KR102237741B1 - 실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 시스템 - Google Patents

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서유경
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Abstract

본 발명은 전기 신호 인가부, 휘도 전기 신호 측정부, 전기 응답 신호 측정부, 광학적 잡음 특성 획득부, 임피던스 특성 획득부, 및 전기적 잡음 특성 획득부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 시스템 및 방법의 일 실시예를 제공할 수 있다.

Description

실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 시스템{Simultaneous Measurement System of Luminance, Impedance, and Noise Characteristics of Light Emitting Devices in real time}
본 발명은 실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
도 1(a) 내지 도 1(c)는 발광 소자의 임피던스, 전기적 잡음 및 휘도를 각각 별개로 측정하는 종래의 방식의 개략도를 도시한 것이다. 도 2(a)는 주파수(f1)의 교류 신호가 인가된 발광 소자에서 출력된 교류 신호의 전력을 도시한 것이며, 도 2(b)는 주파수(f2)의 교류 신호가 인가된 발광 소자에서 출력된 교류 신호의 전력을 도시한 것이며, 도 2(c)는 직류 신호가 인가된 발광 소자에서 출력된 직류 신호의 전력을 도시한 것이다.
종래에 소자의 전기적 특성을 측정하는 방법으로는 외부에서 인가한 전압이나 전류에 따라 소자의 전기적 상태가 어떻게 변하는지를 관찰함으로써 파악하였다. 예를 들어, 3차원 벌크(bulk) 및 2차원 (film) 반도체에 간단한 직류(DC) 신호를 인가하여 측정함으로써 옴의 법칙(Ohm`s Law)를 이용하여 저항을 측정 할 수 있다.
하지만, 인가된 직류 신호가 소자의 출력단에서 측정될 때 전체 저항을 채널 저항으로 볼 때, 소자의 크기가 작아질수록 소자 저항이 채널 저항에서 차지하는 비중이 상대적으로 작아지며, 접촉 저항이 채널 저항에서 차지하는 비중이 상대적으로 커진다. 소자의 크기가 작아지면서, 소자의 특성이 접촉 저항이나 외부 환경에 의해 크게 영향을 받게 된다. 소자의 크기가 작아질 수록 소자의 전기적 성질은 접촉 저항에 의해 결정될 수 있다. 이는 직류 신호를 인가하여 소자의 전기적 특성을 측정하더라도 정확한 소자의 전기적 특성을 측정할 수 없게 된다.
도 1(a)를 참조하면, 종래에 소자의 임피던스를 측정하는 방법으로 일정한 한 개 주파수의 교류 신호를 인가하고, 주파수 응답 분석기(FRA)와 같은 위상 감지 장치로 스펙트럼을 측정하는 방법이 많이 사용된다. 도 2(a) 및 도 2(b)와 같이 발광 소자에 순차적으로 일정한 주파수(f1)을 가지는 교류신호를 인가하여 전력 스펙트럼을 측정하고, 이후에 다시 일정한 주파수(f2)를 가지는 교류신호를 인가하여 전력 스펙트럼을 측정하는 방법이 주로 이용되었다.
그러나, 이와 같은 측정 방법은 신호 발생 장치 및 위상 감지 장치 등과 같은 고가의 장치를 사용해야 하고, 복수의 주파수에 대해 각각의 주파수를 순차적으로 인가하여 측정을 진행하므로 측정에 소요되는 시간이 길어지는 문제점을 가진다.
도 1(b) 및 도 2(c)를 참조하면, 종래에는 소자의 전기적 잡음 특성은 일정한 크기의 직류 신호를 소자에 인가하고, 소자로부터 전기 응답 신호를 측정하며, 전기 응답 신호의 전기적 잡음 전력 크기를 획득함으로써 얻을 수 있었다.
도 1(c)를 참조하면, 종래에는 발광 소자와 같은 물질의 광학적 잡음 특성은 직류 신호를 인가한 경우 발광 소자에서 생성된 광의 휘도를 검출함으로써 휘도 전기 신호를 측정하고, 휘도 전기 신호의 광학적 잡음 전력 크기를 획득함으로써 얻을 수 있었다.
그러나, 종래의 방법은 임피던스 측정과 전기적 잡음 측정과, 광학적 잡음 측정을 각각 별개로 수행하였다. 임피던스, 전기적 잡음, 광학적 잡음을 측정하기 위해서 각각 별개의 측정 장비를 사용하였으며, 이로 인해 많은 비용과 많은 측정 소요 시간이 필요했다.
나아가, 종래의 방법과 같이, 동일한 소자의 임피던스, 전기적 잡음, 광학적 잡음을 각각 별개로 측정하기 위해서는 동일한 소자에 여러 번 전기 신호를 인가해야 했다. 발광 소자와 같은 소자는 매우 민감한 물질이기 때문에 주위 환경과 시간에 따라 변할 수 있으며 시간과 장소에 따라 물질의 전기적 특성이 변할 수 있으며, 여러 번의 전기 신호를 인가함으로써 소자의 스트레스가 가중되며, 소자 변형의 여지가 있었으며, 소자의 전기적 충격으로 파괴 위험성도 높았다.
또한, 소자에 여러 번 인가된 전기 신호에 의해서 측정된 값들은 초기 측정 값과 후기 측정된 값이 동일한 소자에 의한 측정 값인 것을 담보할 수 없는 문제도 발생하였다.
일본 등록특허공보 제2802322호 (임피던스 측정 장치)
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전기적으로 민감한 소자에 적은 시간을 들여 정확한 임피던스 특성 및 전기적/광학적 잡음 특성을 측정하는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 종래에 소자의 임피던스를 측정하고, 개별적인 실험 측정으로 소자의 전기적 잡음을 측정하고, 개별적인 실험으로 광학적 잡음을 측정함으로써, 각각의 실험을 위해 비싼 장비를 구입하는 비용과 많은 시간이 실험에 소요되는 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 DC 입력 신호에 기반한 IVL 측정 시스템에 Pulse 전압 신호를 함께 인가하여 주파수 의존 정보를 동시에 관측하여 발광 소자의 임피던스 및 전기적/광학적 잡음 실시간으로 동시에 측정을 할 수 있는 측정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 발광 소자의 전기적/광학적 잡음 측정시 발광 소자는 인가된 전기 신호에 대해서 내부 열화에 민감하게 반응하므로, 동시에 전기적/광학적 잡음 신호의 변화를 관찰함으로써 열화에 따른 발광 소자의 변화를 관찰하고 발광 소자의 열화 메커니즘을 이해하며, 발광 소자의 수명을 예측하는 표준을 제시하는 측정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예는, 다른 주파수를 가지는 복수의 신호들로 이뤄진 주기 신호를 서로 다른 주기를 가지도록 적어도 한 개 이상으로 중첩한 인가 교류 신호와 인가 직류 신호가 합성된 전기 신호를 발광 소자에 인가하는 전기 신호 인가부; 상기 인가된 전기 신호에 의해 상기 발광 소자로부터 발생한 광의 휘도를 센싱하고, 센싱된 광의 휘도에 대한 휘도 전기 신호를 측정하는 휘도 전기 신호 측정부; 상기 휘도 전기 신호 측정부와 동시에 상기 인가된 전기 신호에 의해서 상기 발광 소자로부터 발생한 전기 응답 신호를 측정하는 전기 응답 신호 측정부; 주파수 영역에서 상기 휘도 전기 신호의 제1 휘도 주파수 범위에 대해 상기 휘도 전기 신호의 전력을 획득하고, 상기 휘도 전기 신호의 전력 중 상기 인가 직류 신호로 인해 발생하는 상기 휘도 전기 신호의 전력에 기초하여 광학적 잡음 특성을 획득하는 광학적 잡음 특성 획득부; 주파수 영역에서 상기 전기 응답 신호의 제1 임피던스 주파수 범위에 대해 상기 전기 응답 신호의 전력을 획득하고, 상기 인가 교류 신호에 대한 주파수, 상기 전기 응답 신호에 대한 전력 및 주파수, 및 상기 인가 교류 신호와 상기 전기 응답 신호의 위상차에 기초하여 상기 발광 소자의 임피던스 특성을 획득하는 임피던스 특성 획득부; 및 주파수 영역에서 상기 전기 응답 신호의 제1 전기적 잡음 주파수 범위에 대해 상기 전기 응답 신호의 전력을 획득하고, 상기 전기 응답 신호의 전력 중 상기 인가 직류 신호로 인해 발생하는 상기 전기 응답 신호의 전력에 기초하여 전기적 잡음 특성을 획득하는 전기적 잡음 특성 획득부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 임피던스 특성 획득부는 상기 전기 응답 신호의 전력의 크기가 제1 임계값 보다 큰 경우의 적어도 하나의 주파수를 선택하고, 상기 선택된 적어도 하나의 주파수에 대한 상기 전기 응답 신호를 이용하여 상기 발광 소자의 임피던스 특성을 획득하는 것을 특징으로 하는, 실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 임피던스 특성은 나이퀴스트 선도로 표현되는 것을 특징으로 하는, 실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에는, 다른 주파수를 가지는 복수의 신호들로 이뤄진 주기 신호를 서로 다른 주기를 가지도록 적어도 한 개 이상으로 중첩한 교류 신호와 직류 신호가 합성된 전기 신호를 발광 소자에 인가하는 단계; 상기 인가된 전기 신호에 의해 상기 발광 소자로부터 발생한 광의 휘도를 센싱하고, 센싱된 광의 휘도에 대한 휘도 전기 신호를 측정하는 단계; 상기 휘도 전기 신호 측정하는 단계와 동시에 상기 인가된 전기 신호에 의해서 상기 발광 소자로부터 발생한 전기 응답 신호를 측정하는 단계; 주파수 영역에서 상기 휘도 전기 신호의 제1 휘도 주파수 범위에 대해 상기 휘도 전기 신호의 전력을 획득하고, 상기 휘도 전기 신호의 전력 중 상기 직류 신호로 인해 발생하는 상기 휘도 전기 신호의 전력에 기초하여 광학적 잡음 특성을 획득하는 단계; 주파수 영역에서 상기 전기 응답 신호의 제1 임피던스 주파수 범위에 대해 상기 전기 응답 신호의 전력을 획득하고, 상기 교류 신호에 대한 복수의 주파수, 상기 전기 응답 신호에 대한 전력 및 주파수, 및 상기 교류 신호와 상기 전기 응답 신호의 위상차에 기초하여 상기 발광 소자의 임피던스 특성을 획득하는 단계; 및 주파수 영역에서 상기 전기 응답 신호의 제1 전기적 잡음 주파수 범위에 대해 상기 전기 응답 신호의 전력을 획득하고, 상기 전기 응답 신호의 전력 중 상기 직류 신호로 인해 발생하는 상기 전기 응답 신호의 전력에 기초하여 전기적 잡음 특성을 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전기 응답 신호의 전력의 크기가 제1 임계값 보다 큰 경우의 적어도 하나의 주파수를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 적어도 하나의 주파수에 대한 상기 전기 응답 신호를 이용하여 상기 발광 소자의 임피던스 특성을 획득하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 임피던스 특성은 나이퀴스트 선도로 표현되는 것을 특징으로 하는, 실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 상술한 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 매체을 제공할 수 있다.
본 발명은 발광 소자와 같이 주위 환경과 시간에 따라 매우 민감한 소자의 광학적/전기적 특성을 동시에 측정할 수 있는 측정 시스템 및 방법을 제공하는 효과를 가진다.
본 발명은 수회 전기 신호를 인가함으로써 전기적으로 파괴 위험성이 큰 발광 소자에 대해 전기적 충격을 최소화하는 측정 시스템 및 방법을 제공하는 효과를 가진다.
본 발명은 발광 소자의 임피던스 및 잡음 특성을 측정하기 위하여 투입되는 많은 비용 및 실험에 소요되는 시간을 절약하는 효과를 가진다.
본 발명은 동시에 여러 주파수가 합쳐진 신호를 인가하고, 출력 값에 대한 푸리에(Fourier) 변환을 통해 동시에 여러 주파수의 정보를 얻을 수 있으므로, 각 주파수의 신호를 개별적으로 입력함으로써 발광 소자의 상태 변화로 인한 오차를 최소화하는 효과를 가진다.
본 발명은 DAQ(Data acquisition)와 신호증폭기를 이용하여 실시간으로 발광 소자의 임피던스와 잡음을 동시에 측정하는 효과를 가진다.
본 발명은 DAQ와 신호증폭기를 이용하여 간단하고 가벼워 휴대가 가능한 임피던스 및 잡음 측정을 위한 시스템을 제공하는 효과를 가진다.
본 발명은 발광 소자의 열화에 따른 완화(relaxation) 주파수 변화를 실시간으로 관측하는 시스템을 제공하는 효과를 가진다.
본 발명은 발광 소자의 전기적 데이터와 광학적 데이터를 동시에 측정하므로 양자의 데이터 사이의 상관 관계를 보장할 수 있다.
도 1(a) 내지 도 1(c)는 종래에 발광 소자의 임피던스, 전기적 잡음 및 휘도를 각각 별개로 측정하는 방식의 개략도를 도시한 것이다.
도 2(a)는 주파수(f1)의 교류 신호가 인가된 발광 소자에서 출력된 교류 신호의 전력을 도시한 것이며, 도 2(b)는 주파수(f2)의 교류 신호가 인가된 발광 소자에서 출력된 교류 신호의 전력을 도시한 것이며, 도 2(c)는 직류 신호가 인가된 발광 소자에서 출력된 직류 신호의 전력을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 시스템(100)의 일 실시예의 개략적인 블록도 이다.
도 4는 도 3의 시스템의 실제 구현 예를 도시한 개략적인 블록도 이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 발광 소자에 인가된 전기 신호와 측정된 전기 응답 신호, 그리고 광센서에 의해서 측정된 휘도의 전기 신호에 대한 개략적인 블록도 및 그래프 이다.
도 6(a) 내지 도 6(c)는 발광 소자에 인가된 전기 신호에 따른 전력 스펙트럼의 개략적인 그래프 이다.
도 7(a) 내지 도 7(c)는 발광 소자에 대한 광학적/전기적 전류 잡음의 전력 스펙트럼의 개략적인 그래프 및 병렬 RC 회로의 직렬 연결 회로에 대한 나이퀴스트 선도의 개략적인 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 방법의 일 실시예의 개략적인 흐름도 이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1구성 요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 시스템(100)의 일 실시예의 개략적인 블록도 이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 실시간으로 발광 소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 시스템(100)은 전기 신호 인가부(110), 휘도 전기 신호 측정부(120), 전기 응답 신호 측정부(130), 광학적 잡음 특성 획득부(140), 임피던스 특성 획득부(150), 및 전기적 잡음 특성 획득부(160)를 포함할 수 있다.
전기 신호 인가부(110)는 인가 교류 신호(input ac signal)와 인가 직류 신호(input dc signal)가 합성된 전기 신호(input signal)를 발광 소자(230)에 인가한다. 전기 신호 인가부(110)는 인가 교류 신호와 인가 직류 신호를 개별적으로 순차적으로 발광 소자(230)에 인가하는 것이 아니라, 인가 교류 신호 및 인가 직류 신호를 함께 동시에 발광 소자(230)에 인가한다.
인가 교류 신호와 인가 직류 신호가 합성된 전기 신호는 미리 합쳐진 형태로 인가될 수 있고, 인가 교류 신호의 복수 주파수는 시스템이나 사용자에 의해서 설정된 주파수들로 설정될 수 있다. 인가 교류 신호와 인가 직류 신호가 합성된 전기 신호는 전압 신호 또는 전류 신호로 인가될 수 있으나, 전압 신호를 인가하는 것이 바람직하다.
인가 교류 신호(input ac signal)는 기본 주파수(F)를 가지는 특정한 파형의 주기 함수인 메인 교류 신호를 1개로만 구성할 수 있다.
또는, 인가 교류 신호(input ac signal)는 동일한 파형을 가지되 서로 다른 기본 주파수(F)를 가지는 적어도 2개 이상의 메인 교류 신호들의 중첩된 신호일 수 있다. 예를 들어, 인가 교류 신호는 제1 기본 주파수(F1)를 가지는 제1 메인 교류 신호와 제2 기본 주파수(F2)를 가지는 제2 메인 교류 신호, 제3 기본 주파수(F3)를 가지는 제3 메인 교류 신호를 중첩한 신호일 수 있다. 메인 교류 신호의 개수는 필요에 따라서 늘리거나 줄일 수 있다.
서로 다른 메인 교류 신호의 기본 주파수들은 임의로 설정된 값을 가질 수 있다. 또는 서로 다른 메인 교류 신호의 기본 주파수들은 서로 배수 관계를 가질 수 있다. 예를 들어, F2는 F1의 2배, F3은 F1의 3배로 이뤄질 수 있다.
메인 교류 신호는 사각 구형파(Pulse), 직사각형 구형파, 삼각파, 톱니파 등의 파형을 가지는 신호일 수 있으며, 이에 한정될 것은 아니며 주기를 가지는 주기 신호라면 어떠한 파형이라도 메인 교류 신호가 될 수 있다.
메인 교류 신호가 사각 구형파(Pulse)인 경우 서로 다른 기본 주파수를 가지는 복수개의 사각 구형파를 중첩함으로써, 인가 교류 신호를 생성할 수 있다.
메인 교류 신호는 서로 다른 서브 주파수(f)를 가지는 적어도 2개 이상의 서브 교류 신호들의 중첩된 신호일 수 있다. 예를 들어, 메인 교류 신호는 제1 서브 주파수(f1)를 가지는 제1 서브 교류 신호와 제2 서브 주파수(f2)를 가지는 제2 서브 교류 신호, 제3 기본 주파수(f3)를 가지는 제3 서브 교류 신호를 중첩한 신호 일 수 있다. 서브 교류 신호의 개수는 필요에 따라서 늘리거나 줄일 수 있다.
서로 다른 서브 교류 신호의 서브 주파수들은 임의로 설정된 값을 가질 수 있다. 또는 서로 다른 서브 교류 신호의 서브 주파수들은 서로 배수 관계를 가질 수 있다. 예를 들어, f2는 f1의 2배, f3은 f1의 3배로 이뤄질 수 있다.
서브 교류 신호는 정현파 등의 파형을 가지는 신호일 수 있으며, 이에 한정될 것은 아니며 주기를 가지는 주기 신호라면 어떠한 파형이라도 서브 교류 신호가 될 수 있다. 메인 교류 신호가 사각 구형파(Pulse)인 경우 서로 다른 주파수를 가지는 복수개의 정현파를 중첩함으로써 메인 교류 신호를 생성할 수 있다.
휘도 전기 신호 측정부(120)는 인가된 전기 신호에 의해 발광 소자(230)로부터 발생한 광의 휘도를 센싱하고, 측정된 광의 휘도는 휘도 전기 신호로 측정될 수 있다. 휘도 전기 신호는 전류 신호 또는 전압 신호일 수 있으나, 본 발명에서는 전류 신호인 것이 바람직하다.
여기서, 광이란 빛이라고도 하며, 사람의 눈으로 들어와 시각 신호를 만들어낼 수 있는 전자기파로서 파장 범위가 대략 400-700 nm인 것이며, 가시광(visible light)이라고도 한다. 광의 더 넓은 뜻으로는 가시광에 파장이 더 긴 적외선과 파장이 더 짧은 자외선까지 포함한 전자기파를 뜻하기도 하며, 광학에서는 광파(optical wave)라고 한다. 광의 아주 넓은 뜻으로는 전자기파 전체(라디오파, 극초단파, 적외선, 가시광, 자외선, 엑스선, 감마선)를 뜻하기도 한다.
광의 휘도란 발광 소자(230)의 단위 면적당 밝기로서, 발광 소자(230)로부터 빛에 반사된 물체가 단위 면적당 밝게 보이는 정보를 의미한다. 휘도의 단위는 cd/m2 또는 nit으로 정의된다.
휘도 전기 신호 측정부(120)는 발광 소자(230)의 광의 휘도를 센싱하는 광센서(220)를 포함하며, 광센서(220)는 가시광선, 적외선, 자외선뿐만 아니라 전자기파 전체를 센싱할 수 있는 센서일 수 있다. 일 예로 광센서(220)는 포토다이오드일 수 있다. 광센서(220)로 센싱된 값은 휘도 전기 신호의 전류 값일 수 있다. 휘도 전기 신호는 직류 신호에 기초하여 생성된 부분과 교류 신호에 기초하여 생성된 부분의 중첩된 전류 신호 일 수 있다.
전기 응답 신호 측정부(130)는 발광 소자(230)에 인가된 전기 신호에 의해서 발광 소자(230)로부터 발생한 전기 응답 신호를 측정한다. 전기 응답 신호는 발광 소자(230)에 인가된 전기 신호에 대한 출력으로, 전류 신호 또는 전압 신호일 수 있으나 본 발명에서는 전류 신호인 것이 바람직하다.
전기 응답 신호 측정부(130)와 휘도 전기 신호 측정부(120)는 하나의 발광 소자(230)에 전기 신호가 인가된 경우 발광 소자(230)의 전기 응답 신호와 발광 소자(230)의 휘도를 동시에 측정한다. 다시 말해, 발광 소자(230)에 동시에 인가된 전기 신호를 이용하여 발광 소자(230)의 휘도 뿐만 아니라 동일한 발광 소자(230)의 응답 전류를 동시에 측정한다.
이로써, 휘도 및 전기 응답 신호를 개별적으로 순차적으로 측정하기 위해 발광 소자(230)에 인가되는 전기 신호의 인가 횟수를 줄일 수 있다.
발광 소자(230)와 같은 민감한 소자의 경우 전기 신호를 인가할수록 소자의 파괴 피로도가 올라가서 파괴될 가능성이 높으므로 가능한 전기 신호의 인가 횟수를 줄일 필요가 있다.
동시에 인가된 전기 신호에 의해서 동시에 측정된 발광 소자(230)의 휘도 및 전기 응답 신호를 이용하여 획득된 발광 소자의 전기적 특성과 광학적 특성 사이의 상관성이 보장 될 수 있다.
광학적 잡음 특성 획득부(140)는 휘도 전기 신호 측정부(120)에서 측정된 휘도 전기 신호를 이용하여 발광 소자(230)의 광학적 잡음 특성을 획득할 수 있다.
광학적 잡음 특성 획득부(140)는 측정된 휘도 전기 신호를 이용하여 휘도 전기 신호의 전력 스펙트럼을 획득할 수 있다. 전력 스펙트럼은 휘도 전기 신호의 전류 값에 대한 푸리에 변환을 통하여 주파수 영역에서 전력 값을 표현한 것으로, 전력 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density, PSD)라도 한다. 전력 스펙트럼의 단위는 A2/Hz 이다.
광학적 잡음 특성 획득부(140)는 휘도 전기 신호의 전력 스펙트럼에서 제1 휘도 주파수 범위에 대한 휘도 전기 신호의 전력을 획득하고, 휘도 전기 신호의 전력 중 직류 신호로 인해 발생하는 광학적 잡음 전력을 획득할 수 있다.
광학적 잡음 특성 획득부(140)는 주파수 영역에서 제1 휘도 주파수 범위 내의 휘도 전기 신호의 전력만을 사용함으로써, 불필요한 계산 증가를 막고 정확한 발광 소자(230)의 광학적 잡음 특성을 획득할 수 있다.
제1 휘도 주파수 범위는 시스템이나 사용자에 의해서 임의로 설정된 값일 수 있다. 제1 휘도 주파수 범위는 인가되는 전기 신호의 주파수 범위를 포함할 수 있다. 또한, 제1 휘도 주파수 범위는 후술할 제1 임피던스 주파수 범위와 다르게 설정될 수도 있으나, 일반적으로 동일하게 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 발광 소자(230)의 광학적 잡음 특성은 발광 소자(230)에 인가된 전기 신호 중에 직류 신호에 관련되므로, 휘도 전기 신호의 전력 스펙트럼에서 직류 신호에 관련된 부분에만 기초하여 광학적 잡음 특성을 획득될 수 있다.
구체적인 방법으로, 휘도 전기 신호의 전력 스펙트럼은 인가 교류 신호와 인가 직류 신호의 중첩된 휘도 전기 신호를 푸리에 변환한 것이므로, 주파수 영역에서 특정 주파수의 인가 교류 신호에 관련된 휘도 전기 신호의 전력은 일정한 크기 이상의 값을 가지고 인가 직류 신호에 관련된 휘도 전기 신호의 전력은 경향성을 가진다. 그러므로, 휘도 전기 신호의 전력 스펙트럼에서 특정한 주파수의 전력 크기가 소정 크기 이상인 경우 해당 특정 주파수를 제외하면, 인가 직류 신호에 관련된 휘도 전기 신호의 전력의 경향성이 결정될 수 있다.
광학적 잡음 특성은 주파수 영역에서 인가 직류 신호의 휘도 전기 신호가 가지는 전력 스펙트럼의 경향성을 이용하여 획득될 수 있다. 발광 소자에 인가된 전기 신호는 인가 교류 신호와 인가 직류 신호를 함께 가지고 있다. 그러므로, 광학적 잡음 특성 획득부(140)는 주파수 영역에서 휘도 전기 신호의 전력 스펙트럼 중 인가된 인가 교류 신호로 인해 발생하는 전력 스펙트럼을 제외하면, 인가 직류 신호로 인해 발생하는 전력 스펙트럼을 획득할 수 있고, 인가 직류 신호에 대한 전력 스펙트럼의 경향성을 이용하여 발광 소자(230)의 광학적 잡음 특성을 획득할 수 있다.
정리하면, 광학적 잡음 특성은 인가 직류 신호가 인가된 발광 소자로부터 휘도 전기 신호를 측정하고, 측정된 휘도 전기 신호에 대한 주파수 영역에서 휘도 전기 신호의 전력 스펙트럼의 전력의 크기를 획득함으로써 얻을 수 있다.
임피던스 특성 획득부(150)는 전기 응답 신호 측정부(130)에 의해서 측정된 전기 응답 신호를 이용하여 발광 소자(230)의 임피던스를 획득할 수 있다.
임피던스 특성 획득부(150)는 인가 교류 신호에 대한 주파수, 전기 응답 신호의 전력 및 주파수, 인가 교류 신호와 전기 응답 신호의 위상차를 이용하여 발광 소자의 등가 모델로 제시된 각각의 임피던스의 특성을 획득할 수 있다. 임피던스 특성 획득부(150)는 전기 응답 신호의 전력 크기가 제1 임계값 보다 큰 경우 해당 전기 응답 신호의 적어도 하나의 주파수를 선택하고, 선택된 적어도 하나의 주파수에 대한 전기 응답 신호를 이용하여 발광 소자(230)의 임피던스 특성을 획득할 수 있으며, 이때, 임피던스 특성은 나이퀴스트 선도로 표현될 수 있다.
측정된 전기 응답 신호의 모든 주파수가 사용되지 않으며, 제1 임피던스 주파수 범위 내에서 측정된 전기 응답 신호를 대상으로하며, 제1 임피던스 주파수 범위 내에서 측정된 전기 응답 신호의 전력 값이 제1 임계값 이상인 경우의 조건에 해당하는 전기 응답 신호의 주파수를 이용하여 발광 소자(230)의 임피던스 특성을 획득한다. 임피던스 특성은 조건에 해당하는 전기 응답 신호에 대한 나이퀴스트 선도를 획득함으로써, 잡음의 영향을 배제하고 보다 신속하게 획득될 수 있다.
제1 임피던스 주파수 범위는 시스템이나 사용자에 의해 미리 설정될 수 있으며, 인가된 전기 신호의 복수 주파수를 포함하는 범위이다.
제1 임계값은 특정한 값으로 설정될 수 있다. 또는 제1 임계값은 인가 직류 신호의 전력 값(l1) 보다 해당 주파수의 인가 교류 신호의 전력 값(l2)이 2배 이상인 값으로 설정될 수 있다(도 7(b) 참조).
임피던스 특성 획득부(150)는 조건에 해당하는 전기 응답 신호의 주파수와 인가된 인가 교류 신호의 복수개의 주파수를 비교함으로써, 획득된 임피던스 특성의 유효성을 검증할 수 있다.
임피던스 특성 획득부(150)는 측정된 전기 응답 신호를 이용하여 전기 응답 신호의 전력 스펙트럼을 획득할 수 있다. 전기 응답 신호의 전력 스펙트럼은 전기 응답 신호의 전류 값에 대한 푸리에 변환을 통하여 주파수 영역에서 전력 값으로 표현한 것이다.
임피던스 특성 획득부(150)는 전기 응답 신호의 전력 스펙트럼에서 제1 임피던스 주파수 범위에 대한 전기 응답 신호의 전력을 획득하고, 획득된 전기 응답 신호의 전력에 기초하여 획득된 전기 응답 신호의 주파수와 인가 교류 신호의 주파수의 위상차를 이용하여 발광 소자(230)의 임피던스 특성을 획득할 수 있다.
임피던스 특성 획득부(150)는 주파수 영역에서 제1 임피던스 주파수 범위 내의 전기 응답 신호의 전력만을 사용함으로써, 불필요한 계산 증가를 막고 정확한 발광 소자(230)의 임피던스 특성을 획득할 수 있다.
전기적 잡음 특성 획득부(160)는 전기 응답 신호 측정부(130)에서 측정된 전기 응답 신호를 이용하여 발광 소자(230)의 전기적 잡음 특성을 획득할 수 있다.
전기적 잡음 특성 획득부(160)는 측정된 전기 응답 신호를 이용하여 전기 응답 신호의 전력 스펙트럼을 획득할 수 있다. 전력 스펙트럼은 전기 응답 신호의 전류 값에 대한 푸리에 변환을 통하여 주파수 영역에서 전력 값을 표현한 것 이다.
전기적 잡음 특성 획득부(160)는 전기 응답 신호의 전력 스펙트럼에서 미리 설정된 전기적 잡음 주파수 범위에 대한 전기 응답 신호의 전력을 획득하고, 전기 응답 신호의 전력 중 직류 신호로 인해 발생하는 전기적 잡음 전력을 획득 할 수 있다.
전기적 잡음 특성 획득부(160)는 주파수 영역에서 제1 전기적 잡음 주파수 범위 내의 전기 응답 신호의 전력 스펙트럼만을 사용함으로써, 불필요한 계산 증가를 막고, 정확한 발광 소자(230)의 전기적 잡음 특성을 획득할 수 있다.
제1 전기적 잡음 주파수 범위는 전기 신호의 미리 설정된 복수 주파수 범위를 포함할 수 있다. 또한, 미리 설정된 전기적 잡음 주파수 범위는 임피던스 주파수 범위와 다르게 설정될 수도 있으나, 일반적으로 동일하게 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 발광 소자(230)의 전기적 잡음 특성은 발광 소자(230)에 인가된 전기 신호 중 인가 직류 신호에 관련되므로, 전기 응답 신호의 전력 스펙트럼에서 인가 직류 신호에 관련된 부분에만 기초하여 획득될 수 있다.
구체적인 방법으로, 전기 응답 신호의 전력 스펙트럼은 인가 교류 신호와 인가 직류 신호의 중첩된 전기 신호에 대한 전기 응답 신호를 푸리에 변환한 것이므로, 주파수 영역에서 특정 주파수의 인가 교류 신호에 관련된 전기 응답 신호의 전력은 일정한 크기 이상의 값을 가지고 인가 직류 신호에 관련된 전기 응답 신호의 전력은 경향성을 가진다. 그러므로, 전기 응답 신호의 전력 스펙트럼에서 특정한 주파수의 전력 크기가 제1 임계값 이상인 경우 해당 특정 주파수를 제외하면, 인가 직류 신호에 관련된 전기 응답 신호의 전력의 경향성이 결정될 수 있다.
전기적 잡음 특성은 주파수에 대해 인가 직류 신호의 전기 응답 신호가 가지는 전력 스펙트럼의 경향성을 이용하여 획득될 수 있다. 발광 소자에 인가된 전기 신호는 인가 교류 신호와 인가 직류 신호를 함께 가지고 있다. 그러므로, 전기적 잡음 특성 획득부(160)는 주파수 영역에서 전기 응답 신호의 전력 스펙트럼 중 인가된 인가 교류 신호로 인해 발생하는 전력 스펙트럼을 제외하면, 인가 직류 신호로 인해 발생하는 전력 스펙트럼을 획득할 수 있고, 인가 직류 신호에 대한 전력 스펙트럼의 경향성을 이용하여 발광 소자(230)의 전기적 잡음 특성을 획득할 수 있다.
도 4는 도 3의 시스템의 실제 구현 예를 도시한 개략적인 블록도이다. 도 5(a) 및 도 5(b)는 발광 소자에 인가된 전기 신호와 측정된 전기 응답 신호, 그리고 광센서에 의해서 측정된 휘도의 전기 신호에 대한 개략적인 블록도 및 그래프 이다.
도 4를 참조하면, 실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 시스템(100)의 실제 구현 예는, 제어부(200), DAQ(210), 광센서(220), 발광 소자(230), 신호 증폭기(240)를 포함할 수 있다.
제어부(200)는 신호 처리를 할 수 있는 중앙 처리 장치를 포함할 수 있다. 제어부(200)는 DAQ(210), 광센서(220), 신호 증폭기(240) 중 적어도 하나에 전기적으로 연결되며, 전기적으로 연결된 구성을 제어할 수 있다.
제어부(200)는 광학적 잡음 특성 획득부(140), 임피던스 특성 획득부(150), 및 전기적 잡음 특성 획득부(160) 중 적어도 하나를 구현할 수 있다. 제어부(200)는 DAQ(210), 광센서(220), 신호 증폭기(240) 중 적어도 하나로부터 세팅 값 또는 측정 값에 관한 정보를 수신할 수 있으며, 내부 연산을 통하여 발광 소자(230)에 대응하는 발광 소자의 광학적 잡음, 임피던스, 전기적 잡음 중 적어도 하나를 획득할 수 있다. 제어부(200)는 발광 소자(230)에 대응하는 발광 소자의 광학적 잡음, 임피던스, 전기적 잡음을 동시에 획득할 수 있다.
DAQ(Data Acquisition)는 전기 신호 인가부(110) 및 전기 응답 신호 측정부(130)를 구현할 수 있다. DAQ (Data Acquisition)는 2개 이상의 입력 단자와 출력 단자를 가지며, 직류 신호 및 교류 신호를 조합한 전기 신호를 동시에 발광 소자에 인가할 수 있다. 구체적인 일 예로, DAQ는 입출력 단자를 이용하여 직류(DC) 전압(
Figure 112020022093732-pat00001
)과 복수 주파수를 가지는 교류(AC) 전압(
Figure 112020022093732-pat00002
)을 조합한 전압(
Figure 112020022093732-pat00003
Figure 112020022093732-pat00004
)을 동시에 발광 소자에 인가할 수 있다(도 5(a) 및 도 5(b)의 1번째 그래프 참조).
광센서(220)는 발광 소자(230)에 대응하는 DUT에서 생성된 광을 센싱할 수 있다(도 5(a) 참조). 광센서(220)는 발광 소자(230)의 휘도를 측정하기 위하여 포토다이오드로 구성될 수 있다. 광센서(220)는 광의 휘도를 측정하고, 그 측정 값을 직류 신호 및 교류 신호의 중첩된 전기 신호로 출력할 수 있다. 구체적인 일 예로, 광센서(220)는 광의 휘도를 측정하고 측정된 값을 교류 신호와 복수의 교류 신호의 중첩된 전류 신호(
Figure 112020022093732-pat00005
)로 출력할 수 있다.
휘도의 전류 신호(
Figure 112020022093732-pat00006
)는 발광 소자(230)에 인가된 복수의 교류(VAC) 및 직류(VDC) 신호에 각각 대응하는 광의 휘도에 대한 교류 신호(
Figure 112020022093732-pat00007
) 및 직류 신호(
Figure 112020022093732-pat00008
)를 포함할 수 있다(도 5(a) 참조).
도 5(b)의 1번째 및 3번째 그래프는 이해를 돕기 위하여 직류 신호 및 한 개의 교류 신호가 발광 소자에 동시에 인가된 경우 측정된 휘도의 직류 신호 및 한 개의 교류 신호를 도시한 것이다. 그리고, 발광 소자에 인가된 한 개의 교류 신호는 메인 교류 신호에 대응할 수 있다.
발광 소자(230)는 DUT(Device Under Test), 피측정 장치, 또는 측정 대상, 샘플 등으로 불리며, OLED, LED 등으로 전기를 인가하면 광을 생성하는 소자이다. 발광 소자(230)에 인가된 전기 신호(
Figure 112020022093732-pat00009
)는 발광 소자(230)의 출력단에서 전기 신호(
Figure 112020022093732-pat00010
)로 출력된다.
발광 소자(230)의 출력단의 전기 신호(
Figure 112020022093732-pat00011
)는 발광 소자(230)에 인가된 교류(VAC) 및 직류(VDC) 신호에 각각 대응하는 전기 응답 신호에 대한 교류 신호(
Figure 112020022093732-pat00012
) 및 직류 신호(
Figure 112020022093732-pat00013
)를 포함할 수 있다(도 5(a) 참조).
도 5(b)의 1번째 및 2번째 그래프는 이해를 돕기 위하여 직류 신호 및 한 개의 교류 신호가 발광 소자에 동시에 인가된 경우 측정된 전기 응답 신호의 직류 신호 및 한 개의 교류 신호를 도시한 것이다. 그리고, 발광 소자에 인가된 한 개의 교류 신호는 메인 교류 신호에 대응할 수 있다.
신호 증폭기(240)는 발광소자(230)의 출력 신호 또는 광센서(220)의 출력 신호를 입력 신호로서 받아서 증폭하고 증폭된 신호를 출력 신호로 DAQ(210)의 입력 단자로 입력시킬 수 있다. 일 예로, 신호 증폭기(240)는 전류-전압 프리 앰프 (Current-to-Voltage Preamplifier) 이다. 신호 증폭기(240)는 신호를 증폭하는 장치이다. 신호 증폭기 (240)는 전류 신호를 전압 신호로 변환시키는 회로 또는 장치를 포함할 수 있다. 발광 소자(230)로부터 출력되는 전류 신호는 신호 증폭기(240)를 통해서 전압 신호로 바뀌고, 신호 증폭기(240)로부터 출력되는 전압 신호는 DAQ(210)의 입력 단자로 입력된다.
본 발명의 일 실시예에서 전류 신호가 전압 신호로 바뀌어 DAQ의 입력단으로 입력되지만, 다른 실시예에서는 단순히 전류 증폭 장치를 통하여 증폭된 전류 신호가 DAQ의 입력단으로 입력될 수도 있다.
DAQ(210)의 입력단은 발광 소자(230)에 인가된 입력 신호와 발광 소자(230)를 통과한 출력 신호를 모두 입력 받는다. 이를 통해서, DAQ(210)는 입력 신호의 크기, 출력 신호의 크기, 입력 신호와 출력 신호의 위상 차이, 입력 신호의 주파수, 출력 신호의 주파수 등을 측정할 수 있다. 일 예로, DAQ(210)의 입력단은 발광 소자(230)에 인가된 입력 전압 신호와 발광 소자(230)를 통과한 출력 전압 신호를 모두 입력 받는다. 이를 통해서, DAQ(210)는 입력 전압 신호의 크기, 출력 전압 신호의 크기, 입력 전압 신호와 출력 전압 신호의 위상 차이, 입력 전압 신호의 주파수, 출력 전압 신호의 주파수 등을 측정할 수 있다.
DAQ(210)의 입력단에 입력된 출력 신호를 신호 증폭기(240)에서 변환 증폭된 만큼의 값으로 나눠주면 발광 소자(230)의 출력 신호의 크기를 구할 수 있다. 주파수 응답 특성이 원하는 주파수 대역에서 일정한 신호 증폭기(240)를 이용하여, 발광 소자(230)의 출력 신호의 크기는 정확히 계산될 수 있다. 발광 소자(230)의 출력 신호 인가한 입력 신호로 나눠주면 발광 소자(230)의 임피던스 값을 구할 수 있다. 일 예로, DAQ(210)의 입력단에 입력된 출력 전압 신호를 신호 증폭기(240)에서 전류에서 전압으로 변환 증폭된 만큼의 값으로 나눠주면 발광 소자(230)의 출력 전류 신호의 크기를 구할 수 있다. 주파수 응답 특성이 원하는 주파수 대역에서 일정한 전류-전압 프리 앰프를 이용하여, 발광 소자(230)의 출력 전류 신호의 크기는 정확히 계산될 수 있다. 발광 소자(230)의 출력 전류 신호를 인가한 입력 전압 신호 로 나누어 주면 발광 소자(230)의 임피던스 값을 구할 수 있다.
예를 들어, 발광 소자(230)의 등가 모델을 저항(R)과 콘덴서(C)의 병렬 회로로 구성하는 경우 아래의 식(1)을 이용하여 측정된 값으로부터 발광 소자(230)의 임피던스 값과 나이퀴스트 선도를 얻을 수 있다
[식 (1)]
Figure 112020022093732-pat00014
입력 전압 신호와 출력 전압 신호를 푸리에(Fourier) 변환을 통해 정확히 각각의 주파수 성분을 구할 수 있다. 또한, 입력 전압 신호에 직류 신호를 동시에 인가함으로써, 발광 소자(230)를 통과하면서 생성되는 전기적 잡음 신호를 측정 할 수 있고, 인가한 교류(AC) 주파수 신호들을 선택적으로 계산하여 나이퀴스트 선도(Nyquist Plot)를 그릴 수 있다.
도 6(a)는 한 개의 메인 교류 신호를 발광 소자에 인가한 경우 출력된 전기 응답 신호의 전력 스펙트럼을 도시한 그래프이며, 도 6(b)는 직류 신호 및 한 개의 메인 교류 신호를 발광 소자에 인가한 경우 출력된 전기 응답 신호의 전력 스펙트럼을 도시한 그래프이며, 도 6(c)는 직류 신호 및 2개의 메인 교류 신호를 발광 소자에 인가한 경우 출력된 전기 응답 신호의 전력 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 6(a)를 참조하면, 발광소자에 기본 주파수(F1)의 메인 교류 신호(Vpulse1)를 인가한 경우 출력된 전기 응답 신호(Ipulse1)의 출력은 복수의 주파수에서 크기가 다른 피크들을 나타낸다. 메인 교류 신호는 서로 다른 복수의 서브 주파수의 서브 교류 신호의 중첩된 신호이므로, 서브 교류 신호의 복수의 서브 주파수에 해당하는 주파수(f1, f2, ...)에서 전기 응답 신호의 출력 피크 값을 가진다.
메인 교류 신호의 기본 주파수(F1)는 복수의 서브 교류 신호 중 가장 큰 진폭을 가지는 서브 주파수(f1)와 동일할 수 있으며, 다른 서브 교류 신호의 주파수들은 서브 주파수(f1)의 K배에 해당하는 고조파일 수 있다. K는 자연수에 해당할 수 있다.
도 6(b)를 참조하면, 직류 신호(VDC)와 함께 기본 주파수(F1)의 메인 교류 신호(Vpulse1)를 발광소자에 인가한 경우 전기 응답 신호는 직류 신호에 의한 전력 값에 메인 교류 신호에 의한 전력 피크 값을 더해져 나타난다. 직류 신호를 메인 교류 신호와 함께 인가함으로써, 메인 교류 신호에 의한 전력 피크 값을 더 명확하게 확인할 수 있다.
그러나, 한 개의 메인 교류 신호(Vpulse1)에 대한 전기 응답 신호의 전력은 메인 교류 신호를 구성하는 서브 교류 신호들 중에 가장 큰 진폭을 가지는 서브 교류 신호의 서브 주파수(f1)에서 가장 큰 전력 피크 값을 가지며 나머지 서브 주파수에서는 전력 값이 급격하게 작아지는 것을 알 수 있다. 전력 값이 작기 때문에 해당 주파수가 메인 교류 신호를 구성하는 서브 교류 신호의 서브 주파수 인지가 불분명한 문제가 생길 수 있다.
도 6(c)는 직류 신호(VDC)와 함께 서로 다른 기본 주파수(F1, F2)의 2개의 메인 교류 신호(Vpulse1, Vpulse2)를 발광소자에 인가한 경우 전기 응답 신호는 직류 신호에 의한 전력 값과 2개의 메인 교류 신호에 의한 전력 피크 값이 더해져 나타난다.
기본 주파수(F2)의 제2 메인 교류 신호(Vpulse2)는 복수개의 서브 주파수(f2)를 가지는 서브 교류 신호들의 중첩된 신호이며, 서브 교류 신호들 중 가장 큰 진폭을 가지는 서브 교류 신호의 서브 주파수(f2)는 기본 주파수(F2)와 동일할 수 있으며, 기본 주파수(F1)의 K배에 해당할 수 있다. 따라서, 제2 메인 교류 신호에 대한 전기 응답 신호의 전력 피크 값은 제1 메인 교류 신호에 대한 전기 응답 신호의 전력 피크 값에 겹쳐지게 나타날 수 있다. 도 6(c)와 도 6(b)를 대비해 보면, 2개의 메인 교류 신호에 대한 전기 응답 신호의 전력 피크 값이 1개 메인 교류 신호에 대한 전기 응답 신호의 전력 피크 값과 달리 B 영역 내에 있음을 확인할 수 있다.
지금까지 2개의 메인 교류 신호를 중첩한 신호를 예를 들었으나, 2개 이상의 메인 교류 신호들을 중첩하여 교류 신호로 발광 소자에 인가할 수 있다.
도 7(a) 내지 도 7(c)는 발광 소자에 대한 광학적/전기적 전류 잡음의 전력 스펙트럼의 개략적인 그래프 및 병렬 RC 회로의 직렬 연결 회로에 대한 나이퀴스트 선도의 개략적인 그래프 이다.
도 7(a)는 직류(DC)와 교류(AC) 신호를 동시에 발광 소자(230)에 인가하여 생성된 광의 휘도를 센싱하고, 센싱된 휘도의 전류 신호에 대한 잡음 전력 스펙트럼이다. A 영역은 휘도의 전기 신호에 대한 전력 스펙트럼에서 직류 신호에 대한 광학적 잡음 특성을 나타낸다. A 영역에 해당하는 전력은 전력 스펙트럼 상에서 특정한 경향성을 가진다. 따라서, A 영역에 해당하는 전력에 기초하여 광학적 잡음 특성을 결정할 수 있다.
도 7(b)는 직류(DC)와 교류(AC) 신호를 동시에 발광 소자(230)에 인가하여 측정된 전류 신호에 대한 잡음 전력 스펙트럼이다. C 영역은 전기 응답 신호에 대한 전력 스펙트럼에서 직류 신호에 대한 전기적 잡음 특성을 나타낸다. C 영역에 해당하는 전력은 전력 스펙트럼 상에서 특정한 경향성을 가진다. 따라서, C 영역에 해당하는 전력에 기초하여 전기적 잡음 특성이 결정될 수 있다.
B 영역은 나이퀴스트 선도를 얻기 위해 선택될 주파수를 결정하는 범위를 의미한다. 전력 스펙트럼의 모든 주파수가 선택되지 않으며, 나이퀴스트 선도에 사용될 주파수는 제1 임계값 보다 큰 전력 피크 값을 가지는 주파수로 선택된다.
전력의 피크 값은 인가된 교류 신호들의 진폭에 의해서 결정되며, 한 개의 메인 교류 신호를 인가한 경우에는 메인 교류 신호를 구성하는 가장 큰 진폭을 가지는 서브 교류 신호의 주파수에 해당하는 전력 피크 값만 B 영역에 해당하지만, 복수개의 메인 교류 신호를 인가함으로써 각 메인 교류 신호에서 가장 큰 진폭을 가지는 서브 교류 신호의 주파수들이 서로 겹쳐지면서 최종 전기 응답 신호의 전력 값들이 서로 겹쳐져 각 메인 교류 신호의 기본 주파수에서의 전력 피크 값이 B 영역 내에 위치하게 조정될 수 있다. 이 경우 기본 주파수들은 서로 K배 관계를 가질 수 있으며, 한개의 메인 교류 신호의 서브 교류 신호들의 서브 주파수들은 서로 K배 관계를 가질 수 있다.
B 영역은 전기 응답 신호의 전력 피크 값이 제1 임계값 이상인 경우를 말하며, 제1 임계값은 해당 주파수에 대한 직류 신호의 전기 응답 신호의 전력 값에 2 배에 해당하는 값으로 설정될 수 있다.
도 7(c)는 B 영역에 해당하는 주파수를 이용하여 작성된 나이퀴스트 선도를 도시한 것이다. 나이퀴스트 선도는 등가 회로에 대한 임피던스에서 해당 주파수에서의 임피던스의 실수부 및 허수부에 -1을 곱한 값을 나타낸 그래프로, 실수부의 우측방향으로 갈수록 해당 주파수가 작은 경우를 의미한다.
도 8은 본 발명에 따른 실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 방법의 일 실시예의 개략적인 흐름도 이다.
도 8을 참조하면, 측정 시스템(100)은 발광 소자(230)에 주파수 영(0)을 포함하는 복수의 주파수에 대한 교류 신호를 포함하는 전기 신호를 동시에 인가한다(S110).
전기 신호는 인가 직류 신호와 인가 교류 신호의 중첩된 신호일 수 있다.
인가 교류 신호(input ac signal)는 기본 주파수(F)를 가지는 특정한 파형의 주기 함수인 메인 교류 신호를 1개로만 구성할 수 있다.
또는, 인가 교류 신호(input ac signal)는 동일한 파형을 가지되 서로 다른 기본 주파수(F)를 가지는 적어도 2개 이상의 메인 교류 신호들의 중첩된 신호일 수 있다. 예를 들어, 인가 교류 신호는 제1 기본 주파수(F1)를 가지는 제1 메인 교류 신호와 제2 기본 주파수(F2)를 가지는 제2 메인 교류 신호, 제3 기본 주파수(F3)를 가지는 제3 메인 교류 신호를 중첩한 신호 일 수 있다. 메인 교류 신호의 개수는 필요에 따라서 늘리거나 줄일 수 있다.
서로 다른 메인 교류 신호의 기본 주파수들은 임의로 설정된 값을 가질 수 있다. 또는 서로 다른 메인 교류 신호의 기본 주파수들은 서로 배수 관계를 가질 수 있다. 예를 들어, F2는 F1의 2배, F3은 F1의 3배로 이뤄질 수 있다.
메인 교류 신호는 사각 구형파(Pulse), 직사각형 구형파, 삼각파, 톱니파 등의 파형을 가지는 신호 일 수 있으며, 이에 한정될 것은 아니며 주기를 가지는 주기 신호라면 어떠한 파형이라도 메인 교류 신호가 될 수 있다.
메인 교류 신호는 서로 다른 서브 주파수(f)를 가지는 적어도 2개 이상의 서브 교류 신호들의 중첩된 신호일 수 있다. 예를 들어, 메인 교류 신호는 제1 서브 주파수(f1)를 가지는 제1 서브 교류 신호와 제2 서브 주파수(f2)를 가지는 제2 서브 교류 신호, 제3 기본 주파수(f3)를 가지는 제3 서브 교류 신호를 중첩한 신호 일 수 있다. 서브 교류 신호의 개수는 필요에 따라서 늘리거나 줄일 수 있다.
서로 다른 서브 교류 신호의 서브 주파수들은 임의로 설정된 값을 가질 수 있다. 또는 서로 다른 서브 교류 신호의 서브 주파수들은 서로 배수 관계를 가질 수 있다. 예를 들어, f2는 f1의 2배, f3은 f1의 3배로 이뤄질 수 있다.
서브 교류 신호는 정현파 등의 파형을 가지는 신호 일 수 있으며, 이에 한정될 것은 아니며 주기를 가지는 주기 신호라면 어떠한 파형이라도 서브 교류 신호가 될 수 있다.
측정 시스템(100)은 발광 소자(230)에 전기 신호를 인가함으로서 발생하는 광의 휘도를 센싱하고, 센싱된 휘도의 전기 신호를 측정한다(S120). 이와 동시에 측정 시스템(100)은 동일한 발광 소자(230)에 동일한 전기 신호가 인가되는 동일 시점에 발광 소자(230)로부터 동일한 전기 신호에 대한 전기 응답 신호를 측정한다(S130).
다시 말해, 광의 휘도와 전기 응답 신호는 동일한 시점에 발광 소자에 대해 인가된 전기 신호의 출력으로 시간적으로 병렬적으로 동시에 측정되므로 양자는 상관 관계를 가진다.
측정 시스템(100)은 DAQ(210) 혹은 제어부(200)에서 제1 휘도 주파수 범위에 대해 휘도 전기 신호의 크기를 획득할 수 있으며, 휘도 전기 신호의 크기는 전류, 전압이나 전력의 형태로 획득될 수 있다. 이후, 휘도 전기 신호 중 인가되지 않은 주파수에 대한 휘도 전기 신호의 잡음 전력을 획득한다(S140).
제1 휘도 주파수 범위는 도 7(a)에서 A영역의 주파수 영역으로의 투영된 범위를 의미할 수 있다. 제1 휘도 주파수 범위를 벗어난 주파수에 대해선 휘도 전기 신호의 잡음 특성을 판별할 때 제외시키게 된다.
측정 시스템(100)은 DAQ(210) 혹은 제어부(200)에서 제1 응답 주파수 범위에 대해 전기 응답 신호의 크기를 획득할 수 있으며, 전기 응답 신호의 크기는 전류, 전압이나 전력의 형태로 획득될 수 있다. 제1 응답 주파수 범위는 제1 임피던스 주파수 범위를 결정할 수 있다.
제1 응답 주파수 범위는 도 7(b)에서 C영역의 주파수 영역으로의 투영된 범위를 의미할 수 있다. 제1 응답 주파수 범위를 벗어난 주파수에 대해선 임피던스 특성 또는 전기적 잡음 특성을 판별한 때 제외시키게 된다.
획득된 전력의 크기가 제1 임계값 보다 큰 영역(B 영역)에 해당하는 경우의 주파수를 선택하고, 선택된 주파수에 대한 전기 응답 신호를 이용하여 발광 소자(230)의 임피던스 특성을 획득한다(S150). 이때, 임피던스 특성은 나이퀴스트 선도로 표현될 수 있다.
측정 시스템(100)은 DAQ(210) 혹은 제어부(200)에서 제1 응답 주파수 범위에 대해 전기 응답 신호의 크기를 획득할 수 있으며, 전기 응답 신호의 크기는 전류, 전압이나 전력의 형태로 획득될 수 있다. 응답 주파수 범위는 전기적 잡음 특성 주파수를 포함할 수 있다. 이후, 전기 응답 신호 중 인가되지 않은 주파수에 대한 전기 응답 신호의 잡음 전력을 획득한다(S160).
측정 시스템(100)은 과정 S110을 수행한 후에, 과정 S120 및 S130을 동시에 수행하며, 이후 과정 S140, S150, S160 중 하나를 또는 2개 이상의 순서를 달리하는 조합으로 또는 동시에 수행하는 측정 방법을 수행할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
제어부: 200
DAQ : 210
광센서: 220
발광 소자: 230
신호 증폭기: 240

Claims (7)

  1. 다른 주파수를 가지는 복수의 신호들로 이뤄진 주기 신호를 서로 다른 주기를 가지도록 적어도 한 개 이상으로 중첩한 인가 교류 신호와 인가 직류 신호가 합성된 전기 신호를 발광 소자에 인가하는 전기 신호 인가부;
    상기 인가된 전기 신호에 의해 상기 발광 소자로부터 발생한 광의 휘도를 센싱하고, 센싱된 광의 휘도에 대한 휘도 전기 신호를 측정하는 휘도 전기 신호 측정부;
    상기 휘도 전기 신호 측정부와 동시에 상기 인가된 전기 신호에 의해서 상기 발광 소자로부터 발생한 전기 응답 신호를 측정하는 전기 응답 신호 측정부;
    주파수 영역에서 상기 휘도 전기 신호의 제1 휘도 주파수 범위에 대해 상기 휘도 전기 신호의 전력을 획득하고, 상기 휘도 전기 신호의 전력 중 상기 인가 직류 신호로 인해 발생하는 상기 휘도 전기 신호의 전력에 기초하여 광학적 잡음 특성을 획득하는 광학적 잡음 특성 획득부;
    주파수 영역에서 상기 전기 응답 신호의 제1 임피던스 주파수 범위에 대해 상기 전기 응답 신호의 전력을 획득하고, 상기 인가 교류 신호에 대한 주파수, 상기 전기 응답 신호에 대한 전력 및 주파수, 및 상기 인가 교류 신호와 상기 전기 응답 신호의 위상차에 기초하여 상기 발광 소자의 임피던스 특성을 획득하는 임피던스 특성 획득부; 및
    주파수 영역에서 상기 전기 응답 신호의 제1 전기적 잡음 주파수 범위에 대해 상기 전기 응답 신호의 전력을 획득하고, 상기 전기 응답 신호의 전력 중 상기 인가 직류 신호로 인해 발생하는 상기 전기 응답 신호의 전력에 기초하여 전기적 잡음 특성을 획득하는 전기적 잡음 특성 획득부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스 특성 획득부는 상기 전기 응답 신호의 전력의 크기가 제1 임계값 보다 큰 경우의 적어도 하나의 주파수를 선택하고, 상기 선택된 적어도 하나의 주파수에 대한 상기 전기 응답 신호를 이용하여 상기 발광 소자의 임피던스 특성을 획득하는 것을 특징으로 하는,
    실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 임피던스 특성은 나이퀴스트 선도로 표현되는 것을 특징으로 하는,
    실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 시스템.
  4. 다른 주파수를 가지는 복수의 신호들로 이뤄진 주기 신호를 서로 다른 주기를 가지도록 적어도 한 개 이상으로 중첩한 교류 신호와 직류 신호가 합성된 전기 신호를 발광 소자에 인가하는 단계;
    상기 인가된 전기 신호에 의해 상기 발광 소자로부터 발생한 광의 휘도를 센싱하고, 센싱된 광의 휘도에 대한 휘도 전기 신호를 측정하는 단계;
    상기 휘도 전기 신호 측정하는 단계와 동시에 상기 인가된 전기 신호에 의해서 상기 발광 소자로부터 발생한 전기 응답 신호를 측정하는 단계;
    주파수 영역에서 상기 휘도 전기 신호의 제1 휘도 주파수 범위에 대해 상기 휘도 전기 신호의 전력을 획득하고, 상기 휘도 전기 신호의 전력 중 상기 직류 신호로 인해 발생하는 상기 휘도 전기 신호의 전력에 기초하여 광학적 잡음 특성을 획득하는 단계;
    주파수 영역에서 상기 전기 응답 신호의 제1 임피던스 주파수 범위에 대해 상기 전기 응답 신호의 전력을 획득하고, 상기 교류 신호에 대한 복수의 주파수, 상기 전기 응답 신호에 대한 전력 및 주파수, 및 상기 교류 신호와 상기 전기 응답 신호의 위상차에 기초하여 상기 발광 소자의 임피던스 특성을 획득하는 단계; 및
    주파수 영역에서 상기 전기 응답 신호의 제1 전기적 잡음 주파수 범위에 대해 상기 전기 응답 신호의 전력을 획득하고, 상기 전기 응답 신호의 전력 중 상기 직류 신호로 인해 발생하는 상기 전기 응답 신호의 전력에 기초하여 전기적 잡음 특성을 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전기 응답 신호의 전력의 크기가 제1 임계값 보다 큰 경우의 적어도 하나의 주파수를 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 적어도 하나의 주파수에 대한 상기 전기 응답 신호를 이용하여 상기 발광 소자의 임피던스 특성을 획득하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 임피던스 특성은 나이퀴스트 선도로 표현되는 것을 특징으로 하는,
    실시간으로 발광소자의 휘도 및 임피던스 그리고 잡음 특성의 동시 측정 방법.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 매체.
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