KR102040725B1 - 음향 캐비테이션 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 음향 캐비테이션 발생 장치는, 음파가 투과될 수 있고, 양면이 액체로 도포되며, 사용자의 피부에 부착되는 면에 복수의 틈(crevices)이 형성된 패치(patch)를 포함하며, 상기 음파를 발생시키기 위한 트랜스듀서를 더 포함한다.
실시예에서, 각각의 틈의 반지름은 상기 액체에서 공명 현상이 일어날 수 있도록 상기 음파의 주파수에 따라 정해질 수 있으며, 이 경우 캐비테이션의 발생 확률을 더욱 높일 수 있고, 결과적으로 종래의 초음파 스크럽/필링 장치에 비해 피부 각질 제거 효과가 현저하게 향상될 수 있고, 환자의 피부상에 존재하는 염증이나 박테리아를 보다 효과적으로 제거할 수 있다.

Description

음향 캐비테이션 발생 장치{APPARATUS FOR GENERATING ACOUSTIC CAVITATION}
본 발명은 음향 캐비테이션 발생 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사용자의 피부에 부착되는 면에 복수의 틈(crevices)이 형성된 패치(patch)를 이용하여 초음파에 의한 캐비테이션(cavitation) 발생 확률을 높이는 장치에 관한 것이다.
최근에는 초음파를 이용한 미용 기술이나, 의료 기술이 널리 사용되고 있다. 초음파의 높은 진동수를 이용하여 피부의 각질을 제거하는 스크럽(scrub) 장치 또는 필링(peeling) 장치는 가정용으로도 상용화되어 많은 사람들이 이용하고 있다.
또한, 염증이나 혹 등이 발생한 병변에 초음파를 조사하여 이를 제거하는 치료 방법은 종래의 침습적인 치료 방식에 비해 감염, 흉터 등의 부작용이 적어서 활용도가 높다.
상기 초음파를 이용한 미용/치료 방법에 있어서, 매질이 되는 용액 내에서 미소한 공동(空洞) 및 기포를 발생시키는 캐비테이션(cavitation) 현상이 나타날 수 있다. 캐비테이션이란, 유체 내에서 진행하는 초음파가 유체의 속도 변화에 의하여 압력이 변하여 유체 내에 공동이 생기는 현상으로서 공동현상이라고도 한다.
초음파가 유체 내에서 진행하는 동안 압축력과 감압력이 교대로 작용하게 되는데, 감압력에 의해 용액 중에 진공의 공동이 생성되고, 이것이 순간적으로 용해되어 있는 기체에 의해 충만되어 기포로 변하게 된다. 이 기포가 압축력을 받아 압축되어 소멸하면서 충격을 발생시킬 수 있다.
상기 기포로부터 발생한 충격에 의해 인체 피부 각질 또는 환부의 염증을 제거하거나, 박테리아를 제거할 수 있다. 따라서, 초음파를 이용한 미용 또는 치료 방법에 있어서, 상기 캐비테이션 발생 확률이 높아질수록 그 효과가 향상될 수 있다.
미국 특허공개공보 US2007/0078290 A1
이에 본 명세서는, 사용자의 피부에 부착되는 면에 복수의 틈(crevices)이 형성된 특수한 패치(patch)를 이용하여 초음파에 의한 캐비테이션(cavitation) 발생 확률을 높이는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서의 또 다른 목적은, 상기 음향 캐비테이션 발생 장치를 이용하여 사용자의 피부를 스크럽(scrub) 또는 필링(peeling)하기 위한 미용 기기를 제공하는 것이다.
본 명세서의 또 다른 목적은, 상기 음향 캐비테이션 발생 장치를 이용하여 환자의 병변을 제거하기 위한 의료 기기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음향 캐비테이션 발생 장치는, 음파가 투과될 수 있고, 양면이 액체로 도포되며, 사용자의 피부에 부착되는 면에 복수의 틈(crevices)이 형성된 패치(patch)를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 장치는 상기 음파를 발생시키기 위한 트랜스듀서를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 각각의 틈은 원 모양으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 각각의 틈의 반지름은, 상기 액체에서 공명 현상이 일어날 수 있도록 상기 음파의 주파수에 기초하여 정해질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 트랜스듀서는 상기 음파의 주파수를 조정할 수 있는 주파수 조정부를 포함할 수 있고, 상기 주파수는 미리 정해진 상기 틈의 반지름에 따라 상기 액체에서 공명 현상이 일어날 수 있도록 정해질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 음파는 주파수가 20kHz 이상인 초음파일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 액체는 물 또는 하이드로겔(hydrogel)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패치는 상기 트랜스듀서의 앞단에 일체형으로 부착되며, 사용자의 피부에 부착되는 면에만 상기 액체가 도포될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패치는 사용자의 안면에 부착되는 마스크 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 미용 기기는, 상기 음향 캐비테이션 발생 장치를 이용하여 사용자의 피부를 스크럽(scrub) 또는 필링(peeling)할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 의료 기기는, 상기 음향 캐비테이션 발생 장치를 이용하여 환자의 병변을 제거할 수 있다.
본 명세서에서 제공하는 일 실시예에 따른 음향 캐비테이션 발생 장치는, 양면이 액체로 도포되며 사용자의 피부에 부착되는 면에 복수의 틈(crevices)이 형성된 특수한 패치(patch)를 이용함으로써, 음파에 의한 캐비테이션 현상의 발생 확률을 상승시킨다.
또한, 일 실시예에 따라 상기 틈의 반경은, 액체 층 내에서 공명 현상이 일어날 수 있도록 음파의 주파수에 기초하여 결정될 수 있고, 이 경우 캐비테이션의 발생 확률을 더욱 높일 수 있다.
상기 음향 캐비테이션 발생 장치를 활용한 미용 기기 또는 의료 기기에 의하면, 종래의 초음파 스크럽/필링 장치에 비해 피부 각질 제거 효과가 현저하게 향상될 수 있고, 환자의 피부상에 존재하는 염증이나 박테리아를 보다 효과적으로 제거할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 음향 캐비테이션 발생 장치를 사용하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 음향 캐비테이션 발생 장치에 포함된, 양면이 액체로 도포되며 일 면에 복수의 틈(crevices)이 형성된 특수한 패치의 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따라 마스크 형태로 제작된 특수한 패치를 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따라 음파 발생부의 앞단에 패치가 일체형으로 부착된 음향 캐비테이션 발생 장치의 단면도이다.
도 5는 음파가 진행하면서 압력이 변화함에 따라 캐비테이션 현상이 발생하는 것을 나타낸 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 음향 캐비테이션 발생 장치의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 캐비테이션 발생 장치를 사용하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 음향 캐비테이션 발생 장치는, 음파를 발생시키기 위한 트랜스듀서(10); 및 상기 음파가 투과될 수 있고 양면이 액체로 도포되며 사용자의 피부에 부착되는 면에 복수의 틈(crevices)이 형성된 패치(20)를 포함할 수 있다.
트랜스듀서(10)는 음파를 출력하는 음원(sound source)으로서, 전기적인 음향 신호를 물리적인 음파 에너지로 변환시켜주는 역할을 수행한다. 일반적으로, 초음파 트랜스듀서(transducer)는 압전 효과 또는 자왜(磁歪) 효과를 응용하여, 20 ㎑ 이상의 교류 에너지를 같은 주파수의 기계적 진동으로 변환할 수 있다. 사용자는 사용하고자 하는 부위와 목적에 따라 트랜스듀서(10)의 출력과 음파 주파수를 조정할 수 있다. 음파의 압력은 사용자의 피부가 손상되지 않도록 10 Mpa 이하인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않으며 용도에 따라 더 높은 출력의 음파가 이용될 수 있다.
패치(20)는 도 1에 도시된 것처럼 사용자의 피부에 부착된다. 상기 트랜스듀서(10)에서 발생된 음파는 패치(20)를 통과하여 사용자의 피부 표면에 전달되며, 사용자의 피부와 맞닿은 액체 층에서 음향 캐비테이션(cavitation)을 발생시킨다. 상기 패치(20)는 음파가 투과될 수 있는 재질, 즉 음향학적으로 투명한 필름(acoustically transparent film)으로 제작된다. 예를 들어, 부직포, 순면 등 일반적인 시트 마스크 재질이나, 마일러 시트(Mylar sheet), 폴리에스테스 필름 또는 플라스틱 시트로 구성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 패치는 일회용으로 사용되는 일반적인 마스크 시트와 같은 재질로 형성될 수 있으므로 경제적인 비용으로도 효과를 극대화할 수 있다.
도 2의 단면도를 참조하면, 패치(20)의 양면이 액체로 도포되어 액체 층(21,22)을 형성하며 일 면에 복수의 틈(23)이 형성되는 특수한 형태로 구성될 수 있다.
상기 패치의 양면에 형성되는 액체 층(21, 22)은 음파를 전달하는 매질 역할을 수행하며, 사용자의 피부와 맞닿은 액체 층(22)에서 음향 캐비테이션을 야기한다. 상기 액체는 예를 들어 물 또는 하이드로겔(hydrogel) 등일 수 있으나 특정한 물질로 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에서, 상기 액체는 피부 미용을 위한 일반적인 시트 마스크 팩에 도포되는 영양 성분을 포함할 수 있다.
상기 복수의 틈(23)은, 패치(20) 중 사용자의 피부에 부착되는 일 면에 형성되며, 상기 일 면에 도포된 액체 층(22) 내에서 캐비테이션(cavitation) 현상이 발생할 확률을 높이기 위해 형성된다. 도 2에 도시된 것처럼, 틈(23)은 패치(20)의 일 면에 형성되지만 다른 면을 통과하지 않는 정도의 적절한 깊이(즉, 패치의 두께보다 얕은 깊이)로 형성될 수 있다.
캐비테이션이란 유체 내에서 진행하는 초음파가 유체의 속도 변화에 의하여 압력이 변하여 유체 내에 공동이 생기는 현상이다. 초음파가 유체 내에서 진행하는 동안 압축력(compression)과 감압력(rarefaction)이 교대로 작용하게 되는데, 감압력에 의해 용액 중에 진공의 공동이 생성되고, 이것이 순간적으로 용해되어 있는 기체에 의해 충만되어 기포로 변하게 된다.
도 5의 (a)는 안정적인 캐비테이션(stable cavitation)을 나타내는데, 상기 생성된 기포가 안정적으로 진동(stably oscillating)하면서 일정한 크기까지 커지게 된다. 이 경우에는 기포가 소멸하지는 않으나 기포의 진동으로 인해 주변에 발생하는 전단응력(shear stress)으로 충격을 발생시킬 수 있다. 도 5의 (b)는 관성 캐비테이션(inertial cavitation)을 나타내는데, 안정적인 캐비테이션에 비해 상대적으로 음파의 압력이 클 경우, 기포의 크기가 빠른 속도로 증가하여 관성에 의해 기포가 터지면서 충격을 발생시킬 수 있다.
이와 같이, 모든 캐비테이션 현상이 발생할 때 기포의 생성, 진동, 소멸로부터 충격이 발생하는데, 상기 충격에 의해 인체 피부 각질 또는 환부의 염증을 제거하거나, 박테리아를 제거할 수 있다. 따라서, 초음파를 이용한 미용 또는 치료 방법에 있어서 상기 캐비테이션 발생 확률을 높임으로써 그 효과를 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 패치(20)의 일 면에 형성된 복수의 틈(23)은 트랜스듀서를 이용하여 음파 조사 시 사용자 피부에 맞닿아 있는 액체 층(22) 내에서 인위적으로 기포(air bubble)를 발생시키기 위한 시드(seed) 역할을 한다.
패치 없이 초음파 트랜스듀서를 직접 피부 상에 접촉하여 초음파를 조사하는 종래 기술에 비해, 실시예와 같이 수많은 틈이 형성된 패치를 피부에 부착하고 그 위로 초음파를 조사한 경우에 캐비테이션 현상이 더 자주 발생할 수 있다.
일 실시예에서 각각의 틈은 원 모양으로 형성될 수 있으나, 특정한 모양으로 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 각각의 틈의 반경은 상기 액체에서 공명(resonance) 현상이 일어날 수 있도록 상기 음파의 주파수에 따라 정해질 수 있다. 트랜스듀서가 발생시키는 음파의 주파수와 기포의 공명 주파수가 일치하는 경우 공명 현상이 일어날 수 있는데, 이 때 액체 층에서 캐비테이션 현상이 더 활발하게 일어난다.
미나에르트의 공식에 의하면, 물에서의 단일 기포의 공명 주파수
Figure 112017085013830-pat00001
는 다음과 같다.
Figure 112017085013830-pat00002
여기서,
Figure 112017085013830-pat00003
는 기포의 반지름이고,
Figure 112017085013830-pat00004
는 폴리트로픽 계수(polytropic coefficient)이고,
Figure 112017085013830-pat00005
는 주위 압력(ambient pressure),
Figure 112017085013830-pat00006
는 물의 밀도를 나타낸다. 물에서
Figure 112017085013830-pat00007
= 100 kPa이고,
Figure 112017085013830-pat00008
= 1000 kg/m3 라고 가정하면,
Figure 112017085013830-pat00009
이다.
따라서, 기포의 공명 주파수는 기포의 반지름에 따라 결정될 수 있는데, 실시예에서 기포의 반지름은 틈(crevice)의 반지름과 일치하도록 형성되므로, 패치에 형성되는 각각의 틈의 반지름을 음파 주파수
Figure 112017085013830-pat00010
에 따라 적절하게 설정함으로써 캐비테이션 현상을 유도할 수 있다.
예를 들어, 트랜스듀서가 발생시키는 초음파의 주파수가 20 kHz 인 경우, 공명 현상이 발생하는 기포의 반지름은 0.163 mm 이므로, 패치에 형성되는 틈이 0.163 mm 의 반지름을 갖는 원 모양으로 형성함으로써 기포의 발생 확률을 더 높일 수 있다. 기포가 더 많이 발생할수록 캐비테이션에 의한 필링, 스크럽 효과, 박테리아 또는 염증 제거 효과가 향상된다.
또 다른 실시예에서는, 상기 틈의 반지름이 미리 정해져 있고, 상기 음파의 주파수는, 상기 반지름에 따라 공명 현상이 일어나기 위한 적절한 공명 주파수
Figure 112017085013830-pat00011
로 조정될 수 있다. 이 경우, 트랜스듀서는 출력되는 음파의 주파수를 조정하기 위한 주파수 조정부를 더 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서 패치(20)는 사용자의 안면에 부착되는 마스크 형태로 제작될 수 있다. 복수의 틈(23)은 사용자가 음파를 조사하고자 하는 부위를 중심으로 형성될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서 패치(20)는 트랜스듀서(10)의 앞단에 일체형으로 부착될 수 있고, 이 경우 사용자의 피부에 부착되는 면에만 상기 액체가 도포되어 액체 층(22)을 형성할 수 있다. 이와 같이 트랜스듀서(10)와 패치(20)가 일체형인 경우, 사용자는 패치(20)의 일 면에만 액체를 도포한 후 피부에 접촉시켜 음파를 출력함으로써 캐비테이션 현상을 유도할 수 있다.
실시예들에 따른 음향 캐비테이션 발생 장치는, 복수의 틈이 형성된 특수한 패치를 이용함으로써, 음파에 의한 캐비테이션 현상의 발생 확률을 상승시킬 수 있고, 나아가 공명 현상이 일어날 수 있도록 음파의 주파수와 틈의 반경을 조정함으로써 캐비테이션의 발생 확률을 더욱 높일 수 있다.
상기 음향 캐비테이션 발생 장치는, 사용자의 피부를 스크럽(scrub) 또는 필링(peeling)하기 위한 미용 기기에 이용될 수 있고, 나아가 병변의 염증이나 박테리아를 제거하기 위한 의료 기기에 이용될 수도 있다.
10: 트랜스듀서
20: 패치(patch)
21, 22: 액체 층
23: 복수의 틈(crevices)

Claims (11)

  1. 사용자의 피부와 맞닿은 액체 층에서 음향 캐비테이션(cavitation)을 발생시키기 위한 장치로서,
    음파가 투과될 수 있고, 양면이 액체로 도포되며, 사용자의 피부에 부착되는 면에, 미리 정해진 크기의 복수의 틈(crevices)이 미리 정해진 위치에 형성된 패치(patch)를 포함하되,
    각각의 틈의 크기는 상기 액체 층에서 공명 현상이 일어날 수 있도록 상기 음파의 주파수와 연관되며,
    상기 복수의 틈에서 발생하는 기포의 크기는 상기 틈의 크기와 일치하는 것을 특징으로 하는, 음향 캐비테이션 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음파를 발생시키기 위한 트랜스듀서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 음향 캐비테이션 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    각각의 틈은 원 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 음향 캐비테이션 발생 장치.
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    상기 트랜스듀서는 상기 음파의 주파수를 조정할 수 있는 주파수 조정부를 포함하고,
    상기 주파수는, 미리 정해진 상기 틈의 반지름에 따라 상기 액체에서 공명 현상이 일어날 수 있도록 정해지는 것을 특징으로 하는, 음향 캐비테이션 발생 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 음파는 주파수가 20kHz 이상인 초음파인 것을 특징으로 하는, 음향 캐비테이션 발생 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 액체는 물 또는 하이드로겔(hydrogel)인 것을 특징으로 하는, 음향 캐비테이션 발생 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 패치는 상기 트랜스듀서의 앞단에 일체형으로 부착되며,
    사용자의 피부에 부착되는 면에만 상기 액체가 도포되는 것을 특징으로 하는, 음향 캐비테이션 발생 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 패치는 사용자의 안면에 부착되는 마스크 형태인 것을 특징으로 하는, 음향 캐비테이션 발생 장치.
  10. 제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 음향 캐비테이션 발생 장치를 이용하여 사용자의 피부를 스크럽(scrub) 또는 필링(peeling)하기 위한 미용 기기.
  11. 제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 음향 캐비테이션 발생 장치를 이용하여 환자의 병변을 제거하기 위한 의료 기기.
KR1020170111700A 2017-09-01 2017-09-01 음향 캐비테이션 발생 장치 KR102040725B1 (ko)

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