왜 의료용 웨어러블 디바이스는 정교한 전원 관리가 필요한가

  • 2020-06-04
  • 글 / 마크 패트릭(Mark Patrick), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)




휴대성 뛰어난 웨어러블 모니터링 디바이스를 사용할 수 있게 됨에 따라서 디지털 의료 분야로 근본적인 변화를 맞고 있다. 이러한 디바이스들을 사용해서 만성 질환을 앓는 환자들이 일상 생활을 하면서 모니터링을 할 수 있다. 그러므로 환자를 더 잘 돌볼 수 있고 어느 때보다 환자들을 위해서 편의성을 높이게 되었다. 그런데 이러한 디바이스들을 배터리를 크게 하지 않으면서 장시간 구동하는 것이 디자이너들에게 새로운 과제가 되었다.



어떤 기술이나 마찬가지로, 웨어러블 디바이스도 세대를 거듭하면서 이전 세대보다 더 많은 기능을 추가하고 있다. 그러기 위해서는 전원 요구가 복잡해진다. 더 많은 기능은 더 많은 전력을 필요로 하기 때문이다. 배터리 크기를 늘리는 것은 가능하지 않다. 그러면 전반적인 디바이스 크기와 무게를 늘리고, 이것은 사용자들에게 불편할 것이기 때문이다. 특히 노인이나 어린이들에게 부담이 될 것이다. 충전을 수시로 해야 하는 것 또한 피해야 한다. 그렇다면 남은 방법은 디바이스 내에서 가용 전력을 좀더 지능적으로 관리하는 것이다.

웨어러블의 설계 과제

의료용 웨어러블 디바이스는 물리적으로 크기는 작지만 다수의 요소들로 이루어진 포괄적인 시스템이다. 통상적으로 다음과 같은 장치들로 이루어진다:

• 마이크로컨트롤러 유닛(MCU). 코드/펌웨어를 실행하고 데이터를 관리 및 처리한다.
• 재충전가능 배터리. 디바이스가 작동할 수 있도록 에너지를 제공한다.
• 센서. 모니터링하고자 하는 파라미터에 대해서 데이터를 수집한다. 맥박 측정기나 혈당 측정기 또는 가속도계나 자이로스코프 같은 범용 센서일 수 있다.
• 무선 통신 인터페이스. 통상적으로 블루투스 저에너지(BLE)나 근거리 통신(NFC) 같은 저에너지 프로토콜이다.
• 보안 조치. 하드웨어와 소프트웨어를 조합할 수 있으며, 모든 전송을 암호화하고, 펌웨어를 악의적으로 조작하지 못하도록 한다.

모든 의료용 모니터링 디바이스는 특정한 용도를 갖는다. 일반적인 피트니스 밴드라 하더라도 생체 신호 같은 것들을 측정할 수 있다. 이러한 용도에 따라서 MCU와 센서를 선택해야 하며, 요구되는 측정 정확도, 신뢰성, 반복정밀성이 달라진다. 한 번의 충전으로 사용 가능한 시간에 따라서도 부품 선택에 영향을 미친다. 어떤 경우에는 극히 전력 소모가 낮은 부품을 필요로 할 수 있다.

MCU가 이 시스템의 핵심으로서 센서와 여타 부품들을 관리한다. 많은 경우에 주변장치들을 그룹으로 묶어서 필요에 따라서 파워 다운할 수 있다. 예를 들어서 RF 섹션은 데이터를 전송할 때만 필요하고, 특정 센서를 분당 1회 리딩만 하고 나머지 시간에는 파워 다운할 수 있다.



배터리


배터리 기술이 최근 몇 년 사이에 빠르게 개발되고 있다. 기존 소재는 향상되고, 새로운 소재들이 등장하고 있다. 웨어러블에 주로 사용되는 타입은 리튬이온으로서, 이 배터리는 단일 셀로 3.2V~4V의 전압을 발생시킨다. 일부 웨어러블에는 리튬이온 폴리머(LiPo) 배터리를 사용하기도 하나, 리튬이온이 저장 용량이 높고 비교적 환경 친화적이라는 점에서 더 선호된다.

그런데 여기에도 물리 법칙이 적용되어서, 리튬이온 배터리의 저장 용량과 물리적 크기 사이에 강한 상관성을 갖는다. 그러므로 웨어러블 같이 공간이 극히 제약적인 디자인으로는 배터리를 크게 할 수 없으므로 많은 에너지를 사용할 수 없다. 이러한 상황을 개선하기 위해서 새로운 소재와 기술을 개발하기 위한 연구가 계속되고 있으며, 많은 연구에서 그래핀을 활용해서 단위 체적당 배터리 용량을 크게 향상시킬 수 있는 것으로 드러나고 있다. 또 다른 연구 분야는 수퍼커패시터로서, 나노기술의 발전을 활용하고 있다.



극저전력 MCU


최신 웨어러블 디바이스를 설계하기 위해서 디자이너들은 전력이 극히 낮은 MCU를 선택하고 있다. 현재 이 측면에서 가장 앞서 있는 MCU는 동작할 때 1mA 훨씬 미만 및 슬립 모드로 수 nA만을 소모한다. MCU는 자체적인 소모뿐만 아니라, 주변장치로의 에너지 공급을 관리해서 귀중한 배터리 용량이 낭비되지 않도록 함으로써 전반적인 전력 소모를 낮추기 위해서 중요한 역할을 한다.

맥심 인테그레이티드(Maxim Integrated)의 MAX32660 MCU는 성능과 효율을 결합함으로써 웨어러블 디바이스에 사용하기에 이상적이다. 32비트 ARM Cortex-M4 코어를 기반으로 한 이 MCU는 부동소수점 유닛(FPU) 프로세서를 포함하며 센서와 여타 주변장치들에 대한 관리 기능을 포함한다.



또한 MAX32660은 외부적 메모리 디바이스를 제어해서 향상된 프로세싱 알고리즘을 개발하고 실행할 수 있다. 또한 이 디바이스는 메가헤르츠당 단 50μW의 전력만을 필요로 한다는 점에서 업계를 선도하고 있다. 또한 크기가 1.6mm×1.6mm(WLP 패키지)에 불과하므로 공간 제약적인 웨어러블 디바이스에 사용하기에 적합하다.

의료용 웨어러블 용으로 다양한 극저전력 32비트 MCU 제품을 제공하는 또 다른 회사는 마이크로칩(Microchip)이다. Microhip의 SAM 시리즈는 ARM Cortex-M0+를 기반으로 한 소형 SAM D MCU, 고성능 PIC32MX XLP MCU, 극저전력 SAM L 제품을 포함한다. 에너지 효율적인 이들 디바이스 제품은 슬립 모드로 200nA만을 소모하고, 동작할 때는 35μA/MHz 미만을 소모한다.

크기는 작고 적은 에너지를 소모하는데도 기능성은 결코 떨어지지 않아서 LCD 포트, 연산 증폭기, 실시간 클록, mTouch 센싱, USB, DMA(Direct Memory Access) 인터페이스를 포함한다.

실리콘랩스(Silicon Labs)의 EFM32 Giant Gecko ARM Cortex-M3은 의료용 웨어러블에 적합한 또 다른 32비트 MCU 제품이다. 이들 제품은 보안을 높이는 AES 암호화, 통신을 위한 UART, 전력을 낮추는 센서 인터페이스, 연산증폭기를 비롯한 자율적인 저에너지 주변장치들을 포함한다.



배터리 의존도를 낮추다


의료용 애플리케이션으로는 배터리 기술이 까다로운 과제이다. 환자가 배터리를 충전하는 것을 깜빡 하고 잊는다면 모니터링을 할 수 없다. 또 어떤 경우에는 의료진이 충전을 해야 하는데, 그러면 이들의 업무 부담을 늘리게 된다. 이 때문에 의료 전문가들이 배터
리에 기반 한 의료 모니터링 장비를 도입하는 것에 주춤해 왔으며, 그럼으로써 장비 업체들이 대안적인 방법으로
눈을 돌리게 되었다.

에너지 포집은 배터리와 같은 형태로 저장된 에너지를 사용하는 것이 아니고, 태양광이나 태양열 같은 원천 에너지나 환자가 디바이스를 착용하고 움직일 때 발생되는 움직임으로부터 에너지를 발생시키는 것이다. 이러한 태양광/태양열/움직임이 충분하기만 하다면 거의 무한정한 전력을 제공할 수 있으므로 웨어러블을 어떠한 개입 없이 무한히 작동할 수 있다.

보통 사람은 열과 움직임을 혼합해서 하루에 107J을 소모한다. 그러므로 움직임과 열을 전기 전력으로 변환할 수만 있다면 소형 웨어러블 디바이스를 구동하기에 충분한 에너지를 손쉽게 얻을 수 있다는 뜻이 된다.

열을 전기로 변환하는 원리는 제벡효과이다. 두 지점의 열 차이에 의해서 전압을 발생시킬 수 있다. 웨어러블의 경우에 환자와 접촉하는 면은 따뜻하고 주변 공기와 접촉하는 면은 차갑다.

이 변환을 위해서 사용되는 것이 반도체 기반의 펠티에 셀이다. 펠티에 셀의 장점은 실내에서나 야간에 잘 작동하지 못하는 태양광과 달리 24/7으로 에너지를 발생시킬 수 있다는 것이다.

환자가 움직일 때 에너지가 발생되고, 이 움직임을 압전 소자를 사용해서 전기 에너지로 변환할 수 있다. 압전 소자는 사람이 걷거나 운동을 할 때 발생되는 움직임으로부터 소량의 전류를 발생시킬 수 있다. Wurth Electronics는 개발자들이 에너지 포집을 손쉽게 개발할 수 있도록 에너지 포집 솔루션 개발키트를 제공한다.

온보드 전압 레귤레이션

웨어러블 디바이스는 흔히 온보드 DC/DC 컨버터를 사용해서 시스템 내의 모든 장치들로 공급되는 전압을 일정하게 유지한다. 통상적으로 MCU에 의해서 제어되며, 정교한 DC/DC 컨버터는 자신이 소모하는 에너지를 비롯해서 디바이스 내의 모든 에너지를 되도록 효율적으로 사용하도록 관리할 수 있다. 이러한 용도로 적합한 고도로 통합적인 DC/DC 컨버터 솔루션이 Analog Devices의 LTC3107이다.

이 디바이스는 에너지 포집에 사용하기에 적합하도록 설계되었으며 극히 적은 에너지를 소모한다. 에너지 포집과 배터리를 함께 사용해서 배터리 시간을 크게 연장할 수 있으므로 배터리 교체에 따른 비용과 불편을 줄일 수 있다.

의료용 웨어러블 디바이스가 갈수록 더 작은 크기로 더 많은 기능을 집어넣음에 따라서, 전원 관리를 위한 혁신적인 접근법이 필요하게 되었다. 배터리 에너지를 더 효율적으로 활용하는 것이 필요하며, 에너지 포집을 결합함으로써 편의성을 높일 수 있다. 또한 정교한 DC/DC 컨버터를 사용해서 전원 관리를 향상시킬 수 있다.
 

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