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저희 케이원메드에서 생산되는 모든 의료기기 및 미용기기에는 자체 개발/생산된 초음파 진동자를 적용하고 있으며,

이외에 초음파 융착기용 진동자, 공기 중 초음파 센서 등을 다수의 업체에 공급하고 있습니다.

 또한, 어떤 용도의 초음파 센서도 개발/생산/공급이 가능한 기술력과 인력을 확보하고 있습니다.

–  초음파란?

매질(일반적으로 공기중 또는 수중)내에서 물체가 진동하면 그 물체 주변 매질에 영향을 미치게 되어 그 입자를 진동시킨다. 이는 공기 또는 물 입자에 연속 진동을 발생시켜 주변으로 퍼져 나가며 파동을 형성한다. 이 파동이 귀에 도달하면 우리는 그 파동을 소리(적당한 크기와 주파수를 갖는 범위 내에서)로 인식한다. 매질이 공기인 경우 그 에너지 파동의 주파수가 특정 범위(20~20,000Hz)내에서 사람이 들을 수 있는데, 보통은 이를 “소리” 또는 “음파”라고 한다. 사람이 들을 수 없는 주파수영역 (20KHz 이상)을 초음파라고 하며 우리가 들을 수 있는 소리와 주파수 이외에는 다를 게 없다.

공기 중(또는 수중)에서 특정 형태의 고체 즉 나무, 금속, 팽팽한 줄 등을 두드리면 소리가 나는데 이는 물체의 재질과 형태에 따라 소리의 높낮이 즉 특정 주파수를 갖는 소리를 발생시킨다. 그러므로 원하는 주파수와 음향 특성을 갖는 진동자의 설계 제작이 가능하며 이를 음향 트랜스듀서라고 한다. 여기서 발생된 파동은 공기 입자의 이동을 연쇄적으로 일으키며 주변으로 퍼지게 되는데 이때의 퍼지는 형태 때문에 소밀파(疏密波)라고 한다. 즉 공기가 압축되어 주변의 대기압보다 밀도가 높은 밀(密)한 부분과 밀도가 낮은 소(疏)한 부분이 주기적으로 나타나며 이를 그림으로 나타내면 아래와 같다. 이때 공기 입자는 파동의 진행 방향과 동일하게 이동하므로 종파(縱波)라고도 한다.

이런 파동이 진행되어 우리의 귀에 다다르면 외이 중이 내이와 신경을 거쳐 뇌에 전달되어 여러 분석을 통하여 언어 또는 소리로 인식하게 된다. 이때 우리의 귀는 특정 주파수범위(가청 주파수)만을 인식할 수 있다. 이 이외의 주파수를 대개는 초음파라고 하며 우리가 입으로 말하고 귀로 듣는 소리와 주파수만 다를 뿐 다른 물리적 특성은 동일하다. 이러한 음파는 매질을 통과하며 전달, 반사, 굴절, 산란, 흡수, 회절등의 복잡한 현상을 갖게 되는데 이런 현상을 이용하여 많은 종류의 센서를 제작 사용하고 있다.

 

인체 내에서 초음파를 진행시키면 인체 조직이 미세한 진동을 하게 되어 의학적으로 여러 가지 현상이 동반된다. 인체 조직의 진동으로 발열과 캐비테이션 현상을 이용하여 세포를 활성화시키거나 파괴할 수도 있고 조직 사이의 경계면에서의 반사 특성을 이용하여 영상진단도 가능하며 도플러효과를 이용하여 움직이는 형태의 진단(심장, 태아)도 가능하다.

–  압전 효과

음파를 발생시키기 위해서는 특정 형태의 물체(트랜스듀서)를 진동시켜야 하는데 이에는 주로 전자유도현상, 자왜현상, 압전 현상을 사용한다.

 

전자유도현상은 다이나믹 스피커와 같은 방식으로 자계중의 전자가 받는 힘(로렌츠의 힘)을 이용하는 것으로 주파수가 높은 영역에서는 효율이 낮아 최근에는 잘 사용하지 않는다.

자왜현상은 페라이트 구조물에 코일을 감아 전류를 흘리면 재료의 물리적 성질이나 구조에 따라 정해지는 고유 진동수에 공진해서 진동하여 음파를 발생시킨다. 이는 외부 충격에 약하며 100KHz 이하에서 주로 사용된다.

압전효과는 압전소자에 외부에서 압력이 인가되면 전하가 발생되는 정효과(아래그림1)와 반대로 전압(스트레스)을 인가하면 변형(스트레인)이 발생하는 역효과(아래 그림2)로 구분할 수 있다.

압전소자는 수정, 롯셀염등의 천연물질과 티탄산바륨(BaTiO3), 또는 티탄산연(PbZrTiO3, PZT)등이 있으나 최근에는 특성이 가장 좋은 PZT를 주로 사용한다.

<그림1>

압전 정효과

<그림2>

압전 역효과

–  압전 특성

거의 모든 고체 물질은 결정구조가 있는데 전체 32개의 결정군중에서 비대칭성이 있는 20개군 중에서 전기적 부도체인 결정은 압전 특성이 있다. 이중 10개의 군은 자발분극이 존재하는 초전성(Pyroelectric ; 온도가 변하면 분극이 생기는 특성) 결정이다. 이 중에 전계에 의해 분극의 방향이 바뀌는 것을 강유전성이라 하며 압전 현상은 강유전성의 결정 중에 존재한다.

강유전체의 대표적인 결정구조를 아래 그림으로 표현하였다.

Ti/Zr 이온이 육면체의 중심에 있고 꼭지점에 Pb, 6개 면중심에 산소가 있는 구조이다.(Perovskite 구조) 이런 재료를 PZT라고 하며 가장 대표적인 압전재료이다. 이는 상온에서는 그림의 우측과 같이 Ti/Zr 이온이 정확히 중심에 위치하지 않고 약간 위쪽에 위치한다. 이로 인해 쌍극자(dipole)가 존재하게 되며 전계를 인가하면 쌍극자의 신축이 발생되어 압전 특성이 나타난다. 이런 특성이 있으므로 압전의 정효과 및 역효과가 존재한다. 큐리온도(PZT의 경우 약 330℃)이상에서는 좌측 그림과같이 정 중앙에 위치하게되어 압전 특성을 잃는다.

압전 현상을 정량적으로 수식화하는 데는 전기-기계 변환 인자를 통하여 표시할 수 있는 압전 방정식이 있는데 이는 좀 복잡해지므로 여기에서는 생략하겠다.

–  분극

PZT와 같은 강유전체는 소결(sintering)을 통한 고상반응으로 한덩어리가 되어 결정을 이루게 되어 좌측그림과 같은 상태의 dipole 배치를 갖는다. 여기에 강한 DC 전계를 인가하면 dipole이 전계방향으로 정렬되어 중앙 그림과 같은 상태가 된다. 이후 외부 전계를 제거하여도 우측 그림과 같이 잔류분극이 존재하여 이 강유전체는 비로소 압전 특성을 갖게 된다. 이런 과정을 분극이라 한다.

–  초음파의 발생

실로폰을 막대기로 두들기면 건반의 길이에 따라 다른 소리가 난다. 긴 것은 저음, 짧은 것은 고음이 발생한다. 피아노나 기타에서도 동일한 현상을 볼 수 있다. 실로폰 건반은 사각형의 긴 막대 형태로써 동일한 재료로 만들어졌다면 길이에 반비례하는 주파수의 소리를 발생시킨다. 이처럼 형태와 재질 특성이 정의되면 특정 방향으로의 고유공진주파수가 결정된다.

압전세라믹은 분말형태를 성형, 소성 할 수 있으므로 원하는 여러가지 형태로 만들 수 있는데, 대표적인 몇 가지 형태를 그림으로 나타내면 아래와 같다.

위에서 화살표는 진동 방향, 문자는 길이를 나타내며 그림 아래의 수식에서 Fs는 공진주파수, N은 각각의 형태에서의 주파수 상수를 나타낸다.

–  초음파 발생의 실예

압전 세라믹은 인장강도가 약하므로 더욱 강력한 초음파를 발생시키려면 다음 그림과 같이 금속과 함께 조립한 구조를 만들어 강력 초음파 발생용으로 다양한 용도로 사용되고 있다. 이 구조는 압전 세라믹 4개의 양측에 금속을 삽입하고 볼트로 조인 구조로써 직경과 조립된 총 길이로 주파수가 결정되며 볼트의 체결력 만큼 압전 세라믹을 압축시켜 파괴 인장강도 이내에서 구동할 수 있다. 이는 프랑스의 Langevin이 개발한 구조로써 Bolt Clamped Langevin Transducer, 란쥬반 진동자, BLT 진동자등으로 불린다.

아래 그림은 란쥬반 진동자의 임피던스 특성을 그래프로 나타낸 것으로서 공진주파수는 27,800Hz, 공진 임피던스는 43 Ohm, 반공진 주파수는 28,900Hz, 반공진 임피던스는 7,500 Ohm이며 공진 반공진주파수 사이에서는 위상이 +90도가 되어 거의 인덕터 성분이 되고 그 외의 주파수 영역에서는 -90도가 되어 캐패시터 성분으로 된다.

이를 전기적 등가회로로 나타내면 아래 그림과 같다.

위에서 각 상수의 기계적 의미는 다음과 같으며 전기적으로는 R, L, C와 동일하게 취급된다.

C1 : 스티프니스(스프링상수)
C2 : 유전용량
L1 : 질량에의한 관성
R1 : 내부 손실

전기에너지 → 기계에너지

응용 분야제품명적용 진동자 형태
초음파의 발생초음파 세척기란쥬반 진동자, 원판형 진동자
플라스틱 용접기란쥬반 진동자
초음파 가공기란쥬반 진동자
초음파 가습기원판형 진동자
음파 발생부저,알람unimorph 진동자
스피커unimorph 진동자
전화기 링거unimorph 진동자
응용 분야제품명적용 진동자 형태
액추에이터초음파 모터원판형, ring
잉크젯 프린터원통, bimorph
parts feedserbimorph 진동자
압전 펌프, 밸브bimorph 변위소자
VTR 헤드bimorph 변위소자

기계에너지 → 전기에너지

응용 분야제품명적용 진동자 형태
센서가속도계, 진동계
유량계
압전 자이로스코프
압력센서
AE센서
음파, 초음파 수신hydrophone원통, bimorph
hydrophone박판, bimorph
전압 발생압전착화소자원주형 세라믹

 전기에너지 → 기계에너지 → 전기에너지

응용 분야제품명적용 진동자 형태
거리측정어군탐지소자원판, ring
수중 소나란쥬반, ring
자동차 후방 감지 소나unimorph
초음파 탐상 probe원판
전기신호처리세라믹 필터두께진동, energy trap
SAW filter, 공진자표면탄성파
세라믹 공진자두께진동, 윤곽진동
전압 변화압전변압기단형판
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