카이스트, 곡률 자유롭게 조정 가능한 초음파 센서 개발

[녹색경제신문 = 이지웅 기자] 이현주 카이스트 전기및전자공학부 교수 연구팀이 반도체 웨이퍼 공정(MEMS)을 활용해 유연함부터 단단함까지 자유롭게 구현할 수 있는 ‘Flex-to-Rigid(FTR) 구조’의 초음파 트랜스듀서를 제작했다.

연구팀은 저온에서 녹는 금속을 소자 내부에 삽입해, 전류를 가하면 금속이 녹아 자유롭게 형태를 바꾸고 냉각 시 다시 고체로 굳어 원하는 곡면 형태로 고정할 수 있는 기술을 구현했다.

기존의 고분자 막 기반 초음파 센서(CMUT)는 낮은 탄성계수로 인해 충분한 음향 에너지를 발생시키지 못하고, 진동 시 초점이 흐려지는 문제가 있었다. 또한 곡률 조절이 어려워 목표 위치에 정밀하게 초점을 맞추기 힘든 한계점도 가졌다.

연구팀은 단단한 실리콘 기판에 유연한 엘라스토머 브리지를 결합한 FTR 구조를 고안해 높은 출력 성능과 유연성을 동시에 확보했다. 내부의 저융점 합금은 전류에 의해 고체와 액체 상태를 오가며, 소자의 형태를 자유롭게 조정하고 고정할 수 있도록 돕는다.

그 결과, 개발한 센서는 초음파가 한 점으로 모이도록 전자적으로 신호를 제어하는 ‘별도의 빔 조정’ 과정 없이도 기계적으로 모양에 맞춰 초점을 자동으로 형성할 수 있게 됐다. 이로 인해 특정 부위에 정밀한 초음파 초점을 형성할 수 있었으며, 반복적인 굽힘에도 안정적인 전기·음향 특성이 유지됨을 확인했다.

센서의 출력은 조직을 손상시키지 않고 특정 부위를 부드럽게 자극해 치료 효과를 내는 초음파 기술인 ‘저강도 집속 초음파(LIFU)’ 수준 이상으로, 수술이나 절개 없이 신경과 장기를 자극해 염증을 완화하는 비침습적 치료에 활용될 수 있다.

연구팀은 이 소자를 동물 모델에 적용해 비장(spleen)을 비침습적으로 자극하는 실험을 수행했으며, 관절염 모델에서 염증이 완화되고 보행이 개선되는 치료 효과를 확인했다.

향후에는 1차원이 아닌 보다 많은 초음파 센서를 평면 위에 바둑판처럼 배열한 구조인 ‘2차원 배열 소자’ 개발을 통해 고해상도 초음파 영상과 치료를 동시에 구현하는 스마트 의료 기술로 발전시킬 계획이다.

해당 기술은 반도체 공정과 호환돼 대량 생산이 가능하므로 웨어러블 및 재택 의료용 초음파 시스템으로 확장될 전망이다.