압전재에 교류전류를 통전시키면 압전재가 압축과 희박을 반복하여 기계적인 진동이 일어나 초음파가 발생하는 원리는?

1 진동 효과
2 극성 효과
3 역압전 효과 ✓ 정답
4 전자기 효과
5 유도전류 효과

해설

초음파의 발생 원리

•역압전 효과: 압전재에 교류전류를 통전시키면 압전재가 압축과 희박을 반복하여 기계적인 진동이 일어나 초음파가 발생하는 현상

•압전 효과: 물체에 힘을 가하여 수축 및 팽창이 발생하는 순간에 전기 신호가 발생

•강도를 표시하는 단위: watt/cm²

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초음파 발생 원리는 압전재(piezoelectric material)에 전기장을 가했을 때 기계적 변형이 생기는 역압전 효과(reverse piezoelectric effect)로 설명됩니다. 압전재에 교류전류(alternating current)를 통전시키면 전류의 극성이 주기적으로 바뀌면서 압전재가 빠르게 압축과 희박을 반복하게 되고, 이 기계적 진동이 매질로 전파되어 초음파가 발생합니다.

압전재에 교류전류를 흘려주면 전기적 신호가 기계적 진동으로 변환되는데, 이것이 바로 역압전 효과입니다. 반대로 압전재에 외부에서 힘을 가해 수축이나 팽창이 일어나는 순간 전기 신호가 발생하는 현상은 압전 효과(piezoelectric effect)라고 하며, 초음파 영상에서 반사된 에코(echo)를 수신할 때 이용됩니다. 즉, 초음파 치료기나 진단용 탐촉자(transducer)는 핵심! 역압전 효과로 초음파를 송신하고, 압전 효과로 반사파를 수신합니다.

근거 자료에서도 압전재의 성능을 높이기 위한 교류 분극(alternating current poling, ACP) 연구가 소개되는데, 이는 압전 단결정이나 세라믹에 교류 전기장을 가해 압전 특성과 유전 특성을 향상시키는 공정입니다. 예를 들어 PMN-0.30PT 단결정에 ACP를 적용했을 때 9690의 높은 유전율과 2920 pC/N의 압전 계수(d33)가 보고되었습니다^[2]. 압전 계수는 전기장에 대한 기계적 변형의 효율을 나타내므로, 값이 클수록 같은 전기 신호로 더 큰 진동, 즉 더 효율적인 초음파 발생이 가능합니다.

혼동 주의! 보기 중 '진동 효과'는 초음파가 매질에 전달된 결과로 나타나는 현상이지 발생 원리 자체를 가리키는 용어가 아닙니다. '극성 효과'나 '전자기 효과', '유도전류 효과'는 압전재의 초음파 발생 기전과 직접적인 관련이 없습니다. 초음파 강도는 단위면적당 출력인 watt/cm²로 표시하며, 이는 발생 원리와 별개로 치료 용량을 설정할 때 사용하는 단위입니다.

참고 문헌 (논문 출처)

[2]
Enhanced Properties of 3-MHz Sliver-Mode Vibrators for Cardiac Probes With Alternating Current Poling for Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 Single Crystals.일반논문Sun Y, Ota Y, Fujii T, Yamashita Y, Kim HP, Wan H (2022) · DOI: 10.1109/TUFFC.2022.3199741

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