KR20220008160A - 생체 신호 감지 센서, 센서 어레이 및 센서 시스템 - Google Patents

생체 신호 감지 센서, 센서 어레이 및 센서 시스템 Download PDF

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강현범
윤영준
정종원
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Abstract

발광 소자, 광 검출 소자, 상기 발광 소자로부터 방출된 광을 선편광시키는 제1 편광자, 그리고 상기 광 검출 소자로 유입되는 광을 선편광시키는 제2 편광자를 포함하는 생체 신호 감지 센서, 센서 어레이 및 이를 포함하는 센서 시스템에 관한 것이다.

Description

생체 신호 감지 센서, 센서 어레이 및 센서 시스템{BIOSIGNAL SENSOR AND SENSOR ARRAY AND SENSOR SYSTEM}
생체 신호 감지 센서, 센서 어레이 및 센서 시스템에 관한 것이다.
근래, 피부에 부착하여 생체 정보를 얻기 위한 피부 부착형 장치에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 피부 부착형 장치는 생체 정보를 얻기 위한 생체 센서를 포함한다. 예컨대 광용적맥파(photoplethysmography, PPG) 센서는 사용자로부터 PPG 신호를 얻을 수 있고 이러한 PPG 신호를 분석함으로써 사용자의 혈압, 부정맥, 심박수 및/또는 산소 포화도와 같은 생체 정보를 얻을 수 있다.
일 구현예는 움직임에 의한 피부와 생체 센서 사이의 위치 변화로 인한 노이즈를 줄여 성능을 개선할 수 있는 생체 신호 감지 센서를 제공한다.
다른 구현예는 상기 생체 신호 감지 센서를 포함하는 센서 어레이를 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 생체 신호 감지 센서 또는 상기 센서 어레이를 포함하는 센서 시스템을 제공한다.
일 구현예에 따르면, 발광 소자, 광 검출 소자, 상기 발광 소자로부터 방출된 광을 선편광시키는 제1 편광자, 그리고 상기 광 검출 소자로 유입되는 광을 선편광시키는 제2 편광자를 포함하는 생체 신호 감지 센서를 제공한다.
상기 제1 편광자는 상기 발광 소자와 중첩하게 위치할 수 있고, 상기 제2 편광자는 상기 광 검출 소자와 중첩하게 위치할 수 있다.
상기 생체 신호 감지 센서는 상기 발광 소자와 상기 광 검출 소자의 하부에 위치하는 투광층을 더 포함할 수 있고, 상기 제1 편광자와 상기 제2 편광자는 각각 상기 투광층 내부에 위치할 수 있다.
상기 제2 편광자의 편광 방향은 상기 제1 편광자의 편광 방향과 다를 수 있다.
상기 제2 편광자의 편광 방향과 상기 제1 편광자의 편광 방향 사이의 각도는 약 30도 내지 90도일 수 있다.
상기 제2 편광자의 편광 방향은 상기 제1 편광자의 편광 방향에 대하여 실질적으로 수직일 수 있다.
상기 제2 편광자는 상기 제1 편광자를 통과한 선편광된 광과 나란한 방향의 광을 선택적으로 차단하고 상기 제1 편광자를 통과한 선편광된 광과 다른 방향의 광을 선택적으로 투과할 수 있다.
상기 제1 편광자는 제1 방향으로 뻗은 복수의 패턴을 포함할 수 있고, 상기 제2 편광자는 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 뻗은 복수의 패턴을 포함할 수 있다.
상기 생체 신호 감지 센서는 상기 발광 소자와 상기 광 검출 소자의 하부에 위치하는 투광층을 더 포함할 수 있고, 상기 제1 방향으로 뻗은 복수의 패턴과 상기 제2 방향으로 뻗은 복수의 패턴은 각각 상기 투광층 내부에 위치할 수 있다.
상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 실질적으로 수직일 수 있다.
상기 생체 신호 감지 센서는 상기 발광 소자와 상기 제1 편광자 사이에 위치하는 위상 지연자(retarder)를 더 포함할 수 있다.
상기 생체 신호 감지 센서는 상기 발광 소자와 상기 광 검출 소자의 하부에 위치하는 투광층을 더 포함할 수 있고, 상기 투광층은 높은 탄성 모듈러스를 가진 복수의 제1 영역과 상기 제1 영역보다 낮은 탄성 모듈러스를 가지고 상기 인접한 제1 영역들 사이에 위치하는 제2 영역을 포함할 수 있고, 상기 발광 소자와 상기 광 검출 소자는 각각 상기 제1 영역 내에 위치할 수 있다.
상기 생체 신호 감지 센서는 피부 부착형 광용적맥파(PPG) 센서일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 생체 신호 감지 센서를 포함하는 센서 어레이를 제공한다.
상기 센서 어레이는 복수의 단위 소자를 포함할 수 있고, 상기 각 단위 소자는 하나 이상의 상기 발광 소자, 하나 이상의 상기 광 검출 소자, 하나 이상의 상기 제1 편광자 및 하나 이상의 상기 제2 편광자를 포함할 수 있다.
상기 각 단위 소자는 제1 파장 영역의 광을 방출하는 제1 발광 소자와 제1 파장 영역보다 장파장 영역인 제2 파장 영역의 광을 방출하는 제2 발광 소자를 포함할 수 있고, 상기 제1 편광자는 상기 제1 발광 소자와 중첩하게 위치하는 제3 편광자, 그리고 상기 제2 발광 소자와 중첩하게 위치하는 제4 편광자를 포함하며, 상기 제3 편광자의 편광 방향과 상기 제4 편광자의 편광 방향은 실질적으로 나란할 수 있다.
상기 제3 편광자의 편광 방향과 상기 제4 편광자의 편광 방향은 상기 제2 편광자의 편광 방향에 대하여 실질적으로 수직일 수 있다.
상기 각 단위 소자는 압력 센서를 더 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 생체 신호 감지 센서 또는 상기 센서 어레이를 포함하는 센서 시스템을 제공한다.
움직임에 의한 피부와 생체 센서 사이의 위치 변화로 인한 노이즈를 줄여 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서의 일 예를 보여주는 평면도이고,
도 2는 도 1의 생체 신호 감지 센서의 일 예를 II-II 선을 따라 자른 단면도이고,
도 3은 제1 편광자의 일 예를 보여주는 평면도이고,
도 4는 제2 편광자의 일 예를 보여주는 평면도이고,
도 5는 도 1 및 2의 생체 신호 감지 센서에서 광의 진행 경로의 일 예를 도시한 개략도이고,
도 6은 도 1의 생체 신호 감지 센서의 다른 일 예를 II-II 선을 따라 자른 단면도이고,
도 7은 도 6의 생체 신호 감지 센서의 편광 변화를 보여주는 개략도이고,
도 8은 일 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서의 또 다른 예를 보여주는 평면도이고,
도 9는 도 8의 생체 신호 감지 센서를 VII-VII 선을 따라 자른 단면도이고,
도 10은 일 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서 어레이의 일 예의 배열을 보여주는 개략도이고,
도 11은 도 10의 생체 신호 감지 센서 어레이의 일 부분을 보여주는 개략도이고,
도 12는 일 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서 어레이의 다른 예의 배열을 보여주는 개략도이고,
도 13은 도 12의 생체 신호 감지 센서 어레이의 일 부분을 보여주는 개략도이고,
도 14는 일 구현예에 따른 센서 시스템의 일 예를 도시한 개략도이고,
도 15는 실시예 4에 따른 생체 신호 감지 센서의 생체 신호의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 16은 실시예 5에 따른 생체 신호 감지 센서의 생체 신호의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 17은 실시예 4에 따른 생체 신호 감지 센서의 생체 신호의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 18은 비교예 4에 따른 생체 신호 감지 센서의 생체 신호의 변화를 보여주는 그래프이다.
이하, 구현예에 대하여 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 실제 적용되는 구조는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하 일 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서를 설명한다.
생체 신호 감지 센서는 생체 내의 생체 신호를 일시적 또는 실시간으로 감지할 수 있는 생체 센서이다. 생체 신호는 예컨대 혈류량(blood flow rate), 산소 분포도 변화 및 심전도 등일 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서의 일 예를 보여주는 평면도이고, 도 2는 도 1의 생체 신호 감지 센서의 일 예를 II-II 선을 따라 자른 단면도이다.
도 1 및 2를 참고하면, 일 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서(100)는 투광층(light-transmitting layer)(110), 발광 소자(light-emitting element)(120), 광 검출 소자(photo-detective element)(130), 그리고 편광자(polarizer)(140)를 포함한다.
투광층(110)은 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)의 하부에 위치하여 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)를 지지할 수 있다. 투광층(110)은 예컨대 지지 기판이거나 별도의 지지 기판(도시하지 않음) 위에 형성되어 있을 수 있다. 별도의 지지 기판을 포함하는 경우, 지지 기판은 연신 기판(stretchable substrate)일 수 있다.
투광층(110)은 빛을 투과시킬 수 있으며 예컨대 약 70% 이상, 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 85% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상, 약 97% 이상, 약 98% 이상 또는 약 99% 이상의 광 투과율을 가질 수 있다. 투광층(110)은 발광 소자(120)로부터 광이 방출되는 방향 및 광 검출 소자(130)로 광이 유입되는 방향에 배치될 수 있으며, 예컨대 투광층(110)은 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)보다 피부 및 감지하고자 하는 생체(예컨대 혈관)에 가깝게 배치될 수 있다.
투광층(110)은 연신 투광층(stretchable light-transmitting layer)일 수 있으며, 연신 투광층은 비틀고 누르고 잡아당기는 것과 같은 외력 또는 외부의 움직임에 유연하게 반응할 수 있고 원래 상태로 용이하게 복구될 수 있다. 투광층(110)은 탄성체(elastomer)와 같은 연신 재료(stretchable material)를 포함할 수 있고, 연신 재료는 유기 탄성체, 유무기 탄성체, 무기 탄성체형 물질(inorganic elastomer-like material) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 유기 탄성체 또는 유무기 탄성체는 예컨대 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)과 같은 치환 또는 비치환된 폴리오가노실록산, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(styrene-ethylene-butylene-styrene)과 같은 치환 또는 비치환된 부타디엔 모이어티를 포함하는 탄성체, 우레탄 모이어티를 포함하는 탄성체, 아크릴 모이어티를 포함하는 탄성체, 올레핀 모이어티를 포함하는 탄성체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 무기 탄성체형 물질은 탄성을 가진 세라믹, 고체 금속, 액체 금속 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
투광층(110)은 강성도(stiffness)가 다른 영역들을 포함할 수 있으며, 예컨대 상대적으로 높은 강성도를 가진 제1 영역(110a)과 제1 영역(110a)보다 상대적으로 낮은 강성도를 가진 제2 영역(110b)을 포함할 수 있다. 여기서 강성도는 외부로부터 힘을 받았을 때 변형에 대한 저항의 정도를 나타내는 것으로, 강성도가 상대적으로 높다는 것은 변형에 대한 저항이 상대적으로 커서 변형이 작은 것을 의미하고 강성도가 상대적으로 낮다는 것은 변형에 대한 저항이 상대적으로 작아서 변형이 큰 것을 의미한다.
강성도는 탄성 모듈러스(elastic modulus)로부터 평가할 수 있으며, 높은 탄성 모듈러스는 높은 강성도를 의미할 수 있고 낮은 탄성 모듈러스는 낮은 강성도를 의미할 수 있다. 탄성 모듈러스는 예컨대 영스 모듈러스(Young’s modulus)일 수 있다. 투광층(110)의 제1 영역(110a)과 제2 영역(110b)의 탄성 모듈러스의 차이는 약 100배 이상일 수 있으며, 제1 영역(110a)의 탄성 모듈러스는 제2 영역(110b)의 탄성 모듈러스보다 약 100배 이상 높을 수 있다. 제1 영역(110a)과 제2 영역(110b)의 탄성 모듈러스의 차이는 상기 범위 내에서 약 100배 내지 100,000배일 수 있으며, 제1 영역(110a)의 탄성 모듈러스는 제2 영역(110b)의 탄성 모듈러스보다 약 100배 내지 100,000배 높을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 제1 영역(110a)의 탄성 모듈러스는 약 107 Pa 내지 1012 Pa 일 수 있고, 제2 영역(110b)의 탄성 모듈러스는 약 102 Pa 이상 107 Pa 미만일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
투광층(110)의 제1 영역(110a)과 제2 영역(110b)은 상술한 강성도의 차이에 의해 연신율이 다를 수 있으며, 제2 영역(110b)의 연신율은 제1 영역(110a)의 연신율보다 클 수 있다. 여기서 연신율은 초기 길이에 대한 파단 시점(breaking point)까지 늘어난 길이 변화의 백분율일 수 있다. 예컨대 연신 투광층(110)의 제1 영역(110a)의 연신율은 약 5% 이하일 수 있고, 상기 범위 내에서 0 내지 5%, 0 내지 약 4%, 0 내지 약 3%, 0 내지 약 2%, 0 내지 약 1%, 약 0.5% 내지 5%, 약 0.5% 내지 4%, 약 0.5% 내지 3%, 약 0.5% 내지 2% 또는 약 1% 내지 2%일 수 있다. 예컨대 투광층(110)의 제2 영역(110b)의 연신율은 약 10% 이상일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 10% 내지 300%, 약 10% 내지 200%, 약 10% 내지 100%, 약 10% 내지 90%, 약 10% 내지 80%, 약 10% 내지 70%, 약 10% 내지 60%, 약 10% 내지 50%, 약 10% 내지 40%, 약 20% 내지 70%, 약 20% 내지 60%, 약 20% 내지 50% 또는 약 20% 내지 40%일 수 있다.
투광층(110)의 인접한 제1 영역(110a)은 서로 분리되어 있는 섬형일 수 있으며, 투광층(110)의 각 제1 영역(110a) 위에는 후술하는 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)가 배치될 수 있다.
투광층(110)의 제2 영역(110b)은 제1 영역(110a)을 제외한 나머지 영역일 수 있으며, 연속적으로 연결되어 있을 수 있다. 투광층(110)의 제2 영역(110b)은 연신성을 제공하는 영역일 수 있으며, 비교적 낮은 강성도 및 높은 연신율로 인해 비틀고 누르고 잡아당기는 것과 같은 외력 또는 외부의 움직임에 유연하게 대응할 수 있고 원래 상태로 용이하게 복구될 수 있다.
일 예로, 투광층(110)의 제1 영역(110a)과 제2 영역(110b)은 다른 형태를 가질 수 있으며, 예컨대 투광층(110)의 제1 영역(110a)은 편평하고 투광층(110)의 제2 영역(110b)은 2차원 또는 3차원 형태의 연신 구조물을 포함할 수 있다. 2차원 또는 3차원 형태의 연신 구조물은 예컨대 물결(wavy) 모양, 주름(wrinkle) 모양, 팝업(popup) 모양 또는 비평면 메쉬(non-coplanar mesh) 모양을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 투광층(110)의 제1 영역(110a)과 제2 영역(110b)은 다른 재료를 포함할 수 있으며, 예컨대 투광층(110)의 제1 영역(110a)은 비교적 높은 강성도 및 낮은 연신율을 가진 무기물, 유기물 및/또는 유무기물을 포함할 수 있고 투광층(110)의 제2 영역(110b)은 비교적 낮은 강성도 및 높은 연신율을 가진 무기물, 유기물 및/또는 유무기물을 포함할 수 있다. 예컨대 투광층(110)의 제1 영역(110a)은 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르술폰 또는 이들의 조합과 같은 유기물, 다이아몬드 탄소와 같은 탄소체 등을 포함할 수 있고, 투광층(110)의 제2 영역(110b)은 폴리디메틸실록산과 같은 치환 또는 비치환된 폴리오가노실록산, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌과 같은 치환 또는 비치환된 부타디엔 모이어티를 포함하는 탄성체, 우레탄 모이어티를 포함하는 탄성체, 아크릴 모이어티를 포함하는 탄성체, 올레핀 모이어티를 포함하는 탄성체 또는 이들의 조합과 같은 유기 또는 유무기 탄성체; 세라믹, 고체 금속, 액체 금속 또는 이들의 조합과 같은 무기 탄성체형 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 투광층(110)의 제1 영역(110a)과 제2 영역(110b)은 동일한 재료를 기반으로 형성될 수 있고 중합도 및/또는 경화도와 같은 조건을 다르게 하여 강성도를 다르게 형성할 수 있다. 예컨대, 투광층(110)은 폴리디메틸실록산을 기반으로 하여 중합도, 경화제의 종류 및 함량 및/또는 경화 온도 등을 다르게 하여 상대적으로 강성도가 높은 제1 영역(110a)과 상대적으로 강성도가 낮은 제2 영역(110b)을 형성할 수 있다.
이와 같이 투광층(110)은 상대적으로 강성도가 높고 연신율이 낮은 제1 영역(110a)과 상대적으로 강성도가 낮고 연신율이 높은 제2 영역(110b)을 포함하고 후술하는 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)를 제1 영역(110a)에 배치함으로써, 투광층(110)에 큰 외력 또는 움직임이 적용된 경우에도 제1 영역(110a) 내에 배치된 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)는 상대적으로 적은 스트레인(strain)을 받음으로써 과도한 스트레인에 의해 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)가 손상되거나 파괴되는 것을 방지할 수 있다.
투광층(110) 위에는 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)가 배치되어 있다. 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)는 소정 간격을 두고 나란히 배치되어 있다.
발광 소자(120)는 소정 파장 영역의 광을 방출할 수 있으며, 예컨대 무기 발광 다이오드, 유기 발광 다이오드, 유무기 발광 다이오드 또는 마이크로 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 발광 소자(120)는 예컨대 한 쌍의 전극과 한 쌍의 전극 사이에 위치하는 발광층을 포함할 수 있다. 일 예로, 한 쌍의 전극 중 하나는 투광 전극이고 다른 하나는 반사 전극일 수 있으며, 예컨대 투광층(110)에 가깝게 위치하는 전극이 투광 전극일 수 있다. 일 예로, 한 쌍의 전극은 연신 전극(stretchable electrode)일 수 있고, 연신 전극은 예컨대 연신성 도전체를 포함하거나 물결 모양, 주름 모양, 팝업 모양 또는 비평면 메쉬 모양과 같은 연신 가능한 모양을 가질 수 있다. 일 예로, 발광층은 유기 발광 물질, 양자점 및/또는 페로브스카이트와 같은 발광체를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 발광층은 가시광선 파장 영역 및/또는 적외선 파장 영역의 광 중 적어도 일부를 방출할 수 있으며, 예컨대 청색 파장 영역, 녹색 파장 영역, 적색 파장 영역 및 적외선 파장 영역 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 방출할 수 있으며, 예컨대 녹색 파장 영역, 적색 파장 영역 및 적외선 파장 영역 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 방출할 수 있고, 예컨대 녹색 파장 영역의 광을 방출할 수 있다. 한 쌍의 전극은 연신 전극일 수 있고, 발광층은 연신 발광층(stretchable light emitting layer)일 수 있고, 이에 따라 발광 소자(120)는 예컨대 연신 소자일 수 있다.
광 검출 소자(130)는 소정 파장 영역의 광을 흡수할 수 있으며, 예컨대 무기 광 다이오드 또는 유기 광전 변환 소자를 포함할 수 있다. 광 검출 소자(130)는 예컨대 한 쌍의 전극과 전극 사이에 위치하는 광전변환층을 포함할 수 있다. 일 예로, 한 쌍의 전극 중 하나는 투광 전극이고 다른 하나는 반사 전극일 수 있으며, 예컨대 투광층(110)에 가깝게 위치하는 전극이 투광 전극일 수 있다. 일 예로, 한 쌍의 전극은 연신 전극일 수 있고, 연신 전극은 예컨대 연신성 도전체를 포함하거나 물결 모양, 주름 모양, 팝업 모양 또는 비평면 메쉬 모양과 같은 연신 가능한 모양을 가질 수 있다. 일 예로, 광전변환층은 예컨대 무기 반도체, 유기 반도체 및/또는 유무기 반도체를 포함할 수 있고, 예컨대 pn접합을 형성하는 p형 반도체와 n형 반도체를 포함할 수 있다. 일 예로, 광전변환층은 연신 광전변환층(stretchable photoelectric conversion layer)일 수 있다. 광 검출 소자(130)는 예컨대 연신 소자일 수 있다.
발광 소자(120)로부터 방출된 광은 투광층(110)을 통과하여 혈관과 같은 생체의 타겟 부분(이하 '타겟'이라 한다)에서 산란 반사되고 산란 반사된 광은 다시 투광층(110)을 통과하여 광 검출 소자(130)에서 흡수되어 생체 신호를 얻을 수 있다.
편광자(140)는 제1 편광자(140a)와 제2 편광자(140b)를 포함한다.
제1 편광자(140a)는 발광 소자(120)로부터 방출된 광이 통과하는 위치에 배치되어 있으며, 예컨대 투광층(110)의 두께 방향으로 발광 소자(120)와 적어도 일부 중첩하게 위치할 수 있다. 예컨대 제1 편광자(140a)는 투광층(110) 내부에 매립되어 있을 수 있다. 예컨대 제1 편광자(140a)는 발광 소자(120)의 일측에 부착되어 있을 수 있다. 예컨대 제1 편광자(140a)는 투광층(110)의 일면에서 발광 소자(120)와 중첩하게 위치할 수 있다. 제1 편광자(140a)는 발광 소자(120)로부터 방출된 광을 선편광시킬 수 있다.
제2 편광자(140b)는 광 검출 소자(130)에 유입되는 광이 통과하는 위치에 배치되어 있으며, 예컨대 투광층(110)의 두께 방향으로 광 검출 소자(130)와 적어도 일부 중첩하게 위치할 수 있다. 예컨대 제2 편광자(140b)는 투광층(110) 내부에 매립되어 있을 수 있다. 예컨대 제2 편광자(140b)는 광 검출 소자(130)의 일측에 부착되어 있을 수 있다. 예컨대 제2 편광자(140b)는 투광층(110)의 일면에서 광 검출 소자(130)와 중첩하게 위치할 수 있다. 제2 편광자(140b)는 광 검출 소자(130)로 유입되는 광을 미리 선편광시킬 수 있다.
제2 편광자(140b)의 편광 방향은 제1 편광자(140a)의 편광 방향과 다를 수 있으며, 이에 따라 제2 편광자(140b)는 제1 편광자(140a)를 통과한 선편광된 광과 나란한 방향의 광을 선택적으로 차단하고 제1 편광자(140a)를 통과한 선편광된 광과 다른 방향의 광을 선택적으로 투과할 수 있다.
일 예로, 제2 편광자(140b)의 편광 방향과 제1 편광자(140a)의 편광 방향 사이의 각도는 예컨대 약 30도 이상, 약 35도 이상, 약 40도 이상, 약 50도 이상, 약 55도 이상 또는 약 60도 이상일 수 있으며, 예컨대 약 90도 이하, 약 85도 이하 또는 약 80도 이하일 수 있고, 예컨대 약 30도 내지 90도, 약 40도 내지 90도, 약 50도 내지 90도, 약 55도 내지 90도 또는 약 60도 내지 90도일 수 있다. 일 예로, 제2 편광자(140b)의 편광 방향은 제1 편광자(140a)의 편광 방향에 대하여 실질적으로 수직일 수 있다.
도 3은 제1 편광자(140a)의 일 예를 보여주는 평면도이고, 도 4는 제2 편광자(140b)의 일 예를 보여주는 평면도이다.
도 3 및 4를 참고하면, 제1 편광자(140a)와 제2 편광자(140b)는 투광층(110)에 매립되어 있을 수 있으며, 각각 소정의 간격을 두고 일 방향으로 나란히 뻗은 복수의 패턴들(P1, P2)을 포함할 수 있다. 예컨대 제1 편광자(140a)는 소정의 간격을 두고 제1 방향(예컨대 Y방향)으로 나란히 뻗은 복수의 패턴(P1)을 포함하고 제2 편광자(140b)는 소정의 간격을 두고 제1 방향과 다른 제2 방향(예컨대 X방향)으로 나란히 뻗은 복수의 패턴(P2)을 포함한다. 제1 방향은 제1 편광자(140a)의 편광 방향과 나란한 방향이고 제2 방향은 제2 편광자(140b)의 편광 방향과 나란한 방향일 수 있다. 제1 방향과 제2 방향 사이의 각도는 예컨대 약 30도 이상, 약 35도 이상, 약 40도 이상, 약 50도 이상, 약 55도 이상 또는 약 60도 이상일 수 있으며, 예컨대 약 90도 이하, 약 85도 이하 또는 약 80도 이하일 수 있고, 예컨대 약 30도 내지 90도, 약 40도 내지 90도, 약 50도 내지 90도, 약 55도 내지 90도 또는 약 60도 내지 90도일 수 있다. 일 예로, 제1 방향과 제2 방향은 실질적으로 수직일 수 있다.
복수의 패턴들(P1, P2)은 금속, 이색성 염료, 고분자 또는 이들의 조합으로 만들어진 그리드 편광자(grid polarizer)일 수 있다. 각 패턴(P1, P2)의 폭은 예컨대 약 10nm 내지 500nm 일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 20nm 내지 400nm, 약 30nm 내지 300nm, 약 30nm 내지 200nm 또는 약 30nm 내지 100nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 인접한 패턴들(P1, P2) 사이의 간격은 예컨대 약 10nm 내지 500nm 일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 20nm 내지 400nm, 약 30nm 내지 300nm, 약 30nm 내지 200nm 또는 약 30nm 내지 100nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5는 도 1 및 2의 생체 신호 감지 센서에서 광의 진행 경로의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 5는 참고하면, 발광 소자(120)는 비편광된 광(unpolarized light)(L1)을 방출할 수 있으며, 비편광된 광(L1)이 제1 편광자(140a)를 통과하면 두 개의 편광 직교 성분 중 하나의 편광 직교 성분, 즉 제1 편광자(140a)의 편광 방향에 나란한 편광 성분만이 투과되고 다른 하나의 편광 직교 성분을 포함한 나머지 광은 차단될 수 있다. 따라서 제1 편광자(140a)를 통과한 광은 제1 편광자(140a)의 편광 방향과 나란한 방향(예컨대 Y방향)으로 선편광된 광일 수 있다.
선편광된 광의 대부분(L2)은 혈관과 같은 생체의 타겟(A2)에 도달하여 산란 반사될 수 있다. 이때 산란 반사된 광(L3)은 산란에 의해 선편광된 광(L2)의 편광성을 상실하였으므로 모든 방향의 편광 성분을 가진 실질적으로 비편광된 광일 수 있다. 더구나, 피부 표면으로부터 깊은 깊이에 위치하는 혈관과 같은 타겟에 의해 산란 반사된 광은 피부 표면으로부터 얕은 깊이에 위치하는 피부 조직에 의해 산란 반사된 광보다 더 많이 산란될 수 있으므로 제1 편광자(140a)에서 편광된 편광 정보를 더욱 많이 잃게 되고 이에 따라 혈관과 같은 타겟에 의해 산란 반사된 광은 제1 편광자(140a)의 편광 방향과 다른 방향의 편광 성분을 더 많이 포함할 수 있다.
이와 같이 산란 반사된 비편광된 광은 제2 편광자(140b)를 통과하면서 제2 편광자(140b)의 편광 방향과 나란한 방향(예컨대 X방향)으로 선편광된 광(L4)으로 바뀌어 광 검출 소자(130)에 유입될 수 있다. 전술한 바와 같이 제2 편광자(140b)의 편광 방향은 제1 편광자(140a)의 편광 방향과 다르므로 광 검출 소자(130)에 유입되는 선편광된 광(L4)은 제1 편광자(140a)의 편광 방향과 나란한 방향(예컨대 Y방향)의 광을 배제할 수 있고 주로 혈관과 같은 타겟(A2)에 의해 산란 반사된 광을 포함할 수 있다. 따라서 산란 반사된 광의 노이즈 대비 신호의 비율(signal to noise, STN)을 높일 수 있다.
한편, 제1 편광자(140a)를 통과한 선편광된 광의 일부(L2')는 혈관과 같은 타겟(A2)에 도달하지 못하고 투광층(110) 내에서 소실되거나 피부(A1)에서 제2 편광자(140b) 측으로 직접 반사될 수 있으나, 전술한 바와 같이 제2 편광자(140b)의 편광 방향은 제1 편광자(140a)의 편광 방향과 다르므로 선편광된 광의 일부(L2')는 제2 편광자(140b)를 통과하지 못하고 차단될 수 있다. 따라서 제2 편광자(140b)는 혈관과 같은 생체 타겟에 도달하지 못하여 생체 정보를 가지지 않은 광을 효과적으로 차단할 수 있으며 이에 따라 광 검출 소자(130)에서 얻어지는 신호 중 생체 정보를 가지지 않은 노이즈를 효과적으로 줄일 수 있다.
생체 신호 감지 센서(100)를 피부에 부착하여 사용하거나 의료기기형 센서 또는 손목시계형 센서와 같이 피부에 가깝게 배치하여 사용시, 피부의 움직임에 의한 피부와 센서 사이의 위치 및/또는 각도의 변화로 인한 신호의 혼선이 발생될 수 있다. 여기서 피부와 센서 사이의 위치 및/또는 각도의 변화는 예컨대 피부의 움직임에 의한 뒤틀림, 잡아당김 및/또는 눌림 등에 의해 발생될 수 있다. 이러한 피부와 센서 사이의 위치 및/또는 각도의 변화에 의한 신호 혼선에 의해 생체 정보의 정확성이 떨어질 수 있다.
구체적으로, 전술한 바와 같이 피부에 입사된 광의 일부는 피부에서 산란 반사될 수 있고 피부에 입사된 광의 일부는 혈관에서 산란 반사될 수 있다. 피부에서 산란 반사된 광의 광량은 시간에 따라 대체적으로 일정한 반면 혈관에서 산란 반사된 광의 광량은 혈액의 수축/이완에 따른 혈류량과 같은 생체 신호의 변화에 의해 시간에 따라 주기적 또는 비주기적으로 변할 수 있다. 산란 반사된 광으로부터 얻어진 신호는 피부에서 산란 반사된 DC 성분과 혈류량과 같은 생체 신호의 변화를 보여주는 AC 성분을 포함할 수 있는데, 만일 피부의 움직임이 없다면 피부에서 산란 반사된 광의 일정한 DC 성분과 생체 신호의 변화를 보여주는 AC 성분이 명확히 구분되어 신호의 혼선이 없는 반면, 피부의 뒤틀림, 잡아당김 및/또는 눌림과 같은 움직임이 있는 경우 발광 소자(120) 및/또는 광 검출 소자(130)의 위치 및 각도가 변할 수 있으므로 피부에서 산란 반사되는 광의 DC 성분의 변화 폭이 커질 수 있고 이러한 불안정한 DC 성분이 혈류량과 같은 생체 신호의 변화를 보여주는 AC 성분으로 오인되어 노이즈로 작용함으로써 얻어진 생체 정보의 정확성이 떨어질 수 있다.
본 구현예에서는 전술한 바와 같이 발광 소자(120)에서 방출되는 광 중 소정의 편광 성분만을 선택적으로 피부에 입사시키고 광 검출 소자(130)에서 상기 소정의 편광 성분과 다른 편광 성분을 선택적으로 투과시킴으로써 피부의 뒤틀림, 잡아당김 및/또는 눌림과 같은 움직임에 의해 발생되는 피부 산란 변화에 의한 불안정한 DC 성분이 광 검출 소자(130)로 유입되는 것을 줄이거나 방지하여 노이즈를 줄일 수 있다. 이에 따라 피부와 센서 사이의 위치 및/또는 각도의 변화로 인한 노이즈를 줄이고 혈관과 같은 타겟에서 산란 반사된 광의 신호를 효과적으로 늘림으로써 생체 신호 감지 센서(100)의 효율을 높이고 생체 정보의 정확성을 높일 수 있다.
이하 일 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서의 다른 예를 설명한다.
도 6은 도 1의 생체 신호 감지 센서의 다른 일 예를 II-II 선을 따라 자른 단면도이고, 도 7은 도 6의 생체 신호 감지 센서의 편광 변화를 보여주는 개략도이다.
도 6을 참고하면, 본 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서(100)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 투광층(110); 발광 소자(120); 광 검출 소자(130); 및 제1 편광자(140a)과 제2 편광자(140b)를 포함하는 편광자(140)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서(100)는 전술한 구현예와 달리 위상 지연자(retarder)(150)를 더 포함한다. 위상 지연자(150)는 발광 소자(120)로부터 방출된 광이 통과하는 위치에 배치될 수 있다. 예컨대 위상 지연자(150)는 발광 소자(120)의 일측에 부착되어 있을 수 있다. 예컨대 위상 지연자(150)는 투광층(110) 내부에서 발광 소자(120)와 적어도 일부 중첩하게 위치할 수 있다. 예컨대 위상 지연자(150)는 발광 소자(120)와 제1 편광자(140a) 사이에 위치할 수 있다. 위상 지연자(150)는 예컨대 λ/4 위상 지연자일 수 있다.
도 7을 참고하면, 위상 지연자(150)는 제1 편광자(140a)를 투과하지 못하고 반사된 광의 편광 방향을 바꾸고(예컨대 left-handed 원편광) 발광 소자(120)에 의해 반사된 광의 편광 방향을 다시 바꾸어 제1 편광자(140a)의 편광 방향과 나란한 방향의 선편광된 광(L2)으로 변환할 수 있고 선편광된 광(L2)은 제1 편광자(140a)를 투과할 수 있다. 이에 따라 발광 소자(120)로부터 방출된 광(L1) 중 제1 편광자(140a)를 투과하는 선편광된 광(L2)의 광량을 늘림으로써 광 변환 효율을 높일 수 있다. 일 예로, 발광 소자(120)로부터 방출된 광(L1)에 대한 선편광된 광(L2)의 비율은 예컨대 약 60% 이상, 약 65% 이상, 약 70% 이상 또는 약 75% 이상일 수 있다.
이하 일 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서의 또 다른 예를 설명한다.
도 8은 일 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서의 또 다른 예를 보여주는 평면도이고, 도 9는 도 8의 생체 신호 감지 센서를 VII-VII 선을 따라 자른 단면도이다.
도 8 및 9를 참고하면, 본 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서(100)는 전술한 구현예와 마찬가지로 투광층(110); 발광 소자(120); 광 검출 소자(130); 제1 편광자(140a)과 제2 편광자(140b)를 포함하는 편광자(140); 및 선택적으로 위상 지연자(150)를 포함한다. 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
그러나 본 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서(100)는 전술한 구현예와 달리 복수의 발광 소자(120)를 포함한다. 발광 소자(120)는 서로 다른 파장 영역의 광을 방출하는 제1 발광 소자(120-1)과 제2 발광 소자(120-2)를 포함한다. 제1 발광 소자(120-1)와 제2 발광 소자(120-2)는 서로 다른 흡수 및/또는 반사 특성을 가진 대상물을 감지하기 위하여 사용될 수 있다. 예컨대 제1 발광 소자(120-1)는 제1 파장 영역의 광을 방출하고 제2 발광 소자(120-1)는 제1 파장 영역보다 장파장 영역인 제2 파장 영역의 광을 방출할 수 있다. 예컨대 제1 발광 소자(120-1)는 녹색 파장 영역의 광을 방출하는 녹색 발광 소자일 수 있고 제2 발광 소자(120-1)는 적색 파장 영역의 광을 방출하는 적색 발광 소자 또는 적외선 파장 영역의 광을 방출하는 적외선 발광 소자일 수 있다. 녹색 발광 소자와 적색/적외선 발광 소자는 예컨대 혈관 속의 옥시헤모글로빈(oxyhemoglobin, HbO2)와 헤모글로빈(hemoglobin, Hb)의 흡수 및/또는 반사특성을 위해 사용될 수 있다.
전술한 생체 신호 감지 센서(100)는 행 및/또는 열을 따라 배열된 어레이 형태로 적용될 수 있다.
도 10은 일 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서 어레이의 일 예의 배열을 보여주는 개략도이고, 도 11은 도 10의 생체 신호 감지 센서 어레이의 일 부분을 보여주는 개략도이다.
도 10을 참고하면, 생체 신호 감지 센서 어레이(500)는 복수의 단위 소자(510)가 행 및/또는 열을 따라 반복적으로 배열된 매트릭스 배열을 가질 수 있다. 단위 소자(510)의 배열은 예컨대 바이어 매트릭스(Bayer matrix), 펜타일 매트릭스(PenTile matrix) 및/또는 다이아몬드 매트릭스(diamond matrix) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도면에서는 모든 단위 소자(510)가 동일한 크기를 가지는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 하나 이상의 단위 소자(510)는 다른 단위 소자(510)보다 크거나 작을 수 있다. 도면에서는 모든 단위 소자(510)가 동일한 모양을 가지는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 하나 이상의 단위 소자(510)는 다른 단위 소자(510)와 다른 모양을 가질 수 있다.
각 단위 소자(510)는 전술한 투광층(110) 위에 배열되어 있을 수 있으며 발광 소자(120) 및 광 검출 소자(130)를 포함하고, 도시되지 않았지만 발광 소자(120)와 중첩하게 위치하는 전술한 제1 편광자(140a), 광 검출 소자(130)와 중첩하게 위치하는 전술한 제2 편광자(140b) 및 선택적으로 발광 소자(120)와 제1 편광자(140a) 사이에 위치하는 위상 지연자(150)를 포함한다. 비록 도 10 및 11에서는 예시적으로 각 단위 소자(510)가 1개의 제1 발광 소자(120-1), 1개의 제2 발광 소자(120-2) 및 2개의 광 검출 소자(130)를 포함하는 것으로 도시하였지만, 이에 한정되지 않고 1개 이상의 제1 및 제2 발광 소자(120-1, 120-2)와 1개 이상의 광 검출 소자(130)를 포함할 수 있다. 제1 발광 소자(120-1)와 제2 발광 소자(120-2) 중 하나는 생략될 수 있다.
각 단위 소자(510)에 포함된 발광 소자(120) 및 광 검출 소자(130)는 수 내지 수백 마이크로미터 수준의 크기(dimension)를 가질 수 있다. 예컨대 각 단위 소자(510)에 포함된 발광 소자(120) 및 광 검출 소자(130)는 각각 독립적으로 약 1㎛ 이상 1000㎛ 미만의 폭(width), 길이(length) 및 두께(thickness)를 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 10㎛ 내지 800㎛, 약 10㎛ 내지 700㎛, 약 10㎛ 내지 600㎛ 또는 약 10㎛ 내지 500㎛의 폭, 길이 및 두께를 가질 수 있다.
이러한 생체 신호 감지 센서 어레이(500)는 행 및/또는 열을 따라 배열된 복수의 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)를 포함함으로써 생체 신호를 보다 용이하게 감지할 수 있다.
도 12는 일 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서 어레이의 다른 예의 배열을 보여주는 개략도이고, 도 13은 도 12의 생체 신호 감지 센서 어레이의 일 부분을 보여주는 개략도이다.
본 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서 어레이(500)는 전술한 구현예와 마찬가지로 복수의 단위 소자(510)가 행 및/또는 열을 따라 반복적으로 배열된 매트릭스 배열을 가지고 각 단위 단위(510)는 발광 소자(120)와 광 검출 소자(130)를 포함하고, 도시되지 않았지만 전술한 제1 편광자(140a)와 제2 편광자(140b)를 포함하는 편광자(140) 및 선택적으로 위상 지연자(150)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서 어레이(500)는 전술한 구현예와 달리 각 단위 소자(510)에 압력 센서(300)를 더 포함한다. 즉, 각 단위 소자(510)는 발광 소자(120), 광 검출 소자(130) 및 압력 센서(300)를 포함한다. 비록 도 12 및 13에서는 예시적으로 각 단위 소자(510)가 1개의 제1 발광 소자(120-1), 1개의 제2 발광 소자(120-2), 1개의 광 검출 소자(130) 및 1개의 압력 센서(300)를 포함하는 것으로 도시하였지만, 이에 한정되지 않고 각 단위 소자(510)는 1개 이상의 제1 및 제2 발광 소자(120-1, 120-2), 1개 이상의 광 검출 소자(130) 및 1개 이상의 압력 센서(300)를 포함할 수 있다. 제1 발광 소자(120-1)와 제2 발광 소자(120-2) 중 하나는 생략될 수 있다.
압력 센서(300)는 압력의 변화를 감지할 수 있는 센서이다. 이에 따라 생체 신호 감지 센서 어레이(500)에 배열된 복수의 압력 센서(300) 중 압력이 감지되는 압력 센서(300)로부터 압력 발생 위치를 특정할 수 있고 이에 따라 해당 단위 소자(510)만 선택적으로 동작시켜 혈관과 같은 타겟의 특정 위치에서 생체 신호를 효과적으로 센싱할 수 있다.
일 예로, 본 구현예에 따른 생체 신호 감지 센서 어레이(500)의 동작 방법은 예컨대 생체 신호 감지 센서 어레이(500)의 복수의 단위 소자(510) 중 압력이 감지되는 압력 센서(300)의 위치를 특정하는 단계, 그리고 압력이 감지되는 압력 센서(300)가 속한 단위 소자(510)를 선택적으로 구동하는 단계를 포함할 수 있다. 압력이 감지되는 압력 센서(300)가 속한 단위 소자(510)를 선택적으로 구동하는 단계는 예컨대 압력이 감지되는 압력 센서(300)가 속한 단위 소자(510)의 발광 소자(120)에서 광을 조사하는 단계, 그리고 조사된 광이 예컨대 혈관과 같은 타겟에 의해 반사된 반사 광을 광 검출 소자(130)에서 수신하여 전기적 신호로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 생체 신호 감지 센서(100) 또는 생체 신호 감지 센서 어레이(500)는 생체 신호 정보를 파악하기 위한 다양한 센서 시스템에 적용될 수 있으며, 생체 신호를 일시적 또는 실시간으로 얻는데 사용될 수 있다. 생체 신호 감지 센서(100)는 예컨대 웨어러블 생체 장치(wearable bioelectronic) 또는 피부에 직접 부착하는 피부 부착형 장치(skin attachable device)에 적용되어 혈류량과 같은 생체 신호를 일시적 또는 실시간으로 얻는데 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 센서 시스템은 예컨대 패치 타입의 생체 신호 감지 센서 시스템 또는 밴드 타입의 생체 신호 감지 센서 시스템일 수 있다.
도 14는 일 구현예에 따른 센서 시스템의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 14를 참고하면, 일 구현예에 따른 센서 시스템(1000)은 패치 또는 밴드 형태의 생체 신호 감지 센서 시스템일 수 있으며, 전술한 생체 신호 감지 센서(100) 또는 생체 신호 감지 센서 어레이(500); 생체 신호 감지 센서(100) 또는 생체 신호 감지 센서 어레이(500)로부터 얻어진 생체 신호를 처리하기 위한 IC 및/또는 프로세서(600) 및 얻어진 생체 신호를 다양한 문자 및/또는 화상으로 표시할 수 있는 표시 영역(700)을 포함할 수 있다.
일 예로, 장치는 광혈류 측정(photoplethysmography, PPG) 센서 장치, 뇌영상 위한 기능적 근적외선분광법(functional near infrared spectroscopy, fNIRS) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 　다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
광학 시뮬레이션
생체 신호 감지 센서의 피부 움직임에 따른 노이즈 변화를 평가한다.
노이즈 변화의 평가는 LightTools 소프트웨어를 사용하여 수행되고, 도 1 및 2에 도시된 생체 신호 감지 센서에서 발광 소자로부터 광이 방출되고 생체(피부, 혈관 등)에서 산란 반사된 광이 광 검출 소자에서 검출될 때 편광자 유무에 따라 피부의 움직임에 의한 노이즈 변화를 평가한다.
생체 신호 감지 센서의 구조는 다음과 같이 설정한다.
- 생체 신호 감지 센서: 광용적맥파(PPG) 센서
- 발광 소자의 발광 스펙트럼: 550nm 내지 650nm (λmax= 600 nm)
- 광 검출 소자의 내부양자효율은 100%라고 가정.
- 발광 소자와 광 검출 소자의 간격: 0 내지 1mm
- 투광층: 연신 투광층
- 투광층의 두께: 0.05mm
- 피부 구성: 피부(skin) 두께 1.5mm, 혈관(blood vessel) 두께 1mm, 지방(fat) 두께 2mm, 근육(muscle) 두께 30mm
- 제1 편광자의 편광 방향과 제2 편광자의 편광 방향은 수직(90도)
(1) 피부-광 검출 소자의 각도 변화에 따른 노이즈 변화
피부의 움직임(뒤틀림)에 의해 광 검출 소자가 투광층의 면 방향에 대하여 ±10도 기울어진 경우에 편광자 유무에 따른 노이즈 변화를 평가한다
그 결과는 표 1과 같다.
신호 대비 움직임 노이즈 (신호: 1)
실시예 1 (편광자 유) 2.5
비교예 1 (편광자 무) 4.8
(2) 발광 소자와 광 검출 소자 사이의 간격 변화에 따른 노이즈 변화
피부의 움직임(잡아당김)에 의해 투광층의 면 방향으로 약 ±20% 연신된 경우에 편광자 유무에 따른 노이즈 변화를 평가한다.
그 결과는 표 2와 같다.
신호 대비 움직임 노이즈 (신호: 1)
실시예 2 (편광자 유) 4.1
비교예 2 (편광자 무) 5.0
(3) 투광층의 두께 불균일에 따른 노이즈 변화
피부의 움직임(눌림)에 의해 연신 투광층의 두께가 변하는 경우(두께가 불균일한 경우, 평균 두께 대비 ±0.15nm)에 편광자 유무에 따른 노이즈 변화를 평가한다.
그 결과는 표 3과 같다.
신호 대비 움직임 노이즈 (신호: 1)
실시예 3 (편광자 유) 0.75
비교예 3 (편광자 무) 1.5
표 1 내지 3을 참고하면, 편광자를 포함하는 생체 신호 감지 센서는 편광자를 포함하지 않은 생체 신호 감지 센서와 비교하여 피부의 움직임에 따른 노이즈를 크게 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.
실시예 I
실시예 4
녹색 발광 소자(BioMon Sensor, 모델명: SFH7060, OSRAM사), 적색 발광 소자(BioMon Sensor, 모델명: SFH7060, OSRAM사) 및 광 검출 소자(BioMon Sensor, 모델명: SFH7060, OSRAM사) 각각에 편광 필름(Dichroic film polarizer for visible light, Thorlabs, Inc)을 부착하고, SEBS 기판 위에 녹색 발광 소자, 적색 발광 소자 및 광 검출 소자를 4mm 간격으로 배치하여 생체 신호 감지 센서를 제조한다. 이때 녹색 발광 소자에 부착된 편광 필름의 편광 방향과 광 검출 소자에 부착된 편광 필름의 편광 방향이 수직이 되도록 배치하고, 적색 발광 소자에 부착된 편광 필름의 편광 방향과 광 검출 소자에 부착된 편광 필름의 편광 방향이 평행이 되도록 배치한다.
실시예 5
녹색 발광 소자에 부착된 편광 필름의 편광 방향과 광 검출 소자에 부착된 편광 필름의 편광 방향이 평행이 되도록 배치하고 적색 발광 소자에 부착된 편광 필름의 편광 방향과 광 검출 소자에 부착된 편광 필름의 편광 방향이 수직이 되도록 배치한 것을 제외하고 실시예 4와 동일한 방법으로 생체 신호 감지 센서를 제조한다.
평가 I
실시예 4, 5에 따른 생체 신호 감지 센서의 성능을 평가한다.
생체 신호 감지 센서의 성능은 손목의 요골동맥 부근에 생체 신호 감지 센서를 부착하고 움직임에 따른 신호(PPG 신호)의 변화로부터 평가한다.
그 결과는 도 15 및 16과 같다.
도 15는 실시예 4에 따른 생체 신호 감지 센서의 생체 신호의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 16은 실시예 5에 따른 생체 신호 감지 센서의 생체 신호의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 15를 참고하면, 실시예 4에 따른 생체 신호 감지 센서에서 녹색 파장 영역의 광의 신호는 움직임에 의한 영향을 상대적으로 적게 받는 반면 적색 파장 영역의 광의 신호는 움직임에 의한 영향을 상대적으로 크게 받는 것을 확인할 수 있다.
도 16을 참고하면, 실시예 5에 따른 생체 신호 감지 센서에서 적색 파장 영역의 광의 신호는 움직임에 의한 영향을 상대적으로 적게 받는 반면 녹색 파장 영역의 광의 신호는 움직임에 의한 영향을 상대적으로 크게 받는 것을 확인할 수 있다.
이로부터 발광 소자에 부착된 편광 필름의 편광 방향과 광 검출 소자에 부착된 편광 필름의 편광 방향이 평행일 때 움직임에 의한 노이즈가 상대적으로 높은 반면, 발광 소자에 부착된 편광 필름의 편광 방향과 광 검출 소자에 부착된 편광 필름의 편광 방향이 수직일 때 움직임에 의한 노이즈를 줄일 수 있는 것을 확인할 수 있다.
실시예 II
실시예 6
SEBS 기판 위에 적색 발광 소자(면적: 0.5x0.5㎟)와 광 검출 소자(면적: 0.5x0.5㎟)을 0.8㎜ 간격으로 배치하고, SEBS 기판의 아래에 적색 발광 소자와 광 검출 소자에 대응하는 위치에 각각 편광 필름(Dichroic film polarizer for visible light, Thorlabs, Inc)(각 면적: 0.5x0.5㎟)을 부착하여 생체 신호 감지 센서를 제조한다. 적색 발광 소자는 하부전극(IZO)/정공보조층/유기 발광층/전자보조층/상부전극(Al)을 차례로 적층하여 형성하고, 광 검출 소자는 하부전극(IZO)/정공보조층/흡광층(SubNc/C60)/전자보조층/상부전극(Al)을 적층하여 형성한다. 적색 발광 소자에 부착된 편광 필름의 편광 방향과 광 검출 소자에 부착된 편광 필름의 편광 방향은 수직이 되도록 배치한다.
비교예 4
편광 필름을 포함하지 않은 것을 제외하고 실시예 6과 동일한 방법으로 생체 신호 감지 센서를 제조한다.
평가 II
실시예 6과 비교예 4에 따른 생체 신호 감지 센서의 성능을 평가한다.
생체 신호 감지 센서의 성능은 손가락 또는 손목에 생체 신호 감지 센서를 부착하고 운동(excise)할 때와 휴식(rest)할 때의 신호(PPG 신호)의 변화로부터 평가한다.
그 결과는 도 17 내지 및 18과 같다.
도 17은 실시예 6에 따른 생체 신호 감지 센서의 생체 신호의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 18은 비교예 4에 따른 생체 신호 감지 센서의 생체 신호의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 17 및 18을 참고하면, 생체 신호 감지 센서에서 편광자 유무에 따라 움직임에 의한 영향이 다른 것을 확인할 수 있고, 구체적으로 편광자를 포함한 생체 신호 감지 센서가 편광자를 포함하지 않은 생체 신호 감지 센서보다 운동(exercise)할 때 발생하는 노이즈가 상대적으로 적은 것을 확인할 수 있다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리범위에 속하는 것이다.
100: 생체 신호 감지 센서
110: 투광층
110a: 연신 투광층의 제1 영역
110b: 투광층의 제2 영역
120, 120-1, 120-2: 발광 소자
130: 광 검출 소자
140, 140a, 140b: 편광자
150: 위상 지연자
300: 압력 센서
500: 생체 신호 감지 센서 어레이
510: 단위 소자
600: IC/프로세서
700: 표시 영역
1000: 센서 시스템

Claims (20)

  1. 발광 소자,
    광 검출 소자,
    상기 발광 소자로부터 방출된 광을 선편광시키는 제1 편광자, 그리고
    상기 광 검출 소자로 유입되는 광을 선편광시키는 제2 편광자
    를 포함하는 생체 신호 감지 센서.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 편광자는 상기 발광 소자와 중첩하게 위치하고,
    상기 제2 편광자는 상기 광 검출 소자와 중첩하게 위치하는
    생체 신호 감지 센서.
  3. 제1항에서,
    상기 발광 소자와 상기 광 검출 소자의 하부에 위치하는 투광층을 더 포함하고,
    상기 제1 편광자와 상기 제2 편광자는 각각 상기 투광층 내부에 위치하는 생체 신호 감지 센서.
  4. 제1항에서,
    상기 제2 편광자의 편광 방향은 상기 제1 편광자의 편광 방향과 다른 생체 신호 감지 센서.
  5. 제1항에서,
    상기 제2 편광자의 편광 방향과 상기 제1 편광자의 편광 방향 사이의 각도는 30도 내지 90도인 생체 신호 감지 센서.
  6. 제1항에서,
    상기 제2 편광자의 편광 방향은 상기 제1 편광자의 편광 방향에 대하여 실질적으로 수직인 생체 신호 감지 센서.
  7. 제1항에서,
    상기 제2 편광자는 상기 제1 편광자를 통과한 선편광된 광과 나란한 방향의 광을 선택적으로 차단하고 상기 제1 편광자를 통과한 선편광된 광과 다른 방향의 광을 선택적으로 투과하는 생체 신호 감지 센서.
  8. 제1항에서,
    상기 제1 편광자는 제1 방향으로 뻗은 복수의 패턴을 포함하고,
    상기 제2 편광자는 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 뻗은 복수의 패턴을 포함하는 생체 신호 감지 센서.
  9. 제8항에서,
    상기 발광 소자와 상기 광 검출 소자의 하부에 위치하는 투광층을 더 포함하고,
    상기 제1 방향으로 뻗은 복수의 패턴과 상기 제2 방향으로 뻗은 복수의 패턴은 각각 상기 투광층 내부에 위치하는 생체 신호 감지 센서.
  10. 제8항에서,
    상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 실질적으로 수직인 생체 신호 감지 센서.
  11. 제1항에서,
    상기 발광 소자와 상기 제1 편광자 사이에 위치하는 위상 지연자(retarder)를 더 포함하는 생체 신호 감지 센서.
  12. 제1항에서,
    상기 발광 소자와 상기 광 검출 소자의 하부에 위치하는 투광층을 더 포함하고,
    상기 투광층은 높은 탄성 모듈러스를 가진 복수의 제1 영역과 상기 제1 영역보다 낮은 탄성 모듈러스를 가지고 상기 인접한 제1 영역들 사이에 위치하는 제2 영역을 포함하고,
    상기 발광 소자와 상기 광 검출 소자는 각각 상기 제1 영역 내에 위치하는 생체 신호 감지 센서.
  13. 제1항에서,
    피부 부착형 광용적맥파(PPG) 센서인 생체 신호 감지 센서.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 생체 신호 감지 센서를 포함하는 센서 어레이.
  15. 제14항에서,
    상기 센서 어레이는 복수의 단위 소자를 포함하고,
    상기 각 단위 소자는 하나 이상의 상기 발광 소자, 하나 이상의 상기 광 검출 소자, 하나 이상의 상기 제1 편광자 및 하나 이상의 상기 제2 편광자를 포함하는 센서 어레이.
  16. 제15항에서,
    상기 각 단위 소자는 제1 파장 영역의 광을 방출하는 제1 발광 소자와 제1 파장 영역보다 장파장 영역인 제2 파장 영역의 광을 방출하는 제2 발광 소자를 포함하고,
    상기 제1 편광자는
    상기 제1 발광 소자와 중첩하게 위치하는 제3 편광자, 그리고
    상기 제2 발광 소자와 중첩하게 위치하는 제4 편광자
    를 포함하며,
    상기 제3 편광자의 편광 방향과 상기 제4 편광자의 편광 방향은 실질적으로 나란한 센서 어레이.
  17. 제16항에서,
    상기 제3 편광자의 편광 방향과 상기 제4 편광자의 편광 방향은 상기 제2 편광자의 편광 방향에 대하여 실질적으로 수직인 센서 어레이.
  18. 제15항에서,
    상기 각 단위 소자는 압력 센서를 더 포함하는 센서 어레이.
  19. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 생체 신호 감지 센서를 포함하는 센서 시스템.
  20. 제14항에 따른 센서 어레이를 포함하는 센서 시스템.
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