[기계저널 1998. 3월호]
초음파 기술 응용 사례
김 진 오
머리말
요즈음에는 일상생활에서도 '초음파'가 친숙한 용어로 되었다. 실내 의 습기를 보충하기 위해 초음파 가습기가 많은 가정에서 사용되고 있고, 임 산부가 출산에 이르기까지 또는 일반인의 내과 검진에 초음파 의료진단의 혜택을 누리고 있다. 안경점이나 귀금속 상점에서 초음파 세정기가 간편하 고 효과적으로 사용되고 있으며, 교량과 건물의 붕괴사고 이후 초음파 비파 괴검사의 필요성에 관한 기사들이 언론매체에 종종 등장하였다.
이와 같은 초음파 활용 기술들은 초음파가 전달하는 에너지를 이용하 는 기술과 초음파가 전파하는 신호를 이용하는 기술로 분류할 수 있다. 초 음파의 본래 뜻은 '인간의 가청 주파수 범위 (20 Hz - 20 kHz) 보다 높은 주파수의 음파'인데, 산업용으로 다양하게 활용되면서 '인간이 들을 목적이 아닌 기술에 활용되는 음파'로도 통하고 있다. 이러한 초음파의 주파수 범 위는 대략 10 kHz 이상이다.
음파란 매질의 전파가 아니고 에너지의 전파이므로, 그와 같이 초음 파에 의해 전달되는 에너지를 이용할 수 있다. 그러한 사례에는 접합, 가공, 세정, 분무, 모터, 화학반응 촉진 등이 있다. 한편 음파의 전파속도는 매질 의 물성치에 따라 결정되는 일정한 양이고 진폭 크기의 감쇠 또한 매질의 상태에 따라 예측 가능하므로, 초음파를 계측용 신호로도 이용할 수 있다. 그러한 사례에는 비파괴검사, 유량계, 수중탐사 및 지질탐사, 어군 탐지, 의 료진단 등이 있다.
이글에서는 필자가 직접 응용해본 초음파 세정, 초음파 점도계, 초음 파 현미경에 관하여 살펴본다.
초음파 세정
파동 에너지를 이용하는 기술의 하나인 초음파 세정은 파동 전파에 따라 세정액이 고주파 진동을 하여 발생하는 캐비테이션(cavitation) 현상과 큰 진동가속도 등이 활용된다. 수Ռm 정도 크기의 미립자 제거에 사용되는 수십 kHz 주파수의 초음파 세정기에서는 주로 캐비테이션 기포작용에 의해 오염물질이 분리되는 반면, 1Ռm 이하의 미립자 제거에 사용되는 MHz 단위 의 주파수 범위에서 작동되는 초음파 세정기에서는 고주파 진동에 따른 큰 진동가속도에 의해 세정이 이루어진다.
액체 내에 가하여 준 강력한 초음파는 소밀파가 되어 압축력(정압)과 팽창력(부압)이 반복적으로 나타나게 된다. 부압 주기 때에 액중의 미세한 이물질을 중심으로 기포가 발생하고, 이 기포는 다음의 압축 주기 때에 소멸 한다. 이러한 기포는 1초에 수만번씩 생성과 소멸을 거듭하면서 점점 구경 이 커진다. 어느 일정 구경 이상이 되면 이 기포는 단번에 수축 파열하면서 매우 큰 충격파를 일으킨다 (그림 1(a)). 이 충격파는 큰 압력을 발생시킴과 동시에 순간적인 고열을 발생시켜, 액체 내에 여러 가지 물리적 작용을 일으 키고 화학적 작용을 촉진한다. 즉, 캐비테이션 기포가 파열하여 오염 물질 사이에 틈을 만들고 (그림 1(b)), 그 틈으로 기포들이 침투하여 파열함으로써 완전하게 오염물질이 분리되게 된다 (그림 1(c)).
초음파 세정기는 일반적으로 발진기와 진동부의 두부분으로 구성되어 있는데, 한 몸체로 이루어진 단조식은 간편한 용도로 사용되고 분리되어 있 는 투입식은 산업용으로 사용된다. 발진기는 일정 주파수로 진동하는 고주 파 전기신호를 발생시켜 진동부로 보낸다. 28 kHz 주파수에서 작동되는 초 음파 세정기의 진동부는 그림 2(a)이 보인 바와 같이 진동판과 여러개의 진 동자로 이루어져 있다. 진동자들에 의해 가진된 진동판의 고주파 횡진동은 인접 액체인 세정액에 초음파를 발생시켜 세정액에서 초음파가 전파된다. 초음파의 전파경로 중에 세정 대상체가 놓이면 앞에서 설명한 원리에 의해 세정이 이루어진다. 이러한 방식은 TV 브라운관 생산라인에서 섀도마스크 를 세정하는 데에 사용되기도 한다.
캐비테이션에 의한 피세정체 손상의 우려가 있는 경우 또는 오염물질 의 크기가 매우 작은 경우에는 MHz 단위의 초음파를 이용한 세정을 한다. 이 방식은 반도체 웨이퍼나 포토마스크 등의 세정에 많이 이용되는데, 메가 소닉 세정이라고도 불린다. 이때 세정 대상체를 금속 이온 등의 불순물로부 터 차단하기 위해 그림 2(b)에 보인 바와 같이 내조와 외조의 이중 구조로 된 세정조를 사용하기도 한다. 진동자에 의해 발생한 초음파는 석영유리나 붕규산유리 등의 비금속 내조를 통과하여 세정 대상체에 도달하게 되는데, 초음파 투과율을 높이기 위하여 용기 바닥이 경사지게 제작된다.
그림 2(a)와 같은 형태의 초음파 세정기는 장시간 사용되면 진동판은 캐비테이션이 극심한 곳에서 기포 파열에 따른 침식작용으로 손상을 입게된 다. 매끈하던 진동판 표면이 계속 침식되어 손상이 심해지면 결국 세정 성 능을 떨어뜨려 진동부를 교체해야 할 상황에 이른다. 이러한 문제점을 해결 하기 위한 연구를 수행하여, 진동자의 선정과 배열 변경에 의해 세정기의 손 상을 저감하여 수명을 연장시킨 바 있다.
또한 세정 성능은 캐비테이션 발생 효율에 달려 있고, 이는 음압 크 기에 직결된다. 세정액 내의 음압분포는 정상파(定常波, standing wave) 형 성으로 인해 그림 3과 같은 경향을 보인다. 검은색으로 표현된 음압 극대 영역이 반파장 간격으로 형성됨을 확인하였고, 이결과를 토대로 생산라인의 세정공정에서 피세정체가 음압 극대 위치를 반드시 통과하는 방안을 제시한 바 있다. 같은 주파수 대의 세정기를 사용하더라도 피세정체가 연약하여 캐 비테이션에 의한 손상을 피해야 하는 경우에는, 둘 이상의 주파수로 가진함 으로써 극대 음압 크기를 줄이고 다소 고른 음압분포를 형성하는 방법도 있 다.
한편 그림 2(b)의 메가소닉 세정기에서 내조 바닥으로의 초음파 투과 율을 높이기 위해 바닥의 경사각, 두께, 세정액의 온도 등을 조절할 수 있다. 투과율에 직결되어 나타나는 내조 내의 음향파워를 경사각에 따라 계산한 결과에 따르면, 1~2도의 경사각 변경으로 투과효율이 많이 차이날 수 있고 최적의 경사각을 찾아낼 수 있어, 세정 효율을 극대화하는 세정기 설계가 가 능하다.
초음파 점도계
탄성 재질의 원형단면 막대에서 전파하는 비틀림 탄성파의 전파속도 는 막대의 밀도와 횡탄성계수에 의해 결정된다. 막대가 액체에 잠기면 그 비틀림파의 전파속도와 감쇠(attenuation)는 인접 액체의 점성에 영향을 받는 다. 따라서 원형 탄성 막대에서 전파하는 비틀림파의 전파속도 변화 또는 감쇠를 측정함으로써 액체의 점도를 구할 수 있다.
이러한 원리에 근거하여 그림 4(a)에 도시한 초음파 점도계를 제작하 였다. 자왜(magnetostriction) 트랜스듀서는 자왜성 막대와 이를 감싸는 코 일로 구성되어 있다. 자왜 막대는 코일에 흐르는 전류 변화로 인한 자장 변 화에 대응해서 변형을 발생하고, 역으로 동적 변형에 대응해서 자장 변화를 발생시킴으로써 코일에 전류를 발생시킨다. 이를 Joule 효과라고 한다. 자 왜 막대가 길이 방향으로 자화되어 있을 때에는 Wiedemann 효과에 의해 변 형이 비틀림 형태로 발생한다.
펄스 신호에 의해 만들어진 비틀림파는 원형 막대와의 경계에서 일부 반사되어 트랜스듀서로 돌아간다. 이는 그림 4(b)에서 신호 A에 해당한다. 한편 원형 막대로 전달된 비틀림파는 막대를 따라 전파한 후 트랜스듀서로 돌아간다. 이것은 신호 B에 해당한다. 따라서 신호 A와 신호 B 간의 시간 차이가 비틀림파가 막대 길이의 두배의 거리를 전파하는 데에 걸린 시간이 므로, 이들로부터 전파속도를 알 수 있다. 한편 경계에서의 반사율과 투과 율에 의해 신호 A와 신호 B의 크기가 결정되므로, 액체에 담그지 않은 상태 에서 측정을 행하여 반사율과 투과율을 기준 자료로 미리 확보해 둔다. 원 형 막대를 측정대상 액체에 담그고 전파시간 변화를 측정하여 전파속도 변 화를 구하거나, 신호 A와 B의 크기 변화를 측정하여 감쇠를 구한다.
비틀림파의 전파속도 변화 또는 감쇠와 점도 간의 관계를 실험과 이 론으로 규명한 바 있는데, 전파속도 변화 또는 감쇠는 액체의 점도 Ռ에 선형 비례하지 않고, 액체의 밀도 Ցf와 점도와의 곱의 제곱근 (ՑfՌ)1/2에 비례한다. 따라서 액체의 밀도를 알고 있으면 점도를 구해낼 수 있다.
액체의 밀도를 모르는 경우에는 점도와 밀도를 동시에 측정해야 한 다. 이는 비틀림파가 전파하는 막대의 단면을 다르게 함으로써 가능해진다. 그러한 예를 그림 5(a)에 도시하였다. 막대를 두부분으로 나누어, 한부분은 원형 단면으로 하고 다른 부분은 원이 아닌 형태-가령 직사각형-으로 한다. 단면이 원형이 아닌 막대에서 전파하는 비틀림파는 인접 유체로부터 점성 보다 부가질량 효과를 훨씬 더 크게 받는다. 이는 초음파 밀도계의 원리이 다. 이를 점도계와 결합하는 것이 그림 5(a)에 보인 구성이다.
이장치에서 측정되는 신호는 그림 5(b)에 보였다. 자왜 막대와 비원 형 막대의 경계에서 반사되어 트랜스듀서로 돌아가는 비틀림파는 신호 A에 해당하고, 비원형 막대와 원형 막대의 경계에서 반사되어 돌아가는 파는 신 호 B에 해당하며, 원형 막대로 전달되어 전파하고 돌아가는 파는 신호 C에 해당한다. 신호 A와 B의 관계 및 B와 C의 관계로부터 Ցf와 (ՑfՌ)1/2를 구하 게 되어, 궁극적으로 액체의 점도 Ռ를 얻게된다. 이러한 장치를 제작하여 Panametrics사와 공동으로 미국 특허 4,893,496호로 등록한 바 있다.
초음파 현미경
초음파를 현미경 기술에 활용해 보려는 아이디어는 1930년대에 러시 아의 과학자 Sokolov에 의해 제기되었는데, 그 당시에는 실험장치들이 뒷받 침되지 않아 실현되지 못하였다. 그후 전자공학의 발달에 힘입어 충분한 해 상도를 얻을 수 있는 실험장치들이 개발되면서 여러사람들이 초음파 현미경 개발에 종사하여, 1970년대 초에 Stanford대학교의 Quate교수와 당시 대학원 생 Lemons에 의해서 최초로 영상용 초음파 주사 현미경(SAM; scanning acoustic microscope)이 개발되었다.
1970년대 말에는 미국 Hughes연구소의 Weglein에 의해 초음파 현미 경을 이용한 소재물성의 정량적 측정이 시작되었다. 이어서 1980년대초에 일본 東北대학교 구시비끼 교수팀에 의해 이방성 소재의 물성 측정을 가능 케 한 방향성 초음파 현미경이 개발되었다.
초기의 초음파 현미경은 투과식이다. 이것은 두 개의 초음파 렌즈를 사용하여 한 렌즈에서 음파를 발생시키고 시편을 통과한 탄성파를 다른 렌 즈에서 수신하는 방식이다. 그러나 이 방식은 두 개의 렌즈를 정확히 마주 보게 정렬시키기가 무척 까다롭고 시편의 두께가 제한받는 단점이 있다. 그 래서 요즈음에는 반사식 장치가 주로 사용되고 있다. 현재에도 사용되는 투 과식 장치로는 레이저 초음파 현미경(SLAM; scanning laser acoustic microscope)이 있는데, 이것은 초음파 수신 렌즈를 레이저로 대치한 것이다.
초음파 현미경 장치는 보통 네가지 주요부분-음향렌즈, 시편대, 전기 적 장치, 컴퓨터-로 구성된다. 신호발생기에서 생성된 고주파 tone-burst 또 는 펄스 신호는 렌즈의 트랜스듀서에서 평면파로 변환된다. 이 평면파는 렌 즈의 곡면에서 굴절되어 커플링 액체에서 초점을 향하여 집속된다. 이 전파 경로에 놓인 시편으로부터 반사된 음파는 다시 렌즈를 거쳐 트랜스듀서로 돌아간다. 이때 컴퓨터는 측정장치를 조정하는 한편 돌아온 신호를 저장하 고 영상표현이나 신호 분석에 이용된다.
영상을 얻기 위한 초음파 주사 현미경에 사용되는 렌즈는 그림 6(a) 와 같이 곡면이 구형으로 되어 한 점을 향해 음파가 모이는 점 집속 렌즈이 다. 시편에서 투과와 반사를 하여 돌아오는 음파 신호의 크기와 전파시간으 로부터 필요한 정보를 얻고, raster 주사를 하여 평면 영상을 얻는다. 영상 의 해상도는 사용되는 신호의 중심주파수와 렌즈 개구수치(NA; numerical aperture)에 따라 결정되는데, 가령 200 MHz에서 약 5 Ռm 정도이다. 현재 사용되는 주파수 범위는 대략 10 MHz부터 2 GHz까지이다. 해상도를 향상 시키기 위해 주파수를 증가시키면 탄성파의 투과 깊이가 제한되므로 활용대 상에 따라 최적의 주파수를 선정한다.
탄성파는 고체 내부로 침투할 수 있는 특성이 있으므로, 초음파 현미 경에 의한 영상은 시편의 표면 뿐만 아니라 표면 아래의 구조까지도 보일 수 있다. 수신되는 신호에 시간별 gate을 적절히 적용하면 깊이에 따른 영 상을 얻을 수도 있다. 따라서 내부결함의 크기 뿐 아니라 위치도 파악할 수 있다. 그림 7은 합판형 복합재료의 충격 손상에 따른 박리현상을 보여주는 영상으로서, 명암 차이에 의해 각 층별로 나타나는 박리가 구별되고 있다. 이외에도 섬유 복합재료에서 섬유와 기지 사이의 결합 상황을 관찰하거나, 반도체 회로에서 박막과 기판 간의 결함을 조사하는 데에도 활용된다. 또한 영상의 명암은 시편 각 부분의 음향 임피던스 차이에 의해서 얻어지므로 투 명한 시편일지라도 염색할 필요가 없고, 같은 색깔의 다른 요소가 구별되어 광학현미경으로 관찰하기 어려운 생물학적 시편들에도 활용될 수 있다.
정량적인 소재물성 측정을 위한 초음파 현미경에 사용되는 렌즈는 그 림 6(b)와 같이 곡면이 원통형으로 되어 한 선분을 향해 음파가 모이는 선 집속 렌즈이다. 그림에 보인 바와 같이 시편에서의 탄성파의 전파는 한 방 향으로 평행하게 이루어진다. 간혹 점 집속 렌즈가 사용되기도 하나 이 경 우 탄성파가 360도 모든 방향으로 전파되므로 측정결과는 모든 방향의 평균 값이 되어 방향성이 무시되므로, 이방성 소재의 특성 평가에는 선 집속 렌즈 가 적합하다. 그리고 이 렌즈는 굴절범위가 넓게 제작되어 시편 표면에 표 면파를 생성한다.
렌즈를 시편에 상대적으로 수직이동하면서 시편의 한 위치에서 얻는 트랜스듀서의 기록은 두가지 성분 음파의 간섭을 내포한다. 즉 수직으로 입 사한 음파의 반사파와 Rayleigh 각도로 입사한 음파가 야기한 표면파의 간 섭이다. 이 기록은 렌즈 초점과 시편 표면 간의 거리(z) 변화에 따른 트랜 스듀서의 비디오 출력(V) 변화이기에 V(z) 곡선이라고 흔히 일컬어진다. 표 면파의 전파경로 길이 변화에 따른 위상 변화로 음과 양의 간섭이 반복되어 V(z) 곡선은 주기성을 띤 형태로 나타난다. 이 주기로부터 표면파의 속도가 구해지고 진폭 감소로부터 감쇠계수가 구해진다. 표면파의 속도는 소재의 밀도와 탄성계수의 함수이므로 궁극적으로 탄성계수가 구해진다.
시편을 한단계씩 회전시키면서 이 측정을 반복하여 이방성 소재의 각 방향별 음향특성을 측정한다. 즉 소재 표면에서의 전파방향별 표면파 속도 를 구할 수 있다. 이기술을 특히 박막의 특성에 대한 비파괴평가 방법으로 활용하여, 단일층으로 구성된 박막의 탄성계수를 구하거나 초격자 다층 박막 의 탄성계수를 구하는 데에 활용하였다.
작용응력에 의해 탄성파 속도가 변화하는 음탄성(acoustoelastic)효과 에 근거하여 비접촉 방식으로 국부 응력을 측정하는 데에도 초음파 현미경 을 활용하였다. 통상의 표면파 측정 기술이 파동 생성과 수신을 위해 두 개 의 센서를 필요로 하고 cm 수준의 비교적 큰 거리의 평균값을 얻게하는 것 과 달리, 초음파 현미경 기술은 mm 수준의 지엽적인 표면 응력 측정에 사 용될 수 있다.
맺음말
이글에 열거한 초음파 응용 사례들은 필자의 경험에 근거하여 설명한 것인데, 지면 제약으로 간략하게 언급하였으므로 혹시 자세한 내용이 필요한 독자에게는 관련 참고문헌을 제공할 수 있다.
초음파의 물리적 현상은 백여년 전부터 이미 이론적으로 확립되어 왔 으면서도, 초음파 기술에 관한 연구가 지금도 많은 사람들에 의해 활발히 진 행되고 있고, 최신 응용 사례들이 속속 보고되고 있다. 관심있는 사람들의 창의적인 아이디어에 따라 그 용용범위가 더욱 넓어지리라 기대한다. (끝)
그림 1. 캐비테이션 기포에 의해 세정이 이루어지는 과정.
(a) 기포 발생 (b) 기포 침투 (c) 분리
그림 2. 초음파 세정기의 구조.
(a) 28 kHz 세정기 (b) 1 MHz 세정기
그림 3. 28 kHz 세정기 내의 음압분포.
그림 4. 점도 측정용 초음파 센서.
(a) 비틀림파 센서의 구성 (b) 수신되는 신호
그림 5. 점도와 밀도 동시 측정용 초음파 센서.
(a) 비틀림파 센서의 구성 (b) 수신되는 신호
그림 6. 초음파 현미경의 두가지 음향렌즈.
(a) 점 집속 렌즈 (b) 선 집속 렌즈
그림 7. 합판형 복합재료에서의 충격손상 영상.