현재 의료 분야에는 보다 광범위하게 감지 소자를 적용할 수 있는 다양한 종류의 기회가 존재한다. 이러한 기회는 신체가 적절히 동작하도록 보장하는 다양하고 핵심적인 동적 특성을 모니터링하는 활동과 관련되거나 환자의 삶의 질에 영향을 미칠 수 있는 의료 질환의 진단이 될 수 있다. 다가오는 미래에는 반도체 산업의 혁신적인 발전이 이러한 기회를 실현하는 데 중요한 역할을 하게 될 것으로 보이지만 여전히 극복해야 하는 중요한 기술적 과제가 존재한다.
글/Laurent Otte, Melexis

현재 의료 분야에는 보다 광범위하게 감지 소자를 적용할 수 있는 다양한 종류의 기회가 존재한다. 이러한 기회는 신체가 적절히 동작하도록 보장하는 다양하고 핵심적인 동적 특성을 모니터링하는 활동과 관련되거나 환자의 삶의 질에 영향을 미칠 수 있는 의료 질환의 진단이 될 수 있다. 다가오는 미래에는 반도체 산업의 혁신적인 발전이 이러한 기회를 실현하는 데 중요한 역할을 하게 될 것으로 보이지만 여전히 극복해야 하는 중요한 기술적 과제가 존재한다.

기존의 감지 기술은 크기가 크고 비교적 높은 장치 비용으로 인해 의료 분야에 이용되는 데 한계가 있었다. 그 결과 MEMS(micro-electro-mechanical system) 기술을 기반으로 하는 소형화된 센서 소자가 점점 더 많은 주목을 받고 있다. 향후 의료 분야에서 소형 센서의 사용이 급격히 증가할 것으로 예상되는 가운데 최근 Transparency에서 발표한 보고서에서는 의료용 MEMS 시장이 2014년에서 2019년 사이에 20% 이상의 평균 성장률을 기록해, 2019년에는 연간 65억 달러 규모에 이를 것으로 전망했다.

MEMS 기술은 표준 CMOS 프로세스와 호환되기 때문에 단일 칩 방식의 감지 소자의 생산이 가능하다. 따라서 센서 소자는 관련된 신호 컨디셔닝 전자장치와 매우 가깝게 놓을 수 있다. 이러한 특성은 MEMS 소자를 세라믹 또는 금속 기판 기반의 기존 센서와 차별화시키는 요소이다. 기존 센서는 신호 컨디셔닝/프로세싱 부분을 동일한 기판에 통합할 수 없기 때문에 감지 소자와 신호 컨디셔닝/프로세싱 메커니즘 사이에 공간이 필요했다. 이것은 센서의 신호 대 잡음비에 영향을 미쳐 전자기 간섭을 처리할 수 있는 센서의 능력을 일부 저하시킨다. MEMS 센서의 크기는 공간이 제한된 환경에서 또 다른 이점이 될 수 있다. 또한 항상 그러한 것은 아니지만 잠재적으로 낮은 전력 소모를 제공할 수 있다.
MEMS 센서는 소형화 및 향상된 동작 성능 수준 외에도 MEMS에서 달성 가능한 비용 최적화된 웨이퍼 뱃치 생산으로 매우 큰 이점을 제공한다. 특히 홈 모니터링/원격 진료와 개인 치료의 이용이 증가함에 따라 그와 같은 특성은 이러한 종류의 소자를 의료 분야에 적용하는 데 매우 적합하게 만든다.

MEMS 센서 구현

의료용 센서 구현은 다음과 같은 몇 가지 범주로 정의할 수 있다.

(1) 폐기 가능한가/폐기 가능하지 않은가 
의료용 장치가 폐기 가능한가 아니면 폐기 가능하지 않은가는 장치 안에 통합되는 MEMS 센서에 대한 수용 가능한 장치 비용과 관련해 명백한 의미를 갖는다. 예를 들어 MEMS 압력 센서는 현재 폐색성 수면 무호흡과 같은 만성 의료 질환을 위한 호흡 모니터링 시스템에 들어가도록 설계되고 있다. 환자가 착용하는 마스크 대신 센서가 기기 안에 삽입되기 때문에 이들 센서는 폐기할 필요 없이 많은 횟수에 걸쳐 사용할 수 있다.
이 경우 중요한 것은 MEMS의 비용 이점이 아니라 제공되는 높은 수준의 성능이다(MEMS 센서는 낮은 압력 애플리케이션에서 기존 센서보다 더 정확하다). 이와 반대로 수술적 처치가 수행될 때 사용되는 도뇨관은 정확한 측정 데이터를 제공할 수 있는 압력 센서를 통합해야 하지만 이는 단 한번만 사용되고 버려지기 때문에 매우 높은 비용을 초래한다. 여기에서 장치 비용은 더 중요한 우선순위를 갖는다.  

(2) 이식 가능한가/이식 가능하지 않은가
의료용 이식 장치들은 수술적 처치나 구강을 통한 섭취와 같은 방법으로 일부 처치를 용이하게 하거나 지속적인 모니터링을 위해 일정 기간 또는 장기간에 걸쳐 내부에 머물게 할 의도로 신체 안으로 삽입된다. MEMS 센서 이식 장치가 잠재적으로 활용될 수 있는 분야 중에는 녹내장과 같은 질병에 대한 관리가 있다. 눈 내부의 압력이 너무 높으면 실명의 위험이 있기 때문에 이식된 장치나 또는 콘택트렌즈에 탑재되는 폐기 가능한 장치를 사용하여 압력에 대한 정기적 모니터링을 통해 이러한 위험을 불식시킬 수 있다.
이식 가능한 기술과 관련한 주요 염려는 생체적합성 여부이다. 생체적합성은 생체의 방어 메커니즘이 삽입되는 이식 장치에 대해 어떻게 대응하는가와 역으로 이식된 장치가 주변의 동작 환경에 어떻게 대응하는가 하는 방식과 관련된다. 체액은 삽입된 이식 장치에 부식 효과를 일으킬 수 있으며 일부 환경에서는 더 심각할 수 있다. 예를 들어 장치를 심장 안에 삽입하는 경우 장치는 끊임없는 혈류에 노출되며 주변의 영향은 눈 안에 삽입된 장치가 받게 되는 영향보다 시간이 지남에 따라 더욱 커질 수 있다.

이러한 생체적합성 문제를 해결하기 위해 장치는 티타늄으로 감쌀 필요가 있다. 이 재료는 부식으로부터 보호할 뿐 아니라 신체에도 반응하지 않는다. 그에 따라 종종 맥박 조정기와 같은 이식 가능한 의료용 장치에 이용되기도 한다. 여기서 15+년의 라이프 사이클은 합당한 관련 비용으로 간주된다. 보다 덜 중요하면서 짧은 기간 사용되는, 비용에 보다 민감한 이식 장치에 적용할 수 있는 새로운 재료를 개발할 필요가 있다.
이식 가능한 장치에 대한 또 다른 기술적인 과제는 멸균 처리를 거쳐야 한다는 것이다. 이것은 전자기 방사(일반적으로 감마선) 조사를 포함한다. 이 방법과 관련된 어려움은 방사가 IC의 전자장치에 영향을 미치지 않도록 보장해야 한다는 점이다.  

(3) 침습적 방식인가/비침습적 방식인가
침습적 의료 장치는 인체 내에 이식되지 않지만 여전히 체액과 직접적으로 접촉한다. 가능한 경우 언제나 의료용 장치의 침습적 방법의 적용에 의한 외상적 상해는 피해야 한다. 물론 일부 경우 이것은 말 그대로 가능하지 않다. 침습적 시술의 특성으로 인해 침습적으로 분류되는 장치는 또한 폐기 가능해야 한다. 비침습적 시술의 경우에도 MEMS 센서는 이들이 지원하는 소형 패키지 크기로 인해 안락함을 높여주므로 더 선호된다.
이것은 특히 신생아 돌연 사망 증후군 발생을 검사하기 위해 신생아의 신체 위치를 기록해야 하는 애플리케이션에 유용하다. 다양한 형태의 기타 착용 가능한 전자 장치들이 MEMS의 소형화로부터 이점을 얻을 수 있다. 심장 박동을 검사할 수 있는 밴드 부착형 센서나 착용자가 만성 비만을 치료하거나 엉덩이나 무릎 수술 후 물리 치료 목적의 충분한 운동을 하고 있는지 알려주는 손목 착용형 활동 모니터 등이 있다.
손목을 잃은 사람이 보철 기구를 장착할 경우 관성 데이터를 사용해 자세와 걸음걸이를 분석하면 도움을 받을 수 있다. 솔루션 크기를 최소로 유지하는 것은 특히 장기간에 걸쳐 착용할 필요가 있을 때 많은 도움이 된다.

(4) 생명 유지 의료기기인가/아닌가
생명 유지에서 센서 기술의 지속적인 동작 성능은 핵심적이다. 예를 들어 심실 보조 장치에 사용할 수 있는 MEMS 압력 센서의 경우 환자에게 흡입되는 공기의 양을 정확히 측정하는 것이 무엇보다 중요하다. 일반적으로 시간이 지남에 따라 쉽게 마모되는 경향이 있는 기존의 전기-기계적 센서에 비해 MEMS 센서는 훨씬 뛰어난 동작 성능 수준을 제공한다.

의료용 장치 인증

의료용 장치의 승인은 핵심적인 고려사항이며 특히 생명이 위험할 수 있는 심각한 애플리케이션에서는 중요한 장애가 될 수 있다. 폐기 가능한 의료 장치에 대한 인증 주기는 소비자 가전이나 심지어 자동차 분야의 주기보다 훨씬 길다. 마찬가지로 비침습성 장치 역시 적합성을 획득하는 데 일정한 기간을 필요로 한다. 그러나 이식 가능한 의료 장치와 생명 유지 장치의 경우 가장 높은 수준의 요구가 적용된다.
이 경우 승인 과정이 10년 이상 걸릴 수 있으며, 그에 따라 이와 같은 의료 시장에서 센서 제조업체의 투자 규모는 매우 크며, 이는 일단 적합성을 획득한 후 발생할 수 있는 수익 발생에 대한 압박 요소가 될 수 있다.

결 론

매우 작은 크기의 고성능 감지 소자로부터 환자의 치료에 많은 이점을 얻을 수 있는 다양한 영역이 존재한다. MEMS 센서는 압력, 가속도, 관성, 위치와 같은 동적 특성에 대한 상세한 데이터를 수집해, 이러한 특성이 신체에서 발생하는 다양한 생화학적 과정에 미치는 영향을 분석할 수 있다. 뿐만 아니라 이들 센서는 의료 분야에서 필요로 하는 정확한 동작, 재정 및 크기 요구를 만족하면서 이와 같은 일을 수행할 수 있다. 지속적인 기술 발전에 힘입어 MEMS 센서는 미래에도 의료분야에서 지속적으로 확산되리라는 점은 의심의 여지가 없을 것이다.

<출처 월간반도체네트워크 7월>