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의료 분야의 혁신 이끄는 MEMS

기사승인 2018.07.09  13:38:55

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[EPNC=양대규 기자] MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 기술은 수십 년 전부터 연구가 진행돼 왔지만, 이 기술의 잠재력에 대해서는 여전히 논란이 있다. MEMS 기술은 단일 서브스트레이트에 마이크론 차원의 미세한 크기로 전기적 회로와 기계적 구조를 통합함으로써 대부분의 웨어러블 기기의 배경 기술과 스마트폰용 혁신 기능들을 가능하게 한다.

MEMS 기술은 바이오 기술 개발에도 큰 변화를 가져올 수 있다. 예를 들면 MEMS 기술을 사용해서 인체 내에서 특정한 생화학적 성분들을 찾아내고 그 부위에 원하는 작용이 일어나도록 할 수 있다. 그럼으로써 질병을 진단하고 예방할 수 있는 새로운 방법들을 개발할 수 있다. 실제로 인공 신경에 MEMS 기술을 적용하는 연구가 진행 중이다. 인공 신경 기술은 시각장애인이 볼 수 있게 하고 지체장애인이 움직일 수 있도록 하는 것을 연구하는 분야이다.

의료 분야에 MEMS 기술을 적용하면 진단과 치료를 혁신적으로 발전시킬 수 있다. 하나의 예로 압력 센서를 들 수 있다. 오늘날에는 RF 기술을 사용해서 통신이 가능한 MEMS 기반 압력 센서를 인체에 삽입할 수 있다. 이를 통해 인체 기관이나 혈관 상태에 관한 유용한 정보를 얻을 수 있다. 최근 들어 MEMS 패키징 기술이 발전했기 때문에 이런 기술이 구현될 수 있었다.

인체 외부에서 사용될 때는 MEMS 압력 센서가 크기가 작으므로 의료 기기의 크기를 줄일 수 있는 효과를 제공한다. 그러면 기기의 휴대성을 높일 수 있다. 또한, 가격대가 상대적으로 저렴하므로 일회용 센서로 사용하는 것도 생각할 수 있다. 예컨대 환자의 혈당이나 호흡을 측정하기 위한 용도로 말이다. 투석 장비나 약물 주입 펌프 같은 데에도 사용될 수 있다.

MEMS 관성 센서는 쓰러지기 쉬운 환자를 돌보는 데 사용될 수 있다. 환자의 움직임을 모니터링하고 이상이 포착되면 의료진에게 재빨리 알려줌으로써 신속하게 필요한 조치를 할 수 있도록 하는 것이다. 또한, 이 센서는 척추측만증 치료에도 적용될 수 있다. 이 센서를 사용해서 환자가 교정기를 얼마나 자주 착용하고 얼마나 꽉 조이는지 측정할 수 있다.

인체의 움직임 측정

MEMS는 반도체 생산에 사용되는 것과 동일한 방법으로 제조되므로 MEMS 센서를 개발하고 제조하기는 반도체 회사들이 유리한 위치에 서 있다. 2017년 11월 미국 산타 클라라에서 개최된 “2017 의료용 MEMS와 센서 컨퍼런스”에서 아나로그디바이스(Analog Devices, ADI)의 고성능 센서 담당 엔지니어링 매니저 마크 다 실바(Mark da Silva) 박사는 “초저전력의 이식가능한 관성 MEMS 센서(Ultra Low Power Implantable Inertial MEMS Sensors)”를 주제로 한 강의에서 관련 반도체 회사들의 동향을 설명했다. 그에 따르면 이식가능한 관성 MEMS 센서를 사용해서 팔다리의 움직임을 실시간으로 모니터링할 수 있으며, 또 통증 치료를 위해 등 부위에 이 센서를 이식하고 척수를 자극할 수도 있다.

ADI의 ADX362 시리즈 같은 초저전력 MEMS 가속도계 제품은 이미 출시돼 보청기나 가정용 의료 기기 같은 다양한 애플리케이션에 사용되고 있다. 이 3축 가속도계 IC는 동적·정적 가속도 둘 다 측정할 수 있으며(충격 감지 가능), 전력 소비도 수면 모드에서는 10nA에 불과하고 움직임이 있을 때라도 270nA로 매우 적다. 또 일부 MEMS 센서들처럼 언더샘플링(Under-Sampling)을 하지 않으므로 8비트, 12비트 출력 분해능으로 센서의 전체적인 대역폭에 걸쳐서 샘플링을 할 수 있다. ±2g의 범위로 1mg/LSB까지 측정을 할 수 있으며, 잡음 수준은 500μg/√Hz이다. 저잡음 모드일 때는 175μg/√Hz로 더 낮아진다. 또한 [그림 1]에서 보듯이 ADXL362는 안티앨리어싱 필터와 온도 센서, 아날로그-디지털 컨버터(ADC), SPI 인터페이스, 디지털 로직을 포함한다.

[그림 1]: 아나로그디바이스의 ADXL362는 초저전력 3축 가속도계 IC로서, 의료 기기 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.

아두이노 호환 EVAL-ADXL362-ARDZ 쉴드 보드를 사용하면 ADXL362의 모든 기능들을 쉽게 살펴볼 수 있다. 이 쉴드 보드는 센서가 측정한 기울기와 온도 데이터를 LCD를 통해 보여준다. 이 보드는 아나로그디바이스의 EVAL-ADICUP360 개발 보드와 호환 가능하며, 아두이노와 Pmod 인터페이스를 모두 포함한다.

[그림 2] EVAL-ADXL362-ARDZ

TDK 인벤센스(InvenSense)의 ICM-20948은 크기가 3mm x 3mm x 1mm인 멀티 칩 모듈로 3축 자이로스코프, 3축 가속도계, 3축 자력계에 디지털 모션 프로세서까지 통합한 고집적 9축 모션 추적 디바이스이다. 각 센서마다 자체 테스트 모드를 포함하고 있고, 모션 프로세서는 교정과 모션 프로세싱 알고리즘을 처리하기 때문에 그만큼 호스트 프로세서의 부담을 줄일 수 있다.

[그림 3] ICM-20948 9축 MEMS 모션 추적 멀티 칩 모듈의 블록 다이어그램

압력 센서

앞서 언급했듯이 의료용으로 활용 가능성이 높은 MEMS 센서가 압력 센서이다. 예컨대, 호흡 장치에 사용해 환자의 호흡 수를 측정할 수 있고, 투석 장비에서는 혈류 조절을 위해 입구와 출구의 혈압을 측정하는데 활용할 수 있다. 또한 MEMS 압력 센서를 사용해서 혈액 내의 산소, 이산화탄소, 칼슘, 칼륨, 포도당을 측정할 수 있으며, 약물 주입 펌프에도 사용할 수 있다. 수면 무호흡증 치료를 위한 양압기나 음압 상처 치료에도 사용된다.

비침습적 혈압 측정은 팔에 두르는 혈압 측정기를 통해서 환자의 수축기와 이완기 혈압을 측정할 수 있다. 이 측정을 위해서, 팔에 압력을 가하면 동맥이 폐색돼 혈액 흐름이 멈추는데 이것을 소리로 감지할 수 있다. 이것이 수축기 혈압이다. 그러고 나서 압력을 풀면 혈액이 다시 흐르는데 이것을 이완기 혈압이라고 부른다. 이완기에서는 압력이 낮아지기 때문에 아무리 전문 의료인이라 하더라도 동맥의 혈액 흐름을 소리로 감지하기가 어렵다. 이때, MEMS 기반 센서를 사용하면 비침습적 혈압 측정을 자동화할 수 있다. 따라서 이런 애플리케이션에 MEMS 압력 센서를 대량으로 사용할 수 있다. 실리콘 마이크로스트럭처(Silicon Microstructures)는 MEMS 압력 센서 분야의 선도 기업으로서, 이 회사의 SM4421은 바로 이런 애플리케이션에 적합한 압력 센서다. 이 디바이스는 MEMS 센싱 소자와 신호 컨디셔닝 ASIC을 SOIC-16 패키지에 통합했으며, I2C 인터페이스를 통해 14비트 온도 보정 출력을 제공한다. SM4x21 제품군에 속하는 이 디바이스는 게이지, 차동, 비대칭 구성 제품으로 제공되며 2.5PSI~14.9PSI의 압력 범위에서 동작하므로 다양한 의료용 애플리케이션에 사용할 수 있다.

향후 전망

MEMS 기술은 의료용 분야에서 많은 혁신들을 실현할 것이다. 랩-온-칩(Lab-on-a-chip) 컨셉은 원격지나 개발도상국 등에서 저렴한 비용으로 신속한 진단이 가능하게 해줄 것이다. MEMS 디바이스 제조에 사용되는 기술은 나노 기술 개발에도 적용될 수 있으며, 두 기술은 밀접하게 연관돼 있다. 향후에는 여기에 미세유체공학(Microfluidics)과 미세전자공학(Microelectronics)이 융합할 것이며, 탄소 나노튜브와 그래핀 같은 신소재 기술까지 도입됨으로써 더 많은 것들이 가능해질 것이다.

글: 마크 패트릭(Mark Patrick)

자료: 마우저 일렉트로닉스

 

양대규 기자 yangdae@epnc.co.kr

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