교반기

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1. 개요

교반기는 액체나 용액을 혼합하기 위해 사용되는 실험 장비로, 1917년 최초의 특허가 등록되었다. 자기 교반기는 케이스, 구동부, 제어부, 교반 막대로 구성되며, 회전하는 자석이나 전자석이 용기 안의 교반 막대를 회전시켜 혼합을 유도한다. 장점으로는 밀폐된 용기 내에서 사용하기 용이하고, 소음이 적으며, 고장 가능성이 낮다는 점이 있다. 화학, 생물학, 환경 과학 등 다양한 분야에서 활용되며, 특히 화학 및 생물학 실험에서 널리 사용된다.

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교반기
기본 정보
가열판 마그네틱 교반기 장치에서 용액을 교반 막대로 혼합하는 모습. 왼쪽 손잡이는 교반 속도를, 오른쪽 손잡이는 가열을 조절한다.
다른 이름	마그네틱 믹서
용도	액체 혼합
발명가	아서 로신저
관련 항목	교반자 볼텍스 믹서 Static mixer

2. 역사

자기 교반기의 역사는 20세기 초로 거슬러 올라간다. 1917년 10월 9일, 유타 주 분티풀의 리처드 H. 스트링햄은 고정된 전자석을 사용한 교반 장치에 대한 미국 특허 1,242,493을 획득했다.^[1] 1944년 6월 6일에는 뉴저지 주 뉴어크의 아서 로싱거가 "자석 교반기"라는 제목의 미국 특허 2,350,534를 획득했다.^[2] 로싱거는 용기 안의 코팅된 막대 자석이 용기 아래 회전 자석에 의해 구동되는 방식을 고안했으며, 자석을 플라스틱, 유리, 도자기로 덮어 화학적 비활성을 유지할 수 있다고 설명했다.

이후, 1940년대 후반, 스코틀랜드 그린노크의 어뢰 실험 시설(TEE)의 에드워드 맥러플린이 플라스틱 코팅된 막대 자석을 독립적으로 발명하고 '플리(flea)'라고 명명했다. 1977년에는 SBS 회사의 살바도르 보넷이 최초의 다중 지점 자석 교반기를 개발 및 특허를 받았다.^[3] 그는 교반력 단위를 "리터의 물"로 표기하는 방식을 도입했다.

2. 1. 초기 특허

1917년 10월 9일, 미국의 리처드 H. 스트링햄(Richard H. Stringham)은 고정된 전자석을 이용한 교반 장치에 대한 특허(US 1,242,493)를 획득했다.^[1] 1944년 6월 6일, 미국의 아서 로싱거(Arthur Rosinger)는 용기 바닥의 회전 자석으로 구동되는 코팅된 막대 자석을 이용한 "자석 교반기" 특허(US 2,350,534)를 획득했다.^[2] 그는 자석을 플라스틱, 유리, 도자기로 코팅하여 화학적 불활성을 확보했다.

2. 2. 플리(flea)의 발명

1940년대 후반, 스코틀랜드 그린노크의 어뢰 실험 시설(TEE)의 에드워드 맥러플린(Edward McLaughlin)은 플라스틱 코팅된 교반 막대를 독립적으로 발명했으며, 회전 자석이 너무 빠르게 구동되면 '벼룩'처럼 튀어 다니기 때문에 '플리(flea)'라고 명명했다.^[2]

2. 3. 다중 지점 교반기

1977년, SBS 회사의 살바도르 보넷(Salvador Bonet)은 최초의 다중 지점 자석 교반기를 개발하고 특허를 받았다.^[3] 그는 교반력의 단위를 "리터의 물"로 표기하는 관행을 도입했는데, 이는 오늘날 시장 표준이 되었다.^[3]

3. 구조 및 원리

자기 교반기는 핫 플레이트와 통합되어 가열과 교반을 동시에 수행하는 경우가 많다. 가열 요소는 수백에서 수천 와트까지 다양한 전력 범위를 가지며, 반응 플라스크의 크기, 용액의 양, 가열 요소의 전력, 단열 정도에 따라 도달 가능한 유체 온도가 달라진다. 초음파 발생 장치를 통합하여 교반 효율을 높인 특수한 제품도 있다.

일본에서 일반적인 자기 교반기의 가격은 수천 엔에서 수만 엔 정도이다.

3. 1. 케이스

케이스는 상판 재질과 구조에 따라 다양한 종류가 있다. 재질은 플라스틱이나 금속제가 일반적이지만, 화학 약품에 대한 내성을 위해 세라믹이나 내식 합금이 사용되기도 한다. 만일의 약품 누출에 대비하여 액체가 주변으로 흘러나가지 않도록 턱(둑)이 있는 구조도 있다.

3. 2. 구동부

구동부에서는 일반적으로 모터를 사용하여 자석을 회전시키며, 이 회전하는 자기장이 교반 막대를 회전시킨다.^[4] 고점도 액체를 교반할 때에는 고토크 모터와 강력 자석이 사용된다. 고도의 방폭성을 요구하는 경우에는 공기압으로 작동하는 축을 사용하기도 한다.

3. 3. 제어부

제어부는 전원 관리, 모터 회전 속도 조절, 핫플레이트의 온도 조절 손잡이 및 조절 회로로 구성되어 있다. 회전 속도는 회전을 시작할 때는 느리게, 서서히 빠르게 조정한다.

3. 4. 교반 막대 (Stir bar, Flea)

교반 막대는 막대 자석을 불소 수지 등으로 코팅한 것으로, 회전시켜 액체를 교반하는 데 사용된다. 주로 알니코 또는 사마륨-코발트 자석이 사용되며, 자력 손실 없이 고온을 견딜 수 있다. 저온에서는 네오디뮴 자석이나 페라이트(자석) 교반 막대를 사용할 수 있다.^[4]

교반 막대는 보통 PTFE(테플론)로 코팅되거나 유리로 코팅된다. 이는 화학적 불활성을 유지하고 반응 혼합물과 반응하거나 오염시키지 않기 위해서이다.^[4] 비치 환원과 같이 유리 용기에서 수행되는 반응에는 유리 교반 막대가 사용될 수 있다. 1차 아민에 용해된 알칼리 금속을 사용하는 금속 용해 환원 반응에서는 PTFE가 공격받을 수 있기 때문이다.^[5]^[6] 다만, 유리는 열, 노출 시간 및 농도에 따라 강한 알칼리(예: 가성소다)에 의해 공격받을 수 있다.^[7]

일반적으로 교반 막대는 막대 모양이며, 팔각형 또는 원형 단면을 갖는다. 둥근 플라스크에서 사용하기에 적합한 뾰족한 타원형도 일반적이다. 이 외에도 다양한 특수 모양이 있는데, 다른 조건에서 더 안정적이거나 효율적인 교반을 제공하거나, 작은 용기의 모양에 맞추기 위해 사용된다. 많은 교반 막대에는 회전 중심 주위에 "피벗 링"이 있다. 크기는 몇 밀리미터에서 몇 센티미터까지 다양하며, 약 10mm 미만의 작은 크기는 "플리"라고도 불린다.

교반 막대는 크기가 작아 다른 교반 장치보다 쉽게 청소하고 멸균할 수 있으며, 윤활제가 필요 없어 반응 용기 및 생성물을 오염시키지 않는다. "교반 막대 회수기"는 긴 막대 끝에 별도의 자석이 달려 있으며 (화학적으로 불활성인 PTFE로 코팅됨), 용기에서 교반 막대를 제거하는 데 사용될 수 있다.^[4]

교반 막대는 가늘고 긴 고치 모양, 팔각 막대 모양, 풍차 날개 모양 등 다양한 형태가 있으며, 교반 효율·부하량 등 용도에 따라 구분하여 사용한다. 막대 모양이 범용성이 뛰어나다고 여겨진다.

3. 5. 교반 막대 회수기

교반 막대 회수기는 긴 막대 끝에 자석이 부착된 별도의 도구(보통 화학적으로 불활성인 PTFE로 코팅됨)로, 용기에서 교반 막대를 제거하는 데 사용된다.^[4]

4. 작동 방식

교반기 본체 내부의 구동부에서는 모터를 통해 자석을 회전시키는데, 이 모터는 회전 속도를 조절할 수 있는 가변식이다. 제어부는 전원 관리와 모터 회전 속도 조절 기능을 담당한다. 회전 속도는 회전을 시작할 때 느리게, 서서히 빠르게 조정한다.^[1]

5. 장단점

마그네틱 스타러는 모터와 연결된 회전축을 가진 메커니컬 스타러에 비해 고점도 액체의 교반 효율이나 초고속 회전 시의 안정성이 떨어진다. 그러나 밀폐 용기 내에서의 교반이 용이하고, 용기 상부 공간의 자유도가 높다는 장점이 있다.

5. 1. 장점

마그네틱 스타러는 밀폐 용기 내에서 교반이 용이하게 이루어지며, 용기 상부 공간의 자유도가 높은 장점이 있다.

5. 2. 단점

점성이 높은 액체나 두꺼운 현탁액을 교반하는 데 어려움이 있다. 모터와 연결된 회전축을 가진 교반 장치(메커니컬 스타러)와 비교하면, 고점도 액체의 교반 효율이나 초고속 회전 시의 안정성이 떨어진다.^[1] 교반 가능한 용액의 부피가 제한적이다(일반적으로 4L 이하).

6. 응용 분야

자기 교반기는 화학, 생물학, 의학, 환경 과학, 식품 과학 등 다양한 분야에서 활용된다. 특히, 4리터 이하의 비교적 작은 실험이나 점성이 낮은 액체를 다루는 실험에 유용하게 사용된다. 막대 크기의 제한과 점성이 높은 액체에는 사용이 어렵다는 한계점 때문에, 4리터를 초과하거나 점성이 높은 액체를 교반할 때는 오버헤드 교반기와 같은 기계적 교반기가 일반적으로 사용된다.

6. 1. 화학

자석 교반기는 화학 및 생물학 분야에서 자주 사용되며, 복잡한 회전 밀봉 없이 밀폐된 용기나 시스템을 교반할 수 있다. 기어 구동 방식의 전동 교반기보다 조용하고 효율적이며, 단순한 막대 자석 자체 외에는 고장나거나 마모될 수 있는 외부 움직이는 부품이 없기 때문에 선호된다. 자석 교반 막대는 화학 반응에 일반적으로 사용되는 유리 용기에서 잘 작동하며, 유리는 자기장에 크게 영향을 미치지 않는다.

막대의 크기가 제한되어 있어 자석 교반기는 4L 이하의 비교적 작은 실험에만 사용할 수 있다. 또한, 교반 막대는 점성 액체나 두꺼운 현탁액을 처리하는 데 어려움이 있다. 더 큰 부피 또는 더 점성이 높은 액체의 경우, 일반적으로 오버헤드 교반기 같은 기계적 교반이 필요하다.

합성 화학 분야에서는 내장된 온도 제어 메커니즘과 온도 프로브가 장착된 자석 교반기/히터가 일반적으로 가열조(일반적으로 오일, 모래 또는 저융점 금속) 또는 냉각조(일반적으로 물, 얼음 또는 냉각제로서 액체 질소 또는 드라이 아이스가 혼합된 유기 액체)와 함께 사용되며, 이를 통해 반응 용기를 대략 -120°C에서 250°C 사이의 온도로 유지할 수 있다.

6. 2. 생물학

자석 교반기는 화학 및 생물학 분야에서 자주 사용되며, 복잡한 회전 밀봉 없이 밀폐된 용기나 시스템을 교반하는 데 사용할 수 있다. 기어 구동 방식의 전동 교반기보다 조용하고 효율적이며, 고장나거나 마모될 수 있는 외부 움직이는 부품(단순한 막대 자석 자체 외)이 없기 때문에 선호된다. 자석 교반 막대는 화학 반응에 일반적으로 사용되는 유리 용기에서 잘 작동하며, 유리는 자기장에 크게 영향을 미치지 않는다.

막대의 크기가 제한되어 있어 자석 교반기는 4L 이하의 비교적 작은 실험에만 사용할 수 있다. 또한, 교반 막대는 점성 액체나 두꺼운 현탁액을 처리하는 데 어려움이 있다. 더 큰 부피 또는 더 점성이 높은 액체의 경우, 일반적으로 어떤 종류의 기계적 교반(예: 오버헤드 교반기)이 필요하다.

6. 3. 환경 과학

자석 교반기는 기어 구동 방식의 전동 교반기보다 조용하고 효율적이며, (단순한 막대 자석 자체 외에는) 고장나거나 마모될 수 있는 외부 움직이는 부품이 없어 선호된다. 자석 교반 막대는 유리 용기에서 잘 작동하는데, 유리는 자기장에 크게 영향을 미치지 않기 때문이다.

막대의 크기가 제한되어 있어 자석 교반기는 4리터 이하의 비교적 작은 실험에만 사용할 수 있다. 또한, 교반 막대는 점성 액체나 두꺼운 현탁액을 처리하는 데 어려움이 있다. 더 큰 부피 또는 더 점성이 높은 액체의 경우, 일반적으로 어떤 종류의 기계적 교반(예: 오버헤드 교반기)이 필요하다.

6. 4. 기타

자석 교반기는 화학 및 생물학 분야에서 자주 사용되며, 복잡한 회전 밀봉 없이 밀폐된 용기나 시스템을 교반할 수 있다. 기어 구동 방식의 전동 교반기보다 조용하고 효율적이며, 고장나거나 마모될 수 있는 외부 움직이는 부품(단순한 막대 자석 자체 외에는)이 없기 때문에 선호된다. 자석 교반 막대는 화학 반응에 일반적으로 사용되는 유리 용기에서 잘 작동하며, 유리는 자기장에 크게 영향을 미치지 않는다.

막대의 크기가 제한되어 있어 자석 교반기는 4L 이하의 비교적 작은 실험에만 사용할 수 있다. 또한, 교반 막대는 점성 액체나 두꺼운 현탁액을 처리하는 데 어려움이 있다. 더 큰 부피 또는 더 점성이 높은 액체의 경우, 일반적으로 어떤 종류의 기계적 교반(예: 오버헤드 교반기)이 필요하다.

합성 화학 분야에서는 내장된 온도 제어 메커니즘과 온도 프로브가 장착된 자석 교반기/히터가 일반적으로 가열조(일반적으로 오일, 모래 또는 저융점 금속) 또는 냉각조(일반적으로 물, 얼음 또는 냉각제로서 액체 질소 또는 드라이아이스가 혼합된 유기 액체)와 함께 사용되며, 이로 인해 조에 배치된 반응 용기를 대략 -120°C에서 250°C 사이의 온도로 유지할 수 있다.

7. 한국 시장 현황

한국에서는 다양한 제조사의 자기 교반기가 판매되고 있으며, 실험 목적과 예산에 맞는 제품을 선택하는 것이 중요하다. 최근에는 디지털 제어, 온도 프로브, 타이머 기능 등이 탑재된 고급형 제품도 출시되고 있다. 특히, 국내 대학 및 연구소에서는 IKA, Corning 등의 외산 제품과 함께 Vision Scientific, Daihan Scientific 등의 국산 제품도 많이 사용되고 있다.^[1]

참조

_[1] 웹사이트 Electrical drink-mixer https://patents.goog[...]
_[2] 특허 Magnetic Stirrer 1944-06-06
_[3] 웹사이트 Evolution of Biological Shakers and Stirrers https://www.labmanag[...]
_[4] 웹사이트 Stir Bars http://orgchem.color[...] University of Colorado at Boulder 2013-02-16
_[5] 논문 Low-temperature sonoelectrochemical processes: Part 2: Generation of solvated electrons and Birch reduction processes under high mass transport conditions in liquid ammonia 2001-07
_[6] 논문 Adverse Effect of PTFE Stir Bars on the Covalent Functionalization of Carbon and Boron Nitride Nanotubes Using Billups-Birch Reduction Conditions 2019-03
_[7] 서적 Synthesis and Technique in Inorganic Chemistry: A Laboratory Manual https://books.google[...] University Science Books 2013-04-23

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