KAIST, 수술 없이 치료 가능한 유연 초음파 센서 개발

입는 초음파 센서…자가면역 질환까지 완화

동물 실험서 절개 없이 염증 완화 효과 검증

KAIST(총장 이광형)는 전기및전자공학부 이현주 교수 연구팀이 반도체 공정을 활용해 곡률을 자유롭게 조절할 수 있는 유연 초음파 센서(CMUT)를 개발했다고 12일 밝혔다.

해당 기술은 인체에 부착해 고해상도 초음파 영상을 구현할 뿐 아니라, 수술이나 절개 없이 치료가 가능한 비침습 의료기술의 핵심으로 주목받고 있다.

이 센서는 기존 부착형 초음파 센서보다 출력이 세고 구조적 안정성이 높다. 연구팀은 반도체 웨이퍼 공정(MEMS)을 이용해 단단함과 유연함을 자유롭게 오가는 ‘Flex-to-Rigid(FTR)’ 구조를 구현했다.

또 내부에 저융점 합금(LMPA)을 삽입해 전류를 흘리면 금속이 녹아 자유롭게 형태를 바꾸고, 냉각 시 고정되는 메커니즘을 적용했다.

기존 폴리머 기반 CMUT는 낮은 탄성계수로 인해 충분한 음향 에너지를 내기 어렵고, 곡률 조절이 어려워 정밀한 초점 조정에 제약이 있었다.

그러나 KAIST 연구팀의 FTR 구조 센서는 전자적 빔 조정 없이도 곡면 형태에 따라 기계적으로 초점을 자동 형성해 특정 부위에 정밀한 초음파 자극을 가능하게 했다. 반복적인 굽힘에도 전기적·음향적 성능이 안정적으로 유지되는 점도 확인됐다.

실험 결과, 이 센서는 저강도 집속 초음파(LIFU) 수준 이상의 출력으로 신경과 장기를 비침습적으로 자극해 염증 반응을 완화하는 효과를 보였다.

연구팀은 동물 모델에서 비장을 절개 없이 자극하는 실험을 수행해 관절염 완화와 보행 개선 효과를 입증했다. 이에 따라 향후 만성질환 치료와 웨어러블 진단 장비로의 확장이 될 것으로 기대하고 있다.

연구팀은 현재 1차원 센서 라인을 넘어 2차원 배열 소자 개발을 추진 중이다. 이를 통해 초음파 영상 촬영과 치료를 동시에 수행할 수 있는 스마트 의료 시스템으로 발전시킬 계획이다. 반도체 공정과 호환돼 대량 생산이 가능한 점도 상용화의 강점으로 꼽힌다.

이현주 교수는 “유연성과 출력 성능을 동시에 만족하는 초음파 센서를 실현함으로써 웨어러블 헬스케어 기기의 주요 난제를 해결했다”며 “향후 비침습 뇌자극, 신경질환 치료 등 다양한 의료 응용으로 확장될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 전기및전자공학부 이상목 박사와 샤오지아 량(Xiaojia Liang) 박사과정이 공동 제1저자로 참여했다. 국제 학술지 ‘네이처 파트너 저널 플렉서블 일렉트로닉스’ 10월 23일자 온라인판에 게재됐다.

연구는 과학기술정보통신부 바이오·의료기술개발사업과 범부처전주기의료기기연구개발사업단의 지원을 받아 수행됐다.