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경북대-포스텍 공동 연구팀, 투명 초음파 센서 개발 프로토콜 제시
- 등록일
- 2026-05-21 14:14
- 작성자
- 관리자
- 조회수
- 217
- 게시기간
- 2026-05-21 ~ 2031-05-31
차세대 바이오이미징 및 치료 융합기술의 길 여는 투명 초음파 트랜스듀서 제작법 발표
경북대학교 의생명융합공학과·바이오융합연구원 박정우 교수와 포스텍 전자전기공학과 김철홍 교수 공동 연구팀이 빛과 초음파를 하나의 경로로 정밀하게 통합할 수 있는 투명 초음파 트랜스듀서 (Transparent Ultrasound Transducer, TUT) 제작 기술을 체계화하고, 표준 제작 프로토콜을 제시했다.
이번 연구 성과는 세계적 권위의 국제 학술지 Nature Protocols (IF=16.0, JCR 상위 1.7%)에 게재됐다.
초음파 트랜스듀서는 전기 신호를 초음파로 변환하고, 인체 내부에서 반사되어 돌아오는 신호를 다시 전기 신호로 바꾸는 초음파 영상 장치의 핵심 부품이다. 최근 바이오메디컬 분야에서는 초음파 영상의 깊은 조직 투과 능력과 광학 영상의 높은 해상도 및 분자 정보 제공 능력을 결합하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 두 기술을 융합할 경우 암 진단, 혈관 모니터링, 생체신호 분석, 영상 유도 치료 등 다양한 정밀 의료 분야에서 보다 정확하고 풍부한 생체 정보를 얻을 수 있다.
그러나 기존 초음파 트랜스듀서는 불투명한 재료로 제작되어 빛을 직접 통과시킬 수 없다는 한계가 있었다. 이로 인해 광학 장치와 초음파 센서를 서로 다른 방향에 배치해야 했으며, 장비 구조가 복잡해지고 영상 정렬 정확도가 낮아지는 문제가 발생했다. 특히 초소형 내시경, 웨어러블 헬스케어 기기, 실시간 영상 유도 치료 시스템처럼 제한된 공간 안에 여러 기능을 집적해야 하는 차세대 의료기기 개발에서는 이러한 구조적 한계가 큰 제약으로 작용해 왔다.
연구팀이 제시한 투명 초음파 트랜스듀서는 빛이 통과할 수 있는 초음파 센서로, 광학 장치와 초음파 장치를 하나의 축 위에 정렬할 수 있다. 이를 통해 빛과 초음파가 동일한 위치를 동시에 관찰할 수 있으며, 기존의 비스듬한 배치 방식에서 발생하던 정렬 오차와 시스템 복잡성을 줄일 수 있다. 이는 고정밀 다중 모드 바이오메디컬 영상 시스템 구현에 중요한 기반 기술로 평가된다.
이번 연구의 또 다른 핵심 성과는 투명 초음파 트랜스듀서의 제작 과정을 표준 프로토콜 형태로 정리했다는 점이다. 연구팀은 재료 선택, 설계 최적화, 전극 제작, 소자 조립, 최종 성능 검증에 이르는 전 과정을 단계별로 제시했으며, 관련 경험이 있는 연구자라면 직접 제작과 검증을 수행할 수 있도록 구성했다. 이를 통해 투명 초음파 트랜스듀서 기반 다중 모드 바이오메디컬 시스템 개발의 진입장벽을 낮췄다는 점에서 의미가 크다.
이번 기술은 향후 광음향 영상, 초음파 영상, 형광 영상, 광학 영상 등을 결합한 차세대 바이오 이미징 시스템뿐만 아니라 웨어러블 진단기기, 초소형 내시경, 영상 유도 치료 플랫폼 등 다양한 응용 분야로 확장될 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구에는 포스텍 IT융합공학과 통합과정 김동규·하민규 씨가 공동 제1저자로 참여했으며, 경북대 박정우 교수와 포스텍 김철홍 교수가 공동 교신저자로 참여했다.
*Title of original paper: Fabrication of optically transparent ultrasound transducers to integrate light and sound in multimodal biomedical systems
*abstract
Optical and acoustic technologies are extensively utilized across sectors for imaging purposes and in theranostic applications. The integration of coaxially aligned optical and acoustic pathways results in synergistic systems that overcome the limitations of each approach and provide complementary advantages such as increased precision and efficiency, housed in a compact instrument. However, commercial ultrasound transducers are optically opaque and therefore necessitate oblique configurations that compromise system simplicity, spatial alignment and signal quality. The use of optically transparent materials for the acoustic and electrical components results in transparent ultrasound transducers (TUTs) that can be used in biomedical setups and do not require oblique pathways or complex alignment. Here we describe a comprehensive and customizable pipeline for TUT development, covering material selection, simulation, fabrication and performance characterization. The procedure includes the materials’ selection best suited for various target applications, the design optimization via acoustic simulation and the fabrication steps required for surface processing, electrode deposition and the integration of the acoustic layers. We explain how to characterize the fabricated TUTs to ensure their optical and acoustic functionality and to confirm that their performance matches that predicted in the simulations. The entire procedure requires ~3 weeks for users with moderate experience in piezoelectric device fabrication, acoustic measurement and microfabrication techniques. This protocol could facilitate future developments in multimodal biomedical systems, particularly those requiring seamless and high-fidelity opto-ultrasound integration.
*Journal: Nature Protocols
*Web Link: https://doi.org/10.1038/s41596-026-01366-6
<사진 왼쪽부터 박정우 교수, 포스텍 김철홍 교수>
경북대학교 의생명융합공학과·바이오융합연구원 박정우 교수와 포스텍 전자전기공학과 김철홍 교수 공동 연구팀이 빛과 초음파를 하나의 경로로 정밀하게 통합할 수 있는 투명 초음파 트랜스듀서 (Transparent Ultrasound Transducer, TUT) 제작 기술을 체계화하고, 표준 제작 프로토콜을 제시했다.
이번 연구 성과는 세계적 권위의 국제 학술지 Nature Protocols (IF=16.0, JCR 상위 1.7%)에 게재됐다.
초음파 트랜스듀서는 전기 신호를 초음파로 변환하고, 인체 내부에서 반사되어 돌아오는 신호를 다시 전기 신호로 바꾸는 초음파 영상 장치의 핵심 부품이다. 최근 바이오메디컬 분야에서는 초음파 영상의 깊은 조직 투과 능력과 광학 영상의 높은 해상도 및 분자 정보 제공 능력을 결합하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 두 기술을 융합할 경우 암 진단, 혈관 모니터링, 생체신호 분석, 영상 유도 치료 등 다양한 정밀 의료 분야에서 보다 정확하고 풍부한 생체 정보를 얻을 수 있다.
그러나 기존 초음파 트랜스듀서는 불투명한 재료로 제작되어 빛을 직접 통과시킬 수 없다는 한계가 있었다. 이로 인해 광학 장치와 초음파 센서를 서로 다른 방향에 배치해야 했으며, 장비 구조가 복잡해지고 영상 정렬 정확도가 낮아지는 문제가 발생했다. 특히 초소형 내시경, 웨어러블 헬스케어 기기, 실시간 영상 유도 치료 시스템처럼 제한된 공간 안에 여러 기능을 집적해야 하는 차세대 의료기기 개발에서는 이러한 구조적 한계가 큰 제약으로 작용해 왔다.
연구팀이 제시한 투명 초음파 트랜스듀서는 빛이 통과할 수 있는 초음파 센서로, 광학 장치와 초음파 장치를 하나의 축 위에 정렬할 수 있다. 이를 통해 빛과 초음파가 동일한 위치를 동시에 관찰할 수 있으며, 기존의 비스듬한 배치 방식에서 발생하던 정렬 오차와 시스템 복잡성을 줄일 수 있다. 이는 고정밀 다중 모드 바이오메디컬 영상 시스템 구현에 중요한 기반 기술로 평가된다.
이번 연구의 또 다른 핵심 성과는 투명 초음파 트랜스듀서의 제작 과정을 표준 프로토콜 형태로 정리했다는 점이다. 연구팀은 재료 선택, 설계 최적화, 전극 제작, 소자 조립, 최종 성능 검증에 이르는 전 과정을 단계별로 제시했으며, 관련 경험이 있는 연구자라면 직접 제작과 검증을 수행할 수 있도록 구성했다. 이를 통해 투명 초음파 트랜스듀서 기반 다중 모드 바이오메디컬 시스템 개발의 진입장벽을 낮췄다는 점에서 의미가 크다.
이번 기술은 향후 광음향 영상, 초음파 영상, 형광 영상, 광학 영상 등을 결합한 차세대 바이오 이미징 시스템뿐만 아니라 웨어러블 진단기기, 초소형 내시경, 영상 유도 치료 플랫폼 등 다양한 응용 분야로 확장될 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구에는 포스텍 IT융합공학과 통합과정 김동규·하민규 씨가 공동 제1저자로 참여했으며, 경북대 박정우 교수와 포스텍 김철홍 교수가 공동 교신저자로 참여했다.
*Title of original paper: Fabrication of optically transparent ultrasound transducers to integrate light and sound in multimodal biomedical systems
*abstract
Optical and acoustic technologies are extensively utilized across sectors for imaging purposes and in theranostic applications. The integration of coaxially aligned optical and acoustic pathways results in synergistic systems that overcome the limitations of each approach and provide complementary advantages such as increased precision and efficiency, housed in a compact instrument. However, commercial ultrasound transducers are optically opaque and therefore necessitate oblique configurations that compromise system simplicity, spatial alignment and signal quality. The use of optically transparent materials for the acoustic and electrical components results in transparent ultrasound transducers (TUTs) that can be used in biomedical setups and do not require oblique pathways or complex alignment. Here we describe a comprehensive and customizable pipeline for TUT development, covering material selection, simulation, fabrication and performance characterization. The procedure includes the materials’ selection best suited for various target applications, the design optimization via acoustic simulation and the fabrication steps required for surface processing, electrode deposition and the integration of the acoustic layers. We explain how to characterize the fabricated TUTs to ensure their optical and acoustic functionality and to confirm that their performance matches that predicted in the simulations. The entire procedure requires ~3 weeks for users with moderate experience in piezoelectric device fabrication, acoustic measurement and microfabrication techniques. This protocol could facilitate future developments in multimodal biomedical systems, particularly those requiring seamless and high-fidelity opto-ultrasound integration.
*Journal: Nature Protocols
*Web Link: https://doi.org/10.1038/s41596-026-01366-6
<사진 왼쪽부터 박정우 교수, 포스텍 김철홍 교수>
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