UNIST, 몸 뒤척여도 체내 의료기기 안정적 충전되는 무선 충전기술 개발

- 송수신 코일 위치 바뀌어도 필요 전력만 보내는 적응형 무선 충전 기술 개발

- 전압 경주형 제어 기술도 적용해 전압 출렁임 18mV로 억제

연구진 사진. (왼쪽부터) 변영재 교수, 신성민 연구원, 권성빈 연구원. (자료제공: UNIST)

실제 제작된 무선전력전송 송신기·수신기 칩. (자료제공: UNIST)

몸을 이리저리 뒤척이거나 걷고 숨을 쉬는 등 움직이는 와중에도 체내에 삽입된 의료기기를 안정적이고 효율적으로 무선 충전할 수 있는 새로운 기술이 개발됐다.

UNIST는 전기전자공학과 변영재 교수팀이 체내 삽입형 의료기기가 환자의 움직임이나 작동 상태가 달라져도 전압을 일정하게 유지하고, 필요한 만큼만 전력을 받아 전력 손실과 발열 가능성을 줄일 수 있는 무선 충전 기술을 개발했다고 7월 29일 밝혔다.

체내에 삽입된 의료기기는 치료나 통신 기능을 작동할 때와 대기할 때 사용하는 전력이 달라진다. 체외 충전 송신부가 몸속 수신부에 전력이 필요한 상황인지를 알아내 전력 공급 모드와 저전력 모드를 오가면, 필요한 때에만 충분한 전력을 보내 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있다.

연구팀이 개발한 기술은 환자가 몸을 움직여도 수신부의 상태를 정확히 판단해 송신 출력을 조절할 수 있는 ‘적응형 모드 전환 기술’이다. 무선 충전은 전기를 보내는 송신 코일과 전기를 받는 수신 코일 사이의 거리와 정렬 상태가 중요한데, 몸이 움직이면 송신부에서 측정되는 신호가 달라진다. 

전력이 필요 없는데도 계속 보내 열이 나고 전기가 낭비되거나 반대로 전력이 필요한데도 저전력 모드에 머물면 의료기기가 제대로 작동하지 않거나 멈출 수 있게 된다.

개발된 기술은 신호의 절대적인 크기 대신 수신부의 상태가 바뀌는 순간 나타나는 신호 변화와, 짧은 확인 신호를 보낸 뒤 수신부 상태에 따라 달라지는 반응을 각각 읽어 전력 공급 모드에서는 저전력 모드로, 저전력 모드에서는 다시 전력 공급 모드로 정확히 넘어갈 수 있도록 했다.

또 몸속 수신부에는 공급 전압을 빠르게 조절하는 ‘전압 경주형 히스테리시스 제어기(VRHC)’ 기술도 적용했다. 의료기기는 일정한 전압에서 작동하기 때문에 전압이 크게 흔들리면 제대로 작동하지 않거나 멈출 수 있다. 

이 제어 기술은 전압을 기준 전압과 직접 비교하는 대신, 전압 정보를 같은 시점에 출발한 신호들이 회로를 지나 나오는 시간 차이로 바꿔 읽어내기 때문에 전압이 기준을 벗어났는지를 빠르게 판단할 수 있다.

실험 결과, 송·수신 코일 사이의 거리를 7㎜에서 20㎜까지 바꾸며 검증했을 때도 우수한 성능을 입증했다. 의료기기 사용 전류가 6mA에서 16mA로 급증하는 상황에서도 출력 전압은 3.3V를 안정적으로 유지했으며, 전압 출렁임(리플)은 18mV 수준에 그쳤다. 

체외 송신부에서 체내 수신부 출력까지 전달되는 종단 간 효율은 최고 69.1%를 기록해, 적응형 모드 전환 기술을 적용하지 않았을 때보다 효율이 최대 51.3%포인트 상향됐다.

변영재 교수는 “이번 기술은 환자가 움직여 코일 위치가 달라져도 필요한 전력만 안정적으로 전달해 체내 의료기기의 배터리 교체 수술 부담을 줄이고, 장기 사용과 치료 편의성을 크게 끌어올릴 것”이라고 설명했다.

이번 연구에는 신성민·권성빈 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 정보통신기획평가원의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구 결과는 회로·시스템 분야 국제학술지 ‘IEEE 트랜잭션스 온 서킷츠 앤드 시스템스 원: 레귤러 페이퍼스(IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers)’ 에 6월 19일 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]