KR101047878B1 - 태양전지용 프로브 장치 - Google Patents

태양전지용 프로브 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 태양전지용 프로브 장치는 태양전지의 전극과 일시적으로 접촉하여 전기적 연결 상태를 유지시키는 프로브와, 프로브의 양측에 형성되며 회전이 가능한 도르래 바퀴와, 프로브의 상부에 이격되어 형성된 고정 바와, 도르래 바퀴의 하부에 형성되며, 도르래 바퀴의 이탈을 방지하는 이탈 방지부와, 고정 바의 측부와 이탈 방지부를 연결하며, 도르래 바퀴의 수직이동을 가이드하는 가이드 부재를 포함하며, 프로브의 상부와 고정 바의 하부에는 자석이 서로 밀어내는 방향으로 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 태양전지용 프로브 장치는 반대극성의 자석에 의한 반발력을 탄성으로 이용하므로 탄성력을 일정하게 유지하여 공정 안정성을 확보하는데 유리하고, 도르래 바퀴에 의하여 프로브의 접촉 각도 변화가 자유롭게 이루어지므로 접촉저항을 최소화할 수 있어 측정결과의 신뢰성을 확보할 수 있으며, 길이방향으로 형성된 프로브에 의하여 태양전지의 전극에 접촉하므로 전극에 가해지는 압력을 최대한 분산시켜 전극의 손상을 방지할 수 있다.

Description

태양전지용 프로브 장치{Probe equipment for solar cell}
본 발명은 기판에 형성된 태양전지의 효율을 측정할 수 있는 태양전지용 프로브 장치에 관한 것이다.
태양전지(solar cell)는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 반도체 소자로서, 화석연료의 소모없이 전기 에너지의 생성이 가능하여 친환경 대체 에너지로 크게 주목 받고 있다. 태양전지는 P형 반도체와 N형 반도체의 계면에 광이 조사되면 전자(electron)와 정공(hole)생성되어 발생되는 기전력을 이용하게 된다. 태양전지는 이용하는 반도체층의 물질에 따라 무기물 태양전지, 염료감응형 태양전지, 유기물 태양전지 등으로 구분된다. 무기물 태양전지로는 실리콘 계열의 태양전지, 3-5족 계열의 태양전지 등이 있는데, 이 중 실리콘 계열의 태양전지는 광전환효율이 비교적 높고 양산성을 갖추고 있어 현재 가장 널리 이용되고 있다. 태양전지의 제조에는 박막의 증착과 식각 공정과 같은 반도체 기술이 주로 이용되는데, 제조 후에는 광전환효율을 측정하여 제품의 불량여부를 결정하거나 등급을 분류하는 공정이 필수적으로 요구된다.
태양전지의 광전환효율 측정에는 프로브(probe) 장치가 이용된다. 프로브 장치는 전자소자의 패드에 일시적으로 접촉하여 전기적 신호를 인가하고, 검사가 끝난 후에는 다시 패드에서 분리되는 것이 일반적이다. 프로브 장치에 의한 전자소자의 불량검사가 신뢰성을 가지고 진행되기 위해서는 개개의 접속소자가 가지는 전기저항이 작아야하고, 접속소자와 패드간의 접촉이 안정적으로 이루어져 접촉저항이 낮아야 하며, 접속소자의 일부가 탄성 변형되어 패드에 일정 이상의 압력을 가할 수 있어야 한다. 특히 접속소자의 탄성 변형은, 높이 차이를 가지는 패드 각각에 접속소자가 모두 접촉하여 검사의 신뢰도를 향상시키는데도 필요하고, 공기 중에 노출된 금속 패드 표면에 형성된 자연산화막(native oxide)을 제거하여 접촉저항을 감소시키기 위해서도 필요하다. 이러한 조건들을 만족할 수 있도록 다양한 구조의 접속소자들이 개발되었다. 니들형 프로브(needle type probe)는 초기에 개발된 접속소자의 구조로 강성 및 탄성을 가지는 금속선을 이용하여 탄성 변형에 의하여 금속선의 끝단이 패드에 접촉할 수 있도록 한 구조이고, 캔틸레버 타입 프로브(cantilever type probe)는 수직방향으로 고정된 기둥과 수평방향으로 연장된 빔, 그리고 빔의 단부에 수직방향으로 팁부가 형성된 구조로 패드에 높은 압력을 가할 수 있고, 빔의 탄성 변형 방향이 안정적이므로 보다 신뢰성 있게 전자소자의 불량 검사를 수행할 수 있는 구조이다.
태양전지의 전극은 반도체 전극과 달리 비교적 넓은 면적을 가지는 전극이 길이 방향으로 형성되는 것이 일반적이다. 따라서, 태양전지용 프로브 장치는 반도체용 프로브나 디스플레이용 프로브와 달리 길이 방향으로 길게 형성된 전극에 안정적으로 접촉이 가능하도록 구성되어야 한다. 종래의 태양전지용 프로브 장치로는 스프링이 구비되어 상하방향으로 탄성을 가지는 개개의 프로브들을 동일한 높이로 고정시킨 상태에서 태양전지의 전극에 동시에 접촉할 수 있도록 한 것이다. 그러나 이러한 종래의 태양전지용 프로브 장치는 개개의 프로브들 사이의 공간이 비어 있어 태양전지의 전극과 프로브의 접촉 면적을 증가시키는데 한계를 가지고 있다. 또한 개개의 프로브와 전극 사이의 접촉 면적이 작아서 전극에 가해지는 압력이 상대적으로 크므로 전극이 손상되어 태양전지의 불량을 유발하는 원인이 되기도 한다. 따라서 태양전지 전극에 손상을 입히지 않으면서도 접촉저항을 최소화하고 측정시간을 단축할 수 있는 새로운 구조의 태양전지용 프로브 장치의 개발 필요성이 커지고 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 태양전지의 전극과 안정적으로 접촉하여 접촉저항과 전극의 손상을 최소화하고, 구조가 간단하여 제조과정 및 이용과정에서 불량이 발생할 가능성이 적은 태양전지용 프로브 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 태양전지의 전극과 일시적으로 접촉하여 전기적 연결 상태를 유지시키는 프로브와, 프로브의 양측에 형성되며 회전이 가능한 도르래 바퀴와, 프로브의 상부에 이격되어 형성된 고정 바와, 도르래 바퀴의 하부에 형성되며, 도르래 바퀴의 이탈을 방지하는 이탈 방지부와, 고정 바의 측부와 이탈 방지부를 연결하며, 도르래 바퀴의 수직이동을 가이드하는 가이드 부재를 포함하며, 프로브의 상부와 고정 바의 하부에는 자석이 서로 밀어내는 방향으로 설치된 것을 특징으로 하는 태양전지용 프로브 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 프로브의 하단에는 요철부가 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 고정 바를 수직으로 이동할 수 있는 승강장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 태양전지용 프로브 장치는 아래의 효과를 가진다.
1. 본 발명의 태양전지용 프로브 장치는 반대극성의 자석에 의한 반발력을 탄성으로 이용하므로 탄성력을 일정하게 유지하여 공정 안정성을 확보하는데 유리하다.
2. 본 발명의 태양전지용 프로브 장치는 도르래 바퀴에 의하여 프로브의 접촉 각도 변화가 자유롭게 이루어지므로 접촉저항을 최소화할 수 있어 측정결과의 신뢰성을 확보할 수 있다.
3. 본 발명의 태양전지용 프로브 장치는 길이방향으로 형성된 프로브에 의하여 태양전지의 전극에 접촉하므로 전극에 가해지는 압력을 최대한 분산시켜 전극의 손상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 태양전지용 프로브 장치의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 태양전지용 프로브 장치의 작동원리를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 태양전지용 프로브 장치의 도르래 바퀴 부분을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 태양전지용 프로브 장치에서 프로브의 접촉 각도가 조절되는 것을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 태양전지용 프로브 장치를 이용하여 태양전지의 효율을 측정하는 방법을 도시한 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 태양전지용 프로브 장치는 태양전지의 전극과 일시적으로 접촉하여 전기적 연결 상태를 유지시키는 프로브와, 프로브의 양측에 형성되며 회전이 가능한 도르래 바퀴와, 프로브의 상부에 이격되어 형성된 고정 바와, 도르래 바퀴의 하부에 형성되며, 도르래 바퀴의 이탈을 방지하는 이탈 방지부와, 고정 바의 측부와 이탈 방지부를 연결하며, 도르래 바퀴의 수직이동을 가이드하는 가이드 부재를 포함하며, 프로브의 상부와 고정 바의 하부에는 자석이 서로 밀어내는 방향으로 설치된 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 태양전지용 프로브 장치의 구조를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 태양전지용 프로브 장치(100)는 프로브(101), 도르래 바퀴(107), 고정 바(102), 이탈 방지부(106) 및 가이드 부재(108)를 포함한다. 프로브(101)의 하단에는 소정의 길이로 요철부(101a)가 형성되어 태양전지의 전극(미도시)과 접촉할 수 있도록 한다. 프로브(101)의 상부에는 고정 바(102)가 일정 간격으로 이격되어 평행하게 설치되어 있는데, 고정 바(102)는 고정 바 연결부재(105)로 승강장치(미도시)에 결합되어서 프로브 장치가 아래쪽으로 이동하여 태양전지의 전극(미도시)에 접촉할 수 있도록 한다. 고정 바 연결부재(105)와 이탈 방지부(106)는 가이드 부재(108)로 연결되어 있고, 가이드 부재(108) 사이에는 도르래 바퀴(107)에 형성된 홈(미도시)를 따라 도르래 바퀴(107)가 수직방향으로 이동할 수 있도록 결합된다. 즉, 프로브(101)는 측부에 형성된 도르래 바퀴(107)가 가이드 부재(108)를 따라 상하 방향으로 이동함에 따라 고정 바(102)와 평행을 유지할 수 있도록 하며, 이에 따라 프로브(101)와 고정 바(102) 사이의 간격(d1)이 변화될 수 있다. 이때, 프로브(101)의 상부와 고정 바(102)의 하부에는 자석(103, 404)이 결합되어 있다. 프로브(101)의 상부에 결합된 제1자석(103)과 고정 바(102)의 하부에 결합된 제2자석(104)은 동일한 극이 서로 바라보도록 배치되는데, 이로 인하여 프로브(101)와 고정 바(102)는 서로 밀어내는 힘을 받게 된다. 프로브(103)가 아래쪽에서 힘을 받지 않는 경우에는 프로브(101)와 고정 바(102)가 최대 간격을 유지하며 평행을 유지하는데, 이는 도르래 바퀴(107)의 하부에 이탈 방지부(106)가 형성되어 있기 때문이다.
프로브(101)의 하단에는 요철부(101a)가 형성될 수 있다. 요철부(101a)는 다양한 형태로 설계될 수 있는데, 전극과 접촉하는 부분에서 지나치게 압력이 높아져 전극이 손상되는 것을 방지하기 위하여 요철부(101a) 중 전극과 접촉하는 부분은 평탄한 형태로 설계될 수 있다. 다만, 접촉부분은 프로브의 탄성력과 전극의 재료 등을 고려하여 평탄한 형태가 아닌, 둥근 형태, 뾰족한 형태와 같이 다양하게 변형될 수 있고, 요철부가 형성되지 않고 전체적으로 평탄한 형태를 가질 수도 있다.
프로브(101)는 제1자석(103)과 요철부(101a) 사이의 공간이 다양한 형태로 패터닝될 수 있다. 프로브(101)는 아래쪽의 태양전지 전극과 지속적으로 접촉하며 힘을 받기 때문에 일정 수준 이상의 강성을 지니는 재료와 구조로 이루어지는 것이 바람직하다. 프로브(101)가 일정 두께의 판형 금속으로 이루어진 경우에 프로브는 어느 정도의 무게를 가지게 되고, 프로브의 무게는 프로브가 태양전지 전극과 접촉하면서 발생하는 최소압력을 결정하게 된다. 만약 프로브의 무게가 지나치게 많이 나가면 태양전지 전극에 손상이 올 수 있으므로, 프로브(101)의 일부를 다양한 형태로 패터닝하여 절단해 내면 프로브의 무게를 줄어들게 되어 프로브가 태양전지 전극과 접촉하면서 발생하는 최소압력을 감소시킬 수 있다. 프로브(101)와 고정 바(102) 사이의 최초 간격(도 2의 d1)과 효율측정 상태의 간격(도 2의 d2)의 차이(d1-d2)는 프로브 장치(100)가 가지는 공정 마진에 해당한다. 이러한 공정 마진의 의미는 태양전지 전극의 높이 오차에 대응할 수 있는 효율 측정의 신뢰도와 관련된다. 따라서, 프로브의 무게를 감소시키면 효율 측정 시 태양전지 전극의 높이 차에 대응하는 공정 마진을 향상시킬 수 있다. 프로브의 무게를 줄이기 위하여, 프로브의 일부를 패터닝하여 절단하는 방법 외에도, 프로브의 재질을 고분자 수지와 같이 가벼운 소재로 만들고 요철부만을 금속 재질로 형성하거나, 고분자 수지의 소재에 금속막을 코팅하는 방법을 이용하는 것도 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 태양전지용 프로브 장치의 작동원리를 도시한 것이다. 도 2의 (a)를 참조하면, 프로브(101)의 하단에 힘이 가해지지 않은 상태에서는 제1자석(103)과 제2자석(104)이 서로 밀어내고 도르래 바퀴(미도시)가 이탈 방지부(106)와 접촉하여 프로브(101)와 고정 바(102) 사이의 간격이 d1로 최대값을 유지한다. 도 2의 (b)를 참조하면, 프로브 장치가 아래쪽으로 이동하면(또는 태양전지 기판이 위쪽으로 이동하면) 프로브(101) 하단과 태양전지 전극(110)이 접촉하여 프로브(101)와 고정 바(102) 사이의 간격이 d2로 줄어든다. 이때, 제1자석(103)과 제2자석(104)의 거리가 가까워질수록 자석 간에 작용하는 밀어내는 힘은 증가하게 되고, 프로브(1010가 일정한 힘으로 태양전지 전극(110)에 압력을 가하면서 접촉상태를 유지하게 된다. 이와 같이, 프로브(101)와 태양전지 전극(110)이 일정 압력으로 접촉한 상태에서 태양전지의 광효율을 측정하게 되고, 측정이 완료되면 프로브 장치가 상승하거나 태양전지 기판이 하강하여 프로브(101)와 고정 바(102)의 위치가 다시 도 2의 (a) 상태로 복귀하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 태양전지용 프로브 장치의 도르래 바퀴부분을 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 고정 바 연결부재(105)와 이탈 방지부(106)는 가이드 부재(108)로 연결되어 있고, 가이드 부재(108) 사이에 도르래 바퀴(107)가 수직이동 가능하게 결합되어 있다. 도르래 바퀴(107)의 측면에는 일정한 깊이로 홈(도면부호 미표시)이 형성되어 있고, 홈에는 가이드 부재(108)가 삽입되어 있다. 이러한 구조로 인하여 도르래 바퀴(107)는 가이드 부재(108)를 따라 고정 바 연결부재(105)와 이탈 방지부(106) 사이를 수직이동할 수 있다. 이때, 도르래 바퀴(107)의 홈과 가이드 부재(108) 사이에는 미세한 간격이 형성되어 도르래 바퀴(107)가 수평방향으로 조금씩 이동할 수 있도록 되어 있는데, 이는 프로브가 수평방향에서 조금씩 각도를 변화시키며 위치가 변화될 수 있도록 한다. 도르래 바퀴(107)는 도르래 바퀴 연결축(109)에 의하여 프로브(101)의 양측에 회전가능하도록 결합된다. 이와 같이 도르래 바퀴(107)가 회전가능하도록 구성되는 것은 프로브(101)의 수직이동에 따른 도르래 바퀴(107)와 가이드 부재(108) 사이의 마찰을 최소화하여 프로브(101)의 수직 이동 및 각도 변형이 가능하게 하기 위함이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 태양전지용 프로브 장치에서 프로브의 접촉 각도가 조절되는 것을 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 프로브(101)는 고정 바(102)와 이격되어 평행하게 위치하지만, 프로브(101)의 한쪽 끝에 수직방향의 힘이 주어지면 평행한 위치가 변화될 수 있다. 이는 태양전지 전극에 형성된 국부적인 기울기나 단차를 따라 프로브(101)가 이동하여 프로브와 태양전지 전극의 접촉면적을 최대로 유지하기 위함이다. 도면에서는 오른쪽 방향으로 힘이 주어진 경우를 가정하여 프로브의 기울기를 도시하였지만, 왼쪽 방향으로 힘이 주어진 경우라면 프로브의 왼쪽이 올라가면서 반대 방향의 기울기가 형성될 수도 있다. 이와 같이, 프로브가 기울기를 자유롭게 변화시키면서 태양전지 전극과 접촉할 수 있는 것은 도르래 바퀴와 가이드 부재 사이에 미세한 공간이 형성되어 있음으로 가능한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 태양전지용 프로브 장치를 이용하여 태양전지의 효율을 측정하는 방법을 도시한 것이다. 도 5를 참조하면, 프로브(101, 201), 고정 바 연결부재(105, 205), 가이드 부재(108, 208), 이탈 방지부(106, 206) 및 도르래 바퀴(107, 207)를 포함하는 한 쌍의 프로브 장치가 서로 대향하여 설치된다. 프로브(101, 201)의 하단에는 기판(211), 반도체층(111) 및 전극(110a, 110b)로 이루어진 태양전지가 프로브(101, 201)와 전극(110a, 110b)이 접촉한 상태로 위치하고(도면에서 고정 바의 도시는 생략하였다). 프로브 장치의 상부에는 태양전지의 반도체층(111)에 빛을 조사하기 위한 광원(210)이 설치된다. 광원(210)에서 발생된 빛이 반도체층(111)으로 조사되면, 태양전지에서 기전력이 발생되어 한 쌍의 프로브(101, 201) 사이에 연결된 전류계(필요한 경우 전압계가 추가로 연결될 수 있다)에 전류가 감지된다. 광원(210)에서는 일정한 양의 광전자(photon)가 펄스형태로 방출되어 반도체층(211)으로 입사하게 되므로 전류계에서 측정된 전류값을 모니터링하면 일정한 조건에서 태양전지에 대한 효율 측정이 이루어지게 된다. 도면에서 태양전지의 단면구조는 도식적으로 나타낸 것으로, 반도체층과 전극의 형성 높이, 순서 및 구조는 태양전지의 종류에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
지금까지 본 발명의 일 구현예에 따라 본 발명을 설명하였다. 그러나 본 발명의 권리범위는 이러한 구현예에 한정되지 않으며, 상세한 설명에 기재된 내용이나 도면은 본 발명을 설명하기 위한 것으로 이로 인하여 본 발명의 권리범위가 제한되지 않으며, 오직 청구범위에 기재된 사항에 의하여 권리범위가 해석되어야 할 것이다.
100: 프로브 장치 101: 프로브
101a: 요철부 102: 고정 바
103: 제1자석 104: 제2자석
105: 고정 바 연결부재 106: 이탈 방지부
107: 도르래 바퀴 108: 가이드 부재
109: 도르래 바퀴 연결축 110: 태양전지 전극

Claims (3)

  1. 태양전지의 전극과 일시적으로 접촉하여 전기적 연결 상태를 유지시키는 프로브;
    프로브의 양측에 형성되며 회전이 가능한 도르래 바퀴;
    프로브의 상부에 이격되어 형성된 고정 바;
    도르래 바퀴의 하부에 형성되며, 도르래 바퀴의 이탈을 방지하는 이탈 방지부; 및
    고정 바의 측부와 이탈 방지부를 연결하며, 도르래 바퀴의 수직이동을 가이드하는 가이드 부재;를 포함하며, 프로브의 상부와 고정 바의 하부에는 자석이 서로 밀어내는 방향으로 설치된 것을 특징으로 하는 태양전지용 프로브 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    프로브의 하단에는 요철부가 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지용 프로브 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    고정 바를 수직으로 이동할 수 있는 승강장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 프로브 장치.
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