KR101284283B1 - 전계 발광 시료 분석 장치 - Google Patents

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KR101284283B1
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조훈영
이동화
곽동욱
최현열
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동국대학교 산학협력단
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Abstract

전계 발광 시료의 분석 장치로서, 상기 전계 발광 시료에 펄스 구동 신호를 인가하는 펄스 발생기; 상기 펄스 구동 신호가 인가됨에 따라 상기 전계 발광 시료로부터 방출되는 EL(Electroluminescence)을 수광한 수광 신호의 트랜지언트(transient) 구간에 대한 EL 영상을 촬영하는 영상 촬영기; 및 상기 트랜지언트 구간 중 적어도 2개의 시점에 촬영된 EL 영상에 기초하여, EL 영상 내의 각각의 동일 좌표들에 관한 상기 적어도 2개 시점의 상기 수광 신호의 세기의 차를 시간에 따라 맵핑한 3차원 맵핑 영상을 생성하고, 상기 생성된 3차원 맵핑 영상을 분석하여 상기 전계 발광 시료에서의 결함형 전하트랩에 관한 정보를 획득하는 ELTS(Electroluminescence Transient Spectroscopy) 분석부를 포함한다.

Description

전계 발광 시료 분석 장치{APPARATUS FOR INSPECTION OF ELECTROLUMINESCENCE SAMPLE}
본 발명은 검사 및 분석 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전계 발광(Electroluminescence, 이하 EL) 시료의 분석 장치에 관한 것이다.
태양 전지(Solar cell)는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자로서 p-type 반도체와 n-type 반도체의 접합형태를 가지며 그 기본구조는 다이오드와 동일하다. 일반적으로 반도체에 빛이 입사하면 흡수된 빛과 반도체를 구성하고 있는 물질과의 상호 작용이 일어난다. 그리고 (-)전하와 (+)전하를 띤 전자와 정공(전자가 빠져나간 것)이 발생하여 전류가 흐르거나 전기 그 자체가 발생하기도 한다. 이것을 반도체의 광전 효과라고 한다. 반도체에는 (-)전하를 띤 전자를 끌어당기는 n-type 반도체와 (+)전하를 띠는 정공을 끌어당기는 p-type 반도체의 두 종류가 있는데, 태양 전지는 이 두 가지를 접합한 것이다. 일반적으로 반도체에서 발생한 (-)전하는 n-type 반도체 쪽으로, (+)전하는 p-type 반도체 쪽으로 끌어당겨져 각각 양쪽의 전극부에 모인다. 양쪽의 전극을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다. 여기에서 (+) 전하와 (-) 전하는 결국 같은 수가 된다. 그러므로 빛이 있는 한 발전은 멈추지 않는다. 즉 빛을 받으면 pn 접합을 가진 반도체 속에서 빛과 물질의 상호 작용이 일어나 (+) 전하와 (-) 전하가 발생하고, 그 전하를 밖으로 방출함으로써 전기가 흐르고 그 에너지로 모터를 회전시키거나 전등을 켤 수 있다. 따라서 태양 전지는 태양의 빛뿐만 아니라 형광등의 빛도 전기로 바꿀 수 있다.
최근 지구온난화에 따른 지구환경과 에너지문제를 해결하기 위한 하나의 방법으로 태양 전지를 사용하는 태양광 발전시스템이 기대되고 있으며, 2100년에는 세계 에너지의 70%가 태양광 발전으로 진행될 것으로 예상된다. 에너지 비전의 실현을 위해서는 태양전지의 에너지 변환효율 향상이 중요한 과제 중 하나이다. 결정질 Si 태양전지는 전력용 태양전지 생산의 90%를 점유하고 있지만 효율은 24.7% 정도이며, 29%가 한계로 비약적인 효율 향상은 어렵다. Ⅲ-V족 화합물 반도체 기술을 바탕으로 한 InGaP/InGaAs/Ge의 3접합 구조 태양 전지의 집광동작으로 효율 40.8%가 실현되고 있으며 4접합, 5접합 등 다 접합으로 효율 50% 이상의 초고효율화가 기대되고 있다.
또한 LED(Light emitting diode)는 반도체의 여기상태인 전도대 전자가 바닥상태인 가전자대로 이동하면서 빛을 방출하는 과정(전자정공의 발광 재결합)을 이용한다. 실용화 되어 있는 LED는 거의 띠 간격 구조가 직접천이형인 화합물 반도체가 쓰이고 있다. 전도대의 바닥에 있는 전자와 가전자대 정상에 있는 정공의 운동량이 거의 같은 경우에만 높은 발광 재결합 확률이 얻어지기 때문이다. LED의 발광색은 활성층(발광영역)을 구성하는 반도체 재료의 에너지 띠 간격으로 결정된다. GaAS의 띠 간격은 1.43eV로 약 870㎚의 근적외선을 방출한다. 가시광 LED는 이보다 에너지 띠 간격이 큰 재료를 쓴다. 고효율 LED에는 에너지 띠 간격이 다른 복수의 화합물 반도체 박막을 에피택셜 성장해서 제조하는 다층박막 구조를 이용한다. 기판재료로는 GaAS(적외선~가시광)이나 GaP(가시광)가 사용되며 청색에서 자외선 경우는 사파이어(Al2O3)나 탄화규소(SiC)가 쓰인다.
LED 개발 초기에는 단순한 pn접합이 이용되었다. 공핍층에 가까운 n-type 영역이나 p-type 영역을 발광 결합층으로 하였다. 이 영역은 불순물이 첨가된 영역이므로 결정품질이 좋지 않아서 고효율의 LED를 얻기 힘들었다. 발광효율을 높이기 위한 가장 일반적인 방법은 p-type과 n-type 영역의 띠간격을 활성층의 띠 간격보다 크게 한 이중헤테로(DH: Double-hetero) 구조이다. 활성층을 얇게 해서 양자우물 구조로 하고 전자와 정공을 가두는 효과를 높이면서 띠 끝 전자상태 밀도향상이 시도되고 있다. LED에 투입된 전류에 대한 광출력 비율은(외부 양자효율) 전극을 포함한 직렬저항에 의한 쥴(Joule) 손실을 제외하고 발광 재결합률(내부 양자효율)과 칩으로부터 빛이 나오는 효율로 결정된다. LED의 구성 재료에는 기판과 전극이 있는데 활성층에서 발생하는 빛의 일부는 여기에서 흡수된다. 기판재료의 띠 간격이 활성층 띠 간격보다 큰 것이 바람직하다. 반도체 재료 외에 몰드 재료에 의한 효율저하와 표면의 요철가공 문제 등도 연구가 되고 있다.
태양전지 및 LED 소자에서 반드시 해결해야 할 문제 중의 하나인 그 내에 존재하는 결함형 전하 트랩(defective charge trap)들은 유효한 전자와 정공들이 포획되면서, 동작조건을 변화시킴으로 소자동작 시 동작특성에 영향을 미친다. 따라서 이러한 소자 구조가 차세대 소자로 자리잡기 위해서는 재연성과 내구성 있는 소자특성이 요구되며, 이를 위해 현재까지 해결되지 않은 박막뿐만 아니라, 다층구조에서의 전자나 정공의 포획과정, 광학적으로 활성화된 다층구조에서 trap의 분포 및 그 trap의 구조, 에너지 분포에 대한 체계적인 연구가 필요한 실정하다.
태양전지 및 LED 구조에서 존재하는 trap의 경우 크기에 비해서 전하들을 포획할 수 있는 trap의 양이 상대적으로 증가하며, 여러 에너지 준위에 존재한다. 다결정형 구조의 소자 박막의 경우 보고된 결함형 trap외에 더 많은 trap이 존재할 것으로 판단되지만, 그 에너지 깊이가 물질의 에너지 밴드 갭의 한계 때문에 모든 결함형 trap들을 분석할 수 있는 포괄적인 분석방법이 없으며, 한가지의 분석기술로는 관측 가능한 trap의 범위가 한정된다. 또한 분명히 존재할 것으로 판단되는 각각의 구조 층간의 계면상태 결함 trap은 소자의 동작특성에도 영향을 미칠 것으로 예측되기 때문에 표면 및 계면상태 분석방법 역시 그 중요성을 간과할 수 없다. 따라서 광전자소자에서는 charge trap(CT) 외에 Interface trap(IT) 과 Surface trap(ST) 역시 구조체내의 charge separation과 그 동작 수명에 영향을 줄 것으로 예상하며, 이는 다른 소자와는 다르게 외부환경에 노출되는 태양 전지의 경우 결함형 trap들의 영향이 시간이 갈수록 확대되기 때문이다. 따라서 정확한 전하형 trap의 origin을 분석하고 발생 원인을 추적하여, 그들을 제어를 할 수 있다면 현재 요구되는 저가격, 고효율 Solar Cell 및 LED 소자분야에 기여할 것이다.
이러한 요구를 만족할 수 있는 ELTS 같은 광전자물리학 원리를 이용한 비파괴성 charge trap 분석연구는 차세대 활용 가능한 Solar Cell 및 LED에서 광범위한 trap의 확인 및 소자 성능 평가에 필수적이 될 것이다.
따라서 본 발명은 태양 전지, LED, OLED(organic light emitting diode) 등과 같은 EL 방출 소자 내에 존재하는 결함형 전하 트랩들에 대한 정보를 확인할 수 있는 전계 발광 시료의 분석 장치를 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 전계 발광 시료의 라이프타임에 따른 EL 영상 변화를 영상 장치를 통해 관찰 분석하는 방식으로 결합형 전하 트랩에 관한 정보를 매우 짧은 시간 내에 획득할 수 있어 분석 속도를 높일 수 있는 전계 발광 시료의 분석 장치를 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 전계 발광 시료 내에 존해하는 결함형 전하 트랩에 관한 정보를 온도 가변에 의하지 않고 확인할 수 있는 전계 발광 시료의 분석 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전계 발광 시료의 분석 장치로서,
상기 전계 발광 시료에 펄스 구동 신호를 인가하는 펄스 발생기;
상기 펄스 구동 신호가 인가됨에 따라 상기 전계 발광 시료로부터 방출되는 EL(Electroluminescence)을 수광한 수광 신호의 트랜지언트(transient) 구간에 대한 EL 영상을 촬영하는 영상 촬영기; 및
상기 트랜지언트 구간 중 적어도 2개의 시점에 촬영된 EL 영상에 기초하여, EL 영상 내의 각각의 동일 좌표들에 관한 상기 적어도 2개 시점의 상기 수광 신호의 세기의 차를 시간에 따라 맵핑한 3차원 맵핑 영상을 생성하고, 상기 생성된 3차원 맵핑 영상을 분석하여 상기 전계 발광 시료에서의 결함형 전하트랩에 관한 정보를 획득하는 ELTS(Electroluminescence Transient Spectroscopy) 분석부를 포함하는 전계 발광 시료 분석 장치가 제공된다.
여기서, 상기 펄스 발생기는 구형파 펄스 신호를 상기 전계 발광 시료에 인가하고, 상기 영상 촬영기는 상기 전계 발광 시료로부터 상기 인가된 구형파 펄스 신호에 반응하여 방출된 EL을 수광한다.
여기서, 상기 ELTS 분석부는,
상기 수광 신호의 트랜지언트 구간 내의 2개의 시점을 샘플링 시점으로 하여 상기 2개의 샘플링 시점에서의 수광 신호의 세기의 차를 산출하고,
상기 2개의 샘플링 시점에서의 수광 신호의 세기의 차를 미리 지정된 기준 시점의 수광 신호의 세기에 기준하여 정규화시키고,
상기 정규화된 세기 값을 상기 2개의 샘플링 시점의 시간 간격으로 나눈 값이 미리 지정된 임계치 이상인 경우를 상기 3차원 맵핑 영상 내의 해당 좌표에 맵핑 표시한다.
이 때, 상기 3차원 맵핑 영상 내에 맵핑 표시된 좌표에 해당하는 위치를 상기 전계 발광 시료 내의 상기 전하 트랩에 의한 결함 위치로 판정할 수 있다.
여기서, 상기 ELTS 분석부는,
상기 정규화된 세기 값을 상기 2개의 샘플링 시점의 시간 간격으로 나눈 값에 기초하여, 상기 전계 발광 시료로부터 방출된 EL의 라이프타임을 분석할 수 있다.
여기서, 상기 영상 촬영기는, 상기 수광 신호의 트랜지언트 구간 내의 특정 시점을 시작점으로 하여 미리 지정된 시간 간격 마다에 촬영된 EL 영상을 연속하여 획득하되,
상기 ELTS 분석부는,
상기 연속하여 획득된 EL 영상들에 기초하여, 상기 시작점이 되는 특정 시점에서의 수광 신호의 세기와 상기 미리 지정된 시간 간격이 경과하였을 때의 각각에서의 수광 신호의 세기 간의 차이를 정규화한 세기 값을 연속하여 산출하고, 상기 연속 산출된 정규화한 세기 값들 중 극대값이 미리 지정된 임계치 이상인 경우를 상기 3차원 맵핑 영상 내의 해당 좌표에 맵핑 표시한다.
이 때, 상기 ELTS 분석부는,
상기 정규화한 세기 값들의 연속 산출에 하기의 수학식을 이용할 수 있다.
[수학식]
Figure 112012025335566-pat00001
여기서, ΔS는 상기 정규화한 세기 값을 나타내고, I는 상기 EL 영상 내의 특정 좌표(x, y)에서의 특정 시간에서의 수광 신호의 세기를 나타내고, ti는 상기 시작점이 되는 특정 시점을 나타내고, k는 2 이상의 자연수 중 미리 지정된 수를 나타냄.
또한 이 때, 상기 ELTS 분석부는,
상기 3차원 맵핑 영상 내에 맵핑 표시된 좌표에 해당하는 위치를 상기 전계 발광 시료 내의 상기 전하 트랩에 의한 결함 위치로 판정할 수 있다.
여기서, 상기 영상 촬영기는, CCD 카메라 또는 근적외선 카메라가 이용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 태양 전지, LED, OLED 등과 같은 EL 방출 소자 내에 존재하는 결함형 전하 트랩들에 대한 정보를 확인할 수 있는 전계 발광 시료의 분석 장치를 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 전계 발광 시료의 라이프타임에 따른 EL 영상 변화를 영상 장치를 통해 관찰 분석하는 방식으로 결합형 전하 트랩에 관한 정보를 매우 짧은 시간 내에 획득할 수 있어 분석 속도를 높일 수 있는 전계 발광 시료의 분석 장치를 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 전계 발광 시료 내에 존해하는 결함형 전하 트랩에 관한 정보를 온도 가변에 의하지 않고 확인할 수 있는 전계 발광 시료의 분석 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전계 발광 시료 분석 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 발광 시료 분석 방법에 관한 순서도.
도 3은 도 2의 분석 방법을 설명하기 위한 참조 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계 발광 시료 분석 방법에 관한 순서도.
도 5는 도 4의 분석 방법을 설명하기 위한 참조 도면.
도 6a 및 도 6b는 도 4의 분석 방법을 적용하였을 때의 분석 결과를 설명하기 위한 참조 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전계 발광 시료 분석 장치에 대하여 설명한다.
[도 1의 설명]
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전계 발광 시료 분석 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전계 발광 시료 분석 장치(100)는, 펄스 발생기(110), 영상 촬영기(120), ELTS(Electroluminescence Transient Spectroscopy) 분석부(130)를 포함한다. 다만, 도 1에 도시된 구성요소들에 한정되는 것은 아니어서, 설계에 따라 그 보다 많은 구성요소들을 갖는 전계 발광 시료 분석 장치를 구현할 수도 있다.
펄스 발생기(110)는 소정의 펄스 구동 신호(본 예에서는 구형파 펄스(15)인 것으로 가정함)를 생성하여 분석 대상인 전계 발광 시료(10)에 인가한다.
이와 같이, 펄스 구동 신호가 인가되면, 전계 발광 시료(10)는 EL 광을 방출한다. 예를 들어, LED 및 OLED의 경우 해당 색 영역(즉, 해당 파장 대역)의 EL 광을 방출하며, 태양 전지의 경우 근적외선 영역의 EL 광을 방출할 수 있다.
여기서, EL의 방출 원리는 다음과 같다. 재료(일반적으로 반도체)를 통과해 전류가 흐르거나 강한 전기장이 걸릴 때, 다른 부호의 전하 운반자(charge carrier) 즉, 전자와 정공의 재결합(recombination)의 결과로 빛을 내는 광학적, 전기적 현상을 EL(Electroluminescence)이라고 한다. EL 광을 얻기 위해서는 결정 격자내의 전자들을 보다 높은 에너지 준위로 가져갈 필요가 있다. 이때, 발광 세기는 시료에서의 결함 밀도에 의존하며, 결함이 적을 수록 더 많은 광자를 방출하게 된다.
상술한 바와 같이, 전계 발광 시료(10)로부터 EL 광이 방출되면 영상 촬영기(120)에 의해 그 EL에 관한 EL 영상을 획득할 수 있다. 이때, 전계 발광 시료(10)의 내부에 존재하는 결합형 전하 트랩에 관한 정보를 획득하기 위해, 본 발명에서, 영상 촬영기(120)는 상기 펄스 구동 신호가 인가됨에 따라 상기 전계 발광 시료(10)로부터 방출되는 EL을 수광한 수광 신호 중 그 수광 신호의 트랜지언트(transient) 구간에 대한 EL 영상을 촬영하게 된다. 이러한 영상 촬영기(120)는 CCD 카메라 또는 근적외선 카메라 등이 이용될 수 있다.
이때, 펄스 구동 신호의 인가에 따라 전계 발광 시료(10)로부터 방출되는 EL 수광 신호는, 이상적인 경우(즉, 그 시료에 전하 트랩에 의한 결함이 존재하지 않는 경우), 입력된 펄스 구동 신호와 거의 동일한 파형을 갖게 될 것이다. 그러나 시료 내부에 결함형 전하 트랩이 존재하는 경우에는 도 1의 참조번호 15a에서와 같이 그 수광 신호의 트랜지언트(transient) 구간을 갖는 파형 형태를 갖게 된다. 여기서, 수광 신호는 수광된 EL의 광전압(photo voltage)(도 1, 도 3, 도 5의 수광 신호 참조) 또는 광전류(photo current)일 수 있다.
이러한 수광 신호의 파형 왜곡은 검사 대상인 전계 발광 시료(10)에 존재하는 결함에 의한 것이므로, 수광 신호의 트랜지언트 구간을 분석하면 전계 발광 시료(10)에 존재하는 결함에 관한 정보를 획득해낼 수 있다. 이러한 수광 신호의 트랜지언트 구간에 관하여 영상 촬영기(120)로부터 획득된 EL 영상의 분석을 통해 결함형 전하 트랩 정보(이와 더불어 EL의 라이프타임 정보)를 획득하는 기능 및 역할은 도 1에 도시된 ELTS 분석부(130)에 의해 수행될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에서, ELTS 분석부(130)는, 상기 트랜지언트 구간 중 적어도 2개의 시점에 촬영된 EL 영상(도 1의 참조번호 21 및 22 참조)에 기초하여, EL 영상 내의 각각의 동일 좌표들에 관한 상기 적어도 2개 시점의 상기 수광 신호의 세기의 차를 시간에 따라 맵핑한 3차원 맵핑 영상(도 1의 참조번호 23 참조)을 생성하고, 상기 생성된 3차원 맵핑 영상을 분석하여 상기 전계 발광 시료에서의 결함형 전하트랩에 관한 정보를 획득하는 역할을 수행한다. 이러한 ELTS 분석부(130)의 상세 역할 및 분석 방법에 관해서는 이하 도 2 ~ 도 5, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
[도 2 및 도 3의 설명]
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 발광 시료 분석 방법에 관한 순서도이고, 도 3은 도 2의 분석 방법을 설명하기 위한 참조 도면이다.
단계 S210에서, 펄스 발생기(110)를 통해 전계 발광 시료(10)에 구형파 펄스 신호(도 1의 참조번호 15 참조)를 인가한다.
이에 따라, 단계 S220에서, 영상 촬영기(120)는, 전계 발광 시료(10)로부터 방출된 EL에 의한 수광 신호(도 1의 참조번호 15a 참조)의 트랜지언트 구간에 대한 EL 영상을 획득할 수 있다. 이를 위해, 영상 촬영기 제어부(미도시)는 수광 신호의 트랜지언트 구간에 대한 EL 영상을 촬영하도록 영상 촬영기(120)를 제어할 수 있다.
이와 같이 획득된 수광 신호의 트랜지언트 구간에 대한 EL 영상을 기초로, ELTS 분석부(130)는 전계 발광 시료(10) 내에 존재하는 결함형 전하 트랩에 관한 정보를 획득하게 되는데, 이는 단계 S230 ~ 단계 S260에 따라 수행될 수 있다. 이에 관해 이하 상세히 설명하면 다음과 같다.
단계 S230에 따라, ELTS 분석부(130)는, 수광 신호의 트랜지언트 구간 내의 2개의 시점(도 3의 t1 및 t2 참조)을 샘플링 시점으로 하여 수광 신호의 세기 차를 산출한다. 이때, 수광 신호의 세기 차 산출은 전계 발광 시료(10)에 대해 획득한 EL 영상 내의 2차원 좌표(x, y) 각각에 대하여 모두 수행할 수 있다. 이는 아래의 수학식 1로 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112012025335566-pat00002
여기서, ΔI는 2개의 샘플링 시점인 t1 및 t2에서의 각각의 수광 신호의 세기(즉, I(t1) 및 I(t2))의 차를 의미함.
이후, 단계 S240에서, ELTS 분석부(130)는, 그 산출된 수광 신호의 세기 차를 미리 지정된 방식에 따라 정규화한다. 이때, 정규화는 아래의 수학식 2에 따른 방식이 이용될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112012025335566-pat00003
여기서, I(x, y; t0)는 특정 기준 시점인 t0에서의 수광 신호의 세기를 의미하며, ΔS는 상기 정규화한 세기 값을 의미함.
이때, 상기 특정 기준 시점(t0)은 다양한 시점이 선택될 수 있으며, 예를 들어, 수광 신호에서 트랜지언트 구간이 시작되기 바로 직전의 시점이 상기 특정 기준 시점으로 이용될 수 있다.
이후, 단계 S250에서, ELTS 분석부(130)는, 그 정규화된 세기 값을 2개의 샘플링 시점의 시간 간격으로 나눈 값을 산출한다. 이는 아래 수학식 3으로 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112012025335566-pat00004
여기서, τ(x, y)는 정규화된 세기 값(ΔS)을 2개의 샘플링 시점의 시간 간격(Δt)으로 나눈 값으로서, 이는 수광 신호의 라이프타임(lifetime)과 연관된다. 일반적으로, 수광 신호의 트랜지언트 구간은 지수적 변화에 의해 하기 수학식 4와 같이 표현될 수 있는 바, τ(x, y)는 곧 수광 신호의 라이프타임과 연관되는 값이기 때문이다.
[수학식 4]
Figure 112012025335566-pat00005

여기서, A는 억셉터(acceptor)를 의미하고, defect은 결함형 전하 트랩을 의미하는 것으로서, 억셉터에 의한 시간 지연은 무시할 수 있을 정도로 매우 짧으므로, 결국 시간 지연과 관련된 사항 즉, 수광 신호의 트랜지언트 구간은 결함형 전하 트랩이 그 원인이라 할 수 있다. 따라서, 수광 신호의 트랜지언트 구간에서의 그 수광 신호의 세기 차를 산출해보면, 결함형 전하 트랩에 관한 정보를 확인해낼 수 있으며, 또한 그 물리적 의미를 통해 시료에서 방출되는 EL의 라이프타임도 동시에 확인할 수 있게 되는 것이다.
이에 따라, ELTS 분석부(130)는, 위 수학식 3에 의해 산출된 값이 특정 임계치 이상(즉, 특정 수치 이상으로 시간 지연이 발생되는 경우, 결국 특정 수치 이상으로 라이프타임이 길어지는 경우가 될 것임)인 경우를 맵핑하여 도 1의 참조번호 23번 영상과 같은 3차원 맵핑 영상을 생성한다. 즉, 도 1에 도시된 3차원 맵핑 영상은, 2개의 샘플링 시점에서의 2D 영상에서의 수광 신호의 세기 차에 근거하여 새롭게 생성해낸 영상이며, 해당 영상에서 검은색으로 맵핑 표시되어 있는 부분이 바로 결함형 전하 트랩이 존재하는 결함 위치들임을 의미한다(단계 S260 참조).
[도 4 및 도 5의 설명]
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계 발광 시료 분석 방법에 관한 순서도이고, 도 5는 도 4의 분석 방법을 설명하기 위한 참조 도면이다. 그리고 도 6a 및 도 6b는 도 4의 분석 방법을 적용하였을 때의 분석 결과를 설명하기 위한 참조 도면이다.
본 발명에서 ELTS 분석부(130)를 통해 결함 분석 방법은 앞서 설명한 도 2의 방식 이외에도 도 4에 따른 방식에 의할 수도 있다. 이하 이를 설명하면 다음과 같다. 다만, 도 4의 S410, S460은 도 2의 S210, S260과 동일 단계인 바, 그 중복되는 설명은 생략한다.
단계 S420에서, 영상 촬영기(120)는, 수광 신호의 트랜지언트 구간 내의 특정 시점을 시작점(도 5의 t1 참조)으로 하여, 특정 시간 간격 마다(t2, t3, ~ tn 참조)의 EL 영상을 연속적으로 획득한다(도 5 참조). 이때, 특정 시간 간격은 샘플링 시작점이 되는 시점의 자연수 배일 수 있다.
이에 따라, ELTS 분석부(130)는, 단계 S430에서, 상기 시작점과 상기 특정 시간 간력 마다에 관한 각각의 2개의 시점에서의 수광 신호의 세기 차를 연속적으로 산출한다. 그리고 단계 S440에서, 연속 산출된 수광 신호의 세기 차를 각각 정규화한다. 이는 아래의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112012025335566-pat00006
여기서, ΔS는 상기 정규화한 세기 값을 나타내고, I는 상기 EL 영상 내의 특정 좌표(x, y)에서의 특정 시간에서의 수광 신호의 세기를 나타내고, ti는 상기 시작점이 되는 특정 시점을 나타내고, k는 2 이상의 자연수 중 미리 지정된 수를 나타냄.
위 수학식 5와 같은 방식으로 각 시점에서의 정규화된 세기 값을 산출하여 도시한 도면이 도 6b를 통해 도시되고 있다. 이에 대한 이해를 위해 먼저 도 6a를 설명하면, 도 6a는 1ms에서 2ms 구간 사이에 펄스 폭 1ms인 구형파 펄스를 인가하였을 때의 수광 신호의 세기 변화를 나타내고 있다.
이러한 구형파 펄스의 인가에 따라, 도 6a에서 수광 신호는 그 2ms에서 대략 4ms까지의 구간에 트랜지언트 구간이 발생하고 있다. 이에 관하여 상기 수학식 5에 따라 정규화된 세기 값들을 산출하여 보면 도 6b에서와 같은 그래프가 도출된다. 도 6b에서는 그 트랜지언트 구간 중 슬로프(slope)가 심한 2ms ~ 3ms 사이의 시간 동안의 각각의 정규화된 세기 값들을 그래프화하여 표시한 것이다. 그리고 도 6b에서는 위 수학식 5에서 k값을 2로 설정하고, 0.1us 마다 각각의 정규화된 세기 값들을 산출한 예이다.
이후, ELTS 분석부(130)는, 단계 S450에서, 상기 산출된 정규화된 세기 값들 중 극대값(도 6b에서는 대략 0.2m에서 극대값을 갖고 있음)을 확인하고, 그 확인된 극대값이 특정 임계치 이상인 경우를 맵핑하여 3차원 맵핑 영상을 생성한다. 이때, 맵핑된 3차원 맵핑 영상 또한 도 1의 참조번호 23번 영상과 동일 또는 유사할 수 있다.
이 때, ELTS 분석부(130)는, 이와 같이 생성된 3차원 맵핑 영상에서 맵핑 표시된 좌표에 해당하는 시료 내의 위치를 전하 트랩에 의한 결함 위치로 판정할 수 있다(단계 S460 참조).
이상에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 전계 발광 시료의 분석 장치로서,
    상기 전계 발광 시료에 펄스 구동 신호를 인가하는 펄스 발생기;
    상기 펄스 구동 신호가 인가됨에 따라 상기 전계 발광 시료로부터 방출되는 EL(Electroluminescence)을 수광한 수광 신호의 트랜지언트(transient) 구간에 대한 EL 영상을 촬영하는 영상 촬영기; 및
    상기 트랜지언트 구간 중 적어도 2개의 시점에 촬영된 EL 영상에 기초하여, EL 영상 내의 각각의 동일 좌표들에 관한 상기 적어도 2개 시점의 상기 수광 신호의 세기의 차를 시간에 따라 맵핑한 3차원 맵핑 영상을 생성하고, 상기 생성된 3차원 맵핑 영상을 분석하여 상기 전계 발광 시료에서의 결함형 전하트랩에 관한 정보를 획득하는 ELTS(Electroluminescence Transient Spectroscopy) 분석부
    를 포함하는 전계 발광 시료 분석 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 발생기는 구형파 펄스 신호를 상기 전계 발광 시료에 인가하고, 상기 영상 촬영기는 상기 전계 발광 시료로부터 상기 인가된 구형파 펄스 신호에 반응하여 방출된 EL을 수광하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 시료 분석 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 ELTS 분석부는,
    상기 수광 신호의 트랜지언트 구간 내의 2개의 시점을 샘플링 시점으로 하여 상기 2개의 샘플링 시점에서의 수광 신호의 세기의 차를 산출하고,
    상기 2개의 샘플링 시점에서의 수광 신호의 세기의 차를 미리 지정된 기준 시점의 수광 신호의 세기에 기준하여 정규화시키고,
    상기 정규화된 세기 값을 상기 2개의 샘플링 시점의 시간 간격으로 나눈 값이 미리 지정된 임계치 이상인 경우를 상기 3차원 맵핑 영상 내의 해당 좌표에 맵핑 표시하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 시료 분석 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 ELTS 분석부는,
    상기 3차원 맵핑 영상 내에 맵핑 표시된 좌표에 해당하는 위치를 상기 전계 발광 시료 내의 상기 전하 트랩에 의한 결함 위치로 판정하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 시료 분석 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 영상 촬영기는, 상기 수광 신호의 트랜지언트 구간 내의 특정 시점을 시작점으로 하여 미리 지정된 시간 간격 마다에 촬영된 EL 영상을 연속하여 획득하되,
    상기 ELTS 분석부는,
    상기 연속하여 획득된 EL 영상들에 기초하여, 상기 시작점이 되는 특정 시점에서의 수광 신호의 세기와 상기 미리 지정된 시간 간격이 경과하였을 때의 각각에서의 수광 신호의 세기 간의 차이를 정규화한 세기 값을 연속하여 산출하고, 상기 연속 산출된 정규화한 세기 값들 중 극대값이 미리 지정된 임계치 이상인 경우를 상기 3차원 맵핑 영상 내의 해당 좌표에 맵핑 표시하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 시료 분석 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 ELTS 분석부는,
    상기 정규화한 세기 값들의 연속 산출에 하기의 수학식을 이용하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 시료 분석 장치.

    [수학식]
    Figure 112012025335566-pat00007

    여기서, ΔS는 상기 정규화한 세기 값을 나타내고, I는 상기 EL 영상 내의 특정 좌표(x, y)에서의 특정 시간에서의 수광 신호의 세기를 나타내고, ti는 상기 시작점이 되는 특정 시점을 나타내고, k는 2 이상의 자연수 중 미리 지정된 수를 나타냄.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 ELTS 분석부는,
    상기 3차원 맵핑 영상 내에 맵핑 표시된 좌표에 해당하는 위치를 상기 전계 발광 시료 내의 상기 전하 트랩에 의한 결함 위치로 판정하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 시료 분석 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 ELTS 분석부는,
    상기 정규화된 세기 값을 상기 2개의 샘플링 시점의 시간 간격으로 나눈 값에 기초하여, 상기 전계 발광 시료로부터 방출된 EL의 라이프타임을 분석하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 시료 분석 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 영상 촬영기는, CCD 카메라 또는 근적외선 카메라인 것을 특징으로 하는 전계 발광 시료 분석 장치.
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