최근 고주파수 초음파 변환기를 의료분야, 비파괴검사, 에너지 하베스팅 등 여러 분야에 적용하기 위한 연구가 많이 보고되고 있으며 특히 고분해능, 고해상도의 초음파 이미지를 얻기 위한 100 MHz 이상의 고주파수 초음파 변환기의 연구 및 개발에 대한 요구가 증가하고 있다.
고분해능, 광대역, 고주파수 특성을 구현하기 위해서는 초음파 변환기를 구성하는 주요소인 압전재료의 특성을 향상시키거나 압전박막의 특성을 저하시키지 않는 압전 미세가공 초음파 변환기 (piezoelectric micromachined ultrasonic transducers, pMUT)의 구조로 개발해야 한다.
본 연구에서는 우수한 압전특성 및 전기기계결합특성을 나타내는 PIN-PMN-PT 압전재료를 박막 소자제작을 위한 타겟재료로 선정하였으며 기판의 영향을 감소시키면서 제작비용을 감소시킬 수 있도록 알루미늄 포일을 기판으로 사용하여 압전 박막과 상, 하부전극으로만 이루어진 간단한 압전 박막 소자를 제작하였다. 제작된 압전 박막 소자에 대하여 고주파수 초음파 변환기에 적용할 수 있는지를 검토하기 위하여 박막의 압전 특성들을 평가하였으며 얻어진 박막의 압전특성값들을 이용하여 초음파 응답 시뮬레이션을 수행하였다.
RF 마그네트론 스퍼터링방법으로 PIN-PMN-PT 박막을 알루미늄 포일에 증착하여 5 ㎛ 두께의 (011)면으로 배향된 정방정상 (tetragonal phase)의 다결정-단일상 박막을 제작하였다. 이러한 결정구조를 가지는 압전 박막은 횡방향 진동모드 및 전단모드의 압전특성이 우수하므로 초음파 변환기용 압전 박막 소자에 적합하다. KLM 모델을 이용하여 고주파수 초음파 변환기로의 제작 가능성을 검토하기 위하여 증착된 PIN-PMN-PT 박막의 결정학적, 전기적 특성을 측정하였다. 알루미늄 포일을 초음파 변환기의 후면재 또는 전면 정합층으로 적용하여 초음파 응답 신호를 시뮬레이션한 결과, 두 경우 모두 광대역 특성을 나타내었으며 특히, 알루미늄 포일이 후면재 역할을 한 구조에서는 전면 정합층(두께=λ/4)이 각각 PMMA과 paraffin wax의 서로 다른 밀도와 음향 임피던스를 가질 때 중심주파수는 각각 429.32 MHz, 388.34 MHz, 대역폭은 각각 65.85 %, 103.64 %, 삽입손실은 37 dB, 44.12 dB로 나타났다. 최종적으로 본 논문에서 증착한 알루미늄 포일 기반의 PIN-PMN-PT 압전 박막 구조는 고주파수 초음파 변환기 개발에 적용 가능한 것으로 나타났다.