KR101395264B1 - Ultrasonic transducer using relaxor ferroelectric polymers - Google Patents
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Abstract
본 발명은 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 완화형 강유전 고분자 재질로 형성되고 피검체에 대해 초음파의 송수신을 수행하는 압전층과, 상기 압전층의 상면과 하면에 각각 적층되는 제1 전극 및 제2 전극과, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에서 교류 전압을 인가 또는 감지하는 교류 전압부, 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에서 직류 바이어스 전압을 인가하는 직류 전압부를 포함하며, 상기 압전층은, 상기 직류 바이어스 전압의 인가 시에 내부의 분극이 두께 방향으로 정렬되어 전기-기계 결합계수(Electromechanical Coupling Coefficient)가 증가되는 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기를 제공한다.
상기 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기에 따르면, P(VDF-TrFE-CFE) 또는 P(VDF-TrFE-CTFE)의 완화형 강유전 고분자를 압전 재료로 사용함에 따라 전기-기계 결합계수가 크고 열적 안정성이 높을 뿐만 아니라 높은 감도 및 넓은 대역폭을 제공하여 초음파 변환기의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 이점이 있다.The present invention relates to an ultrasonic transducer using a relaxed ferroelectric polymer. According to the present invention, there is provided a piezoelectric resonator comprising: a piezoelectric layer formed of a relaxed ferroelectric polymer material and performing ultrasonic transmission / reception with respect to a subject; first and second electrodes respectively laminated on upper and lower surfaces of the piezoelectric layer; An AC voltage unit for applying or sensing an AC voltage between the electrode and the second electrode, and a DC voltage unit for applying a DC bias voltage between the first electrode and the second electrode, wherein the piezoelectric layer has the DC bias voltage The present invention provides an ultrasonic transducer using a relaxed ferroelectric polymer in which the internal polarization is aligned in the thickness direction and the electromechanical coupling coefficient is increased upon application of the ferroelectric polymer.
According to the ultrasonic transducer using the relaxation type ferroelectric polymer, when the relaxation type ferroelectric polymer of P (VDF-TrFE-CFE) or P (VDF-TrFE-CTFE) is used as the piezoelectric material, the electromechanical coupling coefficient is large, But also provides a high sensitivity and a wide bandwidth so that the performance of the ultrasonic transducer can be greatly improved.
Description
본 발명은 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 감도 및 넓은 대역폭을 제공할 수 있는 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic transducer using a relaxed ferroelectric polymer, and more particularly, to an ultrasonic transducer using a relaxed ferroelectric polymer capable of providing a high sensitivity and a wide bandwidth.
일반적으로 압전 재료(Piezoelectric Material)는 압력이 가해지면 전압이 발생되고 전압이 가해지면 변형이 발생되므로 각종 감지기(Sensor) 및 구동기(Actuator)로 사용된다. 현재 상용화되어 있는 압전 재료로는 Lead Zirconate Titanates(PZT)와 같은 압전 세라믹과, Poly(vinylidene fluoride)(PVDF)와 같은 압전 고분자 필름이 있다. 상기 PVDF를 압전 재료로 사용한 초음파 변환기에 관해서는 국내 공개특허 제2005-0003948호에 개시되어 있다.In general, a piezoelectric material is used as a sensor and an actuator because a voltage is generated when a pressure is applied and a deformation occurs when a voltage is applied. Piezoelectric materials such as lead zirconate titanates (PZT) and poly (vinylidene fluoride) (PVDF) are currently commercially available. The ultrasonic transducer using the PVDF as a piezoelectric material is disclosed in Korean Patent Publication No. 2005-0003948.
이러한 압전 재료를 이용한 초음파 변환기는 다양한 분야에서 초음파 신호의 송수신에 활용되고 있으며 최근에는 Photoacoustic Imaging(PAI) 등과 같은 생체의학 분야에서도 많은 관심을 받고 있다. Ultrasonic transducers using such piezoelectric materials are used for transmitting and receiving ultrasound signals in various fields, and recently, they have received much interest in biomedical fields such as photoacoustic imaging (PAI).
생체 의학용 초음파 수신기는 더욱 정밀한 측정을 위하여 고감도(high sensitivity) 및 넓은 대역폭(wide bandwidth)을 필요로 한다. 일반적으로 음향 임피던스(Za)는 Za=ρC로 정의되는데, ρ는 매질의 밀도이고 C는 매질의 음속으로서 
도 1은 매질의 경계로 입사되는 음파의 반사 및 통과 특성을 나타낸다. 음파가 매질 1과 매질 2의 경계면을 통과할 때, 음향 임피던스(매질 1: Z1, 매질 2: Z2)의 차이에 의해 입사파의 일부는 통과하고 일부는 반사된다. 여기서, 음향 동력전달계수(T)는 아래의 수학식 1과 같이 정의된다.1 shows the reflection and transmission characteristics of a sound wave incident on a boundary of a medium. When a sound wave passes through the interface between the medium 1 and the
음향 동력전달계수는 두 매질의 음향 임피던스 Z1과 Z2가 동일할 경우에 최대가 되며, 상기 Z1과 Z2 간의 차이가 클수록 점점 작아지게 된다. 따라서, 생체 의학용 초음파 수신기의 음향 임피던스는 생체 재료의 음향 임피던스인 약 1.5 MRayl에 가까울수록 높은 감도를 보여주게 된다.The acoustic power transfer coefficient is maximized when the acoustic impedances Z 1 and Z 2 of the two media are the same, and Z 1 and Z 2 The larger the difference between the two, the smaller becomes. Therefore, the acoustic impedance of the biomedical ultrasonic receiver is higher as the acoustic impedance of the biomaterial is about 1.5 MRayl.
한편, 초음파 수신기로 입사된 음향 에너지를 최대한 전기적 에너지 신호로 변환하기 위해서는 초음파 수신기의 전기-기계 결합계수(Electromechanical Coupling Coefficient)가 높아야 한다. 주로 사용되는 두께 방향의 전기-기계 결합계수는 K33으로서 다음의 수학식 2와 같이 정의된다.On the other hand, in order to convert the acoustic energy incident on the ultrasonic receiver into an electric energy signal as much as possible, the electromechanical coupling coefficient of the ultrasonic receiver must be high. The electro-mechanical coupling coefficient in the thickness direction which is mainly used is defined as K 33 as the following equation (2).
여기서, d33은 압전상수로서 단위 응력당 야기된 분극(induced polarization per unit applied stress)이다. 
기존에 초음파 변환기로 사용되는 대표적인 압전 재료인 P(VDF-TrFE)는 음향 임피던스가 낮아 생체 재료와의 임피던스 매칭에는 좋으나 전기-기계 결합계수가 낮아 초음파 변환 효율이 떨어지는 단점이 있다. 반면, PZT-5H와 PMN-PT는 전기-기계 결합계수는 높지만 음향 임피던스도 높아 생체 재료와의 임피던스 매칭이 어려운 단점이 있다. P (VDF-TrFE), which is a typical piezoelectric material used as an ultrasonic transducer, has a low acoustical impedance and is good for impedance matching with a biomaterial, but has a disadvantage in that the electro-mechanical coupling coefficient is low and the ultrasonic conversion efficiency is low. On the other hand, PZT-5H and PMN-PT have high electromechanical coupling coefficient but high acoustic impedance, which makes impedance matching with biomaterial difficult.
도 2는 P(VDF-TrFE)와 같은 강유전 고분자의 미세 구조를 나타낸다. 초음파 수신기 재료로서 P(VDF-TrFE)가 다른 압전 재료보다 높은 수신감도 및 넓은 주파수 대역폭 특성을 보이는 이유는 도 2를 통해서 알 수 있다. 그 구조를 보면 고분자 사슬 (polymer chain)이 규칙적으로 배열되어 있는 미소 결정 영역(crystallite)과 무질서하게 배열되어 있는 영역(amorphous region)이 존재한다.2 shows the microstructure of a ferroelectric polymer such as P (VDF-TrFE). The reason why P (VDF-TrFE) as an ultrasonic receiver material exhibits higher reception sensitivity and broad frequency bandwidth characteristics than other piezoelectric materials can be seen from FIG. There are crystallites and amorphous regions in which the polymer chains are regularly arranged.
도 3은 도 2의 P(VDF-TrFE) 고분자를 구성하는 두 개의 단분자인 VDF와 TrFE의 분자구조를 나타낸다. 이러한 단분자들이 결합된 고분자 사슬이 규칙적으로 배열된 crystallite 영역은 대개 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 주로 α상 혹은 β상의 형태로 존재한다. 즉, crystallite 영역 내에 α상과 β상이 공존한다.Fig. 3 shows the molecular structure of VDF and TrFE, which are two monomers constituting the P (VDF-TrFE) polymer of Fig. The crystallite region in which the chains of the chains in which these monomers are bonded is regularly arranged is usually in the form of an alpha phase or a beta phase as shown in Fig. 3 (b). That is, an α-phase and a β-phase coexist in the crystallite region.
여기서, β상으로 존재하는 영역은 강유전 구역(ferroelectric domain)이고, α상으로 존재하는 영역은 상유전 구역(paraelectric domain)에 해당된다. 강유전 구역은 도 3의 (b)와 같이 전기적 쌍극자(electric dipole)가 한 방향으로 정렬되어 있어 압전 특성을 보여주는 반면, 상유전 구역은 전기적 쌍극자의 합이 0이 되어 압전 특성을 나타내지 못한다. 따라서, P(VDF-TrFE) 고분자로 초음파 변환기를 제작할 때에는 가능한 많은 영역을 압전특성이 높은 강유전 구역으로 만들어 주어야 할 뿐만 아니라 모든 강유전 구역들의 분극 방향을 정렬할 필요가 있다.Here, the region existing in the β phase is a ferroelectric domain, and the region existing in the α phase corresponds to a paraelectric domain. In the ferroelectric region, the electric dipole is aligned in one direction as shown in FIG. 3 (b) to show the piezoelectric characteristics, while the sum of the electric dipoles is zero in the phase dielectric region. Therefore, when fabricating an ultrasonic transducer with P (VDF-TrFE) polymer, it is necessary not only to make the ferroelectric region having a high piezoelectric property as much as possible, but also to align the polarization direction of all the ferroelectric regions.
더욱이, 상기 P(VDF-TrFE) 고분자의 경우, 물질이 분극 특성을 잃는 온도인 큐리 온도(Curie Temperature)가 120℃ 정도이고 녹는 온도(melting temperature)는 155 ℃ 정도로서 온도에 매우 취약한 특성을 보이는 문제점이 있다. 즉, 상온에서부터 고온으로 온도가 상승함에 따라 강유전 구역이 점진적으로 상유전 구역으로 바뀌면서 압전 특성이 감소하는 경향을 보여준다. 이러한 경향성은 P(VDF-TrFE) 고분자를 활용한 초음파 변환기를 상용화를 하는 데에 큰 걸림돌로 작용하고 있다.Further, in the case of the P (VDF-TrFE) polymer, the Curie temperature, which is the temperature at which the material loses its polarization property, is about 120 ° C. and the melting temperature is about 155 ° C., . That is, as the temperature rises from the room temperature to the high temperature, the ferroelectric region gradually changes to the phase dielectric region, and the piezoelectric characteristics tend to decrease. This tendency is a major obstacle to the commercialization of an ultrasonic transducer utilizing P (VDF-TrFE) polymer.
이와 같이, P(VDF-TrFE)는 음향 임피던스가 낮아서 임피던스 매칭에 유리하여 초음파 변환기의 재료로 많이 사용되고 있으나 실질적으로 전기-기계 결합계수가 낮고 열적 안정성이 떨어지는 문제점이 있다. 따라서, 보다 향상된 성능의 초음파 변환기가 요구된다.As described above, P (VDF-TrFE) is low in acoustic impedance and is advantageous for impedance matching, and is widely used as a material of an ultrasonic transducer. However, P (VDF-TrFE) has a problem that the electromechanical coupling coefficient is low and thermal stability is poor. Therefore, an ultrasonic transducer with improved performance is required.
본 발명은, 완화형 강유전 고분자를 압전 재료로 사용함에 따라 전기-기계 결합계수가 크고 열적 안정성을 확보할 수 있으며 높은 감도 및 넓은 대역폭을 제공할 수 있는 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기를 제공하는데 목적이 있다.The present invention provides an ultrasonic transducer employing a relaxation type ferroelectric polymer capable of providing a high sensitivity and a wide bandwidth that can secure a thermal stability by using a relaxation type ferroelectric polymer as a piezoelectric material and having a high electromechanical coupling coefficient There is a purpose.
본 발명은, 완화형 강유전 고분자 재질로 형성되고 피검체에 대해 초음파의 송수신을 수행하는 압전층과, 상기 압전층의 상면과 하면에 각각 적층되는 제1 전극 및 제2 전극과, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에서 교류 전압을 인가 또는 감지하는 교류 전압부, 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에서 직류 바이어스 전압을 인가하는 직류 전압부를 포함하며, 상기 압전층은, 상기 직류 바이어스 전압의 인가 시에 내부의 분극이 두께 방향으로 정렬되어 전기-기계 결합계수(Electromechanical Coupling Coefficient)가 증가되는 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기를 제공한다.The present invention provides a piezoelectric resonator comprising: a piezoelectric layer formed of a relaxed ferroelectric polymer material and performing ultrasonic transmission / reception with respect to a subject; first and second electrodes respectively stacked on upper and lower surfaces of the piezoelectric layer; And a DC voltage unit for applying a DC bias voltage between the first electrode and the second electrode, wherein the piezoelectric layer has a DC bias voltage of The present invention provides an ultrasound transducer using a relaxed ferroelectric polymer in which an internal polarization is aligned in a thickness direction and an electromechanical coupling coefficient is increased upon application.
또한, 상기 제1 전극과 제2 전극은 서로 반대 극성을 가질 수 있다.In addition, the first electrode and the second electrode may have opposite polarities.
여기서, 상기 완화형 강유전 고분자 재질은, P(VDF-TrFE-CFE) 또는 P(VDF-TrFE-CTFE) 재질일 수 있다.Here, the relaxed ferroelectric polymer material may be P (VDF-TrFE-CFE) or P (VDF-TrFE-CTFE).
또한, 상기 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기는, 상기 제1 전극의 상면에 적층되어 상기 압전층과 상기 피검체 사이의 음향 임피던스 정합을 수행하는 정합층, 및 상기 제2 전극의 하면에 적층되어 상기 제2 전극의 하부를 통과한 초음파를 흡수하는 배킹층을 더 포함할 수 있다.The ultrasonic transducer using the relaxation type ferroelectric polymer may further include a matching layer stacked on the upper surface of the first electrode to perform acoustic impedance matching between the piezoelectric layer and the inspected object, And a backing layer that absorbs ultrasonic waves passing through a lower portion of the second electrode.
또한, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, PEDOT:PSS를 포함하는 전도성 고분자 물질로 형성될 수 있다.In addition, the first electrode and the second electrode may be formed of a conductive polymer material including PEDOT: PSS.
또한, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 크롬(Cr), 타이타늄(Ti), 골드(Au), 실버(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 중 적어도 하나의 재질을 포함하여 형성될 수 있다.The first electrode and the second electrode may include at least one of chromium (Cr), titanium (Ti), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al) As shown in FIG.
또한, 상기 교류 전압부는, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 존재하는 상기 교류 전압과 상기 직류 전압을 분리하기 위한 커패시터를 교류 라인 상에 포함할 수 있다.The AC voltage unit may include a capacitor for separating the AC voltage and the DC voltage present between the first electrode and the second electrode on the AC line.
그리고, 상기 압전층은, 상하 방향으로 적층된 복수의 압전층들로 구성될 수 있다. The piezoelectric layer may be composed of a plurality of piezoelectric layers stacked in the vertical direction.
이때, 상기 복수의 압전층들 중에서, 최상단 압전층의 상면과 최하단 압전층의 하면 및 상기 압전층들 사이 부분에, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 포함하는 복수 개의 전극층이 형성되어 있을 수 있다.At this time, among the plurality of piezoelectric layers, a plurality of electrode layers including the first electrode and the second electrode may be formed on the upper surface of the uppermost piezoelectric layer and the lowermost piezoelectric layer, and between the piezoelectric layers have.
또한, 상기 직류 전압부는, 상기 복수 개의 전극층에 인가되는 직류 바이어스 전압의 크기를 개별적으로 조절하여 상기 압전층 별로 분극 방향을 조절할 수 있다.In addition, the direct current voltage unit may adjust the polarization direction for each piezoelectric layer by individually adjusting the magnitude of the direct-current bias voltage applied to the plurality of electrode layers.
본 발명에 따른 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기에 따르면, P(VDF-TrFE-CFE) 또는 P(VDF-TrFE-CTFE)의 완화형 강유전 고분자를 압전 재료로 사용함에 따라 전기-기계 결합계수가 크고 열적 안정성이 높을 뿐만 아니라 높은 감도 및 넓은 대역폭을 제공할 수 있어 초음파 변환기의 성능을 보다 향상시킬 수 있는 이점이 있다.According to the ultrasonic transducer using the relaxation type ferroelectric polymer according to the present invention, when the relaxation type ferroelectric polymer of P (VDF-TrFE-CFE) or P (VDF-TrFE-CTFE) is used as a piezoelectric material, the electromechanical coupling coefficient It is possible to provide a high sensitivity and a wide bandwidth as well as a large and high thermal stability, thereby improving the performance of the ultrasonic transducer.
도 1은 매질의 경계로 입사되는 음파의 반사 및 통과 특성을 나타낸다.
도 2는 P(VDF-TrFE)와 같은 강유전 고분자의 미세 구조를 나타낸다.
도 3은 도 2의 P(VDF-TrFE)를 구성하는 두 개의 단분자인 VDF와 TrFE의 분자구조를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 사용되는 완화형 강유전 고분자인 P(VDF-TrFE-CFE)의 분자 구조를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기의 단면도이다.1 shows the reflection and transmission characteristics of a sound wave incident on a boundary of a medium.
2 shows the microstructure of a ferroelectric polymer such as P (VDF-TrFE).
Fig. 3 shows the molecular structure of VDF and TrFE, which are two monomolecules constituting P (VDF-TrFE) in Fig.
4 is a cross-sectional view of an ultrasonic transducer using a relaxation type ferroelectric polymer according to a first embodiment of the present invention.
Fig. 5 shows the molecular structure of P (VDF-TrFE-CFE), which is a relaxation type ferroelectric polymer used in an embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view of an ultrasonic transducer using a relaxed ferroelectric polymer according to a second embodiment of the present invention.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기의 단면도이다. 상기 초음파 변환기(100)는 압전층(110), 제1 전극(120), 제2 전극(130), 교류 전압부(140), 직류 전압부(150), 정합층(160), 배킹층(170)을 포함한다.4 is a cross-sectional view of an ultrasonic transducer using a relaxation type ferroelectric polymer according to a first embodiment of the present invention. The
상기 압전층(110)은 완화형 강유전 고분자 재질로 형성되고 피검체에 대해 초음파의 송수신을 수행하는 고분자 필름에 해당된다. 이러한 압전층(110)은 외부로부터 인가되는 교류 신호를 초음파로 변환하여 피검체로 전달한 다음, 다시 피검체로부터 반사된 초음파를 수신하여 전기 신호로 변환하는 역할을 한다.The
상기 압전층(110)은 완화형 고분자 재질로서 P(VDF-TrFE-CFE) [poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene)] 또는 P(VDF-TrFE-CTFE) [poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorotrifluoroethylene)]를 사용하여 제조된다.The
상기 P(VDF-TrFE-CFE) 또는 P(VDF-TrFE-CTFE)의 완화형 강유전 고분자는 20~150 V/μm 정도의 전계(electric field) 하에서 최대 5~7% 수준의 변형률(strain)을 유발한다. 즉, 본 실시예에 적용되는 압전 재료는 전기적 자극 하에서 기존의 강유전 세라믹(ferroelectric ceramic)에서 얻을 수 있는 변형률(최대 0.2 %)보다 수십 배 큰 변형률 특성을 보이는 이점이 있다.The relaxation type ferroelectric polymer of P (VDF-TrFE-CFE) or P (VDF-TrFE-CTFE) has a strain of about 5 to 7% at an electric field of about 20 to 150 V / cause. That is, the piezoelectric material applied to the present embodiment has an advantage of exhibiting strain characteristics tens of times larger than the strain (maximum 0.2%) obtained in conventional ferroelectric ceramics under electrical stimulation.
상기 제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 상기 압전층(110)의 상면과 하면에 각각 적층되어 있다. 상기 제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 서로 반대되는 극성을 가질 수 있다. 이러한 제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 크롬(Cr), 타이타늄(Ti), 골드(Au), 실버(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 중 적어도 하나의 재질을 포함하는 금속으로 제조될 수 있다.The
이외에도 상기 제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 PEDOT:PSS [Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate)]를 포함하는 전도성 고분자 물질로 형성될 수 있다. In addition, the
상기 교류 전압부(140)는 상기 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 사이에 연결되어 교류 전압(AC Voltage)을 인가 또는 감지한다. 즉, 교류 전압부(140)는 압전층(110)에 교류 전압을 인가하여 초음파가 발생하도록 하고, 이후 피검체로부터 반사된 초음파가시 압전층(110)에 입사되어 교류 전압으로 변환되면 이를 센싱하는 역할을 한다.The
상기 직류 전압부(150)는 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 연결되어 상기 압전층(110)에 직류 바이어스 전압(Biased DC Voltage)을 인가하는 부분이다. 상기 직류 전압부(150) 및 교류 전압부(140)는 각각의 전압을 인가할 수 있는 배선 구조를 포함하여 구성된다. The direct
여기서, 상기 압전층(110)은 직류 바이어스 전압의 인가 시에 내부의 분극이 두께 방향(압전층의 두께 방향)으로 정렬되면서 전기-기계 결합계수(Electromechanical Coupling Coefficient)가 증가되는 특성을 갖게 된다. 상기 전기-기계 결합 계수의 증가에 따르면, 초음파 수신기 즉, 압전층(110)으로 입사된 음향 에너지를 최대한 전기적 에너지 신호로 변환시킬 수 있는 이점이 있다. Here, the
즉, 본 실시예에서는 상기 압전층(110)의 재료로서 P(VDF-TrFE-CFE) 또는 P(VDF-TrFE-CTFE)의 완화형 강유전 고분자를 사용함에 따라 기존의 P(VDF-TrFE)에 비해 높은 전기-기계 결합계수를 가진 초음파 변환기를 제조할 수 있다. 이러한 완화형 강유전 고분자를 초음파 변환기에 사용할 경우, 기존의 P(VDF-TrFE)에서 필요했던 분극 처리 과정을 별도로 요구하지 않으므로 고온 저장 시에도 탈분극 현상이 일어나지 않으며 열적 안정성을 확보할 수 있는 이점이 있다.That is, in this embodiment, since the relaxation type ferroelectric polymer of P (VDF-TrFE-CFE) or P (VDF-TrFE-CTFE) is used as the material of the
이하에서는 상기 완화형 강유전 고분자 막에 직류 바이어스 전압 인가 시에 내부 분극이 두께 방향으로 정렬되는 원리를 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시예에 사용되는 완화형 강유전 고분자인 P(VDF-TrFE-CFE)의 분자 구조를 나타낸다. P(VDF-TrFE-CFE)는 3개의 단분자 VDF, TrFE 및 CFE의 조합으로 구성되어 있다. Hereinafter, the principle that the internal polarization is aligned in the thickness direction when the DC bias voltage is applied to the relaxed ferroelectric polymer film will be described. Fig. 5 shows the molecular structure of P (VDF-TrFE-CFE), which is a relaxation type ferroelectric polymer used in an embodiment of the present invention. P (VDF-TrFE-CFE) consists of a combination of three monomolecular VDFs, TrFE and CFE.
여기서, 3번째 단분자인 CFE는 강유전 고분자인 P(VDF-TrFE)의 배열에 의도적인 결함을 도입하게 되며 이러한 결함은 일관성 있는 분극영역(all-trans chains)을 나노 극성영역(all-trans chains interrupted by trans and gauche bonds)으로 분할하게 된다. 영역의 크기가 나노 크기로 작아지면 영역의 상 변이 또는 분극 방향의 전환에 필요한 에너지 장벽이 낮아지는 이점이 있다. 이로 인하여 낮은 수준의 바이어스 전압만으로도 손쉽게 분극의 정렬이 가능해진다.Here, the third single molecule, CFE, introduces intentional defects in the arrangement of the ferroelectric polymer, P (VDF-TrFE), which causes consistent all-trans chains to occur in all-trans chains interrupted by trans and gauche bonds. When the size of the region is reduced to nano-scale, there is an advantage that the energy barrier necessary for the transition of the phase of the region or the polarization direction is lowered. This makes it possible to align the polarization easily with a low bias voltage alone.
상기 P(VDF-TrFE-CFE) 소재로 된 압전 필름 즉 본, 실시예에 따른 압전층(110)에는 α상과 β상의 형태가 공존한다. 배경 기술에서 소개한 바와 같이 일반적으로 β상의 영역은 강유선 구역으로서 전기적 쌍극자가 한 방향으로 정렬되어 압전 특성을 보여주는 구간이고, α상의 영역은 상유전 구역으로서 전기적 쌍극자의 합이 0이기 때문에 압전 특성을 보여주지 못한다. 여기서, 압전층(110)에 존재하는 상기 β상의 영역은 전기적 쌍극자가 정렬되어 있는 상태이긴 하나, 그 정렬 방향이 반드시 압전층(110)의 두께 방향으로 형성되어 있지는 않다.In the piezoelectric film made of the P (VDF-TrFE-CFE) material, that is, the
여기서, 상기 P(VDF-TrFE-CFE) 소재로 구성된 압전층(110)의 상하면에 DC 바이어스 전압이 인가되면, α상 부분은 β상으로 상 변이가 일어나게 되어 압전 특성 구간이 증가하게 되는 동시에, 기존에 두께 방향으로 정렬되어 있지 않은 β상 영역과, 상기 상 변이된 β상 영역 부분이 모두 상기 두께 방향으로 정렬되는 효과가 있다.When a DC bias voltage is applied to the upper and lower surfaces of the
즉, 본 실시예에서는 DC 바이어스 전압의 인가 만으로 상 변이뿐만 아니라 및 분극 방향의 정렬이 손쉽게 가능하므로, 많은 수의 전기적 쌍극자(electric dipole)를 가지게 된다. 또한, 전기적 쌍극자가 많아지면 압전 상수가 커지게 되면서 전기-기계 결합계수가 높아지게 되므로 높은 감도의 초음파 변환 특성을 얻을 수 있는 이점이 있다.That is, in this embodiment, not only the phase shift but also the alignment of the polarization direction can be easily performed by applying the DC bias voltage, so that a large number of electric dipoles are obtained. In addition, when the number of electric dipoles is increased, the piezoelectric constant is increased, and the electro-mechanical coupling coefficient is increased, so that an ultrasonic conversion characteristic with high sensitivity can be obtained.
기존의 P(VDF-TrFE) 고분자의 경우는 고온저장 시험 이후 강유전 재료 내의 잔류 분극의 방향이 무질서해지면서 탈분극이 발생하여 강유전 특성이 저하되는 문제점이 있는데 반하여, 본 실시예에 따른 완화형 강유전 고분자는 앞서와 같이 분극 처리를 거치지 않으므로 고온 저장 시에도 탈분극 현상이 전혀 발생하지 않는 이점이 있다. 더욱이, 본 실시예에 따르면, 초음파 변환기의 구동 시에 바이어스 전압만으로 분극 방향의 정렬이 가능하고 열적 안정성을 확보할 수 있다.In the case of the conventional P (VDF-TrFE) polymer, depolarization occurs due to the disorder of the direction of the remanent polarization in the ferroelectric material after the high-temperature storage test, thereby lowering the ferroelectric properties. On the other hand, the relaxed ferroelectric polymer Is not subjected to a polarization treatment as described above, and thus depolarization phenomenon does not occur at all even when stored at a high temperature. Furthermore, according to the present embodiment, in the driving of the ultrasonic transducer, it is possible to align in the polarization direction only by the bias voltage and to secure thermal stability.
이와 같이 완화형 강유전 고분자로 된 상기 압전층(110)은 두께 방향으로 정렬된 분극을 가지고 있어서 두께 방향 모드(thickness mode)로 구동하게 된다. 따라서, 압전 재료에 해당되는 압전층(110)의 두께(t)는 공진 주파수 f에 의해 다음의 수학식 3과 같이 정의될 수 있다.The
여기서, Cp는 상기 압전층(110)에서의 음속이고, n은 홀수의 자연수이다. 이러한 압전 재료의 두께 선정은 일반적으로 공지된 내용이므로 이에 관한 상세한 설명은 생략한다.Here, C p is a sound velocity in the
한편, 상기 초음파 변환기(100)는 음향 임피던스의 정합(matching)을 위한 레이어로서 정합층(160)을 포함한다. 상기 정합층(160)은 상기 제1 전극(120)의 상면에 적층되어 상기 압전층(110)과 상기 피검체 사이의 음향 임피던스 정합을 수행한다. 이러한 정합층(160)은 압전층(110)에서 피검체를 향한 초음파의 투과 강도를 향상시키고 피검체로부터 되돌아오는 초음파 신호의 감도를 높여주는 역할을 한다. Meanwhile, the
상기 피검체(ex, 인체)와 초음파 변환기(100) 즉, 정합층(160) 사이에는 전파 매개 물질 즉, 접촉 매질(10)을 부가하여 음파 투과성을 높인다. 이러한 접촉 매질(10)의 재질은 공지된 다양한 소재가 사용될 수 있다.A radio wave medium, that is, a
상기 압전층(110)의 하부, 더 상세하게는 상기 제2 전극(130)의 하면에는 배킹층(170)(backing layer)이 적층된다. 이러한 배킹층(170)은 상기 피검체로부터 반사되어 제2 전극(130)의 하부를 통과한 초음파를 흡수하는 흡음 기능을 수행하는 부분이다. 여기서, 정합층(160)과 배킹층(170)의 소재는 기 공지된 다양한 재질이 사용될 수 있다.A
한편, 상기 교류 전압부(140)에는 두 전극(120,130) 사이에 존재하는 교류 전압과 직류 전압을 서로 분리하여 각 신호 간의 간섭을 줄이는 커패시터가 부가될 수 있다. 예를 들어, 커패시터는 교류 전압부(140)의 교류 라인 상에 직렬 형태로 부가될 수 있다. 이러한 경우 직류 전압이 교류 전원으로 유입되는 것을 차단한다. 물론, 직류 전압부(150)의 직류 라인 상에 커패시터가 병렬 형태로 더 추가될 수 있다. 이러한 경우 직류 라인 상에 유입될 수 있는 교류 전원을 접지 라인을 통해 제거할 수 있다. 이러한 커패시터의 배치는 공지된 다양한 예가 적용 가능하다.Meanwhile, the
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기의 단면도이다. 도 6에서 도 5와 동일한 부호의 구성요소는 앞서 제1 실시예의 경우와 동일한 구성 및 기능을 의미한다.6 is a cross-sectional view of an ultrasonic transducer using a relaxed ferroelectric polymer according to a second embodiment of the present invention. In Fig. 6, the same reference numerals as those in Fig. 5 denote the same components and functions as those in the first embodiment.
이러한 제2 실시예에 따른 초음파 변환기(200)는 상하 방향으로 적층된 복수의 압전층들로 구성되어 있다. 도 6의 경우는 설명의 편의를 위해 2개의 압전층(210a,210b)을 갖는 경우를 예시하고 있다.The
이러한 경우, 상기 복수의 압전층들 중에서, 최상단 압전층의 상면과 최하단 압전층의 하면 및 상기 압전층들 사이 부분에, 상기 제1 전극(120)과 상기 제2 전극(130)을 포함하는 복수 개의 전극층(120,130,180)이 형성되어 있다.In this case, of the plurality of piezoelectric layers, a plurality (not more than one) of the
즉, 제2 실시예의 경우 상기 복수의 압전층(210a,210b)들 중에서, 최상단 압전층(210a)의 상면과 최하단 압전층(210b)의 하면 및 상기 압전층(210a,210b)들 사이 부분에, 각각 복수 개의 전극층(120,130,180)이 형성되어 있다. 여기서, 교류 전압부(240)는 각각의 압전층(210a,210b)에 개별 형성된다.That is, in the case of the second embodiment, the upper surface of the uppermost
이상과 같은 도 6의 실시예는 압전층이 2개인 경우를 예시하고 있으나, 2개 이상의 압전층에 대해서도 동일한 원리로 적용이 가능함은 물론이다. 서로 적층된 압전층들의 두께 및 재질은 서로 동일하거나 상이할 수 있다.Although the embodiment of FIG. 6 as described above exemplifies the case of two piezoelectric layers, it goes without saying that the same principle can be applied to two or more piezoelectric layers. The thickness and material of the laminated piezoelectric layers may be the same or different from each other.
이러한 도 6의 경우, 전원 라인을 분리하여 압전층에 대해 서로 다른 바이어스 전압이 인가되도록 제어한다. 즉, 각각의 전극층(120,130,180)에 개별 바이어스 전압(V1, V2, V3)을 인가한다. 이러한 경우 V2와 V1 간의 전위차에 해당되는 전압이 제1 압전층(210a)에 인가되고, V3와 V2 간의 전위차에 해당되는 전압이 제2 압전층(210b)에 인가된다.In the case of FIG. 6, the power supply line is separated and a different bias voltage is applied to the piezoelectric layer. That is, individual bias voltages V1, V2, and V3 are applied to the respective electrode layers 120, 130, and 180, respectively. In this case, a voltage corresponding to a potential difference between V2 and V1 is applied to the first
이와 같이, 직류 전압부(250)는, 상기 복수 개의 전극층(120,130,180)에 인가되는 직류 바이어스 전압(V1,V2,V3)의 크기를 개별적으로 조절하여, 상기 압전층 별로 분극 방향을 서로 동일 또는 다른 방향으로 조절할 수 있다. 예를 들면, 제1 압전층(210a)의 분극 방향은 하부에서 상부를 향하는 두께 방향으로, 제2 압전층(210b)의 분극 방향은 상부에서 하부를 향하는 두께 방향으로 조절할 수 있다. 이는 보다 여러 층의 압전층을 갖는 초음파 변환기에 대해서도 적용이 가능하다.The direct
이상과 같은 본 발명에 따른 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기에 의하면, P(VDF-TrFE-CFE) 또는 P(VDF-TrFE-CTFE)의 완화형 강유전 고분자를 압전 재료로 사용함에 따라 전기-기계 결합계수가 크고 열적 안정성이 높을 뿐만 아니라 높은 감도 및 넓은 대역폭을 제공할 수 있어 초음파 변환기의 성능을 보다 향상시킬 수 있는 이점이 있다. According to the ultrasonic transducer using the relaxation type ferroelectric polymer according to the present invention, the relaxation type ferroelectric polymer of P (VDF-TrFE-CFE) or P (VDF-TrFE-CTFE) It is possible to provide a high sensitivity and a wide bandwidth as well as a high coupling coefficient and a high thermal stability, thereby improving the performance of the ultrasonic transducer.
이러한 완화형 강유전 고분자를 사용한 초음파 변환기는 다양한 분야의 초음파 송수신에 적용될 수 있으며, 특히 높은 감도와 넓은 대역폭을 필요로 하는 생체 의학 분야에서 효과적으로 사용될 수 있다.The ultrasonic transducer using the relaxation type ferroelectric polymer can be applied to various fields of ultrasound transmission and reception, and can be effectively used in a biomedical field requiring high sensitivity and wide bandwidth.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
100, 200: 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기
110,210a,210b: 압전층 120: 제1 전극
130: 제2 전극 140,240: 교류 전압부
150,250: 직류 전압부 160: 정합층
170: 배킹층100, 200: Ultrasonic transducer using ferroelectric polymer
110, 210a, 210b: piezoelectric layer 120: first electrode
130:
150,250 DC voltage unit 160: Matching layer
170: backing layer
Claims (10)
상기 압전층의 상면과 하면에 각각 적층되는 제1 전극 및 제2 전극;
상기 제1 전극과 제2 전극 사이에서 교류 전압을 인가 또는 감지하는 교류 전압부; 및
상기 제1 전극과 제2 전극 사이에서 직류 바이어스 전압을 인가하는 직류 전압부를 포함하며,
상기 압전층은,
상기 직류 바이어스 전압의 인가 시에 내부의 분극이 두께 방향으로 정렬되어 전기-기계 결합계수(Electromechanical Coupling Coefficient)가 증가되며,
상기 압전층은,
상하 방향으로 적층된 복수의 압전층들로 구성되고, 상기 복수의 압전층들 중에서, 최상단 압전층의 상면과 최하단 압전층의 하면 및 상기 압전층들 사이 부분에, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 포함하는 복수 개의 전극층이 형성되어 있으며,
상기 직류 전압부는,
상기 복수 개의 전극층에 인가되는 직류 바이어스 전압의 크기를 개별적으로 조절하여 상기 압전층 별로 분극 방향을 조절하는 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기.A piezoelectric layer formed of a material P (VDF-TrFE-CFE) that is a relaxation type ferroelectric polymer and performing transmission / reception of ultrasonic waves to / from a subject;
A first electrode and a second electrode stacked on the upper and lower surfaces of the piezoelectric layer, respectively;
An AC voltage unit for applying or sensing an AC voltage between the first electrode and the second electrode; And
And a DC voltage unit for applying a DC bias voltage between the first electrode and the second electrode,
The piezoelectric layer is made of,
When the direct bias voltage is applied, the internal polarization is aligned in the thickness direction to increase the electromechanical coupling coefficient,
The piezoelectric layer is made of,
Wherein the first electrode and the second electrode are formed of a plurality of piezoelectric layers stacked in a vertical direction, and wherein, among the plurality of piezoelectric layers, the upper surface of the uppermost piezoelectric layer and the lower surface of the lowermost piezoelectric layer, A plurality of electrode layers including electrodes are formed,
The direct-
Wherein the polarization direction of the piezoelectric layer is controlled by individually adjusting a magnitude of a DC bias voltage applied to the plurality of electrode layers.
상기 제1 전극의 상면에 적층되어 상기 압전층과 상기 피검체 사이의 음향 임피던스 정합을 수행하는 정합층; 및
상기 제2 전극의 하면에 적층되어 상기 제2 전극의 하부를 통과한 초음파를 흡수하는 배킹층을 더 포함하는 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기.The method according to claim 1,
A matching layer laminated on the upper surface of the first electrode to perform acoustic impedance matching between the piezoelectric layer and the inspected object; And
And a backing layer laminated on a lower surface of the second electrode and absorbing ultrasonic waves passing through a lower portion of the second electrode.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은,
PEDOT:PSS를 포함하는 전도성 고분자 물질로 형성된 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기.The method according to claim 1 or 4,
Wherein the first electrode and the second electrode are made of a metal,
PEDOT: An ultrasonic transducer using a relaxed ferroelectric polymer formed of a conductive polymer material including PSS.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은,
크롬(Cr), 타이타늄(Ti), 골드(Au), 실버(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 중 적어도 하나의 재질을 포함하여 형성된 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기.The method according to claim 1 or 4,
Wherein the first electrode and the second electrode are made of a metal,
Ultrasonic waves using a relaxation type ferroelectric polymer formed of at least one material selected from the group consisting of Cr, Ti, Au, Ag, Cu, Al, converter.
상기 교류 전압부는,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 존재하는 상기 교류 전압과 상기 직류 전압을 분리하기 위한 커패시터를 교류 라인 상에 포함하는 완화형 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기.The method according to claim 1,
The AC voltage unit includes:
And a capacitor for separating the AC voltage and the DC voltage existing between the first electrode and the second electrode on an AC line.
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