[논문]과실 경도측정을 위한 비접촉 초음파 변환기 연구

이상대; 하태훈; 김기복; 김만수

doi:10.5307/jbe.2010.35.3.189

문제 정의

, 2003, 2009). 따라서 본 연구에서 개발된 500 kHz 비접촉 초음파 변환기를 이용하여 사과의 저장기간에 따른 초음파 반사 신호와 사과의 무게 변화를 측정하고 분석 하여 경도 측정 가능성을 검토하였다.
본 연구는 과실의 경도를 비접촉으로 측정할 수 있는 비접 촉 초음파 변환기를 개발하기 위해 수행되었다. 이를 위해 감쇠가 심한 공기층에서 초음파를 효율적으로 송수신할 수 있도록 1-3 압전복합재료와 종이 재질의 전면 정합층 재료를 선정하여 500 kHz 비접촉 초음파 변환기를 제작하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구는 과실의 경도를 비접촉으로 측정할 수 있는 초음파 변환기를 개발하기 위해 수행되었다. 이를 위하여 초음파 변환기를 구성하는 주요 구성요소인 압전재료, 전면정합층, 후면재의 제작조건을 구명한 다음 비접촉 초음파 변환기 시작품을 개발하고자 하였으며 사과에 대하여 적용하여 비접촉 경도측정 가능성을 고찰하였다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 비접촉으로 과실의 경도를 측정할 수 있는 초음파 변환기를 제작하고자 하였다.
이를 위해 본 연구에서는 선정된 압전소자의 압전특성을 고려하여 적절한 후면재 제작 조건을 찾고자 하였다. 이를 위해 에폭시와 입자 크기가 1 ㎛인 텅스텐 분말을 배합하여 후면 재를 제작하였다.
이에 따라 본 연구에서는 과실에서 반사되는 첫 번째 반사 신호와 두 번째 반사 신호에 대한 초음파 파라미터를 이용하여 과실과 초음파 변환기 사이에서 거리에 상관없이 과실의 경도를 측정할 수 있는 거리보정벡터를 고려하고자 하였다. 이를 위해서는 과실에서 반사되는 첫 번째 반사 신호와 두 번째 반사 신호를 수신할 수 있어야 하며 과실의 경도변화에 민감하게 반응할 수 있는 초음파 변환기의 중심 주파수로 500 kHz을 선정하였다.

제안 방법

(1) 과실에서 반사되는 첫 번째 반사 신호와 두 번째 반사 신호를 수신하고 최적 감도를 얻기 위해 비접촉 초음파 변환기의 중심 주파수를 500 kHz로 선정하였다.
(2) 압전소자는 송신 특성을 나타내는 d값과 에너지 변환 효율을 나타내는 Q값이 큰 PZT를 선정하여 음향 임피던스 정합이 유리한 1-3 압전복합재료를 제작하였다.
실험방법은 항상 같은 위치의 사과 표면에서 초음파 반사 신호를 송수신할 수 있도록 받침대에 사과를 고정시킨다. 그 다음 그림 3과 같은 초음파 실험 장치를 이용하여 사과와 초음파 변환기 사이의 거리를 일정하게 고정하여 초음파 반사 신호를 측정하고 첫 번째 반사 신호의 최대 전압을 측정하였다. 초음파 반사 실험이 끝나면 받침대와 함께 사과의 무게를 측정하여 사과의 무게 변화를 측정하였다.
마지막으로 제작된 비접촉 변환기를 이용하여 과실의 경도 측정 가능성을 분석하였으며 이를 위하여 시중에 유통되는 사과(후지) 시료에 대하여 상온에서 저장하면서 저장기간에 따른 사과의 무게변화, 비접촉 초음파 신호의 크기를 측정하여 분석하였다. 실험방법은 항상 같은 위치의 사과 표면에서 초음파 반사 신호를 송수신할 수 있도록 받침대에 사과를 고정시킨다.
실제 실험 대상인 과실과 유사한 조건에서 개발된 비접촉 초음파 변환기의 특성을 분석하기 위해 SUS 304로 제작된 지름 100 mm의 반구를 이용하였다(ISO, 1999). 먼저 주어진 반구 시험편에서 반사되는 최대 초음파 신호에 대하여 시간 영역에서의 신호크기, 주파수 영역에서의 중심주파수, 대역 폭을 측정하여 분석하였다. 그다음 제작된 비접촉 초음파 센서의 빔폭을 측정하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
전면 정합층으로 사용할 수 있는 재료 중에서 이와 유사한 값을 갖는 재료로 종이 재질의 전면 정합 층을 선정하였다. 비접촉 초음파 변환기 제작에 사용된 종이 재질은 평량과 두께가 서로 다른 4 종류를 선정하여 초음파 속도를 측정하였다. 종이 재질의 초음파 투과속도는 5 MHz 초음파 변환기를 이용하여 초음파 투과법으로 측정한 결과약 500 m/s로 나타났다.
비접촉 초음파 변환기는 초음파 신호의 감쇠를 최소화하고 불감대를 최대한 줄이기 위해 표 3에서와 같이 3가지 조건의 후면재를 이용하여 비접촉 초음파 변환기를 제작한 다음 그 특성을 비교하였다. 비접촉 초음파 변환기의 불감대는 그림 6의 시간 축에서 0 ~ 0.
제작된 비접촉 초음파 변환기를 이용하여 초음파 송수신 실험을 수행하기 위해 그림 3과 같은 초음파 실험 장치를 구성하였다. 실험 장치는 고출력 초음파 펄서/리시버(JSR ultrasonics Inc., USA), 디지털 오실로스코프(LeCory Inc., USA)와 3 방향으로 거리 조절이 가능한 3축 linear stage로 구성하였다.
마지막으로 제작된 비접촉 변환기를 이용하여 과실의 경도 측정 가능성을 분석하였으며 이를 위하여 시중에 유통되는 사과(후지) 시료에 대하여 상온에서 저장하면서 저장기간에 따른 사과의 무게변화, 비접촉 초음파 신호의 크기를 측정하여 분석하였다. 실험방법은 항상 같은 위치의 사과 표면에서 초음파 반사 신호를 송수신할 수 있도록 받침대에 사과를 고정시킨다. 그 다음 그림 3과 같은 초음파 실험 장치를 이용하여 사과와 초음파 변환기 사이의 거리를 일정하게 고정하여 초음파 반사 신호를 측정하고 첫 번째 반사 신호의 최대 전압을 측정하였다.
초음파 반사 실험이 끝나면 받침대와 함께 사과의 무게를 측정하여 사과의 무게 변화를 측정하였다. 실험재료는 산사 품종의 사과 3개를 이용하였으며 상온에서 저장하면서 3일 간격으로 8회 수행하였다.
그다음 제작된 비접촉 초음파 센서의 빔폭을 측정하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다. 우선, 반구의 중심과 비접촉 초음파 변환기의 중심을 일치시키고 3축 linear stage의 x축과 y축을 조절하여 반구에서 반사되는 초음파 신호의 최대점을 찾은 후 x축 방향으로 비접촉 초음파 변환기를 1 mm씩 이동하며 반사 신호의 크기를 측정하였다. 비접촉 초음파 변환기와 반구 사이의 거리는 비접촉 초음파 변환기의 불감대와 비접촉 초음파 경도측정 시스템의 초음파 실험 거리를 고려하여 70 mm로 선정하였다.
본 연구는 과실의 경도를 비접촉으로 측정할 수 있는 초음파 변환기를 개발하기 위해 수행되었다. 이를 위하여 초음파 변환기를 구성하는 주요 구성요소인 압전재료, 전면정합층, 후면재의 제작조건을 구명한 다음 비접촉 초음파 변환기 시작품을 개발하고자 하였으며 사과에 대하여 적용하여 비접촉 경도측정 가능성을 고찰하였다.
본 연구는 과실의 경도를 비접촉으로 측정할 수 있는 비접 촉 초음파 변환기를 개발하기 위해 수행되었다. 이를 위해 감쇠가 심한 공기층에서 초음파를 효율적으로 송수신할 수 있도록 1-3 압전복합재료와 종이 재질의 전면 정합층 재료를 선정하여 500 kHz 비접촉 초음파 변환기를 제작하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
이를 위해 송신 특성을 나타내는 압전변형상수(d)값과 에너지 변환 효율을 나타내는 Q값이 상대적으로 높은 압전재료를 선정하여 1-3 압전복합재료를 주문·제작하였다.
이를 위해 본 연구에서는 선정된 압전소자의 압전특성을 고려하여 적절한 후면재 제작 조건을 찾고자 하였다. 이를 위해 에폭시와 입자 크기가 1 ㎛인 텅스텐 분말을 배합하여 후면 재를 제작하였다. 제작된 후면재에 대하여 초음파 투과속도와 밀도를 측정하여 음향 임피던스를 계산하였다.
제작된 1-3 압전복합재료의 공진특성을 측정하기 위해 4194A 임피던스 분석기(Agilent Inc., USA)를 이용하였다. 그림 4는제작된 1-3 압전복합재료를 나타내며 그림 5는 측정된 임피 던스 스펙트럼을 나타낸다.
제작된 500 kHz 비접촉 초음파 변환기를 사과시료에 적용 하여 경도측정 가능성을 분석하였다. 사과는 저장기간이 증가하면서 사과 내부에서 가수분해나 산소 호흡 등과 같은 생물학적 반응이 증가하게 되고 이에 따라 사과의 수분과 섬유질 등이 에틸렌 가스 등과 같은 성분으로 변화되면서 사과의 밀도가 감소하고 경도가 약해진다.
이를 위해 에폭시와 입자 크기가 1 ㎛인 텅스텐 분말을 배합하여 후면 재를 제작하였다. 제작된 후면재에 대하여 초음파 투과속도와 밀도를 측정하여 음향 임피던스를 계산하였다. 표 3은 제작된 후면재의 속도와 밀도, 음향 임피던스를 각각 나타낸다.
그 다음 그림 3과 같은 초음파 실험 장치를 이용하여 사과와 초음파 변환기 사이의 거리를 일정하게 고정하여 초음파 반사 신호를 측정하고 첫 번째 반사 신호의 최대 전압을 측정하였다. 초음파 반사 실험이 끝나면 받침대와 함께 사과의 무게를 측정하여 사과의 무게 변화를 측정하였다. 실험재료는 산사 품종의 사과 3개를 이용하였으며 상온에서 저장하면서 3일 간격으로 8회 수행하였다.
최종적으로 500 kHz 비접촉 초음파 변환기는 ‘C’ 타입의 종이 재질 전면 정합층으로 제작하고 에폭시와 텅스텐 분말을 1:2로 배합한 후면재를 이용하여 제작하였다.

대상 데이터

따라서 1-3 압전소자는 일반 압전소자에 비해 공기층과 같이 음향 임피던스가 매우 낮은 매질과의 음향 임피던스 정합에 유리하다. 1-3 압전복합재료는 중심 주파수가 500 kHz이고 두께 약 3.2 mm, 지름 18 mm인 원형으로 제작하였다. 표 1은 일반 PZT 와 제작된 1-3 압전복합재료의 주요 특성을 나타낸다.
그러나 수신된 초음파 신호의 크기는 에폭시와 텅스텐 분말의 배합비율이 1:2일 때 수신되는 초음파 신호의 크기가 더 크게 나타났다. 따라서, 본 연구에서는 비접촉 초음파 변환기의 후면재 제작조건으로 에폭시와 텅스텐 분말의 배합비율이 1:2인 후면재를 선정하였다.
초음파 변환기의 빔폭은 6 dB 감쇠법에 의해 측정되었으며 시뮬레이션 결과와 실제 실험결과가 잘 일치하고 있는 것으로 나타났다. 비접촉 초음파 경도측정 시스템을 고려하여 과실과 비접촉 초음파 변환기 사이의 거리를 70 mm로 설정할 경우 본 연구에서 제작된 초음파 변환기의 빔폭은 약 12 mm로 측정되었다.
우선, 반구의 중심과 비접촉 초음파 변환기의 중심을 일치시키고 3축 linear stage의 x축과 y축을 조절하여 반구에서 반사되는 초음파 신호의 최대점을 찾은 후 x축 방향으로 비접촉 초음파 변환기를 1 mm씩 이동하며 반사 신호의 크기를 측정하였다. 비접촉 초음파 변환기와 반구 사이의 거리는 비접촉 초음파 변환기의 불감대와 비접촉 초음파 경도측정 시스템의 초음파 실험 거리를 고려하여 70 mm로 선정하였다.
실제 실험 대상인 과실과 유사한 조건에서 개발된 비접촉 초음파 변환기의 특성을 분석하기 위해 SUS 304로 제작된 지름 100 mm의 반구를 이용하였다(ISO, 1999). 먼저 주어진 반구 시험편에서 반사되는 최대 초음파 신호에 대하여 시간 영역에서의 신호크기, 주파수 영역에서의 중심주파수, 대역 폭을 측정하여 분석하였다.
이에 따라 본 연구에서는 과실에서 반사되는 첫 번째 반사 신호와 두 번째 반사 신호에 대한 초음파 파라미터를 이용하여 과실과 초음파 변환기 사이에서 거리에 상관없이 과실의 경도를 측정할 수 있는 거리보정벡터를 고려하고자 하였다. 이를 위해서는 과실에서 반사되는 첫 번째 반사 신호와 두 번째 반사 신호를 수신할 수 있어야 하며 과실의 경도변화에 민감하게 반응할 수 있는 초음파 변환기의 중심 주파수로 500 kHz을 선정하였다. 보통 500 kHz 이상의 주파수에서는 공기 중에서 감쇠가 매우 심하여 두 번째 반사 신호를 수신하기 어려울 뿐만 아니라 500 kHz보다 낮은 주파수에서는 측정 감도가 떨어지므로 과실 경도측정용 비접촉 초음파 변환기는 중심 주파수가 500 kHz인 비접촉 초음파 변환기를 설계･제작하였다.
072 MRayL이다. 전면 정합층으로 사용할 수 있는 재료 중에서 이와 유사한 값을 갖는 재료로 종이 재질의 전면 정합 층을 선정하였다. 비접촉 초음파 변환기 제작에 사용된 종이 재질은 평량과 두께가 서로 다른 4 종류를 선정하여 초음파 속도를 측정하였다.

성능/효과

(3) 전면 정합층으로 4종류의 종이 재질과 3 종류의 후면재 조건을 선정하여 500 kHz 비접촉 초음파 변환기를 제작한 결과 평량 170 g/m² , 두께 0.25 mm의 종이 재질과 에폭시와 텅스텐 분말의 비율이 1:2인 후면재로 제작할 때 가장 우수한 초음파 수신특성을 나타내었다.
(4) 제작된 500 kHz 비접촉 초음파 변환기의 중심 주파수는 약 480 kHz이고 주파수 대역폭은 약 30 %이며 실제 초음파 실험 거리인 70 mm에서 비접촉 초음파 변환기의 빔폭은 12 mm로 측정되었다.
사과의 무게와 달리 초음파 반사 신호의 감소가 늦게 나타나는 것은 사과 과육의 변화가 외부까지 전달되어 사과의 과피를 변화시키기까지 시간이 지연되는 것으로 판단된다. 본 실험을 통해 비접촉 초음파 기술을 이용하여 사과의 경도 변화를 측정할 수 있는 가능성을 확인하였다. 추후 사과시료의 개수와 저장기간을 늘려가면서 비접촉 초음파 신호와 사과의 경도변화 사이의 상관관계를 구명하기 위한 연구를 수행하여 비접촉 초음파 센서를 이용한 과실의 경도측정 가능성을 검증할 계획이다.
실험 결과 ‘C’ 타입의 종이 재질로 제작된 비접촉 초음파 변환기의 첫 번째 반사 신호와 두 번째 반사 신호가 다른 3 종류의 종이 재질에 비해 상대적으로 크게 나타났다.
그림 6은 표 2의 ‘C’ 타입의 전면 정합층 재료를 이용하고 후면재의 음향 임피던스를 변화시키면서 수신되는 초음파 신호를 분석한 결과를 나타낸다. 음향 임피던스가 3 MRayL인 에폭시를 이용하여 제작된 비접촉 초음파 변환기의 불감대가 가장 넓게 나타났으며 에폭시와 텅스텐 분말을 1:2로 배합한 후면재(3.8 MRayL)와 1:4로 배합한 후면재(5.5 MRayL)로제작된 비접촉 초음파 변환기의 불감대는 거의 비슷하게 나타났다. 그러나 수신된 초음파 신호의 크기는 에폭시와 텅스텐 분말의 배합비율이 1:2일 때 수신되는 초음파 신호의 크기가 더 크게 나타났다.
비접촉 초음파 변환기 제작에 사용된 종이 재질은 평량과 두께가 서로 다른 4 종류를 선정하여 초음파 속도를 측정하였다. 종이 재질의 초음파 투과속도는 5 MHz 초음파 변환기를 이용하여 초음파 투과법으로 측정한 결과약 500 m/s로 나타났다. 표 2는 선정된 종이 재질의 평량과 두께, 음향 임피던스를 각각 나타낸다.
, 2005). 초음파 변환기의 빔폭은 6 dB 감쇠법에 의해 측정되었으며 시뮬레이션 결과와 실제 실험결과가 잘 일치하고 있는 것으로 나타났다. 비접촉 초음파 경도측정 시스템을 고려하여 과실과 비접촉 초음파 변환기 사이의 거리를 70 mm로 설정할 경우 본 연구에서 제작된 초음파 변환기의 빔폭은 약 12 mm로 측정되었다.
그림 9는 제작된 500 kHz 비접촉 초음파 변환기의 첫 번째 반사 신호에 대한 주파수 분석 결과를 나타 내며 중심 주파수는 약 480 kHz이로 나타나 임피던스 측정에 의한 전기적인 공진주파수와 거의 일치하였다. 한편, 6 dB 감쇠법에 의해 측정된 주파수 대역폭은 150 kHz로 중심 주파수의 약 30 % 수준으로 나타나 협대역 주파수 특성을 나타내었다.

후속연구

(5) 사과의 저장기간에 따른 사과의 무게 변화와 사과에서 반사된 초음파 신호의 변화를 측정하는 실험을 통해 비접촉 초음파 기술을 이용한 사과의 경도 측정이 가능한 것으로 분석되었으며 추후 연구를 통하여 검증할 예정이다.
본 실험을 통해 비접촉 초음파 기술을 이용하여 사과의 경도 변화를 측정할 수 있는 가능성을 확인하였다. 추후 사과시료의 개수와 저장기간을 늘려가면서 비접촉 초음파 신호와 사과의 경도변화 사이의 상관관계를 구명하기 위한 연구를 수행하여 비접촉 초음파 센서를 이용한 과실의 경도측정 가능성을 검증할 계획이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	접촉식 초음파 변환기의 단점은 무엇인가?	, 2007). 접촉식 초음파 변환기를 이용한 과실의 경도측정 방법은 비교적 정확한 반면에 과실개체 별로 하나씩 접촉하여 초음파를 송수신하므로 측정 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 초음파 변환기가 과실에 직접 접촉할 때 손상이 발생할 수 있다. 또한 초음파 에너지 전달효율을 높이기 위해 물이나 초음파 젤과 같은 재료를 사용해야 한다.
	사과의 경도를 측정하기 위해 일반적으로 사용하는 방법은 무엇인가?	과실의 품질 인자들 중에서 경도는 저장 및 유통과정에서 발생하는 부패, 변질 등과 밀접한 관계가 있으며 소비자의 구매 행위 시 가장 중요한 선택 기준이 되고 있다. 사과의 경우 경도를 측정하기 위한 일반적인 방법으로 파괴적인 측정법인 Magness-Talyer(MT) 측정법이 이용되고 있다. 그러나 현재 까지 비파괴적으로 과실의 경도를 측정할 수 방법이 실용화된 사례는 거의 없다.
	산업용 비접촉 초음파 변환기를 과실의 경도측정 시스템에 직접 적용하는 것이 시스템을 최적화하는데 제한적인 요인으로 작용하는 이유는 무엇인가?	이러한 특징으로 인해 비접촉 초음파 기술은 기존에 연구되고 있는 당도 및 산도를 측정하기 위한 온라인 품질판정 시스템과의 연계도 가능하다. 그러나 현재까지 개발된 비접촉 초음파 변환 기는 대부분 산업용이며 공기 중에서 감쇠가 심한 초음파의 특성으로 인해 제작이 어렵기 때문에 제작비용이 매우 고가 이다. 이러한 산업용 비접촉 초음파 변환기를 과실의 경도측정 시스템에 직접 적용하는 것은 과실의 경도측정 시스템을 최적화하는데 있어 제한적인 요인으로 작용하며 높은 비용을 발생시킨다.

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