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KR102610342B1 - 플렉서블 초음파 트랜스듀서 및 이의 제조방법 - Google Patents

플렉서블 초음파 트랜스듀서 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR102610342B1
KR102610342B1 KR1020200101870A KR20200101870A KR102610342B1 KR 102610342 B1 KR102610342 B1 KR 102610342B1 KR 1020200101870 A KR1020200101870 A KR 1020200101870A KR 20200101870 A KR20200101870 A KR 20200101870A KR 102610342 B1 KR102610342 B1 KR 102610342B1
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ultrasonic
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focused ultrasound
ultrasound
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심신용
강동현
김혜연
김형민
박기주
임매순
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서는, 중심부 및 상기 중심부로부터 길게 연장되는 복수의 연장부를 갖는 형태의 기판; 상기 기판의 중심부에 위치하며 관심영역의 초음파 이미지를 획득하기 위한 초음파 프로브; 상기 기판의 연장부에 위치하며 상기 관심영역에 집속 초음파를 출력하도록 구성되는 집속 초음파 출력부를 포함하되, 상기 기판의 연장부에 위치한 집속 초음파 출력부는 플렉서블한 특성을 가지고 변형될 수 있다. 실시예의 구조에 따르면, 초음파 이미징과 병변의 자극이나 제거와 같은 초음파 치료를 동시에 수행할 수 있고, 유연한 움직임을 통해 집속 초음파의 초점 위치를 조정하거나 초점 감도를 향상시킬 수 있다.

Description

플렉서블 초음파 트랜스듀서 및 이의 제조방법{FLEXIBLE ULTRASOUND TRANSDUCER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 초음파 트랜스듀서 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판의 중심부에 배치된 초음파 프로브와 플렉서블한 특성을 갖는 기판의 연장부에 배치된 집속 초음파 출력부를 구비하여, 초음파 이미지 획득과 집속 초음파 치료를 동시에 수행할 수 있는 듀얼 모드 초음파 트랜스듀서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 연구는 한국과학기술연구원의 주관 하에, 과학기술정보통신부의 바이오, 의료기술개발사업(반도체 기술을 이용한 초음파 탐촉자 및 부착형 기기 개발, 과제고유번호: 1711105874)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
초음파 프로브는 초음파 트랜스듀서(transducer)의 배열로 구성되며, 각각의 초음파 트랜스듀서는 관심영역에 초음파 빔을 출력하는 트랜스미터(transmitter) 및 상기 관심영역 내의 물체로부터 반사되어 되돌아오는 초음파 빔을 수신하는 리시버(receiver)의 역할을 동시에 수행한다. 초음파 빔의 송수신 시점을 계산하면 초음파의 왕복 시간을 측정할 수 있는데, 이를 이용하여 관심영역 내 물체의 이미지 정보를 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 초음파 이미지 정보는 디스플레이를 통해 시각화될 수 있다. 초음파 프로브는 비침습적인 방식으로 신체 내부를 촬영할 수 있어 의료 분야에서 널리 활용되고 있다.
한편, 종래에는 환자의 통증을 완화시키거나 특정 신체 부위의 신경 세포를 자극하는 치료 방법을 수행하기 위해 환자의 신체에 전극을 삽입하는 등의 방법이 이용되었으나, 이와 같은 물리적인 침습 과정에 의해 신체가 손상될 우려가 있었다. 최근에는 물리적인 침습 과정 없이도 환부를 자극할 수 있는 초음파 자극 치료법이 널리 이용되고 있다. 초음파는 그 강도에 따라 고강도 집속 초음파(High-intensity Focused Ultrasound; HIFU)와 저강도 집속 초음파(Low-intensity Focused Ultrasound; LIFU)로 나뉠 수 있는데, 고강도 집속 초음파는 암세포, 종양, 병변(病變) 등의 생체조직을 물리적으로 제거하는 직접적인 치료에 이용되는 반면, 저강도 집속 초음파는 신체조직을 괴사시키지 않고도 의학적 효과를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 예를 들면, 저강도 집속 초음파를 이용하여 인지장애, 불안증, 우울증 등의 신경성질환을 비침습적으로 치료하거나, 고강도 집속 초음파를 이용하여 병변을 비침습적으로 제거할 수 있다.
그러나 기존의 집속 초음파 기반 치료 방법은 병변의 위치를 실시간으로 파악하여 바로 제거하는 방식이 아니라, 의료진이 CT나 MRI를 통해 미리 촬영한 환자의 신체 내부 사진을 보면서 수술을 진행하기 때문에 정밀도가 떨어질 수 밖에 없고, 병변과 다른 조직의 경계를 정확히 파악할 수 없기 때문에 절개하지 않아도 되는 기능적으로 중요한 조직이 손상될 수 있는 리스크가 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-2124422호
본 발명의 목적은 초음파 이미지의 획득과 집속 초음파를 통한 치료를 동시에 수행할 수 있고, 유연한 움직임을 통해 초점 위치의 조절이나 초점 감도를 향상시킬 수 있는 듀얼 모드 플렉서블 초음파 트랜스듀서 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서는, 중심부 및 상기 중심부로부터 길게 연장되는 복수의 연장부를 갖는 형태의 기판; 상기 기판의 중심부에 위치하며 관심영역의 초음파 이미지를 획득하기 위한 초음파 프로브; 상기 기판의 연장부에 위치하며 상기 관심영역에 집속 초음파를 출력하도록 구성되는 집속 초음파 출력부를 포함하되, 상기 기판의 연장부에 위치한 집속 초음파 출력부는 플렉서블한 특성을 가지고 변형될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 초음파 프로브는 상기 관심영역을 향해 이미징 초음파를 출력하도록 구성되는 복수의 이미징 초음파 출력 소자의 배열을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 초음파 프로브는 상기 복수의 이미징 초음파 출력 소자가 선형으로 배치된 1차원 배열 또는 상기 복수의 초음파 출력 소자가 원형 또는 사각형으로 배치된 2차원 배열을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 집속 초음파 출력부는 상기 관심영역에 치료용 집속 초음파를 출력하도록 구성되는 복수의 집속 초음파 출력 소자의 배열을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판의 연장부는 일정한 간격을 두고 형성된 복수의 트렌치 구조를 가지고, 상기 집속 초음파 출력부는 상기 복수의 트렌치 구조 및 상기 복수의 집속 초음파 출력 소자의 배열을 덮는 플렉서블 물질층을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 집속 초음파 출력부는 상기 기판의 연장부 아래에 상기 플렉서블 물질층보다 열팽창계수가 큰 물질로 구성되는 보강층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 치료용 집속 초음파는 상기 관심영역을 저강도로 자극하기 위한 저강도 집속 초음파(Low-intensity Focused Ultrasound; LIFU) 또는 상기 관심영역 내 병변을 물리적으로 제거하기 위한 고강도 집속 초음파(High-intensity Focused Ultrasound; HIFU)일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 이미징 초음파 출력 소자 및 상기 집속 초음파 출력 소자는 미세가공 초음파 트랜스듀서(Micromachined Ultrasound Transducer; MUT)일 수 있다.
일 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 제조방법은, 기판을 제공하는 단계; 상기 기판 위에 복수의 집속 초음파 출력 소자를 일정한 간격으로 배치하는 단계; 상기 복수의 집속 초음파 출력 소자 상에 포토레지스트를 형성하는 단계; 상기 기판을 식각하여 상기 복수의 집속 초음파 출력 소자 사이에 복수의 트렌치 구조를 형성하는 단계; 및 상기 복수의 트렌치 구조 및 상기 복수의 집속 초음파 출력 소자를 덮는 플렉서블 물질층을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 초음파 출력 소자는 미세가공 초음파 트랜스듀서일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 플렉서블 물질층은 PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에스테르(polyester) 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 탄성중합체로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판 아래에 상기 플렉서블 물질층보다 열팽창계수가 큰 물질로 구성되는 보강층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 플렉서블 물질층 및 상기 보강층에 열을 가하여, 상기 플렉서블 초음파 트랜스듀서를 휘게 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 초음파 이미징과 초음파 치료(예컨대, LIFU 또는 HIFU를 이용한 병변의 자극 또는 제거)를 동시에 수행할 수 있고, 유연한 움직임을 통해 사용자가 임의로 집속 초음파의 초점 위치를 조정하거나 초음파 이미징과 치료에 필요한 초점 감도를 향상시킬 수 있는 구조의 플렉서블 초음파 트랜스듀서가 제공된다.
도 1은 일 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 구조를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 기판 중심부에 배치된 초음파 프로브를 이용하여 병변을 검출하는 모습을 나타낸다.
도 3a 및 3b는 또 다른 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 구조를 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 기판 연장부에 배치된 집속 초음파 출력부의 단면을 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 기판 연장부의 유연한 움직임을 통해 초점 위치를 조정하는 모습을 나타낸다.
도 6a 내지 6f는 일 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 제조방법 중 일부 과정을 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 단면 구조를 촬영한 전자현미경 사진이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는 첨부 도면들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 청구하고자 하는 범위는 실시예들에 의해 제한되거나 한정되지 아니한다.
도 1은 일 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 구조를 도시한다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서는, 중심부(10) 및 상기 중심부(10)로부터 길게 연장되는 복수의 연장부(20)를 갖는 형태의 기판과, 상기 기판의 중심부(10)에 위치하며 관심영역의 초음파 이미지를 획득하기 위한 초음파 프로브(100); 상기 기판의 연장부(20)에 위치하며 관심영역에 집속 초음파를 출력하도록 구성되는 집속 초음파 출력부(200)를 포함한다. 연장부(20)에 위치한 집속 초음파 출력부(200)는 플렉서블(flexible)한 특성과 탄성을 가지므로 쉽게 변형되거나 복구될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 기판 중심부에 위치한 초음파 프로브(100)를 이용하여 병변을 검출하는 모습을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 초음파 프로브(100)는 복수의 이미징 초음파 출력 소자(110)의 배열로 구성된다. 각각의 이미징 초음파 출력 소자(110)는 관심영역을 향해 초음파를 출력하고, 출력된 초음파 빔은 진행경로에 위치한 물체(예컨대, 병변, 종양, 장기 등)에 의해 반사되어 초음파 프로브(100)로 되돌아간다. 초음파 프로브(100)는 초음파의 왕복시간 정보에 기초하여 물체의 위치나 형태를 감지한다. 초음파 프로브(100)와 연결된 처리장치는 상기 물체의 위치 및 형태 정보를 실시간으로 획득하여 디스플레이를 통해 시각화할 수 있다. 기판의 중심부에서는 이러한 방식으로 초음파 프로브를 이용해 병변을 검출한다.
도 1 및 도 2에 도시된 초음파 프로브(100)는 복수의 이미징 초음파 출력 소자가 선형으로 나란히 배치된 1차원 배열 구조를 갖는다. 일 실시예에 따르면, 1차원 배열 구조의 초음파 프로브가 촬영과 동시에 360° 회전함으로써 관심영역에 대한 2차원 이미지(평면 이미지)를 획득할 수 있다.
도 3a 및 3b는 또 다른 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 구조를 나타낸다.
도 3a를 참조하면, 기판의 중심부(10)에 위치한 초음파 프로브(100)는 복수의 이미징 초음파 출력 소자가 원형으로 배치된 2차원 배열 구조를 가질 수 있다. 이 경우 도 1, 2 의 1차원 배열 구조와 달리 초음파 프로브가 회전하지 않고도 관심영역의 2차원 이미지를 획득할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 기판의 중심부(10)에 배치된 초음파 프로브(100)는 복수의 이미징 초음파 출력 소자가 사각형으로 배치된 2차원 배열 구조를 가질 수 있다. 이 경우에도 도 3a의 구조와 마찬가지로 관심영역의 2차원 이미지를 획득할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 기판 연장부에 배치된 집속 초음파 출력부의 단면을 도시한다. 도 4는 도 1에서 기판 연장부(20)에 위치한 집속 초음파 출력부(200)의 일부를 점선 A-A'를 따라 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 기판의 연장부(20)는 일정한 간격을 두고 형성된 복수의 트렌치(trench) 구조를 갖는다. 트렌치 구조는 트랜스듀서의 제조공정에서 플렉서블 물질, 예컨대 PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에스테르(polyester) 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 탄성중합체로 채워지게 되고, 이에 따라 형성된 플렉서블 물질층(220)은 트렌치 구조 및 집속 초음파 출력 소자(210)의 배열을 덮게 된다.
일 실시예에 따르면, 집속 초음파 출력부(200)는 기판의 연장부(20) 아래에 상기 플렉서블 물질층(220)보다 열팽창계수가 큰 물질로 구성되는 보강층(230)을 더 구비할 수 있다. 이를 통해 소자 기판이 휘어지는 정도를 조절하고 보강해줄 수 있다.
이에 따라, 기판의 연장부(20) 및 집속 초음파 출력부(200)는 유연한 구조를 갖게 되고 외부 압력에 의해 쉽게 변형되거나 복구될 수 있다. 기판의 곡률이나 탄성력은 각 층을 구성하는 물질의 종류, 함량, 제조공정에서의 가열 온도 등 구체적인 설계 변수에 따라 달라질 수 있다.
도 4에 도시된 것처럼, 집속 초음파 출력 소자(210)는 기판의 연장부(20) 위에 일정한 간격을 두고 배치된다. 각각의 집속 초음파 출력 소자(210)는 교류 에너지를 같은 주파수의 기계적 진동으로 변환하여 초음파를 발생시키는 소자로서, 예컨대 CMUT 또는 PMUT와 같은 미세가공 초음파 트랜스듀서(Micromachined Ultrasound Transducer)일 수 있다. 치료하고자 하는 부위와 목적에 따라 출력을 조정함으로써 관심영역을 저강도로 자극하기 위한 저강도 집속 초음파(LIFU)를 출력하거나, 관심영역 내 병변을 물리적으로 제거하기 위한 고강도 집속 초음파(HIFU)를 출력할 수 있다. 출력된 초음파는 중첩을 일으켜 초음파 빔을 형성하고, 신체 조직 내에서 치료 효과를 달성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 고강도 집속 초음파는 검출된 종양 등의 병변에 열적(thermal) 또는 기계적(mechanical) 자극을 가하여 병변을 물리적으로 제거할 만큼의 강도를 갖는다. 예를 들어, 고강도 집속 초음파는 1 MHz 이상의 중심주파수를 가지며, 3 W/㎠ (Ispta) 이상의 강도를 갖는다. 이에 비해, 저강도 집속 초음파는 두개골을 통과할 수 있을 정도의 주파수를 가지며, 인체조직을 물리적으로 자극할 수 있으나 손상시키지는 않을 정도의 적절한 강도를 갖는다. 예를 들어, 저강도 집속 초음파는 약 200 kHz 내지 1 MHz 의 중심주파수와 3 W/㎠ (Ispta) 이하의 강도를 갖는다.
사용자는 초음파 트랜스듀서 소자와 연결된 제어장치와 인터페이스를 통해, 집속 초음파 출력부(200)로부터 출력되는 초음파의 주파수, 강도, 열적/기계적 자극 타입의 전환과 같은 세부적인 설정을 임의로 제어할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 유연한 움직임을 통해 초점 거리(초점 위치)를 조정하는 모습을 나타낸다.
도 5에 도시된 것처럼, 기판의 연장부에 위치한 집속 초음파 출력부(200)는 플렉서블한 특성을 가지므로 피부의 굴곡 형태에 따라 밀착이 가능하다. (A)와 같이 각각의 집속 초음파 출력 소자들(210)은 고강도 또는 저강도 초음파 빔을 출력하고, 관심영역 내 초점에 집속된 초음파 빔은 예컨대 종양, 암세포, 병변, 생체조직 등의 대상(O)을 제거하거나 자극한다. 집속 초음파 출력부(200)는 플렉서블한 특성을 가지므로 사용자가 임의로 기판을 휘게 하여 집속 초음파의 초점 거리를 조정할 수 있다. 예를 들어, (B)와 같이 기판의 굴곡을 크게 만들면 초음파 빔이 집속되는 초점이 더 가깝게 위치하게 된다.
기존의 초음파 트랜스듀서(강성 기판을 갖는)에서는 배열된 트랜스듀서 각각의 위치나 위상을 제어하는 방식으로 초점 위치를 수정해야 했다. 본 발명의 실시예에 따르면, 기판의 유연한 움직임을 통해 원하는 대로 초점 거리를 조정하거나 피부의 굴곡 변화에 따라 초음파 출력부를 밀착시킬 수 있다.
이하에서는 도 6a 내지 6f를 참조하여 일 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 제조방법을 설명한다.
먼저, 도 6a에 도시된 것처럼, 제공된 기판(600) 위에 복수의 집속 초음파 출력 소자(610)를 일정한 간격으로 배치하는 단계를 수행한다. 기판(600)은 실리콘 또는 실리콘과 다른 물질의 혼합물로 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 초음파 출력 소자(610)는 CMUT 또는 PMUT와 같은 미세가공 초음파 트랜스듀서(Micromachined Ultrasound Transducer)일 수 있으며, 치료하고자 하는 부위와 목적에 따라 관심영역을 저강도로 자극하기 위한 저강도 집속 초음파(예컨대, 200 kHz 내지 1 MHz 의 중심주파수 및 3 W/㎠ (Ispta) 이하의 강도를 갖는 초음파)를 출력하거나, 관심영역 내 병변을 물리적으로 제거하기 위한 고강도 집속 초음파(1 MHz 이상의 중심주파수를 가지며, 3 W/㎠ (Ispta) 이상의 강도를 갖는 초음파)를 출력할 수 있다.
이어서, 도 6b에 도시된 것처럼, 각각의 집속 초음파 출력 소자(610) 상에 포토레지스트(615)를 형성하는 단계를 수행한다. 포토레지스트는 노광 장치에 의해 노출되면 응고 변화를 일으키는 감광성 수지를 가리킨다. 포토레지스트(615)는 식각 용액에 의해 분해되지 않는 성분으로 이루어지며 이후의 과정에서 집속 초음파 출력 소자(610) 및 그 아래의 기판(600)이 식각되지 않도록 보호한다.
이어서, 도 6c에 도시된 것처럼, 기판(600)을 식각(etching)하여 상기 복수의 집속 초음파 출력 소자(610) 사이에 복수의 얇은 트렌치 구조를 형성하는 단계를 수행한다. 실시예에 따르면, 실리콘 소재의 기판과 반응하는 화학 용액을 이용하는 습식 식각(wet etching) 또는 이온화 가스를 이용하는 건식 식각(dry etching) 방식이 모두 활용될 수 있다.
이어서, 도 6d에 도시된 것처럼, 포토레지스트(615)를 제거한 후 트렌치 구조 및 집속 초음파 출력 소자(610)를 덮는 플렉서블 물질층(620)을 형성하는 단계를 수행한다. 플렉서블 물질층(610)은 예컨대 PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에스테르(polyester) 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 탄성중합체로 구성된다. 이러한 플렉서블 물질이 기판(600)의 트렌치 구조에 채워지게 되면 기판은 유연한 움직임이 가능하게 된다.
일 실시예에 따르면, 도 6e에 도시된 것처럼, 기판(600) 아래에 상기 플렉서블 물질층(620)보다 열팽창계수가 큰 물질로 구성되는 보강층(630)을 형성하는 단계; 및 플렉서블 물질층(620) 및 보강층(630)에 열을 가하는 단계를 더 수행할 수 있다. 보강층(630)은 예컨대 파릴렌(파라크실렌 중합으로 얻어지는 플라스틱)과 같이 플렉서블 물질층(620)을 구성하는 PDMS에 비해 열팽창계수가 큰 물질로 구성될 수 있다.
이에 따르면, 플렉서블 물질층(620)보다 열팽창계수가 큰 보강층(630)의 부피 증가율이 더 크기 때문에, 소자의 곡률을 크게 할 수 있다. 도 6f에 도시된 것처럼, 기판은 보강층(630)이 형성된 면과 대향하는 면을 향해 휘어지게 된다. 기판이 휘어지는 정도나 탄성력은 플렉서블 물질층(620) 및/또는 보강층(630)을 구성하는 구성 물질의 종류, 함량, 제조공정에서의 가열 정도에 따라 달라질 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 단면 구조를 촬영한 전자현미경 사진이다. 도시된 것처럼, 기판 위에 초음파 트랜스듀서 소자를 배열하고 그 사이마다 트렌치 구조를 형성한 후 플렉서블 물질을 채워 넣게 되면, 유연한 움직임을 통해 피부에 밀착되거나 초점 위치를 변경할 수 있는 플렉서블 초음파 트랜스듀서 소자를 제조할 수 있다.
전술한 실시예들에 따르면, 중심부에서는 초음파 프로브를 통해 초음파 이미지의 획득이 가능하고, 플렉서블한 연장부는 피부에 밀착된 채로 집속 초음파를 이용한 초음파 치료(병변의 자극 또는 제거)가 동시에 가능한 듀얼 모드 초음파 트랜스듀서가 제공된다.
기존의 듀얼 모드 초음파 트랜스듀서는, 초음파 이미징을 위한 고주파 출력부와 초음파 치료를 위한 저주파 출력부를 개별 제작 후 결합하는 방식을 취하였기 때문에, 단가가 상승하는 동시에 큰 부피와 무거운 무게라는 단점이 존재했다. 본 발명에 따르면, 변환자를 따로 조립할 필요 없이 각각의 기판(중심부, 연장부)에 트랜스듀서 소자를 다르게 배열하여 치료에 필요한 주파수와 이미징에 필요한 주파수의 서로 다른 응답특성을 갖도록 설계할 수 있다. 따라서 제조비용을 줄일 수 있고 소자의 부피와 무게를 줄이는 것이 가능하다.
또한, 종래 기술에서는 CMUT 소자를 일괄적으로 배열하여 공정의 복잡도를 해결하였으나, 본 발명의 실시예에 따르면 CMUT의 1D 어레이와 2D 어레이를 각각의 기판에 배열하여 공정의 복잡도를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 초음파 트렌스듀서의 역할을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
종래 기술에서는 초점 길이를 조정하기 위해 독립적인 시간 지연들을 통한 트랜스듀서 어레이의 틸팅 움직임을 허용하는 기계식 연결 장치를 포함하였으나, 본 발명의 실시예에 따르면 트랜스듀서 소자 자체의 플렉서블한 기판의 유연한 움직임을 통해 초음파 이미징과 치료에 필요한 초점 감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
이로써, 집속 초음파의 초점 이동을 위해 구동 유닛을 따로 구비할 필요 없이 기존의 기판에 플렉서블 물질층을 추가하여 원하는 타겟 부위의 초점을 CMUT 센서로서 직접적으로 조절할 수 있다. 따라서 다른 부품의 추가 없이 트랜스듀서의 기능을 최대화할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 중심부 및 상기 중심부로부터 길게 연장되는 복수의 연장부를 갖는 형태의 기판;
    상기 기판의 중심부에 위치하며 관심영역의 초음파 이미지를 획득하기 위한 초음파 프로브;
    상기 기판의 연장부에 위치하며 상기 관심영역에 집속 초음파를 출력하도록 구성되는 집속 초음파 출력부를 포함하되,
    상기 기판의 연장부에 위치한 집속 초음파 출력부는 관심영역에 대한 집속 초음파의 초점 거리를 조정하기 위하여 플렉서블한 특성을 가지고 변형될 수 있고,
    상기 초음파 프로브는 상기 관심영역을 향해 이미징 초음파를 출력하도록 구성되는 복수의 이미징 초음파 출력 소자의 배열을 포함하고, 상기 복수의 이미징 초음파 출력 소자가 원형 또는 2차원 배열로 배치되는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 초음파 트랜스듀서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 집속 초음파 출력부는 상기 관심영역에 치료용 집속 초음파를 출력하도록 구성되는 복수의 집속 초음파 출력 소자의 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 초음파 트랜스듀서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기판의 연장부는 일정한 간격을 두고 형성된 복수의 트렌치 구조를 가지고,
    상기 집속 초음파 출력부는 상기 복수의 트렌치 구조 및 상기 복수의 집속 초음파 출력 소자의 배열을 덮는 플렉서블 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 초음파 트랜스듀서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 집속 초음파 출력부는 상기 기판의 연장부 아래에 상기 플렉서블 물질층보다 열팽창계수가 큰 물질로 구성되는 보강층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 초음파 트랜스듀서.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 치료용 집속 초음파는 상기 관심영역을 저강도로 자극하기 위한 저강도 집속 초음파(Low-intensity Focused Ultrasound; LIFU) 또는 상기 관심영역 내 병변을 물리적으로 제거하기 위한 고강도 집속 초음파(High-intensity Focused Ultrasound; HIFU)인 것을 특징으로 하는, 플렉서블 초음파 트랜스듀서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 프로브 또는 상기 집속 초음파 출력부는 미세가공 초음파 트랜스듀서(Micromachined Ultrasound Transducer; MUT)인 초음파 출력소자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 초음파 트랜스듀서.
  9. 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 제조방법으로서,
    기판을 제공하는 단계;
    상기 기판 위에 복수의 집속 초음파 출력 소자를 일정한 간격으로 배치하는 단계;
    상기 복수의 집속 초음파 출력 소자 상에 포토레지스트를 형성하는 단계;
    상기 기판을 식각하여 상기 복수의 집속 초음파 출력 소자 사이에 복수의 트렌치 구조를 형성하는 단계; 및
    관심영역에 대한 집속 초음파의 초점 거리를 조정하기 위하여 상기 복수의 트렌치 구조 및 상기 복수의 집속 초음파 출력 소자를 덮는 플렉서블 물질층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 집속 초음파 출력 소자가 원형 또는 2차원 배열로 배치되는, 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 초음파 출력 소자는 미세가공 초음파 트랜스듀서인 것을 특징으로 하는, 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 플렉서블 물질층은 PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에스테르(polyester) 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 탄성중합체로 구성되는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 기판 아래에 상기 플렉서블 물질층보다 열팽창계수가 큰 물질로 구성되는 보강층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 플렉서블 물질층 및 상기 보강층에 열을 가하여, 상기 플렉서블 초음파 트랜스듀서를 휘게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 초음파 트랜스듀서의 제조방법.
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