서울공대 전기정보공학부 유담 교수팀, 배터리 없이 심전도 측정하는 피부 밀착형 웨어러블 시스템 개발
- 인체 결합 무선 전력공급 기술 제시해 인체 안전성 및 전력 안정성 확보
- 웨어러블 기기 상용화 난제인 전원 공급 문제 해결

▲ (왼쪽부터) 서울대 전기정보공학부 유담 교수, 이탁월 박사, 박경수, 김동한, 김광진 석박통합과정생

서울대학교 공과대학은 전기정보공학부 유담 교수 연구팀이 배터리 없이도 심전도 신호를 측정할 수 있는 피부 밀착형 웨어러블 헬스케어 시스템 ‘SkinECG’를 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 에너지 하베스팅 기술과 인체 결합 전력 전송 기술을 결합시켜, 웨어러블 기기 상용화의 가장 큰 난제 중 하나였던 전원 공급 문제의 새로운 해법을 제시했다.

이번 연구 결과는 미국과학진흥협회(AAAS)가 발행하는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 5월 1일(현지시간) 게재됐다.

■ 연구 배경

웨어러블 헬스케어 시스템은 몸에 착용한 센서를 통해 생체 신호를 실시간으로 측정하고, 질병의 이상 징후를 조기에 발견할 수 있는 차세대 의료 기술로 주목받고 있다. 대표적인 예가 심전도(Electrocardiography, ECG) 센서다. 심전도 센서는 심장에서 발생하는 전기 신호를 측정해 부정맥 등 심혈관 질환을 파악하는 데 필수적으로 활용된다.

그러나 웨어러블 기기의 상용화와 장기 사용에는 여전히 큰 걸림돌이 있다. 바로 배터리다. 배터리는 그 크기와 무게로 착용감을 떨어뜨리며, 방전될 경우 생체 신호 수집이 중단될 수 있다. 또한 주기적인 충전과 교체가 필요해 사용자에게 불편을 줄 뿐 아니라, 생체 신호의 장기 연속 측정을 어렵게 만드는 핵심 요인으로 지적되어 왔다.

이를 해결하기 위해 기존 연구에서는 빛, 열, 움직임 등 주변에서 버려지는 에너지를 전기로 바꾸는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술을 웨어러블 기기에 적용하는 시도가 이뤄져 왔다. 하지만 웨어러블 센서가 실제로 부착되는 위치와 에너지를 잘 얻을 수 있는 위치가 서로 다르다는 문제가 있었다.

예를 들어 심전도 센서는 일반적으로 가슴 부위에 부착되지만, 태양전지와 같은 발전 소자는 햇빛을 받을 수 있는 팔이나 다리 등에 부착되어야 효율이 높다. 즉, 전기를 만들기 좋은 위치와 생체 신호를 측정해야 하는 위치가 일치하지 않는 것이다.

■ 연구 성과

이 근본적 한계의 극복에 나선 유담 교수 연구팀은 인체에 부착된 여러 발전 소자에서 만들어진 전력을 멀리 떨어진 심전도 센서까지 무선으로 전달하는 새로운 전력공급 구조를 제안했다. 이 기술은 논문에서 ‘직교 에너지 하베스팅 네트워크(Orthogonal Energy Harvesting Network, O-EHN)’로 명명됐다.

연구팀이 개발한 SkinECG는 피부에 밀착되는 하이드로콜로이드 패치 위에 유연한 회로 기판과 반도체 칩을 탑재한 심전도 센서, 그리고 여러 발전 소자가 만든 전력을 센서로 보내는 다중 에너지 무선 전력공급 네트워크로 구성된다.

▲ 자료 1. 배터리 없는 웨어러블 전력공급 기술 개념도

이는 하나 이상의 에너지 하베스팅 발전 소자가 주변 에너지를 전기로 변환한 다음, 인체 결합 전력 전송 기술을 통해 가슴의 심전도 센서로 전력을 무선 공급하는 원리로 작동한다. 또한 각 발전 소자는 서로 직교하는 주파수로 전력을 전송하도록 설계되어, 발전 소자의 개수와 부착 위치를 유연하게 조정하면서도 심전도 센서에 전력을 안정적으로 전달할 수 있다.

또한 유담 교수 연구팀은 기존 무선 전력전송 방식의 한계 극복에도 성공했다. 이 방식은 공기 중으로 전자파를 보내 전력을 전달하지만, 인체 주변에서 사용될 경우 전자파가 몸에 흡수되거나 산란되어 효율이 낮아지는 한계가 있었다. 이에 연구팀은 전력을 멀리 방사하는 대신, 피부 표면을 따라 전달되도록 하는 방식에 주목했다.

그리고 인체 결합 전력 전송 기술(Body-Coupled Powering)을 이용해, 몸에 부착된 발전 소자들이 만든 전력을 전선 없이 피부 위의 심전도 센서로 무선 전달하는 성과를 거뒀다. 또한 센서가 전력을 안정적으로 공급받을 수 있도록, 각각 구분된 주파수 채널 사용을 통해 여러 발전 소자의 전력 신호가 서로 간섭하지 않는 방식으로 설계했다.

특히 연구팀은 인체에 결합되는 전력의 수준을 사람이 일상 생활에서 주변 전자기기와 생활환경을 통해 상시 노출되는 수준으로 제한했다. 인체 안전성을 고려한 낮은 전력 조건에서도 시스템을 동작시킨 것이다. 이를 통해 배터리와 전선 없이 에너지 하베스팅만으로도 심전도 센서를 구동할 수 있음을 입증했다.

■ 기대 효과

연구팀의 SkinECG 개발은 차세대 웨어러블 헬스케어 시스템의 전력 공급 문제를 해결하는 데 중요한 전환점이 될 전망이다.

또한 이번 기술은 심전도 측정 뿐 아니라 근전도, 뇌파 등 다양한 생체 신호의 장기간 모니터링에도 활용될 수 있다. 나아가 착용형 전자기기와 이식형 의료기기의 전력 공급 문제를 해결하는 기반 기술로도 발전할 것으로 기대된다.

아울러 발전 소자의 개수와 부착 위치에 대한 제약이 줄고, 기존 상용 에너지 하베스팅 기술과도 결합할 수 있는 강점 덕분에 향후 다양한 웨어러블 헬스케어 기기로의 확장 가능성도 열려 있다. 

■ 연구진 의견

유담 교수는 “웨어러블 헬스케어 기기에서는 주변 에너지를 효과적으로 수확할 수 있는 위치와 생체 신호를 측정해야 하는 위치가 서로 다르다는 근본적인 한계가 있었다”며 “이번 연구는 인체 표면을 따라 전력을 무선으로 전달함으로써 이 문제를 해결한 것”이라고 설명했다.

이어 “인체에 전달되는 전력 수준은 일상생활에서 노출되는 수준으로 제한해 안전성을 고려했으며, 이를 통해 무겁고 부피가 큰 배터리 없이도 심전도 센서에 안정적으로 전력을 공급할 수 있음을 입증했다”며 “향후 근전도, 뇌파 등 다양한 생체 신호 센서를 구동하는 멀티모달 디지털 헬스케어 플랫폼 뿐 아니라, 다양한 웨어러블 기기의 전력 공급 기반 기술로도 확장될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

■ 연구진 진로

이번 논문의 제1저자인 이탁월 박사는 싱가포르국립대학교(NUS) 전기·컴퓨터공학부에서 유담 교수의 공동지도를 받아 2026년 2월 박사학위를 취득했으며, 현재 서울대학교에서 방문연구원으로 재직 중이다. 공저자인 서울대학교 전기정보공학부의 박경수, 김동한, 김광진 학생은 인체 영역 네트워크(Body Area Network, BAN) 분야의 연구를 수행하고 있다.

한편, 이번 연구는 서울대학교 유담 교수 연구팀이 주도하고 도쿄대학교와 싱가포르국립대학교가 참여한 국제 공동연구로 수행됐다.

▲ 자료 2. 배터리 없는 피부 밀착형 웨어러블 시스템 구현 및 시연
태양전지 기반 무선 전력공급 모듈(좌)과 피부 부착형 심전도 센서(중)를 인체에 부착해, 배터리 없이 무선으로 전력을 공급하며 심전도 신호를 측정하는 데 성공했다(우).

[참고자료]
- 논문명/저널 : SkinECG: An orthogonal remote powering wearable skin-like sensor, Science Advances
- DOI : https://doi.org/10.1126/sciadv.aec9803 

[문의]
서울대학교 공과대학 전기정보공학부 고성능 집적마이크로시스템 연구실 유담 교수 / 02-880-1776 / jerald@snu.ac.kr