KR20140017879A - 초음파 변환기, 이를 포함하는 초음파 발생 장치 및 시스템 - Google Patents
초음파 변환기, 이를 포함하는 초음파 발생 장치 및 시스템Info
- Publication number
- KR20140017879A KR20140017879A KR1020120084592A KR20120084592A KR20140017879A KR 20140017879 A KR20140017879 A KR 20140017879A KR 1020120084592 A KR1020120084592 A KR 1020120084592A KR 20120084592 A KR20120084592 A KR 20120084592A KR 20140017879 A KR20140017879 A KR 20140017879A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- light
- layer
- ultrasonic
- thermoelastic
- ultrasonic transducer
- Prior art date
Links
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims abstract description 43
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 36
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 19
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 16
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 5
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 3
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 3
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 3
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 2
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000000313 electron-beam-induced deposition Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 1
- 239000012286 potassium permanganate Substances 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
- A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
- A61B8/4483—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device characterised by features of the ultrasound transducer
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/24—Probes
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Pathology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Surgery (AREA)
- Public Health (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Gynecology & Obstetrics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
초음파 변환기, 초음파 발생 장치 및 시스템을 제공한다. 본 초음파 변환기는 입사된 광을 흡수하여 열을 발생시키는 광흡수층; 및 상기 광흡수층상에 배치되며, 상기 열에 의해 부피가 변하여 초음파를 발생시키는 열탄성층;을 포함한다.
Description
본 개시는 광을 이용하여 초음파를 발생시키는 초음파 변환기, 이를 포함하는 초음파 발생장치 및 시스템에 관한 것이다.
레이저가 액체나 고체와 같은 물질에 조사되면, 조사된 물질에서 광에너지를 흡수하여 순간적인 열에너지가 발생하고, 이 에너지는 열탄성(thermoelastic) 현상에 의해 음파(acoustic wave)를 발생시킨다.
레이저를 이용하여 초음파를 발생시키는 장치는 기존의 피에조 소자를 활용한 초음파 발생 장치에 비해 고주파를 쉽게 발생시킬 수 있고, 넓은 대역의 주파수를 발생시킬 수 있다는 점에서 해상도가 높은 영상을 얻을 수 있다.
이와 같이 발생된 초음파는 물질의 분석, 비파괴 검사, 광음향 영상 기술(Photoacoustic tomography) 등에 이용된다.
본 개시는 광을 이용하여 초음파를 발생시키는 초음파 변환기, 초음파 발생 장치 및 초음파 시스템을 제공한다.
그리고, 광의 흡수와 열탄성을 이원화하여 초음파를 효율적으로 발생시키는 초음파 변환기, 초음파 발생 장치 및 초음파 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 유형에 따르는 초음파 변환기는, 입사된 광을 흡수하여 열을 발생시키는 광흡수층; 및 상기 광흡수층상에 배치되며, 상기 열에 의해 부피가 변하여 초음파를 발생시키는 열탄성층;을 포함한다.
그리고, 상기 광은 펄스 레이저일 수 있다.
또한, 상기 레이저의 펄스 폭은 나노 또는 피코 크기일 수 있다.
그리고, 상기 광흡수층의 광 흡수계수는 상기 열탄성층의 광흡수계수보다 클 수 있다.
또한, 상기 광흡수층의 광 반사계수는 상기 열탄성층의 광반사계수보다 작을 수 있다.
그리고, 상기 광흡수층은 그래핀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 광흡수층은 환원된 그래핀 산화물일 수 있다.
그리고, 상기 광흡수층의 두께는 10nm 내지 100nm 일 수 있다.
또한, 상기 광흡수층의 두께가 클수록 상기 광흡수계수가 높을 수 있다.
그리고, 상기 열탄성층은 금속 물질, 반도체 물질, 탄소계열 물질 및 폴리머 물질 중 적어도 하나에 의해 형성될 수 있다.
또한, 상기 열탄성층은 박막 형태일 수 있다.
그리고, 상기 광흡수층 상에 배치되는 기판;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판은 투명할 수 있다.
그리고, 상기 기판은 상기 광흡수층 중 상기 열탄성층이 배치되는 면과 마주하는 면에 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 유형에 따르는 초음파 변환기는, 앞서 기술한 초음파 변환기; 및 상기 광을 발생시키는 광원;을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 광의 진행 경로상에서 상기 광원, 상기 광흡수층 및 상기 열탄성층이 순차적으로 배치될 수 있다.
또한, 상기 초음파의 음파 임피던스와 대상체의 음파 임피던스를 매칭시키는 매칭부; 상기 초음파 중 상기 대상체와 다른 방향으로 진행하는 초음파를 흡수하는 흡음부; 및 상기 대상체로 진행하는 초음파를 집속시키는 음향 렌즈; 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 초음파 발생 장치는 초음파 프로브일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 유형에 따른 초음파 시스템은, 앞서 기술한 초음파 변환기에서 발생된 초음파의 에코 신호에 대응하는 전기적 신호를 처리하여 영상을 생성하는 프로세서; 및 상기 영상을 표시하는 표시부;를 포함한다.
그리고, 상기 초음파가 조사된 대상체로부터 상기 에코 신호를 수신하는 수신부;를 더 포함할 수 있다.
개시된 레이저 유도 초음파 변환기는 낮은 에너지를 갖는 레이저를 이용하여도 초음파 압력을 증가시킬 수 있다.
또한, 레이저의 단위 펄스당 에너지를 줄일 수 있기 때문에, 펄스의 반복율을 증가시킬 수 있어서 영상 획득 시간을 단축시킬 수 있고, 고해상도의 영상 획득이 가능하다.
그리고, 광흡수층 및 열탄성층의 종류에 따라 발생되는 초음파의 특성이 달라지므로, 진단하고자 하는 대상체에 따라 초음파 특성을 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀 산화물을 포함하는 초음파 변환기를 제조하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환기의 성능을 실험한 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1에 도시된 레이저 유도 초음파 변환기를 포함하는 초음파 발생 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4에 도시된 초음파 발생 장치를 이용하여 초음파 영상을 생성하는 초음파 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀 산화물을 포함하는 초음파 변환기를 제조하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환기의 성능을 실험한 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1에 도시된 레이저 유도 초음파 변환기를 포함하는 초음파 발생 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4에 도시된 초음파 발생 장치를 이용하여 초음파 영상을 생성하는 초음파 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 개시된 초음파 변환기, 이를 포함한 초음파 발생 장치 및 초음파 시스템에 대해서 상세하게 설명한다.
레이저 유도 초음파 발생 장치(이하 '초음파 발생 장치'라고 한다.)는 레이저를 이용하여 초음파를 유도하고, 유도된 초음파를 이용하여 환자의 체내 즉 대상체에 종양 등이 생겼는지 여부를 진단하는 장치이다. 상기한 초음파 발생 장치는 레이저로부터 초음파를 유도하는 초음파 변환기를 포함하며, 초음파는 흡수된 광의 에너지가 압력으로 변환되는 원리에 의해 발생된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환기(110)의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 초음파 변환기(110)는 광을 흡수하여 열을 발생시키고 발생된 열을 전달하는 광흡수층(112) 및 상기 광흡수층(112)상에 배치되며, 상기 광흡수층(112)으로부터 전달된 열에 의해 부피가 변하여 초음파를 발생시키는 열탄성층(114)을 포함할 수 있다. 그리고, 초음파 변환기(110)는 상기한 광흡수층(112)과 열탄성층(114)을 지지하는 기판(116)을 더 포함할 수 있다.
본 초음파 변환기(110)에 입사되는 광은 레이저일 수 있다. 상기한 레이저는 펄스 레이저일 수 있으며, 레이저의 펄스 폭은 나노 또는 피코 크기인 것이 바람직하다. 그리고, 유도된 초음파의 크기는 레이저의 펄스 폭이 작을수록 그리고 레이저의 펄스 플루엔스가 클수록 크다.
기판(116)은 광흡수층(112) 중 열탄성층(114)이 배치되는 면과 다른 면에 배치되어 광흡수층(112) 및 열탄성층(114)을 지지한다. 예를 들어, 상기한 기판(116)은 광흡수층(112)의 면 중 열탄성층(114)이 배치되는 면과 마주하는 면에 배치될 수 있다. 상기한 기판(116)은 광이 광흡수층(112)으로 손실없이 입사되도록 광 투과율이 높은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(116)은 투명할 수 있다. 상기한 기판(116)은 석영, 용융 실리카(fused silica), 유리 등으로 형성될 수 있다.
광흡수층(112)은 광 흡수계수가 크고 열전달 특성이 우수한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 광흡수층(112)의 광 흡수계수는 열탄성층(114)의 광 흡수계수보다 클 수 있고, 광흡수층(112)의 반사계수는 열탄성층(114)의 반사계수보다 작을 수 있다. 그리고, 광흡수층(112)은 기계적으로 내구성이 우수한 물질로 형성될 수 있다. 상기한 광흡수층(112)은 그래핀을 포함할 수 있다. 그래핀은 벌집 결정 격자 (honeycomb crystal lattice) 중에 밀집되어 채워진 (densely packed) sp2-결합된 탄소원자의 한-원자-두께 평면 시트(one-atom-thick planar sheets)인 구조를 갖는 탄소의 동소체(allotrope)이다. 그래핀은 구조적, 화학적으로 매우 안정적이며, 광흡수 특성과 광을 열로 변환시키는 효율 및 열전달 특성이 우수한 물질이다. 특히, 광흡수층(112)은 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide)로 형성될 수 있다.
한편, 광의 흡수는 광흡수층(112)의 두께가 얇을수록 감소하고, 열전달은 광흡수층(112)의 두께는 클수록 감소한다. 따라서, 본 광흡수층(112)의 두께는 광의 흡수와 열전달이 잘 되는 적정 범위로 한정될 수 있다. 본 광흡수층(112)의 두께는 약 10nm 내지 100nm일 수 있다.
열탄성층(114)은 광흡수층(112)으로부터 전달된 열로부터 팽창 및 수축이 용이한 물질로 형성될 수 있다.즉, 열탄성층(114)은 열팽창 계수가 큰 물질로 형성될 수 있다. 그리고, 열탄성층(114)은 열팽창과 수축이 용이하게 위해 두께가 얇은 박막 형태일 수 있다. 열탄성층(114)의 두께는 약 수 um일 수 있다. 이러한 열탄성층(114)은 Cr, Ti, Au, Al 등의 금속 물질, CNT(Carbon nanotube) 등의 탄소 계열 물질, 실리콘 등의 반도체 물질, PDMS(polydimethylsiloxane) 등의 폴리머 물질 중 적어도 하나에 의해 형성될 수 있다.
상기한 초음파 변환기(110)는 다음과 같은 원리에 의해 광을 초음파로 변환시킬 수 있다. 광흡수층(112)에 에너지 밀도가 I(x, y, z, t)인 광이 조사되면, 광흡수층(112)은 하기 수학식 1와 같은 열(H)을 발생시킨다.
[수학식 1]
여기서, R은 광흡수층(112)의 상기 광에 대한 반사 계수이며, u는 광흡수층(112)의 상기 광에 대한 흡수 계수, z는 광흡수층(112)의 광의 입사면을 기준으로 수직한 방향의 거리이다.
상기한 열은 열탄성층(114)으로 전달된다. 광흡수층(112)에서 열탄성층(114)으로 열 전달시 손실이 발생할 수 있기 때문에 광흡수층(112)은 열전달율이 높은 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 열전달율이 높은 물질로 그래핀을 포함할 수 있다.
광흡수층(112)으로부터 열을 전달받은 열탄성층(114)은 하기 수학식 2과 같은 온도(T)의 변화가 발생된다. 하기 수학식 2는 손실없이 광흡수층(112)에서 열탄성층(114)으로 열을 전달되었다고 가정한 것이다. 손실이 발생한 경우, 실제 열탄성층(114)에서 발생된 열은 하기 수학식 2보다 작을 것이다.
[수학식 2]
여기서, k는 열탄성층(114)의 열전도도(thermal conductivity), C는 열탄성층(114)내의 열 전파 속도(heat propagation speed),ρ는 열탄성층(114)의 밀도, Cp는 열탄성층(114)의 비열이다.
그리고, 온도 변화로 인해 열탄성층(114)은 수학식 3와 같은 부피(V)의 변화가 발생한다.
[수학식 3]
여기서, 
는 열탄성층(114)의 부피 팽창에 대한 열 계수이다.
그리하여 열탄성층(114)의 부피 변화에 따라 하기 수학식 4의 압력(P)을 갖는 초음파가 발생한다.
[수학식4]
여기서, vs는 초음파의 속도이다.
이와 같이 초음파 변환기(110)는 광을 흡수하는 층과 초음파를 발생시키는 층을 이원화함으로써, 낮은 에너지를 갖는 광을 흡수하더라도 초음파를 발생시킬 수 있다. 즉, 광 흡수계수가 크고 반사 계수가 작은 물질층이 광을 흡수하고, 열에 대한 탄성율이 큰 물질층이 초음파를 발생시킴으로써 초음파 발생 효율을 극대화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀 산화물을 포함하는 초음파 변환기를 제조하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
먼저, 그래핀 산화물을 생성한다(S210). 예를 들어, 흑연과 칼륨 과망간산염을 섞은 후 황산을 추가한다. 그리고, 물과 수소 과산화물을 상기한 혼합된 서스펜션에 연속적으로 추가한다. 서스펜션의 색상이 갈색에서 노란색으로 바뀐 후 서스펜션을 필터링함으로써 그래핀 산화물을 획득할 수 있다.
그리고, 생성된 그래핀 산화물은 스핀 코팅 방법으로 기판상에 코팅할 수 있다(S220). 상기한 기판(116)은 광 투과율이 높은 투명한 기판일 수 있다. 그리고 나서 그래핀 산화물이 코팅된 기판을 어닐링함으로써 그래핀 산화물을 환원시켜 광흡수층을 생성할 수 있다(S230).
그 후 환원된 그래핀 산화물이 코팅된 기판(116)상에 전자빔 증착법 등을 이용하여 열탄성층(114), 예를 들어, 알루미늄 박막을 증착할 수 있다(S240).
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환기의 성능을 실험한 결과를 도시한 도면이다. 광흡수층은 환원된 그래핀 산화물로 형성하였고, 열탄성층(114)을 알루미늄 박막으로 형성하였다. 광흡수층 없이 열탄성층만으로 구성된 초음파 변환기(110)를 제조하고, 20nm, 200nm, 100nm 두께 각각을 갖는 광흡수층에 열탄성층이 증착된 3개의 초음파 변환기를 제조하였다. 그리고, 14mJ/cm2의 에너지 밀도를 갖는 광을 상기한 초음파 변환기(110)에 조사하였다. 그 결과, 도 3에 도시된 바와 같은, 각 초음파 변환기의 시간에 따른 압력 변화를 얻을 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 14mJ/cm2의 에너지 밀도를 갖는 광에서 열탄성층만으로 이루어진 초음파 변환기)는 초음파를 발생시키지 않았다. 그러나, 광흡수층을 포함하는 초음파 변환기는 초음파를 발생시켰다. 또한, 초음파 변환기는 광흡수층의 두께가 클수록 보다 많은 양의 초음파를 발생시킬 수 있지만, 일정 두께를 초과하게 되면 오히려 발생되는 초음파의 양이 줄어듬을 확인할 수 있다. 초음파의 발생시킬 수 있는 최적의 두께를 갖는 광흡수층상에 열탄성층을 증착시킴으로써 보다 용이하게 광으로부터 초음파를 변환시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1에 도시된 레이저 유도 초음파 변환기(110)를 포함하는 초음파 발생 장치(400)를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 초음파 발생 장치(400)는 광을 초음파 변환기(110)에 조사하는 광원(410) 및 광을 초음파로 변환시키는 초음파 변환기(110)를 포함할 수 있다. 광원(410)은 광이 초음파 변환기(110)의 광흡수층(112)에 입사되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 광의 진행경로상에서 광원(410), 광흡수층(112) 및 열탄성층(114)이 순차적으로 배치될 수 있다.
광원(410)은 펄스 레이저를 발생시킬 수 있다. 그리고, 상기한 펄스 레이저의 펄스폭은 나노 사이즈 또는 피코 사이즈일 수 있다. 상기한 광원(410)과 초음파 변환기(110)는 하나의 하우징 내에 마련될 수 있으며, 상기한 초음파 발생 장치(400)는 초음파 프로브일 수 도 있다.
그리고, 초음파 발생 장치(400)는 초음파 변환기(110)에서 발생된 초음파의 음향 임피던스와 대상체의 음향 임피던스를 매칭시키는 매칭부(420)를 더 포함할 수 있다. 매칭부(420)는 초음파 변환기(110)에서 발생되는 초음파의 음향 임피던스를 단계적으로 변경시켜 초음파의 음향 임피던스를 대상체의 음향 임피던스와 가깝게 할 수 있다. 그러므로, 상기한 매칭부(420)는 초음파 변환기(110)의 전면에 배치될 수 있다. 여기서, 초음파 변환기(110)의 전면은 초음파가 대상체로 조사되는 동안 초음파 변환기(110)의 면 중 대상체와 가장 가까운 면을 의미할 수 있으며, 후면은 전면의 반대편 면을 의미할 수 있다. 매칭부(420)는 초음파 변환기(110)의 전면을 따라 길게 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 매칭부(420)는 PMDS(polydimethlysiloxane)로 형성될 수 있다.
이외에도, 초음파 발생 장치(400)는 대상체를 향하는 방향과 다른 방향으로 송신되는 초음파를 흡수하는 흡음부(440) 및 상기 대상체로 진행하는 초음파를 집속시키는 음향 렌즈(430)를 더 포함할 수 도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4에 도시된 초음파 발생 장치(400)를 이용하여 초음파 영상을 생성하는 초음파 시스템(500)을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 초음파 시스템(500)은 초음파 시스템(500)의 전체적인 동작을 제어하는 제어부(510), 사용자 명령을 수신하는 조작부(520), 레이저를 이용하여 초음파를 발생시키는 초음파 발생 장치(400), 대상체로부터 초음파의 에코 신호를 수신하는 수신부(530) 및 초음파를 신호 처리하여 영상을 생성하는 프로세서(540), 생성된 영상을 표시하는 표시부(550)를 포함할 수 있다.
초음파 발생 장치(400) 및 수신부(530)는 하나의 하우징내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 초음파 발생 장치(400) 및 수신부(530)는 초음파 프로브(560)내에 배치될 수 있다.
수신부(530)는 초음파를 전기적 신호로 변환하는 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 트랜스듀서는 진동하면서 초음파를 전기적 신호로 변환시키는 압전형 초음파 트랜스듀서(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer, pMUT), 정전 용량형 초음파 트랜스듀서(capacitive micromachined ultrasonic transducer, cMUT), 자기형 초음파 트랜스듀서(magnetic micromachined ultrasonic transducer, mMUT), 광학형 초음파 검출기(Optical ultrasonic detection) 등으로 구현될 수 있다.
수신부(530)에서 변환된 전기적 신호는 아날로그 신호이다. 그리하여, 프로세서(540)는 수신부(530)에서 제공되는 아날로그 신호를 아날로그 디지털 신호로 변환하여 영상을 생성할 수 있다. 프로세서(540)에서 생성된 영상은 B 모드(brightness mode) 영상, D 모드(doppler mode) 영상, C 모드(colordoppler mode) 영상, 탄성영상, 3차원 영상 등일 수 있다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다. 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.
110 : 초음파 변환기 112 : 광흡수층
114 : 열탄성층 116 : 기판
400 : 초음파 발생 장치 410 : 광원
420 : 매칭부 430 : 음향 렌즈
440 : 흡음부 500 : 초음파 시스템
510 : 제어부 520 : 조작부
530 : 수신부 540 : 프로세서
550 : 표시부
114 : 열탄성층 116 : 기판
400 : 초음파 발생 장치 410 : 광원
420 : 매칭부 430 : 음향 렌즈
440 : 흡음부 500 : 초음파 시스템
510 : 제어부 520 : 조작부
530 : 수신부 540 : 프로세서
550 : 표시부
Claims (20)
- 입사된 광을 흡수하여 열을 발생시키는 광흡수층; 및
상기 광흡수층상에 배치되며, 상기 열에 의해 부피가 변하여 초음파를 발생시키는 열탄성층;을 포함하는 초음파 변환기. - 제 1항에 있어서,
상기 광은 펄스 레이저인 초음파 변환기. - 제 2항에 있어서,
상기 레이저의 펄스 폭은 나노 또는 피코 크기인 초음파 변환기. - 제 1항에 있어서,
상기 광흡수층의 광 흡수계수는 상기 열탄성층의 광흡수계수보다 큰 초음파 변환기. - 제 1항에 있어서,
상기 광흡수층의 광 반사계수는 상기 열탄성층의 광반사계수보다 작은 초음파 변환기. - 제 1항에 있어서,
상기 광흡수층은 그래핀을 포함하는 초음파 변환기. - 제 6항에 있어서,
상기 광흡수층은 환원된 그래핀 산화물인 초음파 변환기. - 제 1항에 있어서,
상기 광흡수층의 두께는
10nm 내지 100nm 인 초음파 변환기. - 제 8항에 있어서,
상기 광흡수층의 두께가 클수록 상기 광흡수계수가 높은 초음파 변환기. - 제 1항에 있어서,
상기 열탄성층은 금속 물질, 반도체 물질, 탄소계열 물질 및 폴리머 물질 중 적어도 하나에 의해 형성된 초음파 변환기. - 제 1항에 있어서,
상기 열탄성층은 박막 형태인 초음파 변환기. - 제 1항에 있어서,
상기 광흡수층 상에 배치되는 기판;을 더 포함하는 초음파 변환기. - 제 12항에 있어서,
상기 기판은 투명한 초음파 변환기. - 제 12항에 있어서,
상기 기판은 상기 광흡수층 중 상기 열탄성층이 배치되는 면과 마주하는 면에 배치되는 초음파 변환기 - 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따른 초음파 변환기; 및
상기 광을 발생시키는 광원;을 포함하는 초음파 발생 장치. - 제 15항에 있어서,
상기 광의 진행 경로상에서 상기 광원, 상기 광흡수층 및 상기 열탄성층이 순차적으로 배치되는 초음파 발생 장치. - 제 15항에 있어서,
상기 초음파의 음파 임피던스와 대상체의 음파 임피던스를 매칭시키는 매칭부;
상기 초음파 중 상기 대상체와 다른 방향으로 진행하는 초음파를 흡수하는 흡음부; 및
상기 대상체로 진행하는 초음파를 집속시키는 음향 렌즈; 중 적어도 하나를 더 포함하는 초음파 발생 장치. - 제 15항에 있어서,
상기 초음파 발생 장치는 초음파 프로브인 초음파 발생 장치. - 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따른 초음파 변환기에서 발생된 초음파의 에코 신호에 대응하는 전기적 신호를 처리하여 영상을 생성하는 프로세서; 및
상기 영상을 표시하는 표시부;를 포함하는 초음파 시스템. - 제 19항에 있어서,
상기 초음파가 조사된 대상체로부터 상기 에코 신호를 수신하는 수신부;를 더 포함하는 초음파 시스템.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120084592A KR101989155B1 (ko) | 2012-08-01 | 2012-08-01 | 초음파 변환기, 이를 포함하는 초음파 발생 장치 및 시스템 |
| US13/955,875 US9459138B2 (en) | 2012-08-01 | 2013-07-31 | Ultrasonic transducer, and ultrasonic wave generating apparatus and ultrasonic system including the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120084592A KR101989155B1 (ko) | 2012-08-01 | 2012-08-01 | 초음파 변환기, 이를 포함하는 초음파 발생 장치 및 시스템 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20140017879A true KR20140017879A (ko) | 2014-02-12 |
| KR101989155B1 KR101989155B1 (ko) | 2019-06-17 |
Family
ID=50024164
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020120084592A KR101989155B1 (ko) | 2012-08-01 | 2012-08-01 | 초음파 변환기, 이를 포함하는 초음파 발생 장치 및 시스템 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9459138B2 (ko) |
| KR (1) | KR101989155B1 (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170099833A (ko) * | 2014-09-02 | 2017-09-01 | 에사오테 에스.피.에이. | 최적 열-조절식 초음파 프로브 |
| CN110933577A (zh) * | 2019-11-18 | 2020-03-27 | 华中科技大学 | 一种负声压光声换能器装置及其制备方法 |
| KR20210019837A (ko) * | 2019-08-13 | 2021-02-23 | 성균관대학교산학협력단 | 높은 레이저 손상 임계점을 갖는 광음향 기반 초음파 발진체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고강도 초음파 발진체 |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106576045B (zh) | 2014-08-13 | 2020-10-20 | 诺基亚技术有限公司 | 物理不可克隆功能 |
| KR102373132B1 (ko) * | 2014-12-26 | 2022-03-11 | 삼성메디슨 주식회사 | 초음파 프로브 장치 및 초음파 촬영 장치 |
| JP2017047185A (ja) * | 2015-09-04 | 2017-03-09 | キヤノン株式会社 | 超音波装置 |
| EP3296028A1 (en) * | 2016-09-15 | 2018-03-21 | Paul Scherrer Institut | Transducer for electromagnetic and thermo-acoustic wave based on three dimensional graphene structure |
| CN107334464B (zh) * | 2016-12-05 | 2020-05-19 | 深圳大学 | 一种基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪 |
| CN108722837A (zh) * | 2018-05-22 | 2018-11-02 | 清华大学 | 一种电容式超声换能器及其制造方法 |
| CN109141493B (zh) * | 2018-09-25 | 2020-08-25 | 中国科学院电工研究所 | 光驱动的超声探头及其超声成像系统 |
| CN109864707B (zh) * | 2019-01-17 | 2021-09-07 | 南京科技职业学院 | 一种在有限视角情况下提高光声断层成像分辨率的方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020037599A1 (en) * | 2000-08-08 | 2002-03-28 | Masahiro Ishida | Semiconductor substrate, method of manufacturing the semiconductor substrate, semiconductor device and pattern forming method |
| WO2009069555A1 (ja) * | 2007-11-29 | 2009-06-04 | Hitachi Medical Corporation | 超音波探触子及びこれを用いた超音波診断装置 |
| US20100033723A1 (en) * | 2008-08-11 | 2010-02-11 | Ut-Battelle, Llc | Photoacoustic microcantilevers |
| KR20110085216A (ko) * | 2010-01-19 | 2011-07-27 | 한양대학교 산학협력단 | 다양한 종류의 나노입자를 함유한 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법 |
Family Cites Families (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4137991A (en) * | 1976-11-23 | 1979-02-06 | International Business Machines Corporation | Clamped acoustic elastic wave generator |
| US4408213A (en) * | 1981-10-30 | 1983-10-04 | Rca Corporation | Reinforced bubble recording medium and information record |
| US4513384A (en) * | 1982-06-18 | 1985-04-23 | Therma-Wave, Inc. | Thin film thickness measurements and depth profiling utilizing a thermal wave detection system |
| GB2311366A (en) * | 1996-03-19 | 1997-09-24 | Univ London | Determining absorption coefficients or modified scattering ceofficients |
| US6266857B1 (en) | 1998-02-17 | 2001-07-31 | Microsound Systems, Inc. | Method of producing a backing structure for an ultrasound transceiver |
| US7286241B2 (en) | 1999-06-24 | 2007-10-23 | Lockheed Martin Corporation | System and method for high-speed laser detection of ultrasound |
| US6784000B2 (en) | 1999-08-26 | 2004-08-31 | Qualitau, Inc. | Method for measurement of electromigration in semiconductor integrated circuits |
| US6466806B1 (en) * | 2000-05-17 | 2002-10-15 | Card Guard Scientific Survival Ltd. | Photoacoustic material analysis |
| US6711954B2 (en) | 2001-01-19 | 2004-03-30 | Lockheed Martin Corporation | Method and apparatus for improving the dynamic range of laser detected ultrasound in attenuative materials |
| EP1599068A4 (en) * | 2003-02-28 | 2009-04-22 | Univ Tokyo Agriculture & Technology Tlo Co Ltd | THERMALLY ENGAGED SOUND GENERATION DEVICE |
| JP2007076069A (ja) | 2005-09-12 | 2007-03-29 | Fujifilm Corp | ディスプレイ用光学シートの製造方法 |
| KR100817615B1 (ko) | 2005-09-20 | 2008-03-31 | 한국원자력연구원 | 물체의 결함을 측정하기 위한 레이저 유도 초음파 검사장치 및 그 구현 방법 |
| KR101148750B1 (ko) | 2006-06-20 | 2012-05-22 | 도시바 미쓰비시덴키 산교시스템 가부시키가이샤 | 조직 재질 측정 장치 및 조직 재질 측정 방법 |
| US7812960B2 (en) | 2007-10-16 | 2010-10-12 | Judd Gardner | Optical ultrasound device |
| US8064488B2 (en) | 2008-05-15 | 2011-11-22 | Lockheed Martin Corporation | Mid-IR laser for generation of ultrasound |
| KR100993989B1 (ko) | 2008-07-29 | 2010-11-12 | 니뽄스틸코포레이션 | 레이저 초음파 측정장치 및 레이저 초음파 측정방법 |
| US8530267B2 (en) * | 2008-10-14 | 2013-09-10 | Kaneka Corporation | Silicon-based thin film solar cell and method for manufacturing same |
| KR101091566B1 (ko) | 2009-04-29 | 2011-12-13 | 한국원자력연구원 | 고반복 극초단 레이저를 이용한 초음파 측정장치 |
| SG2014008874A (en) * | 2011-08-11 | 2014-03-28 | Univ Singapore | Tandem solar cell with graphene interlayer and method of making |
| US9601103B2 (en) * | 2012-10-19 | 2017-03-21 | The Regents Of The University Of Michigan | Methods and devices for generating high-amplitude and high-frequency focused ultrasound with light-absorbing materials |
-
2012
- 2012-08-01 KR KR1020120084592A patent/KR101989155B1/ko active IP Right Grant
-
2013
- 2013-07-31 US US13/955,875 patent/US9459138B2/en active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020037599A1 (en) * | 2000-08-08 | 2002-03-28 | Masahiro Ishida | Semiconductor substrate, method of manufacturing the semiconductor substrate, semiconductor device and pattern forming method |
| WO2009069555A1 (ja) * | 2007-11-29 | 2009-06-04 | Hitachi Medical Corporation | 超音波探触子及びこれを用いた超音波診断装置 |
| US20100033723A1 (en) * | 2008-08-11 | 2010-02-11 | Ut-Battelle, Llc | Photoacoustic microcantilevers |
| KR20110085216A (ko) * | 2010-01-19 | 2011-07-27 | 한양대학교 산학협력단 | 다양한 종류의 나노입자를 함유한 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170099833A (ko) * | 2014-09-02 | 2017-09-01 | 에사오테 에스.피.에이. | 최적 열-조절식 초음파 프로브 |
| KR20210019837A (ko) * | 2019-08-13 | 2021-02-23 | 성균관대학교산학협력단 | 높은 레이저 손상 임계점을 갖는 광음향 기반 초음파 발진체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고강도 초음파 발진체 |
| CN110933577A (zh) * | 2019-11-18 | 2020-03-27 | 华中科技大学 | 一种负声压光声换能器装置及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20140033822A1 (en) | 2014-02-06 |
| KR101989155B1 (ko) | 2019-06-17 |
| US9459138B2 (en) | 2016-10-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101989155B1 (ko) | 초음파 변환기, 이를 포함하는 초음파 발생 장치 및 시스템 | |
| EP2844149B1 (en) | Laser-induced ultrasonic wave apparatus | |
| Huang et al. | A novel laser ultrasound transducer using candle soot carbon nanoparticles | |
| KR102170262B1 (ko) | 초음파 프로브 및 초음파 프로브의 제조방법 | |
| Mizutani et al. | Introduction of measurement techniques in ultrasonic electronics: Basic principles and recent trends | |
| Mizuno et al. | Propagation of two longitudinal waves in a cancellous bone with the closed pore boundary | |
| JP5406374B2 (ja) | 超音波探触子およびそれを用いた超音波診断装置 | |
| Joo et al. | Laser-generated focused ultrasound transmitters with frequency-tuned outputs over sub-10-MHz range | |
| KR20170005526A (ko) | 빔 집속을 위한 초음파 변환자 조립체 및 그의 제조 방법 | |
| Daschewski et al. | Influence of thermodynamic properties of a thermo-acoustic emitter on the efficiency of thermal airborne ultrasound generation | |
| Wang et al. | Microwave-induced thermoacoustic imaging with a multi-cell AlScN piezoelectric micromachined ultrasonic transducer | |
| Wells | Physics of ultrasound | |
| Hayashi | Defect imaging for plate-like structures using diffuse field | |
| Vallet et al. | Enhancement of photoacoustic imaging quality by using CMUT technology: Experimental study | |
| JP2014236840A (ja) | 静電容量型トランスデューサ、及びその作製方法 | |
| EP4005493A1 (en) | Method for obtaining elastic properties of a soft solid, which uses acoustic vortices | |
| US9865246B2 (en) | Laser-induced ultrasound generator and method of manufacturing the same | |
| Zhang et al. | Design of a hexagonal air-coupled capacitive micromachined ultrasonic transducer for air parametric array | |
| Kim et al. | Nanocomposite transducer with a laser ultarsound transmitter and a piezoelectric receiver | |
| CN106768264A (zh) | 基于焦域轴向最大振速的聚焦超声功率测量系统及方法 | |
| JP5876646B2 (ja) | 電気機械変換装置 | |
| Baac et al. | Design of high-intensity focused ultrasound transmitters based on optoacoustic generation | |
| Na | Air-coupled Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers based on Annular Cell Geometry | |
| Massaad et al. | Suppression of Lamb wave excitation via aperture control of a transducer array for ultrasonic clamp-on flow metering | |
| Stafford-Williams et al. | Single Sensor Interventional All-Optical Ultrasound Imaging: Beam Characteristics and Bandwidth Performance |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right |