심장과 폐를 읽는 센서, 그 회로는 어떻게 생겼을까?

웨어러블 심박·산소포화도 센서 회로 기술 분석
– 스마트워치 속 생체 데이터, 그 중심엔 회로가 있다

1. 심박·SpO₂ 센서, 웨어러블의 핵심 생체 정보 감지 기술
스마트워치, 피트니스 밴드, 헬스케어 패치 등 웨어러블 기기는 더 이상 단순한 시계나 액세서리가 아닌, 건강 모니터링을 위한 필수 도구로 자리잡고 있습니다. 그중에서도 **심박수(Heart Rate)**와 **산소포화도(SpO₂)**는 가장 기본적이면서도 중요한 생체 신호로, 운동 중 상태 확인, 수면 품질 분석, 스트레스 측정, 호흡 이상 징후 감지 등 다양한 기능에 활용됩니다.

이러한 기능을 가능하게 하는 핵심 기술은 바로 광학 기반 생체신호 측정 회로입니다. PPG(Photoplethysmography) 방식으로 불리는 이 기술은 피부를 통과한 빛의 반사율 변화를 측정하여 혈류 변화를 감지하며, 이를 통해 심박수나 산소포화도를 정밀하게 계산합니다. 그러나 정확도 높은 데이터를 얻기 위해서는 단순 센서가 아닌 정밀 회로 설계가 뒷받침되어야 하며, 이 기술은 현재 웨어러블 시장의 주요 특허 경쟁 포인트로 떠오르고 있습니다.

2. PPG 센서 회로의 구성 요소와 원리
PPG 센서 회로는 일반적으로 다음과 같은 블록으로 구성됩니다:

LED 드라이버 회로: LED에 정해진 주기의 전류를 인가해 안정적인 광원을 제공

광다이오드(Photodiode): 피부를 통해 반사된 빛을 수신하고 전류로 변환

아날로그 프론트엔드(AFE): 미세한 신호를 고감도 증폭 후 필터링

ADC(Analog to Digital Converter): 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환

MCU + DSP 블록: FFT, FIR 필터 등을 적용해 노이즈 제거 및 주기 분석

BLE 또는 NFC 통신 모듈: 스마트폰과 데이터를 실시간 연동

심박 측정에는 주로 녹색 LED가 사용되며, SpO₂ 측정은 적색 및 근적외선 LED를 동시에 이용합니다. 이 과정에서 혈관 내의 산소 농도에 따라 빛의 흡수율이 달라지며, 이 데이터를 분석하여 산소포화도를 계산합니다. 중요한 점은, 이 모든 과정을 빠르고 정확하게 처리하려면 AFE 회로와 DSP 알고리즘의 최적화가 필수적이라는 것입니다.

3. 회로 특허 기술과 글로벌 기업의 전략
애플, 삼성, Fitbit, Huawei, Garmin 등 주요 웨어러블 제조사들은 생체신호 측정의 정확도와 안정성을 높이기 위해 독자적인 회로 특허 기술을 확보하고 있습니다. 주요 특허 기술에는 다음과 같은 요소들이 포함됩니다:

모션 아티팩트 제거 회로: 움직임에 따른 노이즈를 자동 보정하는 알고리즘 회로화

다중 파장 제어 회로: SpO₂ 정밀도를 높이기 위한 이중 LED 드라이버 설계

온도 보상 회로: 손목 온도 변화에 따른 광학 신호 편차 보정

초저전력 구동 회로: 배터리 수명을 극대화하기 위한 슬립모드 회로 기술

AI 기반 신호처리 회로: 실시간 분석을 위한 온센서 AI 연산 구조

예를 들어, **애플의 특허(US10610138B1)**는 손목 위치와 피부 상태를 인식하여 측정 타이밍과 LED 강도를 동적으로 제어하는 방식으로 SpO₂ 오차를 줄이는 회로 설계를 특징으로 합니다. 삼성전자의 경우도 Exynos 웨어러블 전용 프로세서에 통합된 PPG 회로를 특허화하여, 헬스케어 정확도 향상에 집중하고 있습니다.

4. 웨어러블 헬스 회로의 고도화 방향
앞으로 웨어러블 센서 회로는 더욱 정교하고 지능적인 방향으로 진화하고 있습니다. 주요 트렌드는 다음과 같습니다:

AI 분석 내장 회로: 생체 신호를 회로 차원에서 사전 분석해 사용자 피드백 제공

AFE + 통신 SoC 통합: 부품 수를 줄이고 소형화·저전력화 달성

멀티센서 통합: 심박, SpO₂, 체온, 혈압 등을 하나의 칩에 통합 설계

센서 자가 보정 알고리즘: 개인별 피부 두께, 색상, 혈류 특성에 따라 회로 자동 보정

실시간 클라우드 연동 구조: 회로 단에서 측정 → 앱에 전송 → AI 서버 분석까지의 전주기 흐름 구현

이러한 기술은 단지 웨어러블 기기의 성능 향상에 그치지 않고, 의료기기 인증, 보험 연계, 원격 진단 등 디지털 헬스케어 생태계 전체와 연결됩니다. 따라서 회로 설계에서의 경쟁력은 곧 서비스 플랫폼 경쟁력으로 이어지게 됩니다.

5. 웨어러블 생체 회로 특허의 미래 가치
2025년 이후의 웨어러블 시장은 단순한 소비자 전자기기를 넘어서, 의료기기와 라이프케어 기기의 경계가 허물어지는 통합 시장으로 확장될 것으로 전망됩니다. 이에 따라 심박 및 SpO₂ 측정 회로 특허는 다음과 같은 전략적 자산이 됩니다:

진단 의료기기 진출을 위한 기술 장벽

데이터 수집 정확도 확보에 따른 AI 분석 경쟁력 확보

글로벌 인증 기준(IEC, FDA 등) 대응을 위한 필수 기술 요건

웨어러블 기반 보험 연계 서비스 구축 시의 리스크 관리 수단

결국, 심박·산소포화도 회로 설계는 하드웨어 경쟁이 아니라 의료와 데이터를 아우르는 융합 경쟁의 중심축이 되고 있으며, 여기에 대한 특허 전략은 단순한 보호를 넘어, 비즈니스 성공 여부를 결정짓는 핵심 요소가 됩니다.