[go: up one dir, main page]

KR102820597B1 - An ultrasensitive, broadband and single resonance transparent ultrasound transducer and manufacturing method thereof - Google Patents

An ultrasensitive, broadband and single resonance transparent ultrasound transducer and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR102820597B1
KR102820597B1 KR1020220143894A KR20220143894A KR102820597B1 KR 102820597 B1 KR102820597 B1 KR 102820597B1 KR 1020220143894 A KR1020220143894 A KR 1020220143894A KR 20220143894 A KR20220143894 A KR 20220143894A KR 102820597 B1 KR102820597 B1 KR 102820597B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
matching layer
layer
ultrasonic transducer
transparent
piezoelectric unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
KR1020220143894A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20240061954A (en
Inventor
김철홍
김민수
김형함
조성희
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 포항공과대학교 산학협력단 filed Critical 포항공과대학교 산학협력단
Priority to KR1020220143894A priority Critical patent/KR102820597B1/en
Priority to PCT/KR2023/015361 priority patent/WO2024096347A1/en
Publication of KR20240061954A publication Critical patent/KR20240061954A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102820597B1 publication Critical patent/KR102820597B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2047Membrane type
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/308Membrane type

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)

Abstract

높은 광학 투명도를 유지하면서 초음파 송수신 효율을 최대화할 수 있는 투명 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법이 개시된다. 투명 초음파 트랜스듀서는, 전기신호에 의해 진동을 발생시키거나 진동에 의해 전기신호를 발생시키는 박막 형태의 압전유닛, 압전유닛의 전면에 접합 갭 없이 액상 또는 점토질감의 혼합물 형태로 성형이 자유로운 복합재료로 형성되는 전면 정합층, 및 압전유닛의 후면에 배치되는 흡음층을 포함한다.A transparent ultrasonic transducer capable of maximizing ultrasonic transmission and reception efficiency while maintaining high optical transparency and a method for manufacturing the same are disclosed. The transparent ultrasonic transducer includes a thin film-shaped piezoelectric unit that generates vibration by an electric signal or generates an electric signal by vibration, a front matching layer formed of a freely moldable composite material in the form of a liquid or clay-like mixture without a bonding gap on the front surface of the piezoelectric unit, and a sound-absorbing layer arranged on the rear surface of the piezoelectric unit.

Description

고감도 고대역폭 단일공진 투명 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법{AN ULTRASENSITIVE, BROADBAND AND SINGLE RESONANCE TRANSPARENT ULTRASOUND TRANSDUCER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}{AN ULTRASENSITIVE, BROADBAND AND SINGLE RESONANCE TRANSPARENT ULTRASOUND TRANSDUCER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 높은 광학 투명도를 유지하면서 초음파 송수신 효율을 최대화할 수 있는 투명 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a transparent ultrasonic transducer capable of maximizing ultrasonic transmission and reception efficiency while maintaining high optical transparency, and a method for manufacturing the same.

일반적으로 초음파 센서 등에 사용되는 초음파 트랜스듀서는 한 쌍의 전극들로부터 전기신호를 받아 발생한 진동을 전후면의 경계들에서 음파를 반사시켜 경계들 사이의 내부에서 음파의 세기를 증폭시키는 압전층, 압전층의 전면에서 증폭된 음파 진동을 외부로 방출하면서 압전층 내부에서 음파가 잘 증폭되도록 진동 방출을 적당히 막아주는 정합층, 및 압전층의 후면으로 나가는 에너지를 흡수하고 후방 방출 에너지 비율을 조절하여 소자의 시간응답 길이를 조절하는 흡음층으로 구성된다.In general, ultrasonic transducers used in ultrasonic sensors, etc., are composed of a piezoelectric layer that receives an electric signal from a pair of electrodes, generates vibrations, reflects sound waves at the boundaries between the front and rear surfaces, and amplifies the intensity of the sound waves inside between the boundaries; a matching layer that appropriately blocks the emission of vibrations so that the sound waves are well amplified inside the piezoelectric layer while emitting the amplified sound wave vibrations to the outside; and an absorbing layer that absorbs energy going out to the rear surface of the piezoelectric layer and controls the rear-emission energy ratio to control the time response length of the element.

초음파 트랜스듀서의 성능 향상을 위해, 압전층은 정합층과 흡음층과의 경계에서 적절한 반사율을 가지면서 넓은 주파수 대역폭에서 고른 반사율을 가지는 것이 중요하다.To improve the performance of an ultrasonic transducer, it is important that the piezoelectric layer have an appropriate reflectivity at the boundary between the matching layer and the absorbing layer, while also having a uniform reflectivity over a wide frequency bandwidth.

초음파 트랜스듀서의 정합층 및 흡음층에 요구되는 성능은, 세라믹 압전물질을 기준으로, 이중 정합층의 경우, 제1 정합층의 음향 임피던스는 7~8 메가레일(MRayl)이고 제2 정합층의 음향 임피던스는 2~3 MRayl이다. 그리고, 삼중 정합층의 경우, 제1 정합층의 음향 임피던스는 10~11 MRayl이고 중간 정합층의 음향 임피던스는 3~5 MRayl이며 제2 정합층의 음향 임피던스는 2~3 MRayl이다. 그리고 흡음층의 음향 임피던스는 4~8 MRayl이다. 또한, 초음파 트랜스듀서의 압전물질의 음향 임피던스는 통상 30~35 MRayl이며, 이것은 압전물질의 진동을 1.5~1.6 MRayl 정도의 물이나 생체조직에 사용하기 위한 것이다.The performances required for the matching layer and the absorbing layer of the ultrasonic transducer are, based on the ceramic piezoelectric material, in the case of a double matching layer, the acoustic impedance of the first matching layer is 7 to 8 megarail (MRayl) and the acoustic impedance of the second matching layer is 2 to 3 MRayl. In addition, in the case of a triple matching layer, the acoustic impedance of the first matching layer is 10 to 11 MRayl, the acoustic impedance of the middle matching layer is 3 to 5 MRayl, and the acoustic impedance of the second matching layer is 2 to 3 MRayl. And the acoustic impedance of the absorbing layer is 4 to 8 MRayl. In addition, the acoustic impedance of the piezoelectric material of the ultrasonic transducer is typically 30 to 35 MRayl, which is for using the vibration of the piezoelectric material in water or living tissue of about 1.5 to 1.6 MRayl.

한편, 초음파 트랜스듀서에 적합한 음향 성능을 지니는 투명한 물질은 아직까지 알려져 있지 않다. 기존의 불투명 초음파 트랜스듀서에서는 음향 성능을 향상시키기 위해 유리를 정합층으로 붙이는 방법을 시도한 바 있으나, 유리의 음향 임피던스가 12~15 MRayl이므로 초음파 트랜스듀서에서 요구되는 임피던스에 부적합하여 음향 성능 향상에 제한적인 한계가 있고, 유리의 접착 시, 접착제에 의한 임피던스 역전이 발생하는 문제가 있다.Meanwhile, a transparent material having acoustic performance suitable for an ultrasonic transducer is not yet known. In the case of existing opaque ultrasonic transducers, a method of attaching glass as a matching layer has been attempted to improve acoustic performance. However, since the acoustic impedance of glass is 12 to 15 MRayl, it is not suitable for the impedance required for an ultrasonic transducer, and thus there is a limitation in improving acoustic performance. In addition, there is a problem that impedance reversal occurs due to the adhesive when bonding the glass.

또한, 음향 임피던스가 4~10 MRayl인 물질은 자연 상태로 존재하지 않는다. 따라서, 기존의 불투명 트랜스듀서의 정합층이나 흡음층의 제작에서는 음향 임피던스가 상대적으로 높은 금속이나 세라믹과, 음향 임피던스가 상대적으로 낮은 고분자 소재를 함께 이용하여 음향 임피던스를 조절해 왔다.In addition, materials with acoustic impedances of 4 to 10 MRayl do not exist in nature. Therefore, in the production of matching layers or absorbing layers of existing opaque transducers, the acoustic impedance has been controlled by using metals or ceramics with relatively high acoustic impedance and polymer materials with relatively low acoustic impedance.

예를 들어, 압전층과 정합층 사이 혹은 압전층과 흡음층 사이에 0.5 밀(mill) 정도의 유격을 허용하는 5㎒ 이하의 불투명 저주파 트랜스듀서의 제작에서는 음향 임피던스의 조절을 위해 저점도 접착제를 도포하고 가압 환경에서 접착하는 방법을 사용하였다.For example, in the production of opaque low-frequency transducers of 5 MHz or less that allow a clearance of about 0.5 mil between the piezoelectric layer and the matching layer or between the piezoelectric layer and the absorbing layer, a method of applying a low-viscosity adhesive and bonding under a pressurized environment was used to control the acoustic impedance.

그리고, 성능 확보를 위해 접착 유격이 허용되지 않는 기존의 대부분의 불투명 초음파 트랜스듀서의 제작에서는 음향 임피던스가 높은 물질의 가루를 경화 전이나 중합 전의 고분자 물질의 액체에 혼합하여 만든 액상이나 점토 형상의 혼합물을 압전체 표면에 도포하여 경화시킨 후 목표하는 두께에 맞춰 재료를 절삭하는 방식을 사용하였다.And, in the production of most conventional opaque ultrasonic transducers where adhesive clearance is not allowed to secure performance, a method was used in which a liquid or clay-like mixture made by mixing powder of a material with high acoustic impedance into a liquid of a polymer material before curing or polymerization was applied to the surface of the piezoelectric body, cured, and then the material was cut to the target thickness.

하지만, 기존 방식으로 제조되는 불투명 초음파 트랜스듀서는 임피던스 부적합 문제를 가지고 있으며, 기술적 구현의 한께로 인해 정합층의 두께를 1/4 파장 두께 이하로 형성하기 어려워 파장의 20배 이상으로 형성하여 사용하고 있다.However, opaque ultrasonic transducers manufactured using conventional methods have impedance mismatch problems, and due to the limitations of technical implementation, it is difficult to form the matching layer with a thickness less than 1/4 wavelength, so it is formed and used with a thickness of 20 times or more the wavelength.

본 발명은 전술한 종래 기술의 한계를 개선하기 위해 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 투명 초음파 트랜스듀서의 음향 특성을 개선하여 기존의 불투명 초음파 트랜스듀서와 동등한 초음파 송수신 성능을 발휘할 수 있고 고감도, 고대역폭 및 단일공진의 특성을 가지는 투명 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.The present invention has been made to improve the limitations of the above-mentioned prior art, and the purpose of the present invention is to provide a transparent ultrasonic transducer and a method for manufacturing the same, which can exhibit ultrasonic transmission and reception performance equivalent to that of a conventional opaque ultrasonic transducer by improving the acoustic characteristics of the transparent ultrasonic transducer and have the characteristics of high sensitivity, high bandwidth, and single resonance.

본 발명의 다른 목적은 높은 광학 투명도를 유지하면서 초음파 송수신 효율을 최대화할 수 있는 즉, 음향 및 광학 특성을 동시에 충족시켜 투명 초음파 트랜스듀서의 이론적 최대 음향 성능을 유사하게 발휘할 수 있는, 투명 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a transparent ultrasonic transducer and a method for manufacturing the same, which can maximize ultrasonic transmission and reception efficiency while maintaining high optical transparency, that is, can simultaneously satisfy acoustic and optical characteristics to similarly exhibit the theoretical maximum acoustic performance of a transparent ultrasonic transducer.

본 발명의 또 다른 목적은 초음파 트랜스듀서의 주파수 반응성을 적절 레벨에서 조절할 수 있도록 투명도를 유지하면서 초음파 후방 감쇄를 최적화할 수 있는, 투명 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a transparent ultrasonic transducer and a method for manufacturing the same, which can optimize ultrasonic back attenuation while maintaining transparency so that the frequency response of the ultrasonic transducer can be adjusted at an appropriate level.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 투명 초음파 트랜스듀서는, 전기신호에 의해 진동을 발생시키거나 진동에 의해 전기신호를 발생시키는 박막 형태의 압전유닛; 상기 압전유닛의 전면에 접합 갭 없이 액상 또는 점토질감의 혼합물 형태로 성형이 자유로운 복합재료로 형성되는 전면 정합층; 및 상기 압전유닛의 후면에 배치되는 흡음층을 포함한다.According to one aspect of the present invention for solving the above technical problem, a transparent ultrasonic transducer comprises a thin film-shaped piezoelectric unit that generates vibration by an electric signal or generates an electric signal by vibration; a front matching layer formed of a freely moldable composite material in the form of a liquid or clay-like mixture without a bonding gap on the front surface of the piezoelectric unit; and a sound-absorbing layer arranged on the rear surface of the piezoelectric unit.

상기 흡음층은, 상기 압전유닛의 후면에 상기 복합재료로 형성되는 후면 정합층과, 상기 후면 정합층 상에 배치되는 후면 고분자층을 구비할 수 있다. 상기 흡음층의 음향 임피던스는 수학식 1로 산정될 수 있다.The above sound-absorbing layer may have a rear matching layer formed of the composite material on the rear side of the piezoelectric unit, and a rear polymer layer disposed on the rear matching layer. The acoustic impedance of the above sound-absorbing layer can be calculated by mathematical expression 1.

상기 투명 초음파 트랜스듀서는, 상기 전면 정합층 상에 배치되는 전면 고분자층을 더 포함할 수 있다.The above transparent ultrasonic transducer may further include a front polymer layer disposed on the front matching layer.

상기 전면 정합층은 세라믹과 에폭시의 복합재료로 구성되고, 상기 전면 고분자층은 순수 고분자 재료로 구성될 수 있다.The above front matching layer may be composed of a composite material of ceramic and epoxy, and the above front polymer layer may be composed of a pure polymer material.

상기 압전유닛의 두께는 투과 파장(λ)의 1/2이고, 상기 전면 정합층, 상기 전면 고분자층 및 상기 후면 정합층 각각의 두께는 λ/4일 수 있다.The thickness of the above piezoelectric unit may be 1/2 of the transmission wavelength (λ), and the thickness of each of the front matching layer, the front polymer layer, and the rear matching layer may be λ/4.

상기 전면 정합층 또는 상기 후면 정합층을 구성하는 복합재료의 투명도는, 세라믹 입자의 부피비, 세라믹 입자의 크기 및 형태, 세라믹과 고분자 간의 굴절률 차이에 의해 결정될 수 있다.The transparency of the composite material constituting the front matching layer or the rear matching layer can be determined by the volume ratio of the ceramic particles, the size and shape of the ceramic particles, and the difference in refractive index between the ceramic and the polymer.

상기 투명도는, 상기 전면 정합층의 7 내지 8 MRayl의 음향 임피던스에서, 또는 상기 후면 정합층의 4 내지 6 MRayl의 음향 임피던스에서, 1/4 파장 두께에서 90% 이상 빛을 투과하는 투명도로 설정될 수 있다.The above transparency can be set to a transparency that transmits more than 90% of light at a 1/4 wavelength thickness at an acoustic impedance of 7 to 8 MRayl of the front matching layer, or at an acoustic impedance of 4 to 6 MRayl of the rear matching layer.

상기 전면 정합층 또는 상기 후면 정합층을 구성하는 복합재료의 음향 임피던스는 세라믹 입자의 부피비, 세라믹 및 고분자 각각의 벌크 모듈러스와 전단 모듈러스에 의해 결정될 수 있다.The acoustic impedance of the composite material constituting the front matching layer or the rear matching layer can be determined by the volume ratio of the ceramic particles and the bulk modulus and shear modulus of each of the ceramic and the polymer.

상기 복합재료의 경화 전 혼합물의 점도는, 세라믹 입자의 부피비, 세라믹 입자의 크기 및 형태에 의해 결정될 수 있다.The viscosity of the mixture before curing of the above composite material can be determined by the volume ratio of ceramic particles, the size and shape of the ceramic particles.

상기 투명 초음파 트랜스듀서는, 상기 후면 정합층과 상기 후면 고분자층과의 사이에 배치되는 전도성 링 부재를 더 포함할 수 있다.The above transparent ultrasonic transducer may further include a conductive ring member disposed between the rear matching layer and the rear polymer layer.

상기 투명 초음파 트랜스듀서는, 상기 전면 고분자층, 상기 전면 정합층, 상기 후면 정합층, 상기 후면 고분자층, 상기 전도성 링 부재의 적층 구조를 수용하는 케이스를 더 포함할 수 있다.The above transparent ultrasonic transducer may further include a case that accommodates a laminated structure of the front polymer layer, the front matching layer, the rear matching layer, the rear polymer layer, and the conductive ring member.

상기 압전유닛은 박막 형태의 압전결정과 상기 압전결정의 전면에 형성된 제1 투명전극과 상기 압전결정의 후면에 형성된 제2 투명전극을 구비할 수 있다.The above piezoelectric unit may include a thin film-shaped piezoelectric crystal, a first transparent electrode formed on the front surface of the piezoelectric crystal, and a second transparent electrode formed on the back surface of the piezoelectric crystal.

상기 투명 초음파 트랜스듀서는, 상기 후면 고분자층의 일면 상에서 상기 제1 투명전극과 상기 케이스를 연결하는 연결전극을 더 포함할 수 있다.The above transparent ultrasonic transducer may further include a connecting electrode connecting the first transparent electrode and the case on one surface of the rear polymer layer.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 투명 초음파 트랜스듀서의 제조 방법은, 제1 입자를 고분자 물질에 분산시킨 혼합물을 압전유닛의 일면에 도포하는 단계; 상기 압전유닛의 일면에 도포된 페이스트를 소정의 분위기에서 탈기시키고 경화시키는 단계; 및 경화된 복합재료를 디자인 두께로 래핑하고 연마하여 상기 압전유닛의 일면에 정합층을 형성하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention for solving the above technical problem, a method for manufacturing a transparent ultrasonic transducer includes the steps of: applying a mixture in which first particles are dispersed in a polymer material to one surface of a piezoelectric unit; degassing and curing the paste applied to one surface of the piezoelectric unit in a predetermined atmosphere; and lapping and polishing the cured composite material to a design thickness to form a matching layer on one surface of the piezoelectric unit.

상기 제1 입자는 유리 또는 세라믹 재료를 포함하고, 상기 유리 또는 세라믹 재료는 규산염 계열, 알루미늄염 계열, 지르코늄염 계열 및 불화 마그네슘 계열에서 선택되는 1종 이상의 재료를 함유할 수 있다. 그리고, 상기 고분자 물질은 실리콘, 에폭시, 우레탄, 폴리에틸렌, 폴리스타이렌, 아크릴계 및 설페이트계 중합수지에서 선택되는 1종 이상의 재료를 함유할 수 있다.The first particle comprises a glass or ceramic material, and the glass or ceramic material may contain one or more materials selected from a silicate series, an aluminum salt series, a zirconium salt series, and a magnesium fluoride series. And, the polymer material may contain one or more materials selected from silicone, epoxy, urethane, polyethylene, polystyrene, acrylic, and sulfate polymer resins.

상기 투명 초음파 트랜스듀서의 제조 방법은, 상기 압전유닛의 일면에 배치된 정합층이 전면 정합층일 때, 상기 전면 정합층 상에 전면 고분자층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method for manufacturing the above transparent ultrasonic transducer may further include a step of forming a front polymer layer on the front matching layer when the matching layer arranged on one side of the piezoelectric unit is a front matching layer.

상기 투명 초음파 트랜스듀서의 제조 방법은, 상기 압전유닛의 타면에 액상 또는 점토질감의 물질을 도포하여 다른 정합층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method for manufacturing the above transparent ultrasonic transducer may further include a step of forming another matching layer by applying a liquid or clay-like material to the other surface of the piezoelectric unit.

상기 투명 초음파 트랜스듀서의 제조 방법은, 상기 다른 정합층이 상기 압전유닛의 후면에 형성된 후면 정합층일 때, 상기 후면 정합층 상에 후면 고분자층을 형성하는 단계; 상기 압전유닛과 상기 후면 고분자층과의 사이에 상기 압전유닛의 제2 투명전극과 연결되는 전도성 링 부재를 배치하는 단계; 및 상기 압전유닛, 상기 전면 정합층, 상기 후면 정합층, 상기 후면 고분자층 및 상기 전도성 링 부재의 적층 구조를 수용하는 케이스를 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method for manufacturing the above transparent ultrasonic transducer may further include a step of forming a rear polymer layer on the rear matching layer when the other matching layer is a rear matching layer formed on the rear of the piezoelectric unit; a step of arranging a conductive ring member connected to a second transparent electrode of the piezoelectric unit between the piezoelectric unit and the rear polymer layer; and a step of arranging a case that accommodates a laminated structure of the piezoelectric unit, the front matching layer, the rear matching layer, the rear polymer layer, and the conductive ring member.

상기 압전유닛의 두께는 투과 파장(λ)의 1/2이고, 상기 전면 정합층, 상기 전면 고분자층, 및 상기 후면 정합층 각각의 두께는 λ/4일 수 있다.The thickness of the above piezoelectric unit may be 1/2 of the transmission wavelength (λ), and the thickness of each of the front matching layer, the front polymer layer, and the rear matching layer may be λ/4.

본 발명에 의하면, 투명 초음파 트랜스듀서의 압전유닛의 양면에 유격없이 밀착되도록 복합재료로 형성되는 투명 정합층을 사용함으로써 광학 투명도를 높이고 압전유닛의 진동에 대한 후방 감쇄 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 음향 특성이 개선되고 기존의 불투명 초음파 트랜스듀서와 실질적으로 동등한 초음파 송수신 성능을 발휘할 수 있는 새로운 투명 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, by using a transparent matching layer formed of a composite material so as to be in close contact with both sides of a piezoelectric unit of a transparent ultrasonic transducer without any gap, the optical transparency can be increased and the backward damping performance for vibration of the piezoelectric unit can be improved. In addition, a novel transparent ultrasonic transducer and a method for manufacturing the same can be provided, which have improved acoustic characteristics and can exhibit ultrasonic transmission/reception performance substantially equivalent to that of a conventional opaque ultrasonic transducer.

다시 말해서, 본 발명에 의하면, 중간자적인 음향 특성을 나타내는 새로운 투명 정합 물질을 사용함으로써, 초음파 트랜스듀서를 제작하기 위한 압전 세라믹 재료와 인체조직(물 포함)의 음향 전달 특성이 서로 크게 다른 문제로 인해 음파 전달 효율을 최대화하기 어려운 문제를 개선할 수 있다. 즉, 새로운 투명 정합 물질을 사용하여 음향 특성과 광학 특성을 함께 최적화한 투명 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.In other words, according to the present invention, by using a novel transparent matching material exhibiting intermediate acoustic characteristics, it is possible to improve the problem of difficulty in maximizing sound wave transmission efficiency due to the problem that the acoustic transmission characteristics of the piezoelectric ceramic material for manufacturing an ultrasonic transducer and the human tissue (including water) are significantly different from each other. That is, a transparent ultrasonic transducer having optimized acoustic and optical characteristics by using a novel transparent matching material and a manufacturing method thereof can be provided.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 투명 초음파 트랜스듀서(transparent ultrasound transducer, TUT)에 대한 정면도이다.
도 2는 도 1의 TUT에 보호 커버가 추가된 구조를 그 수직 중심선을 따라 절단한 횡단면에 대한 개략적인 좌측면도이다.
도 3은 도 1의 TUT를 좌측면에서 바라본 분해 사시도이다.
도 4는 도 1의 TUT에 채용할 수 있는 압전유닛의 상세 구성을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 도 1의 TUT에 채용할 수 있는 압전 유닛과 정합층 간의 접합면 구조를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 비교예에서의 압전 유닛과 정합층 간의 접합면 구조를 나타낸 예시도이다.
도 7은 도 1의 TUT에 채용할 수 있는 구조를 설명하기 위한 개략도이다.
도 8은 비교예 1의 불투명 초음파 트랜스듀서의 구조를 예시한 개략도이다.
도 9는 비교예 2의 투명 초음파 트랜스듀서의 구조를 예시한 개략도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 TUT의 제조 방법의 주요 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11은 도 10의 TUT 제조 방법에 채용할 수 있는 추가 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 12 및 도 13은 본 실시예의 TUT 제조 방법에서 고려해야 할 조건들을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 14는 본 실시예의 TUT 제조 방법에서 고려되는 재료의 음향 임피던스와 점도 간의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 15는 본 실시예의 TUT 제조 방법에서 고려되는 음향 임피던스와 투명도 간의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 16은 본 실시예의 TUT 제조 방법에서 고려되는 전방 측과 후방 측 각각에서의 각 복합재료의 부피율과 그 길이방향 탄성 속도와의 관계를 설명하기 위한 그래프들이다.
도 17은 본 실시예의 TUT 제조 방법에서 고려되는 전방 측과 후방 측 각각에서의 각 복합재료의 부피율과 그 음향 임피던스와의 관계를 설명하기 위한 그래프들이다.
도 18은 본 실시예의 TUT 제조 방법으로 제조된 전면 1차 정합층의 파장에 따른 투명도를 예시한 그래프이다.
도 19는 본 실시예의 TUT 제조 방법으로 제조된 후면 정합층의 파장에 따른 투명도를 예시한 그래프이다.
도 20은 본 실시예와 비교예들의 전방 유효 음향 임피던스 크기를 설명하기 위한 그래프이다.
도 21은 본 실시예와 비교예들의 전방 유효 음향 임피던스의 위상각(phase angle)을 설명하기 위한 그래프이다.
도 22는 본 실시예와 비교예들의 후방 유효 임피던스를 설명하기 위한 그래프이다.
도 23은 본 실시예와 비교예들에서 측정한 전방 유효 음향 임피던스 크기를 토대로 각각의 TUT의 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 24는 본 실시예와 비교예들에서 측정한 전방 유효 임피던스 위상을 토대로 각각의 TUT의 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 25는 본 실시예의 TUT 제조 방법으로 제조된 개발 투명 소자(실시예)와 기존 투명 소자(비교예)의 투명도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 26은 본 실시예와 비교예들의 펄스 에코 응답 파형에서의 피크투피크 전압을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 27은 본 실시예와 비교예들의 펄스 에코 응답 파형에서의 FWHM(full-width-at-half-maximum)을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 28은 본 실시예와 비교예들의 에코 주파수 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
FIG. 1 is a front view of a transparent ultrasound transducer (TUT) according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic left-side cross-sectional view of the structure with a protective cover added to the TUT of Figure 1, taken along its vertical center line.
Figure 3 is an exploded perspective view of the TUT of Figure 1 viewed from the left side.
Figure 4 is a schematic diagram for explaining the detailed configuration of a piezoelectric unit that can be employed in the TUT of Figure 1.
FIG. 5 is an exemplary diagram explaining the bonding surface structure between the piezoelectric unit and the matching layer that can be employed in the TUT of FIG. 1.
Figure 6 is an exemplary diagram showing the bonding surface structure between the piezoelectric unit and the matching layer in a comparative example.
Figure 7 is a schematic diagram explaining a structure that can be employed in the TUT of Figure 1.
Figure 8 is a schematic diagram illustrating the structure of an opaque ultrasonic transducer of Comparative Example 1.
Figure 9 is a schematic diagram illustrating the structure of a transparent ultrasonic transducer of Comparative Example 2.
FIG. 10 is a flow chart for explaining the main processes of a method for manufacturing a TUT according to an embodiment of the present invention.
Figure 11 is a flowchart illustrating an additional process that can be employed in the TUT manufacturing method of Figure 10.
Figures 12 and 13 are graphs for explaining conditions to be considered in the TUT manufacturing method of the present embodiment.
Figure 14 is a graph for explaining the relationship between the acoustic impedance and viscosity of the material considered in the TUT manufacturing method of the present embodiment.
Figure 15 is a graph for explaining the relationship between acoustic impedance and transparency considered in the TUT manufacturing method of the present embodiment.
Figure 16 is a graph for explaining the relationship between the volume ratio of each composite material and its longitudinal elastic velocity on each of the front side and the rear side considered in the TUT manufacturing method of the present embodiment.
Figure 17 is a graph for explaining the relationship between the volume ratio of each composite material and its acoustic impedance on each of the front side and the rear side considered in the TUT manufacturing method of the present embodiment.
Figure 18 is a graph illustrating the transparency according to the wavelength of the front primary matching layer manufactured by the TUT manufacturing method of the present embodiment.
Figure 19 is a graph illustrating the transparency according to wavelength of the rear matching layer manufactured by the TUT manufacturing method of the present embodiment.
Figure 20 is a graph for explaining the front effective acoustic impedance size of the present embodiment and comparative examples.
Figure 21 is a graph for explaining the phase angle of the front effective acoustic impedance of the present embodiment and comparative examples.
Figure 22 is a graph for explaining the rear effective impedance of the present embodiment and comparative examples.
Figure 23 is a graph comparing the performance of each TUT based on the front effective acoustic impedance size measured in the present embodiment and comparative examples.
Figure 24 is a graph comparing the performance of each TUT based on the front effective impedance phase measured in the present embodiment and comparative examples.
Figure 25 is a graph comparing the transparency of a developed transparent device (example) manufactured using the TUT manufacturing method of the present embodiment and an existing transparent device (comparative example).
Figure 26 is a graph comparing peak-to-peak voltages in pulse echo response waveforms of the present embodiment and comparative examples.
Figure 27 is a graph comparing the full-width-at-half-maximum (FWHM) of the pulse echo response waveforms of the present embodiment and comparative examples.
Figure 28 is a graph showing the results of echo frequency analysis of the present embodiment and comparative examples.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention can have various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, but should be understood to include all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are only used to distinguish one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component. The term and/or includes a combination of a plurality of related described items or any one of a plurality of related described items.

본 출원의 실시예들에서, 'A 및 B 중에서 적어도 하나'는 'A 또는 B 중에서 적어도 하나' 또는 'A 및 B 중 하나 이상의 조합들 중에서 적어도 하나'를 의미할 수 있다. 또한, 본 출원의 실시예들에서, 'A 및 B 중에서 하나 이상'은 'A 또는 B 중에서 하나 이상' 또는 'A 및 B 중 하나 이상의 조합들 중에서 하나 이상'을 의미할 수 있다.In the embodiments of the present application, 'at least one of A and B' may mean 'at least one of A or B' or 'at least one of combinations of one or more of A and B'. Furthermore, in the embodiments of the present application, 'at least one of A and B' may mean 'at least one of A or B' or 'at least one of combinations of one or more of A and B'.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어'있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When it is said that a component is 'connected' or 'connected' to another component, it should be understood that it may be directly connected or connected to that other component, but that there may be other components in between. On the other hand, when it is said that a component is 'directly connected' or 'directly connected' to another component, it should be understood that there are no other components in between.

본 출원에서 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 출원에서, '포함한다' 또는 '가진다' 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.The terminology used in this application is only used to describe specific embodiments and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In this application, it should be understood that the terms "comprises" or "has" and the like are intended to specify the presence of a feature, number, step, operation, component, part or combination thereof described in the specification, but do not exclude in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof.

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 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms defined in commonly used dictionaries, such as those defined in common dictionaries, should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning they have in the context of the relevant art, and will not be interpreted in an idealized or overly formal sense unless expressly defined in this application.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail. In order to facilitate an overall understanding in describing the present invention, the same reference numerals are used for the same components in the drawings, and redundant descriptions of the same components are omitted.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 투명 초음파 트랜스듀서(transparent ultrasound transducer, TUT)에 대한 정면도이다. 도 2는 도 1의 TUT에 전면 2차 정합층이 추가된 구조를 그 수직 중심선을 따라 절단한 횡단면에 대한 개략적인 좌측면도이다. 도 3은 도 1의 TUT를 좌측면에서 바라본 분해 사시도이다. 그리고 도 4는 도 1의 TUT에 채용할 수 있는 압전유닛의 상세 구성을 설명하기 위한 개략도이다.FIG. 1 is a front view of a transparent ultrasound transducer (TUT) according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic left side view of a cross-section taken along the vertical center line of the structure of the TUT of FIG. 1 with a front secondary matching layer added thereto. FIG. 3 is an exploded perspective view of the TUT of FIG. 1 as viewed from the left side. And FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the detailed configuration of a piezoelectric unit that can be employed in the TUT of FIG. 1.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 투명 초음파 트랜스듀서(TUT, 100)는, 고감도 및 고대역폭 특성을 갖는 단일공진 소자로서, 압전유닛(10), 전면 정합층(20, 30) 및 후면 흡음층(40, 50)을 구비할 수 있다. 후면 흡음층은 간략히 흡음층으로 지칭될 수 있다.Referring to FIGS. 1 to 4, a transparent ultrasonic transducer (TUT, 100) is a single resonant element having high sensitivity and high bandwidth characteristics, and may include a piezoelectric unit (10), a front matching layer (20, 30), and a rear sound-absorbing layer (40, 50). The rear sound-absorbing layer may be simply referred to as a sound-absorbing layer.

TUT(100)는 대략 납작한 원통 형태를 구비하고, 또한 전면에서 후면을 관통하여 볼 수 있도록 그 중앙 부분이 투명한 형태를 구비하며, 전면에서 볼 때, 그 직경(D1)은 대략 10㎜ 내지 20㎜ 사이의 크기를 가질 수 있다.TUT (100) has a roughly flat cylindrical shape and also has a central portion that is transparent so that it can be viewed from the front to the rear, and when viewed from the front, its diameter (D1) can have a size of approximately 10 mm to 20 mm.

TUT(100)는 압전유닛(10)의 전면과 후면 중 적어도 어느 하나에 접합 갭 없이 형성되고 적절한 음향 임피던스를 가지는 투명 매칭 및 흡음 재료로 형성되는 정합층(20 및/또는 40)을 구비할 수 있다. 음향 임피던스는 음파의 속도와 재료의 밀도에 의해 결정될 수 있다.The TUT (100) may be provided with a matching layer (20 and/or 40) formed without a bonding gap on at least one of the front and rear surfaces of the piezoelectric unit (10) and formed of a transparent matching and sound-absorbing material having an appropriate acoustic impedance. The acoustic impedance may be determined by the speed of the sound wave and the density of the material.

구체적으로, TUT(100)는 전면 1차 정합층(20) 상에 전면 2차 정합층(30)을 구비할 수 있다. 전면 1차 정합층(20)은 제1 전면 정합층 또는 간단히 전면 정합층으로 지칭될 수 있고, 전면 2차 정합층(30)은 제2 전면 정합층 또는 전면 고분자층으로 지칭될 수 있다.Specifically, the TUT (100) may have a front secondary matching layer (30) on a front primary matching layer (20). The front primary matching layer (20) may be referred to as a first front matching layer or simply a front matching layer, and the front secondary matching layer (30) may be referred to as a second front matching layer or a front polymer layer.

후면 흡음층은 압전유닛(10)의 후면 측 경계를 형성하고 압전유닛(10)의 후면으로 나오는 음향 임피던스를 흡수하는 후면 정합층(40)을 구비할 수 있다. 또한, 후면 흡음층은 후면 정합층(40) 상에 배치되는 후면 고분자층(50)을 더 구비할 수 있다.The rear sound-absorbing layer may have a rear matching layer (40) that forms a rear side boundary of the piezoelectric unit (10) and absorbs acoustic impedance coming out of the rear of the piezoelectric unit (10). In addition, the rear sound-absorbing layer may further have a rear polymer layer (50) that is arranged on the rear matching layer (40).

또한, 도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이, TUT(100)는 전도성 링 부재(60)를 더 구비할 수 있다. 전도성 링 부재(60)는 간략히 전도성 링으로 지칭될 수 있다. 전도성 링(60)은 압전유닛(10)의 박막 형태의 압전체(11)의 타면 상에 배치된 제2 투명전극(13)에 밀착하여 접하도록 후면 고분자층(50)에 의해 지지될 수 있다. 박막 형태의 압전체(11)의 두께는 수 마이크로미터 내지 수천 마이크로미터일 수 있다.In addition, as shown in FIGS. 2 and 4, the TUT (100) may further include a conductive ring member (60). The conductive ring member (60) may be simply referred to as a conductive ring. The conductive ring (60) may be supported by the rear polymer layer (50) so as to be in close contact with the second transparent electrode (13) arranged on the other surface of the thin film-shaped piezoelectric body (11) of the piezoelectric unit (10). The thickness of the thin film-shaped piezoelectric body (11) may be several micrometers to several thousand micrometers.

압전유닛(10)은 도 4에 도시한 바와 같이 압전체(11), 압전체(11)의 전면에 코팅된 제1 투명전극(12) 및 압전체(11)의 후면에 코팅된 제2 투명전극(13)을 구비한 구조를 가질 수 있다. 압전체(11)은 박막 형태를 구비하고, 압전결정으로 지칭될 수 있다.The piezoelectric unit (10) may have a structure including a piezoelectric body (11), a first transparent electrode (12) coated on the front surface of the piezoelectric body (11), and a second transparent electrode (13) coated on the back surface of the piezoelectric body (11), as shown in Fig. 4. The piezoelectric body (11) has a thin film form and may be referred to as a piezoelectric crystal.

또한, 도 2 및 도 3을 참조하면, TUT(100)는 압전유닛(10), 전면 1차 정합층(20), 후면 흡음층(40, 50) 및 전도성 링(60)의 적층 구조를 수용하는 케이스(70)을 더 구비할 수 있다. 케이스(70)는 황동 튜브(brass tube) 등의 전도성 튜브 형태를 구비할 수 있다. 케이스(70)는 후면 고분자층(50)에 의해 전도성 링(60)과 전기적으로 분리될 수 있다. 그리고 케이스(70)의 일단은 압전유닛(10)의 압전체(11)의 일면 상에 배치된 제1 투명전극(12)에 접촉하는 연결전극들(15)과 결합될 수 있다. 이를 위해, 후면 정합층(40)은 제1 투명전극(12)을 노출시키기 위해 코너 부분이 절단된 형태의 측면 가장자리(41)를 구비할 수 있다.In addition, referring to FIGS. 2 and 3, the TUT (100) may further include a case (70) that accommodates a laminated structure of a piezoelectric unit (10), a front primary matching layer (20), a rear sound-absorbing layer (40, 50), and a conductive ring (60). The case (70) may have a conductive tube shape, such as a brass tube. The case (70) may be electrically separated from the conductive ring (60) by a rear polymer layer (50). In addition, one end of the case (70) may be coupled with connection electrodes (15) that contact a first transparent electrode (12) arranged on one surface of a piezoelectric body (11) of the piezoelectric unit (10). To this end, the rear matching layer (40) may have a side edge (41) whose corner portion is cut off to expose the first transparent electrode (12).

또한, 도 3에 도시한 바와 같이, TUT(100)는 케이스(70)에 그라운드선(84)이 연결되는 케이블(80)과 결합될 수 있다. 케이블(80)은 소정 직경과 구조의 동축 케이블(coaxial cable)을 포함할 수 있다. 케이블(80)의 신호선(82)은 전도성 링(60)에 연결될 수 있다. 케이블(80)은 TUT(100)과 연결될 때 소정의 커넥터를 게재한 구조로 결합될 수 있다.In addition, as shown in FIG. 3, the TUT (100) can be coupled with a cable (80) in which a ground line (84) is connected to the case (70). The cable (80) can include a coaxial cable having a predetermined diameter and structure. The signal line (82) of the cable (80) can be connected to a conductive ring (60). The cable (80) can be coupled with a structure that has a predetermined connector attached thereto when connected to the TUT (100).

전술한 TUT(100)는 원통형 케이스(70)에 수납되는 구조를 구비한 것으로 예시하나, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않고, 도 1과 같이 정면에서 볼 때의 그 형상이 대략적으로 원형이나 타원형 이외에 대략 삼각형, 사각형, 다각형, 또는 그 일부분에 적어도 하나 이상의 모서리나 코너를 갖고 나머지 일부분에 적어도 하나 이상의 원호를 갖는 형태를 구비할 수 있다.The above-described TUT (100) is exemplified as having a structure housed in a cylindrical case (70), but the present invention is not limited to such a configuration, and as shown in FIG. 1, the shape when viewed from the front may be approximately a circle or an oval, or may have a shape that is approximately a triangle, a square, a polygon, or a part thereof having at least one edge or corner and the remaining part having at least one arc.

전술한 TUT(100)의 각 구성요소를 좀더 구체적으로 설명하면, 압전유닛(10)은 전기신호에 의해 진동을 발생시키거나 진동에 의해 전기신호를 발생시키는 박막 형태의 구조를 구비할 수 있다. 압전유닛(10)은 발생된 진동을 전면과 후면의 양측 경계에서 음파를 반사시켜 내부에서 음파의 세기를 증폭시킬 수 있다. 증폭되는 음파의 파장은 압전유닛(10) 또는 압전체(11)의 두께에 따라 결정될 수 있다.If each component of the above-described TUT (100) is described in more detail, the piezoelectric unit (10) may have a thin film-shaped structure that generates vibration by an electric signal or generates an electric signal by vibration. The piezoelectric unit (10) may reflect sound waves from the generated vibrations at both front and rear boundaries and amplify the intensity of the sound waves inside. The wavelength of the amplified sound waves may be determined according to the thickness of the piezoelectric unit (10) or the piezoelectric body (11).

전면 정합층(20)은 액상 또는 점토 질감의 혼합물 형태로 성형이 자유로운 복합재료를 사용하여 압전유닛(10)의 일면 또는 전면에 형성될 수 있다. 전면 정합층(20)의 재료는 세라믹과 에폭시로 구성된 복합재료일 수 있다. 전면 정합층(20)의 형성 공정에서는, 복합재료를 압전유닛(10)의 전면 상에 도포하거나 붙인 다음, 경화하고 목표 두께로 절삭하는 방식으로, 압전유닛(10)의 일면 상에 잘 밀착된 상태의 전면 정합층(20)을 형성할 수 있다.The front matching layer (20) can be formed on one side or the front side of the piezoelectric unit (10) using a freely moldable composite material in the form of a liquid or clay-like mixture. The material of the front matching layer (20) can be a composite material composed of ceramic and epoxy. In the process of forming the front matching layer (20), the composite material is applied or adhered to the front side of the piezoelectric unit (10), and then cured and cut to a target thickness, thereby forming the front matching layer (20) in a state of being well adhered to one side of the piezoelectric unit (10).

전면 정합층(20)의 음향 임피던스는 7 내지 8 메가레일(MRayl)일 수 있다. 그리고 전면 정합층(20)의 경화 전, 그 혼합물 또는 복합재료는, 전면 정합층(20)의 음향 임피던스를 7 ~ 8 메가레일(MRayl)로 설계한 상태에서 투과 파장의 1/4 두께에서 빛을 90% 이상 투과하는 투명도를 갖도록 형성될 수 있다.The acoustic impedance of the front matching layer (20) may be 7 to 8 Mega Rail (MRayl). And, before the curing of the front matching layer (20), the mixture or composite material may be formed to have a transparency that transmits more than 90% of light at a thickness of 1/4 of the transmission wavelength while the acoustic impedance of the front matching layer (20) is designed to be 7 to 8 Mega Rail (MRayl).

전면 고분자층(30)은 고분자 물질로 구성될 수 있다. 전면 고분자층(30)의 굴절률은 전면 정합층(20)의 굴절률과 동일하거나 유사할 수 있다. 예를 들어, 전면 고분자층(30)은 에폭시 혹은 우레탄 재료로 형성되는 전면 정합층(20)과 유사할 굴절률을 갖도록 형성될 수 있다. 전면 고분자층(30)은 전면 정합층(20) 상에 스핀 코팅, 스프레이 코팅 등의 방법을 이용하여 그 두께를 조절해가면서 매끈한 면을 갖도록 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전면 고분자층(30)은 두꺼운 층을 형성하여 경화한 후 연마하는 방법을 통해 매끈한 표면을 갖도록 형성될 수 있다.The front polymer layer (30) may be composed of a polymer material. The refractive index of the front polymer layer (30) may be the same as or similar to the refractive index of the front matching layer (20). For example, the front polymer layer (30) may be formed to have a refractive index similar to that of the front matching layer (20) formed of an epoxy or urethane material. The front polymer layer (30) may be formed to have a smooth surface by controlling its thickness on the front matching layer (20) using a method such as spin coating or spray coating. In another embodiment, the front polymer layer (30) may be formed to have a smooth surface by forming a thick layer, curing it, and then polishing it.

후면 정합층(40)은 복합재료인 후면 정합 물질을 압전유닛의 후면에 도포하여 형성될 수 있다. 후면 정합 물질은 전면 정합층(20)의 재료와 동일한 재료일 수 있다.The rear matching layer (40) can be formed by applying a rear matching material, which is a composite material, to the rear of the piezoelectric unit. The rear matching material can be the same material as the material of the front matching layer (20).

도 5는 도 1의 TUT에 채용할 수 있는 압전유닛과 정합층 간의 접합면 구조를 설명하기 위한 예시도이다. 도 6은 비교예의 압전유닛과 정합층 간의 접합면 구조를 나타낸 예시도이다.Fig. 5 is an exemplary diagram illustrating a joint surface structure between a piezoelectric unit and a matching layer that can be employed in the TUT of Fig. 1. Fig. 6 is an exemplary diagram showing a joint surface structure between a piezoelectric unit and a matching layer of a comparative example.

도 5를 참조하면, 본 실시예의 전면 정합층(20)은 액상 복합재료나 점토성 물질의 복합재료로 먼저 준비된 후 압전유닛(10)의 전면에 목표 두께로 도포되거나 코팅되어 경화하는 방식으로 바로 형성될 수 있다. 또한, 구현에 따라서, 전면 정합층(20)은 목표 두께보다 좀더 두께운 두께로 형성된 후 절삭 가공 공정을 거쳐 목표 두께로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 5, the front matching layer (20) of the present embodiment may be formed directly by first preparing a liquid composite material or a composite material of clay-like material and then applying or coating it to the front surface of the piezoelectric unit (10) to a target thickness and then curing it. In addition, depending on the implementation, the front matching layer (20) may be formed to a thickness slightly thicker than the target thickness and then formed to the target thickness through a cutting process.

이러한 전면 정합층(20)은 절삭 가공을 통해 표면을 매끄럽게 형성한 압전유닛(10)의 전면 상에 별도의 접착제를 사용하지 않고 형성될 수 있고, 형성된 전면 정합층(20)과 압전유닛(10)과의 사이에 실질적으로 유격이 생략될 수 있다.This front matching layer (20) can be formed on the front surface of the piezoelectric unit (10) whose surface has been formed smoothly through cutting processing without using a separate adhesive, and a gap between the formed front matching layer (20) and the piezoelectric unit (10) can be substantially omitted.

한편, 도 6에 도시한 바와 같이, 비교예의 초음파 트랜스듀서는 접착제(22) 등을 이용하여 압전물질과 정합층을 접합할 때, 별도로 절삭 가공한 두 표면을 접합하게 되므로, 그 접합 부위에 유격을 가질 수 있고, 유격과 접착제에 의해 심각한 성능 저하를 유발하는 문제를 가질 수 있다.Meanwhile, as illustrated in Fig. 6, when the ultrasonic transducer of the comparative example bonds the piezoelectric material and the matching layer using an adhesive (22) or the like, two surfaces that have been cut and processed separately are bonded, so there may be a gap at the bonding portion, and there may be a problem of serious performance degradation caused by the gap and the adhesive.

도 7은 도 1의 TUT에 채용할 수 있는 구조를 설명하기 위한 개략도이다. 도 8은 비교예 1의 불투명 초음파 트랜스듀서의 구조를 예시한 개략도이다. 그리고 도 9는 비교예 2의 투명 초음파 트랜스듀서의 구조를 예시한 개략도이다.Fig. 7 is a schematic diagram illustrating a structure that can be employed in the TUT of Fig. 1. Fig. 8 is a schematic diagram illustrating the structure of an opaque ultrasonic transducer of Comparative Example 1. And Fig. 9 is a schematic diagram illustrating the structure of a transparent ultrasonic transducer of Comparative Example 2.

도 7을 참조하면, TUT의 압전유닛(10) 양면에 설치되는 전면 정합층(20)과 후면 정합층(40)은 7~8 MRayl의 음향 임피던스를 가지면서, 액상 혹은 점토질감을 가지는 혼합물 형태로 쉽게 성형할 수 있는 복합재료를 사용하여 형성된다. 이러한 정합층(20, 40)은 투명성을 제외하고 기존의 불투명 초음파 트랜스듀서와 기계적으로 동일한 구조와 성능의 정합층일 수 있다.Referring to Fig. 7, the front matching layer (20) and the rear matching layer (40) installed on both sides of the piezoelectric unit (10) of the TUT are formed using a composite material that has an acoustic impedance of 7 to 8 MRayl and can be easily molded into a mixture form having a liquid or clay texture. These matching layers (20, 40) can be matching layers having a mechanically identical structure and performance to existing opaque ultrasonic transducers, except for transparency.

또한, 본 실시예의 TUT에서는 후면 흡음층을 투명 복합재료로 이루어진 후면 정합층(40)과 고분자 물질로 이루어진 후면 고분자층(50)으로 구성되는 이중층으로 형성함으로써, 트랜스듀서의 응답시간을 적정 범위로 조절하면서 음파를 충분히 흡수할 수 있는 투명한 구조를 제공할 수 있다.In addition, in the TUT of this embodiment, by forming the rear sound-absorbing layer as a double layer consisting of a rear matching layer (40) made of a transparent composite material and a rear polymer layer (50) made of a polymer material, it is possible to provide a transparent structure capable of sufficiently absorbing sound waves while controlling the response time of the transducer within an appropriate range.

후면 흡음층의 유효 음향 임피던스는 다음의 수학식 1로 산정될 수 있다.The effective acoustic impedance of the rear sound-absorbing layer can be calculated by the following mathematical expression 1.

Figure 112022115986716-pat00001
Figure 112022115986716-pat00001

수학식 1에서,

Figure 112022115986716-pat00002
는 유효 음향 임피던스,
Figure 112022115986716-pat00003
은 후면 정합층의 음향 임피던스,
Figure 112022115986716-pat00004
는 후면 고분자층의 음향 임피던스,
Figure 112022115986716-pat00005
은 후면 정합층의 길이,
Figure 112022115986716-pat00006
는 파장을 각각 나타낸다.In mathematical expression 1,
Figure 112022115986716-pat00002
is the effective acoustic impedance,
Figure 112022115986716-pat00003
is the acoustic impedance of the rear matching layer,
Figure 112022115986716-pat00004
is the acoustic impedance of the rear polymer layer,
Figure 112022115986716-pat00005
is the length of the rear alignment layer,
Figure 112022115986716-pat00006
Each represents a wavelength.

본 실시예의 TUT에서, 투명한 압전유닛(10)의 두께는 투과 파장(

Figure 112022115986716-pat00007
)의 1/2, 투명한 전면 정합층(20)의 두께는
Figure 112022115986716-pat00008
, 투명한 전면 고분자층(30)의 두께는
Figure 112022115986716-pat00009
, 투명한 후면 정합층(40)의 두께는
Figure 112022115986716-pat00010
이다. TUT의 전면(front)으로는 음파가 방출되고, TUT의 후면(back)로 진행하는 음파는 후면 흡음층(40, 50)에 의해 흡수된다.In the TUT of this embodiment, the thickness of the transparent piezoelectric unit (10) is equal to the transmission wavelength (
Figure 112022115986716-pat00007
) and the thickness of the transparent front matching layer (20) is 1/2 of the
Figure 112022115986716-pat00008
, the thickness of the transparent front polymer layer (30) is
Figure 112022115986716-pat00009
, the thickness of the transparent rear matching layer (40) is
Figure 112022115986716-pat00010
Sound waves are emitted from the front of the TUT, and sound waves traveling to the back of the TUT are absorbed by the rear sound-absorbing layer (40, 50).

한편, 비교예 1의 불투명 초음파 트랜스듀서는, 도 8에 도시한 바와 같이, 투명한 압전 유닛(10)의 전면에 불투명 복합재료로 형성되는 정합층(20c)과 정합층(20c) 상에 부착되는 투명한 고분자층(30c)을 구비하고, 압전 유닛(10)의 후면에 불투명한 고분자층(50c)으로 구성된 구조를 구비할 수 있다.Meanwhile, the opaque ultrasonic transducer of Comparative Example 1 may have a structure including a matching layer (20c) formed of an opaque composite material on the front side of a transparent piezoelectric unit (10), a transparent polymer layer (30c) attached on the matching layer (20c), and an opaque polymer layer (50c) on the rear side of the piezoelectric unit (10), as illustrated in FIG. 8.

또한, 비교예 2의 기존의 투명 초음파 트랜스듀서는, 도 9에 도시한 바와 같이, 투명한 압전유닛(10)과 이 압전유닛(10)의 후면에 부착되는 투명한 고분자층(50)으로 구성되는 구조를 구비한다.In addition, the conventional transparent ultrasonic transducer of Comparative Example 2 has a structure composed of a transparent piezoelectric unit (10) and a transparent polymer layer (50) attached to the rear surface of the piezoelectric unit (10), as illustrated in FIG. 9.

전술한 본 실시예에 의하면, 투명 초음파 트랜스듀서용 정합 및 흡음 재료에 대한 기존의 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 즉, 기존의 음향 임피던스가 30 MRayl 이상으로 높은 물질들은 금속성 물질, 다중결정 세라믹 물질 등과 같이 자체적으로 불투명하거나, 투명하더라도 굴절률이 1.6 이상으로 매우 높아 고분자 물질과 복합체를 형성할 때 내부에서 산란이 심하게 일어나 그 투명도가 매우 낮은 문제를 가진다. 한편, 본 실시예의 TUT에 사용되는 정합층용 복합재료는 7~8 MRayl의 음향 임피던스를 가지면서, 액상 혹은 점토질감을 가지는 혼합물 형태로 쉽게 성형할 수 있으므로, 전술한 기존 기술의 문제를 해결할 수 있다.According to the above-described embodiment, the existing problems of matching and sound-absorbing materials for transparent ultrasonic transducers can be effectively solved. That is, existing materials with a high acoustic impedance of 30 MRayl or higher are opaque on their own, such as metallic materials and polycrystalline ceramic materials, or even if transparent, have a very high refractive index of 1.6 or higher, so that when forming a composite with a polymer material, severe internal scattering occurs, resulting in very low transparency. Meanwhile, the composite material for the matching layer used in the TUT of the present embodiment has an acoustic impedance of 7 to 8 MRayl, and can be easily formed into a mixture form having a liquid or clay texture, so that the problems of the existing technology described above can be solved.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 TUT의 제조 방법의 주요 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.FIG. 10 is a flow chart for explaining the main processes of a method for manufacturing a TUT according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, TUT 제조 방법은, 먼저 압전결정을 절삭용 기판에 붙이고, 붙인 압전결정의 두께를 조절한 뒤 그 표면을 매끈하게 연마한다(S1010). 압전결정은 간략히 압전체로 지칭될 수 있다.Referring to Fig. 10, the TUT manufacturing method first attaches a piezoelectric crystal to a cutting substrate, adjusts the thickness of the attached piezoelectric crystal, and then smoothly polishes its surface (S1010). The piezoelectric crystal can be briefly referred to as a piezoelectric substance.

다음, ITO(induim tin oxide) 등의 투명 전극을 압전결정의 양면에 도포하고 다시 절삭용 기판에 붙인다(S1020).Next, transparent electrodes such as ITO (indium tin oxide) are applied to both sides of the piezoelectric crystal and then attached to a cutting substrate (S1020).

다음, 첫번째 전면 정합 물질을 혼합하여 도포 방식으로 붙이고, 붙인 첫번째 전면 정합 물질을 경화한 뒤 목표 두께까지 절삭한다(S1030). 첫번째 전면 정합 물질은 투명한 제1 전면 정합층을 형성하기 위한 것으로 에폭시 및 우레탄 중 적어도 어느 하나를 함유할 수 있다.Next, the first front matching material is mixed and applied by coating, the applied first front matching material is cured, and then cut to the target thickness (S1030). The first front matching material is for forming a transparent first front matching layer and may contain at least one of epoxy and urethane.

다음, 첫번째 전면 정합 물질과 굴절률이 유사한 고분자 물질을 사용하여 두번째 전면 정합 물질을 생성한다(S1040). 고분자 물질은 투명한 폴리머(polymer)나 레진(resin)을 함유할 수 있다. 두번째 정합 물질은 전면 고분자층 또는 제2 전면 정합층을 형성하기 위한 것이다.Next, a second front matching material is formed using a polymer material having a similar refractive index to the first front matching material (S1040). The polymer material may contain a transparent polymer or resin. The second matching material is for forming a front polymer layer or a second front matching layer.

다음, 스핀코팅, 스프레이 코팅 등의 방법을 이용하여 제1 전면 정합층 상에 도포되는 두번째 전면 정합 물질의 두께를 조절하여 매끈한 면을 만들거나, 두꺼운 층을 경화 및 절삭 후 연마하는 방법을 통하여 매끈한 면을 만들 수 있다.Next, a smooth surface can be created by controlling the thickness of the second front matching material applied on the first front matching layer using a method such as spin coating or spray coating, or by hardening and cutting a thick layer and then polishing it.

한편, 변형된 구현에 따라서, 제2 전면 정합층은 음향 렌즈의 기능을 수행할 수 있도록 그 외표면에 오목하거나 볼록한 렌즈 형태를 구비할 수 있다.Meanwhile, depending on the modified implementation, the second front matching layer may have a concave or convex lens shape on its outer surface so as to perform the function of an acoustic lens.

다음, 압전결정-전면정합 구조로 이루어진 적층 구조를 절삭용 기판에서 분리하여 뒤집어 붙인다(S1050).Next, the laminated structure consisting of a piezoelectric crystal-front-to-back alignment structure is separated from the cutting substrate and turned over and attached (S1050).

다음, 압전결정의 후면에 후면 정합 물질을 도포하고 경화한 뒤 목표 두께까지 절삭한다(S1060). 후면 정합 물질은 실질적으로 첫번째 정면 정합 물질과 동일할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 후면 정합 물질은 흡음 성능을 좀더 유리한 물질을 추가로 더 함유할 수 있다.Next, a back matching material is applied to the back of the piezoelectric crystal, cured, and then cut to the target thickness (S1060). The back matching material may be substantially the same as the first front matching material, but is not limited thereto. The back matching material may additionally contain a material that is more advantageous in sound absorption performance.

다음, 후면정합-압전결정-전면정합 구조를 초음파 트랜스듀서 소자에 사용될 압전체 모양과 크기로 잘라낸다(S1070).Next, the back-aligned-piezoelectric crystal-front-aligned structure is cut into the shape and size of the piezoelectric material to be used in the ultrasonic transducer element (S1070).

다음, 후면 정합층 쪽의 모서리 부분이나 꼭지점 등의 위치를 정밀한 칼을 사용하여 조심스럽게 제거하여 전극을 노출시킨다(S1080).Next, using a precision knife, the corners or apexes of the rear matching layer are carefully removed to expose the electrodes (S1080).

다음, 노출된 부위에 전선 혹은 전선을 연결할 금속 부품 등을 전도성 접착제로 부착한다(S1090).Next, attach wires or metal parts to be connected to wires to the exposed area using a conductive adhesive (S1090).

그런 다음, 투명 에폭시나 우레탄, 실리콘 고무 등을 사용하여 두꺼운 층을 쌓아 후면 흡음층을 완성한다(S1100).Then, a thick layer of transparent epoxy, urethane, silicone rubber, etc. is stacked to complete the rear sound-absorbing layer (S1100).

전술한 구성에 의하면, 본 실시예의 초음파 트랜스듀서는, 압전결정을 포함한 압전유닛의 전면에 설치되는 다층 구조의 전면 정합층과, 압전유닛의 후면에 설치되는 후면 정합층을 구비할 수 있다. 여기서 전면 정합층은 복합재료인 전면 정합 물질을 도포하여 형성되는 상대적으로 얇은 두께의 제1 전면 정합층과 제1 전면 정합층과 굴절률이 유사한 고분자 물질을 사용하여 형성되는 상대적으로 두꺼운 두께의 제2 전면 정합층으로 구성될 수 있다. 그리고 후면 정합층은 복합재료인 후면 정합 물질을 도포하여 형성되고 상대적으로 두께가 얇은 투명 후면 박막층과 이 박막층에 비해 두께가 매우 두꺼운 투명 후면 후막층으로 구성될 수 있다.According to the above-described configuration, the ultrasonic transducer of the present embodiment may have a multilayered front matching layer installed on the front of a piezoelectric unit including a piezoelectric crystal, and a rear matching layer installed on the rear of the piezoelectric unit. Here, the front matching layer may be composed of a first front matching layer having a relatively thin thickness formed by applying a front matching material that is a composite material, and a second front matching layer having a relatively thick thickness formed by using a polymer material having a similar refractive index to that of the first front matching layer. In addition, the rear matching layer may be composed of a transparent rear thin film layer that is formed by applying a rear matching material that is a composite material and having a relatively thin thickness, and a transparent rear thick film layer that is very thick compared to the thin film layer.

도 11은 도 10의 TUT 제조 방법에 채용할 수 있는 추가 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.Figure 11 is a flowchart illustrating an additional process that can be employed in the TUT manufacturing method of Figure 10.

도 11을 참조하면, TUT 제조 방법은, 앞서 준비된 후면정합-압전결정-전면정합 구조의 바깥쪽 하우징이 될 금속 부품을 해당 구조의 후면 측에서 부착할 수 있다(S1110). 하우징은 금속 재질일 수 있다. 그리고, 하우징이 부착된 구조를 가진 제작 중인 트랜스듀서를 후면 측이 작업대의 바닥을 향하도록 뒤집을 수 있다.Referring to FIG. 11, the TUT manufacturing method can attach a metal part that will become the outer housing of the previously prepared back-aligned-piezoelectric crystal-front-aligned structure to the back side of the structure (S1110). The housing can be made of a metal material. Then, the transducer being manufactured with the structure to which the housing is attached can be turned over so that the back side faces the bottom of the workbench.

다음, 앞쪽 즉, 전면 측의 전기 연결을 위해 전방을 향할 전면 정합층의 가장자리 일부분을 제거할 수 있다(S1120).Next, a portion of the edge of the front matching layer that faces forward for electrical connection on the front side, i.e. the front side, can be removed (S1120).

다음, 노출된 전극을 전기 전도성 접착제로 그 바깥쪽에 위치하는 금속 하우징과 전기적으로 연결할 수 있다(S1130). 노출된 전극은 압전유닛의 전면에 코팅되어 있는 투명전극일 수 있다.Next, the exposed electrode can be electrically connected to a metal housing positioned outside thereof using an electrically conductive adhesive (S1130). The exposed electrode can be a transparent electrode coated on the front surface of the piezoelectric unit.

다음, 금속 하우징은 외부로 연결할 케이블이나 커넥터와 연결될 수 있다(S1140). 금속 하우징은 케이블이나 커넥터의 그라운드선에 연결될 수 있다.Next, the metal housing can be connected to a cable or connector to be connected externally (S1140). The metal housing can be connected to a ground wire of the cable or connector.

다음, 절연이 요구되는 부위에 절연막을 형성할 수 있다(S1150). 절연이 요구되는 부위는 노출된 전극 부분이나 케이블 또는 커넥터와의 연결 부분 등일 수 있다.Next, an insulating film can be formed in a part where insulation is required (S1150). The part where insulation is required may be an exposed electrode part or a part connected to a cable or connector.

다음, 후면 흡음층 뒷면의 흠집 등의 손상 방지를 위하여 유리 덮개를 추가로 배치할 수 있다(S1160). 유리 덮개는 접촉 커플링 등으로 지칭될 수 있다.Next, a glass cover may be additionally placed to prevent damage such as scratches on the back of the rear sound-absorbing layer (S1160). The glass cover may be referred to as a contact coupling, etc.

도 12 및 도 13은 본 실시예의 TUT 제조 방법에서 고려해야 할 조건들을 설명하기 위한 그래프들이다.Figures 12 and 13 are graphs for explaining conditions to be considered in the TUT manufacturing method of the present embodiment.

도 12 및 도 13을 참조하면, TUT 제조에 있어서, 압전결정의 손상을 방지하기 위하여 모든 작업은 100℃ 이하에서 이루어진다. 즉, TUT 제조에서 고온 성형물질을 사용하기가 쉽지 않다.Referring to FIGS. 12 and 13, in manufacturing a TUT, all operations are performed at a temperature of 100°C or lower to prevent damage to the piezoelectric crystal. In other words, it is not easy to use a high-temperature molding material in manufacturing a TUT.

또한, 굴절률이 1.45 ~ 1.55인 일반적인 고분자 물질과 크게 차이가 나지 않는 투명한 세라믹 물질을 사용하는 경우, 입자 자체의 음향 임피던스가 10 ~ 15 MRayl 정도로 낮아, 복합재료의 음향 임피던스를 7 ~ 8 MRayl 정도로 달성하기 위해서 세라믹 비율을 매우 높게 설정해야 한다.In addition, when using a transparent ceramic material that is not significantly different from a general polymer material with a refractive index of 1.45 to 1.55, the acoustic impedance of the particle itself is low, at around 10 to 15 MRayl, so the ceramic ratio must be set very high to achieve an acoustic impedance of the composite material of around 7 to 8 MRayl.

또한, 압전유닛과 정합층과의 접합 유격 문제를 해결하기 위해 가루 형태의 재료를 액상 혹은 점토질감의 고분자 재료에 분산시켜 이를 굳히는 방법을 사용한다. 다만, 이 방법의 사용시, 입자의 부피비를 높일 때, 점도가 기하급수적으로 상승하는 경향이 발생할 수 있어 부피비를 적절하게 올리기가 쉽지 않다.In addition, in order to solve the problem of joint gap between the piezoelectric unit and the matching layer, a method is used in which a powdered material is dispersed in a liquid or clay-like polymer material and then solidified. However, when using this method, when the volume ratio of the particles is increased, the viscosity tends to increase exponentially, making it difficult to appropriately increase the volume ratio.

이에 본 실시예의 TUT를 위한 투명한 복합재료는, 투명도, 음향 임피던스, 그리고 복합재료 경화 전 혼합물의 점도가 모두 적정 범위에 있도록 준비된다.Accordingly, the transparent composite material for the TUT of the present embodiment is prepared so that the transparency, acoustic impedance, and viscosity of the mixture before composite material curing are all within appropriate ranges.

투명도는 세라믹 입자의 부피비, 입자의 크기 및 형태, 고분자와 세라믹 간의 굴절률 차이를 토대로 결정될 수 있다. 음향 임피던스는 세라믹 입자의 부피비, 세라믹 및 고분자 각각의 벌크 모듈러스(bulk modulus)와 전단 모듈러스(shear modulus)를 토대로 결정될 수 있다. 그리고 경화 전 혼합물의 점도는 세라믹 입자의 부피비, 입자의 크기 및 형태를 토대로 결정될 수 있다.Transparency can be determined based on the volume ratio of ceramic particles, the size and shape of the particles, and the difference in refractive index between the polymer and the ceramic. Acoustic impedance can be determined based on the volume ratio of ceramic particles, and the bulk modulus and shear modulus of each of the ceramic and the polymer. And the viscosity of the mixture before curing can be determined based on the volume ratio of ceramic particles, the size and shape of the particles.

여기서 투명도는, 전면 정합층의 경우, 7~8 MRayl의 음향 임피던스에서, 그리고 후면 정합층의 경우, 약 4 MRayl 전후에서, 1/4 파장 두께에서 투명하도록 설정된다. 여기서 투명은 90% 이상의 투과도를 가지는 것을 의미한다.Here, transparency is set to be transparent at a thickness of 1/4 wavelength at an acoustic impedance of 7 to 8 MRayl for the front matching layer and around 4 MRayl for the rear matching layer. Here, transparency means having a transmittance of 90% or more.

또한, 경화 전 혼합물의 점도는, 7~8 MRayl의 음향 임피던스에서, 그리고 후면 정합층의 경우, 약 4 MRayl 전후에서, 혼합 가능한 점도 범위 내에 있도록 설정된다.Additionally, the viscosity of the mixture before curing is set to be within the miscible viscosity range at an acoustic impedance of 7 to 8 MRayl, and for the rear matching layer, around 4 MRayl.

또한, 본 실시예에서는 입자별 탄성 특성에 따른 복합재료의 음향 임피던스를 부피비의 함수로 표현하고 이를 이용하여 복합재료의 조성을 결정할 수 있다.In addition, in this embodiment, the acoustic impedance of the composite material according to the elastic properties of each particle is expressed as a function of the volume ratio, and the composition of the composite material can be determined using this.

복합재료로서 입자 크기가 5㎛인 산화알루미늄(Al2O3), 입자 크기가 25㎚인 산화알루미늄(Al2O3), 입자 크기가 3㎛인 이산화규소(SiO2), 입자 크기가 15㎚인 이산화규소(SiO2)를 사용하여 수행한 실험 결과를 나타내면 도 14 및 도 15와 같다.The results of an experiment performed using aluminum oxide (Al 2 O 3 ) with a particle size of 5 ㎛ as a composite material, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) with a particle size of 25 nm, silicon dioxide (SiO 2 ) with a particle size of 3 ㎛, and silicon dioxide (SiO 2 ) with a particle size of 15 nm are shown in FIGS. 14 and 15.

도 14는 본 실시예의 TUT 제조 방법에서 고려되는 재료의 음향 임피던스와 점도 간의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.Figure 14 is a graph for explaining the relationship between the acoustic impedance and viscosity of the material considered in the TUT manufacturing method of the present embodiment.

도 14에 도시한 바와 같이, 입자별 부피비 변화에 따른 점도 변화를 측정하고, 이를 토대로 음향 임피던스에 따른 점도와 한계 혼합비를 추정할 수 있다. 다만, 점도 분석에 따라 목표 음향 임피던스에서 혼합 불가한 경우의 점도 또는 혼합비는 제외된다.As illustrated in Fig. 14, the viscosity change according to the change in the volume ratio of each particle is measured, and based on this, the viscosity and the limit mixing ratio according to the acoustic impedance can be estimated. However, the viscosity or mixing ratio in cases where mixing is not possible at the target acoustic impedance according to the viscosity analysis is excluded.

실험 결과, 입자 크기가 5㎛인 산화알루미늄(Al2O3)은 점도 약 103 내지 108(

Figure 112022115986716-pat00011
, cPs)에서 약 3 MRayl ~ 약 9.2 MRayl의 음향 임피던스를 가지는 것으로 측정되었다. 입자 크기가 25㎚인 산화알루미늄(Al2O3)은 점도 약 103 내지 108(
Figure 112022115986716-pat00012
, cPs)에서 약 3 MRayl ~ 약 4.9 MRayl의 음향 임피던스를 가지는 것으로 측정되었다. 입자 크기가 3㎛인 이산화규소(SiO2)는 점도 약 103 내지 108(
Figure 112022115986716-pat00013
, cPs)에서 약 3 MRayl ~ 약 7.5 MRayl의 음향 임피던스를 가지는 것으로 측정되었다. 그리고 입자 크기가 15㎚인 이산화규소(SiO2)는 점도 103 내지 108(
Figure 112022115986716-pat00014
, cPs)에서 약 3 MRayl ~ 약 3.9 MRayl의 음향 임피던스를 가지는 것으로 측정되었다. 여기서, 점도 108(
Figure 112022115986716-pat00015
, cPs) 이상은 혼합 불가한 경우로 점도 또는 혼합비 선별 대상에서 제외된다.Experimental results showed that aluminum oxide (Al 2 O 3 ) with a particle size of 5 μm had a viscosity of about 10 3 to 10 8 (
Figure 112022115986716-pat00011
, cPs) was measured to have an acoustic impedance of about 3 MRayl to about 9.2 MRayl. Aluminum oxide (Al 2 O 3 ) with a particle size of 25 nm has a viscosity of about 10 3 to 10 8 (
Figure 112022115986716-pat00012
, cPs) was measured to have an acoustic impedance of about 3 MRayl to about 4.9 MRayl. Silicon dioxide (SiO 2 ) with a particle size of 3 ㎛ has a viscosity of about 10 3 to 10 8 (
Figure 112022115986716-pat00013
, cPs) was measured to have an acoustic impedance of about 3 MRayl to about 7.5 MRayl. And silicon dioxide (SiO 2 ) with a particle size of 15 nm had a viscosity of 10 3 to 10 8 (
Figure 112022115986716-pat00014
, cPs) was measured to have an acoustic impedance of about 3 MRayl to about 3.9 MRayl. Here, the viscosity was 10 8 (
Figure 112022115986716-pat00015
, cPs) or more are not miscible and are excluded from the viscosity or mixing ratio selection.

위의 실험 결과에 의하면, 전면 정합층에 적합한 7 ~ 8 MRayl의 음향 임피던스를 얻기 위하여, 입자 크기가 5㎛인 산화알루미늄(Al2O3)을 점도 약 103 내지 104(

Figure 112022115986716-pat00016
, cPs)의 부피비로 혼합한 복합재료에 사용할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 입자 크기가 3㎛인 이산화규소(SiO2)를 점도 107 내지 108(
Figure 112022115986716-pat00017
, cPs)의 부피비로 혼합한 복합재료를 사용할 수 있음을 알 수 있다.According to the experimental results above, in order to obtain an acoustic impedance of 7 to 8 MRayl suitable for the front matching layer, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) with a particle size of 5 ㎛ was used with a viscosity of about 10 3 to 10 4 (
Figure 112022115986716-pat00016
, cPs) can be used in composite materials mixed with a volume ratio of 10 7 to 10 8 (
Figure 112022115986716-pat00017
, it can be seen that composite materials mixed in a volume ratio of cPs can be used.

도 15는 본 실시예의 TUT 제조 방법에서 고려되는 음향 임피던스와 투명도 간의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.Figure 15 is a graph for explaining the relationship between acoustic impedance and transparency considered in the TUT manufacturing method of the present embodiment.

도 15에 도시한 바와 같이, 부피비에 따른 빛 산란 이론에 따라 음향 임피던스 변화에 따른 산란계수를 추정할 수 있다. 실험에 사용된 각 복합재료의 음향 임피던스는 점도 100M(108)cPs에서 측정되었다. 다만, 특정 파장 예컨대 589㎚ 파장에 대한 목표 두께에서의 빛 투과 정도에 해당하는 산란계수 추정 결과에 따라 목표 두께에서 불투명한 경우의 부피비는 제외된다.As illustrated in Fig. 15, the scattering coefficient according to the change in acoustic impedance can be estimated according to the theory of light scattering according to the volume ratio. The acoustic impedance of each composite material used in the experiment was measured at a viscosity of 100 M(10 8 ) cPs. However, the volume ratio in the case of opacity at the target thickness is excluded according to the estimation result of the scattering coefficient corresponding to the degree of light transmittance at the target thickness for a specific wavelength, for example, 589 nm.

실험 결과, 입자 크기가 5㎛인 산화알루미늄(Al2O3)(이하 '제1 산화알루미늄 복합재료'), 입자 크기가 25㎚인 산화알루미늄(Al2O3)(이하 '제2 산화알루미늄 복합재료'), 입자 크기가 3㎛인 이산화규소(SiO2)(이하 '제1 이산화규소 복합재료'), 및 입자 크기가 15㎚인 이산화규소(SiO2)(이하 '제2 이산화규소 복합재료')의 각 음향 임피던스는 기재된 순서대로 3.65 MRayl, 4,76 MRayl, 7.46 MRayl, 및 3.81 MRayl로 측정되었다.As a result of the experiment, the acoustic impedances of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) having a particle size of 5 μm (hereinafter referred to as the “first aluminum oxide composite material”), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) having a particle size of 25 nm (hereinafter referred to as the “second aluminum oxide composite material”), silicon dioxide (SiO 2 ) having a particle size of 3 μm (hereinafter referred to as the “first silicon dioxide composite material”), and silicon dioxide (SiO 2 ) having a particle size of 15 nm (hereinafter referred to as the “second silicon dioxide composite material”) were measured as 3.65 MRayl, 4.76 MRayl, 7.46 MRayl, and 3.81 MRayl, respectively, in the order described.

도 16은 본 실시예의 TUT 제조 방법에서 고려되는 전방 측과 후방 측 각각에서의 각 복합재료의 부피율과 그 길이방향 탄성 속도와의 관계를 설명하기 위한 그래프들이다.Figure 16 is a graph for explaining the relationship between the volume ratio of each composite material and its longitudinal elastic velocity on each of the front side and the rear side considered in the TUT manufacturing method of the present embodiment.

도 16을 참조하면, 본 실시예의 TUT의 투명 정합층 재료의 부피비(volume fraction)에 따른 세로방향 또는 길이방향의 음향 속도(longitudinal acoustic velocity)에 대한 실험 결과를 확인할 수 있다.Referring to FIG. 16, one can confirm the experimental results for longitudinal acoustic velocity according to the volume fraction of the transparent matching layer material of the TUT of the present embodiment.

즉, TUT의 전면(front) 정합층으로 사용하는 제1 산화알루미늄 복합재료(Al2O3 composite 1)의 부피비를 0.3에서 0.7까지 증가시켰을 때, 그 음향 속도는 부피비가 약 0.35일 때 약 3㎞/s에서 부피비가 약 0.6일 때 약 5㎞/s까지 비례하여 증가한다.That is, when the volume ratio of the first aluminum oxide composite material (Al 2 O 3 composite 1) used as the front matching layer of the TUT is increased from 0.3 to 0.7, the acoustic speed increases proportionally from about 3 km/s when the volume ratio is about 0.35 to about 5 km/s when the volume ratio is about 0.6.

또한, TUT의 후면(back) 정합층으로 사용하는 제2 산화알루미늄 복합재료(Al2O3 composite 2)의 부피비를 0에서 0.4까지 증가시켰을 때, 그 음향 속도는 부피비가 0, 0.1, 0.2. 0.3 및 0.4일 때, 기재된 순서대로 각각 약 2.6㎞/s, 약 2.5㎞/s, 약 2.6㎞/s, 약 2.8㎞/s, 약 3.3㎞/s로 변화한다.In addition, when the volume ratio of the second aluminum oxide composite material (Al 2 O 3 composite 2) used as the back matching layer of the TUT was increased from 0 to 0.4, the acoustic velocity changed to about 2.6 km/s, about 2.5 km/s, about 2.6 km/s, about 2.8 km/s, and about 3.3 km/s when the volume ratio was 0, 0.1, 0.2, 0.3, and 0.4, respectively, in the order described.

또한, TUT의 전면(front) 및 후면(back) 정합층으로 사용하는 제1 이산화규소 복합재료(SiO2 composite 1)의 부피비를 0에서 0.7까지 증가시켰을 때, 그 음향 속도는 부피비가 0일 때 약 2.6㎞/s에서 부피비가 0.7일 때 약 4㎞/s까지 선형적으로 비례하여 증가한다.In addition, when the volume ratio of the first silicon dioxide composite material (SiO 2 composite 1) used as the front and back matching layers of the TUT was increased from 0 to 0.7, the acoustic velocity increased linearly and proportionally from about 2.6 km/s when the volume ratio was 0 to about 4 km/s when the volume ratio was 0.7.

또한, TUT의 후면(back) 정합층으로 사용하는 제2 이산화규소 복합재료(SiO2 composite 2)의 부피비를 0에서 0.4까지 증가시켰을 때, 그 음향 속도는 부피비가 0일 때 약 2.6㎞/s에서 부피비가 0.4일 때 약 3.2㎞/s까지 대략 선형적으로 비례하여 증가한다.In addition, when the volume ratio of the second silicon dioxide composite material (SiO 2 composite 2) used as the back matching layer of the TUT was increased from 0 to 0.4, the acoustic speed increased approximately linearly and proportionally from about 2.6 km/s when the volume ratio was 0 to about 3.2 km/s when the volume ratio was 0.4.

도 17은 본 실시예의 TUT 제조 방법에서 고려되는 전방 측과 후방 측 각각에서의 각 복합재료의 부피율과 그 음향 임피던스와의 관계를 설명하기 위한 그래프들이다.Figure 17 is a graph for explaining the relationship between the volume ratio of each composite material and its acoustic impedance on each of the front side and the rear side considered in the TUT manufacturing method of the present embodiment.

도 17을 참조하면, 본 실시예의 TUT의 투명 정합층 재료의 부피비(volume fraction)에 따른 음향 임피던스(acoustic impedance)에 대한 실험 결과를 확인할 수 있다.Referring to FIG. 17, one can confirm the experimental results for acoustic impedance according to the volume fraction of the transparent matching layer material of the TUT of the present embodiment.

즉, TUT의 전면(front) 정합층으로 사용하는 제1 산화알루미늄 복합재료(Al2O3 composite 1)의 부피비를 0.3에서 0.7까지 증가시켰을 때, 그 음향 임피던스는 부피비가 약 0.32일 때 약 6 MRayl에서 부피비가 약 0.45일 때 약 8 MRayl까지 부피비의 증가에 따라 선형적으로 비례하여 증가한다.That is, when the volume ratio of the first aluminum oxide composite material (Al 2 O 3 composite 1) used as the front matching layer of the TUT is increased from 0.3 to 0.7, the acoustic impedance increases linearly and proportionally with the increase in the volume ratio from about 6 MRayl when the volume ratio is about 0.32 to about 8 MRayl when the volume ratio is about 0.45.

또한, TUT의 후면(back) 정합층으로 사용하는 제2 산화알루미늄 복합재료(Al2O3 composite 2)의 부피비를 0에서 0.4까지 증가시켰을 때, 그 음향 임피던스는 부피비가 0일 때 약 3 MRayl에서 부피비가 약 0.25일 때 약 5 MRayl까지 부피비의 증가에 따라 선형적으로 비례하여 증가한다.In addition, when the volume ratio of the second aluminum oxide composite material (Al 2 O 3 composite 2) used as the back matching layer of the TUT was increased from 0 to 0.4, the acoustic impedance increased linearly and proportionally with the increase in the volume ratio from about 3 MRayl when the volume ratio was 0 to about 5 MRayl when the volume ratio was about 0.25.

또한, TUT의 전면(front) 및 후면(back) 정합층으로 사용하는 제1 이산화규소 복합재료(SiO2 composite 1)의 부피비를 0에서 0.7까지 증가시켰을 때, 그 음향 임피던스는 부피비가 0일 때 약 3 MRayl에서 부피비가 0.65일 때 약 8 MRayl까지 부피비의 증가에 따라 선형적으로 비례하여 증가한다.In addition, when the volume ratio of the first silicon dioxide composite material (SiO 2 composite 1) used as the front and back matching layers of the TUT was increased from 0 to 0.7, the acoustic impedance increased linearly and proportionally with the increase in the volume ratio from about 3 MRayl when the volume ratio was 0 to about 8 MRayl when the volume ratio was 0.65.

또한, TUT의 후면(back) 정합층으로 사용하는 제2 이산화규소 복합재료(SiO2 composite 2)의 부피비를 0에서 0.4까지 증가시켰을 때, 그 음향 임피던스는 부피비가 0일 때 약 3 MRayl에서, 부피비가 0.4일 때 약 5 MRayl까지 대략 선형적으로 비례하여 증가한다.In addition, when the volume ratio of the second silicon dioxide composite material (SiO 2 composite 2) used as the back matching layer of the TUT is increased from 0 to 0.4, its acoustic impedance increases approximately linearly and proportionally from about 3 MRayl when the volume ratio is 0 to about 5 MRayl when the volume ratio is 0.4.

이와 같이, 각 복합재료에서 TUT의 전면 정합층과 후면 정합층에 각각 요구되는 음향 임피던스 예컨대, 7.5 MRayl과 3.8 MRayl을 각각 만족하는 부피비를 확인할 수 있다.In this way, it is possible to confirm the volume ratio that satisfies the acoustic impedances required for the front matching layer and the rear matching layer of the TUT, for example, 7.5 MRayl and 3.8 MRayl, respectively, in each composite material.

전술한 실험 결과를 토대로 복합재료의 혼합물을 제작하는 두 가지 방법을 예시하면 다음과 같다.Based on the experimental results described above, two examples of methods for producing composite material mixtures are given below.

사전 준비 작업에서는 에폭시 주재와 부재 모두를 진공에서 충분히 탈포하고 냉각시킴으로써 상온에서 안정성을 높일 수 있다.In the preparatory work, both the epoxy main body and the epoxy member are sufficiently degassed and cooled in a vacuum to increase stability at room temperature.

첫 번째 방법에서는, 목적하는 점도가 낮을 때에 사용하는 방법으로서, 에폭시 주재에만 첨가할 가루를 섞고, 균일한 액상에 가까워질 때까지 잘 교반하여 섞은 뒤 진공에서 탈포한다. 그런 다음, 경화제와 혼합한 후, 압전결정의 적용 부위에 도포한 다음, 다시 진공에서 탈포할 수 있다.In the first method, which is used when the target viscosity is low, the powder to be added only to the epoxy resin is mixed, stirred well until it approaches a uniform liquid phase, and then degassed in a vacuum. Then, after mixing with the hardener, it is applied to the application area of the piezoelectric crystal, and then degassed in a vacuum again.

두 번째 방법에서는, 목적하는 점도가 높을 때나 한계 점도에 근접할 때에 사용하는 방법으로서, 첫 번째 방법에서 주재만으로 가루가 첨가된 액상을 만들 수 없는 경우에 걸죽한 반죽 형상이 될 때까지 최대한 혼합한다. 단단한 덩어리가 되면, 이를 잘게 으깨어서 다시 가루를 만든다. 이러한 과정을 알갱이가 균일하게 촉촉한 형태가 될 때까지 반복한다. 위의 과정에서 입자들 사이사이에 주재가 충분히 분산할 수 있도록 알콜 등의 희석재를 사용하는 것도 가능하다. 희석재를 사용하는 경우, 희석재가 증발해 제거될 수 있는 충분히 시간을 줄 수 있다.In the second method, when the target viscosity is high or close to the limiting viscosity, if the first method cannot create a liquid with the main ingredient added only, mix as much as possible until a thick dough is formed. When it becomes a solid lump, crush it finely and make powder again. This process is repeated until the granules become uniformly moist. In the above process, it is also possible to use a diluent such as alcohol so that the main ingredient can be sufficiently dispersed between the particles. If a diluent is used, sufficient time can be given for the diluent to evaporate and be removed.

균일하게 촉촉한 부스러기에 경화제를 섞으면 어느 정도 성형이 가능한 점토에 가까운 형태가 된다. 이 혼합물을 적용부위에 얇게 펴서 기포가 들어가지 않게 도포하고 진공에서 탈포하여 원하는 정합층을 형성할 수 있다. 이때, 원심분리 장비를 사용하여 도포된 재료 내에 남은 기포가 최대한 탈포하여 제거될 수 있도록 처리할 수 있다.When a hardener is mixed into the evenly moist crumbs, it becomes a form close to clay that can be molded to some extent. This mixture is spread thinly on the application area, applied without allowing air bubbles to enter, and degassed in a vacuum to form the desired matching layer. At this time, centrifugal separation equipment can be used to process the remaining air bubbles in the applied material so that they can be degassed as much as possible and removed.

도 18은 본 실시예의 TUT 제조 방법으로 제조된 전면 1차 정합층의 파장에 따른 투명도를 예시한 그래프이다. 도 19는 본 실시예의 TUT 제조 방법으로 제조된 후면 정합층의 파장에 따른 투명도를 예시한 그래프이다.Fig. 18 is a graph illustrating the transparency according to the wavelength of the front primary matching layer manufactured by the TUT manufacturing method of the present embodiment. Fig. 19 is a graph illustrating the transparency according to the wavelength of the rear matching layer manufactured by the TUT manufacturing method of the present embodiment.

도 18을 참조하면, 음향 임피던스 7.5 MRayl의 특성을 갖도록 제1 이산화규소 복합재료로 형성되는 전면 1차 정합층은 파장(wavelength) 400㎚ ~ 750㎚의 가시광선(visible light) 영역에서 투명도 약 80 ~ 95%를 나타내고, 파장 750㎚ ~ 1000㎚의 근적외선(near infrared, NIR) 영역에서 투명도 약 95 ~ 99%를 나타낸다. 그리고 참조를 위해, 불투명 복합재료인 제1 산화알루미늄 복합재료의 경우를 점선으로 표시하였다.Referring to Fig. 18, the front primary matching layer formed of the first silicon dioxide composite material to have the characteristic of acoustic impedance of 7.5 MRayl exhibits transparency of about 80 to 95% in the visible light range with a wavelength of 400 nm to 750 nm, and transparency of about 95 to 99% in the near infrared (NIR) range with a wavelength of 750 nm to 1000 nm. In addition, for reference, the case of the first aluminum oxide composite material, which is an opaque composite material, is indicated by a dotted line.

그리고 도 19를 참조하면, 음향 임피던스 3.8 MRayl의 특성을 갖도록 제2 산화알루미늄 복합재료로 형성되는 후면 정합층은 파장 400㎚ ~ 750㎚의 가시광선 영역에서 투명도 약 70 ~ 80%를 나타내고, 파장 750㎚ ~ 1000㎚의 근적외선 영역에서 투명도 약 80 ~ 90%를 나타낸다(점선 참조). And referring to FIG. 19, the rear matching layer formed of the second aluminum oxide composite material to have the characteristic of acoustic impedance of 3.8 MRayl exhibits transparency of about 70 to 80% in the visible light range with a wavelength of 400 nm to 750 nm, and transparency of about 80 to 90% in the near-infrared range with a wavelength of 750 nm to 1000 nm (see dotted line).

음향 임피던스 3.8 MRayl의 특성을 갖도록 제1 이산화규소 복합재료로 형성되는 후면 정합층은 가시광선 영역에서 투명도 약 80 ~ 98%를 나타내고, 근적외선 영역에서 투명도 약 98 ~ 99%를 나타낸다(실선 참조). The rear matching layer formed of the first silicon dioxide composite material to have an acoustic impedance characteristic of 3.8 MRayl exhibits a transparency of about 80 to 98% in the visible light range and about 98 to 99% in the near-infrared range (see solid line).

음향 임피던스 3.8 MRayl의 특성을 갖도록 제1 이산화규소 복합재료로 형성되는 후면 정합층은 가시광선 영역에서 투명도 약 80 ~ 98%를 나타내고, 근적외선 영역에서 투명도 약 98 ~ 99%를 나타낸다(일점쇄선 참조).The rear matching layer formed of the first silicon dioxide composite material to have an acoustic impedance characteristic of 3.8 MRayl exhibits a transparency of about 80 to 98% in the visible light range and about 98 to 99% in the near-infrared range (see the dashed-dotted line).

본 실시예에 의하면, 빛의 굴절률 및 음향 성능을 조절하여 만든 TUT용 투명 정합층은, 기존의 방식으로 만드는 복합재료와 달리 가시광선 및 적외선에서 높은 빛 투과율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.According to this example, it can be confirmed that the transparent matching layer for TUT, which is made by controlling the refractive index of light and acoustic performance, exhibits high light transmittance in visible light and infrared rays, unlike composite materials made using conventional methods.

도 20은 본 실시예와 비교예들의 전방측 유효 음향 임피던스 크기를 설명하기 위한 그래프이다. 도 21은 본 실시예와 비교예들의 전방측 유효 음향 임피던스의 위상각(phase angle)을 설명하기 위한 그래프이다. 그리고 도 22는 본 실시예와 비교예들의 후방측 유효 임피던스를 설명하기 위한 그래프이다.Fig. 20 is a graph for explaining the size of the front-side effective acoustic impedance of the present embodiment and comparative examples. Fig. 21 is a graph for explaining the phase angle of the front-side effective acoustic impedance of the present embodiment and comparative examples. And Fig. 22 is a graph for explaining the rear-side effective impedance of the present embodiment and comparative examples.

본 실시예의 TUT 구조(도 7 참조)에 따른 측정 결과는 실선으로, 불투명 초음파 트랜스듀서 구조(도 8 참조)에 따른 비교예 1의 측정 결과는 일점쇄선으로, 기존의 투명 초음파 트랜스듀서 구조(도 9 참조)에 따른 비교예 2의 측정 결과는 이점쇄선으로 각각 표시되어 있다.The measurement results according to the TUT structure of the present embodiment (see Fig. 7) are indicated by a solid line, the measurement results of Comparative Example 1 according to the opaque ultrasonic transducer structure (see Fig. 8) are indicated by a dashed-dotted line, and the measurement results of Comparative Example 2 according to the conventional transparent ultrasonic transducer structure (see Fig. 9) are indicated by a double-dotted-dashed line.

도 20을 참조하면, 본 실시예의 TUT 구조에 따른 전방측에서 공진 중심주파수를 따라 형성되는 음향 임피던스의 분포를 확인할 수 있다. 즉, 본 실시예의 TUT의 전방 유효 음향 임피던스(Z)의 크기는 두 개의 점선들로 표시된 이상적인 설계 범위의 빗금친 영역 내에서 공진 중심주파수를 중심으로 선대칭적으로 위치하고 있다. 공진 중심주파수는 진동의 중심으로써 그 크기가 1인 정규화된 주파수(normalized frequency)로 표현되어 있다. 이와 같이, 본 실시예의 TUT는 이상적인 설계 범위를 만족하는 유효 음향 임피던스에 의해 최적의 성능을 낼 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 20, the distribution of acoustic impedance formed along the resonance center frequency on the front side according to the TUT structure of the present embodiment can be confirmed. That is, the size of the front effective acoustic impedance (Z) of the TUT of the present embodiment is positioned line-symmetrically around the resonance center frequency within the hatched area of the ideal design range indicated by two dotted lines. The resonance center frequency is expressed as a normalized frequency whose size is 1 as the center of vibration. In this way, it can be confirmed that the TUT of the present embodiment can exhibit optimal performance by the effective acoustic impedance satisfying the ideal design range.

한편, 비교예 1은 진동 중심 부근에서 본 실시예 대비 상대적으로 낮은 송수신효율과 상대적으로 높은 진동 진폭을 가지는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 비교예 2의 전방 유효 음향 임피던스(Z)의 크기는 매우 낮아, 상대적으로 매우 낮은 송수신효율과 상대적으로 매우 높은 진동 진폭을 가지는 것을 확인할 수 있다.Meanwhile, it can be confirmed that Comparative Example 1 has relatively low transmission/reception efficiency and relatively high vibration amplitude compared to the present embodiment near the center of vibration. In addition, it can be confirmed that the size of the forward effective acoustic impedance (Z) of Comparative Example 2 is very low, so it has relatively very low transmission/reception efficiency and relatively very high vibration amplitude.

특히, 전방 유효 음향 임피던스의 위상각(phase angle)은, 도 21에 나타낸 바와 같이, 중앙부에 점선 원으로 표시된 빗금친 영역과 같이 이상적 중심 위상 대칭점의 공진주파수에서 제로페이즈(zero-phase) 성격을 가진다. 즉, 본 실시예의 음향 임피던스의 위상각은 변하지 않는 형태를 가지나, 비교예 1은 공진주파수 부근에서 위상각이 변하거나 출렁이는 형태를 가지고, 비교예 2는 작동주파수에 상관없이 위상각이 0(rad)로 고정되는 형태를 가진다.In particular, the phase angle of the forward effective acoustic impedance has a zero-phase characteristic at the resonant frequency of the ideal central phase symmetry point, as shown in the hatched area indicated by the dotted circle in the central portion in Fig. 21. That is, the phase angle of the acoustic impedance of the present embodiment has a form that does not change, but the phase angle of Comparative Example 1 has a form in which it changes or fluctuates near the resonant frequency, and the phase angle of Comparative Example 2 is fixed to 0 (rad) regardless of the operating frequency.

또한, 도 22를 참조하면, 본 실시예의 TUT 구조에 따른 후방측에서 공진 중심주파수를 따라 형성되는 음향 임피던스의 분포를 확인할 수 있다. 즉, 본 실시예의 TUT의 후방 유효 음향 임피던스(Z)의 크기는 두 개의 점선들로 표시된 이상적인 설계 범위의 빗금친 영역 내에서 공진 중심주파수 부근에서는 이상적인 설계 범위에 위치하고, 정규화된 주파수(normalized frequency) 1로 표시되고 진동의 중심인 공진 중심주파수를 벗어나면 음향 임피던스가 크게 감소한다. 이와 같이, 본 실시예의 TUT는 후면 흡음층을 통해 음향 임피던스을 효과적으로 흡수하고 있음을 확인할 수 있다.In addition, referring to FIG. 22, it is possible to confirm the distribution of acoustic impedance formed along the resonance center frequency at the rear side according to the TUT structure of the present embodiment. That is, the size of the rear effective acoustic impedance (Z) of the TUT of the present embodiment is located in the ideal design range near the resonance center frequency within the hatched area of the ideal design range indicated by two dotted lines, and the acoustic impedance is significantly reduced when it deviates from the resonance center frequency, which is the center of vibration and is indicated by the normalized frequency (normalized frequency) 1. In this way, it can be confirmed that the TUT of the present embodiment effectively absorbs acoustic impedance through the rear sound-absorbing layer.

전술한 구성에 의하면, 기존의 투명 트랜스듀서는 전면 및 후면 임피던스 모두가 이상적 크기에 미달되어 성능 저하가 발생하나, 본 실시예의 TUT는 이상적인 음향 임피던스를 가질 수 있음을 알 수 있다.According to the configuration described above, it can be seen that while the existing transparent transducer has performance degradation due to both the front and rear impedances being less than the ideal size, the TUT of the present embodiment can have an ideal acoustic impedance.

본 실시예와 기존의 다른 여러 비교예들과의 임피던스 차이를 도 23 및 도 24를 참조하여 좀더 예시하면 다음과 같다.The impedance difference between this embodiment and other existing comparative examples is further illustrated with reference to FIGS. 23 and 24, as follows.

도 23은 본 실시예와 비교예들에서 측정한 전방 유효 음향 임피던스 크기를 토대로 각각의 TUT의 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다. 도 24는 본 실시예와 비교예들에서 측정한 전방 유효 임피던스 위상을 토대로 각각의 TUT의 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다.Fig. 23 is a graph comparing the performance of each TUT based on the front effective acoustic impedance size measured in the present embodiment and comparative examples. Fig. 24 is a graph comparing the performance of each TUT based on the front effective impedance phase measured in the present embodiment and comparative examples.

도 23에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 TUT의 음향 임피던스는 해칭 영역으로 표시된 이상적인 임피던스 크기 범위에 위치하면서 공진 중심(resonance center)에 대칭적인 형태를 가진다. 이상적인 임피던스는 정규화된 주파수 0.5와 1.5에서 약 10 MRayl을 갖고, 공진 중심주파수를 포함한 정규화된 주파수의 약 0.7 내지 약 1.3 범위에서 약 15 MRayl 내지 약 20 MRayl의 크기를 가진다.As shown in Fig. 23, the acoustic impedance of the TUT of the present embodiment has a symmetrical shape about the resonance center while being located in the ideal impedance size range indicated by the hatched area. The ideal impedance has a size of about 10 MRayl at normalized frequencies of 0.5 and 1.5, and a size of about 15 MRayl to about 20 MRayl in the range of about 0.7 to about 1.3 of the normalized frequency including the resonance center frequency.

한편, 비교예 1은 일정하고 낮은 음향 임피던스를 가진다. 비교예 2 혹은 비교예 3은 공진 중심에 대칭적인 형태를 가지나 이상적인 임피던스 크기 영역에 포함되는 구간이 없이 상대적으로 매우 낮은 음향 임피던스를 가진다. 비교예 4는 공진 중심주파수보다 낮은 주파수에서는 이상적인 임피던스의 약 4배에서 약 10배에 이르는 매우 높은 음향 임피던스를 나타내고, 공진 중심주파수를 주파수가 높아질 수로 임피던스가 감소하는 형태를 가진다. 그리고 비교예 5는 이상적인 임피던스 크기의 대략 2배 내지 4배 정도의 높은 음향 임피던스를 가지고 공진 중심에 대하여 대칭적이지 않은 형태를 가진다.Meanwhile, Comparative Example 1 has a constant and low acoustic impedance. Comparative Example 2 or Comparative Example 3 has a symmetrical shape about the resonance center, but has a relatively very low acoustic impedance without a section included in the ideal impedance size range. Comparative Example 4 exhibits a very high acoustic impedance of about 4 to about 10 times the ideal impedance at a frequency lower than the resonance center frequency, and has a shape in which the impedance decreases as the resonance center frequency increases. And Comparative Example 5 has a high acoustic impedance of about 2 to 4 times the ideal impedance size and a shape that is not symmetrical about the resonance center.

또한, 도 24에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 전방 유효 음향 임피던스의 위상각(phase angle)은, 이상적 중심 위상 대칭점의 공진주파수에서 제로페이즈(zero-phase) 성격을 가진다. 하지만, 비교예 1 내지 비교예 5의 위상각은 대칭적이지 않을 뿐 아니라 이상적인 설계에서 많이 벗어나 있는 것을 확인할 수 있다.In addition, as shown in Fig. 24, the phase angle of the front effective acoustic impedance of the present embodiment has a zero-phase characteristic at the resonant frequency of the ideal center phase symmetry point. However, it can be confirmed that the phase angles of Comparative Examples 1 to 5 are not only not symmetrical, but also deviate significantly from the ideal design.

전술한 비교예 1은 기존의 일반적인 TUT 중 하나이고, 비교예 2는 패럴린 정합형(parylene matching) TUT이고, 비교예 3은 에폭시 렌즈(epoxy lens) TUT이고, 비교예 4는 N-SF11 하드글래스 렌즈(hard glass lens) TUT이고, 비교예 5는 후막글래스 정합형(thick glass matching) TUT이다.The above-mentioned Comparative Example 1 is one of the existing general TUTs, Comparative Example 2 is a parylene matching TUT, Comparative Example 3 is an epoxy lens TUT, Comparative Example 4 is an N-SF11 hard glass lens TUT, and Comparative Example 5 is a thick glass matching TUT.

이와 같이, 기존의 투명 초음파 트랜스듀서는 그 임피던스 크기와 위상 대칭점이 이상적인 설계 영역에서 많이 벗어나 있으나, 본 실시예의 투명 초음파 트랜스듀서는 임피던스 크기 및 위상 조건을 이상적인 영역 내에 구현하고 있음을 알 수 있다.In this way, it can be seen that while the impedance size and phase symmetry point of the existing transparent ultrasonic transducer are far outside the ideal design region, the transparent ultrasonic transducer of the present embodiment implements the impedance size and phase conditions within the ideal region.

도 25는 본 실시예의 TUT 제조 방법으로 제조된 개발 투명 소자(실시예)와 기존 투명 소자(비교예)의 투명도를 비교하여 나타낸 그래프이다.Figure 25 is a graph comparing the transparency of a developed transparent device (example) manufactured using the TUT manufacturing method of the present embodiment and an existing transparent device (comparative example).

도 25를 참조하면, 본 실시예의 TUT(도 7 참조)의 투명도는 기존의 투명 초음파 트랜스듀서(도 9 참조)의 투명도와 대비할 때, 가시광선 영역과 근적외선 영역 모두에서 거의 차이가 없거나 차이가 크지 않은 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 25, it can be seen that the transparency of the TUT of the present embodiment (see FIG. 7) has little or no difference in transparency in both the visible light range and the near-infrared range when compared to the transparency of a conventional transparent ultrasonic transducer (see FIG. 9).

즉, 본 실시예의 TUT는 투명도를 유지하면서 송수신 효율과 진동 증폭 등에서 안정적이고 신뢰성 높은 우수한 성능을 나타낼 수 있다.That is, the TUT of the present embodiment can exhibit excellent, stable and reliable performance in transmission/reception efficiency and vibration amplification while maintaining transparency.

도 26은 본 실시예와 비교예들의 펄스 에코 응답 파형에서의 피크투피크(peak-to-peak) 전압을 비교하여 나타낸 그래프이다. 도 27은 본 실시예와 비교예들의 펄스 에코 응답 파형에서의 FWHM(full-width-at-half-maximum)을 비교하여 나타낸 그래프이다. 그리고, 도 28은 본 실시예와 비교예들의 에코 주파수 분석 결과를 나타낸 그래프이다.Fig. 26 is a graph comparing peak-to-peak voltages in pulse echo response waveforms of the present embodiment and comparative examples. Fig. 27 is a graph comparing full-width-at-half-maximum (FWHM) in pulse echo response waveforms of the present embodiment and comparative examples. And Fig. 28 is a graph comparing echo frequency analysis results of the present embodiment and comparative examples.

도 26 내지 도 28을 참조하면, 본 실시예의 TUT와, 비교예1의 기존 불투명 트랜스듀서, 및 비교예2의 기존 투명 트랜스듀서 간의 설계 시뮬레이션 및 실험 결과에 따른 음파 반향 능력 성능을 비교한 결과, 본 실시예의 TUT의 음향 송수신 능력은 기존의 투명 초음파 트랜스듀서보다 높으면서 불투명 초음파 트랜스듀서와 유사한 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 26 to 28, the acoustic echo capability performance of the TUT of the present embodiment is compared based on design simulation and experimental results with the existing opaque transducer of Comparative Example 1 and the existing transparent transducer of Comparative Example 2, and it can be confirmed that the acoustic transmission and reception capability of the TUT of the present embodiment is higher than that of the existing transparent ultrasonic transducer and similar to that of the opaque ultrasonic transducer.

즉, 도 26에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 TUT에 대한 실험 시작 후, 0.1㎲에서 생성되는 1.08V 펄스와 그 직후에 생성되는 잔여 에코(R)를 볼 수 있다. 이와 유사하게, 기존의 불투명 초음파 트랜스듀서에 대한 실험 시작 후, 0.3㎲에서 생성되는 0.93V 펄스와 그 직후에 생성되는 잔여 에코(R)를 볼 수 있다. 한편, 기존의 투명 초음파 트랜스듀서의 경우, 최대 0.36V의 펄스가 진동하는 것만을 확인할 수 있다.That is, as shown in Fig. 26, after the start of the experiment for the TUT of the present embodiment, a 1.08 V pulse generated at 0.1 μs and a residual echo (R) generated immediately thereafter can be observed. Similarly, after the start of the experiment for the existing opaque ultrasonic transducer, a 0.93 V pulse generated at 0.3 μs and a residual echo (R) generated immediately thereafter can be observed. On the other hand, in the case of the existing transparent ultrasonic transducer, only a pulse of up to 0.36 V can be confirmed to vibrate.

또한, 도 27에 나타낸 바와 같이, 펄스 에코 응답 파형의 FWHM(full-width-at-half-maximum)을 비교한 결과에서도 도 26의 실험 결과와 유사한 결과를 확인할 수 있다.In addition, as shown in Fig. 27, results similar to the experimental results of Fig. 26 can be confirmed in the results of comparing the full-width-at-half-maximum (FWHM) of the pulse echo response waveform.

또한, 도 28에 나타낸 바와 같이, 에코 주파수 분석 결과에 있어서도 본 실시예의 TUT의 에코 주파수 크기(magnitude)는 비교예1의 불투명 초음파 트랜스듀서와 비교할 때 각 대역(bandwidth)에서 유사한 크기를 가지며, 이러한 성능은 비교예2의 기존의 투명 초음파 트랜스듀서와 비교할 때 우수한 것을 확인할 수 있다.In addition, as shown in Fig. 28, in the echo frequency analysis results, the echo frequency magnitude of the TUT of the present embodiment has a similar magnitude in each band when compared to the opaque ultrasonic transducer of Comparative Example 1, and it can be confirmed that this performance is superior when compared to the existing transparent ultrasonic transducer of Comparative Example 2.

이와 같이, 본 실시예의 TUT의 실제 음향 송수신 능력을 검증한 결과, 기존의 투명 초음파 트랜스듀서보다 높으면서 불투명 초음파 트랜스듀서와 유사한 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.As a result of verifying the actual sound transmission and reception capability of the TUT of this embodiment, it can be seen that it exhibits performance that is higher than that of a conventional transparent ultrasonic transducer and similar to that of an opaque ultrasonic transducer.

전술한 구성에 의하면, 투명 초음파 트랜스듀서의 음향 성능이 기존의 불투명 초음파 트랜스듀서의 음향 성능보다 크게 열등하였던 문제를 해결할 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 압전 결정에 표면에 접합 유격(gap) 없이 로드될 수 있고 적절한 음향 임피던스를 가진 새로운 투명 정합 및 흡음 재료를 통해, 경질 압전 결정과 연질 부하 매체 사이의 음향 임피던스의 불일치로 인해 발생하는 기존 기술의 문제를 해결할 수 있다.According to the above-described configuration, the problem that the acoustic performance of the transparent ultrasonic transducer was significantly inferior to the acoustic performance of the existing opaque ultrasonic transducer can be solved. That is, in the present embodiment, the problem of the existing technology caused by the mismatch of the acoustic impedance between the hard piezoelectric crystal and the soft load medium can be solved through a novel transparent matching and sound-absorbing material that can be loaded onto the piezoelectric crystal without a gap on the surface and has an appropriate acoustic impedance.

또한, 전술한 본 실시예의 TUT의 제작 방법은 초음파 트랜스듀서 제조 장비를 제어하는 제어장치나 이러한 제어장치의 기능을 수행하는 컴퓨팅 장치에 의해 자동화될 수 있다. 이 경우, 제어장치나 컴퓨팅 장치는 전술한 실시예들에서 언급한 제조 방법을 구현하기 위한 소프트웨어나 프로그램 명령을 저장할 수 있다.In addition, the method for manufacturing the TUT of the above-described embodiment can be automated by a control device that controls the ultrasonic transducer manufacturing equipment or a computing device that performs the function of such a control device. In this case, the control device or the computing device can store software or program commands for implementing the manufacturing methods mentioned in the above-described embodiments.

본 발명의 실시 예에 따른 방법의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 정보가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The operation of the method according to an embodiment of the present invention can be implemented as a computer-readable program or code on a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium includes all types of recording devices that store information that can be read by a computer system. In addition, the computer-readable recording medium can be distributed over network-connected computer systems so that the computer-readable program or code can be stored and executed in a distributed manner.

또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.Additionally, the computer-readable recording medium may include hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, etc. The program instructions may include not only machine language codes produced by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by the computer using an interpreter, etc.

본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시 예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 적어도 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.While some aspects of the invention have been described in the context of an apparatus, they may also represent a description of a corresponding method, wherein a block or device corresponds to a method step or a feature of a method step. Similarly, aspects described in the context of a method may also be represented as a feature of a corresponding block or item or a corresponding device. Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware device, such as, for example, a microprocessor, a programmable computer or an electronic circuit. In some embodiments, at least one or more of the most important method steps may be performed by such a device.

실시 예들에서, 프로그램 가능한 로직 장치(예를 들어, 필드 프로그래머블 게이트 어레이)가 여기서 설명된 방법들의 기능의 일부 또는 전부를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 실시 예들에서, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(field-programmable gate array)는 여기서 설명된 방법들 중 하나를 수행하기 위한 마이크로프로세서(microprocessor)와 함께 작동할 수 있다. 일반적으로, 방법들은 어떤 하드웨어 장치에 의해 수행되는 것이 바람직하다.In embodiments, a programmable logic device (e.g., a field-programmable gate array) may be used to perform some or all of the functions of the methods described herein. In embodiments, a field-programmable gate array may operate in conjunction with a microprocessor to perform one of the methods described herein. In general, the methods are preferably performed by some hardware device.

이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and changes may be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below.

Claims (20)

전기신호에 의해 진동을 발생시키거나 진동에 의해 전기신호를 발생시키는 박막 형태의 압전유닛;
상기 압전유닛의 전면에 접합 갭 없이 액상 또는 점토질감의 혼합물 형태로 성형이 자유로운 복합재료로 형성되는 전면 정합층;
상기 전면 정합층 상에 배치되는 전면 고분자층; 및
상기 압전유닛의 후면에 배치되는 흡음층;
을 포함하고,
상기 흡음층은, 상기 압전유닛의 후면에 상기 복합재료로 형성되는 후면 정합층과, 상기 후면 정합층 상에 배치되는 후면 고분자층을 구비하고,
상기 전면 정합층을 형성하는 복합재료의 경화 전 혼합물의 점도는 103cPs 내지 108cPs이고,
상기 전면 정합층은 7 내지 8 메가레일(MRayl)의 음향 임피던스에서, 1/4 파장 두께에서 80% 이상 빛을 투과하는 투명도를 갖는, 투명 초음파 트랜스듀서.
A thin film type piezoelectric unit that generates vibrations by electric signals or generates electric signals by vibrations;
A front matching layer formed of a freely moldable composite material in the form of a liquid or clay-like mixture without a bonding gap on the front surface of the above piezoelectric unit;
A front polymer layer disposed on the front matching layer; and
A sound-absorbing layer arranged on the rear side of the above piezoelectric unit;
Including,
The above sound-absorbing layer has a rear matching layer formed of the composite material on the rear side of the piezoelectric unit, and a rear polymer layer disposed on the rear matching layer.
The viscosity of the mixture before curing of the composite material forming the above-mentioned front matching layer is 10 3 cPs to 10 8 cPs,
A transparent ultrasonic transducer, wherein the front matching layer has a transparency that transmits more than 80% of light at a 1/4 wavelength thickness at an acoustic impedance of 7 to 8 MRayl.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 흡음층의 음향 임피던스는 수학식 1로 산정되고,
[수학식 1]
Figure 112024089980116-pat00018

수학식 1에서, Zeff는 상기 흡음층의 유효 음향 임피던스, Z1은 상기 후면 정합층의 음향 임피던스, ZB는 상기 후면 고분자층의 음향 임피던스, l은 후면 정합층의 길이 또는 두께, λ는 투과 파장을 각각 나타내는, 투명 초음파 트랜스듀서.
In claim 1,
The acoustic impedance of the above absorbing layer is calculated using mathematical formula 1.
[Mathematical Formula 1]
Figure 112024089980116-pat00018

A transparent ultrasonic transducer, wherein in mathematical expression 1, Z eff represents the effective acoustic impedance of the absorbing layer, Z 1 represents the acoustic impedance of the rear matching layer, Z B represents the acoustic impedance of the rear polymer layer, l represents the length or thickness of the rear matching layer, and λ represents the transmission wavelength.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 전면 정합층은 세라믹과 에폭시의 복합재료로 구성되고, 상기 전면 고분자층은 순수 고분자 재료로 구성되는, 투명 초음파 트랜스듀서.
In claim 1,
A transparent ultrasonic transducer, wherein the front matching layer is composed of a composite material of ceramic and epoxy, and the front polymer layer is composed of a pure polymer material.
청구항 1에 있어서,
상기 압전유닛의 두께는 투과 파장(λ)의 1/2이고, 상기 전면 정합층, 상기 전면 고분자층 및 상기 후면 정합층 각각의 두께는 λ/4인, 투명 초음파 트랜스듀서.
In claim 1,
A transparent ultrasonic transducer, wherein the thickness of the piezoelectric unit is 1/2 of the transmission wavelength (λ), and the thicknesses of the front matching layer, the front polymer layer, and the rear matching layer are each λ/4.
청구항 1에 있어서,
상기 전면 정합층 또는 상기 후면 정합층을 구성하는 복합재료의 투명도는, 세라믹 입자의 부피비, 세라믹 입자의 크기 및 형태, 세라믹과 고분자 간의 굴절률 차이에 의해 결정되는, 투명 초음파 트랜스듀서.
In claim 1,
A transparent ultrasonic transducer, wherein the transparency of the composite material constituting the front matching layer or the rear matching layer is determined by the volume ratio of the ceramic particles, the size and shape of the ceramic particles, and the difference in refractive index between the ceramic and the polymer.
청구항 1에 있어서,
상기 후면 정합층는 4 내지 6 MRayl의 음향 임피던스에서, 1/4 파장 두께에서 90% 이상 빛을 투과하는 투명도를 갖는, 투명 초음파 트랜스듀서.
In claim 1,
A transparent ultrasonic transducer, wherein the rear matching layer has a transparency that transmits more than 90% of light at a 1/4 wavelength thickness and an acoustic impedance of 4 to 6 MRayl.
청구항 1에 있어서,
상기 전면 정합층 또는 상기 후면 정합층을 구성하는 복합재료의 음향 임피던스는 세라믹 입자의 부피비, 세라믹 및 고분자 각각의 벌크 모듈러스와 전단 모듈러스에 의해 결정되는, 투명 초음파 트랜스듀서.
In claim 1,
A transparent ultrasonic transducer, wherein the acoustic impedance of the composite material constituting the front matching layer or the rear matching layer is determined by the volume ratio of the ceramic particles, the bulk modulus and the shear modulus of each of the ceramic and the polymer.
청구항 1에 있어서,
상기 복합재료의 경화 전 혼합물의 점도는, 세라믹 입자의 부피비, 세라믹 입자의 크기 및 형태에 의해 결정되는, 투명 초음파 트랜스듀서.
In claim 1,
A transparent ultrasonic transducer, wherein the viscosity of the mixture before curing of the above composite material is determined by the volume ratio of ceramic particles, the size and shape of the ceramic particles.
청구항 1에 있어서,
상기 후면 정합층과 상기 후면 고분자층과의 사이에 배치되는 전도성 링 부재를 더 포함하는, 투명 초음파 트랜스듀서.
In claim 1,
A transparent ultrasonic transducer further comprising a conductive ring member disposed between the rear matching layer and the rear polymer layer.
청구항 11에 있어서,
상기 전면 고분자층, 상기 전면 정합층, 상기 후면 정합층, 상기 후면 고분자층, 상기 전도성 링 부재의 적층 구조를 수용하는 케이스를 더 포함하는, 투명 초음파 트랜스듀서.
In claim 11,
A transparent ultrasonic transducer further comprising a case that accommodates a laminated structure of the front polymer layer, the front matching layer, the rear matching layer, the rear polymer layer, and the conductive ring member.
청구항 12에 있어서,
상기 압전유닛은 박막 형태의 압전결정과 상기 압전결정의 전면에 형성된 제1 투명전극과 상기 압전결정의 후면에 형성된 제2 투명전극을 구비하는, 투명 초음파 트랜스듀서.
In claim 12,
The above piezoelectric unit is a transparent ultrasonic transducer comprising a piezoelectric crystal in the form of a thin film, a first transparent electrode formed on the front surface of the piezoelectric crystal, and a second transparent electrode formed on the rear surface of the piezoelectric crystal.
청구항 13에 있어서,
상기 후면 고분자층의 일면 상에서 상기 제1 투명전극과 상기 케이스를 연결하는 연결전극을 더 포함하는, 투명 초음파 트랜스듀서.
In claim 13,
A transparent ultrasonic transducer further comprising a connecting electrode connecting the first transparent electrode and the case on one surface of the rear polymer layer.
제1 입자를 고분자 물질에 분산시킨 혼합물을 압전유닛의 일면에 도포하는 단계;
상기 압전유닛의 일면에 도포된 페이스트를 소정의 분위기에서 탈기시키고 경화시키는 단계;
경화된 복합재료를 디자인 두께로 래핑하고 연마하여 상기 압전유닛의 일면에 전면 정합층을 형성하는 단계;
상기 복합재료로 상기 압전유닛의 타면에 후면 정합층을 형성하는 단계;
상기 전면 정합층 상에 전면 고분자층을 배치하는 단계; 및
상기 후면 정합층 상에 후면 고분자층을 배치하는 단계;
를 포함하고,
상기 전면 정합층을 형성하는 복합재료의 경화 전 혼합물의 점도는 103cPs 내지 108cPs이고,
상기 전면 정합층은 7 내지 8 메가레일(MRayl)의 음향 임피던스에서, 1/4 파장 두께에서 80% 이상 빛을 투과하는 투명도를 갖는, 투명 초음파 트랜스듀서의 제조 방법.
A step of applying a mixture in which first particles are dispersed in a polymer material to one surface of a piezoelectric unit;
A step of degassing and curing the paste applied to one surface of the above piezoelectric unit in a predetermined atmosphere;
A step of forming a full-face matching layer on one side of the piezoelectric unit by wrapping and polishing the hardened composite material to a design thickness;
A step of forming a rear matching layer on the other surface of the piezoelectric unit using the above composite material;
A step of placing a front polymer layer on the front matching layer; and
A step of placing a rear polymer layer on the rear matching layer;
Including,
The viscosity of the mixture before curing of the composite material forming the above-mentioned front matching layer is 10 3 cPs to 10 8 cPs,
A method for manufacturing a transparent ultrasonic transducer, wherein the front matching layer has a transparency that transmits more than 80% of light at a thickness of 1/4 wavelength at an acoustic impedance of 7 to 8 MRayl.
청구항 15에 있어서,
상기 제1 입자는 유리 또는 세라믹 재료를 포함하고, 상기 유리 또는 세라믹 재료는 규산염 계열, 알루미늄염 계열, 지르코늄염 계열 및 불화 마그네슘 계열에서 선택되는 1종 이상의 재료를 함유하고,
상기 고분자 물질은 실리콘, 에폭시, 우레탄, 폴리에틸렌, 폴리스타이렌, 아크릴계 및 설페이트계 중합수지에서 선택되는 1종 이상의 재료를 함유하는,
투명 초음파 트랜스듀서의 제조 방법.
In claim 15,
The first particle comprises a glass or ceramic material, and the glass or ceramic material contains at least one material selected from a silicate series, an aluminum salt series, a zirconium salt series, and a magnesium fluoride series.
The above polymer material contains at least one material selected from silicone, epoxy, urethane, polyethylene, polystyrene, acrylic and sulfate polymer resins.
Method for manufacturing a transparent ultrasonic transducer.
청구항 15에 있어서,
상기 후면 정합층은 4 내지 6 MRayl의 음향 임피던스에서, 1/4 파장 두께에서 90% 이상 빛을 투과하는 투명도를 갖는, 투명 초음파 트랜스듀서의 제조 방법.
In claim 15,
A method for manufacturing a transparent ultrasonic transducer, wherein the rear matching layer has a transparency that transmits more than 90% of light at a thickness of 1/4 wavelength and an acoustic impedance of 4 to 6 MRayl.
청구항 15에 있어서,
상기 전면 정합층 또는 상기 후면 정합층을 구성하는 복합재료의 투명도는, 세라믹 입자의 부피비, 세라믹 입자의 크기와 형태, 및 세라믹과 고분자 간의 굴절률 차이에 의해 결정되는, 투명 초음파 트랜스듀서의 제조 방법.
In claim 15,
A method for manufacturing a transparent ultrasonic transducer, wherein the transparency of the composite material constituting the front matching layer or the rear matching layer is determined by the volume ratio of ceramic particles, the size and shape of the ceramic particles, and the difference in refractive index between the ceramic and the polymer.
청구항 15에 있어서,
상기 압전유닛과 상기 후면 고분자층과의 사이에 상기 압전유닛의 제2 투명전극과 연결되는 전도성 링 부재를 배치하는 단계; 및
상기 압전유닛, 상기 전면 정합층, 상기 후면 정합층, 상기 후면 고분자층 및 상기 전도성 링 부재의 적층 구조를 수용하는 케이스를 배치하는 단계;
를 더 포함하는 투명 초음파 트랜스듀서의 제조 방법.
In claim 15,
A step of arranging a conductive ring member connected to the second transparent electrode of the piezoelectric unit between the piezoelectric unit and the rear polymer layer; and
A step of arranging a case that accommodates a laminated structure of the piezoelectric unit, the front matching layer, the rear matching layer, the rear polymer layer, and the conductive ring member;
A method for manufacturing a transparent ultrasonic transducer further comprising:
청구항 15에 있어서,
상기 압전유닛의 두께는 투과 파장(λ)의 1/2이고, 상기 전면 정합층, 상기 전면 고분자층, 및 상기 후면 정합층 각각의 두께는 λ/4인, 투명 초음파 트랜스듀서의 제조 방법.
In claim 15,
A method for manufacturing a transparent ultrasonic transducer, wherein the thickness of the piezoelectric unit is 1/2 of the transmission wavelength (λ), and the thicknesses of each of the front matching layer, the front polymer layer, and the rear matching layer are λ/4.
KR1020220143894A 2022-11-01 2022-11-01 An ultrasensitive, broadband and single resonance transparent ultrasound transducer and manufacturing method thereof Active KR102820597B1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220143894A KR102820597B1 (en) 2022-11-01 2022-11-01 An ultrasensitive, broadband and single resonance transparent ultrasound transducer and manufacturing method thereof
PCT/KR2023/015361 WO2024096347A1 (en) 2022-11-01 2023-10-05 High-sensitivity and high-bandwidth single-resonance transparent ultrasonic transducer and manufacturing method therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220143894A KR102820597B1 (en) 2022-11-01 2022-11-01 An ultrasensitive, broadband and single resonance transparent ultrasound transducer and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20240061954A KR20240061954A (en) 2024-05-08
KR102820597B1 true KR102820597B1 (en) 2025-06-17

Family

ID=90930877

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220143894A Active KR102820597B1 (en) 2022-11-01 2022-11-01 An ultrasensitive, broadband and single resonance transparent ultrasound transducer and manufacturing method thereof

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102820597B1 (en)
WO (1) WO2024096347A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN120949204B (en) * 2025-10-20 2025-12-26 之江实验室 Preparation method of receiving and sensing array, receiving and sensing array and imaging sonar

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050170192A1 (en) * 2001-01-26 2005-08-04 Nanogram Corporation Polymer-inorganic particle composites

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3611669A1 (en) * 1985-04-10 1986-10-16 Hitachi Medical Corp., Tokio/Tokyo ULTRASONIC CONVERTER
US5951908A (en) * 1998-01-07 1999-09-14 Alliedsignal Inc. Piezoelectrics and related devices from ceramics dispersed in polymers
US7808156B2 (en) * 2006-03-02 2010-10-05 Visualsonics Inc. Ultrasonic matching layer and transducer
KR102107730B1 (en) * 2013-12-31 2020-05-07 삼성메디슨 주식회사 Transducer with controllable focal length
KR101638578B1 (en) * 2015-01-20 2016-07-12 알피니언메디칼시스템 주식회사 Ultrasonic transducer having backer layer for improving heat distribution feature
KR102176668B1 (en) * 2018-12-28 2020-11-09 한국과학기술원 Ultrasonic probe
KR102411284B1 (en) * 2019-09-20 2022-06-21 포항공과대학교 산학협력단 Transparent ultrasound sensor and method for manufacturing the same
KR102709881B1 (en) * 2021-04-13 2024-09-26 주식회사 포스코 Optical-ultrasonic integrated endoscopic probe, endoscopic apparatus and catheter apparatus based on transpatent ultrasonic sensor

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050170192A1 (en) * 2001-01-26 2005-08-04 Nanogram Corporation Polymer-inorganic particle composites

Also Published As

Publication number Publication date
KR20240061954A (en) 2024-05-08
WO2024096347A1 (en) 2024-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6183578B1 (en) Method for manufacture of high frequency ultrasound transducers
JP3633926B2 (en) Ultrasonic transceiver and ultrasonic flowmeter
US7572224B2 (en) Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic apparatus
US4217684A (en) Fabrication of front surface matched ultrasonic transducer array
CA1145451A (en) Coupling for a focused ultrasonic transducer
JP3950755B2 (en) Ultrasonic transducers that increase the resolution of imaging systems
JPH0239251B2 (en)
JP3625564B2 (en) Ultrasonic probe and manufacturing method thereof
CN105047811B (en) Piezoelectric material layer based on different-thickness stacks PZT (piezoelectric transducer)
US6984922B1 (en) Composite piezoelectric transducer and method of fabricating the same
CN110493698A (en) A kind of high-frequency wideband underwater acoustic transducer and its manufacturing method
KR102820597B1 (en) An ultrasensitive, broadband and single resonance transparent ultrasound transducer and manufacturing method thereof
US4348904A (en) Acoustic impedance matching device
US4381470A (en) Stratified particle absorber
EP0763233B1 (en) Impedance-matching composite material for an ultrasonic phased array and a method of making
JP3633925B2 (en) Ultrasonic transceiver and ultrasonic flowmeter
CN113812973A (en) Miniature ultrasonic transducer based on thermosensitive backing
US4779244A (en) Ultrasonic transducer and attenuating material for use therein
JP3954543B2 (en) Composite piezoelectric material
EP0190948A2 (en) Ultrasonic probe
CN210778680U (en) Spherical piezoelectric ceramic composite material structure and energy conversion device thereof
CN116197102B (en) Ultrasonic transducer
KR102611563B1 (en) Impedance matching material and Manufacturing method thereof
JP2006288977A (en) Ultrasonic probe and manufacturing method thereof
CN115414068B (en) Matching layer for ultrasonic transducer and preparation method

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20221101

PA0201 Request for examination
PG1501 Laying open of application
E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20240619

Patent event code: PE09021S01D

E90F Notification of reason for final refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Final Notice of Reason for Refusal

Patent event date: 20250114

Patent event code: PE09021S02D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20250421

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20250610

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20250610

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration