현재 상용화돼 병원 진단과 원격의료 등에 사용되는 납(Pb) 기반의 압전 세라믹 웨어러블 초음파 장치들과 달리 납을 전혀 쓰지 않고 실리콘을 기반으로 한 일회용 친환경 초음파 패치가 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST) 바이오닉스연구센터 이병철 박사팀은 KAIST 정재웅 교수팀, 서울대병원 이활 교수팀, 미국 스탠퍼드대 쿠리-야쿱 교수팀과 함께 납을 전혀 사용하지 않으면서도 기존 납 기반 초음파 소자를 뛰어넘는 성능의 실리콘 기반 일회용 친환경 초음파 소자를 처음으로 구현했다고 밝혔다.

웨어러블 초음파 장치는 병원 진단은 물론 재활 모니터링, 원격의료 등 다양한 의료 현장에서 활용되고 있으나 현재 상용화된 장치들은 대부분 유해 물질인 납 기반의 압전 세라믹을 사용, 인체·환경 유해성 등 문제가 있다.

연구팀은 반도체 공정을 이용해 실리콘을 나노 기둥 구조로 정밀하게 가공해 초박형 패치를 제작, 초음파 소자에 필수적인 정합층과 흡음층을 제거하면서도 안정적인 성능을 확보해 두께가 수백 마이크로미터(㎛)에 불과한 얇은 구조를 구현했다.

이렇게 제작된 패치는 상용 소자 대비 30% 이상 높은 출력 압력을 기록해 영상 품질이 크게 향상되고 목처럼 움직임이 많은 부위에서도 혈류 속도와 혈관 직경을 안정적으로 측정하는 등 성능과 활용 가능성이 실험으로 입증됐다.

연구팀은 혈압계와 비교해 96% 이상의 정확도를 보여 임상 적용 가능성이 확인됐다며 이 기술은 향후 원격진료나 개인 맞춤형 헬스케어 기기 분야로 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 전망했다.

이어 실리콘 기반 초음파 소자는 반도체 공정을 활용해 대량 생산이 가능하고, 사용 후에도 환경 부담이 적다며 특히 원가가 기존 납 기반 소자의 약 20분의 1 수준으로 경제성이 뛰어나고 친환경적 특성을 갖춰 일회용 초음파 패치 시장을 선도할 수 있을 것이라고 덧붙였다.

이병절 박사는 "이 연구는 해로운 납 대신 안전한 실리콘을 활용해 누구나 안심하고 사용할 수 있는 초음파 패치를 구현했다는 데 큰 의미가 있다"고 설명했다.

서울대병원 이활 교수는 "실리콘 기반 초음파 영상 기기는 압전 소자 기반 기기에 비해 유연하고 다양한 형태로 제작할 수 있어 다양한 상황에서 초음파 영상의 의학적 적응의 범위를 획기적으로 넓힐 것"이라고 말했다.

이 연구는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 온라인판에 게재됐다.