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특집 : 웨어러블 기기용 부품 기술
저소비전류, 고정밀도를 실현한 광학식 맥파 센서

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서론

광학식 맥파 센서란, 반도체 기술의 하나로 광 센싱 기술을 이용하여 맥파를 계측하는 센서이다. 광 센싱 기술은, 광원인 LED를 인체에 조사 (照射) 하여, 수광부인 포토 다이오드 (이하 포토 Di) 또는 포토 트랜지스터를 통해, 생체 내부를 투과 혹은 반사한 광을 계측하는 것이다. 동맥혈에는 빛을 흡수하는 특성을 지닌 헤모글로빈이 존재하므로, 시계열로 광량을 센싱함으로써 헤모글로빈 양의 변화, 즉 맥파의 신호를 취득할 수 있다.

최근 시판되고 있는 광학식 맥파 센서를 탑재한 스마트밴드 및 스마트워치는, 피부에 대한 장착성 및 부하를 고려하여 녹색 빛을 사용한 반사형 광 센서가 주류를 이루고 있다. 녹색광은 생체로의 투과 심도가 작기 때문에 혈액 이 외 조직의 영향을 받기 어렵고, 헤모글로빈의 흡광 계수가 크기 때문에 맥동 성분이 큰 맥파 신호 측정이 가능하다.

본 글에서는, 웨어러블 기기용으로 최적인 로옴의 광학식 맥파 센서 「BH1790GLC」를 소개하고자 한다.

웨어러블 기기용 맥파 센서에 요구되는 사양

<저소비전력>

웨어러블 기기는, 신체에 장착하기 때문에 세트 자체의 사이즈나 중량에 제한이 있어, 배터리 용량을 늘리는 것이 어렵다. 그 때문에, 저소비전력으로 동작하는 것이 중요하다. 그림 1은 맥파 센서의 소비전류 내역이다. 기존 기술의 맥파 센서는, LED구동부와 아날로그 프론트 엔드 (이하 AFE) 부 모두 소비전류가 크다. 그에 비해 BH1790GLC는 LED구동부의 전류를 낮추어, LED 휘도가 낮아도 맥파 신호를 취득할 수 있도록 수광부를 고감도화하고, AFE부를 1chip에 집적함으로써 소비전류를 낮추었다.

여기서, 수광부의 고감도화에 대한 구체적인 방법을 소개한다. 기존 기술로는, 트랜스 임피던스 앰프 회로 (이하 TIA 회로)를 이용하여 포토 Di에서 발생한 전류를 전압으로 변환했다. TIA 회로는, 앰프와 저항을 사용하여, 포토 Di에서 발생한 전류를 전압으로 변환하는 회로이다. 단, 포토 Di에 빛이 닿았을 때 발생하는 전류는 매우 작고, 감도를 향상시키기 위해서는 저항치를 높일 필요가 있으므로 앰프의 노이즈 및 저항의 열 잡음이 문제였다.

BH1790GLC는, 전하 적분형 앰프를 채용하여 고감도화를 실현한다 (그림 2). 전하 적분형 앰프는 일정 기간 포토 Di의 전류를 콘덴서에 충전함으로써 전류를 전압으로 변환하는 방식이며, 충전 기간 중의 노이즈가 평활화되므로 노이즈를 줄일 수 있다. 이에 따라, 저노이즈에서 빛을 검출하여, 수광부의 감도를 높일 수 있다. 수광부를 고감도화하면 작은 수광 소자에서도 충분히 빛을 검출할 수 있으므로, 포토 Di와 AFE부를 1chip으로 구성하기 쉬워진다. 또한 낮은 휘도에서도 맥파 측정이 가능하므로  LED 구동부의 소비전류를 낮출 수 있다. BH1790GLC는, 전하 적분형 앰프를 채용함으로써, 기존 기술에 비해 소비전류를 85% 저감하였다.

맥파 센서 소비전류 내역

그림 1 : 맥파 센서 소비전류 내역

전류-전압 변환 앰프 회로 예

그림 2 : 전류 - 전압 변환 앰프 회로 예

<적외선 제거 특성>

웨어러블 기기는, 야외에서도 사용되므로 인체를 투과하기 쉬운 적외선 등의 외란광 노이즈를 제거하는 광 센서가 요구된다. 일반적으로 사용되는 Si 기판을 사용한 포토 Di는 적외선 파장 (850nm) 에 가까운 감도를 가지기 때문에, 외란광의 영향을 받기 쉽다.

그에 비해, BH1790GLC는 녹색 파장 대역인 530nm 부근이 피크가 되는 포토 Di를 탑재하고 있다. 이 Di는, Si 표면에서 pn 접합부까지의 거리가 멀수록 감도의 피크가 단파장 측으로 시프트되는 성질을 이용하여, Si 표면의 얇은 부분에 형성된 포토 Di를 사용함으로써 이러한 문제를 극복했다.

또한, BH1790GLC는 컬러 레지스트와 다층막 필터로 이루어진 2개의 광학 필터를 Si 기판에 형성하여 적색광, 적외선 성분을 제거한다. 컬러 레지스트 광학 필터는 적색광, 다층막 광학 필터는 적외광을 제거하는 특성이 있어, 오로지 녹색 파장 대역의 빛 만을 통과시키는 수광부를 실현한다. (그림 3)

그림 4는 실제로 BH1790GLC와 일반적인 포토 Di를 사용하여 맥파 신호를 측정한 결과이다. 외란광 노이즈가 발생한 환경에서 맥파 신호를 측정한 경우, 일반적인 포토 Di로는 맥파 신호에 외란광 성분이 중복되어 노이즈가 커지는데 비해, BH1790GLC는 외란광의 영향이 매우 작고, 안정된 맥파를 취득할 수 있다. 따라서, 태양광이 내리쬐는 해변이나 공원 등 야외에서도 고품질의 맥파 신호를 얻을 수 있어, 웨어러블 기기에 최적인 맥파 센서라고 할 수 있다.

BH1790GLC 수광부의 분광 특성

그림 3 : BH1790GLC 수광부의 분광 특성

외란광 노이즈 환경에서의 맥파 신호 비교

그림 4 : 외란광 노이즈 환경에서의 맥파 신호 비교

맥박 센서 시스템

이번에 BH1790GLC를 사용하여 맥박수를 계측하는 밴드형 맥박계를 개발하였다. 맥박 센서부는 맥파 센서 (로옴 BH1790GLC), LED (로옴 SMLE13EC8T), 가속도 센서 (Kionix KX-022), 마이크로 컨트롤러 (LAPIS Semiconductor ML630Q791)로 구성된다 (그림 5). 외부와의 통신은 별도의 기판에 실장한 Bluetooth LE 모듈 (LAPIS Semiconductor MK71050-03)로 이루어진다.

그림 6은 작성된 맥박계를 사용하여 측정한 맥파 신호이다.

BH1790GLC를 사용한 맥박계

그림 5 : BH1790GLC를 사용한 맥박계

BH1790GLC를 사용하여 측정한 맥파 신호

그림 6 : BH1790GLC를 사용하여 측정한 맥파 신호

맥박 산출 알고리즘

그림 6과 같이, 모세 혈관 밀도의 차이로 인해 측정 부위에 따라 맥파 신호 레벨이 크게 다르다는 것을 알 수 있다. 손가락 및 귓불에서는 비교적 큰 맥파 신호가 잡히지만, 스마트 밴드 등을 장착한 손목에서는 맥파 신호가 작아지는 경향이 있다. 또, 손목은 일상생활에서 자주 움직이는 부위이므로 체동 (體動) 노이즈의 영향이 크다. 그로 인해, 손목의 맥파 신호에서 정상적으로 맥박수를 산출하는 것이 어려웠다.

이러한 과제에 대해, 로옴에서는 가속도 센서를 사용하여 체동 노이즈 캔슬 기능을 내장한 맥박 수 산출 알고리즘을 개발했다. 체동 노이즈는, 신체의 움직임에 의한 센서 위치의 변화 및 혈류의 변화로 인해 발생하므로 노이즈 성분은 가속도 센서의 신호와 관련이 있다. 이러한 현상을 이용하여, 가속도 센서로부터 체동 노이즈 성분을 추출하여 맥파 신호에 포함된 노이즈를 제거하는 알고리즘을 개발하였다. 그림 7은 실제 트레이드밀 운동 시의 맥박수 추이를 전극형 심박계와 비교한 결과이다. 로옴의 알고리즘을 탑재한 데모기는 심박계에 근접한 성능을 보이고 있으며 체동 노이즈 영향을 억제하고 고정밀도의 맥박 수 산출이 가능하다.

트레이드밀 운동 시의 맥박 수 계측 결과

그림 7 : 트레이드밀 운동 시의 맥박 수 계측 결과

향후 전망

맥파 신호를 사용한 어플리케이션으로는 맥박계가 일반적이지만, 맥박 변동을 분석하여 얻을 수 있는 스트레스 계측이나, 파형 분석을 통해 얻을 수 있는 혈압 정보 등의 어플리케이션 개발도 진행되고 있다. 이러한 기능이 웨어러블 기기에 탑재되어, 정상적인 계측이 가능해지면, 매일 몸 상태의 변화를 체크하여 병을 초기에 발견하는 것이 가능해질 것으로 기대하고 있다. 현재 로옴에서도 이러한 생체 정보를 측정하는 맥파 센서 개발에 몰두하고 있다.

맥파에서 스트레스 계측이나 혈압 정보를 얻기 위해서는, 맥파 신호의 시간 분해능을 향상시킬 필요가 있다. 그러한 관점에서 로옴은 샘플링 주파수를 1024Hz로 고속화한 맥파 센서 샘플을 개발했다. 그림 8과 같이, 맥파 신호의 고분해능 & 고정밀도 검출이 가능하다는 점이 확인되어, 향후 이 맥파 센서를 사용하여 스트레스 및 혈압 정보를 산출하는 알고리즘을 개발할 예정이다.

BH1790GLC와 1024Hz 샘플링 제품의 맥파 신호 비교

그림 8 : BH1790GLC와 1024Hz 샘플링 제품의 맥파 신호 비교

결론

로옴은, 본 글에서 소개한 맥파 센서뿐만 아니라, 다양한 센서 제품의 개발을 적극적으로 전개하고 있다. 향후 로옴은, 웨어러블 시장이 확대됨에 따라, 바이탈 센싱에서 빼놓을 수 없는 저소비 · 고정밀도를 추구한 다양한 센서 제품 개발에 매진하여, 시장의 요구에 대응함으로써 사회에 기여해 나갈 것이다.

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■제품 정보

광학식 맥파 센서 IC BH1790GLC 제품 정보 공개

■특설 페이지

로옴 센서 평가 kit