△ 웨어러블 의료기기 전원기술이 잇따라 개발되고 있다.

국내에서 웨어러블 의료기기의 전력 기술을 잇따라 개발, 상용화가 기대되고 있다.

19일 의료계 등에 따르면 국내 연구팀이 배터리 없이 심전도 신호를 측정, 배터리 교체나 충전 문제없이 실시간 건강 모니터링, 고신축성 슈퍼커패시터 기술을 개발하는데 성공했다.

한양대학교 Beyond-G 글로벌 연구센터 바이오메디컬공학과 유형석 교수팀은 최근 차세대 통신 기술을 기반으로 배터리 교체나 충전 문제없이 실시간 건강 모니터링이 가능한 IoMT(의료 사물인터넷) 장치를 개발했다..

연구팀은 28GHz 대역의 밀리미터파(mmWave) 기술을 적용한 '동시 무선 전력 전송 및 데이터 통신(SWIPT)' 시스템을 독자적으로 개발했다.

이 시스템은 고속 데이터 통신과 무선 전력 전송을 한 번에 처리함으로써 전력 공급이 제한적인 웨어러블 환경에서도 장치가 반영구적으로 작동할 수 있는 기반을 마련했다.

특히 송신기에는 4×4 스택드 패치 배열을 적용해 전파 제어 효율을 극대화했으며 수신기에는 섬유 기반의 유연 안테나 기술을 도입해 신체 굴곡 등 다양한 착용 환경에서도 안정적인 성능을 유지하도록 설계했다.

이번 기술의 핵심은 기존 웨어러블 기기의 최대 약점으로 꼽혔던 배터리 관리 문제를 근본적으로 해결했다는 점이다.

무선 전력을 지속적으로 공급받는 정밀 전력 제어 기술을 통해 장기간 안정적인 운용이 가능해졌으며 28GHz 고주파 대역 사용 시 우려될 수 있는 전자기 노출 안전성 또한 국제 기준에 맞춰 철저히 검증함으로써 인체 안전성을 확보했다.

연구팀은 이번 연구를 통해 배터리 없는 웨어러블 의료기기의 실질적인 가능성을 확인했기에 향후 스마트 헬스케어 분야의 대전환을 이끄는 기폭제가 될 것으로 기대했다.

서울대 공과대학 전기정보공학부 유담 교수팀은 최근 인체에 부착된 여러 발전 소자에서 만들어진 전력을 멀리 떨어진 심전도 센서까지 무선으로 전달하는 새로운 전력공급 구조를 개발했다.

연구팀은 개발한 기술의 이름을 '직교 에너지 하베스팅 네트워크'라고 명명했다.

이 기술을 통해 개발된 'SkinECG'는 피부에 밀착되는 하이드로콜로이드 패치 위에 유연한 회로 기판과 반도체 칩을 탑재한 심전도 센서, 여러 발전 소자가 만든 전력을 센서로 보내는 다중 에너지 무선 전력공급 네트워크로 구성된다.

이는 하나 이상의 에너지 하베스팅 발전 소자가 주변 에너지를 전기로 변환한 다음 인체 결합 전력 전송 기술을 통해 가슴의 심전도 센서로 전력을 무선 공급하는 원리로 작동한다.

연구팀은 기존 무선 전력 전송 방식의 한계도 극복했다고 설명했다. 

이 방식은 공기 중으로 전자파를 보내 전력을 전달하지만 인체 주변에서 사용되면 전자파가 몸에 흡수되거나 산란해(사방으로 흩어짐) 효율이 떨어졌다. 

이에 연구팀은 전력을 멀리 방사하는 대신 피부 표면을 따라 전달되도록 하는 방식을 취했다. 

또 인체에 결합하는 전력 수준을 사람이 일상생활에서 주변 전자기기와 생활환경을 통해 상시 노출되는 수준으로 제한했다.

연구팀은 향후 근전도, 뇌파 등 다양한 생체 신호 센서를 구동하는 멀티모달 디지털 헬스케어 플랫폼뿐 아니라 다양한 웨어러블 기기의 전력공급 기반 기술로도 확장할 수 있을 것으로 내다봤다.

서울시립대 윤진환 교수팀은 최근 원래 길이의 4배까지 늘려도 저장 용량이 거의 줄어들지 않는 고신축성 슈퍼커패시터를 개발했다.

슈퍼커패시터(supercapacitor)는 배터리보다 수백 배 빠르게 충전돼 신체의 미세한 움직임에서 발생하는 전기 에너지를 즉시 저장할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 지금까지 개발된 슈퍼커패시터는 늘어나거나 변형될 경우, 저장 용량이 크게 감소하는 문제가 있었다. 높은 에너지 저장 성능과 뛰어난 신축성을 동시에 구현하는 것은 어려운 기술적 난제였다.

연구팀은  전극 소재 개발과 강력 접착력을 갖는 젤 개발로 이 문제를 해결했다. 

연구팀은 망간 산화물, 탄소나노튜브, 전도성 고분자를 말랑말랑한 실리콘 고무 안에 섞어 유연한 전극을 만들었다. 여기에 인산 처리를 하면 망간 산화물이 머리카락 굵기의 약 1만 분의 1에 해당하는 가느다란 바늘 모양으로 변한다. 실리콘 고무가 늘어날 때 바늘 모양 구조들이 서로 연결되면서 전기가 흐르는 통로를 계속 유지한다.

연구팀은 또 양전하와 음전하를 동시에 가진 특수 분자를 이용해 젤을 만들고, 여기에 자외선을 쬐면 전극과 젤 사이에 화학결합이 생겨 접착제처럼 단단히 붙는다. 이 결합은 강하게 유지되어 1만 번 늘렸다 줄이는 반복 변형에도 분리되지 않는다.

이렇게 개발된 슈퍼커패시터는 300% 늘어난 상태에서도 저장 용량이 95% 이상을 유지했다. 이는 기존 기술을 크게 뛰어넘는 세계 최고 수준의 성능이다. 실제로 팔에 부착한 상태에서 팔을 구부리는 동작에서도 정상적으로 작동했고, 스마트폰을 이용한 무선 충전도 가능했다.

연구팀은 이 기술이 피부에 직접 부착해 생체 신호를 측정하는 전자 피부를 비롯해 가상현실 촉각 슈트, 재활 치료용 웨어러블 기기 등 고도의 신축성과 안정성이 요구되는 다양한 응용 분야를 여는 핵심 기술이 될 것으로 기대했다.

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#웨어러블#의료기기#전력#심전도#모니터링