초 음 파 세 척(Ultrasonic Cleaning)

◎ 1. 초음파

1) 초음파의 정의

인간의 귀를 통하여 들을 수 있는 가청 주파수 범위는 20Hz ~ 20 KHz 이다. 초음파는 가청주파수

밖의 진동음을 말한다. 소리는 기계적인 진동에 의하여 공기의 압력이 고압과 저압으로 빠르게

변화하여 진동 소스로부터 전파되어 사람 귀에 들리는 것이다. 음은 크게 초저주파, 가청음, 초음파로

분류한다.

인간이 들을 수 있는 가청 주파수대역(20~20000Hz) 보다 높은 주파수 즉 20 Kz 이상을

초음파이라고 한다. 초음파는 응용범위가 매우 다양하다. 세척, 가공, 계측, 의료진단 등 매우 많은

분야에 활용되고 있다. 야산의 동물들은 사람 귀보다 감지하는 주파수 범위가 훨씬 넓다. 동물들은

지진, 화산활동, 산불 등이 발생되기 이전에 이미 전초적으로 전달되는 초저주파를 감지하여 몸을

피하여 안전한 곳으로 이동하기도 한다.

가청주파수 보다 낮은 초저주파의 응용은 공학적으로 사용 빈도가 초음파에 비하여 매우 용도가 낮다.

경우에 따라서는 비록 가청주파수 범위의 음파이라도 사람의 귀를 통하여 듣기 위한 목적이 아니라

기계의 고장 진단 등 공학적 목적으로 사용되면 초음파 응용기술 범주에 포함시킨다. 넓은

의미에서는 초저주파 응용기술도 초음파의 범위에 포함시키기도 한다.

2) 초음파의 응용분야

● 계측 - 초음파 줄자, 이동로봇의 전방의 방해물 감지, 마이크로 로봇

● 정보통신 - 소나, 어군탐지기 등 수중 탐지

● 의료용 진단장치 - 초음파 단층촬영기, 초음파 치료기 외

● 재료내부 결함 검사 - 비파괴검사, 용접부위 결함검사, 주물내부 공격 검사

● 산업용 설비진단 - AE 센서

● 산업용기계 - 세척기, 용착기, 가공기, 연마기, 유화기

● 가공 - 초음파 금형 가공

● 디지털 데이터 전송 - 공장 내부에서 무인차량의 제어용 통신

● 기타 - 초음파 모터, 초음파 이송장치 등.

◎ 2. 초음파 세척 1) 세척의 기본

세척이란 필요한 물건 위에 더러운 때, 물질, 가루 등이 묻어 있는 것을 분리하는 공정이다. 우리

생활에서도 빨래세탁기, 식기세척, 방바닥 청소기 등 세척활동이 많다. 또한 생산현장에서도 산업화가

진행될수록 세척공정이 많아진다.

세척작용은 기계적 작용, 린스작용, 화학적 작용이 결합되어 나타난다. 기계적 작용은 작은 범위에서

마찰 등을 이용하여 이물질을 제거하고 화학적인 반응을 촉진시키는 역할을 하는 것으로 세척의

핵심요소가 된다.

분리 작용은 일단 분리 제거된 이물질이 다시 달라붙지 못하도록 격리시키며 잔류세정성분을

제거하는 역할을 하게 된다. 화학적인 작용력은 주로 세제에 의해 일어나게 되는데 기름 성분 등을

제거하는데 효과적이다.

종류

작용

손빨래 세탁기 초음파 세척

기계적 작용 비빔 수류, 마찰력 캐비테이션 및 입자가속도

분리작용 물살 수류, 헹굼 수류

화학적 작용 비누 세제 물, 세제

< 표 1 > 손빨래, 세탁기 및 초음파 세척의 작용력 대비

복합적인 세척작용의 예를 보면, 기름으로 더러워진 식기를 물과 수세미로만 씻는 것은 힘들다.

그러나 비누를 쓰면 수세미를 쓰지 않아도 잘 씻을 수 있다. 수세미를 쓰면 더 효과적이다. 즉

수세미는 물리력이며 비누는 화학력이다. 세척에서는 물리력보다 화학력이 더 중요하다.

세척하고자하는 대상물에 묻은 이물질을 제거하는데 세제의 선택이 중요하다. 더러움의 종류에 따라

어떤 세제를 선택하면 좋은가를 해결하고 그것에 맞는 파워의 초음파 장치를 선택하는 것이 세척의

효율을 높일 수 있는 방법이다.

2) 초음파 세척의 분류

초음파 세척이란 초음파 에너지를 이용하여 세척에 이용하는 기술이다. 현재까지 이용 가능한 여러

가지의 공학적 세척 기술 가운데 가장 효율적이며 경제성이 높을 뿐 아니라 다른 세척기술로는

달성할 수 없는 미세 세척 효과를 얻을 수 있다. 특히 복잡한 형상의 물체 혹은 정밀 세척을 요하는

분야에서는 중요한 세척기술이 되고 있으며 산업 구조의 고도화에 따라 점점 그 적용이 넓어지고

있다. 종류로는 28KHZ, 40KHZ 의 단주파, 복합 파형을 이용하는 동시 다주파 및 1Mhz 이상의

고주파 세척이 있다.

· 단주파식 (28 및 40 KHZ) 초음파 세척기

단일 주파수를 초음파에 사용하는 방식이다. 보통 20Khz, 40Khz 등이 많이 쓰이며 경우에 따라서는

60Khz, 90Khz 등도 단주파 세척에 사용된다. 초음파 파장의 공간적 시간적 위치형태에 따라 진행

주파수와 반사 주파수가 일치되어 공간에 정지 상태가 되기도 한다. 즉 액면 높이에 따라 파워가

강한 부분과 파워가 발생하지 않는 부분이 있어, 세척물이 세척이 되는 잘 부분과 안 되는 부분

등으로 구분되어 세척이 불균질하게 되는 문제가 있다. 이러한 형상을 정재파현상이라고 한다.

- 특성 : 액 높이에 따라 파워가 강력한 부분이 발생하는 특징을 이용하여 일차 세척이나 금속

가공물의 탈지 세정용으로 많이 사용한다.

- 단점 : 파워가 강한 부분에 의한 제품의 손상, 또는 정재파현상으로 인한 세정얼룩이 있다.

발진부와 진동부의 호환성이 없어 A/S 시 주파수 매칭을 해야하는 불편이 있다.

· 다주파식 초음파 세척기

28-70 KHZ 또는 40-90 KHZ 대역의 초음파를 발생시켜 사용하는 방식으로 단주파의 단점을 개선할

수 있다.

- 균일 세척 : 여러 주파수 대역의 초음파를 발생시켜 세척 불균일이나 피 세척물의 손상을 방지 할

수 있어 정밀세정용으로 사용한다.

- 안정된 출력 : 단주파 방식에서 나타나는 출력 변화(세정액 높이변화, 세제의 종류, 온도변화,

제품의 투입 등) 현상이 매우 적다.

- 호환성 : 발진부와 진동부의 호환성이 있어 별도의 주파수 매칭 없이 상호 교체작업이 가능하며

설비보전시간의 단축 및 설비 가동률을 올려준다.

· 고주파식 (1Mhz) 초음파 세척기

고주파식 초음파 세척기는 특별히 반도체 및 LCD등의 초정밀 세척을 위하여 개발된 제품으로

캐비테이션에 의한 강력한 파워 대신 큰 입자 가속도를 이용하여 세척하는 방식이다. 이 방식은

초정밀 세척(SUB-MICRON, 0.1㎛)이 가능한 특징이 있다.

이 방식은 다시 반도체 등에 적합한 침지식과 대면적 LCD 에 적합한 스프레이식(샤워식, 제트식,

펄스식 등 메이커에 따라 다양한 이름으로 불리고 있음) 초음파가 있다.

3) 초음파 세척의 원리

초음파 세척은 주로 초음파의 캐비테이션 현상에 의해 이루어진다. 캐비테이션 현상은 초음파가 용액

중으로 전파될 때 초음파의 큰 압력변화에 의해 미세기포군이 생성되고 소멸되는 현상으로 매우 큰

압력과 고온을 동반한다. 이 압력과 고온은 수백 분의 1 초에서 수천 분의 1 초 단위의 짧은 시간동안

발생한다. 이러한 강력한 힘에 의해 오염물질을 분산 및 분해시키며 또한 세척제의 효과를

극대화시킬 수 있게 된다. 한편, 고주파의 경우에는 초음파의 특성상 이러한 종류의 캐비테이션은

일어나지 않고 액체 분자의 입자 가속도가 매우 커지게 된다. 가속도는 큰 마찰력 및 충격력을

발생시키므로 이를 이용하여 초정밀 세척을 하게 된다.

◎ 3. 캐비테이션 현상

(1) 초음파 세척의 원리

초음파 세척의 원리는 그림 1 과 같이 초음파의 음압효과와 캐비테이션 효과 2 가지로 나누어 볼 수

있다. 캐비테이션에 의한 효과는 기포의 진동에 의한 교반 효과와 기포의 폭발에 의한 기계적, 회화적,

열적효과로 나누어 볼 수 있다.

캐비테이션에 의해 오염이 제거되는 과정은 다음과 같다. 그림 2(a)와 같이 캐비테이션 기포가

폭발하여 오염물질 사이에 틈을 만들고 (b)와 같이 그 틈으로 기포들이 침투하여 폭발함으로써

완전하게 오염물질을 탈착하게 된다.

(2) 캐비테이션 현상(공동 현상)

·캐비테이션 기포의 생성과정

a. 용역 내에 강력한 초음파를 조사하면 압축력(정압)과 팽창력(부압)이 반복적으로 나타나게 된다.

b. 부압 주기 때에 액중의 미세한 이물질 혹은 기체 분자를 중심으로 기포(공동)가 발생됨

c. 이 기포는 다음의 압축주기 때에 고압으로 압축된다. 압축력이 용액의 표면 장력보다 작을 때

기포는 소멸되지 않는다.

d. 기포는 다음의 부압 때 다시 팽창한다.

부압의 세기가 어느 수준 이상이면 기포의 입경은 커진다.

e. 이 과정을 무수히 반복하면서 점점 입경이 커지게 된다.

f. 어느 일정 압력 이상(용액의 표면장력 이상)이 되면 이 기포는 단번에 수축 폭발하면서 매우 큰

충격파를 일으키게 된다.

1) 캐비테이션 임계값

캐비테이션 발생이 시작될 때의 액체압력을 임계값이라고 한다. 이 값은 실험조건에 따라 다르고,

특히 액체의 물리적, 화학적인 성질에 많은 영향을 받는다. 캐비테이션 발생시점의 기준에 대해서는

여러 가지의 의견이 있지만 강력 초음파 응용에서는 눈으로 보아 캐비테이션 기포가 발생하는

시점으로 규정한다.

2) 초음파 주파수와 캐비테이션 발생

5Khz 이하 - 주파수에 관계없이 캐비테이션을 일으키는 음의 강도는 일정

10Khz 이상 - 음의 강도가 점점 커짐

수십 Khz대 - 실용 주파수대

100Khz이상 - 매우 커짐

주파수가 높을수록 더 높은 파워(음의 강도)가 요구되는 이유는 주파수가 높을수록 기포가 충분히

커질 수 있는 시간적인 여유가 점점 줄어들기 때문이다. 실용적으로 캐비테이션을 효과적으로

이용하려면 수십 Khz 대의 것을 사용하는 것이 좋다.

3) 기포의 수축과 온도 상승

기포가 초음파의 압력을 받아 수축할 때 기포의 내부는 고온 상태가 된다. 이론적으로 계산하면

수천도 까지 되지만 실제로는 방열 등에 의해 온도 상승이 크지 않다. 그러나 순간적으로는 고열이

발생한다는 것을 알 수 있다.

4) 기포의 수축과 압력상승

기포가 수축되면 기포 내부의 압력은 상승한다. 실제로 이 압력을 측정할 수는 없지만 대략 수십

기압에서 수천 기압 정도 일 것으로 추정된다.

◎ 4. 초음파 세척의 주요 물리적 특성

(1) 온도

· 물인 경우 온도가 높을수록 캐비테이션 강도가 약해지고 캐비테이션 기포의 수는 증가한다.

· 캐비테이션 강도는 용액의 기화점(boiling point)부근에서는 매우 약해진다.

· 용제(Solvent)의 경우에는 기화온도보다 10 도 낮게 사용함. 또한 화학적인 안전성 관계에 따라서도

온도 설정이 영향을 받는다.

· 소음과의 관계 - 높은 온도에서는 큰 소음이 발생하기 때문데 소음을 줄일 필요가 있을 경우에는

낮은 온도로 사용하는 것이 좋다.

(2) 용액 속의 용존가스

·용액 안에 녹아있는 용존가스는 캐비테이션 강도를 약화시킨다. 예를 들면 일반 물에는 8ppm 정도의

산소가 녹아 있는데 이를 0.5ppm 까지 제거하면 초음파의 세기는 약 5 배까지 강해진다. 최근에는

세척의 품질관리 측면에서 특히 중요성이 높아져가고 있다.

·용존가스의 제거법

- 전용탈기 장치 사용 : 중공사를 이용한 공기제거 장치를 이용하면 빠른 시간 안에 완벽한 탈기를

행할 수 있다.

- 초음파의 단속적인 조사, 특히 초음파를 펄스형으로 동작시키면 탈기효과가 있다.

- 용액의 가열 : 용액을 끊이면 포화용존 가스량이 줄어드는 효과가 있다.

- 세제류의 이용 : 세제를 이용하면 표면장력이 증가하여 공기와 액체와의 결합이 약해진다.

(3) 표면장력(Surface Tension)

표면장력이 큰 액체에서는 캐비테이션 강도가 강해진다. 그러나 발생하기는 어렵다.

(4) 점성(Viscosity)

점성이 강한 액체일수록 캐비테이션현상이 일어나기가 어렵다.

(5) 초음파 주파수

고주파일수록 캐비테이션 강도는 낮아지지만 기포의 크기가 미세해지므로 정밀세척에 유리하며 소음

레벨이 낮아진다.

·초음파 주파수의 입경의 관계 - 입경 0.4 ㎛이상에서는 28Khz

입경 0.1 ㎛이하에서는 300Khz 이상

그 사이에서는 40~50Khz 대를 이용함

· 초음파 주파수와 침투력의 관계

(6) 피세척물 설치방법

·방향의 선택을 잘못하여 에어포켓(Air pocket)이 생기는 경우 - 투입방향 수정

·작은 물체를 겹겹이 쌓아 올렸을 때 - 작은 양으로 나누어 처리하는 것이 유리하다.

·바스켓이나 피세척물 고정용 기구 - 그물망의 피치는 28Khz 에서는 10mm 이상

- 40Khz 에서는 7mm 이상

- 피세척물이 작은 경우는 간접세정법을 이용

** 공명음의 저감 (하울링 현상) **

수계세정에서, 세정물을 세정조 내부에 투입 직전 발생하는 공명음은 독특한 음이다. 이 현상은

세정물을 넣은 순간에 단일 주파수가 조내부에서 난반사하고 동일 초음파 에네르기가 서로 충돌했을

때에 발생하는 현상이다. 이 현상은 세정효과에는 특별한 영향은 없지만 사용하는 입장에선 생각하면

대단히 스트레스를 받게 한다.

다주파 방식은 이 현상에 대해서는 문제가 없다. 예컨대 공명음이 발생하여도 수초에 사라진다.

이것은, 다른 주파수가 충돌했을 때에 에네르기가 서로 간섭하고 낮은 주파수에 흡수되어 공명음의

발생을 막는 효과가 되기 때문이다.

◎ 5. 초음파 세척 각론

(1) 정재파 세척(Standing Wave Problem)

· 정재파란 파형이 정지하고 있는 것과 같은 에너지 분포를 나타내는 현상

·단일 주파수방식의 초음파에서는 매 1/4 주기(25Khz 일 때의 약 30mm)마다 고저의 음압분포가

형성됨.

·정재파 문제를 극복하기 위한 여러 방안

- 피세척물을 세척탱크 내에서 상하 운동시키는 것

- 초음파 방사면을 특수하게 제작하는 것

- 측면에 진동자를 부가하는 방법

- 초음파의 주파수를 높이는 것

- 두 개 이상의 초음파를 이용하는 것

- 단일 주파수를 연속가변(Sweep)하는 것

(2) 다주파 방식

·특수 구조의 복합주파수 방식: 진동자를 특수하게 사각형태로 하여 모서리에서 생기는 복합 공진을

이용하는 방식으로 현재 가장 널리 사용되고 있으며 가까운 장래에 표준기종이 될 전망이다.

· 2 주파방식 : 기본 주파수와 1 차 고조파를 적극적으로 이용하는 방식으로 일본에서는 많이 사용하는

방식이지만 호환성 및 파워의 균일성이 모자라 좋은 효과를 얻지 못하고 있다.

· 진동자 스위칭방식 : 2 종류 이상의 진동자를 장치하여 사용하는 방법. 발진기가 2 대 이상 필요하다.

(3) 스위프 방식(Sweep frequency - FM 방식이라고도 한다.)

공진 주파수 부근에서 주파수를 스위프(연속 가변)시켜 정재파의 영향을 분산시키는 방식이다. 정밀

세척용으로 많이 사용되고 있다

(4) 출력 변동

초음파 세척기는 세정액의 높이나 부하 - 피세척물 - 에 따라 출력이 변동하는 문제를 가지고 있다.

특히 단주파 방식에서는 매우 변동폭이 커서 무부하 때의 20~30％정도에 불과한 경우도 있다.

<그림 12>는 NTK 의 24KHZ, 300W 투입형 진동자로 실험한 것으로 수심과 전기 입력의 관계를

보여주고 있다. 이 그래프에서 보면 수심의 작은 변화에도 출력이 크게 변화한다는 것을 알 수

있으며, 약 30mm 마다 출력이 주기적으로 변동한다. 이 현상은 기본적으로 초음파 진동자의 특성변화

- 임피던스 - 에 기인하는 것으로 단주파 진동자 특유의 공진 특성에서 비롯된다. 즉 BLT진동자는

2 개의 압전소자와 그 앞뒤를 구성하는 금속 블록의 공진을 이용하는 것인데, 초음파 세척 탱크와

연결되면 탱크 내 용액의 높이가 또 다른 공진 블록처럼 되어 전체 공진 특성에 영향을 미치게 된다.

따라서 수위의 미세한 변화가 공진 주파수 및 임피던스에 큰 변화를 일으킨다.

이 현상을 면밀하게 검토하면 진동자의 특성변화는 정재파현상과 매우 밀접한 관계가 있다는 것을 알

수 있다. 즉 세정액이 공진블럭으로써의 역할을 하게 될 때는 정재파가 형성되기 때문이다. 따라서

정재파 현상이 적으면 출력변동도 작아지고 정재파 현상이 크면 출력변동도 크게 된다. 따라서

출력변동을 없애기 위해서는 먼저 정재파를 제거해야한다. 또한 발진기 회로 내에 진동자의

특성변화를 보상해 줄 수 있는 정전력 회로를 사용하면 개선 효과를 볼 수 있다. 상대적으로 다주파

및 고주파 방식에서는 이런 문제가 없다.

(5) 에로젼 현상

·에로젼(Erosion)현상 - 초음파의 방사면이 침식되는 현상. 물의 경우 진동판의 수명은 초음파 출력에

의해 차이가 많지만 통상 300-2000 시간 정도의 수명을 가진다. 에로젼이 심한 진동판을 그대로

사용할 경우 초음파 출력저하로 인한 불량 발생 및 초음파 소자 파손이 일어날 수 있으므로 적절한

시점에서 예방하는 것이 중요하다.

다음과 같은 경우에 에로젼이 심해진다.

- 방사면 부근의 캐비테이션 밀도가 높아질 때 (횡모드 혹은 깔림 현상)

- 증류수 둥 캐비테이션 강도가 센 매질을 사용할 때

- 금속을 부식시키는 성질이 있는 산, 알칼리를 사용했을 때

- 진동자 배열의 간격이 너무 넓을 때 (보통 28Khz 일 때 10~20mm 정도)

- 방사면에 흠집이 있거나 표면연마상태가 나쁠 때

·기타 에로젼의 정도를 결정하는 요소로는 사용하는 세척용액의 종류, 온도, 초음파의 세기 등이 있다.

·진동판의 재질 - 티타늄이 가장 우수한 것으로 알려져 있으나 매우 고가여서 특수 용도 외에는

사용되지 않는다. 통상 SUS316L 및 SUS304 에 30~50 ㎛정도의 경질 크롬 도금을 하여 사용한다.

* 진동판의 두께는 1~3mm 정도가 보통임.

◎ 6. 세제와 오염물질의 종류 초음파 세척을 적절하게 활용하기 위해서는 다음의 여러 가지 사항에 대해 조사 분석할 필요가 있다.

- 오염물질의 종류와 표면에 붙어있는 정도

- 피세척물의 표면성질과 형상

- 피세척물의 부피와 조작의 편리성

- 요구되는 세척의 정도

초음파에 의해 제거될 오염물질의 종류는 보통 다음 부류 중의 하나가 된다.

① 가용성 물질

② 가용성의 바인더에 의해 결합된 비가용성물질

③ 기계적 결합이나 이온 결합에 의해 붙어 있는 비가용성 물질

초음파에 의한 교반과 캐비테이션은 이러한 종류의 오염물질을 모두 제거할 수 있다. 처음의 경우에

세척효과는 세제와 초음파의 화학적 효과에 의해 생기며, 3 번째의 경우는 일차적으로 초음파의

기계적 효과에 의해 생긴다.

- 오염물질의 종류와 표면에 붙어 있는 정도

- 피세척물의 표면성질과 형상

- 피세척물의 부피와 조작의 편리성

- 요구되는 세척의 정도

(1) 가용성 물질(Soluble contaminants)

초음파는 용제와 가용성 물질을 교반 시켜 이러한 종류의 불순물을 제거할 수 있다.

(2) 가용성 바인더에 의해 결합된 비가용성 물질 (Non-soluble contaminant held by a soluble biner)

초음파의 충격력과 교반작용에 의해 입자를 떨구어 낸다.

(3) 비가용성 물질(Non-soluble contaminant)

붙어 있는 물질을 초음파 캐비테이션에 의한 충격파로 제거하여 세척할 수 있다.

(4) 세척용액의 선정

· 적절한 세척용액의 선정은 초음파 세척기에서 1 차적으로 중요한 요소이다.

· 세제의 선정에 있어서 고려되어야 할 요소들은 용해력, 가연성, 경제성, 환경영향, 초음파와의

적합성 여부이다.

피세정물 오염의 종류 용제

종류 특성 - 주의점

·반도체

·자기디스크

·릴레이

·스위치

·정밀베어링

·모터

·유지

·그리이스

·지문

프레온계(프레온 규제

대상)

·고무, 플라스틱 등에 영향이 작다

·폴리스티렌, 실리콘고무- 부적당

·마무리세정에 적당

·프린트기판

·하이브리드기판

·콘덴서

·플럭스

·유지

·이온성물질

에탄올 4%(끊임)

에탄올+옥화제(같이

끊임)

·알루미늄, 아연-부적당

·알루미늄, 아연, 마그네슘 등이 있는

경우 액분해를 방지

·금속부품

·정밀부품

·베어링

·릴레이

·피치

·플럭스

·유지

·그리이스

메틸렌클로라이드

49.5%혼합(같이 끊임)

·프레온 113 개중 세정력 최대

·폴리스티렌, 폴리카보네이트,

ABS, 아크릴-부적당

·세라믹

·필림

·플라스틱

·엘라스토머

이형제

아세톤 12.5%

혼합(같이 끊임)

·고분자의 때를 잘 용해

·프린트기판

·하이브리드기판

·글레스제품

·플럭스

·미립자

·유지

프

레

온

을

기

재

로

한

것

메탄올 5.7%

옥화제 첨가

(같이 끊임)

·에탄올혼합보다 탈지력 큼

·프린트기판

·하이브리드 기판

·플럭스

·지문

·미탕수분

이소프로필

알코올 35.0%

혼합(끊이지 못함)

·끊이지 못하므로 증기세정, 증류

세정에는 부적당

·전자부품

·플라스틱부품

계면환성제혼합(끊이지

못함) ·도금후의 물기제거, 건조전용용제

·렌즈

·글레스제품

·안경테

·지문

·수용성물질

계면활성제수,

유화제혼합(끊이지

못함)

·물 또는 기름에 녹는 때를 겸용으 로

세정할 때 유효

·금속부품

·하이브리드기판

·절삭유

·절삭가루

·프레스유

1.1.1트리클로로에탄 ·저독성으로 작업환경개선에 효과 가

크다

·금속부품 ·각종기름 트리클로로에틸렌

·용해력이 크므로 증기세정용

·옥성에 대한 대책이 필요

·금속부품

·고융점왁스

·유지

·피치

퍼클로로에틸렌

·고비점을 이용한 세정에 적당

·물기의 건조에도 이용된다.

·필름 ·페인트

염

소

계

멜틸렌클로라이드 ·염소계로는 세정력 최대

< 표 3 > 초음파 세척효과 판정방법

평가방법 장, 단점 정도비 비 고

육안 간단하게 평가가능 미흡

현미경 간단하게 평가가능 양호

자외선관찰 간단하게 평가가능 우수

X 선 밀도계 연질의 오염물일 경우

유리함 양호

반사광 표면에 오염 분포상태가

결과에 영향을 줌 미흡

투과광 투명재료에 유리 미흡

분산광 미흡 OPTO SHELL, 또는 OPTO MULTI 를

사용분산광의 정방향을 측정

화학분석 제한된 화학제품만 가능 최우수

형광도료 미흡

표면피막의 화학분석 미흡 칠판 위에 동 도금

석출산화물분석 금속재료만 가능 우수 400℃까지 가열, 반사광으로 관찰되는

산화막의 모양을 보고 판정

비중계 미소물체 양호 비중측정

납 Erosion 우수 중량감소에 의한 평가(표준)

알루미늄 박판침식 음장의 영향을 받음 우수 빛의 투과 혹은 무게감소로 평가

흑연분산 측정이 쉬움 양호

유리나 세라믹 위에 흑면을 도포

육안이나 밀도계로 평가(표준)

물방울낙하 표면이 평평한 시효 양호 세척면에 물방울이나 수막을 주어 그

분포로 측정

방사능측정 평가기술자가 요구됨 최우수 동위원소 P32 또는 C14 등을 미량과

표준오염을 섞어 사용

마찰시험 표면평활이 요구 양호

부착력시험 평활한 표면의 유리나

금속재료만 가능 양호

표면전도도 주위상황에 영향을 받음 최우수

음향적 방법 한정된 재료에 적용 최우수 압전형 Crystal 의 공진 주파수를 측정

◎ 7. 진동자와 발진기

초음파 발생장치는 고주파 전기신호를 발생시키는 발진기와 전기신호를 초음파로 변환시키는 진동부

로 구성된다.

(1) 진동자(Transducer)

1) 자왜진동자(Magneto-strictive transducer)

·자왜현상 - 자성물질에 자장이 가해지면 결정이 미세하게 수축, 팽창하는 현상

·자왜 진동자 - 자왜현상을 일으키는 물질을 이용한 진동자

초기에는 니켈 박판을 중첩한 것이 많이 사용되었으나 그 후 페라이트가 많이 사용되게 되었다.

·장점 - 절연저항이 높아 과전류에 의한 손실이 거의 없기 때문에 효율이 90%이상

- 종방향 성분이 많아 효율적인 세척기의 구성이 가능하다.

- 가격이 비교적 저렴하다.

- 파워밀도를 높일 수 있다.

·단점 - 구조적으로 취약하여 파손되기 쉽다.

- 사용 가능한 온도가 낮다.(80℃ 정도)

2) 피에조 진동자(Electro-strictive transducer) 혹은 압전진동자

·압전현상 (전왜현상) - 강유전성을 가지는 결정체에 고압의 전계를 가하면 구조에서 미세 변위가

발생된다.

·전왜진동자 - 전왜효과를 이용 초음파를 발생시키는 소자.

수정, 로셀염, 티탄산 바륨 등이 있으나 현재는 PZT라고 하는 물질이 가장 많이 사용됨.

PZT는 납, 지르콘산, 티탄산 등을 혼합 소결한 것으로 큐리점이 높고, 파워밀도가 높으며, 양산성이

우수한 등의 많은 장점이 있다.

·PZT 진동자 종류

- 원판형(디스크 형) : 다양한 주파수의 것이 있어 사용이 편리한 반면 대 출력의 용도에는 적합하지

않기 때문에 주로 의료용 및 센서 등에 사용되며 세척기용으로는 소형이나 고주파 세척기 등의

일부분에만 사용된다.

-BLT 진동자 : 2 개의 링형 압전소자를 금속 블록 사이에 넣어 볼트로 조임으로써 샌드위치 형상으로

만든 것이다. 기계적으로 매우 강하고, 고온에서 사용이 가능하다. 이러한 장점들 때문에 최근의 강력

초음파 응용에서는 거의 대부분 BLT 진동자를 사용한다. 가격이 비싸며 파워밀도 균질성이 떨어져

에로젼 현상이 심해지는 단점이 있다.

(2) 발진기 (Generator)

발진기는 발진부(Oscillator)와 전력증폭부, 임피던스 매칭부로 구성되어 있다.

1) 발진기(Oscillator)

① 자려식 - 자려식은 전력 증폭하는 능동소자(TR,FET등) 자신이 발진회로를 겸하도록 한 것.

-간이 자동추미(진동자의 부하변동에 따른 출력변화를 억제하도록 주파수가 자동으로 변화하는

회로)가 가능.

-회로 구성이 간단하다.

-발진회로의 안정도가 나쁘다.

-외부의 영향을 많이 받는다.

-호환성이 나쁘다.

② 타려식(Master oscillating power amplifier : mopa) - 증폭부와 분리된 별도의 발진회로를

이용하는 방식. 현재 주류를 이루고 있다.

- 발진의 안정도가 높다.

- 호환성이 비교적 높다.

- PLL(Phase Locked Loop)회로, FM, AM 등의 변조방식,

PWM(Pulse width modulation)등을 이용한 고도의 출력제어등이 가능한 장점이 있다.

** PLL 귀환방식에 관해서 **

PLL 회로에서 출력된 신호를 출력회로에서 소정의 출력으로 증폭되어, 정합회로에 의해 진동자와의

matching 을 하여, 진동자를 구동시킨다. 또한, 진동검출회로에 의해 진동자의 진동에 비례한 전압을

검출하여, 위상회로에 귀환시켜 위상보정을 한다. 다음에 그 신호에 의해 PLL 회로가 최적주파수를

발진하여, 출력회로에서 전력증폭을 하여, 진동자를 구동한다고 하는 동작을 되풀이한다. 이

회로구성에 의해, 항상 최대진폭이 되는 주파수를, 자동적으로 추미하는 것이 가능하다.

2) 전력증폭부(Power amplifier)

증폭부는 발진부로부터 고주파의 신호를 받아 증폭하여 진동자에 공급하는 회로로써 대용량 반도체

스위칭 소자를 사용한다. 스위칭 소자로써 TR, FET가 많이 이용되고 있다.

3) 임피던스 매칭회로(Impedance matching)

진동자는 용량성 혹은 유도성의 부하로써 전력전달의 측면에서는 바람직하지 않기 때문에 최대 전력

전달이 가능하도록 L혹은 C 를 이용하여 임피던스 매칭을 행한다.

4) 전력측정회로에 관해서

세정효과에 대한 관리를 하기 위해서는, 초음파의 출력상태를 관리하는 것이 중요하다. 출력상태의

관리는, 초음파의 액중음압을 실제로 측정하는 것이 바람직하지만, 소리의 강도를 측정하기 위해서는

음압 sensor 를 세정면 전체에 다수를 설치 이동시켜 측정해야 한다. 이 방법은 비용이 드는 것과,

세정 중에 측정을 할 수 없는 것 등의 이유로 실용상은 채용되어 있지 않다. 일반적으로 행하여지고

있는 방법으로서는, 발진기로부터 진동자에 공급되는 전력을 고주파전력계로 측정하여, 전력치를

관리하는 방법이 주로 채택되어 있다. 본 기기의 전력측정회로 block diagram 인 <그림 17>을 보면

전력증폭부에서 소정의 크기가지 증폭된 전력은, 정합회로와 진동검출회로, 진동자에 공급된다.

전력측정은, 정합회로에서 진동자에 가해지는 전압과 전류를 직류전압으로 변화하여 취득, 각각의

위상차이를 digital 신호화하여, CPU 회로부에 연산시킨 결과를 표시하고 있다. 회로 상에 사용하고

있는 current sensor 등의 부품에 의해, 생기는 위상의 틀어짐을 CPU 회로부에서 위상보정을 하고

있다.

5) 발진기의 각종 부가 회로

● remote 회로

● HIGH, LOW 출력회로

● 자기진단기능

● 외부출력제어

● timer 동작

● Analog 출력(0∼ 5V)

● 외부 interface(RS485)

◎ 8. 작동순서

① 전원 차단을 확인한다.

② 진동부 콘넥터를 발진기 뒷면의 OUTPUT 콘넥터에 연결한다. (방향주의)

③ 리모트기능을 이용할 경우, 제어선을 리모트 단자에 연결한다. (Option)

④ 220V 전원에 연결한다. (본 발진기는 220V 전용임.)

⑤ 진동부에 세척액이 충분한지 확인한다. (최소 5 ㎝ 이상)

⑥ 전원 S/W 를 ON 한다. 초음파 동작 중에는 스위치 상단 녹색 LED 가 켜진다.

(타이머 부착형인 경우에는 타이머 스타트 기능을 함)

⑦ 타이머 부착형인 경우 시간을 설정한다.

⑧ 세척조건에 따라 출력조절 볼륨을 조정한다.

⑨ 스위프 기능을 이용할 때는 스위프 S/W 를 누른다.

◎ 9. 설치시의 주의사항 ① 접지선을 연결할 것.

② 출력 콘넥터는 확실하게 접속할 것.

③ 발진기의 바닥과 뒷면의 통풍구에 주의할 것.

④ 주위온도가 규정온도(0 도에서 40 도)이내에 있는 지를 점검한다.

⑤ 습도가 높은 곳에는 설치하지 않는다.

⑥ 부식성 가스나 인화성 가스가 없는 장소

◎ 10. 사용상의 주의 사항 ① 세제가 없을 때 초음파를 작동시키지 말 것.

② 전원 전압 변동률을 10% 이내로 유지할 것.

③ 젖은 손으로 발진기를 조작하지 말 것.

④ 진동이나 충격에 주의할 것. (특히 진동부의 표면)

⑤ 관계자 이외에는 작동하지 말 것.

⑥ 장기간 사용하지 않을 때는 전원을 빼고 습기가 없는 곳에 보관할 것.

⑦ 이상 상태(소음이나 냄새, 연기 등) 때는 즉시 전원을 차단하고 원인 조치후 사용.

⑧ 질산 등 강한 부식성 약품을 사용할 때는 간접세정을 할 것.(수명이 단축됨)

◎ 11. 이상 때의 조치방법

상태 원인 처리 비고

전원이상

·Fuse 단선

·전원공급선 이상

- Fuse 교체

- 수지(A/S 의뢰)

Fuse 단선 반복

·출력 과다

·입력전압이 높을 때

- 출력을 저하시킴

- 입력전압을 정격 이내로 할 것

누 전

·접지 연결 불량

·진동자 극성 바뀜

·노이즈 필터 고장

- 접지를 확실하게 접속한다.

- 극성수정

- 교체(A/S 의뢰)

출력조절 이상 ·내부 회로 파손 - 수리(A/S 의뢰)

표시기 이상 ·감도 설정 이상 -감도조정(A/S 의뢰)

세척불균일 ·정재파의 형성 -피세척물 위치변경

금속성소음 ·알칼리세제의 경우강한 표면 장력에

의해 하울링이 발생할 수 있다.

-사용수의를 낮춘다.

-세제를 다른 종류로 교체

-정상보다 출력을 50%이상

상승시킴

기계적진동음

·FAN 작동상태 불량

·볼트가 느슨해짐

-통풍상태를 점검

-각 부분의 볼트, 너트 조임

세척이 약할 때

·출력조절이 LOW

·온도가 적정하지 않다.

·물의 경우, 탈기 안됨

·눈금이 조밀한 바스켓 사용

-HIGH 상태로 한다.

-온도를 맞춘다.

-탈기후 사용

-눈금이 큰 바스켓 사용

·플라스틱 용기 등으로 간접세척

·피세척물 위치가 나쁘다.

- 금속 혹은 유리용기 사용

- 방향을 수정한다.