KR20190095723A - 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나의 시료에 여기광을 조사하고 방출되는 피측정광에서 양자 수율과 발광 수명을 모두 측정할 수 있는 구조를 가져서 양자 수율과 발광 수명을 동시 또는 순차적으로 하나의 시료에서 측정할 수 있는 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치에 관한 것이다.

Description

양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치{A APPARATUS FOR MEASURING LIFETIME AND YIELD OF QUANTUM}
본 발명은 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치에 관한 것으로서, 하나의 시료에 여기광을 조사하고 방출되는 피측정광에서 양자 수율과 발광 수명을 모두 측정할 수 있는 구조를 가져서 양자 수율과 발광 수명을 동시 또는 순차적으로 하나의 시료에서 측정할 수 있는 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치에 관한 것이다.
종래의 양자수율 측정장치로서, 발광 재료 등의 시료에 여기광을 조사하고 시료로부터 방출된 형광을 적분구 내에서 다중 반사시켜 검출하는 것에 의해 시료의 양자수율을 측정하는 기술이 알려져 있다. (일본국 특개2007-086031호)
그리고 시료의 발광 수명을 계측하는 기술로는 대한민국공개특허 제10-2017-48412호 등에서 공개하고 있는 바와 같이, 시료에 광원을 조사하고 스타트 게이트와 스톱 게이트에서 각각 얻어지는 스타트 신호와 스톱신호 사이의 시간 차이를 이용하여 발광 재료의 수명을 계측하는 기술들이 개시되어 있다.
그런데, 하나의 발광 재료에 대하여 양자 수율과 발광 수명을 모두 계측할 수 있는 통합 시스템이 개발되어 있지 않아서 별도의 기술 및 장비를 이용하여 각각 양자 수율과 발광 수명을 측정하여야 하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 하나의 시료에 여기광을 조사하고 방출되는 피측정광에서 양자 수율과 발광 수명을 모두 측정할 수 있는 구조를 가져서 양자 수율과 발광 수명을 동시 또는 순차적으로 하나의 시료에서 측정할 수 있는 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치는, 시료 수용부가 내부에 배치되는 암상; 상기 암상에 접속된 광출사부를 가지며, 여기광을 발생시키는 광발생부; 상기 암상에 접속된 광입사부를 가지며, 상기 여기광이 시료 및 시료 수용부에 조사된 후 방출되는 피측정광을 검출하는 광검출부; 상기 여기광을 입사시키는 광입사개구 및 상기 피측정광을 출사시키는 광출사개구를 가지며, 상기 암상 내에 배치된 적분구; 상기 시료 수용부가 상기 적분구 내에 위치하는 제1 상태 및 상기 시료 수용부가 상기 적분구 외에 위치하는 제2 상태의 각 상태가 되도록, 상기 암상 내에서 상기 적분구를 이동시키는 이동부; 상기 암상 내부 중 상기 광출사부의 맞은 편에 설치되며, 상기 광출사부를 통하여 입사되는 여기광을 입사된 방향으로 반사시키는 거울; 상기 거울을 상기 광출사부를 통하여 입사되는 여기광 조사 방향으로 수평 이동시키는 거울 이동부; 상기 광발생부와 광출사부 사이에 설치되며, 상기 광발생부에서 입사되는 광은 통과시키고 상기 시료에서 방출된 광은 반사시키는 다이크로익 필터; 상기 다이크로익 필터를 수평 이동시키는 필터 이동부; 상기 다이크로익 필터에 의하여 반사된 형광 광자를 증폭시켜 제1 전기 신호로 변환하는 광 감지부; 제1 기준 신호에 기초하여 계산된 상기 제1 전기 신호의 평균 시간과, 제2 기준 신호에 기초하여 계산된 상기 여기 광원이 상기 시료를 통하지 않고 상기 광 감지부에서 변환된 제2 전기 신호의 평균 시간과의 차이를 이용하여 형광 수명을 계산하는 형광수명 추출부;를 포함한다.
그리고 본 발명에서 상기 광 검출부는 상기 광 발생부와 직교되는 방향에 설치되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 필터 이동부는, 상기 다이크로익 필터를 상기 광 발생부에서 조사되는 광의 진행방향과 직교되는 방향으로 이동시키는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치에는, 상기 거울 이동부는 상기 암상 외측에 설치되고, 상기 암상에는 상기 거울이 상기 암상 외측으로 이동된 상태에서 상기 거울 이동 통로를 차단하는 차단부가 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명의 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치에 따르면 하나의 시료에 여기광을 조사하고 방출되는 피측정광에서 양자 수율과 발광 수명을 모두 측정할 수 있는 구조를 가져서 양자 수율과 발광 수명을 동시 또는 순차적으로 하나의 시료에 대해서 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 1 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치를 이용하여 양자 수율을 측정하는 과정을 도시하는 도면들이다.
도 5, 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치를 이용하여 발광 수명을 측정하는 과정을 도시하는 도면들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스화부에 의하여 펄스화된 상태를 도시하는 그래프이다.
도 8, 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스화부의 구조를 도시하는 도면들이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 암상(110), 광발생부(120), 광검출부(130), 적분구(140), 이동부(150), 거울(160), 거울 이동부(170), 다이크로익 필터(180), 필터 이동부(182), 광 감지부(190), 형광수명 추출부(도면에 미도시) 및 제어부(도면에 미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 암상(110)은 도 1에 도시된 바와 같이, 내부에 시료 수용부(111)가 배치되며, 외부로부터 유입되는 빛을 모두 차단할 수 있는 구조를 가지는 구성요소이다. 또한 본 실시예에서 상기 암상(110)은 본 실시예에 따른 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치(100)의 전체적인 외형을 이루며, 다른 구성요소들이 설치되고 구동할 수 있는 공간을 제공한다.
특히, 상기 암상(110)은 상기 적분구(140)가 상기 암상(110) 내에서 이동할 수 있을 정도로 충분한 공간을 가지며, 광발생부(120), 광검출부(130) 및 거울(160) 등의 구성요소가 외부 빛의 유입 없이 결합될 수 있는 구조를 제공한다.
다음으로 상기 광발생부(120)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 암상(110)에 접속된 광출사부(122)를 가지며, 여기광을 발생시키는 구성요소이다. 여기에서 상기 광 출사부(122)는 상기 암상(110)의 일측벽을 관통하여 형성되는 광입사공(122)을 말하는 것이며, 상기 광발생부(120)는 상기 시료 수용부(110) 방향으로 여기광을 조사할 수 있는 적절한 광학 구조 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, 자외선 파장의 빛을 발생시키는 LED 등의 광원(126)과 집광 렌즈(124) 등을 구비할 수 있다.
물론 본 실시예에서 상기 광발생부(120)에는 2가지 이상의 파장의 빛을 발광할 수 있는 멀티 광원이 구비될 수도 있다. 이는 양자 수율과 발광 수명 계측에 각각 서로 다른 파장의 빛이 필요한 경우에 대응하기 위한 것이다.
또한 상기 광발생부(120)는 조사되는 빛을 나노 펄스화하는 펄스화부(121)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 상기 펄스화부(121)는 상기 광발생부(120) 전방에 설치되며, 상기 광발생부(120)에서 조사되는 연속광(L)을 도 7에 도시된 바와 같이, 나노 초 단위의 주기를 가지는 펄스 형태로 변화시킨다.
본 실시예에서는 상기 펄스화부(121)를 다양한 구조로 구현할 수 있으며, 예를 들어 도 8, 9에 도시된 바와 같이, 다수개의 차단팬(121a)이 구비되는 회전팬 구조로 구성할 수 있다.
다음으로 상기 광검출부(130)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 암상(110)에 접속된 광입사부(132)를 가지며, 상기 여기광이 시료(1) 및 시료 수용부(111)에 조사된 후 방출되는 피측정광을 검출하는 구성요소이다. 따라서 상기 광검출부(130)는 분광기나 CCD 센서 등에 의해 구성되며, 상기 광입사부(132)에 마련된 조리개 부재(134)를 통해 입사되는 피측정광을 검출한다.
또한 상기 광검출부(130)에는 증폭기가 더 구비될 수 있다. 상기 증폭기는 상기 시료 수용부(111)에서 방출되는 피측정광이 약한 경우에 이를 증폭하여 검출이 용이하게 한다. 따라서 상기 광원을 약한 광원으로 채용하더라도 정확한 검출이 가능한 장점이 있다.
한편 본 실시예에서 상기 상기 광 검출부(130)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 광 발생부(120)와 직교되는 방향에 설치되는 것이, 상기 거울(160)과 거울 이동부(170)의 설치 방향을 확보할 수 있어서 바람직하다. 상기 거울(160)과 거울 이동부(170)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 광 발생부(120)와 마주보는 측면에 설치되어야 하므로, 상기 광 검출부(130)는 이 방향을 피하여 상기 광 발생부(120)와 직교되는 방향에 설치되는 것이다.
다음으로 상기 적분구(140)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 암상(110) 내에 설치되며 전체적으로 구형상을 가진다. 그리고 상기 적분구(110) 내면에는 고확산 방지제가 도포되어 있으며, 상기 여기광을 입사시키는 광입사개구(142), 상기 피측정광을 출사시키는 광출사개구(144) 및 시료 수용부(111)가 삽입되는 시료 삽입구(146)가 각각 형성된다.
다음으로 상기 이동부(150)는 도 1 ,3에 도시된 바와 같이, 상기 시료 수용부(111)가 상기 적분구(140) 내에 위치하는 제1 상태 및 상기 시료 수용부(111)가 상기 적분구(140) 외에 위치하는 제2 상태의 각 상태가 되도록, 상기 암상(110) 내에서 상기 적분구(140)를 이동시키는 구성요소이다.
따라서 상기 이동부(150)는 상기 적분구(140)의 상하 이동 방향을 안내하는 이동 가이드(152)와, 상기 이동 가이드(152)를 따라 이동하면서 상기 적분구(140)를 이동시키는 이동 셔틀(154)로 구성될 수 있다. 상기 이동 셔틀(154)은 상기 적분구(140)의 하부에 결합되어 설치되며, 일측에 구비되는 모터(156) 등을 이용하여 상기 이동 가이드(152)를 따라 상하 방향으로 이동한다.
이렇게 상기 이동부(150)를 구비하면 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 적분구(140) 외측에 시료(1)가 위치한 제1 상태와 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 적분구(140)가 상승하여 상기 시료(1)가 적분구(140) 내에 위치한 제2 상태로 환경을 달리하여 상기 시료(1)에서 발생한 포톤 수를 측정하여 보다 정확한 양자 효율을 측정할 수 있는 장점이 있다.
다음으로 상기 거울(160)은 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 암상(110) 내부 중 상기 광출사부(122)의 맞은 편에 설치되며, 상기 광출사부(122)를 통하여 입사되는 여기광을 입사된 방향으로 반사시키는 구성요소이다. 본 실시예에서 상기 거울(160)은 도 1에 도시된 바와 같이, 양자 수율을 측정하는 기능을 수행하는 동안에는 상기 암상(110) 외부에 존재하며, 발광 수명을 측정하는 경우에 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 암상(110) 내부로 이동하여 시료(1)가 없는 상태에서 제2 전기신호와 제2 기준신호를 수집하는 때에 사용된다.
따라서 본 실시예에서는 도 1, 6에 도시된 바와 같이, 상기 거울(160)을 상기 광출사부(122)를 통하여 입사되는 여기광 조사 방향으로 수평 이동시키는 거울 이동부(170)가 구비된다. 이 거울 이동부(170)는 상기 암상(110) 외부에 설치되어 상기 거울(160)을 상기 광 발생부(120) 방향에 대하여 수평이동시키는 것이며, 상기 암상(110) 내에서 상기 시료 수용부(111)가 설치되는 위치까지 상기 거울(160)을 수평 이동시킨다.
그리고 본 실시예에 따른 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치(100)에는, 도 1, 6에 도시된 바와 같이, 차단부(176)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 상기 차단부(176)는 상기 거울(160)이 상기 암상(110) 외측으로 이동된 상태에서 상기 거울 이동 통로(172)를 차단하는 구성요소이다. 따라서 상기 차단부(176)는 상기 거울(160)이 암상(110) 내부로 진입하는 동안에는 개방된 상태를 유지하고, 상기 거울(160)이 암상(110) 외부로 이동한 후에는 상기 거울 이동 통로(172)를 완벽하게 차단하여 외부의 빛이 상기 암상(110) 내부로 진입하지 못하도록 한다.
다음으로 상기 다이크로익(Dichric) 필터(180)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 광발생부(120)와 광출사부(122) 사이에 설치되며, 상기 광발생부(120)에서 입사되는 광은 통과시키고 상기 시료에서 방출된 광은 반사시키는 구성요소이다. 본 실시예에서 상기 다이크로익 필터(180)는 양자 수율 측정 기능 수행 중에는 사용되지 않고, 발광 수명 계측 기능 수행 중에 사용된다.
따라서 상기 다이크로익 필터(180)는 도 1에 도시된 바와 같이, 양자 수율 측정 기능 수행 중에는 하강하여 상기 광 발생부(120)에서 여기된 여기광이 상기 시료 수용부(111)로 직접 조사될 수 있도록 하고, 발광 수명 측정 기능 수행 중에는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 광 발생부(120)에서 입사되는 여기광의 광 경로 상으로 이동하여 상기 시료(1)에서 방출된 광을 반사시켜 상기 광 감지부(190) 방향으로 입사시키는 것이다.
따라서 본 실시예에서 상기 암상(110)에는 상기 다이크로익 필터(180)를 수평 이동시키는 필터 이동부(182)가 더 구비된다. 이때 상기 필터 이동부(182)는 도 1, 6에 도시된 바와 같이, 상기 다이크로익 필터(180)를 상기 광 발생부(120)에서 조사되는 광의 진행방향과 직교되는 방향(도면 상에서 상하 방향)으로 이동시키는 것이, 상기 광 감지부(190)의 설치 공간을 제공할 수 있어서 바람직하다. 이 경우 상기 광 감지부(190)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 암상(110)의 측벽 하부에 밀착되어 설치될 수 있다.
다음으로 상기 광 감지부(190)는 상기 다이크로익 필터(180)에 의하여 반사된 형광 광자를 증폭시켜 제1, 2 전기 신호로 변환하는 구성요소이다. 즉, 상기 광 감지부(190)는 상기 다이크로익 필터(180)를 통하여 반사되는 광 경로 상에 설치되며, 입사되는 광을 전기 신호로 전이하는 광 검출기(192)와, 이 전기 신호를 증폭하는 중폭기(194) 그리고 증폭된 전기 신호를 수집하는 데이터 수집장치(196)를 포함하여 구성될 수 있다.
다음으로 상기 형광수명 추출부(도면에 미도시)는 상기 광 발생부(120)에서 여기된 여기광을 시료에 조사한 후 얻어지는 측정광에 의하여 측정되는 제1 기준 신호에 기초하여 계산된 상기 제1 전기 신호의 평균 시간과, 여기광을 거울에 조사한 후 반사하여 얻어지는 측정광에 의하여 측정되는 제2 기준 신호에 기초하여 계산된 상기 여기 광원이 상기 시료를 통하지 않고 상기 광 감지부(190)에서 변환된 제2 전기 신호의 평균 시간과의 차이를 이용하여 형광 수명을 계산하는 구성요소이다.
따라서 상기 형광수명 추출부는 상기 제어부의 제어 동작에 의하여 작동하며, 상기 광 감지부(190)를 통하여 각각 얻어지는 제1,2 기준 신호 및 제1, 2 전기 신호를 활용하여 형광수명을 계산한다. 물론 상기 형광수명 추출부의 작동을 위해서는 상기 제어부가 상기 다이크로익 필터(180) 및 거울(160)을 각 측정 과정에 맞게 구동시켜야 한다.
이하에서는 전술한 구조를 가지는 양자 수율과 발광 수명 동시 측정 장치(100)를 이용하여 양자 수율과 발광 수율을 측정하는 과정을 설명한다.
먼저 양자 수율을 측정하는 과정이다. 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 상기 적분구(140)가 하강한 상태, 즉, 상기 시료(1)와 시료 수용부(111)가 상기 적분구(140) 외부에 노출된 상태에서 상기 시료(1)에 여기광을 조사하고, 검출된 포톤 수를 측정한다.
그리고 도 3, 4에 도시된 바와 같이, 상기 적분구(140)가 상승한 상태, 즉, 상기 시료(1)와 시료 수용부(111)가 상기 적분구(140) 내부에 갇힌 상태에서 상기 시료(1)에 여기광을 조사하고, 검출된 포톤 수를 측정한다.
물론 이렇게 양자 수율을 측정하는 동안에는 상기 거울(160)이 암상(110) 외부에 퇴피하여 대기하고, 상기 다이크로익 필터(180)도 하강하여 상기 광 발생부(120)에서 입사되는 광 경로를 차단하지 않는다.
이렇게 상기 적분구(140)가 하강한 상태와 상승한 상태의 2가지 상태를 각각 측정하면, 적분구(140)가 상승한 상태에서의 측정값을 적분구(140)가 하강한 상태에서의 측정값에 근거하여 보정할 수가 있다. 따라서 시료(1)의 양자 수율을 보다 정확하게 측정할 수 있다.
다음으로는 발광 수명을 측정하는 과정이다. 먼저 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 다이크로익 필터(180)를 필터 이동부(182)를 구동시켜 상기 광 발생부(120)에 의하여 입사되는 광 경로 상으로 이동시킨다. 그리고 상기 광 발생부(120)에서 입사되는 여기광을 상기 시료(1)와 시료 수용부(111)로 조사하고, 상기 시료(1)로부터 생성된 형광 광자가 상기 다이크로익 필터(180)에서 반사되고 상기 광 감지부(190)로 입사되는 광자를 이용하여 제1 전기 신호와 동시에 제1 기준 신호를 수집한다. 여기에서 상기 제1 기준 신호는 제1 전기 신호와 연관된 여기광과 동기화된 펄스 신호로서, 제1 전기 신호와 연관된 트리거 신호를 증폭하여 생성한다.
그리고 도 6에 도시된 바와 같이, 시료(1)가 제거되고 상기 거울(160)이 시료(1)의 위치로 이동한 상태에서 상기 거울(160)에 상기 광 발생부(120)에 의하여 입사되는 광을 반사시키고 이를 통하여 얻어지는 제2 전기 신호와 동시에 제2 기준신호를 수집한다.
다음으로 상기 형광수명 추출부에서 제1 기준 신호에 의하여 계산된 상기 제1 전기 신호의 평균 시간과, 제2 기준 신호에 기초하여 계산된 상기 여기 광원이 상기 시료(1)를 통하지 않고 상기 광 감지부(190)에서 변환된 제2 전기 신호의 평균 시간과의 차이를 이용하여 형광 수명을 계산한다.
100 : 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치
110 : 암상 120 : 광발생부
130 : 광 검출부 140 : 적분구
150 : 이동부 160 : 거울
170 : 거울 이동부 180 : 다이크로익 필터
182 : 필터 이동부 190 : 광 감지부

Claims (4)

  1. 시료 수용부가 내부에 배치되는 암상;
    상기 암상에 접속된 광출사부를 가지며, 여기광을 발생시키는 광발생부;
    상기 암상에 접속된 광입사부를 가지며, 상기 여기광이 시료 및 시료 수용부에 조사된 후 방출되는 피측정광을 검출하는 광검출부;
    상기 여기광을 입사시키는 광입사개구 및 상기 피측정광을 출사시키는 광출사개구를 가지며, 상기 암상 내에 배치된 적분구;
    상기 시료 수용부가 상기 적분구 내에 위치하는 제1 상태 및 상기 시료 수용부가 상기 적분구 외에 위치하는 제2 상태의 각 상태가 되도록, 상기 암상 내에서 상기 적분구를 이동시키는 이동부;
    상기 암상 내부 중 상기 광출사부의 맞은 편에 설치되며, 상기 광출사부를 통하여 입사되는 여기광을 입사된 방향으로 반사시키는 거울;
    상기 거울을 상기 광출사부를 통하여 입사되는 여기광 조사 방향으로 수평 이동시키는 거울 이동부;
    상기 광발생부와 광출사부 사이에 설치되며, 상기 광발생부에서 입사되는 광은 통과시키고 상기 시료에서 방출된 광은 반사시키는 다이크로익 필터;
    상기 다이크로익 필터를 수평 이동시키는 필터 이동부;
    상기 다이크로익 필터에 의하여 반사된 형광 광자를 증폭시켜 제1 전기 신호로 변환하는 광 감지부;
    제1 기준 신호에 기초하여 계산된 상기 제1 전기 신호의 평균 시간과, 제2 기준 신호에 기초하여 계산된 상기 여기 광원이 상기 시료를 통하지 않고 상기 광 감지부에서 변환된 제2 전기 신호의 평균 시간과의 차이를 이용하여 형광 수명을 계산하는 형광수명 추출부;를 포함하는 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 검출부는,
    상기 광 발생부와 직교되는 방향에 설치되는 것을 특징으로 하는 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 필터 이동부는,
    상기 다이크로익 필터를 상기 광 발생부에서 조사되는 광의 진행방향과 직교되는 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 거울 이동부는 상기 암상 외측에 설치되고, 상기 암상에는 상기 거울이 상기 암상 외측으로 이동된 상태에서 상기 거울 이동 통로를 차단하는 차단부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 양자 수율과 발광 수명 동시 측정장치.
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