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KR20210151591A - 생체 센서, 생체 센서 어레이 및 장치 - Google Patents

생체 센서, 생체 센서 어레이 및 장치 Download PDF

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KR20210151591A
KR20210151591A KR1020200068623A KR20200068623A KR20210151591A KR 20210151591 A KR20210151591 A KR 20210151591A KR 1020200068623 A KR1020200068623 A KR 1020200068623A KR 20200068623 A KR20200068623 A KR 20200068623A KR 20210151591 A KR20210151591 A KR 20210151591A
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KR
South Korea
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light
optical structure
biosensor
light emitting
emitting device
Prior art date
Application number
KR1020200068623A
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Inventor
이계황
강현범
정종원
윤영준
이영준
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to EP20205327.8A priority patent/EP3918981B1/en
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Abstract

발광 소자, 광 검출 소자, 상기 발광 소자와 상기 광 검출 소자의 하부에 위치하는 투광층, 그리고 상기 투광층 내에 위치하고 광의 진행 방향을 제어하는 광학 구조체를 포함하는 생체 센서, 생체 센서 어레이 및 장치에 관한 것이다.

Description

생체 센서, 생체 센서 어레이 및 장치{BIOSENSOR AND BIOSENSOR ARRAY AND DEVICE}
생체 센서, 생체 센서 어레이 및 장치에 관한 것이다.
근래, 피부 또는 의복에 직접 부착하여 생체 정보를 얻기 위한 피부 부착형 장치에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 피부 부착형 장치는 생체 정보를 얻기 위한 생체 센서를 포함한다. 예컨대 광용적맥파(photoplethysmography, PPG) 센서는 사용자로부터 PPG 신호를 얻을 수 있고 이러한 PPG 신호를 분석함으로써 사용자의 혈압, 부정맥, 심박수 및/또는 산소 포화도와 같은 생체 정보를 얻을 수 있다.
일 구현예는 개선된 성능을 가진 생체 센서를 제공한다.
다른 구현예는 상기 생체 센서를 포함하는 생체 센서 어레이를 제공한다.
다른 구현예는 상기 생체 센서 또는 상기 생체 센서 어레이를 포함하는 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 발광 소자, 광 검출 소자, 상기 발광 소자와 상기 광 검출 소자의 하부에 위치하는 투광층, 그리고 상기 투광층 내에 위치하고 광의 진행 방향을 제어하는 광학 구조체를 포함하는 생체 센서를 제공한다.
상기 광학 구조체는 상기 발광 소자로부터 방출된 광의 진행 방향을 제어하거나 생체에서 반사된 광의 진행 방향을 제어할 수 있다.
상기 광학 구조체는 상기 투광층의 두께 방향으로 상기 발광 소자와 중첩하게 위치하는 제1 광학 구조체를 포함할 수 있다.
상기 제1 광학 구조체는 상기 발광 소자에서 방출된 광을 산란 또는 굴절시킬 수 있다.
상기 제1 광학 구조체는 상기 발광 소자의 면 방향에 대하여 실질적으로 수직하게 방출되는 광을 상기 발광 소자의 수직 방향에 대하여 약 10도 이상의 각도로 진행하도록 제어할 수 있다.
상기 제1 광학 구조체는 마이크로렌즈 또는 마이크로렌즈 어레이를 포함할 수 있다.
상기 마이크로렌즈 또는 상기 마이크로어레이의 면적은 상기 발광 소자의 면적보다 작거나 같을 수 있다.
상기 제1 광학 구조체를 이루는 물질의 굴절률은 상기 투광층을 이루는 물질의 굴절률과 다를 수 있다.
상기 제1 광학 구조체는 기공을 가질 수 있다.
상기 제1 광학 구조체는 상기 발광 소자에서 방출된 광을 반사시킬 수 있다.
상기 제1 광학 구조체는 상기 발광 소자에서 방출되는 광을 반사시켜 상기 발광 소자의 수직 방향에 대하여 약 60도 미만의 각도로 진행하도록 제어할 수 있다.
상기 제1 광학 구조체는 실린더 또는 원뿔대 모양을 가질 수 있다.
상기 제1 광학 구조체는 금속을 포함할 수 있다.
상기 제1 광학 구조체는 상기 발광 소자로부터 방출된 광을 상기 발광 소자의 수직 방향에 대하여 약 10도 이상 60도 미만의 각도로 진행하도록 제어할 수 있다.
상기 광학 구조체는 상기 투광층의 두께 방향으로 상기 광 검출 소자와 중첩하게 위치하는 제2 광학 구조체를 더 포함할 수 있다.
상기 광학 구조체는 상기 발광 소자와 상기 광 검출 소자 사이에 위치하는 제3 광학 구조체를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 광학 구조체는 생체에서 반사된 광을 산란 또는 굴절시켜 상기 광 검출 소자로 유도할 수 있다.
상기 제3 광학 구조체는 복수의 나노 입자 또는 다공성 구조체를 포함할 수 있다.
상기 광학 구조체는 상기 투광층의 두께 방향으로 상기 광 검출 소자와 중첩하게 위치하는 제2 광학 구조체를 더 포함할 수 있다.
상기 투광층은 연신 재료를 포함할 수 있다.
상기 투광층은 높은 탄성 모듈러스를 가진 복수의 제1 영역과 상기 제1 영역보다 낮은 탄성 모듈러스를 가지고 상기 인접한 제1 영역들 사이에 위치하는 제2 영역을 포함할 수 있고, 상기 발광 소자와 상기 광 검출 소자는 각각 상기 제1 영역 내에 위치할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 생체 센서를 포함하는 생체 센서 어레이를 제공한다.
상기 생체 센서 어레이는 복수의 단위 소자를 포함할 수 있고, 상기 각 단위 소자는 하나 이상의 상기 발광 소자와 하나 이상의 상기 광 검출 소자를 포함할 수 있다.
상기 각 단위 소자는 압력 센서를 더 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 생체 센서 또는 상기 생체 센서 어레이를 포함하는 장치를 제공한다.
상기 장치는 패치 타입의 피부 부착형 장치 또는 밴드 타입의 피부 부착형 장치일 수 있다.
생체 센서의 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 생체 센서의 일 예를 보여주는 평면도이고,
도 2는 도 1의 생체 센서를 II-II 선을 따라 자른 단면도이고,
도 3은 도 2의 생체 센서의 발광 소자 부분의 일 예를 확대하여 도시한 개략도이고,
도 4는 도 3의 생체 센서에서 광학 구조체의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 5는 도 3의 생체 센서에서 광의 진행 방향의 일 예를 도시한 개략도이고,
도 6은 도 2의 생체 센서의 발광 소자 부분의 다른 일 예를 확대하여 도시한 개략도이고,
도 7은 도 6의 생체 센서에서 광학 구조체의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 8은 도 6의 생체 센서에서 광의 진행 방향의 다른 일 예를 도시한 개략도이고,
도 9는 도 2의 생체 센서의 일 예를 확대하여 도시한 개략도이고,
도 10은 도 9의 생체 센서에서 광의 진행 방향의 일 예를 도시한 개략도이고,
도 11은 일 구현예에 따른 생체 센서의 다른 예를 보여주는 평면도이고,
도 12는 도 11의 생체 센서를 XII-XII 선에 따라 자른 단면도이고,
도 13은 일 구현예에 따른 생체 센서 어레이의 일 예의 배열을 보여주는 개략도이고,
도 14는 도 13의 생체 센서 어레이의 일부분을 보여주는 개략도이고,
도 15는 일 구현예에 따른 생체 센서 어레이의 다른 예의 배열을 보여주는 개략도이고,
도 16은 도 15의 생체 센서 어레이의 일부분을 보여주는 개략도이고,
도 17은 일 구현예에 따른 장치의 일 예를 도시한 개략도이고,
도 18은 광의 입사 각도에 따른 생체 센서의 신호 세기를 보여주는 그래프이고,
도 19는 실시예 2와 비교예 2에 따른 생체 센서의 시간에 따른 생체 신호의 변화를 보여주는 그래프이다.
이하, 구현예에 대하여 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 실제 적용되는 구조는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하 일 구현예에 따른 생체 센서를 설명한다.
생체 센서는 생체 신호를 통해 생체 정보를 감지하기 위한 센서이며, 예컨대 광용적맥파(PPG) 센서, 혈압(blood pressure, BP) 센서, 당뇨(blood glucose, BG) 센서 및/또는 근적외선 뇌 영상 센서 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 생체 센서는 혈관의 혈류 변화 등을 감지하는 광용적맥파(PPG) 센서일 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 생체 센서의 일 예를 보여주는 평면도이고, 도 2는 도 1의 생체 센서를 II-II 선을 따라 자른 단면도이다.
도 1 및 2를 참고하면, 일 구현예에 따른 생체 센서(100)는 투광층(light-transmitting layer)(110), 발광 소자(light-emitting element)(120), 광 검출 소자(photo-detective element)(130), 그리고 광학 구조체(optical structure)(140)를 포함한다.
투광층(110)은 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)의 하부에 위치하여 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)를 지지할 수 있다. 투광층(110)은 예컨대 지지 기판이거나 별도의 지지 기판(도시하지 않음) 위에 형성되어 있을 수 있다. 별도의 지지 기판을 포함하는 경우, 지지 기판은 연신 기판(stretchable substrate)일 수 있다.
투광층(110)은 빛을 투과시킬 수 있으며 예컨대 약 70% 이상, 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 85% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상, 약 97% 이상, 약 98% 이상 또는 약 99% 이상의 광 투과율을 가질 수 있다. 투광층(110)은 발광 소자(120)로부터 광이 방출되는 방향 및 광 검출 소자(130)로 광이 유입되는 방향에 배치될 수 있으며, 예컨대 투광층(110)은 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)보다 감지하고자 하는 생체(피부, 혈관)에 가깝게 배치될 수 있다.
투광층(110)은 연신 층(stretchable layer)일 수 있으며, 이에 따라 비틀고 누르고 잡아당기는 것과 같은 외력 또는 외부의 움직임에 유연하게 반응할 수 있고 원래 상태로 용이하게 복구될 수 있다. 투광층(110)은 탄성체(elastomer)와 같은 연신 재료(stretchable material)를 포함할 수 있고, 연신 재료는 유기 탄성체, 유무기 탄성체, 무기 탄성체형 물질(inorganic elastomer-like material) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 유기 탄성체 또는 유무기 탄성체는 예컨대 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)과 같은 치환 또는 비치환된 폴리오가노실록산, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 (styrene-ethylene-butylene-styrene)과 같은 치환 또는 비치환된 부타디엔 모이어티를 포함하는 탄성체, 우레탄 모이어티를 포함하는 탄성체, 아크릴 모이어티를 포함하는 탄성체, 올레핀 모이어티를 포함하는 탄성체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 무기 탄성체형 물질은 탄성을 가진 세라믹, 고체 금속, 액체 금속 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
투광층(110)은 강성도(stiffness)가 다른 영역들을 포함할 수 있으며, 예컨대 상대적으로 높은 강성도를 가진 제1 영역(110a)과 제1 영역(110a)보다 상대적으로 낮은 강성도를 가진 제2 영역(110b)을 포함할 수 있다. 여기서 강성도는 외부로부터 힘을 받았을 때 변형에 대한 저항의 정도를 나타내는 것으로, 강성도가 상대적으로 높다는 것은 변형에 대한 저항이 상대적으로 커서 변형이 작은 것을 의미하고 강성도가 상대적으로 낮다는 것은 변형에 대한 저항이 상대적으로 작아서 변형이 큰 것을 의미한다.
강성도는 탄성 모듈러스(elastic modulus)로부터 평가할 수 있으며, 높은 탄성 모듈러스는 높은 강성도를 의미할 수 있고 낮은 탄성 모듈러스는 낮은 강성도를 의미할 수 있다. 탄성 모듈러스는 예컨대 영스 모듈러스(Young’s modulus)일 수 있다. 투광층(110)의 제1 영역(110a)과 제2 영역(110b)의 탄성 모듈러스의 차이는 약 100배 이상일 수 있으며, 제1 영역(110a)의 탄성 모듈러스는 제2 영역(110b)의 탄성 모듈러스보다 약 100배 이상 높을 수 있다. 제1 영역(110a)과 제2 영역(110b)의 탄성 모듈러스의 차이는 상기 범위 내에서 약 100배 내지 100,000배일 수 있으며, 제1 영역(110a)의 탄성 모듈러스는 제2 영역(110b)의 탄성 모듈러스보다 약 100배 내지 100,000배 높을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 제1 영역(110a)의 탄성 모듈러스는 약 107 Pa 내지 1012 Pa 일 수 있고, 제2 영역(110b)의 탄성 모듈러스는 약 102 Pa 이상 107 Pa 미만일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
투광층(110)의 제1 영역(110a)과 제2 영역(110b)은 상술한 강성도의 차이에 의해 연신율이 다를 수 있으며, 제2 영역(110b)의 연신율은 제1 영역(110a)의 연신율보다 클 수 있다. 여기서 연신율은 초기 길이에 대한 파단 시점(breaking point)까지 늘어난 길이 변화의 백분율일 수 있다. 예컨대 투광층(110)의 제1 영역(110a)의 연신율은 약 5% 이하일 수 있고, 상기 범위 내에서 0 내지 5%, 0 내지 약 4%, 0 내지 약 3%, 0 내지 약 2%, 0 내지 약 1%, 약 0.5% 내지 5%, 약 0.5% 내지 4%, 약 0.5% 내지 3%, 약 0.5% 내지 2% 또는 약 1% 내지 2%일 수 있다. 예컨대 투광층(110)의 제2 영역(110b)의 연신율은 약 10% 이상일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 10% 내지 300%, 약 10% 내지 200%, 약 10% 내지 100%, 약 10% 내지 90%, 약 10% 내지 80%, 약 10% 내지 70%, 약 10% 내지 60%, 약 10% 내지 50%, 약 10% 내지 40%, 약 20% 내지 70%, 약 20% 내지 60%, 약 20% 내지 50% 또는 약 20% 내지 40%일 수 있다.
투광층(110)의 인접한 제1 영역(110a)은 서로 분리되어 있는 섬형일 수 있으며, 투광층(110)의 각 제1 영역(110a) 위에는 후술하는 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)가 배치되어 있다.
투광층(110)의 제2 영역(110b)은 제1 영역(110a)을 제외한 나머지 영역일 수 있으며, 연속적으로 연결되어 있을 수 있다. 투광(110)의 제2 영역(110b)은 연신성을 제공하는 영역일 수 있으며, 비교적 낮은 강성도 및 높은 연신율로 인해 비틀고 누르고 잡아당기는 것과 같은 외력 또는 외부의 움직임에 유연하게 대응할 수 있고 원래 상태로 용이하게 복구될 수 있다.
일 예로, 투광층(110)의 제1 영역(110a)과 제2 영역(110b)은 다른 형태를 가질 수 있으며, 예컨대 투광층(110)의 제1 영역(110a)은 편평하고 투광층(110)의 제2 영역(110b)은 2차원 또는 3차원 형태의 연신 구조물을 포함할 수 있다. 2차원 또는 3차원 형태의 연신 구조물은 예컨대 물결(wavy) 모양, 주름(wrinkle) 모양, 팝업(popup) 모양 또는 비평면 메쉬(non-coplanar mesh) 모양을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 투광층(110)의 제1 영역(110a)과 제2 영역(110b)은 다른 재료를 포함할 수 있으며, 예컨대 투광층(110)의 제1 영역(110a)은 비교적 높은 강성도 및 낮은 연신율을 가진 무기물, 유기물 및/또는 유무기물을 포함할 수 있고 투광층(110)의 제2 영역(110b)은 비교적 낮은 강성도 및 높은 연신율을 가진 무기물, 유기물 및/또는 유무기물을 포함할 수 있다. 예컨대 투광층(110)의 제1 영역(110a)은 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르술폰 또는 이들의 조합과 같은 유기물, 다이아몬드 탄소와 같은 탄소체 등을 포함할 수 있고, 투광층(110)의 제2 영역(110b)은 폴리디메틸실록산과 같은 치환 또는 비치환된 폴리오가노실록산, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌과 같은 치환 또는 비치환된 부타디엔 모이어티를 포함하는 탄성체, 우레탄 모이어티를 포함하는 탄성체, 아크릴 모이어티를 포함하는 탄성체, 올레핀 모이어티를 포함하는 탄성체 또는 이들의 조합과 같은 유기 또는 유무기 탄성체; 세라믹, 고체 금속, 액체 금속 또는 이들의 조합과 같은 무기 탄성체형 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 투광층(110)의 제1 영역(110a)과 제2 영역(110b)은 동일한 재료를 기반으로 형성될 수 있고 중합도 및/또는 경화도와 같은 조건을 다르게 하여 강성도를 다르게 형성할 수 있다. 예컨대, 투광층(110)은 폴리디메틸실록산을 기반으로 하여 중합도, 경화제의 종류 및 함량 및/또는 경화 온도 등을 다르게 하여 상대적으로 강성도가 높은 제1 영역(110a)과 상대적으로 강성도가 낮은 제2 영역(110b)을 형성할 수 있다.
이와 같이 투광층(110)은 상대적으로 강성도가 높고 연신율이 낮은 제1 영역(110a)과 상대적으로 강성도가 낮고 연신율이 높은 제2 영역(110b)을 포함하고 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)를 제1 영역(110a)에 배치함으로써, 투광층(110)에 큰 외력 또는 움직임이 적용된 경우에도 제1 영역(110a) 내에 배치된 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)는 상대적으로 적은 스트레인을 받음으로써 과도한 스트레인에 의해 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)가 손상되거나 파괴되는 것을 방지할 수 있다.
발광 소자(120)는 소정 파장 영역의 광을 방출할 수 있으며, 예컨대 무기 발광 다이오드, 유기 발광 다이오드 또는 마이크로 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 발광 소자(120)는 예컨대 한 쌍의 전극과 한 쌍의 전극 사이에 위치하는 발광층을 포함할 수 있다. 일 예로, 한 쌍의 전극 중 하나는 투광 전극이고 다른 하나는 반사 전극일 수 있으며, 예컨대 투광층(110)에 가깝게 위치하는 전극이 투광 전극일 수 있다. 일 예로, 한 쌍의 전극은 연신 전극(stretchable electrode)일 수 있고, 연신 전극은 예컨대 연신성 도전체를 포함하거나 물결 모양, 주름 모양, 팝업 모양 또는 비평면 메쉬 모양과 같은 연신 가능한 모양을 가질 수 있다. 일 예로, 발광층은 유기 발광 물질, 양자점 및/또는 페로브스카이트를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 발광층은 청색 파장 영역, 녹색 파장 영역, 적색 파장 영역 및 적외선 파장 영역 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 방출할 수 있으며, 예컨대 녹색 파장 영역, 적색 파장 영역 및 적외선 파장 영역 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 방출할 수 있고, 예컨대 녹색 파장 영역의 광을 방출할 수 있다. 한 쌍의 전극은 연신 전극일 수 있고, 발광층은 연신 발광층(stretchable light emitting layer)일 수 있고, 이에 따라 발광 소자(120)는 예컨대 연신 소자일 수 있다.
광 검출 소자(130)는 소정 파장 영역의 광을 흡수할 수 있으며, 예컨대 무기 광 다이오드 또는 유기 광전 변환 소자를 포함할 수 있다. 광 검출 소자(130)는 예컨대 한 쌍의 전극과 전극 사이에 위치하는 광전변환층을 포함할 수 있다. 일 예로, 한 쌍의 전극 중 하나는 투광 전극이고 다른 하나는 반사 전극일 수 있으며, 예컨대 투광층(110)에 가깝게 위치하는 전극이 투광 전극일 수 있다. 일 예로, 한 쌍의 전극은 연신 전극일 수 있고, 연신 전극은 예컨대 연신성 도전체를 포함하거나 물결 모양, 주름 모양, 팝업 모양 또는 비평면 메쉬 모양과 같은 연신 가능한 모양을 가질 수 있다. 일 예로, 광전변환층은 예컨대 무기 반도체, 유기 반도체 및/또는 유무기 반도체를 포함할 수 있고, 예컨대 pn접합을 형성하는 p형 반도체와 n형 반도체를 포함할 수 있다. 일 예로, 광전변환층은 연신 광전변환층(stretchable photoelectric conversion layer)일 수 있다. 광 검출 소자(130)는 예컨대 연신 소자일 수 있다.
발광 소자(120)로부터 방출된 광은 투광층(110)을 통과하여 혈관과 같은 생체의 타겟 부분(이하 '타겟'이라 한다)에서 반사되고 반사된 광은 다시 투광층(110)을 통과하여 광 검출 소자(130)에서 흡수되어 생체 신호를 얻을 수 있다.
광학 구조체(140)는 투광층(110) 내에 위치할 수 있고 투광층(110)을 통과하는 광을 예컨대 산란(scattering), 굴절(refraction) 및/또는 반사(reflection)시켜 광의 진행 방향을 제어할 수 있다. 광학 구조체(140)에 의해 진행 방향이 제어된 광은 혈관과 같은 타겟 또는 광 검출 소자(130)까지 효과적으로 도달할 수 있다.
예컨대, 광학 구조체(140)는 발광 소자(120)로부터 방출된 광이 타겟에 효과적으로 도달할 수 있도록 진행 방향을 제어할 수 있다. 이에 따라 발광 소자(120)로부터 방출된 광 중 타겟까지 다다르지 못하거나 타겟을 그대로 통과해버려서 소실되는 광을 줄일 수 있다.
예컨대, 광학 구조체(140)는 광 검출 소자(130)에 유입되는 광의 진행 방향을 제어할 수 있다. 광 검출 소자(130)에 유입되는 광은 예컨대 타겟에서 반사된 광일 수 있다. 이에 따라 타겟에 의해 반사된 광이 광 검출 소자(130) 이외의 영역으로 진행하여 광 검출 소자(130)에서 검출되지 못하고 소실되는 것을 줄일 수 있다.
도 2를 참고하면, 광학 구조체(140)는 투광층(110)의 두께 방향(예컨대 Y방향)으로 발광 소자(120)와 중첩하게 위치하는 제1 광학 구조체(140a), 투광층(110)의 두께 방향(예컨대 Y방향)으로 광 검출 소자(130)와 중첩하게 위치하는 제2 광학 구조체(140b) 및/또는 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130) 사이에 위치하는 제3 광학 구조체(140c)를 포함할 수 있으며, 광학 구조체(140)는 이들에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 도 2에서, 제1, 제2 및 제3 광학 구조체(140a, 140b, 140c)는 발광 소자(120) 및 광 검출 소자(130)와의 위치 관계를 설명하기 위하여 임의의 모양 및 크기로 도시한 것이며, 도시된 모양 및 크기로 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 광학 구조체(140)는 발광 소자(120)로부터 방출된 광 중 실질적으로 수직 방향으로 방출되는 광의 진행 방향을 제어할 수 있다. 이에 대하여 도 3 내지 5를 참고하여 설명한다.
도 3은 도 2의 생체 센서의 발광 소자 부분의 일 예를 확대하여 도시한 개략도이고, 도 4는 도 3의 생체 센서에서 광학 구조체의 일 예를 보여주는 개략도이고, 도 5는 도 3의 생체 센서에서 광의 진행 방향의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 3을 참고하면, 제1 광학 구조체(140a)는 투광층(110)의 두께 방향(예컨대 Y방향)으로 발광 소자(120)와 중첩하게 위치하며 발광 소자(120)의 면 방향(예컨대 X방향)에 대하여 실질적으로 수직하게 방출되는 광을 산란 또는 굴절시켜 광의 진행 방향을 바꿀 수 있다. 예컨대 제1 광학 구조체(140a)는 발광 소자(120)의 면 방향(예컨대 X방향)에 대하여 실질적으로 수직하게 방출되는 광을 비스듬하게 진행하도록 산란 또는 굴절시킬 수 있다.
제1 광학 구조체(140a)는 이러한 산란 또는 굴절을 일으킬 수 있는 모양을 가질 수 있다. 예컨대 제1 광학 구조체(140a)는 도 4(a)에 도시된 반구(hemisphere) 형상의 마이크로렌즈(microlens) 또는 도 4(b)에 도시된 마이크로렌즈 어레이(microlens array)를 포함할 수 있다. 마이크로렌즈의 직경은 수 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터일 수 있으며 예컨대 약 1㎛ 이상 1000㎛ 미만, 약 1㎛ 내지 800㎛, 약 10㎛ 내지 700㎛, 약 20㎛ 내지 600㎛ 또는 약 30㎛ 내지 500㎛ 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 마이크로렌즈 또는 마이크로렌즈 어레이의 면적은 발광 소자(120)의 면적보다 작거나 같을 수 있으며, 예컨대 마이크로렌즈 또는 마이크로렌즈 어레이의 면적은 발광 소자(120)의 면적의 약 0.1배 내지 1배, 약 0.2배 내지 1배, 약 0.3배 내지 1배, 약 0.4배 내지 1배, 약 0,5배 내지 1배, 약 0.1배 내지 0.9배, 약 0.2배 내지 0,9배 또는 약 0.3배 내지 0,9배일 수 있다. 이에 따라 발광 소자(120)로부터 실질적으로 수직하게 입사하는 광의 진행 방향을 효과적으로 바꿀 수 있다.
제1 광학 구조체(140a)는 이러한 산란 또는 굴절을 일으킬 수 있는 물질을 포함할 수 있으며, 제1 광학 구조체(140a)를 이루는 물질의 굴절률은 투광층(110)을 이루는 물질의 굴절률과 다를 수 있다.
예컨대 제1 광학 구조체(140a)를 이루는 물질의 굴절률은 투광층(110)을 이루는 물질의 굴절률보다 높을 수 있으며, 예컨대 약 0.1 이상 또는 약 0.2 이상 더 높을 수 있다. 예컨대 제1 광학 구조체(140a)는 이러한 굴절률을 만족하는 유기물, 무기물, 유무기물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 약 1.5 이상, 약 1.6 이상, 약 1.8 이상 또는 약 2.0 이상의 비교적 높은 굴절률을 가진 유기물, 무기물, 유무기물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예컨대 제1 광학 구조체(140a)는 비교적 높은 굴절률을 가진 감광성 고분자로부터 형성될 수 있다.
예컨대 제1 광학 구조체(140a)를 이루는 물질의 굴절률은 투광층(110)을 이루는 물질의 굴절률보다 낮을 수 있으며, 예컨대 약 0.1 이상 또는 약 0.2 이상 더 낮을 수 있다. 예컨대 제1 광학 구조체(140a)는 이러한 굴절률을 만족하는 유기물, 무기물, 유무기물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 약 1.4 미만, 약 1.3 이하, 약 1.2 이하 또는 약 1.1 이하의 굴절률을 가진 유기물, 무기물, 유무기물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 굴절률이 약 1.0인 공기(air)를 포함한 기공을 가질 수도 있다.
만일, 도 5(a)와 같이, 제1 광학 구조체(140a)가 없는 경우, 발광 소자(120)의 면 방향(예컨대 X방향)에 대하여 실질적으로 수직하게 방출된 광은 피부(A1) 및 혈관과 같은 타겟(A2)에 실질적으로 수직 입사할 수 있고, 수직 입사된 광은 혈관과 같은 타겟(A2)을 그대로 통과해버려 반사되지 못하고 생체 내에서 소실될 수 있다. 이러한 광의 소실은 생체 센서의 효율을 떨어뜨리는 원인이 될 수 있다.
도 5(b)를 참고하면, 제1 광학 구조체(140a)는 발광 소자(120)로부터 방출된 광이 통과하는 위치에 배치되어 예컨대 발광 소자(120)의 수직 방향(예컨대 Y방향)으로 방출된 광, 예컨대 발광 소자(120)의 수직 방향에 대하여 약 0도 내지 10도 미만의 낮은 각도로 방출된 광을 산란 또는 굴절시켜 발광 소자(120)의 수직 방향(예컨대 Y방향)에 대하여 약 10도 이상, 약 15도 이상, 약 20도 이상, 약 25도 이상, 약 10도 내지 70도, 약 10도 내지 65도, 약 10도 내지 60도, 약 10도 초과 약 60도 미만, 약 15도 내지 70도, 약 15도 내지 65도, 약 15도 내지 60도, 약 20도 내지 70도, 약 20도 내지 65도, 약 20도 내지 60도, 약 25도 내지 70도, 약 25도 내지 65도, 약 25도 내지 60도의 각도(θ)가 되도록 진행 방향을 바꿀 수 있다.
이에 따라 제1 광학 구조체(140a)에 의해 진행 방향이 바뀐 광은 피부(A1)에 비스듬하게 유입되어 혈관과 같은 타겟(A2)에서 효과적으로 반사될 수 있고 도 5(a)와 같이 반사되지 못하고 생체 내에서 소실되는 광을 효과적으로 줄일 수 있다.
다른 예로, 광학 구조체(140)는 발광 소자(120)로부터 방출된 광 중 실질적으로 수평한 방향으로 방출되는 광의 진행 방향을 제어할 수 있다. 이에 대하여 도 6 내지 8을 참고하여 설명한다.
도 6은 도 2의 생체 센서의 발광 소자 부분의 다른 일 예를 확대하여 도시한 개략도이고, 도 7은 도 6의 생체 센서에서 광학 구조체의 일 예를 보여주는 개략도이고, 도 8은 도 6의 생체 센서에서 광의 진행 방향의 다른 일 예를 도시한 개략도이다.
도 6을 참고하면, 제1 광학 구조체(140a)는 투광층(110)의 두께 방향(예컨대 Y방향)으로 발광 소자(120)와 중첩하게 위치하며 발광 소자(120)의 수직 방향(예컨대 Y방향)에 대하여 지나치게 높은 각도로 방출되는 광을 반사시켜 그보다 낮은 각도로 진행되도록 광의 진행 방향을 바꿀 수 있다. 예컨대 제1 광학 구조체(140a)는 발광 소자(120)의 수직 방향(예컨대 Y방향)에 대하여 약 70도 이상의 높은 각도로 방출되는 광을 반사시켜 발광 소자(120)의 수직 방향(예컨대 Y방향)에 대하여 약 60도 미만의 각도로 진행하도록 제어할 수 있다.
제1 광학 구조체(140a)는 이러한 반사를 일으킬 수 있는 모양을 가질 수 있다. 예컨대 제1 광학 구조체(140a)는 도 7(a)에 도시된 실린더 모양 또는 도 7(b)에 도시된 원뿔대 모양을 가질 수 있다. 실린더 또는 원뿔대의 직경(예컨대 장경) 및 높이는 각각 수 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터일 수 있으며 예컨대 약 1㎛ 이상 1000㎛ 미만, 약 1㎛ 내지 800㎛, 약 10㎛ 내지 700㎛, 약 20㎛ 내지 600㎛ 또는 약 30㎛ 내지 500㎛ 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 광학 구조체(140a)의 내부는 비어 있을 수 있다. 예컨대 실린더 또는 원뿔대의 면적은 발광 소자(120)의 면적보다 크거나 같을 수 있으며, 이에 따라 발광 소자(120)의 수직 방향(예컨대 Y 방향)으로부터 지나치게 높은 각도로 입사하는 광을 효과적으로 반사시킬 수 있다.
제1 광학 구조체(140a)는 이러한 반사를 일으킬 수 있는 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 금속을 포함할 수 있다. 예컨대 제1 광학 구조체(140a)는 금속으로 이루어져 있거나 제1 광학 구조체(140a)의 표면에 금속 코팅되어 있을 수 있다.
만일, 도 8(a)와 같이, 제1 광학 구조체(140a)가 없는 경우, 발광 소자(120)의 수직 방향(예컨대 Y방향)에 대하여 지나치게 높은 각도로 방출되는 광은 혈관과 같은 타겟(A2)에 도달하지 못하고 피부(A1) 또는 투광층(110) 내에서 소실되거나 진행 방향이 바뀌어 광 검출 소자(130)로 그대로 유입될 수 있다. 이러한 광은 생체 정보를 포함하지 않으므로 생체 센서(100)의 효율을 떨어뜨릴 수 있다.
도 8(b)를 참고하면, 제1 광학 구조체(140a)는 발광 소자(120)로부터 방출된 광이 통과하는 위치에 배치되어 예컨대 발광 소자(120)의 수직 방향(예컨대 Y방향)에 대하여 약 70도 이상의 높은 각도로 방출된 광을 반사시켜 발광 소자(120)의 수직 방향(예컨대 Y방향)에 대하여 약 60도 미만, 약 55도 이하, 약 50도 이하, 약 45도 이하, 약 40도 이하, 약 10도 이상 60도 미만, 약 10도 내지 55도, 약 10도 내지 50도, 약 10도 내지 45도, 약 10도 내지 40도, 약 15도 이상 60도 미만, 약 15도 내지 55도, 약 15도 내지 50도, 약 15도 내지 45도, 약 15도 내지 40도, 약 20도 이상 60도 미만, 약 20도 내지 55도, 약 20도 내지 50도, 약 20도 내지 45도, 약 20도 내지 40도, 약 25도 이상 60도 미만, 약 25도 내지 55도, 약 25도 내지 50도, 약 25도 내지 45도 또는 약 25도 내지 40도의 각도가 되도록 진행 방향을 바꿀 수 있다.
이에 따라 제1 광학 구조체(140a)에 의해 진행 방향이 바뀐 광은 피부(A1)로 비스듬하게 유입되고 혈관과 같은 타겟(A2)에서 효과적으로 반사될 수 있다. 따라서, 혈관과 같은 타겟(A2)에 도달하지 못하고 소실되거나 혈관과 같은 타겟(A2)에 도달하지 못하여 생체 정보를 가지지 않는 광을 효과적으로 줄여 생체 센서(100)의 효율을 개선할 수 있다.
또 다른 예로, 광학 구조체(140)는 광 검출 소자(130)에 유입되는 광, 예컨대 타겟(A2)에서 반사된 광의 진행 방향을 제어할 수 있다. 이에 대하여 도 9 및 10을 참고하여 설명한다.
도 9는 도 2의 생체 센서의 일 예를 확대하여 도시한 개략도이고, 도 10은 도 9의 생체 센서에서 광의 진행 방향의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 9를 참고하면, 제3 광학 구조체(140c)는 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130) 사이에 위치하며 혈관과 같은 타겟(A2)에서 반사된 광을 산란 또는 굴절시켜 광을 소정 방향, 예컨대 광 검출 소자(130)로 유입될 수 있는 방향으로 유도할 수 있다. 따라서 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130) 사이의 간격이 넓은 경우에도 타겟(A2)에서 반사된 광이 광 검출 소자(130) 이외의 영역으로 퍼지는 것을 방지하고 광 검출 소자(130)로 정확하게 유입되는 것을 유도하여 생체 센서(100)의 효율을 높일 수 있다.
제3 광학 구조체(140c)는 광을 소정 방향으로 유도하기 위하여 복수의 나노 입자 또는 다공성 구조체를 포함할 수 있다. 복수의 나노 입자는 예컨대 무기 입자, 유기 입자, 유무기 입자 또는 이들의 조합일 수 있으며, 예컨대 금속 입자, 금속 산화물 입자, 금속 질화물 입자 또는 이들의 조합일 수 있다. 다공성 구조체는 복수의 기공을 가질 수 있으며, 2차원 또는 3차원 구조체일 수 있다. 각 나노 입자의 입경 또는 다공성 구조체 내의 기공의 입경은 수 나노미터 내지 수백 나노미터일 수 있으며, 예컨대 약 1nm 이상 1000nm 미만, 약 1nm 내지 800nm, 약 3nm 내지 700nm, 약 5nm 내지 600nm 또는 약 10nm 내지 500nm 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
만일, 도 10(a)와 같이, 제3 광학 구조체(140c)가 없는 경우, 혈관과 같은 타겟(A2)에 의해 반사된 광은 피부(A1)를 통과하면서 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130) 사이의 영역과 같이 광 검출 소자(130) 이외의 영역으로 진행되어 생체 센서(100)의 효율을 떨어뜨릴 수 있다.
도 10(b)를 참고하면, 제3 광학 구조체(140a)는 혈관과 같은 타겟(A2)에 의해 반사된 광이 통과하는 위치에 배치되어 반사된 광이 복수의 나노 입자 또는 기공들을 통과하면서 연속적으로 방향을 바꾸어 궁극적으로 광 검출 소자(130)로 유입될 수 있도록 유도할 수 있다. 이에 따라 생체 정보를 가진 반사 광의 손실을 줄이고 광 검출 소자(130)에 유입되는 생체 신호의 세기를 높여 생체 센서(100)의 효율을 개선할 수 있다.
일 예로, 광학 구조체(140)는 전술한 제1 광학 구조체(140a)를 포함할 수 있다.
일 예로, 광학 구조체(140)는 전술한 제1 광학 구조체(140a)와 함께, 투광층(110)의 두께 방향(예컨대 Y방향)으로 광 검출 소자(130)와 중첩하게 위치하는 제2 광학 구조체(140b)를 더 포함할 수 있다. 제2 광학 구조체(140b)는 광 검출 소자(130) 하부에 위치하여 타겟(A2)으로부터 반사된 광 중 광 검출 소자(130)의 하부로 통과하는 광의 진행 방향을 미세하게 제어하여 광의 손실을 줄이고 광 검출 소자(130)로의 광의 유입을 늘릴 수 있다. 이에 따라 생체 센서(100)의 효율을 높일 수 있다.
일 예로, 광학 구조체(140)는 전술한 제1 광학 구조체(140a), 제2 광학 구조체(140b) 및 제3 광학 구조체(140c)를 함께 포함할 수 있다.
일 예로, 광학 구조체(140)는 전술한 제3 광학 구조체(140c)를 포함할 수 있다.
일 예로, 광학 구조체(140)는 전술한 제3 광학 구조체(140c)와 함께 제2 광학 구조체(140b)를 더 포함할 수 있다.
이하 다른 구현예에 따른 생체 센서에 대하여 설명한다.
도 11은 일 구현예에 따른 생체 센서의 다른 예를 보여주는 평면도이고, 도 12는 도 11의 생체 센서를 XII-XII 선을 따라 자른 단면도이다.
도 11 및 12를 참고하면, 본 구현예에 따른 생체 센서(100)는 전술한 구현예와 마찬가지로 제1 영역(110a)과 제2 영역(110b)을 가진 투광층(110), 발광 소자(120), 광 검출 소자(130) 및 광학 구조체(140)를 포함한다. 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
그러나 본 구현예에 따른 생체 센서(100)는 전술한 구현예와 달리 복수의 발광 소자(120)를 포함한다. 발광 소자(120)는 서로 다른 파장 영역의 광을 방출하는 제1 발광 소자(120a)과 제2 발광 소자(120b)를 포함한다. 제1 발광 소자(120a)와 제2 발광 소자(120b)는 서로 다른 흡수 및/또는 반사 특성을 가진 대상물을 감지하기 위하여 사용될 수 있다. 예컨대 제1 발광 소자(120a)는 녹색 파장 영역의 광을 방출하는 녹색 발광 소자일 수 있고 제2 발광 소자(120b)는 적색 파장 영역의 광을 방출하는 적색 발광 소자 또는 적외선 파장 영역의 광을 방출하는 적외선 발광 소자일 수 있다. 녹색 발광 소자와 적색/적외선 발광 소자는 예컨대 혈관 속의 옥시헤모글로빈(oxyhemoglobin, HbO2)와 헤모글로빈(hemoglobin, Hb)의 흡수 및/또는 반사특성을 위해 사용될 수 있다.
전술한 생체 센서(100)는 행 및/또는 열을 따라 배열된 어레이 형태로 적용될 수 있다.
도 13은 일 구현예에 따른 생체 센서 어레이의 일 예의 배열을 보여주는 개략도이고, 도 14는 도 13의 생체 센서 어레이의 일 부분을 보여주는 개략도이다.
도 13을 참고하면, 생체 센서 어레이(500)는 복수의 단위 소자(510)가 행 및/또는 열을 따라 반복적으로 배열된 매트릭스 배열을 가질 수 있다. 단위 소자(510)의 배열은 예컨대 바이어 매트릭스(Bayer matrix), 펜타일 매트릭스(PenTile matrix) 및/또는 다이아몬드 매트릭스(diamond matrix) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도면에서는 모든 단위 소자(510)가 동일한 크기를 가지는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 하나 이상의 단위 소자(510)는 다른 단위 소자(510)보다 크거나 작을 수 있다. 도면에서는 모든 단위 소자(510)가 동일한 모양을 가지는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 하나 이상의 단위 소자(510)는 다른 단위 소자(510)와 다른 모양을 가질 수 있다.
각 단위 소자(510)는 전술한 투광층(110) 위에 배열되어 있을 수 있으며 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)를 포함한다. 비록 도 13 및 14에서는 예시적으로 각 단위 소자(510)가 1개의 제1 발광 소자(120a), 1개의 제2 발광 소자(120b) 및 2개의 광 검출 소자(130)를 포함하는 것으로 도시하였지만, 이에 한정되지 않고 1개 이상의 제1 및 제2 발광 소자(120a, 120b)와 1개 이상의 광 검출 소자(130)를 포함할 수 있다. 제1 발광 소자(120a)와 제2 발광 소자(120b) 중 하나는 생략될 수 있다.
각 단위 소자(510)에 포함된 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)는 수 내지 수백 마이크로미터 수준의 크기(dimension)를 가질 수 있다. 예컨대 각 단위 소자(510)에 포함된 발광 소자(120) 및 광 검출 소자(130)는 각각 독립적으로 약 1㎛ 이상 1000㎛ 미만의 폭(width), 길이(length) 및 두께(thickness)를 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 10㎛ 내지 800㎛, 약 10㎛ 내지 700㎛, 약 10㎛ 내지 600㎛ 또는 약 10㎛ 내지 500㎛의 폭, 길이 및 두께를 가질 수 있다.
이러한 생체 센서 어레이(500)는 행 및/또는 열을 따라 배열된 복수의 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)를 포함함으로써 생체 신호를 보다 용이하게 감지할 수 있다.
도 15는 일 구현예에 따른 생체 센서 어레이의 다른 예의 배열을 보여주는 개략도이고, 도 16은 도 15의 생체 센서 어레이의 일 부분을 보여주는 개략도이다.
본 구현예에 따른 생체 센서 어레이(500)는 전술한 구현예와 마찬가지로 복수의 단위 소자(510)가 행 및/또는 열을 따라 반복적으로 배열된 매트릭스 배열을 가지고 각 단위 단위(510)는 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 생체 센서 어레이(500)는 전술한 구현예와 달리 각 단위 소자(510)에 압력 센서(300)를 더 포함한다. 즉, 각 단위 소자(510)는 발광 소자(120), 광 검출 소자(130) 및 압력 센서(300)를 포함한다. 비록 도 15 및 16에서는 예시적으로 각 단위 소자(510)가 1개의 제1 발광 소자(120a), 1개의 제2 발광 소자(120b), 1개의 광 검출 소자(130) 및 1개의 압력 센서(300)를 포함하는 것으로 도시하였지만, 이에 한정되지 않고 각 단위 소자(510)는 1개 이상의 제1 및 제2 발광 소자(120a, 120b), 1개 이상의 광 검출 소자(130) 및 1개 이상의 압력 센서(300)를 포함할 수 있다. 제1 발광 소자(120a)와 제2 발광 소자(120b) 중 하나는 생략될 수 있다.
압력 센서(300)는 압력의 변화를 감지할 수 있는 센서이다. 이에 따라 생체 센서 어레이(500)에 배열된 복수의 압력 센서(300) 중 압력이 감지되는 압력 센서(300)로부터 압력 발생 위치를 특정할 수 있고 이에 따라 해당 단위 소자(510)만 선택적으로 동작시켜 혈관과 같은 타겟의 특정 위치에서 생체 신호를 효과적으로 센싱할 수 있다.
일 예로, 본 구현예에 따른 생체 센서 어레이(500)의 동작 방법은 예컨대 생체 센서 어레이(500)의 복수의 단위 소자(510) 중 압력이 감지되는 압력 센서(300)의 위치를 특정하는 단계, 그리고 압력이 감지되는 압력 센서(300)가 속한 단위 소자(510)를 선택적으로 구동하는 단계를 포함할 수 있다. 압력이 감지되는 압력 센서(300)가 속한 단위 소자(510)를 선택적으로 구동하는 단계는 예컨대 압력이 감지되는 압력 센서(300)가 속한 단위 소자(510)의 발광 소자(120)에서 광을 조사하는 단계, 그리고 조사된 광이 예컨대 혈관과 같은 타겟에 의해 반사된 반사 광을 광 검출 소자(130)에서 수신하여 전기적 신호로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 생체 센서(100) 또는 생체 센서 어레이(500)는 생체 정보를 파악하기 위한 다양한 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 부착형 생체 장치(wearable bioelectronic)과 같은 부착형 장치; 피부형 장치(skin-like device); 또는 스마트 의류(smart clothing)에 적용되어 생체 신호를 일시적 또는 실시간으로 얻는데 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 장치는 예컨대 패치 타입의 피부 부착형 장치 또는 밴드 타입의 피부 부착형 장치일 수 있다.
도 17은 일 구현예에 따른 장치의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 17을 참고하면, 일 구현예에 따른 장치(1000)는 패치 또는 밴드 형태의 부착형 생체 센서 장치일 수 있으며, 전술한 생체 센서(100) 또는 생체 센서 어레이(500); 생체 센서(100) 또는 생체 센서 어레이(500)로부터 얻어진 생체 신호를 처리하기 위한 IC 및/또는 프로세서(600) 및 얻어진 생체 신호를 다양한 문자 및/또는 화상으로 표시할 수 있는 표시 영역(700)을 포함할 수 있다.
일 예로, 장치는 광혈류 측정(photoplethysmography, PPG) 센서 장치, 뇌전도(electroencephalogram, EEG) 센서 장치, 심전도 (electrocardiogram, ECG) 센서 장치, 혈압(blood pressure, BP) 센서 장치, 근전도(electromyography, EMG) 센서 장치, 당뇨(blood glucose, BG) 센서 장치, 가속도계(accelerometer) 장치, RFID 안테나(RFID antenna) 장치, 관성 센서(inertial sensor) 장치, 활동 센서(activity sensor) 장치, 스트레인 센서(strain sensor) 장치, 동작 센서(Motion sensor) 장치 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 　다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
광학 시뮬레이션
LightTools 소프트웨어를 사용하여 발광 소자로부터 방출되는 광이 생체(피부, 혈관 등)로 입사되는 각도에 따른 생체 센서의 신호 세기를 평가한다. 입사 각도는 발광 소자의 수직 방향(Y축, 0도)에 대하여 기울어진 각도이다. 발광 소자는 램버시안 방출(Lambertian emitters)을 전제로 하고, 혈관에서 반사된 광 신호만을 생체 신호로 간주한다.
생체 센서의 구조를 다음과 같이 설정한다.
- 생체 센서: PPG 센서
- 발광 소자의 발광 스펙트럼: 550nm 내지 650nm (λmax=600 nm)
- 광 검출 소자의 내부양자효율은 100%라고 가정.
- 발광 소자와 광 검출 소자의 간격: 0 내지 1 mm
- 기판(투광층)의 두께: 0.05mm
- 피부 구성: 피부(skin) 두께 1.5mm, 혈관(blood vessel) 두께 1mm, 지방(fat) 두께 2mm, 근육(muscle) 두께 30mm
- 피부(혈관)에 입사 각도: 0도 내지 90도
그 결과는 도 18과 같다.
도 18은 광의 입사 각도에 따른 생체 센서의 신호 세기를 보여주는 그래프이다.
도 18을 참고하면, 생체 센서는 소정 범위의 각도로 광이 입사할 때 높은 생체 신호가 얻어지는 것을 확인할 수 있으며, 예컨대 약 10도 이상 60도 미만의 각도로 입사할 때 높은 생체 신호가 얻어지는 것을 확인할 수 있다.
실시예
실시예 1
원뿔대 모양의 Cu 반사체(장경 3mm)가 삽입된 두께 2mm의 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS) 기판을 준비한다. 이어서 SEBS 기판 위에 Cu 반사체와 중첩되는 위치에 발광 소자(BioMon Sensor, 모델명: SFH7060, OSRAM사)를 배치하고 발광 소자로부터 4mm 떨어진 위치에 광 검출 소자(BioMon Sensor, 모델명: SFH7060, OSRAM사)를 배치하여 도 8(b)에 도시된 구조의 생체 센서를 제조한다.
실시예 2
다공성 필름(폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 반사도>85%)이 삽입된 두께 1mm의 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS) 기판을 준비한다. 이어서 SEBS 기판 위에 다공성 반사 필름을 사이에 두고 일측에 발광 소자, 다른 측에 광 검출 소자를 3mm 간격으로 배치하여 도 9에 도시된 구조의 생체 센서를 제조한다.
비교예 1
Cu 반사체를 사용하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 생체 센서를 제조한다.
비교예 2
다공성 필름을 사용하지 않은 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 방법으로 생체 센서를 제조한다.
평가
실시예와 비교예에 따른 생체 센서의 성능을 평가한다.
생체 센서의 성능은 생체 센서의 신호 세기 및 신호 대 잡음 비(signal to noise ratio, SNR)로부터 평가한다.
평가는 손목의 요골동맥 부근에 생체 센서를 부착하여 생체 신호(PPG 신호)를 얻은 후, Fourier transform 통해 신호(주파수 0.5~10Hz 사이)와 잡음(주파수 0.5Hz 미만 및 10 Hz 초과)을 구분하여 SNR = 신호/잡음 식을 통하여 신호 대 잡음 비를 계산한다.
실시예 1과 비교예 1에 따른 생체 센서는 손목의 동일한 위치에 부착하고 평가한 결과이고, 실시예 2와 비교예 2에 따른 센서는 손목의 동일한 위치에 부착하고 평가한 결과이다.
그 결과는 표 1 및 도 19와 같다.
도 19는 실시예 2와 비교예 2에 따른 생체 센서의 시간에 따른 생체 신호의 변화를 보여주는 그래프이다.
SNR(dB)
실시예 1 15.7
비교예 1 12.7
실시예 2 21.2
비교예 2 16.6
표 1과 도 19를 참고하면, 실시예에 따른 생체 센서는 비교예에 따른 생체 센서와 비교하여 검출되는 신호 세기가 크고 신호 대 잡음비가 개선된 것을 확인할 수 있다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리범위에 속하는 것이다.
100: 생체 센서
110: 투명층
110a: 투명층의 제1 영역
110b: 투명층의 제2 영역
120: 발광 소자
130: 광 검출 소자
140, 140a, 140b, 140c: 광학 구조체
300: 압력 센서
500: 생체 센서 어레이
510: 단위 소자
600: IC/프로세서
700: 표시 영역
1000: 장치

Claims (27)

  1. 발광 소자,
    광 검출 소자,
    상기 발광 소자와 상기 광 검출 소자의 하부에 위치하는 투광층, 그리고
    상기 투광층 내에 위치하고 광의 진행 방향을 제어하는 광학 구조체
    를 포함하는 생체 센서.
  2. 제1항에서,
    상기 광학 구조체는 상기 발광 소자로부터 방출된 광의 진행 방향을 제어하거나 생체에서 반사된 광의 진행 방향을 제어하는 생체 센서.
  3. 제1항에서,
    상기 광학 구조체는 상기 투광층의 두께 방향으로 상기 발광 소자와 중첩하게 위치하는 제1 광학 구조체를 포함하는 생체 센서.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 광학 구조체는 상기 발광 소자에서 방출된 광을 산란 또는 굴절시키는 생체 센서.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 광학 구조체는 상기 발광 소자의 면 방향에 대하여 실질적으로 수직하게 방출되는 광을 상기 발광 소자의 수직 방향에 대하여 10도 이상의 각도로 진행하도록 제어하는 생체 센서.
  6. 제4항에서,
    상기 제1 광학 구조체는 마이크로렌즈 또는 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 생체 센서.
  7. 제6항에서,
    상기 마이크로렌즈 또는 상기 마이크로어레이의 면적은 상기 발광 소자의 면적보다 작거나 같은 생체 센서.
  8. 제4항에서,
    상기 제1 광학 구조체를 이루는 물질의 굴절률은 상기 투광층을 이루는 물질의 굴절률과 다른 생체 센서.
  9. 제4항에서,
    상기 제1 광학 구조체는 기공을 가지는 생체 센서.
  10. 제3항에서,
    상기 제1 광학 구조체는 상기 발광 소자에서 방출된 광을 반사시키는 생체 센서.
  11. 제10항에서,
    상기 제1 광학 구조체는 상기 발광 소자에서 방출되는 광을 반사시켜 상기 발광 소자의 수직 방향에 대하여 60도 미만의 각도로 진행하도록 제어하는 생체 센서.
  12. 제10항에서,
    상기 제1 광학 구조체는 실린더 또는 원뿔대 모양을 가진 생체 센서.
  13. 제10항에서,
    상기 제1 광학 구조체는 금속을 포함하는 생체 센서.
  14. 제3항에서,
    상기 제1 광학 구조체는 상기 발광 소자로부터 방출된 광을 상기 발광 소자의 수직 방향에 대하여 10도 이상 60도 미만의 각도로 진행하도록 제어하는 생체 센서.
  15. 제3항에서,
    상기 광학 구조체는 상기 투광층의 두께 방향으로 상기 광 검출 소자와 중첩하게 위치하는 제2 광학 구조체를 더 포함하는 생체 센서.
  16. 제3항에서,
    상기 광학 구조체는 상기 발광 소자와 상기 광 검출 소자 사이에 위치하는 제3 광학 구조체를 더 포함하는 생체 센서.
  17. 제1항에서,
    상기 광학 구조체는 상기 발광 소자와 상기 광 검출 소자 사이에 위치하는 제3 광학 구조체를 포함하는 생체 센서.
  18. 제17항에서,
    상기 제3 광학 구조체는 생체에서 반사된 광을 산란 또는 굴절시켜 상기 광 검출 소자로 유도하는 생체 센서.
  19. 제17항에서,
    상기 제3 광학 구조체는 복수의 나노 입자 또는 다공성 구조체를 포함하는 생체 센서.
  20. 제17항에서,
    상기 광학 구조체는 상기 투광층의 두께 방향으로 상기 광 검출 소자와 중첩하게 위치하는 제2 광학 구조체를 더 포함하는 생체 센서.
  21. 제1항에서,
    상기 투광층은 연신 재료를 포함하는 생체 센서.
  22. 제21항에서,
    상기 투광층은 높은 탄성 모듈러스를 가진 복수의 제1 영역과 상기 제1 영역보다 낮은 탄성 모듈러스를 가지고 상기 인접한 제1 영역들 사이에 위치하는 제2 영역을 포함하고,
    상기 발광 소자와 상기 광 검출 소자는 각각 상기 제1 영역 내에 위치하는 생체 센서.
  23. 제1항에 따른 생체 센서를 포함하는 생체 센서 어레이.
  24. 제23항에서,
    상기 생체 센서 어레이는 복수의 단위 소자를 포함하고,
    상기 각 단위 소자는 하나 이상의 상기 발광 소자와 하나 이상의 상기 광 검출 소자를 포함하는 생체 센서 어레이.
  25. 제24항에서,
    상기 각 단위 소자는 압력 센서를 더 포함하는 생체 센서 어레이.
  26. 제1항에 따른 생체 센서 또는 제23항에 따른 생체 센서 어레이를 포함하는 장치.
  27. 제26항에서,
    패치 타입의 피부 부착형 장치 또는 밴드 타입의 피부 부착형 장치인 장치.

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