KR20100101117A - 복사를 이용한 화학 처리 장치 및 처리 방법 - Google Patents
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Abstract
복사를 이용한 화학 처리를 행하는 장치가 공개되었고, 상기 장치는 유체 경로와 가스 배출 챔버 또는 플라즈마 챔버를 포함하며, 상기 유체 경로는 복사를 이용한 화학 처리를 행하는데 사용되는 복사를 투과시키는 벽의 제 1 면에 의해 적어도 부분적으로 형성되고, 상기 가스 배출 챔버 또는 플라즈마 챔버는 상기 복사를 만들어내도록 배치되고, 상기 챔버는 상기 제 1 면과 마주한, 상기 투과 벽의 제 2 면에 의해 적어도 부분적으로 형성된다. 광촉매 리액터를 형성하는 방법은, 여러 다양한 단계들 중에서, 유체 경로를 워시-코팅하는 단계를 포함하여, 광촉매재가 상기 유체 경로에 증착하게 하고, 상기 워시-코팅하는 단계는 광촉매재를 제 1 부에 증착하는 단계와, 상기 유체 경로의 원형이 아닌 단면을 갖는 제 2 부를 증착하지 않는 단계 또는 제거하는 단계를 포함하고, 상기 제 2 부는 투과 재료로 된 상기 벽의 적어도 수개의 제 1 면으로 이루어진다.
Description
본 발명은 전반적으로 복사(radiation)를 이용한 화학 처리 장치와 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복사를 이용한 화학 처리의 효율을 향상시킬 수 있는 장치와 방법에 관한 것이다.
복사를 이용한 화학 처리는 처리 공정을 포함하며, 상기 처리 공정에서, 예를 들면 특정 장소를 여기시키거나 특정 화학적 결합을 깨뜨리기 위하여, 복사가 반응물 종(reactant species)에 직접적으로 행해진다. 복사를 이용한 화학 처리는 처리 공정을 더 포함하며, 상기 처리 공정에서, 전극과 구멍을 생성하기 위해 복사가 광촉매재에 작용하고 상기 광촉매재는 재료 표면과 재결합하거나 상기 재료 표면에 유지되거나 상기 재료 표면으로 이동되는데, 여기서 상기 광촉매재는 반응물 유체 스트림의 흡수된 표면 종(surface species)(흡수된 O, 흡수된 H2O 및 표면 OH 등과 같은)과 반응할 기회를 가지며, 반응물에서 소정의 반응을 일으킬 수 있는 활성 종(active species)(O2-, OH?, 및 H2O2 등과 같음)을 생성한다. 복사를 이용한 화학 처리는 화학 합성, 수질 및 공기 정화 그리고 오염 감소 등의 경우에 사용된다.
종래의 복사를 이용한 화학 처리 장치는 그 효율이 낮았으며, 복사를 이용한 화학 처리의 효율을 향상시킬 수 있는 장치의 사용에 있어서도 상당한 제한이 있었다.
본 발명은 복사를 이용한 화학 처리 장치를 포함하고, 상기 복사를 이용한 화학 처리 장치는 복사를 이용한 화학 처리에 사용되는 복사를 투과시키는 벽의 제 1 면에 의해 적어도 부분적으로 형성된 유체 경로와, 복사를 만들어내는 가스 배출 챔버 또는 플라즈마 챔버를 포함하며, 상기 챔버는 제 1 면과 마주한, 상기 투과 벽의 제 2 면에 의해 적어도 부분적으로 형성된다. 따라서 커플링이 복사 공급원과 광촉매 반응 영역 사이에 매우 근접하여 제공된다.
본 발명은 광촉매 리액터를 형성하는 방법을 더 포함하며, 상기 방법은 적어도 일부분을 따라 원형이 아닌 단면을 갖는 유체 경로를 제공하는 단계(여기서 상기 유체 경로는 소정의 광촉매 복사가 투과되는 재료로 된 벽의 제 1 면에 의해 적어도 부분적으로 형성됨);와, 광촉매재를 증착하기 위하여 유체 경로를 워시-코팅(wash-coating) 단계;를 포함하고, 상기 워시-코팅하는 단계는 상기 광촉매재를 상기 유체 경로의 원형이 아닌 단면의 제 1 부에 증착하는 단계를 포함하고, 상기 광촉매재를 상기 유체 경로의 원형이 아닌 단면의 제 2 부에 증착하지 않거나 상기 광촉매재를 상기 제 2 부로부터 제거하는 단계로 이루어지며, 상기 제 2 부는 투과 재료로 된 상기 벽의 적어도 수개의 제 1 면으로 이루어진다. 따라서 복사가 유체 경로에 효과적으로 입사되어 상기 유체 경로의 광촉매제의 내부면에 닿게 된다.
본 발명의 부가적인 특징과 장점이 아래 상세한 설명에 기재되어 있고, 당업자라면 발명의 상세한 설명과, 청구범위와, 도면을 포함하고 있는 본 명세서로부터 본 발명을 용이하게 파악할 수 있을 것이다.
상기 기재한 사항과 아래 기재된 본 발명의 상세한 설명은 본 발명의 실시예와 청구범위의 이해를 돕기 위한 것임을 알 수 있을 것이다. 본 명세서의 일부로서 첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위함이다. 본 발명의 도면은 본 발명의 여러 실시예를 설명하기 위한 것으로서, 상세한 설명과 함께 본 발명을 설명하는데 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른, 복사를 이용한 화학 처리에 사용되는 일 실시예의 장치의 평면도이고;
도 2는 본 발명에 따른, 복사를 이용한 화학 처리에 사용되는 다른 실시예의 장치의 평면도이고;
도 3은 본 발명에 따른, 복사를 이용한 화학 처리에 사용되는 또 다른 실시예의 장치의 평면도이고;
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른, 복사를 이용한 화학 처리에 사용되는 각각의 실시예의 장치의 단면도이고;
도 8은 도 4의 일부 확대 단면도에 대응하는, 광촉매 화학 처리를 위한, 본 발명의 다른 실시예의 단면도이고;
도 9는 본 발명에 따른 복사를 이용한 화학 처리에 사용되는 또 다른 실시예의 장치의 평면도이고;
도 10은 도 9의 단면의 일 부분의 확대도이고;
도 11의 A 내지 I는 본 발명에 따른 성형 장치에 사용되는 다양한 구조부를 성형하는 방법에 있어서 확정된 및/또는 선택적인 단계를 나타낸 상기 성형 장치의 단면도이고;
도 12의 A 내지 D는 본 발명에 따른 성형 장치에 사용되는 다양한 구조부를 성형하는 다른 방법에 있어서 확정된 및/또는 선택적인 단계를 나타낸 상기 장치의 단면도이고;
도 13의 A 내지 C는 도 12의 A 내지 D에 도시된 방법의 변형예로서, 본 발명에 따른 성형 장치에 사용되는 다양한 구조부를 성형하는 또 다른 방법에 있어서 확정된 및/또는 선택적인 단계를 나타낸 상기 장치의 단면도이며;
도 14 및 도 15는 도 8의 실시예와 유사하지만, 워시 코우트 광촉매재와 달리 얇은 필름 광촉매재가 사용되는, 광촉매 화학 처리를 위한, 본 발명의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른, 복사를 이용한 화학 처리에 사용되는 다른 실시예의 장치의 평면도이고;
도 3은 본 발명에 따른, 복사를 이용한 화학 처리에 사용되는 또 다른 실시예의 장치의 평면도이고;
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른, 복사를 이용한 화학 처리에 사용되는 각각의 실시예의 장치의 단면도이고;
도 8은 도 4의 일부 확대 단면도에 대응하는, 광촉매 화학 처리를 위한, 본 발명의 다른 실시예의 단면도이고;
도 9는 본 발명에 따른 복사를 이용한 화학 처리에 사용되는 또 다른 실시예의 장치의 평면도이고;
도 10은 도 9의 단면의 일 부분의 확대도이고;
도 11의 A 내지 I는 본 발명에 따른 성형 장치에 사용되는 다양한 구조부를 성형하는 방법에 있어서 확정된 및/또는 선택적인 단계를 나타낸 상기 성형 장치의 단면도이고;
도 12의 A 내지 D는 본 발명에 따른 성형 장치에 사용되는 다양한 구조부를 성형하는 다른 방법에 있어서 확정된 및/또는 선택적인 단계를 나타낸 상기 장치의 단면도이고;
도 13의 A 내지 C는 도 12의 A 내지 D에 도시된 방법의 변형예로서, 본 발명에 따른 성형 장치에 사용되는 다양한 구조부를 성형하는 또 다른 방법에 있어서 확정된 및/또는 선택적인 단계를 나타낸 상기 장치의 단면도이며;
도 14 및 도 15는 도 8의 실시예와 유사하지만, 워시 코우트 광촉매재와 달리 얇은 필름 광촉매재가 사용되는, 광촉매 화학 처리를 위한, 본 발명의 또 다른 실시예의 단면도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명이 아래 기재되어 있으며, 첨부된 도면을 참조하여 상기 실시예가 기재되어 있다. 가능하다면, 여러 도면에 있어서 동일한 구성요소에 동일한 부재번호를 사용하였다.
본 발명을 완전하게 이해하기 위해서는 본 발명에 사용된 구조부를 성형하는 제조 방법의 실시예를 살펴보는 것이 보다 유용하다.
단지 예시를 위한 것으로서 본 발명을 용이하게 이해하기 위해, 본 발명의 한 방법이 도 11의 A 내지 I에 도시되어 있다. 도 11의 A 내지 I는 제 1 글래스 구조부(20)와, 글래스 구조부(22 또는 28)와, 글래스 구조부(24 또는 26)와 같은 여러 글래스 구조부를 성형하는 방법 중 확정된 및/또는 선택적인 단계의 단면도이며, 상기 제 1 글래스 구조부(20)는 도 11의 D에 도시된 바와 같이, 제 1 채널(30)의 형태를 취한 단일 세트의 채널을 구비하고, 상기 글래스 구조부(22 또는 28)는 도 11의 F 또는 도 11의 I에 도시된 바와 같이, 제 1 채널(30) 및 제 2 채널(40)과 같은 2개의 상보적인 세트의 채널을 구비하고, 및/또는 상기 글래스 구조부(24 또는 26)는 도 11의 G 또는 도 11의 H에 도시된 바와 같이, 3개의 채널 또는 4개의 채널을 구비한다.
제 1 글래스 구조부(20)는 도 11의 A에 도시된 바와 같이, 글래스 고브(70, gob)를 공급기 탱크(도시 생략)로부터 2개의 가열된 회전 롤러(72 및 74)로 공급하도록 형성된다. 이때 연질의 글래스 시트(76)는 진공 도관(도면에서 도관은 도시 생략됨)을 구비한 가동 주형(78) 상에서 롤링되어 나아가게 된다. 글래스 시트(76)가 연질인 경우에 그 즉시 진공 성형되어, 도 11의 B에 도시된 바와 같은 성형된 시트(80)가 만들어지며, 이때 성형된 시트(80)의 두께는 진공 재인발에 의해 연질의 글래스 시트(76)보다 두께가 감소된다. 이어지는 다음 통과 단계에서, 제 2 연질의 글래스 시트(82)가 도 11의 C에 도시된 바와 같이, 성형된 시트(80) 상에 놓여진다.
제 2 연질의 글래스 시트(82)는 도 11의 D에 도시된 바와 같이, 성형된 시트(80)의 상부면을 바로 폐쇄하여, 폐쇄된 제 1 채널(30)을 형성하고 이로서 중간층의 글래스 구조부(20)가 만들어진다. 따라서 제 1 채널(30)은 대략 5초 내지 10초 만큼의 짧은 시간 동안에 신속하게 만들어져 폐쇄된다.
본 발명에 특별히 사용되는 한 타입의 글래스 구조부로서, 글래스 구조부(22)는 제 1 채널(30)을 구비한 중간 구조부(20)를 가동 주형(78)으로부터 제거함으로써, 그리고 상기 제 1 채널(30)을 뒤집어진 위치로 지지부(84) 상에 배치시킴으로써 형성된다. 폐쇄된 제 2 채널(40)을 형성하여 도 11의 F의 글래스 구조부(22)가 만들어지도록, 사전에 폐쇄되지 않은 상보적인 채널(40)이 도 11의 E에 도시된 바와 같이, 제 3 연질의 글래스 시트(86)로써 덮혀지고, 상기 글래스 구조부는 상기 제 1 채널(30) 및 제 2 채널(40)을 구비하고, 상기 채널(30, 40)은 서로 상보적인데 그 이유는 상기 채널(30, 40)이 성형된 시트(80)의 다소 수직한 부분의 형태를 취한 각각의 채널상의 모든 지점에서 공유벽을 구비하고 공통의 일반적인 평상의 볼륨 내에서 함께 위치하기 때문이다.
도 11의 E 및 F에 도시된 단계에 대한 변형예에 있어서, 글래스 구조부의 한 타입으로서 제 1 글래스 구조부(20)는, 고온일 때 상기 채널을 함께 성형함으로써, 또는 필요하다면, 사전에 성형된 부분을 적층하고 소결함으로써, 상기 채널을 도 11의 B에 도시된 것과 같은 성형된 시트(80) 상에서 폐쇄하도록 사용될 수 있다. 이렇게 만들어진 채널은 도 11의 I의 글래스 구조부(28)가 만들어지도록 직접적으로 정렬되는 것이 바람직하다.
도 11의 E 및 F에 도시된 단계에 대한 변형예에 있어서, 도 11의 D의 제 1 글래스 구조부(20)가 연질의 상태를 유지하는 동안에 서로 적층되나, 또는 필요하다면, 2개의 부분이 함께 적층되고 소결되어, 도 11의 G의 글래스 구조부(24)를 형성하며, 상기 글래스 구조부(24)는 제 1 채널(30), 제 2 채널(40) 및 제 3 채널(50)을 구비한다. 보다 많은 층의 채널이, 필요에 따라, 제 1 글래스 구조부(20)와 같은 구조부를 적층함으로써 및/또는 개방 채널을 추가의 평평한 층으로써 폐쇄함으로써(예를 들면, 글래스 구조부(24)의 개방 채널을 추가의 평평한 층으로써 폐쇄함으로써) 유사하게 형성되고, 도 11의 H에 도시된 바와 같은 글래스 구조부(26)가 만들어지며, 상기 글래스 구조부(26)는 제 1 채널(30), 제 2 채널(40), 제 3 채널(50) 및 제 4 채널(60)을 구비한다.
특정 글래스에 대한 도 11의 A 내지 I의 방법에 있어서 바람직한 처리 매개변수의 일례로서, 7740 Pyrex®을 성형하기 위하여, 바람직한 열적 조건은 일반적으로 650℃로 가열된 롤러 및 주형 상에 이송된 1350℃의 글래스이다. 이형제(release agent)가 아세틸렌 크랙킹(cracking)의 카본 블랙처럼 사용될 수 있다. 글래스 시트가 보다 얇을 수록, 롤러 온도는 더 높아진다. 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 채널 사이의 벽, 예를 들면 채널(30)과 채널(40) 사이의 벽이 충분한 강성을 지속적으로 상당히 유지할 수 있을 정도로 얇은 것이 바람직하다. 두께는 일반적으로 필요한 기계적 강성을 제공할 수 있을 만큼 얇아야 하며, 상기 두께는 2mm이하 이거나, 바람직하게는 1mm 또는 0.5mm이하이다. 0.8mm의 시트가 사전에 롤링되고 이 처리공정으로 진공이 형성되어, 0.2mm 이하 만큼의 얇은 두께가 성형된 형상의 바닥부에서 형성될 수 있다. 도 11의 A 내지 I의 방법 및 이 방법과 관련된 방법에 대한 자세한 사항에 대해서는 예를 들면, 2004년 4월 30일 출원되고 고 열효율 글래스 미소유체 채널과 상기 채널의 성형 방법(High Thermal Efficiency Glass Microfluidic Channels and Methods for Forming the Same)을 발명의 명칭으로 하는 유럽특허출원번호 제04291114호를 참조하기 바란다.
당업자라면, 도 11의 A 내지 I와 관련하여 기재된 성형 처리가 사용될 때, 또는 도 11의 B에서와 같이 파형으로(undulated) 성형된 단일의 시트(80)의 사용을 포함하는 유사한 처리가 사용될 때, 또는 상기와 같은 시트의 양면에 형성된 채널이 고려될 때, 제조된 제 1 및 제 2 세트의 채널(30, 40)은 서로 상보적, 즉 상기 제 1 및 제 2 채널은 공유벽을 구비하고 공통의 대체로 평평한 볼륨 내에 함께 위치하게 된다는 것을 알 수 있을 것이다. 아래 기재된 바와 같이, 도 12의 A 내지 D 그리고 도 13의 A 내지 C의 방법에 의해 성형된 채널은 도 12의 A 내지 D에서와 같이 서로 상보적이거나, 또는 도 13의 A 내지 C에서와 같이, 더욱 변형된 형상으로 성형될 수 있다.
도 12의 A 내지 D에는 본 발명에 사용되는 구조부를 성형할 수 있는 제조 방법의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 12의 A 내지 D에 도시된 방법에 따라, 글래스 또는 글래스-함유재 시트(88)가 상호작용하는 주형, 즉 반쪽 주형(90 및 92) 사이에 배치되고, 상기 주형은 폭넓은 범위의 온도에서 사용되는 글래스와 융화될 수 있는 재료로써 성형된다. 주형 재료는 프랑스 젠느빌리에(Gennevilliers)의 Carbone Lorraine 社에 의해 제조된 2450 PT 또는 2020PT 등급의 그래파이트와 같은, 카본이거나, 또는 대략 10% 이상의 개구 다공성을 갖는 다공성 카본이 바람직하다. CNC 머시닝, 다이아몬드 초고속 머시닝, 전자 배출 머시닝, 또는 이들을 조합한 머시닝과 같은 기술이 특정 주형면을 만드는데 사용될 수 있다. 주형면 설계는 필요한 특성에 따라 변경될 수 있다.
이형제, 바람직하게는 카본 수트(carbon soot)는 시트(88) 및/또는 반쪽 주형(90 및 92) 상에 선택적으로 사용될 수 있다. 글래스-함유 시트(88)와 반쪽 주형(90 및 92) 사이의 경계면에 압력이 가해지는 것이 바람직하다. 이러한 구성은 예를 들면 하중에 의해 달성될 수 있다. 반쪽 주형(90 및 92)과 시트(88)는, 상기 시트가 반쪽 주형(90 및 92)의 형상과 맞춰지도록, 연질이 될 때까지 충분히 가열되어, 성형된 시트(94)가 만들어진다. 반쪽 주형(90 및 92)과 성형된 시트(94)는 함께 냉각되고, 이후 상기 시트(94)는 상기 반쪽 주형으로부터 제거된다. 상기 성형된 시트(94)는 글래스나 글래스-함유재나 임의의 여러 적당한 재료로 만들어진 평평한 시트(96) 사이에 배치되고, 상기 조립체는 적당한 접착제나, 여러 적당한 수단이나, 또는 유리 원료로써 또는 유리 원료 없이도 소결됨으로써, 함께 접착될 수 있다. 이렇게 만들어진 글래스 구조부(22)는 도 11의 A 내지 I의 글래스 구조부(22)와 대응된다. 또한 도 12의 A 내지 C에 도시된 바와 같이 형성된 성형 시트(94)가 필요에 따라 도 11의 A 내지 I의 여러 구조부에 대응하는 구조부를 형성하도록 사용될 수도 있다.
본 발명에서 사용된 구조부를 성형하는데 적용될 수 있는 제조 방법의 또 다른 일례로서, 도 12의 A 내지 D의 방법이 도 13의 A 내지 C에 도시된 바와 같이 수정될 수 있으므로, 처리 채널(98)과 이웃하는 채널(100)이 상보적일 필요는 없게 된다. 도 13의 A 내지 C에 도시된 바와 같이, 주형(90 및 92)이 도 12의 A 및 B에서와 같이 동일한 또는 상호맞춰지는 형상의 구조부 중 하나일 필요는 없지만, 대신, 성형된 하나의 주형(90) 및 평평하게 면처리된 하나의 주형(92)과 같이, 다소 독립적인 형상을 취할 필요는 있다. 이렇게 성형된 시트(94)는 상기 성형된 시트의 하나 이상의 면에 형성된 파티션, 즉 벽(102)을 구비한다. 도 13의 A 내지 C에 도시된 처리에 의해 형성된 채널이 단일의 시트의 양면에 형성될 필요는 없으나, 2개의 성형된 시트(94) 사이에 형성될 필요는 있으며, 상기 2개의 시트는 서로 동일할 필요는 없으나, 유리 원료(frit)로써 또는 상기 유리 원료 없이도 소결되어 적당한 접착제나 여러 적당한 수단에 의해 함께 연결되고, 파티션, 즉 벽(102)이 도 13의 C에 도시된 바와 같이, 처리 채널(98) 및 이웃하는 채널(100)을 분리시킨다. 도 12 및 도 13과 관련하여 기재된 처리에 대한 보다 상세한 사항에 대해서는 예를 들면, 2007년 2월 28일 출원되고, 미소유체 장치의 제조 방법과 상기 미소유체 장치로 제조된 장치(Method for Making Microfluidic Devices and Devices Produced Thereof)과 글래스 함유 조성물의 성형 방법(Methods for Forming Compositions Containing Glass)을 각각 발명의 명칭으로 하는 유럽특허출원번호 제07300835호 및 유럽특허출원번호 제07300836호로부터 알 수 있다.
상보적인 채널을 본 발명에 따른 장치에 사용한 실시예가 도 1에서 평면도로 도시되었으며, 상기 도 1은 도 11의 F나 G 중 어느 한 도면의 단면도임을 알 수 있다.
도 1에는 복사를 이용한 화학 처리를 행하는데 사용되는, 본 발명에 따른 장치(10)의 개략적인 평면도가 도시되어 있다. 상기 장치(10)는 제 1 채널(30)(현재 하나의 채널(12)로 도시됨)과 제 2 채널(40)(현재 하나의 채널(14)로 도시됨)에 각각 대응하는, 상보적인 제 1 및 제 2 채널(12 및 14)을 포함한다. 채널(12 및 14) 모두는 어느 정도 수직인 글래스 벽(32)에 의해 부분적으로 형성되며 상기 글래스 벽(32)은 처음에 성형된 시트(80)를 성형함으로써 만들어진다. 상보적인 채널(12)에는 입구 포트(16)와 출구 포트(18)가 형성되어 있어 유체가 상기 채널(12)에 접근할 수 있고, 이에 따라 유체 경로(13)가 형성된다. 상보적인 채널(14)의 각각의 단부에 전극(17 및 19)이 제공되고, 상기 채널(14)은 가스나 플라즈마 배출을 생성하는 적당한 가스 혼합물을 포함하도록, 가스 배출 챔버나 플라즈마 배출 챔버(15)를 형성하여, 복사를 이용한 화학 처리에 사용되는 복사를 만들어낸다.
상기 기재로 알 수 있는 바와 같이, 글래스 벽(32)의 제 1 면(34)은 적어도 부분적으로 유체 경로(13)를 형성하는 한편, 글래스 벽(32)의 제 2 면(36)은 적어도 부분적으로 챔버(15)를 형성한다. 따라서 상기 챔버(15)는 채널(14)에 대응하는 볼륨 내에 형성된 가스 배출 챔버나 플라즈마 배출 챔버를 구성하며, 상기 채널(14)은 유체 경로(13)를 적어도 부분적으로 형성하는 동일한 투과 벽(32)의 제 2 면(36)에 의해 적어도 부분적으로 형성된다. 도 1에서 화살표 38로 제시된 바와 같이, 상기와 같은 구성은, 투과 벽(32)을 통해, 챔버(15)에서 발생되는 복사의 유체 경로(13)로의 직접적이고 효과적인 커플링을 가능하게 한다 .
채널의 여러 구성이 사용되는데, 여기에는 예를 들면, 도 2의 실시예에 도시된 구성과 같은 상보적인 채널의 여러 구성이 포함된다. 도 2의 챔버(15)처럼 보다 특이한 형상을 갖는 배출 챔버의 경우에, 2개 이상의 전극이 사용되거나, 상기 챔버가 나뉘어지거나, 또는 바람직하게, 챔버(15) 내의 가스가 적당하게 배치된 자기장을 조합한 마이크로웨이브 빔에 의해 또는 여러 적당한 수단에 의해 외측으로 배출될 수 있다. 도 13의 A 내지 C의 성형 처리에서와 같이, 사용된 구조부 성형 처리가 충분히 적용될 수 있는 경우에, 비상보적인 채널 구조부가 사용될 수 있다. 비상보적인 채널의 일례가 도 3에 도시되어 있고, 상기 도 3에서 처리 또는 반응물 채널(98)이 3개의 별도의 채널(100)과 결합되며 상기 별도의 채널은 복사를 만들어내기 위한 챔버를 형성한다. 물론 보다 복잡한 장치도 가능하다.
도 4 내지 도 7은 복수 세트의 채널과 다양한 배치의 채널에 의한 본 발명의 여러 실시예를 개략적으로 도시한 단면도이다. 각각의 경우에 있어서, 장치(10)는 투과 벽(32)의 제 1 면(34)에 의해 적어도 부분적으로 형성된 유체 경로(13); 복사를 이용한 화학 처리에 사용되는 복사를 생성하도록 배치된 가스 배출 챔버 또는 플라즈마 챔버(15)를 포함하고, 상기 챔버(15)는 상기 제 1 면(34)과 마주한, 투과 벽(32)의 제 2 면(36)에 의해 적어도 부분적으로 형성된다.
도 4에 도시된 장치(10)의 실시예에 있어서, 유체 채널의 제 1 세트(12) 내에 배치된 유체 경로(13)는 배출 챔버(15)와 폐쇄연결되며 상기 배출 챔버(15)는 상기 제 1 세트(12)와 상보적인 유체 채널의 제 2 세트(14) 내에 배치된다. 유체 경로(13)와 챔버(15)는 파형의 글래스 시트(33)의 형태로 벽(32)의 마주한 양면에 형성된다. 도 1 내지 도 7에서 화살표로써 지시된 바와 같이, 유체 경로(13)와 배출 챔버(15)가 폐쇄되어 복사를 이용한 화학 처리에 사용되는 복사가 챔버(15)로부터 경로(13)로 용이하게 그리고 효율적으로 이송될 수 있게 된다.
도 4 내지 도 7의 실시예에 더하여, 제 1 반사 코팅부(42)가 장치(10)의 한 주요 외부면에 배치된다. 상기 코팅부는 복사를 이용한 화학 처리하는데 사용되는 복사를 상기 장치(10)의 내부 뒤쪽으로 효과적으로 반사시키는 금속 필름 또는 금속의 얇은 필름, 유전체나 유전체의 다층 코팅부, 또는 임의의 여러 적당한 코팅부일 수 있다. 바람직하게, 장치(10)는 상기 장치(10)의 내부 뒤쪽으로 복사를 이용한 화학 처리하는데 사용되는 복사를 거의 효과적으로 반사시키는, 상기 장치(10)의 다른 한 주요 외부면에 위치한 제 2 반사 코팅부(44)를 구비한다.
도 5의 실시예에 있어서, 상기 도 5에는 제 1 채널(12)과 제 3 채널(12a)이 도시되어 있고, 이러한 실시예에 있어서, 상기 각각의 채널은 유체 경로(12, 12a)를 포함한다. 유체 경로(12, 12a)는 서로 독립적이거나 또는 필요에 따라 일렬로 또는 평행하게 서로 연결될 수 있다. 반응 경로 및/또는 반응 시간을 보다 길게 하기 위하여 상기 유체 경로를 일렬로 연결하는 것이 보다 바람직하다. 이러한 실시예에 있어서, 제 1 반사 코팅부(42)는 평평하지 않은 면상에 배치되지만, 그럼에도 불구하고 복사를 장치(10)의 뒤쪽으로 효과적으로 반사시킬 수 있다.
도 6에 실시예가 도시된 바와 같이, 본 발명의 기본 원칙은 도 4에서와 같은 3층 장치에서도 용이하게 적용될 수 있다. 도 6의 실시예에 있어서, 유체 경로(13, 13a 및 13b)를 형성하는 3개 세트의 채널(12, 12a 및 12b)이 하나 이상의 배출 챔버(15, 15a 및 15b)를 형성하는 3개 세트의 채널(14, 14a 및 14b)과 산재되어 있다. 도 5의 실시예에 있어서와 같이, 이들 채널 세트는 필요에 따라 일렬로 또는 평행하게 서로 연결될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 촉매재를 도 8 및 도 10과 관련하여 아래에 설명된 채널(12, 12a 및 12c) 내에 위치시키기 때문에, 도 6에서 화살표들로 지시된 바와 같이, 복사가 경로(13a 및 13b) 보다는 유체 경로(13)에 더 많이 도달한다. 이러한 이유 때문에, 반응물은 유체 경로(13)를 통하여, 맨 처음 또는 맨 마지막으로 바람직하게 이송되거나, 또는 처리 중에 이송되고, 이에 따라 처리부가 유리하게도 보다 많은 복사를 받게 된다.
일 실시예가 도시된 도 7에는 유체 경로(13)와 챔버(15)가 투과 벽(32)의 마주한 양 표면(34, 36)에 파형의 시트가 아닌 평평한 글래스 시트(35)의 형태로 형성되어 있다. 광촉매재를 사용하는 실시예에 있어서, 구조부의 곡률이 바람직하게 선택되고 이에 따라 반사층(42, 44)은, 챔버(15)로부터의 복사가 유체 경로(13)내의 표면 상에 위치한 광촉매재에 촛점이 맞춰지게 한다.
본 발명의 모든 장치에 있어서, 유체 경로의 단면이 바람직하게 한정되어 상기 유체 경로를 유동하는 반응물의 완전한 방사가 가능하게 된다. 유체 경로의 최대 단면 치수는 바람직하게는 2cm이하, 보다 바람직하게는 1cm이하, 가장 바람직하게는 0.6cm 이하이다.
도 8에는 광촉매 화학 처리를 위해 광촉매재를 사용하는 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 광촉매재가 부가된 것을 제외하고는 도 8의 장치는 도 4의 장치와 대응되며, 도 8에 도시된 구조부는 도 4의 단면 중 일부분이 확대된 것이다. 상기 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 있어서 광촉매재(46)는 유체 경로(13, 13a)의 내부면의 적어도 하나 이상의 제 1 부(47) 상에 위치된다. 유체 경로(13, 13a)의 내부면은 또한 광촉매재(46)가 없거나 제 1 부(47)보다 광촉매재(46)가 없는 하나 이상의 제 2 부(48)를 포함하여, 상기 제 2 부(48)가 상기 제 1 부보다 사용되는 복사를 더 투과시킨다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제 2 부(48)는 내벽의 평평부(62) 뿐만 아니라 상기 내벽의 볼록부(64)(내부쪽으로 볼록함)를 포함한다. 촉매가 어느 정도 없는 하나 이상의 제 2 부(48)에 의해 유체 경로(13, 13a)로의 복사가 행해져, 유체 경로 내의 촉매재의 전방면이 완전하게 그리고 효과적으로 노출된다.
적어도 일 부분을 따라 원형이 아닌 단면을 갖는 유체 경로에 의해 광촉매재를 일정하지 않게 코팅하거나 위치시키는 것이 유리하며, 상기 유체 경로는 소정의 광촉매 복사를 투과시키는 재료로 된 벽의 제 1 면에 의해 적어도 부분적으로 형성되고, 상기 광촉매재를 상기 유체 경로에 증착하기 위하여 상기 유체 경로를 워시-코팅하며, 상기 워시-코팅하는 단계는 상기 광촉매재를 상기 유체 경로의 원형이 아닌 단면을 갖는 제 1 부에 증착하는 단계와, 상기 광촉매재를 상기 유체 경로의 원형이 아닌 단면의 제 2 부 상에 증착하지 않거나 또는 상기 광촉매재를 상기 제 2 부에서 제거하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 제 2 부는 투과 재료로 된 상기 벽의 적어도 수개의 상기 제 1 면을 포함한다.
본 명세서에 기재된 실시예와 유사한 유체 경로를 선택함으로써 상기와 같은 구성이 용이하게 달성될 수 있으며, 여기서 유체 경로는 평평부로 이루어진 원형이 아닌 단면을 갖는다. 워시 코우팅은 유체 경로의 평평부 상에 저절로 증착되지 않거나, 상기 평평부 상에 보다 얇게 증착되지 않는다. 선택적으로, 워시 코우트가 먼저 두껍게 증착된 후 부분적으로 제거된다면, 상기 워시 코우트는 경로의 평평부로부터 보다 신속하게 제거된다. (안쪽으로의) 볼록부에는 또한 증착시 워시 코우트가 적은 것이 바람직하고 상기 볼록부는 에칭(etching)때 보다 빨리 코팅부를 제거한다. 광촉매 복사 공급원을 제 2 부 또는 상기 제 2 부 근처에 제공함으로써, 유체 경로 내에 있는 광촉매재는 반응물과 마주하고 있는 표면에 양호하게 조사된다.
도 14 및 도 15에는 도 8의 실시예에 대한 변형 실시예의 단면도가 도시되어 있다. 도 14 및 도 15에 있어서, 광촉매재(46)는 도 8의 워시 코우트 광촉매재 대신에 얇은 필름의 광촉매재의 형태를 취한다. 얇은 필름 재료는 증착, 스퍼터링, 화학 증기 증착, 플라즈마를 이용한 화학 증기 증착, 딥 코팅(dip coating) 등과 같은 여러 다양한 얇은 필름 기술에 의해 증착될 수 있다. 도 14에 있어서, 얇은 필름 광촉매재(46)가 유체 경로(13 및 13a)의 모든 내부면 상에 위치된다. 이러한 실시예에 있어서, 광촉매재의 두께가 충분히 얇게 선택되고 이에 따라 얇은 필름을 통해 부분적으로 유체 경로(13 및 13a)의 모든 내부면이 복사에 의해 적당하게 조사될 수 있도록 충분한 정도로 투과된다. 도 15의 실시예에 있어서, 얇은 필름 광촉매재(46)는 상기와 달리 제 2 부(48)가 아닌, 채널 벽의 내부면의 제 1 부(47)에만 증착된다. 도 15의 실시예는 도 8의 실시예와 상이한데, 그 이유는 하부 채널(12)에서와 달리 제 1 부(47)가 도 15의 상부 채널(12a)에서 상이하기 때문이다. 하부 채널(12)에 있어서, 채널 내부면의 평평한 표면은 광촉매재가 증착되는 제 1 부(47)인 한편, 상부 채널(12a)에 있어서 채널 내부면의 볼록부와 오목부는 광촉매재가 증착되는 제 1 부(47)이다. 이러한 구성에 의하면, 도 14 및 도 15에서 화살표로써 도시된 방향으로 방사를 완전하게 하고 얇은 필름 재료의 증착을 용이하게 할 수 있다.
평평한 기판 또는 파상의 기판이 도 14나 도 15의 장치와 동일한 장치를 형성하도록 함께 이동하여 함께 접착되기 전에 상기 평평한 기판 또는 파상의 기판에 얇은 필름 재료가 증착될 수 있다. 이러한 구성은, 성형된 이후에 평평한 부분이나 파형의 부분을 각각 별도로 냉각함으로써 달성되고, 이후 얇은 필름 광촉매에 의해 필요한 표면이 코팅된다. 이후 별도의 평평한 기판이나 파상의 기판이 함께 이동되어 소결 또는 여러 적당한 처리에 의해 함께 접합된다.
광촉매 처리를 위한 본 발명의 또 다른 실시예가 도 9에 도시되어 있다. 도 9의 실시예에 있어서, 배출 챔버는 상기 장치의 글래스 구조부 내에 제공되지 않으며; 차라리, 모든 세트의 채널(본 실시예에서는 12 및 12a)이 반응물용 유체 경로(13 및 13a)로서 사용된다. 다시 말하면, 경로(13 및 13a)가 사용되거나, 일렬로 또는 평행하게 사용되도록 설계될 수 있다.
도 9의 실시예에 있어서, 광촉매용 복사가 외측의 평평한 복사 공급원(52 및 54)에 의해 행해진다. 이러한 복사 공급원은 플라즈마-기저 배출기, 다이오드나 레이저 다이오드 어레이, 또는 여러 적당한 공급원의 형태를 취할 수 있다. 필요하다면, 공급원(54)은 선택적으로 상기 공급원(52)으로부터의 일측면 조명을 위해 제공된, 대시선으로 외형이 그려진 반사 코팅부로 대체될 수 있다. 도 9의 실시예에 있어서 모든 채널(12, 12a)에 재료가 위치되는 것을 제외하고는 도 8에 도시된 바와 같이 광촉매재가 동일하게 분포되도록 사용되는 것이 바람직하다. 상기와 같은 구성이 도 9의 일부분의 확대 단면도인 도 10에 도시되어 있다. 공급원(52, 54)에 인접한 평평부(62)를 포함하는, 유체 경로의 내부면의 하나 이상의 부(48)에 광촉매재(46)가 없기 때문에, 도면에서 화살표로 지시된 바와 같이, 유체 경로(12, 12a)에 들어가는 공급원(52, 54)으로부터의 복사가 용이하게 행해진다.
본 발명의 장치와 방법은 소정의 복사를 화학 처리용 그리고 소정의 복사의 이송을 가능하게 하는 워시 코우트 증착 제어용 마이크로 채널에 효율적으로 이송시킬 수 있다. 이러한 본 발명의 장치와 방법은 다양한 종류의 화학 처리를 위한 특정 유틸리티를 구비하나, 유기 및 비유기 합성, 오염 감소, 물과 공기 정화 등으로 한정되는 것은 아니다.
광촉매작용의 경우에, 상기 광촉매작용은 유기 오염물의 분해와 유기 합성 처리에 유용하다. 화학 처리에 있어서, 광촉매작용은 일반적으로 분자의 작동을 향상시키도록 사용되고 보다 낮은 값의 반응물로부터 높은 값의 분자를 얻도록 사용된다. 매우 엄격하지 않은 작동 조건(실내 온도나 실내 온도보다 약간 높은 온도)에 따라, 합성이 어느 정도 유리한데 그 이유는 잠재적으로 향상될 가능성이 있기 때문이다. 반응물의 일례로서, 시클로헥사놀(cyclohexanol) 및 시클로헥사노네(cyclohexanone)의 선택적인 시클로헥산(cyclohexane) 산화는 광촉매작용이 통상적으로 가해지는 반응이다. 예를 들면, 켄이치 시미즈(Ken-Ichi Shimizu) 등이 저술한 도포된 촉매 A(Applied Catalysis A) General 225 (2002), 185-191 페이지를 참조하기 바람. 선형 알킬 올레핀(Linear alkyl olefins)은 또한 광촉매작용을 사용한 산화제로서 분자 산소(molecular oxygen)를 사용하여 직접적으로 에폭시드처리되고(epoxidized), 1-헥센(Hexene)은 소비된 1-헥센과 비하여, Ti02와 79%의 수율(yield)을 갖는 광촉매작용을 사용하여 1-2에폭시헥센(epoxyhexane)에 직접적으로 에폭시드처리된다(미치오 마츠무라(Michio Matsumura) 등이 저술한, 촉매 저널(Journal of Catalysis) 176, 76-81 (1998)를 참조 바람).
복사에 의해 조사된 티탄(titania)이 통상적으로 광촉매 시스템에 바람직할지라도, 원칙적으로는 아래 표 1에 등재된 것과 같은 다양한 재료가 이용될 수 있다.
표 1
상기 표에 기재된 바와 같이, 적당한 복사의 파장은 가시 스펙트럼의 범위에 있고 상기 범위를 벗어날 수도 있다.
광촉매가 없는 복사를 이용한 화학 처리의 경우에 있어서, 복사 파장은 광자 에너지 레벨이 반응물이나 상기 반응물의 특정 위치의 선택된 여기 에너지에 맞춰지도록 선택된다. 필요한 화학 처리 단계 동안에 결합이 깨지게 되는 광자 에너지 레벨이 결합 에너지에 바람직하게 맞춰지도록 상기 복사 파장이 선택될 수 있다.
충전된 글래스, 글래스 세라믹 등과 같은 글래스 및/또는 글래스 함유재가 본 명세서에 기재된 본 발명의 장치의 모든 실시예에 적용가능한 한편, 다른 재료가 요구되는 조건과 투명도에 따라 사용되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 세라믹 재료가 특정 파장에 대한 투과성 벽 재료라면 유리하다.
본 발명의 방법은, 성형 처리 공정에서 사용된 시트의 표면적을 증가시킴으로써 그리고 도 11의 H에 도시된 바와 같이 만들어진 구조부를 적층함으로써, 수백 또는 수천의 채널을 갖는 초대형의 임의의 장치에 적용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명의 방법은 치수가 미터 단위인 파형의 글래스 시트를 형성하는데도 적용될 수 있다.
당업자라면 본 발명의 사상 및 범주내에서 본 발명에 대한 수정 및 변경이 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 첨부된 청구범위의 범주내에서 본 발명에 대한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다.
Claims (14)
- 복사를 이용한 화학 처리 장치로서,
상기 복사를 이용한 화학 처리에 사용되는 복사를 투과시키는 벽의 제 1 면에 의해 적어도 부분적으로 형성된 유체 경로;
상기 복사를 이용한 화학 처리에 사용되는 복사를 만들어내도록 배치된 가스 배출 또는 플라즈마 챔버;를 포함하고,
상기 챔버는 상기 제 1 면과 마주한, 투과 벽의 제 2 면에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 복사를 이용한 화학 처리 장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 복사를 이용한 화학 처리 장치의 내부 뒤쪽으로 복사를 효과적으로 반사시키는 상기 화학 처리 장치의 주요 외부면에서 반사 코팅부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복사를 이용한 화학 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 복사를 이용한 화학 처리 장치의 내부 뒤쪽으로 복사를 효과적으로 반사시키는 상기 화학 처리 장치의 적어도 2개의 주요 외부면에서 반사 코팅부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복사를 이용한 화학 처리 장치.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 경로와 챔버는 파형 기판의 양면에 형성된 것을 특징으로 하는 복사를 이용한 화학 처리 장치.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 경로와 챔버는 평평한 기판의 양면에 형성되는 것을 특징으로 하는 복사를 이용한 화학 처리 장치.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 경로의 최대 단면 치수는 1cm 이하인 것을 특징으로 하는 복사를 이용한 화학 처리 장치.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투과 벽의 최대 두께는 0.5mm 이하인 것을 특징으로 하는 복사를 이용한 화학 처리 장치.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 경로는 상기 유체 경로의 상기 내부면의 적어도 제 1 부 상에 위치한 얇은 필름 광촉매재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복사를 이용한 화학 처리 장치.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 경로는 상기 유체 경로의 상기 내부면의 적어도 제 1 부 상에 위치한 워시 코우트 광촉매재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복사를 이용한 화학 처리 장치.
- 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 유체 경로는, 상기 광촉매재가 없거나 또는 상기 제 1 부보다 상기 광촉매재가 없는 제 2 부를 포함하며, 상기 제 2 부는 상기 제 1 부보다 복사가 더 많이 투과하는 것을 특징으로 하는 복사를 이용한 화학 처리 장치.
- 광촉매 리액터의 성형 방법으로서,
복사를 이용한 화학 처리를 행하는데 사용되는 소정의 복사가 투과되는 재료로 된 벽의 제 1 면으로써 적어도 부분적으로 형성되고, 적어도 일부분을 따라 원형이 아닌 단면을 갖는 유체 경로를 제공하는 단계; 및
상기 유체 경로에 광촉매재를 증착하기 위하여 상기 유체 경로를 워시-코팅하는 단계;를 포함하고,
상기 워시-코팅하는 단계는 상기 광촉매재를 상기 유체 경로의 원형이 아닌 단면의 제 1 부에 증착하는 단계와, 상기 광촉매제를 상기 유체 경로의 원형이 아닌 단면의 제 2 부에 증착하지 않거나 상기 광촉매제를 상기 제 2 부로부터 제거하는 단계로 이루어지고, 상기 제 2 부는 투과 재료로 된 상기 벽의 적어도 수개의 상기 제 1 면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광촉매 리액터의 성형 방법. - 제 11 항에 있어서, 광촉매 복사 공급원을 상기 유체 경로의 원형이 아닌 단면의 상기 제 2 부에서 또는 그 근처에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광촉매 리액터의 성형 방법.
- 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 유체 경로를 제공하는 단계는 평평부로 이루어진 원형이 아닌 단면을 갖는 유체 경로를 제공하는 단계를 포함하고,
상기 워시-코팅하는 단계는 상기 광촉매재를 적어도 수개의 평평부에 증착하거나 적어도 수개의 평평부로부터 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광촉매 리액터의 성형방법. - 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 경로를 제공하는 단계는 볼록부로 이루어진 원형이 아닌 단면을 갖는 유체 경로를 제공하는 단계를 포함하고,
상기 워시-코팅하는 단계는 상기 광촉매재를 적어도 수개의 볼록부에 증착하거나 적어도 수개의 볼록부로부터 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광촉매 리액터의 성형방법.
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