초음파 용착이란 무엇인가?

초음파란?

​초음파(Ultrasonic wave)란 일반적으로 10㎑ 이상의 진동수를 가진 음파(sound wave)를 말하는데, 실제로 사용되는 것은 10㎒까지이며 파워를 이용하는 것은 1㎒ 정도까지이다.

자연계의 박쥐가 30~80㎑의 초음파를 발사하여 다른 물체와의 충돌을 피하는 것이나, 돌고래 등의 수중동물에게서 보이는 현상은 오래전부터 알려져 왔다.

초음파에 관한 기술적인 연구가 시작된 것은 1920년경이라고 한다. 피어스(Pirce)의 초음파 간섭계 발명에 이어 1932년에는 초음파에 의한 빛의 회절현상이 발견되었고, 이 무렵부터 과학자들에 의해 본격적인 연구가 진행되어 그 결과에 따라 여러 분야에 응용도 시작되었다.

최근의 초음파 응용은 물리, 화학, 전기, 기계, 금속, 의학, 생물학 등의 열 전문분야에 확산되어 그 실제의 이용은 측심, 세척, 세정, 용착, 가공, 분산, 오수처리, 집진, 진단 등 광범위하다.

 

초음파의 기원을 알아보자!

“인공적으로 처음 초음파를 발생시킨 것은 언제인가”라는 물음에 대해서는 대답하기가 곤란하지만, 실용적인 초음파 장치가 등장한 것은 1921년경, 프랑스의 한 지방(P. Langevin)에 의해 만들어진 초음파 측심기라고 전해지고 있다. 당시 사용된 진동자는 2장의 금속 원판 사이에 수정을 샌드위치 식으로 삽입한 것으로서 이것을 란 직방형 진동자(B.L.T)라고 한다. 그러나 그 후로 이 방면의 연구는 잠수함 추적을 목적으로 추진되었기 때문에 각국이 모두 군사 관계로 비밀리에 추진되어 불명확한 점이 많았다.

한편, 1925년에 피어스(Pirce)가 초음파 간섭계를 발명하였고, 1932년에는 <초음파에 의한 빛의 회절>이 발견되어, 초음파는 오로지 물성연구를 위한 수단으로 사용되기에 이르렀다.

강력 초음파의 응용에 대해서도 1928년 미국의 우드와 루미스(Wood & Loomis)가 200㎑의 수정진동자와 2㎾의 발진기를 이용하여 일련의 실험을 실시한 글을 발표하여, 강력 초음파의 여러 가지 작용 또는 현상에 대해서는 이 무렵부터 알려지기 시작했지만, 어느 것이나 실험 단계에 머물렀고, 공업적으로 이용하지 못한 것은 일반적으로 기술 수준이 낮고, 가격이 비싸며, 전쟁으로 인해 비밀리에 추진된 것이 큰 원인이라고 생각할 수 있으며, 기타 진동자로서 수정진동자가 사용된 것도 하나의 원인이라고 생각된다.

2차 대전 후 새로운 압전소자의 개발과 초음파 기술의 국제적 교류도 활발해져 공업적 응용개발에 박차를 가했는데, 신호적인 면에서는 탐상 기와 어군탐지기를 중심으로, 또 동력적인 응용 면에서는 가공기와 세척기를 중심으로 하여 초음파 붐이라고 할 정도로 초음파가 주목을 받게 되었다.

 

“초음파란 무엇인가” 하고 물으면 대부분 “주파수가 높아서 귀에 들리지 않는 음”이라고 답하는 사람이 많다. 그러면 우선 음이란 무엇인가를 생각해 보자.

일반적으로 음이란 “공기의 진동이 사람의 귀에 전달되어 고막을 진동시킴으로써 인간의 감각으로 느끼는 것”이라 할 수 있다. 따라서 음이란 말은 원래 인간의 감각을 기본으로 만들어진 말이다. 그러나 우리처럼 음을 물리적으로 다루고 있는 사람으로서는 인간의 감각만을 기본으로 해서 말을 정한다는 것은 애매하며 또한 수량적으로도 다룰 수 없고, 음의 본질도 이해할 수도 없다. 그래서 마이크로폰과 기타 측정기를 이용하여 “음”을 물리적으로 분석해 볼 필요가 있다.

이렇게 하면 어떤 오묘한 벌레소리 나 제트기의 폭음도 오실로그래프나 미터에 의해 파형이나 전류 값으로 표현할 수 있으며, 따라서 인간의 감각과는 멀어진 정성, 정량적인 “음”으로 이해할 수 있게 된다.

지금까지 음이라고 하는 것은 공기의 소밀파(공기의 분자가 밀집하여 나타나 진동이 전해지는 파)로서 그 진동의 반복 주파수는 1초 동안에 16회 내지 20,000회 (16~20,000㎐)이며, 또 강도에도 어떤 범위가 있다.

이 범위를 그림으로 나타내면 아래와 같은데, 물론 이 범위에는 개인차가 있어서 20,000㎐의 음을 들을 수 있는 사람은 그리 많지 않으며, 실제로는 이 이상의 음은 들리지 않는 것으로 간주하는 것이 일반적이다.

이 그림을 토대로 앞서 언급한 “초음파란 주파수가 높아서 귀에 들리지 않는 음이다”란 정의를 바꾸어 말하면 “초음파란 20,000㎐ 이상의 주파수의 음이다.”라고 할 수 있게 되지만 이 20,000㎐(20㎑)라는 값은 인간의 감각(그것도 개인차가 큰 감각)에 관계한 것 이외에는 전혀 의미가 없다. 따라서 예를 들면 “20㎑의 주파수로 가공기를 제작한 경우, 이것은 초음파 가공기가 되며, 또한 19㎑로 가공기를 제작한 경우는 단순히 음파 가공기이다.”라고 말하는 것은 곤란하며 의미도 없다. 굴뚝에서 나오는 연기를 제거하는 집진기에는 8㎑ 전후의 주파수가 주로 사용되고 있는데, 이것도 초음파 집진기라고 한다.

한편, 초음파 세척기는 액체 속의 소밀파를 이용한 것이고, 초음파탐상 기와 가공기, 용착 기우는 고체 속의 소밀파를 이용한 것으로 어느 것이나 공기 중의 피와 본질적인 차이는 없으며, 공기만 특별히 취급할 필요가 없다. 이렇게 되면 지금까지와 같이 공기 중에서만 생각한 것도 문제가 된다.

특히, 고체의 경우에는 강성이 있으므로 소밀파(종파) 이외에 편파(횡파)도 발생하며, 이들이 경계면(예를 들면 봉의 측면)에 충돌할 때마다 종파에서 횡파로, 횡파에서 종파로 이행하므로 “우리는 음파를 취급하기 때문에 횡 파는 모른다”라고 할 수도 없다.

또, 고체의 표면 부근만을 전달하는 표면파나 판을 따라 전해지는 판파도 발생한다. 고체의 표면으로만 음파가 전달되고 내부로는 들어가지 않는다는 것도 불가사의한 느낌이 들지만, 사실은 지진의 경우에도 이 표면파가 발생하고

있는 것이다. 단, 지진의 경우에는 주파수가 낮으므로 음파가 통과하는 깊이는 땅속 수백 미터가 되지만, 지구의 크기에 비해 거의 표면만이라고 할 수 있다.

이와 같은 사실에서 “음파” 그 자체의 정체는 명확히 알 수 없지만, 결국 “음파란 탄성(왜곡과 변형을 원래 상태로 복귀하려는 성질-체적탄성, 신장 탄성, 감성)과 관성(질량에 관계한다)에 따라 생기는 파동을 말한다.”라고 정했으며, 초음파란 인간의 귀로 듣는 것을 목적으로 하지 않는 음파를 말한다.”라고 하기도 한다.

여러 종류(진동모드 또는 진동상태라고 한다)의 음파 발생 방법 및 각 부분의 진동방향을 아래 그림에 나타냈다.(압전 진동자로 ㎒대의 음파를 발생하는 경우)

초음파 파동의 종류

다음 포스팅은 초음파를 출력하는 출력 장치에 대해서 알아보자.