KR20240039286A - 음향 트위저 장치 - Google Patents

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한성민
허정민
윤인찬
최원석
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한국과학기술연구원
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Abstract

음향 트위저 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 음향 트위저 장치는 초음파 신호를 위한 함수 신호를 생성하는 함수 신호 발생기, 함수 신호에 기초하여 초음파 신호를 증폭시키는 파워 증폭기, 및 각 영역별로 서로 다른 박막 두께를 가지는 홀로그램 박막이 초음파 발진면에 부착된 단일 채널의 초음파 트랜스듀서를 포함하고, 초음파 트랜스듀서는 발진된 초음파 신호가 홀로그램 박막을 통과하게 함으로써 서로 다른 위상차를 가지는 복수의 초음파 신호들을 생성할 수 있다.

Description

음향 트위저 장치{ACOUSTIC TWEEZER DEVICE}
아래 개시는 음향 트위저 장치에 관한 것이다.
음향 트위저(acoustic tweezer)는 초음파로 미세한 물체의 위치와 움직임을 비접촉식으로 제어하기 위한 기술이다. 의료분야에서 음향 트위저는 나노 또는 마이크로 크기의 입자 약물, DNA, 세포를 질병이 있는 부위에 전달하여 치료 효과를 극대화하기 위해 사용된다. 화학분야에서 음향 트위저는 입자 크기 및 물리적 특성에 따른 화학물질을 분류하기 위해 사용될 수 있다. 음향 트위저를 이용하여 약품, 식품, 화장품 등의 질적 향상을 도모할 수 있기 때문에 음향 트위저와 관련된 연구들이 선행되었다.
기존 음향 트위저 기술은 정상파 트위저(standing wave tweezer), 고주파수의 단일 빔 음향 트위저, 다채널 초음파 트랜스듀서 기반 음향 볼텍스 트위저(acoustic vortex tweezer) 등이 있다. 이들은 작은 입자의 움직임을 제어하기에 유용하지만 아래와 같은 문제점이 있다.
정상파 트위저는 두 개 이상의 초음파 트랜스듀서를 필요로 하기에 두 개 이상의 초음파 운용 시스템(ultrasound driving system)을 마련해야 한다는 문제점과, 초음파 트랜스듀서들의 위치 배치와 같은 부분에서 셋업이 복잡하다는 문제점을 갖는다. 고주파수의 단일 빔 음향 트위저는 제어할 수 있는 물체 크기가 초음파의 주파수에 의존하기 때문에 마이크로 입자를 제어하기 위해 수십 MHz의 초음파 트랜스듀서를 필요로 한다. 고주파수 초음파가 물체를 통과할 때 음향 세기 감쇠도가 상당히 높기 때문에, 고주파수 초음파를 필요로 하는 고주파수의 단일 빔 음향 트위저는 인체 내에 약물 전달과 같은 응용에 활용될 수 없다는 문제점을 갖는다. 다채널 초음파 트랜스듀서 기반 음향 볼텍스 트위저는 고가의 다채널 동작 시스템과 다채널 초음파 트랜스듀서를 필요로 하며, 단일 채널 초음파 트랜스듀서에 비해 전체 시스템이 복잡하다는 문제점을 갖는다.
따라서 위와 같은 종래 기술의 문제점들을 극복하기 위한 연구가 필요한 실정이다.
일 실시예에 따른 음향 트위저 장치는 초음파 신호를 위한 함수 신호를 생성하는 함수 신호 발생기; 상기 함수 신호에 기초하여 초음파 신호를 증폭시키는 파워 증폭기; 및 각 영역별로 서로 다른 박막 두께를 가지는 홀로그램 박막이 초음파 발진면에 부착된 단일 채널의 초음파 트랜스듀서를 포함하고, 상기 초음파 트랜스듀서는, 상기 발진된 초음파 신호가 상기 홀로그램 박막을 통과하게 함으로써 서로 다른 위상차를 가지는 복수의 초음파 신호들을 생성할 수 있다.
상기 생성된 복수의 초음파 신호들은, 제1 초음파 신호, 제2 초음파 신호 및 제3 초음파 신호를 포함하고, 상기 제1 초음파 신호, 상기 제2 초음파 신호 및 상기 제3 초음파 신호는, 서로 중첩 및 간섭하여 음향 볼텍스(acoustic vortex) 형태의 음장(acoustic field)을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 음향 트위저 장치는, 상기 복수의 초음파 신호들이 중첩 및 간섭하여 형성된 음향 볼텍스 형태의 음장을 이용하여 유체 내 표적 입자의 움직임을 제어할 수 있다.
상기 홀로그램 박막은, 상기 초음파 트랜스듀서의 상기 초음파 발진면의 중심을 기준으로 n개의 영역들로 분할되고, 각 영역들은 서로 다른 박막 두께를 가지고, 상기 n은 2 이상의 자연수일 수 있다.
상기 홀로그램 박막은, 적어도, 제1 박막 두께를 가지는 제1 영역, 제2 박막 두께를 가지는 제2 영역, 및 제3 박막 두께를 가지는 제3 영역을 포함하고, 상기 제1 박막 두께, 상기 제2 박막 두께 및 상기 제3 박막 두께는, 서로 다른 박막 두께 값들을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 초음파 트랜스듀서의 상기 초음파 발진면은, 상기 홀로그램 박막이 부착되지 않은 제4 영역을 포함하고, 상기 제4 영역은, 상기 제1 영역, 상기 제2 영역 및 상기 제3 영역과 다른 영역일 수 있다.
상기 홀로그램 박막의 제1 영역을 통과한 제1 초음파 신호는, 상기 홀로그램 박막의 제1 영역을 통과하기 전의 초음파 신호에 비해 90도의 위상차를 가지고, 상기 홀로그램 박막의 제2 영역을 통과한 제2 초음파 신호는, 상기 홀로그램 박막의 제2 영역을 통과하기 전의 초음파 신호에 비해 180도의 위상차를 가지고, 상기 홀로그램 박막의 제3 영역을 통과한 제3 초음파 신호는, 상기 홀로그램 박막의 제3 영역을 통과하기 전의 초음파 신호에 비해 270도의 위상차를 가질 수 있다.
상기 제1 초음파 신호, 상기 제2 초음파 신호 및 상기 제3 초음파 신호는, 초음파 트랜스듀서의 하나의 초음파 발진면에서 동시에 출력되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단일 채널의 집속초음파 트랜스듀서에 음향 홀로그램 기술을 적용하여 볼텍스 형태의 음장을 형성하는 것에 의해 마이크로 입자에 대한 정밀한 공간적 제어가 가능하도록 한다.
일 실시예에 따르면, 종래의 음향 트위저 장치와 달리 낮은 주파수와 단일 채널의 초음파 트랜스듀서만으로 마이크로 입자를 이동시킬 수 있기 때문에, 기존 음향 트위저 장치보다 장치 구조를 단순화할 수 있고, 낮은 주파수에 따른 조직내 음향 감쇠도가 낮아질 수 있기에, 활용성을 도모할 수 있고 비용을 절감시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면 집속초음파 트랜스듀서에 홀로그래픽 기술을 접목시킨 것이기 때문에 음향 압력이 초점으로 집속되어서 공간적 해상도가 높고 생성된 음향 볼텍스의 강하게 입자를 끌어들이는 특성 때문에 연조직에 손상을 주지 않는 수준의 압력 세기로도 종래 기술들에 비해 입자를 잡는 힘이 강할 수 있다.
일 실시예에 따르면 단일 채널의 초음파 트랜스듀서에, 홀로그램 박막만 교체하는 방식으로 수동적 위상 제어(passive phase control)가 가능하기 때문에 능동적 위상 제어(active phase control)를 하는 다채널 초음파 트랜스듀서의 기능을 대신할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 음향 트위저 장치의 전체적인 개요를 도시하는 도면이다.
도 2 및 도 3은 일 실시예에 따른 홀로그램 박막을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 음향 볼텍스 형태의 음장을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 형태에 따른 홀로그램 박막의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 홀로그램 박막에 의해 형성된 이중 초점의 집속초음파 빔 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 음향 트위저 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 구현될 수 있다. 따라서, 실제 구현되는 형태는 개시된 특정 실시예로만 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 실시예들로 설명한 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 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 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 문서에서 사용된 용어 "모듈"은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구현된 유닛을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로와 같은 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 모듈은, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는, 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 일실시예에 따르면, 모듈은 ASIC(application-specific integrated circuit)의 형태로 구현될 수 있다.
본 문서에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만, '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다. 또한, '~부'는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 음향 트위저 장치의 전체적인 개요를 도시하는 도면이다.
본 명세서에서 설명하는 음향 트위저 장치는 단일 채널의 초음파 트랜스듀서(ultrasound transducer)에, 각 영역별로 서로 다른 박막 두께를 가지는 홀로그램 박막을 부착시켜 단일 채널의 초음파 트랜스듀서만으로도 수동적 위상 제어를 통해 서로 다른 위상차를 가지는 복수의 초음파 신호들을 생성할 수 있다. 음향 트위저 장치는 복수의 초음파 신호들이 중첩 및 간섭하여 형성된 음향 볼텍스 형태의 음장을 이용하여 유체 내 표적 입자의 움직임을 3차원 공간에서 자유롭게 제어할 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 음향 트위저 장치는 홀로그래픽 기술을 이용하여 의료분야에서 약물, 세포, DNA등의 입자를 원하는 위치로 자유롭게 전달하는 기능을 제공할 수 있다. 음향 트위저 장치는 단일 채널의 집속초음파 트랜스듀서에 음향 홀로그램 기술을 적용하여 음향 볼텍스 형태의 음장을 형성함으로써 마이크로 입자를 정밀하게 제어할 수 있다. 이 기술은 주파수에 의존하여 마이크로 수준의 물체의 크기를 제어하는 것이 아니고, 다수의 초음파 트랜스듀서들을 필요로 하지 않으며, 다채널 동작이 필요하지 않기 때문에 간단한 시스템으로 구동이 가능하다.
도 1을 참조하면 음향 트위저 장치는 초음파 트랜스듀서(110), 파워 증폭기(150) 및 함수 신호 발생기(160)를 포함할 수 있다.
함수 신호 발생기(160)는 초음파 신호를 위한 함수 신호를 생성할 수 있다. 함수 신호 발생기(160)는 예를 들어, 사인파(sine wave)인 함수 신호를 생성할 수 있다. 함수 신호 발생기(160)는 생성한 함수 신호를 파워 증폭기(150)에 인가할 수 있다. 여기서 음향 트위저 장치를 위한 초음파 조사 조건은 압력 세기(pressure amplitude)가 300 kPa 내지 3 MPa, 펄스 반복률(pulse repetition frequency)이 500 Hz 내지 5000 kHz, 펄스 폭(pulse width)이 10 μs 내지 1 ms일 수 있다.
파워 증폭기(150)는 함수 신호에 기초하여 초음파 신호를 증폭시킬 수 있다. 파워 증폭기(150)는 초음파 트랜스듀서(110)에 대하여 초음파 신호를 증폭시킬 수 있다. 초음파 트랜스듀서(110)는 단일 채널로 구성될 수 있고, 각 영역별로 서로 다른 박막 두께를 가지는 홀로그램 박막(120)이 초음파 발진면에 부착될 수 있다. 초음파 트랜스듀서(110)는 발진된 초음파 신호가 홀로그램 박막(120)을 통과하게 함으로써 서로 다른 위상차를 가지는 복수의 초음파 신호들을 생성할 수 있다. 초음파 트랜스듀서(110)는 단일 채널로 구성되어 있음에도 불구하고, 초음파 신호가 각 영역별로 서로 다른 박막 두께를 가지는 홀로그램 박막(120)을 통과하게 함으로써 서로 다른 위상차를 가지는 복수의 초음파 신호들을 생성할 수 있다. 초음파 트랜스듀서(110)는 앞서 설명한 특징을 통해 단일 채널만으로도 다채널과 같은 효과를 낼 수 있다. 홀로그램 박막(120)은 예를 들어 폴리머 소재, 레진 소재 또는 플라스틱 계열의 소재 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
홀로그램 박막(120)은 초음파 트랜스듀서(110)의 초음파 발진면의 중심을 기준으로 n개의 영역들로 분할되고, 각 영역들은 서로 다른 박막 두께를 가질 수 있다. 여기서, n은 2 이상의 자연수일 수 있다. 도 1의 실시예에서 홀로그램 박막(120)은 초음파 트랜스듀서(110)의 초음파 발진면의 중심을 기준으로 4개의 영역들로 분할되었지만, 이에 한정되지 않고 다양한 개수의 영역들로도 분할될 수 있다.
홀로그램 박막(120)은 적어도, 제1 박막 두께를 가지는 제1 영역, 제2 박막 두께를 가지는 제2 영역, 및 제3 박막 두께를 가지는 제3 영역을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 박막 두께, 제2 박막 두께 및 제3 박막 두께는 서로 다른 박막 두께 값들을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
초음파 트랜스듀서(110)의 초음파 발진면은 홀로그램 박막(120)이 부착되지 않은 제4 영역을 포함할 수 있다. 제4 영역은 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역과 다른 영역일 수 있다.
생성된 복수의 초음파 신호들은 제1 초음파 신호, 제2 초음파 신호 및 제3 초음파 신호를 포함할 수 있다. 실시예에 따라 생성된 복수의 초음파 신호들은 제1 초음파 신호, 제2 초음파 신호, 제3 초음파 신호 및 제4 초음파 신호 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다. 제1 초음파 신호, 제2 초음파 신호 및 제3 초음파 신호는 초음파 트랜스듀서의 하나의 초음파 발진면에서 동시에 출력되는 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 제1 초음파 신호, 제2 초음파 신호 및 제3 초음파 신호는 홀로그램 박막(120)이 부착된 초음파 발진면에서 동시에 출력되는 것을 특징으로 할 수 있다.
예를 들어, 홀로그램 박막의 제1 영역을 통과한 제1 초음파 신호는, 홀로그램 박막의 제1 영역을 통과하기 전의 초음파 신호에 비해 90도의 위상차를 가지고, 홀로그램 박막의 제2 영역을 통과한 제2 초음파 신호는 홀로그램 박막의 제2 영역을 통과하기 전의 초음파 신호에 비해 180도의 위상차를 가질 수 있다. 홀로그램 박막의 제3 영역을 통과한 제3 초음파 신호는 홀로그램 박막의 제3 영역을 통과하기 전의 초음파 신호에 비해 270도의 위상차를 가질 수 있다. 초음파 트랜스듀서(110)의 초음파 발진면에서 홀로그램 박막(120)이 부착되지 않은 제4 영역을 통과한 초음파 신호는, 초음파 트랜스듀서(110)를 통과하기 전의 초음파 신호와 위상차를 갖지 않을 수 있고, 제4 초음파 신호라고도 지칭될 수 있다.
제1 초음파 신호, 제2 초음파 신호 및 제3 초음파 신호는 서로 중첩 및 간섭하여 음향 볼텍스(acoustic vortex) 형태의 음장(acoustic field)(130)을 형성할 수 있다. 또한, 제1 초음파 신호, 제2 초음파 신호, 제3 초음파 신호 및 제4 초음파 신호가 중첩 및 간섭하여 음향 볼텍스 형태의 음장(130)이 형성될 수도 있다. 여기서 음장은 중앙에 압력이 0인 링 형태의 음장일 수 있다. 음향 트위저 장치는 형성된 음향 볼텍스 형태의 음장(130)을 이용하여 유체 내 표적 입자(140)의 움직임을 제어할 수 있다. 음향 트위저 장치가 표적 입자(140)의 움직임을 제어하는 것을, 표적 입자(140)를 집어서 이동시키는 것이라고도 표현될 수도 있다. 표적 입자(140)는 예를 들어, 링 형태의 음장에 의해 회오리처럼 돌면서 압력이 0인 영역으로 끌려 들어가서 클러스터의 형태로 뭉쳐질 수 있고 움직임이 제어될 수 있다.
도 2 및 도 3은 일 실시예에 따른 홀로그램 박막을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2를 참조하면 (a)는 홀로그램 박막의 일례를 도시할 수 있다. 또한, (b)는 홀로그램 박막(a)이 부착되는 초음파 트랜스듀서의 초음파 발진면의 일례일 수 있다. 이 실시예에서 홀로그램 박막(a)은 제1 영역(210), 제2 영역(220) 및 제3 영역(230)을 포함할 수 있다. 제1 영역(210)은 제1 두께를 가질 수 있고, 제2 영역(220)은 제2 두께를 가질 수 있으며 제3 영역(230)은 제3 두께를 가질 수 있다. 제1 두께, 제2 두께 및 제3 두께는 모두 다른 두께일 수 있다.
제1 영역(210)은 초음파 트랜스듀서의 초음파 발진면(b)의 참조 번호(212)에 부착될 수 있다. 제2 영역(220)은 초음파 트랜스듀서의 초음파 발진면(b)의 참조 번호(222)에 부착될 수 있으며, 제3 영역(230)은 초음파 트랜스듀서의 초음파 발진면(b)의 참조 번호(232)에 부착될 수 있다. 또한, 초음파 트랜스듀서의 초음파 발진면(b)의 제4 영역(242)에는 홀로그램 박막(a)이 부착되지 않을 수 있다. 따라서, 초음파 트랜스듀서의 초음파 발진면(b)의 제4 영역(242)을 통과한 제4 초음파 신호는 통과하기 전의 초음파 신호와 위상차가 발생하지 않을 수 있다.
제1 영역(210)이 부착된 초음파 발진면(212)을 통과한 제1 초음파 신호는 통과하기 전의 초음파 신호와 90도의 위상차를 가질 수 있다. 또한, 제2 영역(220)이 부착된 초음파 발진면(222)을 통과한 제2 초음파 신호는 통과하기 전의 초음파 신호와 180도의 위상차를 가질 수 있다. 제3 영역(230)이 부착된 초음파 발진면(232)을 통과한 제3 초음파 신호는 통과하기 전의 초음파 신호와 270의 위상차를 가질 수 있다. 제1 초음파 신호, 제2 초음파 신호, 제3 초음파 신호 및 제4 초음파 신호는 각각 다른 위상차를 가지기 때문에 제1 초음파 신호, 제2 초음파 신호, 제3 초음파 신호 및 제4 초음파 신호 간에 간섭이 발생하게 되고 이 간섭에 의해 음향 볼텍스 형태의 음장이 형성될 수 있다.
홀로그램 박막(a)의 음향 물성치(acoustic property)에 의존하여 위상이 변화할 수 있다. 홀로그램 박막(a)에 의한 위상차()는 수학식 1에 기초하여 계산될 수 있다.
여기서, k m은 물질의 파수(Wavenumber of material)를 나타낼 수 있고, k 0는 유체의 파수(Wavenumber of medium)를 나타낼 수 있으며, t h 는 물질의 두께(Thickness of material) 즉 홀로그램 박막의 두께를 나타낼 수 있다. f는 초음파의 주파수(Frequency)를 나타내고, c는 홀로그램 박막 또는 유체의 음속(Speed of sound)을 나타낼 수 있다. 위상차는 초음파의 주파수, 홀로그램 박막의 음속 및 홀로그램 박막의 두께 중 적어도 하나에 기초하여 결정될 수 있다. 홀로그램 박막의 두께는 홀로그램 박막의 음향 특성에 기초하여 결정될 수 있다.
일 예에서 단일 채널의 초음파 트랜스듀서의 구조 범위는 직경 1 mm 내지 1000 mm일 수 있고, 곡률 반경은 1 mm 내지 1500 mm일 수 있다. 초음파 트랜스듀서의 직경 및 곡률 반경에 기초하여 홀로그램 박막의 전체 직경이 1 mm 내지 1000 mm이고, 곡률 반경은 1 mm 내지 1500 mm일 수 있다.
도 3의 참조 번호(310)은 홀로그램 박막의 평면도일 수 있다. 참조 번호(310)은 예를 들어 홀로그램 박막이 오목한 면을 기준으로 바라보고 있는 도면일 수 있다. 또한, 도 3의 참조 번호(320)은 홀로그램 박막의 사시도일 수 있다. 참조 번호(320)을 참조하면 홀로그램 박막의 각 영역 별로 박막 두께가 서로 다른 것을 알 수 있다. 이에 따라 초음파 트랜스듀서는 단일 채널만으로도 서로 다른 위상차를 가지는 복수의 초음파 신호들을 생성시킬 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 음향 볼텍스 형태의 음장을 설명하기 위한 도면이다.
참조 번호(410)은 각 영역별로 서로 다른 박막 두께를 가지는 홀로그램 박막이 집속초음파 트랜스듀서에 부착된 경우이고, 참조 번호(420)은 집속초음파 트랜스듀서에 홀로그램 박막이 부착되지 않은 경우일 수 있다.
참조 번호(410)을 참조하면 참조 번호(420)과 달리 초음파 신호들이 서로 중첩 및 간섭하여 음향 볼텍스(acoustic vortex) 형태의 음장(acoustic field)이 형성된 것을 알 수 있다. 참조 번호(420)을 참조하면 초음파 신호가 상쇄 간섭없이 중첩만 되어 한 점으로 집속된 원 형태의 음장이 형성된 것을 알 수 있다.
본 명세서에서 설명하는 음향 트위저 장치는 각 영역별로 서로 다른 박막 두께를 가지는 홀로그램 박막이 초음파 트랜스듀서에 부착되어, 서로 다른 위상차를 가지는 복수의 초음파 신호들을 생성할 수 있고, 이에 따라 참조 번호(410)과 같은 음향 볼텍스 형태의 음장을 형성할 수 있다. 음향 트위저 장치는 복수의 초음파 신호들이 중첩 및 간섭하여 형성된 음향 볼텍스 형태의 음장을 이용하여 유체 내 표적 입자의 움직임을 제어할 수 있다. 도 4의 실시예에서 홀로그램 박막의 각 영역은 3분할된 폴리머 물질의 홀로그램 박막일 수 있고, 각 영역의 두께는 일 영역의 두께를 기준으로 일정하게 1배, 2배 및 3배를 가질 수 있다. 이 경우, 회오리 즉, 볼텍스 형태의 음장이 형성될 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 형태에 따른 홀로그램 박막의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면 초음파 트랜스듀서의 형태에 기초하여 홀로그램 박막의 형태가 결정될 수 있다. 참조 번호(510)은 초음파 트랜스듀서(514)가 집속초음파 트랜스듀서로서 오목한 형태인 경우의 도면을 도시할 수 있다. 또한, 참조 번호(520)은 초음파 트랜스듀서(524)가 평면 초음파 트랜스듀서로서 평평한 형태인 경우의 도면을 도시할 수 있다.
참조 번호(510)와 같이 초음파 트랜스듀서(514)가 오목한 형태인 경우, 홀로그램 박막(512)은 집속초음파 트랜스듀서(514) 위에 코팅될 수 있다. 이 경우에, 초음파 초점 거리가 집속초음파 트랜스듀서(514)의 곡률 반경(radius of curvature)에 기초하여 결정될 수 있다.
참조 번호(520)와 같이 초음파 트랜스듀서(524)가 평평한 경우, 평면 초음파 트랜스듀서(524) 위에 단차가 존재하는 서로 다른 홀로그램 구조물(522)이 부착될 수 있다. 홀로그램 구조물(또는 홀로그램 박막이라고도 지칭될 수 있음)(522)이 오목한 형태로 형성되어, 초음파 신호들 간의 위상차를 발생시킬 수 있고 이에 따라 음향 볼텍스 형태의 음장을 형성할 수도 있다. 평면 초음파 트랜스듀서(524)의 경우, 홀로그램 구조물(522)의 곡률 반경에 기초하여 초음파 초점 거리가 결정될 수 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 홀로그램 박막에 의해 형성된 이중 초점의 집속초음파 빔 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
참조 번호(610)은 단채널의 초음파 트랜스듀서(620)의 면적의 1/2이 홀로그램 박막(630)으로 코팅된 예시를 도시할 수 있다. 여기서 홀로그램 박막(630)은 2 MHz 초음파 주파수의 경우에 1 mm의 두께를 가질 수 있고 폴리머 소재일 수 있다. 해당 홀로그램 박막의 구조적 특징은 수학식 1에 기초할 수 있다. 초음파 트랜스듀서(620)는 반이 폴리머 소재의 홀로그램 박막(630)이 코팅되어 있고 나머지 반은 아무것도 코팅되지 않은 상태일 수 있다. 참조 번호(640)은 초음파 트랜스듀서(620)에 의해 발생된 빔패턴을 나타낼 수 있다. 홀로그램 박막(630)이 코팅된 초음파 트랜스듀서(620)는 두 개의 초점을 형성할 수 있다. 참조 번호(640)에서 참조 번호(650)은 초음파 트랜스듀서(620)에 코팅된 홀로그램 박막일 수 있다. 앞서 설명한 내용과 반대로 초음파 트랜스듀서에 홀로그램 박막이 코팅되지 않은 경우에는 하나의 초점이 형성될 수 있다.
따라서, 초음파 트랜스듀서(620)에 홀로그램 박막(630)이 코팅된 음향 트위저는 홀로그램 기술을 사용하는 경우에 단일 채널의 초음파 트랜스듀서로도 이중 초점을 형성할 수 있다. 음향 홀로그램 기술을 통한 이중 초점의 집속초음파를 생성할 수 있다는 특징은 향후 HIFU (high intensity focused ultrasound) 및 LIFU (Low-intensity focused ultrasound)를 활용한 치료 분야에서 두 지점에 동시다발 적으로 LIFU 뇌 자극 또는 HIFU 조직 파쇄 응용으로 활용될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 음향 트위저 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 7을 참조하면 음향 트위저 장치(700)는 함수 신호 발생기(710), 파워 증폭기(720) 및 초음파 트랜스듀서(730)를 포함할 수 있다. 음향 트위저 장치(700)는 본 명세서에서 설명하는 음향 트위저 장치에 대응할 수 있고, 함수 신호 발생기(710)는 본 명세서에서 설명하는 함수 신호 발생기에 대응할 수 있다. 또한, 파워 증폭기(720)는 본 명세서에서 설명하는 파워 증폭기에 대응할 수 있고, 초음파 트랜스듀서(730)는 본 명세서에서 설명하는 초음파 트랜스듀서에 대응할 수 있다.
함수 신호 발생기(710)는 초음파 신호를 위한 함수 신호를 생성할 수 있다. 또한, 파워 증폭기(720)는 함수 신호에 기초하여 초음파 신호를 증폭시킬 수 있다. 초음파 트랜스듀서(730)는 각 영역별로 서로 다른 박막 두께를 가지는 홀로그램 박막이 초음파 발진면에 부착될 수 있고, 단일 채널일 수 있다. 초음파 트랜스듀서(730)는 발진된 초음파 신호가 홀로그램 박막을 통과하게 함으로써 서로 다른 위상차를 가지는 복수의 초음파 신호들을 생성할 수 있다.
위에서 설명한 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 또는 복수의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
110, 730: 초음파 트랜스듀서 120: 홀로그램 박막
150, 720: 파워 증폭기 160, 710: 함수 신호 발생기
700: 음향 트위저 장치

Claims (8)

  1. 음향 트위저 장치(acoustic tweezer)에 있어서,
    초음파 신호를 위한 함수 신호를 생성하는 함수 신호 발생기;
    상기 함수 신호에 기초하여 초음파 신호를 증폭시키는 파워 증폭기; 및
    각 영역별로 서로 다른 박막 두께를 가지는 홀로그램 박막이 초음파 발진면에 부착된 단일 채널의 초음파 트랜스듀서(ultrasound transducer)를 포함하고,
    상기 초음파 트랜스듀서는,
    상기 발진된 초음파 신호가 상기 홀로그램 박막을 통과하게 함으로써 서로 다른 위상차를 가지는 복수의 초음파 신호들을 생성하는,
    음향 트위저 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 생성된 복수의 초음파 신호들은,
    제1 초음파 신호, 제2 초음파 신호 및 제3 초음파 신호를 포함하고,
    상기 제1 초음파 신호, 상기 제2 초음파 신호 및 상기 제3 초음파 신호는,
    서로 중첩 및 간섭하여 음향 볼텍스(acoustic vortex) 형태의 음장(acoustic field)을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    음향 트위저 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 음향 트위저 장치는,
    상기 복수의 초음파 신호들이 중첩 및 간섭하여 형성된 음향 볼텍스 형태의 음장을 이용하여 유체 내 표적 입자의 움직임을 제어하는,
    음향 트위저 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 홀로그램 박막은,
    상기 초음파 트랜스듀서의 상기 초음파 발진면의 중심을 기준으로 n개의 영역들로 분할되고, 각 영역들은 서로 다른 박막 두께를 가지고,
    상기 n은 2 이상의 자연수인,
    음향 트위저 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 홀로그램 박막은, 적어도,
    제1 박막 두께를 가지는 제1 영역, 제2 박막 두께를 가지는 제2 영역, 및 제3 박막 두께를 가지는 제3 영역을 포함하고,
    상기 제1 박막 두께, 상기 제2 박막 두께 및 상기 제3 박막 두께는,
    서로 다른 박막 두께 값들을 갖는 것을 특징으로 하는,
    음향 트위저 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서의 상기 초음파 발진면은,
    상기 홀로그램 박막이 부착되지 않은 제4 영역을 포함하고,
    상기 제4 영역은,
    상기 제1 영역, 상기 제2 영역 및 상기 제3 영역과 다른 영역인,
    음향 트위저 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 홀로그램 박막의 제1 영역을 통과한 제1 초음파 신호는,
    상기 홀로그램 박막의 제1 영역을 통과하기 전의 초음파 신호에 비해 90도의 위상차를 가지고,
    상기 홀로그램 박막의 제2 영역을 통과한 제2 초음파 신호는,
    상기 홀로그램 박막의 제2 영역을 통과하기 전의 초음파 신호에 비해 180도의 위상차를 가지고,
    상기 홀로그램 박막의 제3 영역을 통과한 제3 초음파 신호는,
    상기 홀로그램 박막의 제3 영역을 통과하기 전의 초음파 신호에 비해 270도의 위상차를 가지는,
    음향 트위저 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 초음파 신호, 상기 제2 초음파 신호 및 상기 제3 초음파 신호는,
    초음파 트랜스듀서의 하나의 초음파 발진면에서 동시에 출력되는 것을 특징으로 하는,
    음향 트위저 장치.
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