KR20000070131A - 복합탄소분자 제조 방법 및 장치 - Google Patents

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죠지 에이치 밀레이
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죠지 에이치 밀레이
브라이언 에드워드 주르치크
존 스베드
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Abstract

플러렌을 제조하기 위한 장치(100)는 중앙 그리드 형태의 전극(112)과 펄스형태의 고전압 소스(114)에 연결되어 쳄버(110) 내부에 전기장을 공급하는 도전성 외부 껍질(111)을 구비한 IEC 쳄버(110)를 포함한다. 상기 공급된 전압은 전극(112) 근처의 내부 코어에서 플라즈마를 생성 유지시킨다. 쳄버(110) 내부로 도입된 탄소계 가스는 성분 탄소와 수소이온으로 분해되며, 탄소이온은 플러렌으로 재결합하여 분리된다. 상기 장치(100)는 플러렌을 제거하고 수집하기 위한 수트 추출 매카니즘을 포함한다.

Description

복합탄소분자 제조 방법 및 장치{Method and apparatus for producing complex carbon molecules}
본 출원은 1997년 1월 13일에 출원된 미국 가출원 제60/034,491호에 기초한 국내 우선권 주장을 수반한 출원으로서, 상기 가출원의 모든 내용은 본 명세서에 참조문헌으로서 통합된다.
밀리(G.H. Miley), 자베다니(J.B. Javedani), 네벨(R. Nebel), 나들러(J. Nadler), 구(Y. Gu), 샛창지(A.J. Satsangi) 및 헤크(P. Heck)등의 논문("An Inetial Electrostatic Confinement Neutron/Proton Source", Third Intrnational Conference on Aense Z-pinches, eds. Malcom Hains and Andrew Knight, AIP conferencd Proceeding No. 299, AIP Press, New York, 675-689(1994))에 나타나 있듯이, IEC는 원래 방사화 분석(activation analysis)을 위한 중성자 소스로서 개발되었다. 상기 용도에서는, 가스가 쳄버 내에 수십 mTorr 압력으로 공급되면, 그리드에 고전압(10-100kV)을 인가해 줌으로써 플라즈마 방전이 발생된다. 또한, 그리드는 방전체로부터 추출한 이온을 장치의 중심부를 향해 가속시키는 역할을 하며, 상기 중심부에서 고온 고밀도의 플라즈마가 형성된다. 이온들을 포획하고 재순환시킴으로써 고에너지 이온과 저에너지 배경전자들을 이용하여 비열(非熱)) 플라즈마를 형성할 수 있는 형상으로 전위면이 형성된다. 그 결과 생성되는 플라즈마는 인시츄법(in situ)을 이용하거나, 고밀도 코어 영역으로부터 방출되는 방사선을 사용함으로써, 몇개의 독특한 플라즈마 처리방법을 제공한다.
IEC 입자 발생 장치는 1994년 4월 25일에 출원되었고, 참조문헌으로서 본 명세서에 통합된 미국 특허 출원 제08/232,764호(밀리 등)의 참조문헌에 개시되어 있다. 상기 문헌에 개시된 IEC 장치는 접지 전위로 유지되며, 내부에는 용기와 동심형의 구조를 가지며 캐소드로 작동하는 와이어 그리드를 구비하는 금속 진공 용기를 포함하고 있다. 캐소드는 구조적 강도를 가지며, 적합한 이차 전자 계수 및 열이온 전자 계수를 갖는 다양한 금속으로 제조될 수 있다. 용기 자체는 도전성이며 접지전위로 유지되는 반면에, 캐소드 와이어 그리드는 파워 소스에 연결되어 음의 고전압(30-70kV)을 제공한다. 중수소 또는 중수소와 삼중수소 혼합 가스가 용기 속으로 주입된다. 캐소드 와이어 그리드에 전압을 인가하고 글로우 방전이 시작되도록 압력을 조절한다. 그리드에서 발생되는 충돌을 감소시켜 그리드의 수명을 극대화하면서, 단위 파워 입력당 중성자 생산량을 최대화하기 위해 "스타" 글로우 방전 모드를 발생시키는 작동조건들을 이용한다. 글로우 방전은, 캐소드 그리드에 의해서 생성된 전기장에 의하여 방전체로부터 추출되는 이온들을 발생시킨다. 상기 이온들은 그리드 개구를 지나 가속되고, 구형 장치의 중심 지점에 집중된다. 그 결과 생성된 고에너지 이온들은 중심 지점 주위의 작은 공간에서 배경 가스와 상호작용을 하고(빔-배경 충돌), 자기 자신과도 상호작용하여(빔-빔 충돌) 고속의 융합 반응을 일으킨다. 이로써, 중수소-중수소 융합 반응 또는 중수소-삼중수소 융합 반응의 결과물로써 중성자를 제조하는 중성자 발생기를 얻을 수 있다. 추출속도가 높으면, 추출된 이온은 빔 이온들을 구속하는 깊은 자생 포텐셜 웰을 형성함으로써 반응속도를 더욱 빨라지게 할 수 있다. 상기 장치는 중수소 및 헬륨-3의 혼합물인 필드 가스를, 중성자 소스가 아닌 양자 소스로 변형될 수 있다. 상기 장치의 기하학적 형태 중의 하나는 구형이며, 도 1에 나타나 있다. 상기 장치는 플라즈마 타겟을 가진 이온 가속기의 원리에 기초하고 있다. 중성자 발생기의 실시예에서, 중수소-중수소 융합 반응은 플라즈마 타겟 영역에서 일어나며, 고에너지 중성자를 생성한다. 상기 장치는, 외주는 접지되어 있으며, 기하학적 투과성이 큰 구형 그리드는 음전위를 갖는, 단순한 구형 플라즈마 다이오드처럼 작동한다. 도전성 진공 쳄버(11)는 콘택(17)을 통하여 접지되어 있는, 구형의 관성 정전 포집 장치(10)가 도 1에 도시되어 있다. 상기 장치는 쳄버 내에 작은 구 형상을 이루며, 기하학적 투과성이 큰 그리드형의 캐소드 그리드(12)를 쳄버 내에 구비하고 있다. 그러나, 작동시에는, 상기 그리드 형상은 후술한 바와 같이 이온을 "마이크로채널" 속에 농축되는 효과로 인하여 더욱 고효율의 이온 투과성을 보이게 된다. 파워 소스(14)는 내부 캐소드 그리드(12)에 고전압 관통접속(feed-through)에 의해 연결된다. 전압은 음의 값을 갖기 때문에, 상대적으로 양의 값인 진공 쳄버의 벽과 중심 그리드 지역 사이에 바이어스를 형성한다. 가스는 조절 밸브(15)를 통해서 진공 쳄버(11) 내로 공급되고 펌프(18)에 의해 배출되어, 쳄버 내의 가스 압력을 조절할 수 있게 된다.
캐소드 그리드에 전압을 인가할 때, 소정 그리드 전압, 가스 압력, 가스 종류 및 그리드 형상 조건하에서, 높은 밀도의 이온 및 전자 빔들이 IEC 장치 내에 형성되어 "스타" 모드의 작동을 개시한다. 상기 모드에서는, 공간적으로 분포된 고밀도의 중성 이온 빔들이 그리드 와이어 사이의 열린 공간을 통과하는 마이크로채널을 형성한다. 이온들이 와이어와 접촉하지 않으므로, 상기 모드는 유효 그리드 투과율을 기하학적인 값 이상으로 상승시킨다. 상기 마이크로채널들은 그리드에 가해지는 충격과 그리드의 부식을 크게 감소시켜 전력 효율을 향상시킨다. 통상적인 스타 모드 작동에서는, 그리드와 마이크로채널 빔들은 상호 대칭적이어서 집중화된 고밀도 코어를 형성한다. 관성 정전 포집 기구는 훌륭한 중성자 및 양성자 소스 역할을 한다.
관성 정전 포집 장치에서 생성되는 비열(非熱) 플라즈마는 몇몇 서로 다른 분야에 다양하게 응용될 수 있다. 현재까지 개발된 것들 중 하나는 자외선 제조 분야이다. 상기 장치에서 크립톤 또는 크세논 등과같이 원자량이 큰 가스를 이용하면 고강도 자외선 소스를 제공할 수 있다. 또다른 응용 분야로는 확장된 그리드 와이어 개구에 의하여 형성된 채널을 통해 플라즈마를 흘려 보냄으로써 추진력을 얻기 위한 목적으로 IEC 장치를 이용하는 경우도 있다. 유동성 유체를 보유할 수 있는 석영 윈도우를 구비한 공정 쳄버가 디자인되었고, 전술한 두 가지 응용 분야는 1996년 11월 1일 출원되어 '관성 정전 포집 방전 플라즈마를 이용한 이온 제트 추진"으로 명명된 가출원 제60/030,009호 및 1997년 10월 31일 출원되어 "관성 정전 포집 방전 플라즈마를 이용한 플라즈마 제트 소스"로 명명된 PCT 출원 제PCT/US97/19306호에 개시되어 있으며, 상기 두 참고문헌은 본 명세서에 참조문헌으로서 통합된다. 또한, IEC 장치의 구조를 풀러렌 제조에 적용하는 방법도 연구되었다.
탄소-60(C-60)은 1985년에 발견되었고, 가스상 탄소 클러스터 내에 삼차원 새장 모양의 전탄소(all-carbon) 분자를 포함하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 짝수 개의 축구공 모양의 강한 분자들은, 측지적(geodesic) 디자인 분야를 개발한 미국 건축학자 풀러(R. Buckminster Fuller)의 이름을 따서 "풀러렌"이라고 명명되었다. 그 이후, 전탄소 물질을 입수하기가 상대적으로 힘들었기 때문에, 풀러렌 제조 및 그 이론을 주제로 다루는 연구와 논문들은 매우 한정된 수량만이 나타났다. 그럼에도 불구하고, 최초로 발견된 C-60 및 C-70 외에도, C-24 내지 C-240 및 그 이상의 범위에 이르는 다수의 안정된 탄소 구조들이 존재하는 것으로 알려졌다. 더우기, 지난 5년간에는 C-60 및 C-70의 생산이 서서히 증가하였으며, 이들보다 높거나 낮은 등급의 탄소 분자는 제한적으로 제조되어 왔다.
최근에는, 풀러렌의 잠재적 응용 가능성 때문에, 풀러렌의 수요가 증대되어 왔다. 현재 이용되는 다수의 진보된 물질들은 단지 하나의 용도를 갖는데 반해, 풀러렌은 일련의 다양한 용도를 가지며, 그들 중에는 초도전체, 항-에이즈제, 촉매 및 촉매 지지체, 광도전체, 광 리미터, 흡착제, 인조 다이아몬드의 전구체 및 식물 생장 조절제로서의 용도 등이 포함된다. 더구나, 풀러렌 연구의 주된 관심분야는 에너지 생산에 플러렌을 이용하는 방법을 개발하는 것이다. 최근의 연구 결과들은 C-60이 매우 훌륭한 수소 저장 매체로써, 팔라듐과 같이 기존에 이용되는 저장 매체에 비하여 더 많은 수소 원자들(48개까지)을 부착시킬 수 있다는 것을 보여준다. 에너지 제조와 관련된 또다른 영역은 C-60을 배터리 극판으로 이용하는 것이다. 풀러렌계 극판들은 무게가 가볍고, 종래의 니켈-산소 극판에 필적하는 효율을 갖는다. 마지막으로, C-60은 선박용 분자 볼 베어링(molecular ball bearing) 및 인공위성에 있는 전자 추진기의 추진제 등 가까운 미래에 수많은 새로운 응용 분야에 적용될 수 있는 바람직한 물질로 평가되고 있다. 현재까지 가장 진보된 개념은, 전탄소가 완벽하게 실린더 모양이나 관 모양으로 연결되어 있는 미세구조(나노튜브)가 금속성 및 반도체 특성을 가질 수 있다는 것이다.
풀러렌을 제조해서 상기와 같은 결과를 얻어내는 것은 이론적 뿐만 아니라 실용적인 단계에도 접근해 있다. 예를 들면, 풀러렌 탄소 분자를 제조하는 방법은 서너 개의 이론에 의해 좌우되어 왔다. 이들 이론 중 하나는, 흑연은 오각형이나 육각형 형태로 이루어진 시트 모양으로 되어 있다는 것인데, 스몰리(Smalley, R.E) 논문("Self-assembly of the fullerence", Acc.Chem.Res 25:98-105, 1992)에서 제안한 "펜타곤 로드 룰(pentagon road rule)"에 따르면, 이러한 시트 모양은 가장 낮은 에너지 레벨로 이끌리는 그들 구조의 물리적 경향으로 인해, 성장하는 구조의 가장자리에 존재하며 고에너지 비결합손(dangling bond)을 제거하기 위해 구부러진다고 한다. 이렇게 흑연 시트들이 구부러지거나 꼬이는 작용이 종결되면, 그 결과로 탄소 원자들로 구성된 타원모양의 밀폐형 골조가 형성된다. 이상의 내용은 챵(Zhang) 등의 논문("Reactivity of large carbon clusters: Spheroidal carbon shell and their possible relevelvance to the formation and morphology of shoot"; J.Phys.Chem. 90-525, 1986)을 참조할 수 있다.
풀러렌은 TOF(time-of-flight)형 질량 분광기에 의해 흑연을 레이저로 융삭하는 과정에서 생성되는 고온 탄소 플라즈마 내에서 최초로 제조되었다. 이후, 풀러렌을 제조하기 위해 몇가지 다른 시도가 있어 왔다. 크랏츠너 등은 논문("Solid C-60: A new form of carbon"; Nature 347:354-358, 1990)에 관성 대기하에서 흑연을 저항가열(resistive heatong)하여 C-60을 대량으로 제조하는 간단한 방법을 발표하였다. 이후, 상기 방법은 반응기의 크기, 흑연 막대의 소비율 및 헬륨 압력 등을 변화시키며 계속적으로 개선되어 왔다. 미국 특허 제5,534,232호는 탄소 할로겐화물을 플라즈마 토치 내에 주입하여 분자를 탄소와 할로겐 원자로 분해함으로써, 탄소구름을 형성하여 풀러렌을 포함하는 수트(soot)로 농축시키는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 경우에 따라서는 농축과정에 할로겐 원자가 침입하여 C-60을 형성하는 것을 방해하여 전 제조 효율이 낮아질 수도 있다. 또한, 상기 경우에는 전기장은 아무런 작용도 하지 못하며, 토치 내의 플라즈마는 맥스웰 방정식을 따른다. 일본공개 제61-73891호 역시 풀러렌 제조를 위해 플라즈마를 이용하는 것에 관한 것이지만, 분리 과정에 전기장을 이용하지 않는다. 미국 특허 제5,510,098호, 제5,316,636호, 제5,494,558호 및 제5,395,496호 등을 포함한 다른 특허들은 탄소 막대를 기화시켜 탄소원자를 생성한 후, 플러렌으로 재결합시키는 다양한 방법을 이용하고 있다.
대량 생산을 위해, 피터(Peter) 등은 고주파 오븐을 이용하여 섭씨 2700도에서 적절한 양의 C-60을 제조할 수 있는 열 기화 방법("A new fullerene synthesis" Agnew.Chem.Int.Ed.Engl. 31:223-224, 1992)을 개발했는데, 이러한 접근 방식은 더 나아가 고강도 일광을 이용해서 흑연을 기화시키는 것에까지 확장되었다. 다른 기화 방법에는 도전성 흑연 막대의 순간 접촉 또는 플라즈마 방전을 이용하여 아크 방전이 일어나게 하는 방법 등이 포함된다. 이상은 파커(Parker) 등의 논문("High yield synthesis, separation and massspectrometric characterization of fullene C60-C266", J.Am.Chem.Soc. 113:7499-7503, 1991)을 참조할 수 있다. 직류 퍼니스를 이용하여 대량의 C-70이 제조되었으며, 대량의 다른 등급의 탄소 분자들은 전자빔 기화 공정을 통해 제조되어 왔다. 그러나, 아직까지는 이러한 접근 방법 중 어느 것도 경제적으로 매력적일 만큼 충분한 효율을 보이지는 못했다.
호스트 물질로 흑연이 이용되는 것과 더불어, 석탄이 레이저 기화 공정과 함께 출발 물질로 이용됨으로써, 임의의 탄소계 물질을 이용한 탄소 제조 방법에 완전히 새로운 지평을 열게 되었다. 벤젠과 같은 방향족 탄솨수소를 제조하는 방법은 테일러(Taylor) 등의 논문("Formation of C60 by pyrolysis of naphthalene", Nature 366:728-731, 1993)에 개시되어 있다.
전술한, 풀러렌 제조 방법은 제조물의 양과 효율에서 제한적이다. 수집된 "수트"는 소모된 호스트 물질로부터 재형성된 모든 탄소를 포함한다. 풀러렌은 탄화수소, 재생성된 흑연 및 탄소 산화물 등과 함께 제조된다. 시간당 수 g에서 수백 g 정도의 속도로 생성되는 수트 생성 효율은 50% 내지 1% 미만이다. 상기 수트의 제조 효율 면에서 가장 우수한 것은, 시간당 약 2g의 C-60 물질을 플라즈마 아크 반응기 내에서 제조하는 것이다. 이는 앤더슨(Anderson) 등의 논문("A Plasma arc reactor for fullerene research"; Rev.Sci.Instrum, 65(12):3820-3822, 1994)에 개시되어 있다.
비록 선행 기술이 과학자들과 탄소 분자 사이를 좀더 가깝게 해준 것은 사실이지만, 경제적으로 대량 생산이 가능할 정도의 적합한 생성률로 풀러렌 물질을 효율적으로 제조해야 할 필요성은 상존하고 있다. 따라서, 적합한 제조 방법이 개발되지 않는 한, 최초에 알려진 C-60 구조물(풀러렌) 및 그 계열분자를 완전하게 이용하는 것은 경제적으로는 실용성이 없는 것일 것이다.
따라서, 고에너지 비열(non-thermal) 플라즈마 방전체를 풀러렌(C-60) 제조용 매체로 이용하는 것이 본 발명의 목적이다.
또한, IEC 장치를 풀러렌(C-60) 및 그 계열분자의 제조에 이용하는 것 및, 다른 제조 방법과 비교했을 때 상기 방법이 갖는 내구력과 독창성을 이용하는 것이 본 발명의 또다른 목적이다.
또한, 상대적으로 단순하지만 효과적인 장치와 공정을 이용하여 풀러렌(C-60) 및 그 계열분자를 효율적으로, 잠재적으로는 상업적으로 이용 가능한 규모로 제조할 수 있는 적합한 방법을 제공하는 것이 본 발명의 또다른 목적이다.
본 발명은 복합탄소분자를 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 관성 정전 포집(inertial electrostatic confinement, 이하 "IEC"라고 한다) 장치 속에서 플라즈마를 이용하여 탄소계 가스를 "버키-볼(buckey-balls)" 또는 풀러렌 C-60 및 계열분자(sister molecule)로 변환해 주는 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1a 관성 정전 포집(IEC) 중성자/양자 발생기의 개략적인 다이아그램이다.
도 1b는 본 발명과 관련한 포텐셜 구조를 나타내는 그래프이다.
도 1c는 본 발명과 관련한 또다른 포텐셜 구조를 나타내는 그래프이다.
도 1d는 본 발명과 관련한 이온 밀도 프로필을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 목적인 관성 정전 포집기(IEC)를 이용한 풀러렌 발생기의 개략도이다.
도 3은 IEC 장치를 이용한 풀러렌 제조 방법의 단계를 정의하고 있는 공정 흐름도이다.
도 4는 IEC 기구를 이용한 풀러렌 제조 도중에 이용될 수 있는 압력과 전압의 시간 변화를 나타낸 그래프들이다.
도 5는 포텐셜 웰 구조와 풀러렌 제조율을 증대시키는 IEC 플라즈마의 고에너지 비열 중심 코어 부분을 나타낸 도면이다.
도 6a 및 6b는 제트 분사기들이 중심부의 "수트" 수집 시스템에 연결되어 있는 IEC 제트 분사기들의 클러스터에 기초하는 공업용 풀러렌 제조 설비의 두 가지를 나타낸 도면들로서, 도 6b는 도 6a의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 목적인 IEC 제트 소스의 개략도이다.
도 8은 IEC 제트 소스의 스러스트(thrust)의 축을 따른 전위를 나타낸 도면이다.
도 9는 작동 중에 마이크로채널이 형성된 것을 보여주는 IEC 제트 소스의 스타 모드를 나타낸 사진이다.
도 10은 제트 모드에서 작동하는 IEC 스러스터(thruster)를 나타낸 사진인데, 포커스 빔이 함께 도시되어 있다.
도 11은 IEC 제트 소스 내에서 발생하는 이온화 과정을 설명하기 위한 도면이다.
풀러렌을 제조하기 위해 IEC 장치를 이용하는 특정의 장치 및 방법은 이미 개발되었고, 이는 연속적인 또는 펄스 모드에서 작동하는 IEC 장치 내에 탄소계 가스를 버퍼 가스와 함께 주입하는 단계를 포함한다. 펄스가 인가되는 동안에 고밀도, 고에너지의 비열 플라즈마가 형성되어 메탄을 탄소와 수소로 분해한다. IEC 장치의 구조는 원하는 플라즈마를 형성하기에 매우 효율적인 방법을 제공하는데, 상기 플라즈마는 비(非)맥스웰리안형이기 때문에 고에너지 이온 성분들이 메탄(또는 기타 탄소 함유 가스 공급물)을 효과적으로 분해할 수 있게 한다. IEC 장치의 코어 플라즈마 지역 내의 전기장 형태는, 수소는 코어의 바깥 가장자리로 움직이는 반면에 고전위 z 탄소 이온들은 플라즈마의 코어 지역에 우선적으로 농축되도록 되어 있다. 비맥스웰리안 IEC 장치 내의 플라즈마의 비중성(non-neutral) 특성 때문에 "더블웰(double well)" 형상의 전위 프로필이 플라즈마의 코어 지역에 형성된다. 상기 포텐셜 웰 현상은 앞서 확인된 미국 특허 가출원 제08/232,764호에서 설명되는데, 이것은 본 명세서에 참조문헌으로 통합된다.
상기와 같이, 전기장 구조를 이용하여 탄소 원자를 다른 종류들로부터 자연적으로 분리하는 것은, 탄소를 재결합시켜 상대적으로 대량의 풀러렌을 생성하는 고효율 매커니즘을 제공한다. 펄스 인가 종료시, 플라즈마는 재빨리 냉각되어 여러 종(species)으로 재결합되어진다. 고농도의 탄소 이온과 저농도의 탄소 이온이, 수소가 체인 종단 현상에 의해 방해하는 확률을 최소로 하면서 탄소간 연결을 돕기 때문에 풀러렌(C-60)은 주로 중심 코어 부분에서 생성되는 것이 바람직하다. 버퍼 가스(예를 들면, 헬륨, 크세논, 아르곤)는 상기 공정에 직접적으로 참여하지는 않지만, 플라즈마 에너지의 저장/전달 성분으로 작동하도록 선택된다. 따라서, 버퍼 가스를 이용하면 공정을 더욱 최적화할 수 있다.
풀러렌을 제조하기 위한 장치는, 심부에 그리드형 중앙 전극 및 펄스 모드로 작동하는 고전압 소스에 연결되어 쳄버 내에 전기장을 제공하는 도전성 외부 껍질을 구비한 IEC 진공 쳄버를 포함한다. 인가된 전압을 전극 근처의 내부 코어에서 플라즈마가 생성되도록 한다. 쳄버 내로 도입된 탄소계 가스(가능하면 관성 버퍼 가스도 함께)는 탄소 이온 성분과 수소 이온 성분으로 분리되고, 탄소 이온들은 재결합하여 수트처럼 보이는 풀러렌으로 형성된다. 상기 장치는 풀러렌을 제거하고 수집하기 위한 수트 추출 매커니즘을 포함하고 있다.
또한, 상기 장치는 그리드 주위의 전자 통로를 국한시키는 역할을 하는 중간 가이드 그리드를 포함하여, 그리드 근처의 중성 배경 가스의 이온화 속도를 향상시킬 수 있다. 부가적으로, IEC를 플라즈마 제트 분사기로 구현하는 기술과 구조 및 풀러렌을 대량생산하는 기술과 구조가 제안되어 있다.
IEC 장치를 이용하여 비열 플라즈마 풀러렌 제조 방법을 실현하였다. 바람직한 실시예에서는, 헬륨 버퍼 가스와 함께 메탄이 펄스 모드에서 작동하는 IEC 장치 내로 주입된다. 펄스가 인가되는 동안에 고밀도, 고에너지의, 비(非)맥스웰리안 비열 플라즈마 코어가 형성되고, 메탄이 탄소와 수소로 분리되었다. IEC 장치 내부의 전기장 형태는, 가벼운 수소는 코어의 바깥 가장자리로 움직이는 반면에 고에너지 z 탄소(higher z carbon) 이온들은 우선적으로 플라즈마의 코어 지역으로 농축되게 하였다. 펄스 인가가 종결되면, 플라즈마는 재빨리 식어서 여러 종류의 재결합이 일어나도록 한다. 풀러렌은 주로 중심 코어 부분에서 생성되는 것이 바람직한데, 그 이유는 고농도의 탄소 이온과 저농도의 수소 이온이, 수소의 체인 종단 현상에 의한 방해 가능성을 최소로 하면서 탄소를 연결하기 때문이다. 상기 IEC 장치는 독창적이고 단순하기 때문에 상대적으로 높은 제조 효율로 풀러렌을 대량 제조하는 것이 가능해졌다.
원래 방사화 분석을 위한 중성자 소스로서 개발된 IEC 플라즈마 소스는 도 1a에 나타나 바와 같이, 새장 모양의 그리드가 구형 진공 용기 내에 구비되어 있다. 수십 밀리토르 압력 범위인 쳄버 내에 가스가 들어갈 때 그리드에 10 내지 70킬로볼트의 고전압을 인가해 줌으로써 플라즈마 방전이 발생된다. 또한, 그리드는 방전체로부터 이온을 축출하여 그들을 기구의 중심부를 향해 가속시키는 역할을 하는데, 그곳에는 밀도가 높고 고온의 플라즈마가 형성된다. 도 5에 나타난 바와 같이, 그리드에 의해 생성된 전위면은 포획된 이온들을 재순환시키도록 형성되어, 고에너지의 이온과 저에너지의 배경 전자와 함께 매우 비열적인 플라즈마가 생성된다. 그리드에서의 전위 면은, 그리드 구조의 기하학적인 역할에 의해서 그 내부에 오목하게 들어간 부분을 가지게 된다. 전위면의 이러한 특성이 이온을 마이크로채널 내로 집중시키고 재순환하는 과정을 돕는 작용을 한다. 결과적으로 생성되는 플라즈마는 인시츄법에서 이용하거나 고밀도의 코어 부분에서 방사된 방사선을 채택함으로써, 다양한 플라즈마 공정을 진행할 수 있다.
IEC를 융합 중성자 소스로 이용하기 위한 용도와 관련하여 상기 구조를 광범위하게 측정하고 계산한 결과 IEC의 작동 도중에 캐소드 그리드 내에 형성된 포텐셜 구조를 이용하는 것이 가능하게 되었다. 만약, IEC에 중수소가 이용된다면, 고에너지 중수소 이온들은 2.5MeV의 중성자와 3.4MeV의 양성자를 제조한다. 그러므로, 결과적으로 방출되는 양성자 소스 프로파일을 평가하기 위하여, 중수소-중수소 양성자 방출량의 공간적인 측정에 기초한 진단 기법과 자료 분석 방법이 개발되었다. 양성자 소스의 속도는 중수소 이온 밀도의 제곱에 정비례하는데, 이것은 또한 전위 프로필("구조")에 의존한다. 따라서, 상기 양성자 측정법은 전위 프로필을 방해하지 않을 수 있도록 하였다(나들러 등의 논문 "Potential Profile Measurements Based on a Collimated Proton Detector in Spherical Electrostatic-Inertial Plasma Confinement(SEIC)" Ninth Topical Conference on High-Temperature Plasma Diagnostics, Rev.Sce.Instrum., 63(10) Oct. 1992; Gu 등의 논문 "Potential Well Structure and Scaling Studies for the IEC,: Intl. Sherwood Fusion Theory Mtg., Madison, WI, April 27-30, 1997). 잘 시준된 양성자 검출기를 수 mm의 해상도로 IEC의 코어 플라즈마를 통해 회전식으로 스캔하여 양성자 소스 프로필을 측정한다. 이어서, 아벨 역위법을 통하여, 스캔한 데이터를 변환하여 방사상 양성자 소스 프로필을 얻는다(예를 들면, 양성자 생성 속도 대 반지름). 전술한 실험 기법들을 통하여, 2.2mA/kV3/2의 구조 형성 퍼버런스 한계 조건이 초과되면 강한 전위 프로필이 발생함을 확인하였다. 도 1b에 나타난 측정치들은 15kV에서 여러 그리드 전류를 인가했을 때 단위 부피당 중수소-중수소 양성자 소스의 속도 대 실험용 IEC 장치의 중심으로부터의 반경을 도시한 것이다(구(Gu) 등의 논문 "Potential Well Structure and Scaling Studies for the IEC,: Intl. Sherwood Fusion Theory Mtg., Madison, WI, April 27-30, 1997).
세 피크 프로필의 모습은 코어 중심 내에 양이온에 대한 포텐셜 웰 "트랩"이 생성되었음을 명확하게 나타내는 표시이다. 도 1b에 나타난 결과는 전류가 증가함에 따라서 상기 트랩을 형성하는 가상 전극들의 크기가 지속적으로 증가함을 보여준다.
이상과 같이 관찰된 양성자/전위 프로필은 구형 IEC 플라즈마 포집에 대한 블라조프-포아송 이론과 잘 들어맞는다. 이러한 경우, 만약 서로 다른 전하 대 질량비를 가지는 이온들을 생성하기 위해 IEC 내에 가스 혼합물이 이용되었다면, 각 이온들은 트랩 내부의 전위 변화 때문에 서로 다른 방사상 지역 내에 농축될 것이다.
또한, 상기 포텐셜 구조에 대한 부가적인 통찰은 IEC 플라즈마에 관한 컴퓨터 시뮬레이션에서 얻어진 것이다. 우선, 계산 기법을 확인하기 위하여, 양성자 측정에 이용되었던 조건들과 비슷한 조건에 대해 이온 밀도 프로필과 포텐셜 구조를 계산하였고, 그 결과 얻어낸 15kV에서 포텐셜 구조와 이온 밀도 프로필들을 도 1c 및 도 1d에 각각 제시하였다(쵸네프(zonev, I.V.)의 논문 "Effect of Large Ion Angular Momentum Spread and High Current on Inertial Electrostatic Confinement Potential Structures," M.S. Thesis, Department of Nuclear Engineering, UIUC, Ubana, IL, May 1996). 고정된 전압에서, 포텐셜 구조가 낮은 전류에서는 하나의 포텐셜 웰로, 높은 전류에서는 더블 포텐셜 웰로 발전하는 것이 관찰되었다. 이러한 결과들은 도 1b에 나타난 공간 양성자 방출 측정치와 매우 잘 일치하여, 계산결과에 확신을 갖게 한다. 이러한 시뮬레이션은 본 발명이 이용될 고전압-고전류 조건에까지 확장시켰다.
IXLTM블라조프-포아송 솔버 코드(Vlasov-Poisson-Solver for code)를 이용한 매개변수 연구[킹(King) 및 버샤드(Bussard)의 논문 "A Dynamic Poisson-Solver for Spherically Convergent Inertial Electrostatic Confinement Systems," Energy-Matter Conversion Corporation Report, EMC2, pp. 1191-03, EMC2, Manassas, VA, 1991]가, 높은 이온 전류 하에서, 주입된 이온들의 각운동량의 확산과 함께 더욱 깊은 쌍 포텐셜 웰이 형성된다는 것을 밝혔다. 덧붙여서, PDS1TM같은 동적 셀 내부 입자 코드(dynamic particle-in-cell codes)[블로미(Bromley) 등의 논문 "PIC-MCC Simulations of the IEC Fusion Device," Bult. APS, 40, 11, p. 1736, 1995; 블로미(Bromley) 등의 논문 "PDSITMSimulations of IEC Fusion Devices", Abstracts: 1995 IEEE International Conference on Plasma Science, IEEE Conf. Rec. 95CH35796, p. 206, Madison, WI, June 5-8, 1995] 및 오니시의 PIC 코드(Ohnishi's PIC code:OPICC)[오니시(Ohnishi) 등의 논문, "Multi-Potential Well Formation and Neutron Production in Inertial Electrostatic Confinement Fusion by Numerical Simulations," Proceedings of Symposium on Fusion Engineering, Vol. 2, Sept. 30-Oct. 5, 1995]가 본 발명에서 요구하는 타입의 다중 포텐셜 웰 구조를 형성하였다.
요약하면, 특정한 전류 및 전압 조건을 초과하는 상태에서 작동하는 IEC의 중심 플라즈마 코어 지역에 포텐셜 구조가 존재하게 됨을 일련의 실험과 계산과정을 통해서 확인했다. 본 발명은 이러한 관찰 결과를 이용하지만, 이러한 관찰 결과는 더 나아가, 포텐셜 구조 내의 다양한 반경에서 다양한 이온종을 부분적으로 분리하고 농축시키는데 상기 구조를 이용하는 개념으로 더욱 확장될 수 있다.
IEC 구조 및 메커니즘은 상업용이나 공업용 용도로 풀러렌을 대량제조하기에 필수적인 효과적인 제조 메커니즘의 기초를 제공한다. 도 2에 나타나 있듯이, IEC 장치는 포텐셜 웰 구조 및 탄소 이온의 분리현상을 이용해서 효율적인 풀러렌 제조법을 제공한다.
도 2에 나타나 있듯이, IEC 풀러렌 제조 장치(100)는 접지단자(117)이 연결되어 있는 구형의 도전성 진공 컨테이너(111)를 구비하고 있는 구형의 IEC 구조물(110)을 포함한다. 컨테이너(111) 내에는 중심 전극 어셈블리(112)가 새장 모양의 그리드 형태로 위치하고 있다.
바람직한 실시예에서, 그리드 모양의 전극 구조에 변형을 주지 않으면서 원하는 전위를 제공할 수 있는 최적의 입력 파워 레벨을 얻기 위해서, 전극은 그리드를 구성하는 중공 파이프 내에 흐르는 활성 냉각제를 필요에 따라 채택할 수도 있다. 껍질 속에 진공 조건을 계속 유지하면서, 컨테이너(111)의 껍질을 관통하는 초고전압 진공 관통접속 어셈블리(113)를 통해 중앙 전극(112)에 파워 서플라이(114)를 연결하여 전위차를 얻는다. 파워 서플라이는 펄스 형태의 출력 전압 또는 펄스 형태의 전류를 중앙 전극에 인가하도록 전환된다. 또한, 껍질은 진공 펌프(119) 및 가스 추출 매니폴드(120) 사이에 연결되어 있는 진공 포트(118)를 구비하고 있다. 진공 펌프는 컨테이너(111) 내에 적정한 진공 레벨을 유지하는 것과 추출 매니폴드(120)를 통하여 내부 껍질에 축적된 가스 응축을 용이하게 한다. 컨테이너(111)의 껍질은 반응 가스 취급 시스템(115)이 연결된 제2 포트(116)를 구비한다. 전형적으로는, 메탄과 같이 탄소계 가스 혼합물 및 헬륨 같은 반송 기체 또는 "버퍼" 가스가 포트(116)를 통해 인가된다. 컨테이너(111)의 껍질에는 제3포트(121)가 있어서, "세척" 시스템이 연결되는데, 이러한 시스템에는 진공 등급의 스프레이 노즐 시스템이 포함된다. 세척 시스템 노즐은 "진공이 아닌" 조건하에 용매를 쳄버 내에 인가하도록 작동하여 축적된 풀러렌 "수트"가 응축 지역(129)으로 보내진 뒤 생성물 수집기 컨테이너(125)를 통해 제거되도록 한다.
도 2에 나타나 있듯이, 구형 컨테이너(111)는 하반구에 반-강성(semi-rigid) 다리(124)를 통해 지지되는데, 상기 다리들은 진동-야기 교반 부재(123)에 연결되어 있다. 교반기를 작동시키면 세척 시스템의 작동과 일치하여, 쳄버 내의 풀러렌을 포함하는 수트는 하부 수집 영역(129)으로 들어가는데, 상기 지역에는 수트와 용매를 세척하기 위해서 제거할 수 있는 반응 생성물 수집기 컨테이너(125)가 구비되어 있다. 다른 로드-록 쳄버를 위해 상위(126) 및 하위(127) 진공 포트들을 구비한 로드-록 형태를 구비하고 유연성이 있는 커넥터(128)를 통해 수집영역에 연결되어 있는 진공 펌프 시스템은 풀러렌을 포함하는 수트를 주기적인 작동으로 수집하는 역할을 할 수 있다.
관성 정전 포집(IEC) 기구의 작동을 위한 실제적 논점, 메카니즘 및 작동 변수들은 시스템에 메탄 주입에서부터 풀러렌(C-60)을 사이클의 마지막에 제거하기까지 모든 공정 사이클에 대해 본 명세서에 제시되어 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 초기 준비 모드에서는 IEC 장치는 펌프다운되고 가열되어, 전 공정 사이클로부터 배출되어 축적되어 있을지 모르는 오염물질을 태워 없앤다. 구체적으로 설명하면, S-1 단계에서는 진공 펌프 시스템(119)을 이용하여(이 시스템은 터보 초고진공 분자 펌프일 수 있다) 포트(118)를 통해서 약 10-5내지 10-6Torr 압력까지 IEC 반응 쳄버(111)를 비운 후 약 섭씨 400도 까지의 온도로 한시간 동안 가열하여 존재할지 모르는 오염물질을 제거한다. 진공 펌프 배기가스는 가스 용매 재생을 위해 전환될 수 있다.
로딩 S-2 단계에서는, 펌프(119)는 분리되고 더 높은 압력 펌핑에 맞춰지며, 펌프 배기가스는 반응 가스와 버퍼 가스의 혼합물을 재생하기 위해 전환되고, 메탄 또는 다른 탄화수소 가스는, 전형적으로 헬륨과 같은 추가 버퍼 가스와 함께 반응 가스 취급 시스템(115)으로부터 포트(116)를 통해 쳄버(111) 내에 인가되며, 압력은 가스 취급 시스템(115) 내에 있는 밸브 및/또는 대량 흐름 콘트롤러를 이용하여 약 2 ×10-3Torr로 유지된다. 반응 가스는 메탄 및 헬륨이 매우 넓은 범위에 걸쳐 분포한 비율(버퍼 가스가 전혀 없는 경우에서부터 메탄 및 헬륨이 거의 같은 비율로 섞여 있는 경우까지)로 섞여있는 배합물이면 바람직하다. 파워 소스(114)로부터 쳄버의 중앙에 있는 IEC 캐소드 그리드(112)에 약 10kV의 전압을 인가하면 탄화수소의 파센 브레이크다운 현상에 의해 전기적(플라즈마) 방전체가 생성되기 시작한다. 고전압 전위를 갖는 전압 펄스가 진공 공급기 어셈블리(113)를 통해서 고전압 파워 소스(114)로부터 중앙 전극(112)에 인가된다.
제조 모드인 S-3 단계에서는, 결과물인 플라즈마 글로우 방전이 얻어지면 시스템에 인가된 전력과 가스를 미세하게 조절하여 그리드 전압을 약10 내지 60kV로 유지시키고, 전류를 약 5 내지 100mA로 유지시켜 글로우 방전을 지속시킨다. 상기 사이클의 작동은 준-안정 상태이거나(예를 들면, 전압과 전류의 연장된 유지상태 또는 짧은 펄스상태일 수 있다(예를 들면, 빠르게 주기적으로 그리드 전압을 가해서 주기적인 방전을 얻는 상태). 상기 사이클은 풀러렌 수트 축적물을 정제할 때까지 반복할 수 있다.
탄화수소 가스 내에서 일어나는 전기적 방전 현상은 분자를 분해하고 그 구성 원자들을 이온화한다. 쳄버(111)의 벽과 그리드(112) 사이의 전위 차가 이온화 된 원자들을 쳄버의 중앙으로 가속화시킨다. 상기와 같이 수렴 이온들에 의해 형성된 포텐셜 웰 구조가 수많은 이온들을 쳄버의 중앙(코어) 지역에 가둬 두게 된다. 수소 이온의 탄소 이온에 대한 전하 대 질량비 때문에, 수소는 커다란 코어 부피 내에 포집되고, 탄소 이온들은 그보다 더 작은 부피 내에 포집되므로, 거의 모든 탄소 이온들로 이루어진 국지화된 고밀도 영역이 생기게 된다. 이렇게 종별로 분리할 수 있는 능력은 "보통의" 전기적 방전 플라즈마의 그것과는 극명하게 대립하는 것이다. 후자를 풀러렌 제조에 이용하고자 하는 시도는, 강한 압력의 수소가 탄소 체인에 끼어들어서, C-60이 형성되기 이전에 반응을 중단시킴으로써 생성효율이 심하게 저하되는 문제에 직면하였다. 그리드의 중앙에서는 서로 밀접하게 결속되어 있는 탄소 입자들이 재결합하여 C-60, C-70 및 다른 풀러렌 분자를 이루게 된다. 이러한 풀러렌들은 상대적으로 무거워서, 방전체로부터 가라앉아 특히 쳄버의 바닥 부분에 모이는 경향이 있다. 공정이 계속되면서, IEC 내의 전기장의 구조 때문에, 탄소 이온들은 그리드에 의해서 추출되고, 장치의 중앙부로 가속되고 다시 재순한되어, 그리드 주위에 고밀도, 고온의 플라즈마 코어 영역이 형성된다. 그리드의 형태와 인가된 전위가 탄소와 수소 이온들을 방전체로부터 추출하도록 작용한다. 고에너지 z 탄소 이온들이 우선적으로 플라즈마의 코어 영역 내에 농축되게 된다. 가벼운 수소는 코어의 바깥 가장자리, 즉 수소 매니폴드(120)로 보내지는데, 거기서 포트(118)를 통해 진공 펌프 시스템(119)에 의해 제거된다.
펄스가 끝나고 플라즈마가 냉각되면, 중앙 코어 지역에서 고농도의 탄소 이온과 저농도의 수소 이온 때문에 탄소 결합이 일어나기에 적합한 상태가 되어 복합탄소 풀러렌이 형성된다. 풀러렌은 쳄버(111)의 내측면 상부 또는 쳄버의 바닥에 농축된 "수트"처럼 보이게 된다. 후술하는 대로, 수트는 펄스 사이클 이후 및 IEC의 냉각 단계에서, 교반 장치(123) 및 세척 시스템 모두 또는 이들 중 하나만을 이용하여 제거된다. 세척 시스템은 쳄버의 내벽 및 그 구성부분 위에 용매를 분사함으로써 수트를 수집 컨테이너(125) 내에 집적시킨다.
최종 퍼지 모드 단계인 S-4에서는, 반응 가스 혼합물은 차단되고 헬륨으로 교체된다. 플러렌을 쳄버로부터 제거하기 위해서는 에어-록/로드-록 시스템(129)이 이용된다. 로드 록은 쳄버 내의 압력이 심하게 오르거나 내리지 않도록 하면서 물질을 쳄버 밖으로 흘러나오게 하는 장치이다. 도 2에 나타난 쳄버는 구형이고 실린더 모양의 로드 록 시스템을 구비하고 있으나, IEC 쳄버에 맞는 또다른 구조로는 쳄버/깔때기의 바닥 부분에 위치한 원뿔형 바닥이 깔때기처럼 풀러렌을 로드 록에 전달하는 구조를 구비할 수 있다. IEC 쳄버의 전기적 구조는 보통 구형이고, 반구형의 와이어 메쉬가 이용되어 쳄버의 바닥 부분의 고체인 원뿔형 벽이 풀러렌을 로드 록으로 운반하는 것뿐만 아니라 쳄버 내의 압력을 유지하는 동안에, 쳄버의 바닥의 전기적 상태를 유지할 수 있다.
상기 퍼지 모드에서는, 세척하기 위해 쳄버 내의 압력이 증가되고, 세척 스프레이 부재(122)는 축적된 풀러렌을 쳄버의 바닥으로 보내도록 작동한다. 물론, 장치에 세척 부재가 없을 수도 있다. 어떤 경우라도, 특정한 시간 간격 동안에 로드 록의 내문(130)이 열려서 풀러렌(만일, 세척액이 이용된 경우에는 세척액도 함께)이 중력에 의해서 하부 쳄버(반응 쳄버와 같은 고압력으로 유지되는) 내로 흘러들어가게 한다. 그러면, 내부 로드 록 문(130)이 폐쇄되어 하부 쳄버 내의 압력이 증가되며, 로드 록의 제2 로드록문(131)이 개방되어 풀러렌이 계속 유동하여 컨테이너 내로 떨어지도록 한다. 이후, 제2 로드록 문(131)이 페쇄되고, 최하부의 로드록(132)이 개방되어 풀러렌이 제거용 하부 쳄버(125) 내에 떨어지도록 한다. 상기 최하부의 로드록 문이 개방되면, 가장 낮은 쳄버는 풀러렌을 제거하고, 계속된 공정에 이용하기 위하여 상압으로 조절된다. 풀러렌이 반응 쳄버와 로드록 쳄버로 떨어지는 것을 촉진하기 위하여, 진동기(123)가 쳄버의 바닥 혹은 면 부위에 부착되어 풀러렌이 면으로부터 잘 분리시키고 중력에 의해서 자유롭게 쳄버의 바닥으로 떨어지도록 교반시킬 수 있다.
펄스 모드(a) 및 안정 상태 모드(b) 모두에서 작동하는 IEC를 이용한 풀러렌 제조 과정의 다양한 지점에서의 시간에 따라 변하는 압력과 전압의 흐름을 도 4에 나타내고 있다. 풀러렌을 펄스 모드에서 제조할 때의 작동 순서와 시간은, (1) 대기에서 시스템을 펌프다운 하는 단계(약 20분), (2) 가스를 진공 쳄버 내에 인가하여, 플라즈마 방전을 시작하는 단계(1분), (3) 전압 펄스를 인가하여 풀러렌을 제조하는 단계(3ms), (4) 펄스를 반복하는 단계(수십 분), (5) 펄스를 중지하는 단계, (6) 풀러렌을 추출하고, 쳄버를 펌프다운 한 후, 공정 사이클을 재시작 하는 단계(30 내지 40 분)이다. 풀러렌을 안정 상태 모드에서 제조하는 경우는, (1) 대기에서 시스템을 펌프다운 하는 단계(약 20분), (2) 가스를 진공 쳄버 내에 인가하여, 플라즈마 방전을 시작하는 단계(1분), (3) 최적의 압력, 전압 및 전류에서 방전의 정상상태 작동(수십분에서, 수시간 까지) 단계, (4) 작동을 중지하는 단계 및 (5) 풀러렌을 추출하고, 쳄버를 펌프다운 한 후, 공정 사이클을 재시작 하는 단계(30 내지 40 분)이다.
도 5는 IEC 내에 생성되는 정전적인 더블 포텐셜 웰 및 그 우물의 IEC의 물리적 성분들 및 이온들에 대한 관계를 보여주고 있다. 플라즈마 방전 지역에서 캐소드로 흐르는 이온들이 캐소드 내에 포텐셜 웰을 형성한다. 이온들이 충분히 존재하면. 캐소드 내에 있는 이온들의 축적된 공간 전하가 전자를 끌어당기는 가상 애노드를 형성하게 된다. 또한, 전자들 자체는 가상 캐소드-양성 이온들이 가둬지는 깊은 캐소드 포텐셜 웰을 형성한다. 캐소드 부피에 비하면 극히 작은 부피에서 제2 우물에 이온들이 포집되는 현상이 발생하여, 고밀도의 플라즈마 코어가 형성되고 높은 융합률이 얻어진다. 또한, 포텐셜 웰 개념은 그리드가 하나뿐인 구형 IEC 장치에도 적용될 수 있다. 어떠한 경우에도, 깊고 안정한 더블 포텐셜 웰이 이온을 잘 포집하는데 효과적이라고 여겨진다. 웰의 깊이는 몇가지 잘 알려진 기술을 통해 최대화될 수 있다. 또한, 포텐셜 웰은 반대의 극성을 가지고도, 예를 들면 캐소드에 양전위를 인가해서도 생성될 수 있다. 이러한 경우에, 장치의 중앙으로 흘러들어가는 전자들이 웰 생성의 시발점 역할을 한다. 이러한 구조는 또한 풀러렌 제조에도 이용될 수 있다.
참조문헌으로서 본 명세서에 통합되는 미국 가출원 제60/030,009호(출원일 1996. 11. 11, "Ion Jet Thruster Using Inertial Electrostatic Confinement Discharge Plasma") 및 PCT 출원 제PCT/US97/19306호(출원일 1997.10.31, "Plasma Jet Source Using an Inertial Electrostatic Confinement Discharge Plasma")에 개시된 바에 따르면, IEC 쳄버로부터 분출된 제트류 또는 로켓 분사물 내에 다양한 풀러렌 종이 포함되도록 하기 위해 제트 스러스트와 같은 ICE의 용도가 채택될 수 있다. 상기 개념의 장점은 제조된 풀러렌 입자 또는 수트가 로켓 모터와 관련한 진정으로 높은 효율을 가지면서 IEC 쳄버 외부로 송출된다는 것이다.
도 6a는 4개의 IEC 제트 반응 쳄버(210)의 세트를 이용한 풀러렌 제조 시스템의 바람직한 실시예를 보여준다. 각각의 IEC 쳄버(210)들은 로켓 분사 제트류가 유입되어 팽창되거나 냉각될 수 있는 대형 진공 쳄버(212) 내부에서 작동하거나 상기 진공 쳄버에 부착되어 있다. IEC 쳄버 부착물은 제트류 분사를 위해 중앙에 구멍이 있는 절연체 섹션(219)을 포함한다. IEC 쳄버(210)로부터 분사되는 제트류는 양으로 하전된 전자 및 음으로 하전된 전자로 이루어진다. IEC 쳄버 제트류 출구 구멍에 위치한 전자 방출기(218)는 제트류에 전기적 전하 균형을 이루기 위해 이용된다. 풀러렌 입자들은 배플(baffle) 또는 디플렉터(diflector) 구조물(213)과 충돌하면서 감속되는 과정에서 가장 낮은 곳으로 떨어진다. 제2 대형 진공 쳄버의 압력은 낮게 유지되어 IEC 반응 쳄버에 대해 음의 압력을 유지되도록 한다. IEC 반응로의 펄스 모드에서의 작동은 최적화되어 풀러렌 입자를 플라즈마 제트류를 통해서 방출시키면서, 최고 속도의 풀러렌 생성률을 얻을 수 있게 한다.
제트 입자를 감속시키기 위해서 또다른 수단이 이용될 수 있다. 접지된 중공전극(240) 및 각 제트류 하류에 동축으로 위치하며, 10 내지 30kV 정도의 높은 양전위에 맞춰진 또 다른 중공 전극(241)을 이용하면 잔류하는 어떠한 양성 전하 입자도 감속시킬 수 있는 정전 전기장을 형성할 수 있다. 상기 수단은 도 6a 및 6b의 소정부에 존재하게 될 것이다.
풀러렌 "수트"를 IEC 반응 공정을 방해하지 않으면서 제거하거나 적어도 생산성이 시간당 수십 ㎏ 정도 또는 그 이상이 되도록 풀러렌 제조 공정 단계를 최적화하는 방법이 있다. 제거 시스템은 배플 구조물(213) 및 교반 작동 시스템(215) 상부에 위치한 수집 깔대기(214)를 구비하고 있다. 시스템 내의 진공 상태가 교란되지 않도록 하면서 "수트"를 제거하기 위하여 "에어록" 또는 "로드록" 시스템(230, 231, 228, 226, 227)이 채택되어, 연속적인 풀러렌 제조 공정을 가능하게 한다. "수트" 축적물이 허용 가능한 최대치만큼 축적되었을 때, "세척" 시스템(217) 작동 모드가 채택될 수 있다.
제조 시스템의 용량을 키우려면 도 6a 및 도 6b에 도시한 것처럼, 한 개의 커다란 중앙 진공 탱크 수트 수집기 및 추출기 시스템에 연결된 수 개의 IEC 반응로를 이용할 수 있다. 제조 설비는 더욱 높은 생산성을 얻을 수 있고, 공업용 설비로서 적합한 견실성을 보일 수 있다.
IEC의 제트 스러스터 버전은 전술된 것과 같은 진공 용기 및 하나의 그리드 구조에 기초할 수 있으나, 또 다른 실시예에서는, 그리드 개구 중 하나는 그리드 내에서부터 나와서 바깥으로 흘러나가는 플라즈마 제트류를 생성하기 위하여 확장되어 국지적으로 전기장을 교란시킨다. 용기 벽의 개구가 확장된 그리드 개구와 라이닝되고, 만약 외부 압력이 용기 내부의 압력보다 작거나 같아서 가스가 진공 용기 속으로 되돌아 흘러들어가는 것을 막는다면, 제트류를 용기 밖으로 송축시키는 것이 가능해 진다. 이것이 바로 우주 공간에서 스러스터가 이용될 때의 자연적인 조건인데, 그렇지 않다면 용기 개구는 압력을 조절하기 위하여 다른 진공 용기 속으로 향해 있어야 한다. 부재의 또 다른 변화는 제트류를 통한 전자의 우선적인 탈출현상에 의한 공간 전하의 누적현상을 중화시키기 위해 전자 방출기가 진공 용기 개구 근처에 추가되어 있다는 것이다. 또한, 제트류 방출을 확장시키고 방향을 조절하기 위하여, 캐소드 그리드와 같은 전위로 바이어스 된 짧은 원통형 그리드가 그 축은 캐소드 그리드의 중앙 및 용기 개구에 맞춰 정렬되어 삽입되어 있다. 상기 그리드는 제트류 흐름이 캐소드 그리드에서 용이하게 빠져나오고 용기 개구를 통하여 잘 흘러나가도록 전위 "홈통"을 형성한다.
비록 하나의 그리드를 가진 IEC가 플라즈마 제트 작동을 위해 이용될 수 있지만, 참조 특허는 또한 제2 그리드가 용기 벽 및 캐소드 그리드 사이에 추가되어 있는 다른 구조를 공개한다. 추가된 그리드는 방출기로부터 나온 전자들을 끌어당기고 유도하여 그들이 상기 "가이드" 그리드의 면을 따라 있는 궤적을 따를 수 있도록 낮은 양 전압으로 유지된다. 이것은 중성자와의 전자 충격 충돌에 의한 이온의 탄생 지점을 가이드 그리드 주위의 부분에 국한하는데 도움을 준다. 이러한 이온 소스의 국한현상에 의해, 모든 이온들 및 캐소드 사이의 거리가 가이드 그리드 및 캐소드 그리드 사이의 거리와 거의 같아지기 때문에, 그 이온들이 캐소드 그리드에 의해 대략적으로 같은 에너지로 가속되므로, 포텐셜 구조를 생성하는 효율과 제트 작동 효율을 향상시킨다. 이러한 경우에, 제2 그리드 내에 적당한 구멍이 제공되어서 플라즈마 제트류를 유도하기 위한 원통형 그리드를 구비하게 된다. 네 개 구조가 모두 다른 전위로 유지되므로, 작동중 상대 전압으로부터 떨어지도록 하기 위해서 적당한 전기적 절연제를 구비한다.
IEC 제트 소스의 디자인은 도 7에 나타나 있다. 소스(110)는 작은 구멍(112)이 한쪽에 나 있는 구형의 진공 쳄버(111)로 되어 있다. 텅스텐 또는 탄탈륨으로 만들어지며, 90% 이상의 기하학적 투과성을 보이는 작은 직경의 구형 전기적 와이어 그리드(113)가 쳄버 내에 위치한다. 또한, 높은 기하학적 투과성을 얻기 위하여 방사상 방향에서 봤을 때 얇은 프로필을 제공하는 수많은 날개를 기하학적인 패턴으로 연결하여 상기 그리드를 만들 수도 있다. 그리드는 플라즈마를 포집하는 중앙 영역을 구성하고 플라즈마 제트류는 이온의 흐름을 제공한다. 제2 구멍(114)은 제1 구멍과 대략 같은 크기인데, 와이어 그리드(113)의 측면에 만들어진다. 상기 구멍은(114) 쳄버 벽에 있는 구멍(112)과 라이닝되어 있고, 두 구멍과 유사한 직경의 원통형 그리드(115)에 의하여 쳄버에 연결되어 있다. 원통형 그리드(115)는 정전적 전위 분포 속에 하나의 채널을 생성하여, 상기 채널을 통해 이온들이 제트류(117) 내에서 최대의 운동 에너지로 탈출할 수 있도록 한다. 정전적 전위의 변화는 도 8에 나타난다. 절연제(118)가 접지 전위인 쳄버(111)의 벽 부분을 덮고 있으며, 또한 접지 전위인 용기 벽에서 원통형 그리드(115)로 아크-오버 현상이 일어나지 않도록 크기가 조정되어야 한다. 도시된 바와 같이, 고압 절연제는 플라즈마 제트류가 기구를 빠져나가는 구멍 주위 지역의 외부 접지 벽을 구형의 형태로 커버하고 있다. 고압 절연제는 또한 플라즈마 제트류가 지나가는 구멍(112)의 내부를 따라 위치한다. 절연제는 캐소드로 바이어스된 원통형 그리드 캐소드 및 접지된 외구 및 전자 가이드 그리드 사이의 전위차를 유지시킨다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 전자 가이드 그리드, 구형 캐소드 및 원통형 그리드를 제자리에 고정시키기 위해 절연된 지지체를 이용한다. 내부 전기 그리드(113)는 절연된 공급 케이블(120)을 통하여 파워 서플라이(119)에 연결된다. 케이블과 커넥터(번호 미부여)들은 높은 음의 전압이 내부 캐소드(113)에 인가되고 낮은 양의 전압이 전자 가이드 그리드(116)에 인가될 수 있도록 하는 절연된 고전압 공급 시스템들을 구비한다. 파워 서플라이(126, 예를 들면 10 내지 1000V)에 연결되어 있고 접지 전위의 구(111)와 동심이며, 상기 구(111)와 인접하는, 애노드로 충전된 외부 전기 그리드(116)는 전자 방출기(121)와 함께 이온들을 발생시킨다. 내부 캐소드와 접지 전위인 외부 구체의 사이에 위치한, 구형의 그리드 모양의 구조물(116)은 이온과 전자 흐름이 용이하게 투과할 수 있으며 접지 전위인 구체에 비하여 상대적으로 양의 전위로 바이어스 되어 있다. 상기 구조물은 배경 중성 가스를 플라즈마로 이온화하는 이온화 속도를 증대시키고 전자의 이동 경로의 길이를 효과적으로 증가시키는 전자 가이드 그리드이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 전자 가이드 그리드의 구는 전체 장치를 넘어 확장되지 않는다. 전자 가이드 그리드 부분은 플라즈마 제트류가 기구를 빠져나가는 플라즈마 제트류 구멍에서 가까운 지역에서 종단되어 있다. 외부 그리드(116) 전압은 이온 발생을 최대화하도록 설정되어야 하므로 -0.1kV 내지 -30kV의 범위에 있을 수 있고, 0.005 내지 2000 A의 전류로 작동할 수 있다. 가속화하는 전압은 결과물인 분출물의 속도가 원하는 정도(예를 들면, ISP가 3000s 미만일 경우, 30000m/s)에 가깝게 되도록 하는 것을 보장할 수 있을 정도로 유지되어야 한다. 가스형태의 추진체(122)는 크세논 또는 다른 적당한 물질일 수 있는데, 이것은 용기(111)의 벽면 주위의 적당한 위치에 나 있는 구멍들(123)을 통해서 쳄버 내로 흘러 들어간다. 중성 가스형태의 추진체의 양은 0.1 mTon 내지 20 mTon 범위이다. 가스-공급기 및 이온화 시스템 전체는 공정 도중에 중성 추진체의 손실을 최소화하도록 최적화된다. 별도의 전자 방출기(125)들이 완벽한 중화 반응이 일어나도록 제트류 방출 구멍에 가까이 위치한다. 이러한 방출기들은 방출기 코일/건 들이 외부 구체의 벽과 전자 가이드 그리드(116) 사이의 공간에 위치한 채로, 외부의 접지 전위의 구체에 부착된 형태로 기구 내부면 위에 위치한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 중앙 코어(128)은 이온 밀도가 가장 높은 지역으로 소스에 의해서 방출되는 플라즈마 제트류(117)의 소스로 작동한다.
도 8은 IEC 방출물의 축을 따라서 전기적 전위를 도시한다. 도면의 왼쪽에서 오른쪽으로 이동할 때, 용기 벽(211)의 전압은 접지되어 있으므로 영(0)이고, 양으로 바이어스된 전기 그리드(222)로 접근할수록 전압이 증가함이 나타내고 있다. 그러나, 기구의 중심으로 더 이동하면, 최소치인 음으로 바이어스된 가속 그리드 전압 V(AG)에까지 급격하게 전압이 떨어지는 현상이 나타난다. 가속 그리드의 중심 내부에서는, 전압이 다시 양으로 바뀌어 중심에서 최대치를 이루고 실린더 모양의 그리드(215) 내의 플라즈마 제트류의 경로(216)를 따라서 안정상태까지 떨어지게 된다. 포텐셜 웰 이론이 높은 이온 전류에서 제2 가상 캐소드가 형성될 수 있음을 예견하고 있다.
전술한 IEC 소스는, 크세논(분자량이 131.3 amu인 상기 가스는 이온화되기가 용이하므로 선택됨)으로 구성된 추진체를 이용하고 있지만, 세슘, 아르곤, 수소, 헬륨, 메탄, 중수소, 세슘 및 질소 등과 같은 대체 가스들 역시 이용될 수도 있다. 탄소계 가스를 이용할 때에는, 제트류는 풀러런트같은 미립자를 포함할 수 있다. 도 1에 나타난 바와 같이, 전자 가이드(116), 가속 그리드(114) 및 실린더 모양의 그리드 가이드(115)들이 높은 녹는점, 높은 이차 전자 상수, 낮은 전자 저항, 높은 열전도도 및 낮은 스퍼터링 수율 등의 특성을 갖는 스테인레스 스틸, 텅스텐 몰리브덴 또는 바나듐 같은 물질로 만들어질 수 있는 것과 함께, 용기(111) 자체는 스테인레스 스틸과 같은 도전성 물질로 제조될 수 있다. 도전성이 아닌 물질도 용기에 이용될 수 있지만 별도의 그리드가 필요하다.
-1kV 소스(119) 및 +100V 소스(126)에 기초하여, 상기 장치는 추진력 34mN 및 제트 전력 500W의 3000s의 특정 임펄스를 만들 수 있다. 이러한 전압값들이 주어지면, 약 800mA의 빔 전류 및 750-800W의 입력 전력과 함께, 순수 가속 전위는 약 600V가 된다. 그리드에서의 전력 손실은 50W 미만이고 추진체의 이온화 전력 손실은 약 200 내지 250W가 되어 실투과성이 매우 높음을 보여준다. 결과적으로, 분사기 전체의 효율은 약 60 내지 70%가 된다. 그리드 와이어 또는 날개의 간격이 성긴 것 및 마이크로채널이 생기는 것 때문에 IEC 기구가 평면 정전 이온 소스 또는 분사기 보다 더 큰 순수 투과성을 가지므로, 이온이 제트류를 통해 분사되기 전에 반복해서 IEC 기구를 순환하더라도 전기 그리드의 전력 손실은 더 낮다. IEC 기구는 중앙 코어 플라즈마 내의 밀도와 온도가 평면 분사기들의 경우보다 높지만, 제동복사에 의한 손실의 증가 정도는 무시될만하다. 열복사에 의한 손실은 평면 플라즈마 기구들의 것들과 비근하다고 기대된다. 결과적으로, 이온당 에너지 소비(추진체의 이온화에서 생기는 전력 손실)는 평면 분사기의 경우 예견되는 300eV보다 작다. IEC 분사기에서는 이온들과 전자들은 방출되기 전에 재순환되고, 다중 그리드 시스템을 통하여 이온화 지역이 더 효율적으로 제한되기 때문에 최대 속도의 분사 이온 당 소비되는 에너지의 효율이 좋다.
도 9는 IEC 기구 내에 나타나는 스타 모드를 설명하기 위한 도면이다. 상기 예시도는 중앙 코어 지역에서부터 그리드를 통해 용기 벽면까지 확장되는 마이크로채널이 중앙 그리드 개구를 통하여 형성되는 것을 보여준다.
압력, 부피 및 전류 변수들과 그리드의 모양이 전기장을 국부적으로 충분히 동요시켜 이온이 채널로 흘러 들어가게 한다. 이러한 동요현상은 그리드 구체의 전면적의 매우 큰 부분을 차지하는 개구들을 제공하는 그리드 구멍의 크기에 의해서 나타난다. 필드 자체의 힘이 더 나아가 이온빔을 압축시키고 유지하는 것을 돕는다. 앞서 참조된 진행중인 출원에서 설명되었듯이, 구체를 디자인하는 데 있어, 그리드 개구의 면적 대 구체의 표면적의 비 및 구체의 반경 Rc가 전위 면의 수축의 정도를 결정하여, 계속하여 빔의 형성을 야기시킨다.
도 10은 IEC 분사기 내의 집중된 빔을 나타내고 있다. 다중채널은 실질적으로 제거되고 빔은 중앙 코어에서 용기의 외벽까지의 실린더 모양의 그리드 지역을 통해서 집중되어 제트류가 용기 밖으로 흘러나가는 분사현상이 일어나도록 한다.
도 11은 IEC 분사기(300) 내에서 일어나는 이온화 공정을 예시하는 사진이다. 분사기는 추진체 가스가 십입되는 하나의 개구(322)를 가지고 있는, 접지 전위인 용기(311) 및 플라즈마 제트(317)류를 발사하기 위한 하나의 출구 포트(312)를 구비한다. 애노드 그리드 전자 가이드(316)가 구체와 동심으로 용기 벽에 가깝게 설치되는 동안, 구형의 캐소드 가속 그리드(313)는 용기의 중앙에 위치한다. 예시를 쉽게 하기 위하여 실린더 모양의 가이드 그리드는 나타내지 않았다. 작동할 때에는, 전자 방출기(321)가 소스 지점(350)에서부터 가이드를 따라 위치한 중간 지점(351)에까지 애노드 그리드 전자 가이드를 통해 흘러가는 전자를 발생시킨다. 전자가 가이드를 따라서 흘러갈 때, 그들은 전압의 작용의 결과로 진동하게 되고 양이온들(354)을 제조한다. 이온화된 입자들(354)은 두 그리드에 의해 형성된 내부 전기장의 영향에 의해 용기의 중앙(356)을 통해 흘러간다. 양성 이온들은 양성 그리드(316)에 의해 반발되어 다음 작동을 위하여 중앙으로 다시 되돌아오게 된다.
관성 정전 포집 소스를 디자인하는 것은 구형 모양에 제한되지 않고 실린더 모양, 타원형 모양 또는 다른 모양들일 수도 있다. 실린더 모양은 다중 이온빔의 교차에 의하여 쳄버의 중앙에 만들어진 플라즈마 타겟에 기초한다. 실린더 모양과 같은 다른 기하학적 모양을 이용하는 것, 이온 흐름을 생성하기 위한 이와 유사한 시도 및 이온을 분사되는 플라즈마 제트류 내부로 흘러 들어가게 하는 것들은 모두 비슷한 결과를 나타낼 것이다. 이러한 디자인들은 좋은 효율, 가벼운 무게, 및 구멍이 있는 가속 그리드 구조에 기인하여 긴 수명을 보장할 것이다. 상기 장치와 함께 내장되거나, 모아지거나, 생성된, 적용 가능한 파워 소스들은 요구되는 전압과 전류를 제공하도록 조정될 수 있다.
IEC 이온 소스의 몇 가지 바람직한 실시예가 정의되었다. 예를 들면, 하나의 좁은 플라즈마 제트류를 제조하는 장치는 직경 2.5cm의 두 개의 마주보는 육각형 구멍, 한 변이 2.5cm인 12개의 정삼각형, 및 한 변이 1.5cm인 12개의 정삼각형으로 구성된 직경 5cm의 그리드를 그 내부에 구비하고, 3 내지 5mTorr의 아르곤 가스 쳄버 압력, 1 내지 4kV의 그리드 전압 및 1 내지 20Ma의 전극 전류에 작동하는 32cm 직경의 진공 쳄버일 수 있다. 하나의 좁은 플라즈마 제트류가 육각형 구멍을 통해서 지나간다.
또 다른 실시예는, 직경 1.8cm인 확장된 원형 구멍이 있는 직경 7.5cm의 전기 그리드를 그 내부에 구비하고, 10 내지 20Ma의 전극 전류에 작동하는 31cm 직경의 진공 쳄버로 구성되는데, 여기서는 하나의 좁은 전위 제트류가 확장된 원형 구멍을 통해 지나간다.
또 다른 디자인의 결과, 다음의 디자인 구조 및 작동 조건하에서 여섯 개의 개별적인 좁은 플라즈마 제트류를 제조한다. 구체적으로는, 6cm 길이의 단축과 8cm 길이의 장축을 가지고 95%의 기하학적인 투과가능성을 보이는, 3고리형의 타원형 전기 그리드를 그 내부에 구비하고, 1 내지 10 mTorr의 중수소 가스 쳄버 압력, 20 내지 30kV의 그리드 전압 및 5 내지 15Ma의 전극 전류에서 작동하는 31cm 직경의 진공 쳄버가 있다.
마지막 예로써, 상기 장치는 또한 다음의 디자인 구조 및 작동 조건하에서 하나의 주된 제트류와 그와 정반대 방향의 작은 제트류를 제조하도록 구성될 수 있다. 구형의 진공 쳄버 내에 3개의 고리가 최상점과 최하점에서 교차하는 구형 그리드를 형성하도록 조립된 7개의 두께 02mm, 외경 35mm 내경 29mm인 고리들로 구성된 그리드가 위치한다. 나머지 4개의 고리들은 삼각형 구멍의 일정한 패턴을 형성하도록 정렬된다. 캐소드 쳄버 벽은 내경이 230mm이다. 압력이 7 ×10-3내지 9 ×10-3mbar 인 중수소 가스가 수십 내지 40mA의 전류와 5 내지 15kV의 전압과 함께 쳄버에 인가된다. 제트류는 가장 큰 삼각형 구멍으로 빠져 나온다.
반응 가스로 이용되는 탄소계 가스인 메탄 이외에도, 메탄, 에탄, 부탄, 펜탄, 프로판, 벤젠, 에틸렌, 프로필렌, 부탄, 아세틸렌, 일산화탄소, 이산화탄소, 선형 탄화수소, 방향족 탄화수소 또는 탄소 할로겐화물과 같은 탄소에 기초한 다른 가스들도 이용될 수 있다.
뿐만 아니라, 버퍼 가스로 이용되는 크세논, 아르곤 및 헬륨 이외에도, 메탄, 에탄, 부탄, 펜탄, 프로판, 벤젠, 에틸렌, 프로필렌, 부탄, 아세틸렌, 일산화탄소, 이산화탄소, 질소, 산소 또는 희귀 가스들도 이용될 수 있다.

Claims (71)

  1. (a) i) 용접 밀봉되어서 고체 상의 반응 결과물을 그 내부로부터 제거할 수 있게 하는 적어도 하나의 개구를 가진 벽 부분 및 ii) 그 내부에 도전면을 형성하는 제1 도전성 구조물을 구비한, 저압 가스 및 플라즈마를 수용할 수 있는 진공 용기;
    (b) 새장 모양의 그리드로 이루어져 상기 진공 용기 내부 및 상기 제1 도전성 구조물의 내부에 위치하면서, 흐르는 이온 및 전자들이 매우 용이하게 투과가능하며, 상기 제1 도전성 구조물에 비하여 상대적으로 음의 전압이 바이어스되어 캐소드로 작동하는 제2 도전성 구조물;
    (c) 탄소계 가스 및 버퍼 가스의 중성 가스 혼합물을 조절된 속도로 상기 용기 내로 흘려보낼 수 있는 수단;
    (d) 미반응 가스 및 가스상의 반응 생성물을 추출하여 상기 용기 내부를 낮은 압력으로 유지시키는 수단;
    (e) 파워 소스로부터 음의 전압의 전기적 파워를 플라즈마 방전을 생성하기 충분한 값으로 상기 제2 도전성 구조물에 공급하는 고전압 관통접속 절연 시스템; 및
    (f) 상기 탄소계 가스를 탄소 및 관련 종으로 분해할 수 있는 플라즈마 방전체를 생성하기 충분한 정도의 파워에서, 조절된 연속 직류 작동 및 반복적 전류 펄스 작동 중 적어도 하나의 작동을 할 수 있는 고전압 파워 소스를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복합탄소분자를 제거하고 수집하기 위한 탄소 수트 추출 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 용기 내로부터 축적된 탄소 수트를 "세척"하는 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소계 가스는 메탄, 에탄, 부탄, 펜탄, 프로판, 벤젠, 에틸렌, 프로필렌, 부탄, 아세틸렌, 일산화탄소 및 이산화탄소 중 적어도 하나의 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 버퍼 가스는 크세논, 아르곤 및 헬륨 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 장치는,
    (a) 상기 새장 모양의 제2 도전성 구조물 내에 위치하며 국부 전위면을 왜곡시키도록 작동하는 적어도 하나의 확대된 제2 개구 및 플라즈마 제트류가 형성된 후 상기 새장 모양의 제2 도전성 구조물 내의 공간 내에서부터 상기 제2 및 상응하는 제1 개구들을 통하여 흘러나갈 수 있도록 상기 제 1 개구 내에 위치하는 적어도 하나의 제3 개구를 더 포함하며;
    (b) 상기 진공 용기는 상기 플라즈마 제트류가 상기 쳄버 내로부터 빠져나갈 수 있도록 하며, 이와 함께 이온 및 분자 종들을 포함하는 반응 생성물을 운반하는 적어도 하나의 제1 개구를 벽 부분 내에 구비하며;
    (c) 상기 진공 용기 내의 적어도 하나의 벽 개구는, 상기 제1 도전성 구조물 내부에 정렬되어 있는 적어도 하나의 상기 개구 및 적어도 하나의 상기 확대 개구 중 상응하는 개구와 함께, 상기 용기 내부에서 형성된 플라즈마가 플라즈마 제트류로서 상기 용기로부터 방출되도록 배열되어 있으며; 및
    (d) 실질적으로 실린더 모양의, 투과가능한 그리드 형상으로 상기 진공 용기 벽, 제1 도전성 구조물 및 제2 도전성 구조물 내부의 상기 상응 개구들의 중앙을 지나는 종축에 의하여 형성되며, 상기 제2 도전성 구조물이 캐소드로 작동할 때와 같은 전압에 의하여 바이어스되지만, 상기 제1 도전성 구조물과 전기적으로 절연되어 있는, 상기 플라즈마 제트류의 가이드 채널로서 작동하는 적어도 하나의 제3 도전성 구조물;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 진공 용기, 상기 제1 도전성 구조물 및 상기 제2 도전성 구조물은, 서로의 중심이 동지점에 위치하는 실질적인 구형이며, 상기 제2 도전성 구조물은 80% 이상의 투과율을 갖는 와이어 또는 리본 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제2 도전성 구조물은 바이어스되어 캐소드로 작용하고 흐르는 이온 및 전자와 상호작용하여 구형의 대칭성 전자 포텐셜 구조를 형성하여, 다양한 전하 대 질량비를 갖는 이온들이 포텐셜 구조 내의 다양한 구형 껍질 영역 내에 선택적으로 농축되도록 하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 탄소계 가스 종들이 플라즈마 방전 작동 도중에 분해됨으로써 형성된 탄소 및 수소 또는 산소 원자들이, 구형 그리드 지역 내에 형성된 전기적 포텐셜 구조 내부의 다양한 구형 껍질 영역 내에 선택적으로 농축됨으로써 부분적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    탄소 원자들이 구형 그리드 공간 중앙의 작은 구형 공간 내에 농축되는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 장치는 또한 캐소드 전압을 신속하게 차단하여 구형 그리드 공간의 중심 가까이 농축되어 있는 플라즈마 내의 탄소 이온들을 재결합시켜 복합탄소분자가 되도록 하는 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 캐소드 그리드 전압은 각각 1 내지 100Hz의 속도로 반복적으로 펄스되어 복합탄소분자를 연속적으로 제조할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 도전성 구조물은 접지 또는 0의 전위로 바이어스되고, 상기 제2 도전성 구조물은 캐소드 전위로 바이어스되는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  14. 제 6항에 있어서,
    상기 진공 쳄버의 내부에 위치하여 전자의 소스가 되며, 상기 제1 도전성 구조물 및 상기 제2 도전성 구조물과는 전기적으로 절연되어 있고, 상기 정렬된 개구의 적어도 하나와 근접하여 플라즈마 제트류 생성 도중에 플라즈마에 음극 전하가 축적되는 것을 방해하는 복수개의 전자 방출기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  15. 제 6항에 있어서,
    상기 장치는 캐소드로 바이어스된 제3 구조물과 상기 제1 도전성 구조물 간의 전위차를 유지하기 위한 고용량 절연 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 절연 수단은 상기 제1 개구에 근접한 상기 제1 도전성 구조물을 모두 덮도록 되어 있고, 플라즈마 제트류가 지나가는 상기 제1 개구의 내부에 라이닝되어 있는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  17. 제 6항에 있어서,
    상기 장치 내부의 상기 제1 도전성 구조물 및 상기 제2 도전성 구조물들은 실질적으로 구형이며, 상기 제1 구조물 및 제2 구조물 사이에 위치하는 중간 도전성 구조물을 더 구비하고 있으며, 상기 중간 구조물은 이온과 전자의 흐름이 용이하게 투과할 수 있고 제1 도전성 구조물의 전위에 비하여 상대적으로 양의 전압으로 바이어스 되어 있는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 중간 구조물은 구형이며 그리드 구조인 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 중간 구조물은 상기 그리드 주위로 전자 경로를 제한하여 상기 영역에서 중성 배경 가스의 이온화 속도를 향상시키는 전자 가이드 그리드를 구비하며, 상기 전자 가이드 그리드의 일부분은 플라즈마 제트류가 통과하는 상기 제1, 제2 및 제3의 상응하는 개구들과 정렬되어 있는 적어도 하나의 제4 개구를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 중간 도전성 구조물은 전 장치 내에 균일하게 확장되어 있지 않은 부분 구형을 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  21. 제 18항에 있어서,
    상기 고전압 관통접속 절연 시스템은 상기 제2 도전성 구조물에 음의 고전압 파워가 인가되도록 작동하고 상기 중간 도전성 구조물에는 양의 저전압 파워를 공급하도록 작동되는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  22. 제 19항에 있어서,
    상기 고전압 관통접속 절연 시스템은 적어도 상기 제1 개구 내지 상기 제4 개구를 절연하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  23. 제 17항에 있어서,
    상기 전자 방출기는 상기 제1 도전성 구조물 및 상기 중간 도전성 구조물 사이의 공간에 위치하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  24. 제 6항에 있어서,
    상기 장치는 또한 상기 제1 도전성 구조물, 상기 제2 도전성 구조물 및 상기 중간 도전성 구조물의 상대적 위치를 유지시키기 위한 전기적으로 절연된 지지 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  25. 제 17항에 있어서,
    상기 중간 도전성 구조물은 100V 내지 1000V의 범위 내의 양의 전위로 유지되는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  26. 제 17항에 있어서,
    상기 제2 도전성 구조물은 -0.1kV 내지 -150kV의 범위로 바이어스되는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  27. 제 6항에 있어서,
    상기 제2 도전성 구조물은 0.005 내지 10A의 공급전류에 의해 작동하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  28. 제 1항에 있어서,
    상기 장치는 압력이 0.1 내지 100mTorr 사이의 중성 가스에 의해 작동하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  29. 제 6항에 있어서,
    두께가 1 내지 5cm 범위인 하나의 좁은 플라즈마 제트류를 제조하며, 상기 제1 도전성 구조물은 직경이 20 내지 40cm 범위 내인 구형 진공형 쳄버를 구비하고, 상기 제2 도전성 구조물은 상기 쳄버보다 직경이 4 내지 25cm 범위 내로 작은 구형의 새장 모양의 그리드를 구비하며, 상기 제1 개구는 원형 또는 다각형 모양의 구멍 중 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  30. 제 17항에 있어서,
    상기 제2 도전성 구조물은 다각형 그리드 성분을 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  31. 제 1항에 있어서,
    상기 진공 용기 및 상기 제1 도전성 구조물은 단일 구조물이며 상기 단일 구조물 및 상기 제2 구조물은 실질적으로 구형이고, 복수개의 좁은 플라즈마 제트류들을 제조하며, 상기 제1 도전성 구조물에 의하여 한정되는 상기 용기는 직경이 20 내지 40cm의 범위 내이며, 상기 제2 도전성 구조물에 의하여 한정되는 새장 모양의 그리드는 고리형 전기적 그리드를 복수개 구비하며, 상기 기하학적 투과율은 85% 이상인 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  32. 제 31항에 있어서,
    상기 새장 모양의 그리드는 주위의 제1 도전성 구조물보다 직경이 5내지 20cm 작은 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  33. 제 6항에 있어서,
    상기 캐소드 그리드는 인접한 개구들보다 포위면적이 10% 이상 증가하도록 확대된 하나 이상의 개구를 구비하여, 국부 전기장을 왜곡시켜 이온 및 전자들을 추출함으로써 상기 캐소드 그리드 내부로부터 적어도 하나의 확장된 제2 개구를 통해 흐르는 플라즈마 제트류를 형성하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  34. 제 6항에 있어서,
    캐소드로 작동하도록 바이어스된 상기 그리드는 흐르는 이온 및 전자들과 상호작용하여, 이온 및 전자들이 국부 전기장 왜곡현상에 의하여 확대된 개구를 통해 빠져나갈 때까지 그들을 포집(traps)하고 재순환시키는 포텐셜 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  35. 제 6항에 있어서,
    상기 장치는 상기 진공 용기의 압력과 작거나 같은 압력을 제공하도록 조정된 제2 용기를 더 구비하고, 상기 진공 용기 장치의 작동에 의해 형성된 플라즈마 제트류가 냉각 및 재결합과정 이후, 미립자 및/또는 탄소 분자들이 상기 수집영역으로 수집되는 제2 용기로 흘러 들어가는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  36. 제 35항에 있어서,
    상기 제2 용기는, 각각의 진공 용기로부터 나온 플라즈마 제트류가 상기 제2 용기에 흘러 들어갈 수 있도록 복수개의 진공 용기들에 연결될 수 있는 구조로 된 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  37. 제 36항에 있어서,
    상기 제2 용기는 축적된 복합탄소분자 생성물이 주기적 또는 연속적으로 제거될 수 있도록 적당한 진공 밸브를 구비한 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  38. 제 36항에 있어서,
    상기 진공 용기는 적어도 0.1 내지 100mTorr 범위의 내부 압력에서 작동할 수 있는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  39. 제 35항에 있어서,
    상기 장치는 수트 입자들의 압축 정도를 증가시킬 수 있는 기계적 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  40. 제 35항에 있어서,
    상기 장치는 제2 가스 포집 용기로부터 압축된 수트를 제2 및 제1 가스 포집 용기 내부의 연속 또는 준연속 제조 공정을 방해하지 않으면서 제거하는 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  41. 제 36항에 있어서,
    상기 장치는 상기 반응 용기 및 상기 공유된 가스 포집 용기 내의 수트 입자들을 기계적으로 농축하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  42. 제 6항에 있어서,
    상기 장치는 성분들 및 축적된 고체 반응 생성물들을 삽입하거나 제거하기 위한, 밸브를 구비한 복수개의 액세스 포트(access ports)들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  43. 제 6항에 있어서,
    플라즈마 방전체와 제트류를 육안/광학적-현미경으로 관찰하기 위한 적어도 하나의 액세스 포트를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  44. 제 36항에 있어서,
    진공 용기 및 적어도 하나의 공유된 제2 가스 포집 용기 사이에 이들 각각을 격리하는 밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  45. 제 36항에 있어서,
    축적된 수트를 제거하기 위하여 가스 포집 용기의 내면에 적당한 액체를 분사하는 "세척"시스템을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  46. 제 36항에 있어서,
    플라즈마 제트류를 생성하는 과정에서 정상 상태의 직류 파워 서플라이와 함께 펄스모드로 작동하는 복수개의 파워 소스를 이용하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  47. (a) 적어도 낮은 압력의 가스 및 플라즈마를 포집하기 위한 밀폐 공간을 형성하는 단계;
    (b) 상기 밀폐 공간 내에 제1 도전성 구조물 및, 그 내부에 그리드로서 형성되고, 흐르는 이온 및 전자가 매우 용이하게 투과할 수 있는 제2 도전성 구조물을 제공하는 단계;
    (c) 탄소계 가스 및 버퍼 가스의 중성 가스 혼합물을 조절된 속도로 상기 용기 내로 흘려보내는 단계;
    (d) 상기 제2 도전성 구조물을 상기 제1 도전성 구조물에 비하여 상대적으로 음의 전압으로 바이어스하고, 조절된 연속 직류 또는 반복적 펄스 전류를 상기 제1 도전성 구조물에 인가하는 단계;
    (e) 플라즈마 방출을 야기하고 상기 탄소계 가스를 탄소 및 관련 종으로 분해하기에 충분한 음의 전압을 상기 제2 도전성 구조물에 인가하는 단계 및 상기 밀폐 공간 내부에 높은 질량의 반응 생성물이 선택적으로 중심에 축적되도록 하는 전기적 포텐셜 구조를 형성하는 단계; 및
    (f) 상기 공간 내에서 상기 가스상의 반응 생성물을 재결합시켜 풀러렌을 포함하는 탄소 수트를 형성하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  48. 제 47항에 있어서,
    상기 탄소 수트를 모으기 우해 수집하여 압축하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  49. 제 47항에 있어서,
    상기 축적된 탄소 수트를 관련된 전기 성분으로부터 세척하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  50. 제 48항에 있어서,
    상기 탄소계 가스는 메탄 및 벤젠 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  51. 제 48항에 있어서,
    상기 버퍼 가스는 크세논, 아르곤 및 헬륨 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  52. 제 48항에 있어서,
    상기 제2 도전성 표면은 국부 전위면을 왜곡시켜서 플라즈마 제트류가 형성된 후 상기 제2 도전성 구조물 내부로부터 흘러나오도록 하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  53. 제 52항에 있어서,
    상기 밀폐 공간으로부터의 경로를 한정하여 플라즈마 제트류가 풀러렌을 포함하는 반응 제조물을 함께 운반하도록 하는 추가적인 도전성 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  54. 제 57항에 있어서,
    세로축에 의하여 한정되는 상기 경로는 상기 제1 도전성 구조물 및 상기 제2 도전성 구조물의 표면에 직각인 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  55. 제 54항에 있어서,
    상기 세로축을 따라서 전기 전위를 억제하여 상기 제2 도전성 구조물로부터 나오는 플라즈마 제트류의 가이드 채널을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  56. 제 53항에 있어서,
    상기 공간 내의 전자를 분출하여 수용된 플라즈마에서 음전하가 만들어지는 것을 방해하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  57. 제 52항에 있어서,
    상기 제1 도전성 구조물 및 상기 제2 도전성 구조물은 실질적으로 구형이고, 상기 제1 구조물 및 제2 구조물 사이에 위치하는 중간 구형 그리드형의 도전성 구조물을 제공하는 단계를 더 포함하며, 상기 그리드형 구조물은 이온 및 전자의 흐름이 잘 통과할 수 있고, 상기 중간 도전성 구조물에는 상기 제1 도전성 구조물에 비해 상대적으로 양인 전압을 인가하여, 상기 중간 도전성 구조물이 제1 도전성 표면상에 위치하여 절연된 형태인 방출기로부터 전자를 위한 가이드 경로를 제공함으로써 전자 가이드 경로를 따라 강한 이온화 영역이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  58. 제 57항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 중간 구조물들을 전기적으로 절연하며, 상기 제2 도전성 구조물에 높은 음의 전압의 전기적 파워를 제공하고, 상기 중간 구조물에는 낮은 양의 전압을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  59. 제 57항에 있어서,
    상기 중간 전자 그리드 가이드는 100V 내지 1000V의 범위 내의 양의 전위로 유지되는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  60. 제 57항에 있어서,
    상기 제2 도전성 구조물은 -0.1kV 내지 -150kV의 범위 내에 바이어스되는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  61. 제 57항에 있어서,
    상기 밀폐 공간에 비하여 낮거나 같은 압력으로 조절되며, 상기 밀폐 공간과 소통하여 상기 밀폐 공간으로부터 나온 고온의 이온화되거나 중성 전하를 띤, 상당한 분율의 탄소 "수트"를 포함하고 있는 가스로써 배출된 물질들이 수집되는 제2 용기를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  62. 하나 이상의 용기를 사용하여 탄소질 가스를 집중적으로 가열하고, 더 크고 무거운 원자 및 분자 종을 포집하고, 작고 가벼운 원자 또는 분자 종을 분리하며, 여러 종의 플라즈마 제트류를 제조하고, 플라즈마 제조 용기로부터 제트류를 방출시켜 상기 용기를 낮은 작동 압력으로 유지하는 "수트" 제거 장치를 구비한 "수트" 수집 용기로 보내는 방법에 있어서,
    (a) 제1 도전성 구조물을, 플라즈마 제트류가 상기 쳄버 내에서부터 빠져나올 수 있게 하는 적어도 하나의 제1 개구를 가진 벽 부분을 구비한 제1 가스 포집 용기로서 작동시키는 단계;
    (b) 제2 도전성 구조물을, 흐르는 이온 및 전자들이 용이하게 투과할 수 있는 상기 제1 도전성 구조물 내의 그리드로 형성하고, 상기 제2 도전성 구조물은 상기 그리드 모양의 구조물 내에 제2 개구를 구비하며 음전압으로 바이어스 되면 캐소드 그리드처럼 작동하게 하고, 국부 전위면이 왜곡되도록 하여 플라즈마 제트류가 그리드의 내부에서 상기 제2 개구를 통하여 흘러나오도록 상기 제2 개구를 확대시키는 단계;
    (c) 탄소계 가스 및 화학적으로 비반응성 버퍼 가스의 중성 가스 혼합물을 조절된 속도로 상기 용기 내로 유입시키는 단계;
    (d) 파워 소스로부터 플라즈마 방전체가 생성되기 충분한 값의 음의 전압을 상기 캐소드 그리드에 인가하는 단계;
    (e) 상기 용기 내에 형성된 플라즈마가 플라즈마 제트류로써 상기 용기에서 나와 제2 용기에 들어가도록 하는 단계; 및
    (f) 하나 또는 그 이상의 제1 가스 포집 용기가 용접 밀봉되어 있어서 제1 용기로부터 나오는 제트류가 들어가 제2 가스 포집 용기를 준비하는 단계;
    (g) 상기 제2 가스 포집 용기 내의 제트 플륨(jet flume)을 감속시켜서 미립자 또는 커다란 풀러렌 분자 또는 "수트"를 침전시켜 풀러렌 입자들처럼 압축시켜 기계적으로 이송시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  63. 제 62항에 있어서,
    상기 제1 도전성 구조물은 접지 또는 0의 전위로 바이어스하고, 상기 제2 도전성 구조물은 캐소드 전위로 바이어스하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  64. 제 63항에 있어서,
    상기 제트류의 경로를 캐소드로 작동할 때의 상기 제2 도전성 구조물과 동일한 전압으로 바이어스하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  65. 제 62항에 있어서,
    복합탄소분자 입자들을 제2 가스 포집 용기로부터 압축시키고 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  66. 제 65항에 있어서,
    연속적 또는 준연속적으로 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  67. 제 6항에 있어서,
    두 개의 중공 전극이 제2 쳄버 내에서 제트류를 중심으로 동축상에 위치하며, 제1 중공 전극은 접지 전위이고 제2 중공 전극은 10 내지 30kV의 양의 전압에 바이어스되어, 인가된 전압이 남아있는 충전된 입자를 감속시키기에 최적화되어 있고, 상기 두 전극은 직경이 같고 완벽하게 전기적으로 절연되도록 설치된 정전기적 감속 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  68. 제 47항에 있어서,
    상기 탄소계 가스는 선형 탄화수소, 방향족 탄화수소 또는 탄소 할로겐화물 중 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  69. 제 47항에 있어서,
    상기 버퍼 가스는 질소, 산소, 또는 희귀 가스 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 방법.
  70. 제 6항에 있어서,
    상기 탄소계 가스는 선형 탄화수소, 방향족 탄화수소 또는 탄소 할로겐화물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
  71. 제 6항에 있어서,
    상기 버퍼 가스는 질소, 산소, 또는 희귀 가스 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탄소분자 제조 장치.
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