KR20230031147A - 분해성 초음파 변환자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 사용환경에서 자연적으로 분해되는 분해성 초음파 변환자에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자는 분해성 압전소자를 포함하는 압전층(10), 압전층(10)의 일측에 배치되는 분해성 제1 전극(20), 및 압전층(10)의 타측에 배치되는 분해성 제2 전극(30)을 포함한다.
Description
본 발명은 분해성 초음파 변환자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사용환경에서 자연적으로 분해되는 분해성 초음파 변환자에 관한 것이다.
최근 들어, 전기적 신호를 초음파 신호로 변환(역압전효과)하고 물리적 신호를 전기적 신호로 변환(압전효과)하는 초음파 변환자가 의료기기, 디스플레이 등 산업 전반에 사용되고 있다. 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 초음파 변환자의 주 소재로 압전체가 사용된다.
PZT 기반의 초음파 압전체(Pb[ZrxTi1-x]O3)는 높은 압전 효율로 인해 다양한 공업 분야에서 사용이 되고 있으나, 독성이 있는 납(Pb)이 포함되어 환경오염의 원인으로 주목되고 있다. 이를 해결하기 위해 친환경 무연 압전체(Eco-friendly lead-free piezoelectric)가 개발되었으나 PZT 대비 압전 효율이 낮아 이에 대한 해결책이 요구되고 있다. 뿐만 아니라, 상기 압전체는 사용 직후 재활용이 불가능하기 때문에 폐전자기기 독성물질 방출을 초래하여 점점 높아지는 환경 규제의 대상이 될 수 있다.
이에 자연 상태에서 분해되는 압전체 개발의 필요성이 대두되고 있다. 종전 일부 연구에서 폴리머 기반 압전체를 이용하여 분해 가능한 초음파 압전체 개발의 가능성을 보여주었으나, 낮은 압전효율로 인해 산업 분야 적용에는 한계가 있다. 또한, 최근 생체 이식형 의료기기에 대한 시장이 확대됨에 따라 체내 이식 후 의료기기에 전원을 공급하기 위한 압전 나노발전기(Piezoelectric nanogenerator, PENG) 연구가 활발히 진행 중에 있는데, 인체삽입형 의료기기에 압전체를 적용하기 위해서는 생적합성이 고려되어야 한다. 일례로, 집속 초음파 변환자는 저강도 집속 초음파를 통해 두뇌의 뇌혈관장벽 (Brain-Blood Barrier;BBB)를 일시적으로 개방하여 약물 전달 효과를 증진시키거나 뇌자극 (Neuromodulation)에 활용할 수 있고, 고강도 집속 초음파를 통해 뇌에 발생한 종양을 사멸시킬 수 있다. 다만, 뇌질환 환자의 뇌조직에 효과적으로 약물전달을 하기 위해 집속초음파를 임플란트하고 있으나, 뇌조직에의 임플란트는 위험부담이 크고, 특히 뇌질환 치료 후에 임플란트 의료기기를 제거하는 것은 뇌조직에 더 심각한 2차 손상을 초래할 수 있으며, 그대로 의료기기를 뇌조직에 남겨놓을 경우에는, 면역반응 등의 발생으로 병변을 악화시킬 수 있다.
이에 종래 초음파 변환자의 문제점을 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있는 상황이다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 고효율 압전 특성을 지니고, 사용환경에서 자연적으로 분해 가능하며 분해속도를 제어할 수 있는 초음파 변환자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자는 분해성 압전체를 포함하는 압전층; 상기 압전층의 일측에 배치되는 분해성 제1 전극; 및 상기 압전층의 타측에 배치되는 분해성 제2 전극;을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자에 있어서, 상기 압전체는, 로셸염(Rochelle salt), 인산 이수소 칼륨(Potassium dihydrogen phosphate, KDP), 인산 이수소 암모늄(Ammonium dihydrogen phosphate, ADP), 및 황산트리글리신(Triglycine sulfate, TGS)으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자에 있어서, 상기 압전체는, 산화아연(ZnO), 및 쿼츠(quartz)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자에 있어서, 상기 압전체는, 나노로드(nanorod), 나노필라(nanopillar), 및 나노와이어(nanowire)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 나노구조로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자에 있어서, 상기 제1 전극, 및 상기 제2 전극은, 아연(Zn), 아연-마그네슘계 합금(Zn-Mg Alloy), 마그네슘(Mg), 몰리브데넘(Mo), 및 텅스텐(W)으로 구성된 군으로부터 선택되는 동종 또는 이종의 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자에 있어서, 상기 압전층을 둘러싸는 분해성 커버층;을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자에 있어서, 상기 커버층은, PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid)), 및 PBTPA((Poly-buthanedithiol pentenoic anhydride)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자에 있어서, 상기 제1 전극을 사이에 두고, 상기 압전층과 마주보도록 배치되는 분해성 정합층;을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자에 있어서, 상기 정합층은, 이산화규소(SiO2), 산화아연(ZnO), 및 PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid))로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자에 있어서, 상기 제2 전극을 사이에 두고, 상기 압전층과 마주보도록 배치되는 분해성 흡음층;을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자에 있어서, 상기 흡음층은, 아연(Zn) 파우더, 마그네슘(Mg) 파우더, 및 텅스텐(W) 파우더 중 어느 하나 이상과 천연 왁스(natural wax)의 혼합물, PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid)), PBTPA((Poly-buthanedithiol pentenoic anhydride), 티타늄(Ti), 알루미나(alumina), 세라믹(ceramic), 및 동물의 뼈(bone)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 특유 소재 내지 구조의 압전체를 이용하여 높은 압전 효율을 가지고, 사용환경에서 자연적으로 분해 가능하며 분해속도가 제어되므로, 친환경 전자기기에 적용될 수 있다.
또한, 생흡수성을 가지므로, 고도의 생적합성이 요구되는 인체삽입형 의료기기에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자의 단면도이다.
도 4는 실험예 1에 따라 성장된 로셸염 결정의 이미지이다.
도 5는 실험예 2에 따라 성장된 인산 이수소 칼륨 결정의 이미지이다.
도 6은 실험예 3에 따라 제작된 초음파 변환자의 측면도이다.
도 7은 실험예 4에 따른 초음파 변환자의 성능 실험 세팅을 나타내는 이미지이다.
도 8은 평가예 1에 따른 로셸염 결정을 압전소자로 사용한 초음파 변환자의 압전 효과를 검증한 결과 데이터이다.
도 9는 평가예 1에 따른 산화아연을 압전소자로 사용한 초음파 변환자의 압전 효과를 검증한 결과 데이터이다.
도 10은 평가예 2에 따른 산화아연을 압전소자로 사용한 초음파 변환자에 대한 초음파 발생 시뮬레이션 결과이다.
도 11은 평가예 3에 따른 산화아연을 압전소자로 사용한 초음파 변환자의 두께에 따른 초음파 발생 영역대를 확인한 실험 결과이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자의 단면도이다.
도 4는 실험예 1에 따라 성장된 로셸염 결정의 이미지이다.
도 5는 실험예 2에 따라 성장된 인산 이수소 칼륨 결정의 이미지이다.
도 6은 실험예 3에 따라 제작된 초음파 변환자의 측면도이다.
도 7은 실험예 4에 따른 초음파 변환자의 성능 실험 세팅을 나타내는 이미지이다.
도 8은 평가예 1에 따른 로셸염 결정을 압전소자로 사용한 초음파 변환자의 압전 효과를 검증한 결과 데이터이다.
도 9는 평가예 1에 따른 산화아연을 압전소자로 사용한 초음파 변환자의 압전 효과를 검증한 결과 데이터이다.
도 10은 평가예 2에 따른 산화아연을 압전소자로 사용한 초음파 변환자에 대한 초음파 발생 시뮬레이션 결과이다.
도 11은 평가예 3에 따른 산화아연을 압전소자로 사용한 초음파 변환자의 두께에 따른 초음파 발생 영역대를 확인한 실험 결과이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자는 분해성 압전소자를 포함하는 압전층(10), 압전층(10)의 일측에 배치되는 분해성 제1 전극(20), 및 압전층(10)의 타측에 배치되는 분해성 제2 전극(30)을 포함한다.
최근 들어, 전기적 신호를 초음파 신호로 변환(역압전효과)하고 물리적 신호를 전기적 신호로 변환(압전효과)하는 초음파 변환자가 산업 전반에 사용되고 있다. 초음파를 이용한 전자기기, 디스플레이, 에너지 장치, 의료기기 등의 개발에 관한 연구가 증가함에 따라 고효율 압전소자가 요구되고 있으나, 종래의 압전소자에는 납이 포함되어 환경오염 및 생독성 유발을 일으키는 심각한 문제가 있다. 또한, 폐전자기기의 범람으로 인해 생분해되는 친환경 전자소자의 필요성이 대두되고 있다. 기존의 납이 포함된 압전소자의 문제를 해결하기 위해 무연 압전소자 (Lead-free piezoelectric) 및 폴리머 기반 압전소자 연구가 진행되었으나 효율성이 낮아 상업화에 한계가 있다. 이에 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로서 본 발명이 안출되었다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 분해성 초음파 변화자는, 압전층(10), 제1 전극(20), 및 제2 전극(30)을 포함한다.
압전층(10)은 전기적 신호가 인가될 때에 이를 기계적인 진동으로 변환하여 초음파를 발생시킨다. 이러한 압전층(10)은 압전체를 포함한다. 압전체는 기계적 압력이 가해지면 전압을 발생시키는 압전 효과와 전압이 인가되면 기계적인 변형이 일어나는 역압전 효과를 가지는 물질이다. 본 발명에서의 압전체는 압전 및 역압전 효과와 더불어 분해성을 가짐으로써 분해성 압전층(10)을 구현한다. 이러한 분해성 압전체는 수분을 흡수하는 흡습성과, 그 수분 내지 다른 용매에 의해 용해되는 용해성을 가지는 압전물질로서 사용환경에서 자연적으로 분해될 수 있다. 또한, 분해성 압전체는 박테리아, 균류, 다른 생물에 의해 분해되는 생분해성 압전물질로서 분해될 수도 있다. 또한, 분해성 압전체는 생흡수성 압전물질로서, 신체 내에서 흡수되어 분해될 수도 있고, 이러한 생흡수성 압전체는 인체삽입형 의료기기에 적용될 수 있다.
이러한 분해성 압전체의 일례인 제1 분해성 압전체로는 로셸염(Rochelle salt),인산 칼륨 결정, 및 황산트리글리신(Triglycine sulfate, TGS)으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 여기서, 인산 칼륨 결정은 인산 칼륨 기반의 화합물 전반을 통칭하는 것으로, 인산 이수소 칼륨(Potassium dihydrogen phosphate, KDP), 인산 이수소 암모늄(Ammonium dihydrogen phosphate, ADP) 등이 있다. 위의 압전체는 비교적 흡습성 및 용해성이 강한 압전물질에 해당한다. 여기서, 인체에 적용하고자 하는 압전체로는 독성이 적은 로셸염(Rochelle salt), 인산 이수소 칼륨(Potassium dihydrogen phosphate, KDP), 및 황산트리글리신(Triglycine sulfate, TGS) 중에서 어느 하나 이상을 선택할 수 있다. 특히, 염 결정(salt crystal) 구조 형태의 압전체는 압전 효율이 우수하고 쉽게 분해가 된다.
분해성 압전체의 다른 예인 제2 분해성 압전체는 산화아연(ZnO), 및 쿼츠(quartz)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 제2 분해성 압전체는 상기 제1 분해성 압전체에 비해 흡습성 및 용해성이 낮다. 이에, 제2 분해성 압전체를 나노구조 형태로 형성하여 분해 속도를 촉진하고, 압전 효율을 향상시킬 수 있다. 여기서, 나노구조는 나노로드(nanorod), 나노필라(nanopillar), 및 나노와이어(nanowire)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함함으로써, 단일 또는 다중 나노구조로 제2 분해성 압전체를 형성할 수 있다.
다만, 분해성 압전체가 반드시 상기 예시적으로 든 물질에만 한정되는 것은 아니고, 분해성을 가지는 압전물질이기만 하면 무방하다. 한편, 압전층(10)의 두께, 또는 압전체 소재 물질이나 형태 등에 따라, 압전층(10)의 분해 속도가 조절될 수 있다.
제1 전극(20)은 압전층(10)의 일측에 배치되는 분해성 전극이고, 제2 전극(30)은 압전층(10)의 타측에 배치되는 분해성 전극이다. 여기서, 제1 전극(20) 및 제2 전극(30)은 흡습성/용해성, 생분해성, 생흡수성 등의 성질을 가지는 전도성 물질로서 쉽게 분해될 수 있다. 이러한 전도성 물질이 압전층(10)의 일측에 코팅되어 제1 전극(20)을, 압전층(10)의 타측에 코팅되어 제2 전극(30)을 형성할 수 있다. 여기서, 진공 박막 증착기(E-beam evaporator), 스퍼터(Sputter) 등을 이용하여 적정한 두께로 제1 전극(20) 및 제2 전극(30)을 압전층(10)의 표면에 코팅할 수 있다.
이러한 제1 전극(20) 및 제2 전극(30) 중 어느 하나는 압전층(10)의 양극(또는 신호전극)으로, 다른 하나는 압전층(10)의 음극(또는 접지전극)으로 각각 기능할 수 있다.
분해성 제1 전극(20) 및 제2 전극(30)은, 아연(Zn), 아연-마그네슘계 합금(Zn-Mg Alloy), 마그네슘(Mg), 몰리브데넘(Mo), 및 텅스텐(W)으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 전극(20) 및 제2 전극(30)이 반드시 동종 물질로 이루어져야 하는 것은 아니고 이종 물질로 이루어질 수도 있다. 다만, 제1 전극(20) 및 제2 전극(30)이 반드시 상기 금속 물질로 한정되어야 하는 것은 아니고, 전도성 및 분해성을 가지는 물질이기만 하면 무방하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자의 단면도이다.
도 2를 참고로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자는 분해성 커버층(40)을 더 포함할 수 있다.
커버층(40)은 압전층(10)을 둘러싸서 커버한다. 여기서, 커버층(40)은 압전층(10)뿐 아니라, 제1 전극(20) 및 제2 전극(30)도 동시에 둘러쌀 수 있다. 즉, 커버층(40)은 압전층(10), 또는 제1 전극(20)/압전층(10)/제2 전극(30) 구조를 캡슐화(encapsulation)한다. 이러한 커버층(40)은 분해성을 가지는 패키징 소재로 이루어지는데, 압전층(10) 또는 제1 전극(20)/압전층(10)/제2 전극(30) 구조의 외곽을 둘러쌈으로써 내부로의 수분 침투 등을 차단하여 내부 구성을 보호할 뿐 아니라, 그 두께에 따라 분해 시간이 제어되므로 내부 구성의 생분해, 생흡수 등의 분해 속도를 조절할 수 있다.
이러한 커버층(40)은 소수성 고분자로 이루어질 수 있다. 일례로, 커버층(40)은 PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid)), 및 PBTPA((Poly-buthanedithiol pentenoic anhydride)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 다만, 커버층(40)이 반드시 상기 고분자에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자의 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자는 정합층(matching layer, 50)을 더 포함할 수 있다.
정합층(50)은 압전층(10)의 음향 임피던스와 대상체(타겟)의 음향 임피던스를 적절히 매칭함으로써 대상체로 초음파를 전달하거나, 대상체로부터 전달되는 초음파의 손실을 저감시킨다. 이러한 정합층(50)은 제1 전극(20)을 사이에 두고 압전층(10)과 마주보도록 배치될 수 있다. 여기서, 정합층(50)은 분해성을 가진다. 일례로, 분해성 정합층(50)은 이산화규소(SiO2), 산화아연(ZnO), 및 PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid))로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 다만, 분해성 정합층(50)을 이루는 소재가 반드시 상기 소재에 한정되어야 하는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분해성 초음파 변환자는 흡음층(backing layer, 60)을 더 포함할 수 있다.
흡음층(60)은 제2 전극(30)을 사이에 두고, 압전층(10)과 마주보도록 배치된다. 이러한 흡음층(60)은 대상체를 향하는 방향 이외의 방향으로 진행하는 초음파를 흡수한다. 여기서, 흡음층(60)도 분해성을 가진다. 일례로, 분해성 흡음층(60)은 아연(Zn) 파우더, 마그네슘(Mg) 파우더, 및 텅스텐(W) 파우더 중 어느 하나 이상과 천연 왁스(natural wax)의 혼합물, PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid)), PBTPA((Poly-buthanedithiol pentenoic anhydride), 티타늄(Ti), 알루미나(alumina), 세라믹(ceramic), 및 동물의 뼈(bone)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 특히, 생체이식형 의료기기에 사용되는 경우에, 초음파를 흡수할 수 있는 인체의 단단한 조직을 흡음층(60)으로 사용할 수 있는데, 두개골 등과 같은 뼈가 흡음층(60)으로 사용될 수 있다. 다만, 흡음층(60)이 반드시 상기 소재에 한정되는 것은 아니고, 초음파를 흡수하면서 소정의 환경에서 분해되는 물질이기만 하면 특별한 제한은 없다.
압전층(10)에서 발생하는 초음파는 압전층(10)을 중심으로 구형으로 진행되기 때문에, 영상화 또는 치료의 대상체에 집중적으로 전달하기에 한계가 있으므로, 전술한 정합층(50) 및 흡음층(60)을 통해 그 한계를 극복할 수 있다.
여기서, 전술한 커버층(40)은 정합층(50)/제1 전극(20)/압전층(10)/제2 전극(30)/흡음층(60) 구조를 모두 둘러싸서 캡슐화할 수 있다.
종합적으로, 본 발명에 따른 분해성 초음파 변환자는 특유 소재 내지 구조의 압전체를 이용하여 높은 압전 효율을 가지고, 사용환경에서 자연적으로 분해 가능하며 분해속도가 제어되므로, 친환경 전자기기에 적용될 수 있다. 또한, 생흡수성을 가지므로, 고도의 생적합성이 요구되는 인체삽입형 의료기기에 적용될 수 있다.
이하에서는 실험예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
실험예 1: 로셸염 결정 기반의 압전소자 제작
로셸염 결정 기반의 압전소자를 제작하기 위해서, 먼저 타르타르산나트륨칼륨(Potassium sodium tartrate tetrahydrate)을 초순수 물(De-ionized water, D.I water)과 혼합하여 파우더(powder) 타입의 로셸염(Rochelle salt)을 제조하였다. 파우더 타입의 로셸염에 대하여 가열과 냉각 공정을 반복하여 결정 성장을 유도하였다. 장기간 반응을 통해 성장된 로셸염 결정을 목표 주파수와 파워를 고려하여 두께와 사이즈에 맞게 절단하고, 폴리셔(polisher)를 이용하여 표면 처리를 하여 로셸염 결정의 압전소자를 제작하였다. 위의 과정을 거쳐 성장된 로셸염 결정은 도 4에 나타냈다. 도 4는 실험예 1에 따라 성장된 로셸염 결정의 이미지이다.
실험예 2: 인산 이수소 칼륨 결정 기반의 압전소자 제작
인산 이수소 칼륨 결정 기반의 압전소자를 제작하기 위해서, 가열하면서 파우더 타입의 인산 이수소 칼륨 (Potassium dihydrogen phosphate)을 초순수 물(D.I. water)에 녹였다. 다음에 그 액체에 실을 걸어 결정 반응을 유도하여 결정을 성장시켰다. 장기간 결정 반응을 통해 성장된 인산 이수소 칼륨 결정을 목표 주파수와 파워를 고려하여 두께와 사이즈에 맞게 절단하고, 폴리셔(polisher)를 이용하여 표면 처리를 하여 인산 이수소 칼륨 결정의 압전소자를 제작하였다. 위의 과정을 거쳐 성장된 인산 이수소 칼륨 결정은 도 5에 나타냈다. 도 5는 실험예 2에 따라 성장된 인산 이수소 칼륨 결정의 이미지이다.
실험예 3: 분해성 초음파 변환자 제작
도 6은 실험예 3에 따라 제작된 초음파 변환자의 측면도이다. 이를 참고로, 압전소자의 일측 및 타측 표면에 각각 마그네슘을 스퍼터링하여 제1 전극 및 제2 전극을 코팅하였다. 다음에 제1 전극 및 제2 전극 각각에 Ag 페이스트(silver paste)를 이용해 구리 전도선을 연결하여 초음파 변환자를 제작하였다. 그리고 나서, 초음파 발생 실험에 사용될 매질과 구리 전도선 및 전극간 쇼트 및 부식 방지를 위해 PI 테이프를 이용해 제작된 초음파 변환자를 유리기판 상에 고정하였다. 여기서, 압전소자는 실험예 1에서 제조된 로셸염 결정과, 산화아연(ZnO)을 각각 사용하여 2가지 타입의 초음파 변환자를 제작하였다.
실험예 4: 실험 세팅
도 7은 실험예 4에 따른 초음파 변환자의 성능 실험 세팅을 나타내는 이미지이다. 실험예 3에 따라 제작된 분해성 초음파 변환자에 의한 초음파 발생 여부 및 압전 효과를 검증하기 위한 실험을 진행하고자 도 7과 같이 실험 세팅을 하였다. 압전 효과는 전압을 초음파로, 외부 압력을 전압으로 변환하는 압전물질에서 발생하므로, 초음파 변환자의 압전 효과를 검증하기 위하여 외부에서 압력을 변환자에 가하고 생성된 전기적 신호를 분석하여 그 효과를 검증하고자 하였다.
성능 실험을 위하여, 제작된 분해성 초음파 변환자와 초음파 수신기를 연결하고, 상용 초음파 소자와 분해성 초음파 변환자를 매질(물, 에탄올, 지방 등)에 담궜다. 그 다음, 상용 초음파에서 분해성 초음파 변환자에 외부 초음파를 인가하고, 초음파 수신기를 통해 분해성 초음파 변환자가 외부 압력을 전기적 신호로 변환하였는지를 분석하여 압전 효과를 검증하였다.
평가예 1: 분해성 초음파 변환자의 초음파 발생 여부 및 압전 효과 검증
실험예 4에 따른 실험 세팅을 통해, 실험예 3에 따라 제작된 분해성 초음파 변화자의 초음파 발생 및 압전 효과를 검증하고, 그 결과를 도 8 및 도 9에 나타냈다. 도 8은 평가예 1에 따른 로셸염 결정을 압전소자로 사용한 초음파 변환자의 압전 효과를 검증한 결과 데이터, 도 9는 평가예 1에 따른 산화아연을 압전소자로 사용한 초음파 변환자의 압전 효과를 검증한 결과 데이터이다.
도 8을 참고로, 매질 내에서 상용 초음파 소자에서 외부 초음파를 로셸염 결정을 압전소자로 사용한 분해성 초음파 변환자에 인가했을 때에, 초음파 수신기에 의해 분해성 초음파 변환자의 전기적 신호가 획득되었다. 이는 그 분해성 초음파 변환자의 압전 효과를 나타내는 것으로, 분해성 초음파 변환자가 초음파를 발생시킬 수 있음을 입증한다.
도 9를 참고로, 동일하게 상용 초음파 소자에서 산화아연을 압전소자로 채용한 분해성 초음파 변환자에 외부 초음파를 인가했을 때에서, 그 분해성 초음파 변환자에서도 외부 압력을 전기적 신호로 변환하였다.
평가예 2: 산화아연 압전소자에 대한 초음파 발생 시뮬레이션 결과
초음파 탐촉자에 있어서 공진주파수와 탐촉자 두께와의 관계는 하기 [수학식]에 의한다.
[수학식]
(여기서, fx는 공진주파수(희망주파수), cx는 소자 내 음속, lx는 탐촉자 두께임)
위의 [수학식]을 증명하기 위하여, 분해성 초음파 압전소자 중 산화아연에 대한 초음파 발생 시뮬레이션을 진행하고, 그 결과를 도 10에 나타냈다. 도 10은 평가예 2에 따른 산화아연을 압전소자로 사용한 초음파 변환자에 대한 초음파 발생 시뮬레이션 결과이다. 여기서, 산화아연 압전소자의 너비는 2㎜로 동일하게 하고, 그 두께를 200㎛와 500㎛로 다르게 하여 초음파 발생 시뮬레이션을 진행하였고, 그 결과는 해당 산화아연 압전소자에 200V의 전압을 인가하는 조건에서 체내 지방을 매질로 고려하였을 때에 얻은 것이다.
도 10을 참고로, 압전소자의 두께에 따라 생성되는 초음파 주파수가 달라지는 것을 알 수 있다. 500㎛ 두께의 산화아연에서는 5MHz 영역에서, 200㎛의 두께에서는 12.5MHz 영역에서 각각 가장 큰 신호가 형성되었음에 따라, 그 해당 영역대의 초음파를 생성할 수 있으리라 판단된다.
결국, 본 발명에 따른 분해성 초음파 변환자는 압전소자의 두께 조절을 통해 수백 kHz에서 100MHz에 이르는 영역의 초음파 주파수를 생성할 수 있을 것이다.
평가예 3: 시뮬레이션 결과와 실제 유사도 검증
평가예 2의 시뮬레이션 결과와 실제 유사도를 검증하기 위하여 S11 파라미터(parameter)를 통해 전기적 신호가 초음파 신호로 변환되는 주파수 영역 확인을 통해 초음파 변환자의 두께에 따른 초음파 발생 영역대를 확인하였다. 도 11은 평가예 3에 따른 산화아연을 압전소자로 사용한 초음파 변환자의 두께에 따른 초음파 발생 영역대를 확인한 실험 결과이다.
도 11을 참고로, S11 parameter 변환 결과를 통해 두께 500㎛의 산화아연은 약 10MHz 주파수의 초음파를, 200㎛의 산화아연은 약 13MHz 주파수의 초음파를 발생시킴을 확인하였다. 따라서, 필요에 따라 본 발명에 따른 분해성 초음파 변환자의 두께를 조절하여 10 ~ 100MHz 범위 내 초음파를 형성할 수 있음을 알 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10: 압전층
20: 제1 전극
30: 제2 전극 40: 커버층
50: 정합층 60: 흡음층
30: 제2 전극 40: 커버층
50: 정합층 60: 흡음층
Claims (11)
- 분해성 압전체를 포함하는 압전층;
상기 압전층의 일측에 배치되는 분해성 제1 전극; 및
상기 압전층의 타측에 배치되는 분해성 제2 전극;을 포함하는 분해성 초음파 변환자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 압전체는,
로셸염(Rochelle salt), 인산 이수소 칼륨(Potassium dihydrogen phosphate, KDP), 인산 이수소 암모늄(Ammonium dihydrogen phosphate, ADP), 및 황산트리글리신(Triglycine sulfate, TGS)으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 분해성 초음파 변환자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 압전체는,
산화아연(ZnO), 및 쿼츠(quartz)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 분해성 초음파 변환자.
- 청구항 3에 있어서,
상기 압전체는,
나노로드(nanorod), 나노필라(nanopillar), 및 나노와이어(nanowire)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 나노구조로 형성된 분해성 초음파 변환자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제1 전극, 및 상기 제2 전극은,
아연(Zn), 아연-마그네슘계 합금(Zn-Mg Alloy), 마그네슘(Mg), 몰리브데넘(Mo), 및 텅스텐(W)으로 구성된 군으로부터 선택되는 동종 또는 이종의 어느 하나 이상을 포함하는 분해성 초음파 변환자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 압전층을 둘러싸는 분해성 커버층;을 더 포함하는 분해성 초음파 변환자.
- 청구항 6에 있어서,
상기 커버층은,
PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid)), 및 PBTPA((Poly-buthanedithiol pentenoic anhydride)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 분해성 초음파 변환자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제1 전극을 사이에 두고, 상기 압전층과 마주보도록 배치되는 분해성 정합층;을 더 포함하는 분해성 초음파 변환자.
- 청구항 8에 있어서,
상기 정합층은,
이산화규소(SiO2), 산화아연(ZnO), 및 PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid))로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 분해성 초음파 변환자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제2 전극을 사이에 두고, 상기 압전층과 마주보도록 배치되는 분해성 흡음층;을 더 포함하는 분해성 초음파 변환자.
- 청구항 10에 있어서,
상기 흡음층은,
아연(Zn) 파우더, 마그네슘(Mg) 파우더, 및 텅스텐(W) 파우더 중 어느 하나 이상과 천연 왁스(natural wax)의 혼합물, PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid)), PBTPA((Poly-buthanedithiol pentenoic anhydride), 티타늄(Ti), 알루미나(alumina), 세라믹(ceramic), 및 동물의 뼈(bone)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 분해성 초음파 변환자.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/KR2022/012664 WO2023027508A1 (ko) | 2021-08-25 | 2022-08-24 | 분해성 초음파 변환자 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20210112039 | 2021-08-25 | ||
| KR1020210112039 | 2021-08-25 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230031147A true KR20230031147A (ko) | 2023-03-07 |
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ID=85512785
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220104604A KR20230031147A (ko) | 2021-08-25 | 2022-08-22 | 분해성 초음파 변환자 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230031147A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140038211A (ko) | 2012-09-20 | 2014-03-28 | 동국대학교 산학협력단 | 다중 압전소자를 사용한 초음파 변환자와 그 구동시스템 및 구동방법 |
-
2022
- 2022-08-22 KR KR1020220104604A patent/KR20230031147A/ko unknown
Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR20140038211A (ko) | 2012-09-20 | 2014-03-28 | 동국대학교 산학협력단 | 다중 압전소자를 사용한 초음파 변환자와 그 구동시스템 및 구동방법 |
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