KR101104601B1 - 태양전지 전극 제조를 위한 롤 투 플레이트 패터닝용페이스트 및 이를이용한 롤 투 플레이트 패터닝 방법 - Google Patents
태양전지 전극 제조를 위한 롤 투 플레이트 패터닝용페이스트 및 이를이용한 롤 투 플레이트 패터닝 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 광경화성 바인더; 열경화성 바인더; 도전성 금속입자 및 용매를 포함하고, 태양전지용 전극 패턴의 제조에 사용되는 롤 투 플레이트(roll to plate) 패터닝용 페이스트 및 상기 페이스트를 사용한 태양전지용 전극 패턴의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 롤 투 플레이트(roll-to-plate) 방법에 의해 태양전지용 전극 패턴을 형성함에 있어, 광경화성 바인더와 열경화성 바인더를 함께 사용함으로써, 블랭킷에 페이스트가 잔류하거나 패턴이 끊기는 현상 없이 좁은 선폭과 두꺼운 선두께를 가진 정밀 패턴을 형성할 수 있다.
태양전지, 전극, 롤 투 플레이트(roll-to-plate), 광경화성, 열경화성
Description
본 발명은 태양전지용 전극 패턴 제조에 사용되는 롤 투 플레이트 패터닝용 페이스트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전사 패턴에 끊김이 없고 기재와의 접착력이 우수하여 정밀패턴을 형성할 수 있도록 광경화성 바인더와 열경화성 바인더를 포함하는 롤 투 플레이트 패터닝용 페이스트에 관한 것이다.
최근 환경문제와 화석에너지 고갈 등의 문제로 인하여 대체에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해, 무한정의 에너지원인 태양광발전에 대한 연구개발이 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다.
태양전지란 태양광 에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 광전변환 소자로서 p형 반도체와 n형 반도체의 접합형태를 가지며 그 기본구조는 다이오드와 유사하다. 태양전지는 일반적으로 소재에 따라 실리콘 태양전지와 화합물 반도체 태양전지 등으로 분류되고, 형태에 따라 기판형과 박막형으로 나뉜다. 현재 태양광 발전 용으로 널리 쓰이고 있는 것은 기판형 결정질 실리콘 태양전지로서, 실리콘 기판의 전면에 에미터(emitter)로 작용하는 n형 층을, 후면에 p형 층을 각각 형성하고, 빛의 반사를 최소화하기 위한 실리콘 질화막 또는 산화막 등의 반사방지층을 포함하는 형태이다.
현재 상업용으로 가장 많이 적용되고 있는 태양전지는 스크린 프린팅 방법으로 제작되고 있으며, 변환효율은 약 14 ~ 16 % 수준으로서 그 제조공정을 간단히 살펴보면, 우선 실리콘 웨이퍼의 표면 손상(saw damage)을 제거하기 위해서, 알카리 용액이나 산 용액에서 에칭하여 표면에 약 10㎛ 크기로 텍스처링(texturing)한다. 전형적인 텍스처링 형성은 일반적으로 5%의 NaOH로 80℃에서 15분 동안 에칭한다. 다음으로 인 확산(phosphorous diffusion) 공정을 거쳐 n+ 에미터를 형성하고, 병렬저항을 줄이기 위해 junction isolation을 여러 가지 방법으로 진행한다. 반사방지막(SiNx 혹은 TiO2)을 진공장비로 형성(PECVD, APCVD, ARC deposition)하고, 전면전극을 스크린 프린팅으로 형성하게 된다(metallization). 전면전극은 은이 일반적이며, 구리는 열처리 공정 후 실리콘에 큰 오염을 일으켜 보편적으로 은 페이스트를 사용한다. 이러한 페이스트는 점성의 성질을 지니고 있어 100 ~ 200 ℃에서 건조 공정(firing)을 거치며, 전지의 후면전극을 형성하기 위하여 스크린 프린팅으로 은과 알루미늄으로서 전극 형성 후 건조공정을 거친다.
상기와 같이 태양전지의 전극 형성에 많이 사용되는 스크린 프린팅 방법은 스크린 마스크를 통하여 페이스트를 기재 상에 직접 인쇄하는 방식으로서, 인쇄속도 가 빠르고, 공정비용이 적게 드는 장점이 있으나, 패턴의 직진성이 떨어지고, 80㎛ 이하의 선폭 조절 및 선 두께의 조절에 어려움이 있어, 정밀패턴 형성에는 적합하지 않다.
본 발명자들은 태양전지의 전극 패턴 제조를 위해 롤 투 플레이트 방법에 의해 패터닝하는 방법을 연구하던 중, 인쇄 롤의 블랭킷으로부터 페이스트가 완전히 전사되지 못하고 블랭킷에 잔존하는 문제점과 기재와 페이스트 간의 접착력이 좋지 못하여 패턴이 끊기고 재현성이 좋지 못한 문제점이 있는 것을 발견하고 이를 해결하기 위해 광경화성 바인더와 열경화성 바인더를 함께 포함하는 페이스트를 사용하는 경우 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있음을 밝혀내었다.
본 발명은 이에 기초한 것이다.
본 발명은 광경화성 바인더와 열경화성 바인더를 포함하고, 태양전지용 전극 패턴의 제조에 사용되는 롤 투 플레이트(roll to plate) 패터닝용 페이스트를 제공한다.
또한, 본 발명은 a)인쇄 롤 표면에 구비된 블랭킷의 표면 패턴 홈에 상기에 기재된 페이스트를 주입하는 단계; b)닥터블레이드에 의해 상기 블랭킷 패턴 홈에 주입된 페이스트를 제외한 잔여 페이스트를 닥터링(doctoring)하는 단계; c)상기 인쇄롤을 회전, 평판 기재에 압착시킴으로써 상기 블랭킷 패턴 홈에 주입된 페이스트를 평판 기재에 전사하여 패터닝하는 단계를 포함하여, 롤 투 플레이트(roll to plate) 패터닝 방법에 의해 태양전지용 전극 패턴을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 롤 투 플레이트(roll-to-plate) 방법에 의해 태양전지용 전극 패턴을 형성함에 있어, 광경화성 바인더와 열경화성 바인더를 함께 사용함으로써, 블랭킷에 페이스트가 잔류하거나 패턴이 끊기는 현상 없이 50㎛ 이하의 좁은 선폭과 30㎛ 이상의 두꺼운 선두께를 가진 정밀한 전극패턴을 형성할 수 있다.
상기와 같은 정밀 패턴을 형성함으로써, 태양전지의 광 흡수 면적이 증가하여 0.2% 이상의 셀 효율 향상을 기대할 수 있다. 또한, 롤 투 플레이트 패터닝 방법을 사용함으로써, 인쇄속도가 빠르고, 공정비용이 적게 드는 것은 물론, 패턴의 선폭을 용이하게 조절할 수 있고, 직진성이 우수한 패턴을 얻을 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 태양전지용 전극 패턴을 제조함에 있어, 롤 투 플레이트(roll to plate) 방법을 사용하며, 이 때 블랭킷 패턴 홈에서 페이스트가 용이하게 분리될 수 있고, 기판과 페이스트의 접착력을 향상시키기 위해 상기 페이스트 조성에 광경화성 바인더와 열경화성 바인더를 함께 포함하는 것을 특징으로 한다.
태양전지용 전극 패턴의 제조에 있어서, 태양전지의 광흡수 면적을 증가시켜 셀 효율을 향상시키기 위한 방법의 하나로서, 전극 패턴의 폭을 좁히는 방법을 생각할 수 있다. 그러나, 기존의 스크린 프린팅 방법을 사용하는 경우, 80㎛ 이하의 선폭을 가진 패턴에서는 페이스트가 완전히 인쇄되지 못하여 패턴의 직진성이 떨어지며, 선 두께도 일정하지 않고 굴곡이 생겨 선 끊어짐 현상이 발생할 수 있으며, 실리콘 웨이퍼와의 젖음성(wetting)도 좋지 않게 된다.
즉, 스크린 프린팅 방법을 이용하여 좁은 선폭을 가진 전극 패턴을 제조하는 경우, 결과적으로 전극 저항; 및 패턴과 웨이퍼 사이의 컨택(contact) 저항을 증가시켜 셀(cell)의 전기적 특성(예를 들면, fill factor및 효율)을 저하시킬 우려가 있다. 왜냐하면, 선폭을 기존의 100㎛에서 50㎛로 감소시키는 경우, 전극의 비저항을 그대로 유지하기 위해서는 선두께를 2배로 증가시켜야 하며, 예를 들어 선폭100㎛, 선두께 20㎛의 전극과 동일한 성능을 발휘하기 위해서는 선폭 50㎛, 선두께 40㎛가 되어야 한다.
그러나 스크린 마스크(325mesh)를 이용하는 경우에는 페이스트의 물성 제어만으로 선두께를 30㎛ 이상으로 하는 것이 매우 어렵다.
그러나 본 발명과 같은 롤 투 플레이트 방법을 사용하는 경우에는 30㎛ 이상의 두께를 가지는 전극 형성이 가능하다는 장점이 있어, 50㎛ 이하의 선폭 및 30㎛ 이상의 직진성을 갖는 정밀한 전극 패턴을 얻을 수 있다.
롤 투 플레이트(roll to plate) 방법이란, 롤 투 롤(roll to roll) 방법에 대응되는 용어로서, 평판 기재 상에 패턴을 형성하는 방법의 하나이다. 즉, 롤 표면에 블랭킷(blanket)이 부착되고, 상기 블랭킷 표면에 패턴 홈이 형성되며, 회전하는 롤과 평판 기재의 압착에 의해, 상기 패턴 홈에 주입된 잉크 또는 페이스트를 평판 기재 상에 그대로 전사하는 방법으로서, 음각 방식의 인쇄법이라는 점에서 그라비아(gravure) 인쇄와 유사하나, 고점도의 페이스트를 사용하며, 그라비아 인쇄보다 인쇄속도가 느린 점에 차이가 있다.
상기의 롤 투 플레이트 방법과 같은 음각 방식의 인쇄에는 주로 저점도의 잉크를 사용하였으나, 본 발명과 같이 태양전지 등의 전극 패턴 형성에 이용하기 위해 서는 고점도의 페이스트를 사용하는 공정이 수반되어야 한다. 그러나, 상기의 고점도 페이스트를 사용하는 경우에는 상기 블랭킷 패턴 홈에 주입된 고점도의 페이스트가 평판 기재로 전사될 때, 완전히 전사되지 못하고 상기 블랭킷 패턴 홈 내에 잔류하는 문제가 생길 수 있다. 이러한 문제점에 대해서는 블랭킷의 표면 처리를 통해 페이스트가 블랭킷 패턴 홈에 달라 붙지 못하게 하는 방법을 사용할 수도 있으나, 본 발명에서는 광경화성 바인더를 페이스트 조성 중에 포함하여 해결하였다.
즉, 상기 페이스트의 전사시 광(光) 조사 특히, 자외선(UV)을 조사해줌으로써 페이스트가 빠르게 경화되며, 경화시 어느 정도의 수축도 발생하므로 경화된 페이스트가 상기 블랭킷 패턴 홈 내에서 쉽게 분리될 수 있다.
한편, 광(光)에 의해서만 경화되는 경우 블랭킷 패턴 홈 내에서 분리는 쉬울 수 있으나, 자칫 미세한 시간차에 의해 경화된 상태에서 기판에 전사될 수도 있으며, 그 경우 기판과의 접착력이 현저히 떨어져 패턴의 끊김 현상이 발생하며 패턴의 재현성이 좋지 못하게 될 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기의 광경화성 바인더와 함께 열경화성 바인더를 페이스트 조성에 함께 포함함으로써 기판과의 접착력 문제를 해결하였다.
즉, 상기의 광 경화에 의해 기판과 페이스트와의 접착력이 떨어지더라도 상기 패턴 전사시 기판 또는 패터닝 부위를 가열해 주면 페이스트 내에 포함된 열경화성 바인더에 의해 결합이 일어나 기판과 페이스트와의 접착력을 향상시킬 수 있다.
요약하면, 형성되는 패턴의 윗 부분은 광 경화에 의해 블랭킷 패턴 홈과의 분리가 쉽게 되며, 상기 패턴의 아랫부분, 즉 기판과 접촉하는 부분은 열 경화에 의 해 기판과의 접착력이 향상되는 것이다.
본 발명의 페이스트에 포함되는 광경화성 바인더는 광(光)에 의해 특히, 200 ~ 500 nm 파장의 자외선(UV) 조사에 의해 경화될 수 있는 폴리머, 올리고머, 또는 모노머 물질이라면 제한되지 않으며, 그 비제한적인 예는 아크릴레이트계, 셀룰로오즈계 및 아크릴계 수지 등이 있고, 상기 광경화성 바인더는 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 광경화성 바인더는 페이스트 100 중량부 대비 5 중량부 내지 40 중량부 범위, 바람직하게는 5중량부 내지 20중량부 범위로 포함될 수 있다. 상기 광경화성 바인더가 페이스트 100중량부 대비 5중량부 이하인 경우에는 UV에 의한 광경화시 경화반응이 느리고, 기판과 접해있는 쪽의 페이스트가 잘 경화되지 않는 문제점이 있으며, 40중량부 이상인 경우에는 페이스트 자체의 점도가 낮아져서 동일부피로 전극형성시 Ag함량이 감소하므로 전극의 전기전도도가 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명의 페이스트에 포함되는 열경화성 바인더는 열(熱)에 의해 특히, 50 ~ 180 ℃ 범위의 가열에 의해 경화될 수 있는 폴리머, 올리고머, 또는 모노머 물질이라면 제한되지 않으며, 그 비제한적인 예는 에폭시계 또는 페놀계 등이 있고, 노볼락형 에폭시 수지, 폴리에틸렌 글리콜 수지, 폴리프로필렌 글리콜 수지 등을 사용할 수도 있고, 상기 열경화성 바인더는 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 열경화성 바인더는 페이스트 100 중량부 대비 1중량부 내지 20중량부 범위, 바람직하게는 5중량부 내지 10중량부 범위로 포함될 수 있다. 상기 열경화성 바인더가 페이스트 100 중량부 대비 1 중량부 이하인 경우에는 열경화가 잘 일어나지 않는 문제가 있고, 20 중량부 이상인 경우에는 광경화 바인더의 첨가량을 줄여야 하므로, 광경화를 방해할 수 있는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 광경화가 주 바인더로 포함되고, 열경화형 바인더가 보조 바인더로 들어가는 시스템이라고 볼 수 있다.
한편, 본 발명의 페이스트는 상기 광경화성 바인더 및 열경화성 바인더 이외에도 도전성 금속입자, 광경화 개시제, 열경화 개시제, 유기 용매가 포함될 수 있으며, 이 밖에 페이스트의 물성 보완을 위해 분산제, 증점제(thixotropic agent) 또는 wetting agent 등을 더 포함할 수 있다.
상기 도전성 금속입자는 특별히 제한되지 않고 당업자에게 알려진 것을 사용할 수 있으며, 그 비제한적인 예는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 아연(Zn), 니켈(Ni), 철(Fe), 백금(Pt), 납(Pb), 게르마늄(Ge), 수은(Hg), 규소(Si), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo) 및 팔라듐(Pd) 등이 있으며, 바람직하게는 0.3 ~ 10 ㎛ 범위의 입경을 갖는 것일 수 있다.
상기 광경화 개시제는 상기 광경화성 바인더의 광경화를 촉진할 수 있는 물질로서 당업자에게 알려진 것을 사용할 수 있고, 그 비제한적인 예로는 열분해성 아크릴레이트 벤조페논계, 아세트페논계 및 트리아진계 등이 있으며, 상기 열경화 개시제는 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 열경화 개시제는 상기 열경화성 바인더의 열경화를 촉진하는 물질로서 당업자에게 알려진 것을 사용할 수 있고, 특히 50 ~ 180 ℃ 범위에서 경화를 개시할 수 있는 물질을 사용할 수 있으며, 그 비제한적인 예로는 TAG(thermal acid generator)등이 있고, 상기 열경화 개시제는 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 유기용매로는 페이스트의 유동성을 조절할 수 있는 용매로서 당업자에게 알려진 것이면 특별히 제한되지 않으며, 그 비제한적인 예로는 아크릴성 모노머, 셀로솔브(cellosolve)계, 카비톨(carbitol)계, 터피네올(terpineol)계 및 텍사놀(texanol)계 등이 있고, 상기 용매는 단독으로 또는 2종이상 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명의 페이스트는 상기 기재된 물질 들을 소정의 조성 비율로 칭량하여 용기에 넣고 교반함으로써 제조될 수 있다.
본 발명의 페이스트는 10,000 cps ~ 1,000,000 cps 범위의 점도를 갖는 것일 수 있다.
종래의 롤 투 플레이트 방법에서 사용하는 페이스트가 일반적으로 10,000 cps이하의 점도를 갖는 반면, 태양전지용 전극 패턴의 제조에 사용되는 본 발명의 페이스트는 무기물 함량이 70% 이상이기 때문에, 10,000cps이상 1,000,000cps 이하 범위의 점도를 가지며, 많은 경우에 100,000 cps이상 (Brookfield 점도계 측정, 14번 spindle, at 25℃)의 점도를 갖는다.
태양전지용 전극 패턴 형성시, 페이스트 중 Ag 함량에 의해 저항 특성이 달라지기 때문에, Ag 함량이 최소 70% 이상이어야 하고, 또한 광흡수 면적을 증가시키기 위해 인쇄 후 선폭의 퍼짐 정도가 스크린 마스크 패턴 너비의 10% 이하로 되어 야 하므로, 본 발명의 페이스트는 상기와 같은 고점도를 가져야 한다.
본 발명의 롤 투 플레이트(roll to plate) 패터닝 방법에 의해 태양전지용 전극 패턴을 제조하는 방법은 다음과 같이
a)인쇄 롤 표면에 구비된 블랭킷의 표면 패턴 홈에 상기 기재된 페이스트를 주입하는 단계;
b)닥터블레이드에 의해 상기 블랭킷 패턴 홈에 주입된 페이스트를 제외한 잔여 페이스트를 닥터링(doctoring)하는 단계;
c)상기 인쇄롤을 회전, 평판 기재에 압착시킴으로써 상기 블랭킷 패턴 홈에 주입된 페이스트를 평판 기재에 전사하여 패터닝하는 단계
를 포함할 수 있다.
상기 a)의 페이스트 주입단계는 전술한 본 발명의 페이스트를 주입노즐 등을 통하여 블랭킷 패턴 홈에 주입하는 단계로서, 도 2를 참고하면 회전하는 롤의 상부에서 일정 속도로 주입되며, 상기 페이스트의 공급은 패턴 홈 내에만 한정적으로 되는 것이 아니라 연속적으로 공급되므로, 상기 패턴 홈내에 주입될 뿐만 아니라 롤의 회전에 의해 패터닝되지 않은 블랭킷 부분까지 도포될 수 있으며, 이는 후술할 닥터링(doctoring)단계에서 제거될 수 있다. 또한, 주입량은 상기 블랭킷 패턴 홈의 부피를 모두 채울 수 있을 만큼 충분히 공급되는 것이 바람직하다.
상기 블랭킷은 용이하게 패턴 형성이 가능한 탄성체이면 특별히 제한되지 않으며, 그 비제한적인 예는 PDMS(polydimethylsiloxane) 등이 있다.
최종적으로 형성하고자 하는 전극 패턴과 같은 형태의 패턴을, 상기 PDMS 등의 평판 블랭킷에, 포토마스크 등의 다양한 방법으로 음각 패터닝하여 패턴 홈을 형성한 후, 패턴 홈 형성된 블랭킷을 롤 표면에 감아서 부착하여 전극 패턴 인쇄용 롤을 제작할 수 있다.
한편, 상기 PDMS 등의 블랭킷 표면은 전술한 페이스트의 조성에 따라 패턴 전사시 분리가 용이하도록 표면 처리, 예를 들어 발수처리 되어 있는 형태일 수도 있으며, 이러한 표면처리는 당업자에게 알려진 것을 사용할 수 있다.
상기b)의 닥터링(doctoring) 단계는 상기 블랭킷 부착된 롤의 일측에 근접하여 위치하고 있는 닥터블레이드(doctor blade)에 의해 상기 블랭킷 표면에 도포된 잉여의 페이스트를 제거하는 단계이다.
즉, 상기 a)단계에서 연속적인 페이스트의 공급에 의하여 상기 블랭킷의 패턴 홈이 모두 채워짐은 물론, 그 이상의 잉여 페이스트가 상기 블랭킷의 패턴된 부분 및 패턴되지 않은 부분까지 모두 도포되므로, 이를 제거할 필요가 있다. 이를 제거하지 않으면 기재 상에 전극 패턴이 정확하게 형성되지 않기 때문이다.
도 2를 참조하면 블랭킷이 부착된 롤이 회전함에 따라, 롤의 측면에 위치한 닥터블레이드에 의해 잉여의 페이스트를 닥터링(doctoring)하여 제거한다. 이 때, 닥터링 후 블랭킷 패턴 홈에 남는 페이스트는 가능한 한 정확하게 패턴 홈의 부피 및 형상과 일치하는 것이 바람직하므로, 닥터블레이드의 칼날 끝단의 위치는 상기 회전하는 롤 표면에 부착된 블랭킷 패턴 홈을 형성하는 요부의 상부와 가능한 일치 또는 근접하는 것이 바람직하다.
상기 c)의 패터닝 단계는 상기 블랭킷 패턴 홈에 남아있는 페이스트가 기재 상 에 전사되는 단계이다.
상기 b)단계의 닥터링에 의해 블랭킷 패턴 홈 내부에만 페이스트가 남아 있게 되므로, 이를 기재에 전사하면 블랭킷 패턴과 동일한 형태의 페이스트 패턴이 만들어진다. 기재 상에 상기 블랭킷 부착된 롤을 압착하면서 회전시키면 블랭킷의 요부는 압력에 의해 눌려지게 되고 블랭킷 패턴 홈 내부에 있는 페이스트가 기재와 접착함과 동시에 상기 패턴 홈과 분리됨으로써 전사가 이루어진다.
이 때, 전술한 바와 같이 패턴 부위에 광 조사, 특히 자외선을 조사해 주면 페이스트의 광경화 및 수축에 의해 페이스트와 블랭킷의 분리가 용이해지며, 기판을 가열해주면 기판과 접촉한 페이스트 하부의 열경화에 의해 기판과의 접착력이 향상되어 패턴의 재현성이 좋아지게 된다.
본 발명의 방법에 의해 전극 패턴이 형성된 태양전지는 전극 패턴 형성공정을 제외하고는 당업자에게 알려진 방법에 의하여 제조될 수 있다.
예를 들어, 상기와 같이 실리콘 웨이퍼 상에 선택적 에미터를 형성한 후, 반사방지막으로서 질화규소(SiNx) 층을 증착하고, 상기 선택적 에미터와 나란하게 전면전극(예를 들어, 은 전극)을 본 발명의 방법으로 형성할 수 있고, 그 배면에 은과 알루미늄으로 후면전극을 형성하는 방법에 의해 태양전지 모듈을 제조할 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 보다 자세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명이 이로써 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] 광경화 및 열경화형 페이스트의 롤 투 플레이트 방법에 의한 태양전지용 전극 제조
기존의 태양전지 전극용 페이스트에서 바인더로 사용되는 에틸셀룰오스 대신 광경화성 바인더 및 열경화성 바인더를 사용하여 다음과 같이 태양전지 전극용 페이스트를 제조하였다.
전체 페이스트 중량 대비 은 분말(Ag powder)은 80 wt%, 무기바인더인 글래스프릿(glass frit)은 4 wt%를 사용하였다. 광경화성 바인더로는 BCA(Butyl Carbitol Acetate) : BC(Butyl Carbitol) = 1 : 1로 혼합된 용매에 PMMA/PAA 공중합체(Polymethylmethacrylate/Polyacrylic acid copolymer)를 20 wt% 농도로 녹인 것을 전체 페이스트 중량 대비 8 wt% 사용하였고, 광모노머로 DPHA (Dipentaerythritol Hexaacrylate) 2 wt%, TMPTA(trimethylol propane triacrylate) 2 wt%를 각각 첨가하였으며, 광개시제로 IR369를 0.4 wt% 첨가하였다. 열경화성 바인더로는 비스페놀 에폭시 수지를 3.4 wt%, 열경화개시제로는 thermal acid generator를 0.2 wt% 첨가하였다.
한편, 평판 형태의 PDMS(polydimethylsiloxane)를 이용하여 포토마스크 공정에 의해 선폭 50㎛, 홈 깊이 30 ~ 40 ㎛의 패턴 홈을 갖도록 블랭킷(blanket)을 제작하고, 이를 인쇄용 롤 표면에 부착하였다.
상기 제조된 페이스트는 회전하는 상기 인쇄용 롤의 상부에 위치한 주입 노즐을 통하여 블랭킷 패턴 홈 내로 주입되며, 상기 인쇄용 롤의 측면에서 닥터블레이드(doctor blade)를 통해 표면에 잔류하는 페이스트를 닥터링(doctoring)하였다.
상기 회전하는 인쇄용 롤의 하부에는 태양전지 모듈 기판이 압착되어 상기 닥터링된 블랭킷 패턴 홈 내의 페이스트를 상기 기판 표면의 소정의 위치에 전사시켜 전극 패턴을 형성하였다.
이 때, 상기 기판 하부의 기판 지지 플레이트에는 가열장치가 부착되어 기판을 40~150 ℃로 가열하였으며, 자외선 램프를 통해 상기 패터닝 부위에 자외선(파장 200~400nm) 을 조사할 수 있도록 하였다.
상기 제조된 전극 패턴을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였으며, 그 결과는 도 6에 나타내었다.
자외선 경화에 의해 PDMS 블랭킷과 페이스트가 깨끗하게 분리된 것을 알 수 있으며, 열 경화를 통해 기판과 페이스트 간의 접착력이 증가하여 패턴의 끊김 현상이 없는 것을 알 수 있었다.
[비교예 1] 스크린 프린팅 방법에 의한 태양전지용 전극 제조
스크린 프린팅용 페이스트에는 Ag 입자 및 glass frit 입자를 포함한 무기물 함량이 80~85wt%로 포함되며, 부틸카비톨아세테이트(BCA)와 터피네올(Terpineol)을 2:1로 혼합한 용매에 에틸셀룰로오스를 10wt% 첨가한 바인더, 및 가소제, 윤활제 등의 기타 첨가제가 포함된다.
상기의 페이스트를 이용하여 일반적인 스크린 프린팅 방법으로 태양전지 기판 상에 전극 패턴을 제조하였다.
상기 제조된 패턴의 SEM사진을 도 3에 나타내었다.
패턴의 직진성이 떨어지며, 정확한 선폭으로 패터닝되지 못하고 패턴이 옆으로 퍼져 있는 것을 볼 수 있어, 80㎛이하의 미세 선폭을 가진 전극 패턴의 제조가 불가능하였다.
[비교예 2] 일반 페이스트의 롤 투 플레이트 방법에 의한 태양전지용 전극 제조
기존의 롤 투 플레이트용 일반 페이스트는 스크린 프린팅용 페이스트와 비슷한 조성으로 제조되었으나, 다만, 점도가 높아 페이스트가 음각의 패턴 내로 들어가거나 빠져나오기 어려우므로, 바인더 중의 에틸셀룰로오스 함량을 10wt%에서 5wt%로 감소시켰다. 또한, 기판과 PDMS간 접착시 패턴 내에 있는 페이스트가 잘 빠져나오도록 부착성이 있는 부틸 아크릴레이트 계열의 폴리머를 일부 첨가하여 주었다.
상기 제조된 페이스트를 사용하고, 기판의 가열 및 자외선 조사를 하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 롤 투 플레이트 방법에 의해 태양전지의 전극 패턴을 제조하였다.
상기 제조된 패턴의 SEM 사진을 도 4에 나타내었다.
전사 후 블랭킷 내부에 페이스트가 남아 있는 것을 확인할 수 있었으며, 완전히 전사되지 못한 부분은 도 4의 타원 부분과 같이 패턴이 끊기는 부분으로 나타나, 패턴의 재현성 있는 제조가 어려웠다.
[비교예 3] 광경화형 페이스트의 롤 투 플레이트 방법에 의한 태양전지용 전극 제조
열경화형 바인더를 사용하지 않고, 기판을 가열하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 페이스트 제조 및 롤 투 플레이트 패터닝하여 태양전지의 전극 패턴을 제조하였다.
상기 제조된 패턴의 SEM사진은 도 5에 나타내었다.
자외선 경화에 의해 PDMS 블랭킷과 페이스트가 깨끗하게 분리되어 완전히 기판에 전사되었으며, 블랭킷에 남아있는 잔류 페이스트도 없었으나, 기판과 페이스트간의 접착력이 약한 관계로 패턴이 군데군데 끊어지는 현상을 볼 수 있었다.
도 1은 종래 스크린 프린팅 방식의 패터닝 방법에 대한 모식도이다.
도 2는 PDMS 블랭킷을 이용한 롤 투 플레이트(Roll-to-plate) 방식의 패터닝 방법에 대한 모식도 및 PDMS 블랭킷의 단면사진과 평면사진을 나타낸 도이다.
도 3은 비교예 1에 기재된, 스크린 프린팅 방식으로 패터닝된 Ag 전극의 주사전자현미경(Scanning Electron microscope, SEM) 사진이다.
도 4는 비교예 2에 기재된, 종래 Ag 페이스트를 이용하여 롤 투 플레이트 방식으로 패터닝된 Ag 전극의 SEM사진이다.
도 5는 비교예 3에 기재된, UV경화형 고분자 만을 포함하는 Ag 페이스트를 이용하여 롤 투 플레이트 방식으로 패터닝된 Ag 전극의 SEM사진이다.
도 6은 실시예 1에 기재된, UV경화형 고분자와 열경화형 고분자를 함께 포함하는 Ag 페이스트를 이용하여 롤 투 플레이트 방식으로 패터닝된 Ag 전극의 SEM사진이다.
Claims (10)
- 광경화성 바인더; 열경화성 바인더; 도전성 금속입자 및 용매를 포함하고, 태양전지용 전극 패턴의 제조에 사용되는 롤 투 플레이트(roll to plate) 패터닝용 페이스트.
- 제 1항에 있어서, 상기 광경화성 바인더는 아크릴레이트계 수지, 셀룰로오즈계 수지 및 아크릴계 수지로 구성된 군에서 선택된 것이 특징인 페이스트.
- 제 1항에 있어서, 상기 광경화성 바인더는 페이스트 100 중량부 대비 5 중량부 내지 40 중량부 범위인 것이 특징인 페이스트
- 제 1항에 있어서, 상기 열경화성 바인더는 에폭시계 수지 또는 페놀계수지인 것이 특징인 페이스트.
- 제 1항에 있어서, 상기 열경화성 바인더는 페이스트 100 중량부 대비 1 중량부 내지 20 중량부 범위인 것이 특징인 페이스트
- 제 1항에 있어서, 10,000 cps ~ 1,000,000 cps 범위의 점도를 갖는 것이 특징인 페이스트
- a)인쇄 롤 표면에 구비된 블랭킷의 표면 패턴 홈에 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 기재된 페이스트를 주입하는 단계;b)닥터블레이드에 의해 상기 블랭킷 패턴 홈에 주입된 페이스트를 제외한 잔여 페이스트를 닥터링(doctoring)하는 단계; 및c)상기 인쇄롤을 회전, 평판 기재에 압착시킴으로써 상기 블랭킷 패턴 홈에 주입된 페이스트를 평판 기재에 전사하여 패터닝하는 단계를 포함하여, 롤 투 플레이트(roll to plate) 패터닝 방법에 의해 태양전지용 전극 패턴을 제조하는 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 페이스트를 평판 기재에 전사하여 패터닝시 상기 패터닝 부위에 자외선과 열을 동시에 가해주는 것이 특징인 태양전지용 전극 패턴의 제조방법.
- 제 7항에 있어서, 광경화성 바인더와 열경화성 바인더를 포함하는 페이스트를 사용하는 것이 특징인 태양전지용 전극 패턴의 제조방법.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 페이스트의 자외선 조사 및 가열의 결과물로 이루어진 전극 패턴이 형성된 태양전지.
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