KR20130013821A - 고지향성 초음파 소자 - Google Patents

고지향성 초음파 소자 Download PDF

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Abstract

공기 매질에서의 방사 효율이 높은 평판형 방사판 구조의 초음파 소자에 있어서 방사되는 초음파의 지향각을 작게 하여 방사되는 초음파를 한 방향으로 더욱 집중시킬 수 있는 고지향성 초음파 소자를 개시한다. 본 발명에 의한 고지향성 초음파 소자는, 2차 이상의 고차 모드로 진동하여 발생하는 초음파를 매질 내로 방사하는 평판형 방사판, 상기 방사판의 하부면에 일정한 힘을 가하여 상기 방사판을 상기 2차 이상의 고차 모드로 진동시키는 구동부 및 상기 방사판의 상부면 중 진동 속도가 양의 값을 가지는 부분에 상기 매질에서의 초음파 파장의 1/4 높이로 형성되는 조화층을 포함한다.

Description

고지향성 초음파 소자{HIGH DIRECTIVE ULTRASONIC TRANSDUCER}
본 발명은 방사되는 초음파의 방사 효율 및 지향성을 높일 수 있는 고지향성 초음파 소자에 관한 것이다.
초음파는 초음파 소자에서 발생하는 진동이 매질과의 상호작용에 의해서 매질을 진동시키고 진동하는 매질을 통해서 전달된다. 기존의 초음파 소자의 경우 액체 매질에서는 초음파가 높은 방사 효율로 전파된다. 이는 초음파 소자(예를 들어, 알루미늄)와 액체(예를 들어, 물)의 임피던스(알루미늄의 임피던스 : 약 13,000,000 Rayls, 물의 임피던스 : 약 1,500,000 Rayls)를 매칭하는 것은 비교적 용이하여, 물속에서 사용하는 초음파 소자는 효율과 지향성능에 있어서 좋은 결과를 보이기 때문이다.
그러나, 매질이 기체(예를 들어, 공기)일 때는 초음파 소자의 임피던스와 공기 임피던스는 차이가 매우 크기 때문에(공기의 임피던스 : 약 415 Rayls), 물에서 보다 방사 효율이 매우 낮게 된다. 이를 극복하기 위해서 초음파 소자의 임피던스를 작게 하는 구조에 대한 연구가 필수적이다.
초음파 소자의 재질과 구조를 잘 설계하여 공기 중에서의 방사 효율을 높이는 것은 가능하다. 먼저 재질에 있어서 매질에서의 음속과 밀도의 곱인 임피던스가 작은 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 이를테면 종이나 실리콘, 고무, 폴리머 계열 등이 있을 수 있다. 하지만, 이러한 재질들을 이용하더라도 초음파를 발생시키는 주파수인 수십 kHz 이상의 진동 구조를 제작하기는 매우 어렵다. 특히 1차 진동 모드로 수십 kHz 에서 크기는 수십 MHz의 진동 구조를 제작하는 것은 거의 불가능하다.
초음파 소자의 진동판(방사판)의 구조를 통해 임피던스를 작게 하는 방법으로는 먼저 진동판의 크기를 마이크로 크기로 제작하는 방법이 있다. 소자 구조가 마이크로 구조로 갈수록 수십 kHz 혹은 수십 MHz의 진동구조를 가지면서도 임피던스가 작은 것이 가능하게 된다. 그러나, 이러한 마이크로 구조의 경우 개별 단위 소자의 효율은 높을지 모르겠지만 다음과 같은 두 가지의 문제점이 발생한다. 첫째는 발생되는 초음파의 세기가 매우 작아서 반드시 어레이(Array) 형태로 구성을 해야만 충분한 초음파 출력을 얻을 수 있다는 것이다. 둘째는 지향 성능이다. 초음파 진동판이 작아질수록 음원은 점 음원에 가깝게 되고 초음파가 방사되는 형상은 모든 방향으로 고르게 퍼지므로 지향 성능을 가지기보다는 구형 방사(Spherical spreading) 특성을 띄게 된다. 사용되는 분야에 따라서는 점 음원이 필요한 경우도 있겠지만, 일반적으로 센서나 에너지 전달 소자 등으로 사용될 때에는 초음파가 한 방향으로의 집중되는 지향 성능이 요구되는데, 마이크로 구조의 점 음원은 구형 방사 특성을 가지므로 지향 특성은 없는 것으로 평가된다. 결국 고지향 성능을 갖기 위해서는 마이크로 구조를 다수의 어레이 형태로 구성하여 일정한 크기의 방사판을 형성하여 사용하여야 하는데, 마이크로 구조로 제작을 할 때 공정 오차가 발생하므로 어레이를 구성하는 개별 소자들이 같은 공진 주파수를 갖도록 제작한다는 것은 거의 불가능하며, 공진 주파수에서 조금 벗어났을 때 효율은 급격히 감소되므로 방사 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 초음파 소자의 방사 특성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 초음파 소자는 진동을 발생시키는 구동부(101)와, 구동부(101)에 의해 진동되어 초음파를 매질 내로 방사하는 방사판(103)을 포함한다.
방사판(103)에 의해 매질이 진동하면 일정 거리까지는 초음파가 서로 간섭을 일으키면서 집중되는 거리인 레일리 거리(Rayleigh distance)가 존재하게 되고, 이를 지나면 구형 방사 특성을 가지면서 퍼지게 된다. 이 때, 수십 kHz에서 수십 MHz의 진동을 발생시키면서도 임피던스를 작게 하기 위해서는 방사판(103)이 평판형 구조를 가지면서 고차 모드 진동에 의해 초음파를 발생시키는 것이 필수적이다.
도 2a 및 도 2b는 서로 다른 두께의 평판형 방사판 구조를 가지는 초음파 소자를 나타낸 도면이다. 도 2에서 나타낸 초음파 소자는 본 특허에서의 원리를 설명하기 위해서 사용된 하나의 예에 불과하며 이해를 돕기 위해 일정한 크기와 구동주파수를 가지나 다른 크기와 다른 구동주파수에서도 동일한 원리가 적용된다.
도 2a의 방사판(201)은 지름(D)이 200mm, 두께(t)가 8.4mm이고, 도 2b의 방사판(203)은 지름(D)이 200mm, 두께(t)가 3.3mm이다. 두 경우 모두 초음파의 진동수가 70kHz가 되도록 설계되었고, 방사판(201, 203)에 가해지는 힘(F)은 19.6N이며, 방사판(201, 203) 단면에서의 진동 속도(Velocity)의 분포를 함께 표시하였다.
일정한 주파수의 초음파를 얻는 방법은 여러 가지가 있는데, 1차 진동으로 70kHz의 초음파를 얻는 방사판 구조도 가능하고, 도 2a와 같이 4.5차 진동으로 70kHz의 초음파를 얻는 방사판 구조도 가능하고, 도 2b와 같이 6차 진동으로 70kHz의 초음파를 얻는 방사판 구조도 가능하다.
그러나, 각각의 경우 가해지는 힘에 대한 방사판 전체에서 발생하는 평균 속도의 비율인 평균 임피던스(Impedance, Zave)를 살펴보면 진동 차수가 높을수록 임피던스가 낮은 것을 알 수 있다. 즉, 두께가 얇은 방사판의 고차 모드 진동이 두께가 두꺼운 방사판의 저차 모드 진동보다 임피던스가 낮아지며, 어떤 일정한 직경과 두께를 갖는 방사판에서는 공기에서의 임피던스와 비슷한 수준의 임피던스를 갖는 것이 가능한 것을 알 수 있다. 초음파 소자의 임피던스가 매질과 비슷한 값을 가지게 될 때 방사 효율은 증가하게 되는데, 위와 같이 도 2a보다는 도 2b와 같은 고차 모드 방사판 구조가 더 큰 방사 효율을 가지게 된다.
하지만, 이렇게 고차 모드로 진동하게 될 때 초음파가 방사되는 특성은 한 방향으로 집중되기보다는 전체 각도로 고르게 퍼지는 방사 특성을 가지게 된다. 도 3은 고차 모드로 진동하는 방사판으로부터 초음파가 방사되는 특성을 수치 해석을 통해 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 고차 모드의 방사판에서는 초음파가 한 방향으로 방사되기보다는 여러 방향으로 분산되어 방사되는 특성을 보인다.
좀더 상세히 보면, 고차 모드로 진동하는 방사판은 진동할 때 어느 한쪽으로 진동하는 부분면이 있고 다른 방향으로 진동하는 부분면이 있어 이 두 가지의 부분면이 서로 다른 위상을 가지면서 진동하게 된다. 도 2a 및 도 2b에서 보면 위로 움직이는 부분이 있는가 하면 동시에 아래로 움직이는 부분이 있게 된다. 이렇게 되면 방사판의 진동 위상이 엇갈려서 초음파가 어느 한 방향으로 일정하게 퍼지는 것이 아니라 사방으로 퍼지는 현상이 발생하므로 고지향성 특성을 얻기가 어렵다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 방사 효율이 높은 평판형 방사판 구조의 초음파 소자에 있어서 방사되는 초음파의 지향각을 작게 하여 방사되는 초음파를 한 방향으로 더욱 집중시킬 수 있는 고지향성 초음파 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히, 공기와 같이 임피던스가 낮은 매질로의 초음파 방사 효율 및 지향성을 높이는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 고지향성 초음파 소자는, 2차 이상의 고차 모드로 진동하여 발생하는 초음파를 매질 내로 방사하는 평판형 방사판, 상기 방사판의 하부면에 일정한 힘을 가하여 상기 방사판을 상기 2차 이상의 고차 모드로 진동시키는 구동부 및 상기 방사판의 상부면 중 진동 속도가 양의 값을 가지는 부분에 상기 매질에서의 초음파 파장의 1/4 높이로 형성되는 조화층을 포함한다.
상기 방사판은 알루미늄으로 형성될 수 있고, 상기 제 조화층은 실리콘, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 또는 폴리머 계열의 물질로 형성될 수 있다.
상기 조화층의 임피던스는 상기 방사판의 임피던스와 상기 매질의 임피던스의 사이값을 가질 수 있다.
상기 구동부는 상기 방사판의 하부면에 박막형으로 결합되는 압전 박막 구동기를 포함할 수 있고, 상기 압전 박막 구동기는 상기 방사판 중 상기 조화층이 형성되는 부분의 박막 하부면에는 전원전압 전극이 형성되고, 나머지 부분의 박막 하부면에는 접지전압 전극이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 고지향성 초음파 소자는, 2차 이상의 고차 모드로 진동하여 발생하는 초음파를 매질 내로 방사하는 평판형 방사판, 상기 방사판의 하부면에 일정한 힘을 가하여 상기 방사판을 상기 2차 이상의 고차 모드로 진동시키는 구동부, 상기 방사판의 상부면 중 진동 속도가 양의 값을 가지는 부분에 상기 매질에서의 초음파 파장의 1/4 높이로 형성되는 제 1 조화층 및 상기 방사판의 상부면 중 진동 속도가 음의 값을 가지는 부분에 상기 매질에서의 초음파 파장의 3/4 높이로 형성되는 제 2 조화층을 포함한다.
본 발명에 의하면, 고차 모드로 진동하는 방사판에 진동 모드에 맞도록 요철형 조화층을 형성함으로써 공기와 같이 임피던스가 낮은 매질로의 방사 효율이 높고 고지향성 특성을 가지는 초음파 소자를 얇은 두께로 구현할 수 있다.
또한, 방사판에 결합되는 구동부를 압전 박막 구동기로 구현하여 높은 구동 효율을 얻을 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 초음파 소자의 방사 특성을 도시한 도면.
도 2a 및 도 2b는 서로 다른 두께의 평판형 방사판 구조를 가지는 초음파 소자를 나타낸 도면.
도 3은 고차 모드로 진동하는 방사판으로부터 초음파가 방사되는 특성을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 의한 고지향성 초음파 소자의 일 실시예 구성도.
도 5는 조화층(401)이 있는 경우와 없는 경우의 방사판(400)의 진동 속도 분포를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 의한 고지향성 초음파 소자의 방사 특성을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 의한 고지향성 초음파 소자의 다른 실시예 구성도.
도 8은 구동부(410)가 박막 형태로 방사판(400)에 결합된 압전 박막 구동기(413)의 일 실시예를 도시한 도면.
도 9a 내지 도 9c는 조화층(401, 403)이 결합된 방사판(400)의 다양한 형태를 도시한 도면.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 의한 고지향성 초음파 소자의 일 실시예 구성도이고, 도 5는 조화층(401)이 있는 경우와 없는 경우의 방사판(400)의 진동 속도 분포를 도시한 도면이다. 도 6은 본 발명에 의한 고지향성 초음파 소자의 방사 특성을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 고지향성 초음파 소자는, 2차 이상의 고차 모드로 진동하여 발생하는 초음파를 매질 내로 방사하는 평판형 방사판(400), 방사판(400)의 하부면에 일정한 힘을 가하여 방사판(400)을 2차 이상의 고차 모드로 진동시키는 구동부(410) 및 방사판(400)의 상부면 중 진동 속도가 양의 값을 가지는 부분에 매질에서의 초음파 파장의 1/4 높이로 형성되는 조화층(401)을 포함한다.
본 발명에서는 방사판(400)의 진동 모드에 맞추어 매질에서의 초음파 파장의 1/4 높이를 가지는 조화층(401)을 결합한 초음파 소자를 제안한다. 여기에서 조화층(401)은 방사판(400)의 재질보다는 임피던스가 작고, 매질보다는 큰 것이 바람직하다. 일반적으로 방사판(400)은 알루미늄으로 제작되며, 알루미늄은 임피던스가 매우 크므로 도 4에서와 같이 고차 모드의 평판 진동을 갖는 구조를 통해 임피던스를 낮추게 된다.
고차 모드의 평판 진동은 정지 상태에서 보면 위상이 엇갈리게 진동을 하게 되는데, 도 4에 Sine 파 형태로 도시된 것과 같이 진동 속도가 양(+)의 값을 가지는 부분과 음(-)의 값을 가지는 부분이 존재하게 된다. 이는 공진이 되었을 때 힘의 평형을 이루기 위해서 윗 방향과 아래 방향의 힘의 합이 0이 되도록 하는 힘이 각각 부분적으로 분포하기 때문에 발생한다.
조화층(401)은 방사판(400)의 상부면 중 진동 속도가 양의 값을 가지는 부분에만 결합된다. 이렇게 초음파 파장의 1/4 높이의 조화층(401)을 방사판(400)에 결합하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 조화층이 있는 부분에서는 속도가 조화층이 없을 때와 비슷한 값으로 유지되나 조화층이 없는 부분에서는 속도가 매우 작아지게 된다. 이는 방사판(400) 하부에서 가해지는 힘이 있을 때 방사판(400)이 먼저 진동하게 되고, 방사판(400)의 진동하는 힘은 조화층(401)으로 전달되어, 조화층(401)으로 가한 힘만큼의 반작용에 의해 방사판(400)에 반대 방향으로 힘을 가하게 되기 때문이다. 따라서 방사판(400)은 반발력에 의해 속도가 줄어들게 되어 결과적으로 도 5와 같은 진동 속도 분포를 가지게 된다.
이러한 방사판(400)의 속도 분포는 초음파의 방사 특성에 직접적인 영향을 주게 된다. 도 3과 같이 방사판에 조화층이 없는 구조에서는 방사되는 초음파가 특정 방향으로의 지향성이 없이 여러 방향으로 퍼지는 특성을 보였으나, 본 발명에서는 매질로 방사되는 초음파의 1/4 파장 높이의 조화층(401)을 형성함으로써 도 6에서와 같이 높은 지향성을 가지게 된다. 즉, 먼 거리까지 초음파가 분산되지 않고 집중적으로 방사되는 효과를 얻게 된다. 이는 결과적인 유효 속도 분포가 한 방향(도 6에서는 윗쪽 방향)으로만 분포되어, 방사판(400)이 1차 피스톤 진동과 같은 진동을 하는 효과를 가지게 되기 때문이다.
한편, 조화층(401)을 형성하는 매질에 따라서 그 높이가 매우 작을 수도 있어, 실제 구현시에는 얇은 방사판(400)의 고유한 진동 모드를 변화시키지 않고 지향성이 높은 초음파 소자의 구현이 가능하다. 이러한 조화층(401)은 실리콘, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 또는 폴리머 계열의 물질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 방사판(400)을 지름이 200mm인 원형의 알루미늄 재질로 형성하고 그 두께를 8.4mm로 하면 70kHz의 주파수로 구동이 가능하다. 이 때 알루미늄의 경우 재질 속에서의 음속은 5150m/s로 1/4 파장의 높이는 70kHz에서 약 18mm 정도이나, 조화층(401)을 폴리머 계열 실리콘으로 형성한다면 특성 임피던스는 알루미늄(13.9MR)과 매질인 공기(415R)의 중간 값인 약 7,200R(Rayls)가 되고 음속이 58m/s가 된다. 이 때 조화층(401)의 높이인 1/4 파장은 약 0.18mm가 된다. 이 값은 재료에 따라 다른데, 재질 속에서의 음속을 구동 주파수로 나누면 파장이 도출되며 이를 통해 더 얇은 조화층을 얻을 수도 있다.
도 7은 본 발명에 의한 고지향성 초음파 소자의 다른 실시예 구성도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 고지향성 초음파 소자는, 2차 이상의 고차 모드로 진동하여 발생하는 초음파를 매질 내로 방사하는 평판형 방사판(400), 방사판(400)의 하부면에 일정한 힘을 가하여 방사판(400)을 2차 이상의 고차 모드로 진동시키는 구동부(410), 방사판(400)의 상부면 중 진동 속도가 양의 값을 가지는 부분에 매질에서의 초음파 파장의 1/4 높이로 형성되는 제 1 조화층(401) 및 방사판(400)의 상부면 중 진동 속도가 음의 값을 가지는 부분에 매질에서의 초음파 파장의 3/4 높이로 형성되는 제 2 조화층(403)을 포함한다.
도 4의 구성을 바탕으로 도 7의 구성을 생각할 수 있다. 방사판(400)에서 제 1 조화층(401)이 형성되지 않은 곳의 속도값들은 여전히 초음파의 지향성에 좋지 않은 영향을 주게 될 것이므로, 속도 위상이 반대인 영역에서는 매질에서의 초음파 파장의 3/4 높이의 제 2 조화층(403)을 형성한다면 이 부분에서는 방사판(400)의 진동과 역상의 진동이 존재하게 된다. 따라서 결과적으로 방사판(400)의 진동 속도 분포는 모두 한쪽 방향으로 나타나게 되어 지향성도 더욱 높아지게 된다.
이상의 방사판(400) 구조는 두께가 얇은 형태로 설계가 가능하여 매질과의 임피던스 매칭이 원활히 되면서도 방사판(400)의 진동이 위/아래로 엇갈리어 발생하는 지향 특성의 저하를 막을 수 있게 된다.
한편, 방사판(400)에 결합되는 조화층(401, 403)은 그 두께를 정확하게 설계하고 제작해야 한다. 조화층(401, 403)을 정확한 두께로 제작하기 위해서는 방사판(400) 위에 시트 형태로 접착한 후 패터닝하여 제작하거나, 방사판(400) 위에 유체 형태의 물질을 스핀코팅한 후 진동 속도 분포에 맞도록 패터닝하여 제작하는 방법을 사용할 수 있다.
구동부(410)는 압전 구동기(411)를 포함하여 구성될 수 있으며, 방사판(400)의 진동을 위한 실제적인 힘과 변위(속도)를 방사판(400) 하부면 중심에 가하게 된다. 압전 구동기(411)는 도 4 및 도 7에서와 같이 샌드위치 구조로 방사판(400)에 결합되거나, 박막 구조로 결합될 수 있다. 이하 도 8에서 설명한다.
도 8은 구동부(410)가 박막 형태로 방사판(400)에 결합된 압전 박막 구동기(413)의 일 실시예를 도시한 도면이다.
압전 박막 구동기(413)가 방사판(400)의 하부면에 결합되어 있을 때 일반적으로 1차 또는 2차 모드로 구동하는 경우에는 하나 혹은 두개의 부분으로 전극이 배치되지만, 본 발명에서는 도 8과 같이 하부면의 전극(803, 805)을 방사판(400)의 진동 위상에 맞추어 배치하는 전극 구조가 가능하며, 이를 이용하면 방사판(400)의 진동 방향으만 힘을 가하게 되어 압전 구동기의 구동 효율을 더 높일 수 있게 된다. 즉, 방사판(400)의 진동 모드에 맞게 압전 박막의 전극(801, 803, 805)을 패터닝한다. 이 때 박막 상부면은 하나의 전극(801)으로 연결되도록 하여 구동 전압이 가해지도록 하며, 하부면은 패터닝된 전극(803, 805)에 각각 전원(Vcc) 전압과 접지(Ground) 전압을 가해준다. 만약 구동 전압이 Ground 전압에 가까워지면 Vcc와의 전압차가 큰 부분에서의 압전 구동기가 큰 변위를 가지도록 수축 혹은 팽창하게 될 것이고, 구동 전압이 Vcc에 가깝게 되면 Ground 전극과의 전압차가 커서 Ground 부분에서의 압전 구동기가 큰 변위를 가지고 구동하게 될 것이다. 이렇게 압전 박막 구동기(413)의 경우 제안하는 방사판(400) 구조와의 결합시 새로운 구동이 가능하게 되며 이러한 구동 방식은 구동기의 구동 효율을 높이게 된다.
도 9a 내지 도 9c는 조화층(401, 403)이 결합된 방사판(400)의 다양한 형태를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 방사판(400)은 1차원 선형 대칭 형태(도 9a)이거나, 2차원 원형 대칭 형태(도 9b)이거나, 2차원 다각형 형태(도 9c)를 가질 수 있다.
본 발명에 의한 고지향성 초음파 소자는 USN(Ubiquitous Sensor Network)용 센서 노드(Sensor node), TV, 휴대 단말기, 로봇 등에 사용되는 각종 초음파 센서에 활용될 수 있고, 초음파 수신 장치와 함께 구성되는 고효율, 고지향성 무선 전력 전송 장치 등에도 다양하게 활용될 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 알 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. 2차 이상의 고차 모드로 진동하여 발생하는 초음파를 매질 내로 방사하는 평판형 방사판;
    상기 방사판의 하부면에 일정한 힘을 가하여 상기 방사판을 상기 2차 이상의 고차 모드로 진동시키는 구동부; 및
    상기 방사판의 상부면 중 진동 속도가 양의 값을 가지는 부분에 상기 매질에서의 초음파 파장의 1/4 높이로 형성되는 조화층
    를 포함하는 고지향성 초음파 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 방사판은 알루미늄으로 형성되는
    고지향성 초음파 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 조화층은 실리콘, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 또는 폴리머 계열의 물질로 형성되는
    고지향성 초음파 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 조화층의 임피던스는 상기 방사판의 임피던스보다는 작고 상기 매질의 임피던스보다는 큰
    고지향성 초음파 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 조화층은
    상기 방사판 위에 시트 형태로 접착한 후 패터닝하여 제작되거나, 상기 방사판 위에 유체 형태의 물질을 스핀코팅한 후 패터닝하여 제작되는
    고지향성 초음파 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 구동부는
    상기 방사판의 하부면에 박막형으로 결합되는 압전 박막 구동기를 포함하는
    고지향성 초음파 소자.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 압전 박막 구동기는
    상기 방사판 중 상기 조화층이 형성되는 부분의 박막 하부면에는 전원전압 전극이 형성되고, 나머지 부분의 박막 하부면에는 접지전압 전극이 형성되는
    고지향성 초음파 소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 방사판은 1차원 선형 대칭 형태, 2차원 원형 대칭 형태 또는 2차원 다각형 형태로 형성되는
    고지향성 초음파 소자.
  9. 2차 이상의 고차 모드로 진동하여 발생하는 초음파를 매질 내로 방사하는 평판형 방사판;
    상기 방사판의 하부면에 일정한 힘을 가하여 상기 방사판을 상기 2차 이상의 고차 모드로 진동시키는 구동부;
    상기 방사판의 상부면 중 진동 속도가 양의 값을 가지는 부분에 상기 매질에서의 초음파 파장의 1/4 높이로 형성되는 제 1 조화층; 및
    상기 방사판의 상부면 중 진동 속도가 음의 값을 가지는 부분에 상기 매질에서의 초음파 파장의 3/4 높이로 형성되는 제 2 조화층
    을 포함하는 고지향성 초음파 소자.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 방사판은 알루미늄으로 형성되고, 상기 제 1, 2 조화층은 실리콘, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 또는 폴리머 계열의 물질로 형성되는
    고지향성 초음파 소자.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1, 2 조화층의 임피던스는 상기 방사판의 임피던스보다는 작고 상기 매질의 임피던스보다는 큰
    고지향성 초음파 소자.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1, 2 조화층은
    상기 방사판 위에 시트 형태로 접착한 후 패터닝하여 제작되거나, 상기 방사판 위에 유체 형태의 물질을 스핀코팅한 후 패터닝하여 제작되는
    고지향성 초음파 소자.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 구동부는
    상기 방사판의 하부면에 박막형으로 결합되는 압전 박막 구동기를 포함하는
    고지향성 초음파 소자.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 압전 박막 구동기는
    상기 방사판 중 상기 제 1 조화층이 형성되는 부분의 박막 하부면에는 전원전압 전극이 형성되고, 상기 제 2 조화층이 형성되는 부분의 박막 하부면에는 접지전압 전극이 형성되는
    고지향성 초음파 소자.
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