초음파 파편화 – 고출력 초음파가 입자 파쇄에 미치는 영향

초음파 파편화는 고출력 초음파로 입자를 나노 크기의 파편으로 부수는 것을 말합니다. 입자 간 충돌을 통해 주로 입자를 분쇄하고 분리하는 일반적인 초음파 해응집 및 밀링과 달리, 초음파 파편화는 입자와 충격파의 직접적인 상호작용이 특징입니다. 고출력/저주파 초음파는 캐비테이션을 발생시켜 액체 내에 강한 전단력을 형성합니다. 캐비테이션 기포의 붕괴와 입자 간 충돌로 발생하는 극한 조건은 입자를 매우 미세한 크기의 물질로 분쇄합니다.

초음파를 이용한 나노 입자의 생산 및 조제

나노 물질 생산에 대한 고출력 초음파의 효과는 잘 알려져 있습니다. 분산, 해응집, 밀링 및 분쇄와 초음파 처리를 통한 파편화가 유일한 효과적인 처리 방법인 경우가 많은 대상은 나노 입자입니다. 이는 특히 특수한 기능성을 지닌 매우 미세한 나노 물질에 해당합니다. 나노 크기에서는 고유한 입자 특성이 나타나기 때문입니다. 특정 기능성을 지닌 나노 물질을 만들려면 균일하고 신뢰할 수 있는 초음파 처리 공정을 보장해야 합니다. Hielscher는 실험실 규모부터 본격적인 상업 생산 규모까지 초음파 장비를 공급합니다.

캐비테이션을 통한 초음파 파편화

액체에 강력한 초음파 힘을 가하면 극한 조건이 형성됩니다. 초음파가 액체 매질을 통해 전파되면 초음파에 의해 압축 및 희박 주기(고압 및 저압 주기)가 번갈아 발생합니다. 저압 주기 동안 액체 내에 작은 진공 기포가 발생합니다. 이러한 캐비테이션 기포는 여러 저압 주기에 걸쳐 성장하다가 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 크기에 도달합니다. 흡수된 에너지와 기포 크기가 최대인 이 상태에서 캐비테이션 기포가 격렬하게 붕괴하여 국소적으로 극한 조건을 형성합니다. 이러한 캐비테이션 기포의 내파로 인해 국소적으로 약 5000K의 매우 높은 온도와 약 2000atm의 압력에 도달합니다. 내파는 최대 280m/s(≈1000km/h) 속도의 액체 제트를 발생시킵니다. 초음파 파편화는 이러한 강력한 힘을 이용하여 입자를 서브마이크론 및 나노 범위의 더 작은 크기로 파편화하는 것을 말합니다. 초음파 처리가 진행됨에 따라 입자 형상은 각진 형태에서 구형으로 변하며, 이에 따라 입자의 가치가 높아집니다. 초음파 파편화의 결과는 파편화 속도로 표현되며, 이는 입력 동력, 초음파 처리 부피 및 응집체 크기의 함수로 설명됩니다.
Kusters et al. (1994)은 에너지 소비와 관련하여 초음파 보조에 의한 응집체 파편화를 연구했습니다. 연구진의 결과는 “초음파 분산 기술이 기존 분쇄 기술만큼 효율적일 수 있음을 보여줍니다. 초음파 분산의 산업적 적용(예: 더 큰 프로브, 현탁액의 연속 처리)은 이러한 결과를 다소 바꿀 수 있지만, 전반적으로 이 미분쇄 기술을 선택하는 이유는 비에너지 소비량보다는 극히 미세한(서브마이크론) 입자를 생산하는 능력에 있을 것으로 예상됩니다.” [Kusters et al. 1994] 특히 실리카나 지르코니아와 같이 침식되는 분말의 경우, 단위 분말 질량당 필요한 비에너지가 기존 분쇄 방법보다 초음파 분쇄에서 더 낮은 것으로 나타났습니다. 초음파 처리는 밀링과 분쇄뿐만 아니라 고체의 연마를 통해서도 입자에 영향을 미칩니다. 이를 통해 입자의 높은 구형도를 달성할 수 있습니다.

나노 물질의 결정화를 위한 초음파 파편화

“초음파가 조사된 분자 결정 슬러리에서 입자 간 충돌이 실제로 발생한다는 점에는 의심의 여지가 거의 없지만, 이러한 충돌은 파편화의 주된 원인이 아닙니다. 분자 결정과 달리 금속 입자는 충격파에 의해 직접 손상되지 않으며, 더 강한(그러나 훨씬 드문) 입자 간 충돌에 의해서만 영향을 받을 수 있습니다. 금속 분말과 아스피린 슬러리의 초음파 처리에서 지배적인 메커니즘이 달라지는 것은 가단성 금속 입자와 쉽게 부서지는 분자 결정 간의 물성 차이를 보여줍니다.” [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

아스피린 입자의 초음파 파편화 [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008)은 초음파 파편화를 이용하여 마이크로미터 크기의 원료(예: 70–80 μm)로부터 고순도 서브마이크로미터 알루미나 세라믹 입자(주로 100 nm 미만 범위)를 제조하는 방법을 연구했습니다. 연구진은 초음파 파편화의 결과로 알루미나 세라믹 입자의 색상과 형상에 유의미한 변화가 나타나는 것을 관찰했습니다. 고출력 초음파 처리를 통해 마이크론, 서브마이크론 및 나노 크기 범위의 입자를 쉽게 얻을 수 있습니다. 음장 내 체류 시간이 증가함에 따라 입자의 구형도가 증가했습니다.

계면활성제 내 분산

효과적인 초음파 입자 파쇄로 인해, 얻어진 서브마이크론 및 나노 크기 입자의 해응집을 방지하려면 계면활성제 사용이 필수적입니다. 입자 크기가 작을수록 표면적의 종횡비가 높아지며, 입자가 현탁 상태를 유지하고 입자의 응고(응집)를 방지하려면 이 표면을 계면활성제로 덮어야 합니다. 초음파 처리의 장점은 분산 효과에 있습니다. 분쇄 및 파편화와 동시에 초음파가 분쇄된 입자 파편을 계면활성제와 함께 분산시키므로 나노 입자의 응집을 (거의) 완전히 방지할 수 있습니다.

산업 생산

탁월한 기능성을 발휘하는 고품질 나노 물질을 시장에 공급하려면 신뢰할 수 있는 처리 장비가 필요합니다. 장치당 최대 16kW의 출력을 제공하며 클러스터 구성이 가능한 초음파 처리기는 사실상 무제한의 체적 유동 처리를 가능하게 합니다. 초음파 공정의 완전한 선형 확장성 덕분에 초음파 응용 공정을 실험실에서 위험 없이 시험하고, 벤치톱 규모에서 최적화한 다음, 생산 라인에 문제없이 도입할 수 있습니다. 초음파 장비는 넓은 공간이 필요하지 않으므로 기존 공정 흐름에도 추가로 설치할 수 있습니다. 작동이 간편하고 원격 제어를 통해 모니터링하고 운전할 수 있으며, 초음파 시스템의 유지보수는 거의 무시할 수 있는 수준입니다.

초음파 밀링 전후 Bi2Te3 기반 합금의 입도 분포 및 SEM 이미지. a – 입도 분포; b – 초음파 밀링 전 SEM 이미지; c – 4 h 초음파 밀링 후 SEM 이미지; d – 8 h 초음파 밀링 후 SEM 이미지.
출처: Marquez-Garcia et al. 2015.

문헌 / 참고문헌

• Ambedkar, B. (2012): Ultrasonic Coal-Wash for De-Ashing and De-Sulfurization: Experimental Investigation and Mechanistic Modeling. Springer, 2012.
• Eder, Rafael J. P.; Schrank, Simone; Besenhard, Maximilian O.; Roblegg, Eva; Gruber-Woelfler, Heidrun; Khinast, Johannes G. (2012): Continuous Sonocrystallization of Acetylsalicylic Acid (ASA): Control of Crystal Size. Crystal Growth & Design 12/10, 2012. 4733-4738.
• Gopi, K. R.; Nagarajan, R. (2008): Advances in Nanoalumina Ceramic Particle Fabrication Using Sonofragmentation. IEEE Transactions on Nanotechnology 7/5, 2008. 532-537.
• Kusters, Karl; Pratsinis, Sotiris E.; Thoma, Steven G.; Smith, Douglas M. (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology 80, 1994. 253-263.
• Zeiger, Brad W.; Suslick, Kenneth S. (2011): Sonofragementation of Molecular Crystals. Journal of the American Chemical Society. 2011.