KR20190007312A - 광 초음파 발진체의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 광 초음파 발진체의 제조 방법은 외부 광을 제공받아 고온의 열에너지를 생성하는 나노입자들을 포함하는 나노입자층을 기판 상에 형성하는 단계; 나노입자층 상에 열경화성(curing) 고분자층을 형성하는 단계; 나노입자층에 외부 광을 조사하여 나노입자들이 생성하는 고온의 열에너지에 의해 열경화성 고분자층의 적어도 일부를 열경화시키는 단계; 및 열경화된 고분자 매트릭스 내에 나노입자들이 배치된 구조의 복합체층을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

광 초음파 발진체의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING OPTOACOUSTIC TRANSMITTER}

본 발명은 광 초음파 발진체의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 제조 신뢰성 및 생산성을 향상시킬 수 있는 광 초음파 발진체의 제조 방법에 관한 것이다.

광 음향 효과를 이용한 초음파 발생 소자는, 크롬(Cr)과 같은 얇은 금속층을 이용하거나 금속미세패턴(금속 나노입자) 또는 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube)를 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane)과 혼합하는 방법에 기반하고 있다. 이 중에서, CNT를 PDMS와 혼합하는 방법이 매우 효율이 좋은 것으로 알려져 있다. 때문에, 광 초음파 발진체를 제작할 때 소자로서 CNT-PDMS 합성물 박막을 주로 이용하고 있다. CNT-PDMS 합성물 박막을 형성하는 방법으로서는, 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition) 방식이나 스핀 코팅(spin-coating) 방법 등이 주로 이용되고 있다. 또한, 광섬유(fiber)를 이용한 광 초음파 발진체 제작에서는 딥-코팅(dip-coating) 방법을 이용하고 있다.

CVD 방식을 이용하여 광 초음파 발진체를 제작하는 경우, 넓은 면적에 적용하기 어렵고, 굴곡을 갖는 렌즈 등에 CNT를 고르게 성장시키기 어렵다는 문제가 있다. 이는 CNT를 성장시킬 때 흘려주는 고온의 기체가, 넓은 면적이나 굴곡이 있는 기판에 일정하게 흘려주기 어렵기 때문이다. 결과적으로는, CVD 방식을 이용하는 경우, 광 초음파 발진체의 제조 수율을 저하시키고, 넓은 면적이나 대구경의 렌즈에 적용하기 어려운 점은 초점 거리가 긴 렌즈를 제작하는데 한계가 있으며, 나아가 이는 집속 초음파를 이용한 다양한 연구 분야의 발전을 저해하는 요소가 되고 있다. 또한, 고온의 기체를 이용하기 때문에 유기물인 고분자 기반의 기판과 같이 고온에 견디지 못하는 기판에는 직접 성장이 불가능하여, 적용할 수 있는 기판의 종류에도 제한이 있다.

스핀-코팅 방법을 이용하여 광 초음파 발진체를 제작하는 경우 또한 대면적 기판이나 렌즈에는 적용하기 어려운 점이 있다. 즉, 코팅해야할 면적이 증가하면 전면적으로 고르게 CNT가 분포할 수 없는 한계가 있으며, 반대로 매우 좁은 면적에도 균일하게 분포된 CNT를 성장시키는데 제약이 있다.

뿐만 아니라, 광섬유에 대해서 광 초음파 발진체를 제작하는 경우에 이용하는 딥-코팅 방법은 광섬유 말단에 코팅되는 PDMS의 양을 조절하기 어렵고, 수 마이크로미터 단위, 그 이하의 아주 얇은 두께로 코팅할 수 없는 단점이 있다.

본 발명의 일 목적은 제조 신뢰성 및 생산성을 향상시킬 수 있는 광 초음파 발진체의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 목적을 위한 광 초음파 발진체의 제조 방법은 외부 광을 제공받아 고온의 열에너지를 생성하는 나노입자들을 포함하는 나노입자층을 기판 상에 형성하는 단계; 상기 나노입자층 상에 열경화성(curing) 고분자층을 형성하는 단계; 상기 나노입자층에 외부 광을 조사하여 상기 나노입자들이 생성하는 고온의 열에너지에 의해 상기 열경화성 고분자층의 적어도 일부를 열경화시키는 단계; 및 열경화된 고분자 매트릭스 내에 나노입자들이 배치된 구조의 복합체층을 형성하는 단계를 포함한다.

상기에서 설명한 본 발명에 따르면, 비용이 많이 들고 복잡한 공정이 아닌 드롭-캐스팅(drop-casting)과 광 열적 경화원리를 이용하여 빠르고 효율이 좋은 광 초음파 발진체를 제작할 수 있다. 레이저 스팟의 크기만큼 부분적으로 광 초음파 발진체를 제작 할 수 있다는 장점을 이용하여 아주 작은 면적이나 반대로 매우 넓은 면적의 기판에도 높은 수율로 제작이 가능하다. 또한, 렌즈 같은 굴곡이 있는 기판에도 렌즈의 크기에 상관없이 광 초음파 발진체를 제작 할 수 있으며 이는 긴 초점거리를 가지는 광 초음파 렌즈를 제작할 수 있음을 보여준다. 뿐만 아니라, 파이버 등에도 아주 얇은 PDMS층을 형성하여 고주파의 초음파를 손실 최소화하여 얻을 수 있다. 열 경화 원리를 이용하여 제작한 광 초음파 발진체는 크롬 대비 20배 강한 초음파를 출력하고 이는 기존의 공정들과 비슷한 수준을 보이지만 기존 공정들에 비해 매우 단순할 뿐 아니라 기판의 종류나 모양, 크기 등에 무관하게 제작할 수 있고 제작 시간도 매우 단축 할 수 있어 그 적용 가능 영역이 매우 넓다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 초음파 발진체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 광 열적 경화원리를 이용하여 PDMS가 경화되는 것을 확인 할 수 있는 SEM 이미지들을 나타낸 도면이다.
도 3은 광 열적 경화 원리 과정 시 입사시켜 주는 레이저의 펄스 수를 변화 시켜주며 제작 한 광 초음파 발진체의 SEM 이미지들을 나타낸 도면이다.
도 4는 광 열적경화 원리를 이용하여 제작한 광 초음파 발진체의 초음파 파형을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 광 열적 경화 과정 시 입사시켜 주는 레이저의 펄스 수를 각기 다르게 하여 제작한 광 초음파 발진체의 초음파 피크 점을 보여주는 그래프를 나타낸 도면이다.
도 6은 광 열적 경화 과정을 통해서 오목 렌즈에 형성된 복합체층에 대해서 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 광 열적 경화 과정을 통해서 광섬유에 형성된 복합체층에 대해서 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 얻어진 광 초음파 발진체의 특성을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 초음파 발진체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광 초음파 발진체(optoacoustic transmitter)의 제조 방법은 외부 광을 제공받아 고온의 열에너지를 생성하는 나노입자들을 포함하는 나노입자층을 기판 상에 형성하는 단계; 상기 나노입자층 상에 열경화성(curing) 고분자층을 형성하는 단계; 상기 나노입자층에 외부 광을 조사하여 상기 나노입자들이 생성하는 고온의 열에너지에 의해 상기 열경화성 고분자층의 적어도 일부를 열경화시키는 단계; 및 열경화된 고분자 매트릭스 내에 나노입자들이 배치된 구조의 복합체층을 형성하는 단계를 포함한다.

구체적으로, 본 발명에서의 나노입자들은 빛을 흡수하여 순간적으로 고온(수백℃)의 열에너지를 생성하는 특성을 갖는다. 나노입자들이 외부 광을 흡수하여 생성한 고온의 열에너지는, 나노입자들에 축적된 상태를 유지하지 않고 빠른 시간 내에 주변으로 대부분(>95%) 전달한다. 나노입자의 예로서는, 탄소나노튜브(CNT)를 들 수 있다. 이때의 CNT는 다중벽(multi-wall) 구조이거나 단일벽(singel-wall) 구조를 모두 포함할 수 있다. 이때, CNT는 소수성 표면 처리가 될 수 있고, 소수성 처리된 CNT를 분산매인 톨루엔과 일정 비율 혼합하여 2시간 정도 초음파 처리를 하여 CNT 용액을 제조할 수 있다. 제조된 CNT 용액을 드롭-캐스팅(drop-casting)하여 톨루엔이 증발되고 나면 얇은 나노입자층이 형성된다. 나노입자층 상에 열경화성 고분자층을 형성한다.

7 ns의 펄스 폭(pulse width)을 갖는 레이저를 CNT에 조사하는 경우, CNT에서 고온의 열에너지가 순간적으로 생성되고, 이를 주변으로 대부분 전달하게 된다. 이러한 나노입자들에서 생성된 고온의 열에너지가 열경화성 고분자층에 전달되도록 하여, 열에너지를 전달받은 열경화성 고분자층이 열경화되면서 팽창한다. 이때, 팽창하면서 초음파를 발생하게 되는데, 이를 "광 초음파"라고 한다. 상기 열경화성 고분자층은 나노입자층 상에 겔(gel) 상태를 갖도록 배치되었다가, 나노입자층에 제공된 외부 광에 의해서 발생되는 열에너지를 전달받으면 적어도 일부가 빠르게 경화된다. 열경화성 고분자층은 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane)일 수 있다.

추가적으로, 미경화된 열경화성 고분자층을 구성하는 고분자는 톨루엔과 같은 유기 용매로 제거되고, 경화된 고분자 매트릭스만이 기판 상에 잔류하게 된다. 잔류하는 경화된 고분자 매트릭스 내에 나노입자들이 배치된 구조의 복합체층이 형성되는 것으로, 기판 상에 상기 복합체층이 배치된 형태의 광 초음파 발진체가 제조되는 것이다.

추가적으로, 복합체층이 형성된 기판에 대해서는 100℃에서 1시간 정도의 열처리를 더 수행할 수 있다.

이러한 제조 방법은, 원하는 곳에 부분적으로 광 초음파 발진체를 제작할 수 있다는 장점이 있고 이 장점을 이용하여 광 초음파 발진체 제작 시 넓이의 제약에서 벗어날 수 있다. 또 렌즈 제작 시에도 크기의 제약에서 벗어날 수 있게 되고 이는 긴 초점거리를 가지는 대구경 렌즈도 높은 수율로 제작할 수 있음을 말해준다. 광섬유 등에 광 초음파 발진체 제작시에도 PDMS의 두께를 아주 얇게 조절 할 수 있다. 보통 100℃에서 1~3시간 걸리는 PDMS 경화를 수분 안(10분 이내)에 빠르게 할 수 있고 광 초음파 발진에 관여하지 않는 불필요한 미경화된 열경화성 고분자는 세정 공정을 통해서 제거될 수 있기 때문에 초음파 감쇄를 최소화 할 수 있다.

이하에서는 구체적인 실시예들을 통해서 본 발명에 대해서 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 광 열적 경화원리를 이용하여 PDMS가 경화되는 것을 확인 할 수 있는 SEM 이미지들을 나타낸 도면이다.

도 2의 (A)는 유리 평판 위에 저 농도의 CNT 솔루션을 떨어뜨린 후(Drop-cast CNTs from 0.4% solution in water) 물이 증발하고 나서 CNT의 분포를 확인한 SEM 이미지로서, 몇 가닥의 CNT가 보이는 것을 확인할 수 있다.

도 2의 (B)는 (A)와 같이 CNT 층을 형성 한 뒤 그 위에 PDMS를 바르고 톨루엔을 이용하여 2분 동안 PDMS를 씻어 낸 경우의 SEM 이미지로서, 경화가 이루어지지 않은 대부분의 PDMS들이 씻겨 없어지고 거의 남아 있지 않은 것을 확인할 수 있다.

도 2의 (C)는, (B)와 같이 PDMS 코팅까지 마친 후에 레이저(12.5 mJ/pulse: ex. LPC performed)를 입사시켜주어 광 열적경화 과정을 거친 후 톨루엔으로 2분동안 PDMS를 씻어낸 경우의 SEM 이미지로서, 광 열적 경화 과정을 거치지 않은 (B)에 비하여 많은 양의 PDMS가 경화 되어 남아 있는 것을 환인 할 수 있다. 이를 통해 레이저를 입사시켜주어 PDMS를 단시간에 경화 시킬 수 있는 것을 확인 할 수 있었다.

도 3은 광 열적 경화 원리 과정 시 입사시켜 주는 레이저의 펄스 수를 변화 시켜주며 제작 한 광 초음파 발진체의 SEM 이미지들을 나타낸 도면이다.

도 3의 (A)는 고 농도의 CNT 솔루션을 유리 평판 위에 떨어뜨린 후 찍은 SEM 이미지로서, CNT 가닥들이 유리 평판 위에 분포되어 남아 있는 것을 볼 수 있다.

도 3의 (B), (C) 및 (D) 각각은 CNT 층 위에 PDMS를 코팅하고 10방, 360방, 1200방씩 레이저의 펄스 수를 각각 차등을 주어 입사 시켜준 후 톨루엔으로 린스 한 후의 SEM 이미지들이다. 이를 통해서, 광 열적 경화 과정에 사용한 레이저의 펄스 수가 증가할수록 PDMS가 많이 경화되어 린스 후에도 많이 남아 있는 것을 확인 할 수 있다.

도 4는 광 열적경화 원리를 이용하여 제작한 광 초음파 발진체의 초음파 파형을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.

도 4의 결과는, 레이저 에너지 1.3 mJ/pulse로 입사시키고 니들 하이드로폰을 이용하여 측정하였고, 니들하이드로폰과 발진체의 거리는 2mm로 하여 떨어뜨렸다. 도 4를 참조하면, 크롬(Cr)을 이용하여 제작한 광 초음파 발진체 보다 본 발명에 따른 광 초음파 발진체의 경우 20배 정도 강한 초음파 파형을 보이는 것을 확인할 수 있다.

도 5는 광 열적 경화 과정 시 입사시켜 주는 레이저의 펄스 수를 각기 다르게 하여 제작한 광 초음파 발진체의 초음파 피크 점을 보여주는 그래프를 나타낸 도면이다.

도 5를 도 3과 함께 참조하면, 레이저의 펄스 수가 증가함에 따라 도 3에서도 확인할 수 있듯이 PDMS가 많이 경화 되어 남아 있게 되고 초음파의 세기가 증가하다가 포화가 됨을 확인 할 수 있었다.

도 6은 광 열적 경화 과정을 통해서 오목 렌즈에 형성된 복합체층에 대해서 설명하기 위한 도면이다.

도 6에서의 사진은 직경이 25 mm인 오목렌즈부터 50 mm인 오목렌즈까지 각각에 대해서 복합체층을 광 열적 경화 과정을 통해서 제조한 결과이고, 그림은 집속 초음파를 측정하는 원리를 나타낸 것이며, 그래프는 직경이 25 mm인 오목렌즈에 대해서 얻어진 초음파 파형을 나타낸 것이다.

도 6을 참조하면, 광 열적 경화 원리를 이용하여 복합체층이 형성된 직경 25 mm의 오목렌즈(곡률 반경 15.57 mm)에 대해서, 6 ns의 펄스 폭을 갖는 레이저 빔을 직경 25 mm로 확대시켜 광초음파 렌즈에 입사시켰으며 초점 영역에서 단일 모드 광섬유기반의 하이드로폰(single mode fiber-optichydrophone)을 이용하여 집속초음파를 측정하였다. 초점 크기는 렌즈의 진행 축에 수직인 평면(xy평면) 상에서 60 ㎛, 평행인 방향(z축)의 경우 108 ㎛로 얻어졌다. 또한 레이저 에너지 2.3 mJ/pulse 수준에서 공동(cavitation) 현상이 발생함을 확인할 수 있었다. 이를 통해서, 매우 간단한 제작 방법을 통해서 기판의 크기나 종류에 제한을 받지 않고 다양한 형태로 제작 가능할 것으로 예상되며, 대면적 광초음파 렌즈를 이용하는 경우 긴 초점거리에서도 높은 공간 정밀도(<100 ㎛)를 달성할 수 있어 초음파 치료 및 파쇄 응용 분야에 폭넓게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

도 7은 광 열적 경화 과정을 통해서 광섬유에 형성된 복합체층에 대해서 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 얻어진 광 초음파 발진체의 특성을 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 소수성 처리된 PDMS와 CNT를 섞은 후 광섬유 단면에 dip-coating한 후 광섬유를 통해 펄스레이저를 입사시켜 경화하였다 (Laser fluence = 333mJ/cm??). 광섬유를 통해 입사시킨 펄스 레이저 빔은 광섬유 단면에 인접한 CNT층에 우선적으로 흡수되어 그 주변부의 PDMS를 경화시키게 되며, 상층부의 불필요한 PDMS는 톨루엔을 이용하여 제거할 수 있었다.

도 8을 참조하면, 바늘형 하이드로폰 (needle hydrophone)을 이용하여 얻어진 출력 초음파 신호의 주파수 특성이며, 중심주파수 27 MHz 및 6-dB 대역 39 MHz를 갖는 고주파수 초음파가 생성됨을 알 수 있다. 본 연구에서는 광열적 경화 원리를 이용한 작은 단면적을 갖는 광섬유 표면에 CNT-PDMS 기반 초음파 발진체를 제작하였으며, 이를 통해 고주파수 초음파의 생성이 가능함을 확인하였다. 향후 Fabry-Perot 간섭계 기반의 초음파 측정기와 결합을 통해 광학 기반 광섬유 초음파 트랜스듀서의 제작이 가능할 것으로 기대된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (1)

1. 외부 광을 제공받아 고온의 열에너지를 생성하는 나노입자들을 포함하는 나노입자층을 기판 상에 형성하는 단계;
   상기 나노입자층 상에 열경화성(curing) 고분자층을 형성하는 단계;
   상기 나노입자층에 외부 광을 조사하여 상기 나노입자들이 생성하는 고온의 열에너지에 의해 상기 열경화성 고분자층의 적어도 일부를 열경화시키는 단계; 및
   열경화된 고분자 매트릭스 내에 나노입자들이 배치된 구조의 복합체층을 형성하는 단계를 포함하는,
   광 초음파 발진체의 제조 방법.

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