한국기계연구원(이하 기계연)이 팔을 강하게 압박하는 혈압 측정밴드 ‘커프’ 없이도 초음파를 이용해 혈압을 실시간 연속 측정할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다.
이 기술은 웨어러블 헬스케어 기기와 스마트 의료 모니터링 분야의 새로운 전환점이 될 전망이다.
기계연 허신 책임연구팀과 터랍 UST-KIMM스쿨 박사과정은 한국과학기술연구원(KIST) 이병철 박사팀과 공동연구로 저온 솔더(주석-비스무트) 공정을 적용한 단결정 압전 복합소자 기반의 피부부착형 비침습 혈압센서를 개발했다고 8일 밝혔다.
기존의 광학식 커프리스 혈압 측정은 피부색이나 외부 조명 변화에 영향을 많이 받고, 피부 표면 근처 혈관만 측정할 수 있어 깊은 곳에 있는 심부 혈관 혈압을 재는 데 한계가 있었다.
연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 높은 압전 특성을 가진 납 마그네슘 니오베이트-납 티타네이트(PMN-PT) 단결정 재료를 활용했다.
이 센서는 5×4 배열 구조의 초음파 트랜스듀서 어레이(UTA)를 통해 초음파 빔을 피부 속 혈관으로 보낸다.
혈관 벽면에서 반사돼 돌아오는 신호를 분석해 혈관 직경이 실시간으로 얼마나 변하는지 포착하고, 이를 바탕으로 심장의 수축기와 이완기 혈압을 계산한다.
특히 연구팀은 150℃ 이하에서 전극을 붙이는 ‘저온 솔더 접합 기술’을 세계 최초로 적용했다.
이는 고온 공정 없이도 고성능 압전소자를 유연 기판 위에 안정적으로 집적해 신호 대 잡음비(SNR)를 높이고 성능 손실을 막는다.
기존 납계 압전소자는 열에 약해 고온 공정 시 성능이 떨어지는 문제가 있었다.
연구팀은 이 공법으로 열 손상 없이 고성능 센서를 유연 기판 위에 안정적으로 구현했다.
개발한 센서는 매우 얇고 가벼워 장시간 착용하기 좋다.
전체 두께는 0.5㎜ 이하, 무게는 1g 미만이며, 유연한 폴리이미드(PI) 기판을 사용해 인체 곡면에 완벽하게 밀착한다.
특히 ‘파릴렌C’ 코팅 처리를 해 방수 기능과 생체 적합성까지 확보했다.
파릴렌C는 초음파 센서를 보호하고, 인체에 안전하게 밀착될 수 있도록 돕는 투명하고 얇은 보호막으로, 강력한 방수 기능과 생체 적합성을 동시에 확보했다
실제 성능검증 결과 인공피부 기반 혈관 모사체 실험에서 수축기 혈압은 ±4mmHg, 이완기 혈압은 ±2.3mmHg 이내의 정밀도를 기록했다.
이는 국제 임상 허용기준 ±5 mmHg을 만족하는 수치로, 비침습 초음파 혈압센서 중 세계 최고 수준 정확도다.
허 책임연구원은 “이번 기술은 인체 부착형 초음파 센서로 커프 없이 연속 혈압 측정이 가능하다는 사실을 세계 최초로 입증했다”며 “향후 인공지능 기반 분석 기술과 결합해 개인 맞춤형 심혈관 질환 예측 플랫폼의 핵심 기술로 발전시키겠다”고 말했다.
한편, 이번 연구결과는 국제학술지 ‘마이크로시스템 앤 나노엔지니어링(Microsystem & Nanoengineering)’ 1월 호에 게재됐다. (논문명: Skin-Conformal PMN-PT Ultrasonic Sensor for Cuffless Blood Pressure Sensing via Eutectic Solder Integration)
