KR20230092926A - 재료를 플라즈마 내로 공급하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

플라즈마 토치의 플라즈마에 재료 공급원료를 제공하기 위한 장치는 입력 단부 및 출력 단부를 갖는 재료 공급 디바이스를 포함한다. 재료 공급 디바이스의 출력 단부는 적어도 부분적으로는 플라즈마 토치의 출력 단부 근처에 생성되는 플라즈마의 주변 주위로 연장된다. 재료 공급 디바이스는 플라즈마 토치의 중심 축에 대해 소정 각도로 배향된다.

Description

재료를 플라즈마 내로 공급하기 위한 방법 및 장치

[0001] 본 출원은 2020년 9월 25일자로 출원된 미국 가특허 출원 제63/083,204호로부터의 우선권 및 이익을 주장하며; 그 전체 내용들은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.

[0002] 본 기술은 일반적으로 플라즈마에 의한 재료의 처리를 위해 플라즈마에 재료를 공급하기 위한 디바이스들, 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 본 기술은 다양한 재료 공급 기술들을 가능하게 하여 처리량을 증가시키고 그리고 플라즈마-공급원료 결합 상호작용을 증가시키는 동시에 또한 플라즈마 처리로부터 재료에 다양한 특성들을 제공하기 위한 방법들 및 장치에 관한 것이다.

[0003] 플라즈마 토치들은 다양한 목적들을 위해 고온 플라즈마를 제공한다. 일반적으로, 유도 플라즈마 토치들 및 마이크로파 플라즈마 토치들을 포함한 여러 유형들의 플라즈마 토치들이 있다. 다른 유형들의 플라즈마 토치들에는 음극과 양극 사이에 아크가 발생하는 직류(DC) 플라즈마가 포함될 수 있다. 이러한 유형들의 플라즈마 토치들은 마이크로파 플라즈마가 약 6,000 K에 이르고 나머지는 약 10,000 K에 이르는 등 실질적으로 서로 다른 고온들을 제공한다.

[0004] 이러한 고온 플라즈마들은 플라즈마에 노출되거나 플라즈마로 공급되는 다양한 재료들의 처리를 가능하게 할 수 있다. 이러한 처리 유형 중 하나에는 특정 크기 및 형상의 하나 이상의 재료들을 취하고, 이를 플라즈마에 노출시키거나 공급함으로써, 하나 이상의 재료들을 서로 다른 크기 및/또는 형상으로 변경하는 것이 있다.

[0005] 예를 들어, 초기 또는 공급원료 재료들은 전형적으로 특정 형상 또는 다양한 형상들 및 특정 크기 또는 다양한 크기들로 제공된다. 일단 플라즈마에 노출되거나 공급되면, 초기 공급원료 재료들은 고온 플라즈마에 의해 처리되거나 변형되어 크기가 작아지거나, 형상이 유사해지거나, 또는 이 둘 모두 발생할 수 있다. 그러나 이 작업의 한 가지 목적은 재료를 불규칙한 형상들로부터 구형들로 구형화하는 것이다.

[0006] 본 명세서에는 플라즈마 토치의 플라즈마에 재료 공급원료를 제공하기 위한 디바이스들 및 방법들이 제공된다. 본 개시내용의 일 양태에 따르면, 플라즈마 토치의 플라즈마에 재료 공급원료를 제공하기 위한 장치가 개시된다. 장치는 입력 단부 및 출력 단부를 갖는 재료 공급 디바이스를 포함한다. 출력 단부는 플라즈마 토치의 출력 단부에서 또는 그 근처에서 생성되는 플라즈마의 주변 주위로 적어도 부분적으로 연장된다. 재료 공급 디바이스는 플라즈마 토치의 중심 축에 대해 소정 각도로 배향된다. 일부 실시예들에서, 재료 공급 디바이스의 출력 단부는 플라즈마의 주변 주위로 적어도 부분적으로 연장되는 플레어형 단면 구조를 갖는 노즐을 포함하여, 적어도 플라즈마의 전체 주변의 상당 부분 주위로 재료 공급원료의 실질적으로 균일한 분산을 제공한다. 일부 실시예들에서, 노즐은 플라즈마의 주변 주위 특정 포지션에서 플라즈마의 주변의 적어도 절반 주위로 재료 공급원료를 실질적으로 균일하게 분산시킨다. 일부 실시예들에서, 재료 공급 디바이스의 출력 단부는 플라즈마의 주변 주위에 배치되는 다수의 노즐들을 포함하며, 노즐들의 개수 및 단면 구조는 플라즈마의 전체 주변의 상당 부분 주위로 재료 공급원료의 실질적으로 균일한 분산을 제공하도록 선택된다. 일부 실시예들에서, 재료 공급 디바이스는 재료 공급원료를 플라즈마의 전체 주변 주위로 확산시키도록 설계된다. 일부 실시예들에서, 재료 공급 디바이스는 플라즈마 토치의 중심 축에 대해 조정가능하여 플라즈마의 길이를 따라 서로 다른 포지션들에서 재료 공급원료를 공급할 수 있다. 일부 실시예들에서, 재료 공급 디바이스는 플라즈마의 주변의 상당 부분뿐만 아니라 플라즈마의 길이를 따라 원하는 부분 주위로 재료를 공급한다. 일부 실시예들에서, 플라즈마 토치의 중심 축에 대한 재료 공급 디바이스의 각도는 조정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 재료 공급 디바이스는 입력 단부가 출력 단부보다 넓은 원뿔형 호퍼이다. 일부 실시예들에서, 플라즈마 토치 라이너는 원뿔형 호퍼의 입력 단부 및 출력 단부 둘 모두의 사이에 간극을 형성하고, 플라즈마 토치와 원뿔형 호퍼의 입력 단부 사이의 간극은 플라즈마 토치 라이너와 원뿔형 호퍼의 출력 단부 사이의 간극보다 커서, 재료가 더 큰 간극으로 공급되고 작은 간극을 통해 플라즈마의 실질적으로 전체 주변 주위로 플라즈마 내로 나올 수 있도록 한다. 일부 실시예들에서, 플라즈마의 일부는 원뿔형 호퍼의 출력 단부 및 플라즈마 토치의 개개의 단부의 경계들 밖으로 연장되고, 재료는 원뿔형 호퍼의 출력 단부에서의 더 작은 간극으로부터 직접 플라즈마의 이 부분의 주변 주위로 공급된다. 일부 실시예들에서, 장치는 또한 원뿔형 호퍼 내의 재료를 균일하게 분배하는 것을 돕기 위해 원뿔형 호퍼 내의 재료와 작동 가능하게 연통하도록 배치되는 재료 스월 디바이스를 포함한다. 일부 실시예들에서, 재료 공급원료는 중력에 의해 플라즈마로 공급된다. 일부 실시예들에서, 재료는 플라즈마를 현저하게 방해하지 않고 플라즈마에 의한 재료의 균일한 처리를 제공하는 특정 비율 및 속도로 플라즈마로 공급된다.

[0007] 본 개시내용의 다른 양태에 따르면, 플라즈마 토치의 플라즈마에 재료 공급원료를 균일하게 공급하기 위한 장치가 개시된다. 재료 공급 디바이스는 플라즈마 토치 내의 플라즈마 근처에 설치된다. 플라즈마는 작동 중 시간에 따라 약간 변화하는 3 차원 형상을 가지며, 길이, 폭, 깊이, 형상 및 주변이 바람직하게 그리고 비교적 일정하다. 재료 공급 디바이스는 플라즈마로 공급될 재료의 공급원과 작동 가능하게 연통하고, 재료 공급 디바이스는 또한 다양한 요인들에 기초하여 달라질 수 있는 원하는 분산 패턴으로 재료를 플라즈마로 전달할 수 있다. 재료 공급 디바이스는 플라즈마의 형상 및 포지션의 가변성에도 불구하고 플라즈마의 길이를 따라 그리고 적어도 플라즈마의 전체 주변의 상당 부분 주위의 포지션에서 플라즈마 내로 재료가 실질적으로 균일하게 분산될 수 있도록 설계 및 설치되어 플라즈마의 실질적으로 모든 에너지를 활용할 수 있고, 플라즈마에 재료를 투입함으로써 발생되는 플라즈마 자체의 가변성을 줄이며, 재료가 플라즈마와 결합하여 플라즈마에 의해 처리될 때 재료의 농도를 감소시켜 보다 효율적이고 일관된 재료 처리를 제공함으로써 수율을 높이는 동시에 정밀한 재료 사양들을 충족하기 위한 추가 처리를 피할 수 있도록 한다.

[0008] 본 개시내용의 다른 양태에 따르면, 플라즈마 토치 내에서 재료들을 처리하는 방법이 개시된다. 방법은, a) 플라즈마가 형성된 플라즈마 토치를 제공하는 단계 ─ 플라즈마는 비교적 일정하지만 작동 중에 시간에 따라 약간 변화하는 동적 3 차원 형상을 가지며, 바람직하고 비교적 일정한 길이, 폭, 깊이, 형상 및 주변을 가짐 ─를 포함한다. 방법은, b) 플라즈마로 공급되어 플라즈마에 의해 처리될 재료의 공급원을 제공하는 단계를 또한 포함한다. 방법은, c) 플라즈마의 원하는 포지션 근처에 재료 공급 디바이스를 제공하는 단계 ─ 재료 공급 디바이스는 플라즈마로 공급될 재료의 공급원과 작동 가능하게 연통함 ─를 또한 포함한다. 방법은, d) 다양한 요인들에 기초하여 달라질 수 있는 분산 패턴으로 재료 공급 디바이스를 사용하여 재료를 플라즈마로 이송하는 단계 ─ 재료 공급 디바이스는 플라즈마의 길이를 따라 그리고 적어도 플라즈마의 전체 주변의 상당 부분 주위의 포지션에서 플라즈마 내로 재료가 실질적으로 균일하게 분산될 수 있도록 설계 및 설치됨 ─를 또한 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법은, e) 플라즈마의 출력을 모니터링하여 플라즈마에 의해 재료의 원하는 처리가 제공되었는지 여부를 결정하는 단계; f) 재료의 원하는 처리가 달성되지 않은 경우, 플라즈마에 대한 재료의 분산 패턴을 조정하는 단계; 및 g) 재료의 원하는 처리가 달성될 때까지 필요에 따라 작업들 d) 내지 f)를 반복하는 단계를 또한 포함한다. 일부 실시예들에서, 플라즈마에 대한 재료의 분산 패턴을 조정하는 단계는 재료 공급율, 재료 속도 및 플라즈마에 대한 재료 공급 디바이스의 포지션 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 재료 공급율 및 재료 속도는 플라즈마 토치와 작동 가능하게 연통하는 재료 공급 디바이스 내에서 재료의 원활한 흐름을 제공하고, 재료 공급 디바이스 내에서 재료의 임의의 응집을 방지하도록 선택된다. 일부 실시예들에서, 플라즈마는 외부 온도보다 적어도 수 배 더 높은 내부 온도를 갖는 마이크로파 플라즈마이며, 이에 의해, 플라즈마에 제공되는 전력은, 외부 온도가 재료의 원하는 처리를 제공하는 것을 가능하게 하기에 충분하도록 해야 해서, 플라즈마의 내부로 이동할 수 있는 임의의 재료가 여전히 원하는 대로 처리되어 전력을 보존하면서 원하는 수율을 제공하고 이에 따라 비용들을 절감할 수 있다.

[0009] 본 발명은 첨부된 도면들과 함께 제시된 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 완전하게 이해될 수 있다.
[0010] 도 1은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 원뿔형 재료 공급 디바이스 및 플라즈마 토치 라이너의 측면도이다.
[0011] 도 2는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 도 1의 원뿔형 재료 공급 디바이스 및 플라즈마 토치 라이너의 사시도이다.
[0012] 도 3은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 도 1의 원뿔형 재료 공급 디바이스의 다른 사시도이다.
[0013] 도 4는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 원뿔형 재료 공급 디바이스를 구비한 일 예의 마이크로파 플라즈마 토치에 대한 단면도이다.
[0014] 도 5는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 원뿔형 재료 공급 디바이스를 통해 플라즈마 플룸(plume)으로 유입되는 켈빈(K) 단위의 시뮬레이션된 입자 온도들의 그래프이다.
[0015] 도 6은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 원뿔형 재료 공급 디바이스를 통해 플라즈마 플룸으로 유입되는 시뮬레이션된 입자 속도들의 그래프이다.
[0016] 도 7a는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 플레어형 재료 공급 디바이스의 평면도이다.
[0017] 도 7b는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 도 7a의 플레어형 재료 공급 디바이스의 측면도이다.
[0018] 도 7c는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 도 7a의 플레어형 재료 공급 디바이스의 플레어형 단부를 대면하는 정면도이다.
[0019] 도 8은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 2 개의 플레어형 재료 공급 디바이스들을 구비한 일 예의 마이크로파 플라즈마 토치의 단면도이다.
[0020] 도 9a 및 도 9b는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 한 쌍의 플레어형 재료 공급 디바이스들을 통해 플라즈마 플룸으로 유입되는 시뮬레이션된 입자 속도들 및 온도들의 그래프들을 도시한다.
[0021] 도 10은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치를 사용하여 재료들을 처리하는 방법을 예시하는 흐름도이다.

[0022] 이제, 본 명세서에 개시되는 디바이스들 및 방법들의 구조, 기능, 제조 및 사용의 원리들에 대한 전반적인 이해를 제공하기 위해 예시적인 특정 실시예들이 설명될 것이다. 이러한 실시예들 중 하나 이상의 예들이 첨부된 도면들에 예시된다. 당업자들은 본 명세서에 구체적으로 설명되고 첨부 도면들에 예시된 디바이스들 및 방법들이 비제한적인 예시적 실시예들이며, 본 발명의 범위는 청구항들에 의해서만 정의된다는 것을 이해할 것이다. 하나의 예시적인 실시예와 관련하여 예시되거나 설명되는 특징들은 다른 실시예들의 특징들과 결합될 수 있다. 이러한 수정들 및 변형들은 본 기술의 범위 내에 포함되도록 의도된다.

[0023] 일반적으로, 본 기술의 양태들은 플라즈마 처리를 위한 재료 공급 디바이스들과 관련된 디바이스들, 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 다양한 재료들이 플라즈마 토치를 사용하여 처리될 수 있다. 예를 들어, 재료 입자들이 플라즈마에 도입되어 플라즈마 내에 존재하는 매우 높은 온도들에 노출될 수 있다. 이러한 온도들은 재료 입자들을 처리하고 이들을 원하는 처리에 따라 서로 다른 크기들 또는 형상들의 입자들로 변형할 수 있다. 플라즈마는 다양한 실시예들에서 마이크로파 생성 플라즈마 또는 유도 생성 플라즈마일 수 있다.

[0024] 본 명세서에 개시된 실시예들은 이하의 이점들 중 하나 이상을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분산된 재료 공급 디바이스는 다양한 요인들에 기초하여 달라질 수 있는 원하는 분산 패턴으로 재료 입자들을 플라즈마로 전달할 수 있다. 본 명세서에 설명된 재료 공급 디바이스들은 플라즈마의 길이를 따라, 그리고 플라즈마의 주변의 상당 부분 주위의 특정 포지션에서 플라즈마 내로 재료 입자들이 실질적으로 균일한 분산 패턴을 가능하게 할 수 있다. 일부 경우들에서, 플라즈마의 형상 및 포지션의 가변성들에도 불구하고, 플라즈마의 주변 전체 주위에서 균일한 분포를 달성할 수 있다. 이를 통해 시스템은 플라즈마의 전체 에너지를 실질적으로 활용하고 플라즈마에 재료를 투입함으로써 발생되는 플라즈마 자체의 가변성을 줄일 수 있다. 이 공급 시스템과 동축으로 플라즈마 플룸을 공격하면 작업들의 전반적인 대칭성이 유지되고, 플룸 교란이 플룸 주위에 균일하게 분포된다.

[0025] 본 명세서에 설명된 재료 공급 디바이스들은 또한 재료가 플라즈마와 결합하여 플라즈마에 의해 처리될 때 재료의 농도(즉, 플라즈마 플룸의 원주로 유입하는 단위 부피당 입자들의 개수)를 감소시켜 보다 효율적이고 일관된 재료 처리를 제공할 수 있다. 이 농도는 분말이 원뿔에 의해 균일하게 분산되는 방식과 관련이 있다. 일부 실시예들에서, 공급 가스는 원뿔의 평면 상으로 분말을 구동하는 데 사용된다. 이러한 실시예들은 수율을 증가시키고 비용들을 절감하는 동시에, 정밀한 재료 사양들을 충족시키기 위한 추가 처리를 피할 수 있다.

[0026] 또한, 본 명세서에 개시된 기술들은 플라즈마 토치의 출력을 모니터링하고, 원하는 처리 결과들을 달성하기 위해 플라즈마로 유입되는 재료 입자들의 분산 패턴을 조정하는 재귀적인 방법을 제공한다.

[0027] 일부 실시예들에서, 플라즈마에서 공급원료의 처리를 최대화하기 위해, 공급원료는 국부적인 재료 농도를 감소시키기 위해 잘 분산되어야 한다. 국부적인 재료 농도가 너무 높으면, 일부 재료는 특정 플라즈마 조건들에 대해 불충분하게 처리될 수 있다.

[0028] 국부적인 공급원료 농도(g/cm³)(즉, 플라즈마 내의 입자들의 개수)가 너무 높으면 재료 처리에 악영향을 미친다. 이 조건에서, 재료의 농도가 높으면 사용 가능한 에너지가 감소하고 공정이 포화된다. 처리를 개선하는 한 가지 방법은 입자 분산을 높이거나 국부적인 공급원료 농도를 낮추어 성공적인 처리를 위한 충분한 에너지가 존재하도록 하는 것이다. 본 명세서에 개시된 주입 방식들은 입자들을 플라즈마의 주변 주위로 분산시킴으로써 플라즈마 내의 국부적인 재료 입자 농도를 감소시키는 기술들이다.

[0029] 일부 실시예들에서, 서로 다른 유형들의 재료들은 서로 다른 온도들에서 처리된다. 따라서, 플라즈마의 길이를 따라 재료들이 플라즈마로 유입되는 곳을 제어하는 것이 바람직하다. 본 개시내용의 일부 실시예들에서, 재료 공급 디바이스의 포지션이 플라즈마 토치에 대하여 조정될 수 있으므로, 원하는 경우, 재료들이 플라즈마의 길이를 따라 서로 다른 위치들 및 서로 다른 각도들로 플라즈마로 도입될 수 있다.

[0030] 일부 실시예들에서, 재료 공급원료 입자들은 각진 분말, 각진 칩들, 불규칙한 분말, 스폰지 분말들, 구형 입자들 또는 분말 등과 같은 다양한 형태들을 가질 수 있다. 재료는 플라즈마로의 도입 이전에 그라인딩, 밀링, 클리닝, 세척, 건조, 스크리닝 등과 같은 처리들을 통해 크기, 가스 함량, 순도 오염 및 화학적 특성에 대한 특정 기준들을 충족하도록 처리될 수 있다. 클리닝은, 예를 들어 유기, 세라믹, 또는 금속 오염물질들을 제거하는 것을 포함할 수 있다.

[0031] 일부 실시예들에 따르면, 재료 공급 디바이스는 플라즈마의 원주의 전체 또는 상당 부분 주위로 입자들을 도입하는 원뿔형 호퍼 또는 원뿔형 재료 공급기를 포함할 수 있으며, 이로써 전체 플라즈마 전위를 활용할 수 있을뿐만 아니라 국부적인 공급원료 농도를 최소화할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원뿔형 호퍼는 또한 플레넘 또는 버퍼 영역으로 작용하여 공급원료 재료의 전체 잔량(balance)이 재료 입력 단부에서 주입될 수 있도록 하여 상류측 재료 매니폴드들의 필요성을 완화할 수 있다. 이러한 실시예에서, 다수의 개별 재료 인젝터들에 균형 잡힌 흐름을 제공하는 설계 과제들이 제거될 수 있다.

[0032] 일부 실시예들에 따르면, 재료 공급 디바이스는 플라즈마의 주변의 상당 부분 주위로 재료 입자들을 분배하는 플레어형 인젝터 또는 노즐을 포함할 수 있다. 원뿔형 재료 공급기와는 달리, 플레어형 인젝터는 플라즈마로 유입되는 입자들의 재료 농도를 감소시키기 위해 공급원료를 측면으로 확산시킬 수 있으며, 동시에 공급원료를 작동 열 윈도우 내에 유지할 수 있다(그렇지 않으면, 구형화 수준과 같이 공정 효율이 감소됨).

[0033] 도 1은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치 라이너(101) 주위에 배치된 원뿔형 재료 공급 디바이스(103)의 측면도이다. 본 실시예에서, 원뿔형 재료 공급 디바이스(103) 또는 인젝터는 원통형 플라즈마 토치 라이너(101)를 둘러싸는 원뿔형 스타일로 되어 있다. 도 1의 화살표는 토치의 제1 단부로부터 플라즈마 토치 라이너(101)를 통해 플라즈마 플룸이 형성되는 토치의 제2 단부까지 흐르는 가스의 방향을 예시한다. 본 실시예에서, 원뿔형 재료 공급 디바이스(103)의 내부 표면은 원통형 플라즈마 토치 라이너(101)의 중심 축에 대하여 각도(θ)로 배치되도록 재료 입력 단부(107)로부터 재료 출력 단부(105)로 안쪽으로 경사져 있다.

[0034] 일부 실시예들에서, 원뿔형 재료 공급 디바이스(103)와 원통형 플라즈마 토치 라이너(101) 사이의 각도(θ)는 약 45°일 수 있다. 다른 실시예들에서, 각도(θ)는 약 40° 내지 50°, 약 35° 내지 55°, 약 30° 내지 60°, 약 25° 내지 65°, 약 20° 내지 70°, 약 15° 내지 75°, 약 10° 내지 80° 또는 약 5° 내지 85°일 수 있다. 재료 공급 디바이스와 플라즈마 토치 사이의 경사각은 일부 실시예들에서, 재료 입자들의 원하는 진입 각도에 기초하여 달라질 수 있다.

[0035] 도 2는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 도 1의 원뿔형 재료 공급 디바이스(103)의 사시도이다. 본 실시예에 도시된 바와 같이, 원뿔형 재료 공급 디바이스(103)는 원통형 플라즈마 토치 라이너(101) 주위에 배치되고, 원통형 플라즈마 토치 라이너(101)의 외측과 가장 좁은 단부(도 1에 도시된 재료 출력 단부(105))에서의 원뿔의 내경 사이에 특정 간극(109)이 형성되어 있다. 이 간극(109)은 재료 공급원료가 원뿔형 재료 공급 디바이스(103)로부터 특정 각도로 흘러나와 플라즈마 토치의 유출구에 형성된 플라즈마로 유입되도록 한다. 일부 실시예들에서, 간극(109)은 다른 요인들 중에서도 재료에 따라 달라질 수 있다.

[0036] 도 3은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 도 1의 원뿔형 재료 공급 디바이스(103)의 다른 사시도이다. 본 도면에서, 원뿔형 재료 공급 디바이스는 원뿔형 재료 공급 디바이스(103)와 플라즈마 토치 라이너(101) 사이의 예시적인 공간 관계를 추가로 보여주기 위해 수직 축으로부터 약간 기울어져 있다. 재료 공급 디바이스에 원뿔형 디자인을 사용함으로써, 플라즈마 화염의 전체 원주 주위로 재료를 플라즈마에 주입하거나 도입할 수 있으며, 이에 의해 전체 에너지 공급원을 활용하고 재료 농도를 최소화할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원뿔형 재료 공급 디바이스(103)는 또한 재료 분배 버퍼로서 작용할 수 있다. 다시 말해, 원뿔형 재료 공급 디바이스(103)와 원통형 플라즈마 토치 라이너(101) 사이의 부피에 재료를 주입 또는 공급하고 소용돌이 작용에 의해 분배할 수 있으므로, 상류측 매니폴드 공급에 대한 필요성도 피할 수 있다. 일부 실시예들에서, 재료 스월 디바이스는 공급 디바이스의 원뿔 부분의 재료와의 작동 가능한 연통을 위해 배치될 수 있는 공기흐름 발생기를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 설계는 중력을 이용하여 재료 입자들을 플라즈마로 도입함으로써, 주입 속도를 낮추고 잠재적으로 플라즈마 내의 입자들의 체류 시간을 증가시켜서 처리 시간을 증가시킬 수 있다.

[0037] 도 4는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 원뿔형 재료 공급 디바이스(403)를 구비한 일 예의 마이크로파 플라즈마 토치 라이너(401)의 단면도이다. 본 실시예에서, 마이크로파 플라즈마 토치(402)가 이용되고, 마이크로파 방사선이 도파관(405)을 통해 플라즈마 토치(402)로 유입될 수 있다. 공급 재료가 플라즈마 챔버(407)로 공급될 수 있고, 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이 원뿔형 재료 공급 디바이스(403)와 마이크로파 플라즈마 토치 라이너(401) 사이의 간극 사이에서 마이크로파 발생 플라즈마와 접촉될 수 있다. 본 예시적인 실시예에서, 마이크로파 생성 플라즈마를 통과한 후 처리된 입자들을 수집하기 위해 수집 챔버 또는 용기(409)가 플라즈마 챔버(407)의 출력에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로파 생성 플라즈마는 각각이 그 전체가 이에 의해 본 명세서에 인용에 의해 포함되는 미국 특허 제10,477,665호 및/또는 미국 특허출원 제8,748,785호에 설명된 바와 같이 마이크로파 플라즈마 토치를 사용하여 생성될 수 있다.

[0038] 일부 실시예들에서, 마이크로파 플라즈마는 외부 온도보다 수 배 더 높은 내부 온도를 가지며, 플라즈마에 제공되는 전력은, 단지 외부 온도가 재료의 원하는 처리를 제공하는 것을 가능하게 하기에 충분해야 해서, 플라즈마의 내부로 이동할 수 있는 임의의 재료가 여전히 원하는 대로 처리될 수 있다. 이렇게 하면 원하는 수율을 제공하면서 전력을 절약하여 비용들을 절감할 수 있다. 일부 실시예들에서, 유도 발생 플라즈마는 플라즈마의 외측에서 더 높은 온도를 가지며, 이는 고유한 문제들을 야기할 수 있다. 따라서, 마이크로파 생성 플라즈마를 사용하면, 완전한 처리를 보장하며, 이에 의해 수율을 증가시킬 수 있다.

[0039] 일부 실시예들에서, 재료 스월 디바이스(411)는 원뿔형 재료 공급 디바이스(403) 내의 재료와 작동 가능하게 연통 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 재료 스월 디바이스(411)는 원뿔형 재료 공급 디바이스(403) 내의 입자들의 응집을 방지하고 일관된 입자 공급율을 보장하기 위해 공기 흐름을 생성하도록 배치될 수 있는 공기흐름 발생기를 포함할 수 있다. 그러나, 재료 스월 디바이스(들)(411)의 개수, 유형 및 배치는 다양할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

[0040] 일부 실시예들에서, 원뿔형 재료 공급 디바이스(403)는 플라즈마 챔버(407)에 또는 플라즈마 토치 하우징에 장착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 원뿔형 재료 공급 디바이스(403)의 단부 또는 가장 좁은 부분은 플라즈마 토치 라이너(401)의 출력 또는 제2 단부와 일치하거나 동일 평면 상에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 플라즈마 토치 라이너(401)에 대한 원뿔형 재료 공급 디바이스(403)의 포지션은 플라즈마 플룸(404)의 길이를 따라 적절하거나 원하는 위치에서 재료 입자들을 플라즈마 플룸(404) 내로 도입하기 위해 수직으로 조정될 수 있다. 재료 입자들은 원뿔형 재료 공급 디바이스(403)의 더 큰 단부로 유입될 수 있고, (가능하게는, 재료 스월 디바이스(411)의 도움을 받는) 소용돌이 작용에 의해 플라즈마 토치 라이너(401)의 원주 주위로 분배될 수 있다. 일부 실시예들에서, 운반 가스 흐름과 중력의 조합은 재료 입자들을 원뿔형 재료 공급 디바이스(403)와 플라즈마 토치 라이너(401) 사이의 저부 간극을 통해 플라즈마 플룸(404) 내로 밀어 넣을 수 있다. 일부 실시예들에서, 원뿔형 재료 공급 디바이스(403)와 플라즈마 토치 라이너(401) 사이의 간극의 크기, 재료 입자들의 크기, 재료 입자들의 부피 및/또는 원뿔형 재료 공급 디바이스(403)의 경사각은 플라즈마로 유입되는 입자들의 속도 및 입자 농도에 영향을 미칠 수 있다. 본 예시적 실시예에서, 플라즈마 토치 라이너(401)는 플라즈마 토치(402)의 일부를 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있는 원통형 슬리브를 포함한다. 이는 공급원료 재료가 플라즈마 토치(402)의 고온 벽들에 접촉하여 실린더를 코팅할 수 있는 것을 방지할 수 있다. 플라즈마 토치 라이너(401)는 플라즈마 토치 라이너(401) 및 원뿔형 재료 공급 디바이스(403) 내에 재료를 포함하기 위해 플라즈마 토치(402)와 실질적으로 평행한 원뿔형 벽들을 가질 수 있다. 본 실시예에서는 플라즈마 토치 라이너(401)에 대해 원뿔형 재료 공급 디바이스(403)를 배치하기 위한 일 예의 기술을 예시하지만, 플라즈마 토치 및 플라즈마와 관련하여 원하는 위치에 공급 디바이스를 배치하기 위해 다양한 장착 구조들 또는 기술들이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

[0041] 일부 실시예들에서, 전력 밀도, 공급율들, 및 플라즈마 내의 체류 시간과 같은 다양한 처리 파라미터들은 다른 파라미터들 중에서도 융점 및 열 전도도와 같은 재료 입자들의 물리적 특성들에 의존할 수 있다. 이러한 다른 파라미터들의 예들에는 입자 크기 분포, 재료의 농도 등이 포함될 수 있다.

[0042] 도 5는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 원뿔형 재료 공급 디바이스를 통해 플라즈마 플룸으로 유입되는 시뮬레이션된 입자 온도들의 그래프이다. 본 실시예에서 볼 수 있는 바와 같이, 재료 입자들은 전체 플라즈마 플룸 주위에 입자들을 균일하게 분배하기 위해 플라즈마의 전체 주변 주위로 도입될 수 있다. 이로 인해, 영역(501)의 입자들이 영역(501')의 온도 판독값들에 대응하고 영역(503)의 입자들이 영역(503')의 온도 판독값들에 대응하는 보다 일관된 온도 프로파일이 생성된다. 이러한 특정 실시예에서, 소수의 특이 입자들을 제외하고, 대다수의 입자들은 플라즈마로 유입되고, 약 1.75e+03 K 내지 약 1.85e+03 K의 매우 균일한 온도 프로파일에 노출된다. 주지하는 바와 같이, 전력 밀도, 입자 공급율들, 입자 체류 시간, 플라즈마 토치에 대한 원뿔형 재료 공급 디바이스의 배치, 원뿔형 재료 공급 디바이스의 경사각 등을 포함한 처리 파라미터들의 변화들은 플라즈마 내의 서로 다른 온도 프로파일들에 기여할 수 있다.

[0043] 일부 실시예들에서, 입자들의 온도 프로파일은 실질적으로 균일할 수 있어서, 플라즈마로 유입되는 입자들의 95％ 초과가 동일한 온도들의 범위에 노출된다. 다른 실시예들에서, 입자들의 99％ 초과, 입자들의 97％ 초과, 입자들의 90％ 초과, 입자들의 85％ 초과, 입자들의 80％ 초과, 입자들의 75％ 초과, 입자들의 70％ 초과, 입자들의 65％ 초과, 입자들의 60％ 초과, 입자들의 55％ 초과 또는 입자들의 60％ 초과가 플라즈마 내에서 실질적으로 동일한 온도들의 범위에 노출될 수 있다.

[0044] 일부 실시예들에서, 재료 입자들이 플라즈마 내에서 노출되는 온도들의 범위는 약 1.75e+03 K 내지 약 1.85e+03 K, 약 1.70e+03 K 내지 약 1.90e+03 K, 약 1.65e+03 K 내지 약 1.95e+03 K일 수 있다. 일부 실시예들에서, 재료 입자들이 노출되는 온도들은 4,000 K만큼 높을 수 있으며, 제공되는 예의 범위들은 특정 시스템 및 처리될 재료들에 따라 달라질 수 있다.

[0045] 도 6은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 원뿔형 재료 공급 디바이스를 통해 플라즈마 플룸으로 유입되는 시뮬레이션된 입자 속도들의 그래프이다. 이 이미지는 입자들이 플라즈마의 전체 원주 주위로 도입되는 입자 속도들의 측면도를 도시한다. 본 실시예에서, 영역(601)의 입자들은 영역(601')의 입자 속도들에 대응하는 반면, 영역(603)의 입자들은 영역(603')의 속도들에 대응한다. 본 실시예에서, 입자들의 대다수는 플라즈마 플룸에 노출되며, 약 4.00e+00m/s 내지 약 4.50e+00m/s의 실질적으로 균일한 속도를 갖는다. 일부 실시예들에서, 입자들은 약 3.75e+00m/s 내지 약 4.4e+00m/s 또는 약 3.50e+00m/s 내지 약 5.00e+00m/s의 실질적으로 균일한 속도를 가질 수 있다.

[0046] 전술한 바와 같이, 입자 속도는 플라즈마 내의 입자 체류 시간 및 이에 따른 처리 시간에 직접적인 영향을 미친다. 서로 다른 재료 입자들에 대해 서로 다른 처리 시간들이 요구될 수 있으며, 원하는 입자 속도 및 체류 시간을 달성하기 위해 다양한 파라미터들이 조정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 입자들은 입자들의 속도에 따라 플라즈마를 통과하거나 플라즈마에서 튕겨져 나갈 수 있기 때문에, 입자 속도는 입자 체류 시간보다 더 많은 영향을 미칠 수 있다. 일부 실시예들에서, 공급원료가 플룸과 최적으로 결합하도록 하여, 공급원료가 플룸으로부터 입자들로의 최대 열 전달을 위해 플룸을 관통한 후에도 플룸과 실질적으로 동선(co-linear)을 유지하여 최대 처리를 달성하도록 하기 위해 최적의 파라미터들을 선택할 수 있다.

[0047] 일부 실시예들에서, 입자 속도는 실질적으로 균일하여, 플라즈마로 유입되는 입자들의 95％ 초과가 동일한 범위의 입자 속도들을 갖도록 할 수 있다. 다른 실시예들에서, 입자들의 99％ 초과, 입자들의 97％ 초과, 입자들의 90％ 초과, 입자들의 85％ 초과, 입자들의 80％ 초과, 입자들의 75％ 초과, 입자들의 70％ 초과, 입자들의 65％ 초과, 입자들의 60％ 초과, 입자들의 55％ 초과, 또는 입자들의 60％ 초과가 동일한 범위의 입자 속도들을 가질 수 있다.

[0048] 도 7a는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 플레어형 재료 공급 디바이스(707)의 평면도이다. 입자들의 흐름은 A로 표시된 단부로부터 B로 표시된 단부까지 플레어형 재료 공급 디바이스(707)를 통과할 수 있다. 본 실시예에서, 플레어형 재료 공급 디바이스(707)는 총 길이(701), 노즐 부분(703) 및 플레어형 종말부(705)를 갖는다. 주지하는 바와 같이, 플레어형 종말부(705)와 노즐 부분(703)의 시작부 사이의 테이퍼 구조는 제조업체 및 플레어형 재료 공급 디바이스(707)가 사용되는 특정 구현예들에 따라 달라질 수 있다. 플라즈마의 전체 원주 주위에 연속적인 원뿔형 재료 주입 대신, 본 실시예에서 플레어형 종말부(705)는 플라즈마 토치의 출력 단부 또는 제2 단부 근처에 배치되며, 플라즈마의 주변 또는 원주 주위에 입자들을 보다 균일하게 측면으로 분배하기 위해 넓어진다. 플라즈마 토치에 대한 플레어형 재료 공급 디바이스(707)의 배치는 도 8의 논의에서 보다 상세하게 설명된다. 이러한 플레어형 구조는 입자들을 플라즈마의 더 넓은 영역과 플라즈마 주변의 더 큰 비율에 걸쳐 분산시키고, 플레어 형태가 최적의 처리를 위해 열 작동 영역에 공급원료를 유지하는 경우 공급원료 농도를 감소시키고 균일한 처리를 증가시킨다. 일부 실시예들에서, 노즐 폭은 다양할 수 있고, 노즐은 오목하거나 일부 다른 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 다수의 노즐들이 사용될 수 있다. 노즐들은 플라즈마 토치 라이너의 단부의 원주 주위로 서로로부터 180도, 90도 또는 델타 구성으로 배치될 수 있다.

[0049] 도 7b는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 도 7a의 플레어형 재료 공급 디바이스(707)의 측면도이다. 이 측면도에서는, 플레어형 종말부(705)가 측면으로 넓어지거나 또는 연장된 것에 더해, 재료 공급 디바이스의 나머지 부분과 비교하여 수직으로 짧아진 것을 볼 수 있다. 이 특정 실시예에서, 수직으로 짧아지고 측면으로 넓어진 구조의 조합은 플라즈마의 주변 주위로 입자들을 분배하기 위해 플레어형 종말부(705)로부터 나오는 재료 입자들을 보다 균일하게 분배하는 데 도움이 된다. 일부 실시예들에서, 이러한 단면 감소는 특히 더 무거운 재료들의 경우에, 입자들에 추가의 원하는 속도를 부여할 수 있다.

[0050] 일부 실시예들에서, 플레어형 재료 공급 디바이스의 총 길이(701)는 약 18 인치(약 45.7 cm)일 수 있고, 노즐 부분(703)은 약 4.25 인치(약 10.8 cm)의 길이를 가질 수 있고, 플레어형 종말부(705)는 약 3.25 인치(약 8.3 cm)의 길이를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 구조들은 특정 애플리케이션, 사용되는 재료 입자들의 크기, 플라즈마 토치 및/또는 플라즈마 플룸의 크기 등에 따라 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 플레어형 종말부(705)은 약 1 내지 4 cm, 1 내지 5 cm 또는 그보다 더 긴 길이를 가질 수 있다.

[0051] 도 7c는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 도 7a의 플레어형 재료 공급 디바이스의 플레어형 종말부(705)를 대면하는 정면도이다. 본 특정 실시예에서, 플레어형 종말부(705)의 측면 연장 또는 넓어진 구조뿐만 아니라, 플레어형 종말부(705)의 짧아진 수직 구조를 볼 수 있다. 일부 실시예들에서, 플레어형 종말부(705)는 플라즈마 플룸 또는 플라즈마 토치의 직경의 전부 또는 일부와 실질적으로 일치하는 플레어형 측면 구조를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 플레어형 종말부(705)의 단면 구조의 측면 길이는 플라즈마 토치 또는 플라즈마 플룸의 직경의 약 50％, 55％, 60％, 65％, 70％, 75％, 80％, 85％, 90％, 95％, 또는 100％일 수 있다. 플레어형 종말부(705) 및 노즐 부분(703)의 구조 또는 형상은 여러 요인들에 따라 달라질 수 있다는 것을 이해해야 한다.

[0052] 도 8은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 2 개의 플레어형 재료 공급 디바이스(803)를 구비한 일 예의 마이크로파 플라즈마 토치(801)의 단면도이다. 본 실시예에서, 마이크로파 플라즈마 토치(801)가 이용되고, 마이크로파 방사선이 도파관(805)을 통해 플라즈마 토치(801)로 유입될 수 있다. 공급 재료는 플라즈마 챔버(807)로 공급될 수 있고, 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 전술한 바와 같이, 플레어형 재료 공급 디바이스의 플레어형 종말부를 이용하여 마이크로파 생성 플라즈마와 접촉하도록 배치될 수 있다. 본 예시적인 실시예에서, 마이크로파 생성 플라즈마를 통과한 후 처리된 입자들을 수집하기 위해 수집 챔버 또는 용기(809)가 플라즈마 챔버(807)의 출력에 배치될 수 있다. 본 예서는 특정 형상을 갖는 2 개의 플레어형 재료 공급 디바이스들(803)을 도시하고 있지만, 공급 디바이스들의 노즐들의 개수 및 형상은 다양할 수 있다.

[0053] 일부 실시예들에서, 플레어형 재료 공급 디바이스들(803)은 플라즈마 챔버(807)에 또는 플라즈마 토치 하우징에 장착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 플레어형 재료 공급 디바이스들(803)의 플레어형 종말부는 플라즈마 토치(801)의 출력 또는 제2 단부와 일치하거나 동일 평면 상에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 플라즈마 토치(801)에 대한 플레어형 재료 공급 디바이스(803)의 포지션은 플라즈마의 길이를 따라 적절하거나 원하는 위치에서 재료 입자들을 플라즈마로 도입하기 위해 수직으로 조정될 수 있다. 플라즈마에 2 개 이상의 분산 입자 흐름들을 도입하기 위해, 사용되는 플레어형 재료 공급 디바이스들(803)의 개수뿐만 아니라, 플라즈마 토치(801)의 주변 주위에서의 위치 및 단면 구조가 맞춤 제작될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 충분한 개수의 플레어형 재료 공급 디바이스들(803)이 플라즈마 주위에서 적절하게 배치되어 적절한 노즐 구조로 사용되는 경우, 재료 입자들은 플라즈마의 실질적으로 전체 주변으로 도입될 수 있다. 본 예시적인 실시예에서, 도 8은 플레어형 재료 공급 디바이스들(803)의 측면도를 도시하기 때문에, 도 7b를 참조하여 설명한 바와 같이, 공급 디바이스들의 플레어형 종말부는 측면에서 볼 때 더 좁은 것으로 도시된다. 위에서 볼 경우, 재료 공급 디바이스들의 플레어형 종말부는 플라즈마 토치의 주변의 전부 또는 일부에 걸쳐서 연장될 것이다.

[0054] 일부 실시예들에서, 운반 가스 흐름과 중력의 조합은 재료 입자들을 플레어형 재료 공급 디바이스들(803)의 플레어형 종말부를 통해 플라즈마 내로 밀어 넣을 수 있다. 일부 실시예들에서, 플레어형 재료 공급 디바이스들(803)과 플라즈마 토치(801) 사이의 간극의 크기, 재료 입자들의 크기, 재료 입자들의 부피, 및/또는 플레어형 재료 공급 디바이스들(803)의 경사각은 플라즈마로 유입되는 입자들의 속도 및 입자 농도에 영향을 미칠 수 있다.

[0055] 일부 실시예들에서, 전력 밀도, 공급율들 및 플라즈마 내의 체류 시간과 같은 다양한 처리 파라미터들은 융점, 입자 크기 및 열 전도도와 같은 재료 입자들의 물리적 특성들에 의존할 수 있다.

[0056] 도 9a 및 도 9b는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 한 쌍의 플레어형 재료 공급 디바이스들(903)를 통해 플라즈마 플룸으로 유입되는 시뮬레이션된 입자 속도들 및 온도들의 그래프들을 도시한다.

[0057] 도 9a의 예시적인 실시예는 입자 속도를 도시하는 시뮬레이션의 측면도를 도시하는데, 여기서 입자들의 2 개의 스트림들이 한 쌍의 플레어형 재료 공급 디바이스들(903)을 통해 플라즈마로 도입된다. 본 실시예에서, 2 개의 플레어형 재료 공급 디바이스들 각각은 플라즈마 토치(901)의 입구의 하류측에 위치한 플라즈마의 주변의 약 절반 주위로 입자들의 분산을 제공한다. 입자들의 대다수는 한 쌍의 플레어형 재료 공급 디바이스들(903)을 빠져나와 플라즈마 플룸에 노출될 때 실질적으로 균일한 속도를 갖는다. 본 특정 실시예에서, 한 쌍의 플레어형 재료 공급 디바이스들(903)을 빠져나가는 입자들은 약 4.00e+00m/s 내지 약 1.00e+01m/s 범위의 속도 크기를 갖는다. 다른 실시예들에서, 한 쌍의 플레어형 재료 공급 디바이스들(903)을 빠져나가는 입자들은 약 5.00e+00m/s 내지 약 1.00e+01m/s, 약 5. 00e+00m/s 내지 약 1.00e+01m/s, 약 6.00e+00m/s 내지 약 1.00e+01m/s, 약 7.00e+00m/s 내지 약 1.00e+01m/s, 약 8.00e+00m/s 내지 약 1.00e+01m/s 또는 약 9.00e+00m/s 내지 약 1.00e+01m/s 범위의 속도 크기를 가질 수 있다. 전술한 바와 같이, 입자 속도는 플라즈마 내 입자 체류 시간에 그리고 이에 따른 처리 시간에 직접적인 영향을 미친다. 단일 비-플레어형 또는 비-분산형 노즐을 통해 플라즈마로 도입되는 입자들과 비교할 때, 본 실시예는 실질적으로 더 균일한 속도를 제공하고, 따라서 더 균일한 처리 시간을 제공한다. 서로 다른 재료 입자들에 대해 서로 다른 처리 시간들이 요구될 수 있으며, 원하는 입자 속도 및 체류 시간을 달성하기 위해 다양한 파라미터들이 조정될 수 있다.

[0058] 일부 실시예들에서, 입자 속도는 실질적으로 균일하여, 플라즈마로 유입되는 입자들의 95％ 초과가 동일한 범위의 입자 속도들을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 입자들의 99％ 초과, 입자들의 97％ 초과, 입자들의 90％ 초과, 입자들의 85％ 초과, 입자들의 80％ 초과, 입자들의 75％ 초과, 입자들의 70％ 초과, 입자들의 65％ 초과, 입자들의 60％ 초과, 입자들의 55％ 초과, 또는 입자들의 60％ 초과가 동일한 범위의 입자 속도들을 가질 수 있다.

[0059] 도 9b의 예시적인 실시예는 입자 온도를 도시하는 시뮬레이션의 측면도를 도시하는데, 여기서 입자들의 2 개의 스트림들은 한 쌍의 플레어형 재료 공급 디바이스들(903)을 통해 플라즈마로 도입된다. 도 9a에 도시된 실시예에서와 같이, 2 개의 플레어형 재료 공급 디바이스들 각각은 플라즈마 토치(901)의 입구의 하류측에 위치한 플라즈마의 주변의 약 절반 주위로 입자를 분산시킨다. 입자들의 대다수는 한 쌍의 플레어형 재료 공급 디바이스(903)를 빠져나와 플라즈마 플룸에 노출될 때 실질적으로 균일한 온도 프로파일을 갖는다. 본 특정 실시예에서, 한 쌍의 플레어형 재료 공급 디바이스들(903)을 빠져나와 플라즈마로 유입되는 입자들은 약 1.40e+03 K 내지 약 2.00e+03 K 범위의 온도를 갖는다. 다른 실시예들에서, 한 쌍의 플레어형 재료 공급 디바이스들(903)로부터 플라즈마로 유입되는 입자들은 속도 크기가 약 1.50e+03 K 내지 약 2.00e+03 K, 약 1.60e+03 K 내지 약 2.00e+03 K, 약 1.70e+03 K 내지 약 2.00e+03 K, 약 1.80e+03 K 내지 약 2.00e+03 K 또는 약 1.90e+03 K 내지 약 2.00e+03 K의 범위에 있을 수 있다. 단일 비-플레어형 또는 비-분산형 노즐을 통해 플라즈마로 도입되는 입자들과 비교할 때, 본 실시예는 상당히 더 균일한 온도 프로파일을 제공하고, 따라서 더 균일한 처리를 제공한다. 서로 다른 재료 입자들에 대해 서로 다른 처리 시간들이 요구될 수 있으며, 원하는 입자 속도 및 체류 시간을 달성하기 위해 다양한 파라미터들이 조정될 수 있다.

[0060] 도 10은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치를 사용하여 재료들을 처리하는 방법을 예시하는 흐름도이다. 작업(1001)에서, 플라즈마 토치가 제공된다. 일부 실시예들에서, 플라즈마 토치는 플라즈마가 형성된 상태로 제공되며, 플라즈마는 비교적 일정하지만 작동 중 시간에 따라 약간 변화할 수 있는 동적 3 차원 형상을 갖는다. 또한, 플라즈마는 모두 허용 가능한 미리 결정된 범위들 내에 속하는 바람직하고 비교적 일관된 길이, 폭, 깊이, 형상 및 주변을 가질 수 있다. 이어지는 논의에서는 재료 공급원료를 처리하기에 충분한 마이크로파 출력, 즉 최적의 플룸이 있다고 가정한다. 전달은 최적의 처리를 위한 최적의 플라즈마 플룸 및 공급원료 결합을 달성하기 위해 본 명세서에 설명된 서로 다른 실시예들에 의해 해결되는 문제이다.

[0061] 작업(1003)에서, 플라즈마에 의해 공급되고 플라즈마에 의해 처리되도록 재료의 공급원이 제공된다. 일부 실시예들에서, 재료 공급원료 입자들은 각진 분말, 각진 칩들, 불규칙한 분말, 스펀지 분말들 등과 같은 다양한 형태들을 가질 수 있다. 전술한 바와 같이, 재료는 플라즈마로 도입되기 전에 그라인딩, 밀링, 클리닝, 세척, 건조, 스크리닝 등과 같은 처리들에 의해 크기, 가스 함량, 순도 오염 및 화학적 특성에 대한 특정 기준들을 충족시키도록 처리될 수 있다.

[0062] 작업(1005)에서, 재료 공급 디바이스가 제공된다. 일부 실시예들에서, 재료 공급 디바이스는 플라즈마의 원하는 포지션 근처에 설계, 형성 및 설치되고, 재료 공급 디바이스는 플라즈마 챔버, 하우징 또는 시스템의 일부 다른 구조체에 장착될 수 있다. 재료 공급 디바이스는 플라즈마로 공급될 재료의 공급원과 작동 가능하게 연통하며, 재료 공급 디바이스는 다양한 요인들에 기초하여 달라질 수 있는 원하는 분산 패턴으로 재료를 플라즈마로 전달하도록 설계된다. 일부 실시예들에서, 재료 공급 디바이스는 플라즈마의 형상 및 포지션의 가변성에도 불구하고, 플라즈마의 길이를 따라, 그리고 적어도 플라즈마의 주변의 일부 주위의 포지션에서 플라즈마 내로 재료가 실질적으로 균일하게 분산될 수 있도록 설계 및 설치된다. 이러한 실시예에서, 플라즈마의 주변 주위의 재료 입자들의 균일한 분산은 플라즈마의 전체 에너지를 실질적으로 활용하고, 플라즈마에 재료를 투입함으로써 발생하는 플라즈마 자체의 가변성을 감소시키며, 재료가 플라즈마와 결합하여 플라즈마에 의해 처리될 때 재료의 농도를 감소시킨다. 이러한 실시예들은 보다 효율적이고 일관된 재료 처리를 제공하여 수율을 높이고 비용들을 절감하는 동시에 정밀한 재료 사양들을 충족하기 위한 추가 처리를 피할 수 있다. 전술한 바와 같이, 재료 공급 디바이스는 플라즈마 플룸과 연통하는 후속 단계로서, 예를 들어 원뿔형 재료 공급 디바이스 또는 하나 이상의 플레어형 재료 공급 디바이스들을 포함할 수 있다.

[0063] 작업(1007)에서, 재료는 재료 공급 디바이스를 사용하여 플라즈마로 전달되거나 이송된다. 일부 실시예들에서, 재료 공급 디바이스는 플라즈마의 길이를 따라 특정 포지션에서 플라즈마 내로 재료가 실질적으로 균일하게 분산될 수 있게끔 원하는 분산 패턴으로 재료를 플라즈마로 전달하도록 제어되거나 조정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 재료 스월 디바이스는 재료 공급 디바이스로부터 플라즈마로 재료를 전송하는 것을 지원할 수 있다. 이러한 재료 스월 디바이스는 공급 디바이스 내의 재료와 작동 가능하게 연통하도록 배치될 수 있으며, 플라즈마 주변 주위로 재료를 고르게 분배하는 것을 도울 수 있다. 일부 실시예들에서, 재료는 중력에 의해 재료 공급 디바이스로부터 플라즈마로 공급된다. 일부 실시예들에서, 재료는 플라즈마를 현저하게 방해하지 않고 플라즈마에 의한 재료의 실질적으로 균일한 처리를 제공하는 특정 비율 및 속도로 플라즈마로 공급된다.

[0064] 일부 실시예들에서, 방법은 작업(1007)에서 종결될 수 있고, 재료들이 수집될 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 방법은 플라즈마의 출력을 모니터링하여 플라즈마에 의해 재료의 원하는 처리가 생성되었는지 여부를 결정하는 작업(1009)에서 계속될 수 있다. 작업(1011)에서 원하는 처리가 달성된 것으로 결정되면, 방법은 종료될 수 있다.

[0065] 원하는 처리가 달성되지 않은 경우, 방법은 플라즈마로의 재료 흐름의 분산 패턴을 조정하는 작업(1013)에서 계속될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분산 패턴은 재료 공급율, 재료 속도 또는 플라즈마에 대한 재료 공급 디바이스의 포지션을 조정함으로써 조정된다. 재료 공급 디바이스의 포지션이 수직으로 조정되거나, 재료 공급 디바이스와 플라즈마 토치 사이의 각도가 조정되어 플라즈마의 길이를 따라 서로 다른 포지션들 및 서로 다른 접근 각도들로 재료를 공급할 수 있도록 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 재료 공급율 및 재료 속도는 재료 공급 디바이스 내에서 재료의 원활한 흐름을 제공하고 재료 공급 디바이스 내에서 재료의 임의의 응집을 방지하도록 선택된다. 일단 작업(1013)에서 재료의 분산 패턴이 조정되면, 방법은 작업(1007)으로 돌아가서 원하는 처리가 달성될 때까지 반복되고, 방법이 종료된다.

[0066] 앞선 명세서에서, 본 발명은 특정 실시예들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 발명의 광범위한 사상 및 범위를 벗어남이 없이 다양한 수정들 및 변경들이 이루어질 수 있다. 따라서, 명세서 및 도면들은 제한적인 의미보다는 예시적인 의미로 간주되어야 한다.

Claims (20)

1. 플라즈마 토치(plasma torch)의 플라즈마에 재료 공급원료(feedstock)를 제공하기 위한, 장치로서,
   입력 단부 및 출력 단부를 갖는 재료 공급 디바이스(material feeding device)를 포함하고, 상기 출력 단부는 적어도 부분적으로 상기 플라즈마 토치의 출력 단부에 근접하여 생성되는 플라즈마의 주변 주위로 연장되고, 상기 재료 공급 디바이스는 상기 플라즈마 토치의 중심 축에 대해 소정 각도로 배향되는,
   장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 재료 공급 디바이스의 출력 단부는 적어도 부분적으로 상기 플라즈마의 주변 주위로 연장되는 플레어형 단면 구조(flared cross sectional geometry)를 갖는 노즐(nozzle)을 포함하여, 적어도 상기 플라즈마의 전체 주변의 상당 부분 주위로 상기 재료 공급원료의 실질적으로 균일한 분산을 제공하는,
   장치.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 노즐은 상기 플라즈마의 주변 주위의 특정 포지션에서 상기 플라즈마의 주변의 적어도 절반 주위로 상기 재료 공급원료의 실질적으로 균일한 분산을 제공하는,
   장치.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 재료 공급 디바이스의 출력 단부는 상기 플라즈마의 주변 주위에 배치되는 복수의 노즐들을 포함하며, 상기 노즐들의 개수 및 단면 구조는 상기 플라즈마의 전체 주변의 상당 부분 주위로 상기 재료 공급원료의 실질적으로 균일한 분산을 제공하도록 선택되는,
   장치.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 재료 공급 디바이스는 상기 재료 공급원료를 상기 플라즈마의 전체 주변 주위로 확산시키도록 설계되는,
   장치.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 재료 공급 디바이스는 상기 플라즈마 토치의 중심 축에 대해 조정가능하여, 상기 플라즈마의 길이를 따라 서로 다른 포지션들에서 상기 재료 공급원료를 공급할 수 있는,
   장치.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 재료 공급 디바이스는 상기 플라즈마의 주변의 상당 부분뿐만 아니라 상기 플라즈마의 길이를 따라 원하는 부분 주위로 재료를 공급하는,
   장치.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 플라즈마 토치의 중심 축에 대한 상기 재료 공급 디바이스의 각도가 조정될 수 있는,
   장치.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 재료 공급 디바이스는, 상기 출력 단부보다 넓은 상기 입력 단부를 가지고, 그리고 상기 플라즈마 토치의 적어도 일부를 둘러싸도록 구성되는 플라즈마 토치 라이너를 가지는 원뿔형 호퍼(conical hopper)인,
   장치.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 플라즈마 토치 라이너는 상기 원뿔형 호퍼의 입력 단부 및 출력 단부 둘 모두의 사이에 간극을 형성하고, 상기 플라즈마 토치 라이너와 상기 원뿔형 호퍼의 입력 단부 사이의 간극은 상기 플라즈마 토치 라이너와 상기 원뿔형 호퍼의 출력 단부 사이의 간극보다 커서, 상기 재료가 더 큰 간극으로 공급될 수 있고 그리고 더 작은 간극을 통해 상기 플라즈마의 실질적으로 전체 주변 주위에서 상기 플라즈마 내로 배출될 수 있는,
    장치.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 플라즈마의 제1 부분은 상기 원뿔형 호퍼의 출력 단부 및 상기 플라즈마 토치의 개개의 단부의 경계들 밖으로 연장되고, 상기 재료는 상기 원뿔형 호퍼의 출력 단부에서의 더 작은 간극으로부터 직접 플라즈마의 상기 제1 부분의 주변 주위로 공급되는,
    장치.
12. 제10 항에 있어서,
    상기 원뿔형 호퍼 내의 재료를 균일하게 분배하는 것을 돕기 위해, 상기 원뿔형 호퍼 내의 재료와 작동 가능하게 연통하도록 배치되는 재료 스월 디바이스를 더 포함하는,
    장치.
13. 제1 항에 있어서,
    상기 재료 공급원료는 중력에 의해 플라즈마로 공급되는,
    장치.
14. 제1 항에 있어서,
    상기 재료는 상기 플라즈마를 현저하게 방해하지 않고 상기 플라즈마에 의한 재료의 균일한 처리를 제공하는 특정 비율 및 속도로 상기 플라즈마로 공급되는,
    장치.
15. 플라즈마 토치의 플라즈마에 재료 공급원료를 균일하게 제공하기 위한 장치로서,
    플라즈마 토치 내의 플라즈마에 근접하여 설치되는 재료 공급 디바이스를 포함하고, 상기 플라즈마는 작동 중 시간에 따라 약간 변화하는 3 차원 형상을 갖고, 길이, 폭, 깊이, 형상 및 주변이 바람직하게 그리고 비교적 일정하며, 상기 재료 공급 디바이스는 상기 플라즈마로 공급될 재료의 공급원과 작동 가능하게 연통하고, 그리고 상기 재료 공급 디바이스는 또한 다양한 요인들에 기초하여 달라질 수 있는 원하는 분산 패턴으로 재료를 상기 플라즈마로 전달할 수 있으며, 상기 재료 공급 디바이스는 상기 플라즈마의 형상 및 포지션의 가변성에도 불구하고 상기 플라즈마의 길이를 따라, 그리고 적어도 상기 플라즈마의 전체 주변의 상당 부분 주위의 포지션에서 플라즈마 내로 재료가 실질적으로 균일하게 분산될 수 있도록 설계 및 설치되어 플라즈마의 실질적으로 모든 에너지를 활용하고, 상기 플라즈마에 재료를 투입함으로써 발생되는 플라즈마 자체의 가변성을 줄이며, 재료가 플라즈마와 결합하여 플라즈마에 의해 처리될 때 재료의 농도를 감소시켜 보다 효율적이고 일관된 재료 처리를 제공함으로써 수율을 높이는 동시에 정밀한 재료 사양들을 충족하기 위한 추가 처리를 피할 수 있도록 하는,
    장치.
16. 플라즈마 토치 내에서 재료들을 처리하는 방법으로서,
    a) 플라즈마가 형성되어 있는 플라즈마 토치를 제공하는 단계 ─ 상기 플라즈마는 비교적 일정하지만 작동 중에 시간에 따라 약간 변화하는 동적 3 차원 형상을 가지며, 바람직하고 비교적 일정한 길이, 폭, 깊이, 형상 및 주변을 가짐 ─ ;
    b) 상기 플라즈마로 공급되어 플라즈마에 의해 처리될 재료의 공급원을 제공하는 단계;
    c) 상기 플라즈마의 원하는 포지션에 근접하여 재료 공급 디바이스를 제공하는 단계 ─ 상기 재료 공급 디바이스는 상기 플라즈마로 공급될 재료의 공급원과 작동 가능하게 연통함 ─; 및
    d) 다양한 요인들에 기초하여 달라질 수 있는 분산 패턴으로 상기 재료 공급 디바이스를 사용하여 상기 재료를 상기 플라즈마로 이송하는 단계를 포함하며, 상기 재료 공급 디바이스는 상기 플라즈마의 길이를 따라 그리고 적어도 상기 플라즈마의 실질적으로 전체 주변 주위의 포지션에서 상기 플라즈마 내로 재료가 실질적으로 균일하게 분산될 수 있도록 설계 및 설치되는,
    방법.
17. 제16 항에 있어서,
    e) 상기 플라즈마의 출력을 모니터링하여 상기 플라즈마에 의해 재료의 원하는 처리가 제공되었는지 여부를 결정하는 단계;
    f) 상기 재료의 원하는 처리가 달성되지 않은 경우, 상기 플라즈마에 대한 재료의 분산 패턴을 조정하는 단계; 및
    g) 상기 재료의 원하는 처리가 달성될 때까지 필요에 따라 작업들 d) 내지 f)를 반복하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
18. 제17 항에 있어서,
    상기 플라즈마에 대한 재료의 분산 패턴을 조정하는 단계는 재료 공급율, 재료 속도, 및 상기 플라즈마에 대한 재료 공급 디바이스의 포지션 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 포함하는,
    방법.
19. 제18 항에 있어서,
    상기 재료 공급율 및 재료 속도는 상기 플라즈마 토치와 작동 가능하게 연통하는 재료 공급 디바이스 내에서 재료의 원활한 흐름을 제공하고, 상기 재료 공급 디바이스 내에서 재료의 임의의 응집을 방지하도록 선택되는,
    방법.
20. 제17 항에 있어서,
    상기 플라즈마는 외부 온도보다 적어도 수 배 더 높은 내부 온도를 갖는 마이크로파 플라즈마이며, 이에 의해, 상기 플라즈마에 제공되는 전력은, 재료의 원하는 처리를 제공할 수 있을 정도로 외부 온도를 가능하게 하기에 충분하도록 해야 해서, 상기 플라즈마의 내부로 이동할 수 있는 임의의 재료가 여전히 원하는 대로 처리되어 전력을 보존하고 원하는 수율을 제공하고 이에 따라 비용들을 절감하는,
    방법.

Images