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국내외 연구현황 및 전망

세계적으로 나노 바이오 센서에 기반한 응용 서비스 연구가 활발히 진행되고 있다.

  • 초기 군사적 목적으로 개발된 센서 네트워크 기술이 환경, 의료, 생명, 사회 안전망 구축 등 사회경제 전반으로 확산되고 있는 실정이며, 특히 선진국에서는 센서와 IT 융합 기술을 고령친화 산업 등 의료 복지 분야에 적용하기 위한 연구개발 및 투자가 활발히 진행되고 있다.
  • 국내는 국가적 정보 인프라가 매우 발달한 반면 이를 활용하는 응용 서비스 및 컨텐츠는 미비한 실정이며, 나노바이오 센서를 활용한 메디컬 시스템 및 생체/신체 영역 네트워크 개발시 국제적 경쟁력을 갖춘 국내 IT 인프라를 기반으로 경쟁력 있는 신성장동력산업으로 성장할 가능성이 높다.

생체/신체 영역 무선 네트워크 기술 표준화가 진행되고 있다.

  • 정보 통신 및 네트워크 분야 기술이 기존 산업과의 융합을 통해 신규산업으로 확대되는 과정에서 관련 융합기술이 부가가치를 창출하기 위해서는 개발된 기술이 국제 표준으로 채택되어야 함. 생체/신체 영역 무선 네트워크 기술은 표준화가 발빠르게 진행되는 단계이므로, 신호획득 수준의 물리계층 및 시스템 성능을 위한 최적 구조 및 응용서비스 집약적 망제어 관리에 이르는 다양한 원천 기술의 확보 및 표준화 선점이 시급하다.

생체/신체 영역 무선 네트워크 기술 표준화가 진행되고 있다.

  • 정보 통신 및 네트워크 분야 기술이 기존 산업과의 융합을 통해 신규산업으로 확대되는 과정에서 관련 융합기술이 부가가치를 창출하기 위해서는 개발된 기술이 국제 표준으로 채택되어야 함. 생체/신체 영역 무선 네트워크 기술은 표준화가 발빠르게 진행되는 단계이므로, 신호획득 수준의 물리계층 및 시스템 성능을 위한 최적 구조 및 응용서비스 집약적 망제어 관리에 이르는 다양한 원천 기술의 확보 및 표준화 선점이 시급하다.

시스템집적회로 분야, 특히 신호변환 SoC 분야 회로 설계 고급 인력의 부족이 심각함.

  • 고속, 저전력 미세신호 변환용 data acquisition circuit 기술 개발은 현재 미국, 일본 등의 선진국만이 확보한 핵심기술이며, 국내는 아직 기초 기술 확보 단계로 대략 5년 정도의 기술 격차를 가지고 있는 상태이다.

바이오나노 분석기술의 미래 및 전망

SoC 기술로 초소형화된 정보 기기

  • 미래 정보 기기는 모든 모듈이 한 개의 칩 형태로 집적되는 초소형 형태를 갖게 될 것이며, 이의 구현을 위한 신호변환, 신호획득 및 신호처리 기술이 경쟁력을 결정짓는 주요한 요소가 될 것이다.
  • 나노바이오 센서와 집적화 될 수 있는 신호 정합, 제어, 통신 모듈의 혼합집적 설계 기술의 수요가 지속적으로 증가할 전망이다.

 나노바이오 센서의 네트워크화

  • 다양한 나노바이오 센서가 개발되고 이를 활용한 기기 및 서비스가 시장에 도입될 것임. 단일 센서 기반 응용 시스템 보다 다양한 센서가 종합적으로 융합되고 사용자의 인지없이 실시간으로 정보가 갱신되는 온라인 ubiquitous 시스템이 보편화 될 전망이다.
  • 분산된 센서를 네트워크화 하고 정보를 획득, 분배, 처리하기 위한 상위레벨 융합 시스템 기술의 수요가 증가할 것으로 예상된다.

국내외 연구현황 및 전망

나노바이오 센서 데이터 트래픽에 최적화된 생체/신체 영역 네트워크 설계 및 수학적 분석 수행

  • 나노바이오 센서가 생체, 의료 응용 분야에 접목된 경우, 이의 처리는 안정적으로 견실하게 시간 지연 없이 지정된 quality of service (QoS) 기준을 만족되며 수행되어야 한다.
  • 정보 전달 성능은 초근거리부터 중장거리 무선 시스템에 있어서의 데이터 트래픽의 특성 및 사용자의 이동에 따른 신호왜곡과 페이딩 등에 의해 영향을 받으며, 이를 고려한 최적의 생체/신체 영역 무선 통신 및 네트워크 망 구성이 필수적이다.
  • K. Sohraby 교수 연구팀은 이동성 모델링, 트래픽 관리 및 분석, 고급 큐잉 이론 등의 우수한 연구 업적을 발표해 왔으며, 나노바이오 센서를 포함한 새로운 네트워크 환경에 적용할 수 있는 네트워크 최적화 연구를 수행하였다.
  • University of Missouri-Kansas City (UMKC)에서 기 진행되어온 생체/신체 영역 통신 네트워크에 적합한 컴퓨터 모의실험 소프트웨어의 개발을 수행하여, 본 과제에서 알고리즘 검증 및 분석에 기여할 것이다.

<그림 28> Nanobio 센서에 기반한 센서 응용 시스템의 예

국내외 연구현황 및 전망

Nanobio 센서의 미세 신호를 변환, 추출, 전송하기 위한 신호 처리, 무선 통신 네트워크 기술 및 센싱 정보 활용을 위한 정보처리, 정보융합 시스템 기술의 개발

 

국내외 연구현황 및 전망

구분 연구개발목표
1차년도
  • Nanobio 센서의 미세 신호 특성 분석
  • 무선 통신 회로 설계를 위한 생체 내 RF 채널 특성 분석
2차년도
  • 미세 신호 처리 기술 개발
  • Data acquisition 및 통신 모듈 개발
3차년도
  • Wearable 센서 집적형 data acquisition 및 통신 회로 설계 및 개발
4차년도
  • Data acquisition 및 통신 회로의 nanobio 센서 집적화, Nanobio 센서 디바이스 네트워킹
5차년도
  • Wearable 센서에 기반한 정보 처리 및 융복합 시스템 기술 개발

 

연차별 연구내용

구분 연구개발목표
1차년도
  •  Nanobio 센서 신호획득 회로 설계를 위한 신호 및 정합시스템 특성 분석
  •  무선 생체 통신 채널의 RF 특성 분석 및 사용자 이동성 모델링축
2차년도
  •  센서시스템의 data acquisition 회로 및 통신 개별 소자 단위의 설계 기술 개발
  •  센서 신호 SNR (Signal to Noise Ratio) 개선을 위한 잡음 모델링 및 신호 처리 기술 개발
3차년도
  • Wearable 센서 집적화가 가능한 data acquisition 및 통신 모듈의 설계 및 개발
  • Nanobio 응용 시스템을 위한 무선 생체/신체 영역 네트워크 개발
4차년도
  • Data acquisition 및 통신 모듈과 nanobio 센서의 집적화
  • 무선 생체/신체 영역 네트워크의 계층간 통합적 최적화 연구
5차년도
  • 센싱시스템 정보 분석 및 자원/성능 관리 기술 개발구
  • 총괄사업내 개발된 소자가 연동된 센서 시스템 응용 서비스 시스템 개발

국내외 연구현황 및 전망

본 세부과제는 나노바이오 기술로 개발된 소자 단위의 구성 요소를 기반으로 wearable 및 implantable 센서 시스템을 구축하기 위한 종합적, 총체적 성격을 갖고 있다.
 

나노바이오 센서 개발은 센서의 미세 신호를 처리하기 위한 집적회로 부분과 이를 전송하기 위한 통신 부분을 필수적으로 필요로 하며, 센서 신호 인터페이스를 위한 공통된 신호 처리 및 통신 연구개발 부분을 본 과제가 담당함으로써 각 세부사업에서 개발하고자 하는 소자 및 센서 특성을 규정함으로써 연구 기간의 단축 및 효율성 극대화를 확보할 수 있다.

타 세부과제에서 개발한 센서 구성 요소를 유기적으로 결합하기 위한 네트워킹, 정보 분배 및 전달 기술과 연동 테스트 환경을 제공함으로써, 복합기술간 상호 융합의 시너지 효과를 높일 수 있다.

공동연구 추진체계

제1세부에서 목표로 하는 초고집적, 초저전력 소자를 데이터 수집 회로 및 통신 모듈 개발에 활용하며, 활용과정에서 시스템을 최적화하기 위한 소자 특성에 관한 정보를 공유한다.

제2세부의 wearable 디스플레이 및 bionic eye 개발은 영상 정보를 고속으로 전달할 수 있는 초소형, 고속 데이터 전송 기술과 연관되어 부가가치가 높아짐. 제2세부와의 공동 연구는 기능 소자와 정보전송 시스템의 집적화 협력이다.

제4세부의 전기화학적, 광학적 바이오 센서 기술 개발은 신개념 센서 소자 개발 자체에 초점을 두고, 센서-외부 디바이스 간, 생체-기계 간 인터페이스 처리를 위한 잡음제거, 정합, 신호 증강 기술은 본 세부과제에서 담당한다.

본 세부과제는 제1,2,4세부에서 개발된 소자를 유기적으로 융합함으로써 센서 정보 시스템을 통합적으로 구성할 수 있는 개발을 추진한다.

 

연구진 역량 및 구성 체계
 

  • 본 과제에 참여하는 연구진은 국내학자 3명과 해외학자 1명으로 구성되어 있으며, 바이오나노 센서 IT 시스템의 연구개발에 필수적인 정보통신 회로 설계 분야, 통신 신호처리 및 네트워크 분야 연구진으로서, 전문 분야가 다양하며 상호보완적인 역할을 수행할 수 있도록 구성된다.
  • K. Sohraby교수는 University of Missouri-Kansas City의 School of Computing and Engineering의 Curator Prof. 로서 telecommunication 네트워킹 분야 연구를 이끌고 있으며, 주요 연구 분야는 고속 컴퓨터 및 통신 네트워크의 모델링, 설계 및 분석이다. 사용자 이동성 분석과 관련된 체계적 모델링을 포함하는 트래픽 분석 모델링, 네트워크 트래픽에 따른 네트워크 성능 분석 및 네트워크 구조 설계 분야에서 우수한 연구 결과를 발표했다. IEEE Communication Society 저널의 초빙 에디터 및 IEEE INFOCOM 을 비롯한 저명학회에서 TPC 의장의 역할을 수행함. 2002, 2003년도에 ANIR, ITR 등 NSF 네트워크 분야 panelist로 활동했다.
  • 고속 집적회로 연구실의 송종인 교수는 무선센서네트워크용 센서 모듈 기술, implantable integrated circuit 설계 기술, 저전력 아나로그-디지털 혼성회로 설계 기술, 유무선통합망용 광-무선 가입자망 기술 등을 연구하고 있으며, 회로 설계에 필요한 각종 simulation tool들을 비롯하여, 개발되는 회로 및모듈의 특성 측정에 요구되는 50GHz Vector network analyzer, noise 측정 시스템, power 측정시스템, spectrum analyzer 등의 측정장비를 보유하고 있다. 송종인 교수는 광주과학기술원의 NBIT 융합기술 기반 구축을 위한 분산센서네트워크 연구소를 이끌고 있으며, 바이오나노센서 소자, 저전력 통신기술, 저전력 집적회로 기술 등의 연구개발을 총괄하고 있다.
  • 센서 통신 연구실의 김기선 교수는 차세대 신성장 동력인 다양한 융합 산업의 핵심기술인 정보통신기술의 근간인 무선통신 기반기술과, 멀티미디어 통신신호처리 기술에 관련된 연구를 수행했다. 다양한 융합시스템에 멀티미디어 이동통신 시스템과 분산 센서 네트워크를 실장하기 위한 기반기술로서, 생체 및 환경 응용 융합 서비스에 적절한 통계적 신호처리에 기반 한 다양한 센서 신호 및 비가우스 불규칙 잡음 모델링, 불특정한 잡음환경에 강인한 미세 신호 획득, 통신 성능을 최적화시키는 신호설계 방법 개발과 관련 신호 분석 및 데이터 융합을 위한 다중 센서 정보 처리와 관련된 다양한 기초 연구를 수행하고 있다.
  • 무선 네트워크 연구실, 임혁 교수는 차세대 무선 네트워크를 개발하기 위한 네트워크 시스템의 설계 수학적 분석 및 모델링 모의실험과 시스템구현을 통한 성능 검증 등의 연구를 수행하고 있다. 광주과학기술원 iMSE 연구소의 지원으로 환자의 생체정보관리 의료정보 시스템을 위한 wireless body area network (WBAN) 개발과제를 수행하고 있다.

국내외 연구현황 및 전망

  • K. Sohraby 교수 연구팀은 통신망 분석 및 컴퓨터 모의 실험 분야에서 연구를 수행하고 있으며, 본 과제가 목표로 하는 생체/신체 영역 무선 통신 및 네트워크의 수학적 분석 분야를 공동으로 수행할 계획이다. 신체 영역 무선 네트워크는 생체 및 신체라는 특이한 무선 환경에서 구축된 무선망으로, 초근거리 및 중장거리를 망라하고 움직이는 생체라는 고유성격이 있기 때문에, 대상 네트워크 트래픽 및 통신 채널의 특이성으로 분석 및 컴퓨터 모의실험에 어려움이 있다. K. Sohraby 교수 연구팀은 기존에 확보된 이동성 모델 및 관련 트래픽 성능분석 등의 연구 개발 결과와 연동하여 신체 영역 무선 네트워크를 위한 컴퓨터 모의실험 소프트웨어를 개발을 담당한다.

1) Nanobio 센서 data acquisition 회로설계 및 신호처리 기술 개발

ADC, DAC, LNA, 제어 회로를 포함한 A/D mixed IC 설계기술 개발

센서 미세 신호 증강에 적합한 집적형 저잡음증폭기 (LNA) 설계기술 개발

센서 신호 SNR (signal to noise ratio) 개선을 위한 신호 처리 기술 개발

Wearable 센서 디바이스에 적합한 저전력 IC 설계 기법 연구

실장형 시스템 구현에 적합하도록 제1세부와 저전력 소자 기술 개발 공동 연구

2) 생체 적합형, 소형 무선 통신 기술 개발

극초단 연 x-선 레이저 발생 기술

생체 신호 및 멀티미디어 통신 트래픽 특성 및 잡음 환경 모델링 연구

Wearable 및 implantable 통신 환경에서 RF 채널 전파 손실 특성 연구

멀티채널의 센서 신호 및 생체 이미지 데이터를 전송하기 위한 고속 데이터 전송 기술 개발

소형/경량의 무선 통신 모듈 설계 및 생체/신체 영역 무선 네트워크용 저전력 프로토콜 설계 기술 개발

제 2세부 bionic eye 및 제4세부 바이오 인터페이스의 센서 시스템에서 무선망 구성을 제공하기 위한 통신 기법 및 성능 분석 공동 연구

3) Nanobio 센서에 기반한 정보처리 및 시스템 기술발

다중센서 신호 처리, 데이터 융합 및 주요 신호 성분 추출을 위한 정보이론 기반 분석 기법 연구

다중센서 간 통신 및 원격 장치로의 통신망 구성을 위한 wireless body area network (WBAN) 계층구조 및 실장기술 개발

제4세부 바이오센서의 신호기반으로 한 의료시스템, 기계-사람 연계 응용시나리오 설정, 응용알고리즘, 및 통합 시스템 구조 연구 및 테스트베드 개발

1) 과학기술 학문 발전의 기여도

Wearable 및 implantable 센서에 집적화될 수 있는 초소형, 미세신호 증강, 저전력 data acquisition circuit 기술은 회로 설계 기법은 비메모리 분야의 다양한 초소형 portable 정보 기기 산업에 활용될 수는 원천기술이다.

생체 바이오 센싱 정보의 신호 및 잡읍 특성 모델링에 근거한 잡음 제거 및 신호 증강 기술의 확보가 가능하고, 다중센서를 이용하여 생체/신체 환경에 적합한 병렬형 생체/신체 정보 처리기술의 확보가 가능하다.

최근에 시작된 연구분야인 생체/신체 영역 무선 네트워크 분야에서 RF 신호의 특성, 인체유해성, 타 의료장비와의 간섭 문제 등 주요 통신 물리계층 문제를 해결할 것으로 기대된다. 다양한 바이오 센서 및 센서 신호를 처리할 수 있는 신호 처리 기술과 이질 통신 네트워크 간의 연결성 및 quality of service (QoS) 보장 기술의 확보가 가능하다.

2) 경제 사회 문화적 파급효과

Nanobio 센서를 위한 초소형, 고속, 저전력 data acquisition 회로 설계 기술은 전 산업 영역에서 요구되는 기초 기술로서 바이오의료 분야 이외에도 보안 시스템, 가상현실 시스템, 실감형 게임 기기, 오감센서, 환경 감시, 농산물의 품질관리 및 안정성 검사, 정밀 화학 공정 제어 등에 직접적으로 활용될 수 있어 다양한 산업적 수요를 창출할 것이다.

인터넷을 비롯한 네트워크 기능과 결합된 wearable 및 flexible 디스플레이는 그 응용 범위가 무한정하며, 일상 생활의 패턴이 유비쿼터스화되는 문화적 변혁이 예상된다.

Nanobio 센서 기술이 IT와 접목되어 의료 시스템에 활용되면, 병원 방문이 어려운 노인, 환자에 대하여 인터넷을 통한 온라인 검진이나 응급환자의 이송 중 검진 등이 가능하게 됨으로써 의료 서비스의 향상과 안정성 확보에 기여할 것이다.

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