KR101665871B1 - 광루미네선스 기반의 웨어러블 센서 플랫폼 및 이를 이용한 원격 센싱장치 - Google Patents

광루미네선스 기반의 웨어러블 센서 플랫폼 및 이를 이용한 원격 센싱장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 웨어러블 센서 플랫폼 및 이를 이용한 원격 센싱장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피부나 장기에 부착하여 생물학적 상태를 측정하고, 측정정보를 원격지로 전송하는 광루미네선스 기반(PL-based)의 웨어러블 센서 플랫폼 및 이를 이용한 원격 센싱장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 투명한 유연기판 일면을 따라 소정의 거리로 이격 구비된 복수의 발광소자; 상기 발광소자 사이에 구비된 포토다이오드; 상기 유연기판의 타면에 구비되어 피부나 장기에 접하는 형광 감지막; 및 상기 유연기판과 형광 감지막 사이에 구비되어 상기 발광소자가 조사하는 광과 상기 포토다이오드로 수광하는 광을 필터링하는 기능성막; 을 포함한다.

Description

광루미네선스 기반의 웨어러블 센서 플랫폼 및 이를 이용한 원격 센싱장치{Wearable sensor Platform based on photoluminescence and Remote sensing apparatus the same}
본 발명은 웨어러블 센서 플랫폼 및 이를 이용한 원격 센싱장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피부나 장기에 부착하여 생물학적 상태를 측정하고, 측정정보를 원격지로 전송하는 광루미네선스 기반의 웨어러블 센서 플랫폼 및 이를 이용한 원격 센싱장치에 관한 것이다.
일반적으로 광루미네선스 기반(Photoluminescence-based, PL-based) 센서란 형광 감지막(fluorescent sensing film)에 흡착된 특정 화합물 또는 원소에 의해 형광 감지막의 광루미네선스 특성이 달라지는 것을 이용한 센서이다. 센서 플랫폼(Sensor Platform)이란 광루미네선스 센서 필름, 여기원(excitation source), 포토다이오드(PD)로 이루어진 독립적 장치를 의미한다. 그리고 광루미네선스 센서는 원리가 매우 간단하며, 작동신뢰성이 높고 적용 가능한 화합물의 범위가 넓어 환경, 의료, 식품, 보안, 화학 공학 산업 등 매우 다양한 분야에서 이용되어 왔다.
최근에는 휴대가 용이하고 소형화된 센서에 관한 수요가 증가하면서 기존에 광원으로 이용되었던 레이저, LED의 대체광원에 대한 필요성이 높아졌다. 따라서 유기전계 발광소자(OLED)가 기존 광원에 비해 PL-based 센서와 통합이 용이하고 제조 단가가 낮아 일회용 센서로의 응용이 가능하며, 얇고 가벼워 휴대용 센서로의 적용이 용이하다는 점에서 대체 광원으로 주목받고 있다.
현재 유기전계 발광소자를 기반으로 하는 광루미네선스 기반의 센서 분야는 형광 감지막에서 방출되는 광루미네선스 강도(intensity)를 높이기 위해 유기전계 발광소자의 작동시간, 빛의 세기 등을 증가시키거나 조절하는 연구, OLED와의 통합 편의를 위한 유기전계 발광소자의 개발에 집중되어 있다.
한편, 웨어러블 센서는 크게 유연(flexible) 센서의 범주에 드는 것으로서, 피부나 장기에 직접 부착하여 특정 화학 원소나 기계적인 움직임 등을 센싱하는 장치를 총칭하는데, 최근에는 미세 센싱 기술과 진단의학에 대한 기술이 발전하면서 웨어러블 센서에 대한 관심이 증가하고 있다.
웨어러블 센서에 대한 연구는 크게 세 가지 분야로 나누어지는데, 첫 번째는 부착되는 표면의 굴곡과 면적에 맞게 변형될 수 있는 유연성과 신축성을 갖춘 구성 소재의 개발이다. 그리고 두 번째는 인체에 피해를 최소화하면서 피부나 장기 표면에 탈부착이 용이한 접착성 물질의 개발이다. 마지막으로, 세 번째는 광원, 센싱, 수광부와의 통합구조 개발에 관한 부분이다.
살펴본 바와 같이 광루미네선스 기반의 센서와 웨어러블 센서에 대한 연구는 활발하게 진행되고 있으나, 이를 통합하여 유기전계 발광소자를 광원으로 이용하는 광루미네선스 기반의 센서를 피부나 장기에 탈부착이 가능한 웨어러블 디바이스로 적용한 예는 보고된 바 없다.
특히 피부나 장기의 수분량, 산소(O2), 활성산소, 혈청(Serum)의 함량과 같은 생물학적 상태를 측정하는 것은 매우 중요하다. 그러나 현재까지 수분량, 산소, 활성산소, 혈청의 함량을 지속적으로 측정하기 위하여 휴대 또는 착용이 가능한 웨어러블 센서 플랫폼에 대한 개발은 보고된 바 없다.
대한민국공개특허공보: 제2005-0114628호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 피부나 장기에 탈부착이 가능하며, 피부나 신체 조직의 수분, 산소 또는 활성산소, 혈청(serum) 등의 함량과 시간에 따른 변화를 넓은 면적에서 측정하고, 수술 중 장기 내 산소, 산화질소 등을 측정하여 원격지로 전송할 수 있는 일체형 구조의 웨어러블 센서 플랫폼 및 이를 이용한 원격 센싱장치를 제공하는 것이다.
이를 위해 본 발명의 제1 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼은 투명한 유연기판 일면을 따라 소정의 거리로 이격 구비된 복수의 발광소자; 상기 발광소자 사이에 구비된 포토다이오드; 상기 유연기판의 타면에 구비되어 피부나 장기에 접하는 형광 감지막; 및 상기 유연기판과 형광 감지막 사이에 구비되어 상기 발광소자가 조사하는 광과 상기 포토다이오드로 수광하는 광을 필터링하는 기능성막; 을 포함한다.
그리고 본 발명의 제1 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼은 상기 형광 감지막 일면에 구비되어 상기 형광 감지막을 상기 피부나 장기에 부착하는 접착막; 을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼은 상기 발광소자를 스위칭(switching)하는 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT) 스위치; 를 더 포함한다.
한편, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼은 상기 발광소자 및 상기 포토다이오드를 각각 밀봉하는 봉지막; 을 더 포함한다.
그리고 본 발명의 제1 실시 예에 따른 상기 발광소자는 유기전계 발광소자(Organic light emitting diode, OLED)이다.
또한, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 상기 유기전계 발광소자는 레드(red), 그린(green), 블루(blue) 파장을 가지는 물질로부터 선택하여 형성된 단층 또는 복층으로 형성된다.
한편, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 상기 유연기판은 폴리다이메틸실록산(PDMS), 폴리메타크릴산메틸(PMMA), 폴리(N, N-디메틸아크릴아미드)(PDMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리아미드 이미드, 폴리카보네이트(PC), 폴리아릴레이트, 폴리(3, 4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리프탈아미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 아크릴계 폴리머 또는 이들의 조합으로 형성한다.
그리고 본 발명의 제1 실시 예에 따른 상기 형광 감지막은 로다민 6G, 로다민 110, 로다민 700, 설퍼로다민 B 및 설퍼로다민 101로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 로다민계 유기착색제, 움벨리페론(Umbelliferone) 또는 이들의 조합으로 구성된다.
또한, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 상기 기능성막은 에어로졸(aerogel)을 포함한 어느 하나 이상의 다공성 나노입자가 분산된 것이고, 광 선택성 및 빛의 세기를 증폭시키고 간섭을 방지한다.
한편, 이를 위해 본 발명의 제2 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼은 유연기판; 상기 유연기판의 일면에 부착 구비된 유연한 발광소자막; 상기 발광소자막 상부면에 부착 구비된 유연한 투명 포토다이오드막; 상기 포토다이오드막 상부에 부착 구비되어 상기 발광소자막이 조사하는 광과 상기 포토다이오드막이 수광하는 광을 필터링하는 기능성막; 및 상기 기능성막 상부에 구비되어 피부나 장기에 접하는 형광 감지막; 을 포함한다.
그리고 본 발명의 제2 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼은 상기 형광 감지막의 일면에 구비되어 상기 형광 감지막을 상기 피부나 장기에 부착하는 접착막; 을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼은 상기 발광소자막으로 공급되는 전원을 스위칭(switching)하는 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT) 스위치; 를 더 포함한다.
한편, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼은 상기 발광소자막 및 상기 포토다이오드막을 각각 밀봉하는 봉지막; 을 더 포함한다.
그리고 본 발명의 제2 실시 예에 따른 상기 발광소자는 유기전계 발광소자(Organic light emitting diode, OLED)이다.
또한, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 상기 유기전계 발광소자는 레드(red), 그린(green), 블루(blue) 파장을 가지는 물질로부터 선택하여 형성된 단층 또는 복층으로 형성된다.
한편, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 상기 유연기판은 폴리다이메틸실록산(PDMS), 폴리메타크릴산메틸(PMMA), 폴리(N, N-디메틸아크릴아미드)(PDMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리아미드 이미드, 폴리카보네이트(PC), 폴리아릴레이트, 폴리(3, 4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리프탈아미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 아크릴계 폴리머 또는 이들의 조합으로 형성된다.
그리고 본 발명의 제2 실시 예에 따른 상기 형광 감지막은 로다민 6G, 로다민 110, 로다민 700, 설퍼로다민 B 및 설퍼로다민 101로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 로다민계 유기착색제, 움벨리페론(Umbelliferone) 또는 이들의 조합으로 구성된다.
또한, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 상기 기능성막은 에어로졸(aerogel)을 포함한 하나 이상의 다공성 나노입자가 분산된 것이고, 광 선택성 및 빛의 세기를 증폭시키고 간섭을 방지한다.
한편, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 웨어러블 원격 센싱장치는 인체에 부착되어 생물학적 상태를 측정하는 센서부; 상기 센서부에서 측정된 상기 생물학적 상태를 원격지로 무선 송신하는 송신부; 상기 원격지에서 알람을 무선 수신받는 수신부; 상기 센서부, 상기 송신부, 상기 수신부로 전원을 공급하는 전원부; 및 상기 전원부의 전원으로 구동하고, 상기 센서부가 측정한 정보를 송신부로 전송하며, 상기 수신부가 수신된 알람과 상기 전원부의 전력량 정보를 부착자에게 표시하는 제어부; 를 포함한다.
그리고 본 발명의 제3 실시 예에 따른 웨어러블 원격 센싱장치는 상기 알람을 발생시키는 진동모터; 를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 상기 센서부는 투명한 유연기판의 일면을 따라 소정의 거리로 이격 구비된 복수의 발광소자; 상기 발광소자 사이에 구비된 포토다이오드; 상기 유연기판의 타면에 구비되어 피부나 장기에 접하는 형광 감지막; 상기 유연기판과 형광 감지막 사이에 구비되어 상기 발광소자가 조사하는 광과 상기 포토다이오드가 수광하는 광을 필터링하는 기능성막; 상기 형광 감지막의 일면에 구비되어 상기 형광 감지막을 상기 피부나 장기에 부착하는 접착막; 및 상기 발광소자를 스위칭(switching)하는 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT) 스위치; 를 포함한다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 윈칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따른 웨어러블 센서 플랫폼은 유연성과 신축성이 있는 소재를 사용하고 유기전계 발광소자, 기능성막, 형광 감지막 및 포토다이오드가 일체형 구조를 가지는바, 제조 공정이 단순하고 제조 단가가 저렴함으로써 얇고 가벼운 소형 센서 플랫폼 제작이 가능하다는 효과가 있다.
그리고 본 발명에 따른 웨어러블 센서 플랫폼은 부착되는 표면의 굴곡과 면적에 맞게 변형될 수 있는 유연성과 신축성을 갖춘 소재 및 생체 적합성이 있는 접착성 물질이 포함됨으로써 인체에 탈부착이 가능한 웨어러블 센서 플랫폼으로 활용 가능한 효과도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 웨어러블 센서 플랫폼은 피부나 장기에 탈부착이 가능하며, 피부나 신체 조직의 수분, 산소 또는 활성산소, 혈청(serum)등의 함량과 시간에 따른 변화를 넓은 면적에서 측정하고, 수술 중 장기 내 산소, 산화질소 등을 짧은 시간 내에 정확하게 측정 가능한바 피부과, 소화기 내과 등을 비롯한 의료업계에서 다양한 형태로 활용이 가능하다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼의 일측 단면을 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼의 피부 부착 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 웨어러블 센서 플랫폼의 제작 공정을 도시한 흐름도.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼을 구성하는 유기전계 발광소자의 제작공정을 순서대로 나타내는 흐름도.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따라 녹색 레이저를 이용하여 수분 감지 형광 감지막의 반응도를 측정한 결과를 도시한 사진.
도 6은 본 발명의 제2 실시 에에 따른 웨어러블 센서 플랫폼을 도시한 분해도.
도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 웨어러블 원격 센싱장치를 도시한 블록도.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
또한, 이하에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 1 내지 도 7의 동일 부재에 대해서는 동일한 도면 번호를 기재하였다.
본 발명의 기본 원리는 피부나 장기에 접하여 생물학적 정보를 수집하는 형광 감지막으로 광을 조사하고, 반사된 광을 분석하여 인체의 생물학적 정보를 분석하는 한편, 분석된 생물학적 정보를 원격지로 전송하는 것이다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼의 일측 단면을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 제1 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼(wearable sensor platform, 100)은 유연기판(110), 발광소자(120), 포토다이오드(130), 형광 감지막(140), 및 기능성막(150)을 포함한다.
도 1을 참조하면 유연기판(110)은 광투과 효율 향상을 위해 투명한 재질인 것이 바람직하다. 따라서 유연기판(110)은 폴리다이메틸실록산(PDMS), 폴리메타크릴산메틸(PMMA), 폴리(N, N-디메틸아크릴아미드)(PDMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리아미드 이미드, 폴리카보네이트(PC), 폴리아릴레이트, 폴리(3, 4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리프탈아미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 아크릴계 폴리머 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있으나 반드시 이에 한정하는 것은 아니며 투명한 재질로서 광 투과율이 높고 유연한 재질이라면 어느 것이라도 가능하다.
그리고 유연기판(110)의 일면과 타면에 구비되는 발광소자(120), 포토다이오드(130), 기능성막(150)은 접착력을 향상시키기 위해서 유연기판(110) 표면에 고주파 처리 또는 프라이머(primer) 처리 등을 수행할 수 있다.
한편, 웨어러블 센서 플랫폼(100)은 발광소자(120)와 포토다이오드(130)로의 수분침투를 방지하기 위해 밀봉하는 복수의 봉지막(미도시)을 더 포함할 수 있다.
발광소자(120)는 유기전계 발광소자(Organic light emitting diode, OLED)인 것이 바람직하다. 그리고 형광 감지막(140)은 구성하는 물질이 반응하는 빛에 따라 레드(red), 그린(green), 블루(blue) 파장을 가지는 물질로부터 선택하여 형성된 단층 또는 복층으로 형성될 수 있다.
그리고 발광소자(120)는 배터리와 같은 전원(160)으로부터 전압을 공급받는다. 여기서 발광소자(120)는 전력 소모를 최소화하기 위하여 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)와 같은 소자를 사용한 스위치(170)가 더 구비될 수 있다. 특히 스위치(170)는 발광소자(120)로 공급되는 전원을 주기적으로 온오프하여 전력소모를 최소화하는 것이 바람직하다. 그리고 온오프 시간간격은 발광소자가(120) 조사한 광이 포토다이오드(130)에 수광되는 시간 간격인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정하지 않는다.
형광 감지막(140)은 발광소자(120)가 조사한 광을 흡수하며, 형광 감지막(140)에 피부 또는 장기에서 발생하는 산소 또는 활성산소, 수분, 산화질소, 혈청(Serum) 등의 특정 화합물 또는 원소가 흡착된다. 그러면 형광 감지막(140)은 특정 화합물 또는 원소의 함량에 따라 변형된 광루미네선스(PL) 특성을 가진 광을 포토다이오드(130)로 반사 방출한다. 다음으로, 포토다이오드(130)는 형광 감지막(140)에서 반사된 광을 흡수하고 광의 강도에 따라 산소(O2) 또는 활성산소, 수분, 산화질소, 혈청(Serum) 등의 함량을 측정할 수 있다. 이를 위해 형광 감지막(140)에서 반사된 광을 분석하고 연산하여 산출하는 수단이 더 구비될 수 있다.
형광 감지막(140)은 산소, 수분, 산화질소, 혈청 등의 함량을 측정하기 위해 이들 각각을 감지할 수 있는 물질 또는 이들의 조합으로 이루어진다. 예를 들어, 수분을 감지할 수 있는 물질은 로다민 6G, 로다민 110, 로다민 700, 설퍼로다민 B 및 설퍼로다민 101로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 로다민계 유기착색제, 움벨리페론(Umbelliferone) 또는 이들의 조합일 수 있다.
한편, 유연기판(110)과 형광 감지막(140) 사이에는 기능성막(150)이 더 구비된다. 기능성막(150)은 발광소자(120), 포토다이오드(130), 및 스위치(160)의 간섭을 방지하고, 특히 발광소자(120)의 조사방향을 일정하게 유지하는 역할을 수행한다. 그리고 형광 감지막(140)까지 조사된 광이 도달하는 동안 광의 강도저하와 파장변화를 최소화시킨다.
특히 기능성막(150)은 나노파티클이 분산된 혼합물인 것이 바람직하다. 따라서, 기능성막(150)은 구체적으로 에어로졸(aerogel) 등과 같은 다공성 나노입자가 분산된 구조를 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 웨어러블 센서 플랫폼(100)은 부착되는 표면의 굴곡과 면적에 맞게 변형될 수 있는 유연성과 신축성을 갖춘 소재 및 생체 적합성이 있는 접착막(180)을 더 포함하여 피부 또는 장기 등의 인체에 탈부착이 가능하다. 이를 위해, 도 1과 같이 일체형 구조를 가진 웨어러블 센서 플랫폼(100)을 도 2에 도시한 바와 같이 배리어필름(barrier film)으로 덮어 반창고 형태를 이루도록 함으로써 인체에 탈부착이 가능하도록 한다.
배리어 필름(barrier film)으로 사용되는 소재는 일반적으로 인체에 무해하고 접착 가능한 소재라면 모두 가능하나 폴리염화비닐리덴계 수지 또는 에틸렌비닐알코올(EVOH)이 가장 바람직하다.
다음은 도 3을 참조하여 본 발명의 제1 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼(100)의 제조 공정을 후술한다.
도 3은 본 발명에 따른 웨어러블 센서 플랫폼의 제작 공정을 도시한 흐름도이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 제1 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼(100)은 유연기판(110) 일면을 따라 이격되어 배치된 복수의 발광소자(120)와, 발광소자(130) 사이에 배치된 복수의 포토다이오드(130)를 포함하여 구성된다. 결과적으로 도 3과 같이 발광소자(120)와 포토다이오드(130)가 교대로 배열되어 바둑판 형태의 패턴(Pattern)을 갖는다. 이러한 일체형 구조는 발광소자(120)가 배치된 유연기판(110)상에 포토다이오드가 배치된 다른 유연기판(110A)을 임프린트 리소그래피 공정을 통해 전사하여 이루어진다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼(100)은 유기전계 발광소자(120)와 포토다이오드(130)가 교대로 배열되어 일체형 구조를 가지는바 구조가 단순하여 제작단가가 낮고 소형화가 가능하여 휴대가 용이하다.
다음은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광소자(120)와 형광 감지막(140) 제조 예에 대해 후술한다.
<유연 녹색( green ) 유기전계 발광소자(120)의 제조 예>
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼을 구성하는 유기전계 발광소자의 제작공정을 순서대로 나타내는 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 폴리이미드(PI) 유연기판에 100㎚의 ITO를 스퍼터(sputter)를 통해서 증착하고 산소 플라즈마(oxygen plasma)로 표면처리 한 다음 PEDOT: PSS를 1500 rpm으로 스핀코팅한다. 이 후, 115℃에서 30 분 동안 열처리 과정을 거치고, 산소 플라즈마 처리한 후 트리스(8-하이드록시퀴놀리놀라토)알루미늄(Alq3) 와 N, N’-디페닐-N, N’-비스(3-메틸페닐)-1,1'-디페닐-4,4'-디아민(TPD)를 혼합(blend)한 발광층(Emitting layer, EML)을 2000 rpm으로 스핀코팅한다. 마지막으로 알루미늄 (Al)전극을 열증착기(thermal evaporator)로 100㎚ 증착하여 제조하였다. 다음은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 형광 감지막(130)에 대해 후술한다.
<형광 감지막(sensing film, 130)의 제조예 >
본 발명의 제1 실시 예에 따른 형광 감지막(130)은 산소, 수분, 산화질소, 혈청 등의 함량을 측정하기 위해 이들 각각을 감지할 수 있는 물질 또는 이들의 조합으로 이루어진다. 특히 수분을 감지하는 형광 감지막(130)의 경우, 로다민 6G, 로다민 110, 로다민 700, 설퍼로다민 B 및 설퍼로다민 101로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 로다민계 유기착색제, 움벨리페론(Umbelliferone) 또는 이들의 조합으로 제조된다.
구체적으로, 젤라틴 파우더 100 ㎎, 로다민 6G 5 ㎎, 탈이온수(DeIonized Water) 1.5 ㎖, 이소프로필알코올(Isopropyl alcohol, IPA) 0.5㎖를 혼합한 후 젤라틴을 용해시키기 위해 50℃에서 10분간 가열한 후, 분산시켜 경화하여 제조하였다.
<수분 감지 형광 감지막(130)의 반응성 실험 예>
상술한 공정으로 제조된 수분 감지 형광 감지막(130) 중앙에 물방울(water droplet)을 떨어뜨린 후, 적색(red) 영역의 광원과 녹색(green) 영역의 광원을 이용하여 반응성 시험을 진행하였다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따라 녹색 레이저(green laser)를 이용하여 수분 감지 형광 감지막(130)의 반응도를 측정한 결과를 도시한 사진이다.
시험 결과, 수분 감지 형광 감지막(130)은 청색 영역의 광원에만 반응하였고, 이는 수분 감지 형광 감지막(130)을 이루는 물질인 로다민 6G의 발진 및 흡수파장 영역과 일치함을 알 수 있고, 이를 통해 형광 감지막(130)의 반응도가 우수함을 알 수 있다.
다음의 도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼(200)을 후술한다. 도 6을 설명함에 앞서 반복되는 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 에에 따른 웨어러블 센서 플랫폼을 도시한 분해도이다.
우선 도 6에 도시한 본 발명의 제2 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼(200)은 도 1에 도시한 본 발명의 제1 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼(100)에 비해 유연기판(210) 상부에 유연한 포토다이오드막(230), 발광소자막(220), 기능성막(250), 및 형광 감지막(240)이 순차적으로 적층 접합된다는 점에서 차이점이 있다.
즉, 도 1을 참조하면 본 발명의 제1 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼(100)의 발광소자(120)는 투명한 유연기판(110)의 일면을 따라 소정의 거리로 이격 구비되고, 그 이격 공간에 포토다이오드(130)가 구비되는 1층 구조임에 반해, 도 6을 참조하면 본 발명의 제2 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼(200)은 발광소자막(220)의 일측면에 포토다이오드막(230)이 구비되는 2층구조이다.
또한, 유연기판(210) 상에 구비된 스위치(270)는 발광소자막(220)이 형광 감지막(240)으로 광을 조사하면, 조사된 광이 반사되어 포토다이오드막(230)으로 수광되는 동안 발광소자를 오프시킨다. 이는 조사되고 수광되는 광의 간섭을 방지하기 위함이다. 또한, 포토다이오드막(230)으로 수광되는 광의 노이즈를 방지하기 위해 발광소자막(220)은 투명한 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고 스위치(270)는 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)와 같은 소자로 구현되는 것도 가능하다.
다음은 도 7을 참조하여 본 발명의 제3 실시 예에 따른 웨어러블 원격 센싱장치(300)를 후술한다.
도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 웨어러블 원격 센싱장치를 도시한 블록도이다.
도 7을 참조하면 본 발명의 제3 실시 예에 따른 웨어러블 원격 센싱장치(300)는 센서부(310), 송신부(320), 수신부(330), 진동모터(340), 제어부(350), 및 전원부(360)를 포함한다.
우선 센서부(310)는 본 발명의 제1 실시 예와 제2 실시 예에 따른 웨어러블 센서 플랫폼(100, 200)을 사용하는 것이 바람직하다.
특히 센서부(310)에서 측정된 생물학적 정보는 제어부(350)로 전송되고, 제어부(350)는 송신부(320)를 제어하여 병원과 같은 원격 진료지로 무선 송신시킨다.
원격 진료지에서 상기 생물학적 정보를 수신 분석한 전문의가 현재 송신자(환자)의 상태가 비정상 상태라고 판단하면 병원으로 호출하기 위한 신호를 무선송신한다. 그러면 호출정보는 수신부(330)가 무선수신하고, 제어부(350)로 전송한다. 제어부(350)는 상기 호출정보에 따라 진동모터(340)를 기동하여 환자에게 병원호출을 인지시킨다.
한편, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 웨어러블 원격 센싱장치(300)는 전원부(360)를 더 포함한다. 바람직하게 전원부(360)는 배터리와 같은 소형 직류공급장치인 것이 바람직하며, 제어부(350)는 전원부(360)의 잔량을 채크하여 전력이 기 설정된 용량 미만이라면 진동모터(340)를 기동하여 환자에게 전원경보를 알릴 수 있다.
따라서 본 발명의 제3 실시 예에 따른 웨어러블 원격 센싱장치(300)는 부착자의 생물학적 상태를 실시간으로 감지하는 한편, 병원과 같은 원격지로 무선 전송함으로써 부착자의 건강상태를 전문의가 용이하게 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
100, 200: 웨어러블 센서 플랫폼
300: 웨어러블 원격 센싱장치 110, 210: 유연기판
120: 발광소자 130: 포토다이오드
140, 240: 형광 감지막 150, 250: 기능성막
160: 전원 170, 270: 스위치
180: 접착막 220: 발광소자막
230: 포토다이오드막 310: 센서부
320: 송신부 330: 수신부
340: 진동모터 350: 제어부
360: 전원부

Claims (22)

  1. 투명한 유연기판 일면을 따라 소정의 거리로 이격 구비된 복수의 발광소자;
    상기 발광소자 사이에 구비된 포토다이오드;
    상기 유연기판의 타면에 구비되어 피부나 장기에 접하는 형광 감지막; 및
    상기 유연기판과 형광 감지막 사이에 구비되어 상기 발광소자가 조사하는 광과 상기 포토다이오드로 수광하는 광을 필터링하는 기능성막; 을 포함하는 웨어러블 센서 플랫폼.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 형광 감지막 일면에 구비되어 상기 형광 감지막을 상기 피부나 장기에 부착하는 접착막; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 센서 플랫폼.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광소자를 스위칭(switching)하는 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT); 스위치; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 센서 플랫폼.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발광소자 및 상기 포토다이오드를 각각 밀봉하는 봉지막; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 센서 플랫폼.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발광소자는
    유기전계 발광소자(Organic light emitting diode, OLED)인 것을 특징으로 하는 웨어러블 센서 플랫폼.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유기전계 발광소자는
    레드(red), 그린(green), 블루(blue) 파장을 가지는 물질로부터 선택하여 형성된 단층 또는 복층으로 형성된 것을 특징으로 웨어러블 센서 플랫폼.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유연기판은
    폴리다이메틸실록산(PDMS), 폴리메타크릴산메틸(PMMA), 폴리(N, N-디메틸아크릴아미드)(PDMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리아미드 이미드, 폴리카보네이트(PC), 폴리아릴레이트, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리프탈아미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 아크릴계 폴리머 또는 이들의 조합으로 형성된 것을 특징으로 하는 웨어러블 센서 플랫폼.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 형광 감지막은
    로다민 6G, 로다민 110, 로다민 700, 설퍼로다민 B 및 설퍼로다민 101로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 로다민계 유기착색제, 움벨리페론(Umbelliferone) 또는 이들의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 센서 플랫폼.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 기능성막은
    에어로졸(aerogel)을 포함한 적어도 하나의 다공성 나노입자가 분산된 것이고,
    광 선택성 및 빛의 세기를 증폭시키고 간섭을 방지하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 센서 플랫폼.
  10. 유연기판;
    상기 유연기판의 상부 면에 배치된 유연한 발광소자막;
    상기 발광소자막 일면에 부착 구비되고, 피부나 장기에 접하여 상기 발광소자막이 조사하는 광을 흡수하는 형광 감지막; 및
    상기 발광소자막 일면에 대향하는 타면에 부착 구비되고, 상기 형광 감지막으로부터 광을 수광하는 투명 포토다이오드막; 을 포함하는 웨어러블 센서 플랫폼.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 형광 감지막의 일면에 구비되어 상기 형광 감지막을 상기 피부나 장기에 부착하는 접착막; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 센서 플랫폼.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 발광소자막으로 공급되는 전원을 스위칭(switching)하는 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT) 스위치; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기반의 웨어러블 센서 플랫폼.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 발광소자막 및 상기 포토다이오드막을 각각 밀봉하는 봉지막; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 센서 플랫폼.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 발광소자는 유기전계 발광소자(Organic light emitting diode, OLED)인 것을 특징으로 하는 웨어러블 센서 플랫폼.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 유기전계 발광소자는 레드(red), 그린(green), 블루(blue) 파장을 가지는 물질로부터 선택하여 형성된 단층 또는 복층으로 형성된 것을 특징으로 웨어러블 센서 플랫폼.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 유연기판은 폴리다이메틸실록산(PDMS), 폴리메타크릴산메틸(PMMA), 폴리(N, N-디메틸아크릴아미드)(PDMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리아미드 이미드, 폴리카보네이트(PC), 폴리아릴레이트, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리프탈아미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 아크릴계 폴리머 또는 이들의 조합으로 형성된 것을 특징으로 하는 웨어러블 센서 플랫폼.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 형광 감지막은 로다민 6G, 로다민 110, 로다민 700, 설퍼로다민 B 및 설퍼로다민 101로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 로다민계 유기착색제, 움벨리페론(Umbelliferone) 또는 이들의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 센서 플랫폼.
  18. 청구항 10에 있어서,
    상기 기능성막은 에어로졸(aerogel)을 포함한 적어도 하나의 다공성 나노입자가 분산된 것이고, 광 선택성 및 빛의 세기를 증폭시키고 간섭을 방지하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 센서 플랫폼.
  19. 인체에 부착되어 생물학적 상태를 측정하는 센서부;
    상기 센서부에서 측정된 상기 생물학적 상태를 원격지로 무선 송신하는 송신부;
    상기 원격지에서 알람을 무선 수신받는 수신부;
    상기 센서부, 상기 송신부, 상기 수신부로 전원을 공급하는 전원부; 및
    상기 전원부의 전원으로 구동하고, 상기 센서부가 측정한 정보를 송신부로 전송하며, 상기 수신부가 수신된 알람과 상기 전원부의 전력량 정보를 부착자에게 표시하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 센서부는
    유연기판;
    상기 유연기판의 상부면에 배치된 유연한 발광소자막;
    상기 발광소자막 일면에 부착 구비되고, 피부나 장기에 접하여 상기 발광소자막이 조사하는 광을 흡수하는 형광 감지막; 및
    상기 발광소자막 일면에 대향하는 타면에 부착 구비되고, 상기 형광 감지막으로부터 광을 수광하는 투명 포토다이오드막을 포함하는 웨어러블 원격 센싱장치.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 알람을 발생시키는 진동모터; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 원격 센싱장치.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 센서부는
    투명한 유연기판의 일면을 따라 소정의 거리로 이격 구비된 복수의 발광소자;
    상기 발광소자 사이에 구비된 포토다이오드;
    상기 유연기판의 타면에 구비되어 피부나 장기에 접하는 형광 감지막;
    상기 유연기판과 형광 감지막 사이에 구비되어 상기 발광소자가 조사하는 광과 상기 포토다이오드가 수광하는 광을 필터링하는 기능성막;
    상기 형광 감지막의 일면에 구비되어 상기 형광 감지막을 상기 피부나 장기에 부착하는 접착막; 및 상기 발광소자를 스위칭(switching)하는 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT); 를 포함하는 광루미네선스 기반의 웨어러블 원격 센싱장치.
  22. 제10에 있어서,
    상기 형광 감지막과 상기 발광소자막 사이에 배치되어, 상기 발광소자막이 조사하는 광과 상기 포토다이오드막이 수광하는 광을 필터링하는 기능성막을 더 포함하는 웨어러블 센서 플랫폼.
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