뜨는 시장 ‘헬스케어’에 눈돌린 반도체 업계, 핵심 키는? (1)

[테크월드=이나리 기자]

고령화, 의료비 부담으로 헬스케어 니즈 확대
'헬스케어 웨어러블’ 반도체 시장 활발 

전세계적으로 빠르게 고령화가 진행되고 있다. 발전된 의료 기술과 개선된 생활 환경으로 인해 ‘100세 시대’라는 말이 등장할 정도로 인간의 수명이 늘어나면서 사람들은 효율적인 건강 관리에 대한 관심이 그 어느 때 보다 높다. 

세계건강기구(WHO)의 발표에 따르면 2006년 전세계 60세 이상 인구 수는 6억 5000만 명이었고, 이 숫자는 2025년에 12억 명에 육박할 것으로 예상되고 있다. 미국의 경우에는 전체 인구 중 65세 이상의 인구 비율이 이전보다 높은 비중을 차지하고 있고, 이와 같은 비율은 21세기 내내 지속적으로 증가할 것으로 전망된다.

우리나라 경우에는 OECD 국가 중 가장 빠른 속도로 고령화가 진행되고 있는 국가 중 하나다. OECD 건강정보에 따르면 국내 65세 이상 고령자 인구 비율이 2018년 14.3%, 2026년 20.8%를 초과해 2026년에는 초고령 사회로 진입하게 된다. 이처럼 가정에서 집중적인 치료를 받아야 하는 베이비붐 세대의 노령화가 가속화되고 질병으로 인한 의료비 부담이 증가하면서 ‘홈 헬스케어 기기’에 대한 니즈가 늘어나고 있는 추세다. 

최근 의료 서비스는 병원 중심에서 환자 중심으로 변화하고 있고, 집에서 예방, 관리, 진단, 치료까지 가능한 시스템이 개발되고 있다. 그 중 웨어러블 기기는 가장 대표적인 홈 헬스케어 제품으로 꼽힌다. 휴대성을 높이기 위해 시계나 밴드 형태로 구현된 헬스케어 웨어러블 기기는 사용자의 건강 상태를 체크하고 스마트폰으로 연동시켜 분석된 데이터를 실시간으로 알려주는 방식으로 사용된다. 

이미 여러 기업들이 언제 어디서든 심전도 측정이 가능한 스마트폰, 일상에서 자연스럽게 혈당을 측정하는 스마트렌즈 등을 개발해 의료 시장에 변화 바람을 일으키고 있다. 최근 국내에서도 다양한 헬스케어 웨어러블 제품이 시중에 등장하기 시작했으며, 웨어러블 기기로 건강을 관리하는 스마트 헬스기기 개발자라는 직업이 국내 직업사전에 정식 등재될 만큼 의료기기 산업은 성장 가능성이 높은 산업으로 자리 잡아가고 있는 중이다. 

셀프 헬스케어 기기는 의료 서비스의 시간과 공간 한계를 극복하기 위해서 기술적으로 연결성(커넥티비티), 전력소모, 센서, 사생활 보호, 정보인증, 치료법 준수, 환자 안전 보장, 표준화를 위해 기술 발전이 동반돼야 한다. 이를 위해서는 고도의 반도체 기술이 뒷받침 돼야 한다. 이런 시장 니즈에 따라 반도체 업체들은 헬스케어 디바이스를 타깃으로 한 반도체를 개발해 출시하기 시작했다. 

헬스케어에 최적화된 반도체, 중요 요소는? 

최신 반도체 디바이스는 엔터테인먼트 혹은 통신을 위한 가정용, 휴대용 소비가전에 초점을 맞추고 있기 때문에 설계 전문기술의 상당 부분은 최신 홈 헬스케어 기기를 구현하는데 매우 유용하다. 여기서 고성능 센서와 데이터 수집(Data Acquisition) 디바이스를 최신 홈 헬스케어 기기의 설계에 반영한다면, 가정에서 사용할 수 있는 의료 시스템도 충분히 구현할 수 있기 때문이다. 정밀 신호를 추출하고 디지털화할 수 있는 고성능 센서, 증폭기, 데이터 컨버터나 신호에 대한 첨단 분석을 할 수 있는 임베디드 프로세서 등은 반도체 제품의 정확도를 보여주는 예다.

센서 : 헬스케어 기능이 탑재된 웨어러블 기기를 보면 사용자의 건강관리를 위한 다양한 정보를 측정할 수 있는 기능이 포함돼 있다. 기본적으로 운동 시간, 거리, 심박수, 칼로리 소모량 등 자신의 운동 상황을 측정해주는 피트니스 기능은 일상활동 속에서도 자신의 운동 상태를 쉽게 분석할 수 있기 때문에 꾸준한 건강관리가 이뤄질 수 있다. 또 웨어러블 기기로 수면시간을 측정할 수 있고, 그 중 실제로 딥슬립(Deep Sleep)한 시간은 어느 정도인지를 확인할 수 있다. 더 나아가 전문 홈 헬스케어 기기는 혈당, 심전도(ECG), 천명(Wheeze Rate), 폐 활동 등의 측정까지 가능하다.

이런 다양한 건강 상태를 홈 헬스케어 기기를 통해 체크하기 위해서는 생체정보를 읽어낼 수 있는 센서의 역할이 매우 중요하다. 센서 측정은 타깃 물질을 인식하고 트랜스듀서에 의해 측정되는 이화학적 신호를 만드는 감지 레이어로 구성됐다. 또 실리콘 트랜스듀서에는 정전용량-디지털 변환장치와 임피던스-디지털 변환장치, LED를 사용하는 광자(Photonic) 시스템, 포토다이오드 등이 포함된다. 더불어 특수 MEMS 기반 모션 센서는 가속도, 중력, 경사도 등을 확인할 때 필요한데, 여기에는 회전 감지를 위한 자이로스코프 센서까지 포함된다. 

데이터 컨버터 : 헬스케어 기기는 센서에서 수집한 생체정보를 디지털 정보로 변화하는 과정이 필요하다. 여기에서 반도체는 핵심적인 역할을 한다. 센서와 컴퓨팅 사이에서 발생하는 데이터 컨버터의 주요 신호 처리 블록은 주로 고밀도 증폭기와 결합해 트랜스듀서를 디지털화해 작동시킨다. ADC(Analog-To-Digital) 컨버터와 같은 제품들은 저전력의 고정밀도 시스템을 지원한다. 이런 시스템에서 요구되는 해상도와 측정 신호 대역폭에 최적의 솔루션을 선택하기 위해서는 전력소모, 해상도, 속도 등이 매우 중요한 요소로 꼽힌다. 

임베디드 프로세싱 : 임베디드 프로세서는 기기 전체를 제어하면서 센서를 통해 모아진 데이터를 의학적으로 필요한 정보로 바꿔 환자에게 보내 모니터링할 수 있도록 한다. 더불어 환자 데이터를 의사에게 전송하는데 사용되는 무선 혹은 유선 연결 기능을 관리하는 데 매우 필요하다. 이를 통해 의사는 환자의 생명 유지 신호를 꾸준히 모니터링할 수 있는 시스템 구축이 가능해 진다. 

이처럼 반도체 기술 발전은 전통적인 병원 장비 성능 개선뿐 아니라 클라우드 기반 시스템의 홈 헬스케어의 변화를 촉진하면서 헬스케어 시나리오 전체를 재정의하게 됐다. 

스마트폰 성장 둔화, 헬스케어가 답이다!
헬스케어 웨어러블용 반도체 ‘활발’ 

지난 몇 년간 컨슈머 시장에서의 스마트폰으로 인해 반도체 시장의 엄청난 성장을 일으켰다. 현재 스마트폰은 여러 디바이스를 대체하며 우리 삶의 필수품으로 자리잡았다. 그러나 스마트폰 시장은 빠른 성장으로 이미 포화되면서 성장폭이 둔화되기 시작했다.

따라서 반도체 업체들은 성장 가능성이 높은 다른 분야에 대한 발굴이 필요했고, 헬스케어 시장 가능성을 높게 평가하면서 홈헬스케어 디바이스 관련 반도체 출시가 전보다 활발해졌다. 이 외에도 사물인터넷(IoT), 자율주행차, 인공지능 등도 차세대 먹거리로 최근 주목 받고 있는 시장이다. 

IT 시장조사기관 IHS에 따르면 헬스케어 기기 관련 반도체시장 규모(매출 기준)는 2015년 13억 5300만 달러(약 1조 5000억 원)에서 2019년 25억 1000만 달러(약 2조 9000억 원) 수준으로 두배가량 성장할 것으로 전망됐다. 2014년부터 5년동안 연평균 성장률은 30%에 달한다.
 

헬스케어 시장의 밝은 전망에 따라 그동안 모바일 AP를 중점적으로 개발해 왔던 삼성전자는 헬스케어 시장에 본격적으로 뛰어들었다. 삼성전자는 다양한 생체신호를 수집하고 처리하는 기능을 하나의 반도체 칩에 통합한 ‘바이오 프로세서(S3FBP5A)’를 2015년 12월 양산하기 시작했고, 2016년 상반기부터 피트니스와 헬스케어 기기에 탑재하고 있다.

바이오 프로세서는 기존 다기능 센서와는 달리 마이크로컨트롤러(MCU)와 디지털 신호처리(DSP) 프로세서, 내장 플래시 메모리까지 하나의 칩에 구현함으로써 생체 신호 측정부터 디지털 정보로 변환 처리까지 동시에 할 수 있다. 또 체지방, 골격근량, 심박수, 심전도 측정 등 모바일 헬스케어를 위해 가장 대표적인 5가지 생체 측정 기능을 내장했고, 심박수(PPG)와 심전도(ECG)를 조합해 혈압을 측정하는 별도의 알고리즘을 구성함으로써 두 가지 이상의 측정 정보를 분석해 새로운 데이터를 얻는 수도 있다. 

허국 삼성전자 S.LSI 사업부 마케팅팀 상무는 “IT기기가 진화하고 건강에 대한 대중의 관심이 더욱 증가함에 따라 IT를 활용한 개인 헬스케어에 대한 요구가 증가하고 있다”며 “삼성은 바이오 프로세서를 시작으로 사업영역을 기존에 집중하고 있던 모바일 SOC 분야뿐만 아니라 헬스케어 분야까지 확대할 것”이라고 계획을 밝힌 바 있다. 

MCU, MEMS 시장에서 높은 시장 점유율을 보유한 ST마이크로일렉트로닉스(이하 ST)도 헬스케어에 최적화된 기술을 선보이면서 관련 파트너들과 협약을 활발히 이어나가고 있다. ST는 자사의 고전압, 고속 초음파 STHV800 펄서(Pulser)를 MU의 US-304 휴대형 초음파 영상장치(Ultrasound Imager)에 탑재시켜 아프리카 오지 현장에서의 모바일 의료 진단 ‘닥터 카(Doctor Car)’에 사용하고 있다. MU의 휴대용 초음파 기기는 볼록형 초음파 영상장치(3.5MHz)로 피하 15cm까지 복부진단을 수행할 수 있고, 휴대가 간편해서 노트북이나 태블릿에 USB 단자로 간단하게 연결할 수 있다. 또 기기에 탑재된 ST의 초음파 펄서는 200V SOI-BCD 반도체 공정 기술로 제조된 8채널 트랜스듀서 드라이버 회로를 갖췄다.

또 2016년 10월 ST는 무선 솔루션 개발업체인 에이치마이크로(HMicro)와 함께 임상 등급 일회용 스마트 패치와 바이오 센서용 단일 칩 ‘HC1100’을 공동 개발했다. HC1100 칩은 위포인트(WiPoint) 기술에 기반해 특수 용도로 개발한 실리콘 플랫폼으로 Wi-Fi, 초광대역(Ultra-wideband), MBAN(Medical Band)을 위한 3개의 초저전력 무선 기능과 다중 센서 인터페이스, ARM 코어텍스-M0 애플리케이션 프로세서, 352kB RAM, 전력 관리 회로 등을 한 개의 칩에 담아 냈다.

다중 센서 인터페이스는 심박수, 혈중 산소 농도, 호흡 상태 모니터링을 지원하고, 행동인식 기능으로 환자의 움직임 감지와 모니터링을 위해 MEMS 마이크와 모션 MEMS 센서와의 인터페이스 역할까지 수행한다. HC1100 칩은 대량 생산용 임상기기와 산업용 IoT 애플리케이션 등 다양한 활용을 목표로 하고 있다. 

아나로그디바이스(이하, ADI)는 홈케어 천식 관리 의료기기 개발을 위한 칩을 개발했다. 보다 효과적인 의료 활동을 하기 위해서는 천식 증상 진단과 복합적인 환경에서의 폐 활동 측정이 즉각적이어야 하는데, 과거에는 측정이 병원이나 의사의 진료실에서만 가능했기 때문에 집에 있거나 혹은 병원으로 이송중인 환자들은 혜택을 받을 수 없었다.

이스라엘의 천식 관리 의료기기 개발 기업인 ‘카멜소닉(KarmelSonix)’은 야간용 폐 모니터(Pulmonary Monitor) Wholter과 개인용 천명측정기 Wheezometer에 ADI의 블랙핀(Blackfin) 프로세서를 활용했고, 과거 의사 진료실이나 병원에서만 이용 가능했던 천식 진단을 환자들이 집에서 스스로 조기 관리할 수 있도록 했다. 블랙핀 프로세서는 최대 750MHz까지 확장이 가능하며 USB, 이더넷, Wi-Fi, 블루투스, LCD 등을 포함한 유무선 통신용 보드를 연결하고, 특허 등록된 록박스(Lockbox) 기술을 제공해 지적재산권과 코드를 보호하는 것이 특징이다.

또 ADI는 휴대용 심전도 모니터링 기기에 활용할 수 있는 저전력 생체 전위(Biopotential) 아날로그 프론트 엔드(AFE, Analog Front End) ‘AD8233’를 2016년 10월 발표했다. 일반적인 경우 개발자들은 심전도 프론트 엔드를 여러 개별 부품을 사용해 설계해야 하기 때문에 비용과 설계 시간이 늘어나는 경우가 다수다.

ADI의 AD8233 AFE는 개발자들이 제품을 보다 빨리 시장에 출시할 수 있도록 사용이 쉬운 하나의 부품으로 설계했고 레퍼런스 설계, 웹 기반의 필터 설계 툴, 스파이스(Spice) 모델을 함께 제공하고 있다. 또 크고 무겁고 눈에 띄는 모니터링 장치는 환자들이 착용하기에 불편하거나 일상생활에 방해가 될 수 있기 때문에 2.0mm × 1.7mm의 작은 크기로 개발됐으며, 마이크로 암페어 범위의 낮은 전력 소비로 배터리 수명을 연장시켰다. 

맥심 인터그레이티드 코리아도 개발자들의 시제품 개발 기간 단축을 돕는 헬스케어, 피트니스 웨어러블용 초소형 ‘h센서 플랫폼(hSensor Platform)’을 2016년 11월 출시했다. 맥심 h센서 플랫폼은 모든 하드웨어 구성요소를 회로기판(PCB)에 통합하고 ‘ARM 엠베드(mbed)’ 하드웨어 개발 키트(HDK)로 하드웨어 성능을 바로 확인할 수 있게 구축해 개발의 편의를 돕는다. 또 h센서 플랫폼은 고감도 산소 포화도와 심박수 측정 센서, 임상급 온도 센서, 관성 센서(3축 가속도계, 6축 가속도계/자이로스코프), 대기압 센서가 하나의 칩에 탑재돼 체스트 스트랩(Chest strap), 심전도 패치, 손목에 차는 기기, 온도계, 일회용 체온 측정 패치, 혈중 산소 측정, 스마트 체중계, 생체 인증 등 여러 헬스케어 웨어러블 개발에 활용할 수 있다. 

또 맥심은 모바일 헬스케어 스타트업 힐세리온이 지난 5월 출시한 휴대용 무선 초음파 진단기 ‘소논(SONON) 300’ 시리즈에 트랜시버 MAX2082와 아날로그 스위치 MAX4968B를 공급하고 있다. 소논은 비록 크기는 작지만 기존 초음파 진단기와 동일한 기능을 탑재하고 있어 수술실∙응급실∙구급차와 같은 의료, 응급재난, 교육 등 다양한 의료 응용 분야에 유용하다. 더불어 휴대폰, 태블릿 등으로 클라우드 기반 이미지 교환 시스템에 접속해 어디서든 초음파 진단을 할 수 있기 때문에 휴대용 헬스케어 디바이스로써 활용도가 높다. 

반도체 업체 마이크로칩도 헬스케어와 피트니스의 휴대용 디바이스에 적합한 저전력 마이크로컨트롤러(MCU) PIC24F ‘GB6’를 공개했다. 이 제품은 ECC(Error Correction Code) 기능과 1MB의 플래시 메모리, 32KB RAM을 내장하고 있고, 듀얼-파티션 플래시를 갖추고 있어 하나의 파티션에서 애플리케이션 코드를 실행하는 동시에 다른 파티션의 프로그래밍을 할 수 있다. 이 기술은 수명과 외부 메모리 없이도 데이터 전송과 저장이 중요한 의료와 피트니스, 포터블 기기에 적합하다.

헬스케어 기기 시장은 환자가 직접 착용하는 홈 헬스케어 기기에 국한되지 않는다. 환자 치료 개선을 위한 모바일 디바이스도 전체 헬스케어 시장 성장에 일조하고 있다. 바코드 프린터 전문 기업인 지브라 테크놀로지스는 임상 모빌리티 워크플로우와 함께 환자 치료 개선을 위한 모바일 핸드헬드 디바이스를 지난 6월 공개했다. 

DS8100-HC 시리즈 스캐너는 약국, 실험실, 치료 현장 등에서 문제가 되는 바코드를 스캔함으로써 생산성을 향상키기고, 표준 LED, 진동, 신호음 등 다양한 피드백 모드를 제공함으로써 바코드가 올바르게 캡처될 때 환자의 컨디션을 방해하지 않고 즉각 알릴 수 있다. 또 안드로이드 지원 TC51-HC 모바일 컴퓨터는 병원 내의 동료에게 전화, 문자 메시지 전송, PBX를 통한 전화 수신, 환자 기록 액세스, 바코드 스캐닝, 투약 정확성 등을 신속하게 전달시켜서 헬스케어 종사자들 간의 협업과 의사 소통을 돕는 시스템이다.

홈 헬스케어 관련 반도체 기술은 소비자 건강 관련 기기를 더 원활하게 확산할 수 있게 했고, 이로 인해 전세계 헬스케어 시장은 접근성, 효율성, 가격합리성 측면에서 좋은 방향으로 개선되고 있다. 앞으로 가정용 의료기기에 대한 수요가 증가할수록 시스템의 요구사항은 점진적으로 복잡해질 것이다. 소비자용 휴대용 의료기기는 측정 성능은 물론이고 의료기기의 크기를 최소화하면서 긴 배터리 시간, 사용 편의성과 정보 보안 기술을 높이는 것이 핵심 요소로 여겨지고 있다.