연구성과

전자/IT융합/기계/융합 김철홍 교수팀, 소재의 한계를 극복한 투명 초음파 기기, 이미징(imaging) 기술에 혁신 가져올까

2024-03-07 404

[김철홍 교수팀, 초고감도 · 광대역 투명 초음파 트랜스듀서 개발]

‘초음파-광음향 시스템’은 체내 조직이나 장기의 구조를 관찰하는 데 적합한 초음파와 세포 기능 분석에 유리한 광음향(Photoacoustic)을 융합한 시스템이다. 이 시스템은 의료 현장에서 생리 · 조직학적 정보를 다각도로 얻을 수 있어 더욱 정확하고 안전한 치료를 환자에게 제공할 수 있다. 하지만 실제 이 시스템을 적용하기 위해서는 해결해야 할 과제가 아직 많다.

전자전기공학과 · IT융합공학과 · 기계공학과 · 융합대학원 김철홍 교수, 전자전기공학과 조성희 교수, IT융합공학과 통합과정 김민수 씨 연구팀은 기존 초음파-광음향 시스템이 갖고 있던 문제를 해결하고, 우수한 성능의 투명 초음파 트랜스듀서*1(이하 TUT)를 개발했다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.

트랜스듀서(transducer)는 한 형태의 에너지를 다른 형태의 에너지로 변환하는 장치로 초음파 트랜스듀서는 초음파 정보를 수신해 이를 전기 신호로 바꾼다. 기존 초음파-광음향 시스템의 초음파 트랜스듀서는 일반적으로 불투명한 소재로 제작되고, 그로 인해 광파와 초음파 간 경로 간섭이 발생해 성능이 낮았다. 이를 해결하기 위해 투명한 소재를 적용한 TUT 연구가 활발하게 진행되고 있지만 현재 기술 수준으로는 트랜스듀서의 모든 층을 투명하게 만들기는 어려웠다.

연구팀은 이번 연구를 통해 이산화규소(SiO2)-에폭시 합성물 기반 투명 소재를 개발하고, 이를 TUT에 적용했다. 연구팀의 TUT는 높은 광학 투명도(80% 이상)를 보였으며, 기존의 불투명한 초음파 트랜스듀서와 동일한 대역폭(중심주파수에서 ±30%)을 나타냈다.

또, 이 TUT를 적용한 초음파-광음향 시스템은 초음파와 광 음파 영상에서 각각 깊이 대 해상도 비가 각각 500과 370을 초과했다. 이는 기존 초음파 단일 시스템과 유사하고, 또 기존 광 음향 단일 시스템 대비 3~6배에 달하는 수준이다. 특히, 기존 광 음향 연구에서 깊이 대 해상도 비율은 200이 한계라는 인식이 컸는데, 이번 연구에서 이를 깨고, 370을 달성한 것이다.

또, 연구팀이 만든 TUT를 적용한 현미경은 살아있는 동물과 사람을 대상으로 한 실험에서도 조직의 구조와 기능적 복합 영상을 쉽게 구현했다.


김철홍 교수는 “광 자극을 사용해 세포를 조작하거나, 레이저 수술로 종양을 제거하며 잔류 조직을 초음파로 검사하는 등 다양한 의료기기에 적용할 수 있을 것“이라며, ”이외에도 모바일과 로봇 등 초음파와 광센서를 사용하는 많은 분야에서 이번 연구가 큰 도움이 되기를 바란다“는 기대를 전했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 세종과학펠로우쉽, 범부처 전주기 의료기기 개발사업, BK21, BRIDGE 융합연구개발사업, 대학중점 연구소 지원사업의 지원으로 진행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45273-4


1. 투명 초음파 트랜스듀서
Transparent ultrasound transducers