초음파 세척의 현상과 미래

초음파 세척의 현상과 미래

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[경영기술정보] 200808월호(통권 208호)

- 저자 : 심영일 - 소속 : 한국과학기술정보연구원 전문연구위원

1. 머리말

• 기계가공품 및 프레스 부품 등의 탈지 세척에서 실리콘 웨이퍼와 액정유리 기판에 부착하는 1㎛ 이하의 미세 입자인 파티클(particle)을 제거하는 데 이르기까지 초음파 세척은 여러 분야에 활용되고 있다.
  
• 초음파 세척은 크게 탈지를 목적으로 하는 캐비테이션(cavitation) 에너지를 이용하는 ｢100kHz 이하｣의 세척과, 파티클 제거 금속 오염제거, 무기물 오염제거 등을 목적으로 하는 ｢100kHz 초과｣ 주파수대역의 2가지로 분류하고 있다. 특히 실리콘 웨이퍼의 세척에는 메가소닉(mega-sonic)이라고 하여 1MHz 부근의 주파수를 사용하고 있다.

 

2. 초음파 세척의 개요

• 초음파 세척기는 세척액에 진동을 주어 강력한 캐비테이션 및 가속도를 발생시켜 더러워진 것을 떨어내주는 물리적인 세척방식이다. 가해지는 힘의 방향이 모든 방향으로 작용하기 때문에 복잡한 형상의 금속부품을 구석구석까지 세척할 수가 있다. 기계가공 부품에서 반도체의 파티클 세척에 이르기까지 폭넓게 사용할 수가 있다.
  
• 초음파 세척의 3가지 원리
  • 캐비테이션: 100kHz 이하의 초음파에서는 증기성(蒸氣性) 캐비테이션이 부서지면서 생기는 마이크로 제트(micro jet)에 의해 세척이 된다. 기포 핵이 초음파에 의해 파괴되면서 생기는 것이 기체성 캐비테이션이다. 기체성 캐비테이션은 1MHz 이상의 메가소닉에서도 소량이지만 발생하고 있으며, 위험 발생의 한 요인이 되고 있다.
  • 가속도: 액의 진동이 오염물질에 전달되고 가속도에 의해 씻겨나간다. 26kHz에서는 중력 가속도의 103배, 950kHz에서는 105배가 된다.
  • 화학작용: 초음파 진동으로 화학작용이 촉진되는 경우가 있다. 물 분자의 래디칼화(radical: HO·)나 수소 원자 생성에 의한 산화 환원의 촉진이 일어나게 된다.

 

3. 초음파 세척기

• 초음파 세척기는 용도에 따라 19.5kHz에서 2MHz까지 생산되고 있다. 한 가지 주파수만으로 더럽혀진 것을 모두 제거할 수는 없기 때문에 여러 가지 주파수를 갖추고 있는 세척기를 사용한다. 일반적으로 기름오염은 100kHz 이하, 0.1㎛ 정도의 파티클은 430kHz 이상, HDD 부품 등의 정밀 세척에는 78~430kHz 대역의 주파수가 사용된다.
  
• 초음파 세척은 물만으로는 충분한 세척효과를 얻을 수 없다. 세척효과를 높여주기 위한 세제로는 다음 4가지 종류가 있다.
   ① 수계(水系) 세제: 알카리 세제, 중성 세제, 산성 세제 등
   ② 준수계(準水系) 세제: 알코올, 글리콜 에텔 등
   ③ 탄화수소계 세제: 노말 파라핀계, 이소 파라핀계, 나프텐계, 방향족계 등
   ④ 기능수(機能水): 알카리 이온수, 전해수, 순수(純水), 산성수 등
  
• 세척액은 세척 성능, 폐액처리 방법, 가격 등에 따라 선택한다. 일반 산업용에 쓰이고 있는 고성능 세척액인 프론(CFC-113) 및 트리클로로 에탄(trichloroethane)은 오존층을 파괴하기 때문에 1995년 말에 전면 금지되었다. 이를 대신하기 위해 개발된 대체 프론 용제도 지구 온난화계수가 0이기 때문에 2020년부터는 전면 금지토록 되었다.

 

4. 초음파 세척기의 문제점 및 대응

• 사용자 입장에서는 수계(水系)나 탄화 수소계 세척액을 사용하더라도 프론과 대등한 세척효과를 요구하고 있다. 이러한 이유로 초음파 발진기는 발진 방식을 종래의 단주파에서 다주파 발진, FM(sweep)발진, 펄스 발진 등을 검토해서 세척효과를 높이려고 노력하고 있다.
  
• 세척방식도 세척액 중에 기포를 적게 하여주고 초음파의 감쇄를 막아주기 위하여 진공(감압) 및 가압하여주는 세척방법을 택하고 있다. 세척 탱크를 밀봉하고 탱크 내를 감압하여 액체 중의 기체를 뽑아내서 초음파의 감쇄를 경감하는 방법이다. 가압하는 방식은 가압하여 기포의 발생이 억제되도록 하여 세척효과를 향상시켜준다.
  
• 초음파 진동자는 세척액이나 세척 수준에 맞춰 개별적으로 최적의 진동자의 형상 및 크기, 주파수를 설정하여 줄 필요가 있다. 세척을 하게 되면 진동자 자신도 세척되기 때문에 저주파 영역의 캐비테이션 영향으로 표면이 침식(浸蝕)되어 조금씩 떨어져나간다. 진동자는 소모품이며 사용방법에 따라서 수년에서 10년 정도 되면 교환하여 주어야 한다.
  
• 진동자의 수명을 길게 하는 방법으로는 진동자의 표면에 내침식성이 좋은 경질 크롬 도금을 하여준다. 사용 시에는 액체의 온도 변화를 적게 하여주고 물의 경우 40~60℃ 정도로 하여 사용하는 것이 좋다.
  
• 초음파 세척작업은 세척효과를 올려주게 되면 세척물에 손상의 위험이 따르게 되는 위험 손상과의 싸움이다. 초음파는 강하기만 하면 되는 것이 아니다. 손상이 발생하기 바로 직전의 초음파 출력으로 사용하는 것이 가장 좋은 방법이다. 세척물의 종류, 오염의 종류 및 세제 등이 제각각이므로 세척 시간 및 초음파 출력 등도 각각 설정하여 주어야한다.
  
• 반도체 와퍼(wafer)의 세척은 0.1㎛ 이하의 미세 입자이고 금속오염, 무기물 오염 등의 제거를 목적으로 한다. 100kHz 이하의 초음파 세척기를 사용하면 캐비테이션의 발생으로 기판의 패턴에 손상을 주기 때문에 캐비테이션의 발생이 적은 메가소닉을 사용하는 것이 좋다.
  
• 최근에는 IC회로의 집적도가 점점 진전되어 회로의 패턴 폭도 90nm이하가 되어 메가소닉 세척기에서도 회로 패턴이 박리되는 현상이 다발하고 있다. 이의 대체 수단으로서 2유체 제트 등의 다른 종류의 물리 세척 방법이 사용되고 있지만, 완전하지는 못하다. 메가소닉에서는 음압분포의 균일화, 정밀 출력제어, 고주파수화, 세정액과의 총합 작용화 등의 4가지에 대한 검토 개발이 진행되고 있다.
  
• 초음파 세척기는 본래 인간이 듣지 못하는 높은 음역의 소리이기 때문에 작동음은 들리지 않는 것이 당연하다. 그러나 실제로는 소리가 나오고 있다. 캐비테이션 때문에 나오는 음과 기본 주파수의 1/2, 1/3의 음이 합쳐서 들리기 때문에 귀에 거슬리는 음으로 들리게 되는 것이다.
  
• 현재의 공업용 초음파 세척기의 주파수는 38kHz 중심으로 되고 있지만, 그래도 소란함으로 소음을 줄여주기 위해서는 78kHz, 100kHz로 고주파화 하여주는 것이 좋다. 그러나 주파수를 올려주면 진폭이 낮아져 캐비테이션의 힘이 약해진다. 그래서 나사 등의 세척에는 38kHz 대역의 것을 주로 사용하고 있다.

 

5. 새로운 초음파 세척 시스템

• 초음파 세척기가 갖추고 있어야 할 3가지 기능은 강력 세척, 긴 수명, 저 소음 등의 3요소이다. 그러나 현재의 초음파 세척기는 이러한 성능을 추구하려면 38kHz 전후가 되어 소음을 피할 수 없게 되고 강력한 초음파를 내려면 침식의 진행이 빨라져 진동자의 수명이 문제가 된다. 이러한 3가지 과제를 동시에 해결한 것이 물 공진시스템인 WRS(Water Resonance System)인 것이다.
  
• WRS를 사용한 초음파 세척기의 작동 상태를 보면 종전의 100kHz 초음파 세척기에 비해서 소음은 전혀 없지만 액면이 부풀어 오르지도 않고 기름때도 안 없어진다. 이러한 세척액을 WRS에 의해 개질하여주면 액이 강렬하게 부풀어 오르면서 음압이 3~5배로 되어 손을 넣을 수 없을 정도이다. 38kHz에서 사용하면 더욱 세척효과가 있고 정밀 세척의 경우 100~200kHz에서 사용하면 손상 위험도 억제되고 세척효과도 높아진다.
  
• WRS는 액 중에 불균일하게 흩어져 있는 크고 작은 기포 중에서 초음파를 흡수하는 커다란 것은 제거하고, 캐비테이션 발생으로 세척에 도움을 주는 작은 기포는 탱크 내에 균일하게 배치토록 하여, 강력하고 균일한 음장으로 얼룩이 없는 높은 세척효과를 얻을 수 있다.

 

6. 맺음말

• 초음파 세척은 초음파 발생장치만 개발한다고 해서 세척효과를 향상시킬 수는 없다. 세척액의 상태 및 세척 공정, 특히 세척 탱크 내의 액순환과 린스(rinse), 건조공정이 중요한 요소가 된다. 이러한 것들을 모두 종합 검토하여 지구환경을 지키면서 고객에게 만족을 주는 초음파세척기를 개발하여 나가는 것이 중요하다.
  

출처 : 高橋典久, “超音波洗淨の現狀と將來技術”, 「自動車技術(日本)」, 62(7), 2008, pp.92~97

 

 

◁전문가 제언▷

• 사람이 들을 수 있는 가청 주파수 범위는 20Hz~20kHz이다. 초음파는 가청 주파수 이상의 진동음을 말한다. 소리는 기계적인 진동에 의하여 공기의 압력이 고압과 저압으로 빠르게 변화하여 진동원으로부터 전파되어 사람 귀에 들리게 된다. 음은 초저주파(20Hz 미만), 가청음, 초음파(20kHz 초과)로 분류한다.
  
• 초음파 세척이란 초음파의 캐비테이션 효과 및 입자 가속도효과를 세척에 이용하는 기술이다. 다른 세척기술로는 할 수 없는 미세하고 정밀한 세척효과를 얻을 수 있는 것이 특징이다. 특히 복잡한 형태의 물체 및 좁은 공간에서의 정밀한 침투력에 탁월한 효과가 있으며, 산업구조의 고도화에 따라 반도체, LCD 등 그 적용범위가 넓어져가고 있다.
  
• 초음파를 이용한 세척기술은 토양 세척을 통한 환경 정화에도 기여하고 있다. 초음파를 통한 토양/지하수 정화기술에 관한 연구는 1990년대 후반부터 시작되었다. 가장 최근의 것으로는 2007년 9월 호주 CSIRO 산업물리연구소의 정유공장이나 발전소에서 배출하는 암과 기형아 출산을 유발하는 DDT, 폴리염화비닐(PCB) 등 분해하기 어려운 물질을 초음파를 이용해 오염물의 분자구조를 파괴하는 내용이 소개되었다.
  
• 초음파를 이용한 세척기술은 이미 반도체, 의료, 식품 등 산업분야에서는 널리 사용되어 그 효과가 입증된 최상의 세척기술이다. 더욱이 초음파를 이용한 토양 및 지하수의 정화기술이 실용화된다면 정화된 세척수 및 지하수를 재활용할 수 있어 경제적인 측면은 물론 지구환경 오염을 막을 수 있는 획기적인 신기술로 등장할 것이다.

<자료출처: www.reseat.re.kr>