"빛을 에너지원으로" KAIST, 차세대 웨어러블 플랫폼 개발

빛을 에너지원으로 활용하는 전력의 최적화로 24시간 건강 상태를 모니터링할 차세대 웨어러블 플랫폼이 개발됐다.

KAIST는 전기 및 전자공학부 권경하 교수팀과 미국 노스웨스턴대 박찬호 박사팀이 주변 빛을 활용해 배터리 전력 부담을 줄인 '적응형 무선 웨어러블 플랫폼'을 개발했다고 30일 밝혔다.

(왼쪽부터) 심영민 석박통합과정. 박도윤 박사과정, 박찬호 박사후연구원, 권경하 교수. KAIST 제공

우선 공동연구팀은 의료용 웨어러블 기기의 배터리 문제를 해결하기 위해 주변의 자연광을 에너지원으로 활용하는 플랫폼을 개발했다.

이 플랫폼은 ▲광 측정 방식(Photometric Method) ▲고효율 다접합 태양전지(Photovoltaic Method) ▲축광·발광(Photoluminescent Method) 등 세 가지 상호 보완적 빛 에너지 기술을 통합한 것이 특징이다.

광 측정 방식은 주변 광원의 세기에 따라 LED 밝기를 적응적으로 조절할 수 있게 한다. 주변 자연광과 LED 빛을 합쳐 일정한 조명량을 유지하되 자연광이 강할 때는 LED를 어둡게, 자연광이 약할 때는 LED를 밝게 자동 조절하는 것이다.

기존 센서가 환경과 관계없이 LED를 일정하게 켜야 했다면 이 기술은 주변 환경에 맞춰 LED 전력을 실시간으로 최적화할 수 있는 장점이 있다. 실험 결과 이 기능을 활용하면 ㅈ명 환경에서 전력 소모는 86.22%가량 줄어드는 것으로 확인됐다.

고효율 다접합 태양전지 기술은 실내외 모든 환경의 빛을 전력으로 변환한다. 특히 적응형 전력 관리 시스템으로 주변 환경과 배터리 상태에 따라 서로 다른 전력 구성(11가지)으로 자동 전환돼 최적의 에너지 효율을 달성한다.

축광·발광 기술은 스트론튬 알루미네이트 미세입자를 센서의 실리콘 캡슐화 구조에 혼합해 낮 동안 주변 빛을 흡수·저장했다가 어두운 환경에서 서서히 방출하는 기능이다. 이를 통해 태양광 500W/m²에 10분간 노출되면 완전한 어둠에서도 2.5분간 연속 측정이 가능하다.

스트론튬 알루미네이트 미세입자는 야광 페인트나 안전 표지판에 주로 사용되는 형광체로, 빛을 흡수한 후 어둠 속에서 오랫동안 발광하는 축광 소재다.

에너지 하베스팅 및 전원 관리 플랫폼을 적용한 다기능 장치 구성 방식. KAIST 제공

이 세 가지 기술은 상호 보완적으로 작동한다. 밝은 환경에서는 첫 번째와 두 번째 방식이, 어두운 환경에서는 세 번째 방식이 추가로 지원하는 방식으로 기기가 24시간 연속 작동할 수 있도록 지원하는 것이다.

공동연구팀은 이 플랫폼을 다양한 의료 센서에 적용해 실용성을 검증했다. 추가로 센서 내 데이터 처리 기술을 도입해 무선 통신에 따른 전력 소모를 대폭 줄인 것도 이번 연구의 성과다. 모든 원시 데이터를 외부로 전송해야 했던 기존 방식에서 벗어나 센서 내부에서 필요한 결과만 계산해 전송함으로써 데이터 전송량을 400B/s에서 4B/s로 100배 줄이는 방식이다.

공동연구팀이 개발한 플랫폼을 건강한 성인 피험자를 대상으로 밝은 실내조명, 어두운 조명, 적외선 조명, 완전한 어둠 등 환경에서 테스트한 결과, 모든 조건에서 상용 의료기기와 동등한 측정 정확도를 보였다. 생쥐 모델을 이용한 저산소 상태 실험에서도 정확한 혈중산소포화도 측정이 가능함을 확인했다.

권경하 교수는 "공동연구팀이 개발한 기술은 24시간 연속 건강 모니터링을 가능케 해 향후 의료 패러다임이 치료 중심에서 예방 중심으로 전환되는 데 기여할 수 있을 것"이라며 "조기 진단을 통한 의료비 절감 효과와 차세대 웨어러블 헬스케어 시장에서의 기술경쟁력 확보도 기대된다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 인공지능반도체대학원 박도윤 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과(논문)는 지난 1일 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'를 통해 공개됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr