KR20200065199A

KR20200065199A - 압전소자 유닛의 설계방법, 이를 이용하여 제조되는 압전소자 유닛을 포함하는 초음파소자, 초음파소자의 제조방법 및 초음파소자를 포함하는 음압 집속장치

Info

Publication number: KR20200065199A
Application number: KR1020180151316A
Authority: KR
Inventors: 허신; 송경준; 윤길호; 최형규
Original assignee: 한국기계연구원; 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2020-06-09
Also published as: WO2020111548A1; KR102183238B1; US20220013711A1

Abstract

본 발명의 일실시예는 음압의 집속강도를 높이고, 정밀한 음향집속이 가능한 압전소자 유닛의 설계방법, 이를 이용하여 제조되는 압전소자 유닛을 포함하는 초음파소자, 초음파소자의 제조방법 및 초음파소자를 포함하는 음압 집속장치를 제공한다. 여기서, 압전소자 유닛의 설계방법은 최대 음압(Acoustic Pressure)이 집속될 타깃위치 및 타깃위치까지의 타깃거리를 선정하고, 압전소자 모재의 기본정보를 입력하고, 압전소자 모재의 높이 방향 단면을 복수의 그리드로 구획하여 복수의 그리드를 단위 그리드 그룹으로 그룹핑하고, 타깃위치에 최대 음압이 집속되게 하기 위해, 각각의 단위 그리드 그룹에서 출력해야 하는 출력 음압의 크기를 계산하고, 단위 그리드 그룹 중에서, 기준 음압의 범위에 속하는 출력 음압을 출력하는 단위 그리드 그룹을 판별하고, 판별된 단위 그리드 그룹 각각에 해당하는 위치 및 폭을 포함하는 패턴형상정보를 기초로 동심을 가지는 복수의 링 패턴을 결정한다.

Description

압전소자 유닛의 설계방법, 이를 이용하여 제조되는 압전소자 유닛을 포함하는 초음파소자, 초음파소자의 제조방법 및 초음파소자를 포함하는 음압 집속장치{METHOD OF DESIGNING PIEZOELECTRIC ELEMENT UNIT, ULTRASONIC ELEMENT INCLUDING PIEZOELECTRIC ELEMENT UNIT MANUFACTURED USING THE SAME, METHOD OF MANUFACTURING ULTRASONIC ELEMENT, AND ACOUSTIC PRESSURE FOCUSING APPARATUS INCLUDING ULTRASONIC ELEMENT}

본 발명은 압전소자 유닛의 설계방법, 이를 이용하여 제조되는 압전소자 유닛을 포함하는 초음파소자, 초음파소자의 제조방법 및 초음파소자를 포함하는 음압 집속장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음압의 집속강도를 높이고, 정밀한 음향집속이 가능한 압전소자 유닛의 설계방법, 이를 이용하여 제조되는 압전소자 유닛을 포함하는 초음파소자, 초음파소자의 제조방법 및 초음파소자를 포함하는 음압 집속장치에 관한 것이다.

현재 암의 약물치료 또는 방사선 치료는 선택적인 치료가 어렵기 때문에 일반세포에 영향을 주고 부작용이 발생할 수 있으므로, 새로운 선택적 암 치료법으로 고강도집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound: HIFU)의 중요성이 증가하고 있고, 고강도집속 초음파를 이용한 치료는 광범위하게 수행되고 있다.

일반적으로, 고강도집속 초음파 변환기는 단일 소자형 변환기와 어레이형 변환기로 나누어진다.

단일 소자형 변환기는 장치구조에 의해 결정된 고정 초점에 열을 전달하는 방식이고, 어레이형 변환기는 초점을 가변적으로 형성할 수 있기 때문에, 대부분의 임상적 종양치료용 고강도집속 초음파 장치에는 어레이형 변환기가 사용되고 있다.

또한, 통상적으로 고강도집속 초음파소자는 오목형상의 다채널 어레이 구조가 많이 사용되고 있다. 고강도집속 초음파소자는 초음파의 강도를 증가시켜 타깃영역에 음압(Acoustic Pressure)을 집속시켜 타깃영역의 온도가 60℃~90℃ 상태가 되도록 하여 종양조직을 제거하게 된다.

도 1은 종래의 초음파소자에서 발생하는 음압의 형태를 나타낸 예시도이다.

먼저, 도 1의 (a)에서 보는 바와 같이, 종래의 초음파소자(10)는 곡면형으로 형성되며, 타깃위치(PT)로 집속되도록 음압을 발생하게 된다. 따라서, 종래의 초음파소자(10)는 음압이 집중되는 타깃위치(PT)의 거리에 따라서 크기가 커지도록 조절되어야 하는 문제점이 있다.

또한, 실제 시술시에는 곡면에 많은 불필요한 임피던스 매칭층을 채워야하고 초음파소자(10)의 크기 증가로 인해 시술 시에 체내 삽입 시에 공간을 많이 차지할 뿐만 아니라, 삽입이 불편한 문제점을 야기한다.

또한, 이상적인 형태의 음압은 설치위치(P1)에서 타깃위치(PT) 부근까지는 작은 크기를 가지다가, 타깃위치(PT)에서 최대크기가 되는 것이다. 그러나, 실제로 종래의 초음파소자(10)에서 발생하는 음압은 이러한 형태를 가지지 못하는 문제점이 있다.

즉, 도 1의 (b)에서 보는 바와 같이, 초음파소자에서 발생하는 음압은 타깃위치(PT)에서 최대 음압이 되긴 하지만, 초음파소자의 설치위치에서 타깃위치(PT) 사이의 영역에서도 음압의 집중이 발생하는 문제점이 있다. 이와 같이 타깃위치 이외의 부분에서 나타나는 음압 집중은 다른 생체세포에 화상을 발생시켜 회복기간이 필요한 등의 부작용을 초래할 수 있다.

대한민국 등록특허공보 제1195671호(2012.10.30. 공개)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 음압의 집속강도를 높이고, 정밀한 음향집속이 가능한 압전소자 유닛의 설계방법, 이를 이용하여 제조되는 압전소자 유닛을 포함하는 초음파소자, 초음파소자의 제조방법 및 초음파소자를 포함하는 음압 집속장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 동심을 가지는 복수의 링 패턴부를 가지는 압전소자 유닛의 설계방법으로서, 최대 음압(Acoustic Pressure)이 집속될 타깃위치 및 상기 타깃위치까지의 타깃거리를 선정하는 선정단계; 원판 형상의 압전소자 모재의 기본정보를 입력하는 입력단계; 상기 압전소자 모재의 높이 방향 단면을 상기 압전소자 모재의 높이방향 및 반경방향으로 마련되는 복수의 그리드로 구획하고, 상기 압전소자 모재의 높이방향으로 마련되는 복수의 그리드를 단위 그리드 그룹으로 그룹핑하는 그룹핑단계; 상기 타깃위치에 상기 최대 음압이 집속되게 하기 위해, 각각의 상기 단위 그리드 그룹에서 출력해야 하는 출력 음압의 크기를 계산하는 계산단계; 상기 단위 그리드 그룹 중에서, 상기 최대 음압, 상기 타깃위치 및 상기 타깃거리를 기초로 설정되는 기준 음압의 범위에 속하는 상기 출력 음압을 출력하는 단위 그리드 그룹을 판별하는 판별단계; 그리고 상기 압전소자 모재에서, 판별된 상기 단위 그리드 그룹 각각에 해당하는 위치 및 폭을 포함하는 패턴형상정보를 기초로, 동심을 가지는 복수의 링 패턴을 결정하는 패턴결정단계를 포함하는 압전소자 유닛의 설계방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 선정단계에서 상기 타깃위치가 복수개가 선정되면, 압전소자 유닛은 상기 타깃위치 각각에 요구되는 최대 음압이 집속되도록 음압을 출력할 수 있다.

한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 압전소자 유닛의 설계방법을 이용하여 제조되어 동심을 가지는 상기 복수의 링 패턴부를 가지는 압전소자 유닛; 상기 압전소자 유닛의 하부에 마련되는 하부전극; 그리고 상기 압전소자 유닛의 상부에 마련되는 상부전극을 포함하는 초음파소자를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 압전소자 유닛은 반경방향으로 형성되어 상기 복수의 링 패턴부를 연결하는 연결패턴부를 더 가지고, 상기 상부전극은 상기 링 패턴부의 상부에 마련되어 서로 이격되는 상부링전극과, 상기 연결패턴부의 상부에 마련되어 상기 상부링전극을 서로 연결하는 상부연결전극을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 압전소자 유닛은 상기 복수의 링 패턴부의 하부에 일체로 형성되는 베이스를 가지고, 상기 하부전극은 상기 베이스의 하부에 전체적으로 마련될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 압전소자 유닛은 반경방향으로 형성되어 상기 복수의 링 패턴부를 연결하는 연결패턴부를 더 가지고, 상기 복수의 링 패턴부는 상기 연결패턴부를 제외한 모든 부분이 서로 연결되지 않도록 분리 형성되며, 상기 하부전극은 상기 링 패턴부의 하부에 마련되어 서로 이격되는 하부링전극과, 상기 연결패턴부의 하부에 마련되어 상기 하부링전극을 서로 연결하는 하부연결전극을 가질 수 있다.

한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 원판 형상의 하부전극을 마련하는 하부전극 마련단계; 상기 하부전극의 상부에 전체적으로 압전소자 모재를 마련하는 압전소자 모재 마련단계; 상기 압전소자 모재의 상부에 전체적으로 상부전극을 마련하는 상부전극 마련단계; 그리고 제1항 또는 제2항에 기재된 압전소자 유닛의 설계방법의 상기 패턴형상정보를 기초로 상기 링 패턴을 가지는 복수의 링 패턴부가 형성되도록, 상기 상부전극 및 상기 압전소자 모재를 동시에 레이저 가공하는 가공단계를 포함하는 초음파소자의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 가공단계에서, 상기 레이저는 상기 상부전극의 상측에서 상기 상부전극을 관통하고 상기 압전소자 모재의 하단부를 관통하지 않도록 조사되어 상기 압전소자 모재의 하단부가 서로 연결되도록 가공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 가공단계에서, 상기 레이저는 상기 상부전극의 상측에서 상기 상부전극, 상기 압전소자 모재 및 상기 하부전극의 적어도 일부를 관통하도록 조사되어 상기 상부전극, 상기 링 패턴부 및 상기 하부전극의 적어도 일부가 각각 서로 분리되도록 가공할 수 있다.

한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 상기 초음파소자; 상기 초음파소자의 후방에 구비되고 상기 초음파소자에 의해 발생하는 초음파를 흡수하는 흡수부; 상기 초음파소자 및 상기 흡수부의 외주면을 감싸도록 구비되는 내부하우징; 그리고 상기 내부하우징을 내측에 수용하고, 상기 초음파소자의 전방이 외부로 노출되도록 하는 외부하우징을 포함하는 음압 집속장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 외부하우징 및 상기 초음파소자의 상부를 덮는 방수코팅층을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 방수코팅층은 상기 초음파소자에 형성되는 틈새에 더 채워질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 상부전극의 상부와 상기 방수코팅층의 사이, 그리고 상기 초음파소자에 형성되는 틈새 중 어느 한 곳 이상에 마련되는 임피던스 매칭부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 압전소자 유닛은 타깃위치에만 목표 음압이 집속되도록 할 수 있다. 따라서, 타깃위치 이외의 불필요한 부분에서 나타나는 음압 집중 문제를 최소화할 수 있으며, 초음파 치료 시 발생될 수 있는 화상 등의 문제를 방지할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 종래의 초음파소자에서 발생하는 음압의 형태를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 음압 집속장치를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 음압 집속장치를 나타낸 분해도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 음압 집속장치의 초음파소자를 나타낸 예시도이다.
도 5는 도 4의 A-A선 단면예시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자 유닛의 설계방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자 유닛의 설계공정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파소자의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파소자의 제조공정을 설명하기 위한 예시도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 음압 집속장치를 나타낸 예시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 음압 집속장치를 나타낸 분해도이다.

도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이, 음압 집속장치는 초음파소자(100), 흡수부(200), 내부하우징(300) 그리고 외부하우징(350)을 포함할 수 있다.

이하에서는 설명의 편의상, 초음파소자(100)에서 발생하는 초음파의 진행방향을 기준으로 앞단/앞단부/전방, 후단/후단부/후방으로 설명한다. 즉, 초음파가 제1지점에서 제2지점으로 진행되는 경우, 제1지점을 후방으로, 제2지점을 전방으로 하여 설명한다.

초음파소자(100)는 압전소자 유닛을 포함할 수 있다. 초음파소자(100)에 대해서는 후술한다.

그리고, 흡수부(200)는 초음파소자(100)의 후방에 구비될 수 있다. 흡수부(200)는 초음파소자(100)에 의해 발생하는 초음파를 흡수하여 초음파의 반사파가 전방으로 진행하는 것을 차단할 수 있다.

흡수부(200)는 불필요한 신호의 간섭을 피하기 위해 흡수부(200)에 전달되는 초음파를 산란 또는 흡수하여 반사파를 제거할 수 있다.

내부하우징(300)은 초음파소자(100) 및 흡수부(200)의 외주면을 감싸도록 구비될 수 있다. 내부하우징(300)은 초음파소자(100) 및 흡수부(200)의 외주면에 밀착되어 초음파소자(100) 및 흡수부(200)를 고정시킬 수 있다. 내부하우징(300)은 초음파를 흡수하거나 초음파의 반사를 방지할 수 있으며, 저밀도 에폭시 소재로 형성될 수 있다.

외부하우징(350)은 내부하우징(300)을 내측에 수용할 수 있다. 외부하우징(350)이 내부하우징(300)을 내측에 수용한 상태에서 초음파소자(100)의 전방은 외부로 노출될 수 있다.

외부하우징(350)의 후방에는 초음파소자(100)에 전원과 제어신호를 전송하는 전송선(미도시)과, 초음파소자(100)와 연결되어 전기적 신호를 송수신하기 위한 커넥터(미도시)의 신호선(미도시)이 수용되는 케이블(410)이 연결될 수 있다.

그리고, 음압 집속장치는 방수코팅층(400)을 더 포함할 수 있다. 방수코팅층(400)은 외부하우징(350) 및 초음파소자(100)의 상부를 덮도록 마련될 수 있다. 즉, 음압 집속장치는 방수코팅층(400)에 의해 덮일 수 있으며, 방수코팅층(400)은 음압 집속장치가 신체 내에 삽입되었을 때, 음압 집속장치에 방수기능을 제공할 수 있다.

또한, 음압 집속장치는 임피던스 매칭부(250)를 더 포함할 수 있다. 임피던스 매칭부(250)는 초음파소자(100)의 앞면과 방수코팅층(400)의 사이에 마련될 수 있다. 고강도 초음파 집속을 위해서는 높은 에너지 투과율 구현이 필요하다. 특히, 피부와 같은 연조직뿐만 아니라 두개골과 같이 임피던스가 큰 매질로 초음파가 입사하는 경우, 임피던스 미스매치로 인해 많은 음향 에너지가 투과되지 못 할 수 있다. 임피던스 매칭부(250)는 초음파의 입사 영역과 투과 영역을 연결하여 임피던스 차이를 개선함으로써 초음파의 투과성을 증가시킬 수 있다. 임피던스 매칭부(250)로는 저밀도 에폭시 소재가 사용될 수 있다.

임피던스 매칭부(250)는 초음파소자(100)에서 발생되는 초음파의 작동파장에 따라 두께가 달라질 수 있다.

한편, 임피던스 매칭부(250)는 초음파소자(100)의 링 패턴부(111a,111b, 도 5 참조) 사이의 틈새(114, 도 5 참조)에 마련될 수도 있다. 즉, 임피던스 매칭부(250)는 초음파소자(100)의 앞면과 방수코팅층(400)의 사이, 그리고 초음파소자(100)에 형성되는 틈새(114, 도 5 참조) 중 어느 한 곳 이상에 마련될 수 있다.

더하여, 임피던스 매칭부(250)가 초음파소자(100)의 앞면과 방수코팅층(400)의 사이에 마련되는 경우, 초음파소자(100)에 형성되는 틈새(114, 도 5 참조)에는 임피던스 매칭부(250) 대신 방수코팅층(400)이 채워질 수도 있다.

다음은 초음파소자(100)에 대해서 자세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 음압 집속장치의 초음파소자를 나타낸 예시도이고, 도 5는 도 4의 A-A선 단면예시도이다.

도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이, 초음파소자(100)는 압전소자 유닛(110), 하부전극(120) 그리고 상부전극(130)을 포함할 수 있다.

압전소자 유닛(110)은 평판 형태, 구체적으로는 디스크 형태일 수 있으며, 동심을 가지는 복수의 링 패턴부(111)를 가질 수 있다. 압전소자 유닛(110)은 링 패턴부(111)의 형상에 따라 발생되는 진동 주파수가 결정될 수 있다.

이하에서는 링 패턴부(111)가 가지는 링 패턴을 결정하여 압전소자 유닛을 설계하는 내용에 대해서는 설명한다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자 유닛의 설계방법을 나타낸 흐름도이고, 도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자 유닛의 설계공정을 설명하기 위한 예시도이다.

도 6 및 도 7에서 보는 바와 같이, 압전소자 유닛의 설계방법은 선정단계(S510), 입력단계(S520), 그룹핑단계(S530), 계산단계(S540), 판별단계(S550) 그리고 패턴결정단계(S560)를 포함할 수 있다.

선정단계(S510)는 최대 음압(Acoustic Pressure)이 집속될 타깃위치(PT) 및 타깃위치(PT)까지의 타깃거리를 선정하는 단계일 수 있다.

입력단계(S520)는 원판 형상의 압전소자 모재의 기본정보를 입력하는 단계일 수 있다. 여기서, 압전소자 모재는 가공을 통해 압전소자 유닛으로 제작될 수 있는 것이다.

입력단계(S520)에서 입력되는 기본정보는 압전소자 모재의 재료, 높이, 지름과 같은 압전소자 모재에 대한 정보와, 타깃위치(PT)에 집속하고자 하는 최대 음압, 압전소자 유닛에 인가되는 전압과 같은 정보를 포함할 수 있다.

그룹핑단계(S530)는 압전소자 모재(160)의 높이 방향 단면(161)을 압전소자 모재의 높이방향(A1) 및 반경방향(A2)으로 마련되는 복수의 그리드(162)로 구획하고, 압전소자 모재의 높이방향(A1)으로 마련되는 복수의 그리드(162)를 단위 그리드 그룹(163)으로 그룹핑하는 단계일 수 있다.

도 7의 (a)에서 보는 바와 같이, 압전소자 모재의 높이 방향 단면(161) 중에 압전소자 모재의 중심(C)을 기준으로 일측의 단면은 높이방향(A1) 및 반경방향(A2)으로 마련되는 복수의 그리드(162)로 구획될 수 있다. 여기서, 압전소자 모재의 높이 및 지름은 입력단계(S520)에서 입력되는 기본정보에 맞게 설정될 수 있다.

계산단계(S540)는 타깃위치(PT)에 최대 음압이 집속되도록 하기 위해, 각각의 단위 그리드 그룹(163)에서 출력해야 하는 출력 음압의 크기를 계산하는 단계일 수 있다.

압전소자 유닛은 전압이 인가되면 주파수를 발진시킬 수 있으며, 발진되는 주파수는 감쇄, 공진 등을 통해 전파되고, 음압이 조절되며 타깃위치에 집속될 수 있다.

계산단계(S540)에서는 선정단계(S510)에서 선정된 타깃위치(PT)에 목표 음압(AP)이 집속되도록 하기 위해, 각각의 단위 그리드 그룹(163)에서 발생되어야 하는 음압을 계산할 수 있다.

선정단계(S510) 및 입력단계(S520)를 거치면 최대 음압, 타깃위치(PT) 및 타깃거리를 기초로 기준 음압이 설정될 수 있다. 기준 음압은 타깃위치(PT)에 목표 음압이 집속되도록 하가 위해서, 앞으로 형성될 링 패턴부가 출력해야 하는 음압을 의미할 수 있으며, 기준 음압은 범위값을 가질 수 있다.

판별단계(S550)는 복수의 단위 그리드 그룹(163) 중에서, 최대 음압, 타깃위치(PT) 및 타깃거리를 기초로 설정되는 기준 음압의 범위에 속하는 출력 음압을 출력하는 단위 그리드 그룹을 판별하는 단계일 수 있다.

판별단계(S550)에서는 각각의 단위 그리드 그룹(163) 별 출력 음압을 기준 음압과 비교하고, 기준 음압의 범위에 속하는 출력 음압을 출력하는 단위 그리드 그룹(163)을 판별하여 선정할 수 있다.

패턴결정단계(S560)는 압전소자 모재에서, 판별단계(S550)에서 판별되어 선정된 단위 그리드 그룹(163) 각각에 해당하는 위치 및 폭을 포함하는 패턴형상정보를 기초로, 동심을 가지는 복수의 링 패턴을 결정할 수 있다.

즉, 도 7의 (a)에서 보는 바와 같이, 빗금처진 단위 그리드 그룹(163)이 기준 음압 이상의 출력 음압을 출력하는 단위 그리드 그룹(163)으로 판별되면, 후술할 레이저 가공을 통해 선정되지 않은 단위 그리드 그룹(163)은 제거되고, 선정된 단위 그리드 그룹(163)은 링 패턴부로 남을 수 있다.

그리고 이렇게 설계되는 압전소자 유닛은 도 7의 (b)에서 보는 바와 같이, 타깃위치(PT)에 목표 음압이 집속(Focus)되도록 할 수 있다.

도 7의 (b)에서 세로축은 각각의 음압의 제곱을 최대 음압의 제곱으로 나눈 값으로, 아래와 같이 식 (1)로 표현될 수 있다.

식 (1) ---

여기서, P는 음압이고, max P는 최대 음압이다.

따라서, 식 (1)의 값이 1이 되는 경우, 발생하는 음압은 최대 음압이 될 수 있다.

도 7의 (b)을 참조하면, 본 실시예에 따른 압전소자 유닛은 타깃위치(PT)에만 목표 음압이 집속되도록 할 수 있다. 따라서, 타깃위치(PT) 이외의 불필요한 부분에서 나타나는 음압 집중 문제를 최소화할 수 있으며, 초음파 치료 시 발생될 수 있는 화상 등의 문제를 방지할 수 있다.

한편, 도 8에서 보는 바와 같이, 선정단계(S510)에서 복수개의 타깃위치(PT1,PT2)가 선정될 수 있다.

이 경우, 입력단계(S520)에서는 각각의 타깃위치(PT1,PT2)에 집속되어야 하는 최대 인압이 입력될 수 있으며, 그러면 이를 기초로 출력되어야 하는 기준 인압이 설정될 수 있다.

그리고, 판별단계(S550)에서는 입력된 기본정보에 따라 형성되는 압전소자 모재의 단면(161a)에 마련되는 복수의 그리드(162a)로부터 기준 인압의 범위에 속하는 출력 인압을 출력하는 단위 그리드 그룹(163a)을 판별할 수 있으며, 패턴결정단계(S560)에서는 이를 통해 패턴형상정보를 획득하고, 복수의 링 패턴을 결정할 수 있다.

이와 같이 획득된 패턴형상정보를 기초로 제작되는 압전소자 유닛(110)은 타깃 위치 각각에 요구되는 최대 인압이 집속되도록 음압을 출력할 수 있는 동심을 가지는 복수의 링 패턴부(111)를 가질 수 있다.

하부전극(120)은 압전소자 유닛(110)의 하부에 마련될 수 있다. 하부전극(120)은 내부하우징(300)에 결합되어 흡수부(200)에 대향될 수 있다.

그리고, 상부전극(130)은 압전소자 유닛(110)의 상부에 마련될 수 있다. 상부전극(130)은 전방으로 노출될 수 있다.

여기서, 링 패턴부(111)는 압전소자 유닛(110)의 상부에만 형성되거나, 압전소자 유닛(110)의 하부에까지 형성될 수 있다.

따라서, 상부전극(130)은 링 패턴부(111)에 대응되는 링 형상의 상부링전극(131)을 가질 수 있다. 상부링전극(131)이 링 패턴부(111)에 대응되도록 형성되되, 서로 연결되지 않도록 마련되는 경우, 각각의 상부링전극(131)에는 전압을 인가하기 위한 배선이 각각 연결될 수 있다. 하부전극(120) 및 상부전극(130)에 전압이 인가되면 압전소자 유닛(110)에서는 초음파가 전방으로 발진될 수 있다.

한편, 압전소자 유닛(110)은 반경방향으로 형성되어 복수의 링 패턴부(111)를 연결하는 연결패턴부(112)를 더 가질 수 있다.

이 경우 상부전극(130)은 상부연결전극(132)을 가질 수 있다.

전술한 바와 같이, 상부링전극(131)은 링 패턴부(111)의 상부에 링 패턴부(111)에 대응되는 형상으로 마련되며, 따라서 서로 이격될 수 있는데, 상부연결전극(132)은 연결패턴부(112)의 상부에 마련되어 상부링전극(131)을 서로 연결할 수 있다. 이 경우, 전압을 인가하기 위한 배선은 상부전극(130)의 어느 일부분에 연결되도록 마련될 수 있기 때문에 배선의 구성이 단순해질 수 있다.

한편, 도 5의 (a)에서 보는 바와 같이, 압전소자 유닛(110)은 복수의 링 패턴부(111a)의 하부에 일체로 형성되는 베이스(113)를 가질 수 있다.

이 경우, 하부전극(120)은 베이스(113)의 하부에 전체적으로 마련될 수 있으며, 전압을 인가하기 위한 배선은 하부전극(120)의 어느 일부분에 연결되도록 마련될 수 있기 때문에 배선의 구성이 단순해질 수 있다.

다른 예로, 도 5의 (b)에서 보는 바와 같이, 압전소자 유닛(110)은, 링 패턴부(111b)는 압전소자 유닛(110)의 하면에까지 형성되고, 연결패턴부(112)를 더 가질 수 있다. 이 경우, 복수의 링 패턴부(111b)는 연결패턴부(112)를 제외한 모든 부분이 서로 연결되지 않도록 분리 형성될 수 있다.

그러면, 하부전극(120)은 하부링전극(121)과 하부연결전극(122)을 가질 수 있다.

하부링전극(121)은 링 패턴부(111)의 하부에 마련되어 서로 이격되도록 형성될 수 있으며, 하부연결전극(122)은 연결패턴부(112)의 하부에 마련되어 하부링전극(121)을 서로 연결하도록 형성될 수 있다. 이 경우, 전압을 인가하기 위한 배선은 하부전극(120)의 어느 일부분에 연결되도록 마련될 수 있기 때문에 배선의 구성이 단순해질 수 있다.

본 실시예에 따르는 초음파소자는 평판형상을 가지기 때문에, 종래의 곡면형 초음파소자보다 소형화할 수 있으며, 이를 통해, 체내 삽입 시에 환자의 불편함을 줄이고, 공간 활용에 여유가 있을 수 있다. 또한, 삽입된 초음파소자가 치료대상에 직접 면적촉되어 밀착이 가능하기 때문에 시술이 용이해질 수 있다.

이하에서는 초음파소자의 제조방법에 대해서 설명한다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파소자의 제조방법을 나타낸 흐름도이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파소자의 제조공정을 설명하기 위한 예시도이다.

도 9 및 도 10을 더 포함하여 보는 바와 같이, 초음파소자의 제조방법은 하부전극 마련단계(S610), 압전소자 모재 마련단계(S620), 상부전극 마련단계(S630) 그리고 가공단계(S640)를 포함할 수 있다.

하부전극 마련단계(S610)는 원판 형상의 하부전극(120)을 마련하는 단계일 수 있다. 하부전극은 압전소자 유닛의 설계방법에의 입력단계에서 입력되는 압전소자 모재의 지름에 대응되는 지름을 가지도록 형성될 수 있다.

압전소자 모재 마련단계(S620)는 하부전극(120)의 상부에 전체적으로 압전소자 모재(160)를 마련하는 단계일 수 있다. 압전소자 모재(160)는 압전소자 물질이 하부전극(120)의 상부에 증착 등의 방법으로 마련될 수 있다(도 10의 (a) 참조).

상부전극 마련단계(S630)는 압전소자 모재(160)의 상부에 전체적으로 상부전극(130)을 마련하는 단계일 수 있다(도 10의 (b) 참조).

가공단계(S640)는 압전소자 유닛의 설계방법의 패턴형상정보를 기초로 링 패턴을 가지는 복수의 링 패턴부가 형성되도록, 상부전극(130) 및 압전소자 모재(160)를 동시에 레이저 가공하는 단계일 수 있다.

그리고, 도 10의 (c‘)에서 보는 바와 같이, 가공단계(S640)에서, 레이저(LB)는 상부전극(130)의 상측에서 상부전극(130)을 관통하고 압전소자 모재(160)의 하단부를 관통하지 않도록 조사되어 압전소자 모재(160)의 하단부가 서로 연결되도록 가공할 수 있다.

이러한 가공단계를 거치면, 압전소자 유닛(110)은 링 패턴부(111) 및 연결패턴부(112)를 가지도록 형성되고, 상부전극(130)은 상부링전극(131)과 상부연결전극(132)을 가지도록 형성되며, 하부전극(120)은 압전소자 유닛(110)의 하면에 전체적으로 형성될 수 있다.

또는, 도 10의 (c“)에서 보는 바와 같이, 가공단계(S640)에서, 레이저(LB)는 상부전극(130)의 상측에서 상부전극(130), 압전소자 모재(160) 및 하부전극(120)의 적어도 일부를 관통하도록 조사되어 상부전극(130), 링 패턴부(111) 및 하부전극(120)의 적어도 일부가 각각 서로 분리되도록 가공할 수 있다.

이러한 가공단계를 거치면, 압전소자 유닛(110)은 링 패턴부(111) 및 연결패턴부(112)를 가지도록 형성되고, 상부전극(130)은 상부링전극(131)과 상부연결전극(132)을 가지도록 형성되며, 하부전극(120)은 하부링전극(121)과 하부연결전극(122)을 가지도록 형성될 수 있다.

레이저(LB)는 피코초(Picosecond) 또는 펨토초(femtosecond) 레이저가 이용될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 초음파소자 110: 압전소자 유닛
111, 111a, 111b, 링 패턴부 112: 연결패턴부
113: 베이스 120: 하부전극
121: 하부링전극 122: 하부연결전극
130: 상부전극 131: 상부링전극
132: 상부연결전극 160: 압전소자 모재
162, 162a: 그리드 163, 163a: 단위 그리드 그룹
200: 흡수부 250: 임피던스 매칭부
300: 내부하우징 350: 외부하우징
400: 방수코팅층

Claims

동심을 가지는 복수의 링 패턴부를 가지는 압전소자 유닛의 설계방법으로서,
최대 음압(Acoustic Pressure)이 집속될 타깃위치 및 상기 타깃위치까지의 타깃거리를 선정하는 선정단계;
원판 형상의 압전소자 모재의 기본정보를 입력하는 입력단계;
상기 압전소자 모재의 높이 방향 단면을 상기 압전소자 모재의 높이방향 및 반경방향으로 마련되는 복수의 그리드로 구획하고, 상기 압전소자 모재의 높이방향으로 마련되는 복수의 그리드를 단위 그리드 그룹으로 그룹핑하는 그룹핑단계;
상기 타깃위치에 상기 최대 음압이 집속되게 하기 위해, 각각의 상기 단위 그리드 그룹에서 출력해야 하는 출력 음압의 크기를 계산하는 계산단계;
상기 단위 그리드 그룹 중에서, 상기 최대 음압, 상기 타깃위치 및 상기 타깃거리를 기초로 설정되는 기준 음압의 범위에 속하는 상기 출력 음압을 출력하는 단위 그리드 그룹을 판별하는 판별단계; 그리고
상기 압전소자 모재에서, 판별된 상기 단위 그리드 그룹 각각에 해당하는 위치 및 폭을 포함하는 패턴형상정보를 기초로, 동심을 가지는 복수의 링 패턴을 결정하는 패턴결정단계를 포함하는 압전소자 유닛의 설계방법.
제1항에 있어서,
상기 선정단계에서 상기 타깃위치가 복수개가 선정되면, 압전소자 유닛은 상기 타깃위치 각각에 요구되는 최대 음압이 집속되도록 음압을 출력하는 것을 특징으로 하는 압전소자 유닛의 설계방법.
제1항에 기재된 압전소자 유닛의 설계방법을 이용하여 제조되어 동심을 가지는 상기 복수의 링 패턴부를 가지는 압전소자 유닛;
상기 압전소자 유닛의 하부에 마련되는 하부전극; 그리고
상기 압전소자 유닛의 상부에 마련되는 상부전극을 포함하는 초음파소자.
제3항에 있어서,
상기 압전소자 유닛은 반경방향으로 형성되어 상기 복수의 링 패턴부를 연결하는 연결패턴부를 더 가지고,
상기 상부전극은
상기 링 패턴부의 상부에 마련되어 서로 이격되는 상부링전극과,
상기 연결패턴부의 상부에 마련되어 상기 상부링전극을 서로 연결하는 상부연결전극을 가지는 것을 특징으로 하는 초음파소자.
제3항에 있어서,
상기 압전소자 유닛은 상기 복수의 링 패턴부의 하부에 일체로 형성되는 베이스를 가지고, 상기 하부전극은 상기 베이스의 하부에 전체적으로 마련되는 것을 특징으로 하는 초음파소자.
제3항에 있어서,
상기 압전소자 유닛은 반경방향으로 형성되어 상기 복수의 링 패턴부를 연결하는 연결패턴부를 더 가지고, 상기 복수의 링 패턴부는 상기 연결패턴부를 제외한 모든 부분이 서로 연결되지 않도록 분리 형성되며,
상기 하부전극은
상기 링 패턴부의 하부에 마련되어 서로 이격되는 하부링전극과,
상기 연결패턴부의 하부에 마련되어 상기 하부링전극을 서로 연결하는 하부연결전극을 가지는 것을 특징으로 하는 초음파소자.
원판 형상의 하부전극을 마련하는 하부전극 마련단계;
상기 하부전극의 상부에 전체적으로 압전소자 모재를 마련하는 압전소자 모재 마련단계;
상기 압전소자 모재의 상부에 전체적으로 상부전극을 마련하는 상부전극 마련단계; 그리고
제1항 또는 제2항에 기재된 압전소자 유닛의 설계방법의 상기 패턴형상정보를 기초로 상기 링 패턴을 가지는 복수의 링 패턴부가 형성되도록, 상기 상부전극 및 상기 압전소자 모재를 동시에 레이저 가공하는 가공단계를 포함하는 초음파소자의 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 가공단계에서, 상기 레이저는 상기 상부전극의 상측에서 상기 상부전극을 관통하고 상기 압전소자 모재의 하단부를 관통하지 않도록 조사되어 상기 압전소자 모재의 하단부가 서로 연결되도록 가공하는 것을 특징으로 하는 초음파소자의 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 가공단계에서, 상기 레이저는 상기 상부전극의 상측에서 상기 상부전극, 상기 압전소자 모재 및 상기 하부전극의 적어도 일부를 관통하도록 조사되어 상기 상부전극, 상기 링 패턴부 및 상기 하부전극의 적어도 일부가 각각 서로 분리되도록 가공하는 것을 특징으로 하는 초음파소자의 제조방법.
제3항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 기재되는 상기 초음파소자;
상기 초음파소자의 후방에 구비되고 상기 초음파소자에 의해 발생하는 초음파를 흡수하는 흡수부;
상기 초음파소자 및 상기 흡수부의 외주면을 감싸도록 구비되는 내부하우징; 그리고
상기 내부하우징을 내측에 수용하고, 상기 초음파소자의 전방이 외부로 노출되도록 하는 외부하우징을 포함하는 음압 집속장치.
제10항에 있어서,
상기 외부하우징 및 상기 초음파소자의 상부를 덮는 방수코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음압 집속장치.
제11항에 있어서,
상기 방수코팅층은 상기 초음파소자에 형성되는 틈새에 더 채워지는 것을 특징으로 하는 음압 집속장치.
제11항에 있어서,
상기 상부전극의 상부와 상기 방수코팅층의 사이, 그리고 상기 초음파소자에 형성되는 틈새 중 어느 한 곳 이상에 마련되는 임피던스 매칭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음압 집속장치.