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비파괴검사, 수중탐지, 의료진단 등에 사용되는 초음파 탐촉자에 요구되는 가장 중요한 특성에는 높은 감도와 좋은 분해능이 있다. 본 연구에서는 압전초음파탐촉자의 구성요소(인덕터, 정합층, 후면재 등)가 감도와 분해능에 미치는 영향을 분석한 후, 광대역탐촉자의 구성 요소를 결정하였다. 또한 광대역탐촉자의 시작품을 제작하고 성능시험을 수행하여 이론예측과 실험결과가 잘 일치함을 보였다.

비파괴검사, 수중탐지, 의료진단 등에 사용되는 초음파 탐촉자에 요구되는 가장 중요한 특성에는 높은 감도와 좋은 분해능이 있다. 본 연구에서는 압전초음파탐촉자의 구성요소(인덕터, 정합층, 후면재 등)가 감도와 분해능에 미치는 영향을 분석한 후, 광대역탐촉자의 구성 요소를 결정하였다. 또한 광대역탐촉자의 시작품을 제작하고 성능시험을 수행하여 이론예측과 실험결과가 잘 일치함을 보였다.

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 본 연구에서는 직렬 인덕터, 후면재, 정합층 등의 탐촉자 구성요소들이 탐촉자의 감도와 분해능에 미치는 영향에 대해 살펴보았으며, 이를 바탕으로 미세한 결함까지도 탐지할 수 있는 넓은 대역폭의 특성을 지니는 탐촉자를 설계 및 제조하고자 하였다.
• 본 연구에서는 직렬 인덕터, 후면재, 정합층 등의 탐촉자 구성요소들이 탐촉자의 감도와 분해능에 미치는 영향에 대해 살펴보았으며, 이를 바탕으로 미세한 결함까지도 탐지할 수 있는 넓은 대역폭의 특성을 지니는 탐촉자를 설계 및 제조하고자 하였다.
• 직렬 인덕터, 후면재, 정합층이 탐촉자의 감도와 분해능과 탐촉자 전체에 미치는 영향에 대하여 알아보았다.

가설 설정

• 1) 광대역 초음파 탐촉자에는 인덕터를 부가하지 않는다. 2) 광대역 초음파탐촉자의 경우, 감도는 후면층의 임피던스가 낮을수록, 전면 부하의 실효 임피던스가 높을수록 커진다.

제안 방법

• 0μm의 다양한 크기를 가지는 텅스텐카바이드 분말이 사용되었다. 또한 후면재를 위하여 감쇄와 흡수율이 높은 8종류의 에폭시 및 우레탄 수지와 입자크기가 서로 다른 텅스텐(25μm)과 텅스텐 카바이드(0.55~20.0μm) 파우더를 혼합하여 시편들을 제조하였다. 입자가 클수록 혼합가능 한 텅스텐 분말의 최대 중량비가 증가한다.
• 음향임피던스가 2〜17 Mrayl인 정합재 혼합물을 개발하였다. 음향임피 던스가 3~14 Mrayl인 후면재 혼합물을 개발하였다. 표 1은 개발된 정합층 재료의 한 예를 보여준다.
• 초음파 감쇄(속도)가 최대(최소)가 되는 혼합비가 존재한다. 음향임피던스가 2〜17 Mrayl인 정합재 혼합물을 개발하였다. 음향임피 던스가 3~14 Mrayl인 후면재 혼합물을 개발하였다.
• 초음파 감쇄(속도)가 최대(최소)가 되는 혼합비가 존재한다. 음향임피던스가 2〜17 Mrayl인 정합재 혼합물을 개발하였다. 음향임피 던스가 3~14 Mrayl인 후면재 혼합물을 개발하였다.
• 음향임피던스가 2〜17 Mrayl인 정합재 혼합물을 개발하였다. 음향임피 던스가 3~14 Mrayl인 후면재 혼합물을 개발하였다. 표 1은 개발된 정합층 재료의 한 예를 보여준다.

대상 데이터

• 0μm의 다양한 크기를 가지는 텅스텐카바이드 분말이 사용되었다. 또한 후면재를 위하여 감쇄와 흡수율이 높은 8종류의 에폭시 및 우레탄 수지와 입자크기가 서로 다른 텅스텐(25μm)과 텅스텐 카바이드(0.55~20.0μm) 파우더를 혼합하여 시편들을 제조하였다. 입자가 클수록 혼합가능 한 텅스텐 분말의 최대 중량비가 증가한다.
• 일반용 탐촉자는 0.17 Zc의 우면재, 0.51 Zc의 전면부하 실효임피던스, 0.27 Zc의 정합층으로 구성되었고, 16uH 용량의 인덕터가 부가되었다. 고분해능용 탐촉자에는 인덕터가 부가되지 않았으며, 0.
• 일반용 탐촉자는 0.17 Zc의 후면재, 0.51 Zc의 전면 부하 실효임피던스, 0.27 Zc의 정합층으로 구성되었고, 16uH 용량의 인덕터가 부가되었다.
• 5인치인 미국 Keramos사의 K-81(PM)을 압전소자로 사용하였己. 전면부하로 임피던스 3.2Mrayl 인 루사이트를 채택하였다.
• 초음파탐촉자의 용도에 따라 정합재와 후면재에는 각기 최적의 임피던스가 요구된다. 정합재의 제작에는 에폭시수지로 araldite 509외 9종이 사용되었고, 0.55~20.0μm의 다양한 크기를 가지는 텅스텐카바이드 분말이 사용되었다. 또한 후면재를 위하여 감쇄와 흡수율이 높은 8종류의 에폭시 및 우레탄 수지와 입자크기가 서로 다른 텅스텐(25μm)과 텅스텐 카바이드(0.
• 초음파탐촉자의 용도에 따라 정합재와 후면재에는 각기 최적의 임피던스가 요구된다. 정합재의 제작에는 에폭시수지로 araldite 509외 9종이 사용되었고, 0.55~20.0μm의 다양한 크기를 가지는 텅스텐카바이드 분말이 사용되었다. 또한 후면재를 위하여 감쇄와 흡수율이 높은 8종류의 에폭시 및 우레탄 수지와 입자크기가 서로 다른 텅스텐(25μm)과 텅스텐 카바이드(0.
• 탐촉자 시작품의 제작에는 중심주파수 2.0MHz, 음향 임피던스 19Mrayl, 직경이 0.5인치인 미국 Keramos사의 K-81(PM)을 압전소자로 사용하였己. 전면부하로 임피던스 3.
• 탐촉자 시작품의 제작에는 중심주파수 2.0MHz, 음향 임피던스 19Mrayl, 직경이 0.5인치인 미국 Keramos사의 K-81(PM)을 압전소자로 사용하였다.

성능/효과

• 1) 광대역 초음파 탐촉자에는 인덕터를 부가하지 않는다. 2) 광대역 초음파탐촉자의 경우, 감도는 후면층의 임피던스가 낮을수록, 전면 부하의 실효 임피던스가 높을수록 커진다. 또한 분해능은 전후면 부하의 실효임피던스가 높을수록 좋아진다.
• 전체적으로 후면재와 전면 재의 임피던스가 높을수록 좋은 성능을 나타낸다. 3) PM 탐촉자의 제조공정을 완성하고 시작품을 제작하여 성능시험을 수행한 결과, KLM 모델에 의한 전기음향 특성의 예측이 정확함을 보았다.
• 또한 분해능은 전후면 부하의 실효임피던스가 높을수록 좋아진다. 전체적으로 후면재와 전면 재의 임피던스가 높을수록 좋은 성능을 나타낸다. 3) PM 탐촉자의 제조공정을 완성하고 시작품을 제작하여 성능시험을 수행한 결과, KLM 모델에 의한 전기음향 특성의 예측이 정확함을 보았다.
• 또한 분해능은 전후면 부하의 실효임피던스가 높을수록 좋아진다. 전체적으로 후면재와 전면 재의 임피던스가 높을수록 좋은 성능을 나타낸다. 3) PM 탐촉자의 제조공정을 완성하고 시작품을 제작하여 성능시험을 수행한 결과, KLM 모델에 의한 전기음향 특성의 예측이 정확함을 보았다.
• 그림 8에서는 고분해능용 탐촉자에 대한 결과를 보여주고 있는데, 여기서도 예측과 결과간의 좋은 일치를 볼 수 있다. 특히 고분해능용 탐촉자는 일반형 탐촉자에 비해 분해능이 ・2.3배 개선 되었고, 감도는 15 dB 감소하였음을 알 수 있다.
• 그림 8에서는 고분해능용 탐촉자에 대한 결과를 보여주고 있는데, 여기서도 예측과 결과간의 좋은 일치를 볼 수 있다. 특히 고분해능용 탐촉자는 일반형 탐촉자에 비해 분해능이 ・2.3배 개선 되었고, 감도는 15 dB 감소하였음을 알 수 있다.

후속연구

• 표 1은 개발된 정합층 재료의 한 예를 보여준다. 한편 후면재로 사용될 높은 임피던스와 감쇄를 가지는 재질을 확보하는 데에는 한계가 있었다. 실제 탐촉자의 제작에서는 이러한 어려움 때문에, 임피던스와 감쇄를 고려하여 수치해석의 결과에 따른 최적의 조건에 가장 근접하는 재질을 사용하였다.

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이 논문을 인용한 문헌

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