변영재 UNIST 교수팀 개발
기기내 회로 부하에 맞춰 전력 전송 경로 변환
체내 삽입형 의료기기의 무선 충전 효율을 높이는 기술이 나왔다. 기기 내부 회로마다 다른 부하 특성에 맞춰 전력 전송 경로를 달리해 전송 전력이 열로 손실되는 것을 줄인 기술이다.
변영재 UNIST 전기전자공학과 교수팀은 체내 삽입 의료기기 내부의 회로별 용량에 맞춰 전기 에너지 전송 경로를 변경해 전송 효율을 높인 무선 전력 전송 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.
심박동기 같은 체내 삽입형 의료기기에는 상대적으로 많은 전류가 필요한 신경 자극 회로(고부하 회로)와 데이터 처리처럼 적은 전류로 동작하는 회로(저부하 회로)가 함께 들어 있다. 이러한 부하 조건에 고려해 전력을 전송해야 효율적으로 충전할 수 있다.
하지만 기존 충전 방식은 이러한 회로별 부하 조건을 고려하지 않아 기기 작동 상황에 따라 전력 손실이 발생했다. 발열 문제로 이어져 주변 조직을 손상하거나 이물 반응 우려도 있었다.
변 교수팀은 이러한 고부하와 저부하 각각의 상황에 맞는 '전용 정합 회로(Matching Network)'를 설계 적용해 전력 전송 효율을 극대화했다.
정합 회로는 송신코일에서 넘어온 전력이 수신코일을 거쳐 기기 안으로 잘 들어오도록 조건을 맞춰주는 일종의 관문 회로다. 전용 정합 회로는 부하가 달라질 때마다 내부 전자 스위치를 고부하와 저부하에 맞는 정합 회로와 연결해 전력이 기기 안으로 더 잘 넘어가도록 제어한다.
변 교수팀은 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 정류 회로의 효율도 함께 높였다. 밖에서 전송된 전력은 교류이고, 체내 의료기기 회로에서 이를 사용하려면 직류로 바꿔야 하는데 이 과정에서 스위치를 켜고 끄는 시점을 조절하는 기술로 변환 과정의 손실을 줄였다.
개발 기술의 충전 테스트 결과 송신코일에서 수신코일까지 전력이 손실없이 넘어오는 비율(링크 효율)은 저부하 조건 3㎃에서 94.4%, 고부하 조건인 30㎃에서 92.7%를 기록했다. 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 능동 정류기의 전력 변환 효율은 최고 94.5%를 나타냈고, 입력 전압이 2.5~5.0V로 달라져도 92.3% 이상의 효율을 유지했다.
변영재 교수는 “심박동기, 신경자극기 등 체내 삽입형 의료기기의 배터리 수명을 늘릴 수 있어 주기적 교체와 수술 부담을 낮출 수 있다”며 “의료기기는 물론 웨어러블 기기, 초소형 IoT 기기 등 다양한 저전력 전자기기 분야에서 활용도가 높을 것”이라고 말했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
