바이오 감지의 새로운 가능성

다이오드 레이저가 차세대 웨어러블 건강 모니터의 급속한 출현을 지원하는 데 중요한 기술인 이유를 알아보십시오.

 

2023년 9월 20일, Coherent

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소비자 전자 장치의 주요 추세는 개인 건강 모니터링 기능이 있는 스마트워치 및 기타 웨어러블 장치의 발전입니다. 시작점은 심박수 모니터링이었지만 이제는 심박수 변이도(스트레스), 혈압 및 혈중 산소 모니터링이 포함되는 경우가 많습니다. 근육 피로도를 평가하기 위해 수분 섭취나 젖산 모니터링을 수행할 수 있는 장치도 개발 중입니다. 완전히 비침습적인 혈당 측정기가 곧 출시되어 당뇨병 환자의 삶의 질을 향상시킬 것이라는 주장 또한 있습니다.

이 모두가 무엇을 의미할까요? 건강 모니터링 기능 향상에 대한 수요 동인은 2가지입니다.  

  • 첫째, 잠재적인 문제가 심각한 증상을 유발하기 훨씬 전에 이러한 문제를 인식하고 해결한다는 예방적/유지 관리형 건강 관리 접근 방식에 대한 욕구입니다.  

  • 둘째는, 바이오 감지 장치가 만성 건강 상태 관리 등 더욱 개인화된 의료 솔루션을 구현하는 데 필요한 정보를 의사와 환자에게 제공하는 데 있어서 수행할 수 있는 핵심적인 역할입니다.

 

다이오드 레이저가 중요한 이유

기술적인 관점에서 보았을 때 모니터링 응용 분야는 모두 일종의 광학 감지 기술을 포함합니다. 위에서 언급한 젖산, 포도당, 수분 섭취 모니터링과 같은 새롭고 더 발전된 응용 분야는 모두 레이저 광원의 특수한 특성을 활용하는 광학 기술에 의존합니다.

여기서 말하는 레이저는 어떤 종류일까요? 레이저는 전력, 파장, 크기, 비용, 펄스 특성 및 기타 매개변수 측면에서 엄청나게 다양합니다. (Coherent에서는 거의 모든 종류의 레이저를 제조하기 때문에 잘 알고 있습니다.)

웨어러블 건강 모니터(또는 일반적인 소비자 전자 장치)와 같은 응용 분야의 경우, 충족해야 하는 4가지 중요한 레이저 요구 사항이 있습니다.  

  1. 저렴한 비용

  2. 소형/경량 크기

  3. 저전력 소비

  4. 신뢰성

다이오드 레이저(흔히 레이저 다이오드라고도 함)는 이러한 요구 사항을 모두 충족할 수 있는 유일한 레이저입니다.

 

웨어러블 관련 일부 현재 및 미래 응용 분야:

  • 심박수 모니터링

  • 혈중 산소 모니터링

  • 수분 섭취 모니터링

  • 혈당 모니터링

  • 젖산 모니터링

  • 질병 감지 및 맞춤형 의학

 

소비자 응용 분야가 지배적인 VCSEL 로드맵

다이오드 레이저는 종류가 다양하며, 넓은 파장 범위에 걸쳐 사용할 수 있습니다. 오늘날 대부분의 광학 감지 응용 분야에서 가장 널리 사용되는 유형의 다이오드 레이저는 VCSEL("빅셀"로 발음)입니다.

다른 다이오드 레이저에 비해 VCSEL의 주요 장점은 상단 표면에서 빛을 방출한다는 것입니다. VCSEL은 750nm~1200nm의 근적외선(NIR) 범위에서 사용할 수 있으며, 정교한 광학 장치가 필요하지 않은 원형 광선을 발생시킵니다. 이러한 특성 덕분에 통합이 쉽고 많은 응용 분야에서 총 중량과 비용이 최소화됩니다.

이러한 장점에 힘입어 VCSEL은 소비자 전자 장치의 다양한 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 이러한 응용 분야는 광학 컴퓨터 마우스의 탐색, 게임 콘솔의 신체 추적, 스마트폰 및 태블릿 컴퓨터의 근접 및 안면 인식 센서와 3D 스캐너 등 다양합니다. 또한 자율 주행을 실현하는 자동차 감지 응용 분야와 운전자 및 승객 모니터링 응용 분야에도 사용됩니다. 또한 VCSEL은 뇌 영상(fNIRS)에까지 사용되기 시작했습니다.

VCSEL은 데이터 센터의 광통신에도 널리 사용됩니다. VCSEL의 빠른 변조 기능, 통합 용이성 및 뛰어난 가성비는 대역폭이 매우 높아야 하는 단거리 데이터 링크에 완벽하게 부합하는 것으로 나타났습니다. 이러한 단거리 데이터 링크는 인공 지능(AI) 응용 분야의 폭발적인 성장을 데이터 센터에서 뒷받침하는 데 필요한 것입니다.

그러나 현재 다이오드 레이저의 가장 큰 단일 응용 분야는 940nm에서 적외선을 방출하는 VSCEL 어레이 2개를 사용하는 스마트폰의 안면 인식 기능입니다. 그 규모가 얼마나 될까요? Coherent는 이미 2,000억 개가 넘는 VCSEL 이미터를 소비자 전자 제품 응용 분야에 공급한 바 있습니다. 이는 당사가 VCSEL 제조에 상당한 투자를 하고, 새로운 제조 시설을 건설 및 가동하고, 75mm 웨이퍼에서 150mm 웨이퍼로 생산 규모를 확대했기 때문에 가능했습니다. 실제로 오늘날 당사는 성숙한 프로세스를 사용하며 높은 수율과 경제적인 제품을 자랑하는 세계 최대의 수직 통합 VCSEL 제조업체입니다.

VCSEL 외에 Coherent는 다른 유형의 레이저 다이오드도 제조합니다. 바로 에지 발광 레이저(EEL)입니다. 이 유형의 레이저는 살짝 타원형의 빔 모양으로 칩 측면에서 빛을 방출합니다. 에지 발광 레이저의 가장 큰 장점은 해당 아키텍처가 다양한 재료 시스템과 호환되므로 다양한 파장 범위를 실현할 수 있다는 것입니다. 당사는 비화갈륨, 인화인듐, 안티몬화갈륨을 기반으로 EEL을 만들고 750nm 이상의 근적외선(NIR)부터 단파 적외선(SWIR)을 거쳐 최대 3000nm의 중적외선(MIR)에 이르는 파장 범위를 포괄합니다. 더 긴 파장 범위(SWIR 및 MIR)는 빛이 인체에 존재하는 생체 분자와 상호 작용하는 영역이기 때문에 생체 감지 응용 분야에 특히 적합합니다. 에지 이미터는 VCSEL만큼 널리 사용되지는 않지만 대량으로 제조되어 소비자 전자 장치에 사용됩니다. 잘 알려진 응용 분야는 에지 이미터를 통해 가장 발전된 근접 센서를 구현하는 스마트폰입니다.

 

통합 공급업체의 통합 솔루션(PIC)

VCSEL과 같은 다이오드 레이저는 많은 웨어러블 의료 감지 장치에 전력을 공급하는 광원이지만, 이는 완전한 광 감지 시스템의 일부일 뿐입니다. 다른 주요 구성 요소로는 광검출기(포토다이오드), 그리고 반도체 광 증폭기(SOA)와 같은 게인 칩이 있습니다.  

Coherent는 수직적으로 통합된 포토닉스 제조업체이며 이러한 핵심 구성 요소 유형의 대량 공급업체입니다. 당사는 포토닉스 분야의 다른 이해관계자들과 마찬가지로, 미래의 응용 분야가 시스템 수준에서 구성 요소를 통합하고 웨어러블 전자 장치에 필요한 소형 폼 팩터를 달성하기 위해서는 광자 집적 회로(PIC) 방식에 점점 더 의존하게 될 것이라고 믿습니다. PIC는 전자 분야를 지배하는 IC와 동등한 광자 제품입니다.

 

Figure 2

 

Coherent는 광통신 응용 분야에도 PIC를 사용하기 때문에 이러한 추세를 지원하기에 유리한 위치에 있습니다. 

 

눈앞으로 다가온 바이오 감지의 미래

정리하자면, 웨어러블 장치에는 새로운 바이오 감지 기능이 추가될 전망입니다. 새로운 기능 중 다수는 다이오드 레이저 광원을 사용하는 광학 감지에 의존합니다.

Coherent는 이미 소비자 전자 장치 업계에 EEL 및 VCSEL 모두를 대량으로 공급하고 있는 수직 통합 다이오드 레이저 제조업체로서, 이러한 응용 분야를 지원하는 데 유리한 위치를 이미 확보한 상태입니다. 또한 당사의 포트폴리오와 전문 지식에는 포토다이오드, 게인 칩, 광자 집적 회로 등 바이오 센서를 만드는 데 필요한 보완 기술이 포함되어 있습니다.  

 

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