NS-SAR based ExG Acquisition System 전체 구조도(사진 제공=DGIST)
| 이코노미사이언스 신지원 기자 |
DGIST 전기전자컴퓨터공학과 이정협 교수 연구팀이 격렬한 움직임이 있는 웨어러블 환경에서도 심전도와 뇌파 등 생체신호(ExG)를 안정적으로 측정할 수 있는 초저전력·고해상도 아날로그-디지털 변환기(ADC) 핵심 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 연구팀은 해당 기술을 실제 반도체 칩으로 구현해 동작 검증에도 성공했다.
스마트워치 등 웨어러블 기기를 이용한 생체신호 측정은 신호 자체가 매우 미세해 잡음(노이즈)을 최소화하는 것이 핵심 과제로 꼽힌다. 특히 사용자가 움직일 때 피부와 전극의 접촉 상태가 변하면서 발생하는 ‘움직임 유발 간섭’은 신호 왜곡의 주요 원인이다.
이를 해결하려면 측정 회로가 잡음을 줄이면서도 넓은 입력 범위를 수용해야 하고 동시에 전력 소모도 최소화해야 한다. 그러나 이러한 조건들은 서로 충돌하는 특성이 있어 동시에 구현하기 어려운 난제로 여겨져 왔다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 샘플링 과정에서 발생하는 열잡음을 고주파 영역으로 밀어내 제거하는 ‘노이즈-쉐이핑 SAR ADC’ 구조를 새롭게 제안했다. 이 구조를 통해 복잡한 보정 기술이나 대형 커패시터 없이도 공정·전압·온도 변화에 영향을 받지 않는 세계 최고 수준의 저잡음 성능을 구현했다.
이번 연구는 웨어러블 기기에 필요한 저잡음, 넓은 입력 범위, 초저전력 특성을 하나의 반도체 칩에서 동시에 구현할 수 있는 설계 방식을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 주변 간섭이 많은 환경에서도 신호 왜곡을 최소화할 수 있어 장시간 건강 모니터링은 물론 고정밀 의료기기 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.
(좌측부터) 전기전자컴퓨터공학과 이정협 교수, 김근하 박사후연수연구원(사진 제공=DGIST)
이정협 교수는 “격렬한 움직임이 발생하는 웨어러블 환경에서도 생체신호 측정의 핵심 요구 조건을 동시에 만족할 수 있는 ADC 구조를 제시했다”고 말했다.
공동 연구자인 김근하 박사후연구원은 “이번 연구가 장시간 생체신호 모니터링을 위한 차세대 웨어러블 및 의료기기 기술 고도화에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구 결과는 ‘반도체 올림픽’으로 불리는 세계 최고 권위의 반도체 학회 'International Solid-State Circuits Conference'에 발표됐다.
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신지원 기자
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