λ/4 모드 PVDF 초음파 트랜스듀서에 있어서 전극 사이의 접합층이 성능에 미치는 영향

하강렬,김무준,김정순,Ha, Kanglyeol,Kim, Moojoon,Kim, Jungsoon 한국음향학회 2014 韓國音響學會誌 Vol.33 No.2

양 전극 사이에 압전층 외에 비압전성의 접합층이 존재하는 ${\lambda}/4$ 모드 PVDF 초음파 트랜스듀서에 있어서 그 접합층이 트랜스듀서의 성능에 미치는 영향을 등가회로에 의해 해석하였다. 등가회로로서는 Kikuchi 등이 제안한 전송선로 모델[Sound of IEICE, 55-A, 331-338 (1981)]을 도입하였는데, 먼저 그 모델에 의한 해석의 타당성을 $80{\mu}m$ 두께의 PVDF 압전막이 동(Cu) 후면체에 부착되는 세 가지 경우를 가정한 KLM 모델과의 비교를 통해 검증하였다. 다음으로, 그 압전막과 더불어 $5{\mu}m{\sim}20{\mu}m$ 두께의 에폭시 접합층을 갖는 다섯 개의 트랜스듀서를 제작하여 펄스 에코 응답을 측정한 후 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 두 결과는 서로 잘 일치하였는바, 도입한 Kikuchi 모델에 의해 접합층이 트랜스듀서의 성능에 미치는 영향을 파악할 수 있음을 알았는데, 접합층이 $20{\mu}m$일 때는 그 접합층이 없을 때에 비해 중심주파수와 대역폭은 각각 약 19.7 %, 25.0 % 감소하고, 삽입손실은 57.2 % 증가하는 것으로 나타났다. The effect of a bonding layer on the performance of a quarter-wave (${\lambda}/4$) mode PVDF ultrasound transducer having not only a piezoelectric layer but also a non-piezoelectric layer between two electrodes was analyzed. The equivalent circuit of a transmission line model by Kikuchi et al.[Sound of IEICE, 55-A, 331-338 (1981)] was introduced for the analysis. The validity of the model was confirmed by comparison with a KLM model for three postulated adhesion cases of a $80{\mu}m$ thick piezoelectric PVDF film to a copper (Cu) backer. The pulse-echo responses of five PVDF transducers, each fabricated with a different thickness ($5{\mu}m{\sim}20{\mu}m$) of the bonding layer, were measured and the results were compared with those by simulation. The two results were in good agreement with each other and it was noted that the effect of the bonding layer on the performance of the transducer could be analyzed by the Kikuchi model. In detail, the $20{\mu}m$ bonding layer decreased the center frequency and the bandwidth by about 19.7 % and 25.0 %, respectively, and increased the insertion loss by 57.2 %.

광음향 영상화를 위한 PMN-PZT 바늘형 수중청음기 제작

하강렬,김무준,강현욱,오정환,Ha, Kanglyeol,Kim, Moojoon,Kang, Hyun Wook,Oh, Junghwan 한국음향학회 2016 韓國音響學會誌 Vol.35 No.3

수 MHz의 초음파를 이용하는 저주파 광음향 영상장치에 적용하는 것을 목적으로 압전단결정 PMN-PZT를 사용한 바늘형 수중청음기를 설계 제작하고, 그 특성을 수신감도가 알려져 있는 상용 PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 수중청음기와 비교하여 평가하였다. 설계한 수중청음기의 임펄스응답을 KLM 모델에 의해 시뮬레이션한 결과, $50{\Omega}$의 종단 임피던스에 걸리는 최대 전압을 기준으로 한 수신감도는 -261.6 dB re $1V/{\mu}Pa$이며, 2 ~ 12 MHz 대역에서 5 dB 이내의 비교적 평탄한 특성을 가지는 것으로 예측되었다. 제작한 수중청음기의 수신감도를 순음 펄스를 사용하여 측정한 결과, 측정 가능한 2 ~ 8 MHz 대역에서 상용의 수중청음기에 비해 평균 10.9 dB 높게 나타났으며, 그 값은 $-255.8{\pm}2.8$ dB re $1V/{\mu}Pa$이었다. 나아가, 제작한 수중청음기를 기계주사형 광음향 영상장치에 적용하여 머리카락에 대한 영상을 획득하였는바, 수신된 광음향 신호가 상용의 것보다 크고, 영상 또한 우수함을 알았다. For application to several MHz photoacoustic imaging systems, a needle hydrophone was designed and fabricated by using PMN-PZT piezoelectric single crystal, and its characteristics were evaluated through comparison with a commercial PVDF(Polybinylidene Fluoride) hydrophone of which receiving sensitivity is known. The simulation using the KLM model results show that the peak receiving impulse response for $50{\Omega}$ terminating impedance of the fabricated hydrophone is -261.6 dB re $1V/{\mu}Pa$ and the frequency response is relatively flat over 2 ~ 12 MHz with fluctuation less than 5 dB. The measurement results using tone burst signals also show that it has higher (ave. 10.9 dB) sensitivity than the commercial hydrophone in 2 ~ 8 MHz, and the receiving sensitivity of $-255.8{\pm}2.8$ dB re $1V/{\mu}Pa$ was measured for the fabricated hydrophone. In addition, it is known that the photoacoustic signals and the image of a hair obtained by a mechanical scanned photoacoustic imaging system with the fabricated hydrophone were bigger and better than those obtained with the commercial hydrophone.

수십 MHz 대역 초음파 트랜스듀서와 그 응용

하강렬,김무준 한국음향학회 2003 韓國音響學會誌 Vol.22 No.8

최근 안과 또는 피부과의 의료진단분야에 도입하기 위한 수십 μm 이하의 높은 공간분해능을 갖는 수십 MHz 대역의 초음파 트랜스듀서에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 본 해설에서는 그 연구의 배경 및 트랜스듀서의 구조와 특성, 그리고 그것을 이용하여 얻은 영상에 대하여 간략하게 소개하였다. Recently, ultrasound transducers in several tens MHz band, which can give the spatial resolution higher than several tens micrometers, have been intensively studying for applying to medical diagnostic fields of ophthalmology and dermatology. In this paper, the background of the studies, structures and characteristics of the transducers, and images obtained by the transducers are briefly reviewed.

압전고분자 초음파 트랜스듀서와 생의학적 응용

하강렬(Kang-Lyeol Ha),曹永剛(Yonggang Cao) 한국비파괴검사학회 2012 한국비파괴검사학회지 Vol.32 No.5

PVDF와 P(VDF-TrFE)로 대별되는 압전고분자는 종래의 대표적인 압전재료인 PZT에 비해 전기음향변환효율이 떨어지며 내부손실이 큰 단점은 있으나, 음향임피던스가 물 또는 생체와 비슷하고 수신효율이 우수하며 광대역 특성을 나타내는 등의 장점을 가진 재료이다. 또한 다른 압전재료에 비해 얇은 막으로의 제작이 쉽고, 그 막은 유연하므로 복잡한 곡면을 갖는 고주파 초음파 트랜스듀서 재료로 유용하다. 그러한 특성은 생의학적 응용에 적합한바, 다양한 형태의 초음파 트랜스듀서가 연구 개발되어져 왔다. 본 논문에서는 먼저, 압전고분자막을 이용하여 초음파 트랜스듀서를 설계 제작하는데 있어서 고려해야할 몇 가지 주요사항을 기술하고, KLM 모델을 사용한 해석을 통하여 그 고려사항들이 트랜스듀서의 동작에 미치는 영향을 파악하였다. 다음으로, 의학적 또는 생물학적 응용을 목적으로 초음파 영상을 얻고 있는 몇몇 주요 응용분야에서 사용되는 압전고분자 트랜스듀서의 구조와 그것을 이용하여 얻은 영상의 특징에 대하여 간략히 해설하였다. PVDF(poly vinylidene fluoride) and P(VDF-TrFE)(poly vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene) are the typical piezoelectric polymers with unique properties. Even they are inferior to conventional piezoelectric ceramics PZT in electromechanical conversion efficiency and interior loss, though they are superior in receiving sensitivity and frequency bandwidth. Their acoustic impedances are relatively close to water or biological tissue and it is easier to make thin film than other piezoelectric materials. Futhermore, the film is so flexible that it is easy to attach on a complex surface. Those properties are suitable for the ultrasound transducers which are useful for medical and biological application, so that various types of polymer transducers have been developed. In this paper, several important considerations for design and fabrication of piezoelectric polymer transducers were described and their effect on the transducer performance were demonstrated through the KLM model analysis. Then, it was briefly reviewed about the structures of the polymer transducers developed for obtaining images as well as the characteristics of the images in several important medical and biological application fields.

Estimation and measurement of forward propagated ultrasonic fields in layered fluid media

Ha, Kang-lyeol,Kim, Moo-joon,Hyun, Byung-gook 부경대학교 음향진동공학연구소 2000 音響振動工學硏究所 硏究報告 Vol.5 No.-

영일만 부근에서의 수중소음

윤갑동,하강렬 한국수산학회 1983 한국수산과학회지 Vol.16 No.3

Underwater ambient noise level was measured at two points near the Youngil Bay. The environmental characteristics depend upon oceanographic conditions of sound propagation and its implication on the source of ambient noise. Some noise sources were estimated, and the effect of the oceanographic conditions on the nose level variation had been considered. The results were as follows: 1) At the nearshore station of Youngil Bay, the ambient noise level in the near bottom(45m) was lower than that of the near surface(10m) by 15dB. This difference was due to spherical spreading from the upper to the lower layer. 2) At the open sea station which is located outside of the thermal front existing near the Youngil Bay, the ambient nose level of the upper layer(20m) was higher than that of the lower layer(100m) by 8~12dB below 50Hz and 15~23dB above 50Hz. 3) Above 60Hz the ambient noise level at the nearshore station was higher than that of the open sea station, while below 60Hz, the result was reverse. It appears that a boundary layer existed between the two stations.

정상파와 초고주파 집속 빔을 이용한 음향집게시스템의 개발에 관한 연구

양정원,하강렬,김무준,이정우,Yang, Jeong-Won,Ha, Kang-Lyeol,Kim, Moo-Joon,Lee, Jung-Woo,Shung, K.K. 한국음향학회 2008 韓國音響學會誌 Vol.27 No.7

정상파와 초고주파 집속 빔을 이용한 초음파 음향집게의 개발 가능성을 타진하는 것을 목적으로, 수중에 놓인 미세입자의 위치를 제어할 수 있는 시스템을 구축하였다. 그 시스템은 입자를 평면 정상파의 방사력에 의해 1차적으로 포획하여 집속 빔의 초점 부근으로 이동시킨 다음, 초고주파 집속 빔의 방사력을 이용하여 2차적으로 포획하는 것이다. 구축된 시스템에 의해 구형 미세 입자의 위치제어 실험을 행한 결과, 정상파 음장에서는 음압의 마디에 입자가 잘 포획되었으며, 주파수의 조정에 의해 그 입자를 임의 위치로 이등조작이 가능하였다. 그리고 단일의 초고주파 집속 빔에 의해서는 음원으로부터 멀어지는 방향으로만 구동력이 작용하나, 2개의 대항하는 집속 빔을 사용할 경우 그 중심 부근에 포획됨을 알았다. For the purpose of possibility study on development of an acoustic tweezer using standing waves and very high frequency ultrasound focused beams, a system which can manipulate the position of particles in water has been constructed. It can move the particles to near focal point of a focused beam by the radiation force of standing waves, and then the particles would be trapped by the radiating force of the focused beam. The results show that micro sphere particles were trapped well at nodes of the standing waves and their position can be easily manipulated by frequency control. And, even though the radiation force by single focused beam pushes a particle away from the transducer, two focused confronted beams can trap it at near center.

의료용 초음파프로브의 압전소자 결함이 과도음장과 B-모드 영상에 미치는 영향

최광윤,하강렬,김무준,김정순,양정화,강관석,최민주,Choi, Kwang-Yoon,Ha, Kang-Lyeol,Kim, Moo-Joon,Kim, Jung-Soon,Yang, Jeong-Hwa,Kang, Gwan-Suk,Choi, Min-Joo 한국음향학회 2010 韓國音響學會誌 Vol.29 No.8

전체 192개의 압전소자 중 64개를 동시 구동하여 빔을 형성하는 중심주파수 3.5 MHz인 선형배열 의료용 초음파프로브를 대상으로 일부의 압전소자가 결함으로 인해 동작하지 않을 때의 과도음장 및 점 표적에 대한 초음파 B-모드 영상을 시뮬레이션하여 정상 초음파프로브의 것과 비교 분석하였다. 그 결과, 결함소자의 수가 한 개에서 네 개로 증가함에 따라 주엽이 만드는 음장의 최대음압준위 및 그 -3 dB 폭은 정상일 때에 비해 선형적으로 감소하나, 초점심도는 거의 변화가 없고, 부엽에 의한 음장의 음압준위 상승으로 인해 주엽과 부엽과의 음압 차이는 감소하는 경향을 보였다. 이와 같은 음압준위의 변화는 점 표적에 대한 B-모드 영상에 영향을 주어 표적의 좌우에 허상을 만들며, 축 방향의 공간분해능은 거의 일정하나 측 방향으로는 다소 감소하는 경향을 나타내었다. The ultrasonic transient fields and B-mode images of a point target which were simulated for a medical ultrasonic probe with a few defective piezo-elements were compared with those for a normal probe. The present study considered a 3.5 MHz linear array probe whose acoustic beam was formed by the 64 active elements of total 192 elements. The results showed that the maximum amplitude and -3 dB width of the acoustic fields by main-lobes decreased linearly as the defective element number increased from one to four. However, the depths of foci remained almost unchanged, and the pressure differences between main-lobes and side-lobes tended to decrease due to rise in pressures in side-lobes. Such changes in ultrasonic fields affected the B-mode images of point targets. So the artifacts were formed in the right and left side of the target, and the lateral spatial resolutions were decreased while the axial resolution was almost the same.

압전 배열 트랜스듀서의 진동 요소간 kerf 충진 매질에 따른 특성변화의 실험적 고찰

김정순,김무준,하강렬,Kim, Jung-Soon,Kim, Moo-Joon,Ha, Kang-Lyeol 한국음향학회 2008 韓國音響學會誌 Vol.27 No.5

의료용 초음파 프로브나 압전복합재료 트랜스듀서 등에 있어서는 배열된 압전세라믹 요소간의 공간, 즉 kerf에 주로 폴리머계열의 물질을 충진하고 있다. 이 경우 압전 요소의 횡방향 진동모드의 경계조건이 바뀌어 실제 사용되는 종방향 진동모드의 공진 주파수에도 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 kerf충진 매질에 따른 공진주파수의 변화를 실험적으로 고찰하기 위하여 크기가 $14mm{\times}0.22mm{\times}0.44mm$인 PZT 압전요소의 선형배열에 의한 초음파 트랜스듀서를 제작하고, kerf충진 매질이 없는 경우와 특성이 다른 두 종류의 에폭시로 충진한 경우 각각에 대한 측정을 행하였다. 그 결과 kerf충진 매질에 따른 종방향 공진주파수의 천이 경향이 이론해석 결과와 유사함을 확인하였다. The kerfs between arrayed piezoelectric elements in a medical ultrasonic transducer or a piezoelectric composite transducer are generally filled by polymeric materials. The boundary condition of the elements for lateral mode vibration is changed according to the kerf-filling materials, so that the resonance frequency for longitudinal mode of the transducer is also varied. In this study, to investigate the resonance frequency variation for an arrayed transducer experimentally, the piezoelectric vibration elements of $14mm{\times}0.22mm{\times}0.44mm$ were fabricated and those were linearly arrayed. And, the resonance frequencies were measured for three cases of kerf-filling condition, non-filling and two different kinds of epoxy filling. Conclusively, it is confirmed that the resonant frequency variation shows the similar tendency with the theoretical one for the longitudinal mode.

Improvement of sensitivity in flexural-type piezoelectric sensor using negative impedance converter circuit

Ko, Young-in,Kim, Moo-joon,Ha, Kang-lyeol,Yoshiro Tomikawa 부경대학교 음향진동공학연구소 2002 音響振動工學硏究所 硏究報告 Vol.7 No.-