As the number of consumers with purchasing power increases due to the aging of the world and the increase of the middle class, the pursuit of high quality life leads to interest in healthcare is expanding according to the demand of consumers. While existing medical devices are a form of passive health screening, new healthcare devices that are fused with IT are changing their paradigm to devices that are active to the user. Among them, the heartrate and oxygen saturation sensor, which detects the information inside the blood vessel using light in a non-invasive manner, has been variously applied to the wearable healthcare industry due to its easiness of real-life utilization. In this study, we implemented heartrate and oxygen saturation sensor with novel form-factor by replacing light emitting diodes (light emitting units) and photodiodes (light receiving units) used in existing pulse oximetry with organic light emitting diodes and organic photodiodes. In the present study, the optical power distribution on the skin surface of the green and red wavelengths used for oxygen saturation was confirmed through skin optics modeling. In this study, the optical power distribution on the skin surface of the wavelengths used in the sensor was confirmed using optical modeling simulation, based on such results, the organic photodiode wraps around the organic light emitting diode using the pattern freedom characteristic of the organic semiconductor device. Also, the heart rate and oxygen saturation sensor with optimal light - receiving efficiency were fabricated by calculating the SNR according to the size of the organic photodiode. The implemented patch-type reflective oxygen saturation sensor was able to extract heart rate and oxygen saturation signals from each body part with about 10 to 20 times less power consumption than commercial sensors through the efficient light receiving structure. In addition, through combining organic and inorganic devices, we have proposed ultra-low-power hybrid PO sensors that are practical, durable, and accurate. Contrary to common belief, we could still collect sufficient photons even with an reflective type sensor using light with long wavelengths with deep skin penetration depth. Furthermore, we have also confirmed through experiment and simulation, that we could achieve a PO sensor with ultra-low power consumption by designing an efficient photodetector structure. We have successfully extracted PPG signals and oxygen saturation levels with a low power consumption below 40 μW using the hybrid POs, which could maintain sensor performance over 90% even after 40 days of continuous operation. Also, by verifying the photon movement in biomedium layers, we have proved that hybrid POs with reflective type configuration could efficiently detect information from the pulsation part of the body.We proposed an ultra-low-power sensor structure through efficient light collection through organic pulse oximeters and hybrid pulse oximeters, and we expect that the wearable healthcare monitoring system will contribute to all-day monitoring.
전 세계적으로 고령화 및 중산층의 증가로 인해 구매력을 지닌 소비자들이 늘어나면서 질 높은 삶의 추구가 건강에 대한 관심으로 이어지고 있으며 소비자들의 요구에 따라 헬스케어 시장이 확대되고 있다. 기존의 의료기기가 수동적인 건강검진의 형태였다면 IT 와 융합된 새로운 헬스케어 디바이스는 사용자에 능동적인 디바이스로 그 패러다임이 변하고있다. 그 중 비침습적인 방식으로 광을 이용하여 혈관 내부의 정보를 검출하는 심박 및 산소포화도 센서는 그 활용성과 실생활 접목의 용이성으로 인해 웨어러블 헬스케어 산업에 다양하게 접목되고 있다.본 연구에서는 기존 심박 및 산소포화도에서 사용되는 상용 발광다이오드(발광부) 와 포토다이오드(수광부)를 유기물 기반의 유기포토다이오드와 유기발광다이오드로 대체함으로서 새로운 폼팩터를 가지는 심박 및 산소포화도 센서를 구현하였다. 특히 기존 심박 및 산소포화도 센서의 경우 이산소자들의 단순 나열을 통한 형태였다면 본 연구에서는 피부 광학 모델링을 통해 산소포화도에 사용한 그린,레드 파장의 피부표면에서의 광 파워 분포를 확인하였고 전방위로 퍼지는 빛과 거리에 따른 파워 분포를 확인하였으며 유기반도체소자의 패턴 자유도 특성을 이용하여 유기발광다이오드를 유기포토다이오드가 감싸는 구조를 구현하였다. 또한 유기포토다이오드의 크기에 따른 SNR을 계산하여 최적의 수광 효율을 가지는 심박 및 산소포화도 센서를 제작하였다.구현된 패치 형태의 반사형 산소포화도 센서는 효율적인 광 수신 구조 설계를 통해 상용 센서에 비해 약 10~20배정도의 적은 파워소모로도 심박 및 산소포화도 신호를 각 신체 부위에서 추출할 수 있었으며 평균 약 24 μW의 매우 작은 파워소모만으로도 생체 신호를 얻을 수 있었다. 또한, 우리는 앞선 유기산소포화도 센서의 정확도와 실용성을 향상시키면서도 저전력 센서를 구현하기 위하여 레드와 근적외선 파장의 상용 LED 칩과 유기포토다이오드를 적층으로 쌓아 반사타입의 산소포화도 센서를 구현하였다. 레드와 근적외선 파장은 피부 침투깊이가 깊어 주로 투과방식으로 사용되어왔지만 반사방식으로도 충분한 빛을 수신할 수 있음을 실험 및 시뮬레이션으로 검증하였다. 우리는 LED가 실장된 FPCB와 유기소자의 패턴자유도를 활용하여 LED 주변부를 둘러싼 유기포토다이오드가 LED 위에 적층되어 LED를 둘러쌓은 형태의 하이브리드 산소포화도 센서를 개발하였고 약 40 μW이하의 파워만으로도 우수한 생체신호를 추출할 수 있었다. 또한 반사방식으로 추출되는 심박 파형의 신호가 다양한 생체 매질의 어느 부위에서 기원하였는지 실험 및 시뮬레이션을 통해 검증하였으며, 이를 통해 본 연구에서 제안한 하이브리드 산소포화도 센서 구조가 생체 내의 맥동하는 정보를 효율적으로 감지할 수 있음을 확인하였다. 우리는 유기산소포화도 센서와 하이브리드 산소포화도 센서를 통해 효율적인 광 수집을 통해 초저전력 센서 구조를 제안하였으며 높은 실용성을 기반으로 웨어러블 헬스케어 모니터링 시스템이 지향해야 할 all-day 모니터링에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
