KR102281777B1 - 초음파 진동을 이용한 발열체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 초음파 트랜스듀서를 이용하여 초음파 진동을 이용한 발열체를 제공하고자 한다.
본 발명은 압전 초음파 트랜스듀서를 이용한 발열체를 제공한다. 본 발명에 따르면, 압전 초음파 트랜스듀서에 공진 주파수에서 초음파 진동을 일으킬 수 있는 전압이 압전 소자 구조체에 인가된 경우 진동판이 초음파 진동을 일으키면서 높은 열을 발생시킨다.

Description

초음파 진동을 이용한 발열체 {HEATING ELEMENT USING ULTRASONIC VIBRATION}
본 발명은 초음파 진동을 이용한 발열체에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 초음파 진동을 이용하는 압전 소자 구조체를 이용한 발열체에 관한 것이다.
초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer)는 가청 주파수 영역을 초과하는 20 kHz 이상의 교류 에너지를 같은 주파수의 기계적 진동과 같은 다른 형태의 출력 신호로 변환해 주는 전자부품으로 주로 압전(piezoelectricity) 효과 또는 자왜(magnetostriction) 효과를 응용한다. 특히, 전기적 신호를 기계적 진동으로 변환하는 압전 초음파 트랜스듀서는 일반적으로 압전 물질로써 높은 안정성을 가지는 석영(quartz)을 사용하고 있으며, PZT 계열의 박막 또는 박판 등 다양한 재료를 통해 제작되고 있다.
압전 초음파 트랜스듀서는 우수한 주파수 반응성과 빠른 응답속도, 높은 출력 신호, 소형화와 같은 다양한 장점을 가지고 있는 반면에, 압전 소재가 가지는 높은 임피던스 물성으로 인하여 별도의 앰프(amplifier)가 필요하며 높은 내구성을 갖는 압전 소재의 성형이 어려운 단점을 가진다. 또한 인가된 전기 신호로부터 초음파 진동을 생성하는 액츄에이터로서 압전 트랜스미터(transmitter)의 기능과 물리적인 초음파 신호를 전기 신호로 인식하는 센서로서 리시버(receiver)의 기능을 가질 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 수중에서 거리 및 이미지를 인식하는 수중음파탐지기, 시험체를 파괴하지 않고 내부 구조를 파악하는 비파괴검사 장치 및 음향 구현을 위한 마이크로 스피커 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다.
본 발명은 압전 초음파 트랜스듀서를 이용하여 초음파 진동을 이용한 발열체를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 발열체는, n x m(n, m은 2이상의 정수)개로 배열된 압전 소자 구조체; 및 상기 압전 소자 구조체의 상면에 각각 배치된 진동판을 포함하고, 상기 압전 소자 구조체는 서로 병렬 연결되어 있으며, 상기 진동판은 공진 주파수에서 초음파 진동을 일으킬 수 있는 크기를 가지며, 공진 주파수에서 초음파 진동을 일으키도록 전압이 압전 소자 구조체에 인가된 경우 상기 진동판이 초음파 진동을 일으키면서 높은 열을 발생시킨다.
상기 압전 소자 구조체는, 하부 평면 전극; 상기 하부 전극 상의 압전 재료 시트; 및 상기 압전 재료 시트 상의 상부 평면 전극으로 이루어진다.
상기 압전 소자 구조체는, 하부 평면 전극; 상기 하부 전극 상의 압전 재료 시트; 및 상기 압전 재료 시트 상의 상부 평면 전극으로 이루어진 구조체가 복수개 적층되어 있는 형태로 이루어진다.
상기 복수개의 압전 소자 구조체는 서로 일정한 간격을 이루며 배열된다.
상기 진동판은 상기 진동판의 일면에 형성되어 있는 요철 구조를 포함하며, 상기 요철 구조에 의해 진동판의 비표면적이 증가하여 초음파 신호 출력 성능이 향상되어 발열 성능이 향상된다.
상기 요철 구조는 복수개의 요철을 포함하고, 상기 복수개의 요철은 서로 일정한 간격을 이루며 배치된다.
상기 요철은 나노 크기인 것이 바람직하다.
본 발명은 압전 초음파 트랜스듀서를 이용한 발열체를 제공한다. 본 발명에 따르면, 압전 초음파 트랜스듀서에 공진 주파수에서 초음파 진동을 일으킬 수 있는 전압이 압전 소자 구조체에 인가된 경우 진동판이 초음파 진동을 일으키면서 높은 열을 발생시킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서의 진동판의 평면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서의 진동판의 측단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서의 추가적인 진동판의 평면도를 도시한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자 구조체의 단면을 도시한다.
도 4b는 2개의 압전체가 적층되어 있는 압전 소자 구조체를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 발열체의 평면도를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 압전 초음파 트랜스듀서를 이용한 발열체를 제공한다. 본 발명에 따르면, 압전 초음파 트랜스듀서에 공진 주파수에서 초음파 진동을 일으키도록 전압이 압전 소자 구조체에 인가된 경우 진동판이 초음파 진동을 일으키면서 높은 열을 발생시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 발열체는, n x m(n, m은 2이상의 정수)개로 배열된 압전 소자 구조체; 및 상기 압전 소자 구조체의 상면에 각각 배치된 진동판을 포함한다.
압전 소자 구조체는 압전 효과에 의해 전기적 신호를 받았을 때 기계적 변형으로 변화시켜 주는 부분으로써, 이러한 압전 소자 구조체의 기계적 변형에 의해 진동판이 진동한다.
압전 소자 구조체는 각각 도 4a 및 4b에서 확인할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자 구조체의 단면을 도시한다. 도 4a에서 도시된 것처럼, 압전 소자 구조체는, 하부 평면 전극(E1); 하부 전극 상의 압전 재료 시트(PZ); 및 압전 재료 시트 상의 상부 평면 전극(E2)으로 이루어질 수 있다. 이러한 압전 소자 구조체의 상면에는 진동판(VPL)이 부착되어 있을 수 있으며, 이에 의해 압전 소자의 변형에 의해 진동판이 진동한다.
압전 소자 구조체는 그 상면에 진동판을 포함하고 있으며, 이 경우 진동판은 공진 주파수에서 초음파 진동을 일으킬 수 있는 크기를 갖는다. 진동판의 사이즈가 작아질수록 공진 주파수는 높아지고, 일반적으로 20kHz 이상으로 공진 주파수가 높아지면 진동판은 초음파 진동을 일으키면서 진동판이 떨면서 열을 발산하게 된다. 따라서, 진동판의 크기는 20kHz 이상의 공진 주파수를 가질 수 있도록 제어될 수 있다.
진동판은 공진 주파수에서 초음파 진동을 일으킬 수 있는 크기를 가지며, 공진 주파수에서 초음파 진동을 일으키도록 전압이 압전 소자 구조체에 인가된 경우 진동판이 초음파 진동을 일으키면서 높은 열을 발생시키게 된다.
한편, 도 4b와 같이 압전 소자 구조체는 2개 이상의 압전체가 적층되어 있을 수 있으며, 도 4b는 2개가 적층된 모습을 예시적으로 도시한다. 도 4b에서 도시된 것처럼, 압전 소자 구초제는 제 1 전극(E1); 제 1 압전 재료 시트(PZ1); 제 2 전극(E2); 제 2 압전 재료 시트(PZ2); 및 제 3 전극(E3)을 포함할 수 있으며, 이러한 적층 구조에 의해 출력이 더욱 커질 수 있다. 이 경우 적층 구조를 이룸에 의해 동일한 두께의 압전층을 비교시 단일층보다 적층 구조를 이용하면 전계 효과가 증가하므로 출력이 향상되는 효과를 얻을 수 있는 것이다.
압전 재료 시트는 압전 세라믹 또는 세라믹/폴리머 복합체로 형성된 것이 이용된다.
본 발명에서는 위에서 설명한 압전 소자 구조체가 도 5에서와 같이 복수개가 배열될 수 있다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 발열체의 평면도를 도시한다.
도 5에서 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 발열체는 n x m개로 배열된 압전 소자 구조체가 배열된다. 이 경우 n 및 m은 2 이상의 정수이다. 복수개의 압전 소자 구조체는 서로 일정한 간격을 이루며 배열된다. 도 5의 실시예에서는 3 x 3개의 압전 소자 구조체가 배열된 모습의 예시이다.
각각의 압전 소자 구조체는 그 상면에 각각 진동판을 포함하고 있으며, 이는 위에서 이미 설명하였다.
압전 소자 구조체(200)는 기판(100) 상에 서로 일정한 간격을 이루며 배치되며, 압전 소자 구조체(200)는 서로 병렬로 연결되어 있다. 이러한 병렬 연결에 의해 동일한 동작 전압 주파수에서도 높은 열을 발생시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 진동판(VPL)은 진동판의 일면에 형성되어 있는 요철 구조를 포함하며, 상기 요철 구조에 의해 진동판의 비표면적이 증가하여 초음파 신호 출력 성능이 향상되고, 이에 의해 발열 성능이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서의 진동판의 평면도를 도시하고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서의 진동판의 측단면도를 도시한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 초음파 트랜스듀서의 추가적인 진동판의 평면도를 도시한다.
진동판은 도 1 내지 2에서 보는 것처럼, 요철 구조를 포함하고 있으며, 이러한 요철 구조는 복수개의 요철을 포함한다.
도 1 및 2는 요철이 사각형 형태인 것을 도시하며, 도 3은 원기둥 형태인 것을 도시한다. 요철은 다각형 기둥 또는 원기둥 형태일 수 있으며, 또한 다각형 뿔 또는 원뿔 형태일 수도 있다. 출력의 크기(발열의 세기)를 조절하기 위해 사용 용도에 따라 다양한 형태로 제어될 수 있다.
이러한 요철 구조에 의해 진동판에서의 초음파 신호 출력 성능의 향상이 얻어지게 된다. 일반적으로 진동판은 금속(알루미늄 등)과 같은 무른 재료로 이루어지고, 이러한 재료들은 내구성이 낮아서 높은 진동수에서 진동이 일어나게 되면 조금씩 변형이 발생된다. 이러한 변형에 의해 원래 설계자가 의도했던 설계 구조로부터 미세하게 벗어나게 되고, 이에 의해 트랜스듀서의 초음파 신호 출력 성능이 변경되는 문제점이 발생된다. 이를 해결하기 위해 본 발명에서는 요철 구조를 포함한 것이다.
요철 구조의 요철에 의해, 특히 요철이 많으면 많을수록 진동판의 내구성(rigidity)이 향상되게 된다. 또한, 요철 구조에 의해 진동판의 비표면적이 증가하게 되어 신호의 출력이 요철 구조가 없는 것에 비해 훨씬 커지는 장점을 갖는다. 이에 의해 궁극적으로 출력이 커지므로 발열의 양도 향상되는 것이다.
이러한 요철 구조는 복수개의 요철(13)을 포함한다. 복수개의 요철(13)은 서로 일정한 간격을 이루며 배치되는 것이 바람직하다. 복수개의 요철들이 일정한 간격을 이루며 서로 배치됨으로써, 초음파 신호 출력 성능의 향상 등의 장점이 진동판 전체에서 균일하게 일어날 수 있다. 또한, 요철은 동일한 면적에서 많이 배치될수록 유리하므로, 요철의 사이즈는 나노 크기인 것이 바람직하다. 이에 의해 동일한 면적에서 가장 많은 요철의 수를 균일하게 배치할 수 있게 된다.
한편, 이러한 요철 구조를 만드는 것은 진동판에 요철 구조를 개별적으로 프린팅하거나 증착시켜 얻을 수 있다. 또한, 요철 구조를 쉽게 만들기 위해서는 진동판 자체의 표면을 패턴 식각하여 얻는 것이 바람직하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. n x m(n, m은 2이상의 정수)개로 배열된 압전 소자 구조체; 및
    상기 압전 소자 구조체의 상면에 각각 배치된 진동판을 포함하고,
    상기 압전 소자 구조체는 서로 병렬 연결되어 있으며,
    상기 진동판은 공진 주파수에서 초음파 진동을 일으킬 수 있는 크기를 가지며, 공진 주파수에서 초음파 진동을 일으키도록 전압이 압전 소자 구조체에 인가된 경우 상기 진동판이 초음파 진동을 일으키면서 높은 열을 발생시키고,
    상기 복수개의 압전 소자 구조체는 서로 일정한 간격을 이루며 배열되며,
    상기 진동판은 상기 진동판의 일면에 형성되어 있는 요철 구조를 포함하며, 상기 요철 구조에 의해 진동판의 비표면적이 증가하여 초음파 신호 출력 성능이 향상되어 발열 성능이 향상되는,
    상기 요철 구조는 복수개의 요철을 포함하고, 상기 복수개의 요철은 서로 일정한 간격을 이루며 배치되며, 상기 요철은 나노 크기이고,
    상기 요철 구조는 진동판 자체의 표면을 패턴 식각하여 형성된 것인,
    초음파 진동을 이용한 발열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 소자 구조체는,
    하부 평면 전극; 상기 하부 평면 전극 상의 압전 재료 시트; 및 상기 압전 재료 시트 상의 상부 평면 전극으로 이루어진,
    초음파 진동을 이용한 발열체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 소자 구조체는,
    하부 평면 전극; 상기 하부 평면 전극 상의 압전 재료 시트; 및 상기 압전 재료 시트 상의 상부 평면 전극으로 이루어진 구조체가 복수개 적층되어 있는 형태로 이루어진,
    초음파 진동을 이용한 발열체.
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