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초음파 세척의 원리

1. 정재파 문제

모든 에너지의 방사에는 정재파( Standing wave )현상이 생긴다. 이 현상은 에너지 방사면과 마주보는 반사판이 있을 때 주로 나타나는 현상으로, 방사되는 파와 반사되어

돌아오는 파가 합성 강화되어 마치 파형이 정지하고 있는 것과 같은 에너지 분포를 나타내는 현상이다. 이와 반대로 에너지 파동이 파형에 따라 진행하는 것을 진행파라

고 한다. 이러한 정재파는 사각형 모양의 실내에서 음악을 들을 때도 쉽게 느낄수 있다. 즉 실내의 어느 부분에서는 음악이 잘 들리지만 어떤 부분에서는 웅하는 소리가

크게 들리게 되는 데 이것이 바로 정재파에 의한 현상이다. 정재파 현상은 전파전달 에서도 흔히 나타나는 현상이다.

단일 주파수를 사용하는 초음파에서는 매 1/4주기 마다 고저의 음압 분포가 형성되고 이에 따라 캐비테이션 밀도가 분포하게 된다.

 <그림 7참조>

25kHz에서는 방사면 으로 부터 약 30～35mm의 간격으로 나타난다. 이 모양은 초음파 탱크에 알루미늄 박을 세워 보면 알 수 있다.

그림 8에서 보면 세척이 잘되는 부분과 잘 안되는 부분이 존재하게 되어 균일한 세척이 이루어지지 않을 뿐 아니라 피세척물이 파괴되는 경우도 있다.

이와같이 정재파는 초음파 세척 기술에서 해결해야 할 중요한 문제의 하나이다. 즉 정재파를 어떻게하여 제거할 것인가? 혹은 정재파에 의한 불균일 세척을 개선시킬 수 있는가가 중요 연구대상 이었으며 그 사이 여러 가지의 대안이 연구되어 왔다. 

그 방법으로는 

①피세척물을 세척탱크 내에서 상하운동 시키는 것 

②초음파 방사면을 특수하게 제작하는 것 

③측면에 진동자를 부가하는 방법 

④초음파의 주파수를 높이는것 

⑤두개 이상의 초음파를 이용하는 것 

⑥단일 주파수를 연속가변 ( Sweep ) 하는 것  등이 있다.

(1) 피세척물의 상하이동

정재파의 산과 골( 압력이 높은 곳을 산, 낮은 곳을 골이라 한다. )에 피세척물을 고루 접촉시키기 위하여 고안된 방법으로 수동 혹은 자동기구를 이용하여 행하여지는 것이 보통이다. 그러나 이 방법은 기구적으로 복잡해지고 생산효율이 떨어지며 피세척물의 파손은 막을 수 없다는 문제점이 있다.

(2) 방사면의 형상을 특수하게 제작하는 방법

정재파 현상은 그 발생 원리상  방사면과 반사면( 즉 수면 - 초음파는 물과 공기의 경계면에서 거의 완전히 반사한다. )이 평행할 때 많이 생기므로 방사면의 구조를 특수하게

제작하면 효과가 있다. 그림 10과 같이 하면 난반사가 일어나므로 세척 탱크 내에 고르게 캐비테이션이 부포하게 된다. 그러나 방사면을 특수하게 할 경우 진동자 설치 등에

많은 어려움이 따른다.

(3) 측면에 진동자를 부가하는 방법

그림 11과 같이 진동자를 측면에 하나 더 부가하는 방법으로 피세척물의 형상에 따라 종래부터 사용되어 오던 방법이다. 이 방법은 탱크내의 정재파의 형성을 측면으로 부터의 방사파로 방해하는 것으로 효과는 좋으나 비용이 많이 드는 방법이다.

 

(4) 높은 주파수의 사용

통상의28kHz의 경우에는 산과 산사이의 간격이 30mm 정도 되지만 주파수를 높이면 파장이 짧아지므로, 그 간격이 작아져서 저주파 때와 비교하면 정재파의 영향이 많이

줄어들게 된다. 그러나 이 경우에도 정재파현상이 근본적으로 사라진 것이 아니며 아주 높은 주파수의 경우에는 캐비테이션이 약해져 전체적인 세척 효율이 나쁘게 된다.

(5) 다주파 방식

이 방식은 최근들어 가장 활발하게 적용되는 방법으로 2개 이상의 주파수를 동시에 방사하는 것이다. 이에 의해 정재파의 형성을 방해하여 전체 세척조내에 균일하게 캐비

테이션을 분산시키는 효과가 있다. 따라서 첫째 작은 파워로 효과적인 세척이 가능하여 경제적이며, 둘째 정재파에 의한 캐비테이션 밀도의 집중이 작으므로 파손 위험이 적

다. 셋째 피세척물의 형상에 따른 세척효율의 저하를 방지할 수 있는 장점이 있다.

다주파 방식의 종류는 각 제조업체에 따라 매우 다양하지만 주로 다음과 같이 분류 할 수 있다.

① 2주파방식 - BLT의 구조를 연구하여 기본주파수와 그 1차 고주파 ( Harmonic : 모든 진동물체는 기본 진동 이외에 2,3,.. 1/2,1/3배 등의 부차적인 진동을 수반하는데

이 진동들을 고주파 혹은 하모닉이라 부른다. )를 적극적으로 이용하는 방식으로 주로 NTK등의 일본 회사에서 채택되는 방식이다.

② 특수한 구조의 복합주파수 방식 - 보통의 진동자는 원통형으로 제작되어지는데 비해 특수하게 사각형으로 하여 그 모서리에서 생기는 복잡한 공진을 이용하는 방식이다. 이 방식은 기본주 파수와 기타 복합성분의 주파수가 혼합되어 있다. 이 방식은 진동자가 엄밀하게 설계되지 않으면 고주파의 파워가 약해지고 모서리 부근에서 에

로젼( 침식 )이 심해지는 문제가 있다.

③ 진동자 스위칭방식 - 이 방식은 하나의 진동유니트나 방사면에 2종류 이상의 진동자를 장치하여 각각 동작시키거나 번갈아 동작시키는 방법이다. 이 방식은 조합이

자유로운 장점이 있다.

이상과 같은 여러 가지의 방법으로 2주파, 3주파, 4주파 기타 다중 난반사 등의 여러가지가 실용화되어 있다. 

< 그림 12 참조 >

(6) 스위프방식 ( Sweep frequency )

이 방식은 FM 방식이라고도 하는데 단주파 방식을 개선한 것으로 경제적으로 유리하여 최근에 많이 채택되고 있는 방식이다. 이것은 진동자의 Q 값을 낮추어 공진주 파수

부근에서 주파수를 스위프 ( 연속가변 )시키는 것으로 그림 13과 같이 정재파의 영향을 분산시키는 것이다. 이 방식은 미국, 일본의 회사들을 중심으로 많이 채택되고 있

다.