[논문]시뮬레이션을 통한 압전형 초음파 스케일러 개발 및 평가

김철민; 이영진; 백종후; 정영훈; 강국진; 이정배; 이승대

doi:10.4313/jkem.2009.22.10.832

시뮬레이션을 통한 압전형 초음파 스케일러 개발 및 평가
Design and Evaluation of Piezoelectric Ultrasonic Scaler Produced by a Simulation 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.22 no.10, 2009년, pp.832 - 836

김철민 (한국세라믹기술원 광.전자세라믹본부 전자부품센터) , 이영진 (한국세라믹기술원 광.전자세라믹본부 전자부품센터) , 백종후 (한국세라믹기술원 광.전자세라믹본부 전자부품센터) , 정영훈 (한국세라믹기술원 광.전자세라믹본부 전자부품센터) , 강국진 (한국섬유기계연구소 설계기술팀) , 이정배 ((주)디메텍) , 이승대 ((주)디메텍)

Abstract ▼ AI-Helper

A piezoelectric ultrasonic scaler, usually used to remove the tartar out of teeth and to amputate the pubis, is a recently popular instrument for dental treatment due to its several merits such as small size, low-electric power, precision and low-cost. It has typically two parts of a tip and vibration system, which is also composed of head, piezoelectric elements and tail-mass. The scaler concentrates its displacement on tip and has commonly a resonance frequency at 25~30 kHz, and in order to improve the performance of the scaler, it is important to standardize the size of the vibration system without tip for high performance because scaler in quality differs according to several tips. In this study, a Finite Element Analysis (FEA) was utilized to optimize the structure of ultrasonic scaler in the vibration system. Consequently, this study revealed that influence of several tips on property were minimized and scaler showed good property at the resonance frequency of 28 kHz.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 28 kHz 주파수 대역에서 최고의 출력변위를 얻기 위해서 시뮬레이션을 통한 최적구조를 도출하였다. 도출된 구조는 앞에서 얻은 결과를 바탕으로 팁의 길이를 16 ㎜, PZT 직경을 10 mm로 고정하여 진동부의 Head1, Head2, Head3 및 Tail의 형상을 ANSYS 시뮬레이션을 이용하여 최적화하였다.
본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 보다 향상된 스케일러의 구현을 위해서, 압전 세라믹 및 SUS 재질의 Head, PZT, Tail 부로 구성된 스케일러 구성품의 형성변화에 따른 중심주파수 및 출력 변위의 경향분석을 실시하였으며, 이를 바탕으로 28 kHz에서 최대 출력변위를 얻을 수 있는 최적의 스케일러 구조를 도출하기 위한 연구를 진행하였다. 또한 앞서 언급한 압전형 초음파 스케일러에 대한 요구사항을 고려하여 제작 및 평가하여 시뮬레이션의 유효성을 검증하였다.

제안 방법

스케일러는 그림 1과 같이 진동부와 팁으로 이루어져 있지만 시술자의 사용용도(의료기기용)에 따라 팁은 여러 종류로 나뉘기 때문에 팁 자체를 규격화 한다는 것은 매우 어려운 일이다[7,8]. 그러므로 팁의 영향을 적게 받는 최적의 진동부를 설계하기 위해 본 연구에서는 유한요소 상용 해석소프트웨어인 ANSYS를 이용하여 각 구성품 Head1, Head2, Head3, Tail의 사이즈를 정하고 10 mm의 직경과 2 mm의 두께를 가지며 한국세라믹 기술원에서 개발한 PZT[9]의 물성을 사용하여 그림 1과 같이 현재 많이 사용되고 있는 스케일러의 형상으로 모델링 하였다.
다음의 분석결과들로 인해 초음파 스케일러를 체계적으로 규격화함으로써 Tip의 영향을 최소화하는 진동부를 개발함과 동시에 현 상용제품 비교했을 때 최고 수준의 출력변위를 가지는 압전형 초음파 스케일러를 개발하여 상용화 하였다.
따라서 본 연구에서는 28 kHz 주파수 대역에서 최고의 출력변위를 얻기 위해서 시뮬레이션을 통한 최적구조를 도출하였다. 도출된 구조는 앞에서 얻은 결과를 바탕으로 팁의 길이를 16 ㎜, PZT 직경을 10 mm로 고정하여 진동부의 Head1, Head2, Head3 및 Tail의 형상을 ANSYS 시뮬레이션을 이용하여 최적화하였다. 각 변수의 경향을 분석한 결과, 전체 스케일러 진동부를 구성하는 Head1, Head2, Head3 부분과 Tail 부분은 길이가 늘어날수록 중심주파수와 출력변위가 감소하는 사실을 알 수 있었다.
두 번째로는 스케일러 자체에서 발생하는 출력 변위를 측정하였으며 압전 세라믹 진동의 캐비테이션(cabitat ion)[7] 효과 보다는 진동으로 팁이 부딪치는 힘을 이용하기 때문에 구동 세기를 측정하기 위해서 팁 끝에서 부딪치는 힘을 측정 할 수 있어야 한다. 압전형 초음파 스케일러의 출력변위를 알아보기 위해 그림 8의 장비를 사용하였다.
두 번째로는 유한 요소해석을 사용하는 ANSYS 시뮬레이션을 통하여 스케일러의 각 구성품, 즉 Head1, Head2, Head3의 길이와 직경변화에 따른 경향을 분석토대로 Tip의 영향을 최소화하며 최고수준의 출력변위를 가지는 최적 구조를 제안하였다.
본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 보다 향상된 스케일러의 구현을 위해서, 압전 세라믹 및 SUS 재질의 Head, PZT, Tail 부로 구성된 스케일러 구성품의 형성변화에 따른 중심주파수 및 출력 변위의 경향분석을 실시하였으며, 이를 바탕으로 28 kHz에서 최대 출력변위를 얻을 수 있는 최적의 스케일러 구조를 도출하기 위한 연구를 진행하였다. 또한 앞서 언급한 압전형 초음파 스케일러에 대한 요구사항을 고려하여 제작 및 평가하여 시뮬레이션의 유효성을 검증하였다.
시뮬레이션 최적화를 통해 선정 된 스케일러를 직접 제작하여 그 특성을 확인하고자 하였다(그림 6).
첫 번째로는 4개의 PZT를 사용하여 현재 상용되는 스케일러의 Head, Tail부의 형상을 모델링하였고 실제 제작된 모델과 시뮬레이션 모델의 임피던스 특성을 비교하여 시뮬레이션의 유효성을 검증하였다.
9 kHz의 공진주파수를 가지는 것을 확인하였고 식 (3)을 이용하여 이론적 주파수를 비교한 결과, 시뮬레이션 결과와 비슷한 대역(44 kHz)의 주파수를 가지는 것을 확인하였다. 하지만 앞서 언급한 바와 같이 팁 부착 시 스케일러에 미치는 영향을 비교하기 위하여 그림 2와 같이 팁 부분을 추가로 모델링하여 특성변화를 살펴보았다.

성능/효과

도출된 구조는 앞에서 얻은 결과를 바탕으로 팁의 길이를 16 ㎜, PZT 직경을 10 mm로 고정하여 진동부의 Head1, Head2, Head3 및 Tail의 형상을 ANSYS 시뮬레이션을 이용하여 최적화하였다. 각 변수의 경향을 분석한 결과, 전체 스케일러 진동부를 구성하는 Head1, Head2, Head3 부분과 Tail 부분은 길이가 늘어날수록 중심주파수와 출력변위가 감소하는 사실을 알 수 있었다. 특히 각 부분의 길이 변화에 따라 Head3>Head2>Head1>Tail로 Head3부분에서 가장 민감하게 주파수와 출력변위가 변화하는 사실을 알 수 있었다.
세 번째로는 제작된 스케일러를 임피던스와 절삭력과 같은 특성을 비교, 측정한 결과 28 kHz대역의 중심주파수를 가지며 20∼30% 향상된 출력 변위를 확인하였다.
시뮬레이션을 이용하여 모델링 된 스케일러 진동부의 고유주파수를 해석하여 43.9 kHz의 공진주파수를 가지는 것을 확인하였고 식 (3)을 이용하여 이론적 주파수를 비교한 결과, 시뮬레이션 결과와 비슷한 대역(44 kHz)의 주파수를 가지는 것을 확인하였다. 하지만 앞서 언급한 바와 같이 팁 부착 시 스케일러에 미치는 영향을 비교하기 위하여 그림 2와 같이 팁 부분을 추가로 모델링하여 특성변화를 살펴보았다.
그림 6과 같이 제작된 스케일러의 특성을 평가하기 위해 다음과 같은 방법을 이용하여 스케일러의 주파수와 출력변위를 측정하였다. 첫 번째로 스케일러 진동부에 팁의 부하영향을 측정하기 위해 스케일러 진동부에 그림 3의 Tip을 부착시킨 후에 Impedance 4914A장비를 이용하여 중심주파수를 측정한 결과, 기존 약 30%에서 팁의 영향에 비해 약 3%로 개선된 특성을 확인 하여 팁의 부하에 덜 영향을 받는 스케일러 진동부가 제작된 것을 확인 할 수 있었다(그림 7).
특히 각 부분의 길이 변화에 따라 Head3>Head2>Head1>Tail로 Head3부분에서 가장 민감하게 주파수와 출력변위가 변화하는 사실을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음파 스케일러는 어떤 용도로 사용되나?	치아의 치석 제거 및 치료용 도구로 사용되는 초음파 스케일러(Ultrasonic Scaler)는 초음파를 발생시키는 음원에 따라 자왜형(Magnetostrictive), 압전형(Piez oelectric) 및 기계형(Pneumatic) 방식으로 분류된다. 자왜형과 기계형은 장시간 사용 시발열의 문제가 있고 미세출력 조절, 소형화가 어려운 단점이 있다[1].
	초음파 스케일러는 어떻게 분류 되는가?	치아의 치석 제거 및 치료용 도구로 사용되는 초음파 스케일러(Ultrasonic Scaler)는 초음파를 발생시키는 음원에 따라 자왜형(Magnetostrictive), 압전형(Piez oelectric) 및 기계형(Pneumatic) 방식으로 분류된다. 자왜형과 기계형은 장시간 사용 시발열의 문제가 있고 미세출력 조절, 소형화가 어려운 단점이 있다[1].
	초음파 스케일러 중 자왜형, 기계형의 단점은?	치아의 치석 제거 및 치료용 도구로 사용되는 초음파 스케일러(Ultrasonic Scaler)는 초음파를 발생시키는 음원에 따라 자왜형(Magnetostrictive), 압전형(Piez oelectric) 및 기계형(Pneumatic) 방식으로 분류된다. 자왜형과 기계형은 장시간 사용 시발열의 문제가 있고 미세출력 조절, 소형화가 어려운 단점이 있다[1]. 압전형은 전계를 인가하였을 때 변위가 생기는 액츄에이터 (Actuator)형식으로 고장율이 적고 다른 방식에 비해 장시간 사용 시 발열이 적으며, 미세 파워 조절 및 몰딩 구조로 만들기 용이한 장점을 통해 최근 들어 압전형 초음파 스케일러의 사용이 증가하고 있다[2,3].

참고문헌 (9)

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T. F. Flemmig, G. F. Petersilka, A. Mehl, R. Hickel, and B. Klaiber, "Working parameters of a Magnetostrictive ultrasonic scaler influencing root substance removal in vitro", Journal of Periodontology, Vol. 69, p. 547, 1998.

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J. Garcia-Bonito, M. J. Brennan, S. J. Elliott, A. David, and R. J. Pinnington, "A novel high-displacement piezoelectric actuator for active vibration control", Smart Mater. Struct., Vol. 7, p. 31, 1998.

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Walmsley, A. D., Laird, W. R. E., and Williams, A. R., "Displacement amplitude as a measure of the acoustic output of ultrasonic scalers", Dental Materials, Vol. 2, p. 97, 1986.

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S. Jepsen, M. Ayna, J. Hedderich, and J. Eberhard, "Significant influence of scaler tip design on root substance loss resulting from ultrasonic scaling:a laserprofilometric in vitro study", J. Clin. Periodontol, Vol. 31, p. 1003, 2004.

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S. C. Lea, G. Landini, and A. D. Walmsley, "Ultrasonic scaler tip performance under various load conditions", J. Clin. Periodontol, Vol. 30, p. 876, 2003.

상세보기
E.-K. Lim, C.-I. Kim, Y.-J. Lee, J.-I. Im, and J.-H. Paik, "Effects of $Fe_{2}O_{3}$ addition on piezoelectric properties of $Pb(Ni_{1/3}Nb_{2/3})O_{3}-PbZrO_{3}-PbTiO_{3}$ ceramics for actuator applications, J. of KIEEME(in Korean), Vol. 19, No. 10, p. 935, 2006.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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