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2019 년 1 월 18ZB1200-01-3100P
임플란터블 능동 전자소자 원천기술 개발
Development of Core Technologies for Implantable Active Devices
2인 사 말 씀
초고령화 사회로 변화함에 따라서 헬스케어는 일회성 질병치료가 아닌 지속적인 관리와 고품격 일상을 위한 기술적/의료적 지원으로 발전하고 있으며, ICT 기술을 적용한 유헬스, 웰니스, 스마트, 모바일, 웨어러블 헬스케어 등 다양한 형태로 진화하고 있습니다. 또한, 의료용 웨어러블 디바이스는 착용형에서 피부부착형을 거쳐 몸에 이식할 수 있는 임플란터블 기술로 발전하고 있습니다. 이러한 의료 디바이스 분야에서 국내의 앞선 ICT 기술을 기반으로 헬스케어 디바이스 기술 개발을 추진함으로써 의료기기 산업의 경쟁력 향상 및 의료 복지 수준의 향상에 기여할 수 있으리라 기대됩니다. 본 사업은 웨어러블 디바이스의 가장 진화된 형태인 임플란터블 디바이스의 핵심기술의 개발을 목표로 하는 것으로서 단순 검사를 넘어서서 능동적으로 치료기능을 포함할 수 있는 능동 전자소자 기술을 개발하는 것입니다. 감지센서, 치료소자, 신호처리 및 통신칩 등 부서의 역량을 결집하여 차별화된 임플란터블 디바이스 원천기술을 산출할 것으로 기대하며, 본 기술 개발을 위하여 노고를 아끼지 않은 연구원들에 치하를 드립니다.2019 년 1 월
한국전자통신연구원 원장 직무대행 김 봉 태
제 출 문
본 연구보고서는 주요사업인 "임플란터블 능동 전자소자 원천기술 개발에 관한
연구"의 결과로서, 본 과제에 참여한 아래의 연구팀이 작성한 것입니다.
2019 년 1 월
연구책임자 : 책임연구원 이정익 (실감소자연구본부)
연구참여자 : 책임연구원/소장 엄낙웅 (ICT소재부품연구소)
책임연구원 김철암 (실감소자연구본부)
책임연구원 박찬우 (실감디스플레이연구그룹)
책임연구원 아칠성 (실감디스플레이연구그룹)
책임연구원 조성행 (실감디스플레이연구그룹)
선임연구원 남수지 (실감디스플레이연구그룹)
연구원 정현재 (실감디스플레이연구그룹)
선임연구원 변춘원 (유연소자연구그룹)
책임연구원 문제현 (유연소자연구그룹)
선임연구원 이현구 (유연소자연구그룹)
선임연구원 조현수 (유연소자연구그룹)
선임연구원 권병화 (유연소자연구그룹)
연구원 최수경 (유연소자연구그룹)
선임연구원 강찬모 (유연소자연구그룹)
연구원 성우진 (유연소자연구그룹)
책임연구원 유병곤 (유연소자연구그룹)
책임연구원 조두희 (유연소자연구그룹)
책임연구원 박영삼 (유연소자연구그룹)
연구원 권오은 (유연소자연구그룹)
연구원 이강미 (유연소자연구그룹)
연구원 권정윤 (유연소자연구그룹)
선임연구원 이종희 (유연소자연구그룹)
책임연구원 양일석 (융복합센서연구그룹)
책임연구원 양우석 (융복합센서연구그룹)
선임연구원 제창한 (융복합센서연구그룹)
선임연구원 이현중 (융복합센서연구그룹)
초빙연구원 김종대 (융복합센서연구그룹)
책임연구원 이성규 (융복합센서연구그룹)
책임연구원 황건 (융복합센서연구그룹)
선임연구원 김이경 (융복합센서연구그룹)
선임연구원 염우섭 (융복합센서연구그룹)
연구원 강현식 (융복합센서연구그룹)
책임연구원 이진호 (원천기술연구본부)
책임연구원 이명래 (원천기술연구본부)
책임연구원 송윤호 (신소자연구그룹)
책임연구원 정진우 (신소자연구그룹)
선임연구원 김재우 (신소자연구그룹)
연구원 연지환 (신소자연구그룹)
연구원 김성희 (신소자연구그룹)
연구원 전효진 (신소자연구그룹)
연구원 고은솔 (신소자연구그룹)
연구원 이정웅 (신소자연구그룹)
연구원 안유정 (신소자연구그룹)
책임연구원 서동우 (ICT소재연구그룹)
책임연구원 강성원 (지능형반도체연구본부)
책임연구원 이재진 (SoC설계연구그룹)
책임연구원 배영환 (SoC설계연구그룹)
책임연구원 김상필 (SoC설계연구그룹)
책임연구원 이석호 (SoC설계연구그룹)
연구원 한규승 (SoC설계연구그룹)
선임연구원 강태욱 (SoC설계연구그룹)
선임연구원 김성은 (SoC설계연구그룹)
책임연구원 박형일 (SoC설계연구그룹)
선임연구원 오광일 (SoC설계연구그룹)
책임연구원 임인기 (SoC설계연구그룹)
선임연구원 박미정 (SoC설계연구그룹)
연구원 장형욱 (SoC설계연구그룹)
책임연구원 변경진 (SoC설계연구그룹)
책임연구원 김혁 (SoC설계연구그룹)
책임연구원 김정범 (SoC설계연구그룹)
책임연구원 백영석 (고속신호처리연구그룹)
책임연구원 한선호 (고속신호처리연구그룹)
책임연구원 장준영 (소재부품미래연구실)
책임연구원 주무정 (소재부품미래연구실)
책임연구원 신재헌 (소재부품미래연구실)
책임연구원 여순일 (기업지원협력실)
책임연구원 성희경 (기업지원협력실)
책임연구원 박영준 (기술경제연구본부)
책임연구원 허홍석 (기술경제연구본부)
요 약 문
Ⅰ. 연구의 필요성 및 중요성
○ 초고령화 사회로 발전함에 따라서 헬스케어가 일회성 질병치료가 아닌 지속적인 관리와 고품 격 일상을 위한 기술적/의료적 지원으로 발전하고 있으며, ICT 기술을 적용한 유헬스, 웰니 스, 스마트, 모바일, 웨어러블 헬스케어 등 다양한 형태의 헬스케어로 진화 ○ 의료용 장비에 있어서 웨어러블 디바이스는 착용형(portable)에서, 피부 부착형(attachable) 을 거쳐 임플란터블 (implantable) 기술로 발전 중 ○ 경쟁력 있는 ICT 기술을 기반으로 장기적, 원천적 헬스케어 디바이스 기술을 개발함으로써 국내 의료기기 산업의 국제 경쟁력 확보 및 의료 복지 수준의 향상을 견인하고자 함Ⅱ. 연구개발 목표 및 연구내용
○ 최종 목표 : 임플란터블 능동 전자소자 원천기술 확보 - 능동 구동형 프론트엔드, 생체신호 처리/전송 SoC 및 디바이스 플랫폼 원천기술 개발 ○ 당해연도 연구개발 목표 : 임플란터블 능동 디바이스를 위한 핵심 소자기술 개발 - 유연 생체신호 검출/자극광원 기술 및 생체 검사용 센서/엑스선 기술 개발 - 생체신호 처리 프로세서 코어 기술 및 생체통신 채널모델 기술 개발 - 고효율 초음파 무선충전 소자 및 디바이스 플랫폼 설계 기술 개발 ○ 당해연도 연구개발 내용 - 플렉서블 전위 센서용 전극 어레이 개발 - 생체자극 영역 제어 가능한 유연 광원 개발 - 인체이식형 연속혈당 측정 NEMS 공진기 모듈 구조 연구 - 생체 검사/치료 엑스선 기술 - 생체신호처리 코어 RTL 설계 및 FPGA 검증 - 생체신호처리 코어 SW 툴체인 구축 - 생체통신 채널모델 (In/On-Body) 개발 - 1Mbps 생체통신 송수신 알고리즘 개발 - 생체통신 송수신기 상위설계 - 고효율 초음파 무선충전 소자 개발 - 임플란터블 디바이스 플랫폼 1.0 요소기술 설계Ⅲ. 연구개발 추진실적
○ 임플란터블 프론트엔드 기술 개발 - 플렉서블 전위센서용 전극 어레이 기술 : 유연 전극 공정기술을 이용하여 40개 채널의 생쥐용 뇌파전극 어레이를 개발용액공정을 이용한 평탄층 형성 기술 확보 - 생체자극 영역 제어 가능한 유연 광원 기술 : 생체신호 자극 및 억제를 위한 광원의 소자 기술을 개발하고, 이를 개별적으로 제어할 수 있는 10개의 광원이 집적된 광원 어레이를 설계 - 인체이식형 연속혈당 측정 NEMS 공진기 모듈 구조 기술 : 액상동작 연속혈당 측정용 센서 소자, 센서 소자 구동/감지 회로, 모듈 구조 기술 개발 - 생체 검사/치료 엑스선 기술 : 생체 검사/치료 엑스선 기술에 활용될 고밀도 전계 방출 전자원을 PCM, 스크린 프린팅 기법을 이용하여 페이스트 에미터로 검증하였으며 CNTyarn 에미터를 이용하여 초고밀도 전계 방출 전자원의 전류밀도 50A/cm2 정량 목표를 초과 달성 ○ 생체신호 처리/전송 기술 개발 - 초저전력 생체신호 처리 프로세서 FPGA 프로토타입 개발 및 디지털 기저대역 신호를 인체 매질로 직접 전송하기 위한 채널모델 및 송수신 알고리즘을 개발 - 생체신호 처리 프로세서 FPGA 프로토타입은 생체신호 처리 코어 RTL 코드와 주변장치 4종에 대한 RTL 코드를 합성하여 프로토타이핑하였고, Eclipse 기반의 통합개발환경과 연동하여 실시간 디버깅할 수 있도록 개발 - 당해연도에 개발된 생체통신 채널모델과 A-NBDT 송수신 알고리즘을 통합한 생체통신 상위 수준 시뮬레이션 모델 개발 ○ 디바이스 집적기술 개발 - 생체 이식 후 전원을 재충전하기 위한 무선 충전 기능(초음파 무선 충전, 효율 47.2%@10mm 돼지 피부조직), 생체 전기 신호 감지/자극 기능(Discrete 소자 구성 회로와 자체 칩 설계 완료), 측정 생체신호 전송을 위한 데이터 송수신 기능 및 디바이스 내부 신호처리 기능, 생체 적합 모듈화 기술로 나누고 각 요소기술/회로들을 설계 완료 - High Density EEG, EMG Triggered Spinal Cord Stimulation Closed Loop용 회로를
설계하고, 생체적합 모듈화 기술을 적용 후 Rat에 삽입하여 모듈이 생체 내에서 EMG-Spinal Cord Closed Loop 기능이 설계된 데로 동작하는 것을 확인
Ⅳ. 연구결과 활용계획
○ 웨어러블과 인체부착형의 전자소자 기술을 발전시켜 생체 내부에서 적극적인 진단과 치료 가 가능한 임플란터블 전자소자용 핵심 소재/부품 기술 분야 선점 ○ 디스플레이 기술을 기반으로 한 고집적 전극 및 자극 어레이 기술 분야에 대한 중요성을 검증함으로써 뇌 신호를 비롯한 생체신호를 읽거나 자극을 줄 수 있는 새로운 패러다임을 개척할 수 있음 ○ 임플란터블 디바이스에 최적화된 초저전력의 프로세서 및 생체통신 SoC 기술 분야에 대 한 선행적인 기술 개발을 통하여 SoC 기술 개발의 새로운 분야를 개척 ○ 생체친화형 초음파 무선충전 기술과 이에 최적화된 이차전지 전원기술을 기반으로 장시간 생체 사용이 가능한 디바이스의 새로운 플랫폼을 제공목 차
제 1 장 서론 제 1 절 연구의 필요성 및 중요성 1. 연구개발과제의 필요성 2. 연구개발과제의 중요성 3. 연구개발과제 수행의 제약요인 4. 연구개발과제 수행결과 기대효과 제 2 절 현황 및 접근방법 1. 국내외 현황 2. 핵심요소 및 접근방법 3. 혁신성과 독창성 제 2 장 연구개발 목표 및 수행방법 제 1 절 연구개발 목표 및 내용 1. 최종목표 2. 연차별 연구개발 목표 및 내용 3. 당해연도 연구개발 목표 및 내용 제 2 절 연구개발 추진체계 및 방법 1. 연구개발 추진체계 2. 연구개발 방법 제 3 절 성과목표 및 성과지표 1. 성과목표 2. 성과지표 제 4 절 추진일정 및 마일스톤 수행체계 1. 추진일정 2. 마일스톤 수행체계 제 3 장 연구개발 추진실적 제 1 절 연구개발 목표 및 내용 계획 대비 실적 제 2 절 주요연구 결과 1. 임플란터블 프론트엔드 기술 2. 생체신호 처리/전송 기술 3. 디바이스 집적 기술 제 3 절 주요연구 성과 1. 주요특허 2. 주요논문 3. 시제품/전시회/홍보 4. 기술이전 제 4 장 결론 및 연구결과 활용계획 제 1 절 결론 제 2 절 파급효과 및 성과확산계획 1. 파급효과 2. 성과확산계획제 1 장 서론
제 1 절 연구의 필요성 및 중요성
1. 연구개발과제의 필요성
◯ 초고령화 사회로 발전함에 따라서 헬스케어가 일회성 질병치료가 아닌 지속적인 관리와 고품격 일 상을 위한 기술적/의료적 지원으로 발전하고 있으며, ICT 기술을 적용한 유헬스, 웰니스, 스마트, 모바일, 웨어러블 헬스케어 등 다양한 형태의 헬스케어로 진화 ◯ 의료용 장비에 있어서 웨어러블 디바이스는 착용형(portable)에서, 피부 부착형(attachable)을 거 쳐 임플란터블 (implantable) 기술로 발전 중 ◯ 경쟁력 있는 ICT 기술을 기반으로 장기적, 원천적 헬스케어 디바이스 기술을 개발함으로써 국내 의료기기 산업의 국제 경쟁력 확보 및 의료 복지 수준의 향상을 견인하고자 함2. 연구개발과제의 중요성
◯ 정부의 20대 국정전략 중 “과학기술 발전이 선도하는 4차 산업혁명”의 추진과제로서 “고부가가치 창출 미래형 신산업 발굴.육성”의 주요내용으로 국내의 앞선 ICT 기술을 바이오.의료 디바이스 분 야로 확장함으로써 의료기기 기술발전에 기여◯ (IDX 추진전략) ETRI의 4차 산업혁명 추진전략 중 의료, 복지 및 국방 IDX 추진에 기여
- 장애인, 고령자의 기능을 보조/대체하고 정밀 진단 및 치료를 통하여 의료 및 복지 IDX 추 진에 기여 - 무기체계 제어 능력을 극대화 할 수 있는 BCI 기술 개발을 통한 국방 IDX 추진에 기여 ◯ (연구역량발전계획) 임플란터블 능동 전자소자 기술은 ETRI 경영성과계획서의 전략목표 중 초지능 정보사회 구현과 초실감 서비스 실현을 달성하기 위한 성과목표임 - 초실감 검사/치료용 프론트엔드 기술은 삶의 질 향상을 위한 초실감 서비스 실현의 완전입체 실감 디바이스용 소재부품 성과목표 달성을 위한 요소 기술임 - 지능형 생체신호 처리/전송 기술은 스스로 학습 진화하는 초지능 정보사회 구현의 지능정보 실 시간 처리지능형 고신뢰 프로세서 성과목표 달성을 위한 요소 기술임 - 응용 디바이스 기술은 스스로 학습 진화하는 초지능 정보 사회 구현의 사회적 비용절감을 위한 지능형 헬스 플랫폼 성과목표 달성을 위한 요소 기술임 그림 1. 웨어러블 디바이스의 발전 전망
◯ (중장기 발전계획) - [소재부품-1-1-4] 스킨전자 소분류에서 2018년부터 [소재부품-1-1-4-10] 임플란터블 유 연 생체신호 인지 어레이 기술 및 [소재부품-1-1-4-11] 임플란터블 유연 생체신호 광자 극 어레이 기술 등의 세부 기술을 추진 - [소재부품-1-2-3] 지능형 엣지 소분류에서 2018년부터 [소재부품-1-2-3-4] BCI 신호처리 /전송 기술 및 [소재부품-1-2-3-7] 초저전압 동작회로 설계 기술 등의 세부 기술을 추진 - 2021년부터 [소재부품-1-1-4-12] 임플란터블 고집적 유연 생체신호 인지 및 자극 복합 어 레이 기술을 추진
3. 연구개발과제 수행의 제약요인
◯ 우수한 ICT 기술에 비해 바이오/헬스 분야의 기술 개발 인프라 및 네트워크는 부족한 상황 - 기획 단계에서부터 이를 보완하기 위한 바이오/헬스 분야의 산학연 전문가를 참여시키고, 이를 통하여 개발할 융합 기술을 발굴 - 과제 수행 단계에서는 융합 기술 개발 및 기술 검증을 위한 전문가 활용 및 위탁/용역 연구 를 적극적으로 활용 ◯ 다양한 분야의 부서간 융합 기술 개발 필요 - 플렉서블 디스플레이/OLED, 프로세서/인체통신, 무선전원/이차전지 등의 기술 개발을 수행 하는 부서간 융합 기술 개발 - 다양한 분야의 기술을 통합한 대표적 기술 개발로 발전시킴과 동시에 이를 통하여 세계 최초 기술 개발로 추진4. 연구개발과제 수행결과 기대효과
◯ 웨어러블과 인체부착형 기술을 발전시켜 생체 내부에서 적극적인 진단과 치료가 가능한 임플란 터블 전자소자용 핵심 소재/부품 원천기술 확보 ◯ 유연 전자소자, 고감도 진단센서 소자, 고집적 회로, 저전력 프로세서, 지속가능 전원 및 생체적 합성 패키징 기술 등 소재/소자기술이 집적된 임플란터블 전자소자 기술 확보 그림 2. 본 기술개발과 관련된 IDX 추진 분야◯ 임플란터블 의료기기는 인구 고령화, 복지 수준의 향상으로 지속적인 의료시장 성장 기대 (116 조원 시장규모, 7.1% 성장률 @ 2022) ◯ 임플란터블 디바이스 기반의 의료/복지 서비스 및 무인/자율 국방 기술 개발을 통하여 4차 산업 혁명의 의료 및 국방 IDX 추진에 기여
제 2 절 현황 및 접근방법
1. 국내․외 현황
가. 국내․외 기술동향 및 수준
◯ (프론트엔드 기술 분야) BCI 센서, DBS 등 미국이 선도 연구를 진행하고 있으나 국소적인 면적의 신호 획득, 자극 수준이며, 플렉시블 어레이 형태의 신경 센서 및 자극기는 초기 단계 - 뇌 조직 내부로 직접 이식되는 침습형 센서의 경우 주로 반도체 공정기술을 이용한 실리콘 기반 의 micro-needle 형태로 개발되어 왔으나 전극과 생체조직 간의 Young’s modulus 차이로 인해 발생하는 조직 손상으로 인해 장기간 이식이 어려움. 유연한 폴리머 소재 기반의 탐침전극 제작 기술도 연구되고 있으나 탐침이 쉽게 변형된다는 문제가 있음 - 최근 생체 친화적이고 유연한 소재 기반의 유연/신축 전자회로에 대한 연구가 활발히 이루어지 면서, 기존의 한계를 극복하는 기술로 뇌 표면에 밀착되어 신경조직의 손상없이 안정적인 신호 를 획득하는 초박형, 유연/신축성 비침습 전극의 연구가 각광을 받고 있음 - 반도체 공정을 이용하여 수백 개의 전극 어레이를 두께 10um 이하의 초박형 유연 폴리머 기판 내에 형성함으로써, 굴곡진 뇌 표면에 완전히 밀착되고 수개월 이상의 이식기간 동안에도 높은 신호 안정성을 유지할 수 있는 passive 전극 어레이 기술들이 보고된 바 있음 - 정밀한 뇌신호 감지를 위해서는 전극 어레이의 수와 해상도를 높이는 것이 중요하나 passive 어레이의 경우 신호 전송라인이 길고 배선의 수가 너무 많아 고해상도 구현이 어려우며, 이를 극복하기 위해서는 트랜지스터를 이용한 active 전극 어레이 기술 개발이 필수적임 - 디스플레이에 응용되고 있는 active matrix 기반 어드레싱 기술은 적은 수의 외부 배선으로 구동 할 수 있어 이를 이용한 고해상도 뇌 신경 센서 어레이 개발이 활발히 이루어지고 있음 - 미국 자넬리아 팜연구소의 스콧 스턴슨 연구팀은 섭식 행동을 촉진하는 것으로 알려진 신경 세포(AGRP)에 채널로돕신 유전자를 심은 뒤 빛 리모콘을 이용 쥐들의 식욕을 조절하는 신경 세포(POMC)를 제어하여 쥐들의 식욕이 감소하는 것을 확인함. 이를 이용해 거식증이나 폭식 증 같은 질병 치료에 응용될 수 있을 것으로 기대함 - 미국 MIT의 도네가와 스스무 교수팀은 2013년에 빛을 이용해 생쥐의 해마를 자극해 전기자 극 트라우마를 떠올리게 만드는 데 성공해 ‘사이언스’에 발표했고, 2014년에는 생쥐에게 전 기자극 트라우마를 빛 자극으로 학습시킨 후, 좋은 경험과 빛 자극을 조건화해 트라우마를 잊게 만드는 데도 성공해 그 결과를 ‘네이처’에 게재함. 이를 계기로 파킨슨병, 정서불안장애 등 정신질환의 치료에 광자극을 적용하려는 연구가 활발히 이루어지고 있음 - 미국의 DARPA는 2016년 1월 사람의 뇌와 기계를 연결하는 인터페이스(BMI) 디바이스 구상 을 발표함. 인간과 컴퓨터 사이에 정보를 주고받을 수 있는 1cm3 정도 크기의 기기를 뇌에 심는 것을 목표로 삼고 있음 - 침습형 BMI 연구로 미 바텔연구소와 오하이오주립대가 2014년 6월 개발한 ‘뉴로브리지 (Neurobridge)’기술은 뇌 특정 부위에 4mm 크기 칩을 이식해 머릿속 생각을 감지하고 컴퓨 터 신호로 변환하여 팔 근육의 전극에 전기 자극을 줘 환자의 생각대로 팔이 움직이게 함 - 듀크대 신경과학 연구진은 2016년 3월 원숭이 뇌의 두 영역에 마이크로 필라멘트를 활용한 미세 섬유를 이식하여 신경세포에서 수백 개의 신호를 동시에 기록함. 원숭이가 목표지점까지 이동하고자 하면 컴퓨터는 이동에 대한 생각을 휠체어 작동이라는 명령어로 바꿔줌 - 스위스 로잔공대, 미국 브라운대, 프랑스 국립과학연구센터 등 국제 공동 연구진은 2016년 11 월 척수손상으로 하반신이 마비된 원숭이의 뇌와 척수에 뇌파를 읽을 수 있는 센서와 전기자극 장비를 심어 로봇다리나 보조기 사용 없이 직접 걷게 하는 데 성공하였음. - KIST 실감교류로보틱스연구센터 김기훈 박사팀은 2014년 8월 뇌에 사람 머리카락 굵기의 1 만분의 1 정도로 가는 10나노미터(㎚)의 정확도로 전극을 심는 '뇌정위 수술을 위한 전극 이 식장치' 기술을 개발하였음. 이 장치는 전기적 자극을 주는 방법으로 뇌 기능을 조사하는 동 물실험을 할 때, 실험용 쥐 등의 뇌 안에 전극을 정밀하게 이식할 수 있게 해주어 앞으로 컴 퓨터단층촬영(CT)이나 MRI와 결합하면 인체를 대상으로 한 뇌수술에도 활용가능함 - 혈당측정기 기술은 침습형 일회성 혈당측정기에서 점차적으로 비침습형 혹은 최소침습형 연 속혈당 측정기로 발전하고 있으며, 미국, 유럽, 독일 등의 산업체에서 침습형 일회성 혈당측 정기 제품군들과 비침습형 연속혈당 측정기 제품군들을 판매하고 있음
- 유럽 Roche, 미국 Abbott, 미국 Johnson &Johnson, 미국 Lifescan 등에서 효소 전기화학식 검출방식 침습형 일회성 혈당측정기 및 직접 광학식 검출방식 비침습형 연속혈당 측정기 제 품군들을 상용화하여 판매 - 아일랜드 Medtronic, 미국 Dexcom 등에서 마이크로 니들과 인슐린 펌프가 연동되어 6~14일 연속 측정 가능한 효소 전기화학식 검출방식 최소침습형 연속혈당 측정기 제품군들을 상용화 하여 판매 - 기존 광학식 검출방식 비침습형 및 효소 전기화학식 검출방식 최소침습형 연속혈당 측정기 대비 정확도와 신뢰도가 향상되고, 또한 연속 측정 사용 기간이 증가되는 기계식 검출방식 침습형/최소침습형 NEMS 공진기 기반 연속혈당 측정 센서, 구동/감지 회로 및 모듈에 대한 국외 연구는 산학연 중심으로 초보 단계임
- 국내 대부분의 의료기기 업체에서는 유럽 Roche, 미국 Johnson &Johnson의 효소 전기화학 식 검출방식 침습형 일회성 혈당측정기 제품군들을 수입하여 판매하고 있음 - 아이센스, SD바이오센서, 오상헬스케어, 올메디쿠스, 필로시스에서는 효소 전기화학식 검출방 식 침습형 일회성 혈당측정기 제품군들을 주력으로 판매 - 국내 대학교와 연구소에서는 효소 전기화학식 검출방식 침습형 일회성 혈당측정기의 성능 개 선을 위한 연구를 활발히 하고 있으며 비침습형 혹은 최소침습형 연속혈당 측정기에 대한 연 구는 초기 기초 단계임 - 기존 광학식 검출방식 비침습형 및 효소 전기화학식 검출방식 최소침습형 연속혈당 측정기 대비 정확도와 신뢰도가 향상되고, 또한 연속 측정 사용 가간이 증가되는 기계식 검출방식 침습형/최소침습형 NEMS 공진기 기반 연속혈당 측정 센서, 구동/감지 회로 및 모듈에 대한 국내 연구는 거의 전무한 상태임 - 일반적인 생체 검사는 인체 조직을 떼어낸 후 그 조직을 검사장비에서 엑스선 영상을 촬영하 는 방식으로 이루어지고 있음. 인체에 이식하여 생체 검사를 할 수 있는 기술은 전무함 - Xoft 사는 열전자원을 채용한 초소형 엑스선 튜브(관전압 약 50 kVp, 관전류 약 0.3 mA, 외 경 약 2.3 mm)를 개발하여 방사선 근접치료기를 판매하고 있으나 엑스선 튜브의 수명이 2~3시간 밖에 되지 않음 - 국내의 경우 인체 이식형 방사선 영상 및 치료를 위한 초소형 엑스선 튜브가 개발되지 않음 ◯ (신호처리/전송 기술 분야) 국내에서는 mW/MHz급 ARM 코어를 수입하여 사용하고 있으며, 해 외 Microsemi사는 MICS 대역 18.18~800 kbps 전송 속도를 지원하는 10mW급 생체신호 전송 칩을 개발했으나 낮은 전송속도, 높은 소비전력 등이 문제 - 저전력 프로세서 시장에서 ARM 코어는 90% 이상의 점유율로 시장을 독점하고 있으며, 국내
에서만 2천억원/년의 로열티를 지불하고 있는 실정임. 로열티 비용 절감을 위해 ARM의 IoT 코어를 대체할 수 있는 초저전력 프로세서 기술 개발 및 국산화가 필요함 - Microsemi사의 임플란터블 RF 트랜시버는 데이터 송수신용으로 402-405 MHz 대역에서 10 개의 MICS 채널과 433-434MHz 대역에서 2개의 ISM채널을 사용하며 최대 800kbps의 전송 속도를 지원함 - 데이터 송수신시 평균 5mA을 소모하되, 수신모드의 소비전력을 줄이기 위하여 2.4GHz 대역 의 Wake-up RF 수신기를 사용하여 슬립모드에서 290nA를 소모함
◯ (디바이스 집적 기술 분야) 임플란터블 기기(의료기기)는 Medtronics, St. Jude Medical, Boston Science과 같은 미국 의료기 회사들에 의해 독점적으로 생산 판매 되고 있으나 기본적으로 대부 분 일차전지를 사용하여 사용시간이 평균 수년으로 제한되는 것이 문제임 - 최근 간단한 기능의 임플란터블 의료기기가 중국의 의료기기회사를 중심으로 개발 중이지만 아직 제품으로 출시되지는 않았음 - 차세대 능동형 임플란터블 디바이스의 대표적인 예는 BCI 분야이다. 뇌에서의 정보를 이용하 여 팔, 다리 등을 움직이는 분야, 뇌 정보를 분석하여 로봇을 제어하는 BMI 분야 및 나아가 뇌에서 인식하는 방식이나 기억방식을 분석하는 연구가 진행 중 - 임플란터블 의료기기 내부의 생체신호 감지 칩과 관련하여 SNR 향상, 공간해상도 향상을 위 한 입력 채널 증가, 제한된 전력에 따른 소모전력 감소, 전기자극-신호감지의 폐회로 신호수 집 성능 향상을 위한 연구결과가 주요학회에서 발표되고 있음. 유타대 R. R. Harrison 교수 가 설립한 intan technology는 생체신호 감지 칩 및 생체신호 자극 칩을 개발하여 판매 중이 나 3.3V의 최소 전원전압은 소모전력 감소에 제약사항임
- ETRI에서는 지름 35mm, 두께 8mm 의 BCI 모듈을 개발하여 3채널의 EMG 신호를 읽고 1채 널의 자극전극을 통해서 일정 신호 이상의 크기의 신호가 감지되면 이를 판단하여 쥐의 척수 를 자극하는 폐루프 제어를 성공함 - 브라운 대학은 “Brain Gate”라는 임플란터블 디바이스를 활용하여 사람의 생각으로 타이핑을 할 수 있는 기술과 사람의 생각을 분석하여 로봇을 움직여 음식을 먹을 수 있는 연구결과를 발표함 - 2016년 11월 현재 최고의 기술로 브라운 대학의 David Borton 교수는 그림 21에서와 같이 뇌와 척수 사이의 신경에 손상을 입은 원숭이를 이용하여 뇌에서 신호를 얻고 이를 WIFI를 통해서 정보를 전달하고 이식된 모듈을 통해서 척수에 자극을 함으로 폐루프 제어를 성공하 였음을 Nature에 게재함
나. 국내․외 표준화 현황(또는 향후 기술 발전 추세)
○ (프론트엔드 기술 분야) - 뇌 신경신호 감지 센서의 경우, 단위 센서기술, 신경신호 기록을 위한 구동회로, 신호처리 등 핵심 구성요소 들에 대한 연구는 활발히 이루어지고 있으나 이들 요소들을 시스템 관점에서 생체이식의 용도에 맞게 통합하고 응용하기 위한 플랫폼 기술이나 인터페이스 기술은 아직 시작 단계로 이에 대한 표준화는 없음 - 생체 이식형 뇌 신경전극 센서 기술은 향후 산화물 반도체 CMOS 회로를 이용하여 센서와 구동, 신호처리 회로를 집적화한 무선통신 기반의 통합형 시스템으로 발전할 것으로 예상되 며, 이에 대한 표준화는 없음 - 최근 엑스선 튜브는 소형화, 경량화 및 고밀도화 방향으로 기술 개발과 발전이 진행되고 있음. 이는 주로 공간의 협소성을 극복하면서 사용자의 편의성을 증대하기 위해 이동형․휴대형 엑스선 검사․영상진단기기에 대한 수요 증가에 부합하고, 또한 최근에는 방사선 근접치료 분야에서 치료기간․장소․방법 등의 측면에서 환자들이 겪는 여러 불편을 획기적으로 저감하기 위해 초소형 X-선 튜브를 이용한 근접치료기술이 제안되면서 기술 개발이 크게 요구되고 있음
◯ (신호처리/전송 기술 분야)
- ETRI와 삼성전자에서 제안한 FSDT (Frequency Selective Digital Transmission) 방식의 인체통 신기술은 GE, Philips, TI 등 세계적인 기업들과 호주의 NICTA, 일본의 NICT 등의 연구소와의 논의를 통하여 IEEE 802.15.6 WBAN 표준안으로 채택됨 - 최근 ETRI는 인체통신기술 기반의 캡슐내시경 관련 표준화를 추진 중에 있음. 현재 ISO/IEC JTC1 SC6 표준화 그룹에 인체통신 캡슐내시경용 PHY 통신 프로토콜 규격 신규 표준화 제안 을 진행 중이며, IEC TC47 WG6 표준화 그룹에 인체통신 캡슐내시경용 반도체 인터페이스 규 격의 신규 표준화가 제안 및 승인되어 구체적인 표준 제정 절차가 이루어 질 것으로 예상됨 ○ (디바이스 집적 기술 분야) - 임플란터블 의료기기가 미국의 소수의 의료기기 회사에 의해서 거의 독점되고 있으며 의료기 기간 상호운영이 필요 없는 의료기기의 특성상 진행되고 있는 표준화가 없음 - 뇌심부자극기, 심장 제세동기등 전극케이블부분 등은 표준화가 될 여지가 있으나 기기 개발 주체가 많지 않아 전극케이블 제작사에서 의료기기 회사별도 대응하여 표준화가 진행되지 않 음 - 지속가능 전원을 위한 무선 전력전송 기술은 크게 전자기 방식과 초음파 방식으로 나누어 짐. 전자기 방식을 휴대폰과 같은 전자기기로 편향된 qi방식으로 표준화가 되었으나 아직은 임플 란터블 의료기기에 적합하지는 않은 상황임. 초음파 방식 무선 전력전송의 경우에는 현재 표 준화에 대한 움직임이 없음
다. 동일, 유사내용에 대하여 국내․외 관련자들의 수행내용
○ (프론트엔드 기술 분야)- 침습형 뇌 신경센서는 2000년대 초부터 미국의 Duke, Michigan, Utah, Brown, Stanford 대 학을 중심으로 연구가 진행되어 왔음. 2006년 Brown 대학에 의해 인간 대상 시험이 성공적 으로 수행됨에 따라 그 효용성이 입증되었으며, Utah 그룹은 초소형 이식형 마이크로 시스템 인 ‘brain button’으로 영장류 대상 시험을 성공하였음(2009년). Univ of Michigan에서는 실 리콘 CMOS 공정을 이용한 신경 전극을 제작하여 동물 모델에 적용하고 있음 - 2009년 일본 나라공대에서는 단단한 CMOS 마이크로 칩과 금속전극, 유연 기판을 결합한 하이 브리드 방식을 이용하여 약 1.7mm의 곡률반경까지 구부러 질 수 있는 망막자극 센서 어레이를 개발하였음 - 독일 프라이부르크 대학에서는 finger 형상을 가지는 두께 10um의 폴리이미드 필름 상에 252 개의 백금 전극을 형성하여 원숭이의 뇌에 정확하게 장착할 수 있는 passive 타입의 전 극 어레이를 제작하고, 원숭이 뇌에 이식된 상태에서 4.5 개월간 안정적인 신호감지 특성이 유지됨을 보였음
- 2010년 미국 일리노이 대학의 Rogers 그룹에서는 2.5um 두께의 초박형 passive 전극 어레 이를 mesh 구조로 제작하였으며, 체 내에서 용해되는 실크를 임시 지지막으로 사용하여 굴 곡이 심한 뇌 표면에 완전히 밀착시켜 전극을 전사하는 기술을 개발하였음. 또한, 2011년에 는 디스플레이 패널에 사용되는 active matrix 어드레싱 기술을 사용하여 360 채널(면적: 300x300um, 간격: 500um)의 고 해상도 유연 능동전극 어레이를 제작하고, 고양이 뇌의 신 경신호를 측정하는 데에 성공하였음 - 국내에서는 연세대 유기준 교수 연구팀과, 인하대 이상민 교수 연구팀에서 임플란터블 전자 소자에 대한 연구를 진행 중이지만, 뇌가 아닌 장기의 생체 신호 확보를 위한 연구(유기준
교수 연구팀)이거나, 생체신호 획득 및 응용을 위한 알고리즘 개발(이상민 교수 연구팀)인 것 으로 파악됨. 따라서 국내에서는 생체신호 인지 및 자극을 위한 복합 시스템을 구현하기 위 한 유사한 연구 사업은 진행되고 있지 않은 것으로 판단됨 - 국외에서는 노스웨스턴대, 샌디에고주립대, 워싱턴대 등에서 생체 신호 인지 및 자극을 위한 연구 등을 진행하고 있지만, 기판 및 전극, 또는 광파이버를 이용한 광자극에 대한 연구를 진 행하고 있음. 능동형의 생체신호 인지 및 광자극을 어레이의 형태로 복합화 하는 기술에 대 한 연구는 국외에서도 아직 보고된 바가 없음
- 독일 IHP 연구소는 기계식 검출방식 최소침습형 MEMS Oscillator 기반 연속혈당 측정 센서 및 구동/감지 회로, 스위스 로잔 연방공과대학교(EPFL)는 기계식 검출방식 최소침습형 MEMS microchannel 기반 연속혈당 측정 센서 및 구동/감지 회로 와 Columbia 대학교는 기 계식 검출방식 최소침습형 Capacitive MEMS 공진기 기반 연속혈당 측정 센서에 대한 연구 를 활발히 진행 하고 있음 - 서강대학교는 직접 광학식 방식 비침습형 연속혈당 측정센서에 대한 연구결과를 2010년에 발 표하였고, 광운대학교는 광 공진기 기반 비침습형 연속혈당 측정센서에 대한 연구결과를 2008 년에 발표 - KIST, KETI, 단국대학교, 서울대학교 등에서는 CNT, 나노와이어, 전도성 폴리머를 사용하여 기존 침습형 일회성 혈당측정기의 감도 성능 개선을 위한 연구 결과 발표 - 미국 Xoft사(iCAD사로 합병)는 열전자원 기반 초소형 엑스선 튜브(Axxent)를 개발하여 유방 근접치료 장비에 적용하고 있음 - 인체 이식이 가능한 초소형 엑스선 튜브는 KAIST 등에서 연구가 진행되고 있으나 상용화 수 준과는 아직 거리가 있음 - 서울대에서는 내시경 수술기구 끝에 엑스선 소스와 센서를 달아 수술 중 절제할 암 부위 경 계를 실시간으로 찾을 수 있는 장비를 개발하고 있으나, 기존의 큰 직경의 엑스선 소스를 이 용하고 있어 초소형 장비를 개발하는데 어려움을 겪고 있음 ◯ (신호처리/전송 기술 분야) - Nominal Voltage(1.0V) 이하 저전압에서 동작하는 생체신호 처리 프로세서 개발은 양산성 확 보 문제, Process Variation 문제 등으로 인해 개발이 지연되고 있으며 아직 초저전압 구동을 지원하는 프로세서 코어 기술은 개발된 사례가 없음. 인체통신기술과 관련하여 국내외에서 연 구가 발표되고 있으나 사업화 및 상용화 개발은 ㈜인트로메딕의 캡슐내시경을 제외하고는 전 무한 상황임
- 2009~2013년 동안 전자부품연구원에서는 극저전력 ICTS (Implantable Cardioverter Telemetry Service) 부품기술 개발사업의 일환으로 인체이식용 RF 신호를 이용한 통신칩셋 및 시제품 제 작, 이식형 심장제세동기 시스템 개발 및 부정맥 검출 알고리즘 개발, 시스템 저전력 구동을 위 한 전류 재사용 및 전하 공유 기법 및 고전압으로부터 시스템을 보호하기 위한 회로를 구비한 의료기기를 개발하였음 - 2007년부터 ㈜인트로메딕은 인체통신 기술을 이용하여 체내에서 11시간 이상 동작이 가능한 3Mbps급 캡슐내시경을 시판 중에 있으며 고화질 영상 송수신을 위한 6Mbps급 캡슐내시경을 개발 중에 있음
- 2012년 한국과학기술원에서는 electric field equation에 기반한 on-body 인체통신 채널모델 로 신호 전송 메커니즘과 주파수에 따른 신호 감쇠모델을 제시함. 또한 주파수 호핑 FSK 방 식을 사용하여 10Mbps 인체통신 시스템 개발을 발표함
- 2014년 싱가폴 Agency for Science, Technology and Research에서는 multi-level baseband coding 기법을 적용하여 사람이 누운 자세에서 최대 60Mbps의 on-body 인체통
신 시스템을 발표함
- 2015년 브라질의 Federal 대학에서는 on-body 인체통신을 위한 채널 모델링 연구를 수행하 여, 인체를 저항과 커패시터 등가회로로 모델링하고, 주파수와 송수신기의 거리에 따른 통신 채널의 커패시턴스와 신호 감쇄 모델을 발표함
○ (디바이스 집적 기술 분야)
- Medtronics, St. Jude Medical, Boston Science과 같은 미국 의료기 회사들의 임플란터블 의료기기는 대부분 일차전지를 사용하여 사용시간이 평균 수년으로 제한되는 것이 문제임 - Neuromed사의 TIME이라는 제품으로 FDA 승인을 받은 Spinal Cord Stimulator의 전원 모듈
은 외부에 코일을 형성하여 전자기유도 방식으로 무선 전력 전송이 가능하도록 하였음. 전력 전송의 효율이나 전송량에 대해서는 정확치 않으나 코일이 외부로 들어난 것으로 보아 외부 의 EMI에 노출되는 문제를 안고 있음 - 2006년 NIH에서는 전자기유도 방식을 이용하여 외부에서 약 7.2 W의 전력을 보내고 들쥐 심장 5 cm 아래에 이식된 수신부로 전력을 전송한 결과 수신부에서는 약 26~73 mW를 수 신하여 1%의 전력 전송 효율 결과가 얻어짐을 발표하였음
- Boston Science사의 Precision, Medtronics사의 RestoreULTRA, ANS사의 Eon Mini 등의 인체 이식형 장치에서 재충전형 전원모듈을 사용하고 있으며 전자기유도 방식을 채택하고 있음. 이 차전지 용량은 약 50 mAh 급이며 평균 20일 정도 마다 충전을 하도록 설계되었으나 구체적 전송 효율이나 전송량 등에 대한 사양이 공개되지 않음 - 기존 인체 이식형 의료기기 제품을 살펴보면, 대부분은 일차전지를 전원으로 사용하고 있음. 소수의 재충전 가능한 제품들은 모두 쉽게 구현이 가능한 전자기 유도방식을 채택하고 있으 나, 짧은 전송거리, 인체조직의 흡수에 의한 수 % 수준의 낮은 전송효율, EMI 노출에 의한 오 작동 등의 문제로 인해 다양한 제품으로의 적용이 어려워 시장변화 주도에는 어려움이 있음 - 2012년부터 University of Utah 의 R. R. Harrison 교수가 설립한 Intan technology는
RHD2000과 같은 생체신호 감지 칩을 개발하여 판매 중이고, 많은 생체신호처리 연구그룹에 서 활용 중임. 이 칩은 최대 64개 입력채널, 2.4μV 잡음특성, 대역조절 가능한 필터, 디지털데 이터 시리얼 인터페이스의 기능 및 특성을 가지고 있어 높은 범용성 및 사용편의성을 제공함 - 2014년 UC Berkeley는 높은 밀도의 전극으로 최소 침습구조로 신호를 수집할 수 있는 초소 형 64채널 무선 ECoG 시스템을 발표함. 이 시스템은 1μV이하의 잡음특성을 만족하면서 채 널당 2.3μW 소모전력의 저전력으로 개발됨 - 2016년 IMEC은 966전극을 가지고 384개 입력채널을 가지는 생체신호처리용 생체신호 감지 칩을 발표함. 발표된 전극 및 생체신호 감지 칩은 고밀도 능동전극과 생체신호 감지 칩을 단 일 집적회로로 구현하여 1.45μm2 CSAC의 높은 전극밀도를 달성함 - 2017년 UCLA는 폐루프 신경신호수집용 생체신호 감지 칩을 발표함. 발표된 생체신호 감지 칩 은 신경조직을 통하지 않은 간섭신호를 억제할 수 있는 증폭기 기술을 적용하였고, 채널당 소모 전력 2.8μW로 AP신호대역 5.3μV, LFP신호대역 1.8μV의 잡음특성을 보여줌
라. 동일, 유사내용과 관련하여 제안자가 이미 수행한 사업 또는 연구개발과제
○ (프론트엔드 기술 분야) - 생체신호 검출 및 광자극을 능동형으로 복합화 하는 기술에 대한 연구는 국내/국외에서 보고 된 바가 없음 - ETRI는 세계 최초로 나노전자원 기반 디지털 엑스선 튜브 기술을 개발하여 ㈜바텍, ㈜브이에 스아이 등에 이전하였으며, 현재 치과 및 유방암 검진용 영상장비에 적용되어 상용화가 진행중임 ◯ (신호처리/전송 기술 분야) - NZV 회로 기술은 2016년 ETRI 주요사업으로 진행한 “초저에너지 프로세서를 위한 NZV 마 이크로그레인 아키텍처 기술” 프로젝트에서 처음 제안된 기술로 본 과제는 NZV 기술을 바탕 으로 프로세서 SoC를 개발하는 공식적인 연계 과제임 - 2006년부터 2010년까지 수행한 “인체통신 컨트롤러 SoC” 과제 및 2011년부터 2015년까지 수 행한 “인체활동 기반 그린 에너지 하베스팅 및 고효율 전력전송 시스템 개발” 과제를 통하여 On-body 응용분야에서 FSDT 기반 2/10/30Mbps 신호 전송 기술을 개발함. 2015년부터 수행 한 “Massive Connectivity 기반 On/In-body 통신기술 개발” 과제를 통하여 On-body 응용분야 에서 신호 전송 안정성이 향상된 NBDT (Narrow Band Digital Transmission) 기반 1Mbps 인증 /센서 네트워크 기술 및 In-body 응용분야에서 FSDT 기반 캡슐내시경용 6Mbps 단방향 신호 전송 기술을 확보함 ○ (디바이스 집적 기술 분야) - 2011년부터 2014년 까지 수행한 “고내구성 바이오 compatible 무선충전 슈퍼전지 개발”(미 래창조과학부)과제와 2013년부터 수행한 “인체 이식 의료기기용 초음파 무선전력전송 기반 지속가능 전원 모듈 개발”(산업통상자원부)를 통해 공기중/수중 전기-초음파 변환 소자 제작 기술, 무선 전력전송/충전 기술, 생체적합 패키징 기술을 확보함
마. 국내․외 경쟁기관 현황
○ (프론트엔드 기술 분야) - 서울대학교 김대형 교수 연구팀에서는 초박형 폴리머 기판 상에 island 및 serpentine 영역으 로 구성된 mesh 구조를 형성하고 전극 센서와 배선을 island와 serpentine 영역에 각각 배치 함으로써 20% 이상 자유롭게 늘어날 수 있는 신축성 전극 어레이를 제작하였으며, 이를 뇌 와 심장에 부착하여 전기신호를 측정하는 기술을 연구하고 있음 - 국내에서는 연세대 유기준 교수 연구팀이 일리노이대학, 노스웨스턴대학 등과 함께 공동연구 로 심장(토끼)의 전기신호 인지를 위한 유연전극 기술을 개발함. 이 연구에서 생체 친화적이 며 생체액의 전자소자로의 침투를 막는 얇은 절연체막을 개발하고, 이것을 바이오 임플란터 블 유연회로 소자의 방수제로 사용할 수 있는 연구 결과를 확보함. 이러한 연구결과를 네이 처 자매지인 네이처 바이오메디컬 엔지니어링에 게재함 - 인하대 이상민 교수 연구팀에서는 생체모방형 임플란터블 전자칩, 생체/환경 신호 정밀 측정 시스템, 생체신호기반 바이오 피드백 시스템 개발, 생체신호기반 무선동력의지 시스템 개발 등을 위한 신호처리, 알고리즘 등에 대한 연구를 수행중임 - 미국 노스웨스턴 대학의 Rogers 교수 연구팀은 단결정 실리콘 나노리본을 초박형 폴리이미 드 막에 전사한 뒤 serpentine 배선과 보호층을 형성하는 방법으로 유연하고 신축성 있는 고 성능 능동 소자와 센서 어레이를 제작하는 기술을 선도하고 있으며 이러한 기술을 이용하여 피부 부착형, 체내 이식형, 웨어러블 등 다양한 형태의 바이오 전자회로들을 개발하여 바이오 임플란터블 전자소자에 적용 가능한 유연한 기판 및 전극 기술에 대한 연구결과를 네이쳐, 사이언스 등 저명한 학회지에 논문을 발표함- 싱가포르 국립대의 Chengkuo Lee 교수 연구팀에서는 mesh 구조를 갖는 두께 10um의 폴리 이미드 기판 상에 drawing lithography라는 새로운 기술을 이용하여 금속 needle을 원하는 길이로 형성함으로써 생체 조직의 손상을 최소화 하면서도 정확한 신호를 감지할 수 있는 3D 유연 passive 전극 어레이를 제작하였음
스터와 PEDOT:PSS 전도성 폴리머 전극을 형성하여 능동구동형 유연 뇌신경 전극을 제작하 였으며, 트랜지스터에 의한 신호증폭 효과로 인해 passive 전극보다 뛰어난 저잡음 특성을 얻을 수 있음을 보였음
- 샌디에고주립대(SDSU), 워싱턴대(U/W), MIT공대, 이태리의 페라대(U/Ferrara) 등으로 구성된 감각 운동신경공학센터(The Center for Sensorimotor Neural Engineering, CSNE)는 보다 안정적이고 영 구적이며 강한 뇌 신호를 다리에 보내거나, 신경을 강하게 자극할 수 있는 BCI (Brain-Computer Interface)용 ‘투명유리 카본 전극(Glassy Carbon Electrodes)’을 개발해, 2017년 Scientific report 에 논문을 게재함
- 현재까지 국내에서 BCI (Brain-computer Interface)를 위한 뇌판 인지 및 전기 자극 인가를 위한 전극 기술에 대한 연구 동향은 파악되지 않음
- 국외에서는 미국 Utah 대학의 Florian Solzbacher 교수 연구팀의 침습형 뇌판 전극과, 독일 IMTEK에서 발표한 비침습 대면적 유연 전극에 대한 연구 결과가 보고된 바 있지만, 모두 뇌 파 인지만 가능한 형태로 개발되었음. (CMOS 기반 MEMs 소자 공정을 기반으로 제작되어 수율과 가격의 문제도 개선이 필요함.) - 국외에는 아직까지 인체 이식할 수 있는 크기의 엑스선 영상을 위한 초소형 엑스선 튜브가 개 발된 사례가 없고, Xoft 사가 개발한 Axxent의 경우 방사선 근접치료용 엑스선 튜브이기는 하 나 치료 목적의 튜브이므로 포컬 스팟 사이즈가 커서 고해상도 영상을 얻는 용도로는 부족함 - 국내의 경우 초소형 엑스선 튜브는 ETRI 이외에 KAIST가 유일하게 개발하고 있으나 ETRI와
달리 2극 튜브 구조를 채택하고 있어 높은 가속전압 인가 시 안정적인 구동 특성을 얻을 수 없음 - 국외에서 전계방출원 기반 초소형 엑스선 튜브 개발은 수행되지 않고 있으며 근접치료용에 열전자원 기반 초소형 엑스선 튜브가 적용되고 있음 ◯ (신호 처리/전송 기술 분야) - 국내 임플란터블 디바이스용 초저전력 생체신호 처리 프로세서 핵심 기반 기술 부재로 ARM 코어 기반 외산 SoC (예: ST Micro. 사의 STM32, Silicon Labs사의 EFM32 등)를 이용한 제 한된 영역에서 제품화를 시도하고 있음
- 미국 Microsemi사의 MICS 송수신 칩 ZL70103은 400MHz 대역(MICS), 430MHz 대역(ISM), 2.4GHz 대역을 사용하며, 데이터 전송율은 800/400/200/40/18.18kbps, 송수신 평균전류는 5mA, wake-up 수신기의 구동 전류는 290nA, 수신모드에서 2.4GHz RF receiver wake-up 회로 구비함
주파수 대역 402-405MHz (10 MICS channels) / 433-434MHz (2 ISM channels) 2.45GHz (ISMwake-up)
소모 전력 송수신 평균 5mA / 290nA wake-up receiver 데이터 전송율 800/400/200/40/18.18 kbps, bidirectional
주요 기능 Implanted medical devices and base station, MAC, FEC, CRC, SPI Wake up 2.45GHz ISM band wake up receiver option
응용 분야
Pacemakers, Implantable cardioverter defibrillators(ICDs), Neurostimulators, Cardiac implantable loop recorders, Sensors and diagnostic devices, Drug pump
○ (디바이스 집적 기술 분야)
- 미국 의료기 회사들의 임플란터블 의료기기는 대부분 일차전지를 사용하여 사용시간이 평균 수년으로 제한됨
- Neuromed사의 TIME이라는 Spinal Cord Stimulator는 전자기유도 방식으로 무선 전력 전송 이 가능하나 전력 전송의 효율이나 전송량이 정확치 않으며 EMI 노출 문제를 안고 있음 - 2006년 NIH에서는 전자기유도 방식을 이용하여 외부에서 약 7.2 W의 전력을 보내고 들쥐 심장 5 cm 아래에 이식된 수신부로 전력을 전송한 결과 수신부에서는 약 26~73 mW를 수 신하여 1%의 전력 전송 효율 결과가 얻어짐을 발표하였음 - 소수의 인체 이식형 장치에서 전자기유도 방식의 재충전형 전원모듈을 사용하고 있으나 이차 전지 용량은 약 50 mAh 급이며 평균 20일 정도 마다 충전을 하도록 설계되었으나 구체적 전송 효율이나 전송량 등에 대한 사양이 공개되지 않음
- University of Utah, UCSD, university of Toronto 등의 연구기관에서 생체신호처리 시스템 (센서/액츄에이터, 감지/자극 회로, 생체신호 디지털 신호처리, 무선통신/전력전송)을 집적회 로로 구현하기 위한 연구를 진행 중
- University of Utah 의 R. R. Harrison 교수가 설립한 Intan technology는 RHD2000과 같은 생체신호 감지 칩을 개발하여 다수의 생체신호처리 연구그룹에서 해당 칩을 활용하고 있음. 하지만 3.3V의 최소 전원전압은 소모전력 감소에 제약사항임
- 브라운 대학의 Brain Gate, MIT의 Brain controlled Robot 등 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI: Brain Computer Interface)와 같은 첨단 응용용분야에서 차세대 임플란터블 기기의 활용성에 대한 선행연구 수행 중이지만 한정된 전원 문제, 생체적합 고밀도 모듈 집적과 관련한 문제로 인하여 상품화 뿐만아니라 기능 동작 실험에도 어려움을 겪고 있음
- 국내의 경우 2017년 서울대에서 deep brain stimulation system을 위한 4x32 채널 신경신호 감지 칩을 제작하여 발표하였으나, 10.2uV의 잡음성능과 62.5 uW의 채널당 소모전력으로 선 도기술에 비해서는 부족함 - 국내의 경우 인공와우의 개발을 시도하였으나 성공하지 못한 이후 FDA 승인 비용/기간 부담 으로 인해 임플란터블 의료기기의 개발이 거의 전무하였음. 그러나 최근 새로운 기존 소비재 시장에 한계를 느껴온 기업들 중 일부가 의료기기 시장을 새로운 성장동력으로 선정하면서 임플란터블 의료기기의 개발 및 사업화를 준비하고 있는 상황임
바. 국내․외 지식재산권 현황
○ (프론트엔드 기술 분야) - 미국 노스웨스턴 대학의 Rogers 교수 연구팀은 피부나 장기 표면에 밀착될 수 있으며 센서, 배선, 엑추에이터, 구동소자 등을 포함하는 신축성 전자회로의 구조 및 제작 방법에 대한 특 허를 출원하였음. 또한, 서울대학교 김대형 교수 연구팀은 온도, 스트레인 센서와 히터, 트랜 지스터 어레이 등을 포함한 신축성 인공피부에 대한 연구결과를 발표하고 관련 특허를 출원 하였음 - ETRI에서는 신축 시 능동소자의 변형을 최소화할 수 있는 하이브리드 기판 구조 및 구현기 술, 3차원 코일, 액상금속 등 다양한 구조와 소재를 이용한 고신뢰성 신축성 배선기술 대한 특허를 다수 보유하고 있음 - 구글은 압타머 바이오 물질 기반의 센서, 이식형 기기와 감지 시스템 특허를 보유하고 있음. 구글은 이러한 기술을 기반으로 몸안에 이식한 센서로 체내의 혈액, 땀, 간질액 등을 분석하 고, 이러한 데이터를 내장된 안테나를 통해 무선신호로 전송하여 질병의 징후를 미리 파악할 수 있는 시스템 구축을 목표로 하고 있음- 미국의 커널이라는 스타트업 업체는 기억을 담당하는 뇌의 해마에 이식하여 전기 자극을 주 는 뉴로프로스테틱(neuroprosthetic) 장치를 개발하여 이에 대한 지식재산권을 확보하고 있 음. 커널에서는 이 기술을 활용하여 뇌질환인 알츠하이머, 간질 환자의 치료용으로 개발 중이 며, 현재 간질 환자를 대상으로 임상 실험을 진행하고 있음 - 광주과학기술원 이종호 교수 연구팀은 체내 의료기기의 전력을 지속적으로 공급할 수 있는 피부 이식용 태양전지를 개발하여, 체내 이식형 의료기기의 전력 공급 문제를 해결할 수 있 는 기술에 대한 지식재산권을 확보함 - 광주과학기술원 정성호 교수 연구실은 광섬유에 금속을 입힌 침습형 광원을 개발하여, 한방 의학에서 사용하는 침에 의한 경혈 자극과 광섬유에서 나오는 광 자극 치료를 동시에 할 수 있는 기술에 대한 지식재산권을 확보함 - ETRI에서는 유연기판 상에 능동소자(TFT)를 포함하는 유연광원 및 전극 기술, 유연광원의 광 효율을 극대화할 수 있는 나노렌즈 구조 및 제조 기술 등에 대한 다수의 지식재산권을 보유하 고 있음 - ETRI는 나노 전계방출 기반 진공 밀봉형 엑스선 튜브와 관련된 핵심 특허를 상당 부분 보유 하고 있음. 확보된 전계 방출 나노 전자원을 이용한 다극형 엑스선 튜브는 상용화 수준의 수 명에 도달하였으며, 향후 엑스선 튜브를 이용한 모듈 개발이 필요함 - 근접 치료용 엑스선 튜브는 미국 Xoft사의 초소형 제품인 Axxent가 가장 대표적이며 이를 활 용하여 다양한 의학 분야에서 임상 결과가 발표되고 있음. 초소형 엑스선 소스를 이용하여 인 체 이식형 기구물 및 장비를 개발하였으며, 현재 유방 근접 치료 등 다양한 분야에서 임상 결 과를 발표하고 있음 - KAIST는 전계 방출 나노 전자원을 이용하여 외경 7 mm 수준의 소형 엑스선 튜브 개발하였 으나 이극형 구조로 엑스선의 에너지와 선량을 독립 제어할 수 없는 기술적인 한계를 지님 ◯ (신호 처리/전송 기술 분야) - 저전력 설계에 대해서는 다양한 분야에서 특허로 등록이 되어 있으나 TEI(Temperature Effect Inversion) 현상을 이용한 초저전력 프로세서 설계와 관련하여서는 2016년부터 ETRI 에서 출원한 4건의 특허가 유일함 - 인체통신기술 관련 특허출원 및 등록은 IBM의 Zimmerman이 제안한 특허를 시작으로 나라 별로 다양한 기업 및 연구소 등에서 출원하였음. 인체통신기술 관련 특허분석결과 대체적으 로 출원이 점차 증대되고 있는 것으로 나타나 관련기술 시장에 대한 관심이 높아지고 있으 나, 유효특허의 수가 미국에 집중되어 있으며, 활발한 연구개발이 이루어지는 발전기 단계인 것으로 판단함 - ETRI에서는 2004년 이래 인체통신을 위한 전송방식/회로기술에 관한 특허와 인체통신 서비 스/어플리케이션 특허를 다수 출원하여 현재 국제표준특허를 포함한 수십 개의 IPR를 보유하 고 있으며, 이를 바탕으로 고속 생체통신 관련 지재권 확보를 목표함 ○ (디바이스 집적 기술 분야) - 초음파 무선전력 전송모듈 관련 특허는 2000년대 이후부터 미국에서만 출원이 되기 시작하 여 점진적으로 출원이 증가하였으나 전력 전송제어, 고밀도 이차전지 설계/제작, 충방전제어 회로 관련 기술에 국한되어 초음파 무선전력 전송에 있어 커플링 임피던스 매칭, 전원/부하 통합관리, 생체적합 전원 모듈 패키징과 관련된 특허의 경우 전반적으로 출원이 적게 나타남 - ETRI에서는 2011년 이래 초음파 무선 전력전송 소자 제작, 초음파 무선 충전, 고효율 정류회 로, 원격 충전량 감지와 관련된 다수의 특허를 출원하여 보유하고 있으며, 이를 바탕으로 임 플란터블 디바이스 플랫폼의 지속가능 전원관련 지재권 확보함
2. 핵심요소 및 접근방법
○ (프론트엔드 기술 분야) - 뇌 영역 전반에 걸쳐 보다 정밀한 신호를 검출하기 위해서는 대면적, 고해상도의 센서 어레 이가 필요하며, 특히 전극의 수와 해상도가 증가함에 따라 배선의 수를 최소화하고 잡음을 줄일 수 있는 능동형 구동방식의 채택이 필수적임. 특히, 기존에 주로 사용되어 온 단결정 실 리콘이 아닌 산화물 반도체 기반의 트랜지스터 소자를 사용함으로써 대면적 센서 어레이를 구현할 수 있음 - 기존의 수동전자수자에서 발생될 수 있는 noise 및 채널간 커플링 문제를 TFT 기반의 능동 전자 소자를 사용하여 디스플레이 기술에서 사용되고 있는 픽셀 보상 기술인 voltage programming 방식, current programming 방식, digital programming 방식을 변형/적용하여 해결할 예정임 - 굴곡이 심하고 불규칙적인 형상을 가지는 뇌의 표면에 센서 어레이를 정확히 밀착시키기 위 해서는 초박형 유연신축 전자회로 제작기술이 필요하며, 장기간의 이식에도 거부반응을 일으 키지 않기 위해서는 센서 어레이 소재의 생체 적합성이 검증되어야 함. 또한, 전극 미세화/고 집적화에 따른 접촉 임피던스 증가문제를 해결하기 위해서는 전기적 접촉특성을 향상시킬 수 있는 새로운 전극물질이나 구조의 개발이 요구됨 - 생체신호 검출 및 자극을 위한 디바이스는 위해서는 각 개체마다 미세하게 다를 수 있는 목 표 위치에 대한 대응이 가능해야 함 - 제어 가능한 수동 형태의 전극은 현실적으로 많은 어려움이 있는 정밀 접합의 방법 외에는 대응할 수단이 없으므로, 그 활용에 많은 제약이 발생함 - 능동형으로 고해상도의 전극 기술이 개발되면, 정밀 접합을 하지 않고도 각 개체마다 다른 목표 위치에 대한 대응이 가능하고, 생체신호 자극을 겸할 수 있는 복합 전극 기술이 개발되 는 경우, 개별 자극에 대한 반응 위치 및 생체신호를 정밀하게 추출할 수 있어서, 매우 폭 넓 은 분야에 활용할 수 있음 - 구체적인 응용의 하나로 뇌의 지능부분과 모터부분을 별도로 정밀하게 분석하기 위해서 고밀 도 EEG 신호를 측정하는 경우, 현재 40채널에서 향후 100x100의 고밀도 다채널 전극이 필 요하며 이를 위해서는 각 전극이 뇌와 잘 결함되기 위해서 유연해야 하며, 다수의 전극 각각 이 생체신호 감지와 자극 동시에 수행할수 있어야 하므로 개별 전극간 분리를 위해서 TFT 기술을 활용하여 해결함 - 활성 / 억제의 구분이 어려운 전기 자극 대신, 파장을 통해 이에 대한 제어가 가능한 광자극 이 가능한 어레이를 구현하는 경우, 보다 복합적인 생체신호에 대한 연구가 가능할 것으로 예상됨 - 생체신호 검출 및 자극을 위한 복합 어레이는 다양한 굴곡이 있는 생체에 부착되어야 하므 로, 유연한 기판에 집적 가능한 능동 소자 및 전극 기술, 광원 기술 등을 집적하여 구현하고 자 함 - 일반 영상진단 및 치료 장비와 달리 체내에 이식되어 생체 검사 혹은 근접 치료를 수행하기 위한 엑스선 튜브는 소형·경량화 및 고밀도화 방향으로 기술 개발이 진행되어야 함 - 기존 열전자원의 한계를 극복할 수 있는 나노 전계 에미터의 엑스선 소스 적용은 소형, 경량 화 및 고밀도화에 적합한 접근 방법이며, ETRI는 포터블 엑스선 튜브 기술을 기 확보하고 있 어 인체 이식형 엑스선 튜브 기술 개발에서 우위에 있음 ◯ (신호처리/전송 기술 분야) - 생체신호처리 초저전력 프로세서 SoC 기술에서는 임플란터블 디바이스에서 필수적으로 요구 되는 초저전력 프로세서의 개발이 핵심요구사항이며, 임플란터블 생체통신 기술에서는 임플란터블 디바이스가 요구하는 데이터 전송속도와 높은 보안성 그리고 저전력 구현이 핵심요구 사항임
- NZV 회로기술을 활용하여 프로세서 코어를 초저전압(0.5V) 으로 동작시킴으로써 초저전력으 로 구현 가능하고, NZV 코어를 사용할 수 있도록 SW 환경을 구축함
- 초저전압/저전력 프로세서의 신호처리에서 예상되는 noise, multi-ch에 의한 interference 등 으로 발생할 수 있는 폴트 값에 대한 강인성 확보를 위해 dual core를 적용하여 신호 처리 정 확도 개선을 위한 다이버시티 이득을 확보 하는 방안 및, 초저전압 동작 안정성과 성능 개선 을 위한 body-biasing, TEI (temperature effect inversion) 기법 등 NZV과제의 연구 결과를 연계 활용 - 효율적 생체신호 처리를 위한 듀얼코어 아키텍쳐와 HW/SW 병렬처리 기술을 개발함 - 인체를 통신매질로 사용하는 FSDT, NBDT 전송기술을 활용하고 개발되는 생체통신 채널모델 에 기반한 임플란터블 디바이스 적용에 최적화된 생체통신기술은 MICS RF 통신 대비 우수 한 보안특성과 초저전력 특징을 가져 핵심요구사항을 만족함 - 측정에 기반한 채널 모델링 데이터를 분석하여 통신환경과 주파수에 따른 달성 가능한 데이 터 전송속도를 제시하고, 최적의 전송 주파수에서 높은 주파수 사용 효율과, 주어진 SNR에서 목표 검출 성능을 달성할 수 있는 신호전송 방법을 제시함 - 임플란터블 기기에 적합한 생체통신용 전기적 신호 전송 방법론 제시 및 고속 저전력 아날로 그 송수신 회로 구현에 대한 최적의 특이점을 도출함. 특히 생체 유기질을 통하여 전기 신호 를 전송할 때의 신호 손실을 극복하기 위한 임피던스 매칭 및 최적의 아날로그 증폭회로를 개발함 - 1단계로 BCI1.0 시제품에 적용 가능한 초저전력 생체신호처리 프로세서칩과 1Mbps급 비대 칭 양방향 생체통신 프로토타입을 개발하며, 2단계로 BCI2.0 시제품에 적용 가능한 생체신호 처리용 10uW/MHz급 듀얼코어 프로세서를 내장하는 5mW급 3Mbps 고속 생체통신 SoC를 개발함 ○ (디바이스 집적 기술 분야) - 미디바이스 집적에 있어서 핵심기술은 생체 내부에서 지속적으로 동작하기 위해 외부에서 무 선으로 전력을 지속적으로 공급하기 할 수 있는 무선전력전송 기술, 디바이스의 각 기능 요 소를 초소형/고밀도로 집적하는 기술 그리고 디바이스가 생체 내부에서 이상을 일으키지 않 기 위한 생체적합 패키징 기술로, 각각의 기술성능을 향상시키고 최종적으로는 각 기술을 통 합함 - 지속가능 전원을 위한 무선전력 전송에 있어서는 제작 단가, 고밀도 집적에 있어 유리한 전 자기 방식과 생체적합성과 소자 크기 대비 전력전송 거리에 있어 유리한 초음파 방식의 무선 전력 전송 모듈을 동시에 개발하여 비교 우위에 있는 기술을 채택함 - 무선 전력전송은 피부조직을 통하여 전력을 전송하게 되므로 무선 전력전송시 전력전송 경로 상의 피부조직의 안정성을 추가로 확보해야 하며 동물 실험을 통해 크게 재질, 열, EMI의 3 가지 관점에서 생체 안정성을 시험 및 확보할 계획임 - 무선 전력전송에 생체전기 신호 감지 칩, 생체 전기 신호 자극 회로, 마이크로 프로세서, 통 신기술을 기본으로 집적하고 기타 프론트엔드 기술에서 개발된 기술을 개별 요소 기술로 쉽 게 집적할 수 있는 임플란터블 디바이스 플랫폼으로 개발함 - 마이크로 프로세서, 통신기술은 1단계에서는 상용 ARM Cortex M4 코어와 2.4GHz RF 통신 을 사용하여 개발하나 2단계에서는 프론트엔드에서 개발되는 다채널 어레이 전극, ETRI 자체 NZV 코어 및 인체통신 SoC를 활용하여 통합 모듈을 구성함 - 생체신호 감지 칩 기술에서는 외부 간섭신호 억제하면서 저전력/저잡음 신호변환회로를 구현
