KR20170133000A - 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노입자를 효과적으로 분산시키기 위한 나노입자 분산장치에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 평면 초음파를 사용함으로 인해 강력한 음향파워를 발생시키기 어렵고 정재파 음장분포로 인한 불균일 분산의 문제점이 있었던 종래기술의 초음파 분산장치 및 원통형 단일 압전진동자를 사용함으로 인해 그 크기에 제한이 있었던 종래기술의 순환식 집속초음파 분산장치들의 문제점을 해결하여, 다수의 압전진동자를 이용하여 충격파에 의해 나노입자 현탁액 내의 응집된 입자들에 효과적인 침식분산을 일으킬 수 있고, 압전진동자의 방사면에 경사를 주어 초음파 스트리밍 효과를 야기하는 것에 의해 나노입자 현탁액 내에 와류를 발생시켜 유체 전단력에 의한 분열분산을 동시에 일으킬 수 있는 데 더하여, 복수의 압전진동자의 방사면을 원통의 내면의 접선에 대하여 일정 각도를 주어 원형으로 배열하는 것에 의해 각 진동자들로부터 방사된 초음파 스트리밍이 현탁액 내부에 와류를 형성하도록 하여 균일한 분산을 유도하고, 완전한 비접촉식 분산을 구현하여 펌프를 통한 이물질의 혼입을 방지하는 동시에, 대용량의 분산장치로 용이하게 확장이 가능하도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치가 제공된다.
Description
본 발명은 나노입자를 효과적으로 분산시키기 위한 나노입자 분산장치에 관한 것으로, 더 상세하게는, 평면 초음파를 사용함으로 인해 강력한 음향파워를 발생시키기 어렵고 정재파 음장분포로 인한 불균일 분산의 문제점이 있었던 종래기술의 초음파 분산장치 및 원통형 단일 압전진동자를 사용함으로 인해 그 크기에 제한이 있었던 종래기술의 순환식 집속초음파 분산장치들의 문제점을 해결하기 위해, 다수의 압전진동자를 이용하여 충격파에 의해 나노입자 현탁액 내의 응집된 입자들에 효과적인 침식분산을 일으킬 수 있는 데 더하여, 압전진동자의 방사면에 경사를 주어 초음파 스트리밍 효과를 야기하는 것에 의해 나노입자 현탁액 내에 와류를 발생시켜 유체 전단력에 의한 분열분산을 동시에 일으킬 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위해 침식분산과 분열분산을 동시에 일으킬 수 있는 데 더하여, 복수의 압전진동자의 방사면을 원통의 내면의 접선에 대하여 일정 각도를 주어 원형으로 배열하는 것에 의해 각 진동자들로부터 방사된 초음파 스트리밍이 현탁액 내부에 와류를 형성하도록 하여 균일한 분산을 유도하고, 완전한 비접촉식 분산을 구현하여 펌프를 통한 이물질의 혼입을 방지하는 동시에, 대용량의 분산장치로 용이하게 확장이 가능하도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치에 관한 것이다.
일반적으로, 나노입자는, 직경이 1nm 에서 100nm의 크기를 가지는 입자로서, 입자가 가지는 체적에 비해 표면적이 큰 특징으로 인해 일반적인 물질과는 다른 전기적, 광학적, 자기적 특성을 가진다.
이에, 최근에는, 이와 같이 다양한 특징을 가지는 나노입자를 고분자 수지 내에 첨가하여 기계적, 화학적, 광학적 물성 등의 다양하고 복합적인 기능을 가지는 나노복합재료를 제조하는 나노융합산업이 주목받고 있다.
여기서, 나노입자는 입자들간의 응집력이 비교적 큰 편이므로 입자들이 응집체를 형성하려는 성질로 인해 나노입자들이 가지는 물성을 발휘하지 못하게 되는 문제점이 있으며, 이를 위해, 최근에는, 이러한 나노입자의 문제점을 개선하여 다양한 고분자 수지 내에서 높은 분산성을 가지도록 하기 위한 연구가 다양하게 진행되고 있다.
더 상세하게는, 상기한 바와 같이 나노입자를 분산시키기 위한 방법 및 장치에 관한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 먼저, 한국 등록특허공보 제10-1583752호에 따르면, 에폭시 수지 400 ~ 600g과 베타형 나노입자 50 ~ 200g을 혼합용기에 첨가하는 단계와, 혼합용기 내에 에폭시 혼합물이 타원형의 유동을 가지도록 하기 위해, 지면의 수직방향으로부터 15 ~ 30°의 경사를 가지도록 교반기를 위치시키거나, 또는, 지면으로부터 15 ~ 30°의 경사를 가지도록 혼합용기를 위치시켜 400 ~ 600rpm의 속도로 1 내지 3시간 동안 교반하는 단계를 포함하고, 상기 교반하는 단계는, 교반시 타원형의 유동 중 지면으로부터 가장 멀리 떨어진 부분인 타원형 유동의 상단부에 초음파를 가하면서 교반을 수행하도록 구성됨으로써, 베타형 나노입자를 포함하는 에폭시 혼합물을 교반시 타원형의 유동을 가지도록 하는 동시에, 타원형 유동의 상단부에 초음파를 가하는 것에 의해 고용량의 베타형 나노입자를 고속으로 분산시킬 수 있도록 구성되는 에폭시 수지내 고용량의 베타형 나노입자 고속 분산방법에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.
또한, 상기한 바와 같이 나노입자를 분산시키기 위한 방법 및 장치에 관한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1264836호에 따르면, 액체를 담을 수 있도록 저면과 측면의 상호 연결로 내부를 형성하고, 측면의 상부에 양성자빔의 브래그 피크(Bragg peak) 조절을 위한 이동판이 배치되며, 측면 중 적어도 일면에 양성자빔이 투과될 수 있는 전면 시창이 형성된 함체; 밀폐된 내부에 양성자빔의 조사로 나노입자를 생성할 수 있는 시료가 주입될 수 있으며, 이동판 하부에 고정되어 함체 내부에 위치하고, 전면 시창을 향하는 양성자빔의 조사창이 형성된 시료용기; 및 액체에 초음파 진동을 전달하여 시료를 분산시키는 초음파 진동자를 포함하여, 나노입자 생성을 위한 시료에 양성자빔을 고르게 조사할 수 있고, 양성자빔 양을 정량화할 수 있는 동시에, 양성자빔의 브래그 피크 조절과 선형에너지 전이(LET, Linear Energy Transfer)가 조절될 수 있도록 구성되는 나노입자 제조장치 및 나노입자 제조방법에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.
아울러, 상기한 바와 같이 나노입자를 분산시키기 위한 방법 및 장치에 관한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1218747호에 따르면, 나노입자 용액을 저장할 수 있는 저장용기, 저장용기에 저장된 나노입자 용액을 가열할 수 있는 가열기, 저장용기에 저장된 나노입자 용액에 초음파 진동을 전달할 수 있는 초음파 진동기를 구비하는 에어로졸 발생모듈; 및 내부에 분사유로가 형성되고 일측에는 분사유로와 연통되게 배출구가 형성되는 노즐 케이스, 에어로졸 발생모듈로부터 분사유로로 나노입자 용액을 흡입함과 동시에 에어로졸화하여 에어로졸 입자를 발생시키는 흡입유닛, 분사유로의 내주면을 따라 배출구를 향해 공기를 분사하는 공기분사유닛을 구비하는 나노입자 에어로졸 분사모듈을 포함하여, 에어로졸 발생기로부터 나노입자 용액을 흡입하여 에어로졸화한 후 외부로 배출시키는 과정에서 에어로졸 입자가 내부 유로의 벽면에 부착되지 않도록 하는 동시에, 섬유상 나노입자가 다시 꼬이거나 뭉치지 않고 펼쳐진 상태로 원활하게 배출될 수 있도록 구성되는 공기분사유닛을 구비한 나노입자 에어로졸 분사장치에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.
아울러, 상기한 바와 같이 나노입자를 분산시키기 위한 방법 및 장치에 관한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 공개특허공보 제10-2009-0050707호에 따르면, 기체를 분출시킴으로써 기체를 기 설정된 크기의 탄환입자로 생성시켜 탄환입자를 제품의 표면에 충돌시키는 초음속 노즐; 기 설정된 압력으로 기체를 초음속 노즐로 공급하는 기체 공급기; 및 기체 공급기로부터 공급되는 기체를 기 설정된 온도로 가열 유지시키는 온도 제어기를 포함하여, 제품의 표면에 나노수준의 미세한 탄환입자를 고속으로 분사시킴으로써 제품의 표면에 부착된 오염입자 뿐만 아니라 표면에 형성된 홈과 같은 영역에 박힌 오염입자도 용이하게 제거할 수 있도록 구성되는 초음속 노즐을 이용한 나노입자 세정장치 및 그 세정방법에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.
상기한 바와 같이, 종래, 나노입자의 제조 및 분산을 위한 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 장치 및 방법들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.
즉, 일반적으로, 나노입자의 효과적인 분산을 위해서는 유체 전단력에 의한 분열분산과 초음파 캐비테이션으로부터 발생하는 충격파에 의한 침식분산이 병행되는 것이 바람직하나, 종래의 초음파 분산장치는, 예를 들면, 초음파 배스나 호모지나이저와 같이, 평면 초음파를 사용함으로 인해 강력한 음향파워를 발생시키기 어렵고, 정재파 음장분포로 인한 불균일 분산의 문제점이 있었다.
또한, 최근에는, 순환식 집속초음파 분산장치가 제시된 바 있으나, 이는, 원통형 단일 압전진동자를 사용함으로 인해 그 크기에 제한이 있어 대용량의 분산을 위하여는 그만큼 대구경의 원통형 압전진동자를 사용하여야 하고, 이 경우 전기적 입력 임피던스가 극도로 낮아져 전기에너지의 공급이 문제가 되는 단점이 있었다.
아울러, 나노입자의 효과적인 분산을 위하여는 유체 전단력에 의한 분열분산과 초음파 캐비테이션으로부터 발생하는 충격파에 의한 침식분산이 병행되어야 하나, 종래의 초음파 분산장치들은 이와 같이 분열분산과 침식분산이 동시에 이루어질 수 있는 구성에 대하여는 제시된 바 없었다.
따라서 상기한 바와 같이, 평면 초음파를 사용함으로 인해 강력한 음향파워를 발생시키기 어렵고 정재파 음장분포로 인한 불균일 분산의 문제점이 있었던 종래기술의 초음파 분산장치 및 원통형 단일 압전진동자를 사용함으로 인해 그 크기에 제한이 있었던 종래기술의 순환식 집속초음파 분산장치들의 문제점을 해결하기 위하여는, 초음파 진동자에 의한 충격파로 효과적인 침식분산과 초음파 스트리밍 효과에 의한 분열분산을 동시에 일으킬 수 있으며, 완전한 비접촉식 분산을 구현하여 펌프를 통한 이물질의 혼입을 방지하는 데 더하여, 대용량의 분산장치로 용이하게 확장이 가능하도록 구성되는 새로운 구성의 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허공보 제10-1583752호 (2016.01.04.)
2. 한국 등록특허공보 제10-1264836호 (2013.05.09.)
3. 한국 등록특허공보 제10-1218747호 (2012.12.28.)
4. 한국 공개특허공보 제10-2009-0050707호 (2009.05.20.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 평면 초음파를 사용함으로 인해 강력한 음향파워를 발생시키기 어렵고 정재파 음장분포로 인한 불균일 분산의 문제점이 있었던 종래기술의 초음파 분산장치 및 원통형 단일 압전진동자를 사용함으로 인해 그 크기에 제한이 있었던 종래기술의 순환식 집속초음파 분산장치들의 문제점을 해결하기 위해, 다수의 압전진동자를 이용하여 충격파에 의해 나노입자 현탁액 내의 응집된 입자들에 효과적인 침식분산을 일으킬 수 있는 데 더하여, 압전진동자의 방사면에 경사를 주어 초음파 스트리밍 효과를 야기하는 것에 의해 나노입자 현탁액 내에 와류를 발생시켜 유체 전단력에 의한 분열분산을 동시에 일으킬 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 복수의 압전진동자의 방사면을 원통의 내면의 접선에 대하여 일정 각도를 주어 원형으로 배열하여 초음파 스트리밍 및 캐비테이션 효과에 의해 균일한 분산을 유도하고, 비접촉식 분산 및 대용량 분산장치로의 용이한 확장이 가능하도록 구성됨으로써, 압전진동자의 원형 배열에 의해 고강도 초음파 음장을 생성하여 초음파 캐비테이션에 의한 충격파 발생이 용이한 동시에, 초음파 스트리밍 효과에 의해 분산효율의 극대화 및 불균일 분산을 해소할 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 제공하고자 하는 것이다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, MHz대의 초고주파 초음파로부터 발생하는 짧은 파장의 초음파 및 충격파를 이용함으로 인해 나노입자에 역학적 에너지 전달이 효율적으로 이루어질 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 제공하고자 하는 것이다.
더욱이, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 복수 배열된 초음파 소자의 개별구동에 의한 대용량 분산이 가능하여 대형 단일소자의 경우 고출력 구동이 불가능했던 종래기술의 문제점을 해결할 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 시료와 초음파 진동면이 분리된 비접촉식 분산방식으로 이물질 혼입이 방지되고, 나노입자 시료의 순도를 유지할 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 평면 초음파를 사용함으로 인해 강력한 음향파워를 발생시키기 어렵고 정재파 음장분포로 인한 불균일 분산의 문제점이 있었던 종래기술의 초음파 분산장치 및 원통형 단일 압전진동자를 사용함으로 인해 크기에 제한이 있었던 종래기술의 순환식 집속초음파 분산장치들의 문제점을 해결할 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치에 있어서, 상기 나노입자 분산장치의 외관을 형성하는 본체; 상기 본체의 내부에 배치되어 나노입자 현탁액을 수용하는 나노입자 수용용기; 및 상기 본체의 측면에 미리 정해진 일정 간격으로 배치되어 상기 나노입자 수용용기에 수용된 나노입자 현탁액 내의 응집된 입자들에 대하여 충격파에 의한 침식분산과 초음파 스트리밍 효과에 의한 분열분산을 동시에 일으킬 수 있도록 하기 위한 복수의 압전진동자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치가 제공된다.
여기서, 상기 본체는, 알루미늄을 포함하는 재질을 이용하여 속이 빈 원통 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노입자 수용용기는, 상기 나노입자 현탁액을 수용하여 상기 본체 내부에 설치되는 비커 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 압전진동자는, 원통형으로 형성되는 상기 본체의 둘레를 따라 측면에 미리 정해진 일정 간격으로 복수 개 배치되어 원형으로 배열됨으로써, 각각의 상기 압전진동자에 의해 방사되어 집속된 초음파에 의해 캐비테이션 충격파가 발생되어 상기 나노입자 수용용기에 수용된 나노입자 현탁액에 상기 충격파에 의한 침식분산을 발생시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 압전진동자는, 원통형으로 형성되는 상기 본체의 둘레를 따라 측면에 미리 정해진 일정 간격으로 복수 개 배치되어 원형으로 배열되는 동시에, 원형으로 배열된 각각의 상기 압전진동자의 방사면을 상기 본체의 내면의 접선에 대하여 미리 정해진 일정 각도를 주어 경사지게 배치됨으로써, 상기 나노입자 수용용기에 수용된 나노입자 현탁액에 초음파 캐비테이션으로부터 발생하는 충격파에 의한 침식분산을 발생시키고, 각각의 상기 압전진동자로부터 방사된 초음파 스트리밍이 상기 나노입자 현탁액 내부에 와류를 발생시켜 유체 전단력에 의한 분열분산을 동시에 발생시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노입자 분산장치는, 각각의 상기 압전진동자를 개별적으로 제어할 수 있도록 이루어지는 제어부를 더 포함하여 구성됨으로써, 대용량의 분산도 용이하게 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 이용하여 나노입자를 분산시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산방법이 제공된다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 나노입자가 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 다수의 압전진동자를 이용하여 충격파에 의해 나노입자 현탁액 내의 응집된 입자들에 효과적인 침식분산을 일으킬 수 있는 데 더하여, 압전진동자의 방사면에 경사를 주어 초음파 스트리밍 효과를 야기하는 것에 의해 나노입자 현탁액 내에 와류를 발생시켜 유체 전단력에 의한 분열분산을 동시에 일으킬 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치가 제공됨으로써, 평면 초음파를 사용함으로 인해 강력한 음향파워를 발생시키기 어렵고 정재파 음장분포로 인한 불균일 분산의 문제점이 있었던 종래기술의 초음파 분산장치 및 원통형 단일 압전진동자를 사용함으로 인해 그 크기에 제한이 있었던 종래기술의 순환식 집속초음파 분산장치들의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 복수의 압전진동자의 방사면을 원통의 내면의 접선에 대하여 일정 각도를 주어 원형으로 배열하여 초음파 스트리밍 및 캐비테이션 효과에 의해 균일한 분산을 유도하고, 비접촉식 분산 및 대용량 분산장치로의 용이한 확장이 가능하도록 구성됨으로써, 압전진동자의 원형 배열에 의해 고강도 초음파 음장을 생성하여 초음파 캐비테이션에 의한 충격파 발생이 용이한 동시에, 초음파 스트리밍 효과에 의해 분산효율의 극대화 및 불균일 분산을 해소할 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 하여 구성됨으로써, MHz대의 초고주파 초음파로부터 발생하는 짧은 파장의 초음파 및 충격파를 이용함으로 인해 나노입자에 역학적 에너지 전달이 효율적으로 이루어질 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 제공할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 하여 구성됨으로써, 복수 배열된 초음파 소자의 개별구동에 의한 대용량 분산이 가능하여 대형 단일소자의 경우 고출력 구동이 불가능했던 종래기술의 문제점을 해결할 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 하여 구성됨으로써, 시료와 초음파 진동면이 분리된 비접촉식 분산방식으로 이물질 혼입이 방지되고, 나노입자 시료의 순도를 유지할 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치의 동작원리를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 4는 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 실제로 구현한 모습을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치의 초음파 음장을 루미놀 용액으로 가시화한 모습을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치와 기존의 초음파 분산장치의 성능을 실험을 통해 비교한 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치의 동작원리를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 4는 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 실제로 구현한 모습을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치의 초음파 음장을 루미놀 용액으로 가시화한 모습을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치와 기존의 초음파 분산장치의 성능을 실험을 통해 비교한 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 평면 초음파를 사용함으로 인해 강력한 음향파워를 발생시키기 어렵고 정재파 음장분포로 인한 불균일 분산의 문제점이 있었던 종래기술의 초음파 분산장치 및 원통형 단일 압전진동자를 사용함으로 인해 그 크기에 제한이 있었던 종래기술의 순환식 집속초음파 분산장치들의 문제점을 해결하기 위해, 다수의 압전진동자를 이용하여 충격파에 의해 나노입자 현탁액 내의 응집된 입자들에 효과적인 침식분산을 일으킬 수 있는 데 더하여, 압전진동자의 방사면에 경사를 주어 초음파 스트리밍 효과를 야기하는 것에 의해 나노입자 현탁액 내에 와류를 발생시켜 유체 전단력에 의한 분열분산을 동시에 일으킬 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 복수의 압전진동자의 방사면을 원통의 내면의 접선에 대하여 일정 각도를 주어 원형으로 배열하여 초음파 스트리밍 및 캐비테이션 효과에 의해 균일한 분산을 유도하고, 비접촉식 분산 및 대용량 분산장치로의 용이한 확장이 가능하도록 구성됨으로써, 압전진동자의 원형 배열에 의해 고강도 초음파 음장을 생성하여 초음파 캐비테이션에 의한 충격파 발생이 용이한 동시에, 초음파 스트리밍 효과에 의해 분산효율의 극대화 및 불균일 분산을 해소할 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치에 관한 것이다.
더욱이, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, MHz대의 초고주파 초음파로부터 발생하는 짧은 파장의 초음파 및 충격파를 이용함으로 인해 나노입자에 역학적 에너지 전달이 효율적으로 이루어질 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 복수 배열된 초음파 소자의 개별구동에 의한 대용량 분산이 가능하여 대형 단일소자의 경우 고출력 구동이 불가능했던 종래기술의 문제점을 해결할 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 시료와 초음파 진동면이 분리된 비접촉식 분산방식으로 이물질 혼입이 방지되고, 나노입자 시료의 순도를 유지할 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치에 관한 것이다.
계속해서, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치(10)는, 크게 나누어, 원통 형상으로 형성되는 본체(11)와, 본체(11) 내부에 배치되어 나노입자 현탁액을 수용하는 나노입자 수용용기(12)와, 본체(11)의 측면에 일정 간격으로 배치되어 나노입자 수용용기(12)에 수용된 나노입자 현탁액에 진동을 인가하는 복수의 압전진동자(13)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 본체(11)는, 예를 들면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 알루미늄과 같은 재질을 이용하여 속이 빈 원통 형상으로 형성될 수 있으나, 본 발명은 반드시 이러한 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 상기한 본체(11)는, 알루미늄 이외에 다른 재질로 형성될 수도 있으며, 이때, 원통 형상이 아닌 다른 형태로 형성될 수도 있는 등, 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
또한, 상기한 나노입자 수용용기(12)는, 예를 들면, 나노입자 현탁액을 수용하여 본체(11) 내부에 설치되는 비커 형태로 형성될 수 있으나, 상기한 본체(11)와 마찬가지로 반드시 도 1에 나타낸 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
아울러, 상기한 압전진동자(13)는, 본체(11)의 둘레를 따라 측면에 일정한 간격으로 복수 개 배치되어 나노입자 수용용기(12)에 수용된 나노입자 현탁액에 초음파 캐비테이션으로부터 발생하는 충격파에 의한 침식분산과 유체 전단력에 의한 분열분산을 동시에 인가하여 입체적인 진동을 인가할 수 있도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 도 2를 참조하면, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치(10)의 평면도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 상기한 압전진동자(13)는, 본체(11)의 둘레를 따라 측면에 일정한 간격으로 복수 개 배치됨으로써, 다수의 압전진동자에 의해 방사되어 집속된 초음파가 고강도의 음장을 형성하고, 이로부터 발생한 캐비테이션 충격파가 나노입자 현탁액 내의 응집된 입자들에 대하여 효과적인 침식분산을 일으킬 수 있다.
더욱이, 상기한 압전진동자(13)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 각각의 압전진동자(13)의 방사면에 경사를 주어 배치함으로써, 초음파 스트리밍 효과에 의해 나노입자 현탁액 내에 와류를 발생시켜 유체 전단력에 의한 분열분산을 동시에 일으키도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 일반적으로, 초음파는 수중에서 가압력의 시기와 감압력의 시기가 반복되며, 고강도 초음파의 경우 감압력의 시기에서 일시적으로 진공상태를 형성하고, 이러한 진공상태는 용존기체들에 의해 기포를 형성한다.
또한, 이러한 기포들은 가압력 시기에 단열압축 과정을 거쳐 고온 고압의 상태로 붕괴되면서 파괴력이 큰 충격파를 발생하게 되고, 이 충격파는 응집된 나노입자의 침식분산에 기여하게 된다.
아울러, 도 2에 나타낸 바와 같이, 원형으로 배열된 압전진동자의 방사면을 원통, 즉, 본체(11)의 내면의 접선에 대하여 일정 각도를 주어 경사지게 고정함으로써, 각각의 진동자로부터 방사된 초음파 스트리밍이 현탁액 내부에 와류를 형성할 수 있으며, 이때 발생하는 유체 전단력이 응집된 나노입자의 분열분산에 기여하게 된다.
더욱이, 상기한 압전진동자(13)는, 나노입자의 효과적인 분산을 위해, 예를 들면, 수 MHz 대의 파장이 짧은 초음파를 사용하여 에너지가 효율적으로 전달될 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치(10)는, 각각의 압전진동자(13)를 개별적으로 제어할 수 있도록 구성되는 제어부를 포함하여 구성됨으로써, 기존의 단일 압전진동자의 구동에 대한 한계를 극복하고 복수의 진동자를 개별 구동함으로써 대용량의 분산도 용이하게 가능하도록 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치(10)를 구현할 수 있다.
즉, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치(10)의 동작원리를 개략적으로 나타내는 개념도이고, 도 4는 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치(10)를 실제로 구현한 모습을 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치(10)의 초음파 음장을 루미놀 용액으로 가시화한 모습을 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 기존의 초음파 분산장치는 초음파 배스나 호모지나이저와 같이 평면 초음파를 사용함으로 인해 초고주파 초음파의 발생시에는 강력한 음향파워를 발생시키기 어려우나, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치(10)는, 상기한 바와 같이, 원통형의 본체(11) 둘레에 원형으로 압전진동자(13)를 복수개 배열하여 원통 중심부에 강력한 음장이 형성될 수 있고, 그것에 의해, 1MHz 이상의 초고주파 초음파에 의한 충격파가 발생 가능하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치(10)는, 상기한 바와 같이, 원형으로 배열된 압전진동자(13)의 방사면을 원통의 내면의 접선에 대하여 일정 각도를 주어 배치함으로써, 각각의 진동자로부터 방사된 초음파 스트리밍이 나노입자 현택액 내부에 와류를 형성하여 기존의 초음파 분산장치들에서 정재파 음장분포로 인한 불균일 분산의 문제점을 해결할 수 있고, 아울러, 완전한 비접촉식 분산이 가능하여 최근 제안된 펌프를 이용한 순환식 집속 초음파 분산장치들에서 펌프를 통한 이물질의 혼입 등과 같은 문제점을 해결할 수 있다.
더욱이, 최근 제안된 펌프를 이용한 순환식 집속 초음파 분산장치들은 대부분 원통형의 단일 압전진동자를 사용함으로 인해 그 크기에 제한이 있으며, 즉, 순환식 집속 초음파 분산장치들은, 대용량의 분산을 위하여는 그만큼 대구경의 원통형 압전진동자를 사용하여야 하나, 이 경우 전기적 입력 임피던스가 극도로 낮아져 전기에너지의 공급이 문제가 되는 반면, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치(10)는, 상기한 바와 같이, 각각 개별적으로 제어 가능한 복수의 소형 압전진동자를 배열하여 구성됨으로써, 확장성이 무한하여 대용량의 분산장치로의 확장이 용이하므로 다양한 산업분야에 폭넓게 적용될 수 있다.
계속해서, 도 6을 참조하여, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치(10)와 기존의 초음파 분산장치의 성능을 실험을 통해 각각 비교한 결과에 대하여 설명한다.
즉, 도 6을 참조하면, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치와 기존의 초음파 분산장치의 성능을 실험을 통해 비교한 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
더 상세하게는, 본 발명자들은, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치의 성능을 검증하기 위하여, 기존의 초음파 분산장치와 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치에 대하여 각각 0.002 wt%의 TiO2 나노입자 현탁액에 대하여 기존의 초음파 분산장치는 30분간, 본 발명에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치는 10분간 분산을 실시한 후 입도분포를 측정하여 그 결과를 비교하였다.
그 결과, 도 6에 나타낸 바와 같이, 기존의 초음파 분산장치에 비해 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치의 경우가 짧은 시간의 분산에도 불구하고 월등한 분산결과를 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
즉, 도 6에 나타낸 바와 같이, 기존의 분산장치의 경우는 약 110nm 부근에서 피크를 나타내는 반면, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치는 약 60nm 부근에서 피크를 나타내어 단분산된 입자의 수가 월등히 많음을 확인할 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 다수의 압전진동자를 이용하여 충격파에 의해 나노입자 현탁액 내의 응집된 입자들에 효과적인 침식분산을 일으킬 수 있는 데 더하여, 압전진동자의 방사면에 경사를 주어 초음파 스트리밍 효과를 야기하는 것에 의해 나노입자 현탁액 내에 와류를 발생시켜 유체 전단력에 의한 분열분산을 동시에 일으킬 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치가 제공됨으로써, 평면 초음파를 사용함으로 인해 강력한 음향파워를 발생시키기 어렵고 정재파 음장분포로 인한 불균일 분산의 문제점이 있었던 종래기술의 초음파 분산장치 및 원통형 단일 압전진동자를 사용함으로 인해 그 크기에 제한이 있었던 종래기술의 순환식 집속초음파 분산장치들의 문제점을 해결할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 복수의 압전진동자의 방사면을 원통의 내면의 접선에 대하여 일정 각도를 주어 원형으로 배열하여 초음파 스트리밍 및 캐비테이션 효과에 의해 균일한 분산을 유도하고, 비접촉식 분산 및 대용량 분산장치로의 용이한 확장이 가능하도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치가 제공됨으로써, 압전진동자의 원형 배열에 의해 고강도 초음파 음장을 생성하여 초음파 캐비테이션에 의한 충격파 발생이 용이한 동시에, 초음파 스트리밍 효과에 의해 분산효율의 극대화 및 불균일 분산을 해소할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치가 제공됨으로써, MHz대의 초고주파 초음파로부터 발생하는 짧은 파장의 초음파 및 충격파를 이용함으로 인해 나노입자에 역학적 에너지 전달이 효율적으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치가 제공됨으로써, 복수 배열된 초음파 소자의 개별구동에 의한 대용량 분산이 가능하여 대형 단일소자의 경우 고출력 구동이 불가능했던 종래기술의 문제점을 해결할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치가 제공됨으로써, 시료와 초음파 진동면이 분리된 비접촉식 분산방식으로 이물질 혼입이 방지되고, 나노입자 시료의 순도를 유지할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치
11. 본체
12. 나노입자 수용용기
13. 압전진동자
11. 본체
12. 나노입자 수용용기
13. 압전진동자
Claims (8)
- 평면 초음파를 사용함으로 인해 강력한 음향파워를 발생시키기 어렵고 정재파 음장분포로 인한 불균일 분산의 문제점이 있었던 종래기술의 초음파 분산장치 및 원통형 단일 압전진동자를 사용함으로 인해 크기에 제한이 있었던 종래기술의 순환식 집속초음파 분산장치들의 문제점을 해결할 수 있도록 구성되는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치에 있어서,
상기 나노입자 분산장치의 외관을 형성하는 본체;
상기 본체의 내부에 배치되어 나노입자 현탁액을 수용하는 나노입자 수용용기; 및
상기 본체의 측면에 미리 정해진 일정 간격으로 배치되어 상기 나노입자 수용용기에 수용된 나노입자 현탁액 내의 응집된 입자들에 대하여 충격파에 의한 침식분산과 초음파 스트리밍 효과에 의한 분열분산을 동시에 일으킬 수 있도록 하기 위한 복수의 압전진동자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 본체는,
알루미늄을 포함하는 재질을 이용하여 속이 빈 원통 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 나노입자 수용용기는,
상기 나노입자 현탁액을 수용하여 상기 본체 내부에 설치되는 비커 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 압전진동자는,
원통형으로 형성되는 상기 본체의 둘레를 따라 측면에 미리 정해진 일정 간격으로 복수 개 배치되어 원형으로 배열됨으로써,
각각의 상기 압전진동자에 의해 방사되어 집속된 초음파에 의해 캐비테이션 충격파가 발생되어 상기 나노입자 수용용기에 수용된 나노입자 현탁액에 상기 충격파에 의한 침식분산을 발생시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치.
- 제 4항에 있어서,
상기 압전진동자는,
원통형으로 형성되는 상기 본체의 둘레를 따라 측면에 미리 정해진 일정 간격으로 복수 개 배치되어 원형으로 배열되는 동시에, 원형으로 배열된 각각의 상기 압전진동자의 방사면을 상기 본체의 내면의 접선에 대하여 미리 정해진 일정 각도를 주어 경사지게 배치됨으로써,
상기 나노입자 수용용기에 수용된 나노입자 현탁액에 초음파 캐비테이션으로부터 발생하는 충격파에 의한 침식분산을 발생시키고, 각각의 상기 압전진동자로부터 방사된 초음파 스트리밍이 상기 나노입자 현탁액 내부에 와류를 발생시켜 유체 전단력에 의한 분열분산을 동시에 발생시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치.
- 제 5항에 있어서,
상기 나노입자 분산장치는,
각각의 상기 압전진동자를 개별적으로 제어할 수 있도록 이루어지는 제어부를 더 포함하여 구성됨으로써, 대용량의 분산도 용이하게 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치.
- 청구항 1항 내지 청구항 6항 중 어느 한 항에 기재된 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 이용하여 나노입자를 분산시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산방법.
- 청구항 1항 내지 청구항 6항 중 어느 한 항에 기재된 초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치를 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 나노입자.
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