KR101749565B1 - 광전 소자의 분광감응도 도함수 측정장치 - Google Patents

광전 소자의 분광감응도 도함수 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분광감응도 도함수 측정 장치 및 그 측정 방법을 제공한다. 이 장치는 소정의 강도 변조 주파수를 가지고 강도 변조된 단색 프로브 광을 광전 소자에 제공하는 프로브 광원; 상기 프로브 광의 복사선속보다 큰 복사 선속을 가지고 넓은 스펙트럼영역을 가지는 바이어스 광을 상기 광전 소자에 제공하는 바이어스 광원; 상기 바이어스 광원에 전류를 제공하여 동작시키는 바이어스 광원 구동부; 상기 광전 소자의 출력단에 연결되어 소정의 목표 DC 전류를 제공하는 전류 싱크; 및 상기 광전 소자의 출력단 및 상기 전류 싱크에 공통으로 연결되고, 상기 광전 소자의 출력 전류와 상기 목표 DC 전류의 전류 차이를 제공받아, 상기 전류 차이를 제거하도록 상기 바이어스 광원 구동부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

광전 소자의 분광감응도 도함수 측정장치 {Measurement Apparatus for differential spectral responsivity on photovoltaic cells}
본 발명은 광전 소자를 평가하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 피드백 제어를 포함한 태양전지의 광전 변환 효율을 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.
분광감응도(spectral responsivity)는 광전 변환(photovoltaic conversion) 소자에 입력되는 복사출력 또는 복사조도에 대한 전기신호를 파장에 대한 함수로 나타내는 측정량으로 SI 단위 소급성이 있는 분광 응답 특성 측정량에 해당한다. 일반적으로 분광감응도 측정을 위하여 파장을 변화시킬 수 있으나 분광 광원과 이에 따른 복사출력이나 복사조도를 측정할 수 있는 기준 검출기가 필요하며, 일반적으로 DC 방식으로 이루어진다. 하지만, 태양전지의 경우, 1 kW/m2 의 높은 복사 조도 조건에서 분광응답특성을 측정해야 하기 때문에, DC 방식으로는 직접 측정하기 매우 어렵다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 안정적으로 높은 신호 대 노이즈비를 가지고 태양전지의 분광감응도 도함수 측정 장치를 제공하는 것이다. 구체적으로, 분광감응도 도함수 측정을 위한 회로 구성 시, 강한 세기의 바이어스 광에 의한 큰 직류 전류가 태양전지에 유도된다. 소정의 강도 변조 주파수로 강도가 변조된 단색 프로브 광이 바이어스 광과 동시에 태양전지에 조사된다. 이 경우, 강도 변조된 단색 프로브 광은 상기 태양 전지에 변조 주파수 성분의 매우 작은 광전류를 유도한다. 이 유도된 변조 주파수 성분 광전류를 효과적이고 안정적으로 증폭하여 측정할 수 있는 방법이 제공된다. 이러한 안정적 변조 주파수 성분 광전류의 추출은 상기 태양전지의 단락전류의 DC성분을 제어변수로 하여 바이어스 광의 출력을 안정화함으로써 제공될 수 있다
본 발명의 일 실시예에 따른 분광감응도 도함수 측정 장치는 소정의 강도 변조 주파수를 가지고 강도 변조된 단색 프로브 광을 광전 소자에 제공하는 프로브 광원; 상기 프로브 광의 복사선속보다 큰 복사 선속을 가지고 넓은 스펙트럼영역을 가지는 바이어스 광을 상기 광전 소자에 제공하는 바이어스 광원; 상기 바이어스 광원에 전류를 제공하여 동작시키는 바이어스 광원 구동부; 상기 광전 소자의 출력단에 연결되어 소정의 목표 DC 전류를 제공하는 전류 싱크; 및 상기 광전 소자의 출력단 및 상기 전류 싱크에 공통으로 연결되고, 상기 광전 소자의 출력 전류와 상기 목표 DC 전류의 전류 차이를 제공받아, 상기 전류 차이를 제거하도록 상기 바이어스 광원 구동부를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 광전 소자의 출력 전류와 상기 목표 DC 전류의 전류 차이를 전압 신호로 변경하는 전류-전압 변환기; 상기 전류-전압 변환기의 출력 신호의 부호를 변경하여 출력하는 인버터 증폭기; 및 상기 인버터 증폭기의 출력 신호를 적분하는 출력하는 적분기;를 포함할 수 있다. 상기 바이어스 광원 구동부는 상기 적분기의 출력 신호에 비례하는 구동 전류를 상기 바이어스 광원에 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바이어스 광원은 직렬 연결된 LED일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전류-전압 변환기의 출력 신호 또는 상기 인버터 증폭기의 출력 신호에서 강도 변조 주파수 성분을 추출하는 록인 증폭기; 및 상기 록인 증폭기의 출력 신호를 처리하는 보조 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 프로브 광원은 넓은 스펙트럼 영역을 가지는 광대역 광원; 상기 광대역 광원의 출력을 소정의 강도 변조 주파수로 강도 변조하는 강도 변조부; 상기 강도 변조된 광을 파장에 따라 분광하여 단색광을 출력하는 분광부; 상기 단색광을 2 개의 경로로 분리하는 빔분리기; 및 상기 분리된 빔 중에서 하나의 경로에 배치된 기준 광검출기를 포함할 수 있다. 상기 빔분리기로부터 상기 분리된 빔 중에서 다른 하나는 상기 광전 소자에 상기 단색 프로브 광으로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 보조 제어부는 상기 전류 싱크의 DC 목표 전류를 변경하도록 DC 목표 전류 제어 신호를 제공하고, 상기 보조 제어부는 상기 단색 프로브 광의 파장을 변경하도록 파장 변경 제어 신호를 상기 프로브 광원에 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분광감응도 도함수 측정 방법은 소정의 강도 변조 주파수로 강도가 온/오프로 변조되는 단색 프로브 광을 광전 소자에 제공하는 단계; 상기 프로브 광의 복사선속보다 큰 복사 선속을 가지고 넓은 스펙트럼영역을 가지는 바이어스 광을 상기 광전 소자에 제공하는 단계; 상기 단색 프로브 광과 상기 바이어스 광을 제공받은 상기 광전 소자는 광전류를 생성하고, 상기 광전류와 전류 싱크의 설정된 목표 DC 전류의 전류 차이를 제공받아 상기 전류 차이를 제거하도록 바이어스 광원 구동부를 제어하는 단계; 상기 바이어스 광원 구동부의 구동 전류를 바이어스 광원에 제공하여 상기 바이어스 광을 생성하는 단계; 및 상기 광전류와 상기 전류 싱크의 설정된 목표 DC 전류의 전류 차이에서 상기 강도 변조 주파수 성분을 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단색 프로브 광의 파장을 변경하는 단계; 및 상기 목표 DC 전류를 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전류 차이를 제거하도록 상기 바이어스 광원 구동부를 제어하는 단계는 비례 제어, 적분 제어, 비례-적분 제어, 또는 비례-적분-미분 제어 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 바이어스 광원을 피드백 제어함에 따라 바이어스 광의 세기를 일정하게 유지하고, 태양 전지의 출력 전류중 DC성분을 일정하게 유지할 수 있다. 상기 태양전지의 출력 전류의 DC성분이 일정하게 유지됨에 따라 일정하게 유지되고 있는는 DC성분 전류 만큼을 싱크시킨 후 전단 증폭기에 통과시키면 측정 신호의 신호대노이즈 비(SNR)를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광감응도 도함수 측정 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 도1 의 분광감응도 도함수 측정 장치의 피드백 루프를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1 의 분광감응도 도함수 측정 장치의 회로를 나타내는 상세도이다.
도 4는 도 1의 분광 감응도 측정 장치의 신호를 나타나는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 감응도 측정 방법을 설명하는 블록도이다.
분광감응도 (spectral responsivity)는 태양전지나 광다이오드와 같이 광전변환소자에 있어서, 소정 파장(λ)의 입사 광의 복사선속(Φ) (단위: W)에 대해 응답전류(i) (단위:A)가 발생되었을 때, 광전 소자의 광전변환비를 파장의 함수로 R = i/Φ (단위: A/W)와 같이 정량화한 것으로 발전성능과 밀접한 관련이 있다.
이러한 분광감응도는 입사 광의 복사선속(Φ) 또는 세기에 따라 달라지기 때문에, 일반적으로는 R = R(Φ;λ)로 표현할 수 있다. 보통 분광감응도는 세기를 알고 있는 단색광을 광전변환소자에 입사시킨 후, 광전변환소자의 출력 전류를 측정함으로써 이뤄진다. 대체로 단색광원이 낼 수 있는 광출력은 제한적이기 때문에, 기껏해야 μW 내외의 단색광이 조사되는 조건에서 측정이 이루어질 수 밖에 없다.
100 mW 이상의 빛이 조사되는 조건에서 동작하는 태양전지의 발전성능을 가늠하는데 수 μW 정도에서 측정되는 분광감응도를 이용하는 것은 적절하지 않다.
태양전지와 같이 강한 광이 조사되는 조건에서의 광전변환소자의 발전성능을 분광감응도를 이용하여 정량화하기 위해서는 높은 출력의 단색광으로 분광감응도를 측정해야 한다. 하지만, 단색광원의 출력을 수 십 mW 이상으로 올리는 것은 현실적으로 불가능하다. 이러한 문제를 해결하고자 만들어낸 측정량이 바로 분광감응도 도함수다. 분광감응도 도함수는 다음과 같이 정의할 수 있다.
임의의 스펙트럼의 입사 광이 복사선속(Φ)을 가지고 광전변환소자(또는 광전 소자)에 입사했을 때, 광전소자의 출력전류를 i 라고 하고, 다시, 여기에 파장(λ)의 광의 복사 선속을 ΔΦ만큼 더하여 총 Φ + ΔΦ입사했을 때 나오는 출력전류를 i + Δi 라고 하자. 이 때, 입사 광의 복사선속(Φ) 및 파장 λ에서의 분광감응도 도함수(differential spectral responsivity; DSR; R’(Φ;λ))는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112015112669948-pat00001
이때, 입사 광의 복사선속(Φ)만큼의 광출력은 단색광일 필요없으며, ΔΦ 만큼만 단색광을 더해주면 된다. 따라서, μW 정도의 약한 세기의 단색광으로도 분광감응도 도함수의 측정이 가능하다. 분광감응도 도함수는 입사 광의 복사선속(Φ)을 증가시키면서 차례로 측정한다.
이러한 방식으로 여러 세기의 입사 광의 복사선속(Φ)에 대해서 분광감응도 도함수를 측정하여 R’(Φ;λ) 의 함수관계를 알아낸 후, 이로부터 강한 광이 조사되는 조건에서의 광전소자의 발전효율(혹은 감응도)을 계산해 낼 수 있다. 보통 태양전지의 효율은 표준화된 태양빛의 스펙트럼(AM1.5 스펙트럼)하에서 평가되므로, 이를 일반화하여 상대 스펙트럼이 S(λ)로 알려져 있는 광이 태양 전지에 조사되어, 태양 전지가 출력 전류(iout)을 가지는 경우, 감응도를 출력 전류(iout)의 함수로 계산해보자.
먼저, 태양전지의 분광감응도 도함수(R’(Φ;λ))로 부터 상대 스펙트럼이 S(λ)인 바이어스 광에 대한 감응도 도함수(R’(i))를 계산한다. 즉, 이 감응도 도함수는 S(λ) 상대 스펙트럼(S(λ))의 바이어스 광이 약간 출력이 증가할 때, 전류의 증가분을 의미한다. 분광감응도 도함수는 Φ의 함수로 혹은 i의 함수로 둘 다 표현이 가능하다.
Figure 112015112669948-pat00002
태양 전지의 출력 전류가 iout을 나타낼 때, 이 경우의 상기 태양 전지에 입사하는 바이어스 광의 복사선속 Φin 은 다음과 같이 주어진다.
Figure 112015112669948-pat00003
따라서, 구하고자 하는 출력 전류 iout 일 때의 감응도(R)는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112015112669948-pat00004
일정한 DC 광출력을 가지는 바이어스 광의 복사선속(Φ) (강한 세기의 바이어스 광)와 소정의 강도 변조 주파수로 변조된 단색 프로브 광의 복사 선속(ΔΦ) (약한 세기의 변조된 단색광)를 중첩하여 태양전지에 입사시키는 상황을 가정해보자. 또한, 단색 프로브 광의 복사 선속(ΔΦ)은 쵸퍼(chopper)를 이용하여 세기를 변조할 수 있다고 하자.
바이어스 광의 복사 선속(Φ)이 태양전지에 주는 광전류가 i = 100 mA, 단색 프로브 광의 복사 선속(ΔΦ)이 태양전지에 주는 광전류가 Δi = 0.1 μA 정도라면, 쵸퍼의 개/폐에 따라서 태양전지에 흐르는 광전류는 100 mA + 0.1 μA와 100 mA의 값을 갖게 된다.
이 때, 단색 프로브 광의 유무에 따른 태양전지에 흐르는 전류 차이 Δi = 0.1 μA를 측정하고, 입사하는 단색 프로브 광의 복사선속 (ΔΦ)을 이미 교정되어있는 기준검출기로 측정할 수 있다면, 분광감응도 도함수(R’(Φ;λ))의 측정이 가능하게 된다.
그러나, Δi = 0.1 μA의 차이는 100 mA 대비 10-6 정도 밖에 되지 않아서 일반적인 전단증폭기(이득: G)와 록인(lock-in) 증폭기, 디지털 전압계로 측정하는 것이 불가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 바이어스 광원의 광 출력에 대해 피드백 루프가 동작하고, 태양 전지는 바이어스 광원의 광 출력을 검출하여 광 전류를 생성하고, 상기 광 전류는 기준 신호인 목표 DC 전류와 비교되고, 상기 광전류와 목표 DC 전류 사이의 차이인 에러는 제어부에 제공된다. 상기 제어부는 제어 신호를 생성하여 바이어스 광원 구동부를 제어함에 따라, 상기 바이어스 광원의 광 출력이 제어된다. 태양전지의 광전류는 전류-전압 변환기에 의하여 전압 신호로 변환되고 증폭된다. 전류-전압 변환기의 DC 입력 전류는 0으로 제어함에 따라, 전류-전압 변환기의 AC 입력 전류의 이득은 높게 유지한다. 이에 따라, 전류-전압 변환기의 AC 입력 전류에 대하여, 전류/전압 변환이득은 10,000배 이상으로 높일 수 있다. 상기 전류-전압 변환기는 전류-전압 전단 증폭기를 통하여 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 바이어스 광원의 출력광인 바이어스 광의 세기를 일정하게 유지하도록 피드백 제어함으로써, 태양전지의 DC 출력 광전류가 일정하게 유지되고, 상기 DC 출력 광전류는 정밀한 전류 싱크를 통하여 흐른다. 따라서, 상기 전류-전압 변환기는 단색 프로브 광에 기인한 교류 전류 신호만을 높은 이득을 가지고 증폭할 수 있다. 이에 따라, 외란에 강하고 신호대노이즈비가 좋은 분광 감응도 도함수를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 바이어스 광원이 여러 개의 LED가 직렬 연결된 광원인 경우, 낱개 혹은 여러 개의 LED가 병렬로 연결된 경우보다 적은 전류로 점등시킬 수 있기 때문에 정밀한 전류 제어가 가능하여, 바이어스 광의 광출력을 안정적으로 일정하게 유지할 수 있음에 따라, On/Off로 강도 변조된 단색광 프로브 광에 기인한 태양 전지의 교류 신호 성분을 높은 SNR을 가지고 추출할 수 있다.
보통, 분광 감응도 도함수(DSR)를 측정하는 경우, 바이어스 광에 기인한 태양전지의 광전류는 100 mA 수준이고, 단색 프로브 광에 기인한 태양전지의 AC 광전류는 최대 1 μA 정도이다. 따라서, 단색 프로브 광에 기인한 교류 광전류 성분을 잘 분리하려면, 바이어스 광의 세기는 상대적으로 1/100,000 정도의 안정도를 요구한다. 본 발명의 피드백 루프에 의하면, 바이어스 광의 안정도는 1/100,000 이하로 유지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 바이어스 광원으로 직렬 연결된 LED가 채용된 경우, 피드백 루프를 채용하면, 1/100,000 정도의 안정도가 얻어질 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광감응도 도함수 측정 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 도1 의 분광감응도 도함수 측정 장치의 피드백 루프를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1 의 분광감응도 도함수 측정 장치의 회로를 나타내는 상세도이다.
도 4는 도 1의 분광 감응도 측정 장치의 신호를 나타나는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 감응도 측정 방법을 설명하는 블록도이다.
도 1 내지 도 5을 참조하면, 분광감응도 도함수 측정 장치(100)는 프로브 광원(110), 바이어스 광원(120), 바이어스 광원 구동부(160), 전류 싱크(140), 및 제어부(150)를 포함한다. 상기 프로브 광원(110)은 소정의 강도 변조 주파수(fm)를 가지고 강도 변조된 단색 프로브 광을 광전 소자(130)에 제공한다. 상기 바이어스 광원(120)은 상기 프로브 광의 복사선속보다 큰 복사 선속을 가지고 넓은 스펙트럼영역을 가지는 바이어스 광을 상기 광전 소자(130)에 제공한다. 상기 바이어스 광원 구동부(160)는 상기 바이어스 광원(120)에 구동 전류를 제공하여 상기 바이어스 광원을 동작시킨다. 전류 싱크(140)는 상기 광전 소자(130)의 출력단에 연결되어 소정의 목표 DC 전류를 제공한다. 상기 제어부(150)는 상기 광전 소자의 출력단 및 상기 전류 싱크에 공통으로 연결되고, 상기 광전 소자의 출력 전류와 상기 목표 DC 전류의 전류 차이를 제공받아, 상기 전류 차이를 제거하도록 상기 바이어스 광원 구동부(160)를 제어한다.
상기 분광감응도 도함수 측정 장치는 소정의 강도 변조 주파수(fm)를 가지고 강도 변조된 단색 프로브 광에 기인한 상기 광전 소자(130)의 광전류에서 강도 변조 주파수 성분을 안정적으로 추출하여야 한다. 이를 위하여, 상기 바이어스 광원(120)은 바이어스 광의 복사 선속을 일정한 값으로 유지하도록 피드백 제어된다.
피드백 제어에서, 상기 광전 소자(130)는 측정 장치로 기능하며, 상기 전류 싱크(140)는 제어량에 대한 목표값으로 설정된 목표 DC 전류를 흐를 수 있다. 상기 광전 소자(130)의 광전류 중에서 DC 성분은 상기 전류 싱크(140)를 통하여 접지로 흐르도록 설정될 수 있다.
단색 프로브 광이 없는 경우, 상기 광전 소자의 DC 광전류는 목표 DC 전류와 오차 DC 성분으로 분해되고, 오차 DC 성분은 제어부(150)에 제공된다. 상기 오차 DC 성분은 상기 제어부(150)에 전압신호로 변환되어 증폭된 후 적분되어 바이어스 전원 제어 신호(CTRL_V)를 생성할 수 있다. 상기 바이어스 전원 제어 신호(CTRL_V)는 상기 바이어스 광원 구동부(160)에 제공되어, 상기 바이어스 광원 구동부(160)는 구동 전류를 제어하여 상기 바이어스 광의 세기를 변경할 수 있다. 이에 따라, 오차 DC 성분은 시간에 따라 제거된다. 상기 제어부(150)는 비례 제어, 적분 제어, 비례-적분 제어, 또는 비례-적분-미분 제어 중에서 적어도 하나의 동작 방법을 수행할 수 있다. 바람직하게는, 제어 방법은 적분 제어일 수 있다.
한편, 단색 프로브 광이 있는 경우, 제어 회로에서, 신호에 대응하는 소정의 강도 변조 주파수(fm)를 가지고 강도 변조된 단색 프로브 광이 상기 광전 소자에 제공된다. 상기 광전 소자(130)는 소정의 강도 변조 주파수(fm)를 가지는 교류 전류 성분을 추가적으로 출력한다. 상기 광전 소자의 광전류는 목표 DC 전류 성분, 오차 DC 성분, 및 교류 신호 성분으로 분해된다. 목표 DC 전류 성분은 전류 싱크로 제공되고, 오차 DC 성분 및 교류 신호 성분은 제어부(150)에 제공된다. 상기 제어부(150)는 피드백 루프를 통하여 상기 오차 DC 성분을 제거한다.
상기 제어부(150)는 상기 광전 소자의 출력 전류와 상기 목표 DC 전류의 전류 차이를 전압 신호로 변경하는 전류-전압 변환기(151); 상기 전류-전압 변환기(151)의 출력 신호의 부호를 변경하여 출력하는 인버터 증폭기(152); 및 상기 인버터 증폭기의 출력 신호를 적분하는 출력하는 적분기(153);를 포함한다. 상기 바이어스 광원 구동부(160)는 상기 적분기의 출력 신호인 바이어스 전원 제어 신호(CTRL_V))에 비례하는 구동 전류를 상기 바이어스 광원(120)에 제공한다.
상기 전류-전압 변환기(151)는 상기 광전 소자의 출력 전류와 상기 목표 DC 전류의 전류 차이를 전압 신호로 변경하고 증폭한다. 상기 전류-전압 변환기는 반전 트랜스 임피던스 증폭기(inverting trans-impedance amplifier)일 수 있다. 상기 전류-전압 변환기(151)는 전단 증폭기(pre-amplifer)로 기능하고, 상기 전류-전압 변환기의 이득은 105 ~ 106 수준일 수 있다. 상기 광전 소자의 교류 신호 성분은 1 μA 수준인 경우, 수백 mV 내지 수 V 수준의 전압 신호로 증폭될 수 있다.
전류 싱크(140)를 흐르는 전류는 정밀한 전류원으로 설정된 목표 DC 전류를 흐르도록 설정된다. 상기 전류 싱크(140)의 전류 안정도는 1/100,000 이하일 수 있다.
상기 바이어스 광원이 소등상태에서 동작을 시작한 경우, 상기 바이어스 광원의 광출력은 점차 증가하므로, 상기 광전 소자의 광전류의 크기는 상기 전류 싱크의 목표 DC 전류보다 작다. 따라서, 전류싱크의 전류값의 부호를 음으로 설정하면 전류-전압 변환기(151)로 들어오는 알짜 전류는 음의 값을 가지게 되고, 상기 오차 DC 성분은 양의 값을 가질 수 있다. 상기 오차 DC 성분의 부호를 변경하기 위하여, 상기 전류-전압 변환기의 출력단에 인버터(inverter)로 동작하는 반전 증폭기(inverting amplifier)가 배치된다. 상기 반전 증폭기(inverting amplifier)의 이득은 0.1 내지 10 수준으로 설정된다.
상기 전류-전압 변환기(151)는 연산증폭기(OP3)를 포함할 수 있다. 상기 연산 증폭기(OP3)의 양의 입력은 접지되고, 상기 연산 증폭기(OP3)의 음의 입력은 서로 병렬 연결된 축전기(C2)와 저항(R5)을 통하여 상기 연산 증폭기(OP3)의 출력에 연결될 수 있다.
인버터 증폭기(152)는 입력 신호의 부호를 변경하도록 동작하는 연산 증폭기(OP4)를 포함하고, 상기 연산 증폭기(OP4)는 상기 전류-전압 변환기(151)의 출력을 저항(R6)을 통하여 음의 입력으로 제공받는다. 상기 연산 증폭기(OP4)의 양의 입력은 접지된다. 상기 연산 증폭기(OP4)의 음의 입력은 저항(R7)을 통하여 상기 연산 증폭기(OP4)의 출력에 연결된다,
상기 연산 증폭기(OP4)의 출력은 교류 신호 성분 및 오차 DC 성분을 가지고 있으며, 상기 연산 증폭기(OP4)의 출력은 분기되어 신호 추출을 위하여 록인 증폭기(170)와 제어신호 생성을 위하여 적분기(153)에 각각 제공될 수 있다.
상기 적분기(153)는 능동 증폭기를 이용한 반전증폭기 형태로 연산증폭기로 구현될 수 있다. 상기 적분기(153)의 입력 신호 중에서 교류 신호 성분은 적분에 의하여 제거되고, 오차 DC 성분은 시간에 따라 적분되어 바이어스 광원 제어 신호(CTRL_V)를 제공한다. 상기 적분기(153)의 RC 시간은 통상적으로 수백 초로 설정될 수 있다. 구체적으로 적분기의 입력 저항은 수십 ~ 수백 MOhm 수준으로 설정되고, 상기 적분기의 피드백 축전기(C1)의 정전용량은 수 μF 내외로 설정될 수 있다. 이에 따라, 상기 적분기(153)는 오차 DC 성분을 적분하여 바이어스 광원 제어 신호를 출력한다. 상기 적분기는 연산 증폭기(OP2)를 포함할 수 있다. 상기 연산 증폭기(OP2)의 음의 입력은 저항(R4)을 통하여 인버터 증폭기(152)의 출력에 연결된다. 또한, 상기 연산 증폭기(OP2)의 음의 입력은 피드백 축전기(C1)를 통하여 연산 증폭기(OP2)의 출력에 연결된다. 상기 연산 증폭기(OP2)의 양의 입력은 접지된다.
상기 바이어스 광원 제어 신호(CTRL_V)는 바이어스 광원 구동부(160)에 제공된다. 상기 바이어스 광원 구동부(160)는 전압으로 제어되는 전류원(voltage controlled current source)일 수 있다. 구체적으로, 상기 바이어스 광원 구동부(160)는 연산 증폭기(OP1)와 NMOS FET(M1)를 포함할 수 있다. 상기 연산 증폭기(OP1)의 양의 입력은 저항(R3)을 통하여 적분기(153)의 출력단에 연결될 수 있다. 또한, 상기 연산 증폭기(OP1)의 양의 입력은 다른 저항(R3)을 통하여 접지로 연결될 수 있다. 상기 연산 증폭기(OP1)의 음의 입력은 NMOS FET(M1)의 소스(source)에 연결되고, 상기 NMOS FET(M1)의 소스는 저항(R1)을 통하여 접지될 수 있다. NMOS FET(M1)의 게이트(gate)는 상기 비반전 증폭기(OP1)의 출력단에 연결될 수 있다. NMOS FET(M1)의 드레인(drain)은 상기 바이어스 광원(120)에 연결될 수 있다.
상기 바이어스 광원 구동부(160)는 상기 바이어스 광원을 구동하는 구동 전류(i_BS)를 제공할 수 있다. 상기 바이어스 광원 구동부(160)는 높은 동작 전압과 낮은 동작 전류를 가지고 바이어스 광원(120)을 동작시킬 수 있다. 상기 바이어스 광원(120)의 동작 전압은 수 볼트 내지 수십 볼트일 수 있다. 상기 동작 전류는 수 mA 내지 수백 mA일 수 있다.
상기 전류 싱크(140)는 상기 광전 소자(130)에 단락 출력 전류값 수준의 목표 DC 전류를 제공할 수 있다. 상기 전류 싱크(140)는 연산 증폭기(OP5)와 NMOS FET(M2)를 포함할 수 있다. 상기 연산 증폭기(OP5)의 양의 입력은 3 갈래로 분기되고, 하나는 저항(R10)을 통하여 접지에 연결되고, 다른 하나는 축전기(C3)를 통하여 접지되고, 또 다른 하나는 가변 저항(R9)을 통하여 음극 전원(Vee)에 연결된다. 상기 연산 증폭기(OP5)의 음의 입력은 NMOS FET(M2)의 소스(source)에 연결되고, 상기 NMOS FET(M2)의 소스는 저항(R8)을 통하여 음극 전원(Vee)에 연결된다. NMOS FET(M2)의 게이트(gate)는 상기 연산 증폭기(OP5)의 출력단에 연결될 수 있다. NMOS FET(M2)의 드레인(drain)은 상기 광전 소자(130)의 일단 및 전류-전압 변환기(151)의 입력단에 연결될 수 있다. 상기 광전 소자의 타단은 접지될 수 있다.
상기 광전 소자(130)는 태양전지일 수 있으나 태양전지에 한하지 않고 광전류를 생성할 수 있는 소자일 수 있다. 상기 광전 소자는 포토다이오드 또는 태양전지일 수 있다.
상기 프로브 광원(110)은 넓은 스펙트럼 영역을 가지는 광대역 광원(111); 상기 광대역 광원의 출력을 소정의 강도 변조 주파수로 강도 변조하는 강도 변조부(112); 상기 강도 변조된 광을 파장에 따라 분광하여 단색광을 출력하는 분광부(113); 상기 단색광을 2 개의 경로로 분리하는 빔분리기(114); 및 상기 분리된 빔 중에서 하나의 경로에 배치된 기준 광검출기(115)를 포함할 수 있다. 상기 빔분리기(114)로부터 상기 분리된 빔 중에서 다른 하나는 상기 광전 소자(130)에 상기 단색 프로브 광으로 제공될 수 있다.
상기 광대역 광원(111)은 텅스텐 램프 또는 제논 램프일 수 있다. 상기 광대역 광원은 300 nm ~ 1100 nm 범위의 연속 또는 불연속 스펙트럼을 제공할 수 있다.
상기 강도 변조부(112)는 상기 광대역 광원의 출력을 소정의 강도 변조 주파수(fm)로 변조할 수 있다. 상기 강도 변조부(112)는 기계식 쵸퍼와 쵸퍼 제어부를 포함할 수 있다. 상기 강도 변조부(112)와 상기 광대역 광원(111)은 일체화되어 강도 변조 주파수를 가지고 사각파 형태의 광출력을 제공할 수 있다. 강도 변조 주파수(fm)는 2 Hz 내지 150 Hz 범위가 바람직할 수 있다.
상기 분광부(113)는 상기 광대역 광원의 출력광을 파장에 따라 분광하여 선택된 단색광을 출력할 수 있다. 상기 분광부(113)는 그레이팅 방식, 프리즘 방식, 또는 필터 방식일 사용할 수 있다. 빔분리기(114)는 박판 빔분리(plate beam splitter) 또는 큐브 빔분리기(cube beam splitter)일 수 있다. 광검출기(115)는 실리콘 포토다이오드일 수 있다.
상기 바이어스 광원(120)은 광대역 광원일 수 있다. 구체적으로, 상기 바이어스 광원은 서로 직렬 연결된 복수의 발광다이오드(LED)를 포함할 수 있다. 상기 발광 다이오드는 적외선, 적색, 황색, 녹색, 청색, 백색 LED 이거나 이들의 조합 일 수 있다. 상기 바이어스 광원은 서로 직렬 연결된 복수의 유기발광다이오드(OLED)를 포함할 수 있다.
상기 인버터 증폭기(152)의 출력은 상기 강도 변조 주파수 성분의 신호를 포함한다. 상기 강도 변조 주파수 성분 신호는 록인 증폭기(170)에 의하여 복조(demodulation)된다. 이에 따라, 록인 증폭기(170)는 복조하여 상기 강도 변조 주파수 성분을 출력한다. 상기 강도 변조 주파수 성분은 분광감응도 도함수에 비례한다. 상기 록인 증폭기(170)는 강도 변조 주파수 기준 신호(REF)를 초퍼로부터 제공받을 수 있다.
볼트미터(182)는 상기 록인 증폭기(170)의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하고 샘플링한다. 상기 볼트미터(182)는 디지털 신호 형태의 상기 강도 변조 주파수 성분을 보조 제어부(181)에 전달한다. 상기 보조 제어부(181)는 소정의 연산을 수행하여 분광 감응도 도함수를 산출한다.
한편, 단색 프로브 광의 일부는 상기 빔분리기(114)를 통하여 기준 광검출기(115)로 측정된다. 상기 기준 광검출기(115)는 포토다이오드일 수 있다. 상기 기준 광검출기(115)는 단색 프로브 광의 복사 선속(ΔΦ)을 검출할 수 있다. 상기 단색 프로브 광의 광출력은 충분히 낮아서, 상기 기준 광검출기(115)는 μA 수준의 광전류를 출력할 수 있다. 또한, DC 광전류 성분이 없으므로, 기준 전류-전압 변환기(183)는 교류 전류 신호를 교류 전압 신호로 변환할 수 있다. 상기 기준 전류-전압 변환기(183)는 앞에서 설명한 전류-전압 변환기(151)와 동일할 수 있다. 상기 기준 광검출기(115)은 이미 교정되어 있다.
상기 기준 전류-전압 변환기의 출력 신호는 보조 록인 증폭기(184)에 제공되고, 강도 변조 구동 주파수 성분을 추출할 수 있다. 상기 보조 록인 증폭기(184)의 출력 신호는 보조 볼트미터(185)에 의하여 디지털 신호로 변환되어 보조 제어부(181)에 제공될 수 있다.
상기 보조 제어부(181)는 바이어스 광의 복사선속을 변경하기 위하여 전류 싱크에 제어 신호(CTRL_CS)를 제공하고 전류를 순차적으로 변경할 수 있다. 또한, 상기 보조 제어부는 단색광의 파장을 변경하기 위하여 제어신호(CTRL_PRO)를 제공하고 파장을 순차적으로 변경할 수 있다.
상기 보조 제어부(181)는 분광감응도 도함수를 측정한 뒤 임의의 스펙트럼 S(λ)에 대해, 수학식 2 내지 4의 동작을 수행하여 임의의 스펙트럼 S(λ)의 조명 하에서 광전소자의 발전효율 즉, 감응도 (단위: A/W)를 산출할 수 있다.
다시, 도 4 및 도 5를 참조하면, 분광 감응도 측정 방법은 소정의 강도 변조 주파수(fm)로 강도가 온/오프(on/off)로 변조되는 단색 프로브 광을 광전 소자(130)에 제공하는 단계; 상기 프로브 광의 복사선속보다 큰 복사 선속을 가지고 넓은 스펙트럼영역을 가지는 바이어스 광을 상기 광전 소자(130)에 제공하는 단계; 상기 단색 프로브 광과 상기 바이어스 광을 제공받은 상기 광전 소자(130)는 광전류를 생성하고, 상기 광전류와 전류 싱크(140)의 설정된 목표 DC 전류의 전류 차이를 제공받아 상기 전류 차이를 제거하도록 바이어스 광원 구동부(160)를 제어하는 단계; 상기 바이어스 광원 구동부(160)의 구동 전류를 바이어스 광원(120)에 제공하여 상기 바이어스 광을 생성하는 단계; 및 상기 광전류와 상기 전류 싱크(140)의 설정된 목표 DC 전류의 전류 차이에서 상기 강도 변조 주파수 성분을 추출하는 단계를 포함한다. 상기 강도 변조 주파수 성분은 분광 감응도 도함수를 제공한다. 파장 및 바이어스 복사 선속에 따른 분광 감응도 도함수를 추출하기 위하여, 상기 단색 프로브 광의 파장을 변경하고 상기 목표 DC 전류를 변경할 수 있다.
이에 따라, 수학식 2 내지 4에 따라, 임의의 스펙트럼 하에서 상기 광전소자의 감응도를 산출할 수 있게 된다.
상기 전류 차이를 제거하도록 상기 바이어스 광원 구동부를 제어하는 단계는 비례 제어, 적분 제어, 비례-적분 제어, 또는 비례-적분-미분 제어 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 적분 제어가 사용될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
110: 프로브 광원
120: 바이어스 광원
130: 광전 소자
140: 전류 싱크
150: 제어부
160: 바이어스 광원 구동부

Claims (9)

  1. 소정의 강도 변조 주파수를 가지고 강도 변조된 단색 프로브 광을 광전 소자에 제공하는 프로브 광원;
    상기 프로브 광의 복사선속보다 큰 복사 선속을 가지고 넓은 스펙트럼영역을 가지는 바이어스 광을 상기 광전 소자에 제공하는 바이어스 광원;
    상기 바이어스 광원에 전류를 제공하여 동작시키는 바이어스 광원 구동부;
    상기 광전 소자의 출력단에 연결되어 소정의 목표 DC 전류를 제공하는 전류 싱크; 및
    상기 광전 소자의 출력단 및 상기 전류 싱크에 공통으로 연결되고, 상기 광전 소자의 출력 전류와 상기 목표 DC 전류의 전류 차이를 제공받아, 상기 전류 차이를 제거하도록 상기 바이어스 광원 구동부를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는:
    상기 광전 소자의 출력 전류와 상기 목표 DC 전류의 전류 차이를 전압 신호로 변경하는 전류-전압 변환기;
    상기 전류-전압 변환기의 출력 신호의 부호를 변경하여 출력하는 인버터 증폭기; 및
    상기 인버터 증폭기의 출력 신호를 적분하는 출력하는 적분기;를 포함하고,
    상기 바이어스 광원 구동부는 상기 적분기의 출력 신호에 비례하는 구동 전류를 상기 바이어스 광원에 제공하고,
    상기 전류-전압 변환기의 출력 신호 또는 상기 인버터 증폭기의 출력 신호에서 강도 변조 주파수 성분을 추출하는 록인 증폭기; 및
    상기 록인 증폭기의 출력 신호를 처리하는 보조 제어부를 더 포함하고,
    상기 보조 제어부는 상기 전류 싱크의 DC 목표 전류를 변경하도록 DC 목표 전류 제어 신호를 제공하고,
    상기 보조 제어부는 상기 단색 프로브 광의 파장을 변경하도록 파장 변경 제어 신호를 상기 프로브 광원에 제공하는 것을 특징으로 하는 분광감응도 도함수 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 바이어스 광원은 직렬 연결된 LED인 것을 특징으로 하는 분광감응도 도함수 측정 장치.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 프로브 광원은:
    넓은 스펙트럼 영역을 가지는 광대역 광원;
    상기 광대역 광원의 출력을 소정의 강도 변조 주파수로 강도 변조하는 강도 변조부;
    상기 강도 변조된 광을 파장에 따라 분광하여 단색광을 출력하는 분광부;
    상기 단색광을 2 개의 경로로 분리하는 빔분리기; 및
    상기 분리된 빔 중에서 하나의 경로에 배치된 기준 광검출기를 포함하고,
    상기 빔분리기로부터 상기 분리된 빔 중에서 다른 하나는 상기 광전 소자에 상기 단색 프로브 광으로 제공되는 것을 특징으로 하는 분광감응도 도함수 측정 장치.
  6. 삭제
  7. 소정의 강도 변조 주파수로 강도가 온/오프로 변조되는 단색 프로브 광을 광전 소자에 제공하는 단계;
    상기 프로브 광의 복사선속보다 큰 복사 선속을 가지고 넓은 스펙트럼영역을 가지는 바이어스 광을 상기 광전 소자에 제공하는 단계;
    상기 단색 프로브 광과 상기 바이어스 광을 제공받은 상기 광전 소자는 광전류를 생성하고, 상기 광전류와 전류 싱크의 설정된 목표 DC 전류의 전류 차이를 제공받아 상기 전류 차이를 제거하도록 바이어스 광원 구동부를 제어하는 단계;
    상기 바이어스 광원 구동부의 구동 전류를 바이어스 광원에 제공하여 상기 바이어스 광을 생성하는 단계 ; 및
    상기 광전류와 상기 전류 싱크의 설정된 목표 DC 전류의 전류 차이에서 상기 강도 변조 주파수 성분을 추출하는 단계를 포함하고,
    상기 단색 프로브 광의 파장을 변경하는 단계; 및
    상기 목표 DC 전류를 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분광감응도 도함수 측정 방법.
  8. 삭제
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 전류 차이를 제거하도록 상기 바이어스 광원 구동부를 제어하는 단계는 비례 제어, 적분 제어, 비례-적분 제어, 또는 비례-적분-미분 제어 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광감응도 도함수 측정 방법.
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