▲ 무선 웨어러블 플랫폼은 i) 윈도우를 통과한 주변광을 직접 측정에 사용하는 광측정 시스템, ii) 고효율 광전지 셀과 무선 전력 수신 코일을 활용해 전력을 공급받는 광발전 시스템, iii) 광발광 물질로 빛을 저장해 앞의 어두운 상황에서 발광해 두 시스템을 보조하는 광발광 시스템을 활용해 광원에 필요한 에너지를 최소화한다. 센서 내 데이터 처리는 필수적인 데이터만을 무선 전송하여 전력을 최소화한다. 적응형 전원 관리 시스템은 광발전 시스템의 전력 공급량과 배터리 충전 상태를 기반으로 전원 선택기가 11가지 전력 모드 중 최적의 모드를 선택해 효율적으로 전원을 관리한다.(그림 및 설명=KAIST)   © 특허뉴스

의료용 웨어러블 기기의 가장 큰 난관 중 하나는 바로 배터리 문제였다. 작은 기기 안에 무겁고 큰 배터리를 탑재해야 하고, 잦은 충전의 번거로움은 지속적인 건강 모니터링을 어렵게 만들었다. 하지만 이제 이러한 걱정은 덜 수 있게 됐다. KAIST 연구진이 주변의 빛 에너지를 활용해 24시간 내내 사용자 건강을 지켜볼 수 있는 혁신적인 웨어러블 플랫폼을 개발했기 때문.

KAIST 전기및전자공학부 권경하 교수팀은 미국 노스웨스턴대학교 박찬호 박사팀과의 공동 연구를 통해, 주변 광원을 에너지원으로 삼아 전력을 효율적으로 관리하는 차세대 헬스케어용 무선 웨어러블 플랫폼을 선보였다. 이 기술은 심박수, 혈중산소포화도, 땀 성분 분석 등 다양한 생체 신호를 동시에 측정할 수 있어 개인 맞춤형 건강 관리에 새로운 지평을 열 것으로 기대된다.

빛을 지능적으로 활용하는 3가지 핵심 기술

이번에 개발된 플랫폼은 세 가지 상호 보완적인 빛 에너지 기술을 통합하여 24시간 연속 모니터링을 가능하게 한다.

첫 번째는 '광 측정 방식(Photometric Method)' 이다. 이는 주변 자연광의 세기에 따라 LED의 밝기를 자동으로 조절하는 기술로, 자연광이 강할 때는 LED를 어둡게, 약할 때는 밝게 조절하여 일정한 총 조명량을 유지한다. 이를 통해 충분한 조명 환경에서 최대 86.22%의 전력 소모를 줄이는 데 성공했다.

두 번째는 '고효율 다접합 태양전지(Photovoltaic Method)' 기술이다. 단순히 태양광뿐만 아니라 실내외 모든 환경의 빛을 전력으로 변환하며, 주변 환경과 배터리 상태에 따라 11가지의 최적화된 전력 구성으로 자동 전환되어 에너지 효율을 극대화한다.

마지막으로 어두운 환경에서의 모니터링을 가능하게 하는 '축광/발광(Photoluminescent Method)' 기술이 적용됐다. 센서에 스트론튬 알루미네이트 미세입자를 혼합하여 낮 동안 빛을 흡수하고 저장했다가, 어둠 속에서 이를 서서히 방출하여 2.5분간 연속 측정이 가능하도록 했다. 이 세 가지 기술이 유기적으로 연동되어 밝은 환경은 물론 완전한 어둠 속에서도 끊김 없는 건강 모니터링을 실현한다.

다양한 의료 센서에 적용, 실용성 입증

연구팀은 개발된 플랫폼을 다양한 의료 센서에 적용해 그 실용성을 검증했다. 심박수와 혈중산소포화도를 실시간으로 모니터링하는 광용적맥파 측정 센서는 심혈관 질환의 조기 발견을 돕는다. 또한 청색광 노출량 측정 센서는 피부 노화를 유발하는 블루라이트를 정확하게 측정하여 개인 맞춤형 피부 보호 가이드를 제공할 수 있다. 땀 속의 염분, 포도당, pH를 동시에 분석하는 땀 분석 센서는 탈수나 전해질 불균형을 실시간으로 감지하는 데 활용된다.

더 나아가 센서 내 데이터 처리 기술을 도입하여 무선 통신으로 인한 전력 소모도 획기적으로 줄였다. 기존에는 모든 원시 데이터를 외부로 전송해야 했지만, 이제는 센서 내부에서 필요한 결과만 계산하여 전송함으로써 데이터 전송량을 무려 100배 감소시켰다.

실제 건강한 성인과 생쥐 모델을 대상으로 진행된 테스트에서도 개발된 웨어러블 플랫폼은 상용 의료기기와 동등한 수준의 측정 정확도를 보이며 그 성능을 입증했다.

예방 중심 의료 패러다임 전환 기대

이번 연구를 주도한 KAIST 권경하 교수는 "이 기술을 통해 24시간 연속 건강 모니터링이 가능해지면서 의료 패러다임이 치료 중심에서 예방 중심으로 전환될 수 있을 것"이라며, "조기 진단을 통한 의료비 절감 효과와 함께 차세대 웨어러블 헬스케어 시장에서의 기술 경쟁력 확보도 기대된다"고 밝혔다.

이번 연구 결과는 인공지능반도체대학원 박도윤 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여했으며, 지난 7월 1일 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 게재되며 그 혁신성을 인정받았다.

논문명은 Adaptive Electronics for Photovoltaic, Photoluminescent and Photometric Methods in Power Harvesting for Wireless and Wearable Sensors이다.