 중량을 기준으로 5, 10, 또는 15로부터, 최대 35 중량%의 범위, 예를 들면 17 내지 20, 25, 또는 30 중량% 범위의 폴리머일 수 있다. 가열된 폴리머 용액의 나머지는 하나 이상의 약한 용매와 하나 이상의 강한 용매의 조합일 수 있다. 따라서, 유용한 또는 바람직한 가열된 폴리머 용액은 가열된 폴리머 용액의 총 중량을 기준으로, 예를 들어 65 내지 85, 90, 또는 95 중량% 용매(약한 용매와 강한 용매의 조합), 예컨대 70 내지 75, 80, 또는 83 중량% 용매를 함유할 수 있다.
약한 용매에 대한 강한 용매의 상대적인 양은 다공성 멤브레인의 원하는 공극 구조를 달성하기 위해 원하는 바에 따라 선택될 수 있다. 상대적으로 강한 용매의 양이 많을수록 더 작은 공극을 갖는 필터 멤브레인을 생성할 수 있다. 상대적으로 약한 용매의 양이 많을수록 더 큰 공극을 갖는 필터 멤브레인을 생성할 수 있다. 강한 용매 대 약한 용매의 유용한 상대적인 양은 (강한 용매 : 약한 용매) 10:90 내지 90:10, 20:80 내지 80:20, 25:75 내지 75:25, 및 40:60 내지 60:40을 포함하는 범위 내에서 달라질 수 있다.
가열된 폴리머 용액이 급격하게 냉각되면, 폴리머 용액에서의 여러 물리적 변화로 인해 압출된 가열된 폴리머 용액으로부터 다공성 필터 멤브레인이 형성되게 된다. 한 가지 변화로서, 가열된 폴리머 용액의 급격한 냉각은 용액이 2개의 액체 상, 즉, 높은 레벨의 용해된 폴리머를 함유하는 강한 용매의 액체 상 및 적은 양의 용해된 폴리머를 함유하는 약한 용매의 액체 상으로 상 분리되게 한다. 급격한 냉각에 의해 야기된 추가적인 변화는 강한 용매에 용해된 폴리머가 융합하여 강한 용매를 고체 폴리머 상으로 침전시키는 것이다.
더 구체적으로 유용한 프로세스는 약한 용매와 강한 용매(용해된 폴리머 포함)의 액체-액체 상 분리를 포함하는 열 유도 상 분리 프로세스에 기초할 수 있다. 이러한 방법에 따르면, 강한 용매에 용해된 폴리머(설명된 바와 같은 폴리에틸렌을 포함하거나, 이로 구성되거나, 또는 이로 필수적으로 구성됨)를 함유하는 가열된 폴리머 용액이, 추가적으로 제2 용매("약한 용매" 또는 심지어 "비-용매(non-solvent)" 또는 "포로겐(porogen)"이라고 지칭됨)와 함께 가열된 폴리머 용액을 형성한다. 이 가열된 폴리머 용액 시스템은, 용액이 강한 용매와 약한 용매의 조합에 용해된 폴리머의 균질 용액의 상태를 유지하는 온도 범위, 및 용액이 상 분리되는 제2(더 낮은) 온도 범위를 갖는 것이 특징이다.
가열된 폴리머 용액을 상승된 ("압출") 온도에서 감소된 ("냉각") 온도로 냉각함으로써, 가열된 폴리머 용액은 처음에 2개의 액체 상, 즉, 용해된 폴리머 함량이 높은 강한 용매의 상 및 용해된 폴리머 함량이 낮은 약한 용매의 상으로 분리된다. 응고 온도 이하로 추가 냉각하면 높은 폴리머 함량의 상이 응고되어 3차원 멤브레인 구조를 형성한다. 가열된 폴리머 용액을 냉각하는 속도는 생성되는 공극 구조에 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로, 냉각이 빠를수록 더 작은 공극이 형성된다.
폴리머와 약한 용매 및 강한 용매로부터 형성된 가열된 폴리머 용액은 가열 압출 단계 동안 압출되고, 압출 다이를 통과하고, 원하는 형상으로 될 수 있다. 유용한 압출 장비의 많은 예가 공지되어 있으며 상업적으로 이용 가능한 단일의 상업적 예는 라이슈트리츠(Leistritz) 27 밀리미터 트윈 스크류, 동시 회전 압출기이다. 시팅 다이, 주조 몰드, 닥터 블레이드, 프로파일 다이와 같은 종래의 다이도 널리 공지되어 있으며 본 상세한 설명에 따라 유용한 것으로 이해될 것이다.
압출된 가열된 폴리머 용액은 냉각 롤 또는 "칠 롤(chill roll)"과 같은 임의의 성형 표면과 접촉하여 냉각될 수 있다.
유용한 또는 바람직한 압출 온도, 즉, 압출기 다이를 나가는 가열된 폴리머 용액의 온도는, 예를 들어 섭씨 180도 내지 250도 범위, 예컨대 섭씨 195도 내지 220도 범위일 수 있다.
유용한 또는 바람직한 냉각 온도, 예를 들어 표면 칠 롤과 같이 가열된 폴리머 용액이 압출되는 표면의 온도는, 예를 들어 섭씨 10도 내지 50도 범위, 예를 들어 섭씨 25도 내지 40도 범위일 수 있다.
본 상세한 설명에 따르면, 다공성 멤브레인은 2개의 가열된 폴리머 용액의 유동 및 압출을 수반하는 공압출 방법을 사용하는 "압출 용융-주조" 프로세스("열 유도 액체-액체 상 분리"를 수반함)에 의해 형성될 수 있다. 하나의 가열된 폴리머 용액은 조밀 측면 가열된 폴리머 용액이라고 지칭되며 공압출 방법을 사용하여 형성 및 압출되어 멤브레인의 조밀 측면을 형성한다. 두 번째 가열된 폴리머 용액은 개방 측면 가열된 폴리머 용액이라고 지칭되며 공압출 방법을 사용하여 형성 및 압출되어 멤브레인의 개방 측면을 형성한다.
본 발명의 방법에 따르면, 공압출 프로세스의 특징 및 2개의 상이한 가열된 폴리머 용액의 특징을 선택 및 제어하여, 설명된 바와 같은 모폴로지 및 상대적인 두께를 갖는 조밀 측면 및 개방 측면을 갖고, 효과적인 필터 보유 특성으로 설명된 바와 같은 유동 특성 및 기포점 특성을 갖는 설명된 바와 같은 다공성 필터 멤브레인을 생성할 수 있다.
설명된 바와 같은 조밀 측면 및 개방 측면을 갖고, 조밀 측면과 비교하여 개방 측면이 더 큰 공극 및 더 큰 두께를 갖는, 설명된 바와 같은 멤브레인을 생성하기 위해, 공압출 방법의 다양한 특징이 선택 및 제어될 수 있다. 이는, 제1 가열된 폴리머 용액과 그 폴리머(폴리에틸렌)의 조성물; 제2 가열된 폴리머 용액과 그 폴리머(폴리에틸렌)의 조성물; 및 압출 다이를 통과하는 각각의 유량에 의해 영향을 받을 수 있기 때문에 각각의 압출된 층의 두께에 의해 제어될 수 있는 공압출된 멤브레인을 형성하기 위해 압출기를 통해 유동하는 제1 가열된 폴리머 용액 및 제2 가열된 폴리머 용액 각각의 상대적인 양(시간당 질량, 예를 들어 시간당 파운드 단위의 상대적인 유량)을 포함한다.
생성되는 멤브레인은 (멤브레인의 총 두께에 대하여) 개방 측면의 두께보다 더 작은 두께를 갖고 개방 측면의 두께와 비교하면 멤브레인의 총 두께의 작은 부분인 조밀 측면을 갖게 된다. 멤브레인의 개방 측면의 두께와 비교하여 더 작은 두께를 갖는 조밀 측면을 갖는 것으로 간주되는 예시적인 멤브레인은 개방 측면에 함유된 폴리머의 양보다 더 적은 양의 폴리머를 함유하는 조밀 측면을 가질 수 있다. 설명된 바와 같은 예시적인 멤브레인의 조밀 측면은 조밀 측면 및 개방 측면의 폴리머 총량의 15 내지 40 중량%, 예를 들어 멤브레인의 조밀 측면 및 개방 측면의 폴리머 총량의 25 내지 35 중량%를 함유할 수 있다. 예시적인 멤브레인의 개방 측면은 조밀 측면 및 개방 측면의 폴리머 총량의 60 내지 80 중량%, 예를 들어 멤브레인의 조밀 측면 및 개방 측면의 폴리머 총량의 65 내지 75 중량%를 함유하게 된다.
개방 측면을 구성하는 폴리머의 양에 대한 조밀 측면을 구성하는 폴리머의 양은 조밀 측면 가열된 폴리머 용액 및 개방 측면 가열된 폴리머 용액의 상대적인 유량과 같은 공압출 프로세스의 특징에 의해 영향을 받거나 제어될 수 있다. 예시적인 프로세스에서, 조밀 측면 가열된 폴리머 용액은 공압출 프로세스 동안 다이로부터의 유량(예를 들어, 시간당 질량)을 가질 수 있으며, 이는 개방 측면 가열된 폴리머 용액의 유량보다 더 적다. 구체적인 예로서, 조밀 측면 가열된 폴리머 용액의 유량은 공압출 다이로부터의 조밀 측면 가열된 폴리머 용액 및 개방 측면 가열된 폴리머 용액의 총 (통합) 유량의 15 내지 40 중량% 범위일 수 있으며, 예를 들어 조밀 측면 가열된 폴리머 용액의 유량은 조밀 측면 가열된 폴리머 용액 및 개방 측면 가열된 폴리머 용액 모두의 총 유량(질량 기준)을 기준으로 25 내지 35 중량% 범위일 수 있다. 개방 측면 가열된 폴리머 용액의 유량은 공압출 다이로부터의 조밀 측면 가열된 폴리머 용액 및 개방 측면 가열된 폴리머 용액의 총 (통합) 유량(질량 기준)의 60 내지 80 중량% 범위일 수 있으며, 예를 들어 개방 측면 가열된 폴리머 용액의 유량은 조밀 측면 가열된 폴리머 용액 및 개방 측면 가열된 폴리머 용액 모두의 총 유량을 기준으로 65 내지 75 중량% 범위일 수 있다.
추가적으로 또는 임의적으로, 멤브레인의 개방 측면과 비교하면 조밀 측면의 모폴로지(예를 들어, 평균 공극 크기)에 영향을 미치기 위해, 조밀 측면 가열된 폴리머 용액은 개방 측면 가열된 폴리머 용액에서의 폴리머 농도에 대하여 더 높은 농도의 폴리머(중량 기준)를 함유할 수 있다. 응고 시 가열된 폴리머 용액에서의 폴리머 농도가 높을수록 응고된 필름의 공극이 더 낮은 농도의 폴리머를 함유하는 가열된 폴리머 용액으로부터 형성된 공극과 비교하여 상대적으로 더 작아질 수 있다.
구체적인 예로서, 예시적인 조밀 측면 가열된 폴리머 용액은 10 내지 30 중량% 폴리머, 예컨대 12 내지 25 중량% 폴리머를 함유할 수 있다. 예시적인 개방 측면 가열된 폴리머 용액은 5 내지 20 중량% 폴리머, 예컨대 8 내지 15 중량% 폴리머를 함유할 수 있다.
개략적으로 도시된 도 2a를 참조하면, 공압출 방법에 의해, 본 출원에 설명된 바와 같은 다공성 필터 멤브레인(220)을 제조하는 데 유용한 공압출 시스템의 측면도가 도시되어 있다. 공압출 시스템(200)은 제1 가열된 폴리머 용액(조밀 측면 가열된 폴리머 용액)(208)의 유동을 압출하기 위한 압출기(202) 및 제2 가열된 폴리머 용액(개방 측면 가열된 폴리머 용액)(206)의 유동을 압출하기 위한 압출기(204)를 포함한다. 작동시, 조밀 측면 가열된 폴리머 용액(208)은 폴리머 농도(PCTS)(체적 폴리머 용액당 또는 질량 폴리머 용액당 질량 폴리머)를 갖고 압출기(202) 및 다이(212)를 통해 유량(FTS)(시간당 질량 또는 체적 폴리머 용액)으로 유동한다. 조밀 측면 가열된 폴리머 용액은 다이(212)를 통과하고 멤브레인(220)의 조밀 측면(224)으로서 칠 롤(210)과 접촉하도록 배치된다. 개방 측면 가열된 폴리머 용액(206)은 폴리머 농도(PCOS)(체적 폴리머 용액당 또는 질량 폴리머 용액당 질량 폴리머)를 갖고, 압출기(204) 및 다이(214)를 통해 유량(FOS)(시간당 질량 또는 체적 폴리머 용액)으로 유동한다. 개방 측면 가열된 폴리머 용액(206)은 다이(214)를 통과하고 멤브레인(220)의 개방 측면(222)으로서 조밀 측면(224)의 표면 위에 배치된다.
가열된 폴리머 용액(206 및 208)의 두 유동이 칠 롤(210)의 냉각된 표면 상에 층(222 및 224)으로 형성될 때, 가열된 폴리머 용액에 존재하는 폴리머의 상 분리 및 응고가 일어나, 설명된 바와 같은 조밀 측면 및 개방 측면을 갖는 다공성 멤브레인이 형성된다. 조밀 측면(224)은 칠 롤의 표면(221)과 밀착 접촉하여 신속하게 응고된다. 신속한 응고는 칠 롤(210)과 직접 접촉하지 않는 것으로 인해 더 느리게 형성되는 개방 측면(222)에 형성된 공극에 대하여 더 작은 공극을 형성하게 된다.
개략적으로 도시된 도 2b를 참조하면, 단일 다이(312)를 사용하는 공압출 방법에 의해, 본 출원에 설명된 바와 같은 다공성 필터 멤브레인(320)을 제조하는 데 유용한 대안적인 공압출 시스템의 측면도가 도시되어 있다. 공압출 시스템(300)은 제1 가열된 폴리머 용액(조밀 측면 가열된 폴리머 용액)(308)의 유동을 압출하기 위한 압출기(302) 및 제2 가열된 폴리머 용액(개방 측면 가열된 폴리머 용액)(306)의 유동을 압출하기 위한 압출기(304)를 포함한다. 작동시, 조밀 측면 가열된 폴리머 용액(308)은 폴리머 농도(PCTS)(체적 폴리머 용액당 또는 질량 폴리머 용액당 질량 폴리머)를 갖고 압출기(302) 및 다이(312)를 통해 유량(FTS)(시간당 질량 또는 체적 폴리머 용액)으로 유동한다. 조밀 측면 가열된 폴리머 용액은 다이(312) 및 다이 개구(314)를 통과하고 멤브레인(320)의 조밀 측면(324)으로서 칠 롤(310)과 접촉하도록 배치된다. 개방 측면 가열된 폴리머 용액(306)은 폴리머 농도(PCOS)(체적 폴리머 용액당 또는 질량 폴리머 용액당 질량 폴리머)를 갖고, 압출기(304) 및 다이(312)를 통해 유량(FOS)(시간당 질량 또는 체적 폴리머 용액)으로 유동한다. 개방 측면 가열된 폴리머 용액(306)은 조밀 측면 가열된 폴리머 용액(308)의 유동과 동시에 다이(312) 및 다이 개구(314)를 통과하고 멤브레인(320)의 개방 측면(322)으로서 조밀 측면(324)(의 상부)에 인접하게 위치되게 된다.
가열된 폴리머 용액(306 및 308)의 두 유동이 칠 롤(310)의 냉각된 표면 상에 층(322 및 324)으로 형성될 때, 가열된 폴리머 용액에 존재하는 폴리머의 상 분리 및 응고가 일어나, 설명된 바와 같은 조밀 측면 및 개방 측면을 갖는 다공성 멤브레인이 형성된다. 조밀 측면(324)은 칠 롤의 표면(321)과 밀착 접촉하여 신속하게 응고된다. 신속한 응고는 칠 롤(310)과 직접 접촉하지 않는 것으로 인해 더 느리게 형성되는 개방 측면(322)에 형성된 공극에 대하여 더 작은 공극을 형성하게 된다.
시스템(200 또는 300)의 공압출 프로세스의 인자는 조밀 측면과 개방 측면 각각의 원하는 모폴로지를 달성하고 조밀 측면과 개방 측면의 원하는 상대적인 두께를 달성하기 위해 선택 및 제어될 수 있다. 이러한 인자는 2개의 가열된 폴리머 용액의 유량, 즉 (FTS 및 FOS) 및 가열된 폴리머 용액 각각에서의 폴리머 농도(PCTS 및 PCOS)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조밀 측면의 두께보다 큰 개방 측면의 두께를 생성하려면, 조밀 측면의 유량은 개방 측면의 유량보다 더 적을 수 있으며(FTS<FOS), 2개의 가열된 폴리머 용액의 구체적인 상대적인 유량의 예는 본 출원의 다른 곳에서 설명된다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 개방 측면과 비교하여 조밀 측면에 더 작은 공극을 형성하기 위해, 조밀 측면의 폴리머 농도는 개방 측면의 폴리머 농도보다 더 높을 수 있다(PCTS> PCOS).
폴리머 다공성 멤브레인을 형성하는 상업적인 용융 주조 방법에서, 임의적 단계는 멤브레인이 압출되고 응고되어 고체 멤브레인을 형성한 후에 멤브레인을 연신시키는 것이다. 연신 단계는 주조 멤브레인을, 압출 및 냉각 이후에, 힘을 사용하여 멤브레인의 두께 감소를 유발하게 되는 길이 방향 또는 폭 방향으로, 또는 양 방향으로 확장되게 한다. 예를 들어, 연신 방향으로의 신장에 의해 멤브레인 내의 개방 공극의 형상이 영향을 받는다.
용융 주조 멤브레인을 길이 방향, 폭 방향 또는 양 방향 중 한 방향 또는 두 방향으로 연신시키는 단계를 포함하는 용융 주조 방법과 달리, 본 출원에 설명된 다공성 멤브레인은 폭 방향 및 길이 방향 중 한 방향(길이 또는 폭)으로 또는 양 방향으로 연신하는 단계를 필요로 하지 않고 배제할 수 있다. 설명된 바와 같이 유동 및 기포점을 나타내기 위해 설명된 바와 같은 멤브레인에 대하여 길이 방향 또는 폭 방향으로의 멤브레인의 연신은 필요하지 않다. 예를 들어, 설명된 바와 같은 멤브레인은 임의의 연신 단계 없이 제조될 수 있거나 또는 용융 주조 방법에 의해 멤브레인을 제조하는 것과 필터 카트리지와 같은 필터 제품에 멤브레인을 설치하는 것 사이에 약간의 연신으로 제조될 수 있다. 멤브레인은 어떠한 연신도 없이 또는 최소의 연신으로, 예를 들어 한 방향 또는 양방향으로 5, 2, 또는 1% 넘게 멤브레인을 연신(영구적 변형)시키지 않는 단계에 의해 처리될 수 있다.
본 출원에 설명된 바와 같은 필터 멤브레인, 또는 필터 멤브레인을 포함하는 필터 또는 필터 구성요소는 액체 화학 물질로부터 원치 않는 물질을 정제하거나 그렇지 않으면 제거하기 위해, 특히 매우 높은 레벨의 순도를 갖는 화학 물질 투입이 필요한 산업 프로세스에 유용한 고순도 액체 화학 물질을 생성하기 위해, 액체 화학 물질을 여과하는 방법에 유용할 수 있다. 일반적으로, 액체 화학 물질은 다양한 유용한 상업용 물질 중 임의의 것일 수 있으며 임의의 다양한 서로 다른 산업적 또는 상업적 용례에 유용한 액체 화학 물질일 수 있다. 설명된 바와 같은 필터 멤브레인의 특정 예는 반도체 또는 마이크로 전자 제조 용례에서 사용되는 또는 유용한 액체 화학 물질을 정제하는 데 사용될 수 있으며, 예를 들어 반도체 포토리소그래피 방법, 습식 에칭 또는 세정 단계, 스핀 온 글라스(SOG) 형성 방법, 후면 반사 방지 코팅(BARC) 방법 등에 사용되는 액체 용매 또는 다른 프로세스 용액을 여과하는 데 사용될 수 있다.
설명된 바와 같은 필터 멤브레인을 사용하여 여과될 수 있는 액체 용매의 일부 구체적이고 비제한적인 예는 n-부틸 아세테이트(nBA), 이소프로필 알콜(IPA), 2-에톡시에틸 아세테이트(2EEA), 사이클로헥사논, 에틸 락테이트, 감마-부티로락톤, 헥사메틸디실라잔, 메틸-2-히드록시이소부티레이트, 메틸 이소부틸 카르비놀(MIBC), n-부틸 아세테이트, 메틸 이소부틸 케톤(MIBK), 이소아밀 아세테이트, 프로필렌 글리콜 모노에틸 에테르, 프로필렌 글리콜 메틸 에테르(PGME), 2-헵타논, 및 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트(PGMEA)를 포함한다.
필터 멤브레인은 여과 시스템에 사용되는 필터 또는 필터 카트리지와 같은 더 큰 필터 구조 내에 포함될 수 있다. 여과 시스템은 필터 멤브레인이 액체 화학 물질로부터 불순물 및 오염물을 제거할 수 있도록 액체 화학 물질이 필터 멤브레인을 통해 유동하게 하기 위해 액체 화학 물질의 유로에, 예를 들어 필터 또는 필터 카트리지의 일부로서 필터 멤브레인을 배치하게 된다. 필터 또는 필터 카트리지의 구조는 유체가 필터 입구로부터 필터 멤브레인을 통해 그리고 필터 출구를 통해 유동하여 필터를 통과할 때 필터 멤브레인을 통과하게 하도록 필터 내의 다공성 필터 멤브레인을 지지하는 하나 이상의 다양한 추가적인 재료 및 구조를 포함할 수 있다. 필터 구조에 의해 지지되는 필터 멤브레인은 임의의 유용한 형상, 예를 들어 무엇보다도 주름진 실린더, 원통형 패드, 하나 이상의 비-주름진(평탄한) 원통형 시트, 주름진 시트로 될 수 있다.
주름진 실린더 형태의 필터 멤브레인을 포함하는 필터 구조의 하나의 예는, 어느 하나가 필터 구성에 포함될 수 있지만 필수는 아닐 수 있는 다음과 같은 구성 부품, 즉, 주름진 원통형의 코팅된 필터 멤브레인의 내부 개구에서 주름진 원통형의 코팅된 필터 멤브레인을 지지하는 강성 또는 반강성 코어; 필터 멤브레인의 외부에서 주름진 원통형의 코팅된 필터 멤브레인의 외부를 지지하거나 둘러싸는 강성 또는 반강성 케이지; 주름진 원통형의 코팅된 필터 멤브레인의 두 대향 단부 각각에 위치되는 임의적인 단부편 또는 "퍽(puck)"; 및 입구 및 출구를 포함하는 필터 하우징을 포함하도록 제조될 수 있다. 필터 하우징은 임의의 유용한 그리고 원하는 크기, 형상 및 재료로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 적절한 폴리머 재료로 제조될 수 있다.
하나의 예로서, 도 3은 다른 임의적인 구성요소와 함께 주름진 원통형 구성요소(410) 및 단부편(422)으로 이루어진 제품인 필터 구성요소(430)를 도시한다. 원통형 구성요소(410)는 본 출원에서 설명된 바와 같은 필터 멤브레인(412)을 포함하며, 주름진다. 단부편(422)은 원통형 필터 구성요소(410)의 일 단부에 부착(예를 들어, "포팅(potted)")된다. 단부편(422)은 바람직하게는 용융 가공 가능한 폴리머 재료로 제조될 수 있다. 코어(도시되지 않음)는 주름진 원통형 구성요소(410)의 내부 개구(424)에 배치될 수 있고, 케이지(도시되지 않음)는 주름진 원통형 구성요소(410)의 외부 주위에 배치될 수 있다. 제2 단부편(도시되지 않음)은 주름진 원통형 구성요소(430)의 제2 단부에 부착("포팅")될 수 있다. 2개의 대향 포팅 단부와 임의적인 코어 및 케이지를 갖는 결과적인 주름형 원통형 구성요소(430)는 입구 및 출구를 포함하고 입구에 진입하는 유체의 양이 출구에서 필터를 나가기 전에 반드시 여과 멤브레인(412)을 통과해야 하도록 구성되는 필터 하우징에 배치될 수 있다.
필터 하우징은 임의의 유용한 그리고 원하는 크기, 형상, 및 재료로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 플루오르화 또는 비-플루오르화 폴리머, 예컨대 나일론, 폴리에틸렌, 또는 플루오르화 폴리머, 예컨대 폴리(테트라플루오로에틸렌-코-퍼플루오로(알키비닐에테르)), TEFLON® 퍼플루오로알콕시알칸(PFA), 퍼플루오로메틸알콕시(MFA), 또는 다른 적절한 플루오로폴리머(예를 들어, 퍼플루오로폴리머)일 수 있다.
예
도 4를 참조하면, 3개의 필터 멤브레인, 즉, 필터 멤브레인 1("고유동" -- 원), 필터 멤브레인 2("초고유동" -- 삼각형), 및 비교용(본 발명이 아님) 필터 멤브레인("X"로 표시된 상부 점)의 평균 기포점(psi)에 대한 log 유동 시간(초)의 산포도가 도시된다. 필터 멤브레인 1은 단일 폴리머로 제조되었고 평균 분자량이 약 1.70 Mdalton이고 두께가 약 80 미크론이었다. 필터 멤브레인 2는 2개의 폴리머의 블렌드로 제조되었고 평균 분자량이 약 1.15 Mdalton이고 두께가 약 100 미크론이었다. 비교용 필터 멤브레인은 2개의 폴리머의 블렌드로 제조되었고 평균 분자량이 약 2.60 Mdalton이고 두께는 약 50 미크론이었다. 평균 기포점은 앞서 설명된 평균 기포점 테스트를 사용하여 결정되었고 유동 시간은 앞서 설명된 유동 시간 테스트를 사용하여 결정되었다.
도시된 바와 같이, 필터 멤브레인 1 및 2는 더 높은 평균 기포점에 대해 감소된 유동 시간에 의해 보여지는 바와 같이 매우 유리한 유동 특성을 나타낸다. 대략 150 psi의 평균 기포점에서, 필터 멤브레인 1의 유동 시간은 대략 6000s 이하이며, 필터 멤브레인 2의 유동 시간은 대략 4000초 이하이고, 비교용 필터 멤브레인의 유동 시간은 9000초를 초과한다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 비교용 필터 멤브레인과 필터 멤브레인 1 및 2 사이에는 경계가 존재한다. 비교용 필터 멤브레인은 2.757 + 0.007105 * (평균 기포점) 초과의 log 10(유동 시간)을 갖는다. 필터 멤브레인 1 및 2는 2.757 + 0.007105 * (평균 기포점) 미만의 log 10(유동 시간) 및 2.4888 + 0.006593 * (평균 기포점) 이상의 log 10(유동 시간)을 갖는다. 필터 멤브레인 1은 일반적으로 2.757 + 0.007105 * (평균 기포점) 미만의 log 10(유동 시간) 및 2.707 + 0.006485 * (평균 기포점) 초과의 log 10(유동 시간)을 갖는다. 필터 멤브레인 2는 일반적으로 2.707 + 0.006485 * (평균 기포점) 이하의 log 10(유동 시간) 및 2.4888 + 0.006593 * (평균 기포점) 이상의 log 10(유동 시간)을 갖는다.
본 개시의 양태
본 개시의 제1 양태에서, 다공성 폴리에틸렌 멤브레인은 제1 측면 및 대향하는 제2 측면 그리고 제1 측면과 제2 측면 사이의 두께를 포함하고, 멤브레인은 식, 즉, log 10(유동 시간) = 2.757 + 0.007105 * (평균 기포점)에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간 미만인 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 log 10 유동 시간(초)을 나타내고, 여기서, 유동 시간은 유동 시간 테스트를 사용하여 측정되고, 평균 기포점은 평균 기포점 테스트를 사용하여 측정된다.
제1 양태에 따른 제2 양태에서, 멤브레인은 식, 즉, log 10(유동 시간) = 2.707 + 0.006485 * (평균 기포점)에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간 이하인 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 log 10 유동 시간(초)을 나타낸다.
제1 또는 제2 양태에 따른 제3 양태에서, 제1 측면은 제1 평균 분자량을 갖는 폴리에틸렌을 포함하고, 제2 측면은 제2 평균 분자량을 갖는 폴리에틸렌을 포함하고, 제1 분자량은 제2 분자량과 같다.
선행 양태 중 어느 하나에 따른 제4 양태에서, 멤브레인은 30 내지 200 미크론 범위의 두께를 갖는다.
제1 양태에 따른 제5 양태에서, 멤브레인은 식, 즉, log 10(유동 시간) = 2.757 + 0.007105 * (평균 기포점)에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간보다 5% 더 적은 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 log 10 유동 시간(초)을 나타낸다.
제2 양태에 따른 제6 양태에서, 멤브레인은 식, 즉, log 10(유동 시간) = 2.707 + 0.006485 * (평균 기포점)에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간보다 5% 더 적은 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 log 10 유동 시간(초)을 나타낸다.
선행 양태 중 어느 하나에 따른 제7 양태에서, 멤브레인은 식, 즉, log 10(유동 시간) = 2.4888 + 0.006593 * (평균 기포점)에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간 이상인 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 log 10 유동 시간(초)을 나타낸다.
제8 양태에서, 필터 카트리지는 어느 하나의 선행 양태의 멤브레인을 포함하고, 필터 카트리지는 필터 하우징을 포함하고, 필터 하우징은 입구, 출구, 및 입구에 진입하는 액체가 출구를 통과하기 전에 멤브레인을 통과하도록 하우징 내에서 입구와 출구 사이에 지지되는 멤브레인을 포함한다.
제9 양태에서, 제8 양태의 필터 카트리지를 사용하는 방법은 유체가 입구 내로, 멤브레인을 통해, 그리고 출구 밖으로 유동하게 하는 단계를 포함하고, 유체는 반도체 제조 프로세스에서 유용하다.
제10 양태에서, 제1 측면 및 대향하는 제2 측면, 그리고 제1 측면과 제2 측면 사이의 두께를 갖고 두께 전체에 걸쳐 공극이 있는 공압출된 다공성 폴리에틸렌 멤브레인을 제조하는 방법은: 제1 가열된 액체 폴리머 용액 및 제2 가열된 액체 폴리머 용액을 공압출하는 단계로서, 제1 폴리머 용액은 액체 용매 내의 폴리에틸렌을 포함하고, 제2 폴리머 용액은 액체 용매 내의 폴리에틸렌을 포함하는, 단계, 및 액체 폴리머 용액의 폴리머가 응고되게 하여 멤브레인을 형성하도록 공압출된 액체 폴리머 용액의 온도를 감소시키는 단계로서, 멤브레인은 제1 폴리머 용액으로부터 형성되는 조밀 측면 및 제2 폴리머 용액으로부터 형성되는 개방 측면을 포함하는, 단계를 포함하고, 멤브레인은 식, 즉, log 10(유동 시간) = 2.757 + 0.007105 * (평균 기포점)에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간 미만인 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 log 10 유동 시간(초)을 나타내고, 유동 시간은 유동 시간 테스트를 사용하여 측정되고 평균 기포점은 평균 기포점 테스트를 사용하여 측정된다.
제10 양태에 따른 제11 양태는 제1 폴리머 용액 및 제2 폴리머 용액의 총 유량(시간당 질량)의 15 내지 40% 범위의 유량으로 제1 폴리머 용액을 압출하는 단계를 더 포함한다.
제10 또는 제11 양태에 따른 제12 양태는, 제1 폴리머 용액에서 제1 농도의 폴리머를 갖는 제1 폴리머 용액을 압출하는 단계 및 제2 폴리머 용액에서 제2 농도의 폴리머를 갖는 제2 폴리머 용액을 압출하는 단계를 더 포함하고, 제1 농도는 제2 농도보다 더 크다.
제10 내지 제12 양태 중 어느 하나에 따른 제13 양태는, 압출 온도에서 제1 가열된 폴리머 용액 및 제2 가열된 폴리머 용액을 공압출하는 단계 및 제1 가열된 폴리머 용액을 압출 온도보다 낮은 온도를 갖는 표면과 접촉시킴으로써 공압출된 가열된 폴리머 용액의 온도를 감소시키는 단계를 더 포함한다.
제10 내지 제13 양태 중 어느 하나에 따른 제14 양태에서, 제1 가열된 폴리머 용액은 평균 공극 크기를 갖는 공극을 갖는 멤브레인의 조밀한 층을 형성하고, 제2 가열된 폴리머 용액은 조밀한 다공성 부분의 공극의 평균 공극 크기보다 더 큰 평균 공극 크기를 갖는 공극을 갖는 멤브레인의 개방 층을 형성한다.
제10 내지 제14 양태 중 어느 하나에 따른 제15 양태에서, 멤브레인은 30 내지 200 미크론 범위의 두께를 갖는다.
제10 내지 제15 양태 중 어느 하나에 따른 제16 양태에서, 제1 측면은 500,000 Dalton 내지 3,000,000 Dalton 범위의 평균 분자량을 갖는 폴리에틸렌을 포함하고, 제2 측면은 500,000 Dalton 내지 3,000,000 Dalton 범위의 평균 분자량을 갖는 폴리에틸렌을 포함한다.
제10 내지 제16 양태 중 어느 하나에 따른 제17 양태에서, 제1 측면은 500,000 Dalton 내지 2,000,000 Dalton 범위의 평균 분자량을 갖는 폴리에틸렌을 포함하고, 제2 측면은 500,000 Dalton 내지 2,000,000 Dalton 범위의 평균 분자량을 갖는 폴리에틸렌을 포함한다.
제10 내지 제17 양태 중 어느 하나에 따른 제18 양태에서, 멤브레인은 식, 즉, log 10(유동 시간) = 2.707 + 0.006485 * (평균 기포점)에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간 이하인 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 log 10 유동 시간(초)을 나타낸다.
제19 양태에서, 필터 카트리지를 제조하는 방법은, 제10 내지 제18 양태 중 어느 하나의 방법에 따라 멤브레인을 제조하는 단계, 및 필터 하우징에 멤브레인을 설치하는 단계로서, 필터 하우징은 입구, 출구, 및 입구에 진입하는 액체가 출구를 통과하기 전에 멤브레인을 통과하도록 하우징 내에서 입구와 출구 사이에 지지되는 멤브레인을 포함하는, 단계를 포함한다.
제19 양태에 따른 제20 양태에서, 멤브레인은 설명된 바와 같은 공압출 방법에 의해 제조되고 필터 하우징에 설치될 때 연신되지 않는다.
본 개시의 일부 예시적인 실시예를 설명했지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 여기에 첨부된 청구항의 범위 내에서 또 다른 실시예가 구성되고 사용될 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 본 명세서에 의해 취급되는 개시의 많은 이점이 전술한 설명에서 제시되었다. 그러나, 이 개시는 많은 점에서 단지 예시적인 것임을 이해할 것이다. 개시의 범위를 초과함이 없이 세부사항에 있어서 변경이 이루어질 수 있다. 물론, 본 개시의 범위는 첨부된 청구항을 표현하는 언어로 정의된다.

Claims (20)

  1. 다공성 폴리에틸렌 멤브레인이며,
    제1 측면;
    대향하는 제2 측면; 및
    제1 측면과 제2 측면 사이의 두께를 포함하고, 멤브레인은 다음 식에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간 미만인 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 log 10 유동 시간(초)을 나타내고,
    log 10(유동 시간) = 2.757 + 0.007105 * (평균 기포점)
    여기서,
    유동 시간은 유동 시간 테스트(Flow Time Test)를 사용하여 측정되며,
    평균 기포점은 평균 기포점 테스트(Mean Bubble Point Test)를 사용하여 측정되는, 멤브레인.
  2. 제1항에 있어서, 멤브레인은 다음 식에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간 이하인 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 log 10 유동 시간(초)을 나타내는, 멤브레인:
    log 10(유동 시간) = 2.707 + 0.006485 * (평균 기포점).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 측면은 제1 평균 분자량을 갖는 폴리에틸렌을 포함하고,
    제2 측면은 제2 평균 분자량을 갖는 폴리에틸렌을 포함하고,
    제1 분자량은 제2 분자량과 같은, 멤브레인.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 멤브레인은 30 내지 200 미크론 범위의 두께를 갖는, 멤브레인.
  5. 제1항에 있어서, 멤브레인은 다음 식에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간보다 5% 더 적은 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 log 10 유동 시간(초)을 나타내는, 멤브레인:
    log 10(유동 시간) = 2.757 + 0.007105 * (평균 기포점).
  6. 제2항에 있어서, 멤브레인은 다음 식에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간보다 5% 더 적은 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 log 10 유동 시간(초)을 나타내는, 멤브레인:
    log 10(유동 시간) = 2.707 + 0.006485 * (평균 기포점).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 멤브레인은 다음 식에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간 이상인 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 log 10 유동 시간(초)을 나타내는, 멤브레인:
    log 10(유동 시간) = 2.4888 + 0.006593 * (평균 기포점).
  8. 필터 카트리지이며, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 멤브레인을 포함하고, 필터 카트리지는 필터 하우징을 포함하고, 필터 하우징은 입구, 출구, 및 입구에 진입하는 액체가 출구를 통과하기 전에 멤브레인을 통과하도록 하우징 내에서 입구와 출구 사이에 지지되는 멤브레인을 포함하는, 필터 카트리지.
  9. 제8항에 기재된 필터 카트리지를 사용하는 방법이며, 방법은 유체가 입구 내로, 멤브레인을 통해, 그리고 출구 밖으로 유동하게 하는 단계를 포함하고, 유체는 반도체 제조 프로세스에서 유용한, 방법.
  10. 제1 측면 및 대향하는 제2 측면, 그리고 제1 측면과 제2 측면 사이의 두께를 갖고, 두께 전체에 걸쳐 공극이 있는 공압출된 다공성 폴리에틸렌 멤브레인을 제조하는 방법이며, 방법은:
    제1 가열된 액체 폴리머 용액 및 제2 가열된 액체 폴리머 용액을 공압출하는 단계로서, 제1 폴리머 용액은 액체 용매 내의 폴리에틸렌을 포함하고, 제2 폴리머 용액은 액체 용매 내의 폴리에틸렌을 포함하는, 단계, 및
    액체 폴리머 용액의 폴리머가 응고되게 하여 멤브레인을 형성하도록 공압출된 액체 폴리머 용액의 온도를 감소시키는 단계로서, 멤브레인은 제1 폴리머 용액으로부터 형성되는 조밀 측면 및 제2 폴리머 용액으로부터 형성되는 개방 측면을 포함하는, 단계를 포함하고,
    멤브레인은 다음 식에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간 미만인 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 log 10 유동 시간(초)을 나타내고:
    log 10(유동 시간) = 2.757 + 0.007105 * (평균 기포점)
    유동 시간은 유동 시간 테스트를 사용하여 측정되고 평균 기포점은 평균 기포점 테스트를 사용하여 측정되는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 제1 폴리머 용액 및 제2 폴리머 용액의 총 유량(시간당 질량)의 15 내지 40% 범위의 유량으로 제1 폴리머 용액을 압출하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    제1 폴리머 용액에서 제1 농도의 폴리머를 갖는 제1 폴리머 용액을 압출하는 단계, 및
    제2 폴리머 용액에서 제2 농도의 폴리머를 갖는 제2 폴리머 용액을 압출하는 단계를 더 포함하고,
    제1 농도는 제2 농도보다 더 큰, 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    압출 온도에서 제1 가열된 폴리머 용액 및 제2 가열된 폴리머 용액을 공압출하는 단계, 및
    제1 가열된 폴리머 용액을 압출 온도보다 낮은 온도를 갖는 표면과 접촉시킴으로써 공압출된 가열된 폴리머 용액의 온도를 감소시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 가열된 폴리머 용액은 평균 공극 크기를 갖는 공극을 갖는 멤브레인의 조밀한 층을 형성하고,
    제2 가열된 폴리머 용액은 조밀한 다공성 부분의 공극의 평균 공극 크기보다 더 큰 평균 공극 크기를 갖는 공극을 갖는 멤브레인의 개방 층을 형성하는, 방법.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 멤브레인은 30 내지 200 미크론 범위의 두께를 갖는, 방법.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 측면은 500,000 Dalton 내지 3,000,000 Dalton 범위의 평균 분자량을 갖는 폴리에틸렌을 포함하고,
    제2 측면은 500,000 Dalton 내지 3,000,000 Dalton 범위의 평균 분자량을 갖는 폴리에틸렌을 포함하는, 방법.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 측면은 500,000 Dalton 내지 2,000,000 Dalton 범위의 평균 분자량을 갖는 폴리에틸렌을 포함하고,
    제2 측면은 500,000 Dalton 내지 2,000,000 Dalton 범위의 평균 분자량을 갖는 폴리에틸렌을 포함하는, 방법.
  18. 제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 멤브레인은 다음 식에 따른 평균 기포점에 대한 log 10 유동 시간 이하인 평균 기포점(제곱인치당 파운드)에 대한 log 10 유동 시간(초)을 나타내는, 방법:
    log 10(유동 시간) = 2.707 + 0.006485 * (평균 기포점).
  19. 필터 카트리지를 제조하는 방법이며,
    제10항 내지 제18항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 멤브레인을 제조하는 단계, 및
    필터 하우징에 멤브레인을 설치하는 단계로서, 필터 하우징은 입구, 출구, 및 입구에 진입하는 액체가 출구를 통과하기 전에 멤브레인을 통과하도록 하우징 내에서 입구와 출구 사이에 지지되는 멤브레인을 포함하는, 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 멤브레인은 설명된 바와 같은 공압출 방법에 의해 제조되고 필터 하우징에 설치될 때 연신되지 않는, 방법.
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