[첨단 헬로티]

액체의 성분과 질 분석이 중요하게 요구되는 애플리케이션은 상당히 많다. 대표적인 사례가 세상에서 가장 귀한 자원인 물이다. 깨끗한 물과 정수 필터 기술은 세계의 많은 지역에서 중요한 역할을 하고 있으며 생명을 위해서 꼭 필요하다. 깨끗한 물 자원이 점점 줄어들고 있다는 것이 중요한 문제가 되고 있다. 액체 측정의 필요성은 물뿐만이 아니다. 의료 분야에서는 질병의 여부를 확인하는 데 있어서 혈액, 침, 배설물 같은 액체를 반드시 검사한다. 이들은 건강과 직접적인 연관이 있기 때문이다. 이러한 모든 액체 측정의 기본적인 원리는 거의 같다. 바로 임피던스 측정이다. 이 글에서는 의료 용도의 다양한 액체 측정에 대해서 설명하고, 임피던스 측정에 기반한 다양한 애플리케이션을 살펴본다.

의료용 액체 측정

의료용으로 가장 잘 알려진 액체 측정은 아마도 혈당 측정일 것이다. 테스트 스트립에 떨어뜨린 한 방울의 피만으로도 혈중 당분 수준을 알 수 있다. 당뇨 환자는 이렇게 확인한 당 수치를 이용해 약이나 음식 섭취를 조절할 수 있다. 미래에는 혈당을 단발적으로 측정하는 게 아니라 지속적으로 모니터링할 수 있는 연속 측정 방법으로 나아가게 될 것이다. 그러기 위해서는 정확도가 매우 높으면서 전력 소모가 적은 임피던스 측정이 요구된다.

또 다른 액체 측정 애플리케이션으로 투석을 들 수 있다. 만성 신부전증 환자는 혈액을 여과해야 한다. 투석액 전도도 측정 역시 임피던스 분석을 통해 이루어진다. 이 분석을 통해서 산도(pH), 전도도, 성분, 포화도 같은 것들을 측정할 수 있다.

환자의 배설물과 소변 측정도 마찬가지다. 배설물을 검사하면 질병이나 이상에 대해서 알 수 있다. 이 측정은 의료용으로 비교적 새롭게 개척되고 있는 분야로서, 다양한 접근법과 기법이 사용되고 있다. 하지만 기본적으로는 전극을 통한 임피던스 측정으로서, 이 검사를 통해 다양한 질병을 진단할 수 있다. 예를 들면 pH 측정 외에 전도도 측정이 가능하다.

지금 언급한 측정들은 일부에 불과하다. 이 외에도 호르몬 측정이나 약제 측정 같이 인간이나 동물에 대해 다양한 액체 측정이 사용되고 있는데, 이러한 측정들 역시 임피던스 측정을 사용한다.

이 모든 것들이 측정하는 파라미터는 다르다 하더라도, 기본적인 원리에 있어서는 임피던스 분석이 공통적으로 적용된다. 따라서 측정하고자 하는 것은 다를지라도, 웨어러블 디바이스에 적합하도록 전력과 공간을 절약하는 솔루션이 필요한 것은 동일하다. 다음에서는 임피던스 측정에 기반한 다양한 측정 기법들에 대해서 설명한다. 이들 기법을 조합해 사용하거나 또는 단독으로 사용해서 포괄적인 분석을 할 수 있다.

다양한 임피던스 측정 기법

이 모든 애플리케이션들이 기본 원리는 임피던스 측정이라는 점에서 거의 같지만, 측정 방법은 각각의 기법마다 상당히 다르다. 대표적인 액체 측정 기법들을 몇 가지 살펴보자.

정전위기(Potentiostat)

가장 기본적이면서 널리 사용되는 측정 기법은 정전위기를 사용하는 것이다. [그림 1]에서 보듯이, 정전위기는 작업 전극(WE)과 레퍼런스 전극(RE) 사이의 전압을 측정하고 제어할 수 있다. 상대 전극(CE, 보조 전극이라고도 함)을 통해 흐르는 전류를 조절함으로써, 레퍼런스 전극에 대해 작업 전극의 전위를 일정하게 유지할 수 있다.

그림 1. 정전위기를 사용한 측정 방법

전류측정법(Amperometric)

가장 단순한 형태의 전류측정법은 센서에 바이어스 전압을 인가하고 응답 전류를 측정하는 것이다. 이 경우에는 RE와 WE 사이에 정전압을 인가하고 전류-대-전압 컨버터와 아날로그-대-디지털 컨버터(ADC)를 사용해서 전류 프로파일을 디지털 신호로 변환한다. 이 전류 프로파일은 센서와 측정된 변수에 따라서 달라진다. [그림 2]는 ADuCM355를 사용한 회로를 나타낸 것이다.

그림 2. 전류측정법

순환 전압전류법(cyclic voltammetry)

전압전류법은 전기화학적 방식이다. 전기화학 셀의 전위를 서서히 높였다가 선형적으로 낮춘다. 따라서 이 전위는 삼각파 파형을 따르며, WE를 통해서 흐르는 전류를 측정한다. 전압전류법을 사용하면 예컨대 분석 대상의 반전지 반응(half-cell reactivity)을 측정할 수 있다. 이 기법은 일종의 전기분해로서, 결과적인 전류는 환원과 산화의 결과이다. 이 방법으로 샘플을 질적 및 양적으로 검사할 수 있다.

전도도 측정

전도도 측정은 액체의 옴(Ω) 저항을 측정하는 것이다. 이 측정을 위해서는 액체 속에 2개의 불활성 전극을 평행하게 집어넣고 AC를 사용해서 저항을 측정한다. 이 방법으로 전해액의 이동도, 입자 밀도, 산화 상태 등을 측정해서 용액의 농도를 알아낼 수 있다.

pH 측정

pH 측정은 반전지 반응 원리를 사용한다. 전극막에서 반응이 일어나고, 이 반응은 수소(H+) 이온 농도와 직접적인 상관성을 갖는다. 이 전위 차이로 인해서 전압이 발생하고, 이것은 pH 값과 선형적인 관계이다. pH 측정의 한 가지 문제점은, pH 센서가 직렬 저항이 매우 높기 때문에 분석 전자장치들에 대한 요구 수준이 높다는 것이다.

전기화학적 임피던스 분석

전기화학적 임피던스 분석은 일련의 주파수에 대해 전기화학적 셀이나 센서의 임피던스를 측정하는 것이다. 다양한 주파수에 걸쳐서 임피던스를 달리하여 센서 마모를 측정할 수 있으며 그에 따라서 신호 체인을 자동으로 조절할 수 있다. 시간이 경과하면서 센서 정확도가 떨어지는 문제가 생길 수 있다. 그러면 다양한 측정에서 전반적으로 정확도에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 예컨대 연속적 혈당 측정(CGM)이 그러한 사례다. 이러한 측정은 건강과 관련해서 중요하므로, 센서 정확도를 지속적으로 점검해야 한다. [그림 3]은 이러한 측정용 회로를 예시한 것이다.

그림 3. 전기화학적 임피던스 분석

앞서 언급한 이러한 의료용 측정들은 요구사항이나 파라미터가 다르고, 사용하는 측정 기법에도 차이가 있다. 온도에 따른 보정을 위해서는 온도 측정도 필요하다. 또한 정확도를 보완하거나 높이기 위해서 복수의 센서들을 사용할 수도 있다. 이러한 측정 작업에 디스크리트 제품을 사용하면 차지하는 회로 보드 면적과 전력 소모가 늘어난다.

오늘날에는 특히 의료용의 경우, 웨어러블이나 휴대용 디바이스에 사용할 수 있도록 크기가 작고 전력 소모가 적으면서 가격대가 낮은 솔루션이 요구된다. 이 모든 요구를 충족하도록 개발된 것이 ADI의 ADuCM355이다.

ADuCM355 – 단일 솔루션으로 모든 측정 요건 충족

ADuCM355는 단일 솔루션으로 이 모든 측정 요건들을 충족할 수 있다. 통합 수준이 매우 높은 이 칩 제품은 저전력 아날로그 프론트 엔드(AFE)와 마이크로컨트롤러를 통합하고 있다. 마이크로컨트롤러는 하우스키핑과 CRC(Cyclic Redundancy Check) 같은 안전성 기능을 수행한다. [그림 4]는 ADuCM355의 블록 다이어그램이다.

그림 4. ADuCM355 블록 다이어그램

이 디바이스를 사용하면 전력 소모를 극소화하여 전기화학 및 생체 센서를 제어할 수 있다. ARM Cortex-M3 프로세서에 기반한 이 칩은 전류, 전압, 저항을 측정할 수 있다. 16비트 400kSPS 다채널 SAR ADC와 입력 버퍼와 함께 안티앨리어싱 필터(AAF)와 프로그래머블 이득 증폭기(PGA)를 포함하고 있다. 전류 입력으로 트랜스임피던스 증폭기(TIA)는 다양한 센서 유형들을 수용하도록 이득과 부하 저항을 프로그램 할 수 있다. 

또한 AFE에는 정전위기 전용으로 개발된 증폭기가 통합되어 있어 외부 전기화학 센서에 대해서 일정한 바이어스 전압을 유지할 수 있다. ADC 상위에 있는 입력 MUX를 통해서 개별적으로 입력 채널을 선택할 수 있다. 이들 입력 채널은 3개의 외부 전류 입력, 여러 개의 외부 전압 입력, 내부 채널들을 포함한다. 3개의 전압 DAC 중에서 2개는 듀얼 출력 DAC이다. DAC 상의 첫 번째 출력은 정전위기 증폭기의 비반전 입력을 제어하고, 다른 하나는 TIA의 비반전 입력을 제어한다. 

세 번째 DAC(고속 DAC라고도 함)는 임피던스 측정을 위해 고성능 TIA에 적합하도록 설계되었다. 이 DAC의 출력 주파수 범위는 200KHz까지이다. 또한 ARM Cortex-M3 프로세서는 유연한 다채널 DMA(Direct Memory Access) 컨트롤러를 포함한다. 이 컨트롤러는 2개의 독립적 SPI 포트, UART, I2C 통신 주변장치를 지원한다. 일련의 통신 주변장치들을 특정 애플리케이션에 적합하게 구성할 수 있다. 이러한 주변장치들로 UART, I2C, 2개의 SPI 포트, GPIO 포트들을 포함한다. GPIO와 범용 타이머를 결합해서 PWM 출력을 형성할 수 있다.

확장된 측정 지원

앞서 언급한 측정들에 사용되는 대부분의 센서들을 곧바로 ADuCM355 입력을 통해서 제어할 수 있다. 예를 들면 혈당 측정 같은 정전위기 측정이 여기에 해당한다. 전도도 측정이나 pH 측정 같이 좀더 정확한 측정을 요구하는 경우에는 보다 확장된 신호 체인이 필요할 수 있으며, 이럴 때는 LTC6078 같은 외부 칩을 사용할 수 있다. 이 디바이스는 센서의 높은 출력 임피던스에 따라서 입력 임피던스를 높여서 적응할 수 있으며, 따라서 정확한 리드아웃이 가능하다. 앞서 소개한 측정 분야 외에 온도에 따른 센서 변동을 보정하기 위해서는 온도 측정이 필요하다. 그림 5는 확장된 측정을 보여준다. 확장된 신호 체인을 사용해서 ADuCM355가 전압과 전류 둘 다 리드아웃 할 수 있다. 이 회로의 경우에는 100Ω ~ 10MΩ에 이르는 범위의 임피던스를 검출할 수 있다. 측정 범위가 이처럼 넓기 때문에 의료용으로 요구되는 전체 임피던스 스펙트럼을 지원할 수 있다. 

그림 5. ADuCM355를 사용해서 pH, 온도, 전도도를 측정하기 위한 회로

맺음말

다양한 액체 측정 애플리케이션들이 기본 원리는 공통적으로 임피던스 측정을 사용하지만, 측정 방법은 각양각색이다. 다양한 파라미터들을 측정하기 위해서 여러 유형의 센서들이 사용된다. 이를 위해 범용성을 지원함과 동시에 크기가 작고 전력 소모가 적은 디바이스가 요구되고 있다. ADuCM355는 이러한 모든 요구를 충족할 뿐만 아니라, 의료 분야의 임피던스 측정용으로 마치 ‘스위스 아미 나이프’ 같은 솔루션을 제공한다. 이 IC는 액체 측정뿐 아니라 체지방 분석이나 피부 임피던스 같은 임피던스 측정도 가능하다. 또한 범용성이 탁월하기 때문에, 적합한 센서를 사용해서 일산화탄소나 이산화탄소 같은 전기화학적 기체도 측정할 수 있다. ADuCM355는 이처럼 임피던스 측정을 위한 만능 솔루션을 제공한다.

글 : 크리스토프 캐머러(Christoph Kämmerer) 아나로그디바이스(Analog Devices) FAE