【브레이크뉴스 대구】이성현 기자=DGIST 연구진이 심전도(ECG)와 근전도(EMG) 등 다양한 생체 신호를 하나의 칩에서 동시에 측정할 수 있는 초소형·초저전력 반도체 기술을 세계 최초로 개발했다.

▲ 시분할 잡음성형 SAR ADC(아날로그-디지털 변환기) 반도체 칩  © DGIST

DGIST(총장 이건우)는 전기전자컴퓨터공학과 이정협 교수 연구팀이 ‘시분할 잡음성형 SAR ADC(아날로그-디지털 변환기)’ 반도체 칩을 개발하고 실제 칩 제작과 성능 검증까지 성공적으로 마쳤다고 밝혔다.

생체 신호를 측정하는 스마트워치와 같은 웨어러블 기기는 사용자의 움직임이나 피부 상태 변화에도 정확한 데이터를 수집해야 한다. 이를 위해서는 피부 접촉이 약하거나 땀이 없는 환경에서도 신호를 안정적으로 감지할 수 있는 초고입력 임피던스 특성과 움직임에 따른 신호 왜곡을 줄이는 넓은 입력 범위, 장시간 사용을 위한 저전력 설계가 필수적이다.

그러나 기존 기술은 이러한 요구 조건을 하나의 반도체 칩에서 동시에 구현하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 전력과 칩 면적을 많이 차지하는 회로를 여러 채널이 함께 사용하는 구조를 도입하고, 핵심 부품만 개별 채널에 배치하는 새로운 형태의 ‘시분할 3차 잡음성형 SAR ADC’ 구조를 제안해 문제를 해결했다.

이를 통해 다채널 생체신호 측정 시스템에서 필요한 회로 규모와 전력 소비를 크게 줄이면서도 높은 성능을 유지하는 초소형·초저전력 반도체를 구현하는 데 성공했다.

또한 연구팀은 전력 소모를 최소화하기 위한 전압 사전 설정 기술(CAIB)과 신호 왜곡을 보정하는 기술(TD-CLA) 등 자체 개발한 설계 기법을 적용해 세계 최고 수준의 성능을 확보했다.

이번 성과는 웨어러블 기기에 요구되는 핵심 성능을 단일 칩에 집약한 차세대 반도체 설계 기술을 제시했다는 점에서 의미가 크다.

개발된 칩은 스마트워치와 같은 웨어러블 건강관리 기기뿐만 아니라 장시간 생체신호 모니터링 시스템, 디지털 헬스케어 플랫폼, 고정밀 의료기기 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.

이정협 DGIST 전기전자컴퓨터공학과 교수는 “이번 연구는 웨어러블 환경에서 발생하는 다양한 움직임과 전극 접촉 변화에도 안정적인 측정이 가능하면서 초소형·초저전력·고성능을 동시에 구현할 수 있는 새로운 반도체 구조를 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.

공동 연구에 참여한 김근하 박사후연수연구원은 “건식 및 비접촉 전극 기반 웨어러블 기기의 성능을 향상시켜 향후 다양한 생체 신호를 장시간 측정할 수 있는 차세대 디지털 헬스케어 기술 발전에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편 이번 연구는 삼성전자와 한국연구재단 기초연구사업, 뇌공학융합연구센터의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 지난 6월 미국 하와이에서 열린 반도체 분야 최고 권위 학술대회인 IEEE Symposium on VLSI Technology & Circuits 2026에서 발표됐다.

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

DGIST Develops World's First Ultra-Low Power Semiconductor Chip for Multi-Biometric Signal Measurement

Researchers at DGIST have developed, for the first time in the world, ultra-small, ultra-low power semiconductor technology capable of simultaneously measuring various biometric signals, such as electrocardiograms (ECG) and electromyograms (EMG), on a single chip.

DGIST (President Lee Kun-woo) announced that a research team led by Professor Lee Jung-hyup of the Department of Electrical Engineering and Computer Science has developed a "Time Division Noise Shaping SAR ADC (Analog-to-Digital Converter)" semiconductor chip and has successfully completed the actual chip fabrication and performance verification.

Wearable devices that measure biometric signals, such as smartwatches, must collect accurate data even in the presence of user movement or changes in skin condition. To achieve this, it is essential to have ultra-high input impedance characteristics capable of stably detecting signals even in environments with weak skin contact or no sweat, a wide input range to reduce signal distortion caused by movement, and a low-power design for long-term use.

However, existing technologies had limitations in simultaneously implementing these requirements on a single semiconductor chip.

The research team solved the problem by proposing a new type of ‘Time Division 3 Noise Shaping SAR ADC’ structure that utilizes a shared circuit across multiple channels to handle circuits that occupy significant power and chip area, while placing only core components in individual channels.

Through this, they succeeded in realizing an ultra-small, ultra-low-power semiconductor that maintains high performance while significantly reducing the circuit size and power consumption required for multi-channel biosignal measurement systems.

Furthermore, the team secured world-class performance by applying proprietary design techniques, such as Voltage Preset-Input Method (CAIB) to minimize power consumption and Signal Distortion Correction (TD-CLA).

This achievement is highly significant as it presents next-generation semiconductor design technology that integrates the core performance requirements of wearable devices into a single chip.

The developed chip is expected to be utilized in various fields, including not only wearable health management devices like smartwatches but also long-term biosignal monitoring systems, digital healthcare platforms, and high-precision medical devices. "This research is highly significant in that it presents a new semiconductor structure capable of simultaneously realizing ultra-small size, ultra-low power consumption, and high performance, while enabling stable measurements even amidst various movements and changes in electrode contact occurring in wearable environments," said Lee Jung-hyup, a professor in the Department of Electrical Engineering and Computer Science at DGIST.

Kim Geun-ha, a postdoctoral researcher who participated in the joint study, stated, "By improving the performance of dry and non-contact electrode-based wearable devices, we expect this to contribute to the development of next-generation digital healthcare technology capable of measuring various biosignals for extended periods."

Meanwhile, this research was conducted with support from Samsung Electronics, the National Research Foundation of Korea's Basic Research Program, and the Brain Engineering Convergence Research Center. The research results were presented at the IEEE Symposium on VLSI Technology & Circuits 2026, the most prestigious academic conference in the semiconductor field, held in Hawaii, USA, last June.