이현주 교수팀, 반도체 공정 활용한 곡률 조절형 초음파 센서 개발… 비침습 치료·웨어러블 진단기기 응용 기대
KAIST(총장 이광형) 전기및전자공학부 이현주 교수 연구팀이 신체에 부착 가능한 유연 초음파 센서(Flex-to-Rigid CMUT)를 개발했다. 이 기술은 반도체 웨이퍼 공정(MEMS)을 활용해 센서의 곡률(휘어짐 정도)을 자유롭게 조절할 수 있는 것이 특징으로, 수술이나 절개 없이 정밀 초음파 영상을 얻고 장기를 자극해 치료할 수 있는 차세대 비침습 의료기기의 핵심 기술로 주목받고 있다. 지금까지의 웨어러블 초음파 센서는 유연성은 뛰어나지만 출력 세기가 약하고 구조가 불안정해 고해상도 영상이나 치료 목적에는 한계가 있었다. 이번 KAIST 연구팀은 단단한 실리콘 기판과 유연한 엘라스토머(고무 유사 물질)를 결합한 ‘Flex-to-Rigid(FTR)’ 구조를 고안해, 기계적 안정성과 유연성을 동시에 확보했다.
연구팀은 여기에 저융점 합금(Low Melting Point Alloy, LMPA)을 삽입하여, 전류를 가하면 합금이 녹아 형태를 바꾸고 냉각 시 다시 고체로 굳어 원하는 곡면 형태로 고정할 수 있는 기술을 구현했다. 이 덕분에 센서의 모양을 조정해 인체 곡면에 밀착시킬 수 있으며, 별도의 전자적 빔 조정 과정 없이도 자동으로 초음파 초점을 형성할 수 있다.
연구팀은 이번 기술을 동물 모델 실험을 통해 검증했다. 센서를 마우스의 비장(spleen) 부위에 부착해 초음파를 조사한 결과, 자가면역 질환 모델에서 염증이 완화되고 보행 능력이 개선되는 치료 효과를 확인했다. 이는 수술 없이도 초음파를 통해 신경과 장기를 자극해 염증 반응을 제어할 수 있음을 입증한 사례로, 향후 관절염·자가면역질환·만성 염증성 질환 등 비침습 치료용 의료기기로의 확장이 기대된다.
이번 연구에서 개발된 CMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)는 기존의 고분자 기반 센서보다 출력 성능이 높고 내구성이 우수하다. 또한 반도체 공정과 호환되어 대량생산이 가능하기 때문에, 향후 웨어러블 의료기기나 가정용 진단 장치로도 상용화될 전망이다. 이현주 교수는 “이번 연구는 유연성과 정밀 제어 기능을 동시에 구현한 초음파 센서 플랫폼으로, 향후 재택의료와 만성질환 관리, 정밀 치료 등 다양한 의료 분야로 확장할 수 있다”며 “웨어러블 초음파 의료시스템의 상용화를 위한 기술 기반을 마련했다”고 말했다.
연구팀은 향후 단일 센서(1D array)를 넘어 다중 배열(2D array) 구조로 발전시켜 초고해상도 영상과 치료 기능을 결합한 스마트 의료기기로 확장할 계획이다. 또한 저전력 구동회로를 결합해 가정에서도 사용할 수 있는 휴대형 초음파 치료 시스템 개발에도 나설 예정이다. 연구 결과는 국제 학술지 npj Flexible Electronics (Impact Factor 15.5) 10월 23일자 온라인판에 게재됐으며, 논문명은 “Flexible ultrasound transducer array with statically adjustable curvature for anti-inflammatory treatment” (DOI: 10.1038/s41528-025-00484-7)이다. 이번 연구는 과학기술정보통신부의 바이오·의료기술개발사업(뇌과학 선도융합기술개발사업)과 범부처전주기의료기기연구개발사업단의 지원으로 수행됐다.
KAIST 연구진이 개발한 FTR 초음파 센서는 병원 중심의 의료를 웨어러블·재택 치료 중심의 의료 생태계로 전환할 수 있는 기반 기술로 평가된다. 영상 진단과 치료 기능을 한 번에 수행하는 이 기술은,앞으로 고령사회와 만성질환 시대에 의료 접근성을 획기적으로 높일 혁신 플랫폼으로 기대를 모은다.
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