WO2011059179A2 - 집속 초음파를 이용한 나노분말 분산장치 및 이를 이용한 분산방법 - Google Patents

집속 초음파를 이용한 나노분말 분산장치 및 이를 이용한 분산방법 Download PDF

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WO2011059179A2
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조성재
박현민
김무준
김정순
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한국표준과학연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a nano powder dispersion apparatus and a dispersion method using the same, and more particularly, to a nano powder dispersion apparatus for dispersing nano powder using focused ultrasound and a dispersion method using the same.
  • Such nano-particles are produced by a variety of methods, such as arc discharge method for generating an arc (arc) to form nano-particles, gas for forming nano-particles at a high temperature above the melting point in a vacuum state There are evaporation methods and the like, and nanoparticles can be produced by mechanical or chemical methods, and nanoparticles can be produced by sputtering or freeze grinding as another method.
  • the nano-particles that is, the nanoparticles are formed in a powder state in which numerous particles are agglomerated in the manufacturing process, and in order to effectively use the prepared nanoparticles, it is necessary to disperse the agglomerated powder nanoparticles.
  • the aforementioned dispersion is one of the most important technologies in the high technology industry.
  • the dispersion of nanoparticles when mixing powders with fluids such as liquids is a common step in the production of various products such as paints, inks, shampoos, beverages and varnishes.
  • Ultrasonic dispersion has been limited in order to overcome the above-mentioned problems, which can provide high purity dispersion without contamination required in high technology fields such as semiconductor production.
  • the low frequency of about 20 kHz used for conventional ultrasonic dispersion is not suitable for nano powder dispersion because the wavelength is too large for the size of nano particles, and because the ultrasonic wave is radiated to a fixed size vessel, Multireflection from the beam causes constructive and destructive interference between the ultrasonic waves, resulting in uneven distribution of negative pressure in the vessel. Due to this, there is a problem in that the dispersing activity is actively occurring and the non-distributing portion is mixed, resulting in uneven dispersion.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, there is a problem to solve the problem of dispersing powder of nanometer-sized particles, that is, nanopowder with high purity.
  • the present invention has a problem solving means to provide a device for dispersing nano-powder by using the sound field of the focused portion of the ultrasonic wave and a dispersion method using the same.
  • the present invention is an ultrasonic focusing unit consisting of a hollow solid tube and an ultrasonic vibrator, preferably a piezoelectric ceramic vibrator, which is connected to the outer peripheral surface of the solid tube;
  • a fluid movement path provided to pass through the inside of the solid tube of the ultrasonic focusing unit and providing a path through which the fluid including the nanopowder moves;
  • it is connected to the ultrasonic focusing unit has a problem solving means to provide a nano-powder dispersion apparatus comprising a signal generation and amplification unit for providing an electrical signal for generating ultrasonic waves in the ultrasonic focusing unit.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a nano-powder dispersion apparatus according to the present invention
  • Figure 2 is a block diagram showing the ultrasonic focusing portion of the nano-powder dispersion apparatus according to the present invention
  • FIG. 3 is a diagram showing the change (a) and pulse spectrum (b) of the cadence radius of the embodiment according to the present invention.
  • Figure 4 is a view showing the result of measuring the distribution of particle size of tens of nanoparticles of the embodiment according to the present invention
  • 5 is a view showing the results of measuring the distribution of particle size of several hundred nanoparticles of the embodiment according to the present invention.
  • the present invention provides an ultrasonic focusing unit comprising a hollow solid tube and an ultrasonic vibrator connected to an outer circumferential surface of the solid tube; A fluid movement path provided to pass through the inside of the solid tube of the ultrasonic focusing unit and providing a path through which the fluid including the nanopowder moves; And a signal generation and amplification unit connected to the ultrasonic focusing unit to provide an electrical signal for generating ultrasonic waves in the ultrasonic focusing unit.
  • the nanopowder dispersion device means a device for dispersing a fluid, particularly nanometer-sized particles present in a liquid, that is, nanoparticles are attached to each other.
  • a device for dispersing a fluid particularly nanometer-sized particles present in a liquid, that is, nanoparticles are attached to each other.
  • it is preferably an apparatus for evenly dispersing the nanopowder in a fluid by using a sound field of ultrasonic wave, specifically focused ultrasound, more preferably focused ultrasound.
  • Nanopowder according to the invention means nanometer sized particles, ie nanoparticles or aggregates thereof.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a nano-powder dispersion apparatus according to the present invention
  • Figure 2 is described with a block diagram showing the ultrasonic focusing unit of the nano-powder dispersion apparatus according to the present invention.
  • the nano-powder dispersion device is an ultrasonic focusing unit consisting of a hollow solid tube 12 and the ultrasonic vibrator 10 is connected to the outer peripheral surface of the solid tube 12 (2);
  • a fluid movement path (8) provided to pass through the inside of the solid tube (12) of the ultrasonic focusing unit (2) and providing a path through which the fluid including the nanopowder moves;
  • a signal generation and amplification unit 4 connected to the ultrasonic focusing unit 2 to provide an electrical signal for generating ultrasonic waves to the ultrasonic focusing unit 2.
  • the ultrasonic focusing unit 2 is a nanopowder included in a liquid by providing ultrasonic waves, specifically focused ultrasonic waves, to a fluid containing a nanopowder, and in particular, when the liquid moves, the fluid including the nanopowder.
  • the ultrasonic focusing unit 2 for this purpose is not particularly limited.
  • the ultrasonic focusing unit 2 is a solid tube 12, preferably a hollow solid tube 12 and the ultrasonic vibrator 10 is connected to the outer peripheral surface of the solid tube 12, Preferably it comprises a piezoelectric ceramic vibrator.
  • the solid tube 12 is preferably a cylindrical shape extending in the longitudinal direction, the material is preferably a metal, specifically aluminum.
  • the ultrasonic vibrator 10 is a device capable of converting electrical energy into ultrasonic energy or ultrasonic energy into electrical energy, and is not particularly limited as long as it is a conventional ultrasonic vibrator 10 in the art for this purpose.
  • a piezoelectric ceramic vibrator that converts electrical energy into ultrasonic energy is preferable.
  • the piezoelectric ceramic oscillator may use a PZT oscillator made of lead, zirconium, and titanium, specifically, a PZT transducer.
  • the ultrasonic vibrator 10 connected to the hollow solid tube 12 and the outer circumferential surface of the solid tube 12 is an ultrasonic vibrator 10 outside the solid tube 12 extending in the longitudinal direction, In particular, they can be connected to each other in a manner fitted to the hollow cylindrical ultrasonic vibrator 10.
  • the ultrasonic vibrator 10 specifically the piezoelectric ceramic vibrator having a hollow cylindrical shape according to the present invention serves as a vibrator that vibrates in the radial direction by polarizing the hollow cylindrical shape in the radial direction.
  • the liquid medium 14 is filled to the outside of the cylinder. Ultrasonic energy is propagated into the liquid medium 14 in which the acoustic impedance relative to the air present is relatively similar to the acoustic impedance of the ultrasonic vibrator 10.
  • the ultrasonic vibration generated in the inner surface of the ultrasonic vibrator 10 is temporarily installed through a liquid medium 14 to a cylinder, preferably a cylinder of the ultrasonic vibrator 10, and particularly preferably connected to the ultrasonic vibrator 10.
  • a cylinder preferably a cylinder of the ultrasonic vibrator 10
  • the ultrasonic vibrator 10 At the center of the cylindrical solid tube 12, it forms a very strong focused ultrasound sound field.
  • liquid medium 14 a liquid having a similar acoustic impedance to water, particularly distilled water, may be used.
  • the ultrasonic focusing unit 2 having such a configuration is provided with a fluid movement path 8 through which a fluid, specifically, a fluid (liquid) containing nanopowders passes.
  • the fluid movement path 8 is preferably located at the position where the sound field of the above-described ultrasonic wave is focused, that is, at the center of the inside of the solid tube 12 of the ultrasonic wave focusing unit 2.
  • the fluid flow path 8 consists of a tube, for example, a glass tube, which is located at the inner center of the solid tube 12 of the ultrasonic focusing part 2, and then pipes at both ends of the tube. Can be configured to allow fluid to move.
  • the fluid flow path 8 may be used as long as it provides a fluid containing nanopowders therein, specifically a path through which a liquid moves, but preferably glass, polymer resin, or the like. It is recommended to use a tube consisting of.
  • the nanopowder dispersing apparatus may be further provided with a pump 6 connected to the above-described fluid movement path 8 to forcibly move the fluid including the nanopowder.
  • the pump 6 is not particularly limited as long as it can provide a driving force for moving a fluid, particularly a fluid including nano powder, but it is preferable to use a circulation pump.
  • the signal generating and amplifying unit 4 is connected to one side of the ultrasonic converging unit 2, specifically, the ultrasonic vibrator 10 of the ultrasonic converging unit 2 and is electrically connected to the ultrasonic vibrator 10.
  • any of the conventional signal generation and amplification unit 4 in the art for this purpose may be used, but easy ultrasonic generation For this purpose, it is good to use a device that can generate and amplify an electrical signal as electrical energy.
  • the signal generation and amplification unit 4 provides an electrical signal as the electric energy to the ultrasonic vibrator 10 of the ultrasonic focusing unit 2.
  • the electrical energy provided by the ultrasonic vibrator 10, specifically the piezoelectric ceramic vibrator, is converted into ultrasonic energy, so that the polarization direction of the ultrasonic vibrator 10 becomes a radial direction and vibrates in the radial direction, thereby generating ultrasonic energy.
  • the ultrasonic energy is gathered into the center of the hollow solid tube 12 at a time through a liquid medium 14 filled in the hollow solid tube 12 connected to the ultrasonic vibrator 10 to form a focused ultrasonic sound field. do.
  • the fluid including the nanopowder moves along the fluid migration path 8 located at the portion where the focused ultrasound sound field is formed, and the nanopowder is transferred to the fluid by the focused ultrasound sound field formed in the fluid migration path 8. Evenly distributed.
  • An ultrasonic focusing unit was installed by inserting a cylindrical aluminum solid tube into the piezoelectric ceramic vibrator, which is a cylindrical PZT transducer, as an ultrasonic vibrator.
  • a glass tube having a thickness of 0.5 mm, a diameter of 14.1 mm, and a length of 66 mm was installed as a fluid movement path at a central position inside the aluminum solid tube.
  • the glass tube is placed in a position where the sound field is focused on the center of the aluminum solid tube.
  • a circulation pump [5W] was connected to one side of the plastic pipe to allow the fluid to circulate inside the glass tube.
  • the fluid circulated into the glass tube allows 0.05ml of titanium dioxide particles, that is, 200ml of distilled water containing nanopowders to be circulated, and the circulation rate is 2mL / s.
  • an electric signal was generated in the ultrasonic focusing unit, and an apparatus for amplifying the signal was connected to generate ultrasonic waves having a resonance frequency of 456.33 kHz for 8 minutes through a PZT transducer, which is a piezoelectric vibrator of the ultrasonic focusing unit.
  • the cavitation bubble diameter change at the resonant frequency of the transducer is calculated by using Equations 1 and 2, which is a function of time, and is shown in FIG. 3.
  • ⁇ is the density of water
  • ⁇ is the surface tension of water
  • f ( ⁇ ) is to be.
  • the surface tension ⁇ was 0.072 N / m
  • the initial radius R o of the cavitation nucleus was 10 ⁇ 6 m
  • the pressure amplitude p at the center of the solid tube was 1.0 MPa.
  • the collapse time is very short compared to the expansion time.
  • FIG. 3A shows the change in the cadence radius
  • FIG. 3B shows the pulse spectrum
  • c 0 is the speed of sound in water.
  • the frequency spectrum shows that the acoustic energy is concentrated at about 10 MHz, which is dispersed by the energy of a high frequency (short wavelength) compared to the conventional ultrasonic dispersion so that the nanoparticles was found to be even more effective.

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Abstract

본 발명은 중공의 고체관(12) 및 상기 고체관(12)의 외주면에 연결설치되는 초음파 진동자(10)로 이루어진 초음파 집속부(2); 상기 초음파 집속부(2)의 고체관(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 포함하는 나노분말 분산장치에 관한 것이다.

Description

집속 초음파를 이용한 나노분말 분산장치 및 이를 이용한 분산방법
본 발명은 나노분말 분산장치 및 이를 이용한 분산방법에 관한 것으로서, 더욱 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 외에 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 등으로부터의 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 고체관 및 상기 고체관의 외주면에 연결설치되는 초음파 진동자, 바람직하게는 압전 세라믹 진동자 등으로 이루어진 초음파 집속부; 상기 초음파 집속부의 고체관 내부를 통과하도록 구비되고, 그 내부로 나노분말을 포함하는 유체가 이동하는 경로를 제공하는 유체 이동경로; 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.
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 수십나노분말 입자크기 분포를 측정한 결과를 나타내는 도,
도 5는 본 발명에 따른 실시예의 수백 나노분말 입자크기 분포를 측정한 결과를 나타내는 도이다.
본 발명은 중공의 고체관 및 상기 고체관의 외주면에 연결설치되는 초음파 진동자로 이루어진 초음파 집속부; 상기 초음파 집속부의 고체관 내부를 통과하도록 구비되고, 그 내부로 나노분말을 포함하는 유체가 이동하는 경로를 제공하는 유체 이동경로; 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 고체관(12) 및 상기 고체관(12)의 외주면에 연결설치되는 초음파 진동자(10)로 이루어진 초음파 집속부(2); 상기 초음파 집속부(2)의 고체관(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 고체관(12), 바람직하게는 중공의 고체관(12) 및 상기 고체관(12)의 외주면에 연결설치되는 초음파 진동자(10), 바람직하게는 압전 세라믹 진동자를 포함한다.
여기서, 상기 고체관(12)은 길이방향으로 확장된 원통형인 것이 바람직하고, 그 재질은 금속, 특정적으로 알루미늄인 것이 좋다.
본 발명에 따른 초음파 진동자(10)는 전기 에너지를 초음파 에너지로 또는 초음파 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 장치로서, 이러한 목적을 위한 당업계의 통상적인 초음파 진동자(10)이라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 전기 에너지를 초음파 에너지로 변환하는 압전 세라믹 진동자를 사용하는 것이 좋다.
예를 들면, 상기 압전 세라믹 진동자는 납, 지르코늄 및 티타늄으로 이루어진 PZT 진동자, 특정적으로 PZT 트랜스듀서를 사용하는 것이 좋다.
특정적으로, 상기 중공의 고체관(12) 및 상기 고체관(12)의 외주면에 연결설치되는 초음파 진동자(10)는 길이방향으로 확장된 고체관(12)의 외부에 초음파 진동자(10), 특정적으로 중공의 원통형 초음파 진동자(10)에 끼워지는 방식으로 서로 연결될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 중공의 원통형 형상을 갖는 초음파 진동자(10), 특정적으로 압전 세라믹 진동자는 중공의 원통형 형상을 분극 방향이 반지름 방향이 되도록 분극시켜 반지름 방향으로 진동하는 진동자 역할을 한다. 이때, 상기 원통의 내부에 음향 임피던스가 공기의 음향 임피던스보다 크고 상기 중공의 고체관(12)의 음향 임피던스보다 작은 범위인 매질(14), 특정적으로 액체 매질(14)을 채우면 원통의 외부에 존재하는 공기에 비해 음향 임피던스가 상대적으로 초음파 진동자(10)의 음향 임피던스와 유사한 액체 매질(14)내로 초음파 에너지가 전파된다.
이때, 상기 초음파 진동자(10)의 내부 표면에서 발생한 초음파 진동은 액체 매질(14)을 통하여 일시에 원통, 바람직하게는 초음파 진동자(10)의 원통, 특히 바람직하게는 초음파 진동자(10)에 연결설치된 원통형 고체관(12)의 중심에 모이게 되고, 이것이 매우 강한 집속 초음파 음장을 형성한다.
상기 액체 매질(14)로는 물과 음향 임피던스가 유사한 액체, 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 고체관(12) 내부 중심에 위치하는 것이 바람직하다.
특정적으로, 본 발명에 따른 유체 이동경로(8)는 초음파 집속부(2)의 고체관(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 초음파 진동자(10)의 일측에 연결설치되어 초음파 진동자(10)에 전기적인 신호를 제공함으로써, 상기 초음파 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 초음파 진동자(10)에 제공한다.
그 다음, 초음파 진동자(10), 특정적으로 압전 세라믹 진동자로 제공된 전기 에너지가 초음파 에너지로 변환되어 초음파 진동자(10)의 분극 방향이 반지름 방향이 되도록 분극시켜 반지름 방향으로 진동함으로써 초음파 에너지가 발생되고, 상기 발생된 초음파 에너지는 초음파 진동자(10)에 연결설치된 중공의 고체관(12) 내부에 채워진 액체 매질(14)을 통해 일시에 중공의 고체관(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 실시예에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
<실시예 1>
초음파 진동자로서 실린더형 PZT 트랜스듀서인 압전 세라믹 진동자 내부에 실린더형 알루미늄 고체관을 삽입연결하여 초음파 집속부를 설치하였다.
그 다음, 알루미늄 고체관 내부의 중심 위치에 유체 이동경로로서 두께 0.5mm, 직경 14.1mm, 길이 66mm인 유리 튜브를 설치하였다.
이때, 상기 유리 튜브는 음장이 알루미늄 고체관의 중심에 집속되는 위치에 놓인 것이다.
그 다음, 상기 유리 튜브와 알루미늄 고체관 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>
Figure PCTKR2010007008-appb-I000001
여기서, ρ는 물의 밀도, α는 물의 표면장력, φ는
Figure PCTKR2010007008-appb-I000002
이고, f(φ)는
Figure PCTKR2010007008-appb-I000003
이다.
<수학식 2>
Figure PCTKR2010007008-appb-I000004
여기서, φ는
Figure PCTKR2010007008-appb-I000005
이고, g(φ)는
Figure PCTKR2010007008-appb-I000006
이다.
그 결과, 표면장력 α는 0.072N/m이고, 케비테이션 핵의 초기 반지름 R o 는 10-6m, 고체관 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 펄스 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>
Figure PCTKR2010007008-appb-I000007
<수학식 4>
Figure PCTKR2010007008-appb-I000008
여기서, c0은 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.
<부호의 설명>
2 : 초음파 집속부 / 4 : 신호 발생 및 증폭부
6 : 펌프 / 8 : 유체 이동경로
10 : 초음파 진동자 / 12 : 고체관
14 : 매질

Claims (6)

  1. 중공의 고체관 및 상기 고체관의 외주면에 연결설치되는 초음파 진동자로 이루어진 초음파 집속부; 상기 초음파 집속부의 고체관 내부를 통과하도록 구비되고, 그 내부로 나노분말을 포함하는 유체가 이동하는 경로를 제공하는 유체 이동경로; 및 상기 초음파 집속부에 연결설치되어 초음파 집속부에 초음파를 발생시키기 위한 전기적인 신호를 제공하는 신호 발생 및 증폭부를 포함하는 나노분말 분산장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 집속부의 고체관 내부에 충진되어 초음파 집속부에서 발생한 초음파를 유체 이동경로로 전달하는 매질이 더 구비된 것을 특징으로 하는 나노분말 분산장치.
  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 고체관이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 나노분말 분산장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 집속부의 초음파 진동자가 PZT 트랜스듀서인 것을 특징으로 하는 나노분말 분산장치.
  6. 제1항 내지 제5항에 따른 나노분말 분산장치를 이용한 나노분말 분산방법.
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