Design and development of piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (pMUT) for targeted cell stimulation and ultrasound imaging

Abstract

초음파 트랜스듀서는 안정선, 정밀한 초점 조정 능력, 편리성 등 고유한 장점 덕분에 우리의 삶을 더 편리하고 풍요롭게 만드는 동시에, 산업 자동화와 인간 생활의 혁신을 이끌어가는 중요한 역할을 수행해 왔다. 또한 초음파의 비침습성과 안정성은 헬스케어, 산업, 생의학 및 로봇 공학 분야에 걸쳐 광범위하게 응용되어져 왔으며, 특히 생의학 분야에서 미세혈관 및 내부 장기 시각화, 로봇 시스템과 결합된 실시간 이미징 시스템 및 신경조절과정을 통한 신경 기능 조절 등에 활용되며 차세대 기술로써 활용이 기대되어지고 있다. 이러한 응용에 있어 기존 트랜스듀서는 크기 제한과 전자 회로와의 호환 과정에서의 비호환성은 한계로써 지적되어지고 있다. 압전 초소형 초음파 트랜스듀서는 소형화 가능성과 2 차원 형태의 고집적화된 트랜스듀서 어레이 제작 가능성, 그리고 디자인의 높은 자유도는 고도화된 초음파 산업에서 요구를 충족할 수 있는 대안으로 목적에 맞는 설계가 가능하여 많은 관심을 받고 있다. 또한 그러나 공정 변수에 의한 어레이의 균일도와 잔류응력 등에 의한 기대에 미치지 못하는 성능은 기존에 제안되었던 트랜스듀서의 대안으로 사용하기에는 성능 향상에 대한 고려가 선행되어야 한다. 본 연구에서는, 압전 초소형 초음파 트랜스듀서를 목적으로 하는 생의학 분야에 적용하기 위해 성능 향상을 위한 공정 개발과 구조적 디자인 최적화를 수행하였으며, 개발된 트랜스듀서의 응용 가능성을 확인하였다. 첫째, 압전 초소형 초음파 트랜스듀서의 소자 특성 향상을 위해 다양한 형태의 에칭 홀에 따른 진동 특성 평가를 수행하였다. 에칭 홀은 초음파 트랜스듀서의 경계 조건에 영향을 주어 공진 주파수, 멤브레인의 변형 및 유효 진동 면적에 영향을 주어 초음파 발진 특성 향상에 적용될 수 있다. 표면 마이크로머시닝 공정에서 주로 사용되는 원형 에칭 홀 패턴을 지닌 멤브레인과 비교하였을 때, 20°의 핀 형태를 지닌 에칭 홀은 전송 압력을 26% 향상시킨 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 막의 크기와 재료 조합 등 멤브레인을 구성하는 구조적 변수에 따라 다르게 나타날 수 있으며, 소자의 성능 향상을 위해 적용될 수 있는 중요한 전략으로 사용될 수 있음을 보여주었다. 둘째, 초음파 이미징을 위한 1차원 압전 초소형 초음파 트랜스듀서를 제작하고자 하였다. 방위-고도 개구를 갖춘 1 차원 초음파 트랜스듀서의 설계는 합성 개구법을 이용한 고해상도 초음파 이미징에 활용이 가능한 디자인이다. 적은 공정 변수로 고균일도의 어레이 제작이 가능한 기판접합 공정을 통해 제작된 초음파 트랜스듀서는 공진 주파수의 균일도가 0.33%에 불과한 상당히 균일한 어레이 특성을 보였다. 이러한 균일한 초음파 트랜스듀서는 펄스-에코 기법을 기반으로 초음파 이미징에 활용될 수 있는 충분한 음향 특성을 지녔음을 확인하였으며, 수백 마이크로미터 크기의 단일 물체 이미징을 성공적으로 수행하였다. 또한 프로그램이 가능한 초음파 이미징 획득 시스템을 사용하여 이동하는 물체를 인지할 수 잇는 실시간 영상 획득에 활용될 수 있음도 검증되었다. 마지막로는, 초음파를 이용한 표적 세포 분화에 응용하고자 압전 초소형 초음파 트랜스듀서 어레이를 제작하였다. 우수한 크기 조절 능력으로 국소 부위에 초음파를 조사할 수 있도록 설계된 초음파 트랜스듀서 어레이는 SH-SY5Y 세포에 적용하여 분화를 촉진할 수 있는지 확인되었다. 이를 통해 조사한 초음파의 양에 따라 신경 세포로의 분화의 지표로 신경 돌기가 향상된 결과를 확인하였다. 초음파를 이용하여 세포 분화를 유도할 수 있는 조건을 바탕으로, 표적 위치에서 세포를 선택적으로 분화시킬 수 있음을 검증하고자, 자성 기반의 세포 로봇을 목표 위치에 자기장을 인가하여 전달한 후 전달된 위치에 존재하는 세포들에 초음파를 인가하여 분화가 유도되는지를 확인하였다. 자기장으로 선택 위치에 도달한 세포 중 초음파가 인가된 영역에 있는 세포들은 초음파에 의해 유의미한 신경 돌기 성장이 이루어진 것을 확인하였다. 이를 통해 제안한 자성 기반 표적 세포 전달 기술과 국소 부위 초음파 자극 기술을 결합하여 표적 위치만을 선택적으로 분화할 수 있음을 보여주었으며, 이를 개선하여 줄기 세포 기반 치료법의 성공률 개선과 신경망 형성 기술의 발전에 기여할 수 있을 거라 전망한다. 결론적으로, 박사 과정 동안 연구진과 저는 두 가지의 압전 미세 초음파 트랜스듀서 제조 공정을 개발하여 출력 성능을 향상시키고, 신경 질환 및 초음파 이미징 기술을 위한 생체의료 응용에서 그 잠재력을 성공적으로 입증하였다. 미세 초음파 트랜스듀서를 다양한 분야의 실용적인 응용에 적용하려는 시도가 많았지만, 우리가 직면한 문제처럼 성능 개선을 위해 회로 개발, 하드웨어 설계, 소프트웨어 프로그래밍, 회로와 초음파 트랜스듀서 칩의 통합 등 여러 부분에서 함께 개발이 필요하다. 그러나 우리가 수행한 연구는 미세 초음파 트랜스듀서의 성능을 개선하려는 시도를 제시했을 뿐만 아니라, 현재의 생체의료 응용에 미세 초음파 트랜스듀서의 장점을 기반으로 한 적용 가능성도 제안하였다. 향후 연구에서는 우리가 개발한 시스템이 세포 치료법에 사용할 수 있는 1차 세포에 적용될 수 있는지 실용적인 연구로 검증할 예정이다. 또한, 이미징 응용을 위해, 우리는 개발된 공정과 경험을 바탕으로 3D 부피 이미징 시스템에 적용할 계획이다. 이러한 연구를 바탕으로 개발된 트랜스듀서와 이와 관련된 기술이 기존에 기술의 장벽에 막혀 실현되지 않던 치료법 및 의료기기를 개발하는 원천기술이 되길 바라며, 국민의 삶의 질 향상 및 경제적 발전에 기여할 수 있기를 바란다. |Ultrasound technology is an indispensable part of modern society and our lives, profoundly impacting healthcare, industry, biomedical and robotics. Its advantages in non- invasive nature and safety allow biomedical research to visualize microvascular or internal organs, real-time monitoring integrating with robotic systems including exoskeletons and neuromodulation. As demands on miniaturization and high-frequency operation of transducers for advancing biomedical applications, conventional transducers face limitations due to size constraints and incompatibility of integration with electronics. In this respect, piezoelectric micromachined ultrasonic transducers (pMUTs) is ideal solution for biomedical applications demanding both miniaturization with high fill-factor array and high-resolution imaging or targeted therapy. Although pMUT has great potential in various applications, the output performance below expectations has been a stumbling block. In this dissertation, the biomedical application using pMUT was suggested based on its improved performance. Firstly, the strategy of performance enhancement of pMUT with various etching holes was suggested. The structural modification using etching holes were adopted to modify boundary condition and stiffness of membrane resulting in changes of vibrational characteristics (displacement, effective area and resonance frequency). The proposed pMUT with fin-shaped etching holes resulted in increasement of transmitted pressure via enhancing displacement at the center of membrane and effective area without significant changes in resonance frequency. The pMUTs with various etching holes demonstrated that structural modification to improve performance might be considered by the membrane structure and structural variables. Secondly, the pMUT-based ultrasound imaging transducer has been developed. The 1-D pMUT array via wafer-bonding process was fabricated as a highly uniformed pMUT elements in array and small pitch-size. The acoustic pressure of fabricated pMUT showed sufficient acoustic level to use in ultrasound imaging applications. The pMUT-based ultrasound imaging system has been shown to be capable of acquisition of ultrasound images to hundreds of micrometers in size and real-time imaging. Finally, the pMUT-based cell stimulation system for selective cell differentiation in localized area have been demonstrated. The pMUT array as a miniaturized stimulator generate the acoustic pressure to the cell differentiation in targeted area specifically. The ultrasonically stimulated SH-SY5Y cells was shown the enhancement of neurite lengths than non-stimulated cells. For verification of selectively cell differentiation, the combination of targeted cell delivery technique and pMUT-based localized cell stimulation system demonstrated inducing cell differentiation at the target site. Through these studies, the developed pMUT with enhanced output performance has shown the feasibility of future applications in advanced ultrasound system of diagnosis and targeted therapy. Keywords: pMUTs, Targeted therapy, Ultrasound stimulation, Ultrasound imaging, Miniaturized transducers