초음파 세척기 원리와 활용 분야

 

 

초음파 세척기 원리

초음파 세척기는 초음파를 생성하여 물속에 미세한 기포를 발생시키는데, 40,000kHz의 높은 진동으로 기포들이 터지면서 발생하는 열에너지로 먼지와 세균을 제거해 주는 원리입니다.

 

원래 초음파란 20kHz를 초과한 인간 귀에 들리지 않는 소리 입니다. 소리로는 들리지 않지만 공기 또는 액체나 고체를 진동시키며 퍼져나가 진동을 이용해 세정하는 방법입니다.

 

초음파 세정 원리는 캐비테이션과 액체 분자 가속도가 있습니다.

 

1. 캐비테이션 (Cavitation)
   캐비테이션은 초음파 세척기에서 오염 물질을 제거하는 과정 중 가장 중요한 메커니즘 중 하나입니다. 캐비테이션은 초음파 파동이 액체 내에서 고주파로 진동하는 과정에서 미세한 기포 또는 거품들이 생성되고 붕괴하는 현상입니다.
   
   초음파 파동이 액체 내에서 진동하면서 압력이 주기적으로 변화하는데, 이 변화에 따라 액체 분자들이 압축되고 드는 것처럼 보이는 공기 포함된 미세한 공간들이 생성됩니다. 이렇게 생성된 미세 기포들은 초음파 파동의 압력이 최대로 변화할 때 붕괴(collapse)하게 됩니다.
   
   미세 기포의 붕괴가 발생하면 주변 액체 주위로 강력한 압력과 온도 변화가 발생합니다. 붕괴 시 생성되는 고온과 고압은 주변 물 분자와의 충돌로 인해 작용하는데, 이로 인해 물 분자들이 폭발적으로 분리되고 물속에서 높은 에너지 스트림이 생성됩니다. 이렇게 생성된 고속 스트림은 물체의 표면에 충돌하여 오염 물질을 물로부터 제거하는 효과를 만들어냅니다.
   
   
2. 액체 분리 가속도 (Liquid Separation Acceleration)
   초음파 세척기에서 사용되는 액체 분리 가속도는 캐비테이션과 함께 오염 물질을 제거하는 데 도움이 됩니다. 이것은 물체가 액체에 빠져있는 경우 오염 물질이 물체 표면에 밀착되어 있을 수 있습니다. 초음파 세척기는 물체 주변에 높은 속도로 흐르는 물 스트림을 발생시키는데, 이러한 고속 스트림은 오염 물질을 물체 표면에서 제거하고 액체로 분리시키는 데 도움이 됩니다.

 

위 캐비테이션과 액체 분자 가속도와 같은 내용이지만 3가지로 설명할 수도 있습니다.

 

1. 음향 미세 거품 형성: 초음파 세척기는 음파 발생 장치를 통해 고주파 파동을 물에 전달합니다. 이 고주파 파동은 물 분자를 진동시킵니다. 고주파 파동에 의해 물 분자들이 압축되고 희석되는 주기적인 진동이 발생하며, 이로 인해 미세한 거품들이 형성됩니다.
   
   
2. 음향 미세 거품의 붕괴: 형성된 미세 거품들은 초음파의 압력 변화에 따라 반복적으로 커지고 작아지며 성장합니다. 이때 거품의 크기가 특정한 한계치에 도달하면 음파 에너지에 의해 거품이 붕괴됩니다. 거품이 붕괴될 때 주변 물 주위로 강력한 에너지를 방출하는데, 이 과정에서 발생하는 고온과 고압은 강력한 스트림과 미세한 압력 변화를 일으켜 이물질을 물체 표면에서 제거하는 데 기여합니다.
   
   
3. 강력한 물 스트림 및 유속: 음파에 의해 생성된 미세 거품들의 붕괴와 물의 진동은 세척 욕조나 용기 안에서 강력한 물 스트림과 높은 유속을 유발합니다. 이로 인해 세척 대상물의 표면에 끈적거리거나 부착된 이물질들이 흐르는 물에 의해 제거되고 세척되는 효과가 생깁니다.

 

 

캐비테이션 (Cavitation)에서 엑체 내부를 전파하면서 액체 분자에 가해지는 압력

1. 정적 압력 (Static Pressure)
   정적 압력은 액체 안에서 파동이 전파될 때 액체 분자의 운동과는 관련 없이 정적인 상태에서 가해지는 압력을 말합니다. 이는 액체 분자들의 운동이 초음파 파동의 전파에 영향을 미치지 않고, 단지 압력의 크기를 결정하는 압력입니다. 정적 압력은 액체의 밀도와 초음파 파동의 진행 방향에 따라 변화합니다. 압력이 증가하면 파동의 속도가 증가하고, 반대로 압력이 감소하면 파동의 속도도 감소합니다. 이러한 정적 압력 변화는 파동의 속도를 변경함으로써 초음파의 전파 특성을 결정합니다.
   
   
2. 부동 압력 (Stagnation Pressure)
   부동 압력은 액체 내부를 통과하는 초음파 파동이 운동하는 과정에서 발생하는 압력을 의미합니다. 초음파 파동이 액체 분자와 상호작용하면서 분자들의 운동 에너지를 변화시키고, 파동이 흐르는 방향으로 압력이 증가하는 것을 의미합니다. 이러한 부동 압력은 초음파 파동이 액체를 통과하거나 표면과 상호작용하는 과정에서 중요한 역할을 합니다.

 

초음파 세쳑 특징

1. 매우 세졍력이 높습니다.
2. 서로 다른 주파수를 여러 공정에 이용할 수 있어 종류와 크기가 다른 입자를 제거할 수 있습니다.
3. 사용할 수 있는 대상물 종류가 다양합니다.
4. 초음파가 닿는 부분과 닿지 않는 부분에서 세척 효과에 차이가 발생합니다.

 

저주파 세척

정밀 금속 부품세쳑, 플라스틱 부품 탈지 세척 등에 사용합니다. 캐비테이션의 강력한 세정 효과로 찌든 때까지 제거할 수 있습니다.

가공유나 절삭유, 절분이나 연마 가루, 플럭스 제거 등에 효과가 좋습니다.

 

단점은 충격파에 대상물 손상이 발생할 수 있습니다. 특히 26kHz 정도의 강력한 초음파는 알루미늄 호일에 구멍을 낼 정도로 힘이 세서 주의할 필요가 있습니다.

 

고주파 세척

반도체 웨이퍼, 액정 유리, 하드 디스크 등에 사용합니다. 분자 가속도에 의해 세척되기 때문에 캐비테이션에 의한 손상이 거의 발생하지 않습니다. 정밀 부품 세정에 적합합니다. 

 

파장이 짧기 때문에 미세한 오염까지 제거할 수 있어 전체를 균일하게 세척 좋습니다. 그러나 찌든 얼룩 또는 큰 오몀은 잘 세척되지 않습니다.