KR20050112568A - 멀티레이어 측정용 복합 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파이프 및 압연코팅강판, 칼라코팅강판 등의 코팅 및 강판의 두께를 각 부분별로 정밀하게 측정 가능한 멀티레이어 측정용 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 산업현장에서 각종 두께의 초음파 측정은 생산제품의 품질향상과 원재료의 절약 및 각종시설의 파이프 등의 교체의 필요성을 결정하기 위해 정기적으로 이루어진다. 만약에 파이프를 보호하기 위해 파이프가 코팅되었다면, 본 발명인 초음파 트랜스듀서를 사용한다.

본 발명에서 복합 초음파 트랜스듀서는 음향 정합층인 폴리스트롤 위에 신호 검출용 전극을 반도체 장비를 이용해 증착하고, 그 위에 압전성을 갖는 압전박막을 증착한 후 다시 그 위에 전극을 증착하여 이루어지며, 압전 세라믹 대신 반도체 박막 공정을 이용하여 트랜스듀서를 제작함으로써 기존 초음파 트랜스듀서에서 발생하는 접합층의 임피던스 미스 메칭 문제가 해결되며, 대량생산이 가능하고, 압전세라믹의 두께를 서브 마이크론 단위까지 자유롭게 조절할 수 있어 고주파 초음파 트랜스듀서 제작 및 초음파 송수신 감도 향상과 정밀한 두께 측정이 가능한 효과를 제공하여, 파이프나 강판에 적용된 코팅이 어떤 타입이든지 상관없이 (예, 페인트, 에폭시, RTV 타입 재질) 정확한 두께 측정을 할 수 있다.

Description

멀티레이어 측정용 복합 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법{complex ultrasonic transducer for multilayer measurement and manufacture method thereof}

본 발명은 초음파 트랜스듀서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파이프 및 압연코팅강판, 칼라코팅강판 등의 코팅 및 강판의 두께를 각 부분별로 정밀하게 측정 가능하도록 한 멀티레이어 측정용 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

석유화학공장이나 건설현장등 여러 산업현장에서 파이프나 도관의 잔여 수명을 결정하기 위해 코팅된 파이프나 도관의 두께를 초음파 기술로 측정하는 것을 원한다. 다양한 산업환경에서, 파이프는 용액이나 가스를 한 곳에서 다른 곳으로 옮기는데 사용된다. 보통, 이런 용액이나 가스는 부식성을 가지는데, 시간이 흐름에 따라 파이프의 교체가 이루어져야 한다. 동시에, 파이프에 코팅 처리하여 기후나 접촉시 반응이 일어나는 물질로부터 파이프를 보호하는 것 또한 일반적이다. Fluid flow system에서 요구되는 파이프의 보수 유지의 한 부분으로써, 파이프의 두께를 측정하는 것은 매우 중요하다. 파이프의 측정한 두께 값이 최소 기준값 보다 작게 나온다면, 파이프를 교체하여야 한다. 그러나 코팅된 파이프를 측정할 때에는 코팅층이 두께 값에 영향을 주는 문제가 발생하게 되고, 그로 인해 두께 값에 오차가 발생하는 것이다. 그 에러로 인해 도관이 실제 두께 보다 가늘게 측정되고, 도관의 실제 수명 전에 교체가 일어나게 된다. 이는 불필요한 유지비용이 증가하는 원인이 된다. 만약 에러로 인해 도관이 실제 두께 보다 높게 측정이 된다면, 파이프 교체시기를 놓치게 되고 그 결과는 대형사고나 설비를 다운 시키는 것 뿐만 아니라 값비싼 클린업 비용도 발생하게 될 것이다.

이와 같은 산업현장의 요구에 의해 모재에 적용된 코팅이 어떤 타입이든지 상관없이 (예, 페인트, 에폭시, RTV 타입 재질) 코팅된 모재의 코팅층과 모재의 두께를 정확하게 측정 가능한 멀티레이어 초음파 트랜스듀서 제작기술을 개발하였다.

초음파 두께측정 기기는 초음파를 검사대상물에 쏘고, 검사대상물 속에서 초음파가 전파되었다가 되돌아 나오는 시간을 두께로 환산는 원리로 구동되며, 여기서 초음파를 검사대상물에 쏘기 위해서는 초음파 트랜스듀서가 필요하다. 초음파 트랜스듀서는 검사대상물의 두께나 재질에 따라 특정한 초음파 주파수를 송/수신 해야 하는데, 이는 압전체의 두께를 조절하여 가능하다. 압전체가 두꺼울수록 낮은 주파수가 되고, 얇을수록 높은 주파수가 된다.

현재까지 생산되어 나오는 초음파 트랜스듀서는 압전체를 세라믹공정을 이용해 제조하기 때문에 모든 제작공정을 수작업에 의존하고 있다. 기존 초음파 트랜스듀서의 제조공정은 트랜스듀서의 핵심인 압전체를 세라믹공정을 이용해 만든 다음에 다이아몬드 컷터 등으로 절단한 후 은(Ag)전극을 붓으로 압전체 양면에 도포한다. 이때 은전극의 부착력을 증가시키기 위해 약 600도 정도로 열처리를 해준다. 압전체가 초음파를 송/수신 하기 위해서는 압전체 양단 전극에 전선이 연결되어야 하기 때문에 은전극이 도포된 압전체 양면에 전선을 납땜한 후 압전체 한 면을 음향 정합층 위에 엑폭시를 이용해 접합시킨다.

상기한 바와 같은 제조공정은 은 전극의 부착력을 향상시키기 위해 열처리 하는 과정에 압전체의 특성이 바뀌는 문제가 발생되며, 음향 정합층인 폴리스트롤 과 초음파 트랜스듀서에 삽입된 압전체의 한 쪽면은 초음파를 송/수신하는 면이므로 매우 평평하여야 하는데, 기존 방식대로 전선을 붙인 상태로 음향 정합층인 폴리스트롤과 접합하면 전선 굵기만큼 오차를 갖는 문제가 발생된다. 압전소자가 두꺼울 경우엔 송/수신면에 붙은 전선 굵기의 오차가 무시될 수 있어도, 고주파용인 두께 0.5 mm 정도에서는 전선의 굵기를 무시할 수 없는 문제점이 있다. 이러한 문제점으로 인해 코팅층의 두께 측정이 불가능하였지만, 본 발명으로 인해 코팅층 및 모재의 두께를 정확히 측정할 수 있게 되었다.

본 발명은 반도체 멀티레이어 측정용 복합 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법에 관한 것으로 초음파 트랜스듀서 제작에 사용되는 모든 음향 정합층위에 알루미늄(Al), 은(g) 또는 백금(Pt)등와 같은 전극을 증착하고, 그 위에 압전체를 형성하고, 그 위에 다시 알루미늄(Al), 은(g) 또는 백금(Pt)등 전극을 증착하여 이루어지는 것을 특징으로, 상기한 바와 같이 종래의 초음파 트랜스듀서가 안고 있는 문제점을 해결하기 위한 것으로 압전 세라믹을 세라믹 제조공정으로 제작하는 대신에 반도체 공정을 이용한 박막으로 사용하여 전극의 부착 및 전선 연결을 구조를 제거 할 뿐만 아니라 음향 정합층과의 접촉면의 기생 임피던스를 없애어 소형, 경량, 저 가격, 고감도의 특성을 갖는 코팅 및 모재를 한꺼번에 측정할 수 있도록 한 두께 측정 복합 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 복합 초음파 트랜스듀서는 밀도가 높은 음향 정합층(Wedge)과 시간지연층(delay line) 위에 신호 검출용 전극을 반도체 장비를 이용해 증착하고, 그 위에 압전성을 갖는 압전세라믹을 증착한 후 다시 그 위에 전극을 증착하여 이루어지며, 후막 대신 반도체 박막 공정을 이용하여 초음파 트랜스듀서를 제작함으로써 기존 접합층의 임피던스 미스 메칭 문제가 해결된다.

본 발명에 따른 반도체 멀티레이어 측정용 복합 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법의 구성 및 작용에 대하여 본 발명의 실시예를 통해서 상세하게 설명한다.

첨부한 도면, 도 1은 본 발명에 따른 반도체 멀티레이어 측정용 복합 초음파 트랜스듀서 구성 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 반도체 멀티레이어 측정용 복합 초음파 트랜스듀서의 압전소자 박막화 제작을 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 반도체 복합 초음파 트랜스듀서를 이용하는 초음파 두께 측정 기기의 회로 구성을 나타낸 회로 구성도이다.

도 1과 도 2는 반도체 공정을 이용해 박막화 시킨 초음파 트랜스듀서를 나타낸 것으로 도 2에서 보는 바와 같이 코팅부의 신호를 발,수신하는 부분은 지연층과 압전세라믹등으로 이루어져 있으며, 모재부의 신호를 감지하는 부분은 발신부와 수신부가 따로 나누어져 있으며, 음향정합층과 압전 세라믹으로 구성되어 있다. 반도체 멀티레이어 측정용 복합 초음파 트랜스듀서에서 음향 정합층은 peek라는 물질을, 지연층은 석영 물질을 사용하였으며,이들 위에 반도체 공정인 Evaporation방법이나 Sputtering방법으로 전극과 압전 박막을 증착한 것으로 제조 공정은 다음과 같다.

1) 음향 정합층을 도너츠모양으로 제작한 후 반으로 나눈다.

2) 코팅부 측정을 담당부분을 제작하기 위해 석영을 지름 10mm정도로 가공한다.

3) 음향 정합층과 석영의 한쪽면 위에 반도체 공정인 고주파 마그네트론 스퍼터링법으로 전극을 증착한다. 여기서 전극재료로는 알루미늄(Al),은(Ag), 인듐(In), 등이 사용된다.

4) 지름이 1 mm에서 3 mm의 구멍이 난 8인치 SHADOW MASK를 전극이 증착된 음향 정합층과 석영위에 놓은 상태에서 압전 세라믹을 고주파 마그네트론 스퍼터링법으로 증착한다.

압전 박막을 초음파 트랜스듀서로 사용하기 위해서는 높은 압전성이 요구되는데, 이에 영향을 미치는 요소로는 고주파 전력, 가스의 조성비, 박막 증착시 압력, 기판의 온도 등의 여러 가지 변수가 존재한다. 이를 위하여 본 발명에서 이용한 고주파 마그네트론 스퍼터링 장치는 직경이 3∼6인치 타겟(99.999%, 고순도화학)을 사용하였으며, 타겟은 상하로 이동되도록 설계하였다. 또한 진공을 파기하지 않고 여러 박막을 증착하기 위해 기판이 회전되도록 하고, 고진공도를 갖기 위해서 650 /min인 로터리펌프와 1500 /sec의 배기 능력을 갖는 터보펌프로 구성하였다.

5) 압전박막이 층착된 음향 정합층과 석영위에 전극을 또 한번 증착한다.

6) 전극에 전선을 연결하기 위해 납땜을 사용하면 가생 임피던스가 큼으로 이를 방지하기위해 두 전극에 인듐(In) 박막을 증착한 후 자동 와이어 본딩방법으로 전선을 연결한다. 인듐은 전기 전도율이 매우 좋은 소재이며, 열을 가하면 녹았다가 다시 굳는 성질을 갖고 있는 물질이다. 또한 인듐을 증착하면 압전체 및 압전박막이 수분과 접촉하는 것을 방지 할 수 있다.

7) 상기한 바와 같이 제조된 초음파 트랜스듀서를 알루미늄 케이스와 조립하기 위해서 레이저로 커팅한다.

8) 한개의 초음파 트랜스듀서 소자를 알루미늄 케이스와 조립한 후 빈 공간에 에폭시 수지를 넣어 봉합하면 도 4와 같은 하나의 반도체 멀티레이어 측정이 가능한 복합 초음파 트랜스듀서가 제조된다.

도 3은 멀티레이어 측정용 복합 초음파 트랜스듀서을 이용할 수 있는 초음파 두께측정 기기의 구성을 나타낸 것으로 모재에 펄스를 송,수신하는 부분과 코팅부의 펄스 신호를 송, 수신하는 부분 그리고 수신된 신호를 처리하고 연산하는 마이크로프로세서 부분으로 크게 이루어져있다. 하나의 클럭소스를 입력하여 칩내의 게이트 딜레이를 이용하여 여러가지 비동기 클럭을 만들고 그 각각의 클럭에 의하여 비동기적으로 동작하는 카운터를 설계함으로서 최고 500MHz의 SMPS를 실현함으로서 초음파 두께 측정기의 정확도를 최고 1천분의 5 미리정도로 향상 시켰으며, ASC는 초음파 진행시간을 최고 2ns 단위로 샘플링 가능하게 회로를 설계 구성하였다. 또한 TTL 신호를 FET와 인덕터를 이용해 고전압으로 변환후 발생된 전압을 고압 캐패시터에 순차적으로 누적시킴으로서 초음파의 발생전압을 150V 에서 300V까지 조정이 가능하다.

본 발명은 박·후막 공정을 이용하여 초음파 트랜스듀서의 제조기술을 확립하여, 압전체(PZT)를 제조하고 제조된 압전체의 박·후막 증착기술 및 전극열처리기술을 이용한 멀티레이어 측정이 가능한 양질의 초음파 트랜스듀서를 제조하는 기술을 개발한다. 고도의 반도체 기술과 전자, 기계공학 기술의 집합체인 멀티레이어 측정용 초음파 트랜스듀서를 개발함으로써 비파괴 산업 및 전기, 전자 기술 응용에 중요한 기술이다.

경제적으로는 양질의 초음파 트랜스듀서 제작 원가의 절감효과가 기대 되며, 사회적으로 좀 더 정밀한 측정의 가능으로 및 안전 진단이 용이할 것이며, 압전체의 증착 기술이 세라믹 제조에 응용될 것으로 예상된다.

본 발명으로 파생이 예상되는 기술로는 1)개발된 산업용 초음파 검사장비에 100% 사용 가능한 초음파 트랜스듀서를 제작할 수 있으며, 2)임피던스 매칭 문제와 노이스 문제가 해결되어 해상도가 매우 우수한 의료용 초음파 검사장비를 제작할 수 있다(약 25%정도 해상도 개선 예상). 3)어군탐지기 센서나 기타 초음파 응용장비에 적용 할 수 있다. 4)본 연구중 압전세라믹의 박막화 기술은 진동센서에 적용 될 뿐만 아니라 자기센서, 모터등에 응용 될 수 있다. 이외에도 잉크젯 프린터의 노즐 제작에도 응용 될 수 있어 본 기술의 개발에 의한 파급효과 및 활용 방안은 무궁무진하다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 반도체 멀티레이어 측정용 복합 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법은 단결정 압전체 대신에 압전 박막과 전극을 박막으로 증착시켜 제작함으로서 기존 트랜스듀서에서 문제시되던 전극과 압전체 사이의 임피던스를 메칭시킬 필요가 없으며, 반도체 공정을 이용하므로 대량생산이 가능하다. 또한 전극과 압전체를 반도체 공정을 이용해 박막화 시킴으로서 전극을 압전체에 부착시키기 위해서 열처리를 않해도 되어 압전체의 분극을 손상시키지 않으며, 음향정합층에 바로 전극이 접착될 수 있어 초음파의 전달률을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 소형화가 가능하다. 또한 얇은 막의 두께측정이 가능하여 산업현장에서 활용도가 극대화 됐으며, 한번의 측정으로 코팅 및 모재의 두께를 각각 또는 총합으로 측정할 수 있어 매우 정밀한 측정이 가능하다.

상기한 바와 같은 반도체 박막형 트랜스듀서는 각 접합층의 기생 임피던스가 없기 대문에 감지특성이 매우 우수하며, 이를 사용하는 두께 측정 계측기의 소형화가 가능한 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 반도체 멀티레이어 측정용 복합 초음파 트랜스듀서의 구성 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 반도체 멀티레이어 측정용 복합 초음파 트랜스듀서의 압전소자 박막화 제작을 나타낸 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 반도체 멀티레이어 측정용 복합 초음파 트랜스듀서를 사용하는 기기의 회로 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 복합 초음파 트랜스듀서를 제작한 도.

Claims (4)

1. 초음파 트랜스듀서를 제작하는데 있어서,

   모든 음향정합층 소재위에 알루미늄(Al), 은(g) 또는 백금(Pt)과 같은 전극을 증착하고, 그 위에 압전체 및 압전 박막을 형성하고, 그 위에 다시 전극을 증착하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 압전체 및 전극을 음향접합층 소재 구조 위에 고주파 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 증착하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 압전체 및 전극을 음향접합 소재 구조 위에 화학기상증착법및 이온화학법을 이용하여 증착하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
4. 지연층에 석영을 사용하고, 음향 정합층에 peek를 사용하여 한 케이스 안에 두종류 이상의 압전 세라믹을 구성한 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.