과목별 모의고사 | 물리치료 기초 8회

20 mA의 직사각형 펄스를 300 μs 동안 주었을 때 한 위상의 전하량은?

1 12 μC
2 6 μC ✓ 정답
3 60 μC
4 6 mC
5 320 μC

해설

직사각형 펄스 한 위상의 전하량은 전류 세기에 지속시간을 곱한 값이다. 20 mA × 300 μs = 6 μC다. 단위 접두어를 바꿔 계산하면 소수점이 한두 자리씩 어긋나기 쉽다. 이 전하량이 신경을 흥분시키는 자극량의 기본 단위가 된다.

같은 주제 다음 문제세포막을 사이에 두고 에너지 소비 없이 일어나는 확산(diffusion)의 방향은?이 문제가 수록된 문제집2026 국가고시 | 과목별 모의고사 물리치료 기초 [PDF 제공]9,900원

전기자극 치료에서 전하량(charge, Q)은 전류(I)와 시간(t)의 곱으로 계산합니다. 직사각형 펄스(rectangular pulse)는 전류가 일정하게 유지되므로 Q = I × t 공식을 그대로 적용하면 됩니다. 문제에서 전류는 20 mA, 펄스 지속시간은 300 μs로 주어졌습니다. 단위를 통일하면 20 mA는 20 × 10⁻³ A, 300 μs는 300 × 10⁻⁶ s입니다. 따라서 한 위상의 전하량은 (20 × 10⁻³) × (300 × 10⁻⁶) = 6 × 10⁻⁶ C, 즉 6 μC가 됩니다.

전기자극에서 전하량은 조직에 전달되는 총 전기량을 의미하며, 전류의 세기와 지속시간에 비례합니다. 같은 전하량이라도 전류가 크고 시간이 짧은 자극과 전류가 작고 시간이 긴 자극은 생리학적 효과가 다를 수 있지만, 전극-조직 계면에서의 전기화학적 안전성을 평가할 때는 한 위상당 전하량이 핵심 지표가 됩니다. 한 위상 전하량(charge per phase)이 지나치게 크면 전극 부식이나 조직 손상의 위험이 증가하므로, 임상에서는 전하 밀도(charge density)와 함께 관리합니다.

혼동 주의! 펄스 지속시간이 μs 단위로 주어졌을 때 mA와 곱하면 결과는 μC 단위가 됩니다. 20 × 300 = 6000처럼 보이지만, 이는 10⁻³ × 10⁻⁶ = 10⁻⁹이 곱해진 값이므로 6000 × 10⁻⁹ C = 6 × 10⁻⁶ C = 6 μC로 환산해야 합니다. 단순히 숫자만 곱해 6000 μC나 6 mC로 오인하지 않도록 단위 접두어의 지수 처리가 중요합니다.

신경자극(neurostimulation) 기기에서는 일반적으로 이상성 펄스(biphasic pulse)를 사용하여 한 위상에서 축적된 전하를 반대 위상에서 상쇄시킵니다. 근거 자료^[1]에서도 정전류 이상성(constant-current biphasic) 자극 방식을 언급하며, 펄스 지속시간을 1 μs부터 10 s까지 조절할 수 있다고 기술합니다. 이처럼 펄스 폭이 넓어지면 동일한 전류에서도 한 위상 전하량이 비례하여 커지므로, 자극 강도를 설정할 때 전류 진폭과 펄스 폭을 함께 고려해야 합니다. 근거 자료^[2]에서도 인공와우(cochlear implant)의 전기자극에서 펄스 형태(pulse shape)가 신경 활성화와 에너지 효율에 영향을 준다고 보고하여, 전하량 계산이 단순한 수식 이상으로 자극 프로토콜 설계의 기초가 됨을 보여줍니다.

핵심! Q = I × t 공식에서 전류는 암페어(A), 시간은 초(s)로 환산한 뒤 곱해야 하며, 결과의 쿨롱(C) 값을 문제에서 요구하는 μC 또는 mC 단위로 정확히 변환하는 것이 국시 빈출 계산 문제의 핵심입니다.

참고 문헌 (논문 출처)

[1]
Online Charge Balancing With Active Impedance Monitoring in Programmable Stimulator to Extend Electrode Lifetime.일반논문Liu K, Chen G, Woeppel K, Cui XT, Kubendran R. (2026) · DOI: 10.1109/access.2026.3674053
[2]
Power-efficient ramped stimulation in a fully implantable cochlear implant.일반논문Doğan M, Topcu O, Ulusan H, Yuksel MB, Uğur MB, Külah H. (2025) · DOI: 10.1038/s41598-025-25077-2

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