“격렬한 운동 중에도 심전도 정확히 측정한다”⋯ DGIST, 웨어러블용 초저전력 반도체 칩 개발

(왼쪽부터) DGIST 전기전자컴퓨터공학과 이정협 교수, 김근하 박사후연수연구원./DGIST 제공

DGIST 연구진이 격렬한 움직임이 있는 환경에서도 심전도와 뇌파 등 생체신호를 안정적으로 측정할 수 있는 웨어러블용 초저전력 반도체 핵심 기술을 개발했다.

DGIST 전기전자컴퓨터공학과 이정협 교수 연구팀이 움직임으로 발생하는 간섭을 최소화하면서도 저전력으로 동작하는 고해상도 아날로그-디지털 변환기(ADC) 구조를 개발하고, 이를 실제 반도체 칩으로 구현해 동작 검증에 성공했다.

최근 스마트워치 등 웨어러블 기기를 활용한 건강 모니터링이 확산되면서 심전도, 뇌파와 같은 미세한 생체신호를 정확히 측정하는 기술의 중요성이 커지고 있다. 그러나 사용자가 움직일 때 피부와 전극 사이 접촉 상태가 변하면서 발생하는 ‘움직임 유발 간섭’은 생체신호를 왜곡시키는 주요 원인으로 지목된다.

이 문제를 해결하기 위해서는 측정 회로가 잡음은 낮고 입력 범위는 넓으면서 전력 소모는 매우 적어야 한다. 하지만 이러한 조건들은 회로 설계 측면에서 서로 충돌하는 특성을 지녀 동시에 만족시키기 어려운 기술적 난제로 꼽혀 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘노이즈-쉐이핑 SAR ADC(Noise-shaping SAR ADC)’ 구조를 새롭게 제안했다. 이 방식은 샘플링 과정에서 발생하는 열잡음을 고주파 영역으로 이동시켜 제거하는 원리를 활용한다. 이를 통해 복잡한 보정 기술이나 대형 커패시터 없이도 공정, 전압, 온도 변화에 강한 세계 최고 수준의 저잡음 성능을 확보했다.

이번 연구는 웨어러블 기기에 필수적인 저잡음·넓은 입력 범위·초저전력 특성을 하나의 반도체 칩 아키텍처에서 동시에 구현할 수 있는 설계 방법을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 

연구진은 이 기술이 주변 간섭이 많은 환경에서도 생체신호 왜곡을 최소화해 장시간 건강 모니터링은 물론 고정밀 의료기기 개발에도 활용될 것으로 기대하고 있다.

이정협 교수는 “웨어러블 환경에서 불가피하게 발생하는 큰 움직임 조건에서도 생체신호 측정을 위한 핵심 요구사항을 동시에 만족할 수 있는 혁신적인 ADC 구조를 제시했다”고 말했다. 연구에 참여한 김근하 박사후연구원도 “장시간 생체신호 모니터링이 가능한 차세대 웨어러블 및 의료기기 기술 고도화에 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구사업과 바이오·의료기술개발사업, 한-EU 반도체 공동연구 등 다양한 연구 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 ‘반도체 올림픽’으로 불리는 국제고체회로설계학회 ISSCC(International Solid-State Circuits Conference)에서 발표됐다.

이정협 교수 연구팀은 최근 5년간 ISSCC 바이오메디컬 세션에서 주저자 기준 총 5편의 논문을 발표하며 해당 분야에서 세계적으로 가장 활발한 연구 그룹 가운데 하나로 평가받고 있다.

/김락현기자 [e-mail]