KR102405616B1 - 유연 경피성 산소 분압센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유연 경피성 산소 분압센서에 관한 것으로, 더 상세하게는 피부에 밀착되며 장시간 동안 반복 사용이 가능하고 측정값의 신뢰도가 높은 유연 경피성 산소 분압센서에 관한 것이다.
본 발명의 유연 경피성 산소 분압센서는 일측면이 피부에 접촉되는 산소센싱필름; 상기 산소센싱필름의 일측면의 대향면 상부에 위치하며, 마이크로-엘이디(μ-LED)가 포함된 발광부 및 유기-포토다이오드(Organic-photodiode,OPD)가 포함된 수광부를 포함하는 광검출부; 및 상기 산소센싱필름과 상기 광검출부 사이에 위치하며, 상기 산소센싱필름과 접촉되는 피부에 열에너지를 공급하는 히터부;를 포함한다.

Description

유연 경피성 산소 분압센서{Flexible transcutaneous oxygen sensor}
본 발명은 유연 경피성 산소 분압센서에 관한 것으로, 더 상세하게는 피부에 밀착되며 장시간 동안 반복 사용이 가능하고 측정값의 신뢰도가 높은 유연 경피성 산소 분압센서에 관한 것이다.
건강에 대한 관심이 증가됨에 따라 다양한 종류의 생체 정보 검출 장치가 개발되고 있다. 특히 피검자가 직접 착용할 수 있는 다양한 웨어러블 디바이스(wearable device)가 보급되면서 헬스 케어에 특화된 기기들이 개발되고 있다.
생체 정보 검출 방법은 크게 침습적(invasive)인 방법과 비침습적(noinvasive)인 방법으로 구분할 수 있으며, 피검자의 통증을 유발시키지 않으며 간단하게 생체 정보를 검출할 수 있는 비침습적 방법이 훨씬 선호된다.
중요 생체 정보 중 하나인 체내 산소분압은 경피성 산소 측정(Transcutaneous oxygen measurement, TCPO2) 방법을 통해 측정할 수 있다. 경피성 산소 측정방법은 피부 아래 조직의 산소분압을 측정하는 비 침습적인 방법으로, 혈류속도를 측정하여 산소분압을 간접적으로 예측하는 레이저 도플러(laser dopler)법, 헤모글로빈의 혈중 포화도로 측정하는 옥시메트리(oxymetry) 법보다 훨씬 정확하게 산소분압을 측정할 수 있다. 이 측정법은 피부괴사 및 화상 등의 만성 상처를 치유하기 위해 실시한 유리피판술 후 치유과정, 창상, 국소허혈성 혈관질환 및 당뇨병성족부질환 환자에게 적용되며 상처 치료 평가, 혈관질환 검사, 혈관 확장 및 재형성 평가 및 절단 범위 예측 등을 판단할 수 있도록 한다.
이에, 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0088127호‘생체 정보 검출 장치’ 및 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0004607호 ‘생체 정보 검출 장치 및 방법’이 개시되었다.
상기한 종래 생체 정보 검출 장치는 유연소재 기반으로 광신호를 통해 생체 정보(산소분압)등을 측정하고자 하였으나, 이는 비침습적이지만 옥시메트리(oximetry)기반의 측정방식으로 헤모글로빈의 산소포화도를 간접적으로 측정하는 원리이기 때문에 조직이나 피부표면에서의 산소분압을 대표하지 못한다. 게다가 측정자는 질환여부와 상관없이 대부분 90%이상의 값이 나오며 정확도도 보통 ±1~2%이기 때문에 질환의 중증도를 정확하게 판단하기엔 무리가 있다.
또한, 종래 생체 정보 검출 장치는 피부 표피층에 의해 관심 조직 및 피부 근처의 산소가 충분하게 센서 측으로 전달되지 못하여, 예상하는 값보다 낮은 산소 분압이 측정되며, 이에, 신뢰도 높은 결과를 기대할 수 없다는 단점이 있다.
(특허 문헌1) : 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0088127호 (특허 문헌2) : 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0004607호
본 발명의 목적은 유연성을 가지며, 장시간 동안 반복 사용이 가능하고 측정값의 신뢰도가 높은 유연 경피성 산소 분압센서를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 유연 경피성 산소 분압센서는 일측면이 피부에 접촉되는 산소센싱필름; 상기 산소센싱필름의 일측면의 대향면 상부에 위치하며, 마이크로-엘이디(μ-LED)가 포함된 발광부 및 유기-포토다이오드(Organic-photodiode,OPD)가 포함된 수광부를 포함하는 광검출부; 및 상기 산소센싱필름과 상기 광검출부 사이에 위치하며, 상기 산소센싱필름과 접촉되는 피부에 열에너지를 공급하는 히터부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연 경피성 산소 분압센서에 있어서, 상기 히터부는 줄열이 발생하는 투명 전도체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연 경피성 산소 분압센서에 있어서, 상기 히터부는 투명 전도성 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연 경피성 산소 분압센서에 있어서, 상기 히터부의 두께는 10㎛ 내지 100㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연 경피성 산소 분압센서에 있어서, 상기 히터부는 산소센싱필름과 접촉하는 피부를 37℃ 이상 45℃ 이하의 온도로 가열할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연 경피성 산소 분압센서에 있어서, 상기 광검출부는 상기 히터부에 적층된 상기 발광부 및 상기 발광부에 적층된 상기 수광부를 포함하고, 상기 발광부와 상기 수광부 사이에 위치하는 광 필터를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연 경피성 산소 분압센서에 있어서, 상기 발광부는 투명기판 및 상기 투명기판에 배열된 다수개의 상기 마이크로-엘이디(μ-LED)의 어레이를 포함하고, 상기 투명기판은 광투과성 유연 소재일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연 경피성 산소 분압센서에 있어서, 상기 유기-포토다이오드(Organic-photodiode,OPD)는 폴리에틸렌이민에톡시드 및 탄산세슘을 포함하는 전자수송층을 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연 경피성 산소 분압센서에 있어서, 상기 전자수송층은 폴리에틸렌이민에톡사이드를 포함하는 제1영역 및 상기 제1영역에 도핑되며, 탄산세슘을 포함하는 제2영역을 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연 경피성 산소 분압센서에 있어서, 상기 산소센싱필름과 상기 히터부 사이에 위치하며 광 투과성인 산소차단막을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연 경피성 산소 분압센서에 있어서, 산소차단막은 폴리염화비닐리덴을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연 경피성 산소 분압센서에 있어서, 상기 광검출부의 상부에 적층되며, 광을 차단하는 광차폐부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연 경피성 산소 분압센서에 있어서, 상기 산소센싱필름은 고분자 매트릭스, 형광체 및 산란체를 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연 경피성 산소 분압센서에 있어서, 상기 산란체는 이산화티탄 입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연 경피성 산소 분압센서에 있어서, 상기 이산화티탄 입자는 루틸(rutile) 구조일 수 있다.
본 발명에 따른 경피성 산소 분압센서는 히팅부를 통해 피부를 가열시켜 센서로 전달되는 산소 분압을 증가시킴에 따라 정확한 산소 분압센싱이 가능하다.
아울러, 광원으로써, 마이크로-엘이디를 사용하여 체온보다 높은 온도에서도 안정적으로 산소 분압센싱이 가능하며, 장시간 및 반복사용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 경피성 산소분압 센서를 도시한 분리사시도,
도 2는 도 1에 도시된 유연 경피성 산소분압 센서의 요부를 도시한 사시도,
도 3은 도 1에 도시된 유연 경피성 산소분압 센서의 다른 요부를 도시한 사시도,
도 4은 도 1에 도시된 유연 경피성 산소분압 센서의 유연성을 나타낸 광학 이미지,
도 5 내지 도 6은 도 1에 도시된 유연 경피성 산소분압 센서의 굽힘테스트 결과를 나타내는 그래프,
도 7은 도 1에 도시된 유연 경피성 산소분압 센서의 히터부의 열적 안정성 평가 결과를 나타내는 그래프 및 이미지,
도 8 내지 10은 도 1에 도시된 유연 경피성 산소분압 센서를 인체에 부착시, 측정 시간 경과에 따른 광전류 및 TcpO2 결과를 나타내는 그래프,
도 11은 도 1에 도시된 유연 경피성 산소분압 센서의 광검출의 배열에 다른 광전력 측정 결과 그래프,
도 12는 종래, OLED기반 센서와 본 발명의 마이크로-엘이디기반 센서의 민감도를 비교 측정한 그래프,
도 13은 피부 온도에 따른 산소분압을 나타낸 그래프이다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다.
본 명세서의 용어, '포함한다'는 '구비한다', '함유한다', '가진다' 또는 '특징으로 한다' 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서, 막(층), 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분과 접하여 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막(층), 다른 영역, 다른 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
본 발명은 일측면이 피부에 접촉되는 산소센싱필름, 산소센싱필름의 일측면의 대향면 상부에 위치하며 마이크로-엘이디(μ-LED)가 포함된 발광부 및 유기-포토다이오드(Organic-photodiode, OPD)가 포함된 수광부를 포함하는 광검출부 및 산소센싱필름과 광검출부 사이에 위치하며 산소센싱필름과 접촉되는 피부에 열에너지를 공급하는 히터부를 포함하는 유연 경피성 산소 분압센서이다.
종래, 경피성 산소분압 센서는 광신호를 통해 산소분압을 측정한다. 특히, 밴드(band)형의 경피성 산소분압 센서는 유연 소재의 센싱필름과, 센싱필름 상부에 위치한 엘이디(OLED) 기반의 발광부 및 포토다이오드를 포함하는 광검출부를 구비하여, 피부에 부착시, 기존 경질(hard) 소재의 경피성 산소분압 센서와 달리 굴곡진 피부에 완전히 밀착되어 기존 경질 소재의 경피성 산소분압 센서보다 정확도가 높은 센싱이 가능하였다. 그러나 이와 같은 종래 밴드형 경피성 산소분압 센서는 광원이 OLED 기반으로 열에 취약하고 상온에서 매우 불안정하여 장시간 동안의 반복측정이 어려웠다. 또한, 피부 표피층에 의해 혈액 내 산소가 충분하게 센서 측으로 전달되지 못하여, 예상하는 값보다 낮은 산소 분압이 측정되며, 이에, 신뢰도 높은 결과를 기대할 수 없었다.
그러나 본 발명의 센서는 광원으로써 마이크로-엘이디를 사용하고, 산소센싱필름과 접촉되는 피부에 열에너지를 공급하는 히터부를 포함함에 따라, 장시간동안 반복적으로 산소분압을 측정할 수 있으며 측정값의 신뢰도를 높일 수 있다. 상세하게, 본 발명의 센서는 산소센싱필름과 광검출부 사이에 위치하는 히터부에 의해 측정하고자 하는 피부를 가열시킬 수 있으며, 가열된 피부 밑을 지나는 혈액의 흐름이 증가되고, 산소센싱필름 측으로 전달되는 산소 분압을 증가시킬 수 있다. 이에, 본 발명의 센서는 보다 정확한 산소분압의 센싱이 가능하다. 이때, 마이크로-엘이디를 광원으로 사용하여 히터부의 열 및 광원의 작동에 의한 열 등에 의해 광원의 수명이 줄어드는 것을 방지할 수 있으며, 히터부 및 광원에 의해 센서에 열이 발생함에도 불구하고 장시간 동안 반복적으로 산소분압을 신뢰성있게 측정할 수 있다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 산소센싱필름(10), 히터부(30) 및 광검출부를 구비할 수 있으며, 산소센싱필름(10)과 히터부(30) 사이에 위치하는 산소차단막(20) 및 광검출부 상부에 적층된 광차폐부(80)를 더 구비할 수 있다. 본 발명의 유연 경피성 산소 센서(100)는 측정 부위 및 환자의 나이 등 측정 조건에 따라 다양한 크기 및 형상으로 제작될 수 있다.
구체적으로, 산소센싱필름(10)은 피측정 대상의 피부에 부착되는 것으로, 피측정 대상은 사람 또는 동물일 수 있다. 산소센싱필름(10)은 피부로부터 공급된 산소를 감지하기 위한 것으로, 고분자 매트릭스, 형광체 및 산란체를 함유함에 따라 고감도로 산소센싱이 가능하다.
고분자 매트릭스는 산소센싱 필름의 베이스로, 피부에 밀착될 수 있도록 유연 소재로 구비될 수 있다. 고분자 매트릭스는 한 종류 이상의 고분자들에 의해 형성될 수 있다. 구체적으로, 고분자는 아크릴계 중합체, 실록산계 중합체, 비닐계 중합체, 우레탄계 중합체, 올레핀계 중합체 또는 셀룰로스계 중합체일 수 있다. 비한정적인 예시로, 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN), 폴리스트렌-코-아크릴로니트릴(Polystyrene-co-acrylonitrile, PSAN), 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐메틸케톤(Polyvinyl methyl ketone, PVMK), 폴리비닐클로라이드(Polyvinyl chloride, PVC), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리디메틸실록산( Poly(dimethyl siloxane, PDMS), Polyhexafluoroisopropyl methacrylate-co-heptafluoro-n-butyl methacrylate, FIB), Poly(isobutyl methacrylate-co-trifluoroethyl methacrylate)[Poly(IBM-co-TFEM)], Poly(trimethylsilyl propyne)(PolyTMSP), 에틸셀룰로스(ethyl cellulose, EC), 실리콘 고무(silicone rubbers), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 셀룰로오스 유도체(cellulose derivatives) 및 Poly(hydroxyethyl methacrylate)(pHEMA)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘이상의 조합일 수 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정하는 것이 아니며 유연한 재질로 고분자 매트릭스를 형성할 수 있는 고분자라면 어느 것이라도 가능하다.
형광체는 고분자 매트릭스 내에 분산되어 구비되는 것으로, 광검출부의 발광부(50)로부터 출사된 광을 흡수하고, 산소와 반응한다. 즉, 피부로부터 공급된 산소가 형광체에 흡착된다. 이에, 산소센싱필름(10)은 발광부(50)로부터 조사된 광을 흡수한 후, 산소의 함량에 따라 변형된 광루미네선스(PL)특성을 가진 특정 파장의 광을 광검출부의 수광부(70)로 방출할 수 있으며, 이를 통해 센서는 산소분압의 센싱이 가능하다.
형광체는 고분자 매트릭스의 표면 또는 내부에 물리적, 전기적 또는 화학적으로 흡착되거나 고분자 매트릭스 내에 임베딩(embedding)될 수 있다. 구체적으로, 형광체는 산소에 반응하는 적어도 한 종류 이상의 형광물질을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 피렌(pyrene), Ruthenium(II)-tris(4,7, diphenyl-1,10, phenanthroline)(Ru(dpp)32+), Platinum(II)-2, 3, 7, 8, 12, 13, 17, 18-octaethylporphyrin(PtOEP), Palladium(II)-2, 3, 7, 8, 12, 13, 17, 18-octaethylporphyrin(PdOEP), Platinum(II)-5, 10, 15, 20, tetrakis (2, 3, 4, 5, 6-pentafluorophenyl)porphyrin(PtTFPP), Palladium(II)-5,10,15,20-tetrakis(2, 3, 4, 5, 6-penta-fluorophenyl)porphyrin(PdTFPP), Platinum(II)-5,10,15,20-tetrakis(2,3,4,5,6-penta-fluorophenyl)porpholactone(PtTFPL), Ruthenium-tris(1,10-phenanthroline)(Ru(phen)32+), Ruthenium-tris(2,2’-bipyridine)(Ru(bpy)32+), Ruthenium-bis(2,2’:6’,2’’terpyridine)(Ru(trpy)22+), Europium(III)-tris(thenoyltrifluoroacetylacetonato)-(2-(4-diethylaminophenyl)-4,6-bis(3,5-dimethylpyrazol-1-yl)-1,3,5-triazine)[Eu(tta)3(dpbt)] 및 8-Hydroxypyrene-1,3,6-Trisulfonic Acid(HPTS)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘이상의 조합일 수 있으나, 산소에 의해 반응하는 형광물질이라면 이에 한정되지 않는다.
형광체는 이밖에 생체 표면 및 내부에 포함되는 수분 및 일산화질소(NO), 수소 이온 농도 (pH), 혈청(serum), 락테이트(lactate), 알코올(alcohol) 및 포도당(glucose)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상의 물질을 더 감지할 수 있는 형광물질을 더 포함할 수 있다. 이에, 본 발명은 산소에 한정되지 않고 생체 표면 및 내부에 있는 다양한 생체 정보를 더 측정할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 있어서, 형광체는 고분자 매트릭스에 분산되어 피분석 물질(산소분압)에 반응하는 제1형광물질과 피분석 물질에 반응하지 않는 제2형광물질을 포함할 수 있다. 이와 같은 형광체는 제1형광물질 및 제2형광물질에 의해 색분해가 일어남에 따라, 색 분해에 의한 비등차 측정 원리가 가능할 수 있다.
산란체는 상기한 형광체와 동일하게, 고분자 매트릭스에 분산되어 구비되는 것으로, 광원으로부터 광이 조사될 시, 다중산란을 일으켜 광이 형광체에 흡수될 수 있는 확률을 높이기 위한 것이다. 즉, 산란체는 센싱필름에서 발생하는 광발광 세기를 증가시켜 센싱필름의 센싱 민감도를 향상시킬 수 있다. 산란체는 고분자 매트릭스의 표면 또는 내부에 물리적, 전기적 또는 화학적으로 흡착되거나 고분자 매트릭스 내에 임베딩(embedding)될 수 있다.
산란체는 고분자 매트릭스의 유연성 및 광투과성을 방해하지 않고 빛을 산란시킬 수 있는 물질 및 구조는 한정되지 않고 적용이 가능하나, 바람직하게는 이산화티탄(TiO2)일 수 있으며, 구체적으로는 루틸(rutile) 구조를 가지는 이산화티탄 입자일 수 있다. 상기와 같은 이산화티탄은 높은 광산란 효과를 가지며, 이로 인한 광보정에 의해 고감도의 산소센싱이 가능하도록 한다. 루틸 구조를 가지는 이산화티탄은 10㎚ 내지 500㎚, 구체적으로 50㎚ 내지 300㎚, 더욱 구체적으로 100㎚ 내지 200㎚의 직경을 가질 수 있으며, 상기 범위의 이산화티탄 입자는 안정적인 루틸 구조 형성이 가능하며, 더욱 더 고감도의 산소센싱이 가능하도록 한다.
광검출부는 산소센싱필름(10)의 일측면의 대향면 상부에 위치하는 것으로, 산소센싱필름(10)에 광을 조사 및 수집하여 산소센싱필름(10)에 흡착된 산소 농도에 따라 다르게 나타나는 광전류 신호(photocurrent signal)의 변화를 측정한다. 광검출부는 산소센싱필름(10)의 일측면의 대향면에 위치하며 마이크로-엘이디(51)가 포함된 발광부(50)와, 유기-포토다이오드(75)가 포함된 수광부(70)를 포함한다.
본 발명의 일 양태에 있어서, 광검출부는 도 1에 도시된 바와 같이 발광부(50)의 상부에 수광부(70)가 구비될 수 있다. 구체적으로, 투명기판 및 투명기판에 배열된 마이크로-엘이디(51)의 어레이를 포함하는 필름형상의 발광부(50) 상부면에 유연기판(71) 및 유기-포토다이오드(75)를 포함하는 필름형상의 수광부(70)가 적층되어 구비될 수 있다.
이와 달리, 발광부(50) 및 수광부(70)는 동일평면상에 위치할 수 있다. 구체적으로, 투명기판에 마이크로-엘이디(51) 뿐만 아니라 유기-포토다이오드(75)가 배열될 수 있다.
광검출부의 마이크로-엘이디(51) 및 유기-포토다이오드(75)의 위치는 상호간 광의 조사 및 수집을 방해하지 않으며 광 조사 및 수집 효율을 높일 수 있는 위치라면 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는 하나의 유기-포토다이오드(75)와 인접한 복수개의 마이크로-엘이디(51)를 포함하는 광검출부를 하나의 단위 광검출부로 하고, 광검출부가 하나의 단위 광검출부를 포함하거나, 복수개의 단위 광검출부로 이루어질 수 있다.
단위 광검출부는 하나의 유기-포토다이오드(75)를 포함하되 상기 유기-포토다이오드(75)의 복수의 가장자리에 각각 복수개의 마이크로-엘이디(51)가 인접하여 배치될 수 있다. 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 사각형의 필름형상으로 형성된 유기-포토다이오드(75)의 4개의 가장자리 각각과 인접한 위치에, 4개의 유기-포토다이오드(75)가 각각 위치할 수 있다. 이와 같은 구조의 광검출부는 유기-포토다이오드(75)의 면적, 즉, 수광면적 대비 센싱필름을 조사하는 광원의 실면적, 즉, 마이크로-엘이디(51)의 면적을 최적화시켜 광조사 효율성을 높일 수 있다.
구체적으로, 발광부(50)는 히터부(30)에 적층되어 산소센싱필름(10)에 광을 조사하기 위한 것으로, 광원으로써 마이크로-엘이디(51)(μ-LED)가 포함된다. 이와 같은 발광부(50)는 종래 광원인 OLED에 비해 열에 강하여, 발광에 의한 열 및 히터부(30)의 열에 의해 광원 수명이 감소하는 것을 방지할 수 있어 본 발명의 경피적 산소 분압센서가 장시간동안 반복적으로 TcpO2의 센싱이 가능하게 한다. 발광부(50)는 단일 또는 다수개의 마이크로-엘이디(51)를 포함할 수 있으나 이에, 한정되지 않는다.
본 발명의 일 양태에 있어서, 발광부(50)는 투명기판 및 투명기판에 배열된 다수개의 마이크로-엘이디(51)의 어레이(array)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 투명기판에 다수개의 마이크로-엘이디(51)의 어레이가 함입되어 구비될 수 있다. 일 구체예로, 형성된 투명기판의 두께가 마이크로 엘이디의 높이보다 높은 값을 가지며, 투명기판에 마이크로-엘이디(51)가 내장되어 구비될 수 있다. 이와 달리, 투명기판에 마이크로 엘이디가 일부분이 외부로 노출되어 구비될 수 있다. 이때, 투명기판의 두께가 마이크로 엘이디의 높이보다 낮은 값을 가질 수 있으나 이에 한정되지 않고, 투명기판의 두께가 마이크로 엘이디의 높이와 같거나 높은 값을 가질 수 있다.
투명기판은 광투과성의 유연 소재일 수 있다. 구체적으로, 투명기판은 아크릴계 중합체, 실록산계 중합체, 비닐계 중합체, 우레탄계 중합체, 올레핀계 중합체 또는 셀룰로스계 중합체일 수 있다. 일 구체예로 폴리다이메틸실록산(PDMS) 일 수 있으나 광투과율이 높은 유연 소재는 모두 적용이 가능하다.
이와 같은 발광부(50)의 투명기판은 다수개의 마이크로-엘이디(51)를 지지할 수 있으며, 광투과성 및 소재로 구비되어 발광부(50)의 광 조사 및 후술할 수광부(70)의 광 수집을 방해하지 않는다.
마이크로-엘이디(51)의 어레이는 다수개의 마이크로-엘이디(51)가 투명기판에 배열된 것으로, 후술할 수광부(70)의 유기-포토다이오드(75)의 광 수집을 방해하지 않도록 배열될 수 있다. 각 마이크로-엘이디(51)가 후술할 수광부(70)의 수광면적을 중심으로 수광면적의 가장자리와 인접하게 위치할 수 있으며, 각각의 마이크로-엘이디(51)가 상호 동일 간격으로 이격되게 위치할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 일양태에 있어서, 발광부(50)는 전력 소비를 최소화하기 위해서 박막 트랜지스터(thin film transistor: TFT)와 같은 소자를 사용한 스위치(미도시됨)를 더 포함할 수 있다. 상기 스위치는 공급되는 전원을 주기적으로 on/off하여 전력 소모를 최소화할 수 있다.
수광부(70)는 발광부(50)에 적층되는 것으로 산소센싱필름(10)으로부터 방출된 광을 수집할 수 있는 유기-포토다이오드(75)(Organic-photodiode, OPD)를 포함한다.
도 3에는 유기-포토다이오드(75)의 일 실시예가 도시되어 있다. 이하, 도 3를 참조하여, 유기-포토다이오드(75)를 상세히 설명한다.
도시된 바와 같이, 유기-포토다이오드(75)는 애노드(anode)층이 배치된 절연 기재와, 정공 수송층, 활성층, 전자 수송층 및 캐소드(cathode)층을 포함할 수 있다.
절연 기재는 투명 유리 또는 투명 고분자 필름이 이용될 수 있으나, 바람직하게는 유연 소재의 투명 고분자 필름이 이용될 수 있다.
애노드층은 인듐틴산화물(indium tin oxide, ITO), 플루오르틴산화물(fluorine tin oxide, FTO), 인듐아연산화물(indium zinc oxide, IZO) 등의 투명한 전도성 금속 산화물이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
정공 수송층은 애노드층이 배치된 절연 기재 상에 배치되어 정공의 원활한 이동경로를 제공한다. 이러한 정공 수송층은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스타이렌 설포네이트)(PEDOT:PSS), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리파이롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 및 폴리(p-페닐렌바이닐렌)[poly(p-phenylenevinylene) 으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
활성층은 정공 수송층 상에 배치된다. 이러한 활성층은 폴리(3-헥실티오펜)((poly 3-hexylthiophene)) 또는 폴리(3- 헥실티오펜-2.5-디일)((poly3-hexylthiophene-2,5-diyl))과 같은 티오펜계 중합체로 예시될 수 있는 P형 폴리머 및 메틸 [6,6]-페닐-C61-부타노에이트(methyl [6,6]-phenyl-C61-butanoate) 와 같이 통상적으로 'PCBM'로 불리는 물질에 폴리머가 그래프트된 N형 폴리머의 혼합일 수 있다.
전자 수송층은 활성층 상에 배치되어, 전자의 원활한 이동경로를 제공한다. 이러한 전자 수송층은 종래, 전자 수송층으로써 이용된 티타늄 옥사이드(TiOx), 텅스텐 옥사이드(WOx), 산화 아연(ZnOx), 산화 철(FeOx), 산화 구리(CuOx), 산화 지르코늄(ZrOx), 산화크롬(CrOx), 산화 바나듐(VOx), 산화 망간(MnOx), 산화 코발트(CoOx), 산화 니켈(NiOx), 산화 주석(SnOx) 및 산화이리듐(IrOx)으로 이루어질 수 있으나, 바람직하게는 폴리에틸렌이민에톡시드(PEIE) 및 탄산세슘(Cs2CO3)을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 전자 수송층은 폴리에틸렌이민에톡시드를 포함하는 제1영역 및 제1영역에 도핑되며 탄산세슘을 포함하는 제2영역을 구비할 수 있다. 이와 같은 전자 수송층을 포함하는 유기-포토다이오드(75)는 유연성으며, 외부 양자 효율(EQE)이 높아 종래 유기-포토다이오드(75)에 비해 더욱 우수한 감도를 가질 수 있다.
정공 수송층으로부터 주입되는 전공과 전자 수송층으로부터 주입되는 전자는 활성층에서 상호 작용하게 되며, 이러한 상호작용은 엑시톤들, 즉 전자-정공쌍을 형성하고, 전자과 정공은 분리되어 광전류를 생성하게 된다.
캐소드층은 전자 수송층 상에 배치된다. 이러한 캐소드층은 알루미늄을 전공 수송층 상부에 증착한 것으로, 50 내지 200nm, 구체적으로 100nm 내지 150nm의 두께로 형성될 수 있다. 이러한 알루미늄 기반의 캐소드 층은 높은 전기전도도를 갖기 때문에 얇은 두께로 반투명성을 형성하더라도 전기전도성 확보에 문제가 없다.
이처럼, 본 발명의 유기-포토다이오드(75)는 양측의 전극이 투명 및 반투명성으로 형성되어 반투과 특성을 확보할 수 있으며, 우수한 유연성 및 고감도를 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 양태에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 수광부(70)는 유연기판(71)과, 유연기판(71)에 의해 지지된 유기-포토다이오드(75)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 유연기판(71)에 유기-포토다이오드(75)가 함입되어 구비될 수 있다. 일 구체예로, 형성된 유연기판(71)의 두께가 유기-포토다이오드(75)의 두께보다 두꺼우며, 유연기판(71)에 유기-포토다이오드(75)가 내장되어 구비될 수 있다. 이때, 유연기판(71)은 유기-포토다이오드(75)의 광 수집을 방해하지 않도록 폴리다이메틸실록산(PDMS), 폴리메타크릴산메틸(PMMA) 등과 같은 광투과성 소재로 구비되는 것이 바람직하다. 이와 달리, 유연기판(71)에 유기-포토다이오드(75)가 일면이 외부로 노출되어 구비될 수 있다. 이때, 유연기판(71)의 두께는 특별히 한정되지 않는다.
유연기판(71)은 유연성을 가지는 소재로, 아크릴계 중합체, 실록산계 중합체, 비닐계 중합체, 우레탄계 중합체, 올레핀계 중합체 또는 셀룰로스계 중합체일 수 있다. 일 구체예로 폴리다이메틸실록산(PDMS) 일 수 있으나 유연 소재는 모두 적용이 가능하다.
유기-포토다이오드(75)는 필름형상으로, 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 사각형일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이와 같은 유기-포토다이오드(75)는 유연기판(71)의 중심에 위치하되 유연기판(71)보다 작은 면적을 형성할 수 있다. 유기-포토다이오드(75)가 형성하는 면적은 광을 수광할 수 있는 수광면적으로서, 상기한 바와 같이, 수광면적을 중심으로 마이크로-엘이디(51)가 인접하게 상호 이격되어 구비될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 있어서, 광검출부는 발광부(50)와 수광부(70) 사이에 위치하는 광필터(60)를 더 구비할 수 있다.
광필터(60)는 특정 파장의 광을 필터링 하여 노이즈를 제거하기 위한 것으로, 유연 소재로 구비될 수 있다. 구체적으로, 광필터(60)는 레드 셀로판 광학 필터로 구비될 수 있으며, 마이크로-엘이디(51)로부터 방출된 녹색광에서 나오는 노이즈(noise)를 제거할 수 있다. 이에, 수광부(70)로 유입되는 노이즈로 인한 간섭효과를 최소화할 수 있고, 노이즈에 의한 신호 누화(signal crosstalk)를 방지할 수 있다.
히터부(30)는 산소센싱필름(10)과 광검출부 사이에 위치하는 것으로, 산소센싱필름(10)과 접촉되는 피부 즉, 산소 분압 측정 부위에 열에너지를 공급하기 위한 것이다. 히터부(30)에 의해 산소 분압 측정 부위가 가열되며 혈관이 팽창되고 혈류속도가 증가함에 따라 피부 밑에 위치한 혈류의 양이 증가한다. 이에 측정 부위로 다량의 산소가 공급될 수 있으며, 피부로부터 배출되어 산소센싱필름(10) 측으로 공급되는 산소의 분압이 높아질 수 있다. 아울러, 피부의 표피층이 가열됨에 따라, 피부 표피층을 구성하는 지질층을 가역적으로 연화시켜 표피층의 산소차단율을 감소시킴으로써 피부 조직으로부터 배출되는 산소의 양을 증가 시켜 더욱 더 산소센싱 플름 측으로 공급되는 산소의 분압을 높일 수 있다. 이와 같은 히터부(30)를 포함하는 센서는 보다 정확하게 산소 분압을 측정할 수 있어, 더욱 더 신뢰성 있는 산소 분압 측정이 가능하도록 한다.
구체적으로 히터부(30)는 줄열이 발생하는 투명 전도체를 포함할 수 있다. 이와 같은 히터부(30)는 투명 전도체로 이루어져 광검출부의 광 조사 및 수집을 방해하지 않되 전원의 인가 여부에 따라 손쉽게 피부로 열에너지의 공급 및 중단이 이루어져 센서의 산소분압 센싱 효율을 높일 수 있다. 더욱 구체적으로 히터부(30)는 투명 전도성 산화물을 포함하는 것으로 유연 소재 일 수 있다. 바람직하게는 틴옥사이드(tin oxide: SnO2), 안티모니 틴옥사이드(antimony tin oxide: ATO), 플루오로 틴 옥사이드(fluoro tinoxide: FTO), 아연 산화물(ZnO), 알루미늄징크옥사이드(aluminum zinc oxide, AZO), 아연갈륨산화물(GZO, Gallium Zinc Oxide), BZO(Boron Zinc Oxide), SZO(SiO₂-ZnO), 인듐 산화물(In2O3), 인듐주석산화물(ITO, Indium Tin Oxide), 및 인듐아연산화물(IZO, Indium Zinc Oxide)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 이와 같은 투명 전도성 산화물은 종래에 유연 투명 히터로서 주로 사용되는 은나노와이어에 비해 비교적 높은 표면저항(Rs)을 가지는 것으로, 사용자의 감전 위험을 줄일 수 있다.
이와 같은 히터부(30)는 투명기재 상부에 투명 전도성 산화물의 박막이 증착되어 구비될 수 있다. 구체적으로, 증착되어 형성된 투명 전도성 산화물 박막 양단에 전극을 위치시킨 후 전원을 인가하여 박막을 히팅 시킬 수 있다. 투명기재는 투명한 유연 소재로서 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리에테르술폰(polyether sulfone, PES) 및 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자를 포함할 수 있으나 이에 한정되진 않는다.
본 발명의 일 양태에 있어서, 히터부(30)는 금속 나노와이어를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 히터부(30)는 줄열을 발생시키기 위해 인가되는 전압 즉, 구동전압을 낮출 수 있으며, 히터부(30) 전면에 걸쳐 빠르고 균일한 가열이 가능하도록 한다. 구체적으로 금속 나노와이어는 투명 전도성 산화물 박막을 기준으로 피부와 마주보는 일측 또는 일측의 대향면 또는 양측 모두에 금속나노와이어 네트워크가 위치할 수 있다. 유리하게는 투명 전도성 산화물 박막의 상부면 즉, 피부와 마주보는 일측의 대향면에 위치할 수 있다.
금속 나노 와이어는 우수한 전도성과 연성(ductility)을 가지는 금속이면 무방하다. 일 예로, 금속 나노와이어의 금속은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 금속 나노 와이어는 1Ω/sq 내지 100 Ω/sq, 더욱 구체적으로 10Ω/sq 내지 50 Ω/sq 면저항을 가질 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 비 한정적으로 금속 나노 와이어는 은나노와이어(AgNW)로, 투명 전도성 산화물 박막의 상부에 스핀코팅되어 구비될 수 있다.
상기와 같은 히터부(30)의 두께는 10㎛ 내지 100㎛, 구체적으로 30㎛ 내지 80㎛, 더욱 구체적으로 40㎛ 내지 60㎛ 일 수 있다. 이때, 투명기재의 두께(T1)와 투명 전도성 산화물의 두께(T2)의 두께 비(T1:T2)는 100:1 내지 1000:1, 구체적으로 300:1 내지 800:1, 더욱 구체적으로 400:1 내지 600:1의 비율일 수 있다. 상기 범위에서 히터부(30)는 필름 형상의 히터로서 사용 가능한 굽힘강성을 가지며, 유연성이 저하되지 않되 투명기재에 의해 투명 전도성 산화물로부터의 열에너지가 차단되는 것을 방지할 수 있다.
히터부(30)는 산소센싱필름(10)과 접촉하는 피부를 40℃ 내지 50℃, 구체적으로 42℃ 내지 46℃, 더욱 구체적으로 44℃ 내지 45℃의 온도로 가열할 수 있다. 상기 범위에서 인체의 피부를 장시간동안 가열해도 화상으로부터 안전할 수 있으며, 혈류의 증가와 동시에 산소 흐름을 방해하는 피부 지질층(lipid layer) 구조가 느슨해져 산소센싱으로 공급되는 산소 분압이 극대화될 수 있다. 이에, 보다 신뢰성 있는 산소분압 센싱이 가능한 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 산소센싱필름(10)과 히터부(30) 사이에 위치하며 광투과성인 산소차단막(20)을 더 포함할 수 있다.
산소센싱필름(10)의 상부에 적층된 산소차단막(20)은 본 발명의 센서를 통해 경피적 산소 분압 (Transcutaneous oxygen measurement, TCPO2)을 측정할 시, 주변 공기의 영향을 최소화하기 위한 것으로, 외부로부터 산소의 유입을 차단하고, 피부로부터 산소센싱필름(10)으로 공급된 산소의 유출을 방지하여 산소센싱 필름의 감도를 유지시키는 역할을 한다. 구체적으로 산소차단막(20)은 종래, 외부로부터 산소를 차단하기 위해 사용한 소재는 모두 적용이 하나, 바람직하게는 유연성을 가지며 우수한 산소 차단력 및 광투과성을 가지는 폴리염화비닐리덴(PVDC)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 광검출부의 상부에 적층되며, 광을 차단하는 광차폐부(80)를 더 포함할 수 있다.
광차폐부(80)는 불투명 소재로, 외부로부터 본 발명의 경피성 산소분압센서 내부로 수광되는 것을 방지하고, 경피성 산소분압센서 내부의 광이 외부로 발광하는 것을 방지할 수 있다. 이에, 외부 요소에 의해 센싱 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있으며, 더욱 더 신뢰성 있는 결과값을 얻을 수 있도록 한다. 비 한정적으로 광차폐부(80)는 100㎛ 내지 300㎛, 상게하게 150㎛ 내지 250㎛ 두께를 가지는 실리콘 테이프(Si tape, black)일 수 있다.
본 발명의 일양태에 있어서, 도면에 도시된 바와 달리, 수분 등과 같이 센서의 측정에 영향을 끼칠 수 있는 외부인자로부터 센서를 보호할 수 있도록 봉지막을 더 포함할 수 있다.
산소센싱필름의 상부에 적층된 산소차단막은 본 발명의 센서를 통해 경피적 산소 분압 (Transcutaneous oxygen measurement, TCPO2)을 측정할 시, 주변 공기의 영향을 최소화하기 위한 것으로, 외부로부터 산소의 유입을 차단하고, 피부로부터 산소센싱필름으로 공급된 산소의 유출을 방지하여 산소센싱 필름의 감도를 유지시키는 역할을 한다. 구체적으로 산소차단막은 종래, 외부로부터 산소를 차단하기 위해 사용한 소재는 모두 적용이 하나, 바람직하게는 유연성을 가지며 우수한 산소 차단력 및 광투과성을 가지는 폴리염화비닐리덴(PVDC)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 광검출부의 상부에 적층되며, 광을 차단하는 광차폐부를 더 포함할 수 있다.
광차폐부는 불투명 소재로, 외부로부터 본 발명의 경피성 산소분압센서 내부로 수광되는 것을 방지하고, 경피성 산소분압센서 내부의 광이 외부로 발광하는 것을 방지할 수 있다. 이에, 외부 요소에 의해 센싱 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있으며, 더욱 더 신뢰성 있는 결과값을 얻을 수 있도록 한다. 비 한정적으로 광차폐부는 100㎛ 내지 300㎛, 상게하게 150㎛ 내지 250㎛ 두께를 가지는 실리콘 테이프(Si tape, black)일 수 있다.
본 발명의 일양태에 있어서, 도면에 도시된 바와 달리, 수분 등과 같이 센서의 측정에 영향을 끼칠 수 있는 외부인자로부터 센서를 보호할 수 있도록 봉지막을 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 유연 경피성 산소 분압센서는 유연소재로, 피부에 밀착되어 산소분압을 측정할 수 있어, 보다 빠른 산소센싱이 가능하다.
아울러, 산소센싱필름과 광검출부 사이에 위치하는 히팅부를 통해 피부를 가열시켜 센서로 전달되는 산소 분압을 증가시킴에 따라 정확한 산소 분압센싱이 가능함과 동시에, 광검출부의 광원으로써, 마이크로-엘이디를 사용하여 체온보다 높은 온도에서도 안정적으로 산소 분압센싱이 가능하며, 장시간 및 반복 사용이 가능하다.
도 4는 도 1에 도시된 센서의 유연성을 육안으로 관찰한 광학 사진이다.
구체적으로 도 1에 도시된 센서의 산소센싱필름은 PtOEP를 폴리스티렌(PS)용액에 이산화티탄나노입자를 함유하며, 광검출부의 유연기판 및 투명기판은 폴리디메틸실록산(PDMS)소재이다. 히터부는 50㎛ 두께의 PI 표면에 100nm의 두께로 ITO가 증착되어 구비된다. 도 3을 참조하면 본 발명의 센서는 유연성을 가지며, 굽힘 중에도 작동함을 확인할 수 있다.
도 5 내지 도 6은 도 1에 도시된 센서의 굽힘테스트 결과를 나타내는 것으로, 도 5는 다양한 굽힘반경에서의 정적굽힘, 도 5는 굽힘반경 9mm에서의 주기적 굽힘을 나타내는 그래프이다. 도 5 내지 도 6을 참조하면 본 발명의 센서는 우수한 굽힘 안정성을 나타내며, 특히, 굽힘을 15,000회 반복하여도 히터부의 전기저항이 크게 변화되지 않았다.
도 7은 도 1에 도시된 유연 경피성 산소분압 센서의 히터부의 열적 안정성 평가 결과이다.
구체적으로, 도 7의 a)는 인가 전압 6V, 전류 0.03A 인 히터부의 시간에 따른 평균 온도 변화를 나타내며, 히터부가 매우 안정적인 가열 특성을 가짐을 보여준다. 도 7의 b) 내지 d)는 도 1에 도시된 유연 경피성 산소분압 센서의 히터부의 온도 분포에 대한 IR(Infrared Rays) 이미지이다. 도 6의 b) 내지 d)를 참조하면 본 발명의 히터부는 60분동안 6.2V를 계속 적용하는 동안 전체 표면적에 걸쳐 균일하고 일정한 온도를 나타냄을 알 수 있다.
도 8 내지 도 10은 도 1에 도시된 유연 경피성 산소분압 센서를 인체에 부착시, 측정 시간 경과에 따른 광전류 및 TcpO2 결과를 나타내는 그래프이다.
구체적으로, 당뇨병의 임상 병력이 없는 건강한 성인의 발목에 본 발명의 유연 경피성 산소센서와 시판되는 PeriFlux5000(TcpO2 장치, PF5040, PERIMED Co, SWEDEN)을 부착하여 광전류 및 TcpO2 값을 측정하였다.
더욱 구체적으로, 참가자들은 실내 온도가 25℃로 유지되는 실험실에서 각자 지면과 평행한 방향으로 누운 후, 체모가 제거된 발목 부근에 피부에 본 발명의 유연 경피성 산소센서를 부착하고, 발이 지면을 기준으로 60° 각도로 올라 갔을때 광전류 및 TcpO2 값을 측정하였다. 8분 후 발을 다시 내려놓은 뒤 8분 동안 휴식을 취하였다. 발을 올리는 동작과 내리는 동작은 총 세번 반복 하였다.
시판되는 PeriFlux5000 역시 동일한 참가자들에게 부착된 후, 동일하게 동작이 실시되었다.
상세하게, 도면 8은 본 발명의 센서의 측정 시간 경과에 따른 광전류 및 해당 TcpO2결과를 나타내는 그래프이다. 도 8을 참조하면, 발을 올리는 동작을 했을시 감소하고 발을 다시 내리는 동작을 했을시 정상 값으로 복원됨을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 센서와 시판되는 센서의 TcpO2결과 비교 그래프이며, 도 10은 데이터분석프로그램(Originlab corp)을 사용하여 보정된 TcpO2결과 비교 그래프이다.
도 9 내지 도 10을 참조하면, 시판되는 센서에 비해 본 발명의 센서가 빠른시간 내에 TcpO2를 측정할 수 있음을 확인할 수 있다. 아울러, 장시간에 걸쳐 사용시에도 시판 센서보다 더 높은 정확도와 빠른 측정 속도를 나타냄을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 광검출부의 OPD와 μ-LED의 배열에 따른 광전류 비교 결과값을 나타낸 그래프이다. 도 11의 (a)는 OPD 및 μ-LED의 4가지 배열 개략도를 #1 내지 #4에 각각 도시한 것이다. (b)는 #1 내지 #4에 따른 각각의 광검출부를 가스플로우셀(gas flow cell)에 장착한 뒤, 산소농도(vol%)를 0vol%에서 10vol% 단위로 30vol%까지 증가시키며 광전류를 측정하였다. 광전류는 포토 다이오드 증폭기 및 DAQ모듈을 통해 LabVIEW 소프트웨어로 전송되었다.
도 11을 참조하면, 직사각형의 OPD 가장자리 4곳 각각과 인접한 위치에서 4개의 μ-LED가 위치하는 #4의 배열을 따른 광검출부가 산소에 대한 민감도가 높음을 확인할 수 있다.
도 12는 종래, OLED기반 센서와, 본 발명의 센서의 민감도를 비교한 Stern-Volmer그래프 이다. 도 12의 (a)는 광원을 OLDE를 사용한 종래 경피성 산소 센서의 산소함량에 따른 민감도를 측정한 그래프이며, (b)는 본 발명의 유연 경피성 산소센서의 산소함량에 따른 민감도를 측정한 그래프이다. 구체적으로 민감도는 스턴 볼머 방정식 (Stern-Volmer equation)를 통해 나타내었다.
도 12를 참조하면, OLED기반의 종래 센서의 경우, 자체 열화에 의한 민감도 하락(degradation) 현상이 일어나지만 본 발명의 센서의 경우 민감도 하락 형상이 일어나지 않아 종래 OLED기반의 센서보다 높은 민감도를 가짐을 확인할 수 있다.
도 13은 시판되는 경피성 산소분압센서 Periflux5000을 통해 측정한, 온도 상승에 따른 임상대상자의 피부에서 측정한 경피성 산소분압값을 측정한 그래프이다.
도 13을 참조하면 온도에 비례하여 경피성 산소분압값이 선형으로 증가함을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 히터부를 통해 피부를 가열시킬 시, 높은 산소분압으로 신뢰성있는 산소분압 센싱이 가능한 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 산소센싱필름
20 : 산소차단막
30 : 히터부
50 : 발광부
70 : 수광부
80 : 광차폐부

Claims (15)

  1. 일측면이 피부에 접촉되는 산소센싱필름;
    상기 산소센싱필름의 일측면의 대향면 상부에 위치하며, 마이크로-엘이디(μ-LED)가 포함된 발광부 및 유기-포토다이오드(Organic-photodiode,OPD)가 포함된 수광부를 포함하는 광검출부; 및
    상기 산소센싱필름과 상기 광검출부 사이에 위치하며, 상기 산소센싱필름과 접촉되는 피부에 열에너지를 공급하는 히터부;를 포함하고,
    상기 히터부는 줄열이 발생하는 투명 전도성 산화물을 포함하는, 유연 경피성 산소 분압센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 히터부의 두께는 10㎛ 내지 100㎛인 유연 경피성 산소 분압센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 히터부는 산소센싱필름과 접촉하는 피부를 40℃ 내지 50℃의 온도로 가열하는 유연 경피성 산소 분압센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광검출부는
    상기 히터부에 적층된 상기 발광부 및
    상기 발광부에 적층된 상기 수광부를 포함하고,
    상기 발광부와 상기 수광부 사이에 위치하는 광 필터를 더 구비하는 유연 경피성 산소 분압센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는
    투명기판 및 상기 투명기판에 배열된 다수개의 상기 마이크로-엘이디(μ-LED)의 어레이를 포함하고,
    상기 투명기판은 광투과성 유연 소재인 유연 경피성 산소 분압센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유기-포토다이오드(Organic-photodiode,OPD)는 폴리에틸렌이민에톡시드 및 탄산세슘을 포함하는 전자수송층을 구비하는 유연 경피성 산소 분압센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전자수송층은 폴리에틸렌이민에톡사이드를 포함하는 제1영역 및
    상기 제1영역에 도핑되며, 탄산세슘을 포함하는 제2영역을 구비하는 유연 경피성 산소 분압센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 산소센싱필름과 상기 히터부 사이에 위치하며 광 투과성인 산소차단막을 더 포함하는 유연 경피성 산소 분압센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 산소차단막은 폴리염화비닐리덴을 포함하는 유연 경피성 산소 분압센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광검출부의 상부에 적층되며, 광을 차단하는 광차폐부를 더 포함하는 유연 경피성 산소 분압센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 산소센싱필름은
    고분자 매트릭스, 형광체 및 산란체를 함유하는 유연 경피성 산소 분압센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 산란체는 이산화티탄 입자를 포함하는 유연 경피성 산소 분압센서.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 이산화티탄 입자는 루틸(rutile) 구조인 유연 경피성 산소 분압센서.
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