적당한 UV 노출을 위한 태양 센서

여름이 되면 자외선에 과도하게 노출됨에 따른 화상의 위험성과 피부암 유발 가능성에 대한 경고를 받게 됩니다. UV 지수는 대부분의 일기 예보에 포함되는 내용입니다. 개인의 자외선 노출을 정확하게 측정할 수 있는 기능은 독립형 장치나 스마트폰 앱으로든 스마트 워치, 피트니스 팔찌 또는 심박계에 딸린 기능으로든 빠르게 필수 가젯으로 자리잡고 있습니다.

제조업체는 계속해서 디지털 소비자 제품을 차별화하고 부가 가치를 더하기 위해 노력합니다. 다행히 통합을 통한 부품 소형화와 저전력 작동의 결합은 이러한 동향을 촉진합니다. 단순한 주변 및 UV 광 센서를 통해 웨어러블 디지털 장치는 UV 지수를 쉽게 측정하고 태양광 노출의 축적을 모니터링하며 사전 설정된 수준을 초과할 때 경고할 수 있습니다.

이 기사에서는 UV 및 IR 감지용 광 다이오드에 초점을 두고 UV 노출 모니터링 기능을 구축하는 여러 접근 방법을 살펴봅니다. 그 다음 Silicon Labs에서 제공하는 통합 접근 방법에 대해 자세히 살펴봅니다. 소형 웨어러블 장치에 이상적인 Si1132 및 Si114x 단일 칩 솔루션은 평가 기판 및 소프트웨어로 보완됩니다.

적당한 햇볕

디지털 UV 지수는 태양의 자외선 강도를 측정하는 국제 표준입니다. 캐나다에서 개발되고 1994년 세계보건기구(WHO) 및 세계기상기구에서 채택 및 표준화되어 현재는 전세계적으로 사용되고 있습니다. UV 지수는 태양광 강도와 선형적인 관계를 가지고 국제조명위원회(CIE)가 개발한 Erythemal Action Spectrum(사람의 피부가 가장 민감하게 반응하는 자외선 파장에 맞춰 조정)에 따라 가중치가 부여됩니다.

사실상 지수 값이 높을수록 햇볕으로 인한 화상이 발생할 가능성이 더 높아집니다. 지수 값 10은 당초 북반구의 맑은 여름 한낮의 햇볕에 대략적으로 해당되도록 설정되었습니다. 하지만 열대 지방 또는 고도가 높거나 오존층이 감소된 지역의 경우 지수 값은 더 높을 수 있습니다. 예측은 태양 고도, 성층권 오존, 구름, 대기 오염 및 고도의 영향을 감안한 컴퓨터 모델로 이루어집니다. 이러한 선형 척도에 따라 일반적으로 지수 값 4에 한 시간 노출되는 것은 지수 값 8에 30분 노출되는 것과 동일함을 이해할 수 있습니다.

자외선에 과도하게 노출되면 햇볕으로 인한 화상 및 궁극적으로는 피부암을 유발할 뿐 아니라 백내장과 같이 눈에도 손상이 갈 수 있습니다. 중요한 사실은 햇볕 노출에 따른 피부 손상은 사람이 사는 동안 축적된다는 것입니다. 피부암은 미국에서 가장 흔한 암 유형으로 보고되고 있으며 다른 곳에서도 발생률이 빠르게 증가하고 있습니다.

UVA(315nm ~ 400nm)는 피부 노화 및 흑색종을 유발하는 큰 요인이고 UVB(280nm ~ 315nm)는 햇볕으로 인한 화상을 유발합니다. 하지만 소량의 경우 자외선은 건강에 도움이 됩니다. 예를 들어 비타민 D는 자외선의 도움이 있어야만 신체 내에 합성될 수 있습니다. UVA는 표피층에 있는 멜라닌 색소를 활성화시켜 선탠 및 일부 보호의 혜택을 제공합니다. 따라서 멜라닌 색소가 적은 흰 피부의 사람들에게서 햇볕으로 인한 화상 및 흑색종이 발생할 가능성이 더 큽니다.

UV 지수는 하루 동안 계속 바뀌고, 자외선 차단제는 지시된 대로 사용했을 때 효과적으로 보호하지만 SPF 값은 보호 수준을 나타내는 측정으로는 불완전합니다. 이러한 이유로 현재 UV 지수와 사람의 누적 UV 노출을 더 정확하게 알려주는 웨어러블 UV 지표 모니터에 대한 수요가 늘고 있습니다.


그림 1: 웨어러블 UV 노출 모니터링은 다양한 형태로 제공됩니다. 반짝이는 보석인 Netatmo의 June 및 재미있는 팔찌인 Sunfriend는 스마트폰과 통신합니다. 기계를 좋아하는 사람들을 위해 Apple에서 제공하는 비슷한 유형의 스마트워치는 해당 기능을 포함할 가능성이 큽니다.

다양한 가격과 스타일, 기능으로 광범위한 웨어러블 UV 모니터가 제공되고 있습니다. 전자 설계도 다양합니다. 기존 모델은 UV 감지 광 다이오드, 마이크로 컨트롤러, A-D 변환기 및 신호 처리 펌웨어를 사용합니다. 일부 모델은 광 다이오드 대신 인버티드 LED(주로 청(415nm) 사용)를 사용할 수 있습니다. 단점은 UVA만 모니터링한다는 것입니다.

사전 프로그래밍된 알고리즘은 UV 센서의 데이터를 감안하여 UV 노출을 자동으로 계산합니다. 일부 장치는 UV를 계속 모니터링하지 않고 장치가 활성화될 때 한 번만 모니터링할 수도 있습니다. 보통 사용자가 피부색 및 감도에 따라 장치를 설정할 수 있습니다. 일부 장치는 사용한 자외선 차단제의 SPF에 따라 프로그래밍할 수 있습니다. 경고는 디스플레이, 반짝이는 LED 또는 진동으로 제공될 수 있습니다.

전력은 중요한 문제이지만 이 기사에서는 다루지 않습니다. 간략하게 설명하자면 일부 소비자 장치에는 동전형 전지 배터리가 밀폐되어 있는데, 보통 방수는 되지만 배터리를 교체할 수가 없어 제품의 수명이 제한됩니다. 다른 장치는 재충전이 가능한 배터리를 사용하지만 방수가 되지 않습니다. 소형 태양광 전지를 사용한 에너지 수확이 확실한 솔루션이고 이는 일부 설계에 구현되었습니다.

통합이 핵심

Silicon Labs는 Si1132로 UV 지수와 노출 감지 및 모니터링 분야를 이끌고 있습니다. 단일 칩 UV 지수 센서로 설계된 Si1132는 UV 노출을 추적할 뿐만 아니라 피트니스 응용 제품을 위한 심박계 및 혈액 산소 측정과 함께 원격 인터페이스를 위한 근접/동작 제어를 제공합니다. 이 장치는 UV 지수 및 주변광 센서를 포함하고 디지털 UV 지수 값을 읽을 수 있는 산업 표준 I²C 인터페이스를 갖추고 있습니다.

보완 장치는 Si1145/46/47 UV 및 IR 근접/주변광 센서를 포함함으로써 동작 감지를 위한 하나, 둘 또는 세 개의 통합 LED 드라이버와 15개의 선택 가능한 드라이브 수준을 제공합니다. 주변광 센서는 눈의 피로를 덜고 전력 소모를 줄일 수 있도록 LCD 배경 조명의 사용을 최소화하는 데 유용합니다.

실제로 Silicon Labs는 이러한 UV 지수 센서로 초저전력 아키텍처를 구현함으로써 소형 배터리로 웨어러블 설계를 더 얇게 하고 초당 1회 UV 측정에 1.2µA의 평균 전류만을 사용하여 배터리 수명을 연장했습니다. 대기 전력은 500nA 미만으로 표시됩니다.

UV 노출 모니터링을 포함하는 다기능 웨어러블 장치의 설계자를 위해 Si1146 및 Si1147은 각각 두 개 및 세 개의 IR LED 드라이버를 포함하고 고급 동작 감지를 위해 설계되었습니다. Si1146을 통해 z축 및 x축에서 동작 감지 및 무터치 제어가 가능하고 Si1147을 통해서는 3D 동작 감지가 가능합니다.

웨어러블 장치를 위한 Silicon Labs 솔루션의 주요 장점은 작은 2mm x 2mm 패키지로 높은 수준으로 통합하여 설계 풋프린트와 명세서를 줄일 수 있다는 것입니다.

이 장치를 시도해 보려는 설계자에게는 여러 옵션이 있습니다. UVlrSlider2EK 평가 키트는 Si1132 및 Si114x 제품군을 지원합니다. 이 소프트웨어는 11점 UV 지수 데모를 포함하고 5개의 LED 디스플레이는 사용자의 누적 태양 노출을 표시합니다. 또한 이 키트는 장치의 동작 인식 기능과 근접 감지 기능을 시연합니다.

무료로 사용 가능한 프로그래밍 툴키트는 API를 포함하여 평가 기판과 함께 PC 환경에서 C 컴파일러를 사용하여 빠르게 소프트웨어를 개발할 수 있게 합니다. 또한 파형 뷰어 응용 제품도 포함되어 평가 기판으로부터 측정한 것을 표시하고 디버그할 수 있습니다.

결론

UV 노출 모니터링은 스마트워치 및 스마트글래스, 건강 및 피트니스 모니터 등 광범위한 웨어러블 장치의 표준 기능이 될 것입니다. 팔찌, 반지 또는 라펠 버튼의 형식으로 된 저가 및 경량의 단일 기능 UV 지수 모니터는 태양 광선의 과도 노출로 인한 암 유발 가능성에 대한 인식과 우려가 커짐에 따라 더 널리 사용될 것으로 보입니다.

이에 따라 설계자는 차세대 웨어러블 장치에 통합할 수 있는 저가, 저전력 및 소형(유연성 포함) UV 지수와 광 다이오드 및 보조 회로망을 찾게 될 것입니다. 이 기사에서 설명한 부품과 같은 고도로 통합된 IC에 대한 수요는 증가하고 널리 사용될 것입니다.

추가 정보

유기 옵션

실리콘 광 감지기의 대안으로 유기 광 다이오드를 사용할 수 있습니다. 이미 카메라의 광감지를 향상시키고 디스플레이의 색 균일성, 색채 안정성 및 명암 분포를 확인하는 데 사용 중인 유기 광 다이오드는 강력하고 경량이며 저가로 제작할 수 있으며 유연할 수 있습니다. 이는 예를 들어 웨어러블 응용 제품에서 폴리머 호일에 통합될 수 있습니다.


그림 2: 유기 광 다이오드는 경량이고 저가로 제작할 수 있으며 유연한 기판에 통합될 수 있습니다 (Fraunhofer COMEDD 제공).

유기 소재는 특정 파장 범위에 민감한 경향이 있어 특정 응용 제품에 사용하기 적합합니다. 독일 드레스덴에 위치한 유기물, 소재 및 전기 장치에 대한 Fraunhofer 연구 기관(COMEDD)¹은 광범위한 파장 스펙트럼에 걸친 다양한 소재를 시험했습니다. UV 또는 적외선에 가까운 범위에서 사용할 수 있도록 이 기관은 유기 반도체를 실리콘 기술과 통합하는 소형 마이크로 센서를 개발하고 있습니다. 캐리어 웨어퍼에 200mm 실리콘 웨이퍼 기판 또는 호일을 사용할 수 있게 되면 이 기술을 광범위한 산업용 및 소비자 응용 제품에 이전하는 것이 용이해질 것입니다.

참조:

1. Fraunhofer Institute COMEDD