체내 삽입형 의료기기의 무선 충전 효율을 개선하는 반도체 기술이 나왔다. 기기 내부 부하 상태에 따라 전력 전달 경로를 조정해 손실과 발열을 줄이는 방식으로, 장기간 사용이 필요한 의료기기의 운용 안정성을 높일 수 있는 기술로 평가된다.

울산과학기술원(UNIST)은 전기전자공학과 변영재 교수 연구팀이 체내 삽입형 의료기기의 전력 사용량 변화에 맞춰 전력 전달 구조를 조정하는 무선 전력 전송 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

이 기술은 기기 내부 회로 특성에 따라 전력 전달 조건을 바꾸는 방식으로, 기존 고정형 충전 구조의 한계를 보완하는 것이 특징이다.

체내 삽입형 의료기기에는 △신경 자극 등 고전류를 요구하는 고부하 회로 △데이터 처리와 같은 저전류 기반 회로가 함께 존재한다. 이처럼 부하 조건이 달라지면 최적의 전력 전달 조건도 변하지만, 기존 무선 충전 방식은 이를 하나로 고정해 전력 손실이 발생하는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 부하 조건을 구분하고, 각각에 맞는 전용 정합 회로(Matching Network)를 적용했다. 내부 전자 스위치를 활용해 고부하·저부하 상황에 따라 적합한 회로로 연결되도록 설계해 전력 전달 효율을 높였다.

정합 회로는 외부 송신 코일에서 전달된 전력이 수신 코일을 통해 의료기기 내부로 효율적으로 유입되도록 조정하는 회로로, 전력 전달 과정의 핵심 요소로 설명된다.

연구팀은 전력 전달뿐 아니라 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 정류 과정의 효율도 개선했다. 외부에서 전달되는 전력은 교류 형태이기 때문에 의료기기에서 사용하려면 직류로 변환이 필요하다.

이 과정에서 스위치 동작 타이밍을 제어하는 방식이 적용돼 변환 단계에서 발생하는 손실을 줄였다고 연구팀은 밝혔다.

실험 결과 전력 전달 효율은 조건별로 △저부하(3mA) 조건: 링크 효율 94.4% △고부하(30mA) 조건: 링크 효율 92.7% △정류기 변환 효율: 최고 94.5% △입력 전압 2.5∼5.0V 구간: 효율 92.3% 이상 유지 등으로 나타났다.

이 수치는 부하 변화와 입력 조건 변동에도 안정적인 전력 전달이 가능함을 보여주는 결과로 제시됐다.

연구팀은 이번 기술이 심박동기, 신경자극기 등 장기간 사용되는 체내 삽입형 의료기기의 배터리 수명을 늘리는 데 활용될 수 있다고 설명했다. 이에 따라 주기적으로 진행되는 배터리 교체 수술 부담 완화에 기여할 수 있을 것으로 전망했다.

또한 동일 기술이 △웨어러블 기기 △초소형 사물인터넷(IoT) 장치 등 저전력 전자기기 분야로 확장될 가능성도 함께 제시됐다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 정보통신기획평가원(IITP)의 지원을 받아 수행됐으며, 결과는 반도체 회로·시스템 분야 학술지 ‘IEEE 트랜잭션스 온 베리 라지 스케일 인터그레이션 시스템(Transactions on Very Large Scale Integration Systems)’에 4월29일 온라인 공개됐다.