KR20240019838A - 촉매를 갖는 ｃｏ₂ 빔 소스 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CO2 빔 소스(1)에 관한 것으로, 이 빔 소스는, 레이저 가스가 레이저 매질로서 사용되는 적어도 하나의 방전관(3); 폐쇄 레이저 가스 회로에서 적어도 하나의 공급 요소(8, 9, 9')를 통해 상기 적어도 하나의 방전관(3)에 상기 레이저 가스를 공급하고 적어도 하나의 배출 요소(10, 11)를 통해 상기 적어도 하나의 방전관(3)으로부터 상기 레이저 가스(4)를 배출하기 위한 송풍기(7), 및 기재에 도포된 귀금속 나노입자를 포함하고 레이저 가스가 여기될 때 생성되는 해리 생성물의 산화를 촉진시키하기 위한 적어도 하나의 촉매(18)를 포함한다. 적어도 하나의 촉매(18)는, 적어도 하나의 방전관(3) 내부에 배치하는 것과 비교하여 레이저 가스(4)가 여기될 때 적어도 하나의 방전관(3)에서 생성되는 분해 생성물의 침착을 감소시키기 위해, 폐쇄 레이저 가스 회로 내부에 레이저 가스의 흐름 방향으로 적어도 하나의 방전관(3)으로부터 거리를 두고 배치된다. CO2 빔 소스(1)가 작동될 때 적어도 하나의 촉매(18)의 온도(T1, T2)는 60℃ 이상, 바람직하게는 100℃ 이상, 특히 바람직하게는 150℃ 이상이다.
Description
본 발명은, 레이저 가스가 레이저 매질로서 사용되는 적어도 하나의 방전관, 폐쇄 레이저 가스 회로에서 적어도 하나의 공급 요소를 통해 적어도 하나의 방전관 내로 레이저 가스를 공급하고 적어도 하나의 배출 요소를 통해 적어도 하나의 방전관으로부터의 레이저 가스를 배출하기 위한 송풍기, 및 레이저 가스가 여기될 때 생성되는 해리 생성물의 산화를 촉진시키기 위한 적어도 하나의 촉매를 포함하고, 상기 적어도 하나의 촉매는 기재에 도포된 귀금속 나노입자를 포함하는, CO2 빔 소스에 관한 것이다.
본 출원의 의미에서, CO2 빔 소스는 CO2 레이저 또는 CO2 레이저 증폭기를 의미하는 것으로 이해된다. 후자의 경우, CO2 레이저 증폭기는 일반적으로 시드 레이저에서 배출되는 시드 레이저 빔을 증폭시키는 역할을 한다. CO2 빔 소스의 레이저 가스는 일반적으로 He, N2 및 CO2의 혼합물이다. 여기서 CO2는 실제의 레이저 매질로서 사용되며 He와 N2 분자는 보조 역할을 한다. CO2 빔 소스는 전기적으로 여기된다. 방전관, 일반적으로 석영 유리관에서, 레이저 가스는 높은 직류 전압 또는 고주파 교류 전압에서 가스 방전을 통해 여기된다. 여기의 결과로 밀도 반전이 발생한다. CO2 레이저 형태의 CO2 빔 소스의 경우, 레이저 매질은 레이저 공진기로서 기능하는 하는 미러 배열의 빔 경로에 존재한다.
CO2 빔 소스가 작동 중일 때 레이저 가스가 강하게 가온되어 300℃ 이상의 온도에서 레이저 공정이 정지되기 때문에 레이저 가스를 냉각해야 한다. 폐쇄 레이저 가스 회로에서 방전관으로부터 레이저 가스를 배출하고 의 방전관으로 레이저 가스를 다시 공급하면 예를 들어 열교환기와 같은 적절한 추가 장치를 통해 이러한 냉각이 가능해진다.
CO2 레이저 증폭기 형태의 CO2 빔 소스는 특히 EUV 방사선을 생성하기 위해 사용된다. EUV 방사선이라는 용어는 10 nm 내지 120 nm의 파장을 갖는 전자기 방사선을 의미한다. 현재 널리 사용되는 200 nm 부근의 파장과 비교하여, 반도체 산업의 마이크로리소그래피 생산에 EUV 방사선을 사용하면 실질적으로 더 작은 구조 크기를 갖는 부품을 안정적으로 생산할 수 있고 이에 따라 성능 향상을 이끌 수 있다. 소위 LPP 공정("레이저 생성 플라즈마")에서는 EUV 방사선을 생성하기 위해 CO2 레이저 증폭기에서 증폭된 레이저 펄스로 주석 액적에 충격을 가한다. 주석 액적의 충격에 의해 EUV 방사선을 배출하는 플라즈마가 생성된다.
CO2 빔 소스 구성에 대한 특별한 과제는 레이저 가스가 여기될 때 가스 방전으로 인한 해리 생성물의 생성으로 인해 발생한다. 특히 일산화탄소(CO)를 포함한 이러한 해리 생성물은 레이저 또는 레이저 증폭기의 성능 및 효율을 감소시킨다. 이에 대한 대책으로서, 해리 생성물을 산화시키기 위한, 특히 CO를 CO2로 산화시키기 위한 촉매의 사용이 문헌에 기재되어 있다.
US 4,756,000호로부터, 폐쇄 레이저 가스 회로, CO2 레이저 가스 혼합물 및 증폭 볼륨을 갖춘 CO2 레이저가 공지되어 있다. 증폭 볼륨에서의 가스 방전으로 인해 CO, 산소 및 여기된 산소종이 생성된다. 금 코팅이 CO와 여기된 산소가 반응하여 CO2를 형성하는 촉매 역할을 한다. 실질적인 양의 여기된 산소와의 접촉을 보장하기 위해, 금 코팅은 증폭 볼륨의 벽에 배치되거나 증폭 볼륨의 하류 말단에 충분히 가깝게 배치된다. 이러한 배치의 단점은 가스 방전이 증폭 볼륨 및 증폭 볼륨의 바로 하류에서 레이저 가스의 여기로 인해 발생하는 분해 생성물의 침착 효과를 초래하고, 이로써 촉매의 분해 및 결과적으로 CO2 레이저의 성능 저하를 수반한다는 것이다.
DE 3523926 C2호에는 폐쇄 레이저 가스 회로 및 레이저 가스의 화학적 조성을 생성하고 유지하기 위한 촉매를 구비한 전기적으로 여기되는 CO2 레이저가 개시되어 있는데, 여기서는 추가의 빔 소스가 레이저 가스에서 해리에 의해 형성된 분자의 촉매에의 부착을 실질적으로 증가시키는 역할을 하고/하거나 촉매 표면 주변의 가스 흐름이 조절되어 레이저 가스에서 해리에 의해 형성된 분자의 촉매에의 부착이 실질적으로 증가된다.
JPS6214486A호에는 레이저 가스의 조성을 일정하게 유지하여 레이저의 출력을 안정적으로 유지하는 촉매 유닛을 구비한 CO2 레이저가 개시되어 있다. 이 목적을 위해, 촉매 유닛을 동시에 자기조절형 가열 유닛으로서 설계함으로써, CO의 산화율이 일정한 범위에서 촉매 유닛의 온도가 자동으로 유지된다.
US 2015/0222083 A1호에는 촉매를 갖춘 광 증폭기 시스템을 포함하는 EUV 시스템이 개시되어 있다. 일 실시양태에서, 촉매는 개구부를 갖는 기재 및 개구부의 내부 표면에 코팅으로서 도포되는 귀금속, 예컨대 금으로 이루어진 나노입자를 포함한다. 촉매가 광 증폭기 시스템의 증폭기 또는 CO2 레이저에 배치되면 촉매 내 가스 혼합물의 온도가 60℃까지 상승할 수 있다고 명시되어 있다.
작은 금 입자를 기반으로 한 촉매를 사용하는 CO의 산화는 논문[G. C. Bond 및 D. T. Thompson의 "Gold-Catalysed Oxidation of Carbon Monoxide", Gold Bull. 33, 41(2000)]에서도 자세히 검토되어 있다.
이에 대하여, 본 발명의 과제는 장기적으로 안정적인 높은 성능 및 효율을 갖는 CO2 빔 소스를 제공하는 것이다.
이 과제는, 제1 측면에 따르면, 적어도 하나의 방전관 내 배치와 비교하여 레이저 가스가 여기될 때 적어도 하나의 방전관에서 생성되는 분해 생성물의 침착을 감소시키기 위해, 적어도 하나의 촉매가 폐쇄 레이저 가스 회로 내에서 레이저 가스의 흐름 방향으로 적어도 하나의 방전관으로부터 거리를 두고 배치되어 있고, CO2 빔 소스의 작동 중 적어도 하나의 촉매의 온도가 60℃ 이상, 바람직하게는 100℃ 이상, 특히 바람직하게는 150℃ 이상인, 서두에서 언급한 유형의 CO2 빔 소스에 의해 달성된다.
레이저 가스를 여기시키는 역할을 하는 가스 방전에 의해 적어도 하나의 방전관의 벽이 분해된다. 여기서 형성되는 분해 생성물은 적어도 하나의 방전관 및 적어도 하나의 방전관에 인접한 하류의 레이저 가스 회로에 침착된다. 방전관은 일반적으로 석영 유리관이므로, 분해 생성물은 일반적으로 특히 먼지 형태의 석영 입자를 포함한다. 분해 생성물이 하나 이상의 촉매에 침착되면, 그 효율성이 떨어지고 폐쇄 레이저 가스 회로에서 해리 생성물의 농도가 증가한다. 결과적으로 CO2 빔 소스의 출력 성능과 효율이 감소한다. 따라서, 폐쇄 레이저 가스 회로에서 레이저 가스의 흐름 방향으로 적어도 하나의 방전관으로부터 거리를 두고 촉매를 배치하는 것이 유리하다. 적절하게 배치하면 CO2 빔 소스의 성능이 지속적으로 높아져 유지 관리 간격이 길어진다.
촉매를 선택할 때, 여기된 산소, 라디칼 산소 및/또는 원자 산소는 방전관 또는 방전관에 바로 인접한 하류에서만 상당한 농도로 존재한다는 점에 유의해야 한다. 분해 생성물의 침착과 관련하여 충분한 이격 배치의 가능성은, 일시적인 산소 종, 예를 들어 원자 산소, 라디칼 산소 및/또는 여기된 산소에 의한 해리 생성물, 특히 CO의 산화 뿐만 아니라 분자 산소에 의한 산화도 촉진시키는 촉매의 사용에서만 발생한다. 여기서 귀금속 나노입자를 기반으로 하는 촉매는 기본적으로 실온에서도 적합하다.
촉매의 효과는 일반적으로 온도가 증가함에 따라 증가한다. 그러나 CO2 빔 소스의 폐쇄 회로에서는 주로 방전관과 그에 인접한 하류에서 고온이 발생한다. 방전관까지의 거리에 따라 레이저 가스의 흐름 방향의 온도는 일반적으로 냉각으로 인해 연속적으로 하강한다. 따라서 촉매 배치를 선택할 때 침착 효과를 줄이는 것과 온도를 최대한 높게 유지하는 것 사이에서 균형을 맞춰야 한다. 언급된 온도 범위는 귀금속 나노입자 촉매를 통해 분자 산소를 사용하여 CO를 CO2로 산화시키는 효과적인 촉매 작용을 가능하게 하며 방전관으로부터 충분한 거리에서도 충분히 높은 출력을 갖는 CO2 빔 소스에서 달성된다.
기본적으로는 실제 레이저 가스 회로에서 레이저 가스 흐름의 일부를 분리하고 이를 균일한 백금층 또는 팔라듐층을 기반으로 한 종래의 촉매를 사용하는 별도의 촉매 장치에 통과시키는 것도 가능하다. 이러한 종래의 촉매는 분자 산소를 사용하여 CO를 CO2로 반응시키는 것도 가능하게 하지만 이를 위해서 약 250℃가 넘는 온도를 필요로 한다. CO2 빔 소스의 경우 이러한 높은 온도는 실제 레이저 공정에 역효과를 낳으므로 일반적으로 바람직하지 않다. 따라서 이러한 촉매 유닛은 가열되어야 하며, 촉매에 더하여 가열기, 냉각기 및 필요에 따라 자체 송풍기(가스 펌프)도 구비하여야 한다. 따라서 이러한 촉매 유닛을 구성하는 비용이 매우 높으며, 특히 레이저 가스 흐름의 상당 부분이 이 촉매 회로를 통과하는 경우 그러하다. 더군다나, 추가적인 가열은 회로의 실제 목적, 즉 레이저 가스의 냉각에 반대된다. 추가적인 가열 없이도 방전관 바로 하류에 있는 CO2 빔 소스에서 250℃를 넘는 온도가 달성된다. 그러나 여기는 침착 효과가 가장 두드러지는 부분이기 때문에 이 영역에 종래의 촉매를 배치하는 것은 의미가 없다.
일 실시양태에서, 적어도 하나의 방전관의 하류 단부와 적어도 하나의 촉매 사이의 레이저 가스의 흐름 경로는 적어도 5 cm, 바람직하게는 적어도 10 cm, 특히 바람직하게는 적어도 15 cm이다. 침착 효과는 적어도 하나의 방전관의 하류 단부로부터의 흐름 경로에 따라 실질적으로 기하급수적으로 감소하는 것으로 나타났다. 반길이는 수 센티미터이다. 따라서 언급된 간격 값은 적어도 하나의 촉매에 분해 생성물이 침착되는 것을 효과적으로 감소시킨다.
추가의 실시양태에서, 적어도 하나의 촉매는 공급 요소들 중 적어도 하나의 내부에 배치된다. 이러한 배치를 통해, 방전관의 하류 단부로부터 공급 요소까지의 흐름 경로가 충분히 크기 때문에, 방전관으로부터 충분한 간격이 대체로 보장된다. 그러나, 촉매는 기본적으로 배출 요소 중 적어도 하나의 내부에도 배치될 수 있다.
추가의 실시양태에서, 송풍기는 중앙에 배치되고, CO2 빔 소스는 제1 평면에서 방사상으로 교대로 제1 공급 요소로서의 공급 아암과 제2 배출 요소로서의 배출 아암을 갖고, 제2 평면에서 방전관은 교대로 제2 공급 요소와 제1 배출 요소를 통해 서로 연결되며, 여기서 레이저 가스를 냉각하기 위해 적어도 하나의 공급 아암 및/또는 적어도 하나의 배출 아암의 적어도 하나의 부분 영역이 열교환기로서 설계된다. 예를 들어, CO2 빔 소스는 실질적으로 이산된 회전 대칭으로, 바람직하게는 4회 회전 대칭으로 설계된다. (방사형) 송풍기에서 시작하여 레이저 가스는 공급 아암과 제2 공급 요소를 통해 방전관으로 공급되고 제1 배출 요소와 배출 아암을 통해 방전관에서 다시 송풍기로 배출된다. 이러한 설계는 방전관과 열교환기 사이의 가스 경로가 짧아지게 하고, 예를 들어 충격이나 진동에 대한 견고성 및 컴팩트함을 특징으로 한다. 그래서 동시에 매우 높은 레이저 출력이 달성된다. 더 높은 레이저 출력을 위해, 제2 평면은 또한 제2 공급 요소와 제1 배출 요소를 통해 서로 연결되는 2개 이상의 방전관의 서브평면을 가질 수 있다. 적어도 하나의 공급 아암 및/또는 배출 아암의 적어도 하나의 부분 영역을 열교환기로서 설계하기 위해, 예를 들어 적어도 하나의, 예컨대 나선형 냉각관이 해당 부분 영역을 통과할 수 있다. 레이저 가스를 냉각시키기 위해 냉각액이 냉각관을 통해 안내된다.
이 실시양태의 추가의 개선예에서, 레이저 가스와 접촉하는 적어도 하나의 공급 아암의 적어도 하나의 내면이 적어도 하나의 촉매의 기재 역할을 한다. 대안적으로, 레이저 가스와 접촉하는 예를 들어 나선형 냉각관의 외면도 적어도 하나의 촉매의 기재 역할을 할 수 있다. 대안적으로, 레이저 가스와 접촉하는 적어도 하나의 배출 아암의 내면 및/또는 레이저 가스와 접촉하고 배출 아암의 해당 부분 영역을 통과하는 냉각관의 외면도 적어도 하나의 촉매의 기재 역할을 할 수 있다.
추가의 실시양태에서, 적어도 하나의 촉매는 열교환기로서 설계된 적어도 하나의 부분 영역의 상류의 적어도 하나의 공급 아암 및/또는 적어도 하나의 배출 아암에 배치된다. 이러한 배치의 한 가지 장점은 열교환기로서 설계된 부분 영역의 상류 온도가 비교적 높다는 것이다. 이는 일반적으로 열교환기로서 설계된 배출 아암의 부분 영역의 상류에서 약 150℃ 내지 약 250℃이고, 열교환기로서 설계된 공급 아암의 부분 영역의 상류에서 약 60℃ 내지 약 100℃이다. 동시에, 이러한 배치는 레이저 가스의 흐름 경로와 방전관 사이의 충분한 거리 및 우수한 접근성을 특징으로 한다. 기존의 CO2 빔 소스에서 출발하여 거기에 촉매를 배치하려면 최소한의 구조적인 조정만이 필요하다.
추가의 실시양태에서, CO2 빔 소스는 적어도 하나의 촉매를 교체하기 위한 적어도 하나의 장치를 구비한다. 본 발명에 따른 촉매의 배치가 촉매 상에 분해 생성물이 침착되는 것을 현저히 감소시키더라도 알려져 있는 노화 효과는 여전히 발생한다. 따라서 촉매를 가능한 한 용이하게 교체할 수 있다면 유리하다. 이 목적에서, 촉매는 바람직하게는 별도의 구성품으로서 설계되므로 폐쇄 회로에서 해당 하우징에 용이하게 삽입되고 다시 배출될 수 있다. 따라서 유지 관리가 특히 용이하고 CO2 레이저는 유지 관리 중 짧은 시간 동안만 작동하지 않는다.
이 실시양태예의 추가의 개선예에서, 적어도 하나의 공급 아암 및/또는 적어도 하나의 배출 아암은 적어도 하나의 촉매를 교체하기 위한 장치로서 적어도 하나의 폐쇄 가능한 개구부를 갖는다. 이 경우, 적어도 하나의 촉매는 적어도 하나의 공급 아암 및/또는 적어도 하나의 배출 아암에 배치된다. 촉매는 해당 공급 아암 또는 배출 아암의 폐쇄 가능한 개구부를 통해 삽입되고 다시 배출될 수 있다. 여기서 폐쇄 가능한 개구부는 예를 들어 적절한 나사 연결 및 해당 밀봉을 통해, 예를 들어 O-링을 사용하여 기밀하게 닫힐 수 있는 플랩 또는 플레이트이다. 폐쇄 가능한 개구부는 각각의 촉매의 단면적보다 크므로 촉매가 선형 이동으로 배출될 수 있고 외부에서 쉽게 접근할 수 있다. 특히 유리한 점은 촉매를 별도의 구성요소로서 설계하는 것과 열교환기로서 설계된 부분 영역의 상류의 공급 아암 및/또는 배출 아암 내의 배치와 공급 아암 및/또는 배출 아암 내의 폐쇄 가능한 개구부를 통한 촉매의 교환가능성의 조합이다. 예를 들어 열교환기의 나선형 냉각관의 외면을 촉매용 기재로서 사용하는 것과 비교하여, 용이한 교체를 가능하게 하는 것은 촉매와 열교환기 사이의 기능적 분리이다.
추가의 실시양태에서, 귀금속 나노입자는 백금 나노입자, 팔라듐 나노입자, 금 나노입자, 이들 물질의 합금으로 제조된 나노입자 또는 이들 나노입자의 혼합물이다. 종래의 촉매와 비교하여, 귀금속 나노입자 기반 촉매는 표면적을 기준으로 한 촉매 전환율 측정에 있어서 대체로 훨씬 더 효율적이다. 언급된 귀금속 나노입자, 특히 금 나노입자 및/또는 백금 나노입자가 본 출원 적용에 특히 적합한 것으로 나타났다.
추가의 실시양태에서, 적어도 하나의 촉매의 기재는 금속 기재 또는 세라믹 기재이다. 금속은 예를 들어 강철 또는 스테인레스 스틸일 수 있고, 세라믹은 예를 들어 코디어라이트일 수 있다.
추가의 실시양태에서, 하나 이상의 촉매의 기재에는, 귀금속 나노입자가 도포되는 코팅이 있으며, 코팅은 바람직하게는 적어도 부분적으로 금속 산화물로, 특히 바람직하게는 적어도 부분적으로 산화세륨, 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화구리 또는 이들 물질의 혼합물으로 구성된다. 이 경우, 귀금속 나노입자는 코팅에 직접 도포되므로 코팅을 통해 기재에 간접적으로 도포된다. 여기서 기재는 코팅과 귀금속 나노입자를 포함하는 촉매의 화학적 활성 부분을 위한 기계적 지지체 역할을 한다. 코팅은 적합한 증착 공정을 사용하여 기재에 도포되거나 또는 예를 들어 금속 기재의 산화를 통해 독립적으로 형성될 수 있다.
이 실시양태의 개선예에서, 촉매 기재 상의 코팅은 표면적을 증가시키기 위해 미세하게 구조화된다. 가능한 최대의 전환율을 달성하기 위해서 촉매의 표면적을 최대한 크게 하는 것이 유리하다. 상응하는 미세한 구조화는 예를 들어 현탁액으로부터 입자로서 코팅을 침착시킴으로써 달성될 수 있다.
추가의 실시양태에서, 촉매 기재는 표면적을 증가시키도록 구조화된다. 코팅의 미세 구조화에 추가로 또는 대안으로, 촉매 기재를 구조화함으로써도 표면적의 증가를 달성할 수 있다. 이를 위해 기재는 예를 들어 압출된 프로파일일 수 있다. 여기서 단면은 예를 들어 정사각형 패턴과 같은 규칙적인 패턴을 가질 수 있다. 대안적으로, 기재는 권취된 골판지일 수도 있다.
본 실시양예의 추가의 개선예에서, 촉매 기재는 표면적을 증가시키기 위해 벌집 모양으로 구조화된다.
본 발명의 추가의 특징 및 이점은 본 발명의 본질적인 세부사항을 나타내는 도면에 기초한 본 발명의 예시적인 실시예에 대한 이하의 설명과 청구범위로부터 명백해질 것이다. 개별적인 특징들은 본 발명의 변형예에서 개별적으로 또는 다수의 임의의 조합으로 구현될 수 있다.
예시적인 실시예가 개략도에 도시되어 있으며 이하의 명세서에서 설명될 것이다.
도 1은 폴디드 레이저 공진기를 갖는 CO2 레이저 형태의 CO2 빔 소스의 단면도이고,
도 2는 CO2 빔 소스의 공급 아암과 배출 아암에 촉매가 배치된 CO2 레이저 형태의 도 1에 도시된 CO2 빔 소스의 사시도이며,
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 표면적을 증가시키기 위해 기재가 다르게 구조화된 촉매의 개략도이다.
도 1은 폴디드 레이저 공진기를 갖는 CO2 레이저 형태의 CO2 빔 소스의 단면도이고,
도 2는 CO2 빔 소스의 공급 아암과 배출 아암에 촉매가 배치된 CO2 레이저 형태의 도 1에 도시된 CO2 빔 소스의 사시도이며,
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 표면적을 증가시키기 위해 기재가 다르게 구조화된 촉매의 개략도이다.
도 1 및 도 2에는 CO2 레이저 형태의 CO2 빔 소스(1)가 도시되어 있으며, 이는 정사각형 폴디드 레이저 공진기(2)를 갖고 실질적으로 4회 회전 대칭으로 형성되어 있다. 방전관(3)에서는 CO2, He 및 N2로 구성되고 레이저 매질로서 사용되는 레이저 가스(4)가 전극(5)을 통해 여기된다. 전극(5)은 방전관(3)에 인접하게 배치되고 여기에 도시되어 있지 않은 HF 발생기와 연결된다. 예를 들어, 여기 주파수가 13.56 MHz 또는 27.12 MHz인 튜브 발생기를 HF 발생기로서 사용할 수 있다. 레이저 가스(4)의 여기에 의해 밀도 반전이 일어나고 레이저 공진기(2)에서 레이저 빔(6)이 형성된다.
레이저 가스(4)를 냉각하기 위해 폴디드 레이저 공진기(2)의 중앙에 배치된 송풍기(7)(방사형 송풍기)를 통해 레이저 가스가 방전관(3)에서 배출되고 폐쇄 레이저 가스 회로(K)에서 냉각 후 방전관(3)으로 다시 공급된다. 이 목적을 위해, CO2 빔 소스(1)는 예를 들어 제1 공급 요소로서의 4개의 공급 아암(8) 및 4개의 제2 공급 요소(9, 9') 그리고 4개의 제1 배출 요소(10) 및 제2 배출 요소로서의 4개의 배출 아암(11)을 갖는다.
4개의 공급 아암(8)과 4개의 배출 아암(11)은 방사상으로 CO2 빔 소스(1)의 제1 평면(12)에 배치되고, 반면에 방전관(3)은 제2 평면(13)에 배치되고 교대로 제2 공급 요소 및 제1 배출 요소(10)를 통해 서로 연결된다. 제2 공급 요소(9, 9')는 여기서 정사각형 레이저 공진기(2)의 코너를 형성하고, 반면에 제1 배출 요소(10)는 정사각형 레이저 공진기(2)의 모서리를 따라 중앙에 배치된다.
방전관(3) 내부에서 및 공급 요소(8, 9, 9') 및 배출 요소(10, 11) 내에서의 레이저 가스(4)의 흐름 방향이 도 1에 화살표로 도시되어 있다. 레이저 가스(4)는 송풍기(7)에서 시작하여 4개의 공급 아암(8) 및 정사각형 레이저 공진기(2)의 코너에 배치된 4개의 제2 공급 요소(9, 9')를 통해 방전관(3)으로 흐른다. 레이저 가스(4)는 다시 방전관(3)을 통해 흐르고 제1 배출 요소(10) 및 배출 아암(11)에 의해 송풍기(7)로 돌아간다.
레이저 빔(6)은 방전관(3)의 축을 따라 진행된다. 제2 공급 요소(9)의 편향 미러(14)는 각 경우에 레이저 빔(6)을 90° 편향시키는 역할을 한다. 제1 공진기 미러(15) 및 부분 투과성 제2 공진기 미러(16)가 제2 공급 요소(9') 중 하나에 배치된다. 제1 공진기 미러(15)는 반사율이 높고 레이저 빔(6)을 180°반사시켜 레이저 빔(6)이 방전관(3)을 반대 방향으로 다시 통과하게 한다. 부분 투과성 제2 공진기 미러(16)는 디커플링 미러 역할을 하며, 이를 통해 레이저 빔(6)의 일부(6')는 레이저 공진기(2)로부터 분리되고, 반면에 다른 부분은 레이저 공진기(2)에 남아 방전관(3)을 다시 통과한다.
여기에 도시된 것과는 달리, CO2 빔 소스(1)는 성능을 높이기 위해 두 개의 서브평면의 방전관(3)을 가질 수도 있으며, 이 방전관은 제2 공급 요소(9, 9') 및 제1 배출 요소(10)를 통해 서로 연결된다. 이후 레이저 빔(6)은 예를 들어 잠망경을 통해 서브평면 사이에서 방향이 변경된다.
도 1 및 도 2의 도시와 상이하게, CO2 빔 소스(1)는 CO2 레이저 증폭기일 수도 있다. 이 경우, 공진기 미러(15, 16)는 윈도우로 대체된다. 증폭되는 레이저 빔(6)은 예를 들어 시드 레이저 빔의 형태로 CO2 빔 소스를 한 번만 통과한다.
도 2에는 공급 아암(8) 및 배출 아암(11)이 각각 부분 단면으로 도시되어 있다. 공급 아암(8) 및 배출 아암(11)의 내부에서 각각 부분 영역(17)이 열교환기로서 설계되어 있다. 열교환기로서의 기능을 수행하기 위해, 도 2에 예시적으로 도시된 CO2 빔 소스에서는 냉각액이 흐르는 나선형 냉각관이 이 부분 영역(17)을 통해 안내된다. 이 부분 영역(17)의 상류에는, 레이저 가스(4), 특히 CO가 여기될 때 발생하는 해리 생성물(19)(도 1 참조)의 산화를 촉진시키기 위한 촉매(18)가 공급 아암(8) 및 배출 아암(11)에 배치되어 있다. 이러한 배치의 이점은 촉매 온도가 비교적 높고 동시에 방전관(3)으로부터 충분한 간격을 확보할 수 있다는 점이다. 배출 아암(11) 내 촉매(18) 영역의 온도 T1은 일반적으로 150℃ 내지 250℃의 값 범위에 있고, 반면에 공급 아암(8)의 촉매(18) 영역의 온도 T2는 일반적으로 60℃ 내지 100℃의 값 범위에 있다.
방전관(3)으로부터 촉매(18)의 간격은, 레이저 가스(4)가 각각의 촉매(18) 상에서 여기될 때 방전관(3)에서 형성되는 분해 생성물(20)(도 1 참조)의 침착을 감소시키는 역할을 한다. 여기서 방전관(3)의 하류 단부(3')와 배출 아암(11)의 촉매(18) 사이에서 레이저 가스(4)의 실질적으로 수직으로 이어지는 흐름 경로(L)는 도 2에 도시된 실시예에서 15 cm를 초과한다. 그러나 기본적으로는 각각의 촉매(18) 상의 분해 생성물의 침착을 감소시키기에 5 cm 초과 또는 10 cm 초과의 레이저 가스(4)의 흐름 경로(L)가 충분할 수 있다.
도 2에서 또한 알 수 있는 바와 같이, 공급 아암(8) 및 배출 아암(11) 각각은 촉매(18)를 교체하기 위한 장치로서 폐쇄 가능한 개구부(21)를 구비한다. 개구부(21)는 예를 들어 분리 가능하거나 회전 가능하도록 설계된 플레이트 또는 플랩의 도움으로 폐쇄될 수 있다. 촉매(18)는 카세트 형태의 별도의 구성품으로서 설계되어 교체가 매우 용이하다. 도 3a, 도 3b, 도 3c에는 직육면체 촉매(18)의 단면이 교체 가능한 카세트 형태로 개략적으로 도시되어 있다. 촉매는 각각 귀금속 나노입자(22) 및 기재(23)를 포함한다. 기재(23)에는, 귀금속 나노입자(22)가 도포되는 코팅(24)이 존재한다. 코팅(24)은 적어도 부분적으로 산화알루미늄으로 구성되지만, 적어도 부분적으로 다른 금속 산화물, 예를 들어 산화세륨, 산화티타늄, 산화구리 또는 이들 물질의 혼합물로 구성될 수도 있다. 대안적으로, 기재(23)는 코팅되지 않을 수도 있다. 이 경우, 귀금속 나노입자(22)는 기재(23)에 직접 도포된다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c에서는 설명을 간단히 하기 위해 분리된 귀금속 나노입자(22)만 도시되어 있다. 도시된 실시예에서 귀금속 나노입자(22)는 금 나노입자이다. 귀금속 나노입자(22)는 또한 백금 나노입자, 팔라듐 나노입자, 이들 물질의 합금으로 제조된 나노입자, 또는 이들 나노입자의 혼합물 또는 이들 나노입자와 금 나노입자의 혼합물일 수 있다. 기재(23)는 촉매(18)의 전환율을 증가시키기 위해 표면적을 증가시키도록 구조화된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 코팅(24)은 또한 표면적 증가를 위해 미세하게 구조화될 수 있다.
도 3a에 도시된 촉매(18)의 기재(23)는 압출된 코디어라이트 기재이지만, 이는 또한 다른 세라믹 기재일 수도 있다. 촉매(18)의 단면은 여기서 정사각형 패턴을 갖는다.
도 3b 및 도 3c에서, 기재(23)는 금속 기재, 보다 정확하게는 강철 기재이다. 도 3b에서, 표면적을 증가시키기 위한 구조는 벌집 구조이다. 도 3c에서, 기재(23)는 권취된 골판지 또는 골판지 필름이다. 도 3a 내지 도 3c에 도시된 교환가능한 촉매-카세트 형태의 촉매에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 레이저 가스(4)와 접촉하는 적어도 하나의 공급 아암(8) 및/또는 배출 아암(11)의 적어도 하나의 내면이 하나 이상의 촉매(18)에 대한 기재(23) 역할을 할 수 있다. 또한 귀금속 나노입자(22)용 기재(23)를 형성하는 각각의 공급 또는 배출 아암(8, 11)의 내면에 예를 들어 세라믹 코팅이 도포될 수 있다.
CO2 빔 소스(1)에 촉매(18)를 설치하기 전에 이를 조심스럽게 청소해야 한다. 현재의 경우, 레이저 가스 회로(K)가 폐쇄되어 있기 때문에 이것은 특히 중요한다. 여기에는 주로 기계적 건조 공정, 예를 들어 질소로 불어내는 공정, 습식 공정(H2O +x 사용) 또는 초음파 세척이 적합하다. 필요한 경우 추가 베이킹 및 활성화 단계가 수행된다. 촉매(18)를 설계할 때, 그 밖에도 촉매(18)로 인한 압력 손실, 열교환기의 냉각 효과 및 촉매(18)의 효율성 사이에 균형이 이루어져야 한다. 이를 위해, 촉매(18)의 기재(23)의 구조뿐만 아니라 단면, 리브 간격, 길이 등을 포함하는 실질적인 기하학적 매개변수도 최적화되어야 한다. 또한, 촉매(18)를 선택할 때, 기생 효과, 예컨대 더 이상 활성화되지 않는 활성 중심의 "포이즈닝" 또는 레이저 가스 조성에 바람직하지 않은 변화를 초래할 수 있는 온도 의존적 흡수(CO2, H2O)가 발생하지 않도록 주의해야 한다. 기생 효과만을 야기하고 촉매작용에 기여하지 않는 촉매 물질의 도입을 피하기 위해 촉매(18)는 초과 치수가 되어서는 안 된다. 특히, 촉매(18)는 흐름에 노출되지 않아 촉매 작용에 기여하지 않고 기생 효과만 갖는 표면을 갖지 않거나 가능한 한 적게 가져야 한다. 그래서 코팅(24)의 층 두께 및 귀금속 나노입자(22)와 코팅(24)의 재료도 최적화되어야 한다.
Claims (14)
- CO2 빔 소스(1)로서,
레이저 가스(4)가 레이저 매질로서 사용되는 적어도 하나의 방전관(3),
폐쇄 레이저 가스 회로(K)에서 적어도 하나의 공급 요소(8, 9, 9')를 통해 상기 적어도 하나의 방전관(3)에 상기 레이저 가스를 공급하고 적어도 하나의 배출 요소(10, 11)를 통해 상기 적어도 하나의 방전관(3)으로부터 상기 레이저 가스(4)를 배출하기 위한 송풍기(7), 및
기재(23)에 도포된 귀금속 나노입자(22)를 포함하고 상기 레이저 가스(4)가 여기될 때 생성되는 해리 생성물(19)의 산화를 촉진시키기 위한 적어도 하나의 촉매(18)
를 포함하는 CO2 빔 소스에 있어서,
상기 적어도 하나의 촉매(18)는, 상기 적어도 하나의 방전관(3) 내부에 배치하는 것과 비교하여 상기 레이저 가스(4)가 여기될 때 상기 적어도 하나의 방전관(3)에서 생성되는 분해 생성물(20)의 침착을 감소시키기 위해, 상기 폐쇄 레이저 가스 회로(K) 내부에 상기 레이저 가스(4)의 흐름 방향으로 상기 적어도 하나의 방전관(3)으로부터 거리를 두고 배치되고, CO2 빔 소스(1)가 작동될 때 상기 적어도 하나의 촉매(18)의 온도(T1, T2)는 60℃ 이상, 바람직하게는 100℃ 이상, 특히 바람직하게는 150℃ 이상인 것을 특징으로 하는 CO2 빔 소스. - 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 방전관(3)의 하류 단부(3')와 상기 적어도 하나의 촉매(18) 사이의 상기 레이저 가스(4)의 흐름 경로(L)가 5 cm 이상, 바람직하게는 10 cm, 특히 바람직하게는 15 cm 이상인 것을 특징으로 하는 CO2 빔 소스.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 촉매(18)가 상기 공급 요소(8, 9, 9') 중 적어도 하나의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 CO2 빔 소스.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송풍기(7)는 중앙에 배치되고, 상기 CO2 빔 소스(1)는 제1 평면(12)에 방사상으로 교대로 제1 공급 요소로서의 공급 아암(8) 및 제2 배출 요소로서의 배출 아암(11)을 가지며, 제2 평면(13)에서 상기 방전관(3)은 교대로 제2 공급 요소(9, 9') 및 제1 배출 요소(10)를 통해 서로 연결되며, 상기 레이저 가스(4)를 냉각시키기 위해 적어도 하나의 공급 아암(8) 및/또는 적어도 하나의 배출 아암(11)의 적어도 하나의 부분 영역(17)이 열교환기로서 형성되는 것을 특징으로 하는 CO2 빔 소스.
- 제4항에 있어서, 상기 레이저 가스(4)와 접촉하는 적어도 하나의 공급 아암(8)의 적어도 하나의 내면이 상기 적어도 하나의 촉매(18)의 기재로서 사용되는 것을 특징으로 하는 CO2 빔 소스.
- 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 촉매(18)는 열교환기로서 형성되는 상기 적어도 하나의 부분 영역(17)의 상류에서 적어도 하나의 공급 아암(8)에 및/또는 적어도 하나의 배출 아암(11)에 배치되는 것을 특징으로 하는 CO2 빔 소스.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 CO2 빔 소스(1)는 상기 적어도 하나의 촉매(18)를 교환하기 위한 적어도 하나의 장치(21)를 갖는 것을 특징으로 하는 CO2 빔 소스.
- 제7항에 있어서, 적어도 하나의 공급 아암(8) 및/또는 적어도 하나의 배출 아암(11)은 상기 적어도 하나의 촉매(18)를 교환하기 위한 장치(21)로서 적어도 하나의 폐쇄 가능한 개구부(21)를 갖는 것을 특징으로 하는 CO2 빔 소스.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 귀금속 나노입자(22)는 백금 나노입자, 팔라듐 나노입자, 금 나노입자, 이들 물질의 합금으로 이루어지는 나노입자 또는 이들 나노입자의 혼합물인 것을 특징으로 하는 CO2 빔 소스.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 촉매(18)의 기재(23)는 금속 기재 또는 세라믹 기재인 것을 특징으로 하는 CO2 빔 소스.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 귀금속 나노입자(22)가 도포되는 코팅(24)이 상기 적어도 하나의 촉매(18)의 기재(23) 상에 있고, 상기 코팅은 바람직하게는 적어도 부분적으로 금속 산화물, 특히 바람직하게는 적어도 부분적으로 산화세륨, 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화구리 또는 이들 물질의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CO2 빔 소스.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매(18)의 기재 상의 코팅(24)은 표면적 증가를 위해 미세하게 구조화되는 것을 특징으로 하는 CO2 빔 소스.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매의 기재(23)는 표면적 증가를 위해 구조화되는 것을 특징으로 하는 CO2 빔 소스.
- 제12항에 있어서, 상기 촉매(18)의 기재(23)는 표면적 증가를 위해 벌집 모양으로 구조화되는 것을 특징으로 하는 CO2 빔 소스.
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