KR20160067575A - 초음파 세정장치 - Google Patents

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Abstract

초음파 세정장치가 개시된다. 본 발명에 따른 초음파 세정장치는, 피세정물과의 사이에 세정액이 개재된 상태에서 초음파를 통하여 피세정물을 세정하도록 이루어지는 초음파 세정장치에 있어서, 전기에너지를 공급받아 진동하며 제1 초음파를 발생시키는 제1 진동자; 전기에너지를 공급받아 진동하며 제2 초음파를 발생시키는 제2 진동자; 및 제1 진동자 및 제2 진동자의 진동을 전달하고, 저면을 이루는 진동면이 상기 피세정물을 향하는 진동전달체를 포함하고, 제1 초음파와 제2 초음파가 진동전달체 내부에서 교차하여 간섭파가 발생되도록, 제1 진동자가 향하는 면의 방향과 제2 진동자가 향하는 면의 방향이 교차하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 제1 진동자의 제1 초음파와 제2 진동자의 제2 초음파가 진동전달체를 통해 전달되면서 제1 초음파와 제2 초음파가 서로 교차하여 간섭되면서 발생하는 간섭파가 형성되도록 하여, 진동전달체의 진동면에서 제1 초음파, 제2 초음파 및 간섭파에 의한 음압이 형성될 수 있고 이에 따라 균일한 세정이 이루어질 수 있다.

Description

초음파 세정장치{ULTRASONIC CLEANING APPARATUS}
본 발명은 초음파 세정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 피세정물과의 사이에 세정액이 개재된 상태에서 초음파를 통하여 피세정물을 세정하도록 이루어지는 초음파 세정장치에 관한 것이다.
초음파 발진장치로부터 전기적 신호가 진동판의 진동자로 인가되면 이 진동자는 기계적 신호를 발생시키고, 이 변환된 기계적 신호는 수중의 매질을 통하여 진동하여 음압의 변화로 케비테이션 현상을 발생시켜 이물의 박리 및 제거에 사용되는데, 이러한 원리를 이용한 세정방법을 초음파 세정이라고 한다.
이러한 초음파 세정장치는, 전기에너지를 진동으로 전환시키는 진동자(transducer)와 진동자에 의한 진동을 전달하는 진동전달체(transmitter)를 포함하고, 진동전달체는 주로 석영(quartz)으로 이루어진다.
이와 같은 초음파 세정장치를 사용할 경우, 진동자에 의하여 발생한 초음파는 진동전달체를 통해 전달되면서 피세정물을 세정하게 되는데, 초음파의 중심부에서는 상대적으로 강한 음압이 발생하고 주변에서는 비교적 약한 음압이 발생되는 등, 음압의 불균형이 발생할 수 있으며, 이 경우 피세정물의 균일한 세정이 어렵거나 피세정물의 패턴을 손상시키는 문제점이 발생될 수 있으므로, 균일한 세정을 위한 기술개발이 요구되고 있다.
도 8a에는 단일의 진동자를 사용할 경우 진동전달체의 저면에서 음압분포의 시물레이션 결과(빨간색일수록 음압이 높고 파란색일수록 음압이 낮음)가 나타나고, 도 8b에는 단일의 진동자를 사용할 경우 진동전달체 하측에서 발생되는 캐비티 분포가 나타나며, 음압의 불균형이 이루어지고 있음을 알 수 있다.
이와 관련하여 한국등록특허 제10-1017104호는 "초음파 노즐 및 이를 포함하는 기판 세정 장치"를 게시하며, 구체적으로 다중 주파수를 사용하여 세정 효과를 높일 수 있는 초음파 노즐 및 이를 포함하는 기판 세정 장치에 관한 것으로서, 반도체 기판이 안착되는 스핀헤드와, 스핀헤드의 둘레에 구비된 보울과, 반도체 기판 표면에 세정액을 공급하기 위한 세정액 노즐과, 세정액에 다중 주파수의 초음파 진동을 인가하도록 구성된 초음파 노즐을 포함하도록 하고 있으며, 이에 의할 때, 기판의 묻은 크기가 다른 이물질의 효과적인 제거가 가능하게 되고, 균일하고 정밀한 세척이 가능하며, 반도체 기판에 형성된 패턴이 손상되는 것을 방지할 수 있음을 기재하고 있다.
그러나 한국등록특허 제10-1017104호에서 게시되는 기판 세정 장치는, 제1 진동자와 제2 진동자가 구비되도록 하면서 제1 진동자 및 제2 진동자의 주파수가 간섭되지 않도록 차단수단을 함께 구비하며, 이에 따라 2개의 서로 다른 주파수의 초음파가 트랜스미터에서 방사되도록 하고 있는데, 이 경우 제1 진동자 및 제2 진동자의 각 주파수가 트랜스미터의 저면 바닥으로 전달됨에 있어서, 각 주파수의 중심부 부분에서 상대적으로 강한 음압이 발생되어 여전히 음압의 불균형이 나타나게 되므로, 이에 대한 개선이 요구된다.
(0001) 대한민국등록특허 제10-1017104호(공고일: 2011.02.25)
본 발명의 목적은, 피세정물과의 사이에 세정액이 개재된 상태에서 초음파를 통하여 피세정물을 세정함에 있어서, 서로 다른 초음파가 교차하여 간섭되면서 간섭파가 형성되도록 하여, 진동전달체의 진동면에서 균일한 음압이 형성될 수 있는 초음파 세정장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 피세정물과의 사이에 세정액이 개재된 상태에서 초음파를 통하여 상기 피세정물을 세정하도록 이루어지는 초음파 세정장치에 있어서, 전기에너지를 공급받아 진동하며 제1 초음파를 발생시키는 제1 진동자; 전기에너지를 공급받아 진동하며 제2 초음파를 발생시키는 제2 진동자; 및 상기 제1 진동자 및 제2 진동자의 진동을 전달하고, 저면을 이루는 진동면이 상기 피세정물을 향하는 진동전달체를 포함하고, 상기 제1 초음파와 상기 제2 초음파가 상기 진동전달체 내부에서 교차하여 간섭파가 발생되도록, 상기 제1 진동자가 향하는 면의 방향과 상기 제2 진동자가 향하는 면의 방향이 교차하는 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치에 의해 달성된다.
그리고 상기 진동전달체는, 상기 제1 진동자가 형성되는 쪽과 상기 제2 진동자가 형성되는 쪽이 서로 대칭이고, 상기 제1 진동자와 제2 진동자는, 상기 진동전달체의 중심을 기준으로 서로 대칭이며, 상기 제1 진동자와 상기 제2 진동자는 동일한 주파수가 사용될 수 있다.
또한 상기 간섭파가 형성되는 지점은, 다음의 식에 따른 근거리값을 넘어서되, 상기 근거리값으로부터 상기 제1 초음파 및 제2 초음파의 파장의 2배의 거리 이상을 벗어나지 않도록 이루어질 수 있다.
Figure pat00001
(Z: 근거리값, D: 제1 진동자 및 제2 진동자의 폭, λ: 파장)
이때, 상기 제1 진동자 및 제2 진동자의 폭이 20㎜, 주파수가 1000㎑, 상기 진동전달체의 고유음속이 5800㎧ 일 때, 상기 간섭파가 형성되는 지점은 22~23㎜ 범위에 놓이도록 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 세정장치에서, 상기 진동전달체는 상기 제1 진동자 및 제2 진동자와 멀어지는 방향을 따라 직경이 확장되는 형태로 이루어지고, 상기 진동면은 타원형을 이루되 장축의 방향이 상기 제1 진동자와 제2 진동자의 배열방향과 평행하게 이루어질 수 있다.
그리고 상기 진동면의 테두리는 다음의 식에 따른 빔각도가 이루는 영역과 상기 빔각도의 1/2 각도가 이루는 영역 사이에 위치하도록 이루어질 수 있다.
Figure pat00002
(θ: 빔각도, D: 제1 진동자 및 제2 진동자의 폭, λ: 파장)
또한 본 발명에 따른 초음파 세정장치는, 상기 제1 진동자 및 제2 진동자를 수용하는 케이스; 및 상기 진동전달체 상단에서 연장되어 상기 케이스에 결합되는 플랜지를 포함하고, 상기 케이스가 상기 진동면 쪽으로 투영된 면적은 상기 진동면의 면적을 벗어나지 않도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 목적은, 피세정물과의 사이에 세정액이 개재된 상태에서 초음파를 통하여 상기 피세정물을 세정하도록 이루어지는 초음파 세정장치에 있어서, 전기에너지를 공급받아 진동하며 제1 초음파를 발생시키는 제1 진동자; 전기에너지를 공급받아 진동하며 제2 초음파를 발생시키는 제2 진동자; 및 상기 제1 진동자 및 제2 진동자의 진동을 전달하고, 저면을 이루는 진동면이 상기 피세정물을 향하는 진동전달체를 포함하고, 상기 진동전달체는 상기 제1 진동자 및 제2 진동자와 멀어지는 방향을 따라 직경이 확장되는 형태로 이루어지고, 상기 진동면은 타원형을 이루되 장축의 방향이 상기 제1 진동자와 제2 진동자의 배열방향과 평행한 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치에 의해 달성된다.
또한 상기 목적은, 피세정물과의 사이에 세정액이 개재된 상태에서 초음파를 통하여 상기 피세정물을 세정하도록 이루어지는 초음파 세정장치에 있어서, 전기에너지를 공급받아 진동하며 제1 초음파를 발생시키는 제1 진동자; 전기에너지를 공급받아 진동하며 제2 초음파를 발생시키는 제2 진동자; 상기 제1 진동자 및 제2 진동자의 진동을 전달하고, 저면을 이루는 진동면이 상기 피세정물을 향하는 진동전달체; 상기 제1 진동자 및 제2 진동자를 수용하는 케이스; 및 상기 진동전달체 상단에서 연장되어 상기 케이스에 결합되는 플랜지를 포함하고, 상기 케이스가 상기 진동면 쪽으로 투영된 면적은 상기 진동면의 면적을 벗어나지 않는 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치에 의해 달성된다.
본 발명에 의하면, 제1 진동자의 제1 초음파와 제2 진동자의 제2 초음파가 진동전달체를 통해 전달되면서 제1 초음파와 제2 초음파가 서로 교차하여 간섭되면서 발생하는 간섭파가 형성되도록 하여, 진동전달체의 진동면에서 제1 초음파, 제2 초음파 및 간섭파에 의한 음압이 형성될 수 있고 이에 따라 균일한 세정이 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 세정장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 초음파 세정장치에서 제1 초음파, 제2 초음파 및 간섭파가 발생되는 상태를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 초음파 세정장치의 진동면에서의 음압분포 시물레이션 결과를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 초음파 세정장치에서 제1 진동자와 제2 진동자가 이루는 각도에 따른 진동면에서의 음압변화를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 초음파 세정장치에서 진동면의 모양에 따른 음압변화를 설명하는 도면,
도 6은 본 발명에 따른 초음파 세정장치에서 제1 진동자, 제2 진동자 및 진동전달체 간의 관계를 설명하는 도면,
도 7은 본 발명에 따른 초음파 세정장치에서 케이스와 진동면 간의 관계를 설명하는 도면,
도 8a는 일반적인 초음파 세정장치에서 음압분포 시물레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 8b는 일반적인 초음파 세정장치에서 발생되는 캐비티 분포를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 세정장치(1)를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 초음파 세정장치(1)에서 제1 초음파(S1), 제2 초음파(S2) 및 간섭파(S3)가 발생되는 상태를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 초음파 세정장치(1)의 진동면(31)에서의 음압분포 시물레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 초음파 세정장치(1)에서 제1 진동자(10)와 제2 진동자(20)가 이루는 각도에 따른 진동면(31)에서의 음압변화를 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 초음파 세정장치(1)에서 진동면(31)의 모양에 따른 음압변화를 설명하는 도면이다.
본 발명에 따른 초음파 세정장치(1)는, 반도체 기판과 같은 피세정물과의 사이에 세정액이 개재된 상태에서 초음파를 통하여 피세정물을 세정하도록 이루어지는 장치이며, 제1 진동자(10), 제2 진동자(20) 및 진동전달체(30)를 포함하여 이루어지고, 케이스(60) 및 플랜지(40)를 더 포함하여 이루어진다.
진동전달체(30)는 피세정물과 이격되어 대항하면서 저면을 이루는 진동면(31)을 통하여 피세정물을 세정할 수 있도록 이루어지며, 제1 진동자(10) 및 제2 진동자(20)에 의하여 발생되는 초음파가 전달되면서 진동한다. 이러한 진동전달체(30)는 석영(Quartz)로 이루어질 수 있음은 물론, 금속, 플라스틱 등으로 이루어질 수 있으며, 다만 본 발명에 따른 초음파 세정장치(1)의 시험을 위하여 진동전달체(30)의 고유음속은 5800㎧인 것으로 사용되었다.
도 1에 도시된 바와 같이, 진동전달체(30)는 하측을 향할수록 직경이 확장되는 형태로 이루어지고, 특히 진동전달체(30)는 횡단면이 타원형을 이루는 형태로 이루어지며, 아울러 진동면(31)이 타원형을 이루게 된다.
진동면(31)은 편평한 면을 이루며, 피세정물의 표면에 평행하게 배치된다.
이처럼 진동전달체(30)는, 제1 진동자(10) 및 제2 진동자(20)와 멀어지는 방향을 따라 직경이 확장되는 형태로 이루어지고, 진동면(31)은 타원형을 이루되 그 장축의 방향이 제1 진동자(10)와 제2 진동자(20)의 배열방향과 평행하게 이루어진다.
진동전달체(30)가 원뿔 형태로 이루어지면서 진동면(31) 또한 원형으로 이루어질 수 있으나, 이러한 경우 세정액이 진동면(31)과 피세정물 사이로 충분히 유입되는 것이 방해될 수 있으며, 아울러 후술하는 바와 같이 진동면(31)에서의 음압의 분포가 불균일하게 이루어질 수 있다.(진동면(31) 중 제1 초음파(S1), 제2 초음파(S2) 등이 향하는 방향 이외의 영역에서는 간섭 및 반사되는 파에 의하여 상대적으로 약한 음압이 형성될 수 있고, 이러한 음압의 차이는 진동면(31) 전체에서의 음압 불균형을 유발할 수 있음)
본 발명에 따른 초음파 세정장치(1)에서는, 이러한 점을 고려하여 진동면(31)이 타원형을 이루도록 하고 있으며, 타원형인 진동면(31)의 장축이 제1 진동자(10)와 제2 진동자(20)의 배열방향과 평행하도록 하여, 후술할 제1 초음파(S1), 제2 초음파(S2) 및 간섭파(S3)가 진동면(31)으로 충분히 전달되면서 일정한 크기 범위의 음압이 진동면(31)에 형성되도록 하고 있다.
진동전달체(30)의 상단에는 플랜지(40)가 일체로 형성되며, 플랜지(40)는 진동전달체(30)의 상단에서 직경이 확장되는 형태로 형성되어 케이스(60)에 결합된다.
플랜지(40) 위쪽에는, 종단면의 모양이 삼각형을 이루는 진동자결합부(50)가 일체로 형성되며, 진동자결합부(50)는 좌우대칭형태로 이루어진다. 진동자결합부(50)의 제1 결합면(51)에 제1 진동자(10)가 밀착된 형태로 결합되고, 제2 결합면(52)에 제2 진동자(20)가 밀착된 형태로 결합되어, 제1 진동자(10)와 제2 진동자(20)의 각 초음파가 진동전달체(30) 내부로 전달되게 된다.
그리고 진동자결합부(50)가 이루는 각도(제1 결합면(51)과 제2 결합면(52)이 이루는 각도)는, 진동전달체(30)가 이루는 각도(진동면(31)의 장축을 기준으로 한 종단면에서의 각도)보다 크게 이루어지는 것이 바람직하다.
제1 진동자(10) 및 제2 진동자(20)는, 초음파 세정장치(1)에서 진동자를 이루는 것으로서 전기에너지를 공급받아 진동하며, 제1 초음파(S1) 및 제2 초음파(S2)를 각각 발생시킨다.
이러한 제1 진동자(10) 및 제2 진동자(20)는 진동전달체(30)의 위쪽, 특히 플랜지(40)의 위쪽에 형성되며, 상술한 바와 같이 진동자결합부(50)의 제1 결합면(51) 및 제2 결합면(52)에 각각 밀착결합된다.
제1 진동자(10)와 제2 진동자(20)는 서로 동일한 형태로 이루어지며, 진동전달체(30)를 기준으로 대칭되게 결합된다.
본 발명에 따른 초음파 세정장치(1)의 시험을 위하여 제1 진동자(10) 및 제2 진동자(20)는 각각 폭이 20㎜인 것으로 사용되었다.
제1 진동자(10)의 면에서 수직한 방향으로 방사되는 제1 초음파(S1)는 진동전달체(30)를 거쳐 진동면(31)으로 전달되게 되며, 도 2에 도시된 바와 같이, 진동전달체(30)의 상단 왼쪽 부분에서 하단 오른쪽 부분을 향하여 진행하게 된다.
또한, 제2 진동자(20)의 면에서 수직한 방향으로 방사되는 제2 초음파(S2)는 진동전달체(30)를 거쳐 진동면(31)으로 전달되게 되며, 도 2에 도시된 바와 같이, 진동전달체(30)의 상단 오른쪽 부분에서 하단 왼쪽 부분을 향하여 진행하게 된다.
이러한 제1 초음파(S1)와 제2 초음파(S2)는 진동전달체(30) 내부에서 교차하게 되고, 이에 따라 간섭파(S3)가 발생되게 되며, 이러한 간섭파(S3)는 진동전달체(30) 내부에서 대체로 진동면(31)에 수직한 방향을 따라 진행하게 된다.
초음파의 음압은, 근거리(near field)와 원거리(far field)의 분포가 다르게 나타나며, 여기서 근거리값은 진동자에 가해지는 주파수가 높아질수록 커지게 되며, 중심부에 강한 음압이 나타나 원거리(far field)에서 균일하게 음압을 형성하는 것이 용이하지 않게 된다.
본 발명에 따른 초음파 세정장치(1)는, 이러한 문제점을 해소하기 위하여, 제1 초음파(S1)와 제2 초음파(S2)에 의한 간섭파(S3)가 발생되도록 하고 있다.
도 3에는 본 발명에 따른 초음파 세정장치(1)의 진동면(31)에서의 음압분포 시물레이션 결과(빨간색일수록 음압이 높고 파란색일수록 음압이 낮음)가 나타나며, 도 8a의 경우와 비교할 때, 음압의 불균형이 완화되었음을 확인할 수 있다.
한편 본 발명에 따른 초음파 세정장치(1)에서, 이러한 간섭파(S3)가 형성되는 지점은, 다음의 [수학식 1]에 따른 근거리값을 넘어서되, 근거리값으로부터 제1 초음파(S1) 및 제2 초음파(S2)의 파장의 2배의 거리 이상을 벗어나지 않도록 한다.
Figure pat00003
여기서, Z는 근거리값, D는 제1 진동자(10) 및 제2 진동자(20)의 폭, λ는 제1 진동자(10) 및 제2 진동자(20)의 파장에 해당된다.
이에 따라, 제1 초음파(S1) 및 제2 초음파(S2)의 음압이 비교적 균일한 범위에서 작용하는 면적을 크게 하면서, 아울러 간섭파(S3)에 의한 음압이 균일한 범위에서 작용하는 면적을 크게 할 수 있다.
그리고, 제1 진동자(10) 및 제2 진동자(20)의 파장은 다음의 [수학식 2]에 의하여 도출될 수 있다.
Figure pat00004
여기서, c는 매질(진동전달체(30))의 고유음속이고, f는 주파수이다.
초음파는, 주파수에 의해 빔각도(beam angle)가 정해지는데, 낮은 주파수보다 상대적으로 높은 주파수를 사용할 경우 빔각도가 좁아지며, 원거리(far field)에서의 빔각도는 다음의 [수학식 3]에 의하여 도출될 수 있다.
Figure pat00005
여기서, θ가 제1 초음파(S1) 및 제2 초음파(S2) 각각의 빔각도이다.
본 발명에 따른 초음파 세정장치(1)에서, 가해지는 각 주파수별로 도출되는 파장 및 빔각도는 다음의 [표 1]과 같다.
주파수 진동자 폭 고유음속
(Quartz)		 근거리값
(㎜)		 파장
(λ)		 Sinθ 빔각도
500kHz
20㎜
5800㎧		 8.6 11.6 0.696 44.1
800kHz 13.8 7.25 0.435 25.7
1000kHz 17.2 5.8 0.348 20.3
도 4에서와 같이 제1 진동자(10)와 제2 진동자(20)가 이루는 각도를 각각 달리한 후, 진동면(31)에서의 음압을 측정한 결과는 다음의 [표 2]와 같다. 도 4(a)는 진동전달체(30)의 진동면(31)에서 음압측정 지점을 표시한 것이고, [표 2]에서는 각 지점별 음압이 나타나며, 이때 각 지점별 음압은 상대적인 값으로 이해될 수 있다.(각 음압값은, 음압측정장치의 탐침을 통해 측정되는 전류값(㎷)을 정수화하여 기록한 값이다.) 주파수는 1000㎑를 사용하였다.
중첩지점 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 평균 표준편차
15.28 7 3 8 7 4 4 8 7 4 3 7 7 3 7 5.64 1.91
22.33 5 6 5 5 6 6 5 5 6 7 5 5 6 6 5.57 0.62
32.5 2 4 3 4 8 7 2 2 8 8 3 4 3 2 4.29 2.31
[표 2]에 나타나는 바와 같이, 중첩지점이 22.33㎜일 때, 편차가 0.62로서 가장 작게 나타남을 알 수 있으며, 이때 진동면(31) 전체에서 비교적 균일한 음압이 형성되고 있음을 알 수 있다.
따라서, 제1 진동자(10) 및 제2 진동자(20)의 폭이 20㎜, 주파수가 1000㎑, 진동전달체(30)의 고유음속이 5800㎧ 일 때, 간섭파(S3)가 형성되는 지점은 22~23㎜ 범위에 놓이도록 이루어지는 것이 바람직하다.
도 5에서와 같이 진동면(31)의 모양을 원형과 타원형으로 이루어진 경우, 각 진동면(31)에서의 음압을 측정한 결과는 다음의 [표 3]과 같다. 도 5의 (a) 및 (b)는 진동전달체(30)의 진동면(31)에서 음압측정 지점을 표시한 것이고, [표 3]에서는 각 지점별 음압이 나타나며, 각 지점별 음압은 상대적인 값으로 이해될 수 있다.(각 음압값은, 음압측정장치의 탐침을 통해 측정되는 전류값(㎷)을 정수화하여 기록한 값이다.) 역시, 주파수는 1000㎑를 사용하였다.
형상 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 평균 표준편차
원 3 2 3 4 7 7 5 4 8 7 4 3 3 5 4.64 1.84
타원 5 6 5 5 6 6 5 5 6 7 5 5 6 6 5.57 0.62
[표 3]에 나타나는 바와 같이, 타원형인 경우의 편차가 0.62로서 원형인 경우의 1.84보다 작게 나타남을 알 수 있으며, 이때 진동면(31) 전체에서 비교적 균일한 음압이 형성되고 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 초음파 세정장치(1)에 의하면, 제1 진동자(10)의 제1 초음파(S1)와 제2 진동자(20)의 제2 초음파(S2)가 진동전달체(30)를 통해 전달되면서 제1 초음파(S1)와 제2 초음파(S2)가 서로 교차하여 간섭되면서 발생하는 간섭파(S3)가 형성되도록 하여, 진동전달체(30)의 진동면(31)에서 제1 초음파(S1), 제2 초음파(S2) 및 간섭파(S3)에 의한 음압이 형성될 수 있고 이에 따라 균일한 세정이 이루어질 수 있게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 초음파 세정장치(1)에서 제1 진동자(10), 제2 진동자(20) 및 진동전달체(30) 간의 관계를 설명하는 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 초음파 세정장치(1)에서 케이스(60)와 진동면(31) 간의 관계를 설명하는 도면이다.
본 발명에 따른 초음파 세정장치(1)에서 진동면(31)의 테두리는 [수학식 3]에 따른 빔각도가 이루는 영역과 이러한 빔각도의 1/2 각도가 이루는 영역 사이에 위치하는 것이 바람직하다.
이러한 점은, 진동면(31)의 장축의 경우(도 6(a)) 및 단축의 경우(도 6(b)) 모두 동일하게 적용된다.
이에 따라 제1 초음파(S1) 및 제2 초음파(S2)가 근거리(near field) 영역을 벗어나는 지점인 원거리(far field) 영역에서 진동면(31)을 통하여 충분히 음압을 형성할 수 있게 되고, 진동전달체(30)의 측면에서 반사되어 불규칙하게 변경되는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 따른 초음파 세정장치(1)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 케이스(60)가 진동면(31) 쪽으로 투영된 면적은 진동면(31)의 면적을 벗어나지 않도록 이루어지는 것이 바람직하다. 즉, 평면도상 케이스(60)의 면적이 진동면(31)의 면적이 이루는 영역 안쪽에 위치하도록 이루어진다.
이에 따라 케이스(60) 상에 부착된 오염물질, 더스트 등이 피세정물 쪽으로 낙하하는 것을 방지할 수 있게 되고, 피세정물의 세정효율을 높일 수 있게 된다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1 : 초음파 세정장치 10 : 제1 진동자
20 : 제2 진동자 30 : 진동전달체
31 : 진동면 40 : 플랜지
50 : 진동자결합부 51 : 제1 결합면
52 : 제2 결합면 60 : 케이스
S1 : 제1 초음파 S2 : 제2 초음파
S3 : 간섭파

Claims (9)

  1. 피세정물과의 사이에 세정액이 개재된 상태에서 초음파를 통하여 상기 피세정물을 세정하도록 이루어지는 초음파 세정장치에 있어서,
    전기에너지를 공급받아 진동하며 제1 초음파를 발생시키는 제1 진동자;
    전기에너지를 공급받아 진동하며 제2 초음파를 발생시키는 제2 진동자; 및
    상기 제1 진동자 및 제2 진동자의 진동을 전달하고, 저면을 이루는 진동면이 상기 피세정물을 향하는 진동전달체를 포함하고,
    상기 제1 초음파와 상기 제2 초음파가 상기 진동전달체 내부에서 교차하여 간섭파가 발생되도록, 상기 제1 진동자가 향하는 면의 방향과 상기 제2 진동자가 향하는 면의 방향이 교차하는 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진동전달체는, 상기 제1 진동자가 형성되는 쪽과 상기 제2 진동자가 형성되는 쪽이 서로 대칭이고,
    상기 제1 진동자와 제2 진동자는, 상기 진동전달체의 중심을 기준으로 서로 대칭이며,
    상기 제1 진동자와 상기 제2 진동자는 동일한 주파수가 사용되는 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 간섭파가 형성되는 지점은, 다음의 식에 따른 근거리값을 넘어서되, 상기 근거리값으로부터 상기 제1 초음파 및 제2 초음파의 파장의 2배의 거리 이상을 벗어나지 않도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
    Figure pat00006

    (Z: 근거리값, D: 제1 진동자 및 제2 진동자의 폭, λ: 파장)
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 진동자 및 제2 진동자의 폭이 20㎜, 주파수가 1000㎑, 상기 진동전달체의 고유음속이 5800㎧ 일 때, 상기 간섭파가 형성되는 지점은 22~23㎜ 범위에 놓이도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동전달체는 상기 제1 진동자 및 제2 진동자와 멀어지는 방향을 따라 직경이 확장되는 형태로 이루어지고,
    상기 진동면은 타원형을 이루되 장축의 방향이 상기 제1 진동자와 제2 진동자의 배열방향과 평행한 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 진동면의 테두리는 다음의 식에 따른 빔각도가 이루는 영역과 상기 빔각도의 1/2 각도가 이루는 영역 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
    Figure pat00007

    (θ: 빔각도, D: 제1 진동자 및 제2 진동자의 폭, λ: 파장)
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 진동자 및 제2 진동자를 수용하는 케이스; 및
    상기 진동전달체 상단에서 연장되어 상기 케이스에 결합되는 플랜지를 포함하고,
    상기 케이스가 상기 진동면 쪽으로 투영된 면적은 상기 진동면의 면적을 벗어나지 않는 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
  8. 피세정물과의 사이에 세정액이 개재된 상태에서 초음파를 통하여 상기 피세정물을 세정하도록 이루어지는 초음파 세정장치에 있어서,
    전기에너지를 공급받아 진동하며 제1 초음파를 발생시키는 제1 진동자;
    전기에너지를 공급받아 진동하며 제2 초음파를 발생시키는 제2 진동자; 및
    상기 제1 진동자 및 제2 진동자의 진동을 전달하고, 저면을 이루는 진동면이 상기 피세정물을 향하는 진동전달체를 포함하고,
    상기 진동전달체는 상기 제1 진동자 및 제2 진동자와 멀어지는 방향을 따라 직경이 확장되는 형태로 이루어지고,
    상기 진동면은 타원형을 이루되 장축의 방향이 상기 제1 진동자와 제2 진동자의 배열방향과 평행한 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
  9. 피세정물과의 사이에 세정액이 개재된 상태에서 초음파를 통하여 상기 피세정물을 세정하도록 이루어지는 초음파 세정장치에 있어서,
    전기에너지를 공급받아 진동하며 제1 초음파를 발생시키는 제1 진동자;
    전기에너지를 공급받아 진동하며 제2 초음파를 발생시키는 제2 진동자;
    상기 제1 진동자 및 제2 진동자의 진동을 전달하고, 저면을 이루는 진동면이 상기 피세정물을 향하는 진동전달체;
    상기 제1 진동자 및 제2 진동자를 수용하는 케이스; 및
    상기 진동전달체 상단에서 연장되어 상기 케이스에 결합되는 플랜지를 포함하고,
    상기 케이스가 상기 진동면 쪽으로 투영된 면적은 상기 진동면의 면적을 벗어나지 않는 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
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