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Ultrasonic Process 원리 및 응용 |
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초음파 (Ultrasound) 란 ? |
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사람은 주로 1 - 5 KHz 범위내의 주파수 (frequecny) 를 가진 sound (소리) 를 인지하게 되며
18 KHz 이상의 주파수를 가진 소리와 20Hz 이하의 주파수를 가진 소리는 인지하지 못한다.
ultrasound (초음파) 는 20 KHz 이상의 주파수를 가진 소리를 칭하며 대부분의 Ultrasonic Processor (초음파분산기) 는
20KHz 를 이용한다. |
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초음파 발생 원리 |
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수정과 같은 물질에 기계적인 압력을 가하면 물질 내부에 자장의 변화가 일어나는데, 역으로 전기를 가하면
기계적인 변화에 의해 진동이 일어나는 성질이 있다.
이러한 성질을 Piezoelectricity (압전성) 이라 하는데 Piezoelectric crystal 에 초당 20,000 번의
전기적 spark 를 가하면
Piezoelectric crystal 은 초당 2만번의 진동이 일어나게 된다.
즉 20KHz 의 주파수 (frequency) 의 진동이 발생하게 된다.
즉 압전성물질은 전기적에너지를 기계적에너지로 전환시켜주는 것인데 Ultrasonic Processor 내에서 이 장치를 Converter 라 부른다.
이 Converter 에 가늘고 긴 stainless steel 로 된 Probe 를 부착시키면 진동이 Probe 를 따라
지나면서 진동의 세기(amplitude)가
증폭되게 되는데 강력한 세기를 가진 증폭된 20KHz 초음파 (ultrasound) 는 용액속으로 퍼져 나가게 된다. |
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초음파의 특성 |
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강력한 세기의 20KHz ultrasound 가 용액속으로 방출되면 용액내부에 파동이 생긴다.
하나의 파동이 생겨 앞으로 나가면 나가는 방향으로는
positive pressure 가 생기고 그 바로 뒤편에는 순간적으로 negative pressure 가 발생하고 그 결과 bubble 형태로 된
수백만개의 microcavity (미세공간) 가 형성 (cavitation) 된다. 이 microcavity 는 순간적으로 서로 뭉쳐져 커지기도 하나
즉시 바로 뒤이어 따라오는 ultrasound 파동의 positive pressure 에 의해 격렬하게 파쇄 (implosion) 하게 된다.
microcavity 가 생성되어 파쇄되기까지의 기간은 수밀리초 (several milli seconds) 에 불과하지만 이 microcavity 가
파쇄될때에는 물의 격한흐름, 소용돌이 등의 현상에 의해 강한 충격파 (shock wave)가 발생한다. 이러한 충격파가 용액의 작은 부분에서
수백만개가 발생하면 이 충격파에 의해 엄청난 에너지 (up to 100,000 atm) 가 생성되게 된다.
이 에너지를 이용하여 Atomization, Cell Disruption, Homogenization, Dispersion, Degassing, Disaggregation 등을 할 수 있게된다. |
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초음파분산 (Ultrasonic Dispersion) 과 Rotor/Stator 분산과의 차이점 |
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| 용액내 물질을 균질한 상태로 만들어주는 분산 (Dispersion 또는 Homogenization) 은 고체를 용액내에 분산시키는
Suspension, 기름을 물속에 분산시켜 기름과 물이 섞이게 만들어 주는 유화 (Emulsion) 가 있다.
현재까지 많은 분산작업은 Rotor/Stator 를 이용하는 기계적인 방법, 즉 rotor 를 고속으로 회전시켜 발생하는 에너지를
이용하여 rotor 와 stator 사이를 통과하는 용액내 물질의 입자크기를 작게만들어 분산시키는 Rotor/Stator 방식을 이용하여왔다.
이 방법은 매우 편리하고 효율적인 방법으로서 가장 많이 사용되고 있으나 물질의 입자크기를 Nano 이하의 크기로 초미세하게
만들어 분산시키지 못하는 단점이 있다.
초음파 (ultrasound) 를 이용하는 분산은 대상 물질을 나노수준으로 미세하게 만들 수 있어 나노수준 분산을 가능하게 한다.
나노를 추구하는 현재의 기술흐름에 비추어 볼때 향후 초음파분산은 분산작업에서 매우 중요한 위치를 차지할 것으로 기대된다.. | |
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