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초음파 분산.유화 원리
초음파분산장비 (Ultrasonic Processor) 는 초당 20,000번 진동하는 Probe 의 진동에너지를
이용하여 물질을 분산.유화 시키는 장비이다. 즉 probe 길이로 전달되는 진동에너지에 의해
probe 가 초당 20,000번 진동할 때 probe 끝 부분의 liquid 내에 수백만개의 micro cavity
bubble (미세진공버블) 이 생성되었다가 순식간에 사라지게 되는데이 때 발생하는 엄청나게
큰 충격파 (shock wave) 에 의해 물질이 분산.유화 되게 된다.
Amplitude 란?
probe 에 진동에너지가 전해짐에 따라 probe 가 길이로
팽창, 수축을 반복하게 되는데 probe 끝이 팽창 수축하는
그 길이를 amplitude (진폭) 라고 한다.
amplitude 가 크면 클수록 진동에너지가 더 강하게 발생
하므로 액체내에 생성되는 micro cavity bubble 의 개수가
많아져 분산.유화가 잘 일어나게 되고 amplitude 가 작으면
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진동에너지가 약해 미세진공 bubble 생성이 작아 분산.유화가 잘 일어나지 않는다.
Probe 크기와 Amplitude 의 관계
amplitue 의 최대 크기는 100㎛ 로서 그 이상은 불가한데 이는 진동에너지를 유발시키는 piezoelectric 물질의 고유 특성에 기인한다.
probe 의 사용목적과 형태에 따라 각 probe 의 최대 amplitue 는 다양한데 크기가 작은 probe 경우 최대 100㎛ 가 가능하지만
크기가 큰 (직경이 큰) probe 의 최대 amplitude 는 17㎛ 에 불과하기도 한다
즉 probe 의 직경이 작으면 처리량은 작으나 100㎛ 까지 고출력 진동에너지가 가능해 물질을 강하게 분산.시킬 수 있다.
그러나 probe 의 직경이 크면 처리량은 많아지나 진동에너지가 약해 물질을 강하게 분산시키는데 한계가 있다.
대량생산 공정에서 초음파분산장비 이용 한계성
초음파장비를 이용하여 1000 리터 이상의 대용량 product 를 분산.유화 하기 위해서는 probe 의 직경이 커야하고
또한 amplitude 도 최대치인 100㎛ 를 유지할 수 있어야 한다.
그러나 전통적인 초음파분산장비는 초음파 발생 원리상 이것이 불가능하므로 대량 생산용으로 사용하는 것은
많은 제약이 따른다.
모자라는 진동에너지를 보충하기 위해 초음파분산장비를 직렬로 여러대 연결하여 대량 생산용으로 사용하는것이
현재의 방식이나 처리시간이 다소 많이 소요되고 생산량에 비해 probe 교체주기가 빠른 단점도 존재한다.
대량생산용으로 사용 가능한 고출력 초음파 분산장비
2014년 미국 특허청은 고출력으로 초음파를 발생시키는 기술인 Barbell Horn Ultrasonic Technology 에 대해 특허 (Patent No. 8,651,230) 를 부여하였다.
또한 국제특허도 출원 (No.: PCT/US2008/068697) 중에 있는 이 기술은 대량생산이 가능한 초음파분산장비 기술에 관한 것이다.
Barbell Horn Ultrasonic Technology 의 핵심은 probe 의 직경이 큰 high-intensity probe 에 있다.
① 이 high-intensity probe 의 직경은 최대 45mm 로서
일반 probe 보다 훨씬 크다.
② 그리고 amplitude 를 최대 100㎛ 까지 가능하여 고출력
진동에너지의 사용이 가능하다.
이러한 high-intensity probe 를 사용하는 출력 초음파분산장비는 훨씬 강하고
많은 양의 진동에너지를 이용할 수 있으므로
대량으로 이루어지는 분산.유화 공정에서 매우 효율적으로 이용할 수 있다.
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미국 특허 인증서
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High-Intensity Probe |
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최대 24배 많은 양의 product 를 분산.유화 처리 가능한
High-Intensity Ultrasonic Processor
Sonomechanics 사의 BSP-1200 Pilot 장비와 ISP-3600 생산장비가 발생시키는 총에너지 양을 일반 초음파장비의 probe 가 생성시키는 에너지 양과 비교하였습니다.
① 일반 probe 중 100㎛ 의 amplitude 성능을 가지는 probe 의 초음파 에너지 양
일반 초음파분산장비에서 amplitude 가 100㎛ 인 probe 의 직경은 13mm 입니다.
이 probe 에서 생성되는 에너지의 양은 probe 의 하단 면적으로 계산할 수 있으므로 (πr²) 공식에 따라 3.14 x 6.5 x 6.5 = 133 정도가 됩니다.
② Pilot 장비로 사용되는 BSP-1200 모델의 초음파 에너지 양
BSP-1200 모델에 주로 사용되는 HBH probe 의 최대 amplitude 는 95㎛ 이고 직경은 32mm 입니다.
이 probe 하단부에서 생성되는 에너지의 양은 3.14 x 16 x 16 = 804 가 되고 또한 이 probe 상단부에서도 동일한 에너지가 발생되므로
BSP-1200 모델에서 생성되는 총 에너지 양은 804 x 2 = 1608 정도가 됩니다.
BSP-1200 모델은 일반 장비에 비해 12배 더 많은 양의 에너지를 발생시킵니다.
③ 생산용 장비로 사용되는 BIP-3600 모델의 초음파 에너지 양
ISP-3600 모델에 주로 사용되는 HBH probe 의 최대 amplitude 는 115㎛ 이고 직경은 45mm 입니다.
이 probe 하단부에서 생성되는 에너지의 양은 3.14 x 22.5 x 22.5 = 1590 정도가 되고 또한 이 probe 상단부에서도 동일한 양의 에너지가 발생되므로
ISP-3600 모델에서 생성되는 총 에너지 양은 1590 x 2 = 3180 정도가 됩니다.
ISP-3600 모델은 일반 장비에 비해 24배 더 많은 양의 에너지를 발생시킵니다.
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