• 한국음향학회지
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• 제39권2호
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• pp.87-97
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• 2020

본 논문에서는 공기 중 광대역 초음파 방사용 압전 박막 기반 초소형 초음파 트랜스듀서(piezoelectric Micro-machined Ultrasonic Transducer, pMUT)의 설계 연구가 진행되었다. 하나의 트랜스듀서로 광대역을 달성하는 방법 중 하나는 다공진 시스템으로 설계하는 것이다. 새로운 pMUT은 박막 구조의 앞면과 뒷면에 적절한 음향 구조를 추가하여 다공진 시스템을 구현하도록 설계되었다. 박막 앞쪽은 도파관 구조로 모델링된 방사 파트로, 박막 뒷쪽은 음향 공동으로 모델링된 패키징 파트로 이루어져있다. 박막 파트, 방사 파트, 패키징 파트로 구성된 새로운 pMUT은 집중 변수 모델로 설계되었으며, 최종적으로 유한요소해석으로 검증되었다. 최종 설계된 pMUT은 102 kHz ~ 132 kHz (-3 dB)의 주파수 대역을 달성하였다.

• 한국음향학회지
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• 제32권3호
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• pp.191-198
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• 2013

본 논문에서는 광대역 Tonpilz 트랜스듀서를 설계하고, 설계 결과의 타당성을 실험적으로 검증하였다. 광대역 주파수 특성을 이루기 위해서 전면추의 flapping 모드를 트랜스듀서의 종방향 공진 모드와 결합시켰으며, 유한요소 해석과 유전자 알고리즘을 이용하여 주어진 설계조건, 구동조건 하에서 가장 넓은 송신 비대역폭(fractional bandwidth)을 확보할 수 있는 트랜스듀서의 최적 구조를 설정하였다. 최적화된 구조는 단일모드 트랜스듀서에 비해 월등히 넓은 -6 dB 송신 비대역폭을 나타내었다. 설계 결과의 타당성을 검증하기 위하여 도출된 최적 구조대로 트랜스듀서 시험편을 제작하여 주파수 특성을 측정하였으며, 측정결과는 설계 결과와 잘 일치하였다.

• 한국음향학회지
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• 제40권1호
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• pp.10-17
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• 2021

심벌 트랜스듀서는 Class V flextensional 트랜스듀서의 소형화된 버전으로서 크기에 비해 낮은 공진 주파수와 고출력 특성을 가진다. 하지만, 높은 품질계수와 낮은 에너지 변환 효율성 때문에 단일보다는 배열형으로 많이 사용된다. 배열형으로 사용하면 구성 트랜스듀서들 간의 상호작용으로 인해 단일 트랜스듀서에 비해 주파수 특성에 많은 변화가 나타난다. 본 연구에서는 이러한 성질을 이용하여 심벌 어레이가 광대역 특성을 가지게 하는 패턴을 설계하였다. 특정 중심 주파수를 가지는 세 개의 심벌 트랜스듀서를 먼저 설계하였고, 설계된 심벌 트랜스듀서들로 3 × 3 평면 배열을 구성할 수 있는 모든 패턴을 찾았다. 그 후, 이들 패턴들의 주파수 특성을 분석하고, 그 결과를 바탕으로 높은 비대역폭을 구현하기 위해 가장 효과적인 배열 패턴을 도출하였다. 도출된 배열 패턴은 기준 모델에 비해 비대역폭이 최대 24.9 % 개선되었다.

• 한국음향학회지
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• 제39권3호
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• pp.170-178
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• 2020

심벌 트랜스듀서는 높은 품질계수와 낮은 에너지 변환 효율성을 가지기 때문에 단일보다는 배열형으로 많이 사용된다. 단, 배열형으로 사용하면 구성 트랜스듀서들 간의 상호작용으로 인해 주파수 특성에 많은 변화가 나타난다. 본 연구에서는 이러한 성질을 이용하여 초광대역 특성을 가지는 배열형 심벌 트랜스듀서의 구조를 설계하였다. 먼저, 특정 중심 주파수를 가지는 심벌 트랜스듀서를 설계하였다. 그리고 설계된 심벌 트랜스듀서들로 2×2 평면 배열을 구성하는데, 구성 트랜스듀서들이 모두 동일하거나 엇갈리는 분극 방향을 가지도록 하였다. 이 배열구조에 대해서 구성 트랜스듀서들 간의 중심 주파수 차이와 트랜스듀서들 중심과 중심 간의 간격이 전체 배열 구조의 음향특성에 미치는 영향을 분석하였다. 이 결과를 바탕으로 비대역폭이 최대가 되는 배열형 심벌 트랜스듀서의 구조를 도출하였다.

• 한국음향학회지
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• 제33권2호
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• pp.94-101
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• 2014

본 연구에서는 수중 음향 트랜스듀서의 주파수 광대역화를 위해서 중공형 전면추를 가진 Tonpilz 트랜스듀서를 제안하였다. 트랜스듀서의 특성에 미치는 설계변수들의 영향을 분석하고, 그 결과에 따라 Tonpilz 트랜스듀서의 최적구조를 설계하였다. 나아가 시편의 제작 및 특성 측정을 통하여 설계 결과의 타당성을 검증하였다. 설계된 트랜스듀서는 단일모드 트랜스듀서에 비해 월등히 넓은 131 %의 -6 dB 비대역폭을 나타내었으며, 해석 결과와 측정 결과가 잘 일치하는 것으로 확인되었다.

• 한국음향학회지
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• 제17권2호
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• pp.56-62
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• 1998

전기-기계변환효율이 좋은 PZT를 송신용으로, 대역특성이 우수한 PVDF를 수신용 으로한 PZT/PVDF 복합구조 수중초음파 트랜스듀서를 제안하고, 외부는 PZT, 내부는 PVDF로 된 동심원형의 트랜스듀서를 설계·제작하여, 그 특성을 이론적, 실험적으로 파악 하였다. 삽입손실과 임펄스 응답파형에 대한 등가회로해석 및 측정결과로부터 제안한 트랜 스듀서의 특성, 특히, 대역폭이 종래의 PZT 단일소자에 의한 트랜스듀서보다 향상될 수 있 음을 알았다.

• 비파괴검사학회지
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• 제32권5호
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• pp.585-596
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• 2012

PVDF와 P(VDF-TrFE)로 대별되는 압전고분자는 종래의 대표적인 압전재료인 PZT에 비해 전기음향변환효율이 떨어지며 내부손실이 큰 단점은 있으나, 음향임피던스가 물 또는 생체와 비슷하고 수신효율이 우수하며 광대역 특성을 나타내는 등의 장점을 가진 재료이다. 또한 다른 압전재료에 비해 얇은 막으로의 제작이 쉽고, 그 막은 유연하므로 복잡한 곡면을 갖는 고주파 초음파 트랜스듀서 재료로 유용하다. 그러한 특성은 생의학적 응용에 적합한바, 다양한 형태의 초음파 트랜스듀서가 연구 개발되어져 왔다. 본 논문에서는 먼저, 압전고분자막을 이용하여 초음파 트랜스듀서를 설계 제작하는데 있어서 고려해야할 몇 가지 주요사항을 기술하고, KLM 모델을 사용한 해석을 통하여 그 고려사항들이 트랜스듀서의 동작에 미치는 영향을 파악하였다. 다음으로, 의학적 또는 생물학적 응용을 목적으로 초음파 영상을 얻고 있는 몇몇 주요 응용분야에서 사용되는 압전고분자 트랜스듀서의 구조와 그것을 이용하여 얻은 영상의 특징에 대하여 간략히 해설하였다.

• 한국음향학회지
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• 제41권3호
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• pp.278-286
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• 2022

본 연구에서는 압전세라믹 기반의 상용 Free-Flooded Ring(FFR) 트랜스듀서 대비 소형이면서 저주파 고감도 특성을 확보하기 위해, 높은 압전상수와 전기-기계 결합계수를 가지는 압전단결정 PIN-PMN-PT를 적용한 33-모드 FFR 트랜스듀서를 설계하였다. FFR 트랜스듀서의 광대역 특성을 확보하기 위해 비능동소자를 삽입한 링 구조를 적용하였으며, 3종의 비능동소자 소재 별 특성 해석 결과를 비교하여 최적의 소재를 선정하였다. 링 트랜스듀서의 특성 변화를 최소화하기 위해 오일 충진형 FFR 트랜스듀서로 제작하였으며, 음향시험을 통해 송신감도, 수중 임피던스 및 수평/수직 빔패턴이 해석결과와 잘 일치하는지 확인하였다. 해석 및 시험 결과를 비교한 결과, 송신감도는 공동공진 주파수에서 약 1.3 dB, 구조공진 주파수에서는 약 0.3 dB 차이를 보였다. 또한 상용 트랜스듀서 대비 높은 송신감도를 보유하면서도 직경을 약 17 % 축소하여 제작할 수 있었다. 이를 통해 소형이면서 고출력 특성을 가지는 압전단결정적용 FFR 트랜스듀서의 구현 가능성과 해석을 통한 특성 예측 방법의 유효성을 확인하였다.

• 한국음향학회지
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• 제38권2호
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• pp.184-192
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• 2019

33-모드 링은 31-모드 링에 비하여 결합상수와 압전상수 d가 높기 때문에 광대역 수중 음향 트랜스듀서로 활용성이 높다. 반면 31-모드 링은 축대칭 구조이므로 수치해석 수행시 2차원 축대칭 모델로 간략히 해석이 가능하지만, 33-모드 링은 3차원 수치해석을 수행해야 한다. 즉, 특성 예측을 위해 많은 전산자원과 계산시간이 소요된다. 따라서 33-모드 링의 전기-기계-음향 응답을 모사할 수 있는 등가의 31-모드 링의 유효 물성을 도출할 수 있다면 소나 트랜스듀서 설계 등에 실용적일 것이다. 본 연구에서는 응답 특성을 모사하기 위해 각 링의 전기, 기계 임피던스 및 변환계수(${\phi}$)가 동일하다고 가정하여 등가 31-모드 링의 유효 밀도(${\rho}_{31_{-}eff}$), 컴플라이언스($s^E_{11_{-}eff}$), 압전 상수($d_{31_{-}eff}$), 유전 상수(${\varepsilon}^T_{33_{-}eff}$)를 유도했다. 도출한 유효 물성을 이용하여 진공상태의 링, 수중에서 공기 배킹의 링, 그리고 수중에서 링 내부에 자유롭게 유체가 드나드는 링에 대하여 수치해석을 하였고 이를 33-모드 링의 응답특성과 비교하였다.

• 한국음향학회지
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• 제30권7호
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• pp.368-376
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• 2011

압전복합체는 낮은 음향 임피던스와 높은 전기-기계 결합계수를 가지는 장점으로 인해 광대역 음향 트랜스듀서의 개발에 널리 활용되고 있으나, 구조의 복잡성으로 인해 이를 이용한 각종 트랜스듀서의 설계에 많은 제약이 있어왔다. 본 논문에서는 1-3형 압전복합체의 등가물성을 도출하여, 압전복합체와 동일한 특성을 가지는 균질한 단일 상의 물질로 대체하는 방법을 제안하였다. 압전복합체의 다양한 진동모드에서의 공진특성을 정확히 나타낼 수 있는 등가물성 도출을 위해 공진법과 유한 요소 해석법을 이용하였다. 제작한 1-3형 압전복합체 시편과 유한요소해석 모델의 주파수 특성을 비교하여 본 논문의 등가물성도출 방법의 타당성을 검증하였으며, 등가물성을 각 공진 모드별 단일상의 유한요소 해석 모델들에 적용하여 도출한 물성값의 정확성을 분석하였다.