PPG 신호 측정 시스템을 위한 박막형 930 nm VCSEL
- 주제(키워드) 박막형 VCSEL , DBR , 열적 안정성 , PPG 신호 , 생체적합 광원
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 이재진
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 지능형반도체공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034939
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구에서는 구조적 유연성과 열적 안정성을 갖춘 초박막형 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)를 설계 및 개발하고, 생체 신호 측정에 적합한 광원으로서의 가능성을 검증하였다. 박막형 VCSEL은 이중 전사 공정을 통해 25 μm 두께의 구리 방열판 위에 성공적으로 구현되었으며, n-DBR 층 수를 기존 38쌍에서 19쌍으로 줄이고 금속 반사층을 도입하여 박막화와 안정적인 레이저 발진을 동시에 달성하였다. 제작된 VCSEL은 8.25 mW의 최대 출력과 755 K/W의 열저항을 기록하였다. 또한 8 mm 반경 조건에서 500회 반복 굽힘 후에도 출력 감소가 2.2% 이내로 유지되어 우수한 기계적 내구성을 입증하였다. 돼지 피부 모델을 활용한 생체접촉 실험에서는 열 자극에 따른 피부 반응이 거의 없었고, 930 nm 파장에서 반응성이 높은 유기 광다이오드(OPD)와 연동하여 peak-to-peak 전류 진폭 49.78 nA 수준의 광용적맥파(PPG) 신호를 성공적으로 검출하였다. 본 결과는 박막형 VCSEL이 생체 신호 측정 시스템에 효과적으로 적용 가능한 생체적합 광원임을 입증하며, 차후 웨어러블 및 피부 밀착형 헬스케어 플랫폼의 핵심 요소로 활용될 수 있는 가능성을 제시한다. 주제어: 박막형 VCSEL, DBR, 열적 안정성, PPG 신호, 생체적합 광원
more초록/요약
In this study, we designed and developed an ultra-thin vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) featuring structural flexibility and thermal stability and evaluated its feasibility as a light source for biosignal monitoring. The thin-film VCSEL was successfully fabricated via a dual-transfer process onto a 25 μm-thick copper heatsink. By reducing the number of n-type distributed Bragg reflector (n-DBR) pairs from 38 to 19 and introducing a metallic back reflector, we achieved both device thinning and stable lasing operation. The resulting thin-film VCSEL exhibited a peak optical output power of 8.25 mW and a thermal resistance of 755 K/W, with only 0.7% degradation in output after 12 hours of continuous operation. Mechanicaldurability was demonstrated by maintaining output loss below 2.2% after 500 bending cycles at an 8 mm radius. In pig skin contact experiments, no visible thermal irritation was observed, and stable photoplethysmography (PPG) signals with a peak-to-peak photocu rent of 49.78 nA were detected using an organic photodiode (OPD) highly responsive at 930 nm. These results highlight the strong potential of the ultra-thin VCSEL as a high-performance light source for integration into wearable and skin-conformal healthcare systems, enabled by its outstanding mechanical flexibility and thermal robustness.
more목차
제 1 장. 서 론 1
제 2 장. 초박막형 VCSEL 제작 5
2.1. 초박막형 VCSEL 구조와 이중전사 기술 5
2.2. 초박막형 VCSEL 특성 평가 12
제 3 장. 초박막형 VCSEL의 열적 안정성 21
3.1. 초박막형 VCSEL의 열적 특성 21
3.2. 생체적합을 위한 피부 안정성 평가 31
제 4 장. 초박막형 VCSEL 기반 바이오 소자 성능 평가 36
4.1. 초박막형 VCSEL의 기계적 안정성 36
4.2. 생체 신호 추출 42
제 5 장. 결 론 48
참 고 문 헌 49
Abstract 52
