△ 웨어러블 의료기기 전원기술이 잇따라 개발되고 있다.

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

5일 의료계 등에 따르면 국내 연구팀이 적응형 무선충전 기술, 자가발전 전자피부, 고효율 무선 펄스 충전 IC 기술을 개발하는데 성공했다.

울산과학기술원(UNIST) 전기전자공학과 변영재 교수팀은 최근 체내 삽입형 의료기기의 작동 상태와 환자의 움직임에 맞춰 전력을 효율적으로 공급하는 적응형 무선충전 기술을 개발했다.

체내 삽입형 의료기기는 치료나 통신 기능을 수행할 때와 대기 상태일 때 필요한 전력량이 크게 달라진다. 

그러나 기존 무선충전 방식은 환자가 움직여 송신 코일과 수신 코일의 위치가 바뀌면 수신부 상태를 정확히 판단하기 어려워 불필요한 전력을 계속 공급하거나 반대로 필요한 전력을 제때 보내지 못하는 한계가 있었다.

연구팀은 환자의 움직임에도 수신부 상태를 정확하게 인식해 송신 출력을 자동으로 조절하는 '적응형 모드 전환 기술'을 개발했다. 

신호의 절대 크기가 아닌 상태 변화 순간의 신호와 확인 신호에 대한 반응을 분석해 전력 공급 모드와 저전력 모드를 정확하게 전환하는 방식이다. 이를 통해 필요한 순간에만 충분한 전력을 공급하면서 전력 낭비와 발열을 줄일 수 있다.

연구팀은 또 체내 수신부에 공급 전압을 빠르게 제어하는 '전압 경주형 히스테리시스 제어기(VRHC)'를 적용했다. 이 기술은 전압 변화를 신속하게 감지해 출력 전압을 일정하게 유지함으로써 의료기기의 안정적인 작동을 돕는다.

성능 검증 결과도 우수했다. 송·수신 코일 간 거리를 7㎜에서 20㎜까지 변화시키는 환경에서도 출력 전압 3.3V를 안정적으로 유지했으며, 의료기기 소비 전류가 6mA에서 16mA로 급증하는 상황에서도 전압 출렁임은 18mV 수준에 그쳤다.

또 체외 송신부에서 체내 수신부까지의 종단 간 전력 전달 효율은 최고 69.1%를 기록해 기존 방식보다 최대 51.3%포인트 향상됐다.

연구팀은 환자의 움직임으로 코일 위치가 변해도 필요한 전력만 안정적으로 전달할 수 있어 체내 의료기기의 배터리 교체 수술 부담을 줄이고 장기 사용과 치료 편의성을 높이는 데 도움이 될 것으로 기대했다.

강원대학교 춘천캠퍼스 농업생명과학대학 스마트팜융합바이오시스템공학과 임기택 교수팀은 최근 가천대 김종성 교수팀, 한국교통대 이용규 교수팀과 함께 3D 프린팅 기반의 자가발전 무선 센싱 전자피부(E-Skin)를 개발했다.

기존 웨어러블 바이오 전자기기는 인체 피부에 안정적으로 부착된 상태에서 신호를 전달하는 데 한계가 있었으며 직접 잉크 쓰기(DIW) 방식의 3D 프린팅 바이오잉크 역시 출력 정밀도를 높일수록 피부 접착력이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 TEMPO-산화 셀룰로오스 나노크리스탈(TOCNC)과 2차원 천이금속 탄화물인 맥신(MXene) 나노시트를 결합한 복합 네트워크 구조의 GACM 하이드로젤을 설계해 이 같은 한계를 극복했다.

개발된 전자피부는 TOCNC를 활용해 중공 삼각형과 파형, 벌집 구조 등 복잡한 형태를 정밀하게 3D 프린팅할 수 있으며 MXene 나노시트가 피부 조직과의 수소결합, 정전기적 인력, 공유결합 등 다중 계면 상호작용을 유도해 건조하거나 젖은 조직 표면에서도 안정적인 접착력을 발휘하도록 했다.

특히 이 전자피부는 외부 전원 없이 압전·전도성(Piezoionic) 메커니즘으로 인체 움직임을 감지하는 자가발전 센서 기능을 갖췄다. 

연구팀은 전자피부를 손목, 손가락, 무릎, 팔꿈치 등 인체 관절에 부착했을 때 1.77의 감도(Gauge Factor)로 미세한 움직임을 감지하고 최대 36.35mV의 전압 신호로 변환할 수 있는 것을 확인했다.

연구팀은 또 블루투스(BLE) 모듈과 회로를 연계해 사용자의 손가락 움직임 신호를 9.97ms 수준의 낮은 지연 시간으로 무선 전송하고 로봇 공학 핸드(Robot Hand)를 실시간으로 제어하는 무선 인간-기계 인터페이스(Wireless HMI) 성능을 입증했다.

아울러 해당 전자피부는 상처 부위의 pH 변화와 감염 상태를 감지해 천연 항균 물질인 커큐민(CuR)을 능동적으로 방출하는 지능형 약물 전달 기능도 갖췄으며 실험 결과 황색포도상구균(MRSA)과 대장균(E. coli)에 대해 99% 이상의 박테리아 증식 억제 효과 및 당뇨병 유발 쥐의 피부 결손 모델에서 14일 기준 약 88.67%의 상처 폐쇄율을 보였다.

이번 연구는 상처 보호용 드레싱을 넘어 환자의 움직임에서 에너지를 스스로 만들어 생체 전기 신호를 전달하고 약물 치료를 병행할 수 있는 지능형 자가발전 의료 스킨 플랫폼의 가능성을 제시한 것으로 평가받고 있으며 연구팀은 향후 무선 통신과 AI 기반 스마트 헬스케어 시스템 개발의 기반이 될 것으로 기대하고 있다.

한양대학교는 최근 전기·생체공학부 바이오메디컬공학전공 이병훈 교수팀이 이식형 의료기기·웨어러블 기기의 배터리를 보다 빠르고 안전하게 충전할 수 있는 단일단 무선 펄스 충전 집적회로(IC)를 개발했다고 12일 밝혔다. 

최근 인체 삽입형 의료기기나 웨어러블 헬스케어 기기 등은 안정적인 배터리 충전 기술의 중요성이 확대되며 무선 전력 전송을 이용한 고효율 충전 기술이 핵심 기술로 주목받고 있다.

기존 무선 충전 회로는 정류기, 레귤레이터, 충전 회로 등 여러 전력단을 거치며 효율이 저하되고 회로는 복잡했다. 또 기존의 일반적인 정전류-정전압(CC-CV) 충전 방식은 배터리 내부저항으로 인해 정확한 충전 종료 시점을 판단하기 어려워 과충전이나 불완전 충전의 위험이 있었고 충전 시간이 길어지는 한계가 있었다.

연구팀은 교류-직류 변환과 배터리 충전 제어를 하나의 전력단에서 동시에 수행하는 '단일단 무선 펄스 충전기'를 제안했다.

제안된 회로는 무선으로 전달된 전력을 직접 펄스 형태의 충전 전류로 변환하며 충전 전류가 흐르는 구간과 흐르지 않는 구간을 반복적으로 생성한다. 이때 전류가 흐르지 않는 구간에서는 배터리 내부저항에 의한 전압강하가 사라지므로 회로가 실제 배터리 셀 전압을 직접 감지할 수 있다.

이 방식은 별도의 고해상도 아날로그-디지털 변환기나 복잡한 디지털 연산 회로 없이도 배터리 내부저항 영향을 보상할 수 있다.

연구팀은 이를 통해 기존 정전압 충전 구간에서 발생하는 충전 시간 증가 문제를 줄이고 보다 정확한 충전 종료 시점 검출을 가능하게 했다. 또 펄스 충전 방식은 배터리 전극 내부의 이온 확산 시간을 확보할 수 있어 리튬 도금 현상 완화에도 도움이 된다.

180나노미터(nm) BCD 공정으로 제작된 이번 무선 펄스 충전 IC는 6.78MHz 무선 전력 전송 환경에서 최대 92.6%의 높은 수신 효율을 달성했다.

특히 실제 생체 환경을 모사하기 위해 송·수신 코일 사이에 5mm 두께의 돼지고기 조직을 삽입하고 진행한 생체 외(in-vitro) 실험에서도 44.4%의 전체 무선 전력 전달 효율을 기록, 안정성을 입증했다.

또 배터리가 완충되면 자동으로 충전 전류를 차단하는 프리휠링(freewheeling) 상태에 진입하고 전압이 다시 낮아지면 별도의 통신 없이 재충전 모드로 자연스럽게 전환된다.

이는 회로 면적과 전력 소모 극소화가 필수적인 소형 이식형 의료기기나 웨어러블 기기에 최적화된 구조다.

연구팀은 향후 이식형 의료기기, 웨어러블 헬스케어 기기, 소형 무선 센서 등 배터리 안정성과 충전 효율이 중요한 다양한 응용 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대했다.

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