한국표준과학연구원(KRISS)은 음향진동초음파측정그룹 연구진이 초음파 검사 장비의 초점거리를 손쉽게 조절할 수 있는 ‘탈부착형 음향렌즈’를 새롭게 개발했다고 29일 밝혔다.
DSLR 카메라의 렌즈를 바꿔 사진 화질을 높이는 것처럼 초음파 검사 장비의 해상도를 검사 목적에 맞게 최적화할 수 있어 의료 진단과 산업 안전 검사의 정확도를 한층 높일 전망이다.
초음파 이미징 기술은 물체 또는 인체에 초음파를 투과하고 반사되는 신호를 수집해 내부 구조를 이미지로 형상화하는 기술이다. 이 중 하나인 C-스캔(C-scan)은 다른 방식보다 높은 해상도의 이미지를 생성할 수 있어 암 조직 검사 등을 위한 의료 진단 장비와 항공기·지하 배관의 결함을 물리적 손상 없이 평가하는 비파괴검사 장비에 널리 활용된다.
고해상도의 초음파 이미지를 생성하기 위해서는 투과·반사되는 초음파의 강도를 높이고 초점거리를 정확히 맞춰야 한다. 이를 위해 C-스캔 방식의 초음파 검사 장비에는 집속 초음파 변환기를 사용한다. 이 장치는 넓게 퍼지는 초음파 에너지를 검사 대상에 정확히 집중시켜 이미지 품질을 높이는 역할을 한다.
문제는 집속 초음파 변환기마다 조절 가능한 초점거리가 고정돼 있다는 점이다. 기존에는 초점 거리별로 변환기를 구입해야 해 비용 소모가 크고 검사 대상의 위치·크기·형태에 맞게 미세 조정이 어려워 초음파 이미지의 해상도를 일정 수준 이상 높이기 어려웠다.
연구진이 제작한 음향렌즈를 고정 초점을 가진 집속 초음파 변환기에 부착하면 별도 장비 교체 없이 검사 대상에 맞춰 초점거리를 더 가깝거나 더 멀게 조정할 수 있다. 기존 장비에서 조정하기 힘들었던 초점거리도 맞춤형으로 제작할 수 있어 검사 대상에 최적화된 해상도를 구현할 수 있다.
특히 연구진이 개발한 음향렌즈는 비구면으로 설계돼 구면렌즈에 비해 더 선명한 초점과 해상도를 제공한다. 일반적인 음향렌즈는 구면으로 제작하나 형태의 특성상 가장자리로 갈수록 초점이 흐려지는 구면수차(Spherical Aberration)가 발생하는 한계가 있었다. 또한 연구진은 접이식 방식도 함께 고안해 음향렌즈의 크기를 부착 면적에 맞게 유연하게 조정할 수 있도록 설계했다.
연구진이 설계한 음향렌즈를 상대적으로 해상도가 낮은 평면형 초음파 변환기에 부착하면 집속 초음파 변환기와 동일한 성능을 낼 수 있다. 연구진은 표면이 오목한 집속 초음파 변환기용 음향렌즈와 더불어 평면 형태의 음향렌즈 설계 기술도 함께 개발했다.
이번에 개발한 음향렌즈를 C-스캔 초음파 검사 장비에 부착해 인체를 모사한 팬텀(Phantom)을 분석한 결과, 25 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m) 크기의 미세 구조를 이미징 분석하는 데 성공했다. 동일한 초점거리에서 음향렌즈를 부착하지 않은 장비보다 약 1.5배 높은 해상도다.
KRISS 음향진동초음파측정그룹 김용태 책임연구원은 “이번에 개발한 설계 기술을 C-스캔 이외에 다양한 초음파 검사 방식에도 적용할 수 있도록 응용 연구를 이어갈 것”이라고 말했다.
이번 연구성과는 측정 과학 분야 학술지인 ‘Measurement Science and Technology(IF: 2.4)’에 1월 게재됐다.
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