초음파를 이용한 세척 방법은 정확하게 오염 물질을 제거할 수가 있는데요. 다양한 대상물에 사용할 수 있기 때문에 산업용 세척의 대표라고 해도 과언이 아닐 거예요. 제조 산업에 종사하시는 분들은 초음파가 왜 세척에 적합한지! 그 원리를 알아두시면 좋겠죠?
일반적으로 잘 알려진 초음파 세척은 산업 세정에서 뗄래야 뗄 수 없는 존재예요. 다만 초음파 세척이라 해도 주파수에 의해 얻을 수 있는 효과는 다르답니다. 각각의 차이를 제대로 파악하고 자신의 목적에 맞는 세척 방법을 선택합시다.
초음파 세척의 원리
초음파 세척은 이름 그대로, 초음파를 사용한 세정 방법입니다. 잘 지워지지 않는 얼룩이나 아주 좁은 곳에 낀 먼지까지 제거할 수 있기 때문에 다양한 분야에서 사용되고 있지요. 그럼, 초음파 세척은 어떤 원리로 오염을 제거하는 것일까요?
원래 초음파란 20kHz를 초과한 "인간의 귀에는 들리지 않는 소리" 입니다. 소리로는 들리지 않지만, 공기 (또는 액체나 고체)를 진동시키며 퍼져나가지요. 이 진동을 이용한 세정 방법을 초음파 세척이라고 하는 것이에요. 초음파 세척은 기본적으로 세제를 넣은 액체를 매개로 합니다.
그럼 왜 초음파가 오염 물질을 제거할 수 있는 걸까요? 그 원리로는 크게 캐비테이션과 액체 분자의 가속도라고 하는 두 가지를 꼽을 수 있어요.
캐비테이션 액체 안에는 많은 기체 분자가 존재하고 있습니다. 초음파 (20 ~ 100kHz)를 액체 안으로 조사하게 되면, 「正정」「負부」 두 종류의 압력을 교대로 그 분자에 걸 수가 있는데요, 이렇게 하면 正의 압력으로는 분자가 꾹꾹 압축되고, 負의 압력으로는 격렬하게 팽창하게 돼요.
이것을 반복하면 기체 분자는 터져서 파괴되는데, 이 작용이 바로 "캐비테이션"입니다. 분자가 파괴될 때의 충격파가 대상물에 묻은 얼룩을 벗겨내는 것이지요. 캐비테이션 작용을 발생시키는 것은 주로 중, 저주파수 세척이에요. 초음파의 발진 주파수가 낮을수록 캐비테이션이 발생하기 쉬워져요.
액체 분자의 가속도 물 분자는 초음파를 발생시키면 가속하는데요, 이 가속한 분자가 대상물에 부딪히면서 표면에 부착된 미세한 오염을 박리시키는 세척 원리가 "액체 분자의 가속도"에요. 가속도는 초음파의 발진 주파수가 커질수록 같이 커지기 때문에 중, 고주파 세척에서 적용되는 원리예요.
초음파의 발진 주파수가 바뀌면 파장도 변화해요. 주파수가 낮으면 파장은 길어지고, 주파수가 높으면 파장이 짧아지는 것이죠. 주파수에 따라 캐비테이션이나 가속도에 차이가 생기기 때문에 실제로 세척을 할 때에는 얻고자 하는 세정 효과와 대상물의 종류 등에 따라 주파수나 세정제를 구별하여 사용할 수 있으면 좋습니다.
초음파 세척의 특징
초음파를 이용한 세정 방법은 다른 세척 방법과 어떤 차이가 있을까요? 또한 초음파 세척 중에서도 저주파와 고주파는 각각 어떤 특징이 있을까요?
초음파 세척은 세척 수조의 바닥과 측면에 진동판을 설치하고, 세척 수조 외부에 있는 초음파 발진기를 조작하여, 세척 수조 내에 초음파를 발생시켜서 세척 효과를 얻어요. 이번에는 초음파 세척의 기본적인 특징을 알아보도록 합시다.
1. 매우 세정력이 높아서, 사람의 손으로는 청소하기 힘든 대상물의 작은 틈새의 미세한 오염까지 제거할 수가 있다. 2. 서로 다른 주파수를 여러 공정에 이용할 수 있기 때문에, 종류와 크기가 다른 입자를 제거할 수가 있다. 3. 사용할 수 있는 대상물의 종류가 다양하다. (하지만 대상물에 따라서는 상처가 생길 수도 있기 때문에 주의가 필요!) 4. 초음파가 닿는 부분과 닿지 않는 부분에서 세척 효과에 차이가 발생하기 때문에, 균일하게 초음파를 닿게 하기 위한 연구가 필요하다.
!!저주파와 고주파의 세척효과와 대상물에 미치는 영향의 차이!!
저주파 세척 저주파의 경우, 주요 대상물은 정밀 금속 부품 세척,플라스틱 부품의 탈지 세정 등이에요. 캐비테이션의 강력한 세정 효과로 찌든 때까지 꼼꼼하게 제거할 수 있어요. 가공유나 절삭유, 절분이나 연마 가루, 플럭스 제거 등에 최적이지요. 하지만 충격파에 의해 대상물에 손상을 입힐 가능성도 있을 거예요. 특히 26kHz 정도의 강력한 초음파는 알루미늄 호일에 구멍을 낼 정도의 힘이 있어요. 그래서 캐비테이션이 균일하게 이루어지도록 조정이 필요합니다.
고주파 세척 반도체 웨이퍼, 액정 유리, 하드 디스크 등은 고주파 세척이 사용돼요. 분자의 가속도에 의해 세척을 하기 때문에 캐비테이션에 의한 손상이 거의 없어서, 데미지에 약한 정밀 부품의 세정에 적합해요. 전체를 균일하게 세척할 수 있고, 파장이 짧기 때문에 미세한 오염까지 제거할 수 있지만, 대신 찌든 얼룩이나 큰 오염은 세척하기가 어려워요.
pH는 수소 이온의 농도를 나타내는 지표이며, 구체적으로는 물질의 산성 · 알칼리성의 정도를 수치화하여 표현하기 위해 만들어진 지표입니다. pH가 7이면 중성을 나타내고 그 이하의 경우는 수치가 작을수록 강한 산성, 그 이상의 경우는 수치가 클수록 강한 알칼리성을 나타내는 것이지요. 또한, pH가 1 변화할 때, 수소 이온 농도는 10 배, 또는 10 분의 1로 변화 하는것도 알아둡시다.
pH측정시 주의사항
화학을 다루는 현장에서는 다양한 화학 반응이 이용되고 있는데요. 화학 반응을 이용할 때, 대상물이나 부자재의 pH가 결과에 큰 영향을 주는 케이스가 많이 있어요. 아래에서는 pH관리를 행해야만 하는 가공 현장과 그 용도를 정리해 보았으니 참고해주세요.
금속가공 금속 가공에서 행해지는 용해액의 pH를 조정합니다. 필요한 금속을 추출하여 불필요한 금속을 녹지 않도록 하기 위해 용해액의 적절한 pH를 유지합니다.
플라스틱 가공 플라스틱 가공에서는 중합, 축합 등 이른바 고분자화 공정에서 pH 관리가 이루어지고 있습니다.
도금 도금은 아름다운 색상과 광택을 내기 위해서, 도금액의 pH 관리가 이루어집니다. 특히 산성 도금액에 있어서는 pH 조절이 적절하지 않은 경우, 제품의 미관을 해칠뿐만 아니라, 도금이 벗겨지기 쉬운 결함을 초래하기 쉽습니다.
도장 도장은 마감의 품질을 향상시키기 위해 표면 처리액의 pH를 적절하게 유지하는 관리가 이루어집니다.
절단 · 연마 가공 절단 · 연마 가공에서는, 금속 가공유제 (수용성 절삭 · 연삭유제)의 상태가 부적절하거나, 저하되어 있으면 녹이나 표면 도막의 얼룩 등의 원인이 됩니다. 따라서 일상적으로 농도 관리 · pH 관리를 실행하는것이 이상적입니다.
건설 현장 건설 현장에서 소지면의 확인을 위해 pH를 확인합니다. 소지면의 pH가 적당하지 않은 경우, 도장에 변색이나 얼룩, 벗겨짐등의 결함이 발생하기 쉽습니다. 수분 상태는 모르타르 수분 측정기의 수분 함유량이 5 ~ 6 %가되도록 유지하고, pH는 pH 미터 또는 pH 시험지에서 -9 이하가 되도록 합니다.
pH측정방법
pH 측정 방법에는 몇 가지 종류가 있습니다. 현장에 따라 사용하기 쉬운 방법으로 측정합시다.
리트머스 종이
리트머스는 식물에서 발견된 보라색 염료를 뜻하며, 이것을 종이에 스며들게 한 것을 리트머스 종이라고 합니다. 리트머스 종이는 산성 · 알칼리성을 간단하게 판별할 수 있기 때문에 간이적인 산성 · 알칼리성의 식별에 널리 사용되고있는 측정 방법입니다. 측정하고자 하는 수용액 등에 리트머스 종이를 적셨을 때 pH 4.5의 산성에서는 붉은 색, pH 8.3에서는 청색을 나타냅니다. 리트머스 종이는 중성 상태가 빨간색인 것과, 파란색 2 종류가 있으며, 이 2 종류를 사용하여 변색을 확인하는 것이 일반적입니다.
pH 시약
무색 투명 액체의 pH를 쉽게 측정 할 수있는 것이 pH 지시약입니다. 대표적인 것으로서 BTB 용액과 붉은 양배추 지시약이 있습니다. BTB 용액은 중성의 녹색을 중심으로 산성에서는 노란색, 알칼리성에서는 청색을 나타내는 지시약이며, 단순히 산성화 알칼리성 판별을 실시하고자 할 때 적합합니다. 붉은 양배추 지시약은 붉은 양배추의 천연 색소로, BTB 용액에 비해 판정 범위가 넓고, 어느정도의 pH인가를 판별 할 수있는 점이 특징입니다.
수소 전극 수소 가스를 흡착시킨 백금 전극 (수소 전극)을 이용한 측정법입니다. 수소 전극을 측정하고자 하는 수용액에 담그면 액체 중의 수소 이온 농도에 따라 전위가 발생하고, 이 전위 값에서 pH 값을 구하는 구조로 되어 있습니다. 그러나 수소 가스의 폭발 위험에 충분히 주의할 필요가 있습니다.
pH 미터
pH 미터는 내부에 유리 전극을 이용하는 전기 기계입니다. 두 종류의 용액을 유리막으로 분리하는 경우, 각각의 용액의 pH 차이에 따른 전위차가 발생하는 원리를 이용하고 있습니다. pH 미터의 유리 전극의 내부 기준수용액과 측정하고자 하는 수용액과의 사이에 전위를 발생시켜, 이를 측정함으로써 수용액의 pH를 정확하게 측정 할 수 있습니다.
정리
pH 값의 관리는 화학 반응을 이용하는 다양한 현장에서 빼놓을 수없는 작업입니다. 마감의 미관 및 내구성을 유지하기 위해 pH를 적절한 상태로 유지하는 것에 항상 주의합시다.
클린 룸(크린 룸)이란, 공기 중에 포함되는 미립자의 수에 일정한 제한을두고 실내 공기를 적절한 상태로 유지 한 방(room)을 뜻합니다. 청정도를 나타내는 「클래스」는 각 규격에 따라 다양한 수준으로 구분되며, 엄격한 기준이 정해져 있습니다.
크린 룸은 FED, ISO 2개의 규격이 존재하고 공기 중에 포함되는 대상 입자크기의 입자 수에 따라 청정도를 각 클래스로 구분하고 있습니다.
클래스란?
클래스는 크린 룸의 청정도를 나타내는 지표입니다. 크린 룸의 용도는 일반적인 실내보다 청결한 환경을 필요로하는 의료기관 치료실과 같은 곳부터, 눈에 보이지 않는 크기의 작은 먼지가 제품의 치명적인 결함이 될수있는 반도체 공장과 같은 곳까지 다양하며, 요구되는 청정도도 다릅니다. 이러한 깨끗한 환경을 필요로하는 각 장소에서 그 필요 수준에 따라 적절한 환경을 마련하기 위해 크린 룸을 청정도별로 분류하는 "클래스"라는 개념이 설정되었습니다.
일반적으로 자동차 부품 공장이나 수술실 · 치료실 등에서는 클래스 1000 ~ 100000, 약품 · 식품 공장 등에서는 클래스 100 ~ 100000 전자 정밀 부품 공장에서 클래스 100 ~ 10000, 반도체 공장에서는 클래스 1 ~ 100의 기준치를 가지고 있습니다. (FED 규격). 크린 룸 설비에는, 그 요구 청정도에 따라 실내 양압 관리 및 특수 배기 시스템, 이중 문, 작업자를 통한 미립자의 반입을 방지하는 에어 샤워 등, 다양한 시설이 수반됩니다.
산업 분야
요구되는 청정도
반도체 공장
클래스 1 ~ 100
전자 부품 공장 정밀 공장
클래스 100 ~ 10,000
약품 · 식품 공장
클래스 100 ~ 100,000
자동차 부품 공장 · 수술실 · 치료실
클래스 1000 ~ 100,000
클래스의 표시 방법
클린 룸 클래스는 단위 부피 당 공기에 포함 된 대상 입자크기의 입자숫자로 구분할 수 있습니다. 예를 들어, JIS 규격에서는 1입방 미터의 공기 당 입경 0.1μm의 입자가 1000 개 들어있는 경우 클래스 3이되고, 10000 개 포함되어있는 경우 클래스 4가 됩니다.
현재 한국에서 사용되고있는 클린 룸의 규격은 FED (미국 연방 규격), ISO 2 가지입니다. 각 2개의 규격은 미터법을 사용하거나 피트 법 등, 클래스의 표현은 미묘하게 다릅니다 만, 「클래스의 숫자가 작을수록 청정도가 높다라는 점 에서 는 공통점이 있습니다.
FED 규격
가장 오래된 사용되는 규격이며, 관습 적으로 지금도 가장 많이 사용되는 것이 FED입니다. FED 표준은 공기 1 입방 피트 당에있는 0.5μm 이상의 입자 수에 따라 클래스 1에서 클래스 100000까지 분류합니다. FED 규격에서는 대상 입자의 수를 그대로 클래스의 표현에 대응하기 위해 단위 부피 당 0.5μm의 입자가 100 개 이하인 경우의 표현은 클래스 100입니다. FED 규격의 클래스 100은 ISO 규격의 ISO5 수준에 해당합니다.
청결도
ISO 레벨 기준치 상당
입경 0.5 / μm의 입자 수 (1f3)
클래스 1
ISO 3
1
클래스 10
ISO 4
10
클래스 100
ISO 5
100
클래스 1000
ISO 6
1000
클래스 10000
ISO 7
10000
클래스 100000
ISO 8
100000
ISO 규격
ISO 표준은 현재는 국제 통일 규격으로 사용되고 있으며, FED 등의 다른 표준을 사용하는 현장에서도 ISO 표준 관리로 변경하려는 움직임도 있습니다. ISO 표준은 1 입방 미터 당 공기 중에 존재하는 0.1μm 이상의 입자 수를 기준으로 클래스 1에서 클래스 9까지로 분류합니다. 클래스의 숫자는 입자의 수를 지수로 나타낸 때의 지수입니다. 즉, 1 입방 미터의 공기 중에 0.1μm 이상의 입자가 1000 개있을 경우는 1000 거듭 제곱으로 표현했을 때의 지수는 3이므로, 클래스 3입니다.
클래스 설정
크린 룸의 출시에 있어서, 클래스의 설정은 가장 중요한 고려 사항입니다. 크린 룸의 건설 · 유지 비용이 클래스가 높아질수록 증가하기 때문입니다. 작업 내용과 제품 요구 품질, 비용 및 수율 등을 신중하게 검토 한 후 필요한 수준의 클래스를 설정합시다.
