KR20050017343A - Ultra Violet Erythema Response Sensor and those Optical System - Google Patents
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Abstract
Description
자외선에 의한 건강상의 위험이 최근 점점 더 이슈화되고 있다. 한가지 예로 햇빛에 노출될 경우 일광화상을 입을 수 있고 일광화상은 피부암을 일으키고 결국 죽음에도 이르게 할 수 있다는 것이 상식화 되어 가고 있다. The health risks caused by ultraviolet light have become increasingly more recent. For example, it is common knowledge that sun exposure can cause sunburn and sunburn can lead to skin cancer and eventually death.
이러한 일광화상의 정도는 개인의 피부타입에 따라 어느 정도 의존적이며, 즉 창백한 피부일수록 검은 피부에 비해 쉽게 화상을 입을 수 있으며, 선크림 로션을 바를 경우 자외선의 영향이 감소될 수 있으나 대부분의 사람들에게 있어 자외선에 대한 노출의 위험은 항시 존재하고 있다. The degree of sunburn is somewhat dependent on the type of skin of the individual, i.e. pale skin is more easily burned than black skin, and sunscreen lotion may reduce the effects of UV rays, but for most people The risk of exposure to ultraviolet light is always present.
본 발명은 지표면까지 도달하여 피부에 악영향을 주는 파장대역인 290 내지 350 nm사이에서 일정 크기 이상의 감도를 가지는 갈륨나이트라이드 포토다이오드의 감도특성에다 특정 파장대별로 투과율을 달리하는 다층박막 광학필터를 조합하여 CIE(Commission Internationale de l'Eclairage)에서 규정한 홍반 반응 스펙트럼과 동일한 반응특성이 나오도록 센서가 광학적 신호를 전기적 신호로 변환하도록 하는 것이다. The present invention combines the sensitivity characteristics of gallium nitride photodiode having a certain size or more sensitivity between 290 and 350 nm, a wavelength band that reaches the surface and adversely affects the skin. The sensor converts the optical signal into an electrical signal so that the same response characteristic as the erythema response spectrum defined by the Commission Internationale de l'Eclairage (CIE) is obtained.
일반적으로 290 nm(UV-C range) 이하의 파장은 오존층에 의해 대부분 흡수되어 지상에 거의 도달하지 못하며, 290 내지 320 nm(UV-B range) 대역의 파장은 오존층에 의한 흡수가 부분적으로 일어나며, 320-400 nm(UV-A range) 대역의 파장은 오존층에 의해 거의 흡수가 되지 않아 지상에서 많은 양이 검출된다. 따라서 지상에서의 피부 홍반을 야기하는 것은 주로 파장이 짧고 에너지가 강한 UV-B 대역의 자외선량에 기인하고 UV-A 대역은 그 양에 비해 영향이 매우 미미한 것으로 도4에 국제적으로 공인된 CIE에서 규정한 파장에 따른 상대적인 영향의 정도가 나타나 있으며, 이를 홍반 반응 스펙트럼 (Erythema Response Spectrum)이라 말한다. In general, wavelengths below 290 nm (UV-C range) are mostly absorbed by the ozone layer and hardly reach the ground. Wavelengths in the range of 290 to 320 nm (UV-B range) are partially absorbed by the ozone layer. Wavelengths in the 320-400 nm (UV-A range) band are hardly absorbed by the ozone layer, so large amounts are detected on the ground. Therefore, the cause of skin erythema on the ground is mainly due to the amount of ultraviolet rays in the short-wavelength, strong-energy UV-B band, and the UV-A band is very insignificant compared to the amount. The degree of relative influence of the specified wavelength is shown, which is called the Erythema Response Spectrum.
일찍이 공업화된 서구사회와 오존층이 얇은 남반구에서는 자외선 투과량의 증가로 인한 지상의 동식물 및 인간에게 막대한 피해로 인해 커다란 사회문제가 되고 있다. 따라서 기상청에서 그 날의 자외선 지수를 예보하고 있지만, 자외선량은 국부적인 조건과 주변환경에 따라 차이가 많이 나서 예보의 실효성이 낮고, 또한 사람마다 피부지수가 다른 관계로 일상의 야외 활동 중에 일광화상을 당할 가능성이 크다. 그리고 이러한 단점을 보완하기 위한 휴대용 개인 측정단말기가 나와 있으나 성능이 떨어지고 가격이 비싸 대중화되지 못하고 있다. 이는 경제적이면서도 컴팩트하고 성능이 우수한 센서가 없는 데에 기인한 것이다. 기존에 알루미늄갈륨나이트라이드(AlGaN)나 실리콘카바이드(SiC)를 이용한 센서들이 나와 있으나 도 4 에서 보는 바와 같이 홍반 반응 스펙트럼 특성이 떨어지고 가격도 비싸 개인 휴대가 가능한 자외선 지수 측정기로 개발되어 대중적인 상품으로 상업화가 미진하였다.In the early industrialized Western society and the southern hemisphere where the ozone layer is thin, it has become a big social problem due to the enormous damage to the flora and fauna and human beings caused by the increase in the amount of ultraviolet rays transmitted. Therefore, although the Meteorological Agency forecasts the UV index of the day, the amount of ultraviolet rays varies depending on the local conditions and the surrounding environment, so the effectiveness of the forecast is low and the skin index is different for each person. It is very likely to suffer. In addition, portable personal measuring terminals have been proposed to compensate for these shortcomings. This is due to the lack of economical, compact and high performance sensors. Conventional sensors using aluminum gallium nitride (AlGaN) or silicon carbide (SiC) are shown, but as shown in FIG. 4, the erythema response spectral characteristics are low and the price is expensive. Not commercialized.
이에 본 발명은 가시광은 차단(Visible Blind)하면서 200-400nm 자외선 대역에서 적절한 감도를 갖는 GaN(갈륨나이트라이드) 포토다이오드의 특성을 기준으로 하여 다층 박막 광학필터의 파장에 따른 투과도를 조절하여 필터 및 필터 시스템을 구성하고 태양에서 방출되어 조사되는 자외선을 일정하게 수광이 가능하도록 구형의 컬리메이터 렌즈를 제작하고 이들을 적절히 결합하여 도 4 의 CIE Erythemal Curve 홍반 반응 스펙트럼에 가깝게 자외선에 대한 피부의 홍반 반응 특성을 얻기 위한 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Accordingly, the present invention is based on the characteristics of the GaN (gallium nitride) photodiode having a suitable sensitivity in the 200-400nm ultraviolet band while blocking visible light (Visible Blind) by controlling the transmittance according to the wavelength of the multilayer thin film optical filter filter and To construct a filter system and fabricate a spherical collimator lens so as to be able to uniformly receive ultraviolet rays emitted from the sun and combine them properly, the erythema response characteristics of the skin to ultraviolet rays close to the CIE Erythemal Curve erythema response spectrum of FIG. To provide a sensor for obtaining the object.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 갈륨나이트라이드 포토다이오드의 감도특성에 따른 다층 박막 광학필터를 제조함에 있어 전체적인 특성을 결정하는 광학필터를 주필터로 채용함과 더불어 320nm이상에서 GaN포토다이오드의 뛰어난 감도 특성을 제거하기 위해서는 별도의 광학필터를 채용해야 하는데 이를 보조필터로 하며, 또한 일정한 수광 특성을 얻기 위하여 외부창으로 콜리메이터렌즈를 사용하여 센서에 도달하는 자외선의 양이 실제 피부에 도달하는 양과 같은 조건이 되도록 하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the object described above, the present invention employs an optical filter that determines the overall characteristics as a main filter in manufacturing a multilayer thin film optical filter according to the sensitivity characteristics of gallium nitride photodiode GaN photo at 320nm or more In order to remove the excellent sensitivity of the diode, a separate optical filter should be employed as an auxiliary filter, and the collimator lens is used as an external window to obtain constant light reception characteristics. It is characterized by the same condition as the amount.
또한, 본 발명에 의한 갈륨나이트라이드 포토다이오드의 감도특성과 자외선 필터를 조합하여 자외선에 대한 피부의 홍반 반응 특성을 얻기 위한 센서에 있어서, 상기 포토다이오드는 사파이어를 기판으로 하여 갈륨나이트라이드를 에피하고 쇼트키 전극을 형성한 쇼트키타입 자외선 센서 칩으로서 에너지 밴드폭이 넓어 가시광엔 반응하지 않고 200-400nm자외선 대역에 대해서 일정 크기의 감도 특성을 가지는 것으로 그의 크기에 따라 적절한 헤더를 선택하여 헤더 위에 칩을 다이본딩과 와이어본딩으로 연결하고 메탈 캔을 씌워 패키징하여 사용한다. In addition, in the sensor for obtaining the erythema response characteristics of the skin to ultraviolet light by combining the sensitivity characteristics of the gallium nitride photodiode according to the present invention and the ultraviolet filter, the photodiode is sapphire as a substrate to avoid gallium nitride Schottky-type UV sensor chip with Schottky electrode, which has wide energy band width and does not react to visible light, and has a certain sensitivity characteristic for 200-400nm UV band. Connect using die bonding and wire bonding, and package it using a metal can.
또한 상기 자외선 주필터는 투과유리로서 수정(Quartz), 사파이어(Sapphire), 광학유리(Optical glass)를 베이스로 하여 투과율을 높이기 위한 TiO2, MgF2 또는 SiO2에 의해 상기 투과유리의 일면이 멀티 코팅(Multi coating)되고, HfO2, Al2O3, Sb2O3, LaF3, NaF3, CaF2, CaF3를 대표적인 예로 여러 고굴절 재료중 선택된 고굴절 자외선 코팅재료와 SiO2, Ge, MgF2, ZnSe, Sc2O3, ZnS, 각종 황산화물(OXideS), 플로우르화물(Fluorides) 중 선택된 저굴절 자외선 코팅재료의 반복적인 증착으로 40 내지 180층의 다층박막을 상기 투과유리의 다른 일면에 적층하여 290 내지 350 nm 사이에서 아래표의 투과도가 나오도록 제작한다.In addition, the ultraviolet main filter is a transparent glass, TiO 2 , to increase the transmittance based on quartz, sapphire, optical glass. One surface of the transmissive glass is multi-coated by MgF 2 or SiO 2 , and HfO 2 , Al 2 O 3 , Sb 2 O 3 , LaF 3 , NaF 3 , Examples of CaF 2 and CaF 3 are high refractive UV coating materials selected from a variety of high refractive materials and SiO 2 , Ge, MgF 2 , ZnSe, Sc 2 O 3 , ZnS, various oxides (OXideS), and fluorides (Fluorides). By repeatedly depositing a low refractive UV coating material, a multilayer thin film of 40 to 180 layers is laminated on the other surface of the transparent glass to produce a transmittance of the following table between 290 and 350 nm.
------------------------------------------------------ -------------------------------------------------- ----
파장(Wavelength) [nm] 투과율(Transmission) Wavelength [nm] Transmission
------------------------------------------------------ -------------------------------------------------- ----
290 이하 75% 이상 290 or less 75% or more
300 45% - 55% 300 45%-55%
310 1% - 3% 310 1%-3%
320 0.2% - 0.5% 320 0.2%-0.5%
330 - 375 0.2% 이하 330-375 0.2% or less
또한, GaN포토다이오드가 홍반 반응에는 별로 영향이 없는 320-365nm 대역에서 감도 특성이 뛰어나기 때문에 이를 제거하기 위하여 보조필터가 필요한데 이를 상기 주필터와 같은 방식으로 제작하되 단지 투과율 특성이 320 nm 이하에서는 투과율이 70% 이상, 320 - 375 nm 에서 투과율이 0.3% 이하가 나오도록 제작한다. 경우에 따라서는 앞의 보조필터가 여의치 않을 때에는 주필터를 보조필터 용도로 대체 사용할 수 있으며 두 개의 필터를 설치할 때는 간섭현상을 방지하기 위해 일정거리를 띄우고 서로 평행하게 마주보도록 배치한다. 보조필터를 설치하는 방법은 첫째로 도1-A에서 보는 바와 같이 독립된 필터로서 주필터와 평행하게 마주보며 장착하는 방법과 둘째로 도1-B처럼 외부창으로 사용하는 콜리메이터 렌즈의 한쪽 면에 보조필터를 코팅하여 설치하는 방법이 있다. In addition, since GaN photodiode has excellent sensitivity characteristics in the 320-365nm band which does not affect erythema reaction, an auxiliary filter is required to remove the same. However, the GaN photodiode is manufactured in the same manner as the main filter. A transmittance of 70% or more and a transmittance of 0.3% or less are produced at 320-375 nm. In some cases, when the previous auxiliary filter is not available, the main filter can be used as an auxiliary filter. When two filters are installed, they are arranged to face each other in parallel with a certain distance to prevent interference. The auxiliary filter is first installed as an independent filter, as shown in Fig. 1A, and is mounted in parallel with the main filter. Second, the auxiliary filter is mounted on one side of the collimator lens used as an external window as shown in Fig. 1-B. There is a method to install by coating.
또한, 수광되는 자외선량을 일정하게 유지하여 측정의 신뢰도를 높이기 위할 목적으로 센서의 상부에 별도의 외부창으로 컬리메이터 렌즈를 설치하여 측면에서 또는 산란되어 들어오는 빛도 일정하게 센서의 수광부로 조사되게 한다. 컬리메이터 렌즈는 재료로 수정(Quartz) 또는 자외선 투과유리로 하여 평철(Plano-Convex) 타입의 구형렌즈(Spherical Lens)로 제작한다.In addition, a collimator lens is installed in a separate outer window on the upper part of the sensor in order to maintain a constant amount of received ultraviolet rays to increase the reliability of the measurement so that the incoming light from the side or scattered light is constantly irradiated to the light receiving part of the sensor. . The collimator lens is made of spherical lens of Plano-Convex type using quartz or UV-transparent glass as a material.
따라서, 본 발명에 의하면, 인간에게 일광화상을 일으키고 나아가 각종 피부질환과 피부암을 유발하는 자외선을 그 대역에 따른 인간 피부에의 영향 지수를 나타내는 CIE에서 규정한 홍반 반응 스펙트럼을 충실히 재현해 내는 홍반 반응 센서를 제조할 수 있다. 즉, 지표면까지 투과된 자외선 중 피부에 악영향을 주는 자외선 대역인 파장이 290 내지 350 nm인 자외선은 290nm에서 인간피부에의 영향을 100%로 했을 때 장파장으로 갈수록 거의 지수함수에 가깝게 0%로 떨어지는데 이와 똑같은 감도로 측정할 수 있는 센서를 얻을 수 있다. Therefore, according to the present invention, the erythema response faithfully reproduces the erythema response spectrum defined by CIE, which indicates the influence index on human skin according to the band of ultraviolet rays that cause sunburn in humans and cause various skin diseases and skin cancers. Sensors can be manufactured. In other words, ultraviolet rays with a wavelength of 290 to 350 nm, which is an ultraviolet band that adversely affects the skin among the ultraviolet rays transmitted to the surface, fall to 0% near the exponential function near the long wavelength when the effect on human skin is 100% at 290 nm. A sensor that can measure with the same sensitivity can be obtained.
이를 이용한 측정기를 개발할 경우, 기상청에서는 자외선 지수(UVI)를 정확히 측정하여 예보할 수 있으며 뿐만 아니라 개인용으로 자신의 자외선 피부지수 등과 같은 피부정보를 기초로 하여 여러 상황에서 국부적으로도 정확한 자외선 지수의 측정이 가능하고 휴대가 용이하고 저가인 개인용 자외선 경보기나 자외선 지수기 등의 개발이 용이하여 일광화상으로 인한 여러 질병들로부터 사람들을 보호할 수도 있다.When developing a measuring instrument using the same, the Meteorological Administration can accurately measure and forecast the UVI index, as well as measure the UV index locally and accurately in various situations based on skin information such as its own UV skin index for personal use. It is also possible to develop portable, low-cost personal UV alarms and UV indexers to protect people from various diseases caused by sunburn.
이상의 설명에서와 같이 본 발명은 하나의 바람직한 구체예에 대해서만 기술하였으나, 상기의 구체예를 바탕으로 한 봄 발명의 기술사상 범위 내에서의 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당발명자에게 있어서 명백한 것이며 또한 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.As described above, the present invention has been described for only one preferred embodiment, but it is apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the technical scope of the spring invention based on the above embodiments. It is obvious that modifications and variations belong to the appended claims.
도1은 은 헤더와 금속 캔 패키지로 조립된 자외선 홍반 반응 센서의 구조로 두 종류의 광학시스템으로 나타낸 도면이다. 1 is a diagram showing two types of optical systems with a structure of an ultraviolet erythema response sensor assembled with a silver header and a metal can package.
도2는 자외선 파장별 투과도를 선택할 수 있는 광학필터의 구조를 나타낸 도면이다. 2 is a view showing the structure of an optical filter that can select the transmittance for each ultraviolet wavelength.
도3은 주필터의 파장에 따른 대표적인 투과율을 나타낸 그래프이다. 3 is a graph showing a typical transmittance according to the wavelength of the main filter.
도4는 CIE에서 규정한 홍반반응 스펙트럼과 도1,2,3의 결과로 얻어지는 본 발명 센서의 홍반 반응 스펙트럼 특성을 기존의 타사품과 비교하여 나타낸 그래프이다. Figure 4 is a graph showing the erythema response spectrum characteristics defined in the CIE and the erythema response spectral characteristics of the sensor of the present invention obtained as a result of Figures 1, 2, 3 compared with other conventional products.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※ ※ Explanation of code about main part of drawing ※
1 : 주필터 2 : 보조필터 1: Main filter 2: Auxiliary filter
3 : 컬리메이터 렌즈 4 : 갈륨나이트라이드 포토다이오드 칩 3: Calibrator Lens # 4: Gallium Nitride Photodiode Chip
5 : 금속 캔 6 : 헤더5: metal can 6: header
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020030055985A KR20050017343A (en) | 2003-08-13 | 2003-08-13 | Ultra Violet Erythema Response Sensor and those Optical System |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020030055985A KR20050017343A (en) | 2003-08-13 | 2003-08-13 | Ultra Violet Erythema Response Sensor and those Optical System |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20050017343A true KR20050017343A (en) | 2005-02-22 |
Family
ID=37227071
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020030055985A KR20050017343A (en) | 2003-08-13 | 2003-08-13 | Ultra Violet Erythema Response Sensor and those Optical System |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20050017343A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100811123B1 (en) * | 2006-10-18 | 2008-03-07 | (주)제니컴 | An exterior uv index displayer |
-
2003
- 2003-08-13 KR KR1020030055985A patent/KR20050017343A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100811123B1 (en) * | 2006-10-18 | 2008-03-07 | (주)제니컴 | An exterior uv index displayer |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
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