KR100933844B1 - 태양전지용 잉곳 가공방법 및 이를 위한 연삭유 공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그로잉(growing) 공정을 통해 제조된 태양전지용 잉곳을 절삭 또는 연삭 가공하는 태양전지용 잉곳 가공에 관한 것으로서, 상기 절삭 또는 연삭 가공 시 가공면과 가공휠 사이에 수용성 연삭유제와 가공수가 혼합된 연삭유를 공급하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 잉곳 가공방법을 개시한다.

태양전지용 잉곳, 수용성 연삭유제, 가공충격, 가공휠, 가공수

Description

태양전지용 잉곳 가공방법 및 이를 위한 연삭유 공급장치{Method of processing solar cell ingot and apparatus for the same}

본 발명은 태양전지용 잉곳에 대한 미세 가공에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양전지용 잉곳에 대한 절삭, 연삭 가공 시 잉곳 표면에 가해지는 가공 충격을 최소화 할 수 있는 태양전지용 잉곳 가공방법 및 이를 위한 연삭유 공급장치에 관한 것이다.

태양전지용 단결정 실리콘 잉곳의 표면 가공공정은 태양전지용 기판 제작 시 기판의 크기와 에지(Edge)면의 품질을 좌우하는 매우 중요한 공정이다.

최근에는 태양전지용 기판이 점차 박형화되어 감에 따라 태양전지 기판 제작시 깨지거나 금이 가는 불량 발생율이 증가하고 있다. 태양전지 기판의 불량 발생은 잉곳 가공 시 가해지는 물리적 충격에 기인하는 것으로서, 후속되는 태양전지 제조공정시 제품불량을 유발하는 주요 원인이 되고 있다.

일반적으로 태양전지용 단결정 실리콘 잉곳은 단면이 원형인 잉곳 몸체를 사각형으로 변형시키는 스퀘어링(squaring) 공정(도 1의 (a))과, 충격 완화를 위해 표면을 그라인딩하는 공정(도 1의 (b))과, 사각 코너부를 그라인딩하는 실린더리 컬(cylinderical) 그라인딩 공정(도 1의 (c))을 거쳐서 각형으로 가공된다.

스퀘어링 공정에서는 <100> 단결정 방향에 대하여 수직 방향에 놓인 비벽개면의 사방을 커팅 휠(10)을 이용해 절단함으로써 잉곳 몸체(1)를 사각형으로 가공한다. 최근에는 태양전지용 잉곳의 가공 시 발생하는 폐실리콘의 양을 줄이고 가공충격을 감소시키는 방안으로 도 2에 도시된 바와 같이 와이어쏘우(wire saw)(20)를 사용하는 가공법도 선보이고 있다.

표면 그라인딩 공정에서는 스퀘어링 공정에 의해 절단된 면의 가공 충격을 완화하기 위해 그라인딩 휠(11)의 평면 부분을 이용해 표면을 그라인딩하는 가공을 수행한다. 최근에는 표면 그라인딩 가공과 관련하여 이중의 휠을 사용하거나, 브러슁 휠(brushing), 또는 화학적 산 에칭공정을 추가함으로써 스퀘이링 절단 면의 가공 충격을 더욱 완화하는 기술이 적용되고 있다.

실린더리컬 그라인딩 공정에서는 그라인딩 휠(12)의 평면 부분을 이용해 잉곳 길이방향을 따라 코너부를 그라인딩하는 가공을 수행한다. 실린더리컬 그라인딩 공정을 수행한 이후에는 태양전지용 실리콘 잉곳을 얇게 절단하는 슬라이싱(slicing) 공정이 진행되어 최종적으로 태양전지용 웨이퍼가 얻어진다.

태양전지용 잉곳의 표면을 미세가공하기 위해 종래에는 그라인딩 휠을 다변화하거나 1차 그라인딩 후 2, 3차 미세 가공 공정을 추가로 진행하는 방법이 사용되었으며, 1차 가공 후 가공충격에 의해 변질된 층(이하, '가공충격층'이라 함)을 화학적 에칭법을 이용하여 제거하는 방법이 널리 사용되었다. 그러나, 2~3 차례에 걸쳐 그라인딩 공정을 거치게 되는 경우에는 공정비용 추가와 해당 인력이 요구되 는 부담이 있고, 화학적 에칭법을 적용하는 경우에는 가공충격층을 효과적으로 제어할 수는 있으나, 에칭용액으로 인해 환경오염을 유발하는 산업 폐기물이 발생하게 되므로 친환경적인 에너지원을 제공하고자 하는 태양전지의 개발 취지와 부합하지 않는 문제가 있다.

또한, 종래에는 그라인딩 공정 시 마찰열 냉각을 위해 공급되는 공정수(coolant)에 의해 그라인딩 장비 주변에 녹이 발생하게 되는데, 이 녹이 실리콘 잉곳에 침투하게 되면 태양전지 제작 시 금속오염의 원인이 되어 태양전지의 효율을 감소시킨다.

태양전지용 기판의 불량 중 깨지거나 금이 가는 것은 실리콘의 결정 특성상 결정방향으로 발생하게 되며, 특히 얇은 기판의 에지면 형태와 구조, 가공 방향, 가공충격층의 깊이에 따라 그 정도가 결정된다. 이것은 가공 공정에서 발생하는 가공충격에 의해 절삭, 연삭되는 실리콘 표면의 형태와 구조가 바뀌기 때문이며 가공충격에 의해 발생하는 충격층이 깊어질수록 태양전지용 기판은 물리적으로 취약해진다. 도 3에는 대표적인 가공충격층의 형태가 도시되어 있다.

가공충격층의 주요 발생 원인으로는 절삭 또는 연삭 가공하고자 하는 표면(이하, '가공면'이라 함)과 절삭, 연삭에 적용되는 가공휠 간의 마찰을 들 수 있다. 가공면과 가공휠 간의 마찰을 줄이면 가공 충격이 그만큼 줄어들어 변질되는 층의 깊이 제어가 가능하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 창안된 것으로서, 태양전지용 잉곳의 절삭, 연삭 가공시 가공면과 가공휠 사이의 마찰을 연삭유제를 이용해 감소시켜 가공충격을 줄일 수 있는 태양전지용 잉곳 가공방법 및 이를 위한 연삭유 공급장치를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 연삭유제에 의한 환경오염을 최소화하고, 가공수에 의한 녹 발생을 방지할 수 있는 태양전지용 잉곳 가공방법 및 이를 위한 연삭유 공급장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 연삭유제를 재활용할 수 있으며 미생물 발생을 방지할 수 있는 태양전지용 잉곳 가공을 위한 연삭유 공급장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 태양전지용 잉곳에 대한 절삭, 연삭 가공 중에 수용성 연삭유제를 포함하는 연삭유를 공급하는 공정을 수행하는 태양전지용 잉곳 가공방법 및 이를 위한 연삭유 공급장치를 개시한다.

본 발명에 따르면 그로잉(growing) 공정을 통해 제조된 태양전지용 잉곳을 절삭 또는 연삭 가공하는 태양전지용 잉곳 가공방법에 있어서, 상기 절삭 또는 연삭 가공 시 가공면과 가공휠 사이에 수용성 연삭유와 가공수가 혼합된 연삭유를 공급하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 잉곳 가공방법이 제공된다.

상기 수용성 연삭유는 아민계를 5~10% 함유한 글리콜계 계면활성제를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 연삭유는 상기 수용성 연삭유제가 상기 가공수에 1~5% 혼합되는 것이 바람직하다.

미생물에 의한 상기 연삭유의 열화를 방지하기 위해 상기 연삭유는 일정 온도 이내로 냉각된 후 상기 가공면과 가공휠 사이에 공급되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 그로잉(growing) 공정을 통해 제조된 태양전지용 잉곳을 절삭 또는 연삭 가공하는 공정에 사용되는 연삭유 공급장치로서, 연삭유가 수용되는 탱크; 상기 탱크 내부의 연삭유를 펌핑하여 상기 태양전지용 잉곳의 가공면과 가공휠 사이에 공급하는 연삭유 주입부; 사용된 연삭유를 포집하여 상기 탱크 내부에 재공급하는 회수부재; 및 상기 탱크 내부에 재공급되는 연삭유에 혼입된 가공칩을 분리하는 분리부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연삭유 공급장치가 제공된다.

상기 분리부재는 상기 탱크 내부에 구비되어 비중차에 의해 가라앉는 가공칩을 격리하는 격벽 구조를 갖는 것이 바람직하다.

상기 회수부재는 상기 태양전지용 잉곳의 가공면과 가공휠 사이에서 낙하하는 연삭유를 포집하여 상기 탱크 내부로 주입하는 상광하협 형태의 용기인 것이 바람직하다.

상기 연삭유 주입부는 상기 연삭유를 탱크 외부로 펌핑하는 펌프와, 상기 펌프를 통과한 연삭유를 냉각하는 냉각기를 포함한다.

본 발명에 따른 태양전지용 잉곳 가공방법 및 이를 위한 연삭유 공급장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 가공 공정 중 연삭유의 사용을 통해 가공충격층의 최대 깊이를 줄이고 각 지점 간의 깊이편차를 종래에 비해 개선할 수 있으며, 이에 따라 태양전지 기판 제작 시 깨짐, 금 등의 불량 발생율을 줄일 수 있으며 가공휠에 의한 휠 마크(wheel mark)를 완화시킬 수 있다.

둘째, 방청기능을 갖는 수용성 연삭유제를 사용하므로 가공장비에 녹이 발생하는 것을 방지하여 웨이퍼 제작 시 금속오염을 예방할 수 있다.

셋째, 연삭유를 재활용할 수 있으므로 공정비용을 절감할 수 있고, 재활용 시 실리콘칩(silicon chip)이나 각종 찌꺼기를 비중차를 이용해 분리해 낼 수 있다.

넷째, 연삭유를 냉각처리하여 가공면에 공급함으로써 미생물의 서식을 억제하여 수용성 연삭유제의 열화를 방지할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들 이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 4에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제공되는 태양전지용 잉곳 가공을 위한 연삭유 공급장치의 주요 구성이 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 연삭유 공급장치는 연삭유가 수용되는 탱크(100)와, 탱크(100)에 수용된 연삭유를 가공면으로 공급하는 펌프(102) 및 냉각기(103)와, 사용된 연삭유를 회수하는 회수부재(104)와, 탱크(100) 내부에 재공급된 연삭유에서 가공칩(106)을 분리하는 분리부재(105)를 포함한다.

비록 도 4에는 그라인딩 휠(12)을 이용해 태양전지용 잉곳 몸체(1)의 코너부를 가공하는 코너부 그라인딩 공정에 본 발명을 적용한 예가 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 스퀘어링 공정이나 표면 그라인딩 공정에 본 발명이 적용될 수도 있음은 물론이다.

탱크(100)에는 수용성 연삭유제와 가공수(process water)의 혼합액인 연삭유가 수용된다. 이를 위해 탱크(100) 내부에는 연삭유제 공급부(101)에 의해 수용성 연삭유제가 투입되고, 탱크(100)의 일측에는 가공수가 투입되어(S 참조) 탱크(100) 내부에서 수용성 연삭유제와 가공수의 혼합이 이루어진다. 탱크(100) 내부의 연삭유는 바람직하게, 수 회 재활용된 후 탱크(100) 타측의 배수구를 통해 외부로 배출된다(E 참조).

가공 시 가공충격층의 깊이 개선과 방청성능 등을 감안할 때, 수용성 연삭유제는 아민계를 5~10% 함유한 글리콜계 계면활성제를 포함하는 조성을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 탱크(100) 내부의 연삭유는 수용성 연삭유제가 가공수에 1~5% 혼 합된 조성을 갖는 것이 바람직하다.

연삭유 주입부를 구성하는 펌프(102)와 냉각기(103)는 연삭유를 탱크(100) 외부로 펌핑한 후 일정 온도 이내로 제어하여 절삭 또는 연삭 대상이 되는 태양전지용 잉곳의 가공면과 가공휠 사이에 공급한다. 특히, 냉각기(103)는 냉각수나 칠러(chiller)를 이용해 연삭유를 바람직하게, 25℃ 이내로 유지하여 미생물의 발생을 억제하고 가공 시 발생하는 마찰열을 제어하는 작용을 한다.

미생물은 수용성 연삭유제의 열화 요인 중에서 가장 큰 원인이 되는 것으로서, 일반적으로 30℃ 정도의 온도에서 번식이 왕성하며, 연삭유제의 성분을 영양원으로 분해하여 농도를 저하시키고 방청특성 저하와 악취를 발생시킨다. 따라서, 냉각기(103)를 이용해 연삭유를 일정 온도 이내로 냉각하여 미생물이 서식할 수 없는 환경을 유지해야 한다.

회수부재(104)는 탱크(100) 상부에 배치되어 태양전지용 잉곳의 가공면과 가공휠 사이에서 윤활 및 냉각작용을 한 후 낙하하는 연삭유를 포집하여 탱크(100) 내부로 재공급한다. 이를 위해 회수부재(104)는 상광하협 형태의 용기 구조를 갖는다.

탱크(100) 내부에는 분리부재(105)가 구비되어 회수부재(104)에 의해 재공급되는 연삭유에 포함된 가공칩(106)을 분리한다. 분리부재(105)는 탱크(100)의 바닥면에 대하여 수직하게 세워진 격벽 구조로 형성되어 연삭유와의 비중차에 의해 가라앉는 실리콘칩이나 찌꺼기 등의 가공칩(106)을 격리한다. 가공칩(106)은 분리부재(105)에 의해 유동이 제한되어 연삭유와 함께 펌프(102) 내로 유입되지 않으므로 재공급이 방지된다.

이상과 같은 구성을 갖는 연삭유 공급장치는 그로잉(growing) 공정을 통해 제조된 태양전지용 잉곳을 스퀘어링하거나, 표면, 코너부를 그라인딩하는 가공 공정에 적용되어 가공면과 가공휠 사이에 연삭유를 공급하도록 동작한다. 여기서, 태양전지용 잉곳에 대한 스퀘어링 공정이나, 표면 그라인딩 공정, 코너부 그라인딩 공정 자체는 상술한 바와 같은 통상의 기술이 동일하게 채택될 수 있으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 연삭유 공급장치에 의해 공급되는 연삭유는 수용성 연삭유제를 포함하므로 방청기능이 부여되고, 냉각기(103)에 의해 일정 온도 이내로 유지됨으로써 미생물에 의한 열화가 방지된다. 또한, 연삭유 공급장치는 태양전지용 잉곳의 가공면과 가공휠 사이에 사용된 후 낙하하는 연삭유를 포집하여 탱크(100) 내부로 유입시키고 가공칩(106)을 걸러낸 후 다시 연삭유 주입부를 이용해 재공급하는 동작을 수행하게 된다.

도 5와 도 6에는 태양전지용 잉곳의 스퀘어링 공정과 표면 및 코너부 그라인딩 가공공정을 수행함에 있어서, 본 발명의 적용 전후의 가공충격층 깊이를 분석한 결과가 나타나 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 적용 전에는 가공충격층의 깊이(damage depth)가 최대(max) 55㎛, 최소 6㎛ 수준이었으나, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 적용 후에는 가공충격층의 깊이가 최대(max) 18㎛, 최소 12㎛ 수준으로 최대깊이가 줄어들고 잉곳의 각 지점 간의 깊이편차가 안정화되었음을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 적용 후에는 태양전지 기판 제작 시 깨짐이나 금 등의 불량 발생율이 기존의 최대 23% 수준에서 최대 2% 이하의 수준으로 감소하게 되는 효과를 얻을 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 태양전지용 잉곳을 사각형으로 가공하는 통상의 가공공정을 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 2는 와이어쏘우를 이용한 스퀘어링 공정을 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 3은 종래기술에 따른 가공공정에 의해 태양전지용 잉곳의 표면에 발생한 가공충격층을 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제공되는 태양전지용 잉곳 가공을 위한 연삭유 공급장치의 구성도이다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 적용 전후의 가공충격층 깊이를 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 참조 부호에 대한 설명>

1: 잉곳 몸체 12: 그라인딩 휠

100: 탱크 101: 연삭유제 공급부

102: 펌프 103: 냉각기

104: 회수부재 105: 분리부재

106: 가공칩

Claims (10)

1. 그로잉(growing) 공정을 통해 제조된 태양전지용 잉곳을 절삭 또는 연삭 가공하는 태양전지용 잉곳 가공방법에 있어서,

   상기 절삭 또는 연삭 가공 시 가공면과 가공휠 사이에 아민계를 5~10% 함유한 글리콜계 계면활성제를 포함하는 수용성 연삭유제와 가공수가 혼합된 연삭유를 공급하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 잉곳 가공방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 연삭유는 상기 수용성 연삭유제가 상기 가공수에 1~5% 혼합된 것을 특징으로 하는 태양전지용 잉곳 가공방법.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   미생물에 의한 상기 연삭유의 열화를 방지하기 위해 상기 연삭유를 일정 온도 이내로 냉각시킨 후 상기 가공면과 가공휠 사이에 공급하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 잉곳 가공방법.
5. 그로잉(growing) 공정을 통해 제조된 태양전지용 잉곳을 절삭 또는 연삭 가공하는 공정에 사용되는 연삭유 공급장치로서,

   아민계를 5~10% 함유한 글리콜계 계면활성제를 포함하는 수용성 연삭유제를 제공하는 연삭유제 공급부;

   상기 수용성 연삭유제와 가공수가 혼합된 연삭유를 수용하는 탱크;

   상기 탱크 내부의 연삭유를 펌핑하여 상기 태양전지용 잉곳의 가공면과 가공휠 사이에 공급하는 연삭유 주입부;

   사용된 연삭유를 포집하여 상기 탱크 내부에 재공급하는 회수부재; 및

   상기 탱크 내부에 재공급되는 연삭유에 혼입된 가공칩을 분리하는 분리부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연삭유 공급장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 분리부재는 상기 탱크 내부에 구비되어 비중차에 의해 가라앉는 가공칩을 격리하는 격벽 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연삭유 공급장치.
7. 제5항에 있어서,

   상기 회수부재는 상기 태양전지용 잉곳의 가공면과 가공휠 사이에서 낙하하는 연삭유를 포집하여 상기 탱크 내부로 주입하는 상광하협 형태의 용기인 것을 특징으로 하는 연삭유 공급장치.
8. 제5항에 있어서,

   상기 연삭유 주입부는 상기 연삭유를 탱크 외부로 펌핑하는 펌프와, 상기 펌 프를 통과한 연삭유를 냉각하는 냉각기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연삭유 공급장치.
9. 삭제
10. 삭제

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