KR20100099212A

KR20100099212A - 내구성 프릿 조성물 및 복합물 및 이를 포함한 장치

Info

Publication number: KR20100099212A
Application number: KR1020107014137A
Authority: KR
Inventors: 파울로 지. 마르크
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2010-09-10
Also published as: RU2010126602A; AU2008330085A1; EP2065347A1; JP2011505328A; CN101952214A; BRPI0819619A2; MX2010005958A; CA2706942A1; US8162005B2; TW200944486A; US20090139590A1; WO2009070290A1

Abstract

알루미나와 같은 내화성 재료와 함께 프릿으로 사용하기에 적합한 지르코늄-및 알루미나-함유 규산염 유리를 개시하며, 상기 규산염 유리는 다음의 몰 퍼센트 (mol %)의 유리 조성물을 포함하며:
2 < B₂O₃ < 7 mol %
75 < SiO₂ < 80 mol %
3 < Al₂O₃ < 5 mol %
2 < ZrO₂ < 5 mol %
9 < Na₂O + K₂O < 15 mol %
0 < 알칼리 토 + 란탄족 원소 < 15 mol %
여기서, SiO₂, Al₂O₃ 및 ZrO₂를 모두 합친 총 몰 퍼센트는 82 초과이나 86 미만이며, B₂O₃, Na₂O, K₂O, 알칼리 토 및 란탄족 원소들을 모두 합친 총 몰 퍼센트는 13 초과이며 18 미만이고, 이러한 유리를 함유한 프릿 (200,600), 복합물 (600) 및 미세유체 장치(12)가 또한 개시된다.

Description

내구성 프릿 조성물 및 복합물 및 이를 포함한 장치{DURABLE FRIT COMPOSITION AND COMPOSITES AND DEVICES COMPRISED THEREOF}

본 출원은 2007년 11월 30일에 출원된 유럽 특허 출원 번호 제 07301613.1호에 따른 우선권을 주장한다.

본 발명은 실(seals), 글레이즈(glazes), 및 알루미나와 예를 들면, 스테아타이트 세라믹(steatite ceramic), 몰리브덴, 탄탈 및 이트륨과 같은 그 외 다른 온도-저항 재료와 함께 몰딩된 구조물(molded structures) 및 균일한 유리 복합물을 형성하기 위해 적합한 저연화점(900℃ 이하)인 화학적으로 내구성 및 결정화-저항성 있는 유리 조성물에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명은 알루미나와 부합될 수 있으며, 알루미나를 포함하는 미세반응기 또는 그외 다른 미세유체 부품들(micro-fluidic components)과 같은 알루미나-함유 부품의 제조에 사용하기에 적합한 상기 유리 조성물로 구성되는 프릿(frits) 뿐만 아니라 상기 유리 조성물을 사용하여 형성된 다양한 유형의 미세유체 장치(microfluidic device)에 관한 것이다.

널리 이해되는 미세유체 장치와 특히 미세반응기(microreactor)는 전형적으로 멀티-밀리미터 또는 서브-밀리미터 디멘션(dimension)의 채널 또는 통로에서 이용할 수 있는 높은 표면 대 부피 비에 유리하게 사용되는 장치이다. 열 전달률과 질량 전달률은 공정 부피의 축소로 매우 클 수 있다. 이용예로는 매우 소량의 시약을 이용하는 대규모 패럴 생물학적 스크리닝(parallel biological screening), 실험 반응 특성(laboratory reaction characterization) 및 페럴 촉매 스크리닝(parallel catalyst screening)에서부터 화학 제품에 이르기까지 다양하다. 특히 화학 제품 이용예로 유용한 미세유체 장치에 대해서, 화학적 내구성, 열 전달 능력(heat transfer capability), 및 압력 저항성(pressure resistance) 또는 기계적 강건성은 주요한 속성이 된다.

본 발명은 (1) 분말 가공(powder processing)을 통하여 확실하고 매우 강하며 밀봉된 구조물을 생산할 수 있으며;(2) 알루미나 세라믹과 화학적으로 부합가능하고(유리 불혼화성(immiscibility) 또는 유리 실투(devitrification)의 원인이 되는 반응이 없음), 특히 알루미나 입자 또는 구조물에 대한 열 가공(thermal processing) 동안, 우수한 젖음성과 흐름 특성을 가지며;(3) 일반적으로 비활성이고 pH의 양쪽 극단(정밀 화학(fine chemicals)의 합성용)에서의 광범위한 부식 환경을 견디며;(4) 제조 및 제품의 작업 온도 범위(working temperature ranges) 전체에 걸쳐서 저 실 응력(low seal stress)을 제공하기 위하여 알루미나 세라믹과 부합가능한 열 팽창 특성을 갖는 유리 재료에 관한 것이다.

이러한 유리의 중요한 이용예가 도1A-1D의 단면도로부터 이해될 수 있을 것이며, 여기서, 도1A-1D는 조립(assemble)되는 공정에서 한 가지 유형의 미세유체 장치의 단면도이다.

본 발명자 및/또는 본 발명자의 동료 연구원들은 미세반응기와 미세반응기를 제조하기 위한 공정을 이미 개발하였으며 이를 개시하였다. 예를 들면, 본 출원의 양수인에게 양도된 미국 특허 번호 제 7,007,709호, 미세유체 장치 및 이의 제조(Microfluidic device and Manufacture Thereof )에서 상기가 개시되었다. 개시된 공정의 가장 근본적인 특징은 본 출원의 도1A-1D를 참조하면서 재검토될 것이다.

도1A에서, 두 기판(102) 및 (104)가 제공된다. 바람직하기로는 더 많은 것이 사용될 수 있다. 이러한 기판들은 기판(104)를 관통하는 홀(108, hole)과 같은 그것을 통해서 형성된 홀 또는 통로를 가질 수 있다. 도1B에서, 프릿 재료의 두 층, 각각의 기판에 대한 한 면은 배치되거나 기판상에 침적되고 요구되는 형태로 형성된다. 프릿 재료의 층(204)는 기판(104)의 표면(304)상에 침적되나 프릿 재료의 층(202)는 기판(102)의 표면 (302)상에 침적된다. 이러한 층(204)는 얇은 평면층(thin flat layer) (204a)으로 침적되거나 형성되나 층(202)는 융기된 돌출부(raised ridges) 또는 벽 (202b)와 얇은 평면층(202a)의 조합으로 침적되거나 형성된다. 도1C에서, 기판(104)은 각각의 프릿층(202, 204)과 접촉되면서 기판(102)상에 뒤집어져 배치된다.

그 뒤에 층(202, 204)는 전체 집합물이 함께 부착되도록 기판(102, 104)와 함께 소결되어서, 그 결과 도 1D에서 도시된 바와 같은 미세유체 장치 (10)이 된다. 유리 프릿이 연화하며 흐르거나, 최소한 어느 정도까지 변형하며 고화(consolidate)하는데, 이는 프릿층(202, 204)을 도 1D에서 도시된 바와 같이 함께 농후(densified)되며 소결되도록 한다.

결과물은 소결된 프릿(200), 제1기판(102), 및 제2기판(104)을 포함하는 미세유체 장치(12)이며, 상기 소결된 프릿(200), 제1기판(102), 및 제2기판(104)이 함께 부착되어 일체형 장치(12)를 형성하는데, 그 내부에 소결된 프릿(200)은 제1기판(102)과 제2기판(104) 사이의 하나 이상의 오목부(250)를 한정하는 것이다.

상기-언급된 미국 특허 번호 제7,007,709호에서 개시된 바와 같이, 기판 (102, 104)는 유리, 유리 세라믹, 세라믹, 금속, 실리콘과 같은 반도체 및/또는 이들의 조합으로부터 선택된 재료로부터 제조될 수 있다. 일부 개량으로서 그 외 다른 재료를 사용하여 기판을 만들기도 하나, 본 발명자와 동료 연구원들은 도 1D의 장치(12)와 같은 미세유체 장치를 생산하기 위해서 주로 유리 기판에 의존한다. 이러한 유리 재료의 열전도율은 통상적으로 실온에서 0.9-1.2 W/mK 범위이다. 더욱 높은 열전달 능력을 달성하기 위해서, 더욱 높은 열전도율의 대안적 기판 재료가 일반적으로 바람직하다. 이용가능한 다양한 세라믹 재료 중 알파 알루미나가 매력적인데, 이는 저비용으로 상업적으로 입수가능하면서도 알루미나는 비활성이고 화학적 공격에 우수한 저항성을 가지며, 고온의 대기에서 안정하기 때문이다.

알루미나의 이러한 매력적인 속성 및 세라믹의 잠재적 사용에 대한 상기-참조된 특허에서의 인정에도 불구하고, 알루미나를 사용하여 미세유체 장치를 성공적으로 제조하기 어렵다. 이는 부분적으로 본 발명이 완성되기까지, 알루미나와 상응하는 우수한 CTE 및 저연화점을 갖는 유리 프릿 조성물은 지나치게 화학적 공격 대상이 되거나 및/또는 소결시 실투되기 쉽거나 및/또는 소결 동안 완전히 재생불가능한 습윤 알루미나 입자 또는 구조물일 수 있기 때문이다. 본 발명은 일반적으로 이러한 결점들을 극복한다.

본 발명은 알루미나 구조물 또는 입자의 어떠한 실투나 비-습윤(de-wetting)없이 점성 유동(viscous flow)을 통하여 완전히 치밀하게 될 수 있는 유리 분말을 제공한다. 본 발명의 유리는 다층 유리 구조물을 만들며 열전도성 유리 복합물을 제조하는데 성공적으로 사용된다. 또한, 본 발명의 유리는 우수한 화학 저항성을 가지며 각각의 정규화 실험들(normalized tests) DIN 12116 및 ISO 695의 기준에 따라서 클래스 1 및 A1으로 평가된다.

위에서 언급한 바와 같이, 본 발명은 (1) 분말 가공을 통하여 확실하고 매우 강하며 밀봉된 구조물을 생산할 수 있으며; (2) 알루미나 세라믹과 화학적으로 부합가능하고(유리 불혼화성 또는 유리 실투의 원인이 되는 반응이 없음), 특히 알루미나 입자 또는 구조물에 관하여 열 가공 동안, 우수한 습윤성과 흐름 특성을 가지고; (3) 일반적으로 비활성이고 pH의 양쪽 극단(정제 화학의 합성용)에서의 광범위한 부식 환경을 견디며; (4) 제조 및 제품의 작업 온도 범위 전체에 걸쳐서 저 실 응력을 제공하기 위하여 알루미나 세라믹과 부합가능한 열 팽창 특성을 가진 유리 조성물에 관한 것이다.

이러한 바람직한 특성은 알루미나와 같은 내화성 재료와 함께 프릿으로 사용하기 위해 적합하면서 다음의 몰 퍼센트(mol %)의 유리 조성물을 포함하는 지르코늄- 및 알루미나-함유 규산염 유리에 의해 제공된다:

2 < B₂O₃ < 7 mol %

75 < SiO₂ < 80 mol %

3 < Al₂O₃ < 5 mol %

2 < ZrO₂ < 5 mol %

9 < Na₂O + K₂O < 15 mol %

0 < 알칼리 토 + 란탄족 원소 < 15 mol %

여기서, SiO₂, Al₂O₃ 및 ZrO₂를 모두 합친 총 몰 퍼센트는 82 초과이나 86 미만이며, B₂O₃, Na₂O, K₂O, 알칼리 토 및 란탄족 원소들의 총 몰 퍼센트는 13 초과이며 18 미만이다. 본 발명은 이러한 재료에 관한 것이며, 프릿, 조성물, 이들로부터 만들어지거나 이들과 함께 만들어지는 유체역학 장치에 관한 것이다.

본 발명의 재료와 함께 일반적으로 유용한 산화 알루미늄 기판 또는 산화 알루미늄 입자와 같은 기판 및/또는 입자는 통상 50-85 x 10^-7/℃, 바람직하게는 55 내지 80 x 10^-7/℃(300℃)의 범위에서의 CTE를 가지며, 상기 유리 재료가 열팽창을 약간 낮춤에 따라 상기 유리 재료는 바람직한 작동 온도에 걸쳐서 다소 압축되게 된다.

추가적으로, 본 발명은 유리, 및 이로부터 만들어지는 프릿(frit)에 관한 것이며 다음의 조성을 갖는다:

1. B₂O₃ = 3.2 ± 1.1 mol %

SiO₂ = 76.5 ± 1.4 mol %

Al₂O₃ = 3.1 - 4 mol %

ZrO₂ = 2.9 ± 0.8 mol %

Na₂O = 14.4 ± 0.5 mol %

2. B₂O₃ = 3.2 ± 0.3 mol %

SiO₂ = 76.5 ± 0.7 mol %

Al₂O₃ = 3.1 - 3.4 mol %

ZrO₂ = 2.9 ± 0.3 mol %

Na₂O = 14.4 ± 0.4 mol %

3. B₂O₃ = 5.3 ± 1.6 mol %

SiO₂ = 76.5 ± 1.4 mol %

Al₂O₃ = 3.1 - 4 mol %

ZrO₂ = 2.9 ± 0.8 mol %

Na₂O = 12.3 ± 2.6 mol %

본 발명에 의한 유리 조성물은 결정화하지 않거나 결정화하는 경향이 매우 적다는 점에서 프릿으로 사용하기에 적합하다. 더욱이, 본 발명에 의한 유리 조성물은 900℃미만, 바람직하게는 850℃미만의 연화점을 가진다. 저연화점은 여러 가지 이유로 상당히 바람직하다. 저연화점 재료는 공정에 대해서 더욱 적은 에너지를 필요로 하는 중요한 환경적 이점 및 경제적 이점을 제공한다. 더욱이 850℃미만 또는 900℃미만의 연화점을 갖는 재료는 850-900℃ 범위의 온도에서 표준 산업 가공 장비(standard industrial processing equipment)를 사용하여 일반적으로 소결될 수 있으나, 더 높은 연화점에서는 전형적으로 전문 장비를 필요로 한다. 또한, 저연화점이 유리 조성물과 부합할 수 있는 재료의 범위를 증가시키는데, 이는 최대 가공 온도와 전체 가공 온도의 범위 모두가 감소하기 때문이며, 잠재적으로 부합가능한 재료에 대한 성능 요건을 낮춘다. 그러나 더욱이, 900℃ 미만, 바람직하게는 850℃ 미만의 연화 온도는 유리 구성성분의 과도한 확산 및 이로 인한 알루미나와 반응하는 결과를 일으키지 않도록 하기에 충분히 낮은 소결 온도이나, 유리-알루미나 경계면에서의 우수한 습윤성과 매우 제한된 확산만 제공하기에는 충분히 높은 소결 온도가 되도록 한다.

도1A-1D는 조립되는 공정에서의 미세반응기 또는 미세유체 장치의 단면(cross sections)이다.
도 2는 미세유체 장치 또는 미세반응기 또는 압출된 모놀리스(monolith)의 셀(cell)에 형성된 미니반응기(minireactor)의 또 다른 유형의 평면도이다.
도 3은 화살표를 사용하여 도 2 및 도 3의 반응기안에서 유로(fluid path)의 일반적인 배열을 도시하는, 도 2의 반응기에 대한 투시도이다.
도 4는 도 2 및 도 3에서 도시된 유형의 장치의 단면인데, 상기 단면에서는, 본 발명의 재료에 의해 바람직하게 형성된 플러그(plug)의 위치와 기능이 도시될 수 있다.
도 5는 백만분율 단위로, 섭씨 온도(℃)함수로서, 표I의 유리 I2와 96% 알루미나 사이에서의 열 팽창 불일치(thermal expansion mismatch)의 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 복합물의 연마 및 식각된 샘플의 현미경 확대도이며, 유리 매트릭스에 의한 알루미나 입자의 우수한 습윤성을 나타내고, 유리/입자 경계면에서 100-200㎚ 두께의 얇은 확산층을 나타낸다.

본 발명의 개요 부분에서 상기 언급한 대로, 도1A-1D는 매우 일반적인 방법으로 기판(102)와 기판(104)사이에 낀 프릿-기반 벽을 갖는 미세유체 장치 또는 미세반응기의 제조의 기본적인 단계를 나타낸다. 도 1에서 설명된 단계는 다양한 방법으로, 가령, 단지 두 기판(102) 및 (104) 이상을 포함하거나 도1C에서 마주보는 표면 모두에 프릿 벽을 형성하여 수정될 수 있어서, 그 결과 더욱 다양한 구조물을 얻을 수 있다. 간단하던지 복잡하던지 간에, 최종 미세유체 장치(12)는 소결된 프릿(200), 제1기판(102) 및 제2기판(104)를 포함하는데, 상기 소결된 프릿은 복합물 (600)을 형성하는 필러(filler)를 더한 소결된 프릿의 형태일 수 있으며, 상기 소결된 프릿(200), 상기 제1기판(102) 및 상기 제2기판(104)이 함께 부착되어서 일체형 장치 (one-piece device) (12)를 형성하며, 상기 장치에는 소결된 프릿(200)이 제1기판(102)와 제2기판(104)사이에 하나 이상의 오목부(250)를 한정한다.

도 2-4는 또 다른 유형의 미세반응기 장치(12)를 나타내는데, 때로는 또한 "미니반응기" (12)로 언급되었다. 도 2-4에서 도시된 미니반응기(12)는 일반적으로 압출된 몸체(20)안에서 형성된다. 압출된 몸체(20)은 공통 방향으로 연장하는 다수의 셀(22,24)을 가지며, 이들 중 일부는 개방된 셀(22)이고, 이들 중 일부는 밀폐된 셀(24)이다. 페쇄된 셀(24)는 대체로 단일 또는 연속 플러그 또는 플러그 재료(26)에 의해 밀폐된다. 도시된 구체예에서, 상기 플러그 재료(26)는 그것을 통해서 이들 각각은 입력/출력 포트(port)로서 제공되는 두 개의 개구부(30)를 가진다. 유체 통로 또는 유로(32)는 하나 또는 그보다 작은 밀폐된 셀(24)을 따라서 그 뒤에 하나 또는 그보다 작은 또 다른 밀폐된 셀(24)을 따라서 앞뒤로 따르는 S자로(serpentine path)(32)의 형태로 도3에서의 화살표에 의해 도시된 바와 같이 밀폐된 셀(24)안으로 제공된다. 도 2-3에서 도시된 것과 유사한 장치의 일부를 상세하게 나타낸 단면도가 도 4에 도시된다. 플러그 또는 플러그 재료(26)는 외벽으로부터 통로의 그룹을 밀봉하기 위해 사용되는 반면, 유체는 일반적으로 S자 유로(32)를 따라 흐르게 되도록 이들 그룹사이의 벽은 감소된다.

도 2-4에서 도시된 유형의 장치(12)에서, 압출된 몸체는 유익하게는 알파 알루미나(산화 알루미늄)의 형태일 수 있고, 플러그 또는 플러그 재료(26)는 유리하게 본 발명의 유리의 소결된 프릿(200)의 형태를 취할 수 있거나, 본 발명의 복합물(600)은 도6과 관련하여 하기에 설명된다.

이와 유사하게, 본 발명에 따라서, 도1A-1D에서 도시된 유형의 미세반응기를 제조하는데 있어서, 300℃에서, 68 x　10^-7/℃의 CTE를 갖는 COORSTEK 96% (CoorsTek, Golden Colorado USA)와 같은 알파 알루미나로 제조되는 기판이 바람직하다. 따라서, 본 발명에 따라서, 프릿을 제조하기 위해 사용되는 바람직한 유리 재료는 적당한 열 팽창 재료가 된다. 표준 산업 장치의 경제적인 가공을 위해서, 또한 상기 유리 재료는 900℃를 초과하지 않는 바람직하게는 850℃를 초과하지 않는 연화점 온도를 가져야 한다. 또한, 상기 재료는 완전 치밀화 및 우수한 강도를 확실히 하기 위해서 우수한 결정화 저항성(crystallization resistance)을 가지며; 상기 재료는 산과 염기에 대한 우수한 화학 저항성을 가질 수 있으며, 우수하면 우수할수록 더 좋다. 본 발명의 지르코늄-및 알루미나-함유 규산염 유리 조성물은 이러한 기준을 만족한다.

본 발명의 유리는 다음의 몰 퍼센트 (mol %)의 조성물을 가진다:

2 < B₂O₃ < 7 mol %

75 < SiO₂ < 80 mol %

3 < Al₂O₃ < 5 mol %

2 < ZrO₂ < 5 mol %

9 < Na₂O + K₂O < 15 mol %, 및

0 < 알칼리 토 + 란탄족 원소 < 15 mol %

본 발명의 유리는 더욱이 SiO₂, Al₂O₃ 및 ZrO₂의 총 몰 퍼센트는 82 초과 86 미만이며, B₂O₃, Na₂O, K₂O, 알칼리 토 및 란탄족 원소들의 총 몰 퍼센트는 13 초과 18 미만이다. 본 발명은 이러한 재료 및 프릿, 복합물을 포함하고. 이들로부터 제조되는 유체 장치에 관한 것이다.

본 발명에서 설명된 유리 재료는 실리카, 붕산, 하소된 알루미나, 지르콘, 및 알칼리 카보네이트로부터 제조되었다. 혼합 후, 상기 유리화 가능한 혼합물은 백금-로듐의 도가니안에서 6시간 동안 1650℃에서 유도로(induction furnace)에서 용융되었다. 그 뒤, 용융된 유리는 물에서 급랭(quench)되며, 알루미나 볼 밀(alumina ball mill)을 사용하는 건조 조건에서 분쇄(mill)된다. 볼-밀된 분말(ball-milled powder)은 체로 걸러지며(<125㎛), d10=8㎛; d50=71㎛; 및 d90=185㎛의 입자크기 분포를 보이며, 샘플은 체로 걸러진 분말로부터 분말에 압력을 가하거나 알루미나 기판상에 프릿 페이스트(frit paste)를 몰딩하여 제조되었다.

벌크 유리의 결정화 저항성이 연화점 온도에서 48 시간 동안 연마된 벌크 샘플의 열 처리에 의해서 실험되었고 매뉴얼 검사 및 평가를 하였다.

열 팽창이 TMA(열 기계 분석)에 의해 측정되었다. 열 팽창은 냉각 후 보정된 빌레임 쿠폰(calibrated bilame coupons)의 곡률 표시 및 정도에 따라 조절되었다. 실 응력(seal stress)은 광탄성 기법을 통하여 실온 및 고온에서 검토되었다.

유리의 연화점 온도가 라비노법(Labino method)을 통하여 측정되었다. +25℃의 교정은 표 1에서의 값을 얻기 위하여 미가공 데이타에 적용되었는데, 여기서 값은 연화점의 실제 값(섬유 신장에 의해 확인된 바와 같음)을 의미한다. 6개의 비교 유리 C1-C6 및 본 발명의 유리 I1 및 I2에 대한 데이타가 도시된다.

화학적 내구성이 ISO 12116 (산), 및 ISO 695 (염기)에 따라서 산성 또는 염기성 매질에 침수된(immersed) 샘플의 중량 손실을 측정하여 결정되었다.

본 발명의 유리가 우수한 화학적 내구성을 가진다. 이는 DIN 12116하의 실험에서 10㎎/d㎡미만의 내산성이 손실되고, 더욱 바람직하게는 1㎎/d㎡미만이 손실되는 것이 바람직하다. 더욱이, 이러한 유리는 ISO 695하의 실험에서 내염기성의 100㎎/d㎡미만이 손실되고, 더욱 바람직하게는 30㎎/d㎡미만이 손실되는 것이 바람직하다. 표 1의 유리 I2의 성능은 실제로 <0.1 ㎎/d㎡으로 PYREX® 7740의 내산성과 동일하고, 27 ㎎/d㎡으로 이의 내염기성(110㎎/d㎡)을 완전히 초과한다. 조성물에서 다량의 산화나트륨의 존재에도 불구하고, 본 발명의 유리는 우수한 내산성( 클래스 1) 및 대단히 우수한 내염기성(클래스 A1)을 유지한다.

상기 유리 조성물에서 알루미나 및 상당한 수준의 지르코니아(Si+Al+Zr > 82%)의 존재에 따른 고함량의 실리카는 이러한 뛰어난 성과의 근원으로 예상된다. 산화 지르코늄은 내산성의 심한 손실없이 규산염에서 우수한 내염기성을 제공하는 것으로 생각된다. 유리의 내염기성 감소는 산화 지르코늄이 존재하지 않는 비교 조성물 C6로 인식될 수 있다.

고함량의 내화성 산화물은 유리를 전형적인 산업 장비로 용융시키기는 것이 불가능할 수 있다. 그러므로, 플럭싱 구성 요소(fluxing component)의 충분한 수준의 존재는 유리의 우수한 용융특성을 보장하고 허용 수준에서 점도의 유지(즉, 900℃ 미만의 연화점 및 바람직하게는 850℃ 미만의 연화점을 유지함)하는 것이 바람직하다. 이러한 요건을 만족시키기 위해서, 붕소, 나트륨 및 칼륨의 총합이 13% 초과해야 한다. 그러나, 과도한 양(18% 초과)은 유리를 덜 내구성 있게 만든다. 더욱이, 지르코늄의 일부를 알루미늄으로 대체한 경우 유리 점도의 실질적인(바람직한) 감소가 관찰되었는데, 이는 비교예 C4 대 비교예 C5의 비교에 의해 알 수 있다. 또한 알칼리 토금속 및/또는 란탄족 원소들은 이들의 합이 15%를 초과하지 않는다면, 유리하게 유리 점도를 낮추도록 도입될 수도 있다.

그 외 다른 유리의 특성을 유지한다면, 본 발명의 유리의 열 팽창은 일반적으로 나트륨 및 붕소의 함량을 변화시켜 조절될 수 있다. 실리카의 높은 함량(75% 초과)은 유리 내구성을 보장하기 위해 필요하나, 이러한 함량의 실리카가 열 팽창을 용인할 수 없게 낮추기 때문에 실리카는 80%를 초과할 수 없다. 현재의 바람직한 유리 조성물 I2의 CTE는 실온에서 약 50 ppm 불일치인 사용된 알루미나 세라믹(COORSTEK 96%)의 CTE가 본질적으로 완전히 일치된다. 온도에 따른 동적 불일치가 버트 실(butt seal)에 대해서 기록되고, 이러한 결과는 백만분율 단위로 ℃의 온도 함수로 도 5에 도표화 되었다. 가열 동안 곡선은 밀폐된 다이아몬드형 (502)로 도시되어 있고, 냉각 동안 곡선은 개방된 사각형 (504)로 도시되어 있다.

본 발명의 유리 프릿은 알루미나 입자와 혼합되어 열 전도성 유리 조성물을 생산할 수 있다. 추가로 혼합되는 알루미나 분말과 연소(fire)하는 동안, 유리 매트릭스는 알루미나 입자의 표면에 적절히 적신다. 이는 저 계면 저항성(low interfacial resistance)을 갖는 유리 조성물을 제조하기 위한 중요한 특징이다. 100-200㎚의 얇은 확산층은 유리 입자 계면에서 실제로 형성된다. 이러한 확산층은 연마된 샘플을 희석된 플루오르화 수소산 용액으로 식각(etching) 후 광학현미경 사진에서 관찰될 수 있다. 도 6은 본 발명의 복합물(600)의 이러한 식각 연마된 샘플의 대조-향상된(contrast-enhanced) 현미경 사진이다. 알루미나(602)의 입자는 유리 매트릭스(604)안에 완전히 매립된(well-embedded) 것을 관찰할 수 있다. 유리에 의해 완전히 적셔진 입자(602)는 입자(602) 및 매트릭스(604) 사이의 우수한 균일성(두께에서) 및 확산층(606)의 우수한 얇음이 관찰될 수 있다.

도6의 현미경 사진에서 도시된 바와 같은 충전된 유리 복합물은 측정된 열 전도성이 2.2 Ｗ/mＫ로 생산되었다. 이러한 복합물에 대해서, 30 부피%의 알루미나 입자(150 메쉬)가 유리 프릿에 첨가되었다. 이러한 충전된 유리를 사용하여 제조된 알루미나 미세반응기의 총괄 열전달계수는 약 700 Ｗ/㎡Ｋ로부터 약 1400 Ｗ/㎡Ｋ까지, 이에 상응하는 유리 장치 구성 성분과 비교하여 두 개의 요인(factor)에 의하여 증가되었다. 또한, 본 발명은 이러한 복합물 및 본 발명의 유리 또는 복합물을 포함하는 미세유체 장치에 관한 것이다.

본 발명은 제한된 수의 구체예에 관하여 설명되었지만, 이러한 개시의 이점을 갖는 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서에서 개시된 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 고안될 수 있는 그 외 다른 구체예를 알아낼 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에만 한정되는 것은 아니다.

Claims

다음과 같은 몰 퍼센트 (mol %)의 조성물을 포함하는 알루미나와 같은 내화성 재료를 갖는 프릿(frit)으로 사용하기 위한 결정화 저항성 지르코늄- 및 알루미나-함유 규산염 유리:
2 < B₂O₃ < 7 mol %
75 < SiO₂ < 80 mol %
3 < Al₂O₃ < 5 mol %
2 < ZrO₂ < 5 mol %
9 < Na₂O + K₂O < 15 mol %
0 < 알칼리 토 + 란탄족 원소 < 15 mol %,
여기서, SiO₂, Al₂O₃ 및 ZrO₂의 총 몰 퍼센트는 82 초과 86 미만이며, B₂O₃, Na₂O, K₂O, 알칼리 토 및 란탄족 원소들의 총 몰 퍼센트는 13 초과 18 미만임.
청구항 1에 있어서,
상기 유리는 900℃ 미만의 연화점을 가지며, DIN 12116 내산성 실험하에서 10 ㎎/d㎡미만을 손실하고, ISO 695 내염기성 실험하에서 100 ㎎/d㎡미만을 손실하는 것을 특징으로 하는 유리.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 유리는 ISO 695 내염기성 실험하에서 30 ㎎/d㎡미만을 손실하는 것을 특징으로 하는 유리.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리는 850℃ 미만의 연화점을 갖는 것을 특징으로 하는 유리.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리는 다음을 포함하는 것을 특징으로 하는 유리:
B₂O₃ = 3.2 ± 1.1 mol %
SiO₂ = 76.5 ± 1.4 mol %
Al₂O₃ = 3.1 - 4 mol %
ZrO₂ = 2.9 ± 0.8 mol %
Na₂O = 14.4 ± 0.5 mol %.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리는 다음을 포함하는 것을 특징으로 하는 유리:
B₂O₃ = 3.2 ± 0.3 mol %
SiO₂ = 76.5 ± 0.7 mol %
Al₂O₃ = 3.1 - 3.4 mol %
ZrO₂ = 2.9 ± 0.3 mol %
Na₂O = 14.4 ± 0.4 mol %.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 유리를 포함하는 유리 프릿.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 따른 유리를 포함하는 유리 프릿을 포함하는 벽 (202b)를 포함하는 미세유체 장치(12).
소결된 프릿(200,600); 제1기판(102); 및 제2기판(104)를 포함하며; 상기 소결된 프릿 (200,600), 상기 제1기판(102) 및 제2기판(104)은 일체형 장치(one-piece device)(12)를 형성하기 위해서 함께 부착되고, 여기서 상기 소결된 프릿 (200,600)은 제1기판(102)과 제2기판(104) 사이에 적어도 하나의 오목부(recess) (250)를 한정하며, 여기서 상기 소결된 프릿(200,600)은 다음의 몰 퍼센트(mol %)를 포함하는 결정화 저항성 지르코늄- 및 알루미나-함유 규산염 유리를 포함하고:
2 < B₂O₃ < 7 mol %
75 < SiO₂ < 80 mol %
3 < Al₂O₃ < 5 mol %
2 < ZrO₂ < 5 mol %
9 < Na₂O + K₂O < 15 mol %
0 < 알칼리 토 + 란탄족 원소 < 15 mol %
여기서, SiO₂, Al₂O₃ 및 ZrO₂의 총 몰 퍼센트는 82 초과 86 미만이며, B₂O₃, Na₂O, K₂O, 알칼리 토 및 란탄족 원소들의 총 몰 퍼센트는 13 초과 18 미만인 미세유체 장치(12).
청구항 11에 있어서,
상기 규산염 유리는 850℃ 미만의 연화점을 가지며, DIN 12116 내산성 실험하에서 10 ㎎/d㎡미만을 손실하고, ISO 695 내염기성 실험하에서 100 ㎎/d㎡ 미만을 손실하며, 상기 소결된 프릿은 알파 알루미나와 접촉하여 소결된 후에 10 ㎛ 이하의 결정화층을 갖는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
상기 제1기판(102)는 알파 알루미나를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
청구항 9 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소결된 프릿 (200,600)은 알파-알루미나 입자를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
청구항 9 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
상기 규산염 유리는 DIN 12116 내산성 실험하에서 1 ㎎/d㎡ 미만을 손실하는 것을 특징으로 하는 미세유체 역학 장치.
청구항 9 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
상기 규산염 유리는 ISO 695 내염기성 실험하에서 30 ㎎/d㎡ 미만을 손실하는 것을 특징으로 하는 미세유체 역학 장치.
그 속에 공통 방향을 따라 연장하는 셀을 구비한 압출된 몸체(20)를 포함하며, 상기 압출된 몸체(20)는 상기 압출된 몸체(20)의 셀(24)을 선택적으로 차단하는 플러그 재료(26)에 의해 그 속에 부분적으로 한정된 유로(32)를 가지며, 상기 플러그 재료(26)는 소결된 프릿(200,600)을 포함하고, 상기 프릿(200,600)은 다음의 몰 퍼센트(mol %)를 포함하는 결정화 저항성 지르코늄- 및 알루미나-함유 규산염 유리를 포함하며:
2 < B₂O₃ < 7 mol %
75 < SiO₂ < 80 mol %
3 < Al₂O₃ < 5 mol %
2 < ZrO₂ < 5 mol %
9 < Na₂O + K₂O < 15 mol %
0 < 알칼리 토 + 란탄족 원소 < 15 mol %
여기서, SiO₂, Al₂O₃ 및 ZrO₂의 총 몰 퍼센트는 82 초과 86 미만이며, B₂O₃, Na₂O, K₂O, 알칼리 토 및 란탄족 원소들의 총 몰 퍼센트는 13 초과 18 미만인 미세유체 장치(12).
청구항 15에 있어서,
상기 규산염 유리는 850℃ 미만의 연화점을 가지며, DIN 12116 내산성 실험하에서 10 ㎎/d㎡미만을 손실하고, ISO 695 내염기성 실험하에서 100 ㎎/d㎡ 미만을 손실하며, 상기 소결된 프릿은 알파 알루미나와 접촉하여 소결한 후에 10 ㎛ 이하의 결정화층을 갖는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
상기 압출된 몸체(20)는 알파 알루미나를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
청구항 15 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
상기 규산염 유리는 DIN 12116 내산성 실험하에서 1 ㎎/d㎡미만을 손실하는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
청구항 15 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,
상기 규산염 유리는 ISO 695 내염기성 실험하에서 30 ㎎/d㎡ 미만을 손실하는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
알파 알루미나 입자 및 청구항 7에 따른 프릿을 포함하며, 여기서, 상기 프릿은 소결되고, 상기 입자는 소결된 프릿에 매립된 복합 재료(600).