대한민국 서울대학교 연구팀이 신체에 부착하여 배터리 없이 작동하는 무선 전력 웨어러블 헬스케어 시스템 ‘SkinECG’를 개발했습니다. 이는 착용형 기기의 전력 공급 문제를 해결한 혁신적인 해외 연구 사례로 주목받고 있습니다.
웨어러블 헬스케어의 미래와 배터리 한계
웨어러블 헬스케어 시스템은 몸에 착용하는 센서를 통해 생체 신호를 실시간으로 모니터링하여 질병 관련 이상을 조기에 발견하는 차세대 의료 기술로 부상하고 있습니다. 그 대표적인 예시 중 하나가 심장에서 발생하는 전기 신호를 측정하여 부정맥과 같은 심혈관 질환을 감지하는 데 필수적인 심전도(ECG) 센서입니다.
하지만 웨어러블 기기의 상용화와 장기 사용에 있어 가장 큰 걸림돌은 배터리입니다. 배터리는 기기의 크기와 무게를 증가시켜 착용성을 저하시키고, 방전되면 생체 신호 수집을 중단시킬 수 있습니다. 또한 주기적인 충전 및 교체의 필요성은 사용자에게 불편함을 주고 지속적인 장기 건강 모니터링을 어렵게 만듭니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 연구자들은 빛, 열, 움직임과 같은 주변 에너지원을 전기로 변환하는 에너지 하베스팅 기술을 탐구해왔지만, 에너지를 수확하기 가장 좋은 위치와 생체 신호를 측정하기 가장 좋은 위치가 일치하지 않는다는 근본적인 한계가 있었습니다.
SkinECG: 배터리 없는 무선 전력 전송 시스템
이러한 ‘위치 불일치’ 문제를 해결하기 위해 유제럴드 서울대학교 교수가 이끄는 연구팀은 하나 이상의 신체 착용 에너지 하베스팅 장치에서 원격에 위치한 ECG 센서로 에너지를 무선으로 전달하는 새로운 전력 공급 아키텍처를 제안했습니다. 개발된 ‘SkinECG’ 시스템은 유연 회로 기판과 ECG 감지를 위한 맞춤형 반도체 칩이 통합된 피부 부착형 하이드로콜로이드 패치와, 여러 장치에서 수확된 에너지를 센서로 전송하는 다중 소스 무선 전력 공급 네트워크로 구성됩니다. 이 기술은 연구에서 ‘직교 에너지 하베스팅 네트워크(Orthogonal Energy Harvesting Network, O-EHN)’라고 명명되었습니다.
하나 이상의 에너지 하베스팅 장치가 주변 에너지를 전기 에너지로 변환하면, 이 에너지는 신체 결합 전력 전송 방식을 통해 가슴에 부착된 ECG 센서로 무선으로 전달됩니다. 전력을 직교 주파수로 전송함으로써, 하베스터들은 전력 신호 간의 간섭을 줄여주며, ECG 센서로의 안정적인 전력 공급을 유지하면서 하베스터의 개수와 배치 위치를 유연하게 조절할 수 있게 합니다.
피부 표면을 통한 에너지 전달과 인체 안전성
기존의 무선 전력 전송 방식은 공기를 통한 전자기 복사에 의존하지만, 인체 근처에서는 전자기파가 흡수되거나 산란되어 전력 전송 효율이 크게 떨어집니다. 이 한계를 극복하기 위해 유제럴드 교수팀은 다른 접근 방식을 채택했습니다. 즉, 멀리 떨어진 곳으로 전력을 방출하는 대신 피부 표면을 따라 전력을 유도하는 방식입니다. 팀은 신체 결합 전력 전송을 사용하여 몸에 부착된 에너지 하베스터에서 ECG 센서로 전선을 사용하지 않고 무선으로 전력을 직접 전달했습니다. 여러 전원 간의 간섭을 방지하기 위해 각 하베스터에는 고유한 주파수 채널이 할당되어 센서에서 안정적인 전력 수신을 보장했습니다.
이 시스템은 인체 안전성도 고려하여 설계되었습니다. 인체에 결합되는 전력은 일상적인 주변 전자기 환경 노출 수준과 유사하게 유지되어, 인체 사용에 대한 안전성을 확보했습니다. 연구진은 ECG 센서가 배터리나 유선 연결 없이 오직 에너지 하베스팅만으로 전력을 공급받을 수 있음을 입증했습니다. 이 시스템은 또한 에너지 하베스터의 개수와 배치에 대한 제약을 줄이며 기존 상용 에너지 하베스팅 기술과도 호환되어, 광범위한 웨어러블 헬스케어 장치로의 확장 가능성이 높습니다.
다양한 생체 신호 모니터링으로의 확장 가능성
이 기술은 ECG 모니터링뿐만 아니라 근전도(EMG) 및 뇌전도(EEG)와 같은 다른 생체 신호의 장기 측정에도 적용될 수 있습니다. 또한, 웨어러블 전자 기기와 이식형 의료 기기 모두에서 전력 공급 문제를 해결하기 위한 근본적인 솔루션으로서 큰 잠재력을 가지고 있습니다.
유제럴드 교수는 “웨어러블 헬스케어 시스템에서는 주변 에너지를 수확하기에 가장 적합한 위치와 생체 신호를 측정하기에 가장 적합한 위치가 다르다는 근본적인 한계가 있었다”며, “이 연구는 인체 표면을 따라 무선 전력 전송을 가능하게 함으로써 그 문제를 해결한다”고 설명했습니다. 또한 “인체에 결합되는 전력을 일상생활에서 접하는 수준으로 제한하여 인체 안전성을 고려하면서도, 부피가 큰 배터리 없이 ECG 센서에 안정적인 전력 공급을 입증했다. 이 접근 방식은 EMG 및 EEG와 같은 다양한 생체 신호 센서를 작동할 수 있는 다중 모드 디지털 헬스케어 플랫폼뿐만 아니라, 더 넓은 웨어러블 전력 공급 기술로 확장될 수 있다”고 덧붙였습니다.
서울대학교 주도 국제 공동 연구 성과
이 연구는 서울대학교 유제럴드 교수팀이 주도하고 도쿄대학교와 싱가포르 국립대학교가 참여한 국제 공동 연구로 진행되었습니다. 연구팀은 이 결과가 차세대 웨어러블 헬스케어 시스템의 전력 공급 문제를 해결하는 중요한 단계를 제시할 것으로 기대하고 있습니다.
논문의 공동 제1저자는 주오위에 리 박사와 조앤 시 잉 탄 박사이며, 공동 저자로는 서울대학교 통합 석박사 과정 학생인 박경수, 김동한, 김광진이 참여했습니다. 이 연구는 한국의 국가연구사업(구 중견연구자지원사업 유형2, RS-2024-00339998)의 지원을 받았습니다. 연구 결과는 2026년 5월 1일(현지 시간) 미국과학진흥협회(AAAS)가 발행하는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴스(Science Advances)’에 게재되었습니다.
이 연구는 차세대 웨어러블 헬스케어 시스템의 전력 공급 과제를 해결하는 중요한 진전을 보여주며, 한국의 기술력이 국제적인 생체 신호 모니터링 기술 발전에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.
