초음파의 원리 > Technical support

1. 초음파 세척의 원리 중

1. 출력변동에 대하여

초음파 세척기는 세정액의 높이나 부하 - 피세척물 - 에 따라 출력이 변동하는 문제를 가지고 있다. 특히 단주파 방식에서는 매우 변동폭이 커서 무 부하 때의 20～30% 정

도에 불과한 경우도 있다. 그림 14는 NTK의 24kHz, 300W 투입형 진동자로 실험한 것으로 수심과 전기입력의 관계를 보여주고 있다. 이 그래프에서 보면 수심의 작은 변화에도 출력이 크게 변화한다는 것을 알 수 있으며, 약 30mm마다 출력이 주기적으로 변동 한다.

이 현상은 기본적으로 초음파 진동자의 특성 변화 - 임피던스 - 에 기인하는 것으로 진동자 특유의 공진특성에서 비롯된다. 즉 BLT 진동자는 2개의 압전소자와 그 앞뒤를

구성하는 금속 블럭의 공진을 이용하는 것인데, 초음파 세척 탱크와 연결되면 탱크내 용액의 높이가 또 다른 공진블럭처럼 되어 전체 공진 특성에 영향을 미치게 된다. 따라

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

이 현상을 면밀하게 검토하면 진동자의 특성변화는 정재파 현상과 매우 밀접한 관계가 있다는 것을 알 수 있다. 즉 세정액이 공진블럭으로써의 역할을 하게 될 때는 정재

파가 형성되기 때문이다. 따라서 정재파 현상이 적으면 출력변동도 작아지고 정재파 현상이 크면 출력변동도 크게 된다. 따라서 출력변동을 없애기 위해서는 먼저 정재파

를 제거해야 한다. 또한 발진기 회로내에 진동자의 특성변화를 보상해 줄 수 있는 정전력회로를 사용하면 더욱 큰 효과를 볼 수 있다.

2. 에로전현상에 대하여

에로젼( Erosion ) 현상이란 초음파의 방사면이 침식되는 현상을 말하는 것으로, 사용기간이 길어짐에 따라 침식되고 깍여나가 결국은 사용 불가능한 상태로까지 된다.

이 에로젼 현상은 주로 캐비테이션에의한 것으로 방사면 근처에서의 캐비테이션 충격파가 방사면에 흠집을 내기 때문이다. 캐비테이션에 의한 충격파는 작으면 수십 기압

에서 클 경우는 수천 기압까지 되기 때문에 마치 작은 폭탄이 터지는 것과 같다. 에로젼은 특히 다음과 같은 경우에 심해진다.

① 정재파등에 의해 방사면 부근의 캐비테이션 밀도가 높아질 때 ( 이를 횡모드 혹은 깔린다 라고 한다. )

② 증류수등 캐비테이션 강도가 센 매질을 사용할 때

③ 금속을 부식 시키는 성질이 있는 산, 알칼리등을 사용했을 때

④ 진동자 배열의 간격을 너무 크게하면( 보통 28kHz 일 때 10～20mm 정도 ) 굴곡진동이 일어나 진동자 사이에 캐비테이션이 강한곳이 생겨 에로젼이 심해진다.

⑤ 방사면에 흠집이 있거나 표면연마 상태가 나쁠 때 기타 에로젼의 정도를 결정하는 요소로는 온도, 초음파의 세기등이 있다.

에로젼이 심해지면 그 곳에서 많은 기포가 발생되고 소음이 증가하여 세척력이 증가하는 것같이 보이기 쉽지만 실제로는 그 기포에 의해 초음파의 전달이 방해 받으므로

효율이 나빠지게 된다. 음향적인 면에서 보면 진동판의 재질로는 티타늄이 가장 적당한 것으로 알려져 있으나 매우 고가이기 때문에 일부 특수한 용도를 제외하고는 스테인레스를 사용한다. 통상 부식, 내열성 등을 고려하여 SUS316L을 주로 사용하며 SUS304를 사용할 경우에는 30～50μm 정도의 경질 크롬 도금을 하여 사용한다. 진동판의 두께는 1～3mm 정도이다.

3. 초음파 세척 효과 판정법

초음파의 세척 효과를 판정하는 방법은 다양하다. < 표 2 참조 >

세척 효과 판정법에는 광학적 방법( 투과광측정 ), 음향적 방법( 캐비테이션 잡음의 측정 ), 물리적, 화학적또는 생물학적 방법이 있어서 이로부터 정량적 으로 판정할 수 있

다. 화학적인 방법의 예로는 옥화 칼리 용액중의 유리되는 옥도의 양을 측정하는 방법이 있으며 물리적인 것으로는 알루미늄 박의 침식을 이용하는 방법이 신뢰성이 있다.

세척 효과를 판정하는 방법은 많이 있지만 각각 상대적인 요인들이 많이 있기 때문에 표준화 및 세척도를 표준화 하기가 매우 어려운 것이 현실이다.

<표 2> 초음파 세척효과 판정 방법