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문제 정의
- 본 논문에서는 압전단결정으로 구성된 48×64 채널의 2D 배열형 초음파 트랜스듀서를 설계 및 제작하고, 제작된 시작품의 특성을 평가하였다.
제안 방법
- [10] 에 따라 제작한 모듈들을 결합하는 공정은 모듈 배열, 모듈간 간격 충진 및 음향렌즈 주조로 이루어진다. 2D 배열을 이루는 모든 모듈들은 간격 및 높이가 균일하여야 하고 모듈 사이에 끼워져 있는 다층형 유연 인쇄회로 기판의 손상이 없어야 하므로, 각 모듈들의 위치를 정밀하게 제어할 수 있는 취구와 높은 배율의 현미경을 이용하여 모듈을 배열하였다. 모듈의 배열이 완료된 후 모듈간 간격에 모듈의 치폭과 동일한 재료를 충진하였다.
- 2D 배열형 초음파 트랜스듀서의 경우 트랜스듀서의 길이(azimuth) 방향과 같이 다수의 독립소자가 폭(elevation) 방향으로도 배열된 구조인데, 이에 앞서 폭 방향으로 배열된 독립소자의 수가 8개로 적은 1.75D 배열형 초음파 트랜스듀서를 선행 연구하였다.[10] 2D 배열형 초음파 트랜스듀서의 채널수보다 적지만 다수의 채널이 좁은 면적에 존재하는 1.
- 8×64 채널의 모듈 6개를 결합하여 48×64 채널을 가지는 구조를 선정하였는데, 선행연구에서 개발된 모듈을 이용하여 모듈간 간격에 따른 음향특성을 분석하여 트랜스듀서의 전체 채널이 균일한 음향특성을 가지는 구조를 설정하였다.
- 먼저 모듈은 압전단결정 PMN-PT를 능동소자로 사용하였으며, 수동소자는 후면층(backer), 정합층(matching layer) 및 치폭(kerf)으로 구성된다. PZFlex를 이용하여 치폭의 물성과 너비가 소자간 상호간섭에 미치는 영향을 분석한 후, 압전단결정과 정합층의 두께에 따른 중심주파수와 비대역폭의 음향특성을 분석하고 설계변수에 따른 음향특성을 함수화하여 유전알고리즘을 이용하여 비대역폭이 최대가 되도록 최적설계를 하였다. 이 때 사용된 수동소자의 물성은 Table 1과 같으며 설계된 모듈의 음향 특성은 3.
- 본 연구에서는 Ref. [10]을 바탕으로 채널수가 월등히 많은 2차원 배열형 트랜스듀서에서 음향특성에 영향을 미치는 인자를 분석 및 조절하여 트랜스듀서의 전체 채널이 균일하고 향상된 음향특성을 가질 수 있는 2D 배열형 초음파 트랜스듀서의 구조설계를 진행하였다.
- 이러한 용도의 전기적 연결을 위한 기술에는 다층형 유연 인쇄회로 기판(FPCB: Flexible Printed Circuit Board)을 사용하는 방법과 전도성 후면층(conductive backer)을 이용하는 방법들이 있다.[11-12] 다층형 유연 인쇄회로 기판은 각 신호선의 전기적 간섭이 적으며 개별 채널의 전기적 특성이 균일하다는 장점이 있기 때문에, 본 연구에서는 이 FPCB를 이용한 결선 방법을 사용하였다. 다층형 유연 인쇄회로 기판을 이용하여 Fig.
- 이 때 해석은 과도해석으로 수행되었으며, 빔 패턴 해석과 동일한 방법으로 외삽법을 이용하여 원거리 음장에 위치한 가상의 반사체에서 반사되어 돌아온 음압을 물 층의 노드들에 인가한 후, 각 노드들로부터 발생된 음파를 트랜스듀서에서 전기신호로 변환하여 펄스 반사 신호를 구하였다.[13] 먼저 Fig. 1의 가운데 위치한 모듈의 중심에 있는 소자에만 전압을 인가하여 중심 소자에 입력되는 펄스 반사 신호의 수신감도, 중심주파수, 비대역폭을 구하였다. 수신감도는 식(1)과 같이 구하였으며, Vcenter -input은 송신 시 중심 소자에 인가되는 구동전압이며, Vcenter -output는 수신 시 중심소자에서 발생되는 출력전압이다.
- 2D 배열형 초음파 트랜스듀서를 구성하는 모듈의 모서리 지점과 중심 지점에 위치한 독립소자들은 경계조건의 영향을 받아 미세하지만 음향특성에서 차이를 가진다. 균일한 음향특성을 가지는 트랜스듀서의 설계를 위하여 모듈의 중심에 위치한 독립소자와 모듈의 모서리 지점에 위치한 독립소자의 음향특성을 비교 분석하였다. 먼저 모듈간 간격에 따라 소자간 상호간섭, 모듈 중심지점의 소자와 모서리지점의 소자간의 중심주파수 차이, 비대역폭 차이, 수신감도 차이를 유한요소 해석을 통해 분석하였다.
- 8×64 채널의 모듈 6개를 결합하여 48×64 채널을 가지는 구조를 선정하였는데, 선행연구에서 개발된 모듈을 이용하여 모듈간 간격에 따른 음향특성을 분석하여 트랜스듀서의 전체 채널이 균일한 음향특성을 가지는 구조를 설정하였다. 그 후 설계된 구조에 따라 트랜스듀서의 시작품을 제작하여 성능을 측정하였고, 측정된 결과와 유한요소 해석 결과를 비교하여 본 연구에서 개발한 트랜스듀서의 성능을 평가하였다. 펄스 반사 신호를 측정한 결과 총 3,072개 채널의 평균 수신감도는 -88.
- 또한 2D 배열형 트랜스듀서 전체에 걸쳐 균일한 특성을 구현하기 위한 구조를 도출하였다. 나아가 설계에 맞게 트랜스듀서의 시작품을 제작하고 음향특성을 측정한 결과와 유한요소해석 결과를 비교하여, 개발된 2D 배열형 초음파 트랜스듀서의 성능을 평가하였다.
- 하지만 모듈간 간격의 변화 범위 내에서 수광각의 변화정도가 매우 작기 때문에 모듈간 간격은 빔 패턴에 미치는 영향이 적다고 판단할 수 있다. 따라서 모듈간 간격을 정하기 위한 트랜스듀서의 음향 특성에서 빔 패턴은 고려하지 않기로 하였으며, 모듈간 간격에 따른 트랜스듀서의 소자간 수신감도, 중심주파수 및 비대역폭만 고려하였다.
- 각 모듈들의 폭 방향 경계면에 위치한 소자들은 모듈의 중심에 있는 소자들에 비해 경계조건이 다르고 인접한 모듈의 영향을 받기 때문에, 모서리 소자들은 모듈간 간격에 큰 영향을 받는다. 따라서 이들 모듈들을 배열하여 균일한 음향특성을 가지는 2D 배열형 초음파 트랜스듀서를 만들기 위하여, 모듈간 간격(gap)에 따른 빔 패턴, 수신감도, 중심주파수 및 비대역폭의 변화를 분석하여 2D 배열형 초음파 트랜스듀서의 전체 채널이 균일한 음향특성을 가지는 최적 모듈간 간격을 결정하였다.
- 5 %이며, -6 dB 비대역폭(fractional bandwidth)이 60 %이상이며, 모든 채널의 수신감도 표준편차가 1 dB이하가 되도록 설정하였다. 또한 2D 배열형 트랜스듀서 전체에 걸쳐 균일한 특성을 구현하기 위한 구조를 도출하였다. 나아가 설계에 맞게 트랜스듀서의 시작품을 제작하고 음향특성을 측정한 결과와 유한요소해석 결과를 비교하여, 개발된 2D 배열형 초음파 트랜스듀서의 성능을 평가하였다.
- 균일한 음향특성을 가지는 트랜스듀서의 설계를 위하여 모듈의 중심에 위치한 독립소자와 모듈의 모서리 지점에 위치한 독립소자의 음향특성을 비교 분석하였다. 먼저 모듈간 간격에 따라 소자간 상호간섭, 모듈 중심지점의 소자와 모서리지점의 소자간의 중심주파수 차이, 비대역폭 차이, 수신감도 차이를 유한요소 해석을 통해 분석하였다. 이 때 해석은 과도해석으로 수행되었으며, 빔 패턴 해석과 동일한 방법으로 외삽법을 이용하여 원거리 음장에 위치한 가상의 반사체에서 반사되어 돌아온 음압을 물 층의 노드들에 인가한 후, 각 노드들로부터 발생된 음파를 트랜스듀서에서 전기신호로 변환하여 펄스 반사 신호를 구하였다.
- 1과 같이 8×64개의 채널로 구성된 모듈을 구성한 후, 모듈 6개를 배열하여 48×64개의 채널을 가지도록 2D 배열형 트랜스듀서의 구조를 선정하였다. 먼저 모듈은 압전단결정 PMN-PT를 능동소자로 사용하였으며, 수동소자는 후면층(backer), 정합층(matching layer) 및 치폭(kerf)으로 구성된다. PZFlex를 이용하여 치폭의 물성과 너비가 소자간 상호간섭에 미치는 영향을 분석한 후, 압전단결정과 정합층의 두께에 따른 중심주파수와 비대역폭의 음향특성을 분석하고 설계변수에 따른 음향특성을 함수화하여 유전알고리즘을 이용하여 비대역폭이 최대가 되도록 최적설계를 하였다.
- 본 연구에서는 폭 방향으로 48개 및 길이 방향으로 64개의 독립 채널을 가지며, 이들 총 3,072개의 채널에 걸쳐 균일한 음향특성을 가지는 압전단결정형 2D 배열형 초음파 트랜스듀서를 설계 및 제작하였다. 먼저 모든 소자들의 개별적 전기연결이 가능하도록 트랜스듀서의 구조를 선정하였다. 선정된 구조에 맞게 구성소자를 제작한 다음, 상용 해석도구인 PZFlex(Weidlinger Associates, NY)를 이용한 유한요소 해석을 통하여 트랜스듀서의 세부 구조를 설계하였다.
- 모듈간 간격을 100 ~ 500 μm의 범위에서 100 μm단위로 변경하여 해석하였으며, 모듈간 간격에 따른 소자간 상호간섭도와 중심 소자와 모서리 소자간의 수신감도 차이, 중심주파수 차이 및 비대역폭 차이를 식(4)-(6)를 통하여 구하였다.
- 본 연구에서는 폭 방향으로 48개 및 길이 방향으로 64개의 독립 채널을 가지며, 이들 총 3,072개의 채널에 걸쳐 균일한 음향특성을 가지는 압전단결정형 2D 배열형 초음파 트랜스듀서를 설계 및 제작하였다. 먼저 모든 소자들의 개별적 전기연결이 가능하도록 트랜스듀서의 구조를 선정하였다.
- 먼저 모든 소자들의 개별적 전기연결이 가능하도록 트랜스듀서의 구조를 선정하였다. 선정된 구조에 맞게 구성소자를 제작한 다음, 상용 해석도구인 PZFlex(Weidlinger Associates, NY)를 이용한 유한요소 해석을 통하여 트랜스듀서의 세부 구조를 설계하였다. 트랜스듀서의 설계목표는 -6 dB 중심주파수가 3.
- 수신감도는 식(1)과 같이 구하였으며, Vcenter -input은 송신 시 중심 소자에 인가되는 구동전압이며, Vcenter -output는 수신 시 중심소자에서 발생되는 출력전압이다. 시간 영역의 펄스 반사 신호를 푸리에변환을 통해 스펙트럼을 구한 후 중심주파수와 비대역폭을 구하였다.
- 여기서 모듈간 간격에 따른 빔 패턴을 분석하기 위하여, 폭 방향으로 48개의 소자에 동일한 임펄스 형태의 전압을 동시에 인가하여 깊이(depth) 방향에서 폭 방향으로 각도 θ에 따른 빔 패턴을 Fig. 2와 같이 구하였다.
- 음향렌즈에 의한 음향에너지의 감쇠가 지나치게 크지 않고 모듈이 어느 정도의 기계적 강성을 가질 수 있도록 음향렌즈의 두께를 통상적으로 널리 이용되는 1 mm로 정하였다. 유한요소 모델을 구성함에 있어서 해석시간을 줄이기 위하여 후면층의 두께를 1 mm로 고정하고 후면층의 바닥면에 흡수경계조건을 두어 반사파의 영향을 제거하였으며, 1개의 대칭면을 폭 방향과 수평한 방향으로 두어 유한요소 모델의 크기를 줄였다. 모듈들 사이에는 음향렌즈와 같은 재료가 채워져 있는 구조이며, 음향렌즈와 치폭의 재료는 같다.
- 음향렌즈는 모듈들을 감싸서 외부의 충격에 대해 모듈들을 보호할 수 있는 기계적 강성을 가져야 한다. 음향렌즈에 의한 음향에너지의 감쇠가 지나치게 크지 않고 모듈이 어느 정도의 기계적 강성을 가질 수 있도록 음향렌즈의 두께를 통상적으로 널리 이용되는 1 mm로 정하였다. 유한요소 모델을 구성함에 있어서 해석시간을 줄이기 위하여 후면층의 두께를 1 mm로 고정하고 후면층의 바닥면에 흡수경계조건을 두어 반사파의 영향을 제거하였으며, 1개의 대칭면을 폭 방향과 수평한 방향으로 두어 유한요소 모델의 크기를 줄였다.
- 먼저 모듈간 간격에 따라 소자간 상호간섭, 모듈 중심지점의 소자와 모서리지점의 소자간의 중심주파수 차이, 비대역폭 차이, 수신감도 차이를 유한요소 해석을 통해 분석하였다. 이 때 해석은 과도해석으로 수행되었으며, 빔 패턴 해석과 동일한 방법으로 외삽법을 이용하여 원거리 음장에 위치한 가상의 반사체에서 반사되어 돌아온 음압을 물 층의 노드들에 인가한 후, 각 노드들로부터 발생된 음파를 트랜스듀서에서 전기신호로 변환하여 펄스 반사 신호를 구하였다.[13] 먼저 Fig.
- 이들 모듈들을 배열하여 2D 배열형 트랜스듀서 구조를 구성하는 본 연구에서는 모듈내 소자들의 전기적 연결을 위한 GRS(GRound Sheet)와 유연 인쇄회로 기판이 압전단결정의 윗면과 아랫면에 위치하는데, 이 유연기판들은 각 모듈의 폭 방향 양쪽으로 나와서 후면층 밑으로 빠져나온다. 즉, 6개의 모듈이 결합된 2D 트랜스듀서 전체의 3,072개의 신호선들은 각 모듈들이 접하는 면 사이로 빠져나와 트랜스듀서 후면층 뒷단에 존재하는 구동용 전기회로와 연결되는 구조이다.
- 2와 같이 구하였다. 이를 위한 과도해석에서 압전단 결정에 임펄스 형태의 전압을 인가하여 음파를 발생시킨 후, 물 층에 위치한 노드들에 음파가 전파되면 각 노드들에 입력된 음압의 정보를 이용하여 외삽법(extrapolation)으로 단결정으로부터 일정한 거리에서의 빔 패턴을 구하였다.[13] Fig.
- 6과 같이 펄스 반사 신호의 측정을 통해 확인하였다. 총 3,072개 채널의 펄스 반사 신호를 개별적으로 측정하기 위해 후면층의 뒤쪽으로 나와 있는 256개의 신호선이 연결된 다층형 유연 인쇄회로 기판 12장을 순차적으로 MUX(National instruments PXI-2575)에 연결하였다. 이 때 MUX는 256개의 채널을 가지고 있으며, pulser-receiver(Olympus 5800PR)와 오실로스코프(Agilent DSO6012A)에 연결하였다.
- 모듈의 배열이 완료된 후 모듈간 간격에 모듈의 치폭과 동일한 재료를 충진하였다. 충진 공정은 모듈들의 배열 간격이 바뀌지 않도록 취구를 이용하여 모듈과 유연기판들을 고정한 후 충진재를 삽입하는데, 충진 과정에서 간격내에 기포가 발생하지 않도록 진공 탈포 공정을 동시에 수행하였다. 다음으로 음향렌즈 주조 공정은 정합층 위에 균일한 두께를 가지며 기포 및 충진이 되지 않은 부분이 없는 음향 렌즈 층을 형성하는 것으로, 배열 및 간격 충진이 완료된 모듈들을 치구를 이용하여 고정한 후, 음향렌즈 재료를 정합층 상부에 도포하고 탈포하면서 경화시켜 음향렌즈 층을 형성하였다.
- 측정된 2D 배열형 트랜스듀서의 각 채널별 음향 특성을 Fig. 6과 같이 펄스 반사 신호의 측정을 통해 확인하였다. 총 3,072개 채널의 펄스 반사 신호를 개별적으로 측정하기 위해 후면층의 뒤쪽으로 나와 있는 256개의 신호선이 연결된 다층형 유연 인쇄회로 기판 12장을 순차적으로 MUX(National instruments PXI-2575)에 연결하였다.
- 6의 장치에서 선형 반사체의 위치에 하이드로폰(ONDA HNR-0500)을 장착하여 트랜스듀서의 방사 빔 패턴을 측정하였다. 트랜스듀서의 폭 방향으로 28개 채널에 임펄스 신호를 동시에 인가하여 초음파를 발생시키면서, 그에 따라 발생한 음장을 하이드로폰을 1 mm간격으로 이동시키며 측정하였다. 음원 기준으로 폭 방향의 중심에서 집속 깊이(focal depth)를 Fig.
대상 데이터
- 선행연구인 Ref. [10]에 따라 모듈 내 치폭의 충진 재료로 사용된 고분자재료를 모듈간 충진 재료로 선정하였다. 나아가 이 충진재료는 2D 배열형 트랜스듀서의 음향렌즈로도 사용되었다.
- 다층형 유연 인쇄회로 기판을 이용하여 Fig. 1과 같이 8×64개의 채널로 구성된 모듈을 구성한 후, 모듈 6개를 배열하여 48×64개의 채널을 가지도록 2D 배열형 트랜스듀서의 구조를 선정하였다.
- 5에 나타내었다. 시작품은 6개의 음향모듈, 음향렌즈, 보호용 덮개(nose piece) 및 다층형 유연 인쇄회로 기판들로 구성되어 있다. 모듈의 폭 방향 양쪽으로 각 256개의 신호선들이 포함된 다층형 유연 인쇄회로 기판 12장이 각 모듈의 사이를 통해 후면층 뒤편으로 빠져나와 총 3,072개의 채널이 전기회로와 연결이 된다.
성능/효과
- 4 %로 유한요소 해석결과와 비교적 잘 일치하며 목표사양을 만족시켰다. 또한 폭 방향으로 28개의 채널을 동시에 구동시켜 측정한 집속도도 해석결과와 잘 일치한 것으로 나타나, 제작된 2D 배열형 초음파 트랜스듀서 시작품은 설계 결과를 잘 반영한 것으로 확인되었다.
- 이 때 채널별 수신감도는 식 (1)과 같이 구하였으며, 평균수신감도는 전체 채널의 수신감도의 평균이다. 불량채널은 제작오차에 의해 발생한 것으로서, 각 소자의 크기가 매우 작기 때문에 불량채널의 일부분에서는 GRS와 압전단결정간 접착층의 두께 조절이 제대로 이루어지지 않아 수신감도가 떨어진 것으로 확인되었다. 또 다른 부분에서는 후면층을 구성하는 텅스텐 입자가 덩어리 형태로 뭉쳐진 부분이 발생하였는데, 텅스텐은 전도성이 있어서 입자 덩어리가 유연 인쇄회로 기판과 접촉될 경우에 채널간의 합선을 일으키기 때문에 이부분에서 감도가 높게 나타기도 하였다.
- 시간영역의 펄스 반사 신호의 유한요소 해석결과가 실험결과에 비해 약간 길게 나타난 것은 외삽법을 이용하여 원거리 음장에 위치한 가상의 반사체에 반사되어 들어온 음압을 구할 때 물에 의한 음압의 감쇠가 정확히 고려되지 않았기 때문이다. 비대역폭이 소자간 상호간섭으로 인해 유한요소 해석 결과보다 약간 작게 나타났지만, 펄스 반사 신호의 파형과 주파수 스펙트럼은 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.
- 나아가 모듈간 간격을 100 ~ 500 μm의 범위에서 100 μm간격으로 변경한 결과, 모듈간 간격에 따른 빔 패턴은 큰 차이를 보이지 않았다. 빔 패턴의 주엽은 뾰족하며 모듈 간격에 상관없이 유사한 모양을 가지고 있었으며, 부엽들의 음압레벨이 모두 -15 dB 이하로 모듈간 간격은 빔 패턴에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 이상의 결과로부터 모듈간 간격을 트랜스듀서가 균일한 음향특성을 가지는 최소 간격인 300 μm로 정하였다.
- 그 후 설계된 구조에 따라 트랜스듀서의 시작품을 제작하여 성능을 측정하였고, 측정된 결과와 유한요소 해석 결과를 비교하여 본 연구에서 개발한 트랜스듀서의 성능을 평가하였다. 펄스 반사 신호를 측정한 결과 총 3,072개 채널의 평균 수신감도는 -88.6 dB이고 표준편차는 0.8 dB로 균일하였으며, 중심주파수와 비대역폭은 각각 3.7 MHz 와 76.4 %로 유한요소 해석결과와 비교적 잘 일치하며 목표사양을 만족시켰다. 또한 폭 방향으로 28개의 채널을 동시에 구동시켜 측정한 집속도도 해석결과와 잘 일치한 것으로 나타나, 제작된 2D 배열형 초음파 트랜스듀서 시작품은 설계 결과를 잘 반영한 것으로 확인되었다.
- 평균 수신감도는 -88.6 dB이고 표준편차는 0.8 dB 이며, 평균 수신감도에서 ±2.5 dB를 벗어나는 채널의 수가 13 개로 전체 채널 수 대비 1 %이하인 것으로 측정되었다.
- 또 다른 부분에서는 후면층을 구성하는 텅스텐 입자가 덩어리 형태로 뭉쳐진 부분이 발생하였는데, 텅스텐은 전도성이 있어서 입자 덩어리가 유연 인쇄회로 기판과 접촉될 경우에 채널간의 합선을 일으키기 때문에 이부분에서 감도가 높게 나타기도 하였다. 하지만 본 연구에서 개발된 2D 배열형 초음파 트랜스듀서는 통상의 초음파 트랜스듀서의 수신감도 균일도를 판단하는 기준인 표준편차가 1.0 dB이하이고 불량채널 비율이 1 %이하여야 하다는 조건을 만족시켰으므로 제작된 2D 배열형 초음파 트랜스듀서는 균일한 음향특성을 가지는 것으로 판단할 수 있다.
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