KR102128637B1

KR102128637B1 - 인접 간접 노출을 이용한 중합체 재료의 대기압 플라즈마 프로세싱

Info

Publication number: KR102128637B1
Application number: KR1020157016551A
Authority: KR
Inventors: 펠릭스 에이 파울라우스카스; 트루먼 에이 본즈
Original assignee: 유티-배텔, 엘엘씨; 리맥스코 테크놀로지스, 엘엘씨
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2020-07-01
Also published as: US20160355614A1; EP2920808A1; US9447205B2; US20140142255A1; KR20150108355A; EP2920808B1; HUE044728T2; JP2016504713A; JP6257639B2; TR201909228T4; WO2014078821A1; US10138305B2

Abstract

중간 가열 용적 및 내부 처리 용적을 포함하는 처리 챔버를 제공하는 것을 포함하는 플라즈마 처리 방법이 제공된다. 내부 처리 용적은 플라즈마를 생성하기 위한 전극 어셈블리를 포함하고 상기 중간 가열 용적은 상기 내부 처리 용적을 가열한다. 작업편은 처리 챔버를 통해 가로놓인다. 프로세스 가스는 처리 챔버의 내부 처리 용적으로 도입된다. 플라즈마가 프로세스 가스로부터 전극 어셈블리로 형성되고, 플라즈마의 반응성 종은 전극 어셈블리에 의해 내부 처리 용적에 생성된 유동 와류들에 의해 섬유 토우를 향해 가속된다.

Description

인접 간접 노출을 이용한 중합체 재료의 대기압 플라즈마 프로세싱 {ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMA PROCESSING OF POLYMERIC MATERIALS UTILIZING CLOSE PROXIMITY INDIRECT EXPOSURE}

연방이 후원하는 연구 또는 개발 관련

진술

본원은 미국 에너지부와 UT-Battelle, LLC 간의 계약 번호 DE-AC05-00OR22725 하의 정부 후원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 있어서 일정한 권리들을 갖는다.

본 발명의 기술 분야

본 개시는 중합체 재료의 안정화 및 산화를 위한 장치 및 방법에 관한 것이고, 보다 구체적으로 중합체 재료의 플라즈마 기반 안정화 및 산화를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

열가소성계 섬유, 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 로부터 탄소 섬유들의 제조는 통상적으로, 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 섬유들이 먼저, 대형 노의 내부에서 장력하에 유지되는 동안, 산화성 분위기에서 주위 (ambient) 내지 약 300 ℃ 범위의 온도로 처리되는, 다단계 프로세스이다. 산화된 섬유들은 후속하여, 비활성 분위기에서 약 500 ℃ 온도에서 시작하고 약 1000 ℃ - 1200 ℃ 에 이르기까지 계속되는 온도에서 탄화되고 (탄화 단계) 다음으로 약 3000 ℃ 에 이르기까지 선택적으로 더 가열된다. 전통적으로, 제 1 산화 또는 안정화 프로세싱 단계는 종래 탄소 섬유 제조에 있어서 가장 시간 소모적이고 율속 (rate-limiting) 인 단계이다.

개요

본 개시의 일 실시형태에서, 내부 처리 용적 (interior treatment volume) 및 가열원을 포함하는 챔버를 포함하는 플라즈마 처리 장치가 제공된다. 프로세스 가스 유입구는 내부 처리 용적 안으로 연장된다. 작업편은 내부 처리 용적을 통해 인출되고, 여기서 작업편은 챔버의 제 1 단부에서 내부 처리 용적에 진입하고 챔버의 제 2 단부에서 내부 처리 용적을 빠져나간다. 전극 어셈블리는 작업편에 인접한 내부 처리 용적에 존재한다. 전극 어셈블리는 유전체 배리어, 및 서로 분리된 유전체 배리어의 표면에 존재하는 적어도 2개의 플라즈마 생성 전극들을 포함한다.

본 개시의 또 다른 양태에서, 외부 쉘, 내부 처리 용적 및 중간 가열 용적을 갖는 챔버를 포함하는 플라즈마 처리 장치가 제공되고, 내부 처리 용적은 내부 쉘에 의해 중간 가열 용적으로부터 분리된다. 적어도 하나의 프로세스 가스 유입구는 챔버의 내부 처리 용적으로 적어도 하나의 반응성 종 생성 가스를 도입한다. 적어도 하나의 프로세스 가스 유입구는 외부 쉘로부터 내부 처리 용적 및 내부 쉘을 통해 내부 처리 용적으로 연장된다. 작업편은 내부 처리 용적을 통해 연장된다. 플라즈마 처리 장치는 또한, 작업편이 챔버의 제 1 단부로부터 챔버의 제 2 단부로 이동함에 따라 전극 어셈블리를 통과하도록 챔버의 내부 처리 용적에 존재하는 전극 어셈블리를 포함한다. 전극 어셈블리는 적어도 하나의 프로세스 가스로부터 플라즈마를 생성하고 유동 와류를 유도하여 플라즈마로부터 작업편으로 반응성 종을 가속시킨다.

또 다른 양태에서, 플라즈마 처리 방법이 제공된다. 일 실시형태에서, 플라즈마 처리는 중간 가열 용적 및 내부 처리 용적을 포함하는 챔버를 제공하는 것을 포함한다. 내부 처리 용적은 플라즈마를 생성하기 위한 전극 어셈블리를 포함한다. 중간 가열 용적은 내부 처리 용적을 가열한다. 작업편은 내부 처리 용적을 통해 가로놓인다. 프로세스 가스는 내부 처리 용적으로 도입된다. 플라즈마는 프로세스 가스로부터 전극 어셈블리로 형성된다. 플라즈마의 반응성 종은 전극 어셈블리에 의해 생성된 유동 와류에 의해 작업편을 향해 가속된다.

예시로서 주어지고 본 개시를 오로지 그것에 한정하는 것으로 의도되지 않은 이하의 상세한 설명은 첨부 도면들과 함께 가장 잘 이해될 것이고, 첨부 도면들에서 같은 참조 부호는 같은 요소 및 부분들을 나태내고, 여기서:
도 1은 본 개시의 일 실시형태에 따라, 작업편에 인접 간접 노출 (close proximity indirect exposure; CPIE) 플라즈마 처리 프로세스를 적용하기 위한 플라즈마 처리 장치의 처리 챔버의 등각도이다.
도 2a는 본 개시의 일 실시형태에 따라, 작업편에 인접 간접 노출 (CPIE) 플라즈마 처리를 적용하기 위한 처리 챔버의 단부 단면도로서, 여기서 처리 챔버 내에 존재하는 전극 어셈블리는 직사각형 형상의 플라즈마 생성 전극들을 포함하고, 전극들의 길이는 작업편의 길이에 평행하다.
도 2b는 본 개시의 일 실시형태에 따른, 도 2a에 도시된 처리 챔버의 측 단면도이다.
도 3a는 본 개시에 따라, 작업편에 인접 간접 노출 (CPIE) 플라즈마 처리를 제공하기 위한 처리 챔버의 단부 단면도이며, 여기서 처리 챔버 내에 존재하는 전극 어셈블리는 직사각형 형상의 플라즈마 생성 전극들을 포함하고, 전극들의 길이는 작업편의 길이에 수직하다.
도 3b는 본 개시의 일 실시형태에 따른, 도 3a에 도시된 플라즈마 처리 장치의 측 단면도이다.
도 3c는 본 개시의 일 실시형태에 따른, 플라즈마 처리 장치의 또 다른 실시형태의 측 단면도이다.
도 4a는 본 개시의 일 실시형태에 따라, 플라즈마를 생성하고 유동을 유도하는 것으로서, 주위 용적 제약들과 조합하여, 플라즈마에 의해 생성된 반응성 종을 가속하고 처리 챔버의 내부 처리 용적 내의 열적 균일성을 증진시키는 유동 와류를 생성하도록 하는 그러한 식으로 구성되는, 유전체 배리어 및 적어도 2개의 플라즈마 생성 전극들을 포함하는 전극 어셈블리를 포함하는 처리 챔버의 단부 단면도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 처리 챔버의 단면 선 B-B를 따라 위에서 아래로 본 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시형태에 따라, 작업편이 관통하는 처리 챔버의 내부 처리 용적 내에 일렬로 배치된 복수의 유전체 배리어 플라즈마 방전 전극 어셈블리들을 도시하는 위에서 아래로 본 도면이며, 여기서 전극들의 각각은 작업편의 길이와 평행한 길이를 갖는 직사각형의 기하학적 구조를 갖는다.
도 6은 본 개시의 일 실시형태에 따라, 플라즈마 처리 장치를 위한 처리 챔버의 내부 처리 용적 내의 복수의 플라즈마 생성 전극 어셈블리들의 또 다른 실시형태를 도시하는 위에서 아래로 본 도면이다.
도 7 은 본 개시의 일 실시형태에 따른, 다중 통과 (multi-pass) 구성의 일 실시형태를 예시하는 산화 모듈의 정면도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시형태에 따라, 작업편이 관통하는 플라즈마 처리 장치의 처리 챔버의 내부 처리 용적 내에 일렬로 배치된 복수의 유전체 배리어 플라즈마 방전 전극 어셈블리들을 도시하는 위에서 아래로 본 도면이며, 여기서 전극들은 직사각형 기하학적 구조를 갖고 전극 어셈블리들의 길이는 작업편의 길이와 수직하다.
도 9는 본 개시에 따라, 전기수력학적 유동 효과를 유도하지 않는 플라즈마 처리 장치의 처리 챔버의 내부 처리 용적 내의 배치를 위한 복수의 플라즈마 생성 전극 어셈블리들의 또 다른 실시형태를 도시하는 정면도이다.
도 10은 본 개시에 따라, 전극들의 길이간의 차이가 전기수력학적 유동 효과를 유도하는 플라즈마 처리 장치의 처리 챔버의 내부 처리 용적 내의 단일 또는 복수의 플라즈마 생성 전극 어셈블리들의 또 다른 실시형태를 도시하는 정면도이다.
도 11a는 본 개시에 따른, 직사각형 기하학적 구조를 갖는 플라즈마 생성 전극 어셈블리의 또 다른 실시형태의 위에서 아래로 본 도면을 도시한다.
도 11b는 도 11a에 도시된 플라즈마 생성 전극 어셈블리의 단면 등각도이다.
도 12a는 본 개시에 따른, 직사각형 기하학적 구조를 갖는 플라즈마 생성 전극 어셈블리의 또 다른 실시형태의 위에서 아래로 본 도면을 도시한다.
도 12b는 도 12a에 도시된 플라즈마 생성 전극 어셈블리들의 단면 등각도이다.
도 13a는 본 개시에 따른, 원형 기하학적 구조를 갖는 플라즈마 생성 전극 어셈블리의 또 다른 실시형태의 위에서 아래로 본 도면을 도시한다.
도 13b는 도 13a에 도시된 플라즈마 생성 전극 어셈블리의 등각 단면도이다.
도 14a는 본 개시에 따른, 원형 기하학적 구조를 갖는 플라즈마 생성 전극 어셈블리의 또 다른 실시형태의 위에서 아래로 본 도면을 도시한다.
도 14b는 도 14a에 도시된 원형 기하학적 구조를 갖는 플라즈마 생성 전극 어셈블리의 등각 단면도이다.
도 15는 유도 플라즈마 토치의 화도이다.
도 16은 평면 구성을 갖는 유도 플라즈마 토치의 구성도이다.
도 17은 마이크로파 플라즈마 디바이스의 구성도이다.
도 18은 전자 사이클로트론 공명 (ECR) 플라즈마 디바이스의 구성도이다.
도 19a는 본 개시의 일 실시형태에 따른, 다수의 전극 어셈블리들을 포함하는 인접 간접 노출 (CPIE) 플라즈마 처리 디바이스의 단부 단면도이다.
도 19b는 도 19a에 도시된 인접 간접 노출 (CPIE) 플라즈마 처리 디바이스의 측 단면도이다.

본 개시의 상세한 실시형태들이 여기서 설명된다; 하지만 개시된 실시형태들은 다양한 형태로 구체화될 수도 있는 본 개시의 조성, 구조 및 방법의 예시일 뿐이라는 것이 이해되야 한다. 또한, 다양한 실시형태들과 함께 주어진 실시예들의 각각은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 의도된다. 또한, 도면들은 반드시 비례적인 것은 아니며, 일부 특징들이 특정 컴포넌트들의 상세들을 보여주기 위하여 과장될 수도 있다. 그러므로, 여기에 개시된 특정 구조적 및 기능적 상세들은 제한적인 것으로서 해석되는 것이 아니라, 단지 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 여기에 개시된 조성, 구조 및 방법을 다양하게 채용하도록 교시하기 위한 대표적인 기준으로서 해석되야 한다. 명세서에서 "일 실시형태", "실시형태", "예시적 실시형태" 등에 대한 언급은 설명된 실시형태들이 특정 특징, 구조 또는 특성을 포함할 수 있지만, 모든 실시형태가 그 특정 특징, 구조 또는 특성을 반드시 포함할 필요는 없을 수도 있다는 것을 나타낸다. 또한, 그러한 어구들은 동일한 실시형태를 반드시 지칭할 필요는 없다.

여기에 사용된 용어 "플라즈마" 는 입자들의 일정 부분이 이온화되는 가스와 유사한 물질의 상태를 나타낸다. 플라즈마 상태는 일반적으로 물질의 제 4 상태로 지칭된다. 순수 열적 견지로부터, 고체를 가열하는 것이 고체를 용융시키거나 또는 액체를 가열하는 것이 액체를 증발시키는 것처럼, 가스를 충분히 가열하는 것은 플라즈마 상태로의 상 변화를 일으킬 것이다. 그래서, 가스를 충분히 가열하는 것은 그의 분자들 또는 원자들을 이온화 (그들내 전자들의 수를 감소 또는 증가) 시킬 것이며, 따라서 플라즈마로의 상 변화를 유도하고, 플라즈마는 대전 입자들: 정극 이온 및 부극 전자 또는 이온들을 포함한다. 플라즈마는 완전히 이온화 또는 부분적으로 이온화될 수 있다. 이온화는, 강한 전자기장과 같은 비열적인 메카니즘에 의해 유도될 수 있고, 존재한다면 분자 결합들의 해리를 동반할 수 있다. 플라즈마 기반 산업적 프로세싱 기법들은 "원격 노출" 또는 "직접 노출" 중 어느 하나를 포함할 수도 있다. 직접 노출 방법은 작업편을 직접 플라즈마 용적내에 담그는 것을 수반한다. 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 섬유에 관하여, 직접 노출 플라즈마 방법은 통상적으로, 충분히 현저한 산화를 유도하지 않으면서 재료에 너무 많은 손상을 입힌다. 원격 노출 (RE) 플라즈마 방법은 그 대신에, 플라즈마 용적 그 자체가 아니라, 플라즈마에 의해 생성된 반응성 종만을 이용한다. 통상적으로, (화학적 순도를 위해) 불소중합체로 통상적으로 만들어지지만, 이에 한정되지 않는, 소정 길이의 배관이 플라즈마 용적을 처리 용적에 연결하는데 사용된다. 플라즈마 용적으로부터 처리 영역의 분리의 길이의 효과에 대한 조사는 원격 노출 (RE) 플라즈마 프로세스에 대한 영향이 거의 없음을 보여줬다. 이것은, 수 분 정도의 반감기를 갖는 반응성 종들 대 수 밀리초 이하의 정도의 반감기를 갖는 반응성 종을 구분하는 현저한 반감기 임계치가 있다는 사실에 기인했다. 직접 노출 플라즈마 방법과 유사하게, 원격 노출 플라즈마 방법들은 또한 처리되고 있는 중합체 작업편을 손상시킬 수 있다. 직접 노출 및 원격 노출 양자 모두에서 중합체 작업편에 가해지는 온건한 손상은 그 결과로 생긴 탄소 섬유의 결과적인 탄화 기계적 성질을 제한한다.

일 실시형태에서, 여기에 개시된 방법 및 구조들은, 가열 처리 챔버 및 플라즈마 방전 챔버의 통합을 조합하는 방법 및 장치, 처리 챔버를 통해 중합체 섬유를 인출하기 위한 섬유 전달 기법, 및 플라즈마 생성된 반응성 종을 중합체 섬유로 가속하는 플라즈마 생성 방법으로, 직접 노출 및 간접 노출 플라즈마를 통한 산화와 같이 플라즈마 기반 프로세스들로 중합체 전구체들을 처리함에 있어서 위에 언급한 어려움들을 극복할 수 있다.

도 1은, 가열 처리 챔버, 즉, 중간 가열 용적 (10) 및 플라즈마 방전 챔버, 즉 내부 처리 용적 (5) 의 통합을 포함할 수도 있는 인접 간접 노출 (CPIE) 플라즈마 처리 프로세서를 제공하는 플라즈마 처리 장치의 처리 챔버 (100) 의 일 실시형태를 도시한다. 통상적인 원격 노출 (RE) 플라즈마 방법의 하나의 어려움은 처리 챔버 내의 열적 균일성 및 효율성의 부족이다. 일부 실시형태들에서, 도 1에 도시된 처리 챔버 (100) 는 원격 노출 (RE) 플라즈마 방법들과 비교할 때 증가된 열적 균일성 및 효율성을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 처리 챔버 (100) 전체에 걸쳐 열을 보다 균일하게 분배하기 위하여, 중간 가열 용적 (10) 은, 내부 처리 용적 (5) 에 존재하는 전극 어셈블리 (20) 에 의해 생성된 비대칭 전기장 구배로부터 발생되는 처리 용적 (5) 에서의 유동 와류에 의해 분배되는 대류 가열을 제공한다.

보다 구체적으로, 도 1에 도시된 처리 챔버 (100) 는, 내부 쉘 (9) 및 외부 쉘 (11) 이 내부 처리 용적 (5), 즉 플라즈마 방전 챔버의 가열원이 되는 중간 가열 용적 (10) 을 정의하는 대류 가열 제어를 이용한다. 이 내부 처리 용적 (5) 은, 내부 쉘 (9) 을 제공하는 재료에 의해 처리 챔버 (100) 의 노 부분, 즉 중간 가열 용적 (10) 으로부터 격리된다. 열 에너지가 중간 가열 용적 (10) 으로부터 내부 처리 용적 (5) 으로 확산된다. 내부 처리 용적 (5) 에서, 중합체 전구체의 섬유들이 섬유 토우 (fiber tow) 의 형태의 작업편 (6) 으로서 길이방향을 통해 인출된다.

도 1을 참조하면, 폭넓게 다양한 인클로저 ( enclosure) 형상들이, 원통형, 직사각형, 타원형, 정사각형, 또는 다른 일반적인 둘러싸는 단면이든, 처리 챔버 (100) 에 적합하다. 일부 실시형태들에서, 열적 인클로저로서 볼 수 있는 어느 것도 처리 챔버 (100) 로서 구현될 수 있다. 또한, 도 1은 처리 챔버 (100) 의 일 형태만을 도시할 뿐이다. 예를 들어, 또 다른 가능한 구성에서 다중 통과 구역들이 하나의 단일 원통형 단면 내에서 채용될 수도 있다.

도 1을 참조하면, 일 실시형태에서, 처리 챔버 (100) 의 외부 쉘 (11) 은 원통형 기하학적 구조를 갖는다. 처리 챔버 (100) 의 외부 쉘 (11) 은 임의의 기하학적 구조를 가질 수도 있으므로, 처리 챔버 (100) 의 외부 쉘 (11) 을 위한 원통형 기하학적 구조는 예시의 목적을 위해서만 제공되고, 본 개시를 그 기하학적 구조만으로 제한하도록 의도되지 않는다는 것에 유의한다. 예를 들어, 외부 쉘 (11) 은 직사각형 기하학적 구조를 갖는 것과 같이, 다중 측면의 기하학적 구조를 가질 수도 있다. 외부 쉘 (11) 은 스테인레스 강과 같은 금속으로 이루어질 수도 있다. 일 실시형태에서, 처리 챔버 (100) 의 외부 셀 (11) 은 중합체 및 세라믹과 같은 300 ℃ 보다 큰 온도에 노출될 수 있는 열적으로 절연성 재료들로 이루어질 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 처리 챔버 (100) 의 외부 셀 (11) 은 금속으로 이루어질 수도 있고 외부 쉘 (11) 의 외부 표면 주위에 존재하는 절연 블랭킷을 가질 수도 있다. 절연 블랭킷은 유리섬유계 절연, 세라믹계 절연으로 이루어질 수도 있거나 또는 중합체일 수도 있다. 외부 셀 (11) 이 원통형 기하학적 구조를 갖는 일 실시형태에서, 외부 셀 (11) 은 2 cm 내지 5000 cm 범위의 길이 L1 를 가질 수도 있고, 2 cm 내지 500 cm 범위의 직경 D1 을 가질 수도 있다.

처리 챔버 (10) 의 내부 쉘 (9) 은 중간 가열 용적 (10) 및 내부 처리 용적 (5) 의 용적을 정의한다. 도 1 에 도시된 실시형태에서, 내부 쉘 (9) 은 외부 쉘 (11) 의 원통형 기하학적 구조에 대응하는 원통형 기하학적 구조를 갖는다. 외부 쉘 (11) 과 유사하게, 내부 쉘 (9) 의 기하학적 구조는 원통에 한정되지 않는다. 예를 들어, 내부 쉘 (9) 은 또한, 기하학적 구조가 직사각형인 것과 같이, 다중 측면일 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 내부 쉘 (9) 은 전기 절연 재료로 이루어지고, 내부 쉘 (9) 의 재료는 내부 처리 용적 (5) 을 가열하기 위하여 열 에너지가 중간 가열 용적 (10) 으로부터 내부 처리 용적 (5) 으로 확산될 수 있게 한다. 내부 쉘 (9) 이 금속으로 이루어질 수도 있으므로, 내부 쉘 (9) 이 전기 절연 재료로 이루어질 필요는 없다. 내부 쉘 (9) 의 또 다른 기능은, 성질이 부식성 및 폭발성이 있을 수 있는, 프로세스 가스 및 프로세스 배기 가스를 둘러싸는 것이고, 외부 환경으로의 그들의 누출을 방지하는 것이다. 적절한 배기는 안전한 작업을 보장한다.

일부 실시형태들에서, 내부 쉘 (9) 의 재료는 유리, 세라믹, 운모, 금속, 임의의 고온 복합재 (금속, 중합체, 세라믹 및 이들의 조합물로 이루어질 수도 있다. 내부 쉘 (9) 의 치수들은, 내부 쉘 (9) 이 외부 쉘 (11) 내에 포함되고 내부 쉘 (9) 과 외부 쉘 (11) 을 분리하는 공간이 중간 가열 용적 (10) 을 제공하기에 충분하도록 선택된다. 일 실시형태에서, 내부 쉘 (9) 의 치수들은, 내부 쉘 (9) 과 외부 쉘 (11) 을 분리시키는 치수 W1 가 0.1 cm 내지 100 cm 의 범위가 될 수 있도록 선택된다. 또 다른 실시형태에서, 내부 쉘 (9) 및 외부 쉘 (11) 을 분리시키는 치수 W1 는 1 cm 내지 10 cm 의 범위일 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 중간 가열 용적 (10) 은 대류 열에 의해 내부 처리 용적 (5) 의 온도를 증가시킨다, 즉, 중간 가열 용적이 대류 가열기의 컴포넌트이다. "대류 가열기" 는 에어 프로세스 가열기와 같이 가열 요소를 가로질러 그리고 다음으로 가열된 작업 산물 (work product) 로 순환하는 공기 대류 흐름에 의해 작동하는 가열기이다. 일 실시형태에서, 중간 가열 용적 (10) 을 위해 열을 생성하는 가열 요소는 저항 가열기, 즉 전기 가열기 요소이다. 일 실시형태에서, 가열 요소는 중간 가열 용적 (10) 에 존재하지 않지만, 중간 가열 용적 (10) 의 외부에 존재하고, 가열 요소에 의해 생성된 열은 공기에 의해 중간 가열 용적으로 수송된다. 다음으로, 열은 내부 쉘 (9) 을 통해 내부 처리 용적 (5) 으로 확산한다. 그러므로, 일부 예들에서, 전기 가열기 요소로부터의 전기 입력은 프로세스 공기를 가열하고, 차례로, 프로세스 공기는 중간 가열 용적 (10) 을 채우고 내부 처리 용적 (5) 의 벽을 가열, 즉 내부 처리 용적 (5) 을 가열하는 내부 쉘 (9) 을 가열함으로써 내부 처리 용적 (5) 을 가열한다. 가열 요소는, 카탈 (kathal) (FeCrAl), 니크롬 80/20, 구리 니켈 합금, 이규화몰리브덴 (MoSi₂) 및 알루미늄 (Al) 으로 도핑된 이규화몰리브덴으로 이루어지는 저항선 또는 리본일 수도 있다. 가열 요소는 또한, 양의 열 저항 계수 (PTCR) 세라믹, 이를테면 티탄산 바륨 및 티탄산 납 복합재로 이루어질 수도 있다. 가열 요소는 또한, 가열 램프, 전도 가열, 마이크로파 가열, 저항 가열 및 이들의 조합에 의해 제공될 수도 있다. 가열 요소에 의해 생성된 열을 중간 가열 용적으로 수송하기 위한 공기는 주입 포트 (41) 를 통해 전달되고 압축 가스원, 팬, 블로어에 의해 또는 굴뚝 효과를 제공하는 덕팅 (ducting) 에 의해 제공될 수도 있다.

여기에 개시된 방법 및 구조는 중간 가열 용적 (10) 을 가열하기 위한 대류 가열 방법들에 한정되지 않는다. 예를 들어, 중간 가열 용적 (10) 은 전도 가열, 적외선 가열, 유도 가열 및 마이크로파 가열 중 적어도 하나를 이용하여 가열될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 내부 처리 용적 (5) 의 전도 가열을 제공하기 위하여, 접촉 가열기들이 내부 처리 용적 (5) 의 벽, 즉 내부 쉘 (9) 에 부착될 수 있고, 열을 직접 내부 처리 용적 (5) 의 벽, 즉 내부 쉘 (9) 에 전할 수 있다. 그러한 접촉 가열기들은 통상적으로, 접촉 가열기 자체의 중간 기판을 통해 내부 처리 용적 (5) 의 벽으로 직접 열을 전하는 내부 전기 저항 요소들을 가질 수 있다. 가열기는 고온, 열 전도 접착제, 시멘트 또는 에폭시에 의해 벽에 접착될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 내부 처리 용적 (5) 의 적외선 가열을 제공하기 위하여, 적외선 가열기들이, 적외선 영역에서 강하게 흡수하고 따라서 가열하고 내부 처리 용적 (5) 으로 열 에너지를 전달하는, 내부 처리 용적 (5) 의 벽, 즉 내부 쉘 (9) 상의 코팅으로 열을 방출하는 그러한 식으로 설치된다. 또 다른 실시형태에서, 내부 처리 용적 (5) 의 적외선 가열을 제공하기 위하여, 내부 처리 용적 (5) 의 벽은, 그 벽이 적외선 에너지를 효율적으로 흡수할 수 있고 이에 의해 가열될 수 있는 재료로 구성된다는 점에서, 스스로, 즉 내부 쉘 (9) 에 의해 가열된다. 적외선 가열기들은 내부 처리 용적 벽이 IR 에너지에 투명하게 만들어질 때 처리 용적 외부에 배치될 수 있고 IR 에너지를 직접 작업편 (6) 으로 투과시킬 수 있다. 적외선 가열기들은 중간 가열 용적 (10) 내부에 설치될 수 있거나 또는 적외선 에너지가 직접 작업편 (6) 으로 투과되도록 플라즈마 전극들로부터 충분히 전기적으로 격리되고 화학적으로 격리되는 그러한 식으로 내부 처리 용적 (5) 에 탑재될 수도 있다. 적외선 가열기의 통상적인 예는, 전류가 통과할 때, 효율적으로 그 에너지를 적외선 방사로 변환하거나, 또는 전류가 통과할 때, 열 에너지를 적외선 방사로 효율적으로 변환하는 기판을 가열하는 전기 저항 요소이다.

일부 실시형태들에서, 마이크로파 에너지가 작업편 (6) 또는 챔버 벽, 즉 내부 쉘 (9) 을 가열하는데 이용될 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로파 에너지가 효율적으로 유용하기 위하여, 작업편 (6) 또는 챔버 벽, 즉 내부 쉘 (9) 중 어느 하나는 대부분의 마이크로파 에너지를 흡수할 수 있고 이를 열 에너지로 효율적으로 변환할 수 있어야 한다. 그러므로, 적외선 구성들에서와 유사하게 설명된 2개의 가능한 구성들이 존재한다. 가장 일반적인 마이크로파 에너지원은 마그네트론이다. 소스를 도파관들과 결합하는 것은 원하는 가열 효과를 달성할 수 있다.

일 실시형태에서, 중간 가열 용적 (10) 에서 생성된 열은, 실온, 예를 들어, 20° 내지 25 ℃ 로부터 500 ℃ 에 이르는 범위의 온도 만큼 내부 처리 용적 (5) 의 온도를 증가시킬 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 중간 가열 용적 (10) 에서 생성된 열은, 100 ℃ 로부터 300 ℃ 에 이르는 범위의 온도 만큼 내부 처리 용적 (5) 의 온도를 증가시킬 수도 있다.

처리 챔버 (100) 는 작업편 (6) 이 작업편 (6) 에 의해 처리 챔버 (100) 를 통해 인출될 수 있게 하기 위하여 처리 챔버 (100) 의 각각의 단부에 개구들을 포함할 수도 있다. 처리 챔버 (100) 의 각각의 단부에 있는 개구들은 크기가 정해질 수도 있고 임의의 수일 수도 있으며, 처리 챔버 (100) 를 통해 선택된 수의 작업편 (6) 이 인출될 수 있게 할 것이다. 처리 챔버 (100) 는 또한, 프로세스 가스 유입구 (30) 가 내부 처리 용적 (5) 으로 연장되는 개구들을 포함할 수도 있다. 비록 프로세스 가스 유입구 (30) 가 작업편 (6) 및 전극 어셈블리 (20) 위의 처리 챔버 (100) 의 상부 표면을 통해 배치되는 것으로 도시되었지만, 프로세스 가스 유입구 (30) 의 위치는 이 배열에만 한정되는 것은 아니다. 프로세스 가스 유입구 (30) 는, 또한 전극 어셈블리들 (20) 을 포함하는 처리 챔버 (100) 의 내부 처리 용적 (5) 에 도입될 프로세스 가스들을 제공한다.

일 실시형태에서, 여기에 개시된 방법 및 구조들은 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 섬유들 또는 다른 중합체 재료들의 산화 또는 화학적 가교를 제공한다. 일부 실시형태들은 이원자 분자 산소 (O₂) 대신에 단원자 산소 (O) 와 같은 반응성 산화 종 (ROS) 의 사용을 채용하여, 중합체 안으로의 확산율을 증가시킴으로써 섬유들 내부의 비반응, 비산화된 재료가 더 효율적으로 처리될 수 있도록 한다. 전체 확산율을 증가시킴으로써, 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 기반 탄소 섬유들의 제조에서 열경화 페이즈에 있는, 산화의 제 2 하위 페이즈를 완료하기 위하여 더 많은 산소들이 이용가능할 것이다. 하나의 구체적인 반응성 산화 종, 원자 산소는 분자 산소의 질량의 절반을 가질 뿐만 아니라, 더 화학적으로 반응성이 있고, 그것이 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 과 반응할 수 있기 전에 섬유의 필요한 비반응 내부 영역 안으로 확산한 후에 해리될 필요가 없을 것이다.

반응성 산화 종 (ROS) 은 프로세스 가스의 존재시에 생성된 플라즈마의 생성물일 수도 있다. 비록 공기는 플라즈마 디바이스를 위한 하나의 프로세스 가스이지만, 일부 산소 혼합물 또는 산소 함유 가스를 포함하는 다른 프로세스 가스의 혼합물들이 구체적 응용에 적합할 수도 있다. 예들은, 건조 또는 습기 공기; 질소; 산소 및 산소 함유 가스; 질소, 산화 질소; 일산화탄소, 이산화탄소; 헬륨, 아르곤 또는 다른 비활성 가스; 수소 및 암모니아를 포함하는 수소 함유 가스; 및 이들의 혼합물을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.

일 실시형태에서, 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 로 이루어지는, 탄소 섬유를 위한 중합체 전구체, 예를 들어 중합체 토우의 산화에 이용되는 프로세스 가스는 질소 (N₂) 및 이원자 분자 산소 (O₂) 의 가스 혼합물을 포함할 수도 있다. 질소 (N₂) 및 이원자 분자 산소 (O₂) 의 가스 혼합물의 산소 함량, 즉 이원자 분자 산소 (O₂) 함량은 10% 내지 100% 의 범위일 수도 있고, 질소 (N₂) 및 이원자 분자 산소 (O₂) 의 가스 혼합물의 질소 (N₂) 함량은 0% 내지 95% 의 범위일 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 플라즈마 소스에 의해 프로세스 가스로부터 생성될 수도 있는 반응성 산화 종은 : O₂, O_x, O, N_xO_y, H_xO_y, 및 다른 산소 함유 종, 그리고 프로세스 가스 중 임의의 가스의 이온, 라디칼, 여기 상태 및 메타볼릭 스테이블 (metabolic stable) 을 포함한다.

일부 실시형태들에서, 중간 가열 용적 (10) 안으로 가열된 공기의 도입을 위한 유입구 (41) 를 포함하는 처리 챔버 (100) 는 모든 이 유동 중의 일부가 처리 챔버 (100) 의 내부 처리 용적 (5) 안으로 직접 공급되도록 방향 전환되게 할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 중간 가열 용적 (5) 의 온도는 내부 처리 용적 (5) 및 중간 가열 용적 (10) 안으로 직접 가열된 공기를 도입하기 위한 유입구 (41) 에 의해 제어된다. 유입구 (41) 에 의해 내부 처리 용적 (5) 으로 도입된 가열된 공기는 중간 가열 용적 (10) 을 가열하는데 채용된 전술된 종래 가열 방법들 중 임의의 가열 방법을 이용하여 가열될 수도 있다.

도 1 - 14b를 참조하면, 전극 어셈블리 (20) 는 또한, 처리 챔버 (100) 의 내부 처리 용적 (5) 에 존재할 수도 있다. 전극 어셈블리 (20) 는 작업편 (6) 이 처리 챔버 (100) 의 제 1 단부로부터 처리 챔버 (100) 의 제 2 단부로 이동함에 따라 전극 어셈블리 (20) 를 통과하도록 배치될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 전극 어셈블리 (20) 는 하기 3개 목적들에 기여할 수 있는 표면 플라즈마 디바이스를 제공한다: 1) 중간 가열 용적 (10) 에 공급하는 가열기 요소들의 에너지 요건들을 감소시키는, 열의 생성, 2) 전기수력학적 유동 유도를 통해 내부 처리 용적 (5) 내의 열의 분배, 및 3) 프로세스 가스 유입구 (30) 에 의해 내부 처리 용적 (5) 으로 도입된 프로세스 가스로부터의 고 반응성 단수명 종의 생성. 용어 "전기수력학적 유동 유도" (electro-hydrodynamic flow inducement) 는 순 이동 전하를 갖는 유체에 작용하는 전기장에 의해 생성된 입자 또는 유체 수송이다. 일부 실시형태들에서, 전기수력학적 유동 유도는, 플라즈마, 챔버의 기하학적 구조 및 플라즈마 형성 전극들의 배치의 조합으로부터 발생되는, 처리 챔버 (100) 전체에 걸친 대류 가열을 제공한다. 플라즈마 (40) 에 대한 작업편 (6) 의 인접에 기인하여, 고 반응성 단수명 종이 중합체 재료의 산화 속도 (oxidation rate) 를 적극적으로 가속할 수 있다. 전극 어셈블리 (20) 에 의해 내부 가열 용적 (5) 에 형성된 플라즈마 (40) 는 프로세스 가스 유입구 (30) 에 의해 내부 가열 용적 (5) 으로 도입된 프로세스 가스로부터 반응성 종을 생성 및 유지한다. 중간 가열 용적 (10) 에 의해 생성된 반응성 종 및 온도의 조합이 가속된 산화 속도의 원인이 된다.

도 1 - 8 에서, 플라즈마 생성 방법은 전극 어셈블리 (20) 로부터의 표면 방전이고, 여기서 적어도 2개의 전극들 (21, 22, 23) 이 유전체 배리어 (24) 의 반대 측들에 존재한다. 일 실시형태에서, 표면 방전 플라즈마 생성은 방전 공간에 추가하여 금속 전극들 간의 전류 경로에서 하나 이상의 절연 층들의 존재를 특징으로 한다. 일부 실시형태들에서, 전극들 (21, 22, 23) 이 30 Hz 내지 60 kHz 의 주파수 범위에서 교류 (AC) 로 전기적으로 여기되고, 여기 전압 (excitation voltage) 이 전극 어셈블리 (20) (패널이라고도 한다) 를 둘러싸는 가스의 항복 전압 (breakdown voltage) 을 초과할 때, 플라즈마가 유전체 배리어 (24) 의 표면 상에 형성된다. 일부 실시형태들에서, 전극들 (21, 22, 23) 에 인가되는 교류의 주파수 범위는 RF 영역, 즉 수십 MHz 로 연장될 수도 있다. 일 실시형태에서, 전극들 (21, 22, 23) 은 40 Hz 내지 50 kHz 의 주파수 범위의 교류 (AC) 로 여기된다. 이 플라즈마의 적절한 생성은 압력 의존적이지만, 통상적으로 1 torr - 1500 torr, 하지만 이에 한정되지 않는 폭넓은 범위에 걸쳐 적절히 작동될 것이다. 일부 실시형태들에서, 플라즈마의 생성을 위한 압력은 250 torr 내지 800 torr 의 범위일 수도 있다. 일 예에서, 현재 산업 중합체 섬유 변환 라인들로의 이상적인 통합을 위해 대략 대기압 (760 torr) 에서 작동된다.

플라즈마 (40) 의 반응성 종은, 프로세스 가스 유입구 (30) 를 통해 처리 챔버 (100) 의 내부 처리 용적 (5) 으로 도입된 프로세스 가스의 존재하에서 전극들 (21, 22, 23) 에 전압을 인가하는 것에 의해 생성되고, 여기서 프로세스 가스가 정극으로 그리고 부극으로 대전된 이온들, 그리고 전자들, 즉 "반응성 종" 성분들로 이온화된다. 이러한 유형의 방전의 플라즈마 물리는, 전자 사태 (electron avalanching) 가 이온화를 위한 주 메카니즘인 전형적인 유전체 배리어 방전의 메카니즘들을 따른다. 결과적인 플라즈마 방전은 비열적 체제 (nonthermal regime), 즉 전자 집단 (electron population) 이 인가된 전기장으로부터 대부분의 에너지를 흡수하는 반면, 이온 및 중성 집단은 실온에 가깝게 남아 있는, 그러한 비열적 체제에 있다.

온도, 압력, 플라즈마 물리, 전기 특성, 전극 기하학적 구조 및 주위 가스 화학물질 모두 생성된 반응성 종의 유형 및 양을 결정하는데 기여한다. 입자 충돌은 반응성 종 생성의 주요한 메카니즘이다. 플라즈마에서 일어날 수 있는 통상적인 원리 반응 단계들은 특정 플라즈마 작동 체제에 한정되는 것이 아니고, 본 발명은 표 1에 열거된 전자 방출, 해리 및 이온화, 그리고 재결합에 한정되지 않는다.

반응들은 복잡하고, 통상적으로 플라즈마 용적 밖에서 검출된 반응성 종은, 플라즈마 용적 밖에서는 스스로 살아남을 수 없는 단수명 반응성 종 (반응 중간물) 간의 다단계 반응들의 결과이다. 예를 들어, 대부분의 이온성 종들은 보통 제 3 체 존재에 의해 촉매되는 재결합에 기인하여 플라즈마 용적 밖에서 보통 살아남지 못한다. 그럼에도 불구하고, 플라즈마 용적에 의해 생성된 자외선 광자들은, 프로세싱 조건들에 따라, 다양한 정도로, 용적 밖의 여기된 상태 종들 및 준안정 (metastable) 들의 수명을 연장시킬 수 있다.

일부 실시형태들에서, 표면 플라즈마는 작업편, 즉 작업편의 화학 변형 메카니즘들, 예를 들어, 중합체 전구체의 산화를 가속하기 위하여 실온 내지 300ºC의 범위에서 가열될 수 있는 내부 처리 용적 (5) 에 있는 작업편 (6) 에 인접하여 생성된다. 여기에 사용된 용어 "인접" (close proximity) 은, 작업편 (6), 예를 들어, 섬유 토우와 전극 어셈블리 (20) 의 유전체 배리어 (24) 사이의 거리 D4 가 30 cm 이하라는 것을 의미한다. 예를 들어, 작업편 (6), 예를 들어, 섬유 토우와 전극 어셈블리의 유전체 배리어 (24) 사이의 거리 D4 는 20 cm, 18 cm, 16 cm, 14 cm, 12 cm, 10 cm, 8 cm, 6 cm, 4 cm, 2 cm 또는 1 cm 이다. 전술된 값들 중 임의의 2개로부터 비롯되는 임의의 범위가 또한 본원에서 고려된다. 예를 들어, 작업편 (6), 예를 들어, 섬유 토우와 유전체 배리어 (24) 사이의 거리 D4 는 1 cm 내지 15 cm 의 범위일 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 작업편 (6), 예를 들어, 섬유 토우와 유전체 배리어 (24) 사이의 거리 D4 는 5 cm 내지 10 cm 의 범위일 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 작업편 (6), 즉 섬유 토우에 인접 (D4) 하게 플라즈마 용적 (40) 을 배치함으로써, 더 많은 단기 반응성 종들이 작업편 (6) 의 화학 프로세싱에서 보다 큰 역할을 할 수 있다. 예를들어, 일부 실시형태들에서, 플라즈마 용적으로부터 반응성 종은 10^-4 초의 정도의 시간안에 작업편 (6), 즉 섬유 토우에 도달할 수 있는 것으로 추측된다. 비교적으로, 원격 노출 (RE) 플라즈마 처리 방법들은 플라즈마로부터 반응성 종이 작업편 (6), 즉 섬유 토우에 도달하는데 수초 정도가 소요될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 처리 챔버 (100) 의 내부 처리 용적 (5) 내의 전극 어셈블리 (20) 의 배치뿐만 아니라 전극 어셈블리 (20) 의 전극들 (21, 22, 23) 의 기하학적 구조가, 작업편 (6), 즉 섬유 토우를 향해 플라즈마의 반응성 종을 가속시키는 내부 처리 용적 (5) 내의 전기수력학적 유동 유도에 영향을 미칠 수도 있다. 전기수력학적 유동 유도 효과들이 본 개시의 모든 실시형태에 필요한 것은 아니라는 것에 유의한다.

도 1, 2a, 4a 및 4b는 전극 어셈블리 (20) 가 유전체 배리어 (24) 에 의해 분리되는 2개의 상부 전극들 (21, 22) 및 단일 하부 전극 (23) 을 포함하는 일 실시형태를 도시한다. 2개 상부 전극들 (21, 22) 은 유전체 배리어 (24) 의 제 1 측에 존재하고, 단일 하부 전극 (23) 은 유전체 배리어 (24) 의 제 2 반대측에 존재한다. 2개 상부 전극들 (21, 22) 은 직사각형 기하학적 구조를 갖고, 여기서 2개 상부 전극들 (21, 22) 의 길이는 작업편 (6) 에 대한 이동 방향에 평행하다. 도 3a 및 도 3c는, 전극들 (21, 22) 의 길이가 작업편 (6) 의 이동 방향에 수직한, 직사각형 구조를 갖는 2개 상부 전극들 (21, 22) 을 또한 포함하는 본 개시의 또 다른 실시형태를 도시한다. 도 3b는, 단일 전극 (22’) 만이 일측, 즉, 배리어 유전체 (24) 의 상부 표면에 존재하고, 단일 하부 전극 (23) 은 타측, 즉 배리어 유전체 (24) 의 하부 표면에 존재하는, 본 개시의 또 다른 실시형태를 도시한다.

도 1 - 8 을 참조하면, 일 실시형태에서, 플라즈마 (40) 를 생성하는 반응성 종을 제공하는 전극 어셈블리 (20) 의 전극들 (21, 22, 23) 이 도전 재료, 이를테면 백금, 알루미늄, 구리, 금, 은, 및 이들의 조합으로 구성된다. 상부 전극들 (21, 22) 이 직사각형 기하학적 구조를 가질 때, 전극들의 길이는 2 cm 내지 5000 cm 의 범위일 수도 있고, 전극들 (21, 22) 의 폭은 0.01 cm 내지 10 cm 의 범위일 수도 있고, 전극들 (21, 22) 의 두께는 0.01 cm 내지 10 cm 의 범위일 수도 있다. 도 2a를 참조하면, 일 실시형태에서, 상부 전극들 (21, 22) 을 서로 분리시키는 거리 D3 는 1 cm 내지 500 cm 의 범위일 수도 있다. 단일 하부 전극 (23) 은 상부 전극들 (21, 22) 의 제 1 전극 (21) 으로부터 상부 전극들 (21, 22) 의 제 2 전극 (22) 으로 연장되는 폭을 가질 수도 있다. 일부 예들에서, 단일 하부 전극 (23) 의 외부 에지들은 제 1 상부 전극 (21) 및 제 2 상부 전극 (22) 의 외부 에지들과 실질적으로 정렬될 수도 있다. 예를 들어, 단일 하부 전극 (23) 은 0.01 cm 내지 500 cm 범위의 폭을 가질 수도 있다. 단일 하부 전극 (23) 의 두께는 0.01 cm 내지 10 cm 의 범위일 수도 있다. 위의 치수들은 고체 전극 (solid electrode) 들에 일반적이다. 고체 전극 구성에 더하여, 전극들은 또한 중공 전극일 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 상부 전극들 (21, 22) 은 고 전압 전극으로 지칭될 수도 있고, 단일 하부 전극 (23) 은 접지 전극으로 지칭될 수도 있다. 일 실시형태에서, 유전체 배리어 (24) 는 세라믹 재료로 구성된다. 예를 들어, 유전체 배리어 (24) 는 실리콘 산화물 (SiO₂), 보로실리케이트 계의 유리, 소다 석회 유리, 실리콘 질화물 (Si₃N₄), 알루미나 (Al₂O₃), 알루미노실리케이트, 폴리알루미노실리케이트 세라믹 (policor), 모든 변형들의 운모 (예를 들어, 흑운모, 백운모, 금운모 등), 최고 온도 안정 유전체 재료, 임의의 비전도성 세라믹 및 고온 중합체, 및 이들의 조합으로 이루어질 수도 있다. 유전체 배리어 (24) 의 두께는 0.01 cm 내지 10 cm 의 범위일 수도 있다.

전극 어셈블리 (20) 는 또한 패널로 지칭될 수도 있다. 임의의 수의 전극 어셈블리들 (20) 이 처리 챔버 (100) 의 내부 처리 용적 (5) 에 존재할 수도 있다. 일 실시형태에서, 처리 챔버 (100) 의 내부 처리 용적 (5) 에 존재하는 전극 어셈블리들 (20) 의 수는 작업편 (6) 에 대해 수행되도록 희망되는 처리들의 수에 대응하도록 선택될 수도 있다. 도 5 - 8은 처리 챔버 (100) 의 내부 처리 용적 (50 내의 전극 어셈블리들 (20) 의 배치를 예시하는 본 개시의 일부 실시형태들을 도시한다. 도 5 - 7에 도시된 전극 어셈블리들 (20) 은 각각, 유전체 표면 (24) 에 존재하고, 상술된 바처럼, 서로 분리된 2개 상부 전극들 ( 21, 22) 을 포함한다. 도 5는 직렬로, 즉 일렬로 배열되는 다수의 전극 어셈블리들 (20a, 20b, 20c) 을 포함하는 본 개시의 일 실시형태를 도시한다. 도 5에 도시된 전극 어셈블리들 (20a, 20b, 20c) 은, 전극 어셈블리들 (20a, 20b, 20c) 의 상부 전극 (21, 22) 의 길이가 작업편 (6) 에 대한 이동 길이에 평행하도록 배치되어 있다. 비록 도 5에 도시된 실시형태는 전극 어셈블리들 (20a, 20b, 20c) 에 대해 개별 유닛들을 표시하지만, 그 구성은 또한, 디바이스의 외부로부터 봤을 때, 하나의 연속적인 유닛으로서 보이지만, 내부적으로는 분할될 수도 있다. 또한, 외부에 하나의 오븐으로서 보이는 모듈은, 사실, 내부에 온도 구배를 가질 수 있거나, 또는 이들 온도 구배들을 정의하는 내부 디바이더 (divider) 를 가질 수 있다.

도 6은, 작업편 (6) 이 내부 처리 용적 (5) 을 다수회 관통하고, 작업편 (6) 이 내부 처리 용적을 관통할 때마다 그것은 상이한 전극 어셈블리 (20d, 20e, 20f) 위로 통과하는, 본 개시의 일 실시형태를 도시한다. 도 6에 도시된 전극 어셈블리들 (20d, 20e, 20f) 은, 전극 어셈블리들 (20d, 20e, 20f) 의 상부 전극들 (21, 22) 의 길이가 작업편 (6) 에 대한 이동 길이에 평행하도록 배치되어 있다.

도 7은 다중 통과 구성을 예시하는 산화 모듈의 정면도이다. 내부에 x 를 갖는 원은 지면 안으로 들어가는 평면의 방향을 나타내고, 내부에 점을 갖는 원은 지면으로부터 나오는 평면의 방향을 나타낸다. 3개 점선들 (6) 은 (어떤 크기의) 개개의 섬유 토우들의 행을 나타낸다. 전극 어셈블리들 (20’) 은 각각의 다중 통과 챔버의 상단 및 하단에 위치될 수도 있다. 하지만, 일부 실시형태들에서, 각각의 챔버의 상단 및 하단에 전극 어셈블리 (20’) 를 가질 필요는 없으며, 단지 상단에 하나, 그리고 하단에 하나가 있을 수 있다. 다중 통과들의 수는 2 내지 50 의 범위일 수 있다.

도 8은 복수의 전극 어셈블리들 (20g, 20h, 20i, 20j, 20k) 이 일렬로 배치된 본 개시의 또 다른 실시형태를 도시한다. 이 실시형태에서, 전극 어셈블리들 (20g, 20h, 20i, 20j, 20k) 의 상부 전극들 (21, 22) 의 길이는 작업편 (6) 의 길이에 수직하다. 도 1 - 8 에 도시된 전극 어셈블리들의 예들은 예시의 목적만을 위해 제공되어 있고, 본 개시를 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 여기에 개시된 방법 및 구조들을 위해 광범위하게 다양한 가능한 전극 기하학적 구조들이 존재한다는 것에 유의한다.

예를 들어, 도 9는 반응성 종을 생성하지만, 전기수력학적 유동 효과를 유도하지 않는 CPIE 플라즈마 처리 장치의 내부 처리 용적 (5) 내에 배치하기 위한 플라즈마 생성 전극 어셈블리 (50) 의 일 실시형태를 도시한다. 플라즈마 생성 전극 어셈블리 (50) 는, 적어도 하나의 유전체 층 (53a, 53) 이 제 1 전극 (51) 과 제 2 전극 (52) 사이에 존재하는 제 1 전극 (51) 및 제 2 전극 (52) 을 갖는 평행 판 구성을 포함한다. 일부 실시형태들에서, 제 1 유전체 층 (53a), 즉 제 1 유전체 배리어는 제 1 전극 (51) 에 존재하고, 제 2 유전체 층 (53b), 즉 제 2 유전체 배리어는 제 2 전극 (52) 에 존재한다. 제 1 및 제 2 유전체 층 (53a, 53b) 중의 적어도 하나가 제 1 및 제 2 전극 (51, 52) 사이에 존재하는 한, 제 1 및 제 2 유전체 층 (53a, 53b) 양자 모두가 제 1 및 제 2 전극 (51, 52) 간에 존재할 필요는 없다. 이 실시형태에서, 전극들 (51, 52) 간에 비대칭성이 없으므로, 전기수력학적 유동 유도는 없다. 이 구성에서, 가스 유입구 (54) 로부터의 프로세스 가스는 플라즈마 용적 (40) 을 통해 주입되고, 여기서 반응성 종이 생성되고, 주입 모멘텀은 작업편 (6) 으로 반응성 종을 수송하기에 충분하다. 도 1 - 7 에 도시된 실시형태들과 유사하게, 이 실시형태에서, 제 1 및 제 2 전극들 (51, 52) 과 작업편 (6) 사이의 거리는 작업편 (6) 이 제 1 및 제 2 전극들 (51, 52) 에 인접 (D5) 하도록 선택된다. 예를 들어, 작업편 (6), 예를 들어, 섬유 토우와 전극 어셈블리 (50) 의 제 1 및 제 2 전극들 (51, 52) 사이의 거리 D5 는 20 cm, 18 cm, 16 cm, 14 cm, 12 cm, 10 cm, 8 cm, 6 cm, 4 cm, 2 cm 또는 1 cm 이다. 전술된 값들 중 임의의 2개로부터 비롯되는 임의의 범위가 또한 본원에서 고려된다. 예를 들어, 작업편 (6), 예를 들어, 섬유 토우와 전극 어셈블리 (50) 의 제 1 및 제 2 전극 (51, 52) 사이의 거리 D5 는 1 cm 내지 15 cm 의 범위일 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 작업편 (6), 예를 들어, 섬유 토우와 전극 어셈블리 (50) 의 제 1 및 제 2 전극 (51, 52) 사이의 거리 D5 는 5 cm 내지 10 cm 의 범위일 수도 있다.

도 10 - 14b는, 반응성 종을 생성할 수 있고 전기수력학적 유동 유도를 제공할 수 있는 추가적인 표면 방전 플라즈마 생성 전극들의 본 개시의 실시형태들을 도시한다. 위에서 논의된 바처럼, 전기수력학적 유동 유도는 작업편 (6) 을 향하여 플라즈마에 의해 생성된 반응성 종을 가속할 수 있다. 도 10은 전기수력학적 유동 유도에 기여하는, 전극들의 비대칭 기하학적 구조를 예시하는 표면 배리어 방전 플라즈마 생성 전극 어셈블리 (60) 의 일 실시형태이다. 일부 실시형태들에서, 전기수력학적 유동 유도는 상부 전극 (61) 의 길이 L₁ 과 하부 전극 (62) 의 길이 L₂ 사이에 길이의 차이 L_p 로부터 발생될 수도 있고, 여기서 플라즈마 (40) 는 적절한 여기 (excitation) 에 기인하여 유전체 배리어 (63) 의 표면에 그리고 그 근처에 생성된다. 이 길이 차이 LP 는, 나중에 논의되는 유동 와류의 형성을 초래할 수 있는, 전기수력학적 유동 유도인, 유동을 유도하기 위한 비대칭성을 제공할 수 있다. 도 10에 도시된 전극 어셈블리들 (60) 은 도 1 - 4a에 도시된 내부 처리 용적 (5) 내부에 존재하는 전극 어셈블리들을 대신할 수도 있거나, 또는 도 5 - 8에 도시된 전극 어셈블리들에 유사하게 배열될 수도 있다. 도 10에 도시된 전극 어셈블리는 전기수력학적 유동 유도를 제공할 수 있는 전극 기하학적 구조의 하나의 예일뿐이다. 이 비대칭성을 이용할 수 있는 광범위하게 다양한 전극 어셈블리들이 존재할 수 있다. 예를 들어, 도 11a - 14b는 작업편 (6) 을 향해 플라즈마에 의해 생성된 반응성 종을 가속할 수 있는 전기수력학적 유동 유도를 제공할 수 있는 비대칭적 전극 기하학적 구조의 일부 예들을 제공한다.

도 11a 및 도 11b는, 유전체 층 (73) 에 의해 분리되는 직사각형 형상의 상부 및 하부 전극들 (71, 72) 을 갖는 전극 어셈블리 (70) 의 일 실시형태를 도시한다. 하부 전극 (72) 의 폭 W5 및 길이 L5 는 상부 전극 (71) 의 폭 W6 및 길이 L6 보다 더 커서 전기수력학적 유동 유도를 제공하는 비대칭 기하학적 구조를 제공한다. 도 12a 및 도 12b는 직사각형 개구가 상부 전극 (76) 및 하부 전극 (77) 의 각각에 존재하는, 유전체 층 (78) 에 의해 분리되는 직사각형 형상의 상부 전극 (76) 및 직사각형 형상의 하부 전극 (77) 을 갖는 전극 어셈블리 (75) 의 또 다른 구성을 도시한다. 도 11a 및 도 11b에 도시된 전극 어셈블리 (70) 와 유사하게, 상부 도 12a 및 도 12b에 도시된 전극 어셈블리 (75) 에서 상부 전극 (76) 및 하부 전극 (77) 의 치수들의 차이는 전극 어셈블리 (75) 에 의해 생성된 플라즈마에 의해 발생되는 반응성 종의 전기수력학적 유동 유도를 제공한다. 도 11a - 11b에 도시된 전극 어셈블리들 (70, 75) 은 도 1 - 4a에 도시된 내부 처리 용적 (5) 내에 존재하는 전극 어셈블리들을 대신할 수도 있거나, 또는 도 5 - 8에 도시된 전극 어셈블리들과 유사하게 배열될 수도 있다. 도 11a - 12b에 도시된 화살표들은 전극 어셈블리들 (70, 75) 에 의해 생성된 전기수력학적 유동 유도의 방향을 도시한다. 도 12a 및 도 12b에 도시된 전극 어셈블리 (75) 로, 수직 전기수력학적 유동 유도는 다중 방향 유동들을 서로에 대해 순 상방 유동을 일으키게 지향시키는 것에 의해 달성될 수도 있다.

도 13a 및 도 13b는 상부 원형 전극 (81) 이 하부 원형 전극 (82) 으로부터 유전체 층 (83) 에 의해 분리된 원형 기하학적 구조를 갖는 플라즈마 생성 전극 어셈블리 (80) 의 일 실시형태를 도시하고, 여기서 상부 전극 (81) 의 폭 W7 과 하부 전극 (82) 의 폭 W8 사이의 차이는 플라즈마에 의해 생성된 반응성 종을 가속시킬 수 있는 전기수력학적 유동 유도 효과를 만들어 내는 비대칭형 전극 어셈블리 (80) 를 제공한다. 도 14a 및 도 14b는 원형 개구가 상부 전극 (86) 및 하부 전극 (87) 의 각각에 존재하는, 유전체 층 (88) 에 의해 분리되는 원형 형상의 상부 전극 (86) 및 원형 형상의 하부 전극 (87) 을 갖는 전극 어셈블리 (85) 의 또 다른 구성을 도시한다. 도 13a 및 도 13b에 도시된 전극 어셈블리 (80) 와 유사하게, 도 14a 및 도 14b에 도시된 전극 어셈블리 (85) 에서 상부 전극 (86) 및 하부 전극 (87) 의 치수들의 차이는 전극 어셈블리 (85) 에 의해 생성된 플라즈마에 의해 발생되는 반응성 종의 전기수력학적 유동 유도를 제공한다. 도 13a - 15b에 도시된 전극 어셈블리들 (80, 85) 은 도 1 - 4a에 도시된 내부 처리 용적 (5) 내에 존재하는 전극 어셈블리들을 대신할 수도 있거나, 또는 도 5 - 8에 도시된 전극 어셈블리들과 유사하게 배열될 수도 있다. 도 13a - 14b에 도시된 화살표들은 전극 어셈블리들 (80, 85) 에 의해 생성된 전기수력학적 유동 유도의 방향을 도시한다. 도 14a 및 도 14b에 도시된 전극 어셈블리 (85) 로, 수직 전기수력학적 유동 유도는 다중 방향 유동들을 서로에 대해 순 상방 유동을 일으키게 지향시키는 것에 의해 달성될 수도 있다.

도 9 - 14b에 도시된 예들은 어느 하나의 평면 방향으로 이들 형상들의 어레이들을 만듦으로써, 크기 또는 수가 조정될 수 있다. CPIE 플라즈마 처리 장치의 전극 어셈블리들을 위한 추가적인 기하학적 형상들, 이를테면, 삼각형, 별모양, 타원체 및 이들의 조합이 본 개시에서 상상 및 구현될 수 있다.

도 1 - 8 및 도 10 - 14b를 참조하면, 일부 실시형태들에서, 전극 어셈블리 (20, 60, 70, 75, 80, 85) 에 의해 생성된 플라즈마 용적 (40) 은 유동, 즉 전기수력학적 유도 유도를, 그의 바로 주위들에 있는 중성 가스에서, 유도할 수 있으며, 용적으로부터 직접 작업편 (6), 예를 들어, 섬유 토우로 플라즈마 생성된 반응성 종들의 벌크 가속, 및 내부 처리 용적 (5) 내부의 열의 순환 및 분배를 초래한다. 챔버 벽들과 결합된 플라즈마 형성으로부터 비롯되는 내부 처리 용적 (5) 내부의 열 및 반응성 종의 순환 및 분배는 "유동 와류" 로 지칭될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 내부 처리 용적 (5) 의 기하학적 구조를 정의하는 챔버 벽들, 즉 내부 쉘 (9) 은 유동 와류를 위한 경계 조건을 제공한다.

보다 상세하게는, 일부 실시형태들에서, 전극 어셈블리 (20, 60, 70, 75, 80, 85) (패널이라고도 한다) 의 적절한 구성은, 전극 어셈블리에 인가된 전압, 전극 어셈블리에 인가된 주파수, 인접 전극들 간의 간격, 전극들의 형상 및 전극들의 화학물질 뿐만 아니라, 전극 어셈블리 (20, 60, 70, 75, 80, 85) 의 정확한 기하학적 배열에 따라 초당 10 미터에 이르기까지의 속도에서 특정 방향으로 중성 가스에서의 유동 유도, 즉 전기수력학적 유동 유도를, 주로 탄성 충돌을 통해, 일으키는 플라즈마 (40) 의 이온 종의 유동 가속을 제공하는 비대칭 전기장 구배의 생성을 낳는다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 반응성 종은, 반응성 산화 종이 10^-3 초 이내에 작업편 (6) 에 도달하는 그러한 속도로 작업편 (6) 을 향해 유동 와류들에 의해 가속될 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 반응성 종은, 반응성 산화 종이 10^-4 초 이내에 작업편 (6) 에 도달하는 그러한 속도로 작업편 (6) 을 향해 유동 와류들에 의해 가속될 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 반응성 종은, 반응성 산화 종이 10^-5 초 이내에 작업편 (6) 에 도달하는 그러한 속도로 작업편 (6) 을 향해 유동 와류들에 의해 가속될 수도 있다.

유도 와류들은 또한, 중간 가열 용적 (10) 및 열 내부 처리 용적 (5) 안으로 직접 가열된 공기를 도입하기 위한 유입구 (41) 에 의해 내부 처리 용적 (5) 내에서 생성되는 열이 내부 처리 용적 (5) 전체에 걸쳐 균일하게 분배되는 것을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 온도 균일성에 기여하는 3개의 주요 인자들이 있다. 내부 처리 용적 (5) 안으로의 가스 유동의 주입, 내부 처리 용적 (5) 에서 일어나는 플라즈마 방전, 및 내부 처리 용적 벽 (9) 의 열적 균일성이 있다. 일부 실시형태들에서, 플라즈마 (40) 는 또한 가열원을 제공한다. 유전체 배리어 전극 어셈블리를 이용하는 일부 실시형태들에서, 플라즈마 방전은 전기 여기로부터 입자 에너지 변환에 기인하여 가열원이 된다. 플라즈마 (40) 는 내부 처리 용적 (5) 내의 플라즈마 및 가스 분위기의 이온 및 중성 집단들에 에너지의 전달 및 유전체 가열 현상 양자 모두를 통해 열을 제공할 수 있다. 플라즈마 (40) 에 의해 제공되는 추가 가열원은 상술된 중간 가열 용적 (10) 에 의해 제공되는 열을 넘어 내부 처리 용적 (5) 의 온도를 증가시킬 수 있다. 이 특징은 보다 에너지 효율적인 프로세스를 만들고 이전에 가능하지 않았던 프로세스에 대해 열 제어의 새로운 메카니즘을 제공한다. 다수의 독립 제어 전극 어셈블리들이 설치되는 조정된 구현예에서, 각각의 어셈블리는 각각의 어셈블리에 전달된 전력의 정도에 비례하여 더 많거나 또는 더 적은 열을 생성할 수 있고, 이를 이용하여 보다 정밀한, 균일한 가열 효과를 생성할 수 있거나, 또는 반대로 연속적인 작업편의 경로를 따라 정밀한 온도 구배를 생성하여 프로세스에 대한 특수한 효과를 만들어 낼 수 있다. 일반적으로, 프로세스 가스 유동 없이 대류 가열과 함께 플라즈마를 포함하는 플라즈마 조건과, 플라즈마 없이 그리고 프로세스 가스 유동 없이, 대류 가열만을 포함하는 플라즈마 없는 (완전 오프 (off) 라고도 한다) 대류 가열 조건을 비교하면, 플라즈마 조건은 플라즈마 조건 없는 대류 가열보다 더 균일한 수직 온도 구배를 제공한다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 그것은 그 구배를 절반에 가깝게 삭감한다. 다른 말로, 정적 가열 챔버에서, 통상적으로 챔버의 하단으로부터 상단으로 저에서 고로 온도가 변한다. 본원에 개시된 방법 및 구조들에서 채용된 플라즈마 조건은 그 온도 변화를 대략 절반으로 감소시킬 수 있다.

비록 전체 내부 처리 용적 (5) 전체에 걸친 온도 균일성은 본 개시의 일 실시형태이지만, 본 개시의 모든 실시형태의 요건은 아니다. 예를 들어, 도 19a 및 도 19b에 도시된 바처럼, 내부 처리 용적 (5) 의 온도가 그의 길이를 따라, 즉, y 방향을 따라 변화되는 실시형태들이 고려되었다. 도 19a를 참조하면, 내부 처리 용적 (5) 내의 x 방향 및 y 방향은 통상적으로 온도 균일성을 유지하기 위한 가장 중요한 방향들이다. 도 19b를 참조하면, 일부 실시형태들에서, 온도 구배 또는 균일한 온도는, 플라즈마 형성 전극 어셈블리들 (90a, 90b, 90c, 90d) 의 각각에 의해 생성된 열을 조절하는 것에 의해 내부 처리 용적 (5) 의 길이를 따라, 즉 y 방향을 따라, 생성될 수 있다. 예를 들어, 온도 구배를 제공하기 위하여, 각각의 플라즈마 생성 전극 어셈블리 (90a, 90b, 90c, 90d) 는 y 방향을 따라 정밀한 열 제어를 가능하게 하기 위하여 독립적으로 에너지 공급될 수 있다.

도 2a, 2b 및 7 을 참조하면, 전극 어셈블리 (20) 가 작업편 (6) 에 대한 이동 방향에 평행한 길이를 갖는 상부 전극들 (21, 22) 을 포함하는 일 실시형태에서, 유동 와류들 (25a, 25b) 은 상부 전극들 (21, 22) 의 각각의 위로 순환한다. 도 2a, 2b 및 6 에서, 상부 전극들 (21, 22) 의 길이는 처리 챔버 (100) 의 길이에 평행하다. 그러므로, 유동 와류들 (25a, 25b) 이 둘러싸는 축은 처리 챔버 (100) 의 길이에 평행하다. 각각의 유동 와류들 (25a, 25b) 에 대한 각각의 축은 상부 전극들 (21, 22) 중의 하나의 전극 위에 존재한다.

도 2a, 2b 및 6 을 참조하면, 일 실시형태에서, 제 1 상부 전극 (21) 위에 존재하는 제 1 유동 와류 (25a) 는 실질적으로 원형이고, 제 1 전극 (21) 으로부터 상방으로 제 1 회전, 예를 들어, 반시계 방향 회전에서, 제 1 및 제 2 전극 (21, 22) 사이의 작업편 (6) 을 향해, 연장되고, 제 2 상부 전극 (22) 위에 존재하는 제 2 유동 와류 (25b) 는 실질적으로 원형이고 제 2 전극으로부터 상방으로 제 2 회전에서, 예를 들어, 시계 방향 회전에서, 작업편 (6) 을 향해 연장된다. 제 2 와류 (25b) 의 제 2 회전은 제 1 와류 (25a) 의 제 1 회전과 반대 방향이다.

일부 실시형태들에서, 매우 낮은 속도로 플라즈마 용적 밖으로 보통 확산하는 플라즈마 (40) 의 반응성 종은 그 대신에 유동 와류 (25a, 25b) 에 의해 직접 작업편 (6), 예를 들어, 섬유 토우를 향해, 가속될 것이고, 작업편 (6) 에 대한 반응성 종의 노출율을 극적으로 증가시키며, 원하는 화학 변형율의 증가를 일으킨다. 추가적으로, 유동 와류들 (25a, 25b) 에 의해 제공되는 이 유동 유도는 또한 내부 처리 용적 (5) 내의 온도, 즉 열의 내부 순환을 생성하는 역할을 하고, 이는 균일성 및 화학 반응 율을 크게 돕는다.

도 2a, 2b 및 4a에 도시된 유동 와류들 (25a, 25b) 은 처리 챔버 (100) 의 내부 처리 용적 (5) 내에서 형성될 수 있는 유동 와류들 (25a, 25b) 의 일 예일뿐이다. 예를 들어, 도 3a - 3c는, 상부 전극 (21, 22, 22’ ) 의 길이가 작업편 (6) 의 이동 방향에 실질적으로 수직하도록 처리 챔버 (100) 의 내부 처리 용적 (5) 내에 상부 전극들 (21, 22, 22’) 이 위치되는, 본 개시의 또 다른 실시형태를 도시한다. 도 2a, 2b 및 4a에 도시된 전극 어셈블리들 (20) 의 구성과 유사하게, 도 3a - 3c에 도시된 전극 어셈블리들 (20) 은 비대칭 저기장 구배의 발생을 초래한다. 챔버 (100) 의 내부 처리 용적 (5) 의 벽들의 기하학적 구조와 조합하여 비대칭 전기장은, 초당 수십 미터에 이르기까지의 속도에서 특정 방향으로 중성 가스에서, 유동 유도, 즉 전기수력학적 유동 유도를, 주로 탄성 충돌들을 통해, 일으키는 플라즈마 (40) 의 이온성 종, 즉 반응성 종을 가속하는 기계적 유동을 유도한다. 상부 전극들 (21, 22, 22’) 이 섬유 토우 (6) 에 대한 이동의 방향에 수직한 길이를 갖는 도 3a - 3c에서, 유동 와류들 (25c, 25d) 은 상부 전극들 (21, 22, 22’) 의 각각의 위로 순환한다.

도 3a - 3c에서, 상부 전극들 (21, 22, 22’) 의 길이는 처리 챔버 (100) 의 길이에 수직하다. 그러므로, 유동 와류들 (25c, 25d) 이 둘러싸는 축은 처리 챔버 (100) 의 길이에 수직하다. 각각의 유동 와류들 (25c, 25d) 에 대한 각각의 축은 상부 전극들 (21, 22, 22’) 중의 하나의 전극 위에 존재한다. 도 3a - 3c를 참조하면, 일 실시형태에서, 제 1 유동 와류 (25c, 25d) 는 실질적으로 원형일 수도 있다. 도 2a, 2b 및 4a에 도시된 유동 와류들 (25a, 25b) 과 유사하게, 유동 와류들 (25c, 25d) 은 플라즈마 (40) 의 반응성 종이 직접 작업편, 예를 들어, 섬유 토우 (6) 를 향해, 가속되고, 작업편 (6) 에 대한 반응성 종의 노출율을 극적으로 증가시키며, 원하는 화학 변형율의 증가를 일으키는 것을 제공한다. 또한, 일부 실시형태들에서, 유동 와류 (25c, 25d) 에 의해 제공되는 유동 유도는 또한 내부 처리 용적 (5) 내의 온도, 즉 열의 내부 순환을 생성하는 역할을 하고, 이는 균일성 및 화학 반응율을 크게 돕는다.

도 1 - 7에 도시된 유전체 배리어 방전 플라즈마를 위한 전극 어셈블리들 (20, 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f, 20g, 20h, 20i, 20j, 20k) 은 작업편 (6) 을 처리하기 위해 플라즈마 (40) 및 반응성 종을 형성하기 위한 전극 어셈블리들의 일부 예들일뿐이라는 것에 유의한다. 예를 들어, 유전체 배리어 방전에 추가하여 다른 용량 결합 기법들, 이를테면 코로나 방전, 중공 음극 방전, 저압 방전 (필드에서 일부는 아크 또는 저압 방전과 같은 다이오드 방전으로서 DC 에서의 방전을 구분한다) 및 이들의 조합이 또한 본원에 개시된 방법들 및 구조 관련하여 채용될 수 있다. 용량 방전에 더하여, 작업편 (6) 을 처리하기 위한 플라즈마 및 반응성 종은 또한 유도 및 전자기파 결합 방법들을 포함할 수도 있다. 또한, 유도 및 전자기파 결합 방법들과 용량 결합을 조합하는 여러 구현들이 있다. 통상적으로, 본원에 채용된 플라즈마 방법은 비열적인 물리적 체제 내에 있다.

유도 결합은 열적 및 비열적 물리적 체제에 대하여, 광범위한 압력에서 플라즈마 방전들을 생성 및 한정하기 위한 자기장의 이용을 수반한다. 다양한 구현들, 이를테면 헬리콘, 토치 및 제트가 존재한다. 유도 결합 접근법에서, 통상적으로 다양한 재료들의 코일들은, 그들을 통해 많은 전류들을 통과시키는 것이 플라즈마 방전을 생성 및/또는 포함하는 그러한 식으로 구성된다. 일반 구성, 유도 플라즈마 토치가 도 15에 도시되어 있는 한편, 평면형 구성은 도 16에 있다. 통상적으로, 유도 플라즈마를 유지하기 위하여 필요한 방전 에너지들은, 모든 3개 주된 종 집단들 (전자, 이온 및 중성) 이 동일한 온도에 있는 열적 체제에서 플라즈마가 작동하게 하기에 충분히 크다. 하지만, 일부 실시형태들에서, 유도 결합 기법을 이용한 최적의 구성은 비열적 체제에서의 동작을 필요로 한다. 여기서, 중합체 재료, 즉 작업편 (6) 에 인접한 자기 및 전기 여기의 조합은 원하는 결과를 생성할 수도 있다.

플라즈마 방전으로의 여기 에너지의 전자기파 결합은 또한, 작업편 (6), 즉 섬유 토우를 향해 반응성 종을 가속하기 위해 유동 와류들을 제공하는 비대칭 전기장 구배들을 형성하기 위한 또 다른 가능한 구현들이다. 전자기파 결합을 채용하는 가능한 접근법들은, 도 17에 도시된 표면파 플라즈마, 마이크로파 플라즈마, 및 도 18에 도시된 전자 사이클로트론 공명 (ECR) 플라즈마를 포함한다. 파 결합은 적절한 주파수 및 압력 (보통 저압이 요구됨) 에서 플라즈마로 가스를 분해하기 위하여 고 에너지 전송 파의 이용을 수반한다. 이 접근법을 개시된 프로세스에 이용하기 위하여, 파 형상 및 근접도는 원하는 효과를 달성하는데 가장 민감한 파라미터들이다. 플라즈마 쉬스 (plasma sheath) 두께, 재료로의 반응성 종 전달, 및 온도 제어를 결정론적으로 제어하기 위하여 플라즈마와 중합체 재료 사이의 영역에서 추가적인 전자기장 조작이 아마도 필요하다.

또 다른 양태에서, 작업편, 예를 들어, 중합체 전구체를 처리 챔버 (100) 내에 수송하기 위한 전달 방법이 제공된다. 일 실시형태에서, 도 1 - 7 및 9에 도시된 바처럼, 전달 방법은 작업편 (6) 에 의해 제공된다. 일 실시형태에서, 작업편 (6) 은 릴-투-릴 토우에 의해 제공될 수도 있다. 일 실시형태에서, 릴-투-릴 토우는 처리 챔버 (100) 에 대한 입구에 있는 개구에 존재하는 피드 릴 (feed reel) 및 처리 챔버 (100) 의 출구에 있는 반대 개구에 존재하는 테이크업 릴 (take up reel) 을 포함한다. 본원에 사용된 용어 "작업편" 은 필라멘트들의 무리 (collection) 를 나타낸다. 일부 실시형태들에서, 작업편 (6) 은 무리를 이룬 중합체 필라멘트들의 긴 선형 길이들로 구성되고, 섬유 토우로 지칭될 수도 있다. 작업편 (6) 은 또한 매트들에 의해 제공될 수도 있고, 여기서 섬유 매트는 일방향성과 같은 방향성 또는 배향이 무작위일 수 있는 다양한 길이들의 중합체 필라멘트들의 헐겁게 모인, 무리를 포함할 수도 있다. 작업편 (6) 은 또한, 잘게 잘린 섬유를 포함할 수도 있거나 또는 짜여진 재료로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 짜여진/직조된 재료의 작업편 (6) 은 섬유형 재료를 생성하는 섞어 직조된 중합체 필라멘트들을 포함할 수도 있다. 작업편 (6) 및 개시된 플라즈마 기반 프로세스는 예비 산화된 재료의 난연성을 증가시키는데 사용될 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 작업편 (6) 은, 수 인치로부터 아래로는 수 미크론까지, 함께 쌓여진 다양한 길이들의 절단 필라멘트들을 포함할 수도 있다.

토우들은 그들이 함유하는 섬유들의 수에 의해 표시된다. 예를 들어, 12k 토우는 약 12,000개 섬유들을 함유한다. 다른 토우 크기들은 0.5, 1k, 3k, 6k, 24K, 26K, 48K, 50K, 62K 및 80k 를 포함할 수도 있다. k 값은 토우내 개개의 필라멘트들의 수를 1000 단위로 표시한다. 일부 다른 예들에서, 작업편 (6) 은 500,000 개에 이르기까지 필라멘트들을 포함할 수도 있고, 밴드로서 지칭될 수도 있다. 작업편 (6), 예를 들어, 섬유 토우가 탄소 섬유의 제조에서 산화 프로세스로 처리 챔버 (100) 내에서 처리되는 실시형태에서, 작업편 (6) 은 중합체 전구체, 이를테면 레이온, 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 또는 석유 피치로 구성될 수도 있다. 중합체 전구체가 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 로 구성되는 일 예에서, 전구체 제제 (precursor formulation) 는 아크릴로니트릴 모노머로 시작될 수도 있고, 이 아크릴로니트릴 모노머는 반응기에서 가소화된 아크릴 코모노머, 이를테면 메틸아크릴레이트 또는 비닐 아세테이트, 그리고 촉매, 이를테면 이타콘산, 이산화황 산, 황산 또는 메틸아크릴 산과 화합된다. 연속 교반은 성분들을 섞고, 일관성 (consistency) 및 순도를 보장하고, 아크릴로니트릴의 분자 구조 내의 자유 라디칼들의 형성을 개시한다. 이러한 변화는 중합, 아크릴 섬유들로 형성될 수 있는 장쇄 중합체들을 생성하는 화학 프로세스에 이른다.

레이온 또는 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 과 같은 합성 중합체들을 위해, 전구체는 먼저, 완성된 탄소 섬유의 최종 물리적 특성들을 강화시키는 식으로 중합체 원자들을 초기에 정렬하기 위해 화학적 및 기계적 프로세스를 이용하여, 필라멘트들로 방사될 수도 있다. 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 섬유들은 습식 방사 (wet spinning) 로 불리는 프로세스에 의해 형성될 수도 있다. 일 실시형태에서, 액체 응고 욕 (liquid coagulation bath) 에 담그어진 도프 (dope) 가 귀금속으로부터 만들어진 방적돌기 (spinneret) 에 있는 구멍들을 통해 압출된다. 방적돌기 구멍들은 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 섬유의 원하는 필라멘트 번수 (count) 에 부합된다. 상대적으로 젤라틴성 및 취성이 있는, 이 습식 방사된 섬유는 과잉 응고물을 제거하기 위해 세척을 통하여 롤러들에 의해 인출되고, 다음으로 건조되고 늘려져서 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 중합체의 배향 (orienting) 을 계속한다. 여기서, 필라멘트의 외부 형상 및 내부 단면은, 선택된 용매 및 응고물이 전구체 섬유를 침투한 정도, 가해진 장력의 양 및 필라멘트 연신 비율에 의해 결정된다. 습식 방사에 대한 대안은, 섬유와 응고물 욕 사이의 수직 공극을 이용하는, 건식 제트/습식 방사로 불리는 혼합형 프로세스이다. 이것은 복합재 재료들에서 섬유/매트릭스 수지 계면을 강화시킬 수 있는 매끄럽고, 둥근 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 섬유를 생성한다. 인출 또는 방사 후에, 다음으로 중합체 섬유들은 비탄소 원자들을 밖으로 몰아내기 위하여 가열될 수도 있다 (탄화). 마감 오일 (finishing oil) 이 전구체 재료에 도포되어 끈적한 필라멘트들이 함께 뭉치지 못하게 할 수도 있다. 전구체 재료는 보빈 상에 권취될 수도 있다. 보빈은 섬유 토우의 릴 투 릴 장치의 피드 릴을 제공할 수도 있다.

플라즈마 생성 시스템, 예를 들어, 전극 어셈블리 (20) 의 처리 챔버 (100) 의 내부 처리 용적 (5) 안으로의 통합의 성질에 기인하여, 작업편 (6), 예를 들어, 섬유 토우의 위치, 퍼짐 및 장력은, 플라즈마에 의해 생성된 반응성 종이 작업편 (6), 예를 들어, 섬유 토우로 가속될 수 있게 할 정도로 작업편 (6) 이 전극 어셈블리 (20) 의 전극들 (21, 22) 에 충분히 가깝도록 보장하기 위해 선택될 수도 있다. 예를 들어, 작업편 (6) 과 전극 어셈블리 (20) 의 유전체 배리어 (24) 사이의 거리 D4 는 30 cm 이하일 수도 있다. 다른 예들에서, 작업편 (6) 과 전극 어셈블리 (20) 의 유전체 배리어 (24) 사이의 거리 D4 는 20 cm, 18 cm, 16 cm, 14 cm, 12 cm, 10 cm, 8 cm, 6 cm, 4 cm, 2 cm 또는 1 cm 이다. 전술된 값들 중 임의의 2개로부터 비롯되는 임의의 범위가 또한 본원에서 고려된다. 예를 들어, 작업편 (6), 예를 들어, 섬유 토우와 유전체 배리어 (24) 사이의 거리 D4 는 1 cm 내지 15 cm 의 범위일 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 작업편, 예를 들어, 섬유 토우 (6) 와 유전체 배리어 (24) 사이의 거리 D4 는 5 cm 내지 10 cm 의 범위일 수도 있다. 마지막으로, (열에 기인한) 분자 이완과 (장력에 기인한) 분자 배향 사이의 적절한 균형이 달성될 수 있도록 섬유는 프로세싱하는 과정 동안 장력을 받아야 한다. 요구되는 최소 장력은, 챔버의 전체 길이를 따라 작업편 (6) 의 쳐짐이 없을 정도이다. 섬유 토우로 구성된 작업편 (6) 에 대해, 더 높은 범위는 주로 토우 크기 (토우 당 필라멘트들의 수) 에 의존한다. 장력은, 토우당 필라멘트들의 수에 따라, 10 g 내지 50 kg 의 범위일 수 있다.

일 실시형태에서, 릴 속력은, 반응성 종에 의해 처리되는 작업편 (6) 의 부분이 1분 내지 300분의 범위의 기간 동안 플라즈마 처리 장치의 내부 처리 용적 (5) 내에 존재하도록 선택된다. 또 다른 실시형태에서, 릴 속력은, 반응성 종에 의해 처리되는 작업편 (6) 의 부분이 20분 내지 80분의 범위의 기간 동안 플라즈마 처리 장치의 내부 처리 용적 (5) 내에 존재하도록 선택된다. 또 다른 실시형태에서, 릴 속력은, 반응성 종에 의해 처리되는 작업편 (6) 의 부분이 1분 내지 60분의 범위의 기간 동안 플라즈마 처리 장치의 내부 처리 용적 (5) 내에 존재하도록 선택된다. 다른 실시형태에서, 릴 속력은, 반응성 종에 의해 처리되는 작업편 (6) 의 부분이 5분 내지 10분의 범위의 기간 동안 플라즈마 처리 장치의 내부 처리 용적 (5) 내에 존재하도록 선택된다. 작업편 (6) 에 반응성 종을 가하는 기간은 위에 언급된 범위들 사이의 임의의 값을 포함할 수도 있다. 위에 기재된 기간들은 예시의 목적만을 위해 제공되고, 본 개시를 한정하는 것으로 의도되지 않는다는 것에 유의한다.

처리 챔버 (100) 를 통해 가로놓인 작업편 (6) 은 도 1, 2a, 4a, 4b 및 5 에 도시된 바처럼 전구체 재료의 단일 토우일 수도 있거나, 또는 도 3a 및 7에 도시된 바처럼, 전구체 재료의 다수의 작업편들 (6) 을 포함할 수도 있다. 작업편 (6) 은 임의의 수의 전구체 재료의 토우들을 포함할 수도 있고 공급 도면들에 도시된 수에만 한정되는 것은 아니다.

도 1 - 7에 도시된 처리 챔버들 (100) 은 탄소 섬유의 합성을 위해 채용될 수도 있다. 특히, 열가소성계 섬유, 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 로부터 탄소 섬유들의 제조는, 통상적으로, 산화 또는 안정화 프로세싱 단계 다음에 탄화 단계 및 선택적으로 흑연화 단계를 포함할 수도 있는 다단계 프로세스이다. 산화 또는 안정화 프로세스 단계는 위에 설명된 처리 챔버 (100), 및 플라즈마 생성 전극 어셈블리 및 프로세스 가스에 의해 생성된 산소 함유 반응성 종을 이용하여 제공될 수도 있다. 반응성 종은 중합체 전구체, 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 의 작업편 (6) 을 향해, 전극 어셈블리 (20) 에 의해 생성된 비대칭 전기장 구배로부터 발생되는 유동 와류에 의해 가속되고, 여기서 반응성 종은 중합체 전구체, 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 의 작업편 (6) 을 산화시킨다.

산화 다음에, 탄화 단계 및 선택적으로 흑연화 단계가 산화된 작업편 (6) 에 적용될 수도 있다. 탄화는, 프로세싱 온도를 점진적으로 증가시키는 일련의 노 내부의 비활성 (무산소) 분위기에서 일어날 수도 있다. 예를 들어, 작업편 (6) 이 섬유 토우인 경우, 탄화 단계 동안, 산화된 섬유들, 즉 산화된 섬유 토우는 비활성 분위기 중 약 500 ℃ 에서 시작해서 약 1200 ℃ 에 이르기까지 계속되는 온도로 탄화될 수도 있다. 흑연화 동안 노 온도들은 약 3000 ℃ 에 이를 수도 있다.

각각의 노의 입구 및 출구에서, 산소 침입을 방지하기 위해 퍼지 챔버들이 존재할 수도 있다. 산소의 부재시에, 수소 및 시아나이드 원소들 및 다른 VOC (안정화 중에 생성) 및 입자 (이를테면 섬유 세편들의 국부적 쌓임) 를 포함한, 비탄소 분자들만이 제거되고 노로부터 배기된다.

산화된 섬유 토우의 탄소 분자들의 결정화는 탄소가 90 퍼센트를 넘는 완성된 섬유를 제조하기 위하여 최적화될 수 있다. 비록 용어 "탄소" 및 "흑연" 은 종종 상호교환가능하게 사용되지만, 용어 "탄소" 는 약 1000 ℃ 내지1200 ℃, 예를 들어, 1350 ℃ 에서 탄화되고, 93% 내지 95% 탄소를 함유하는 섬유들을 표시한다. 용어 "흑연" 은 1900 ℃ 내지 3000 ℃ 범위의 온도, 예를 들어, 2480 ℃ 에서 흑연화된, 탄소 원소를 99 퍼센트 넘게 함유하는 탄소 섬유들을 표시한다. 일부 실시형태들에서, 1500 - 2000 ℃ 의 범위에서 가열 (탄화) 된 탄소는 최고 인장 강도를 나타내는 반면, 2300 내지 3000 ℃ 에서 가열 (흑연화) 된 탄소 섬유는 더 높은 탄성율을 나타낸다.

본원에 개시된 방법 및 구조들에 의한 플라즈마 처리로부터 발생되는 재료의 응용들은 구조적 응용, 이를테면 탄소 섬유를 포함한다. 본원에 개시된 방법 및 구조를 이용하여 프로세싱된 재료는 또한, 난연성 재료와 같은 열적 응용들에 적용가능할 수도 있다. 예를 들어, 산화된 PAN 는 주지의 난연성 재료이다. 본원에 개시된 방법 및 재료는 또한, 열경화와 같은 재료 프로세싱 응용들에 적용가능할 수도 있다. 일부 예들에서, 본원에 개시된 방법들은 인접 간접 노출 (CPIE) 플라즈마 디바이스에 의해 처리되는 작업편의 밀도를 증가시키기 위하여 반복될 수도 있다.

하기 실시예들은 본 개시의 방법 및 구조를 더 예시하고 그로부터 생기는 일부 이점들을 입증하기 위하여 제공된다. 본 개시는 본원에 기재된 특정 실시예들에 한정되는 것으로 의도되지 않는다.

실시예

폴리아크릴로니트릴 (PAN) 전구체의 품질: 표 1은 원격 노출 (RE) 산화 플라즈마 방법 및 인접 간접 노출 (CPIE) 플라즈마 방법들 양자 모두를 이용한 우주급 (aerospace grade) 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 전구체의 산화로부터의 결과들을 열거한다. 인접 간접 노출 (CPIE) 방법은 도 1 - 7에 도시된 처리 챔버 (100) 를 참조하여 위에서 설명되었다. 체류 시간은 전구체, 즉 섬유 토우 (6) 를 프로세싱하는데 소비된 시간의 양이다. 품질 번호는 프로세싱 후 작업편에 의해 유지된 손상의 양의 품질 등급이며, 1 - 10 의 범위를 갖고, 10 이 무손상 상태이다. 10은, 400 - 500X 에서 광학 현미경을 통해 검출가능한 결함들이 절대 없는 섬유를 나타낸다. DD 등급은 품질 및 밀도의 정규화된 승수 (normalized multiplier) 로서 정의된다. 구조적 응용들에서 우주급 탄소 섬유를 위한 최적 밀도는 통상, 1.375 g/cc 이다. 아래에 사용된 품질 척도 (quality scale) 는 1 - 10 이며, 10 이 손상 없음을 나타낸다. 그러므로, 품질이 10 이고 밀도가 1.375 g/cc 인 완벽 프로세스 탄소 섬유는 DD 등급이 1.0 이다.

표 1에 포함된 데이터는 인접 간접 노출 (CPIE) 산화 플라즈마 방법이 동일한 양의 프로세싱 시간을 고려할 때 비교 원격 노출 (RE) 산화 방법보다 더 높은 밀도 및 더 높은 품질 섬유를 제조했다는 것을 보여준다.

원격 노출 (RE) 및 인접 간접 노출 (CPIE) 방법을 이용하여 산화 및 탄화된 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 전구체의 기계적 특성: 표 2 및 3은 산화 및 탄화된 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 전구체의 기계적 특성을 보여준다. 표 2는 77분의 통상적인 체류 시간 (residence time) 을 갖는 산화 단계에 대한 원격 노출 (RE) 방법으로부터의 결과들을 포함한다. 다음으로, 산화된 탄소 섬유는 섬유 직경, 피크 응력, 탄성율 및 파단시 %변형에 대해 특성화되었다. 그 결과들은 표 2에 기록되었다. 다음으로, 산화된 탄소 섬유는 탄화되고 다시 섬유 직경, 피크 응력, 탄성율 및 파단시 %변형에 대해 특성화되었다. 원격 노출 (RE) 방법들을 이용하여 제조된 탄화된 섬유들에 대한 특성화의 결과들이 표 2에 기록되었다.

표 3은 20분 내지 45분 범위의 체류 시간을 갖는 산화 단계에 대한 인접 간접 노출 (CPIE) 방법으로부터의 결과들을 보여준다. 산화 다음에, 섬유 토우 (6) 는 섬유 직경, 피크 응력, 탄성율 및 파단시 %변형에 대해 특성화되었다. 그 후에, 산화된 섬유 토우 (6) 가 탄화되었고 , 다시 특성화되었다. 인접 간접 노출 (CPIE) 방법에 대한 특성화의 결과들이 표 3에 기록되었다.

표 2 및 3에 포함된 데이터의 비교는, 인접 간접 노출 (CPIE) 플라즈마 처리 방법이, 원격 노출 플라즈마 처리 방법과 비교할 때, 프로세싱된 탄소 섬유의 전반적인 기계적 특성의 향상을 제공한 한편, 동시에 산화에 필요한 시간을 극적으로 감소시켰음을 나타낸다.

본 발명은 본원의 교시의 혜택을 받은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 상이하지만 동등한 방식으로 수정 및 실시될 수도 있으므로, 위에 개시된 특정 실시형태들은 예시일뿐이다. 게다가, 아래의 청구항들에 기재된 것외에, 여기에 보여진 구성 또는 설계의 상세들에 한정되도록 의도되지 않았다. 그러므로, 위에 개시된 특정 실시형태들은 변경 또는 수정될 수도 있고 모든 그러현 변형들은 본 발명의 범위 및 사상에 속하는 것으로 고려된다는 것이 분명하다. 따라서, 본원에서 추구되는 보호는 이하에 청구항들에 제시된 바와 같다.

Claims

플라즈마 처리 장치로서,
내부 처리 용적 및 중간 가열 용적을 포함하는 처리 챔버로서, 상기 내부 처리 용적은 작업편을 처리하기 위한 입구와 출구 및 플라즈마를 생성하는 비대칭 전극 어셈블리를 갖고, 상기 중간 가열 용적은 상기 내부 처리 용적을 가열하기 위한 것인, 상기 처리 챔버; 및
상기 내부 처리 용적 안으로의 적어도 하나의 프로세스 가스 유입구;
를 포함하고,
상기 비대칭 전극 어셈블리는 유전체 배리어의 표면에 존재하고, 서로 분리된 적어도 2개의 플라즈마 생성 전극들을 포함하고,
상기 적어도 2개의 플라즈마 생성 전극들은 폭 및 길이 치수 중 적어도 하나가 상이하여 상기 플라즈마 생성 전극들의 비대칭 기하학적 구조를 제공하는 것인, 플라즈마 처리 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 내부 처리 용적은 상기 내부 처리 용적을 가열하기 위한 가열 요소를 포함하는 것인, 플라즈마 처리 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 중간 가열 용적은 외부 쉘을 갖고, 상기 내부 처리 용적은 내부 쉘에 의해 상기 중간 가열 용적으로부터 분리되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 외부 쉘은 원통형, 직사각형, 타원형 또는 정사각형 기하학적 구조를 갖는 것인, 플라즈마 처리 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 내부 쉘은 원통형, 직사각형, 타원형 또는 정사각형 기하학적 구조를 갖는 것인, 플라즈마 처리 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 유전체 배리어는 실리콘 산화물(SiO₂), 보로실리케이트계의 유리, 소다 석회 유리, 실리콘 질화물(Si₃N₄), 알루미나(Al₂O₃), 알루미노실리케이트, 폴리알루미노실리케이트 세라믹(policor), 운모 및 이들의 조합으로 구성되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
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제 1 항에 있어서,
상기 전극 어셈블리는 상기 유전체 배리어에 의해 적어도 하나의 하부 전극으로부터 분리되는 상부 전극들을 포함하는 것인, 플라즈마 처리 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 상부 전극들의 길이는 상기 내부 처리 용적 내에서 상기 입구로부터 상기 출구로 상기 작업편이 이동하는 이동 방향과 평행한 것인, 플라즈마 처리 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 상부 전극들의 길이는 상기 내부 처리 용적 내에서 상기 입구로부터 상기 출구로 상기 작업편이 이동하는 이동 방향과 수직한 것인, 플라즈마 처리 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 플라즈마 생성 전극들은, 상기 유전체 배리어의 제 1 표면상에 상부 전극을 그리고 상기 제 1 표면의 반대측에 있는 상기 유전체 배리어의 제 2 표면상에 하부 전극을 포함하는 것인, 플라즈마 처리 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 상부 전극의 폭 및 길이 치수 중의 적어도 하나는, 비대칭 전극 기하학적 구조(geometry)를 제공하기 위하여 상기 하부 전극의 폭 및 길이 치수 중의 적어도 하나와 상이한 것인, 플라즈마 처리 장치.
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제 12 항에 있어서,
상기 상부 전극 및 상기 하부 전극의 각각은 중앙에 배치된 개구를 갖는 것인, 플라즈마 처리 장치.
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제 1 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 플라즈마 생성 전극들은 평행 판 구성에서 동일 길이를 갖는 것인, 플라즈마 처리 장치.
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플라즈마 처리 장치로서,
외부 쉘, 내부 처리 용적 및 중간 가열 용적을 포함하는 처리 챔버로서, 상기 내부 처리 용적은 작업편을 처리하기 위한 입구와 출구 및 플라즈마를 생성하는 비대칭 전극 어셈블리를 갖고, 상기 중간 가열 용적은 상기 내부 처리 용적을 가열하기 위한 것이고, 상기 내부 처리 용적은 내부 쉘에 의해 상기 중간 가열 용적으로부터 분리되는 것인, 상기 처리 챔버;
상기 외부 쉘로부터 상기 내부 처리 용적 및 상기 내부 쉘을 통해 상기 내부 처리 용적으로 연장되는 적어도 하나의 프로세스 가스 유입구로서, 상기 적어도 하나의 프로세스 가스 유입구는 적어도 하나의 프로세스 가스를 상기 내부 처리 용적으로 도입하는 것인, 상기 적어도 하나의 프로세스 가스 유입구;
상기 내부 처리 용적을 통해 연장되게 존재하는 작업편으로서, 상기 작업편은 상기 챔버의 제 1 단부에서 상기 내부 처리 용적에 진입하고 상기 챔버의 제 2 단부에서 상기 내부 처리 용적을 빠져나가는 것인, 상기 작업편; 및
상기 작업편이 전극 어셈블리를 통과하도록 상기 내부 처리 용적에 존재하는 상기 전극 어셈블리
를 포함하고,
상기 비대칭 전극 어셈블리는 유전체 배리어의 표면에 존재하고, 서로 분리된 적어도 2개의 플라즈마 생성 전극들을 포함하고,
상기 적어도 2개의 플라즈마 생성 전극들은 폭 및 길이 치수 중 적어도 하나가 상이하여 상기 플라즈마 생성 전극들의 비대칭 기하학적 구조를 제공하고,
상기 비대칭 전극 어셈블리는 상기 적어도 하나의 프로세스 가스로부터 플라즈마를 생성하고, 상기 비대칭 전극 어셈블리 및 상기 내부 처리 용적의 기하학적 구조의 조합이 상기 플라즈마로부터 상기 작업편으로 반응성 종을 가속하기 위해 유동 와류들을 유도하는 것인, 플라즈마 처리 장치.
제 22 항에 있어서,
적어도 상기 유동 와류들은 상기 내부 처리 용적 내의 열적 균일성을 제공하는 것인, 플라즈마 처리 장치.
제 22 항에 있어서,
상기 챔버의 상기 외부 쉘은 원통형 기하학적 구조를 포함하고, 상기 챔버의 상기 내부 쉘은 원통형, 직사각형, 타원형, 또는 정사각형 기하학적 구조를 포함하는 것인, 플라즈마 처리 장치.
제 22 항에 있어서,
상기 중간 가열 용적에 의해 생성된 열 에너지는 상기 내부 처리 용적 안으로 확산되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
제 22 항에 있어서,
상기 비대칭 전극 어셈블리는 상기 작업편에 인접하는 것인, 플라즈마 처리 장치.
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플라즈마 처리 방법으로서,
중간 가열 용적 및 내부 처리 용적을 포함하는 챔버를 제공하는 단계로서, 상기 내부 처리 용적은 플라즈마를 생성하기 위한 전극 어셈블리를 포함하고 상기 중간 가열 용적은 상기 내부 처리 용적을 가열하는 것인, 상기 챔버를 제공하는 단계;
상기 내부 처리 용적을 통해 작업편을 가로놓는(traversing) 단계로서, 상기 작업편은 상기 전극 어셈블리로부터 1 cm 에서 30 cm 내에 있도록 제공되는 것인, 상기 작업편을 가로놓는 단계;
상기 챔버의 상기 내부 처리 용적에 프로세스 가스를 도입하는 단계; 및
상기 내부 처리 용적 내에서 상기 프로세스 가스로부터 상기 전극 어셈블리를 사용해 상기 플라즈마를 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 플라즈마의 반응성 종은 상기 내부 처리 용적에 생성된 유동 와류들에 의해 상기 작업편을 향해 가속되고, 상기 유동 와류들은 비대칭 전극 기하학적 구조에 의해 생성된 비대칭 전기장 구배로부터 발생되는 것인, 플라즈마 처리 방법.
제 28 항에 있어서,
상기 중간 가열 용적은 상기 내부 처리 용적의 온도를 500 ℃ 만큼 크게 증가시키는 것인, 플라즈마 처리 방법.
제 28 항에 있어서,
상기 전극 어셈블리는, 유전체 표면의 제 1 측에 적어도 하나의 제 1 전극을 그리고 반대측의 제 2 유전체 표면에 적어도 하나의 제 2 전극을 포함하는 것인, 플라즈마 처리 방법.
제 28 항에 있어서,
상기 전극 어셈블리는 30 cm 이하의 치수 만큼 상기 작업편으로부터 분리되는 것인, 플라즈마 처리 방법.
제 28 항에 있어서,
상기 작업편은 섬유 토우를 포함하는 것인, 플라즈마 처리 방법.
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제 28 항에 있어서,
상기 작업편의 처리 부분은 1분 내지 300분의 범위의 기간 동안 상기 내부 처리 용적에 존재하는 것인, 플라즈마 처리 방법.
제 28 항에 있어서,
상기 내부 처리 용적에 도입되는 상기 프로세스 가스는, 공기, 질소, 산소, 산화 질소, 이산화 탄소, 일산화 탄소, 헬륨, 아르곤, 수소, 수소 함유 가스, 산소 함유 가스 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 가스인 것인, 플라즈마 처리 방법.
제 28 항에 있어서,
상기 프로세스 가스는 질소(N₂) 및 이원자 분자 산소(O₂)의 가스 혼합물이고, 상기 이원자 분자 산소(O₂) 함량은 10% 내지 100% 의 범위일 수 있고 질소(N₂) 함량은 0% 내지 95% 의 범위일 수 있는 것인, 플라즈마 처리 방법.
제 28 항에 있어서,
상기 플라즈마를 형성하는 단계는 30 Hz 내지 20 MHz 의 주파수 범위에서 상기 전극 어셈블리에 교류(AC)를 인가하는 단계를 포함하는 것인, 플라즈마 처리 방법.
제 28 항에 있어서,
상기 플라즈마의 반응성 종은, O₂, O_x, O, N_xO_y, H_xO_y, 및 상기 프로세스 가스의 이온, 라디칼, 여기 상태 및 메타볼릭 스테이블(metabolic stable)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것인, 플라즈마 처리 방법.
제 28 항에 있어서,
상기 작업편은 폴리아크릴로니트릴(PAN)로 구성되고 상기 반응성 종은 산소 함유 종으로 구성되고, 상기 반응성 종은 상기 작업편을 산화시키는 것인, 플라즈마 처리 방법.
제 28 항에 있어서,
상기 내부 처리 용적에서 생성된 상기 유동 와류들은 상기 비대칭 전극 기하학적 구조에 의해 생성된 비대칭 전기장 구배로부터 발생되는 것인, 플라즈마 처리 방법.
제 28 항에 있어서,
상기 플라즈마를 생성하기 위한 상기 전극 어셈블리는, 상기 내부 처리 용적의 길이를 따라 온도 구배를 제공하도록 독립적으로 에너지 공급될 수 있는 복수의 플라즈마 형성 전극 어셈블리들을 포함하는 것인, 플라즈마 처리 방법.