KR20240047692A - 집광필름을 결합한 패치형 광기반 헬스케어 장치 - Google Patents
집광필름을 결합한 패치형 광기반 헬스케어 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 집광필름을 결합한 패치형 광기반 헬스케어 장치에 관한 것으로, 발광부가 광을 출력하고, 수광부가 광출력부로부터 출력된 광을 수광하고, 스페이서가 발광부와 수광부 사이에 구비되어 발광부로부터 출력되는 광을 차단하되, 발광부 및 수광부 각각이 분산된 광을 집광하는 적어도 하나의 집광필름을 포함하고, 발광부의 집광필름이 피부 조직에 대한 광의 침투 깊이를 향상시키기 위해 오목렌즈 형태의 제1 집광면을 다수개로 구비하고, 수광부의 집광필름이 피부 조직으로부터 반사되는 광의 검출량을 향상시키기 위해 볼록렌즈 형태의 제2 집광면을 다수개로 구비하며, 집광필름이 피디엠에스(poly(dimethylsiloxane), PDMS) 및 노아(Norland Optical Adhesive, NOA)가 교차 적층되어 광기반 헬스케어 장치의 제한적인 광출력에 대한 노이즈 비율을 감소시켜 수광효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 집광필름을 결합한 패치형 광기반 헬스케어 장치에 관한 것으로, 신체에 패치형태로 부착하여 산소포화도 측정 및 심박수를 측정할 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.
헬스케어 장치는 환자에게 발생할 수 있는 혈중 산소 부족현상 및 심장기능 저하로 인한 비정상적인 맥박 수치를 각종 응급 상황을 사전에 예방할 수 있는 휴대용 장치이다. 혈액내 산소와 결합한 헤모글로빈의 양이 전체 헤모글로빈의 양에서 차지하는 비율을 백분율로 수치화함에 따라 혈중 산소포화도를 도출할 수 있다. 환자의 동맥혈 중 산소포화도를 채혈하지 않고 비침습적으로 측정하여 혈액내 산소포화량을 측정할 수 있어 호흡관리를 효율적으로 개선하고 호흡곤란 발생 위험을 사전에 예방할 수 있다.
종래의 광기반 헬스케어 장치는 발광부와 수광부로 구성되어 있다. 발광부에서 피부에 조사된 광이 조직 및 혈류 정보에 따라 감쇄 및 후방산란되어 수광부에 도달함에 따라 피부 조직내 산소포화도 및 심박수를 측정하고 있다. 혈류역학적 변화를 측정하는 광기반 헬스케어 장치는 조직 내 광 침투 깊이가 증가할수록 스캔 영역이 증가하여 높은 정확도를 가진다. 대부분의 상용 장치는 발광부와 수광부 사이 거리를 늘려서 넓은 스캔 영역을 확보한다.
그러나, 발광부 및 수광부 사이의 거리가 멀어질수록 수광부에서 획득하는 광 세기가 감소하고 노이즈 비율이 증가하며, 특히 패치형태의 웨어러블 장치의 경우에는 경량화된 형태를 요구하므로 발광부의 제한적인 광 세기로 인해 측정이 용이하지 아니한 문제가 있다.
This work was supported by Korea Evaluation Institute of Industrial Technology (KEIT) grant funded by the Korea government(MOTIE, Grant No. RS-2022-00154781, Development of large-area wafer-level flexible/stretchable hybrid sensor platform technology for formfactor-free highly integrated convergence sensor).
이 연구는 2022년도 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT) 연구비 지원에 의한 연구임('RS-2022-00154781')
본 발명은, 패치형태의 경량화된 헬스케어 장치의 제한적인 광출력에 대한 조직내 광침투 효과와 함께 수광효율을 향상시킬 수 있는 집광필름을 결합한 패치형 광기반 헬스케어 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 집광필름을 결합한 패치형 광기반 헬스케어 장치는 광을 출력하는 발광부; 상기 광출력부로부터 출력된 광을 수광하는 수광부; 및 상기 발광부와 상기 수광부 사이에 구비되어 상기 발광부로부터 출력되는 광을 차단하는 스페이서(Spacer)를 포함하고, 상기 발광부 및 상기 수광부 각각은, 분산된 광을 집광하는 적어도 하나의 집광필름을 포함하고, 상기 발광부의 집광필름은, 피부 조직에 대한 광의 침투 깊이를 향상시키기 위해 오목렌즈 형태의 제1 집광면을 다수개로 구비하고, 상기 수광부의 집광필름은, 상기 피부 조직으로부터 반사되는 광의 검출량을 향상시키기 위해 볼록렌즈 형태의 제2 집광면을 다수개로 구비하고, 상기 집광필름은 피디엠에스(poly(dimethylsiloxane), PDMS) 및 노아(Norland Optical Adhesive, NOA)가 교차 적층된다.
바람직하게는, 상기 피디엠에스은 굴절률이 1.40 내지 1.46 이고, 상기 노아는 굴절률이 1.37 내지 1.43 일 수 있다.
바람직하게는, 상기 피디엠에스와 노아는 굴절률 차이가 0.03 내지 0.09일 수 있다.
바람직하게는, 상기 피디엠에스 및 상기 노아 중 어느 하나는 상기 발광부 및 상기 수광부를 평탄화할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 집광면은 발광부로부터 출력된 광이 피부 조직내로 침투하는 깊이가 증가하도록 광을 집광하고, 상기 제2 집광면은 피부조직에서 후방 산란된 광을 집광할 수 있다.
바람직하게는, 상기 집광필름은 상기 발광부와 피부 사이 및 상기 수광부와 피부 사이의 굴절률 차이를 최소화하여 프레넬 반사를 저감할 수 있다.
바람직하게는, 상기 집광필름은 광을 집광하는 면이 돔 형태로 구비되어 출광면에 도달하는 광이 임계각 이내일 수 있다.
바람직하게는, 상기 피디엠에스는 발광부와 노아 사이 및 수광부와 노아 사이에 구비될 수 있다.
본 발명에 따르면, 광기반 헬스케어 장치의 제한적인 광출력에 대한 노이즈 비율을 감소시켜 수광효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 패치형 광기반 헬스케어 장치를 계략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광기반 헬스케어 장치를 나타낸 구성도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광경로 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 광 침투 깊이를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 수광부의 광전력을 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광기반 헬스케어 장치를 나타낸 구성도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광경로 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 광 침투 깊이를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 수광부의 광전력을 나타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명에 따른 집광필름을 결합한 패치형 광기반 헬스케어 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 패치형 광기반 헬스케어 장치를 계략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 일 실시예에 따른 광기반 헬스케어 장치를 나타낸 구성도이다.
도 1 및 도 2에서 나타낸 바와 같이, 일 실시예에 따른 광기반 헬스케어 장치는 발광부(100), 수광부(200), 및 스페이서(300)를 포함한다.
발광부(100)는 광을 출력하고, 수광부(200)는 광출력부로부터 출력된 광을 수광하고, 스페이서(300)는 발광부(100)와 수광부(200) 사이에 구비되어 발광부(100)로부터 출력되는 광을 차단하는 스페이서(300)(Spacer)를 포함한다. 여기서, 발광부(100) 및 수광부(200) 각각은, 분산된 광을 집광하는 적어도 하나의 집광필름을 포함하고, 상기 발광부의 집광필름은, 피부 조직에 대한 광의 침투 깊이를 향상시키기 위해 오목렌즈 형태의 제1 집광면을 다수개로 구비하고, 상기 수광부의 집광필름은, 상기 피부 조직으로부터 반사되는 광의 검출량을 향상시키기 위해 볼록렌즈 형태의 제2 집광면을 다수개로 구비하고, 상기 집광필름은 피디엠에스(400)(poly(dimethylsiloxane), PDMS) 및 노아(500)(Norland Optical Adhesive, NOA)가 교차 적층된다. 여기서, 상기 피디엠에스(400)은 굴절률이 1.40 내지 1.46 이고, 상기 노아(500)는 굴절률이 1.37 내지 1.43 일 수 있고, 상기 피디엠에스(400)와 노아(500)는 굴절률 차이가 0.03 내지 0.09 일 수 있다. 또한, 상기 피디엠에스(400)와 노아(500) 중 어느 하나는 상기 발광부(100) 및 상기 수광부(200)를 평탄화할 수 있다. 상기 제1 집광면은 발광부로부터 출력된 광이 피부 조직내로 침투하는 깊이가 증가하도록 광을 집광하고, 상기 제2 집광면은 피부조직에서 후방 산란된 광을 집광할 수 있다. 즉, 상기 집광필름은 발광부로부터 출력된 광이 피부 조직내로 침투하는 깊이가 증가되도록 하며, 후방산란된 광을 수광부에 집광할 수 있다. 또한, 상기 집광필름은 상기 발광부와 피부 사이 및 상기 수광부와 피부 사이의 굴절률 차이를 최소화하여 프레넬 반사를 저감할 수 있으며, 상기 집광필름은 광을 집광하는 집광면이 돔 형태로 구비되어 출광면에 도달하는 광이 임계각 이내일 수 있다.
상기 집광필름은 내부전반사와 프레넬 반사를 방지하여 광추출 효율을 개선할 수 있다. 상기 피디엠에스(400)는 발광부(100)와 노아(500) 사이 및 수광부(200)와 노아(500) 사이에 구비될 수 있다.
발광부(100)는 적어도 하나의 LED(Light emitting diode), OLED(Organic light-emitting diode), QLED(Quantum-dot light emitting diode) 중 어느 하나로 구비될 수 있다. 수광부(200)는 입사된 광에 의해 전류를 발생할 수 있다. 발광부(100)는 적어도 두 개 이상 구비될 수 있고, 발광부(100)가 적어도 두 개 이상 구비될 수 있다. 적어도 두 개 이상 구비될 경우에 발광부(100)의 발광 파장은 600 nm 내지 900 nm일 수 있고, 두 개의 발광 파장은 서로 다를 수 있다. 이때, 수광부(200)는 발광부(100)의 서로 다른 발광 파장을 이용하여 산소포화도 및 심박수를 측정할 수 있다.
피디엠에스(400)는 슬릿코팅(Slit coating), 스핀코팅(Spin coating), 슬롯다이 코팅(Slot die coating) 중 어느 하나의 방법으로 코팅될 수 있다. 피디엠에스(400)는 실리콘 온 절연체 웨이퍼를 포토리소그래피 공정으로 패턴하여 제조된 몰드를 통해 형성될 수 있다. 발광부(100)의 피디엠에스(400)는 발광부(100)로부터 피부(10) 방향으로 출력되는 광을 집광하기 위해 오목렌즈 형태로 형성될 수 있고, 수광부(200)의 피디엠에스(400)는 광을 수광부(200) 방향으로 집광하기 위해 볼록렌즈 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 집광필름은 내부전반사 방지하여 광추출 효율을 개선할 수 있다. 피디엠에스(400) 및 노아(500) 중 적어도 하나는 적층과 경화를 반복하여 복수의 계층으로 형성될 수 있다. 집광필름은 이중 마이크로렌즈어레이 필름일 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 광경로 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 4는 일 실시예에 따른 광 침투 깊이를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 3에서 나타낸 바와 같이, 시뮬레이션을 통해 발광부(100)에서 출력되어 피부(10)로 진행하는 광 경로를 도출할 수 있고, 도 4에서 나타낸 바와 같이, (A)는 집광필름을 적용하지 아니한 헬스케어 장치이고, (B)는 집광필름을 적용한 헬스케어 장치의 광 깊이 시뮬레이션 결과이다. 발광부(100) 및 수광부(200)에 집광필름을 적용 여부에 따라 광경로(20) 시뮬레이션에 따른 광 침투 깊이를 도출할 수 있다. 이때, 집광필름이 적용되지 아니한 헬스케어 장치의 광 침투 깊이보다 집광필름이 적용된 헬스케어 장치의 광 침투 깊이가 더 높게 검출됨을 확인할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 수광부(200)의 광전력을 나타낸 도면이다.
도 5에서 나타낸 바와 같이, (A)는 집광필름이 적용되지 아니한 수광부(200)의 광전력이고, (B)는 집광필름이 적용된 수광부(200)의 광전력을 나타낸다. 여기서, (A) 수광부(200)의 광전력은 2.6436E-02 W이고, (B) 수광부(200)의 광전력은 5.1911E-02 W로 집광필름을 적용한 수광부(200)가 반사된 광을 더 많이 검출함에 따라 발생되는 전력량이 증가되었다. 이러한 결과는 피디엠에스(400)와 노아(500)로 구비되는 집광필름이 발광부(100)에서 출력되어 피부(10)로 조사될 때 발광부(100)와 피부(10) 사이의 굴절률 차이를 집광필름이 단계적으로 완화시켜 피부 계면에서 반사되는 광량을 최소화함에 따라 조직내 혈관으로 입사되는 광량이 증가된다. 또한, 수광부(200)에 적용된 집광필름은 피부(10) 내에 조사된 광이 반사되어 노아(500)와 피디엠에스(400)를 통해 수광부(200)로 진행할 때 분산되는 광을 집광하기 때문에 광 검출량이 증가된다.
발광부(100)와 피부(10) 사이 또는 수광부(200)와 피부(10) 사이의 굴절률 차이를 최소화하는 과정에서 집광필름인 피디엠에스(400)와 노아(500)가 구비됨에 따라 광이 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 진행하면서 발생하는 프레넬 반사를 최소화한다. 또한, 발광부(100)에서 출력된 광은 피부(10)의 경계면에서 임계각도(Critical angle)로 진행할 때 피부(10)에 투과되지 못하고 측면으로 향했던 광을 피디엠에스(400)와 노아(500)의 경계면 및 노아(500)와 피부(10)의 경계면에서 굴절률 차이를 완화함에 따라 임계각을 증가시켜 내부전반사를 최소화하여 노아(500)를 투과하는 광량을 증가시킨다. 그리고 집광필름은 돔형태로 입사각에 변화를 주어 임계각에 도달하지 못하도록 기여한다.
또한, 수광부(200)에 적용된 집광필름은 피부(10) 또는 피부(10) 내에서 난반사되는 광을 수광부(200) 방향으로 집광한다. 이때, 수광부(200)는 광 진행 방향에 따라 굴절률이 낮은 매질에서 높은 매질로 진행함에 따라 임계각도 이후로 진행하는 광을 수광부(200)로 집광되도록 굴절시킴에 따라 광 검출량이 증가된다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
100: 발광부
200: 수광부
300: 스페이서 400: 피디엠에스
500: 노아
10: 피부 20: 광경로
300: 스페이서 400: 피디엠에스
500: 노아
10: 피부 20: 광경로
Claims (8)
- 광을 출력하는 발광부;
상기 광출력부로부터 출력된 광을 수광하는 수광부; 및
상기 발광부와 상기 수광부 사이에 구비되어 상기 발광부로부터 출력되는 광을 차단하는 스페이서(Spacer)를 포함하고,
상기 발광부 및 상기 수광부 각각은,
분산된 광을 집광하는 적어도 하나의 집광필름을 포함하고,
상기 발광부의 집광필름은,
피부 조직에 대한 광의 침투 깊이를 향상시키기 위해 오목렌즈 형태의 제1 집광면을 다수개로 구비하고,
상기 수광부의 집광필름은,
상기 피부 조직으로부터 반사되는 광의 검출량을 향상시키기 위해 볼록렌즈 형태의 제2 집광면을 다수개로 구비하고,
상기 집광필름은 피디엠에스(poly(dimethylsiloxane), PDMS) 및 노아(Norland Optical Adhesive, NOA)가 교차 적층되는 것을 특징으로 하는 집광필름을 결합한 패치형 광기반 헬스케어 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 피디엠에스은 굴절률이 1.40 내지 1.46 이고,
상기 노아는 굴절률이 1.37 내지 1.43 인 것을 특징으로 하는 집광필름을 결합한 패치형 광기반 헬스케어 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 피디엠에스와 노아는 굴절률 차이가 0.03 내지 0.09인 것을 특징으로 하는 집광필름을 결합한 패치형 광기반 헬스케어 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 피디엠에스 및 상기 노아 중 어느 하나는 상기 발광부 및 상기 수광부를 평탄화하는 것을 특징으로 하는 집광필름을 결합한 패치형 광기반 헬스케어 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 집광면은 발광부로부터 출력된 광이 피부 조직내로 침투하는 깊이가 증가하도록 광을 집광하고,
상기 제2 집광면은 피부조직에서 후방 산란된 광을 집광하는 것을 특징으로 하는 집광필름을 결합한 패치형 광기반 헬스케어 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 집광필름은 상기 발광부와 피부 사이 및 상기 수광부와 피부 사이의 굴절률 차이를 최소화하여 프레넬 반사를 저감하는 것을 특징으로 하는 집광필름을 결합한 패치형 광기반 헬스케어 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 집광필름은 광을 집광하는 면이 돔 형태로 구비되어 출광면에 도달하는 광이 임계각 이내인 것을 특징으로 하는 집광필름을 결합한 패치형 광기반 헬스케어 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 피디엠에스는 발광부와 노아 사이 및 수광부와 노아 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 집광필름을 결합한 패치형 광기반 헬스케어 장치.
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