KR20220152325A - 플라즈마 연소를 안정화하고 보조하기 위한 나노크기의 세라믹 플라즈마 촉매 - Google Patents
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Abstract
플라즈마 보조된 연소에 적용하기 위한, 나노다공성 웨이퍼 및 그 위에 고정된 결정질 나노위스커를 포함하는 세라믹-매트릭스 나노복합재 형태의 새로운 플라즈마 촉매가 개시되어 있다. 나노세라믹 플라즈마 촉매의 새로운 기능은 플라즈마와 고체의 시너지 효과에 의해 주도된다. 밸브 금속 산화물, 극성 전이 금속 산화물, 희토류 산화물 및 인화물, 알칼리 금속 산화물, 규소 산화물 및 질화물 등의 조합을 기반으로 한 플라즈마 촉매가 개시되어 있다. 구성요소들 중 하나는 강유전성 거동을 가지고 있다. 불균일 촉매 및 플라즈마 촉매 효과를 결합하는 이점은 넓은 영역의 응용 분야에 유용할 수 있고, 대규모 산업에 맞게 확장될 수 있다.
Description
본 발명은 이른바 세라믹-매트릭스 나노복합재 형태의 새로운 플라즈마 촉매(plasma catalyst) 구성을 포함하는, 플라즈마 보조된 연소를 자극하고 유지하기 위한 플라즈마 촉매에 관한 것으로, 3원 및 더 고차 복합체를 포함하는, 밸브 금속(valve metal) 산화물, 극성 전이 금속 산화물, 희토류 산화물 및 인화물, 알칼리 금속 산화물, 규소 산화물, 규소 탄화물 및 질화물의 새로운 조합이 개시되어 있다.
물질의 합성 및 개질(reforming), 폐기물 처리 등을 위한 저온, 부분 이온화된 플라즈마(이하 LTP)의 촉매 특성은 잘 확립되어 있으며, 이미 산업용으로 가능한 기술을 제공하고 있다. 통상적으로, LTP 또는 소위 비열 플라즈마에서, 이온 쌍의 양은 109 내지 1013 cm-3이고, 전자 온도는 105 K 이하이다. LTP는 비평형 플라즈마이며, 전자 온도는 이온 및 중성 입자 온도보다 훨씬 높다.
방전(electrical discharge), 레이저 조사, 초고주파(super-high frequency)-극초단파(ultra high frequency) 방사선, 상대론적 전자빔(relativistic electron beam) 또는 무선 이온화(radio-ionization) 기술을 기반으로 하는 기존의 LTP 생성 설비는 LTP를 형성하는 데 사용된다.
종래 기술의 단점은 주로, 플라즈마 생성 설비가 에너지 형성 플라즈마 및 외부 고전력 소스의 도입(lead-in)을 위한 복잡한 피드스루(feedthrough)를 갖는 전기기계 및/또는 광전자기계 장치이고, 자체적으로 구동되지 않으며, 다시 말하자면, 예를 들어, 자외선-가시광선-적외선(이하 UV-VIS-IR) 조사대(irradiation band) 형태로 연소의 열에너지를 하베스팅(harvesting)하여 초전기적으로 전기를 생성하고, 내부 전계 강화 방출 및 전자 산란을 통해 전기를 플라즈마 형성 매질로서 진공 자외선-연 X선(vacuum ultraviolet-soft X-ray)(이하 VUV-연 X-선) 이온화 복사대로 변환시킬 수 없다는 사실에 기인한다.
종래 기술의 단점은 다양한 용량 및 크기의 반응기에 대한 플라즈마 생성 설비를 확장하는 것이 어렵다는 것이다.
단점들은, 플라즈마의 촉매 특성만 사용되며, 플라즈마를 형성하기 위해 에너지를 전달 및/또는 분리하는 표면의 촉매 특성과 플라즈마로부터 얻을 수 있는 시너지 효과가 없기 때문에 기능을 제한한다.
선행 기술의 대표적인 샘플은 다음 문서들에서 알려져 있다: US7592564B2 - 다중 방사선 소스를 사용한 플라즈마 생성 및 처리(Plasma generation and processing with multiple radiation sources); US7608798B2 - 플라즈마 촉매(Plasma catalyst); US2019321799A1 - 메탄으로부터 수소의 촉매 비열 플라즈마 생산을 위한 유전체 장벽 방전 반응기(Dielectric barrier discharge reactor for catalytic nonthermal plasma production of hydrogen from methane); KR20190092939A - 동일한 반응기에 광촉매로 코팅된 암모니아 패킹 재료 제거를 위한 플라즈마 광촉매 반응기 및 동일한 패킹 재료의 제조(Plasma-Photo Catalyst Reactor for Removal of Ammonia Packing Material coated with Photo Catalyst for the same Reactor and Preparation of the same Packing Material); CN109999817A - Cu/ZnO-ZrO2 고용체 촉매 및 글로우 방전 플라즈마 보조된 제조 방법 및 이의 응용(Cu/ZnO-ZrO2 solid solution catalyst and glow discharge plasma assisted preparation method and application thereof); KR20180116952A - 플라즈마 및 촉매형 건식 개질 장치 및 방법(Plasma and catalyst type dry reforming apparatus and method); WO2009116868A1 - 합성가스 생산을 위한 상기 화합물의 마이크로파 보조 플라즈마 분해에서 유기 물질 및 복합재를 함유하는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 사용 방법(Process for the use of alkali metal or alkali earth metal containing organic materials and composites in the microwave-assisted plasma decomposition of said compounds for the production of syngas); CN108895482A - 플라즈마 방전에 의해 보조된 연소 화염 안정제(Combustion flame stabilizer assisted by discharging plasma).
유럽 특허 출원 EP3280230A1(Efenco OU, 2018년 2월 7일 공개)은 연소 안정화 및 독성 생성물의 중화를 위한 열매체(heat carrier)에서 플라즈마를 생성하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다. 상기 발명은 연소 생성물, 즉 열매체를 형성하는 고온 연소 가스의 선택적인 이온화를 위한 미세하게 구성 가능한 도구로 사용될 적절한 스펙트럼 구성과 함께 충분히 강력하고 적절한 파라미터를 갖는 이른바 싱크로트론 방사선 빔을 생성하는 것을 목표로 한다.
본 발명의 목적은 플라즈마 촉매를 생성하는 것으로, 상기 플라즈마 촉매는 추가적인 강화 요소로서 서로 전기물리학적 상호 영향을 미치는 플라즈마와 고체 촉매의 시너지 조합이며, 연소 챔버 벽의 라이닝을 위한 나노복합재 형태로 구현되고, 플라즈마 보조된 연소를 개시하고 유지하기 위한 것이다.
본 발명과 관련하여 명세서 및 청구범위에 언급된 주기율표에서 IUPAC 그룹 및 대응하는 IUPAC 그룹의 화학 원소들은 1990년에 IUPAC에 의해 채택된 그룹의 현대 표준 명칭을 나타낸다. 2018년 12월 1일 IUPAC 주기율표의 최신 릴리스(release).
밸브 금속은 밸브 작용 특성을 나타내는 주기율표의 내부 전이 금속의 일부 그룹으로, 음극으로 작용할 때는 이러한 금속이 전류를 흐르게 하지만, 양극으로 작용할 때는 절연성 양극막이 신속하게 형성됨으로써 전류의 통과를 방지하는 것으로 정의할 수 있다. 이러한 특성 때문에 밸브 금속이라고 한다. 여기에는 다음이 포함된다:
- IUPAC 4족: 4족의 일부는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 및 하프늄(Hf)을 포함하는 주기율표의 화학 원소 그룹(열)이고;
- IUPAC 5족: 5족의 일부는 바나듐(V), 니오븀(Nb) 및 탄탈룸(Ta)을 포함하는 주기율표의 화학 원소 그룹(열)이며;
- IUPAC 6족: 6족의 일부는 텅스텐(W)을 포함하는 주기율표의 화학 원소 그룹(열)이고;
- IUPAC 13족: 13족의 일부는 알루미늄(Al)을 포함하는 주기율표의 화학 원소의 그룹(열)이다.
본 발명의 맥락에서는, 주기율표에서 IUPAC 그룹 및 대응하는 IUPAC 그룹의 화학 원소가 사용된다:
- IUPAC 1족: 1족(알칼리 금속)의 일부는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 및 프랑슘(Fr)을 포함하는 주기율표의 화학 원소 그룹(열)이고;
- IUPAC 2족: 2족(알칼리 토금속)의 일부는 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 및 바륨(Ba)을 포함하는 주기율표의 화학 원소 그룹(열)이며;
- IUPAC 3족: 3족의 일부는 란타노이드를 포함하는 주기율표의 화학 원소 그룹(열)이고;
- IUPAC 4족: 4족의 일부는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 및 하프늄(Hf)을 포함하는 주기율표의 화학 원소 그룹(열)이며;
- IUPAC 5족: 5족의 일부는 바나듐(V), 니오븀(Nb) 및 탄탈룸(Ta)을 포함하는 주기율표의 화학 원소 그룹(열)이고;
- IUPAC 6족: 6족의 일부는 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 텅스텐(W)을 포함하는 주기율표의 화학 원소 그룹(열)이며;
- IUPAC 8족: 8족의 일부는 철(Fe)을 포함하는 주기율표의 화학 원소 그룹(열)이고;
- IUPAC 10족: 10족의 일부는 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt)을 포함하는 주기율표의 화학 원소 그룹(열)이며;
- IUPAC 11족: 11족의 일부는 구리(Cu), 은(Ag) 및 금(Au)을 포함하는 주기율표의 화학 원소 그룹(열)이고;
- IUPAC 12족: 12족의 일부는 아연(Zn)을 포함하는 주기율표의 화학 원소 그룹(열)이며;
- IUPAC 13족: 13족의 일부는 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 인듐(In)을 포함하는 주기율표의 화학 원소 그룹(열)이다.
- IUPAC 14족: 14족의 일부는 탄소(C), 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn) 및 납(Pb)을 포함하는 주기율표의 화학 원소 그룹(열)이고;
- IUPAC 15족: 15족의 일부는 질소(N), 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 및 비스무트(Bi)를 포함하는 주기율표의 화학 원소 그룹(열)이며;
- IUPAC 16족: 16족의 일부는 산소(O), 황(S) 및 셀레늄(Se)을 포함하는 주기율표의 화학 원소 그룹(열)이다.
본 발명에 따른 세라믹-매트릭스 나노복합재 형태의 플라즈마 촉매(이하 플라즈마 촉매)는 여러 물리적 효과를 통합시키며, 주요 효과로는 나노스케일 강유전체(ferroelectric)에서의 초전 효과, 쇼트키 효과(Schottky effect), 전계 강화 방출 및 필름에 대한 전자 산란, 자유 전자 및 광자 빔을 사용한 이온화, 관련 프로세스들 간의 양의 피드백(positive feedback)의 자발적 출현; 뿐만 아니라 사용된 물질의 촉매 활성이 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 촉매는 자외선-가시광선-적외선(이하 UV-VIS-IR) 조사대 형태로 연소의 열에너지 하베스팅을 수행하여 초전기적으로 전기를 생성하고, 내부 전계 강화 방출 및 전자산란을 통해 전기를 플라즈마 형성 매질로서 진공 자외선-연 X선(이하 VUV-연 X선) 이온화 복사대로 변환시킨다.
에너지 하베스팅(에너지 스캐빈징(energy scavenging)으로도 공지됨)은 예를 들어 환경(예를 들어, 연소 챔버)에 존재하는 연소 과정에서 방출되는 주변 에너지를, 자율 전자 기기(autonomous electronic device) 또는 회로를 구동시키는 데 사용하기 위한, 본 발명의 맥락에서는 본 발명에 따른 플라즈마 촉매를 구동시키는 데 사용하기 위한 전기 에너지로 변환시키는 것이다.
본 발명에 따른 플라즈마 촉매는 연소 챔버의 라이닝이며, 따라서, 연소 챔버로 에너지 형성 플라즈마의 직접 도입이 사용된다. 플라즈마 촉매의 작동 조건은 수백 섭씨 온도와 약한 산화 및 알칼리성 환경이다.
플라즈마 촉매는 나노미터 재료의 여러 기능층들을 포함하는데, 주요 기능층으로는 입사 UV-VIS-IR을 흡수하여 VUV-연 X선 출력으로 변환시키는 층이 있으며, 이는 결정자(crystallite)(다결정질(polycrystalline) 또는 다결정 구조(polycrystal structure)) 및/또는 단결정질(단결정 구조) 나노위스커(nanowhisker); 나노위스커의 증착을 위한 매트릭스로서의 나노다공성 웨이퍼를 포함하고; 특수 웨이퍼 코팅이 없는 경우, 웨이퍼 재료 자체가 고체 촉매 역할을 한다.
바람직하게는, 상기 나노미터 재료는 3원 및 더 고차 복합체를 포함하는, 밸브 금속 산화물, 극성 전이 금속 산화물, 희토류 산화물 및 인화물, 알칼리 금속 산화물 및 질화물, 규소 산화물, 규소 탄화물 및 질화물이며, 이들은 기능적 특성 및 목적에 따라 잘 정의된 방식으로(화학 공식에 의해) 배합 및 합성된다.
바람직하게는, 상기 흡수 및 변환 층은 추가 코팅이 있거나 없고, 웨이퍼의 기공 내부에 증착되는 수직으로 정렬된 페로브스카이트형(perovskite-like) 다결정 및/또는 단결정 나노위스커(이하 나노위스커) 어레이이다. 나노위스커는 직경이 1 내지 100 nm이고, 종횡비(길이 대 직경)가 100 초과인 1차원(1D) 나노결정질 구조로 정의된다.
바람직하게는, 상기 나노다공성 웨이퍼는 자체 조직화되고, 벌집형이며, 거의 단분산된 나노포어의 어레이를 포함하는 면평행(plane-parallel) 플레이트로, 상기 나노포어 어레이는 양면 또는 한 면만 개방되어 있고, 웨이퍼의 상부/하부 표면에 수직으로 향한다. 웨이퍼의 크기는 확장 가능하며, 라이닝과 연소 챔버의 치수에 따라 달라진다.
본 발명에 따른 플라즈마 촉매는 연소 챔버 벽 라이닝을 위한 소결된 고체의 얇은 세라믹 타일이다. 벽 라이닝은 추가적인 열, 산화 및 알칼리 방지 차폐 역할을 할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 촉매는 확장 가능한 아키텍처(architecture)를 가지며; 움직이는 부분이 없고, 자체적으로 구동되며 본질적으로 신뢰할 수 있다.
본 발명은 일반적으로 열 구동 직접 VUV-연 X선 발생 장치가 있는 플라즈마 촉매로 분류되며, 따라서 상기 열에너지 소스에 제한되지 않는다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 촉매는 세라믹-매트릭스 나노복합재 형태로 제공되며, 상기 나노복합재는 적어도 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 이때 상기 제1 부분은 나노다공성 웨이퍼를 포함하고, 제2 부분은 결정질 나노위스커를 포함한다.
상기 플라즈마 촉매에서, 상기 나노다공성 웨이퍼는 주기율표의 IUPAC 4족, 5족, 6족 및 13족 밸브 금속 산화물, 규소/규소 산화물 및 규소 탄화물 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 나노위스커는 초전 특성을 갖는 페로브스카이트형 다결정 및/또는 단결정 강유전체, 전이 금속, 전도성 금속-산화물-금속 세라믹 또는 이들의 복합체 중 적어도 하나를 포함한다.
바람직한 구현예에서, 상기 제1 부분 및 제2 부분은 다층 박막 또는 웨이퍼 형태의 상부 커버(top cover)에 의해 덮인다.
바람직하게는 상기 상부 커버는 적어도 3개의 층을 포함한다:
- 촉매 그리드(catalyst grid);
- 산화 및 알칼리 방지층; 및
- 투명한 전도성 산화물 세라믹층.
플라즈마 촉매의 또 다른 바람직한 구현예에서, 상기 나노복합재는 소결된 고체의 얇은 세라믹 타일 형태이다.
플라즈마 촉매의 또 다른 바람직한 구현예에서, 상기 제1 부분의 나노다공성 웨이퍼는 원통형 또는 V형 군(population) 중 어느 하나의 자체 조직화되고, 벌집형이며, 거의 단분산된 기공의 어레이를 포함하는 면평행 웨이퍼 형태로, 상기 기공 어레이는 양면 또는 한 면만 개방되어 있고, 웨이퍼의 상부/하부 표면에 수직으로 향한다.
플라즈마 촉매의 또 다른 바람직한 구현예에서, 상기 나노다공성 웨이퍼는 하기 공식에 따라 합성되는 세라믹이다:
상기 식에서, Me4는 주기율표의 IUPAC 4족 전이 금속의 밸브 금속이고,
상기 식에서, Me5는 주기율표의 IUPAC 5족 전이 금속의 밸브 금속이고,
상기 식에서, Me6은 주기율표의 IUPAC 6족 전이 금속의 밸브 금속이고,
상기 식에서, Me13은 주기율표의 IUPAC 13족 전이 금속의 밸브 금속이고,
상기 식에서, 인덱스(index) I, J, K, L, M 및 Z는 각 유형의 원자의 수치적 비율이고; I, J, K, L, M 및 Z 중 하나는 0보다 크거나 그렇지 않으면 N = 1이다.
플라즈마 촉매의 또 다른 바람직한 구현예에서, 초전 특성을 갖는 상기 강유전체는 다음 공식에 따라 합성되는, 다결정 또는 단결정 형태의 페로브스카이트형 결정질 나노위스커이다:
상기 식에서, 위첨자 인덱스는 주기율표의 IUPAC 그룹을 나타내고;
상기 식에서, 아래첨자 인덱스 I, J, K, L, M, N, R, X, Y, 및 Z는 각 유형의 원자의 수치적 비율을 나타내고;
상기 식에서, Σ[...]는 위첨자 그룹(들)의 여러 원소들을 포함하는 복합체의 형성을 나타내며;
상기 식에서, Me, sMe, nMe는 각각 금속, 준금속 및 비금속을 나타내고;
상기 식에서, I, J, L, 및 Z 중 적어도 하나는 0보다 크며, 일반적으로 0 ≤ I, J, K, L, M, N, R, X, Y, Z ≤ 30이다.
본 발명은 또한 연소 챔버 라이닝의 구성요소로서 플라즈마 촉매를 사용하는 것을 포함하며, 상기 라이닝은 연소 챔버 벽의 추가적인 열, 산화 및 알칼리 방지 차폐 역할을 한다.
바람직하게는 상기 연소 라이닝은 연소 챔버 벽의 추가적인 열, 산화 및 알칼리 방지 차폐 역할을 한다.
추가 적용 영역은 본원에 제공된 설명에서 명백해질 것이다. 이 요약의 설명 및 특정 예는 단지 예시를 위한 것으로, 본 개시의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본원에 설명된 도면은 모든 가능한 구현이 아니라 단지 선택된 구현예의 예시 목적을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않으며, 여기서:
도 1은 개시된 구현예의 요약을 나타내고;
도 2는 나노스케일 강유전성 페로브스카이트에서 크기에 따른 효과를 보여주며;
도 3은 전기물리학적 현상을 보여주고;
도 4는 플라즈마 촉매의 시너지 효과를 보여주며;
도 5는 플라즈마 촉매 - LTP - 고체 촉매 상호 작용을 보여주고;
도 6은 세라믹-매트릭스 나노복합재의 전반적인 구조적 개념으로 플라즈마 촉매를 보여주며;
도 7은 나노다공성 웨이퍼, 이의 구조 및 재료를 나타내고;
도 8은 나노위스커, 이 구조 및 재료를 나타내며;
도 9는 상부 커버, 이의 구조 및 재료를 나타내고;
도 10은 플라즈마 촉매의 웨이퍼 본딩 기술을 보여준다.
도 1은 개시된 구현예의 요약을 나타내고;
도 2는 나노스케일 강유전성 페로브스카이트에서 크기에 따른 효과를 보여주며;
도 3은 전기물리학적 현상을 보여주고;
도 4는 플라즈마 촉매의 시너지 효과를 보여주며;
도 5는 플라즈마 촉매 - LTP - 고체 촉매 상호 작용을 보여주고;
도 6은 세라믹-매트릭스 나노복합재의 전반적인 구조적 개념으로 플라즈마 촉매를 보여주며;
도 7은 나노다공성 웨이퍼, 이의 구조 및 재료를 나타내고;
도 8은 나노위스커, 이 구조 및 재료를 나타내며;
도 9는 상부 커버, 이의 구조 및 재료를 나타내고;
도 10은 플라즈마 촉매의 웨이퍼 본딩 기술을 보여준다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하고 예시하였다. 그러나, 본 발명은 위에서 설명되고 첨부된 도면에서 보여주는 구현예들로 제한되지 않는다. 본 설명 및 첨부된 청구범위에 따라 도출 및 구현될 수 있는 다른 가능한 구현예 및 특징적인 특징들의 조합이 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예가 본원에 개시되어 있다. 변경, 대체 및 대안은 당업자에게 자명하고, 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있음이 이해된다. 이 설명은 예시적인 구현예(들)의 임의의 장치 또는 변형을 포함하도록 의도된다. 또한, 본 명세서에서, "포함하다(comprise)" 또는 "포함하는(comprising)" 또는 "포함하다(include)" 또는 "포함하는(including)"이라는 용어는 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않으며, "하나" 또는 "단일"이라는 용어는 복수를 배제하지 않으며, "및/또는"이라는 용어는 둘 중 하나 또는 둘 다를 의미한다. 또한, 설명된 특징들 또는 단계들은, 설명 또는 문맥상 달리 암시하지 않는 한, 다른 특징들 또는 단계들과 조합하여 임의의 순서로 사용될 수도 있다.
본 발명 및 이의 구현예의 더 나은 이해를 목적으로, 먼저 본 발명의 기초가 되는 물리적 효과 및 현상에 대한 설명이 제공된다.
나노스케일 강유전체의 초전성
강유전체 페로브스카이트의 치수가 실제로 0-2D 나노스케일로 제한되면, 벌크 강유전체의 특성을 지배하는 법칙이 더 이상 구현되지 않는다. Landau-Ginzburg-Devonshire의 현상학적 이론과 계산 모델에 따르면, 차원 효과는 분극 값(초전 계수)과 강유전성 나노구조체의 상전이 온도를 미세 조정하는 데 사용될 수 있으므로 조정 가능한 거대한 초전성 반응을 시스템에 제공할 수 있다.
0-2D 강유전체의 전기물리적, 광학적, 기계적 특성의 변화는 반경 방향으로 내부 압력을 유도하는 표면 장력의 변화와 관련이 있다. 0-2D 나노구조체의 내부 압력은, 예를 들어, 종횡비가 아닌 반경이 있는 나노위스커 형태의 1D 원통형 결정에서, 크기가 감소함에 따라 증가한다. 압력의 영향은 결정 축을 기준으로 한 분극 방향에 따라 달라진다.
도 2는 나노위스커의 크기 기반 효과에 대한 곡선군을 보여준다. 도 2에서, a) 및 b)는 원통형 나노결정의 반경 R에 대한 다양한 강유전체의 퀴리 온도(Curie temperature) TC 및 초전 계수 P(분극)의 일반적인 의존성을 나타내며, 이때 TC는 강유전상에서 상유전상으로의 2차 상전이 온도이다. 분극 벡터가 축을 따라 향할 때, TC와 초전 계수 P(분극)는 반경이 감소함에 따라 증가하지만(강유전성을 선호하는 장거리 상호 작용이 약해지는 임계 반경 RCR까지), 축에 수직인 분극의 경우, TC와 P는 반경이 감소함에 따라 떨어진다.
전계 강화 방출
도 3의 파트 a)는 전자의 전계 방출 및 전계 강화 방출에 대한 조건을 보여준다. 통상적으로 전계 방출의 경우, 방출 표면에서 강도 E ~ 107 V/cm(1 V/nm)를 갖는 전기장은 표면 장벽을 통한 전자 터널링(electron tunneling)에 필요한 조건이다.
실제로, 면평행 전극계에서는 107 V/cm의 강도로 균일한 전계를 얻는 것은 불가능하다. 나노스케일의 원통, 원뿔 등을 사용하는 것과 같이, 방출 표면의 형태 변화로 인해 불균일한 전계가 생성되는 경우는 예외이다. 따라서, 에미터(emitter)-양극 시스템의 전계 강도는 다음 공식에 따라 증가할 수 있으며: E = γ·U, 이때 U는 방출 표면에 인가된 전압이고, γ(1/cm)는 전계 강화 계수이다.
도 3의 플롯 b)는 직경 d와 방출 표면과 양극 사이의 거리 D에 대한 동축 원통형 시스템의 전계 강화 계수 γ(d,D)의 의존성을 보여준다. 플롯에서 볼 수 있듯이, 전계 강화 계수가 2.3x104 cm-1 ≤ γ ≤ 2.6x106 cm-1 범위에 있고, 방출 표면에 인가된 전압이 4V ≤ U ≤ 450V인 경우, 전계 강도는 E ≥ 107 V/cm가 되며, 이는 전자의 전계 강화 방출에 필요한 조건이다.
필름에 대한 전자 산란
도 3의 스케치 c)와 d)는 고체와 다층 필름에서의 전자 산란 차이를 보여준다. 다층 필름으로의 전자 산란은 층의 서로 다른 물질로 인해, 그리고 내부 층간 경계에서의 산란(브래그 효과(Braggs' effect)) 및 층간 교환 상호작용으로 인해 더 복잡해 보인다.
고체의 경우, 물질에 대한 전자 침투 깊이(전자 트랙 길이) RKO는 하기와 같이 Kanaya-Okayama 식으로 추정될 수 있다:
상기 식에서, A는 원자 질량이고; E0는 초기 전자 에너지이며; ρ는 물질 밀도이고; Z는 원자 번호이다. 화합물의 경우(단순히 가정하면, 다층 필름을 화합물로 간주할 수 있음), 평균값이 계산에 사용된다.
X선 생성 깊이는 하기와 같이 Anderson-Hasler 식으로 추정될 수 있다:
상기 식에서, EC는 흡수단(absorption edge)(임계 여기) 에너지이다.
일반적으로, 전자 경로는 Monte Carlo 시뮬레이션을 기반으로 하는 수학적 모델링 기술을 사용하여 계산된다.
플라즈마와 불균일 촉매의 시너지 효과
도 4는 톨루엔의 파괴에서 다양한 촉매 기술의 효과 평가와 관련된 실험 데이터가 있는 다이어그램을 도시한 것이다. 톨루엔이 파괴되는 동안 상대 효율(생성물 수율)은 방전 플라즈마의 촉매 특성을 추가로 화학 반응기에 배치된 고체 상태 촉매와 결합할 때 최대 65%에 도달한다.
도 5는 플라즈마 촉매-LTP-고체 촉매 시스템의 상호 작용 메커니즘을 보여준다. 다음과 같은 유형의 상호 작용이 있다: 이온화 방사선 - 물질; 플라즈마 - 표면; 재결합 플라즈마 방사선 - 환경; 및 물질 - 불균일 촉매.
VUV-연 X선 이온화 방사선은 반응성 라디칼 조각과 진동 및 전자적으로 여기된 종을 효율적으로 생성한다. 이러한 화학적 활성 종은 반응 동력학 및 경로를 유도하고, 가스 상에서 독특한 구조를 생성하며, 이는 적어도 경제적으로 유의한 방식이 아닌 다른 방식으로는 얻을 수 없다.
플라즈마 주변에 경계가 존재하면 플라즈마의 특성이 극적으로 변하는 강한 구배가 생성된다. 이러한 경계 영역에서, 입사 VUV-연 X선 방사선이 플라즈마와 가장 강하게 상호 작용하여 종종 독특한 반응을 일으킨다. 그리고 바로 경계 표면에서, 표면과 플라즈마의 복잡한 상호 작용이 발생한다.
플라즈마에서 여기된 종의 재결합에 의해 생성된 광자는 플라즈마의 다른 종 또는 플라즈마의 경계와 상호 작용하고, UV-VIS-IR 방사 조도(irradiance)의 형태로 플라즈마를 빠져나갈 수 있다.
기본적으로, 고체 촉매 표면의 산화환원 반응에 대해 세 가지 반응 메커니즘이 제안되었다:
- Langmuir-Hinshelwood 메커니즘(LH)은 두 분자들이 인접 부위에 흡착되고, 흡착된 분자들이 이분자 반응을 겪는다는 것이고;
- Eley-Rideal 메커니즘(ER)은 분자들 중 하나만이 촉매 표면에 흡착되고, 다른 하나는 흡착 없이 가스 상태에서 직접 반응하는 것으로 간주되며;
- Mars and Van Krevelen(MvK) 메커니즘은 반응의 일부 생성물이 촉매 격자의 하나 이상의 구성요소와 함께 고체 촉매 표면을 떠난다고 가정한다.
본 발명에 따른 플라즈마 촉매는 UV-VIS-IR 조사대 형태로 연소의 열에너지 하베스팅을 수행하여 초전기적으로 전기를 생성하고, 내부 전계 강화 방출 및 전자 산란을 통해 전기를 플라즈마 형성 매질로서 VUV-연 X선 이온화 복사대로 변환시킨다.
본 발명에 따른 플라즈마 촉매는 추가 코팅이 있거나 없는 적어도 하나의 웨이퍼 형태의, 3원 및 더 고차 복합체를 포함하는, 밸브 금속 산화물, 극성 전이 금속 산화물, 희토류 산화물 및/또는 인화물, 알칼리 금속 산화물, 규소 및/또는 규소 산화물, 규소 탄화물 및/또는 질화물(의 삼원 및 더 높은 착물 포함)의 조합에 기초한 세라믹-매트릭스 나노복합재로서 구현된다.
도 6은 플라즈마 촉매의 가능한 자유롭게 확장 가능한 구조적 구현예 중 하나의 설계를 도시한 것이다. 플라즈마 촉매는 자체 조직화되고, 벌집형이며, 거의 단분산된 기공(603)의 어레이를 갖는 적어도 하나의 웨이퍼(602)를 포함하는 복합재이며, 이때 각 기공은 3개의 나노위스커(604), (605) 또는 (606) 중 적어도 하나를 포함한다. 플라즈마 촉매에는 추가적인 상부 커버(601) 및 웨이퍼(602)의 코팅(607)이 있을 수 있다.
도 7은 나노다공성 웨이퍼(602) 및 코팅(607)의 형태 및 재료를 나타낸다. 웨이퍼는 단면 또는 양면 개방 기공을 포함하며, 첫 번째 경우, 웨이퍼에는 원래 웨이퍼 재료의 전기화학적 가공 후에 남아 있는 이른바 잔류 베드(residual bed)가 있다. 또한, 웨이퍼에는 원통형 또는 V형 군의 기공 및 추가 단면 코팅이 있을 수 있다. 웨이퍼는 하기 공식에 의해 합성되는 규소/규소 이산화물 또는 규소 탄화물인 밸브 금속 산화물의 세라믹이다:
상기 식에서, MeXX는 IUPAC 그룹 XX 전이 금속의 밸브 금속이고; 아래첨자 인덱스는 각 유형의 원자의 수치적 비율이며; I, J, K, L, M 및 Z 중 하나는 0보다 크거나 그렇지 않으면 N = 1이다.
하기 공식에 따라 합성되는, 상부 커버(601)가 없는 웨이퍼(602):
상기 식에서, I, J, K, L, M 및 Z 중 하나는 0보다 크며,
불균일 산화환원 촉매, 예를 들어, γ-Al2O3이다. 웨이퍼는 필요에 따라 맞춤형(customized) 공식에 따라 합성될 수 있다.
웨이퍼 코팅(607)은 아무것도 포함하지 않거나 잔류 베드를 포함하고/포함하거나 하기 공식에 따른 화합물의 여러 박막 층을 포함하는 다층 코팅이다:
상기 식에서, I, J, K, L, M, N 및 Z 중 적어도 하나는 0보다 크다.
나노위스커 계열(604), (605) 및 (606)은 UV-VIS-IR 조사를 흡수하고, 초전기적으로 전기를 생성하며, 내부 전계 강화 방출 및 전자 산란을 통해 전기를 VUV-연 X선 이온화 방사선으로 변환시키는 데 중요한 역할을 한다.
도 8은 웨이퍼(702)의 기공에 증착된 나노위스커 계열을 도시한 것으로, 원통형 또는 V형 나노위스커 중 적어도 하나를 포함한다.
- 나노위스커(604)는 페로브스카이트형 위스커 또는 전도성 위스커 중 적어도 하나이고;
- 나노위스커(605)는 페로브스카이트형 위스커와 전도성 위스커를 포함하는 복합재이며;
- 나노위스커(606)는 양면에 페로브스카이트형 위스커와 전도성 위스커를 포함하는 복합재이다.
페로브스카이트형 나노위스커는 균질하거나 불균일한 결정질 구조를 가지며, 하기 일반식에 따라 합성된 다결정 또는 단결정 형태로 존재한다:
상기 식에서, 위첨자 인덱스는 IUPAC 그룹을 나타내고; 아래첨자 인덱스는 각 유형의 원자의 수치적 비율을 나타내고;
Σ[...]는 위첨자 그룹(들)의 여러 원소들을 포함하는 복합체의 (가능한) 형성을 나타내며;
Me, sMe, nMe는 각각 금속, 준금속 및 비금속이고; I, J, L, 및 Z 중 적어도 하나는 0보다 크고(예를 들어, LiNbO3 - 페로브스카이트형 격자, 균질, 단결정), 일반적으로 0 ≤ I, J, K, L, M, N, R, X, Y, Z ≤ 30(예를 들어, 바륨 나트륨 니오베이트 Ba2NaNb5O15 페로브스카이트형 결정)이다.
전도성 나노위스커 재료는 수백 도의 섭씨 온도에서 저항이 낮은 전이 금속, 금속 산화물 금속(MOM) 또는 이른바 투명 전도성 산화물(TCO) 세라믹 중 적어도 하나이다.
도 9는 상부 커버(601)의 구조 및 재료를 나타낸다. 상부 커버를 사용하는 경우, 도 9a와 같이 파장 범위에서 투명해야 하며, 박막 코팅 또는 웨이퍼 형태일 수 있다.
박막 코팅으로서 상부 커버(601)는 적어도 촉매 그리드 층(901), 산화 및 알칼리 방지층(902) 및 TCO 세라믹층(903)을 포함한다.
촉매 그리드 층(901)은 하기 일반식에 따른 전이 금속 박막 또는 MOM 박막 중 적어도 하나이다:
상기 식에서, I, J, K, L, M, N 및 Z 중 적어도 하나는 0보다 크다.
상부 커버(601)가 Si 웨이퍼(904)인 경우, 이는 적어도 다음 층들을 포함한다: 촉매 그리드 층(901); 산화 및 알칼리 방지층(902) 및 TCO 세라믹층(903).
도 10은 사용된 플라즈마 촉매 및 재료를 패키징하기 위한 웨이퍼 본딩 기술을 나타낸다. 플라즈마 촉매가 여러 개의 웨이퍼들을 포함하는 경우, 패키징은 다음 중 한 가지 방법으로 수행될 수 있다:
- 접착제 본딩, 도 10a;
- 유리 프릿 본딩, 도 10b.
접착 본딩 기술은, 웨이퍼(601, 602) 및 하소된 접착제(1002)의 다음 파라미터를 고려하여 선택되는, 무기 바인더 및 충전제의 특정 혼합물(1001)을 적용하는 것을 기반으로 한다:
- 사용된 모든 재료에 대한 열팽창 계수(CTE)의 분포는 ± 5% 이하임;
- 사용 온도(service temperature)와 본딩 압력은 임의의 플라즈마 촉매 구성요소들에 손상을 주어서는 안 됨;
- 전기전도도.
유리 프릿 본딩 기술은, 웨이퍼(601, 602) 및 유리(1004)의 다음 파라미터를 고려하여 선택되는, 유기 결합제, 유리 분말 및, 필요한 경우, 전도성 충전제의 특정 혼합물(1003)을 사용하는 것을 기반으로 한다:
- 사용된 모든 재료에 대한 열팽창 계수(CTE)의 분포는 ± 5% 이하임;
- 사용 온도(service temperature)와 본딩 압력은 임의의 플라즈마 촉매 구성요소들에 손상을 주어서는 안 됨;
- 전기전도도.
세라믹-매트릭스 나노복합체 형태의 플라즈마 촉매는 움직이는 부분이 없고, 자체적으로 구동되며, 본질적으로 신뢰할 수 있는 소결된 고체의 얇은 세라믹 타일이다.
플라즈마 촉매는 라이닝 형태로 연소 챔버 내부에 배치되며, 동시에 챔버 벽의 열 차폐 역할을 할 수 있다.
당업자에게는, 본 발명이 첨부된 도면에 도시되고 위에서 설명된 구현예로 제한되지 않고, 첨부된 청구범위의 범위 내에서 많은 다른 구현예가 가능하다는 것이 자명하다.
Claims (8)
- 세라믹-매트릭스 나노복합재 형태의 플라즈마 촉매(plasma catalyst)로서, 상기 나노복합재는 적어도 제1 부분 및 제2 부분을 포함하는 다층 구조이며, 이때
- 상기 제1 부분은 나노다공성 웨이퍼를 포함하고;
- 상기 제2 부분은 결정질 나노위스커(nanowhisker)를 포함하며;
- 상기 나노다공성 웨이퍼는 주기율표의 IUPAC 4족 Ti, Zr, Hf의 금속 산화물, 5족 V, Nb, Ta의 금속 산화물, 6족 Cr, Mo, W의 금속 산화물, 및 13족 Al의 금속 산화물, 규소/규소 이산화물 및 규소 탄화물 중 적어도 하나를 포함하고,
- 직경이 100 nm 미만이고 종횡비(aspect ratio)가 100 초과인 상기 나노위스커는 초전 특성을 갖는 페로브스카이트형(perovskite-like) 다결정 및/또는 단결정 강유전체, 전이 금속, 전도성 금속-산화물-금속 세라믹 또는 이들의 복합체 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 플라즈마 촉매. - 제1항에 있어서, 상기 제1 부분 및 제2 부분은 다층 박막 또는 웨이퍼 형태의 상부 커버(top cover)로 덮이는 것인, 플라즈마 촉매.
- 제1항에 있어서, 상기 상부 커버는 하기와 같은 적어도 3개의 층들을 포함하는 것인, 플라즈마 촉매:
- 촉매 그리드(catalyst grid);
- 산화 및 알칼리 방지층; 및
- 투명한 전도성 산화물 세라믹층. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노복합재는 소결된 고체의 얇은 세라믹 타일 형태인 것인, 플라즈마 촉매.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 부분의 나노다공성 웨이퍼는 원통형 또는 V형 군(population) 중 어느 하나의 자체 조직화되고, 벌집형이며, 거의 단분산된 기공들의 어레이를 포함하는 면평행(plane-parallel) 웨이퍼 형태로, 상기 기공들의 어레이는 양면 또는 한 면만 개방되어 있고, 상기 웨이퍼의 상부/하부 표면에 수직으로 향하는 것인, 플라즈마 촉매.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노다공성 웨이퍼는 하기 공식에 따라 합성되는 세라믹인 것인, 플라즈마 촉매:
상기 식에서, Me4는 Ti, Zr, Hf를 함유하는 그룹으로부터 선택된, 주기율표의 IUPAC 4족 전이 금속의 밸브 금속이고,
상기 식에서, Me5는 V, Nb, Ta를 함유하는 그룹으로부터 선택된, 주기율표의 IUPAC 5족 전이 금속의 밸브 금속이고,
상기 식에서, Me6은 Cr, Mo, W를 함유하는 그룹으로부터 선택된, 주기율표의 IUPAC 6족 전이 금속의 밸브 금속이고,
상기 식에서, Me13은 주기율표의 IUPAC 13족 전이 금속, 특히 Al의 밸브 금속이고,
상기 식에서, 인덱스(index) I, J, K, L, M 및 Z는 각 유형의 원자의 수치적 비율이고; I, J, K, L, M 및 Z 중 하나는 0보다 크거나 그렇지 않으면 N = 1이다. - 제1항에 있어서, 초전 특성을 갖는 상기 강유전체는 하기 공식에 따라 합성되는, 다결정 또는 단결정 형태의 페로브스카이트형 결정질 나노위스커인 것인, 플라즈마 촉매:
상기 식에서, 위첨자 인덱스는 주기율표의 IUPAC 그룹을 나타내며,
상기 식에서, 아래첨자 인덱스 I, J, K, L, M, N, R, X, Y, 및 Z는 각 유형의 원자의 수치적 비율을 나타내고,
상기 식에서, Σ[...]는 위첨자 인덱스 그룹(들)의 여러 원소들을 포함하는 복합체의 형성을 나타내며,
상기 식에서, Me, sMe, nMe는 각각 금속, 준금속 및 비금속을 나타내고,
상기 식에서, I, J, L, 및 Z 중 적어도 하나는 0보다 크며, 일반적으로 0 ≤ I, J, K, L, M, N, R, X, Y, Z ≤ 30이다. - 연소 챔버 라이닝의 구성요소로서의 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 플라즈마 촉매의 용도로서, 상기 라이닝은 연소 챔버 벽의 추가적인 열, 산화 및 알칼리 방지 차폐 역할을 하는 것인, 용도.
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