KR20160020207A

KR20160020207A - 초음파 트랜스듀서

Info

Publication number: KR20160020207A
Application number: KR1020140105274A
Authority: KR
Inventors: 이승희; 김인영
Original assignee: 지멘스 메디컬 솔루션즈 유에스에이, 인크.
Priority date: 2014-08-13
Filing date: 2014-08-13
Publication date: 2016-02-23

Abstract

본 발명은 높은 열전도도를 갖는 적층형 흑연 복합재료를 포함하는 후면층을 포함하는 초음파 트랜스듀서를 제공한다. 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서는, 압전 소자를 포함하는 압전층; 및 압전층의 일면에 설치되는 후면층을 포함하고, 후면층은 압전층에서 발생하는 음파를 감쇠시키고 압전층에서 발생하는 열을 감소시키는 흑연 복합재료 박막을 복수개 적층시킨 적층형 흑연 복합재료를 포함한다.

Description

초음파 트랜스듀서{ULTRASOUND TRANSDUCER}

본 발명은 초음파 시스템에 관한 것으로, 특히 높은 열전도도를 갖는 후면층을 포함하는 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다.

초음파 시스템은 무침습 및 비파괴 특성을 가지고 있어, 생체 내부의 정보를 얻기 위한 의료 분야에서 널리 이용되고 있다. 초음파 시스템은 생체를 직접 절개하여 관찰하는 외과 수술의 필요 없이, 생체 내부 조직의 고해상도 영상을 실시간으로 제공할 수 있으므로 의료 분야에서 매우 중요하게 사용되고 있다.

초음파 시스템은 생체의 초음파 영상을 얻기 위해 초음파 신호를 생체에 송신하고, 생체로부터 반사되는 초음파 신호(즉, 초음파 에코신호)를 수신하도록 동작하는 초음파 트랜스듀서(ultrasound transducer)를 포함하는 초음파 프로브를 포함한다. 초음파 트랜스듀서는 전기적 신호 및 초음파 신호를 상호 변환하기 위한 압전 소자를 포함하는 압전층(piezoelectric layer)과, 압전층의 전면에 설치되고 압전층과 생체 간의 음향 임피던스를 정합하기 위한 정합층(matching layer)과, 압전층의 후면에 설치되고, 압전층의 여기 직후 압전층의 진동을 억제하여 압전층의 후면으로 전송되는 초음파 신호를 흡수하기 위한 후면층(backing layer)을 포함한다.

전기적 신호가 압전층의 압전 소자에 인가되면, 전기 에너지가 진동 에너지로 변환되어 초음파 신호가 발생한다. 이때, 압전 소자는 인가되는 전기적 신호의 전압에 비례하여 진동 에너지로 인한 열이 발생하게 되고, 발생한 열로 인해 초음파 트랜스듀서의 온도가 상승하게 된다. 특히, 의료용 초음파 트랜스듀서의 경우에는 구동시에 초음파 트랜스듀서의 온도를 낮출 필요가 있다.

본 발명은 초음파 트랜스듀서의 구동시에 발생하는 열을 감소시키기 위해, 높은 열전도도를 갖는 적층형 흑연 복합재료를 갖는 후면층을 포함하는 초음파 트랜스듀서를 제공한다.

본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서는, 압전 소자를 포함하는 압전층; 및 상기 압전층의 일면에 설치되는 후면층을 포함하고, 상기 후면층은, 상기 압전층에서 발생하는 음파를 감쇠시키고 상기 압전층에서 발생하는 열을 감소시키는 흑연 복합재료 박막을 복수개 적층시킨 적층형 흑연 복합재료를 포함한다.

본 발명은 초음파 트랜스듀서의 후면층을 높은 열전도도를 갖는 적층형 흑연 복합재료로 형성함으로써, 초음파 트랜스듀서의 구동시에 발생하는 열을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 초음파 트랜스듀서의 후면층을 적층형 흑연 복합재료로 형성함으로써, 초음파 트랜스듀서의 가공성이 좋을 뿐만 아니라, 초음파 트랜스듀서의 제조 비용을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 초음파 트랜스듀서의 후면층을 적층형 흑연 복합재료로 형성함으로써, 음파(초음파)의 감쇠를 높일 수 있을 뿐만 아니라 후면층의 두께를 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 초음파 트랜스듀서의 후면층을 적층형 흑연 복합재료로 형성함으로써, 적층형 흑연복합재료에 홀 가공 등이 용이하여 열 방출 통로 역할을 하는 서멀 라이너(thermal liner)와 용이하게 결합시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 시스템의 구성을 개략적으로 보이는 블록도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 구성을 개략적으로 보이는 단면도.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 구성을 개략적으로 보이는 단면도.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 구성을 개략적으로 보이는 단면도.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 구성을 개략적으로 보이는 단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 시스템의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 초음파 시스템(100)은 초음파 프로브(110)를 포함한다.

초음파 프로브(110)는 전기적 신호와 초음파 신호를 상호 변환하도록 동작하는 초음파 트랜스듀서(ultrasound transducer)(112)를 포함한다. 초음파 트랜스듀서(112)는 전기적 신호를 초음파 신호로 변환하고, 변환된 초음파 신호를 생체(도시하지 않음)에 송신한다. 또한, 초음파 트랜스듀서(112)는 생체로부터 반사되는 초음파 신호(즉, 초음파 에코신호)를 수신하고, 수신된 초음파 에코신호를 전기적 신호로 변환한다.

초음파 시스템(100)은 신호 처리부(120)를 더 포함한다. 신호 처리부(120)는 초음파 신호의 송신을 제어한다. 또한, 신호 처리부(120)는 초음파 영상을 얻기 위한 전기적 신호를 형성하고, 형성된 전기적 신호를 초음파 프로브(110)로 전송한다. 또한, 신호 처리부(120)는 초음파 프로브(110)로부터 전송되는 전기적 신호에 신호 처리를 수행하여 생체에 대한 초음파 영상을 형성한다.

초음파 시스템(100)은 컨트롤 패널(130)을 더 포함한다. 컨트롤 패널(130)은 사용자로부터 입력 정보를 수신하고, 수신된 입력 정보를 신호 처리부(120)로 전송한다. 컨트롤 패널(130)은 진단 모드의 선택, 진단 동작의 제어, 진단에 필요한 명령의 입력, 신호 조작, 출력 제어 등의 조작을 실행하기 위한 각종 입력장치가 설치되어 작업자와 장치 사이의 인터페이스를 가능하게 하는 구성요소로서, 예를 들어, 트랙볼, 키보드, 버튼 등의 입력부가 설치된다.

초음파 시스템(100)은 표시부(140)를 더 포함한다. 표시부(140)는 신호 처리부(120)에서 형성된 초음파 영상을 디스플레이한다. 또한, 표시부(140)는 컨트롤 패널(130)을 통해 입력되는 입력 정보를 디스플레이할 수도 있다.

이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(112)에 대해 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(112)의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 초음파 트랜스듀서(112)는 압전층(piezoelectric layer)(210)을 포함한다.

압전층(210)은 전기적 신호 및 초음파 신호를 상호 변환하기 위한 압전 소자를 포함한다. 압전 소자에 전기적 신호(전압)가 인가되면, 전기적 신호에 해당하는 전기 에너지가 진동 에너지로 변환되어 초음파 신호가 발생한다. 또한, 압전 소자에 초음파 에코신호(기계적 압력)가 인가되면, 초음파 에코신호에 해당하는 진동 에너지가 전기 에너지로 변환되어 전기적 신호(전압)가 발생한다.

일실시예에 있어서, 압전층(210)의 압전 소자는 지르콘산티탄신연(PZT)의 세라믹, 마그네슘니오브산연 및 티탄산연의 고용체로 이루어지는 PZMT 단결정, 아연니오브산연 및 티탄산연의 고용체로 이루어지는 PZNT 단결정 등을 포함하는 재료로 이루어질 수 있다.

일실시예에 있어서, 압전층(210)은 단층 구조 또는 다층의 적층 구조를 가질 수 있다. 압전층(210)이 다층의 적층 구조를 갖는 경우, 임피던스와 전압을 보다 용이하게 조절할 수 있어, 감도, 에너지 변환 효율 등을 높일 수 있다.

일실시예에 있어서, 압전층(210)의 압전 소자는 1/2 파장 진동모드의 압전 소자를 포함할 수 있다.

초음파 트랜스듀서(112)는 정합층(matching layer)(220)을 더 포함한다. 정합층(220)은 압전층(210)의 일면에 설치된다. 일실시예에 있어서, 정합층(220)은 압전층(210)의 전면에 설치된다. 여기서, 압전층(210)의 전면은 도 2에 도시된 바와 같이, 압전층(210)을 기준으로 초음파 신호가 생체로 송신되는 방향(+y 방향)에 해당하는 면을 의미한다. 정합층(220)은 압전층(210)에서 생성된 초음파 신호가 효율적으로 생체에 전달되기 위해, 압전층(210)과 생체 간의 음향 임피던스 차이를 감소시켜, 압전층(210)과 생체 간의 음향 임피던스를 정합시킨다.

일실시예에 있어서, 정합층(220)은 유리 또는 수지 재료로 이루어질 수 있다. 일실시예에 있어서, 정합층(220)은 다층의 적층 구조를 가질 수 있다. 일실시예에 있어서, 정합층(220)이 다층의 적층 구조를 가질 경우, 각 정합층(220)은 서로 다른 재료로 이루어질 수 있다.

초음파 트랜스듀서(112)는 후면층(backing layer)(230)을 더 포함한다. 후면층(230)은 압전층(210)의 일면에 설치된다. 일실시예에 있어서, 후면층(230)은 압전층(210)의 후면에 설치된다. 여기서, 압전층(210)의 후면은 도 2에 도시된 바와 같이, 압전층(210)을 기준으로 초음파 신호가 생체로 송신되는 방향(+y 방향)과 반대되는 방향(-y 방향)에 해당하는 면을 의미한다. 후면층(230)은 압전층(210)의 여기 직후 압전층의 진동을 억제하여 압전층의 후면으로 전달되는 초음파 신호를 흡수하여, 초음파 영상의 왜곡이 발생하는 것을 방지한다. 또한, 후면층(230)은 압전층(210)에서 발생하는 열을 감소시켜, 초음파 트랜스듀서(112)의 온도가 상승하는 것을 방지한다.

일실시예에 있어서, 후면층(230)은 압전층(210)에서 발생한 열을 감소시키기 위해, 높은 열전도도를 갖는 흑연 복합재료로 형성될 수 있다. 흑연 복합재료는 열전도도를 크게 하기 위해 흑연을 모재로 하는 구조를 갖는다.

일실시예에 있어서, 후면층(230)은 압전층(210)에서 발생한 열을 감소시키고, 압전층(210)의 압전 소자와의 음향 임피던스를 정합시키며, 압전층(210)의 압전 소자로부터 후면층(230)으로 전달되는 초음파 신호를 흡수 및 산란하기 위해, 적층형 흑연 복합재료로 형성될 수 있다. 적층형 흑연 복합재료는 흑연이 모재이면서 내부 결합을 다량 함유하고 있어 초음파 신호의 전달이 용이하지 않는 형태의 적층 구조(laminated structure), 즉 흑연 복합재료 박막을 복수개 적층시킨 적층 구조를 갖는다.

일실시예에 있어서, 후면층(230)은 흑연복합재료의 내부 조직에 따라 다양한 감쇠계수를 갖는다. 일반적으로, 종래의 후면층은 1~2dB/mm at 1MHz 정도의 감쇠계수를 갖는다. 이에 반하여, 본 실시예에 따른 후면층(230)은 적어도 5dB/mm at 1MHz 이상의 매우 큰 감쇠계수를 가질 수 있다.

일실시예에 있어서, 후면층(230)은 감쇠계수에 따라 그 두께를 감소시킬 수 있다. 일반적으로, 후면층은 압전층의 압전 소자에서 발생한 관심주파수의 초음파가 후면층을 통과하여 후면층의 최외각 중 최단의 루트에서 반사되어 압전층까지 돌아왔을 때 초음파의 감쇠가 60dB 내지 120dB 정도의 감쇠가 일어나야 하는 두께를 가져야 한다. 이와 같이, 후면층의 재료가 감쇠계수가 큰 재료일수록 그 두께를 작게 설계할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 후면층(230)은 그 두께를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 열전도도를 높일 수 있다.

일실시예에 있어서, 압전층(210)의 압전 소자가 1/2 파장 진동모드의 압전 소자를 포함하는 경우, 후면층(230)은 음파(즉, 초음파)의 감쇠가 큰 재료를 적용할 수 있다.

초음파 트랜스듀서(112)는 음향 렌즈(acoustic lens)(240)를 더 포함한다. 음향 렌즈(240)는 초음파 신호를 집속시키기 위해 초음파 신호의 방사 방향(즉, 초음파 신호가 생체로 송신되는 방향)으로 볼록한 형태를 가질 수 있다. 한편, 음향 렌즈(240)는 음향 렌즈(240)의 음속이 생체의 음속보다 느린 경우 오목한 형태를 가질 수 있다.

전술한 실시예에서는 초음파 트랜스듀서(112)가 음향 렌즈(240)를 포함하는 것으로 설명하였지만, 다른 실시예에서는 초음파 트랜스듀서(112)가 음향 윈도우(acoustic window)를 포함할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(112)의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 본 실시예에서는 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대해 동일한 도면부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

도 3을 참조하면, 초음파 트랜스듀서(112)는 압전층(310)을 포함한다. 본 실시예에 있어서, 압전층(310)은 압전 소자(312)와 강성재료 기판(314)을 결합시킨 구조를 갖는다. 일실시예에 있어서, 압전 소자(312)는 1/4 파장 진동모드의 압전 소자를 포함할 수 있다. 일실시예에 있어서, 강성재료 기판(314)은 텅스텐 카바이드(WC), 텅스텐중합금(WNiFe), 몰리브덴(Mo), 탄소강 등으로 이루어질 수 있다.

초음파 트랜스듀서(112)는 후면층(330)을 더 포함한다. 후면층(330)은 압전층(310)(강성재료 기판(314))의 후면에 설치된다. 후면층(330)은 압전층(310)의 여기 직후 압전층의 진동을 억제하여 압전층의 후면으로 전달되는 초음파 신호를 흡수하여, 초음파 영상의 왜곡이 발생하는 것을 방지하며, 압전층(310)에서 발생하는 열을 감소시켜, 초음파 트랜스듀서(112)의 온도가 상승하는 것을 방지한다.

일실시예에 있어서, 후면층(330)은 압전층(310)에서 발생한 열을 감소시키기 위해, 높은 열전도도를 갖는 흑연 복합재료로 형성될 수 있다. 여기서, 흑연 복합재료는 열전도도를 크게 하기 위해 흑연을 모재로 하는 구조를 갖는다.

일실시예에 있어서, 후면층(330)은 압전층(310)에서 발생한 열을 감소시키기 위해, 높은 열전도도를 갖는 흑연 복합재료로 형성될 수 있다. 흑연 복합재료는 열전도도를 크게 하기 위해 흑연을 모재로 하는 구조를 갖는다.

일실시예에 있어서, 후면층(330)은 압전층(310)에서 발생한 열을 감소시키고, 압전층(310)의 압전 소자와의 음향 임피던스를 정합시키며, 압전층(310)의 압전 소자로부터 후면층(330)으로 전달되는 초음파 신호를 흡수 및 산란하기 위해, 적층형 흑연 복합재료로 형성될 수 있다. 적층형 흑연 복합재료는 흑연이 모재이면서 내부 결합을 다량 함유하고 있어 초음파 신호의 전달이 용이하지 않는 형태의 적층 구조, 즉 흑연 복합재료 박막을 복수개 적층시킨 적층 구조를 갖는다.

일실시예에 있어서, 압전 소자가 제1 파장 진동모드의 압전 소자를 포함하는 경우의 후면층은, 압전 소자가 제1 파장보다 긴 제2 파장 진동모드의 압전 소자를 포함하는 경우의 후면층보다 음파의 감쇠가 작은 재료를 적용할 수 있다. 예를 들면, 압전 소자(312)가 1/4 파장 진동모드의 압전 소자를 포함하는 경우의 후면층(330)은 제1 실시예에 있어서의 압전 소자가 1/2 파장 진동모드의 압전 소자를 포함하는 경우의 후면층보다 상대적으로 음파(즉, 초음파)의 감쇠가 적은 재료를 적용할 수 있다. 예를 들면, 압전 소자(312)가 1/4 파장 진동모드의 압전 소자를 포함하는 경우의 후면층(330)은 재료조직이 균일한 흑연복합재료를 적용하고, 압전 소자(312)가 1/2 파장 진동모드의 압전 소자를 포함하는 경우의 후면층은 흑연내부에 결함이 많거나 복수의 흑연복합재료 박막으로 이루어진 흑연복합재료를 적용함으로써, 압전 소자(312)가 1/4 파장 진동모드의 압전 소자를 포함하는 경우의 후면층(330)은 압전 소자(312)가 1/2 파장 진동모드의 압전 소자를 포함하는 경우의 후면층보다 상대적으로 감쇠가 적은 흑연복합재료를 적용할 수 있다. 이와 같이, 압전 소자(312)가 1/4 파장 진동모드의 압전 소자를 포함하는 경우의 후면층(330)에 감쇠가 적은 흑연복합재료를 적용함으로써, 후면층(330)의 재료 단가를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 결합이 적어 기계 가공성을 더 높일 수 있다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(112)의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 본 실시예에서는 제1 실시예 또는 제2 실시예와 동일한 구성요소에 대해 동일한 도면부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

도 4를 참조하면, 초음파 트랜스듀서(112)는 음향 임피던스(acoustic impedance) 완충층(450)을 더 포함한다. 음향 임피던스 완충층(450)은 압전층(210, 310)과 후면층(230, 330) 사이에 설치되고, 압전층(210, 310)과 후면층(230, 330) 간의 음향 임피던스 부정합을 완충시킨다.

일실시예에 있어서, 음향 임피던스 완충층(450)은 초음파 트랜스듀서(112)에서 송신되는 초음파 파장의 1/4 파장의 두께를 갖는다. 이와 같이, 음향 임피던스 완충층(450)의 두께는 수백 ㎛로 매우 얇기 때문에, 압전층(210, 310)에서 발생한 열이 후면층(230. 330)으로 전달되는데 방해를 주지 않는다.

도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(112)의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 본 실시예에서는 제1 실시예 또는 제2 실시예와 동일한 구성요소에 대해 동일한 도면부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

도 5를 참조하면, 초음파 트랜스듀서(112)는 열전도층(550)를 더 포함한다. 열전도층(550)은 후면층(230. 330)의 후면에 설치된다. 열전도층(550)은 후면층(230, 330)과 더불어, 압전층(210, 310)에서 발생한 열을 감소시키기 위해, 높은 열전도도를 갖는 재료로 형성될 수 있다.

일실시예에 있어서, 열전도층(550)은 높은 열전도도를 갖는 금속 재료 또는 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 이와 같이, 후면층(230, 330)의 후면에 열전도층(550)을 설치함으로써, 후면층(230, 330)에 대한 재료 원가절감에 기여할 수 있다. 또한, 흑연 복합재료의 감쇠계수(attenuation coefficient)가 충분히 크므로, 후면층(230, 330)의 후면에 열전도층(550)을 설치하여도 동일한 음향 특성을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 열 방출 효과도 제1 실시예 또는 제2 실시예에서의 효과와 동일한 효과를 가질 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예를 통해 설명되고 예시되었으나, 당업자라면 첨부한 청구 범위의 사항 및 범주를 벗어나지 않고 여러 가지 변형 및 변경이 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다.

100: 초음파 시스템 110: 초음파 프로브
112: 초음파 트랜스듀서 120: 신호 처리부
130: 컨트롤 패널 140: 표시부
210, 310: 압전층 220: 정합층
230, 330: 후면층 240: 음향 렌즈
312: 압전 소자 314: 강성재료 기판
450: 음향 임피던스 완충층 550: 열전도층

Claims

초음파 트랜스듀서로서,
압전 소자를 포함하는 압전층; 및
상기 압전층의 일면에 설치되는 후면층
을 포함하고,
상기 후면층은, 상기 압전층에서 발생하는 음파를 감쇠시키고 상기 압전층에서 발생하는 열을 감소시키는 흑연 복합재료 박막을 복수개 적층시킨 적층형 흑연 복합재료를 포함하는 초음파 트랜스듀서.
제1항에 있어서,
상기 압전층과 상기 후면층 사이에 설치되고, 상기 압전층과 상기 후면층 간의 음향 임피던스 부정합을 완충시키도록 동작하는 음향 임피던스 완충층
을 더 포함하는 초음파 트랜스듀서.
제2항에 있어서, 상기 음향 임피던스 완충층은 상기 초음파 트랜스듀서에서 송신되는 초음파 파장의 1/4 파장의 두께를 갖는 초음파 트랜스듀서.
제1항에 있어서,
상기 후면층의 일면에 설치되고, 상기 압전층에서 발생하는 열을 감소시키기 위한 열전도층
을 더 포함하는 초음파 트랜스듀서.
제4항에 있어서, 상기 열전도층은 금속 재료 또는 세라믹 재료를 포함하는 초음파 트랜스듀서.
제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전 소자가 1/4 파장 진동모드의 압전 소자를 포함하고, 상기 후면층의 상기 흑연 복합재료는 균일한 재료 구조를 갖는 초음파 트랜스듀서.