KR102543327B1 - 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법 - Google Patents

초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법 Download PDF

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노정래
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하동훈
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Abstract

초음파 트랜스듀서 제조 방법이 개시된다. 고강도 집속 초음파(HIFU, high intensity focused ultrasound)를 생성하는 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법에 있어서, 세라믹 기판을 제공받는 단계, 세라믹 기판의 표면에 전극 형성을 위한 전도성 페이스트를 도포하는 단계, 전도성 페이스트가 도포된 세라믹 기판을 초음파 집속 가능하도록 기설정된 집속 곡률을 갖는 곡면 형상으로 성형하는 단계, 및 세라믹 기판을 전도성 페이스트와 함께 가열하여 소결하는 단계를 포함하는 초음파 트랜스듀서 제조 방법이 제공된다.

Description

초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법{ULTRASONIC TRANSDUCER AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
고강도 집속 초음파 시술(HIFU; high intensity focused ultrasound)은 고강도의 초음파 에너지를 일 지점에 집중시켜 조직이나 지방 등을 고온 가열해 제거하는 비침습적 시술 방법으로서, 종양 제거 등 암 치료뿐만 아니라 피부 관리 및 지방 제거 등의 미용 시술 용도로도 널리 이용되고 있다.
고강도 집속 초음파 시술을 위한 장치에 있어 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer)는 전기 에너지를 초음파 에너지로 변환하여 초음파 에너지를 목표 지점으로 집속시키는 부품으로서 그 기능에 따라 높은 초음파 집속 성능이 요구된다.
이와 같은 초음파 트랜스듀서에서 초음파 발생 및 집속 기능을 담당하는 압전 세라믹(piezoelectric ceramics)은 일반적으로 기제작된 곡면 형상의 세라믹에 전도성 타겟(target)을 증착시킨 후 소결하여 표면에 전극을 형성하는 방식으로 제조되고 있으나, 이와 같은 방식에 의해 제조된 압전 세라믹의 경우 세라믹과 전극 간의 결합력이 떨어질 뿐만 아니라 표면 조도가 나빠 초음파 집속 성능이 저하되는 문제점이 있다.
따라서 세라믹과 전극 간의 결합력 및 표면 조도를 향상시켜 높은 내구성 및 초음파 집속 성능을 갖는 압전 세라믹 및 이를 포함하는 초음파 트랜스듀서에 대한 개발 필요성이 크다.
대한민국 공개특허공보 제10-2021-0093837호 (2021.07.28. 공개)
본 발명은 세라믹과 전극 간의 결합력 및 표면 조도를 향상시켜 높은 내구성 및 초음파 집속 성능을 갖는 초음파 트랜스듀서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고강도 집속 초음파(HIFU, high intensity focused ultrasound)를 생성하는 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법에 있어서, 세라믹 기판을 제공받는 단계, 세라믹 기판의 표면에 전극 형성을 위한 전도성 페이스트를 도포하는 단계, 전도성 페이스트가 도포된 세라믹 기판을 초음파 집속 가능하도록 기설정된 집속 곡률을 갖는 곡면 형상으로 성형하는 단계, 및 세라믹 기판을 전도성 페이스트와 함께 가열하여 소결하는 단계를 포함하는 초음파 트랜스듀서 제조 방법이 제공된다.
전도성 페이스트를 도포하는 단계는 스크린 프린트 방식으로 수행될 수 있다.
세라믹 기판을 제공받는 단계 이전에, 세라믹 분말을 가압하여 판상의 세라믹 기판으로 성형하는 단계를 더 포함할 수 있다.
전도성 페이스트는 은(Ag) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
곡면 형상으로 성형하는 단계는 세라믹 기판을 지그로 가압하여 수행될 수 있다.
지그는, 집속 곡률을 갖는 곡면 형상으로 형성된 지그홈을 구비하는 제1 지그, 및 지그홈에 대응되게 형성된 지그 돌기를 구비하는 제2 지그를 포함할 수 있다.
삭제
본 발명의 타 측면에 따르면, 고강도 집속 초음파(HIFU, high intensity focused ultrasound)를 생성하는 초음파 트랜스듀서에 있어서, 초음파 집속 가능하도록 기설정된 집속 곡률을 갖는 곡면 형상으로 형성되는 세라믹 기판, 및 세라믹 기판의 표면에 도포된 전도성 페이스트가 세라믹 기판과 함께 소결됨에 따라 세라믹 기판과 결합되는 한 쌍의 전극을 포함하는 초음파 트랜스듀서가 제공된다.
전도성 페이스트는 스크린 프린트 방식으로 도포될 수 있다.
삭제
본 발명에 따르면, 세라믹과 전극 간의 결합력 및 표면 조도를 향상시켜 높은 내구성 및 초음파 집속 성능을 갖는 초음파 트랜스듀서가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 제조 방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 제조 방법을 나타낸 모식도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 제조 방법에 의해 제조된 초음파 트랜스듀서 및 종래 증착 방식으로 제조된 초음파 트랜스듀서의 표면 조도 비교를 위한 SEM 이미지 비교표를 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 제조 방법에 대해 설명한다.
본 실시예에 따르면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 고강도 집속 초음파(HIFU; high intensity focused ultrasound)를 생성하는 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법에 있어서, 세라믹 기판(110)을 제공받는 단계(S110), 세라믹 기판(110)의 표면에 전극 형성을 위한 전도성 페이스트(120)를 도포하는 단계(S120), 전도성 페이스트(120)가 도포된 세라믹 기판(110)을 초음파 집속 가능하도록 기설정된 집속 곡률(R)을 갖는 곡면 형상으로 성형하는 단계(S130), 및 세라믹 기판(110)을 전도성 페이스트(120)와 함께 가열하여 소결하는 단계(S140)를 포함하는 초음파 트랜스듀서 제조 방법이 제공된다.
이와 같은 본 실시예에 따르면, 세라믹 기판(110)과 전극 간의 결합력 및 표면 조도를 향상시켜 높은 내구성 및 초음파 집속 성능을 갖는 초음파 트랜스듀서를 제조하는 것이 가능하다.
이하 도 1 및 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 제조 방법의 각 단계에 대하여 설명하도록 한다.
본 실시예에 따르면 고강도 집속 초음파(HIFU; high intensity focused ultrasound)를 생성하는 초음파 트랜스듀서를 제조할 수 있다.
높은 초음파 집속 성능이 요구되는 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer)에서 초음파 발생 및 집속 기능을 담당하는 압전 세라믹(piezoelectric ceramics)은 일반적으로 증착 방식, 즉 전도성 금속 타겟(target)을 가열해 증기로 만든 후 기제작된 곡면 형상의 세라믹의 표면에 부착시키고 이를 소결해 전극을 형성하는 방식으로 제조되고 있다.
그러나 이와 같은 방식으로 제조된 압전 세라믹의 경우 세라믹과 표면 전극 간의 결합력이 떨어져 박리 현상이 일어날 뿐만 아니라 표면 조도가 나빠 초음파 집속 성능이 저하되는 문제점이 있다.
본 실시예는 이러한 종래의 초음파 트랜스듀서 제조 방식의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 실시예에 따라 세라믹 기판(110)과 표면 전극 간의 결합력 및 표면 조도를 향상시켜 높은 내구성 및 초음파 집속 성능을 갖는 초음파 트랜스듀서를 제조할 수 있다.
단계110에서는 세라믹 기판(110)을 제공받을 수 있다.
여기서 세라믹 기판(110)은 후술할 전도성 페이스트(120)가 도포되는 세라믹으로서 이 때 전도성 페이스트(120)는 스크린 프린트 방식으로 도포되므로, 세라믹 기판(110)은 마치 인쇄 회로 기판(PCB; printed circuit board)에서 회로가 인쇄되는 베이스 기판과 같이 이해될 수 있다.
단계120에서는 세라믹 기판(110)의 표면에 전극 형성을 위한 전도성 페이스트(120)를 도포할 수 있다.
이에 따라 전도성 페이스트(120)가 세라믹 기판(110)의 표면에 도포되어 형성된 전극은 세라믹 기판(110)에 의해 초음파 에너지로 변환되기 위한 전기 에너지를 전원으로부터 세라믹 기판(110)으로 전달할 수 있다.
여기서 전도성 페이스트(120)는 전기 전도성을 가지되 유동성 있는 액체 내지 용액 과 같은 상태의 페이스트(paste) 형상을 가질 수 있다.
전도성 페이스트(120)는 은(Ag) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
이 때 은(Ag)은 금속 중 전기 전도도가 가장 높으며 무르지만 타 금속과의 합금을 통해 강성을 가질 수 있고, 팔라듐(Pd)은 가벼우면서도 시효 경화성이 있어 타 금속과 합금됨에 따라 내마모성을 향상시킬 수 있다.
단계130에서는 전도성 페이스트(120)가 도포된 세라믹 기판(110)을 초음파 집속 가능하도록 기설정된 집속 곡률(R)을 갖는 곡면 형상으로 성형할 수 있다.
즉 초음파에너지의 집속을 위해 세라믹 기판(110)에 대한 집속 곡률(R)이 미리 설정되고, 세라믹 기판(110)은 이러한 집속 곡률(R)을 갖는 곡면 형상으로 성형됨에 따라 초음파 에너지를 집속시킬 수 있다.
이 경우 전도성 페이스트(120)는 세라믹 기판(110)과 함께 성형되므로, 이에 따라 전도성 타겟이 기성형된 세라믹 기판(110)에 증착 방식으로 도포되는 경우 대비 전도성 페이스트(120)의 도포 균일도 및 표면 조도가 보다 향상될 수 있다.
단계140에서는 세라믹 기판(110)을 전도성 페이스트(120)와 함께 가열하여 소결할 수 있다.
즉 세라믹 기판(110)은 곡면 형상으로 성형된 상태에서 가열됨에 따라 소결되어 경화될 수 있다.
이 경우 전도성 페이스트(120)는 세라믹 기판(110)과 함께 소결되므로, 이에 따라 전도성 페이스트(120)가 세라믹 기판(110)과 별도로 소결되는 경우 대비 전도성 페이스트(120)와 세라믹 기판(110) 간의 결합력이 보다 향상될 수 있다.
보다 구체적으로 단계140에서는 세라믹 기판(110)을 1,000 내지 1,2000도로 3 내지 5시간동안 가열하여 소결할 수 있다.
전도성 페이스트(120)를 도포하는 단계(S120)는 스크린 프린트(screen print) 방식으로 수행될 수 있다.
다시 말해 유동성을 갖는 전도성 페이스트(120)를 세라믹 기판(110)의 표면에 펼쳐 바르는 스크린 프린트 방식으로 전도성 페이스트(120)가 세라믹 기판(110)의 표면에 균일하게 도포될 수 있다.
이 경우 전도성 타겟을 세라믹에 증착시켜 도포하는 경우 대비 전도성 페이스트(120)의 도포 균일도가 향상됨은 물론, 표면 조도 또한 보다 향상될 수 있다.
세라믹 기판(110)을 제공받는 단계(S110) 이전에, 세라믹 분말을 가압하여 판상의 세라믹 기판(110)으로 성형하는 단계(S100)가 더 포함될 수 있다.
즉 세라믹 기판(110)이 판상으로 성형됨에 따라 세라믹 기판(110)의 표면 평활도가 확보되어, 스크린 프린팅의 작업성이 향상될 뿐만 아니라 전도성 페이스트(120)의 도포 균일도 및 표면 조도가 보다 향상될 수 있다.
보다 구체적으로 단계100에서는 25도 상온에서 15 내지 20톤의 압력으로 1 내지 5초간 세라믹 분말을 가압하여 판상의 세라믹 기판(110)으로 형성할 수 있다.
곡면 형상으로 성형하는 단계(S130)는 세라믹 기판(110)을 지그(jig)(10)로 가압하여 수행될 수 있다.
이 경우 세라믹 기판(110)이 지그(10)로 가압되어 성형되는 바, 세라믹 기판(110)의 집속 곡률(R)을 갖는 곡면 형상이 일정하게 형성될 수 있으며, 이에 따라 초음파 트랜스듀서의 초음파 집속 성능이 향상될 수 있다.
이 때 전도성 페이스트(120)가 세라믹 기판(110)과 함께 가압됨에 따라, 전도성 페이스트(120)가 세라믹 기판(110)의 표면에 고르게 펼쳐짐으로써 전도성 페이스트(120)의 도포 균일성이 더욱 향상되고 표면 조도 역시 향상됨은 물론, 전도성 페이스가 세라믹 기판(110)과 압착되어 전도성 페이스트(120)와 세라믹 기판(110) 간의 결합력이 보다 향상될 수 있다.
보다 구체적으로 단계130에서는 70 내지 80도에서 10MPa의 압력으로 5 내지 15분간 세라믹 기판(110)을 지그(10)로 가압하여 곡면 형상으로 성형할 수 있다.
이 때 지그(10)는 가압 시 가열을 위해 열을 발생시키는 발열부를 포함할 수 있고, 지그(10)는 열 전도성 재질로 형성되어 발열부에서 발생된 열을 세라믹 기판(110)으로 전달해 세라믹 기판(110)을 가압과 동시에 가열할 수 있다.
보다 구체적으로 지그(10)는, 집속 곡률(R)을 갖는 곡면 형상으로 형성된 지그홈(13)을 구비하는 제1 지그(12), 및 지그홈(13)에 대응되게 형성된 지그 돌기(15)를 구비하는 제2 지그(14)를 포함할 수 있다.
즉 세라믹 기판(110)은 지그홈(13) 및 지그 돌기(15) 사이에 개재되어 지그(10)에 의해 압착됨에 따라 집속 곡률(R)을 갖는 곡면 형상으로 일정하게 성형될 수 있다.
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본 실시예에 따라 제조된 초음파 트랜스듀서의 전극 박리 강도를 종래 증착 방식으로 제조된 초음파 트랜스듀서와 비교 테스트해 본 결과, 종래 증착 방식으로 제조된 초음파 트랜스듀서의 경우 약 20,000회의 초음파 조사 시 전극에 크랙이 발생되었으며, 본 실시예에 따라 제조된 초음파 트랜스듀서의 경우 약 100,000 내지 200,000회의 초음파 조사 시에도 전극에 크랙이 발생되지 않았다.
또한 주사 전자 현미경(SEM; scanning electron microscope)을 통해 전극 표면을 관찰하는 방식으로, 본 실시예에 따라 제조된 초음파 트랜스듀서의 표면 조도를 종래 증착 방식으로 제조된 초음파 트랜스듀서와 비교해 본 결과, 도 3에서와 같이 종래 증착 방식으로 제조된 초음파 트랜스듀서의 경우 본 실시예에 따라 제조된 초음파 트랜스듀서 대비 표면에 대량의 기공이 형성되고 표면이 매우 거친 것을 확인할 수 있었다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서에 대해 설명한다.
본 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 고강도 집속 초음파를 생성하는 초음파 트랜스듀서에 있어서, 초음파 집속 가능하도록 기설정된 집속 곡률(R)을 갖는 곡면 형상으로 형성되는 세라믹 기판(110), 및 세라믹 기판(110)의 표면에 도포된 전도성 페이스트(120)가 세라믹 기판(110)과 함께 소결됨에 따라 세라믹 기판(110)과 결합되는 한 쌍의 전극을 포함하는 초음파 트랜스듀서가 제공된다.
이와 같은 본 실시예에 따르면, 세라믹 기판(110)과 전극 간의 결합력 및 표면 조도를 향상시켜 높은 내구성 및 초음파 집속 성능을 갖는 초음파 트랜스듀서를 제공 가능하다.
이하 도 1 및 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 각 구성에 대하여 설명하도록 하며, 전술한 초음파 트랜스듀서 제조 방법에서와 공통되는 구성에 대한 세부 내용은 초음파 트랜스듀서 제조 방법의 그것을 따르도록 한다.
본 실시예에 따르면 고강도 집속 초음파를 생성하는 초음파 트랜스듀서가 제공될 수 있다.
세라믹 기판(110)은 초음파 집속 가능하도록 기설정된 집속 곡률(R)을 갖는 곡면 형상으로 형성될 수 있다.
한 쌍의 전극은 세라믹 기판(110)의 표면에 도포된 전도성 페이스트(120)가 세라믹 기판(110)과 함께 소결됨에 따라 세라믹 기판(110)과 결합될 수 있다.
또한 전극은 세라믹 기판(110)을 곡면 형상으로 성형하기 위해 지그(10)로 가압 시 세라믹 기판(110)의 표면에 도포된 전도성 페이스트(120)가 세라믹 기판(110)과 함께 가압되어 형성될 수 있다.
이 때 지그(10)는, 집속 곡률(R)을 갖는 곡면 형상으로 형성된 지그홈(13)을 구비하는 제1 지그(12), 및 지그홈(13)에 대응되게 형성된 지그 돌기(15)를 구비하는 제2 지그(14)를 포함할 수 있다.
전도성 페이스트(120)는 스크린 프린트 방식으로 도포될 수 있다.
이 때 전도성 페이스트(120)는 은(Ag) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
삭제
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
R: 집속 곡률
10: 지그
12: 제1 지그
13: 지그홈
14: 제2 지그
15: 지그 돌기
110: 세라믹 기판
120: 전도성 페이스트

Claims (10)

  1. 고강도 집속 초음파(HIFU; high intensity focused ultrasound)를 생성하는 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법에 있어서,
    판상의 세라믹 기판을 제공받는 단계;
    상기 세라믹 기판의 표면에 전극 형성을 위한 전도성 페이스트를 도포하는 단계;
    상기 전도성 페이스트가 도포된 상기 세라믹 기판을 초음파 집속 가능하도록 기설정된 집속 곡률을 갖는 곡면 형상으로 성형하는 단계; 및
    상기 세라믹 기판을 상기 전도성 페이스트와 함께 가열하여 소결하는 단계를 포함하고,
    상기 전도성 페이스트를 도포하는 단계는,
    상기 전도성 페이스트를 판상의 상기 세라믹 기판의 표면에 스크린 프린트 방식으로 도포하고,
    상기 곡면 형상으로 성형하는 단계는,
    상기 전도성 페이스트가 도포된 상기 세라믹 기판을 상기 집속 곡률을 갖는 곡면 형상으로 마련되는 지그로 가압하여 상기 전도성 페이스트를 상기 세라믹 기판과 압착시키는, 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 기판을 제공받는 단계 이전에,
    세라믹 분말을 가압하여 판상의 상기 세라믹 기판으로 성형하는 단계를 더 포함하는, 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 페이스트는,
    은(Ag) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질로 이루어지는, 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지그는,
    상기 집속 곡률을 갖는 곡면 형상으로 형성된 지그홈을 구비하는 제1 지그; 및
    상기 지그홈에 대응되게 형성된 지그 돌기를 구비하는 제2 지그를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 고강도 집속 초음파(HIFU; high intensity focused ultrasound)를 생성하는 초음파 트랜스듀서에 있어서,
    초음파 집속 가능하도록 기설정된 집속 곡률을 갖는 곡면 형상으로 형성되는 세라믹 기판; 및
    상기 세라믹 기판의 표면에 도포된 전도성 페이스트가 상기 세라믹 기판과 함께 소결됨에 따라 상기 세라믹 기판과 결합되는 한 쌍의 전극을 포함하고,
    상기 전도성 페이스트는,
    판상의 상기 세라믹 기판의 표면에 스크린 프린트 방식으로 도포된 이후, 상기 집속 곡률을 갖는 곡면 형상으로 마련되는 지그로 상기 세라믹 기판과 함께 가압됨에 따라 상기 세라믹 기판과 압착되는, 초음파 트랜스듀서.
  9. 삭제
  10. 삭제
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KR20170091872A (ko) * 2016-02-02 2017-08-10 주식회사 테라메탈 실버 코팅 글래스 프릿의 제조방법 및 이를 이용한 솔라셀용 실버 페이스트 조성물
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