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WO2019093773A1 - 변형 센서 유닛 및 이를 포함하는 스킨 센서 모듈 - Google Patents

변형 센서 유닛 및 이를 포함하는 스킨 센서 모듈 Download PDF

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Publication number
WO2019093773A1
WO2019093773A1 PCT/KR2018/013506 KR2018013506W WO2019093773A1 WO 2019093773 A1 WO2019093773 A1 WO 2019093773A1 KR 2018013506 W KR2018013506 W KR 2018013506W WO 2019093773 A1 WO2019093773 A1 WO 2019093773A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
substrate
piezoelectric element
skin
piezoelectric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2018/013506
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
한지연
연한울
김은주
김지환
이규상
이해광
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Amorepacific Corp
Massachusetts Institute of Technology
Original Assignee
Amorepacific Corp
Massachusetts Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US15/808,416 external-priority patent/US10952642B2/en
Application filed by Amorepacific Corp, Massachusetts Institute of Technology filed Critical Amorepacific Corp
Priority to CN201880086055.5A priority Critical patent/CN111655123B/zh
Priority to EP18875671.2A priority patent/EP3708065B1/en
Priority to JP2020525988A priority patent/JP7345761B2/ja
Publication of WO2019093773A1 publication Critical patent/WO2019093773A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons

Definitions

  • the present invention relates to a deformation sensor unit capable of monitoring physiological skin movements in real time by wearing and a skin sensor module including the deformation sensor unit.
  • the deformation sensor unit can design an interface using a free standing deformation detection structure, Skin sensor module.
  • the elastic modulus of the skin was measured using techniques such as pressure-based suction, twisting, traction, nano-indentation, and ultrasound elastography.
  • the elastic modulus was measured only by the elastic modulus, Of the respondents.
  • the skin analysis method was affected by various environmental factors such as humidity, temperature, fine dust, etc., and it was difficult to measure how fast the skin pulling rate changed There was a problem that it was difficult to accurately identify the cause.
  • a wearable sensor was also used to measure skin or dry conditions.
  • the wearable sensor is a motion detection based controller that measures or diagnoses muscle movements and heart rate and convulsions as in Patent Document 1. And the sensor structure was adjusted to measure the maximum deformation rate by site.
  • Patent Document 1 KR 10-1746492 B1
  • a wearable structure it is possible to measure in a state wearing a sensor unit or a sensor module, and to measure the deformation of the skin due to the physiological behavior of the skin without affecting the skin condition Unit and a skin sensor module including the same.
  • a strain sensor unit includes a substrate having a through hole and including a first electrode and a second electrode formed on one side and the other side of the through hole on one surface of the substrate; A piezoelectric element drawn from the first electrode and extending into the through hole; And a piezoelectric resistor which is drawn out from the second electrode and extends to the inside of the through hole to overlap with a part or all of the piezoelectric element.
  • the piezoelectric element may be a piezoelectric semiconductor.
  • the piezoelectric resistor may be a metal piezoelectric resistor based on a nano crack-control.
  • An interface layer formed of an amorphous oxide semiconductor may be further formed on a contact surface between the piezoelectric element and the piezoelectric resistor.
  • a plurality of ventilation holes of 50 to 150 ⁇ ⁇ may be formed in the substrate.
  • the distance between the plurality of vent holes may be 50 to 150 mu m.
  • the plurality of vent holes may constitute the through holes.
  • the substrate may be comprised of a material comprising polydimethylsiloxane (PDMS).
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • a plurality of micro suction cups for adhering to the skin may be patterned on the other surface opposite to the one surface of the substrate.
  • a skin sensor module includes a substrate having a plurality of through holes formed therein and including a first electrode and a second electrode formed on one side and the other side of each through hole on one surface of the substrate; A piezoelectric element drawn from each first electrode and extending into the through hole; And a piezoelectric resistor which is drawn out from each second electrode and extends to the inside of the through hole and is formed so as to overlap with a part or all of the piezoelectric element.
  • the piezoelectric element may be a piezoelectric semiconductor.
  • the piezoelectric resistor may be a metal piezoelectric resistor based on a nano crack-control.
  • An interface layer formed of an amorphous oxide semiconductor may be further formed on a contact surface between the piezoelectric element and the piezoelectric resistor.
  • a plurality of ventilation holes of 50 to 150 ⁇ ⁇ may be formed in the substrate.
  • the distance between the plurality of vent holes may be 50 to 150 mu m.
  • All or part of the plurality of vent holes may constitute the plurality of through holes.
  • the substrate may be comprised of a material comprising polydimethylsiloxane (PDMS).
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • a plurality of micro suction cups for adhering to the skin may be patterned on the other surface opposite to the one surface of the substrate.
  • the deformation sensor unit includes the first electrode, the second electrode, and a deformation sensing structure composed of the piezoelectric element and the piezoresistive element, which are arranged around one through hole formed on the substrate, A plurality of strain sensor units are formed on the substrate, and the plurality of strain sensor units are arranged on the substrate in a radial array structure, a linear array structure, a curved array structure, a crossed array structure, a circular array structure, a rectangular array structure, Lt; / RTI > may be arranged in one or more array structures.
  • a method of manufacturing a strain sensor unit includes: stacking a substrate layer including a piezoelectric resistor on a sacrificial layer and extending inwardly from one side of a through hole of the substrate; Attaching a piezoelectric element layer to a transfer structure and transferring the transferred layer onto a substrate layer; Separating the transfer structure; And a region which covers all or a part of the piezoelectric resistor in the piezoelectric element layer and extends to the other side of the through hole, excluding a region corresponding to the piezoelectric element, and a sacrificial layer formed on one side of the substrate, And forming a first electrode and a second electrode on one side and the other side to cover the piezoelectric element and the piezoelectric resistor, respectively.
  • the step of attaching the piezoelectric element layer to a transcription structure and transferring the transducer element onto a substrate layer includes: mounting a piezoelectric element layer on the epitaxial graphene; Mounting a stressor layer on the piezoelectric element layer; Mounting a tape layer on the stressor layer; And separating and transferring the tape layer, the stressor layer, and the piezoelectric element layer onto the substrate layer.
  • a method of manufacturing a skin sensor module including: stacking a substrate layer on a sacrificial layer, the substrate layer including a piezoelectric resistor extending inwardly from one side of each of a plurality of through holes of the substrate; Attaching a piezoelectric element layer to a transfer structure and transferring the transferred layer onto a substrate layer; Separating the transfer structure; And a region which covers all or a part of each of the piezoelectric resistors in the piezoelectric element layer and extends to the other side of the through hole so as to exclude a region corresponding to the piezoelectric element and the sacrificial layer, And forming a first electrode and a second electrode on one side and the other side of the through hole of the piezoelectric element and the piezoelectric resistor, respectively.
  • the step of attaching the piezoelectric element layer to a transcription structure and transferring the transducer element onto a substrate layer includes: mounting a piezoelectric element layer on the epitaxial graphene; Mounting a stressor layer on the piezoelectric element layer; Mounting a tape layer on the stressor layer; And separating and transferring the tape layer, the stressor layer, and the piezoelectric element layer onto the substrate layer.
  • a skin deformation sensing apparatus including: a test point formed with a plurality of through holes and a magnetic pole to be tested; a first electrode formed on one side of each through- A substrate comprising a second electrode; A piezoelectric element drawn from each first electrode and extending into the through hole; And a piezoelectric resistor extending from each of the second electrodes and extending into the through-hole, the piezoelectric resistor being formed to overlap with a part or all of the piezoelectric elements.
  • the test point may be an injection opening through which a substance to be tested is injected or an indentation point to which vibration of a predetermined size or cycle is applied.
  • the plurality of through holes may be arranged in a radiation array structure around the test point.
  • a fixing band connected to the skin sensor module so as to surround the subject's arm or leg.
  • the skin sensor module may further be connected to the skin property calculating unit, wherein the skin sensor module measures a wave characteristic according to a pressure applied to the test point, and measures a skin property derived from the wave characteristic measured by the skin property calculating unit The skin elasticity is calculated.
  • a deformation sensor unit capable of measuring deformation of the skin and a skin sensor module including the deformation sensor unit can be provided.
  • a wearable structure it is possible to measure in a state wearing a sensor unit or a sensor module, and to measure the deformation of the skin due to the physiological behavior of the skin without affecting the skin condition Unit and a skin sensor module including the unit can be provided.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a skin sensor module worn by a subject according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view of a strain sensor unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a strain sensor unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of a strain sensor unit according to an embodiment of the present invention.
  • 5A and 5B are graphs showing changes in dislocations with and without an interfacial layer in a strain sensor unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing the change in electrical characteristics due to the interface layer.
  • FIG. 7 is a view schematically showing a manufacturing process of a flexible adhesive substrate according to an embodiment of the present invention.
  • 8A, 8B, 8C, and 8D are diagrams schematically illustrating a manufacturing process of a skin sensor module according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 9A, 9B, and 9C are views schematically illustrating a process of measuring a skin change amount by a strain sensor unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a graph illustrating a skin change amount according to time measured by a strain sensor module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view schematically showing a skin sensor module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a sectional view of the skin sensor module of Fig.
  • FIG. 13 is a view illustrating a skin deformation sensing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 'module' or 'sub' performs at least one function or operation, and may be implemented in hardware or software, or a combination of hardware and software.
  • a plurality of 'modules' or a plurality of 'parts' may be integrated into at least one module except for 'module' or 'module' which need to be implemented by specific hardware, and implemented by at least one processor (not shown) .
  • FIG. 1 is a schematic view of a skin sensor module worn by a subject T according to an embodiment of the present invention.
  • the skin sensor module may be configured to attach to the skin and measure the mechanical change of the skin.
  • the skin sensor module S according to one embodiment includes a substrate 20 on which a plurality of air permeable through holes H are formed and a plurality of deformation sensor units 10 formed on the substrate.
  • the substrate 20 may be adhered to the skin to be adhered to the skin and the deformation sensor unit 10 may be a change sensing structure formed on the air permeable through hole H in a free standing manner. And can be configured to detect a skin change by sensing a change in pressure applied to the change sensing structure in accordance with a change in size of the through hole H attached to the skin, in a free standing manner on the through hole (H).
  • FIG. 2 is a schematic view of a strain sensor unit 10 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a sectional view of a strain sensor unit 10 according to an embodiment of the present invention.
  • a strain sensor unit 10 includes a through hole H formed on one surface of a substrate and formed on one side and the other side of a through hole H
  • a substrate 20 including a first electrode 15 and a second electrode 17, a piezoelectric element 11 extending from the first electrode 15 and extending into the through hole H, And a piezoelectric resistor 13 drawn from the second electrode 17 and extending to the inside of the through hole H so as to overlap with a part or the whole of the piezoelectric element 11.
  • the change sensing structure may be composed of a piezoelectric element 11 and a piezoelectric resistor 13.
  • the change detection structure may be formed so as to extend on both sides of the through hole H so that the pressure changes on the change detection structure in accordance with the change of the length. Accordingly, the change detection structure can be formed to detect the change in pressure through the piezoelectric element and the piezoelectric resistor to measure the skin change.
  • the piezoelectric element 11 is an element capable of generating an electrical signal according to mechanical pressure, and may be a piezoelectric semiconductor according to an embodiment.
  • the piezoelectric resistor 13 is a device whose resistance changes according to the deformation of the skin on the nanometer scale. According to one embodiment, the resistance of the cracked metal is changed by connection or disconnection of nanometer-scale cracks It can be a nanocrack-controlled based metal piezoresistive device that can measure skin strain on the nanometer scale.
  • the piezoelectric resistor 13 may be a piezo-resistive element capable of inducing resistance change due to connection or disconnection of cracks by forming metal grains by forming a silver (Ag) thin film formed on a polyimide have.
  • the piezoelectric element 11 may further include an interface layer 19 on the contact surface between the piezoelectric element 11 and the piezoelectric resistor 13.
  • the interface layer 19 may be a low-defective amorphous oxide semiconductor layer, and may be disposed under the transfer-printed piezoelectric element 11.
  • the interface layer 19 formed on the contact surface between the piezoelectric resistor 13 and the piezoelectric element 11 is composed of, for example, a Ga stoichiometric-controlled amorphous oxide interface layer, A low-defect Schottky barrier can be formed even under a deposition process, and the sensitivity of the strain sensor can be improved.
  • the amorphous structure Due to the amorphous structure, there is no one-dimensional and two-dimensional defects and a constant contact can be formed. Furthermore, Ga inhibits zero-dimensional defects such as oxygen deficiency and induces ideal Schottky thermal ion conduction. As a result, the electrical resistance changes with respect to the increase of the piezoelectric potential, i.e., the sensitivity of the sensor increases.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of a strain sensor unit according to an embodiment of the present invention.
  • the strain sensor unit includes a piezoelectric element 11 of a piezoelectric semiconductor type and a piezoelectric resistor 13 of a variable resistance type, and a variable Schottky diode is interposed therebetween. (12) may be formed.
  • 5A and 5B are graphs showing energy band diagrams according to presence / absence of an interface layer in a strain sensor unit according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 5A relates to an energy band diagram of an embodiment of a strain sensor unit in which the piezoelectric element 11 and the piezoelectric resistor 13 are connected
  • Fig. 5B relates to an energy band diagram of an embodiment additionally including an interface layer 19.
  • the sensitivity of the strain sensor unit can be greatly enhanced through a series of interconnection of the piezoelectric element 11 and the piezoelectric resistor 13. As a result, it is possible to provide a deformation sensor unit capable of detecting skin changes on the nanometer scale.
  • the amorphous oxide interface layer 19 As the amorphous oxide interface layer 19 is added, the one-dimensional and two-dimensional defects are removed at the interface to suppress the tunneling conduction that occurs irrespective of the Schottky barrier height, It can be seen that thermionic conduction is formed.
  • FIG. 6 is a graph showing changes in electrical characteristics due to the amorphous oxide interface layer. It can be seen that as the amorphous oxide stoichiometry is controlled, the Schottky thermal ionic conduction parameter value is varied and optimal stoichiometry can be set to produce the ideal Schottky thermal ion conduction characteristic.
  • the skin sensor module according to another embodiment of the present invention may be formed of a plurality of strain sensor units and may be configured to detect physical changes of skin in a skin region within a predetermined range.
  • a skin sensor module includes a substrate having a plurality of through holes formed therein and including a first electrode and a second electrode formed on one surface and the other surface of each through hole on one surface of the substrate, And a piezoelectric resistor which is drawn out and extends to the inside of the through hole, a piezoelectric resistor which is drawn out from each second electrode and extends to the inside of the through hole so as to overlap with a part or all of the piezoelectric element.
  • the deformation sensor unit includes the first electrode, the second electrode, and the deformation sensing structure composed of the piezoelectric element and the piezoelectric resistor, which are disposed around a single through hole formed on the substrate And may be configured to detect skin deformation at a point as a single unit containing it.
  • a plurality of strain sensor units formed on the substrate are arranged on the substrate in such a manner that a plurality of strain sensor units are formed on the substrate in such a manner that a plurality of strain sensor units are formed on the substrate in the form of a radiation array structure, a linear array structure, a curved array structure, a crossed array structure, a circular array structure, As shown in FIG.
  • the content of the modified sensor unit may be applied to the skin sensor module.
  • the opposite is true.
  • the description of the overlapping contents will be omitted.
  • FIG. 7 is a view schematically showing a manufacturing process of a flexible adhesive substrate according to an embodiment of the present invention.
  • the size of pores of a normal skin is about 100 mu m, and the distance between adjacent pores is about 100 mu m.
  • a total of 2 to 4 million pieces are present, distributed in the skin at a density of approximately 11.4 / cm 2 .
  • the diameter of the water droplets discharged from the skin by the transpiration of the skin is approximately 2 to 5 ⁇ m and the main component is water (H 2 O) 99%, and components such as Na, Cl, K and N . And it is released to about 700 ml every day.
  • the flexible adhesive substrate 20 has a diameter d 1 of about 100 ⁇ (50 ⁇ to 150 ⁇ ) and a gap d 2 of about 100 ⁇ (50 ⁇ to 150 A plurality of vent holes P can be disposed.
  • the diameter (d 1 ) and the distance (d 2 ) are less than 50 ⁇ m, the flexible adhesive substrate is brought into close contact with the skin to prevent moisture from being released from the skin. If the diameter exceeds 150 ⁇ m, a desired degree of durability it's difficult.
  • the ventilation holes P have a circular shape.
  • the ventilation holes P may have various shapes such as a rectangular shape or a polygonal shape.
  • the vent hole P may be used as the through hole H of the deformation sensor unit. It is possible to form a deformation sensing structure on the vent hole P without manufacturing a separate through hole H to detect the skin change.
  • the present invention is not limited thereto, and it is needless to say that the vent hole P and the through hole H may be separately manufactured and used.
  • a mold 31 having a plurality of micro pillars is provided.
  • the micro pillars formed in the mold 31 are formed to have a size and shape corresponding to the through holes H.
  • the material constituting the substrate 20 may be formed on the mold 31.
  • an elastomer of a predetermined thickness may be formed on the mold 31.
  • the elastomer may be formed of a material including polydimethylsiloxane (PDMS) that can be adhered to the skin while minimizing the effect on the skin.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the substrate 20 can be separated from the mold 31 to form the substrate 20 having the plurality of vent holes P formed thereon.
  • the substrate 20 according to another embodiment of the present invention includes a plurality of rectangular vent holes P, and the vent holes P are formed in a through hole (not shown) (H). Thereby, the strain sensor unit is mounted on each of the through holes H to form the skin sensor module.
  • a plurality of micro suction cups 21 may be patterned on the lower surface of the substrate 20. Accordingly, it is possible to provide a skin sensor module capable of measuring skin deformation more closely to the skin.
  • FIGS. 8A, 8B, 8C, and 8D are diagrams schematically illustrating a manufacturing process of a skin sensor module according to an embodiment of the present invention. A manufacturing process of mounting the deformation sensor unit on the substrate 20 formed as above will be described with reference to Figs. 8A, 8B, 8C, and 8D.
  • a substrate 20 is stacked on a sacrificial layer 101, and a piezoelectric resistor 13 extending inward from one side of a through hole H of the substrate is laminated to form a substrate layer 120 .
  • the substrate layer 120 including the piezoelectric resistor 13 extending inward from one side of the substrate on the sacrificial layer 101 may be laminated.
  • the piezoelectric element 110 may be transferred to the substrate layer 120 by attaching it to the transfer structure.
  • a piezoelectric element layer 110 is mounted on an epitaxial graphene (e.g., a SiC layer), and then a stressor layer 130 (e.g., Ni And a tape layer 140 can be formed thereon. Accordingly, the transfer structure of the stressor layer 130 and the tape layer 140 may be formed thereon in order to transfer the piezoelectric element layer 110.
  • an epitaxial graphene e.g., a SiC layer
  • a stressor layer 130 e.g., Ni And a tape layer 140
  • the transfer structure of the stressor layer 130 and the tape layer 140 may be formed thereon in order to transfer the piezoelectric element layer 110.
  • the piezoelectric elements 110 such as high performance, single crystal piezoelectric semiconductors (AlN, GaN), can be formed on the substrate layer (not shown) by using Graphene-Based Layer Transfer printing (GBLT) 120). ≪ / RTI >
  • the detection performance of the piezoelectric strain sensor can be improved by defects such as dislocation, grain boundaries, and reduction and modulation of the preferred crystal orientation.
  • the piezoelectric layer 110, the substrate layer 120 on which the piezoelectric resistor 13 is formed, and the sacrificial layer 110 are removed by removing the transfer layer structure 130 and the tape layer 140
  • the stacked layers are left in order.
  • the sacrificial layer 101 and the rest of the piezoelectric element layer 110, which do not correspond to the piezoelectric element 11, can be removed through a process such as etching.
  • the first electrode 15 and the second electrode 17 are printed through a process such as printing to form a skin sensor module in which a plurality of strain sensor units are formed, as shown in FIG. 8D.
  • FIGS. 9A, 9B, and 9C are views schematically illustrating a process of measuring a skin change amount by a strain sensor unit according to an embodiment of the present invention.
  • a strain sensor unit 10 may be detachably attached to the skin Ts, Td.
  • the skin includes the stratum corneum Ts and the dermal layer Td.
  • the strain sensor unit 10 may be formed to closely adhere to the surface of the stratum corneum Ts and measure the change in the through hole H.
  • the substrate 20 since the substrate 20 according to an embodiment of the present invention includes micro-sized holes, it does not affect the physiological activities of the skin and does not interfere with skin drying, .
  • the change sensing structure (the piezoelectric element 11 and the piezoelectric resistor 13) is suspended in a free standing state in a hole providing breathability of the substrate, it can be formed to effectively bend in accordance with the skin strain induced by mechanical stress have.
  • the skin consists of the horny layer up to about 20 ⁇ m, and the epidermal layer and the dermal layer up to about 2 mm. Accordingly, when the dermal layer is viewed as a substrate, the stratum corneum has a thin film structure at a ratio of about 1/100 to the dermal layer. Thus, when the skin is dried, the volume contraction of the stratum corneum, which is a relatively thin film, is induced.
  • the skin change rate can be defined as the following Equation 1 with respect to the initial length L 0 of the skin in a predetermined region and the length L t after the time t .
  • the skin change rate can be provided as a quantitative value.
  • the change sensing structure (the piezoelectric element 11 and the piezoelectric resistor 13) may have a length of d 3 in the state where no pressure is applied.
  • tensile stresses (F 5 , F 6 ) are generated in the stratum corneum when the substances containing moisture are released from the skin over time and the stratum corneum is dried first.
  • change detection structure piezoelectric element 11 and the piezoelectric resistor 13
  • d 4 will have a longer length as compared to d 3. In this case, it can be determined that the subject's skin pulling has occurred.
  • d 5 has a shorter length than d 4 .
  • the skin change amount can be measured according to the pressure applied to the change detection structure (the piezoelectric element 11 and the piezoelectric resistor 13) or the length of the change detection structure.
  • FIG. 10 is a graph showing the deformation rate of the skin according to the time measured by the deformation sensor module according to an embodiment of the present invention.
  • the exposure start time corresponds to the exposure start time in the graph of FIG. 10, and in the initial stage of FIG. 9B, tensile stress increases with the drying of the stratum corneum.
  • FIG. 11 is a view schematically showing a skin sensor module according to another embodiment of the present invention.
  • Diffusion epidemiology of skin-borne drug and cosmetic delivery can be assessed by examining images of skin cross-sections using fluorescence photomicroscopes, using progressive tape stripping, or using in vivo in-vitro test was used. All of these methods can cause damage to the skin, the testing process is very cumbersome and it is very difficult to derive the spread of drugs or cosmetics due to the discontinuity of the results.
  • the skin deformation sensing apparatus includes a skin sensor module, which includes a substrate 220 and a stimulus to be tested formed on the substrate 220, And a plurality of strain sensor units 210 disposed thereon.
  • the test point may be an injection opening 230 through which a substance to be tested is injected for a diffusion test, or an indentation point where vibration of a predetermined size is applied to the skin for an indentation test.
  • the plurality of strain sensor units 210 may be arranged in a radial array structure around the test points.
  • the skin sensor module comprises a substrate 220, an injection opening 230 formed on the substrate 220, and a radially disposed, , And a plurality of strain sensor units (210).
  • the strain sensor units 210 are arranged in an array of radiation patterns of 360 degrees so that the skin strain sensor injects a substance to be tested (for example, a drug or an extension product) into the injection opening 230, It can be used for measuring.
  • a substance to be tested for example, a drug or an extension product
  • the skin sensor module includes a substrate 220, indentation points (not shown) formed on the substrate 220, and a radiation array And a plurality of strain sensor units 210 arranged in a structure.
  • the indentation point may be disposed at a position corresponding to the injection opening 230 in FIG. 11, and may be arranged in the form of a mark indicating an opening shape or indentation reference point to indicate a reference point to which a certain amount of vibration pressure is applied.
  • the present invention is not necessarily limited thereto, and may have various forms for indicating the indentation reference point.
  • the skin sensor module can be used to measure the degree of diffusion of drugs or cosmetics in a simple, non-surgical, in-vivo manner.
  • the lateral diffusion and the diffusion length can be measured around the injection opening 230 through skin deformation measurement using the radially arranged strain sensor unit 210.
  • FIG. 12 is a sectional view of the skin sensor module of Fig. Referring to FIG. 12, the diffusion length and diffusion speed can be measured using the skin sensor module according to an embodiment of the present invention as follows.
  • the skin sensor module is mounted on the skin.
  • the drug or cosmetic to be tested is then injected into the injection opening 230.
  • the plurality of strain sensor units may be disposed respectively at the R 1 point, the R 2 point, the R 3 point, and the R 4 point from the injection opening 230.
  • the diffusion length and the diffusion velocity can be measured through the calculation of the length d 6 , d 7 , d 8 and d 9 of the change sensing structure of each sensor.
  • the time at which the change sensor unit at each point senses the change and the position of the corresponding point are measured. Then, the diffusion distance and diffusion speed can be calculated based on the position and time of the point where the deformation is detected from the opening.
  • the rate of change of d 6 the length of the R 1 point located at the center from the injection opening 230, is the largest, and the rate of change in length d 7 and d 8, which is the length at R 2 and R 3 ,
  • the deformation due to the cosmetic material may not be detected in the deformation sensor unit after the R 4 point. In this case, it can be determined that the cosmetic has spread to approximately the R 3 point.
  • the diffusion rate and effect can be calculated by measuring the diffusion rate and effect in the lateral direction (left / right direction) in order to measure the diffusion rate and its effect without damaging the skin.
  • FIG. 13 is a view showing a skin deformation sensing apparatus according to an embodiment.
  • Skin deformation in accordance with one embodiment of the present invention sensing devices are skin sensor module 220 and its secure the fixing band 240 is mounted to be provided, and the arm (T H) of the subject accordingly provided with a skin proliferation Can be used.
  • the arm (T H) of the subject accordingly provided with a skin proliferation Can be used.
  • in-vivo testing is possible without damaging the skin.
  • micro-sized pores can be formed on a substrate to provide a strain sensor unit having high breathability or breathability. Accordingly, it is possible to provide a strain sensor unit or a skin sensor module including the strain sensor unit, which can measure, in real time, mechanical strain on the skin without affecting the physiological activity of the skin (such as drying) .
  • the change detection structure of the strain sensor unit of the present invention may be formed as a free standing structure so as to hang on the hole of the substrate and may be bent effectively by mechanical stress inducing skin strain to measure skin strain.
  • the piezoelectric semiconductors are composed of a single crystal having a low defect density, excellent sensitivity performance can be exhibited. And the interface defect density at the Schottky contact can also be reduced by the amorphous oxide interface layer.
  • the skin sensor module can perform the non-surgical, in vivo, and real-time tests on the diffusion characteristics by measuring the skin diffusion from the injection opening by calculating the diffusion characteristics of the skin-based medicines and cosmetics.
  • strain sensor unit the skin sensor module including the skin sensor module, and the skin strain sensor according to various embodiments of the present invention can be used not only for measuring skin pulling but also for measuring skin elasticity .
  • the skin sensor module 220 may be further connected to the skin characteristic calculating section and used to calculate various skin characteristics.
  • the degree of skin deformation varies depending on the sex, age and skin condition because the skin elasticity is different. That is, when pressure is applied to the center of the array of sensors. It is possible to determine the physical properties of the skin by measuring the degree of deformation of the skin according to the difference in wave characteristics (such as wavelength, wave shape, cycle, propagation speed, etc.) Then, the difference in skin elasticity can be measured based on the physical properties of the skin.
  • the skin elasticity can be calculated on the basis of the skin property measured according to the wavelength characteristic measured by the skin characteristic calculating unit, by measuring the wave characteristic according to the pressure applied to the test point in the skin sensor module.
  • a strain sensor unit capable of measuring deformation of skin and a skin sensor module including the same.
  • the deformation sensor and the skin sensor module including the deformation sensor can be measured in a state wearing a sensor unit or a sensor module, and it is possible to measure the deformation of the skin sensor module It is predicted that the application to the skin related industry is unlimited.

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Abstract

본 발명은 변형 센서 유닛 및 이를 포함하는 스킨 센서 모듈에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 센서 유닛은, 관통 홀이 형성되고, 기판의 일 면에 관통 홀의 일측과 타측에 형성된 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 기판; 상기 제1 전극으로부터 인출되어 상기 관통 홀의 내부로 연장되는 압전 소자; 및 상기 제2 전극으로부터 인출되어 상기 관통 홀의 내부로 연장되어 상기 압전 소자의 일부 또는 전부와 겹쳐지도록 형성되는 압전 저항을 포함한다.

Description

변형 센서 유닛 및 이를 포함하는 스킨 센서 모듈
본 발명은 착용하여 생리학적 피부 움직임을 실시간으로 모니터링 할 수 있는 변형 센서 유닛 및 이를 포함하는 스킨 센서 모듈에 관한 것으로서, 프리 스탠딩형 변형 감지 구조물을 사용하여 인터페이스 설계가 가능한 변형 센서 유닛 및 이를 포함하는 스킨 센서 모듈에 관한 것이다.
세안 후 또는 건조한 대기 환경에서 피부가 당기는 현상을 종종 경험하게 된다. 이 경우, 피부가 건조하다고 평가하나, 이를 정량적으로 측정하기 위한 다양한 시도가 있었다.
피부 당김을 측정하기 위해 피부의 탄성 계수를 측정하는 시도가 있었고, 피부의 탄성 계수는 다양한 기술에 의하여 측정되었다. 종래에는 압력 기반 흡입, 비틀림, 견인력, 나노-압입 자국(nano-indentation), 탄성 초음파(ultrasound elastography) 등의 기술을 사용하여 피부의 탄성 계수를 측정하였으나, 탄성 계수만으로는 피부의 기계적 변형인 변형 거동에 대한 정보를 제공하지 못하였다.
그리고, 피부의 유분 또는 수분을 측정하여 피부의 건조도를 측정하려는 시도가 있었다. 피부 수분을 측정하기 위하여, 피부 표면에 기기를 접촉시켜 임피던스 또는 캐패시터턴스와 같은 전기적 특성을 측정하는 방법을 사용하였다. 피부 유분을 측정하기 위하여, 반투명 지질흡수 테이프를 사용하거나 광학적 반사 원리를 이용하는 방법을 사용하였다.
또한, 표피 수분 증발량을 측정하여 피부 건조도를 측정하려는 시도가 있었다. 습도 센서 및 온도 센서를 활용하여 1 cm 지름의 실린더 구역에서 발생하는 수분 증발량을 측정하는 방법을 시도하였다.
그리고, 피부 형태 또는 기계적 물성을 측정하여 피부 건조도를 측정하려는 시도도 있었다. 탄력을 측정하기 위해, 피부 흡착 후 시간에 따른 피부 복원력을 측정하였다. 광학적 분석을 통하여, 수십 ㎛의 해상도로, 가시광선을 통하여 피부결, 모공, 주름, 각질 등을 측정하고, 자외선을 통하여 피지, 모공, 트러블, 여드름 등을 측정하며, 편광을 사용하여 색소 침착, 기미, 잡티 등을 측정하였다.
생체 외(ex-situ) 방식으로 피부 분석법으로는 습도, 온도, 미세먼지 등과 같은 피부 여러 환경인자에 영향을 받는 문제가 있었고, 피부 당김이 얼마의 속도로 얼마나 변화하는 지에 대한 측정이 어려웠고, 그 원인을 정확하게 규명하기 어려운 문제가 있었다.
피부 또는 건상 상태를 측정하기 위해 웨어러블 감지 장치를 사용하기도 하였다. 웨어러블 센서는 동작 감지기반의 컨트롤러로서, 근육의 움직임이나 특허문헌 1과 같이 심박수, 경련 여부 등을 측정 또는 진단하였다. 그리고, 부위별 최대 변형율을 측정하도록 센서 구조를 조절하였다.
특허문헌 1과 같은 웨어러블 센서 장치의 경우 큰 범위(cm2 면적)에서 발생하는 기계적 변형율만 측정 가능하였고, 기계적 내구성(최대 변화율)에 초점이 맞춰져 있어, 매우 미세한 변화 (strain < 1%)를 감지하기 어려웠다. 또한, 주위 환경과 피부의 접촉을 차단하여 측정하므로, 근육의 움직임, 심박수 측정이 주된 목적이 되었고, 장치가 피부를 덮게 되므로 외부 환경에 노출에 의한 피부 변화를 관찰 또는 측정하기 어려운 문제가 있었다.
[선행기술문헌]
(특허문헌 1) KR 10-1746492 B1
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 피부의 변형을 측정할 수 있는 변형 센서 유닛 및 이를 포함하는 스킨 센서 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 착용형 구조로서, 센서 유닛 또는 센서 모듈을 착용한 상태에서 측정이 가능하며, 착용이 피부 상태에 영향을 미치지 않으면서, 피부의 생리학적인 거동으로 인한 피부의 변형을 측정할 수 있는 변형 센서 유닛 및 이를 포함하는 스킨 센서 모듈을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 변형 센서 유닛은, 관통 홀이 형성되고, 기판의 일 면에 관통 홀의 일측과 타측에 형성된 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 기판; 상기 제1 전극으로부터 인출되어 상기 관통 홀의 내부로 연장되는 압전 소자; 및 상기 제2 전극으로부터 인출되어 상기 관통 홀의 내부로 연장되어 상기 압전 소자의 일부 또는 전부와 겹쳐지도록 형성되는 압전 저항을 포함한다.
상기 압전 소자는 압전 반도체일 수 있다.
상기 압전 저항은 나노크랙-제어 기반의 금속 압전 저항 소자일 수 있다.
상기 압전 소자와 상기 압전 저항 사이의 접촉면에 비정질 산화물 반도체로 구성되는 계면층이 더 형성될 수 있다.
상기 기판에는 50 내지 150 ㎛의 복수의 통기 구멍이 형성될 수 있다.
상기 복수의 통기 구멍 사이의 간격은 50 내지 150 ㎛일 수 있다.
상기 복수의 통기 구멍은 상기 관통 홀을 구성할 수 있다.
상기 기판은 폴리디메틸실록산(PDMS)를 포함하는 물질로 구성될 수 있다.
상기 기판의 일 면에 대향하는 타 면에는 피부에 밀착을 위한 복수의 마이크로 흡입 컵이 패터닝 될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 스킨 센서 모듈은, 복수의 관통 홀이 형성되고, 기판의 일 면에 각각의 관통 홀의 일측과 타측에 형성된 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 기판; 각각의 제1 전극으로부터 인출되어 상기 관통 홀의 내부로 연장되는 압전 소자; 각각의 제2 전극으로부터 인출되어 상기 관통 홀의 내부로 연장되어 상기 압전 소자의 일부 또는 전부와 겹쳐지도록 형성되는 압전 저항을 포함한다.
상기 압전 소자는 압전 반도체일 수 있다.
상기 압전 저항은 나노크랙-제어 기반의 금속 압전 저항 소자일 수 있다.
상기 압전 소자와 상기 압전 저항 사이의 접촉면에 비정질 산화물 반도체로 구성되는 계면층이 더 형성될 수 있다.
상기 기판에는 50 내지 150 ㎛의 복수의 통기 구멍이 형성될 수 있다.
상기 복수의 통기 구멍 사이의 간격은 50 내지 150 ㎛일 수 있다.
상기 복수의 통기 구멍의 전부 또는 일부는 상기 복수의 관통 홀을 구성할 수 있다.
상기 기판은 폴리디메틸실록산(PDMS)를 포함하는 물질로 구성될 수 있다.
상기 기판의 일 면에 대향하는 타 면에는 피부에 밀착을 위한 복수의 마이크로 흡입 컵이 패터닝될 수 있다.
변형 센서 유닛은, 상기 기판 상에 형성되는 한 개의 관통 홀을 중심으로 배치되는 상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 및 상기 압전 소자와 압전 저항으로 구성되는 변형 감지 구조물을 포함하고, 상기 기판 상에는 복수의 변형 센서 유닛이 형성되며, 상기 복수의 변형 센서 유닛은, 상기 기판 상에 방사 어레이 구조, 직선형 어레이 구조, 곡선형 어레이 구조, 교차형 어레이 구조, 원형 어레이 구조, 직사각형 어레이 구조 및 다각형 어레이 구조 중 하나 이상의 어레이 구조로 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 변형 센서 유닛의 제조 방법은, 희생층 상에 기판의 관통 홀의 일측에서 내측으로 연장되는 압전 저항을 포함하는 기판층을 적층하는 단계; 압전 소자층을 전사 구조물에 부착하여 기판층 상에 전사시키는 단계; 상기 전사 구조물을 분리시키는 단계; 및 상기 압전 소자층에서 상기 압전 저항의 전부 또는 일부를 덮으면서 상기 관통 홀의 타측으로 연장되어 압전 소자에 대응하는 영역을 제외한 영역과, 상기 희생층을 제거하고, 상기 기판의 일 면에서 상기 관통 홀의 일측과 타측에 상기 압전 소자 및 상기 압전 저항을 각각 덮도록 제1 전극과 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
마이크로 기둥이 형성된 몰드 상에 기 설정된 두께의 탄성중합체를 성형하는 단계; 및 성형된 상기 탄성중합체를 분리시켜 기판을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 압전 소자층을 전사 구조물에 부착하여 기판층 상에 전사시키는 단계는, 에피택셜 그래핀 상에 압전 소자층을 탑재하는 단계; 상기 압전 소자층 상에 스트레서 층을 탑재하는 단계; 상기 스트레서 층 상에 테이프 층을 탑재하는 단계; 및 상기 테이프 층, 스트레서 층 및 압전 소자층을 분리시켜 상기 기판층 상에 전사시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 스킨 센서 모듈의 제조 방법은, 희생층 상에 기판의 복수의 관통 홀의 각각에 일측에서 내측으로 연장되는 압전 저항을 포함하는 기판층을 적층하는 단계; 압전 소자층을 전사 구조물에 부착하여 기판층 상에 전사시키는 단계; 상기 전사 구조물을 분리시키는 단계; 및 상기 압전 소자 층에서 각각의 압전 저항의 전부 또는 일부를 덮으면서 상기 관통 홀의 타측으로 연장되어 압전 소자에 대응하는 영역을 제외한 영역과, 상기 희생층을 제거하고, 상기 기판의 일 면에서 상기 복수의 관통 홀의 일측과 타측에 상기 압전 소자 및 상기 압전 저항을 각각 덮도록 제1 전극과 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
복수의 마이크로 기둥들이 형성된 몰드 상에 기 설정된 두께의 탄성중합체를 성형하는 단계; 및 성형된 상기 탄성중합체를 분리시켜 기판을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 압전 소자층을 전사 구조물에 부착하여 기판층 상에 전사시키는 단계는, 에피택셜 그래핀 상에 압전 소자층을 탑재하는 단계; 상기 압전 소자층 상에 스트레서 층을 탑재하는 단계; 상기 스트레서 층 상에 테이프 층을 탑재하는 단계; 및 상기 테이프 층, 스트레서 층 및 압전 소자층을 분리시켜 상기 기판층 상에 전사시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 스킨 변형 감지 장치는, 복수의 관통 홀과 테스트 하고자 하는 자극이 가해지는 테스트 포인트가 형성되고, 기판의 일 면에 각각의 관통 홀의 일측과 타측에 형성된 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 기판; 각각의 제1 전극으로부터 인출되어 상기 관통 홀의 내부로 연장되는 압전 소자; 각각의 제2 전극으로부터 인출되어 상기 관통 홀의 내부로 연장되어 상기 압전 소자의 일부 또는 전부와 겹쳐지도록 형성되는 압전 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 스킨 센서 모듈을 포함한다.
상기 테스트 포인트는, 테스트 하고자 하는 물질이 주입되는 주입 개구 또는 기 설정된 크기 또는 주기의 진동이 가해지는 압입 포인트일 수 있다.
상기 복수의 관통홀은 상기 테스트 포인트를 중심으로 방사 어레이 구조로 배치될 수 있다.
상기 스킨 센서 모듈에 연결되어 피험자의 팔 또는 다리를 감싸도록 형성된 고정 밴드를 더 포함할 수 있다.
상기 스킨 센서 모듈은 피부 특성 산출부에 더 연결될 수 있고, 상기 스킨 센서 모듈은 테스트 포인트에 가해지는 압력에 따른 파동 특성을 측정하여, 상기 피부 특성 산출부에서 측정된 파동 특성에 의해 도출되는 피부 물성에 기초하여 피부 탄성도를 산출한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 피부의 변형을 측정할 수 있는 변형 센서 유닛 및 이를 포함하는 스킨 센서 모듈을 제공할 수 있다.
또한, 착용형 구조로서, 센서 유닛 또는 센서 모듈을 착용한 상태에서 측정이 가능하며, 착용이 피부 상태에 영향을 미치지 않으면서, 피부의 생리학적인 거동으로 인한 피부의 변형을 측정할 수 있는 변형 센서 유닛 및 이를 포함하는 스킨 센서 모듈을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피험자에게 착용된 스킨 센서 모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 센서 유닛을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 센서 유닛의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 센서 유닛의 회로도이다.
도 5a, 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 센서 유닛에서 계면층의 유무에 따른 전위의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 계면층의 의한 전기적 특성의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연성 접착 기판의 제조 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8a, 8b, 8c, 8d는 본 발명의 일 실시예에 따른 스킨 센서 모듈의 제조 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9a, 9b, 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 센서 유닛으로 피부 변화량을 측정하는 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 변형 센서 모듈로 측정된 시간에 따른 피부 변화량을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스킨 센서 모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11의 스킨 센서 모듈의 단면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 스킨 변형 감지 장치를 나타내는 도면이다.
본 실시예들은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하여 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 특정한 실시 형태에 대해 범위를 한정하려는 것이 아니며, 개시된 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 실시예들을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
실시예에 있어서 '모듈' 혹은 '부'는 적어도 하나의 기능이나 동작을 수행하며, 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 복수의 '모듈' 혹은 복수의 '부'는 특정한 하드웨어로 구현될 필요가 있는 '모듈' 혹은 '부'를 제외하고는 적어도 하나의 모듈로 일체화되어 적어도 하나의 프로세서(미도시)로 구현될 수 있다.
이하, 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대해 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피험자(T)에게 착용된 스킨 센서 모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스킨 센서 모듈은 피부에 부착되어 피부의 기계적 변화를 측정하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에 따른 스킨 센서 모듈(S)은 복수의 통기성(air permeable) 관통 홀(H)들이 형성된 기판(20)과 상기 기판에 형성된 복수의 변형 센서 유닛(10)을 포함한다.
상기 기판(20)은 피부에 밀착되어 접착될 수 있도록 형성되며, 상기 변형 센서 유닛(10)은 상기 통기성 관통 홀(H) 상에 프리 스탠딩(free standing)형으로 형성된 변화 감지 구조물로 구성된다. 관통 홀(H) 상에 프리 스탠딩형으로 부착되어 피부에 부착된 관통 홀(H)의 크기 변화에 따라 변화 감지 구조물 상에 가해지는 압력의 변화를 감지하여 피부 변화를 감지하도록 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 센서 유닛(10)을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 센서 유닛(10)의 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 센서 유닛(10)은, 관통 홀(H)이 형성되고, 기판의 일 면에 관통 홀(H)의 일측과 타측에 형성된 제1 전극(15)과 제2 전극(17)을 포함하는 기판(20), 상기 제1 전극(15)으로부터 인출되어 상기 관통 홀(H)의 내부로 연장되는 압전 소자(11), 및 상기 제2 전극(17)으로부터 인출되어 상기 관통 홀(H)의 내부로 연장되어 상기 압전 소자(11)의 일부 또는 전부와 겹쳐지도록 형성되는 압전 저항(13)을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 변화 감지 구조물은 압전 소자(11)와 압전 저항(13)으로 구성될 수 있다. 변화 감지 구조물은 관통 홀(H)의 양측에 걸쳐 연장되도록 형성되어 그 길이 변화에 따라 상기 변화 감지 구조물 상에 압력이 변화하도록 형성될 수 있다. 그에 따라, 변화 감지 구조물은 압전 소자와 압전 저항을 통하여 압력 변화를 감지하여 피부 변화를 측정하도록 형성될 수 있다.
상기 압전 소자(11)는 기계적인 압력에 따라 전기적 신호를 발생시킬 수 있는 소자로서, 일 실시예에 따르면 압전 반도체일 수 있다.
상기 압전 저항(13)은 나노미터 스케일의 피부의 변형에 따라 저항이 변화하는 소자로서, 일 실시예에 따르면 나노미터 스케일의 크랙들의 연결 또는 단절에 의해 크랙이 형성된 금속의 저항이 변화하도록 형성되어 피부의 변형을 나노미터 스케일로 측정할 수 있는 나노크랙-제어 기반의 금속 압전 저항 소자일 수 있다.
일 예로, 상기 압전 저항(13)은 폴리이미드 상에 형성된 은(Ag) 박막이 형성되어 금속 그레인(grains)들이 형성되어 크랙의 연결 또는 단절에 의한 저항 변화를 유도할 수 있는 압전 저항 소자일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 압전 소자(11)와 압전 저항(13)의 접촉면 상에 계면층(19)을 더 포함할 수 있다. 일 예로 상기 계면층(19)은 저 결함(low-defective)의 비정질 산화물 반도체(Amorphous oxide semiconductor layer)일 수 있고, 전사 인쇄된 압전 소자(11)의 아래에 배치될 수 있다.
도 3의 일부 확대도를 참조하면, 압전 저항(13)과 압전 소자(11) 사이의 접촉면에 형성된 계면층(19)은, 일 예로, Ga 화학양론-제어식 비정질 산화 계면층으로 구성되어, 실온 증착 공정 하에서도 저-결함 쇼트키 배리어를 형성할 수 있고, 변형 센서의 감도를 개선할 수 있다.
비정질 구조로 인하여, 1차원적 및 2차원적 결함들은 존재하지 않고, 일정한 콘택이 형성될 수 있다. 더 나아가, Ga는 산소 결핍과 같은 0차원적 결함들을 억제하고, 이상적인 쇼트키 열이온 전도(thermionic conduction)를 유도한다. 결과적으로, 전기 저항은 압전기 포텐셜의 증가에 대해 변화하게 되고, 즉 센서의 민감도가 증가한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 센서 유닛의 회로도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 변형 센서 유닛은 압전 반도체 형태의 압전 소자(11)와 가변 저항 형태의 압전 저항(13)이 연결되며, 그 사이에 가변 쇼트키 다이오드(Variable Schottky diode)(12)가 형성되는 구조를 가질 수 있다.
도 5a, 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 센서 유닛에서 계면층의 유무에 따른 에너지 밴드 다이어그램을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 압전 소자(11)와 압전 저항(13)이 연결된 실시예의 변형 센서 유닛의 에너지 밴드 다이어그램에 관한 것이고, 도 5b는 계면층(19)을 추가적으로 포함하는 실시예의 에너지 밴드 다이어그램에 관한 것이다.
도 5a를 참조하면, F1 및 F3의 힘이 가해져 인장력이 가해지는 경우, 배리어의 높이가 높아지고, 압전 저항(13)의 저항이 커지게 된다.
그리고, F2 및 F4의 힘이 가해져 압력이 가해지는 경우, 배리어의 높이가 낮아지고, 압전 저항(13)의 저항이 작아지게 된다.
즉, 변형 센서 유닛이 부착된 피부의 당김이 발생하거나(F1, F3), 피부가 늘어지는 경우(F2, F4), 페르미 에너지 레벨(Fermi energy lever)에 대한 쇼트키 배리어의 조정이 이루어져 피부의 당김과 늘어짐을 감지하도록 형성될 수 있다.
그에 따라, 변형 센서 유닛의 민감도는 압전 소자(11)와 압전 저항(13)의 일련의 상호 연결을 통하여 매우 강화될 수 있다. 결국, 나노미터 스케일의 피부 변화를 감지할 수 있는 변형 센서 유닛을 제공할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 비정질 산화물 계면층(19)이 추가됨에 따라 계면에 1차원적 및 2차원적 결함을 제거하여 쇼트키 배리어 높이와 무관하게 발생하는 터널링(Tunneling) 전도를 억제하고 이상적인 쇼트키 열이온 전도를 형성하는 것을 알 수 있다.
도 6은 비정질 산화물 계면층의 의한 전기적 특성의 변화를 나타내는 그래프이다. 비정질 산화물의 화학량론(stoichiometry)를 조절함에 따라서 쇼트키 열이온 전도 변수값이 변하며, 최적의 화학량론을 설정하여 이상적인 쇼트키 열이온 전도 특성을 만들 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 스킨 센서 모듈은, 복수의 변형 센서 유닛으로 구성되어, 기 설정된 범위 내의 피부 영역에서의 피부의 물리적 변화를 감지하도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 스킨 센서 모듈은, 복수의 관통 홀이 형성되고, 기판의 일 면에 각각의 관통 홀의 일측과 타측에 형성된 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 기판, 각각의 제1 전극으로부터 인출되어 상기 관통 홀의 내부로 연장되는 압전 소자, 각각의 제2 전극으로부터 인출되어 상기 관통 홀의 내부로 연장되어 상기 압전 소자의 일부 또는 전부와 겹쳐지도록 형성되는 압전 저항을 포함한다.
다시 말해 스킨 센서 모듈에서 변형 센서 유닛은, 상기 기판 상에 형성되는 한 개의 관통 홀을 중심으로 배치되는 상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 및 상기 압전 소자와 압전 저항으로 구성되는 변형 감지 구조물을 포함하는 하나의 단위체로서 한 지점의 피부 변형을 감지하도록 구성될 수 있다.
상기 기판 상에는 형성되는 복수의 변형 센서 유닛은, 상기 기판 상에 방사 어레이 구조, 직선형 어레이 구조, 곡선형 어레이 구조, 교차형 어레이 구조, 원형 어레이 구조, 직사각형 어레이 구조 및 다각형 어레이 구조 중 하나 이상의 어레이 구조로 배치될 수 있다.
본 명세서에서 변형 센서 유닛에 대한 내용은 스킨 센서 모듈에도 적용될 수 있음은 물론이다. 반대의 경우에도 마찬가지 이다. 중복되는 내용의 기재는 생략하기로 한다.
이하에서는, 변형 센서 유닛 및 이를 포함하는 스킨 센서 모듈의 제조 방법에 대하여 보다 구체적으로 알아보자.
이하의 설명은 복수의 변형 센서 유닛을 포함하는 스킨 센서 모듈에 대한 제조 방법을 기준으로 설명하나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 하나의 변형 센서 유닛의 제조 방법에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연성 접착 기판의 제조 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
일반적인 피부의 모공 크기는 대략 100 ㎛ 정도이며, 인접해 있는 모공과의 간격은 대략 100 ㎛ 정도이다. 전체적으로 2 내지 4 백만 개가 존재하며, 대략 11.4 개/cm2 의 밀도로 피부에 분포되어 있다. 피부의 증산작용(transpiration)에 의해 피부로부터 방출되는 물방울의 직경은 대략 2 내지 5 ㎛이 되고, 주된 성분은 물(H2O)이 99 %이고, Na, Cl, K, N 등의 성분들이 포함된다. 그리고, 매일 대략 700 ml 정도로 방출된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연성 접착 기판(20)에는 대략 100 ㎛ (50 ㎛ 내지 150 ㎛)의 직경(d1)을 갖고, 사이의 간격(d2)이 대략 100 ㎛ (50 ㎛ 내지 150 ㎛)인 복수의 통기 구멍(P)이 배치될 수 있다. 직경(d1)과 간격(d2)이 50 ㎛ 미만인 경우 유연성 접착 기판이 피부에 밀착되어 피부로부터의 수분 등의 방출을 방해할 수 있고, 150 ㎛를 초과하는 경우 원하는 정도의 내구성을 확보하기 어렵다.
복수의 통기 구멍이 유연성 접착 기판에 형성되어 있기 때문에, 유연성 접착 기판의 호흡 가능성(breathability)를 확보할 수 있다. 즉, 유연성 접착 기판에 의해 피부의 증산작용에 미치는 영향을 최소화하여 실제 외부 환경 노출에 의해 발생하는 피부 건조를 정확하게 측정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 통기 구멍(P)들은 원형 형상을 갖는 것으로 도시하였으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 사각형 또는 다각형 등의 다양한 형상을 가질수도 있음은 물론이다.
일 실시예에 따르면, 상기 통기 구멍(P)은 변형 센서 유닛의 관통 홀(H)로서 사용될 수도 있다. 별도의 관통 홀(H)을 제조하지 않고, 상기 통기 구멍(P) 상에 변형 감지 구조물을 배치하여 피부 변화를 감지하도록 형성될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 통기 구멍(P)과 관통 홀(H)을 별도로 제조하여 사용할 수도 있음은 물론이다.
도 7의 흐름도의 첫 번째 그림을 참조하면, 먼저 복수의 마이크로 기둥들이 형성된 몰드(31)를 마련한다. 상기 몰드(31)에 형성된 마이크로 기둥들은 관통 홀(H)에 대응하는 사이즈와 형상을 갖도록 형성된다.
도 7의 두 번째 그림을 참조하면, 상기 몰드(31) 상에 기판(20)을 구성하는 물질을 형성할 수 있다. 일 예로, 기 설정된 두께의 탄성중합체를 상기 몰드(31) 상에 성형할 수 있다. 상기 탄성중합체는 일 실시예에 따르면, 피부에 대한 영향을 최소화하면서 피부에 밀착될 수 있는 폴리디메틸실록산 (Polydimethylsiloxane) (PDMS)을 포함하는 재료로 상기 기판(20)을 구성할 수 있다.
그리고 나서, 도 7의 세 번째 그림을 참조하면, 몰드(31)로부터 상기 기판(20)을 분리시켜, 복수의 통기 구멍(P)이 형성된 기판(20)을 형성할 수 있다.
도 7의 네 번째 그림을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 기판(20)은 사각형의 복수의 통기 구멍(P)을 포함하며, 통기 구멍(P)은 변형 센서 유닛을 위한 관통 홀(H)을 구성하도록 형성될 수 있다. 그에 따라, 각각의 관통 홀(H)에 변형 센서 유닛이 탑재되어, 스킨 센서 모듈을 형성할 수 있다.
그리고, 상기 기판(20)의 하부면에는 복수의 마이크로 흡입 컵(21)이 패터닝 될 수 있다. 그에 따라, 피부에 보다 밀착되어 피부 변형을 측정할 수 있는 스킨 센서 모듈을 제공할 수 있다.
도 8a, 8b, 8c, 8d는 본 발명의 일 실시예에 따른 스킨 센서 모듈의 제조 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 8a, 8b, 8c, 8d를 참조하여 위와 같이 형성된 기판(20)상에 변형 센서 유닛을 탑재하는 제조 과정을 설명하기로 한다.
도 8a를 참조하면, 희생층(101) 상에 기판(20)을 적층하고, 상기 기판의 관통 홀(H)의 일측에서 내측으로 연장되는 압전 저항(13)을 적층하여 기판 층(120)을 형성한다. 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 희생층(101) 상에 기판의 일측에서 내측으로 연장되는 압전 저항(13)을 포함하는 기판 층(120)을 적층할 수 있다.
도 8b를 참조하면, 압전 소자(110)를 전사 구조물에 부착하여 기판 층(120) 상에 전사시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 압전 소자층(110)을 에피택셜 그래핀(epitaxial graphene)(일 예로 SiC 층)상에 탑재하고, 그리고 나서 압전 소자층(110) 위에 스트레서 층(130)(일 예로 Ni 층)을 형성하고, 그 위에 테이프 층(140)을 형성할 수 있다. 그에 따라, 압전 소자층(110)을 전사시키기 위해 그 위에 스트레서 층(130)과 테이프 층(140)의 전사 구조물을 형성할 수 있다.
즉, 고성능, 단결정 압전 반도체(AlN, GaN)들과 같은 압전 소자(110)들은 그래핀 기반 전사 인쇄(Graphene-Based Layer Transfer printing)(GBLT)를 사용하여 대략 90 ℃의 범위 내에서 기판 층(120) 상에 전사 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전위(dislocation), 결정립계면(Grain Boundary)과 같은 결함들과 감소와 바람직한 결정 배향의 변조에 의해 압전 변형 센서의 감지 성능이 개선될 수 있다.
도 8c를 참조하면, 전사 구조물인 스트레서 층(130)과 테이프 층(140)을 떼어 냄으로써, 압전 소자층(110), 압전 저항(13)이 형성된 기판 층(120) 및 희생층(110)이 순서대로 적층된 적층체가 남게 된다.
그리고 식각과 같은 과정을 통해 희생층(101)과 압전 소자층(110)에서 압전 소자(11)에 대응하지 않는 나머지 부분을 제거할 수 있다. 그리고, 인쇄 등의 과정을 통하여 제1 전극(15)과 제2 전극(17)을 인쇄하여, 도 8d에 도시된 바와 같이, 복수의 변형 센서 유닛이 형성된 스킨 센서 모듈을 형성할 수 있다.
도 9a, 9b, 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 센서 유닛으로 피부 변화량을 측정하는 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9a 내지 9c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 센서 유닛(10)은 피부(Ts, Td)상에 탈착 가능하게 부착될 수 있다. 상기 피부는 각질층(Ts)과 진피층(Td)을 포함한다. 변형 센서 유닛(10)은 각질층(Ts)의 표면에 밀착되어, 관통 홀(H)의 변화를 측정하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 기판(20)은 마이크로 사이즈의 구멍들을 포함하고 있기 때문에, 피부의 생리학적 활동에 영향을 미치지 않고, 피부 건조를 방해하지 않기 때문에, 피부의 호흡 가능성을 제공할 수 있다.
변화 감지 구조물(압전 소자(11) 및 압전 저항(13))은 기판의 호흡 가능성을 제공하는 홀에 프리 스탠딩형으로 매달려 있기 때문에, 기계적 응력에 의해 유도되는 피부 변형에 따라 효과적으로 구부러지도록 형성될 수 있다.
특히 각질층의, 피부의 기계적 변화는 박막 메커니즘에 기초하여 분석될 수 있다. 피부는, 대략 20 ㎛ 까지는 각질층으로, 대략 2 mm 까지는 표피층과 진피층으로 구성된다. 그에 따라 진피층을 기재로 보는 경우, 각질층은 진피층에 대해 대략 1/100의 비율로 박막 구조를 갖게 된다. 그에 따라 피부 건조가 이뤄지는 경우 상대적으로 박막 형태인 각질층의 부피 수축이 유도된다.
그리고, 건조가 발생하는 경우, 초기에는 각질층의 수분이 감소하여 수축하나 진피층은 상대적으로 덜 건조되므로 진피층이 각질층을 당김으로써 인장 응력이 발생하게 된다. 그러나, 지속적으로 건조가 발생하는 경우 각질층의 탄성 계수는 증가하게 되고, 각질층(Ts)에 크랙에 발생하여 보호 기능의 손실을 가져오게 된다. 그리고, 크랙이 발생하는 경우 인장 응력이 감소하여 늘어지게 된다.
따라서, 각질층의 기계적 거동에 대한 지속적인 모니터링은 피부 건강을 확인하는 데에 매우 중요한 역할을 할 수 있다.
본 명세서에서 피부 변화율을 기 설정된 구역의 피부의 최초 길이(L0)와 t 시간 후의 길이(Lt)에 대하여 다음 [식 1]과 같이 정의할 수 있다.
[식 1]
변화율(%) = 길이 변화(Lt - L0)/최초 길이(L0) × 100
즉, 변화 감지 구조물(압전 소자(11) 및 압전 저항(13))의 길이 변화를 산출함으로써 피부 변화율을 정량적인 수치로 제공할 수 있다.
도 9a의 시작 단계를 참조하면, 아무런 압력이 가해지지 않은 상태에서 변화 감지 구조물(압전 소자(11) 및 압전 저항(13))은 d3의 길이를 가질 수 있다.
도 9b의 초기 단계를 참조하면, 시간이 지나 수분을 포함하는 물질들이 피부로부터 방출되어 각질층이 먼저 건조되면 각질층에 인장 응력(F5, F6)이 발생하게 된다. 이 경우 변화 감지 구조물(압전 소자(11) 및 압전 저항(13))은 d4의 길이를 가질 수 있고, d4는 d3에 비하여 긴 길이를 갖게 된다. 그리고, 이 경우 피험자의 피부 당김이 발생하였다고 판단할 수 있다.
도 9c의 후기 단계를 참조하면, 지속적으로 건조가 발생하면 각질층에 크랙(C)들이 발생하여 변화 감지 구조물(압전 소자(11) 및 압전 저항(13)) 상에 가해지는 인장 응력은 감소하게 되며, 이 경우 d5의 길이를 가질 수 있다. d5는 d4에 비해 짧은 길이를 갖게 된다.
위와 같은 방식으로, 변화 감지 구조물(압전 소자(11) 및 압전 저항(13)) 상에 가해지는 압력 또는 변화 감지 구조물의 길이에 따라 피부 변화량을 측정할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 변형 센서 모듈로 측정된 시간에 따른 피부 변형율을 나타내는 그래프이다.
도 9a의 시작 단계에서는 도 10의 그래프에서 노출 시작 시간에 해당하게 되고, 도 9b의 초기 단계에는 각질층의 건조에 따라 인장 응력이 증가하여 지속적으로 피부 변형이 증가하게 된다.
그러다가, 도 9c의 후기 단계에는 각질층에 크랙이 형성됨에 따라 다시 인장 응력이 감소함으로써 다시 변형이 초기 상태와 같거나 이와 비슷한 상태로 되돌아가게 된다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스킨 센서 모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다.
피부 경유 약물 및 화장품 전달의 확산 역학은 형광 광학 현미경(fluorescence photomicroscopes)을 사용하여 피부 단면의 이미지를 조사하거나, 점진적 테이프 스트리핑(tape stripping)을 사용하거나, 피부투과장치(diffusion cells)를 사용한 생체외(in-vitro) 테스트를 사용하였다. 이러한 방법들은 모두 피부에 손상이 가져올 수 있으며, 테스트 과정이 매우 번거로우며 결과의 불연속성으로 인해 약물 또는 화장품의 확산을 도출하기가 매우 어렵다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스킨 변형 감지 장치는 스킨 센서 모듈을 포함하며, 상기 스킨 센서 모듈은 기판(220)과 상기 기판(220) 상에 형성된 테스트 하고자 하는 자극이 가해지는 테스트 포인트와 이에 대하여 배치된 복수의 변형 센서 유닛(210)으로 구성된다.
상기 테스트 포인트는 확산 테스트를 위해 테스트 하고자 하는 물질이 주입되는 주입 개구(230) 또는 압입 테스트를 위해 기 설정된 크기의 진동이 피부에 가해지는 압입 포인트 일 수 있다. 그리고, 상기 복수의 변형 센서 유닛(210)은 상기 테스트 포인트를 중심으로 방사상 어레이 구조로 배치될 수 있다.
구체적으로, 일 실시예에 따르면, 상기 스킨 센서 모듈은 기판(220)과, 상기 기판(220) 상에 형성된 주입 개구(230)와 이를 중심으로 방사상으로 배치된, 즉, 방사 어레이 구조로 배치된, 복수의 변형 센서 유닛(210)으로 구성된다.
변형 센서 유닛(210)들은 360도의 방사 형태의 어레이로 배치되어, 상기 스킨 변형 감지 장치는 주입 개구(230)에 테스트하고자 하는 물질(예를 들면, 약물 또는 확장품)을 주입하여 확산도 등을 측정하는 데에 사용될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 스킨 센서 모듈은 기판(220)과, 상기 기판(220) 상에 형성된 압입 포인트(indentation point)(미도시)와 이를 중심으로 방사상으로 배치된, 즉 360도의 방사 어레이 구조로 배치된 복수의 변형 센서 유닛(210)으로 구성될 수 있다.
상기 압입 포인트를 중심으로 기 설정된 크기 또는 주기의 진동을 피부 상에 유발할 수 있다. 그리고, 압입 포인트를 중심으로 배치된 복수의 변형 센서 유닛(210)에서 이러한 진동이 피부에 전달되는 속도 및/또는 파형을 분석하여 피험자의 표피 및/또는 진피층의 탄성, 점탄성 또는 이들 모두의 특징을 측정할 수 있다.
상기 압입 포인트는 도 11에서 주입 개구(230)에 대응하는 위치에 배치될 수 있으며, 개구 형태 또는 압입 기준점을 나타내는 마크 형태로 배치되어 일정한 크기의 진동 압력이 가해지는 기준 점을 표시할 수 있다. 반드시 이에 제한되는 거은 아니며, 압입 기준점을 표시하기 위한 다양한 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 스킨 센서 모듈을 사용하여, 간단하고, 비외과적인, 생체 내(in-vivo) 방식으로 약물 또는 화장품의 확산도를 측정할 수 있다. 방사상으로 배치된 변형 센서 유닛(210)을 사용한 피부 변형 측정을 통하여 주입 개구(230)를 중심으로 측 방향 확산과 확산 길이를 측정할 수 있다. 또한, 확산의 온도 의존성 측정을 통하여 확산의 아레니우스 활성화 에너지의 도출이 가능하다.
도 12는 도 11의 스킨 센서 모듈의 단면도이다. 도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스킨 센서 모듈을 사용하여 확산 길이와 확산 속도를 아래와 같이 측정할 수 있다.
구체적으로, 스킨 센서 모듈을 피부에 장착한다. 그리고 나서, 주입 개구(230)에 테스트하고자 하는 약물 또는 화장품을 주입한다.
복수의 변형 센서 유닛들은 주입 개구(230)로부터 각각 R1 지점, R2 지점, R3 지점, R4 지점에 각각 배치될 수 있다. 그리고 각 센서의 변화 감지 구조물의 길이 d6, d7, d8 및 d9의 산출을 통하여 확산 길이와 확산 속도를 측정할 수 있다.
주입 개구(230)에 약물 또는 화장품이 주입된 후로부터, 각 지점의 변형 센서 유닛에서 변화를 감지한 시간과 해당 지점의 위치를 측정한다. 그리고 나서, 개구로부터 변형이 감지된 지점의 위치와 시간에 기초하여, 확산 거리 및 확산 속도를 산출할 수 있다.
도 12를 참조하면, 주입 개구(230)로부터 중심에 배치되는 R1 지점의 길이인 d6의 변화율이 가장 크고, 순서대로 R2 및 R3 지점에서의 길이인 d7 및 d8의 길이 변화율은 점차 작아지고, R4 지점 이후의 변형 센서 유닛에서는 화장료에 의한 변형이 감지되지 않을 수 있다. 이 경우, 대략 R3 지점까지 화장료가 확산되었다고 결정할 수 있다.
약물 또는 화장품의 피부 확산의 경우 깊이 방향으로의 확산속도 및 그 효과를 측정하는 것은 피부를 손상시키지 않는 한 어렵다. 따라서, 피부를 손상시키지 않으면서 확산속도와 그 효과를 측정하기 위하여 측면 방향(좌/우 방향)으로 확산속도와 효과를 측정하여 확산속도 및 효과를 산출할 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 스킨 변형 감지 장치를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스킨 변형 감지 장치는 스킨 센서 모듈(220)과 이에 고정된 고정 밴드(240)를 구비하여 제공될 수 있으며, 그에 따라 피험자의 팔(TH)에 장착되어 피부 확산을 측정하는 데에 사용될 수 있다. 즉, 피부를 손상시키지 않고 생체 내(in-vivo) 테스트가 가능하다. 그리고, 실시간으로 피부 변화를 모니터링 하여 피부 변화를 관찰할 수 있는 피부 센서 모듈을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기판 상에 마이크로 사이즈의 구멍들을 형성하여 높은 호흡 가능성 또는 통기성을 갖는 변형 센서 유닛을 제공할 수 있다. 그에 따라, (예를 들면, 건조와 같은) 피부의 생리학적 활동에 영향을 미치지 않으면서 피부에 대한 기계적 변형을 실시간으로 측정할 수 있는 변형 센서 유닛 또는 이를 포함하는 스킨 센서 모듈을 제공할 수 있다.
본 발명의 변형 센서 유닛의 변화 감지 구조물은 프리 스탠드형 구조물로서 기판의 구멍 상에 매달려 있도록 형성될 수 있고, 피부 변형을 유도하는 기계적인 응력에 의해 효율적으로 구부러져 피부 변형을 측정하게 할 수 있다.
또한, 압전 반도체들은 낮은 결함 밀도를 갖는 단결정으로 구성되기 때문에 우수한 감도 성능을 나타낼 수 있다. 그리고 쇼트키 접촉에서 계면 결함 밀도가 또한 비정질 산화 계면층에 의해 감소될 수 있다.
스킨 센서 모듈로 피부 경유 약물 및 화장품의 확산 특성을 주입 개구로부터의 피부 변형을 측정하여 산출함으로써, 확산 특성에 대한 비외과적, 생체 내, 실시간 테스트를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 변형 센서 유닛, 이를 포함하는 스킨 센서 모듈, 및 스킨 변형 감지 장치는, 피부 당김을 측정하는 데에 이용될 수 있을 뿐 아니라 피부의 탄력을 측정하는 데에 활용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스킨 센서 모듈(220)은 피부 특성 산출부에 더 연결되어, 다양한 피부 특성을 산출하는 데에 사용될 수 있다. 피부에 물리적 압력을 가하여 피부 변형을 시킬 때 성별, 나이 및 피부 상태에 따라 피부 탄성도가 다르기 때문에 피부 변형 정도가 차이가 난다. 즉, 센서들의 어레이 중앙부에 압력을 가하였을 때. 피부 특성에 따라 달리 발생하는 (파장, 파동 형상, 주기, 전파 속도 등과 같은) 파동 특성의 차이에 따라 피부가 변형되는 정도를 측정하여, 피부의 물성을 도출할 수 있다. 그리고 나서, 피부 물성에 기초하여 피부 탄성도의 차이를 측정할 수 있다.
일 예로, 상기 스킨 센서 모듈에서 테스트 포인트에 가해지는 압력에 따른 파동 특성을 측정하고, 상기 피부 특성 산출부에서 측정된 파장 특성에 따라 도출되는 피부 물성에 기초하여 피부 탄성도를 산출할 수 있다.
[부호의 설명]
10: 변형 센서 유닛
11: 압전 소자
13: 압전 저항
15: 제1 전극
17: 제2 전극
19: 계면층
20: 기판
본 발명에 따르면, 피부의 변형을 측정할 수 있는 변형 센서 유닛 및 이를 포함하는 스킨 센서 모듈을 제공할 수 있다.
또한, 상기 변형 센서 및 이를 포함하는 스킨 센서 모듈은 착용형 구조로서, 센서 유닛 또는 센서 모듈을 착용한 상태에서 측정이 가능하며, 착용이 피부 상태에 영향을 미치지 않으면서, 피부의 생리학적인 거동으로 인한 피부의 변형을 측정할 수 있어, 피부 관련 산업에의 활용도가 무궁무진한 것으로 예측된다.

Claims (30)

  1. 관통 홀이 형성되고, 기판의 일 면에 관통 홀의 일측과 타측에 형성된 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 기판;
    상기 제1 전극으로부터 인출되어 상기 관통 홀의 내부로 연장되는 압전 소자; 및
    상기 제2 전극으로부터 인출되어 상기 관통 홀의 내부로 연장되어 상기 압전 소자의 일부 또는 전부와 겹쳐지도록 형성되는 압전 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 센서 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 소자는 압전 반도체인 것을 특징으로 하는 변형 센서 유닛.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 저항은 나노크랙-제어 기반의 금속 압전 저항 소자인 것을 특징으로 하는 변형 센서 유닛.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 소자와 상기 압전 저항 사이의 접촉면에 비정질 산화물 반도체로 구성되는 계면층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 변형 센서 유닛.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판에는 50 내지 150 ㎛의 복수의 통기 구멍이 형성되는 것을 특징으로 하는 변형 센서 유닛.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 통기 구멍 사이의 간격은 50 내지 150 ㎛인 것을 특징으로 하는 변형 센서 유닛.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 통기 구멍은 상기 관통 홀을 구성하는 것을 특징으로 하는 변형 센서 유닛.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 폴리디메틸실록산(PDMS)를 포함하는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 변형 센서 유닛.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 일 면에 대향하는 타 면에는 피부에 밀착을 위한 복수의 마이크로 흡입 컵이 패터닝 되는 것을 특징으로 하는 변형 센서 유닛.
  10. 복수의 관통 홀이 형성되고, 기판의 일 면에 각각의 관통 홀의 일측과 타측에 형성된 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 기판;
    각각의 제1 전극으로부터 인출되어 상기 관통 홀의 내부로 연장되는 압전 소자;
    각각의 제2 전극으로부터 인출되어 상기 관통 홀의 내부로 연장되어 상기 압전 소자의 일부 또는 전부와 겹쳐지도록 형성되는 압전 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 스킨 센서 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 압전 소자는 압전 반도체인 것을 특징으로 하는 스킨 센서 모듈.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 압전 저항은 나노크랙-제어 기반의 금속 압전 저항 소자인 것을 특징으로 하는 스킨 센서 모듈.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 압전 소자와 상기 압전 저항 사이의 접촉면에 비정질 산화물 반도체로 구성되는 계면층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 스킨 센서 모듈.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판에는 50 내지 150 ㎛의 복수의 통기 구멍이 형성되는 것을 특징으로 하는 스킨 센서 모듈.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 통기 구멍 사이의 간격은 50 내지 150 ㎛인 것을 특징으로 하는 스킨 센서 모듈.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 통기 구멍의 전부 또는 일부는 상기 복수의 관통 홀을 구성하는 것을 특징으로 하는 스킨 센서 모듈.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판은 폴리디메틸실록산(PDMS)를 포함하는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 스킨 센서 모듈.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판의 일 면에 대향하는 타 면에는 피부에 밀착을 위한 복수의 마이크로 흡입 컵이 패터닝되는 것을 특징으로 하는 스킨 센서 모듈.
  19. 제 10 항에 있어서,
    변형 센서 유닛은, 상기 기판 상에 형성되는 한 개의 관통 홀을 중심으로 배치되는 상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 및 상기 압전 소자와 압전 저항으로 구성되는 변형 감지 구조물을 포함하고,
    상기 기판 상에는 복수의 변형 센서 유닛이 형성되며,
    상기 복수의 변형 센서 유닛은, 상기 기판 상에 방사 어레이 구조, 직선형 어레이 구조, 곡선형 어레이 구조, 교차형 어레이 구조, 원형 어레이 구조, 직사각형 어레이 구조 및 다각형 어레이 구조 중 하나 이상의 어레이 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 스킨 센서 모듈.
  20. 변형 센서 유닛의 제조 방법으로,
    희생층 상에 기판의 관통 홀의 일측에서 내측으로 연장되는 압전 저항을 포함하는 기판층을 적층하는 단계;
    압전 소자층을 전사 구조물에 부착하여 기판층 상에 전사시키는 단계;
    상기 전사 구조물을 분리시키는 단계; 및
    상기 압전 소자층에서 상기 압전 저항의 전부 또는 일부를 덮으면서 상기 관통 홀의 타측으로 연장되어 압전 소자에 대응하는 영역을 제외한 영역과, 상기 희생층을 제거하고, 상기 기판의 일 면에서 상기 관통 홀의 일측과 타측에 상기 압전 소자 및 상기 압전 저항을 각각 덮도록 제1 전극과 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 센서 유닛의 제조 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    마이크로 기둥이 형성된 몰드 상에 기 설정된 두께의 탄성중합체를 성형하는 단계; 및
    성형된 상기 탄성중합체를 분리시켜 기판을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 센서 유닛의 제조 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 압전 소자층을 전사 구조물에 부착하여 기판층 상에 전사시키는 단계는,
    에피택셜 그래핀 상에 압전 소자층을 탑재하는 단계;
    상기 압전 소자층 상에 스트레서 층을 탑재하는 단계;
    상기 스트레서 층 상에 테이프 층을 탑재하는 단계; 및
    상기 테이프 층, 스트레서 층 및 압전 소자층을 분리시켜 상기 기판층 상에 전사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 센서 유닛의 제조 방법.
  23. 스킨 센서 모듈의 제조 방법으로,
    희생층 상에 기판의 복수의 관통 홀의 각각에 일측에서 내측으로 연장되는 압전 저항을 포함하는 기판층을 적층하는 단계;
    압전 소자층을 전사 구조물에 부착하여 기판층 상에 전사시키는 단계;
    상기 전사 구조물을 분리시키는 단계; 및
    상기 압전 소자 층에서 각각의 압전 저항의 전부 또는 일부를 덮으면서 상기 관통 홀의 타측으로 연장되어 압전 소자에 대응하는 영역을 제외한 영역과, 상기 희생층을 제거하고, 기판의 일 면에서 상기 복수의 관통 홀의 일측과 타측에 상기 압전 소자 및 상기 압전 저항을 각각 덮도록 제1 전극과 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스킨 센서 모듈의 제조 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    복수의 마이크로 기둥들이 형성된 몰드 상에 기 설정된 두께의 탄성중합체를 성형하는 단계; 및
    성형된 상기 탄성중합체를 분리시켜 기판을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스킨 센서 모듈의 제조 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 압전 소자층을 전사 구조물에 부착하여 기판층 상에 전사시키는 단계는,
    에피택셜 그래핀 상에 압전 소자층을 탑재하는 단계;
    상기 압전 소자층 상에 스트레서 층을 탑재하는 단계;
    상기 스트레서 층 상에 테이프 층을 탑재하는 단계; 및
    상기 테이프 층, 스트레서 층 및 압전 소자층을 분리시켜 상기 기판층 상에 전사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스킨 센서 모듈의 제조 방법.
  26. 복수의 관통 홀과 테스트 하고자 하는 자극이 가해지는 테스트 포인트가 형성되고, 기판의 일 면에 각각의 관통 홀의 일측과 타측에 형성된 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 기판;
    각각의 제1 전극으로부터 인출되어 상기 관통 홀의 내부로 연장되는 압전 소자;
    각각의 제2 전극으로부터 인출되어 상기 관통 홀의 내부로 연장되어 상기 압전 소자의 일부 또는 전부와 겹쳐지도록 형성되는 압전 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 스킨 센서 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 스킨 변형 감지 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 테스트 포인트는, 테스트 하고자 하는 물질이 주입되는 주입 개구 또는 기 설정된 크기 또는 주기의 진동이 가해지는 압입 포인트인 것을 특징으로 하는 스킨 변형 감지 장치.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 복수의 관통홀은 상기 테스트 포인트를 중심으로 방사 어레이 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 스킨 변형 감지 장치.
  29. 제 26 항에 있어서,
    상기 스킨 센서 모듈에 연결되어 피험자의 팔 또는 다리를 감싸도록 형성된 고정 밴드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스킨 변형 감지 장치.
  30. 제 26 항에 있어서,
    상기 스킨 센서 모듈은 피부 특성 산출부에 연결되고,
    상기 스킨 센서 모듈은 상기 테스트 포인트에 가해지는 압력에 따른 파동 특성을 측정하여,
    상기 피부 특성 산출부에서 측정된 파동 특성에 따른 피부 물성에 기초하여 피부 탄성도를 산출하는 것을 특징으로 하는 스킨 변형 감지 장치.
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