통증 없이 치료하는 전류 자극기, 그 비밀은 회로에 있다

의료기기 전자 회로 특허 – 무통증 전류 자극 장치 기술 리뷰

1. 전류 자극 치료 기술이란? – 통증 없는 치료를 위한 도전
의료기기 산업에서 최근 주목받고 있는 분야 중 하나는 바로 무통증 전류 자극 치료 기술입니다. 전기 자극 치료는 오랜 역사와 임상 근거를 가지고 있으며, 대표적으로 TENS(Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation), EMS(Electrical Muscle Stimulation) 같은 장비들이 사용되어 왔습니다. 이러한 장치는 통증 완화, 근육 수축 유도, 신경 재활, 혈류 개선 등 다양한 치료 효과를 제공해왔지만, 사용자에게 전류 특유의 따끔함이나 불쾌한 감각을 유발해 왔습니다.

특히 피부 표면의 **감각신경 수용체(Nociceptor)**는 전기 자극에 민감하게 반응하기 때문에, 자극 강도가 세질수록 오히려 통증을 유발하거나 이질적인 느낌을 줄 수 있습니다. 이로 인해 많은 환자들은 장시간 사용에 거부감을 느끼고, 실제 의료 현장에서도 순응도(compliance) 저하 문제가 자주 보고되었습니다. 또한 장시간 자극 시 피부 발진이나 화학적 자극 반응, 부작용 사례도 간헐적으로 보고되고 있어 의료기기의 사용자 경험(UX) 측면에서 큰 제약 요인이 되어왔습니다.

이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 개념이 바로 **무통증 전류 자극 장치(Pain-Free Electrical Stimulation Device)**입니다. 이 장치는 기존의 단순한 저주파 자극이 아닌, 고주파 전류, 펄스 간격 최적화, 위상 변화, 이중파형 주입, 바이오피드백 제어 알고리즘 등을 복합적으로 적용하여 통증 수용체의 반응을 회피하고, 심부 조직에 필요한 물리적 자극만 정밀하게 전달하는 구조를 취합니다.

기술적으로는 고주파 (>1kHz) 전류를 사용함으로써 피부 표면을 통과할 때 감각신경의 흥분 역치를 넘기지 않고도, 근육층이나 신경다발에 안정적으로 자극을 도달시킬 수 있습니다. 여기에 추가적으로 다단계 펄스 조합 알고리즘, 피부 전도도 실시간 감지 회로, AI 기반 주파수 적응형 자극 알고리즘 등이 융합되어, 자극 전달 과정에서 발생할 수 있는 불쾌감, 통증, 부작용을 실시간으로 제어하고 조절하는 기술이 정착되고 있습니다.

이러한 기술의 근간은 결국 정밀한 전자 회로 설계와 이에 기반한 특허 기술로 보호되며, 의료기기 제조사들은 이 회로 기술을 기반으로 무통증 자극기, 웨어러블 통증 완화 패치, 스마트 EMS 밴드 등의 제품군을 개발하고 있습니다. 이처럼 무통증 전류 자극 기술은 단순한 개선이 아닌, 기존 전기 치료 기술의 패러다임 전환을 이끄는 핵심 요소로 자리잡고 있으며, 향후 의료기기, 피트니스, 정신건강, 재활 분야에서 폭넓게 활용될 것으로 기대됩니다.

2. 무통증 전류 자극 회로의 기본 구조 – 고주파, 저전압, 이중 보호
무통증 전류 자극 장치의 핵심은 전기 자극을 인체에 안전하고, 정확하게, 그리고 불쾌감 없이 전달할 수 있는 회로 구조에 있습니다. 이를 위해서는 단순한 자극 회로로는 부족하며, 다단계 보호 시스템과 고정밀 출력 제어 회로, 그리고 사용자의 생체 특성을 반영한 반응형 피드백 회로가 반드시 필요합니다. 이러한 회로 시스템은 보통 5개의 주요 하드웨어 블록으로 구성됩니다.

파형 생성 회로 (Waveform Generator Block)
이 회로는 자극기의 ‘심장’ 역할을 하며, 다양한 자극 주파수(고주파, 저주파), 펄스 폭, 간격, 위상 변화 등을 구현합니다. 정현파, 삼각파, 구형파 등 다양한 파형이 생성되며, 다단계 파형 합성 알고리즘에 의해 피부 수용체를 회피할 수 있는 복합 파형이 설계됩니다. 일부 장치에서는 **주파수 스위핑(sweep modulation)**을 통해 감각적 피로도를 낮추는 구조도 포함됩니다.

출력 제어 회로 (Output Current Control)
사용자의 설정에 따라 자극 강도와 시간, 주기를 정밀하게 제어하며, DAC, OP-AMP, MOSFET 드라이버 등의 소자가 주요 구성 요소입니다. 이 회로는 출력 전류와 전압의 정밀 제어뿐 아니라, 사용자별 맞춤 자극에 따라 실시간 파라미터 조정이 가능해야 하며, 최신 장치에서는 소프트웨어에서 직접 전류 프로파일을 다운로드해 제어할 수 있는 구조로 진화하고 있습니다.

피부 전도도 감지 회로 (Skin Contact Impedance Monitor)
전극이 피부에 제대로 부착되지 않거나, 접촉 상태가 불안정할 경우 자극이 비효율적일 뿐 아니라 화상의 위험도 존재합니다. 이를 방지하기 위해 회로는 실시간으로 피부의 **임피던스(저항+용량 성분)**를 측정하고, 이상 상태가 감지되면 출력을 자동 차단합니다. 이 기능은 특히 웨어러블 형태의 자극기에서 매우 중요합니다.

이중 보호 회로 (Dual Safety System)
전류가 갑자기 급증하거나, 회로 오작동으로 인한 과출력이 발생할 경우를 대비해, 전자 퓨즈(E-Fuse), 릴레이, 포토커플러 절연, 보호 다이오드 등이 포함된 회로가 탑재됩니다. 이 회로는 IEC 60601-1 국제 의료기기 전기 안전 규격을 만족하기 위한 필수 요소이며, 이를 충족하지 않으면 임상시험이나 의료기기 인증이 불가능합니다.

절연 회로 (Electrical Isolation Unit)
자극 회로와 제어 회로 간 전기 절연을 확보하기 위한 구조로, 절연 증폭기, 디지털 아이솔레이터, 포토커플러 등이 활용됩니다. 이는 특히 배터리 외부 전원 사용 시 감전 리스크를 방지하는 데 필수적입니다.

이러한 회로는 단순히 하드웨어 부품의 조합이 아닌, 소프트웨어 펌웨어와 연동되어 동작하는 시스템 통합 설계로 구성되며, 실시간 생체 신호 연동, 온도 제어, 전력 소비 최적화 등을 포함하는 형태로 발전하고 있습니다. 또한 고주파 기반 자극의 경우 회로 동작 주파수에 따라 발생하는 EMI(전자파 간섭) 문제도 반드시 고려해야 하므로, EMI 차폐 설계, 저소음 전원부 설계, 그라운드 플래닝(GND plane) 기술이 필수적으로 병행됩니다.

결론적으로, 무통증 전류 자극 회로는 단순히 자극을 발생시키는 기술이 아니라, 의료기기 안전성, 사용자 체감, 고도화된 자극 품질을 결정짓는 핵심 설계 영역이며, 이 회로 기술에 대한 특허 확보는 제품 경쟁력의 핵심이자, 향후 의료용 웨어러블 플랫폼 시장을 선점하기 위한 전략적 자산이 됩니다.

3. 주요 특허 사례 분석 – 회로 기술의 핵심 포인트는?
무통증 자극 장치 관련 특허는 국내외를 막론하고 활발히 출원되고 있으며, 특히 환자 안전, 정밀 자극 제어, 소형화 회로 설계에 초점이 맞춰져 있습니다. 다음은 대표적인 특허 구조입니다:

✅ KR102174652B1: 생체 전기 임피던스를 실시간 측정해 자극 강도를 조절하는 회로 구조
✅ US20190084793A1: 피부 내 온도와 전도도에 따라 출력 파형을 자동 조절하는 바이오피드백 기반 제어 회로
✅ JP2018149352A: 자극 전후 신경 반응을 기록하고, 피드백 학습을 통해 자극 타이밍을 최적화하는 회로 알고리즘
✅ CN112389403A: 고주파와 저주파를 번갈아 사용하는 펄스 혼합 기술로 통증을 회피하는 자극기 구조

이러한 특허들의 핵심 공통점은 피부 및 심부 조직의 전기 반응을 ‘통증 없이’ 자극할 수 있도록 파형 설계와 회로 구성이 정교하게 설계되어 있다는 점입니다. 특히 최근에는 마이크로컨트롤러 기반 자극기, 블루투스 연동 웨어러블 자극기, AI 기반 맞춤 자극 시스템이 등장하면서 회로 설계가 더욱 정밀하고 스마트하게 발전하고 있습니다.

4. 웨어러블 무통증 자극기 회로 기술 – 작고 가볍고 안전하게
최근 무통증 자극 회로는 의료용 대형 기기에서 벗어나 웨어러블 패치형 자극기 형태로 진화하고 있습니다. 이 제품들은 가볍고, 얇으며, 대부분 스마트폰 앱과 연동되어 자극을 설정하거나 기록 데이터를 확인할 수 있습니다. 이러한 제품을 구현하기 위해서는 다음과 같은 회로적 특징이 요구됩니다:

✅ 초저전력 MCU 기반 전원 관리 회로
✅ BLE 또는 NFC 통신 모듈 포함 회로
✅ Li-polymer 배터리 보호 및 충전 회로
✅ 플렉서블 PCB(FPCB)를 적용한 얇은 기판 구조
✅ 건전한 피부 접촉을 유도하는 저자극 전극 회로 설계

이처럼 웨어러블화된 의료기기는 단순히 회로를 소형화한 수준을 넘어서, 생체 안전성, 사용자 편의성, 무선 제어 안정성까지 확보해야 하며, 이 모든 기능이 회로 특허와 직결됩니다. 실제로 웨어러블 자극기 시장에서 경쟁이 치열해지면서 한국, 미국, 일본, 중국의 주요 기업들이 서로 다른 특허 전략으로 경쟁 중입니다.

5. 앞으로의 방향 – AI 기반 자극 알고리즘과 회로의 융합
앞으로의 무통증 자극 의료기기 회로는 단순 자극 제공을 넘어서, 데이터 기반 맞춤 자극 플랫폼으로 진화할 것입니다. 핵심은 AI와 결합된 자극 알고리즘입니다. 사용자의 생체 데이터를 분석해 자극 시기, 자극 파형, 자극 부위를 자동 조정하는 회로와 알고리즘이 함께 구현될 예정입니다.

✅예측되는 기술 방향은 다음과 같습니다:
✅EEG/EMG 기반 자극 반응 예측 회로
✅딥러닝 기반 개인 맞춤 자극 파형 생성 회로
✅의료기기 규제에 적합한 실시간 안전 점검 회로
✅엣지 AI 기반 반응 감지 및 자극 보정 회로
✅자가 진단 기능이 포함된 자극 회로 보드

결국 무통증 전류 자극 회로 기술은 의료기기, 헬스케어, 피트니스, 스마트 패치 등 다양한 영역과 융합되며, 회로 자체가 새로운 플랫폼의 중심이 될 것입니다. 따라서 관련 특허 확보는 단순한 기술 보호가 아니라, 미래 시장 주도권을 위한 전략적 자산이 될 수밖에 없습니다.