초음파세척기의 원리 및 초음파 세정의 중요 인자
- Part 01 -
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1. 초음파세척기 원리
초음파(ultrasonics wave)는 소리의 일종으로 고주파 진동에너지의 형태입니다. 사람이 들을 수 있는 음파는 일반적으로 16㎐~20㎑의 범위이지만, 초음파는 주파수가 20㎑을 말하며, 인간이 청각을 이용해서 들을 수 없으며, 전파 및 전자기파와는 전혀 다른 음파입니다.
안경점에서 안경을 세정할 때 사용하는 도구를 본 적이 있을 것 입니다. 이러한 세정은 초음파를 이용한 방법으로, 물에 초음파를 발생시키면, 음파의 진동에 의해 수많은 거품이 발생하게 됩니다. 이 때 거품이 진공청소기와 같은 역할을 해서 안경의 표면에 붙어 있는 이물질을 떼어내게 됩니다. 발생된 음파는 1초에 수만 번 용액을 진동시켜, 거품을 발생, 소멸 시키기 때문에 마치 빨랫방망이로 두드려서 세탁하는 효과를 나타내기도 합니다.
또 모기와 같은 해충의 접근을 차단할 때 사용하기도 합니다. 사람의 피를 빠는 암컷 모기는 여름철에 알을 낳을 때가 되면, 수컷 모기를 피합니다. 그러므로 수컷 모기가 내는 초음파를 발생시키면, 그 주위로 암컷 모기가 접근을 하지 않게 됩니다.
임신을 했을 때, 태아의 형상을 보기 위해서도 초음파를 사용합니다. 초음파를 복부에 발생시키고 태아로부터 반사되어 온 음파를 분석하여서 태아의 모습을 영상으로 보여주는 원리입니다. 또한 건축물의 안정성이나, 수명 등을 조사할 때도, 초음파를 이용한 비파괴검사를 하기도 합니다.
이제 본론으로 들어가서, 초음파세척이란, 세척하고자 하는 물질에 부착된 오염물을 초음파(물리적), 세제(화학적)등을 사용하여서, 오염물을 제거하고, 제거된 오염물이 다시 부착되지 않도록 하는 세척방법 입니다.
초음파세척의 물리적 현상이란, 초음파의 케비테이션(Cavitation, 공동) 현상에 의해서 이루어지는 것을 말합니다. 초음파 에너지가 용액 중에 전파될 때 초음파의 압력에 의해서 미세한 기포가 생성되었다가 사라지는 현상으로, 매우 큰 압력과 고온이 발생하게 됩니다. 하지만 이러한 현상은 매우 짧은 시간(수 만분의 일초에서 수 십만분의 일초)내에 생성과 소멸을 반복하게 됩니다. 이 충격파에 의해서 사람의 손이나 도구가 닿지 않은 세척물의 내부 깊숙이 침투하여서 짧은 시간에 세정이 이루어지게 됩니다.
2. Cavitation(공동) 현상
초음파를 용액 중에 발생시키면, 아래의 그림과 같이 감압과 증압이 반복적으로 나타나게 됩니다. 초음파 파장에서 감압측 반주기에 음의 압력(아래의 그림에서 감압)이 형성되며, 그 동안에 공동(Cavitation) 현상으로 미세한 기포가 발생하게 됩니다. 발생된 기포는 증압에서 수축(압축)되게 되며, 감압에서 팽창하게 됩니다. 이 기포는 수축과 팽창을 용액의 표면장력 이상이 되기 전까지 반복하면서 입경이 커지게 됩니다. 어느 일정 압력(용액의 표면장력) 이상이 되면, 기포는 수축 폭발하면서 매우 큰 충격파를 일으키게 됩니다. 이러한 기포의 파괴현상이 세척물 표면의 오염물을 박리 제거하게 됩니다.
초음파(ultrasonics wave)는 소리의 일종으로 고주파 진동에너지의 형태입니다. 사람이 들을 수 있는 음파는 일반적으로 16㎐~20㎑의 범위이지만, 초음파는 주파수가 20㎑을 말하며, 인간이 청각을 이용해서 들을 수 없으며, 전파 및 전자기파와는 전혀 다른 음파입니다.
안경점에서 안경을 세정할 때 사용하는 도구를 본 적이 있을 것 입니다. 이러한 세정은 초음파를 이용한 방법으로, 물에 초음파를 발생시키면, 음파의 진동에 의해 수많은 거품이 발생하게 됩니다. 이 때 거품이 진공청소기와 같은 역할을 해서 안경의 표면에 붙어 있는 이물질을 떼어내게 됩니다. 발생된 음파는 1초에 수만 번 용액을 진동시켜, 거품을 발생, 소멸 시키기 때문에 마치 빨랫방망이로 두드려서 세탁하는 효과를 나타내기도 합니다.
또 모기와 같은 해충의 접근을 차단할 때 사용하기도 합니다. 사람의 피를 빠는 암컷 모기는 여름철에 알을 낳을 때가 되면, 수컷 모기를 피합니다. 그러므로 수컷 모기가 내는 초음파를 발생시키면, 그 주위로 암컷 모기가 접근을 하지 않게 됩니다.
임신을 했을 때, 태아의 형상을 보기 위해서도 초음파를 사용합니다. 초음파를 복부에 발생시키고 태아로부터 반사되어 온 음파를 분석하여서 태아의 모습을 영상으로 보여주는 원리입니다. 또한 건축물의 안정성이나, 수명 등을 조사할 때도, 초음파를 이용한 비파괴검사를 하기도 합니다.
이제 본론으로 들어가서, 초음파세척이란, 세척하고자 하는 물질에 부착된 오염물을 초음파(물리적), 세제(화학적)등을 사용하여서, 오염물을 제거하고, 제거된 오염물이 다시 부착되지 않도록 하는 세척방법 입니다.
초음파세척의 물리적 현상이란, 초음파의 케비테이션(Cavitation, 공동) 현상에 의해서 이루어지는 것을 말합니다. 초음파 에너지가 용액 중에 전파될 때 초음파의 압력에 의해서 미세한 기포가 생성되었다가 사라지는 현상으로, 매우 큰 압력과 고온이 발생하게 됩니다. 하지만 이러한 현상은 매우 짧은 시간(수 만분의 일초에서 수 십만분의 일초)내에 생성과 소멸을 반복하게 됩니다. 이 충격파에 의해서 사람의 손이나 도구가 닿지 않은 세척물의 내부 깊숙이 침투하여서 짧은 시간에 세정이 이루어지게 됩니다.
2. Cavitation(공동) 현상
초음파를 용액 중에 발생시키면, 아래의 그림과 같이 감압과 증압이 반복적으로 나타나게 됩니다. 초음파 파장에서 감압측 반주기에 음의 압력(아래의 그림에서 감압)이 형성되며, 그 동안에 공동(Cavitation) 현상으로 미세한 기포가 발생하게 됩니다. 발생된 기포는 증압에서 수축(압축)되게 되며, 감압에서 팽창하게 됩니다. 이 기포는 수축과 팽창을 용액의 표면장력 이상이 되기 전까지 반복하면서 입경이 커지게 됩니다. 어느 일정 압력(용액의 표면장력) 이상이 되면, 기포는 수축 폭발하면서 매우 큰 충격파를 일으키게 됩니다. 이러한 기포의 파괴현상이 세척물 표면의 오염물을 박리 제거하게 됩니다.
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초음파 세정의 원리 |
실제로 기포가 초음파의 압력을 받아 수축할 때 기포는 수천도의 고온 상태가 되지만, 실제로는 방열등에 의해 온도 상승이 크지 않지만, 순간적으로 고열이 발생한다고 합니다. 그리고 기포 내내부의 압력 또한 실제로 측정할 수는 없지만 수십에서 수천 기압까지 상승한다고 합니다.
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