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 물과 기름을 순식간에 혼합 시켜주는 Sonic Master |
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 국내 산업현장에서 초음파 기기 ( 초음파 용착기, 초음파 세척기 등)를 사용하는 분야는 실로 광범위하다.
따라서 초음파 기기의 중요성이 새삼 강조되고 있다.
그러나, 이를 사용하는 업체에서는 초음파 기기의 정확한 이해부족과 수시로 발생되는 기기의 고장으로 인한 불량 발생이 큰 문제로 대두되고 있다.
필자는 초음파 기기를 사용하는 사람은 물론, 초음파 기기를 만드는 사람까지도, 진동자에 대한 이해 부족과 현장에서 느끼는 의구심을 해소코자 간략하게 이론에 치우치지 않고 실무 선에서 해결할 수 있는 대안을 제시코자 이 글을 쓰며, 현장업무에 미약하나마 도움이 되었으면 합니다.
* 압전세라믹스의 원리
압전 세라믹이란 압력에 의해 전기에너지가 발생하고, 역으로 전기에너지 에 의해 기계적인 진동이 발생하는 세라믹을 말하며, 전자를 압전 효과, 후 자를 역압전 효과라고 말한다. 이러한 압전성이 발생되는 원인은 압전 세라 믹스의 원자구조 ( Atomic structure )에 기인한다. BaTiO3, PbTiO3, PbZrO3, SrTiO3 … 등의 세라믹스는 Perovskite 구조를 가진다. 그림. 1은 PbTiO3 perovskite 구조를 나타내고 있다.
: Pb ( Lead ) : O ( Oxygen ) : Ti ( Titanium ) |
 그림. 1 PbTiO3의 perovskite 구조
상대적으로 원자 반경이 작은 Ti 원자가 산소원자가 이루는 Octahedral site 내에서 이동할 공간이 생긴다.
이로 인해 Ti4+ 이온이 전기적으로 중성인 가운데 위치에서 위아래로 이동하게 됨에 따라 극성이 생기게 되고, 이를 electric dipole 이라고 한다.
이를 2차원적으로 Perovskite PbTiO3의 단일 도메 인( domain ) 형태일 때를 설명하고자 한다.
(A) No field (B) 응력 σ3에 의해 평형위치에서 Ti4+ 양이온이 이동한 경우
그림. 2 응력에 의한 압전세라믹의 분극 발생
(A)는 응력을 받지 않은 상태를 의미하며, X1, X3은 방향을 나타낸다. (B)에 서는 인장응력 σ3에 의해 Ti 이온이 평형위치 ( equilibrium position )에서 벗 어나게 되고, 이로 인해 분극 △P3가 발생하게 된다. 이로 인해 +, - 극성이 생기게 되며, 이러한 분극 △P ∝ σ3가 된다.
그림. 3 주파수에 따른 임피던스의 변화 곡선
( fr : 공진 주파수 fa : 반공진 주파수 ) 주파수 Fr은 진동자의 초(sec)당 진동횟수를 뜻한다. 20kHz 진동자는 초당 20,000번 진동한다는 것을 의미한다.
진동자에서 공진(Resonance) 주파수 Fr 과 반공진 ( Anti-Resonance ) 주파수 Fa 간의 범위를 △F = Fa - Fr 이라 칭 하며, △F 는 압전물성 중의 kp값에 가장 중요한 인자이다.
kp 값은 전기· 기계 결합계수라 칭하며, 전기적인 에너지와 기계적인 에너지의 변환효율을 의미한다.
즉, 전기적 특성의 우수함을 나타내는 척도이다. kp = 0.5 라 함은 기계적인 에너지를 100을 가했을 때, 전기적인 에너지로 변환하는 효율이 정 확한 물리적인 계산상으로 50%를 의미하지는 않지만, 50% 정도로 50이 발 생한다는 의미로 생각하면 된다.
그림. 3에서 살펴보면, 공진 주파수 Fr 점에 서 공진 저항은 최저가 된다. 엄밀히 말해 공진 저항은 임피던스 즉, 실수 성분인 R 값과 허수 성분인 X 값의 합성성분인 Z 값의 크기를 나타내는 것 으로 공진 주파수에서는 X 값이 최소가 된다는 것을 의미한다.
즉, 공진 주 파수 점에서 진동자를 가동시 그 효율은 최대가 된다는 것을 알 수 있다. Fr 점을 지나면 점점 저항은 증가하여 Fa 점에서 최대가 된다. 따라서, 진동 자의 최대 효율은 발진부와 매칭(matching)시 공진점( Fr )에서 최대가 된다. 이 점에서 멀어질수록 공진 저항 증대로 인해 열(熱)이 발생하게 되고, 이는 후에 설명할 C 값의 증대로 인한 Fr 점의 감소로 나타나게 되고 진동자는 작동 불능 상태가 되어 버린다.
또한 그림. 3에서 보는 Fr 점의 공진 저항 값의 크기는 중요한 의미를 갖는다. 압전세라믹 자체의 특성 중 Qm ( 기계적 품질계수 )은 고 전계(電界) 또는 물리적인 힘이 가해졌을 때 얼마나 세라믹 이 견딜 수 있는가 즉, 압전세라믹스의 내구성을 척도할 수 있는 인자이다. 이 Qm 값에 영향을 주는 중요한 인자는 압전세라믹 자체의 미세조직상의 입경 ( Grain size )의 크기이다.
그림. 4(A) 그림. 4(B)
상기 그림에서 볼 수 있듯이, A의 입경은 8∼9μm 이며, B의 입경은 1∼2 μm 정도이다. 이는 전체 결정립 ( grain )의 수가 B가 A에 비해서, 현저히 많음을 의미한다.
쉬운 예로 설명하면, 싸리나무 한, 두 개는 쉽게 꺾을 수 있지만, 그 숫자가 열 개 이상을 뭉쳐 놓았을 때는 꺾기가 어렵다는 것과 비 슷하다. 실제로 입경이 큰 세라믹에 비해 입경이 작은 경우 균열의 전파가 입계를 통해 진행이 되게되고, 이에 따라 파괴인성이 높아진다.
즉, 고전압 또는 힘이 가해졌을 때 얼마나 내구성 있게 오래 견딜 수 있는가를 뜻하며, 이 값을 결정하는 인자 중 하나가 공진 저항의 크기이다. 일반적으로 용착기 용 진동자는 Qm 값이 1000 이상인 압전세라믹을 이용하며, 수치가 높을수록 좋다.
결론적으로 의 관계가 성립된다.
즉, 공진 저항이 작으면 Qm 이 증대하여 내구성이 우수해짐을 알 수 있 다.
* 진동자에서 C(정전용량) 값이 주는 영향은 무엇인가 ?
초음파 기기를 제작하는 많은 사람을 필자가 만나 보았을 때, 그들이 하 는 많은 질문 중에, 왜 C값이 일본 NGK 또는 미국의 Branson type 제품과 같지 않느냐 하는 것이다.
그러나, 이런 질문은 그야말로 초음파를 응용하는 사람이 전혀 압전 진동자를 이해하지 못한다. 즉, 본인은 무식합니다 라는 말로 표현하는 것과 같다.
그림. 5 온도에 따른 정전용량 값의 변화
C 즉, 정전용량은 단위면적당의 전하량이다( pF, nF ).
압전소자에서 C 값은 그림. 5 에서 볼 수 있듯이 상온에서 온도가 증가함 에 따라 Tc ( Curie Temperature )에서 최대가 되며, 그 이상의 온도에서 감 소한다.
이 C 값은 공진 회로에서 Fr을 결정하는 L ( inductance ) 값에 영향 을 주며, 이는 콘덴서의 용량으로서 보정이 된다. 즉, 초기의 진동자 C 값은 1000이 크던지 2000이 작던지 초음파 공진 등가회로를 구성하는데 아무런 문제가 되지 않는다.
단지 C 값이 갖는 중요한 의미는 발진회로에 따라서 압전 소자가 발진함에 따라서 소자의 온도가 상승하고, 이에 따라 소자의 C 값이 변화되며, 이는 진동자의 Fr 값의 감소로 이어진다는 것이다.
즉, C 값 의 변화는 공진 등가회로 구성이 발진함에 따라 초기에 설정된 회로와 맞지 않는 문제를 야기 시킬 수 있다는 것이다. 뒤에 설명하겠지만, 압전세라믹은 발진함에 따라서 열이 발생하며, 발생된 열이 진동자의 C 값 상승, Fr 값의 변화를 초래하여 급격한 발진효율의 저하가 문제되는 것이다.
결론적으로 말 하면, 진동자의 초기 정전 용량 값은 중요치 않으며, 발진 시 C 값의 변화를 억제하는 것이 가장 중요하다.
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| * 진동자는 가동 시 왜 열이 발생하며, 이에 대한 해결책은 없는가 ?
(A) 전압인가 전 (B) 100V 전압인가 후
그림. 6 전압 인가시의 압전세라믹의 진동 ( 두께 방향 진동모드 ) 상기 그림은 압전 소자에 전압을 가했을 때 변형되는 모양을 그린 것으로 전압인가 시 수축·팽창을 반복한다. 20kHz 진동자란 이런 수축·팽창을 1초 에 20,000번 반복함을 뜻한다.
압전세라믹의 변위의 폭은 앞에서 언급한 k와 d 값, 단면적, 인가전압과 비례하며, 세라믹의 두께에 반비례한다. 또한 세라 믹을 1장을 사용하는 것보다는 여러 장을 사용했을 때 훨씬 큰 변위를 얻을 수 있으며, 이는 진동자의 진폭 증대와 상관관계가 있고, 초음파 기기의 출 력( W )과 비례한다.
초음파 용착기의 원리는 혼( Horn )에서 진폭에 의한 마 찰열을 이용하는 것이며, 대용량으로 갈수록 진폭은 커지고, 열 또한 많이 발생된다. 똑같은 원리로 세라믹 자체도 발진 시에 열이 발생된다.
그림. 7 가동시간에 따른 발생 열
그림. 7은 (주)쏘닉테크의 4420 진동자 500W 급 분산기를 가동하면서 발생되는 온도를 측정한 것이다. 출력 Level은 인가전압을 뜻하며, 그 세기는 1<2<3<4<5 순 이다. 그림에서 볼 수 있듯이 인입 전압이 가장 약한 1 단계 에서는 10분간 가동시 진동자의 온도가 약 40oC에 도달했고, 5단계에서는 60oC를 상회함을 알 수 있다.
이는 인가 전압의 크기에서 얻어지는 진폭의 크기의 차이에서 기인한다. 즉, 초음파의 공진 주파수의 가동은 최대의 효율 을 낸다. 이 때 인가 전압은 낮아도 그 출력은 얼마든지 원하는 만큼 얻을 수 있다. Fr 값이 발진회로와 정확하게 매칭된 상태에서 과도한 인가 전압은, 순간적으로 압전세라믹의 변위가 증대됨에 따라 무리한 진폭이 얻어지고 이 는 곧 진동자의 열 발생으로 이어진다.
또한 앞서 언급했듯이 Fr 값이 정확 히 매칭 안된 상태에서는 공진 저항의 증대로 인하여, 효율이 급격히 떨어지 며 원하는 만큼의 출력을 못 얻게 된다. 자꾸만 인입 전압을 높이는 경우, 대략의 열이 순간적으로 발생하여 진동자 기능 정지의 원인이 된다.
결론적 으로 말하자면, 진동자는 가동 시 반드시 열이 발생되고, 이에 효율적인 대 처는 진동자의 Fr 점과 발진회로상의 공진 주파수 즉, 공진 등가회로 상에서 최적의 인가 전압을 가하여, 최고의 효율을 얻는 것이 가장 중요하다.
또한 이 상태에서 진동자의 냉각은 가장 중요한 필수 요인이며, 초음파 가동 시 최적의 상태를 유지해 줄 수 있는 방법이다.
* 진동자, 부스터 ( Booster ), 혼 ( Horn )의 매칭은 어떻게 하는 것이 효율적인가 ?
그림. 8 진동자 + 부스터 + 혼의 매칭시 주파수에 따른 임피던스
앞서 언급했듯이 △F 가 크면, 전기적 특성이 우수해 질 뿐만 아니라, 발 진 시 공진점의 안정성에도 좋다. 그림. 8(A)에서 △F = 800Hz, (B)에서 △F = 200∼300Hz, (C)에서 △F = 20∼40Hz 이다. 즉, 공진 주파수와 반공진 주 파수의 차이 즉, △F 가 작을수록 가동 시 등가회로가 틀어질 경우가 발생할 소지가 많다. 공진 저항 값은 Fr에서 최대, Fa에서 최소가 된다. 공진 저항이 크면 열 발생이 증대된다. 진동자에 부스터, 혼이 결합되면서 공진 등가회로 가 틀어질 확률이 점점 많아진다. 그러면 이에 대한 조치는 어떻게 하는 것 이 좋은가 ?
일반적으로, 국내에서 유통되고 있는 진동자는 외국제품이든 국산이든 고유의 주파수를 갖고 있으며, 고유의 주파수에서 정확하게 맞추기 위해 제조 사마다 노력하고 있다. 또한 고유 주파수에 준한 ± 의 spec.을 잡고 있다.
이 spec. 의 범위가 넓을 경우에는 초음파 기기를 만들 사람들이 곤란을 겪게된다. 필자는 진동자의 한 예를 500W 급 4420 ( 울쏘하이텍 제 품 ) 제품에 준해 설명코자 한다. 아무리 진동자 제조회사가 20kHz 진동자를 똑같이 만들더라도 그 차이는 있을 수밖에 없다.
따라서 울쏘하이텍 제품은 20 ± 0.2 kHz의 spec.을 갖고 있다. 그림. 8 (A), (B), (C)에서 볼 수 있듯이 진동자 자체의 공진 주파수는 20.08 kHz 이다. 그러면 부스터가 연결되더라 도 반드시 20.08 kHz 가 되어야 한다.
부스터 연결 시 그림. 8(B) 에서의 b점 의 공진 저항은 32.3Ω이 된다. 따라서 발진효율은 감소하며, 열 발생의 원인 이 된다. 또한 혼이 연결되더라도 반드시 공진 주파수 Fr 값은 20.08 kHz 에 맞추어야 한다. 혼에서의 초음파 손실은 실로 크기 때문에 공진 저항(c점)이 많이 상승했음을 알 수 있다.
진동자 자체만을 발진시키는 것은 대단히 쉽 다. 그러나, 부스터, 혼이 연결되면서 △F의 감소와 공진 저항 값의 증대, 혼 에서의 초음파 손실이 복합적으로 작용하기 때문에 초음파 매칭은 결코 쉬 운 일이 아니다.
반드시 진동자의 공진 주파수가 20.08 kHz 일 경우는 부스 터 연결 시에도 20.08 kHz, 혼 연결 시에도 20.08 kHz ( 20kHz 가 아님 ) 가 되어야만 발진부와 매칭에 무리가 없다. 이 모든 조건을 맞추고 나면, 발진 부 회로에서 행해주어야 할 일이 있다. 이미 수 차례 언급했듯이 공진 주파 수 Fr에서의 발진효과가 최대가 된다. 따라서 상기에서 말한 진동자 + 부스 터 + 혼의 매칭이 최적 상태라면, 인가 전압이 낮더라도 충분한 출력을 얻을 수 있다. 무리한 인가 전압은 진동자의 열 발생으로 인한 Fr 값의 변화를 초 래한다는 것을 잊지 말고 최적의 인가 전압을 찾아야 한다. 결론적으로 최적 의 매칭 상태에서 최소전압으로 최대의 출력을 얻는 다면, 초음파 기기는 아 주 안정된 상태에서 작동을 계속할 수 있다.
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| * 혼은 교환해서 사용해도 좋은가 ?
정답은 사용할 수는 있으나 안 좋다 이다. 앞에서 언급했듯이 진동자 20.08 kHz는 부스터, 혼을 이미 20.08 kHz에 정확히 맞추어 놓았다는 것이다. 이 주파수에 영향을 주는 요인은 부스터, 혼의 길이가 가장 중요하나, 중량, 재질, 비중, 결함도 무시할 수 없다. 아무리 똑 같이 혼을 만들어 놓았다 하 더라도 중량에서 차이가 있을 수 있다. 500g의 혼을 연결시 주파수가 20.08 kHz 이었다면, 550g의 혼은 무겁기 때문에 진동자가 매달고 흔들 수 있는 힘 이 부족하다. 따라서 주파수는 20.08 kHz 아래로 내려갈 수밖에 없다. 말하자 면, 이미 언급한 진동자 + 부스터 + 혼에서의 정확한 매칭 개념이 무시되는 경우가 되는 것이다. 사람이 양복을 맞추기 위해 양복점에 간 경우를 비교해 보자. 사람은 진동자이며, 옷은 부스터이고 혼으로 볼 수 있다. 사람에게 옷 을 맞추어야 맵시도 좋고, 활동하기도 좋다. 그러나 반대로 만들어진 옷에 사람을 맞출 경우, 어색하고 불편하다. 그냥 입을 수 있지만, 항상 불편하다. 진동자와 혼의 관계도 똑같다. 정확한 매칭이 안될 경우, 효율이 떨어지지만 그냥 사용은 할 수 있다. 또 한 제품의 불량도 동반된다. 그러면 이에 대한 대책은 어떻게 해야 하는가 ? 혼이 교환될 경우 반드시 점검을 해 주어야 한다. 오실로스코프, 주파수 카운터, 제너레이터만 있으면 측정할 수 있다. 혼을 연결하고 주파수가 낮으 면 혼의 길이를 낮추기 위해 조금 깎으면 된다. 혼을 연결하고 주파수가 높 은 경우는 혼을 다시 가공해야 한다. 초음파 시스템에서 생명은 진동자이다. 부스터와 혼은 그 생명을 건강하게 지켜주는 보조자의 역할로 보면 된다. 결 론을 말하자면, 혼은 서로 교환해서 사용할 수 있으나, 교환 시에는 반드시 주파수 등을 점검하여 올바르게 쓸 수 있는지를 확인해야 한다.
* 초음파 발진 시스템에서 공진 주파수의 자동변환은 얼마나 가능한가 ?
그림. 9 온도에 따른 Fr, C 값의 변화
위 그림은 쏘닉테크의 진동자에 대한 온도와 Fr, C 값의 상관관계를 측정한 것이다. 상기 질문에 대한 답은 불가능이다. 그림에서, 온도가 100oC 변화했을 때, C 값의 변화는 1579pF, Fr 의 변화는 200Hz이다. 이 정도의 변 화를 자동으로 변환할 수 있는 발진회로는 굉장히 어렵다. Branson type의 용착기 기계에서 볼 수 있듯이 자동변환은 약 ±100Hz 정도(실제는 이 이하 임)이며, 그 이상의 범위를 넘어서면 over load ( 과부하 )에 의해 정지하게 되어 있다. 주파수 자동변환의 개념은 후처리이다. 앞에서 언급한 매칭의 정 확도와 진동자의 냉각은 전처리 개념이다. 어느 것이 더 중요하겠는가 ? 소 도둑 맞고 외양간 고치는 것보다는 도둑맞지 않도록 철저히 보안해 주는 것 이 더 중요하다.
* 결 론
그러면, 초음파 시스템에서 진동자 사용은 어떻게 해야 하는 가 ?
1. 진동자는 최적의 상태가 되어야 한다. 진동자, 부스터, 혼은 진동자의 주파수에 맞춘다.
2. 1항이 선행되면 발진회로 상에서 등가회로 L 값을 정확히 맞춘다. L 값 은 이론과 정확히 일치하지는 않는다. 초음파 발진기 1대마다 변압기, 콘덴서 등을 꾸며 가동시키면서 맞추는 것이 최선의 방법이다. 제대로 매칭이 된 경우에는 가동시 주파수 카운터에서 정확한 진동자의 주파 수가 읽혀지며, 전압계는 최소점을 찾을 수 있다.
3. 인가 전압은 최소로 하라. 단 출력은 최대효율을 얻을 수 있도록 한다.
4. 진동자는 반드시 냉각을 한다. 어차피 발생되는 열을 차가운 콤프레셔 로 냉각해 주면, 항시 안정된 상태를 유지할 수 있다. 냉각은 진동자의 안정성에서 전처리 조건이다. 철저한 냉각은 필수이다.
끝으로, 필자가 언급한 내용은 산업체에서 일하면서 얻어진 지식을 전달 하고자 한 것이다. 초음파를 이해하고 또 응용하고자 하는 분들에게 미약하 나마 도움이 되었으면 합니다.
글쓴이
조 경석 1984 : 한양대학교 무기재료공학과 졸업 1996∼present : 세라믹 공정연구센터 전임연구원 & (주) 쏘닉테크 대표이사 |
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