체내 삽입형 의료기기의 무선 충전 효율을 높이는 기술이 울산과학기술원 교수팀에 의해 개발됐다.
기기 내부 회로마다 다른 부하 특성에 맞춰 전력 전달 경로를 바꿔 줌으로써 충전 과정에서 전력이 열로 손실되는 것을 줄인 기술이다. 향후 심박동기나 신경자극기 같은 기기의 배터리 수명을 늘려, 환자들이 겪는 주기적인 교체 수술 부담을 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
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| ▲ 변영재 교수(왼쪽)와 신성민 연구원. [울산과학기술원 제공] |
UNIST는 전기전자공학과 변영재 교수팀이 체내 삽입 기기 내부의 전력 사용량에 맞춰 전기 에너지 전달 경로를 변경하는 무선 전력 전송 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.
심박동기 같은 체내 삽입형 기기에는 신경을 자극하는 회로처럼 큰 전류가 필요한 고부하 회로와 데이터 처리 회로처럼 적은 전류로 동작하는 저부하 회로가 함께 들어간다. 부하가 달라지면 전력이 기기 안으로 가장 효율적으로 들어가는 조건도 달라지지만, 기존 충전 기술은 이 조건을 하나로 고정해 기기 작동 상황에 따라 전력 손실이 발생할 수 있다. 전력 손실은 발열 문제로도 이어져 주변 조직을 손상하거나 이물 반응을 유발할 수 있다.
연구팀이 개발한 무선충전 기술은 고부하와 저부하 상황을 구분하고, 각각의 상황에 맞는 '전용 정합 회로(Matching Network)'를 적용해 전력 전달 효율을 높였다. 정합 회로는 송신코일에서 넘어온 전력이 수신코일을 거쳐 기기 안으로 잘 들어오도록 조건을 맞춰주는 일종의 관문 회로다. 부하가 달라질 때마다 내부 전자 스위치가 고부하와 저부하에 맞는 정합 회로를 각각 연결해, 수신코일에서 들어온 전력이 기기 안으로 더 잘 넘어가도록 한 것이다.
또 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 정류 회로의 효율도 함께 높였다. 몸 밖에서 넘어온 전력은 수신코일에 교류 형태로 전달되는데, 실제 의료기기 회로가 이를 쓰려면 직류 전력으로 바꿔야 한다. 연구팀은 이 과정에서 스위치가 켜지고 꺼지는 시점을 조절하는 기술을 적용해 변환 과정의 손실을 줄였다.
실험에서 송신코일에서 수신코일까지 전력이 넘어오는 비율인 링크 효율은 저부하 조건인 3㎃에서 94.4%, 고부하 조건인 30㎃에서 92.7%를 기록했다. 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 능동 정류기의 전력 변환 효율도 최고 94.5%였으며, 입력 전압이 2.5~5.0V로 달라져도 92.3% 이상의 효율을 유지했다.
연구팀은 이번 기술이 향후 장시간 사용이 필요한 체내 삽입형 의료기기의 안정성과 사용 시간을 높이는 데 기여할 것으로 보고 있다. 또한 웨어러블 기기와 초소형 IoT 기기 등 다양한 저전력 전자기기 분야에서도 활용도가 높을 것으로 내다봤다.
연구 수행은 과학기술정보통신부 정보통신기획평가원의 지원을 받아 이뤄졌으며, 연구 결과는 반도체 회로·시스템 분야 국제학술지 IEEE '트랜잭션스 온 베리 라지 스케일 인터그레이션 시스템'(Transactions on Very Large Scale Integration Systems)에 4월 29일 온라인 공개됐다.
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| ▲ 연구진이 개발한 무선전력 전송 시스템 칩(상단)과 능동 정류기 칩(하단). [울산과기원 제공] |
KPI뉴스 / 최재호 기자 choijh1992@kpinews.kr
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