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1. 초음파 세척
1) 초음파의 정의
인간의 귀를 통하여 들을 수 있는 가청 주파수 범위는 20Hz ~ 20 KHz 이다. 초음파는 가청주파수 밖의
진동음을 말한다. 소리는 기계적인 진동에 의하여 공기의 압력이 고압과 저압으로 빠르게 변화하여 진동 소스로부터
전파되어 사람 귀에 들리는 것이다. 음은 크게 초저주파, 가청음, 초음파로 분류한다.
인간이 들을 수 있는 가청 주파수대역(20~20000Hz) 보다 높은 주파수 즉 20 Kz 이상을 초음파이라고
한다. 초음파는 응용범위가 매우 다양하다. 세척, 가공, 계측, 의료진단 등 매우 많은 분야에 활용되고 있다.
가청주파수 보다 낮은 초저주파의 응용은 공학적으로 사용 빈도가 초음파에 비하여 매우 용도가 낮다. 경우에 따라서는
비록 가청주파수 범위의 음파이라도 사람의 귀를 통하여 듣기 위한 목적이 아니라 기계의 고장 진단 등 공학적
목적으로 사용되면 초음파 응용기술 범주에 포함시킨다. 넓은 의미에서는 초저주파 응용기술도 초음파의 범위에 포함시키기도
한다.
2) 초음파의 응용분야
▣ 계측 - 초음파 줄자, 이동로봇의 전방의 방해물 감지, 마이크로 로봇
▣ 정보통신 - 소나, 어군탐지기 등 수중 탐지
▣ 의료용 진단장치 - 초음파 단층촬영기, 초음파 치료기 외
▣ 재료내부 결함 검사 - 비파괴검사, 용접부위 결함검사, 주물내부 공격 검사
▣ 산업용 설비진단 - AE센서
▣ 산업용기계 - 세척기, 용착기, 가공기, 연마기, 유화기
▣ 가공 - 초음파 금형 가공
▣ 디지털 데이터 전송 - 공장 내부에서 무인차량의 제어용 통신
▣ 기타 - 초음파 모터, 초음파 이송장치 등.
2. 초음파 세척
1) 세척의 기본
세척이란 필요한 물건 위에 더러운 때, 물질, 가루 등이 묻어 있는 것을 분리하는 공정이다. 우리 생활에서도
빨래세탁기, 식기세척, 방바닥 청소기 등 세척활동이 많다. 또한 생산현장에서도 산업화가 진행될수록 세척공정이
많아진다.
세척작용은 기계적 작용, 린스작용, 화학적 작용이 결합되어 나타난다. 기계적 작용은 작은 범위에서 마찰 등을
이용하여 이물질을 제거하고 화학적인 반응을 촉진시키는 역할을 하는 것으로 세척의 핵심요소가 된다.
분리 작용은 일단 분리 제거된 이물질이 다시 달라붙지 못하도록 격리시키며 잔류세정성분을 제거하는 역할을 하게
된다. 화학적인 작용력은 주로 세제에 의해 일어나게 되는데 기름 성분 등을 제거하는데 효과적이다.
<표 1> 손빨래, 세탁기 및 초음파 세척의 작용력 대비
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종류 / 작용
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손빨래
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세탁기
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초음파 세척
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기계적 작용
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비빔
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수류, 마찰력
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캐비테이션 및 입자가속도
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분리작용
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물살
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수류, 헹굼
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수류
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화학적 작용
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비누
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세제
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물, 세제
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복합적인 세척작용의 예를 보면, 기름으로 더러워진 식기를 물과 수세미로만 씻는 것은 힘들다. 그러나 비누를
쓰면 수세미를 쓰지 않아도 잘 씻을 수 있다. 수세미를 쓰면 더 효과적이다. 즉 수세미는 물리력이며 비누는
화학력이다. 세척에서는 물리력보다 화학력이 더 중요하다. 세척하고자하는 대상물에 묻은 이물질을 제거하는데 세제의
선택이 중요하다. 더러움의 종류에 따라 어떤 세제를 선택하면 좋은가를 해결하고 그것에 맞는 파워의 초음파 장치를
선택하는 것이 세척의 효율을 높일 수 있는 방법이다.
2) 초음파 세척의 분류 : 초음파 세척이란 초음파 에너지를 이용하여 세척에 이용하는 기술이다. 현재까지 이용
가능한 여러 가지의 공학적 세척 기술 가운데 가장 효율적이며 경제성이 높을 뿐 아니라 다른 세척기술로는 달성할
수 없는 미세 세척 효과를 얻을 수 있다. 특히 복잡한 형상의 물체 혹은 정밀 세척을 요하는 분야에서는 중요한
세척기술이 되고 있으며 산업 구조의 고도화에 따라 점점 그 적용이 넓어지고 있다. 종류로는 28KHZ, 40KHZ의
단주파, 복합 파형을 이용하는 동시 다주파 및 1Mhz이상의 고주파 세척이 있다.
▣ 단주파식 (28 및 40 KHZ) 초음파 세척기
단일 주파수를 초음파에 사용하는 방식이다. 보통 20Khz, 40Khz 등이 많이 쓰이며 경우에 따라서는 60Khz,
90Khz 등도 단주파 세척에 사용된다. 초음파 파장의 공간적 시간적 위치형태에 따라 진행 주파수와 반사 주파수가
일치되어 공간에 정지 상태가 되기도 한다. 즉 액면 높이에 따라 파워가 강한 부분과 파워가 발생하지 않는 부분이
있어, 세척물이 세척이 되는 잘 부분과 안 되는 부분 등으로 구분되어 세척이 불균질하게 되는 문제가 있다.
이러한 형상을 정재파현상이라고 한다.
- 특성 : 액 높이에 따라 파워가 강력한 부분이 발생하는 특징을 이용하여 일차 세척이나 금속 가공물의 탈지
세정용으로 많이 사용한다.
- 단점 : 파워가 강한 부분에 의한 제품의 손상, 또는 정재파현상으로 인한 세정얼룩이 있다. 발진부와 진동부의
호환성이 없어 A/S시 주파수 매칭을 해야하는 불편이 있다.
▣ 다주파식 초음파 세척기 : 28-70 KHZ또는 40-90 KHZ대역의
초음파를 발생시켜 사용하는 방식으로 단주파의 단점을 개선할 수 있다.
- 균일 세척 : 여러 주파수 대역의 초음파를 발생시켜 세척 불균일이나 피 세척물의 손상을 방지 할 수 있어
정밀세정용으로 사용한다.
- 안정된 출력 : 단주파 방식에서 나타나는 출력 변화(세정액 높이변화, 세제의 종류, 온도변화, 제품의 투입
등) 현상이 매우 적다.
- 호환성 : 발진부와 진동부의 호환성이 있어 별도의 주파수 매칭 없이 상호 교체작업이 가능하며 설비보전시간의
단축 및 설비 가동률을 올려준다.
·▣ 고주파식 (1Mhz) 초음파 세척기
고주파식 초음파 세척기는 특별히 반도체 및 LCD등의 초정밀 세척을 위하여 개발된 제품으로 캐비테이션에 의한
강력한 파워 대신 큰 입자 가속도를 이용하여 세척하는 방식이다. 이 방식은 초정밀 세척(SUB-MICRON,
0.1㎛)이 가능한 특징이 있다.
이 방식은 다시 반도체 등에 적합한 침지식과 대면적 LCD에 적합한 스프레이식(샤워식, 제트식, 펄스식 등
메이커에 따라 다양한 이름으로 불리고 있음) 초음파가 있다. |
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