[논문]광대역 초음파 변환기를 위한 전기 임피던스 정합 연구

김건우; 김기복; 백광세

doi:10.7779/jksnt.2017.37.1.37

광대역 초음파 변환기를 위한 전기 임피던스 정합 연구
Study on Electrical Impedance Matching for Broadband Ultrasonic Transducer 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.37 no.1, 2017년, pp.37 - 43

김건우 (과학기술연합대학원대학교) , 김기복 (한국표준과학연구원) , 백광세 ((주)엘라켐)

초록
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초음파탐상법을 이용하여 마이크로미터의 크기 작은 결함을 검출하기 위해서는 높은 공진주파수와 큰 분해능의 초음파 변환기가 필요하다. 초음파 변환기의 공진주파수와 분해능은 변환기에 사용된 압전소자의 두께, 후면재 및 탐상 시스템 간의 전기 임피던스 정합과 밀접한 관련이 있으며, 이 중 전기 임피던스 매칭은 초음파 변환기와 초음파탐상 시스템 사이의 서로 다른 입 출력단을 연결하는 과정에서, 두 연결단의 전기적 임피던스 차이에 의한 에너지 반사와 손실을 줄이는 중요한 역할을 한다. 임피던스 정합에서 흔히 많이 사용하는 방법은 LC-정합회로이다. 이러한 LC-정합을 통해 탐상 시스템과 초음파 변환기의 전기 임피던스를 $50{\Omega}$으로 맞추어 두 연결단 사이의 임피던스 차이를 보정해 줌으로서 초음파 변환기에서 발생되는 전기신호의 손실을 줄 수 있다. 본 연구에서는 15 MHz의 공진주파수를 가지는 광대역 수침형 초음파 탐촉자를 제작하고 광대역 특성을 갖는 초음파 변환기를 위한 LC 임피던스 정합법을 적용하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ultrasonic transducers with high resolution and resonant frequency are required to detect small defects (less than hundreds of ${\mu}m$) by ultrasonic testing. The resonance frequency and resolution of an ultrasonic transducer are closely related to the thickness of piezo-electric materials, backing materials, and the electric impedance matching technique. Among these factors, electrical impedance matching plays an important role because it can reduce the loss and reflection of ultrasonic energy differences in electrical impedance between an ultrasonic transducer and an ultrasonic defects detecting system. An LC matching circuit is the most frequently used electric matching method. It is necessary for the electrical impedance of an ultrasonic transducer to correspond to approximately $50{\Omega}$ to compensate the difference in electrical impedance between both connections. In this study, a 15 MHz immersion ultrasonic transducer was fabricated and an LC electrical impedance circuit was applied to that for having broad-band frequency characteristic.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 초음파 변환기의 전기 임피던스 정합은 Ri = 50, Xi = 0으로 맞추는 정합회로 조건을 목표로 하였다.
이에 본 연구는 압전소자와 후면재의 설계조건들을 고정한 다음 광대역 초음파 변환기의 제작에 필요한 전기 임피던스 정합 조건의 영향을 실험적으로 고찰하여 실제 변환기 설계·제작에 필요한 기술적인 정보를 제공하기 위하여 수행되었다.

제안 방법

따라서 고주파 영역의 신호를 위한 HPF 형태의 매칭 필터를 설계하였다. HPF 필터의 인덕턴스와 커패시턴스를 결정하기 위해 초음파 변환기의 전기 임피던스(R₀ = 2.14, X₀ = 13)을 회로망 분석기 (E4991A, Agilent Co., ltd, USA)를 이용하여 분석하였다. 회로망 분석기로 측정한 전기 임피던스 값들과 식(7)을 이용하여 Q 값을 계산한 결과 Q = ± 4.
LC 임피던스 정합은 입력 전기 임피던스(Ri = 50, Xi = 0) 와 부하 임피던스(초음파 변환기의 임피던스)가 일치하도록 하였다.
광대역 초음파 변환기의 주요 설계인자들은 후면재, 전면정합층, 전기 임피던스 정합, 압전소자 종류 등과 같은 여러 가지 요소가 있으나 본 연구에서는 전기 임피던스 정합에 주안점을 두고 광대역 초음파 변환기를 설계·제작하여 전기 임피던스 정합 전후의 신호 특성을 비교 분석하였다.
8 MHz 이며, 가용 주파수는 약 ~ 23 MHz로서 광대역 특성을 가지기 위해서는 상대적으로 높은 주파수 쪽으로 대역폭을 확장해야 할 필요성이 있다. 따라서 고주파 영역의 신호를 위한 HPF 형태의 매칭 필터를 설계하였다. HPF 필터의 인덕턴스와 커패시턴스를 결정하기 위해 초음파 변환기의 전기 임피던스(R₀ = 2.
5 MRayL이다. 따라서 이론적인 전면정합층의 음향임피던스(Z₂)가 약 7.1 MRayL인 재료를 선택해야 하나, 정확하게 이러한 값을 가지면서 수침형 소재로 사용할 수 있는 재료를 구하는 것이 어렵기 때문에 비교적 가까운 범위의 음향임피던스 값 (3.5 MRayL)을 가지는 Plexiglass(C₅O₂H₈)을 선택하였다. Plexiglass는 아크릴 계열의 고분자 재료로써 조직이 치밀하고 단단하기 때문에 초음파 감쇠가 매우 적어 사각탐상용 초음파 변환기의 쐐기(wedge)에도 널리 사용되는 재료이다.
후면재가 초음파 에너지를 감쇠 및 산란시키면 탐상체 내부에 입사되는 초음파 에너지는 짧은 펄스 지속시간을 갖게 되고, 이러한 특징은 큰 대역폭을 갖는 광대역 초음파 변환기의 필수적인 요건이다[6,7]. 본 연구에서 사용된 후면재는 금속 입자와 에폭시를 적절한 비율로 배합하여 최대한 압전소자의 음향임피던스(34 MRayL)에 근접하여 제작하도록 하였으며 최종적으로 약 10 MRayL의 음향임피던스를 갖도록 제작하였다.
서로 다른 두 전기 임피던스 사이에서 정합 임피던스 회로를 삽입하여 임피던스 차이에 의한 반사에 따른 에너지 손실을 줄여주는 역할을 하여 원하는 주파수 영역의 에너지를 끌어 올리거나 제거하는 역할을 한다. 본 연구에서 제작된 LC 정합회로가 적용된 초음파 변환기의 중심주파수는 약 15 MHz로서 성능 평가를 위해 동일한 실험 조건에서 LC 정합회로 유무에 따라 초음파 변환기의 성능을 비교하였다. 최대 수신 진폭은 약 5%, 주파수 대역폭은 약 30% 증가하여 이러한 결과는 광대역 초음파 변환기의 설계·제작 기법 향상에 도움이 될 것으로 사료된다.
제작된 15 MHz 초음파 변환기와 LC 정합회로 단자를 연결하여 전기 임피던스 매칭이 되지 않은 초음파 변환기와 같은 실험 조건으로 성능평가를 수행하였다. LC회로가 정합된 변환기의 반사 신호와 주파수 분석 결과는 Fig.
2는 본 연구에서 제작된 15 MHz 수침형 초음파 변환기의 구성품들과 최종 제작된 시작품을 나타낸다. 최종 시작품에서 금속 케이스의 한 면을 절단하여 다양한 전기 임피던스 정합회로를 제작하여 결합할 수 있도록 하였다.
, HIS2, Japan), 구성하였다. 펄서/리시버를 통해 초음파 변환기에 전압이 인가되면 초음파 변환기에서 발생한 초음파가 수조의 바닥면을 맞고 돌아오는 반사 신호를 획득하여 반사 신호의 크기와 주파수 대역을 분석하였다.
후면재의 음향임피던스를 10 MRayL로 고정하고 LC 임피던스 정합을 통하여 광대역 특성 (대역폭 90% 이상)을 갖도록 설계하였다. LC 임피던스 정합은 입력 전기 임피던스(R_i= 50, X_i = 0) 와 부하 임피던스(초음파 변환기의 임피던스)가 일치하도록 하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 압전소자의 음향임피던스는 약 34 MRayL이며, 수침형 초음파 변환기를 고려할 경우 물의 음향임피던스는 약 1.5 MRayL이다. 따라서 이론적인 전면정합층의 음향임피던스(Z₂)가 약 7.
5와 같은 실험장치를 구성하였다. 실험 장치는 15 MHz 초음파 변환기, 임피던스 정합회로, 오실로스코프(Lecroy Co. Ltd., Wave Runner 640Zi, USA), 펄서/리시버(Krautkramer Co. Ltd., HIS2, Japan), 구성하였다. 펄서/리시버를 통해 초음파 변환기에 전압이 인가되면 초음파 변환기에서 발생한 초음파가 수조의 바닥면을 맞고 돌아오는 반사 신호를 획득하여 반사 신호의 크기와 주파수 대역을 분석하였다.
Plexiglass는 아크릴 계열의 고분자 재료로써 조직이 치밀하고 단단하기 때문에 초음파 감쇠가 매우 적어 사각탐상용 초음파 변환기의 쐐기(wedge)에도 널리 사용되는 재료이다. 압전소자는 공진주파수 15 MHz, 지름 약 6.35 mm, 두께 약 0.1 mm를 갖는 Fujiceramics社(Japan)의 M5 소자를 선택하였다. 초음파 변환기의 부속품은 압전소자를 전기적으로 절연시키는 내부 및 외부 케이스, 압전소자, 전면정합층, BNC 케이블, 후면재 등으로 구성된다.

성능/효과

8과 같다. LC 정합회로를 가지는 초음파 변환기의 최대 진폭은 2 V, 중심주파수 약 15 MHz, 대역폭은 약 95%로 나타났다. 최대 수신 전압은 전기 정합을 하지 않은 초음파 변환기에 비하여 약 0.
6에서 보는바와 같다. 전기정합회로가 없는 초음파 변환기의 반사 신호의 최대 수신 전압은 약 1.9 V, 대역폭은 약 65%, 중심주파수는 약 14.8 MHz로 나타났다. 제작된 초음파 탐촉자의 후면재는 약 10 MRayL의 음향임피던스이며 사용된 PZT의 음향임피던스인 약 34 MRayL보다 작기 때문에 압전소자 후면으로 전파되는 초음파 에너지를 효과적으로 감쇄 및 산란을 시키기 어려워 광대역 특성을 나타내지 못하였다.
LC 정합회로를 가지는 초음파 변환기의 최대 진폭은 2 V, 중심주파수 약 15 MHz, 대역폭은 약 95%로 나타났다. 최대 수신 전압은 전기 정합을 하지 않은 초음파 변환기에 비하여 약 0.1 V정도 증가하였고 대역폭의 경우 약 30%정도의 주파수 특성이 개선되었다.
본 연구에서 제작된 LC 정합회로가 적용된 초음파 변환기의 중심주파수는 약 15 MHz로서 성능 평가를 위해 동일한 실험 조건에서 LC 정합회로 유무에 따라 초음파 변환기의 성능을 비교하였다. 최대 수신 진폭은 약 5%, 주파수 대역폭은 약 30% 증가하여 이러한 결과는 광대역 초음파 변환기의 설계·제작 기법 향상에 도움이 될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	임피던스 정합에서 많이 사용하는 방법은 무엇인가?	초음파 변환기의 공진주파수와 분해능은 변환기에 사용된 압전소자의 두께, 후면재 및 탐상 시스템 간의 전기 임피던스 정합과 밀접한 관련이 있으며, 이 중 전기 임피던스 매칭은 초음파 변환기와 초음파탐상 시스템 사이의 서로 다른 입 출력단을 연결하는 과정에서, 두 연결단의 전기적 임피던스 차이에 의한 에너지 반사와 손실을 줄이는 중요한 역할을 한다. 임피던스 정합에서 흔히 많이 사용하는 방법은 LC-정합회로이다. 이러한 LC-정합을 통해 탐상 시스템과 초음파 변환기의 전기 임피던스를 $50{\Omega}$으로 맞추어 두 연결단 사이의 임피던스 차이를 보정해 줌으로서 초음파 변환기에서 발생되는 전기신호의 손실을 줄 수 있다.
	본 논문에서 설계한, 초음파 변환기의 성능 실험 결과는 어떠한가?	본 연구에서 제작된 LC 정합회로가 적용된 초음파 변환기의 중심주파수는 약 15 MHz로서 성능 평가를 위해 동일한 실험 조건에서 LC 정합회로 유무에 따라 초음파 변환기의 성능을 비교하였다. 최대 수신 진폭은 약 5%, 주파수 대역폭은 약 30% 증가하여 이러한 결과는 광대역 초음파 변환기의 설계·제작 기법 향상에 도움이 될 것으로 사료된다.
	초음파 변환기의 공진주파수와 분해능은 무엇과 관련이 있는가?	초음파탐상법을 이용하여 마이크로미터의 크기 작은 결함을 검출하기 위해서는 높은 공진주파수와 큰 분해능의 초음파 변환기가 필요하다. 초음파 변환기의 공진주파수와 분해능은 변환기에 사용된 압전소자의 두께, 후면재 및 탐상 시스템 간의 전기 임피던스 정합과 밀접한 관련이 있으며, 이 중 전기 임피던스 매칭은 초음파 변환기와 초음파탐상 시스템 사이의 서로 다른 입 출력단을 연결하는 과정에서, 두 연결단의 전기적 임피던스 차이에 의한 에너지 반사와 손실을 줄이는 중요한 역할을 한다. 임피던스 정합에서 흔히 많이 사용하는 방법은 LC-정합회로이다.

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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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