KR102334802B1 - 임피던스 매칭 부재 및 상기 임피던스 매칭 부재를 사용하는 초음파 트랜스듀서 - Google Patents

임피던스 매칭 부재 및 상기 임피던스 매칭 부재를 사용하는 초음파 트랜스듀서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 임피던스 매칭 부재 및 상기 임피던스 매칭 부재를 사용하는 초음파 트랜스듀서에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서는 초음파를 발생시키는 초음파 발생부 및 상기 초음파 발생부와 대상체 사이에 배치되고 임피던스를 매칭시키는 임피던스 매칭부를 포함하고, 상기 임피던스 매칭부는 경화되는 물질에 속이 빈 할로우 파우더(hollow powder)를 혼합시키되, 상기 할로우 파우더는 상기 신호가 전파되는 방향으로 물리적 성질이 점차적으로 변화하는 경사기능성(gradient functional) 구조를 가지도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

임피던스 매칭 부재 및 상기 임피던스 매칭 부재를 사용하는 초음파 트랜스듀서{IMPEDANCE MATCHING MATERIAL AND ULTRASONIC TRANSDUCER USING THE SAID IMPEDANCE MATCHING MATERIAL}
본 발명은 임피던스 매칭 부재 및 상기 임피던스 매칭 부재를 사용하는 초음파 트랜스듀서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 두 매질 사이의 임피던스 차이가 큰 경우에도 신호의 전파 효율을 높일 수 있는 임피던스 매칭 부재 및 상기 임피던스 매칭 부재를 사용하는 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다.
초음파 트랜스듀서는 대상체의 내부 정보를 얻기 위해 의료 분야 등 다양하게 응용되고 있다.
초음파 트랜스듀서에는 PZT(Lead Zirconate Titanate) 등과 같은 압전 세라믹 소자로 이루어지는 초음파 발생부가 구비되어, 초음파 신호를 대상체에 전송하고 대상체로부터 반사된 신호를 수신하여 영상 신호 등으로 변화하여 대상체의 내부 정보를 획득한다. 일반적으로 상기 압전 세라믹 소자는 백킹 레이어(backing layer)와 임피던스 매칭 레이어(impedance matching layer) 사이에 배치된다.
임피던스 매칭 레이어는 압전 세라믹 소자와 대상체 사이의 임피던스 차이로 초음파 신호의 반사로 발생하는 에너지 손실을 줄이기 위해 사용된다.
아래의 표 1은 각 물질에 대응하는 음향 임피던스 값을 나타낸다. 예를 들어, 종래 메디컬 초음파 트랜스듀서의 경우, 대략 30 Rayls의 임피던스 값을 가지는 압전 세라믹 소자와 대략 1.5 Rayls의 임피던스 값을 가지는 생체 물질(대상체) 사이의 임피던스 값을 가지는 폴리머 기반의 임피던스 매칭 레이어 층이 적용된다.
Figure 112020066680934-pat00001
<표 1>
하지만, 가스의 유량 측정을 위한 초음파 트랜스듀서에 상기 폴리머 기반의 임피던스 매칭 레이어를 적용하는 경우, 대상체의 임피던스 값이 아주 낮기 때문에(예를 들어, 공기의 임피던스 값은 거의 0에 가까움) 초음파 신호가 거의 전파되지 않고 반사되는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-2072353호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 신호가 전파되는 방향을 따라 할로우 파우더(hollow powder)의 특성 제어를 통해 경사기능성(gradient functional) 구조를 가지도록 하여 광대역(broadband) 특성을 향상시킬 수 있는 임피던스 매칭 부재 및 상기 임피던스 매칭 부재를 사용하는 초음파 트랜스듀서를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 초음파를 발생시키는 초음파 발생부; 및 상기 초음파 발생부와 대상체 사이에 배치되고 임피던스를 매칭시키는 임피던스 매칭부를 포함하고, 상기 임피던스 매칭부는 경화되는 물질에 속이 빈 할로우 파우더(hollow powder)를 혼합시키되, 상기 할로우 파우더는 상기 신호가 전파되는 방향으로 물리적 성질이 점차적으로 변화하는 경사기능성(gradient functional) 구조를 가지도록 배치되는 초음파 트랜스듀서에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 할로우 파우더는 다공성 실리카 파우더(porous silica powder)일 수 있다.
여기서, 상기 다공성 실리카 파우더는 에폭시에 혼합될 수 있다.
여기서, 상기 임피던스 매칭부는 상기 초음파 발생부에서 상기 대상체를 향하는 방향으로 임피던스 값이 점차적으로 작아지도록 경사기능성 구조를 가질 수 있다.
여기서, 상기 물리적 성질은 상기 할로우 파우더의 입자 크기, 상기 할로우 파우더의 분포 밀도 또는 상기 할로우 파우더의 밀도 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
여기서, 상기 임피던스 매칭부의 할로우 파우더는 상기 초음파 발생부에서 상기 대상체를 향하는 방향으로 입자 크기가 점차적으로 커지도록 배치될 수 있다.
여기서, 상기 임피던스 매칭부의 할로우 파우더는 상기 초음파 발생부에서 상기 대상체를 향하는 방향으로 분포 밀도가 점차적으로 커지도록 배치될 수 있다.
여기서, 상기 임피던스 매칭부의 할로우 파우더는 상기 초음파 발생부에서 상기 대상체를 향하는 방향으로 상기 할로우 파우더의 밀도가 점차적으로 커지도록 배치될 수 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 제 1 물체와 제 2 물체 사이에서 신호가 전파될 때 임피던스를 매칭시키는 임피던스 매칭 부재에 있어서, 상기 임피던스 매칭 부재는 경화되는 물질에 속이 빈 할로우 파우더(hollow powder)를 혼합시키되, 상기 할로우 파우더는 상기 신호가 전파되는 방향으로 물리적 성질이 점차적으로 변화하는 경사기능성(gradient functional) 구조를 가지는 임피던스 매칭 부재에 의해 달성될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 임피던스 매칭 부재 및 상기 임피던스 매칭 부재를 사용하는 초음파 트랜스듀서에 따르면 신호가 전파되는 방향을 따라 할로우 파우더(hollow powder)의 특성 제어를 통해 경사기능성(gradient functional) 구조를 가지도록 하여 초음파 신호의 광대역(broadband) 특성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 개략적인 구성을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 임피던스 매칭 레이어부에 사용되는 다공성 실리카 파우더의 확대 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 경사기능성 구조를 도시한다.
도 4는 할로우 파우더의 입자 크기 조절을 통한 경사기능성 구조를 도시한다.
도 5는 할로우 파우더의 분포 밀도 조절을 통한 경사기능성 구조를 도시한다.
도 6은 할로우 파우더의 밀도 조절을 통한 경사기능성 구조를 도시한다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 임피던스 매칭 부재 및 상기 임피던스 매칭 부재를 사용하는 초음파 트랜스듀서를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서는 초음파 발생부(110), 임피던스 매칭부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
초음파 발생부(110)는 초음파 신호를 발생시킨다. 상기 초음파 발생부(110)를 구성하는 압전 소자로 PZT(lead zirconate titanate)를 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 초음파 발생부(110)로부터 발생된 초음파 신호는 임피던스 매칭부(130)를 통해 대상체로 전파되고, 전파된 신호는 대상체로부터 반사되어 다시 임피던스 매칭부(130)를 거쳐 도시되지 않은 수신 장치에서 수신하여 수신된 신호를 기초로 영상 신호 등으로 변환되어 대상체를 분석할 수 있도록 한다.
임피던스 매칭부(130)는 초음파 발생부(110)의 전면에 배치되며, 초음파 발생부(110)로부터 발생한 초음파를 전방에 위치하는 대상체에 전파한다. 여기서, 전면이라고 하면 대상체를 향하는 면을 의미한다. 도 2 내지 도 6을 참조로 후술하는 본 발명에 따른 임피던스 매칭부(130)의 구성의 특징에 의해, 본 발명에서는 대상체가 임피던스 값이 아주 낮은 가스인 경우에도 에너지 손실을 줄이며 초음파 신호를 전파시킬 수가 있어서, 가스의 유량 등을 측정할 수가 있다.
상기 임피던스 매칭부(130)에 의해 초음파 발생부(110)와 대상체 사이의 임피던스 차이를 개선시켜, 초음파 신호의 일부가 반사되는 것을 최소화하여 투과성을 향상시킬 수가 있다.
백킹(backing)부(120)는 초음파 발생부(110)의 후면에 배치되며, 초음파 발생부(110)에서 발생되는 초음파를 흡수하여 초음파 발생부(110)의 후방에서 진동이 제한되도록 하는 댐퍼 역할을 할 수 있다. 또한, 불필요한 신호의 간섭을 피하기 위해 백킹부(120)에 전달되는 초음파를 산란 또는 흡수하여 제거할 수가 있으며, 이에 따라 분해능이 높아지고 주파수 대역폭을 넓힐 수가 있다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조로 본 발명에 따른 임피던스 매칭부(130)에 관한 상세 구성의 특징을 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 임피던스 매칭부(130)는 경화되는 물질에 속이 빈 할로우 파우더(hollow power)(132)를 혼합시켜, 소정의 경화 물질 내에 할로우 파우더(132)가 분산된 형태로 형성될 수 있다. 할로우 파우더(132)의 일 예로 도 2에 도시된 다공성 실리카 파우더(porous silica power)(132)가 사용될 수 있고, 상기 경화 물질로는 에폭시(134)가 사용될 수 있다. 즉, 에폭시(134)에 다공성 실리카 파우더(132)를 혼합시키고, 에폭시(134)를 경화시키는 방법으로 에폭시(134)에 다공성 실리카 파우더(132)가 분산된 형태의 임피던스 매칭부(130)를 제작할 수가 있다.
본 발명에서 사용되는 할로우 파우더(132)는 속이 비어서 내부에 중공이 형성되거나 다공성의 미립자로 내부의 중공에 의해 내부가 채워진 입자와 비교하여 낮은 밀도 값을 갖는다. 이때, 할로우 파우더(132)의 입자 크기는 임피던스 매칭부(130)를 통해 전달되는 초음파 신호의 파장보다 충분히 작은 크기로 설정되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 할로우 파우더(132)는 신호가 전파되는 방향으로 물리적 성질이 점차적으로 변화하도록 경사기능성(gradient functional) 구조를 가지도록 경화성 물질 내에 분산 배치된다. 즉, 에폭시(134) 내에 다공성 실리카 파우더(132)가 균일하거나 무질서하게 분산 배치되는 것이 아니라, 일 방향으로 물리적 특성이 점차적으로 바뀌도록 할로우 파우더(132)가 배치된다.
여기서, 상기 물리적 성질의 일 예로, 할로우 파우더(132)의 입자 크기, 할로우 파우더(132)의 분포 밀도 또는 할로우 파우더(132)의 밀도 중 어느 하나일 수가 있다.
예를 들어, 도 4에 도시되어 있는 것과 같이 에폭시(134) 내에 혼합되는 다공성 실리카 파우더(132)의 입자 크기가 대상체를 향하는 전방을 향하여 점차적으로 커지도록 배치시키는 방법으로 경사기능성 구조의 임피던스 매칭부(130)가 형성될 수 있다. 상기 경사기능성 구조에 의해 임피던스 매칭부(130)의 임피던스 값이 전방을 향하여 점차적으로 작아질 수가 있다.
또한, 도 5에 도시되어 있는 것과 같이 에폭시(134) 내에 혼합되는 다공성 실리카 파우더(132)의 분포 밀도가 대상체를 향하는 전방을 향하여 점차적으로 커지도록 배치시키는 방법으로 경사기능성 구조의 임피던스 매칭부(130)가 형성될 수 있다. 에폭시(134) 내에 다공성 실리카 파우더(132)가 균등하게 분포된다고 할 때, 에폭시(134) 내의 다공성 실리카 파우더(132)의 양을 다르게 제어하면 입자 사이의 간격을 달라져 분포 밀도를 조절할 수가 있다. 상기 경사기능성 구조에 의해 임피던스 매칭부(130)의 임피던스 값이 전방을 향하여 점차적으로 작아질 수가 있다.
또한, 도 6에 도시되어 있는 것과 같이 에폭시(134) 내에 혼합되는 다공성 실리카 파우더(132)의 밀도가 점차적으로 커지도록 배치시키는 방법으로 경사기능성 구조의 임피던스 매칭부(130)가 형성될 수 있다. 도 6에서와 같이 같은 외형의 크기를 가지는 다공성 실리카 파우더(132) 중에서도 내부의 비워진 중공 부피 분율이 달라서 밀도가 달라질 수가 있다. 이때, 후방에는 밀도가 작은 다공성 실리카 파우더(132)를 배치시키고, 전방에는 밀도가 상대적으로 큰 다공성 실리카 파우더(132)를 배치시키도록 하여 다공성 실리카 파우더(132)의 밀도가 점차적으로 바뀌는 경사기능성 구조의 임피던스 매칭부(130)가 형성될 수 있다. 상기 경사기능성 구조에 의해 임피던스 매칭부(130)의 임피던스 값이 전방을 향하여 점차적으로 작아지게 조절할 수가 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 할로우 파우더(132)에 의해 임피던스 값이 거의 0에 가까운 값을 가지도록 하되, 대상체를 향하는 초음파 신호의 전파 방향을 따라 임피던스 값이 점차적으로 작아지도록 경사기능성 구조를 가지도록 하여, 임피던스 값이 거의 0에 가까운 가스에 대해서도 초음파 발생부(110)로부터 발생된 초음파 신호를 대상체에 전파시킬 수가 있다.
에폭시(134) 내에 다공성 실리카 파우더(132)를 혼합시키는 방법으로 에폭시(134)와 다공성 실리카 파우더(132)가 담긴 용기를 회전시키며 경화시키는 방법을 사용할 수가 있는데, 이 경우 회전에 의해 다공성 파우더가 깨질 수가 있고, 나아가 경사기능성 구조로 다공성 파우더의 분포를 조절하는 것이 어려울 수가 있다.
이에, 본 발명에 따른 임피던스 매칭부(130)는 용액 타입의 에폭시(134)를 공급 받아 노즐을 통해 분사하는 디스펜서의 중간 경로 상에 다공성 실리카 파우더(132)를 공급 받도록 하여, 다공성 실리카 파우더(132)가 혼합된 에폭시(134)를 디스펜서를 통해 분사시키는 방법으로 제작될 수가 있다. 이때, 디스펜서에 다공성 실리카 파우더(132)의 크기, 양 또는 밀도를 다르게 공급함으로써 전술한 경사기능성 구조의 임피던스 매칭부(130)를 제작할 수가 있다.
본 발명에 따른 임피던스 매칭 부재는 서로 다른 임피던스 값을 가지는 제 1 물체와 제 2 물체 사이에서 초음파 신호 등과 같은 신호가 전파될 때 신호 에너지의 손실을 최소화하며 전파되도록 임피던스를 매칭시키는 부재로서, 상기 임피던스 매칭 부재는 경화되는 물질에 속이 빈 할로우 파우더를 혼합시키되, 상기 할로우 파우더는 상기 신호가 전파되는 방향으로 물리적 성질이 점차적으로 변화하는 경사기능성(gradient functional) 구조를 가지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
110: 초음파 발생부
120: 백킹부
130: 임피던스 매칭부
132: 할로우 파우더(다공성 실리카 파우더)
134: 에폭시

Claims (9)

  1. 초음파 신호를 발생시키는 초음파 발생부; 및
    상기 초음파 발생부와 대상체 사이에 배치되고 임피던스를 매칭시키는 임피던스 매칭부를 포함하고,
    상기 임피던스 매칭부는 경화되는 물질에 속이 빈 할로우 파우더(hollow powder)를 혼합시키되, 상기 할로우 파우더는 상기 초음파 신호가 전파되는 방향으로 물리적 성질이 점차적으로 변화하는 경사기능성(gradient functional) 구조를 가지도록 배치되는데,
    상기 임피던스 매칭부는 같은 외형의 크기를 가지되 중공 부피 분율에 따라 밀도가 다른 할로우 파우더를 가지고 상기 초음파 발생부에서 상기 대상체를 향하는 방향으로 밀도가 점차적으로 커지도록 배치되는 초음파 트랜스듀서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 할로우 파우더는 다공성 실리카 파우더(porous silica powder)인 초음파 트랜스듀서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다공성 실리카 파우더는 에폭시에 혼합되는 초음파 트랜스듀서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 임피던스 매칭부는 상기 초음파 발생부에서 상기 대상체를 향하는 방향으로 임피던스 값이 점차적으로 작아지도록 경사기능성 구조를 가지는 초음파 트랜스듀서.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 물체와 제 2 물체 사이에서 신호가 전파될 때 임피던스를 매칭시키는 임피던스 매칭 부재에 있어서,
    상기 임피던스 매칭 부재는 경화되는 물질에 속이 빈 할로우 파우더(hollow powder)를 혼합시키되, 상기 할로우 파우더는 상기 신호가 전파되는 방향으로 물리적 성질이 점차적으로 변화하는 경사기능성(gradient functional) 구조를 가지는데,
    같은 외형의 크기를 가지되 중공 부피 분율에 따라 밀도가 다른 할로우 파우더를 가지고 상기 제 1 물체에서 상기 제 2 물체를 향하는 방향으로 밀도가 점차적으로 커지도록 배치시켜 형성되는 임피던스 매칭 부재.
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