기체, 액체, 고체 등의 속을 전파되는 진동을 「음파」라고 합니다. 음파 중에도 주파수가 높고 귀에 들리지 않는 것은 「초음파」라고 불립니다. 현대 사회에서 초음파는 세척과 계측만이 아닌 정밀 가공 등 다양한 용도로 이용되고 있습니다. 이번에는 그 중에서도 초음파를 이용한 가공 기술인 초음파 가공에 대해 알아보겠습니다. 
목차
초음파 가공이란
공업 재료의 가공 방법으로는 절삭 가공 및 연삭 가공, 프레스 가공 등 다양한 가공이 존재합니다. 이들 기존의 가공 방법에 초음파의 진동을 도입한 기술이 초음파 가공입니다. 예를 들어 초음파 절삭 가공의 경우 가공 공구를 초음파 진동시킨 상태에서 가공 대상물을 절삭합니다. 초음파 가공 시는 진동자라는 부품을 사용하여 초음파를 발생시킵니다. 일반적으로 사용되는 것은 BL 진동자라는 것으로 압전 소자에 전기 신호를 주면 15kHz~200kHz의 초음파 진동을 발생시킬 수 있습니다.
초음파 가공의 종류
기존의 가공 기술에는 제거 가공(가공 대상물의 불필요한 부분을 제거하는 방법)과 비제거 가공(가공 대상물을 변형시키는 방법)이 존재합니다. 초음파는 이들 모든 방법에 적용할 수 있습니다. 이번에는 다양한 초음파 가공 중 제거 가공인 지립 가공과 절삭 가공 그리고 초음파를 도입한 접착 기술을 소개합니다.
- 초음파 지립 가공 초음파 지립 가공은 지립 가공(지립이라는 고경도 입자를 이용하여 가공 대상물을 조금씩 깎아내는 방법)에 초음파를 도입한 방법입니다. 초음파 지립 가공에서는 공구를 초음파 진동시킨 상태에서 공구와 가공 대상물 사이에 물에 현탁시킨 연마 입자를 흘려 넣습니다. 이렇게 하면 진동 공구와 지립이 충돌하여 공구에서 진동 에너지를 얻은 지립은 가공 대상물에 부딪혀 그 표면을 조금씩 깎아 나갑니다. 가공 대상물을 깎는 것은 어디까지나 지립으로 초음파는 그 보조를 한다는 이미지입니다. 초음파 지립 가공에서는 초음파라는 고주파수의 진동을 이용하여 기존보다 세심하게 고정밀도 가공이 가능합니다. 기존에는 가공하기 어렵던 단단하고 무른 재료의 가공에도 대응할 수 있습니다. 또한 가공 시간도 대폭 단축됩니다.
- 초음파 절삭 가공 초음파 절삭 가공은 절삭 가공과 초음파 진동을 조합한 것입니다. 공구에 초음파 진동을 준 상태에서 가공 대상물을 절삭합니다. 초음파 절삭 가공에서는 많은 경우 절삭 방향과 같은 방향으로 초음파 진동이 주어집니다. 다시 말하면 공구는 진동 주기에 맞춰 가공 대상물과 접촉하고(가공 대상물을 깎고) 가공 대상물로부터 멀어지고를 반복하는 것입니다. 이와 같이 초음파 절삭 가공에서는 공구가 가공 대상물에서 멀어지는 타아밍이 있기 때문에 공구에 가해지는 힘이 적어져 가공 정밀도가 향상됩니다. 또한 같은 이유로 절삭에 따른 발열도 적어지므로 열로 인한 가공 대상물의 변질 등을 방지할 수 있습니다. 이와 같이 초음파 절삭 가공에는 많은 장점이 있습니다. 그러나 한편으로 절삭이 이루어지지 않는 타이밍이 있으므로 가공에 시간이 걸리는 단점도 있습니다.
- 초음파 접합 초음파 접합은 압접(시료끼리 밀착시켜 압력을 가해 접합하는 방법)에 초음파 진동을 도입한 기술입니다. 압접에서는 시료 표면의 오염을 제거하고 청정한 상태로 하는 것이 중요한데 이 때 초음파가 유용합니다. 초음파 접합은 주로 금속 간의 접합에 이용됩니다. 금속 시료 2개를 위아래로 겹친 후 위쪽 시료에 초음파 진동을 가합니다. 그 상태에서 위쪽 시료를 아래쪽 시료에 누르면 초음파 진동으로 양쪽 시료 표면의 오염(산화 피막 등)이 제거되는 것입니다. 그 결과 시료들을 깔끔하게 접합할 수 있게 됩니다. 초음파 접합에서는 열을 사용하지 않으므로 융점이 다른 이종 금속을 접합할 수 있습니다. 또한 접합으로 금속의 기계적, 전기적 성질이 변화하지도 않습니다.
- 초음파 용착 초음파 용착은 초음파에 의한 진동과 압력에 의해 수지를 부분적으로 용융하여 용착합니다. 열가소성 수지라면 거의 모든 수지를 가공할 수 있고 가열되는 범위가 좁기 때문에 수지 부품에 대한 열적 영향이 적은 것이 특징입니다.
초음파 가공의 용도
초음파 지립 가공이나 초음파 절삭 가공에서는 초음파의 고주파 진동을 이용한 세심하게 고정밀도 가공이 가능합니다. 그래서 이 기술들은 세라믹이나 보석, 유리 등 단단하고 무른 재료 가공에 폭넓게 이용되고 있습니다. 또한 열이 발생하지 않고 깔끔한 단면을 얻을 수 있어 수지의 절삭 가공에도 사용됩니다. 한편 초음파 접합은 전지나 전력 소자, 기판과 같은 미세한 전기적 접점부의 금속 접합에 적합합니다. 리튬 이온 전지로의 활용도 주목 받고 있습니다.
정리
초음파 가공은 기존의 가공 방법과 초음파를 조합한 기술로 기존의 가공 방법에는 없는 다양한 장점과 특징을 갖추고 있습니다. 초음파 가공에는 이번에 소개한 이외에도 다양한 방법이 있습니다. 초음파를 가공에 이용할 때는 각 방법의 특징을 이해한 뒤 최적의 방법을 선택하도록 합니다.
