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3) 초음파 세척의 원리
초음파 세척은 주로 초음파의 캐비테이션 현상에 의해 이루어진다. 캐비테이션 현상은 초음파가 용액 중으로 전파될
때 초음파의 큰 압력변화에 의해 미세기포군이 생성되고 소멸되는 현상으로 매우 큰 압력과 고온을 동반한다. 이
압력과 고온은 수백 분의 1초에서 수천 분의 1초 단위의 짧은 시간동안 발생한다. 이러한 강력한 힘에 의해
오염물질을 분산 및 분해시키며 또한 세척제의 효과를 극대화시킬 수 있게 된다. 한편, 고주파의 경우에는 초음파의
특성상 이러한 종류의 캐비테이션은 일어나지 않고 액체 분자의 입자 가속도가 매우 커지게 된다. 가속도는 큰
마찰력 및 충격력을 발생시키므로 이를 이용하여 초정밀 세척을 하게 된다.
2. 캐비테이션 현상
(1) 초음파 세척의 원리
초음파 세척의 원리는 초음파의 음압효과와 캐비테이션 효과 2가지로 나누어 볼 수 있다. 캐비테이션에 의한 효과는
기포의 진동에 의한 교반 효과와 기포의 폭발에 의한 기계적, 회화적, 열적효과로 나누어 볼 수 있다.
캐비테이션에 의해 오염이 제거되는 과정은 다음과 같다. 캐비테이션 기포가 폭발하여 오염물질 사이에 틈을 만들고
그 틈으로 기포들이 침투하여 폭발함으로써 완전하게 오염물질을 탈착하게 된다.
(2) 캐비테이션 현상(공동 현상)
·캐비테이션 기포의 생성과정
a. 용역 내에 강력한 초음파를 조사하면 압축력(정압)과 팽창력(부압)이 반복적으로 나타나게 된다.
b. 부압 주기 때에 액중의 미세한 이물질 혹은 기체 분자를 중심으로 기포(공동)가 발생됨
c. 이 기포는 다음의 압축주기 때에 고압으로 압축된다. 압축력이 용액의 표면 장력보다 작을 때 기포는 소멸되지
않는다.
d. 기포는 다음의 부압 때 다시 팽창한다. 부압의 세기가 어느 수준 이상이면 기포의 입경은 커진다.
e. 이 과정을 무수히 반복하면서 점점 입경이 커지게 된다.
f. 어느 일정 압력 이상(용액의 표면장력 이상)이 되면 이 기포는 단번에 수축 폭발하면서 매우 큰 충격파를
일으키게 된다.
1) 캐비테이션 임계값
캐비테이션 발생이 시작될 때의 액체압력을 임계값이라고 한다. 이 값은 실험조건에 따라 다르고, 특히 액체의
물리적, 화학적인 성질에 많은 영향을 받는다. 캐비테이션 발생시점의 기준에 대해서는 여러 가지의 의견이 있지만
강력 초음파 응용에서는 눈으로 보아 캐비테이션 기포가 발생하는 시점으로 규정한다.
2) 초음파 주파수와 캐비테이션 발생
5Khz이하 - 주파수에 관계없이 캐비테이션을 일으키는 음의 강도는 일정
10Khz이상 - 음의 강도가 점점 커짐
수십Khz대 - 실용 주파수대
100Khz이상 - 매우 커짐
주파수가 높을수록 더 높은 파워(음의 강도)가 요구되는 이유는 주파수가 높을수록 기포가 충분히 커질 수 있는
시간적인 여유가 점점 줄어들기 때문이다. 실용적으로 캐비테이션을 효과적으로 이용하려면 수십 Khz대의 것을
사용하는 것이 좋다.
3) 기포의 수축과 온도 상승 : 기포가 초음파의 압력을 받아 수축할 때 기포의 내부는 고온 상태가 된다.
이론적으로 계산하면 수천도 까지 되지만 실제로는 방열 등에 의해 온도 상승이 크지 않다. 그러나 순간적으로는
고열이 발생한다는 것을 알 수 있다.
4) 기포의 수축과 압력상승
기포가 수축되면 기포 내부의 압력은 상승한다. 실제로 이 압력을 측정할 수는 없지만 대략 수십 기압에서 수천
기압 정도 일 것으로 추정된다.
3. 초음파 세척의 주요 물리적 특성
(1) 온도
· 물인 경우 온도가 높을수록 캐비테이션 강도가 약해지고 캐비테이션 기포의 수는 증가한다.
· 캐비테이션 강도는 용액의 기화점(boiling point)부근에서는 매우 약해진다.
· 용제(Solvent)의 경우에는 기화온도보다 10도 낮게 사용함. 또한 화학적인 안전성 관계에 따라서도
온도 설정이 영향을 받는다.
· 소음과의 관계 - 높은 온도에서는 큰 소음이 발생하기 때문데 소음을 줄일 필요가 있을 경우에는 낮은 온도로
사용하는 것이 좋다.
(2) 용액 속의 용존가스
·용액 안에 녹아있는 용존가스는 캐비테이션 강도를 약화시킨다. 예를 들면 일반 물에는 8ppm정도의 산소가
녹아 있는데 이를 0.5ppm까지 제거하면 초음파의 세기는 약 5배까지 강해진다. 최근에는 세척의 품질관리
측면에서 특히 중요성이 높아져가고 있다.
(3) 표면장력(Surface Tension) : 표면장력이 큰 액체에서는 캐비테이션 강도가 강해진다. 그러나
발생하기는 어렵다.
(4) 점성(Viscosity) : 점성이 강한 액체일수록 캐비테이션현상이 일어나기가 어렵다.
(5) 초음파 주파수 : 고주파일수록 캐비테이션 강도는 낮아지지만 기포의 크기가 미세해지므로 정밀세척에 유리하며
소음 레벨이 낮아진다.
·초음파 주파수의 입경의 관계 - 입경 0.4 ㎛이상에서는 28Khz
입경 0.1㎛이하에서는 300Khz 이상
그 사이에서는 40~50Khz 대를 이용함 |
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