초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
기존 클라우드 컴퓨팅 기반 헬스케어 장치들은 실시간 신호처리 및 상태감지 기능을 제공하는데 한계가 있음. 따라서 본 연구에서는 이를 보완할 수 있는 에지 컴퓨팅 방식의 웨어러블 센서/시냅스 통합 실시간 생체신호 모니터링 시스템을 개발하고자 함.

◼ 전체 내용
초연결과 융합의 시대 및 코로나19의 여파로 사물인터넷, 클라우드 컴퓨팅, 웨어러블 센서, 빅데이터 및 인공지능을 융합한 스마트 (디지털) 헬스케어 산업의 도래가 촉진되었음. 하지만, 현재 스마트 헬스케어 디바이

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
기존 클라우드 컴퓨팅 기반 헬스케어 장치들은 실시간 신호처리 및 상태감지 기능을 제공하는데 한계가 있음. 따라서 본 연구에서는 이를 보완할 수 있는 에지 컴퓨팅 방식의 웨어러블 센서/시냅스 통합 실시간 생체신호 모니터링 시스템을 개발하고자 함.

◼ 전체 내용
초연결과 융합의 시대 및 코로나19의 여파로 사물인터넷, 클라우드 컴퓨팅, 웨어러블 센서, 빅데이터 및 인공지능을 융합한 스마트 (디지털) 헬스케어 산업의 도래가 촉진되었음. 하지만, 현재 스마트 헬스케어 디바이스에서 제공하는 생체신호 처리 시스템은 클라우드 컴퓨팅 기반 중앙집중식 데이터 처리방식을 취하고 있어, 처리해야 할 데이터가 증가할수록 중앙 시스템에 부하가 늘어나기 때문에 처리 속도의 저하를 일으켜 실시간 처리에 어려움이 있으며, 데이터 통신 과정에서 발생할 수 있는 정보 보안 문제도 중요 해결과제 임.
따라서 본 과제에서는, 인간의 효율적인 데이터 처리 방식을 모방한 인공 시냅스 소자와 생체신호 센서를 웨어러블 기기 내에 집적함으로써 새로운 에지 컴퓨팅 기반 실시간 스마트 생체신호 모니터링 시스템을 개발하고자 함. 이 시스템에서 (1)센서로 부터 감지된 생체신호 데이터는 (2)사전 처리 후 (3) 시냅스 어레이를 통해 기기 내에서 직접 처리 및 판단되므로, 사용자에게 실시간 상태 이상 정밀 모니터링 서비스를 제공할 수 있어 기존 웨어러블 의료기기의 한계를 극복할 수 있음.
최종 목표 달성을 위해, “에지 컴퓨팅 기반 센서/시냅스 집적 실시간 생체신호 모니터링 시스템 개발”을 목표로 하는 [1단계] 연구와, “다기능 센서/고성능 시냅스 집적 실시간 생체신호 모니터링 시스템 개발”을 목표로 하는 [2단계] 연구로 나누어 추진할 계획임. 자세한 내용은 아래와 같음.
[1단계] 에지 컴퓨팅 기반 센서/시냅스 집적 실시간 생체신호 모니터링 시스템 개발
- 1-2차년도 : 공정 플랫폼을 공유하는 (1)단위 소자 및 (2)주변 회로 공정 기술 연구
- 3차년도: 웨어러블 센서/시냅스 (3)집적 시스템 기술 연구
[2단계] 다기능 센서/고성능 시냅스 집적 실시간 생체신호 모니터링 시스템 개발
- 4차년도: 생체신호 센서 기능 다양화 및 시냅스 소자 성능 고도화
- 5차년도: 다기능 센서/고성능 시냅스 집적 시스템 구현

◼ 1단계
❏ 연구 목표
에지 컴퓨팅 기반 센서/시냅스 집적 실시간 생체신호 모니터링 시스템 개발
❏ 연구 내용
1-2차년도 : 공정 플랫폼을 공유하는 (1)단위 소자 및 (2)주변 회로 공정 기술 연구
(1) 단위 소자 연구
- 공정 플랫폼 (소재, 공정 등)을 공유하는 단위 소자 (유연 생체신호 센서, 유연 시냅스 소자)를 각각 설계하고 공정 기술을 확보함. 여기서 소재는 인간 피부에 친화적인 유기 소재 중 적절한 소재 선정 예정. 또한, 생체 신호 센서는 심전도, 근전도, 진동센서 등과 같은 다양한 제작가능 센서 중에서 기능에 맞게 선정 예정.
- 확보된 공정 기술을 활용하여 유연 생체신호 센서 및 유연 시냅스 소자(어레이>3×3)를 제작하고 각각의 동작 특성을 평가함. 여기서 단위 소자들의 유연/신축성은 103회 이상의 굽힘 내구성을 목표로 함.
(2) 회로 연구
- 단위 소자와 호환성이 좋은 유연 유기 소재를 이용하여 집적 시스템을 위한 주변 구동회로를 설계하고 동작을 시뮬레이션을 통해 검증함. 회로 구성요소는 생체신호에 따라 유동적으로 선정 예정.
- 유연 인쇄 회로 기판 상에 설계된 주변 구동회로를 제작하고 회로의 동작 특성을 평가함.
3차년도: 웨어러블 센서/시냅스 집적 시스템 기술 연구
- 구현된 생체신호 센서 및 시냅스 소자 어레이를 유연 인쇄 회로 기판 상부에 집적하기 위한 공정 기술을 개발함. 여기서, 집적 공정은 크게 1)배선 증착, 2)소자 부착, 3)솔더링의 3단계로 이루어짐.
- 유연 센서/시냅스 집적 시스템을 구현하고 상호 동작을 확인함. 여기서 상호동작은 1)센서를 통해 감지된 생체신호가 2)주변 회로를 거쳐 필터링 및 패터닝 된 후 3)시냅스 어레이를 통해 처리 및 상태 이상 여부 판단하는 3단계의 과정임.

◼ 2단계
❏ 연구 목표
다기능 센서/고성능 시냅스 집적 실시간 생체신호 모니터링 시스템 개발
❏ 연구 내용
4차년도: 생체신호 센서 기능 다양화 및 시냅스 소자 성능 고도화
- 다양한 생체신호 (체온, 혈압, 진동, 심전도, 근전도 등)를 동시에 감지할 수 있는 (혹은 동시에 집적된) 다기능 생체신호 센서를 제작하고 생체신호 동시 감지 동작을 확인함.
- 상태 이상 여부 정밀 판단을 위한 고성능 시냅스 소자 어레이 (어레이>10×10)를 설계하고 제작함.
5차년도: 다기능 센서/고성능 시냅스 집적 시스템 구현
- 제작된 다기능 센서와 고성능 시냅스 어레이를 유연 인쇄 회로 기판 상부에 집적하여 센서/시냅스 통합 시스템을 구현하고 다양한 생체신호 실시간 동시감지/상태이상 판단 여부를 확인함.

□ 연구성과
정량적 성과
- 논문 성과 1건: IF 12.545, JCR 상위 1.7%
정성적 성과
- 생체신호 센서 단위 소자 연구: 연구계획서 상 1단계 목표였던, 무선 생체신호 센서 구현 완료 (100% 달성)
- 유연시냅스 단위 소자 연구: 연구계획서 상 1단계 목표였던, 유연 시냅스 소자 어레이 구현 완료 (100% 달성)
- 집적시스템 연구: 연구계획서 상 1단계 목표였던, 집적시스템을 위한 주변회로 개발 완료 (100% 달성), 집적 시스템 상호동작 확인 (85%) 완료.(연구 환경의 변화에 따른 연구 지연상황에 대응하기 위해 4차년도 단일 센서 연구 (센서 고도화 및 다기능화)를 추가로 수행하였고, 해당 목표 100% 달성함.

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과
기술적 기대효과
- 본 연구에서 제안하는 에지 컴퓨팅 기반의 센서/시냅스 통합 실시간 생체신호 모니터링 시스템은 기존 클라우드 컴퓨팅의 데이터 처리 방식의 구조적 한계를 극복할 수 있는 새로운 기술 집약형/융합형 처리 시스템을 제시한다는 점에서 매우 중요하며, 미래 스마트 의료기기 기술 발전을 위한 초기 연구결과로써 다양한 연구 분야로의 파급효과가 기대됨. 또한, 단순 감지에 불과했던 기존의 생체신호 센서 기능을 넘어서는 실시간 처리 및 상태이상 판단이 가능한 기술을 사용자에게 제공한다는 점에서 미래 초연결/융합 기술로써 차별적 기술 우위를 선점할 수 있을 것으로 예상됨.
경제적 기대효과
- 4차 산업혁명 시대의 도래와 함께, 구글, 아마존, 샤오미, 샌드박스, 삼성전자 등 국내외 거대 IT 기업들이 웨어러블 의료기기에 클라우드 컴퓨팅 방식의 데이터 기반 인공지능 기술을 적용하는 방향으로 의료 산업에 적극적인 행보를 보이고 있음. 이러한 경제적 상황에서, 본 연구는 새로운 스마트 웨어러블 의료기기 산업을 선도할 핵심 융합과학 기술을 선점함으로써 세계 스마트 의료기기 산업에서 국가 경쟁력을 강화시킬 수 있을 것으로 기대함. 또한 다양한 스마트 헬스케어 디바이스 관련 응용분야로의 후속연구를 통한 상품화/제품화로 이어질 경우, 경제적 파급효과는 엄청날 것으로 예상됨.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 6
• 1) 연구개발과제의 최종 및 단계 목표 ... 6
• 2) 연구의 개요 ... 6
• 3) 연구의 내용 ... 6
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 8
• 1) 연구수행 결과 ... 8
• 2) 목표 달성 수준 ... 12
• 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 12
• 4) 중요 연구변경 사항 ... 13
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 13
• 1) 국내외 기술 개발 현황 및 한계점 ... 13
• 2) 연구성과의 관련 분야 기여도 ... 13
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 14
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 14
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 14
• 2) 연구 추진전략 ... 15
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 15
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 16
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 16
• 끝페이지 ... 29