KR101596195B1 - 인공피부센서 및 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치 - Google Patents

인공피부센서 및 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치 Download PDF

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KR101596195B1
KR101596195B1 KR1020150018198A KR20150018198A KR101596195B1 KR 101596195 B1 KR101596195 B1 KR 101596195B1 KR 1020150018198 A KR1020150018198 A KR 1020150018198A KR 20150018198 A KR20150018198 A KR 20150018198A KR 101596195 B1 KR101596195 B1 KR 101596195B1
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KR1020150018198A
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김선국
이성호
이규원
정혁상
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경희대학교 산학협력단
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Abstract

피부 조직으로부터 반사 또는 투과된 광의 광반응성을 증폭하고, 증폭된 광에 대한 피부 조직의 조직 활동 및 기능과 연관된 흡수 정보를 출력하는 광반응성 센서를 포함하는 신체 부착형 인공피부센서와, 인공피부센서를 이용하여 출력된 흡수 정보를 생체 정보로 매핑하여 실시간으로 피부를 진단하는 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치를 제공한다.

Description

인공피부센서 및 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치{ARTIFICIAL SKIN SENSOR AND BIOINFORMATION DIAGNOSTIC APPARATUS BASED ON ARTIFICIAL SKIN SENSOR}
본 발명은 인공피부센서 및 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 광반응성을 증폭시키는 광반응성 센서를 포함하는 신체 부착형 인공피부센서와, 인공피부센서를 포함하여 피부 조직의 조직활동 및 기능과 연관된 생체 정보를 매핑하는 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치에 관한 것이다.
최근에는 사용자의 피부 조직의 생체 정보를 지속적으로 측정하여 의료진에게 전달할 수 있는 시스템이 개발되어 왔다.
그러나, 종래의 피부 조직의 생체 정보를 측정하는 장치는 사용자가 센서 장치가 포함된 기기를 신체에 착용하거나, 복수의 센서가 부착된 의류 기기를 착용하여 데이터를 측정하는 방법을 사용하였으며, 이러한 방법들을 구현하는 장치는 휴대가 용이하지 않고, 측정이 부정확하며, 측정하는 과정에서 사용자에게 불편을 제공한다는 문제가 있었다.
또한, 피부의 체온을 부위별로 실시간으로 모니터링하는 종래의 방법 중 하나인 적외선 열 감지 카메라를 통한 실시간 모니터링 방법의 경우, 정확하면서도 사용자에게 고통을 주지 않는 방법이나, 사용자에게 비용적인 부담이 매우 크고. 환자가 항상 카메라 앞에 있어야 한다는 한계가 있어 특수한 경우를 제외한다면 사실상 임상적으로 사용하기 힘든 문제가 있었다.
이러한 문제를 극복하기 위하여 많은 연구자들은 얇고 가벼운 피부 부착형 장치에 주목하기 시작하였고, 현재까지 알려진 피부 재질과 유사하게 만든 센서들은 다양한 기능을 구현하기 위해 많은 양의 복잡하고 미세한 소자가 필요한 문제점이 있었으며, 인체의 유해성이 검증되지 않은 소재(나노선, 나노튜브 등)가 사용되는 등 실질적으로 필요로 하는 센서의 제작이 불가능하다는 한계가 있었다
한국 등록특허 제10-0905571호(2009.06.24), "생체 정보 측정 장치" 미국 공개특허 제2007/0073156호(2007.03.29), "Combined visual-optic and passive infra-red technologies and the corresponding systems for detection and identification of skin cancer precursors, nevi and tumors for early diagnosis"
Izumi Nishidate, Takaaki Maeda, Kyuichi Niizeki and Yoshihisa Aizu, "Estimation of melanin and hemoglobin using spectral reflectance images reconstructed from a digital RGB image by the wiener estimation method". Sensor, 7902-7915(2013)
본 발명은 피부의 표면에 반사되는 광의 반사도를 감지하여 비침습적으로 짧은 시간 동안에 실시간으로 피부 조직의 생체 정보를 측정하는 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 유연하면서 생체 친화성이 좋고, 피부 위에서도 미끄러지지 않는 신체 부착형 인공피부센서를 이용하여 사용자가 측정하고자 하는 부위에 대한 정확한 피부 조직의 흡수 정보를 측정하고, 측정된 흡수 정보는 외부로 전송하며, 실시간으로 전송된 흡수 정보를 피부 조직의 생체 정보로 매핑하여 피부 관리를 할 수 있는 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 전이금속 칼코겐 화합물을 채널 영역의 물질로 사용하고, 국부적 게이트 전극과, 중첩하지 않는 채널 영역의 포토 컨덕터로 동작하는 비오버랩 영역을 통하여 광전도성을 증폭시키는 포토 컨덕터와, 포토 트랜지스터가 결합된 광증폭 포토 트랜지스터를 포함한 광반응성 센서를 포함하는 인공피부센서를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치는 광을 생성하는 광원부 및 스위칭 박막트랜지스터와 연결되고, 상기 광원부로부터 생성되어 피부 조직으로부터 반사 또는 투과된 광의 광반응성을 증폭하며, 상기 광반응성이 증폭된 광에 대한 상기 피부 조직의 조직 활동(tissue activity) 및 기능(function)과 연관된 생체 정보로 매핑하기 위한, 흡수 정보를 출력하는 광반응성 센서를 포함한다.
상기 인공피부센서는 상기 출력된 흡수 정보를 외부로 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 인공피부센서는 상기 광반응성 센서에 전원을 공급하는 전원부를 더 포함할 수 있다.
상기 생체 정보는 멜라닌 색소 농도, 헤모글로빈 농도, 맥박 및 산소 포화도 중 적어도 어느 하나와 연관된 조직 활동 및 기능과 연관되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 생체 정보는 상기 피부 조직의 온도 및 습도 중 적어도 어느 하나와 연관된 조직 활동 및 기능과 연관되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 광반응성 센서는 능동형 매트릭스 형태로 배열된 하나 이상의 광증폭 포토 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 광증폭 포토 트랜지스터는 국부적 게이트 전극, 소스전극, 드레인 전극, 및 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이에 채널이 형성되도록 하고, 상기 게이트 전극과 중첩되지 않은 비오버랩 영역을 포함하는 채널 영역을 포함하며, 상기 비오버랩 영역은 광전도성을 증폭시키는 포토 컨덕터(photo conductor)로 동작할 수 있다.
상기 비오버랩 영역은 상기 소스 전극 및 드레인 전극의 양 측면 방향에 각각 형성되거나, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 중 어느 한 측면 방향에 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 채널 영역은 전이금속 칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenides)로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 인공피부센서는 기판, 및 광원로부터 생성되어 피부 조직으로부터 반사 또는 투과된 광의 광반응성을 증폭하고, 상기 광반응성이 증폭된 광에 대한 상기 피부 조직의 조직 활동 및 기능과 연관된 생체 정보로 매핑하기 위한 흡수 정보를 출력하며 상기 기판에 형성된 광반응성 센서를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치는 광을 생성하는 광원부, 스위칭 박막트랜지스터와 연결되고, 상기 광원부로부터 생성되어, 피부 조직으로부터 반사 또는 투과된 광의 광반응성을 증폭하며, 상기 광반응성이 증폭된 광에 대한 상기 피부 조직의 조직 활동 및 기능과 연관된 생체 정보로 매핑하기 위한, 흡수 정보를 출력하는 광반응성 센서 및 상기 흡수 정보를 상기 생체 정보로 매핑하는 매핑부를 포함한다.
상기 생체 정보 진단 장치는 상기 광반응선 센서에서 출력된 흡수 정보를 상기 매핑부로 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 생체 정보 진단 장치는 상기 광반응성 센서에 전원을 공급하는 전원부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 피부의 표면에 반사되는 광의 반사도를 감지하여 비침습적으로 짧은 시간 동안에 실시간으로 피부 조직의 생체 정보를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 유연하면서 생체 친화성이 좋고, 피부 위에서도 미끄러지지 않는 신체 부착형 인공피부센서를 이용하여 사용자가 측정하고자 하는 부위에 대한 정확한 피부 조직의 흡수 정보를 측정하고, 측정된 흡수 정보는 외부로 전송하며, 실시간으로 전송된 흡수 정보를 피부 조직의 생체 정보로 매핑하여 피부 관리를 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전이금속 칼코겐 화합물을 채널 영역의 물질로 사용하고, 국부적 게이트 전극과, 중첩하지 않는 채널 영역의 포토 컨덕터로 동작하는 비오버랩 영역을 통하여 광전도성을 증폭시키는 포토 컨덕터와, 포토 트랜지스터가 결합된 광증폭 포토 트랜지스터를 포함한 광반응성 센서를 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서를 구현한 예를 도시한 것이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서가 구현된 능동형 매트릭스 형태의 회로를 도시한 것이고, 도 2b 는 도 2a의 능동형 매트릭스의 회로를 간략히 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서의 흡수 정보를 출력하는 과정을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치의 구성을 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광반응성 센서의 광증폭 포토 트랜지스터를 도시한 것이고, 도 6는 본 발명의 실시예에 따른 광반응성 센서의 광증폭 포토 트랜지스터의 회로부 구성도를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광증폭 포토 트랜지스터의 포토 컨덕터로서의 특성을 도시한 그래프이다. 도 7a는 녹색광(532nm)가 조사되는 경우의 특성 그래프이고, 도 7b는 적색광(638nm)이 조사되는 경우의 특성 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광증폭 포토 트랜지스터의 전달 커브(transfer curve) 그래프를 도시한 것이고, 도 9는 광 반응성 특성에 대한 그래프를 도시한 것이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서를 구현한 예를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서(100)는 광원부로부터 생성되어 피부 조직으로부터 반사된 광을 감지하여 광반응성을 증폭하고, 감지된 광의 흡수 정도에 따라 피부 조직의 흡수 정보를 출력하며, 출력된 흡수 정보를 외부로 전송한다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서(100)는 광원부(미도시) 및 광반응성 센서(110)를 포함한다.
광원부는 광을 생성하고, 상기 광은 피부 조직에 반사 또는 투과되어 광반응성 센서(110)에 감지되는 적외선 영역 내지 자외선 영역 범위를 갖는 광일 수 있다. 상기 광원부는 기판(150)에 연결되어 형성될 수 있고, 기판(150)과 구분되어 외부에 독립된 구성으로 존재할 수도 있다.
광반응성 센서(110)는 광원부로부터 생성되어 피부 조직으로부터 반사 또는 투과된 광의 광반응성을 증폭하며, 광반응성이 증폭된 광에 대한 피부 조직의 조직 활동(tissue activity) 및 기능(function)과 연관된 생체 정보로 매핑하기 위한, 흡수 정보를 출력한다.
예를 들면, 광원부에서 생성된 광은 피부 조직으로부터 반사 또는 투과되어 피부 조직에 부착된 광반응성 센서(110)로 입사되고, 광반응성 센서(110)는 입사된 광의 광반응성을 증폭한 후, 감지하여 피부 조직의 흡수 정보를 출력할 수 있다.
출력된 흡수 정보에 의해 매핑되는 생체 정보는 멜라닌 색소 농도, 헤모글로빈 농도, 맥박 및 산소 포화도 중 적어도 어느 하나와 연관된 조직 활동 및 기능과 연관될 수 있다.
또한, 상기 생체 정보는 피부 조직의 온도 및 습도 중 적어도 어느 하나와 연관된 조직 활동 및 기능과 연관될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서(100)는 광반응성 센서(110)에 전원을 공급하는 전원부(120)를 더 포함할 수 있다.
전원부(120)는 인공피부센서(100)의 광반응성 센서(110), 통신부(130) 및 회로부(140)로 구동을 위한 전력을 공급할 수 있다. 실시예에 따라, 전원부(120)는 플렉서블 배터리(flexible battery)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서(100)는 출력된 흡수 정보를 외부로 전송하는 통신부(130)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서(100)를 통하여 측정된 흡수 정보는 사용자 단말기로 전송되어 사용자가 상기 흡수 정보를 기반으로 분석된 생체 정보를 기반으로 스스로 건강을 관리할 수 있다.
실시예에 따라서는 인공피부센서(100)를 통하여 측정된 흡수 정보는 통합 서버로 전송되어 사용자는 통합 서버로부터 건강 관련 정보를 수신하여 지속적인 관리를 받을 수 있으며, 실시간으로 사용자의 흡수 정보 또는 상기 흡수 정보로부터 분석되는 생체 정보가 병원 및 건강센터로 전송되어 응급 처치도 받을 수 있다.
또한, 통합 서버는 사용자로부터 수집한 데이터를 종합 관리하고, 사용자의 데이터 변화 추이 및 건강 상태를 분석하여 사용자 단말기로 전송할 수 있다.
또한, 통합 서버는 사용자의 데이터를 건강 관리 전문가, 병원, 건강센터 및 건강 관리 지도를 위한 전문가에게 정보를 제공할 수 있으며, 분석된 데이터에 기반하여 사용자에게 맞는 운동, 음식, 생활 방식 및 처방을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서(100)는 회로부(140)를 더 포함할 수 있다.
회로부(140)는 집적화 기술을 구사함으로써, 신호의 필터, 증폭, 디지털화 및 처리 기능을 처리할 수 있다. 예를 들면, 회로부(140)는 광반응성 센서(110)와 동일 기판(150) 내에서, 신호를 처리하는 집적화 및 다기능화 IC센서(integrated circuit sensor)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서(100)는 기판(150) 위에 형성될 수 있고, 기판(150)은 피부에 부착 가능한 플렉서블(plexible) 기판일 수 있다.
실시예에 따라서는 플렉서블 기판은 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리에테르이미드(polyether imide), 폴리에테르술폰(polyehtersulfone), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate) 중 적어도 어느 하나의 물질로 이루어 질 수 있다.
전술한 물질들은 450℃ 이상의 높은 공정 온도에서 사용 가능하므로 광증폭 포토 트랜지스터 제조 시 광증폭 포토 트랜지스터의 특성 저하를 최소화할 수 있다.
또한, 플렉서블 기판은 열에 의해 휘거나 늘어나는 성질이 있으므로, 그 위에 광증폭 포토 트랜지스터의 패턴을 정밀하게 형성하는데 어려움이 있다.
이에 본 발명의 인공피부센서는 희생층 상에 액상의 고분자 물질을 스핀 코팅(spincoating)하여 플렉서블 기판을 제조함으로써, 열 또는 기계적 충격을 완화할 수 있도록 한다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서가 구현된 능동형 매트릭스 형태의 회로를 도시한 것이고, 도 2b 는 도 2a의 능동형 매트릭스의 회로를 간략히 도시한 것이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 인공피부센서는 기판(150) 상에 능동형 매트릭스 형태로 배열된 하나 이상의 광증폭 포토 트랜지스터(180)를 포함하는 광반응성 센서(110)를 포함한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 매트릭스 형태로 배치된 스위칭 박막트랜지스터(170)의 게이트는 게이트 라인과 연결되고, 스위칭 박막트랜지스터(170)의 소스는 데이터 라인과 연결되며, 스위칭 박막트랜지스터(170)의 드레인은 광증폭 포토 트랜지스터(180)의 소스와 연결된다.
실시예에 따라, 능동형 매트릭스 형태의 회로는 각 버스 라인이 외부 터치 리드-아웃 IC(read-out IC, R/O IC)에 연결되어 있는 동안 각 게이트 라인은 시프트 레지스터로서 동작할 수 있다.
또한, 상기 회로의 게이트 라인 및 데이터 라인은 게이트 구동 회로 및 데이터 구동 회로에 각각 연결될 수 있고, 연결된 라인 및 회로는 게이트 구동 신호 전압 및 입력 데이터 신호 전압을 공급받을 수 있다.
광반응성 센서는 기판(150) 상에 매트릭스 형태로 배치된 광증폭 포토 트랜지스터(180)의 동작에 의해 증가한 드레인 전압을 감지함으로써 피부 조직의 흡수 정보를 출력할 수 있다.
또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, 인공피부센서는 흡수 정보를 출력하는 회로도의 광반응성 특성(photoresponse properties)을 최대화하기 위해, 매트릭스 형태로 배치된 DC 바이어스(DC biases)가 인가된 광반응성 센서(110)를 포함할 수 있다.
또한, 피부 조직에 의해 산란된 광의 게이트 펄스 신호(gate pulse signal)가 스위칭 박막트랜지스터(170)로 공급되면, 스위칭 박막트랜지스터(170)는 턴온되고, 스위칭 박막트랜지스터(170)의 드레인과 연결된 광반응성 센서(110)는 광 흡수에 따라 턴온되며, 커패시터(190)는 레퍼런스 전압에 의해 리셋(reset)될 수 있다.
또한, 광반응성 센서(110)는 피부 조직에 의해 반사된 광을 감지하여 광반응성을 증폭하고, 감지된 광의 흡수 상태에 따라 온/오프(on/off) 상태를 출력할 수 있으며, 그에 따른 흡수 정보를 출력할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서의 흡수 정보를 출력하는 과정을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 인공피부센서는 광원부 및 광반응성 센서(110)를 포함한다.
광원부는 광을 생성하고, 상기 광은 피부 조직(10)에 반사되어 광반응성 센서(110)에 감지되는 적외선 영역 내지 자외선 영역의 범위를 갖는 광일 수 있다. 상기 광원부는 기판(150)에 연결되어 형성될 수 있고, 기판(150)과 구분되어 외부에 독립된 구성으로 존재할 수도 있다.
광반응성 센서(110)는 광원부로부터 생성되어 피부 조직(10)으로부터 반사 또는 투과된 광의 광반응성을 증폭하며, 증폭된 광에 대한 피부 조직(10)의 조직 활동 및 기능과 연관된 흡수 정보를 출력한다.
예를 들면, 인공피부센서는 피부 조직(10)에 부착되고, 광원부에서 생성된 광이 기판(150)의 하부에서 상부로 조사되는 경우, 광반응성 센서(110)는 피부 조직(10)으로부터 산란(반사)되어 입사된 광을 감지하여 광반응성을 증폭하고, 감지된 광의 흡수 정도에 따라 피부 조직(10)의 조직 활동 및 기능과 연관된 흡수 정보를 출력할 수 있다.
도 3은 광원부로부터 생성된 광이 기판(150)의 하부에서 상부로 조사되는 경우로서, 광은 피부 조직(10)으로부터 산란(반사)되어 광반응성 센서(110)로 입사된 것으로 도시되었으나, 이에 한정하지 않는다.
예를 들어, 광원부에서 생성된 광은 기판(150)의 상부에서 하부로 조사될 수 있으며, 광은 피부 조직(10)에 투과되어 광반응성 센서(110)로 입사될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치의 구성을 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치(200)는 인공피부센서(100)에 의해 전송된 흡수 정보를 피부 조직의 조직 활동 및 기능과 연관된 생체 정보로 매핑한다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치(200)는 광원부(160), 광반응성 센서(110) 및 매핑부(210)를 포함한다.
광원부(160)는 광을 생성하고, 상기 광은 피부 조직에 반사 또는 투과되어 광반응성 센서(110)에 감지되는 적외선 영역 내지 자외선 영역 범위를 갖는 광일 수 있다.
광반응성 센서(110)는 광원부(160)에서 생성되어 피부 조직으로부터 반사 또는 투과된 광의 광반응성을 증폭하며, 광반응성이 증폭된 광에 대한 피부 조직의 조직 활동 및 기능과 연관된 생체 정보를 매핑하기 위한, 흡수 정보를 출력한다.
예를 들면, 광원부(160)에서 생성된 광이 피부 조직으로부터 반사 또는 투과되어 피부 조직에 부착된 광반응성 센서(110)로 입사되고, 광반응성 센서(110)는 입사된 광의 광반응성을 증폭한 후, 감지하여 피부 조직의 흡수 정보를 출력할 수 있다.
매핑부(210)는 광반응성 센서(110)에 의해 출력된 흡수 정보를 기반으로, 피부 조직의 조직 활동 및 기능과 연관된 생체 정보로 매핑한다.
출력된 흡수 정보에 의해 매핑되는 상기 생체 정보는 멜라닌 색소 농도, 헤모글로빈 농도, 맥박 및 산소 포화도 중 적어도 어느 하나와 연관된 피부 조직의 조직 활동 및 기능과 연관될 수 있다.
예를 들면, 광반응성 센서(110)는 적외선 영역(파장: 600~750nm) 및 자외선 영역(파장: 850~1000nm) 범위의 빛을 피부 조직에 통과시켰을 때, 흡수한 광의 비(rate)를 측정할 수 있다.
매핑부(210)는 광반응성 센서(110)에 의해 측정된 상기 흡수된 광의 비를 기반으로 피부 조직 내에 포함되어 있는 산소화된 헤모글로빈과 산소화되지 않은 헤모글로빈에 의한 흡광도의 차이에 의해 발생하는 광의 강도의 차이를 통해 상기 산소화된 헤모글로빈 및 산소화되지 않은 헤모글로빈을 매핑할 수 있다.
또한, 매핑부(210)는 박동하는 혈액에 의해 만들어지는 파동 형태를 흡광기술을 이용하여 피부 조직으로부터 반사 또는 투과된 광에 대한 흡수 정보를 혈량 변동 파형(Waveform)으로 재현시켜 그 주기를 계산하여 맥박을 매핑할 수 있다.
또한, 출력된 흡수 정보에 의해 매핑되는 상기 생체 정보는 피부 조직의 온도 및 습도 중 적어도 어느 하나와 연관된 조직 활동 및 기능과 연관될 수 있다.
예를 들면, 매핑부(210)는 광반응성 센서(110)에 의해 측정된 피부 조직의 온도 및 습도에 연관된 흡수 정보를 이용하여 피부 조직의 온도 및 습도를 매핑할 수 있다.
실시예에 따라, 매핑부(210)는 피부 조직의 온도와 관련된 흡수 정보에 의해 상기 피부 조직의 체열, 통증, 미백 및 외상 정보 중 적어도 어느 하나를 매핑할 수 있고, 피부 조직의 습도와 관련된 흡수 정보에 의해 상기 피부 조직의 보습, 피부 건조, 노화 및 아토피 관련 정보 중 적어도 어느 하나를 매핑할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치(200)는 광반응성 센서(110)에 전원을 공급하는 전원부(120)를 더 포함할 수 있다.
또한, 전원부(120)는 인공피부센서(100)의 광반응성 센서(110), 통신부(130) 및 회로부(140)로 전력을 공급할 수 있고, 전원부(120)는 플렉서블 배터리(flexible battery)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치(200)는 출력된 흡수 정보를 외부로 전송하는 통신부(130)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 인공피부센서(100)를 통하여 측정된 흡수 정보는 사용자 단말기로 전송되어 사용자가 상기 흡수 정보를 기반으로 분석된 생체 정보를 기반으로 스스로 건강을 관리할 수 있다.
실시예에 따라서는 인공피부센서(100)를 통하여 측정된 흡수 정보는 통합 서버로 전송되어 사용자는 통합 서버로부터 건강 관련 정보를 수신하여 지속적인 관리를 받을 수 있으며, 실시간으로 사용자의 흡수 정보 또는 상기 흡수 정보로부터 분석되는 생체 정보가 병원 및 건강센터로 전송되어 응급 처치도 받을 수 있다.
또한, 통합 서버는 사용자로부터 수집한 데이터를 종합 관리하고, 사용자의 데이터 변화 추이 및 건강 상태를 분석하여 사용자 단말기로 전송할 수 있다.
또한, 통합 서버는 사용자의 데이터를 건강 관리 전문가, 병원, 건강센터 및 건강 관리 지도를 위한 전문가에게 정보를 제공할 수 있으며, 분석된 데이터에 기반하여 사용자에게 맞는 운동, 음식, 생활 방식 및 처방을 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광반응성 센서의 광증폭 포토 트랜지스터를 도시한 것이고, 도 6는 본 발명의 실시예에 따른 광반응성 센서의 광증폭 포토 트랜지스터의 회로부 구성도를 도시한 것이다.
본 발명의 광증폭 포토 트랜지스터는 게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극, 및 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이에 채널이 형성되도록 하고, 상기 게이트 전극과 중첩되지 않은 비오버랩 영역을 포함하는 채널 영역을 포함하며, 상기 비오버랩 영역은 광전도성을 증폭시키는 포토 컨덕터(photo conductor)로 동작한다.
실시예에 따라 상기 게이트 전극은 국부적 상부 게이트 구조 또는 국부적 하부 게이트 구조일 수 있다.
도 5를 참조하면, 도 5는 하부 게이트 구조를 갖는 광증폭 포토 트랜지스터로서, 본 발명의 실시예에 따른 광증폭 포토 트랜지스터는 기판(150) 상에 형성된 국부적 하부 게이트 전극(111), 국부적 하부 게이트 전극(111)을 덮도록 형성된 게이트 절연층(112), 게이트 절연층(112)의 양측에 각각 형성된 소스 전극(115S) 및 드레인 전극(115D) 및 게이트 절연층(112) 상에 형성되고, 소스 전극(115S) 및 드레인 전극(115D) 사이에 채널이 형성되도록 하는 채널 영역(113)을 포함한다.
국부적 하부 게이트 전극(111)은 기판(150) 상에 형성되고, 게이트 절연층(112)은 국부적 하부 게이트 전극(111)을 덮도록 기판(150) 상에 형성된다.
소스 전극(115S) 및 드레인 전극(115D)은 게이트 절연층(112)의 양측에 각각 형성된다.
국부적 하부 게이트 전극(111), 소스 전극(115S), 및 드레인 전극(115D)은 금속 및 투명 전도성 물질 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있고, 상기 금속은 Au, Ti, Al, 및 Pd 중 어느 하나의 물질일 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 본 발명이 속한 기술분야에서 사용가능한 금속 물질이면 바람직하다. 또한, 상기 투명 전도성 물질은 비정질 산화물, 결정질 산화물, 그래핀(grapheme) 및 고분자 유기물 중 적어도 하나 이상의 물질일 수 있다.
실시예에 따라서는 국부적 하부 게이트 전극(111), 소스 전극(115S) 및 드레인 전극(115D)은 투명 전도성 물질로 이루어질 수 있고, 상기 투명 전도성 물질은 IZO(indium zinc oxide), ITO(indium thin oxide), 그래핀(graphene)일 수 있다.
채널 영역(113)은 게이트 절연층(112) 상에 형성되고, 소스 전극(115S) 및 드레인 전극(115D) 사이에 채널이 형성되도록 하며, 국부적 하부 게이트 전극(111)과 중첩되지 않은 비오버랩 영역(114)을 포함한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광증폭 포토 트랜지스터의 비오버랩 영역(114)은 빛이 인가되지 않은 경우 게이트 전극에 바이어스(bias)가 인가되더라도 외부 직렬 저항과 같이 작용한다. 그러나, 비오버랩 영역(114)은 빛이 인가되는 경우에는 저항이 낮아지고 전도성이 증가하여 광전도성을 증폭시키는 포토 컨덕터(photo conductor)로 작용한다.
채널 영역(113)은 전이금속 칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenides)로 형성될 수 있고, 전이금속 칼코겐 화합물은 단층 또는 다층일 수 있다.
실시예에 따라, 채널 영역(113)은 실리콘(Si) 물질 및 실리콘 산화물(Silicon oxide) 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있다.
이차원 물질은 일차원 물질과 비교했을 때 복잡한 구조를 제조하기가 상대적으로 쉬어 차세대 나노전자소자의 물질로 이용하기에 적합하다. 이러한 2차원 물질 중 2차원 전이금속 칼코겐화합물(2D Transition Metal Dichalcogenides)은 이황화 몰리브덴(Molybdenum Disulfide, MoS2), 이셀레니드 몰리브덴(Molybdenum Diselenide, MoSe2), 이셀레니드 텅스텐(Tungsten Diselenide, WSe2), 이텔루리드 몰리브덴(Molybdenum Ditelluride, MoTe2), 및 이셀레니드 주석(Tin Diselenide, SnSe2) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한, 2차원 전이금속 칼코겐화합물은 일반적으로 2eV아래의 밴드갭(band-gap)을 갖기 때문에 1500nm 밑의 파장 빛에 흡수할 수 있다.
도 5의 본 발명의 실시예에 따른 광증폭 포토 트랜지스터의 비오버랩 영역(114)은 소스 전극(115S) 및 드레인 전극(115D)의 양 측면 방향에 각각 형성된 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않고, 광증폭 포토 트랜지스터의 비오버랩 영역(114)은 소스 전극(115S) 및 드레인 전극(115D) 중 어느 한 측면 방향에 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명의 광증폭 포토 트랜지스터에서는 다층 전이금속 칼코겐화합물은 3층 이상인 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광증폭 포토 트랜지스터의 포토 컨덕터로서의 특성을 도시한 그래프이다. 도 7a는 녹색광(532nm)가 조사되는 경우의 특성 그래프이고, 도 7b는 적색광(638nm)이 조사되는 경우의 특성 그래프이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광증폭 포토 트랜지스터는 빛이 조사되는 경우, 빛이 조사되지 않는 경우와 대비하여 저항이 낮아지고 전도성이 증가하는 경향을 보인다. 또한, 조사되는 빛의 파장이 클수록 드레인 전류의 크기가 커진다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광증폭 포토 트랜지스터의 전달 커브(transfer curve) 그래프를 도시한 것이고, 도 9는 광 반응성 특성에 대한 그래프를 도시한 것이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 이는 빛이 인가되었을 때 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 국부적 게이트 전극과 중첩하는 채널 영역뿐만 아니라, 포토 컨덕터로 작용하는 채널 영역의 비오버랩 영역에도 생성이 되어, 채널 전체의 전도성이 증폭되고, 포토 트랜지스터의 오프-전류(off-current) 뿐만 아니라, 온-전류(on-current) 도 크게 증가함을 확인할 수 있다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 국부적 게이트 전극 구조를 포함하는 광증폭 포토 트랜지스터는 국부적 게이트 전극이 아닌 공통 게이트 전극 구조(common gated structure)를 갖는 종래 기술(Woong Choi, et.al, Advanced Materials 24, 5382-5836(2012))의 광반응성인 100mAW-1 이하 보다 약 100 내지 1000배의 광 반응성이 증폭되는 효과를 보인다.
도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 광증폭 포토 트랜지스터는 국부적 게이트 전극를 형성하여 포토 컨덕터와 포토 트랜지스터가 결합된 구조를 통하여 광이득 및 광반응성을 증폭 시킬 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로부 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
10: 피부 조직
100: 인공피부센서
110: 광반응성 센서
111: 게이트 전극
112: 게이트 절연층
113: 채널 영역
114: 비오버랩 영역
115S, 115D: 소스 전극, 드레인 전극
120: 전원부
130: 통신부
140: 회로부
150: 기판
160: 광원부
170: 스위칭 박막트랜지스터
180: 광증폭 포토 트랜지스터
190: 커패시터
200: 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치
210: 매핑부

Claims (13)

  1. 광을 생성하는 광원부; 및
    스위칭 박막트랜지스터와 연결되고, 상기 광원부로부터 생성되어 피부 조직으로부터 반사 또는 투과된 광의 광반응성을 증폭하며, 상기 광반응성이 증폭된 광에 대한 상기 피부 조직의 조직 활동(tissue activity) 및 기능(function)과 연관된 생체 정보로 매핑하기 위한, 흡수 정보를 출력하는 광반응성 센서
    를 포함하는 인공피부센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인공피부센서는
    상기 출력된 흡수 정보를 외부로 전송하는 통신부
    를 더 포함하는 인공피부센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인공피부센서는
    상기 광반응성 센서에 전원을 공급하는 전원부
    를 더 포함하는 인공피부센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 생체 정보는
    멜라닌 색소 농도, 헤모글로빈 농도, 맥박 및 산소 포화도 중 적어도 어느 하나와 연관된 조직 활동 및 기능과 연관되는 것을 특징으로 하는 인공피부센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 생체 정보는 상기 피부 조직의 온도 및 습도 중 적어도 어느 하나와 연관된 조직 활동 및 기능과 연관되는 것을 특징으로 하는 인공피부센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광반응성 센서는
    능동형 매트릭스 형태로 배열된 하나 이상의 광증폭 포토 트랜지스터
    를 포함하는 인공피부센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광증폭 포토 트랜지스터는
    국부적 게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극, 및 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이에 채널이 형성되도록 하고, 상기 게이트 전극과 중첩되지 않은 비오버랩 영역을 포함하는 채널 영역을 포함하며,
    상기 비오버랩 영역은 광전도성을 증폭시키는 포토 컨덕터(photo conductor)로 동작하는 인공피부센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 비오버랩 영역은 상기 소스 전극 및 드레인 전극의 양 측면 방향에 각각 형성되거나, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 중 어느 한 측면 방향에 형성되는 것을 특징으로 하는 인공피부센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 채널 영역은 전이금속 칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenides)로 형성되는 것을 특징으로 하는 인공피부센서.
  10. 기판; 및
    광원로부터 생성되어 피부 조직으로부터 반사 또는 투과된 광의 광반응성을 증폭하고, 상기 광반응성이 증폭된 광에 대한 상기 피부 조직의 조직 활동 및 기능과 연관된 생체 정보로 매핑하기 위한 흡수 정보를 출력하며 상기 기판에 형성된 광반응성 센서
    를 포함하는 인공피부센서.
  11. 광을 생성하는 광원부;
    스위칭 박막트랜지스터와 연결되고, 상기 광원부로부터 생성되어, 피부 조직으로부터 반사 또는 투과된 광의 광반응성을 증폭하며, 상기 광반응성이 증폭된 광에 대한 상기 피부 조직의 조직 활동 및 기능과 연관된 생체 정보로 매핑하기 위한, 흡수 정보를 출력하는 광반응성 센서; 및
    상기 흡수 정보를 상기 생체 정보로 매핑하는 매핑부
    를 포함하는 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 생체 정보 진단 장치는
    상기 광반응성 센서에서 출력된 흡수 정보를 상기 매핑부로 전송하는 통신부
    를 더 포함하는 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 생체 정보 진단 장치는
    상기 광반응성 센서에 전원을 공급하는 전원부
    를 더 포함하는 인공피부센서 기반의 생체 정보 진단 장치.

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