초 음 파 세 척(Ultrasonic Cleaning) ◎ 1. 초음파 1)초음파의 정의 인간의 귀를 통하여 들을 수 있는 가청 주파수 범위는 20Hz ~ 20 KHz 이다. 초음파는 가청주파수 밖의 진동음을 말한다. 소리는 기계적인 진동에 의하여 공기의 압력이 고압과 저압으로 빠르게 변화하여 진동 소스로부터 전파되어 사람 귀에 들리는 것이다. 음은 크게 초저주파, 가청음, 초음파로 분류한다. 인간이 들을 수 있는 가청 주파수대역(20~20000Hz) 보다 높은 주파수 즉 20 Kz 이상을 초음파이라고 한다. 초음파는 응용범위가 매우 다양하다. 세척, 가공, 계측, 의료진단 등 매우 많은 분야에 활용되고 있다. 야산의 동물들은 사람 귀보다 감지하는 주파수 범위가 훨씬 넓다. 동물들은 지진, 화산활동, 산불 등이 발생되기 이전에 이미 전초적으로 전달되는 초저주파를 감지하여 몸을 피하여 안전한 곳으로 이동하기도 한다. 가청주파수 보다 낮은 초저주파의 응용은 공학적으로 사용 빈도가 초음파에 비하여 매우 용도가 낮다. 경우에 따라서는 비록 가청주파수 범위의 음파이라도 사람의 귀를 통하여 듣기 위한 목적이 아니라 기계의 고장 진단 등 공학적 목적으로 사용되면 초음파 응용기술 범주에 포함시킨다. 넓은 의미에서는 초저주파 응용기술도 초음파의 범위에 포함시키기도 한다. 2)초음파의 응용분야 ● 계측 - 초음파 줄자, 이동로봇의 전방의 방해물 감지, 마이크로 로봇 ● 정보통신 - 소나, 어군탐지기 등 수중 탐지 ● 의료용 진단장치 - 초음파 단층촬영기, 초음파 치료기 외 ● 재료내부 결함 검사 - 비파괴검사, 용접부위 결함검사, 주물내부 공격 검사 ● 산업용 설비진단 - AE 센서 ● 산업용기계 - 세척기, 용착기, 가공기, 연마기, 유화기 ● 가공 - 초음파 금형 가공 ● 디지털 데이터 전송 - 공장 내부에서 무인차량의 제어용 통신 ● 기타 - 초음파 모터, 초음파 이송장치 등.
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초 음 파 세 척(Ultrasonic Cleaning)
◎ 1. 초음파
1) 초음파의 정의
인간의 귀를 통하여 들을 수 있는 가청 주파수 범위는 20Hz ~ 20 KHz 이다. 초음파는 가청주파수
밖의 진동음을 말한다. 소리는 기계적인 진동에 의하여 공기의 압력이 고압과 저압으로 빠르게
변화하여 진동 소스로부터 전파되어 사람 귀에 들리는 것이다. 음은 크게 초저주파, 가청음, 초음파로
분류한다.
인간이 들을 수 있는 가청 주파수대역(20~20000Hz) 보다 높은 주파수 즉 20 Kz 이상을
초음파이라고 한다. 초음파는 응용범위가 매우 다양하다. 세척, 가공, 계측, 의료진단 등 매우 많은
분야에 활용되고 있다. 야산의 동물들은 사람 귀보다 감지하는 주파수 범위가 훨씬 넓다. 동물들은
지진, 화산활동, 산불 등이 발생되기 이전에 이미 전초적으로 전달되는 초저주파를 감지하여 몸을
피하여 안전한 곳으로 이동하기도 한다.
가청주파수 보다 낮은 초저주파의 응용은 공학적으로 사용 빈도가 초음파에 비하여 매우 용도가 낮다.
경우에 따라서는 비록 가청주파수 범위의 음파이라도 사람의 귀를 통하여 듣기 위한 목적이 아니라
기계의 고장 진단 등 공학적 목적으로 사용되면 초음파 응용기술 범주에 포함시킨다. 넓은
의미에서는 초저주파 응용기술도 초음파의 범위에 포함시키기도 한다.
2) 초음파의 응용분야
● 계측 - 초음파 줄자, 이동로봇의 전방의 방해물 감지, 마이크로 로봇
● 정보통신 - 소나, 어군탐지기 등 수중 탐지
● 의료용 진단장치 - 초음파 단층촬영기, 초음파 치료기 외
● 재료내부 결함 검사 - 비파괴검사, 용접부위 결함검사, 주물내부 공격 검사
● 산업용 설비진단 - AE 센서
● 산업용기계 - 세척기, 용착기, 가공기, 연마기, 유화기
● 가공 - 초음파 금형 가공
● 디지털 데이터 전송 - 공장 내부에서 무인차량의 제어용 통신
● 기타 - 초음파 모터, 초음파 이송장치 등.
◎ 2. 초음파 세척 1) 세척의 기본
세척이란 필요한 물건 위에 더러운 때, 물질, 가루 등이 묻어 있는 것을 분리하는 공정이다. 우리
생활에서도 빨래세탁기, 식기세척, 방바닥 청소기 등 세척활동이 많다. 또한 생산현장에서도 산업화가
진행될수록 세척공정이 많아진다.
세척작용은 기계적 작용, 린스작용, 화학적 작용이 결합되어 나타난다. 기계적 작용은 작은 범위에서
마찰 등을 이용하여 이물질을 제거하고 화학적인 반응을 촉진시키는 역할을 하는 것으로 세척의
핵심요소가 된다.
분리 작용은 일단 분리 제거된 이물질이 다시 달라붙지 못하도록 격리시키며 잔류세정성분을
제거하는 역할을 하게 된다. 화학적인 작용력은 주로 세제에 의해 일어나게 되는데 기름 성분 등을
제거하는데 효과적이다.
종류
작용
손빨래 세탁기 초음파 세척
기계적 작용 비빔 수류, 마찰력 캐비테이션 및 입자가속도
분리작용 물살 수류, 헹굼 수류
화학적 작용 비누 세제 물, 세제
< 표 1 > 손빨래, 세탁기 및 초음파 세척의 작용력 대비
복합적인 세척작용의 예를 보면, 기름으로 더러워진 식기를 물과 수세미로만 씻는 것은 힘들다.
그러나 비누를 쓰면 수세미를 쓰지 않아도 잘 씻을 수 있다. 수세미를 쓰면 더 효과적이다. 즉
수세미는 물리력이며 비누는 화학력이다. 세척에서는 물리력보다 화학력이 더 중요하다.
세척하고자하는 대상물에 묻은 이물질을 제거하는데 세제의 선택이 중요하다. 더러움의 종류에 따라
어떤 세제를 선택하면 좋은가를 해결하고 그것에 맞는 파워의 초음파 장치를 선택하는 것이 세척의
효율을 높일 수 있는 방법이다.
2) 초음파 세척의 분류
초음파 세척이란 초음파 에너지를 이용하여 세척에 이용하는 기술이다. 현재까지 이용 가능한 여러
가지의 공학적 세척 기술 가운데 가장 효율적이며 경제성이 높을 뿐 아니라 다른 세척기술로는
달성할 수 없는 미세 세척 효과를 얻을 수 있다. 특히 복잡한 형상의 물체 혹은 정밀 세척을 요하는
분야에서는 중요한 세척기술이 되고 있으며 산업 구조의 고도화에 따라 점점 그 적용이 넓어지고
있다. 종류로는 28KHZ, 40KHZ 의 단주파, 복합 파형을 이용하는 동시 다주파 및 1Mhz 이상의
고주파 세척이 있다.
· 단주파식 (28 및 40 KHZ) 초음파 세척기
단일 주파수를 초음파에 사용하는 방식이다. 보통 20Khz, 40Khz 등이 많이 쓰이며 경우에 따라서는
60Khz, 90Khz 등도 단주파 세척에 사용된다. 초음파 파장의 공간적 시간적 위치형태에 따라 진행
주파수와 반사 주파수가 일치되어 공간에 정지 상태가 되기도 한다. 즉 액면 높이에 따라 파워가
강한 부분과 파워가 발생하지 않는 부분이 있어, 세척물이 세척이 되는 잘 부분과 안 되는 부분
등으로 구분되어 세척이 불균질하게 되는 문제가 있다. 이러한 형상을 정재파현상이라고 한다.
- 특성 : 액 높이에 따라 파워가 강력한 부분이 발생하는 특징을 이용하여 일차 세척이나 금속
가공물의 탈지 세정용으로 많이 사용한다.
- 단점 : 파워가 강한 부분에 의한 제품의 손상, 또는 정재파현상으로 인한 세정얼룩이 있다.
발진부와 진동부의 호환성이 없어 A/S 시 주파수 매칭을 해야하는 불편이 있다.
· 다주파식 초음파 세척기
28-70 KHZ 또는 40-90 KHZ 대역의 초음파를 발생시켜 사용하는 방식으로 단주파의 단점을 개선할
수 있다.
- 균일 세척 : 여러 주파수 대역의 초음파를 발생시켜 세척 불균일이나 피 세척물의 손상을 방지 할
수 있어 정밀세정용으로 사용한다.
- 안정된 출력 : 단주파 방식에서 나타나는 출력 변화(세정액 높이변화, 세제의 종류, 온도변화,
제품의 투입 등) 현상이 매우 적다.
- 호환성 : 발진부와 진동부의 호환성이 있어 별도의 주파수 매칭 없이 상호 교체작업이 가능하며
설비보전시간의 단축 및 설비 가동률을 올려준다.
· 고주파식 (1Mhz) 초음파 세척기
고주파식 초음파 세척기는 특별히 반도체 및 LCD등의 초정밀 세척을 위하여 개발된 제품으로
캐비테이션에 의한 강력한 파워 대신 큰 입자 가속도를 이용하여 세척하는 방식이다. 이 방식은
초정밀 세척(SUB-MICRON, 0.1㎛)이 가능한 특징이 있다.
이 방식은 다시 반도체 등에 적합한 침지식과 대면적 LCD 에 적합한 스프레이식(샤워식, 제트식,
펄스식 등 메이커에 따라 다양한 이름으로 불리고 있음) 초음파가 있다.
3) 초음파 세척의 원리
초음파 세척은 주로 초음파의 캐비테이션 현상에 의해 이루어진다. 캐비테이션 현상은 초음파가 용액
중으로 전파될 때 초음파의 큰 압력변화에 의해 미세기포군이 생성되고 소멸되는 현상으로 매우 큰
압력과 고온을 동반한다. 이 압력과 고온은 수백 분의 1 초에서 수천 분의 1 초 단위의 짧은 시간동안
발생한다. 이러한 강력한 힘에 의해 오염물질을 분산 및 분해시키며 또한 세척제의 효과를
극대화시킬 수 있게 된다. 한편, 고주파의 경우에는 초음파의 특성상 이러한 종류의 캐비테이션은
일어나지 않고 액체 분자의 입자 가속도가 매우 커지게 된다. 가속도는 큰 마찰력 및 충격력을
발생시키므로 이를 이용하여 초정밀 세척을 하게 된다.
◎ 3. 캐비테이션 현상
(1) 초음파 세척의 원리
초음파 세척의 원리는 그림 1 과 같이 초음파의 음압효과와 캐비테이션 효과 2 가지로 나누어 볼 수
있다. 캐비테이션에 의한 효과는 기포의 진동에 의한 교반 효과와 기포의 폭발에 의한 기계적, 회화적,
열적효과로 나누어 볼 수 있다.
캐비테이션에 의해 오염이 제거되는 과정은 다음과 같다. 그림 2(a)와 같이 캐비테이션 기포가
폭발하여 오염물질 사이에 틈을 만들고 (b)와 같이 그 틈으로 기포들이 침투하여 폭발함으로써
완전하게 오염물질을 탈착하게 된다.
(2) 캐비테이션 현상(공동 현상)
·캐비테이션 기포의 생성과정
a. 용역 내에 강력한 초음파를 조사하면 압축력(정압)과 팽창력(부압)이 반복적으로 나타나게 된다.
b. 부압 주기 때에 액중의 미세한 이물질 혹은 기체 분자를 중심으로 기포(공동)가 발생됨
c. 이 기포는 다음의 압축주기 때에 고압으로 압축된다. 압축력이 용액의 표면 장력보다 작을 때
기포는 소멸되지 않는다.
d. 기포는 다음의 부압 때 다시 팽창한다.
부압의 세기가 어느 수준 이상이면 기포의 입경은 커진다.
e. 이 과정을 무수히 반복하면서 점점 입경이 커지게 된다.
f. 어느 일정 압력 이상(용액의 표면장력 이상)이 되면 이 기포는 단번에 수축 폭발하면서 매우 큰
충격파를 일으키게 된다.
1) 캐비테이션 임계값
캐비테이션 발생이 시작될 때의 액체압력을 임계값이라고 한다. 이 값은 실험조건에 따라 다르고,
특히 액체의 물리적, 화학적인 성질에 많은 영향을 받는다. 캐비테이션 발생시점의 기준에 대해서는
여러 가지의 의견이 있지만 강력 초음파 응용에서는 눈으로 보아 캐비테이션 기포가 발생하는
시점으로 규정한다.
2) 초음파 주파수와 캐비테이션 발생
5Khz 이하 - 주파수에 관계없이 캐비테이션을 일으키는 음의 강도는 일정
10Khz 이상 - 음의 강도가 점점 커짐
수십 Khz대 - 실용 주파수대
100Khz이상 - 매우 커짐
주파수가 높을수록 더 높은 파워(음의 강도)가 요구되는 이유는 주파수가 높을수록 기포가 충분히
커질 수 있는 시간적인 여유가 점점 줄어들기 때문이다. 실용적으로 캐비테이션을 효과적으로
이용하려면 수십 Khz 대의 것을 사용하는 것이 좋다.
3) 기포의 수축과 온도 상승
기포가 초음파의 압력을 받아 수축할 때 기포의 내부는 고온 상태가 된다. 이론적으로 계산하면
수천도 까지 되지만 실제로는 방열 등에 의해 온도 상승이 크지 않다. 그러나 순간적으로는 고열이
발생한다는 것을 알 수 있다.
4) 기포의 수축과 압력상승
기포가 수축되면 기포 내부의 압력은 상승한다. 실제로 이 압력을 측정할 수는 없지만 대략 수십
기압에서 수천 기압 정도 일 것으로 추정된다.
◎ 4. 초음파 세척의 주요 물리적 특성
(1) 온도
· 물인 경우 온도가 높을수록 캐비테이션 강도가 약해지고 캐비테이션 기포의 수는 증가한다.
· 캐비테이션 강도는 용액의 기화점(boiling point)부근에서는 매우 약해진다.
· 용제(Solvent)의 경우에는 기화온도보다 10 도 낮게 사용함. 또한 화학적인 안전성 관계에 따라서도
온도 설정이 영향을 받는다.
· 소음과의 관계 - 높은 온도에서는 큰 소음이 발생하기 때문데 소음을 줄일 필요가 있을 경우에는
낮은 온도로 사용하는 것이 좋다.
(2) 용액 속의 용존가스
·용액 안에 녹아있는 용존가스는 캐비테이션 강도를 약화시킨다. 예를 들면 일반 물에는 8ppm 정도의
산소가 녹아 있는데 이를 0.5ppm 까지 제거하면 초음파의 세기는 약 5 배까지 강해진다. 최근에는
세척의 품질관리 측면에서 특히 중요성이 높아져가고 있다.
·용존가스의 제거법
- 전용탈기 장치 사용 : 중공사를 이용한 공기제거 장치를 이용하면 빠른 시간 안에 완벽한 탈기를
행할 수 있다.
- 초음파의 단속적인 조사, 특히 초음파를 펄스형으로 동작시키면 탈기효과가 있다.
- 용액의 가열 : 용액을 끊이면 포화용존 가스량이 줄어드는 효과가 있다.
- 세제류의 이용 : 세제를 이용하면 표면장력이 증가하여 공기와 액체와의 결합이 약해진다.
(3) 표면장력(Surface Tension)
표면장력이 큰 액체에서는 캐비테이션 강도가 강해진다. 그러나 발생하기는 어렵다.
(4) 점성(Viscosity)
점성이 강한 액체일수록 캐비테이션현상이 일어나기가 어렵다.
(5) 초음파 주파수
고주파일수록 캐비테이션 강도는 낮아지지만 기포의 크기가 미세해지므로 정밀세척에 유리하며 소음
레벨이 낮아진다.
·초음파 주파수의 입경의 관계 - 입경 0.4 ㎛이상에서는 28Khz
입경 0.1 ㎛이하에서는 300Khz 이상
그 사이에서는 40~50Khz 대를 이용함
· 초음파 주파수와 침투력의 관계
(6) 피세척물 설치방법
·방향의 선택을 잘못하여 에어포켓(Air pocket)이 생기는 경우 - 투입방향 수정
·작은 물체를 겹겹이 쌓아 올렸을 때 - 작은 양으로 나누어 처리하는 것이 유리하다.
·바스켓이나 피세척물 고정용 기구 - 그물망의 피치는 28Khz 에서는 10mm 이상
- 40Khz 에서는 7mm 이상
- 피세척물이 작은 경우는 간접세정법을 이용
** 공명음의 저감 (하울링 현상) **
수계세정에서, 세정물을 세정조 내부에 투입 직전 발생하는 공명음은 독특한 음이다. 이 현상은
세정물을 넣은 순간에 단일 주파수가 조내부에서 난반사하고 동일 초음파 에네르기가 서로 충돌했을
때에 발생하는 현상이다. 이 현상은 세정효과에는 특별한 영향은 없지만 사용하는 입장에선 생각하면
대단히 스트레스를 받게 한다.
다주파 방식은 이 현상에 대해서는 문제가 없다. 예컨대 공명음이 발생하여도 수초에 사라진다.
이것은, 다른 주파수가 충돌했을 때에 에네르기가 서로 간섭하고 낮은 주파수에 흡수되어 공명음의
발생을 막는 효과가 되기 때문이다.
◎ 5. 초음파 세척 각론
(1) 정재파 세척(Standing Wave Problem)
· 정재파란 파형이 정지하고 있는 것과 같은 에너지 분포를 나타내는 현상
·단일 주파수방식의 초음파에서는 매 1/4 주기(25Khz 일 때의 약 30mm)마다 고저의 음압분포가
형성됨.
·정재파 문제를 극복하기 위한 여러 방안
- 피세척물을 세척탱크 내에서 상하 운동시키는 것
- 초음파 방사면을 특수하게 제작하는 것
- 측면에 진동자를 부가하는 방법
- 초음파의 주파수를 높이는 것
- 두 개 이상의 초음파를 이용하는 것
- 단일 주파수를 연속가변(Sweep)하는 것
(2) 다주파 방식
·특수 구조의 복합주파수 방식: 진동자를 특수하게 사각형태로 하여 모서리에서 생기는 복합 공진을
이용하는 방식으로 현재 가장 널리 사용되고 있으며 가까운 장래에 표준기종이 될 전망이다.
· 2 주파방식 : 기본 주파수와 1 차 고조파를 적극적으로 이용하는 방식으로 일본에서는 많이 사용하는
방식이지만 호환성 및 파워의 균일성이 모자라 좋은 효과를 얻지 못하고 있다.
· 진동자 스위칭방식 : 2 종류 이상의 진동자를 장치하여 사용하는 방법. 발진기가 2 대 이상 필요하다.
(3) 스위프 방식(Sweep frequency - FM 방식이라고도 한다.)
공진 주파수 부근에서 주파수를 스위프(연속 가변)시켜 정재파의 영향을 분산시키는 방식이다. 정밀
세척용으로 많이 사용되고 있다
(4) 출력 변동
초음파 세척기는 세정액의 높이나 부하 - 피세척물 - 에 따라 출력이 변동하는 문제를 가지고 있다.
특히 단주파 방식에서는 매우 변동폭이 커서 무부하 때의 20~30%정도에 불과한 경우도 있다.
<그림 12>는 NTK 의 24KHZ, 300W 투입형 진동자로 실험한 것으로 수심과 전기 입력의 관계를
보여주고 있다. 이 그래프에서 보면 수심의 작은 변화에도 출력이 크게 변화한다는 것을 알 수
있으며, 약 30mm 마다 출력이 주기적으로 변동한다. 이 현상은 기본적으로 초음파 진동자의 특성변화
- 임피던스 - 에 기인하는 것으로 단주파 진동자 특유의 공진 특성에서 비롯된다. 즉 BLT진동자는
2 개의 압전소자와 그 앞뒤를 구성하는 금속 블록의 공진을 이용하는 것인데, 초음파 세척 탱크와
연결되면 탱크 내 용액의 높이가 또 다른 공진 블록처럼 되어 전체 공진 특성에 영향을 미치게 된다.
따라서 수위의 미세한 변화가 공진 주파수 및 임피던스에 큰 변화를 일으킨다.
이 현상을 면밀하게 검토하면 진동자의 특성변화는 정재파현상과 매우 밀접한 관계가 있다는 것을 알
수 있다. 즉 세정액이 공진블럭으로써의 역할을 하게 될 때는 정재파가 형성되기 때문이다. 따라서
정재파 현상이 적으면 출력변동도 작아지고 정재파 현상이 크면 출력변동도 크게 된다. 따라서
출력변동을 없애기 위해서는 먼저 정재파를 제거해야한다. 또한 발진기 회로 내에 진동자의
특성변화를 보상해 줄 수 있는 정전력 회로를 사용하면 개선 효과를 볼 수 있다. 상대적으로 다주파
및 고주파 방식에서는 이런 문제가 없다.
(5) 에로젼 현상
·에로젼(Erosion)현상 - 초음파의 방사면이 침식되는 현상. 물의 경우 진동판의 수명은 초음파 출력에
의해 차이가 많지만 통상 300-2000 시간 정도의 수명을 가진다. 에로젼이 심한 진동판을 그대로
사용할 경우 초음파 출력저하로 인한 불량 발생 및 초음파 소자 파손이 일어날 수 있으므로 적절한
시점에서 예방하는 것이 중요하다.
다음과 같은 경우에 에로젼이 심해진다.
- 방사면 부근의 캐비테이션 밀도가 높아질 때 (횡모드 혹은 깔림 현상)
- 증류수 둥 캐비테이션 강도가 센 매질을 사용할 때
- 금속을 부식시키는 성질이 있는 산, 알칼리를 사용했을 때
- 진동자 배열의 간격이 너무 넓을 때 (보통 28Khz 일 때 10~20mm 정도)
- 방사면에 흠집이 있거나 표면연마상태가 나쁠 때
·기타 에로젼의 정도를 결정하는 요소로는 사용하는 세척용액의 종류, 온도, 초음파의 세기 등이 있다.
·진동판의 재질 - 티타늄이 가장 우수한 것으로 알려져 있으나 매우 고가여서 특수 용도 외에는
사용되지 않는다. 통상 SUS316L 및 SUS304 에 30~50 ㎛정도의 경질 크롬 도금을 하여 사용한다.
* 진동판의 두께는 1~3mm 정도가 보통임.
◎ 6. 세제와 오염물질의 종류 초음파 세척을 적절하게 활용하기 위해서는 다음의 여러 가지 사항에 대해 조사 분석할 필요가 있다.
- 오염물질의 종류와 표면에 붙어있는 정도
- 피세척물의 표면성질과 형상
- 피세척물의 부피와 조작의 편리성
- 요구되는 세척의 정도
초음파에 의해 제거될 오염물질의 종류는 보통 다음 부류 중의 하나가 된다.
① 가용성 물질
② 가용성의 바인더에 의해 결합된 비가용성물질
③ 기계적 결합이나 이온 결합에 의해 붙어 있는 비가용성 물질
초음파에 의한 교반과 캐비테이션은 이러한 종류의 오염물질을 모두 제거할 수 있다. 처음의 경우에
세척효과는 세제와 초음파의 화학적 효과에 의해 생기며, 3 번째의 경우는 일차적으로 초음파의
기계적 효과에 의해 생긴다.
- 오염물질의 종류와 표면에 붙어 있는 정도
- 피세척물의 표면성질과 형상
- 피세척물의 부피와 조작의 편리성
- 요구되는 세척의 정도
(1) 가용성 물질(Soluble contaminants)
초음파는 용제와 가용성 물질을 교반 시켜 이러한 종류의 불순물을 제거할 수 있다.
(2) 가용성 바인더에 의해 결합된 비가용성 물질 (Non-soluble contaminant held by a soluble biner)
초음파의 충격력과 교반작용에 의해 입자를 떨구어 낸다.
(3) 비가용성 물질(Non-soluble contaminant)
붙어 있는 물질을 초음파 캐비테이션에 의한 충격파로 제거하여 세척할 수 있다.
(4) 세척용액의 선정
· 적절한 세척용액의 선정은 초음파 세척기에서 1 차적으로 중요한 요소이다.
· 세제의 선정에 있어서 고려되어야 할 요소들은 용해력, 가연성, 경제성, 환경영향, 초음파와의