KR20150128732A - 플라즈마 시스템을 이용하는 대량신속처리 입자 생산 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노입자 생산 시스템 및 상기 나노입자 생산 시스템 시스템을 이용하는 방법에 관한 것이다. 상기 나노입자 생산 시스템은 수전극, 암전극 그리고 플라즈마 발생 구역을 가로질러서 소용돌이식 나선형 유동 방향으로 작동 가스를 전달하도록 구성된 작동 가스 공급원을 포함하는 플라즈마 건을 포함하고 있다. 상기 나노입자 생산 시스템은 또한 연속 이송 시스템, ?칭 챔버, 층류 교란장치를 포함하는 냉각 도관, 시스템 과압 모듈, 그리고 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템을 포함하고 있다.

Description

플라즈마 시스템을 이용하는 대량신속처리 입자 생산 시스템 및 방법{HIGH-THROUGHPUT PARTICLE PRODUCTION USING A PLASMA SYSTEM}

본 발명은 플라즈마를 이용하여 대량신속처리 입자 생산(high-throughput particle production)을 제공하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

나노입자는 플라즈마 생산 시스템을 이용하여 형성될 수 있고, 상기 플라즈마 생산 시스템에서는 하나 이상의 이송 재료가 작동 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 건으로 이송된다. 플라즈마는 이송 재료를 증기화하고, 이것이 ?칭 반응(quenching reaction)에서 응축되어 나노입자를 형성한다. 나노입자는 다양한 산업적인 적용을 위해 수집되고 사용될 수 있다.

전형적인 플라즈마-기반 입자 생산 시스템은 일정한 재료 처리량으로 연속적인 작동을 유지하는 능력에 있어서 제한되었고 통상적으로 실험실 규모(lab-scale)와 파일럿 플랜트 규모(pilot plant scale)의 설계형태에 기초하고 있다. 이러한 시스템은 통상적으로 질량/부피 처리량에 있어서 극히 제한된다. 이것은 일정한 품질과 크기의 나노입자의 산업적 규모의 생산을 비효율적으로 만든다.

본 발명은 플라즈마를 이용하여 대량신속처리 입자 생산을 가능하게 하는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

나노입자 생산 시스템, 상기 시스템 내에 사용된 장치 그리고 상기 시스템 및 장치를 이용하는 방법이 기술되어 있다. 상기 나노입자 생산 시스템은 수전극, 암전극 그리고 플라즈마 발생 구역을 가로질러서 소용돌이식 나선형 유동 방향으로 작동 가스를 전달하도록 구성된 작동 가스 공급원을 포함하는 플라즈마 건을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 연속 이송 시스템, ?칭 챔버, 층류 교란장치를 포함하는 냉각 도관, 시스템 과압 모듈, 그리고 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템 중의 하나 이상을 또한 포함할 수 있다. 이러한 특징들의 다양한 결합형태를 포함하는 시스템도 구상하고 있으며, 몇몇 경우에는 이러한 특징들의 결합형태를 가진 시스템은, 상기 시스템이 연속적으로 작동할 수 있는 시간의 길이에 있어서의 향상, 생산되는 입자의 품질 또는 양에 있어서의 향상, 및/또는 상기 생산 시스템의 효율성에 있어서의 향상과 같은, 독특한 기술적인 장점을 제공한다. 이러한 시스템을 이용하여 나노입자를 제조하는 방법도 본 발명의 일부를 형성한다.

몇몇 실시례에서는, 나노입자 생산 시스템이 플라즈마 건과, 적어도 9 grams/minute의 비율로 재료를 플라즈마 건으로 이송하도록 구성된 연속 이송 시스템을 포함하고 있다.

임의의 실시례에서, 상기 연속 이송 시스템이 막힘이 없어 적어도 336시간 동안 재료를 플라즈마 건으로 이송하도록 구성될 수 있다. 임의의 실시례에서, 상기 연속 이송 시스템이, 이송 재료를 플라즈마 건으로 공급하는 복수의 재료 이송 공급 채널을 포함할 수 있다. 임의의 실시례에서, 상기 연속 이송 시스템이, 나노입자 생산 시스템이 작동하는 동안 재료 이송 공급 채널을 연속적으로 청소하는 왕복운동 부재를 포함할 수 있다. 임의의 실시례에서, 상기 왕복운동 부재는 초당 적어도 2회의 비율로 왕복운동할 수 있다.

임의의 실시례에서, 상기 연속 이송 시스템이, 나노입자 생산 시스템이 작동하는 동안 재료 이송 공급 채널을 연속적으로 청소하는 펄스형 가스 분출구(pulsing gas jet)를 포함할 수 있다.

임의의 실시례에서, 플라즈마 건이 수전극, 암전극 그리고 수전극과 암전극 사이에 형성된 플라즈마 발생 구역을 가로질러서 소용돌이식 나선형 유동 방향으로 작동 가스를 전달하도록 구성된 작동 가스 공급원을 포함할 수 있다.

임의의 실시례에서, 상기 작동 가스 공급원이 소용돌이식 나선형 유동 방향을 발생시키는 플라즈마 발생 구역의 앞에 위치된 주입 링을 포함할 수 있다. 임의의 실시례에서, 상기 주입 링은 복수의 주입 포트를 포함할 수 있다. 임의의 실시례에서, 상기 주입 포트는 상기 수전극의 둘레에 환형 형태로 배치될 수 있다. 임의의 실시례에서, 상기 주입 포트는 상기 수전극쪽으로 경사질 수 있다.

임의의 실시례에서, 상기 주입 포트는 상기 수전극으로부터 멀어지게 경사질 수 있다. 임의의 실시례에서, 상기 나노입자 생산 시스템은 수전극 또는 암전극의 교체없이 적어도 336시간 동안 작동할 수 있다.

임의의 실시례에서, 상기 나노입자 생산 시스템은 플라즈마 건의 뒤에 위치되어 있으며 적어도 하나의 반응 혼합물 투입장치(input)와 적어도 하나의 컨디셔닝 유체 투입장치를 포함하는 ?칭 챔버를 더 포함할 수 있다. 임의의 실시례에서, 상기 ?칭 챔버는 원뿔대 형상을 할 수 있으며 작동하는 동안 1000보다 큰 레이놀즈 수를 가진 난류를 발생시키도록 구성될 수 있다.

임의의 실시례는 컨디셔닝 유체 유동에 혼입된 나노입자를 ?칭 챔버로부터 수집기로 안내하도록 구성된 냉각 도관을 더 포함할 수 있다. 임의의 실시례에서, 상기 냉각 도관은 층류 교란장치를 포함할 수 있다. 임의의 실시례에서, 상기 층류 교란장치는 블레이드, 배플, 나선형 스크루, 리지, 또는 범프를 포함할 수 있다. 임의의 실시례에서, 상기 입자 생산 시스템이 냉각 도관에서 막힘을 발생시키지 않고 적어도 6시간 동안 연속적으로 작동하도록 구성될 수 있다. 임의의 실시례는 컨디셔닝 유체 유동에 혼입된 나노입자를 ?칭 챔버로부터 수집기로 안내하도록 구성된 냉각 도관을 더 포함할 수 있다. 임의의 실시례에서, 상기 냉각 도관은 층류 교란장치를 포함할 수 있다. 임의의 실시례에서, 상기 층류 교란장치는 블레이드, 배플, 나선형 스크루, 리지, 또는 범프를 포함할 수 있다. 임의의 실시례에서, 상기 입자 생산 시스템이 냉각 도관에서 막힘을 발생시키지 않고 적어도 336시간 동안 연속적으로 작동하도록 구성될 수 있다.

임의의 실시례는 상기 시스템의 압력을 측정된 주위 압력보다 높게 유지하는 시스템 과압 모듈을 더 포함할 수 있다. 임의의 실시례에서, 상기 시스템의 압력이 측정된 주위 압력보다 적어도 1 인치의 물기둥에 해당하는 압력만큼 높은 압력으로 유지될 수 있다. 임의의 실시례는 상기 시스템의 압력을 측정된 주위 압력보다 높게 유지하는 시스템 과압 모듈을 더 포함할 수 있다.

임의의 실시례는 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템을 더 포함할 수 있다. 임의의 실시례에서, 상기 나노입자 생산 시스템으로 유입된 상기 컨디셔닝 유체의 적어도 80%가 정화되고 재순환될 수 있다.

몇몇 실시례에서는 나노입자 생산 시스템이 수전극, 암전극 그리고 수전극과 암전극 사이에 형성된 플라즈마 발생 구역을 가로질러서 소용돌이식 나선형 유동 방향으로 작동 가스를 전달하도록 구성된 작동 가스 공급원을 포함하는 플라즈마 건; 적어도 9 grams/minute의 비율로 재료를 플라즈마 건으로 이송하도록 구성된 연속 이송 시스템; 플라즈마 건의 뒤에 위치되어 있으며 적어도 하나의 반응 혼합물 투입장치와 적어도 하나의 컨디셔닝 유체 투입장치를 포함하는 ?칭 챔버; 컨디셔닝 유체 유동에 혼입된 나노입자를 ?칭 챔버로부터 수집기로 인도하도록 구성되어 있으며, 층류 교란장치를 포함하는 냉각 도관; 상기 시스템의 압력을 측정된 주위 압력보다 높게 유지시키는 시스템 과압 모듈; 그리고 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템을 포함하고 있다.

도 1은 나노입자를 발생시키는데 유용한 플라즈마 시스템의 한 실시례의 개략도이고;
도 2a는 재료 이송 포트를 가진 플라즈마 건의 한 실시례의 개략도이고;
도 2b는 페이스 플레이트와 냉각 링을 가진 플라즈마 건의 한 실시례의 개략도이고;
도 2c는 플라즈마 건 페이스 플레이트와 냉각 링을 가진 플라즈마 건의 대체 실시례의 개략도이고;
도 2d는 도 2b에 도시된 플라즈마 건 페이스 플레이트와 냉각 링을 가진 플라즈마 건의 실시례의 접선 시각의 개략도이고;
도 2e는 축소된 플라즈마 건 페이스 플레이트, 냉각 링, 그리고 광폭이고 내열 전도성 금속으로 안을 댄 플라즈마 채널을 가진 플라즈마 건의 한 실시례의 개략도이고;
도 2f는 도 2e에 도시된 축소된 플라즈마 건 페이스 플레이트, 냉각 링, 그리고 광폭이고 내열 전도성 금속으로 안을 댄 플라즈마 채널을 가진 플라즈마 건의 실시례의 접선 시각의 개략도이고;
도 3a는 작동 가스 주입 링과 연속적인 재료 이송을 가능하게 하는 대체형태의 재료 주입 포트를 가진 대량신속처리 입자 생산 시스템에 유용한 플라즈마 건의 한 실시례의 개략도이고;
도 3b는 작동 가스 주입 링과 연속적인 재료 이송을 가능하게 하는 왕복운동 플런저 장치를 가진 대량신속처리 입자 생산 시스템에 유용한 플라즈마 건의 한 실시례의 개략도이고;
도 3c는 작동 가스 주입 링과 연속적인 재료 이송을 가능하게 하는 펄스형 공기 분사 시스템을 가진 대량신속처리 입자 생산 시스템에 유용한 플라즈마 건의 한 실시례의 개략도이고;
도 3d는 축소된 플라즈마 건 페이스 플레이트, 냉각 링, 광폭이 내열 전도성 금속으로 안을 댄 플라즈마 채널, 작동 가스 주입 링과 연속적인 재료 이송을 가능하게 하는 대체형태의 재료 주입 포트를 가진 대량신속처리 입자 생산 시스템에 유용한 플라즈마 건의 한 실시례의 개략도이고;
도 3e는 축소된 플라즈마 건 페이스 플레이트, 냉각 링, 광폭이고 내열 전도성 금속으로 안을 댄 플라즈마 채널, 작동 가스 주입 링과 연속적인 재료 이송을 가능하게 하는 왕복운동 플런저 장치를 가진 대량신속처리 입자 생산 시스템에 유용한 플라즈마 건의 한 실시례의 개략도이고;
도 3f는 축소된 플라즈마 건 페이스 플레이트, 냉각 링, 광폭이고 내열 전도성 금속으로 안을 댄 플라즈마 채널, 작동 가스 주입 링과 연속적인 재료 이송을 가능하게 하는 펄스형 공기 분사 시스템을 가진 대량신속처리 입자 생산 시스템에 유용한 플라즈마 건의 한 실시례의 개략도이고;
도 4a는 초-난류 ?칭 챔버(ultra-turbulent quenching chamber)와 난류 유도 분출구를 가진 대량신속처리 입자 생산 시스템의 한 실시례의 개략도이고;
도 4b는 초-난류 ?칭 챔버와 난류 유도 분출구를 가지고 있고, 난류 유도 분출구가 링 구조에서 서로 연결되어 있는 대량신속처리 입자 생산 시스템의 대체 실시례의 개략도이고;
도 5는 도 4b에 도시된 링 구조에서 서로 연결된 난류 유도 분출구의 상세도이고;
도 6a는 층류 교란장치를 가진 대량신속처리 입자 생산 시스템의 한 실시례의 개략도이고;
도 6b는 층류 교란장치를 가진 대량신속처리 입자 생산 시스템의 대체 실시례의 개략도이고;
도 6c는 공기 분출구를 이용하는 층류 교란장치를 가진 대량신속처리 입자 생산 시스템의 대체 실시례의 개략도이고;
도 6d는 회전하는 축방향으로 배치된 봉을 이용하는 층류 교란장치를 가진 대량신속처리 입자 생산 시스템의 대체 실시례의 개략도이고;
도 7은 도 6d에 도시된 회전하는 축방향으로 배치된 봉을 이용하는 층류 교란장치의 한 실시례의 접선 시각의 개략도이고;
도 8은 일정한 과압을 가진 가스 전달 시스템을 가진 대량신속처리 입자 생산 시스템의 한 실시례의 개략도이고;
도 9는 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템을 가진 대량신속처리 입자 생산 시스템의 한 실시례의 개략도이고;
도 10은 일정한 과압을 가진 가스 전달 시스템의 시스템 과압 모듈에 통합된 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템을 가진 대량신속처리 입자 생산 시스템의 한 실시례의 개략도이고; 그리고
도 11은 수집 장치의 필터 요소에서 장애물을 없애는데 유용한 필터 백 펄스 시스템(filter back pulse system)을 가진 대량신속처리 입자 생산 시스템의 한 실시례의 개략도이다.

전형적인 나노입자 생산 시스템은 재료를 플라즈마 스트림으로 이송하여, 상기 재료를 증기화하고 생산된 반응성 플라즈마 혼합물을 나노-입자 및 복합 나노입자 또는 "나노-온-나노(nano-on-nano)" 입자로 냉각되고 응결되게 함으로써 나노입자를 발생시킬 수 있다. 그리고 나서 상기 입자는 다양한 사용처에 사용하기 위해 수집될 수 있다. 바람직한 나노-입자와 "나노-온-나노" 입자는, 그에 대한 설명 전체가 본 명세서에 참고문헌으로 포함되어 있는 미국 특허출원 제13/801,726호에 기술되어 있다.

본 개시내용은 입자와 분말와 관련되어 있다. 단순형의 "분말"이 입자 더미를 지칭하는 것이라는 점을 제외하면, 상기 두 용어는 동등하다. 본 발명은 매우 다양한 분말과 입자에 적용될 수 있다. "나노입자" 라는 표현과 "나노-크기의 입자" 라는 표현은 대체로 당해 기술 분야의 통상의 전문가가 직경이 나노미터 수준, 통상적으로 약 0.5 nm 내지 500 nm, 약 1 nm 내지 500 nm, 약 1 nm 내지 100 nm, 또는 약 1 nm 내지 50 nm의 입자를 포함하는 것으로 이해한다. 바람직하게는, 나노-입자는 250 나노미터보다 작은 평균 입자 크기와 1 내지 1,000,000의 종횡비(aspect ratio)를 가진다. 몇몇 실시례에서는, 나노-입자가 약 50 nm 이하, 약 30 nm 이하, 또는 약 20 nm 이하의 평균 입자 크기를 가진다. 추가적인 실시례에서는, 나노-입자가 약 50 nm 이하, 약 30 nm 이하, 또는 약 20 nm 이하의 평균 직경을 가진다. 입자의 가장 긴 치수를 입자의 가장 짧은 치수로 나눈것으로 정의된, 상기 입자의 종횡비는 바람직하게는 1 내지 100, 더욱 바람직하게는 1 내지 10, 더욱 더 바람직하게는 1 내지 2이다. "입자 크기"는 ASTM(American Society for Testing and Materials:미국 재료 시험 협회) 규격을 이용하여 측정된다(ASTM El 12-10를 참고). 입자의 직경을 계산할 때에는, 입자의 가장 긴 치수와 가장 짧은 치수의 평균을 취한다; 따라서, 긴 축이 20 nm이고 짧은 축이 10 nm인 타원형 입자의 직경은 15 nm이 된다. 다수의 입자의 평균 직경은 개별 입자의 직경의 평균이고, 당해 기술 분야의 전문가에게 알려진 다양한 기술에 의해 측정될 수 있다.

추가적인 실시례에서, 나노-입자는 약 50 nm 이하, 약 30 nm 이하, 또는 약 20 nm 이하의 입자 크기를 가지고 있다. 추가적인 실시례에서, 나노-입자는 약 50 nm 이하, 약 30 nm 이하, 또는 약 20 nm 이하의 직경을 가지고 있다.

복합 나노입자는 두 개의 상이한 나노 입자의 결합에 의해서 형성된다. 이러한 결합은 나노-단계(nono-phase) 생산 방법의 ?치 단계(quench phase) 동안 발생할 수 있다. 예를 들면, "나노-온-나노" 복합 나노입자를 형성하기 위해서 촉매가 지지 나노입자에 부착된 촉매 나노입자를 포함할 수 있다. 복합 마이크로/나노입자, 다시 말해서, 복합 나노입자를 가진 마이크로-입자를 형성하기 위해서 다중 나노-온-나노 입자가 미크론 크기의 캐리어 입자에 결합될 수 있다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 나노입자를 발생시키는데 유용한 플라즈마 시스템(100)은 플라즈마 건(102), 재료 투입 이송 시스템(104), 냉각 도관(108)에 유동적으로 연결된(fluidly connected) ?칭 챔버(106), 그리고 산출물 수집 시스템(110)을 포함하고 있다. 컨디셔닝 유체(114)가 플라즈마 건 박스(gun box)(116)로 유입되고, ?칭 챔버(106)로 유입되는 동안 작동 가스(112)는 플라즈마 건(102)을 통해 유동하여 플라즈마를 발생시킨다. 컨디셔닝 유체와 재료 산출물의 지향성 유동(directional flow)을 제공하기 위해서 진공장치 또는 블로어(blower)(118)를 이용하여 플라즈마 생산 시스템의 수집 단부에 부압이 가해질 수 있다.

도 2a는 입자 생산에 사용될 수 있는 플라즈마 건의 한 실시례를 나타내고 있다. 플라즈마 건(200)은 수전극(202)과 암전극(204)을 포함하고 있고, 수전극(202)과 암전극(204)의 사이에 형성된 내부 챔버를 가지고 있다. 이 내부 챔버는 한 쪽 단부에 있는 입구 구역(206)과 반대쪽 단부에 있는 플라즈마 구역(208)을 포함하고 있다. 몇몇 실시례에서, 입구 구역(206)이 원통 형상을 가지는 반면에, 플라즈마 구역(208)은 원뿔대 형상을 가지고 있다. 상기 내부 챔버는 입구 구역(206)로 도입된 다음 플라즈마 구역(208)으로 유입되는 작동 가스를 가지도록 구성되어 있다. 몇몇 실시례에서, 상기 작동 가스는 불활성 가스, 예를 들면, 아르곤이다. 몇몇 실시례에서는, 나노입자 산화를 감소시키기 위해서 수소 또는 다른 가스가 아르곤에 추가될 수 있다.

예를 들면, 몇몇 실시례에서, 상기 작동 가스는 30:1 내지 3:1 비율의 아르곤과 수소의 혼합물이다. 몇몇 실시례에서는, 상기 작동 가스가 20:1 비율의 아르곤과 수소의 혼합물이다. 몇몇 실시례에서는, 상기 작동 가스가 12:1 비율의 아르곤과 수소의 혼합물이다. 몇몇 실시례에서는, 상기 작동 가스가 8:1 비율의 아르곤과 수소의 혼합물이다. 몇몇 실시례에서는, 상기 작동 가스가 5:1 비율의 아르곤과 수소의 혼합물이다. 가스 입구(210)는 작동 가스를 입구 구역(206)으로 공급하도록 구성되어 있다. 대량신속처리 플라즈마-기반 입자 생산 시스템의 작동 동안, 작동 가스는 입구 구역(206)을 통과하여, 플라즈마 구역(208)으로, 그리고 출구(212) 밖으로 유동한다. 전원이 수전극(202)과 암전극(204)에 연결되어 있으며, 플라즈마 구역(208)에서 수전극(202)과 암전극(204)의 틈새를 가로질러서 전류를 흐르게함으로써 플라즈마 건(200)을 통하여 전력을 공급한다. 플라즈마 구역(208)의 상기 틈새를 가로지르는 아크 전류는 작동 가스에 전압을 가하고, 출구(212)의 밖으로 유출되는 플라즈마 스트림을 형성시킨다.

증기화된 재료가 플라즈마 건으로부터 방출될 때, 방사열이 플라즈마 건의 부품에 손상을 줄 수 있다. 도 2b 내지 도 2d에 도시되어 있는 바와 같이, 암전극(204)과 다른 플라즈마 건(200) 구성요소에 대해 열로 인한 손상을 방지하거나 줄이기 위해서 냉각 링(218)이 암전극(204) 내에 위치될 수 있고 출구(212) 주위에 환형상으로 배치될 수 있다. 상기 시스템이 작동하는 동안 플라즈마에 의해서 발생된 열의 일부를 분산시키기 위해서 냉각 유체, 예를 들면, 물이 냉각 링(218)을 통하여 재순환될 수 있다. 페이스 플레이트(220)가 냉각 링에 연결될 수 있다. 페이스 플레이트(220)는 플라즈마 건(200)의 외측면에 배치되어 있으며 암전극(204)을 제자리에 유지시키고 냉각 링(218)을 밀봉시키기 위해서 사용될 수 있다. 도 2d에서, 점선은 페이스 플레이트(220)에 의해 덮혀 있는 냉각 링(218)을 나타낸다. 냉각 유체는 냉각 링 입구 포트(234)를 통하여 유입되고 냉각 링 출구 포트(236)를 통하여 유출됨으로써 냉각 링(218) 전체에 걸쳐서 순환된다. 냉각 유체는 펌프를 이용하여 재순환되거나, 다른 방식으로 처리될 수 있다. 플라즈마가 플라즈마 구역(208)에서 발생되고, 암전극(204) 내의 원통형 채널(209)을 통하여 이동하고, 출구를 통하여 배출될 때, 플라즈마에 의해 발생된 방사열은 냉각 유체에 의해 소산될 수 있다.

재료 주입 포트(214)는 재료 이송 채널(216)을 원통형 채널(209)에 연결시키는 암전극(204)에 배치될 수 있다. 이송 재료는 재료 이송 채널(216)을 통하여 원통형 채널(209)로 이송되고 출구(212)에서 유출되어 ?칭 챔버로 유입되기 전에 플라즈마에 의해 증기화될 수 있다. 입자 핵형성(nucleation) 및 표면 성장(surface growth)은 에너지 전달 직후에 원통형 채널(209)에서 발생하고, 입자는 ?칭 챔버 내에서 크기가 계속하여 성장한다. 입자는 수집 시스템에 의해 수집되기 전에 ?칭 챔버와 냉각 도관 내에서 냉각된다. 입자 수집후에, 컨디셔닝 유체는 통상적으로 주위로 방출되거나 다른 방식으로 처리된다.

나노입자의 비용 효율적인 대규모 생산을 위해서는, 나노입자 생산 시스템의 높은 재료 처리율과 연속적인 작동이 바람직하다. 이전의 플라즈마-기반 나노입자 생산 시스템은 막힌 채널을 청소하고 닳아서 못쓰게 된 부분을 교체하기 위해서 빈번한 작동정지로 곤란을 겪었다. 예를 들면, 플라즈마 건의 열이 이송 재료를 녹여서 재료 이송 채널을 막히게 하였고, 상기 재료 이송 채널은 상기 시스템이 작동정지되었을 때에만 뚫릴 수 있었다. 작동하는 동안 플라즈마 건의 전극에는 움푹 패인 자국이 생겼고, 이러한 부분을 교체하기 위해서 상기 시스템은 작동정지할 필요가 있었다. 플라즈마 건의 페이스 플레이트는 연속적인 작동 동안 녹을 수 있고, 이로 인해 냉각 유체가 냉각 링으로부터 누출되고, 이는 상기 페이스 플레이트를 교체하기 위해서 상기 시스템이 작동정지되는 결과를 초래할 수 있다. 입자가 냉각 도관의 벽을 따라서 쌓였고, 상기 냉각 도관을 청소하기 위해서 상기 시스템을 작동정지할 필요가 있었다. 게다가, 시스템 압력 및 재료 유동률의 변화로 인해서 나노입자 크기가 일정하지 않았고 이를 제어하기가 곤란하였다. 예를 들어, ?칭 챔버 내의 압력이 주위 압력 아래로 떨어지면, 상기 시스템으로 불순물이 새어들어올 수 있고 생산된 나노입자의 품질을 떨어뜨릴 수 있다. 추가적으로, ?칭 챔버에서의 제어되지 않은 냉각과 재료 유동률은 일정하지 않은 크기의 입자를 만들어내었다. 다른 걱정거리는 사용한 컨디셔닝 유체를 처리하는 것이 대규모 생산에 대해서 비용 효율적이지 않은 것이었다. 이러한 난점들이 평균 처리 속력, 비용 효율성, 그리고 플라즈마 기반 나노입자 생산 시스템에 의해서 생산된 입자의 일정성을 방해한다.

상기한 시스템, 장치 및 방법은 대량신속처리 입자 생산 시스템을 이용하여 시스템 정지를 줄이고, 보다 대량이고 보다 일정한 처리량을 만들어내고, 보다 일정한 나노입자를 생산한다. 이러한 대량신속처리 시스템, 장치 및 방법은 운전중지 및 상기 시스템 내에서의 변화를 줄임으로써 연속적이고 일정한 유동을 만들어낸다. 대량신속처리 입자 생산 시스템은 적어도 9 grams per minute, 바람직하게는 30 grams per minute, 더욱 바람직하게는 60 grams per minute의 재료 처리량으로 적어도 6시간, 적어도 12시간, 적어도 24시간, 적어도 48시간, 적어도 72시간(3일), 적어도 336시간(14일), 적어도 672시간(28일), 또는 적어도 1344시간(56일) 동안 작동을 유지할 수 있다,

입자 생산 시스템 처리량은 일정한 재료 유동에 의존한다. 느리거나 일정하지 않은 재료 유동은 시스템 정체를 초래하고, 이는 불균등한 입자 크기 분포를 초래한다. 상기한 시스템, 장치 및 방법은 연속적인 투입 이송 재료 유동을 이용하여 효율적인 대량신속처리 입자 생산 시스템의 연속적인 작동을 제공하고, 플라즈마 건 전극에서의 중대한 마모를 피하고, ?칭 챔버에서 입자를 신속하게 냉각시키는 제어된 방법을 제공하고, 새로 형성된 나노입자가 냉각 도관의 벽에 달라붙는 것을 방지하는 기구를 제공하고, 주위 압력에 비해 일정하면서 최소의 시스템 과압를 제공하고, 및/또는 사용한 컨디셔닝 유체의 재순환을 제공한다.

플라즈마 건 페이스 플레이트의 마모의 감소

전형적인 플라즈마 기반 나노입자 생산 시스템의 연장된 작동은 플라즈마 건 페이스 플레이트의 용융과 찌그러짐을 초래할 수 있고, 시스템 작동정지는 시스템을 교체할 것을 요할 수 있다. 플라즈마 건이 작동하고 있는 동안, 뜨거운 증기화된 재료와 새로 발생된 나노입자가 플라즈마 건 출구를 통하여 ?칭 챔버로 배출된다. 상기 나노입자가 플라즈마 건 출구를 통과할 때, 상당한 양의 열이 페이스 플레이트로 전달되고, 이것은 페이스 플레이트의 용융 및/또는 찌그러짐을 초래할 수 있다. 페이스 플레이트의 온전한 형상은 냉각 링을 형성하거나 밀봉하는데 사용되기 때문에, 페이스 플레이트의 찌그러짐이 냉각 유체의 누출을 초래할 수 있다. 냉각 링은 상기 시스템의 온도를 제어하는데 사용되기 때문에, 페이스 플레이트의 용융 또는 찌그러짐이 시스템 작동정지 및 생산성의 손실을 초래할 수 있다.

페이스 플레이트가 뜨거운 플라즈마 건 증기 출구에 노출되는 것이 최소화되도록 페이스 플레이트 개구의 직경을 증가시키는 것에 의해 페이스 플레이트의 용융 및 찌그러짐이 방지된다는 것이 알려졌다. 냉각 링은 페이스 플레이트와는 별도로 내열 재료로 밀봉될 수 있다. 24시간 이상, 48시간 이상, 72시간 이상, 160시간 이상, 336시간 이상, 672시간 이상, 또는 1344시간 이상의 플라즈마 건의 연속적인 작동 동안 페이스 플레이트의 온도는 바람직하게는 900℃ 미만, 450℃ 미만, 또는 100℃ 미만으로 유지된다. 도 2e 내지 도 2f는 변형된 플라즈마 건 페이스 플레이트(230)와 독립적으로 밀봉된 냉각 링(218)의 한 실시례를 나타내고 있다. 변형된 플라즈마 건 페이스 플레이트(230)는 암전극(204)을 정확한 위치에 유지시킬 수 있지만 연속적인 시스템 작동 동안 용융되거나 찌그러지게 되는 플라즈마 건 출구(212)에 너무 근접하지 않도록 배치되어 있다. 독립적으로 밀봉된 냉각 링(218)은 내열 플러그(232)를 이용하여 밀봉되어 있다. 상기 내열 플러그는 임의의 내열 재료, 예를 들면, 스테인레스 강, 티타늄, 세라믹 등으로 만들어질 수 있다.

대량신속처리 입자 생산 시스템의 이러한 구성은 플라즈마 건 페이스 플레이트를 교체할 필요성의 빈도를 낮추는 결과를 초래하고 대량신속처리 입자 생산 시스템의 연속적인 사용을 가능하게 한다. 상기한 시스템은 입자 생산 시스템을 적어도 9 grams/minute의 유동률, 적어도 30 grams/minute의 유동률, 또는 적어도 60 grams/minute의 유동률로 페이스 플레이트를 교체하지 않고, 적어도 6시간, 적어도 12시간, 적어도 24시간, 적어도 48시간, 적어도 72시간(3일), 적어도 336시간(14일), 적어도 672시간(28일), 또는 적어도 1344시간(56일) 동안 연속적으로 작동할 수 있게 한다.

연속적인 재료 이송 시스템

나노입자 생산 시스템에서, 분말, 펠릿, 봉(rod), 또는 다른 형태로 될 수 있는 투입 재료가 재료 이송 채널을 통하여 플라즈마 채널 근처의 플라즈마 건으로 이송된다. 플라즈마 채널로 들어오는 재료는 플라즈마 스트림에 의해 증기화되어 ?칭 챔버로 방출된다. 그러나, 플라즈마 건을 이용하는 대부분의 입자 생산 시스템에서는, 분말 입자가 플라즈마 채널에 도달하기 전에 플라즈마의 열이 플라즈마 건으로 이송된 분말 입자를 용융시킨다. 용융되거나 부분적으로 용융된 이송 재료가 이송 재료의 응집과 재료 이송 채널의 막힘을 초래한다는 것이 알려졌다. 따라서, 플라즈마 건이 청소될 때까지 플라즈마 건의 작동은 정지되어야 하고, 이로 인해 생산성의 손실을 초래하고 상기 시스템을 긴 시간 동안 연속적으로 작동시키지 못하게 된다.

대량신속처리 시스템에서는, 연속적인 재료 이송 시스템을 이용하여 연속적인 시스템 작동을 가능하게 하기 위해서 일정한 유동의 재료가 플라즈마 채널로 이송되어, 투입 이송 재료 유동의 중단을 방지한다. 상기 시스템은 플라즈마 건의 연속적인 작동이 계속되는 동안 이송 채널에서 이송 재료를 자동적으로 청소하거나 이송 채널이 청소되게 하는 장치를 제공한다. 한 실시례에서는, 작동시에 교대로 청소되거나 사용될 수 있는 대체형태의 재료 주입 포트를 이용하는 것에 의해 이송 채널에서 이송 재료가 용융되는 것으로 인한 플라즈마 건으로 유입되는 투입 이송 재료의 중단이 방지되거나 축소될 수 있다. 추가적으로 또는 대체 실시형태로서, 투입된 이송 재료를 재료 주입 포트를 통하여 플라즈마 건으로 밀어넣기 위해서 왕복운동 플런저 장치가 플라즈마 건에 부착될 수 있고, 이로 인해 이송 재료 응집과 이송 채널의 막힘을 상당히 방지한다. 부가적으로 또는 대체 실시형태로서, 청소 유체를 재료 이송 시스템으로 불어넣고, 재료를 치우고 채널의 막힘을 방지하기 위해서 펄스형 공기 분사 시스템이 사용될 수 있다.

도 3a 내지 도 3c는 연속적인 재료 이송 시스템의 몇 가지 실시례를 나타내고 있다. 도 3a 내지 도 3c는에 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 건(300)이 플라즈마 구역(308) 내의 한 위치에서 이송 재료를 내부 챔버로 유입시키도록 구성된 하나 이상의 재료 주입 포트(314)를 포함하고 있다. 재료 공급원(318)을 재료 주입 포트(314)에 연결시키기 위해서 하나 이상의 재료 공급 채널(316)이 암전극(304)에 제공될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 복수의 재료 주입 포트(314) 및 재료 공급 채널(316)이 내부 챔버 둘레에 환형상으로 배치되어 있다. 몇몇 실시례에서는, 한 개의 재료 주입 포트(314)와 재료 공급 채널(316)이 사용된다. 몇몇 실시례에서는, 두 개 이상의 재료 주입 포트(314)와 재료 공급 채널(316)이 사용된다. 몇몇 실시례에서는, 재료 주입 포트(314)와 재료 공급 채널(316)이 플라즈마 스트림이 형성되는 장소보다 작동 가스가 입구 구역(306)으로 유입되는 장소에 더 가깝게 배치된 위치에서 이송 재료를 내부 챔버로 유입시키도록 구성되어 있다. 몇몇 실시례에서는, 재료 주입 포트(314)와 재료 공급 채널(316)이 플라즈마 건 출구(312)에 보다 가깝게 배치된 위치에서 이송 재료를 내부 챔버로 유입시키도록 구성되어 있다. 연속적인 재료 이송 시스템에서 재료 주입 포트(314)의 직경은 약 1 밀리미터 내지 약 20 밀리미터의 범위에 있을 수 있다. 폭이 넓은 재료 주입 포트(314)는 폭이 좁은 재료 주입 포트에 비해서 막히는 빈도가 작다. 바람직하게는, 연속적인 재료 유동과 연속된 시스템 작동을 가능하게 하기 위해서 재료 주입 포트(314)의 최소 직경은 적어도 3 밀리미터이다.

도 3a는 대체형태의 재료 주입 포트를 이용하는 연속적인 재료 이송 시스템의 한 실시례를 나타내고 있다. 이 실시례는 두 개 이상의 재료 주입 포트(314)와 재료 공급 채널(316)을 포함하고 있다. 각각의 재료 공급 채널(316) 내에는 재료 공급원(318)을 재료 주입 포트(314)에 연결시키는 제거가능한 재료 공급 튜브(320)가 배치되어 있다. 선택적으로, 제거가능한 재료 공급 튜브(320)는 나사식 연결장치 또는 잠금 기구(clasping mechanism)를 이용하여 제자리에 일시적으로 고정될 수 있다. 대량신속처리 입자 생산 시스템이 작동하는 동안, 하나 이상의 재료 공급 채널(316)은 활동상태(active)로 될 수 있고 하나 이상의 재료 공급 채널(316)은 비활동상태(inactive)로 될 수 있다. 재료 공급 채널(316)이 비활동상태에 있는 동안에는, 이송 재료가 이 재료 공급 채널(316)를 통하여 플라즈마 건으로 유입되지 않는다. 재료 공급 채널(316)이 활동상태에 있는 동안에는, 재료 공급원(318)으로부터 공급된 이송 재료가, 제거가능한 재료 공급 튜브(320)와 재료 공급 채널(316)을 통하여, 재료 주입 포트(314)에서, 플라즈마 건으로 유입된다. 대량신속처리 입자 생산 시스템의 연장된 연속적인 사용 동안, 뜨거운 플라즈마의 방사열이 이송 재료를 부분적으로 용융시킬 수 있고, 이로 인해 이송 재료의 응집과 제거가능한 재료 공급 튜브(320)의 막힘이 초래된다. 제거가능한 재료 공급 튜브(320)가 막히기 시작하는 것이 검출되면, 비활동상태인 재료 공급 채널(316)이 활성화(activate)될 수 있고 활동상태인 재료 공급 채널(316)이 비활성화(inactivate)될 수 있다. 재료 공급 채널(316)이 비활동상태에 있는 동안에는, 제거가능한 재료 공급 튜브(320)가 재료 공급 채널(316)로부터 제거될 수 있고 장애물이 제거되거나, 청소되거나, 또는 교체될 수 있다. 필요하거나 요청이 있는 경우 제거가능한 재료 공급 튜브(320)는 재료 공급 채널(316)에 다시 설치될 수 있고 활성화될 수 있다. 재료 공급 채널(316)의 이러한 활성화 상태의 전환은 대량신속처리 입자 생산 시스템이 작동하는 동안 적어도 하나의 재료 공급 채널(316)이 활동상태로 유지되는 것을 보장하고, 연속적인 재료 이송 흐름을 보장한다.

도 3b는 왕복운동 플런저 장치(322)를 이용하는 연속적인 재료 이송 시스템의 한 실시례를 나타내고 있다. 왕복운동 플런저 장치(322)는 플런저(324), 플런저 하우징(326), 그리고 컨트롤 기구를 포함하고 있다. 플런저(324)는, 도 3b에 도시되어 있는 바와 같이 플런저(324)가 신장된 위치에 있을 때 플런저(324)가 재료 공급 채널(316)를 통하여 뻗어 있도록 배치되어 있다. 플런저(324)는 컨트롤 기구에 의한 제어에 따라 플런저 하우징(326)으로 후퇴될 수도 있다. 상기 컨트롤 기구는 플런저(324)를 신장된 위치와 후퇴된 위치 사이에서 왕복운동할 수 있게 하는 임의의 기구가 될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 상기 컨트롤 기구가 크랭크샤프트 또는 유압 제어 시스템으로 될 수 있다. 도 3b에 도시된 실시례에서는, 상기 컨트롤 기구가 가스 공급원(330)으로부터 4-방향 직동 솔레노이드 밸브(332)로 가스를 공급함으로써 작동되는 가스 동력식 피스톤(328)이다. 직동 스프링-복귀 솔레노이드 밸브(332)는 가스를 플런저 하우징(326)의 상부와 하부로 교대로 공급하는 것에 의해서 피스톤(328)을 작동시키고 플런저(324)를 왕복운동시킨다. 몇몇 실시례에서, 사용된 가스는 아르곤이다. 몇몇 실시례에서는, 플런저가 적어도 초당 2회, 더욱 바람직하게는 적어도 초당 6회, 또는 적어도 초당 8회의 비율로 왕복운동한다. 몇몇 실시례에서는 플런저가 근처의 플라즈마의 열로 인한 붕괴와 오염을 피하기 위해 세라믹으로 되어 있다. 다른 실시례에서는, 플런저가 텅스텐으로 만들어지거나 텅스텐으로 덧씌워져 있다.

입자 생산 시스템이 작동하는 동안, 플런저(324)가 후퇴된 위치에 있을 때 이송 재료는 재료 공급원(318)으로부터 플런저 헤드(334) 위로 유동할 수 있게 된다. 왕복운동 플런저 컨트롤 기구가 플런저(324)를 재료 공급 채널(316)의 끝부분까지 밀어내어, 재료 주입 포트(314)를 통하여 내부 챔버로 분말을 전달한다. 재료 공급 채널(316)를 통해서 플런저(324)를 삽입하는 것에 의해 이송 재료의 응집에 의해서 유발되는 재료 공급 채널(316)과 재료 주입 포트(314)의 막힘이 완화된다. 그 다음에 플런저(324)는 초기의 후퇴된 위치로 이동하고, 싸이클을 다시 시작한다. 플런저(324)가 초기의 후퇴된 위치로 이동하면, 이송 재료가 다시 재료 공급원(318)으로부터 플런저 헤드(334) 위로 유동할 수 있다. 플런저(324)는 이러한 운동을 규칙적으로 반복할 수 있고, 이로 인해 플라즈마 건(300)의 내부 챔버로 이송 재료가 일정하게 유입될 수 있다.

도 3c는 펄스형 가스 분사 시스템(334)을 이용하는 연속적인 재료 이송 시스템의 한 실시례를 나타내고 있다. 펄스형 가스 분사 시스템(334)에는, 가스 분출구(336)가 주입 공급 포트(314)쪽을 향하여 재료 공급 채널(316) 내에 배치되어 있다. 가스 공급원(338)은 가스, 바람직하게는 아르곤을 가스 분출구(336)로 공급한다. 가스의 유동은 2-방향 직동 솔레노이드 밸브(340)에 의해 제어될 수 있고, 이로 인해 맥동 가스(pulsed gas)가 가스 분출구(336)로부터 재료 공급 채널(316)로 방출될 수 있다. 압력 조절기(342)와 압력 릴리프 밸브(344)가 방출된 가스의 압력을 조절하기 위해서 가스 공급원(338)과 2-방향 직동 솔레노이드 밸브(340)의 사이에 배치될 수 있다. 고압력 맥동 가스(high pressured pulsed gas)가 재료 공급 채널(316)에서 응집된 이송재료를 치워서 대량신속처리 입자 생산 시스템이 작동하는 동안 막힘을 방지할 수 있다

연속적인 재료 이송 시스템을 나노입자 생산 시스템에 설치하는 것에 의해 재료 공급 채널을 막는 응집된 이송 재료를 치우기 위해 상기 시스템가 작동정지될 필요가 없는 것을 보장한다. 이것은 확장된 시스템 작동 및 처리를 가능하게 하는 대량신속처리 입자 생산 시스템으로의 이송 재료의 연속적인 유동을 가능하게 한다. 상기 시스템은 입자 생산 시스템이 적어도 9 grams/minute의 이송 재료의 유동률, 적어도 30 grams/minute의 이송 재료의 유동률, 또는 적어도 60 grams/minute의 이송 재료의 유동률로 적어도 6시간, 적어도 12시간, 적어도 24시간, 적어도 48시간, 적어도 72시간(3일), 적어도 336시간(14일), 적어도 672시간(28일), 또는 적어도 1344시간(56일)동안 연속적으로 작동할 수 있게 해준다.

플라즈마 건 전극의 불균등한 마모의 감소

전형적인 플라즈마 기반 나노입자 생산 시스템의 확장된 작동이 플라즈마 건 전극의 과도한 피팅(pitting)과 부식을 초래하여, 이러한 마모된 부품을 교체하기 위해서 시스템 작동정지를 필요로 하게 한다는 것이 알려졌다. 플라즈마 건이 작동되는 동안, 작동 가스가 입구 구역으로 유입되어 수전극과 암전극 사이에 형성된 플라즈마 채널을 통하여 계속하여 유동한다. 수전극과 암전극 사이의 작동 가스에 가해진 전류는 작동 가스가 플라즈마 스트림으로 되도록 에너지를 공급하여 수전극과 암전극 사이에 정지상태의 플라즈마 아크 형태를 초래한다. 정지상태의 플라즈마 아크(stationary plasma arc)에 의해 초래된 불균등한 열 분포는 플라즈마 건 전극에 불균등한 마모를 초래한다. 특히, 상기 전극들은 작동하는 동안 피팅이 된다. 작동 가스의 일부가 전극 피팅부 또는 다른 마모부에 갇히거나 전극 피팅부 또는 다른 마모부에 의해 느려지게 되어 플라즈마 채널을 통하여 균등하게 유동할 수 없기 때문에 불균등한 전극 피팅(pitting)과 마모는 플라즈마 구역 내에 작동 가스의 일정하지 않은 유동을 초래한다. 입자가 형성되는 동안 일정하지 않은 유동은 제어되지 않고 불균등한 입자 합체(coalescence)를 초래하기 때문에 바람직하지 않다. 따라서 불균등한 피팅은 시스템 작동정지를 필요로 하는 전극의 교체와 생산성의 손실로 이어진다.

작동 가스의 비선형 대량 유동(non-linear bulk flow), 바람직하게는 대체로 소용돌이식 나선형 유동을 전극을 가로질러서 작용시킴으로써 플라즈마 건 전극의 불균등한 마모가 회피되거나 늦추어질 수 있다는 것이 알려졌다. 작동 가스의 대체로 소용돌이식 나선형 유동은 작동 가스를 균등하게 분포시킴으로써 정지상태의 플라즈마 아크를 방지한다. 이것은 또한 전극의 피팅과 이로 인한 시스템 작동의 중단을 방지하여, 대량신속처리 입자 생산 시스템의 연속적인 사용을 가능하게 한다. 한 실시례에서는, 플라즈마 구역 앞의 플라즈만 건 내에 배치된 작동 가스 주입 링이 필요한 소용돌이를 제공할 수 있다. 상기 작동 가스 주입 링은 바람직하게는 수전극 둘레에 환형으로 위치된 하나 이상의 포트를 포함하여, 균등한 가스 유동 분포를 발생시킨다.

도 3a, 도 3b 및 도 3c는 각각 작동 가스 주입 링(346)을 가진 플라즈마 건(300)을 나타내고 있다. 작동 가스 주입 링(346)은 수전극(302)과 암전극(304)에 의해 형성된 채널에 배치되어 있어서, 입구 구역(306)을 플리넘 챔버(348)로부터 분리시킨다. 플리넘 챔버(348)는 바람직하게는 가스 입구(310)로부터 작동 가스를 수용하여 주입 링(364)을 통하여 상기 채널의 입구 구역(306)으로 작동 가스를 공급한다. 작동 가스는 작동 가스 주입 링(346)을 통한 역류를 방지하기 위해서 입구 구역(306)에서보다 플리넘 챔버(348)에서 더 높은 압력으로 공급되는 것이 바람직하다. 몇몇 실시례에서는, 주입 링(346)이 세라믹으로 되어 있다. 바람직하게는, 주입 링(346)이 하나 이상의 주입 포트(350)를 포함하고 있고, 이 주입 포트를 통하여 작동 가스가 입구 구역(306)으로 공급된다. 몇몇 실시례에서, 복수의 주입 포트(350)는 수전극(302) 둘레에 환형으로 배치되어 있고 바람직하게는 일정하게 이격되어 있다. 한 실시례에서, 주입 포트(350)는 작동 가스를 입구 구역(306)에, 그리고 궁극적으로는 플라즈마 구역(308)에, 대체로 소용돌이식 나선 형태로 공급하도록 구성되어 있다. 몇몇 실시례에서는, 대체로 소용돌이식 나선 형태를 만들어내기 위해서 주입 포트(350)가 수전극(302)쪽으로 경사져 있다. 몇몇 실시례에서는, 대체로 소용돌이식 나선 형태를 만들어내기 위해서 주입 포트(350)가 수전극(302)으로부터 멀어지게 경사져 있다. 작동 가스가 모든 노즐에서 나오는 것을 보장하기 위해서, 플리넘 챔버(348)의 압력이 플리넘 챔버(348)와 가스 주입 링(346)의 하류부의 압력보다 더 높다. 주입 링(346)의 배치로 인해 작동 가스가 대체로 나선형 패턴으로 소용돌이치는 결과로, 플라즈마 구역(308)에서 발생된 플라즈마 아크가 수전극(302)과 암전극(304) 상의 다양한 위치로 이동하여, 수전극(302)과 암전극(304)의 피팅 또는 불균등한 마모를 실질적으로 방지한다.

전극 마모는 수전극(302) 또는 암전극(304)을 내열 전도성 금속을 이용하여 만듦으로써 감소될 수도 있다. 대체 실시형태로서, 수전극(302) 또는 암전극(304)의 모두 또는 일부는 텅스텐, 니오븀, 몰리브덴, 탄탈륨, 또는 레늄과 같은 내열 전도성 금속으로 덧씌워질 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 내열 전도성 금속이 텅스텐이다. 수전극(302)과 암전극(304)이 동일한 내열 전도성 재료로 만들어지거나 덧씌워질 필요는 없다. 몇몇 실시례에서는, 수전극(302)만 내열 전도성 금속으로 덧씌워져 있다. 다른 실시례에서는, 암전극(304)만 내열 전도성 금속으로 덧씌워져 있다. 몇몇 실시례에서는, 암전극(304)을 따라 존재하는 원통형 채널(309)만 내열 전도성 금속으로 덧씌워져 있다. 내열 전도성 금속은 플라즈마에 의해 만들어진 고온을 전극이 보다 오랜 기간 동안 견딜 수 있게 해 주고, 이로 인해 플라즈마 건 전극에 더 자주 사용된 황동 또는 구리와 같은 전도성 금속에 비해서 마모를 줄여준다.

대량신속처리 입자 생산 시스템의 이러한 구성은 플라즈마 건 전극을 교체할 필요성의 빈도를 낮추는 결과를 초래하고 대량신속처리 입자 생산 시스템의 연속적인 사용을 가능하게 한다. 상기 시스템은 상기 입자 생산 시스템이 적어도 9 grams/minute의 유동률, 적어도 30 grams/minute의 유동률, 또는 적어도 60 grams/minute의 유동률로 적어도 6시간, 적어도 12시간, 적어도 24시간, 적어도 48시간, 적어도 72시간(3일), 적어도 336시간(14일), 적어도 672시간(28일), 또는 적어도 1344시간(56일)동안 전극을 교체하지 않고서 연속적으로 작동할 수 있게 해 준다.

증가된 지속 시간에 걸친 협폭의 입자 크기 분포

입자 핵형성(nucleation) 및 표면 성장(surface growth)은 플라즈마 건의 원통형 채널(309) 내에서 에너지 전달과 재료 증기화직후에 발생한다. 입자가 응결되고 합체되기를 계속하는 지속 시간(dwell time)은 증기화후의 시간으로부터 입자가 ?칭 챔버로 방출되어 충분히 냉각될 때까지 계속된다. 긴 지속 시간은 나노입자의 생산에 있어서 바람직한 협폭의 입자 크기 분포를 초래한다. 플라즈마 건을 통과하는 작동 가스 유동률을 감소시킴으로써 지속 시간이 증가될 수 있지만, 이는 대량신속처리 나노입자 생산 시스템에 있어서 바람직하지 않은 재료 처리량의 전반적인 감소를 초래할 수 있다.

암전극(304) 내의 원통형 채널(309)을 넓히는 것에 의해 전반적인 재료 처리량에 영향을 미치지 않고 입자 형성 동안 지속 시간을 충분히 증가시켜서 협폭의 입자 분포를 가진 나노입자를 생산할 수 있다는 것이 알려졌다. 몇몇 실시례에서는, 원통형 채널(309)의 직경이 약 3 밀리미터 니재 약 20 밀리미터이다. 바람직하게는, 원통형 채널(309)의 직경이 적어도 4 밀리미터이다. 플라즈마 건에서의 입자의 평균 지속 시간은 적어도 3 ms, 적어도 10 ms, 또는 적어도 40 ms이다.

상기 시스템은 상기 입자 생산 시스템이 충분히 좁은 크기 분포를 가진 나노입자를 생산하면서, 적어도 9 grams/minute의 유동률, 적어도 30 grams/minute의 유동률, 또는 적어도 60 grams/minute의 유동률로 적어도 6시간, 적어도 12시간, 적어도 24시간, 적어도 48시간, 적어도 72시간(3일), 적어도 336시간(14일), 적어도 672시간(28일), 또는 적어도 1344시간(56일) 동안 연속적으로 작동할 수 있게 해 준다.

초-난류 ?칭 챔버(Ultra-turbulent Quenching Chamber)

플라즈마 건으로부터 ?칭 챔버로 방출된 후, 냉각 프로세스 동안 증기화된 재료의 응결과 합체로 인해 입자는 계속하여 성장한다. 이 냉각 프로세스는 ?칭 챔버 내에서 일어난다. 몇몇 경우에 있어서, 반응성 혼합물(reactive mixture)을 너무 긴 시간 동안 너무 높은 온도에 유지시키는 것은 최종 생산물에서 과도하게 뭉쳐진 입자를 만들어 낼 수 있다. 새로 형성된 나노입자를 냉각시키는 전형적인 방법은 원뿔대 형상의 ?칭 챔버에서 뜨거운 반응성 혼합물을 컨디셔닝 유체와 혼합시키는 것을 포함한다. ?칭 챔버의 원뿔대 형상이 유체 유동의 방향을 전환시킴으로써 컨디셔닝 유체의 난류를 증가시킬 수 있고, 이는 입자 냉각을 더욱 가속시킨다. ?칭 챔버에 제공된 컨디셔닝 유체의 속도를 가속시킴으로써 추가적인 난류가 제공될 수 있다. ?칭 챔버의 원뿔대 형상과 컨디셔닝 유체의 고유동 속도는 약간의 추가적인 난류를 제공하지만, 대량신속처리 시스템에 의해 생산된 보다 작고 보다 잘 제어된 나노입자에 대해서는, 초-난류 ?칭 챔버가 바람직하다. 초-난류 ?칭 챔버의 몇 가지 실시례는, 전체 내용이 본 명세서에 참고문헌으로 포함된, 미국 특허 공개공보 제2008/0277267호에 제공되어 있다.

대량신속처리 입자 생산 시스템에 있어서, 난류를 더욱 증가시켜서 초-난류 ?칭 챔버를 만들기 위해 난류 유도 분출구가 ?칭 챔버 내에 제공될 수 있다. 도 4a는 난류 유도 분출구를 이용하는 초-난류 ?칭 챔버의 한 실시례를 나타내고 있다. 플라즈마 건 출구(404)를 통하여 플라즈마 건(402)으로부터 반응 혼합물이 방출되는 즉시, 반응 혼합물은 ?칭 챔버(406)로 들어간다. 뜨거운 반응 혼합물이 ?칭 챔버(406)로 이동함에 따라, 뜨거운 반응 혼합물은 신속하게 팽창되고 냉각되기 시작한다. ?칭 챔버 내에서의 이러한 냉각 프로세스 동안 재료의 온도가 임계 온도(threshold temperature) 아래에 도달할 때까지 새로 형성된 입자는 뭉쳐져서 크기가 커진다. ?칭 챔버(406) 내의 압력 구배는 입자를 ?칭 챔버 출구(410)에서 ?칭 챔버(406)로부터 냉각 도관(412)으로 배출되게 한다. 상기 압력 구배는 ?칭 챔버의 하류부에 배치된 흡입력 발생장치(408)에 의해 제공될 수 있다. 흡입력 발생장치(408)는, 비제한적인 예로서, 진공장치 또는 블로어(blower)가 될 수 있다. 대체 실시형태로서, 또는 흡입력 발생장치(408)에 추가하여, 상기 압력 구배는 컨디셔닝 유체가 ?칭 챔버 출구(410)를 통하여 떠날 때보다 더 높은 압력으로 ?칭 챔버(406)로 유입되는 컨디셔닝 유체에 의해 제공될 수 있다. 컨디셔닝 유체는 하나 이상의 포트(416)에 의해 ?칭 챔버(406)에 유동적으로 연결되어 있는 플라즈마 건 박스(414)로 제공될 수 있다.

추가적인 난류와 가속 냉각(accelerated cooling)을 제공하기 위해, 하나 이상의 난류 유도 분출구(420)가 난류 유체를 ?칭 챔버(406)로 주입한다. 몇몇 실시례에서는, 상기 난류 유체가 상기 컨디셔닝 유체와 동일한 종류이다. 몇몇 실시례에서는, 상기 난류 유체가 아르곤이지만, 다른 불활성 가스로 될 수도 있다. 몇몇 실시례에서는, 복수의 난류 유도 분출구(420)가 플라즈마 건 출구(404) 둘레에 환형상으로 배치되어 있다. 바람직하게는, 복수의 난류 유도 분출구(420)를 이용하는 몇몇 실시례에서, 난류 유도 분출구(420)가 일정하게 이격되어 있다. 복수의 난류 유도 분출구(420)이 이용되는 몇몇 실시례에서, 난류 유도 분출구(420)가 난류 유체와 관계없이 공급될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 난류 유도 분출구(420)가 한 개의 난류 유체 공급원과 유동적으로 서로 연결될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 난류 유도 분출구(420)가 튜브(422)와 스프레이 노즐(424)을 구비하고 있다. 그러나, 몇몇 실시례에서는, 스프레이 노즐(424)이 제공되지 않고 난류 유체가 튜브(422)로부터 직접 방출된다.

?칭 챔버 내에 난류를 일으키기 위해서 난류 유체가 100 내지 300 PSI의 압력으로 난류 유도 분출구(420)에 공급될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 난류 유체가 200 PSI의 압력으로 공급된다. 몇몇 실시례에서는, 난류 유체가 120 PSI의 압력으로 공급된다. 몇몇 실시례에서는, 난류 유체가 260 PSI의 압력으로 공급된다. 바람직하게는, 발생된 난류가 1000보다 큰 레이놀즈 수를 가져야 한다. 난류 유도 분출구(420)는 플라즈마 건 출구(404)를 통과하는 반응성 반응 혼합물의 유동에 대해 20도 내지 120도의 각도로 컨디셔닝 유체를 배출시킬 수 있고, 상기 각도가 90도보다 클 때 컨디셔닝 유체의 유동이 반응성 반응 혼합물의 유동에 대향한다. 몇몇 실시례에서는, 난류 유도 분출구(420)가, 도 4a에 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 건 출구(404)를 통과하는 반응성 반응 혼합물의 유동에 대해 수직으로 난류 유체를 배출시킬 수 있다. 복수의 난류 유도 분출구(420)를 가진 실시례에서, 어떠한 난류 유도 분출구(420)도 임의의 다른 난류 유도 분출구(420)를 향해 직접 난류 유체를 배출시키지 않도록 난류 유도 분출구(420)가 환형 형태의 중심으로부터 멀어지게 경사질 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 난류 유도 분출구(420)가 환형 형태의 중심으로부터 멀어지게 2도 내지 15도 경사져 있다. 몇몇 실시례에서는, 난류 유도 분출구(420)가 환형 형태의 중심으로부터 멀어지게 12도 경사져 있다. 몇몇 실시례에서는, 난류 유도 분출구(420)가 환형 형태의 중심으로부터 멀어지게 8도 경사져 있다. 몇몇 실시례에서는, 난류 유도 분출구(420)가 환형 형태의 중심으로부터 멀어지게 5도 경사져 있다. 몇몇 실시례에서는, 난류 유도 분출구(420)가 환형 형태의 중심으로부터 멀어지게 2도 경사져 있다.

난류 유도 분출구(420)에 의해 발생된 난류는 컨디셔닝 유체와 반응 혼합물의 혼합을 촉진시켜서, 냉각 속도(quenching rate)를 증가시킨다. 난류 유도 분출구(420)에 의해 발생된 난류의 양을 변경시킴으로써 냉각 속도는 조정될 수 있다. 예를 들면, 난류 유도 분출구에 의해 배출된 컨디셔닝 유체의 유동률를 증가시킴으로써 난류 유도 분출구는 재료 유동 스트림에 대해 더욱 가파르게 경사질 수 있다.

초-난류 ?칭 챔버(406) 내에 증가된 난류를 발생시키는 대체 실시례가 도 4b 및 도 5에 도시되어 있다. 본 실시례에서는, 난류 유도 분출구들이 링 구조(426, 500)를 이용하여 서로 연결되어 있다. 플라즈마 건 출구(404)를 통하여 플라즈마 건(402)을 빠져나오는 반응성 재료의 유동이 링 구조(426)를 통과하도록 링 구조(426)가 ?칭 챔버(406) 내에 배치될 수 있다. 도 5를 참고하면, 링 구조(500)는, 링 구조에 난류 유체를 공급할 수 있는 난류 유체 공급 도관(504)에 유동적으로 연결된 내부 채널(502)을 포함하고 있다. 내부 채널(502)은 난류 유체를 링 구조(500) 전체에 걸쳐서 대체로 균등하게 분포시키도록 구성되어 있다. 난류 유체를 ?칭 챔버로 방출하기 위해서 하나 이상의 출구 포트(506)가 링 구조(500)를 따라서 환형상으로 배치되어 있다. 출구 포트(506)는 플라즈마 건 출구(404)를 통과하는 반응성 반응 혼합물의 유동에 대해 20도 내지 120도의 각도로 난류 유체를 배출시킬 수 있고, 상기 각도가 90도보다 클 때 난류 유체의 유동이 반응성 반응 혼합물의 유동에 대향한다. 몇몇 실시례에서는, 출구 포트(506)가 난류 유체를 플라즈마 건 출구(404)를 통과하는 반응성 반응 혼합물의 유동에 대해 수직으로 배출시킬 수 있다. 복수의 출구 포트(506)를 가진 실시례에서는, 어떠한 출구 포트(506)도 난류 유체를 임의의 다른 출구 포트(506)쪽으로 직접 배출시키지 않도록 출구 포트(506)가 환형 형태의 중심으로부터 멀어지게 경사질 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 출구 포트(506)가 환형 형태의 중심으로부터 멀어지게 2도 내지 15도 경사져 있다. 몇몇 실시례에서는, 출구 포트(506)가 환형 형태의 중심으로부터 멀어지게 약 12도 경사져 있다. 몇몇 실시례에서는, 출구 포트(506)가 환형 형태의 중심으로부터 멀어지게 약 8도 경사져 있다. 몇몇 실시례에서는, 출구 포트(506)가 환형 형태의 중심으로부터 멀어지게 약 5도 경사져 있다. 몇몇 실시례에서는, 출구 포트(506)가 환형 형태의 중심으로부터 멀어지게 약 2도 경사져 있다.

?칭 챔버 내에 난류를 일으키기 위해서 난류 유체가 압력 약 100 내지 300 PSI의 압력으로 출구 포트(506)로 공급될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 난류 유체가 약 200 PSI의 압력으로 공급된다. 몇몇 실시례에서는, 난류 유체가 약 120 PSI의 압력으로 공급된다. 몇몇 실시례에서는, 난류 유체가 약 260 PSI의 압력으로 공급된다. 바람직하게는, 발생된 난류는 1000보다 큰 레이놀즈 수를 가져야 한다.

초-난류 ?칭 챔버는 보다 전형적인 ?칭 챔버에 비해 새로 형성된 입자의 냉각 시간을 가속시켜서, 보다 작고 보다 제어된 입자를 만들어 낸다. 최적이며 균일한 크기의 입자를 연속적으로 생산하기 위해서 대량신속처리 입자 생산 시스템에 초-난류 ?칭 챔버는 필요하다.

냉각 도관 내의 층류 교란장치

전형적인 플라즈마-기반 입자 생산 시스템에서, 컨디셔닝 유체에 혼입(entrain)된 새로 형성된 입자는 유동적으로 연결된 냉각 도관을 통하여 ?칭 챔버로부터 수집기로 유동한다. 입자와 컨디셔닝 유체의 혼합물이 ?칭 챔버로부터 배출되면, 입자와 컨디셔닝 유체의 혼합물은, 비록 ?칭 챔버에서는 난류형태이었을 수 있지만 전형적인 냉각 도관에 있는 동안은 층류(laminar flow)로 안정화될 수 있다. 냉각 도관에 있는 동안, 입자는 여전히 따뜻하고 냉각 도관의 벽에 뭉쳐질 수 있다. 전형적인 입자 생산 시스템이 한 동안 작동된 후, 냉각 도관의 벽을 따라서 축적된 입자는 바람직하지 않은 크기의 입자로 되거나 냉각 도관의 막힘을 초래할 수 있다. 따라서 냉각 도관을 손으로 청소하고 상기 시스템을 올바른 작용상태로 복귀시키기 위해서 바람직하지 않은 시스템 작동정지가 필요로 할 수 있다. 연속적인 대량신속처리 플라즈마-기반 입자 생산 시스템은 바람직하게는 냉각 도관 내에서의 입자 축적을 방지한다.

냉각 도관의 벽을 따라서 새로 형성된 나노입자가 축적되는 것은 냉각 도관 내에 층류 교란장치를 제공함으로써 방지되거나 둔화될 수 있다. 상기 층류 교란장치는 컨디셔닝 유체와 새로 형성된 입자의 혼합물의 층류를 비-층류로 변환시킨다. 비-층류는 상기 입자의 방향을 바꾸어, 혼입된 입자를 냉각 도관의 벽에 부착된 입자와 충돌시킨다. 이러한 충돌은 부착된 입자를 냉각 도관의 벽으로부터 이탈시켜서, 이탈된 입자를 상기 시스템 유동으로 다시 들어가게 한다. 이것은 냉각 도관 내에서의 입자 축적을 방지하고 냉각 도관 내에서의 입자 축적으로 인한 시스템 작동정지에 대한 필요성을 배제시킨다. 따라서 냉각 도관 내의 층류 교란장치는 대량신속처리 입자 생산 시스템이 일정한 재료 처리량으로 연속적인 작동을 하는데 있어서 바람직하다.

층류 교란장치의 몇 가지 실시례가 도 6a 내지 도 6d 및 도 7에 도시되어 있다. 결합된 컨디셔닝 유체, 난류 유체 및 반응 혼합물은 ?칭 챔버 배출 포트(604)를 통하여 ?칭 챔버(602)로부터 유출되어 냉각 도관(606)으로 유입된다. 몇몇 실시례에서는, 층류 교란장치(608)가 냉각 도관(606) 내에 존재하고 있다. 층류 교란장치(608)는, 비제한적인 예로서, 하나 이상의 블레이드, 배플, 나선형 스크루(도 6a), 리지(ridge), 범프(bump)(도 6b), 공기 분출구(도 6c), 회전하거나 고정상태의 축방향으로 배치된 봉 또는 블레이드(도 6d 및 도 7), 또는 다른 기류 방향전환 장치(airflow redirecting device)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시례는 한 종류보다 많은 종류의 층류 교란장치를 이용할 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 층류 교란장치(608)가 이동식으로 되거나 회전할 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 층류 교란장치(608)가 정지되어 있다.

도 6a에 도시되어 있는 바와 같이, 층류 교란장치(608)가 나선형 스크루인 경우, 이 나선형 스크루는 냉각 도관(606)의 전체 길이에 걸쳐서 뻗어 있거나 냉각 도관의 길이의 일부분에 대해서만 뻗어 있을 수 있다. 나선형 스크루가 냉각 도관의 길이의 일부분에 대해서만 뻗어 있을 때, 복수의 나선형 스크루의 부분이 냉각 도관(606)의 전체에 걸쳐서 사용될 수 있다. 나선형 스크루의 각각의 부분은 바람직하게는 나선축 둘레로 적어도 한번의 완전한 회전을 완료하지만, 층류 교란장치(608)의 나선형 스크루 형태의 몇몇 실시례는 그럴 필요가 없다. 컨디셔닝 유체와 입자의 혼합물이 냉각 도관(606)으로 들어가면, 나선형 스크루에 의해 방향이 바뀌는 것에 의해 층류가 교란되어, 비-층류를 유발시킨다.

도 6b에 도시되어 있는 바와 같이, 층류 교란장치(608)가 하나 이상의 범프인 경우, 이 범프는 냉각 도관의 전체에 걸쳐서 무작위로 분포되거나 균등하게 분포될 수 있다. 몇몇 실시례에서, 범프가 다른 부분보다 냉각 도관(606)의 한 부분에 모이거나 더 집중될 수 있다. 층류 교란장치(608)가 복수의 범프로 이루어지는 경우, 범프들이 인접해 있을 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다.

도 6c에 도시되어 있는 바와 같이, 층류 교란장치(608)가 하나 이상의 공기 분출구를 포함하는 경우, 층류 교란장치 유체 공급원(610)이 층류 교란장치 유체 주입 포트(614)를 통하여 층류 교란장치 유체를 냉각 도관(606)으로 주입할 수 있는 공급 채널(612)에 유동적으로 연결되어 있다. 바람직하게는, 상기 층류 교란장치 유체가 컨디셔닝 유체와 동일한 종류의 유체이지만, 임의의 다른 불활성 가스가 될 수 있다. 복수의 공기 분출구가 사용되면, 층류 교란장치 유체 주입 포트(614)는 환형상으로 배치되거나 냉각 도관(606)을 따라 다양한 지점에 배치될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 층류 유체 주입 포트(614)가 ?칭 챔버(602)로부터 멀어지게 향해 있다. 몇몇 실시례에서는, 층류 유체 주입 포트(614)가 냉각 도관(606)의 벽에 수직으로 또는 ?칭 챔버(602)의 방향으로 향해 있다. 대량신속처리 입자 생산 시스템이 작동상태에 있을 때, 냉각 도관(606)으로 주입된 층류 교란장치 유체의 힘은 냉각 도관(606) 내의 컨디셔닝 유체와 입자의 혼합물의 궤적을 변경시켜서 비-층류를 유발시킬 수 있다. 이러한 비-층류는 냉각 도관(606)의 벽을 따라서 입자가 축적되는 것을 방지한다.

도 6d에 도시되어 있는 바와 같이, 층류 교란장치가 축방향으로 배열된 봉 또는 블레이드로 구현되어 있는 경우, 컨디셔닝 유체와 입자의 혼합물이 봉들 사이를 또는 블레이드들 사이를 유동하도록 하나 이상의 층류 교란장치(608)가 냉각 도관(606) 내에 배치될 수 있다. 컨디셔닝 유체에 의해 혼입된 입자가 봉 또는 블레이드를 통과할 때 대체로 나선형 소용돌이 형태가 발생될 수 있도록 상기 블레이드 또는 봉은 회전할 수 있다. 복수의 층류 교란장치(608)가 회전하는 봉 또는 블레이드를 포함하고 있으면, 상기 봉 또는 블레이드가 동일한 방향 또는 상이한 방향으로 회전할 수 있다. 블레이드가 사용되는 경우, 이 블레이드는 냉각 도관(606)의 궤적에 대해 수직인 방향으로부터 냉각 도관(606)의 궤적에 평행한 방향까지 임의의 방향으로 배향될 수 있다. 도 7은 축을 중심으로 회전하는 봉을 포함하는 층류 교란장치의 한 실시례를 나나타내고 있다. 이 실시례에서는, 모터(702)가 층류 교란장치(700)의 중심에 배치되어 있다. 모터(702)에 부착된 두 개 이상의 봉(704)은 모터(702)를 중심으로 환형상으로 배치되어 있으며 모터(702)에 의해 제어된다. 대량신속처리 입자 생산 시스템이 작동하는 동안, 모터(702)는 봉(704)을 중심축에 대해서 회전시킨다. 선택적으로, 봉(704)의 변위를 제한하기 위해서 안정화 림(stabilizing rim)(706)이 층류 교란장치(700)의 외주 둘레에 배치될 수 있다. 봉(704)의 회전은 냉각 도관(606) 내의 컨디셔닝 유체에 혼입된 입자의 회전을 일으켜서 비-층류를 발생시킬 수 있다. 이 비-층류는 냉각 도관(606)의 벽에 부착된 입자를 이탈시킬 수 있다.

층류 교란장치(608)가 냉각 도관(606) 내의 재료 지향성 유동(material directional flow)의 방향으로 바꿈으로써 냉각 도관(606)의 벽을 따라서 입자가 뭉치는 것을 제한한다. 일부 입자가 여전히 냉각 도관의 벽에 부착될 수 있지만, 지속적인 유동 방향전환이 가스 스트림 내의 입자를 냉각 도관의 벽에 부착된 입자와 충돌시킴으로써 부착된 입자를 이탈시킨다. 결과적으로 층류 교란장치는 냉각 도관(606)의 막힘을 방지하여, 냉각 도관(606)을 청소하기 위해 대량신속처리 입자 생산 시스템을 작동정지시킬 필요를 경감시킴으로써 계속적인 재료 유동을 가능하게 한다. 따라서 대량신속처리 입자 생산 시스템의 냉각 도관 내의 층류 교란장치는 연속적이고 일정한 작동 및 재료 처리를 위해 바람직하다.

상기 시스템은 상기 입자 생산 시스템이 적어도 9 grams/minute의 유동률, 적어도 30 grams/minute의 유동률, 또는 적어도 60 grams/minute의 유동률로 적어도 6시간, 적어도 12시간, 적어도 24시간, 적어도 48시간, 적어도 72시간(3일), 적어도 336시간(14일), 적어도 672시간(28일), 또는 적어도 1344시간(56일)동안, 냉각 도관에서 막힘을 발생시키지 않으면서, 연속적으로 작동할 수 있게 해 준다.

일정한 과압을 가진 가스 전달 시스템

전형적인 입자 생산 시스템에서, 입자를 플라즈마 건으로부터 수집 장치로 유동시키는 압력 구배를 이용하여 재료 처리량이 대체로 유지된다. 이 압력 구배는, 플라즈마 건과 ?칭 챔버의 상류부에 비해 부압을 발생시키기 위해서 수집 장치의 하류부에 흡입력을 작용시킴으로써 만들어질 수 있다. 입자는 종종 필터를 이용하는 수집 장치에 수집된다. 그러나, 전형적인 입자 생산 시스템이 작동하는 동안, 필터가 막힐 수 있고, 이로 인해 원하는 압력 구배를 만들어내고 연속적인 입자 처리를 보장하기 위해서 더 큰 흡입력을 필요로 할 수 있다. 필터가 교체되면, 원하는 압력 구배를 만들어내기 위한 흡입력에 대한 필요성이 감소된다. 흡입력이 플라즈마 건 또는 ?칭 챔버의 내부 압력을 주위 압력 아래로 떨어뜨릴 수 있지만, 입자가 형성되는 동안 주위 가스의 유입으로 인한 오염을 초래할 수 있다. 플라즈마 건을 둘러싸는 플라즈마 건 박스와 ?칭 챔버에서 주위 압력에 비해 과압을 발생시킴으로써 주위 가스의 유입이 완화될 수 있다. 그러나, 지나치게 높은 과압은 상기 시스템으로부터 주변 환경으로 과도한 누출을 초래할 것이므로, 과압이 최소화되는 것이 바람직하다. 상기 시스템에 일정한 과압을 제공하는 것은 흡입력의 변동으로 인한 상기 시스템 압력과 주위 압력 사이의 압력 차이를 효과적으로 최소화하지 못할 것이다. 대량신속처리 입자 생산 시스템을 이용하여 일정한 처리를 하기 위해서는, 주위 압력에 비해 일정한 과압을 유지하면서 상기 시스템과 주변 환경 사이의 압력 차이가 최소화되는 것이 바람직하다.

주위 압력에 비해 실질적으로 일정한 시스템 과압은, 주위 압력에 민감한 시스템 과압 모듈을 가진 가스 공급 시스템의 사용을 통하여 유지될 수 있다는 것이 알려졌다. 상기 시스템 과압 모듈은 컨디셔닝 유체를 주위 압력보다 높은 일정한 압력으로 플라즈마 건 박스에 공급하도록 구성되어 있기 때문에 상기 시스템 과압 모듈에 의해 발생된 시스템 과압은 시스템 누출과 오염을 최소화할 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 가스 공급 시스템이 주위 압력보다는 최소한으로 높지만 압력 구배를 유지하기에는 충분한 압력으로 컨디셔닝 유체를 플라즈마 건 박스 및 수집 시스템으로 전달한다. 대체 실시형태로서, 독립적인 가스 공급 시스템이 컨디셔닝 유체를 플라즈마 건 박스와 수집 시스템으로 전달한다. 다른 대체 실시례에서는, 컨디셔닝 유체가 플라즈마 건 박스로만 공급되고 수집 장치로는 공급되지 않는다. 이러한 시스템은 대량신속처리 입자 생산 시스템이 플라즈마 건 박스와 ?칭 챔버 내에서 일정하지만 최소의 시스템 과압을 유지할 수 있게 해 준다. 바람직하게는, 상기 시스템이 주위 압력보다 적어도 1 인치의 물기둥 높이에 해당하는 압력(1 inch of water)만큼 높은 과압, 또는 주위 압력보다 적어도 2 인치의 물기둥 높이에 해당하는 압력(2 inches of water)만큼 높은 과압을 유지한다. 바람직하게는, 상기 시스템이 주위 압력보다 10 인치의 물기둥 높이에 해당하는 압력(10 inches of water) 미만의 과압, 주위 압력보다 5 인치의 물기둥 높이에 해당하는 압력(5 inches of water) 미만의 과압, 또는 주위 압력보다 주위 압력보다 3 인치의 물기둥 높이에 해당하는 압력(3 inches of water) 미만의 과압을 유지한다.

도 8은 일정한 과압을 가진 가스 전달 시스템(800)의 한 실시례를 나타내고 있다. 컨디셔닝 유체가 플라즈마 건 박스(802)로 유입되고 냉각 도관(806)의 하류부의 흡입력 발생장치(804)에 의해 흡입력이 작용될 때 압력 구배가 형성된다. 몇몇 실시례에서, 흡입력 발생장치(804)는 진공 펌프이다. 몇몇 실시례에서는, 흡입력 발생장치(804)가 블로어(blower)이다. 몇몇 실시례에서는, 흡입력 발생장치가 수집 장치(808) 내에 제공되어 있다. 흡입력 발생장치(804)는 수집 장치(808)를 통하여, 바람직하게는, 필터 요소(810)를 통하여 사용한 컨디셔닝 유체를 끌어모은다. 필터 요소(810)는 컨디셔닝 유체 스트림 내에 잔류하는 입자를 제거하여, 필터링된 산출물을 배출하도록 구성되어 있다. 대량신속처리 입자 생산 시스템의 연속적인 작동 동안, 필터 요소(810)가 막힐 수 있고, 이로 인해 흡입력을 증가시킬 필요가 초래될 수 있다. 플라즈마 건 박스(802)를 통하여 컨디셔닝 유체를 ?칭 챔버(814)로 공급하는 시스템 과압 모듈(812)을 이용함으로써 시스템 과압이 유지될 수 있다.

가스 전달 시스템(800)의 한 실시례에서는, 하나 이상의 컨디셔닝 유체 저장조(816)가 가스 공급 시스템에 통합되어 시스템 과압 모듈(812)과 유동적으로 연결되어 있다. 몇몇 실시례에서는, 하나 이상의 컨디셔닝 유체 공급 밸브(818)가 임의의 컨디셔닝 유체 저장조(816)와 시스템 과압 모듈(812)의 사이에 선택적으로 배치될 수 있다. 하나 보다 많은 컨디셔닝 유체 저장조(816)가 사용되는 실시례에서는, 유체 종류가 동일한 종류이거나 상이한 종류일 수 있다. 한 실시례에서는, 컨디셔닝 유체 저장조(816)가 아르곤을 수용하고 있다. 컨디셔닝 유체가 컨디셔닝 유체 공급 도관(820)을 통하여 컨디셔닝 유체 저장조(816)로부터 시스템 과압 모듈(812)로 유동한다.

시스템 과압 모듈(812)은 컨디셔닝 유체 저장조(816)로부터 플라즈마 건 박스(802)로의 유동을 조절한다. 시스템 과압 모듈(812)은 일정하지만 주위 압력에 비해 최소의 과압으로 컨디셔닝 유체가 플라즈마 건 박스(802)로 공급되는 것을 보장한다. 몇몇 실시례에서는, 시스템 과압 모듈(812)이 한 개의 수용 유닛(housed unit) 내에 수용되어 있다. 몇몇 실시례에서는, 시스템 과압 모듈(812)이 한 개의 수용 유닛 내에 수용되어 있지 않다. 몇몇 실시례에서는, 시스템 과압 모듈(812)이 어떤 유닛 내에 수용되어 있는 것이 아니라, 대신에 도관, 밸브, 그리고 압력 조절기의 네트워크로 될 수 있다. 시스템 과압 모듈(812)은 직렬 대형으로 유동적으로 결합된 하나 이상의 압력 조절기(822, 824, 826)를 포함하고 있다. 몇몇 실시례에서는, 시스템 과압 모듈(812)이 하나 이상의 압력 릴리프 밸브(828, 830)를 또한 포함하고 있다.

가스 전달 시스템(800)의 한 실시례에서는, 컨디셔닝 유체가 컨디셔닝 유체 공급 도관(820)을 통하여 시스템 과압 모듈(812)로 운반된다. 컨디셔닝 유체 저장조(816)는 원래의 압력 P₁(예를 들면, 약 250 내지 350 PSI)으로 컨디셔닝 유체를 컨디셔닝 유체 공급 도관(820)과 시스템 과압 모듈(812)로 공급한다. 시스템 과압 모듈(812)은 컨디셔닝 유체 압력을 입구 압력 P₁에서 주위 압력에 대해 설정되어 있는 출구 압력 P₄으로 감소시킨다. 몇몇 실시례에서는, 출구 압력 P₄이 주위 압력보다 높은 일정한 크기이다. 몇몇 실시례에서는, 출구 압력 P₄이 주위 압력에 대해 일정한 비율을 가지고 있다. 몇몇 실시례에서는, 시스템 과압 모듈(812)이 주위 압력보다 약 1 내지 12인치의 물기둥 높이에 해당하는 압력만큼 높은 범위의 출구 압력으로 컨디셔닝 유체를 플라즈마 건 박스(802)로 공급한다. 몇몇 실시례에서는, 시스템 과압 모듈(812)이 주위 압력보다 약 4인치의 물기둥 높이에 해당하는 압력만큼 높은 출구 압력으로 컨디셔닝 유체를 플라즈마 건 박스(802)로 공급한다. 몇몇 실시례에서는, 시스템 과압 모듈(812)이 주위 압력보다 약 8인치의 물기둥 높이에 해당하는 압력만큼 높은 출구 압력으로 컨디셔닝 유체를 플라즈마 건 박스(802)로 공급한다. 몇몇 실시례에서는, 시스템 과압 모듈(812)이 주위 압력보다 약 2인치의 물기둥 높이에 해당하는 압력만큼 높은 출구 압력으로 컨디셔닝 유체를 플라즈마 건 박스(802)로 공급한다. 몇몇 실시례에서는, 시스템 과압 모듈(812)이 주위 압력보다 약 1인치의 물기둥 높이에 해당하는 압력만큼 높은 출구 압력으로 컨디셔닝 유체를 플라즈마 건 박스(802)로 공급한다.

몇몇 실시례에서는, 각각의 압력 조절기(822, 824, 826)가 제어 부분(832, 834, 836)과 밸브 부분(838, 840, 842)을 포함하고 있다. 몇몇 실시례에서는, 상기 압력 조절기들 중의 적어도 하나가 다이아프램 기반 조절 기구(diaphragm-based regulation mechanism)를 이용한다. 바람직하게는, 상기 다이아프램 기반 조절 기구는 다이아프램 기반 급기 조정 밸브(diaphragm-based demand valve)를 포함하고 있다. 통상적으로, 직렬로 배치된 제1 압력 조절기(822)는 컨디셔닝 유체를 압력 P₁의 상태로 컨디셔닝 유체 공급 도관(820)로부터 수용한다. 제어 부분(838)은 압력 P₁과 주위 압력의 입력을 이용하여 밸브 부분(832)을 제어하여, 컨디셔닝 유체를 출구 압력 P₂(예를 들면, 주위 압력보다 약 50 PSI 높은 압력)으로 방출한다. 몇몇 실시례에서, 직렬로 배치된 제2 압력 조절기(824)는 컨디셔닝 유체를 압력 P₂의 상태로 수용한다. 제어 부분(840)은 입력 압력 P₂와 주위 압력을 이용하여 밸브 부분(834)을 제어하여, 컨디셔닝 유체를 출구 압력 P₃(예를 들면, 주위 압력보다 약 2 PSI 높은 압력)으로 방출한다. 몇몇 실시례에서, 직렬로 배치된 제3 압력 조절기(826)는 컨디셔닝 유체를 압력 P₃의 상태로 수용한다. 제어 부분(842)은 입력 압력 P₃와 주위 압력을 이용하여 밸브 부분(836)을 제어하여, 컨디셔닝 유체를 출구 압력 P₄로 방출한다.

몇몇 실시례에서는, 시스템 과압 모듈(812)이 최종 압력 조절기(826)와 플라즈마 건 박스(802)의 사이에 유동적으로 결합된 하나 이상의 독립적인 압력 릴리프 밸브(828, 830)를 선택적으로 포함할 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 수신된 압력이 선택된 압력보다 더 크면 압력 릴리프 밸브(828, 830)가 가스를 주변 환경으로 방출시키도록 구성되어 있다. 몇몇 실시례에서는, 제1 압력 릴리프 밸브(828)가 최종 직렬 압력 조절기(826)로부터 압력 P₄로 가스를 수용한다. 몇몇 실시례에서는, P₄가 선택된 임계값보다 크면, 압력 릴리프 밸브(828)가 가스를 주변 환경으로 방출하여, 플라즈마 건 박스(802)으로의 입구 압력을 낮춘다. 몇몇 실시례에서는, 선택된 임계값이 주변 압력에 비해 상대적으로 높으므로, 정상적인 작동하에서 압력 릴리프 밸브(828)는 활성화되지 않는다. 몇몇 실시례에서는, 시스템 과압 모듈(812)이 상이한 민감도(sensitivity)를 가지며 상이한 임계값에 설정되어 있는 복수의 압력 릴리프 밸브(828, 830)를 포함하고 있다. 바람직하게는, 직렬로 배치된 제2 압력 릴리프 밸브(830)가 제1 직렬로 배치된 제1 압력 릴리프 밸브(828)보다 더 낮은 임계값을 가지고 있다.

연속적이고 일정한 재료 처리량을 가진 대량신속처리 입자 생산 시스템에서, 플라즈마 건과 ?칭 챔버의 압력을 주위 압력보다 최소한으로 높게 유지시킴으로써 오염을 회피하는 것이 바람직하다. 시스템과 주변 환경의 압력 차이를 감소시키면서 주위 압력에 대해 일정한 과압으로 컨디셔닝 유체를 플라즈마 건 박스로 전달하도록 가스 전달 시스템을 구성하는 것에 의해서, 연속적으로 작동되는 대량신속처리 입자 생산 시스템의 오염이 최소화될 것이다. 이것은 일정한 재료 처리량 및 고품질의 나노입자의 생산을 가능하게 한다.

컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템

나노입자 생산 시스템을 통하여 일정한 재료 유동을 보장하기 위해서, 많은 양의 고순도 컨디셔닝 유체가 사용될 수 있다. 전형적인 입자 생산 시스템에서, 사용한 컨디셔닝 유체는 통상적으로 주변 환경으로 배출된다. 이러한 해결방식은 소규모의 입자 생산에는 효율적일 수 있지만, 사용한 컨디셔닝 유체를 주변 환경으로 배출시키는 것은 연속적인 작동이 유지되는 대량신속처리 입자 생산 시스템에 대해서는 비용 효율적이지 않거나 환경적으로 바람직하지 않다. 게다가, 사용한 컨디셔닝 유체를 배출시키는 것은 컨디셔닝 유체 공급 탱크의 빈번한 교체로 인해 입자 생산의 둔화 또는 정지를 초래할 수 있다. 정화시키지 않고 사용한 컨디셔닝 유체를 재순환시키면 입자 생산 시스템에서의 누출로 인해 입자 생산 시스템으로 유입될 수 있는 불순물, 이송 재료, 또는 컨디셔닝 유체와 다른 임의의 이차적인 유체(예를 들면, 작동 가스 또는 난류 유체)의 축적을 초래할 수 있다. 이러한 불순물은, 비제한적인 예로서, 반응성 산화 불순물(reactive oxidizing impurity), 수소 가스, 염소 화합물(chloride compounds), 또는 물을 포함할 수 있다. 비용 효율적인 대량신속처리 입자 생산 시스템은 컨디셔닝 유체의 순도를 유지하면서 컨디셔닝 유체를 재순환시킨다. 이것은 폐기되는 유체의 양을 줄이고, 보다 고품질의 입자 생산을 보장하며, 빈 공급 탱크를 교체할 때 발생할 수 있는 시스템 작동정지를 방지한다.

비싼 컨디셔닝 유체의 폐기량을 줄이기 위해서 컨디셔닝 유체는 대량신속처리 입자 생산 시스템 내에서 재순환될 수 있다. 컨디셔닝 유체 정화 시스템을 이용하여 컨디셔닝 유체를 재순환시키는 동안 불순물이 제거될 수도 있어서, 일정하게 순수한 컨디셔닝 유체가 상기 시스템으로 재순환될 수 있게 되는 것이 알려졌다. 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템은 재순환되고 정화된 컨디셔닝 유체를 가진 연속적으로 작동하는 대량신속처리 입자 생산 시스템을 제공할 수 있어서, 대량신속처리 입자 생산 시스템의 연속적인 작동에 대한 비용 효율적인 해결방안을 제공할 수 있다.

도 9는 대량신속처리 입자 생산 시스템과 함께 작동중인 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템의 한 실시례를 나타내고 있다. 대량신속처리 입자 생산 시스템이 작동하는 동안 작동 가스(902)와 이송 재료(904)는 플라즈마 건(906)으로 유입된다. 플라즈마 건(906)은 플라즈마를 발생시키고 ?칭 챔버(908)로 배출되기 전에 유입된 이송 재료 및 작동 가스와 뜨거운 반응성 혼합물을 형성시킨다. ?칭 챔버(908) 내에서는 뜨거운 반응성 혼합물이 컨디셔닝 유체에 의해 냉각된다. 컨디셔닝 유체 스트림에 혼입된 냉각 입자는 수집 장치(912)에 의해 수집되기 전에 냉각 도관(910)을 통과한다. 사용한 컨디셔닝 유체는, 임의의 불순물과 함께, 컨디셔닝 유체 정화 시스템(916)으로 유입되기 전에, 진공장치 또는 블로어와 같은 흡입력 발생장치(914)에 의해 상기 시트템을 통하여 흡입된다.

컨디셔닝 유체 정화 시스템(916)은 사용한 컨디셔닝 유체를 수용하여 보다 정화된 컨디셔닝 유체로 배출시키도록 구성된 임의의 시스템이 될 수 있다. 도 9는 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템의 한 실시례를 나타내고 있다. 사용한 컨디셔닝 유체가 컨디셔닝 유체 정화 시스템(916)으로 유입되면, 압축기(918)가 사용한 컨디셔닝 유체를 가스 정화기(920)로 보낸다. 가스 정화기(920)는, 비제한적인 예로서, 가열되거 주위 온도의 게터(getter), 건조기, 비중 분리(gravity separation), 수산화물 기반 스크러버(hydroxide-based scrubber), 또는 다른 화학 촉매를 포함하는, 가스로부터 불순물을 제거하는 임의의 알려진 시스템을 포함할 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 제거된 가스상태의 불순물이 릴리프 통기관(922)을 통하여 주변 환경으로 배출될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 불순물이 교체가능한 카트리지에 포획될 수 있다.

몇몇 실시례에서는, 압력 릴리프 밸브(924), 온도 제어 모듈(926), 또는 필터(928)는 각각 선택적으로 흡입력 발생장치(914)와 압축기(918)의 사이에 배치되어 유동적으로 연결될 수 있다. 압력 릴리프 밸브(924)는 압력이 미리 정해진 임계값보다 높으면 사용한 컨디셔닝 유체를 주변으로 방출시키도록 구성될 수 있다. 온도 제어 모듈(926)은 바람직하게는 열교환기이고, 정화시키기 전에 사용한 컨디셔닝 유체의 온도를 낮추도록 작용할 수 있다. 필터(928)는, 비제한적인 예로서, 입자 필터 또는 화학 필터(chemical filter)가 될 수 있다.

가스 정화기(920)의 하류부에, 정화된 컨디셔닝 유체가 플라즈마 건 박스(934)로 안내되어, 재순환 싸이클을 완료하기 전에 하나 이상의 압력 조절기(930)가 배치될 수 있다. 압력 조절기(930)는 미리 정해진 출구 압력으로 정화된 컨디셔닝 유체를 방출하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 압력 조절기(930)의 출구 압력은 주위 압력보다 높은 일정한 값이다. 몇몇 실시례에서는, 압력 조절기(930)의 출구 압력이 주위 압력에 대해 일정한 비율을 가진다. 몇몇 실시례에서는, 압력 조절기(930)가 주위 압력보다 약 1 내지 250 인치의 물기둥 높이에 해당하는 압력만큼 높은 범위의 출구 압력으로 컨디셔닝 유체를 방출한다. 몇몇 실시례에서는, 예를 들어, 컨디셔닝 유체 정화 시스템(916)이, 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 정화된 컨디셔닝 유체를 플라즈마 건 박스(934)로 직접 재순환시키도록 구성되어 있는 경우, 압력 조절기(930)는 주위 압력보다 약 1 내지 12 인치의 물기둥 높이에 해당하는 압력만큼 높은 범위의 출구 압력으로 정화된 컨디셔닝 유체를 방출시키도록 구성될 수 있다. 대체 실시례에서는, 예를 들어, 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템(916)이 시스템 과압 모듈에 통합되어 있는 경우(아래에 설명되어 있으며 도 10에 도시되어 있는 것과 같이), 압력 조절기(930)는 주위 압력보다 약 12 내지 250 인치의 물기둥 높이에 해당하는 압력만큼 높은 범위의 출구 압력으로 정화된 컨디셔닝 유체를 방출시키도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 하나 이상의 압력 릴리프 밸브(932)가 압력 조절기(930)의 하류부이면서 플라즈마 건 박스(934)의 앞에 배치될 수 있다. 압력 릴리프 밸브(932)가 제공되는 경우, 압력 릴리프 밸브(932)는 미리 정해진 압력으로 정화된 컨디셔닝 유체를 방출하도록 구성될 수 있다.

몇몇 실시례에서는, 컨디셔닝 유체 정화 시스템(916)가 배압 유동 루프(936)를 포함할 수 있고, 이 배압 유동 루프(936)는 하나 이상의 배압 조절기(938)를 포함할 수 있다. 배압 유동 루프는 가스 정화기(920)의 산출물로부터 정화된 컨디셔닝 유체의 일부를 압축기(918)의 상류의 상기 시스템의 주된 도관(main conduit)으로 되돌려 보낸다. 대체로, 대량신속처리 입자 생산 시스템이 작동하는 동안, 배압 유동 루프(936)는 비활동상태이다. 그러나, 압력이 때때로 상기 시스템 내에서 증가할 수 있고, 플라즈마 건 박스(934)로 매우 높은 압력이 전해지는 것에 의해 대량신속처리 입자 생산 시스템의 민감한 구성요소를 손상시킬 수 있다. 정화된 컨디셔닝 유체를 주변 환경으로 배출시키는 것에 의해 압력이 완화될 수 있지만, 컨디셔닝 유체의 폐기를 피하는 것이 바람직하다. 압력이 대체로 낮은 압축기의 상류의 컨디셔닝 유체의 일부를 다른 곳으로 보내는 것에 의해, 컨디셔닝 유체가 보존될 수 있다. 배압 조절기(938)는 압력이 미리 정해진 압력보다 높을 때 배압 유동 루프(936)를 작동시키도록 구성될 수 있다.

대량신속처리 입자 생산 시스템이 작동하는 동안, 일정한 처리량은 일반적으로, 대체로 순수한 컨디셔닝 유체의 연속적인 유동에 의존한다. 입자 생산 프로세스 동안 유입된 작동 가스와 이송 재료는 또한, 상기 시스템에 축적되는 경우, 생산된 나노입자의 품질을 떨어뜨릴 수 있는 불순물을 빈번하게 유입시킨다. 사용한 컨디셔닝 유체를 폐기하는 것은 불순물의 축적을 최소화할 수 있지만, 연속적인 작동의 대량신속처리 입자 생산 시스템에 대해서 비용 효율적이지 않다. 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템은 사용한 컨디셔닝 유체를 정화시키고 이를 상기 시스템으로 보내 재순환시킬 수 있어서, 대량신속처리 입자 생산 시스템의 비용 효율적인 연속적인 사용을 가능하게 한다. 바람직하게는 나노입자 생산 시스템으로 유입된 컨디셔닝 유체의 적어도 50 wt%, 적어도 80 wt%, 적어도 90 wt%, 또는 적어도 99 wt%가 정화되고 재순환된다.

일정한 과압을 가진 가스 전달 시스템과

컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템의 통합

대량신속처리 입자 생산 시스템의 바람직한 실시례에서는, 일정한 과압을 가진 가스 전달 시스템과 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템의 양자 모두가 이용된다. 가스 전달 시스템과 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템의 산출물(output)이 상이한 압력을 가질 수 있기 때문에, 컨디셔닝 유체를 플라즈마 건 박스로 전달하기 전에 상기 양 시스템의 통합되는 것이 바람직하다. 상기 양 시스템을 함께 사용하는 것을 통하여, 정화되고 재순환된 컨디셔닝 유체가 주위 압력에 비해 최소의 과압으로 플라즈마 건 박스로 제공될 수 있어서, 폐기되는 컨디셔닝 유체, 불순물, 그리고 시스템 누출을 제한할 수 있다. 게다가, 가스 전달 시스템과 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템을 함께 사용하는 것에 의해 입자 생산 또는 재순환 프로세스 동안 컨디셔닝 유체의 약간의 손실이 있더라도 대량신속처리 입자 생산 시스템의 연속적인 사용 동안 충분한 컨디셔닝 유체가 상기 시스템으로 공급되는 것을 보장한다.

도 10은 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템(1004)과 통합된 시스템 과압 모듈(1002)의 하나의 예시적인 실시례를 나타내고 있다. 이러한 통합된 시스템에서는, 흡입력 발생장치(1006), 바람직하게는 진공장치 또는 블로어가 사용한 컨디셔닝 유체를 컨디셔닝 유체 정화 시스템(1004)으로 전달한다. 사용한 컨디셔닝 유체가 유체 정화 시스템(1004)으로 유입되면, 압축기(1008)가 사용한 컨디셔닝 유체를 가스 정화기(1010)로 보낸다. 몇몇 실시례에서는, 압력 릴리프 밸브(1012), 온도 제어 모듈(1014), 또는 필터(1016)가 각각 선택적으로 흡입력 발생장치(1006)와 압축기(1008)의 사이에 배치되어 유동적으로 연결될 수 있다.

시스템 과압 모듈(1002)은 주위 압력에 대해 설정되어 있는 출구 압력 P₄으로 컨디셔닝 유체를 플라즈마 건 박스(1018)로 전달하도록 구성되어 있다. 몇몇 실시례에서는, 출구 압력 P₄이 주위 압력보다 큰 일정한 값이다. 몇몇 실시례에서는, 출구 압력 P₄이 주위 압력에 대해 일정한 비율을 가진다. 몇몇 실시례에서는, 시스템 과압 모듈(1002)이 주위 압력보다 약 1 내지 12 인치의 물기둥 높이에 해당하는 압력만큼 높은 범위의 출구 압력으로 컨디셔닝 유체를 플라즈마 건 박스(1018)로 공급한다. 시스템 과압 모듈(1002)이 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템과 통합되어 있는 경우에는, 시스템 과압 모듈(1002)이 두 개 이상의 공급원(source)으로부터 컨디셔닝 유체를 수용한다. 몇몇 실시례에서는, 시스템 과압 모듈(1002)이 압력 P₁으로 하나 이상의 컨디셔닝 유체 저장조(1020)으로부터 컨디셔닝 유체를 수용하고, 압력 P₅로 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템(1004)으로부터 컨디셔닝 유체를 수용한다. 몇몇 실시례에서는, 하나 이상의 컨디셔닝 유체 공급 밸브(1022)가 임의의 컨디셔닝 유체 저장조(1020)와 시스템 과압 모듈(1002)의 사이에 선택적으로 배치될 수 있다.

몇몇 실시례에서는, 시스템 과압 모듈(1002)가 컨디셔닝 유체 공급 도관(1024)을 따라서 직렬로 배치된 하나 이상의 압력 조절기를 포함하고 있다. 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 압력 조절기(1026, 1028, 1030)는 각각 제어 부분(1032, 1034, 1036)과 밸브 부분(1038, 1040, 1042)을 포함하고 있다. 몇몇 실시례에서는, 압력 조절기들 중의 적어도 하나가 다이아프램 기반 조절 기구(diaphragm-based regulation mechanism)를 사용한다. 바람직하게는, 상기 다이아프램 기반 조절 기구는 다이아프램 기반 급기 조정 밸브(diaphragm-based demand valve)를 포함하고 있다. 직렬로 배치된 제1 압력 조절기(1026)는 초기 압력 P₁으로 하나 이상의 컨디셔닝 유체 저장조(1020)로부터 컨디셔닝 유체를 수용한다. 제어 부분(1032)은 압력 P₁과 주위 압력의 입력을 이용하여 밸브 부분(1038)을 제어하여, 컨디셔닝 유체를 출구 압력 P₂(예를 들면, 주위 압력보다 대략 50 PSI 높은 압력)으로 방출한다. 몇몇 실시례에서, 직렬로 배치된 제2 압력 조절기(824)는 컨디셔닝 유체를 입력 압력 P₂로 수용한다. 제어 부분(1034)은 입력 압력 P₂와 주위 압력을 이용하여 밸브 부분(1040)을 제어하여, 컨디셔닝 유체를 출구 압력 P₃(예를 들면, 주위 압력보다 대략 2 PSI 높은 압력)으로 방출한다.

가스 정화기(1010)의 하류부에는, 하나 이상의 압력 조절기(1044)가 가스 정화기(1010)와 시스템 과압 모듈(1002)의 사이에 배치될 수 있다. 압력 조절기(1044)는 제어 부분(1046)과 밸브 부분(1048)을 포함하고 있다. 압력 조절기(1044)는 가스 정화기(1010)로부터 정화된 컨디셔닝 유체를 수용하고 정화된 컨디셔닝 유체를 미리 정해진 출구 압력으로 방출시키도록 구성될 수 있다. 제어 부분(1046)은 입력 압력과 주위 압력으로부터의 입력을 이용하여 밸브 부분(1048)을 제어하여, 컨디셔닝 유체를 출구 압력 P₅(예를 들면, 주위 압력보다 대략 100 인치의 물기둥 높이에 해당하는 압력만큼 높은 압력)으로 방출한다. 선택적으로, 압력 릴리프 밸브(1050)는 압력 조절기(1044)의 하류부에 배치될 수 있으며 압력 P₅가 미리 정해진 임계값보다 큰 경우 정화된 컨디셔닝 유체를 주변으로 방출시키도록 구성될 수 있다.

컨디셔닝 유체 정화 시스템(1004)은 재순환 도관(1052)을 통하여 정화된 컨디셔닝 유체를 시스템 과압 모듈(1002)로 방출한다. 재순환 도관(1052)은 연결부(1054)에서 컨디셔닝 유체 공급 도관(1024)과 연결된다. 상기 연결부는 컨디셔닝 유체 공급 도관(1024)을 따라서 임의의 위치에 배치될 수 있지만, 도 10은 연결부(1054)가 직렬로 배치된 제2 압력 조절기(1028)와 직렬로 배치된 제3 압력 조절기(1030)의 사이에 배치되어 있는 것을 나타내고 있다. 바람직하게는 P₅가 연결부(1054)의 바로 상류에 있는 컨디셔닝 유체 공급 도관(1024) 내의 압력 보다 높은 압력이다. 예를 들면, 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 압력 P₅가 압력 P₃보다 높은 것이 바람직하다.

도 10에 도시된 실시례에서는, 시스템 과압 모듈(1002) 내의 직렬로 배치된 제3 압력 조절기(1030)가 압력 P₃와 압력 P₅에 의존하는 압력으로 컨디셔닝 유체를 수용한다. 제어 부분(1036)은 입력 압력과 주위 압력을 이용하여 밸브 부분(1042)을 제어하여, 출구 압력 P₄으로 컨디셔닝 유체를 방출한다.

몇몇 실시례에서는, 컨디셔닝 유체 정화 시스템(1004)이 배압 유동 루프(1056)를 포함할 수 있고, 상기 배압 유동 루프(1056)는 하나 이상의 배압 조절기(1058)를 포함할 수 있다. 상기 배압 유동 루프는 가스 정화기(1010)의 산출물로부터 정화된 컨디셔닝 유체의 일부를 압축기(1008)의 상류의 상기 시스템의 주된 도관으로 보낸다. 대체로, 대량신속처리 입자 생산 시스템이 작동하는 동안, 배압 유동 루프(1056)는 비활동상태이다. 배압 조절기(1058)는 압력이 미리 정해진 압력보다 높은 경우 배압 유동 루프(1056)를 작동시키도록 구성될 수 있다.

몇몇 실시례에서는, 시스템 과압 모듈(1002)이 최종 압력 조절기(1030)와 플라즈마 건 박스(1018)의 사이에 유동적으로 결합된 하나 이상의 독립적인 압력 릴리프 밸브(1060, 1062)를 선택적으로 포함할 수 있다. 몇몇 실시례에서, 압력 릴리프 밸브(1060, 1062)는 수신된 압력이 선택된 압력보다 높으면 가스를 주변 환경으로 배출시키도록 구성되어 있다. 몇몇 실시례에서는, 제1 압력 릴리프 밸브(1060)가 최종 직렬 압력 조절기(1030)로부터 압력 P₄로 가스를 수용한다. 몇몇 실시례에서는, 압력 P₄가 선택된 임계값보다 큰 값이면, 압력 릴리프 밸브(1060)가 가스를 주변 환경으로 배출시켜서, 플라즈마 건 박스(1018)로의 입구 압력을 낮춘다. 몇몇 실시례에서는, 선택된 임계값이 주변 압력에 비해 상대적으로 높기 때문에, 정상적인 작동하에서 압력 릴리프 밸브(1060)는 활성화되지 않는다. 몇몇 실시례에서는, 시스템 과압 모듈(1002)이 상이한 민감도를 가지며 상이한 임계값으로 설정되어 있는 복수의 압력 릴리프 밸브(1060, 1062)를 포함하고 있다. 바람직하게는, 직렬로 배치된 제2 압력 릴리프 밸브(1062)가 직렬로 배치된 제1 압력 릴리프 밸브(1060)보다 낮은 임계값을 가진다.

상기한 것과 같이 구성된, 가스 공급 시스템과 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템은, 흡입력 발생장치에 의해 유발된 압력 변동 또는 주위 압력의 변동에 관계없이, 주위 압력에 대해 일정한 과압으로 정화된 컨디셔닝 유체를 플라즈마 건 박스 내로 공급하도록 통합될 수 있다. 연속적으로 사용되고 있는 대량신속처리 입자 생산 시스템은 상당한 양의 컨디셔닝 유체를 이용하기 때문에, 주위 압력보다 최소로 높은 압력으로 사용한 컨디셔닝 유체를 정화시키고 재순환시킬 수 있는 시스템을 가지는 것이 바람직하다.

필터 백 펄스(Filter Back Pulse)

전형적인 입자 생산 시스템에서, 상기 시스템 산출물을 하나 이상의 필터 요소를 통하여 유동시킴으로써 새로 생산된 입자가 수집 장치에 수집된다. 사용한 컨디셔닝 유체에 의해 혼입된 입자는 사용한 컨디셔닝 유체가 필터 요소를 통과하여 배출되거나 재순환되는 동안 필터 요소에 의해 유지된다. 그러나, 대량신속처리 입자 생산 시스템이 연속적인 작동 동안, 필터 요소가 새로 발생된 입자의 축적으로 막힐 수 있다. 수집 장치의 하류에 증가된 흡입력을 작용시킴으로써 비교적 짧은 시간 동안 시스템 작동 및 재료 처리량이 유지될 수 있지만, 입자 산출물을 수집하고 필터 요소를 청소 및/또는 교체하기 위해서 종국적으로 시스템 작동정지가 요구된다.

하나 이상의 백 펄스(back pulse)를 필터에 작용시켜서, 수집 용기에 수집될 수 있는 입자를 방출시킴으로써 정상적인 시스템 작동과 처리량에 지장을 초래하지 않고 대량신속처리 입자 생산 시스템에서 필터 요소가 막히는 것으로 인한 시스템 작동정지가 최소화될 수 있다는 것이 알려졌다. 각각의 백 펄스는 유체, 바람직하게는 컨디셔닝 유체의 분출(burst)을 이용하여 발생될 수 있다. 이러한 분출은 비교적 짧은 시간 간격 동안 그리고 수집 장치의 작동 압력에 비해 높은 압력으로 발생할 수 있다. 각각의 백 펄스의 압력은, 입자가 수집 용기로 떨어질 수 있도록, 입자를 필터 요소로부터 이탈시키기에 충분할 정도로 높아야 한다. 필터 요소를 뒤집는 것(inversion)이 본 발명에서 필수적인 것은 아니지만, 몇몇 실시례에서는, 백 펄스가 필터를 뒤집을 수 있다. 백 펄스는 규칙적인 간격으로, 또는 센서가 재료 유동률의 저하를 검출할 때, 또는 원하는 유동률을 유지시키기에 필요한 흡입력이 미리 정해진 임계값을 넘어서 증가할 때 수동으로 작용될 수 있다. 몇몇 실시례에서, 상기 센서는 압력 센서 또는 유동률 센서가 될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 한 개의 백 펄스가 사용될 수 있는 반면에, 다른 실시례에서는 백 펄스가 두 개 이상의 분출의 연속적인 형태로 발생할 수 있다.

도 11은 필터 백 펄스 시스템(filter back pulse system)을 가진 대량신속처리 입자 생산 시스템의 한 실시례를 나타내고 있다. 입자 생산 동안, 새로 발생된 입자가 플라즈마 건(1102)으로부터, ?칭 챔버(1104)와 냉각 도관(1106)을 통하여 수집 장치(1108)로 유동한다. 사용한 컨디셔닝 유체는 필터 요소(1110)를 통과할 수 있고, 새로 발생된 입자는 필터 요소(1110)의 표면에 축적된다. 몇몇 실시례에서는 새로 발생된 입자의 대부분 또는 거의 모두가 필터 요소(1110)의 표면에 축적된다. 사용한 컨디셔닝 유체는 흡입력 발생장치(1112)에 의해 수집 장치(1108)로부터 계속하여 흡입되어 재순환되거나, 주변으로 배출되거나, 또는 이와 달리 처리될 수 있다. 흡입력 발생장치(1112)는, 예를 들면, 진공장치 또는 블로어가 될 수 있다. 일단 입자가 필터 요소(1110)에 축적되기 시작하면, 일정한 재료 유동률을 유지하기 위해서 흡입력 발생장치(1112)에 의해 흡입력이 계속하여 증가될 수 있다. 흡입력 발생장치(1112)는 흡입력을 영구적으로 증가시킬 수 없고, 일정한 유동률은 바람직하기 때문에, 재료 유동률이 미리 정해진 임계값 아래로, 예를 들면, 원하는 재료 유동률의 95% 아래로, 또는 예를 들면, 원하는 재료 유동률의 90% 아래로, 또는 예를 들면, 원하는 재료 유동률의 80% 아래로 떨어지거나, 흡입력 발생장치(1112)가 미리 정해진 임계값, 예를 들면, 용량(capacity)의 95%, 또는 예를 들면, 용량의 90%, 또는 예를 들면, 용량의 80%보다 큰 흡입력을 작용시키면, 필터 백 펄스 시스템이 증가한 압력을 완화시키고 정상적인 시스템 작동을 회복시키도록 작동할 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 필터 백 펄스의 작동을 촉발시키기 위해 센서(1114), 예를 들면, 유동률 센서 또는 압력 센서가 흡입력 발생장치(1112)에 설치될 수 있다.

필터 백 펄스 시스템의 한 실시례에서는, 백 펄스 유체 저장조(1116)가, 백 펄스 탱크(1120)에 유동적으로 연결되어 있는, 제1 압력 조절기(1118)에 유동적으로 연결되어 있다. 몇몇 실시례에서는, 백 펄스 유체 저장조(1116)가 컨디셔닝 유체, 예를 들면, 아르곤을 수용하고 있다. 제1 압력 조절기(1118)는, 압력 백 펄스 시스템이 작동 상태에 있지 않을 때, 백 펄스 탱크(1120)가 미리 정해진 압력으로 컨디셔닝 유체로 가압되도록, 미리 정해진 압력으로 컨디셔닝 유체를 백 펄스 탱크(1120)로 방출시키도록 구성되어 있다. 몇몇 실시례에서는, 제1 압력 조절기(1118)가 약 80 psi 내지 약 140 psi의 압력으로 컨디셔닝 유체를 백 펄스 탱크(1120)로 방출시킬 것이다. 몇몇 실시례에서는, 제1 압력 조절기(1118)가 약 100 psi 내지 약 120 psi의 압력으로 컨디셔닝 유체를 백 펄스 탱크(1120)로 방출시킬 것이다.

몇몇 실시례에서는, 백 펄스 탱크(1120)가, 백 펄스 방출 도관(1124)에 연결되어 있는, 제2 압력 조절기(1122)에 유동적으로 연결되어 있다. 제2 압력 조절기는 미리 정해진 압력으로 컨디셔닝 유체를 방출시키도록 구성되어 있다. 몇몇 실시례에서는, 제2 압력 조절기(1122)가, 제1 압력 조절기(1118)가 컨디셔닝 유체를 방출시키는 압력과 동일한 압력으로 컨디셔닝 유체를 방출시키도록 구성되어 있다. 다른 실시례에서는, 제2 압력 조절기(1122)가 제1 압력 조절기(1118)보다 낮은 압력으로 컨디셔닝 유체를 방출시키도록 구성되어 있다. 백 펄스 방출 도관(1124)은, 백 펄스 시스템에 의해 방출된 컨디셔닝 유체가 정상적인 시스템 작동 동안 사용한 컨디셔닝 유체가 유동하는 것과 반대 궤적으로 필터 요소(1110)를 향하도록 배치되어 있다.

몇몇 실시례에서는, 2-방향 직동 솔레노이드 밸브(1126)가 백 펄스 방출 도관(1124)을 따라서 배치되어 있다. 2-방향 직동 솔레노이드 밸브(1126)는the 필터 백 펄스 시스템에 대한 방아쇠 장치(trigger mechanism)로서 작용할 수 있다. 필터 백 펄스 시스템의 작동을 실행시키는 신호, 예를 들면, 수동 신호 또는 센서(1114)로부터의 신호를 수신하면, 2-방향 직동 솔레노이드 밸브(1126)가 컨디셔닝 유체를 가압된 백 펄스 탱크(1120)로부터 백 펄스 방출 도관(1124)으로 방출시킬 수 있고, 백 펄스 방출 도관(1124)에서 컨디셔닝 유체가 필터 요소(1110)로 전달될 수 있다. 몇몇 실시례에서는, 2-방향 직동 솔레노이드 밸브(1126)가 컨디셔닝 유체의 한 개의 펄스를 방출시킨다. 다른 실시례에서는, 2-방향 직동 솔레노이드 밸브(1126)가 두 개 이상의 펄스를 연속으로 방출시킬 수 있다. 펄스 길이는 임의의 길이의 시간이 될 수 있지만, 통상적으로는 길이가 약 0.1 초 내지 약 0.5 초이다. 2-방향 직동 솔레노이드 밸브(1126)가 두 개 이상의 펄스를 연속으로 방출시킬 때, 통상적으로 펄스와 펄스 사이에 약 0.1 초 내지 약 0.5 초의 지연이 있다.

일단 백 펄스 시스템이 사용되면, 필터 요소(1110)의 표면에 축적된 입자가 이탈된다. 통상적으로, 이탈된 입자는 수집 용기(1128)로 떨어져서 유지될 수 있다. 뚫린 필터 요소(1110)는 대량신속처리 입자 생산 시스템의 작동정지를 요하지 않고서 계속하여 사용될 수 있다. 상기 시스템은 입자 생산 시스템을 적어도 9 grams/minute의 유동률, 적어도 30 grams/minute의 유동률, 또는 적어도 60 grams/minute의 유동률로 적어도 6시간, 적어도 12시간, 적어도 24시간, 적어도 48시간, 적어도 72시간(3일), 적어도 336시간(14일), 적어도 672시간(28일), 또는 적어도 1344시간(56일)동안, 수집 장치(1108) 내의 필터 요소(1110)를 교체할 필요없이, 연속적으로 작동하게 할 수 있다.

"실시례"와 관련하여 상기한 특징 및 장점은 독특한 장점이며 특정 실시례로만 제한되지 않고, 기술적으로 실현가능한 다른 실시례의 특징과 자유롭게 결합될 수 있고, 상기 특징들의 바람직한 결합형태를 형성할 수 있다.

상기 설명은 당해 기술 분야의 통상의 전문가가 본 발명을 만들고 사용할 수 있도록 제공되어 있으며 특허 출원 및 그 요건과 관련하여 제공되어 있다. 상기한 실시례에 대한 다양한 수정사항은 당해 기술 분야의 전문가에게는 자명한 사항이 될 것이며 본 명세서의 일반적인 원리는 다른 실시례에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시례로 제한되는 것이 아니라 본 명세서에 기술된 원리 및 특징과 일치하는 가장 넓은 범위로 허용된다. 최종적으로, 본 출원에 인용된 특허문헌과 공개공보의 전체 내용이 본 명세서에 참고문헌으로 포함된다.

Claims (113)

1. 나노입자 생산 시스템으로서,
   수전극, 암전극 그리고 수전극과 암전극 사이에 형성된 플라즈마 발생 구역을 가로질러서 소용돌이식 나선형 유동 방향으로 작동 가스를 전달하도록 구성된 작동 가스 공급원을 포함하는 플라즈마 건;
   적어도 9 grams/minute의 비율로 재료를 플라즈마 건으로 이송하도록 구성된 연속 이송 시스템;
   플라즈마 건의 뒤에 위치되어 있으며 적어도 하나의 반응 혼합물 투입장치와 적어도 하나의 컨디셔닝 유체 투입장치를 포함하는 ?칭 챔버;
   컨디셔닝 유체 유동에 혼입된 나노입자를 ?칭 챔버로부터 수집기로 인도하도록 구성되어 있으며, 층류 교란장치를 포함하는 냉각 도관;
   상기 시스템의 압력을 측정된 주위 압력보다 높게 유지시키는 시스템 과압 모듈; 그리고
   컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 연속 이송 시스템이 나노입자 생산 시스템이 작동하는 동안 재료 이송 공급 채널을 연속적으로 청소하는 왕복운동 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 왕복운동 부재는 초당 적어도 2회의 비율로 왕복운동하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 연속 이송 시스템은 나노입자 생산 시스템이 작동하는 동안 재료 이송 공급 채널을 연속적으로 청소하는 펄스형 가스 분출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 나노입자 생산 시스템이 수전극 또는 암전극을 교체하지 않고 적어도 336시간 동안 작동할 수 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 ?칭 챔버가 원뿔대 형상을 하고 있으며 작동하는 동안 1000보다 큰 레이놀즈 수를 가진 난류를 발생시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 층류 교란장치는 블레이드, 배플, 나선형 스크루, 리지, 또는 범프를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 나노입자 생산 시스템이 냉각 도관에서 막힘을 발생시키지 않고 적어도 336시간 동안 연속적으로 작동하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
9. 제1항에 있어서, 상기 시스템의 압력이 측정된 주위 압력보다 적어도 1 인치의 물기둥에 해당하는 압력만큼 높은 압력으로 유지되는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
10. 제1항에 있어서, 상기 나노입자 생산 시스템으로 유입된 상기 컨디셔닝 유체의 적어도 80%가 정화되고 재순환되는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
11. 나노입자 생산 시스템으로서,
    수전극, 암전극 그리고 수전극과 암전극 사이에 형성된 플라즈마 발생 구역을 가로질러서 소용돌이식 나선형 유동 방향으로 작동 가스를 전달하도록 구성된 작동 가스 공급원을 포함하는 플라즈마 건;
    적어도 9 grams/minute의 비율로 재료를 플라즈마 건으로 이송하도록 구성된 연속 이송 시스템;
    플라즈마 건의 뒤에 위치되어 있으며 적어도 하나의 반응 혼합물 투입장치와 적어도 하나의 컨디셔닝 유체 투입장치를 포함하는 ?칭 챔버;
    컨디셔닝 유체 유동에 혼입된 나노입자를 ?칭 챔버로부터 수집기로 인도하도록 구성되어 있으며, 층류 교란장치를 포함하는 냉각 도관;
    상기 시스템의 압력을 측정된 주위 압력보다 높게 유지시키는 시스템 과압 모듈;
    나노입자 생산 시스템이 작동하는 동안 컨디셔닝 유체가 필터를 통하여 흡입되고 나노입자가 필터의 표면에 수집되도록 필터 및 상기 필터에 흡입력을 작용시키도록 구성된 펌프를 포함하는 입자 수집 장치;
    상기 필터의 표면에 수집된 나노입자를 방출시키기 위해서 필터 나노입자 생산 시스템이 작동하는 동안 상기 필터에 하나 이상의 백 펄스를 작용시키도록 구성된 백 펄스 시스템; 그리고
    컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
12. 제11항에 있어서, 상기 연속 이송 시스템은 나노입자 생산 시스템이 작동하는 동안 재료 이송 공급 채널을 연속적으로 청소하는 왕복운동 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
13. 제12항에 있어서, 상기 왕복운동 부재는 초당 적어도 2회의 비율로 왕복운동하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
14. 제11항에 있어서, 상기 연속 이송 시스템은 나노입자 생산 시스템이 작동하는 동안 재료 이송 공급 채널을 연속적으로 청소하는 펄스형 가스 분출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
15. 제11항에 있어서, 상기 나노입자 생산 시스템이 수전극 또는 암전극을 교체하지 않고 적어도 336시간 동안 작동할 수 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
16. 제11항에 있어서, 상기 ?칭 챔버가 원뿔대 형상을 하고 있으며 작동하는 동안 1000보다 큰 레이놀즈 수를 가진 난류를 발생시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
17. 제11항에 있어서, 상기 층류 교란장치는 블레이드, 배플, 나선형 스크루, 리지, 또는 범프를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
18. 제11항에 있어서, 상기 나노입자 생산 시스템이 냉각 도관에서 막힘을 발생시키지 않고 적어도 336시간 동안 연속적으로 작동하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
19. 제11항에 있어서, 상기 시스템의 압력이 측정된 주위 압력보다 적어도 1 인치의 물기둥에 해당하는 압력만큼 높은 압력으로 유지되는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
20. 제11항에 있어서, 상기 나노입자 생산 시스템으로 유입된 상기 컨디셔닝 유체의 적어도 80%가 정화되고 재순환되는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
21. 제11항에 있어서, 상기 플라즈마 건이 플라즈마 건의 출구 둘레로 환형상으로 배치된 냉각 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
22. 제12항에 있어서, 상기 플라즈마 건이 플라즈마 건의 외측 표면에 배치되어 있으며 상기 냉각 링에 연결되어 있는 페이스 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
23. 제22항에 있어서, 160시간보다 많은 시간에 걸친 플라즈마 건의 연속적인 작동 동안 상기 페이스 플레이트가 900℃ 아래로 유지되는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
24. 제11항에 있어서, 상기 연속 이송 시스템이 적어도 1 mm의 최소 직경을 가지는 복수의 재료 주입 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
25. 제11항에 있어서, 상기 수전극 또는 상기 암전극이 텅스텐으로 덧씌워져 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
26. 제11항에 있어서, 플라즈마 건에서의 입자의 평균 지속 시간이 적어도 3 msec인 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
27. 제11항에 있어서, 상기 백 펄스 시스템이, 재료 유동이 미리 정해진 임계값 아래로 떨어진 것을 센서가 검출하면 상기 필터에 하나 이상의 백 펄스를 자동적으로 작용시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
28. 제11항에 있어서, 상기 백 펄스 시스템이, 상기 필터를 통한 흡입력이 미리 정해진 임계값보다 증가하면 상기 필터에 하나 이상의 백 펄스를 자동적으로 작용시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
29. 제11항에 있어서, 상기 백 펄스 시스템이 100 psi 내지 120 psi의 압력을 가진 하나 이상의 백 펄스를 작용시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
30. 제11항에 있어서, 상기 백 펄스 시스템이 아르곤을 포함하는 하나 이상의 백 펄스를 작용시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
31. 나노입자를 생산하는데 유용한 플라즈마 건으로서,
    수전극과 암전극을 포함하고 있고, 상기 수전극 또는 상기 암전극은 전도성 내열 금속으로 이루어져 있고;
    상기 수전극과 상기 암전극 사이에 형성된 플라즈마 발생 구역을 가로질러서 소용돌이식 나선형 유동 방향으로 작동 가스를 전달하도록 구성된 작동 가스 공급원; 그리고
    냉각 링으로부터 분리된 플라즈마 건의 외측 표면에 배치되어 있는 페이스 플레이트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 건.
32. 제31항에 있어서, 플라즈마 건에서의 입자의 평균 지속 시간이 적어도 3 msec인 것을 특징으로 하는 플라즈마 건.
33. 제31항에 있어서, 상기 수전극 또는 상기 암전극이 텅스텐으로 덧씌워져 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 건.
34. 제31항에 있어서, 160시간보다 많은 시간에 걸친 플라즈마 건의 연속적인 작동 동안 상기 페이스 플레이트가 900℃ 아래로 유지되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 건.
35. 제31항 내지 제34항 중 어느 한 항의 플라즈마 건을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
36. 나노입자 생산 시스템으로서,
    플라즈마 건; 그리고
    적어도 9 grams/minute의 비율로 재료를 플라즈마 건으로 이송하도록 구성된 연속 이송 시스템;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
37. 제36항에 있어서, 상기 연속 이송 시스템이 막힘이 없이 적어도 336시간 동안 재료를 플라즈마 건으로 이송하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
38. 제36항에 있어서, 상기 연속 이송 시스템이 이송 재료를 플라즈마 건으로 공급하는 복수의 재료 이송 공급 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
39. 제36항에 있어서, 상기 연속 이송 시스템이 나노입자 생산 시스템이 작동하는 동안 재료 이송 공급 채널을 연속적으로 청소하는 왕복운동 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
40. 제39항에 있어서, 상기 왕복운동 부재는 초당 적어도 2회의 비율로 왕복운동하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
41. 제36항에 있어서, 상기 연속 이송 시스템은 나노입자 생산 시스템이 작동하는 동안 재료 이송 공급 채널을 연속적으로 청소하는 펄스형 가스 분출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
42. 제36항에 있어서, 상기 플라즈마 건이 플라즈마 건의 출구 둘레로 환형상으로 배치된 냉각 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
43. 제42항에 있어서, 상기 플라즈마 건이 플라즈마 건의 외측 표면에 배치되어 있으며 상기 냉각 링에 연결되어 있는 페이스 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
44. 제43항에 있어서, 160시간보다 많은 시간에 걸친 플라즈마 건의 연속적인 작동 동안 상기 페이스 플레이트가 900℃ 아래로 유지되는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
45. 제36항에 있어서, 상기 플라즈마 건이 적어도 1 mm의 최소 직경을 가지는 복수의 재료 주입 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
46. 제36항에 있어서, 플라즈마 건에서의 입자의 평균 지속 시간이 적어도 3 msec인 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
47. 제36항에 있어서, 플라즈마 건에 의해 생산된 나노입자를 컨디셔닝 유체로부터 분리시키기 위해서 플라즈마 건의 뒤에 위치된 입자 수집 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
48. 제47항에 있어서, 상기 입자 생산 장치가 나노입자 생산 시스템이 작동하는 동안 컨디셔닝 유체가 필터를 통하여 흡입되고 나노입자가 필터의 표면에 수집되도록 필터 및 상기 필터에 흡입력을 작용시키도록 구성된 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
49. 제48항에 있어서, 상기 입자 생산 장치가 상기 필터의 표면에 수집된 나노입자를 방출시키기 위해서 필터 나노입자 생산 시스템이 작동하는 동안 상기 필터에 하나 이상의 백 펄스를 작용시키도록 구성된 백 펄스 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
50. 제49항에 있어서, 상기 백 펄스 시스템이, 재료 유동이 미리 정해진 임계값 아래로 떨어진 것을 센서가 검출하면 상기 필터에 하나 이상의 백 펄스를 자동적으로 작용시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
51. 제49항에 있어서, 상기 백 펄스 시스템이, 상기 필터를 통한 흡입력이 미리 정해진 임계값보다 증가하면 상기 필터에 하나 이상의 백 펄스를 자동적으로 작용시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
52. 제49항에 있어서, 상기 백 펄스 시스템이 100 psi 내지 120 psi의 압력을 가진 하나 이상의 백 펄스를 작용시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
53. 제49항에 있어서, 상기 백 펄스 시스템이 아르곤을 포함하는 하나 이상의 백 펄스를 작용시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
54. 제36항에 있어서, 상기 플라즈마 건이 수전극, 암전극 그리고 수전극과 암전극 사이에 형성된 플라즈마 발생 구역을 가로질러서 소용돌이식 나선형 유동 방향으로 작동 가스를 전달하도록 구성된 작동 가스 공급원을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
55. 제54항에 있어서, 상기 수전극 또는 상기 암전극이 텅스텐으로 덧씌워져 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
56. 제54항에 있어서, 상기 작동 가스 공급원이 소용돌이식 나선형 유동 방향을 만들기 위해서 플라즈마 발생 구역의 앞에 위치된 주입 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
57. 제56항에 있어서, 상기 주입 링이 복수의 주입 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
58. 제57항에 있어서, 상기 주입 포트가 상기 수전극의 둘레에 환형 형태로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
59. 제58항에 있어서, 상기 주입 포트가 상기 수전극쪽으로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
60. 제58항에 있어서, 상기 주입 포트가 상기 수전극으로부터 멀어지게 경사져 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
61. 제54항에 있어서, 상기 나노입자 생산 시스템이 수전극 또는 암전극을 교체하지 않고 적어도 336시간 동안 작동할 수 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
62. 제36항에 있어서, 플라즈마 건의 뒤에 위치되어 있으며 적어도 하나의 반응 혼합물 투입장치와 적어도 하나의 컨디셔닝 유체 투입장치를 포함하는 ?칭 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
63. 제62항에 있어서, 상기 ?칭 챔버가 원뿔대 형상을 하고 있으며 작동하는 동안 1000보다 큰 레이놀즈 수를 가진 난류를 발생시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
64. 제54항에 있어서, 플라즈마 건의 뒤에 위치되어 있으며 적어도 하나의 반응 혼합물 투입장치와 적어도 하나의 컨디셔닝 유체 투입장치를 포함하는 ?칭 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
65. 제64항에 있어서, 상기 ?칭 챔버가 원뿔대 형상을 하고 있으며 작동하는 동안 1000보다 큰 레이놀즈 수를 가진 난류를 발생시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
66. 제62항에 있어서, 컨디셔닝 유체 유동에 혼입된 나노입자를 ?칭 챔버로부터 수집기로 인도하도록 구성되어 있는 냉각 도관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
67. 제66항에 있어서, 상기 냉각 도관이 층류 교란장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
68. 제67항에 있어서, 상기 층류 교란장치가 블레이드, 배플, 나선형 스크루, 리지, 또는 범프를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
69. 제67항에 있어서, 상기 나노입자 생산 시스템이 냉각 도관에서 막힘을 발생시키지 않고 적어도 6시간 동안 연속적으로 작동하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
70. 제64항에 있어서, 컨디셔닝 유체 유동에 혼입된 나노입자를 ?칭 챔버로부터 수집기로 인도하도록 구성되어 있는 냉각 도관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
71. 제70항에 있어서, 상기 냉각 도관이 층류 교란장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
72. 제71항에 있어서, 상기 층류 교란장치가 블레이드, 배플, 나선형 스크루, 리지, 또는 범프를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
73. 제71항에 있어서, 상기 나노입자 생산 시스템이 냉각 도관에서 막힘을 발생시키지 않고 적어도 336시간 동안 연속적으로 작동하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
74. 제36항에 있어서, 상기 시스템의 압력을 측정된 주위 압력보다 높게 유지시키는 시스템 과압 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
75. 제74항에 있어서, 상기 시스템의 압력이 측정된 주위 압력보다 적어도 1 인치의 물기둥에 해당하는 압력만큼 높은 압력으로 유지되는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
76. 제54항에 있어서, 상기 시스템의 압력을 측정된 주위 압력보다 높게 유지시키는 시스템 과압 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
77. 제62항에 있어서, 상기 시스템의 압력을 측정된 주위 압력보다 높게 유지시키는 시스템 과압 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
78. 제67항에 있어서, 상기 시스템의 압력을 측정된 주위 압력보다 높게 유지시키는 시스템 과압 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
79. 제76항에 있어서, 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
80. 제79항에 있어서, 상기 나노입자 생산 시스템으로 유입된 상기 컨디셔닝 유체의 적어도 80%가 정화되고 재순환되는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
81. 나노입자 생산 시스템으로 투입 재료를 연속적으로 이송하는 방법으로서,
    제1 교체가능한 재료 공급 튜브를 통하여 투입 재료를 플라즈마 건으로 이송하는 단계;
    제1 교체가능한 재료 공급 튜브를 통한 투입 재료의 유동률의 감소후에 제2 교체가능한 재료 공급 튜브를 통하여 투입 재료를 플라즈마 건으로 이송하는 단계;
    제1 교체가능한 재료 공급 튜브를 통하여 투입 재료의 유동을 정지시키는 단계; 그리고
    제1 교체가능한 재료 공급 튜브를 청소하거나 교체한 다음, 제1 교체가능한 재료 공급 튜브를 통하여 플라즈마 건으로의 투입 재료 유동을 다시 개시시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템으로 투입 재료를 연속적으로 이송하는 방법.
82. 나노입자 생산 시스템으로 투입 재료를 연속적으로 이송하는 방법으로서,
    재료 이송 공급 채널을 통하여 플라즈마 건으로 투입 재료를 이송하는 단계; 그리고
    적어도 9 grams/minute의 비율로 이송 재료를 플라즈마 건으로 이송함으로써 재료 이송 공급 채널을 연속적으로 청소하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템으로 투입 재료를 연속적으로 이송하는 방법.
83. 제81항에 있어서, 왕복운동 부재를 재료 이송 공급 채널에 삽입함으로써 이송 재료가 플라즈마 건으로 이송되는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템으로 투입 재료를 연속적으로 이송하는 방법.
84. 제82항에 있어서, 상기 왕복운동 부재가 초당 적어도 2회의 비율로 왕복운동하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템으로 투입 재료를 연속적으로 이송하는 방법.
85. 제81항에 있어서, 재료 이송 공급 채널로 가스를 펄스형태로 보냄으로써 이송 재료가 플라즈마 건으로 이송되는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템으로 투입 재료를 연속적으로 이송하는 방법.
86. 나노입자 생산 시스템으로서,
    플라즈마 건;
    상기 플라즈마 건의 뒤에 위치되어 있으며 적어도 하나의 난류 유체 투입장치를 포함하는 ?칭 챔버; 그리고
    컨디셔닝 유체 유동에 혼입된 나노입자를 ?칭 챔버로부터 수집기로 인도하도록 구성되어 있으며, 층류 교란장치를 포함하는 냉각 도관;
    를 포함하고 있고,
    상기 나노입자 생산 시스템은 막힘이 없이 적어도 6시간 동안 연속적으로 작동하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
87. 제86항에 있어서, 상기 ?칭 챔버가 원뿔대 형상을 하고 있으며 작동하는 동안 1000보다 큰 레이놀즈 수를 가진 난류를 발생시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
88. 제86항에 있어서, 상기 층류 교란장치가 블레이드, 배플, 나선형 스크루, 리지, 또는 범프를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
89. 제86항에 있어서, 상기 나노입자 생산 시스템이 냉각 도관에서 막힘을 발생시키지 않고 적어도 336시간 동안 연속적으로 작동하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
90. 제86항에 있어서, 상기 난류 유체 투입장치가 반응 혼합물 투입장치 둘레에 환형상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
91. 제90항에 있어서, 하나 이상의 난류 유체 투입장치가 난류 유도 분출구인 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
92. 제91항에 있어서, 상기 난류 유도 분출구가 반응 혼합물 투입장치쪽으로 향해 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
93. 제91항에 있어서, 상기 난류 유도 분출구가 반응 혼합물 투입장치로부터 멀어지게 향해 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
94. 제91항에 있어서, 상기 난류 유도 분출구가 반응 혼합물 투입장치에 수직으로 향해 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
95. 제90항에 있어서, 상기 난류 유체 투입장치가 서로 연결된 링을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
96. 나노입자 생산 시스템으로서,
    플라즈마 건;
    나노입자 생산 시스템이 작동하는 동안 컨디셔닝 유체가 필터를 통하여 흡입되고 나노입자가 필터의 표면에 수집되도록 필터 및 상기 필터에 흡입력을 작용시키도록 구성된 펌프를 포함하는 입자 수집 장치; 그리고
    상기 필터의 표면에 수집된 나노입자를 방출시키기 위해서 필터 나노입자 생산 시스템이 작동하는 동안 상기 필터에 하나 이상의 백 펄스를 작용시키도록 구성된 백 펄스 시스템;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
97. 제96항에 있어서, 상기 백 펄스 시스템이, 재료 유동이 미리 정해진 임계값 아래로 떨어진 것을 센서가 검출하면 상기 필터에 하나 이상의 백 펄스를 자동적으로 작용시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
98. 제96항에 있어서, 상기 백 펄스 시스템이, 상기 필터를 통한 흡입력이 미리 정해진 임계값보다 증가하면 상기 필터에 하나 이상의 백 펄스를 자동적으로 작용시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
99. 제96항에 있어서, 상기 백 펄스 시스템이 100 psi 내지 120 psi의 압력을 가진 하나 이상의 백 펄스를 작용시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
100. 제96항에 있어서, 상기 백 펄스 시스템이 아르곤을 포함하는 하나 이상의 백 펄스를 작용시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
101. 제96항에 있어서, 상기 나노입자 생산 시스템이 필터를 교체하지 않고 적어도 6시간 동안 작동하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
102. 제96항에 있어서, 상기 시스템의 압력을 측정된 주위 압력보다 높게 유지하는 시스템 과압 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
103. 제102항에 있어서, 상기 시스템의 압력이 측정된 주위 압력보다 적어도 1 인치의 물기둥에 해당하는 압력만큼 높은 압력으로 유지되는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
104. 제96항에 있어서, 컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
105. 제104항에 있어서, 상기 나노입자 생산 시스템으로 유입된 상기 컨디셔닝 유체의 적어도 80%가 정화되고 재순환되는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
106. 나노입자 생산 시스템으로서,
     플라즈마 건;
     상기 시스템의 압력을 측정된 주위 압력보다 높게 유지하는 시스템 과압 모듈;
     컨디셔닝 유체 정화 및 재순환 시스템;
     나노입자 생산 시스템이 작동하는 동안 컨디셔닝 유체가 필터를 통하여 흡입되고 나노입자가 필터의 표면에 수집되도록 필터 및 상기 필터에 흡입력을 작용시키도록 구성된 펌프를 포함하는 입자 수집 장치; 그리고
     상기 필터의 표면에 수집된 나노입자를 방출시키기 위해서 필터 나노입자 생산 시스템이 작동하는 동안 상기 필터에 하나 이상의 백 펄스를 작용시키도록 구성된 백 펄스 시스템;
     을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
107. 제106항에 있어서, 상기 백 펄스 시스템이, 재료 유동이 미리 정해진 임계값 아래로 떨어진 것을 센서가 검출하면 상기 필터에 하나 이상의 백 펄스를 자동적으로 작용시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
108. 제106항에 있어서, 상기 백 펄스 시스템이, 상기 필터를 통한 흡입력이 미리 정해진 임계값보다 증가하면 상기 필터에 하나 이상의 백 펄스를 자동적으로 작용시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
109. 제106항에 있어서, 상기 백 펄스 시스템이 100 psi 내지 120 psi의 압력을 가진 하나 이상의 백 펄스를 작용시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
110. 제106항에 있어서, 상기 백 펄스 시스템이 아르곤을 포함하는 하나 이상의 백 펄스를 작용시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
111. 제106항에 있어서, 상기 나노입자 생산 시스템이 필터를 교체하지 않고 적어도 6시간 동안 작동하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
112. 제106항에 있어서, 상기 시스템의 압력이 측정된 주위 압력보다 적어도 1 인치의 물기둥에 해당하는 압력만큼 높은 압력으로 유지되는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.
113. 제106항에 있어서, 상기 나노입자 생산 시스템으로 유입된 상기 컨디셔닝 유체의 적어도 80%가 정화되고 재순환되는 것을 특징으로 하는 나노입자 생산 시스템.

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