KR101157144B1 - 집속 초음파를 이용한 나노분말 분산장치 및 이를 이용한 분산방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중공의 금속관(12) 및 상기 금속관(12)의 외주면에 연결설치되는 압전 진동자(10)로 이루어진 초음파 집속부(2); 상기 초음파 집속부(2)의 금속관(12) 내부 중심을 통과하도록 구비되고, 그 내부로 나노분말을 포함하는 유체가 이동하는 경로를 제공하는 유체 이동경로(8); 상기 초음파 집속부의 금속관 내부에 충진되어 초음파 집속부에서 발생한 초음파를 유체 이동경로로 전달하는 매질(14); 및 상기 초음파 집속부(2)에 연결설치되어 초음파 집속부(2)에 초음파를 발생시키기 위한 전기적인 신호를 제공하는 신호 발생 및 증폭부(4)를 포함하는 나노분말 분산장치에 관한 것이다.

나노분말, 분산, 초음파, 집속

Description

집속 초음파를 이용한 나노분말 분산장치 및 이를 이용한 분산방법{A Dispersing Apparatus for Nano Powders Using Intensity Focused Ultrasonics Wave and A Dispersing Method Using Thereof}

본 발명은 나노분말 분산장치 및 이를 이용한 분산방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 집속 초음파를 이용하여 나노분말을 분산시키는 나노분말 분산장치 및 이를 이용한 분산방법에 관한 것이다.

산업기술의 급속한 발달로 인해 정밀하고 미세한 부품 및 이를 이용한 기기들의 요구에 부합하는 새로운 재료의 필요성에 의해 종래의 마이크로미터 크기의 재료에 비해 탁월한 성질을 갖는 수십 내지 수백 나노미터 크기의 나노입자를 이용하고자 하는 연구가 관심을 모으고 있다.

이와 같은 나노 단위의 입자는 다양한 방법으로 제조되는 바, 이러한 일례로서 아크(arc)를 발생시켜 나노 단위의 입자를 형성하는 아크 방전법, 진공상태에서 융점 이상의 고온으로 나노 단위의 입자를 형성하는 가스 증발법 등이 있고, 그 외 에 기계 또는 화학적인 방법으로 나노 단위의 입자를 제조할 수 있으며, 다른 방법으로서 스퍼터링이나 냉동 분쇄법으로 나노 단위의 입자를 제조할 수도 있다.

그런데 상기 나노 단위의 입자, 즉 나노입자는 제조과정에서 수많은 입자들이 뭉쳐진 분말 상태로 형성된 것으로서, 제조된 나노입자를 용도에 맞게 효과적으로 사용하기 위해서는 뭉쳐진 분말 상태의 나노입자를 분산시킬 필요가 있다.

또한, 제조 이후의 과정에서 나노입자들이 뭉쳐지는 경우에도 이를 분산시킬 필요가 있다.

그러므로 전술한 분산, 특정적으로 나노미터 크기의 입자로 이루어진 나노분말 분산은 첨단기술 산업 분야에 있어서 매우 중요한 기술 중 하나이다. 더욱이, 액체 등의 유체와 분말을 혼합하는 경우 나노입자의 분산은 페인트, 잉크, 샴푸, 음료 및 광택제 등과 같이 다양한 제품 생산의 공통적으로 수행되는 단계이다.

통상적인 입자들은 반데르발스(van der Waals) 힘과 표면장력과 같은 물리적, 화학적 인력에 의해서 서로 붙게 된다.

용액 속에 존재하는 입자의 분쇄와 분산을 위해서는 전술한 인력 이상의 힘이 있어야 하고, 볼밀(ball-mill)법과 같은 기존의 분산 방식은 분산 과정에서 불순물이 포함되는 문제점이 있으므로, 이러한 문제점을 극복할 수 있는 분산 기술을 개발하는 것이 필요하다.

전술한 문제점을 극복하기 위해 초음파 분산이 제한되었는바, 이는 반도체 생산과 같은 첨단기술분야에서 요구하는 오염이 없는 높은 순도의 분산을 제공할 수 있다.

하지만, 기존의 초음파 분산에 사용되는 약 20kHz의 낮은 주파수는 나노 입자의 크기에 비해 파장이 너무 커 나노분말 분산에 적합하지 않을 뿐만 아니라, 크기가 고정된 용기에 초음파를 방사하기 때문에 용기의 벽면 등으로 부터의 다중반사로 인해 초음파 상호간의 보강간섭 및 소멸간섭이 일어나 용기내의 음압 분포는 균일하게 형성되지 못한다. 이로 인해 분산작용이 활발히 일어나는 부분과 그렇지 못한 부분이 혼재하게 되어 불균일한 분산이 이루어지게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 나노미터 크기의 입자로 이루어진 분말, 즉 나노분말을 고순도로 분산시키고자 하는 것에 해결하고자 하는 과제가 있다.

본 발명은 초음파가 집속된 부분의 음장을 이용하여 나노분말을 분산시키는 장치 및 이를 이용한 분산방법을 제공하는 것에 과제 해결 수단이 있다.

이를 위해, 본 발명은 중공의 금속관 및 상기 금속관의 외주면에 연결설치되는 압전 진동자, 바람직하게는 압전 세라믹 등으로 이루어진 초음파 집속부; 상기 초음파 집속부의 금속관 내부 중심을 통과하도록 구비되고, 그 내부로 나노분말을 포함하는 유체가 이동하는 경로를 제공하는 유체 이동경로; 상기 초음파 집속부의 금속관 내부에 충진되어 초음파 집속부에서 발생한 초음파를 유체 이동경로로 전달하는 매질; 및 상기 초음파 집속부에 연결설치되어 초음파 집속부에 초음파를 발생시키기 위한 전기적인 신호를 제공하는 신호 발생 및 증폭부를 포함하는 나노분말 분산장치를 제공하는 것에 과제 해결 수단이 있다.

본 발명에 의하면, 집속 초음파를 이용하여 나노분말을 유체내에서 분산시키는 효과가 있다.

본 발명은 중공의 금속관 및 상기 금속관의 외주면에 연결설치되는 압전 진동자로 이루어진 초음파 집속부; 상기 초음파 집속부의 금속관 내부 중심을 통과하도록 구비되고, 그 내부로 나노분말을 포함하는 유체가 이동하는 경로를 제공하는 유체 이동경로; 상기 초음파 집속부의 금속관 내부에 충진되어 초음파 집속부에서 발생한 초음파를 유체 이동경로로 전달하는 매질; 및 상기 초음파 집속부에 연결설치되어 초음파 집속부에 초음파를 발생시키기 위한 전기적인 신호를 제공하는 신호 발생 및 증폭부를 포함하는 나노분말 분산장치를 제공한다.

본 발명에 따른 나노분말 분산장치는 유체, 특정적으로 액체 내에 존재하는 나노미터 크기의 입자, 즉 나노입자가 서로 붙어있는 것을 분산시키기 위한 장치를 의미하는 것으로서, 이러한 목적을 위한 장치라면 어떠한 것이라도 본 발명의 나노분말 분산장치에 해당될 것이지만, 바람직하게는 초음파, 특정적으로 집속 초음파, 보다 바람직하게는 집속 초음파의 음장을 이용하여 나노분말을 유체 내에 고르게 분산시키는 장치이다.

본 발명에 따른 나노분말은 나노미터 크기의 입자, 즉 나노입자 또는 이들의 집합체를 의미한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 하기의 설명은 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 하기 설명에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 나노분말 분산장치를 나타내는 구성도, 도 2는 본 발명에 따른 나노분말 분산장치의 초음파 집속부를 나타내는 구성도서 함께 설명한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 나노분말 분산장치는 중공의 금속관(12) 및 상기 금속관(12)의 외주면에 연결설치되는 압전 진동자(10)로 이루어진 초음파 집속부(2); 상기 초음파 집속부(2)의 금속관(12) 내부를 통과하도록 구비되고, 그 내부로 나노분말을 포함하는 유체가 이동하는 경로를 제공하는 유체 이동경로(8); 및 상기 초음파 집속부(2)에 연결설치되어 초음파 집속부(2)에 초음파를 발생시키기 위한 전기적인 신호를 제공하는 신호 발생 및 증폭부(4)를 포함한다.

본 발명에 따른 초음파 집속부(2)는 나노분말을 포함하는 유체, 특정적으로 액체가 이동할 경우, 상기 나노분말을 포함하는 유체에 초음파, 특정적으로 집속 초음파를 제공하여 액체에 포함된 나노분말을 분산시키기 위한 것으로서, 이러한 목적을 위한 초음파 집속부(2)라면 특별히 한정되지 않는다.

특정적으로, 본 발명에 따른 초음파 집속부(2)는 금속관(12), 바람직하게는 중공의 금속관(12) 및 상기 금속관(12)의 외주면에 연결설치되는 압전 진동자(10), 바람직하게는 압전 세라믹을 포함한다.

여기서, 상기 금속관(12)은 길이방향으로 확장된 원통형인 것이 바람직하고, 그 재질은 금속, 특정적으로 알루미늄인 것이 좋다.

본 발명에 따른 압전 진동자(10)는 전기 에너지를 초음파 에너지로 또는 초음파 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 장치로서, 이러한 목적을 위한 당업계의 통상적인 압전 진동자(10)이라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 전기 에너지를 초음파 에너지로 변환하는 압전 세라믹을 사용하는 것이 좋다.

예를 들면, 상기 압전 세라믹은 납, 지르코늄 및 티타늄으로 이루어진 PZT 트랜스듀서(transducer)를 사용하는 것이 좋다.

특정적으로, 상기 중공의 금속관(12) 및 상기 금속관(12)의 외주면에 연결설치되는 압전 진동자(10)는 길이방향으로 확장된 금속관(12)의 외부에 압전 진동자(10), 특정적으로 중공의 원통형 압전 진동자(10)에 끼워지는 방식으로 서로 연결될 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 중공의 원통형 형상을 갖는 압전 진동자(10), 특정적으로 압전 세라믹은 중공의 원통형 형상을 분극 방향이 반지름 방향이 되도록 분극시켜 반지름 방향으로 진동하는 진동자 역할을 한다. 이때, 상기 원통의 내부에 매질(14), 특정적으로 액체 매질(14)을 채우면 원통의 외부에 존재하는 공기에 비해 음향 임피던스가 상대적으로 압전 진동자(10)의 음향 임피던스와 유사한 액체 매질(14)내로 초음파 에너지가 전파된다.

이때, 상기 압전 진동자(10)의 내부 표면에서 발생한 초음파 진동은 액체 매질(14)을 통하여 일시에 원통, 바람직하게는 압전 진동자(10)의 원통, 특히 바람직하게는 압전 진동자(10)에 연결설치된 원통형 금속관(12)의 중심에 모이게 되고, 이것이 매우 강한 집속 초음파 음장을 형성한다.

상기 액체 매질(14)로는 물, 특정적으로 증류수를 사용하는 것이 좋다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 초음파 집속부(2)는 그 내부에 유체, 특정적으로 나노분말을 포함하는 유체(액체)가 통과하는 유체 이동경로(8)가 구비된다.

이때, 상기 유체 이동경로(8)는 전술한 초음파의 음장이 집속되는 위치, 즉 초음파 집속부(2)의 금속관(12) 내부 중심에 위치하는 것이 바람직하다.
특정적으로, 본 발명에 따른 유체 이동경로(8)는 초음파 집속부(2)의 금속관(12) 내부 중심에 위치하는 부분을 튜브, 예를 들면 유리 튜브로 구성한 후 튜브의 양측 말단을 파이프로 연결시켜 유체가 이동할 수 있도록 구성할 수 있다.

본 발명에 따른 유체 이동경로(8)는 그 내부에 나노분말을 포함하는 유체, 특정적으로 액체가 이동하는 경로를 제공하기 위한 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 유리, 고분자 수지 등으로 이루어진 관을 사용하는 것이 좋다.

필요에 따라, 본 발명에 따른 나노분말 분산장치는 전술한 유체 이동경로(8)에 연결설치되어 나노분말을 포함하는 유체를 강제로 이동시키는 펌프(6)가 더 구비될 수 있다.

이때, 상기 펌프(6)는 유체, 특정적으로 나노분말을 포함하는 유체가 이동할 수 있는 구동력을 제공할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 순환펌프를 사용하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 신호 발생 및 증폭부(4)는 상기 초음파 집속부(2), 특정적으로 초음파 집속부(2)의 압전 진동자(10)의 일측에 연결설치되어 압전 진동자(10)에 전기적인 신호를 제공함으로써, 상기 압전 진동자(10)가 초음파를 발생할 수 있도록 하는 것으로서, 이러한 목적을 위한 당업계의 통상적인 신호 발생 및 증폭부(4) 라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 용이한 초음파 발생을 위해 전기에너지로서 전기적인 신호를 발생시키고 이를 증폭할 수 있는 장치를 사용하는 것이 좋다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 나노분말 분산장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 신호 발생 및 증폭부(4)에서 전기 에너지로서 전기적 신호를 초음파 집속부(2)의 압전 진동자(10)에 제공한다.

그 다음, 압전 진동자(10), 특정적으로 압전 세라믹으로 제공된 전기 에너지가 초음파 에너지로 변환되어 압전 진동자(10)을 분극 방향이 반지름 방향이 되도록 분극시켜 반지름 방향으로 진동함으로써 초음파 에너지가 발생되고, 상기 발생된 초음파 에너지는 압전 진동자(10)에 연결설치된 중공의 금속관(12) 내부에 채워진 액체 매질(14)을 통해 일시에 중공의 금속관(12)의 중심으로 모여 집속 초음파 음장을 형성한다.

그 다음, 상기 집속 초음파 음장이 형성된 부분에 위치하는 유체 이동경로(8)를 따라 나노분말을 포함하는 유체가 이동하며, 상기 유체 이동경로(8)에 형성된 집속 초음파 음장에 의해 나노분말이 유체에 고르게 분산된다.

이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나 하기의 실시예는 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 이들 실시예 에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

<실시예 1>

압전 진동자로서 실린더형 PZT 트랜스듀서인 압전 세라믹 내부에 실린더형 알루미늄 금속관을 삽입하여 연결하여 초음파 집속부를 설치하였다.

그 다음, 알루미늄 금속관 내부의 중심 위치에 유체 이동경로로서 두께 0.5mm, 직경 14.1mm, 길이 66mm인 유리 튜브를 설치하였다.

이때, 상기 유리 튜브는 음장이 알루미늄 금속관의 중심에 집속되는 위치에 놓인 것이다.

그 다음, 상기 유리 튜브와 알루미늄 금속관 사이의 공간에 매질로서 증류수를 채워 넣었다.

그 다음, 상기 유리 튜브의 상/하에 유체가 누출되지 않도록 플라스틱 파이프를 연결시킨 후 상기 플라스틱 파이프의 일측에 순환펌프[5W]를 연결하여 유리 튜브 내부로 유체가 순환될 수 있도록 하였다.

이때, 상기 유리 튜브 내로 순환되는 유체는 0.05g의 이산화티타늄 입자, 즉 나노분말이 포함된 증류수 200ml이 순환되도록 하며, 순환 속도는 2mL/s이다.

그 다음, 상기 초음파 집속부에 전기적인 신호를 발생시키고, 신호를 증폭하는 장치를 연결하여 초음파 집속부의 압전 진동자인 PZT 트랜스듀서를 통해 공진 주파수 456.33kHz의 초음파를 8분간 발생시켰다.

트랜스듀서의 공진 주파수에서 케비테이션 버블 직경변화는 시간의 함수식인 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 계산하여 이를 도 3으로 나타냈다.

<수학식 1>

여기서, ρ는 물의 밀도, α는 물의 표면장력, φ는

이고, f(φ)는

이다.

<수학식 2>

여기서, φ는

이고,

는

이다.

그 결과, 표면장력 α는 0.072N/m이고, 케비테이션 핵의 초기 반지름 R _o 는 10^-6m, 금속관 중앙의 압력 진폭 p는 1.0MPa이였다.

도 3에 도시된 바와 같이, 붕괴시간이 팽창시간에 비해 매우 짧다는 것을 나타낸다.

여기서, 도 3의 (a)는 케이테이션 반경의 변화를 나타내고, 도 3의 (b)는 펄 스 스펙트럼을 나타낸다.

또한, 수학식 3 및 수학식 4를 이용하여 붕괴 과정에서 펄스를 시간 함수로 계산하였다. 그리고 주파수 스펙트럼은 도 3(b) 결과의 퓨리에(Fourier) 변환으로 얻어진다.

<수학식 3>

<수학식 4>

여기서,

은 물속에서의 음속이다.

도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 주파수 스펙트럼은 음향 에너지가 약 10MHz에 집중되어 있음을 알 수 있으며 이는 종래의 초음파 분산에 비해 높은 주파수(짧은 파장)의 에너지에 의해 분산이 수행되어 나노입자에 더욱더 효과적임을 알 수 있었다.

<실시예 2>

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 유리 튜브에 채워진 나노입자 및 물 혼합물 대신 증류수 200mL에 0.05g의 이산화티타늄을 혼합한 용액 20mL를 사용하였으며, 초음파 제공시간은 약 8분이었다.

분산 효과를 확인하기 위해 입자 카운터[GRIMM Aerosol Technik, 독일]를 이용하여 입자 크기 분포를 측정하여 도 4로 나타냈다.

도 4에 도시된 바와 같이, 입자 크기 분산은 도 4의 (a)에 나타난 것처럼 두 정점을 갖는바, 이는 입자의 응집으로 인해 발생하며, 도 4의 (b)에 나타난 것처럼 두 번째 정점이 초음파 분산 효과로 인해 사라지는 것을 알 수 있었다.

여기서, 도 4의 (a)는 분산 전의 입자크기 분포를 나타내고, 도 4의 (b)는 분산 후의 입자크기 분포를 나타낸다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모두 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 나노분말 분산장치를 나타내는 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 나노분말 분산장치의 초음파 집속부를 나타내는 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 실시예의 케이테이션 반경의 변화(a) 및 펄스 스펙트럼(b)을 나타내는 도,

도 4는 본 발명에 따른 실시예의 나노분말 입자크기 분포를 측정한 결과를 나타내는 도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2 : 초음파 집속부 4 : 신호 발생 및 증폭부

6 : 펌프 8 : 유체 이동경로

10 : 압전 진동자 12 : 금속관

14 : 매질

Claims (6)

1. 중공의 금속관 및 상기 금속관의 외주면에 연결설치되는 압전 진동자로 이루어진 초음파 집속부; 상기 초음파 집속부의 금속관 내부 중심을 통과하도록 구비되고, 그 내부로 나노분말을 포함하는 유체가 이동하는 경로를 튜브로 구성한 후 상기 튜브의 양측 말단이 파이프로 연결된 유체 이동경로; 상기 초음파 집속부의 금속관 내부에 충진되어 초음파 집속부에서 발생한 초음파를 유체 이동경로로 전달하는 매질; 및 상기 초음파 집속부에 연결설치되어 초음파 집속부에 초음파를 발생시키기 위한 전기적인 신호를 제공하는 신호 발생 및 증폭부를 포함하는 나노분말 분산장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 유체 이동경로에 연결설치되어 나노분말을 포함하는 유체를 강제로 이동시키는 펌프가 더 구비된 것을 특징으로 하는 나노분말 분산장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 초음파 집속부의 금속관이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 나노분말 분산장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 초음파 집속부의 압전 진동자가 PZT 트랜스듀서인 것을 특징으로 하는 나노분말 분산장치.
6. 제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 나노분말 분산장치를 이용한 나노분말 분산방법.

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