한양대 연구팀, 이식형·웨어러블 기기 무선 충전 IC 개발

한양대 이준혁 연구원(왼쪽)과 이병훈 교수.

한양대학교 전기·생체공학부 바이오메디컬공학전공 이병훈 교수 연구팀이 이식형 의료기기와 웨어러블 기기의 배터리를 빠르고 안전하게 충전할 수 있는 단일단 무선 펄스 충전 집적회로(IC)를 개발했다.

인체 삽입형 의료기기와 웨어러블 헬스케어 기기는 소형화와 장시간 작동이 요구된다. 특히 체내 삽입형 기기는 배터리 교체를 위해 추가 시술이 필요할 수 있어 무선 전력 전송 기반 충전 기술이 중요하다.

기존 무선 충전 회로는 정류기·레귤레이터·충전 회로 등 여러 전력단을 거쳐야 했다. 이 과정에서 효율이 떨어지고 회로가 복잡해지는 문제가 있었다. 일반적인 정전류-정전압(CC-CV) 충전 방식은 배터리 내부저항 때문에 정확한 충전 종료 시점을 판단하기 어렵고, 과충전이나 불완전 충전 가능성도 있었다.

연구팀은 교류-직류 변환과 배터리 충전 제어를 하나의 전력단에서 동시에 수행하는 ‘단일단 무선 펄스 충전기’를 제안했다. 이 회로는 무선으로 전달된 전력을 펄스 형태의 충전 전류로 직접 변환하며, 충전 전류가 흐르는 구간과 흐르지 않는 구간을 반복해 실제 배터리 셀 전압을 감지하는 방식이다.

전류가 흐르지 않는 구간에서는 배터리 내부저항에 따른 전압강하가 사라진다. 이를 통해 별도의 고해상도 아날로그-디지털 변환기나 복잡한 디지털 연산 회로 없이 배터리 내부저항 영향을 보상할 수 있으며, 충전 시간 증가 문제를 줄이고 충전 종료 시점 검출 정확도를 높일 수 있다.

이번 무선 펄스 충전 IC는 180나노미터(nm) BCD 공정으로 제작됐다. 6.78㎒ 무선 전력 전송 환경에서 최대 92.6%의 수신 효율을 기록했다. 송·수신 코일 사이에 5㎜ 두께의 돼지고기 조직을 넣어 실제 생체 환경을 모사한 생체 외(in-vitro) 실험에서는 44.4%의 전체 무선 전력 전달 효율을 보였다.

배터리가 완충되면 충전 전류를 자동으로 차단하는 프리휠링(freewheeling) 상태에 들어간다. 전압이 다시 낮아지면 별도 통신 없이 재충전 모드로 전환된다. 회로 면적과 전력 소모를 줄여야 하는 소형 이식형 의료기기와 웨어러블 기기에 활용될 수 있는 구조다.

이병훈 한양대 교수는 “무선 전력 전송 회로와 배터리 충전 제어 기능을 하나의 전력단으로 통합했다”며 “이식형 의료기기, 웨어러블 헬스케어 기기, 소형 무선 센서 등에 활용될 수 있다”고 말했다.

이번 연구는 산업통상자원부 기술혁신사업, 알키미스트 프로젝트, 과학기술정보통신부 인공지능반도체 고급인재양성사업 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 국제학술지 ‘IEEE 트랜잭션스 온 인더스트리얼 일렉트로닉스(IEEE Transactions on Industrial Electronics)’에 6월 4일 온라인 게재됐다.

논문 제목은 ‘A Single-Stage Wireless Pulse Charger With Robust Built-in Resistance Compensation and Charging Time Reduction’이다. 한양대 이준혁 연구원이 제1저자, 김예민·김동림 연구원이 공동저자, 이병훈 교수가 교신저자로 참여했다.

김나혜 인턴기자 kim.nahye1@joongang.co.kr