[ Technical Focus ]
헬스케어 분야의 MEMS 적용 사례
최근 삶의 질에 대한 중요성이 커지고 개인 소득 증대 및 질병 예방책에 대한 인식이 높아짐에 따라 헬스케어 산업도 빠르게 성장하고 있다. MEMS는 가장 혁신적인 반도체 부품군으로 발전했으며, 헬스케어 분야에 적용되는 반도체에 대해서도 새로운 장을 열었다. 여기서는 헬스케어의 니즈를 충족시키는 데 MEMS가 어떻게 적용되는지 설명한다.
Vishal Goyal STMicroelectronics
MEMS란
MEMS는 미세전자기계시스템을 뜻하는 Micro Electro Mechanical System의 약자로, 실리콘의 전기 및 기계적인 특성을 결합한 반도체 IC를 의미한다. MEMS 구조 내부에는 실제로 움직이는 부분, 스프링, 구멍, 제동기(Damper) 등이 포함되어 있다.
MEMS는 가속도, 중력, 각운동, 자기장 및 압력 등의 움직임을 감지할 수 있고 기본 MEMS는 두 개의 IC로 구성된 SIP(System in Package) IC이다. 첫 번째 IC는 적절한 파라미터를 감지하고 그에 상응하는 전기 용량(Capacitance)으로 변환한다. 두 번째 IC는 전기 용량을 상응하는 전압으로 변환하거나 디지털 방식을 이용하여 I2C버스로 변환한다.
헬스케어 분야의 MEMS
중앙에서 관리되며 부피가 큰 병원 장비들은 최근 들어 새로운 대안을 찾아냈다. 그것은 바로 휴대용 개인 헬스케어 장비다. 직접적인 퍼스트핸드(firsthand) 헬스케어가 병원에서 개인으로 이동함에 따라 소형화, 비용 효율성, 견고함, 배터리 작동의 필요성이 증가했다.
MEMS는 소비자 및 휴대폰 산업에서 새로운 개혁의 물결을 일으킨 후, 이제 헬스케어 분야를 선도하고 있다. 헬스 케어 부문에서 일반적으로 MEMS가 적용되는 경우로는 만보계(Pedometer), 혈압 모니터링, 심전도 측정(ECG), 청력 보조기(Hearing Aid) 등을 들 수 있다. MEMS는 또한 DNA 분석과 같이 복잡한 절차에도 사용된다.
많은 반도체 회사들이 헬스케어 산업에 적용할수 있는 제품을 출시하고 있다. 소비자 및 휴대용 애플리케이션용 MEMS 부문의 선도 업체인 ST마이크로일렉트로닉스는 헬스케어 분야에 집중하여 랩온칩(Lab on Chip)과 바디 게 이트웨이(Body Gateway) 등의 제품을 개발했다.
MEMS 적용 사례
1. 만보계
만보계는 MEMS를 헬스케어에 적용 한 사례 중 가장 간단하면서 유용한 것으로 꼽을 수 있다. MEMS는 사용자가 계단을 오르거나 걷는 동안 몸의 구부림을 감지한다. MEMS는 계단수, 속도, 거리, 칼로리 등을 계산하는 데 사용 되며 계단 길이, 높이 및 무게 등의 요소를 측정한다. 벨트, 셔츠 혹은 바지 주머니 등 만보계 착용 위치를 고려한다면 더 정확한 만보계를 개발할 수 있다.
3축 가속도계는 세 개의 모든 축에서 가속도를 감지할 수 있으므로, 만보계를 어디에 착용하든 단일 MEMS로 움직임의 변화를 감지할 수 있다. MEMS는 또한 사용자의 무게 중심 변화도 감지한다. 의사들은 이러한 데이터를 이용하여 올바른 자세를 제안하고 환자에게 적절한 장비를 착용하도록 권장 할 수 있다.
2. 청력 보조기구
MEMS 마이크로폰은 뛰어난 사운드 품질과 신뢰성을 가진 낮은 가격의 소형 청력 보조기기 생산을 구현했다. 이 마이크로폰은 전통적인 일렉트레트 콘덴서 마이크로폰(Electret Condenser Microphone)의 가격대에서 훨씬 뛰어난 신뢰성과 견고함을 자랑한다. ST는 기계 진동, 온도 변화 및 전자파 간섭에 덜 민감한 MP45DT 마이크로폰을 출시 했다. 음향파를 감지할 수 있는 이 센싱 요소는 오디오 센서를 생산하기 위해 특별한 실리콘 마이크로 기계 가공 프로세스로 제조되었다. MEMS 마이크로 폰 기반 청력 보조기구는 외부에서는 잘 보이지 않게 제작되었다.
3. 녹내장 초기 진단
MEMS 마이크로폰과 송신기 안테나는 24시간 사용하는 1회용 실리콘 렌즈에 장착되어 녹내장을 초기 진단한다. MEMS 센서가 초소형화됨에 따라 보는 것에 영향을 미치지 않도록 렌즈 가장 자리에 장착할 수 있다.
또한 소형 안테나가 관련 데이터를 수신기에 전송하면 이 센서는 안내압 (Intra-Ocular-Pressure)에 의한 각막 손상을 측정할 수 있다. 해당 안내압 센서는 변환기, 안테나 및 추가 리드 아웃 전자 장치를 위한 기계적 지원 역할을 수행하는 무선 센서이다. 이 정보는 병원에서 모니터링하고 분석하여 필요한 조치를 취할 수 있도록 하며 초기 단계에서 녹내장을 진단할 수 있다.
4. 혈압
인간의 순환계는 바이오 호환이 가능한 소형 BioMEMS로 측정할 수 있는 압력을 생성한다. 생성된 압력은 상당히 복잡하고 값의 변화도 크며 사람의 몸 상태에 따라 변하기 때문에, 이 작업을 위해서는 특수한 MEMS가 필요하다.
BioMEMS는 신체에 삽입하여 심장에서 가까운 특정 위치로 이동시킬 수 있다. 심장 판막을 따라 압력 변이를 측정함으로써 의사들은 판막 질병을 진단할 수 있다. 이는 심방출량을 측정하고 심장병 진단 및 모니터링을 실시하기 위한 것이다.
5. 바디 게이트웨이
바디 게이트웨이는 착용 가능하며 심전도, 심장 박동수, 호흡수 등의 생리학적 요소를 측정하기 위해 사용되는 장치이다. 또한 바디 게이트웨이는 사람의 움직임을 감지할 수 있으며 바닥에 떨어지는 등의 비정상적인 동작도 감지 한다. 측정된 데이터나 경보는 블루투스를 통해 인터넷 게이트웨이 장치로 전달되고, 이 데이터는 병원 제어 센터로 보내진다.
이 제품의 핵심 장치인 MEMS는 사람의 움직임과 혈압 변화를 감지하고 호흡수를 측정할 수 있다. 이것은 크기와 전력 소모가 작기 때문에 가능해진 것이다. 이와 같은 MEMS의 적용사례는 병원에서 환자를 실시간으로 모니터링하고 원격으로 필요한 조치를 취하는 원격 의료 혁신도 견인할 수 있을 것으로 생각된다. 또한 신뢰할 수 있는 정보를 얻기 위해 병원에 내원할 필요가 없으므로 치료 비용을 절감 할 수 있다.
6. 랩온칩
랩온칩은 몇 초 안에 소량의 체액을 실험할 수 있도록 해 준다. 모든 화학적 반응은 바이오칩에 내장된 채널 혹은 표면 위에서 일어나며, 칩을 운반하는 1 회용 자급식 카트리지는 기존의 다단계 프로토콜에 의한 교차 오염의 위험을 크게 줄여준다. ST의 랩온칩은 마이크로 유체유동을 처리하기 위해 고안됐으 며, 기술의 일부는 MEMS 잉크젯 프린터 칩의 전문성에 기반을 두고 있다. 랩 온칩은 약 15분 이내에 DNA 샘플을 배가하고 증식시킬 수 있어 소량의 체액만 필요하며 시간과 경비도 줄일 수 있다.
MEMS는 헬스케어 분야에 많은 기여를 했고 다양한 사회 부문에 적용할 수 있게 됐다. 주요 생리학적 요소를 모니터링할 수 있어, 멀리 떨어져 있는 환자들이 저렴한 비용으로 최상의 치료를 받을 수 있는 원격 의료의 핵심 요소가 되었다. MEMS 기술을 이용하면 환자가 병원에 직접 내원하지 않아도 실시간으로 모니터링 할 수 있다.
