KR20050028913A - 플라즈마 촉매 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각종 플라즈마 가공 및 처리를 위해 플라즈마를 점화, 조정 및 유지하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 한 실시양태에서, 플라즈마는 약 1 MHz 내지 약 333 GHz의 주파수를 갖는 전자기 방사선을 다중-모드 가공 공동 안의 기체에 조사함으로써 점화되며, 이러한 플라즈마를 수동성 또는 능동성일 수 있다. 수동성 플라즈마 촉매는 예컨대 국소 전자기장을 변형시킴으로써 플라즈마를 도입할 수 있는 임의의 객체를 포함할 수 있다. 능동성 플라즈마 촉매는 전자기 방사선의 존재하에, 기체 원자 또는 분자로부터 하나 이상의 전자를 제거하기 위해 충분한 양의 에너지를 기체 원자 또는 분자로 전달할 수 있는 임의의 입자 또는 고에너지파 패킷이다.

Description

플라즈마 촉매{PLASMA CATALYST}
본 출원은 2002년 5월 8일자로 출원된 미국 가출원 제 60/378,693 호, 2002년 12월 4일자로 출원된 제 60/430,677 호 및 2002년 12월 23일자로 출원된 제 60/435,278 호(모두 본원에서 참조로서 인용함)의 우선권을 주장한다.
본 발명은 플라즈마 촉매를 이용한 기체로부터 플라즈마를 점화, 조정 및 유지하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
플라즈마는 기체에 충분한 양의 마이크로웨이브 방사선을 조사함으로써 점화될 수 있는 것으로 공지되어 있다. 그러나, 플라즈마 점화는 실질적으로 대기압 미만의 기압에서 더욱 용이한 것이 통상적이다. 한편, 기압을 낮추는데 요구되는 진공 장치는 고가일 뿐만 아니라 느리고 에너지 소비적일 수 있다. 더욱이, 이러한 장치의 사용은 생산 융통성을 제한할 수 있다.
발명의 요약
플라즈마를 점화하고, 조정하고 유지하기 위한 플라즈마 촉매가 또한 제공될 수 있다. 상기 촉매는 수동성 또는 능동성일 수 있다. 수동성 플라즈마 촉매는, 본 발명에 따라 부가적인 에너지를 필수적으로 첨가할 필요없이 국부 전기장(예: 전자기장)을 변형하여 플라즈마를 유도할 수 있는 임의의 객체를 포함할 수 있다. 반면, 능동성 플라즈마 촉매는 전자기 방사선의 존재하에, 기체 원자 또는 분자로부터 하나 이상의 전자를 제거하기 위해 충분한 양의 에너지를 기체 원자 또는 분자로 전달할 수 있는 임의의 입자 또는 고에너지파 패킷이다. 모든 경우, 플라즈마 촉매는 플라즈마를 점화하기 위해 필요한 환경적 조건을 향상시키거나 완화시킬 수 있다.
플라즈마를 형성하기 위한 방법 및 장치가 또한 제공된다. 본 발명에 따른 한 실시양태에서, 상기 방법은 다중-모드 가공 공동으로 기체를 유동시키고 적어도 전기적으로 반도체인 물질을 포함하는 1종 이상의 수동성 플라즈마 촉매의 존재하에 약 333GHz 미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선을 상기 공동 안의 기체에 조사함으로써 플라즈마를 점화하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 다른 실시양태에서, 분말을 포함하는 플라즈마 촉매의 존재하에 약 333GHz 미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선에 기체를 도입함으로써 플라즈마를 점화하는 방법 및 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 또다른 실시양태에서, 이중 공동 시스템을 이용한 플라즈마를 형성하기 위한 추가적인 방법 및 장치가 제공된다. 상기 시스템은 서로 유체 연통하는 제 1 점화 공동 및 제 2 공동을 포함할 수 있다. 상기 방법은 (i) 약 333GHz 미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선을 제 1 점화 공동 안의 기체에 조사하여 제 1 점화 공동 안의 플라즈마에 의해 제 2 공동 안에서 제 2 플라즈마가 형성하도록 하고, (ii) 추가의 전자기 방사선을 조사함으로써 제 2 공동 안에 제 2 플라즈마를 유지하는 것을 포함한다.
추가의 플라즈마 촉매, 및 본 발명에 있어서 플라즈마를 점화, 조정 및 유지하기 위한 방법 및 장치가 제공된다.
본 발명의 추가의 태양은, 첨부된 도면(이때 동일한 참조부호는 동일한 부분을 나타냄)과 함께 발명의 상세한 설명을 참고하면 명백할 것이다.
도 1은 본 발명에 있어서, 예시적 플라즈마 시스템을 설명하는 개략도이다.
도 1A는 본 발명에 있어서, 공동안에 플라즈마를 점화, 조정 또는 유지하기 위해, 플라즈마 공동에 분말 플라즈마 촉매를 첨가하기 위한, 플라즈마 시스템의 일부의 설명적 실시태양을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 있어서, 길이에 따라 농도 구배를 갖는 하나 이상의 성분을 갖는 예시적 플라즈마 촉매 섬유를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 있어서, 길이에 따라 변화하는 비율로 복합 성분을 포함하는 예시적 플라즈마 촉매 섬유를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 있어서, 코어 하위층 및 코팅을 포함하는 예시적 플라즈마 촉매 섬유를 설명하는 것이다.
도 5는 본 발명에 있어서, 도 4의 라인 5-5로부터 절취된, 도 4의 플라즈마 촉매 섬유의 단면도를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 있어서, 점화 포트를 통해 연장되는 길다란 플라즈마 촉매를 포함하는 플라즈마 시스템의 또 다른 부분을 설명하는 것이다.
도 7은 본 발명에 있어서, 도 6의 시스템에서 사용될 수 있는 길다란 플라즈마 촉매의 실시태양을 설명하는 것이다.
도 8은 본 발명에 있어서, 도 6의 시스템에서 사용될 수 있는 길다란 플라즈마 촉매의 또 다른 실시태양을 설명하는 것이다.
도 9는 본 발명에 있어서, 방사선을 방사선 챔버로 보내기 위한, 플라즈마 시스템의 일부의 실시태양을 설명하는 것이다.
본 발명은, 열처리, 카바이드, 나이트라이드, 보라이드, 옥사이드 및 기타 물질의 합성 및 침착, 침지, 침탄, 질화, 침탄질화, 소결, 다중 부분 가공, 접합, 탈결정화, 노의 제조 및 작동, 가스 배기물 처리, 폐기물 처리, 소각, 스크러빙, 애슁, 탄소 구조 성장, 수소 및 다른 기체 생성, 무전극 플라즈마 제트 형성, 생산 라인에서의 플라즈마 처리, 멸균, 세척 등을 비롯한 여러 용도로 플라즈마를 점화, 조정 및 유지하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 열을 제어 생성하는데 사용될 수 있으며, 에너지 비용을 저감시키고 열처리 효율 및 플라즈마-이용한 생산 융통성을 증가시키기 위해 플라즈마-이용한 처리에 사용될 수 있다.
따라서, 플라즈마를 점화하고, 조정하고 유지하기 위한 플라즈마 촉매가 또한 제공될 수 있다. 상기 촉매는 수동성 또는 능동성일 수 있다. 수동성 플라즈마 촉매는, 본 발명에 따라 부가적인 에너지를 필수적으로 첨가할 필요없이 국부 전기장(예: 전자기장)을 변형하여, 예컨대 전압을 인가하여 스파크를 생성시킴으로써 플라즈마를 유도할 수 있는 임의의 객체를 포함할 수 있다. 반면, 능동성 플라즈마 촉매는 전자기 방사선의 존재하에, 기체 원자 또는 분자로부터 하나 이상의 전자를 제거하기에 충분한 양의 에너지를 기체 원자 또는 이온으로 전달할 수 있는 임의의 입자 또는 고에너지파 패킷일 수 있다.
하기 통상적으로 소유되고 동시 출원된 미국 특허 출원들을 본원에서 그 전문을 참조로서 인용한다: 미국 특허출원 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0008), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0009), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0010), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0011), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0012), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0013), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0015), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0016), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0017), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0018), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0020), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0021), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0023), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0024), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0025), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0026), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0027), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0028), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0029), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0030), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0032), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0033).
예시적 플라즈마 시스템
도 1은 본 발명의 한가지 태양에 따른 예시적 플라즈마 시스템(10)을 나타낸다. 이러한 실시태양에서, 공동(12)은 방사선 챔버(14)(즉, 어플리케이터) 안에 위치한 용기 안에 형성된다. 또 다른 실시태양에서(도시되지 않음), 용기(12) 및 방사선 챔버(14)는 동일하고, 이로써 두개의 별도의 구성요소에 대한 필요성이 제거된다. 공동(12)이 그 안에 형성된 용기는 공동(12)을 방사선으로부터 상당히 차단하지 않으면서 열적 절연성을 개선시키기 위해 하나 이상의 방사선-전달 절연층을 포함할 수 있다.
한가지 실시태양에서, 공동(12)은 세라믹으로 이루어진 용기중에 형성된다. 본 발명에 있어서, 플라즈마로 달성될 수 있는 극도로 높은 온도에 기인하여, 약 3,000 ℉에서 작동할 수 있는 세라믹이 사용될 수 있다. 세라믹 물질은 실리카 29.8중량%, 알루미나 68.2중량%, 산화제2철 0.4중량%, 티타니아 1중량%, 석회 0.1중량%, 마그네시아 0.1중량%, 알칼리 0.4중량%를 포함할 수 있고, 이는 미국 펜실바니아주 뉴 캐슬 소재의 뉴 캐슬 리프렉토리즈 캄파니(New Castle Refractories Company)에 의해 모델 No. LW-30으로 시판중이다. 그러나, 상기 설명한 것과 상이한 석영과 같은 기타 물질이 본 발명에 따라 사용될 수도 있다는 것을 당업자들은 이해할 것이다.
한가지 성공적인 실시태양에서, 플라즈마는 제 1 벽돌 안에 있고 제 2 벽돌로 위를 막은 부분적으로 개봉된 공동 안에 형성되었다. 상기 공동은 약 2 인치 × 약 2 인치 × 약 1.5 인치의 크기를 가졌다. 2개 이상의 구멍이 또한 상기 공동과 연통되어 있는 벽돌 안에 제공되었다: 하나는 플라즈마를 관찰하기 위한 것이고, 다른 하나 이상의 구멍은 기체를 공급하기 위한 것이다. 공동의 크기는 수행될 바람직한 플라즈마 방법에 달려 있다. 또한, 상기 공동은 적어도 플라즈마가 1차 기체 제조 영역과 떨어져서 올라가고/부유하는 것을 방지하도록 배치될 수 있다.
공동(12)은 하나 이상의 기체 공급원(24)(예: 아르곤, 질소, 수소, 크세논, 크립톤)에 라인(20) 및 제어 밸브(22)에 의해 연결되고, 전원(28)에 의해 동력을 공급받는다. 라인(20)은 관을 달 수 있다(예: 약 1/16 인치 내지 약 1/4 인치, 예를 들면 약 1/8인치). 또한, 경우에 따라 진공 펌프를 챔버에 연결하여 플라즈마 처리중 발생할 수 있는 임의의 연기를 제거할 수 있다. 한 실시양태에서, 기체는 다중 부품 용기 안에서 하나 이상의 갭을 통해 공동(12)으로 흘러들어가고/가거나 공동으로부터 나올 수 있다. 이렇게, 본 발명에 있어서 기체 포트는 별개의 구멍일 필요는 없으며 다른 형태, 예컨대 다수의 작게 분포된 구멍들을 취할 수 있다.
방사선 누출 감지기(도시되지 않음)를 공급원(26) 및 도파관(30) 근처에 설치하고 안전 인터록(interlock) 시스템에 연결하여 미리 정의된 안전 제한치(예: FCC 및/또는 OSHA에 의해 규정된 것(예: 5mW/㎠)) 이상의 누출이 감지되면 방사선(예: 마이크로웨이브) 전원이 자동으로 꺼지게 한다.
전기적 전원(28)에 의해 동력공급될 수 있는 방사선원(26)은 하나 이상의 도파관(30)을 통해 챔버(14)로 방사선 에너지를 보낼 수 있다. 방사선원(26)이 공동(12)에 직접 연결되어 도파관(30)이 생략될 수 있다는 것을 당업자들은 이해할 것이다. 방사선 에너지가 들어가는 공동(12)을 사용하여 플라즈마를 상기 공동 안에서 점화한다. 이러한 플라즈마는 부가적인 방사선을 촉매와 커플링함으로써 상기 공동에 실질적으로 유지되고 한정될 수 있다. 또한, 방사선(예: 마이크로웨이브 방사선)의 주파수는 많은 분야에서 중요하지 않은 것으로 여겨진다.
방사선 에너지는 순환기(32) 및 튜너(34)(예: 3-스터브 튜너)를 통해 공급될 수 있다. 튜너(34)는 특히 플라즈마가 형성된 후(왜냐하면 예를 들면 마이크로웨이브 동력이 플라즈마에 의해 강하게 흡수되기 때문), 점화 또는 처리 조건을 변화시키는 작용으로써 반사된 동력을 최소화하기 위해 사용될 수 있다.
이후 더욱 상세히 설명하는 바와 같이, 챔버(14) 안에서 방사선-전송 공동(12)의 위치는 챔버(14)가 다중 모드를 지지한다면, 특히 여러 모드가 연속적으로 또는 주기적으로 혼합될 때는, 중요하지 않다. 이후 더욱 상세히 설명하는 바와 같이, 모터(36)가 시간-평균 방사선 에너지 분포를 챔버(14)를 통해 실질적으로 균일하게 만들기 위해 모드-혼합기(38)에 연결될 수 있다. 또한, 윈도우(40)(예: 석영 윈도우)를 공동(12)에 인접한 챔버(14)의 한쪽 벽 안에 배치하여, 온도 센서(42)(예: 광학 고온계)가 공동(12)안 프로세스를 관찰하기 위해 사용될 수 있게 한다. 한가지 실시태양에서, 광학 고온계 출력은 온도가 트랙킹 범위 안에서 상승함에 따라 0 볼트로부터 증가할 수 있다.
센서(42)는 출력 신호를 온도 또는 공동(12) 안의 작업편(도시되지 않음)과 연결된 임의의 다른 모니터링할 수 있는 조건의 함수로서 전개시킬 수 있고 신호를 제어기(44)에 제공할 수 있다. 이중 온도 감지 및 가열 뿐만 아니라 자동화 냉각 속도 및 기체 유동 제어가 사용될 수 있다. 제어기(44)를 사용하여 전원(28)의 작동을 제어하고, 상기 전원은 위에서 설명한 바와 같이 공급원(26)에 연결된 하나의 출력 및 밸브(22)에 연결된 또 다른 출력을 가져서 공동(12) 안으로의 기체 유동을 제어할 수 있다.
본 발명은 약 333GHz 미만의 임의의 주파수를 갖는 방사선이 사용될 수 있지만, 커뮤니케이션즈 앤드 파워 인더스트리즈(CPI, Communications and Power Industries)에 의해 제공된 915 MHz alc 2.45 GHz 둘 모두에서 마이크로웨이브원을 이용하여 동일한 성과로 실행될 수 있다. 2.45GHz 시스템은 약 0.5 내지 약 5.0kW의 연속적으로 다양한 마이크로웨이브 동력을 제공하였다. 3-스터브 튜너는 최대 동력 전달에 부합하는 임피던스를 허용하고 이중방향 커플러를 사용하여 전방 및 반사 동력을 측정하였다. 또한 광학 고온계를 샘플 온도를 원격 감지하기 위해 사용하였다.
상기 언급한 바와 같이, 약 333GHz 미만의 임의의 주파수를 갖는 방사선을 본 발명에 따라 사용할 수 있다. 예를 들면, 플라즈마를 형성하는 기체의 압력이 플라즈마 점화를 보조하기 위해 낮춰질 수 있지만, 주파수, 예를 들면 동력 라인 주파수(약 50 내지 약 60Hz)가 사용될 수 있다. 또한 약 100 kHz보다 큰 주파수를 갖는 임의의 라디오 주파수 또는 마이크로웨이브 주파수를 본 발명에 따라 사용할 수 있다. 대부분의 경우, 이러한 상대적으로 높은 주파수에 대한 기체 압력이 플라즈마를 점화, 조정 또는 유지하기 위해 낮춰질 필요는 없어서, 많은 플라즈마-처리가 대기압 이상에서 일어날 수 있다. 이러한 장치는 LabView 6i 소프트웨어를 사용하여 컴퓨터 제어될 수 있고, 실시간 온도 모니터링 및 마이크로웨이브 동력 제어를 제공하였다. 적절한 수의 데이터 포인트의 변동 평균을 사용하여 노이즈를 감소시켰다. 또한, 속도 및 전산화 효율을 향상시키기 위해, 버퍼 어레이(buffer array)에 저장된 데이터 포인트의 수는 쉬프트-레지스터 및 버퍼-사이징을 사용하여 제한하였다.
고온계로 약 1 ㎠의 감지 영역의 온도를 측정하였고, 이를 평균 온도를 계산하기 위해 사용하였다. 상기 고온계로 2개의 파장에서 방사선 세기를 감지하였고 플랑크 법칙(Planck's law)에 그 세기들을 맞추어 온도를 결정하였다. 그러나 온도를 모니터링하고 제어하기 위한 다른 장치 및 방법이 또한 사용가능하고 본 발명에 따라 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 본 발명에 따라 사용될 수 있는 제어 소프트웨어는 본원에서 그 전문을 참조로서 인용하는, 공통적으로 소유되고 동시에 출원된 미국 특허 출원 제 10/___,___ 호(Attorney Docket No. 1837.0033)에 개시되어 있다.
챔버(14)는 방사선 차단부를 갖는 몇개의 유리로 덮인 관찰포트 및 고온계 접근을 위한 하나의 석영 윈도우를 가졌다. 진공 펌프 및 기체 공급원에 연결하기 위한 몇가지 포트가 반드시 사용될 필요는 없지만 제공되었다.
시스템(10)은 또한 수도물에 의해 냉각되는 외부 열 교환기를 갖는 폐쇄-루프 탈이온수 냉각 시스템(도시되지 않음)을 포함하였다. 작업중, 탈이온수로 우선 마그네트론, 이어서 순환기(상기 마그네트론을 보호하기 위해 사용됨) 안에 로드-덤프 및 최종적으로 챔버의 외표면상에 용접된 수로를 통한 방사선 챔버를 냉각하였다.
플라즈마 촉매
본 발명에 따른 플라즈마 촉매는 하나 이상의 상이한 물질을 포함할 수 있고 이는 수동성 또는 능동성일 수 있다. 플라즈마 촉매를 다른 것들중 사용하여 대기압 미만, 대기압, 아니면 대기압 이상인 기체 압력에서 플라즈마를 점화, 조정 및/또는 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마의 한가지 형성방법은, 수동성 플라즈마 촉매의 존재하에 약 333GHz미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선을 공동안의 기체에 조사하는 것을 포함한다. 본 발명에 따른 수동성 플라즈마 촉매는, 스파크를 생성하기 위해 전기적 전압을 인가하는 바와 같이, 촉매를 통해 부가적 에너지를 첨가할 필요없이, 본 발명에 따라 국부적 전기장(예: 전자기장)을 변형하여 플라즈마를 유도할 수 있는 임의의 객체를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 수동성 플라즈마 촉매는 또한 나노-입자 또는 나노-튜브일 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "나노-입자"란 용어는 적어도 전기적으로 반도체인 약 100 nm 미만의 최대 물리적 치수를 갖는 임의의 입자를 포함한다. 또한, 단일벽 및 다중벽 탄소 나노튜브(도핑되거나 비도핑됨)는 그 예외적 전기전도성 및 길다란 형상 때문에 본 발명에 따라 플라즈마를 점화하는데 특히 효과적이다. 나노튜브는 임의의 통상적인 길이를 갖고 기판에 고정된 분말일 수 있다. 고정되면, 나노튜브는 플라즈마가 점화되거나 유지되는 동안 기판의 표면상에 무작위로 배향되거나 기판에(예: 소정의 배향으로) 고정될 수 있다.
수동성 플라즈마 촉매는 본 발명에 있어서 분말일 수 있고 나노-입자 또는 나노-튜브를 포함할 필요는 없다. 이는 예를 들면 섬유, 분진 입자, 플레이크, 시이트 등으로부터 형성될 수 있다. 분말 형태일 때는, 상기 촉매는 적어도 일시적으로 기체중에 부유할 수 있다. 분말을 기체중 부유시킴으로써, 상기 분말이 공동을 통해 신속하게 분산되고 경우에 따라서는 용이하게 소모될 수 있다.
한가지 실시태양에서, 분말 촉매를 공동으로 운반하고 적어도 일시적으로 담체 기체와 함께 부유시킬 수 있다. 상기 담체 기체는 플라즈마를 형성하는 기체와 동일하거나 상이할 수 있다. 또한, 상기 분말을 공동에 도입하기 전 기체에 첨가할 수 있다. 예를 들면, 도 1A에 도시한 바와 같이, 방사선원(52)은 방사선을 방사선 공동(55)(여기에 플라즈마 공동(60)이 위치된다)에 공급할 수 있다. 분말 공급원(65)은 촉매 분말(70)을 기체 스트림(75)으로 공급할 수 있다. 선택적인 실시태양에서, 분말(70)을 공동(60)에 벌크(예: 더미)로 첨가한 다음 공동 안에서 임의의 많은 방법(예를 들면, 벌크 분말을 통해 또는 분말상에 기체를 유동시킴)으로 분배할 수 있다. 또한, 상기 분말은, 분말을 공동 안으로 또는 공동 안에서 옮기거나, 전달하거나, 살짝 뿌리거나, 흩뿌리거나, 불거나 또는 달리 공급하여, 플라즈마를 점화, 조정 또는 유지하기 위해 기체에 첨가할 수 있다.
한가지 실험에서, 공동으로 연장되는 구리 파이프 안에 한 더미의 탄소섬유 분말을 넣음으로써 공동 안에서 플라즈마가 점화되었다. 충분한 방사선이 공동으로 보내졌지만, 구리 파이프는 방사선으로부터 분말을 차단하였고 어떠한 플라즈마 점화도 발생하지 않았다. 그러나, 일단 담체 기체가 파이프를 통해 유동하기 시작하면, 분말이 파이프 밖으로 나와 공동 안으로 들어가고, 이로써 방사선을 분말에 조사하고, 플라즈마가 공동안에서 거의 즉시 점화되었다.
본 발명에 따른 분말 플라즈마 촉매는 실질적으로 비-연소성이고, 따라서 산소를 함유할 필요가 없거나 산소의 존재하에 연소할 필요가 없다. 따라서, 상기 언급한 바와 같이, 촉매는 금속, 탄소, 탄소계 합금, 탄소계 복합체, 전기전도성 중합체, 전도성 실리콘 탄성중합체, 중합체 나노복합체, 유기-무기 복합체 및 임의의 그의 조합을 포함한다.
또한, 분말 촉매는 플라즈마 공동 안에 실질적으로 균일하게 분산될 수 있고(예: 기체중 부유될 때), 플라즈마 점화는 공동 안에서 정확하게 제어될 수 있다. 균일한 점화는 특정 용도(예를 들면 하나 이상의 파열의 형태로 짧은 플라즈마 노출을 필요로 하는 용도)에서 중요하다. 여전히, 특히 복잡한 다중 챔버 공동 안에서 공동을 통해 분말 촉매를 분배하기 위해 특정 양의 시간이 요구된다. 따라서, 본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 분말 촉매를 다수의 점화 포트를 통해 공동 안으로 도입하여 그 안에서 더욱 균일한 촉매 분포를 더욱 신속하게 얻을 수 있다(이하 참조).
분말에 덧붙여, 본 발명에 따른 수동성 플라즈마 촉매는 예를 들면 하나 이상의 미시적 또는 거시적 섬유, 시이트, 바늘, 실, 스트랜드, 필라멘트, 얀, 트와인, 쉐이빙, 슬라이버, 칩, 제직물, 테잎, 휘스커 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 플라즈마 촉매는 다른 물리적 치수보다 실질적으로 큰 하나의 물리적 치수를 갖는 하나 이상의 부분을 가질 수 있다. 예를 들면, 적어도 2개의 직각 치수 사이의 비는 약 1:2 이상일 수 있지만, 약 1:5보다 크거나, 약 1:10보다 클 수 있다.
따라서, 수동성 플라즈마 촉매는 그 길이에 비해 비교적 얇은 물질의 적어도 한부분을 포함할 수 있다. 또한 한다발의 촉매(예: 섬유)를 사용할 수 있으며, 이는 예를 들면 흑연 테잎의 섹션을 포함할 수 있다. 한가지 실험에서, 약 30,000 스트랜드의 흑연 섬유를 갖고, 각각 약 2 내지 3 ㎛의 직경을 갖는 테잎 섹션이 성공적으로 사용되었다. 섬유의 수 및 번들의 길이는 플라즈마를 점화, 조정 또는 유지하는데 중요하지 않다. 예를 들면, 만족할만한 결과는 약 1/4 인치 길이의 흑연 테잎의 섹션을 사용하여 수득하였다. 본 발명에 따라 성공적으로 사용된 한가지 유형의 탄소 섬유는 미국 사우쓰 캐롤라이나 앤더슨 소재의 헥셀 코포레이션(Hexcel Corporation)에 의해 상표명 Magnamite(등록상표) Model No. AS4C-GP3K하에 판매된다. 또한, 실리콘-카바이드 섬유가 성공적으로 사용되었다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 수동성 플라즈마 촉매는 예를 들면 실질적으로 구형, 환상, 피라미드형, 입방형, 평면형, 실린더형, 직사각형 또는 길다란 형인 하나 이상의 부분을 포함할 수 있다.
상기 논의된 수동성 플라즈마 촉매는 적어도 전기적으로 반도체인 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 한가지 실시태양에서, 상기 물질은 높은 전도성일 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 수동성 플라즈마 촉매는 금속, 무기 물질, 탄소, 탄소계 합금, 탄소계 복합체, 전기전도성 중합체, 전도성 실리콘 탄성중합체, 중합체 나노복합체, 유기-무기 복합체 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 플라즈마 촉매안에 포함될 수 있는 가능한 무기 물질중 몇몇은 탄소, 실리콘 카바이드, 몰리브덴, 백금, 탄탈륨, 텅스텐, 질화탄소 및 알루미늄을 포함할 수 있지만, 다른 전기전도성 무기 물질이 적합할 수도 있다.
하나 이상의 전기전도성 물질에 덧붙여, 본 발명에 따른 수동성 플라즈마 촉매는 하나 이상의 첨가제(전기전도성일 필요는 없음)를 포함할 수 있다. 본원에서 사용한 바와 같이, 상기 첨가제는 사용자가 플라즈마에 첨가하기를 바라는 임의의 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 반도체 및 다른 물질의 도핑시, 하나 이상의 도판트를 촉매를 통해 플라즈마에 첨가할 수 있다. 예컨대, 본원에서 그 전문을 참조로서 인용하는, 통상적으로 소유되고 동시에 출원된 미국 특허출원 제 10/___,___ 호(Attorney Docket No. 1837.0026)를 참조한다. 상기 촉매는 도판트 자체를 포함할 수 있거나, 침착시 도판트를 형성할 수 있는 전구체 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 플라즈마 촉매는, 플라즈마의 최종 목적 조성 및 플라즈마를 사용하는 방법에 의존하면서, 하나 이상의 첨가제 및 하나 이상의 전기전도성 물질을 임의의 바람직한 비율로 포함할 수 있다.
수동성 플라즈마 촉매중 전기전도성 성분대 첨가제의 비율은 소모될 시간에 걸쳐 다양하다. 예를 들면, 점화중, 플라즈마 촉매는 바람직하게는 점화 조건을 향상시키기 위해 전기전도성 성분을 비교적 큰 백분율로 포함한다. 반면, 플라즈마를 유지하는 동안 사용되면, 상기 촉매는 첨가제를 비교적 큰 백분율로 포함할 수 있다. 플라즈마를 점화하고 유지하는데 사용된 플라즈마 촉매의 성분비는 동일하다는 것을 당업자들은 이해할 것이다.
많은 플라즈마 방법을 간략화하기 위해 소정의 비율 프로필을 사용할 수 있다. 많은 통상적인 플라즈마 방법에서, 플라즈마 안의 성분들을 필요에 따라 첨가하되, 이러한 첨가는 통상적으로 소정의 스케쥴에 따라 성분들을 첨가하기 위한 프로그램가능한 장치를 필요로 한다. 그러나, 본 발명에 있어서, 촉매중 성분 비율은 다양하고, 따라서 플라즈마 자체의 성분 비율은 자동적으로 변할 수 있다. 즉, 임의의 특정 시간에서 플라즈마중 성분의 비율은 상기 촉매의 어느 부분이 플라즈마에 의해 현재 소모되느냐에 달려 있다. 따라서, 상기 촉매 성분 비율은 촉매 안에서 상이한 위치에서 상이할 수 있다. 플라즈마중 성분들의 현재 비율은, 특히 플라즈마 챔버를 통과하는 기체의 유동비가 상대적으로 낮을 때, 현재 및/또는 과거에 소모된 촉매의 부분에 의존할 수 있다.
본 발명에 따른 수동성 플라즈마 촉매는 균일하거나, 불균일하거나, 등급이 매겨졌을 수 있다. 또한, 플라즈마 촉매 성분비는 촉매를 통해 연속적으로 또는 비연속적으로 변화할 수 있다. 예를 들면, 도 2에서, 비율은 촉매(100)의 길이에 따라 구배를 형성하면서 부드럽게 변할 수 있다. 촉매(100)는 섹션(105)에서 비교적 낮은 농도의 성분을 포함하고 섹션(110)을 향해 연속적으로 증가하는 농도를 포함하는 물질의 스트랜드를 포함한다.
선택적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 비율은 촉매(120)의 각각의 부분에서 불연속적으로 변하고, 예를 들면 상이한 농도를 갖는 교호 섹션(125 및 130)을 포함한다. 촉매(120)가 2개 이상의 섹션 유형을 가질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 플라즈마에 의해 소모될 촉매 성분비는 임의의 소정의 방식으로 변할 수 있다. 한가지 실시태양에서, 플라즈마가 모니터링되고 특정 첨가제가 검출되면, 추가의 프로세싱이 자동적으로 시작되거나 종료될 수 있다.
유지된 플라즈마중 성분비를 변화시키는 또 다른 방법은 상이한 성분비를 갖는 여러 촉매를 상이한 시간 또는 상이한 속도로 도입하는 것이다. 예를 들면, 여러 촉매를 공동 안에서 대략 동일한 위치 또는 상이한 위치에서 도입할 수 있다. 상이한 위치에서 도입할 때, 공동 안에 형성된 플라즈마는 다양한 촉매의 위치에 의해 결정된 성분 농도 구배를 가질 수 있다. 따라서, 자동화 시스템은 소모가능한 플라즈마 촉매를 플라즈마 점화, 조정 및/또는 유지 전 및/또는 그 과정에 기계적으로 삽입하는 장치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 수동성 플라즈마 촉매는 또한 코팅될 수 있다. 한가지 실시태양에서, 촉매는 실질적으로 전기전도성 물질의 표면상에 침착된 실질적으로 비전기 전도성 코팅을 포함할 수 있다. 선택적으로, 촉매는 실질적으로 전기적으로 비-전도성 물질의 표면상에 침착된 실질적으로 전기전도성인 코팅을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 4 및 5는 하위층(145) 및 코팅(150)을 포함하는 섬유(140)를 나타낸다. 한가지 실시태양에서, 탄소 코어를 포함하는 플라즈마 촉매를 탄소의 산화를 방지하기 위해 니켈로 코팅한다.
단일 플라즈마 촉매는 또한 여러 코팅을 포함할 수 있다. 코팅이 플라즈마와의 접촉중에 소모되면, 코팅은 외부 코팅으로부터 최내부 코팅까지 순차적으로 플라즈마 안에 도입되어 시간-방출 메카니즘을 생성할 수 있다. 따라서, 코팅된 플라즈마 촉매는, 촉매의 일부가 적어도 전기적으로 반도체인 한, 임의의 수의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시태양에 따르면, 플라즈마 촉매는 전부가 방사선 공동 안에 위치하여 실질적으로 방사선 에너지 누출을 감소시키거나 방지한다. 이러한 방식으로, 플라즈마 촉매는 공동을 함유하는 용기와 함께 또는 상기 공동 밖의 임의의 전기전도성 물체에 전기적으로 또는 자기적으로 커플링되지 않는다. 이는 점화 포트에서 스파크를 방지하고, 점화중 또는 플라즈마가 유지된다면 가능하게는 나중에, 방사선이 공동 밖으로 누출되는 것을 방지한다. 한가지 실시태양에서, 상기 촉매는 점화 포트를 통해 연장되는 실질적으로 전기적으로 비전도성인 연장체의 첨단부에 위치될 수 있다.
예를 들면, 도 6은 플라즈마 공동(165)이 위치된 방사선 챔버(160)를 나타낸다. 플라즈마 촉매(170)는 길다랗고 점화 포트(175)를 통해 연장되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명에 따르면, 촉매(170)는 전기적으로 전도성인 원위부(180)(챔버(160) 안에 위치함) 및 전기적 비전도성부(185)(챔버(160)의 실질적으로 외부에 위치하되 챔버(160) 안으로 다소 연장됨)를 포함할 수 있다. 이러한 구성은 원위부(180)와 챔버(160) 사이의 전기적 연결(예: 스파크)을 방지할 수 있다.
도 8에 나타낸 또 다른 실시태양에서, 촉매는 다수의 전기적 비전도성 분획(195)에 의해 구분되고 여기에 기계적으로 연결된 다수의 전기전도성 분획(19)으로부터 형성될 수 있다. 이러한 실시태양에서, 촉매는 공동 안의 지점과 공동 밖의 또 다른 지점 사이의 점화 포트를 통해 연장되되, 전기적으로 비연속적인 프로필은 스파크 및 에너지 누출을 상당히 방지한다.
본 발명에 따른 플라즈마를 형성하는 또 다른 방법은 하나 이상의 이온화 입자를 발생하거나 포함하는 능동성 플라즈마 촉매의 존재하에 약 333 GHz 미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선으로 공동 안의 기체를 조사하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 능동성 플라즈마 촉매는, 전자기 방사선의 존재하에 기체 원자 또는 분자로부터 하나 이상의 전자를 제거하기 위해, 충분한 양의 에너지를 기체 원자 또는 분자로 옮길 수 있는 임의의 입자 또는 고에너지파 패킷일 수 있다. 공급원에 따라, 이온화 입자를 초점을 맞추거나 조준된 빔 형태로 공동 안에 보내거나, 분사, 분출, 스퍼터링 또는 달리 도입할 수 있다.
예를 들면, 도 9는 방사선을 방사선 챔버(205)로 보내는 방사선원(200)을 나타낸다. 플라즈마 공동(210)은 챔버(205)의 안에 위치하고 기체가 포트(215 및 216)를 통해 흐르게 할 수 있다. 공급원(220)은 이온화 입자(225)를 공동(210) 안에 보낼 수 있다. 공급원(220)은 예를 들면 이온화 입자는 통과시키되 방사선으로부터 공급원(220)을 차단하는 금속 스크린에 의해 보호될 수 있다. 필요에 따라, 공급원(220)은 물로 냉각될 수 있다.
본 발명에 따른 이온화 입자의 예는 x-선 입자, 감마선 입자, 알파 입자, 베타 입자, 중성자, 양성자 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 따라서, 이온화 입자 촉매는 대전되거나(이온 공급원으로부터의 이온) 비대전되고, 방사능 핵분열 과정의 산물일 수 있다. 한가지 실시태양에서, 플라즈마 공동이 형성된 용기는 이온화 입자 촉매에 대해 전체적으로 또는 부분적으로 전송적일 수 있다. 따라서, 방사능 핵분열 공급원이 공동 밖에 위치하면, 공급원은 핵분열 산물을 상기 용기로 통과시켜 플라즈마를 점화할 수 있다. 방사능 핵분열 공급원은 핵분열 산물(즉, 이온화 입자 촉매)이 실질적으로 안전성에 해를 가하지 않도록 방사선 챔버 안에 위치할 수 있다.
또 다른 실시태양에서, 상기 이온화 입자들은 자유 전자일 수 있지만 방사능 붕괴 과정에서 방출될 필요는 없다. 예를 들면, 전자를, 상기 전자들이 공급원으로부터 빠져나가기에 충분한 에너지를 갖도록, 전자 공급원(예: 금속)에 에너지를 가하여, 공동 안에 도입할 수 있다. 전자 공급원은 공동 안에, 공동에 인접하게 또는 심지어는 공동 벽 안에 위치될 수 있다. 전자 공급원의 임의의 조합이 가능하다는 것을 당업자들은 이해할 것이다. 전자를 생성하는 통상적인 방법은 금속을 가열하는 것이고, 이들 전자들은 전기장을 인가함으로써 추가로 가속화될 수 있다.
전자에 덧붙여, 유리 에너지 양성자를 또한 사용하여 플라즈마를 촉매반응할 수 있다. 한가지 실시태양에서, 유리 양성자는 수소를 이온화하여 발생시키고 선택적으로 전기장으로 가속화한다.
본 발명에 있어서 능동성 및 수동성 촉매의 한 가지 이점은 실질적으로 연속적인 방식으로 플라즈마를 촉매화할 수 있다는 것이다. 예컨대, 스파크 장치는 스파크가 존재하는 경우 단지 플라즈마를 촉매화할 수 있다. 한편, 스파크는 2개의 전극을 가로질러 전압을 인가함으로써 통상 생성된다. 일반적으로, 스파크는 주기적으로 생성되며 스파크가 생성되지 않는 기간에 의해 분리될 수 있다. 비-스파크 기간 동안, 플라즈마는 촉매화되지 않는다. 또한, 예컨대 스파크 장치는 본 발명에 따른 능동성 및 수동성 플라즈마 촉매가 작동하기 위해 전기 에너지를 필요로하지 않더라도 작동하는데 전기 에너지를 통상 요구된다.
다중-모드 방사선 공동
방사선 도파관, 공동 또는 챔버는 하나 이상의 전자기 방사 모드의 전파를 지지하거나 촉진하도록 구상될 수 있다. 본원에 사용된 "모드"란 용어는 맥스웰 방정식(Maxwell's equation) 및 사용가능한 경계조건(예를 들면 공동의)을 만족시키는 임의의 정상 또는 전파 전자기파의 특정 패턴을 말한다. 도파관 또는 공동에서, 이러한 모드는 전파 또는 정상 전자기장의 다양한 가능한 패턴중 임의의 하나일 수 있다. 각각의 모드는 전기장 및/또는 자기장 벡터의 주파수 및 분극을 특징으로 한다. 모드의 전자기장 패턴은 주파수, 굴절률 또는 유전상수 및 도파관 또는 공동의 기하형태에 의존한다.
횡방향 전기(TE, transverse electric) 모드는 전기장 벡터가 전파의 방향에 직각인 것이다. 유사하게, 횡방향 자기(TM) 모드는 자기장 벡터가 전파의 방향에 직각인 것이다. 횡방향 전기 및 자기(TEM) 모드는 전기장 및 자기장 벡터가 모두 전파의 방향에 직각인 것이다. 중공 금속 도파관은 일반적으로 방사선 전파의 직각 TEM 모드를 지지하지 않는다. 방사선이 도파관의 길이를 따라 이동하는 것으로 보이지만, 도파관의 내부 벽을 맞고 일정 각도로 반사됨으로써만 그렇게 할 수 있다. 따라서, 전파 모드에 따라, 방사선(예: 마이크로웨이브)은 도파관의 축(종종 z-축으로 불림)을 따라 전기장 구성요소 또는 자기장 구성요소를 가질 수 있다.
공동 또는 도파관의 내부에 있는 실제 필드의 분포는 그 안의 모드들의 중첩이다. 모드들 각각은 하나 이상의 아래첨자로 구분된다(예: TE10("티이일영")). 아래첨자는 일반적으로 안내 파장에서 얼마나 많은 "반(半)파장"이 x 및 y방향으로 포함되느냐를 지시한다. 안내 파장이, 방사선이 도파관의 내벽으로부터 일정 각도로 반사되어 도파관 안으로 전파하기 때문에, 자유 공간 파장과는 상이하다는 것을 당업자들은 알 것이다. 일정한 경우, 제 3 아래첨자를 첨가하여 z-축을 따른 정상파 패턴중의 반파장의 수를 정의할 수 있다.
주어진 방사선 주파수에 대해, 도파관의 크기를 충분히 작도록 선택하여 단일 전파 모드를 지지할 수 있다. 이러한 경우, 소위 시스템을 단일-모드 시스템(즉, 단일-모드 어플리케이터)이라 칭한다. TE10 모드는 통상적으로 직사각형 단일-모드 도파관에서 지배적이다.
도파관의 크기(또는 도파관이 연결된 공동의 크기)가 증가함에 따라, 도파관 또는 어플리케이터는 종종 다중-모드 시스템을 형성하는 부가적인 더 높은 차수 모드를 지지할 수 있다. 많은 모드가 동시에 지지될 수 있으면, 시스템은 종종 고도로 모드화되었다고 한다.
단순한 단일-모드 시스템은 하나 이상의 최대 및/또는 최소를 포함하는 필드 분포를 갖는다. 최대치의 크기는 크게 시스템에 제공된 방사선의 양에 의존한다. 따라서, 단일 모드 시스템의 필드 분포는 매우 다양하고 실질적으로 불균일하다.
단일-모드 공동과는 달리, 다중-모드 공동은 몇가지 전파 모드를 동시에 지지할 수 있어서, 중첩될 때, 복잡한 필드 분포 패턴을 만든다. 이러한 패턴으로, 필드는 공간적으로 선명하지 않게 되고, 따라서 필드 분포는 통상적으로 공동 안의 강한 최소 및 최대 필드 값의 동일한 유형을 나타내지는 않는다. 또한, 이후 상세히 설명하는 바와 같이, 모드-혼합기를 사용하여 모드들을 "흔들거나" "재분배"할 수 있다(예를 들면, 방사선 반사기의 기계적 운동에 의해). 이러한 재분배는 바람직하게는 공동 안에 더욱 균일한 시간-평균화 필드 분포를 제공한다.
본 발명에 따른 다중-모드 공동은 적어도 2개의 모드를 지지할 수 있고 2개 이상의 많은 모드를 지지할 수 있다. 각각의 모드는 최대 전기장 벡터를 갖는다. 2개 이상의 모드가 있을 수 있지만, 하나의 모드가 지배적이고 다른 모드들보다 큰 최대 전기장 벡터 크기를 갖는다. 본원에서 사용된 바와 같이, 다중-모드 공동은, 제 1 모드와 제 2 모드 크기 사이의 비가 약 1:10 미만, 약 1:5 미만 또는 약 1:2보다 훨씬 미만인 임의의 공동이다. 비가 작을수록 모드 사이에 전기장 에너지가 더욱 많이 분포되고, 따라서 방사선 에너지가 공동안에 더욱 많이 분포된다는 것을 당업자들을 이해할 것이다.
플라즈마 공동 안의 플라즈마 분포는 조사된 방사선의 분포에 크게 의존한다. 예를 들면, 순수한 단일 모드 시스템에서, 전기장이 최대인 단일 위치만이 존재할 것이다. 따라서, 강한 플라즈마는 단일 위치에서만 형성될 수 있다. 많은 응용분야에서, 이렇게 강하게 국소화된 플라즈마는 바람직하지 않게 불균일한 플라즈마 처리 또는 가열을 유도할 수 있다(즉, 국부적으로 과열되거나 덜 가열된다).
단일 또는 다중-모드 공동이 본 발명에 따라 사용되든지 아니든지, 플라즈마가 형성되는 공동이 완전히 닫히거나 부분적으로 열린다는 것을 당업자들은 이해할 것이다. 예를 들면, 플라즈마-보조된 노(furnace)와 같은 응용분야에서, 공동은 완전히 닫힐 수 있다. 예를 들면 통상적으로 소유되고 동시 출원된 본원에서 그 전문을 참조로서 인용한 미국 특허출원 제 10/___,___ 호(Attorney Docket No. 1837.0020)를 참조한다. 그러나, 또 다른 분야에서, 공동을 통해 기체를 유동시키는 것이 바람직할 수 있고, 따라서 공동은 어느 정도 열려있어야 한다. 이러한 식으로, 유동 기체의 유속, 유형 및 압력을 시간에 따라 변화시킬 수 있다. 이는 플라즈마 형성을 촉진시키는 특정 기체, 예를 들면 아르곤이 더욱 쉽게 점화되기 때문에 바람직하며, 하지만 후속적인 플라즈마 처리중 필요하지 않을 수도 있다.
모드-혼합
많은 용도에서, 균일한 플라즈마를 함유하는 공동이 바람직하다. 그러나, 마이크로웨이브 방사선이 비교적 긴 파장(예: 수십 센티미터)을 가질 수 있기 때문에, 균일한 분포를 달성하기가 어렵다. 결과적으로, 본 발명의 한가지 태양에 따라, 다중-모드 공동 안의 방사선 모드가 일정한 시간에 걸쳐 혼합되거나 재분배될 수 있다. 상기 공동 안의 필드 분배가 공동의 내표면에 의해 설정된 모든 경계 조건을 만족해야 하기 때문에(예를 들면, 금속이라면), 이러한 필드 분포는 그 내표면의 임의의 부분의 위치 변화에 의해 변화될 수 있다.
본 발명에 따른 한가지 실시태양에서, 움직일 수 있는 반사성 표면이 방사선 공동 안에 위치할 수 있다. 반사성 표면의 형상 및 움직임은, 결합될 때, 움직이는 중에 공동의 내표면을 변화시켜야 한다. 예를 들면 "L" 형상 금속 물체(즉, "모드-혼합기")는 임의의 축 둘레로 회전할 때 공동 안에서의 반사성 표면의 위치 또는 배향을 변화시킬 것이고 따라서, 그 안의 방사선 분포를 변화시킬 것이다. 임의의 다른 비대칭성 형상의 물체가 또한 사용될 수 있지만(회전될 때), 상대적 움직임(예: 회전, 변화 또는 이 모두의 조합)이 반사성 표면의 위치 또는 배향에서 어느 정도 변화를 유발하는 한 대칭 형상의 물체가 또한 사용될 수 있다. 한가지 실시태양에서, 모드-혼합기는 실린더의 종방향 축이 아닌 축을 둘레로 회전할 수있는 실린더일 수 있다.
다중-모드 공동의 각 모드는 하나 이상의 최대 전기장 벡터를 가질 수 있지만, 이들 벡터의 각각은 공동의 내부 치수를 가로질러 주기적으로 발생할 수 있다. 통상적으로, 이들 최대값이 고정되고 방사선의 주파수는 변하지 않는 것으로 가정한다. 그러나, 모드-혼합기가 방사선과 상호작용하도록 움직임으로써, 최대 위치를 움직일 수 있다. 예를 들면, 모드-혼합기(38)를 사용하여 공동(14) 안의 필드 분포를 최적화하여 플라즈마 점화 조건 및/또는 플라즈마 유지 조건이 최적화되도록 할 수 있다. 따라서, 일단 플라즈마가 여기되면, 모드-혼합기의 위치는 균일한 시간-평균화된 플라즈마 방법(예: 가열)에 대한 최대값의 위치를 움직이도록 변화될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 모드-혼합이 플라즈마 점화중 유용할 수 있다. 예를 들면, 전기적 전도성 섬유가 플라즈마 촉매로서 사용될 때, 섬유의 배향이 최소 플라즈마-점화 조건에 강하게 영향을 미친다는 것이 공지되어 있다. 예를 들면 이러한 섬유가 전기장에 대해 60°보다 큰 각으로 배향될 때, 촉매는 이러한 조건을 거의 향상시키거나 완화시키지 못한다는 것이 보고되어 있다. 그러나, 공동 안 또는 근처에서 반사성 표면을 움직임으로써, 전기장 분포를 상당히 변화시킬 수 있다.
모드-혼합은 또한 방사선을 어플리케이터 챔버 안으로, 예를 들면 어플리케이터 챔버 안에 고정될 수 있는 회전 도파관 조인트를 통해 발사시킴으로써 달성될 수도 있다. 회전 조인트는 기계적으로 움직여서(예: 회전) 방사선 챔버 안의 상이한 방향으로 방사선을 효율적으로 발사할 수 있다. 결과적으로, 필드 패턴의 변화가 어플리케이터 챔버 안에서 발생할 수 있다.
모드-혼합은 또한 방사선 챔버 안의 방사선을 가요성 도파관을 통해 발사함으로써 달성될 수도 있다. 한가지 실시태양에서, 도파관은 챔버 안에 고정될 수 있다. 다른 실시태양에서, 도파관을 챔버 안으로 연장할 수 있다. 가요성 도파관의 단부의 위치는, 방사선(예: 마이크로웨이브 방사선)을 상이한 방향 및/또는 위치로 챔버로 발사하기 위해, 임의의 적절한 방식으로 연속적으로 또는 주기적으로 움직일 수 있다(예를 들면 구부러질 수 있다). 또한 이러한 움직임의 결과 모드가 혼합되고, 시간-평균화된 기준으로 더욱 균일한 플라즈마 처리(예: 가열)를 촉진한다. 선택적으로, 이러한 움직임을 사용하여 점화 또는 다른 플라즈마-보조된 방법을 위한 플라즈마의 위치를 최적화할 수 있다.
가요성 도파관이 직사각형이면, 상기 도파관의 개방 단부를 단순히 꼬면 어플리케이터 챔버 안에서 방사선중 전기장 및 자기장 벡터의 방향을 회전시킬 것이다. 이어서, 도파관의 주기적 꼬임은 모드-혼합 뿐만 아니라 전기장을 회전시킬 수 있고, 이를 사용하여 플라즈마의 점화, 조정 또는 유지를 보조할 수 있다.
따라서, 촉매의 초기 배향이 전기장에 수직일 때에도, 전기장 벡터의 재방향은 비효율적인 배향을 더욱 효과적인 것으로 변화시킬 수 있다. 모드-혼합이 연속적, 주기적 또는 미리 프로그램될 수 있다는 것을 당업자들은 이해할 것이다.
플라즈마 점화에 덧붙여, 모드-혼합은 챔버 안에서 "과열점"을 감소시키거나 생성하기 위해(예: 튜닝) 후속적인 플라즈마 처리중 유용할 수 있다. 마이크로웨이브 공동이 적은 수의 모드만을 지지할 때(예: 5 미만), 하나 이상의 국소화 전기장 최대값은 "과열점"(예: 공동(12) 안에)을 유도할 수 있다. 한가지 실시태양에서, 이들 과열점은 하나 이상의 별도의 그러나 동시의 플라즈마 점화 또는 처리 사건과 부합하도록 배치될 수 있다. 따라서, 플라즈마 촉매는 이러한 점화 또는 후속적 처리 위치중 하나 이상에서 위치할 수 있다.
다중-위치 점화
플라즈마는 상이한 위치에서 여러 플라즈마 촉매를 사용하여 점화될 수 있다. 한가지 실시태양에서, 여러 섬유를 사용하여 플라즈마를 공동 안에서 상이한 지점에서 점화할 수 있다. 이러한 다수-지점 점화는 균일한 플라즈마 점화가 바람직할 때 특히 유리하다. 예를 들면, 플라즈마가 높은 주파수(즉, 수십 Hz 이상)에서 조정될 때, 또는 비교적 큰 체적 안에서 점화될 때 또는 모든 경우, 플라즈마의 실질적으로 균일한 동시 스트라이킹 및 재스트라이킹이 향상될 수 있다. 선택적으로, 플라즈마 촉매가 여러 지점에서 사용되면, 이들은 촉매를 이러한 상이한 위치들에 선택적으로 도입함으로써 플라즈마 챔버 안에 상이한 위치에서 플라즈마를 순차적으로 점화하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 플라즈마 점화 구배가 경우에 따라 공동 안에서 제어가능하게 형성할 수 있다.
또한, 다중-모드 공동에서, 공동중 여러개의 위치를 통한 촉매의 무작위 분포는 본 발명에 따른 하나 이상의 섬유 또는 임의의 다른 수동성 플라즈마 촉매가 전기장 라인과 함께 최적으로 배향할 가능성을 증가시킨다. 또한, 촉매가 최적으로 배향하지 않을 때라도(실질적으로 전기장 라인과 정렬되지 않음), 점화 조건은 향상된다.
또한, 촉매 분말이 기체중 부유할 수 있기 때문에, 각각의 분말 입자는 공동 안의 상이한 물리적 위치에 위치되는 효과를 가져서, 공동 안의 점화 균일성을 향상시킬 수 있는 것으로 여겨진다.
이중-공동 플라즈마 점화/유지
이중-공동 배열을 사용하여 본 발명에 따라 플라즈마를 점화하고 유지할 수 있다. 한가지 실시태양에서 시스템은 적어도 제 1 점화 공동 및 상기 제 1 공동과 유체 연통되는 제 2 공동을 포함한다. 플라즈마를 점화하기 위해, 선택적으로 플라즈마 촉매의 존재하에 약 333 GHz 미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선을 제 1 점화 공동 안의 기체에 조사할 수 있다. 이러한 방식으로, 제 1 공동 및 제 2 공동을 근접시키면 제 1 공동 안에 형성된 플라즈마가 제 2 공동 안의 플라즈마(이는 부가적인 전자기 방사선으로 유지될 수 있다)를 점화할 수 있다.
본 발명의 한가지 실시태양에서, 제 1 공동은 매우 작고 주로 플라즈마 점화를 위해 아니면 플라즈마 점화만을 위해 구상될 수 있다. 이러한 방식으로, 매우 적은 마이크로웨이브 에너지가 플라즈마를 점화하기 위해 요구될 수 있고, 특히 본 발명에 따라 플라즈마 촉매가 사용될 때 더욱 용이한 점화를 허용한다.
한가지 실시태양에서, 제 1 공동은 실질적으로 단일-모드 공동이고, 제 2 공동은 다중-모드 공동이다. 제 1 점화 공동만이 단일 모드를 지지하면, 전기장 분포는 공동 안에서 심하게 변화하여, 하나 이상의 정확하게 위치된 전기장 최대값을 형성할 것이다. 이러한 최대값은 통상적으로 플라즈마가 점화되는 제 1 위치이고, 플라즈마 촉매를 위치시키기 위한 이상적인 지점이 되게 한다. 그러나, 플라즈마 촉매가 사용되면, 전기장 최대값 안에 위치될 필요는 없고, 많은 경우 임의의 특정 방향으로 배향될 필요가 없음을 이해할 것이다.
상기 기술한 실시태양에서, 능률적으로 기술하기 위해 다양한 특징을 그룹으로 함께 묶었다. 이러한 기술방법은, 청구된 발명이 각각의 청구항에 명백히 인용된 것보다 더 많은 특징을 필요로 하는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 하기 청구의 범위가 반영하듯이, 진보성은 하나의 앞서 기술한 실시태양의 모든 특징들보다 적은 데에 존재한다. 따라서, 하기 청구의 범위는 실시태양들의 상세한 설명 안에 포함되되, 각각의 청구항은 본 발명의 별도의 바람직한 실시태양으로서 존재하는 것이다.

Claims (48)

  1. 기체를 다중-모드 가공 공동 안으로 유동시키는 단계; 및
    적어도 전기적으로 반도체인 물질을 포함하는 1종 이상의 수동성 플라즈마 촉매의 존재하에 약 333GHz 미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선을 상기 공동 안의 기체에 조사함으로써 플라즈마를 점화하는 단계를 포함하는 플라즈마 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 물질이 금속, 무기 물질, 탄소, 탄소계 합금, 탄소계 복합체, 전기전도성 중합체, 전도성 실리콘 탄성중합체, 중합체 나노복합체, 유기-무기 복합체, 및 이들의 임의의 조합중 하나 이상을 포함하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 물질이 나노-입자, 나노-튜브, 분말, 분진, 플레이크, 섬유, 시이트, 바늘, 실, 스트랜드, 필라멘트, 얀, 트와인, 쉐이빙, 슬라이버, 칩, 제직물, 테잎, 휘스커, 및 이들의 임의의 조합중 하나 이상의 형태인 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 물질이 탄소섬유를 포함하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 물질이 탄소를 포함하고, 나노-입자, 나노-튜브, 분말, 분진, 플레이크, 섬유, 시이트, 바늘, 실, 스트랜드, 필라멘트, 얀, 트와인, 쉐이빙, 슬라이버, 칩, 제직물, 테잎, 휘스커, 및 이들의 임의의 조합중 하나 이상의 형태인 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 물질이 하나 이상의 나노-튜브를 포함하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 물질이 적어도 부분적으로 제 2 물질로 코팅되는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 1종 이상의 수동성 플라즈마 촉매가 공동 안의 서로다른 위치에 분포된 다수의 길다란 전기전도성 물체를 포함하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 방사선이 전기장 라인을 가지며, 상기 길다란 물체 각각이 세로 축을 갖고, 상기 세로 축이 상기 전기장 라인과 실질적으로 정렬되지 않은 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 촉매가 1종 이상의 전기전도성 성분 및 1종 이상의 첨가제를 소정 비로 포함하며, 상기 방법이 플라즈마를 유지시키는 단계를 추가로 포함하되,
    상기 유지 단계가 추가의 전자기 방사선을 공동 안으로 보내는 단계, 및 플라즈마가 1종 이상의 첨가제를 함유하도록 촉매가 플라즈마에 의해 소비되게 하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 비율이 촉매의 상이한 부분에 대해 상이하고, 상기 소비 단계가, 촉매의 상이한 부분이 서로다른 시간에 플라즈마에 의해 소비되게 하여 플라즈마가 다양한 비의 전기전도성 성분 대 1종 이상의 첨가제를 함유하도록 하는 것을 포함하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중-모드 공동이 적어도 제 1 모드 및 제 2 모드의 방사선을 지지하도록 구성되고, 각 모드가 공동 안에서 최대 전기장 벡터를 갖고, 각 벡터가 크기를 갖고, 제 1 모드 크기와 제 2 모드 크기 사이의 비가 약 1:10 미만인 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 비가 약 1:5 미만인 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 비가 약 1:2 미만인 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 다중-모드 공동이 적어도 제 1 모드 및 제 2 모드의 방사선을 지지하도록 구성되고, 각 모드가 소정 위치에서 공동 안에 하나 이상의 최대 전기장 벡터를 가지며, 상기 방법이 모드-혼합에 의해 각 위치를 추가로 이동시키는 것을 포함하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 점화 단계가 공동 안의 상이한 지점에서 다수의 플라즈마 촉매를 점화하는 것을 포함하는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 공동이 방사선 챔버 안에 존재하고 촉매가 챔버내에 전체적으로 위치하여, 촉매가 챔버에 또는 챔버 외부에 위치한 임의의 전기전도성 물체에 전류를 실질적으로 전도시키지 않는 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매가, 방사선 챔버에 형성된 점화 포트를 통과하는 실질적 비-전기전도성 연장체의 첨단부에 위치하는 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매가 다수의 비-전기전도성 분절에 의해 분리되고 이에 기계적으로 연결된 다수의 불연속 분절을 포함하며, 점화 단계 동안 촉매가 공동 내부의 위치와 공동 외부의 다른 위치 사이의 공동내 점화 포트를 통해 연장하는 방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 점화 단계가, 촉매가 공동 안에 부유되어 있는 동안 플라즈마를 점화하는 것을 포함하는 방법.
  21. 분말을 포함하는 플라즈마 촉매의 존재하에 약 333 GHz 미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선을 기체에 조사함으로써 플라즈마를 점화하는 것을 포함하는 플라즈마의 형성 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 조사가 챔버 안에서 일어나고, 상기 방법이 기체를 챔버 내로 유동시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 조사가 챔버 안에 위치한 공동 안에서 일어나는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 챔버가 다중-모드 챔버인 방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    담체 기체를 이용하여 상기 분말을 방사선에 도입하는 것을 포함하는 방법.
  26. 제 21 항에 있어서,
    공동 안에 분말을 적어도 일시적으로 부유시키는 기법에 의해 상기 분말을 방사선에 도입하는 것을 추가로 포함하며, 상기 기법이 피딩(feeding), 중력 피딩, 이송(conveying), 드리즐링(drizzling), 살수(sparinkling) 및 블로잉(blowing) 중 하나인 것이 방법.
  27. 제 21 항에 있어서,
    상기 분말을 다수의 점화 포트를 통해 공동 안으로 도입시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
  28. 제 21 항에 있어서,
    상기 점화가 분말이 부유되어 있는 동안 플라즈마를 점화시키는 것을 포함하는 방법.
  29. 제 21 항에 있어서,
    상기 플라즈마 촉매가 비-연소성 물질을 포함하는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 플라즈마 촉매가 금속, 탄소, 탄소계 합금, 탄소계 복합체, 전기전도성 중합체, 전도성 실리콘 탄성중합체, 중합체 나노복합체 및 유기-무기 복합체중 하나 이상인 방법.
  31. 하나 이상의 이온화 입자를 포함하는 능동성 플라즈마 촉매의 존재하에 약 333GHz 미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선을 공동 안의 기체에 조사하는 것을 포함하는 플라즈마 형성 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 이온화 입자가 입자 빔을 포함하는 방법.
  33. 제 31 항에 있어서,
    상기 입자가 x-선 입자, 감마선 입자, 알파 입자, 베타 입자, 중성자 및 양성자중 하나 이상인 방법.
  34. 제 31 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 이온화 입자가 하전 입자인 방법.
  35. 제 31 항에 있어서,
    상기 이온화 입자가 방사능 핵분열 생성물을 포함하는 방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 생성물에 대해 적어도 부분적으로 투과성인 용기 안에 공동이 형성되고,
    상기 방법이 공동 외부에 방사능 핵분열원을 위치시켜 공급원이 핵분열 생성물을 상기 용기를 통해 공동 안으로 보내도록 하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  37. 제 35 항에 있어서,
    상기 용기 및 방사능 핵분열 공급원이 방사선 챔버 내부에 존재하고, 상기 챔버가 생성물이 챔버로부터 나가는 것을 실질적으로 방지하는 물질을 포함하는 방법.
  38. 제 35 항에 있어서,
    공동 안에 방사능 핵분열 공급원을 위치시키는 것을 추가로 포함하고, 상기 공급원이 하나 이상의 핵분열 생성물을 생성하는 것인 방법.
  39. 제 31 항에 있어서,
    상기 이온화 입자가 유리 전자이고, 상기 방법이 전자 공급원에 에너지를 가함으로써 전자를 생성하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 에너지를 가하는 것이 전자 공급원을 가열하는 것을 포함하는 방법.
  41. 제 31 항에 있어서,
    상기 입자가 유리 양성자를 포함하고, 상기 방법이 수소를 이온화함으로써 상기 유리 양성자를 생성하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  42. 제 31 항에 있어서,
    상기 공동이 적어도 일부 개방되어 있어 이를 통해 기체를 유동시키는 방법.
  43. 시스템에서 플라즈마를 형성하는 방법으로서,
    상기 시스템이 적어도 제 1 점화 공동 및 상기 제 1 공동과 유체연동되는 제 2 공동을 갖는 것이고,
    제 1 점화 공동 안의 기체에 약 333 GHz 미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선을 조사하여 제 1 공동 안의 플라즈마에 의해 제 2 공동 안에서 플라즈마가 형성되도록 하는 단계, 및
    추가의 전자기 방사선을 조사함으로써 제 2 플라즈마를 유지하는 단계를 포함하는 방법.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 조사 단계가 플라즈마 촉매의 존재하에 기체를 방사선에 노출시키는 것을 포함하는 방법.
  45. 제 43 항에 있어서,
    상기 제 1 공동이 제 2 공동 보다 작은 것인 방법.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 제 1 공동이 실질적으로 단일 모드 공동이고, 제 2 공동이 다중-모드 공동인 방법.
  47. 제 46 항에 있어서,
    상기 제 2 공동이 고 모드화된 것인 방법.
  48. 제 44 항에 있어서,
    상기 플라즈마 촉매가 탄소 섬유를 포함하는 방법.
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