"격렬한 운동 중에도 심전도 정확히 잰다"…DGIST, 웨어러블용 초저전력 반도체 칩 개발

사진 왼쪽부터 DGIST 전기전자컴퓨터공학과 이정협 교수, 김근하 박사후연수연구원. DGIST 제공.

대구경북과학기술원(DGIST) 전기전자컴퓨터공학과 이정협 교수팀이 격렬한 움직임이 있는 웨어러블 환경에서도 심전도, 뇌파 등 생체신호(ExG)를 안정적으로 측정할 수 있는 '초저전력·고해상도 아날로그-디지털 변환기(ADC)' 핵심 기술을 개발했다고 DGIST가 16일 밝혔다. 연구팀은 이 기술을 실제 반도체 칩으로 구현해 동작 검증까지 성공적으로 마쳤다.

스마트워치 등 웨어러블 기기를 통한 생체신호 측정은 신호 자체가 매우 미세해 잡음(노이즈)을 최소화하는 것이 필수적이다. 특히 사용자가 움직일 때 피부와 전극의 접촉 상태가 변하면서 발생하는 '움직임 유발 간섭'은 신호를 왜곡시키는 가장 큰 원인이다.

이를 해결하기 위해 측정 회로는 잡음이 적으면서도 넓은 입력 범위를 수용해야 하고, 동시에 전력 소모도 극히 적어야 한다. 하지만 이러한 조건들은 회로 설계상 서로 충돌하는 특성이 있어 동시에 만족시키기 매우 어려운 난제로 꼽혀왔다.

DGIST 이정협 교수팀은 이 난제를 해결하기 위해 발생하는 샘플링 열잡음(온도 등 외부 요인에 의해 발생하는 불규칙한 신호 간섭)을 고주파 영역으로 밀어내어 제거하는 '노이즈-쉐이핑 SAR ADC(Noise-shaping SAR ADC)' 구조를 새롭게 제안했다. 이 독자적인 구조를 통해 복잡한 보정 기술이나 큰 커패시터(전하 축적 장치) 없이도 공정, 전압, 온도의 변화에 흔들리지 않는 세계 최고 수준의 저잡음 성능을 달성했다.

이번 성과는 웨어러블 기기에서 필수적으로 요구되는 저잡음, 넓은 입력 범위, 초저전력 특성을 하나의 반도체 칩(단일 아키텍처) 안에서 모두 구현할 수 있는 핵심 설계법을 제시했다는 데 큰 의미가 있다. 주변 간섭이 심한 환경에서도 신호 왜곡을 최소화할 수 있어, 일상생활 속 장시간 건강 모니터링은 물론 고정밀 의료기기 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

DGIST 이정협 교수는 "웨어러블 환경에서 불가피하게 발생하는 큰 움직임 조건에서도 생체신호 측정을 위한 핵심 요구사항을 동시에 만족할 수 있는 혁신적인 ADC 구조를 제시했다"고 말했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구사업(기초연구실), 바이오·의료기술개발사업(뇌과학선도융합기술개발), 원천기술국제협력개발사업(한-EU 반도체 공동연구) 및 정보통신기획평가원(IITP)의 AI스타펠로우십 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 반도체 분야 세계 최고 학회인 '국제고체회로설계학회'(ISSCC, International Solid-State Circuits Conference)에서 발표됐다.