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.

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 %.

CNT/PDMS 복합체로부터 방사된 초음파의 파형 특성

김기석,김무준,하강렬,이주호,팽동국,최민주,Kim, Gisuk,Kim, Moojoon,Ha, Kanglyeol,Lee, Jooho,Paeng, Dong-Guk,Choi, Min Joo 한국음향학회 2019 韓國音響學會誌 Vol.38 No.4

투명한 PMMA (Poly methyl methacrylate) 기판 위에 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)와 PDMS (Poly dimethylsiloxane)를 코팅한 복합체에 레이저 펄스를 조사하면 열탄성효과에 의해 수중에 강한 초음파가 발생한다. 본 논문에서는 그 초음파 발생과 관련한 열음향 이론을 정립하고, 가우시안 파형을 갖는 레이저 펄스를 두께가 $20{\mu}m$인 CNT/PDMS 복합체에 조사했을 때 어떤 파형의 초음파가 발생하는지를 시뮬레이션을 통해 파악하였다. 그 결과로부터 CNT/PDMS 복합체에서는 충격 초음파가 발생하며, 그 파의 형상은 복합체의 각종 물성 값이 ${\pm}20%$ 변하여도 크게 변하지 않는 것을 확인하였다. 그러나 정(+), 부(-)의 피크 값은 열팽창계수가 증가하거나 밀도, 열용량, 음속이 감소하면 증가하며, 열전도도에 대해서는 민감하게 변하지 않음을 알았다. 나아가, 직접 제작한 CNT/PDMS 복합체에서 방사되는 초음파의 측정 결과와 시뮬레이션 결과의 비교로부터 그 물성 값을 추정할 수 있었다. When a laser pulse is irradiated on a CNT (Carbon Nanotube) and PDMS (Poly dimethylsiloxane) composite coated on a transparent PMMA (Poly methyl methacrylate) substrate, a strong ultrasonic wave is generated due to the thermoelastic effect. In this paper, the thermoacoustic theory related to the wave generation by the CNT/PDMS composite was established. The waveforms of ultrasonic waves when a laser pulse having a Gaussian waveform is irradiated on the composite with a thickness of $20{\mu}m$ were numerically simulated. From the results, it was confirmed that ultrasonic shock waves can be generated from the CNT/PDMS composite and the waveforms are changed little even if the physical properties of the composite are changed by ${\pm}20%$. It was found that the peak positive and negative pressures increase as the thermal expansion coefficient increases, or as density, heat capacity and sound speed decreased. However, those changes were not so sensitive with thermal conductivity. In addition, the physical properties of the CNT/PDMS composite fabricated in this study were estimated from the comparison of the measurement and simulation results.

음향감쇠매질 내에서 집속초음파에 의한 온도상승의 가시화

김명석,김정순,김무준,하강렬,Kim, Myoungseok,Kim, Jungsoon,Kim, Moojoon,Ha, Kanglyeol 한국음향학회 2014 韓國音響學會誌 Vol.33 No.1

음향감쇠매질 내에서 집속 초음파에 의한 온도 분포 변화를 파악하는 것은 다양한 분야에 매우 중요한 정보를 제공할 수 있다. 본 연구는 음향감쇠매질 내에 임계온도 $30^{\circ}C$인 시온안료를 사용한 감온 필름을 삽입하여 비침습적으로 온도 상승 효과를 조사하였다. 음향감쇠매질은 한천과 설탕을 섞어 제작하였으며 매질내 음향특성을 제어하기위해 사용한 설탕 농도는 25 %에서 40 %까지 변화시켰다. 집속 초음파에 의한 온도상승 효과를 감온 필름의 변색영역의 변화로 관찰한 결과 초음파 방사 후 2~5 s 사이에 급격한 변색 영역의 증가를 보이다가 그 이 후 완만한 변화를 보였다. 시뮬레이션에서는 실험 결과와는 달리 초음파 방사후 10 s까지 선형적으로 변색영역이 증가하는 경향을 보였다. 이는 매질의 열전도도 및 열용량은 온도에 따라 변하는 값을 가지는데, 시뮬레이션에는 이를 고려하지 못했기 때문으로 사료된다. The temperature change due to focused ultrasound in dissipative acoustic medium is very important because it provides us much information. To measure the temperature change inside of the dissipative acoustic medium non-invasively, we adopt a temperature sensitive film which has thermochromic particles with critical temperature of $30^{\circ}C$. As a dissipative acoustic medium, agar layer is chosen in the study. The temperature change due to the ultrasound was measured depending on the concentration of the sugar in the agar layer. The color change on the film due to the ultrasound was investigated when the concentration of sugar was from 25% to 40%. As the result, there were rapid increases of discolored area on the film within 2~5 second after the ultrasound driving and the increasing rates decreased after the period. To compare the simulation results were also shown. However in the simulated result, the discolored areas linearly increased from start to 10 seconds. The reason of the differences between the experimental results and simulated ones is that the change of thermal conductivity and heat capacity of the medium were not considered in the simulation program.

초음파 무화효과를 이용한 현탁액으로부터 나노입자의 분리포집법 제안

김지향,김정순,염지영,하강렬,김무준,Kim, Jihyang,Kim, Jungsoon,Yeom, Jiyeong,Ha, Kanglyeol,Kim, Moojoon 한국음향학회 2016 韓國音響學會誌 Vol.35 No.6

나노기술의 실제적인 응용을 위해 응집되지 않은 나노입자 상태를 얻는 것이 매우 중요하다. 나노입자를 사용하는 제품의 기능성을 향상시키기 위해, 그들의 합성 과정에서 입자 크기 분포의 더 정밀한 제어가 요구된다. 그러나 합성된 나노입자들은 물리적 혹은 화학적인 이유로 응집되기 쉬워 나노입자의 고유한 특성이 가려져 실제적인 응용에 있어서 문제를 일으킨다. 본 연구는 단분산된 나노입자만을 분리하기 위하여 초음파 무화 효과에 의한 무화입자를 분리장으로 사용한 나노입자 분리방법을 제안하였다. 0.002 wt. %의 농도를 갖는 $TiO_2$ 나노입자 현탁액을 무화시켜 분리포집된 현탁액에 포합된 나노입자들의 입도분포를 측정하였다. 그 결과들로부터 제안된 방법을 이용하여 단분산 입자의 분리 포집이 가능함을 확인 할 수 있다. It is very important to obtain non-agglomerated nano particle state for practical application of nano technology. In order to improve the functionality of products using nano particles, more precise control of particle size distribution is required in their synthesis process. However, synthesized nano particles are agglomerated easily due to physical and chemical reasons, and it then veils unique properties of the nano particles and causes some troubles in their practical application. In this study, a separation method for nano particles from suspension by using the droplets as the separation space was proposed. Using the suspension of 0.002 wt. % with $TiO_2$ powder, the particle size distribution of nano particles in the recollected suspension was measured. From the results, it was confirmed that it is possible to separate and to recollect the nano particles monodispersed by using the suggested method.

초음파 무화용 다주파수 압전 트랜스듀서의 제안

임수현(Soohyun Lim),김지향(Jihyang Kim),염지영(Jiyoung Yeom),심민섭(Minseop Sim),하강렬(Kanglyeol Ha),김무준(Moojoon Kim),김정순(Jungsoon Kim) 한국소음진동공학회 2017 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.4

강력초음파를 이용한 방사성시료의 충진율 개선

심민섭(Minseop Sim),김지향(Jihyang Kim),염지영(Jiyoung Yeom),임수현(Soohyun Lim),김정순(Jungsoon Kim),하강렬(Kanglyeol Ha),김무준(Moojoon Kim) 한국소음진동공학회 2017 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.4

압전배면체를 이용한 초음파 트랜스듀서의 대역폭제어

염지영(Jiyoung Yeom),김지향(Jihyang Kim),임수현(Soohyun Lim),심민섭(Minseop Sim),김정순(Jungsoon Kim),하강렬(Kanglyeol Ha),김무준(Moojoon Kim) 한국소음진동공학회 2017 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.4