KR100996048B1 - 패널형 반도체모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 패널형 반도체모듈로서의 태양전지모듈은, 복수의 행 및 복수의 열로 배치된 로드형의 복수의 발전용 반도체소자(1)와, 각 열의 복수의 반도체소자(1)를 직렬접속하고 또한 각 행의 복수의 반도체소자(1)를 전기적으로 병렬접속하는 도전접속기구와, 복수의 반도체소자(1)가 장착되며 또한 도전접속기구를 구성하는 도전성의 내장금속케이스(3)를 구비하고, 내장금속케이스(3)의 반사면 형성홈(20)에 각 행의 반도체소자(1)가 수용되며, 반도체소자(1)의 플러스전극이 바닥판부에 접속되고 또한 마이너스전극이 핑거리드(25)에 접속되며, 상면측은 투명한 커버부재에 의해 커버되어 있다.

Description

패널형 반도체모듈{PANEL-SHAPED SEMICONDUCTOR MODULE}
본 발명은, 수광 또는 발광기능이 있는 패널형 반도체모듈에 관한 것으로서, 특히 복수의 로드형 반도체소자(반도체 디바이스)를 이용하여 구성된 반도체모듈에 관한 것이다.
지금까지, 외부렌즈가 장비되고 적은 수광면적으로 큰 출력을 얻는 태양전지(태양전지모듈, 태양전지패널)가 다양하게 제안되고 있다. 그러나, 실리콘 태양전지와 같이 대면적화가 진행되어, 태양전지 셀이나 태양전지모듈의 제조가격이 낮아졌기 때문에, 외부렌즈 등으로 집광하여 사용하는 예는 적어지게 되었다.
한편, 갈륨비소(GaAs)와 같이 고가의 화합물반도체를 이용한 태양전지에서는, 외부렌즈 등으로 집광하는 것이 경제적이라 하여 많은 문헌에 제안된 바 있다.
미국특허 제4,136,436호, 본원의 발명자에 의한 미국특허 제6,204,545호에 제안된 바와 같이, 입상(粒狀)의 실리콘결정으로 구(球)형 또는 부분적으로 구형인 태양전지 셀을 제작함으로써, 고가의 실리콘 원재료를 유효하게 이용하고자 하는 기술도 제안되어 있다.
본원의 발명자는 일본특허공개공보 제2001-168369호를 통해, 구형상의 태양전지 셀을 이용한 태양전지모듈에 있어서 이면측에 반사판을 밀착상태로 설치한 예 를 제안한 바 있다. 또한, 국제공개공보 WO03/056633호에는, 구형의 태양전지 셀을 이것보다 지름이 큰 합성수지제의 캡슐 내에 수용하고, 내부에 합성수지를 충전하여 집광하도록 한 것을 제안하였다. 이것들은 외부렌즈의 경우보다 집광배율이 작아지지만, 비교적 간단한 구조로 실현가능하다.
미국특허공보 제5,482,568호에는, 케이스에 콘(cone)형상의 복수의 반사미러를 설치하고, 콘의 바닥부에 평면 수광형의 태양전지 셀을 배치하며, 콘에서 집광된 태양광을 태양전지 셀의 상면에 조사하여, 콘의 하면측으로부터 방열하도록 한 마이크로 미러 태양전지가 개시되어 있다. 평면형상의 태양전지 셀이 채용되었기 때문에, 태양전지 셀의 상면에서만 수광이 가능하며, 반사손실도 적지 않아 입사광의 이용효율을 충분히 높이기가 어렵다. 상기 마이크로 미러 태양전지에서는, 태양전지 셀이 집광에 의해 온도가 상승되는 것을 방지하기 위해, 케이스의 바닥부에 태양전지 셀을 부착하여 온도상승을 작게 한다는 사상이 채용되었다.
미국특허공보 제5,355,873호에는, 구형의 태양전지 셀을 이용한 집광형 태양전지모듈이 개시되어 있다. 얇은 금속판제의 시트(공통전극)에는 내면을 반사면으로 한 대략 반(半)구면형상의 복수의 오목부가 형성되고, 오목부의 중심부에는 태양전지 셀을 지지하는 다리부가 형성되며, 도전성 메쉬에 복수의 태양전지 셀의 중단부(中段部)가 지지되고, 복수의 태양전지 셀이 복수의 오목부에 셋팅되어 다리부에 전기적으로 접속되어 있으며, 복수의 태양전지 셀은 도전성 메쉬와 시트에 의해 병렬접속되어 있다. 태양전지 셀에는, 상하 양단부에 전극이 형성되어 있지 않기 때문에, 태양전지 셀 내부의 전류분포가 불균일해져 발전효율을 높이기가 어렵다. 더욱이, 시트에 장착되는 태양전지 셀 전체가 병렬접속되는 것이기 때문에, 태양전지모듈의 출력전압을 높이는 데 있어서 불편하다.
미국출원공개공보 제2002/0096206호에는, 부분적으로 구면형상인 복수의 오목부의 중심부에 구형의 태양전지 셀을 각각 장착하고, 오목부의 내면을 반사면으로 하여, 복수의 오목부를 2장의 금속박판과, 그 금속박판 사이에 장착된 절연층으로 구성하며, 구형의 태양전지 셀의 하단부분에서 2장의 금속박판을 태양전지 셀의 플러스/마이너스의 전극에 접속함으로써, 복수의 태양전지 셀을 병렬접속한 태양전지모듈이 개시되어 있다.
상기 태양전지모듈에서는, 구형 태양전지 셀의 하단부분이 2장의 얇은 금속판에 전기적으로 접속되어 있기 때문에, 구형 태양전지 셀의 상반부의 수광면으로부터 플러스/마이너스 전극까지의 거리가 커져 출력전류취득의 저항손실이 커진다는 결점이 있다. 더욱이, 이러한 태양전지모듈에서는, 모든 태양전지 셀이 병렬접속되기 때문에, 태양전지모듈의 출력전압을 높이는 데 있어서 불편하다.
본원의 발명자는 국제공개공보 WO02/35612호에서, 로드형의 수광용 또는 발광용 반도체소자로서, 그 양단면에 한 쌍의 전극이 형성된 반도체소자와, 이것을 이용한 태양전지모듈을 개시하였다. 그러나, 상기 로드형 반도체소자에서는, 소자의 직경에 대한 길이의 비율을 크게 하면 전극간 저항이 증대되기 때문에, 그 비율은 약 1.5 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
[특허문헌 1] 미국특허공보 제4,136,436호
[특허문헌 2] 미국특허공보 제6,204,545호
[특허문헌 3] 일본특허공개공보 제2001-168369호
[특허문헌 4] 국제공개공보 WO03/056633호
[특허문헌 5] 미국특허공보 제5,482,568호
[특허문헌 6] 미국특허공보 제5,355,873호
[특허문헌 7] 미국출원공개공보 제2002/0096206호
상기 공보에 기재된 태양전지모듈과 같이, 구형 또는 부분적으로 구형인 입상의 태양전지 셀을 이용하여 태양전지모듈을 구성할 경우, 태양전지 셀의 전극을 모듈의 양극측과 음극측의 도체에 전기적으로 접속하는 접속부위나 결선(結線)부위의 수가 많아져 양산에 있어서 불리하다.
구형 태양전지 셀을 부분적으로 구면형상인 오목부의 중심부에 장착하고, 오목부 표면의 반사면에서 집광하여 태양전지 셀에 태양광을 조사하는 구성에서는, 오목부와 오목부의 사이에 틈이 발생하기 때문에, 입사 태양광의 이용율을 높이는 데 불리하다. 더욱이, 평면에서 볼 때 태양전지 셀의 수광면에 대한 집광용 오목부의 수광면의 비율을 그다지 크게 할 수 없기 때문에, 태양전지모듈의 표면에서의 광의 입력에 대한 출력을 높이기가 어렵다.
입상의 태양전지 셀을 이용한 태양전지모듈에 있어서, 렌즈에 의해 집광하기 위해서는, 평면에서 볼 때 원형인 렌즈가 태양전지 셀의 수만큼 필요하게 되어 렌즈의 수가 많아지고 구조가 복잡해진다.
광반사식의 집광기구를 이용할 경우에는, 태양전지 셀의 온도상승이 커지기 때문에, 태양전지 셀을 효과적으로 냉각하는 냉각기구가 필요하게 되는데, 부분적 으로 구면인 반사면을 이용할 경우에는, 냉각용 유체를 흘려보내는 유로의 형상을 매끄럽게 구성하기가 어렵고 냉각성능을 높이기가 용이하지 않다.
태양전지모듈에 조립되는 복수의 태양전지 셀을 모두 병렬접속할 경우에는, 태양전지모듈의 출력전압이 태양전지 셀의 출력전압과 같아지지만, 태양전지모듈의 출력전압을 변경할 수 있는 것이 바람직하고, 복수의 발광 다이오드를 조립한 발광패널에서는 그 패널에 대한 입력전압을 변경할 수 있는 것이 바람직하다.
본원발명의 목적은, 전극간 저항을 늘리지 않으면서 수광면적을 크게 할 수 있는 반도체소자를 이용한 패널형 반도체모듈을 제공하는 것, 반도체소자를 전기적으로 접속하는 접속부위나 결선부위의 수를 적게 할 수 있는 패널형 반도체모듈을 제공하는 것, 집광배율을 크게 할 수 있는 패널형 반도체모듈을 제공하는 것, 렌즈부를 형성하는 데 유리한 패널형 반도체모듈을 제공하는 것, 그리고 냉각성능을 높이는 데 유리한 패널형 반도체모듈을 제공하는 것 등이다.
본 발명에 관한 패널형 반도체모듈은, 수광 또는 발광기능이 있는 패널형 반도체모듈에 있어서, 수광 또는 발광기능과 축심을 갖는 복수의 로드형 반도체소자로서, 도전방향을 맞추고 또한 축심을 행방향을 향하도록 하여 복수의 행 및 복수의 열로 배치한 복수의 반도체소자와, 각 행의 복수의 반도체소자를 전기적으로 병렬접속하고 또한 각 열의 복수의 반도체소자를 전기적으로 직렬접속하는 도전접속기구와, 상기 복수의 반도체소자가 장착되며 또한 상기 도전접속기구를 구성하는 도전성의 내장금속케이스를 구비하고 있다.
그리고, 상기 복수의 반도체소자의 각각은, p형 또는 n형의 반도체결정으로 이루어지는 로드형의 베이스재와, 상기 베이스재의 표층부의 띠형상부분 이외의 부분에 형성된 베이스재와 다른 도전형의 별도의 도전층과, 상기 베이스재와 별도의 도전층에 의해 형성된 대략 원통형의 pn접합과, 상기 베이스재의 축심을 낀 양측의 표면부분에 축심과 평행하게 띠형상으로 형성되며 또한 상기 베이스재의 상기 띠형상부분 및 별도의 도전층에 각각 오믹접속된 제 1, 제 2 전극을 구비하고 있다.
그리고, 상기 내장금속케이스는, 각 행의 복수의 반도체소자를 각각 수용하는 복수의 반사면 형성홈으로서, 개구부로부터 바닥부를 향하여 홈폭이 감소하는 복수의 반사면 형성홈을 구비하고, 각 반사면 형성홈은, 광반사가 가능한 바닥판부(底板部)와 상기 바닥판부의 단부로부터 상방으로 일체적으로 연장되는 광반사가 가능한 한 쌍의 경사판부로 구성되어 있다.
그리고, 상기 각 바닥판부의 폭방향 중앙부에 부착대부가 돌출형상으로 형성되는 동시에, 그 부착대부에 대응되는 행의 복수의 반도체소자가 재치(載置)되며 또한 이들 반도체소자의 제 1, 제 2 전극 중 하나가 전기적으로 접속되어 각 반사면 형성홈의 일방의 경사판부에 전기적으로 접속되고, 또한 대응되는 행의 복수의 반도체소자의 제 1, 제 2 전극 중 다른 하나에 전기적으로 접속된 복수의 핑거리드(finger lead)가 형성되며, 상기 각 바닥판부 중 부착대부의 한쪽(片側) 부위에, 대응되는 행의 복수의 반도체소자의 제 1, 제 2 전극을 단락하는 도전부분을 분단하기 위한 분단슬릿이, 행방향의 전체 길이에 걸쳐 형성되어 있다.
(효과)
반도체소자는, 베이스재와 베이스재의 도전형과는 다른 도전형의 별도의 도전층과 pn접합과 제 1, 제 2 전극을 가지고, 제 1, 제 2 전극은 베이스재의 축심의 양측 표면부분에 축심과 평행하게 띠형상으로 형성되어 베이스재와 별도의 도전층에 오믹접속되어 있기 때문에, 베이스재의 직경에 대한 축심방향길이의 비율을 크게 하여도, 제 1, 제 2 전극간의 거리가 베이스재의 직경 이상이 되는 일은 없으며, 제 1, 제 2 전극간의 전기저항이 커지지 않기 때문에, 상기 비율을 원하는 값까지 크게 할 수가 있다. 따라서, 반도체소자의 길이를 크게 하고, 복수의 반도체소자를 전기적으로 접속하는 접속부위의 수를 적게 하여 도전접속기구의 구성을 간단하게 할 수가 있다.
도전접속기구는, 각 행의 복수의 반도체소자를 병렬접속하는 동시에 각 열의 복수의 반도체소자를 직렬접속하기 때문에, 일부 반도체소자가 어떠한 원인으로 인해 기능이 정지되어도, 그 기능이 정지된 반도체소자를 우회하는 회로에 의해 전류가 흐르기 때문에, 정상인 반도체소자의 기능이 정지되는 일은 없다.
내장금속케이스는, 개구부로부터 바닥부를 향하여 홈폭이 감소하는 복수의 반사면 형성홈을 구비하고, 각 반사면 형성홈은 광반사가 가능한 바닥판부와 광반사가 가능한 한 쌍의 경사판부로 구성되며, 상기 반사면 형성홈의 바닥판부 중앙부의 부착대부에는 대응되는 행의 복수의 반도체소자가 재치(載置)되며, 이들 복수의 반도체소자의 제 1, 제 2 전극 중 하나가 전기적으로 접속되어 있다.
이 때문에, 수광용 반도체모듈일 경우에는, 반사면 형성홈의 반사면에서 집광된 광을 반도체소자에 입사시킬 수 있다. 반사면 형성홈의 개구부의 폭은 반도체소자의 직경의 3∼4배 또는 그 이상이 되는 크기로 형성할 수 있어, 반도체소자의 수광면에 대한 반사면 형성홈(집광부)의 면적의 비율을 크게 하고 집광배율을 크게 할 수가 있다. 즉, 소수의 반도체소자를 유효하게 활용하여 높은 출력을 얻을 수가 있다.
더욱이, 반도체소자는 반사면 형성홈의 바닥판부의 중앙부에 돌출된 부착대부에 재치(載置)되어 있기 때문에, 바닥판부에서 반사된 광을 반도체소자의 하반부에 입사시킬 수가 있다.
복수의 반사면 형성홈의 각각에 각 행의 복수의 반도체소자가 수용되어 있기 때문에, 복수의 반사면 형성홈에 대응되는 복수의 원통렌즈를 채용함에 있어서 유리하다. 내장금속케이스에 의해 형성되는 복수의 반사면 형성홈의 각각은, 바닥판부와 한 쌍의 경사판부에 의해 형성되어 있기 때문에, 1장의 금속판으로 내장금속케이스를 구성할 수 있게 되어, 부재 수를 적게 하고 구조를 간단하게 할 수가 있다.
본 발명의 종속 청구항의 구성으로서, 다음과 같은 다양한 구성을 채용할 수도 있다.
(1) 상기 핑거리드는, 경사판부의 상반부에 형성된 랜스가공편(lancing piece)의 하단부를 거의 직각으로 구부림으로써 형성되었다.
(2) 상기 내장금속케이스의 각 분단슬릿은, 각 행의 복수의 반도체소자의 제 1, 제 2 전극 중 하나를 상기 부착대에 접속하고, 또한 제 1, 제 2 전극 중 다른 하나를 핑거리드에 접속한 후에, 복수의 타이 바부(tie-bar portion)를 펀칭하여 연속되는 분단슬릿으로 형성된다.
(3) 상기 내장금속케이스의 하면측에 외부로부터 끼워지는 형상으로 장착되는 외장금속케이스로서, 내장금속케이스와 거의 유사한 단면형상을 갖는 외장금속케이스와, 상기 내장금속케이스와 외장금속케이스의 사이에 전기절연성 합성수지층을 설치하고, 상기 전기절연성 합성수지층을 통해 내장금속케이스와 외장금속케이스를 일체적으로 고정부착하였다.
(4) 상기 (3)에 있어서, 외장금속케이스의 행방향의 양단부에는, 내장금속케이스의 단부보다 소정 길이만큼 행방향 외측까지 연장되는 연장부가 형성되며, 상기 연장부에 형성되는 케이스 수용홈에 절연재료제의 사이드 캡 블록(side cap block)이 내부끼움장착되어 고정되었다.
(5) 상기 (4)에 있어서, 내장금속케이스의 반사면 형성홈에 유연성이 있는 투명한 절연성 합성수지재가, 상기 반도체소자와 상기 핑거리드를 메우는 상태로 충전되었다.
(6) 상기 (4)에 있어서, 내장금속케이스의 상면측을 덮는 투명한 유리제 또는 합성수지제의 커버부재로서, 내장금속케이스와 상기 사이드 캡 블록에 고정부착된 커버부재를 설치하였다.
(7) 상기 (6)에 있어서, 커버부재에는, 복수 행의 반도체소자에 각각 대응하는 복수의 원통렌즈부를 형성하였다.
(8) 상기 외장금속케이스의 외면측에 냉각용 유체를 흘리기 위한 통로를 형성하는 덕트부재를 설치하였다.
(9) 상기 반도체소자의 표면 중 제 1, 제 2 전극을 제외한 표면 부분에 반사방지막이 형성되었다.
(10) 상기 반도체소자의 베이스재가 p형의 Si단결정 또는 Si다결정으로 구성되고, 상기 별도의 도전층이 n형 불순물로서의 P 또는 Sb 또는 As를 확산하여 구성되며, 상기 반도체소자가 태양전지 셀로 구성되었다.
(11) 상기 반도체소자의 베이스재가 n형의 Si단결정 또는 Si다결정으로 구성되고, 상기 별도의 도전층이 p형 불순물로서의 B 또는 Ga 또는 Al을 확산하여 구성되며, 상기 반도체소자가 태양전지 셀로 구성되었다.
(12) 상기 반도체소자가 발광기능이 있는 발광 다이오드소자로 구성되었다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 관한 태양전지모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II선에 따른 단면도이다.
도 3은 도 1의 III－III선에 따른 단면도이다.
도 4는 태양전지모듈의 커버부재를 벗긴 상태의 평면도이다.
도 5는 도 4의 주요부에 대한 확대도이다.
도 6은 사이드 캡 블록의 사시도이다.
도 7은 내장금속케이스의 반사면 형성홈의 주요부에 대한 사시도이다.
도 8은 반도체소자의 확대 단면도이다.
도 9는 도 8의 IX-IX선에 따른 단면도이다.
도 10은 반도체소자의 확대 사시도이다.
도 11은 도전접속기구의 등가회로에 대한 회로도이다.
도 12는 변경예에 따른 도 7에 상당하는 도면이다.
도 13은 실시예 2에 관한 태양전지모듈의 도 2에 상당하는 도면이다.
도 14는 실시예 3에 관한 발광용 반도체소자의 확대단면도이다.
도 15는 도 13의 XIV －XIV선에 따른 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
M,Ma : 태양전지모듈(패널형 반도체모듈) 1 : 반도체소자
2 : 도전접속기구 3 : 내장금속케이스
4 : 외장금속케이스 4A : 연장부
5 : 커버부재 5a : 원통렌즈부
6 : 절연성 합성수지재 7 : 합성수지층
8 : 사이드 캡 블록 11 : 베이스재
12 : 확산층 13 : pn접합
14 : 플러스전극 15 : 마이너스전극
16 : 반사방지막 20 : 반사면 형성홈
21 : 바닥판부 21a : 부착대부
22,23 : 경사판부 25,25A : 핑거리드
26 : 분단슬릿 35 : 덕트부재
40 : 발광용 반도체소자(발광 다이오드소자) 41 : 베이스재
42 : 확산층 43 : pn접합
44 : 플러스전극 45 : 마이너스전극
46 : 반사방지막
본 발명의 패널형 반도체모듈은, 기본적으로는 수광 또는 발광기능이 있는 로드형의 반도체소자로서, 복수의 행 및 복수의 열로 정렬된 복수의 반도체소자와, 각 행의 복수의 반도체소자를 병렬접속하고 또한 각 열의 복수의 반도체소자를 직렬접속하는 도전접속기구와, 복수의 반도체소자가 장착되며 또한 도전접속기구를 구성하는 내장금속케이스를 구비하고, 상기 내장금속케이스에 복수 행의 반도체소자를 각각 수용하는 복수의 반사면 형성홈으로서, 개구로부터 바닥부를 향하여 홈폭이 감소하는 복수의 반사면 형성홈을 형성한 것이다.
(실시예 1)
본 실시예 1에 관한 반도체모듈은, 태양광을 수광하여 발전하는 태양전지모듈(태양전지패널)이며, 본 태양전지모듈(M)에 대하여 도면을 참조하면서 설명하도록 한다. 도 1∼도 5에 나타낸 바와 같이 태양전지모듈(M)은, 수광기능이 있는 복수의 반도체소자(1), 이들 반도체소자(1)를 전기적으로 접속하는 도전접속기구(2, 도 11 참조), 복수의 반도체소자(1)를 수용하는 내장금속케이스(3), 상기 내장금속케이스(3)의 하면측에 외부로부터 끼워진 외장금속케이스(4), 내장금속케이스(3)의 상면을 덮는 투명한 커버부재(5), 내장금속케이스(3)의 내부에 충전된 실리콘 고무로 이루어진 절연성 합성수지재(6), 내장금속케이스(3)와 외장금속케이스(4)를 접착하는 합성수지층(7), 복수의 사이드 캡 블록(8), 2장의 보강판(9) 등을 구비하고 있다.
도 8∼도 10에 나타낸 바와 같이, 반도체소자(1)는, 축심(1a)을 갖는 거의 원형(원형에 가까운 부분원형)의 단면을 갖는 로드형(rod-type)의 태양전지 셀이다. 상기 반도체소자(1)는, p형 실리콘 단결정으로 이루어진 로드형의 베이스재(11)와, n형 확산층(12 ; 베이스재(11)의 도전형과 다른 도전형의 별도의 도전층에 상당함)과, pn접합(13)과, 플러스/마이너스 전극(14,15)과, 반사방지막(16)을 가지며, 태양광을 수광하여 약 0.5∼0.6V의 광기전력을 발생하는 것이다.
상기 베이스재(11)는, 직경 약 1.8mm, 길이 약 5mm인 원기둥형상의 p형 실리콘 단결정의 바닥부에, 그 원기둥의 축심(1a, 도 9 참조)과 평행한 띠형상의 평탄면(11a, 예컨대 폭이 약 0.6mm)을 형성한 것이며, 상기 확산층(12)은, 상기 베이스재(11)의 표층부 중의, 평탄면(11a)과 그 양측 근방부를 포함하는 띠형상부분 이외의 부분에, P(인)을 0.5∼1.0㎛의 깊이까지 열확산시킴으로써 형성된 n형 도전층이다.
p형의 베이스재(11)와 n형의 확산층(12)에 의해 대략 원통형(원통형에 가까운 부분 원통형)의 pn접합(13)이 형성되며, 이 pn접합(13)은 반도체소자(1)의 축심(1a)의 외주측 대부분을 둘러싸고 있다. 베이스재(11)의 평탄면(11a)에 폭이 약 0.4mm인 띠형상의 플러스전극(14)이 설치되어 있고, 베이스재(11)의 표면부 중, 축심(1a)을 끼고 플러스전극(14)과 반대되는 쪽에는 폭이 약 0.4mm인 띠형상의 마이너스전극(15)이 설치되어 있다. 플러스전극(14)은 은에 알루미늄을 첨가한 페이스트를 소성(燒成)하여 형성되며, 마이너스전극(15)은 은에 소량의 안티몬을 첨가한 페이스트를 소성하여 형성된다. 이와 같이 하여 플러스/마이너스 전극(14,15)은, 베이스재(11)의 축심(1a)의 양측 표면부분에 축심(1a)과 평행하게 띠형상으로 형성되며, 플러스전극(14)은 베이스재(11)에 오믹접속되어 있고, 마이너스전극(15)은 확산층(12)에 오믹접속되어 있다.
반도체소자(1)의 표면 중 플러스/마이너스 전극(14,15)을 제외한 표면부분에, 반사방지 및 실리콘표면의 패시베이션용의 실리콘 산화피막 또는 실리콘 질화막으로 이루어진 반사방지막(16)이 형성되어 있다. 상기 반도체소자(1)에 태양광(bm)이 조사되어 베이스재(11)의 실리콘 단결정에 흡수되면, 캐리어(전자와 정공)가 발생하고, pn접합(13)에 의해 전자와 정공이 분리되어 플러스전극(14)과 마이너스전극(15) 사이에 광기전력이 발생한다. 상기 반도체소자(1)는, 축심(1a)과 직교하는 방향으로부터 입사되는 태양광의 입사방향이 변화하여도 똑같은 수광감도를 가지며, 넓고 다양한 방향으로부터의 태양광(bm)을 효율적으로 수광하여 발전한다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 플러스전극(14)과 마이너스전극(15)이 베이스재(11)의 축심(1a)에 대하여 거의 대칭인 위치에 있기 때문에, 베이스재(11)의 축심(1a)과 직교하는 임의의 평면상에서, 수광된 태양광(bm)에 의해 베이스재(11)에서 발생된 캐리어는, 예컨대, 둘레방향으로 다른 위치(A, B, C)에 대하여, 플러스/마이너스 전극(14,15)에 도달하는 거리의 합이 거의 같도록 (a+b）≒ (a'+b') ≒ (a"+b")과 같게 되기 때문에, 광전류의 분포는 베이스재(11)의 축심(1a)에 대해 균일해져 치우침으로 인한 저항손실을 저감시킬 수가 있다.
도 2, 도 4, 도 5, 도 7에 나타낸 바와 같이, 복수의 반도체소자(1)는, 내장금속케이스(3)의 복수의 반사면 형성홈(20) 내에 그 도전방향을 맞추고 또한 그 축심(1a)을 행방향을 향하도록 하여 복수의 행 및 복수의 열로 배치되어 있다. 복수의 반도체소자(1)는 플러스전극(14)이 하단에 위치하고, 마이너스전극(15)이 상단에 위치하도록 도전방향이 연직하방향으로 맞추어져 있다.
내장금속케이스(3)는 철·니켈합금(Ni 42%, Fe 58%)의 박판(예컨대, 두께 0.4mm)을 프레스기계에 의해 소정 형상의 금형을 이용하여 펀칭성형가공함으로써 일체품으로 구성되며, 상기 내장금속케이스(3)의 수광측의 내면은, 광반사성능을 높이기 위해 경면(鏡面)처리되거나 또는 금도금피막과 은도금피막 중 어느 하나가 형성되어 있다.
도 2, 도 4, 도 5, 도 7에 나타낸 바와 같이, 내장금속케이스(3)는 복수 행의 반도체소자(1)의 행수와 동일한 수인 홈통형상의 반사면 형성홈(20)과, 좌우 양단부의 플랜지부(3f) 및 연결단자판(3a)을 구비한다. 반사면 형성홈(20)은, 개구로부터 바닥부를 향하여 홈폭이 선형으로 감소하는 역사다리꼴의 단면으로 형성되어 있다. 각 반사면 형성홈(20)은, 바닥판부(21)와, 상기 바닥판부(21)의 양단으로부터 상방으로 연장되는 한 쌍의 경사판부(22,23)로 형성되며, 인접하는 반사면 형성홈(20)의 경사판부(22,23)의 상단부는 폭이 작은 연결판부(24)에 의해 연결되어 있다.
각 바닥판부(21)의 폭방향 중앙부에는 단면이 사다리꼴형상인 부착대부(21a)가 상방으로 돌출된 형상으로 형성되고, 상기 부착대부(21a)에 대응되는 행의 복수의 반도체소자(1)가 재치(載置)되며, 이들 반도체소자(1)의 플러스전극(14)이 부착대부(21a)에 도전성 에폭시수지에 의해 접착되어 전기적으로 접속되어 있다. 각 반사면 형성홈(20) 우측의 경사판부(23)의 중단부(中段部)로부터 일체적으로 연장되어 대응되는 행의 복수의 반도체소자(1)의 마이너스전극(15)이 각각 전기적으로 접속되는 복수의 핑거리드(25)가 형성되며, 반도체소자(1)의 마이너스전극(15)은, 핑거리드(25)에 도전성 에폭시수지에 의해 접착되어 전기적으로 접속되어 있다. 각 핑거리드(25)는, 우측 경사판부(23)의 상반부에 형성된 랜스가공편의 하단부를 거의 직각으로 구부린 것이다(도 7 참조).
도 2에 나타낸 바와 같이, 각 바닥판부(21) 중 부착대부(21a)의 우측 부위에, 대응되는 행의 복수의 반도체소자(1)의 복수의 플러스전극(14)으로부터 복수의 핑거리드(25)로의 도통(導通)을 분단하기 위한 분단슬릿(26)으로서, 대응되는 행의 복수의 반도체소자(1)의 플러스전극(14)과 마이너스전극(15)을 단락하는 도전부분을 분단하는 분단슬릿(26)이, 행방향의 전체길이(내장금속케이스(3)의 전체길이)에 걸쳐 형성되어 있다.
각 분단슬릿(26)은, 각 행의 복수의 반도체소자(1)의 플러스전극(14)을 부착대부(21a)에 접착하고 또한 마이너스전극(15)을 핑거리드(25)에 접착한 후에, 복수의 타이 바 펀칭부(26a) 부위의 타이 바부(도시생략)를 펀칭하여 연속되는 분단슬릿(26)으로서 형성된다.
상기한 바와 같이, 내장금속케이스(3)에 복수의 반도체소자(1)를 복수의 행 및 복수의 열로 장착하고, 각 반도체소자(1)의 플러스전극(14)을 부착대부(21a)에 접속하는 동시에 마이너스전극(15)을 핑거리드(25)에 접속하며, 각 반사면 형성홈(20)의 바닥판부(21)에 분단슬릿(26)을 형성한 상태에서는, 각 행의 반도체소자(1)는 내장금속케이스(3)와 복수의 핑거리드(25)에 의해 병렬접속되고, 각 열의 복수의 반도체소자(1)는, 내장금속케이스(3)와 복수의 핑거리드(25)에 의해 직렬접속된 상태가 된다. 이와 같이, 복수의 핑거리드(25)를 포함하는 내장금속케이스(3)에 의해, 각 열의 복수의 반도체소자(1)를 전기적으로 직렬접속하고 또한 각 행의 복수의 반도체소자(1)를 전기적으로 병렬접속하는 도전접속기구(2, 도 11 참조)가 구성되어 있다.
도 2∼도 5, 도 7에 나타낸 바와 같이, 내장금속케이스(3)의 하면측에, 내장금속케이스(3)와 거의 유사한 단면형상을 갖는 외장금속케이스(4)가 외부로부터 끼워지는 형상으로 장착된다. 상기 외장금속케이스(4)는, 내장금속케이스(3)와 같은 철·니켈 합금판(예컨대 두께 0.4mm)을 성형가공한 것으로서, 이 외장금속케이스(4)의 열방향의 양단부분에는 플랜지부(4f)가 형성되고, 외장금속케이스(4)의 행방향의 양단부에는 내장금속케이스(3)의 단부보다 소정 길이만큼 행방향 외측까지 연장되는 연장부(4A)가 형성되어 있다. 내장금속케이스(3)와 외장금속케이스(4)는, 이들의 사이에 충전된 폴리이미드수지와 같은 내열 절연성 접착제로 이루어진 전기절연성 합성수지층(7, 두께 0.1∼0.5mm)을 통해 일체적으로 고정부착되어 있다.
도 3, 도 5∼도 7에 나타낸 바와 같이, 내장금속케이스(3)의 행방향 단부를 완전히 시일하기 위하여, 외장금속케이스(4)의 연장부(4A)에 형성되는 케이스 수용 홈(27)에 절연재료(예컨대, 세라믹 또는 유리재료)의 사이드 캡 블록(8)이 내부에 끼워지고, 폴리이미드수지와 같은 내열절연성 합성수지접착제에 의해 접착되어 고정되어 있다. 한편, 수광성(受光性)을 높이기 위해 사이드 캡 블록(8)의 내면에는 경사판부(22,23)와 같이 경사진 경사면(8a)이 형성되어 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 내장금속케이스(3)의 각 반사면 형성홈(20)에 유연성이 있는 투명한 실리콘고무로 이루어진 절연성 합성수지재(6)가, 반도체소자(1)와 핑거리드(25)를 메워넣는 상태로 충전되며, 그 후 감압 하에서 기포가 제거된 후에 합성수지재(6)가 큐어링된다.
도 1, 도 2, 도 3에 나타낸 바와 같이, 내장금속케이스(3)의 상면측을 덮는 투명한 유리제 또는 합성수지제의 커버부재(5)로서, 내장금속케이스(3)와 사이드 캡 블록(8)에 고정부착된 커버부재(5)가 설치되어 있다. 상기 커버부재(5)는 백판(白板)강화유리제인 것 또는 붕규산(硼珪酸)유리제인 것이 바람직하다. 커버부재(5)의 상면측 부분에는 복수 행의 반도체소자(1)에 각각 대응하는 복수의 원통렌즈부(5a)가 형성되고, 커버부재(5)의 하부에는 복수의 반사면 형성홈(20)의 상부에 내부끼움되는 걸림결합부(5b)가 형성되며, 도 1, 도 2에서의 커버부재(5)의 좌측단부분과 우측단부분에는 평판부(5c)가 형성되어 있다.
상기 커버부재(5)를 내장금속케이스(3)에 고정할 때에는, 커버부재(5)의 하면측 표면의 전면(全面)에 실리콘수지를 두껍게 도포한 상태에서 커버부재(5)를 내장금속케이스(3)에 장착하고, 커버부재(5)를 복수의 반사면 형성홈(20)의 실리콘고무(6 ; 절연성 합성수지재) 및 경사판부(22,23)와, 내장금속케이스(3)의 그 밖의 상면부분과, 복수의 사이드 캡 블록(8)의 내측 측면에 접착하여 전체를 감압한 상태에서 가열함으로써, 실리콘수지로 이루어진 접착시일재(29)를 경화시킨다. 한편, 각 반사면 형성홈(20) 내의 공간은 모두 실리콘고무(6)와 접착시일재(29)에 의해 메운 상태가 된다. 상기 커버부재(5)의 좌우 평판부(5c)의 위치에 있어서, 상기 평판부(5c)와 플랜지부(3f,4f)는 금속제 또는 합성수지제의 복수의 볼트(30)에 의해 체결된다. 단, 볼트(30)는 플랜지부(3f)에 대하여 절연상태로 되어 있다.
도 1, 도 3에 나타낸 바와 같이, 복수의 사이드 캡 블록(8)과 내장금속케이스(3)의 일체성을 강화하기 위하여, 복수의 사이드 캡 블록(8)의 상면을 막는 폴리이미드수지제의 보강판(9)이 설치되어, 상기 접착시일재(29)와 같은 접착시일재에 의해 고정부착되어 있다.
도 1∼도 5에 나타낸 바와 같이, 내장금속케이스(3)의 좌우 양단부에는, 복수의 태양전지모듈(M)을 전기적으로 접속하거나, 출력취출용 결선을 연결하기 위한 단자로서 외부로 노출되는 형상의 연결단자판(3a)이, 행방향의 전체길이로 연장되도록 형성되며, 각 연결단자판(3a)에는 복수의 볼트구멍(31)이 형성되어 있다.
도 11은, 상기 태양전지모듈(M)의 복수의 반도체소자(1)와 도전접속기구(2)의 등가회로를 나타내는 도면으로서, 반도체소자(1)는 다이오드(1A)로 도시되며, 상기 등가회로에 있어서 각 행의 복수의 다이오드(1A)는 병렬접속되고 각 열의 복수의 다이오드(1A)는 직렬접속되며, 다이오드(1A) 전체가 메쉬형상회로에 의해 직렬병렬접속되어, 양극단자(18)와 음극단자(19)의 사이에 광기전력이 발생한다.
다음에는 이상에서 설명한 태양전지모듈(M)의 작용, 효과에 대하여 설명하도 록 한다.
상기 태양전지모듈(M)에 이용한 로드형의 반도체소자(1)는, 축심에 대하여 거의 대칭성을 가지며, 다양한 방향(약 270도의 방향)으로부터의 태양광을 수광할 수 있기 때문에, 넓은 각도로 수광감도를 갖는다. 내장금속케이스(3)는, 개구부로부터 바닥부를 향하여 홈폭이 선형으로 감소하는 복수의 반사면 형성홈(20)을 구비하며, 각 반사면 형성홈(20)의 바닥부에 각 행의 복수의 반도체소자(1)가 조립되고 반사면 형성홈(20)의 내면은 광반사면으로 형성되어 있다. 이 때문에, 태양광은 반사면 형성홈(20)의 내면에서 다중반사를 반복하여 반도체소자(1)에 집중된다.
반사면 형성홈(20)의 개구부의 폭은 반도체소자(1)의 직경의 3∼15배의 크기로 형성될 수 있으며, 각 행의 반도체소자(1)의 수광 투영 단면적에 대한 반사면 형성홈(20 ; 집광부)의 수평면적의 비율을 크게 하여 집광배율을 크게 하였기 때문에, 반도체소자(1)의 필요 수 또는 수광면적을 적게 할 수 있어 실리콘의 가격이나 제작비용 면에서 유리해진다. 더욱이 반도체소자(1)는, 반사면 형성홈(20)의 바닥판부(21)의 부착대부(21a) 상에 고정되어 있기 때문에, 바닥판부(21)에서 반사된 반사광이나 산란광을 반도체소자(1)에 입사시키기 쉬워져 반도체소자(1)의 수광범위가 확대되며, 또한, 반도체소자(1)의 위치결정이나 도전성 에폭시수지에 의한 고정부착이 용이해진다.
반사면 형성홈(20)의 반도체소자(1)를 메우도록 투명하고 유연성이 있는 실리콘고무(6)를 설치하였기 때문에, 외부로부터의 충격이나 수분 혹은 공기에 대하여 반도체소자(1)가 완전히 보호되어, 태양전지모듈(M)의 온도변화에 따른 팽창, 수축이 실리콘고무(6)에 의해 흡수된다. 또한, 실리콘고무(6)의 굴절율은, 커버부재(5) 및 반사방지막(16)의 굴절율과 근사하기 때문에, 계면에서의 반사손실이 작아진다. 더욱이, 실리콘고무(6)에 의해 반도체소자(1)들이 광학적으로 결합되기 때문에, 집광된 직접광뿐만 아니라 내부에서 다중반사된 산란광이 반도체소자(1)에 입사되기 쉬워진다.
게다가 커버부재(5)에는, 각 반사면 형성홈(20)에 대응하는 원통렌즈부(5a)가 형성되어 있기 때문에, 상기 원통렌즈부(5a)에 의한 집광을 통해 태양광의 에너지밀도를 약 5∼15배 정도로 향상시킬 수 있고, 원통렌즈부(5a)에 의한 집광과 반사면 형성홈(20)에 의한 집광에 의해 반도체소자(1)의 출력을, 이들의 집광이 없는 경우에 비해 약 7∼15배 정도로 향상시킬 수가 있다.
도전접속기구(2)는, 각 행의 복수의 반도체소자(1)를 병렬접속하는 동시에 각 열의 복수의 반도체소자(1)를 직렬접속하고 있기 때문에, 일부 반도체소자(1)가 어떠한 원인(단선, 접속불량, 그늘 등)으로 인해 기능이 정지하여도, 그 기능이 정지된 반도체소자(1)를 우회하는 회로에 의해 전류가 흐르기 때문에, 정상적인 반도체소자(1)가 그 기능이 정지하는 일은 없다.
반도체소자(1)는 대략 원기둥형상의 로드형으로 형성되며, 플러스/마이너스 전극(14,15)은 축심의 양측 표면부분에 축심과 평행하게 띠형상으로 형성되어 베이스재(11)와 확산층(12)에 오믹접속되어 있기 때문에, 베이스재(11)의 축심방향 길이/직경의 비율을 크게 하여도, 플러스/마이너스 전극(14,15)간 거리가 베이스재(11)의 직경 이하로서, 플러스/마이너스 전극(14,15)간 전기저항을 작게 유지할 수 있기 때문에, 반도체소자(1)의 길이를 크게 하고 복수의 반도체소자(1)를 전기적으로 접속하는 접속부위의 수를 적게 하여, 도전접속기구(2)의 구성을 간단하게 할 수가 있다.
태양전지모듈(M)은 온도가 상승하기 쉬우며 온도가 상승하면 발전효율이 저하되지만, 일체적으로 접착된 얇은 금속판제의 내장금속케이스(3)와 외장금속케이스(4)를 이용하여, 내장금속케이스(3)에 복수의 홈통형상의 반사면 형성홈(20)을 형성하고, 그 내면측을 반사집광기로서 활용하며 이면측을 방열기로서 활용한다. 특히, 반사면 형성홈(20)의 바닥판부(21)에 상방으로 팽출된 부착대부(21a)를 형성하여 W형 단면으로 형성하였기 때문에, 강성(剛性)·강도가 향상되고 방열면적이 커진다. 태양전지모듈(M)이 흡수한 열에너지는, 내장금속케이스(3), 박막형상의 폴리이미드 합성수지층(7), 외장금속케이스(4)에 전해져 외부로 방열된다.
내장금속케이스(3)의 반사면 형성홈(20)은 실리콘고무(6)를 넣는 용기와, 커버부재(5)의 걸림결합부(5b)를 걸림결합시켜 위치결정하여 고정하는 수용부를 겸하고 있다.
반사면 형성홈(20)의 한쪽의 경사판부(23)에 각 반도체소자(1)에 대응되는 핑거리드(25)를 일체적으로 형성하고, 상기 핑거리드(25)를 반도체소자(1)의 마이너스전극(15)에 도전성 에폭시수지에 의해 접착하기 때문에, 별도의 접속리드를 생략할 수 있다.
핑거리드(25)는 경사판부(23)에 형성하는 랜스가공편으로서, 내장금속케이스(3)의 제작시에 제작할 수 있다. 조립시에 각 행의 복수의 반도체소자(1)의 플러스전극(14)을 부착대부(21a)에 도전성 에폭시수지에 의해 접착한 다음, 랜스가공편을 구부려 핑거리드(25)로 하여 반도체소자(1)의 마이너스전극(15)에 도전성 에폭시수지에 의해 접착한다. 태양전지모듈(M)에서의 핑거리드(25) 전체를 반도체소자(1)의 마이너스전극(15)에 접착한 다음, 복수의 타이 바 펀칭부(26a)의 부위를 연결하고 있는 타이 바부(도시생략)를 펀칭가공한다. 한편, 핑거리드(25)는 반도체소자(1)를 부착하는 위치의 마커(marker)로서도 활용된다. 상기 복수의 타이 바부에 의해, 내장금속케이스(3)를 성형가공했을 때의 내장금속케이스(3)의 일체성을 유지할 수 있으며, 내장금속케이스(3)를 1장의 금속판으로 구성할 수 있게 되어 부재 수를 적게 하고 구조를 간단하게 할 수가 있다.
다음으로, 상기 실시예를 부분적으로 변경하는 예에 대해 설명하도록 한다.
1) 도 12에 나타낸 바와 같이, 상기 핑거리드(25) 대신에 내장금속케이스(3)와는 별개의 접속편(50)으로서 철·니켈합금 등의 도전성의 금속박판을 펀칭가공하여 형성한 접속편(50)을 반도체소자(1)에 대응하는 위치에 설치하여, 접속편(50)의 하부에 좌측으로 수평하게 연장되는 핑거리드(25A)를 형성한다.
접속편(50)은, 내장금속케이스(3)의 연결판부(24)에 접착되는 연결편부(50a)와, 그 양측의 경사판부(22,23)에 접착되는 경사편부(50b,50c)와, 핑거리드(25A)를 일체로 형성한 것으로서, 예컨대 도전성 에폭시수지에 의해 연결판부(24)와 그 양측의 경사판부(22,23)에 접착되며, 핑거리드(25A)의 선단부가 대응하는 반도체소자(1)의 마이너스전극(15)에 도전성 에폭시수지에 의해 접착되어 전기적으로 접속된다. 한편, 연결편부(50a)와 경사편부(50b,50c)의 폭은 예컨대 2∼3mm이며, 핑거 리드(25A)의 폭은 예컨대 0.5∼1mm이다.
2) 상기 태양전지모듈(M)은 9개의 반사면 형성홈(20)을 형성한 예이지만, 행의 수는 수 10행으로 하고, 열의 수도 수 10열로 할 수도 있다. 내장금속케이스(3)의 재질, 플러스/마이너스전극(14,15)의 재질, 외장금속케이스(4)의 재질, 각종 합성수지재료 등은 상기한 예로 한정되지 않으며, 당업자라면 적절히 변경할 수 있는 것이다.
반도체소자(1)의 베이스재(11)의 직경도 상기한 예로 한정되는 것은 아니며, 약 1.0∼2.5mm의 크기여도 무방하다. 반도체소자(1)의 축심방향의 길이도 상기한 예로 한정되지 않으며, 5.0mm 이상의 임의의 길이로 설정가능하고, 각 행의 전체길이에 걸친 반도체소자(1)로 형성할 수도 있는데, 이 경우, 행방향으로 적당한 간격을 두고 복수의 핑거리드(25)를 설치하는 것이 바람직하다.
3) 반도체소자(1)의 베이스재(11)를 p형 실리콘 다결정으로 구성하여도 무방하며, 확산층(12)을 형성하는 n형 불순물로서 Sb 또는 As를 이용하여도 무방하다. 또한, 반도체소자(1)의 베이스재(11)를 n형 실리콘의 단결정 또는 다결정으로 구성하고, 확산층을 형성하는 p형 불순물로서 B 또는 Ga 또는 Al을 이용할 수도 있다. 또한, pn접합(13)은 확산층(12)에 의해 형성하는 것으로 한정되지 않으며, 베이스재(11)의 표층부에 대한 막형성이나 이온주입에 의해, 베이스재(11)의 도전형과 다른 도전형의 별도의 도전층을 형성함으로써 형성할 수도 있다.
4) 반도체소자(1)의 베이스재(11)에 형성된 평탄면(11a)을 생략하고, 베이스재(11)를 원형의 단면을 갖는 로드형상으로 하여, 마이너스전극(15)과 같은 형상의 플러스전극으로 할 수도 있다. 또한, 이 경우, 플러스/마이너스 전극을 식별하기 위하여 플러스/마이너스 전극을 색이 다른 금속재료로 구성할 수도 있다.
5) 내장금속케이스(3)에 형성하는 반사면 형성홈(20)의 단면형상도 상기한 예로 한정되는 것은 아니며, 개구부로부터 바닥부를 향하여 홈폭이 선형 또는 비선형으로 감소하는 홈으로서 집광기능을 발휘할 수 있는 홈이면 된다. 1개의 태양전지모듈(M)에 있어서의 내장금속케이스(3)를 성형가공한 복수 매의 금속판으로 구성하여도 무방하다.
(실시예 2)
도 13에 나타낸 바와 같이, 본 태양전지모듈(Ma ; 패널형 반도체모듈)은, 상기 태양전지모듈(M) 하측의 외면측에 덕트부재(35)를 설치한 것으로서, 상기 덕트부재(35) 이외의 구성에 대해서는 상기 태양전지모듈(M)과 같으므로, 동일한 부재에 동일한 부호를 사용하고 그에 대한 설명은 생략하기로 한다. 덕트부재(35)는, 외장금속케이스(4)와의 사이에 공기 또는 냉각수 등의 냉각용 유체를 강제적으로 또는 자연대류에 의해 유통시키기 위한 냉매통로(36)를 형성하는 역사다리꼴형상의 본체부(35a)와, 상기 본체부(35a)의 좌우 양단으로부터 연장되는 플랜지부(35f)를 가지며, 플랜지부(35f)는, 커버부재(5)의 평판부(5c)와 내장금속케이스(3)의 플랜지부(3f)와 외장금속케이스(4)의 플랜지부(4f)의 하면측에 겹쳐 포개어져 복수의 볼트(30)에 의해 체결되어 있다.
상기 냉매통로(36)에 공기 또는 냉각수 등의 냉매를 흘림으로써, 내장금속케이스(3) 및 외장금속케이스(4), 반도체소자(1)를 효과적으로 냉각시킬 수가 있다. 특히, 내장금속케이스(3) 및 외장금속케이스(4)의 외표면에 요철이 많기 때문에 전열면적도 크고, 반도체소자(1)로부터 냉매까지의 거리도 작기 때문에, 높은 냉각성능을 발휘할 수가 있다.
(실시예 3)
본 실시예는, 패널형 반도체모듈인 반사기구가 부착된 고출력 발광 다이오드 모듈에 적용하는 발광용 반도체소자(발광 다이오드)에 관한 것으로서, 상기 반사기구가 부착된 고출력 발광 다이오드 모듈은, 상기 태양전지모듈(M)의 반도체소자(1) 대신에, 발광용 반도체소자를 조립한 구조의 것이다.
이하에서는 발광용 반도체소자에 대해 설명하도록 한다.
도 14, 도 15에 나타낸 바와 같이, 발광용 반도체소자(40)는, n형 반도체결정으로 이루어지는 로드형의 베이스재(41)와, 상기 베이스재(41)의 표층부에 형성된 p형의 확산층(42 ; 베이스재와 다른 도전형의 별도의 도전층에 상당함)과, 베이스재(41)와 확산층(42)에 의해 형성된 대략 원통형의 pn접합(43)과, 플러스/마이너스 전극(44,45)과, 반사방지막(46)을 갖는다.
베이스재(41)는 직경 1.0mm, 길이 5mm의 n형 GaAs의 결정으로 구성되며, 하단부에는 축심(41a)과 평행한 평탄면(4lb ; 폭 약 0.2∼0.3mm)이 띠형상으로 형성되어 있다. 확산층(42)은, 베이스재(41)의 표층부 중, 평탄면(4lb)이 그 둘레방향 양단 근방부로 이루어지는 띠형상 부분을 제외한 부분에 p형 불순물인 Zn(아연)을 0.5∼1.0㎛의 깊이까지 열확산시킴으로써 형성된다. 플러스/마이너스 전극(44,45)은 은을 주성분으로 하는 것이며, 마이너스전극(45)은 평탄면(4lb)의 폭중앙부에 전체길이에 걸친 띠형상으로 형성되어 베이스재(41)에 오믹접속되어 있고, 플러스전극(44)은 베이스재(41)의 축심(41a)에 대하여 마이너스전극(45)과 반대쪽에서 확산층(42)의 표면부에 형성되어 확산층(42)에 오믹접속되어 있다.
베이스재(41)와 확산층(42)의 표면 중 플러스/마이너스 전극(44,45)을 제외한 부분에는, 얇은 실리콘 산화피막 또는 실리콘 질화피막으로 이루어진 반사방지막(46)으로서 패시베이션기능을 갖는 반사방지막(46)이 형성되어 있다. 상기 발광용 반도체소자(40)는, 플러스전극(44)으로부터 마이너스전극(45)으로 순방향의 전류를 흘리면, pn접합(43)의 근방에서 적외선이 발생한다. pn접합(43)이 원통형에 가까운 부분 원통형이기 때문에, 발생한 적외선은 반도체소자(40)의 표면을 수직으로 통과하여 외부로 방사된다. 이 때문에, 평면형 pn접합을 갖는 종래의 발광 다이오드에 비해 광의 내부반사손실이 적어지고 발광효율이 향상된다.
상기 발광용 반도체소자(40)를 상기한 실시예의 반도체소자(1) 대신에 조립한 반사기구가 부착된 고출력 발광 다이오드 모듈에 있어서는, 양극단자로부터 음극단자로 순방향의 전류를 공급하면, 발광용 반도체소자(40) 전체에 순방향의 전류가 흘러 적외선이 방사된다. 발광용 반도체소자(40)로부터 출력된 적외선은, 반사면 형성홈(20)으로부터 직접, 또는 반사면에서의 반사를 거쳐 커버부재(5)의 원통렌즈부(5a)로부터 외부로 방사된다.
발광용 반도체소자(40)에서는, 순(順)전류를 늘리면 광출력이 증대하지만, 변환손실에 의해 발열하여 온도상승이 발생함에 따라 발광효율이 저하된다. 상기 발광 다이오드 모듈은, 상기 태양전지모듈(M)과 같이 방열성이 뛰어나기 때문에 모 듈의 온도상승을 억제할 수 있다. 이 때문에, 적은 발광용 반도체소자(40)에 큰 전류를 공급하여 커다란 광출력을 얻을 수 있어, 발광 다이오드 모듈의 제작비용을 낮출 수가 있다.
상기 발광 다이오드 모듈은, 의료기기나 각종 적외선 센서나 적외선 조명의 광원 등 산업분야의 적외선 발생장치로서 활용될 수 있다.
다음으로, 상기 발광 다이오드 모듈, 발광용 반도체소자(40)를 부분적으로 변경하는 예에 관해 설명하도록 한다.
1) 상기 발광 다이오드 모듈에서도, 상기 태양전지모듈(Ma)과 같은 덕트부재를 설치하여도 무방하다.
2) 발광 다이오드로서는, 각종 반도체재료에 의해 제작되며 반도체재료의 특성에 의존하는 다양한 발광파장의 광을 발생시킨다는 것은 공지되어 있으며, 이러한 각종 반도체재료에 의해 제작된 발광 다이오드를 이용하여도 무방하다. 적외선 이외에, 가시광선이나 자외선을 발생시키는 발광 다이오드를 이용하는 경우도 있다.
예컨대, GaAlAs, GaP, InGaP, GaN, GaInN, SiC 중에서 선택한 반도체결정으로 베이스재를 구성할 수도 있다. SiC는 육방정계의 결정으로서, 육각기둥의 단결정이 얻어지기 때문에, 이러한 육각기둥의 단결정으로 베이스재를 구성하여도 무방하다.
또한, 발광용 반도체소자의 pn접합은, 확산층에 의해 형성하는 것으로 한정되지 않으며, 베이스재의 표층부에 대한 막형성이나 이온주입에 의해, 베이스재의 도전형과 다른 도전형을 갖는 별도의 도전층을 형성함으로써 형성할 수도 있다.
태양전지모듈은 태양광 발전장치로서 다양한 분야에서 이용될 수 있으며, 발광 다이오드 모듈은 발생되는 광의 종류에 따라 다양한 분야에서 이용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 수광 또는 발광 기능이 있는 패널형 반도체모듈에 있어서,
    수광 또는 발광 기능과 축심을 갖는 복수의 로드형의 반도체소자로서, 도전방향을 맞추고 또한 그 축심을 행방향을 향하게 하여 복수의 행 및 복수의 열로 배치한 복수의 반도체소자와,
    각 행의 복수의 반도체소자를 전기적으로 병렬접속하며 또한 각 열의 복수의 반도체소자를 전기적으로 직렬접속하는 도전접속기구와,
    상기 복수의 반도체소자가 장착되며 또한 상기 도전접속기구를 구성하는 도전성의 내장금속케이스를 구비하고,
    복수의 반도체소자의 각각은,
    p형 또는 n형의 반도체결정으로 이루어진 로드형의 베이스재와,
    상기 베이스재의 표층부의 띠형상부분 이외의 부분에 형성된 베이스재와 다른 도전형을 갖는 별도의 도전층과,
    상기 베이스재와 별도의 도전층에 의해 형성된 원통형의 pn접합과,
    상기 베이스재의 축심을 낀 양측의 표면부분에 축심과 평행하게 띠형상으로 형성되며 또한 상기 베이스재의 상기 띠형상부분 및 별도의 도전층에 각각 오믹(ohmic)접속된 제 1, 제 2 전극을 구비하고,
    상기 내장금속케이스는, 각 행의 복수의 반도체소자를 각각 수용하는 복수의 반사면 형성홈으로서, 개구부로부터 바닥부를 향해 홈폭이 감소하는 복수의 반사면 형성홈을 구비하며,
    각 반사면 형성홈은, 광반사가 가능한 바닥판부와 상기 바닥판부의 단부로부터 상방으로 일체적으로 연장되는 광반사가 가능한 한 쌍의 경사판부로 구성되며,
    상기 각 바닥판부의 폭방향 중앙부에 부착대부가 돌출형상으로 형성되는 동시에, 그 부착대부에 대응되는 행의 복수의 반도체소자가 재치(載置)되고 또한 이들 반도체소자의 제 1, 제 2 전극 중 하나가 전기적으로 접속되며,
    각 반사면 형성홈의 일방의 경사판부에 전기적으로 접속되고 또한 대응되는 행의 복수의 반도체소자의 제 1, 제 2 전극 중 다른 하나에 전기적으로 각각 접속된 금속제의 복수의 핑거리드(finger lead)가 형성되며, 상기 각 바닥판부 중 부착대부의 한쪽 부위에, 대응되는 행의 복수의 반도체소자의 제 1, 제 2 전극을 단락하는 도전부분을 분단하기 위한 분단슬릿이, 행방향의 전체길이에 걸쳐 형성된 것을 특징으로 하는 패널형 반도체모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 핑거리드는, 경사판부의 상반부에 형성된 랜스가공편(lancing piece)의 하단부를 직각으로 구부림으로써 형성된 것을 특징으로 하는 패널형 반도체모듈.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 내장금속케이스의 각 분단슬릿은, 각 행의 복수의 반도체소자의 제 1, 제 2 전극 중 하나를 상기 부착대부에 접속하고 또한 제 1, 제 2 전극 중 다른 하나를 핑거리드에 접속한 후에, 복수의 타이바부(tie-bar portion)를 펀칭하여 연속하는 분단슬릿으로 형성하는 것을 특징으로 하는 패널형 반도체모듈.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내장금속케이스의 하면측에 외부로부터 끼워지는 형상으로 장착되는 외장금속케이스로서, 내장금속케이스와 유사한 단면형상을 갖는 외장금속케이스와, 상기 내장금속케이스와 외장금속케이스의 사이에 전기절연성 합성수지층을 설치하고, 상기 전기절연성 합성수지층을 통해 내장금속케이스와 외장금속케이스를 일체적으로 고정부착한 것을 특징으로 하는 패널형 반도체모듈.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 외장금속케이스의 행방향의 양단부에는, 내장금속케이스의 단부보다 소정 길이만큼 행방향 외측까지 연장되는 연장부가 형성되며, 상기 연장부에 형성되는 케이스 수용홈에 절연재료제의 사이드 캡 블록(side cap block)이 내부끼움장착되어 고정된 것을 특징으로 패널형 반도체모듈.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 내장금속케이스의 반사면 형성홈에 유연성이 있는 투명한 절연성 합성수지재가, 상기 반도체소자와 상기 핑거리드를 메우는 상태로 충전된 것을 특징으 로 하는 패널형 반도체모듈.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 내장금속케이스의 상면측을 덮는 투명한 유리제 또는 합성수지제의 커버부재로서, 내장금속케이스와 상기 사이드 캡 블록에 고정부착된 커버부재를 설치한 것을 특징으로 하는 패널형 반도체모듈.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 커버부재에는, 복수 행의 반도체소자에 각각 대응하는 복수의 원통 렌즈부를 형성한 것을 특징으로 하는 패널형 반도체모듈.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 외장금속케이스의 외면측에 냉각용 유체를 흘려보내기 위한 통로를 형성하는 덕트부재를 설치한 것을 특징으로 하는 패널형 반도체모듈.
  10. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체소자의 표면 중, 제 1, 제 2 전극을 제외한 표면 부분에 반사방지막이 형성된 것을 특징으로 하는 패널형 반도체모듈.
  11. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체소자의 베이스재가 p형의 Si단결정 또는 Si다결정으로 구성되고, 상기 별도의 도전층이 n형 불순물로서의 P 또는 Sb 또는 As를 확산시켜 구성되며, 상기 반도체소자가 태양전지 셀로 구성된 것을 특징으로 하는 패널형 반도체모듈.
  12. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체소자의 베이스재가 n형의 Si단결정 또는 Si다결정으로 구성되고, 상기 별도의 도전층이 p형 불순물로서의 B 또는 Ga 또는 Al을 확산시켜 구성되며, 상기 반도체소자가 태양전지 셀로 구성된 것을 특징으로 하는 패널형 반도체모듈.
  13. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체소자가 발광기능이 있는 발광 다이오드 소자로 구성된 것을 특징으로 하는 패널형 반도체모듈.
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