혈압측정용 비침습 초음파 센서 '세계 최고 수준' 개발

한국기계연구원-KIST 공동, 유연기판·저온 솔더 공정으로 고성능 압전 초음파소자 구현

혈압 측정 밴드(커프)없이 초음파로 혈관 직경을 실시간 연속 측정할 수 있는 기술이 처음 개발됐다. 웨어러블 헬스케어 기기나 스마트 의료 모니터링 플랫폼 핵심 기술로 활용 가능한 수준이다.

한국기계연구원은 AI로봇연구소 바이오기계연구실 허신 책임연구원과 터랍 UST-KIMM스쿨 박사과정 학생연구원 연구팀이한국과학기술연구원(KIST) 바이오닉스연구센터 이병철 박사팀과 함께 세계 처음 저온 솔더 공정을 적용한 PMN-PT 단결정 압전 복합소자 기반의 피부 부착형 비침습 혈압센서를 개발했다고 8일 밝혔다.

한국기계연구원 허신 책임연구원(가운데)이 비침습 혈압센서를 살펴보고 있다.(사진=한국기계연구원)

PMN-PT는 납 마그네슘 니오베이트-납 티타네이트의 줄임말로, 높은 압전 특성을 가진 단결정 재료다.

이번에 개발한 비침습 초음파 혈압센서는 기존 커프 방식을 쓰지 않는 차세대 생체신호 측정 기술이다. 저온 공정이 가능한 듀얼 사이드 SnBi(주석-비스무트) 솔더 접합 기술을 적용해 고성능 압전소자를 분극 손실 없이 유연 기판 위에 안정적으로 집적했다.

이 과정에서 개발된 센서는 피부에 직접 부착해도 안정적으로 작동한다. 곡면 부위에서도 균일한 음향 신호를 유지할 수 있다. 중심 주파수 6MHz, 수신각 45°의 특성을 지닌다. 심장 수축기·이완기 혈압에 따라 변하는 혈관 직경을 실시간 측정하고, 이를 혈압값으로 계산한다. 이 때문에 간헐적 측정이 아닌 연속적·비침습 혈압 모니터링이 가능하다.

또한 유연한 폴리이미드(PI) 기판과 파릴렌C 봉지층을 적용해 인체 피부에도 안정적으로 부착 가능하다. 전체 두께 0.5mm 이하, 무게 1g 미만으로 장시간 착용할 수 있다.

연구팀은 "PMN-PT 소재의 높은 전기기계 결합계수와 낮은 손실률 덕분에 작은 구동전압에서도 높은 감도를 확보했다"며 "±4 mmHg(수축기) 및 ±2.3 mmHg(이완기)의 오차 범위 내에서 상용 혈압계와 유사한 정확도를 보였다"고 말했다.

임상 허용기준(AAMI)은 ±5 mmHg다. 이는 비침습 초음파 혈압센서 중 세계 최고 수준의 정확도다.

실험 검증은 가상혈관 모사체(vascular phantom) 기반으로 이루어졌다. 펌프를 이용해 사람 맥박 주기와 유사한 압력 변동(약 80 bpm)을 재현하고, 센서가 이를 초음파 신호로 감지해 혈압 파형을 복원했다.

한국기계연구원이 제작한 초음파 트랜스듀서. 확대한 모습.(그림=한국기계연구원)

복합 물리 현상의 상호작용을 정밀하게 모델링·해석할 수 있는 대표적인 멀티피직스 시뮬레이션 플랫폼으

연구팀은 센서 소자 설계를 위해 대표적인 멀티피직스 시뮬레이션 플랫폼(COMSOL)을 이용해 초음파 빔의 투과 및 반사 성능을 최적화했다. 또 듀얼 사이드 저온 솔더링 기법으로 150°C 이하에서 전극 접합을 구현했다. 이를 통해 기존 납계 압전소자에서 발생하던 열 분극 손실 문제를 해결했다.

연구팀은 "고온 공정이 필요하지 않으면서도 높은 신호 대 잡음비(SNR)와 우수한 전기적 접합 신뢰성을 확보했다"고 설명했다.

기존 광학식 커프리스 혈압 측정 기술은 피부색·움직임·조명 등 외부 환경 요인에 영향을 받고, 피부에 근접한 혈관만 측정할 수 있는 한계로 인해 심부 혈관 혈압을 측정할 수 없었다.

허 신 책임연구원은 “인체 부착형 초음파 센서를 통해 커프 없이도 연속 혈압 측정이 가능함을 세계 최초로 입증했다”며, “향후 AI 기반 혈압 분석 기술과 결합해 개인 맞춤형 심혈관 질환 예측 및 스마트 헬스케어 플랫폼의 핵심 기술로 발전시킬 것”이라고 말했다.

산업통상부 소재부품기술개발사업(서비스로봇용 다중감각 센서 개발) 과제 일환으로 올해 3년차 연구를 수행 중이다.

연구결과는 기기분야 국제 저널인 '마이크로시스템 앤 나노엔지니어링'(JCR 0.6%, I.F. 9.9, 2024년 기준)에 게재됐다.