KR102317157B1 - 피부 수분량과 자외선 차단도를 측정하는 시모스 시스템온칩 및 이를 이용한 피부 수분량과 자외선 차단도의 측정 방법 - Google Patents

피부 수분량과 자외선 차단도를 측정하는 시모스 시스템온칩 및 이를 이용한 피부 수분량과 자외선 차단도의 측정 방법 Download PDF

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Abstract

교차전극형 커패시터(InterDigitated Capacitor, IDC)와 포토다이오드(photodiode)를 포함하는 복수의 픽셀(pixel)로 이루어진 픽셀 어레이와, 상기 픽셀로부터 피부 수분량 또는 자외선 세기를 읽어내는 리드아웃(readout) 회로와, 측정 모드를 결정하는 컨트롤러를 포함하는 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC) 및 이를 이용한 피부 수분량 및 자외선 차단도 측정 방법을 제공한다. 교차전극형 커패시터와 포토다이오드를 시모스(CMOS) 공정에 의해 적층함으로써 초소형, 저전력의 시스템온칩(SoC)을 생산할 수 있고, 각각의 픽셀을 통합하는 과정을 통해 피부 접촉면에 따른 수분 및 자외선 차단도의 변화량을 파악할 수 있고 고감도의 측정이 가능하다.

Description

피부 수분량과 자외선 차단도를 측정하는 시모스 시스템온칩 및 이를 이용한 피부 수분량과 자외선 차단도의 측정 방법{CMOS SYSTEM ON CHIP FOR MEASURING SKIN MOISTURE AND UV PROTECTION, AND SKIN MOISTURE AND UV PROTECTION MEASUREMENT METHOD USING THE SAME}
본 발명은 시모스 시스템온칩에 관한 것이고, 더 구체적으로는 피부 수분량과 자외선 차단도를 측정하는 시모스 시스템온칩에 관한 것이다.
종래의 피부 수분량 측정 장치는 리드아웃 회로가 집적된 칩과 커패시터가 별도로 존재하여 장치의 전체 면적이 커지고 소모 전력이 크다는 문제점이 있다.
한편, 단파장인 자외선은 실리콘 기반의 포토다이오드만으로는 감지가 어려워 자외선에 민감한 물질을 함께 사용하여야 하므로 비용이 많이 드는 문제점이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2004-0072507호("자외선 측정기", (주) 대진스폐샬옵텍스, 공개일 2004.08.18.)
Deng F. 외 3인, A CMOS humidity sensor for passive RFID sensing applications,　Sensors (Basel). 2014; 14(5): 8728-8739. (공개일 2014.05.16.)
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 교차전극형 커패시터(IDC)와 포토다이오드(photodiode)를 포함하는 복수의 픽셀(pixel)로 이루어진 픽셀 어레이, 피부 수분량과 자외선 차단도 중 어느 하나를 읽어내는 리드아웃 회로, 및 측정 모드를 결정하는 컨트롤러를 포함하는 피부 수분량과 자외선 차단도를 측정하는 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC)을 제공하는 것이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 교차전극형 커패시터(IDC)와 포토다이오드를 포함하는 복수의 픽셀(pixel)로 이루어진 픽셀 어레이, 피부 수분량과 자외선 차단도 중 어느 하나를 읽어내는 리드아웃(readout) 회로, 및 측정 모드를 결정하는 컨트롤러를 포함하는 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC)를 이용한 피부 수분량 및 자외선 차단도 측정 방법을 제공하는 것이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 교차전극형 커패시터(IDC)를 포함하는 복수의 픽셀(pixel)로 이루어진 픽셀 어레이, 및 피부 수분량을 읽어내는 리드아웃(readout) 회로를 포함하는 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC)을 이용하여 교차전극형 커패시터(IDC)의 입력 전압을 변화시키고, 리드아웃 회로의 출력 전압의 변화량을 측정하고, 교차전극형 커패시터(IDC)의 커패시턴스 변화량을 계산하는 피부 수분량 측정 방법을 제공하는 것이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 포토다이오드를 포함하는 복수의 픽셀(pixel)로 이루어진 픽셀 어레이, 및 자외선 차단도를 읽어내는 리드아웃(readout) 회로를 포함하는 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC)를 이용하여 액티브 픽셀 및 더미 픽셀에 역방향 바이어스를 걸어주고, 공핍층에서 전자 방출량의 차이를 측정하는 자외선 차단도 측정 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 피부 수분량 및 자외선 차단도를 측정하는 시모스(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS) 시스템온칩(System on Chip, SoC)은, 복수의 픽셀(pixel)로 이루어진 픽셀 어레이와, 상기 복수의 픽셀 중 각각의 픽셀로부터 피부 수분량 및 자외선 차단도 중 어느 하나를 읽어내는 리드아웃(readout) 회로와, 측정 모드를 결정하는 컨트롤러를 포함하되, 상기 복수의 픽셀 중 각각의 픽셀은 피부 수분량을 측정하는 교차전극형 커패시터(InterDigitated Capacitor, IDC)와, 자외선 차단도를 측정하는 포토다이오드(photodiode)를 포함한다.
일 측면에 따르면, 상기 복수의 픽셀 중 각각의 픽셀은 상기 포토다이오드-상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 순서로 적층된(stacked) 구조를 가질 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 크기는 상기 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC)을 피부에 접촉시켰을 때 상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 두 전극에서 발생하는 전기장(electric field)이 피부의 각질층(stratum corneum)에 형성되도록 결정될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 두 전극은 시모스(CMOS) 공정의 최상위 메탈(M4)일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 측정 모드는 피부 수분량 측정 모드 및 자외선 차단도 측정 모드를 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 측정 모드가 피부 수분량 측정 모드일 때 상기 교차전극형 커패시터(IDC)는 상기 각질층의 유전율의 변화량에 의한 상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 커패시턴스 변화를 이용해 상기 피부 수분량을 측정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 측정 모드가 자외선 차단도 측정 모드일 때 상기 포토다이오드는 상기 자외선이 투과하는 깊이를 전후로 공핍층의 두께를 변화시키고 상기 자외선에 의해 방출된 전자를 측정함으로써 상기 자외선 차단도를 측정할 수 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 교차전극형 커패시터(InterDigitated Capacitor, IDC)와 포토다이오드(photodiode)를 포함하는 복수의 픽셀(pixel)로 이루어진 픽셀 어레이, 피부 수분량과 자외선 차단도 중 어느 하나를 읽어내는 리드아웃(readout) 회로, 및 측정 모드를 결정하는 컨트롤러를 포함하는 시모스(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS) 시스템온칩(System on Chip, SoC)을 이용한 피부 수분량 및 자외선 차단도 측정 방법은, 상기 컨트롤러를 이용하여 측정 모드를 결정하는 단계와, 상기 측정 모드가 피부 수분량 측정 모드일 때 상기 교차전극형 커패시터(IDC)를 이용하여 상기 피부 수분량을 측정하고, 상기 측정 모드가 자외선 차단도 측정 모드일 때 상기 포토다이오드를 이용하여 상기 자외선 차단도를 측정하는 단계를 포함한다.
일 측면에 따르면, 상기 피부 수분량의 측정은 상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 입력 전압을 변화시키는 단계와, 상기 입력 전압의 변화에 의한 상기 리드아웃 회로의 출력 전압의 변화량을 측정하는 단계와, 상기 입력 전압의 변화량과 상기 출력 전압의 변화량을 이용하여 상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 커패시턴스 변화량을 계산하는 단계와, 상기 커패시턴스 변화량을 이용하여 각질층(stratum corneum)의 유전율(permittivity, ε)을 계산하고, 상기 피부 수분량을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 커패시턴스 변화량은 하기의 수학식
Figure 112019133747188-pat00001
에 의해 계산될 수 있다.
단, ΔVin은 입력 전압의 변화량이고, ΔVout은 출력 전압의 변화량이고, CF는 리드아웃 회로의 커패시터의 커패시턴스이다.
일 측면에 따르면, 상기 자외선 차단도의 측정은 액티브 픽셀 및 더미 픽셀에 역방향 바이어스를 걸어주는 단계와, 상기 액티브 픽셀 및 상기 더미 픽셀의 공핍층에서 전자 방출량의 차이를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 교차전극형 커패시터(InterDigitated Capacitor, IDC)를 포함하는 복수의 픽셀(pixel)로 이루어진 픽셀 어레이, 및 피부 수분량을 읽어내는 리드아웃(readout) 회로를 포함하는 시모스(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS) 시스템온칩(System on Chip, SoC)을 이용한 피부 수분량 측정 방법은, 상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 입력 전압을 변화시키는 단계와, 상기 입력 전압의 변화에 의한 상기 리드아웃 회로의 출력 전압의 변화량을 측정하는 단계와, 상기 입력 전압의 변화량과 상기 출력 전압의 변화량을 이용하여 상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 커패시턴스 변화량을 계산하는 단계와, 상기 커패시턴스 변화량을 이용하여 각질층(stratum corneum)의 유전율(permittivity, ε)을 계산하고 상기 피부 수분량을 계산하는 단계를 포함한다.
일 측면에 따르면, 상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 크기는 상기 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC)을 피부에 접촉시켰을 때 상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 두 전극에서 발생하는 전기장(electric field)이 피부의 각질층(stratum corneum)에 형성되도록 결정될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 두 전극은 시모스(CMOS) 공정의 최상위 메탈(M4)일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 커패시턴스 변화량을 계산하는 단계는 하기의 수학식
Figure 112019133747188-pat00002
에 의해 상기 커패시턴스 변화량을 계산할 수 있다.
단, ΔVin은 입력 전압의 변화량이고, ΔVout은 출력 전압의 변화량이고, CF는 리드아웃 회로의 커패시터의 커패시턴스이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 포토다이오드(photodiode)를 포함하는 복수의 픽셀(pixel)로 이루어진 픽셀 어레이, 및 자외선 차단도를 읽어내는 리드아웃(readout) 회로를 포함하는 시모스(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS) 시스템온칩(System on Chip, SoC)을 이용한 자외선 차단도 측정 방법은, 액티브 픽셀 및 더미 픽셀에 역방향 바이어스를 걸어주는 단계와, 상기 액티브 픽셀 및 상기 더미 픽셀의 공핍층에서 전자 방출량의 차이를 측정하는 단계를 포함한다.
일 측면에 따르면, 상기 액티브 픽셀은 역방향 바이어스를 조절할 수 있고 빛이 투과할 수 있고, 상기 더미 픽셀은 일정한 역방향 바이어스가 걸리며 빛이 투과하지 않도록 차폐된 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 역방향 바이어스를 걸어주는 단계는 제1 액티브(active) 픽셀 및 제1 더미(dummy) 픽셀에 제1 깊이의 공핍층이 형성되도록 하는 제1 역방향 바이어스를 걸어주는 단계와, 제2 액티브 픽셀 및 제2 더미 픽셀에 상기 제1 깊이보다 더 깊은 제2 깊이의 공핍층이 형성되도록 하는 제2 역방향 바이어스를 걸어주는 단계와, 제3 액티브 픽셀 및 제3 더미 픽셀에 상기 제2 깊이 보다 더 깊은 제3 깊이의 공핍층이 형성되도록 하는 제3 역방향 바이어스를 걸어주는 단계를 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 전자 방출량의 차이를 측정하는 단계는 상기 제1 액티브 픽셀 및 상기 제1 더미 픽셀의 공핍층에서 전자 방출량의 제1 차이를 측정하는 단계와, 상기 제2 액티브 픽셀 및 상기 제2 더미 픽셀의 공핍층에서 전자 방출량의 제2 차이를 측정하고, 상기 전자 방출량의 제1 차이와 상기 전자 방출량의 제2 차이 사이의 제3 차이를 계산하는 단계와, 상기 제3 액티브 픽셀 및 상기 제3 더미 픽셀의 공핍층에서 전자 방출량의 제4 차이를 측정하고, 상기 전자 방출량의 제2 차이와 상기 전자 방출량의 제4 차이 사이의 제5 차이를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 역방향 바이어스를 걸어주는 단계 및 상기 전자 방출량의 차이를 측정하는 단계는 4중 측정(quadrature measurement) 방법에 따라 각각 역방향 바이어스를 걸어주고, 전자 방출량의 차이를 측정할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 피부 수분량과 자외선 차단도를 측정하는 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC) 및 이를 이용한 피수 수분량 및 자외선 차단도 측정 방법에 따르면, 교차전극형 커패시터(IDC)의 입력 전압을 변화시키고 리드아웃 회로의 출력 전압의 변화량을 측정하고 교차전극형 커패시터(IDC)의 커패시턴스 변화량을 계산하여 피부 수분량을 측정할 수 있고, 액티브 픽셀 및 더미 픽셀에 역방향 바이어스를 걸어주고 공핍층에서 전자 방출량의 차이를 측정하여 자외선 차단도를 측정할 수 있다.
따라서, 시모스 공정에 의해 교차전극형 커패시터를 초소형으로 집적함으로써 초소형, 저전력을 달성할 수 있고, 1개의 큰 커패시터가 아닌 마이크로미터 단위의 작은 커패시터를 1개의 픽셀로 하여 픽셀 어레이를 구성하고 각각의 픽셀을 통합하는 과정을 통해 피부 접촉면에 따른 수분 및 자외선 차단도의 변화량을 파악하고 고감도 측정이 가능하고, 포토다이오드 상층에 교차전극형 커패시터를 적층함으로써 어레이 면적을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 수분량과 자외선 차단도를 측정하는 시모스 시스템온칩의 구성도이다.
도 2는 교차전극형 커패시터의 구조 및 피부 수분량 측정원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 포토다이오드를 이용한 자외선 차단도 측정원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 포토다이오드를 이용해 파장 대역별 자외선 차단도를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 피부 수분량 및 자외선 차단도를 읽어내는 리드아웃 회로를 나타낸 회로도이다.
도 6은 잡음 제거를 위한 4중 측정 방법을 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 수분량 및 자외선 차단도를 측정하는 시모스 시스템온칩을 이용한 피부 수분량 측정 방법의 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 수분량 및 자외선 차단도를 측정하는 시모스 시스템온칩을 이용한 자외선 차단도 측정 방법의 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 명확하고 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 수분량과 자외선 차단도를 측정하는 시모스 시스템온칩의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 수분량과 자외선 차단도를 측정하는 시모스(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS) 시스템온칩(System on Chip, SoC)(10)은 복수의 픽셀(500)로 이루어진 픽셀 어레이(600), 리드아웃(readout) 회로(300), 및 컨트롤러(400)를 포함한다.
픽셀(500)은 보호막(encapsulation), 교차전극형 커패시터(InterDigitated Capacitor, IDC)(100), 및 포토다이오드(200)를 포함한다. 픽셀(500)은 아래에서부터 포토다이오드(200), 교차전극형 커패시터(IDC)(100), 보호막의 순서로 적층된(stacked) 구조로 형성될 수 있다.
보호막은 외부 환경으로부터 내부 소자들을 보호하는 층(layer)이다.
교차전극형 커패시터(IDC)(100)는 피부 수분량을 측정한다. 교차전극형 커패시터(IDC)(100)의 구조 및 피부 수분량 측정원리에 관하여는 도 2를 참조하여 후술한다.
포토다이오드(200)는 자외선 차단도를 측정한다. 포토다이오드(200)의 자외선 차단도 측정원리에 관하여는 도 3 내지 도 5를 참조하여 후술한다.
리드아웃 회로(300)는 교차전극형 커패시터(IDC)(100)로부터 피부 수분량을 읽어내고, 포토다이오드(200)로부터 자외선 차단도를 읽어낸다.
컨트롤러(400)는 리드아웃 회로(300)의 스위치(도 5의 S1, S2)를 제어함으로써 측정 모드를 결정한다.
이외에도 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC)(10)은, 예를 들어 로우 컨트롤러(row controller), 칼럼 드라이버(column driver), 또는 아날로그-디지털 컨버터(Analog-to-Digital Converter)와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 구성요소들을 더 포함할 수 있다.
도 2는 교차전극형 커패시터의 구조 및 피부 수분량 측정원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 교차전극형 커패시터(IDC)(100)는 커패시터를 구성하는 두 전극(100a, 100b)이 서로 교차된 형태의 구조로 형성된다. 교차전극형 구조는 작은 면적에 최대한 큰 전기용량(capacitance)을 갖는 커패시터를 만드는 방법 중의 하나이다. 교차전극형 커패시터(IDC)(100)의 크기는 전극의 너비(w), 전극 사이의 거리(d), 및 가로 길이(x)에 의해 결정될 수 있다. 교차전극형 커패시터(IDC)(100)는 가로 길이(x)와 세로 길이(y)가 동일한 정사각형의 형태로 형성될 수 있다. 교차전극형 커패시터(IDC)(100)의 크기는 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC)을 피부에 접촉시켰을 때 두 전극(100a, 100b)에서 발생하는 전기장(E-field)이 피부의 각질층(stratum corneum)에 형성되도록 결정될 수 있다. 즉, 전극의 너비(w), 전극 사이의 거리(d), 및 가로 길이(x)는 두 전극(100a, 100b)에서 발생하는 전기장(E-field)이 피부의 각질층에 형성되도록 결정될 수 있다.
교차전극형 커패시터(IDC)(100)의 두 전극(100a, 100b)은 시모스(CMOS) 공정의 최상위층 메탈(M4)로 만들어진다. 즉, 교차전극형 커패시터(IDC)(100)와 리드아웃 회로(300)가 하나의 시스템온칩(SoC)에 함께 집적된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 수분량과 자외선 차단도를 측정하는 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC)은, 시모스(CMOS) 공정에 의해 리드아웃 회로를 집적하고 시스템온칩(SoC)의 외부에 커패시터와 같은 별도의 측정 소자를 구비하는, 종래의 피부 수분량 측정 센서에 비하여 초소형으로 만들어질 수 있고, 센서 외부와 데이터 송수신을 하는 데 전력을 소모하지 않으므로 저전력으로 동작할 수 있다.
수분량 측정의 대상이 되는 부분은 표피(epidermis) 중에서 가장 바깥쪽인 각질층이다. 각질층은 수분량에 따라 전기 전도도가 변한다. 즉, 각질층을 이루는 피부 성분들의 유전율(permittivity, ε)은 약 1 내지 10인 반면 물의 유전율은 약 60이므로 수분량이 각질층의 유전율에 가장 큰 영향을 미친다. 따라서 교차전극형 커패시터(IDC)(100)에서 발생하는 전기장(E-field)이 각질층을 지나도록 형성되면 수분으로 인한 유전율의 변화량(Δε)에 비례하여 교차전극형 커패시터(IDC)(100)의 커패시턴스가 ΔC만큼 변한다. 이 ΔC를 통해 피부 수분량을 측정할 수 있다.
도 2의 회로도를 참조하면, 교차전극형 커패시터(IDC)(100)의 제1 전극(100a)에 입력되는 전압(Vin)을 ΔVin만큼 변화시키면 제2 전극(100b)에 연결된 리드아웃 회로(300a)의 출력 전압(Vout)이 ΔVout만큼 변한다. 피부 수분량에 따라 유전율이 달라지므로 교차전극형 커패시터(IDC)(100)의 커패시턴스가 CIDC에서 CIDC + ΔC로 변하고, 따라서 ΔVout의 크기는 피부 수분량에 따라 다르게 측정된다. 결과적으로 ΔC는 차지 펌프(charge pump)의 원리에 의해 입력 전압의 변화량(ΔVin), 출력 전압의 변화량(ΔVout), 및 CF를 이용해 수학식 1에 따라 계산할 수 있다.
Figure 112019133747188-pat00003
도 3은 포토다이오드를 이용한 자외선 차단도 측정원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 수분량과 자외선 차단도를 측정하는 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC)(10)은 피부와의 접촉을 통해 보호막에 묻어난 자외선 차단제(sun block)에 의한, 공핍층(depletion layer)(210)에서 방출되는, 전자의 감소량을 측정함으로써 자외선 차단도를 측정한다.
포토다이오드(200)의 공핍층(210)에 빛이 도달하면 그 도달한 위치에서 도달한 빛의 에너지에 해당하는 만큼의 전자가 방출된다. 파장이 짧은 자외선은 파장이 긴 가시광선보다 투과 거리가 짧고, 보호막에 자외선 차단제가 묻어있으면 자외선 차단제에 의한 자외선 차단 효과로 인해 투과 거리가 더 짧아진다. 이때 포토다이오드(200)의 공핍층(210)의 두께를, 측정하고자 하는 파장 대역의 자외선이 투과하는 깊이를 전후로, 미세하게 변화시켜 해당 파장 대역의 자외선에 의해 방출된 전자를 측정할 수 있다. 즉, 포토다이오드(200)의 역방향 바이어스(reverse bias, VR)를 미세하게 조절하여(예를 들어, VR1에서 VR2로) 공핍층(210)의 두께가 미세하게 변하게 만들고 변화 전후의 차이에 해당하는 부분의 공핍층(210)에서 방출된 전자를 측정하여 자외선 차단도를 측정할 수 있다.
상술한 원리에 의해 자외선 차단도를 측정하는 것은 종래의 자외선에 민감한 물질을 함께 사용하여 자외선 차단도를 측정하는 방식에 비하여 저비용으로 측정할 수 있다는 장점이 있다.
도 4는 포토다이오드를 이용해 파장 대역별 자외선 차단도를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 수분량과 자외선 차단도를 측정하는 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC)(10)은 자외선의 파장 대역별로 투과 거리가 다른 특성을 이용해 파장 대역별 자외선 차단도를 측정할 수 있다. 일정한 역방향 바이어스가 걸리며 빛이 투과하지 않도록 차폐된 더미(dummy) 픽셀과 역방향 바이어스를 미세하게 조절할 수 있고 빛이 투과할 수 있는 액티브(active) 픽셀 사이의 전자 방출량의 차이로부터 자외선 파장 대역별 자외선 차단도를 측정할 수 있다.
구체적으로, 파장이 100~280nm인 UV C의 투과 깊이만큼 공핍층이 형성되도록 역방향 바이어스(VC)를 걸었을 때 액티브 픽셀의 공핍층에는 UV C에 의한 전자와 빛 이외의 원인에 의한 전자가 방출되고, 더미 픽셀의 공핍층에는 빛 이외의 원인에 의한 전자만 방출된다. 이때 액티브 픽셀의 공핍층의 전자 방출량과 더미 픽셀의 공핍층의 전자 방출량의 차이(41)로부터 UV C에 의한 전자 방출량을 알 수 있다.
파장이 280~315nm인 UV B의 투과 깊이만큼 공핍층이 형성되도록 역방향 바이어스(VB)를 걸었을 때 액티브 픽셀의 공핍층에는 UV B 및 UV C에 의한 전자와 빛 이외의 원인에 의한 전자가 방출되고, 더미 픽셀의 공핍층에는 빛 이외의 원인에 의한 전자만 방출된다. 이때 액티브 픽셀의 공핍층의 전자 방출량과 더미 픽셀의 공핍층의 전자 방출량의 차이(42, 44)로부터 UV B 및 UV C에 의한 전자 방출량을 알 수 있다. 여기서 전자 방출량의 차이(41)와 전자 방출량의 차이(42)의 차이(43)로부터 UV B에 의한 전자 방출량을 알 수 있다.
파장이 315~400nm인 UV A의 투과 깊이만큼 공핍층이 형성되도록 역방향 바이어스(VA)를 걸었을 때 액티브 픽셀의 공핍층에는 UV A, UV B, 및 UV C에 의한 전자와 빛 이외의 원인에 의한 전자가 방출되고, 더미 픽셀의 공핍층에는 빛 이외의 원인에 의한 전자만 방출된다. 이때 액티브 픽셀의 공핍층의 전자 방출량과 더미 픽셀의 공핍층의 전자 방출량의 차이(45)로부터 UV A, UV B, 및 UV C에 의한 전자 방출량을 알 수 있다. 여기서 전자 방출량의 차이(44)와 전자 방출량의 차이(45)의 차이(46)로부터 UV A에 의한 전자 방출량을 알 수 있다.
도 5는 피부 수분량 및 자외선 차단도를 읽어내는 리드아웃 회로를 나타낸 회로도이다.
도 5를 참조하면, 리드아웃 회로(300)는 2개의 연산 증폭기(operational amplifier)를 포함하며, 제1 연산 증폭기는 검정색 포토다이오드(200)와 연결되고, 제2 연산 증폭기는 스위치(S1, S2)의 ON/OFF에 따라 교차전극형 커패시터(IDC)(100)의 한 전극(100b) 또는 흰색 포토다이오드(200)와 연결된다. 스위치가 S1 ON, S2 OFF인 경우 제2 연산 증폭기는, 도 2를 참조하여 상술한 바와 같이, 교차전극형 커패시터(IDC)(100)로부터 피부 수분량을 읽어내고(300a), 스위치가 S1 OFF, S2 ON인 경우 제2 연산 증폭기는 포토다이오드(200)로부터 자외선 차단도를 읽어낸다. 스위치(S1, S2)의 ON/OFF는 컨트롤러(400)에 의해 제어된다.
제1 연산 증폭기의 (+)단자 전압(VREF1)은 검정색 다이오드에 걸리는 역방향 바이어스이고, 제2 연산 증폭기의 (+)단자 전압(VREF2)은 흰색 다이오드에 걸리는 역방향 바이어스이다. VREF1과 VREF2를 다르게 함으로써 검정색 다이오드와 흰색 다이오드에 서로 다른 깊이의 공핍층이 형성되며, 제1 연산 증폭기의 출력 전압(Vout1)과 제2 연산 증폭기의 출력 전압(Vout2)의 차이(ΔVUV)는 검정색 다이오드와 흰색 다이오드가 서로 공유하지 않는 공핍층에서 발생되는 전자의 양에 비례한다.
도 6은 잡음 제거를 위한 4중 측정 방법을 나타낸 개념도이다.
본 발명의 실시예들에 따른 피부 수분량과 자외선 차단도를 측정하는 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC)(10)을 이용해 자외선 차단도를 측정하는 경우 4중 측정(quadruple measurement)을 통해 공간적 변형(variation)에 의한 잡음(noise)을 제거할 수 있다. 여기서, 공간적 변형은 포토다이오드를 만들 때 시모스(CMOS) 공정상의 원인으로 인해 생길 수 있고, 또는 자외선 차단도 측정 시 픽셀마다 자외선 차단제의 발림 정도가 달라서 생길 수 있다. 이러한 공간적 변형에 의한 잡음은 액티브 픽셀의 전압을 달리하여 4중 측정함으로써 제거할 수 있다.
도 6을 참조하면, VA, VB, VC는 서로 다른 전압을 의미하며, 1번 내지 4번 액티브 픽셀에 각각 VC, VB, VA 및 VC의 전압을 인가하여 첫 번째 측정을 수행하고, 1번 내지 4번 액티브 픽셀에 각각 VA, VC, VC 및 VB의 전압을 인가하여 두 번째 측정을 수행하고, 1번 내지 4번 액티브 픽셀에 각각 VC, VA, VB 및 VC의 전압을 인가하여 세 번째 측정을 수행하고, 1번 내지 4번 액티브 픽셀에 각각 VB, VC, VC 및 VA의 전압을 인가하여 네 번째 측정을 수행한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 수분량 및 자외선 차단도를 측정하는 시모스 시스템온칩을 이용한 피부 수분량 측정 방법의 순서도이다.
먼저, 교차전극형 커패시터(IDC)(100)의 입력 전압을 ΔVin만큼 변화시킨다(단계 S701). 입력 전압의 변화에 의한 리드아웃 회로의 출력 전압의 변화량(ΔVout)을 측정한다(단계 S703). 입력 전압의 변화량(ΔVin)과 출력 전압의 변화량(ΔVout)을 이용하여 교차전극형 커패시터(IDC)(100)의 커패시턴스 변화량(ΔC)을 계산한다(단계 S705). 커패시턴스 변화량(ΔC)을 이용하여 각질층의 유전율 변화량(Δε)을 계산하고 수분량을 계산한다(단계 S707).
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 수분량 및 자외선 차단도를 측정하는 시모스 시스템온칩을 이용한 자외선 차단도 측정 방법의 순서도이다.
먼저, 액티브 픽셀 및 제1 더미 픽셀에 제1 깊이의 공핍층이 형성되도록 하는 제1 역방향 바이어스를 걸어준다(S801). 이때 액티브 픽셀 및 제1 더미 픽셀의 공핍층에서 전자 방출량의 제1 차이를 측정하여 UV C의 차단도를 측정한다(S802).
다음으로, 액티브 픽셀 및 제2 더미 픽셀에 제1 깊이보다 더 깊은 제2 깊이의 공핍층이 형성되도록 하는 제2 역방향 바이어스를 걸어준다(S803). 이때 액티브 픽셀 및 제2 더미 픽셀의 공핍층에서 전자 방출량의 제2 차이를 측정하고, 전자 방출량의 제1 차이와 전자 방출량의 제2 차이 사이의 제3 차이를 계산하여 UV B의 차단도를 측정한다(S804).
마지막으로, 액티브 픽셀 및 제3 더미 픽셀에 제2 깊이보다 더 깊은 제3 깊이의 공핍층이 형성되도록 하는 제3 역방향 바이어스를 걸어준다(S805). 이때 액티브 픽셀 및 제3 더미 픽셀의 공핍층에서 전자 방출량의 제4 차이를 측정하고, 전자 방출량의 제2 차이와 전자 방출량의 제4 차이 사이의 제5 차이를 계산하여 UV A의 차단도를 측정한다(S806).
전술한 본 발명에 따른 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC)을 이용한 피부 수분량 및 자외선 차단도 측정 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래시 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.
이상에서 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 시모스 시스템온칩
100: 교차전극형 커패시터
200: 포토다이오드
300: 리드아웃 회로
400: 컨트롤러
500: 픽셀
600: 픽셀 어레이

Claims (20)

  1. 복수의 픽셀(pixel)로 이루어진 픽셀 어레이;
    상기 복수의 픽셀 중 각각의 픽셀로부터 피부 수분량 및 자외선 차단도 중 어느 하나를 읽어내는 리드아웃(readout) 회로; 및
    측정 모드를 결정하는 컨트롤러를 포함하되,
    상기 복수의 픽셀 중 각각의 픽셀은
    피부 수분량을 측정하는 교차전극형 커패시터(InterDigitated Capacitor, IDC), 및
    자외선 차단도를 측정하는 포토다이오드(photodiode)를 포함하는, 시모스(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS) 시스템온칩(System on Chip, SoC).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀 중 각각의 픽셀은 상기 포토다이오드-상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 순서로 적층된(stacked) 구조를 갖는, 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 크기는 상기 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC)을 피부에 접촉시켰을 때 상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 두 전극에서 발생하는 전기장(electric field)이 피부의 각질층(stratum corneum)에 형성되도록 결정되는, 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC).
  4. 제1항에 있어서,
    상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 두 전극은 시모스(CMOS) 공정의 최상위 메탈(M4)인, 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC).
  5. 제3항에 있어서,
    상기 측정 모드는 피부 수분량 측정 모드 및 자외선 차단도 측정 모드를 포함하는, 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 측정 모드가 피부 수분량 측정 모드일 때
    상기 교차전극형 커패시터(IDC)는 상기 각질층의 유전율의 변화량에 의한 상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 커패시턴스 변화를 이용해 상기 피부 수분량을 측정하는, 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC).
  7. 제5항에 있어서,
    상기 측정 모드가 자외선 차단도 측정 모드일 때
    상기 포토다이오드는 상기 자외선이 투과하는 깊이를 전후로 공핍층의 두께를 변화시키고 상기 자외선에 의해 방출된 전자를 측정함으로써 상기 자외선 차단도를 측정하는, 시모스(CMOS) 시스템온칩(SoC).
  8. 교차전극형 커패시터(InterDigitated Capacitor, IDC)와 포토다이오드(photodiode)를 포함하는 복수의 픽셀(pixel)로 이루어진 픽셀 어레이, 피부 수분량과 자외선 차단도 중 어느 하나를 읽어내는 리드아웃(readout) 회로, 및 측정 모드를 결정하는 컨트롤러를 포함하는 시모스(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS) 시스템온칩(System on Chip, SoC)을 이용한 피부 수분량 및 자외선 차단도 측정 방법에 있어서,
    상기 컨트롤러를 이용하여 측정 모드를 결정하는 단계; 및
    상기 측정 모드가 피부 수분량 측정 모드일 때 상기 교차전극형 커패시터(IDC)를 이용하여 상기 피부 수분량을 측정하고, 상기 측정 모드가 자외선 차단도 측정 모드일 때 상기 포토다이오드를 이용하여 상기 자외선 차단도를 측정하는 단계를 포함하는, 피부 수분량 및 자외선 차단도 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 피부 수분량의 측정은
    상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 입력 전압을 변화시키는 단계;
    상기 입력 전압의 변화에 의한 상기 리드아웃 회로의 출력 전압의 변화량을 측정하는 단계;
    상기 입력 전압의 변화량과 상기 출력 전압의 변화량을 이용하여 상기 교차전극형 커패시터(IDC)의 커패시턴스 변화량을 계산하는 단계; 및
    상기 커패시턴스 변화량을 이용하여 각질층(stratum corneum)의 유전율(permittivity, ε)을 계산하고, 상기 피부 수분량을 계산하는 단계를 포함하는, 피부 수분량 및 자외선 차단도 측정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 커패시턴스 변화량은 하기의 수학식
    Figure 112019133747188-pat00004

    에 의해 계산되는, 피부 수분량 및 자외선 차단도 측정 방법.
    단, ΔVin은 입력 전압의 변화량이고, ΔVout은 출력 전압의 변화량이고, CF는 리드아웃 회로의 커패시터의 커패시턴스이다.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 자외선 차단도의 측정은
    액티브 픽셀 및 더미 픽셀에 역방향 바이어스를 걸어주는 단계; 및
    상기 액티브 픽셀 및 상기 더미 픽셀의 공핍층에서 전자 방출량의 차이를 측정하는 단계를 포함하는, 피부 수분량 및 자외선 차단도 측정 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 포토다이오드(photodiode)를 포함하는 복수의 픽셀(pixel)로 이루어진 픽셀 어레이, 및 자외선 차단도를 읽어내는 리드아웃(readout) 회로를 포함하는 시모스(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS) 시스템온칩(System on Chip, SoC)을 이용한 자외선 차단도 측정 방법에 있어서,
    액티브 픽셀 및 더미 픽셀에 역방향 바이어스를 걸어주는 단계; 및
    상기 액티브 픽셀 및 상기 더미 픽셀의 공핍층에서 전자 방출량의 차이를 측정하는 단계를 포함하는, 자외선 차단도 측정 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 액티브 픽셀은 역방향 바이어스를 조절할 수 있고 빛이 투과할 수 있고,
    상기 더미 픽셀은 일정한 역방향 바이어스가 걸리며 빛이 투과하지 않도록 차폐된, 자외선 차단도 측정 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 역방향 바이어스를 걸어주는 단계는
    제1 액티브(active) 픽셀 및 제1 더미(dummy) 픽셀에 제1 깊이의 공핍층이 형성되도록 하는 제1 역방향 바이어스를 걸어주는 단계;
    제2 액티브 픽셀 및 제2 더미 픽셀에 상기 제1 깊이보다 더 깊은 제2 깊이의 공핍층이 형성되도록 하는 제2 역방향 바이어스를 걸어주는 단계; 및
    제3 액티브 픽셀 및 제3 더미 픽셀에 상기 제2 깊이 보다 더 깊은 제3 깊이의 공핍층이 형성되도록 하는 제3 역방향 바이어스를 걸어주는 단계를 포함하는, 자외선 차단도 측정 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 전자 방출량의 차이를 측정하는 단계는
    상기 제1 액티브 픽셀 및 상기 제1 더미 픽셀의 공핍층에서 전자 방출량의 제1 차이를 측정하는 단계;
    상기 제2 액티브 픽셀 및 상기 제2 더미 픽셀의 공핍층에서 전자 방출량의 제2 차이를 측정하고, 상기 전자 방출량의 제1 차이와 상기 전자 방출량의 제2 차이 사이의 제3 차이를 계산하는 단계; 및
    상기 제3 액티브 픽셀 및 상기 제3 더미 픽셀의 공핍층에서 전자 방출량의 제4 차이를 측정하고, 상기 전자 방출량의 제2 차이와 상기 전자 방출량의 제4 차이 사이의 제5 차이를 계산하는 단계를 포함하는, 자외선 차단도 측정 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 역방향 바이어스를 걸어주는 단계 및 상기 전자 방출량의 차이를 측정하는 단계는 4중 측정(quadrature measurement) 방법에 따라 각각 역방향 바이어스를 걸어주고, 전자 방출량의 차이를 측정하는, 자외선 차단도 측정 방법.
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