WO2017043823A1 - 감지 장치 - Google Patents

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WO2017043823A1
WO2017043823A1 PCT/KR2016/009918 KR2016009918W WO2017043823A1 WO 2017043823 A1 WO2017043823 A1 WO 2017043823A1 KR 2016009918 W KR2016009918 W KR 2016009918W WO 2017043823 A1 WO2017043823 A1 WO 2017043823A1
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WO
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light
light receiving
receiving unit
light emitting
substrate
Prior art date
Application number
PCT/KR2016/009918
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English (en)
French (fr)
Inventor
최주승
이호민
박재완
이동근
이정기
Original Assignee
엘지이노텍 주식회사
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Filing date
Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/024—Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic radiation-sensitive element covered by group H10K30/00

Definitions

  • the present embodiment relates to a sensing device, and more particularly, to a sensing device including a light receiving unit disposed on a cover substrate instead of a lower substrate to receive an optical signal reflected by an object.
  • Photodiodes are characterized by fast response speeds, wide sensitivity wavelengths, and good linearity of photocurrent. Therefore, researches for using them widely in electronic devices have been continuously conducted.
  • a sensing device capable of realizing a thinner module by embedding a processing element in the component embedded substrate using a component embedded substrate.
  • an embodiment according to the present invention provides a sensing device that can improve light efficiency by providing a light receiving unit having a structure surrounding a light emitting unit.
  • the embodiment according to the present invention by providing a light receiving unit on the cover substrate, provides a sensing device that can reduce the total volume of the heart rate sensor.
  • the present invention provides a sensing device to reduce the distance between the light emitting unit and the light receiving unit to be located within a predetermined distance as described above.
  • the sensing device includes a substrate; A light emitting part disposed on the substrate; And a light receiving unit disposed on the substrate to surround the light emitting unit.
  • the substrate may include a first substrate on which the light emitting part is disposed, and a second substrate on which the light receiving part is disposed and spaced apart from the first substrate by a predetermined distance.
  • the light emitting portion is disposed on a first surface of the first substrate, and the light receiving portion is disposed on a second surface of the second substrate facing the first surface of the first substrate.
  • the light emitting surface of the light emitting portion and the light receiving surface of the light receiving portion do not overlap each other in the vertical direction.
  • the light receiving surface of the light receiving portion is in direct contact with the second surface of the second substrate.
  • the light receiving unit exposes a region vertically overlapping with the light emitting surface of the light emitting unit of the second surface of the second substrate.
  • the apparatus may further include a light shielding portion disposed between one side of the light emitting portion and one side of the light receiving portion.
  • the central axis of the light receiving portion is the same as the central axis of the light emitting portion.
  • the apparatus may further include a resin layer disposed between an upper surface of the light emitting unit and a lower surface of the light receiving unit.
  • the apparatus may further include a signal processing element embedded in the first substrate.
  • the light receiving surface of the light receiving unit is divided into a plurality of areas, and the light receiving position is confirmed based on the information of the area where the light is received among the divided areas.
  • the sensing device is a cover substrate; And a light receiving unit disposed on the cover substrate, wherein the light receiving unit is in direct contact with a bottom surface of the cover substrate.
  • the light receiving unit includes an organic photodiode.
  • the apparatus may further include a light shielding layer covering another surface of the light receiving unit except the light receiving surface.
  • the light receiving surface of the light receiving unit is divided into a plurality of areas, and when the light signal is received, the light receiving unit outputs information of the area in which the light signal is received among the plurality of areas.
  • the light receiving unit is deposited on a lower surface of the cover substrate in a thin film form.
  • the light receiving unit may have any one of a circle, a square, a polygon, and a heart having a hole formed at the center thereof.
  • the light receiving unit may include a first electrode disposed on a lower surface of the cover substrate, a P layer disposed below the first electrode, a silicon layer disposed below the P layer, and an N disposed below the silicon layer. And a second electrode disposed below the N layer.
  • the light receiving unit by arranging the light receiving unit in a structure surrounding the light emitting unit, it is possible to increase the amount of light received through the light receiving unit in the same product size, by using a multi-directional optical path rather than a unidirectional path It can provide an optimal sensing environment.
  • the conventional light receiving unit or the light receiving unit is mounted on the substrate, as compared with the excessive power consumption, the light receiving unit is disposed directly on the cover substrate, the detection distance is shortened, the light emitting unit and the intensity even at low power And sensitivity of the light receiver.
  • the magnitude of the detection signal may be increased by the same driving voltage as the conventional sensor, the same performance may be realized even with a low driving voltage.
  • the light-receiving unit in a circle, square, rectangle, heart shape, etc. according to the measurement object, it is possible to improve the design freedom.
  • the light receiving unit is formed of an organic photodiode, and thus the structure of the light receiving unit can be designed without restriction of area and shape.
  • the light receiving unit is formed in a shape surrounding the light emitting unit, thereby amplifying an optical signal received by an increase in the area of the light receiving unit.
  • the light emitting unit, the light receiving unit, the resin layer, and the cover substrate may be integrated, and the reaction time may be shortened by reducing the distance between the light emitting unit and the light receiving unit.
  • the heart rate sensor to measure the heart rate by the light receiving unit senses the light generated from the light emitting portion absorbed / reflected in the blood vessels of the finger / palm / body on the cover glass substrate ; photo-plethysmography sensor.
  • FIG. 1 is a view showing a sensing device according to the prior art.
  • FIGS. 2 and 3 are views illustrating a receiving structure of a sensing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 4 is a view illustrating a structure of the light receiving unit 220 according to the first embodiment of the present invention.
  • 5 and 6 are views showing the structure of a light receiving unit according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a sensing device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 and 10 are views illustrating a sensing device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a sensing device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a sensing device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a graph for comparing amplitude and signal strength of a sensing apparatus according to an exemplary embodiment of the present disclosure and a sensing apparatus according to the related art.
  • FIGS. 14 and 15 are diagrams illustrating an arrangement configuration example of a light emitting unit and a light receiving unit according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 16 to 20 are diagrams illustrating a method of manufacturing the sensing device illustrated in FIG. 12 in order of process.
  • 21 is an exemplary view of looking down the light emitting unit and the light receiving unit of the sensing device according to an embodiment of the present invention.
  • 22 is a block diagram showing a sensing device according to another embodiment of the present invention.
  • an expression such as 'first' and 'second' is used only for distinguishing a plurality of configurations, and does not limit the order or other features between the configurations.
  • each layer, region, pattern, or structure is formed “on” or “under” a substrate, each layer (film), region, pad, or pattern.
  • “on” and “under” include both “directly” or “indirectly” formed through another layer.
  • the thickness or size of each layer is exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience and clarity of description.
  • the size of each component does not necessarily reflect the actual size.
  • FIG. 1 is a view showing a sensing device according to the prior art.
  • a human body wearing apparatus includes a substrate 10, a light emitting device 30, a light receiving device 20, a processing device 40, a structure 50, a partition 60, and an optical window 70. do.
  • the substrate 10 is a base substrate for mounting the components constituting the wearable device.
  • the light emitting element 30 generates light of a specific wavelength band according to the light emission control signal.
  • the light receiving element 20 receives light incident upon the light generated through the light emitting element 30.
  • the processing element 40 controls the light receiving element 20 and the light emitting element 30, thereby processing a signal corresponding to light incident through the light receiving element 20 to measure a biosignal.
  • Structure 50 is a support structure for supporting the optical window 60.
  • the partition wall 60 is disposed between the light emitting element 30 and the light receiving element 20 to prevent the light generated through the light emitting element 30 from directly entering the light receiving element 20.
  • the optical window 70 is disposed on the light emitting surface and the light receiving surface of the light emitting element 30 and the light receiving element 20, respectively, to protect the light emitting element 30 and the light receiving element 20 from the outside.
  • the sensing device as described above detects a human body signal according to the voltage of the light received through the light receiving element 20 (that is, the light receiving voltage).
  • the human body signal may include heart rate or oxygen saturation.
  • the wearable device is a structure in which the light receiving element 20 having a square structure or a rectangular structure arranged in an adjacent region of the light emitting element 30 receives the light of the light emitting element 30. Accordingly, the optical path is only unidirectional, so that only limited light can be received.
  • the conventional sensing device is implemented by mounting a bulk light emitting unit and a light receiving unit on a substrate, and then covering the cover on the substrate, and the light receiving unit is disposed on only one side of the light emitting unit.
  • the sensing distance of the heart rate sensor is minimized by minimizing the separation distance between the cover, the light emitting part, and the light receiving part, and thus, the light receiving part is arranged around the light emitting part while preventing waste of power consumption. It is possible to increase the light reception efficiency.
  • FIGS. 2 and 3 are views illustrating a receiving structure of a sensing device according to an embodiment of the present invention.
  • the receiving structure of the sensing device includes a cover substrate 210 and a light receiving unit 220.
  • the cover substrate 210 is disposed in an upper region of the light receiver 220 to protect the surface of the sensing device, and thus may receive various input signals such as a touch signal or a heartbeat signal of the user.
  • the light receiving unit 220 is not disposed on a separate substrate to be described later, but is disposed on a bottom surface of the cover substrate 210.
  • an upper surface of the light receiving unit 220 is an incident surface for receiving light incident through the cover substrate 210.
  • the incident surface of the light receiving unit 220 is mounted to the light receiving unit 220 to be in direct contact with the bottom surface of the cover substrate 210.
  • a bulk light receiving unit was separately mounted on a substrate, but the light receiving unit 220 according to the present invention is deposited on the cover substrate 210, thereby providing a gap between the cover substrate 210 and the light receiving unit 220. Try to minimize the distance.
  • the distance between the cover substrate 210 and the light receiving unit 220 is determined by the thickness of the cover substrate 210, but the distance between the lower surface of the cover substrate 210 and the upper surface of the light receiving unit 220 is substantially 0.
  • the light receiving unit 220 is disposed on the bottom surface of the cover substrate 210. In this case, the light receiving unit 220 is disposed to expose a central area of the cover substrate 210.
  • the light receiving unit 220 may surround the central area and be disposed at an edge area of the bottom surface of the cover substrate 210.
  • FIG 4 is a view illustrating a structure of the light receiving unit 220 according to the first embodiment of the present invention.
  • the light receiving unit 220 may include a first electrode 221, a P layer 222, a silicon layer 223, an N layer 224, and a second electrode 225.
  • the first electrode, the P layer, the silicon layer, the N layer, and the second electrode may be stacked on the cover substrate in a vertical direction as shown in FIG. 4.
  • At least one of the first electrode 221 and the second electrode 225 may include a transparent conductive material to allow electricity to flow without interfering with the transmission of light.
  • 225 may be formed of indium tin oxide, indium zinc oxide, copper oxide, copper oxide, tin oxide, zinc oxide, titanium oxide, or the like. Metal oxides.
  • At least one sensing electrode of the first electrode 221 and the second electrode 225 may include a nanowire, a photosensitive nanowire film, carbon nanotubes (CNT), graphene, or a conductive polymer. Can be.
  • At least one sensing electrode of the first electrode 221 and the second electrode 225 may include various metals.
  • the electrodes 221 and 225 are chromium (Cr), nickel (Ni), copper (Cu), aluminum (Al), silver (Ag), and molybdenum (Mo).
  • Gold (Au), titanium (Ti) and their alloys may include at least one metal.
  • the sensing electrode materials may be mixed and used.
  • the first electrode 221, the P layer 222, the silicon layer 223, the N layer 224, and the second electrode 225 as described above are stacked on the cover substrate 220.
  • the stacked first electrode 221, the P layer 222, the silicon layer 223, the N layer 224, and the second electrode 225 may be variously modified.
  • the light receiving unit 220 including the first electrode 221, the P layer 222, the silicon layer 223, the N layer 224, and the second electrode 225 is rectangular as shown in FIG. 3. It may have a shape and may surround a central area of the bottom surface of the cover substrate 210.
  • the light receiving unit 220 may be disposed on the bottom surface of the cover substrate 210 using at least one of vacuum deposition, CVD, and printing.
  • the gap between the cover substrate 210 and the light receiving unit 220 is formed by forming a thin thin film corresponding to the light receiving unit 220 on the bottom surface of the cover substrate 210 using the vacuum deposition or patterning. It can be minimized and, accordingly, there is an advantage in that the overall thickness of the sensing device as described above can be made thin and light in weight.
  • the light receiving unit 220 when the light receiving unit 220 is disposed on the bottom surface of the cover substrate 210, unlike a conventional sensing device (see FIG. 1), a sensing distance from an object on the top surface of the cover substrate 210 (see FIG. 2). ), The intensity of the light emitting diode and the sensitivity of the photodiode may increase.
  • the sensing signal can be increased by the same driving voltage as the conventional sensor, it is possible to implement the same performance as the conventional low driving voltage, thereby implementing a low power consumption sensor.
  • the light receiving unit 220 may be implemented with at least one of a photodiode, a photoelectron multiplier, and a phototransistor, and thus light transmitted to the lower surface through the upper surface of the cover substrate 210. Receive a signal and generate a current signal for the received optical signal.
  • the light receiver 220 may be an organic photodiode.
  • Organic photodiodes are based on organic materials and are an alternative to photodetectors. Such an organic photodiode improves the light sensitivity of an electronic device such as a camera and may be used to investigate whether the display can be a uniform color composition. In addition, organic photodiodes have the advantage that they are very light compared to inorganic materials, are inexpensive to produce, and can be used for flexible applications.
  • Organic materials can be sensitive only in particular wavelength ranges (e.g. red light, green light, blue light, etc.), depending on the material of the organic material, so you can adjust the spectral sensitivity of the optical sensor by selecting the appropriate material for your application. have.
  • the absorption spectrum from UV to IR has a good feature, and has a number of advantages, such as high photogeneration yield, the ability to accommodate almost any substrate process through a relatively low temperature process capability compared to inorganic materials.
  • 5 and 6 are views showing the structure of a light receiving unit according to another embodiment of the present invention.
  • the light receiving unit 220 may have a rectangular box shape. However, this is only an example, and the structure of the light receiver 220 may be modified in various shapes.
  • the light receiving unit 220A may be disposed to surround the central area of the lower surface of the cover substrate 210, and the light receiving unit 220A may have a circular shape and surround the central area. .
  • the light receiving unit 220B may be disposed to surround the upper region of the light emitting unit 135.
  • the light receiving unit 220B may have a heart shape and surround the central region. .
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a sensing device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the sensing device includes a cover substrate 210, a light receiving unit 220, a lower substrate 230, and a light emitting unit 240.
  • cover substrate 210 and the light receiving unit 220 have been described in detail with reference to FIGS. 2 to 6, a detailed description thereof will be omitted.
  • the lower substrate 230 is a plate on which an electric circuit for changing wiring is knitted, and may include both a printed circuit board and an insulating board made of an insulating material capable of forming a conductor pattern on the surface of the insulating board.
  • the lower substrate 230 may be rigid or flexible.
  • the lower substrate 230 may include glass or plastic.
  • the lower substrate 230 may include chemically strengthened / semi-hardened glass such as soda lime glass or aluminosilicate glass, or may be polyimide (PI) or polyethylene terephthalate (PET). ), Propylene glycol (PPG) polycarbonate (PC), such as reinforced or soft plastics, or may include sapphire.
  • the lower substrate 230 may include an isotropic film.
  • the lower substrate 230 may include a cyclic olefin copolymer (COC), a cyclic olefin polymer (COP), an isotropic polycarbonate (PC) or an isotropic polymethyl methacrylate (PMMA), or the like. have.
  • the lower substrate 230 may be curved while having a partially curved surface. That is, the lower substrate 230 may be partially curved and partially curved. In detail, an end of the lower substrate 230 may have a curved surface, or may have a curved surface or a surface including a random curvature.
  • the lower substrate 230 of the present invention may be made of a printed circuit board (PCB) or a ceramic substrate.
  • the PCB substrate represents the electrical wiring connecting the circuit components based on the circuit design in a wiring diagram, and can reproduce the electrical conductor on the insulator.
  • the light emitter 240 is disposed on the lower substrate 230.
  • the light emitter 240 basically has a function of irradiating light in all directions, and the light emitted from the light emitter 240 is reflected by an object present on the cover substrate 210.
  • the light emitter 240 irradiates light to an object present on the cover substrate 210.
  • the light emitting unit 240 may include at least one of a light emitting diode (LED), an organic light emitting diode (OLED), an infrared emitting diode (Infrared Emitting Diode), and a laser diode.
  • LED light emitting diode
  • OLED organic light emitting diode
  • LED infrared emitting diode
  • laser diode a laser diode
  • the light emitter 240 receives power from an electronic device included in the sensing device and is driven by the supplied power to emit light of a specific wavelength.
  • the light emitter 240 may use various materials to change the wavelength of the optical signal to be irradiated as necessary.
  • the light emitting part 240 is disposed on the lower substrate 230, and is disposed in an area that does not substantially overlap the bottom surface of the light receiving part 220. That is, the lower surface of the light receiving unit 220 is not disposed in the upper region overlapping the upper surface of the light emitting unit 240. Therefore, the light irradiated by the light emitter 240 is not directly incident to the light receiver 220.
  • the light receiving unit 220 is disposed surrounding the upper region of the light emitting unit 240 as described above.
  • the light receiving range formed by the light receiving unit 220 corresponds to the first range R1 which is the entire area surrounded by the light receiving unit 220.
  • the light receiving portion is disposed on the same plane as the light emitting portion.
  • the light receiving unit is disposed on only one side of the light emitting unit. Accordingly, the light receiving unit 20 receives only the light reflected only to the left of the light emitted through the light emitting unit. Therefore, the light receiving range formed by the light receiving portion in the prior art is a second range R2 corresponding to the width of the light receiving portion, and the second range R2 is significantly narrower than the first range R1. It can be seen.
  • FIG. 9 and 10 are views illustrating a sensing device according to another embodiment of the present invention.
  • the sensing device includes a cover substrate 210, a light receiving unit 220, a lower substrate 230, a light emitting unit 240, and a light shielding unit 250.
  • cover substrate 210, the light receiving unit 220, the lower substrate 230, and the light emitting unit 240 have been described in detail with reference to FIGS. 2 to 8, detailed description thereof will be omitted. Shall be.
  • the light shielding part 250 is disposed on the lower substrate 230 to surround the light emitting part 240.
  • the light shield 250 may function to block light generated through the light emitter 240, and may further include a reflection function to reflect light generated through the light emitter 240 together with the blocking. have. Accordingly, the light shield 250 may be made of various materials depending on the function.
  • the light shielding unit 250 may perform a light blocking function to prevent the light generated by the light emitting unit 240 from being directly incident on the light receiving unit 220.
  • a black ink material or artificial It may be formed of a rubber-like structure.
  • the light shield 250 may further perform a light reflection function that reflects the light generated by the light emitter 240 to an upper region of the light emitter 240, and thus is formed of a metal material such as gold. Can be.
  • the peripheral area of the light emitting part 240 is covered by the light shielding part 250, and thus the light shielding part 250 surrounds the peripheral area of the light emitting part 240, and thus, the light shielding part 250. It is disposed in the upper region of the lower substrate 230 separated by.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a sensing device according to another embodiment of the present invention.
  • the sensing device includes a cover substrate 210, a light receiving unit 220, a lower substrate 230, a light emitting unit 240, and a light shielding unit 250A.
  • cover substrate 210, the light receiving unit 220, the lower substrate 230, and the light emitting unit 240 have been described in detail with reference to FIGS. 2 to 8, detailed description thereof will be omitted. Shall be.
  • the light shield 250 according to FIG. 10 is disposed on the lower substrate 230, but the light shield 250A according to FIG. 11 is disposed at a position spaced apart from the lower substrate 230 by a predetermined distance.
  • the light shield 250A may be disposed on the surface of the light receiver 220.
  • the light receiver 220 receives light incident in a plurality of directions.
  • the light receiving unit 220 should receive the light incident on the upper surface of the light receiving unit 220 through the cover substrate 210.
  • the light generated by the light emitter 240 may be directly received by the light receiver 220, and thus, a part of the surface of the light receiver 220 is covered by the light shield 250A.
  • the light shielding portion 250A is formed by applying the light shielding layer to a surface other than the upper surface of the light receiving portion 220 (the light incident surface in contact with the lower surface of the cover substrate 210). Accordingly, the light shielding layer prevents the light signal irradiated from the light emitting unit 240 from being directly incident to the light receiving unit 220.
  • the light receiving unit 220 may directly receive not only an optical signal reflected by an object but also an unreflected optical signal emitted from the light emitting unit 240, and all of these signals correspond to crosstalk as a result. This signal is classified as a noise signal in the future. Accordingly, in the present invention, the light shielding portion 250A formed of the light shielding layer is formed on the surface of the light receiving portion 220 as described above, so as to fundamentally block the direct light signal from the light emitting portion 240.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a sensing device according to another embodiment of the present invention.
  • the sensing device includes a cover substrate 210, a light receiving unit 220, a lower substrate 230, a light emitting unit 240, a light shielding unit 250, and a partition wall 260.
  • the cover substrate 210, the light receiving unit 220, the lower substrate 230, the light emitting unit 240, and the light shielding unit 250 have been described in detail with reference to FIGS. 2 to 10. Detailed description thereof will be omitted.
  • a partition wall 260 is further disposed on the lower substrate 230.
  • the partition wall 260 may be a support structure for supporting the cover substrate 210 disposed on the lower substrate 230.
  • the partition wall 260 is disposed between the lower substrate 230 and the cover substrate 210 to form a space in which the light emitting part 240 or the light receiving part 220 may be disposed.
  • the partition 260 may perform the function of the light shield 250. In other words, the partition 260 blocks the light irradiated by the light emitter 240 from being directly incident to the light receiver 220.
  • FIG. 13 is a graph for comparing amplitude and signal strength of a sensing apparatus according to an exemplary embodiment of the present disclosure and a sensing apparatus according to the related art.
  • the amplitude and signal strength of the light receiving unit 220 may be higher than that of the case where the bulk light emitting device is disposed on the substrate. You can see the increase.
  • the sensing voltage is measured to be about 87 mV and the amplitude is 3.6 mV.
  • the sensing voltage is measured to be about 122 mV and the amplitude is 5.4 mV.
  • the amplitude and intensity of the signal both increase by about 50%. 13 corresponds to data measured when only the light receiving unit 220 is in close contact with the cover substrate 210.
  • the light emitting unit 240 may be disposed in close contact with the cover substrate 210, and as described above, the light receiving unit 220 and the light emitting unit 240 may cover both the substrate.
  • FIGS. 14 and 15 are diagrams illustrating an arrangement configuration example of a light emitting unit and a light receiving unit according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a configuration example of the light emitting unit 240 and the light receiving unit 220 when the sensing device merely detects the heart rate
  • FIG. 15 is a light emitting unit when the sensing device detects both the heart rate and oxygen saturation ( A configuration example of the 240 and the light receiving unit 220 is shown.
  • the sensing device in order to detect the heart rate, includes at least one green light emitter 240 and a light receiver 220.
  • the green light emitting unit 240 may be disposed in a central area of the upper surface of the lower substrate 230, and the light receiving unit 220 may be formed in the green light emitting unit 240. It may be arranged surrounding the upper region.
  • the green light emitting unit 240 may be disposed in a plurality of upper and lower directions on the upper surface of the lower substrate 230, and the light receiving unit 220 may include the plurality of green light emitting units. It may be disposed surrounding the upper region of 240.
  • the plurality of green light emitting parts 240 may be disposed on the upper surface of the lower substrate 230 in a left and right direction, and the light receiving part 220 may include the plurality of green light emitting parts. It may be disposed surrounding the upper region of 240.
  • the sensing device in order to detect both the heart rate and the coral saturation, includes at least one green light emitter 240, a red light emitter 240, and an infrared light emitter 240.
  • the light emitting units 240 and at least one light receiving unit 220 are included.
  • the red light emitter 240, the green light emitter 240, the infrared light emitter 240, and the green light emitter 240 are disposed on the lower substrate 230 in a vertical direction.
  • the light receiving unit 220 may be disposed to surround all of the red light emitting unit 240, the green light emitting unit 240, the infrared light emitting unit 240, and the upper region of the green light emitting unit 240. Can be.
  • the red light emitter 240, the green light emitter 240, the infrared light emitter 240, and the green light emitter 240 are horizontally oriented on the lower substrate 230.
  • the light receiving unit 220 may be disposed to surround all of the red light emitting unit 240, the green light emitting unit 240, the infrared light emitting unit 240, and the upper region of the green light emitting unit 240. Can be.
  • 16 to 20 are diagrams illustrating a method of manufacturing the sensing device illustrated in FIG. 12 in order of process.
  • a lower substrate 230 is prepared, and a signal processing element 270 is buried in the prepared lower substrate 230.
  • a hole (not shown) is formed in the lower substrate 270, and a support member (not shown) covering the lower region of the formed hole is disposed,
  • the signal processing element 270 may be attached onto the disposed support member.
  • the support member When the signal processing element 270 is attached, the support member is removed, and an additional insulating layer is stacked to cover the lower region of the signal processing element 270, thereby forming the signal in the lower substrate 230.
  • the processing element 270 may be embedded.
  • the signal processing element 270 is a control element and may be implemented as an application specific integrated circuit (ASIC).
  • ASIC application specific integrated circuit
  • the lower substrate 230 is a support substrate of the human wearing device is a single pattern is formed.
  • the lower substrate 230 may refer to one insulating layer on which one circuit pattern of a substrate having a plurality of stacked structures is formed.
  • the lower substrate 230 may be a thermosetting or thermoplastic polymer substrate, a ceramic substrate, an organic-inorganic composite material substrate, or a glass fiber impregnated substrate.
  • the lower substrate 230 may include a polymer resin
  • the lower substrate 230 may include an epoxy-based insulating resin. It may alternatively include polyimide resin.
  • the lower substrate 230 is a plate on which an electric circuit for changing wiring is organized, and may include all of a printed circuit board, an insulating board, and an insulating board made of an insulating material capable of forming a conductor pattern on the surface of the insulating board. have.
  • the light emitter 240 is attached to the lower substrate 230 in which the signal processing element 270 is embedded (240).
  • a circuit pattern (not shown) that is electrically connected to the light emitting part 240 may be formed on the lower substrate 230.
  • the circuit pattern may be formed by an additive process, a subtractive process, a modified semi additive process (MSAP), or a semi additive process (SAP) process, which is a manufacturing process of a conventional printed circuit board. The detailed description is omitted.
  • a conductive layer (not shown) may be formed on the lower substrate 230, and the circuit pattern may be formed by patterning the conductive layer.
  • the conductive layer may be formed by electroless plating on the lower substrate 230.
  • a copper clad laminate CCL may be used.
  • the plating may be smoothly performed by applying roughness to the upper surface of the lower substrate 230.
  • the conductive layer may be formed of a conductive metal material such as copper (Cu), iron (Fe), and an alloy thereof.
  • the circuit pattern may include a plurality of patterns disposed on the lower substrate 230 spaced apart from each other by a predetermined interval.
  • the circuit pattern may generally include at least one surface treatment plating layer of copper, silver, gold, and tin.
  • the circuit pattern may include a first pattern electrically connected to the signal processing element 270, a second pattern electrically connected to the light emitting unit 240, and a third pattern electrically connected to the light receiving unit 220.
  • the pattern may further include a fourth pattern electrically connecting the first pattern and the second pattern, and a fifth pattern electrically connecting the second pattern and the third pattern. .
  • the signal processing element 270 may include a plurality of terminals (not shown) on an upper surface thereof, and the plurality of terminals may be exposed through an upper surface of the lower substrate 230.
  • the circuit pattern may be disposed on the exposed terminals.
  • circuit pattern connected to the plurality of terminals may be electrically connected to the light receiving unit 220 disposed later to receive a signal obtained by the light receiving unit 220.
  • an adhesive member (not shown) is formed on the upper surface of the lower substrate 230 corresponding to the position where the light emitting part 240 is to be attached, and the formed adhesive member
  • the light emitter 240 may be disposed on the lower substrate 230 to fix the light emitter 240 on the lower substrate 230.
  • the adhesive member may be made of at least one solder cream selected from the group consisting of a low melting point solder, a high melting point solder, a solder composed of alloy particles, a solder containing a resin, and a combination thereof, or an adhesive metal material. In some cases, it may include a metal powder to secure the conductivity.
  • the light emitting unit 240 may include at least one of a light emitting diode (LED), an organic light emitting diode (OLED), an infrared emitting diode (Infrared Emitting Diode), and a laser diode.
  • LED light emitting diode
  • OLED organic light emitting diode
  • LED infrared emitting diode
  • laser diode a laser diode
  • the light emitter 240 receives power from a power supply device (not shown) and emits the received energy as light having a specific wavelength.
  • the circuit pattern and the light emitter 240 may be electrically connected to each other, and the connection may be performed through a wire. ) And the circuit pattern can be achieved.
  • the light shielding part 250 is formed on the lower substrate 230 to surround the light emitting part 240.
  • the light shield 250 may function to block light generated through the light emitter 240.
  • the light shield 250 may serve to reflect light generated through the light emitter 240.
  • the light shielding unit 250 may perform a light blocking function to prevent the light generated from the light emitting unit 240 from being directly incident to the light receiving unit 220.
  • a black ink material or artificial rubber may be used. It may be formed into a mold structure.
  • the light shield 250 may perform a light reflection function that reflects the light generated by the light emitter 240 to the upper region of the light emitter 240, and thus may be formed of a metal material such as gold. have.
  • the peripheral area of the light emitting part 240 is surrounded by the light part 135. That is, the light unit 135 is formed to surround the surrounding area of the light emitting unit 240, and thus the light emitting unit 240 is disposed in an inner area divided by the light shielding unit 250.
  • a separate molding part (not shown) may be formed in an inner region surrounded by the light shielding part 250, and the molding part may be formed through the light emitting part 240 while protecting the light emitting part 240. It transmits light upwards.
  • a cover substrate 210 to be disposed on the lower substrate 230 is manufactured.
  • the light receiving unit 220 is disposed on the bottom surface of the cover substrate 210 as described above.
  • the light receiving unit 220 manufactures the cover substrate 210 disposed on the lower surface.
  • the light receiving unit 220 may be formed by sequentially stacking the layers constituting the light receiving unit 220 on the surface of the cover substrate 210.
  • the light receiving unit 220 is deposited on one surface of the cover substrate 210 as described above. More preferably, the light receiving unit 220 may be deposited on the bottom surface of the cover substrate 210.
  • the light receiving unit 220 may include a first electrode 221, a P layer 222, a silicon layer 223, an N layer 224, and a second electrode 225.
  • At least one sensing electrode of the first electrode 221 and the second electrode 225 may include a transparent conductive material to allow electricity to flow without disturbing the transmission of light.
  • the electrode 221 225 is an indium tin oxide, indium zinc oxide, copper oxide, copper oxide, tin oxide, zinc oxide, titanium oxide, or the like. It may include a metal oxide of.
  • At least one sensing electrode of the first electrode 221 and the second electrode 225 may include a nanowire, a photosensitive nanowire film, carbon nanotubes (CNT), graphene, or a conductive polymer. Can be.
  • At least one sensing electrode of the first electrode 221 and the second electrode 225 may include various metals.
  • the electrodes 221 and 225 are chromium (Cr), nickel (Ni), copper (Cu), aluminum (Al), silver (Ag), and molybdenum (Mo).
  • Gold (Au), titanium (Ti) and their alloys may include at least one metal.
  • the sensing electrode materials may be mixed and used.
  • the first electrode 221, the P layer 222, the silicon layer 223, the N layer 224, and the second electrode 225 as described above are stacked on the cover substrate 210.
  • the stacked first electrode 221, the P layer 222, the silicon layer 223, the N layer 224, and the second electrode 225 may be variously modified.
  • the light receiving unit 220 including the first electrode 221, the P layer 222, the silicon layer 223, the N layer 224, and the second electrode 225 has a rectangular shape, a circular shape, and a heart. It may have various shapes, such as shapes, and may be disposed surrounding the upper region of the light emitting part 240.
  • the cover substrate 210 is manufactured, the cover substrate 210 is attached onto the lower substrate 230 with respect to the partition wall 260.
  • 20 is a block diagram showing a sensing device according to another embodiment of the present invention.
  • the sensing device of the present invention may include a lower substrate 330, a cover substrate 310, a light emitting unit 340, and a light receiving unit 320.
  • the lower substrate 330 is a plate on which an electric circuit capable of changing wiring is organized, and may include all of a printed circuit board, an insulating board, and an insulating board made of an insulating material capable of forming a conductor pattern on the surface of the insulating board.
  • the cover substrate 310 is formed on the lower substrate 330 and may receive various input signals such as a user's touch signal or a heartbeat signal.
  • the cover substrate 310 may be formed directly on the lower substrate 330, but may be supported and fixed by a separate partition wall formed on the lower substrate 330.
  • the partition wall may block the light irradiated by the light emitting unit from reaching the light receiving portion directly, and as another use, the partition wall may be located between the lower substrate and the cover substrate so that the light emitting portion or the light receiving portion is disposed. It can also form a space.
  • the light emitter 340 basically functions to irradiate light in all directions, and the light emitted by the light emitter 340 is reflected by an object present on the cover substrate 310.
  • the light emitter 340 may be disposed on the lower substrate 330.
  • the light emitting unit 340 may include at least one of a light emitting diode (LED), an organic light emitting diode (OLED), an infrared emitting diode (Infrared Emitting Diode), and a laser diode.
  • the light emitting unit 340 receives power from an electronic device included in the sensing device, and emits the received energy as light having a specific wavelength, and further, the light emitting unit 340 uses the wavelength of the optical signal to be irradiated as necessary.
  • Various materials can be used to change.
  • the light receiver 320 When the light signal emitted from the light emitter 340 is absorbed or reflected by the object on the cover substrate 310, the light receiver 320 receives the absorbed or reflected light signal and generates a photocurrent signal.
  • the light receiving unit 320 may be implemented by at least one of a photodiode, a photoelectron multiplier, and a phototransistor.
  • the light receiving unit 320 is preferably made of an organic photodiode.
  • Organic photodiodes are based on organic materials and are an alternative to photodetectors. Such an organic photodiode improves the light sensitivity of an electronic device such as a camera and may be used to investigate whether the display can be a uniform color composition. In addition, organic photodiodes have the advantage that they are very light compared to inorganic materials, are inexpensive to produce, and can be used for flexible applications.
  • Organic materials can be sensitive only in particular wavelength ranges (e.g. red light, green light, blue light, etc.), depending on the material of the organic material, so you can adjust the spectral sensitivity of the optical sensor by selecting the appropriate material for your application. have.
  • the absorption spectrum from UV to IR has a good feature, and has a number of advantages, such as high photogeneration yield, the ability to accommodate almost any substrate process through a relatively low temperature process capability compared to inorganic materials.
  • the light receiving unit 320 of the present invention is located within a predetermined distance from the center 331 of the light emitting unit 340, it characterized in that it comprises a passage area through which the light signal emitted by the light emitting unit can pass. Detailed description thereof will be made with reference to FIG. 21.
  • the light emitting part 340 or the light receiving part 320 of the present invention may be formed in close contact with the surface of the cover substrate 310.
  • the light receiving unit 320 may be formed in close contact with the bottom surface of the cover substrate 310 in the form of a thin film.
  • the light receiver 320 may be formed on the bottom surface of the cover substrate 310 by sintering a paste-like material by a firing process. have.
  • the light receiving unit may be formed in close contact with the bottom surface of the cover substrate by using at least one of vacuum deposition, CVD, and printing.
  • the gap between the cover substrate and the substrate can be minimized and the thickness of the electronic device including the sensor can be made thinner and lighter.
  • the sensitivity of the light receiving unit 320 may increase.
  • the detection efficiency can be increased by the same driving voltage as the conventional sensing device, the same performance as that of the conventional device can be realized with a low driving voltage.
  • the sensing device of the present invention may further include a light shielding layer 350. Looking at the sensing device of FIG. 20, it can be seen that the surface of the light receiving unit 320 is covered by the light shielding layer 350.
  • the light shielding layer 350 may serve to prevent the light signal emitted from the light emitter 340 directly contacting the light receiver 320.
  • the light receiving unit 320 may directly receive not only the light signal reflected by the object but also the non-reflected light signal emitted from the light emitting unit 340. As a result, signals corresponding to crosstalk are classified as noise signals in the future. In order to overcome the above problems, a part of the light receiving unit 320 is applied to the light shielding layer 350 so as to fundamentally block the direct light signal from the light emitting unit 340.
  • part of the light receiving unit 320 is formed of the light shielding layer 350, more specifically, other surfaces other than the surface facing the cover substrate 310 of the light receiving unit 320 is implemented by the light shielding layer 350 May be However, it will be understood that the light shielding layer 350 is not applied to the electrode layer region formed on the cover substrate 310 to be connected to the pad among the detailed components constituting the light receiving unit 320.
  • 21 is an exemplary view of looking down the light emitting unit and the light receiving unit of the sensing device according to an embodiment of the present invention.
  • the light receiver 320 of the present invention may be located within a predetermined distance from the center 341 of the light emitter 340.
  • the center of the light receiving portion and the light emitting portion refers to the center in a state where the substrate is viewed vertically from above, as in the center 341 that is vertically lowered in FIG. 21. Since the light receiving unit 320 is located at a close distance from the center of the light emitting unit 340, the distance between the light receiving unit 320 and the light emitting unit 340 is reduced, so that the reaction time may be further shortened.
  • the center of the light receiving unit 320 and the center of the light emitting unit 340 may be the same, or may be positioned to be spaced apart by the distance by setting the most effective distance when designing in the manufacturing process.
  • the predetermined distance refers to a distance set in a direction perpendicular to the center of the light emitting unit 340
  • the light receiving unit 320 may be located with a predetermined distance in a plane parallel to the substrate.
  • the light receiving unit 320 since the light receiving unit 320 should be formed in a state in which a certain portion is empty by forming a passage area, it is preferable to be positioned at a certain distance.
  • the light receiver 320 may include a passage area through which an optical signal emitted by the light emitter 340 may pass. Since the light receiving unit 320 and the light emitting unit 340 are formed vertically, the spatial aspect can be reduced, and the distance between the light emitting unit and the light receiving unit can be shortened to prevent loss of an optical signal. To this end, the light emitter 340 forms an empty passage area so that the light signal irradiated vertically can pass through the light receiver. In this case, the pass-through region may be formed inside the light receiving unit 320 (ex: donut shape), or may be formed in a shape (eg, crescent shape) in which a predetermined portion of the light receiving unit 320 is dug out.
  • the light receiving unit 320 may be disposed to surround the light emitting unit 340.
  • the light receiving unit 320 may have a region overlapping with the light emitting unit 340.
  • some or all of the region of the light receiver 320 may overlap with the region of the light emitter 340.
  • the light receiver area may not overlap with the light emitter area.
  • the light receiving unit region may exist outside the light emitting unit region.
  • the light receiving unit region may be formed to contact the boundary line of the light emitting unit region.
  • the light emitting unit 340 may have a circular shape as shown in FIG. 21, and the light receiving unit 320 may have a donut shape.
  • FIG. 21 is a view of the light emitting unit 340 and the light receiving unit 320 vertically viewed from above.
  • the size of the light emitting unit 340 may be equal to the size of the inner space of the light receiving unit, or larger than the size of the inner space. It may be smaller than the size of the internal space.
  • the light receiving unit 320 may be implemented in any possible form without being limited to the donut form.
  • the area of the light receiving unit 320 is larger than the area of the light emitting unit 340. Since the area of the light receiving unit 320 is larger, there is an effect of increasing the reception efficiency and sensitivity of the optical signal. do.
  • 22 is a block diagram showing a sensing device according to another embodiment of the present invention.
  • the sensing device of the present invention may further include a resin layer 460.
  • the resin layer 460 is formed between the light emitting portion and the light receiving portion, and the cover substrate, the light emitting portion, the light receiving portion, and the resin layer are formed integrally to reduce the distance between the light emitting portion and the light receiving portion, and to increase the reaction time. It can be shortened.
  • the resin layer 460 serves to support the light receiving unit formed on the cover substrate, the resin layer 460 may further reduce the frequency of failure.
  • FIG. 23 is an exemplary diagram of dividing a light receiving unit into a predetermined area of a sensing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the sensing device may further include a controller corresponding to a signal processing element, and the controller may receive the photocurrent signal generated by the light receiver and analyze the photocurrent signal according to a preset condition. have.
  • the controller may perform an appropriate analysis of the photocurrent signal according to the purpose according to the purpose and the method of use of the electronic device including the sensor.
  • the sensor including the light emitting part and the light receiving part is a heart rate sensor
  • the light signal irradiated by the light emitting part is absorbed / reflected from the finger / wrist / cuff located on the cover substrate (glass cover)
  • the absorbed / reflected light The light receiving unit receives the signal and generates a photocurrent according to the intensity of the received optical signal.
  • the controller may measure the pulse according to the period of intensity of the photocurrent signal.
  • the controller may be implemented in the form of an application specific integrated circuit (ASIC) provided in the lower substrate 330.
  • ASIC application specific integrated circuit
  • the light receiving unit of the sensing device of the present invention may be divided into a predetermined area, and transmit the area information receiving the absorbed or reflected optical signal to the control unit, the control unit receives the area information, the light receiving unit The optical signal reception position can be confirmed.
  • the user may divide the light receiving unit into an appropriate shape by control using a control unit.
  • the donut-shaped light-receiving unit may be divided into three portions, and may be appropriately divided according to the user's use of the sensing device such as four divisions, five divisions, and two divisions.
  • the light receiver 420 may be divided into a predetermined region and divided into a light receiver upper layer 421, a light receiver lower side 422, a light receiver left 423, and a light receiver right 424.
  • a light receiver upper layer 421 a light receiver lower side 422, a light receiver left 423, and a light receiver right 424.
  • area information indicating that the light receiver is detected is transmitted to the controller, and the controller receives the light signal on the light receiver upper layer. You can see right away.
  • the present invention can also be applied to a heart rate sensor.
  • the heart rate sensor includes a substrate, a cover substrate formed on the substrate, a light emitting portion formed on the cover substrate, and configured to irradiate an optical signal to the cover substrate, and an optical signal formed on the substrate.
  • a light receiving unit for receiving the absorbed or reflected light signal the light receiving unit is characterized in that located within a predetermined distance from the center of the light emitting unit.
  • the light receiving unit by arranging the light receiving unit in a structure surrounding the light emitting unit, it is possible to increase the amount of light received through the light receiving unit in the same product size, by using a multi-directional optical path rather than a unidirectional path It can provide an optimal sensing environment.
  • the conventional light receiving unit or the light receiving unit is mounted on the substrate, as compared with the excessive power consumption, the light receiving unit is disposed directly on the cover substrate, the detection distance is shortened, the light emitting unit and the intensity even at low power And sensitivity of the light receiver.
  • the magnitude of the detection signal may be increased by the same driving voltage as the conventional sensor, the same performance may be realized even with a low driving voltage.
  • the light-receiving unit in a circle, square, rectangle, heart shape, etc. according to the measurement object, it is possible to improve the design freedom.
  • the light receiving unit is formed of an organic photodiode, and thus the structure of the light receiving unit can be designed without restriction of area and shape.
  • the light receiving unit is formed in a shape surrounding the light emitting unit, thereby amplifying an optical signal received by an increase in the area of the light receiving unit.
  • the light emitting unit, the light receiving unit, the resin layer, and the cover substrate may be integrated, and the reaction time may be shortened by reducing the distance between the light emitting unit and the light receiving unit.
  • the heart rate sensor to measure the heart rate by the light receiving unit senses the light generated from the light emitting portion absorbed / reflected in the blood vessels of the finger / palm / body on the cover glass substrate ; photo-plethysmography sensor.

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Abstract

실시 예에 따른 감지 장치는 기판; 상기 기판 상에 이격되어 배치되는 발광부; 및 상기 발광부의 주위를 둘러싸며 배치되는 수광부를 포함하고, 상기 수광부는 상기 기판의 일면상에 배치되는 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 배치되는 P층; 상기 P층 상에 배치되는 실리콘층; 상기 실리콘층 상에 배치되는 N층; 및 상기 N층 상에 배치되는 제 2 전극을 포함한다.

Description

감지 장치
본 실시 예는 감지 장치에 관한 것으로, 특히 하부 기판이 아닌 커버 기판 상에 배치되어 대상물에 의해 반사되는 광 신호를 수신할 수 있는 수광부를 포함하는 감지 장치에 관한 것이다.
스마트 단말기, 휴대폰, 모니터, TV 등 여러 전자 장치의 터치 패널에 사용하는 센서에는 여러 가지 종류가 있으며, 최근에는 빛을 발생하는 발광부와 빛을 감지하는 수광부를 포함하는 광센서를 이용하여 여러 기능을 구현하고 있다.
특히 포토다이오드의 경우, 빛에너지를 수신하면 이를 전기에너지로 변환하게 되어, 전기에너지를 빛에너지로 전환하는 발광다이오드와 반대의 기능을 수행한다. 포토다이오드는 응답속도가 빠르고, 감도 파장이 넓으며, 광전류의 직진성이 양호하다는 특징이 있어, 전자제품 소자에 폭넓게 사용하려는 연구가 꾸준하게 진행되고 있다.
본 발명에 따른 실시 예에서는, 부품 내장형 기판을 이용하여 처리 소자를 상기 부품 내장형 기판 내에 매립시켜 모듈의 박형화를 구현할 수 있는 감지 장치를 제공한다..
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는, 발광부의 주위를 둘러싸는 구조의 수광부를 제공하여 광 효율을 개선할 수 있는 감지 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는, 커버 기판에 수광부를 장착하여, 심박 센서의 전체 부피를 감소시킬 수 있는 감지 장치를 제공한다.
본 발명은 상술한 바와 같이 발광부와 수광부 간의 거리를 줄여서 기 설정된 거리 이내에 위치하도록 하는 감지 장치를 제공한다.
제안되는 실시 예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 제안되는 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시 예에 따른 감지 장치는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 발광부; 및 상기 기판 상에 상기 발광부의 주위를 둘러싸며 배치되는 수광부를 포함한다.
또한, 상기 기판은, 상기 발광부가 배치되는 제 1 기판과, 상기 수광부가 배치되며, 상기 제 1 기판과 일정 간격 이격된 제 2 기판을 포함한다.
또한, 상기 발광부는, 상기 제 1 기판의 제 1 면에 배치되고, 상기 수광부는, 상기 제 1 기판의 상기 제 1 면과 마주보는 상기 제 2 기판의 제 2 면에 배치된다.
또한, 상기 발광부의 발광면과 상기 수광부의 수광면은, 수직 방향으로 서로 중첩하지 않는다.
또한, 상기 수광부의 수광면은, 상기 제 2 기판의 상기 제 2면과 직접 접촉한다.
또한, 상기 수광부는, 상기 제 2 기판의 상기 제 2 면 중 상기 발광부의 발광면과 수직으로 중첩하는 영역을 노출한다.
또한, 상기 발광부의 일측면과 상기 수광부의 일측면 사이에 배치되는 광 차폐부를 더 포함한다.
또한, 상기 수광부의 중심축은, 상기 발광부의 중심축과 동일하다.
또한, 상기 발광부의 상면과 상기 수광부의 하면 사이에 배치되는 레진층을 더 포함한다.
또한, 상기 제 1 기판 내에 매립되는 신호 처리 소자를 더 포함한다.
또한, 상기 수광부의 수광면은, 복수의 영역으로 분할되고, 상기 분할된 복수의 영역 중 광이 수신된 영역의 정보를 토대로 광 수신 위치를 확인한다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 감지 장치는 커버 기판; 및 상기 커버 기판에 배치되는 수광부를 포함하며, 상기 수광부는 수광면이 상기 커버 기판의 하면과 직접 접촉한다.
또한, 상기 수광부는, 유기 광 다이오드(Organic Photodiode)를 포함한다.
또한, 상기 수광면을 제외한 상기 수광부의 다른 표면을 덮는 광차폐층을 더 포함한다.
또한, 상기 수광부의 수광면은, 복수의 영역으로 분할되며, 상기 수광부는, 광 신호가 수신되면, 상기 복수의 영역 중 상기 광 신호가 수신된 영역의 정보를 출력한다.
또한, 상기 수광부는, 상기 커버 기판의 하면에 박막 형태로 증착된다.
또한, 상기 수광부는, 중앙에 홀이 형성된 원형, 사각, 다각 및 하트 중 어느 하나의 형상을 가진다.
또한, 상기 수광부는, 상기 커버 기판의 하면에 배치되는 제 1 전극과, 상기 제 1 전극 아래에 배치되는 P층과, 상기 P층 아래에 배치되는 실리콘층과, 상기 실리콘층 아래에 배치되는 N층과, 상기 N층 아래에 배치되는 제2 전극을 포함한다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 발광부의 주위를 둘러싸는 구조로 수광부를 배치함으로써, 동일한 제품 사이즈에서 상기 수광부를 통해 수신되는 광량을 증가시킬 수 있으며, 단방향 경로가 아닌 다방향 광 경로를 활용하여 최적의 감지 환경을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 종래의 수광부 또는 수광부가 기판 위에 장착됨에 따라 과도한 전력 소모를 발생하는 것에 비하여, 수광부가 커버 기판에 바로 배치됨으로써, 감지 거리를 짧게 하여 저전력으로도 발광부와 강도 및 수광부의 감도를 증진시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 종래의 센서와 동일한 구동 전압으로 감지 신호의 크기를 증가시킬 수 있으므로, 낮은 구동전압으로도 기존과 동일한 성능을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 측정 대상에 따라 원형, 정사각형, 직사각형 및 하트 모양 등으로 수광부를 디자인함으로써, 디자인 자유도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 수광부와 발광부의 공간을 분리하여 광거리 감소 효과를 가질 수 있으며, 이로 인하여 감지 장치 자체의 구조가 단순화되고 손실을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 수광부를 유기 포토다이오드로 형성하여, 면적과 형상의 제약이 없는 수광부의 구조 설계가 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 수광부가 발광부를 둘러싸는 형태로 형성됨으로써, 수광부의 면적 증가에 의하여 수신하는 광 신호를 증폭시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 발광부, 수광부, 레진층, 커버 기판을 일체화하고, 발광부와 수광부 사이의 거리를 감소시켜 반응시간을 단축할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 발광부에서 발생하는 빛을 커버 글래스 기판 위의 손가락/손바닥/신체의 혈관에 흡수/반사된 빛을 수광부가 센싱하여 심박을 측정하는 심박센서(PPG sensor; photo-plethysmography sensor)에 응용될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 감지 장치를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 감지 장치의 수신 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 수광부(220)의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수광부의 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명과 종래 기술의 비교 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 감지 장치를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 감지 장치를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 감지 장치를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치와 종래기술에 따른 감지 장치의 진폭 및 신호 세기를 비교하기 위한 그래프이다.
도 14 및 도 15은 본 발명의 실시 예에 따른 발광부 및 수광부의 배치 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 16 내지 도 20은 도 12에 도시된 감지 장치의 제조 방법을 공정 순으로 나타낸 도면이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 감지 장치의 발광부와 수광부를 수직으로 내려다본 예시도이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 감지 장치를 나타내는 구성도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 '저전력소모 센서'를 상세하게 설명한다. 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 통상의 기술자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다.
또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
한편, 이하에서 표현되는 각 구성부는 본 발명을 구현하기 위한 예일 뿐이다. 따라서, 본 발명의 다른 구현에서는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 구성부가 사용될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형'의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, '제1, 제2' 등과 같은 표현은, 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예들을 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 감지 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 인체 착용 장치는 기판(10), 발광 소자(30), 수광 소자(20), 처리 소자(40), 구조물(50), 격벽(60) 및 광학 윈도우(70)를 포함한다.
기판(10)은 인체 착용 장치를 구성하는 구성요소들을 장착하기 위한 베이스 기판이다. 발광 소자(30)는 발광 제어신호에 따라 특정 파장대의 광을 발생한다. 수광 소자(20)는 상기 발광 소자(30)를 통해 발생한 광에 따라 입사되는 광을 수광한다. 처리 소자(40)는 상기 수광 소자(20) 및 발광 소자(30)를 제어하고, 그에 따라 상기 수광 소자(20)를 통해 입사된 광에 대응하는 신호를 처리하여 생체 신호를 측정한다. 구조물(50)은 상기 광학 윈도우(60)를 지지하기 위한 지지 구조물이다. 격벽(60)은 상기 발광 소자(30) 및 수광 소자(20) 사이에 배치되어, 상기 발광 소자(30)를 통해 발생한 광이 직접적으로 상기 수광 소자(20)로 입사되는 것을 방지한다. 광학 윈도우(70)는 상기 발광 소자(30) 및 수광 소자(20)의 발광면 및 수광면에 각각 배치되어, 외부로부터 상기 발광 소자(30) 및 수광 소자(20)를 보호한다.
상기와 같은 감지 장치는, 상기 수광 소자(20)를 통해 수신된 광의 전압(즉, 수광 전압)에 따라 인체 신호를 검출한다. 여기에서, 상기 인체 신호는 심박수나 산소 포화도 등을 포함할 수 있다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술에 따른 인체 착용 장치의 경우, 일반 기판 위에 처리 소자, 수광 소자 및 발광 소자를 차례로 쌓아 올리는 방식을 적용하고 있으며, 이에 따른 인체 착용 장치의 소형화 및 박형화를 구현하기에 기술적 한계를 가지고 있는 문제점이 있다.
또한, 상기와 같은 종래 기술에 다른 인체 착용 장치는 발광 소자(30)의 광을 상기 발광 소자(30)의 인접 영역에 배치된 정사각형 구조 혹은 직사각형 구조의 수광 소자(20)가 수신하는 구조이며, 이에 따라 광 경로가 단방향으로만 이루어져 한정된 광만을 수신할 수 있다.
종래의 감지 장치는 벌크 형태의 발광부와 수광부를 기판에 실장(mounting)한 후에 커버를 상기 기판 위에 씌워 조립하는 형태로 구현되며, 또한 수광부가 발광부의 일측에만 배치되어 있다.
이 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 발광부 및 수광부와 커버 기판 사이에 간격이 존재하며, 이는 심박 센서의 감지 거리를 증가시키는 요인으로 작용하여 전력 소모의 낭비로 이어지게 되며, 단방향으로만 광 수신이 이루어짐에 따라 광 효율이 떨어지게 된다.
본 발명에서는 커버와 발광부 및 수광부 사이의 이격 거리를 최소화하여 상기 심박 센서의 감지 거리를 최소화하며, 이에 따른 전력 소모의 낭비를 막을 수 있도록 함과 동시에 발광부의 주위를 둘러싸며 수광부가 배치되도록 하여 광 수신 효율을 증대시킬 수 있도록 한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 감지 장치의 수신 구조를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 감지 장치의 수신 구조는, 커버 기판(210) 및 수광부(220)를 포함한다.
상기 커버 기판(210)은, 감지 장치의 표면을 보호하기 위해 수광부(220)의 상부 영역에 배치되며, 그에 따라 사용자의 터치 신호 또는 심박 신호 등의 다양한 입력 신호들을 입력받을 수 있다.
이때, 수광부(220)는 추후 설명할 별도의 기판 위에 배치되는 것이 아니라, 상기 커버 기판(210)의 하면에 배치된다. 다시 말해서, 상기 수광부(220)의 상면은 상기 커버 기판(210)을 통해 입사되는 광을 수신하기 위한 입사면이다.
이때, 상기 수광부(220)의 입사면은 상기 커버 기판(210)의 하면과 직접 접촉하도록 상기 수광부(220)에 장착된다.
즉, 기존에는 벌크 형태의 수광부가 별도로 기판에 실장되었으나, 본 발명에서의 수광부(220)는 상기 커버 기판(210) 상에 증착되도록 함으로써, 상기 커버 기판(210)과 상기 수광부(220) 사이의 거리를 최소화하도록 한다.
즉, 커버 기판(210)과 상기 수광부(220) 사이의 거리는 상기 커버 기판(210)의 두께에 의해 결정되나, 실질적으로 상기 커버 기판(210)의 하면과 상기 수광부(220)의 상면 사이의 거리는 0이다.
여기에서, 도 3을 참조하면, 상기 수광부(220)는 상기 커버 기판(210)의 하면 위에 배치된다. 이때, 상기 수광부(220)는 상기 커버 기판(210)의 중앙 영역을 노출하도록 배치된다.
그리고, 상기 수광부(220)는 상기 중앙 영역을 둘러싸며 상기 커버 기판(210)의 하면의 가장자리 영역에 배치될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 수광부(220)의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 이때, 상기 수광부(220)는 제1 전극(221), P층(222), 실리콘층(223), N층(224), 제2 전극(225)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 전극, 상기 P층, 상기 실리콘층, 상기 N층, 상기 제2 전극은, 도 4와 같이 상기 커버 기판상에 수직 방향으로 적층될 수 있다.
상기 제 1 전극(221) 및 상기 제 2 전극(225) 중 적어도 하나의 전극은 광의 투과를 방해하지 않으면서 전기가 흐를 수 있도록 투명 전도성 물질을 포함할 수 있다, 일례로, 상기 전극(221, 225)은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide), 구리 산화물(copper oxide), 주석 산화물(tin oxide), 아연 산화물(zinc oxide), 티타늄 산화물(titanium oxide) 등의 금속 산화물을 포함할 수 있다.
또는, 상기 제 1 전극(221) 및 상기 제 2 전극(225) 중 적어도 하나의 감지전극은 나노와이어, 감광성 나노와이어 필름, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene) 또는 전도성 폴리머를 포함할 수 있다.
또는, 상기 제 1 전극(221) 및 상기 제 2 전극(225) 중 적어도 하나의 감지전극은 다양한 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극(221, 225)은 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 몰리브덴(Mo). 금(Au), 티타튬(Ti) 및 이들의 합금 중 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 또한, 상기 감지 전극 물질들을 혼합하여 사용할 수 있다.
이때, 상기와 같은 제1 전극(221), P층(222), 실리콘층(223), N층(224), 제2 전극(225)은 상기 커버 기판(220) 상에 적층되는 데, 이때 상기 적층되는 제1 전극(221), P층(222), 실리콘층(223), N층(224), 제2 전극(225)의 형상을 다양하게 변형할 수 있다.
즉, 상기 제1 전극(221), P층(222), 실리콘층(223), N층(224), 제2 전극(225)로 구성되는 수광부(220)는 도 3에 도시된 바와 같이 직사각형 형상을 가지며 상기 커버 기판(210)의 하면의 중앙 영역을 둘러싸며 배치될 수 있다.
이와 같이, 상기 수광부(220)는 진공증착법, CVD, 인쇄공법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 상기 커버 기판(210)의 하면에 배치될 수 있다.
즉, 상기 진공 증착이나 패터닝 등을 이용하여 상기 커버 기판(210)의 하면에 상기 수광부(220)에 대응하는 매우 얇은 피박인 박막을 형성함으로써 커버 기판(210)과 수광부(220) 사이의 간격을 최소화할 수 있으며, 이에 따라, 상기와 같은 감지 장치의 전체 두께를 얇게 하며 무게를 가볍게 만들 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 수광부(220)가 상기 커버 기판(210)의 하면에 배치되는 경우, 종래의 감지장치(도 1 참조)와 다르게 커버 기판(210)의 상면 위의 대상물과의 센싱 거리(도 2 참조)가 가까워지므로, 발광다이오드의 강도(intensity) 및 포토다이오드의 감도(sensitivity)가 증가할 수 있다. 또한, 종래의 센서와 동일한 구동전압으로 센싱 신호를 증가할 수 있으므로, 낮은 구동전압으로 기존과 동일한 성능을 구현할 수 있게 되어 저전력소모 센서를 구현할 수 있게 된다.
이와 다르게, 상기 수광부(220)는 광 다이오드(Photodiode), 광 전자 증배관, 광 트랜지스터(Phototransistor) 중 적어도 하나로 구현될 수 있으며, 그에 따라 상기 커버 기판(210)의 상면을 통해 하면으로 전달되는 광 신호를 수신하고, 상기 수신한 광 신호에 대한 전류 신호를 생성한다.
한편, 상기 수광부(220)는 유기 광 다이오드(Organic Photodiode)일 수 있다.
유기 광 다이오드는 유기 재료를 기반으로 하며, 광 검지기를 대체할 수 있는 소자이다. 이러한 유기 광다이오드는 카메라 등 전자 장치의 광 민감도를 향상시키며, 균일한 색상 조성으로 디스플레이가 될 수 있는지 조사할 때 사용될 수 있다. 또한, 유기 광 다이오드는 무기 물질들과 비교하여 매우 가볍고, 생산하는데 비용이 적게 들며, 유연한 응용분야에 사용될 수 있는 장점을 가진다.
유기 재료는 특히, 유기 재료의 소재에 따라서 특별한 파장 영역(ex; 적색 광, 녹색 광, 청색 광 등)에서만 민감성을 가질 수 있으므로, 사용처에 대한 적절한 재료를 선택하여 광학 센서의 스펙트럼 민감도를 조절할 수 있다. 또한, UV로부터 IR까지 흡수 스펙트럼이 좋은 특징을 가지며, 높은 photogeneration yield, 무기 재료와 비교하여 상대적으로 낮은 온도의 공정 능력을 통한 거의 대부분의 기판 공정 수용이 가능한 점 등 많은 장점을 가진다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수광부의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3에서와 같이, 상기 수광부(220)는 사각 박스 형상을 가질 수 있다. 그러나, 이는 일 실시 예에 불과할 뿐, 상기 수광부(220)의 구조는 다양한 형상으로 변형 가능하다.
도 5을 참조하면, 상기 수광부(220A)는 상기 커버 기판(210)의 하면의 중앙 영역을 둘러싸며 배치될 수 있으며, 이때 상기 수광부(220A)는 원형 형상을 가지며 상기 중앙 영역을 둘러쌀 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 상기 수광부(220B)는 상기 발광부(135)의 상부 영역을 둘러싸며 배치될 수 있으며, 이때 상기 수광부(220B)는 하트 형상을 가지며 상기 중앙 영역을 둘러쌀 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 감지 장치는 커버 기판(210), 수광부(220), 하부 기판(230) 및 발광부(240)를 포함한다. 여기에서, 상기 커버 기판(210)과 상기 수광부(220)는 상기 도 2 내지 도 6을 통해 구체적으로 설명하였기 때문에, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
하부 기판(230)은 배선을 변경할 수 있는 전기 회로가 편성되어 있는 판으로, 절연기판 표면에 도체 패턴을 형성할 수 있는 절연 재료로 만들어진, 프린트, 배선판 절연기판을 모두 포함할 수 있다.
상기 하부 기판(230)은 리지드(rigid)하거나 또는 플렉서블(flexible)할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 기판(230)은 유리 또는 플라스틱을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 하부 기판(230)은 소다라임유리(soda lime glass) 또는 알루미노실리케이트유리 등의 화학 강화/반강화유리를 포함하거나, 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 프로필렌 글리콜(propylene glycol, PPG) 폴리 카보네이트(PC) 등의 강화 혹은 연성 플라스틱을 포함하거나 사파이어를 포함할 수 있다.
또한, 하부 기판(230)은 광등방성 필름을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 하부 기판(230)은 COC(Cyclic Olefin Copolymer), COP(Cyclic Olefin Polymer), 광등방 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 또는 광등방 폴리메틸메타크 릴레이트(PMMA) 등을 포함할 수 있다.
또한, 하부 기판(230)은 부분적으로 곡면을 가지면서 휘어질 수 있다. 즉, 하부 기판(230)은 부분적으로는 평면을 가지고, 부분적으로는 곡면을 가지면서 휘어질 수 있다. 자세하게, 상기 하부 기판(230)의 끝단이 곡면을 가지면서 휘어지거나 Random한 곡률을 포함한 표면을 가지며 휘어지거나 구부러질 수 있다.
한편, 본 발명의 하부 기판(230)은 PCB(인쇄 회로 기판; printed circuit board) 또는 세라믹 기판으로 이루어질 수 있다. 이 때, PCB 기판은 회로 설계를 근거로 회로부품을 접속하는 전기배선을 배선 도형으로 표현하며, 절연물 상에 전기도체를 재현할 수 있다. 또한 전기부품을 탑재하고 이들을 회로적으로 연결하는 배선을 형성할 수 있으며, 부품의 전기적 연결기능 외의 부품들을 기계적으로 고정시켜줄 수 있다.
상기 하부 기판(230) 위에는 발광부(240)가 배치된다.
발광부(240)는 기본적으로 모든 방향으로 빛을 조사하는 기능을 가지며, 상기 발광부(240)에서 조사된 빛은 상기 커버 기판(210) 상에 존재하는 대상물에 의해 반사된다. 바람직하게, 상기 발광부(240)는 상기 커버 기판(210) 상에 존재하는 대상물로 빛을 조사한다.
상기 발광부(240)는 발광 다이오드(LED), 유기 발광 다이오드(OLED), 적외선 발광 다이오드(Infrared Emitting Diode), 레이저 다이오드(Laser Diode) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 발광부(240)는 감지 장치가 포함하는 전자 장치로부터 전력을 공급받고, 상기 공급받은 전력에 의해 구동되어 특정 파장의 빛을 방출한다. 이때, 상기 발광부(240)는 상기 조사하는 광 신호의 파장을 필요에 따라 변경하기 위하여 다양한 재료를 사용할 수 있다.
한편, 상기 발광부(240)는 상기 하부 기판(230) 상에 배치되는데, 실질적으로 상기 수광부(220)의 하면과 중첩되지 않는 영역에 배치된다. 즉, 상기 발광부(240)의 상면과 중첩되는 상부 영역에는 상기 수광부(220)의 하면이 배치되지 않는다. 따라서, 상기 발광부(240)에 의해 조사된 광이 상기 수광부(220)로 직접 입사되지 않도록 한다.
도 8은 본 발명과 종래 기술의 비교 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에서는 상기와 같이 수광부(220)가 상기 발광부(240)의 상부 영역을 둘러싸며 배치된다.
이에 따라, 상기 수광부(220)에 의해 형성되는 광 수신 범위는 상기 수광부(220)가 둘러싼 전체 영역인 제 1 범위(R1)에 대응된다.
한편, 종래 기술에서는 발광부와 동일 평면 상에 수광부가 배치된다. 또한, 상기 수광부는 상기 발광부의 일측에만 배치된다. 이에 따라, 상기 수광부(20)는 상기 발광부를 통해 출사된 광 중 좌측 방향으로만 반사되는 광만을 수신한다. 따라서, 상기 종래 기술에서의 상기 수광부에 의해 형성되는 광 수신 범위는 상기 수광부의 폭이 대응하는 제 2 범위(R2)이며, 상기 제 2 범위(R2)는 상기 제 1 범위(R1) 보다 현저히 좁음을 알 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 감지 장치를 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 감지 장치는 커버 기판(210), 수광부(220), 하부 기판(230), 발광부(240) 및 광차폐부(250)를 포함한다. 여기에서, 상기 커버 기판(210), 상기 수광부(220), 하부 기판(230) 및 발광부(240)에 대해서는 상기 도 2 내지 도 8을 통해 구체적으로 설명하였기 때문에, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 하부 기판(230) 위에는 상기 발광부(240)의 주위를 둘러싸며 광차폐부(250)가 배치된다.
상기 광차폐부(250)는 상기 발광부(240)를 통해 발생한 광을 차단하는 기능을 할 수 있으며, 상기 차단과 함께 상기 발광부(240)를 통해 발생한 광을 반사하는 반사 기능을 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 광차폐부(250)는 기능에 따라 다양한 소재로 제조될 수 있다.
예를 들어, 상기 광차폐부(250)는 상기 발광부(240)에서 발상한 광이 상기 수광부(220)로 직접 입사되는 것을 방지하는 광 차단기능을 수행할 수 있으며, 이에 따라 블랙 잉크 물질이나 인위적 고무형 구조물로 형성될 수 있다.
또한, 상기 광차폐부(250)는 상기 발광부(240)에서 발생한 광을 상기 발광부(240)의 상부 영역으로 반사하는 광 반사 기능을 더 수행할 수 있으며, 이에 따라 금과 같은 금속 물질로 형성될 수 있다.
상기 발광부(240)의 주위 영역은 상기 광차폐부(250)에 의해 덮이며, 이에 따라 상기 광차폐부(250)는 상기 발광부(240)의 주위 영역을 감싸며 이에 따라 상기 광차폐부(250)에 의해 구분된 상기 하부 기판(230)의 상부 영역에 배치된다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 감지 장치를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 감지 장치는 커버 기판(210), 수광부(220), 하부 기판(230), 발광부(240) 및 광차폐부(250A)를 포함한다. 여기에서, 상기 커버 기판(210), 상기 수광부(220), 하부 기판(230) 및 발광부(240)에 대해서는 상기 도 2 내지 도 8을 통해 구체적으로 설명하였기 때문에, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이때, 도 10에 따른 광차폐부(250)는 상기 하부 기판(230) 위에 배치되었으나, 도 11에 따른 광차폐부(250A)는 상기 하부 기판(230)과 일정 간격 이격된 위치에 배치된다.
다시 말해서, 상기 광차폐부(250A)는 상기 수광부(220)의 표면에 배치될 수 있다. 상기 수광부(220)는 다수의 방향으로 입사되는 광을 수신한다. 이때, 상기 수광부(220)는 상기 커버 기판(210)을 통해 상기 수광부(220)의 상면으로 입사되는 광을 수신해야 한다. 그러나, 상기 발광부(240)에 의해 발생한 광이 직접 상기 수광부(220)에 의해 수신될 수 있으며, 이에 따라 상기 수광부(220)의 일부 표면은 상기 광차폐부(250A)에 의해 덮이게 된다.
바람직하게, 상기 광차폐부(250A)는 상기 수광부(220)의 상면(커버 기판(210)의 하면과 접촉한 광 입사면)을 제외한 다른 표면에 광차폐층이 도포됨에 따라 형성된다. 이에 따라, 상기 광차폐층은 상기 발광부(240)로부터 조사되는 광 신호가 상기 수광부(220)로 직접 입사되는 것을 방지한다.
구체적으로, 수광부(220)는 대상물에 의해 반사되는 광 신호뿐 아니라, 상기 발광부(240)에서 조사된, 반사되지 않은 광 신호까지도 직접 수신할 수 있는데, 이러한 신호들은 모두 결과적으로 크로스토크에 해당하는 신호로써, 향후 노이즈 신호로 분류된다. 이에 따라, 본 발명에서는 상기와 같은 수광부(220)의 표면에 상기 광차폐층으로 이루어진 광차폐부(250A)를 형성하여 원천적으로 상기 발광부(240)로부터의 직접적인 광 신호를 차단하도록 한다.
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 감지 장치를 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, 감지 장치는 커버 기판(210), 수광부(220), 하부 기판(230), 발광부(240), 광차폐부(250) 및 격벽(260)을 포함한다. 여기에서, 상기 커버 기판(210), 상기 수광부(220), 하부 기판(230), 발광부(240) 및 광차폐부(250)에 대해서는 상기 도 2 내지 도 10을 통해 구체적으로 설명하였기 때문에, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 12를 참조하면, 상기 하부 기판(230) 위에는 격벽(260)이 추가 배치된다.
상기 격벽(260)은 상기 하부 기판(230) 위에 배치되는 커버 기판(210)을 지지하는 지지 구조물일 수 있다.
즉, 상기 격벽(260)은 상기 하부 기판(230)과 상기 커버 기판(210) 사이에 배치되어, 상기 발광부(240) 또는 상기 수광부(220)가 배치될 수 있는 공간을 형성한다.
또한, 상기 격벽(260)은 상기 광차폐부(250)의 기능을 수행할 수 있다. 다시 말해서, 상기 격벽(260)은 상기 발광부(240)에 의해 조사된 광이 상기 수광부(220)로 직접 입사되는 것을 차단한다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치와 종래기술에 따른 감지 장치의 진폭 및 신호 세기를 비교하기 위한 그래프이다.
도 13을 참조하면, 수광부(220)를 커버 기판(210)의 하면에 밀착하여 배치하는 경우, 종래의 수광부 및 발광부를 벌크 형태의 소자를 기판상에 배치하는 경우와 대비하여 진폭 및 신호 세기가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
종래의 감지장치는, 센싱 전압이 약 87mV, 진폭이 3.6mV으로 측정되었으나, 수광부(220)를 커버 기판(210) 상에 밀착하여 배치하는 경우 센싱 전압이 약 122mV, 진폭이 5.4mV으로 측정되어, 신호의 진폭과 세기가 모두 약 50% 가량 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이때, 도 13의 경우 수광부(220)만 커버 기판(210)에 밀착한 경우에서 측정한 데이터에 해당한다. 이때, 본 발명에서는 상기 수광부(220)뿐 아니라, 발광부(240)도 상기 커버 기판(210)에 밀착하여 배치할 수 있으며, 상기와 같이 수광부(220)와 발광부(240)를 모두 커버 기판(210)에 부착되는 경우에 더 향상된 신호의 진폭 및 세기를 측정할 수 있다.
도 14 및 도 15은 본 발명의 실시 예에 따른 발광부 및 수광부의 배치 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 14는, 감지 장치가 단순히 심박수만을 검출하는 경우에 나타나는 발광부(240)와 수광부(220)의 구성 예이고, 도 15는 감지 장치가 심박수 및 산소 포화도를 모두 검출 하는 경우에 나타나는 발광부(240)와 수광부(220)의 구성 예이다.
도 14를 참조하면, 상기 심박수를 검출하기 위하여, 감지 장치는 적어도 하나의 그린 발광부(240)와 수광부(220)를 포함한다.
이때, 도 14의 (a)와 같이, 상기 그린 발광부(240)는, 상기 하부 기판(230)의 상면 중 중앙 영역에 배치될 수 있으며, 수광부(220)는 상기 그린 발광부(240)의 상부 영역을 둘러싸며 배치될 수 있다.
또한, 상기 14 9의 (b)와 같이, 상기 그린 발광부(240)는 상기 하부 기판(230)의 상면에 상하 방향으로 복수개 배치될 수 있으며, 상기 수광부(220)는 상기 복수의 그린 발광부(240)의 상부 영역을 둘러싸며 배치될 수 있다.
또한, 상기 도 14의 (c)와 같이, 상기 그린 발광부(240)는 상기 하부 기판(230)의 상면에 좌우 방향으로 복수개 배치될 수 있으며, 상기 수광부(220)는 상기 복수의 그린 발광부(240)의 상부 영역을 둘러싸며 배치될 수 있다.
도 15의 (a)를 참조하면, 상기 심박수 및 산호 포화도를 모두 검출하기 위하여, 상기 감지 장치는 적어도 하나의 그린 발광부(240), 레드 발광부(240) 및 적외선 발광부(240)로 구성되는 발광부(240)들과, 적어도 하나의 수광부(220)를 포함한다.
도 15의 (b)를 참조하면, 상기 레드 발광부(240), 그린 발광부(240) 및 적외선 발광부(240), 그리고 그린 발광부(240)는 상기 하부 기판(230) 상에 상하 방향으로 각각 배치될 수 있으며, 수광부(220)는 상기 레드 발광부(240), 그린 발광부(240) 및 적외선 발광부(240), 그리고 그린 발광부(240)의 상부 영역을 모두 둘러싸며 배치될 수 있다.
도 15의 (c)를 참조하면, 상기 레드 발광부(240), 그린 발광부(240) 및 적외선 발광부(240), 그리고 그린 발광부(240)는 상기 하부 기판(230) 상에 좌우 방향으로 각각 배치될 수 있으며, 수광부(220)는 상기 레드 발광부(240), 그린 발광부(240) 및 적외선 발광부(240), 그리고 그린 발광부(240)의 상부 영역을 모두 둘러싸며 배치될 수 있다.
도 16 내지 도 20은 도 12에 도시된 감지 장치의 제조 방법을 공정 순으로 나타낸 도면이다.
먼저, 도 16을 참조하면, 하부 기판(230)을 준비하고, 상기 준비된 하부 기판(230)에 신호 처리 소자(270)를 매립한다.
이때, 상기 신호 처리 소자(270)를 매립하기 위해, 상기 하부 기판(270)에 홀(도시하지 않음)을 형성하고, 상기 형성된 홀의 하부 영역을 덮는 지지부재(도시하지 않음)을 배치하며, 상기 배치된 지지 부재 위에 상기 신호 처리 소자(270)를 부착할 수 있다.
그리고, 상기 신호 처리 소자(270)가 부착되면, 상기 지지부재를 제거하고, 그에 따라 상기 신호 처리 소자(270)의 하부 영역을 덮도록 추가 절연층을 적층하여 상기 하부 기판(230) 내에 상기 신호 처리 소자(270)를 매립할 수 있다.
상기 신호 처리 소자(270)는 제어소자이며, 주문형 반도체 집적 회로(ASIC: Application Specific Integrated Circuit)로 구현 가능하다.
한편, 상기 하부 기판(230)은 단일 패턴이 형성되는 인체 착용 장치의 지지 기판이다. 이때, 하부 기판(230)은 복수의 적층 구조를 가지는 기판 중 어느 하나의 회로 패턴이 형성되는 일 절연층을 의미할 수도 있다.
상기 하부 기판(230)은 열경화성 또는 열가소성 고분자 기판, 세라믹 기판, 유-무기 복합 소재 기판, 또는 유리 섬유 함침 기판일 수 있으며, 고분자 수지를 포함하는 경우, 에폭시계 절연 수지를 포함할 수 있으며, 이와 달리 폴리 이미드계 수지를 포함할 수도 있다.
즉, 상기 하부 기판(230)은 배선을 변경할 수 있는 전기 회로가 편성되어 있는 판으로, 절연기판 표면에 도체 패턴을 형성할 수 있는 절연 재료로 만들어진, 프린트, 배선판 및 절연기판을 모두 포함할 수 있다.
다음으로, 도 17을 참조하면, 상기 신호 처리 소자(270)가 매립된 하부 기판(230) 위에 발광부(240)를 부착한다(240).
이때, 상기 하부 기판(230) 위에는 상기 발광부(240)와 전기적으로 연결되는 회로 패턴(도시하지 않음)이 형성될 수 있다.
상기 회로 패턴은 통상적인 인쇄회로기판의 제조 공정인 어디티브 공법(Additive process), 서브트렉티브 공법(Subtractive Process), MSAP(Modified Semi Additive Process) 및 SAP(Semi Additive Process) 공법 등으로 가능하며 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.
이때, 상기 하부 기판(230) 상에는 도전층(도시하지 않음)이 형성될 수 있으며, 상기 회로 패턴은 상기 도전층을 패턴화하여 형성할 수 있다.
상기 도전층은 상기 하부 기판(230) 위에 비전해 도금을 하여 형성할 수 있으며, 이와 달리 CCL(copper clad laminate)를 사용할 수 있다
이때, 상기 도전층을 비전해 도금하여 형성하는 경우, 상기 하부 기판(230)의 상면에 조도를 부여하여 도금이 원활이 수행되도록 할 수 있다.
상기 도전층은 구리(Cu), 철(Fe) 및 이들의 합금 등의 전도성이 있는 금속 재질로 형성될 수 있다. 한편, 상기 회로 패턴은 상기 하부 기판(230) 위에 서로 일정 간격 이격되어 배치된 복수 개의 패턴을 포함할 수 있다.
상기 회로 패턴는 일반적으로 구리에 은, 금 및 주석 중 적어도 어느 하나 이상의 표면처리 도금층을 포함할 수 있다.
한편, 상기 회로 패턴은 상기 신호 처리 소자(270)와 전기적으로 연결되는 제 1 패턴과, 발광부(240)와 전기적으로 연결하는 제 2 패턴과, 상기 수광부(220)와 전기적으로 연결되는 제 3 패턴을 포함할 수 있으며, 여기에 더하여 상기 제 1 패턴과 제 2 패턴을 전기적으로 연결하는 제 4 패턴과, 상기 제 2 패턴과 제 3 패턴을 전기적으로 연결하는 제 5 패턴을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 신호 처리 소자(270)는 상면에 복수의 단자(도시하지 않음)가 포함될 수 있으며, 상기 복수의 단자는 상기 하부 기판(230)의 상면을 통해 노출될 수 있다. 그리고, 상기 노출된 복수의 단자 위에는 상기 회로 패턴이 배치될 수 있다.
또한, 상기 복수의 단자와 연결된 회로 패턴은 추후 배치되는 수광부(220)와 전기적으로 연결되어 상기 수광부(220)에 의해 획득된 신호를 수신할 수 있다.
한편, 상기 발광부(240)를 부착하기 위해, 상기 발광부(240)가 부착될 위치에 대응하는 상기 하부 기판(230)의 상면 위에 접착 부재(도시하지 않음)를 형성하고, 상기 형성된 접착 부재 위에 상기 발광부(240)를 배치하여 상기 하부 기판(230) 위에 상기 발광부(240)를 고정시킬 수 있다.
상기 접착 부재는 저융점 솔더, 고융점 솔더, 합금 입자로 구성된 솔더, 수지가 포함된 솔더 및 이들의 조합에 의해 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 솔더 크림이나, 접착성을 갖는 금속 물질로 이루어질 수 있으며, 경우에 따라 전도성을 확보하기 위한 금속 파우더를 포함할 수 있다.
상기 발광부(240)는 발광 다이오드(LED), 유기 발광 다이오드(OLED), 적외선 발광 다이오드(Infrared Emitting Diode), 레이저 다이오드(Laser Diode) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 발광부(240)는 전원 장치(도시하지 않음)로부터 전력을 공급받아, 받은 에너지를 특정 파장의 빛으로 방출하게 된다.
그리고, 상기 발광부(240)가 부착되면, 상기 회로 패턴과 상기 발광부(240)를 전기적으로 연결하는 작업을 더 수행할 수 있으며, 상기 연결 작업은 와이어(wire)를 통해 상기 발광부(240)와 상기 회로 패턴을 상호 연결시킴으로써 달성될 수 있다.
다음으로, 도 18을 참조하면, 상기 하부 기판(230) 위에 상기 발광부(240)의 주위를 감싸며 광차폐부(250)를 형성한다. 상기 광차폐부(250)는 상기 발광부(240)를 통해 발생한 광을 차단하는 기능을 할 수 있으며, 이와 다르게 상기 발광부(240)를 통해 발생한 광을 반사하는 기능을 할 수도 있다.
예를 들어, 상기 광차폐부(250)는 상기 발광부(240)에서 발생한 광이 상기 수광부(220)로 직접 입사되는 것을 방지하는 광 차단 기능을 수행할 수 있으며, 이에 따라 블랙 잉크 물질이나 인위적 고무형 구조물로 형성될 수 있다.
또한, 광차폐부(250)는 상기 발광부(240)에서 발생한 광을 상기 발광부(240)의 상부 영역으로 반사하는 광 반사 기능을 수행할 수 있으며, 이에 따라 금과 같은 금속 물질로 형성될 수 있다.
상기 발광부(240)의 주위 영역은 상기 광부(135)에 의해 둘러 쌓이게 된다. 즉, 상기 광부(135)는 상기 발광부(240)의 주위 영역을 감싸며 형성되며, 이에 따라 상기 발광부(240)는 상기 광차폐부(250)에 의해 구분된 내부 영역에 배치된다.
이때, 상기 광차폐부(250)에 의해 둘러싸인 내부 영역에는 별도의 몰딩부(도시하지 않음)가 형성될 수 있으며, 상기 몰딩부는 상기 발광부(240)를 보호하면서 상기 발광부(240)를 통해 발생한 광을 상부 방향으로 투과한다.
다음으로, 도 19를 참조하면, 상기 하부 기판(230) 위에 배치될 커버 기판(210)을 제조한다.
이때, 상기 커버 기판(210)의 하면에는 상기 설명한 바와 같이 수광부(220)가 배치되어 있다. 다시 말해서, 상기와 같이 수광부(220)가 하면에 배치된 커버 기판(210)을 제조한다. 이를 위해, 상기 커버 기판(210)의 표면에 상기 수광부(220)를 구성하는 층을 순차적을 적층하여 상기 수광부(220)를 형성할 수 있다.
다시 말해서, 수광부(220)는 상기 설명한 바와 같이 커버 기판(210)의 일면에 증착된다. 보다 바람직하게 상기 수광부(220)는 상기 커버 기판(210)의 하면에 증착될 수 있다. 이때, 상기 수광부(220)는 제1 전극(221), P층(222), 실리콘층(223), N층(224), 제2 전극(225)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 전극(221) 및 상기 제 2 전극(225) 중 적어도 하나의 감지 전극은 광의 투과를 방해하지 않으면서 전기가 흐를 수 있도록 투명 전도성 물질을 포함할 수 있다, 일례로, 상기 전극(221, 225)은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide), 구리 산화물(copper oxide), 주석 산화물(tin oxide), 아연 산화물(zinc oxide), 티타늄 산화물(titanium oxide) 등의 금속 산화물을 포함할 수 있다.
또는, 상기 제 1 전극(221) 및 상기 제 2 전극(225) 중 적어도 하나의 감지전극은 나노와이어, 감광성 나노와이어 필름, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene) 또는 전도성 폴리머를 포함할 수 있다.
또는, 상기 제 1 전극(221) 및 상기 제 2 전극(225) 중 적어도 하나의 감지전극은 다양한 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극(221, 225)은 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 몰리브덴(Mo). 금(Au), 티타튬(Ti) 및 이들의 합금 중 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 또한, 상기 감지 전극 물질들을 혼합하여 사용할 수 있다.
이때, 상기와 같은 제1 전극(221), P층(222), 실리콘층(223), N층(224), 제2 전극(225)은 상기 커버 기판(210) 상에 적층되는 데, 이때 상기 적층되는 제1 전극(221), P층(222), 실리콘층(223), N층(224), 제2 전극(225)의 형상을 다양하게 변형할 수 있다.
즉, 상기 제1 전극(221), P층(222), 실리콘층(223), N층(224), 제2 전극(225)로 구성되는 수광부(220)는 직사각형 형상, 원형 형상, 및 하트 형상과 같이 다양한 형상을 가지며, 상기 발광부(240)의 상부 영역을 둘러싸며 배치될 수 있다.
다음으로, 상기 커버 기판(210)이 제조되면, 격벽(260)을 중심으로 상기 하부 기판(230) 위에 상기 커버 기판(210)을 부착한다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 감지 장치를 나타내는 구성도이다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 감지 장치는 하부 기판(330), 커버 기판(310), 발광부(340), 수광부(320)를 포함할 수 있다.
하부 기판(330)은 배선을 변경할 수 있는 전기 회로가 편성되어 있는 판으로, 절연기판 표면에 도체 패턴을 형성할 수 있는 절연 재료로 만들어진, 프린트, 배선판 및 절연기판을 모두 포함할 수 있다.
커버 기판(310)은 하부 기판(330) 위에 형성되며, 사용자의 터치 신호 또는 심박 신호 등 여러 입력 신호들을 입력 받을 수 있다. 이러한 커버 기판(310)은 하부 기판(330) 위에 바로 형성될 수도 있으나, 하부 기판(330) 위에 형성되는 별도의 격벽에 의해 지지되어 고정될 수도 있다. 이 때, 격벽은 발광부에 의해 조사되는 빛이 곧장 수광부로로 도달하는 것을 차단할 수도 있으며, 또 다른 용도로서 격벽은 상기 하부 기판과 상기 커버기판 사이에 위치하여 상기 발광부 또는 상기 수광부가 배치될 수 있는 공간을 형성할 수도 있다.
발광부(340)는 기본적으로 모든 방향으로 빛을 조사하는 기능을 하며, 이렇게 조사된 빛은 커버 기판(310) 상에 존재하는 대상물에 의해 반사된다. 또한, 발광부(340)는 하부 기판(330) 상에 배치될 수 있다. 이 때, 발광부(340)는 발광 다이오드(LED), 유기 발광 다이오드(OLED), 적외선 발광 다이오드(Infrared Emitting Diode), 레이저 다이오드(Laser Diode) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 발광부(340)는 감지장치가 포함하는 전자 장치로부터 전력을 공급받아, 받은 에너지를 특정 파장의 빛으로 방출하며, 나아가 상기 발광부(340)는 조사하는 광 신호의 파장을 필요에 따라 변경하기 위하여 다양한 재료를 사용할 수 있다.
수광부(320)는 발광부(340)가 조사하는 광 신호가 상기 커버 기판(310) 위의 대상물에 흡수 또는 반사되는 경우, 상기 흡수 또는 반사된 광 신호를 수신하고 광전류 신호를 생성한다. 이 때, 수광부(320)는 광 다이오드(Photodiode), 광 전자 증배관, 광 트랜지스터(Phototransistor) 중 적어도 하나로 구현될 수 있다. 특히, 수광부(320)는 유기 광 다이오드(Organic Photodiode)로 이루어지는 것이 바람직하다.
유기 광 다이오드는 유기 재료를 기반으로 하며, 광 검지기를 대체할 수 있는 소자이다. 이러한 유기 광다이오드는 카메라 등 전자 장치의 광 민감도를 향상시키며, 균일한 색상 조성으로 디스플레이가 될 수 있는지 조사할 때 사용될 수 있다. 또한, 유기 광 다이오드는 무기 물질들과 비교하여 매우 가볍고, 생산하는데 비용이 적게 들며, 유연한 응용분야에 사용될 수 있는 장점을 가진다.
유기 재료는 특히, 유기 재료의 소재에 따라서 특별한 파장 영역(ex; 적색 광, 녹색 광, 청색 광 등)에서만 민감성을 가질 수 있으므로, 사용처에 대한 적절한 재료를 선택하여 광학 센서의 스펙트럼 민감도를 조절할 수 있다. 또한, UV로부터 IR까지 흡수 스펙트럼이 좋은 특징을 가지며, 높은 photogeneration yield, 무기 재료와 비교하여 상대적으로 낮은 온도의 공정 능력을 통한 거의 대부분의 기판 공정 수용이 가능한 점 등 많은 장점을 가진다.
또한, 본 발명의 수광부(320)는 발광부(340)의 중심(331)으로부터 기 설정된 거리 이내에 위치하며, 발광부가 조사하는 광 신호가 통과할 수 있는 통과 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 대한 상세한 설명은 도 21 참조하기로 한다.
또한, 본 발명의 발광부(340) 또는 수광부(320)는, 커버 기판(310)의 표면에 밀착하여 형성되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 바람직한 실시예로서 상기 수광부(320)는 박막 형태로 커버 기판(310)의 하면에 밀착하여 형성될 수 있다. 수광부(320)가 커버 기판(310)의 하면에 형성되는 일 실시예로서, 상기 수광부(320)는 페이스트 상태의 물질을 소성 공정에 의해 소결시키는 방식으로 커버 기판(310)의 하면에 형성시킬 수 있다.
더 구체적으로, 상기 수광부는 진공증착법, CVD, 인쇄공법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 상기 커버기판의 하면에 밀착하여 형성될 수 있다. 이와 같이 진공 증착이나 패터닝 등을 이용하여 커버기판 위에 매우 얇은 피박인 박막을 형성하는 경우 커버기판과 기판 사이의 간격을 최소화할 수 있으며 센서를 포함하는 전자 장치 자체의 두께를 얇게 하며 무게를 가볍게 만들 수 있는 장점이 있다.
수광부(320)가 커버 기판(310)에 밀착하여 형성되는 경우, 커버기판 위의 대상물과의 센싱 거리가 가까워지므로, 수광부(320)의 감도(sensitivity)가 증가할 수 있다. 또한, 종래의 감지장치와 동일한 구동전압으로 감지 효율을 높일 수 있으므로 낮은 구동전압으로 기존과 동일한 성능을 구현할 수 있게 되는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 감지 장치는, 광차폐층(350)를 더 포함할 수 있다. 도 20의 감지장치를 살펴볼 때, 수광부(320)의 표면은 상기 광차폐층(350)에 의해 덮이는 것을 확인할 수 있다. 또한, 광차폐층(350)은 발광부(340)로부터 조사되는 광 신호가 직접 수광부(320)에 닿는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
구체적으로, 도 20의 감지장치에 의하면, 수광부(320)는 대상물에 의해 반사된 광 신호뿐 아니라 발광부(340)에서 조사된, 반사되지 않은 광 신호까지도 직접 수신할 수가 있는데, 이러한 신호들은 모두 결과적으로 크로스토크에 해당하는 신호들로서 향후 노이즈 신호로 분류된다. 위와 같은 문제점을 극복하기 위하여, 수광부(320)의 일부를 광차폐층(350)으로 도포하여 원천적으로 발광부(340)로부터의 직접적인 광 신호를 차단하게 한다.
한편, 수광부(320)는 일부가 광차폐층(350)으로 형성되어, 더 구체적으로는 수광부(320)의 커버 기판(310)과 마주보는 면 이외에 다른 면들이 광차폐층(350)으로 싸여 구현될 수도 있다. 다만 이 때 상기 수광부(320)를 이루는 세부구성 중 패드와의 연결을 위해 연장되어 커버 기판(310)상에 형성된 전극층 영역에는 광차폐층(350)이 도포가 되지 않음을 이해해야 할 것이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 감지 장치의 발광부와 수광부를 수직으로 내려다본 예시도이다.
도 21을 참조하면, 본 발명의 수광부(320)는 발광부(340)의 중심(341)으로부터 기 설정된 거리 이내에 위치할 수 있다. 이 때, 수광부 및 발광부의 중심은, 도 21에서 수직으로 내려간 중심(341)과 같이, 기판을 위에서 수직으로 내려다 본 상태에서의 중심을 말한다. 수광부(320)가 발광부(340)의 중심으로부터 가까운 거리에 위치하게 됨으로써, 수광부(320)와 발광부(340) 사이의 거리가 감소하게 되므로 반응시간이 훨씬 더 단축될 수 있다. 이 때, 수광부(320)의 중심과 발광부(340)의 중심이 동일할 수도 있고, 제조 공정에서 설계할 때 가장 효과적인 거리를 설정하여 해당 거리만큼 이격되어 위치할 수도 있다.
또한, 기 설정된 거리는 발광부(340)의 중심으로부터 수직한 방향에서 설정된 거리를 말하며, 기판과 평행한 면에서 기 설정된 거리를 가지고 수광부(320)가 위치할 수 있다. 이는 후술하는 바와 같이, 수광부(320)가 통과 영역을 형성함으로써 일정한 부분을 비워 놓은 상태에서 형성되어야 하기 때문에, 일정한 거리를 두고 위치하는 것이 바람직하다.
또한, 수광부(320)는 발광부(340)가 조사하는 광 신호가 통과할 수 있는 통과 영역을 포함할 수 있다. 수광부(320)와 발광부(340)가 수직으로 형성됨으로써, 공간적인 측면을 줄일 수 있으며, 발광부와 수광부 간의 거리를 짧게 하여 광 신호의 손실을 막을 수 있다. 이를 위하여, 발광부(340)가 수직으로 조사하는 광 신호가 수광부를 꿰뚫고 지나갈 수 있도록 비어있는 통과 영역을 형성하도록 한다. 이 때, 통과 영역은 수광부(320) 내부에 형성될 수도 있으며(ex; 도넛 모양), 수광부(320)의 일정 부분을 파낸 모양(ex; 초승달 모양)으로 형성될 수도 있다.
또한, 하부 기판(330) 또는 커버 기판(310)의 상면 또는 하면에서 볼 때, 수광부(320)는 발광부(340)를 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다. 자세하게, 수광부(320)는 발광부(340)와 오버랩되는 영역이 존재할 수 있다. 구체적으로 수광부(320) 영역의 일부 또는 전부가 발광부(340)의 영역과 오버랩 될 수 있다. 한편 수광부 영역은 발광부 영역과 오버랩되지 않을 수 있다. 구체적으로 수광부 영역은 발광부 영역 외에 존재할 수 있다. 또한 수광부 영역은 발광부 영역의 경계선에 닿아 형성될 수 있다.
또한, 발광부(340)는 도 21과 같이 원형으로, 수광부(320)는 도넛 형태로 구성될 수 있다. 도 21은 발광부(340)와 수광부(320)를 수직으로 위에서 내려다본 그림에 해당하며, 발광부(340)의 크기가 수광부의 내부 공간의 크기와 동일할 수도 있고, 내부 공간의 크기보다 클 수도 있고, 내부 공간의 크기보다 작을 수도 있다. 또한, 수광부(320)는 도넛 형태에 국한되지 않고 가능한 모든 형태로 구현될 수도 있다. 또한, 상기 수광부(320)의 면적은, 상기 발광부(340)의 면적보다 더 넓은 것을 특징으로 하며, 수광부(320)의 면적이 더 넓게 되므로 광 신호의 수신 효율과 감도가 증가하는 효과가 존재한다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 감지 장치를 나타내는 구성도이다.
도 22를 참조하면, 본 발명의 감지 장치는, 레진층(460)을 더 포함할 수 있다. 이 때, 레진층(460)은 발광부와 수광부 사이에 형성되며, 상기 커버 기판, 상기 발광부, 상기 수광부, 상기 레진층은 일체화하여 형성되어 발광부와 수광부 사이의 거리를 감소시키고 반응시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 레진층(460)은 커버 기판 상에 형성되는 수광부를 지탱해 주는 역할을 수행하므로 고장의 빈도를 더욱 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 감지 장치의 수광부를 일정 영역으로 분할한 예시도이다.
도 23을 참조하면, 본 발명에 따른 감지 장치는 신호 처리 소자에 대응하는 제어부를 더 포함할 수 있는데, 제어부는 수광부가 생성한 광전류 신호를 수신하여, 기 설정된 조건에 따라 광전류 신호를 분석할 수 있다. 이 때, 제어부는 센서를 포함하는 전자 장치의 목적 및 사용 방법에 따라서 광전류 신호를 용도에 맞는 적절한 분석을 수행할 수 있다.
예를 들어, 발광부와 수광부를 포함하는 센서가 심박 센서인 경우, 발광부가 조사한 광 신호가 커버 기판(글래스 커버) 상에 위치하는 손가락/손목/팔목에서 흡수/반사되면, 흡수/반사된 광 신호를 수광부가 수신하여 수신한 광 신호의 세기에 따라서 광 전류를 발생하게 된다. 이 때, 심박 신호 센싱의 경우 발생된 광 전류 신호가 맥박에 따라서 강/약을 반복하게 되므로, 제어부는 광전류 신호의 강약 주기에 따라서 맥박을 측정할 수 있다. 이러한 제어부는 바람직하게는 상기 하부 기판(330)에 구비된 집적회로(ASIC. Application Specific Integrated Circuit)의 형태로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 감지 장치의 수광부는 기 설정된 일정 영역으로 분할하여, 상기 흡수 또는 반사된 광 신호를 수신한 영역 정보를 상기 제어부로 전송할 수 있으며, 제어부는 상기 영역 정보를 수신하고, 상기 수광부의 광 신호 수신 위치를 확인할 수 있다. 이 때, 수광부가 기 설정된 일정 영역으로 분할하는 경우, 사용자가 제어부를 이용한 제어로, 수광부를 적절한 모양으로 나눌 수 있다. 예를 들어, 도넛 모양의 수광부를 3분할할 수도 있고, 4분할, 5분할, 2분할 등 사용자의 감지 장치 사용에 따라서 적절하게 분할할 수 있다.
예를 들어, 수광부(420)를 기 설정된 영역으로 나누어, 수광부 상층(421), 수광부 하측(422), 수광부 좌측(423), 수광부 우측(424)로 나눌 수 있다. 또한, 발광부(440)로부터 조사된 광 신호가 대상물에 반사되어 수광부 상층(421)에 감지되는 경우, 수광부 상층에 감지되었음을 나타내는 영역 정보를 제어부로 전송하고, 제어부는 수광부 상층에 광 신호가 수신되었음을 바로 확인할 수 있다.
한편, 본 발명은 심박 센서에도 적용될 수 있다. 심박 센서는, 기판, 상기 기판 상에 형성되는 커버 기판, 상기 커버 기판 상에 형성되며, 상기 커버 기판에 광 신호를 조사하는 발광부, 상기 기판 상에 형성되며, 상기 발광부가 조사하는 광 신호가 상기 커버 기판 상의 대상물에 흡수 또는 반사되는 경우, 상기 흡수 또는 반사된 광 신호를 수신하는 수광부를 포함하고, 상기 수광부는, 상기 발광부의 중심으로부터 기 설정된 거리 이내에 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 발광부의 주위를 둘러싸는 구조로 수광부를 배치함으로써, 동일한 제품 사이즈에서 상기 수광부를 통해 수신되는 광량을 증가시킬 수 있으며, 단방향 경로가 아닌 다방향 광 경로를 활용하여 최적의 감지 환경을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 종래의 수광부 또는 수광부가 기판 위에 장착됨에 따라 과도한 전력 소모를 발생하는 것에 비하여, 수광부가 커버 기판에 바로 배치됨으로써, 감지 거리를 짧게 하여 저전력으로도 발광부와 강도 및 수광부의 감도를 증진시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 종래의 센서와 동일한 구동 전압으로 감지 신호의 크기를 증가시킬 수 있으므로, 낮은 구동전압으로도 기존과 동일한 성능을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 측정 대상에 따라 원형, 정사각형, 직사각형 및 하트 모양 등으로 수광부를 디자인함으로써, 디자인 자유도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 수광부와 발광부의 공간을 분리하여 광거리 감소 효과를 가질 수 있으며, 이로 인하여 감지 장치 자체의 구조가 단순화되고 손실을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 수광부를 유기 포토다이오드로 형성하여, 면적과 형상의 제약이 없는 수광부의 구조 설계가 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 수광부가 발광부를 둘러싸는 형태로 형성됨으로써, 수광부의 면적 증가에 의하여 수신하는 광 신호를 증폭시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 발광부, 수광부, 레진층, 커버 기판을 일체화하고, 발광부와 수광부 사이의 거리를 감소시켜 반응시간을 단축할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 발광부에서 발생하는 빛을 커버 글래스 기판 위의 손가락/손바닥/신체의 혈관에 흡수/반사된 빛을 수광부가 센싱하여 심박을 측정하는 심박센서(PPG sensor; photo-plethysmography sensor)에 응용될 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시 예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 이격되어 배치되는 발광부; 및
    상기 발광부의 주위를 둘러싸며 배치되는 수광부를 포함하고,
    상기 수광부는
    상기 기판의 일면상에 배치되는 제 1 전극;
    상기 제 1 전극 상에 배치되는 P층;
    상기 P층 상에 배치되는 실리콘층;
    상기 실리콘층 상에 배치되는 N층; 및
    상기 N층 상에 배치되는 제 2 전극을 포함하는
    감지 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은,
    상기 발광부가 배치되는 제 1 기판과,
    상기 수광부가 배치되며, 상기 제 1 기판과 일정 간격 이격된 제 2 기판을 포함하며,
    상기 발광부는,
    상기 제 1 기판의 제 1 면에 배치되고,
    상기 수광부는,
    상기 제 1 기판의 상기 제 1 면과 마주보는 상기 제 2 기판의 제 2 면에 배치되는
    감지 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 발광부의 발광면과 상기 수광부의 수광면은,
    수직 방향으로 서로 중첩하지 않는
    감지 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 수광부의 수광면은,
    상기 제 2 기판의 상기 제 2면과 직접 접촉하는
    감지 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 수광부는,
    상기 제 2 기판의 상기 제 2 면 중 상기 발광부의 발광면과 수직으로 중첩하는 영역을 노출하는
    감지 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 발광부의 일측면과 상기 수광부의 일측면 사이에 배치되는 광 차폐부를 더 포함하는
    감지 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 수광부의 중심은,
    상기 발광부의 중심과 동일한
    감지 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 발광부의 상면과 상기 수광부의 하면 사이에 배치되는 레진층을 더 포함하는
    감지 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 수광부는, 복수의 영역으로 분할되는
    감지 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 수광부는,
    상기 커버 기판의 일면에 박막 형태로 증착되는
    감지 장치.
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