KR102586472B1 - 다공성 재료 위와 이를 통한 액체 부피의 펌프 없는 이송 및 정확한 조작을 위한 습윤성-패터닝 방법 및 디자인 - Google Patents

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리차드 엔. 돗쥐
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팔랍 신하 마하파트라
란잔 강귤리
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Abstract

액체를 조작하기 위한 재료는 제1 및 제2 표면을 갖는 다공성 기재; 및 제1 및 제2 표면 중 하나에 배치된 쐐기 형상 이송 요소를 포함하고, 여기서 쐐기 형상 이송 요소는 좁은 단부 및 넓은 단부를 가지고, 여기서 넓은 단부는 제1 저장부에 연결되어 있고, 여기서 쐐기 형상 이송 요소는 중력에 상관 없이 좁은 단부로부터 넓은 단부로 제1 저장부에 액체를 전달하도록 구성되고, 여기서 제1 저장부는 액체가 침착되는 표면으로부터 대향하여 z 방향으로 상기 기재로부터 멀리 액체를 전달하도록 구성되어 있다. 쐐기 형상 이송 요소가 배치되는 표면은 소수성 또는 초소수성 중 하나이고, 쐐기 형상 이송 요소는 a) 제1 표면이 소수성인 경우 초친수성, b) 제1 표면이 초소수성인 경우 초친수성, 및 c) 제1 표면이 초소수성인 경우 친수성 중 하나이다.

Description

다공성 재료 위와 이를 통한 액체 부피의 펌프 없는 이송 및 정확한 조작을 위한 습윤성-패터닝 방법 및 디자인
본 발명은 다공성 재료 위와 이를 통한 액체 부피의 펌프 없는 이송 및 정확한 조작을 위한 습윤성-패터닝 방법 및 디자인에 관한 것이다.
습윤성 패턴이 있는 표면을 사용하는 액체 이송은 미세유체공학(microfluidics)에서 적용 가능하고 성장 중인 분야이다. 개방 표면 흐름과 결합된 재료 제작의 단순성은 저가 미세유체 응용예에 대해 유망하다. 특정 미세유체 임무를 향한 액체-고체 상호 작용을 제어하기 위한 (공간적으로) 재료 습윤성 튜닝은 불침투성 (강성 뿐만 아니라 유연성) 기재뿐만 아니라 다공성 및 섬유성 기재에 관련된다. 이전의 작업은 자외선(UV) 방사선의 선택적으로 상이한 노출 수준을 통해 섬유성 기재의 두께를 따라 습윤성 구배를 생성한 특수 코팅 기술을 사용하여 단방향성 유체 이송을 보여주었다. 습윤성 구배를 특징으로 하는, 이러한 다공성 멤브레인, 직물 또는 종이의 작동은 이러한 재료를 통한 침투 저항에 의존하며; 이 저항은 인접하는 섬유들의 국부적 기하학적 각도와 고체-액체 접촉각의 커플링 효과로부터 발생한다. 단방향성 이송은, 친수성으로부터 소수성 측면으로 액체를 이송하기 위한 침투 압력이 반대 방향으로 액체를 강제하는데 필요한 압력보다 훨씬 크다는 근본적인 관찰을 기반으로 한다.
이들(종종 종이 기반) 장치의 기능은, 다공성 기재가 선호하는 방향으로 액체 유동을 조절하는 방식에 깊이 의존하는 한편, 역방향으로 동일한 것을 억제한다. 고전적으로, 공기 및 고체와의 액체의 상호 작용은 풍부한 3상 접촉 라인 문제로 조사되었다. 소수성 또는 친수성을 기재에 부여하는 표면 개질은 개방 표면 액체 이송을 위한 유용한 응용예를 제공하는 습윤성 패턴을 생성한다. 중력 또는 정전력과 같은 외력을 사용하여 초소수성 트랙 상의 수적 이송이 나타났다. 표면 장력 제한 트랙은 외력의 사용 없이 낮은 표면 장력 액체를 펌프없이 이송할 수 있는 능력을 갖는다. 섬유성 기재의 표면 상에, 또는 다공성 재료의 두께를 통해 제어된 일방향성 액체 이송을 확립하려고 여러 이전 디자인이 시도하였지만, 이러한 두 가지 모드의 제어된 일방향성 이송을 조합하는 것은 아직 입증되지 않았다.
다공성 물질은 위킹(wicking) 원리를 이용하여 액체를 이송하는 고유의 능력을 갖는다. 습윤성(wettability) 패터닝과 함께 이 원리의 조합은 다공성 기재 상에서의 가이드 이송을 용이하게 하는데, 이는 개발도상국용 저 비용 진단 장치를 제작하기 위한 유용한 응용예를 갖는 것으로 나타났다.
쐐기 형상 패턴으로, 초소수성 기재 물질의 바닥 및/또는 상단에서의 초친수성 처리는, 기재의 상단 및/또는 바닥에서 배설 지점으로부터 멀리 떨어진, x-y 평면에서 뿐만 아니라, z-방향을 통해 발생하도록 액체 흐름을 유도할 수 있다. 이는 액체 공급 속도가 비교적 낮은 고밀도 종이 타월(HDPT)에 대해 입증되었다.
본 발명은 다공성, 투과성 기재 상에서의 계량된 액체 부피의 이송을 기술한다. 상이한 습윤성 디자인을 사용하여 종이 타월의 원하는 영역에서 더 빠른 측방향 및 가로방향 이송을 갖는 액체 조작이 입증된다. 본 발명의 디자인은 가로방향 투과성이 있는 한, 임의의 기재(종이/부직포) 상에 이들 습윤성 대비 디자인을 적용할 수 있다. 구체적으로, 디자인은 가용성의 용이성 때문에 선택된 기재인, 고밀도 종이 타월(HDPT)을 사용하여 나타낸다. 본 개시에서 논의된 방법론은 독특한 방식으로 이러한 방향성 이송을 이용하여, 다공성 기재의 다이오드 성질에 대한 더 많은 제어를 제공한다. 제작 공정은 매우 간단하고 사소한 변형으로 상이한 디자인 모듈을 실현할 수 있어서, 서로 다른 응용예들을 초래한다. 습윤성 특징부들은 다양한 기본 디자인 모듈에 대한 이송 속도를 증가시키도록 통합된다. 개념은 종이- 및 천-기반 기재를 포함하는 임의의 섬유성 조립체와 함께 사용될 수 있다.
본 개시는 액체 부피를 조작하기 위한 재료는 제1 및 제2 표면을 갖는 다공성 기재; 및 상기 제1 및 제2 표면 중 하나 상에 배치된 쐐기 형상 이송 요소를 포함하고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 좁은 단부 및 넓은 단부를 가지고, 여기서 상기 넓은 단부는 제1 저장부에 연결되고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 중력에 상관 없이 상기 좁은 단부로부터 상기 넓은 단부로 상기 제1 저장부에 액체를 전달하도록 구성되고, 여기서 상기 제1 저장부는 액체가 침착되는 표면으로부터 대향하여 z 방향으로 상기 기재로부터 멀리 액체를 전달하도록 구성되고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소가 배치되는 표면은 소수성 또는 초소수성 중 하나이고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 a) 상기 제1 표면이 소수성인 경우 초친수성, b) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 초친수성, 및 c) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 친수성 중 하나이다.
본 개시는 또한 액체 부피를 조작하기 위한 재료는 제1 및 제2 표면을 갖는 다공성 기재; 및 상기 제2 표면 상에 배치된 쐐기 형상 이송 요소를 포함하고, 여기서 쐐기 형상 이송 요소는 좁은 단부 및 넓은 단부를 가지고, 여기서 상기 넓은 단부는 상기 제2 표면 상에 배치된 저장부에 연결되고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 중력에 상관 없이 상기 좁은 단부로부터 상기 넓은 단부로 상기 저장부에 액체를 전달하도록 구성되고, 여기서 상기 저장부는 액체가 침착되는 표면으로부터 대향하여 z 방향으로 상기 기재로부터 멀리 액체를 전달하도록 구성되고, 여기서 상기 제2 표면은 소수성 또는 초소수성 중 하나이고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 a) 상기 제1 표면이 소수성인 경우 초친수성, b) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 초친수성, 및 c) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 친수성 중 하나이다.
본 개시는 또한 액체 부피를 조작하기 위한 재료는 제1 및 제2 표면을 갖는 다공성 기재로, 여기서 제1 표면은 상기 제1 표면을 소수성 또는 초소수성으로 만드는 처리를 포함하는, 상기 다공성 기재; 및 상기 제2 표면 상에 배치된 쐐기 형상 이송 요소를 포함하고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 좁은 단부 및 넓은 단부를 가지고, 여기서 상기 넓은 단부는 상기 제2 표면 상에 배치된 저장부에 연결되고, 여기서 상기 기재는 상기 쐐기 형상 이송 요소의 상기 좁은 단부에 대향하여 상기 제1 표면 상에 액체를 수용하도록 구성되고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 중력에 상관 없이 상기 좁은 단부로부터 상기 넓은 단부로 상기 저장부에 액체를 전달하도록 구성되고, 여기서 상기 저장부는 액체가 침착되는 표면으로부터 대향하여 z 방향으로 상기 기재로부터 멀리 액체를 전달하도록 구성되고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 a) 상기 제1 표면이 소수성인 경우 초친수성, b) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 초친수성, 및 c) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 친수성 중 하나이다.
본 발명의 전술한 및 다른 특징들 및 측면들과 그것들을 얻는 방식은 보다 명백해질 것이고, 그 발명 자체는 다음의 설명, 첨부된 청구범위 및 수반되는 도면을 참조로 하여 더 잘 이해될 것이며, 여기에서:
도 1은 상이한 코팅된-HDPT 조건들에 대해 측정된 정수압 헤드를 그래프로 도시한다;
도 2는 수적이 수평 HDPT의 초소수성-코팅된 면에 분배될 때, 액체가 수 초 후에 침투하고, 초친수성인, 바닥 표면 상에 반경방향으로 확산되는 것을 그래프로 도시한다;
도 3은 HDPT 상의 쐐기의 위치에 기초하여 3가지 상이한 디자인 구성을 그래프로 도시한다: 사례 I은 원형 저장부를 갖는 습윤성 쐐기 형상 이송 요소가 HDPT의 바닥에 놓여있는 구성을 보여주고, 사례 II는 습윤성 쐐기 형상 이송 요소, 및 바닥에 습윤성 저장부를 갖는 HDPT의 상단면에 놓여있는 저장부를 보여주고, 사례 III은 습윤성 쐐기 형상 이송 요소, 및 HDPT의 양 면 상에 등을 맞대고 놓인 저장부를 보여준다;
도 4는 상단, 측면 및 하단 뷰로부터 각각 측정된 액적의 반경 및 높이를 그래프로 도시하며, 여기서 하단 뷰는 습윤성 쐐기 형상 이송 요소의 시작에서 나오는 액적을 보여준다;
도 5는 수적(0.1ml)이 쐐기 형상 이송 요소의 좌측 단부에서 분배되고, 반대쪽(바닥) 측면으로 관통한 후, 우측으로 가로지르는, 전형적인 사례 I 이송 이벤트의 상단 및 측면 도면을 개략적으로 도시하며, 이때 상기 우측에 수적이 축적하여 결국 저장부로부터 떨어진다(눈금 바는 1cm를 나타냄); 그리고
도 6은 상이한 습윤성 디자인 구성들을 위한 다공성 물질로부터의 액체 이송 및 분배 메커니즘을 그래프로 도시한다.
본 명세서 및 도면에서 참조 문자의 반복적인 사용은 본 발명의 동일하거나 유사한 특징 또는 요소를 나타내기 위해 의도된다. 도면은 대표적인 것이고 반드시 일정 축척으로 도시되어야 하는 것은 아니다. 도면의 특정 비율은 과장될 수 있는 반면, 다른 부분은 최소화될 수 있다.
모든 퍼센트는 특별히 달리 언급하지 않는 한 총 고형 조성물의 중량 기준이다. 모든 비는 특별히 달리 언급하지 않는 한 중량비이다.
"초소수성(superhydrophobic)"이라는 용어는 매우 효과적으로 발수하는 표면의 특성을 가리킨다. 이 특성은 150°를 초과하는 수접촉각(CA)에 의해 정량화된다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "소수성"이라는 용어는, 약 90° 내지 약 120°의 수접촉각으로 발수하는 표면의 특성을 가리킨다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "친수성"이라는 용어는, 약 90° 미만의 수접촉각을 갖는 표면을 가리킨다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "부직포 웹" 또는 "부직포"이라는 용어는, 인터레이드되지만 편직물에서와 같이 식별가능한 방식은 아닌 개별적인 섬유들 또는 스레드들(threads)의 구조를 갖는 웹을 의미한다. 부직포 웹은, 예를 들어, 멜트블로잉 공정, 스펀본딩 공정, 에어-레잉 공정, 코포밍 공정, 및 본디드 카디드 웹 공정 등의 많은 공정들로부터 형성되었다. 부직포 웹의 평량은 일반적으로 제곱야드당 물질의 온스(osy) 또는 제곱미터당 그램(gsm)으로 표현되며, 섬유 직경은 일반적으로 마이크로미터(μm)로 표현되고, 또는 스테이플 섬유의 경우엔 데니어(denier)로 표현된다. osy로부터 gsm으로 변환하려면 osy를 33.91로 승산한다는 점에 유의한다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "스펀본드 섬유"라는 용어는 분자 배향 중합체 물질의 소직경 섬유를 가리킨다. 스펀본드 섬유는, 용융된 열가소성 물질을, 압출된 섬유의 직경을 갖는 스피너렛(spinneret)의 복수의 미세한 일반적으로 원형인 모세관으로부터 섬유로서 압출한 후 빠르게 감소시킴으로써 형성될 수 있으며, 예를 들어, Appel 등의 미국특허 4,340,563, Dorschner 등의 미국특허 3,692,618, Matsuki 등의 미국특허 3,802,817, Kinney의 미국특허 3,338,992와3,341,394, Hartman의 미국특허 3,502,763, Dobo 등의 미국특허 3,542,615, 및 Pike 등의 미국특허 5,382,400에서 알 수 있다. 스펀본드 섬유는 수집면 상에 증착되는 경우 일반적으로 끈적거리지 않으며 일반적으로 연속적이다. 스펀본드 섬유의 직경은 흔히 약 10μm 이상이다. 그러나, (약 10μm 미만의 평균 섬유 직경을 갖는) 미세한 섬유 스펀본드 웹은, 일반 양도된 Marmon 등의 미국특허 6,200,669와 Pike 등의 미국특허 5,759,926에 개시되어 있는 방법들을 포함하는 다양한 방법들에 의해 달성될 수 있지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다.
멜트블로운 부직포 웹은 멜트블로운 섬유로부터 제조된다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "멜트블로운 섬유"라는 용어는, 용융된 열가소성 물질을, 복수의 미세한 일반적으로 원형의 다이 모세관을 통해, 그 용융된 열가소성 물질의 필라멘트를 감쇠시켜 필라멘트의 직경을 마이크로섬유 직경까지 감소시킬 수 있는 일반적으로 고속 고온의 수렴 가스(예를 들어, 공기) 스트림 내에 스레드 또는 필라멘트로서 압출함으로써, 형성되는 섬유를 의미한다. 그런 다음 멜트블로운 섬유는 고속 가스 스트림에 의해 운반되고 수집 표면 위에 쌓여서 무작위 분산된 멜트블로운 섬유 웹이 형성된다. 이러한 공정은, 예를 들어, Buntin의 미국 특허번호 제3,849,241호에 개시되어 있다. 멜트블로운 섬유들은, 연속적 또는 비연속적일 수 있으며, (적어도 10의 샘플 크기를 사용하는) 평균 직경이 일반적으로 10μm 미만이며, 수집면 상에 증착되는 경우 일반적으로 끈적이는 마이크로섬유들이다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "중합체"라는 용어는, 일반적으로, 호모중합체, 공중합체, 예를 들어, 블록, 그래프트, 랜덤 및 교번 공중합체, 테르중합체 등, 및 이들의 블렌드와 개질물을 포함하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다. 게다가, 특별히 달리 언급하지 않는 한, "중합체"라는 용어는 분자의 모든 가능한 기하학적 구성을 포함한다. 이러한 구성들은 동일배열, 교대배열 및 랜덤 대칭성을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "다성분 섬유"라는 용어는, 개별적인 압출기들로부터 압출되었지만 이러한 섬유를 형성하도록 함께 스핀된 적어도 두 개의 중합체로 형성된 섬유나 필라멘트를 가리킨다. 또한, 다성분 섬유는 때때로 "컨쥬게이트" 또는 "이성분" 섬유나 필라멘트라 한다. "이성분"이라는 용어는, 섬유를 구성하는 두 개의 중합체 성분이 있음을 의미한다. 비록 동일한 중합체로부터 컨쥬게이트 섬유들을 제조할 수 있지만, 예를 들어, 용융점, 유리 전이 온도, 또는 연화점 등의 일부 물성에 있어서 각 상태에서의 중합체가 서로 다르다면, 중합체들은 일반적으로 서로 다르다. 모든 경우에, 중합체들은 다성분 섬유들 또는 필라멘트들의 단면에 걸쳐 실질적으로 일정하게 위치하는 별개의 구역들에 배열되며, 다성분 섬유들 또는 필라멘트들의 길이를 따라 연속적으로 연장된다. 이러한 다성분 섬유의 구성은, 예를 들어, 하나의 중합체가 다른 하나의 중합체에 의해 둘러싸이는 시스/코어 배열, 나란한 배열, 파이 배열, 또는 "해상 섬"(islands-in-the-sea) 배열일 수 있다. 다성분 섬유들은, Kaneko 등의 미국특허 제5,108,820호, Strack 등의 미국특허 제5,336,552호, 및 Pike 등의 미국특허 제5,382,400호에 교시되어 있다. 이성분 섬유 또는 필라멘트에 대하여, 중합체들은 75/25, 50/50, 25/75의 비로 또는 다른 임의의 원하는 비로 존재할 수 있다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "실질적으로 연속적인 섬유"라는 용어는, 스테이플 섬유의 길이보다 긴 길이를 갖는 섬유를 의미하려는 것이다. 이 용어는, 스펀본드 섬유 등의 연속적인 섬유들 및 연속적이지는 않지만 약 150mm를 초과하는 정의된 길이를 갖는 섬유들을 포함하려는 것이다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "스테이플 섬유"라는 용어는 일반적으로 약 0.5 내지 약 150mm 범위의 섬유 길이를 갖는 섬유를 의미한다. 스테이플 섬유는 셀룰로오스 섬유 또는 비-셀룰로오스 섬유일 수 있다. 사용할 수 있는 적절한 비-셀룰로오스 섬유의 일부 예는, 폴리올레핀 섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 폴리비닐 아세테이트 섬유, 및 이들의 혼합물을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 셀룰로오스 스테이플 섬유는, 예를 들어, 펄프, 열기계적 펄프, 합성 셀룰로오스 섬유, 개질된 셀룰로오스 섬유 등을 포함한다. 셀룰로오스 섬유는 이차 공급원 또는 재활용 공급원으로부터 얻을 수 있다. 적절한 셀룰로오스 섬유 공급원의 일부 예는, 열기계적, 표백된, 및 미표백된 침엽수 펄프 및 활엽수 펄프 등의 천연 목재 섬유를 포함한다. 이차 또는 재활용 셀룰로오스 섬유는, 사무실 폐기물, 신문인쇄용지, 브라운 페이퍼 스톡, 페이퍼보드 스크랩 등에서 얻을 수 있고, 또한 사용될 수 있다. 또한, 마닐라삼, 아마, 밀크위드, 면, 개질된 면, 면 린터 등의 식물 섬유도 셀룰로오스 섬유로서 사용될 수 있다. 또한, 예를 들어, 레이온 및 비스코스 레이온 등의 합성 셀룰로오스 섬유를 사용할 수 있다. 개질된 셀룰로오스 섬유는, 일반적으로 탄소 사슬을 따라 히드록실기를 적절한 라디칼(예컨대, 카르복실, 알킬, 아세테이트, 질산염 등)로 대체함으로써 형성되는 셀룰로오스의 유도체로 구성된다.　
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "펄프"라는 용어는 목질 및 비목질 식물 같은 천연 공급원으로부터의 섬유를 가리킨다. 목질 식물은, 예를 들어, 낙엽수와 침엽수를 포함한다. 비목질 식물은, 예를 들어, 면, 아마, 에스파르토 풀, 밀크위드, 짚, 황마, 대마, 및 바가스를 포함한다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "티슈 제품"은, 페이셜 티슈, 욕실 티슈, 타월, 냅킨 등을 포함하는 것을 의미한다. 본 발명은, 일반적으로, 종래의 펠트-프레스(felt-press) 티슈 페이퍼, 고 벌크 패턴 고밀도 티슈 페이퍼, 및 고 벌크 미압축 티슈 페이퍼를 포함하는 티슈 제품과 티슈 페이퍼에 유용하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다.
다공성 물질에서의 액체의 제어된 이송은 많은 응용예를 가질 수 있다. 본원에 기술된 기술을 적용하면 제품 내의 물질을 더욱 효율적으로 사용할 수 있게 하며, 이는 비용 절감과 더 나은 제품 성능을 초래한다.
이러한 효율은 다공성 물질 내에서의 3차원(x, y, z)으로 펌프 없는 방향성 액체 이송을 통해 달성된다. 이 기술은 다공성 물질의 한 측면에 침착되는 액체 부피가 그 물질의 반대 측면 상의 다른 위치로부터 그리고 원래 침착 부위로부터의 거리에서 분배되는 것을 허용한다. 본 기술은 본원에 기술된 바와 같은 친수성, 초친수성, 소수성, 초소수성 물질의 특정 패턴을 사용한다.
본 발명의 해법은 새로운 것으로, 다공성 기재를 통해 액체를 이송하는 표준 위킹 메커니즘과 대조적으로, 본 명세서에서 설명된 기술은 표면 상의 습윤성-대비 패턴을 레버리지로 이용하여, 다공성 기재의 상부 또는 하부 표면을 따라 액체를 방향성으로 이송하도록 라플라스(Laplace) 압력 구배를 적용시킨다. 또한, 친수성 또는 초친수성 영역 또는 저장부의 넓어진 패치를 구현함으로써, 액체는 원래 침착 부위로부터 멀리 원하는 위치에서 기재로부터 배치된다.
특정 이론에 위임하지 않고, 액체 이송은 다공성 기재와 액체 조작 패턴 사이의 소수성/친수성에 의해 도움을 받는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 다공성 기재가 본질적으로 초소수성이거나 초소수성으로 처리되는 경우, 액체 조작 패턴은 친수성 또는 초친수성일 수 있다. 유사하게, 다공성 기재가 본질적으로 소수성이거나 소수성으로 처리되는 경우, 액체 조작 패턴은 초친수성이어야 한다. 소수성/친수성 차이가 초소수성과 초친수성 사이일 필요는 없다.
액체는 다공성 기재의 상단을 따라서 그리고 그런 다음 다공성 기재를 통과해서, 또는 다공성 기재를 통과해서 그리고 그런 다음 다공성 기재의 바닥을 따라서 이송될 수 있다. 디자인은 원하는 위치로부터 액체 분배 능력을 특징으로 한다. 일 측면에서, 액체는 상단 표면을 건조한 상태로 유지하면서, 바닥 표면을 따라서만 이송된다.
이송될 액체는 대응하는 표면이 이 특정 액체에 대해 습윤성 및 비-습윤성 도메인을 모두 특징으로 하는 한 임의의 액체일 수 있다. 예를 들어, 액체는 물 또는 알코올일 수 있다. 액체는 냉매 또는 생물학적 시료일 수 있다. 생물학적 시료는 혈액, 혈장, 소변, 또는 액체나 용매에 용해되거나 분산된 임의의 조직일 수 있다. 액체는 액체 용매에 용해되거나 분산된 임의의 생화학적 제제일 수 있다. 생화학적 제제는 바이오마커, 단백질, 핵산, 병원체, 약물 및/또는 독소를 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 액체는 오일 또는 액체 추진제(liquid propellant)일 수 있다. 액체는 높은 표면 장력을 가질 수 있고, 이에 따라 표면 장력이 높을수록 더 빠른 이송 속도에 대응한다. 액체는 수성 또는 비-수성일 수 있다.
액체는, 다공성 물질과 접촉하게 된 후에, 침투 압력을 극복하여 다른 면으로부터 나타날 필요가 있다. 보다 낮은 침투 압력을 필요로 하는 기재가 이 액체 투과를 용이하게 한다. HDPT에 걸쳐 z 방향 이송을 달성하는 데 필요한 침투 압력을 정량화하기 위해, 표준 수두 측정을 수행하였다. 수두(H)는 도 1의 삽화에 도시된 바와 같이, 침투 압력을 정량화한다.
다공성 기재를 초소수성으로 만듦으로써, 다공성 기재는 액체가 다공성 기재의 두께를 가로질러 미처리된 흡수면으로 침투하기 시작하기 전에 유한 정수압을 견디도록 제조될 수 있다. 액체가 침투하기 전에 기재가 견딜 수 있는 압력은 초소수성 용액이 기재의 한 면 또는 양 면 상에 분무되는지 여부에 적어도 부분적으로 의존한다. 도 1은 HDPT의 3가지 상이한 코팅 구성의 경우 수두 측정(H)을 보여준다. 양 면이 초소수성이 되도록 코팅될 때, 침투 압력은 도 1의 가장 상단 데이터 지점에서 관찰된 바와 같이, 가장 크다(사례 A). 액체가 초소수성 코팅과 먼저 접촉할 때, 다른 측면으로의 침투는 낮은 곳에서 일어난다. H (사례 C). 액체가 초친수성 측면으로부터 먼저 기판을 만날 때 더 높은 침투 압력이 달성된다(사례 B). 가로방향 이동은 도 1의 사례 C의 경우에 공기 측 표면 상에 측방향으로 액체를 확산시킨다.
도 2에 도시된 바와 같이, 수적(20)이 HDPT(30)의 초소수성 코팅된 상단 표면(24) 상에 분배될 때, 액적이 몇 초 후에 침투하고, 코팅되지 않아서 초친수성인, 바닥 표면(26) 상에 방사상으로 확산된다.
도 3은 초소수성이 되도록 처리된 기재(50)의 표면 상에 배치된 젖음성 대비 패턴의 하나의 이송 요소(40)를 도시한다. 기재(50)는 2개의 대향 표면을 갖는다: 액체를 수용하도록 구성되는 제1 표면(54) 및 액체를 분배하도록 구성된 제2 표면(56). 이송 요소(40)는 일반적으로 좁은 단부(42) 및 넓은 단부(45)를 갖는 쐐기 모양이다. 저장부(60)는 이송 요소(40)의 넓은 단부(42)에 배치되고 이송 요소(40)와 액체 연통하는 더 넓은 부분이다. 이송 요소(40) 및 저장부(60)는 초친수성이 되도록 처리되거나 그 외에는 설정된다. 이송 요소(40)의 좁은 단부(42)는 좁은 단부(42)에서 이송 요소(40) 상에 액체(20)가 침착되도록 위치된다.
3가지의 배열이 도 3에 도시되어 있다. 사례 I에서, 제1 표면(54)은 상단 표면이고 초소수성이다. 초친수성 이송 요소(40)가 초소수성 배경을 가지고 제2 또는 바닥 표면(56) 상에 배치된다. 액체(20)는 이송 요소(40)의 좁은 단부(42)에 대향하는 지점에서 제1 표면(54) 상에 침착된다. 액체는 기재(50)를 통과하여 이송 요소(40)의 좁은 단부(42)를 통해 나타난다. 이송 요소(40)를 따라 바닥 표면(56) 상에도 위치된 저장부(60)로 방향성으로 액체를 이송하도록 라플라스 압력 구배가 적용된다. 그런 다음, 액체는 침착 부위로부터 제거된 위치에 있는, 저장부(60)에서 기재로부터 중력-보조 핀치-오프(pinch-off)를 통해 분배된다.
사례 II에서, 초친수성 이송 요소(40) 및 저장부(60)는 기재의 제1 또는 상단 표면(54) 상에 배치되며, 여기서 상단 표면(54)의 배경 영역은 초소수성이다. 초친수성 저장부(60)는 또한 상단 표면(54) 상의 저장부(60)에 대향하는 바닥 표면(56) 상에 배치된다. 바닥 표면(56)의 나머지는 초소수성이다. 액체(20)는 이송 요소(40)의 좁은 단부(42)에서 제1 표면(54) 상에 침착된다. 이송 요소(40)를 따라 상단 표면(54) 상에도 위치된 저장부(60)로 방향성으로 액체를 이송하도록 라플라스 압력 구배가 적용된다. 액체는 기재(50)를 통과하여 바닥 표면 저장부(60)와 접촉한다. 그런 다음, 액체는 원래 침착 부위로부터 제거된 위치에 있는, 바닥 표면 저장부(60)에서 기재(50)로부터 중력 보조 핀치-오프(pinch-off)를 통해 분배된다.
사례 III에서, 초친수성 이송 요소(40) 및 저장부(60)는 상단과 바닥 표면(54, 56) 양쪽의 초소수성 배경 상에 배치된다. 상단 표면(54) 상의 이송 요소(40) 및 저장부(60)는 바닥 표면(56) 상의 이송 요소(40) 및 저장부(60)와 정렬된다. 액체는 이송 요소(40)의 좁은 단부(42)에서 제1 표면(54) 상에 침착된다. 양쪽 이송 요소(40)를 따라 저장부(60)로 방향성으로 액체를 이송하도록 라플라스 압력 구배가 적용된다. 액체는, 이송 요소(40)와 저장부(60)를 따라 임의의 지점에서 상단 표면(54)으로부터 바닥 표면(56)으로 기재(50)를 통과할 수 있고, 최종적으로 하부 표면 저장부(60)로 이어진다. 그런 다음, 액체는 원래 침착 부위로부터 제거된 위치에 있는, 바닥 표면 저장부(60)에서 기재(50)로부터 중력 보조 핀치-오프(pinch-off)를 통해 분배된다.
본 발명은 상이한 적하 입력 유량에 대한 섬유 기재 내 액체의 이송에 대해 설명하고 있다. 종이 기재에 대한 이전의 연구는, (비-습윤 배경 상의) 직사각형 습윤성 트랙의 일 단부에서 분배될 때, 기재의 위킹 특성을 이용함으로써 액체가 특정 방향으로 횡단하는 것을 보여주었다. 본 발명은 다공성 기재 위 및 내부에 3차원으로 (즉, 표면을 따라, 또한 그 두께를 가로질러서) 액체를 방향성으로 이송함으로써 액체를 조작하는 데 유연성을 부가한다. 초소수성과 초친수성 도메인 사이의 습윤성 대비와, 기재 상의 습윤성-제한 트랙의 형상은 개방 표면 상의 액체 이송을 제어하도록 활용된다. 그 목적은 기재 상의 한 지점에서 분배되고 기재의 다른 면 상에 나타나는 액체를 원래 주입 또는 배치 지점으로부터 오프셋되는 거리에서 수용하는 것이다.
초소수성 상단 및 초친수성 바닥을 갖는 HDPT 기재 (포토마스크 없이 UV 노출에 의해 달성됨)의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 기재의 위에 분배된 액적이 바닥 표면으로 먼저 침투한 다음, 밑에 방사상으로 위킹된다. 이러한 액체 이송 모드는 유체 다이오드의 "통과" 모드(도 1의 사례 C)에 흡사하다. 액체의 측방향 이송은 이 경우에는 달성되지 않으며, 오히려 액체는 바닥 측으로부터 출현하고 상단으로부터 액체가 추가 축적되면, 분배 위치의 밑면에서 떨어진다(pinch off)는 것을 주목한다.
보다 복잡한 이송 모드는 도 3에 도시된 디자인 구성에서 관찰되며, 여기서 수직 방향 이송(HDPT의 다른 면으로의 침투)은 라플라스 압력 구배에 의해 구동되는 바와 같이, 쐐기 형상 트랙 또는 이송 요소를 따라, 빠른 방향성 (측방향) 이송과 결합된다. 쐐기 형상의 초친수성 이송 요소가 표면의 초소수성 배경에 놓일 때, 날카로운 습윤성 대비가 성립된다. 분배된 (또는 기재의 다른 면으로부터의 투과로 인해 축적된) 액체는 습윤성 대비 라인 내에 제한되 채로 잔류하고 트랙에 비대칭 액체 벌지(bulge)를 형성한다. 생성되는 액체 메니스커스의 만곡이 라플라스 압력 구배를 생성하여, 쐐기 형상 이송 요소의 더 좁은 단부로부터 더 넓은 단부까지 액체의 신속하고 평면적인 일방향성 이송을 유도한다. 도 3에서 논의된 상이한 디자인 구성은 액체가 (공기 측 상에서) 수평으로 그리고 (기재를 통해) 수직으로 이송되는 가변적인 속도를 보여준다.
수직 이송은 z 방향 침투 압력에 따라 달라지는 반면, 측방향(x-y) 이송은 액체/기체 계면의 곡률로부터 형성된 라플라스 압력 구배에 의해 좌우된다. 사례 I에서, 상단 표면(54)은 전적으로 초소수성인 반면, 초친수성, 쐐기 형상 이송 요소(40)는 초소수성 배경으로 바닥(56)에 놓인다. 넓은 원형 초친수성 영역 또는 저장부(60)가 쐐기 형상 이송 요소(40)의 단부에 배치되어 액체 축적 및 폐기를 용이하게 한다(액체가 거기에 축적될 때 핀치 오프에 의함). 사례 II 및 III에서, 초친수성 쐐기 형상 이송 요소(40)가 상단 표면(54)에서 존재하는 반면, 바닥 표면(56)에는 원하는 영역에서 친수성이 부여된다(도 3). 사례 II의 경우, 바닥 표면(56)은 원형 저장부(60) 아래에서만 초친수성으로 만들어진다. 사례 III에서, 바닥 표면(56)은 초친수성인, 쐐기 형상 이송 요소(40), 및 상단 표면(54) 상에서 정렬된 저장부(60)를 갖는다.
도 4는 상단도 및 측면도로부터 각각 측정된 액적(20)의 반경 및 높이를 도시한다. 도 5는 일반적인 사례 I 이송 이벤트의 상면도 및 측면도를 도시한다. 수적(20)(0.1 ml)은 쐐기 형상 이송 요소(40)의 좁은 단부(42)에서 분배되고, 대향(바닥) 면(56)으로 관통한 후, 넓은 단부(45)를 향하여 가로지르는 데, 여기서 축적되어 결국 저장부(60)로부터 떨어진다(drip). 눈금 막대는 1cm를 나타낸다.
사례 I에서, 액체(20)가 (바닥 표면(56) 상의) 쐐기 형상 이송 요소(40)의 좁은 단부(42)에 대향하는 기재(56)의 상단 표면(54) 상에 침착될 때, 액적은 기재(50) 내로 점진적으로 빨아들여진다(suck). 일단 액적이 바닥 표면(56) 상의 쐐기 형상 이송 요소(40)의 좁은 단부(42)에서 출현하면, 그것은 거기에 형성된 라플라스 압력 구배로 인해 넓은 단부(45)로 측방향으로 이송되게 된다. 액적이 기재(50)를 관통할 때, 시변하는 액적 반경(r) 및 높이(h)가 도 4에 도시된 바와 같이, 상단도와 측면도 각각으로부터 측정된다.
액체 이송과 함께, 특정 위치로부터 액체가 떨어지는 것은 저장부(60)를 원하는 위치에 포함시킴으로써 모니터링된다. 쐐기 형상 이송 요소(40)는, 매달린 액적(pendant liquid drop)의 형태로 쐐기 형상 이송 요소(40)의 저장부 단부(60)에 축적하게 되는, 액체를 이송하는 데 도움을 준다. 축적된 액체의 중량이 표면 장력을 초과할 때 매달린 방울은 결국 기재(50)로부터 분리되게 된다. 액체가 떨어지는 것(dripping)은 모든 사례(도 3의 I, II 및 III)에 대해 관찰되지만, 떨어지는 이벤트는 하기 방식들에서 정성적으로 상이하다(도 3이 따르는 요소 번호들이 명확성을 위해 생략되는, 도 6을 참조):
1) 사례 I에서, 액체는 분배 지점에서 기재(50)의 두께를 관통한다. 액체는 그것이 극복할 수 있는 더 낮은 침투 압력으로 인해 기재(50)의 바닥 표면(56)으로 이송된다(도 1에서 사례 C). 기재(50) 밑에, 쐐기 형상 이송 요소(40)의 좁은 단부(42)에서, 액체는, 도 3 및 도 6의 우측 단부인, 쐐기 형상 이송 요소(40)의 넓은 단부(45)로 이를 이송하는 라플라스 압력 구배를 겪는다. 이송 요소(40)의 저장부 단부(60)는 증가된 액체 보유 용량으로 인해 임시 저장부로서 작용한다. 저장부(60) 내의 액체 용적의 축적이 증가함에 따라, 액적은 그 자체 중량 하에 떨어진다(pinch off).
2) 사례 II에서, 액체는 먼저 상단 쐐기 형상 이송 요소(40) 상에서 측방향으로 넓은 단부 저장부(60)로 이송된 다음 기재(50)를 통과하여 바닥 면(56)으로 침투하며; 축적된 액체는 바닥 표면 저장부(60)로부터 떨어진다(pinch off). 이 경우, 액체는 초친수성 상단(54) 및 초소수성 바닥 표면(56)을 갖는 영역 상에 분배된다. 상단 저장부(60) 상의 액체 벌지(bulge)에 의해 가해진 라플라스 압력은 액적이 다른 면에 투과하기 위해 극복할 필요가 있는 (도 1의 사례 B) 높은 침투 압력에 못미치기 때문에, 액체는 분배 위치에서 하부 표면(56)으로 침투할 수 없다. 동시에, 수평 라플라스 압력 구배가 진행 중이고, 결과적으로 액체는 기재(50)의 상단 표면(54) 위에서 쐐기 형상 이송 요소(40)의 넓은 단부(45)로 펌프 없이 이송되게 된다. 원형 저장부(60)의 위에 증가된 축적이 증가함에 따라, 액체 벌지의 중량 및 라플라스 압력은 결국 수두의 장벽 압력을 극복하여, 액체가 바닥 표면(56)으로 침투하고 결국 떨어지는 것(dripping)으로 이어진다.
3) 사례 III에서, 상단 및 하단 표면(54, 56) 둘 모두는, 각 표면(54, 56)이 다른 것의 거울 이미지이도록 서로 정렬된 쐐기 형상 이송 요소(40)를 갖는다. 두 이송 요소(40)가 UV에 노출되었기 때문에, 기재(50)는 쐐기 형상 이송 요소(40)를 따라 전체 깊이에 걸쳐 초친수성이 되었다. 따라서, 액체는 필름으로서 넓은 단부(45)로 이송된다. 이전의 경우와 마찬가지로, 매달려 있는 액적의 중량이 증가하면서, 결국 떨어진다(pinch off).
표 1은 액체가 이송 요소(40)의 넓은 단부(45)에 도달하고 기재(50)의 바닥 면(56)으로부터 떨어지는 상이한 중간 단계들의 시간을 나타낸다. 쐐기 형상 이송 요소(40)의 좁은 단부(42)에서 기재(50)의 상부에 위치한 액체의 동일한 체적에 대해, 액체는 사례 I 또는 III에서보다 사례 II에서 쐐기 형상 이송 요소(40)의 넓은 단부(45)에 더 빨리 도달한다. 이는, 사례 II에서, 후기 단계에서 바닥 표면(56)에 대한 투과가 양 면에서 초친수성인, 단부 저장부(60)로부터만 발생하기 때문에 발생한다. 그러나, 단부 저장부(60) 상에 형성된 큰 액체 풀(비교적 작은 만곡을 가짐)은 작은 라플라스 압력을 발휘하며, 이는 상대적으로 낮은 투과율로 이어진다. 따라서, 사례 II의 경우, 단부 저장부(60)로부터 떨어지는 것은, 나중에 사례 I 또는 III의 경우보다 늦게 시작한다. 사례 I에서, 액체는 분배 지점에서 하부 수두를 극복하고(도 1의 점 C) 급속히 빨아들여진다. 떨어지는 것(pinch-off)은 액체의 넓은 단부(45)로의 이송 후 바닥 표면(56)으로부터 발생한다. 사례 III에서, 쐐기 형상 이송 요소(40)는 양 면에서 UV 노출로 인해 기재(50)의 깊이 전체에 걸쳐 초친수성이다. 따라서, 액체 이송은, 기재(50)의 두께에 필적하는 두께를 갖는 액체 필름으로서 이송 요소(40)의 넓은 단부(45)로 이송된다. 다량의 액체가 사례 III에서 요소를 통해 이송하기 때문에, 쐐기 형상 이송 요소(40)는 습윤(wet)되는 데 더 많은 시간이 요구된다. 따라서, 상이한 디자인 구성을 사용하여, 액체는 다공성 기재(50) 상에서 그리고 이를 통해서 상이한 속도로 이송될 수 있다.
액체가 상이한 절차의 단계들을 완료하는 데 필요한 시간 (모든 시간은 초로 나열되며, 및 그 시간으로부터 액체가 표면 위에 침착됨)
사례 트랙 길이 습윤 시간 바닥 단부 저장부에서 첫 번째 액적이 나오는 시간 첫 번째 액적이 단부 저장부로부터 떨어지는 시간
I 32.2 41.6 58.3
II 29.7 45.2 65.6
III 37.1 40.6 56.5
본원에 기술된 기술은 얇은 다공성 물질 내에서 3차원으로 펌프 없는 방향성 액체 이송을 달성한다. 상기 기술은 다공성 물질의 한 면 상에 침착되는 액체 부피가 대향 면 상의 다른 위치로부터 그리고 원래 위치로부터 수 센티미터 정도의 거리에서 분배되도록 허용한다. 다공성 기재에 걸쳐서 액체를 이송하는 표준 위킹 메커니즘과는 별도로, 현재 기술은 표면 상에서 습윤성 대비 패턴을 레버리지로 이용하여, 다공성 기재의 상부 또는 하부 표면을 따라 방향성으로 액체를 신속하게 이송하도록 라플라스 압력 구배를 활용한다. 또한, 초친수성 영역(저장부)의 넓어진 패치를 구현함으로써, 액체는 원래 지점으로부터 멀리 원하는 위치로부터 기재로부터 배치된다. 다공성 기재 위 및 이를 통해, 또는 다공질 기재 아래에 액체를 이송하는 3개의 상이한 디자인이 설명된다. 디자인들 중 2개는 원하는 위치로부터 액체 분배 능력을 특징으로 하는 반면, 구성들 중 하나는 상단 표면을 건조한 상태로 유지하면서, 바닥 표면에서만 액체 이송의 장점을 갖는다. 본 습윤성 제어 디자인은 다공성 기재를 사용하여 임의의 펌프 없는 액체 조작 시스템의 기본 블록으로서 사용될 수 있다.
본원에 기술된 기술은 다공성 기재의 표면 위로, 그리고 다공성 기재의 벌크를 통한, 액체의 유도된 측방향 벌크 이송을 각각 조합한다. 분배된 액체의 부피는 공간적으로 및 시간적으로 모두 잘 제어된다. 디자인에 적절한 변형을 가지면(사례 I, II, III로 설명됨), 기재의 상단, 바닥, 또는 양쪽 표면 위로의 측방향 이송을 정확하게 제어할 수도 있다. 측방향 확산의 정도를 변경함으로써, 기재 위 또는 아래에 액체의 체류 시간이 제어될 수 있다. 전체 이송률은 기재 다공도를 조절함으로써 제어될 수 있다.
실제로 최근까지, 충분히 낮은 표면 에너지(즉, 발수를 위해, γ << 72 mN/m)를 가지는 중합체를 필요로 하는 초발수 복합물의 제조는 습식 처리를 위해 강력한 용제의 사용을 요구하였고, 이에 따라 전체적으로 수계 시스템의 개발을 방해하고 있다. 낮은 표면 에너지를 전달할 수 있는 불소-비함유 및 수-혼화성(water-compatible) 중합체 시스템은 진실로 환경적으로 무해한 초소수성 코팅의 개발을 위해 주요 과제로 되어 왔다. 낮은 표면 에너지의 수인성 불소중합체 분산액(DuPont Capstone ST-100)이 수계 초소수성 스프레이에서 사용되었고, 여기서 접촉각과 내수도(hydrostatic resistance) 간의 상관관계가 연구되었지만, 재차 복합물 내의 불소화 화합물의 존재가 여전히 환경적인 우려를 야기하였다. 한때, EPA은 많은 위험한 불소중합체 화합물의 제조의 감축을 시작했고; 이러한 화합물은 과불소화옥탄산(perfluorooctanoic acid; PFOA)으로 분해될 위험이 높고 매우 나쁜 환경 영향을 미칠 수 있다. 선천적 결함의 알려진 원인인 PFOA는 지하수로 유입되어, 저수지 및 수생 야상 생물을 오염시킬 수 있고, 결국에는 사람이 섭취하여 해로운 수준까지 축적될 수 있다. DuPont의 Capstone ST-100과 같은, EPA 발의에 대응하여 제조된 단쇄 불소중합체가 입수 가능하고 적은 환경 위험을 야기하지만; 초발수성을 위해 불소의 필요성을 완전히 제거하는 것이 이 작업의 주요 목표이었고; 언젠가 이러한 불소화 복합물이 더 이상 쓸모없게 되어, 더욱 환경-친화적인, 소위 "그린(green)" 대체물로 대체될 것으로 기대된다.
나노-규모 치수를 가지는 입자를 선택하는 것은 표면 거칠기에 대한 미세 제어 및 액체-대-고체 계면 접촉 면적의 더욱 큰 감소를 가능하게 하며; 소수성, 또는 저-표면 에너지의 표면에 대해, 이것은, 고체 표면이 액체/고체 접촉을 제한하는 증기의 포켓을 보유할 수 있게 함으로써 액체 젖음에 대한 내성 증가로 바꾼다. 문헌에서 제조된 많은 초소수성 표면은 비-수성 현탁액 또는 다른 첨가제의 사용을 필요로 하는 소수성 입자 필러를 사용해 왔다. 이들 소수성 입자는 발수성 거칠기를 생성하는데 도움을 주었지만, 이들은 전하-안정화 또는 계면활성제의 사용없이 수계 시스템에서 실용적이지 못하다. 친수성 나노입자 TiO2는 적절한 양의 표면 거칠기를 제공하는 것으로 입증되어 있고, 수인성 폴리올레핀 중합체 왁스 블렌드와 혼화성이 있으며; 중합체는 분산되었을 때 현탁된 TiO2 입자의 친수성을 감추는 역할을 하므로, 일단 최종 복합 필름이 적용되고 잔류하는 물이 제거되면 유지되는 약한 소수성 쉘로 나노입자를 피복한다. 매우 작은 치수(<25nm)의 나노입자를 사용하면, 최종 복합물의 접촉각을 초소수성 영역 내로 상향으로 나아가게 하는 표면 거칠기가 달성된다. 또한, TiO2는 식품, 스킨 로션, 및 페인트 안료에 무독성 첨가제인 것으로 나타났으며, 이에 따라 복합물 성분으로부터 환경적으로 또는 다른 방법으로 영향을 줄여야 한다는 주장을 더욱 강화하고 있다.
본원에 기술된 초친수성/초소수성 패턴은 PCT 특허 출원 공개 번호 WO2016/138272 및 WO2016/138277에 기재된 것과 같은 비-불소화 제형과 미국 특허 제9,217,094호에 기재된 것과 같은 불소화 제형을 포함하여, 임의의 적절한 코팅 제형을 사용하여 적용될 수 있다.
본 발명은, 소수성 성분, 필러 입자, 및 물을 포함하는 제형으로 처리되는 경우 초소수성 특징을 나타내는, 기재의 표면 또는 기재 자체에 관한 것이다. 초소수성은, 전체 표면에 대하여 적용될 수 있고, 기재 물질 상에 또는 전체적으로 패턴화될 수 있고, 및/또는 기재 물질의 z 방향 두께를 통해 직접 침투될 수 있다.
본 발명의 일부 측면에서, 처리되는 기재는 부직포 웹이다. 다른 측면에서, 기재는 티슈 제품이다.
본 발명의 기재는, 물질의 z 방향 두께 전체에 걸쳐 초소수성을 갖고 그 물질의 일부 영역들만이 초소수성을 갖는 식으로 제어되도록 처리될 수 있다. 이러한 처리는 재료의 공간적 습윤성을 제어하여, 재료의 습윤 및 액체 침투를 유도하도록 디자인될 수 있으며; 이러한 디자인은 액체 이송 및 흐름 정류를 제어하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 적절한 기재는, 부직포, 직물, 편직물, 또는 이러한 물질들의 적층체를 포함할 수 있다. 또한, 기재는, 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 티슈 또는 타월일 수 있다. 이러한 기재를 형성하는 데 적절한 물질과 공정은 일반적으로 통상의 기술자에게 공지되어 있다. 예를 들어, 본 발명에서 사용될 수 있는 부직포의 일부 예는, 스펀본디드 웹, 멜트블로운 웹, 본디드 카디드 웹, 에어-레이드 웹, 코폼 웹, 스펀레이스 부직포 웹, 수력으로 엉킨 웹 등을 포함하지만, 이러한 예들로 한정되지 않는다. 각 경우에, 부직포를 제조하는 데 사용되는 섬유들 중 적어도 하나는 열가소성 물질 함유 섬유이다. 또한, 부직포는, 열가소성 섬유들과 천연 섬유들, 예를 들어, 셀룰로오스 섬유들(침엽수 펄프, 활엽수 펄프, 열기계적 펄프 등)의 조합일 수 있다. 일반적으로, 비용과 원하는 특성의 관점에서 볼 때, 본 발명의 기재는 부직포다.
필요하다면, 부직포는, 또한, 당업계에 공지되어 있는 기술들을 이용하여 결합되어서 내구성, 강도, 핸드, 심미감, 질감, 및/또는 부직포의 다른 특성들을 개선할 수 있다. 예를 들어, 부직포는, 열적으로 결합(예를 들어, 패턴 결합, 통기 건조), 초음파 결합, 접착제 결합 및/또는 기계적으로(예를 들어, 바늘) 결합될 수 있다. 예를 들어, 다양한 패턴 결합 기술들은, Hansen의 미국특허 제3,855,046호; Levy 등의 미국특허 제5,620,779호; Haynes 등의 미국특허 제5,962,112호; Sayovitz 등의 미국특허 제6,093,665호; Romano 등의 미국 디자인 특허 제428,267호; 및 Brown의 미국 디자인 특허 제390,708호에 기재되어 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명의 기재는, 단성분 섬유 및/또는 다성분 섬유를 함유하는 스펀본디드 웹으로부터 형성된다. 다성분 섬유들은 적어도 두 개의 중합체 성분으로부터 형성된 섬유들이다. 이러한 섬유들은, 일반적으로 개별적인 압출기들로부터 압출되지만 하나의 섬유를 형성하도록 함께 스핀된다. 각 성분의 중합체는 일반적으로 서로 다르지만, 다성분 섬유들은 유사한 또는 동일한 중합체 물질들의 개별적인 성분들을 포함할 수 있다. 개별적인 성분들은, 통상적으로 섬유의 단면에 걸쳐 별개의 구역들에 배열되며, 섬유의 전체 길이를 따라 실질적으로 연장된다. 이러한 섬유들의 구성은, 예를 들어, 나란한 배열, 파이 배열, 또는 다른 임의의 배열일 수 있다.
다성분 섬유들은, 또한, 이용되는 경우, 스플릿될 수 있다. 스플릿가능한 다성분 섬유들을 제조하는 경우, 단일 다성분 섬유를 함께 형성하는 개별적인 세그먼트들은, 하나 이상의 세그먼트가 단일 다성분 섬유의 외면의 일부를 형성하는 방식으로 다성분 섬유의 길이 방향을 따라 인접해 있다. 다시 말하면, 하나 이상의 세그먼트는 다성분 섬유의 외주를 따라 노출된다. 예를 들어, 스플릿가능한 다성분 섬유들을 제조하기 위한 방법들 및 이러한 섬유들은 Pike의 미국특허 제5,935,883호 및 Marmon 등의 미국특허 제6,200,669호에 개시되어 있다.
본 발명의 기재는 또한 코폼 물질을 함유할 수 있다. "코폼 물질"이라는 용어는, 일반적으로 제2 비-열가소성 물질과 열가소성 섬유들의 안정화된 매트릭스 또는 혼합물을 포함하는 복합 물질을 가리킨다. 일례로, 코폼 물질은, 형성되는 동안 다른 물질들이 웹에 첨가되는 슈트 근처에 적어도 하나의 멜트블로운 다이 헤드가 배치되는 공정에 의해 제조될 수 있다. 이러한 다른 물질들은, 면, 레이온, 재활용 종이, 펄프 플러프 등의 목재 펄프 또는 비목재 펄프, 및 또한 초소수성 입자, 무기 흡수 물질, 처리된 중합체 스테이플 섬유 등의 섬유상 유기 물질을 포함할 수 있지만, 이러한 예들로 한정되지 않는다. 이러한 코폼 물질의 일부 예는, Anderson 등의 미국특허 제4,100,324호, Everhart 등의 미국특허 제5,284,703호, 및 Georger 등의 미국특허 제5,350,624호에 개시되어 있다.
또한, 기재는 하나 이상의 표면 상에 질감이 부여되어 있는 물질로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 일부 측면에 있어서, 기재는, 이중-질감 스펀본드 또는 멜트블로운 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어, Lamers 등의 미국특허 제4,659,609호 및 Win 등의 미국특허 제4,833,003호에 개시되어 있다.
본 발명의 구체적인 일 측면에 있어서, 기재는 수력으로 엉킨 부직포로 형성된다. 수력엉킴 공정 및 서로 다른 섬유들의 다양한 조합을 함유하는 수력으로 엉킨 복합 웹은 당업계에 알려져 있다. 통상적인 수력엉킴 공정은 물의 고압 제트 스트림을 이용해서, 섬유들 및/또는 필라멘트들이 엉키게 하여 고 엉킴 통합 섬유 구조, 예를 들어, 부직포를 형성하도록 한다. 스테이플 길이 섬유들과 연속 필라멘트들의 수력으로 엉킨 부직포들은, 예를 들어, Evans의 미국특허 제3,494,821호 및 Boulton의 미국특허 제4,144,370호에 개시되어 있다. 연속 필라멘트 부직포 웹과 펄프 층의 수력으로 엉킨 복합물 부직포는, 예를 들어, Everhart 등의 미국특허 제5,284,703호 및 Anderson 등의 미국특허 제6,315,864호에 개시되어 있다.
이러한 부직포들 중에서, 열가소성 섬유와 엉킨 스테이플 섬유와 함께 수력으로 엉킨 부직포 웹이 기재로서 특히 적합하다. 수력으로 엉킨 부직포 웹의 구체적인 일례로, 스테이플 섬유는 실질적으로 연속적인 열가소성 섬유와 수력으로 엉킨다. 스테이플 섬유는, 셀룰로오스 스테이플 섬유, 비-셀룰로오스 스테이플 섬유, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 적절한 비-셀룰로오스 스테이플 섬유는, 폴리올레핀 스테이플 섬유, 폴리에스테르 스테이플 섬유, 나일론 스테이플 섬유, 폴리비닐 아세테이트 스테이플 섬유 등의 열가소성 스테이플 섬유, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 적절한 셀룰로오스 스테이플 섬유는, 예를 들어, 펄프, 열기계적 펄프, 합성 셀룰로오스 섬유, 개질된 셀룰로오스 섬유 등을 포함한다. 셀룰로오스 섬유는 이차 공급원 또는 재활용 공급원으로부터 얻을 수 있다. 적절한 셀룰로오스 섬유 공급원의 일부 예는, 열기계적, 표백된 및 미표백된 침엽수 펄프 및 활엽수 펄프 등의 천연 목재 섬유를 포함한다. 사무실 폐기물, 신문인쇄용지, 브라운 페이퍼 스톡, 페이퍼보드 스크랩 등에서 얻을 수 있는 이차 또는 재활용 셀룰로오스 섬유도 사용할 수 있다. 또한, 마닐라삼, 아마, 밀크위드, 면, 개질된 면, 면 린터 등의 식물 섬유도 셀룰로오스 섬유로서 사용될 수 있다. 또한, 예를 들어, 레이온 및 비스코스 레이온 등의 합성 셀룰로오스 섬유를 사용할 수 있다. 개질된 셀룰로오스 섬유는, 일반적으로 탄소 사슬을 따라 히드록실기를 적절한 라디칼(예컨대, 카르복실, 알킬, 아세테이트, 질산염 등)로 대체함으로써 형성되는 셀룰로오스의 유도체로 구성된다.　
특히 적절한 한 가지 수력엉킴 부직포 웹은, 스펀본드 섬유들과 수력으로 엉킨 펄프 섬유들을 갖는 실질적으로 연속적인 섬유들인 폴리프로필렌 스펀본드 섬유들의 부직포 웹 복합물이다. 특히 적절한 다른 한 가지 수력엉킴 부직포 웹은, 스펀본드 섬유들과 수력으로 엉킨 셀룰로오스 및 비-셀룰로오스 스테이플 섬유들의 혼합물을 갖는 폴리프로필렌 스펀본드 섬유들의 부직포 웹 복합물이다.
본 발명의 기재는, 열가소성 섬유들로만 제조될 수 있고 또는 열가소성 섬유들과 비-열가소성 섬유들 모두를 함유할 수 있다. 일반적으로, 기재가 열가소성 섬유들과 비-열가소성 섬유들 모두를 함유하는 경우, 열가소성 섬유들은 기재의 중량 기준 약 10% 내지 약 90%를 차지한다. 구체적인 일 측면에서, 기재는 중량 기준 열가소성 섬유들을 약 10% 내지 약 30% 함유한다.
일반적으로, 부직포 기재는, 약 5gsm 내지 약 200gsm, 더욱 통상적으로는, 약 33gsm 내지 약 200gsm 범위의 평량을 갖는다. 실제 평량은, 200gsm보다 클 수 있지만, 많은 응용분야에서, 평량은 33gsm 내지 150gsm 범위에 있다.
기재의 적어도 일부를 구성하는 열가소성 물질 또는 섬유는 본질적으로 임의의 열가소성 중합체일 수 있다. 적절한 열가소성 중합체는, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리비닐염화물, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리락트산 등의 생분해성 중합체, 및 이들의 공중합체와 블렌드를 포함한다. 적절한 폴리올레핀은, 폴리에틸렌, 예를 들어, 고 밀도 폴리에틸렌, 중간 밀도 폴리에틸렌, 저 밀도 폴리에틸렌과 선형 저 밀도 폴리에틸렌; 폴리프로필렌, 예를 들어, 동일배열 폴리프로필렌, 교대배열 폴리프로필렌, 동일배열 폴리프로필렌과 혼성배열 폴리프로필렌의 배합물, 및 이들의 배합물; 폴리부틸렌, 예를 들어, 폴리(1-부텐)과 폴리(2-부텐); 폴리펜텐, 예를 들어, 폴리(1-펜텐)과 폴리(2-펜텐); 폴리(3-메틸-1펜텐); 폴리(4-메틸 1-펜텐); 및 이들의 공중합체와 배합물을 포함한다. 적절한 공중합체는, 에틸렌/프로필렌 및 에틸렌/부틸렌 공중합체 등의 두 개 이상의 서로 다른 불포화 올레핀 단량체들로부터 제조되는 랜덤 및 블록 공중합체들을 포함한다. 적절한 폴리아미드는, 나일론 6, 나일론 6/6, 나일론 4/6, 나일론 11, 나일론 12, 나일론 6/10, 나일론 6/12, 나일론 12/12, 카프로락탐과 알킬렌 산화물 디아민의 공중합체 등, 및 이들의 블렌드와 공중합체를 포함한다. 적절한 폴리에스테르는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리테트라메틸렌 테레프탈레이트, 폴리시클로헥실렌-1,4-디메틸렌 테레프탈레이트, 및 이들의 이소프탈레이트 공중합체, 및 이들의 블렌드를 포함한다. 이러한 열가소성 중합체는, 본 발명에 따라 실질적으로 연속적인 섬유들과 스테이플 섬유들 모두를 제조하는 데 사용될 수 있다.
또 다른 일 측면에서, 기재는 티슈 제품일 수 있다. 티슈 제품은 균질성 또는 다층 구성일 수 있고, 이러한 것으로 제조된 티슈 제품은 한 겹 또는 다 겹 구성일 수 있다. 티슈 제품은, 바람직하게, 약 10gsm 내지 약 65gsm의 평량, 및 약 0.6g/cc 이하의 밀도를 갖는다. 더욱 바람직하게, 평량은 40gsm 이하이고, 밀도는 약 0.3g/cc 이하이다. 가장 바람직하게, 밀도는 약 0.04g/cc 내지 약 0.2g/cc이다. 달리 언급하지 않는 한, 종이에 대한 모든 양과 중량은 건조 기준에 따른 것이다. 기계 방향으로의 인장 강도의 범위는, 약 100 내지 약 5,000g/폭(인치)이다. 교차 기계 방향으로의 인장 강도의 범위는 약 50 내지 약 2,500g/폭(인치)이다. 흡수성은, 통상적으로 섬유 g 당 약 5g 물 내지 섬유 g 당 약 9g 물이다.
이러한 제품을 제조하기 위한 종래의 프레스된 티슈 제품과 방법은 본 기술분야에 공지되어 있다. 티슈 제품은, 통상적으로, 당업계에서 흔히 포드리니어 와이어라 칭하는 구멍 형성 와이어 상에 제지 지료를 증착함으로써 제조된다. 일단 지료가 형성 와이어 상에 증착되면, 이것을 웹이라 칭한다. 웹은, 웹을 프레스하고 상승 온도에서 건조시킴으로써 탈수된다. 전술한 공정에 따라 웹을 제조하기 위한 통상적인 장비와 구체적인 기술은 통상의 기술자에게 공지되어 있다. 통상적인 공정에서는, 가압된 헤드박스로부터 저 일관성 펄프 지료를 제공하며, 이러한 헤드박스는 습윤 웹을 형성하도록 펄프 지료의 얇은 증착물을 포드리니어 와이어 상으로 전달하기 위한 개구를 갖는다. 이어서, 웹은, 통상적으로 진공 탈수에 의해 약 7% 내지 약 25%의 섬유 일관성(총 웹 중량 기준)으로 탈수되고, 웹이 대향하는 기계적 부재들, 예를 들어, 원통형 롤들에 의해 전개되는 압력을 받게 되는 프레싱 동작에 의해 추가로 건조된다. 이어서, 탈수된 웹은, 양키 드라이어(Yankee dryer)라고 당업계에 알려져 있는 스팀 드럼 장치에 의해 추가로 프레싱 및 건조된다. 압력은, 웹에 대하여 프레싱을 행하는 대향 원통형 드럼 등의 기계적 수단에 의해 양키 드라이어에서 전개될 수 있다. 다수의 양키 드라이어 드럼을 채택할 수 있고, 이에 의해 추가 프레싱이 드럼들 간에 선택적으로 발생한다. 형성된 시트들은, 섬유들이 촉촉하고 이어서 압축 상태에서 건조되는 동안 전체 웹이 상당한 기계적 압축력을 받기 때문에, 컴팩트화되는 것으로 간주된다.
본 발명의 구체적인 일 측면은, 언크레이프된(uncreped) 통기 건조 기술을 이용해서 티슈 제품을 형성한다. 통기 건조는 웹의 벌크와 연성을 증가시킬 수 있다. 이러한 기술의 예들은, Cook 등의 미국특허 제5,048,589호, Sudall 등의 미국특허 제5,399,412호, Hermans 등의 미국특허 제5, 510,001호, Ruqowski 등의 미국특허 제5,591,309호, Wendt 등의 미국특허 제6,017,417호, 및 Liu 등의 미국특허 제6,432,270호에 개시되어 있다. 언크레이프된 통기 건조는, 일반적으로 하기 단계들을 포함한다: (1) 셀룰로오스 섬유들, 물, 및 선택사항으로 기타 첨가제의 지료를 형성하는 단계; (2) 주행중인 구멍난 벨트(foraminous belt) 상에 지료를 증착하고 이에 따라 상기 주행중인 구멍난 벨트의 상부에 섬유상 웹을 형성하는 단계; (3) 상기 섬유상 웹을 통기 건조를 거치게 하여 물을 상기 섬유상 웹으로부터 제거하는 단계; 및 (4) 상기 건조된 섬유상 웹을 상기 주행중인 구멍난 벨트로부터 제거하는 단계.
분무 등의 종래의 규모 있는 방법들은 초소수성 코팅을 표면 상에 적용하도록 사용될 수 있다. 수계 분산액을 분무하는 경우 일부 기술적 어려움이 통상적으로 발생한다. 제1 주요 문제점은, 미립자화 동안 액체의 불충분한 증발 및 코팅된 기재 상의 분산액의 고 젖음성이며, 이에 따라 물이 최종적으로 증발하는 경우 접촉 선 피닝(pinning)과 소위 "커피-얼룩 효과"(coffe-stain effect)로 인해 비균일한 코팅이 발생한다는 점이다. 제2 주요 문제점은, 스프레이 코팅에 사용되는 기타 용제에 비해 물의 비교적 큰 표면 장력이다. 물은, 물의 높은 표면 장력으로 인해, 스프레이 응용분야에 있어서 비균일한 필름을 형성하는 경향이 있고, 이에 따라 균일한 코팅을 얻는 것을 보장하도록 신중해야 한다. 이는, 물이 구슬처럼 흐르는 경향이 있는 소수성 기재에 있어서 특히 중요하다. 본 발명의 수성 분산액을 적용하기 위한 최상의 방안은 미립자화 동안 극히 미세한 액적을 형성하고, 매우 얇은 코팅만을 부착해서, 기재를 포화시키지 않도록 하고, 건조 후 셀룰로오스 기재(예, 페이퍼 타월)가 딱딱해지게 하는 기재 내의 수소 결합을 재배향하는 것임을 관찰하였다.
또 다른 일 측면에서, 코팅은, 먼저 기재 상에, 예컨대 표준 페이퍼보드 또는 기타 셀룰로오스 기재 상에 스프레이 주조되고, 다수의 스프레이 패스를 사용하여 서로 다른 코팅 두께를 달성한다. 이어서, 분무된 필름들을 약 80oC의 오븐에서 약 30분 동안 건조시켜 모든 잉여 물을 제거한다. 일단 건조되면, 코팅은 젖음성으로 특징화된다(즉, 소수성 대 친수성). 기재는, 초소수성을 유도하는 데 필요한 코팅의 최소 수준을 결정하기 위해서 코팅과 건조의 전과 후에 마이크로밸런스(Sartorius® LE26P)에서 계량될 수 있다. 이 "최소 코팅"은, 샘플이 액체에 의한 침투에 저항함을 엄격하게 의미하지는 않고, 오히려 수적이 표면 상에 구슬로서 방해 없이 굴러나감을 의미한다. 코팅 전과 후의 기재의 발액성은, 액체 침투 압력(액체의 cm)을 결정하는 유체역학적 압력 설정에 의해 특징화될 수 있다.
실시예
다음에 따르는 것은, 본 발명을 용이하게 이해하도록 예시를 위한 것이며 본 발명을 그 예들로 한정하는 것으로 해석해서는 안 된다. 다른 제형 및 기재가 본 개시 내용 및 이하에서 제시되는 청구범위에 사용될 수 있다.
특정 예에서, Kimberly-Clark로부터 입수가능한, 38 gsm인 고밀도 종이 타월(HDPT) KLEENEX 50606 브랜드 하드 롤 타월 형태인 다공성 기재를, 기재에 초소수성을 부여하도록 분무하여 소수성 플루오로아크릴 중합체(PMC) 매트릭스 중의 TiO2 필러 입자로 코팅하였다 (물 중 20중량%; DuPont, Capstone ST-100). 이전에 고체 기재 상에 전개된, 손쉬운 패터닝 기술은 HDPT에 적합하였다. 표면 처리는 2개의 기본 단계를 포함한다:
1. 기재 상에 PMC와 TiO2 나노입자들에 의한 분무-코팅 후 80℃에서 2시간 동안 오븐에서 건조해서 (모델 10GC; Quincy Lab, Inc.) 기재에 초소수성을 부여한다 (CA ~ 153 ±3 o).
2. 표면을 UV 방사선(390nm, 노출 시간 ~ 60분)에 선택적으로 노출시켜 포토마스크 하에 노출된 영역 상에 초친수성을 부여한다 (CA < 5 o).
제1 특정 측면에서, 액체 부피를 조작하기 위한 재료는 제1 및 제2 표면을 갖는 다공성 기재; 및 상기 제1 및 제2 표면 중 하나에 배치된 쐐기 형상 이송 요소를 포함하고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 좁은 단부 및 넓은 단부를 가지고, 여기서 상기 넓은 단부는 제1 저장부에 연결되어 있고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 중력에 상관 없이 상기 좁은 단부로부터 상기 넓은 단부로 상기 제1 저장부에 액체를 전달하도록 구성되고, 여기서 상기 제1 저장부는 액체가 침착되는 표면으로부터 대향하여 z 방향으로 상기 기재로부터 멀리 액체를 전달하도록 구성되고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소가 배치되는 표면은 소수성 또는 초소수성 중 하나이고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 a) 상기 제1 표면이 소수성인 경우 초친수성, b) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 초친수성, 및 c) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 친수성 중 하나이다.
제2 특정 측면은 제1 특정 측면을 포함하고, 상기 쐐기 형상 이송 요소 및 상기 제1 저장부는 상기 제2 표면 상에 배치되고, 여기서 상기 기재는 상기 쐐기 형상 이송 요소의 좁은 단부에 대향하는 제1 표면 상에 액체를 수용하도록 구성된다.
제3 특정 측면은 제1 및/또는 제2 측면을 포함하고, 상기 쐐기 형상 이송 요소 상에 전달되는 액체는 라플라스-압력 구동된다.
제4 특정 측면은 제1 내지 제3 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 다공성 기재는 소수성 또는 초소수성 처리를 포함한다.
제5 특정 측면은 제1 내지 제4 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 쐐기 형상 이송 요소는 국부적인 친수성 또는 초친수성 처리제를 포함한다.
제6 특정 측면은 제1 내지 제5 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 쐐기 형상 이송 요소 및 제1 저장부는 상기 제1 표면 상에 배치된다.
제7 특정 측면은 제1 측면 내지 제6 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 제2 표면 상에 배치된 제2 쐐기 형상 이송 요소 및 제2 저장부를 더 포함한다.
제8 특정 측면은 제1 내지 제7 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 기재는 상기 쐐기 형상 이송 요소의 좁은 단부에서 상기 제1 표면 상에 액체를 수용하도록 구성된다.
제9 특정 측면은 제1 내지 제8 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 쐐기 형상 이송 요소 및 상기 제1 저장부는 상기 제1 표면 상에 배치되고, 상기 제1 저장부와 대향하는 제2 표면 상에 배치된 제2 저장부를 더 포함한다.
제10 특정 측면은 제1 내지 제9 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 기재는 상기 쐐기 형상 이송 요소의 좁은 단부에서 상기 제1 표면 상에 액체를 수용하도록 구성된다.
제11 특정 측면은 제1 내지 제10 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 다공성 기재는 부직포이다.
제12 특정 측면에서, 액체 부피를 조작하기 위한 재료는 제1 및 제2 표면을 갖는 다공성 기재; 및 상기 제2 표면 상에 배치된 쐐기 형상 이송 요소를 포함하고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 좁은 단부 및 넓은 단부를 가지고, 여기서 상기 넓은 단부는 상기 제2 표면 상에 배치된 저장부에 연결되어 있고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 중력에 상관 없이 상기 좁은 단부로부터 상기 넓은 단부로 상기 저장부에 액체를 전달하도록 구성되고, 여기서 상기 저장부는 액체가 침착되는 표면으로부터 대향하여 z 방향으로 상기 기재로부터 멀리 액체를 전달하도록 구성되고, 여기서 상기 제2 표면은 소수성 또는 초소수성 중 하나이고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 a) 상기 제1 표면이 소수성인 경우 초친수성, b) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 초친수성, 및 c) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 친수성 중 하나이다.
제13 특정 측면은 제12 특정 측면을 포함하고, 상기 기재는 상기 쐐기 형상 이송 요소의 좁은 단부에 대향하는 제1 표면 상에 액체를 수용하도록 구성된다.
제14 특정 측면은 제12 및/또는 제13 특정 측면을 포함하고, 상기 쐐기 형상 이송 요소 상에 전달되는 액체는 라플라스-압력 구동된다.
제15 특정 측면은 제12 내지 제14 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 다공성 기재는 소수성 또는 초소수성 처리를 포함한다.
제16 특정 측면은 제12 내지 제15 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 쐐기 형상 이송 요소는 국부적인 친수성 또는 초친수성 처리를 포함한다.
제17 특정 측면에서, 액체 부피를 조작하기 위한 재료는 제1 및 제2 표면을 갖는 다공성 기재로, 여기서 상기 제1 표면은 상기 제1 표면을 소수성 또는 초소수성으로 만드는 처리를 포함하는, 상기 다공성 기재; 및 상기 제2 표면 상에 배치된 쐐기 형상 이송 요소를 포함하고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 좁은 단부 및 넓은 단부를 가지고, 여기서 상기 넓은 단부는 상기 제2 표면 상에 배치된 저장부에 연결되어 있고, 여기서 상기 기재는 상기 쐐기 형상 이송 요소의 상기 좁은 단부에 대향하는 상기 제1 표면 상에 액체를 수용하도록 구성되고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 중력에 상관 없이 상기 좁은 단부로부터 상기 넓은 단부로 상기 저장부에 액체를 전달하도록 구성되고, 여기서 상기 저장부는 액체가 침착되는 표면으로부터 대향하여 z 방향으로 상기 기재로부터 멀리 액체를 전달하도록 구성되고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 a) 상기 제1 표면이 소수성인 경우 초친수성, b) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 초친수성, 및 c) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 친수성 중 하나이다.
제18 특정 측면은 제17 특정 측면을 포함하고, 상기 다공성 기재는 부직포이다.
제19 특정 측면은 제17 및/또는 제18 측면을 포함하고, 상기 저장부는 초친수성 처리를 포함한다.
제20 특정 측면은 제17 내지 제19 측면 중 하나 이상을 포함하고, 상기 제1 표면 상에 배치된 제2 쐐기 형상 이송 요소 및 제2 저장부를 더 포함한다.
본 명세서에서 언급하는 모든 문헌들은, 관련 부분에서 참고로 원용되며, 임의의 문헌을 언급하는 것을 그 문헌이 본 발명에 관한 종래 기술임을 인정하는 것으로 해석해서는 안 된다. 본 명세서의 용어의 임의의 의미나 정의가 참고로 원용되는 문헌에서의 동일한 용어의 임의의 의미나 정의와 충돌하는 경우, 본 명세서에서 그 용어에 지정된 의미나 정의가 지배한다.
본 개시물의 특정 측면들이 예시되고 기술되었지만, 본 개시의 다양한 사상과 범위로부터 벗어나지 않고서 다른 변경과 수정이 행해질 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위에서 본 발명의 범위 내에 있는 이러한 모든 변경과 수정을 포괄하도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 액체 부피를 조작하기 위한 재료로, 상기 재료는
    제1 및 제2 표면을 갖는 다공성 기재; 및
    상기 제1 및 제2 표면 중 하나에 배치된 쐐기 형상 이송 요소를 포함하고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 좁은 단부 및 넓은 단부를 가지고, 여기서 상기 넓은 단부는 제1 저장부에 연결되어 있고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 중력에 상관 없이 상기 좁은 단부로부터 상기 넓은 단부로 상기 제1 저장부에 액체를 전달하도록 구성되고, 여기서 상기 제1 저장부는 액체가 침착되는 표면으로부터 대향하여 z 방향으로 상기 기재로부터 멀리 액체를 전달하도록 구성되고,
    여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소가 배치되는 표면은 소수성 또는 초소수성 중 하나이고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 a) 상기 제1 표면이 소수성인 경우 초친수성, b) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 초친수성, 및 c) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 친수성 중 하나이고,
    상기 쐐기 형상 이송 요소 및 상기 제1 저장부는 상기 제2 표면 상에 배치되고, 상기 기재는 상기 쐐기 형상 이송 요소의 좁은 단부에 대향하는 제1 표면 상에 액체를 수용하도록 구성되고, 상기 쐐기 형상 이송 요소 상에 전달되는 액체는 상기 쐐기 형상 이송 요소가 배치되는 표면 상의 젖음성 대비 패턴에 의해 라플라스-압력 구동되는,
    재료.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 다공성 기재는 소수성 또는 초소수성 처리를 포함하는, 재료.
  5. 제1항에 있어서, 상기 쐐기 형상 이송 요소는 국부적인 친수성 또는 초친수성 처리를 포함하는, 재료.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 표면 상에 배치된 제2 쐐기 형상 이송 요소 및 제2 저장부를 더 포함하는, 재료.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 다공성 기재는 부직포인, 재료.
  12. 액체 부피를 조작하기 위한 재료로, 상기 재료는
    제1 및 제2 표면을 갖는 다공성 기재; 및
    상기 제2 표면 상에 배치된 쐐기 형상 이송 요소를 포함하고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 좁은 단부 및 넓은 단부를 가지고, 여기서 상기 넓은 단부는 상기 제2 표면 상에 배치된 저장부에 연결되어 있고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 중력에 상관없이 상기 좁은 단부로부터 상기 넓은 단부로 상기 저장부에 액체를 전달하도록 구성되고, 여기서 상기 저장부는 액체가 침착되는 표면으로부터 대향하여 z 방향으로 상기 기재로부터 멀리 액체를 전달하도록 구성되고, 상기 쐐기 형상 이송 요소 상에 전달되는 액체는 상기 쐐기 형상 이송 요소가 배치되는 표면 상의 젖음성 대비 패턴에 의해 라플라스-압력 구동되고,
    여기서 상기 제2 표면은 소수성 또는 초소수성 중 하나이고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 a) 상기 제1 표면이 소수성인 경우 초친수성, b) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 초친수성, 및 c) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 친수성 중 하나인, 재료.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제12항에 있어서, 상기 다공성 기재는 소수성 또는 초소수성 처리를 포함하는, 재료.
  16. 제12항에 있어서, 상기 쐐기 형상 이송 요소는 국부적인 친수성 또는 초친수성 처리를 포함하는, 재료.
  17. 액체 부피를 조작하기 위한 재료로, 상기 재료는
    제1 표면 및 제2 표면을 갖는 다공성 기재로, 여기서 상기 제1 표면은 상기 제1 표면을 소수성 또는 초소수성으로 만드는 처리를 포함하는, 상기 다공성 기재; 및
    상기 제2 표면 상에 배치된 쐐기 형상 이송 요소를 포함하고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 좁은 단부 및 넓은 단부를 가지고, 여기서 상기 넓은 단부는 상기 제2 표면 상에 배치된 저장부에 연결되어 있고, 여기서 상기 기재는 상기 쐐기 형상 이송 요소의 상기 좁은 단부에 대향하는 상기 제1 표면 상에 액체를 수용하도록 구성되고, 여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 중력에 상관 없이 상기 좁은 단부로부터 상기 넓은 단부로 상기 저장부에 액체를 전달하도록 구성되고, 여기서 상기 저장부는 액체가 침착되는 표면으로부터 대향하여 z 방향으로 상기 기재로부터 멀리 액체를 전달하도록 구성되고, 상기 쐐기 형상 이송 요소 상에 전달되는 액체는 상기 쐐기 형상 이송 요소가 배치되는 표면 상의 젖음성 대비 패턴에 의해 라플라스-압력 구동되고,
    여기서 상기 쐐기 형상 이송 요소는 a) 상기 제1 표면이 소수성인 경우 초친수성, b) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 초친수성, 및 c) 상기 제1 표면이 초소수성인 경우 친수성 중 하나인, 재료.
  18. 제17항에 있어서, 상기 다공성 기재는 부직포인, 재료.
  19. 제17항에 있어서, 상기 저장부는 초친수성 처리를 포함하는, 재료.
  20. 제17항에 있어서, 상기 제1 표면 상에 배치된 제2 쐐기 형상 이송 요소 및 제2 저장부를 더 포함하는, 재료.
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