교육/연구
기계공학과 김지석 교수팀, 보행 에너지로 건강 신호 측정하는 자가발전 웨어러블 플랫폼 개발
작성자기획과 조회수159 등록일2026-10-14
- 국립한밭대·KAIST·미국 조지아공과대 공동연구, 신발형 발전 장치와 발목형 바이오센서 통합
- 한 걸음의 에너지를 공압으로 완충해 약 1.5초 동안 발전 지속…배터리 전달 평균 전력 약 0.9㎽ 확보
- 일상 활동 8시간·수면 6시간 생체신호 모니터링 실증…국제학술지 Advanced Science 게재
□ 우리 대학 기계공학과 김지석 교수 연구팀이 KAIST 오일권 교수, 미국 조지아공과대학교(Georgia Institute of Technology) 여운홍 교수 연구팀과 공동으로, 보행 시 지면과의 충격에서 버려지는 에너지를 전기로 수확하고 혈중산소포화도(SpO2)와 맥박을 측정하는 ‘자가발전 웨어러블 바이오센싱 플랫폼’을 개발했다고 밝혔다.
○ 웨어러블 헬스 모니터링 기기는 장시간 사용하려면 안정적인 전력 공급이 필요하지만, 작은 배터리 용량과 반복적인 충전이 제약으로 작용한다.
○ 또, 보행 에너지를 이용하는 기존 발전 장치도 발이 지면에 닿는 순간에만 일시적으로 전력을 내는 경우가 많아, 간헐적인 에너지를 지속적으로 활용할 수 있는 기술이 필요하다.
□ 연구팀은 신발 내부의 에어 펌프와 회전형 전자기 발전기를 결합한 ‘공압 에너지 완충(pneumatic energy buffering)’ 기술을 제안했다.
○ 이는 보행 시 에어 펌프가 압축되고, 이때 배출되는 공기가 회전자를 돌려 전기를 만들며, 순간적인 충격을 공기의 압축과 흐름으로 완충함으로써 한 걸음 이후에도 약 1.5초 동안 회전을 유지해 발전 시간을 늘렸다.
○ 보행 속도 3.5㎞/h에서 개발된 발전 장치의 시간 평균 출력은 1.93㎽를 기록했으며, 연구팀은 승압 및 정류 회로를 자체 개발하고, 충전 전류 제어 회로를 통합해, 배터리에 전달되는 시간 평균 전력 약 0.9㎽를 확보했다. 이는 저전력 웨어러블 기기의 전력 공급에 활용할 수 있는 수준이다.
□ 공동연구에 참여한 조지아공과대 연구팀은 발목에 장착하는 저전력 광용적맥파(PPG) 센서를 개발했으며, 이 센서는 적색광과 적외선의 반사 변화를 분석해 혈중산소포화도와 맥박을 측정한다.
○ 유연한 인쇄회로기판(fPCB) 회로와 벨크로(Velcro) 고정 구조를 적용해 피부 접촉을 유지하고, 보행 중 움직임에 따른 신호 왜곡과 손실을 줄였다.
□ 이번 연구 결과는 그 우수성을 입증 받아 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 ‘Self-Powered All-in-One Wearable Bioelectronics Driven by Pneumatic Energy Buffering of Daily Footsteps’라는 논문명으로 지난 8월 11일 온라인 게재됐다.(논문번호: e77158, DOI: 10.1002/advs.77158)
□ 국립한밭대 기계공학과 김지석 교수는 “보행처럼 간헐적으로 주어지는 에너지를 공압으로 완충해 에너지 저장 장치로의 전송 효율을 높였고, 이를 실제 웨어러블 바이오센서와 통합한 플랫폼을 개발했다는 데 의미가 있다”며, “장치 소형화와 전력 관리 성능을 개선해 외부 충전 의존도를 낮춘 웨어러블 건강 모니터링 기술로 발전시키겠다”고 말했다.
□ 이번 연구에는 김지석 교수와 조지아공과대 강태욱 박사후연구원이 공동 제1저자로, KAIST 오일권 교수와 조지아공과대 여운홍 교수가 교신저자로 참여했으며, 공동저자로 한국과학기술원 부설 나노종합기술원(NNFC) 연구진도 함께했다.
○ 그리고, 본 연구는 과학기술정보통신부 재원의 한국연구재단 연구과제(RS-2024-00345241, RS-2023-00302525), 나노종합기술원 반도체․이차전지 인터페이싱 플랫폼 기술 사업, 조지아공과대학교 WISH Center 등의 지원과 2026년도 국립한밭대학교 교내학술연구비 지원을 받아 수행됐다.