의료 영상 물리학 Ch. 3 초음파의 발생과 응용.

Presentation on theme: "의료 영상 물리학 Ch. 3 초음파의 발생과 응용."— Presentation transcript:

1 의료 영상 물리학 Ch. 3 초음파의 발생과 응용

2 1. 압전효과 [1] 압전효과 (압력을 인가하여 전기를 생산) 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 (압전효과)
전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 (역압전효과)

3 Cf, 초전효과(pyroelectric effect)
압전효과를 가지는 일부 결정(Crystal) 냉각시키거나 가열하면 분극이 발생

4 물질의 상변이 온도 2. 큐리온도(Curie temp) -강자성체 또는 강유전체
강유전체(Ferroelectrics)에서 상유전체(Paraelectics)상태로 변하거나 그 반대로 변하는 전이온도 -자석같은 강자성체를 퀴리온도 이상으로 가열하면 자석으로서의 성질을 잃는다. -명칭은 발견자인 프랑스의 물리학자 피에르 큐리 자석의 재료가 되는 물질을 조절하면 퀴리 온도를 어느 정도 바꿀 수 있다. 물질의 상변이 온도 초음파 트랜스듀서를 소독하기 위해 증기멸균기에 넣어 큐리온도 이상으로 가열하면 압전특성을 잃음

5 [2] 압전성의 발견 1880 Currie형제 : 압전성을 발견(水晶, 로셀염 등의 단결정) *단결정 양산성이 떨어지고 임의의 형상으로 제조가 곤란 미, 일, 소 : BaTiO3발견 1946 Hippel, Roverts : BaTiO3 세라믹스에 직류고전계를 가해 압전성을 발견 (단결정에서 다결정까지 확장) 1955 미 NBS사의 Jaffe : Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)의 압전성을 발표

6 [3] 분극 재료가 압전성을 갖기 위해 재료내에 무질서하게 배열되어 있는
전기 쌍극자를 직류 고전압을 인가하여 쌍극자의 +,– 극을 분리하여 +극은 고압의 음극방향, – 극은 고압의 양극방향으로 향하게 함.

7 (a) 소결후 압전체 내부의 자발분극 방향은 무질서하게 배열되어 있다.
(b) 양면에 전극을 도포한 후 강한 직류전계 (약 3kV/mm)를 가하면 재료내의 양이온 및 음이온은 +, – 전계에 의해 방향성을 가지고 배열됨 이러한 과정을 분극과정이라 함. (c) 전계를 제거하여도 분극된 상태는 유지됨. 이를 잔류분극이라 함.

8 (a) 전압을 걸지 않은상태 V=0 (b) 전압을 인가하면 양이온 및 음이온이 미약하게 이동하여 분극이 되면서 재료의 길이는 늘어남. 그러나 늘어나는 정도는 육안으로 식별할 수 없을 정도임. (c) 이때 전압에 따른 늘어난 길이를 표시

9 [4] 분극과정에서의 Hysteresis (Ferroelectric 재료일 경우)
 자발분극의 방향  방향의 분극이 급격히  방향으로 전환 잔류분극 – + 방향의 분극이 급격히 방향으로 전환  분극후 전계를 제거하여도 (0V) 재료는 분극된 상태를 유지함 이를 잔류분극이라함

10

11 잔류분극   전계를 더 이상 높여도 P는 거의 일정 (포화) 재료를 처음 분극할 때의 curve. 즉 무질서하게 배열된 쌍극자가 전압이 서서히 증가함에 따라 한 방향(  방향) 으로 정열되기 시작함 항전계; 잔류분극을 zero로 돌리기위해 필요한 전계 쌍극자가 무질서하게 배열된 상태 한번 분극이 되면 전계로써 처음상태로 되돌릴 수 없음 단 Curie 온도 이상으로 가열하면 다시 무질서해짐   전계 인가에 따른 재료의 Strain, 즉 치수변화그래프 길이가 늘어남 전계를 제거해도 길이가 늘어난 상태를 유지함. 즉 분극이 된 상태를 유지함. 메모리 소자로 응용됨

12 3. 진동 모드와 공진주파수 압전체의 형태 두께에 의해 결정 전기에너지 기계에너지 (진동)

13 4. Q-factor 음파의 순수성 지속되는 시간의 길이 High Q - 순수음, 발신효율 LOW Q - 넓은 밴드, 수신효율

14

15

16 < 진동 mode > 전기축에 직각 방향으로 신축 (length expansion, LE)
전기축에 평행 방향으로 신축 (thickness expansion, TE) 전기축에 직각인 면 내의 비틀려짐(face shear, FS) 전기축에 평행한 면 내의 비틀려짐(Thickness shear,TS) (b) 봉의 종효과 (a) 봉의 횡효과 (c) 원판의 넓이 진동 (d) 두께 미끄러짐 진동

17 압전체의 형태에 따른 진동모드 진동모드에 따른 진동주파수범위

18 공진을 일으킬때의 압전세라믹스 등가회로 재료가 가지고 있는 저항성분R, 리액턴스성분L, 정전용량성분 C가
병렬로 연결된 공진회로 공진주파수(fr : Resonance Frequency) Impedance가 최소인 지점의 주파수 반공진주파수 (fa : Anti-Resonance Frequency) Impedance가 최대인 지점의 주파수

19 ex) k = 0.6일 경우 60%의 변환효율 (cf : b = 0.574
전기기계 결합 계수 (Electro-mechanical Coupling Factor) 압전체에 가해진 입력 에너지 중 압전효과에 의해 전기에너지가 기계에너지로 혹은 그 반대로 변환된 에너지비율(효율), 양적인 개념 ex) k = 0.6일 경우 60%의 변환효율 if 경방향 진동, a = 0.395 b = 0.574 (cf : fr: 반공진주파수 fa: 공진주파수 기계적 품질계수 (Mechanical Quality Factor) 전기 혹은 기계적 에너지로의 변환이 얼마나 충실하게 되었나. 질적인 개념

20 [5] 압전 세라믹 재료 압전세라믹스의 장점 (단결정과 비교)  양산성에 있어서 값싸게 제조  임의의 형상을 만들 수 있다  분극 방향을 임의로 조정할 수 있다  물리적, 화학적으로 안정하다  가공이 용이하다

21 [6] 압전세라믹스의 응용 진동을 전기로 바꾸는 세라믹스(압전직접효과) 전기를 진동으로 바꾸는 세라믹스(압전역효과) 초음파를 송수신하는 세라믹스 공진을 이용한 세라믹발진자 공진을 이용한 세라믹필터 기타 : 압전트랜스 등

22 (1) 진동을 전기로 바꾸는 세라믹스(압전 직접 효과)
• 압전 착화 소자 • 세라믹스 픽업 • 세라믹 압전 송화기

23 압전 착화 소자: 소자에 기계적 충격을 가하여 수만 volt의 전압을
생성시키는 소자. 가스레인지, 가스라이터 등 기계적에너지 전기적에너지

24 [2] 전기를 진동으로 바꾸는 세라믹스(압전역효과)
• 압전부자 (buzzer): 전자시계, 세탁기, 전자레인지 등 신호음 • 압전스피커: IC와 연결, 각종 멜로디 재생. 멜로디카드 등 • 압전수화기: 전자식 전화기 대체용

25 (3) 초음파를 송수신하는 세라믹스 1. 공기중 초음파 송수파 • Back sonar: 자동차 후방 장애물 감지용 • 침입자 경보기: 도난경보기용. 도플러효과에의해 움직이는 물체 감지

26 2. 수중 초음파 송수파 • 어군 탐지기 • 수평 혹은 수직 Sonar 3. 초음파 진단장치 및 비파괴검사 •사람의 신체 내부를 절개하지 않고 볼 수 있음 •화상이 선명하지 못한 단점 •기계 및 건축물 비파괴 안전검사

27 4. 초음파 파워진동자 • 초음파 가공기 • 초음파 세척기 • 가습기 5. 공진을 이용한 세라믹 발진자 • 전자시계용 압전 발진자 • 압전 세라믹 발진자

28 (5) 공진을 이용한 세라믹 필터 • 세라믹 필터 A단을 진동 =>B단으로전달 AM라디오용 중간주파필터 FM라디오용 중간주파필터 • 표면파 필터 (SAW)

29 공진시의 주파수-임피던스 특성 임피던스 주파수 455kHz용 압전세라믹 filter의 주파수 filtering 특성
제1반공진주파수 제2반공진주파수 제2공진주파수 제1공진주파수 455kHz용 압전세라믹 filter의 주파수 filtering 특성 공진시의 주파수-임피던스 특성

30 (6) 기타  압전 트랜스: 압전소자와 세라믹 필터의 중간적 존재(양자 기능의 합)  기타 : 지진예보, 열차의 번호판별 (if 열차가 고유주파수의 초음파 발생)

31 < 압전트랜스 원리 >  반분은 두께 진동방향에, 다른 반분은 길이방향의 단면에 교류 전극을 가함
< 압전트랜스 원리 >  반분은 두께 진동방향에, 다른 반분은 길이방향의 단면에 교류 전극을 가함 (두께 방향 전극부 : 구동부(1차), 길이방향 전극부 : 발전부(2차) 교류 공진주파수 (l 과 l 로 조정)의 입력전압 V 을 구동부에 인가 길이 방향으로 기계적 진동 발전부에 전하 발생 V 얻음 (전기 energy 기계 energy 전기 energy)  ( 용도 ) : TV용 고압전원, 정전도장 용, Notebook Back Light용 ( 특징 ) :  소형임  전선 코일이 불필요  동작이 자기적이 아님 자기장이 발생되지 않는다

32 Actuator: 미소거리 변환소자 Bimorph형: 두 장의 압전세라믹스를 붙여 놓은 상태
많은 변위를 얻을 수 있으나 변위의 힘이 약하다

33 5. 탐촉자의 구조 흠음층(Damping layer = backing material)
● 펄스 발생 후 트랜스듀서의 진동을 빠르게 억제하는 기능을 수행 ● 공명으로 인한 후방음을 흡수하여 간섭 배제 ● Epoxy, tungsten, rubber poweder ● 거리분해능 개선 효과 ● 흡음층의 음향 임피던스는 압전물질의 임피던스와 거의 유사 ● 흡음층 두께가 두꺼우면 시스템 효율과 강도가 감소

34 3-6절 skip 임피던스 결합층(impedance matching layer)
● 매우 미약한 반사신호를 감지하기 위한 능력을 감도라 하는데, 트랜스듀서들은 이를 향상시키기 위하여, ● 또, 이 층들은 트랜스듀서와 생체조직의 경계로부터 발생되는 반사를 제거하는 역할을 담당. ● 결합층의 임피던스는 트랜스듀서 임피던스와 연부조직 임피던스의 중간값을 갖는다. ● 또한 이 층의 두께는 초음파 파장의 1/4과 정확히 일치하여야 한다. 이 조건을 만족하면 초음파는 연부조직과 트랜스듀서 사이에서 반사되지 않는다. 3-6절 skip

35 6. 탐촉자의 구조 차주 탐촉자의 구조와 주사방법에 대하여