[논문]상용 MC Nylon계 고분자 재료에서 초음파 특성의 온도 및 주파수 의존성

김명덕; 김용태; 이강일

doi:10.7779/jksnt.2012.32.5.509

상용 MC Nylon계 고분자 재료에서 초음파 특성의 온도 및 주파수 의존성
Temperature and Frequency Dependences of Ultrasonic Properties in Commercial MC Nylon Polymers 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.32 no.5, 2012년, pp.509 - 517

김명덕 (알피니언 메디칼시스템(주)) , 김용태 (한국표준과학연구원 유동음향센터) , 이강일 (강원대학교 물리학과)

초록
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본 연구에서는 상용화된 monomer-cast nylon (MC nylon)계 고분자 재료로 만든 6종류의 시편에 대하여 감쇠계수 및 위상속도와 같은 초음파 특성의 온도 및 주파수 의존성을 조사하였다. 시편의 초음파 특성은 수중에서 2 MHz부터 8 MHz까지의 광대역 주파수 범위에 대하여 펄스투과법을 이용하여 측정하였다. 수온은 $10^{\circ}C$부터 $60^{\circ}C$까지 $10^{\circ}C$ 간격으로 변화시켰다. 측정에 사용된 모든 시편에서 감쇠계수는 주파수가 증가함에 따라 증가하였으며, 주파수의 지수 의존성 n이 선형 (n=1)에서 약간 벗어난 1.16부터 1.44이내의 값을 가졌다. 위상속도는 $60^{\circ}C$에서 ivory 시편을 제외한 모든 경우에 대하여 주파수가 증가함에 따라 감소하는 음의 분산 특성을 나타냈다. 주파수에 의존하는 위상속도는 모든 시편에서 온도가 증가함에 따라 감소하는 특성을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, temperature and frequency dependences of ultrasonic properties such as attenuation coefficient and phase velocity was investigated for six kinds of commercial MC-Nylon polymer samples. The ultrasonic properties of the samples were measured by using a pulse transmission method in water over a broadband frequency range of 2 to 8 MHz. Water temperature was varied from 10 to $60^{\circ}C$ with the $10^{\circ}C$ interval. The attenuation coefficients of the samples increased with the frequency and the exponent n of frequency dependence ranged within 1.16 to 1.44, slightly deviating from the linear dependence (n=1). The phase velocities of the samples exhibited negative dispersion, i.e., decreasing velocity with increasing frequency, except for ivory sample at $60^{\circ}C$. The frequency-dependent phase velocities of the samples showed the decreasing tendency with increasing temperature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 다양한 고분자 재료들 중에서 국내에서 생산된 6종류의 monomer-cast nylon (MC nylon)계 고분자 재료에 대하여 감쇠계수 및 위상속도와 같은 초음파 특성의 온도 및 주파수의존성을 조사하였다.
본 연구에서는 상용화된 6종류의 monomercast nylon(MC nylon)계 고분자 재료에 대하여 감 쇠계수 및 위상속도와 같은 초음파 특성의 온도 및 주파수 의존성을 조사하였다. 각각의 고분자 재료에 대하여 측정된 감쇠계수는 모든 온도에 대하여 주파수가 증가함에 따라 증가하는 특성을 보였으며, 주파수의 지수의존성 n이 선형에서 약간 벗어난 1.
본 연구에서는 서로 다른 첨가물을 이용하여 제작된 6종류의 MC nylon계 고분자 재료(black, blue, charcoal gray, gray, ivory, 및 red)의 주파수에 의존하는 초음파 특성을 온도를 변화 시켜가며 조사하였다.
이로부터 MC nylon계 고분자 재료에 첨가되는 물질에 따라 초음파 특성의 온도 및 주파수 의존성이 변하는 것을 확인하였으며, MC nylon계 고분자 재료의 초음파 특성에 대한 기초 자료로 활용하기 위한 목적으로 체계적으로 분류하여 제시하였다

제안 방법

Fig. 1에서 볼 수 있듯이 고분자 재료의 온도를 변화시키기 위하여 온도 조절이 가능한 수조(MGW LAUDA, RC 20) 내에 고분자 재료를 침수시켰으며, 온도조절기(MGW LAUDA, RCS)를 이용하여 수온을 정밀하게 조절하였다.
이때 고분자 재료의 온도 및 수온의 변화를 최소화하기 위하여 실내 온도는 25 ± 3℃, 습도는 56 ± 5%로 항온항습상태를 유지하였다. 또한 고분자 재료가 열적 평형상태가 되도록 해당 온도의 수중에서 1시간 30분 동안 충분히 가열하였다. 초음파의 송신 및 수신을 위하여 펄서-리시버(Panametrics, 5052 UAX 50)가 이용되었으며, 수신된 신호는 디지털 오실로스코프(Tektronix, TDS 5054)를 이용하여 수집되었다.
또한 수온을 10-60℃의 온도 범위에 대하여 10℃ 간격으로 변화시켜가며 온도에 따른 초음파 특성 변화를 측정하였다.
밀도와 음속의 곱으로 주어지는 음향 임피던스를 계산하기 위하여 시편의 음속은 5 MHz 및 20℃에서 측정된 위상속도를 이용하였다.
수온 및 고분자 재료의 온도 변화는 10-3℃의 분해능을 갖는 기준 온도계(ASL, F250 MK2)를 이용하여 확인되었으며, 수온을 10-60℃의 온도 범위에 대하여 10℃ 간격으로 변화시켜가며 온도에 따른 초음파 특성 변화를 측정하였다.
3과 같이 gray 및 red 고분자 재료는 온도가 증가함에 따라 감쇠계수도 증가하는 경향을 나타내며, black, blue, charcoal gray 및 ivory 고분 자 재료는 10℃부터 40℃까지 온도가 증가함에 따라 감쇠계수가 감소하다가 최소값을 갖는 40℃ (ivory의 경우에만 30℃) 이후에는 증가하는 비선형적인 경향을 나타낸다. 이와 같은 감쇠계수의 서로 다른 온도 의존성을 기준하여 본 연구에서 이용된 6종류의 MC nylon계 고분자 재료를 bule군 (black, blue, charcoal gray, 및 ivory) 및 gray군(gray 및 red)과 같이 2개의 재료군으로 분류하였다.

대상 데이터

1과 같이 수중에서 2-8 MHz의 광대역 주파수 범위에 대하여 펄스투과법을 이용하여 측정되었다. 초음파 송-수신기로서 직경 12.7 mm 및 중심 주파수 5 MHz를 갖는 한 쌍의 비집속형 초음파 변환기 (Technisonic, ISL-0504-GP)가 이용되었다.
초음파의 송신 및 수신을 위하여 펄서-리시버(Panametrics, 5052 UAX 50)가 이용되었으며, 수신된 신호는 디지털 오실로스코프(Tektronix, TDS 5054)를 이용하여 수집되었다.

이론/모형

고분자 재료의 초음파 특성은 Fig. 1과 같이 수중에서 2-8 MHz의 광대역 주파수 범위에 대하여 펄스투과법을 이용하여 측정되었다. 초음파 송-수신기로서 직경 12.
고분자 재료의 초음파 특성은 의료용 초음파에서 자주 사용되는 2-8 MHz의 광대역 주파수 범위에 대하여 수중에서 펄스 투과법을 이용하여 측정하였다[2].

성능/효과

즉 Fig. 4(a)의 blue 고분자 재료는 간과 같은 연부조직과 유사하게 10℃부터 40℃까지 온도가 증가함에 따라 감쇠계수가 감소하다가 최소값을 갖는 40℃ 이후에는 증가하는 비선형적인 온도 의존성을 나타낸다. 반면에 Fig.
반면에 Fig. 4(b)의 gray 고분자 재료는 온도가 증가함에 따라 감쇠계수도 지속적으로 증가하는 온도 의존성을 갖는 것을 알 수 있다.
또한 Fig. 6에서 감쇠계수의 값이 큰 순서대로 나타낸 범례에서도 알 수 있듯이 6종류의 MC nylon계 고분자 재료에 대하여 2-8 MHz의 주파수 범위에서 측정된 위상속도는 10℃부터 60℃까지 온도가 증가함에 따라 감소하는 의존성을 나타냈다. 그러므로 일정한 압력 하에서 온도가 증가함에 따라 MC nylon계 고분자 재료의 밀도(또는 체적)는 변하지 않지만 체적탄 성율(bulk modulus)이 감소하는 것으로 이해된다.
3은 6종류의 MC nylon계 고분자 재료에 대하여 주파수 함수로서 10, 20, 30, 40, 50 및 60℃에서 측정된 감쇠계수를 나타낸다. Fig. 3에서 볼 수 있듯이 각각의 고분자 재료에 대하여 측정된 감쇠계수는 모든 온도에 대하여 주파수가 증가함에 따라 증가하는 특성을 보였으며, 주파수의 지수의존성 n이 선형에서 약간 벗어난 1.16 부터 1.44이내의 값을 가졌다. 반면에 각각의 고 분자 재료에 대한 Fig.
Table 2에서 볼 수 있듯이 감쇠계 수의 주파수 의존성을 의미하는 n은 온도 변화에 민감하지 않음을 알 수 있으며, 또한 6종류의 MC nylon계 고분자 재료 모두 서로 유사한 값을 갖는 것으로 나타났다 (black: 1.27 ± 0.03, blue: 1.36 ± 0.04, charcoal gray: 1.35 ± 0.05, gray: 1.21 ± 0.01, ivory: 1.34 ± 0.04, red: 1.26 ± 0.06).
Fig. 3에서 볼 수 있듯이 각각의 고분자 재료에 대하여 측정된 감쇠계수는 모든 온도에 대하여 주파수가 증가함에 따라 증가하는 특성을 보였으며, 주파수의 지수의존성 n이 선형에서 약간 벗어난 1.16 부터 1.44이내의 값을 가졌다. 반면에 각각의 고 분자 재료에 대한 Fig.
Fig. 6에서 볼 수 있듯이 각각의 고분자 재료에 대하여 측정된 위상속도는 거의 모든 온도에 대하여 주파수가 증가함에 따라 감소하는 의존성 (음의 분산)을 나타냈다. 다만 ivory 고분자 재료의 경우에 60℃에서 측정된 위상속도는 주파수가 증가함에 따라 증가하는 의존성(양의 분산)을 나타내는 것을 관찰할 수 있다.
또한 Fig. 6에서 감쇠계수의 값이 큰 순서대로 나타낸 범례에서도 알 수 있듯이 6종류의 MC nylon계 고분자 재료에 대하여 2-8 MHz의 주파수 범위에서 측정된 위상속도는 10℃부터 60℃까지 온도가 증가함에 따라 감소하는 의존성을 나타냈다.
2에서 볼 수 있듯이 각각의 고분자 재료에 대하여 20℃에서 측정된 감쇠계수는 주파수가 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하는 의존성을 나타냈다. 본 연구에서 이용된 각각의 고분자 재료는 근본적으로 모두 동일한 MC nylon계 재료이지만 서로 다른 첨가물 및 조성비를 가지므로 감쇠계수의 크기도 서로 다르게 나타났으며, 주파수가 증가함에 따라 그 차이도 증가하는 것을 관찰할 수 있다.
는 온도 및 압력에 의존하는 증류수의 음속, d는 고분자 재료의 두께, ΔΦ(w)는 초음파가 전파하는 경로에 고분자 재료가 없는 경우와 있는 경우에 각각 수신된 신호의 위상차이다. 본 연구에서 측정된 MC nylon계 고분자 재료의 감쇠계수 및 위상속도에 대한 측정값의 표준불확도는 5% 이하였다.

후속연구

6종류의 MC nylon계 고분자 재료에 대하여 2-8 MHz의 주파수 범위에서 측정된 위상속도는 10℃부터 60℃까지 온도가 증가함에 따라 감소하는 의존성을 나타냈다. 이와 같이 본 연구에서는 MC nylon계 고분자 재료에 첨가되는 물질에 따라 초음파 특성의 온도 및 주파수 의존성이 변하는 것을 확인하였으며, 초음파의 활용 목적에 따라 주파수 및 온도 의존성에 유의하여 사용하여야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	의료용 초음파 변환기란 무엇인가?	의료용 초음파 분야에서 생체조직 이외에도 초음파 변환기를 구성하는 초음파 재료의 초음파 특성은 매우 중요하다. 의료용 초음파 변환기는 생체조직과 진단기기 사이에서 전기-음향 신호의 변환을 담당하는 핵심 부품으로서 음향렌즈, 정합층, 압전재료, 후면 흡음 재료, 및 하우징 재 료로 구성된다[1]. 압전 재료에서 발생된 초음파가 매질을 전파할 때, 초음파는 매질 경계면에서 음향 임피던스 차에 의해 반사하거나 투과된다.
	초음파 변환기의 구성에서 정합층의 역할은 무엇인가?	초음파 변환기를 구성하고 있는 부분 중 정합층은 압전 재료의 진동에 의해 발생된 초음파를 전달하려는 매질과의 음향 임피던스 차이를 줄여 초음파를 효율적으로 전달하는 역할을 한다. 정합층 재료의 음향 임피던스는 압전 재료의 음향 임피던스와 전달하려는 매질의 음향 임피던스 사이의 기하 평균값으로 결정되며, 최적의 설계를 위하여 재료의 온도에 따른 음향 임피던스를 조사할 필요가 있다.
	의료용 초음파 변환기의 동작 원리는 어떻게 되는가?	의료용 초음파 변환기는 생체조직과 진단기기 사이에서 전기-음향 신호의 변환을 담당하는 핵심 부품으로서 음향렌즈, 정합층, 압전재료, 후면 흡음 재료, 및 하우징 재 료로 구성된다[1]. 압전 재료에서 발생된 초음파가 매질을 전파할 때, 초음파는 매질 경계면에서 음향 임피던스 차에 의해 반사하거나 투과된다. 투과된 초음파는 매질 내에서 흡수와 산란에 의해 그 세기가 감소하고 흡수된 에너지는 다른 형 태의 열에너지로 전환된다. 발생한 열에 의해 매질의 물성이 달라질 수 있으며, 매질의 변화된 물성은 감쇠계수 및 음속과 밀도의 곱으로 주어지는 음향 임피던스에 영향을 미친다. 궁극적으로 매질 내부와 경계면에서 전파 조건의 변화를 유발하여 초음파의 반사 및 투과 특성뿐만 아니라 초음파에 의해 야기되는 열적, 역학적 특성에도 큰 변화를 일으킨다.

참고문헌 (11)

T. L. Szabo, "Diagnostic Ultrasound Imaging: Inside Out," p. 105, Elsevier Academic Press, New York, (2004)
K. I. Lee and M. J. Choi, "Phase velocity and normalized broadband ultrasonic attenuation in Polyacetal cuboid bone-mimicking phantoms," J. Acoust. Soc. Am., Vol. 121, No. 6, pp. EL263-EL269 (2007)

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Y. T. Kim, H. C. Kim, M. Inada-Kim, S. S. Jung, Y. H. Yun, M. J. Jho and K. Sandstrom, "Evaluation of tissue mimicking quality of tofu for biomedical ultrasound," Ultrasound in Med. Biol. Vol. 35, No. 3, pp. 472-481 (2009)

상세보기
B. A. Herman and G. R. Harris, "Calibration of miniature ultrasonic receivers using planar scanning technique," J. Acoust. Soc. Am., Vol. 72, No. 5, pp. 1357-1363 (1982)

상세보기
K. A. Wear, "The dependencies of phase velocity and dispersion on trabecular thickness and spacing in trabecular bone-mimicking phantoms," J. Acoust. Soc. Am., Vol. 118, No. 2, (2005)

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I. W, Cho and J. H. Ahn, "Momomer casting of nylon 6," Polymer(Korea), Vol. 1, No. 2, pp. 101-108 (1977)
M. O'Donnell, E. T. Jaynes and J. G. Miller, "Kramers-Kronig relationship between ultrasonic attenuation and phase velocity," J. Acoust. Soc. Am., Vol. 69, No. 3, pp. 696-701 (1981)

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K. A. Wear, "Group velocity, phase velocity, and dispersion in human calcaneus in vivo," J. Acoust. Soc. Am., Vol. 121, No. 4, pp. 2431-2437 (2007)

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K. I. Lee, Y. T. Kim and M. J. Choi, "Study on the Dependence of Ultrasonic Phase Velocity on Porosity, Frequency and Propagation Angle in Cancellous Bone ," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 28, No. 2, pp. 112-118 (2008)
K. I. Lee, V. F. Humphrey, B. N. Kim and S. W. Yoon, "Frequency dependencies of phase velocity and attenuation coefficient in a water-satruated sandy sediment from 0.3 to 1.0 MHz," J. Acoust. Soc. Am., Vol. 21, No. 2, pp. 110-119 (2002)
J. R. Asay, D. L. Lamberson and A. H. Guenther, "Pressure and temperature dependence of the acoustic velocities in polymethylmethacrylate," J. Appl. Phys., Vol. 40. No. 4, pp. 1768-1783 (1969)

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표제어: PCR

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