탄성 표면파(surface acoustic wave: SAW)는 1885년에 Load Rayleigh에 의해 발견된, 탄성체 표면에 에너지를 집중하여 전파하는 파동이다. White 등과 야마노우치(山之内) 등에 의해 탄성체로 압전 결정을 이용하면 전기적으로 SAW를 송수신할 수 있다는 것이 보고되었다. SAW의 주파수는 발 모양 전극(interdigital transducer: IDT)의 구조에 의해 결정된다(그림 1 참조). 이후 SAW 디바이스의 연구·개발이 활발해져 현재는 스마트폰 등 이동체 통신기기의 듀플렉서(duplexer)나 필터로서 필수적인 디바이스가 되었다. 또한 SAW 디바이스는 필터 등 통신 용도 이외에도 센서, 양자역학 분야, 비선형 음향 분야에도 응용되고 있다. 이 글에서는 비선형 음향 분야에 대한 응용을 소개하기로 한다.
Load Rayleigh에 의해 발견된 SAW는 전파 방향의 변위(종파 성분, L 성분)와 전파면과 전파 방향에 수직인 변위(횡파 성분, shear vertical(SV) 성분)가 결합하여 전파하는 파동이다. 이 2가지 입자 변위의 결합에 의해 표면의 질점은 후방 타원 회전 운동하고 있다. SAW 전파면에 액체를 올리면 액체 중에 종파를 방사하는 현상은 오래전부터 알려져 있다. 종파의 방사각 θR는 Rayleigh 각이라고 불리며 다음 식으로 주어진다.
여기서 VL은 액체의 종파 음속, V는 SAW의 위상 속도이다. SAW의 진폭은 IDT에 대한 입력 전력에 의존한다. 1989년 시오카와(塩川) 등은 IDT에 대한 입력 전력을 크게 하면 소수성으로 한 SAW 전파면 위에서 액적이 운반된다는 것을 처음 발견하였다. 또한 입력 전력이 커지면 액적으로부터 미세 액적이 떨어져 나와 비산하는 것도 발견하였다. 이들 현상은 음향 스트리밍에 기인하며 SAW 스트리밍이라고도 불린다. 시오카와는 음향 스트리밍의 개념을 참고하여 SAW 스트리밍력을 도출하였다.
비선형 음향의 주요한 연구 분야는 파형 왜곡, 음향류, 음향 방사압(또는 음향 방사력)이다. 이 글에서는 이 중에서 특히 SAW에 의한 음향류에 대해 설명한다. 또한 음향 방사압(또는 음향 방사력)을 이용한 현상과 무화(atomization) 현상에 대해서도 다룬다.
실험계
압전 결정인 128도 회전 Y판 X전파 LiNbO3(128YX-LiNbO3)를 이용하여 SAW 디바이스를 제작하였다. SAW 여기 시스템을 그림 2에 나타냈다. 신호 발생기의 SAW 중심 주파수의 정현파와 함수 발생기의 펄스파를 고주파 증폭기로 믹싱·증폭하고 버스트파로 하여 IDT에 입력하였다.
음향류의 관찰
음향류란 매질을 전파하는 음파의 진폭이 증가할 때 발생하는 비선형 음향 현상 중 하나로, 음파 전파에 따라 매질이 이동하는 현상이다. 그림 3은 SAW에 의한 액체 중 종파 방사 현상을 나타내고 있다. 고체-액체 계면을 전파하는 SAW는 엄밀히는 누설 탄성 표면파(LSAW)라고 불린다. LSAW는 액체 중에 종파를 방사하면서 감쇠한다. SAW의 진폭이 1/e가 되는 감쇠 거리는 약 9파장이다. SAW의 진폭은 IDT에 대한 입력 전압에 의존한다. 그 결과 SAW의 진폭이 커지면 음향류가 발생한다.
그림 4는 수조를 이용한 음향류의 관찰 결과이다. 직경 10µm의 은 코팅 중공 유리구를 가시화를 위해 혼입하고, 파장 520nm의 레이저 시트를 수조의 측면에서 입사하였다. 그림으로부터 음향류가 발생하고 있으며, 또한 직진류인 것을 알 수 있다. 그림 4는 IDT를 액체 중에 담그지 않고 있다. IDT에서는 양방향으로 SAW가 여기되기 때문에 액체 중에 IDT가 있으면 2방향으로 음향류가 발생한다. 가마쿠라(鎌倉) 등은 IDT를 직사각형 음원으로 취급하고 Khokhlov-Zabolotsukaya-Kuznetsov식을 이용한 해석과 실험을 하고 있다.
액적 내부에서는 음향류가 어떻게 거동할까. 20µL의 물방울을 SAW 전파면에 올리고 입력 전압을 서서히 증가시켰을 때의 모습을 그림 5에 나타냈다. 그림 중의 점선은 SAW가 여기되고 있는 폭을 나타낸다. 또한 가시화를 위해 물방울 내에는 암채색 안료를 혼입하였다.
그림 5(a)와 같이 물방울 형상이 변하지 않는 경우, 음향류는 소용돌이를 형성한다는 것을 알 수 있다. 물의 표면 장력보다 음향류에 의해 공기와 물의 계면을 누르는 힘(음향 방사력)이 커지면 물방울의 끝이 SAW 전파 방향으로 늘어난다(그림 5(b)). 더 입력 전압을 크게 하면 소용돌이가 관찰되지 않게 되고(그림 5(c)), 암채색 안료는 물방울의 끝에 모인다(그림 5(d)). 이때 암채색 안료 입자가 IDT 쪽으로 이동하는 것은 관찰되지 않았다. 또한 SAW 여기 중, 물방울 끝은 SAW 전파 방향(그림에서는 아래 방향)으로 늘어나 있었다. 이로 인해 물방울 내의 음향류가 직진류적으로 되어 있다고 생각된다. 이처럼 물방울의 경우는 내부의 흐름이 복잡해진다. 또한 SAW가 전파되지 않는 영역에도 암채색 안료가 응집하고 있다는 것을 알 수 있다. 수 µL 액적 내부의 음향류 관찰은 문헌 「Study of Surface Acoustic Wave Streaming Phenomenon Based on Temperature Measurement and Observation of Streaming in Liquids」에서도 보고하고 있다. 한편, 음향류는 매질이 이동하는 현상으로, 액적 형상에 영향을 미치는 음향 방사력과 구별할 필요가 있다. 이하의 액적 운반은 엄밀히는 음향 방사력이 구동원이 된다.
액적 운반에 대한 응용
평면상에서 액적의 운반, 혼합, 온도 제어, 계측이 가능하면 시험관 등을 이용한 경우에 비해 실험에 필요한 시료의 양을 줄일 수 있다. 평면상에서 액적을 운반하는 방법에는 일렉트로웨팅(Electrowetting)법 등 여러 가지가 있으며, 그중 하나가 SAW를 이용하는 방법이다. SAW법과 다른 기법의 큰 차이는 종파 방사에 의해 액체 내에 발생하는 음향류와 음향 방사력을 이용하고 있는 것이다. 음향류에 의한 소용돌이를 이용하면, 여러 액적을 균일하게 혼합할 수 있게 된다. 또한 액체 내의 종파 감쇠를 이용하면 액적의 온도 제어도 가능해진다. 또한 액적 운반면에 센서를 설치하면 액적 계측이 가능해진다. 액적을 이용한 이러한 시스템을 디지털 마이크로 유체 시스템(DMFS)이나 마이크로 실험실이라고 부른다.
DMFS의 핵심이 되는 것이 액적 운반 기술이다. 그림 6은 액적 운반의 스냅샷이다. SAW의 전파 방향으로 2µL의 물방울이 운반되고 있다는 것을 알 수 있다. 또한 액적 내부의 음향류 가시화를 실시한 결과, 그림 5(d)와 같이 암채색 안료가 액적 끝에 응집되었다. 즉, 액적이 운반될 때는 음향류의 소용돌이는 발생하지 않고 직진류로 되어 있다. 한편 DMFS에서는 바이오 분자 등을 포함하는 액적도 운반한다. 바이오 분자가 압전 결정 표면에 흡착하는 경우는 일회용이 요구된다. 그러나 압전 결정을 일회용으로 하면 고비용이 된다. 이것을 해결하기 위해 제안된 것이 커버 글라스/물 층/압전 결정으로 구성된 3층 구조 디바이스이다(그림 7). IDT를 제작한 128YX-LiNbO3 위에 물방울을 올리고 그 위에 커버 글라스를 놓으면 액체가 퍼져 3층 구조 디바이스가 된다.
그림 8은 3층 구조 디바이스 위의 액적 운반 결과이다. 3층 구조에서는 물 층에 방사된 종파에 의해 커버 글라스에 Lamb파가 여기된다. 이 Lamb파에 의해 글라스 위의 액적이 운반된다고 생각한다. 글라스에 Lamb파가 여기되기 때문에 압전 결정이 없는 부분에서도 액적 운반이 가능하다. 그 결과, 광센서와 조합하는 것도 용이해진다.
액적 형상을 변화시키지 않고 액적을 운반하는 것도 중요하다. 2017년 Luo 등은 SLIPS(slippery liquid-infused porous surface)를 제안하였다. 예를 들어 자동차 글라스의 발수제(글라스 미러 코트 ZERO, Soft99)를 128YX-LiNbO3에 분사하면 그림 9(a)에 나타냈듯이 액적은 접촉각이 90도 이상인 상태가 된다. 그러나 SAW를 여기하면 물방울 형상이 무너지며 발수제 미립자의 틈새에 물이 침투하여 접촉각은 작은 값이 된다(그림 9(b)). 물방울 접촉각을 90도 이상으로 유지하기 위해 Luo 등은 그림 9(c)에 나타냈듯이 얇은 오일막으로 표면을 덮는 것을 제안하였다. 그 결과 SAW를 여기해도 접촉각이 90도 이상인 상태를 유지한 채로 물방울이 운반된다. 필자 등도 SLIPS 처리를 시도한 결과, 물방울 형상 변화 없이 물방울 운반이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.
액체 중의 입자 조작
SAW에서 방사된 음향 방사력(또는 음향 방사압)을 이용하면 액체 중의 입자를 조작할 수 있다. 이는 공중 초음파에 의한 방사력을 이용한 입자의 부상과 동일한 원리이다. 다케우치(竹内) 등은 IDT로서 원호형 부상 전극형 일방향성 변환기를 이용하여 압전 결정 위에서 SAW를 집속시킨 후에 액체 중에 종파를 방사시켜 액체 중의 입자를 조작하는 데 성공하였다. SAW에 의한 입자 조작은 SAW 디바이스 위에 제작된 마이크로 유로 내의 바이오 분자를 조작하는 기술에 응용되고 있다. 그림 10과 같이 IDT를 대향시켜 양쪽에서 SAW를 여기하면 정재파 SAW(SSAW)가 형성된다. SSAW에 의한 음향 방사력을 이용하여 유로 내의 바이오 분자를 제어한다. 여러 물질에서 특정의 바이오 분자만 분리하거나, 유로 내에 무작위로 떠다니는 바이오 분자를 정렬시키는 등 다양하게 보고되어 있다.
무화에 대한 응용
1995년에 구로사와(黒澤) 등은 SAW 디바이스를 이용한 무화에 대해 보고하였다. 또한 Chono 등은 액체 공급에 여과지를 사용하면 연속적으로 미스트를 발생시킬 수 있다는 것을 보였다. 그 결과를 그림 11에 나타냈다. SAW 디바이스 위의 액체에서 비산하는 액적의 크기가 무엇에 의해 결정되는지 실험적으로 검토하였다.
그림 12는 실험에 사용한 SAW 디바이스, 그림 13은 관찰 결과이다. 두 개의 IDT에서 SAW를 발생시켰다. 이때 액적 내부에서 작용하는 합력 방향은 기판에 수직이 되므로 액적은 수직 방향으로 비산한다. 액적 내의 액적이 큰 경우, 비산하는 액적 크기는 크다. 그러나 액체량이 적어지고 액막 상태가 되면 비산하는 액적은 미스트 상태가 되고 또한 크기도 거의 균일해진다. SAW 디바이스 위의 액체 양 및 두께가 비산하는 액적 크기에 미치는 영향을 검토하기 위해 Campbell 등이 제안한 SAW 수치 해석법을 이용하여 물/128YX-LiNbO3 계면의 LSAW 해석을 하였다.
이때 구한 입자 변위의 L 성분과 SV 성분으로부터 구한 리사주(Lissajous) 도형을 그림 14에 나타냈다. LSAW에서 직접 종파가 방사되는 것이 아니라, 서서히 타원의 형상이 변화되어 종파의 입자 변위로 변한다는 것을 알 수 있다. 타원 모양의 합성 변위가 종파로 변할 때까지의 압전 결정 표면에서 거리는 0.005파장이다. 파장을 80µm로 하면 0.4µm가 된다. SAW 전파면 위의 물막 두께가 0.005파장 이상인 경우, 종파가 방사된다.
한편 0.005파장 이하인 경우, 막이 얇을수록 액체 내의 파동 변위는 타원 모양이 된다. 일반적으로 미스트는 액체 표면의 모세파(capillary wave)의 파두에서 발생하는 것으로 생각된다. 그림 13 (d)의 얇은 물막 두께를 측정할 수 있으면 액막 내에서 종파로 변환되고 있는지의 여부를 알 수 있다. 그러나 현재까지 물막 두께의 측정은 이루어지지 않았다. 또한 지금까지의 실험 결과로 미세한 미스트가 안정적으로 생성되려면 SAW 디바이스 위에 얇은 액막을 유지할 필요가 있다는 것이 명확해졌다.
맺음말
이 글에서는 SAW에 의해 액체 중에 발생하는 음향류와 그 응용에 대해 소개하였다. 액적 운반, 혼합, 온도 제어, 무화, 나아가 액체 내부의 입자 조작 등 다양한 응용이 이미 제안되어 있다. 그러나 음향류는 어디까지나 매질 중의 비선형 흐름이다. 운반되는 액적 내부에도 음향류는 발생하고 있다. 그러나 운반의 구동원이 되는 것은 액적 표면에 작용하는 음향 방사력이다. 이 때문에 음향류와 음향 방사력 중 어느 쪽이 주요 원인인지를 항상 고려할 필요가 있다. 이외에도 SAW에 의한 액적의 비선형 진동, SAW와 횡파형 탄성 표면파를 동시 여기한 음향류에 의한 교반과 측정 등 이 글에서 다루지 않은 흥미로운 응용도 다수 보고되고 있다. SAW를 이용한 음향류에 관한 연구는 50MHz 이하의 비교적 낮은 주파수에서 이루어지고 있으며, 고주파의 예는 적다. SAW는 고주파화가 용이하므로 고주파 SAW에 의한 음향류를 이용한 응용도 흥미깊다.
