An ultrasound transducer is composed of piezoelectric materials, backing layers, and acoustic matching layers. Acoustic matching layers help wave to propagate more efficiently by matching the difference between load impedance and piezoelectric material impedance. Also, it shortens the length of pulse so that it increases axial resolution of ultrasound transducer. Backing layers may be helpful to shorten the pulse length, but it goes with energy loss. Therefore, it is important to design a matching layer properly.
A conventional matching layer has limitation of bandwidth performance, because it is designed for a certain frequency. To overcome this limitation, I proposed acoustic matching layers with functionally gradient material properties. This concept is not completely new, but this report has features in view of the range of material properties preparing for fabrication, application to multi-channel transducers, and considering optimum thickness of matching layers and distribution of material properties inside matching layers. The results show that proposed matching layers can improve sensitivity or bandwidth depending on the designers' intention.
음향 트랜스듀서는 일반적으로 압전 소자와 후면 흡수층, 정면 정합층으로 구성되어 있다. 음향 정합층은 압전 소자와 음파가 전달되는 매질간의 임피던스 부정합을 극복하여 에너지가 더 효율적으로 전달될 수 있도록 돕는다. 또한 반사파를 억제하여 파형을 짧게 만들고, 따라서 압전 소자의 두께 방향으로의 분해능을 개선하는 역할도 한다. 파형을 짧게 만드는 데에는 후면의 흡수층도 큰 역할을 하지만, 에너지의 손실을 가져오기 때문에 정합층을 잘 설계하는 것이 무엇보다 중요하다.
기존의 음향 정합층은 사용 주파수에 맞추어 설계되는 정합층의 특성상, 트랜스듀서의 대역폭을 개선하고자 할 때, 그 한계를 지닌다. 따라서 기능적 경사 물성을 고려한 음향 정합층이라는 새로운 대안을 제시하였다. 이러한 정합층은 사용 주파수의 파장 길이에 상대적으로 덜 민감한 특성을 지닌다. 이를 통해 사용자의 의도에 따라 동일한 대역폭에서 수신감도를 개선할 수도 있었고, 동일한 수신감도에서 대역폭을 개선할 수도 있었다. 실제로 이 개념이 완전히 새로운 개념은 아니다. 그러나 이 글은 그 물성의 사용 범위가 실제 제작에 유리하도록 한정 지어진점, 여러 개의 독립 소자를 가진 다채널 트랜스듀서에 적용하였다는 점, 이론적 모델을 통해 복합체의 최적 혼합 분율과 정합층의 최적 두께 등을 도출하였다는 점 등에서 특징이 있다.
