초음파에 관한 총망라 (사진 첨부)

본문내용

초음파 세정의 원리는 세정액 내부에서 고주파수의 큰 음압에 의해 발생되는 캐비테이션(cavitation)현상과 큰 진동 가속도이다. 세정과정에 대한 자세한 설명은 이 글에서는 생략한다.
초음파 세정기는 일반적으로 발진기와 진동부로 구성되는데, 이들이 한 몸체로 이루어진 단조식은 귀금속 매장 등에서 간편한 용도로 사용된다. 산업용으로 사용되는 세정기는 두 부분이 분리되어 진동부가 세정액에 잠겨있는 투입식으로서, 진동부는 형태이고, 그 내부에 랑주방형 진동변환기들이 배열되어 부착되어 있다.
수십 kHz 주파수 영역에서 구동되는 초음파 세정기의 세정 성능은 캐비테이션 발생효율에 달려있고, 이는 음압 크기에 직결된다. 또한 MHz 영역의 세정기의 성능은 초음파 투과율에 달려있다. 세정기가 주어져 있어도 사용 방법에 따라 세정 성능에 큰 차이를 나타내므로, 초음파 음압분포에 대한 이해가 필요하다.
다른 형태로서 아이디어가 제기되었던 소위 푸쉬-풀(push-pull)형 초음파 세정기(12,13)가 최근에 출현하였다. 이는 원형 단면의 관에 부착된 진동변환기가 관에 길이방향 진동 공진을 유발시키고, 관이 포와송(Poisson)비에 따른 반경방향 운동을 하여 진동에너지를 방사시키는 원리이다. 이러한 방식으로 발생된 초음파에 의한 세정 효과에 대해서는 아직 보고된 바가 없다.
3.2 초음파 용접기 (ultrasonic bonder)
초음파의 고에너지를 이용하는 사례인 초음파 용접기는 초음파의 진동에너지를 이용한다. 초음파 와이어 용접기는 전기도체인 가는 와이어를 집적회로와 리드프레임에 연결하는 장치로서, 초음파 발진기, 압전 진동변환기와 가는 봉의 결합체, 그리고 봉의 끝에 설치된 용접봉으로 구성된다.
열을 이용하는 용접방법은 연속적인 작업을 할 때 열의 손실이 나타나며, 고정밀 자동화에는 적합하지 않다. 반면에 초음파를 이용한 용접은 용접봉의 고속 진동에 의한 마찰을 이용하는 것으로서, 대기 중에서도 가능하며 빠른 작업이 진행될 수 있다는 장점이 있다 여기에서는 수십 kHz의 공진 주파수를 갖는 랑주방형 진동변환기가 사용된다.
3.3 초음파 가공 (ultrasonic machining)
기존의 방법으로는 가공이 어려운 특수금속이나 세라믹 등을 정밀하게 가공하는 방법의 하나로 초음파를 사용한다. 가령 드릴 작업에 초음파를 사용하는 경우, 드릴 팁의 회전과 더불어 수십 kHz의 종방향 진동을 가해준다.
가공입자에 의한 기계적인 가공으로 재료 표면에 열변형을 가하지 않아 좋은 가공표면을 제공하는 초음파 가공에서 가공면의 상태은 가공입자의 크기에 의해서 좌우된다. 가공입자의 크기가 커지면 가공시간은 줄어들지만 공구의 마모량이 증가하고 가공면은 나빠진다. 초음파 가공은 공구와 가공물 사이의 가공입자가 가공물의 표면에 칩핑(chipping)현상을 일으켜서 재료를 가공하므로, 가공면은 가공입자의 크기에 따라 달라지게 된다.
3.4 초음파 모터 (ultrasonic motor)
초음파 모터는 높은 주파수 범위의 역학적 진동을 구동원으로 사용하는 액추에이터의 일종으로서, 압전소자가 전기신호에 따라 팽창과 수축을 반복하는 운동을 이용한다. 이는 소형 화 경량화 할 수 있고 빠른 응답성과 정역전이 쉬운 직접적인 운동성, 그리고 정밀한 위치 제어 및 저속에서 높은 토크를 낼 수 있는 가능성 때문에 특정한 분야에서 기존의 전자기식 모터를 대치할 수 있다. 초음파 모터의 종류는 여러 가지 방식으로 분류할 수 있는데, 기능에 따라 분류한다면 회전형 모터와 직선형 모터가 있다 이들의 사례를 하나씩 소개한다.
그림8은 회전형 초음파 모터의 개념도이다. 탄성원반과 압전 원반이 밀착되어 있는데, 압전 원반은 영역 분할된 압전소자들이 두 층을 형성하고 있고, 각 영역은 극성이 교대로 되어 있다. 시간에 따른 조화함수형 전압이 압전 원반에 가해지면 두 원반 경계면에 표면탄성파가 진행하게 되고 이 운동으로 인해 탄성 원반이 이동한다. 이러한 모터는 중심부가 비어있어 자동 초점 카메라에 사용된다.
그림9은 직선형 모터의 한 종류로서 소위 "inch-worm모터"라고 불리는 장치이다. 이는 샤프트 주위에 압전체인 두 개의 링( A,B)과 이들을 연결하는 압전체 원통으로 구성된다. 링은 반경방향 극성을 갖고 있고 원통은 축방향 극성을 갖고 있다. 링A가 수축하여 사프트에 고정되고 링C가 팽창하여 자유로운 상태에서 원통B가 팽창하여 링C를 우측으로 이동시킨다. 다음에 링C가 수축하여 사프트에 고정되고 링A가 팽창하여 자유로운 상태에서 원통B가 수축하여 링A를 우측으로 이동시킨다. 이러한 과정을 초음파 주파수로 반복하여 압전체가 한 방향으로 이동한다. 이런 장치는 반도체 제조 공정에서 정밀 스테이지를 이동하는 데에 사용된다. 다른 방식의 직선형 모터 중에는 진행파를 이용하는 것이 있다.
4. 맺 음 말
초음파를 이용한 센서와 액추에이터를 몇가지 나열하였는데, 이 글에 소개되지 않은 장치들이 많이 있을 뿐 아니라, 지금도 새로운 장치들이 속속 개발되고 있다. 日本工業出版(株)에서 매월 발행하는 超音波TECHNO에 특히 잘 소개되고 있다.
초음파의 물리적 현상은 백여년 전부터 이미 이론적으로 확립되어 왔으면서도, 초음파 활용 기술에 관한 연구가 지금도 많은 사람들에 의해 활발히 진행되고 있다. 창의적인 아이디어에 따라 그 응용범위가 더욱 넓어질 것이며, 산업발달과 인간의 복지 향상에 기여하리라 기대한다.
초음파와 UV/TiO2 조합공정 정수시스템
Fig1. 초음파상 우측 신장에 dilated pelvis가 관찰됩니다.
Fig2.우측 신장 calyx들도 dilatation 소견을 보여서 우측 신장에 hydronephrosis가 있음을 알 수 있습니다.
Fig3. color doppler를 시행했을 때 dilated pelvis에는 blood flow 가 검출되지 않아서 vessel이 아닌 pelvis임을 다시 한번 확인할 수 있습니다.
Fig4. Bladder level에서 right UVJ에서 posterior Shadowing을 보이는 hyperechoic nodule 이 관찰됩니다.
참고문헌: 초음파에 관한 과학 잡지

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20 kHz 이상,   의료용 초음파 진단,   남성성 기능장애,   경동맥 검사,   뇌졸중 환자,   혈관질환