KR101514035B1 - 나노 분말 분산 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 나노 분말 분산 장치는 나노 분말을 포함하는 유체가 통과하는 유체 관, 상기 유체 관을 둘러싸며, 냉각수가 주입되는 주입구와 상기 냉각수가 배출되는 배출구를 포함하고, 상기 냉각수를 수용하는 냉각수 수용부, 상기 냉각수 수용부를 둘러싸며, 초음파를 발생시키고, 발생한 초음파를 상기 냉각수를 통하여 상기 유체관에게 전달하는 초음파 진동자, 그리고 상기 초음파 진동자에게 초음파를 발생시키기 위한 전원을 공급하는 전원 공급부를 포함한다.

Description

나노 분말 분산 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DISPERSING NANO POWDERS}

본 발명은 나노 분말 분산 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 집속 초음파를 이용한 나노 분말 분산 장치 및 방법에 관한 것이다.

나노 기술의 발달에 따라, 아크 방전법, 가스 증착법, 스퍼터링 방법, 냉동 분쇄법 등 다양한 방법으로 나노 분말을 제조할 수 있다.

이러한 나노 분말은 서로 뭉쳐지기 쉬우므로, 제조 공정 또는 제조 이후에 나노 분말을 적절하게 분산시킬 필요가 있다. 특히, 페인트, 잉크, 샴푸, 음료, 광택제 등의 제품과 같이, 소정의 유체에 나노 분말을 혼합하는 경우, 나노 분말의 분산은 필수적으로 요구되는 공정이다.

유체에 포함된 나노 분말을 분산시키기 위하여 볼밀(ball mill) 등을 이용할 수 있으나, 이러한 방법에 따르면 불순물이 유입될 가능성이 높아진다.

이에 따라, 유체에 포함된 나노 분말을 분산시키기 위하여 초음파를 이용하는 방법이 제안되고 있다. 초음파를 이용하는 나노 분말 분산 방법으로는 배스(bath)형 방법, 혼(horn)형 방법, 집속형 방법 등이 있다. 배스형 방법 또는 혼형 방법에 따르면, 나노 분말의 크기에 비하여 큰 파장의 주파수를 사용하며 초음파 상호 간의 간섭이 발생하므로, 균일한 분산이 이루어지지 못하는 문제가 있다. 보다 균일한 분산 효과를 얻기 위하여 집속형 방법을 사용할 수 있으나, 장치 내부의 온도 상승으로 인하여 부하가 발생하며, 최적의 분산 효과를 얻을 수 없는 문제가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 나노 분말 분산 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 나노 분말 분산 장치는 나노 분말을 포함하는 유체가 통과하는 유체 관, 상기 유체 관을 둘러싸며, 냉각수가 주입되는 주입구와 상기 냉각수가 배출되는 배출구를 포함하고, 상기 냉각수를 수용하는 냉각수 수용부, 상기 냉각수 수용부를 둘러싸며, 초음파를 발생시키고, 발생한 초음파를 상기 냉각수를 통하여 상기 유체관에게 전달하는 초음파 진동자, 그리고 상기 초음파 진동자에게 초음파를 발생시키기 위한 전원을 공급하는 전원 공급부를 포함한다.

상기 냉각수의 온도를 제어하는 온도 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 온도 제어부는, 상기 냉각수의 온도를 감지하는 센서, 그리고 상기 센서에 의하여 감지된 온도에 따라 상기 냉각수의 주입 속도를 제어하는 냉각수 속도 제어 유닛을 포함할 수 있다.

상기 온도 제어부는 상기 센서에 의하여 감지된 온도와 미리 설정된 기준 온도를 비교하는 온도 관리 유닛을 더 포함하며, 상기 냉각수 속도 제어 유닛은 비교 결과에 따라 상기 냉각수의 주입 속도를 제어한다.

상기 기준 온도는 상기 나노 분말의 종류 및 상기 유체 내 상기 나노 분말의 양 중 적어도 하나에 따라 설정될 수 있다.

상기 온도 제어부는 상기 유체의 주입 속도를 제어하는 유체 속도 제어 유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 유체 속도 제어 유닛은 상기 냉각수의 온도와 미리 설정된 기준 온도 간의 비교 결과에 따라 상기 유체의 주입 속도를 제어할 수 있다.

상기 초음파 진동자는 복수의 초음파 진동 유닛을 포함하며, 상기 온도 제어부는 상기 복수의 초음파 진동 유닛 각각의 전원 공급을 제어하는 전원 제어 유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 전원 제어 유닛은 상기 냉각수의 온도와 미리 설정된 기준 온도 간의 비교 결과에 따라 상기 복수의 초음파 진동 유닛의 일부 또는 전부에게 전원을 공급하도록 제어할 수 있다.

상기 유체 관은 글래스를 포함하는 재질로 이루어진 관이며, 상기 냉각수 수용부는 텅스텐을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 집속형 초음파를 이용하여 나노 분말을 균일하게 분산할 수 있다. 또한, 나노 분말 분산 장치의 온도를 적절하게 유지하여, 분산 효과를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 나노 분말 분산 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 나노 분말 분산 장치의 분산부, 냉각부 및 초음파 발생부의 조립 구조를 나타내는 부분 단면도이다.
도 3 내지 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 나노 분말 분산 장치의 분산부, 냉각부 및 초음파 발생부의 조립 구조를 나타내는 사시도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 명세서에서, 나노 분말은 수 나노미터 내지 수백 나노미터 단위의 입자를 의미한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 나노 분말 분산 장치의 블록도이다.

도 1을 참조하면, 나노 분말 분산 장치(100)는 분산부(110), 냉각부(120), 초음파 발생부(130), 온도 제어부(140) 그리고 전원 공급부(150)를 포함한다.

분산부(110)는 초음파를 이용하여 유체 내의 나노 분말을 분산한다. 냉각부(120)는 분산부(110)를 냉각시킨다. 초음파 발생부(130)는 적어도 하나의 초음파 진동 유닛을 포함하며, 전원 공급부(150)는 초음파 발생부(130)가 초음파를 발생시킬 수 있도록 전원을 공급한다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 나노 분말 분산 장치의 분산부, 냉각부 및 초음파 발생부의 조립 구조를 나타내는 부분 단면도이고, 도 3 내지 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 나노 분말 분산 장치의 분산부, 냉각부 및 초음파 발생부의 조립 구조를 나타내는 사시도이다. 이하에서, 분산부는 유체 관과 혼용될 수 있고, 냉각부는 냉각수 수용부와 혼용될 수 있으며, 초음파 발생부는 초음파 진동자와 혼용될 수 있다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 유체 관(200)을 통하여 나노 분말을 포함하는 유체가 통과한다. 냉각수 수용부(210)는 유체 관(200)을 둘러싸며, 냉각수가 주입되는 주입구(I) 및 냉각수가 배출되는 배출구(O)를 포함하며, 냉각수를 수용한다. 그리고, 초음파 진동자(220)는 냉각수 수용부(210)를 둘러싸며, 초음파를 발생시키고, 발생한 초음파를 냉각수를 통하여 유체관(200)에게 전달한다. 도 4에서 예시된 바와 같이, 초음파 진동자(220)는 복수의 초음파 진동 유닛(220-1, 220-2)을 포함할 수도 있다.

유체 관(200)은, 예를 들면 글래스 또는 고분자 수지를 포함하는 재질로 이루어질 수 있다. 도시되지 않았으나, 유체 관(200)의 상부 또는 하부에는 펌프가 연결되어, 유체를 강제로 이동시킬 수 있다. 유체 관(200)은, 예를 들면 0.1 내지 1.0mm의 두께이며, 10 내지 20mm의 직경을 가질 수 있다.

냉각수 수용부(210)는, 예를 들면 원통 형상일 수 있으며, 알루미늄 재질 또는 텅스텐 재질로 이루어질 수 있다.

초음파 진동자(220)는 전기 에너지를 초음파 에너지로 변환할 수 있다. 초음파 진동자(220)는, 예를 들면 압전 세라믹 진동자일 수 있다. 압전 세라믹 진동자는, 예를 들면 납, 지르코늄 및 티타늄 중 적어도 하나를 포함하는 PZT 진동자일 수 있다. 초음파 진동자(220)는 냉각수 수용부(210)의 외주면에 끼워질 수 있으며, 중공의 원통형상일 수 있다. 초음파 진동자(220)는 원통의 반지름 방향으로 분극시켜 진동할 수 있다. 이에 따라, 초음파 진동자(220)로부터 발생한 초음파는 냉각수 수용부(210)의 냉각수를 통하여 전달되며, 원통의 내부에서 강한 집속 초음파 음장을 형성하게 된다. 유체 관(200)은 강한 집속 초음파 음장이 형성되는 영역, 즉 원통의 가운데 영역을 지나도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 유체 관(200)을 통과하는 유체에 포함되는 나노 분말은 강한 집속 초음파 음장이 형성되는 영역을 통과함으로써 분산될 수 있다.

여기서, 유체관(200)은 직선 형태인 것으로 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 유체 관(200)은 나선 형태일 수 있다. 이에 따라, 나노 분말을 포함하는 유체가 집속 초음파 음장이 형성되는 영역에 머무는 시간을 길게 함으로써, 분산 효율을 높일 수 있다.

이와 같이, 초음파 진동자(220)와 유체 관(200) 사이에 냉각수 수용부(210)를 배치하면, 초음파로 인하여 발생하는 열을 식혀 주어, 장치의 부하를 줄이며, 분산된 나노 분말이 다시 응집할 가능성을 줄일 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 따르면, 나노 분말 분산 장치(100)는 냉각수의 온도를 제어하는 온도 제어부(140)를 더 포함한다. 이에 따라, 냉각수의 온도를 소정 범위로 유지하여, 최적의 나노 분말 분산 효과를 얻을 수 있다.

이를 위하여, 온도 제어부(140)는 센서(141), 온도 관리 유닛(142) 및 냉각수 속도 제어 유닛(143)을 포함할 수 있다.

센서(141)는 냉각수의 온도를 감지한다. 센서(141)는, 예를 들면 냉각수 수용부(210)의 내부 또는 외부에 부착되거나, 냉각수 수용부(210)의 배출구(O) 주변에 부착될 수 있다.

온도 관리 유닛(142)은 센서(141)에 의하여 감지된 온도와 미리 설정된 기준 온도를 비교한다. 이를 위하여, 센서(141)는 온도 관리 유닛(142)과 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다. 미리 설정된 기준 온도는, 예를 들면 20℃ 내지 27℃, 바람직하게는 24℃ 내지 26℃일 수 있다. 또는, 미리 설정된 기준 온도는 나노 분말의 종류, 유체의 종류, 유체 내 나노 분말의 양 등에 따라 설정될 수 있다. 예를 들어, 나노 분말 및 유체의 종류 또는 양에 따라 분산에 적합한 온도가 달라질 수 있다. 이에 따라, 최적의 온도를 미리 기준 온도로 설정할 수 있다.

냉각수 속도 제어 유닛(143)은 온도 관리 유닛(142)의 비교 결과에 따라 냉각수의 주입 속도를 제어한다. 예를 들어, 감지된 온도가 기준 온도보다 높으면 냉각수 주입 속도를 빠르게 제어하고, 감지된 온도가 기준 온도보다 낮으면 냉각수 주입 속도를 느리게 제어할 수 있다.

한편, 본 발명의 한 실시예에 따른 나노 분말 분산 장치의 온도 제어부는 냉각수 속도뿐만 아니라 유체의 속도 또는 초음파 진동을 이용하여 냉각수의 온도를 제어할 수도 있다.

이를 위하여, 온도 제어부는 유체 속도 제어 유닛(144) 및 전원 제어 유닛(145) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

유체 속도 제어 유닛(144)은 유체 관(200)을 통과하는 유체의 주입 속도를 제어한다. 이를 위하여, 유체 속도 제어 유닛(144)은 온도 관리 유닛(142)이 냉각수의 온도와 기준 온도를 비교한 결과를 이용할 수도 있다. 예를 들어, 감지된 온도가 기준 온도보다 높으면 유체의 주입 속도를 느리게 제어하고, 감지된 온도가 기준 온도보다 낮으면 유체의 주입 속도를 빠르게 제어할 수 있다.

그리고, 전원 제어 유닛(145)은 복수의 초음파 진동 유닛(220-1, 220-2) 각각에 대한 전원 공급을 제어한다. 이를 위하여, 전원 제어 유닛(145)은 온도 관리 유닛(142)이 냉각수의 온도와 기준 온도를 비교한 결과를 이용할 수도 있다. 예를 들어, 냉각수의 온도가 기준 온도보다 높으면 일부의 초음파 진동 유닛에게만 전원을 공급하도록 제어하고, 냉각수의 온도가 기준 온도보다 낮으면 전부의 초음파 진동 유닛에게 전원을 공급하도록 제어할 수 있다. 냉각수의 온도가 미리 설정된 임계치보다 높은 경우, 전부의 초음파 진동 유닛에게 전원을 공급하지 않도록 제어할 수도 있다.

본 발명의 한 실시예에 따르면, 온도 조절부(140)는 냉각수 속도 제어 유닛(143), 유체 속도 제어 유닛(144) 및 전원 제어 유닛(145)을 통합하여 관리할 수도 있다.

일 예로, 냉각수 속도 제어 유닛(143), 유체 속도 제어 유닛(144) 및 전원 제어 유닛(145)의 순으로 우선순위를 두어 제어할 수 있다. 즉, 냉각수의 온도가 기준 온도를 벗어난 경우, 가장 먼저 냉각수 속도 제어 유닛(143)을 통하여 냉각수 온도를 제어할 수 있다. 그리고, 소정 시간이 경과하더라도 냉각수의 온도가 기준 온도를 벗어나는 경우 유체 속도 제어 유닛(144) 및 전원 제어 유닛(145)을 더 이용하여 냉각수 온도를 제어할 수 있다.

다른 예로, 냉각수의 온도가 기준 온도를 벗어난 정도에 따라 냉각수 속도 제어 유닛(143), 유체 속도 제어 유닛(144) 및 전원 제어 유닛(145)을 차등 이용할 수도 있다. 즉, 냉각수의 온도가 기준 온도의 제1 범위(예, 기준 온도의 +10% 이내)를 벗어난 경우에는 냉각수 속도 제어 유닛(143)만을 이용하여 냉각수의 온도를 제어하며, 냉각수의 온도가 기준 온도의 제2 범위(예, 기준 온도의 +20% 이내)를 벗어난 경우에는 냉각수 속도 제어 유닛(143)뿐만 아니라 유체 속도 제어 유닛(144) 또는 전원 제어 유닛(145)을 더 이용하여 냉각수의 온도를 제어할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

1. 나노 분말을 포함하는 유체가 통과하는 유체 관,
   상기 유체 관을 둘러싸며, 냉각수가 주입되는 주입구와 상기 냉각수가 배출되는 배출구를 포함하고, 상기 냉각수를 수용하는 냉각수 수용부,
   상기 냉각수의 온도를 제어하는 온도 제어부,
   상기 냉각수 수용부를 둘러싸며, 초음파를 발생시키고, 발생한 초음파를 상기 냉각수를 통하여 상기 유체관에게 전달하는 초음파 진동자, 그리고
   상기 초음파 진동자에게 초음파를 발생시키기 위한 전원을 공급하는 전원 공급부
   를 포함하며,
   상기 온도 제어부는,
   상기 냉각수의 온도를 감지하는 센서,
   상기 센서에 의하여 감지된 온도에 따라 상기 냉각수의 주입 속도를 제어하는 냉각수 속도 제어 유닛, 그리고
   상기 유체의 주입 속도를 제어하는 유체 속도 제어 유닛을 포함하는 나노 분말 분산 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 온도 제어부는
   상기 센서에 의하여 감지된 온도와 미리 설정된 기준 온도를 비교하는 온도 관리 유닛을 더 포함하며,
   상기 냉각수 속도 제어 유닛은 비교 결과에 따라 상기 냉각수의 주입 속도를 제어하는 나노 분말 분산 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 기준 온도는 상기 나노 분말의 종류 및 상기 유체 내 상기 나노 분말의 양 중 적어도 하나에 따라 설정되는 나노 분말 분산 장치.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 유체 속도 제어 유닛은 상기 냉각수의 온도와 미리 설정된 기준 온도 간의 비교 결과에 따라 상기 유체의 주입 속도를 제어하는 나노 분말 분산 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 초음파 진동자는 복수의 초음파 진동 유닛을 포함하며,
   상기 온도 제어부는 상기 복수의 초음파 진동 유닛 각각의 전원 공급을 제어하는 전원 제어 유닛을 더 포함하는 나노 분말 분산 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 전원 제어 유닛은 상기 냉각수의 온도와 미리 설정된 기준 온도 간의 비교 결과에 따라 상기 복수의 초음파 진동 유닛의 일부 또는 전부에게 전원을 공급하도록 제어하는 나노 분말 분산 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 유체 관은 글래스를 포함하는 재질로 이루어진 관이며, 상기 냉각수 수용부는 텅스텐을 포함하는 재질로 이루어진 나노 분말 분산 장치.

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