KR20200044536A - Ppg 센서 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수광부를 통해 수신되는 광량을 증가시킬 수 있어 PPG 신호를 보다 정확하고 측정할 수 있어 사용자의 움직임 하에서도 PPG 신호로부터 효과적인 혈류 신호 검출이 가능한 PPG 센서 패키지를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 웨어러블 디바이스 내에 장착하여 인체의 혈류 신호 검출을 효율적으로 수행하여, 건강 정보를 용이하게 관리할 수 있는 PPG 센서 패키지를 제공할 수 있다.

Description

PPG 센서 패키지{PPG SENSOR PACKAGE}
본 발명은 PPG 센서 패키지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 사용자의 움직임 하에서도 PPG 신호로부터 효과적인 혈류 신호 검출이 가능한 PPG 센서 패키지에 관한 것이다.
최근 건강관리에 대한 관심 증가로 병원 뿐만 아니라, 언제 어디서든지 자신의 건강 체크 및 관리할 수 있는 헬스케어 기기에 대한 많은 관심과 요구가 증가하고 있다. 그 중 광혈류량측정기(Photo-Electromyography: 이하 PPG라고 함)는 혈관에 흐르는 혈류량을 측정함으로써 심박 등의 건강 정보를 측정하는 방법이다. 특히 심박 정보를 용이하게 측정할 수 있는데, 심장의 이완 수축 작용 시 나타나는 혈관의 용적 변화를 통하여 심박을 측정하는 방식으로 보통은 적색광 또는 적외선광을 상기 혈관에 조사하여 상기 혈관에 투과 또는 반사된 적색광 또는 적외선광의 변화량(혈류 변화량)을 측정하여 심박을 측정할 수 있다. 그러나 상기 광용적맥파 방법은 움직임에 의해 발생되는 동잡음과 개인의 신체적 차이로 인해 어떤 일정 지점에 심박센서(PPG 센서)를 고정 배치하여 생기는 개인별 신체적 차이로 인해 신뢰성 있는 심박 측정에 많은 어려움이 있어 왔다.
일반적으로, PPG는 소정 개수의 LED와 광검출기를 이용하여 심장 박동에 관련된 정보를 추출하는 방법이다. PPG를 이용한 심박검출은 간단한 센서모듈로 신체와의 단 하나의 접촉점을 통해 측정될 수 있기 때문에 2개 이상의 전극을 부착해야 하는 심전도(electrocardiogram or ECG)를 이용하는 방법에 비하여 사용자에게 불편함을 주지 않으므로, 의료상 또는 비의료적 목적의 기기에 훨씬 적합하다. 반면 PPG 신호는 약간의 움직임에도 큰 진폭의 동잡음을 야기한다는 단점을 가진다. 이러한 동잡음은 심박 검출시 몸의 떨림과 작은 움직임 등에 의한 노이즈 신호로서 정의될 수 있으며, 따라서 신뢰도가 높은 심박 측정을 위해서는 동잡음의 제거가 요구된다.
이와 관련하여, 일본 특허공개공보 제1999-9564호는 PPG 센서를 비롯한 다양한 여러가지 맥파 측정 수단을 이용한 심박수, HRV 주파수 분석 등을 통해 심장기능을 진단하는 심장기능 진단장치를 개시하고 있다. 하지만, 상기 심장기능 진단장치는 안경형, 목걸이형, 시계형으로 구성되고 움직임에 대한 경고 목적을 위해 가속도 센서가 사용되고 있음에도 불구하고, 여전히 사용자의 움직임이 있는 상태에서는 정확한 신호를 감지하기 어려워 효과적인 심박 검출이 어렵고, 웨어러블 디바이스 내에 장착하는 경우 신호 측정 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
일본 특허공개공보 제1999-9564호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 PPG 신호 검측 시 정확도가 우수하여 사용자의 움직임 하에서도 PPG 신호로부터 효과적인 혈류 신호 검출이 가능한 PPG 센서 패키지를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 광을 방출하는 적어도 하나의 발광부; 및 상기 발광부로부터 방출된 빛이 사용자의 신체로 조사되어 반사된 빛을 감지하는 적어도 하나의 수광부;를 포함하고, 상기 발광부의 발광면 및 상기 수광부의 수광면 중 적어도 하나의 일면 상에 광학필름층이 형성되어 있는 PPG 센서 패키지를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 광학필름층은 확산 시트, 프리즘 시트, 반사 시트 및 마이크로렌즈 시트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 시트를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 발광부의 발광면 상에 광학필름층이 형성되는 경우에 상기 광학필름층은 확산 시트를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 발광부의 발광면 상에 형성되는 광학필름층은 확산 시트, 프리즘 시트 및 마이크로렌즈 시트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 둘 이상의 시트를 일체화된 상태로 포함하는 복합시트일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 수광부의 수광면 상에 광학필름층이 형성되는 경우에 상기 광학필름층은 프리즘 시트를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 수광부의 수광면 상에 형성되는 광학필름층은 프리즘 시트, 반사 시트 및 마이크로렌즈 시트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 둘 이상의 시트를 일체화된 상태로 포함하는 복합시트일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 수광부가 복수 개로 포함되는 경우에 상기 복수 개의 수광부는 발광부의 주위를 둘러싸며 배치되고, 상기 복수 개의 수광부는 두 개씩 짝을 이루며, 상기 두 개씩 짝을 이룬 수광부들 중 어느 하나의 수광부는 발광부를 중심으로 다른 수광부와 대향하여 배치될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 복수 개의 수광부는 전부 발광부로부터 동일한 거리만큼 이격하여 배치될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 두 개씩 짝을 이룬 수광부들의 수광면 상에 형성되는 광학필름층들은 동일한 종류 및 순서로 광학 시트를 포함하고, 수광면을 통해 수광되는 입사광에 대하여 동일한 광학 특성을 구현할 수 있다.
본 발명은 수광부를 통해 수신되는 광량을 증가시킬 수 있어 PPG 신호를 보다 정확하고 측정할 수 있어 사용자의 움직임 하에서도 PPG 신호로부터 효과적인 혈류 신호 검출이 가능한 PPG 센서 패키지를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 웨어러블 디바이스 내에 장착하여 인체의 혈류 신호 검출을 효율적으로 수행하여, 건강 정보를 용이하게 관리할 수 있는 PPG 센서 패키지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 PPG 센서 패키지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광학필름층의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광학필름층의 구조도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광학시트의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 발광부의 발광면 상에 형성된 광학필름층의 구조도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수광부의 수광면 상에 형성된 광학필름층의 구조도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 PPG 센서 패키지를 이용한 심박 검출 과정을 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 PPG 센서 내에서의 수광부 및 발광부의 배치를 나타낸 배치도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 PPG 센서 내에서의 수광부의 배치를 나타낸 배치도이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 두 개씩 짝을 이룬 수광부의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이 종래의 PPG 센서 패키지는 사용자의 움직임이 있는 상태에서는 정확한 신호를 감지하기 어려워 효과적인 심박 검출이 불가능한 한계점이 있었다. 또한, PPG 센서의 발광 및 수광 효율이 낮아 PPG 신호를 정확하고 정밀하게 측정하기 어려운 한계점이 있었다.
이에 상술한 한계점을 극복하기 위해서 본 발명은 광을 방출하는 적어도 하나의 발광부; 및 상기 발광부로부터 방출된 빛이 사용자의 신체로 조사되어 반사된 빛을 감지하는 적어도 하나의 수광부;를 포함하고, 상기 발광부의 발광면 및 상기 수광부의 수광면 중 적어도 하나의 일면 상에 광학필름층이 형성되어 있는 PPG 센서 패키지를 제공한다.
이를 통해 본 발명은 PPG 신호를 정확하고, 정밀하게 측정할 수 있어 사용자의 움직임 하에서도 PPG 신호로부터 효과적인 심박 검출이 가능한 효과가 있다. 또한, 본 발명은 웨어러블 디바이스 내에 장착하여 인체의 심박 검출 신호를 효율적으로 검출할 수 있으므로, 다양한 웨어러블 디바이스에 유용하게 활용될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 PPG 센서 패키지의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명은 기재(1) 상에 적어도 하나의 발광부(2) 및 적어도 하나의 수광부(3)를 포함한다. 또한, 상기 발광부(2)의 발광면 및 상기 수광부(3)의 수광면 상에는 광학필름층(4)이 형성된다.
먼저, 발광부(2)는 빛을 방출하여 사용자의 신체에 빛을 조사하는 기능을 한다. PPG 센서는 심장 박동에 따른 혈관 굵기의 변화에 따라 빛의 흡수 및 반사 정도가 변화를 이용한 것으로, 발광부(2)의 발광면으로부터 방출된 빛이 사용자의 신체로 조사되어 반사된 빛을 감지함으로써 혈류 신호(심박)를 검출할 수 있는 것이다.
발광부(2)는 기본적으로 모든 방향으로 빛을 조사하는 기능을 가지며, 상기 발광부(2)에서 조사된 빛은 PPG 센서를 통해 혈류 신호를 검출하고자 하는 사용자의 신체(혈관 등)에 의해 반사된다.
발광부(2)는 빛을 조사하여 혈관 굵기 변화를 감지할 수 있는 광원을 사용할 수 있고, 바람직하게는 발광 다이오드(LED), 유기 발광 다이오드(OLED), 적외선 발광 다이오드(Infrared Emitting Diode) 및 레이저 다이오드(Laser Diode)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 상기 광원을 통해 적외선 또는 녹색광을 방출할 수 있다. 적외선을 방출하는 경우, 혈관 속 ?혈구의 적외선 흡수량을 측정하여 심박수를 측정할 수 있다. 또한, 녹색광을 방출하는 경우, 혈관 속에 존재하는 적혈구가 녹색광을 흡수하는 경향이 있어 녹색광 흡수량을 측정하여 심박수를 측정할 수 있다.
또한, 발광부(2)는 PPG 센서 패키지에 적어도 하나 포함될 수 있다. 발광부(2)가 두 개 이상 포함되는 경우에, 상기 발광부(2)들은 이격하여 배치될 수 있다. 바람직하게는 수광부(3)보다 적은 개수로 포함될 수 있다. 이 경우 공급전력은 최소화하되 수광부를 통해 수신되는 광량을 대폭 증가시킬 수 있어 사용하는 장치의 효율을 증진시킬 수 있다.
또한, 발광부(2)는 PPG 센서 패키지가 포함된 전자 장치로부터 전력을 공급받고, 공급받은 전력에 의해 구동되어 특정 파장의 빛을 방출할 수 있다. 이 때, 상기 발광부(2)는 조사하는 광 신호의 파장을 필요에 따라 변경하기 위하여 후술하는 바와 같이 발광면 상에 광학필름층(4)을 형성할 수 있는 것이다.
다음으로, 수광부(3)는 발광부(2)로부터 방출된 빛이 사용자의 신체로 조사되어 반사된 빛을 감지하여 광 신호를 수신하고, 수신한 광 신호에 대한 전류 신호를 생성한다. 즉, 수광부(3)는 수광면을 통해 사용자 인체 혈류량에 대한 광 신호를 수신하여 심박수 등의 건강 정보에 관한 전류 신호를 생성하는 기능을 한다.
수광부(3)는 사용자의 신체로 조사되어 반사된 빛을 감지하여 광 신호를 수신할 수 있는 것으로 해당 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 유기 광 다이오드(Organic Photodiode)일 수 있다. 유기 광 다이오드는 유기 재료를 기반으로 하며, 광 검지기를 대체할 수 있는 소자이다. 이러한 유기 광 다이오드를 수광부(3)로 사용하는 경우, 전자 장치의 광 민감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 유기 광 다이오드는 무기 물질들과 비교하여 가볍고, 생산하는데 비용이 적게 들어 다양한 장치에 유용하게 활용될 수 있는 장점이 있다. 또한, 유기 재료는 유기 재료의 소재에 따라서 특별한 파장 영역(ex; 적색 광, 녹색 광, 청색 광 등)에서만 민감성을 가질 수 있으므로, PPG 센서를 사용할 장치에 대해 적절한 재료를 선택하여 광학 센서의 스펙트럼 민감도를 조절할 수 있다.
도 1을 참조하면, 수광부(3)는 기재(1)에 닿는 하부면 및 반사된 빛을 감지하여 광 신호를 수신하는 수광면을 포함한다. 상기 하부면 및 수광면을 제외한 수광부(3)의 다른 면들은 광차폐면일 수 있다. 이 경우 발광부(2)에서 방출하는 광이 상기 수광부(3)로 직접 입사되는 것을 방지하는 광 차단 기능을 수행할 수 있는 효과가 있다. 상기 광차폐면은 광차폐 기능을 가지는 다양한 소재로 형성될 수 있으나, 바람직하게는 블랙 잉크 물질이나 인공 고무로 형성될 수 있다.
다음으로, 발광부(2)의 발광면 및 수광부(3)의 수광면 중 적어도 하나의 일면 상에 형성되는 광학필름층(4)에 대해 설명한다. 광학필름층(4)이 발광부(2)의 발광면 및 수광부(3)의 수광면 상에 형성되는 경우, 발광부(2) 및 수광부(3)와 일체화되어 필요에 따라 적절하게 광 파장을 변환할 수 있고, 확산 및 집광 기능을 향상시킬 수 있다. 이와 같이 광학필름층(4)을 형성함으로써, 본 발명은 다양한 광 특성을 용이하게 구현할 수 있고, 이에 따라 다양한 전자 기기, 특히 소형화된 웨어러블 디바이스 내에 유용하게 사용될 수 있다.
광학필름층(4)은 발광부(2)의 발광면 및 수광부(3)의 수광면 중 적어도 하나의 일면 상에 형성된다. 도 1을 참조하면, 광학필름층(4)은 발광부(2)의 발광면 및 수광부(3)의 수광면 모두에 형성될 수 있고, 발광면에만 형성되거나 수광면에만 형성될 수도 있다. 또한, 복수 개의 발광면 중 어느 하나의 발광면에만 형성될 수도 있고, 복수 개의 수광면 중 어느 하나의 수광면에만 형성될 수도 있으며, 복수 개의 발광면 및 복수 개의 수광면 중 어느 하나의 일면에만 형성될 수도 있다. 이와 같이 본 발명은 PPG 센서 패키지의 사용 목적 및 필요성에 따라 적절하게 발광면 및 수광면 상에 광학필름층을 다양하게 형성함으로써 다양한 광 특성을 용이하게 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 광학필름층(4)은 적어도 하나의 광학 시트를 포함할 수 있고, 바람직하게는 둘 이상의 광학 시트를 포함할 수 있다. 이 때, 광학 시트란 다양한 광 특성을 구현하거나 향상시킬 수 있는 시트로, 예를 들어 광 파장을 변환하거나, 확산 또는 집광 효능을 향상시킬 수 있는 기능을 할 수 있는 시트를 의미한다. 광학필름층(4)이 둘 이상의 광학 시트를 포함하는 경우 특정 광 특성을 향상시키거나 다양한 광 특성을 동시에 구현할 수 있는 효과가 있다.
광학필름층(4)이 둘 이상의 광학 시트를 포함하는 경우, 상기 광학 시트들은 적층된 형태로 광학필름층(4)을 형성하는 것이 바람직하다. 이 경우 적층되는 광학 시트들은 각각 모두 다른 종류일 수도 있고, 일부는 동일한 종류일 수도 있다.
이와 관련하여, 도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광학필름층의 구조도이다. 먼저, 도 2는 L1 및 L2의 광학 시트가 2-층(2-layer) 구조로 형성되는 광학필름층(4)에 관한 것이다. 이 경우 (a)와 같이 L1 및 L2가 서로 상이한 종류의 광학 시트들이 적층될 수도 있고, (b)와 같이 L1 및 L2가 동일한 종류의 광학 시트들이 적층될 수도 있다. (a)와 같이 서로 상이한 종류의 광학 시트들이 적층되는 경우엔 목적하는 다양한 광 특성을 동시에 구현할 수 있는 효과가 있고, (b)와 같이 동일한 종류의 광학 시트들이 적층되는 경우엔 특정 광학 특성을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
다음으로, 도 3은 L1, L2 및 L3의 광학 시트가 3-층(3-layer) 구조로 형성되는 광학필름층(4)에 관한 것이다. 이 경우 (a)와 같이 L1, L2 및 L3가 각각 모두 상이한 종류의 광학 시트들이 적층될 수도 있고, (b) 및 (c)와 같이 일부의 층만이 동일한 종류의 광학 시트들이 적층될 수도 있다. 또한, (b)와 같이 동일한 종류의 광학 시트들이 연속하여 적층될 수 있을 뿐만 아니라, (c)와 같이 동일한 종류의 광학 시트들 사이에 상이한 종류의 광학 시트가 삽입된 형태로 적층될 수도 있다.
이와 같이 본 발명은 광학 시트들을 다층으로 적층하되, PPG 센서가 목적하는 광학 특성을 효율적으로 발현할 수 있도록 적층되는 광학 시트들의 종류 및 적층 횟수를 선택하여 광학필름층(4)을 형성할 수 있다. 이 경우 목적하는 특정 광학 특성을 보다 효율적으로 구현할 수도 있고, 다양한 광학 특성을 동시에 구현할 수도 있어 PPG 신호를 용이하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면 상기 적층된 시트들은 일체화되어 복합시트의 광학필름층(4)을 형성할 수 있다. 이 때, 일체화된다는 의미는 각각의 광학 시트들이 결합하여 전체적으로 하나의 층으로 일체화되는 것을 의미할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 광학필름층(4)은 일체화됨으로써 단일한 부재로 다양한 광 특성을 구현할 수 있고, 기계적 강도가 향상될 수 있으며, 취급이 간편한 장점이 있다.
광학필름층(4)의 일체화는 광학용 접합 소재 및 접합 공정을 통해 수행될 수 있으며, 2-층 구조 이상으로 형성될 수 있고, 바람직하게는 2 ~ 5-층 구조로 형성될 수 있다. 상기 층 수 범위 내로 광학필름층(4)이 일체화되는 경우에는, 광학 기능이 최적화된 상태로 동시에 구현될 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 광학필름층(4)에 포함되는 광학 시트는 광 특성을 구현하거나 향상시킬 수 있는 것으로 해당 기술 분야에서 통상적으로 사용될 수 있는 것을 이용할 수 있으나, 바람직하게는 확산 시트, 프리즘 시트, 반사 시트 및 마이크로렌즈 시트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 시트를 포함할 수 있다. 이와 같은 광학 시트들은 광을 확산하는 확산 기능, 광을 굴절, 집광시켜 휘도를 향상시키는 집광 기능 뿐만 아니라 광학필름층(4)에 근접한 다른 부재에 대하여 스크래치 발생 등을 방지하는 보호 기능을 할 수 있다.
확산 시트는 발광부(2) 즉, 광원으로부터 방출된 빛을 투과시키는 투광층의 전면에 균일하게 전달할 수 있다. 또한, 이와 동시에 광 효율을 향상시켜 높은 휘도를 발현할 수 있다.
확산 시트는 광을 확산하여 균일하게 전달할 수 있는 구조로 다양한 울퉁불퉁한 엠보싱 형상으로 형성될 수 있다. 바람직하게는 광을 방출하거나 수신하는 표면은 소정의 표면 조도를 갖는 입체 돌출면일 수 있다. 이 경우 확산 시트는 투명 기재의 일면에 동일한 크기의 비드들이 균일하게 분포되어 입체 돌출면을 이루는 구조일 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 입체 돌출면의 이면도 입체 돌출면일 수 있고, 이 경우 확산 시트는 투명 기재의 타면에 비드들이 균일하게 분포되어 양면에 입체 돌출면을 이루는 구조일 수 있다. 이 때 광을 방출하거나 수신하는 표면을 이루는 입체 돌출면은 그 타면에 비하여 비드의 평균입경이 큰 것이 바람직하다.
구체적으로 도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광학시트의 단면도이다. 도 4 (a)는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 확산 시트(42)의 단면을 도시한 것으로, 일면 및 타면에 비드들이 균일하게 분포되어 입체 돌출면이 형성되어 있음을 알 수 있다.
확산 시트가 발광부(2)의 발광면 상에 형성되는 광학필름층(4)에 포함되는 경우, 확산 시트는 발광부(2)로부터 방출되는 빛을 투광층의 전면에 균일하게 전달시킬 수 있다. 그 결과 본 발명이 사용되는 전자 장치가 착용/사용되는 사용자의 신체 부위에 고르게 광을 전달할 수 있어, 보다 정확한 혈류 정보를 얻을 수 있는 효과가 있다.
프리즘 시트는 수평, 수직 등 다양한 방향으로 확산되거나 휘도가 급격히 떨어지는 빛을 프리즘을 통해 특정 방향으로 집광시킬 수 있다. 즉, 특정 방향으로 광을 집광시킬 필요성이 있을 때, 프리즘 시트를 사용하여 집광 효율을 향상시킬 수 있다.
프리즘 시트는 산란된 빛을 모아줄 수 있는 구조로 특정 패턴을 가지도록 형성될 수 있다. 바람직하게는 삼각뿔 또는 사각뿔 프리즘의 선형 배열 패턴 또는 프레넬 패턴을 가질 수 있고, 보다 바람직하게는 삼각뿔 프리즘의 선형 배열 패턴을 가질 수 있다. 이와 같이 프리즘 패턴을 갖는 경우 2개의 경사면을 갖는 프리즘 패턴이 특정 방향으로의 집광 효율을 향상시킬 수 있고, 관측되는 광 신호의 휘도를 증진시킬 수 있다.
도 4 (b)는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 프리즘 시트(41)의 단면도이다. 도 4 (b)를 참조하면, 프리즘 시트(41)는 삼각뿔 또는 사각뿔 프리즘의 선형 배열 패턴 또는 프레넬 패턴으로 다양하게 형성될 수 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명은 PPG 센서를 사용하는 전자 장치의 종류 및 특성에 적절한 패턴을 가지는 프리즘 시트를 사용함으로써 특정 광 특성을 효율적으로 구현하여 PPG 신호를 보다 정확하게 검출할 수 있다.
프리즘 시트가 발광부(2)의 발광면 상에 형성되는 광학필름층(4)에 포함되는 경우, 방출되는 광 중 목적하지 않은 방향으로 확산되는 광들을 프리즘을 통해 특정 방향으로 집광시킬 수 있다. 이 경우 공급전력 대비 발광 효율을 향상시킬 수 있어 PPG 신호를 효율적으로 검출할 수 있는 효과가 있다.
프리즘 시트가 수광부(3)의 수광면 상에 형성되는 광학필름층(4)에 포함되는 경우, 다양한 방향으로 반사되어 수신되는 광 신호들을 특정 방향으로 집광시킬 수 있어 광 수신 효율이 향상되는 효과가 있다.
반사 시트는 방출 또는 입사되는 광을 발광면 또는 수광면의 반대 방향으로 반사시킴으로써 광 손실을 방지하는 기능을 할 수 있다. 반사 시트의 반사면은 고른 광 반사를 수행하기 위한 표면 구조로 다양하게 형성될 수 있고, 바람직하게는 수 ~ 수십 ㎛ 크기의 미세 돌기들이 균일하게 형성된 구조일 수 있다. 이러한 구조를 통해 분산되는 광들을 특정 방향으로 반사시킬 수 있어 광 효율을 증진시킬 수 있고, 이를 통해 PPG 신호를 효율적으로 검출할 수 있다.
도 4 (c)는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 반사 시트(44)의 단면도이다. 도 4 (c)를 참조하면, 반사 시트(44)는 균일하고 일정한 미세 돌기들이 표면에 형성될 수 있다. 이를 통해 입사되는 빛들을 반사시켜 광 손실을 방지할 수 있다.
반사 시트가 발광부(2)의 발광면 상에 형성되는 광학필름층(4)에 포함되는 경우, 방출된 광이 재입사되거나 수광부(3)가 수신하여야 할 광 신호가 입사되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 프리즘 시트가 수광부(3)의 수광면 상에 형성되는 광학필름층(4)에 포함되는 경우, 발광부(2)로부터 방출된 광이 수광부로 바로 입사되는 것을 방지할 수 있다. 이를 통해 광 손실을 방지하고, 발광 효율 및 수광 효율을 향상시킬 수 있다.
마이크로렌즈 시트는 광의 휘도를 향상시킴과 동시에 광원으로부터 방출된 빛을 투과시키는 투광층의 전면에 균일하게 전달할 수 있는 확산 기능을 수행할 수 있다. 즉, 휘도 향상 기능과 확산 기능을 동시에 발현할 수 있다.
마이크로렌즈 시트는 표면에 반구형의 마이크로 패턴들이 형성되는 구조일 수 있다. 이 경우 빛을 일차원적으로 마이크로렌즈 패턴의 홈에 대해 수직인 방향으로 확산시킬 수 있으므로, 통상적으로 프리즘 시트보다 향상된 확산 특성 및 확산 시트보다 향상된 휘도 특성을 동시에 가질 수 있는 효과가 있다.
도 4 (d)는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 마이크로렌즈 시트(43)의 단면도이다. 도 4 (d)를 참조하면, 마이크로렌즈 시트(43)의 일면 상에 반구형의 일정한 크기의 마이크로 패턴들이 균일한 간격으로 배치되어 있다. 상기 패턴들의 홈에 대해 수직인 방향으로 빛이 확산되므로, 확산 특성과 휘도 특성을 동시에 구현할 수 있는 것이다.
마이크로렌즈 시트가 발광부(2)의 발광면 상에 형성되는 광학필름층(4)에 포함되는 경우, 발광부(2)로부터 방출되는 빛을 투광층의 전면에 균일하게 전달시킬 수 있다. 그 결과 본 발명이 사용되는 전자 장치가 착용/사용되는 사용자의 신체 부위에 고르게 광을 전달할 수 있어, 보다 정확한 혈류 정보를 얻을 수 있는 효과가 있다.
마이크로렌즈 시트가 수광부(3)의 수광면 상에 형성되는 광학필름층(4)에 포함되는 경우, 다양한 방향으로 반사되어 수신되는 광 신호들을 특정 방향으로 집광 시킬 수 있어 광 수신 효율이 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 발광부(2)의 발광면 상에 광학필름층(4)이 형성되는 경우에 상기 광학필름층은 확산 시트(42)를 포함할 수 있다. 이 경우 발광부(2)로부터 방출되는 빛을 투광층의 전면에 고르게 전달할 수 있어, 심박 신호 등을 측정하고자 하는 사용자의 신체 부위에 고르게 광을 전달할 수 있는 효과가 있다.
발광부(2)의 발광면 상에 형성되는 광학필름층(4)은 확산 시트(42)를 포함하여 다양한 형태로 형성될 수 있으나, 바람직하게는 확산 시트(42), 프리즘 시트(41) 및 마이크로렌즈 시트(43)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 둘 이상의 시트를 일체화된 상태로 포함하는 복합시트일 수 있다. 이 경우 발광부(2)의 발광 효율 및 사용자의 인체에 대한 광 전달 효율이 향상되는 효과가 있다.
이와 관련하여, 도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 발광부(2)의 발광면 상에 형성된 광학필름층(4)의 구조도이다. 도 5를 참조하면, 발광부(2)의 발광면 상에 형성되는 광학필름층(4)은 확산 시트(42)를 포함하여 다양한 형태로 구성될 수 있음을 알 수 있다.
도 5 (a)를 참조하면, 프리즘 시트(41) 상에 확산 시트(42)가 형성될 수 있다. 이 경우 프리즘 시트(41)를 통해 방출되는 광을 집광시킨 후 확산 시트(42)를 통해 투과층의 전면으로 고르게 확산시킴으로써 발광 효율 및 사용자 신체에 대한 광 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5 (b)를 참조하며, 확산 시트(42) 상에 마이크로렌즈 시트(43)가 형성될 수 있다. 이 경우 확산 시트(42)를 통해 고르게 확산된 광들이 마이크로렌즈 시트(43)를 통해 특정 방향으로 확산될 수 있으므로, 확산 특성 및 휘도 특성을 동시에 발현할 수 있다.
도 5 (c)를 참조하면, 확산 시트(42) - 마이크로렌즈 시트(43) - 반사 시트(44)가 순차적으로 적층되어 일체화될 수 있다. 이 경우 확산 특성 및 휘도 특성을 동시에 발현할 수 있을 뿐만 아니라, 방출되는 광 및 수신 광의 입사를 방지할 수 있어 광 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 5 (d)를 참조하면, 마이크로렌즈 시트(43) - 확산 시트(42) - 마이크로렌즈 시트(43)가 순차적으로 적층되어 일체화될 수 있다. 이 경우 확산 특성 및 휘도 특성을 모두 향상시킬 수 있어, PPG 신호 검출 효율이 현저히 향상될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 수광부(3)의 수광면 상에 광학필름층(4)이 형성되는 경우에 상기 광학필름층(4)은 프리즘 시트(41)를 포함할 수 있다. 이 경우 확산되거나 휘도가 저하된 광들을 집광시킬 수 있으므로, 수광부(3)가 광 손실을 최소화화여 사용자의 신체로부터 반사되는 광 신호를 수신할 수 있다.
수광부(3)의 수광면 상에 형성되는 광학필름층(4)은 프리즘 시트(41)를 포함하여 다양한 형태로 형성될 수 있으나, 바람직하게는 프리즘 시트(41), 반사 시트(44) 및 마이크로렌즈 시트(43)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 둘 이상의 시트를 일체화된 상태로 포함하는 복합시트일 수 있다. 이 경우 수광부(3)의 수광 효율 및 PPG 신호의 강도와 정확도가 향상되는 효과가 있다.
이와 관련하여, 도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수광부(3)의 수광면 상에 형성된 광학필름층(4)의 구조도이다. 도 6을 참조하면, 수광부(3)의 수광면 상에 형성되는 광학필름층(4)은 프리즘 시트(41)를 포함하여 다양한 형태로 구성될 수 있음을 알 수 있다.
도 6 (a)를 참조하면, 확산 시트(42) 상에 프리즘 시트(41)가 형성될 수 있다. 이 경우 확산 시트(42) 및 프리즘 시트(42)를 통해 높은 광 효율로 특정 방향으로 광을 집광 시킬 수 있어 PPG 신호 검출의 민감도 및 강도를 향상시킬 수 있다.
도 6 (b)를 참조하면, 프리즘 시트(41) 상에 마이크로렌즈 시트(43)가 형성될 수 있다. 이 경우 광의 휘도 및 광 효율을 현저히 향상시킬 수 있어, PPG 신호 검출의 강도가 향상되는 효과가 있다.
도 6 (c)를 참조하면, 프리즘 시트(41) - 마이크로렌즈 시트(43) - 반사 시트(44)가 순차적으로 적층되어 일체화될 수 있다. 이 경우 광 신호를 보다 효율적으로 수신할 수 있음과 동시에 수신 대상이 아닌 광들은 반사하여 광 손실을 방지할 수 있는 효과가 있다. 이를 통해 수광 효율이 현저히 향상될 수 있다.
도 6 (d)를 참조하면, 마이크로렌즈 시트(43) - 프리즘 시트(41) - 마이크로렌즈 시트(43)가 순차적으로 적층되어 일체화될 수 있다. 이 경우 집광 효율을 현저히 향상시킬 수 있어 PPG 신호 검출의 정확도 및 강도를 향상시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명은 광학 시트의 종류 및 적층 순서를 PPG 센서 패키지의 목적에 적절하게 선택할 수 있으며, 이를 통해 우수한 효율로 사용자의 신체로부터 광 신호를 수신하여 사용자의 혈류 건강 정보(심박수)를 알 수 있다.
구체적으로 도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 PPG 센서 패키지를 이용한 심박 검출 과정을 나타낸 모식도이다. 도 7을 참조하면, 발광부(2), 수광부(3), 광학필름층(4) 및 투광층(5)을 포함하는 전자 장치(100)를 이용한 사용자의 심박 검출 과정을 알 수 있다. 먼저, (a) 발광부(2)는 투광층(5)에 대하여 균일하게 확산된 광을 전달할 수 있다. (b) 발광부(2)로부터 방출된 광은 투광층(5)을 투과하여 사용자의 신체에 조사될 수 있다. 이를 통해 혈관 내에 존재하는 적혈구가 적외선 또는 녹색광 등 특정 파장의 광을 흡수하게 되고, 그 외의 광들은 반사된다. (c) 사용자의 신체로부터 반사된 광 신호를 수광부(3)가 수신하여 광의 흡수량을 파악하여 심박 신호를 검출할 수 있다.
이와 같이 PPG 센서 패키지를 이용한 심박 검출은 광의 흡수 및 반사를 이용하는 것이므로, 발광 효율 및 수광 효율을 향상시키는 것이 중요하다. 본 발명은 상술한 바와 같이 발광 효율 및 수광 효율이 현저히 향상되어 사용자의 신체에 대한 광의 조사량을 향상시킬 수 있음과 동시에 검출되는 신호의 정확도 및 강도가 우수한 효과가 있는 것이다. 또한, 사용자의 움직임 하에서도 신호를 용이하게 검출할 수 있어 다양한 웨어러블 디바이스에 유용하게 활용될 수 있다.
한편, 본 발명의 PPG 센서 패키지는 상기 수광부가 복수 개로 포함되는 경우에 상기 복수 개의 수광부는 발광부의 주위를 둘러싸며 배치되고, 상기 복수 개의 수광부는 두 개씩 짝을 이루며, 상기 두 개씩 짝을 이룬 수광부들 중 어느 하나의 수광부는 발광부를 중심으로 다른 수광부와 대향하여 배치될 수 있다.
만일 발광부가 하나로 포함되는 경우에는 복수 개의 수광부는 하나의 발광부의 주위를 둘러싸며 배치될 수 있다. 또한, 만일 발광부가 복수 개로 포함되는 경우에는 복수 개의 발광부 간의 거리는 발광부와 수광부의 거리에 비하여 짧을 수 있다. 이와 같이 발광부의 주위를 둘러싸며 복수 개의 수광부가 배치되는 경우에는, 수광 효율이 현저히 향상되므로 공급전력에 대비하여 검출되는 신호의 강도 및 정확도가 향상된다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면 상기 복수 개의 수광부는 전부 발광부로부터 동일한 거리만큼 이격하여 배치될 수 있다. 이 경우 각 수광부들의 수광 효율이 유사하게 나타나므로, PPG 신호 검출 시 정확도 및 정밀도가 향상되는 효과가 있다.
구체적으로, 도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 PPG 센서 내에서의 수광부 및 발광부의 배치를 나타낸 배치도이다. 도 8 (a)를 참조하면, 본 발명의 PPG 센서가 하나의 발광부(2)를 포함하는 경우에 복수 개의 수광부(3)는 하나의 발광부(2)를 중심으로 그 주변에 배치될 수 있다. 또한, 도 8 (b)를 참조하면, 본 발명의 PPG 센서가 복수 개의 발광부(2)를 포함하는 경우에 복수 개의 발광부(2)들은 근접하여 배치될 수 있다. 또한, 복수 개의 수광부(3)는 발광부(2)들의 주위를 둘러싸며 배치될 수 있다. 이러한 구조를 통해 수광 효율을 현저히 향상시킬 수 있다.
또한, 도 9는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 PPG 센서 내에서의 수광부의 배치를 나타낸 배치도이다. 도 9를 참조하면, 복수 개의 수광부는 두 개씩 짝을 이루며, 상기 두 개씩 짝을 이룬 수광부들 중 어느 하나의 수광부는 발광부를 중심으로 다른 수광부와 대향하여 배치될 수 있다. 즉, 수광부 X와 수광부 X'은 발광부(2)를 중심으로 서로 대향하여 배치되어 있고, 수광부 Y와 수광부 Y'은 발광부(2)를 중심으로 서로 대향하여 배치되어 있음을 알 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 두 개씩 짝을 이룬 수광부들은 대응하는 광학 특성을 가질 수 있다. 대응하는 광학 특성을 가질 수 있다는 의미는 수광면을 통해 수광되는 입사광에 대하여 동일한 광학 특성을 구현할 수 있음을 의미한다.
바람직하게는, 상기 두 개씩 짝을 이룬 수광부들의 수광면 상에 형성되는 광학필름층들은 동일한 종류 및 순서로 광학 시트를 포함할 수 있고, 수광면을 통해 수광되는 입사광에 대하여 동일한 광학 특성을 구현할 수 있다. 예를 들어, 도 9를 참조하면 수광부 X와 수광부 X'은 동일한 종류의 광학 시트를 동일한 순서로 포함할 수 있되, 패턴이 형성되어 있는 광학 시트를 포함하는 경우 형성된 패턴의 방향은 발광부를 중심으로 결정될 수 있는 것이다.
이와 관련하여 도 10은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 두 개씩 짝을 이룬 수광부의 단면도이다. 도 10을 참조하면, 수광부 Z와 수광부 Z'은 동일한 종류 및 순서로 광학 시트를 포함하는 광학필름층(4)을 형성하고 있다. 상기 광학필름층(4)은 프리즘 시트(41)를 포함하고 있고, 상기 프리즘 시트(41)의 패턴은 발광부(2)를 중심으로 방향이 대응하여 형성되어 있다. 이를 통해 두 개씩 짝을 이룬 수광부들은 수광면을 통해 수광되는 입사광에 대하여 동일한 광학 특성을 구현할 수 있는 것이다.
결국, 본 발명은 혈관에 흐르는 혈류량을 측정함으로써 심박 등의 건강 정보를 측정하기 위한 것으로, 발광 효율 및 수광 효율을 향상시켜 강도, 정확도, 정밀도가 우수한 광 신호를 검출하기 위한 것이다. 본 발명은 상술한 바와 같이 다양하고 간단한 구조만으로 발광 효율 및 수광 효율이 현저히 향상되므로, 사용자의 신체에 대한 광의 조사량을 향상시킬 수 있음과 동시에 검출되는 신호의 정확도 및 강도가 우수한 효과가 있다. 또한, 사용자의 움직임 하에서도 신호를 용이하게 검출할 수 있어 다양한 웨어러블 디바이스에 유용하게 활용될 수 있는 장점이 있다.

Claims (9)

  1. 광을 방출하는 적어도 하나의 발광부;및
    상기 발광부로부터 방출된 빛이 사용자의 신체로 조사되어 반사된 빛을 감지하는 적어도 하나의 수광부;를 포함하고,
    상기 발광부의 발광면 및 상기 수광부의 수광면 중 적어도 하나의 일면 상에 광학필름층이 형성되어 있는 PPG 센서 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학필름층은 확산 시트, 프리즘 시트, 반사 시트 및 마이크로렌즈 시트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 PPG 센서 패키지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발광부의 발광면 상에 광학필름층이 형성되는 경우에 상기 광학필름층은 확산 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 PPG 센서 패키지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 발광부의 발광면 상에 형성되는 광학필름층은 확산 시트, 프리즘 시트 및 마이크로렌즈 시트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 둘 이상의 시트를 일체화된 상태로 포함하는 복합시트인 것을 특징으로 하는 PPG 센서 패키지.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 수광부의 수광면 상에 광학필름층이 형성되는 경우에 상기 광학필름층은 프리즘 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 PPG 센서 패키지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수광부의 수광면 상에 형성되는 광학필름층은 프리즘 시트, 반사 시트 및 마이크로렌즈 시트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 둘 이상의 시트를 일체화된 상태로 포함하는 복합시트인 것을 특징으로 하는 PPG 센서 패키지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수광부가 복수 개로 포함되는 경우에 상기 복수 개의 수광부는 발광부의 주위를 둘러싸며 배치되고, 상기 복수 개의 수광부는 두 개씩 짝을 이루며, 상기 두 개씩 짝을 이룬 수광부들 중 어느 하나의 수광부는 발광부를 중심으로 다른 수광부와 대향하여 배치되는 것을 특징으로 하는 PPG 센서 패키지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수 개의 수광부는 전부 발광부로부터 동일한 거리만큼 이격하여 배치되는 것을 특징으로 하는 PPG 센서 패키지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 두 개씩 짝을 이룬 수광부들의 수광면 상에 형성되는 광학필름층들은 동일한 종류 및 순서로 광학 시트를 포함하고,
    수광면을 통해 수광되는 입사광에 대하여 동일한 광학 특성을 구현하는 것을 특징으로 하는 PPG 센서 패키지.
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