커프 없이 연속 혈압 측정 가능…의료·헬스케어 웨어러블 기술의 새 전환점
유연기판·저온 솔더 공정으로 고성능 압전 초음파소자 구현, 초음파 혈압센서 상용화 기대

커프(혈압 측정 밴드) 없이 초음파를 활용해 혈관 직경 변화를 실시간 감지하여 연속으로 비침습 혈압 측정이 가능한 기술이 개발됐다. 웨어러블 헬스케어 기기 및 스마트 의료 모니터링 플랫폼의 핵심 기술로 활용될 전망이다.

한국기계연구원(원장 류석현) AI로봇연구소 바이오기계연구실 허신 책임연구원과 터랍 UST-KIMM스쿨 박사과정 학생연구원 연구팀은 한국과학기술연구원(원장 오상록, 이하 KIST) 바이오닉스연구센터 이병철 박사팀과 함께 세계 최초로 저온 솔더 공정을 적용한 PMN-PT(납 마그네슘 니오베이트-납 티타네이트(Lead Magnesium Niobate-Lead Titanate). 높은 압전 특성을 가진 단결정 재료) 단결정 압전 복합소자 기반의 피부 부착형 비침습 혈압센서를 개발했다.

연구팀은 저온 공정이 가능한 듀얼 사이드 SnBi(주석-비스무트) 솔더 접합 기술을 적용해 고성능 압전소자를 분극 손실 없이 유연 기판 위에 안정적으로 집적하는 데 성공했다. 5×4 배열 구조의 초음파 트랜스듀서 어레이(UTA, Ultrasonic Transducer Array)를 설계·제작했으며, 이 센서의 초음파 빔은 피부를 투과하여 혈관 벽면에서 반사되는 신호를 감지해서 혈관 직경의 변화를 측정할 수 있다. 이 원리를 이용해 심장의 수축기·이완기 혈압에 따라 변하는 혈관 직경을 실시간으로 측정하고, 이를 혈압값으로 계산한다. 또한 유연한 폴리이미드(PI) 기판과 파릴렌C 봉지층을 적용해 인체 피부에도 안정적으로 부착 가능하며 전체 두께 0.5mm 이하, 무게 1g 미만으로 장시간 착용도 가능하다.

이번 기술은 PMN-PT 단결정 1-3 복합 압전소자가 생성한 초음파를 혈관에 송신하고 반사된 에코 신호를 분석해 혈관 직경을 측정하고 혈압을 계산하는 원리로 작동한다. 연구팀은 센서 소자의 설계를 위해 COMSOL 멀티피직스 기반 다중물리 시뮬레이션을 수행해 초음파 빔의 투과 및 반사 성능을 최적화했다. 또한 듀얼 사이드 저온 솔더링 기법을 도입하여 150°C 이하에서 전극 접합을 구현함으로써 기존 납계 압전소자에서 발생하던 열 분극 손실 문제를 해결했다. 이를 통해 고온 공정이 필요하지 않으면서도 높은 신호 대 잡음비(SNR)와 우수한 전기적 접합 신뢰성을 확보했다.

기존 광학식 커프리스 혈압 측정 기술은 피부색·움직임·조명 등 외부 환경 요인에 영향을 받고, 피부에 근접한 혈관만 측정할 수 있는 한계가 있어서 심부 혈관의 혈압을 측정할 수 없었다. 이에 반해 초음파 기반 혈압 측정 기술은 피부 심층부 혈관의 실제 직경 변화를 직접 측정할 수 있다. 기존 초음파 센서들이 딱딱한 PZT 재료를 사용해 착용성이 떨어졌던 반면, PMN-PT 1-3 복합 구조와 저온 솔더링 공정은 성능 손실 없이 인체 곡면에 완벽하게 밀착되도록 설계했다. 또한 단순화된 구조로도 우수한 SNR(신호 대 잡음비)을 유지하여 제조 공정의 효율성을 높였다. 결과적으로, 본 기술은 높은 정확도(±4 mmHg 이내), 유연 신축성, 피부 부착형 성능을 확보하여 기존 기술 대비 정확도·유연성·상용화 가능성 면에서 뚜렷한 우위를 보인다.

이어 연구팀은 개발된 센서를 활용해 인공피부 기반 혈관 모사체(Vascular Phantom) 실험을 수행하여 성능을 검증했다. 센서가 측정한 수축기·이완기 혈압은 상용 기준 센서 대비 각각 ±4 mmHg, ±2.3 mmHg 이내의 오차를 보여 임상 허용기준(AAMI ±5 mmHg)을 만족했다. 비침습 초음파 혈압센서 중 세계 최고 수준의 정확도다.

기계연구원 허신 책임연구원은 “이번 기술은 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.