CNT-PDMS와 Fabry-Perot etalon을 이용한 광학 고주파 초음파 변환기

Abstract

초음파는 사람이 우리가 들을 수 있는 음파의 범주를 뛰어넘는 영역이며, 인체에 무해하다는 특징을 가지고 있다. 상업적으로는 주로 감지기로 많이 활용하고 있으며, 소자를 세척하는 용도로 사용하고 있다. 이 논문에서는 빛을 이용해서 초음파를 발생하고 감지하는 기술에 대해 소개할 것이다. 우선, 초음파를 발생시키는 위해서 빛을 흡수하여 초음파로 변환시켜야 한다. 대표적인 물질로는 Cr, gold nanoparticle, a carbon nanotube (CNT)-polydimethylsiloxane (PDMS) composite film 등이 있다. 이들을 측정하였을 때, CNT-PDMS 구성물이 다른 물질에 비해 빛에 대해 매우 높은 흡수율(~95%)을 나타내었으며, 높은 열팽창계수와 변환효율에 따른 강한 세기의 초음파가 발생하였다. 초음파를 감지하기 위해 SiO2/TiO2 distributed Bragg reflectors(DBRs)와 an SU-8 resonator를 통합한 etalon film을 개발하였다. 빛의 공명되는 부근의 가장 감도 높은 경사를 이용해서 초음파를 감지하는 기술이다. DBR을 이용한 목적은 그 두께에 따라 반사율을 조절할 수 있으며, 감지부근의 반사율만 높일 수 있다는 장점이 있다. 앞서 설명한 감지기와 측정기 모두를 갖춘 all-optical HFUS(high frequency ultrasound)를 개발하였다. 서로 다른 두 가지 구성(forward and backward operation mode)으로 광학적이고 음향적인 특성들을 조사하였다. backward mode에서 최대 진폭은 forward mode보다 거의 두 배 정도 높았다. 그 차이는 forward mode에서 DBRs의 증가한 반사율과 펄스 레이저가 소자를 거치면서 발생한 흡수 및 산란이 기인한 것으로 예상된다. 변환기로부터 나타난 pulse echo는 27MHz의 넓은 주파수 대역을 나타났다. 게다가 2차원으로 확장한 형태의 초음파 감지도 가능하다는 것을 0.1 × 0.2mm2 영역에서 측정을 통해 증명할 수 있었다. 이번 실험에서 제안하는 초음파 변환기는 고해상도 초음파 이미징 시스템에 유망한 후보임을 보여준다.