KR20100111659A

KR20100111659A - 산소 및/또는 수소 가스 제조 장치

Info

Publication number: KR20100111659A
Application number: KR1020107007601A
Authority: KR
Inventors: 에이. 코헨 빈요민; 비. 드리진 샬롬; 제드 드리진 조엘; 드리진 모세
Original assignee: 에이. 코헨 빈요민; 제드 드리진 조엘; 드리진 모세; 비. 드리진 샬롬
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2010-10-15
Also published as: WO2009035525A9; US20090071471A1; WO2009035526A2; WO2009035545A9; EP2188207A2; EP2188208A2; WO2009035545A2; WO2009035526A9; US20090272273A1; US20110135563A1; KR20100100752A; WO2009035525A2; CN101835707A; US20090074654A1; CA2698529A1; CA2698530A1; US7794865B2; JP2010537944A; KR20100100753A; US20090071472A1

Abstract

본 발명은, 물을 분해시키고(split), 교대로 반복되는 촉매 스크린과 여과 스크린을 사용하여 호기(exhaled air), 대기의 공기, 그리고/또는 팬 모터(fan motor)로부터의 공기로부터 산소를 여과함으로써 산소 및/또는 수소를 제공하기 위한 장치에 관한 것이고, 상기 반복 유닛의 제1 스크린은 다이루테늄을 가지며, 제2 스크린은 제올라이트 결정체들을 가진다.

Description

산소 및/또는 수소 가스 제조 장치{APPARATUS FOR PRODUCING OXYGEN AND/OR HYDROGEN GAS}

관련 출원들에 대한 상호참조사항:

본 출원은, 2007년 9월 7일자로 출원되고, 본 명세서의 참고문헌을 이루는, 미국 가출원(Provisional Application) 제60/967,756호에 대한 우선권을 주장한다.

발명의 분야:

본 발명은, 산소 및/또는 수소 발생 장치들에 관한 것이며, 구체적으로는, 필터재(filter material)를 사용하여 물, 호기(exhaled air) 및/또는 실내 습기(room humidity)로부터 호흡하기에 알맞은(breathable) 산소를 만들어내기 위한 산소 발생 장치들에 관한 것이나 그것에만 한정되지는 않는다. 이 필터재는, 제올라이트 결정을 포함하는 합성 필름(synthetic film)과 붕소 도핑 탄소 필름(Boron doped carbon film)에 결합된 적어도 하나의 다이루테늄/다이루테늄 착물(diRuthenium/diRuthenium complex)을 포함한다. 본 발명의 필터재는, 다이루테늄/다이루테늄 착물의 사용으로 인한 높은 분리 효율 뿐 아니라 제올라이트의 촉매 특성들을 다이루테늄/다이루테늄 착물의 높은 분리 효율에 결합시킴으로써 추가적인 분리 효율도 제공한다.

발명의 배경:

본 발명은, 일반적으로 산소-발생 장치, 그리고 특히, 물, 호기(날숨), 증기 및 주위의 습기로부터 산소를 유리시키기(liberating) 위한 필터재를 포함하여 구성되는 카트리지(cartridge)를 포함하는 새롭고 유용한 인공 호흡 장치(respirator)에 관한 것이다. 본 발명의 필터재는, 공기의 호흡로(respiration path)가 필터재 내부로 그리고 그 위로 통하고 그리고 필터재에 의해 발생된 산소가 환자의 흡입로(inhalation pathway)로 되돌아 흐르도록 장치에 배치된다. 화학제들(chemicals)과 필터들을 사용하는 산소 발생 장치들이 예전부터 있어 왔으나 여러 단점들로 인한 문제가 있다. 오늘 날 시장에서 구입할 수 있는 인공 호흡 장치들은, 작동하기 위해 흔히 가압 챔버들(pressurized chambers), 산소 공급기, 열 변환기들(heat transformers) 등을 포함하는 커다란 기계장치를 필요로 하므로, 진정한 휴대용은 아니다. 특히, 본 명세서의 참고문헌을 이루는 미국 특허 제2,944,627호에 기술되어 있는 "압력 스윙 흡착 사이클(Pressure Swing Adsorption Cycles: PSA)" 방법을 사용하는 장치들은 가압 챔버들을 필요로 한다. PSA 시스템에서, 산소는 공급 공기 스트림(feed air stream)으로부터 질소의 선택적 흡착에 의해 제조된다. PSA 는, 낮은 압력들에서 산소 가스들을 끌어당기고, 높은 압력들에서 흡착된 산소를 방출하도록 설계된, 적어도 하나, 종종 두개의 흡착 층들(adsorbent beds)을 가진다. 특정 가스들은 상이한 고체 표면들에 다른 것들보다 어느 정도 강하게 끌어당겨지고 그리고/또는 흡착되는 경향이 있기 때문에 혼합물에서 가스들을 분리하기 위해 PSA 공정들이 사용될 수 있다.

호흡을 위한 산소를 발생시키기 위해 사용될 수 있는 다른 산소 발생 공정은, PSA 공정의 원리들 중의 일부를 사용하며, 진공 스윙 흡착(Vacuum Swing Adsorption: VSA)이라 한다. "VSA" 공정에서는, 가스들이 압력을 사용하여 분리되나, 그것은 PSA 공정과 달리 더 낮은 절대 압력들(absolute pressures)에서 행해진다. 이러한 방법들이 효과가 있기는 하나, 이들은 복수의 가압 용기들(pressurized vessels)과 전자 밸브 시스템들(electronic valve systems)을 필요로 하여, 불가능한 것은 아니지만 휴대하기 어렵게 만든다. 즉, 이러한 시스템들은, 흔히 PLC에 의해 제어되고 주의깊게 계산된 타이밍 사이클들(timing cycles)에 의해 또는 자동적으로 행해지는 밸브 동작들(valve operations)을 필요로 한다. 따라서, 이러한 시스템들은, 상당히 크며, 그에 따라, 환자가 산소-발생 시스템을 직접 몸에 지니는 것을 막거나, 또는 환자의 호흡 패턴(breathing pattern)에 얽매이지 않는, 진정한 휴대용 시스템이 되는 것을 막는다.

지난 수년에 걸쳐, PSA 시스템과 VSA 시스템에 대한 개선들이, 본 명세서의 참고문헌을 이루는, 미국 특허 제3,313,091호에서와 같이 이루어졌다. 이전의 PSA 시스템과 VSA 시스템은, 산소 순도가 높은 제조물을 생산하기 위해 크로스오버 밸빙(crossover valving)과 제올라이트 흡착제(adsorbing material)를 사용했는데, 이 시스템들은 일관되지도(consistent) 간단하지도 않았다. 일관된 산소 생산률을 유지하기 위해, 미국 특허 제3,313,091호는, 용기(vessel) 또는 층(bed)으로부터 퍼징되어(purged) 흡착되는 소위 "폐 가스들(waste gases)"의 일부를 뽑아내기 위해 진공 펌프를 사용하였다. 그러나, 이전의 PSA 시스템과 VSA 시스템에 대한 이러한 진보들은, 여러 사이클들의 생성물로서의 산소 가스를 사용자 또는 환자에게 보내기 위해, 예를 들어, 가스 인입(gas entry)과 같은 상 제어(phase controlling) 추가, 진공 재-가압(vacuuming re-pressurization) 및 덤핑(dumping)을 포함하여 더욱 복잡한 전기기계적 설계 추가를 필요로 하였으며, 일반적으로 약 6 lpm 보다 적은, 낮은 흐름들(flows)에서만 높은 수율을 제공하였다.

산소 여과/발생에 있어서의 그 다음의 진보는, 1980년대에 이루어졌으며, 본 명세서의 참고문헌을 이루는, 미국 특허 제4,222,750호에 기술되어 있었다. 이 특허에서는, 흡착 여과재들(adsorbing filtration materials)의 용기들(vessels) 또는 층들(beds)이, 컴프레서(compressor)로부터 가스를 받아들인 다음 진공 펌프를 사용하여 층들로부터 재흡수하는, 두 단계(both periods)의 흡착을 주기적으로 수행한다. 이러한 개선은 이 시스템에 더 많은 장치를 추가하여, 그것을 휴대용 시스템으로 사용하지 못하게 만들 것임을 알 수 있다.

그러므로, 오늘날 시장에 필요한 것은, 휴대용 호흡 장치(portable breathing device)나 고정 공급 시스템(fixed supply system)의 어느 하나에 사용되기에 충분한 양의 산소를 발생시킬 수 있고, 가압 챔버들/밸브들 및 다른 큰 장치 없이 사용될 수 있으며, 필터들을 사용하는, 산소 발생 장치이다. 그것은, 가압(pressurizing) 및 감압(depressurizing) 챔버들, 및/또는 아주 복잡한 개폐 밸브 시스템들 없이도 환자의 호흡을 유지하기 위해 필요한 농도와 속도로 산소를 생산하기 위해 필터재가 사용되는 장치이다. 본 발명은, 종래 기술의 단점들을 극복하면서도, 환자의 호흡에 필요한 적절한 산소 레벨들을 유지할 수 있는 진정한 휴대용 산소 발생 시스템으로서 사용될 수 있거나 산업 현장(industrial situations)에서 사용될 수 있는, 산소 발생 장치를 제공한다. 본 발명은, 하기 섹션에 설명되어 있다.

발명의 요약:

본 발명의 목적은, 가압 챔버들을 필요로 하지 않는 진정한 휴대용 산소 발생 장치인 호흡 장치를 제공하는 것이다. 즉, 본 발명은, 하나의 카트리지(cartridge)를 수용하도록 구성된 구역(area)을 가지는 하나의 관형 솔리드 프레임(tubular and solid frame)을 포함하여 구성되는 하나의 소스(source)로부터 산소 및/또는 수소 가스를 생산하기 위한 장치를 제공한다. 카트리지는, 물을 호흡을 위한 2분자 산소와 수소 그리고 에너지 용도로 사용가능한 수소로 화학적으로 분해하도록 설계된 복수의 반복 유닛들(repeating units)을 포함하여 구성되는 필터재를 수용하도록 구성된다. 반복 유닛은, 두 가지 상이한 유형의 재료들을 가지는 두 개의 스크린들(screens)을 포함한다. 프레임에 넣어져 스크린을 만드는 전기-발생 촉매(electro-generating catalyst)인, 제1 스크린은, 다이루테늄/다이루테늄 분자들과 적어도 한 유형의 음전기 이온(들)을 가지는 다공성 붕소 도핑 탄소 필름을 포함하여 구성되며, 이 다이루테늄/다이루테늄 분자들과 음전기 이온들은 다공성 붕소 도핑 탄소 필름과 직접 접촉하게 위치된다. 다공성 붕소 도핑 탄소 필름은, 상기 다공성 붕소 도핑 탄소 필름에 매입된 나노탄소 세관형 메쉬 네트워크(nanocarbon tubular mesh network)와, 다이루테늄/다이루테늄 분자가 부착된 다공성 붕소 도핑 탄소 필름의 반대쪽 표면에 연결된 루테늄 이온 포집 사이드로포어 플레이트(Ruthenium ion capturing siderophore plate)를 더 포함하여 구성된다. 자유 루테늄 이온들(free Ruthenium ions)이 이 장치를 이용하여 호흡하는 사람에게 위험하기 때문에, 이온적으로 대전된(ionically charged) 사이드로포어 플레이트는, 사용하는 동안에 다공성 붕소 도핑 탄소 필름으로부터 제거될(dislodged) 수 있는 자유 루테늄 이온들을 포집하도록 설계되어 있다.

반복 유닛의 제2 스크린은, 한외 여과 제올라이트 함유 합성 필름(ultra filtration zeolite containing synthetic film)을 집어넣은 하나의 프레임을 포함하여 구성된다. 제2 스크린은, 제1 스크린의 바로 뒤에 위치되고, 하나의 반복 유닛(repeating unit)을 구성한다. 본 발명의 장치는, 장치가 한 명의 환자, 복수의 환자들, 항공기 공기 공급기들(airline air supplies), 실내 산소화 장치(room oxygenating devise), 연료 전지들(fuel cells), 또는 산소 및/또는 수소의 저장을 위해 사용되는지의 여부에 따라 약 3개 내지 약 100개의 반복 유닛들 또는 그보다 많은 반복 유닛들을 포함할 수 있다. 제2 스크린 합성 필름은, 합성 필름의 표면에 결정체 함유된 그리고/또는 매입된 복수의 나노탄소 세관들을 포함하여 구성되어, 나노탄소 세관 메쉬 네트워크(nanocarbon tubule mesh network)를 형성한다. 적어도 하나의 제올라이트 결정체(crystalline body)는, 나노탄소 세관들과 직접 접촉하며, 여기서, 합성 필름은, 각기 약 0.1 내지 약 3.0 nm의 직경을 가지는 복수의 기공들과 이 기공들의 적어도 일부에 포개어지는 나노탄소 세관들에 결정체 함유된 제올라이트 결정체들을 포함하여 구성된다. 합성 필름은, 사이드로포어를 포함하여 구성되는 다공성 붕소 도핑 탄소 필름의 표면에 인접하게 위치된다.

산소 및/또는 수소 가스를 제조하기 위한 장치는, 여러 개의 반복 유닛들, 하나의 소형 팬 모터(miniature fan motor), 하나의 마우스피스(mouthpiece) 및 하나의 플로우 부스터(flow booster)를 포함할 수 있다. 마우스피스는, 호기와 함께 팬 모터로부터의 공기 흐름이 제1 및 제2 필터들 위로 이동하여 2분자 산소를 제조할 수 있도록 장치에 연결된다. 플로우 부스터는, 서로의 내부에 그리고 하나의 인클로저(enclosure) 내에 위치된 제1 노즐과 제2 노즐을 가진다. 제1 노즐과 제2 노즐은, 양 단부들이 개방되어 있으며, 폭이 좁은 단부쪽으로 테이퍼지는(taper) 폭이 넓은 단부를 가지며, 여기서, 제1 노즐과 제2 노즐의 폭이 넓은 단부는 소형 팬 모터와 연통된다(in communication with). 플로우 부스터의 인클로저는, 플로우 부스터의 제1 노즐과 제2 노즐 바로 위에 위치된 복수의 구멍들(holes)을 가지도록 구성된다. 이 구멍들은, 공기가 제1 노즐을 빠져나와 제2 노즐로 들어감에 따라 야기되는 벤투리 효과(Venturi effect)로 인해 추가적인 공기를 플로우 부스터로 흐르게 한다.

본 발명의 산소 및/또는 수소 가스를 제조하기 위한 장치는, 하나의 플랩 밸브(flap valve)와 적어도 두개의 분기부들(junctions)을 가지는 두 갈래 액셀러레이터(bi-furcated accelerator)를 더 포함하여 구성된다. 플랩 밸브는, 제1 위치와 제2 위치의 사이를 회동하도록(pivot) 구성된다. 플랩 밸브가 제1 위치에 있을 때, 두 갈래 액셀러레이터의 제1 레그(leg)가 폐쇄되고 제2 레그가 개방된다. 플랩 밸브가 제2 위치에 있을 때, 두 갈래 액셀러레이터의 제2 레그가 폐쇄되고 제1 레그가 개방된다. 이것은 공기를, 환자의 개별적인 호흡 패턴에 의해 제어되는 마우스피스와 연통되는, 플랩 밸브에 의해 방향전환시키거나, 플로우 부스터로부터 스크린들로 또는 스크린들의 중공 프레임(hollow frame)으로 흐르게 한다. 그와 달리, 본 장치는 플랩 밸브가, 플로우 부스터로부터 직접 보내진 또는 마우스피스로부터만 보내진, 필터재를 위한 공기 흐름을 얻도록 하나의 위치에 고정될 수 있도록 구성된다. 이 플랩 밸브는, 플로우 부스터와 마우스피스 양쪽으로부터의 공기 흐름이 가능하도록 언제든지 열려질(unlocked) 수 있다.

본 발명은 또한 본 발명의 호흡 장치를 사용하여 환자에게 산소를 제공하기 위한 방법에 관한 것이다.

본 발명의 장치는, 아래의 도면들과 함께 발명의 상세한 설명 섹션에서 더 상세히 설명하기로 한다.

도 1은, 본 발명의 필터재의 다이루테늄/다이루테늄 분자들을 포함하여 구성되는 다공성 붕소 도핑 탄소 필름의 정면 사시도를 나타낸다.
도 2는, 본 발명의 필터재의 사이드로포어 플레이트와 다이루테늄/다이루테늄 분자들을 포함하여 구성되는 다공성 붕소 도핑 탄소 필름의 배면 사시도를 보여준다.
도 3은, 본 발명의 필터재의 제올라이트 결정체들을 포함하여 구성되는 합성 필름 표면의 사시도를 나타낸다.
도 4는, 하나의 프레임에 셋팅된 제올라이트 결정체들을 포함하여 구성되는 합성 필름의 정면 사시도를 보여준다.
도 5는, 본 발명의 필터재의 프레임에 연결된 두 갈래 공기 흐름 액셀러레이터(bifurcated airflow accelerator)를 구비한 스크린의 정면 사시도를 나타낸다.
도 6은, 본 발명의 유체 증폭 관(fluidic amplifying tube)과 공압 밸브(pneumatic valve)/두 갈래 공기 흐름 액셀러레이터 연결부(airflow accelerator connection)의 단면도를 보여준다.
도 7A는, 공압 밸브가 중립 위치에 있는, 본 발명의 장치의 공압 밸브 섹션의 단면을 나타낸다.
도 7B는, 공압 밸브가 본 발명의 두 갈래 공기 흐름 액셀러레이터의 제1 분기부를 폐쇄시키는 위치에 있는, 본 발명의 장치의 공압 밸브 섹션의 단면을 보여준다.
도 7C는, 공압 밸브가 본 발명의 두 갈래 공기 흐름 액셀러레이터의 제2 분기부를 폐쇄시키는 위치에 있는, 본 발명의 장치의 공압 밸브 섹션의 단면을 나타낸다.
도 8은, 본 발명의 장치에 삽입된 카트리지/카트리지 홀더(cartridge holder)의 사시도를 보여준다.
도 9는, 위의 카트리지의 단면을 나타낸다.
도 10은, 본 발명의 플로우 부스터 관(flow booster tube)에 결정체 함유된 플로우 부스터의 단면을 보여준다.
도 11은, 본 발명의 플로우 부스터의 분해 사시도를 나타낸다.
도 12는, 본 발명의 환자 호흡 장치의 정면 사시도를 보여준다.
도 13은, 본 발명의 환자 호흡 장치의 측면 사시도를 나타낸다.

발명의 상세한 설명:

본 발명은, 수많은 산소 여과 반복 유닛들(repeating oxygen filtering units)을 포함하여 구성되는 고도 산소 발생 장치(high oxygen generating apparatus)에 관한 것이다. 각 반복 유닛은, 하나의 프레임과 하나의 필터재를 가지는 두 개의 상이한 스크린들을 포함하여 구성된다. 제1 스크린과 제2 스크린으로 된 필터재는, 두 개의 상이한 스크린들로 구성되어 물로부터 2분자 산소와 수소를 화학적으로 만들도록 서로 상보적으로(complimentarily) 작용하도록 설계되어 있다. 하나의 스크린은 촉매 스크린이고, 다른 하나는 한외-여과 스크린(ultra-filtration screen)이며, 이들은 교대로 반복되는 배열로 배치된다. 특히, 스크린들의 교호 배열(alternating arrangement)은, 필터재에 대한 과량의 물의 축적(필터들의 기능성을 감소시키는 것으로 알려져 있음) 및 산소 발생 필터들의 분해(decomposition)를 일으킬 수 있는 산소 발생 동안의 라디칼 중간물들(radical intermediates)의 축적 두가지를 방지할 수 있도록 특별히 설계되어 있다.

산업적 용도들 및/또는 산소의 제조를 필요로 하는 여하한 다른 용도를 위해 산소를 제조하기 위한 장치인, 본 발명의 장치는, 수면 위 또는 수면 아래에서 사용되는 휴대용 호흡 장치 또는 여러 환자들을 위해 산소를 제조할 수 있는 그다지 휴대용이 못 되는 (또는 심지어 고정된) 장치의 어느 하나로서 사용될 수 있도록 설계되어 있다. 즉, 본 발명은, 하나의 카트리지를 수용하도록 구성된 구역을 가지는 하나의 관형 솔리드 프레임을 포함하여 구성되는 소스로부터 산소 및/또는 수소 가스를 제조하기 위한 장치를 제공한다. 이 장치에 사용되는 카트리지는, 필터재를 스크린들의 형태로 포함하는 복수의 반복 유닛들을 수용하도록 구성된다. 제올라이트 함유 스크린들과 교대로 설치되는, 복수의 반복 유닛들의 전기-발생 촉매재(electro-generating catalyst material)는, 물을 호흡을 위한 2분자 산소와 수소로 화학적으로 분해하도록 설계되어 있다. 여과를 위해 사용되는 제올라이트 스크린들과 다이루테늄 함유 스크린들의 반복 유닛들은 본 발명의 장치의 구조 설명 바로 다음에 더 설명하기로 한다.

본 발명의 하나의 실시예에서, 장치는, 환자가 내쉰 공기(exhaled air)를 하나의 관형 프레임에 집중시키는(funnel) 하나의 마우스피스를 가지도록 구성되며, 내쉰 공기(호기)가 이 관형 프레임에서 본 발명의 촉매 박막(catalyst thin film)과 필터재의 위로 공기의 흐름을 제공하는 방식으로 분배된다. 호기로부터의 수증기 그리고/또는 주위의 대기에서 얻은 공기로부터의 수증기가 필터재를 가로질러/통해 흐름에 따라 산소와 수소로 화학적으로 분해된다. 산소 흐름은 그 다음에 호흡을 위해 환자쪽으로 되돌아가 순환된다.

본 발명의 장치는, 마우스피스에 더하여, 또는 마우스피스의 대신에 하나의 플로우 부스터를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이 플로우 부스터는, 소형 팬 모터와 같은 기계적으로 작동하는 공기 소스(mechanically operating air source)로부터 뿐 아니라 주위의 대기로부터 공기를 끌어모으도록 설계되어 있다. 플로우 부스터는, 서로의 내부에 그리고 하나의 인클로저 내에 위치된 제1 노즐과 제2 노즐을 포함하여 구성된다. 제1 노즐과 제2 노즐은, 양 단부들이 개방되어 있으며, 폭이 좁은 단부쪽으로 테이퍼지는 폭이 넓은 단부를 가진다. 제1 노즐과 제2 노즐의 폭이 넓은 단부들은, 팬과 같은, 공기 발생 장치와 연통되게 위치된다. 플로우 부스터의 인클로저는, 공기가 제1 노즐을 나와 제2 노즐로 들어감에 따라 야기되는 벤투리 효과(Venturi effect)로 인해 플로우 부스터로 추가적인 공기를 끌어모을 수 있는, 제1 노즐과 제2 노즐 위에 위치된 복수의 구멍들을 가진다.

마우스피스와 플로우 부스터 두가지를 포함하여 구성되는 실시예에서, 두 개의 공기 흐름 장치들(airflow devices)이, 하나의 플랩 밸브와 적어도 두개의 분기부들(junctions)을 가지는 두 갈래 액셀러레이터에 의해 프레임에 부착된다. 제1 분기부는 입 부위 근처와 유체 연통되도록(in fluid communication proximal with mouth region) 구성되고, 제2 분기부는 본 발명의 플로우 부스터와 연통되도록 구성된다. 본 발명의 플랩 밸브는, 제1 위치와 제2 위치를 가지도록 설계되어 있다. 플랩 밸브가 제1 위치에 있을 때 두 갈래 액셀러레이터의 제1 레그가 폐쇄되고 제2 레그가 개방된다. 플랩 밸브가 제2 위치에 있을 때 두 갈래 액셀러레이터의 제2 레그가 폐쇄되고 제1 레그가 개방된다. 제1 위치로부터 제2 위치로의 플랩 밸브의 구동(activation)은, 본 발명의 장치를 사용하는 환자의 호흡 패턴에 의해 수행된다. 플랩 밸브는, 공기에 의해 동작되는 공압 밸브일 수 있으며, 여기서, 두 갈래 액셀러레이터의 중공 관(hollow tube)은, 공압 플랩 밸브를 동작시키기에 충분한 공기 흐름을 제공하도록 마우스피스 (또는 플로우 부스터)로부터 공기를 증폭시키도록 구성된 유체 증폭기(fluidic amplifier)이다.

마우스피스를 가지지 않는 대신 플로우 부스터만을 가지는 실시예들에서, 플랩 밸브가 하나의 위치에 영구히 폐쇄된 채로 있을 수 있거나, 그 대신에 액셀러레이터가 하나의 단일 관이고 플랩 밸브가 필요하지 않을 수 있다. 동일한 구성이 마찬가지로 단 하나의 마우스피스만이 존재하고 플로우 부스터가 존재하지 않는 실시예에도 적합할 것이다. 이러한 실시예들 또한 본 발명의 진보성 있는 구성의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.

본 발명의 장치는, 각 스크린의 프레임의 중공부(hollow portion) 및 전체 장치와 연통되는 복수의 블로우-바이 액셀러레이터 노즐들(blow-by accelerator nozzles)을 더 포함하여 구성된다. 블로우-바이 액셀러레이터 노즐들은, 본 발명의 필터재 위로 [날숨 단계(exhalation phase) 동안에 그리고 플로우 부스터로부터) 공기를 제공하는 수단이 된다. 블로우-바이 액셀러레이터 노즐들에 더하여, 이 장치는, 프레임과 연통되고 복수의 블로우-바이 액셀러레이터 노즐들의 맞은 편에 위치된, 복수의 스캐빈저 노즐들(scavenger nozzles)을 또한 포함한다. [서로 평행하고 공기를 필터재의 표면을 가로질러 흐르게 하는] 복수의 액셀러레이터 노즐들과 [필터 위의 공기 흐름으로부터 반응되지 않은 공기 흐름, 부산물들 및 잉여 전하 축적물(excess charge buildup)을 제거하는] 복수의 스캐빈저 노즐들의 조합(combination)은, 필터재의 연속적인 작동을 위한 공기의 흐름을 제공하고, 반응되지 않은 공기 흐름, 부산물들, 산소 및 수소를 프레임에 포집하여, 사용하고 그리고/또는 본 발명의 장치로부터 배출시킨다.

필터재를 가로지르는 공기의 흐름을 촉진하기 위해, 블로우-바이 액셀러레이터 노즐들은, 프레임에 부착된 하나의 폭이 넓은 단부 그리고 적어도 부분적으로 필터재의 위에 위치된 하나의 폭이 좁은 단부를 가지도록 설계되어, 블로우-바이 액셀러레이터 노즐들로부터의 공기가 필터재 위로 흐를 수 있다. 본 발명의 스캐빈저 노즐들은, 정반대의 설계를 가질 수 있다. 즉, 스캐빈저 포트들(scavenger ports)이, 프레임에 부착된 하나의 폭이 좁은 단부 그리고 적어도 부분적으로 필터재 위에 위치된 하나의 폭이 넓은 단부를 가져서, 블로우-바이 액셀러레이터 포트들로부터의 반응되지 않은 공기 흐름과 부산물들이, 스캐빈저 포트들에 의해 포집되어 프레임으로 보내져서(channeled), 사용되고 그리고/또는 본 발명의 장치로부터 배출된다.

본 발명의 하나의 대안적인 실시예에서, 본 발명의 장치는 오직 주위의 대기로부터만 공기 흐름을 공급하도록 구성될 수 있고, 그리고 일단 산소 및/또는 수소가 만들어지면, 가스들이 복수의 환자들의 산소 수요를 지원하기 위해 사용될 수 있도록, 가스(들)가 하나의 저장 용기(storage vessel)에 저장될 수 있다. 공기의 추가적인 흐름이 충분히 활용되고 더 많은 2분자 산소가 만들어질 수 있도록 여러 개의 카트리지들이 연속하여 사용될 수 있다. 더욱이, 상술한 바와 같이 필터들이 환자로부터의 호기(날숨) 대신에 대기 공기와 하나의 대안적인 소스로부터 2분자 산소를 발생시키도록 본 발명의 장치가 설계될 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예는, 플로우 부스터를 통해 환자와 주위의 대기 양쪽으로부터 공기 흐름을 모으는 장치이다. 이러한 모든 구성들은, 본 발명의 범위내에 있는 것으로 생각되며, 본 발명의 촉매 스크린과 여과 스크린을 사용하도록 설계되어 있다.

따라서, 위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 카트리지는, 프레임의 적어도 일부와 유체 연통되고 그리고 반복 유닛의 각 필터재 포함 스크린과 아주 인접한, 스캐빈저 포트들과 블로우-바이 액셀러레이터 포트들이 구비된 복수의 반복 유닛들 (필터재들)을 수용하도록 구성된다. 일단 카트리지가 본 발명의 장치의 지정된 슬롯(slot)에 삽입되면, 마우스피스, 플로우 부스터, 및 가속 관(acceleration tube)이 카트리지의 각 스크린들의 촉매 및 필터재와 유체 연통되게 위치된다. 이것은, 물이 호흡 또는 산업 용도를 위해 2분자 산소와 수소로 화학적으로 분해될 수 있도록, 본 발명의 장치에 충분한 공기 흐름을 제공한다. 반복 유닛들은 아래에 더 설명하기로 한다.

교호 필터재(alternating filter material)의 제1 스크린은, 탄소 필름에 직접 부착된 적어도 하나의 유형의 음전기 이온(electronegative ion)과 다이루테늄/다이루테늄 분자들을 포함하여 구성되는 다공성 붕소 도핑 탄소 필름이다. 제1 스크린 뒤에 배치되는 제2 스크린은, 합성 필름으로 만들어지는데, 이 합성 필름은, 합성 필름에 부착되고 동심으로(concentrically) 배치된 나노탄소 세관들과 직접 접촉하는 적어도 하나의 제올라이트 결정체를 포함하여 구성된다. 합성 필름은, 약 0.1 nm 내지 약 3.0 nm의 직경을 가지는 복수의 기공들을 포함하여 구성된다. 제올라이트 결정체들은, 나노탄소 세관들에 부착되며, 기공들의 적어도 일부에 포개어진다. 그것은, 하나의 단일 반복성 유닛(single repeatable unit)을 구성하고, 정해진 소스로부터 풍부한 산소를 발생시키도록 연속하여 배치될 수 있는 구조이다.

합성 필름은, 약 0.1 내지 약 3.0 nm의 직경을 가지는 복수의 기공들을 포함하여 구성된다. 제올라이트 결정체들은, 나노탄소 세관들에 부착되며, 기공들 중의 적어도 일부와 포개어진다. 그것은, 하나의 단일 반복성 유닛을 구성하고, 호기 또는 다른 소스의 수증기로부터 높은 산소 생산량을 발생시키기 위해 연속하여 배치될 수 있는 구조이다.

제1 스크린에 사용되는 독특한 다이루테늄/다이루테늄 분자는, 여러 루테늄 원자들을 포함한다. 화학적으로 "루테늄"은, 우랄 산맥에서 그리고 북아메리카와 남아메리카에서 다른 백금 족(platinum group) 금속들을 포함하는 광석에서 일반적으로 발견된다. 소량의 그러나 상업적으로 중요한 양들이 온타리오(Ontario), 서드베리(Sudbury)로부터 추출된 펜틀란다이트(pentlandite)에서 그리고 남아프리카의 휘석암 광상(pyroxenite deposits)에서 또한 발견된다. 상업적으로 루테늄은, 수소가 암모늄 루테늄 클로라이드(ammonium ruthenium chloride)를 환원시켜서 분말을 만들기 위해 사용되는, 착물 화학 공정(complex chemical process)을 통해 분리된다. 이 분말은 그 다음에 분말 야금술(powder metallurgy techniques)에 의해 굳혀진다(consolidated). 역사적으로, 루테늄은, 미정제 백금을 용해시킨 후에 남겨진 잔류물들로부터 얻는다(realized). 루테늄은, 전이 금속이며, 대부분의 전이 금속들이 흔히 그렇듯 우수한 루이스 산(Lewis acids)이다. 즉, 그들은 루이스 염기(Lewis bases)의 역할을 하는 많은 분자들 또는 이온들로부터 전자들을 쉽게 받아들인다. 하나의 루이스 염기가 하나의 루이스 산에 그것의 전자쌍을 줄 때, 이를 "루이스 산에 배위결합하여 배위 공유 결합(coordinate covalent bond)을 형성한다"라고 한다. 루이스 염기들이 루이스 산들의 역할을 하는 금속들에 배위결합하여 하나의 통합 구조 유닛(integral structural unit)을 형성할 때, 하나의 배위 화합물(coordination compound)이 만들어진다. 이러한 종류의 화합물, 또는 착물에서, 루이스 염기들은, 리간드들(ligands)로 불리우며, 그러한 리간드들은 양이온성, 음이온성 또는 중성(charge neutral)일 수 있다.

본 발명의 루테늄 착물의 다른 부분은 폴리옥소메탈레이트들(Polyoxometalates) 또는 "POM"이다. 하나의 부류(class)로서, POM들은 촉매로서 사용하기에 매우 기능적이며, 산화 반응들에서 반응물들로서 과산화수소 및/또는 분자 산소(molecular oxygen)를 활성화시킬 수 있다. 그러나, 촉매로서 루테늄 포함 분자들의 사용으로 인한 주요한 문제들 중의 하나는, 촉매로부터 제거될 수 있는/분해될 수 있는 이온들과 접촉하는 것들에 대한 루테늄 중독(poisoning)의 위험과 루테늄 촉매의 열화(degeneration)이다. 본 발명의 필터재의 설계는, 얼마간은 독특하게 설계된 사이드로포어를 사용함으로써, 그리고 얼마간은 사이드로포어 그리고 이 사이드로포어와 접촉하는 나노탄소 세관들을 전기적으로 대전시킴으로써(electrically charging) 이러한 문제들을 극복한다.

본 발명의 필터재의 제1 스크린은, 하나의 붕소 도핑 합성 탄소 박막, 그리고 루테늄 착물 보다는 합성 탄소 필름의 맞은 편에 결합된 하나의 대전 플레이트(charged plate)를 포함하여 구성된다. 붕소 도핑 합성 탄소 박막과 대전 플레이트는 둘다 사이드로포어들로서 상조적으로(synergistically) 기능한다. 사이드로포어는, 자유 대전 이온들(free charged ions)을 끌어당겨서 결합시키는 화합물이다. 달리 말하면, 사이드로포어는, 이온들이 필터재들을 통해 그리고 필터로부터 그리고 한 사람의 공기 흐름으로 이어지기 전에, 자유 대전 이온들을 포집하는 착물이다. 본 발명의 사이드로포어들은, 자유 루테늄 이온들을 포함하여 양으로 대전된(positive charged) 이온들에 특이적이도록 음으로 대전된다. 따라서, 본 발명의 다이루테늄/다이루테늄 착물로부터 제거될 수 있는 루테늄 양 이온들을 포집하는 것은, 산소를 발생시키기 위한 촉매로서 루테늄을 사용하는 단점들을 극복하고, 그에 따라 루테늄 중독의 예방 수단을 제공한다.

본 발명의 하나의 실시예는, 다이루테늄/다이루테늄 분자들과, 탄소 필름에 직접적으로 또는, 선택적으로, 하나의 중간 화합물 및/또는 구조물(structure)을 통해 부착된 적어도 한 유형의 음전기 이온을 가지는 하나의 다공성 붕소 도핑 탄소 필름을 포함하여 구성되는, 수원(water source)으로부터 산소 및/또는 수소 가스를 나누기(slitting) 위한 필터재를 제공한다. 본 발명의 다이루테늄/다이루테늄 분자들은, 다공성 붕소 도핑 탄소 필름과 직접 접촉하든, 하나의 중간 화합물 및/또는 구조물을 통해 부착되든, 이온 결합된다.

본 발명의 하나의 실시예에서, 본 발명의 다이루테늄/다이루테늄 분자들 각각의 하나의 다이루테늄 분자는, 다음의 식 (I): [Ru₂(CO)₄(u-n² ^-O₂CR)₂L₂]_x 을 가지며, 여기서, u 는, [Ru₂(EDTA)₂]^2-, (CO)₄, F^-, CO₃ ^-2, NO⁺(양이온), 수소-결합 방향족/카복실산-(이중 결합된 산소 또는 그 안의 사이트들에서, 중합으로서 복수의 결합들이나 단일 결합을 위한 것임), 에틸렌다이아민, 음이온성 리간드들로서의 할라이드들(halides), 카복실산(carboxylic acid), 불포화 탄화수소들, 선형이거나 구부러진(bent) 하나의 금속 중심에 배위된 질산, 부타다이엔, 카복실레이트 리간드들, 음이온성 (RO- 및 RCO₂ ^-2 (여기서, R 은, H 또는 알킬 기임) 또는 중성 리간드들 (R₂, R₂S, CO, CN^-), CH₃CN (아세토나이트릴), NH₃ (암모니아 아민) F^-, Cl^-, "스콜피오네이트 리간드(Scorpionate Ligand)"로서의 트리스(피라졸릴)보레이트들(tris(pyrazolyl)borates) [3개의 피라졸들(pyrazoles)에 결합된 하나의 붕소이며; 이 화합물의 "집게들(pincers)"은 하나의 금속을 결합시킬 수 있는 2개의 피라졸 기들 (C₃H₄N₂)의 질소 헤테로 원자들(nitrogen hetero atoms)을 가리킴] 및 그 혼합물들로 구성되는 그러한 군으로부터 선택되는, 브리징 리간드(bridging ligand)이고, 바람직하게는, [Ru₂(EDTA)₂]^2- 이며;

n 은, 적어도 2 이고, 분자의 덴티시티(denticity) [즉, 동일한 중심 원자에 부착된 특정 리간드의 도너 기들(donor groups)의 수]에 좌우되며;

L 은, [Ru₂(Ph₂PCH₂CH₂PPh₂)(EDTA)]²⁺, C₆H₆, R₂C=CR₂ (여기서, R 은, H 또는 알킬임), 1,1-비스다이페닐포스피노 메탄, 다이에틸렌트라이아민 [다이엔] 결합들(bonds), 바람직하게는, 트라이덴테이트(tridentate), 트라이아자사이클로노난(triazacyclononane) [다이엔] 결합들, 바람직하게는, 트라이덴테이트, 트라이페닐포스핀(triphenylphosphine) 및 그 혼합물들로 구성되는 그러한 군으로부터 선택되는 리간드이고;

CR 은, 카복실산, 카복실레이트 리간드들, 음이온성 [RO^- 및 RCO₂ ^- (여기서, R 은 알킬 기임)] 또는 중성 리간드들 [R₂, R₂S, CO^-, CN^- (여기서, R 은 알킬 기임)] 및 그 혼합물들이며; 그리고 x 는, 약 1 내지 약 30, 바람직하게는, 1 내지 약 20, 그리고 더욱 바람직하게는, 1 내지 약 10 이다.

본 발명의 다이루테늄/다이루테늄 분자들의 다른 분자는, 유효한 촉매에서 Ru₂Zn₂(H₂O)₂(ZnW₉O₃₄)₂ ^-14 로 변환되는 다음의 식 (II): [WZnRu^III ₂(OH)(H₂O)(ZnW₉O₃₄)₂] 을 가지는 다이루테늄-치환 폴리옥소메탈레이트(diRuthenium-substituted polyoxometalate)이다. 다이루테늄 분자에서 각 루테늄 간의 거리는, 약 2.0 옹스트롬(angstroms) 내지 약 3.0 옹스트롬, 바람직하게는, 약 2.25 옹스트롬 내지 약 3.0, 그리고 더욱 바람직하게는, 약 2.50 옹스트롬 내지 약 2.80 옹스트롬이다.

본 발명의 하나의 구체예에서, 그 전체가 본 명세서의 참고문헌을 이루는, Shannon 등의 미국 특허 제7,208,244호에 기술되어 있는, 다이-루테늄-치환 폴리옥소메탈레이트들이, 본 발명의 필터재의 이점들을 제공하기 위해 상술한 바와 같은 붕소 도핑 탄소 박막과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 필터재는, 다이루테늄/다이루테늄 분자가 결합되는 탄소 필름의 반대쪽 표면에 연결된 하나의 루테늄 이온 포집 사이드로포어 플레이트(Ruthenium ion capturing siderophore plate)를 더 포함하여 구성된다. 사이드로포어 플레이트는, 다공성 붕소 도핑 탄소 필름으로부터 제거되는 자유 루테늄 이온들을 포집하도록 이온적으로 대전된다. 사이드로포어 플레이트는, 음으로 또는 양으로 대전된 이온들, 및 레진 클레이(resin clay)로 구성되는 그러한 군으로부터 선택될 수 있으며, 여기서, 클레이가 복수의 기공들을 가지는 하나의 중공 관형 플레이트(hollow tubular plate)로 성형된다(molded). 특히, 사이드로포어 플레이트들은, 폴리설피네이트 함침 레진 플레이트들(polysulfinate impregnated resin plates), 에틸렌다이아민테트라아세트산 (EDTA) 포함 플레이트들 및 그 혼합물들일 수 있다.

본 발명의 하나의 실시예에서, 사이드로포어 플레이트는, 탄소 도핑 필름의 나노세관들(nanotubules)의 한 단부에 부착되고, 사이드로포어 플레이트의 적어도 일부는 박막에 직접 부착되고 그리고/또는 박막에 매입된다. 이러한 디자인은, 사이드로포어 플레이트로 하여금 자유 루테늄 이온들을 포집하여 이들과 이온 결합할 수 있게 한다. 위에서 설명한 바와 같이, 이것은, 필터재가 호흡을 위한 산소를 제조하기 위해 사용될 때 필수적이다. 필터재에 의해 제조된 산소가 호흡을 위해 사용되지 않는 대신에 산업 공정을 위해 사용되는 실시예에서는, 사이드로포어 플레이트가 덜 중요하다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 다공성 붕소 도핑 탄소 필름은, 하나의 나노탄소 세관형 메쉬 네트워크를 더 포함하여 구성될 수 있다. 나노탄소 세관형 메쉬 네트워크의 나노세관들은, 약 20 나노미터 내지 약 450 나노미터, 바람직하게는 20 나노미터 내지 약 250 나노미터 그리고 더욱 바람직하게는, 약 20 나노미터 내지 약 100 나노미터의 직경을 가진다. 2분자 산소 및/또는 수소를 만들기 위해 수소-산소 결합들이 더 쉽게 분해되도록 물의 산소-수소 결합들을 불안정화시키기 위해 사용되는 비교적 낮은 저항 흐름으로(in a relatively low resistance flow) 각 세관이 흐름(currents)을 운반할(carry) 수 있도록 나노탄소 세관형 메쉬 네트워크가 설계되어 있다. 따라서, 이러한 결합들을 분열시키기 위해 필요한 에너지와 시간이 더 적으며, 그에 따라 2분자 산소가 더 빨리 그리고 더 쉽게 제조된다. 나노세관형 네트워크는 지지 POM 매트릭스(supporting POM matrix)의 약 0.2 내지 약 5.0 미크론(microns) 만큼 위로 뻗어 있다.

다이루테늄의 탄소 박막에 대한 결합은 탄소의 기판(substrate)에 대한 결합으로 시작한다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 하나의 규소 기판(silicon substrate) 또는 그 동등물이, 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CDV)의 탄소 원자들로 하여금 기판 표면에 핵을 이루게 하여 사면체 배위결합 Sp³ 궤도 네트워크(tetrahedral coordinated Sp³ orbital network)를 만들도록(initiating) 하는데 사용된다. CDV는, 프리커서(precursor) 가스들로서 수소와 메탄을 사용하고, "가열 방법(heated methodology)"을 사용한다. 가열 방법은, 예를 들어, 대부분 "메틸 라디칼"인 반응성 종(reactive species)을 확산시켜 기판 표면과 상호작용하게 하고, 탄소 원자들이 표면에 흡수되게 하고 성장 합체(growth coalescence)가 일어나게 하기 위해, 필라멘트(filament)를 사용할 수 있다. 일단 완료되면, 박막 표면(thin-filmed surface)은 주로 단일 C-H 결합들을 가지는 3차 탄소 원자들이다.

탄소 박막의 도핑(doping)은, 붕소, 불소 및/또는 질소를 사용하여 완료될 수 있다. 도핑 레벨(doping level)의 농도들이 증가됨으로써, 다이아몬드 (탄소)의 절연체 특성(insulator behavior)은 반도체 특성 그리고 한층 나아가 완전 금속성 특성(full metallic behavior)으로 바뀐다. 이러한 전기 화학적 효과를 달성하기 위해, 붕소 도핑 레벨은, 다이아몬드 (탄소) 레벨의 낮은 저항 전위 강하(low ohmic drop)를 가져오기에 충분하되, 결정 구조를 변형시키거나 교란할 만큼 낮지 않아야 하며, 그에 따라 도핑 합성(doping synthesis) 동안에 흑연 상(graphite phase)이 유도된다. 이것을 달성할 수 있는 하나의 방법은, 컴파운딩된 증기(compounded vapor)로서의 불소로 도핑하는 것이며, 여기서 탄소 박막과 접촉할 때, 불소가 이온으로서 하나의 결합을 형성하는 수소와 붕소 양쪽과 상호작용한다. 이것을 달성하기 위한 가능한 다른 방법은, 붕소와 불소 두가지의 혼합물로 탄소를 도핑하는 것이다. 불소는 음이온 도핑(negative doping)의 경우이기 때문에, 즉, F 음이온은, 여분의 전자와 약간 더 낮은 에너지 레벨 (즉, 약 0.35 eV의 붕소와 대조적으로 약 0.28 - 0.32 eV)을 가진다. 일반적으로, 탄소-불화물 결합(carbon-fluoride bond)은, 여러 일반적인 플루오르화탄소 폴리머들(fluorocarbon polymers), 예컨대, 폴리(테트라플루오르에탄)과 테플론(Teflon)에서 알 수 있듯이, 매우 안정적이며, 공유 결합이다. 그와 달리, 본 발명은, 기판에 대한 흑연의 증착물을 사용하여 고 품질 흑연의 미세기계 절단(micromechanical cleavage)에 의해 탄소 증착(carbon deposition)을 생성할 수 있다.

기판에 붕소 및 불소 이온에 의한 탄소 도핑을 만들기 위한 또 다른 대안은, [약 1.9 리터 내지 약 2.5 리터의 메탄 당 약 0.22 리터(litters) 내지 약 0.34 리터 보다 적은] 낮은 부피-몰의 하이드로플루오라인(low volume-molar Hydroflourine)과 산화붕소(Boron Oxide)를 증발시키는 것이다. 위에서 설명한 바와 같이, 퍼플루오로알킬-알콕시 실란들 및/또는 트라이플루오로프로필-트라이메톡시실란 (TFPTMOS)와 같은, 불소 함유 화합물들은, 탄소 붕소 도핑 박막과 상호작용하도록 사용되어, 불소 함유 화합물이 분자 당 적어도 하나의 탄소-금속 결합을 가지게 할 수 있다.

제조된 박막은 반도체의 기능을 한다. 그것의 반도체 효과에 더하여, 붕소 도핑 합성 다이아몬드 (탄소) 박막으로 구성된 다이루테늄/다이루테늄 스크린은, 루테늄 착물들의 정렬을 톱질 모탕 배향(sawhorse orientation)으로 유지하기 위한, 그리고 20 리터/분 보다 큰 흐름들 그리고/또는 4 리터/25 초 보다 큰 물 흐름들이 본 발명의 필터재를 가로질러 통과할 때, POM이 과도하게 분리되고 뒤틀리는 것을 방지하기 위한, 고정수단(anchor)으로서 사용된다. 그러므로, 붕소 도핑 탄소 박막은, 반도체 특성들을 제공할 뿐 아니라 다이루테늄 분자들이 높은 흐름들 하에 일그러지는 것을 방지하는 기능도 한다. 또한, 붕소 도핑 탄소 박막은 불소와 함께, 양쪽의 내부권 리간드들(inner sphere ligands) 뿐 아니라 톱질 모탕 배향 루테늄 착물에 결합된 음전기 모이어티(electronegative moiety)를 증폭시키면서(amplify) 외부권 결합(outer sphere bonding)으로서 다이루테늄-POM으로 똑같이 확장시키는 유도 효과 (I-)를 가져온다.

"톱질 모탕 분자(Sawhorse molecule)"는, 공유적으로 또는 이온적으로 그리고/또는 배위 착물화(coordination complexing)에 의해 POM 분자와 결합할 수 있다/착물을 만들 수 있다. 특히, 톱질 모탕 분자와 POM 분자의 사이의 결합 기술(bonding technique)은, 착물이 POM과의 착물 형성을 위해 톱질 모탕에 부착되는 F^- 의 유도 효과를 사용하기 때문에 이온결합-유사하게 결합된다(ionically-like bonded). 화학에 있어서의 유도 효과는, 정전기 유도(electrostatic induction)에 의해 한 분자내에 있는 원자들의 하나의 사슬을 통해 전하를 전달하는 하나의 실험적으로 관찰가능한 효과이다(IUPAC 정의). 하나의 치환기(substituent)에 의해 발휘되는 네트 극성 효과(net polar effect)는, 이 유도 효과와 공명 효과(mesomeric effect)의 결합(combination)이다. 두 개의 다른 원자들 사이의 s-결합에 있는 전자 구름은, 균일하지 않으며, 2 원자들 중 더 음전기성인 원자를 향해 약간 옮겨진다(displaced). 이것은, 더 음전기성인 원자(우리의 경우에는 F^-)는 약간 음성인 전하(d-)를 가지며, 다른 원자는 약간 양성인 전하(d+)를 가지는, 본드 극갈림(bond polarization)의 영구적인 상태를 가져온다. 만약 음전기성 원자 (F^-)가 그 다음에 원자들, 일반적으로 탄소 [톱질 모탕의 리간드 포인트들(ligand points)의 카복실산의 O₂RC 유도체들]의 하나의 사슬에 결합되면, 양 전하는 사슬내의 다른 원자들에 릴레이된다(relayed)[톱질 모탕을 가로질러 POM에 -I 효과로도 알려져 있는, 전자-끌기 유도 효과(electron-withdrawing inductive effect)를 가져온다].

만약 "POM 화학종(species)에 대해 순수하게 이온 결합된 톱질 모탕"이 본 발명에 사용되면, 루테늄 톱질 모탕 코어(Ruthenium Sawhorse core) 사이에 추가적으로 공지된 브리징 리간드들이 음이온 [Ru₂(EDTA)₂]^2- [Ru₂(EDTA)₂]^2-으로서 제공되고, 브리징 리간드는, ([Ru₂(Ph₂PCH₂CH₂PPh₂)(EDTA)]²⁺ 와 같은) 양이온으로서 사용되며, 이것은 그 다음에 트라이에틸렌 다이아민, H₂NCH₂CH₂CH₂NH₂ 과 하나의 아마이드를 형성함으로써 결합될 수 있다. 이것은 2 분자 코어와 루테늄 치환 폴리옥소메탈레이트 (RPOM), WZnRu₂ ^III(OH)(H₂O(ZnW₉O₃₄)₂]¹¹를 결합시키기 위한 특수 리간드(specific ligand)로서 사용된다. 이것은, a) 톱질 모탕 분자를 제거하지(decimate) 않도록 하기 위해, 그리고 B) 최종 생성물로서 높은 순도의 (>97%) 산소를 발생시키기 위한 전기-발생 능력에 기여하도록 하기 위해 행해진다. 이것은, 금속 카바이드 중간물(metal carbide intermediary)이 사용될 경우가 아닌, 큰 반발 변형(repulsive strain) 하에서도, 추가적인 루테늄 원자들을 아주 근접하게 하여(by the close proximity of additional ruthenium atoms) 달성될 수 있다.

다이아몬드 또는 흑연 구조의 탄소가 sp³ 혼성화되는(hybridized) 반면, 붕소 (비 탄소, 즉, 비-다이아몬드)는 sp² 화학종이다. 박막이 고정 기판(anchoring substrate)과 산소-발생 전극의 두가지 역할을 하도록, 위에서 설명한 탄소와 붕소의 특정 혼성화 상태들이 박막에 대한 전기 전도성(electrical conductance) 제공에 있어 중요하다. 상술한 목적에 유효하도록, 박막은 약 2100 ppm 내지 약 6,800-ppm/0.1 cm 사이의 박막 (스크린) 크기 범위내에서 붕소 도핑되어야 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명의 필터재는, 거기에 부착되고 그리고/또는 매입된 복수의 나노탄소 세관들을 가지는 하나의 합성 필름을 더 포함하여 구성되어, 하나의 나노탄소 세관 메쉬 네트워크를 형성한다. 본 발명의 합성 필름은, SiO₄, AlO₄, 및 그 혼합물들로 구성되는 그러한 군으로부터 선택된다. 제올라이트들의 결정 구조는, 일반적으로 사면체 원자 배열(tetrahedral configuration)에 4개의 산소 원자들 (-2 원자가)로 둘러싸인 하나의 규소 원자 (+4 원자가)로 구성되는 반복 유닛들을 토대로 한다. 0(zero)의 사면체 전체 원자가를 부여하는, 2개의 Si 원자들은, 하나의 산소 분자를 공유한다. (+3의 원자가를 가지는) 알루미늄을 사면체 배향(tetrahedral orientation)에 치환할 때, 알짜 전하(net charge) -1 이 생기며, 그에 따라 (아래에 더 설명될) 제올라이트들의 양이온 교환 특성(cation exchange properties)의 증가를 가져온다. 합성 필름은, 사이드로포어가 부착되는 다공성 붕소 도핑 탄소 필름의 표면에 인접하게 위치된다. 본 발명의 합성 필름은, 거기에 부착되고 그리고/또는 매입된 나노탄소 세관 메쉬 네트워크와 직접 접촉하는 적어도 하나의 제올라이트 결정체를 더 포함하여 구성된다. 합성 필름은, 직경이 약 0.1 내지 약 3.4 nm, 바람직하게는, 약 0.1 nm 내지 약 3.0 nm 그리고 더욱 바람직하게는, 약 2.0nm 내지 약 2.9 nm 인, 복수의 기공들을 가진다.

제올라이트들은 일반적으로 마이크로-다공성(micro-porous) 구조들을 가지는 수화 알루미노실리케이트 광물들(hydrated aluminosilicate minerals)이다. 따라서, 본 발명의 합성 제올라이트 합성 필름은, 제올라이트의 기공들에 들어갈 수 있는 분자 또는 이온 화학종의 최대 크기가, 통상적으로 구멍의 링 크기에 의해 정의되는, 분자체(molecular sieve)의 터널들(tunnels)의 직경들에 의해 제어되는, 분자체로서 작용한다. 예를 들어, 8-고리 구조를 가지는 제올라이트 착물은, 8개의 사면체 배위결합 규소 (또는 알루미늄) 원자들과 8개의 산소 원자들로 만들어진 하나의 폐쇄된 루프(closed loop)이며, 그 자체가 복수의 기공들을 포함하여 구성된다. 바꿔 말하면, 제올라이트 합성 필름의 내부 기공 부피(internal pore volume)에 대한 특정 이온들의 인입(entry)을 제어하는, 제올라이트 합성 필름의 구멍들의 크기는, 고리에 있는 T 원자들 (T = Si 또는 Al)과 산소의 수에 의해 정해진다. 구멍들은, 극대(ultra large)(> 12 원자 고리), 대(large)(12 원자 고리), 중(medium)(10 원자 고리) 또는 소(small)(8 원자 고리)로 분류된다. 구멍 크기들은, 제올라이트 A와 같은 8 고리 구조의 경우 약 0.4 nm, ZSM-5와 같은 10 고리 구조의 경우 약 0.54 nm, 그리고 제올라이트 X 및 ZSM-12와 같은 12 고리 구조의 경우 약 7.4 nm의 범위내에 있으며, 이들 모두가 본 발명에 사용될 수 있다.

합성 필름 그 자체는, 산소 체거름 효과(oxygen sieving effect) [O₂ = 2.96 Å 및 N₂ = 3.16 Å]를 제공하는 약 0.1 내지 약 3.0 nm의 직경을 가지는 복수의 기공들을 포함하여 구성된다. 나노탄소 세관들에 부착된 제올라이트 결정체들은 기공들의 적어도 일부에 포개어진다. 다이루테늄/다이루테늄 분자들을 포함하여 구성되는 다공성 붕소 도핑 탄소 필름은, 부착된 탄소 나노세관들 그리고 이 나노탄소 세관들과 직접 접촉하는 제올라이트 결정체들을 가지는 박막 합성 필름(thin synthetic film)과 함께, 본 발명의 필터재를 만들기 위해 사용될 수 있는 하나의 반복 유닛을 구성한다.

본 발명에 사용되는 제올라이트들은, TO₄ 사면체 원자배열(여기서, T 는, Si 또는 Al 임)로 구성된 결정 구조를 가진다. 많은 수의 자연적으로 존재하는 제올라이트들에 더하여, 광범위한 합성 제올라이트들이 또한 있다. 상술한 바와 같이, 제올라이트들의 결정 구조는, 하나의 사면체 원자배열에 4개의 산소 원자들(-2 원자가)에 의해 둘러싸인 하나의 규소 원자 (+4 원자가)로 구성되는 반복 유닛들을 토대로 한다. 각 산소 원자는, 2 Si 원자들에 의해 공유되어, 제올라이트에 그것의 사면체 구조와 0의 알짜 전하를 부여한다. (+3의 원자가를 가지는) 알루미늄이 사면체 원자배열에 치환될 때, 제올라이트는 -1 의 알짜 전하를 가질 것이다. 이 음 전하는, 제올라이트들의 양이온 교환 특성의 증가를 가져온다. 제올라이트들은 또한 그들의 독특한 결정 구조들의 결과로서 나타나는, 높은 다공성(porosity) 뿐 아니라 아주 균일하게 정의된(very uniform defined) 기공 크기들을 또한 가진다. 이러한 이유 때문에, 제올라이트들은 분자체로서 유용하다.

본 발명의 하나의 실시예에서, 제올라이트 결정체들은, 합성 필름의 기공들의 적어도 일부에 포개어지도록 나노탄소 세관 메쉬 네트워크의 나노탄소 세관들에 직접 부착된다. 이러한 구성(configuration)은, 물 분자들의 제올라이트/나노세관들(그리고 상술한 다이루테늄 착물)과의 반응으로부터 발생된 산소 및/또는 수소로 하여금 합성 필름의 기공들을 통해 흘러서, 수집되고 주어진 목적을 위해 사용되게 한다. 그것은, 본 발명의 필터재의 하나의 반복 유닛을 형성하며, 다이루테늄/다이루테늄 함유 다공성 붕소 도핑 탄소 필름과 합성 필름에 있는 기공들의 적어도 일부에 포개어지는 나노탄소 세관형 메쉬 네트워크에 부착된 제올라이트 결정체들을 포함하는 합성 필름의 결합체(combination)이다.

그러나, 분해되지 않은 물이 종종 어떤 제올라이트들의 기공들을 막아버리므로, 이 제올라이트들은 종종 오염되어 그들의 분리 특성(separation qualities)을 잃어버린다. 본 발명의 필터재의 나노세관들은, 물의 수소/산소 결합을 불안정하게 하여, 필터재의 다이루테늄 분자들이 물을 산소와 수소로 분해하기를 더 쉽게 만들기 때문에, 본 발명의 필터재의 구조는, 관형 메쉬 네트워크에 부착된 제올라이트들로 하여금 오랜 기간 동안 "막히지 않고(unclogged)" 그리고 기능적으로(functional) 남아있게 한다. 다이루테늄 분자들에 의해 분해되는 물이 많을수록, 더 많은 산소/수소가 발생되고, 더 적은 물이 본 발명의 합성 필름의 나노세관들에 부착된 제올라이트의 기공들을 막는데 쓰인다. 일단 산소 및/또는 수소가 발생되면, 그것은 포집되어 호흡, 저장 또는 산업적 용도들을 위해 사용될 수 있다.

사용되는 제올라이트들의 기공 크기 또한 중요하다. 만약 기공들이 너무 크면, 물이 제올라이트 필터를 통과할 수 있고, 산소와 수소로 여과되지 않을 수 있으며, 기공들이 너무 작으면, 생성된 산소 및/또는 수소가 사용될 수 있도록 필터를 통과하지 못하고 그곳에 보존될 수 있다. 그러므로, 크기에 따라 다른 것들을 배제한 특정 분자들만의 흡착을 가능하게 하기 위해 제올라이트들의 기공 개구(pore opening)를 미세 조정할(fine-tune) 수 있는 것이 중요하다. 제올라이트의 기공 크기를 변경시키는 방법은, 교환할 수 있는 양이온을 하나의 양이온으로부터 다른 양이온으로 변경시키는 것이다. 예를 들어, 제올라이트 A에서 Na+ 이온들이 Ca++ 이온들에 의해 대체될 때, 유효 구멍 크기(effective aperture size)가 증가한다. 이것은 또한 제올라이트에서 Al/Si 비율을 변경시킴으로써 달성될 수 있다. Si 대(to) Al의 비율의 증가는, 유닛 셀 크기(unit cell size)를 약간 감소시키고, 교환할 수 있는 양이온들의 수를 감소시켜서, 채널들(channels)을 자유롭게 하고 제올라이트의 특성을 더 소수성으로 만들 것이다.

본 발명에 사용되는 제올라이트는, 주로 알루민-실리케이트들(alumin-silicates)로 구성되며, 여기서 알루미나 기판(alumina substrate)은, 몇몇 원자들은 통과시키나 다른 것들은 차단시켜서 그런 식으로 선택된 최종 생성물을 제조하는 분자체들의 역할을 하는 알루미나 기공들을 포함한다. 이 출원의 목적을 위해, "분자체"라는 용어는, 주로 크기 배제 프로세스(size exclusion process)을 토대로 하여 분자들을 선택적으로 선별하는 특별한 특성을 가리킨다. 본 발명에 사용될 수 있는 제올라이트들은, 함수(hydrous) 알루미늄 실리케이트 광물들의 패밀리(family), 일반적으로 알칼리 금속들 및 알칼리 토금속들(그 분자들이 나트륨, 칼륨, 칼슘, 스트론튬, 또는 바륨의 양이온들을 둘러쌈), 또는 상응하는 합성 화합물(synthetic compound)의 어느 하나를 포함한다.

따라서, 본 발명의 필터재는, 필름의 한쪽에 다이루테늄 분자들을 그리고 다른 한쪽에 자유 루테늄 이온들을 포집하는 하나의 사이드로포어를 포함하는 붕소 탄소 도핑 필름, 뒤이어 제올라이트 결정체들과 합성 필름에 부착되는 하나의 탄소 나노세관형 메쉬 네트워크를 포함하는 합성 필름을 포함하여 구성되는 반복 유닛으로 구성된다. 이 반복 유닛들 여러 개가 연속하여 모여서 높은 생산량의 산소 및/또는 수소 발생을 위한 필터재를 제공할 수 있다. 이러한 독특한 필터재는, 두 개의 상이한 재료들을 결합시켜서, 기본 재료들과 상이한 특성들을 가지는 새로운 재료를 결과로서 가져온다. 따라서, 본 발명의 필터재는, 높은 수량의 2분자 산소를 전기-발생시킬(electro-generate) 뿐 아니라, 호흡 장치들, 추후 사용을 위한 산소의 저장 또는 산업적 용도를 위한 사용을 위해, 2분자 산소를 포집하도록 분자체 "제올라이트 매체(media)"를 통한 직접 통과 여과법(direct pass through filtration)을 사용한다.

합성 필름의 표면에 매입된 나노탄소 세관형 메쉬 네트워크는, 제올라이트 코팅 합성 필름(zeolite coating synthetic film)의 표면 위로 약 0.1 내지 약 7 밀리미터, 바람직하게는, 약 0.2 내지 약 6 밀리미터 그리고 더욱 바람직하게는, 약 0.2 내지 약 5 밀리미터 뻗어 있다. 다이루테늄 함유 탄소-도핑 필름(diRuthenium containing carbon-doped film)과 결합된 나노세관들과 마찬가지로, 나노탄소 세관들은 약 20 나노미터 내지 약 450 나노미터의 직경을 가질 수 있다. 나노탄소 세관형 메쉬 네트워크는, 전자-빔 리소그래피(electron-beam lithography), 원자력 마이크로스코피(atomic force microscopy), 화학 충전 분자 잉크(chemically charged molecular ink), 결정 자기-조립(crystallization self-assembly), 시드 자기-조립(seeded self-assembly), 그리고/또는 그 혼합들과 함께, 그것이 매입되는 합성 필름의 기공들에 영향을 주지 않는 여하한 다른 방법(procedure)을 사용하여 합성 필름의 표면에 매입될 수 있다.

본 발명의 필터재가 적절한 배열(arrangement)을 가지는 것을 보장하기 위해 사용될 수 있는 방법은, 집속 이온 빔(Focused Ion Beam: FIB)을 초-고-분해능 주사 전자 현미경(ultra-high-resolution SEM)과 통합시킨 FEI 830 듀얼 빔 시스템(FEI 830 Dual Beam System)을 사용하는, "IBM 알마덴의 재료 특성 평가 및 분석 실험(IBM Almaden's Materials Characterization and Analysis Lab)"에 의한 매입 공정(embedding process) 동안에 직접 눈으로 관찰하는 것(direct visualization)이다. 이 방법은 분석자로 하여금 밀링(milling) 또는 증착 과정을 수행하면서 특정 사이트의 하나의 이미지를 포착하게 한다. 탄소 박막을 만드는데 있어서, 박막은, 먼저 붕소 도핑 박막에 매입될 나노탄소 세관들을 위한 앞구멍(initial hole)을 파내기 위해 가속 갈륨 이온들(accelerated gallium ions)에 의해 밀링된다(milled). 일단 밀링이 완료되면, 아르곤과 같은 불활성 가스를 박막 표면에 펌핑하면서(pump), 탄소 금속 산화물을 하나의 패턴과 탄소 세관들의 하부를 형성하기 위해 밀링된 구역내에 증착시킨다. 갈륨 이온들에 의해 박막에 미리 형성된 나노탄소 세관 오목부(nanocarbon tubule concavity) 위의 아르곤 가스 표면에 추가적인 탄소 도핑 원자들이 증착된다. 증착은, 탄소 세관들이 박막의 최심부(the innermost point)로부터 외곽으로 뻗어 있는 동심 패턴(concentric pattern)으로 아래쪽에 놓이도록, ALD (원자 층 증착) 또는 CVD의 어느 하나에 의해 완료될 수 있다. 일단 탄소 나노세관이 완성되면, 탄소 나노세관들 내에 흐름이 일어날 수 있도록 탄소 나노세관의 말단부가 개방된 채로 남겨진다. 그 다음에 다이루테늄 분자들을 새롭게 준비된 박막 표면의 붕소 불소와 결합시키기 위해 준비된 표면 위에 분무하거나(aerosolize) CVD를 사용하여 부착한다(applied).

그와 달리, 탄소 붕소 도핑 불화물 필름을 만들기 위해 사용되는 방법은, Ar-F₂ 가스 혼합물에서 흑연과 h-BN으로 구성되는 복합 타겟(composite target)을 사용하여 무선 주파수 마그네트론 스퍼터링법(radio frequency magnetron sputtering)에 의한 것일 수 있다. 고형 아르곤 매트릭스(solid argon matrix)에서 불화수소(hydrogen fluoride)의 광분해(photolysis)에 의해 만들어진 Ar-F₂ 가스 혼합물은, 아르곤 플루오로하이드라이드 (HArF)의 형성을 가져온다. 이러한 형성 이후에, 탄소 도핑 불화물 박막은, X-선 회절, 프리에 변환 적외선 분광법(Fourier transform infrared spectroscopy) 및/또는 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy)에 의해 특징지어질(characterized) 수 있다. 이러한 수단들(procedures)에 대한 설명은, "무선 주파수 마그네트론 스퍼터링법에 의한 붕소 탄소 나이트라 이드 박막의 제조( Preparation of boron carbon nitride thin films by radio frequency magnetron sputtering ), Applied Surface Science, Volume 252, Issue 12, 15 April 2006, Pages 4185-4189, Lihua Liu, Yuxin Wang, Kecheng Feng, Yingai Li, Weiqing Li, Chunhong Zhao, Yongnian Zhao", 그리고 "안정된 아르곤 화합물(A stable argon compound ), Leonid Khriachtchev, Mika Pettersson, Nino Runeberg, Jan Lundell & Markku Rasanen, Department of Chemistry, PO Box 55 (A.I.Virtasen aukio 1), FIN-00014 University of Helsinki, Finland, Nature 406, 874-876 (24 August 2000)"에서 찾을 수 있다.

붕소 도핑 필름과 합성 필름 쌍방의 나노탄소 세관형 메쉬 네트워크는, 다공성 붕소 도핑 탄소 필름 또는 제올라이트 합성 필름의 어느 한쪽의 중심 구역으로부터 시작하여 외곽으로 이어지는, 이격 동심원들로(in concentric spaced circles) 구성될 수 있다.

본 발명의 필터재 전체는, 제올라이트 합성 필름 스크린이 다이루테늄 붕소 도핑 박막 스크린의 뒤쪽에 놓이도록 하여, 다이루테늄 스크린이 공기 흐름에 가깝도록, 즉, 공기 흐름이 다이루테늄 스크린과 먼저 접촉하도록 설계되어 있다. 이런 식으로 공기 흐름에 함유된 수분이 충돌되고 전기화학적으로 도움을 받아서, 물의 산소와 수소로의 분해를 증가시킨다. 제올라이트와 다이루테늄 스크린들은 협력하여(in tandem) 작용한다. 본 발명의 하나의 바람직한 실시예에서, 한 세트의 6 스크린들이, 환자 호흡 장치에 사용될 수 있는 프레임을 가지는 카트리지 내에 포함될 수 있다. 다이루테늄 벽들(diRuthenium walls)에 결합되고 다이루테늄 벽들에 의해 둘러싸인 제올라이트 중심(zeolite center)을 사이에 끼운(sandwiching) 다이루테늄 중심과 외부 경계(outer border)는, FTIR 및/또는 X-ray 결정학(crystallography)에 의해 그 정밀도와 결합 경계면(bonded interface)에 대해 생성후(postproduction) 분석될 수 있다.

카트리지는, 그것이 떼어냈다가 필요할 때 원위치에 놓일 수 있도록 설계되어 있다. 카트리지는, 재활용되게 만들어질 수 있거나, 일회용 장치(single use device)일 수 있다. 카트리지에 대한 많은 여러 형태들(configurations)이 가능하며, 이들은 본 발명의 필터재의 기능성을 제한하거나 변경하지 않는다. 그것은, 호흡을 위해 개인 환자에게, 산소 저장 장치에 또는 산업 소비자에게 2분자 산소를 제조하여 주기 위해 협력하여 작용하는 새로운 종류의 다이루테늄/다이루테늄 붕소 도핑 박막 스크린과 새로운 종류의 제올라이트 합성 필름 스크린이 번갈아 있는, 필터재를 제공하는 것이다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 독특한 설계는, 산소 생성 중에 라디칼 중간물들(radical intermediates)의 축적을 방지하고 동시에 본 발명의 필터재에 사용되는 산소 촉매들과 음이온 전극들의 분해(decomposition)를 방지한다.

본 발명의 구체예들은, 본 발명을 더 잘 설명하기 위해 첨부된 도면들과 함께 설명되어 있으며, 어떤 식으로든 본 발명을 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다.

도 1은, 본 발명의 필터재(10)의 다이루테늄/다이루테늄 분자들을 포함하여 구성되는 다공성 붕소 도핑 탄소 필름의 정면 사시도를 보여준다. 도 1에 도시되어 있고 상술한 바와 같이, 스크린을 만드는 메쉬형 재료(mesh-like material)는, 상부(55), 저부(60), 우측면(45) 및 좌측면(50)을 가지는 탄소 붕소 도핑 스크린(15)이다. 원형, 달걀형, 타원형, 특히 평행사변형, 정사각형, 직사각형 및 삼각형과 같은 다른 형상들이 또한 본 발명의 범위내에 있다.

도 1은, 설명의 목적만을 위한 직사각형 스크린을 보여주나, 다른 형상들도 본 발명의 범위내에 있는 것으로 간주된다. 스크린의 중심점(central point)으로부터 시작되어 밖을 향해 방사상으로 뻗어 있어서, 동심 배열(concentric arrangement)로 성기게 채워진 코일 구조(loosely packed coil structure)를 형성하는, 나노탄소 세관들(20)은 탄소 붕소 도핑 스크린(15)에 집어 넣어지거나 매입된다. 나노탄소 세관들이 동심으로 배치되기는 하나, 그와 달리 탄소 나노세관들이 탄소 붕소 도핑 스크린(15)의 디자인과 형상에 따라 여러 가지 패턴들로 배치될 수 있다. 나노세관들의 여러 가지 배열들은, 스크린의 여러 가지 형상들과 마찬가지로, 역시 본 발명의 범위내에 있는 것으로 간주된다.

무수한 붕소 원자들(25)이 탄소 붕소 도핑 스크린(15) 전체에 걸쳐 분산되어 있다. 이러한 붕소 원자들(25)은, 스크린 전체에 걸쳐 고르게 분산될 수 있거나 나노탄소 세관들의 구역내에 집중될 수 있다. 나노탄소 스크린(15)의 거의 중심 구역에 적어도 하나의 다이루테늄-치환 폴리옥소메탈레이트(POM) 착물(40)이 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시예에서, 다이루테늄-치환 폴리옥소메탈레이트(POM) 착물(40)은, 하나의 POM(30)에 부착된 하나의 다이루테늄 톱질 모탕 분자(35)를 포함하여 구성된다. 다이루테늄 톱질 모탕 분자(35)가 스크린에 인접하게 위치되어 있는 반면, POM(30)은, 스크린의 면 밖으로 뻗어 있다. 이러한 배열은 물의 2분자 산소와 수소로의 빠르고 효율적인 분해를 가능하게 한다. 이러한 배열은 본 발명의 필터재의 반복 유닛의 제1 스크린의 구조적 배열(structural arrangement)을 구성한다.

도 2는, 다이루테늄/다이루테늄 분자들과 하나의 사이드로포어(115)를 포함하여 구성되는 다공성 붕소 도핑 탄소 필름(100)의 배면 사시도를 보여준다. 본 발명의 탄소 붕소 도핑 스크린은, 상부(105), 저부(110), 좌측면(120) 및 우측면(125)을 가진다. 사이드로포어(115)는 스크린의 저부(110)에 위치된 것으로 도 2에 나타나 있으나, 사이드로포어(115)가 스크린의 형상과 나노세관들의 배열에 따라 스크린의 다른 부분들에 위치되는 것도 본 발명의 범위 내에 있다. 탄소 붕소 도핑 스크린(15)은, 도 1에 도시되고 위에서 설명한 바와 같이, 탄소 나노세관들(20)과 적어도 하나의 다이루테늄-치환 폴리옥소메탈레이트(POM) 착물(40) 뿐 아니라 붕소 원자들(25)도 포함한다.

사이드로포어(115)는, 복수의 기공들을 가지는 중공 관형 구조의 형태일 수 있으며, 여기서 사이드로포어(115)의 적어도 하나의 단부는, 나노탄소 세관들의 적어도 하나의 단부와 직접 연통된다. 그와 달리, 사이드로포어(115)는, 이온적으로 대전된 플레이트의 형태일 수 있다. 둘 중 어느 것의 형태이든, 필터재에 의해 만들어진 산소를 호흡하는 환자가 자유 루테늄 이온들을 흡입하는 것을 막기 위해 필터재로부터 제거될 수 있는 루테늄 이온들과 같은 대전 이온들(charged ions)을 포집하도록 설계되어 있다. 플레이트 또는 중공 관 사이드로포어(115)의 어느 것이든, 함침(impregnated) 폴리설피네이트 레진, 에틸렌다이아민테트라아세트산(EDTA) 및 그 혼합물들로 구성될 수 있다.

도 3은, 본 발명의 제올라이트 결정체들을 포함하여 구성되는, 합성 필름(200)의 표면의 사시도를 보여준다. 이것은, 필터의 반복 유닛의 다음 스크린이며, 도 2에 도시되어 있는 사이드로포어를 가지는 붕소 도핑 탄소 필름의 배면을 향하게 위치된다. 합성 필름(200)은, 상부(205), 저부(210), 우측면(220) 및 좌측면(225)을 가지며, 직사각형 형태로 나타나 있다. 제1 스크린과 마찬가지로, 합성 스크린은, 직사각형 형상으로 나타나 있으나, 원형, 달걀형, 타원형, 특히 평행사변형, 정사각형, 직사각형 및 삼각형과 같은 다른 형상들도 본 발명의 범위내에 있는 것으로 간주된다. 즉, 도 3은, 설명의 목적만을 위한 직사각형 스크린을 보여주나, 다른 형상들도 본 발명의 범위내에 있다.

도 1과 도 2의 붕소 도핑 탄소 필름과 마찬가지로, 도 3의 합성 필름은, 거기에 매입되거나 집어 넣어지는 탄소 나노세관들(215)을 가진다. 합성 스크린은 또한 나노세관들(215)과 직접 접촉하고, 합성 필름과 직접 접촉하고 또는 양쪽과 직접 접촉하는, 제올라이트 결정체들(240)을 가진다.

도 4는, 하나의 프레임(130)에 셋팅된 제올라이트 분자들을 포함하여 구성되는 합성 필름의 정면 사시도를 보여준다. 본 발명의 필터재의 필터/프레임(130)은, 구조적이면서 필터 스크린의 여러 구역들에 대한 가스들의 중공 관형 통로의 역할을 하는 하나의 프레임(135)을 포함하여 구성된다. 프레임에는 하나의 폭이 넓은 단부(155)와 하나의 폭이 좁은 단부(140)를 가지는 여러 개의 블로우-바이 노즐들(blow-by nozzles)(145)이 구비된다. 블로우-바이 노즐들의 폭이 넓은 단부(155)는 프레임(135)에 연결되며, 여기서 폭이 좁은 단부(140)는 제올라이트 결정 스크린(170) 위로 뻗어 있다. 환자가 대기로부터 들이마셨다가 내쉰 것이든, (도 6에 도시된) 팬 모터로부터 만들어진 것이든, 공기가 프레임(135)으로 흘러감에 따라, 적어도 일부 공기가 블로우-바이 노즐(155)의 폭이 넓은 단부를 통과하여 제올라이트 결정 스크린(170) 위에 위치된 폭이 좁은 단부(140)를 빠져 나간다. 산소가 공기 중에 포함된 구성물 가스들(constituents gases)로부터 흡착되어, 촉매 스크린으로부터 물을 분해시켜 얻은 산소와 수소에 추가되는 것은, 이 공기로부터이다.

프레임(140)에는, 프레임(140)에 부착되는 하나의 폭이 좁은 단부(180)와 제올라이트 결정 스크린(170) 위로 뻗어 있는 하나의 폭이 넓은 단부(185)를 가지는, 스캐빈저들(175)이 또한 구비된다. 상술한 바와 같이, 스캐빈저들(175)의 이러한 특수 형태는, 스크린을 통과하지 않는 폐 가스들(waste gases) 뿐 아니라 산소, 과량의 물, 과량의 가스들, 축적된 표면 정전기 전하들(built up surface electrostatic charges)이, 스캐빈저들(175)의 폭이 넓은 단부(185)로 그리고 프레임(135)으로 끌어들여지게 하여, 수집되고 그리고/또는 필터재로부터 방출되게 한다. 블로우 바이 노즐들(145) 맞은 편 스크린 위에 위치된 폭이 넓은 단부(185)와, 프레임(140)에 부착된 폭이 좁은 단부(180)를 가지는, 스캐빈저들의 특수한 설계는, 프레임의 이 위치에서의 하나의 설계된 수축부(designed constriction)가, 상술한 바와 같이 가스들을 빨아들일 수 있는 스캐빈저 노즐들로의 흡입(suction)을 용이하게 하는 공기 흐름을 촉진한다.

블로우-바이 노즐들(145)은 또한 스크린(170)을 가로질러 노즐들(145)로부터 들어오는 공기를 나아가게 하도록 특별히 설계되어 있다. 즉, 블로우-바이 노즐들(145)의 폭이 넓은 단부(155)는, 블로우-바이 노즐들(145)에 들어가는 공기의 통로가, 스크린(170)을 거쳐 빠져 나가는 폭이 좁은 단부(140)쪽으로 수축되도록, 프레임(140)에 부착된다. 수축된 통로는, 스크린을 거쳐 빠져나오는 공기 흐름이 들어갈 때 보다 더 높은 가속도로 빠져나오게 한다. 프레임(130)에는 제1 연결부(connection)(150)와, 도 6에 도시되어 있고 상술한 두 갈래 액셀러레이터에 연결되도록 설계된 제2 연결부(190)가 또한 구비되어 있다. 도 3에 도시되어 있는 필터와 마찬가지로, 합성 필름(170)은, 거기에 도시되어 있는 동일한 구성요소들, 즉, 그것과 결합된 제올라이트 원자들(160)과 동심 배열로 배치된 나노세관들(165)을 가진다.

도 1과 도 2에 도시되어 있는 다이루테늄 착물(40)을 가지는 붕소 도핑 탄소 스크린은 또한 상기 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 프레임내에 배치되어 있다. 즉, 도 1과 도 2에 도시되어 있는 붕소 도핑 탄소 스크린은, 도 4에 도시되어 있고 상술한 바와 같이 스캐빈저들과 블로우-바이 노즐들을 가지는 프레임에 셋팅되며, 본 발명의 필터재의 반복 유닛의 일부이다.

도 5는, 본 발명의 필터재의 프레임에 연결된 두 갈래 공기 흐름 액셀러레이터(305)를 가지는, 제올라이트 결정체들 포함 합성 필름(300)의 정면 사시도를 보여준다. 두 갈래 액셀러레이터(305)는, 제1 분기부(310)와 제2 분기부(315)로 갈라지는 하나의 메인 공급관(main feed tube)(355)을 가진다. 제1 및 제2 분기부들(310 및 315)은, 그 안에 위치된 (도 7A - 도 7C에 도시되어 있는) 하나의 공압 밸브를 가지는, 분기점(branch point)(360)에서 메인 공급관(355)에 연결된다. 상술한 바와 같이 그리고 아래에 더 설명되어 있는 바와 같이, 공압 밸브는, 공기/유체 흐름을 두 갈래 액셀러레이터(305)의 제1 분기부(310) 또는 제2 분기부(315)의 어느 하나로 전환하도록 설계되어 있다. 도 5에 도시되어 있는 실시예에서, 제1 분기부(310)는 제1 레그(320)와 제2 레그(325)의 두 갈래로 더 분기된다.

제1 분기부(310)의 제1 레그(320)는, 제1 분기부(310)의 제1 레그(320)를 빠져 나가는 공기/유체 흐름이 도 4에 도시되어 있는 스캐빈저 노즐들로 흐르도록 구성된 프레임 부착부(frame attachment point)(335)에 연결된다. 제1 분기부(310)의 제2 레그(325)는, 제2 레그(325)를 빠져 나가는 공기/유체 흐름이 블로우 바이 노즐들(355)로 흐르도록 구성된 프레임 연결부(frame connection point)(330)에 부착된다. 블로우-바이 노즐들은, 합성 필름의 표면을 가로질러 빠져 나가는 공기의 흐름을 더 가속시키도록 설계되어 있다.

두 갈래 액셀러레이터의 제2 분기부(315)는, 제2 분기부(315)를 빠져 나가는 공기/유체가 합성 필름으로 직접 그리고 합성 필름 위로 빠져 나가도록 위치된다. 제2 분기부(315)의 단부에는, 공기 및/또는 물의 제올라이트 스크린의 2분자 산소와 수소로의 흡착이 가능하도록 하기 위해, 공기/유체의 합성 스크린(350)의 표면 위로의 분산에 도움을 주는 확장 깔때기 스크린(enlarged funnel screen)(340)이 구비될 수 있다. 동일한 배열(arrangement)이 또한 1과 도 2에 도시되어 있고 상술한 붕소 도핑 탄소 스크린을 위해 사용된다. 사실상, 교호 유닛들(alternating units)의 각 스크린들은 도 5에 도시된 바와 같이 구성된다. 즉, 나노탄소 붕소 도핑 스크린과 합성 제올라이트 스크린은 각기, 각 스크린 표면을 가로질러 흐름을 분배시키기 위해서 뿐 아니라 공기/유체를 스캐빈저들과 블로우-바이 노즐들에 공급하도록 하기 위해, 더 분기된(branched) 두 갈래 액셀러레이터를 포함한다.

도 6은, 본 발명의 공압 밸브/두 갈래 공기 흐름 액셀러레이터 연결부의 단면도를 보여준다. 액셀러레이터 연결부는, 플로우 부스터(415)에 연결된 플로우 부스터 관(flow booster tube)(410) 뿐 아니라 입 구역(mouth area)(430)에 연결된 입 구역 관(405)에도 연결된다. 플로우 부스터(415)는, 상술한 바와 같이 그리고 아래에 더 설명하는 바와 같이 주위환경(surroundings)으로부터 추가적인 공기를 끌어들이는 플로우 부스터(415)를 통해 공기 흐름을 발생시키도록 설계된 팬 모터(420)에 또한 연결된다. 플로우 부스터는, 도 10과 도 11에 더 상세하게 나타나 있다.

입 구역(430)과 플로우 부스터(420) 양쪽으로부터의 공기 흐름은, 본 발명의 공압 밸브(425) 시스템을 향해 이동한다. 공압 밸브(425)는, 그로 하여금 두 갈래 액셀러레이터 관의 제1 분기부(435) 또는 제2 분기부(440)의 어느 하나를 향해 움직이게 하는 회동축(pivot point)(450)에 부착된다. 위에서 설명한 바와 같이, 환자가 입 구역(430) 밖으로 숨을 내쉴 때, 공기 흐름이 유체 증폭기 관(fluidic amplifier tube)(405) 아래로 이동하여 공압 밸브(425)에 부딪혀서, 밸브로 하여금 회동축(450) 주위를 회동하게 하여, 두 갈래 액셀러레이터 관의 제2 분기부(440)를 폐쇄한다. 위에서 설명한 바와 같이, 공압 밸브가 이 위치에 있음으로 인해, 공기가 제1 분기부(435)로 흐르고, 블로우-바이 노즐들과 스캐빈저 노즐들로 분산된다. 역시 위에서 설명한 바와 같이, 환자가 숨을 들이쉴 때, 공압 밸브(425)는, 회동축(450) 주위를 회동하여, 제1 분기부(435)를 막고, 플로우 부스터(415)로부터의 공기 흐름이, 플로우 부스터 관(410) 아래로 그리고 제2 분기부(440)로 이동하여, 다이루테늄과 제올라이트 스크린들 위로 분산된다. 공압 밸브(425)의 다른 위치들이 도 7A, 도 7B 및 도 7C에 더 도시되어 있다.

도 7A에서, 공압 밸브(425)는, 공기 흐름이 제1 및 제2 분기부(435 및 440) 양쪽으로 이동하도록 중립 위치에 있는 것으로 도시되어 있다. 도 7B에서, 공압 밸브(425)는, 제1 분기부(435)를 폐쇄하는 것으로 나타나 있으며, 플로우 부스터 관(410)으로부터의 공기는 제2 분기부(440)로 이동하여, 여기서 다이루테늄 및 제올라이트 스크린들 위로 분배된다. 도 7C에서, 공압 밸브(425)는 제2 분기부(435)를 폐쇄하는 것으로 나타나 있으며, 마우스피스 관(405)로부터의 공기는 제1 분기부(435)로 이동한다.

도 8은, 액셀러레이터 관에 대한 연결부들(connections)을 포함하는 카트리지/카트리지 홀더의 사시도를 보여준다. 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 필터재들의 복수의 교호 스크린들(alternating screens)(605)은, 하나의 카트리지(610) 내에 위치할 수 있다. 이 교호 적층 배열(alternating stacked arrangement)은, 상술한 바와 같이, 다이루테늄/다이루테늄 분자들과 적어도 하나의 사이드로포어를 포함하는 제1 붕소 도핑 탄소 필름을 포함하여 구성되고, 제2 스크린은 본 발명의 제올라이트 함유 합성 필름이다. 그 다음에 이러한 배열이 반복되어, 필터 카트리지 홀더에 삽입될 수 있는 필터 카트리지(610)에 수용될 수 있는 본 발명의 필터재를 구성한다.

필터 카트리지는, 위에서 설명한 바와 같이, 제1 분기부(620)의 제1 레그가 프레임에 부착될 수 있고 블로우 바이 노즐들에 공기 흐름을 분배시킬 수 있도록 구성되어 있다. 필터 카트리지는 또한, 위에서 설명한 바와 같이, 제1 분기부(630)의 제2 레그가 프레임에 부착되고, 스캐빈저 노즐들로 공기 흐름을 분배시키도록 구성되어 있다. 플로우 부스터 관(640)과 마우스피스 관(635)의 연결부가 또한 도 8에 나타나 있다. 카트리지 홀더(615)는, 일회용이도록 설계될 수 있거나, 그와 달리 새로운 카트리지(610)가 본 발명의 장치에 삽입되거나 교환되게 하도록 구성될 수 있다. 두 구성들 모두 본 발명의 일부로 간주된다.

도 9는, 도 8에 도시되어 있는 카트리지 홀더(615)와 카트리지(610)의 단면을 보여준다. 이 단면도(700)는, 제1 분기부(725)의 제1 및 제2 레그에 의해 각 스크린에 연결된 프레임을 보여준다. 필터재는, 카트리지내에 필터재를 형성하기 위해 제올라이트 함유 스크린들(710 및 720)에 의해 격리 상태로 반복되는 나노탄소 붕소 도핑 스크린들(705 및 715)을 보여준다. 상술한 바와 같이, 카트리지가 2개의 반복 유닛들로 나타나 있기는 하나, 복수의 카트리지들이나 추가적인 스크린들을 가지는 카트리지들이 모두 본 발명의 실시예에 사용될 수 있다.

도 10은, 본 발명의 플로우 부스터 관에 부착된 플로우 부스터(800)의 단면도를 보여준다. 플로우 부스터(800)는, 본 발명의 플로우 부스터 관으로의 공기의 흐름을 증가시키도록 특별히 디자인되어 있다. 플로우 부스터(800)의 단면도에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 깔때기(840)는, 제1 깔때기(840)의 목부(throat) 또는 유출부(outflow)(810)가 제2 깔때기(835)의 흐름 통로(flow passage)(815)내에 위치되도록, 제2 깔때기(835) 내에 매입된다. 제1 깔때기(840)의 목부(810)로부터의 공기 흐름은, 도 6에 도시되어 있는 플로우 부스터 관과 유체 연통되는, 유출부(820)에서 제2 깔때기(835)를 빠져 나간다. 제2 깔때기(835)의 바로 위에는, 제2 깔때기(835)에 들어가 있고, 그리고 제1 깔때기(840)로부터의 공기 흐름이 제2 깔때기(835)의 통로로 들어감에 따라 추가적인 공기가 제2 깔때기 통로(815)로 끌어들여지게 하도록, 구성된 복수의 벤투리 도관들(venturi conduits)(830)이 있다. 본질적으로, 플로우 부스터(800)는, 본 발명의 필터 시스템으로의 공기 흐름을 증가시키기 위해 2 벤투리 시스템들을 갖도록 설계되어, 생성되는 2분자 산소의 양을 증가시킨다. 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 플로우 부스터는, 환자가 내쉰 공기 흐름에 더하여 추가로 공기 흐름을 제공하기 위해 하나의 팬 모터에 부착될 수 있다. 제2 플로우 부스터(도시되지 않음)가, 동일한 원리에 따라 역시 공기의 흐름을 증가시키기 위해 도 6의 제1 플로우 부스터에 역행하게(retrograde) 위치될 수 있다.

도 11은, 본 발명의 플로우 부스터(900)의 분해 사시도로서, 공기 흐름의 볼륨(flow of air volume)을 플로우 부스터의 기능을 위해 설계된 대로 감소시키거나 증가시킬 수 있고, 그렇게 해서 들이쉰 공기의 산소 농도를 변경시킬 수 있는 복수의 벤투리 도관들을 제공하기 위해, 플로우 부스터 몸체(825) 위에 위치될 수 있는 하나의 독립된 플로우 부스터 캡(910)을 가지는 플로우 부스터 몸체(825)를 보여준다. 이 사시도(900)는 또한, 한 쪽에 있는 제2 깔때기(835)의 유출부 노즐(820)과 그 바로 건너 반대쪽에 있는 제1 깔때기(835)의 유입구(805)를 보여준다. 복수의 벤투리 구멍들을 가지는 캡(cap)(910)은, 플로우 부스터 몸체(825)의 상부에 잘 맞으며, (도 10에 도시되어 있는) 그 아래의 벤투리 도관들과 연결되어, 상술한 바와 같이 추가적인 또는 감소된 공기가 제2 깔때기로 끌어들여지게 한다.

상기 구조들은, 산업 장치에 또는 환자에게 2분자 산소 및/또는 산소를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 도 12는, 본 발명의 기술을 사용하는 환자-호흡 장치(1000)의 정면도를 보여준다. 이 호흡 장치(1000)는, 호기를 모으고 그리고 산소화된 공기(oxygenated air)를 환자에게 제공하기 위해 환자의 코 위에 얹히기에 알맞게 설계된 하나의 비강 쉘(nasal shell)(1005)을 포함하여 구성된다. 이 비강 쉘(1005)은, 호흡 능력을 최대화하기 위해 본 발명의 장치가 적절히 위치되게 하도록 구성된 입술 지지부(lip support)(1010) 위에 부착된다. 입술 지지부(1010)는, 필터 장치(filter device)에 호기를 제공하고 호흡을 위한 산소화된 공기를 여과 장치(filtering device)로부터 받아들이는 공기 흐름 관(1045)에 부착된다. 공기 흐름 관(airflow tube)(1045)은, 여과 장치가 들어있는 케이싱(casing)(1070)과 유체 연통된다. 이 케이싱은, 본 발명의 다이루테늄/제올라이트-여과 장치(1030)로부터의 오버플로우 가스들을 포집하는 오버플로우 관(overflow tube)(1025)에 부착된다. 플로우 부스터(1040)는, 케이싱(1070) 내의 다이루테늄/제올라이트 여과 장치(1030)에 부착된다. 본 발명의 플로우 부스터(1040)에 추가적인 공기 흐름을 제공하도록 설계된 팬 모터(1035)가 플로우 부스터(1040)의 단부에 부착된다.

도 12에 도시되어 있는 환자 호흡 장치(1000)는, 플로우 부스터(1040)의 벤투리 시스템을 통한 주변 환경으로부터의 추가적인 공기 뿐 아니라 호기와 팬 모터(1035)로부터의 공기를 모두 여과 장치(1030)로 모으도록(funnel) 구성되어 있다. 공기가 본 명세서 전체에 걸쳐 설명되고 첨부도면들에 도시되어 있는 구성요소들을 포함하여 구성되는 여과 장치로 흐름에 따라, 이들은 2분자 산소와 수소를 만들기 위한 물의 분해(splitting)에 도움이 된다. 즉, 물은 다이루테늄/제올라이트 필터들에 의해 분해되어, 비강 쉘(1005)과 결합된 공기 흐름 관[도 13에 (1045)로 나타나 있음]을 통해 환자에게 모아진다(funneled).

도 13은, 비강 쉘(1005), 지지부(1010), 공기 흐름 관(1045) 및 필터 케이싱(1070)에 더하여, 환자에게 산소화된 공기 흐름을 공급하는 폭이 넓은 깔때기(1060)가 도시되어 있는, 환자-호흡 장치(1100)의 측면도를 보여준다. 이 폭이 넓은 깔때기(1060)에는, 본 발명의 여과 시스템(1030)으로부터 제조된 산소 그리고 수소화된 공기를 포집하는 오버플로우 관(1025)을 통해 본 발명의 여과 시스템으로부터 산소화된 공기가 공급된다. 비강 쉘과 필터 케이싱의 다른 대안적인 구조들이 가능하며, 이들은 환자로의 그리고 환자로부터의 적절한 공기 흐름이 달성될 수 있는 한 본 발명의 범위내에 있는 것으로 간주된다.

본 발명은 또한 상술한 본 발명의 실시예들 중의 하나의 플로우 부스터 및/또는 입으로 공기의 흐름을 제공하여, 2분자 산소 및/또는 수소를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 그에 따라 상술한 여과 시스템이 필요한 환자에게 2분자 산소 및/또는 수소를 제공해준다.

상기 설명은 많은 세부사항들을 포함하나, 이러한 세부사항들이 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 단지 그 바람직한 실시예들의 예시들로서만 해석되어야 한다. 이 분야의 통상적 지식을 가진 자들은 본 명세서에 첨부되어 있는 특허청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위와 정신 내에서 많은 다른 실시예들을 구상하게 될 것이다.

10 : 필터재 15 : 탄소 붕소 도핑 스크린
20 : 나노탄소 세관들 25 : 붕소 원자들
30 : POM 35 : 다이루테늄 톱질 모탕 분자
40 : 다이루테늄 착물 45 : 우측면
50 : 좌측면 55 : 상부
60 : 저부 100 : 다공성 붕소 도핑 탄소 필름
105 : 상부 110 : 저부
115 : 사이드로포어 120 : 좌측면
125 : 우측면 135 : 프레임
140 : 폭이 좁은 단부 145 : 블로우-바이 노즐
150 : 제1 연결부 155 : 폭이 넓은 단부
160 : 제올라이트 원자들 165 : 나노세관
170 : 합성 필름 175 : 스캐빈저
180 : 폭이 좁은 단부 185 : 폭이 넓은 단부
190 : 제2 연결부 200 : 합성 필름
205 : 상부 210 : 저부
215 : 탄소 나노세관 220 : 우측면
225 : 좌측면 240 : 제올라이트 결정체들
300 :제올라이트 결정체 함유 합성 필름
305 : 액셀러레이터 310 : 제1 분기부
315 : 제2 분기부 320 : 제1 레그
325 : 제2 레그 330 : 프레임 연결부
335 : 프레임 부착부 340 : 확장 깔때기 스크린
350 : 합성 스크린 355 : 노즐들
355 : 메인 공급관 405 : 관
410 : 플로우 부스터 관 415 : 플로우 부스터
420 : 팬 모터 425 : 공압 밸브
430 : 입 구역 435 : 제1 분기부
440 : 제2 분기부 450 : 회동축
605 : 교호 스크린들 610 : 카트리지
615 : 카트리지 홀더 635 : 마우스피스 관
640 : 플로우 부스터 관
705, 715 : 나노탄소 붕소 도핑 스크린
710, 720 : 제올라이트 함유 스크린
725 : 제1 분기부 800 : 플로우 부스터
805 : 유입구 810, 820 : 유출부
815 : 흐름 통로 825 : 플로우 부스터 몸체
830 : 벤투리 도관 835 : 제2 깔때기
840 : 제1 깔때기 900 : 플로우 부스터
910 : 플로우 부스터 캡 1000 : 환자 호흡 장치
1005 : 비강 쉘 1010 : 입술 지지부
1025 : 오버플로우 관 1030 : 여과 장치
1035 : 팬 모터 1040 : 플로우 부스터
1045 : 공기 흐름 관 1060 : 폭이 넓은 깔때기
1070 : 케이싱 1100 : 환자 호흡 장치

Claims

하나의 다공성 붕소 도핑 탄소 필름(porous boron doped carbon film)과 하나의 합성 필름을 포함하여 구성되는, 복수의 반복 유닛들을 포함하여 구성되는 하나의 필터재(filter material)를 수용하도록 구성된 하나의 카트리지(cartridge); 그리고
상기 카트리지를 수용하도록 구성된 구역(area)을 가지는 하나의 관형 솔리드 프레임(tubular and solid frame);을 포함하여 구성되는 하나의 소스(source)로부터 산소 및/또는 수소 가스를 제조하기 위한 것으로서;
상기 다공성 붕소 도핑 탄소 필름이, 다이루테늄/다이루테늄 분자들과 적어도 한 유형(type)의 음전기 이온(electronegative ion), 나아가, 하나의 나노탄소 세관형 메쉬 네트워크(nanocarbon tubular mesh network)와 하나의 루테늄 이온 포집 사이드로포어 플레이트(Ruthenium ion capturing siderophore plate)를 포함하여 구성되고, 상기 다이루테늄/다이루테늄 분자들과 상기 음전기 이온들이 상기 다공성 붕소 도핑 탄소 필름과 직접 접촉하며, 상기 적어도 하나의 다이루테늄/다이루테늄 분자가 부착된 상기 다공성 붕소 도핑 탄소 필름의 반대쪽 표면에 상기 루테늄 이온 포집 사이드로포어 플레이트가 연결되고, 상기 다공성 붕소 도핑 탄소 필름으로부터 제거되는(dislodged) 자유 루테늄 이온들을 포집하도록 상기 루테늄 이온 포집 사이드로포어 플레이트가 이온적으로 대전되며(ionically charged);
상기 합성 필름이, 하나의 나노탄소 세관 메쉬 네트워크(nanocarbon tubule mesh network)를 형성하기 위해 상기 합성 필름의 표면에 부착되고 그리고/또는 매입된 복수의 나노탄소 세관들(nanocarbon tubules), 그리고 상기 나노탄소 세관들과 직접 접촉하는 적어도 하나의 제올라이트 결정체(zeolite crystalline body)를 포함하여 구성되고, 상기 합성 필름이 약 0.1 내지 약 3.0 nm의 직경을 가지는 복수의 기공들(pores)을 가지며, 상기 나노탄소 세관들에 부착된 상기 제올라이트 결정이 상기 기공들의 적어도 일부에 포개어지고, 상기 합성 필름이 상기 사이드로포어를 가지는 상기 다공성 붕소 도핑 탄소 필름의 상기 표면과 밀접하게 연통되도록(in close communication with) 위치한, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 프레임이 하나의 마우스피스(mouthpiece)를 더 포함하여 구성되는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제2항에 있어서, 서로의 내부에 그리고 하나의 인클로저(enclosure) 내에 위치되며, 양 단부들이 개방되어 있고, 폭이 좁은 단부쪽으로 테이퍼지는(taper) 폭이 넓은 단부를 가지며, 상기 폭이 넓은 단부가 하나의 팬(fan)과 연통되는, 제1 노즐(nozzle)과 제2 노즐들을 포함하는 하나의 플로우 부스터(flow booster)를 더 포함하여 구성되고; 그리고
상기 인클로저가, 상기 제1 및 제2 노즐들 위에 복수의 구멍들(holes)을 가지며, 그에 따라 공기가 상기 제1 노즐을 빠져나와 상기 제2 노즐로 들어감에 따라 야기되는 벤투리 효과(Venturi effect)로 인해 추가적인 공기를 상기 플로우 부스터로 끌어들이는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 프레임이, 상기 마우스피스와 연통되는 제1 분기부(junction)와 하나의 플로우 부스터와 연통되는 제2 분기부로 구성되는 적어도 두개의 분기부들과 하나의 플랩 밸브(flap valve)를 가지는 하나의 두 갈래 액셀러레이터(bi-furcated accelerator)를 더 포함하여 구성되고,
상기 플랩 밸브가 제1 위치와 제2 위치를 가지며, 그에 따라 상기 플랩 밸브가 상기 제1 위치에 있을 때 상기 두 갈래 액셀러레이터의 제1 레그(leg)가 폐쇄되고 제2 레그가 개방되며, 상기 플랩 밸브가 상기 제2 위치에 있을 때 상기 두 갈래 액셀러레이터의 상기 제2 레그가 폐쇄되고 상기 제1 레그가 개방되는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제4항에 있어서, 상기 프레임과 연통되는 복수의 블로우-바이 액셀러레이터 포트들; 그리고
상기 프레임과 연통되고 상기 복수의 블로우-바이 액셀러레이터 포트들을 가로질러 위치된, 복수의 스캐빈저 포트들(scavenger ports);을 더 포함하여 구성되며,
블로우-바이 액셀러레이터 포트들(blow-by accelerator ports)로부터의 공기가 상기 다공성 붕소 도핑 탄소 필름 위로 흐르고, 상기 다공성 붕소 도핑 탄소 필름 위로 흐르는 상기 블로우-바이 액셀러레이터 포트들로부터의 부산물들(by-products)과 반응되지 않은 공기 흐름의 조합(combination)이 상기 스캐빈저 포트들에 의해 포집되어, 상기 프레임으로 보내져서(channeled), 사용되고 그리고/또는 본 장치로부터 배출되는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제4항에 있어서, 상기 플랩 밸브가, 상기 두 갈래 액셀러레이터의 분기점(branching point)에 위치된, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제6항에 있어서, 상기 블로우-바이 액셀러레이터 포트들로부터의 공기가 상기 다공성 붕소 도핑 탄소 필름 위로 흐르도록, 상기 블로우-바이 액셀러레이터 포트들이 상기 프레임에 부착된 하나의 폭이 넓은 단부 그리고 적어도 부분적으로 상기 다공성 붕소 도핑 탄소 필름 위에 위치된 하나의 폭이 좁은 단부를 가지는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제7항에 있어서, 상기 블로우-바이 액셀러레이터 포트들로부터의 반응되지 않은 공기 흐름과 부산물들이, 상기 스캐빈저 포트들에 의해 포집되고, 프레임으로 보내져서, 사용되고 그리고/또는 본 장치로부터 배출되도록, 상기 스캐빈저 포트들이 상기 프레임에 부착된 하나의 폭이 좁은 단부 그리고 적어도 부분적으로 상기 다공성 붕소 도핑 탄소 필름 위에 위치된 하나의 폭이 넓은 단부를 가지는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제6항에 있어서, 상기 마우스피스와 상기 제1 분기부가, 상기 마우스피스로부터 상기 두 갈래 액셀러레이터의 상기 분기점까지 보내진(channeled) 공기를 증폭시키도록(amplify) 구성된 하나의 중공 관(hollow tube)에 의해 연결되어, 상기 플랩 밸브를 동작시키는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제9항에 있어서, 상기 플랩 밸브가 공기에 의해 동작되는 공압 밸브(pneumatic valve)이고, 상기 중공 관이, 충분한 공기 흐름을 제공하여 상기 공압 플랩 밸브를 동작시키기 위해, 상기 마우스피스로부터의 공기를 증폭시키도록 구성된 유체 증폭기(fluidic amplifier)인, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제10항에 있어서, 상기 반복 유닛들의 상기 다공성 붕소 도핑 탄소 필름의 각 다이루테늄/다이루테늄 분자의 하나의 다이루테늄 분자가, 하기 식 (I)을 가지는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
[Ru₂(CO)₄(u-n² ^-O₂CR)₂L₂]_x (I)
[상기 식에서, u 는, [Ru₂(EDTA)₂]^2-, (CO)₄, F^-, Co₃ ^-2, NO⁺(양이온), 수소-결합 방향족/카복실산-(이중 결합된 산소 또는 그 안의 사이트들에서, 중합으로서 복수의 결합들이나 단일 결합을 위한 것임), 에틸렌다이아민, 음이온성 리간드들로서의 할라이드들, 카복실산, 불포화 탄화수소들, 선형이거나 구부러진(bent) 하나의 금속 중심에 배위된 질산, 부타다이엔, 카복실레이트 리간드들, 음이온성 (RO- 및 RCO₂ ^-2 (여기서, R 은, H 또는 탄화수소임) 또는 중성 리간드들 (R₂, R₂S, CO, CN^-), CH₃CN (아세토나이트릴), NH₃ (암모니아 아민) F^-, Cl^-, 트리스(피라졸릴)보레이트들 및 그 혼합물들로 구성되는 그러한 군(group)으로부터 선택되는, 브리징 리간드(bridging ligand)이고, 바람직하게는, [Ru₂(EDTA)₂]² 이며;
n 은, 적어도 2 이고, 분자의 덴티시티(denticity) [즉, 동일한 중심 원자에 결합된 특정 리간드의 도너 기들(donor groups)의 수]에 좌우되며;
L 은, [Ru₂(Ph₂PCH₂CH₂PPh₂)(EDTA)]²⁺, C₆H₆, R₂C=CR₂ (여기서, R 은, H 또는 알킬임), 1,1-비스다이페닐포스피노 메탄, 다이에틸렌트라이아민 [다이엔] 결합들(bonds), 바람직하게는, 트라이덴테이트(tridentate), 트라이아자사이클로노난(triazacyclononane) [다이엔] 결합들, 바람직하게는, 트라이덴테이트, 트라이페닐포스핀(triphenylphosphine) 및 그 혼합물들로 구성되는 그러한 군으로부터 선택되는 리간드이고;
CR 은, 카복실산, 카복실레이트 리간드들(carboxylate ligands), 음이온성 [RO^- 및 RCO₂ ^- (여기서, R 은 알킬 기임)] 또는 중성 리간드들 [R₂, R₂S, CO^-, CN^- (여기서, R 은 알킬 기임)] 및 그 혼합물들이며; 그리고
x 는, 1과 약 30 사이임]
제11항에 있어서, 식 (I)의 상기 다이루테늄/다이루테늄 분자들의 하나의 다이루테늄이, 다음의 식 (II)을 가지는 다이루테늄-치환 폴리옥소메탈레이트(diRuthenium-substituted polyoxometalate)에 결합되는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
[WZnRu^III ₂(OH)(H₂O)(ZnW₉O₃₄)₂] (II)
제1항에 있어서, 상기 사이드로포어 플레이트가, 폴리설피네이트 레진 함침 플레이트(polysulfinate resin impregnated plate), 에틸렌다이아민테트라아세트산 (EDTA) 및 그 혼합물들로 구성되는 그러한 군으로부터 선택되는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제12항에 있어서, 상기 다이루테늄/다이루테늄 분자에서 각 루테늄 간의 거리가 약 2.75 옹스트롬(angstroms)인, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제12항에 있어서, 상기 나노탄소 세관형 메쉬 네트워크의 상기 나노세관들(nanotubules)이, 약 20 나노미터(nanometers) 내지 약 450 나노미터의 직경을 가지는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제12항에 있어서, 상기 합성 필름이, SiO₄, AlO₄, 및 그 혼합물들인, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제16항에 있어서, 상기 합성 필름의 상기 표면에 매입된 상기 나노탄소 세관형 메쉬 네트워크가, 상기 표면 위로 약 0.2 내지 약 5 밀리미터(millimeters) 뻗어 있는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제12항에 있어서, 상기 나노탄소 세관형 메쉬 네트워크가, 상기 다공성 붕소 도핑 탄소 필름의 중심 구역으로부터 시작하여 외곽으로 이어지는 이격 동심원들로(in concentric spaced circles) 구성되는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제12항에 있어서, 상기 제올라이트 함유 합성 필름의 상기 표면에 매입된 나노탄소 세관들이, 상기 다공성 붕소 도핑 탄소 필름의 중심 구역으로부터 시작하여 외곽으로 이어지는 이격 동심원들로 구성되는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 카트리지가, 본 장치로부터 탈착가능하고(removable), 하나의 탈착가능 카트리지 케이스(removable cartridge case)를 위한 하나의 삽입부(insert)를 더 포함하여 구성되며,
상기 카트리지 케이스가 복수의 슬롯들(slots)과 상기 카트리지 케이스의 한쪽에서 다른 쪽으로 뻗어 있는 공간(void)을 가지도록 구성되어,
상기 복수의 슬롯들이 상기 반복 유닛들을 수용하도록 구성되며, 상기 공간이, 상기 필터재의 적어도 일부를 상기 소스에 노출시키도록 구성되는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제12항에 있어서, 식 (II)의 다이루테늄-치환 폴리옥소메탈레이트가, Na₁₄[Ru₂Zn₂(H₂O)₂(ZnW₉O₃₄)₂]인, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제21항에 있어서, 식 (II)의 상기 다이루테늄-치환 폴리옥소메탈레이트가, Na₁₄[Ru₂Zn₂(H₂O)₂(ZnW₉O₃₄)₂]인, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제1항의 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치를 포함하여 구성되는, 호흡 장치(breathing device).
제11항에 있어서, 식 (1)이, Ru⁽ ^III ⁾(CN)₆ ^-3, PO₄ ^-3, F 및 그 혼합물들로 구성되는 그러한 군으로부터 선택되는 음이온성 화학제(anionic chemical) 또는 식 {Ru₂[N(CH₂NH₂)₃]⁶⁺} Ru₂[N(CH₂NH₂)₃]⁶⁺}을 가지는 헥사메틸렌 테트라민(hexamethylene tetramine)의 다이루테늄 착물의 양이온 형(cationic form)의 어느 하나에 결합되는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제12항에 있어서, 식 (II)이, Ru₂Zn₂(H₂O)₂(ZnW₉)₃₄)₂ ^- ¹⁴ 로 변환되는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제21항에 있어서, 상기 Na₁₄[Ru₂Zn₂(H₂O)₂(ZnW₉O₃₄)₂] 가,
Ru₂Zn₂(H₂O)₂(ZnW₉O₃₄)₂ ^- ¹⁴로 또는 Ru₂Zn₂(H₂O)₂(ZnW₉)₃₄)₂ ^- ¹⁴ 로 변환되는, 산소 및/또는 수소 가스의 제조 장치.
제5항의 산소 및/또는 수소 가스 제조 장치의 상기 마우스피스 및/또는 플로우 부스터에 공기의 흐름을 제공하여, 상기 장치로부터 산소 및/또는 수소 가스의 흐름을 만드는 단계를 포함하여 구성되는, 2분자 산소 및/또는 수소 가스의 제조 방법.