KR102411284B1 - 투명 초음파 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 투명 초음파 센서에 관한 것으로서, 광학 임피던스 매칭을 실시하고 투명한 재료로 이루어져 있는 정합부, 상기 정합부 뒤에 위치하고 투명한 재료로 이루어져 있는 압전층, 상기 압전층의 후면과 전면에 각각 위치하여 각각 투명한 도전성 물질로 이루어져 있는 제1 전극층 및 제2 전극층, 상기 제1 전극층에 연결되어 있는 제1 하우징, 및 상기 제2 전극층에 연결되어 있는 제2 하우징을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 초음파 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 빛의 투과가 이루어지는 투명 초음파 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
초음파 센서나 트랜스듀서는 압전 물질의 특징을 이용하여 전기 에너지를 음향 에너지로 변환한 뒤 이 에너지를 대상물인 물체에 전달하고 반사된 음향 에너지를 다시 전기적 신호로 변환하는 원리로 물체와의 물리적 거리 측정 및 물체의 영상 획득을 가능하게 하는 센서이다.
최근 들어, 고정밀도의 감지 동작, 고해상도 영상 및 사용자의 편의를 위해 광학 카메라, 레이저 등의 광학 기기 및 초음파 센서가 융합된 기술이 활발하게 개발되고 있다.
하지만, 기존의 초음파 센서는 불투명하기 때문에 투명한 매질이 요구되는 광학 기기와의 융합이 불가능하며, 또한 조사되는 레이저와 초음파 센서를 동일 축에 배열하는 것이 불가능하였다.
본 발명이 해결하려는 과제는 초음파 센서 전체를 빛의 투과가 이루어지도록 하여 초음파 센서를 이용한 광학 시스템의 구조를 간소화하기 위한 것이다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 투명 초음파 센서로 입사되고 다시 반사되어 재입사되는 빛과 초음파 신호의 초점을 조절하여 초음파 센서에 의해 감지되는 초음파 영상의 선명도와 광학 신호의 선명도를 향상시키기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 투명 초음파 센서는 광학 임피던스 매칭을 실시하고 투명한 재료로 이루어져 있는 정합부, 상기 정합부 뒤에 위치하고 투명한 재료로 이루어져 있는 압전층, 상기 압전층의 후면과 전면에 각각 위치하여 각각 투명한 도전성 물질로 이루어져 있는 제1 전극층 및 제2 전극층, 상기 제1 전극층에 연결되어 있는 제1 하우징, 및 상기 제2 전극층에 연결되어 있는 제2 하우징을 포함한다.
상기 정합부는 음향 렌즈를 구비할 수 있다.
상기 음향 렌즈는 오목 형태 또는 볼록 형태를 가질 수 있다.
상기 정합부는 투명한 유리류, 투명한 에폭시류 및 투명한 실리콘류 중 적어도 하나를 함유할 수 있다.
상기 압전층은 LNO, PMN-PT, PVDF 및 PVDF-TrFE 중 적어도 하나를 함유할 수 있다.
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층은 각각 AgNW, ITO, 탄소나노튜브 및 그래핀 중 적어도 하나를 함유할 수 있다.
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층의 크기는 서로 상이할 수 있다.
상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징은 각각 가운데 빈 공간을 갖는 링 형태로 이루어질 수 있다.
상기 제1 하우징은 상기 제1 전극층의 가장자리부에 접하게 위치하고, 상기 제2 하우징은 상기 제2 전극층의 가장자리부에 접하게 위치할 수 있다.
상기 제2 하우징의 내부 공간 속에 상기 압전층, 상기 제1 전극층 및 상기 제1 하우징이 위치할 수 있다.
상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징은 도전성 물질을 함유할 수 있다.
상기 특징에 따른 투명 초음파 센서는 상기 제1 하우징에 연결되어 있는 제1 신호선과 상기 제2 하우징에 연결되어 있는 제2 신호선을 더 포함할 수 있다.
상기 특징에 따른 투명 초음파 센서는 상기 제1 전극층에 접하게 위치하고 초음파 신호를 감쇠시키는 후면층을 더 포함할 수 있다.
상기 후면층은 상기 제1 하우징으로 에워싸여져 있을 수 있다.
상기 후면층은 투명한 유리류나 투명한 에폭시류를 함유할 수 있다.
상기 특징에 따른 투명 초음파 센서는 상기 제1 하우징과 상기 제1 하우징 사이에 위치하고 투명한 절연 물질로 이루어져 있는 절연부를 더 포함할 수 있다.
상기 특징에 따른 투명 초음파 센서는 상기 정합부 앞에 위치하고 음향 임피던스 정합을 실시하는 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기 보호층은 파릴렌을 함유할 수 있다.
상기 특징에 따른 투명 초음파 센서는 상기 정합층 뒤에 위치하고 있고 상기 정합층을 통과한 빛의 초점을 조절하며 투명한 재료로 이루어져 있는 보정 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 보정 렌즈는 볼록 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 투명 초음파 센서의 제조 방법은 기판 위에 압전층을 위치시키는 단계, 상기 압전층의 노출된 제1 면에 투명한 제1 전극층을 형성하는 단계, 상기 제1 전극층의 가장자리부에 제1 하우징을 부착하여 위치시키는 단계, 상기 제1 하우징을 위치하지 않는 상기 제1 전극층의 상기 제1 면 위에 투명한 후면층을 형성하는 단계, 상기 기판의 가장자리부에 상기 제1 하우징과 이격되게 제2 하우징을 부착시켜 위치시키는 단계, 상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징 사이에 투명한 절연 물질을 주입하여 절연부를 형성하여 제1 예비 투명 초음파 센서를 형성하는 단계, 상기 기판 위에 위치하는 상기 제1 예비 투명 초음파 센서를 상하 방향으로 180도 회전시켜 상기 기판에 위치시키는 단계, 노출된 상기 압전층의 제2 면, 상기 절연부의 면 및 상기 제2 하우징의 면 위에 투명한 제2 전극층을 형성하는 단계, 상기 제2 전극층 위에 투명한 정합부를 형성하는 단계, 및 노출된 상기 제1 전극층 위에 상기 정합부 위에 투명한 보호층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 특징에 따른 투명 초음파 센서의 제조 방법은 상기 보호층까지 형성된 상기 투명 초음파 센서를 상하 방향으로 180도 뒤집어 상기 기판에 위치시키는 단계 및 상기 노출된 후면층 위에 보정 렌즈를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 특징에 따른 투명 초음파 센서의 제조 방법은 상기 보호층까지 형성된 상기 투명 초음파 센서를 상하 방향으로 180도 뒤집어 상기 기판에 위치시키는 단계 및 상기 제1 하우징에 제1 신호선을 연결하고 상기 제2 하우징에 제2 신호선을 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이러한 특징에 따르면, 투명 초음파 센서의 액티브 영역에 존재하는 모든 구성요소가 빛의 투과가 이루어지는 투명한 재료로 이뤄져 있으므로, 투명 초음파 센서를 구비한 광학 시스템의 배치의 자유도가 증가하고, 이로 인해, 공간의 효율적인 이용이 이루어질 수 있다.
또한, 정합부가 초음파 신호 및 빛의 초점을 실시하므로, 투명 초음파 센서에서 출력되는 신호에 획득되는 영상의 선명도가 크게 향상된다. 이로 인해, 획득되는 영상에서 어떤 대상물의 존재 여부뿐만 아니라 대상물의 형상을 명확하게 판정할 수 있게 된다.
이에 더해, 보정 렌즈를 통한 빛의 초점 조절이 추가적으로 이루어지므로, 투명 초음파 센서에서 출력되는 영상의 선명도는 더욱 증가한다.
투명 초음파 센서의 가장자리부를 에워싸게 위치하고 있는 제1 하우징과 제2 하우징에 외부 신호의 입출력이 이루어지는 제1 신호선과 제2 신호선을 연결하므로, 액티브 영역의 감소 없이 자유롭게 제1 신호선과 제2 신호선을 연결할 수 있다.
또한, 액티브 영역의 감소 없이 최외측에 위치하고 있는 제2 하우징에의 광학 소자의 결합이 자유롭게 이루어질 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 한 실시예에 따른 투명 초음파 센서와 광학 모듈 간의 다양한 배치 관계를 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따라 제작된 투명 초음파 센서의 사진으로서, (a)는 평볼록 형태의 보정 렌즈까지 부착된 경우의 사진이고, (b)는 보정 렌즈와 음향 렌즈가 생략된 투명 초음파 센서의 배면 사진이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따라 투명 초음파 센서를 일 방향을 따라 잘랐을 때 얻어지는 개념적인 단면도로서, 보정 렌즈는 한 예로서 볼록 형태인 평볼록 보정 렌즈인 경우이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 투명 초음파 센서의 개념적인 분해 사시도로서, 보정 렌즈는 한 예로서 볼록 형태인 평볼록 보정 렌즈인 경우이다.
도 5의 (a)와 (b)는 각각 본 발명의 한 실시예에 따라 투명 초음파 센서에서 평오목 형태의 평오목 음향 렌즈와 평볼록 형태인 평볼록 음향 렌즈가 사용될 때의 빛의 경로를 예시적으로 도시한 예이다
도 6의 (a)와 (b)는 각각 본 발명의 한 실시예에 따라 투명 초음파 센서에서 보정 렌즈가 사용되지 않는 때와 보정 렌즈가 사용된 때의 빛의 경로를 예시적으로 도시한 예이다
도 7a 내지 도 7k는 본 발명의 한 실시예에 따라 투명 초음파 센서의 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따라 제작된 투명 초음파 센서의 사진으로서, (a)는 평볼록 형태의 보정 렌즈까지 부착된 경우의 사진이고, (b)는 보정 렌즈와 음향 렌즈가 생략된 투명 초음파 센서의 배면 사진이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따라 투명 초음파 센서를 일 방향을 따라 잘랐을 때 얻어지는 개념적인 단면도로서, 보정 렌즈는 한 예로서 볼록 형태인 평볼록 보정 렌즈인 경우이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 투명 초음파 센서의 개념적인 분해 사시도로서, 보정 렌즈는 한 예로서 볼록 형태인 평볼록 보정 렌즈인 경우이다.
도 5의 (a)와 (b)는 각각 본 발명의 한 실시예에 따라 투명 초음파 센서에서 평오목 형태의 평오목 음향 렌즈와 평볼록 형태인 평볼록 음향 렌즈가 사용될 때의 빛의 경로를 예시적으로 도시한 예이다
도 6의 (a)와 (b)는 각각 본 발명의 한 실시예에 따라 투명 초음파 센서에서 보정 렌즈가 사용되지 않는 때와 보정 렌즈가 사용된 때의 빛의 경로를 예시적으로 도시한 예이다
도 7a 내지 도 7k는 본 발명의 한 실시예에 따라 투명 초음파 센서의 제조 방법을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명하는데 있어서, 해당 분야에 이미 공지된 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명을 부가하는 것이 본 발명의 요지를 불분명하게 할 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명에서 이를 일부 생략하도록 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 실시예들을 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 해당 분야의 관련된 사람 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함하는'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 및 그 제조 방법에 대해서 설명하도록 한다.
먼저 도 1a 내지 도 1d를 참고하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 투명 초음파 센서(1)의 동작 개념에 대해 설명한다.
도 1a 내지 도 1d에는 투명 초음파 센서(1)를 이용하는 광학 시스템의 개략적인 구조가 도시되어 있다.
도 1a 내지 도 1d에 도시한 것처럼, 투명 초음파 센서(1)를 사이에 두고 앞에는 빛을 조사하는 광원 모듈(100)이 위치하고 뒤 쪽에는 투명 초음파 센서(1)를 통과한 빛이 조사된 후 반사되어 다시 투명 초음파 센서(1) 쪽으로 반사시키는 대상물(200)이 존재한다.
광원 모듈(100)은 투명 초음파 센서(1) 쪽으로 빛을 조사하기 위한 것으로서, 카메라나 레이저 조사부 등일 수 있다.
투명 초음파 센서(1)는 광원 모듈(100)에서 출력되는 광과 투명 초음파 센서(1)로 인가되는 전기 신호를 이용하여 초음파를 생성하여 대상물(200)로 조사하고, 다시 대상물(200)에 의해 반사되어 입사되는 초음파에 해당하는 전기 신호를 출력하여 대상물(200)에 대한 초음파 영상을 획득할 수 있도록 한다.
이러한 투명 초음파 센서(1)는 압전 효과(piezoelectric effect)와 역압전 효과를 이용하여 이용하여 초음파를 대상물(200) 쪽으로 송신하고 대상물(200)에서 반사되는 초음파를 수신하여 해당 전기 신호를 생성할 수이다.
이때, 압전 효과는 압전 물질을 기계적인 힘을 가하였을 때, 유전 분극을 일으켜 전기를 발생하는 효과이고, 그 반대로 역압전 효과는 전기가 가해지면 수축 및 이완을 일으키는 현상일 수 있다.
대상물(200)은 사람의 신체 일부와 같이, 투명 초음파 센서(1)로부터 인가되는 초음파를 투명 초음파 센서(1) 쪽으로 반사해 초음파 신호를 반사시킨 해당 부위에 대한 초음파 영상을 획득할 수 있도록 한다.
도 1a 내지 도 1d에는 광원 모듈(100)과 대상물(200) 사이에 위치하는 명 초음파 센서(1)의 다양한 배치 구조를 도시한다.
도 1a는 광원 모듈(100)에서 출력되는 빛의 경로와 투명 초음파 센서(1)에서 출력되는 초음파 신호의 경로가 서로 평행하도록 투명 초음파 센서(1)를 배치한 경우이다. 즉, 광원 모듈(100)의 광 출사면(S1)과 이 광 출사면(S1)에 인접한 투명 초음파 센서(1)의 입사면(S2)이 서로 평행한 상태로 배치한 경우이다.
따라서, 도 1a의 경우에는, 대상물(200)로 최종 입사되는 빛의 경로(P1)와 투명 초음파 센서(1)의 초음파 신호 경로(P2)는 서로 동일하거나 평행할 수 있어, 두 경로(P1, P2)가 이루는 각도는 0도일 수 있다.
이와 같이, 투명 초음파 센서(1)의 후방 또는 투명 초음파 센서(1)의 경로(P2)와 동일한 경로 상에 광학 모듈(100)이 위치함에 따라 투명 초음파 센서(1)의 전방에 위치한 대상물(200)의 영상 획득이 가능해진다. 이 경우, 광학 초음파 센서(1)와 광학 모듈(100)에서 출력되는 신호나 광의 왜곡 현상없이 동일한 대상물(200)의 동일 위치에 대한 신호가 획득되어 정확한 영상을 획득할 수 있다.
도 1b 내지 도 1d는 광원 모듈(100)에서 출력되는 빛의 경로(P1)와 투명 초음파 센서(1)에서 출력되는 초음파 신호의 경로(P2)가 0도보다 큰 소정의 각도(θ1)를 이루도록 투명 초음파 센서(1)를 광학 모듈(100)과 대상물(200) 사이에 배치한 경우이다.
도 1b는 두 경로(P1, P2)가 이루는 각도(θ1)가 0보다 크고 90도보다 작은 경우이고, 도 1c는 두 경로(P1, P2)가 이루는 각도(θ1)가 90도인 경우이며, 도 1d는 90도보다 큰 경우이다.
도 1b와 같이, 두 경로(P1, P2)가 이루는 각도(θ1)가 0보다 크고 90도보다 작은 경우, 투명 초음파 센서(1)는 광원 모듈(1)과 대상물(200) 사이에서 투명 초음파 센서(1)가 경사지게 배치되어 있다. 즉, 투명 초음파 센서(1)의 입사면(S2)이 광원 모듈(1)의 광 출사면(S1)에 대해 경사져 있는 배치되어 있다.
도 1b는 광학 모듈(100)을 기준으로 하여 투명 초음파 센서(1)의 위치를 약간(즉, 90도 미만) 기울어지게 위치시켰지만, 이와 반대로, 투명 초음파 센서(1)를 기준으로 하여 광학 모듈(100)의 위치를 90도 미만으로 경사지게 배치할 수 있다.
도 1c는 두 경로(P1, P2)가 이루는 각도(θ1)가 90도인 경우에는 투명 초음파 센서(1)의 입사면(S2)이 광원 모듈(1)의 광 출사면(S1)에 대해 90도를 이루고 있으므로, 광원 모듈(100)에서 출력되는 빛의 경로(P1)를 투명 초음파 센서(1) 쪽으로 변경해야 한다. 따라서, 도 1c와 같이, 광원 모듈(100)과 투명 초음파 센서(1)가 배치되어 있는 경우, 광원 모듈(100)에서 출력되는 빛을 투명 초음파 센서(1)로 반사하는 반사판이 위치할 수 있다. 이때, 반사판은 프리즘이나 거울 등으로 이루어질 수 있다. 도 1c의 경우에도, 도 1a와 같이 대상물(200)로 최종 입사되는 빛의 경로(P1a)는 투명 초음파 센서(1)의 초음파 신호 경로(P2)와 일치할 수 있다.
이러한 도 1c의 배치에 의해, 광학 모듈(100)과 마주보고 있는 대상물(200), 즉 도 1a의 대상물(200) 뿐만 아니라 광학 모듈(100)의 정면에서 벗어나 측면 등에 위치하는 대상물에 대한 영상 획득이 가능하다.
또한, 도 1d의 경우 역시 도 1c의 경우와 같이, 광원 모듈(100)의 빛의 경로(P1)를 투명 초음파 센서(1) 쪽으로 변경하기 위한 반사판(300)이 존재할 수 있다. 도 1d의 경우에도 도 1b와 같이 대상물(200)로 최종 입사되는 빛의 경로(P1a)와 투명 초음파 센서(1)의 초음파 신호 경로(P2)는 서로 상이할 수 있다.
이와 같이, 투명 초음파 센서(1)가 투명함에 따라 광원 모듈(100)과 대상물(200) 사이에서 다양한 구조로 투명 초음파 센서(1)의 배치가 이루어지므로, 투명 초음파 센서(1)를 구비한 광학 시스템의 설계에 대한 다양성이 향상된다.
또한, 투명 초음파 센서(1)를 구비한 광학 시스템의 배치 공간에 따라 투명 초음파 센서(1)이 배치가 다양하게 변경되므로, 광학 시스템의 설치의 자유도 역시 증가하게 된다.
도 1a 내지 도 1d의 경우, 광학 모듈(100)과 투명 초음파 센서(1) 간의 거리를 조절 가능하다. 사용하고자 하는 분야에 따라 신호를 얻고자 하는 대상물(200)과 투명 초음파 센서(1) 간의 거리가 다르기 때문에, 광학 모듈(100)과 투명 초음파 센서(1) 사이의 거리를 조절함으로써 정확한 위치에서의 신호 획득이 가능해진다.
또한, 광학 모듈(100)의 경우, 카메라를 예로 들면, 의료 장비인 혈관용 카테터(catheter)나 내시경에 쓰이는 매우 작은 크기부터 자동차에 사용되는 비교적 큰 크기의 카메라까지 매우 다양한 카메라가 적용될 수 있다.
또한, 광학 모듈(100)이 레이저인 경우, 매우 얇은 광 파이버(optical fiber)를 통해 레이저 빛을 전달하게 되면 카메라의 경우처럼 매우 작은 크기부터 큰 크기의 레이저 역시 사용이 가능하다.
다음, 도 2 및 도 6을 참고하여, 이러한 투명 초음파 센서(1)에 대한 본 실시예에 대해 설명한다.
도 2에 도시한 것처럼, 본 발명의 한 실시예에 따른 투명 초음파 센서(1)는 원형의 평면 형상을 갖는 원형 형태를 갖고 있지만, 이에 한정되지 않는다.
도 2 내지 도 4에 도시한 것처럼, 본 발명의 한 실시예에 따른 투명 초음파 센서(1)는 우측에서부터 보호층(11), 보호층(11) 뒤에 위치하는 음향 렌즈부(13), 정합부(13) 뒤에 위치하는 위치하는 압전부(15), 압전부(15)와 연결되어 있는 제1 및 제2 하우징(171, 173), 압전부(15) 뒤에 위치하는 후면층(16), 제1 및 제2 하우징(171, 173) 사이에 위치하는 절연부(18), 그리고 제2 하우징(173) 뒤에 위치하는 보정 렌즈부(19)를 구비할 수 있다.
보호층(11)은 투명 초음파 센서(1)를 물리적 및 전기적으로 보호하고, 초음파 신호를 조사하고자 하는 매질, 즉 대상물(200)과의 음향 임피던스(acoustic impedance)의 차이를 줄이기 위한 것이다. 따라서, 보호층(11)은 보호 기능을 구비하고 있고 액체(예, 물)와 생체 간의 음향 임피던스 매칭을 실시하는 정합층으로 동작할 수 있다.
이러한 보호층(11)은 투명한 물질로 이루어질 수 있다. 한 예로, 보호층(11)은 투명한 폴리머(polymer)인 파릴렌(parylene)를 함유할 수 있다.
본 예에서, 보호층(11)의 음향 임피던스는 약 2.84 Mrayls일 수 있다.
이러한 보호층(11)은 도 3 및 도 4에 도시한 것처럼, 압전부(1)의 전면 및 측면 그리고 투명 초음파 센서(1)의 가장 가장자리에 위치하고 있는 제2 하우징(173)의 측면에 위치할 수 있다.
따라서, 보호층(11)은 결국 투명 초음파 센서(1)의 전면과 측면을 구성할 수 있다.
보호층(11) 뒤에 위치하는 정합부(13)는 압전부(15)에서 발생되는 초음파 신호를 조사하고자 하는 매질, 즉 대상물(200)과의 음향 임피던스(acoustic impedance)의 차이를 줄이기 위한 것이다.
즉, 압전부(15)의 동작에 위해 초음파 신호가 생성될 때, 공기가 아닌 물, 생체조직 또는 다른 매질내에서의 효율적인 초음파 신호의 전달을 위해서는 해당 매질의 음향 임피던스를 최대한 조정해야 초음파 에너지의 손실을 최소화할 수 있다.
본 예의 정합부(13)의 각 음향 렌즈는 빛과 초음파 신호의 초점 조절이 가능한 음향 렌즈를 이용한 포커싱 타입(focused type)일 수 있다.
이와 같이, 정합부(13)가 초점 조절 기능을 구비하고 있으므로, 대상물(200)에 의해 반사되어 투명 초음파 센서(1)로 입사되는 초음파 신호는 정확하게 압전부(15)의 원하는 위치에 맺히게 된다.
따라서 이러한 정합부(13)의 초점 조절 기능에 의해, 압전부(15)에서 출력되는 초음파 신호에 의해 획득되는 초음파 영상의 초점 조절이 이루어져 선명한 초음파 영상이 획득될 수 있다.
이로 인해, 투명 초음파 센서(1)의 동작에 의해 획득되는 영상의 선명도가 향상되어 초음파 신호가 조사된 대상물(200)의 원하는 부위에 대한 선명한 영상 획득이 이루어질 수 있다.
또한 정합부(13)가 음향 렌즈를 이용하므로 표면의 굴곡이 일정하고 표면의 투명도가 향상되어 대상물(200)로 조사되거나 대상물(200)로부터 반사되는 초음파 신호이 송수신 시 초음파 신호의 손실량을 감소시킬 수 있다.
또한, 필요에 따라 정합부(13)에 추가적인 투과막이나 차단막을 형성하여 원하는 파장대의 신호만을 투과하거나 차단할 수 있다.
정합부(13)에 구비된 음향 렌즈는 투명한 유리류, 투명한 에폭시류 및 투명한 실리콘류 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
이러한 음향 렌즈는 음향 렌즈의 기능에 따라 선택될 수 있다.
예를 들어, 음향 렌즈가 음향 임피던스의 정합 기능을 실시하는 정합층으로 기능하는 경우, 압전부(15)에 구비되어 있는 압전물질이 PVDF나 PVDF-TrFE 등의 폴리머(polymer) 형태가 아닌 경우에는 음향 렌즈는 유리류로 제작되는 것이 좀 더 바람직할 수 있다
즉, 압전 물질이 LNO(lithium niobite)나 PMN-PT로 이루어지는 경우, 음향 임피던스가 30~40Mrayls로 높으나, 유리류의 경우 10~15Mrayls으로 낮아 음향 임피던스의 매칭에 용이한 음향 임피던스 수치를 갖고 있고, 또한 투명도가 매우 좋아, 압전 물질이 폴리머 형태가 아닌 경우에는 음향 렌즈를 유리류로 제작될 수 있다.
하지만, 음향 임피던스의 정합 기능을 수행하는 정합층이 이미 제작되어 있는 경우, 음향 렌즈는 투명한 에폭시류나 투명한 실리콘류로 제작될 수 있다.
즉, 대략 30~40 Mrayls의 음향 임피던스를 갖는 압전 물질과 대략 1~2 Mrayls의 음향 임피던스를 가지는 생체조직이나 물(즉, 초음파를 조사하고자 하는 매질) 사이에 정합 기능을 수행하는 정합층(대략 7~20 Mrayls)이 이미 존재하면 별도의 음향 임피던스 매칭 동작이 불필요하여 생체조직이나 물과 비슷한 음향 임피던스를 가지는 에폭시류나 실리콘류(대략 1~3 Mrayls)가 적절하다. 즉, 에폭시류와 실리콘류의 음향 임피던스는 생체조직이나 물과 거의 비슷한 음향 임피던스를 갖고 있으므로, 별도의 음향 임피던스 매칭이 불필요하기 때문이다.
또한, 음속(speed of sound)과 음향 렌즈의 재료에 대한 음속을 고려하여, 음향 렌즈의 곡면에 대한 곡률과 오목인지 볼록인지 결정할 수 있다.
예를 들어, 음향 렌즈를 유리류로 제작하는 경우, 광학 렌즈를 사용할 수 있다. 이때, 유리류는 물보다 광속이 빨라 평오목(plano-concave)과 같은 오목 형태로 음향 렌즈가 설계될 수 있다[예, 도 5의 (a)].
음향 렌즈가 투명한 에폭시류로 제작되는 경우, 1차적으로 제작된 음향 렌즈에 연마 공정을 실시해 최대한 투명도를 향상시켜 최종적으로 음향 렌즈를 완성해야 한다. 이처럼, 음향 렌즈가 에폭시류로 이루어진 경우에도, 에폭시류가 물보다 광속이 빨라 음향 렌즈 역시 평오목 형태로 제작될 수 있다.
음향 렌즈가 투명한 실리콘류로 제작되는 경우에도 에폭시류의 경우와 같이, 별도의 연마 공정을 실시하여 완성된 음향 렌즈를 최대한으로 향상시켜야 한다. 이 경우, 실리콘류는 물보다 광속이 느리기 때문에 유리류와 에폭시류의 경우와는 달리 음향 렌즈는 평볼록(plano-convex) 형태와 같은 볼록 형태로 제작될 수 있다[예, 도 5의 (a)]. 이처럼, 음향 렌즈가 평볼록 형태로 제작되는 경우에, 음향 렌즈는 빛을 모으는 기능을 가질 수 있다.
압전부(15)는, 도 3 및 도 4에 도시한 것처럼, 압전층(151), 압전층(151)의 뒷면과 앞면에 각각 위치하는 제1 및 제2 전극층(153, 1533)을 구비할 수 있다.
압전층(151)는 압전 효과 및 역압전 효과가 발생하는 층으로서, 이미 기술한 것처럼, LNO(lithium niobite), PMN-PT, PVDF 및 PVDF-TrFE 중 적어도 하나인 압전 물질을 함유할 수 있다
LNO의 전기기계 결합 계수(electromechanical coupling coefficient)는 약 0.49로 매우 높아 그 만큼 전기-기계 에너지 변환 효율이 매우 좋다.
또한, LNO는 유전율(dielectric permittivity)이 낮아서, 압전층(151)이 LNO로 이루어지는 경우 커다란 개구부를 갖는 단일 소자 트랜스듀서(large aperture single element transducer)에 투명 초음파 센서의 사용이 적합할 수 있다.
또한, LNO는 퀴리온도(Curie temperature)가 높아서 고온에서도 잘 견딜 수 있어, 내열성이 양호한 투명 초음파 센서(1)의 개발이 이루어질 수 있다.
이에 더해, 압전층(151)을 LNO로 형성하는 경우, 10 내지 400MHz 중심 주파수를 갖는 단일 소자 초음파 센서의 개발도 용이하게 이루어질 수 있다.
압전층(151)이 PMN-PT를 함유하는 경우, PMN-PT의 압전 성능(piezoelectric performance)(d33 ~ 1500-2800 pC/N) 및 전기기계 결합 계수(k>0.9)가 매우 높으므로, 투명 초음파 센서(1)의 성능이 향상될 수 있다.
이러한 PMN-PT는 LNO와 달리 유전율이 높아서 작은 구경의 단일 또는 어레이 초음파 트랜스듀서(small aperture single or array ultrasound transducer)에 적합한 투명 초음파 센서(1)의 개발이 이루어질 수 있다.
또한, 압전층(51)이 PVDF 및 PVDF-TrFE 중 적어도 하나를 함유하는 경우, 다음과 같은 특징을 가질 수 있다.
PVDF 및 PVDF-TrFE은 폴리머막(Polymer film) 형태를 갖고 있고 가요성(flexible)을 갖고 신장 가능한(stretchable) 압전층(51)의 제작이 가능할 수 있고, 이로 인해 압전층(51)의 두께를 감소시킬 수 있고 얇아진 두께만큼 약 100 MHz대의 높은 주파수 대역의 신호를 위한 투명 초음파 센서(1)로의 제작이 가능할 수 있다.
또한 PVDF 및 PVDF-TrFE은 비교적 낮은 전기기계 결합 계수 와 높은 수신 상수(receiving constant)를 갖고 있고, 다른 압전 물질에 비해 넓은 대역폭을 갖고 있으며, 단일 소자나 어레이 형태의 소자 모두 제작이 용이할 수 있다
여기서 단일 소자(예, 단일 초음파 트랜스듀서)는 압전 물질을 포함한 모든 구성의 개수가 1개인 초음파 트랜스듀서를 의미할 수 있다. 또한, 어레이 형태의 소자(예, 어레이 초음파 트랜스듀서)는 압전 물질을 포함한 모든 구성의 개수가 복수 개(n개)인 초음파 트랜스듀서일 수 있고, 일반적으로 병원에서 주로 사용하는 형태로 구성될 수 있다. 이때, 형태는 리니어(linear) 형태, 볼록(convex)형태, 2D 매트릭스(matrix)등일 수 있다.
본 예의 경우, PMN-PT와 비슷하게 작은 구경의 단일 또는 어레이 초음파 트랜스듀서 모두 제작이 가능할 수 있다.
이러한 압전층(151)의 물질 특징은 다음의 [표 1]에 같이 요약될 수 있다.
| LNO | PMN-PT | PVDF & PVDF-TrFE | |
| 크기 | Large | Small | Medium |
| 대역폭 크기 | Medium | Medium | broad |
| 가용 주파수 범위 | 1~400 MHz | 1~100 MHz | 1kHz ~100 MHz |
| 신호 송신 성능 | Good | Good | Bad |
| 신호 수신 성능 | Good | Good | Good |
| 전기기계 결합 계수 | Medium | Good | Bad |
압전층(151)의 전면과 후면에 각각 위치하는 제1 및 제2 전극층(153, 155)은 도시하지 않는 구동신호 발생기로부터 (+) 구동 신호와 (-) 구동 신호를 각각 수신하여 압전층(151)에 역압전 효과를 발휘해 초음파 신호가 대상물(200) 쪽으로 전달될 수 있도록 하고, 반대로, 대상물(200)에 의해 반사되어 수신되는 초음파 신호에 의한 압전층(151)의 압전 효과에 의해 생성되는 전기 신호를 수신해 외부로 출력할 수 있도록 한다.
이러한 제1 및 제2 전극층(153, 155)은 이미 기술한 것처럼 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들어, AgNW(은나노와이어), ITO, 탄소나노튜브 및 그래핀(graphene) 중 적어도 하나를 함유할 수 있다.
도 3에 도시한 것처럼, 제1 하우징(171) 및 제2 하우징(173)과의 용이한 결합을 위해, 제1 전극층(153)의 크기와 제2 전극층(155)의 크기는 서로 상이할 수 있다.
따라서, 도 3에 도시한 것처럼, 원형의 평면 형상을 갖는 제1 및 제2 전극층9153, 155)에서, 제2 전극층(155)이 직경(또는 지름)은 제1 전극층(153)의 직경과 상이하여, 제2 전극층(155)의 일부(예, 가장자리부)는 제1 전극층(153)의 가장자리부에서부터 외부로 도출될 수 있다.
압전 물질에 전기적 신호(예, 펄스 신호)를 가하게 되면 압전 물질[즉, 압전층(151)]이 앞뒤로 진동하여 초음파 신호를 발생하는데 대상물(200)을 향해 있는 압전층(151)의 전면뿐만 아니라 그 반대인 후면으로도 초음파 신호가 발생한다.
이때, 후면으로 발생한 초음파 신호는 대상물(200)로 향하지 않기 때문에 이처럼 후면에서 발생하는 초음파 신호는 노이즈 신호로 작용하게 된다. 또한, 대상물(200)에 의해 반사되어 되돌아오는 초음파 신호의 일부는 정합부(15)를 통과하여 보정 렌즈부(19) 쪽으로 출력될 수 잇다.
따라서, 후면층(16)은 압전부(15)의 후면에 위치하여 압전부(15)의 후면에서 발생하는 초음파 신호를 감쇠시키고 대상물(200)에 의해 반사되는 초음파 신호를 감쇠하는 역할을 수행할 수 있다.
이처럼, 후면층(16)이 압전부(15)의 후면(즉, 반사되는 초음파 신호가 입사되는 압전부(15)의 전면의 반대편에 위치한 면)에 위치하므로, 입사되는 초음파 신호는 압전부(15)이 후면을 통과하지 않게 된다.
이로 인해, 압전부(15)의 후면을 통과하는 초음파 신호에 의한 불필요한 신호 간섭을 방지하며, 압전부(15)로 반사되는 초음파 신호의 손실을 방지하여 링 다운 신호(ring down signal)를 감소시켜 링 다움 현상을 줄일 수 있다.
링 다운이란 불필요한 신호들이 시간 축으로 길게 늘어져 있는 현상으로서, 영상 생성에 악영향을 미치는 요인이다.
따라서, 후면층(16)은 이러한 링 다운 현상을 줄이기 위해 음향 임피던스와 두께 중 적어도 하나를 조정하여 적절한 후면층(16)을 제작할 수 있다.
높은 음향 임피던스를 가지는 물질로 후면층(16)을 제작하면 링 다운 현상이 감소하고, 시간 축에서 링다운 현상이 줄어든다는 것은 주파수 영역에서 대역폭이 넓어진다는 의미와 유사하다. 하지만, 그 대신 초음파 신호의 송수신 시 전체 초음파 신호의 크기 또한 후면층(16)에 의해 감쇠될 수 있다.
반대로, 상대적으로 낮은 음향 임피던스를 가지는 물질로 후면층(16)을 제조하면 링 다운 현상을 크게 감소하지 않지 않고 대역폭이 감소하지만, 초음파 신호의 송수신 양을 증가시킬 수 있다.
후면층(16) 역시 투명한 비도전성 물질로 이루어질 있고, 예를 들어, 투명한 에폭시류(예, Epotek301)나 투명한 유리류로 이루어질 수 있다.
후면층(16)이 Epotek301로 이루어지는 경우, 음향 임피던스가 3.1 Mrayls로 낮은 음향 임피던스를 갖는 경우 낮은 신호 감쇠(damping)가 이루어져 투명 초음파 센서(1)는 비교적 높은 신호 획득이 가능해질 수 있다.
또한, Epotek301는 380 nm ~ 2000 nm 파장에서 약 95% 이상의 투명도를 갖는 것과 같이 매우 높은 투명도를 갖고 있고, 상온에서 경화가 이루어지므로 후면층(16)의 제조가 용이하다.
후면층(16)이 유리로 이루어지는 경우, 투명도와 평탄도가 높고 별도의 경화 공정이 불필요하다.
유리가 약 13 Mrayls의 음향 임피던스를 갖는 경우, 후면층(16)에서 높은 신호 감쇄 작용으로 펄스 길이(pulse length)가 줄어들어 링 다운 효과가 감소하지만 투명 초음파 센서(1)의 주파수의 대역폭을 증가시키는 효과가 발휘될 수 있다.
이러한 후면층(16)은 필요에 따라 생략될 수 있다.
제1 하우징(171)과 제2 하우징(173)는 이미 기술한 것처럼 각각 제1 전극층(153)과 제2 전극층(155)에 연결되어 있다. 따라서, 이러한 제1 하우징(171)과 제2 하우징(173)는 전기 신호의 전달이 이루어지는 도전성 물질(에, 구리)을 함유한 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
따라서, 제1 하우징(171)은 도 3에 도시한 것처럼 제1 신호선(L1)을 통해 해당 신호를 수신 받아 제1 전극층(153)으로 전달하고, 반대로 제1 전극층(153)로부터 인가되는 신호를 제1 신호선(L1)으로 출력할 수 있다.
제2 하우징(173) 역시 제1 신호선(L1)과는 별개의 신호선인 제2 신호선(L2)을 통해 해당 신호를 수신 받아 제2 전극층(155)으로 전달하고, 반대로 제2 전극층(155)으로부터 인가되는 신호를 제2 신호선(L2)으로 출력할 수 있다.
본 예에서, 제1 신호선(L1)으로 입력되는 신호는 펄스 신호일 수 있고, 제2 신호선(L2)으로 유입되는 신호가 접지 신호나 쉴드 신호(-)일 수 있어, 제1 하우징(171)은 펄스 신호를 제1 전극층(153)으로 전달하고 제2 하우징(173)는 접지 신호를 제2 전극층(155)으로 전달할 수 있다.
이러한 제1 하우징(171)과 제2 하우징(173)은 도 4에 도시한 것처럼 링(ring) 형상을 갖고 있고, 각 접해 있는 해당 전극층(153, 155)의 가장자리부, 즉 원형의 측면과 접하게 위치할 수 있다.
즉, 제1 하우징(171)과 제2 하우징(173) 내부에 위치한 빈 공간 속으로 제1 전극층(153)과 제2 전극층(155)이 삽입되어 장착될 수 있다.
따라서, 도 2에 도시한 것처럼, 제1 하우징(171)과 제2 하우징(173)은 투명 초음파 센서(1)이 실제 액티브 영역(AR1)에 주변에서 에워싸게 위치하여, 제1 및 제2 하우징(171, 173), 실질적으로는 제1 하우징(171)에 의한 액티브 영역(AR1)의 감소를 최소화할 수 있다.
이처럼 제1 하우징(171)과 제2 하우징(173)은 전기 신호를 해당 전극층(153, 155)에 전달하는 역할을 수행하므로, 전도성이 양호한 물질을 함유할 수 있다.
제1 하우징(171)은 빛의 수신이 이루어지는 압전층(151)의 후면 전체에 위치하고 있는 제1 전극층(151)의 가장자리부(즉, 테두리부)에 위치하므로, 최대한 얇은 폭(W11)을 가지는 것이 좋고, 배선 저항 등으로 인한 신호의 손실율을 최소화하기 위해 최대한 두꺼운 두께를 가질 수 있다.
제2 하우징(173)은 도 3 및 도 4에 도시한 것처럼 제1 전극층(153)보다 큰 직경을 갖는 제2 전극층(155)과 결합되므로, 제1 하우징(171)보다 큰 직경을 갖고 있다.
또한, 제2 하우징(173)은 제1 하우징(171)보다 외각에 위하여 투명 초음파 센서(1)를 보호하는 역할을 수행하므로, 제1 하우징(171)의 폭과 두께보다 큰 폭과 두께를 가질 수 있다.
따라서, 도 3에 도시한 것처럼, 제2 하우징(173) 내에 제1 전극층(153)과 제1 하우징(171)이 위치할 수 있다.
또한, 이미 기술한 것처럼, 외부로 노출되는 제2 하우징(173)의 외측면은 보호층(11)으로 덮여 있어 노이즈 신호가 제2 하우징(173)을 통해 투명 초음파 센서(1)로 유입되지 못하도록 한다.
도 2 및 도 3에 도시한 것처럼, 제2 하우징(173)은 압전층(151)의 광 수신 면적에 영향을 미치지 않으므로, 크기는 필요에 따라 증가시킬 수 있다.
또한, 제2 하우징(173)에 나사선(1731)이나 커넥터 등을 형성하여 제2 하우징(173)에 원하는 광학 부품을 결합할 수 있다. 이런 경우, 제2 하우징(173)은 다른 부품과의 결합을 위한 결합부로서 기능할 수 있다.
절연부(18)는 각 해당하는 전기 신호를 해당 전극층(153, 155)에 전달하는 제1 하우징(171)과 제2 하우징(173) 사이에 해당 하우징(171, 173)과 접하게 위치하여 제1 하우징(171)과 제2 하우징(173)을 절연하여 전기적인 합선이나 쇼트(short)를 방지할 수 있도록 하며, 제1 하우징(171)과 제2 하우징(173)의 위치를 고정하는 역할을 수행할 수 잇다.
이러한 절연부(18)는 비전도성 에폭시와 같이 투명한 절연 물질로 이루어질 수 있다.정합부(13)가 한 예로서, 평오목(plano-concave)한 형태의 음향 렌즈를 사용하는 경우, 대상물(200)에서 반사되어 입사되는 빛과 초음파 신호는 정합부(13)의 음향 렌즈에 의해 초점이 조절되지만 정합부(13)를 통과한 후에는 빛 퍼짐 현상이 발생할 수 있다[도 6의 (a) 참고].
따라서, 정합부(13)에 사용된 음향 렌즈의 형상과 반대인 평볼록(plano-convex)한 형태의 보정 렌즈부(19)를 후면층(17) 앞에 위치시키며 이러한 빛의 굴절 현상을 보상하여 빛 퍼짐 현상을 방지할 수 있다[도 6의 (b) 참고].
이때, 보정 렌즈부(19)의 곡률은 최종적으로 빛을 어느 위치에 위치시키는 지에 따라 선택적으로 사용할 수 있다.
이처럼, 보정 렌즈부(19)는 초음파 신호의 초점에 무관하게 빛의 초점에만 영향을 미치지만, 정합부(13)의 음향 렌즈는 초음파 신호의 초점과 빛의 초점 모두에게 영향을 미칠 수 있다.
이러한 보정 렌즈부(19)는 필요에 따라 생략될 수 있고, 또한, 보정 렌즈부(19)를 변경하여 빛의 초점 거리를 조정할 수 있다.
또한, 보정 렌즈부(19)는 반사되어 수신되는 초음파 신호의 초점과 빛의 초점을 동시에 조절하는 공초점 기능을 가질 수 있다. 하지만, 보정 렌즈부(19)가 공초점 기능을 구비할 경우, 투명 초음파 센서(1)를 통과하기 전의 빛의 형태를 고려하여 보정 렌즈부(19)를 설계해야 한다.
본 예에서, 보정 렌즈부(19)는 한 매의 렌즈를 구비하지만, 이에 한정되지 않고 평볼록 렌즈와 같은 한 매의 렌즈 이외에도 수차 보정을 위한 렌즈를 추가적으로 구비하여, 복수 매의 렌즈를 구비할 수 있다.
이러한 구조를 갖고 투명 초음파 센서(1)의 액티브 영역(AR1)에 위치하는 모든 구성요소(예, 11-16, 19)가 빛의 투과가 이루어지는 투명한 재료로 이루어져 있는 본 예의 투명 초음파 센서(1)의 특징을 다음과 같을 수 있다.
먼저, 정합부(13)의 동작에 의해 광학 임피던스의 매칭, 즉 정합이 이루어지므로 투명 초음파 센서(1)에서 출력되는 신호의 신뢰성이 향상될 수 있다.
또한, 정합부(13)에 사용된 초점 조절 기능을 구비한 음향 렌즈의 사용으로 인해, 대상물(200)에 의해 반사되는 빛과 초음파 신호의 초점 조절이 이루어져 압전부(15)의 정확히 원하는 위치에 빛과 초음파 신호가 맺히게 할 수 있다. 이로 인해, 투명 초음파 센서(1)에서 출력되는 신호에 의해 획득되는 초음파 영상의 선명도가 크게 향상되어, 해당 대상물(200)의 존재 여부뿐만 아니라 감지된 대상물(200)의 정확한 형상도 파악할 수 있게 된다.
또한, 이미 기술한 것처럼, 투명 초음파 센서(1)를 이루는 구성 요소(예, 11-16, 19)가 투명한 유리류, 투명한 에폭시류, 투명한 실리콘류와 같이 모두 투명한 재료로 이루어져 있으므로, 광학 모듈(100)에서 출력되는 빛은 바로 투명 초음파 센서(1)를 통과하여 해당 대상물(200) 쪽으로 조사될 수 있다.
이로 인해, 투명 초음파 센서(1)를 구비한 광학 시스템의 배치가 자유롭고 광학 시스템이 설치되는 공간의 활용도가 향상될 수 있다.
또한, 사용자의 필요에 따라 보정 렌즈부(19)를 선택적으로 사용할 수 있으며, 보정 렌즈부(19)를 변경하여 빛의 초점 거리를 조절할 수 있다.
또한, 음향 렌즈로서 400-1000nm용 코팅을 한 평오목 형태이 광학 렌즈가 사용되는 경우, 400-1000 nm에서 빛의 투과가 잘 이루어져, 초음파 영상의 선명도가 향상될 수 있다.
평오목 형태의 광학 렌즈를 음향 렌즈(13)로 사용하는 경우, 음향 렌즈에 의한 빛의 퍼짐 형상은 발생하나 보정 렌즈부(19)에 의한 빛 퍼짐 형상이 보완되고 원하는 지점에 빛의 초점을 조정할 수 있다. 이처럼, 보상 렌즈의 사용에 의해 음향 렌즈의 선택의 폭이 넓어질 수 있다.
이러한 음향렌즈(13)와 보정 렌즈부(19)에 의한 초점 조절에 의해 빛의 형상(shape)이 유지되고, 이로 인해, 미세한 포커스가 유지 될 수 있어 고해상도의 광학 영상(예, 광음향 영상이나 광간섭 단층촬영 영상)이 획득될 수 있다.
또한, 투명 초음파 센서(1)의 하우징을 구성하는 제1 및 제2 하우징(171, 173)에 각각 제1 및 제2 신호선(L1, L2)을 연결하여 투명 초음파 센서(1)의 제1 및 제2 전극(153, 155)으로의 전기 신호를 인가하므로, 신호선(L1, L2)의 연결을 용이하게 실시할 수 있다.
더욱이, 외측 하우징인 제2 하우징(173)에 나사선(1731) 등을 형성하여 다른 광학 소자와의 연결이나 결합을 용이하게 할 수 있다. 이처럼, 광학 모듈(100)에서 출사되는 빛의 경로와 전혀 무관한 부분에 위치하고 있는 제2 하우징(173)에 필요한 광학 소자의 결합이 이루어지므로, 빛은 정상적으로 손실없이 투명 초음파 센서(1)의 압전부(15)로 입사되고 또한 투명 초음파 센서(1)의 중심을 법선 방향으로 통과하므로 빛과 초음파 신호와의 정렬이 용이하게 이루어질 수 있다.
여기서 수직의 의미는 빛이 투명 초음파 센서(예, 투명 초음파 트랜스듀서)의 입사면과 수직을 이루는 방향으로 직진한다는 의미일 수 있다.
이처럼, 수직으로 빛을 초음파 센서로 입사시킬 경우, 빛과 초음파 신호의 초점 위치가 정확히 일치할 수 있어, 투명 초음파 센서로부터 얻어지는 영상의 선명도는 더욱 향상될 수 있다.
이미 기술한 것처럼, 공기와 매질 간의 음향 임피던스 차이에 따른 매질 내에서의 초음파 에너지 손실을 최소하기 위한 정합층이 존재할 수 있다.
이러한 정합층은 1개 이상일 수 있다.
비교예에서, 이러한 정합층의 형성을 다음과 같이 이루어질 수 있다.
초음파 신호의 매질이 물이나 생체조직(1.5 Mrayls)이라고 할 때, 압전층이 LNO(34.5 Mrayls) 또는 PMN-PT(37.1 Mrayls)의 경우 초음파 에너지의 최대 송수신 효율을 위해 음향 임피던스 매칭이 필요하다. 이런 경우, 37.1 Mrayls에서 1.5 Mrayls 사이가 되는 물질로 1개 이상이 정합층이 필요할 수 있다.
이때, KLM simulation tool(PiezoCAD, PZFLEX 등)을 이용하여 특정 매칭층을 생성하였을 때 물이나 생체조직에서 전달되는 초음파 신호의 파형을 시뮬레이션을 통해 확인하여 적절한 정합층의 물질을 찾아야 하고, 생성된 정합층의 두께 또한 초음파 파형의 영향을 미치기 때문에 두께 역시 파형에 영향을 크게 주므로 정합층의 두께를 조절하며 적절한 두께를 찾아야 한다. 이론적으로 파동 에너지의 최소 손실의 두께는 파동 방정식에 의해 원하는 λ/4의 두께에서 최소 손실이 된다(c = λ*f, c: speed of sound 약 1480 m/s, λ: 파장, f: 원하는 중심 주파수).
통상적인 초음파 센서에서는 흔히 실버 파우더(silver powder)와 에폭시(epoxy)의 혼합물(7.9 Mrayls)로 첫번째 정합층을 생성한다. 이때, 실버 파우더와 에폭시의 혼합 비율에 따라 음향 임피던스의 조절이 가능하며, 한 예로, 실버 파우더:에폭시 = 3:1.25일 수 있다.
그런 다음, 파릴렌(2.8 Mrayls) 코팅을 통해 두번째 정합층을 생성할 수 있다.
압전층이 PVDF 또는 PVDF-TrFE인 경우(약 4 Mrayls)에는 파릴렌 코팅만을 사용하여 하나의 정합층을 생성할 수 있다. 여기서 파릴렌 코팅에 의해 형성된 정합층은 정합층의 역할뿐만 아니라 외부로부터 보호 및 절연의 역할도 수행할 수 있다.
하지만, 본 예에 따른 투명 초음파 센서(1)의 경우에는 액티브 영역(AR1)에 위치하는 구성요소(예, 11-16, 19)가 투명하므로, 압전층을 구성하는 LNO나 PMN-PT의 경우 유리를 이용하여 정합층(13)을 생성할 수 있다. 이때, 유리의 원재료(예, borosilicate glass =13 Mrayls, Crown glass=14.2 Mrayls, Quartz=14.5 Mrayls, plate glass = 10.7 Mrayls, sodalime glass = 13 Mrayls)에 따라 조금씩 달라서 원하는 유리를 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
그런 다음, 두번째 정합층(예, 2~6 Mralys)으로는 투명한 에폭시류나 실리콘류(예, PDMS)를 사용하여 생성할 수 있고, 세번째 정합층으로는 팔리렌 코팅을 이용하여 생성할 수 있다. 이 때, 두번째 정합층의 생성은 생략하고 바로 파릴렌 코팅을 이용하여 첫 번째 정합층(예, 13) 위에 두 번째 정합층(예, 11)을 형성할 수 있다. 이런 경우에도, KLM 시뮬레이션을 통한 결과 시뮬레이션 파형을 이용하여 원하는 정합층의 생성을 실시할 수 있다.
본 예에 따른 투명 초음파 센서(1)에서는 한 예로서 borosilicate로 제작된 공학 렌즈를 첫 번째 정합층으로 사용하고 파릴렌 코팅을 통해 첫 번째 정합층 위에 두 번째 정합층을 형성하여, 음향 임피던스 매칭과 외부로부터 보호 및 신호 절연을 실시하였다.
이미 기술한 것처럼, 이 광학 렌즈는 음향 임피던스 매칭의 기능뿐만 아니라 압전층에서 발생된 초음파 신호를 집속, 즉 포커싱하는 역할도 수행할 수 있다.
투명 초음파 센서(1)는 주로 영상 획득 용도로 사용되었기 때문에 초음파 신호의 집속은 높은 해상도 및 높은 민감도(sensitivity)에 큰 영향을 미치는 요소이다.
다음, 도 7a 내지 도 7k를 참고하여 본 예에 따른 투명 초음파 센서(1)의 제조 방법을 설명한다.
먼저, 도 7a에 도시한 것처럼, 기판(300) 위에 LNO로 이루어진 압전층(151)을 부착시켜 위치시킨다. 이때, 압전층(151)는 고속 연마기 등을 사용하여 전면과 후면이 연마된 상태로 정해진 투명도를 가질 수 있다. 이때
이 때, 압전층(151)의 두께는 제작하고자 하는 투명 초음파 센서의 중심 주파수에 따라 달라질 수 있으며(일반적으로 두께 = 파장/2), 그 두께는 모든 위치에서 일정하여 압전층(151)의 양 면은 평탄면을 가질 수 있다.
다음, 도 7b처럼, 외부로 노출된 압전층(151)의 한 면에 스프레이 코팅법이나 스핀 코팅법(spin coating) 등을 이용하여 AgNWs와 같은 투명한 도전성 물질을 코팅하여 제1 전극층(153)을 형성한다. 이때, 제1 전극층(153)는 코팅법 이외에도 다양한 방식으로 제작될 수 있다.
도 7c에 도시한 것처럼, 다음 제1 전극층(153)의 가장자리부에 전도성 에폭시 등을 도포한 후 링 형상의 제1 하우징(171)을 위치시켜 경화시켜, 제1 전극층(153)에 제1 하우징(171)을 부착한다.
다음, 제1 하우징(171)으로 에워싸여진 제1 하우징(171)의 내부 공간을 통해 노출된 제1 전극층(153) 위에 투명한 에폭시류와 같은 액상의 투명한 비전도성 물질을 주입한 후 경화시켜(예, 상온에서 24시간), 제1 전극층(173)의 노출면과 접해있는 후면층(16)을 형성한다(도 7d). 이때, 형성되는 후면층(16)의 두께는 제1 전극층(153) 위에 위치하는 제1 하우징(171)의 돌출 높이에 따라 정해질 수 있고, 후면층(16)의 노출면인 후면은 평탄면일 수 있어 투명 초음파 센서(1)를 통과하는 빛이라 레이저 등이 굴절되지 않도록 한다.
다음, 도 7e에 도시한 것처럼, 기판(300)의 가장자리부에 제1 하우징(171)과 비슷한 전도성을 갖는 도전성 물질로 이루어진 링 형상의 제2 하우징(173)을 부착시켜 위치시킨다. 이때, 제2 하우징(173)의 위치는 도 7e에 도시한 것처럼, 제1 하우징(171)이 설치된 압전층(151)의 외각에 제1 하우징(171)과의 전기적인 절연을 위해 제1 하우징(171)과 이격되게 위치하며, 제2 하우징(173)으로 둘러싸여진 내부 공간 속에 압전층(151)이 위치하게 된다.
이때, 제2 하우징(173)의 기판(300)로부터의 돌출 높이는 제1 하우징(171)의 돌출 높이와 동일할 수 있다.
다음, 서로 이격되어 있는 제1 하우징(171)과 제2 하우징(173) 사이에 절연 물질인 비전도성 에폭시를 주입한 후 경화시켜 제1 하우징(171)과 제2 하우징(173) 상에 절연부(18)를 형성한다(도 7f).
이때, 절연부(18)의 상단 높이는 양측에 위치하는 제1 및 제2 하우징(171, 173)의 돌출 높이, 즉 위치하는 제1 및 제2 하우징(171, 173)의 상단 높이와 동일할 수 있다. 이러한 절연부(18)에 의해 제1 하우징(171)과 제2 하우징(173)는 절연부(18)의 해당 부분과 결합되어 있다.
이처럼, 제1 및 제2 하우징(171, 173)까지 구비된 예비 투명 초음파 센서가 제조되면, 기판(300)에 위치한 예비 투명 초음파 센서의 상하 방향으로 180도 뒤집은 후 다시 기판(300) 위에 위치시킨다(도 7g). 이러한 위치 변경으로 인해, 제1 하우징(171)은 기판(300)과 접하게 위치하고, 압전층(151)의 다른 면(예, 전면)이 외부로 노출된다.
다음, 도 7h에 도시한 것처럼, 노출된 안접층(151)의 면, 절연부(18)의 면 및 제2 하우징(173)의 면 위로 스프레이 코팅법이나 스핀 코팅법과 같은 다양한 층 형성 방법을 통해 AgNWs와 같은 투명한 도전성 물질로 이루어진 층을 제2 전극층(155)으로서 형성한다.
그런 다음, 노출된 제1 전극층(155) 위의 해당 위치에 투명한 유리류, 투명한 에폭시류 또는 투명한 실리콘류를 이용하여 정합부(13)를 형성한다(도 7i). 투명 초음파 센서(1)의 효율에 영향을 주는 정합부(13)이 두께는 초음파 신호의 중심 주파수의 크기에 따라 정해질 수 있다.
이러한 정합부(13)는 제2 전극층(155)의 가장자리부에는 위치하지 않을 수 있다
그런 다음, 도 7j와 같이, 노출된 모든 면 위, 즉 제2 하우징(173)의 측면, 노출된 정합부(13)의 면, 정합부(13)가 위치하지 않아 노출된 제2 전극층(173)의 면 위에 파릴렌 코팅법을 이용하여 보호층(11)을 형성한다.
그런 다음, 여기까지 제작된 예비 투명 초음파 센서를 상하 방향으로 180도 회전시킨 후 노출된 후면층(16) 위에 오목 렌즈를 형성하여 보정 렌즈부(19)를 형성한다(도 7k).
마지막으로, 제1 하우징(171)과 제2 하우징(173) 각각에 제1 전기선(L1)과 제2 전기선(L2)을 연결하여 투명 초음파 센서(1)를 완성한다(도 3 참고).
보정 렌즈부(19)가 생략되는 경우, 도 7j까지 제작된 예비 투명 초음파 센서를 상하 방향으로 180도 회전시킨 후 제1 하우징(171)과 제2 하우징(173)에 각각 제1 신호선(L1)과 제2 신호선(L2)을 연결하여 투명 초음파 센서(1)를 완성할 수 있다.
본 발명의 각 실시예에 개시된 기술적 특징들은 해당 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 서로 양립 불가능하지 않은 이상, 각 실시예에 개시된 기술적 특징들은 서로 다른 실시예에 병합되어 적용될 수 있다.
이상, 본 발명의 투명 초음파 센서의 실시예들에 대해 설명하였다. 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 관점에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 본 명세서의 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1: 투명 초음파 센서
11: 보호층
13: 정합부
15: 압전부
151: 압전층
153: 제1 전극층
155: 제2 전극층
16: 후면층
171: 제1 하우징
173: 제2 하우징
18: 절연부
19: 보정 렌즈
11: 보호층
13: 정합부
15: 압전부
151: 압전층
153: 제1 전극층
155: 제2 전극층
16: 후면층
171: 제1 하우징
173: 제2 하우징
18: 절연부
19: 보정 렌즈
Claims (23)
- 광학 임피던스 매칭을 실시하고 투명한 재료로 이루어져 있는 정합부;
상기 정합부 뒤에 위치하고 투명한 재료로 이루어져 있는 압전층;
상기 압전층의 후면과 전면에 각각 위치하여 각각 투명한 도전성 물질로 이루어지고 원형의 평면 형상인 제1 전극층 및 제2 전극층;
상기 제1 전극층에 연결되어 있는 제1 하우징; 및
상기 제2 전극층에 연결되어 있는 제2 하우징을 포함하고,
상기 제2 전극층의 직경은 상기 제1 전극층의 직경보다 크고,
상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징은 각각 가운데 빈 공간을 갖는 링 형태로 이루어지고, 상기 제2 하우징의 직경은 상기 제1 하우징의 직경보다 크고, 상기 제1 하우징은 상기 제1 전극층의 가장자리부에 접하게 위치하고 상기 제2 하우징은 상기 제1 하우징의 외측으로 상기 제1 하우징과 이격되어 상기 제2 전극층의 가장자리부에 접하게 위치하여, 상기 제2 하우징의 내부 공간속에 상기 압전층, 상기 제1 전극층 및 상기 제1 하우징이 위치하는
투명 초음파 센서. - 제1 항에 있어서
상기 정합부는 음향 렌즈를 구비하는 투명 초음파 센서. - 제2 항에 있어서
상기 음향 렌즈는 오목 렌즈, 볼록 렌즈, 평면 렌즈 중 어느 하나의 형태를 갖는 투명 초음파 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 정합부는 투명한 유리류, 투명한 에폭시류 및 투명한 실리콘류 중 적어도 하나를 함유하는 투명 초음파 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 압전층은 LNO, PMN-PT, PVDF 및 PVDF-TrFE 중 적어도 하나를 함유하는 투명 초음파 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층은 각각 AgNW, ITO, 탄소나노튜브 및 그래핀 중 적어도 하나를 함유하는 투명 초음파 센서. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징은 도전성 물질을 함유하는 투명 초음파 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 하우징에 연결되어 있는 제1 신호선과 상기 제2 하우징에 연결되어 있는 제2 신호선을 더 포함하는 투명 초음파 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 전극층에 접하게 위치하고 초음파 신호를 감쇠시키는 후면층을 더 포함하는 투명 초음파 센서. - 제13 항에 있어서,
상기 후면층은 상기 제1 하우징으로 에워싸여져 있는 투명 초음파 센서. - 제13 항에 있어서,
상기 후면층은 투명한 유리류나 투명한 에폭시류를 함유하는 투명 초음파 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 하우징과 상기 제1 하우징 사이에 위치하고 투명한 절연 물질로 이루어져 있는 절연부를 더 포함하는 투명 초음파 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 정합부 앞에 위치하고 음향 임피던스 정합을 실시하는 보호층을 더 포함하는 투명 초음파 센서. - 제17 항에 있어서,
상기 보호층은 파릴렌을 함유하는 투명 초음파 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 정합부 뒤에 위치하고 있고 상기 정합부를 통과한 빛의 초점을 조절하며 투명한 재료로 이루어져 있는 보정 렌즈를 더 포함하는 투명 초음파 센서. - 제19 항에 있어서,
상기 보정 렌즈는 볼록 형태를 갖는 투명 초음파 센서. - 기판 위에 압전층을 위치시키는 단계;
상기 압전층의 노출된 제1 면에 원형의 평면 형상인 투명한 제1 전극층을 형성하는 단계;
상기 제1 전극층의 가장자리부에 링 형상의 제1 하우징을 부착하여 위치시키는 단계;
링 형상의 상기 제1 하우징으로 둘러싸이고 상기 제1 하우징의 내부 공간을 통해 노출된 상기 제1 전극층의 상기 제1 면 위에, 상기 제1 전극층 위에 위치하는 상기 제1 하우징의 돌출 높이를 따르는 두께로 투명한 후면층을 형성하는 단계;
상기 기판의 가장자리부에 상기 제1 하우징과 이격되게 상기 제1 하우징의 직경보다 큰 직경을 가진 링 형상의 제2 하우징을 부착시켜, 상기 제2 하우징의 내부 공간속에 상기 압전층, 상기 제1 전극층 및 상기 제1 하우징을 위치시키는 단계;
상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징 사이에 투명한 절연 물질을 주입하여 절연부를 형성하여 제1 예비 투명 초음파 센서를 형성하는 단계;
상기 기판 위에 위치하는 상기 제1 예비 투명 초음파 센서를 상하 방향으로 180도 회전시켜 상기 기판에 위치시키는 단계;
노출된 상기 압전층의 제2 면, 상기 절연부의 면 및 상기 제2 하우징의 면 위에 원형의 평면 형상인 투명한 제2 전극층을 형성하는 단계;
상기 제2 전극층 위에 투명한 정합부를 형성하는 단계; 및
노출된 상기 제1 전극층 위에 상기 정합부 위에 투명한 보호층을 형성하는 단계
를 포함하는 투명 초음파 센서의 제조 방법. - 제21 항에 있어서,
상기 보호층까지 형성된 상기 투명 초음파 센서를 상하 방향으로 180도 뒤집어 상기 기판에 위치시키는 단계; 및
상기 노출된 후면층 위에 보정 렌즈를 형성하는 단계
를 더 포함하는 투명 초음파 센서의 제조 방법. - 제21 항에 있어서,
상기 보호층까지 형성된 상기 투명 초음파 센서를 상하 방향으로 180도 뒤집어 상기 기판에 위치시키는 단계; 및
상기 제1 하우징에 제1 신호선을 연결하고 상기 제2 하우징에 제2 신호선을 연결하는 단계
를 더 포함하는 투명 초음파 센서의 제조 방법.
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