초음파 혼을 이용한 고출력 초음파의 응용

초음파 혼 또는 프로브는 균질화, 분산, 습식 분쇄, 유화, 추출, 파쇄, 용해 및 탈기를 비롯한 다양한 액체 처리 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 초음파 혼, 초음파 프로브 및 그 응용 분야에 관한 기초 지식을 알아보세요.

초음파 혼과 초음파 프로브의 비교

초음파 혼과 프로브라는 용어는 흔히 혼용되며, 초음파를 액체로 전달하는 초음파 봉을 가리킵니다. 초음파 프로브를 지칭하는 다른 용어로는 음향 혼, 소노트로드, 음향 도파관 또는 초음파 핑거가 있습니다. 그러나 기술적으로 초음파 혼과 초음파 프로브 사이에는 차이가 있습니다.
혼과 프로브는 모두 이른바 프로브형 초음파 처리기의 부품을 가리킵니다. 초음파 혼은 압전 방식으로 생성된 진동에 의해 가진되는 초음파 트랜스듀서의 금속 부분입니다. 초음파 혼은 특정 주파수, 예를 들어 20kHz로 진동하며, 이는 초당 20,000회의 진동을 의미합니다. 티타늄은 뛰어난 음향 전달 특성, 높은 피로 강도 및 표면 경도 덕분에 초음파 혼 제작에 선호되는 소재입니다.

초음파 프로브는 소노트로드 또는 초음파 핑거라고도 합니다. 대부분 티타늄으로 제작되는 금속 봉으로, 초음파 혼에 나사로 체결됩니다. 초음파 프로브는 초음파 처리 대상 매질에 초음파를 전달하는 초음파 처리 장치의 필수 부품입니다. 초음파 프로브 / 소노트로드는 다양한 형태(예: 원뿔형, 팁형, 테이퍼형 또는 Cascatrode형)로 제공됩니다. 티타늄이 초음파 프로브에 가장 널리 사용되는 소재이지만, 스테인리스강, 세라믹, 유리 및 기타 소재로 제작된 소노트로드도 제공됩니다.

초음파 혼과 프로브는 초음파 처리 중 지속적으로 압축 또는 인장을 받으므로, 혼과 프로브의 소재 선택이 매우 중요합니다. 고품질 티타늄 합금(등급 5)은 응력을 견디고, 장시간 높은 진폭을 유지하며, 음향 및 기계적 특성을 전달하는 데 가장 신뢰성이 높고 내구성이 뛰어나며 효과적인 금속으로 여겨집니다.

용해는 초음파 처리의 일반적인 응용 분야입니다. 이 영상에서는 Hielscher UP200St로 설탕 결정을 물에 빠르게 용해하는 과정을 보여 드립니다.

고성능 초음파 처리기는 주로 20–30kHz의 주파수 범위에서 작동합니다. 20 kHz에서 초음파 프로브는 일반적으로 길이가 반 파장인 공진 봉으로, 초당 20,000회 지속적으로 팽창하고 수축합니다. 이러한 팽창 및 수축 운동은 다음과 같은 응용을 수행하기 위해 공정 매질, 즉 유체 또는 슬러리에 고출력 초음파로 전달됩니다.

• 초음파 고전단 혼합
• 초음파 습식 분쇄
• 초음파 나노 입자 분산
• 초음파 나노 유화
• 초음파 추출
• 초음파 파쇄
• 초음파 세포 파쇄 및 세포 용해
• 초음파 탈가스 및 탈기
• 초음파 화학(초음파 합성, 초음파 촉매 작용)

고출력 초음파는 어떻게 작동할까요? – 음향 캐비테이션의 작동 원리

균질화, 입자 크기 감소, 파쇄 또는 나노 분산과 같은 고성능 초음파 응용에서는 초음파 트랜스듀서가 고강도 저주파 초음파를 생성하고, 초음파 혼과 프로브(소노트로드)를 통해 액체로 전달합니다. 고출력 초음파는 16–30kHz 범위의 초음파로 간주됩니다. 초음파 프로브는 예를 들어 20kHz로 팽창하고 수축하여 매질에 초당 20,000회의 진동을 전달합니다. 초음파가 액체를 통과할 때 고압(압축) / 저압(희박화 / 팽창) 주기가 번갈아 발생하면서 미세한 공동(진공 기포)이 형성되고, 이 공동은 여러 압력 주기에 걸쳐 성장합니다. 액체와 기포의 압축 단계에서는 압력이 양압인 반면, 희박화 단계에서는 진공(음압)이 발생합니다. 압축과 팽창 주기 동안 액체 내 공동은 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 크기에 도달할 때까지 성장합니다. 이 시점에서 공동은 격렬하게 내파합니다. 이러한 공동의 내파는 다양한 고에너지 효과를 일으키며, 이를 음향 / 초음파 캐비테이션 현상이라고 합니다. 음향 캐비테이션은 액체, 고체/액체계 및 기체/액체계에 영향을 미치는 다양한 고에너지 효과를 특징으로 합니다. 에너지 밀도가 높은 영역 또는 캐비테이션 영역은 이른바 핫스폿 영역으로 알려져 있으며, 에너지 밀도는 초음파 프로브의 바로 근처에서 가장 높고 소노트로드로부터의 거리가 증가할수록 감소합니다. 초음파 캐비테이션의 주요 특성에는 국소적으로 발생하는 매우 높은 온도와 압력 및 각각의 차이, 난류, 액체 유동이 포함됩니다. 초음파 핫스폿에서 초음파 공동이 내파하는 동안 최대 5000켈빈의 온도, 최대 200기압의 압력 및 최대 1000km/h의 액체 제트가 측정될 수 있습니다. 이처럼 에너지 강도가 매우 높은 조건은 공정과 화학 반응을 다양한 방식으로 강화하는 초음파 기계적 효과와 초음파 화학적 효과에 기여합니다.
초음파 처리가 액체와 슬러리에 미치는 주요 영향은 다음과 같습니다.

• 고전단: 초음파 고전단력은 액체와 액체-고체계를 교란하여 강력한 교반, 균질화 및 물질 전달을 일으킵니다.
• 충격: 초음파 캐비테이션에 의해 생성된 액체 제트와 유동은 액체 내 고체를 가속하여 이후 입자 간 충돌을 일으킵니다. 입자들이 매우 빠른 속도로 충돌하면 침식되고 부서지며 미세하게 분쇄되고 분산되어, 흔히 나노 크기까지 작아집니다. 식물 소재와 같은 생물학적 물질의 경우, 고속 액체 제트와 교대로 반복되는 압력 주기가 세포벽을 파쇄하고 세포 내 물질을 방출합니다. 그 결과 생리활성 화합물이 매우 효율적으로 추출되고 생물학적 물질이 균일하게 혼합됩니다.
• 교반: 초음파 처리는 액체 또는 슬러리에 강한 난류, 전단력 및 미세 운동을 일으킵니다. 이에 따라 초음파 처리는 항상 물질 전달을 강화하고, 이를 통해 반응과 공정을 가속합니다.

초음파 균질기와 고전단 혼합기는 액체 또는 슬러리를 다루는 거의 모든 가공 산업에서 사용됩니다. 강력한 초음파 캐비테이션 힘은 강한 교반, 전단, 입자 파쇄 및 물질 전달을 일으킵니다. 이를 통해 액체가 균질화, 분산, 유화, 추출, 용해되고/되거나 화학 반응이 개시됩니다. 전반적으로 초음파 처리는 수율을 높이고 전환율을 개선하며 공정의 효율을 높이는 공정 강화 방법입니다.
산업에서 일반적으로 사용되는 초음파 응용은 식품 및 제약, 정밀화학, 에너지 및 석유화학, 재활용, 바이오리파이너리 등 여러 분야에 걸쳐 있으며, 다음을 포함합니다.

• 초음파 바이오디젤 합성
• 초음파 과일 주스 균질화
• 초음파 백신 생산
• 초음파 리튬 이온 배터리 재활용
• 초음파 나노 소재 합성
• 초음파 의약품 제형화
• 초음파 CBD 나노 유화
• 초음파 식물성 원료 추출
• 실험실에서의 초음파 시료 전처리
• 초음파 액체 탈가스
• 초음파 원유 탈황
• 그 외에도 다양한 응용 …

고성능 응용을 위한 초음파 혼 및 프로브

Hielscher Ultrasonics는 오랜 경험을 보유한 고출력 초음파 처리기 제조 및 공급업체이며, 이 장비는 전 세계 여러 산업의 고부하 응용 분야에서 사용됩니다.
Hielscher Ultrasonics는 장치당 50와트에서 16kW까지 모든 규모의 초음파 처리 장치, 다양한 크기와 형태의 프로브, 다양한 용적과 기하학적 형상의 초음파 반응기를 갖추고 있어, 고객의 응용에 이상적인 초음파 시스템을 구성하는 데 적합한 장비를 제공합니다.
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.