KR101019639B1 - 태양전지 광흡수층용 ｃｉｓ계 화합물 박막 제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 광흡수층용 CIS계 화합물 박막 제조장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 파이로미터를 이용하여 진공증착에 의해 박막이 형성되는 기판의 온도를 측정하도록 하되 상기 파이로미터를 밀폐된 히팅수단 몸체의 내부에 장착하여 기판 후면의 온도를 측정하도록 함으로써 증발되는 기체의 간섭없이 정확한 측정이 가능하도록 한 것이다. 또한, 비접촉에 의해 기판의 온도를 측정함으로 접촉에 따른 기판의 손상과 열손실을 방지할 수 있어 균일한 박막의 형성이 가능하도록 하는 태양전지 광흡수층용 CIS계 화합물 박막 제조장치에 관한 것이다.
본 발명은 내측하부에 Cu,In,Ga,Se등의 원소를 내포하는 보트나 이퓨젼셀인 증발원이 설치된 진공챔버와, 상기 진공챔버의 내부에 장착되어 진공챔버의 증발물질이 내입되는 것을 방지하는 몸체와 상기 몸체의 하부면에 장착되어 기판을 안치하는 트레이와 상기 기판에 열을 가하는 열원을 구비한 히팅수단과, 상기 트레이에 안치되는 기판의 온도를 측정하는 기판온도측정장치와, 상기 기판온도측정장치로부터 측정된 신호를 입력받는 제어부를 포함하여 구성된 태양전지 광흡수층용 CIS계 화합물 박막 제조장치에 있어서, 상기 기판온도측정장치는 히팅수단의 몸체 내에 장착되어 기판 후면의 온도를 측정하는 파이로미터인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히팅수단의 열원은 환형으로 구성하고, 중심에는 온도측정통공을 형성하여 파이로미터에서 광조사와 반사된 광의 입사가 이루어지도록 할 수 있다.
CIS계 태양전지, 기판, 온도측정, 박막, 파이로미터
Description
본 발명은 태양전지 광흡수층용 CIS계 화합물 박막 제조장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 파이로미터를 이용하여 진공증착에 의해 박막이 형성되는 기판의 온도를 측정하도록 하되 상기 파이로미터를 밀폐된 히팅수단 몸체의 내부에 장착하여 기판 후면의 온도를 측정하도록 함으로써 증발되는 기체의 간섭없이 정확한 측정이 가능하도록 한 것이다. 또한, 비접촉에 의해 기판의 온도를 측정함으로 접촉에 따른 기판의 손상과 열손실을 방지할 수 있어 균일한 박막의 형성이 가능하도록 하는 기판후면의 온도를 파이로미터로 측정하는 태양전지 광흡수층용 CIS계 화합물 박막 제조장치에 관한 것이다.
오늘날 국제적인 환경 문제와 에너지 문제를 해결하기 위하여 세계의 각 국에서는 대체 에너지에 대한 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있는 실정이다. 이러한 대체에너지 중에는 무한한 에너지원인 태양에너지를 이용하는 방안이 각광받고 있다. 상기 태양에너지를 활용하는 방법으로는 태양전지(solar cell)와 같은 반도체 소자를 이용하여 태양광을 수광하고 이를 전기 에너지로 변환하는 것이 대표적이다.
최근에는, CuInSe2(이하, "CIS"라고 함) 또는 CuIn1-xGaxSe2(이하, "CIGS"라고 함)인 삼원계 박막은 화합물 반도체를 주로 태양전지에 활용하고 있다. 이들 CIS계 박막 태양전지는 기존의 실리콘을 사용하는 태양전지와는 달리 5 마이크론 이하의 두께로 제작 가능하고 장시간 사용시 안정적인 특성을 가지고 있다. 또한 실험적으로 최고 변환 효율이 19.9%로 다른 태양전지에 비해 월등히 뛰어나 실리콘을 대체할 수 있는 저가 고효율의 태양전지를 제공할 수 있다.
이에 따라 최근 상업화를 위해서 CIS 박막을 제조하기 위한 다양한 방법들이 보고되고 있다.
CIS 박막을 제조하기 위한 방법으로는 셀렌화(Selenization) 방식, MOCVD 방식, 동시진공증발(evaporation) 방식, 전착(electrodeposition) 방식 등이 있으나, 이러한 방식을 이용하여 CuInSe2 박막을 제조하는 경우 어떤 방법으로든 다원화합물의 조성 및 결정성을 조절하기가 매우 어려운 단점이 있었다.
도 5는 본출원인에 의해 특허등록된 진공증발 증착에 의한 CuInSe2 박막의 제조방법(특허등록 제0347406호;2002.07.20)의 진공증발증착장치를 도시한 개념도이다.
도시된 바와같이 등록건의 박막 제조용 진공증발 장치(1)는 내부가 진공을 유지하는 챔버(2)를 구비하고, 상기 챔버의 내측하부에는 금속 원소가 채워진 텅스텐 보트(boat) 또는 이퓨젼 셀(effusion cell, 3)이 장착되어 있다. 또한, 상기 챔버(2)의 상부에는 기판을 회전시키는 모터(4)가 장착되어 있고, 상기 모터에 연동하는 기판가열용 할로겜램프(5)와 기판홀더(6)와 기판(7)이 챔버내부에 장착된 구조로 되어 있다. 상기 구조에서 이퓨젼셀의 원소를 증발시키고 기판을 가열시켜 일정 온도를 갖도록 함으로써 기판에 박막이 형성되도록 한 것이다.
이 때 상기 기판의 온도를 일정 온도로 유지하도록 하고, 보트나 이퓨젼셀을 가열해 이에 내포된 물질(이원화합물 또는 단일원소)을 증발시켜 기판에 증착이 이루어지도록 한다. 또한 기판의 온도를 승온시키고 구리 이원화합물을 내포한 보트나 이퓨젼셀을 가열해 물질을 증발시켜 기판에 증착이 이루어지도록 하는 방법으로 기판에 박막이 형성되도록 한다.
특히 이러한 진공증발증착방법을 사용하는 박막제조장치는 기판의 온도를 모니터링하기 위해 온도측정장치를 구비하고 있으며, 대표적인 온도측정장치로는 파이로미터와 열전대가 있다.
상기 파이로미터를 이용한 온도 측정 방법은, 챔버 내측 하부에 설치되어 증 착되는 기판면에 광을 조사하여 반도체 기판에서 반사되는 광의 파장의 세기를 검출하여 온도를 측정하는 것이다. 그러나 이러한 측정은 챔버의 증발물질에 의해 조사되거나 반사되는 빛의 정보가 왜곡될 가능성이 높아 대면적 공정시 박막의 품질이 저하되는 등 원거리 비접촉식 측정으로 인해 측정 감도가 떨어지는 단점이 있었다.
이에 상기 파이로미터의 문제점을 해소하기 위해 본 출원인은 태양전지용 CIS계 박막 제조장치(특허등록 제0734093호;2007.6.25)에서 열전소자를 직접 기판에 접촉시켜 기판의 온도를 측정하였다. 또한 진공챔버 내부의 하측과 상측에는 각각 증발원과 회전수단을 장착하고 회전단자를 추가 구성하여 회전수단의 회전에 영향을 받지 않고 측정신호를 전달받도록 하여 측정감도를 향상시켰다.
그러나 상기 방법 중 측정감도는 이전 비접촉식보다 월등하게 향상시켰지만, 열전소자가 기판에 접촉됨으로 접촉된 부분이 손상될 수 있다. 또한, 열전소자가 접촉점을 통해 기판의 열을 빼앗아 감으로 접촉점과 주위기판과의 온도차가 미약하게 발생되어 박막이 균일하게 형성되지 않는 단점이 있다. 물론 상기 박막을 입힌 기판의 일부분만 절개해서 사용할 경우에는 무관하지만 기판의 전체를 사용하는 큰 사이즈를 제조할 때에는 제품의 품질을 저하시키게 됨으로 이를 해소하기 위한 다른 방안의 연구가 필요하다.
상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 태양전지 광흡수층용 CIS계 화합물 박 막 제조장치는,
내측하부에 Cu,In,Ga,Se등의 원소를 내포하는 보트나 이퓨젼셀인 증발원이 설치된 진공챔버와, 상기 진공챔버의 내부에 장착되어 진공챔버의 증발물질이 내입되는 것을 방지하는 몸체와 상기 몸체의 하부면에 장착되어 기판을 안치하는 트레이와 상기 기판에 열을 가하는 열원을 구비한 히팅수단과, 상기 트레이에 안치되는 기판의 온도를 측정하는 기판온도측정장치와, 상기 기판온도측정장치로부터 측정된 신호를 입력받는 제어부를 포함하여 구성된 태양전지 광흡수층용 CIS계 화합물 박막 제조장치에 있어서, 상기 기판온도측정장치는 히팅수단의 몸체 내에 장착되어 기판 후면의 온도를 측정하는 파이로미터인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히팅수단의 열원은 환형으로 구성하고, 중심에는 온도측정통공을 형성하여 파이로미터에서 광조사와 반사된 광의 입사가 이루어지도록 할 수 있다.
이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 태양전지 광흡수층용 CIS계 화합물 박막 제조장치는,
파이로미터를 이용하여 진공증착에 의해 박막이 형성되는 기판의 온도를 측정하도록 하되 상기 파이로미터를 밀폐된 히팅수단 몸체의 내부에 장착하여 기판 후면의 온도를 측정하도록 함으로써 증발되는 기체의 간섭없이 정확한 측정이 가능하도록 한 것이다. 또한, 비접촉에 의해 기판의 온도를 측정함으로 접촉에 따른 기판의 손상과 열손실을 방지할 수 있어 균일한 박막의 형성이 가능하도록 하는 유용 한 장치의 제공이 가능하게 되었다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1과 도 2를 참조한 바와같이 본 발명에 따른 기판후면의 온도를 측정하는 파이로미터가 장착된 태양전지 광흡수층용 CIS계 화합물 박막 제조장치(10)는 내측하부에 증발원(21)이 설치된 진공챔버(20)와, 상기 진공챔버의 내부에 장착되어 기판(60)을 안치하고 기판에 열을 가하는 히팅수단(30)과, 상기 기판의 온도를 측정하는 기판온도측정장치(40)와, 상기 기판온도측정장치의 신호를 입력받아 히팅수단의 가열정도를 조절하는 제어부(50)를 포함하여 구성된다.
상기 진공챔버(20)에 장착된 증발원(21)은 증착시키고자 하는 원소인 Cu, In, Ga, Se등을 내포하는 보트(boat)나 이퓨젼셀(effusion cell)을 사용할 수 있으며, 증발이 용이하게 이루어지도록 이원화합물을 증발물질로 사용하는 것도 가능하다.
그리고, 상기 진공챔버(20)의 내부 상측에 장착되는 히팅수단(30)은, 진공챔버와 공간적으로 구획되어 증발된 금속원소가 유입되는 것을 차단하는 몸체(31)와, 상기 몸체의 하부에 결합되는 트레이(32)와, 상기 몸체의 내부에 장착되는 가열수단인 열원(33)을 포함한다.
여기서 상기 트레이(32)는 몸체(31)와 착탈 가능하게 장착되며, 내면에 통 공(322)이 형성되고, 상기 통공의 외주면에는 걸림턱(321)이 형성되어 상기 걸림턱에 기판(60)을 안착시키도록 하여 기판의 전면이 진공챔버 내부에 표출되도록 한다. 상기 트레이의 통공(322)을 통해 표출된 기판의 전면은 증발원에서 증발된 금속기체가 증착되어 박막이 형성되는 것이다. 한편, 상기 기판을 고정시키는 수단으로 상술한 트레이방식으로 한정시키는 것이 아닌 다양한 공지된 방법으로의 적용 할 수 있다.
또한, 상기 몸체(31)의 하부에도 통공(311)이 형성되어 내부의 열원(33)에서 발생된 열이 기판(60)에 전달되도록 한다. 이 때 상기 몸체의 통공(311)은 기판의 직경보다 작게 형성하여 몸체 통공의 외측면이 기판을 가압하여 기판을 고정시키도록 할 수 있다.
아울러 상기 몸체(31)에 설치된 열원(33)은 저항에 의해 열을 발생시키는 할로겐히터를 사용하여 순간적인 열의 발생온도 조절이 용이하도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 열원(33)의 상부에는 반사판(34)을 더 설치하여 열원의 후방으로 방출되는 열을 기판(60) 방향으로 반사시켜 가열효율을 증가시키도록 하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 히팅수단의 몸체(31)에는 기판온도측정장치(40)가 더 장착되어 가열되는 기판(60)의 온도를 지속적으로 모니터링 하는 것이 바람직하다. 상기 기판온도측정장치는 비접촉방식인 파이로미터(pyrometer)를 사용하여 기판 후면의 온도를 측정하도록 한다. 이와같이 비접촉식으로 기판의 온도를 측정하면, 접촉에 의한 기판의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 기판온도측정장치(40)인 파이로미터가 장 착된 히팅수단의 몸체(31)는 몸체내부가 외부의 진공챔버 공간과 분리되기 때문에 진공챔버의 증발물질이 유입되지 않아 증발물질에 의한 간섭을 방지할 수 있어 측정온도의 정확도를 향상시킬 수 있다.
이와같이 기판온도측정장치(40)인 파이로미터의 기판 온도 측정이 용이하게 이루어지도록 하기 위해 히팅수단의 열원(33)은 환형태로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 열원을 직선의 형태로 형성할 경우 원형의 기판에 전달되는 온도가 균일하지 않게 이루어짐으로 박막의 형성이 불규칙할 수 있으므로, 도 3을 참조한 바와같이 기판과 동일한 동심원을 갖는 다수의 환형태로 형성하되 중심에는 온도측정통공(331)이 형성된 형태로 하여 기판에 열을 가하면서 온도측정통공을 통해 열원의 간섭을 최소화하면서 기판의 온도를 측정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 열원(33)은 도시된 환형태 이외에 소용돌이와 같이 연속적으로 연결된 형태로 형성할 수 있으며, 이와같이 형성할 때에도 중심에는 온도측정통공을 형성하여 파이로미터의 측정이 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 이외에 상기 열원을 다수의 직선으로 형성하고 열원을 회전시키는 구조로 형성하는 것도 가능하다.
또한, 상기 열원(33) 상부에 반사판(34)이 더 장착된 경우 반사판에도 열원의 온도측정통공(331)과 대응되는 통공(341)이 형성되어 기판온도측정장치인 파이로미터의 측정이 용이하게 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
도 4에 도시된 바와같이 상기 열원의 온도측정통공(331)에는 온도차단관(332)을 삽통설치하고, 상기 온도차단관 내에 기판온도측정장치(40)가 위치하도록 하여 열원에서 발생된 열이 기판온도 측정과정에서 간섭하는 것을 방지하도록 하여 측정정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.
다음으로 상기 제어부(50)는 기판온도측정장치(40)에서 측정된 측정값을 입력받고, 열원(33)과 증발원(21)의 전원공급을 조절하도록 하는 등 장치의 구동을 컨트롤하는 장치이다. 상기 제어부(50)는 기판온도측정장치(40)에서 설정온도가 검출될 때까지 열원(33)에 전원을 공급하여 기판(60)을 가열하도록 하며, 원하는 온도가 검출될 때에는 열원으로의 전원 공급을 단락시켜 온도가 더 증가되는 것을 방지하도록 하며, 검출된 온도가 하강하면 다시 전원을 공급하여 설정된 온도를 유지시키도록 한다. 이와 동시에 특정시점에서는 증발원(21)의 각각에 전원을 공급하여 내포된 물질이 증발되도록 해 일정한 온도를 유지하고 있는 기판에 균일한 박막이 형성되도록 하는 것이다.
상기한 바와같이 구성되는 본 발명의 CIS계 화합물 박막 제조장치의 작동상태를 간단하게 살펴보면, 먼저 기판(60)을 트레이(32)에 안치하고 기판이 안치된 트레이(32)는 히팅수단(30)의 몸체(31)에 장착하여 고정되게 한다. 상기 기판을 고정시킨 후 열원(33)에 전원을 공급하여 열원에서 발생된 열로 기판을 가열시킨다. 상기 기판 후면의 온도를 측정하는 기판온도측정장치(40)는 측정값을 제어부(50)로 입력시키고, 제어부(50)에서는 측정값과 설정값을 대비하여 측정값이 설정값과 동일해지거나 커지면 열원(33)으로의 전원공급을 단락시켜 기판으로의 추가적인 가열을 차단시킨다. 또한 측정값이 설정값보다 낮을 경우에는 열원으로의 전원공급을 재개하여 기판을 가열하도록 함으로써 기판의 온도가 설정온도로 유지되도록 한다. 이러한 과정에서 제어부(50)는 진공챔버(20)의 하부에 설치된 각 증발원(21)에 전원을 공급하여 증발원에 내포된 물질을 증발시키고 증발된 물질은 진공챔버에 노출되는 기판의 전면에 CIS계 화합물 박막이 형성되도록 하는 것이다.
한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 CIS계 화합물 박막 제조 장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 주요부인 히팅수단을 확대도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열원을 도시한 평면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 온도차단관을 도시한 단면도.
도 5는 종래 박막 제조 장치를 도시한 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : CIS계 화합물 박막 제조장치
20 : 진공챔버 21 : 증발원
30 : 히팅수단
31 : 몸체 32 : 트레이
33 : 열원 34 : 반사판
311,322,341 : 통공 321 : 걸림턱
331 : 온도측정통공 332 : 온도차단관
40 : 기판온도측정장치
50 : 제어부
60 : 기판
Claims (3)
- 내측하부에 Cu,In,Ga,Se등의 원소를 내포하는 보트나 이퓨젼셀인 증발원(21)이 설치된 진공챔버(20)와, 상기 진공챔버의 내부에 장착되어 진공챔버의 증발물질이 내입되는 것을 방지하는 몸체(31)와 상기 몸체의 하부면에 장착되어 기판(60)을 안치하는 트레이(32)와 상기 기판에 열을 가하는 열원(33)을 구비한 히팅수단(30)과, 상기 트레이에 안치되는 기판의 온도를 측정하는 기판온도측정장치(40)와, 상기 기판온도측정장치로부터 측정된 신호를 입력받는 제어부(50)를 포함하여 구성된 태양전지 광흡수층용 CIS계 화합물 박막 제조장치에 있어서,상기 기판온도측정장치(40)는 히팅수단의 몸체(31) 내에 장착되어 기판(60) 후면의 온도를 측정하는 파이로미터이고,상기 히팅수단의 열원(33)은 환형으로 구성하고, 중심에는 온도측정통공(331)을 형성하여 파이로미터에서 광조사와 반사된 광의 입사가 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 태양전지 광흡수층용 CIS계 화합물 박막 제조장치.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 온도측정통공(331)에는 온도차단관(332)이 삽통되도록 구성하고, 상기 온도차단관에 기판온도측정장치(40)가 설치되도록 한 것을 특징으로 하는 태양전지 광흡수층용 CIS계 화합물 박막 제조장치.
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| KR1020090007470A KR101019639B1 (ko) | 2009-01-30 | 2009-01-30 | 태양전지 광흡수층용 ｃｉｓ계 화합물 박막 제조장치 |
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| KR20100088321A KR20100088321A (ko) | 2010-08-09 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230166572A (ko) | 2022-05-31 | 2023-12-07 | 김재우 | 경추보호용 베개 |
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| KR20020007777A (ko) * | 2000-07-19 | 2002-01-29 | 손재익 | 이원화합물의 진공증발 증착에 의한 ＣｕＩｎＳｅ２박막의 제조방법 |
| KR20030060408A (ko) * | 2002-01-09 | 2003-07-16 | 뉴영엠테크 주식회사 | Ｒｔｐ 챔버의 웨이퍼 온도검출장치 |
| KR20070015646A (ko) * | 2005-08-01 | 2007-02-06 | 주식회사 엘지화학 | 실리콘 태양전지의 제조방법 |
| KR100734093B1 (ko) | 2006-05-24 | 2007-07-02 | 한국에너지기술연구원 | 태양전지용 ｃｉｓ계 박막 제조 장치 |
-
2009
- 2009-01-30 KR KR1020090007470A patent/KR101019639B1/ko active IP Right Grant
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| KR20100088321A (ko) | 2010-08-09 |
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