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초음파 세척이란

1. 초음파 세척이란 무엇인가?

초음파란 인간이 들을 수 없는 진동수의 소리(20kHz이상)를 의미한다. 초음파는 진동의 형태로 에너지를 전달하는 것으로 전파와는 전혀 다르다. 초음파는 짧은 파장과 느

린 전달 속도,높은 에너지 투과율 등의 성질이 있어 수중 통신이나 의료용의 진단 장치, 산업용 설비 진단 장치, 센서, 용착기, 가공기, 연마기, 유화기 등의 넓은 응용 분야를 가지고 있다. 이중에 초음파를 세척에 이용하는 기술이 초음파 세척 기술로써 현재까지 이용 가능한 세척 기술 가운데 가장 효율적이며 경제성이 높을 뿐 아니라 다른 세척기술로는 이룰 수 없는 효과를 얻을 수 있다.

초음파 세척은 주로 초음파의 캐비테이션 현상에 의해 이루어진다. 캐비테이션 현상은 초음파의 에너지가 용액중에 전파될 때 초음파의 압력에 의해 미세기포가 생성되고

소멸되는 현상으로 매우 큰 압력( 수십기압에서 수천기압 )과 고온( 수백도에서 수천도 )을 동반한다. 이 충격파에 의해 액중에 담겨있는 피 세척물의 내부 깊숙히 보이지

않는 곳까지 단시간 내에 세척이 가능해 진다.

실제의 경우에는 캐비테이션에 의한 충격 에너지에 더하여 초음파 자체의 방사압에 의한 교반 효과, 열작용 등이 세제와 상승 작용을 일으켜 높은 세척 효과를 이루어 낸다.

그러나 초음파 세척이 많은 장점들을 가지고 있지만 실제의 응용에서는 초음파의 특성을 저해하는 여러 가지의 요인들이 있기 때문에 이에 대한 많은 고려가 필요하다. 여

러 조건들이 적합하지 않을 경우에는 예기치 못한 결과가 일어날 수 있다.

초음파 세척이란 피세정물에 부착된 오염물질을 물리적(초음파), 화학적수단(세제가 주)을 이용해서 제거하고 이것이 다시 부착되지 않게 하는 것이라고 간단하게 정의 할 수 있다. 초음파에 의한 물리적 현상이란 초음파의 케비테이숀(공동)현상에 의해 이루어지는 것을 말한다. 이 케비테이숀현상이란 초음파의 에너지가 액중에 전파 될 때 초음파의 압력에 의해 미세기포가 생성되고 소멸되는 현상으로 매우 큰 압력 (수십 기압에서 수백 기압)과 고온(수 백도에서 수천도)을 동반한다. 이러한 현상은 극히 짧은 시간(수 만분의 일초에서 수십만 분의 일초) 내에 생성과 소멸을 반복하게 된다. 이 충격파에 의해서 액속에 담겨 있는 피 세척물의 내부 깊숙이 보이지 않는 곳까지 짧은 시간 내에 세정이 이루어진다. 실제의 경우에는 케비테이숀에 의한 충격 에너지에 더하여 초음파 자체의 방사압(放射壓)에 의한 교반효과(攪拌效果) 열작용 등이 세제와 상승 작용(相乘作用)을 일으켜 높은 세정 효과를 이루어 낸다. 그러나 초음파 세정이 많은 장점을 가지고 있지만 실제 응용에 있어서는 초음파 특성을 저해하는 여러 가지 요인이 있기 때문에 이에 대한 고려와 여러 가지 조건이 적합하지 않을 경우에는 예기치 못한 결과가 발생 할 수 있다. 그러므로 최적의 세정을 행하기 위해서는 이러한 조건들을 잘 검토해서 최적의 조건을 갖출 필요가 있다. 필요에 따라서는 전문 업체와의 상의에 의해 최적의 조건을 찾는 것도 하나의 방법이다. 

2. 초음파 세척에서 고려해야 할 사항

초음파를 이용하여 효율적인 세척을 하기 위해서는 캐비테이션 강도에 영향을 미치는 여러 가지의 조건들을 검토하여야 한다. 특히 온도, 세제의 종류, 주파수 그리고 설

치방법 등은 매우 중요한 요소이다.

(1) 온도

온도는 초음파 세정의 중요한 요소의 하나이다. 세제의 여러 가지 특성들이 온도에 따라 변화하기 때문이다. 특히 기화 압력, 표면장력, 용존가스 확산율, 가스의 용해성 등

은 온도에 민감하다. 용액마다 특성의 차이가 있지만 일반적으로 온도가 높을수록 캐비테이션 강도가 세지고 세척 효과가 좋아진다. 용액의 기화점 (boiling point) 부근에

서는 그 용액이 초음파의 부압 때에 기화하게 되므로 캐비테이션이 약하게 된다. 

<그림 1 참조>

또한 온도는 화학반응의 속도와 효율에도 많은 영향을 미친다. 물은 70도 부근에서 가장 효과적으로 캐비테이션을 일으킨다. 그러나 어떤 물과 용제의 혼합 용액은 80도

부근에서 가장 세척 효율이 좋아진다. 그 이유는 캐비테이션은 비록 감소하지만 화학반응이 활발해짐으로써 전체적으로는 효과가 증대되기 때문이다. 그러나 그 이상의 온도

가 되면 캐비테이션이 급격하게 감소하여 전체적인 세척 효율도 감소하게 된다. 낮은 온도에서 사용하도록 만들어진 세제들은 높은 온도 ( 규정온도이상 )에서는 화학반응이

나빠지게 되므로 주의할 필요가 있다. 용제 ( Solvent )의 경우에는 통상 최대 사용 온도가 기화온도보다 10도 이상 낮도록 해야한다.

한편 실제의 사용에 있어서는 온도를 낮추어 사용하는 경우가 많은데 그 이유는 높은 온도에서는 큰 소음이 발생하기 때문이다.

(2) 용액속의 용존가스

용액 안에 녹아있는 용존 가스는 캐비테이션 강도를 약화 시키는 역할을 한다. 이것은 부압상태 때 캐비테이션 기포 안으로 용존 가스가 확산되어 들어옴으로써 기포 안의 진공도를 떨어뜨리기 때문이다. 기포 안의 가스는 폭발 때 완충 역활을 하여 충격을 감소시키는 역할을 한다. 따라서 실제의 사용 시에는 용액 안의 가스를 제거해야 효과적인 세척을 할 수가 있다. 용존 가스는 여러 가지의 방법으로 제거 할 수 있다.

① 초음파의 단속적인 조사 - 초음파를 단속적으로 조사하면 탈기 효과가 있다. 그 이유는 다음과 같다. 초음파의 조사기간에는 많은 기포가 생성되어 용액속의 용존가

스를 빨아 들인다. 그러나 그 흡수된 가스는 기포의 폭발에 의해 다시 용액속으로 침투해 들어가게 된다. 따라서 초음파를 단속시키게 되면 미처 파괴되지 않은 기포들

이 표면으로 올라와 터짐으로써 가스가 제거된다.

② 용액의 가열 - 액체는 온도가 상승하면 가스를 구속하는 힘이 약해지므로 탈기 효과가 높아진다. 따라서 초음파를 사용하기 전에 실제 사용시의 온도로 미리 데워

놓는 것이 좋다.

③ 세제류의 이용 - 일반 세제류는 물의 표면장력을 약화시키는 효과가 있기 때문에 초음파가 조사되면 쉽게 탈기된다.

(3) 표면장력 ( Surface Tension )

일반적으로 표면장력이 큰 액체에서는 캐비테이션 강도가 강해진다. 이것은 표면장력이 클수록 캐비테이션 기포에 축적되는 에너지가 커지기 때문으로 생각된다.

(4) 점성 ( Viscosity )

점성이 강한 액체일수록 캐비테이션 현상이 일어나기가 어렵다. 모타오일 같은 것은 정상적인 초음파의 조사로는 캐비테이션 현상이 일어나지 않는다.

(5) 초음파 출력

초음파 세기는 용도에 맞추어 선택하여야 한다. 너무 센 경우에는 피세척 물이 파괴되기 쉬우며 에너지가 낭비될 뿐만 아니라 진동부의 수명도 짧아지게 된다. 특히 파괴

되기 쉬운 물체를 세척할 때는 출력 조정기 등을 이용하여 출력을 미조정 하여야 한다.

(6) 초음파 주파수

캐비테이션 강도는 주파수가 낮을수록 세어지며 100kHz 이상에서는 거의 캐비테이션 현상이 일어나지 않는다. 그러나 고주파가 될수록 기포의 크기가 미세해지므로 정밀세척에 유리하며 소음 레벨이 낮아지는 장점이 있다. 따라서 정밀 세척의 경우에는 보통의 28kHz보다는 40kHz의 것이 좋다.

① 초음파 주파수와 입경의 관계 - 주파수가 높을수록 미세한 입자를 세척할 수 있다. 통상의 세척기응용에서는 0.4μm 이상에서는 28kHz를 많이 이용하고 0.1μm 이하

에서는 300kHz 이상의 것을 채택한다. 두 주파수 대역 사이에는 40～50kHz 대가 많다.

② 초음파 주파수와 침투력의 관계 - 주파수가 높으면 캐비테이션이 약해지지만 침투력은 증대된다. 그림 2를 보면 약 40kHz 부근에서 균형이 맞는다는 것을 알 수 있다. 미국이나 유럽 등에서는 이러한 이유 등으로 인하여 40kHz가 주류를 이루고 있다.

(7) 피세척물 설치방법

피세척물은 용액을 통하여 초음파와 접촉하게 된다. 이에 대한 고려가 미츱함으로서 효과적인 세척이 이루어지지 않는 경우가 많이 있다.

다음은 주요 고려사항 들이다.

① 방향의 선택을 잘못하여 에어포켓( Air pocket )이 생기는 경우가 있다. 예를 들면 한쪽이 막힌 파이프 등의 물체를 아래로 하여 투입하면 에어 포켓이 생기며 이로 인하

여 세척이 안되는 부분이 생긴다. 이와 같이 방향 선택이 잘못되어 세척되지 않는 경우에 주의해야 한다.

② 작은 물체를 겹겹이 쌓아 올렸을 때 맨밑의 물체에 의해 초음파 에너지가 약해져 윗 부분의 물체에는 작용을 하지 못하는 경우가 많다. 이러한 경우에는 많은 양을 한

번에 장시간 처리하는 것보다 작은 양으로 나누어 처리하는 것이 효율적이다.

③ 바스켓이나 피세척물 고정용 기구는 가능한한 초음파에 영향을 주지 않도록 만들어져야 한다. 바스켓에 주로 사용되는 그물망은 주파수에 따라 감쇠를 일으킨다.

그림 3은 그물의 피치를 바꾸어 가면서 실험한 것으로 28kHz에서는 10mm 이상, 40kHz에서는 7mm 이상의 것을 사용하는 것이 좋다. 또한 그물의 두께도 얇을수록 좋

다.  피세척물이 작은 경우에는 비이커나 스테인레스 용기 등을 이용한 간접 세정이 유리하다.