KR20240028987A - 마이크로파 플라즈마를 사용하여 원하는 특성을 갖는 재료를 생산하기 위한 시스템, 방법 및 디바이스 - Google Patents
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Abstract
본원에 개시되는 실시형태는 마이크로파 플라즈마를 사용하여 원하는 특성을 갖는 재료를 생산하기 위한 시스템, 방법 및 디바이스에 관한 것이다. 일부 실시형태에서, 반복 공정을 수행하는 것은 원하는 특성을 갖는 재료를 생산하는 데 사용될 수 있으며, 공정은, 반응 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하는 것, 플라즈마의 속성이 재료의 원하는 특성을 생산할 것으로 예상되는 범위 내에 있는지를 결정하기 위해 플라즈마를 분석하는 것; 및 플라즈마의 분석에 기초하여, 하나 이상의 매개변수를 조정하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 마이크로파 플라즈마의 길이를 연장하기 위해 연장 튜브가 마이크로파 플라즈마 장치 내에 제공된다.
Description
임의의 우선권 출원에 대한 참조에 의한 통합
본 출원은 2021년 6월 30일에 출원된 미국 가출원 제63/202,921호 및 2022년 2월 2일에 출원된 가출원 제63/267,469호의 35 U.S.C. §119(e) 하의 우선권을 주장하며, 상기 출원 각각의 전체 개시가 참조에 의해 본원에 통합된다.
기술분야
본 개시는 일반적으로 일부 실시형태에서 마이크로파 플라즈마 장치를 사용하여 공급 원료(feedstock)로부터 재료를 생산하는 것에 관한 것이다.
설명
마이크로파 플라즈마를 사용하여 원하는 특성을 갖는 재료를 생산하기 위한 신규 시스템, 방법 및 디바이스가 필요하다.
이러한 내용의 목적으로, 본 발명의 특정 측면, 이점 및 신규 피처(feature)가 본원에서 설명된다. 본 발명의 임의의 특정 실시형태에 따라 이러한 이점들 모두가 반드시 달성될 수 있는 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 예를 들어, 당해 기술 분야의 통상의 기술자는, 본 발명이, 본원에서 교시되거나 제안될 수 있는 다른 이점들을 반드시 달성하는 것은 아니면서, 본원에서 교시되는 하나의 이점 또는 이점들의 그룹을 달성하는 방식으로 구현 또는 수행될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
본원에서 일부 실시형태는 재료의 원하는 특성을 생산하기 위해 마이크로파 플라즈마에서 재료를 가공하는 방법에 관한 것이며, 방법은: 반응 챔버를 포함하는 마이크로파 플라즈마 장치를 제공하는 단계; 재료의 원하는 특성에 기초하여 다음의 매개변수인: 마이크로파 전력, 플라즈마 가스 유동률, 플라즈마 가스의 유형, 공급 재료 크기, 공급 재료 삽입률, 공급 재료 입구 위치, 공급 재료 입구 배향, 공급 재료 입구 크기, 공급 재료 입구 형상, 공급 재료 입구의 수, 플라즈마 온도, 스월 가스 유동률(swirl gas flow rate), 스월 가스의 유형 또는 체류 시간 중 적어도 하나를 선택하는 단계; 반복 공정(iterative process)을 수행하는 단계로서: 반응 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하는 단계; 공급 재료를 플라즈마로 지향시켜 결과적인 재료를 생산하기 위해 공급 재료를 반응 챔버 내의 가스 유동에 주입하는 단계; 결과적인 재료의 특성이 원하는 특성의 임계 범위 내에 있는지를 결정하기 위해 결과적인 재료를 분석하는 단계; 및 결과적인 재료의 분석에 기초하여, 매개변수 중 하나 이상을 조정하는 단계를 포함하는, 반복 공정을 수행하는 단계; 및 결과적인 재료의 특성이 원하는 특성의 임계 범위 내에 있을 때까지 반복 공정을 반복하는 단계(repeating)를 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 매개변수 중 하나 이상을 조정하는 단계 이전에 마이크로파 플라즈마를 켄칭(quenching)하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 결과적인 재료의 특성이 원하는 특성의 임계 범위 내에 있을 때까지 마이크로파 플라즈마는 연속적으로 형성된다. 일부 실시형태에서, 마이크로파 플라즈마는 반응 챔버 내에서 길이를 포함하고, 마이크로파 플라즈마는, 플라즈마의 길이의 부분을 따라 반응 챔버 내에서 하향 연장되는 튜브에 의해 적어도 부분적으로 가두어진다(confined). 일부 실시형태에서, 매개변수는: 튜브 재료, 반응기 챔버 또는 튜브의 절연 레벨, 튜브의 코팅 레벨 또는 튜브의 기하학적 구조를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 매개변수는 마이크로파 전력, 플라즈마 가스 유동률, 스월 가스 유동률 또는 분말 수송 가스 유동률(powder conveyance gas flow rate)을 포함한다. 일부 실시형태에서, 매개변수는 플라즈마 가스의 유형 또는 스월 가스의 유형을 포함한다. 일부 실시형태에서, 매개변수는 공급 재료 크기, 공급 재료 삽입률, 공급 재료 입구 위치, 공급 재료 입구 배향, 공급 재료 입구 크기, 공급 재료 입구 형상 또는 공급 재료 입구의 수를 포함한다.
일부 실시형태에서, 결과적인 재료를 분석하는 단계는 결과적인 재료의 구형도(sphericity)를 측정하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 재료의 원하는 특성은 구형도를 포함하고, 임계 범위는 90% 초과의 구형도이다.
본원에서 일부 실시형태는 재료의 원하는 특성을 생산하기 위해 마이크로파 플라즈마에서 재료를 가공하는 방법에 관한 것이며, 방법은: 반응 챔버를 포함하는 마이크로파 플라즈마 장치를 제공하는 단계; 재료의 원하는 특성에 기초하여 다음의 매개변수인: 마이크로파 전력, 플라즈마 가스 유동률, 플라즈마 가스의 유형, 공급 재료 크기, 공급 재료 삽입률, 공급 재료 입구 위치, 공급 재료 입구 배향, 공급 재료 입구 크기, 공급 재료 입구 형상, 공급 재료 입구의 수, 플라즈마 온도, 스월 가스 유동률, 스월 가스의 유형 또는 체류 시간 중 적어도 하나를 선택하는 단계; 반복 공정을 수행하는 단계로서: 반응 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하는 단계; 플라즈마의 속성이 재료의 원하는 특성을 생산할 것으로 예상되는 범위 내에 있는지를 결정하기 위해 플라즈마를 분석하는 단계; 및 플라즈마의 분석에 기초하여, 매개변수 중 하나 이상을 조정하는 단계를 포함하는, 반복 공정을 수행하는 단계; 및 플라즈마의 속성이 범위 내에 있을 때까지 반복 공정을 반복하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 매개변수 중 하나 이상을 조정하는 단계 이전에 마이크로파 플라즈마를 켄칭하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 플라즈마의 속성이 범위 내에 있을 때까지 마이크로파 플라즈마는 연속적으로 형성된다. 일부 실시형태에서, 마이크로파 플라즈마는 반응 챔버 내에서 길이를 포함하고, 마이크로파 플라즈마는, 플라즈마의 길이의 부분을 따라 반응 챔버 내에서 하향 연장되는 튜브에 의해 적어도 부분적으로 가두어진다. 일부 실시형태에서, 매개변수는: 튜브 재료, 반응기 챔버 또는 튜브의 절연 레벨, 튜브의 코팅 레벨 또는 튜브의 기하학적 구조를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 매개변수는 마이크로파 전력, 플라즈마 가스 유동률, 스월 가스 유동률 또는 체류 시간을 포함한다. 일부 실시형태에서, 매개변수는 플라즈마 가스의 유형 또는 스월 가스의 유형을 포함한다. 일부 실시형태에서, 매개변수는 공급 재료 크기, 공급 재료 삽입률, 공급 재료 입구 위치, 공급 재료 입구 배향, 공급 재료 입구 크기, 공급 재료 입구 형상 또는 공급 재료 입구의 수를 포함한다.
본원에서 일부 실시형태는 재료의 특정 특성을 생산하기 위해 마이크로파 플라즈마에서 재료를 가공하는 방법에 관한 것이며, 방법은: 반응 챔버를 포함하는 마이크로파 플라즈마 장치를 제공하는 단계; 반응 챔버 내에서 길이를 갖는 마이크로파 플라즈마를 형성하는 단계 - 마이크로파 플라즈마는, 플라즈마의 길이의 부분을 따라 반응 챔버 내에서 하향 연장되는 튜브에 의해 적어도 부분적으로 가두어짐 -; 및 가스 유동이 튜브로 상승하고 플라즈마를 켄칭시키지 않고서 공급 재료를 플라즈마로 지향시키기 위해 반응 챔버 내의 가스 유동으로 공급 재료를 주입하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 반응 챔버의 내부 표면 상에 비점착성 코팅(non-stick coating)을 제공하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 비점착성 코팅은 탄화 텅스텐(tungsten carbide), 탄화 크롬(chromium carbide) 또는 니켈 합금을 포함한다. 일부 실시형태에서, 방법은 튜브 또는 반응 챔버를 교반, 발진 또는 진동시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 튜브는, 튜브가 반응 챔버에서 하향 연장됨에 따라 방사상 외측으로 테이퍼링(taper)된다. 일부 실시형태에서, 튜브는 반응 챔버에서 하향 연장되는 하나 이상의 원통형 체적을 포함한다. 일부 실시형태에서, 하나 이상의 원통형 체적은, 튜브가 반응 챔버에서 하향 연장됨에 따라 각각의 연이은 원통형 체적이 각각의 이전의 원통형 체적보다 큰 직경을 포함하도록, 단차형 구성으로 배열된다. 일부 실시형태에서, 마이크로파 플라즈마는 마이크로파 플라즈마 장치에 마이크로파 전력을 제공함으로써 형성된다. 일부 실시형태에서, 튜브는 반응 챔버에서 하향 연장되는 하나 이상의 원뿔형 체적을 포함한다. 일부 실시형태에서, 튜브는 반응 챔버에서 하향 연장되는 제1 원뿔형 체적 및 제2 원뿔형 체적을 포함한다. 일부 실시형태에서, 제1 원뿔형 체적의 가장 넓은 부분이 제2 원뿔형 체적의 가장 넓은 부분에 연결된다. 일부 실시형태에서, 2개의 원뿔형 체적을 사용하는 것은 플라즈마를 주변 환경으로부터 더 격리시켜, 반응 챔버 내에서 상대적으로 더 차가운 가스와 고온 플라즈마 가스의 혼합을 방지할 수 있으며, 이는 보다 균일한 플라즈마 온도 구배로 이어진다. 일부 실시형태에서, 보다 균일한 플라즈마 온도 구배는 보다 균질한 공정을 생산할 수 있다. 보다 균질한 공정은 재료 가공 동안 재료의 개선된 테일러링(tailoring)을 허용할 수 있으며, 이는 가능하게는 보다 효율적인 공정으로 이어진다.
일부 실시형태에서, 방법은 마이크로파 플라즈마 장치에 제공되는 마이크로파 전력을 증가시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 마이크로파 플라즈마를 형성하는 단계는 하나 이상의 가스를 반응 챔버로 유동시키는 단계 및 하나 이상의 가스를 마이크로파 전력에 노출시키는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 반응 챔버로의 하나 이상의 가스의 유동률을 변경시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 하나 이상의 가스는 산소, 질소, 또는 비활성 가스 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시형태에서, 튜브는 스테인리스 강을 포함한다. 일부 실시형태에서, 튜브 또는 반응 챔버는 세라믹 펠트(ceramic felt)로 절연된다. 일부 실시형태에서, 튜브는 12 인치에서 18 인치 사이의 길이를 포함한다. 일부 실시형태에서, 튜브는 3 인치에서 24 인치 사이의 직경을 포함한다. 일부 실시형태에서, 공급 재료는 텅스텐, 티타늄, 스테인레스 강, 인코넬 625 또는 인코넬 718을 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 재료의 특정 특성에 기초하여 다음의 매개변수인: 연장 튜브 재료, 반응기 챔버 또는 연장 튜브의 절연 레벨, 연장 튜브의 코팅 레벨 또는 연장 튜브의 기하학적 구조 중 하나를 선택하는 단계를 더 포함한다.
도면은 예시적인 실시형태를 예시하기 위해 제공되며 본 개시의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 본원에서 설명되는 시스템 및 방법에 대한 보다 나은 이해는 첨부 도면과 함께 다음의 설명을 참조할 때 이해될 것이며,
도 1은 본원의 일부 실시형태에 따른, 재료의 생산에 사용될 수 있는 마이크로파 플라즈마 토치(microwave plasma torch)의 일 실시형태를 예시한다.
도 2는 본원의 일부 실시형태에 따른, 재료의 생산에 사용될 수 있는 연장 튜브를 포함하는 마이크로파 플라즈마 토치의 하류 부분의 일 실시형태를 예시한다.
도 3은 본원의 일부 실시형태에 따른, 재료의 생산에 사용될 수 있는 연장 튜브를 포함하는 마이크로파 플라즈마 토치의 하류 부분의 다른 실시형태를 예시한다.
도 4는 본원의 일부 실시형태에 따른, 재료의 생산에 사용될 수 있는 마이크로파 플라즈마 토치의 연장 튜브의 일 실시형태를 예시한다.
도 5는 본원의 일부 실시형태에 따른, 재료의 생산에 사용될 수 있는 마이크로파 플라즈마 토치의 연장 튜브의 다른 실시형태를 예시한다.
도 6은 본원의 일부 실시형태에 따른, 재료의 생산에 사용될 수 있는 마이크로파 플라즈마 토치의 연장 튜브의 다른 실시형태를 예시한다.
도 1은 본원의 일부 실시형태에 따른, 재료의 생산에 사용될 수 있는 마이크로파 플라즈마 토치(microwave plasma torch)의 일 실시형태를 예시한다.
도 2는 본원의 일부 실시형태에 따른, 재료의 생산에 사용될 수 있는 연장 튜브를 포함하는 마이크로파 플라즈마 토치의 하류 부분의 일 실시형태를 예시한다.
도 3은 본원의 일부 실시형태에 따른, 재료의 생산에 사용될 수 있는 연장 튜브를 포함하는 마이크로파 플라즈마 토치의 하류 부분의 다른 실시형태를 예시한다.
도 4는 본원의 일부 실시형태에 따른, 재료의 생산에 사용될 수 있는 마이크로파 플라즈마 토치의 연장 튜브의 일 실시형태를 예시한다.
도 5는 본원의 일부 실시형태에 따른, 재료의 생산에 사용될 수 있는 마이크로파 플라즈마 토치의 연장 튜브의 다른 실시형태를 예시한다.
도 6은 본원의 일부 실시형태에 따른, 재료의 생산에 사용될 수 있는 마이크로파 플라즈마 토치의 연장 튜브의 다른 실시형태를 예시한다.
특정한 바람직한 실시형태 및 예가 아래에서 개시되지만, 독창적인 주제는 구체적으로 개시된 실시형태 이외의 다른 대안적 실시형태 및/또는 용도 및 그의 수정 및 등가물로 연장된다. 따라서, 이에 첨부되는 청구범위의 범주는 아래에서 설명되는 임의의 특정 실시형태에 의해 제한되지 않는다. 예를 들어, 본원에 개시된 임의의 방법 또는 공정에서, 방법 또는 공정의 동작 또는 작업은 임의의 적합한 시퀀스로 수행될 수 있으며 반드시 임의의 특정한 개시된 시퀀스로 제한되지는 않는다. 다양한 작업은 특정 실시형태를 이해하는 데 도움이 될 수 있는 방식으로, 다수의 개별 작업으로 차례로 설명될 수 있지만; 설명의 순서가 이러한 작업이 순서 의존적(order dependent)인 것을 암시하는 것으로 고려되어서는 안 된다. 추가적으로, 본원에서 설명되는 구조, 시스템 및/또는 디바이스는 통합된 구성요소 또는 별개의 구성요소로서 구현될 수 있다. 다양한 실시형태를 비교할 목적으로, 이들 실시형태의 특정 측면 및 이점이 설명된다. 이러한 측면 또는 이점 모두가 임의의 특정 실시형태에 의해 반드시 달성되는 것은 아니다. 따라서, 예를 들어, 다양한 실시형태는, 본원에서 교시되거나 제안될 수도 있는 다른 측면 또는 이점을 반드시 달성하는 것은 아니면서, 본원에서 교시되는 하나의 이점 또는 이점들의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 수행될 수 있다.
이제 본원에서 개시되는 디바이스 및 방법의 구조, 기능, 제조 및 용도의 원리에 대한 전반적인 이해를 제공하기 위해 특정한 예시적 실시형태가 설명될 것이다. 이들 실시형태의 하나 이상의 예가 첨부 도면에 예시된다. 당해 기술 분야의 통상의 기술자는 본원에서 구체적으로 설명되고 첨부 도면에 예시되는 디바이스 및 방법이 비제한적인 예시적 실시형태이며 본 발명의 범주가 오로지 청구범위에 의해서만 규정된다는 것을 이해할 것이다. 하나의 예시적 실시형태와 관련하여 예시되거나 설명된 피처는 다른 실시형태의 피처와 조합될 수 있다. 이러한 수정 및 변동은 본 기술의 범주 내에 포함되도록 의도된다.
마이크로파 플라즈마 가공을 사용하여 공급 원료로부터 재료를 형성하기 위한 방법, 디바이스 및 어셈블리의 실시형태가 본원에 개시된다. 각각의 상이한 공급 원료는 무엇보다도 구형화(spheroidization), 형태학(morphology), 종횡비, 입자 크기 분포(PSD), 화학, 밀도, 직경, 구형도, 산화, 경도 및 연성과 같이, 원하는 재료 특성을 달성하기 위해 마이크로파 플라즈마 가공에 대한 그 자체의 임계의(critical), 특수화된 및 고유의 요건을 갖는다. 본원에서 개시되는 바와 같이, 마이크로파 플라즈마 토치에서의 가공은 공급 원료를 마이크로파 플라즈마 토치, 마이크로파 플라즈마 토치의 플라즈마 플룸(plume) 및/또는 마이크로파 플라즈마 토치의 배출구로 공급하는 것을 포함할 수 있다. 공급 위치가 공급 원료의 체류 시간 및 열 노출에 영향을 주어 재료 특성을 변경시킬 수 있기 때문에, 공급 위치는 원하는 재료에 의존하여 변동될 수 있다.
본원에서 일부 실시형태는 마이크로파 플라즈마 토치 내에서 마이크로파 플라즈마를 연장하는 것에 관한 것이다. 일부 실시형태에서, 마이크로파 플라즈마를 연장하는 것은 원하는 재료 특성을 갖는 재료를 생산하기 위해 공급 원료를 가공하기에 충분한 길이의 플라즈마를 획득하는 것을 포함할 수 있다. 본원에서 일부 실시형태는 마이크로파 플라즈마 장치 내의 온도 프로파일(temperature profile) 및 재료 체류 시간을 포함하여 원하는 가공 특성을 획득하기 위해, 마이크로파 플라즈마의 길이를 자동 또는 수동 중 어느 하나로 튜닝(tuning) 또는 변경하는 것에 관한 것이다. 일부 실시형태에서, 본원의 실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 장치는 마이크로파 플라즈마 장치의 반응 챔버로 하향 연장되는 연장 튜브를 포함할 수 있고, 연장 튜브는 마이크로파 플라즈마를 가두고 지향시켜 그의 길이를 연장시킨다. 일부 실시형태에서, 연장 튜브는 장치 내에 보다 긴 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위해, 마이크로파 전력원에 의해 제공된 에너지 및 전력을 집중시킬 수 있다.
종래의 마이크로파 플라즈마 장치에서, 플라즈마는 플라즈마 가스의 과열 및 이온화에 의해 형성된 후 반응 챔버로 하향 지향될 수 있으며, 반응 챔버에서 플라즈마에 공급 원료 재료가 제공되고 재료로 가공된다. 종래의 마이크로파 플라즈마 장치에서 플라즈마, 플라즈마 플룸 또는 플라즈마 배출구의 길이는 제한될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마가 마이크로파 전력원으로부터 멀리 반응 챔버로 하향 연장됨에 따라, 플라즈마는 주변 가스에 의해 냉각되어, 플라즈마 내의 자유 전자가 플라즈마 가스 원자와 재조합되어 플라즈마가 종료되는 것을 야기한다. 나아가, 플라즈마가 전력원으로부터 더 연장됨에 따라, 플라즈마 가스에 불충분한 에너지가 제공되어 플라즈마가 다시 가스로 재조합되는 것을 야기한다. 추가적으로, 과열된 플라즈마는 주변 가스보다 낮은 밀도이기 때문에, 플라즈마는 자연스럽게 주변 가스 위로 상승하고, 이는 장치 내에서 플라즈마의 길이를 제한한다. 나아가, 종래의 장치에서, 플라즈마가 일반적으로 고정된 형상 또는 체적을 유지하지 않기 때문에, 생성된 플라즈마는 극히 동적인 길이 및 형상을 가질 수 있다.
플라즈마 길이 및 안정성에서의 이러한 제한에 대응하기 위해, 본원에서 설명되는 방법 및 장치는 연장 튜브를 활용할 수 있으며, 연장 튜브는 코어 플라즈마 튜브로부터 반응 챔버로 하향 연장된다. 일부 실시형태에서, 연장 튜브는 마이크로파 전력원으로부터의 에너지를 보다 작은 체적으로 집중시킬 수 있고, 종래의 마이크로파 플라즈마 장치를 사용하여 가능한 것보다 큰 길이로 플라즈마를 연장 및 지향시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 플라즈마의 길이는 다음의 매개변수인: 전력, 플라즈마 가스 유동, 가스의 유형, 연장 튜브 재료, 반응기 챔버 또는 연장 튜브의 절연 레벨, 연장 튜브의 코팅 레벨 및 연장 튜브의 기하학적 구조(예컨대, 테이퍼형/단차형) 중 하나 이상을 구성함으로써 튜닝되거나 변경될 수 있다.
공정 매개변수는 원하는 재료 특성을 획득하기 위해 최적화될 수 있다. 각각의 고유한 공급 원료 및 원하는 재료 특성을 위해, 공정 매개변수가 특정 결과(outcome)에 대해 최적화될 수 있다. 미국 특허공개공보 제2018/0297122호, US 8748785 B2 및 US 9,932,673 B2는 개시된 공정에서, 특히 마이크로파 플라즈마 가공을 위해 사용될 수 있는 특정 가공 기법을 개시한다. 따라서, 미국 특허공개공보 제2018/0297122호, US 8,748,785 B2 및 US 9,932,673 B2는 그 전체가 참조로 통합되고, 설명된 기법은 본원에서 설명되는 공정에 적용 가능한 것으로 간주되어야 한다.
마이크로파 플라즈마 장치로의 연장 튜브의 도입은 추가적인 가공 난제(challenge)를 제시할 수 있다. 예를 들어, 공급 원료가 연장 튜브 내에서 플라즈마에 의해 가열될 때, 공급 원료는 반응기 챔버 벽에 대한 표면의 근접성으로 인해 코어 튜브(즉, 토치 라이너(torch liner)) 또는 연장 튜브의 표면에 부착될 수 있다. 이 문제는 특히 코어 튜브 또는 연장 튜브의 벽에 점착되거나(stick) 이를 코팅할 수 있는 분말 공급 원료와 관련되며, 이는 원하는 재료의 가공 조건 및 품질에 바람직하지 않게 영향을 미칠 수 있다. 코팅이 코어 튜브에서 너무 상당해질 때, 마이크로파 에너지는 플라즈마 고온 구역(hot zone)으로 진입하는 것이 차폐되고 플라즈마 커플링(coupling)은 감소된다. 때때로, 플라즈마는 심지어 소멸되고 불안정해질 수 있다. 플라즈마 강도의 감소는 결과적인 재료 품질에서의 감소를 가져올 수 있다. 일부 실시형태에서, 공급 원료가 연장 튜브(또는 반응 챔버)의 표면에 부착되는 것을 방지하기 위해, 비점착성 코팅이 이들 표면 상에 제공될 수 있다.
나아가, 일부 실시형태에서, 교반기, 진동기, 또는 다른 디바이스가 연장 튜브의 표면으로부터 공급 원료 입자를 제거하기 위해 및/또는 점착을 방지하기 위해 제공될 수 있다. 일부 실시형태에서, 특정 형상을 갖는 연장 튜브를 제공하는 것이 마이크로파 플라즈마 토치의 하나 이상의 표면 상의 재료 축적의 방지를 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 원뿔형 연장 튜브는 연장 튜브의 표면 상의 빌드업(buildup)을 방지할 수 있다.
마이크로파 플라즈마 장치의 반응 챔버 내에 연장 튜브를 제공하는 다른 복잡성은 연장 튜브가 마이크로파 플라즈마 장치 내의 가스의 순환에 바람직하지 않게 영향을 미칠 수 있다는 것이다. 특히, 연장 튜브는 챔버 가스가 플라즈마 방전 영역으로 흡수(ingested)되도록 시스템 가스 역학에서의 변화를 야기시켜 화염의 가공 전력을 감소시킬 수 있다. 이러한 상승(rising)은 위에서 형성된 플라즈마를 바람직하지 않게 켄칭할 수 있다. 일부 실시형태에서, 반응 챔버 내에서 적절한 가스 순환을 유지하고 플라즈마의 켄칭을 방지하기 위해, 연장 튜브는 가스가 플라즈마를 소멸시키지 않도록 형상화(shaped), 크기 조정(sized) 및 배향될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 연장 튜브는 원뿔의 형상으로 형성되거나 적절한 가스 순환을 허용하도록, 단차형, 테이퍼형, 또는 다른 형상으로 형성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 본원에 설명된 바와 같은 연장 튜브는 마이크로파 플라즈마 장치의 반응 챔버로 하향 연장될 수 있다. 일부 실시형태에서, 연장 튜브는 반응 챔버 길이의 적어도 5%, 적어도 10%, 적어도 15%, 적어도 20%, 적어도 25%, 적어도 30%, 적어도 35%, 적어도 40%, 적어도 45%, 적어도 50%, 적어도 55%, 적어도 60%, 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95%, 또는 적어도 100%의 길이, 또는 전술한 값 사이의 임의의 값으로 하향 연장될 수 있다.
본원의 일부 실시형태는 반복 공정을 사용하여 재료의 원하는 특성을 생산하기 위해 마이크로파 플라즈마에서 재료를 가공하기 위한 시스템, 방법 및 디바이스에 관한 것이다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 반응 챔버를 포함하는 마이크로파 플라즈마 장치가 제공될 수 있다. 일부 실시형태에서, 다음의 매개변수인: 마이크로파 전력, 플라즈마 가스 유동률, 플라즈마 가스의 유형, 공급 재료 크기, 공급 재료 삽입률, 공급 재료 입구 위치, 공급 재료 입구 배향, 공급 재료 입구 크기, 공급 재료 입구 형상, 공급 재료 입구의 수, 플라즈마 온도, 스월 가스 유동률, 스월 가스의 유형 또는 체류 시간 중 적어도 하나가 재료의 원하는 특성에 기초하여 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 반복 공정이 수행될 수 있으며, 반복 공정은: 반응 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하는 것; 공급 재료를 플라즈마로 지향시켜 결과적인 재료를 생산하기 위해 반응 챔버 내의 가스 유동으로 공급 재료를 주입하는 것; 결과적인 재료의 특성이 원하는 특성의 임계 범위 내에 있는지를 결정하기 위해 결과적인 재료를 분석하는 것; 및 결과적인 재료의 분석에 기초하여 매개변수 중 하나 이상을 조정하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 반복 공정은 결과적인 재료의 특성이 원하는 특성의 임계 범위 내에 있을 때까지 반복될 수 있다.
일부 실시형태에서, 반복 공정은, 반응 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하는 것; 플라즈마의 속성이 재료의 원하는 특성을 생산할 것으로 예상되는 범위 내에 있는지를 결정하기 위해 플라즈마를 분석하는 것; 및 플라즈마의 분석에 기초하여, 매개변수 중 하나 이상을 조정하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 반복 공정은 플라즈마의 속성이 범위 내에 있을 때까지 반복될 수 있다.
일부 실시형태에서, 본원에서 설명되는 공정은 마이크로파 플라즈마 장치의 조작자에 의해 수동으로 완료될 수 있다. 일부 실시형태에서, 공정은, 예를 들어, 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 저장 디바이스와 통신하고 복수의 컴퓨터 실행 가능 명령을 실행하도록 구성된 하나 이상의 하드웨어 컴퓨터 프로세서를 포함하는 제어기를 사용하여 자동으로 완료될 수 있다. 일부 실시형태에서, 컴퓨터 실행 가능 명령은 원하는 특성을 갖는 재료를 제공하기 위해 본원에서 설명되는 반복 공정을 자동으로 완료하기 위한 알고리즘을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 인공 지능(AI) 및/또는 기계 학습(ML)이 원하는 특성을 갖는 재료를 제공하기 위해 본원에서 설명되는 반복 공정을 자동으로 완료하도록 활용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 마이크로파 플라즈마 장치의 다양한 액추에이터 및 센서와 통신할 수 있는 제어기는, 사용자 입력 디바이스로부터 재료의 원하는 특성의 입력을 수신하고, 다양한 매개변수를 조정하기 위해 (예컨대, 데이터베이스 또는 룩업 테이블(look-up table)에 액세스하거나, 상이한 입력과 연관된 제어 공정을 실행하거나, 또는 AI/ML 알고리즘과 같은 알고리즘을 활용함으로써) 장치의 다양한 구성요소를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 원하는 재료 특성의 세트를 수신할 수 있고, 원하는 재료 특성을 생산할 것으로 예상되는 공급 원료 및 플라즈마 가공 매개변수를 선택할 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어기는 위에서 논의된 바와 같이, 원하는 재료 특성을 생산하기 위해 반복 공정을 지향할 수 있다.
마이크로파 플라즈마 장치
도 1은 본원의 일부 실시형태에 따른, 재료의 생산에 사용될 수 있는 마이크로파 플라즈마 토치(100)의 일 실시형태를 예시한다. 일부 실시형태에서, 공급 원료가 하나 이상의 공급 원료 입구(102)를 통해 마이크로파 플라즈마(104)에 도입될 수 있다. 일부 실시형태에서, 마이크로파 방사선원(106)을 통한 플라즈마(104)의 점화 이전에 플라즈마 토치 내에 유동 조건을 생성하기 위해 비말동반(entrainment) 가스 유동 및/또는 시스(sheath) 유동이 마이크로파 플라즈마 토치(100)에 주입될 수 있다. 일부 실시형태에서, 비말동반 유동 및 시스 유동은 모두 축-대칭 및 층류(laminar)인 반면, 다른 실시형태에서 가스 유동은 스월링한다. 일부 실시형태에서, 공급 원료가 마이크로파 플라즈마 토치(100)에 도입될 수 있으며, 공급 원료는 플라즈마(104)를 향해 재료를 지향시키는 가스 유동에 의해 비말동반될 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 가스 유동은 헬륨, 네온, 아르곤 등과 같은 주기율표의 비활성 가스 열(noble gas column)을 포함할 수 있다. 위에서 설명된 가스가 사용될 수 있지만 원하는 재료 및 가공 조건에 의존하여 다양한 가스가 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 일부 실시형태에서, 마이크로파 플라즈마(104) 내에서, 공급 원료는 물리적 및/또는 화학적 변형을 겪을 수 있다. 입구(102)는 플라즈마(104)를 향해 공급 원료를 비말동반시키고 가속화하기 위해 공정 가스를 도입하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 코어 가스 튜브(108) 및 반응 챔버(110)의 내벽에 대한 시딩(sheathing)을 제공하여 플라즈마(104)로부터의 열 방사로 인한 용융으로부터 이들 구조체를 보호하기 위해 제2 가스 유동이 생성될 수 있다.
마이크로파 플라즈마(104)의 다양한 매개변수가 원하는 재료를 달성하기 위해 수동으로 또는 자동으로 조정될 수 있다. 이러한 매개변수는, 예를 들어, 전력, 플라즈마 가스 유동률, 플라즈마 가스의 유형, 연장 튜브의 존재, 연장 튜브 재료, 반응기 챔버 또는 연장 튜브의 절연 레벨, 연장 튜브의 코팅 레벨, 연장 튜브의 기하학적 구조(예컨대, 테이퍼형/단차형), 공급 재료 크기, 공급 재료 삽입률, 공급 재료 입구 위치, 공급 재료 입구 배향, 공급 재료 입구의 수, 플라즈마 온도, 체류 시간 및 냉각률을 포함할 수 있다. 결과적인 재료는, 재료가 켄칭된 이후 수집되는 밀봉된 챔버(112)로 플라즈마를 빠져나갈 수 있다.
일부 실시형태에서, 공급 원료는 마이크로파 플라즈마 토치의 "플룸" 또는 "배출구"에서의 가공을 위해 마이크로파 플라즈마 토치 어플리케이터(applicator) 이후에 주입된다. 따라서, 마이크로파 플라즈마 토치의 플라즈마는 플라즈마 토치 코어 튜브(108)의 출구 단부(exit end), 또는 더 하류에서 결합된다. 일부 실시형태에서, 조정 가능한 하류 공급은, 온도 레벨 및 체류 시간의 정밀한 타겟팅을 통해 공급 원료의 최적 용융에 적합한 온도에서 공급 원료가 플라즈마 플룸 하류와 결합하는 것을 허용한다. 입구 위치 및 플라즈마 특성을 조정하는 것은 재료 특성의 추가적인 맞춤화(customization)를 허용할 수 있다. 나아가, 일부 실시형태에서, 전력, 가스 유동률, 압력 및 장비 구성(예컨대, 연장 튜브를 도입)을 조정함으로써, 플라즈마 플룸의 길이가 조정될 수 있다.
일부 실시형태에서, 공급 구성은 플라즈마 플룸을 둘러싸는 하나 이상의 개별 공급 노즐을 포함할 수 있다. 공급 원료는 임의의 방향으로부터 플라즈마에 진입할 수 있고, 입구(102)의 배치 및 배향에 의존하여 플라즈마 주위에 360°로 공급될 수 있다. 나아가, 공급 원료는 입구(102)의 배치를 조정함으로써 플라즈마(104)의 길이를 따라 특정 포지션에서 플라즈마에 진입할 수 있으며, 여기서 결과적인 재료의 바람직한 특성을 제공하기 위한 체류 시간이 추정되고 특정 온도가 측정된다.
일부 실시형태에서, 공급 원료가 플라즈마(104)에 대해 임의의 각도로 주입될 수 있도록, 플라즈마(104)에 대한 입구(102)의 각도가 조정될 수 있다. 예를 들어, 입구(102)는, 공급 원료가 플라즈마(104)의 방향에 대해 약 0도, 약 5도, 약 10도, 약 15도, 약 20도, 약 25도, 약 30도, 약 35도, 약 40도, 약 45도, 약 50도, 약 55도, 약 60도, 약 65도, 약 70도, 약 75도, 약 80도, 약 85도 또는 약 90도의 각도로, 또는 전술한 값 중 임의의 값 사이에서 플라즈마에 주입될 수 있도록 조정될 수 있다.
일부 실시형태에서, 하류 주입 방법의 구현은 하류 스월 또는 켄칭을 사용할 수 있다. 하류 스월은 코어 튜브(108), 반응기 챔버(110) 및/또는 연장 튜브(114)의 벽으로부터 분말을 유지하기 위해 플라즈마 토치로부터 하류에 도입될 수 있는 추가적인 스월 구성요소를 지칭한다.
일부 실시형태에서, 마이크로파 플라즈마 장치의 반응 챔버(110)의 길이는 약 1 피트, 약 2 피트, 약 3 피트, 약 4 피트, 약 5 피트, 약 6 피트, 약 7 피트, 약 8 피트, 약 9 피트, 약 10 피트, 약 11 피트, 약 12 피트, 약 13 피트, 약 14 피트, 약 15 피트, 약 16 피트, 약 17 피트, 약 18 피트, 약 19 피트, 약 20 피트, 약 21 피트, 약 22 피트, 약 23 피트, 약 24 피트, 약 25 피트, 약 26 피트, 약 27 피트, 약 28 피트, 약 29 피트 또는 약 30 피트, 또는 전술한 값 사이의 임의의 값일 수 있다.
일부 실시형태에서, 다양한 가공 조건 및 장비 구성을 조정함으로써 연장될 수 있는 플라즈마(104)의 길이는 약 1 피트, 약 2 피트, 약 3 피트, 약 4 피트, 약 5 피트, 약 6 피트, 약 7 피트, 약 8 피트, 약 9 피트, 약 10 피트, 약 11 피트, 약 12 피트, 약 13 피트, 약 14 피트, 약 15 피트, 약 16 피트, 약 17 피트, 약 18 피트, 약 19 피트, 약 20 피트, 약 21 피트, 약 22 피트, 약 23 피트, 약 24 피트, 약 25 피트, 약 26 피트, 약 27 피트, 약 28 피트, 약 29 피트 또는 약 30 피트, 또는 전술한 값 사이의 임의의 값일 수 있다.
마이크로파 플라즈마 가공
마이크로파 플라즈마 공정에서, 공급 원료는 불활성 및/또는 환원성 가스 환경에서 비말동반될 수 있고, 마이크로파 플라즈마, 마이크로파 플라즈마 플룸 또는 마이크로파 플라즈마 배출구로 주입될 수 있다. 고온 플라즈마(또는 플라즈마 플룸 또는 배출구)에 주입 시, 공급 원료는 물리적 및/또는 화학적 변형(예컨대, 구형화)을 겪을 수 있다. 가공 후에, 결과적인 재료는 불활성 가스로 채워진 챔버로 릴리즈(released)되고, 결과적인 재료가 저장되는 기밀하게 밀봉된 드럼(hermetically sealed drum)으로 지향될 수 있다. 이 공정은 대기압, 부분 진공, 또는 대기압보다 약간 높은 압력에서 수행될 수 있다.
대안적인 실시형태에서, 공정은 저, 중 또는 고 진공 환경에서 수행될 수 있다. 공정은 일괄적으로 또는 연속적으로 진행될 수 있으며, 드럼은 가공된 재료로 채워짐에 따라 교체된다. 냉각 가스 유동률, 체류 시간, 플라즈마 조건, 냉각 가스 조성과 같은 공정 매개변수를 제어함으로써, 다양한 재료 특성이 제어될 수 있다.
플라즈마의 고온 구역 내에서의 입자의 체류 시간이 결과적인 재료 특성에 대한 제어를 제공하도록 또한 조정될 수 있다. 즉, 입자가 플라즈마에 노출되는 시간의 길이는 공급 원료 입자의 용융 정도(즉, 입자의 가장 안쪽 부분 또는 코어와 비교할 때 용융된 입자의 표면)를 결정한다. 체류 시간은 고온 구역 내에서의 입자 주입률 및 유동률(및 층류 유동 또는 난류 유동(turbulent flow)과 같은 조건)의 이러한 작업 변수를 조정함으로써 조정될 수 있다. 장비 변화가 또한 체류 시간을 조정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 체류 시간은, 예를 들면, 플라즈마를 연장함으로써, 플라즈마의 단면적을 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 플라즈마를 연장하는 것은 마이크로파 플라즈마 장치로 연장 튜브를 통합하는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 연장 튜브는 도 2 내지 도 4에 도시되는 바와 같이, 마이크로파 플라즈마 장치의 반응 챔버로 연장될 수 있다. 일부 실시형태에서, 연장 튜브는, 튜브가 반응 챔버에서 하향 연장되는 하나 이상의 원통형 체적을 포함하도록 단차형 형상을 포함할 수 있고, 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 연이은 원통형 체적은 튜브가 반응 챔버에서 하향 연장됨에 따라 각각의 이전의 원통형 체적보다 큰 직경을 포함한다. 일부 실시형태에서, 연장 튜브는, 도 3에 도시된 바와 같이, 반응 챔버로 하향 연장됨에 따라 방사상 외측으로 테이퍼링된 원뿔형 형상을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 연장 튜브는 도 4에 도시된 바와 같이, 단일 원통형 체적을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 연장 튜브는 이중 원뿔형 형상을 가질 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 원뿔형 형상은 반응 챔버로 하향 연장됨에 따라 방사상 외측으로 테이퍼링되고, 제2 원뿔형 형상은 제1 원뿔형 형상에 대해 역 비대칭 형상이며, 제1 원뿔형 형상의 단부에 연결되고, 반응 챔버로 하향 연장됨에 따라 방사상 내측으로 테이퍼링된다. 일부 실시형태에서, 연장 튜브는 이중 원뿔형 형상을 포함할 수 있고, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 원뿔형 형상의 가장 넓은 부분이 제2 원뿔형 형상의 가장 넓은 부분에 연결된다. 일부 실시형태에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 원뿔형 형상의 길이는 제2 원뿔형 형상의 길이보다 크다.
일부 실시형태에서, 연장 튜브는 이중 원뿔형 형상을 가질 수 있고, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 원뿔형 형상은 반응 챔버로 하향 연장됨에 따라 방사상 외측으로 테이퍼링되고, 제2 원뿔형 형상은 제1 원뿔형 형상에 대해 역 대칭 형상이며, 제1 원뿔형 형상의 단부에 연결되고, 반응 챔버로 하향 연장됨에 따라 방사상 내측으로 테이퍼링된다. 일부 실시형태에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 원뿔형 형상의 가장 넓은 부분이 제2 원뿔형 형상의 가장 넓은 부분에 연결된다. 일부 실시형태에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 원뿔형 형상의 길이는 제2 원뿔형 형상의 길이와 동일하다. 일부 실시형태에서, 제2 원뿔형 형상의 길이는 제1 원뿔형 형상의 길이보다 크다. 일부 실시형태에서, 공급 재료 입구는 연장 튜브 내에 공급 원료를 삽입할 수 있다.
일부 실시형태에서, 연장 튜브는 약 1 피트의 길이를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 연장 튜브는 약 1 인치, 약 2 인치, 약 3 인치, 약 4 인치, 약 5 인치, 약 6 인치, 약 7 인치, 약 8 인치, 약 9 인치, 약 10 인치, 약 11 인치, 약 1 피트, 약 2 피트, 약 3 피트, 약 4 피트, 약 5 피트, 약 6 피트, 약 7 피트, 약 8 피트, 약 9 피트, 약 10 피트, 약 11 피트, 약 12 피트, 약 13 피트, 약 14 피트, 약 15 피트, 약 16 피트, 약 17 피트, 약 18 피트, 약 19 피트, 약 20 피트, 약 21 피트, 약 22 피트, 약 23 피트, 약 24 피트, 약 25 피트, 약 26 피트, 약 27 피트, 약 28 피트, 약 29 피트 또는 약 30 피트, 또는 전술한 값 사이의 임의의 값의 길이를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 공급 원료 입자는 마이크로파 플라즈마 내에서 4,000에서 8,000 K 사이의 온도 프로파일에 노출된다. 일부 실시형태에서, 입자는 마이크로파 플라즈마 내에서 3,000에서 8,000 K 사이의 온도 프로파일에 노출된다. 일부 실시형태에서, 플라즈마의 온도 프로파일을 결정하기 위해 하나 이상의 온도 센서가 마이크로파 플라즈마 토치 내에 위치될 수 있다.
추가적인 실시형태
전술한 명세서에서, 본 발명은 그의 특정 실시형태를 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 발명의 더 넓은 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고서 다양한 수정 및 변화가 본 발명에 이루어질 수 있다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 의미보다는 예시적인 의미로 간주되어야 한다.
실제로, 본 발명이 특정 실시형태 및 예의 맥락에서 개시되었지만, 본 발명은 구체적으로 개시된 실시형태 이외의 다른 대안적 실시형태 및/또는 본 발명의 용도 및 그의 명백한 수정 및 등가물로 연장된다는 것이 당해 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 이에 더하여, 본 발명의 실시형태의 수개의 변동이 상세하게 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 범주 내에 있는 다른 수정이 본 개시에 기초하여 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 또한, 실시형태의 특정 피처 및 측면의 다양한 조합 또는 하위 조합이 이루어질 수 있으며, 이는 여전히 본 발명의 범주 내에 속할 수 있다는 것이 상정된다. 개시된 실시형태의 다양한 피처 및 측면이 개시된 발명의 실시형태의 변동하는 모드를 형성하기 위해 서로 조합되거나 대체될 수 있음이 이해되어야 한다. 본원에 개시된 임의의 방법은 기재된 순서대로 수행될 필요는 없다. 따라서, 본원에 개시된 본 발명의 범주는 위에서 설명된 특정 실시형태에 의해 제한되지 않도록 의도된다.
본 개시의 시스템 및 방법은 각각 수개의 혁신적인 측면을 가지며, 그 측면들 중 어떠한 단일 측면도 오로지 본원에서 개시된 바람직한 특징(attribute)만을 담당하거나, 그 특징을 위해 요구되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 위에서 설명된 다양한 피처 및 공정은 서로 독립적으로 사용될 수 있거나, 또는 다양한 방식으로 조합될 수 있다. 모든 가능한 조합 및 하위 조합이 본 개시의 범주 내에 속하는 것으로 의도된다.
별개의 실시형태의 맥락에서 본 명세서에 설명된 특정 피처는 또한, 단일 실시형태의 조합으로 구현될 수 있다. 역으로, 단일 실시형태의 맥락에서 설명된 다양한 피처 또한, 별개로 다수의 실시형태들로 또는 임의의 적합한 하위 조합으로 구현될 수 있다. 또한, 피처가 특정 조합에서 동작하는 것으로 위에서 설명되고 심지어 초기에는 그와 같이 청구될 수도 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 피처는 일부 경우에서, 그 조합으로부터 삭제될 수 있으며, 청구된 조합은 하위 조합 또는 하위 조합의 변동으로 지향될 수 있다. 어떠한 단일 피처 또는 피처들의 그룹도 각각의, 그리고 모든 실시형태에 필수적이거나 없어서는 안되는 것은 아니다.
특정하게 달리 언급되지 않거나, 사용된 맥락 내에서 달리 이해되지 않는 한, 무엇보다도, "할 수 있다(can, could, might, may)", "예컨대" 등과 같이 본원에서 사용되는 조건어는 일반적으로 특정 실시형태가 특정 피처, 요소 및/또는 단계를 포함하는 반면에, 다른 실시형태는 이들을 포함하지 않는 것을 전달하도록 의도된다는 것이 또한 이해될 것이다. 따라서, 그러한 조건어는 일반적으로, 피처, 요소 및/또는 단계가 임의의 방식으로 하나 이상의 실시형태를 위해 요구된다는 것, 또는 하나 이상의 실시형태가, 저자 입력 또는 프롬프팅(prompting)과 함께 또는 이들 없이, 이들 피처, 요소 및/또는 단계가 임의의 특정 실시형태에 포함되는지 또는 이 임의의 특정 실시형태에서 수행되는지를 결정하기 위한, 로직을 반드시 포함한다는 것을 암시하도록 의도되지 않는다. "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "갖는" 등의 용어는 동의어이며, 오픈-엔디드(open-ended) 방식으로 포괄적으로 사용되고, 추가적인 요소, 피처, 동작, 작업 등을 배제하지 않는다. 또한, "또는"이라는 용어는 그의 포괄적 의미(및 그의 배타적 의미가 아님)로 사용되어, 예를 들어 요소들의 리스트를 연결하기 위해 사용될 때, "또는"이라는 용어는 리스트 내 요소들 중 하나, 일부 또는 전부를 의미한다. 추가적으로, 본 출원 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 단수 형태 "하나의(a, an)" 및 "그(the)"는 달리 명시되지 않는 한 "하나 이상" 또는 "적어도 하나"를 의미하는 것으로 고려된다. 유사하게, 작업이 특정한 순서로 도면에 묘사될 수 있지만, 바람직한 결과를 달성하기 위해, 그러한 작업이 도시된 특정한 순서 또는 순차적인 순서로 수행될 필요가 없거나, 모든 예시된 작업이 수행될 필요가 없다는 것이 인식될 것이다. 또한, 도면은 흐름도의 형태로 하나 이상의 예시적 공정을 개략적으로 묘사할 수 있다. 그러나, 묘사되지 않은 다른 작업이, 개략적으로 예시된 예시적 방법 및 공정에 통합될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 추가적인 작업은, 예시된 작업 중 임의의 작업 이전에, 이후에, 그와 동시에, 또는 그 사이에서 수행될 수 있다. 추가적으로, 작업은 다른 실시형태에서 재배열되거나 재순서화될 수 있다. 특정 환경에서는, 멀티태스킹 및 병렬 가공이 유리할 수 있다. 또한, 위에서 설명된 실시형태에서, 다양한 시스템 구성요소의 분리는 모든 실시형태에서 그러한 분리를 요구하는 것으로서 이해되어서는 안되며, 설명되는 프로그램 구성요소 및 시스템이 일반적으로, 단일 소프트웨어 제품에 함께 통합되거나 다수의 소프트웨어 제품에 패키징될 수 있음이 이해되어야 한다. 추가적으로, 다른 실시형태가 다음의 청구범위의 범주 내에 있다. 일부 경우에서, 청구범위에 기재된 액션은 상이한 순서로 수행될 수 있으며, 여전히 바람직한 결과를 달성할 수 있다.
나아가, 본원에서 설명되는 방법 및 디바이스는 다양한 수정 및 대안적 형태가 가능할 수 있지만, 그의 특정 예가 도면에 도시되고 본원에서 상세하게 설명된다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정 형태 또는 방법에 제한되지 않으며 반대로, 본 발명은 설명되는 다양한 구현 및 첨부된 청구범위의 범주 및 사상 내에 속하는 모든 수정, 등가물 및 대안을 커버하는 것으로 이해되어야 한다. 나아가, 구현 또는 실시형태와 관련하여 임의의 특정 피처, 측면, 방법, 속성, 특성, 품질, 특징, 요소 등에 대한 본원의 개시는 본원에서 제시된 모든 다른 구현 또는 실시형태에서 사용될 수 있다. 본원에 개시된 임의의 방법은 기재된 순서대로 수행될 필요는 없다. 본원에서 개시된 방법은 전문가에 의해 취해진 특정 액션을 포함할 수 있지만; 본 방법은 명시적으로 또는 암시에 의한 것 중 어느 하나로, 해당 액션에 대한 임의의 제3자 명령 또한 포함할 수 있다. 본원에서 개시되는 범위는 또한 임의의 및 모든 중첩, 하위 범위 및 이들의 조합을 포괄한다. "까지", "적어도", "보다 큼", "보다 적음", "사이" 등과 같은 언어는 기재된 숫자를 포함한다. "약" 또는 "대략"과 같은 용어가 선행하는 숫자는 기재된 숫자를 포함하며, (예컨대, 예를 들어, ±5%, ±10%, ±15% 등의 상황 하에서 합리적으로 가능한 한 정확한) 상황에 기초하여 해석되어야 한다. 예를 들어 "약 3.5mm"는 "3.5mm"를 포함한다. "실질적으로"와 같은 용어가 선행하는 어구는 기재된 어구를 포함하며, (예컨대, 상황 하에서 합리적으로 가능한 한 많이) 상황에 기초하여 해석되어야 한다. 예를 들어, "실질적으로 일정한"은 "일정한"을 포함한다. 달리 언급되지 않는 한, 모든 측정은 온도 및 압력을 포함하는 표준 조건에서 이루어진다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 항목들의 리스트 "중 적어도 하나"를 지칭하는 어구는 단일 멤버를 포함하여, 해당 항목들의 임의의 조합을 지칭한다. 일례로서, "A, B 또는 C 중 적어도 하나"는: A, B, C, A 및 B, A 및 C, B 및 C, 및 A, B 및 C를 커버하도록 의도된다. 특정하게 달리 언급되지 않는 한, 어구 "X, Y 및 Z 중 적어도 하나"와 같은 접속어는, 항목, 용어 등이 X, Y 또는 Z 중 적어도 하나일 수 있다는 것을 전달하기 위해 일반적으로 사용되는 맥락으로 달리 이해된다. 따라서, 이러한 접속어는 일반적으로, 특정 실시형태가 X 중 적어도 하나, Y 중 적어도 하나 및 Z 중 적어도 하나가 각각 존재할 것을 요구하는 것을 암시하는 것으로 의도되지 않는다. 본원에서 제공된 서두는, 존재하는 경우, 단지 편의를 위한 것이며, 본원에서 개시된 디바이스 및 방법의 범주 또는 의미에 반드시 영향을 미치는 것은 아니다.
따라서, 청구범위는 본원에 도시되는 실시형태에 제한되도록 의도되는 것이 아니라, 본원에 개시된 본 개시, 원리 및 신규 피처와 부합하는 가장 넓은 범주로 부여될(accorded) 것이다.
Claims (39)
- 재료의 원하는 특성을 생산하기 위해 마이크로파 플라즈마에서 상기 재료를 가공하는 방법으로서, 상기 방법은:
반응 챔버를 포함하는 마이크로파 플라즈마 장치를 제공하는 단계;
상기 재료의 상기 원하는 특성에 기초하여 다음의 매개변수인: 마이크로파 전력, 플라즈마 가스 유동률, 플라즈마 가스의 유형, 공급 재료 크기, 공급 재료 삽입률, 공급 재료 입구 위치, 공급 재료 입구 배향, 공급 재료 입구 크기, 공급 재료 입구 형상, 공급 재료 입구의 수, 플라즈마 온도, 스월 가스 유동률(swirl gas flow rate), 스월 가스의 유형 또는 체류 시간 중 적어도 하나를 선택하는 단계;
반복 공정(iterative process)을 수행하는 단계로서:
상기 반응 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하는 단계;
공급 재료를 상기 플라즈마로 지향시켜 결과적인 재료를 생산하기 위해 상기 공급 재료를 상기 반응 챔버 내의 가스 유동에 주입하는 단계;
상기 결과적인 재료의 특성이 상기 원하는 특성의 임계 범위 내에 있는지를 결정하기 위해 상기 결과적인 재료를 분석하는 단계; 및
상기 결과적인 재료의 상기 분석에 기초하여, 상기 매개변수 중 하나 이상을 조정하는 단계를 포함하는, 상기 반복 공정을 수행하는 단계; 및
상기 결과적인 재료의 상기 특성이 상기 원하는 특성의 상기 임계 범위 내에 있을 때까지 상기 반복 공정을 반복하는 단계(repeating)를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 매개변수 중 하나 이상을 조정하는 단계 이전에 상기 마이크로파 플라즈마를 켄칭(quenching)하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 결과적인 재료의 상기 특성이 상기 원하는 특성의 상기 임계 범위 내에 있을 때까지 상기 마이크로파 플라즈마는 연속적으로 형성되는, 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로파 플라즈마는 상기 반응 챔버 내에서 길이를 포함하고, 상기 마이크로파 플라즈마는, 상기 플라즈마의 상기 길이의 부분을 따라 상기 반응 챔버 내에서 하향 연장되는 튜브에 의해 적어도 부분적으로 가두어지는(confined), 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 매개변수는: 튜브 재료, 상기 반응기 챔버 또는 상기 튜브의 절연 레벨, 상기 튜브의 코팅 레벨 또는 상기 튜브의 기하학적 구조를 더 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매개변수는 마이크로파 전력, 플라즈마 가스 유동률, 스월 가스 유동률 또는 분말 수송 가스 유동률(powder conveyance gas flow rate)을 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매개변수는 플라즈마 가스의 유형 또는 스월 가스의 유형을 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매개변수는 공급 재료 크기, 공급 재료 삽입률, 공급 재료 입구 위치, 공급 재료 입구 배향, 공급 재료 입구 크기, 공급 재료 입구 형상 또는 공급 재료 입구의 수를 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결과적인 재료를 분석하는 단계는 상기 결과적인 재료의 구형도(sphericity)를 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 재료의 상기 원하는 특성은 상기 구형도를 포함하고, 상기 임계 범위는 90% 초과의 구형도인, 방법.
- 재료의 원하는 특성을 생산하기 위해 마이크로파 플라즈마에서 상기 재료를 가공하는 방법으로서, 상기 방법은:
반응 챔버를 포함하는 마이크로파 플라즈마 장치를 제공하는 단계;
상기 재료의 상기 원하는 특성에 기초하여 다음의 매개변수인: 마이크로파 전력, 플라즈마 가스 유동률, 플라즈마 가스의 유형, 공급 재료 크기, 공급 재료 삽입률, 공급 재료 입구 위치, 공급 재료 입구 배향, 공급 재료 입구 크기, 공급 재료 입구 형상, 공급 재료 입구의 수, 플라즈마 온도, 스월 가스 유동률, 스월 가스의 유형 또는 체류 시간 중 적어도 하나를 선택하는 단계;
반복 공정을 수행하는 단계로서:
상기 반응 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하는 단계;
상기 플라즈마의 속성이 상기 재료의 상기 원하는 특성을 생산할 것으로 예상되는 범위 내에 있는지를 결정하기 위해 상기 플라즈마를 분석하는 단계; 및
상기 플라즈마의 상기 분석에 기초하여, 상기 매개변수 중 하나 이상을 조정하는 단계를 포함하는, 상기 반복 공정을 수행하는 단계; 및
상기 플라즈마의 상기 속성이 상기 범위 내에 있을 때까지 상기 반복 공정을 반복하는 단계를 포함하는, 방법. - 제11항에 있어서, 상기 매개변수 중 하나 이상을 조정하는 단계 이전에 상기 마이크로파 플라즈마를 켄칭하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 플라즈마의 상기 속성이 상기 범위 내에 있을 때까지 상기 마이크로파 플라즈마는 연속적으로 형성되는, 방법.
- 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로파 플라즈마는 상기 반응 챔버 내에서 길이를 포함하고, 상기 마이크로파 플라즈마는, 상기 플라즈마의 상기 길이의 부분을 따라 상기 반응 챔버 내에서 하향 연장되는 튜브에 의해 적어도 부분적으로 가두어지는, 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 매개변수는: 튜브 재료, 상기 반응기 챔버 또는 상기 튜브의 절연 레벨, 상기 튜브의 코팅 레벨 또는 상기 튜브의 기하학적 구조를 더 포함하는, 방법.
- 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매개변수는 마이크로파 전력, 플라즈마 가스 유동률, 스월 가스 유동률 또는 체류 시간을 포함하는, 방법.
- 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매개변수는 플라즈마 가스의 유형 또는 스월 가스의 유형을 포함하는, 방법.
- 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매개변수는 공급 재료 크기, 공급 재료 삽입률, 공급 재료 입구 위치, 공급 재료 입구 배향, 공급 재료 입구 크기, 공급 재료 입구 형상 또는 공급 재료 입구의 수를 포함하는, 방법.
- 재료의 특정 특성을 생산하기 위해 마이크로파 플라즈마에서 상기 재료를 가공하는 방법으로서, 상기 방법은:
반응 챔버를 포함하는 마이크로파 플라즈마 장치를 제공하는 단계;
상기 반응 챔버 내에서 길이를 갖는 마이크로파 플라즈마를 형성하는 단계 - 상기 마이크로파 플라즈마는, 상기 플라즈마의 상기 길이의 부분을 따라 상기 반응 챔버 내에서 하향 연장되는 튜브에 의해 적어도 부분적으로 가두어짐 -; 및
가스 유동이 상기 튜브로 상승하고 상기 플라즈마를 켄칭시키지 않고서 공급 재료를 상기 플라즈마로 지향시키기 위해 상기 반응 챔버 내의 상기 가스 유동으로 상기 공급 재료를 주입하는 단계를 포함하는, 방법. - 제19항에 있어서, 상기 반응 챔버의 내부 표면 상에 비점착성 코팅(non-stick coating)을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제20항에 있어서, 상기 비점착성 코팅은 탄화 텅스텐(tungsten carbide), 탄화 크롬(chromium carbide) 또는 니켈 합금을 포함하는, 방법.
- 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브 또는 상기 반응 챔버를 교반, 발진 또는 진동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브는, 상기 튜브가 상기 반응 챔버에서 하향 연장됨에 따라 방사상 외측으로 테이퍼링(taper)되는, 방법.
- 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브는 상기 반응 챔버에서 하향 연장되는 하나 이상의 원통형 체적을 포함하는, 방법.
- 제24항에 있어서, 상기 하나 이상의 원통형 체적은, 상기 튜브가 상기 반응 챔버에서 하향 연장됨에 따라 각각의 연이은 원통형 체적이 각각의 이전의 원통형 체적보다 큰 직경을 포함하도록, 단차형 구성으로 배열되는, 방법.
- 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브는 상기 반응 챔버에서 하향 연장되는 하나 이상의 원뿔형 체적을 포함하는, 방법.
- 제26항에 있어서, 상기 튜브는 상기 반응 챔버에서 하향 연장되는 제1 원뿔형 체적 및 제2 원뿔형 체적을 포함하는, 방법.
- 제27항에 있어서, 상기 제1 원뿔형 체적의 가장 넓은 부분이 상기 제2 원뿔형 체적의 가장 넓은 부분에 연결되는, 방법.
- 제19항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로파 플라즈마는 상기 마이크로파 플라즈마 장치에 마이크로파 전력을 제공함으로써 형성되는, 방법.
- 제19항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로파 플라즈마 장치에 제공되는 상기 마이크로파 전력을 증가시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제19항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로파 플라즈마를 형성하는 단계는 하나 이상의 가스를 상기 반응 챔버로 유동시키는 단계 및 상기 하나 이상의 가스를 마이크로파 전력에 노출시키는 단계를 포함하는, 방법.
- 제31항에 있어서, 상기 반응 챔버로의 상기 하나 이상의 가스의 유동률을 변경시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제31항에 있어서, 상기 하나 이상의 가스는 산소, 질소, 또는 비활성 가스 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제19항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브는 스테인리스 강을 포함하는, 방법.
- 제19항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브 또는 상기 반응 챔버는 세라믹 펠트(ceramic felt)로 절연되는, 방법.
- 제19항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브는 12 인치에서 18 인치 사이의 길이를 포함하는, 방법.
- 제19항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브는 3 인치에서 24 인치 사이의 직경을 포함하는, 방법.
- 제19항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 재료는 텅스텐, 티타늄, 스테인레스 강, 인코넬 625 또는 인코넬 718을 포함하는, 방법.
- 제19항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료의 상기 특정 특성에 기초하여 다음의 매개변수인: 연장 튜브 재료, 상기 반응기 챔버 또는 상기 연장 튜브의 절연 레벨, 상기 연장 튜브의 코팅 레벨 또는 상기 연장 튜브의 기하학적 구조 중 하나를 선택하는 단계를 더 포함하는, 방법.
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US202163202921P | 2021-06-30 | 2021-06-30 | |
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