Thermally Invisible Optoelectronic Skin Patch

Abstract

The applications of modern optoelectronic devices have been extended, and they now pro-vide practical means for seamless real-time monitoring of blood flow dynamics, by being integrated with flexible and stretchable wearable sensor platform technology. However, thermal management of these devices remains limited by undesired thermal energy originat-ing from the heating of the light-emitting diode. Specifically, the surface temperature of the optoelectronic device becomes very high compared to that of the adjacent biological tissue, causing challenges in skin-optoelectronics integration and functional deterioration of the light source. In this study, we developed an optoelectronic module that integrates the light-emitting diode, photodetector, and a thin metallic heat sink element for sustainable in-situ thermal management. Experimental and computational analysis results indicated that the proposed optoelectronic skin patch has excellent heat dissipation capabilities for thermally safe long-term usability, due to the high thermal conductivity of the device and film-type geometrical design of the embedded heat sink for skin application. The proposed optoelec-tronic skin patch architecture with metallic heat sink offers an ideal option for blood flow monitoring by providing both mechanical and thermal compatibility with biological tissue suitable for long-term clinical applications.|현대 사회의 고령화로 인한 의료비 급증 및 치료에서 예방 중심으로의 의료 서비스 패러다임 변화에 따라 정확도 높은 질병의 조기 발견에 대한 필요성이 점차 증대되고 있다. 이에 따라 다양한 생체 정보를 빠르고 정확하며 손쉽게 측정할 수 있는 피부 부착형 바이오센서가 새롭게 대두되고 있다. 특히, 뇌파나 심전도 같은 ‘전기적 생체 신호’와 맥박, 혈류 속도 같은 ‘물리적 생체 신호’, 당 농도, 산소포화도, pH 등과 같은 ‘생화학적 생체 신호’ 등을 측정하는 센싱 메커니즘에 대한 많은 연구가 진행되고 있는데, 이러한 바이오센서 어플리케이션 중 맥박과 혈류 속도를 모니터링 할 수 있는 기존의 맥박산소측정 센서는 지속적으로 다양한 의료 분야에서 건강 상태를 측정하는 장치로 중요하게 사용되고 있다. 이렇듯 기존 맥박산소측정 센서는 그 필요성이 상당히 높으나 제한된 부착 구간 및 신호의 왜곡, 광원에서 발생하는 열로 인한 화상 등의 문제가 꾸준히 제기되어 왔다. 광전자를 사용하는 기존의 맥박산소측정 센서는 유연하고 신축성 있는 웨어러블 센서 플랫폼 기술과 통합되어 그 적용 범위가 확장되었으며, 실시간으로 혈류 모니터링이 가능한 실질적인 수단이 되었다. 그러나 광학적 방식으로 맥박이나 혈류의 속도를 측정하는 광전자 장치는 발광다이오드의 발열로 인해 초래되는 열 관리 문제로 피부부착용 센서로는 아직 그 활용도가 떨어지는 수준이다. 특히, 광전자 장치의 표면 온도는 다이오드의 발열로 인해 피부 표면의 온도보다 훨씬 높아지기 때문에 피부와 광전자의 통합이 어려우며 다이오드의 기능 저하 및 근접 부위의 피부 화상 등의 문제를 야기한다. 따라서 본 연구에서는 발광 다이오드, 광 검출기 및 지속적인 열 관리를 위한 금속성 히트싱크 소자를 통합한 광전자 모듈을 소개하고자 한다. 실험 및 계산 분석 결과, 광전자 모듈의 높은 열 전도성과 히트싱크의 뛰어난 열 방출 기능으로 장시간 사용에도 피부에 안전하게 적용이 가능하다는 점이 도출되었다. 이는 필름 형태로 내장된 히트싱크의 기하학적 디자인과 기계적, 열적으로 생물학적 조직과의 호환 가능성을 가지는 광전자 장치의 구조적 특성으로 가능한 것으로 분석된다. 금속 히트싱크가 장착된 광전자 장치의 구조는 다양한 분야에서의 임상 적용 가능성과 장기간 사용할 수 있는 정확도 높은 혈류 모니터링에 이상적인 대안을 제공할 것으로 보인다.