압전 재료를 이용한 전기 차단기의 능동제진

노용래(Yongrae Roh) 한국소음진동공학회 1992 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.1992 No.11

제철 열간 압연기의 진동 저감책

노용래(Yongrae Roh) 한국소음진동공학회 1993 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.1993 No.5

MEMS 기술을 이용한 마이크로 음향센서

노용래(Yongrae Roh) 대한기계학회 2002 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2002 No.2

기존 음향센서의 한계를 극복할 수 있는 새로운 형태로서 MEMS 기술을 이용한 마이크로 음향센서인 cMUT의 개념과 그 작동원리를 알아본다. 기존 음향센서 특히 초음파 음향센서로 널리 사용되는 압전형 센서와 비교한 장단점을 알아보고 그에 따라 cMUT의 장점을 살릴 수 있는 응용 분야와 향후 연구 방향을 고찰해본다.

Quadrupole 구조를 가진 Tonpilz형 수중 음향 벡터 센서를 이용한 입사각 추정

임영섭,노용래,Lim, Youngsub,Roh, Yongrae 한국음향학회 2012 韓國音響學會誌 Vol.31 No.8

압전 세라믹을 이용한 전형적인 Tonpilz형 수중 음향센서는 외부에서 들어오는 음향 신호를 이에 상응하는 전압으로 변환해 스칼라 양인 음압의 크기만 측정할 뿐 외부에서 들어오는 신호의 방향은 파악할 수 없는 한계가 있다. 이와 같은 문제점을 해결하고자 본 논문에서는 Tonpilz형 트랜스듀서를 이용해 단일 센서만으로도 음압의 크기와 방위각 방향을 동시에 분석해 낼 수 있는 새로운 벡터 센서 구조를 제안하고, 제안된 구조의 타당성을 수식 및 유한요소해석을 통해 검증하였다. Typical Tonpilz type underwater acoustic transducers making use of piezoelectric ceramics detect the magnitude of an acoustic pressure, a scalar quantity, and convert this pressure into a proportional output voltage. The scalar sensor has no directional sensitivity. In this paper, we have proposed a new vector sensor based on the Tonpilz transducer structure, which is sensitive to both the magnitude and the azimuthal direction of an acoustic wave. Validity of this new design has been confirmed with analytic equations and finite element analyses.

고강도 집속 초음파 발생용 오목한 환상형 배열 트랜스듀서의 최적설계

최은아,노용래,Choi, Euna,Roh, Yongrae 한국음향학회 2016 韓國音響學會誌 Vol.35 No.6

본 연구에서는 의료 치료용으로 고강도 집속 초음파를 발생시킬 수 있는 오목한 환상형 배열 트랜스듀서의 구조를 최적설계하였다. 트랜스듀서는 곡률반경으로 40 mm를 가지는 여러 개의 동심원 채널로 이루어진 위상배열 구조이다. 구조 설계를 위해 트랜스듀서의 음장을 해석할 수 있는 이론식을 유도하였으며, 이론식 계산 결과의 타당성을 유한요소해석 결과와 비교함으로써 검증하였다. 배열 트랜스듀서의 기하학적 초점 이외 지점에서의 동적 집속 가능 유무도 함께 확인하였다. 또한 음장 내 원하지 않는 지점에 발생하는 그레이팅 로브의 레벨은 트랜스듀서의 채널수와 주파수와의 관계를 이용하여 개선될 수 있음을 확인하였다. 따라서 정점으로부터 특정 범위 내에 주엽이 존재하면서 그레이팅 로브를 포함한 최대 부엽의 크기를 체계적으로 줄일 수 있도록 트랜스듀서 구조를 최적 설계하였다. 설계된 구조는 모든 집속 지점에서 목표를 만족하는 성능을 보였다. In this study, the structure of a concave annular array transducer was optimized to generate high intensity focused ultrasound for medical therapeutic application. The transducer has a phased array structure composed of several concentric channels that have 40 mm as the radius of curvature. We derived theoretical equations to analyze the sound field of the transducer and verified the validity of the equations by comparing the results calculated by the equations with those from finite element analyses. We also checked the possibility of dynamic focusing at around the geometric focal point. Further, the level of a grating lobe occurring at an unwanted position in the transducer sound field was confirmed to be reducible through the relation between the number of channels and the frequency of the transducer. Hence, the structure of the transducer was optimized to place the main lobe within a specific range from the zenith while systematically reducing the level of the maximum sidelobe including the grating lobe. The designed structure showed the performance better than that targeted at all the focal points.

2차원 평면배열 수중 음향 트랜스듀서 내 상호간섭 저감 방안 연구

박해준,노용래,Park, Haejune,Roh, Yongrae 한국음향학회 2016 韓國音響學會誌 Vol.35 No.5

In this work, we proposed various structural methods to reduce the crosstalk between elements in a planar array of underwater acoustic transducers and investigated the efficacy of each method through finite element analysis. It is shown that the effects of crosstalk reduction increase as the depth of the kerf among elements and the width of the kerf increase, and the elastic stiffness of the kerf filler decreases. Results of this study are expected to be useful in designing the structure of underwater acoustic planar array transducers to maximize their performance. 본 연구에서는 평면배열 수중 음향 트랜스듀서 내 소자들간의 상호간섭을 저감시키기 위한 다양한 구조적 방안을 제안하고, 각 방안의 효용성을 유한 요소해석을 통해 분석하였다. 그 결과, 소자들 사이의 커프의 깊이는 깊을수록, 커프의 너비는 넓을수록, 커프 충진재의 탄성계수는 낮을수록 상호간섭 저감 효과가 높게 나타났다. 본 연구의 결과는 평면배열형 수중 음향 트랜스듀서의 성능을 극대화시키기 위한 구조 설계에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

전도성 후면층을 이용한 2D 배열 초음파 트랜스듀서의 설계 및 제작

우정동,노용래,Woo, Jeongdong,Roh, Yongrae 한국음향학회 2013 韓國音響學會誌 Vol.32 No.6

본 논문에서는 1-3 복합체 형태의 전도성 후면층을 이용한 2D 배열 초음파 트랜스듀서를 설계 및 제작하고 그 특성을 평가하였다. 1-3 복합체 형태의 전도성 후면층은 일반적인 재료를 사용해 널리 쓰이는 1-3 복합체 공정을 통하여 제작되었다. 본 연구의 대상이 되는 2D 배열 트랜스듀서는 4,096개의 구동 소자로 이루어져 있고, 각 소자의 중심주파수 및 비대역폭은 각각 3.5 MHz 및 60 % 이상을 목표로 설계하였다. 제작된 트랜스듀서는 중심주파수 및 비대역폭 목표치를 만족하였으며, 전체 구동 소자간의 특성도 0.81 dB 이내로 균일하였다. 따라서 본 연구에서 제시한 전도성 후면층의 2D 배열 초음파 트랜스듀서에 대한 적용 가능성이 검증되었다. In this paper, 2D array transducers using a conductive backer similar to 1-3 composites have been designed, fabricated, and evaluated. The conductive backer was based on well known manufacturing process of 1-3 composites with affordable ingredients. The 2D array transducer had 4,096 elements designed to have 3.5 MHz center frequency and a fractional bandwidth over 60 %. Fabricated prototype of the transducer satisfied the specifications in the center frequency and bandwidth. Performance over the entire elements was so uniform that the standard deviation was less than 0.81 dB. Thus applicability of the conductive backer proposed in this work to 2D array transducers was verified.

1.75D 초음파 트랜스듀서의 설계 및 제작

이원석,노용래,Lee, Wonseok,Roh, Yongrae 한국음향학회 2013 韓國音響學會誌 Vol.32 No.3

In this paper, a $64{\times}8$ channel 1.75D ultrasonic transducer made of piezoelectric single crystals was designed, fabricated, and evaluated. First, a structure of the transducer was selected to be suitable for wiring on a planar array, and components were fabricated to correspond to the structure. Detailed structure of the transducer was designed through finite element analyses. As main performance factors, the crosstalk between neighboring elements was reduced through the control of kerf width and material, and desired frequency bandwidth of the transducer was achieved by designing the optimal thicknesses of the piezoelectric single crystal and matching layers. An experimental prototype of the transducer was fabricated following the design, and its performance was measured. Then the experimental results were compared with those of the finite element analysis, which led to the evaluation of the transducer developed in this work. 본 논문에서는 압전단결정으로 구성된 $64{\times}8$ 채널 1.75D 초음파 트랜스듀서의 설계, 제작 및 평가를 하였다. 우선, 평면 배열된 독립소자에 전기적 연결이 가능한 트랜스듀서의 구조를 선정하고 구조에 맞게 구성소자를 제작하였다. 그리고 유한요소 해석을 통해 트랜스듀서의 세부 구조를 설계하였다. 트랜스듀서의 주요 성능요소로서, 치폭의 너비와 재료를 조절하여 소자간 상호간섭의 영향을 줄이고, 압전단결정 및 정합층의 최적 두께를 설계함으로써 트랜스듀서의 원하는 대역폭을 구현하였다. 설계에 맞게 트랜스듀서 시편을 제작하고 실험적으로 그 특성을 측정한 후, 그 결과를 유한요소 해석 결과와 비교함으로써 개발된 트랜스듀서의 성능을 평가하였다.

의료용 초음파 위상배열 트랜스듀서의 열 분산 방안

이원석,노용래,Lee, Wonseok,Roh, Yongrae 한국음향학회 2015 韓國音響學會誌 Vol.34 No.3

초음파 영상 품질의 향상을 위해 트랜스듀서의 구동전압을 높이게 되면 트랜스듀서에서 열이 발생하여 환자의 피부 화상 및 트랜스듀서의 성능 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 이렇게 온도가 상승하지 않도록 트랜스듀서 내의 열을 효율적으로 분산할 수 있는 방안에 대해 연구하였다. 이때 열 분산 해석 대상으로 중심주파수가 3 MHz이고 32채널을 가진 위상배열 트랜스듀서를 선정하였다. 먼저 트랜스듀서의 동작에 따른 발열 구조를 이론적으로 분석하였고, 그 결과로서 재료의 감쇠와 음압의 크기가 발열에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 나아가 유한요소 해석을 통해 트랜스듀서 구성소자의 물성이 열 분산에 미치는 영향을 분석하였다. 분석된 결과를 바탕으로 트랜스듀서 내 열이 잘 분산되기 위한 구성소자의 열물성을 정하였다. 도출된 열 물성을 유한요소 해석 모델에 적용한 결과 환자와 접촉되는 부분인 음향렌즈의 최고온도가 원래 값의 51 %로 저하되었다. When the driving voltage of an ultrasound transducer is increased to improve the quality of ultrasound images, heat is generated inside the transducer that can cause patient's skin burn and degradation of transducer performance. Hence, in this paper, a method to disperse the heat of the transducer has been studied. The phased array transducer having 3 MHz center frequency and 32 channels was selected for analyses of the thermal dispersion. First, mechanism of the heat generation was investigated in relation to the transducer operation through theoretical analysis, and material damping and sound pressure amplitude were confirmed to be influential on the heat generation. Further, we investigated the effects of the properties of the materials constituting the transducer on the thermal dispersion through finite element analysis. Based on the analysis results, we determined the thermal properties of the constituent materials that could facilitate the thermal dispersion inside the transducer. The determined thermal properties were applied to the finite element model, and the results showed that the maximum temperature at an acoustic lens contacting with a patient was decreased to 51 % of its initial value.

20 MHz 의료용 고주파 선형 배열 초음파 트랜스듀서의 설계 및 제작

이원석,노용래,Lee, Wonseok,Roh, Yongrae 한국음향학회 2016 韓國音響學會誌 Vol.35 No.6

In this work, a medical linear array ultrasonic transducer working in the range of 20 MHz has been developed for high-resolution ultrasonic imaging. After devising the structure of the transducer suitable for the transmission of high-frequency waves, we optimized the dimension of constituent components. Then, the process to fabricate the transducer was developed to realize the designed structure, and a prototype of the transducer was fabricated and characterized. The center frequency of the fabricated transducer was measured to be 19 MHz, and the fractional bandwidth to be 84.5 %, and the standard deviation of the sensitivity over the entire channels to be 0.74 dB. These measurement results showed good agreement with design data, which confirmed the validity of the high frequency ultrasonic transducer structure developed in this work. It was confirmed that the developed transducer with new structure had wider frequency bandwidth and uniform sensitivity than a conventional 20 MHz transducer. 본 연구에서는 고분해능 초음파 영상 획득이 가능한 20 MHz 대역의 의료용 초음파 선형 배열 트랜스듀서를 개발하였다. 먼저 고주파 음파의 전파가 용이한 트랜스듀서의 구조를 고안한 후, 구성소자의 최적치수를 도출하였다. 이후 설계에 따라 트랜스듀서의 제작공정을 개발하고, 트랜스듀서 시편의 제작 및 평가를 수행하였다. 제작된 초음파 트랜스듀서는 중심주파수가 19 MHz이고, 비대역폭이 84.5 %, 감도의 표준편차가 0.74 dB로 측정되었다. 측정 결과는 설계 결과와 잘 일치하였으며, 이에 의해 본 연구에서 개발한 고주파 초음파 트랜스듀서 구조의 타당성을 검증하였다. 개발된 트랜스듀서는 새로운 구조에 의해 기존의 20 MHz 트랜스듀서에 비해 더 넓은 주파수 대역폭과 균일한 감도를 가지는 것으로 확인되었다.