의료용 초음파 센서 및 변환기의 출시 시간 단축

작성자: Amir R. Mirza, Ph.D

2023년 5월 22일

14:00

오늘날 초음파 기술은 수술 기구부터 분무기, 병원 및 가정용 투석기에 이르기까지 의료 기기 시장에 널리 보급되었습니다.

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초음파는 2027년까지 시장 규모가 4억 8,600만 달러에 이를 것으로 보고되는 HIFU(고강도 집속 초음파)를 포함한 치료뿐만 아니라 초음파 영상과 같은 진단 응용 분야에도 사용됩니다.

초음파 기술의 가장 큰 단일 시장은 초음파 이미징으로, 2021년 시장 규모는 79억 달러였으며 2030년까지 145억 달러로 성장할 것으로 예상됩니다. 또 다른 주요 성장 시장은 2021년 매출이 38억 6천만 달러인 초음파 전기수술 기기입니다.

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초음파 기술은 혈액투석과 복막투석에 널리 사용됩니다. CDC에 따르면 미국에서는 성인 7명 중 1명이 만성 신장 질환을 앓고 있습니다. WHO에 따르면 60세 이상 세계 인구가 2015년 9억 명에서 2050년 20억 명에 이를 것으로 예상됨에 따라 가정 투석도 주요 성장 분야가 되고 있습니다.

초음파 기술은 라인의 기포 감지, 액체 흐름 및 레벨 감지와 같은 의료 장비의 유체 관리에 특히 강력합니다. 예를 들어, 기구에서 혈류를 측정할 때 초음파 유량 센서와 환자 혈액 자체 사이에는 접촉이 없습니다. 초음파는 종종 광학, 기계 또는 용량성 감지 기술보다 의료 응용 분야에서 선호되는 솔루션입니다.

초음파에서 수치 컴퓨터 모델링의 중요성

초음파 센서 및 변환기의 제품 개발 시간을 단축하는 핵심 요소는 최신 수치 컴퓨터 모델링 소프트웨어를 사용하는 것입니다. 초음파 장치는 기계적 응력에 반응하여 전기장을 생성하거나 그 반대로 전기장을 생성할 수 있는 세라믹 재료인 압전 재료를 기반으로 합니다.

압전 부품은 일반적으로 전기 에너지가 기계 에너지로 가장 효율적으로 변환되는 주파수인 공진 모드에서 작동합니다. 그러나 압전판과 디스크를 공진시키면 기계 시스템에서 다양한 공진 모드가 생성될 수 있으므로 원하는 공진 모드를 최적화하고 다른 공진을 구별하려면 컴퓨터 모델링이 필수적입니다.

예를 들어 초음파 변환기 어셈블리는 압전 세라믹 디스크와 금속 또는 플라스틱 구성 요소로 구성되므로 수치 모델링에 대한 다중 물리학 접근 방식을 취해야 합니다. 따라서 컴퓨터 모델링에서는 전기 신호, 압전 효과(전기 신호를 기계적 응력으로 변환), 전체 기계 시스템의 열-기계적 동작 등 관련된 다양한 영역을 고려해야 합니다. 그런 다음 이 다중 물리 솔루션은 적절한 제어 전자 장치를 설계하기 위해 전자 설계자에게 1차 공진 주파수, 임피던스, 커패시턴스, Q 인자 등과 같은 필요한 정보를 제공해야 합니다.

압전세라믹 부품의 성능은 기계적 탄성 상수, 유전 특성, 결합 계수(전기-기계 결합)뿐만 아니라 세라믹 디스크 및 플레이트의 치수 제어와 같은 다양한 기본 재료 특성에 의해 좌우됩니다. 이러한 모든 매개변수는 압전세라믹 제조 공정 자체에 따라 달라집니다. 컴퓨터 수치 모델링의 가치는 이러한 재료와 기계적 특성의 반복성과 허용 오차에 따라 달라집니다. 제조 성능에 대해 보정되지 않은 컴퓨터 모델은 정확한 모델링과 최초의 성공보다는 시행착오 접근 방식을 사용해야 하므로 제품 개발 리드 타임만 증가시킬 뿐입니다.

압전세라믹 소재 및 제조 제어가 핵심