격한 움직임도 생체신호 정확 측정, 웨어러블 의료기기 핵심 기술 구현
▲ 디지스트 전경. 김민규 기자
▲ (좌측부터)디지스트 전기전자컴퓨터공학과 이정협 교수, 김근하 박사후연수연구원. 디지스트 제공
디지스트(DGIST·대구경북과학기술원) 전기전자컴퓨터공학과 연구팀이 격렬한 움직임이 있는 환경에서도 심전도와 뇌파 등 생체신호를 안정적으로 측정할 수 있는 초저전력 반도체 칩 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.
웨어러블 기기에서 생체신호를 정확히 읽는 가장 큰 장애는 ‘움직임’이다. 사용자가 걷거나 뛰는 순간 피부와 전극의 접촉 상태가 변하면서 미세한 신호가 쉽게 흔들리기 때문이다. 이른바 ‘움직임 유발 간섭’은 심전도 측정 정확도를 떨어뜨리는 대표적인 원인으로 꼽힌다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 생체신호 측정 핵심 회로인 아날로그-디지털 변환기(ADC) 구조를 새롭게 설계했다. 샘플링 과정에서 발생하는 열잡음을 고주파 영역으로 밀어내 제거하는 ‘노이즈-쉐이핑 SAR ADC’ 구조를 적용해 잡음을 줄이면서도 넓은 입력 범위를 확보했다.
웨어러블 기기에서는 저잡음 성능, 넓은 입력 범위, 낮은 전력 소모를 동시에 만족해야 하지만 반도체 설계에서는 서로 충돌하는 조건으로 알려져 있다. 연구팀은 이러한 난제를 하나의 칩 구조에서 구현하고 실제 반도체 칩으로 제작해 동작 검증까지 마쳤다.
연구팀은 이번 기술이 스마트워치 등 웨어러블 기기의 장시간 건강 모니터링은 물론 정밀 의료기기 분야에서도 활용 가능성이 있을 것으로 보고 있다.
이정협 교수는 “웨어러블 환경에서 발생하는 큰 움직임 조건에서도 생체신호 측정의 핵심 요구를 동시에 충족할 수 있는 ADC 구조를 제시했다”고 말했다. 김근하 박사후연수연구원은 “차세대 웨어러블과 의료기기 기술 발전에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 기초연구사업 등 지원을 받아 수행됐으며 연구 결과는 반도체 분야 최고 권위 학회인 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표됐다.
김민규 기자
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