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中小企業部品 素材共同技術開發事業 最終報告書ㆍ

단결정을 이용한의료용 초음파PMN-PT

개발Array Probe

년 월 일2004 2 27

주 관 기 업 주식회사 휴먼스캔

공동개발기업 주식회사 메디슨

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제 출 문

산업자원부장관 귀하

본 보고서를 단결정을 이용한 의료용 초음파 개발 에 관한PMN-PT Array Probe

중소기업 부품 소재 공동기술개발사업 개발 기간 년 월 일( : 2001 7 1ㆍ ~ 년2003 11

월 일 의 최종 보고서로 제출 합니다30 ) .

년 월 일2003 2 27

주 관 기 업 : 주식회사 휴먼스캔

과제 책임자 : 이 상 구

공동개발기업 : 주식회사 메디슨

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요 약 서 초 록( )과 제 명 단결정을 이용한 의료용 초음파PMN-PT Array Probe

주 관 기 업 주 휴먼스캔( )주관기업

과제책임자이 상 구

개 발 기 간 월2001. 7. 1.~2003. 11. 30. (29 )

총개발사업비

천원( )

정부출연금 천원426,192총개발

사업비천원863,762

기업부담금현금 천원112,505

현물 천원325,065

공동개발기업 주식회사 메디슨

위탁연구기관

주요기술용어

개(6~10 )

압전단결정 초음파 변환기 대역폭 초음파 영상PMN-PT , PZT, , ,

진단장치 음향정합층 후면층, ,기술개발목표1.

가 최종목표.

차원 영상 진단기용 압전 단결정을 이용한 차원 배열 변환기의 제조3 PMN-PT 2

나 차년도 개발목표. 1

압전 단결정의 성능평가와 이를 이용한 심장용 차원 배열 초음파 변환PMN-PT l

기를 제작

다 차년도 개발목표. 2

실시간 차원 이미지용 압전 단결정을 이용한 차원 배열 변환기 제작3 PMN-PT 2

기술개발의 목적 및 중요성2.

가 목적.

초음파 영상진단장치는 의료영상 진단기기 중 단일품목으로 세계시장 규모가 가

장 크고 재료나 소자의 원천기술에 대한 의존도가 상대적으로 낮아 우리나라의,

향후 고부가가치의 전략 산업으로 매우 적합한 분야이다 이러한 초음파 영상진.

단기의 영상품질을 좌우하는 핵심부품이 초음파 변환기 일명 초음파 프로브 혹(

은 탐촉자 이다 따라서 영상진단기의 해상도를 가장 직접적으로 빠르게 향상시) . ,

키기 위한 광대역 초음파 변환기와 실시간 업체 영상을 위한 다차원 초음파 변

환기의 개발이 초음파영상진단기 사업에 있어서 가장 필수적이라고 할 수 있다.

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나 중요성.

기존의 재료 및 제조기술을 이용한 초음파 변환기는 압전 재료 및 제조공정의

한계점을 지니고 있어 영상진단기의 감도 및 해상도를 개선하는데 한계가 있다.

새로운 물질로 떠오르고 있는 압전 단결정을 이용한 의료용 초음파 변PMN-PT

환기는 기존 변환기에 비하여 변환기 특성이 우수하여 수입에 의존하고 있PZT

는 심장용 초음파영상진단기의 국산화 개발 촉진 및 관련 초음파 영상진단장치

의 성능 개선의 효과를 기대할 수 있을 뿐 아니라 단결정 제조기술과 이를 응용

하여 부품을 제조하는 기술은 국내소재개발과 이를 응용한 부품개발기술에도 큰

파급효과가 기대된다.

기술개발의 내용 및 범위3.

가 심장용 차원 배열 초음파 변환기. 1

개발내용(2)

가 압전 단결정 물성 평가( ) PMN-PT

나 단결정을 이용한 심장용 제작( ) PMN-PT 2.6 MHz Phased Array

다 단결정을 이용한 차원 배열 변환기의 상용화( ) PMN-PT 1

성능평가(2)

가 변환기에 비해 해상도를 나타내는 는 가 약( ) PZT bandwidth -6dB bandwidth

가 약 정도 우수함40%, -20dB bandwidth 25% .

나 화면의 밝기를 결정하는 는 약 이상 큰 것으로 나타났( ) loop sensitivity 10dB

고 이는 기존 변환기 보다 배 이상 탁월함PZT 5 .

나 차원 배열 초음파 변환기. 2

개발내용(1)

가 개발( ) Electrical connection method

나 고유전율 고압전 계수 재료 개발( ) ,

다 차원 배열 변환기 제작( ) 2

성능평가(2)

가 기존 정도의 감도와 대역폭을 가짐으로서 보다 밝고 선명한 이미( ) ID array

지의 영상을 얻을 수 있음3D

나 기존 변환기 보다 작은 크기이여서 다루기 쉽고 완전한 실( ) mechanical 3D

시간 영상을 보여 줌으로서 한 단계 진보한 영상을 구연할 수 있음3D

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기술개발 결과4.

가 발표현황.

(I) Medica 2001, November 21-24, Dusseldorf, Germany.

공동개발기업인 메디슨과 공동 참가 세계 최초로 압전 단결정을 이용, PMN-PT

한 심장용 초음파 전시Phased array

발표 및 제품전시(2) 2002, 2003 IEEE International Ultrasonic Symposium

(3) 2002, 2003 U.S. Navy Workshop on Acoustic Transduction Materials

발표 및 제품 전시and Devices

나 특허 현황.

국내(1)

출원명 신규의 압전 단결정을 이용한 초음파 탐촉자:

출원일 대한민국 호: 2001.11.15, 2001-7093

국외(2)

출원명 : Ultrasonic Probe

출원일 : 2002.10. 1, PCT/KR02/02126

다 인증 현황.

신기술 인증 획득(1) (NT)

단결정을 이용한 의료용 초음파 탐촉자 제조 기술PMN-PT

인증 획득(2) CE (SGS)

Directive 93/42/EEC, Medical Ultrasound Probe

ISO 9002 : 1994, Manufacture of Medical Ultrasound Probe

EN 46002 : 1996

ISO 13488 : 1996, Manufacture of Medical Ultrasound Probe

기대효과5.

가 단결정을 원천소재로 이용한 고성능 고기능 고부가가치 부품 및 시. PMN-PT / /

스템으로의 응용이 본격화될 수 있다.

나 단결정을 이용한 초음파 변환기 제조 기술은 의료용 초음파장치 뿐. PMN-PT

만 아니라 의료장비보다 사용환경이 매우 열악한 어군탐지기 또는 군사용 소나

장비 등 다양한 산업용 초음파 장비에 활용될 수 있다.

다 단결정을 이용한 초음파 변환기 제조기술을 통하여 초음파 영상진. PMN-PT

단기기의 성능향상을 유도하며 이로 인한 선진국으로의 수출 증대 및 핵심부품

의 수입대체 및 역수출 가능하게 된다.

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목 차

제 장 서론1

제 절 배경1

제 절 기술개발 중요성2

기술적 측면1.

경제 산업적 측면2.

제 절 국내외 현황3

국내 현황1.

국외 현황2.

제 절 기술개발 방안4

제 장 기술개발 내용2

제 절 기술개발 목표 및 내용1

최종목표1.

차년도2. 1

차년도3. 2

제 절 개발제품 개요2

심장용 초음파 변환기1.

차원 배열 초음파 변환기2. 2

제 절 제품설계 및 제작 내용3

심장용 초음파 변환기1.

차원 배열 초음파 변환기2. 2

제 절 개발 결과4

발표 현황1.

특허 현황2.

인증 현황3.

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제 장 양산 사업화 추진 내용3

제 절 사업화 추진경과1

제 절 매출 실적 및 향후 년간 계획2 3

매출 실적1.

향후 예상 매출액2.

제 장 결론4

제 절 기대효과1

파급효과1.

수출 및 수입대체 효과2.

제 절 활용계획2

시장 진입 계획1.

문제점 및 해결방안2.

제 장 첨부자료5

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제 장 서론1

제 절 배경1

의료용 초음파 영상 진단기는 초음파의 도플러 효과를 태아진단에 이용한(doppler)

이후로 초음파가 가지고 있는 인체에 무해한 특성과 외과적 수술없이 환자 인체의

내부 상태를 진단할 수 있는 진담의 용이함 시간의 지연이 없는 실시간 진단과 다,

른 영상장비와 비교하여 가격이 저렴하다는 장점으로 인하여 그 수요와 응용은 나

날이 증대되고 있다 또한 삶의 질이 향상되고 노령인구가 증가할수록 정밀한 진단.

을 위한 영상 이미지 개선을 원하는 시장의 요구는 더욱더 강하게 나타나고 있다.

초음파 영상진단기업체는 이러한 시장의 요구에 맞도록 해상도가 뛰어난 제품개발

과 실시간 업체 영상 영상 을 위한 개발에 힘을 쏟고 있는 상황이다(3D ) .

그와 더불어 의료용 초음파 영상진단기의 시장규모가 년 조 규모 억 가 되고, 4 ($30 )

있으며 의료영상 진단기기 중 단일품목으로 세계시장 규모가 가장 크고 재료나 소,

자의 원천기술에 대한 의존도가 상대적으로 낮아 한국이나 개도국이 개발할 수 있

는 여건이 양호한 산업이라고 볼 수 있다 또한 초음파 영상진단기 사업은 고부가.

가치의 첨단 산업으로 국민 보건에 관계되는 분야이므로 대부분의 국가에서 수입

규제 및 수입 관세가 거의 없는 수출 전략 산업으로 꼽히고 있다 따라서 우리나라.

의 향후 전략 산업으로 매우 적합한 분야임에 분명하다.

이러한 초음파 영상진단기의 영상품질을 좌우하는 핵심부품이 초음파 변환기 일명(

초음파 프로브 혹은 탐촉자 이다 따라서 영상진단기의 해상도를 가장 직접적으로) . ,

빠르게 향상시키기 위한 광대역 초음파 변환기와 실시간 업체 영상을 위한 다차원

초음파 변환기의 개발이 영상진단기 사업에 있어서 가장 필수적이라고 할 수 있다.

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제 절 기술개발 중요성2

기술적 측면1.

가 초음파 변환기는 초음파 영상의 질을 결정하는 가장 기본적인 입력장치이므로.

초음파 영상진단장치에서 가장 핵심적인 부품이며 고해상도 프리미엄급의 영상진,

단기를 생산하기 위해 이의 개발은 필수적이다.

나 현재는 넓은 주파수 범위를 가지고 있어 한 개의 초음파 변환기를 이용하여 복.

부와 작은 부위 혈관 동을 모두 진단할 수 있는 제품이 주력으로 떠오르고 있으나,

기존의 압전재료인 세라믹을 이용한 초음파 변환기는 재료 자체의 물성으로PZT

인하여 넓은 주파수 대역을 가지기 힘든 형편이다.

다 또한 기존의 변환기 제조기술을 이용한 초음파 변환기는 압전 재료 및 제조공. ,

정의 한계점을 지니고 있어 영상진단기의 감도 및 해상도를 개선하는데 한계가 있

다.

라 결국 새로운 물질로 떠오르고 있는 압전 단결정을 이용한 의료용 초. , PMN-PT

음파 변환기는 기존 변환기에 비하여 전기결합계수 압전상수 등 기본 물성뿐PZT ,

만 아니라 주파수특성 및 감도 등 변환기 특성이 우수하여 수입에 의존하고 있는

심장용 초음파영상진단기의 국산화 개발 촉진 및 관련 초음파 영상진단장치의 성능

개선의 효과를 기대할 수 있을 뿐 아니라 단결정 제조기술과 이를 응용하여 부품을

제조하는 기술은 국내소재개발과 이를 응용한 부품개발기술에도 큰 파급효과가 기

대된다.

경제 산업적 측면2.

가 초음파 영상진단기는 현재 중저가형을 중심으로 수출이 진행되고 있으며 인도.

와 중국의 수출은 증가추세이고 미국과 일본 유럽에서는 수입은 증가 수출은 감소, ,

세를 보이고 있는 형편이다.

나 미국과 유럽 등 선진국에서는 심장질환 등 심장과 관련된 기기의 중요성이 증.

대되고 있으나 국내 수출중심의 제품은 중저가용으로써 심장과 같은 고기능성 제품

에 대해서는 수출보다는 수입하고 있는 실정이다.

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다 고주파수대의 초음파 변환기와 성능이 우수하고 고가형의 초음파 변환기는 국.

내 제조기술의 한계로 인하여 전량 미국과 일본에서 수입하고 있다.

라 따라서 현재 미국과 일본의 의존도가 매우 높은 고성능 고가형의 초음파 변환. , ,

기를 대체할 수 있는 압전 단결정을 응용한 초음파 변환기를 개발하여 영PMN-PT

상의 질을 한 단계 상승시킴으로서 영상진단기의 국내공급확대를 통해 수입을 대체

함은 물론 선진국으로의 역수출이 가능하다.

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제 절 국내외 현황3

국내 현황1.

가 초음파 영상진단기의 경우 저가 제품의 국제경쟁력은 우수하지만 중가 제품의. ,

경우 국내 기술의 수준은 선진국의 수준에 근접하여 있으나 제품 경쟁력이 답보 상

태에 있으며 고가 장비의 경우에는 선진국과의 기술격차가 매우 크다, .

나 현재 국내에서 생산하는 초음파 영상진단장치는 국내시장으로 흡수된 생산액이.

거의 없으며 할 이상이 해외로 수출되는 형편이며 초음파 영상진단기기는 수입보9

다 수출비중이 높은 대표적인 의료기기 품목이다.

다 국내 초음파 영상 진단기는 년 억 정도이며 년에는 억으로 평. 1997 450 2010 900

균 정도 성장을 보일 것으로 예상되며 국내 시장에서는 년 매출액 기준으6% 2001

로 메디슨이 유일하게 약 의 시장 점유율을 차지하고는 있으나 이는 주로 중56% ,

소형 병원에서 사용하는 중저가 모델이다.

라 고가의 첨단 초음파 영상진단장치를 사용하는 국내의 대학병원 및 종합병원 등.

대형병원에서는 브랜드 인지도가 뛰어난 업체 및Big3 (GE, Siemens, Philips) Aloka,

등의 초음파 제품을 선호하고 있는 상황이다Toshiba, Massushida .

마 수출품목은 중저가 제품이 대부분이며 고가 제품의 경우 핵심 부품인 초음파.

변환기는 미국과 일본에서 주로 수입하고 있는 형편이다.

바 해외 주요 업체들의 경우 자체적으로 초음파 변환기를 개발하여 사용하고 있으. ,

며 특히 고가의 고성능 초음파 영상 진단장치 에 사용되는 고성, (High-end market)

능 변환기는 외부 업체에 공급하지 않고 있으며 등 이로 인하여 국내(GE, Philips ),

업체의 시장의 진입이 어렵다High-end .

사 등의 초음파 영상장비업체의 한국 내 진출이 가속화 되. GE, Philips, Siemens

고 있다.

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국외 현황2.

가 전 세계적으로 대략 개사의 주요 업체들이 초음파 영상장비시장에서 활동하. 30

고 있다 각 제조사들은 기술 가격 사용의 간편함 업그레이드 능력 영상 기능. , , , , ,

호환성 안정성 그리고 마지막으로 소홀할 수 없는 소비자 지원 서비스 등을 바탕, ,

으로 경쟁하고 있다 초음파 제품의 시장은 이들 제품들의 가장 큰 소비자 시장들. ,

미국 서부유럽 및 일본시장 이 포화상태가 되어감에 따라 점점 더 극심한 경쟁상- , -

태가 되어가고 있다 따라서 시장점유율을 높이기 위한 방편으로 합병이나 인수를.

통해 경쟁사들끼리 통합하고 있다.

나 가 을 인수하였으므로 사의 점유율. Siemens Medical Systems Acuson Siemens

이 가장 높으며 이 의 점유율로 년대 후반부터 초음파 영상GE medical 14.5% 1990

장치의 주요 업체로 성장하였음 와 최근에 을 인수한 사가. Toshiba ATL Philips

대의 시장 점유율을 가지고 있다13% .

다 대부분의 해외업체들이 세라믹스를 이용한 초음파 변환기를 부착한 영상. PZT

진단기를 판매하고 있으며 이중 등이 현재Philips, Siemens, Toshiba PMN-PT,

등의 단결정을 이용한 초음파 변환기의 개발에 박차를 가하고 있음PZN-PT .

라 주요 업체별 동향.

(1) GE medical systems

다차원 어레이 개발에 주력하여 와 어레이를 제작하고 이를 이용한 차1.5D 2D , 2○

원 집속기술을 개발하였으며 제품화 연구를 수행중임, .

기술에 의한 고감도 고침투도 영상기술 개발에 있어 최고의 기Coded imaging ,○

술력을 보유하고 있음

오스트리아 사 인수 후 기계적 주사형 차원 어레이 및 차원 어레이를 이Kretz 1 2○

용한 차원 영상장치 개발 계획3

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(2) Siemens

도시바와 공동 투자하여 고화질 저가의 디지털 영상기술과 전용 개발/ ASIC○

한국을 중심으로 한 아시아권에서의 중저가 제품 개발 계획○

다차원 어레이 변환기 제조 기술개발○

디지털 영상기술을 이용한 초소형 초음파 진단기 개발 계획○

단결정을 이용한 어레이 타입의 초음파 변환기 개발 중.○

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제 절 기술개발 방안4

그림 초음파 영상진단기 산업의 구성요소 핵심기술 영향력분석1.1 ,

그림 과 같이 초음파 변환기의 특성은 압전 소재의 영향을 많이 받는다1 .

즉 바탕이 되는 소재의 물성이 기본적으로 뛰어나야 한다 현재 쓰이고 있는 재료, .

인 세라믹을 대체하기 위한 물질로 떠오르고 있는 소재는 세라믹보다 뛰PZT PZT

어난 물성을 가진 단결정이며 현재 전세계적으로 이를 이용한 초음파 변PMN-PT

환기 및 관련 산업으로의 연구가 한창 진행중이며 나 등에IEEE US Navy workshop

서 활발히 그 연구 성과가 발표되고 있다.

하지만 재료가 바뀜에 따라 그 특성에 따라 변환기 설계 가공기술 제조공정이 바, , ,

뀌어야 함에도 불구하고 현재 제조공정상의 어려움으로 현재 개발 및 제품화에 성

공한 회사는 없다.

따라서 본 과제를 통하여 새로운 압전 소재인 우수한 단결정 을 탐색하여, (PMN-PT)

물성에 대한 평가를 수행하며 특성에 맞는 변환기 설계기술 가공기술 및 제조공정,

기술을 개발하여 원천기술을 확보하고 이를 제품화하여 상용화한다.

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제 장 기술개발 내용2

제 절 기술개발 목표 및 내용1

최종목표1.

가 최종 제품 사양.

본 과제는 다음과 같은 사양의 차원 영상 진단기용 압전 단결정을 이용3 PMN-PT

한 차원 배열 변환기의 제조를 목표로 하며 전체적인 사양은 다음과 같다2 .

Number of elements 50x50

Element pitch 300㎛

Center frequency 3MHz

Fractional bandwidth 70%＞

Sensitivity uniformity ± 3dB

Crosstalk -40dB＜

나 평가방법 및 평가항목.

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차년도2. 1

차년도의 개발목표는 압전 단결정의 성능평가와 이를 이용한 심장용 차1 PMN-PT 1

원 배열 초음파 변환기를 제작하는 것이며 상세내용은 아래와 같다.

가 개발목표.

압전 단결정 물성 평가(1) PMN-PT

정확한 압전 특성 평가 방법 확정-

의 확정- PMN-PT aspect ratio

음향 정합층 후면층 개발(2) ,

압전 단결정의 음향 특성에 따른 기존 정합층 후면층용 에폭시의 수- PMN-PT ,

정 보완,

에너지 손실의 최소화를 위한 정합층 후면층 두께 확정- ,

차원 배열 변환기 제작(3) 1

압전 단결정을 이용한 차원 배열 변환기 제작- PMN-PT 1

나 개발내용 및 개발범위.

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다 개발기술의 평가방법 및 평가항목.

평가항목주요성능( , Spec)

단위 차년도 개발목표1 평가방법

물질 특성

1. d33 pC/N 1800 IEEE기분2. k33 % 90

3. Z MRayls 35

에폭시 음향특성4. MRayls음향특성과PMN-PT비례

차원 배열1변환기

대역폭5. % 90

차년도3. 2

차년도의 개발목표는 차년도에서 개발한 압전 단결정을 이용한 차원2 1 PMN-PT 1

배열 초음파 변환기의 제작 기술을 바탕으로 실시간 차원 영상이 미지를 위한 차3 2

원 배열 변환기를 제작하는 것이며 상세 내용은 아래와 같다.

가 개발목표.

실시간 차원 이미지용 압전 단결정을 이용한 차원 배열 변환기 제작3 PMN-PT 2

나 개발내용 및 개발범위.

최적의 이미지와 신호 이득 속도를 위한(1) sparse array design

양산시 생산 수율 향상을 위한 방법 고안(2) electrical connection

제품 소형화를 위한 고유전율 고압전 계수의 재료 제작(3) ,

열 발생을 최소화 할 수 있는 기구 설계(4)

외부 노이즈 혼입 방지를 위한 케이스 설계(5)

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다 개발기술의 평가방법 및 평가항목.

평가항목주요성능( , Spec)

단위 차년도 개발목표2 평가방법

대역폭1. % 70중심주파수2. MHz 3삽입손실3. dB -10

4.Crosstalk dB 255. Ringdown time usec 1.26. Gain dB -58

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제 절 개발제품 개요2

심장용 초음파 변환기1.

가 외관사진.

(a) 2.6MHz Phased array (b)3.0MHz Phased array

최종상용화(c) 3.0MHz Phased array ( )

그림 단결정을 이용한 차원 배열 심장용 초음파 변환기2.1. PMN-PT 1

그림 에서 는 단결정을 이용하여 최초로 제작한 초음파 변환기이며2.1 (a) PMN-PT

는 수요기업의 요청에 따라 중심주파수를 변경한 초음파 변환기이며 는 임상(b) (c)

평가팀의 의견을 고려하여 디자인을 교체한 최종 상용화된 심장용 초음파 변환기이

다.

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나 제품의 구조 및 기능.

그림 초음파 변환기의 구성2.2.

1: 진동자 단결정(PMN-PT ) 2a, 2b: 전극3a, 3b: 음향 정합층 4: 음향 렌즈5: 후면층 (Backing Layer) 6a, 6b: 유연성 인쇄회로기판FPC,

그림 초음파 변환기2.3. Block diagram

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일반적으로 의료용 초음파 변환기에서는 초음파 진동자가 유효하게 작용하도록 구

성 할 필요가 있다 전기 펄스를 초음파에 또 초음파 펄스를 전기 신호에 변환하기. ,

위해 압전 진동자 인체에 대해서 효율이 좋고 짧은 초음파 펄스를 효율적으로 방, ,

사할 수 있도록 진동자 앞면에는 음향 정합층 또 진동자의 후면에(matching layer),

는 뒤쪽으로 방사되는 초음파를 흡수하기 위한 흡음물질(damping layer-backing

이 채워진 댐핑 작용을 하는 후면층과 초음파 빔을 포커싱 촛점material) (damping) (

화 시키기 위한 음향 렌즈로 구성된다) .

압전 진동자(1)

초음파 진단장치에서부터 커넥터 및 케이블을 경유하여 전달된 전기 펄스 전기신(

호 를 받아 초음파를 송출 체내에서 반사하여 돌아온 초음파 일반적으로 에코라) , (

함 를 수신하여 다시 전기신호로 변환하여 초음파 진단장치에 전달하는 핵심이 되)

는 부분이다.

음향 정합층(2) (Acoutic Matching Layer)

초음파 에너지의 투과율을 올리기 위해 음향임피던스가 양자의 중간적인 값을 갖는

음향 정합층을 압전진동자와 생체의 사이에 설치하여 임피던스 부정합을 개선하게

된다 일반적으로 음향 정합층의 재료로서는 에폭시 수지 용융 석영등 플라스틱에, ,

서 유리까지 여러 가지의 것이 있으며 최적의 임피던스 정합을 위해 텅스텐과 은

등의 분말을 수지중에 붙이거나 조합하는 방법도 취급되고 있으며 재료의 선택 시,

음향적 손실 및 기계적 내구성 등을 충분히 고려하여 선택하여야 한다.

후면층(3) (Backing Layer)

압전 진동자의 뒷면에 설치하여 진동자를 기계적으로 지탱하는 역할과 음향적으로

제동을 걸어 초음파 펄스 파형을 짧게 하는 역할을 한다 압전 진동자의 뒷면에 방.

사된 초음파에 대해서 후면층의 단변에서의 에코가 되돌아와서 장치의 화면상에,

표시되지 않도록 충분한 음향적 감쇠를 줄 수 있는 것이어야 한다 일반적으로 주.

파수가 낮은 만큼 초음파의 감쇠가 작기 때문에 감쇠가 큰 재료를 사용하는 방법과

충분히 두껍게 하는 방법을 취할 수 있다 후면층애 사용되는 재료에 요구되는 특.

성은 다음과 같다.

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가 음향 감쇠량이 클 것( )

나 제작하는 변환기의 성능에 대응한 음향 임피던스 가치를 얻을 수 있을 것( )

다 음향적으로 균일하게 있을 것( )

라 기계가공성이 좋을 것( )

음향 렌즈(4) (Acoustic Lens)

음향 렌즈는 경계에 있어서 매질의 음속차에 의해 음이 굴절하는 것을 이용하여, ,

초음파 빔을 모이게 한다 렌즈 형상으로서는 생체와 쉽게 접속하기 위해 볼록한. ,

모양을 유지하는 것이 필요하며 사용되는 재료는 다음과 같은 성질이 요구된다.

가 음속이 생체의 그것보다 작을 것( ) .

나 음향 임피던스가 생체의 그것과 거의 같을 것( )

다 음향 감쇠량이 작을 것( )

라 내약품성 내마모성 등이 우수할 것( ) ,

다 제품의 작동원리.

그림 초음파 변환기 기능 및 동작2.4

- 23 -

그림 에서와 같이 초음파 변환기는 초음파의 짧은 펄스를 생체 내에 입사시켜2.4

조직의 경계면으로부터 되돌아오는 반사파를 이용하여 생체 내부 구조를 화상으로

그려내어 의학적 진단을 하는 초음파 영상진단기의 핵심 부품으로서 전기신호를 초

음파로 반사파를 다시 전기 신호로 변환시키는 역할을 한다, .

최종 모니터에 나타나는 영상의 품질은 초음파 변환기의 성능에 따라 좌우되며 변

환기의 성능은 초음파의 발신과 수신을 담당하는 핵심재료인 압전 진동자의 물리적

인 성능과 각 구성부분의 설계와 제작기술에 의해서 좌우된다 진단하고자 하는 부.

위 및 사용목적에 따라 초음파 변환기의 종류와 구성이 다양하다.

라 제품의 사양.

표 단결정을 이용한 심장용 초음파 변환기 사양2-1. PMN-PT

- 24 -

중심주파수(1)

초음파의 투과성과 깊이 방향의 해상도와 관계되는 것으로 영상 이미지에 직접적으

로 영향을 주는 요소이다 진단부위에 따라 적절한 주파수의 변환기를 사용하며 본.

개발제품의 중심주파수인 와 상용화 된 는 성인 심장의 진단을 위한2.6MHz 3.0MHz

것이다.

(2) Element Pitch

개로 분리된 각각의 압전 진동사 사이의 간격을 말한다 측방향 해상도 감도 그64 . , ,

레이팅 로브 등 여러 영상 파라미터들과 관계되는 것으로 이러한 요소들간에 최적

의 균형을 이루도록 설계되어야 한다 상용화한 의 경우 는. 3.0MHz Pitch 300mm

주 메디슨의 고성능 초음파 영상진단장치를 위해 설계된 값이다( ) .

와(3) Elevation length focal length

초음파 빔의 초점 및 해상도 사이의 균형을 이루도록 설계된 값이다.

대역폭 및 펄스폭(4) (Bandwidth and Pulse length)

대역폭과 펄스폭은 깊이 방향의 해상도를 증대시키는 요소로서 초음파 변환기의 성

능 중 가장 중요한 파라미터로서 대역폭이 넓고 펄스폭이 짧을수록 깊이 방향의 해

상도가 증대함으로써 기존의 한 부분의 진단에 여러 주파수의 변환기를 사용하는

대신 한 주파수의 변환기로서 진단이 가능함.

상대감도(5) (Loop sensitivity)

상대 감도는 미세한 혈류의 흐름 등 움직임을 판별할 수 있는 도플러 칼라 이미지

에서의 선명함을 좌우하는 요소임.

마 개발제품의 주요 특성 및 특징.

압전 단결정의 물성에 따른 초음파 변환기 성능(1) PMN-PT

입잔 단결정 소재 의 우수함을 바탕으로 초음파 변환기의 성능이 향상되PMN-PT ( )

었다 초음파 변환기의 성능에 영향을 미치는 압전 재료의 물성은 유전율. (Dielectric

전기기계결합계수 음향임피던스constant), (coupling factor), (Acoustic Impedance)

등이며 각 물성이 초음파 변환기의 성능에 미치는 영향과 단결정을 이용PMN-PT

한 효과는 아래와 같다.

- 25 -

표 와 단결정의 물성차이2-2 PZT PMN-PT

가 유전율( )

초음파 변환기의 전기적인 임피던스에 관계하므로 변환기와 진단 장치의 전기적인

임피던스 정합에 중요한 요소가 된다 유전율이 증가하면 입력 전압대비 출력 전압.

이 높아 초음파 변환기 가 증가한다sensitivity .

그림 유전율에 따른 초음파 변환기 특성 차이2.5

나 전기기계결합계수( )

초음파 변환기의 감도를 정하는 가장 기본적인 양으로 특수한 용도를 제외하고는,

수십 퍼센트 이상이 선정의 기준이며 값이 클수록 송수신의 감도가 좋으며 전기기

계 결함계수가 증가하면 초음파 변환기의 주요 성능인 대역폭 증가한다.

- 26 -

그림 전기기계결합계수에 따른 초음파 변환기 특성차이2.6

다 음향 임피던스( )

변환기로부터 초음파를 매질속에 방사할 때의 음향정합에 관계하고 변환기와 매질,

과의 사이의 초음파 송수신의 좋고 나쁨을 나타내는 변환기의 전기음향변환효율을

좌우하는 요소가 됨 일반적으로 인체의 임피던스 와 차이가 적을수록 초. (1.5MRayl)

음파의 투과성이 좋아진다.

그림 음향임피던스에 따른 초음파 변환기 특성차이2.7

- 27 -

초음파 변환기 성능에 따른 임상 효과(2)

가 상대 감도에 따른 이미지 효과( )

그림 과 같이 를 이용한 심장용 초음파 변환기 국내업체 최초 개발제2.8 PMN-PT (

품 의 경우 상대 감도가 기존의 변환기에 비해 뚜렷이 향상되었으며 이를 통) PZT

하여 미세한 혈류의 흐름을 판별할 수 있는 도플러 칼라 이미지에서 선명함이 뚜렷

하므로 지금까지 진단할 수 없었던 부분까지도 진단할 수 있다.

그림 2.8 Apical 4 Chamber Color Doppler

나 대역폭과 펄스폭에 따른 이미지 효과( )

그림 에서와 같이 대역폭과 펄스폭은 깊이 방향의 해상도를 증대시키는 요소로2.9

서 초음파 변환기 성능 중 가장 중요한 파라미터이다 일반적으로 대역폭이 넓고.

펄스폭이 짧을수록 깊이 방향의 해상도가 증대함으로써 기존의 한 부분의 진단에

여러 주파수의 변환기를 사용하는 대신 한 주파수의 변환기로서 진단이 가능하게

된다.

그림 2.9 Parasternal long axis view

- 28 -

차원 배열 초음파 변환기2. 2

가 외관사진.

된(a) dicing sparse array 차원 배열 초음파 변환기(b) 2

그림 차원 배열 초음파 변환기 어레이2.10 2

그림 은 본 과제를 수행하여 제작한 단결정을 이용한 차원 배열 변2.10 PMN-PT 2

환기이다 는 단결정 웨이퍼를 매트릭스 형태로 한 상태를 나타내. (a) 50x50 dicing

며 는 음향정합층 및 후면층 등을 접착한 상태의 변환기를 나타낸다(b) , FPC .

나 제품의 구조.

그림 압전 단결정을 이용한 차원 배열 변환기 구조2.11 PMN-PT 2D

- 29 -

그림 에서의 제품의 구조는 매트릭스 형태로 이루어진 배열에서 중앙의2.11

에도 전기적 접속이 가능하며 후면층의 물성에도 영향을 미치지 않도록 하element

는 방식의 를 채택한 것이다 추가적으로 마다Multi-layer Flexible circuit . element

전기적 접속을 해 줄 필요가 없어 공정시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라

별 성능의 편차를 최소화하는 구조이다element .

다 제품의 작동원리.

그럼 차원 배열 변환기 작동원리2.12 2D

본 개발 제품은 차원 적으로 초음파 빔을 발신하고 각각의 어레이별로 시간의 지2

연 없이 동시에 수신하여 영상을 구현하는 원리로서 여러 번의 기계적인 스캔과 렌

더링을 통하여 영상을 구연하던 것을 기계적인 동작 없이 전자적으로 제어하여 신

호를 발신 수신하여 영상을 구연하는 실시간 방식이다, .

- 30 -

라 제품의 사양.

표 변환기 사양2-3. 2D

PMN-PT 2D array

Center frequency (MHz) 3.12

array layout 50 × 50

-6dB Bandwidth (%) 75

insertion loss(dB) -10

Crosstalk(dB) 25

Ring down time(usec) 1.25

Gain(dB) -67.5

마 개발 제품의 특징.

그림 기계적인 구동에 의한 변환방식2.13 2D

기존에 차원 영상을 얻는 방법은 차원 배열 변환기를 이용한 기계적인 스캔 방식3 1

으로서 그림 과 같이 디지털화된 단면 영상을 받아 차원 영상으로 재구성하는2.13 3

것이다 그러므로 기계적 스캔 후 얻은 차원 영상을 어떤 방식으로든 렌더링. , 2

의 과정을 통하여 차원 영상으로 통합하여야 한다 기계적인 구동이 필(rendering) 3 .

수적이므로 모터가 외부니 내부에 설치되어야 하며 그에 따라 소음이 심하고 변환

기의 크기도 커질 수밖에 없다 또한 실시간 진단이 어려워짐에 따라 스캔 부위를.

바꾸어 가며 진단해야 하는 초음파 진단에서는 많은 제약이 따르며 심장과 같이 빠

르게 움직이는 인체 조직은 진단이 불가능하기 때문에 태아진단 등 극히 제한적으

로 사용되고 있다.

- 31 -

그림 휴먼스캔이 제작한 변환기의 실시간 영상2.14 2D

그러나 본 과제에서 개발한 차원 배열 초음파 변환기는 그림 에서와 같이 깊, 2 2.14

이 방향과 면방향을 동시에 수신함으로써 실시간으로 영상 정보를 얻을 수 있으며

그 크기도 차원 배열 변환기와 차이가 없어 다루기도 용이하여 차기 영상을1 3D

위한 진보된 초음파 변환기라 하겠다 영상자료 첨부. ( )

- 32 -

제 절 제품설계 및 제작 내용3

심장용 초음파 변환기1.

가 압전 단결정 물성 평가. PMN-PT

측정 기준에 의거하여 측정(1) IEEE

측정 방법(2)

압전 단결정은 기존의 재료와는 다른 물리적 전기적 특성을 갖고 있기PMN-PT ,

때문에 기존 재료를 측정하는 방법으로 측정할 경우 측정오차가 크게 발생할 수 있

다 이 때문에 본 재료에 적합한 방법을 찾아 물성을 측정해야 할 필요가 있다 본. .

과제에서는 본 재료에 적합한 측정 방법을 찾고 이를 바탕으로 물성을 측정하였다.

이와 같은 방법은 년 월에 있었던 미국 세라믹 학회에서 발표되었다 측정2002 1 .

순서는 다음과 같다.

가 면 방향 전극 증착( )

압전 단결정의 전기적 특성을 측정하기 위하여 성장된 단 결정을PMN-PT Laue

회절실험에서 얻은 결과를 이용하여 방향으로 절단하였다 절단된 시편에 전<001> .

지적인 측정을 위하여 방법으로 의 전극을 하였다DC sputtering Cr/Pt .

나 분극처리전 유전특성측정( )

전극이 형성된 시편을 특정한 크기로 절단한 후 분극처리전의 유전 특성을 측정하

였다 유전특성은 시편을 실리콘 오일에 담그고 의 온도범위에서 간. 25 ~170 2℃ ℃ ℃

격으로 각 온도에서 분 이상 유지시킨 후 의5 Agilent 4192A LF Impedance

를 사용하였다 유전상수는 에서 측정된 를 이용하여 계analyzer . 1kHz capacitance

산하였고 유전손실은 측정된 으로 하였다dissipation .

- 33 -

다 분극후 유전특성 측정( )

분극후의 유전특성과 압전 특성의 평가를 위해 시편을 분극처리 하였다 분극처리.

는 에서 의 직류 전계를 분간 인가한 후 전계를 인가한 상태로135 3kV/cm 10 1℃ ℃

분의 속도로 까기 서냉하면서 수행하였다 분극 과정 중에 발생할 수 있는 방/ 80°C .

전에 의한 시편의 파손을 방지하기 위하여 분극처리는 실리콘 오일에서 행하였다.

분극후의 유전 특성 측정은 분극전의 유전특성 측정과 같은 조건과 방법으로 수행

하였다.

압전 단결정의 물리적 전기적 특성(3) PMN-PT ,

상기 방법으로 측정한 입잔 단결정의 물리적 전기적 특성은 아래 표 과PMN-PT , 1

같으며 기존의 압전 진동자의 재료인 세라믹과 그 특성을 비교하였다PZT .

표 단결정과 의 특성 비교2.4 PMN-PT PZT

가 유전상수 및 유전손실( )

압전 단결정의 유전상수는 기존의 세라믹스보다 약 배 이PMN-PT PZT 1.5-1.8①

상 큰 것으로 나타났다 높은 주파수나 차원 배열의 의료용 탐촉자의 경우 각 소. 2

자의 크기가 작아지기 때문에 진단 시스템과의 매칭시에 문제가 발생할 수 있다.

그러나 압전 단결정은 기존의 세라믹스보다 압전상수가 크기 때문에PMN-PT PZT

그러한 문제의 발생 소지가 적다고 할 수 있다.

- 34 -

유전상수가 클 경우 유전손실도 커지는 것이 일반적인 현상이라고 할 수 있다.②

그러나 압전 단결정은 압전상수는 기존의 재료보다 큰 반면에 유전손실은PMN-PT

작게 나타나고 있다.

나 전기기계 결합계수( ) (k)

전기기계 결합계수는 전기적인 신호를 물리적인 변위로 또 물리적인 압변화를 전,

기적인 에너지로 바꿔주는 효율이다 그러므로 전기기계 결합계수가 크다는 것은.

각 에너지간의 변환 효율이 좋다는 것으로 변환되지 못하고 손실되는 에너지가 열

로 발생되는 것을 줄일 수 있다 이것은 의료용 탐촉자를 사용할 경우 열발생에 의.

한 특성 저하 현상이 적게 나타난다는 것을 의미한다.

다 압전상수( ) (d)

압전상수는 의료용 탐촉자의 경우 발진 효율을 나타낸다 압전 단결정의. PMN-PT

압전상수는 기존의 재료보다 약 배 이상의 특성을 나타내고 있다 이는 더 고출력4 .

의 초음파를 발생시킬 수 있다는 것을 의미 한다 높은 주파수나 차원 배열의 경. 2

우 작은 소자의 크기 때문에 출력이 저하되는 현상이 발생하기 쉬운데 이를 근본적

으로 해결할 수 있다고 할 수 있다.

라 음향 임피던스( ) (Z)

의료용 초음파의 음향임피던스는 일반적으로 이상이고 인체는 약30 MRayls 1.5

이다 이와 같은 큰 음향 임피던스의 차이는 초음파의 전달 효율을 떨어뜨리MRayls .

는 원인이 된다 그러나 압전 단결정은 음향 임피던스가 기존 재료보다. PMN-PT

작기 때문에 초음파의 전달 효율 향상을 기대할 수 있다.

- 35 -

압전 단결정의 초음파 특성 분석(4) PMN-PT

본 과제에서는 정확한 압전 단결정의 물성 평가를 통해서 얻은 물성치를PMN-PT

바탕으로 이론에 근거하여 고유한 알고리즘을 개발하고 이 알고리KLM simulation

즘을 구현할 수 있는 프로그램을 제작하였다 이 프로그램을 이용하여 본 재료에.

적합한 음향 정합층과 후면층 개발에 성공하여 의료용 탐촉자의 성능 향상을 이루

었다.

그림 에 의해 얻은 공진 반공진 그래프2.15 Simulation

그림 측정에 의해 얻은 공진 반공진 그래프2.16 ,

- 36 -

표 단결정의 비교2.5 PMN-PT simulation

나 음향 정합층 후면층 개발. ,

압전 단결정의 물리적 특성과 음향 특성은 기존 재료와는 다르다 의료용PMN-PT .

초음파 변환기의 경우 짧은 펄스폭과 넓은 대역폭을 가져야 좋은 특성을 나타낼 수

있다 이와 같은 특성을 나타내기 위해서는 발진 소자인 압전 단결정에서. PMN-PT

발생한 초음파를 인체내로 효과적으로 전달하기 위한 음향 정합층과 후면층이 필수

적이다 그러나 기존 재료를 사용한 의료용 탐촉자에서 사용된 음향 정합층과 후면.

층을 본 재료를 사용한 탐촉자에 적용할 경우 소자의 물성 차이에 기인한 특성의

불일치가 나타나게 된다 따라서 본 개발에서는 압전 단결정과 최적화된. , PMN-PT

음향정합층과 후면층을 제작하기 위하여 여러 가지 요소를 분석하였고 이에 따라

여러 번의 설계와 제작을 통하여 최적화하였다.

음향 정합층 제작(1)

가 음향정합층 설계기술( )

압전 웨이퍼와 인체 사이에 적절한 음향 임피던스의 정합층을 사용하여 초음파①

의 전달을 원활하게 하는 것이 중요하며 이 음향 정합층을 잘 사용하게 되면 압전

웨이퍼에서 발생한 초음파의 손실이 적고 인체로 투과되기 쉽다.

각 정합층 마다 음향임피던스의 차이를 최소로 하면서 여러 층의 정합층을 사용②

하면 초음파가 전달되는 효율을 극대화시킬 수 있겠지만 이는 정합층 제작에 있어

많은 어려움을 있으므로 적절한 정합층의 수와 음향 임피던스 및 음향특성을 결정

하여 설계해야 한다.

- 37 -

나 음향정합층 제작 기술( )

음향정합층은 전달되는 초음파의 손실을 최소화하기 위해서 여러 층의 정합층 즉

다층정합층 이 되어야만 하며 다층정합층의 제작에는 가장 문(multi-matching layer)

제가 되는 것은 정합층 사이의 접착이며 이 때 정합층 사이에 접착면이 생기게 되

는데 이 접착면에서 초음파가 반사되어서는 안된다 따라서 접착면을 극소화 할 수. ,

있는 음향 정합층 제작 기술이 중요하다.

후면층 제작(2)

가 후면층 설계기술( )

후면층은 압전웨이퍼가 진동하여 초음파를 발생시킬 때 진행 방향 반대쪽으로①

나오는 초음파를 흡수하는 역할을 한다.

후면층 사용이 적절치 않으면 진행의 반대 방향쪽의 초음파가 다시 반사되어 초②

음파의 길이가 길어지게 된다.

후면층 설계 시 적절한 임피던스와 감쇄의 결정으로 초음파의 세기는 강하게 하③

면서 초음파는 짧게 할 수 있는 것이 중요하다.

나 후면층 제작기술( )

적절한 임피던스에 감쇄를 가지는 후면층을 제작하기 위해서는 후면층 물질의①

선택과 함께 섞는 첨가물의 선택이 매우 중요하다.

따라서 원하는 특성을 가지면서 혼합이 용이한 첨가물의 선택과 혼합 방법 등,②

의 후면층 제작기술이 중요하다.

- 38 -

다 단결정을 이용한 차원 배열 변환기 시제품 제작. PMN-PT 1

에 의한 심장용 제작(1) Simulation 2.6 MHz Phased array

그림 으로 얻은 변환기의 응답특성2.17 Simulation PMN-PT

표 에 의해 얻은 심장용 설계값2.6 Simulation 2.6 MHz Phased Array

두께 음향 임피던스차 정합층1 0.139mm 9.255 MRayls차 정합층2 0.159mm 3.0 MRayls후면층 20mm 4.23 MRayls

단결정의 물성평가를 통하여 얻는 값과 음향정합층과 후면층의 설계값을PMN-PT

이용하여 초음파 변환기를 제작할 수 있는 실제적인 수치를 산출하였으며 그 예측

치는 그림 과 표 과 같다2.17 2.6 .

심장용 제작(2) 2.6 MHz Phased Array

가 제조공정도( )

상기에서 기술한 시뮬레이션을 통한 제작값으로 단결정을 이용한PMN-PT 2.6MHz

를 제작하였으며 그 과정은 다음과 같다Phased array

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번호 공정명 작업 내용

1 전극증착를 이용해 금속 을 웨이퍼Sputter target

상에 증착

2정치수 절단(Side Cutting)

정치수에 맞게 웨이퍼의 가장자리를 자름

3 임피던스 측정전극 증착이 완료된 의 임피던스를wafer측정

4 음향 정합층 블럭 제작차 차 음향정합층1 , 2 (Matching Layer,에 맞는 제작ML) block

5 음향 정합층 연마 및 절단 차 차 을 치수에 맞게 연마 후 절단1 , 2 ML

6 후면층 블럭 제작후면층 을 위한(Backing layer, BL) Block제작

7 후면층 연마 및 절단 차 차 을 치수에 맞게 연마 후 절단1 , 2 BL

8웨이퍼와 후면층 접착

제작(Module )웨이퍼와 의 접착작업BL

9 과 접착Module FPC 과 접착작업Module FPC

10 에 음향정합층 접착Module 에 차 차 접착작업Module 1 , 2 ML

11 접착된 의Module Dicing작업이 완료된 의Boning module element

dicing

12 Kerf filling 사이의 틈에 로 충진Element epoxy

13 Element Shielding후 제작된 위에Kerf filling module

전극증착

14 Lens Molding 음향렌즈의 제작 및 집합

15 Connector Soldering 와 의 접합FPC connector

16 조립Cable 과 변환기의 연결Cable

17 검사 변환기의 성능시험

- 40 -

나 제작한 심장용( ) 2.6MHz Phased array

그림 차원 배열 변환기2.18 PMN-PT 1

상기의 제조공정을 따라 주 휴먼스캔이 제작한 단결정을 이용한 심장용( ) PMN-PT

를 그림 에 나타내었다2.6MHz Phased array 2.18 .

다 제작한 초음파 변환기의 성능 분석( )

당사가 제작한 단결정을 이용한 변환기와 기존 재료인 세라믹을 이PMN-PT PZT

용한 변환기의 성능을 비교하면 다음과 같다.

그림 와 표 에서 알 수 있듯이 해상도를 나타내는2.9 2.10, 2.7 -6dB①

가 약 가 약 정도 단결정을 이용bandwidth 40%, -20dB bandwidth 25% PMN-PT

한 변환기가 우수한 것으로 나타났다 이는 초음파 영상 진단기의 해상도가 기존의.

변환기를 사용할 때보다 최소한 이상의 향상을 나타낼 수 있다는 것을PZT 20%

알 수 있다.

초음파 영상 진단기의 화면의 밝기를 나타내는 는 단결loop sensitivity PMN-PT②

정 변환기가 약 이상 큰 것으로 나타났다 이는 기존의 변환기보다 약10dB . PZT

배 이상 밝은 화면을 나타낸다는 것을 의미하는 것으로써 다른 영상 진단기에 비5

해 화면의 밝기가 어둡다는 초음파 영상 진단기의 단점을 대폭 개선할 수 있다.

- 41 -

(a) pulse echo (b) frequency spectrum

그림 세라믹스를 이용한 탐촉자2.19 PZT

(a) pulse echo (b) frequency spectrum

그림 압전 단결정을 이용한 탐촉자2.20 PMN-PT

표 2.7 Probe data summary

- 42 -

기존에 발표되었던 단결정을 이용하여 변환기를 제작할 경우 가장 문제점으로③

나타났던 각 소자간의 불균일은 본 과제로 제작된 변환기의 경우 기존 변환기PZT

와 같은 수준인 것으로 나타났다 이는 원재료인 압전 단결정의 조성 균일도 뿐만.

아니라 변환기 제조 기술의 균일성도 나타낸다고 할 수 있다.

그림 탐촉자의 각 소자간의 균일도2.21 PMN-PT

라 제작한 심장용 를 이용한 임상 결과( ) 2.6MHz Phased Array

Phantom Image①

(a) PMN-PT Probe (b) PZT Probe

그림 비교2.22 Phantom image

- 43 -

Fundamental Image②

(b) PZT Probe (a) PMN-PT Probe

그림 2.23 Fundamental image

Harmonic Image③

(b) PZT Probe (a) PMN-PT Probe

그림 2.24 Harmonic image

- 44 -

Pulse Inversion Image④

(b) PZT Probe (a) PMN-PT Probe

그림 2.25 Pulse inversion image

임상 결과⑤

가 보다 화면의 밝기가 탁월하고 수신신호의 크기가PMN-PT probe PZT probe㉮

크기 때문에 그림 의 와 그림 의2.24 harmonic image 2.25 pulse inversion image

에서 뛰어난 성능을 나타낸다.

그림 의 의 경우 에서의 가 보2.22 Phantom image near field artifact PZT probe㉯

다 가 적게 나타나고 있다 이는 뿐 아니라 에서PMN-PT probe . far field near field

의 해상도도 가 뛰어남을 나타내는 것이다PMN-PT probe .

는 기존의 보가 가 약 정도 뛰어나기PMN-PT probe PZT probe sensitivity 10dB㉰

때문에 기존 로 감지 못했던 부분도 진단이 가능할 것으로 예상된다 현PZT probe .

재 의료용 초음파 영상진단기가 의 에 맞춰져있기 때문에 이를PZT probe sensitivity

에 맞추는 작업을 병행할 경우 좀 더 나은 임상결과가 나올 것이다PMN-PT probe .

- 45 -

라 단결정을 이용한 차원 배열 변환기의 상용화. PMN-PT 1

단결정을 이용한 상용화 차원 배열 변환기 제작(1) PMN-PT 1

(a)

(b)

그림 제작된 상용화 차원 배열 변환기2.26 PMN-PT 1

가 임상 적용의 문제점 해결( )

의료용 초음파 변환기는 환자 진단 시 장시간 힘을 주어 잡고 있어야 하는 특성상

손에 그립이 좋아야 한다 또 여러 방향으로 회전 시키면서 진단하여야 하는 특성.

상 변환기를 돌리면서 잡기가 용이 하여야 한다 그래서 이점을 충분히 고려하여.

그립력은 우수하면서 잡기가 용이한 디자인으로 케이스를 제작하여 상용화

초음파 변환기를 제작 하였다PMN-PT .

- 46 -

나 상용화 제품의 사양 변경( )

공동개발기업인 주 메디슨과 실질적인 제품 사양에 대하여 의논한 결과 중심주파( )

수가 보다는 쪽이 더 효용성이 있다는 판단아래 상용화 목적의 초2.6MHz 3.0MHz

음파 변환기를 설계하고 제작하였다.

다 제작된 상용화 차원 배열 변환기 성능 평가( ) PMN-PT 1

그림 상용화 변환기와 변환기의 초음파 응답 특성 비교2.27 PMN-PT PZT

표 2.8 Probe data summary

- 47 -

그림 과 표 에서 상용화 변환기의 경우 변환기에 비해 해상도2.27 2.8 PMN-PT PZT

나타내는 는 가 약 가 약bandwidth -6dB bandwidth 40%, -20dB bandwidth 25%

정도 우수하게 나타났다 또 화면의 밝기를 결정하는 는 약. loop sensitivity 10dB

이상 큰 것으로 나타났고 이는 기존 변환기 보다 배 이상 화면이 밝음을 이PZT 5

야기 하는 것이라 할 수 있다 이 결과들은 차년도에 개발 완료한 시제품과 비교. 1

했을 때 동등 이상 수준의 성능이다.

그림 상용화 변환기의 간 균일도2.28 PMN-PT element

또한 그림 에서처럼 각 소자의 균일성을 나타내는 은2.28 loop sensitivity variation

차년도의 시제품보다 오히려 약 향상 된 것을 알 수 있다 이것은 재료의1 0.5dB .

균일성과 변환기 제작 기술의 균일성을 나타내 주는 것이다.

이런 결과를 볼 때 단결정을 이용한 초음파 변환기의 상용화의 가장 큰 문제점이었

던 각 소자간의 불균일 문제는 완전히 해결 되었으며 특성 또한 기존의 변환PZT

기보다 감도와 해상도에서 월등히 우수한 것으로 나타났다.

- 48 -

단결정을 이용한 상용화 차원 배열 변환기 임상결과(2) PMN-PT 1

변환기(a) PZT 상용화 변환기(b) PMN-PT

그림 비교2.29. Harmonic image

변환기(a) PZT 상용화 변환기(b) PMN-PT

그림 2.30 pulse-inversion image

변환기(a) PZT 상용화 변환기(b) PMN-PT

그림 2.31 color image

- 49 -

임상 결과 이미지 모두 상용화 변환기가 선명하며harmonic, inversion PMN-PT

밝았다 또 이미지에서도 가 더 많이 나오는 것을 알 수 있다 이는 양. color color .

산화 된 변환기가 임상에서도 기존 변환기보다 우수한 성능을 가지PMN-PT PZT

고 있다는 것을 말한다.

이상의 결과들을 볼 때 단결정을 이용한 변환기의 상용화의 큰 문제였던PMN-PT

간 특성 불균일 문제가 해결되면서 차년도의 시제품과 동등 이상의 성능element 1

을 가지는 변환기의 양산화가 가능하게 되었다.

- 50 -

차원 배열 초음파 변환기2. 2

가 개발. Electrical connection method

를 제작 하는데 있어 가장 큰 어려움은 압전 웨이퍼에 어떻게 신호선2D array

을 연결하는가이다 의 구조 상 의 중앙에 있는 는(signal line) . 2D array matrix array

기존의 일반적인 변환기 제작공정의 방법으로는 제작이 어렵electrical connection

기 때문이다 그래서 이 문제를 해결하기 위해 년 경 등이 그림. 1986 S. W. Smith

의 와 같이 를 이용한 방법을 고안하여 적용2.32 (a) epoxy wire guide hand-wiring

하였다 이 방법은 에 로 제작된 를 박고 웨이퍼에 를. backing epoxy wire guide wire

연결하는 방법이었다 이렇게 하면 구조의 중앙에 들도. matrix array electrical

이 가능하게 되는 것이었다connection .

그림 2.32. 2D array cross-sections : (a) hand wire transducer with wire guide,

(b) multi-layer flex circuit transducer

하지만 이 방법은 웨이퍼 후면에 외에 다른 물질이 있게 되어 특성backing array

이 떨어지고 성능 편차도 심해지는 단점이 있다 또 작업 방법이 매우 어려워 아주.

긴 직업 시간을 요구하게 된다 그래서 실재 양산 되는 변환기로 제작하는데 큰 문.

제가 있었다.

- 51 -

이 문제를 해결하기 위하여 본 과제에서는 작업 방법이 용이하고 특성 및 그array

편차가 적은 을 대학과 공동 개발하여 적용하였다 그Multi-layer flex circuit Duke . (

림 의2.32 (b))

본 연구에서 이 을 적용하여 웨이퍼에 을 붙이는 작업만으로flex circuit flex circuit

을 끝내어 작업시간을 대폭 단축 하였으며 간 성능 편electrical connection array

차도 크게 줄었다.

아래의 그림 은 제작한 의 형태를 나타내고 표 와 은2.33 multi-layer flex 2.9 2.10

의 상세한 수치 및 사양을 나타내고 있다multi-layer flex .

표 2.9 Thickness dimension of the multi-flex circuits

Nominal thickness ( )㎛

Polyimide substrate 75

Cr / Au traces 0.5

Polyimide dielectric 5

Cr/Au ground plane 0.2

Polyimide dielectric 5

PC1000 dielectric 60

Cr/Au/Cu contact pads 5

total thickness 151

표 2.10 Critical dimension of multi-layer circuits fabricated.

Critical dimension

Interelement spacing, mm 0.300

Aperture, mm 12

Array layout 50 × 50

Channel count 438

MLF length width, mm 85.2×24.0

Solder pad pitch, mm 0.635

- 52 -

그림 2.33 Detail picture of 50 X 50 Multi-layer flex circuit

나 고유전율 고압전 계수 재료 개발. ,

는 그 수가 많다 때문에 동일 면적에서 많은 가 나오려면20 array element . element

그 크기가 작아 질 수밖에 없다 그렇게 되면 작은 크기 때문에. element element

의 정전용량 이 작아져서 신호를 주고받을 때 감도가 떨어질 수밖에(capacitance)

없다 이 문제를 해결하기 위해서는 보다 높은 정전용량을 가지는 재료가 필요하다. .

또 압전 특성 또한 높아야 하므로 고유전 고압전 재료의 확보는 꼭 필요하다 그래, .

서 본 연구에서는 이를 위해 이상의 높은 유전율을 가지고 보다 압전 특6000 PZT

성이 월등히 좋은 단결정을 이용하여 를 제작하였다PMN-PT 2D array .

표 에 와 본 연구에 적용한 단결정의 특성을 비교하였다 감도에2.11 PZT PMN-PT .

영향을 주는 유전율은 에 비해 배 이상 높으며 해상도에 영향을 주는 압전특PZT 2

성도 더 우수하다 결국 단결정의 사용으로 작은 크기의 를 가지. PMN-PT element

는 임에도 불구하고 높은 감도와 해상도를 가지는 를 제작할 수2D array 2D array

있게 된 것이다.

- 53 -

표 와 단결정의 특성 비교2.11 PZT PMN-PT

그림 단결정의2.34. PMN-PT impedance spectrum

- 54 -

다 차원 배열 변환기 제작. 2

제조공정도(1)

번호 공정명 사용 부품

1 Stack preparation

음향 정합층- (Backing Layer)- Matching Layer- Wafer- Multi-layer Flex

2 Stack cleaning

3 Stack bonding Wafer + MLF + ML

4 Dicing 50 x 50, pitch 0.3mm

5 GND foil bonding Silver foil thickness = 0.007mm

6 BL Bonding BL + (Wafer + MLF + ML)

7 Connector soldering

8 Cabling & measurement

에 의한 차원 배열 변환기 제작(2) Simulation 2

변환기를 제작하기 위하여 을 한 후 정합층과 후면층의 두께와2D-array simulation

특성을 정하여 그것을 표 에 정리하였다2.12 .

표 으로 얻은 의 설계값2.12 Simulation 3 MHz 2D array

두께 음향 임피던스정합층 0.131mm 5 MRayls후면층 20mm 4.23 MRayls

이와 같이 적용하여 제작한 차원 배열 변환기의 펄스 응답 특성으로 얻어진2

과 으로 얻은 결과를 그림 에 비교하였다impedance spectrum simulation 20 .

결과와 실 측정결과가 잘 일치하는 것을 알 수 있다simulation .

- 55 -

그림 의 결과와 실측정치 비교2.35 Frequency spectrum simulation

차원 배열변환기 제작(3) 3MHz 2

그림 압전 단결정을 이용한 차원 배열 변환기 구조2.36 PMN-PT 2D

제작한 변환기의 대략적인 구조도를 그림 에 나타내었다 총2D array 2.36 . 50x 50

개의 변환기가 배열 되어있고 중심 주파수 는 이다(Center Frequency) 3.12MHz .

- 56 -

가( ) Stack Preparation

제작을 위하여 먼저 들을 준비하였다 단결정을 두acoustic stack . PMN-PT 0.4mm

께로 연마한 후 를 이용하여 를 두께로 전극을E-beam sputter Cr/Au 500/2000A

입혔다 전극을 입힌 웨이퍼를 로 한 후 전극면 양단에. 16 mm x 16 mm cutting

직류전계를 가해 분극 처리하였다 단결정 웨이퍼의 양면으로 접합되는. PMN-PT

후면층 와 음향정합층 은 을 위해(backing layer) (matching layer) Acoustic matching

서 알맞은 음향 임피던스 를 가져야 한다 적절한 음향 임피(Acoustic Impedance) .

던스를 가지는 후면층과 정합층을 제작 하기위해서는 일반적으로 에폭시 주제

에 세라믹 분말이나 금속 분말 등을 혼합하여 사용한다 본 연구에서는 후면(Resin) .

층은 에폭시에 세라믹 분말과 금속 분말을 혼합하여 제작하였고 정합층은 와GND

의 연결을 위해 실버 에폭시 를 이용하여 제작하였다(silver epoxy) .

나( ) Stack bonding

준비된 웨이퍼와 정합층을 에 실버 에폭시를 이용하여 차례대로 접multi-layer flex

착 하였다 이때 균일한 실버 에폭시 도포를 위하여 스크린 프린터. (screen printer)

를 이용하여 실버 에폭시를 약 정도로 균일하게 도포한 후 접착하였다0.01mm .

다 및 후면층( ) Dicing GND, bonding

접착된 제품을 을 이용하여Dicing saw(DISCO, Tokyo, Japan, Model DAC-350)

피치 절단폭 로 다이싱 하였다 그림 의(Pitch) 0.300mm, (Kerf) 0.1 mm (dicing) . 2.38

에 다이싱 된 후의 를 나타내었다 여기에 연결을 위하여(a) 20 sparse array . GND

두께의 은박 에 웨이퍼와 정합층을 접착한 방법과 동일하0.007mm (silver foil) MLF

게 실버 에폭시로 접착하였다 마지막으로 에 패드 와 은박을 실버. MLF GND (pad)

에폭시로 연결 한 후 이를 후면층에 에폭시를 이용하여 접착하였다.

- 57 -

라( ) Soldering

케이블과 의 연결을 위해 에 를 솔더링 하여 부착2D array MLF connecter (soldering)

한 후 케이블을 연결하였다 그림 은 제작된 변환기가 에 장착된. 2.37 Duke system

모습이다.

그림 시스템에 장착된 제작한 차원 배열 변환기2.37. 2

된(a) dicing sparse array 차원 배열 변환기(b) 2

그림 차원 배열 변환기 어레이2.38 2

그림 의 는 된 후 각 들이 서 있는 모습이고 는 케이스에2.38. (a) dicing array (b)

장착되기 전 상태이다 각 들이 잘 서있는 모습을 볼 수 있다module . array .

- 58 -

단결정을 이용한 차원 배열변환기 성능 평가(4) PMN-PT 2

제작한 변환기의 특성을 아래에 정리 하였다 그림 에 펄스 응답 특2D array . 2.39

성을 나타내었고 그림 은 임피던스 특성이다2.40 .

그림 제작한 차원 배열 변환기의 펄스 응답 특성2.39 2

그림 차원 배열 어레이의 주파수에 따른 임피던스 특성2.40 2

- 59 -

표 2.13 Probe data summary

PMN-PT 2D arrayCenter frequency (MHz) 3.12

array layout 50 × 50-6dB Bandwidth (%) 75insertion loss(dB) -10Crosstalk(dB) 25

Ring down time(usec) 1.25Gain(dB) -67.5

표 의 결과를 보면 작은 의 임에도 불구하고 를 이2.13 element size 2D a ay PZTπ

용한 수준의 감도가 나오는 것을 알 수 있다 또 대역폭도 이상의1D array . 70%

높은 값을 보이고 있다 이는 작은 크기와 많은 수를 고려할 때 아주 우수. element

한 결과라고 볼 수 있으며 기존 정도의 감도와 대역폭을 가짐으로서 보다1D array

밝고 선명한 이미지의 영상을 얻을 수 있게 되었다3D .

차원 배열 변환기의 영상(5) 2 3D

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그림 차원 배열 변환기의 팬텀 회전 이미지2.41 2

대학의 영상 시스템을 이용하여 이미지를 관찰하였다 밝고 선명Duke 3D phantom .

한 영상으로 영상으로 구연하여 보다 입체적인 영상을 관찰할 수 있3D phantom

었다 또 기존 변환기 보다 작은 크기이여서 다루기 쉽고 또 완전. mechanical 3D

한 실시간 영상을 보여 줌으로서 한 단계 진보한 영상을 구연할 수 있었다3D .

- 61 -

제 절 개발 결과4

발표 현황1.

가 전시회.

(1) Medica 2001, November 21-24, Dusseldorf, Germany.

공동개발기업인 메디슨과 공동 참가 세계 최초로 압전 단결정을 이용한, PMN-PT

심장용 초음파 전시Phased array

발표 및 제품전시(2) 2002, 2003 IEEE International Ultrasonic Symposium

(3) 2002, 2003 U.S. Navy Workshop on Acoustic Transduction Materials and

발표 및 제품 전시Devices

나 학술회의발표.

(1) Sung Min Rhim, Ho lung, and Sang-Goo Lee

“ A 2.6 MHz Phased Array Ultrasonic Probe Using

0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)03-0.33PbTiO3 Single Crystal Grown by the Bridgman

Method", january 13-18, 2002 The 26th Annual International Conference on

Advanced Ceramics & Composites, Cocoa Beach, Florida, USA.

- 62 -

(2) Sung Min Rhim, Sang-Goo Lee, Seahoon Kim, and Changmo Sung

“Recent Development of 3.0 MHz Phased Array Ultrasonic Probe Using 3 inch

Single Crystals of 0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3 Grown by Bridgman

Method", May 13-15, 2002 U.S. Navy Workshop on Acoustic Transduction

Materials and Devices, Baltimore, Maryland, USA

(3) Edward D. Light, Sang-Goo Lee, Sung Min Rhim, and Stephen W. Smith

“ PMN-PT Single Crystal for 2D Arrays for 3D Intracardiac Echocardiography“,

May 13-15, 2002 U.S. Navy Workshop on Acoustic Transduction Materials and

Devices Baltimore, Maryland, USA

(4) Sung Min Rhim, Ho lung, Seduk Kim, and Sang-Goo Lee

"A 2.6 MHz Phased Array Ultrasonic Probe Using 0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3

Single Crystal Grown by the Bridgman Method", October 8-11, 2002 , 2002

IEEE International Ultrasonic Symposium, Forum Hotel, Munich, Germany

(5) Sung Min Rhim, Ho lung, Seduk Kim, and Sang-Goo Lee

“A 128 Channels 7.5 MHz Linear Array Ultrasonic Probe Using 3 Inch

0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3 Single Crystal", May 6 - 8, 2003, 2003

US Navy Workshop on Acoustic Transduction Materials and Devices, , State

College, Pennsylvania, USA

(6) Sung Min Rhim, Ho lung, Seduk Kim, and Sang-Goo Lee

"A 128 Channel 7.5MHz Linear Array Ultrasonic Probe Using PMN-PT Single

Crystal", October 5-8, 2003, 2003 IEEE International Ultrasonic Symposium,

Honolulu, Hawaii, USA

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특허 현황2.

가 국내.

출원명 신규의 압전 단결정을 이용한 초음파 탐촉자(1) :출원일 이(2) : 20 .11.15출원번호 대한민국 호(3) : 2001-7093특이사항(4) : 국내 특허 심사 중

차 특허심사완료 언어의 통일과 청구범위 수정요구1 ( )

나 국외.

출원명(1) : Ultrasonic Probe출원일(2) : 2002.10. 1출원번호(3) : PCT/KR02/02126특이사항(4) : 예비심사중

구조와 제조공정 추가출원 예정

인증 현황3.

가 신기술인증 획득. (NT)

취득일(1) : 2002. 10.4 (2002-054)

주관기관 산업자원부 기술표준원(2) :

기술명 단결정을 이용한 의료용 초음파 탐촉자 제조 기술(3) : PMN-PT

나 인증 획득. CE (SGS)

취득일(1) :2003. 5. 21인증규격(2) : Directive 93/42/EEC, Medical Ultrasound Probe

ISO 9002 : 1994, Manufacture of Medical Ultrasound Probe

EN 46002 : 1996

ISO 13488 : 1996, Manufacture of Medical Ultrasound Probe

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제 장 양산 사업화 추진 내용3

제 절 사업화 추진경과1

2000.07. 신기술창업보육사업 사업자 선정(TEI)

단결정을 사용한 초음파 탐촉자 제조"PMN-PT2001. 05. 발표2001 U.S. Navy Workshop, ONR (Office of Naval Research)

Subject: A 4.0MHz Single Element Ultrasonic Probe Using PMN-PT

Single Crystal2001. 07. 중소기업 부품소재 공동개발과제 주 메디슨과 공동개발 시작( )

단결정을 이용한 의료용 초음파 개발"PMN-PT Array Probe ”2001. 09. 주 메디슨과 단결정을 이용한 심장용 개발계약( ) PMN-PT Phased array

체결2001. 10. 자체 제작한 를 초음파 영상진단기2.6MHz Phased Array Medison

에 부착 첫 임상이미지 시연성공(SA9900) ,2001. 11. 독일 참가Dusseldorf MEDICA2001 ,

세계 최초로 상용화 할 수 있는 단결정 초음파 프로브 전시PMN-PT2002. 02. 벤처기업인증 산업기술평가원 기술평가기업( , )2002. 05. 발표 및 전시2000 U.S. Navy Workshop2002. 07. 의료용구제조업 허가 획득 제 호 식품의약품안전청- ( 1396 , )

민간경제계공동 벤처기업등급평가 최우수기업 선정 등급- (A )

주 아이블휴먼스캔 설립 기업부설연구소- ( ) R&D Center ( )2002. 08. 대학과 개발 계약 체결 공동 연구 합의Duke 2D array ,2002. 10. 신기술 인증 획득 산업자원부 기술표준원- (NT) ,

단결정을 이용한 의료용 초음파 탐촉자 제조 기술"PMN-PT ”

참가 및 제품 전시- 2002 IEEE International Ultrasonic Symposium2003.02. 온도 안정성 통과- 3.0MHz Phased array test

생체적합성 시험 통과 한국화학시험연구원- ( )

심장용 임상평가 주 메디슨- 3.0MHz Phased array test: ( )

- 65 -

2003. 05. 인증 획득- CE (SGS)

발표 및 전시 구두발표- 2002 U.S. Navy Workshop ,2003.08. 과 압전 단결정을 이용한 초음- Siemens Medical Solution PMN-PT

파 프로브 개발에 관한 상호의 향서 체결

메디슨과 개발계약 체결- 7.5MHz Linear array2003. 10. 참가 및 제품 전시2003 IEEE International Ultrasonic Symposium ,

구두발표2003. 11. 주 메디슨과 개발계약 체결( ) 4Mhz Convex array

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제 절 매출 실적 및 향후 년간 계획2 3

매출 실적1.

년부터 년까지는 새로운 물질의 특성검사 신제품의 적용 가능 여부 관2001 2003 , ,

련 핵심기술 분석 및 독자기술 확보 시제품 제작 임상평가 등의 단계 등을 거쳐, ,

최종 양산 단계에 이르는 기간이었다 따라서 상품매출보다는 기술 개발과제를 수. ,

행하면서 연구개발의 매출이 주를 이루었다.

하지만 본 과제를 수행하면서 관련 핵심기술을 확보하고 수요기업의 제품에 대한,

평가가 우수하며 양산화 조건이 안정화된 상태이므로 년부터는 본격적인 제품2004

매출이 가능하여 매출이 급성장할 것으로 보인다.

향후 예상 매출액2.

당사는 압전 단결정을 이용한 심장용 초음파 변환기 개발 및 제PMN-PT 2D array

작 기술을 기반으로 하여 수요기업 메디슨 등 과 지속적으로 다른 용도의 초음파( )

변환기의 개발을 공동으로 추진할 것이며 따라서 심장용 초음파 변환기와 차원 영3

상을 위한 외에도 다양한 제품을 개발할 예정이다2D array .

심장용과 의 경우 수량이 적어도 고부가가치의 제품이므로 매출액의 비중2D array

이 높으며 전량 수입에 의존하던 심장용 변환기와 차원 영상을 위한 변환기를 대3

체할 수 있으므로 초음파 영상진단기의 경쟁력을 높일 뿐만 아니라 핵심부품의 역

수출이 가능할 것으로 보인다.

표 매출액은 공동개발기업인 메디슨의 예상 구매수량을 기준으로 산출하였다3.1 .

또한 본 과제를 통하여 확보한 를 이용한 초음파 변환기 제작기술을 높이, PMN-PT

평가한 외국 업체와의 개발사업이 성공적으로 이루어지게 되는 년 이후에는2006

추가적인 제품매출이 예상된다.

- 67 -

표 휴먼스캔 매출 예상 년 년3.1 (2004 - 2007 )

- 68 -

제 장 결론4

제 절 기대효과1

파급효과1.

가 세계 선두주자로 나서고 있는 국내의 단결정 생산 업체와 초음파 영. PMN-PT

상진단기 업체와의 협력을 통해 소재 부품 시스템의 개발간에 피드백을 할 수 있- -

어 동시에 발전할 수 있는 발판이 마련될 뿐만 아니라 핵심 소재와 부품의 국산화

를 통한 완제품의 국제경쟁력을 확보할 수 있다.

나 단결정의 물성이 기존 재료에 비해서 월등히 뛰어나며 또한 단결정을. PMN-PT

이용한 변환기 및 이를 응용한 최적화된 시스템을 설계할 경우 기존 재료를 이용하

여 시스템의 성능개선을 이루는 효과를 좀 더 빠르게 앞당길 수 있을 뿐 영상의 화

질면에서도 차별성을 이루어 중저가 중심으로 형성되었던 국내 초음파 진단기의 품

질 경쟁력을 높일 수 있어 고가 및 프리미엄급 시장으로 진출이 확실하다.

기존 기술

기존 재료 성능①

기존 재료 기존 제조 공정+②

기존 재료 기존 제조 공정 신호+ +③

처리기술

프로브 제조 기술PMN-PT

단결정 성능PMN-PT④

단결정 성능 단결정프로브PMN-PT +⑤

제조 기술

단결정 성능 단결정프로PMN-PT +⑥

브 제조기술 신호처리기술+시간 자본,

그림 재료와 초음파 변환기에 따른 영상진단기의 품질경쟁력분석4.1

- 69 -

다 단결정을 원천소재로 이용한 고성능 고기능 고부가가치 부품 및 시스. PMN-PT / /

템으로의 응용이 본격화될 수 있다.

라 단결정을 이용한 초음파 변환기 제조 기술은 의료용 초음파장치 뿐만. PMN-PT

아니라 의료장비보다 사용환경이 매우 열악한 어군탐지기 또는 군사용 소나 장비

등 다양한 산업용 초음파 장비에 활용될 수 있다.

수출 및 수입대체 효과2.

가 단결정을 이용한 초음파 변환기 제조기술을 통하여 초음파 영상 진단. PMN-PT

기기의 성능향상을 유도하며 이로 인한 선진국으로의 수출 증대 및 핵심부품의 수

입대체 및 역수출 가능하게 된다.

나 원천소재인 단결정이 대량생산될 경우 변환기의 성능향상에 따른 경. PMN-PT

쟁력 뿐만 부품의 가격 경쟁력을 확보하게 되며 이러한 초음파 변환기의 대량 생산

시 초음파 영상진단기기의 가격 경쟁력 또한 향상되어 대일 무역역조뿐 아니라 영

상진단기에 대한 모든 대내외적인 파급효과는 상당할 것이다.

다 국내 산업의 가장 큰 문제점인 핵심 소재와 핵심 부품의 수입을 해소할 뿐만.

아니라 부가가치가 큰 시스템의 가격경쟁력을 높이게 되는 이상적인 형태를 이루게

된다 따라서 소재와 부품 시스템이 하나로 연계된 성공적인 모델로 작용하여 국. , ,

내 소재와 부품 산업에 대한 파생효과는 클 것으로 예상된다.

- 70 -

그림 본 개발에 따른 기대효과4.2

- 71 -

제 절 활용 계획2

시장 진입 계획1.

가 수요기업 분석.

구분 업체 특성 수요전망

국내 메디슨

세계 최초로 흑백 컬러- , , 3차원 초음파영상 진단기의

디지털화를 실현함100%초음파영상진단기 분야에-

서 국내시장의 세계 시80%,장의 점유7% .단 산부인과 시장만을 볼- ,

때는 세계시장 점유율이이상임20% .

국내의 프로소닉과- Siemens의 합병으로 초음파 변환기 수요부족으로 타업체의 제품이필수적임.중저가를 중심으로 생산 판- ,

매하고 있으므로 프리미업급장비에는 주로 미국과 일본의초음파 변환기에 의존하고 있어 실정임.

국외

GE Medical

Siemens

Philips

Toshiba

초음파 영상진단기 시장의-이상을 점유80%초음파 변환기의 제조업체-

의 합병이나 인수를 통하여가격 경쟁력 확보영상의 질을 향상시키기-

위하여 새로운 물질을 이용한 초음파 변환기 개발 활발

성능과 가격 경쟁력이 없을-경우 성능이 뛰어난 타 업체의초음파 변환기 개발의뢰 및 이용.

나 경쟁력 비교.

휴먼스캔은 자체 개발한 변환기 설계 및 제작 기술로서 세계 최초로 단결PMN-PT

정을 이용한 초음파 변환기를 상용화하였으며 이를 바탕으로 최고의 성능을 보이는

초음파 변환기를 제작하였다.

휴먼스캔은 그림 과 같이 새로운 공정을 도입하여 제품의 품질을 극대화했을 뿐4.3

아니라 단위당 작업시간을 최대한 줄임으로써 가격 경쟁력을 확보하였다.

- 72 -

그림 타사제품과의 품질 및 가격 비교4.3.

다 시장 진입 전략.

학회 및 전시회 등을 통하여 휴먼스캔 제품의 품질 우위성을 알린다(1) .

미국 독일: ONR, IEEE Ultrasound International Symposium, MEDICA

공동개발기업인 메디슨의 초음파 영상진단기의 성능 향상을 기반으로 세계시장(2)

에서의 메디슨의 역량강화를 통하여 세계 시장 진출을 꾀한다.

새로운 물질을 기반으로 한 차세대 초음파 변환기 개발로 시장에 진입하며 각(3)

초음파 영상진단기 제조업체별로 접촉하여 자사 제품의 우수성을 알리고 각 시스템

사가 추진하지 못하고 있는 부분에 계약을 체결하거나 으로 생산하여 시NRE OEM

장에 진입한다.

- 73 -

문제점 및 해결방안2.

가 규격 문제.

영상진단기업체별로 초음파 변환기에 대한 규격이 상이하므로 진입이 어렵다(1) .

해결방안 초음파 변환기는 초음파 영상진단기에 있어 소모품이므로 한 곳에 납품( )

을 하게 될 경우 매년 일정한 공급량 확보 가능하다.

진단 부위별로 초음파 변환기의 종류가 상이하므로 다품종 생산이 필수적이다(2) .

해결방안 기존의 가지의 초음파 변환기를 이용하여 진단하던 것을 성능이 우( ) 2~3

수한 단 한가지 변환기로 진단이 가능하게 함으로서 자사와 시스템 업체간의 가격

경쟁력 확보를 통해 해결할 수 있다.

나 비용문제.

초음파 변환기는 기본적으로 수작업 공정이므로 불량률 및 인건비의 부담이 큰 부

품이다.

해결방안 공정의 최소화를 통해 작업을 용이하게 하며 단위 갯수당 작업 시간을( )

단축하여 불량률과 인건비를 최소화할 수 있다.

- 74 -

제 장 첨부자료5

발표자료1.

가. 2002, 2003 IEEE International Ultrasonic Symposium

나. 2002, 2003 U.S. Navy Workshop on Acoustic Transduction Materials and

Devices

특허자료2.

가 국내 신규의 압전 단결정을 이 용한 초음파 탐촉자 출원서 및 요약서. : “ ”

나 국외 출원서 및 요약서. : “Ultrasonic Probe"

인증서3.

가 신기술 인증 서. (NT)

나 인증서. CE

평가서4.

가 임상평가 결과보고서. 3.0MHz Phased array

나 평가보고서. 20 array

다 생체적합성 평가서.

자료5. Image

뒷면 참조- CD

- 75 -

발 표 자 료

- 76 -

A 2.6 MHz PHASED ARRAY ULTRASONIC PROBE USING

O.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3 SINGLE CRYSTAL GROWN

BY THE BRIDGMAN METHOD.

Sung Min Rhim, Ho lung, Seduk Kim, and Sang-Goo Lee

iBULe Humanscan Co., Ltd., 302, Siwha APT Factory, Siwha Ind. Estate 5Ra

301 #672, Sunggok-dong, Ansan-si, Kyunggi-do, 425-110 Korea

Abstract - The performance of 64channel 2.6 MHz phased array ultrasonic

probe using 0.67Pb(Mg1/3 Nb2/3)O3-0.33PbTiO3 single crystal was investigated.

The fabrication process was modified as the mechanical and electrical

properties difference between PMN-PT single crystal and conventional PZT.

The sensitivity of the PMN-PT single crystal probe is about 6 dB higher than

that of the conventional PZT probe, and the -6 dB bandwidth is about 30 %

broader. The sensitivity variation of PMN-PT probe was within ±2.0dB. The

performance of PMN-PT probe with higher sensitivity was better than that of

PZT probe in harmonic image. And the color Doppler of PMN-PT probe is

superior than that of PZT probe. The PMN-PT single crystal provides

improvement in the sensitivity and bandwidth.

. INTRODUCTION│

Medical ultrasound imaging technique recently has progressed considerably.

As the improvement of ultrasound image resolution and low device price

compare with CT, MRI and X-ray imaging system, the market share of

ultrasound imaging system is gradually increased. The one method of

improvement of ultrasound imaging is the elevation of performance of

ultrasonic transducer. The vast majority of ultrasonic transducer incorporate a

polycrystalline piezoelectric based on the composition Pb(Zr1-xTix)O3, generally

known as PZT. These materials bring the benefit of relatively high

electromechanical coupling factor and piezoelectric constant and, therefore,

display improved probe bandwidth and sensitivity. However, the piezoelectric

properties of PZT ceramics have shown little improvement over the last two

decades.

- 77 -

Single crystals of complex lead perovskites, with the general formula

Pb(B1B2)O3-PbTiO3 (B1 = Mg2+, Zn2+, Ni2+, Sc3+, etc.; B2 = Nb

5+, Ta5+, etc.),

have been studied since Kuwata et al [1] reported their extremely high

piezoelectric properties. Among these single crystals, Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3

(PZN-PT) and Pb(Mg1/3Nb2/3) O3-PbTiO3 (PMN-PT) exhibit an ultrahigh

piezoelectric constant, d33, and a very large electromechanical coupling factor,

k33, in comparison with those of PZT ceramics, making them attractive for

both actuator and ultrasonic transducer applications. PZN-PT and PMN-PT

single crystals usually are grown by the flux method. However, large,

high-quality single crystals are difficult to grow by the flux method, because

of their complex compositions and the high evaporation rate of PbO at high

temperature. In addition, although the rhombohedraltetragonal morphotropic

phase boundary (MPB) composition of PMN-PT single crystals exhibits

piezoelectric properties comparable to those of PZN-PT, more attention has

been given to the PZN-PT system because of its relatively lower PT content

for MPB. Lee et. al [2] has proposed the Bridgman method as an attractive

alternative method for producing PMN-PT single crystals. Single crystals

grown by the Bridgman method exhibit adequate size and quality for use in

industrial applications. In this paper, the fabrication of a 64 channel phased

array with a center frequency of 2.6 MHz from PMN-PT single crystal is

reported, and ultrasound images obtained using the PMN-PT probe are

compared with those obtained using a commercial PZT ceramic probe.

- 78 -

. EXPERIMENRAL PROCEDUREⅡ

A. Growth and Measurement of PMN-PT Single Crystal

The single crystals of 0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3 used in our

experiments were grown by the Bridgman method. High purity PbO, MgO,

Nb2O5, and TiO2 were used as the starting materials. Ceramic powders used

for crystal growth were prepared by the columbite-precursor method. Seed

crystals along the (001) direction were used for the growth. The PMN-PT

single crystals were grown in sealed platinum crucibles, to prevent the

evaporation of PbO at high temperature. The crucible was covered and placed

in a high temperature crystal growth furnace (1500 C, 100 psi) for 20 hours

to melt the powder completely. The melt was cooled slowly to 20 C over 120

hours to obtain a semi-transparent, homogeneous single crystal having a

diameter of about 50 mm. Figure 1 shows the (001) wafer of the obtained

PMN-PT single crystal.

Fig. 1. Polished (001) wafer of PMN-PT single crystal.

- 79 -

The single crystals were cut, lapped and polished After the crystals had been

Cr/Au electroded by DC sputtering, they were poled by applying a DC bias

field of 3 kV/cm at 135 C for 10 min in silicone oil, and subsequently cooled

to 80 C, in the same electric field, at a rate of 1 C/min. The dielectric

constant and dielectric loss of each sample were calculated from the

capacitance, measured using an LF impedance analyzer (Model HP 4192A,

Hewlett-Packard Co., Palo Alto, CA), at 1 kHz, over the temperature range 25

C-170 C.

B. Fabrication of Phased Array Probe

The main specifications of the fabricated probe are a center frequency of 2.6

MHz, and 64 channels, each having dimensions of 16 mm x 0.265 mm. The

PMN-PT wafers were lapped to about 0.4mm in thickness to achieve an

antiresonance frequency of about 5 MHz. After Cr/Au electroding with a

thickness of 0.05/0.2 m by DC sputtering, they were cut to 16 mm x 23μ

mm. The electroded wafers were then poled previous conditions. A backing

material, whose acoustic impedance is 3.6 x106 kg/m2s, consisting of a

mixture of several ceramic powders and epoxy resin was bonded to the

PMN-PT wafer using an epoxy resin cured at 35°C for 24hours. Then, signal

and ground flexible printed circuits were attached along each edge of these

transducers using silver epoxy cured at 60 C for 6 hours. In order to

compensate for the impedance mismatch between transducer and human

body, two acoustic matching layers were formed. A mixture of alumina

powder and an epoxy resin with an acoustic impedance of 7.9 x 106 kg/m2s

was used for the first matching layer, and an epoxy resin sheet with an

acoustic impedance of 3.0 X 106 kg/m2s was used for the second matching

layer. Their thickness are 260 m and 240 m, respectively. The acoustic lensμ μ

is made of a RTV resin.

- 80 -

Dicing was performed with a dicing saw (DISCO, Tokyo, Japan, Model

DAC-350) with dicing speed about 0.5 mm/s. The dicing pitch and kerf were

0.315 mm and 0.05 mm, respectively. The all elements were working after

probe fabrication.

. RESULT AND DISCUSSIONⅢ

A. Mechanical and Electrical Properties of PMN-PT Single Crystal

The PMN-PT and PZN-PT represent a phase transition from ferroelectric

rhombohedral to ferroelectric tetragonal, and then to paraelectric cubic, with

increasing temperature [1,3]. The transition temperatures from rhombohedral

to tetragonal (TR-T) and from tetragonal to cubic (TT-C) of PMN-PT single

crystal using this paperis work are about 78 C and 145 C, respectively. The

d33, k33, and g33 of rhombohedral phase are 2300 pC, 0.93, and 41.5x10-3

Vm/N, respectively. And those of tetragonal phase are 1800 pC, 0.87, and

31.0 X10-3 Vm/N, respectively. All of the parameters are larger for the

rhombohedral phase than for the tetragonal phase. The two most likely

explanations for the excellent piezoelectric properties in the rhombohedral

phase are (1) reorientation of the polar domains by the applied field and (2)

Polarization rotation, where the large response does not depend, in an

essential way, on the mesoscopic structure or ordering [4]; that is, a large

piezoelectric response can be driven by polarization induced by an external

electric field. The flat energy surface (that is, soft force constants for

ferroelectric displacements) near the rhombohedral phase may be the most

important factor in a large piezoelectric response [3]. However, the

phenomenon of the larger piezoelectric properties in the rhombohedral phase

is poorly understood.

- 81 -

B. Pulse Echo Properties and Ultrasound Images

Fig. 2. (a) Pulse echo pattern and (b) frequency spectrum of commercial PZT

probe.

Fig. 3. (a) Pulse echo pattern and (b) frequency spectrum ofPMN-PT probe

Table 1. Numerical summary of pulse echo characteristics of PZT probe and

PMN-PT probe.

PZT probe PMN-PT probeRelative sensitivity (dB) 0 6.1-6dB bandwidth (dB) 59.7 91.5-6dB pulse length ( sec)μ 0.452 0.314

- 82 -

Pulse echo signal was measured using the conventional pulse echo method in

water at room temperature. The target of echo signal was a polished

aluminum block and the distance between target and transducer was 80 mm.

A standard pulser/receiver (Panametrics, Model 5800PR) was used under the

conditions of gain = 40 dB, energy level = 12.5 J, and damping resistanceμ

= 50 . Figure 2 and 3 show the pulse echo pattern and frequency spectrumΩ

of conventional PZT ceramic probe and PMN-PT single crystal probe,

respectively. Table I gives a numerical summary after averaging all of

elements. The center frequencies of the PMN-PT probe are higher than that

of PZT probe. The echo amplitude of the PMN-PT single crystal probe is

about 6 dB higher than that of conventional PZT probe. The -6 dB bandwidth

of the PMN-PT single crystal probe was about 30 % broader than that of

conventional PZT probe.

- 83 -

Figure 4 shows the dispersion in echo amplitude and variation of capacitance

at 1kHz for PMN-PT single crystal probe. The dispersion of echo amplitude

was within ± 2.0 dB of input voltage vs output voltage.

The dispersion of echo amplitude of conventional PZT probe is about ±2.0

dB. The critical problem of previous work using single crystal is larger

dispersion of properties than PZT. However these results are very similar to

PZT. The capacitance at 1kHz of conventional PZT is about 190pF, and that

of PMNPT is about 330pF. And the capacitance dispersion at 1kHz was within

5% of the mean value for all elements

Fig. 4. Echo amplitude dispersion and capacitance variation at 1kHz of PMN-PT

single crystal probe.

Figure 5 shows the ventricle long axis plane harmonic images of

hard-to-image patient. The left image is obtained with commercial PZT probe

and right image is obtained with PMN-PT single crystal probe. The system

matching between ultrasound imaging system (SA9900, Medison Co., Korea)

and conventional PZT probe was carried, but system matching of PMN-PT

single crystal didnit be carried. Transmission conditions of the two probes are

equal and the gain level was adjusted to make the brightness of the two

images equal. Because the sensitivity of PMN-PT probe is higher than that of

PZT probe, the harmonic image of PMN-PT probe is better than that of PZT

probe. If the optimization of transmission frequency is carried, the difference

of image quality between PMN-PT probe and PZT probe become larger. The

optimization of transmission condition and fine tuning results will be reported

in the near future.

- 84 -

Figure 6 (a) and (b) show the color Doppler images of the same previous

patient obtained by PZT probe and PMN-PT probe, respectively. The Doppler

sensitivity of PMN-PT probe is higher than that of PZT probe.

Fig. 5. Comparison of harmonic mode images between PMN-PT probe and PZT

probe.

. CONCLUSIONSⅣ

A 2.6 MHz phased a ay ultrasonic probe usingπ

0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3 single crystal was fabricated. The obtained

results revealed the followings.

1. The adequate size and quality of PMN-PT single crystal for use in the

medical ultrasound probe were obtained by Bridgman method.

2. The piezoelectric, electromechanical, and elastic properties of PMN-PT

single crystals in rhombohedral phase were larger than those of PMN-PT in

tetragonal phase. The electromechanical coupling factors k33' and k33’ of (001)

oriented PMN-PT were larger than those of commercial PZT polycrystalline

ceramics, and piezoelectric constant d33 was a factor of two greater than that

of PZT ceramics.

- 85 -

(a) (b)

Fig. 6. Color Doppler mode images of (a) PZT probe and (b) PMN-PT probe.

3. The echo amplitude of the PMN-PT single crystal probe is about 6 dB

higher than that of the commercial PZT probe, and the -6 dB bandwidth is

about 30 % broader and The capacitance at 1kHz of PMN-PT single crystal

of each element is about 60% larger than that of commercial PZT probe.

4. The harmonic mode image quality of PMN-PT probe is superior to

commercial PZT probe and color Doppler sensitivity of PMN-PT probe is

about 5 dB higher than that of PZT probe.

. REFERENCESⅤ

[1] Jun Kuwata, Kenji Uchino, and Shoichiro Nomura, "Dielectric and

Piezoelectric Properties of 0.91Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.09PbTiO3 Single Crystals,"

Jpn. J. Appl. Phys., vol. 21, no 9, pp. 1298-1302, 1982.

[2] Sang-Goo Lee, R. G Moteiro, R. S. Feigelson, H. S. Lee, M. Lee, and S.

E. Park, "Growth and Electrostrictive Properties of Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 Crystals,"

Appl. Phys. Left., vol. 74, no. 7, pp.1030-1032,1999.

[3] Huaxiang Fu and Ronald E. Cohen, "Polarization Rotation Mechanism for

Ultrahigh Electromechanical Response in Single-Crystal Piezoelectrics," Nature,

vol. 403, no. 20, pp.281-283, 2000.

[4] S. E. Park and T. R. Shrout, "Ultrahigh Strain and Piezoelectric Behavior

in Relaxor Based Ferroelectric Single Crystal," J. Appl. Phys., vol. 82, pp.

1804-1811, 1997.

Sung Min Rhim

- 86 -

A 128 CHANNEL 7.5 MHz LINEAR ARRAY ULTRASONIC

PROBE USING PMN-PT SINGLE CRYSTAL.

Sung Min Rhim, Hyung Ham Kim*, Ho Jung, Seduk Kim, and

Sang-Goo Lee

Humanscan Co., Ltd., 302, Siwha APT Factory, Siwha Ind. Estate 5Ra 301

#672, Sunggok-dong, Ansan-si, Kyunggi-do, 425-110 Korea

*Medison Co., Ltd., 997-10, daechi-dong, Gangnam-gu, Seoul, 135-280

Korea

Abstract - The performance of 128channel 7.5 MHz linear array ultrasonic

probe using 0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3 single crystal was investigated.

The fabrication process was modified as the mechanical and electrical

properties difference between PMN-PT single crystal and conventional PZT.

The sensitivity of the PMN-PT single crystal probe is about 3 dB higher than

that of the conventional PZT probe, and the -6 dB bandwidth is about 30 %

broader. The sensitivity variation of PMN-PT probe was similar with PZT

probe.

. INTRODUCTIONⅠ

Medical ultrasound imaging recently has progressed considerably. With the

improvement of ultrasound image resolution and a low device price compared

with CT, MRI and X-ray imaging systems, the market share of ultrasound

imaging system is gradually increasing. One method of improving ultrasound

imaging is increasing the performance of ultrasonic transducers. The vast

majority of ultrasonic transducer incorporate a polycrystalline piezoelectric

based on the composition Pb(Zr1-xTix)O3, generally known as PZT. These

materials bring the benefit of relatively high electromechanical coupling factor

and piezoelectric constant and, therefore, display improved probe bandwidth

and sensitivity. However, the piezoelectric properties of PZT ceramics have

shown little improvement over the last two decades.

- 87 -

Single crystals of complex lead perovskites, with the general formula

Pb(B1B2)O3-PbTiO3 (B1 = Mg2+, Zn2+, Ni2+, Sc3+, etc.; B2 = Nb

5+, Ta5+, etc.)

offer a chance to improve transducer performance[1]. In this paper, the

fabrication of a 128 channel linear array with a center frequency of 7.5 MHz

from PMN-PT single crystal is reported, and ultrasound images obtained using

the PMN-PT probe.

- 88 -

Fig. 1. 2 way pulse echo spectrum of commercial PZT probe.

Fig. 2. 2 way pulse echo spectrum of PMN-PT single crystal probe.

Table 1. Numerical summary of pulse echo characteristics of commercial PZT

probe and PMN-PT single crystal probe.

PZT probe PMN-PT probeRelative sensitivity (dB) 0 3.31

-6dB center frequency (MHz) 7.72 7.13-6dB bandwidth (dB) 65.77 95.13-6dB pulse length ( sec)μ 0.19 0.17

- 89 -

. EXPERlMENTAL PROCEDUREⅡ

The main specifications of the fabricated probe are a center frequency of 7.5

MHz, and 128 channels, each having three sub-elements. Since single crystal

has a low frequency constant than PZT, if the frequency is the same, the

thickness of single crystal is thinner than that of PZT. The PMN-PT wafers

were lapped to about 0.130 mm in thickness. After Cr/Cu/Au electroding with

a thickness of 0.05/1.0/0.2 m by DC sputtering, they were cut to 40 mm xμ

6 mm. The electroded wafers were then poled by applying a DC bias field of

3 kV/cm at 135 for 10 min in silicone oil, and subsequently cooled to 80 ,℃ ℃

in the same electric field, at a rate of 1 /min. A backing material, whose℃

acoustic impedance is 3.6 x 106 kg/m2s, consisting of a mixture of several

ceramic powders and epoxy resin was bonded to the PMN-PT wafer using an

epoxy resin cured at 35°C for 24 hours. Then, signal and ground flexible

printed circuits were attached along each edge of these transducers using

silver epoxy cured at 60°C for 6 hours. Two acoustic matching layers were

formed. A mixture of alumina powder and an epoxy resin with an acoustic

impedance of 9.2 x 106 kg/m2s was used for the first matching layer, and an

epoxy resin sheet with an acoustic impedance of 3.0 x 106 kg/m2s was used

for the second matching layer. Their thicknesses are 58 m and 64 m,μ μ

respectively. The acoustic lens is made of a RTV resin.

The dicing pitch and kerf were 0.30 mm and 0.035 mm, respectively. The all

elements were working after probe fabrication.

- 90 -

. RESULT AND DISCUSSIONⅢ

Pulse echo signal was measured using the conventional pulse echo method in

water at room temperature. The target of echo signal was a polished

aluminum block and the distance between target and transducer was 18 mm.

A standard pulser/receiver (Panametrics, Model 5800PR) was used under the

conditions of gain = 40 dB, energy level = 12.5 J, and damping resistanceμ

= 50 . Figure 1 and 2 show the pulse echo pattern and frequency spectrumΩ

of conventional PZT ceramic probe and PMN-PT single crystal probe,

respectively. Table I gives a numerical summary after averaging all of

elements. The center frequencies of the PMN-PT probe are lower than that of

PZT probe. The echo amplitude of the PMN-PT single crystal probe is about

3 dB higher than that of conventional PZT probe. The sensitivity difference

between PMN-PT single crystal probe and PZT probe in high frequency probe

is smaller than previous report[2]. This is caused by depoling during dicing

process. The thickness of high frequency probe is thinner than that of phased

array. Therefore, the depoling happened easily. The -6 dB bandwidth of the

PMN-PT single crystal probe was about 30 % broader than that of

conventional PZT probe.

Figure 3 shows the dispersion in echo amplitude of PMN-PT single crystal

probe and PZT probe. The dispersion of echo amplitude was within ± 2.0 dB

of input voltage vs output voltage. This dispersion is similar with that of

conventional PZT probe. The critical problem of previous work using single

crystal is larger dispersion of properties than PZT. However these results are

very similar to PZT.

- 91 -

Fig. 3. 2 way sensitivity dispersion of commercial PZT probe and PMN-PT

probe.

Figure 4 shows the Thyroid cyst images. (a) is B-mode image and (b) color

doppler image Common carotid artery image was shown in Figure

5. The system matching of PMN-PT single crystal didn’t be carried.

Transmission conditions of the PMN-PT single crystal probe was used the

conventional PZT probe condition. The optimization of transmission condition

and fine tuning results will be reported in the near future.

(a) (b)

Fig. 4. Thyroid cyst images of (a) B mode and (b) color Doppler.

- 92 -

Fig. 5. Common carotid artery image acquired using PMN-PT single crystal

probe.

. CONCLUSIONSⅣ

A 128 channel 7.5 MHz linear array ultrasonic probe using PMN-PT single

crystal was fabricated.

The obtained results revealed the followings.

1. The fabrication of high frequency 128 channel each having 3 sub-elements

linear array was a success.

2. The echo amplitude of the PMN-PT single crystal probe is about 3 dB

higher than that of the commercial PZT probe, and the -6 dB bandwidth is

about 30 % broader.

3. The B mode and color Doppler images using PMN-PT probe were acquired

successive.

. REFERENCESⅤ

[1] Jun Kuwata, Kenji Uchino, and Shoichiro Nomura, “Dielectric and

Piezoelectric Properties of 0.91Pb(ZnI/3Nb2/3)O3-0.09PbTiO3 Single Crystals,"

Jpn. J. Appl. Phys., vol. 21, no. 9, pp. 1298-1302, 1982.

- 93 -

[2] Sung Min Rhim, Ho lung, Seduk Kim, and Sang-Goo Lee, “A 2.6 MHz

Phased Array Ultrasonic Probe using 0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3 Single

Crystal Grown by the Bridgman Method," Proc, IEEE Ultrason. Symp., pp.

1114-11 19,2002.

Sung Min Rhim

- 94 -

2002 U.S. Navy Workshop on Acoustic Transduction Materials

and Devices

13-15 May 2002

Sponsored by:

Office of Naval Research

Hosted by:

Materials Research Institute

The Pennsylvania State University

University Park, Pennsylvania

Location:

Renaissance HarborPlace Hotel

Baltimore, Maryland

- 95 -

2002 U.S. Navy Workshop on Acoustic Transduction Materials

and Devices 13-15 May 2002

Renaissance HarborPlace Hotel

Fifth Floor

Monday, 13 May 2002

Session : UltrasoundⅢ

Session Chair: Steven

Pilgrim

Maryland Ballroom

C- 1Ⅲ 02:00 - 02:15pm ADVANCED TRANSDUCER

MATERIALS FOR ULTRASONIC

IMAGING PROBES

M.J. Zipparo

- 2Ⅲ 02:20 - 02:35pm CAPACITIVE MICROMACHINED

ULTRASONIC TRANSDUCERS

FOR UNDERWATER AND

MEDICAL IMAGING

B.T. Khuri-Yakub

- 3Ⅲ 02:40 - 02:55pm O P T O A C O U S T I C

TRANSDUCTION MECHANISMS

FOR HIGH FREQUENCY

ULTRASOUND

M. O'Donnell

- 4Ⅲ 03:00 - 03:15pm INVESTIGATION OF UTILITY OF

DIGITAL FILTERING FOR

MULTI-RESONANT, STACKED,

PIEZOELECTRIC TRANSDUCERS

S. Zhou

03:20 - 04:10pm Afternoon Break Maryland Foyer CD

- 96 -

Session Chair: Ahmed Amin

- 5Ⅲ 04:10 - 04:25pm

CHTHETER TWO-DIMENSIONAL

ARRAYS FOR REAL TIME 3-D

INTRACARDIAC IMAGING:

INCREASED CHANNEL COUNT,

MINIATURIZATION AND TOOL

INTEGRATION

Warren Lee

04:30 - 05:09pm Three Minute Summaries

- 6Ⅲ 04:30

RECENT DEVELOPMENT OF 3.0

MHZ PHASED ARRAY ULTRASONIC

PROBE USING 3 INCH SINGLE

CRYSTALS OF

0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3

GROWN BY BRIDGMAN METHOD

Changmo Sung

- 7Ⅲ 04:33

HIGH FREQUENCY MEDICAL

TRASDUCERS BASED ON PZN-PT

AND BS-PT

S. Rhee

- 8Ⅲ 04:36

SINGLE CRYSTAL TRANSDUCERS

FOR FLOW MEASUREMENT OF

HETEROGENEOUS MEDIA

S.-E. Eagle Park

- 9Ⅲ 04:39

PMN-PT SINGLE CRYSTAL FOR 2D

ARRAYS FOR 3D INTRACARDIAC

ECHOCARDIOGRAPHY

Edward D. Light

- 10Ⅲ 04:42

P-MUT AND C-MUT FOR MEDICAL

IMAGING: OPTIMIZATION AND MAIN

LIMITATIONS

J.L. Vernet

- 11Ⅲ 04:45

OPTICAL GENERATION OF

ULTRASOUND: A STUDY OF THE

EFFECT OF VARIOUS DESIGN

PARAMETERS

S. Zhou

- 12Ⅲ 04:48

FABRICATION OF MEMS TONPILZ

HIGH FREQUENCY ULTRASONIC

TRANSDUCERS

Q.F. Zhou

- 13Ⅲ 04:51

REAL-TIME RECTILINEAR

VOLUMETRIC IMAGING USING

RECEIVE MODE MULTIPLEXING

J.T. Yen

- 97 -

- 14Ⅲ 04:54

COMBINED 3D INTRACARDIAC

ECHO AND ULTRASOUND

ABLATION: FEASIBILITY STUDY

Kenneth L. Gentry

- 15Ⅲ 04:57

SUPRESSING THE

MASS-SPRING MODE IN A

MEDICAL PHASED ARRAY

USING A SLOPING KERF

S. Zhou

- 16Ⅲ 05:00

PACEMAKER LAED GUIDANCE

USING REAL TIME 3D

ULTRASOUND

Rebecca C. Booi

- 17Ⅲ 05:03

EPITAXIAL PMN-PT

PIEZOELECTRIC THICK FILM

HETEROSTRUCTURES FOR

HIGH FREQUENCY MEDICAL

ULTRASOUND TRANSDUCERS

C.B.Eom

- 18Ⅲ 05:06 - 05:09pm

SINGLE CRYSTAL MATERIALS

AND TRANSDUCERS FOR

MEDICAL IMAGING

APPLIATIONS

Jie Chen

- 98 -

Recent Development of 3.0 MHz Phased Array Ultrasonic

Probe Using

3 inch Single Crystals of 0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3

Grown by Bridgman Method

Sung Min Rhim, Sang-Goo Lee*, Saehoon Kim** and Changmo Sung***

iBULe HUMANSCAN Co., Ltd., 302&303, Siwha APT Factory, Siwha Ind. Estate

5Ra 301 #672, Sunggok-dong, Ansan-si, Kyunggi-do, 425-110 Korea*iBULe PHOTONICS Co., Ltd., Sihwa Ind. Estate 3Da 201-3 #1276-10,

Jeongwang-dong, Siheung-si, Kyunggi-do, 429-850 Korea**Dep. of Ceramic Engineering, Kangnung Univ. Kangnung,

Kangwon-do, 210-702, Korea***Dept. of Chemical and Nuclear Engineering, Univ. of Massachusetts,

Lowell, MA 01854, USA

The electrical properties of 0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3 single crystals

grown by Bridgman method were investigated and 3.0 MHz phased array

ultrasonic probe using 3 inch single crystal of

0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3 was fabricated. The 3 inch size and the high

quality of PMN-PT single crystals for the medical ultrasound probe were

obtained by Bridgman method. The electrical properties of PMN-PT single

crystals in rhombohedral phase revealed larger values than those of PMN-PT

in tetragonal phase. The electromechanical coupling factors k33 and k33’ of the

[001] oriented PMN-PT were larger than those of commercial PZT

polycrystalline ceramics, and its piezoelectric constant d33 was greater than

that of PZT ceramics. The echo amplitude of the PMN-PT single crystal probe

was about 4 dB higher than that of the conventional PZT probe, and the -6

dB bandwidth was about 30 % broader. The B mode cardiac image was

acquired successfully by this device.

Contact Person:

iBULe HUMANSCAN

Sung Min Rhim, Ph.D.

E-mail:

IBULe PHOTONICS

- 99 -

Sang-Goo Lee, Ph.D

E-mail:

URL: www.ibule.com

PMN-PT SINGLE CRYSTAL FOR 2D ARRAYS FOR 3D

INTRACARDIAC ECHOCARDIOGRAPHY

Edward D. Light1, Sang-Goo Lee2, Sung Min Rhim2 and Stephen W.

Smith1

1Department of Biomedical Engineering, puke University, box 90281, Durham,

NC 27708 2Ibule Humanscan Co., Ltd., Kyunggi-do, Korea

Using PMN-(.35)PT single crystal from Thule Humanscan Co, (Kyunggi-do

Korea), we have constructed a 2D array catheter transducer for Real Time 3D

Intracardiac imaging. The transducer attaches to a 3D scanner capable of

generating up to 40 volumes/second and can display real time orthogonal

B-scans, C-scans or rendered volumes (Volumetrics Medical Imaging,

Durham, NC). The system also has real time Spectral and Color Flow Doppler

capabilities.

The transducer a ay consists of 13 x 11 = 143 elements at a 0.20 mm pitch.π

We measured the coupling coefficient, k33 to be 0.91. The single crystal did

not show a large frequency downshift after dicing. The transducer operates at

4.1 MHz, and the -6 dB fractional bandwidths range from 17% to 30% on the

same transducer without a matching layer. The 50 Ohm round trip insertion

loss is -80 dB. The transducer’s orientation is side scanning with respect to

the long axis of the catheter lumen, and fits in a 12 Fr lumen. The transducer

was constructed on a multi-layer flex circuit. We have obtained in vitro and in

vivo Real Time 3D ultrasound images.

Edward D Light

Box 90281

Biomedical Engineering

Duke University

Durham, NC 27708-0281

Ph: 919-660-5444

Fax: 919-684-4488

Email:

- 100 -

2003 U.S. Navy Workshop

on

Acoustic Transduction

Materials and Devices

6-8 May 2003

Sponsored by:

Office of Naval Research

Hosted by:

Materials Research Institute

The Pennsylvania State University

University Park, Pennsylvania

Location:

The Penn Stater Conference Center Hotel

State College, Pennsylvania

- 101 -

2003 U.S. Navy Workshop on Acoustic Transduction Materials and Devices

6-8 May 2003

The Penn Stater Conference Center Hotel, State College, Pennsylvania

Wednesday, 7 May 2003

Session : Ultrasonic Transducers and Novel Transducers President's HallⅥ Ⅵ

- 102 -

Session Chair: Kenji Uchino

.1Ⅵ 2:00 - 2:15

A 128 channels 7.5 MHz Linear Array

Ultrasonic Probe Using 3 Inch

0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3 Single

Crystal

S.M. Rhim, H. Jung, S. Kim, S.-G. Lee

S.M. Rhim

.2Ⅵ 2:20 - 2:35

Single Crystals for Medical Ultrasound

Arrays

M.J. Zipparo, C.G. Oakley

M.J.Zipparo

.3Ⅵ 2:40 - 2:55

Inter Element Decoupling in Ultrasound

Arrays

J.A. Hossack, S. Zhou

J.A. Hossack

.4Ⅵ 3:00 - 3:15

Characterization and Numerical

Modelling of High Frequency

Transducer Arrays

A.-C.Hladky-Hennion, B. Cugnet, J.

Assaad

A.-C.Hladky-Hennion

3:20 - 4:00 Afternoon BreakPresident's Prefunction , , andⅡ Ⅲ

Ⅳ

.5Ⅵ 4:00 - 4:15

An Experimental Study of Cross-Coupling

and Acoustic Interactions in 1-D

Capacitive Micromachined Ultrasonic

Transducer Arrays

A. Caronti, D. Fiasca, G. Caliano, M.

Pappalardo

A. Caronti

4:20 - 5:11 Three Minute Summaries

.6Ⅵ 4:20

Low-temperature Fabrication and Improved

Optical Detection Methods for Capacitive

Micromachined Ultrasonic Transducers

F . L .

Degertekin

.7Ⅵ 4:23

High Channel Count Two Dimensional

Transducer Array

J. Hossack, E. Girard

J.A. Hossack

- 103 -

.8Ⅵ 4:26

High Frequency Quantitative Imaging of a Small

Animal Heart Chamber

J.A. Hossack

J.A. Hossack

.9Ⅵ 4:29

PMN-PT Single Crystal Transducers for Medical

Imaging Applications

J. Chen, R. Panda, M.M. Sanders

J. Chen

.10Ⅵ 4:32A Study of Inversion Layer Transducers

G. Hayward, Y. Estanbouli, J.C. BarbenelG. Hayward

.11Ⅵ 4:35

Finite Element Analysis of Multilayered

Piezoelectric Composite Transducers

R.L. O'Leary, G. Hayward

R.L. O'Leary

.12Ⅵ 4:38

Comparison of Parasitic Resonances in Single

Crystal and Ceramic 1-3 and 2-2 Composite

Arrays

G. Hayward, D. Robertson, A. Gachagan, J.

Hyslop, P. Reynolds

G. Hayward

.13Ⅵ 4:41

Feasibility Demonstration of a Large Area

Phased Array for Remote Ultrasound Imaging

M.J. Zipparo

M.J. Zipparo

.14Ⅵ 4:44

The Impact of Element Taper and

Inhomogeneous Material Properties on

Ultrasonic Array Performance

D. Powell, P. Reynolds, D. Vaughan, J. Mould,

C. Desilets

D. Powell

.15Ⅵ 4:47

Cymbal Transducer Design for Ultrasound

Mediated Transdermal In Vivo Transport of

Insulin

D.C. Markley, S. Lee, R.E. Newnham, N.B.

Smith

D.C. Markley

.16Ⅵ 4:50

Application of Electroactive Materials in

Biosensor Development

Z.-Y. Cheng, B.A. Chin

Z.-Y. Cheng

.17Ⅵ 4:53

Ultrasonic Micromotors Using a Metal Tube and

Piezoelectric Ceramic Plates

S. Cagatay, K. Uchino

S. Cagatay

.18Ⅵ 4:56

Development of an 800 Accelerometer Using℃

Gallium Orthophosphate for Condition-Based

Monitoring of Gas Turbine Engines

S.P. Kahn

S.P. Kahn

- 104 -

.19Ⅵ 4:59

An Electromechanical Ring Lead Zirconate

Titanate (PZT) Actuators Used as a Spring

J.C. Debus, M. Lippert, A.C. Hladky, M.

Brussieux

J.C. Debus

.20Ⅵ 5:02

An Investigation on the Cahracteristics of

Piezoelectric/Electrostrictive Multimaterial

Bending and Spiral Actuators

A. Hall, M. Allahverdi, A. Safari

A. Hall

.21Ⅵ 5:05

Paralled Connection of Piezoelectric

Transformers and Its Modeling

S. Manuspiya, T. Ezaki, K. Uchino

S. Manuspiya

.22Ⅵ 5:08

High Power Piezoelectric Transformers

K. Uchino, P. Laoratanakul, S. Manuspiya, T.

Ezaki, A. Vazquez Carazo

K. Uchino

- 105 -

7 May 2003

Session Ⅵ

Ultrasonic Transducers and Novel Transducers

President’s Hal/Ⅳ

2:00 p.m. - 5: 11 p.m.

(Session Chair: Kenji Uchino)

- 106 -

A 128 channels 7.5 MHz Linear Array Ultrasonic Probe Using

3 Inch 0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3 Single Crystal

Sung Min Rhim, Ho Jung, Seduk Kim, and Sang-Goo Lee1

Humanscan Co., Ltd. Ansan-si, Kyunggi-do, 425-110 Korea1iBULe PHOTONICS, Siheung-si, Kyonggi-do 429-800, Korea

The electrical properties of 3 inch 0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3 single

crystals grown by a Bridgman method was investigated and 7.5 MHz 128

channels linear array ultrasonic probe using 0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3

single crystals was fabricated. The adequate size and quality of PMN-PT

single crystal for use in the 128channels medical ultrasound probe were

obtained by modified Bridgman method. The variation of composition in the

wafer is very small than previous report, and available ingot thickness is

about 10cm. The electromechanical coupling factors k33 and k33' of (001)

oriented PMN-PT were larger than those of commercial PZT polycrystalline

ceramics, and piezoelectric constant d33 was a three times of PZT ceramics.

All element of PMN-PT probe was working, and the echo amplitude variation

was within 3%. The each element capacitance of PMN-PT probe was about

240 pF. The sensitivity of the PMN-PT probe is about 6dB higher than that of

the conventional PZT probe, and the -6 dB bandwidth is about 30 %

broader. The B mode image and color Doppler image were acquired

successfully.

Corresponding author:

Sung Min Rhim, Ph.D

Humanscan Co., Ltd.

302, Siwha APT Factory, Siwha Ind. Sunggok-dong,

Ansan-si, Kyunggi-do, 425-110 Korea

Phone: 82-31-498-2905

Fax: 82-31-498-4156

E-mail:

- 107 -

특 허 자 료

- 108 -

서류명 특허출원서【 】

- 109 -

출원인코드 4-2000-014775-8【 】

- 110 -

가산출원료【 】

- 111 -

요약서【 】

요약【 】

본 발명은 유전상수가 높고 전기기계 결합계수가 큰 값을 갖는 새로운 조성의 압전

단결정을 이용한 초음파 탐촉자에 관한 것으로 본 발명에 따른 초음파 탐촉자는,

초음파 송 수신 회로와의 매칭 이 쉽고 우수한 감도를 가지므로 의료용/ (matching)

초음파 영상 진단기뿐만 아니라 군사용 산업용 초음파 변환기에 적용될 수 있다/ .

대표도【 】

도3

- 112 -

PATENT COOPERATION TREATY

- 113 -

(12) INTERNATIONAL APPLICATION PUBLISHED UNDER THE PATENT

COOPERATION TREATY (PCT)

- 114 -

WO 03/042687 A1

- 115 -

인 증 서

- 116 -

한국신기술인증서

- 117 -

Certificate of New Technology

- 118 -

Certificate GB03/59312

- 119 -

Certificate GB03/59310

- 120 -

Certificate GB03/59311

- 121 -

평 가 서

- 122 -

임상평가 결과Image Estimation Note ( )

- 123 -

- 124 -

FundomentalP2-4AH (02)

P2-3AC

- 125 -

HarmonicP2-4AH (02)

P2-3AC

- 126 -

Puls inversionP2-4AH (02)

P2-3AC

- 127 -

ColorP2-4AH (02)

P2-3AC

의 혈류가 더 잘 표현된다P2-4AH .→

- 128 -

Medison Co., Ltd. (Factory) www.medison.com997-10, Daechi-dong, Kangnam-gu, Seoul, KOREA

135-280TEL. +82-2-2194-1348 FAX. +82-2-2194-1289주 메디슨 서울특별시 강남구 대치동( ) 135-280 997-10

단결정 평가 보고서PMN-PT sparse 20 array

2003-09-08 by Hyung Ham Kim & Sung-Hee Kang

Probe Dept.

휴먼스캔Test sample : 20 array

목적1. :

휴먼스캔이 단결정으로 제작한 에 대한 성능평가와 이미지PMN-PT 2D array test

결과를 참고하여 향후 메디슨이 개발하고자 하는 실시간 영상진단기에 적용이4D

가능 한지를 검토하고자 한다.

변환기 특성 검토2.

(a) Pulse-echo pattern (b) Frequency spectrum

Fig. 1. Pulse-echo response properties of Humanscan 2D sparse array

- 129 -

PMN-PT 2D arrayCenter frequency

(MHz)3.12

array layout 50 × 50

-6dB Bandwidth (%) 75

insertion loss(dB) -10

Crosstalk(dB) 25

Ring downtime(usec)

1.25

Gain(dB) -67.5

Table 1. Property summary

기존에 장착되어 사용하는 심장용 와 비교하여 감도와 대역폭이 결코2.1 1D array

떨어지지 않아 차기 시스템에 적용하더라도 이미지의 질이 떨어지지 않을 것으로

보임

모터를 이용한 변환기를 이용한 것 보다 크기가 작아 외부 케이스가 현재2.2 2D

와 같이 커질 염려가 없어 작동하는 사람의 환자를 진단하기 용이할 것이며 또한

소음이 적어 환자의 불쾌감을 훨씬 덜어줄 것으로 판단됨.

을 이용한 동영상 를 검토한 결과 차원 영상이 실시간으로2.3 Duke system Image 3

구현된다는 점이 확연히 파악되므로 심장 등과 같이 움직임이 활발한 곳의 차원3

실시간 진단이 가능하게 되어 진단의 효과가 클 것으로 예상됨.

- 130 -

문제점3.

현재 휴먼스캔이 제작한 를 국내에서 장착하여 임상 테스트를 할 만한3.1 2D array

시스템이 구비되어 있지 않아 관련 에 대한 구축이 필요함2D array test bed .

결론4.

휴먼스캔이 제작한 는 성능과 이미지 검토 결과 시스템이 구4.1 PMN-PT 2D array

축될 경우 적용 가능할 것으로 보임

메디슨이 향후 로드맵에서 계획하고 있는 차원 영상 진단기에 휴먼스캔의4.2 3 2D

를 적용하여 차세대 초음파 영삼진단기 사업 실시간 차원영상 에 있어서 관련array ( 3 )

시잠을 선점할 수 있도록 관련 기술 정보 및 규격에 관하여 앙사의 계속적인 교류

가 필요함.

첨부 휴먼스캔: 2D report by

- 131 -

HUMANSCAN

302, Siwha APT. Factory. Siwha Ind. Estate 5Ra 301 #672.

Sunggok-dong, Ansan-si, Kyunggi-do, Korea, 425-110

Tel: 82-31-498-2905, Fax: 82-31-498-4156

To 주 메디슨: ( )CC 연구소 및 팀: PDFrom 휴먼스캔 연구소 정 호 전임 연구원:Date : 2003-08-04Re : 2D sparse array evaluation

1. Summary

단결정을 이용하여 제작한 의 펄스 응답 특성PMN-PT 2D sparse array , element

특성을 측정하였고impedance biomedical engineering dept. of Duke University

의 영상 시스템을 이용하여 를 분석하였다3D 3D phantom image .

2. Measurement result

(1) Element impedance spectrum

특성은 를 이용하여 측정Element impedance agilent impedance analyzer 4192A

하였고 그 결과는 에 정리하였다fig.1. .

Fig. 1. Impedance spectrum of 2D array element

중심 주파수인 부근에서 약 정도의 를 보이고 있고 불필요한3MHz 4k impedanceΩ

다른 진동의 모습은 보이지 않는다.

- 132 -

(2) Pulse -echo properties

을 이용하여 상온의 수조에서 거리에Panametrics pulser & receiver 5800 80mm

을 위치한 후 응답 특성을 측정 하였다 에 측정한flat target . Fig.2. pulse-echo

와 를 나타내었고 그 특성은 에 정리하였graph frequency spectrum graph table 1.

다.

(a) Pulse-echo pattern (b) Frequency spectrum

Fig. 2. Pulse-echo response properties of 2D sparse array

PMN-PT 2D arrayCenter frequency

(MHz)3.12

array layout 50 × 50-6dB Bandwidth (%) 75insertion loss(dB) -10Crosstalk(dB) 25Ring downtime(usec)

1.25

Gain(dB) -67.5

Table 1. Property summary

- 133 -

(3) phantom image

의 용 영상Biomedical engineering dept of Duke University 2D sparse array 3D

시스템을 이용하여 타원형구의 의 영상을 보았다phantom 3D .

은 를 영상 시스템에 장착한 사진이다Fig. 3. PMN-PT 2D sparse array Duke 3D .

측정한 영상을 에 나타내었다3D phantom fig.4. .

의 형상은 타원형구가 일정 각도로 기울어져 열로 배열되어 있는 상태이Phantom 2

며 이를 여러 각도방향에서 영상을 잡았다 각도를 변경함에 따라. scan phantom

의 형태가 구에서 타원으로 변하는 것을 볼 수 있다.

에 장착된Fig. 3. Duke 3D system 2D array

- 134 -

Fig. 4.3D phantom image of 2D sparse array

3. Result

불필요한 진동 없는 특성을 보임- impedance spectrum

작은 에도 불구하고 높은 감도의 응답 특성 보임- element size pulse-echo

가 로 기존 에 근접한 결과를 보임- -6dB band with 75% 1D array

기존 와 동등이상의 밝기와 선명도의 를 보임- 2D image phantom image

첨부 자료4.

동영상(1) 2D array phantom CD

- 135 -

2003-TBH-000265

시험결과보고서

2003. 04. 28.

한 국 화 학 시 험 연 구 원Korea Testing and Research Institute for Chemical Industry

- 136 -

시 험 결 과 보 고 서

발급번호 : 2003-TBH-000265신청인주소 경기 안산시 성곡동 시화아파트형공장 층: 672 3 302회 사 명 주 휴먼스캔: ( )대표자명 임 성 민:품 명 초음파 프로브:

본 결과를 신청인으로 부터 제공받은 시료에 대한 보고서로 제출합니다.

2003. 04. 28.

한 국 화 학 시 험 연 구 원 장

- 137 -

목 차

품 명1.

기 간2.

목 적3.

시험항목 및 결과4.

시 료 구 분4.1

배양세포의 증식저해시험4.2

결 론5.

- 138 -

품 명 초음파 프로브1. : “ ”

기 간2. : 2003. 03. 28. ~ 2003. 04. 28.

목 적 본 시료에 대하이 생물학적 시험을 실시하여 기준에 대한 적합 여부를3. :

확인하여 보았다.

시험항목 및 결과4.

시료구분 의뢰자제공 사진 참조4.1 : ( . 1 )

사진 초음파 프로브( .1) “ ”

- 139 -

배양세포의 증식저해시험4.2

검액의 조제(1)

시료 당 의 비율로 에서 시간동안 추출하였다 시험은 추출 완료4g 20ml 70±2°C 24 .

후 시간이내에 사용하였다24 .

사용세포(2)

세 포 명 섬유아세포1) : L-929( )

선정 이유2)

이 세포는 세포증식저해시힘에 있어서 화학물질에 대한 감수성이 높은 것으로 알려

져 있으며 자료가 풍부하기 때문에 선택하였다.

배양조건3)

배양액 을 포함한: 10% Fetal Bovine Serum Minimum Essential Medium(MEM),

pH 7.4

조 건 : 5% CO2 에서 배양하여 일 계대하였다, 37 °C 3~4 .

시험방법(3)

흰쥐의 섬유아세포 를 배양액으로 단층 배양 후에 트립신 처리하여 세(L-929) MEM

포농도가 당1 ml 106개가 되도록 세포 현탁액을 만들었다 추출액 및 배 농도의. 2

배양액을 동량 혼합한 것을 추출액 처리 배양액으로 하고 용매 및 배 농도MEM , 2

의 배양액을 동량 혼합한 것을 대조배양액으로 하였다MEM .

세포현탁액 0.2ml(2 X 105개세포 씩을 개의 시험관에 주입한 다음 그중 개 처리) 15 5 (

군 에는 추출액 처리배양액을 씩 넣고 다른 개 반응 개시시의 대조군 및) 2ml 10 ( 72

시간 대조군 의 시험관에는 대조배양액을 씩 넣었다 대조배양액을 넣은 시험관) 2ml .

중 개를 곧 원심분리하여 배양액을 제거한 후 세포를 인산완충생리식염주5 pH7.0

사액으로 재현탁시켰다.

이 현탁액을 다시 두 번 원심분리하여 세포를 씻은 다음 에서 보존하여 반응개4°C

시시의 대조군으로 하였다 처리군 및 시간 대조군의 개 시험관은 곧 탄산. 72 10 5%

가스배양장치를 써서 에서 시간 배양하였다 배양 후에 인산완충생리37 72 . pH7.0℃

식염주사액 를 써서 가만히 단층을 세 번 씻어내어 처리군 및 시간 대조군으2ml 72

로 하였다.

대조군 및 처리군의 시험관을 가지고 세포를 파괴한 후 총 단백질 함량을 비색법으

로 정향하였다 법 각군의 시험관의 흡광도를 파장 서 측정하고 각군(Lowry ). 650nm

의 평균 흡광도를 구한 후 세포증식 저해율을 다음 식에 의해 계산하였다.

- 140 -

시험결과 세포증식저해율을 계산한 결과 저해율은 가 나타났다(4) : 3.52% .

표 각 군의 흡광도.1〔 〕

결 론5.

의뢰된 시료 초음파 프로브 에 대한 세포증식 저해시험결과 세포독성은 없는 것으( )

로 사료된다.

- 141 -

2003-TBH-000266

시험결과보고서

2003. 04. 25.

한 국 화 학 시 험 연 구 원Korea Testing and Research Institute for Chemical Industry

- 142 -

시 험 결 과 보 고 서

발급번호 : 2003-TBH-000266신청인주소 경기 안산시 성곡동 시화아파트형공장 층: 672 3 302회 사 명 주 휴먼스캔: ( )대표자명 임 성 민:품 명 초음파 프로브:

본 결과를 신청인으로부터 제공받은 시료에 대한 피부자극시험 결과에 대한 보고서

입니다.

2003. 04. 25.

한 국 화 학 시 험 연 구 원 장

- 143 -

목 차

품 명1.

기 간2.

목 적3.

시험결과4.

시료구분4.1

시험계획서4.2

최종보고서4.3

참 고 문 헌5.

- 144 -

품 명 초음파 프로브1. : “ ”

기 간2. : 2003. 03. 28. ~ 2003. 04. 25.

목 적 본 시료에 대하여 피부접촉 반응에 있어 피부자극시험을 실시하여3. :

자극반응정도를 확인하여 보았다.

시 험 결 과4.

시료구분 의뢰자제공 사진 참조4.1 : ( . 1 )

사진 초음파 프로브( .1) “ ”

- 145 -

시험계획서4.2

시험목적 본 시험의 목적은 우발적 또는 의도적으로 사람의 피부에 접촉시 유발1. :

되는 피부 자극반응을 조사하기 위하여 건강한 수컷 백색 토끼의 등에 시험물질을,

도포한 후에 나타나는 홍반 가피형성 부종형성 등 국소적으로 유발되는 피부자극성, ,

여부를 검토 하는데 있다.

시 험 법 본 시험물질에 대한 피부자극시험은 식품의약품안전청고시 제2. : 1999-61

호 의약품등의 독성시험 기준 년 월 일 제정 에 준하여 피부자극시험을“ (1999 12 22 )"

실시한다.

시 험 계3.

종 계통 뉴질랜드 백색종 의 토끼1) ( ) : (New Zealand White)

성별 및 입수시 주령 수컷 개월령2) : 3 ~ 4 (2.1 ~ 2.5 kg)

선택이유 본 시험에 사용될 토끼는 피부자극시험에 일반적으로 많이 사용되는3) :

종으로서 본 시험에 관하여서는 비교적 풍부한 기초자료가 많이 있어 시험결과의,

해석 및 평가가 용이하여 선택한다.

공급원 연암축산원예대학4) :

입수예정일 년 월 일5) : 2003 3 28

입수시 동물수 수컷 마리6) : 7

검역 및 순화기간 동물 입수시 검역하고 동물실에 순화시키는 기간을 약 주7) : 1

일 두어 그 기간 중 일반증상을 관찰하여 건강한 동물 만을 선발한 후 등부위의,

털을 깎아 피부의 이상유무를 확인한 후 피부에 이상이 없는 동물만을 사용한다.

투여개시시 체중범위8) : 2.2 ~ 2.7 kg

사용동물수 토끼 수컷 마리9) : 6

군 분리법 체중범위에 따른 무작위법으로 한다10) : .

식별법 개체식별은 이개부 내측에 각 개체마다 유성매직으로 번호를 표시하11) :

고 각 스테인레스 케이지에는 동물번호를 표시한다 동물실의 입구에는 시험번호. ,

동물번호 투여량 시험기간 및 시험책임자명을 기재한 을 첨부한다, , label .

동 물 실4.

실번호 토끼사육실1) : 2

온 습도 범위 온도 상대습도2) , : 22 ± 2 , 50 ± 10%℃

환기 회수 회3) : 10 ~ 12 /hr

명암 형광등 조명 점등 소등4) cycle : (08:00 ~ 20:00 )

조도5) : 150 ~ 300 lux

- 146 -

사육상자의 종류 크기 순화 검역 투여 및 관잘 기간중 토끼용 스테인레스케6) ( ) : , ,

이지 정도산업 에 사육한다(420mm W x 500mm D x 310mm H, ) .

사육상자당 동물수7) : 순화 검역기간 마리, : 1투여 관찰기간 마리, : 1

사료5.

종류 토끼용 고형사료1) :

공급원 퓨리나 코리아사료 주 주소 전북 군산시 소룡동2) : ( ) ( : 56-4)

급여법 자유섭취시킨다3) : .

음수6.

종류 상수도수1) :

급수법 자유섭취시킨다2) : .

시험물질 초음파 프로브의 피부와 닫는 면의 재질을 시험물질로 이용하며 이7. :

재질을 의 크기로 잘라 피부에 직접 적용한다 대조물질은 멸균된 거즈를2.5 x 2.5cm .

이용한다.

투여방법8.

투여부위의 피부처리1)

시험개시 약 시간 전에 토끼의 경배부의 피부의 털을 전기제모기 날크기24 ( : 40 ~

번 로 피부에 상처가 나지 않도록 깎은 후 다시 가로 세로 약 씩 면도하30 ) , , 10cm

여 상처 없는 건강한 피부를 만든다.

투여방법 및 경로2)

이미 털을 깎은 토끼의 경배부의 피부를 좌우로 나누어 좌를 투여구획 우를 대조, ,

구획 또는 좌를 대조구획 우를 투여구역으로 하고 투여구역과 대조구역의 건강피, , ,

부 비찰과피부 또는 찰과피부가 서로 대각선으로 분포되도록 구분하여( ) , 2.5 x

의 건강피부 개소와 찰과피부 개소로 나누어 모두 개소의 피부에 도포한2.5cm 2 2 4

다 찰과피부는 의 날이 없는 반대면을 이용하여 표피는 손상되나. Microtome knife

진피는 손상되지 않고 피가 나지 않을 정도로 찰과상을 만든다 이때 대조구획에는.

멸균한 거즈를 동일크기로 잘라 도포한다.

투여랑 및 도포방법3)

토끼 마리 당 의 크기로 자른 시료를 개소에 도포한 후 적용부의 검1 2.5x2.5cm 2 ,

체의 누출을 방지하기 위하여 가아제 겹을 덮고 시험부위의 가장자리를 플라스틱3

반창고로 잘 고정한다.

투여시각4)

10 : 00 ~ 13 : 00

- 147 -

투여회수 및 투여기간5)

회로 시간 적용하고 도포 시간 후 가아제를 떼어낸다1 24 , 24 .

시험군의 구성10.

수컷 마리를 이용하여 구성하는데 각 동물의 경배부에 약 정도의 크6 , 2.5 x 2.5cm

기로 척추를 중심으로 좌우 구획씩을 설정하여 좌측에는 시험물질을 도포 하는2 ,

처치구획 우측구획은 무처치 대조구획으로 한다 대조구획에는 멸균 거즈로 도포한, .

다.

관찰 및 적용항목11.

일반 임상 관찰1)

외관 사료섭취 및 음수섭취 상태 등에 대하여 매일 관찰한다, .

적용부위의 관찰방법과 판정기록2)

시험물질 도포 시간 후 가아제를 떼어내고 시험물질이 잔류하지 않도록 따뜻한24

증류수로 피부에 영향을 미치지 않도록 가볍게 씻어낸다 시험물질 제거 분 후. 30 ,

시험 물질 적용 후 시간째에 도포국소 부위의 홍반 부종 출혈 가피형성 등의72 , , ,

검체에 의한 독성유무를 관찰한다 적용후 시간 이후에도 회복되지 않았을 경우. 72

에는 회복 시까지 매일 회 관찰한다 다만 관찰기간은 시험물질 제거 일 후를1 . 14

한도로 한다 홍반 가피형성 및 부종의 출현의 평가는 식품의약품안전청고시 제. ,

호 의약품등의 독성시험 기준 제정 에 표시한 피부반응의1999-61 “ (1999. 12. 22. )"

평가기준에 따라 실시한다.

체중측정3)

도포시 및 도포후 시간에 측정한다 관찰이 적용후 시간 이후로 계속될 경우에72 . 72

는 일 간격으로 측정하는 것을 원칙으로 한다3 .

병리부검4)

시험기간 중에 발생한 빈사 및 폐사동물에 관하여는 육안적인 병리부검을 실시한

다 또한 시험 종료시 도포부위에 이상이 인정되는 경우에는 도포 후 일째에 병변. 7

을 관찰하고 병변의 크기를 측정한 후에 전신마취제를 이용하여 안락사시켜 병리,

부검을 실시한다.

사용하는 표준작업 지침서12. (SOP)

국립보건안전연구원 독성시험 표준작업지침서 년 의 피부자극독성시험 를(1993 ) SOP

이용한다.

- 148 -

관찰자료의 해석 및 평가13.

피부반응의 결과는 식품의약품안전청고시 제 호 의약품등의 독성시험 기1999-61 “

준 제정 을 이용 피부반응을 평점화 한것을 이용하여 시간과” (1999. 12. 22 ) 24 72

시간 때의 홍반평점과 부종평점을 더하여 평균치를 산출하고 이 수치를,

일차자극지수 라 하고 이 값을 구한다 시험물질의 자P.I.I.(Primary irritation index: ) .

극성은 피부일차자극지수 외에 일반상태 체중 가역성 및 사망율 등의 결과를 표, , ,

그림등을 이용하여 요약 정리한다 피부반응의 결과는 의 자극정도 분류 를, . “Draize ”

이용하여 판정한다.

검사 결과로 부터 를 다음과 같이 평가한다P.l.I.(Primary Irritation Index) .

비자극성 약한 자극성 중등도 자극성 강한0~0.5: , 0.6~2.0: , 2.1~5.0: , 5.1~8.0:

자극성

홍반과 가피

시간째 정상 피부의 점수A: 24 시간째 정상피부의 점수B: 72시간째 손상 피부의 점수C: 24 시간째 손상피부의 점수D: 72

부종

시간째 정상 피부의 점수E: 24 시간째 정상피부의 점수F: 72시간째 손상 피부의 점수G: 24 시간째 손상피부의 점수H: 72

최종보고서14.

최종보고서는 표지 목차 요약 시험물질 시험재료 및 방법 결과 고잘 및 결론으, , , , , ,

로 구성하여 작성한다 필요에 따라 점부자료 사진 기타 표 및 부표를 첨부한다. , , .

최종보고서4.3

요 약1.

항균성 여성 세정티슈액 중외센스미 의 토끼에 대한 피부자극시험을 마리 수컷( ) 6

토끼를 이용하여 투여 후 시간까지 식품의약품안전New Zealand White (NZW) 72

청 고시 제 호 의약품 등의 독성시험기준 년 월 일 제정1999-61 “ (1999 12 22 )”1)에 따

라 실시한 바 다음과 같은 결과를 얻었다.

- 149 -

전 동물에서 시험 전 기간을 통해 본 시험물질에 의한 것이라고 인정되는 임상(1)

증상 체중변화 및 부검소견의 이상은 관찰되지 않았다, .

시험물질 도포부위의 홍반과 가피형성 및 부종등의 자극성은 도포 후 시간(2) 24

및 시간 모두에서 정상피부와 찰과피부 모두에서 이상이 관찰되지 않았다 결과72 .

적으로 의 의 산출에 의한 피부 차 지극 율은Draize P.I.I.(Primary Irritation Index) 1

으로 평가되었다“0” .

이상의 결과로 보아 계 토끼에 있어서 초음파 프로브는 비자극성 으로 사료NZW “ ”

된다.

재료 및 방법2.

시험계(1)

종 및 계통 토끼1) : New Zealand White

공급원 연암축산원예대학2) :

시험계의 선택 이유3)

본 계통은 국소피부자극시험에 일반적으로 많이 사용되는 종으로서 본 계통에 관,

하여서는 비교할 풍부한 기초실험 성적이 축적되어 있어서 시험결과의 해석 비교,

및 평가에 유용하기에 선택하였다.

구입시 월령 및 동물수 개월령의 수컷 토끼 마리4) : 3~4 7

순화 및 검역5)

동물 입수 후 약 주일간 동물실에서 순화시켰다 순화기간 중 일반상태를 관찰하1 .

여 건강한 동물만을 선발한 후 경배부의 털을 깎아 피부의 이상유무를 확인한 후,

이상이 없는 동물만을 시험에 사용하였다.

사육환경(2)

환경조건1)

몬 시험은 온도 상대습도 환기회수 회 조명 시22± 2 , 50 ± 10%, 10 ~ 12 /hr,℃

간 조도 로 설정된 실험동물사육실에서 실시되었(07:00 ~ 17:00), 150 ~ 300Lux

다.

사육상자 사육밀도 및 사육상자의 식별2) ,

순화기간 및 시험기간중 토끼는 단 사육상자대에 배열된 스테인레스 사육 상자3

에 개체별로 사육하였다(420Wx5000x310H mm) .

사료 및 음수의 급여법3)

사료는 토끼용 고형사료 퓨리나 코리아사료 주 를 자유로이 섭취하도록 하였으며( ( ))

음수는 상수도수를 자유로이 섭취시켰다.

- 150 -

투여량 및 시험군의 구성(3)

투여량 설정1)

식품의약품안전청고시 제 호 의약품 등의 독성시험기준 제1999-61 “ (1998. 12. 22

정)”1)에 따라 검체를 의 크기로 잘라 등배부 털을 깎은 피부부위에 도포2.5x2.5cm

하였다.

군 분리 및 동물식별2)

토끼는 순화기간 중에 건강하다고 판단된 동물만 골라 체중측정한 후에 이 개부에

유성매직으로 빈호를 표시하여 개체를 구별하였다.

시험물질의 투여(4)

시험물질 대조물질 의 준비1) ( )

초음파 프로브의 피부와 닫는 면의 재질을 시험물질로 이용하며 이 재질을 2.5 x

의 크기로 잘라 피부에 직접 적용한다 대조물질은 멸균된 거즈를 이용한다2.5cm . .

투여방법2)

시험물질의 적용 시간 전에 등의 털을 깎아 피부를 좌우로 나누어 좌를 투여구24 ,

획 우를 대조구획 또는 좌를 대조구획 우를 투여구역으로 하고 투여구역과 대조구, ,

역의 건강피부 비찰과피부 또는 찰과피부가 서로 대각선으로 분포되도록 구분하여( ) ,

의 건강피부 개소와 찰과피부 개소로 나누어 모두 개소의 피부에2.5 x 2.5cm 2 2 4

도포하였다 찰과피부는 의 날이 없는 반대면을 이용하여 표피는. Microtome knife

손상되나 진피는 손상 되지 않고 피가 나지 않을 정도로 찰과상을 만들었다.

시험물질의 적용은 아래와 같이 처치구획 및 대조구획으로 구분하였다.

투여방법은 시험물질을 시험물질 투여 구획당 크기로 잘라 도포하였다2.5x2.5cm .

도포 후 가제로 덮은 후 비자극성 테이프로 잘 고정하여 시간 적용시켰다 적용24 .

기간 종료 후에는 멸균 생리식염수를 이용하여 도포부를 가볍게 세척해 주었다.

- 151 -

관찰 및 검사항목(5)

임상증상 및 검시항목1)

시험물질 투여 후 일간까지 매일 외관 사료 및 음수소비상태와 임상증상등에 대7 ,

하여 관찰하였다.

체중측정2)

투여시 및 시간째에 각각 측정하였다72 .

시험물질 적용후 적용부위의 테이프를 제거하여 투여후 시간 및 시간째에3) 24 72

홍반과 가피형성 부종형성 등의 자극성 유무를 관찰하였다, .

피부반응의 평가 및 자극성의 판정(6)

피부반응의 평가는 식품의약품안전청고시 제 호 의약품 등의 독성시험 기1999-61 “

준 제정(1999. 12. 22 )"1)을 이용하여 판정하였다 피부에 대한 자극성의 정도 판정.

은 일반적으로 많이 이용되는 의 의 산출 방법Draize P.I.I (Primary Irritation Index)2, 3 ,4)을 따랐다.

결 과3.

폐사율(1) (Table 1)

시험 전기간을 통하여 토끼에서 폐사 예는 관찰되지 않았다.

임상증상(2) (Table 1)

시험 전기간을 통하여 토끼에서 어떠한 임상증상도 관찰되지 않았다.

체중변화(3)

모든 토끼에서 적용 후 일째의 체중은 도포개시일의 체중과 비교하여 평균 약3

의 체중증가를 보였는데 이것은 일반적인 토끼의 체중증가로서 시험 물질과27,6g ,

관련하여 체중의 증가 또는 감소와 같은 변화는 인정되지 않았다.

도포부위의 관찰(4) (Table 2, Figs 1 and 2)

홍반과 가피1)

정상피부 시간 및 시간 후 관잘시 모두 정상으로 관찰됨: 24 72 , .①

손상피부 시간 및 시간 후 관잘시 모두 정상으로 관찰됨: 24 72 , .②

부종2)

정상피부 시간 및 시간 후 관잘시 모두 정상으로 관찰됨: 24 72 , .①

손상피부 시간 및 시간 후 관잘시 모두 정상으로 관찰됨: 24 72 , .②

- 152 -

참 고 문 헌5.

식품의약품안전청고시 제 호 의약품 등의 독성시험기준 제1 1999-61 : (1998, 12, 22

정)

2. Draize,J.H.(1959) : Dermal toxicity. Assoc. Food and Drug officials, U.S.

Appraisal of the Safety of chemicals in Food, Drugs and Cosmetics. pp46-59,

Texas State Dept. of Health, Austin, Terxas.

3. Federal Register(1973) : Method of testing Primary irritant substances.

38(187): pp1500-1541.

국립보건안전연구원 독성시험 표준작업지침서4. , pp494-499, 1993..

- 153 -

Table 1. Mortality and clinical signs

No. of Clinical signsMortality

Sex rabbits 0 24 48 72(hrs)Male 1 NAD NAD NAD NAD 0/6

2 NAD NAD NAD NAD 0/63 NAD NAD NAD NAD 0/64 NAD NAD NAD NAD 0/65 NAD NAD NAD NAD 0/66 NAD NAD NAD NAD 0/6

* NAD : No abnormalities detected.

Table 2. Primary skin irritation scores in rabbits applied with test material

P.I.I : Primary Irritation Index, Total/4

- 154 -

Fig. 1. Application sites on 24hrs after topical application of TBH-266

Fig. 2. Application sites on 72hrs after topical application of TBH-266

- 155 -

2003-TBH-000267

시험결과보고서

2003. 05. 23.

한 국 화 학 시 험 연 구 원Korea Testing and Research Institute for Chemical Industry

- 156 -

시 험 결 과 보 고 서

발급번호 : 2003-TBH-000267신청인주소 경기 안산시 성곡동 시화아파트형공장 층: 672 3 302회 사 명 주 휴먼스캔: ( )대표자명 임 성 민:품 명 초음파 프로브:

본 결과를 신청인으로부터 제공받은 시료에 대한 보고서입니다.

2003. 05. 23.

한 국 화 학 시 험 연 구 원 장

- 157 -

목 차

품 명1.

기 간2.

목 적3.

시험항목 및 결과4.

시 료 구 분4.1

감작성시험4.2

종 합5.

고찰 및 결론6.

참 고 문 헌7.

- 158 -

품 명 초음파 프로브1. : “ ”

기 간2. : 2003. 03. 28. ~ 2003. 05. 23.

목 적 본 시료에 대해 감작성시험을 실시하여 독성정도를 알아보고자 했다3. : .

시험항목 및 결과4.

시료구분 의뢰자제공 사진4.1 : ( .1)

사진 초음파 프로브( . 1) “ ”

- 159 -

감작성시험4.2

요 약4.2.1

본 시료에 대한 감작성 시험을 계 암컷 을 대상으dunkin Hartley Albino Guinea Pig

로 및 을 통하여 치induction(injection, topical application) challenge application

사유무 일반중독증상 체중변화 및 피부감작지수를 관찰 조사한 결과 다음과 같다, , .

관찰 기간을 통하여 시험물질의 투여에 기인되는 것으로 사료되는 일반증상의1) ,

변화는 관찰되지 않았으며 시험물질 투여에 따른 체중의 변화도 관찰되지 않았다.

시험물질 적용 후 적용부의 홍반 및 부종을 및 시간째의 평균피부반2) 24, 48 72

응과 감작율을 평가한 결과 시험물질과 음성대조물질을 적용한 경우 어떠한 피부,

반응도 관찰되지 않아 평균피부반응과 감작율은 모든 관찰시간 때에서 과0.00

로 평가되었다 반면 양성대조군의 경우 각 관찰시간 때의 평균피부반응은0.00% ,

및 로 각각 평가되었고 감작율은 모두 로 평가되었다2.00, 2.20 1.00 , 100% .

이상의 결과를 종합할 때 계 기니픽에 있어서 시험물질은 매우 약한 피부감, Albino

작성 등급 이 있는 것으로 판단된다( I) .

재료 및 시험방법4.2.2

시험계1)

동물종 계통( ) : Albino Guinea Pig(Dunkin Hartley)○

공급원 수입원 중앙실험동물: Japan SLC ( : )○

시험계의 선택사유○

피부감작성시험에 일반적으로 많이 사용되는 시험동물로서 풍부한 기초자료가 있어

서 시험결과의 해석에 이를 이용할 수 있다.

주령 및 체중범위○

구 분 Guinea Pig( )♀구입시주령 주 이상4구입시체중 220 ~ 240g투여시주령 주 이상5투여시체중 250 ~ 290g

순화 및 검역○

동물을 구임한 후 일간 동물실험실의 환경 하에서 순화시켰고 일반건강상태를 관7

찰한 다음 건강한 개제를 무작위로 선별하여 시험에 사용하였다.

- 160 -

사육환경2)

환경조건○

시힘동물은 온도 상대습도 환기횟수 회 조도22±2 , 50±10%, 13-15 /hr, 200 ~℃

의 시험조건에서 사육하였으며 명암교대 시간 오전 시 오후 시 으로300Lux , 12 ( 8 ~ 8 )

하였다.

사육상자 및 사육밀도○

순화 및 시험기간 중 플라스틱 사육상자 에 마리씩 사육 하였다(700x400x220mm) 5 .

사료 및 물○

사료 및 물의 급여방법 사료는 기니픽 전용사료 아스코르빈산 함유 주: (0.01% , ( )

퓨리나코리아 를 자유급식 시켰으며 물은 자외선 살균처리 된 음용수를 자유 급식) ,

하였다.

시험군의 구성3)

Group No. of animal Animal No.Administration

Induction ChallengeT1 10 1-10 Test material Test materialV1 5 11-15 Saline SalineT2 5 16-20 DNCB DNCB

DNCB : 1-chloro-2,4-dinitrobenzene

시험물질의 조제 및 투여4)

시험물질의 조제4-1)

시험물질의 준비는 검체 당 의 멸균생리식염수에 넣은 후 온도 에서4g 20ml 70℃

시간동안 용출시킨 후 실온으로 될 때까지 방치한 다음 이 액을 시험물질로 사용24

하였다.

투여순서4-2)

차유도 피내주사1 :▶

전처리 경피투여SLS :▶

차유도 경피투여2 :▶

감작야기 경피투여:▶

투여방법4-3)

차유도 피내주사유도 일1 ( ) : 0▶

가 동물의 어깨부위의 중앙에 그림 과 같이 제모한 후 중앙선 양쪽의. 1 4x6 em 3

쌍에 씩 피내주사를 면적 안에서 수행하였다0.1 ml 2x4 cm .

- 161 -

그림 의 감작유도 및 감작야기 부위GPMT〔 〕

견갑내부 부위

표 그룹별 피내주사액 및 용량〔 〕

그룹 검액 피내주사액 Vol.(ml) 투여부위

음성대조군(V1)

ASaline in 50% aqueous FCA 0.1 ①Saline in 50% aqueous FCA 0.1 ②

BVehicle 0.1 ③Vehicle 0.1 ④

CSaline in 50% aqueous FCA 0.1 ⑤Saline in 50% aqueous FCA 0.1 ⑥

시

험

군(T1)

ASaline in 50% aqueous FCA 0.1 ①Saline in 50% aqueous FCA 0.1 ②

BTM in Vehicle 0.1 ③TM in Vehicle 0.1 ④

CTM in 50% aqueous FCA 0.1 ⑤TM in 50% aqueous FCA 0.1 ⑥

did성대조군(T2)

A80% ethanol in 50% aqueous FCA 0.1 ①80% ethanol in 50% aqueous FCA 0.1 ②

B0.1 % DNCB in 80% ethanol 0.1 ③0.1 % DNCB in 80% ethanol 0.1 ④

C0.1 % DNCS in 50% aqueous FCA 0.1 ⑤0.1 % DNCS in 50% aqueous FCA 0.1 ⑥

Vehicle : Physiological Saline, FCA: Freund’s Complete Adjuvant

DNCB : 1-chloro-2,4-dinitrobenzene

차유도 국소유도 일2 ( ) : 6-8▶

가 차유도 일후 시험물질도포 시간 전 국부적인 자극성 경도의 염증 을 유. 1 6 ( 24 ) ( )

발하기 위해 제모하고 백색바세린 을 털을10% SLS(Sodium Lauryl Sulfate) (0.5g)

제거한 부위에 발라주었다.

- 162 -

나 같은 부위를 다시 제모하고 패취 를 생리식염수에 녹여진 시험물질. (2x4 cm) ,

생리식염수 에탄올에 녹여진 에 적신 후 각기 그룹 동,80% 0.1% DNCB T1, V1, T2

물들의 차 유도 위치 위에 부착한 후 이를 비닐과 반창고를 이용하여 밀착시켜1

시간 동안 유지시켰다48 .

감작야기 일: 20-22▶

동물의 옆구리 부위를 약 로 제모하고 패취 를 차 유도 시와 동5x5 cm (2x2 cm) 2

일한 농도의 용액에 적셔 동일한 동물에 부작하고 비닐과 반창고를 이용하여 밀착

시킨 후 시간 유지시켰다24 .

관찰 및 검사항목5)

일반증상관찰1)

시험물질 투여개시 후 일 회 시험종료시까지 외관 사료섭취 물섭취 및 일반증1 1 , ,

상 등에 관하여 매일 관찰하였다.

체중측정2)

시험물질 투여개시 후 주일 회 그리고 시험 종료시 측정하였다1 1 .

적용부위의 관찰3)

시험물질 감작야기 시간동안 후 적용부위의 패취를 제거하고 패취 제거 후(24 ) 24

시간 시간 및 시간째에 홍반과 부종형성 등의 감작성 유무를 관찰하였다, 48 72 .

피부반응 및 감작성 평가기준6)

피부반응 평가기준〔 〕

점 수 증 상0 무반응1 홍반이 경미하거나 또는 흩어져 나타남2 홍반이 중등도 또는 전체적으로 나타남3 전체적으로 강한 홍반 및 부종이 나타남

피부감작성 평가기준〔 〕

감작율(%) 등급 분류0-8 Ⅰ 매우약함9-28 Ⅱ 약함29-64 Ⅲ 보통65-80 Ⅳ 강함81-100 Ⅴ 매우강함

- 163 -

종 합5.

일반증상 및 사망률1) (Table 1)

모든 시험군의 동물에 있어서 어떠한 일반증상도 관찰되지 않았으며 사망동물또한,

관찰되지 않았다.

체중변화2)

양성대조군과 다른 시험군간 유의성있는 체중 변화가 인정되었으나 시험군간의 체,

중변화는 인정되지 않았다.

적용부위의 관찰3) (Table 2)

시험물질 적용종료 감작야기 종료 후 및 시간째에 적용부위를 관찰한( ) 24, 48 72

결과 시험군과 음성대조군의 경우 어떠한 피부반응도 관찰되지 않아 평균피부반응,

과 감작율이 각각 과 로 평가되었다 반면 양성대조군의 경우 각 관찰시0.00 0.00% . ,

간 때의 평균피부반응은 각각 및 로 평가되었고 감작율은 모두2.00, 2.20 1.00 ,

로 평가되었다100% .

고찰 및 결론6.

초음파 프로브의 용출물에 대한 피부감작성을 조사하기 위하여 계dunk in Hartley

암컷 에 차 피내주사와 차 경피적용으로 감작을 유도한 다음Albino Guinea Pig 1 2

약 일 후에 감작을 야기하여 및 시간째의 국소자극성을 평가하였다14 24, 48 72 .

또한 시험 전 기간 동안의 시험동물에 대한 사망률 일반증상 및 체중변화를 측정,

하였다.

시험기간 중 시험물질 투여에 의한 사망동물 및 이상소건은 인정되지 않았다 체중.

변화에 있어서는 시험물질 투여 후 양성대조군을 제외하고 정상적인 체중의 증가가

인정 되었다 시험물질 적용종료 감작야기 종료 후 및 시간째에 적용. ( ) 24, 48 72、

부위를 관찰 한 결과는 시험군과 음성대조군의 경우 어떠한 피부반응도 관찰되지

않아 평균피부반응과 감작율이 모든 관찰 시간때에서 과 로 산출되어 피0.00 0.00%

부감작성이 매우약한 등급 것으로 평가되었다 반면 양성대조군의 경우 각 관( ) . ,Ⅰ

찰시간 때의 평균피부반응은 각각 및 로 평가되었고 감작율은 모2.00, 2.20 1.00 ,

두 로 산출되어 피부감작성이 매우강함 등급 으로 평가되었다100% ( ) .Ⅴ

결론적으로 계 암컷 에 있어서 초음파 프로브의dunkin Hartley Albino Guinea Pig

용출물은 기니픽에 대해 어떠한 피부반응도 관찰되지 않아 피부감작성이 매우약한

물질인 것으로 판단된다.

- 164 -

탐 고 문 헌7.

1) OECD (1992) : OECD Guidelines for Testing of Chemicals, No. 406, (Skin

Sensitization)

식품의약품안전청 의료용구의 생물학적 안전에 관한 공동기준규격 식2) (2000) : ,

품의약품 안전청고시 제 호 식품의약품안전청2000-13 ,

식품의약품안전청 의약품등의 독성시험기준 식품의약품안전청고시 제3) (1999) : ,

호 식품의약품안전청1999-61 ,

국립환경연구원 화학물질유해성시험연구기관의 지정 등에 관한 규정 국립환경4) : ,

연구원 고시 제 장 제 항 피부감작성시험4 6

5) ISO 10993 : Biological evaluation of medical devices Part 10;Test for

sensitization, 1995

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Table 1. Mortality and clinical signs (group summary)

SUMMARY OF MORTALITY AND CLINICAL SINGSSEX : FEMALE

Group No. of animals Mortality Clinical signsT1 10 0 No abnormalities detectedV1 5 0 No abnormalities detectedT2 5 0 No abnormalities detected

Table 2. Results of skin sensitisation (group summary)

SUMMARY OF MAXIMIZATION RESULTSSensitisation score Maximization

Group No. 24 hrs 48 hrs 72 hrs Grade Classification

T1 100.00(0 %)

0.00(0 %)

0.00(0 %)

Ⅰ very weak

V1 50.00(0 %)

0.00(0 %)

0.00(0 %)

Ⅰ very weak

T2 52.00(100 %)

2.00(100 %)

2.00(100 %)

Ⅴ very strong

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