초음파 세척의 원리

초음파 세척의 원리

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.

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