KR20220111480A - 생체 신호 센서, 센서 시스템 및 전자 기기 - Google Patents

생체 신호 센서, 센서 시스템 및 전자 기기 Download PDF

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KR20220111480A
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이계황
윤영준
강현범
이영준
정종원
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Abstract

발광 소자, 생체 내 타겟에서 반사된 광으로부터 생체 신호를 검출하는 광 검출 소자, 제1 편광 방향의 광을 선택적으로 투과시키는 제1 편광자, 그리고 제2 편광 방향의 광을 선택적으로 투과시키는 제2 편광자를 포함하고, 상기 발광 소자는 상기 제1 편광자와 중첩하는 제1 발광 소자를 포함하고, 상기 광 검출 소자는 상기 제2 편광자와 중첩하는 제1 광 검출 소자를 포함하며, 상기 제1 발광 소자와 상기 제1 광 검출 소자는 제1 방향을 따라 나란히 배치되어 있고, 상기 제1 편광 방향과 상기 제2 편광 방향은 실질적으로 수직인 생체 신호 센서.이를 포함하는 센서 시스템 및 전자 기기에 관한 것이다.

Description

생체 신호 센서, 센서 시스템 및 전자 기기{BIOSIGNAL SENSOR AND SENSOR SYSTEM AND ELECTRONIC DEVICE}
생체 신호 센서, 센서 시스템 및 전자 기기에 관한 것이다.
근래, 피부 위에 장착하거나 피부에 부착하여 생체 정보를 얻기 위한 전자 기기에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 전자 기기는 생체 정보를 얻기 위한 생체 신호 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 신호 센서 사이의 위치 변화로 인한 노이즈를 줄여 성능을 개선할 수 있는 생체 신호 센서를 제공한다.
다른 구현예는 상기 생체 신호 센서를 포함하는 센서 시스템을 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 생체 신호 센서 또는 상기 센서 시스템을 포함하는 전자 기기를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 발광 소자, 생체 내 타겟에서 반사된 광으로부터 생체 신호를 검출하는 광 검출 소자, 제1 편광 방향의 광을 선택적으로 투과시키는 제1 편광자, 그리고 제2 편광 방향의 광을 선택적으로 투과시키는 제2 편광자를 포함하고, 상기 발광 소자는 상기 제1 편광자와 중첩하는 제1 발광 소자를 포함하고, 상기 광 검출 소자는 상기 제2 편광자와 중첩하는 제1 광 검출 소자를 포함하며, 상기 제1 발광 소자와 상기 제1 광 검출 소자는 제1 방향을 따라 나란히 배치되어 있고, 상기 제1 편광 방향과 상기 제2 편광 방향은 실질적으로 수직인 생체 신호 센서를 제공한다.
상기 제1 방향에 대한 상기 제1 편광 방향 또는 상기 제2 편광 방향의 각도는 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
2S1/S0 < 1.0
상기 관계식 1에서,
S1은 상기 제1 방향에 대한 상기 제1 편광 방향 또는 상기 제2 편광 방향의 각도가 θ도일 때의 상기 제1 광 검출 소자에서의 측정 광량이고,
S0는 상기 제2 편광자가 없을 때의 상기 제1 광 검출 소자에서의 측정 광량이다.
상기 제1 방향에 대한 상기 제1 편광 방향 또는 상기 제2 편광 방향의 각도(θ)는 -8.5도 내지 +8.5도에 속할 수 있다.
상기 제1 편광 방향 또는 상기 제2 편광 방향은 상기 제1 방향에 대하여 수평일 수 있다.
상기 제1 편광 방향과 상기 제2 편광 방향 중 하나는 상기 제1 방향에 대하여 수평일 수 있고, 상기 제1 편광 방향과 상기 제2 편광 방향 중 다른 하나는 상기 제1 방향에 대하여 수직일 수 있다.
상기 제1 광 검출 소자는 복수 개일 수 있고, 상기 복수의 제1 광 검출 소자의 적어도 일부는 상기 제1 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 양측에 배치되어 있을 수 있다.
상기 복수의 제1 광 검출 소자의 일부는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 양측에 배치되어 있을 수 있다.
상기 광 검출 소자는 상기 제2 편광자와 중첩하지 않는 제2 광 검출 소자를 더 포함할 수 있다
상기 제1 발광 소자와 상기 제2 광 검출 소자는 상기 제1 방향에 대하여 수평 또는 수직하지 않은 제3 방향을 따라 나란히 배치되어 있을 수 있다.
상기 발광 소자는 상기 제1 편광자와 중첩하지 않는 제2 발광 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 광 검출 소자와 상기 제2 광 검출 소자는 각각 복수 개일 수 있고, 상기 복수의 제1 광 검출 소자의 일부는 상기 제1 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 일측 또는 양측에 배치되어 있을 수 있고, 상기 복수의 제1 광 검출 소자의 일부는 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 일측 또는 양측에 배치되어 있을 수 있고, 상기 복수의 제2 광 검출 소자의 일부는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 각각 다른 제3 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 일측 또는 양측에 배치되어 있을 수 있고, 상기 복수의 제2 광 검출 소자의 일부는 상기 제1 방향, 상기 제2 방향 및 상기 제3 방향과 각각 다른 제4 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 일측 또는 양측에 배치되어 있을 수 있다.
상기 생체 신호 센서는 상기 제1 발광 소자와 상기 제1 편광자 사이에 위치하는 위상 지연자(retarder)를 더 포함할 수 있다.
상기 생체 신호 센서는 피부 부착형 광용적맥파(PPG) 센서일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 편광자 구비된 제1 광 검출 소자를 포함하는 제1 생체 신호 센서, 그리고 편광자 구비되지 않은 제2 광 검출 소자를 포함하는 제2 생체 신호 센서를 포함하고, 상기 제1 생체 신호 센서와 상기 제2 생체 신호 센서는 독립적으로 동작하는 생체 신호 센서를 제공한다.
상기 생체 신호 센서는 편광자 구비된 제1 발광 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 생체 신호 센서는 복수 개일 수 있고, 상기 복수의 제1 생체 신호 센서의 일부는 제1 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 일측 또는 양측에 배치되어 있을 수 있고, 상기 복수의 제1 생체 신호 센서의 일부는 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 일측 또는 양측에 배치되어 있을 수 있다.
상기 제2 생체 신호 센서는 복수 개일 수 있고, 상기 제2 생체 신호 센서의 일부는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 각각 다른 제3 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 일측 또는 양측에 배치되어 있을 수 있고, 상기 제2 생체 신호 센서의 일부는 상기 제1 방향, 상기 제2 방향 및 상기 제3 방향과 각각 다른 제4 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 일측 양측에 배치되어 있을 수 있다.
상기 생체 신호 센서는 발광 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 발광 소자는 편광자 구비된 제1 발광 소자를 포함할 수 있다.
상기 제1 생체 신호 센서는 편광자 구비된 제1 발광 소자를 더 포함할 수 있고, 상기 제2 생체 신호 센서는 편광자 구비되지 않은 제2 발광 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 생체 신호 센서는 위상 지연자를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 생체 신호 센서와 상기 제2 생체 신호 센서는 각각 피부 부착형 광용적맥파(PPG) 센서일 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 생체 신호 센서를 포함하는 센서 시스템을 제공한다.
상기 센서 시스템은 움직임 감지 센서를 더 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 생체 신호 센서 또는 상기 센서 시스템을 포함하는 전자 기기를 제공한다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 생체 신호 센서의 동작 방법으로서, 부착 또는 착용 부위의 움직임을 감지하는 단계, 감지된 움직임에 따라 상기 제1 생체 신호 센서 또는 상기 제2 생체 신호 센서를 선택적으로 구동하는 단계, 그리고 상기 제1 생체 신호 센서 또는 상기 제2 생체 신호 센서로부터 생체 신호를 얻는 단계를 포함하는 센서 시스템의 동작 방법을 제공한다.
상기 제1 생체 신호 센서 또는 상기 제2 생체 신호 센서를 선택적으로 구동하는 단계는 상기 부착 또는 착용 부위의 움직임이 감지될 때 상기 제1 생체 신호 센서를 선택적으로 구동할 수 있고, 상기 부착 또는 착용 부위의 움직임이 감지되지 않을 때 상기 제2 생체 신호 센서를 선택적으로 구동할 수 있다.
움직임에 의한 피부와 생체 센서 사이의 위치 변화로 인한 노이즈를 줄여 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 일 예를 보여주는 평면도이고,
도 2는 도 1의 생체 신호 센서의 일 예를 II-II 선을 따라 자른 단면도이고,
도 3a 및 3b는 도 1 및 2의 생체 신호 센서에서 제1 편광자와 제2 편광자의 편광을 도시한 개략도이고,
도 4는 도 1 및 2의 생체 신호 센서에서 광의 진행 경로의 일 예를 도시한 개략도이고,
도 5는 도 1의 생체 신호 센서의 다른 일 예를 II-II 선에 따른 자른 단면도이고,
도 6은 도 5의 생체 신호 센서의 편광 변화를 보여주는 개략도이고,
도 7은 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 다른 일 예를 보여주는 평면도이고,
도 8은 도 7의 생체 신호 센서를 VIII-VIII 선에 따른 자른 단면도이고,
도 9는 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 또 다른 일 예를 보여주는 평면도이고,
도 10은 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 또 다른 일 예를 보여주는 평면도이고,
도 11은 도 10의 생체 신호 센서를 XI-XI 선에 따른 자른 단면도이고,
도 12는 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 또 다른 일 예를 보여주는 평면도이고,
도 13은 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 또 다른 일 예를 보여주는 평면도이고,
도 14는 도 13의 생체 신호 센서를 XIV-XIV 선에 따른 자른 단면도이고,
도 15는 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 동작 방법의 일 예를 도시한 다이아그램이고,
도 16은 일 구현예에 따른 센서 시스템의 일 예를 도시한 개략도이고,
도 17은 제2 편광자에 의한 생체 내에 입사 광이 도달하는 깊이에 따른 노이즈 감소 효과를 보여주는 그래프이고,
도 18은 도 17의 'A' 부분에서의 피부 평면 상의 위치에 따른 2S1/S0 값을 보여주는 시뮬레이션 결과이고,
도 19는 도 17의 'B' 부분에서의 평면 상의 위치에 따른 2S1/S0 값을 보여주는 시뮬레이션 결과이고,
도 20은 실시예 1와 기준예 1에 따른 생체 신호 센서의 움직임에 따른 신호 세기의 비율을 보여주는 그래프이고,
도 21은 실시예 2와 기준예 2에 따른 생체 신호 센서의 움직임에 따른 신호 세기의 비율을 보여주는 그래프이고,
도 22는 휴식 상태(정지 상태)와 운동 상태(움직임 상태)에서의 실시예 1과 기준예 1에 따른 생체 신호 센서의 생체 신호의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 23은 휴식 상태(정지 상태)와 운동 상태(움직임 상태)에서의 실시예 2와 기준예 2에 따른 생체 신호 센서의 생체 신호의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 24는 실시예 1과 기준예 1에 따른 생체 신호 센서의 FFT 스펙트럼이고,
도 25는 실시예 2와 기준예 2에 따른 생체 신호 센서의 FFT 스펙트럼이다.
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.
본 명세서에서, '실질적으로'는 정상적인 범위 내에서의 변형 및 오차를 고려한 대략적인 범위를 포함하며, 예컨대 약 ±5%, ±4%, ±3%, ±2% 또는 ±1%이다.
이하 일 구현예에 따른 생체 신호 센서를 설명한다.
생체 신호 센서는 생체 신호를 일시적 또는 실시간으로 감지할 수 있는 센서이다. 생체 신호는 예컨대 혈관(blood vessel)과 같은 생체 내 타겟(target)으로부터 얻을 수 있는 혈류량(blood flow rate), 산소 분포도 변화 및 심전도 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
생체 신호 센서는 생체에 광을 조사하기 위한 발광 소자(light-emitting element) 및 혈관과 같은 생체 내 타겟에서 반사된 광으로부터 생체 신호를 검출하는 광 검출 소자(photo-detective element)를 포함한다.
도 1은 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 일 예를 보여주는 평면도이고, 도 2는 도 1의 생체 신호 센서의 일 예를 II-II 선을 따라 자른 단면도이다.
도 1 및 2를 참고하면, 일 구현예에 따른 생체 신호 센서(100)는 투광층(110), 제1 발광 소자(121), 제1 편광자(122), 제1 광 검출 소자(131) 및 제2 편광자(132)를 포함한다.
투광층(110)은 제1 발광 소자(121), 제1 편광자(122), 제1 광 검출 소자(131) 및 제2 편광자(132)를 지지하거나 감쌀 수 있다. 투광층(110)은 예컨대 지지 기판이거나 별도의 지지 기판(도시하지 않음) 위에 형성되어 있을 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. 이에 따라 투광층(110)은 제1 발광 소자(121)로부터 조사된 광과 생체 내 타겟(예컨대 혈관)에서 반사된 광을 효과적으로 투과시킬 수 있다.
도면에서는 일 예로서 제1 발광 소자(121), 제1 편광자(122), 제1 광 검출 소자(131) 및 제2 편광자(132)가 투광층(110) 내에 매립되어 있는 구조를 도시하였으나 이에 한정되지 않고 제1 발광 소자(121) 및 제1 광 검출 소자(131)는 투광층(110) 상부에 배치되어 있을 수도 있다. 이 경우 투광층(110)은 제1 발광 소자(121)로부터 광이 방출되는 방향 및 제1 광 검출 소자(131)로 광이 유입되는 방향에 배치될 수 있으며, 예컨대 투광층(110)은 제1 발광 소자(121)와 제1 광 검출 소자(131)보다 피부 및 생체 내 타겟(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 1층 또는 2층 이상일 수 있다.
제1 발광 소자(121)와 제1 광 검출 소자(131)는 투광층(110)의 내부 또는 상부에서 소정 간격을 두고 배치되어 있고, 제1 방향(D1)(예컨대 X방향)을 따라 나란히 배치되어 있다.
제1 발광 소자(121)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. 제1 발광 소자(121)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 제1 편광자(122)에 가깝게 위치하는 전극이 투광 전극일 수 있다. 일 예로, 한 쌍의 전극 중 적어도 하나는 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, 무기 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 제1 발광 소자(121)는 예컨대 연신 소자일 수 있다.
제1 광 검출 소자(131)는 소정 파장 영역의 광을 흡수하여 광전변환할 수 있으며, 예컨대 무기 광 다이오드 또는 유기 광전 변환 소자를 포함할 수 있다. 제1 광 검출 소자(131)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 제2 편광자(132)에 가깝게 위치하는 전극이 투광 전극일 수 있다. 일 예로, 한 쌍의 전극 중 적어도 하나는 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. 제1 광 검출 소자(131)는 예컨대 연신 소자일 수 있다. 제1 발광 소자(121)로부터 방출된 광은 투광층(110)을 통과하여 혈관과 같은 생체 내 타겟에서 산란 반사되고 산란 반사된 광은 다시 투광층(110)을 통과하여 제1 광 검출 소자(131)에서 흡수되고 광전변환되어 생체 신호를 얻을 수 있다.
제1 편광자(122)는 제1 발광 소자(121)에서 조사된 광이 통과하는 경로에 위치하고 예컨대 투광층(110)의 두께 방향(예컨대 Z방향)으로 제1 발광 소자(121)와 중첩할 수 있다. 도면에서는 제1 편광자(122)가 제1 발광 소자(121)와 소정 간격을 두고 투광층(110)에 매립되어 있는 일 예를 도시하였으나 이에 한정되지 않고 제1 편광자(122)는 제1 발광 소자(121)의 일측에 부착되어 있을 수도 있다.
제1 편광자(122)는 제1 발광 소자(121)로부터 조사된 광을 선편광시킬 수 있다. 즉, 제1 발광 소자(121)로부터 조사된 비편광된 광 중 일 방향(이하 “제1 편광 방향”이라 한다)의 광을 선택적으로 투과시키고 제1 편광 방향 이외의 광을 차단 및/또는 흡수할 수 있다. 따라서 제1 편광자(122)를 통과한 광은 제1 편광 방향으로 선편광된 광일 수 있다.
제2 편광자(132)는 제1 광 검출 소자(131)에 유입되는 광이 통과하는 경로에 위치하고 예컨대 투광층(110)의 두께 방향(예컨대 Z방향)으로 제1 광 검출 소자(131)와 중첩할 수 있다. 도면에서는 제2 편광자(132)가 제1 광 검출 소자(131)와 소정 간격을 두고 투광층(110)에 매립되어 있는 일 예를 도시하였으나 이에 한정되지 않고 제2 편광자(132)는 제1 광 검출 소자(131)의 일측에 부착되어 있을 수도 있다.
제2 편광자(132)는 제1 광 검출 소자(131)로 유입되는 광을 미리 선편광시킬 수 있다. 즉, 제2 편광자(132)는 제1 광 검출 소자(131)로 유입되는 광 중 일 방향(이하 “제2 편광 방향”이라 한다)의 광을 선택적으로 투과시키고 제2 편광 방향 이외의 광을 차단 및/또는 흡수할 수 있다. 따라서 제2 편광자(132)를 통과하여 제1 광 검출 소자(131)로 유입되는 광은 제2 편광 방향으로 선편광된 광일 수 있다.
도 3a 및 3b는 도 1 및 2의 생체 신호 센서에서 제1 편광자와 제2 편광자의 편광을 도시한 개략도이다.
도 3a 및 3b를 참고하면, 제1 편광자(122)와 제2 편광자(132)는 각각 일 방향으로 뻗은 복수의 패턴들(122a, 132a)을 포함할 수 있다. 제1 편광자(122)의 복수의 패턴들(122a)은 제1 편광 방향(P1)과 나란하게 뻗어 있을 수 있으며 제2 편광자(132)의 복수의 패턴들(132a)은 제2 편광 방향(P2)과 나란하게 뻗어 있을 수 있다. 즉 제1 편광자(122)의 복수의 패턴들(122a)의 뻗은 방향은 제1 편광 방향(P1)과 같을 수 있고 제2 편광자(132)의 복수의 패턴들(132a)의 뻗은 방향은 제2 편광 방향(P2)과 같을 수 있다.
제1 편광자(122)와 제2 편광자(132)의 복수의 패턴들(122a, 132a)은 예컨대 금속, 이색성 염료, 고분자 또는 이들의 조합으로 만들어진 그리드 편광자(grid polarizer)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 편광자(122)와 제2 편광자(132)의 각 패턴(122a, 132a)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(122a, 132a) 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.
제1 편광자(122)의 편광 방향(제1 편광 방향)(P1)과 제2 편광자(132)의 편광 방향(제2 편광 방향)(P2)은 실질적으로 수직일 수 있다. 여기서 '실질적으로'는 정상적인 범위 내에서의 변형 및 오차를 고려한 대략적인 범위를 포함하며, 예컨대 약 ±5%, ±4%, ±3%, ±2% 또는 ±1% 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 제1 편광자(122)의 제1 편광 방향(P1)과 제2 편광자(132)의 제2 편광 방향(P2) 중 어느 하나는 제1 발광 소자(121)와 제1 광 검출 소자(131)가 배열된 방향인 제1 방향(D1)(예컨대 X방향)에 대하여 실질적으로 수평일 수 있고 제1 편광자(122)의 제1 편광 방향(P1)과 제2 편광자(132)의 제2 편광 방향(P2) 중 다른 하나는 제1 방향(D1)(예컨대 X방향)에 대하여 실질적으로 수직일 수 있다.
예컨대 도 3a에 도시된 바와 같이, 제1 편광자(122)의 제1 편광 방향(P1)은 제1 방향(D1)(예컨대 X방향)에 대하여 실질적으로 수평일 수 있고 제2 편광자(132)의 제2 편광 방향(P2)은 제1 방향(D1)(예컨대 X방향)에 대하여 실질적으로 수직일 수 있다.
예컨대 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 편광자(122)의 제1 편광 방향(P1)은 제1 방향(D1)(예컨대 X방향)에 대하여 실질적으로 수직일 수 있고 제2 편광자(132)의 제2 편광 방향(P2)은 제1 방향(D1)(예컨대 X방향)에 대하여 실질적으로 수평일 수 있다.
도 4는 도 1 및 2의 생체 신호 센서에서 광의 진행 경로의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 4를 참고하면, 제1 발광 소자(121)는 비편광된 광(unpolarized light)(L1)을 방출할 수 있으며, 비편광된 광(L1)이 제1 편광자(122)를 통과하면 두 개의 편광 직교 성분 중 하나의 편광 직교 성분, 즉 제1 편광자(122)의 제1 편광 방향(P1)에 나란한 성분만 투과되고 제1 편광 방향(P1) 이외 방향의 광은 제1 편광자(122)에 의해 차단 및/또는 흡수될 수 있다. 따라서 제1 발광 소자(121)로부터 제1 편광자(122)를 통과한 광은 제1 편광자(122)의 제1 편광 방향(P1)과 나란한 방향(예컨대 X방향 또는 Y방향)으로 선편광된 광(L2)일 수 있다.
선편광된 광(L2)의 대부분은 피부 조직(A1)을 통과하여 혈관과 같은 생체 내 타겟(A2)에 도달하여 산란 반사될 수 있다. 이때 산란 반사된 광(L3)은 산란 에 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 타겟(A2)에 의해 산란 반사된 광은 피부 표면으로부터 얕은 깊이에 위치하는 피부 조직(A1)에 의해 산란 반사된 광보다 더 많이 산란될 수 있으므로 제1 편광자(122)에서 편광된 편광 정보를 더욱 많이 잃게 되고 이에 따라 혈관과 같은 생체 내 타겟(A2)에 의해 산란 반사된 광(L3)은 제1 편광자(122)의 제1 편광 방향과 다른 방향의 편광 성분을 더 많이 포함할 수 있다.
이와 같이 산란 반사된 (비편광된) 광(L3)은 제2 편광자(132)를 통과하면서 제2 편광자(132)의 제2 편광 방향(P2)과 나란한 방향(예컨대 Y방향 또는 X방향)으로 선편광된 광(L4)으로 바뀌어 제1 광 검출 소자(131)에 유입될 수 있다. 전술한 바와 같이 제2 편광자(132)의 제2 편광 방향(P2)은 제1 편광자(122)의 제1 편광 방향(P1)과 실질적으로 수직이므로 제1 광 검출 소자(131)에 유입되는 선편광된 광(L4)은 제1 편광자(122)의 제1 편광 방향(P1)과 나란한 방향(예컨대 X방향 또는 Y방향)의 광을 배제할 수 있고 주로 혈관과 같은 생체 내 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(122)를 통과한 선편광된 광의 일부(L2’)는 혈관과 같은 생체 내 타겟(A2)에 도달하지 못하고 투광층(110) 내에서 소실되거나 피부 조직(A1)을 통과하여 제2 편광자(132) 측으로 직접 반사될 수 있다. 그러나 전술한 바와 같이 제2 편광자(132)의 제2 편광 방향(P2)은 제1 편광자(122)의 제1 편광 방향(P1)과 실질적으로 수직이므로 선편광된 광의 일부(L2’)는 제2 편광자(132)를 통과하지 못하고 차단될 수 있다. 따라서 제2 편광자(132)는 혈관과 같은 생체 내 타겟(A2)에 도달하지 못하여 생체 정보를 가지지 않은 광을 효과적으로 차단할 수 있으며 이에 따라 제1 광 검출 소자(131)에서 얻어지는 신호 중 생체 정보를 가지지 않은 노이즈(noise)를 효과적으로 감소시킬 수 있다.
한편, 제1 발광 소자(121)와 제1 광 검출 소자(131)의 배열 방향인 제1 방향(D1)(예컨대 X방향)에 대한 제1 편광자(122)의 편광 방향(제1 편광 방향)(P1) 및 제2 편광자(132)의 편광 방향(제2 편광 방향)(P2)은 전술한 바와 같이 이상적으로 수평 또는 수직일 수 있으나, 제1 편광자(122) 및/또는 제2 편광자(132)가 없을 때 대비 생체 신호 센서(100)의 노이즈 감소 효과를 나타내는 소정 범위 내에서 허용될 수 있다.
예컨대 제1 발광 소자(121)와 제1 광 검출 소자(131)의 배열 방향인 제1 방향(D1)에 대한 제1 편광 방향(P1) 또는 제2 편광 방향(P2)의 각도는 하기 관계식 1을 만족하는 범위 내에서 허용될 수 있다.
[관계식 1]
2S1/S0 < 1.0
상기 관계식 1에서,
S1은 제1 방향에 대한 제1 편광 방향 또는 제2 편광 방향의 각도가 θ도일 때의 제1 광 검출 소자에서의 측정 광량이고,
S0는 제2 편광자가 없을 때의 제1 광 검출 소자에서의 측정 광량이다.
상기 관계식 1은 제2 편광자(132)가 없을 때 대비 생체 신호 센서(100)의 노이즈 감소 효과를 나타내는 것으로, 혈관과 같은 생체 내 타겟(A2)에 도달하지 못한 광(L2')에 의한 노이즈 정도를 나타낼 수 있다. 예컨대 혈관(A2)과 같은 생체 내 타겟(A2)에 도달하지 못한 광(L2')에 대하여 2S1/S0 가 1이면 생체 신호 센서(100)의 노이즈 감소 효과가 없는 것이고, 2S1/S0 값이 1 미만이면 생체 신호 센서(100)의 노이즈 감소 효과가 있는 것이다. 2S1/S0 값이 작으면 작을수록 제2 편광자(132)에 의한 노이즈 감소 효과가 크다는 것을 의미할 수 있다. 여기서 제2 편광자(132)를 통과한 광의 최대 투과율은 비편광된 광 대비 약 50% 이므로 제2 편광자(132)의 편광에 의한 광 손실을 반영하지 않기 위하여 2S1과 S0의 비율로 표시한다. 참고로, 혈관과 같은 생체 내 타겟(A2)에서 반사된 광(L3)은 2S1/S0 ≒ 1.0을 만족할 수 있다.
예컨대, 만일 제2 편광자(132)가 없다면, 도 4에서 설명한 생체 정보를 가지지 않은 광(L2’)은 제1 광 검출 소자(131)로 그대로 유입되어 매우 높은 노이즈로 작용할 수 있다. 이를 고려할 때, 제1 방향(D1)에 대한 제1 편광 방향(P1) 또는 제2 편광 방향(P2)의 각도가 상기 관계식 1을 만족하는 범위 내에서 어느 정도 노이즈 감소 효과를 낼 수 있다.
일 예로, 제1 방향(D1)에 대한 제1 편광 방향(P1) 또는 제2 편광 방향(P2)의 각도(θ)는 약 -8.5도 내지 +8.5도(허용범위: 약 17도)일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 -6.5도 내지 +6.5도(허용범위: 약 13도), 약 -4.5도 내지 +4.5도(허용범위: 약 9도), 약 -2.5도 내지 +2.5도(허용범위: 약 5도) 또는 약 -1.5도 내지 +1.5도(허용범위: 약 3도)일 수 있으며, 이상적으로 0도 (수평)일 수 있다.
예컨대, 도 3a에서, 제1 방향(D1)에 대한 제1 편광 방향(P1)의 각도는 약 -8.5도 내지 +8.5도(허용범위: 약 17도)일 수 있고 상기 범위 내에서 약 -6.5도 내지 +6.5도(허용범위: 약 13도), 약 -4.5도 내지 +4.5도(허용범위: 약 9도), 약 -2.5도 내지 +2.5도(허용범위: 약 5도) 또는 약 -1.5도 내지 +1.5도(허용범위: 약 3도)일 수 있으며, 이상적으로 0도(수평)일 수 있다. 제1 편광 방향(P1)과 제2 편광 방향(P2)은 전술한 바와 같이 실질적으로 수직일 수 있다.
예컨대, 도 3b에서, 제1 방향(D1)에 대한 제2 편광 방향(P2)의 각도는 약 -8.5도 내지 +8.5도(허용범위: 약 17도)일 수 있고 상기 범위 내에서 약 -6.5도 내지 +6.5도(허용범위: 약 13도), 약 -4.5도 내지 +4.5도(허용범위: 약 9도), 약 -2.5도 내지 +2.5도(허용범위: 약 5도) 또는 약 -1.5도 내지 +1.5도(허용범위: 약 3도)일 수 있으며, 이상적으로 0도 (수평)일 수 있다. 제1 편광 방향(P1)과 제2 편광 방향(P2)은 전술한 바와 같이 실질적으로 수직일 수 있다.
생체 신호 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 피부 조직(A1)에서 산란 반사될 수 있고 피부에 입사된 광의 일부는 혈관과 같은 생체 내 타겟(A2)에서 산란 반사될 수 있다. 피부 조직(A1)에서 산란 반사된 광의 광량은 시간에 따라 대체적으로 일정한 반면 혈관과 같은 생체 내 타겟(A2)에서 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 피부 조직에서 산란 반사된 DC 성분과 혈류량과 같은 생체 신호의 변화를 보여주는 AC 성분을 포함할 수 있는데, 만일 피부의 움직임이 없다면 피부 조직에서 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 제1 발광 소자(121) 및/또는 제1 광 검출 소자(131)의 위치 및 각도가 변할 수 있으므로 피부 조직에서 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 제1 발광 소자(121)에서 방출되는 광 중 소정의 편광 성분만을 선택적으로 피부에 입사시키고 제1 광 검출 소자(131)에서 상기 소정의 편광 성분과 실질적으로 수직인 편광 성분을 선택적으로 투과시킴으로써 피부의 뒤틀림, 잡아당김 및/또는 눌림과 같은 움직임에 의해 발생되는 피부 산란 변화에 의한 불안정한 DC 성분이 제1 광 검출 소자(131)로 유입되는 것을 줄이거나 방지하여 노이즈를 줄일 수 있다. 이에 따라 피부와 센서 사이의 위치 및/또는 각도의 변화로 인한 노이즈를 줄이고 혈관과 같은 생체 내 타겟에서 산란 반사된 광의 신호를 효과적으로 늘림으로써 생체 신호 센서(100)의 효율을 높이고 생체 정보의 정확성을 높일 수 있다.
이하 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 다른 예를 설명한다.
도 5는 도 1의 생체 신호 센서의 다른 일 예를 II-II 선에 따른 자른 단면도이고, 도 6은 도 5의 생체 신호 센서의 편광 변화를 보여주는 개략도이다.
도 5를 참고하면, 본 구현예에 따른 생체 신호 센서(100)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 투광층(110); 제1 발광 소자(121); 제1 편광자(122); 제1 광 검출 소자(131); 및 제2 편광자(132)를 포함한다. 여기서 투광층(110), 제1 발광 소자(121), 제1 편광자(122), 제1 광 검출 소자(131) 및 및 제2 편광자(132)에 대한 설명은 전술한 바와 같다.
그러나 본 구현예에 따른 생체 신호 센서(100)는 전술한 구현예와 달리 위상 지연자(retarder)(123)를 더 포함한다. 위상 지연자(123)는 제1 발광 소자(121)로부터 조사된 광이 통과하는 위치에 배치될 수 있고, 투광층(110) 내에서 예컨대 제1 발광 소자(121)와 제1 편광자(122) 사이에 배치될 수 있다. 위상 지연자(150)는 예컨대 λ/4 위상 지연자일 수 있다.
도 6을 참고하면, 위상 지연자(123)는 제1 편광자(122)를 통과하지 못하고 반사된 광의 편광 방향을 바꾸고(예컨대 left-handed 원편광) 제1 발광 소자(121)에 의해 반사된 광의 편광 방향을 다시 바꾸어 제1 편광자(122)의 제1 편광 방향(P1)과 나란한 방향의 선편광된 광(L2)으로 변환할 수 있고 선편광된 광(L2)은 제1 편광자(122)를 투과할 수 있다. 이에 따라 제1 발광 소자(121)로부터 방출된 광(L1) 중 제1 편광자(122)를 통과하는 선편광된 광(L2)의 광량을 늘림으로써 광 변환 효율을 높일 수 있다. 일 예로, 제1 발광 소자(121)로부터 조사된 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 센서의 다른 예를 설명한다.
도 7은 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 다른 일 예를 보여주는 평면도이고, 도 8은 도 7의 생체 신호 센서를 VIII-VIII 선에 따른 자른 단면도이다.
도 7 및 8을 참고하면, 일 구현예에 따른 생체 신호 센서(100)의 다른 예는 전술한 예에 마찬가지로 투광층(110), 제1 발광 소자(121), 제1 편광자(122), 제1 광 검출 소자(131) 및 제2 편광자(132)를 포함한다. 또한 도시되지 않았으나 선택적으로 제1 발광 소자(121)와 제1 편광자(122) 사이에 도 5에 도시된 위상 지연자(123)를 더 포함할 수 있다. 투광층(110), 제1 발광 소자(121), 제1 편광자(122), 제1 광 검출 소자(131) 및 제2 편광자(132)에 대한 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
그러나 일 구현예에 따른 생체 신호 센서(100)의 다른 예는 전술한 예와 달리, 제1 발광 소자(121)의 양측에 배치되어 있는 복수의 제1 광 검출 소자(131a, 131b)를 포함한다. 제1 발광 소자(121)와 양측에 배치되어 있는 제1 광 검출 소자(131a, 131b)는 투광층(110)의 내부 또는 상부에서 소정 간격을 두고 배치되어 있고 제1 방향(D1)(예컨대 X방향)을 따라 나란히 배치되어 있다. 각 제1 광 검출 소자(131a, 131b)의 하부에는 제2 편광자(132a, 132b)가 배치되어 있으며, 제2 편광자(132a, 132b)는 투광층(110)의 두께 방향(Z방향)을 따라 제1 광 검출 소자(131a, 131b)와 각각 중첩할 수 있다. 제1 발광 소자(121)는 복수의 제1 광 검출 소자(131a, 131b)의 공통의 광원일 수 있다.
전술한 바와 마찬가지로, 제1 편광자(122)의 편광 방향(제1 편광 방향)(P1)과 제2 편광자(132a, 132b)의 편광 방향(제2 편광 방향)(P2)은 실질적으로 수직일 수 있다. 또한 제1 광 검출 소자(131a, 131b)는 제1 발광 소자(121)와 제1 방향(D1)(예컨대 X방향)을 따라 나란히 배치되어 있으므로, 제1 편광자(122)의 제1 편광 방향(P1)과 제2 편광자(132a, 132b)의 제2 편광 방향(P2) 중 어느 하나는 제1 발광 소자(121)와 제1 광 검출 소자(131)가 배열된 방향인 제1 방향(D1)(예컨대 X방향))에 대하여 실질적으로 수평일 수 있고 제1 편광자(122)의 제1 편광 방향(P1)과 제2 편광자(132a, 132b)의 제2 편광 방향(P2) 중 다른 하나는 제1 방향(D1)(예컨대 X방향)에 대하여 실질적으로 수직일 수 있다.
이하 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 또 다른 예를 설명한다.
도 9는 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 또 다른 일 예를 보여주는 평면도이다.
도 9를 참고하면, 일 구현예에 따른 생체 신호 센서(100)의 또 다른 예는 전술한 예에 마찬가지로 투광층(110), 제1 발광 소자(121), 제1 편광자(122), 제1 광 검출 소자(131) 및 제2 편광자(132)를 포함한다. 또한 도시되지 않았으나 선택적으로 제1 발광 소자(121)와 제1 편광자(122) 사이에 도 5에 도시된 위상 지연자(123)를 더 포함할 수 있다. 투광층(110), 제1 발광 소자(121), 제1 편광자(122), 제1 광 검출 소자(131) 및 제2 편광자(132)에 대한 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
그러나 일 구현예에 따른 생체 신호 센서(100)의 또 다른 예는 전술한 예와 달리, 제1 방향(D1)(예컨대 X방향)을 따라 제1 발광 소자(121)의 양측에 배치되어 있는 복수의 제1 광 검출 소자(131a, 131b)과 제1 방향(D1)에 수직인 제2 방향(D2)(예컨대 Y방향)을 따라 제1 발광 소자(121)의 양측에 배치되어 있는 복수의 제1 광 검출 소자(131c, 131d)를 포함한다. 즉 제1 발광 소자(121)를 중심으로 좌우상하에 각각 제1 광 검출 소자(131a, 131b, 131c, 131d)가 배치되어 있다. 제1 광 검출 소자(131a, 131b, 131c, 131d)는 제1 발광 소자(121)로부터 소정 간격을 두고 배치되어 있으며, 예컨대 제1 발광 소자(121)로부터의 간격은 실질적으로 같을 수 있다. 한편 제1 발광 소자(121)는 충분할 발광을 위하여 복수 개 포함될 수 있고 복수의 제1 발광 소자(121)는 서로 같거나 다른 파장 영역의 광을 방출할 수 있다.
각 제1 광 검출 소자(131a, 131b, 131c, 131d)의 하부에는 제2 편광자(132a, 132b, 132c, 132d)가 배치되어 있으며, 제2 편광자(132a, 132b, 132c, 132d)는 투광층(110)의 두께 방향(Z방향)을 따라 제1 광 검출 소자(131a, 131b, 131c, 131d)와 중첩할 수 있다.
전술한 바와 마찬가지로, 제1 편광자(122)의 편광 방향(제1 편광 방향)(P1)과 제2 편광자(132a, 132b, 132c, 132d)의 편광 방향(제2 편광 방향)(P2)은 실질적으로 수직일 수 있다. 또한 제1 광 검출 소자(131a, 131b, 131c, 131d)는 제1 발광 소자(121)와 제1 방향(D1)(예컨대 X방향) 또는 제2 방향(D2)(예컨대 Y방향)을 따라 나란히 배치되어 있으므로, 제1 편광자(122)의 제1 편광 방향(P1)과 제2 편광자(132a, 132b, 132c, 132d)의 제2 편광 방향(P2) 중 어느 하나는 제1 발광 소자(121)와 제1 광 검출 소자(131a, 131b, 131c, 131d)가 배열된 방향인 제1 방향(D1)(예컨대 X방향) 또는 제2 방향(D2)(예컨대 Y방향)에 대하여 실질적으로 수평일 수 있고 제1 편광자(122)의 제1 편광 방향(P1)과 제2 편광자(132a, 132b, 132c, 132d)의 제2 편광 방향(P2) 중 다른 하나는 제1 방향(D1)(예컨대 X방향) 또는 제2 방향(D2)(예컨대 Y방향)에 대하여 실질적으로 수직일 수 있다.
이하 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 또 다른 예를 설명한다.
도 10은 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 또 다른 일 예를 보여주는 평면도이고, 도 11은 도 10의 생체 신호 센서를 XI-XI 선에 따른 자른 단면도이다.
도 10 및 11을 참고하면, 일 구현예에 따른 생체 신호 센서(100)의 또 다른 예는 전술한 예에 마찬가지로 투광층(110), 제1 발광 소자(121), 제1 편광자(122), 제1 광 검출 소자(131) 및 제2 편광자(132)를 포함한다. 또한 도시되지 않았으나 선택적으로 제1 발광 소자(121)와 제1 편광자(122) 사이에 도 5에 도시된 위상 지연자(123)를 더 포함할 수 있다. 투광층(110), 제1 발광 소자(121), 제1 편광자(122), 제1 광 검출 소자(131) 및 제2 편광자(132)에 대한 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
그러나 일 구현예에 따른 생체 신호 센서(100)의 또 다른 예는 전술한 예와 달리, 제2 광 검출 소자(133)를 더 포함한다. 제2 광 검출 소자(133)는 제1 광 검출 소자(131)와 달리 제2 편광자(132)와 중첩하지 않는다. 즉 제2 편광자(132)는 제1 광 검출 소자(131) 하부에만 배치되어 있고 제2 광 검출 소자(133) 하부에는 배치되어 있지 않다. 이에 따라 제1 광 검출 소자(131)에는 전술한 바와 같이 제2 편광자(132)에 의해 선편광된 광이 유입되는 반면, 제2 광 검출 소자(133)에는 별도로 선편광되지 않은 광이 유입될 수 있다.
제2 광 검출 소자(133)는 제2 편광자(132)와 중첩하지 않는 것을 제외하고는 제1 광 검출 소자(131)와 같을 수 있다. 즉 제2 광 검출 소자(133)는 예컨대 무기 광 다이오드 또는 유기 광전 변환 소자를 포함할 수 있고, 예컨대 한 쌍의 전극과 전극 사이에 위치하고 예컨대 무기 반도체, 유기 반도체 및/또는 유무기 반도체를 포함하는 광전변환층을 포함할 수 있다. 제1 발광 소자(121)로부터 방출된 광은 투광층(110)을 통과하여 혈관과 같은 생체 내 타겟에서 산란 반사되고 산란 반사된 광은 다시 투광층(110)을 통과하여 제 제2 광 검출 소자(133)에서 흡수되고 광전변환되어 생체 신호를 얻을 수 있다.
제1 발광 소자(121)와 제2 광 검출 소자(133)는 제1 발광 소자(121)와 제1 광 검출 소자(131)의 배열 방향인 제1 방향(D1)(예컨대 X방향) 또는 제1 방향(D1)에 수직인 제2 방향(D2)(예컨대 Y방향)과 다른 제3 방향(예컨대 D1과 D2에 대하여 각각 소정 각도로 기울어진 방향)을 따라 나란히 배치되어 있을 수 있다. 제3 방향은 제1 방향 또는 제2 방향과 수평 또는 수직하지 않을 수 있으며, 예컨대 제1 방향(D1) 또는 제2 방향(D2)에 대하여 약 10도 내지 80도, 약 20도 내지 70도, 약 30도 내지 60도, 약 40도 내지 50도 또는 약 45도 기울어진 방향일 수 있다. 즉 제1 광 검출 소자(131)와 제2 광 검출 소자(133)는 수평 또는 수직하게 배치되어 있지 않다.
제1 광 검출 소자(131)와 제2 광 검출 소자(133)는 사용자의 부착 또는 착용 지점의 움직임 여부에 따라 선택적으로 동작할 수 있으며, 예컨대 정지 상태에서는 제2 광 검출 소자(133)가 선택적으로 동작할 수 있고 움직임이 있는 상태에서는 제1 광 검출 소자(131)가 선택적으로 동작할 수 있다.
전술한 바와 같이 제1 발광 소자(121)와 제1 광 검출 소자(131) 하부에 각각 제1 편광자(122)와 제2 편광자(132)를 구비하는 경우, 제1 발광 소자(121)에서 방출되는 광 중 소정의 편광 성분만을 선택적으로 피부에 입사시키고 제1 광 검출 소자(131)에서 상기 소정의 편광 성분과 실질적으로 수직인 편광 성분을 선택적으로 투과시킬 수 있고 이로 인해 피부의 뒤틀림, 잡아당김 및/또는 눌림과 같은 움직임에 의해 발생되는 피부 산란 변화에 의한 불안정한 DC 성분이 제1 광 검출 소자(131)로 유입되는 것을 줄이거나 방지하여 노이즈를 줄일 수 있다. 이에 따라 피부와 생체 신호 센서(100) 사이의 위치 및/또는 각도의 변화로 인한 노이즈를 줄이고 혈관과 같은 생체 내 타겟에서 산란 반사된 광의 신호를 효과적으로 늘림으로써 생체 신호 센서(100)의 효율을 높이고 생체 정보의 정확성을 높일 수 있다.
반면, 제2 편광자(132)는 입사 광에 대하여 이론적으로 최대 약 50%의 광만 투과시킬 수 있으므로 광 손실이 클 수 있다. 예컨대 제2 편광자(132)는 제1 광 검출 소자(131)에 유입될 광의 약 50% 또는 그 이하만 투과시킬 수 있어서 광 효율이 낮을 수 있다. 또한 상술한 피부의 뒤틀림, 잡아당김 및/또는 눌림과 같은 움직임이 없는 경우에는 전술한 노이즈 감소 효과가 적거나 불필요할 수 있다.
따라서, 사용자의 부착 또는 착용 지점의 움직임 여부에 따라 편광자를 구비한 제1 광 검출 소자(131)와 편광자를 구비하지 않은 제2 광 검출 소자(133)를 선택적으로 동작시킴으로써 전술한 노이즈 감소 효과 및 광 효율 개선 효과를 동시에 구현할 수 있다. 예컨대 생체 신호 센서(100)를 피부에 부착하여 사용하거나 의료기기형 센서 또는 손목시계형 센서와 같이 피부에 가깝게 배치하여 사용시, 피부의 뒤틀림, 잡아당김 및/또는 눌림과 같은 움직임이 감지되는 경우 제1 광 검출 소자(131)를 선택적으로 동작시켜 전술한 노이즈 감소 효과를 기대할 수 있고, 움직임이 없는 상태(정지 상태)의 경우 제2 광 검출 소자(132)를 선택적으로 동작시킴으로써 광 손실 없이 높은 광 효율의 생체 신호 센서(100)를 구현할 수 있다.
이하 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 또 다른 예를 설명한다.
도 12는 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 또 다른 일 예를 보여주는 평면도이다.
도 12를 참고하면, 일 구현예에 따른 생체 신호 센서(100)의 또 다른 예는 전술한 예에 마찬가지로 투광층(110), 제1 발광 소자(121), 제1 편광자(122), 제1 광 검출 소자(131), 제2 편광자(132) 및 제2 광 검출 소자(133)를 포함한다. 또한 도시되지 않았으나 선택적으로 제1 발광 소자(121)와 제1 편광자(122) 사이에 도 5에 도시된 위상 지연자(123)를 더 포함할 수 있다. 투광층(110), 제1 발광 소자(121), 제1 편광자(122), 제1 광 검출 소자(131), 제2 편광자(132) 및 제2 광 검출 소자(133)에 대한 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
그러나 일 구현예에 따른 생체 신호 센서(100)의 또 다른 예는 전술한 예와 달리, 제1 방향(D1)을 따라 제1 발광 소자(121)의 양측에 배치되어 있는 복수의 제1 광 검출 소자(131a, 131b)과 제1 방향(D1)에 수직인 제2 방향(D2)을 따라 제1 발광 소자(121)의 양측에 배치되어 있는 복수의 제1 광 검출 소자(131c, 131d)를 포함하고, 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)과 각각 다른 제3 방향을 따라 제1 발광 소자(121)의 양측에 배치되어 있는 복수의 제2 광 검출 소자(133a, 133b)와 제1 방향(D1), 제2 방향(D2) 및 제3 방향과 각각 다른 제4 방향을 따라 제1 발광 소자(121)의 양측에 배치되어 있는 복수의 제2 광 검출 소자(133c, 133d)를 포함한다. 예컨대 제3 방향과 제4 방향은 각각 독립적으로 제1 방향(D1) 또는 제2 방향(D2)에 대하여 약 10도 내지 80도, 약 20도 내지 70도, 약 30도 내지 60도, 약 40도 내지 50도 또는 약 45도 기울어진 방향일 수 있고, 예컨대 제3 방향과 제4 방향은 서로 수직할 수 있다. 즉 제1 발광 소자(121)를 중심으로 좌우상하에 각각 제1 광 검출 소자(131a, 131b, 131c, 131d)가 배치되어 있고 제1 발광 소자(121)를 중심으로 대각선 위치에 각각 제2 광 검출 소자(133a, 133b, 133c, 133d)가 배치되어 있다. 제1 발광 소자(121)는 복수의 제1 광 검출 소자(131a, 131b, 131c, 131d)와 복수의 제2 광 검출 소자(133a, 133b, 133c, 133d)의 공통 광원일 수 있으며, 충분할 발광을 위하여 복수 개 포함될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 광 검출 소자(131a, 131b, 131c, 131d)와 제2 광 검출 소자(133a, 133b, 133c, 133d)는 사용자의 부착 또는 착용 지점의 움직임 여부에 따라 선택적으로 동작할 수 있으며, 예컨대 정지 상태에서는 제2 광 검출 소자(133a, 133b, 133c, 133d)가 선택적으로 동작할 수 있고 움직임이 있는 상태에서는 제1 광 검출 소자(131a, 131b, 131c, 131d)가 선택적으로 동작할 수 있고, 이에 따라 전술한 노이즈 감소 효과 및 광 효율 개선 효과를 동시에 구현할 수 있다. 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
이하 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 또 다른 예를 설명한다.
도 13은 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 또 다른 일 예를 보여주는 평면도이고, 도 14는 도 13의 생체 신호 센서를 XIV-XIV 선에 따른 자른 단면도이다.
도 13 및 14를 참고하면, 일 구현예에 따른 생체 신호 센서(100)의 또 다른 예는 전술한 예에 마찬가지로 투광층(110), 제1 발광 소자(121), 제1 편광자(122), 제1 광 검출 소자(131), 제2 편광자(132) 및 제2 광 검출 소자(133)를 포함한다. 투광층(110), 제1 발광 소자(121), 제1 편광자(122), 제2 편광자(132), 제1 광 검출 소자(131) 및 제2 광 검출 소자(133)에 대한 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
그러나 일 구현예에 따른 생체 신호 센서(100)의 또 다른 예는 전술한 예와 달리, 제2 광 검출 소자(133) 외에 제2 발광 소자(124)를 더 포함한다. 제2 발광 소자(124)는 제1 발광 소자(121)와 달리 제1 편광자(122)와 중첩하지 않는다. 즉 제1 편광자(131)는 제1 발광 소자(121) 하부에만 배치되어 있고 제2 발광 소자(124)의 하부에는 배치되어 있지 않다. 이에 따라 제2 발광 소자(124)는 비편광된 광을 조사할 수 있다.
제2 발광 소자(124)는 제1 편광자(122)와 중첩하지 않는 것을 제외하고는 제1 발광 소자(121)와 같을 수 있다. 즉 제2 발광 소자(124)는 예컨대 무기 발광 다이오드, 유기 발광 다이오드, 유무기 발광 다이오드 또는 마이크로 발광 다이오드를 포함할 수 있고, 예컨대 한 쌍의 전극과 전극 사이에 위치하고 예컨대 유기 발광 물질, 무기 발광 물질, 양자점 및/또는 페로브스카이트와 같은 발광체를 포함하는 발광층을 포함할 수 있다.
제1 발광 소자(121)와 제1 광 검출 소자(131)는 하나의 쌍을 이루어 제1 생체 신호 센서(100a)를 이룰 수 있고 제2 발광 소자(124)와 제2 광 검출 소자(133)는 하나의 쌍을 이루어 제2 생체 신호 센서(100b)를 이룰 수 있다. 제1 생체 신호 센서(100a)와 제2 생체 신호 센서(100b)는 독립적으로 동작할 수 있다. 즉 제1 생체 신호 센서(100a) 동작시, 제1 발광 소자(121)로부터 방출된 광은 투광층(110)을 통과하여 혈관과 같은 생체 내 타겟에서 산란 반사되고 산란 반사된 광은 다시 투광층(110)을 통과하여 제 제1 광 검출 소자(131)에서 흡수되고 광전변환되어 생체 신호를 얻을 수 있다. 또한 제2 생체 신호 센서(100b) 동작시, 제2 발광 소자(124)로부터 방출된 광은 투광층(110)을 통과하여 혈관과 같은 생체 내 타겟에서 산란 반사되고 산란 반사된 광은 다시 투광층(110)을 통과하여 제2 광 검출 소자(133)에서 흡수되고 광전변환되어 생체 신호를 얻을 수 있다.
제1 생체 신호 센서(100a)와 제2 생체 신호 센서(100b)는 사용자의 부착 또는 착용 지점의 움직임 여부에 따라 선택적으로 동작할 수 있으며, 예컨대 정지 상태에서는 제2 생체 신호 센서(100b)가 선택적으로 동작할 수 있고 움직임이 있는 상태에서는 제1 생체 신호 센서(100a)가 선택적으로 동작할 수 있다.
제1 편광자(122)가 구비된 제1 발광 소자(121)와 제2 편광자(132)가 구비된 제1 광 검출 소자(131)를 포함하는 제1 생체 신호 센서(100a)는 전술한 바와 같이 광의 선택적 투과에 의해 피부와 생체 신호 센서(100) 사이의 위치 및/또는 각도의 변화로 인한 노이즈를 줄이고 혈관과 같은 생체 내 타겟에서 산란 반사된 광의 신호를 효과적으로 늘림으로써 생체 신호 센서(100)의 효율을 높이고 생체 정보의 정확성을 높일 수 있다.
반면, 제1 편광자(122)와 제2 편광자(132)는 각각 입사 광에 대하여 이론적으로 최대 약 50%의 광만 투과시킬 수 있으므로 광 손실이 클 수 있다. 예컨대 제1 편광자(122)는 제1 발광 소자(121)로부터 조사되는 광의 약 50% 또는 그 이하만 투과시킬 수 있고 제2 편광자(132)는 제1 광 검출 소자(131)에 유입될 광의 약 50% 또는 그 이하만 투과시킬 수 있어서 광 효율이 낮을 수 있다. 또한 상술한 피부의 뒤틀림, 잡아당김 및/또는 눌림과 같은 움직임이 없는 경우에는 전술한 노이즈 감소 효과가 적거나 불필요할 수 있다.
따라서, 사용자의 부착 또는 착용 지점의 움직임 여부에 따라 제1 생체 신호 센서(100a)와 제2 생체 신호 센서(100b)를 선택적으로 동작시킴으로써 전술한 노이즈 감소 효과 및 광 효율 개선 효과를 동시에 구현할 수 있다. 예컨대 생체 신호 센서(100)를 피부에 부착하여 사용하거나 의료기기형 센서 또는 손목시계형 센서와 같이 피부에 가깝게 배치하여 사용시, 피부의 뒤틀림, 잡아당김 및/또는 눌림과 같은 움직임이 감지되는 경우 제1 생체 신호 센서(100a)를 선택적으로 동작시켜 전술한 노이즈 감소 효과를 기대할 수 있고, 움직임이 없는 상태(정지 상태)의 경우 제2 생체 신호 센서(100b)를 선택적으로 동작시킴으로써 광 손실 없이 높은 광 효율의 생체 신호 센서(100)를 구현할 수 있다.
도 15는 일 구현예에 따른 생체 신호 센서의 동작 방법의 일 예를 도시한 다이아그램이다.
도 15를 참고하면, 일 구현예에 따른 생체 신호 센서(100)의 동작 방법은 사용자의 인체와 같은 부착 또는 착용 부위의 움직임을 감지하는 단계, 감지된 움직임에 따라 제1 생체 신호 센서(100a) 또는 제2 생체 신호 센서(100b)를 선택적으로 구동하는 단계, 그리고 제1 생체 신호 센서(100a) 또는 제2 생체 신호 센서(100b)로부터 생체 신호를 얻는 단계를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 생체 신호 센서(100a) 또는 제2 생체 신호 센서(100b)를 선택적으로 구동하는 단계는 부착 또는 착용 부위의 움직임이 감지될 때 제1 생체 신호 센서(100a)를 선택적으로 구동하고, 부착 또는 착용 부위의 움직임이 감지되지 않을 때 제2 생체 신호 센서(100b)를 선택적으로 구동할 수 있다. 여기서 부착 또는 착용 부위는 예컨대 손목, 발목, 팔, 목 및/또는 가슴 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 생체 신호는 예컨대 PPG 신호일 수 있다.
전술한 생체 신호 센서(100)는 행 및/또는 열을 따라 배열된 어레이(array) 형태로 적용될 수 있다. 생체 신호 센서(100)를 어레이 형태로 적용함으로써 생체 신호를 보다 용이하고 정밀하게 감지할 수 있다.
전술한 생체 신호 센서(100)는 생체 신호 정보를 파악하기 위한 다양한 센서 시스템에 적용될 수 있으며, 생체 신호를 일시적 또는 실시간으로 얻는데 사용될 수 있다. 생체 신호 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 센서 시스템, 밴드 타입의 생체 신호 센서 시스템 또는 시계 타입의 생체 신호 센서 시스템일 수 있다.
도 16은 일 구현예에 따른 센서 시스템의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 16을 참고하면, 일 구현예에 따른 센서 시스템(1000)은 예컨대 패치, 밴드 또는 시계 형태의 웨어러블 생체 신호 센서 시스템일 수 있으며, 전술한 생체 감지 센서(100); 생체 신호 센서(100)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. 센서 시스템(1000)은 전술한 착용 또는 부착 부위의 움직임을 감지할 수 있는 움직임 센서(motion sensor)를 더 포함할 수 있다.
일 예로, 센서 시스템은 예컨대 광혈류 측정(photoplethysmography, PPG) 센서 장치, 뇌영상 위한 기능적 근적외선분광법(functional near infrared spectroscopy, fNIRS) 등일 수 있으며, 예컨대 의료 기기 또는 모바일과 같은 전자 기기에 탑재될 수 있으며 예컨대 신체에 부착 또는 착용할 수 있는 웨어러블 기기에 탑재될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 　다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
광학 시뮬레이션
LightTools 소프트웨어(Synopsys사)를 사용하여 제1 광 검출 소자의 위치에 따른 생체 신호 센서의 효과를 시뮬레이션 평가한다.
생체 신호 센서의 구조는 다음과 같이 설정한다.
- 생체 신호 감지 센서: 광용적맥파(PPG) 센서
- 제1 발광 소자의 발광 스펙트럼: 550nm 내지 650nm (λmax= 600 nm)
- 제1 광 검출 소자의 내부양자효율은 100% 라고 가정
- 제1 발광 소자와 제1 광 검출 소자의 간격: 1 mm
- 투광층: 연신 투광층
- 투광층의 두께: 0.05mm
- 제1 발광 소자의 위치(X,Y): (0,0)
- 제1 편광자의 편광 방향: X 방향
- 제2 편광자의 편광 방향: Y 방향
- 피부 구성: 피부(skin) 두께 1.5 mm, 혈관(blood vessel) 두께 0.5 mm
그 결과는 도 17 내지 19와 같다.
도 17은 생체 내에 입사 광이 도달하는 깊이에 따른 제2 편광자에 의한 노이즈 감소 효과를 보여주는 그래프이고, 도 18은 도 17의 'A' 부분에서의 피부 평면 상의 위치에 따른 2S1/S0 값을 보여주는 시뮬레이션 결과이고, 도 19는 도 17의 'B' 부분에서의 평면 상의 위치에 따른 2S1/S0 값을 보여주는 시뮬레이션 결과이다.
도 17 내지 19를 참고하면, 피부 표면(0 mm)으로부터 약 0.3 mm 깊이에서 반사된 광('A' 부분, 피부조직)은 제2 편광판에 의해 약 30% 내지 40% 제거되어 2S1/S0 값이 약 0.6이 되는 것을 확인할 수 있고, 2S1/S0 < 1이 되는 구간은 제1 또는 제2 편광자의 방향(X 방향 또는 Y 방향) 및 그로부터 소정 범위 이내(-8.5도 내지 +8.5도)인 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 19에서 2S1/S0 < 1이 되는 구간(하늘색 ~ 진한 청색 구간)에서 노이즈 감소 효과가 있음을 확인할 수 있다. 반면, 피부 표면(0 mm)으로부터 약 1.8mm 깊이에서 반사된 광('B' 부분, 혈관)은 2S1/S0 값이 약 1이 되는 것을 확인할 수 있고, 위치에 상관 없이 2S1/S0 값이 약 1인 것을 확인할 수 있다.
실시예
실시예 1
PPG 모듈(OSRAM SFH7060)의 발광 소자와 광 검출 소자의 하부에 각각 편광 필름(LPVISE 2x2, Thorlab, Inc)을 부착하여 패치형(고정형) 생체 신호 센서를 각각 제조한다. 이때 발광 소자의 하부에 부착된 편광 필름의 편광 방향과 광 검출 소자의 하부에 부착된 편광 필름의 편광 방향이 수직이 되도록 배치한다.
실시예 2
패치형 대신 밴드형(비고정형)으로 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 생체 신호 센서를 제조한다.
기준예 1
편광 필름을 부착하지 않은 PPG 모듈(OSRAM SFH7060)을 패치형(고정형) 생체 신호 센서로 준비한다.
기준예 2
패치형 대신 밴드형(비고정형)으로 제조한 것을 제외하고 기준예 1과 동일한 방법으로 생체 신호 센서를 제조한다.
평가 I
실시예 1과 기준예 1에 따른 패치형 생체 신호 센서를 손목 안쪽에 부착하고 실시예 2와 기준예 2에 따른 밴드형 생체 신호 센서를 손목에 찬 후, 손목을 안쪽(-α°)-바깥쪽(+α°)으로 0.5Hz 주기로 반복적으로 구부릴 때의 PPG 신호를 측정한다. 측정된 PPG 신호를 Fourier transform (FT)하여 0.5Hz 성분(motion artifact)과 1.1Hz(PPG signal)의 세기를 비율로 나타내었다.
그 결과는 도 20 및 21과 같다.
도 20은 실시예 1와 기준예 1에 따른 생체 신호 센서의 움직임에 따른 신호 세기의 비율을 보여주는 그래프이고, 도 21은 실시예 2와 기준예 2에 따른 생체 신호 센서의 움직임에 따른 신호 세기의 비율을 보여주는 그래프이다.
도 20을 참고하면, 실시예 1에 따른 패치형 생체 신호 센서는 기준예 1에 따른 패치형 생체 신호 센서와 비교하여 움직임 크기(손목을 구부린 각도)에 따른 노이즈가 낮은 것을 확인할 수 있다. 마찬가지로 도 21을 참고하면, 실시예 2에 따른 밴드형 생체 신호 센서는 기준예 2에 따른 밴드형 생체 신호 센서와 비교하여 움직임 크기에 따른 노이즈가 낮은 것을 확인할 수 있다.
평가 II
실시예 1과 기준예 1에 따른 패치형 생체 신호 센서를 손목 안쪽에 부착하고 실시예 2와 기준예 2에 따른 밴드형 생체 신호 센서를 손목에 찬 후, 손목을 안쪽(-20°)-바깥쪽(+20°)으로 0.5Hz 주기로 반복적으로 구부릴 때의 PPG 신호와 FFT 스펙트럼을 평가한다.
그 결과는 도 22 내지 25와 같다.
도 22는 휴식 상태(정지 상태)와 운동 상태(움직임 상태)에서의 실시예 1과 기준예 1에 따른 생체 신호 센서의 생체 신호의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 23은 휴식 상태(정지 상태)와 운동 상태(움직임 상태)에서의 실시예 2와 기준예 2에 따른 생체 신호 센서의 생체 신호의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 24는 운동 상태(움직임 상태)에서의 실시예 1과 기준예 1에 따른 생체 신호 센서를 Fourier 변환하여 주파수로 나타낸 FFT 스펙트럼이고, 도 25는 운동 상태(움직임 상태)에서의 실시예 2와 기준예 2에 따른 생체 신호 센서를 Fourier 변환하여 주파수로 나타낸 FFT 스펙트럼이다.
도 22 및 23을 참고하면, 실시예 1, 2에 따른 생체 신호 센서는 기준예 1, 2에 따른 생체 신호 센서와 각각 비교하여 운동(motion)시 노이즈가 상대적으로 작은 것을 확인할 수 있고 이로부터 편광자 유무에 따라 움직임에 의한 영향이 다른 것을 확인할 수 있다.
도 24를 참고하면, 주파수 0.5Hz 부근(약 0.5 내지 0.7Hz)의 운동 노이즈(motion artifact)와 주파수 1Hz 부근(약 1 내지 1.2Hz)의 심박 신호(HR 신호)의 세기를 비교할 때 실시예 1에 따른 생체 신호 센서는 심박 신호에 비하여 운동 노이즈(motion artifact)가 작은 반면 기준예 1에 따른 생체 신호 센서는 심박 신호에 비하여 운동 노이즈가 큰 것을 확인할 수 있다.
도 25를 참고하면, 주파수 0.5Hz 부근(약 0.5 내지 0.7Hz)의 운동 노이즈(motion artifact)와 주파수 1Hz 부근(약 1 내지 1.2Hz)의 심박 신호(HR 신호)의 세기를 비교할 때 실시예 2에 따른 생체 신호 센서는 기준예 2에 따른 생체 신호 센서와 비교하여 심박 신호 대비 노이즈의 비율이 낮은 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 센서
100a: 제1 생체 신호 센서
100b: 제2 생체 신호 센서
110: 투광층
121: 제1 발광 소자
122: 제1 편광자
123: 위상 지연자
124: 제2 발광 소자
131, 131a, 131b, 131c, 131d: 제1 광 검출 소자
132, 132a, 132b, 132c, 132d: 제2 편광자
133, 133a, 133b, 133c, 133d: 제2 광 검출 소자

Claims (27)

  1. 발광 소자,
    생체 내 타겟에서 반사된 광으로부터 생체 신호를 검출하는 광 검출 소자,
    제1 편광 방향의 광을 선택적으로 투과시키는 제1 편광자, 그리고
    제2 편광 방향의 광을 선택적으로 투과시키는 제2 편광자
    를 포함하고,
    상기 발광 소자는 상기 제1 편광자와 중첩하는 제1 발광 소자를 포함하고,
    상기 광 검출 소자는 상기 제2 편광자와 중첩하는 제1 광 검출 소자를 포함하며,
    상기 제1 발광 소자와 상기 제1 광 검출 소자는 제1 방향을 따라 나란히 배치되어 있고,
    상기 제1 편광 방향과 상기 제2 편광 방향은 실질적으로 수직인
    생체 신호 센서.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 방향에 대한 상기 제1 편광 방향 또는 상기 제2 편광 방향의 각도는 하기 관계식 1을 만족하는 생체 신호 센서:
    [관계식 1]
    2S1/S0 < 1.0
    상기 관계식 1에서,
    S1은 상기 제1 방향에 대한 상기 제1 편광 방향 또는 상기 제2 편광 방향의 각도가 θ도일 때의 상기 제1 광 검출 소자에서의 측정 광량이고,
    S0는 상기 제2 편광자가 없을 때의 상기 제1 광 검출 소자에서의 측정 광량이다.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 방향에 대한 상기 제1 편광 방향 또는 상기 제2 편광 방향의 각도(θ)는 -8.5도 내지 +8.5도에 속하는 생체 신호 센서.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 편광 방향 또는 상기 제2 편광 방향은 상기 제1 방향에 대하여 수평인 생체 신호 센서.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 편광 방향과 상기 제2 편광 방향 중 하나는 상기 제1 방향에 대하여 수평이고,
    상기 제1 편광 방향과 상기 제2 편광 방향 중 다른 하나는 상기 제1 방향에 대하여 수직인 생체 신호 센서.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 광 검출 소자는 복수 개이고,
    상기 복수의 제1 광 검출 소자의 적어도 일부는 상기 제1 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 양측에 배치되어 있는 생체 신호 센서.
  7. 제6항에서,
    상기 복수의 제1 광 검출 소자의 일부는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 양측에 배치되어 있는 생체 신호 센서.
  8. 제1항에서,
    상기 광 검출 소자는 상기 제2 편광자와 중첩하지 않는 제2 광 검출 소자를 더 포함하는 생체 신호 센서.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 발광 소자와 상기 제2 광 검출 소자는 상기 제1 방향에 대하여 수평 또는 수직하지 않은 제3 방향을 따라 나란히 배치되어 있는 생체 신호 센서.
  10. 제8항에서,
    상기 발광 소자는 상기 제1 편광자와 중첩하지 않는 제2 발광 소자를 더 포함하는 생체 신호 센서.
  11. 제10항에서,
    상기 제1 광 검출 소자와 상기 제2 광 검출 소자는 각각 복수 개이고,
    상기 복수의 제1 광 검출 소자의 일부는 상기 제1 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 일측 또는 양측에 배치되어 있고,
    상기 복수의 제1 광 검출 소자의 일부는 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 일측 또는 양측에 배치되어 있고,
    상기 복수의 제2 광 검출 소자의 일부는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 각각 다른 제3 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 일측 또는 양측에 배치되어 있고,
    상기 복수의 제2 광 검출 소자의 일부는 상기 제1 방향, 상기 제2 방향 및 상기 제3 방향과 각각 다른 제4 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 일측 또는 양측에 배치되어 있는 생체 신호 센서.
  12. 제1항에서,
    상기 제1 발광 소자와 상기 제1 편광자 사이에 위치하는 위상 지연자(retarder)를 더 포함하는 생체 신호 센서.
  13. 제1항에서,
    피부 부착형 광용적맥파(PPG) 센서인 생체 신호 센서.
  14. 편광자 구비된 제1 광 검출 소자를 포함하는 제1 생체 신호 센서, 그리고
    편광자 구비되지 않은 제2 광 검출 소자를 포함하는 제2 생체 신호 센서
    를 포함하고,
    상기 제1 생체 신호 센서와 상기 제2 생체 신호 센서는 독립적으로 동작하는 생체 신호 센서.
  15. 제14항에서,
    편광자 구비된 제1 발광 소자를 더 포함하는 생체 신호 센서.
  16. 제15항에서,
    상기 제1 생체 신호 센서는 복수 개이고,
    상기 복수의 제1 생체 신호 센서의 일부는 제1 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 일측 또는 양측에 배치되어 있고,
    상기 복수의 제1 생체 신호 센서의 일부는 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 일측 또는 양측에 배치되어 있는
    생체 신호 센서.
  17. 제16항에서,
    상기 제2 생체 신호 센서는 복수 개이고,
    상기 제2 생체 신호 센서의 일부는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 각각 다른 제3 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 일측 또는 양측에 배치되어 있고,
    상기 제2 생체 신호 센서의 일부는 상기 제1 방향, 상기 제2 방향 및 상기 제3 방향과 각각 다른 제4 방향을 따라 상기 제1 발광 소자의 일측 양측에 배치되어 있는 생체 신호 센서.
  18. 제14항에서,
    발광 소자를 더 포함하는 생체 신호 센서.
  19. 제18항에서,
    상기 발광 소자는 편광자 구비된 제1 발광 소자를 포함하는 생체 신호 센서.
  20. 제14항에서,
    상기 제1 생체 신호 센서는 편광자 구비된 제1 발광 소자를 더 포함하고,
    상기 제2 생체 신호 센서는 편광자 구비되지 않은 제2 발광 소자를 더 포함하는 생체 신호 센서.
  21. 제20항에서,
    상기 제1 생체 신호 센서는 위상 지연자(retarder)를 더 포함하는 생체 신호 센서.
  22. 제14항에서,
    피부 부착형 광용적맥파(PPG) 센서인 생체 신호 센서.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 생체 신호 센서를 포함하는 센서 시스템.
  24. 제23항에서,
    움직임 감지 센서를 더 포함하는 센서 시스템.
  25. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 생체 신호 센서를 포함하는 전자 기기.
  26. 제14항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 생체 신호 센서의 동작 방법으로서,
    부착 또는 착용 부위의 움직임을 감지하는 단계,
    감지된 움직임에 따라 상기 제1 생체 신호 센서 또는 상기 제2 생체 신호 센서를 선택적으로 구동하는 단계, 그리고
    상기 제1 생체 신호 센서 또는 상기 제2 생체 신호 센서로부터 생체 신호를 얻는 단계
    를 포함하는 센서 시스템의 동작 방법.
  27. 제26항에서,
    상기 제1 생체 신호 센서 또는 상기 제2 생체 신호 센서를 선택적으로 구동하는 단계는
    상기 부착 또는 착용 부위의 움직임이 감지될 때 상기 제1 생체 신호 센서를 선택적으로 구동하고,
    상기 부착 또는 착용 부위의 움직임이 감지되지 않을 때 상기 제2 생체 신호 센서를 선택적으로 구동하는
    센서 시스템의 동작 방법.
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KR101050694B1 (ko) * 2009-10-08 2011-07-20 광주과학기술원 생체세포의 상대위상 측정방법 및 생체세포의 상대위상 측정장치
TW201428431A (zh) * 2012-11-19 2014-07-16 尼康股份有限公司 照明光學系統、照明方法、曝光方法以及裝置
KR102356454B1 (ko) * 2015-02-17 2022-01-27 삼성전자주식회사 이중 커플러 소자, 상기 이중 커플러를 포함하는 분광기, 및 상기 분광기를 포함하는 비침습형 생체 센서
DK180246B1 (en) * 2018-03-12 2020-09-11 Apple Inc User interfaces for health monitoring
KR102505234B1 (ko) * 2018-04-12 2023-03-03 삼성전자주식회사 공간 광 변조기를 이용한 생체 정보 검출을 위한 방법, 전자 장치 및 저장 매체
KR20200067592A (ko) * 2018-12-04 2020-06-12 삼성전자주식회사 웨어러블 장치에서 생체 신호의 측정을 가이드 하기 위한 방법

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