【브레이크뉴스 대구】이성현 기자=DGIST 전기전자컴퓨터공학과 이정협 교수 연구팀이 격렬한 움직임이 있는 웨어러블 환경에서도 심전도와 뇌파 등 생체신호를 안정적으로 측정할 수 있는 ‘초저전력·고해상도 아날로그-디지털 변환기(ADC)’ 핵심 기술을 개발했다.

▲ (좌측부터) DGIST 전기전자컴퓨터공학과 이정협 교수, 김근하 박사후연수연구원  © DGIST

연구팀은 해당 기술을 실제 반도체 칩으로 구현해 동작 검증까지 성공적으로 마쳤다고 밝혔다.

스마트워치 등 웨어러블 기기를 통한 생체신호 측정은 신호 자체가 매우 미세해 잡음(노이즈)을 최소화하는 것이 필수적이다. 특히 사용자의 움직임으로 인해 피부와 전극의 접촉 상태가 변하면서 발생하는 ‘움직임 유발 간섭’은 신호를 왜곡시키는 주요 원인으로 꼽힌다.

이 문제를 해결하기 위해 측정 회로는 잡음이 적으면서도 넓은 입력 범위를 수용해야 하고 동시에 전력 소모도 최소화해야 한다. 그러나 이러한 조건은 회로 설계에서 서로 충돌하는 특성이 있어 동시에 구현하기 어려운 기술적 난제로 여겨져 왔다.

이정협 교수팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 샘플링 과정에서 발생하는 열잡음을 고주파 영역으로 이동시켜 제거하는 ‘노이즈-쉐이핑 SAR ADC(Noise-shaping SAR ADC)’ 구조를 새롭게 제안했다. 이 독자적인 설계를 통해 복잡한 보정 기술이나 대형 커패시터 없이도 공정과 전압, 온도 변화에 영향을 받지 않는 세계 최고 수준의 저잡음 성능을 구현했다.

이번 연구는 웨어러블 기기에 필요한 저잡음, 넓은 입력 범위, 초저전력 특성을 단일 반도체 칩 구조에서 동시에 구현할 수 있는 핵심 설계 방식을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 특히 주변 간섭이 많은 환경에서도 신호 왜곡을 최소화할 수 있어 장시간 건강 모니터링용 웨어러블 기기와 고정밀 의료기기 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

이정협 DGIST 교수는 “웨어러블 환경에서 발생하는 큰 움직임 조건에서도 생체신호 측정의 핵심 요구사항을 동시에 만족할 수 있는 혁신적인 ADC 구조를 제시했다”고 설명했다.

김근하 박사후연수연구원은 “이번 연구가 장시간 생체신호 모니터링을 위한 차세대 웨어러블 및 의료기기 기술 고도화에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구사업(기초연구실)과 바이오·의료기술개발사업, 원천기술국제협력개발사업, 정보통신기획평가원(IITP)의 AI스타펠로우십 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 반도체 분야 세계 최고 학회로 꼽히는 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표됐다.

또한 이정협 교수 연구팀은 최근 5년간 ISSCC 바이오메디컬 세션에서 주저자 기준 총 5편의 논문을 발표하며 해당 분야에서 세계 최다 논문 발표 연구 그룹으로 자리매김했다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

DGIST Research Team Develops ‘Ultra-Low Power ADC’ Technology for Stable Biosignal Measurement in Wearable Environments

A research team led by Professor Lee Jung-hyup of the Department of Electrical Engineering and Computer Science at DGIST has developed core technology for an ‘ultra-low power, high-resolution Analog-to-Digital Converter (ADC)’ capable of stably measuring biosignals, such as electrocardiograms (ECGs) and brainwaves (EEGs), even in wearable environments involving vigorous movement.

The research team announced that they have successfully implemented the technology into an actual semiconductor chip and completed operational verification.

Measuring biosignals through wearable devices, such as smartwatches, requires minimizing noise because the signals themselves are extremely minute. In particular, ‘motion-induced interference,’ which occurs as the contact state between the skin and electrodes changes due to user movement, is cited as a major cause of signal distortion.

To solve this problem, the measurement circuit must accommodate a wide input range while minimizing noise, and simultaneously minimize power consumption. However, these conditions have been considered a technical challenge that is difficult to implement simultaneously due to conflicting characteristics in circuit design.

To address these issues, Professor Lee Jung-hyup's team proposed a novel "Noise-shaping SAR ADC" structure that eliminates thermal noise generated during the sampling process by shifting it to the high-frequency range. Through this proprietary design, they achieved world-class low-noise performance unaffected by process, voltage, or temperature variations, without the need for complex calibration techniques or large capacitors.

This research is significant in that it presents a key design approach capable of simultaneously realizing the low noise, wide input range, and ultra-low power characteristics required for wearable devices within a single semiconductor chip structure. In particular, as it minimizes signal distortion even in environments with significant ambient interference, it is expected to be utilized in various fields, such as wearable devices for long-term health monitoring and high-precision medical equipment.

Professor Lee Jung-hyup of DGIST explained, "We have presented an innovative ADC structure capable of simultaneously satisfying the core requirements for biosignal measurement even under conditions of large movement in wearable environments." “We expect this research to significantly contribute to the advancement of next-generation wearable and medical device technologies for long-term biosignal monitoring,” said Dr. Kim Geun-ha, a postdoctoral researcher.

This research was conducted with support from the Ministry of Science and ICT and the National Research Foundation of Korea’s Basic Research Program (Basic Research Laboratory), Bio-Medical Technology Development Program, and Original Technology International Cooperation Development Program, as well as the AI ​​Star Fellowship from the Institute of Information & Communication Technology Planning & Evaluation (IITP). The research results were presented at the International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), considered the world’s top conference in the semiconductor field.

In addition, Professor Lee Jung-hyup’s research team has established itself as the world’s most prolific research group in the field, having published a total of five papers as lead authors in the ISSCC Biomedical Session over the past five years.