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동맥경화 실시간 감시하는 전자파 걱정 없는 저주파 무선 센서 개발
몸에 착용하는 스마트 기기나 의료 장비에 쓰이는 무선 센서는 아주 작은 변화도 잘 찾아내야 하고 안정적으로 작동해야 한다. 하지만 기존 기술은 주파수를 너무 높게 사용하여 전자파가 서로 방해를 일으키거나(전자기 간섭, EMI) 사람의 몸에 해를 끼칠 수 있다는 문제가 있었다. 국내 연구진이 이러한 문제를 국내 연구진이 근본적으로 해결할 수 있는 저주파 기반 무선 센서 기술이 개발했다.
우리 대학 조천식모빌리티대학원 안승영 교수팀과 한양대학교 화학공학과 김도환 교수팀이 공동 연구를 통해 이온 기반 소재와 무선전력전송 기술을 결합한 ‘저주파 무선 전기화학 센싱 플랫폼(WiLECS)’을 개발했다고 밝혔다.
기존 무선 센서는 전기를 저장하는 능력(정전용량)이 부족해, 이를 보충하려고 메가헤르츠(MHz) 단위의 높은 주파수를 써야했다. 그러나 이런 고주파 방식은 몸속 조직을
뜨겁게 만들거나 신호를 불안정하게 만들어 실제 의료 현장에서 쓰기에 한계가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해, 한양대학교 연구팀이 이온이 이동하면서 전기를 많이 저장할 수 있는(높은 정전용량) 생체 친화적 이온 소재를 개발하였다. 여기에 KAIST 연구팀이 무선으로 에너지를 주고받는 회로(무선 LC 공진 시스템)를 결합했다. 그 결과, 사람 몸에서도 안정적으로 동작하는 낮은 주파수 형태의 무선 센서를 구현했다.
특히, 연구팀은 금 나노입자 표면에 이온을 붙여두었다가, 평상시에는 이동을 억제하고, 압력이 가해질 때만 이온이 방출되도록 설계했다. 이렇게 하면 작은 자극에도 전기 저장량이 크게 변한다. 이 변화를 무선 주파수의 흔들림으로 확인하면 아주 미세한 압력 변화를 알아낼 수 있다. 1 메가헤르츠(MHz) 이하의 낮은 주파수 대역에서도 성능이 뛰어나며, 전자파 영향이 적어 신호가 깨끗하여 높은 신호대잡음비(SNR)를 달성했다.
연구팀은 이 센서를 인공 혈관 모델에 넣어 실험한 결과, 혈관이 딱딱해지거나 좁아지는 질환(동맥경화)이 있을 때 혈압이 어떻게 변하는지 실시간으로 알아내는 데 성공했다. 이는 향후 심혈관 질환 모니터링 등 의료 분야에서의 활용 가능성을 보여준다.
이번 연구는 단순히 주파수를 높여 성능을 올리려던 기존 방식에서 벗어나, 센서가 작동하는 근본적인 원리(물리적 메커니즘) 자체를 변화시켜 문제를 해결했다는 점에서 의미가 크다. 이는 전자파 안전이 무엇보다 중요한 차세대 바이오 기기 설계에 새로운 길을 열어준 것으로 평가받는다.
안승영 교수는 “이번 연구는 이온 소재와 무선 기술을 결합한 공동연구 성과로, 기존 고주파 기반 무선 센서의 한계를 극복한 사례”라며 “전자파 영향을 최소화하면서도 안정적인 무선 센싱이 가능한 플랫폼으로 확장 가능성이 크다”고 설명했다.
KAIST 김해림 박사와 한양대학교 김지홍 박사과정이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 3월 11일 자 게재됐다.
※ 논문명: Low-frequency ionic-electronic coupling for energy-efficient noise-resilient wireless bioelectronics
※ DOI: https://www.nature.com/articles/s41467-026-70331-4
※ 주저자: 김해림(KAIST, 제1저자), 김지홍(한양대, 제1저자), 이재원(KAIST, 공저자), 안승영(KAIST, 공동교신저자), 김도환(한양대, 공동교신저자)
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 개인기초연구사업 (NRS-2025-00515479), 집단연구지원사업, (No. RS-2024-00405818), 미래개척융합과학기술개발 사업 (RS-2022-NR067540), 교육부가 지원하는 이공학학술연구기반구축사업(RS-2024-00436346), 과학기술정보통신부가 지원하는 방송통신산업기술개발사업(No.RS-2020-II200839)의 지원을 받아 수행됐다.
2026.04.13 조회수 2864 -
무선충전 전기열차 원천기술 개발
- KAIST, 철도연과 공동으로 60kHz 무선전력전송 원천기술 개발 성공 -
우리 학교와 한국철도기술연구원(이하 철도연, 원장 홍순만)은 대용량 고주파(60kHz, 180kW) 무선전력전송 원천기술을 세계 최초로 확보(2012년 12월)하고, 13일 오전 10시 충북 오송에 위치한 철도연 무가선트램시험선에서 대전력 무선급전 단위모듈시험을 공개했다.
이 기술은 지난 2011년 KAIST가 개발한 무선충전전기버스로 검증된 20kHz 급집전 기술을 크게 발전시킨 것으로 3배 이상의 전력전송 밀도를 향상시켰으며, 집전모듈의 크기와 무게 감소, 급전과 집전장치의 제작비 절감 등 경제성을 높여 무선급전시스템 상용화에 성큼 다가섰다.
그동안 소규모의 전기를 사용하는 버스만을 움직일 수 있었던 무선전력전송기술은 60kHz 대전력 무선전력전송기술의 확보로 대전력이 필요한 철도시스템, 항만과 공항 하역장비 등 물류이송시스템은 물론 전송효율 증대로 기존 무선급전 시장이었던 휴대폰, 노트북 등 휴대기기 및 가전제품, 로봇분야, 레저분야 등에도 광범위하게 활용될 것으로 보인다.
대전력 무선전력전송기술을 철도에 적용할 경우 열차가 비접촉 방식으로 전력을 공급받기 때문에 급전장치의 마모가 없어 유지보수 비용이 절감된다. 또한 전신주 등 전차선 설비가 필요하지 않아 철도부지 소요면적이 줄어들고, 터널단면적도 크게 축소돼 건설비를 낮출 수 있다. 높은 속도에서도 팬터그래프와 전차선 간에 이선문제와 소음문제 등이 해결돼 레일형 초고속열차 개발도 가속화될 것으로 보인다.
KAIST와 철도연은 이번에 성공한 대전력 무선전력전송기술을 올해 무가선트램(5월경)과 차세대도시철도 및 고속열차(9월경)에 적용해 시험할 계획이다.
무선급전기술이 성공적으로 진행될 경우 독일 봄바디어(Bombardier)사의 프리모베(Primove)를 뛰어넘는 세계 최고 수준의 기술을 확보하게 된다.
※ 독일 봄바디어 프리모베 열차
- 아우크스부르크 시험선 총 800m 중 275m에 무선급전시스템설치 운영 중 20kHz, 200kW 용량, 최고속도 50km/h
KAIST 서남표 총장은 “KAIST가 개발한 무선급전버스에 이어 철도까지 움직일 수 있는 대용량 무선전송기술개발에 성공함으로써 무선급전시스템의 완결판을 만들 수 있게 돼 기쁘다”고 전했다.
KAIST 조동호 교수는 “2009년 무선충전전기버스 기술개발 시작 당시 관련부품의 기술 수준 한계로 20kHz 공진주파수를 이용하는 등 많은 고비가 있었으나 한국철도기술연구원과 협력해서 60kHz 대용량 급진전원천기술을 개발할 수 있었고, 향후 철도에 적용할 수 있는 가능성을 증명한 것”이라고 밝혔다.
철도연 홍순만 원장은 “무선전력전송기술은 철도 건설시 철도부지 소요면적이 줄어들고, 터널단면적 축소 등으로 인한 건설비 절감을 비롯해, 전차선이 없어 도시미관이 개선되고, 유지보수비가 절감되는 등 철도시스템 전반에 대한 패러다임을 바뀔 것으로 기대한다”며 “계속해서 좀 더 용량이 큰 대전력 기술 개발과 상용화 추진을 통해 첨단의 새로운 미래철도 기술을 개발하고, 해외시장 진출을 위한 기술경쟁력 강화에도 기여할 것”이라고 전했다.
2013.02.13 조회수 17752