몸에 부착해 쓰는 기존 초음파 센서는 출력이 약하고 구조가 쉽게 변형돼, 고해상도 영상이나 치료 목적 활용이 어려웠는데, 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구팀이 이런 한계를 극복하고 곡률(휘어진 정도)을 자유롭게 조절할 수 있는 유연 초음파 센서 기술을 개발했다.

KAIST는 이현주 전기 및 전자공학부 교수팀이 반도체 웨이퍼 공정(MEMS)을 활용해 유연함과 단단함을 자유롭게 구현할 수 있는 'Flex-to-Rigid(FTR) 구조' 초음파 트랜스듀서(CMUT)를 제작했다고 12일 밝혔다.

기존 고분자(폴리머) 막 기반 초음파 센서(CMUT)는 낮은 탄성계수(딱딱함)로 충분한 음향 에너지를 발생시키지 못하고, 진동 시 초점이 흐려지는 문제가 있었다. 또 곡률 조절이 어려워 목표 위치에 정밀하게 초점을 맞추기 힘든 한계가 있었다.

연구팀은 단단한 실리콘 기판에 유연한 엘라스토머(고무 유사 물질) 브리지를 결합한 FTR 구조를 고안해 높은 출력 성능·유연성을 동시에 확보했다. 저온에서 녹는 '저융점 합금(LMPA)'을 소자 내부에 삽입, 전류를 가하면 금속이 녹아 형태를 바꾸고, 냉각 시 다시 고체로 굳어 원하는 곡면 형태를 고정할 수 있는 기술을 구현했다.

그 결과, 초음파가 한 점으로 모이도록 전자적으로 신호를 제어하는 '별도 빔 조정' 과정 없이 개발 센서로 모양(곡률)에 맞춰 초점을 자동 형성하고 특정 부위에 정밀한 초음파 초점을 형성할 수 있다. 반복적인 굽힘에도 안정적인 전기·음향 특성이 유지된다.

센서 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 비침습 자극하는 실험을 수행, 관절염 모델에서 염증이 완화되고 보행이 개선되는 효과를 확인했다.

향후 많은 초음파 센서를 평면에 바둑판처럼 배열한 '2차원 배열 소자'를 개발해 고해상도 초음파 영상·치료를 동시 구현하는 스마트 의료 기술로 발전시킬 계획이다. 또 이 기술은 반도체 공정과 호환돼 웨어러블 및 재택 의료용 초음파 시스템으로 확장될 전망이다.

연구 결과는 네이처 파트너 저널 플렉서블 일렉트로닉스에 10월 23일 자 온라인 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com