KR101119851B1 - 기능소자, 기억소자, 자기기록소자, 태양전지,광전변환소자, 발광소자, 촉매반응창치 및 클린유닛 - Google Patents
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Abstract
반도체 층을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극을 소용돌이모양으로 형성하여 전체로서 판자모양의 형상으로 함으로써 태양전지를 구성한다. 태양전지는 예를 들면 원형, 삼각형 또는 6각형의 형상을 가진다. 또한 액티브한 방진필터를 사용하여 작업실을 깨끗한 환경으로 유지하는 클린유닛에 있어서, 방진필터의 분진포집효율을 γ라고 할 때에 작업실의 청정도가 1/γ에 의하여 지배되도록 한다.
Description
본 발명은, 태양전지(太陽電池), 광전변환소자(光電變換素子) 및 클린유닛(clean unit)에 관한 것으로서, 예를 들면 보텀업(buttom-up) 계통의 시스템과 톱다운(top-down) 계통의 시스템의 통합에 관한 것이다.
종래의 기능소자는, 반도체 집적회로로 대표되는 것과 같이, 미세가공에 의거하는 톱다운의 어프로치로 제조된 것이 주류이다.
그리고 특히 반도체 소자에 관하여는, 바딘(Bardeen) 등에 의한 트랜지스터의 발명이나, 노이스(Noyce)에 의한 반도체 집적회로의 발명을 거쳐서, 현재 이 톱다운의 어프로치에 의거하는 거대한 반도체 전자산업이 융성하고 있다.
한편 톱다운의 어프로치는 여러 가지 점에서 한계가 보이기 시작하고 있기 때문에서, 이 한계를 타파하는 방법으서 자기조직화(自己組織化) 등에 의한 보텀업의 어프로치가 최근 주목을 받고 열심히 연구되고 있다.
또한 pn접합면(pn接合面)에 태양광이 수직으로 입사하는 타입의 태양전지는 많이 보고되어 있다(예를 들면, D. J. Friedman, J. F. Geisz, S. R. Kurtz, and J. M. Olson, July 1998?NREL/CP-520-23874).
상기의 톱다운 계통과 보텀업 계통을 통합할 수 있으면 양자의 이점을 최대한 활용할 수 있어 종래에 없는 새로운 기능소자의 구현이 가능하게 된다고 생각되지만, 본 발명자가 아는 한 지금까지 그것을 위한 유효한 구체적 방법은 전혀 제안되어 있지 않았다.
그러한 이유로 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 신규의 태양전지 및 광전변환소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 거대한 설비투자나 고정자산의 부담이 필요한 거대한 클린룸을 사용하지 않고 목적에 따라 종합적인 일련의 프로세스 플로우에 대응하여 프로세스를 높은 유연성(flexibility)을 가지고 저비용으로 간편하게 실행할 수 있고, 상기한 각종 기능소자의 제조에 사용되는 바람직한 클린유닛 시스템 및 이에 사용되는 바람직한 클린유닛을 제공하는 것이다.
상기 과제 및 기타의 과제는 첨부된 도면을 참조한 본 명세서의 이하의 기술에 의하여 분명하게 될 것이다.
제1의 발명은,
애노드 전극과 캐소드 전극이, 반도체층을 사이에 두고 소용돌이모양으로 형성되어 전체로서 판자모양의 형상을 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지이다.
여기에서 반도체층은 광전변환이 가능하고 소용돌이모양으로 형성하는 것에 지장이 없는 한에는 기본적으로는 어떤 것 이어도 좋지만, 전형적으로는 아모르포스(amorphous) 실리콘층 등의 무기 반도체층 또는 유기 반도체층이다. 이러한 태양전지의 형상은 불문하나 전형적으로는 원형, 삼각형 또는 6각형의 형상을 가진다. 애노드 전극 및 캐소드 전극은 전형적으로는 스트립모양 또는 리본모양이다.
제2의 발명은,
광전변환층이 소용돌이모양 또는 동심형상으로 형성되어 전체로서 판자모양의 형상을 가지고, 이러한 판에 교차하는 방향으로부터 빛이 입사되는 광전변환소자로서,
상기 판의 두께방향으로 상기 광전변환층의 광전변환 가능한 빛의 파장이 단계적 및/또는 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 것이다.
전형적으로는, 제1전극과 제2전극이 광전변환층을 사이에 두고 소용돌이모양 또는 동심형상으로 형성된다. 또한 전형적으로는, 제1전극 및 제2전극 중 적어도 일방, 보통은 적어도 애노드 전극이, 판의 두께방향으로 서로 분리되어 형성된 복수의 전극으로 이루어진다. 또한 전형적으로는, 판의 광입사면에서 두께방향으로 광전변환층의 광전변환 가능한 빛의 파장이 단계적으로 증가하고 있어, 판의 두께방향으로 제1전극 및 제2전극 중 적어도 일방이 상기의 각 단계에 대응하는 위치에 서로 분리되어 형성된 복수의 전극으로 이루어진다. 광전변환층은 전형적으로는 p형 반도체층과 n형 반도체층으로 이루어지는 pn접합이다. 이들의 p형 반도체층 및 n형 반도체층은 무기 반도체, 유기 반도체의 어느 것이어도 좋고, 전형적으로는 판의 두께방향으로 조성경사한 무기 반도체 또는 유기 반도체로 이루어진다. 전형적으로는 판의 광입사면에서 두께방향으로 p형 반도체층 및 n형 반도체층의 밴드갭이 단계적 및/또는 연속적으로 감소하고 있다. 제1전극 및 제2전극의 두께는 필요에 따라서 결정할 수 있지만 전형적으로는 각각 0.2nm이상 100nm이하이다. 또한 광전변환층의 두께도 필요에 따라서 결정할 수 있지만 전형적으로는 10nm이상 100nm이하이다. 광전변환층은 공지의 색소증감 습식 태양전지와 같이 색소를 가진 반도체광전극과, 이 반도체광전극과 접한 전해질층과, 이 전해질층과 접한 대극(對極)으로 구성하여도 좋다. 전해질층으로서는 바람직하게는 고체전해질층이 사용된다. 이 고체전해질층은 인쇄나 도포 등에 의하여 형성할 수 있다. 반도체광전극으로서는, 전형적으로는 산화 티탄(예를 들면 아나타제(anatase)형 구조의 것) 등의 금속산화물로 이루어지는 것이 사용된다. 전형적으로는 판의 광입사면에서 두께방향으로 반도체광전극이 가진 색소의 종류를 바꾸어 이 색소가 흡수하는 빛의 파장을 단계적으로 증가시킨다. 더 구체적으로는, 판의 광입사면에서 두께방향으로 단파장의 빛을 흡수하는 것에서 장파장의 빛을 흡수하는 것으로 반도체광전극이 가진 색소를 단계적으로 변화시킨다. 상기 광전변환소자의 형상은 불문하지만, 전형적으로는 원형, 삼각형 또는 6각형의 형상을 가진다.
상기한 다양한 소자는 이하의 신규한 클린유닛 또는 클린유닛 시스템을 사용함으로써 거대하고 또한 설비비용이 높은 종래의 클린룸을 사용하지 않고 높은 수율로 제조할 수 있다.
즉 제3의 발명은,
깨끗한 환경으로 유지할 수 있는 작업실과, 작업실의 후부, 상부 및 하부 중 적어도 1개 및 적어도 일방의 측부에 각각 형성된 연결부를 구비하는 것을 특징으로 하는 클린유닛이다.
작업실의 연결부를 후부, 상부, 하부 및 2개의 측부 중의 어디에 형성할지는 클린유닛을 이차원적(평면적) 또는 3차원적(입체적)으로 어떻게 배치할지에 따라 결정할 수 있다. 예를 들면 클린유닛을 수평면 내에 배치하는 경우, 연결의 자유도를 크게 하고 클린유닛 시스템의 유연성(flexibility)을 높이기 위해서는, 바람직하게는 연결부는 작업실의 후부 및 양 측부에 각각 형성된다. 이 경우에 하나의 클린유닛에 대하여 후부 및 양 측부에 합계 3개의 클린유닛을 연결할 수 있다. 또한 클린유닛을 연직면 내에 배치하는 경우에 연결의 자유도를 크게 하고 클린유닛 시스템의 유연성을 높이기 위해서는, 바람직하게는 연결부는 작업실의 상부 또는 하부 및 양 측부에 각각 설치된다. 이 경우에 하나의 클린유닛에 대하여 상부 또는 하부 및 양 측부에 합계 3개의 클린유닛을 연결할 수 있다. 연결부는, 일반적으로는 작업실의 벽에 설치된 개구부와, 상기 개구부를 개폐 가능하도록 설치한 차단판을 구비한다. 상기 차단판은, 개폐가능한 것이라면 기본적으로는 어떤 것 이어도 좋지만, 전형적으로는 미닫이나 문(도어) 등이다. 상기 차단판의 개폐는 수동으로 하여도 좋고, 광센서 등의 센서를 작업실 내부에 부착함과 아울러 차단판의 개폐기구를 설치하여 오퍼레이터(operator)의 손이나 시료가 차단판에 근접하였을 때에 자동적으로 개폐되게 하여도 좋다. 또한 작업실에 벨트 컨베이어 등의 운송기구를 설치하고 입구와 출구의 사이에서 이 운송기구에 의하여 시료를 운송하는 경우에는 시료가 운송기구에 의하여 출구부근까지 운송되었을 때에 이것을 센서에 의하여 감지하여 개폐기구에 의하여 차단판을 개폐하게 하여도 좋다. 차단판 또는 작업실의 벽면에 패킹 등의 씰부재(seal部材)를 설치하여 차단시의 기밀성을 높이도록 하여도 좋다.
작업실은 그 안에서 어떤 작업(또는 프로세스)을 수행할지에 의해서도 달라지지만, 깨끗한 환경에 있어서 화학 프로세스, 화학반응, 결정성장(結晶成長), 바이오 프로세스 등을 실행하는 것 같은 경우에 전형적으로는 배기 덕트 및 송풍동력을 구비하지 않는 패시브(passive)한 방진필터를 구비한다. 이러한 배기 덕트 및 방진필터는 전형적으로는 작업실의 상부에 설치된다. 이 경우에 일반적으로는 클린유닛은 밀폐타입이지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이에 대하여 작업실 내에서 비화학 프로세스(예를 들면 표면 프로브 현미경에 의한 물리측정이나 검사나 어셈블(조립)작업)를 실행하는 것 같은 경우에 작업실은, 전형적으로는 압력제어용 등의 통풍구멍 및 송풍동력을 구비하는 액티브(active)한 방진필터(예를 들면 HEPA필터나 ULPA필터 등)를 구비한다. 전형적으로는 방진필터는 작업실의 상부에 설치되고 통풍구멍은 작업실의 측벽 하부에 형성된다. 이 경우에 일반적으로는 클린유닛은 통풍구멍에 의하여 작업실의 내부압력을 제어하는 개방계 타입이지만 이에 한정되는 것은 아니다. 작업실에는 압력제어용 등의 통풍구멍 이외에 배선 등을 통과시키는 등의 목적으로 1개 또는 2개 이상의 구멍이 형성되는 경우가 있다. 작업실로부터 유출되는 기체가 활성탄 등을 사용한 흡착장치 또는 제해장치(除害裝置) 또는 그 쌍방을 거친 후에 액티브한 방진필터의 입구에 들어 가도록 구성하고, 또한 바람직하게는 흡착장치 및/또는 제해장치에 외계에 연결되는 배기 덕트를 설치함으로써, 기체 중에 포함되는 유해미립자 등을 흡착하고 또는 유해가스를 무해화하고나서 외부로 배출되게 함으로써 유해미립자나 유독가스 등의 발생을 수반하는 바이오 프로세스(세포배양, 세포융합, 유전자 재조합, 식물체 육성, 형질개변 등)나 화학 프로세스 등에도 적용할 수 있다. 또한 통풍구멍으로부터 유출되는 기체가 액티브한 방진필터의 입구로 들어가도록 구성함으로써 동일한 방진필터를 사용하면서 작업실의 청정도의 대폭적인 향상을 도모할 수 있다. 작업실의 청정도의 향상의 관점으로부터는 가장 바람직하게는 작업실의 통풍구멍 등으로부터 유출되는 기체의 전부(100%)가 액티브한 방진필터의 입구로 들어가도록 구성되지만, 반드시 그렇게 할 필요는 없고, 유출되는 기체의 일부가 액티브한 방진필터의 입구로 들어가도록 구성하는 것 만으로도 효과를 얻을 수 있다. 전형적으로는 작업실에 직접 연결된 기밀성을 가지는 관이 액티브한 방진필터의 입구에 연결되어 있음으로써 기체가 순환되도록 구성되고 또한 기밀성을 가지게 된다(터보 시스템). 작업실은 필요에 따라서 작업용의 글로브를 구비하며 이것은 보통 작업실의 전면부(前面部)에 설치된다.
클린유닛은 예를 들면 나노 테크놀로지 프로세스 유닛이나 바이오 테크놀로지 프로세스 유닛이고 각종 프로세스에 사용할 수 있다.
클린유닛은, 예를 들면 드래프트, 클린벤치, 글러브 박스 등이지만 이에 한정되는 것은 아니다.
클린유닛의 작업실의 형상은 여러가지의 형상이며 보통 필요에 따라서 선택되지만, 구체적인 예를 들면, 직육면체 모양 또는 입방체모양, 직육면체 또는 입방체를 변형한 형상, 구모양, 반구모양, 타원체모양, 원통모양 등이면 된다. 또한 작업실의 내부의 크기는, 기본적으로는 사용목적 등에 따라 설계에 의하여 적당하게 결정되는 것이지만, 예를 들면 오퍼레이터가 글로브 등을 사용하여 작업실의 내부에서 각종 작업(프로세스의 실행, 크리닝 등의 유지보수의 실시 등)을 할 수 있도록 하기 위해서는, 작업실 내에 외부로부터 손을 넣고서 작업공간의 거의 전체에 닿는 크기인 것이 바람직하고, 일반적으로는 폭, 높이, 깊이 모두 1m이내로 선택한다. 한편, 작업실의 크기가 너무 지나치게 작으면 작업에 지장을 초래할 우려가 있기 때문에 일반적으로는 30cm정도 이상으로 선택한다. 작업실 내에 외부로부터 손을 넣어서 작업을 할 필요가 없을 경우에 예를 들면 작업을 자동화하는 경우, 또는 시료 등을 넣은 채 클린유닛을 휴대하는 경우 등에는, 작업실의 크기를 보다 작게 할 수 있다.
작업실은, 판자모양의 견고한 부재에 의하여 구성하는 것 이외에 풍선 또는 벌룬(balloon)모양의 부드러운 재료를 사용하여 구성하여도 좋다.
클린유닛의 내부에는, 사용목적에 따라 컴팩트(compact)한 장치를 넣을 수 있다. 이러한 장치는, 구체적으로는, 예를 들면 후술과 같은 각종 프로세스장치, 래핑장치, 해석장치(예를 들면 광학현미경, 주사형 전자현미경(SEM), 원자간력 현미경(AFM) 등의 주사 프로브 현미경(SPM) 등), 반응장치, 마이크로케미컬 시스템, 마이크로케미컬 리액터, 노광장치, 에칭장치, 성장장치, 가공장치, 살균장치, 입경필터(粒徑filter), 인공광원(人工光源), 바이오장치, 식품가공장치, 검사장치, 구동장치 등이다. 인공광원으로서는, 세포계의 육성이나 식물체의 육성을 하는 경우에 바람직하게는, 스펙트럼 반값폭이 30nm이하의 발광다이오드나 반도체 레이저, 특히 펄스구동 반도체 레이저가 사용된다.
제4의 발명은,
깨끗한 환경으로 유지할 수 있는 작업실을 구비하는 복수의 클린유닛이 연결되어 이루어지는 클린유닛 시스템에 있어서,
복수의 클린유닛 중의 적어도 하나의 클린유닛이,
깨끗한 환경으로 유지할 수 있는 작업실과,
작업실의 후부, 상부 및 하부 중 적어도 1개 및 적어도 일방의 측부에 각각 형성된 연결부를 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
복수의 클린유닛은, 그 모두가 깨끗한 환경으로 유지될 수 있는 작업실과, 작업실의 후부, 상부 및 하부 중 적어도 하나 및 적어도 일방의 측부에 각각 형성된 연결부를 구비하는 클린유닛 이어도 좋고, 또한 상기 클린유닛과 종래의 좌우방향만 연결가능한 클린유닛이 혼재된 것 이어도 좋다.
깨끗한 환경으로 유지될 수 있는 작업실과, 작업실의 후부, 상부 및 하부 중 적어도 1개 및 적어도 일방의 측부에 각각 형성된 연결부를 구비하는 상기한 클린유닛에 대해서는, 제3의 발명에 관련하여 기술한 것이 성립한다.
여기에서 복수의 클린유닛에는, 예를 들면 드래프트, 클린 벤치, 글러브 박스 등이 포함된다. 실행되는 프로세스에 주목하면 복수의 클린유닛에는, 화학 프로세스 유닛, 비화학 프로세스 유닛, 바이오 프로세스 유닛 등이 포함된다. 복수의 클린유닛은, 예를 들면 루프모양 배치에서 클린유닛이 연결된 부분을 포함해도 좋다.
제4의 발명에 있어서 클린유닛 시스템은 각종 용도에 사용할 수 있어서 예를 들면 나노테크놀로지(nanotechnology) 프로세스 유닛이나 바이오테크놀로지(biotechnology) 프로세스 유닛을 사용함으로써, 나노테크놀로지 프로세스 시스템이나 바이오테크놀로지 프로세스 시스템 등의 각종 프로세스 시스템을 얻을 수 있고, 또한 나노테크놀로지 프로세스 유닛 및 바이오테크놀로지 프로세스 유닛을 조합시킴으로써 나노?바이오 융합 플랫폼을 구현할 수 있다. 이것은 이하의 클린유닛 시스템에 있어서도 동일하다. 상기 클린유닛 시스템은 구체적으로는 재료처리 시스템(무기재료 프로세스 시스템이나 유기재료 프로세스 시스템), 소자제조 시스템, 세포계 육성 시스템, 식물체 육성 시스템 등이다.
또한 제4의 발명에 있어서 복수의 클린유닛 중 적어도 하나의 클린유닛은, 전형적으로는 예를 들면 다음에 말하는 것 같은 컴팩트한 프로세스장치, 해석장치, 반응장치, 마이크로케미컬 시스템, 마이크로케미컬 리액터, 노광장치, 에칭장치, 성장장치, 가공장치, 살균장치, 입경필터, 인공광원, 바이오장치, 식품가공장치, 검사장치, 구동장치 등을 내부에 구비한다.
상기한 클린유닛에 탑재되는 프로세스장치, 해석장치, 반응장치, 마이크로케미컬 시스템, 마이크로케미컬 리액터, 노광장치, 에칭장치, 성장장치, 가공장치, 살균장치, 입경필터, 인공광원, 바이오장치, 식품가공장치, 검사장치, 구동장치 등으로서는, 바람직하게는 소형의 클린유닛이어도 그 안에 수납되도록 충분하게 컴팩트한 것이 사용된다. 예를 들면 클린유닛 시스템에서 시료의 투입으로부터 제품생산까지의 전체적인 일련의 프로세스를 실행하는 경우 또는 그 프로세스의 주요부를 구성하는 일련의 프로세스를 실행하는 경우에 그 프로세스 플로우(process flow)의 안에서 나타나는 다양한 물리?화학처리에 각각 대응하는 프로세스장치에 관하여 상기 클린유닛에 수납될 수 있는 컴팩트한 장치군을 사용한다. 이러한 프로세스장치는 클린유닛에 대하여 출입이 자유롭게 설치하여도 좋고 클린유닛에 일체화시켜도 좋다.
예를 들면 상기의 여러 가지의 소자나 반도체 소자 등의 고기능 소자의 제조는 재료투입으로부터 제품생산에 이르는 일관된 프로세스를 사용하기 때문에, 종래에 고도로 관리된 거대한 클린룸 안에 배치된 리소그래피장치나 에칭장치 등의 고도정밀장치 사이로 기판을 운송하는 것으로 구현되어 온 것은 이미 말한 대로이지만, 본 발명에 있어서는, 최근의 여러 가지 기술의 발전을 토대로 이하와 같은 장치의 대체(代替)를 하여 장치의 컴팩트화를 수행한다. 예를 들면 투과형 전자현미경 관찰이나 종래형의 주사형 전자현미경 관찰(TEM?SEM 관찰) 등은 탁상형 주사 터널 현미경 관찰?원자간력 현미경 관찰(STM/AFM관찰) 또는 미니 주사형 전자현미경(SEM)으로 대체한다. 광 리소그래피장치로서는, 그 노광광원(露光光源)을 가스 레이저로부터 반도체 레이저(예를 들면 문헌10)로 대체한다. 박막성장법에 관하여는, 분자선 에피택시(MBE), 유기금속기상성장법(MOCVD)이라고 하는 대규모장치의 사용을 중지하고 마이크로케미컬 리액터(문헌11) 등을 사용한다. 메탈라이제이션(metalization)에 관하여도, 금속 도금장치 또는 탁상형 미니데포지션(성막)장치 등을 사용한다. 또한 마이크로CVD(화학기상퇴적)장치, 마이크로RIE(반응성 이온 에칭)장치, 미니스핀코터, 미니베이킹장치 등을 사용한다.
상기의 대체를 함으로써 사실상 반도체 등의 프로세스에 있어서의 기판투입에서 광 리소그래피, 전극제작, 표면관찰 등, 기판투입에서 로트아웃까지의 프로세스의 전부 또는 그 주요부분을 구성하는 일련의 흐름을, 거대 클린룸을 사용하지 않고 통상의 공간에 놓여진 국소적으로 깨끗한 폐공간(전형적으로는 탁상 스페이스 정도의)을 둘러싸는 클린유닛의 연결체의 안에서 일관하여 완결할 수 있다. 즉 상기의 대체에 의한 장치의 컴팩트화에 의하여 클린유닛을 테이블 상에 설치 가능한 정도로 소형화 할 수 있기 때문에, 작업실의 후부 및 적어도 일방의 측부에 각각 연결부가 형성된 상기의 클린유닛을 꺾은선모양 배치(꾸불꾸불한 산길 모양 배치 등)나 루프모양 배치 등으로 연결함으로써 클린유닛 시스템 전체로도 작은 면적밖에 사용하지 않아도 된다. 그리고 클린슈트, 에어샤워, 클린매트 등이 불필요하게 되기 때문에, 거의 모든 작업을 국소적으로 극히 깨끗한 분위기 아래에서 인체에도 환경에도 친화적으로 수행할 수 있다.
상기한 바와 같이 구성된 제3 및 제4의 발명에 의하면, 클린유닛의 작업실의 후부, 상부 및 하부 중 적어도 1개 및 적어도 일방의 측부에 각각 연결부가 형성되어 있음으로써 좌우방향 뿐만 아니라 후방 또는 상하부에도 다른 클린유닛을 연결할 수 있어 클린유닛의 연결의 자유도가 대폭적으로 증가한다. 이 때문에 클린유닛을 꺾은선모양 배치나 루프모양 배치 등으로 연결할 수 있고, 실행하는 프로세스에 따라 최적의 배치로 또한 최소의 면적으로 클린유닛 시스템을 구성할 수 있다. 또한 특히 예를 들면 클린유닛의 작업실의 후부, 상부 및 하부 중 적어도 1개 및 적어도 일방의 측부에 각각 연결부가 형성되고, 또한 작업실에 통풍구멍 및 액티브한 방진필터가 설치됨으로써 클린유닛의 연결의 자유도가 대폭적으로 증가될 뿐만 아니라, 작업실의 내부를 깨끗한 환경으로 유지할 수 있다.
또한 클린유닛 시스템이 비단 일직선모양 배치, 꺾은선모양 배치, 가지모양 배치, 루프모양 배치 또는 그중의 2개 이상이 혼합된 배치로 클린유닛이 연결된 부분을 포함함으로써, 실행하는 프로세스 에 따라 최적의 배치로 또한 최소의 면적으로 클린유닛 시스템을 구성할 수 있다.
또한 소정의 유한영역에 수납되도록 꺾은선모양 배치로 클린유닛이 연결되게 함으로써, 실행되는 프로세스에 대응하는 클린유닛 시스템을 최소의 면적으로 구성할 수 있다.
또한 복수의 클린유닛이 모자이크모양 배치로 연결된 복수 종류의 클린유닛을 포함함으로써, 여러 종류의 다양한 프로세스가 포함되어 있는 프로세스에 최적인 클린유닛 시스템을 구성할 수 있다.
또한 복수의 클린유닛에 대하여 루프모양 배치로 클린유닛이 연결된 부분을 형성함으로써, 전체적인 일련의 프로세스 플로우의 안에서 여러 번 나타나는 동종류의 프로세스를 동일한 클린유닛에 있어서 실행가능함으로써, 동종류의 프로세스에 필요한 클린유닛의 수를 대폭적으로 감소시킬 수 있다.
또한 서로 종류가 다른 컴팩트한 장치를 각각 내부에 구비하는 복수의 클린유닛이 꺾은선모양 배치 또는 루프모양 배치로 연결된 부분을 포함하고, 이 부분에 있어서 전체적인 일련의 프로세스 플로우의 프로세스의 전부 또는 주요부를 일관하여 실행함으로써 재료처리(材料處理), 소자제조(素子製造), 세포계 육성(細胞系 育成), 식물체 육성(植物體 育成) 등의 프로세스를 효율적으로 실행할 수 있다.
또한 클린유닛의 작업실에 배기 덕트 및 패시브한 방진필터가 설치되어 있음으로써 작업실의 내부를 송풍동력을 사용하지 않고 깨끗한 환경으로 유지할 수 있다.
그런데 여기에서 연결부의 유무를 불문하고 통풍구멍 및 송풍동력을 구비하는 액티브한 방진필터(예를 들면 HEPA필터나 ULPA필터 등)에 의하여 깨끗한 환경으로 유지되는 박스모양의 작업실을 구비하는 클린유닛을 생각해 본다. 이 경우에 상기 작업실 내의 더스트 밀도n(t)는, 방진필터의 풍량을 V, 작업실의 부피를 V0, 내면적을 S, 단위면적?단위시간당의 더스트 미립자의 이탈율을 σ, 설치 환경의 더스트 밀도를 N0, 방진필터의 더스트 포집율을 γ로 하여
으로 기술된다. 이 때에
및
로 정의하면, 더스트 밀도는
가 되어서 시간이 지나도 외부 공기의 더스트 밀도의 1차의 함수가 되어버린다. 즉 설치 환경에 크게 좌우되어 버린다.
다음에 이미 기술한 터보 시스템을 생각해 본다. 즉 작업실에 직접 연결된 기밀성을 가진 관이 액티브한 방진필터의 입구에 연결되어 있음으로써 기체가 순환되도록 구성되고 또한 기밀성을 가지는 경우이다. 이 경우에 더스트 밀도 n(t)은,
로 기술된다. 이 때에
및
로 정의하면, 더스트 미립자농도는
이 되어, 시간이 충분히 지나면 제2항은 급속하게 제로에 근접하기 때문에 제1항 즉 αn / βn = (Sσ / V0 ) / (γV / V0) = Sσ / γV 만이 남는다. 이 항은 외부 공기의 더스트 밀도를 포함하지 않기 때문에 상기 클린유닛의 설치 환경에 의하지 않고 궁극의 청정도를 얻을 수 있음을 안다. 여기에서 특징적인 것은, 터보 시스템을 사용하지 않는 클린유닛에서는 작업실의 청정도는 1-γ 또는 그 거듭제곱 (1-γ)n에 의하여 지배되는 것에 대하여, 터보 시스템을 사용하는 클린유닛에서는 작업실의 청정도는 1/γ에 의하여 지배되는 것이다. 또한 Sσ/γV를 최소화하는 것이 중요하다.
따라서 제5의 발명은, 액티브한 방진필터를 사용하여 작업실을 깨끗한 환경으로 유지하는 클린유닛에 있어서, 상기 방진필터의 분진포집효율을 γ라고 할 때에 상기 작업실의 청정도가 1/γ에 의하여 지배되는 것을 특징으로 하는 것이다.
전형적으로는, 방진필터는 HEPA필터 또는 ULPA필터이고 작업실로부터 유출되는 기체의 전부가 상기 액티브한 방진필터의 입구로 들어가도록 구성된다. 특히, 작업실에 직접 연결된 기밀성을 가지는 관이 상기 방진필터의 입구에 연결되어 있음으로써 기체가 순환되도록 구성되고 또한 기밀성을 가진다. 작업실 내에서 화학 프로세스를 실행하는 경우에는, 바람직하게는 화학 프로세스 대응의 방진필터를 사용함과 아울러 상기의 관에 흡착제 또는 흡착탑을 접속함으로써 덕트 등을 통하여 외부에 접속함이 없이 클로우즈드 시스템(closed system)으로 유해물질의 제거와 깨끗한 환경의 유지를 양립시킬 수 있다. 작업실의 내벽으로부터의 더스트 또는 분진의 방출을 최소화하기 위하여, 바람직하게는 작업실의 내벽의 적어도 일부에 점착시트가 부착되고 예를 들면 일정기간 사용하면 바꾸어 붙인다. 점착시트를 다층화한 것을 사용하였을 경우에는, 점착시트를 한 장씩 벗김으로써 청정한 시트면을 노출시킬 수 있다. 또한 작업실의 내벽 표면에 대하여 작업실로부터 제거하려고 하는 더스트 미립자의 직경과 같은 오더(단위)의 표면요철의 푸리에(Fourier) 성분을 가지지 않도록 평활가공함으로써, 상기 입경(粒徑)을 가지는 더스트 미립자의 작업실의 내벽표면에 대한 흡착을 최소한으로 억제할 수 있다.
제3 및 제4의 발명에 의한 클린유닛 또는 클린유닛 시스템의 구성 또는 이에 관련하여 설명한 것은, 그 성질에 반하지 않는 한, 상기 제5의 발명에도 성립하고, 또는 적용할 수 있다.
또한 필요에 따라 상기의 2이상의 발명을 조합시켜도 좋다.
제1도A, 제1도B 및 제1도C는, 본 발명의 제1실시예를 설명하기 위한 개략도,
제2도A, 제2도B 및 제2도C는, 본 발명의 제2실시예에 의한 유기 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 개략도,
제3도A, 제3도B 및 제3도C는, 본 발명의 제2실시예를 설명하기 위한 개략도,
제4도 및 제5도는, 본 발명의 제2실시예에 의한 유기 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 개략도,
제6도는, 본 발명의 제2실시예에 의한 유기 태양전지의 배치예를 나타내는 개략도,
제7도A, 제7도B, 제7도C, 제8도 및 제9도는, 본 발명의 제3실시예를 설명하기 위한 개략도,
제10도A, 제10도B 및 제10도C는, 본 발명의 제4실시예를 설명하기 위한 개략도,
제11도는, 본 발명의 제4실시예에 의한 태양전지를 사용한 태양전지 시스템을 설명하기 위한 개략도,
제12도 및 제13도는, 본 발명의 제5실시예를 설명하기 위한 개략도,
제14도 및 제15도는, 본 발명의 제6실시예에 의한 태양전지를 사용한 태양전지 시스템을 설명하기 위한 개략도,
제16도A, 제16도B 및 제16도C는, 본 발명의 제7실시예에 의한 클린유닛을 나타내는 평면도, 정면도 및 측면도,
제17도A, 제17도B 및 제17도C는, 본 발명의 제7실시예에 의한 클린유닛에 장착하는 트랜스퍼 박스를 나타내는 평면도, 정면도 및 측면도,
제18도A 및 제18도B는, 본 발명의 제7실시예에 의한 클린유닛과 트랜스퍼 박스의 접속을 설명하기 위한 측면도 및 정면도,
제19도A 및 제19도B는, 본 발명의 제7실시예에 의한 클린유닛에 장착하는 투입/반출 박스를 나타내는 측면도 및 정면도,
제20도A 및 제20도B는, 본 발명의 제7실시예에 의한 클린유닛에 있어서 사용하지 않는 연결용 개구부의 차단방법을 설명하기 위한 측면도 및 정면도,
제21도A, 제21도B 및 제21도C는, 본 발명의 제8실시예에 의한 클린유닛을 나타내는 평면도, 정면도 및 측면도,
제22도는, 본 발명의 제9실시예에 의한 클린유닛 시스템을 나타내는 개략도,
제23도는, 본 발명의 제10실시예에 의한 클린유닛 시스템을 나타내는 개략도,
제24도A, 제24도B 및 제24도C는, 본 발명의 제11실시예에 의한 클린유닛을 나타내는 평면도, 정면도 및 측면도,
제25도A, 제25도B 및 제25도C는, 본 발명의 제12실시예에 의한 클린유닛을 나타내는 평면도, 정면도 및 측면도,
제26도는, 본 발명의 제13실시예에 의한 클린유닛을 나타내는 정면도,
제27도는, 제24도A, 제24도B 및 제24도C에 나타내는 클린유닛에 의하여 얻어지는 청정도(淸淨度)의 측정결과를 나타내는 개략도이다.
이하, 본 발명 실시예에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
우선, 본 발명의 제1실시예에 대하여 설명한다.
이 제1실시예는, 시간에 따라 연속적으로 감아 넣은 구조에 있어서, 감아 넣은 방향과 직교하는 방향으로부터 상기 구조에 억세스하는 것을 특징으로 하는 기능소자이다. 상기 기능소자는, 스트립모양 또는 리본모양의 금속층 등의 도전체층과, 상기 도전체층의 두께 이상의 두께를 구비하는 비금속층의 주기 구조체(週期 構造體)로 이루어지는 박편을 구비하고, 상기 박편과 교차하는 방향, 바람직하게는 직교하는 방향으로부터 빛(태양광 등)을 억세스시킨다.
구체적으로는, 제1도A, 제1도B 및 제1도C는 상기 제1실시예에 의한 유기 태양전지(有機 太陽電池)를 나타낸다. 여기에서 제1도A는 표면도, 제1도B는 이면도, 제1도C는 측면도이다. 제1도A, 제1도B 및 제1도C에 나타나 있는 바와 같이 상기 유기 태양전지는, 애노드 전극151과 캐소드 전극152의 사이에 유기 반도체층153을 두고 소용돌이(spiral)모양으로 형성된 것으로서, 전체로서 얇은 원판의 형상을 가진다. 도면에 나타내는 것은 생략하지만, 애노드 전극151과 캐소드 전극152가 마주보는 부위에는 이들을 서로 전기적으로 절연하기 위한 절연막이 형성되어 있다. 상기 유기 태양전지의 이면에는, 중심으로부터 반경방향을 따라 선(線)모양의 인출전극154, 155가 형성되어 있다. 여기에서 인출전극154는 애노드 전극151과 접촉하고 있고 인출전극155는 캐소드 전극152와 접촉하고 있다.
유기 반도체층153은 헤테로 정션형(hetero junction型) 또는 벌크 헤테로 정션형(bulk hetero junction型)의 구조를 가진다. 헤테로 정션형 구조의 유기 반도체층153에 있어서는, p형 유기 반도체막 및 n형 유기 반도체막을 각각 애노드 전극151 및 캐소드 전극152와 접촉하도록 접합한다. 벌크 헤테로 정션형 구조의 유기 반도체층153은, p형 유기 반도체 분자와 n형 유기 반도체 분자의 혼합물로 이루어지고, p형 유기 반도체와 n형 유기 반도체가 서로 뒤얽혀서 서로 접촉하는 미세구조(微細構造)를 가진다. 유기 반도체층153의 재료로서는 유기 태양전지의 재료로서 일반적으로 보고되어 있는 것은 모두 사용할 수 있지만, 구체적으로는 폴리아세틸렌(polyacetylene : 바람직하게는 2치 환형 폴리아세틸렌), 폴리(피-페닐렌 비닐렌)(poly(p-phenylene vinylene)), 폴리(2,5-티에닐렌 비닐렌)(poly(2,5-thienylene vinylene)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(3-메틸티오펜)(poly(3-methyl thiophene)), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리(9,9-디알킬플루오렌)(poly(9,9-dialkylfluorene))(PDAF), 폴리(9,9-디옥틸플루오렌-코-바이티오펜)(poly(9,9-dioctyl fluorene-co-bithiophene))(F8T2), 폴리(1-헥실-2-페닐 아세틸렌)(poly(1-hexil-2-phenyl acetylene))(PHxPA) (발광재료로서는 청색의 발광을 나타낸다), 폴리(디페닐 아세틸렌)(poly(diphenyl acetylene))유도체(PDPA-nBu)(발광재료로서는 녹색의 발광을 나타낸다), 폴리(피리딘)(poly(pyridine))(PPy), 폴리(피리딜 비닐렌)(poly(pyridil vinylene))(PPyV), 시아노 치환형 폴리 피-페닐렌 비닐렌(ciano 置換型 poly(p-phenylene vinylene)) (CNPPV), 폴리(3,9-디-터셔리-부틸 인데노[1,2-b]플루오렌)(poly(3,9-di-tert-butyl indeno[1,2-b]fluorene))(PIF) 등을 사용할 수 있다. 이들 유기 반도체의 도펀트(dopant : 불순물)에 대하여는, 도너(donor : 전자공여체)로서는 알칼리 금속(Li, Na, K, Cs)을 사용할 수 있고, 억셉터(acceptor : 전자수용체)로서는 할로겐류(Br2, I2, CI2,), 루이스산(BF3, PF5, AsF5, SbF5, SO3), 전이금속 할로겐화물(FeCl3, MoCl5, WCl5, SnCl4), 유기 억셉터 분자로서는 TCNE, TCNQ를 사용할 수 있다. 또한 전기 화학 도핑(doping)에 사용되는 도펀트 이온은, 양이온으로서는 테트라에틸암모늄이 온(TEA+), 테트라부틸암모늄이온(TBA+), Li+, Na+, K+, 음이온으로서는 ClO4 -, BF4 -, PF6 -, AsF6 -, SbF6 - 등을 사용할 수 있다.
유기 반도체층153으로서는 또한 고분자전해질을 사용할 수도 있다. 상기 고분자전해질의 구체적인 예를 들면, 폴리 음이온(poly anion)으로서는, 설포네이트 폴리음이온(sulfonate polyanion), 폴리(티오펜-3-초산)(poly(thiophene-3-acetic acid)), 설포네이트 폴리스티렌(sulfonate poly styrene), 폴리(3-티오펜 알칸 설포네이트)(poly(3-thiophene alkane sulfonate)) 등이, 폴리 양이온(poly cation)으로서는, 폴리 알릴아민(poly allylamine), 폴리(피-페닐렌 비닐렌)(poly(p-phenylene vinylene))전구체고분자(前驅體高分子), 폴리(피-메틸 피리디니움 비닐렌)(poly(p-methyl pyridinium vinylene)), 프로톤화 폴리(피-피리딜 비닐렌)(proton化 poly(p-pyridyl vinylene)), 프로톤(2-엔-메틸 피리디니움 아세틸렌)(proton(2-N-methyl pyridinium acetylene)) 등을 사용할 수 있다.
애노드 전극151 및 캐소드 전극152는 바람직하게는 서로 일함수(work function)가 다른 금속으로 이루어지며, 구체적으로는 예를 들면 애노드 전극151은 Au나 Ni로 이루어지고 전극152는 Al로 이루어진다.
상기 유기 태양전지의 각부의 치수의 예를 들면, 유기 반도체층153의 두께는 70～100nm, 애노드 전극151 및 캐소드 전극152의 두께는 각각 100nm 정도이다. 상기 유기 태양전지의 높이(두께) 즉 유기 반도체층153의 높이는, 상기 유기 태양전지의 면에 수직방향으로 입사하는 빛이 거의 전부 또는 완전하게 흡수되어 광전변환 되기 위하여 충분한 높이로 선택하며, 구체적으로는 수μm～1mm 정도로 선택한다.
다음에 상기 유기 태양전지의 제조방법의 하나의 예에 대하여 설명한다. 여기에서는 유기 반도체층153이, p형 유기 반도체막과 n형 유기 반도체막을 접합한 헤테로 정션형(hetero junction形) 구조를 가지는 경우에 대하여 설명한다. 제2도A, 제2도B 및 제2도C에 상기 유기 태양전지의 제조에 사용되는 진공증착장치(眞空蒸着裝置)를 나타낸다. 여기에서 제2도A는 정면도, 제2도B는 측면도, 제2도C는 평면도이다.
제2도A, 제2도B 및 제2도C에 나타나 있는 바와 같이 롤러161에, 예를 들면 소정의 폭의 얇고 평탄한 테이프모양의 수지제 베이스 필름162를 감아 두고, 상기 수지제 베이스 필름162의 일방의 면에 먼저 증착원(蒸着源)163으로부터 캐소드 전극용의 금속을 증발시켜서 캐소드 전극152를 형성하고, 다음에 증착원164로부터 n형 유기 반도체를 증발시켜서 n형 유기 반도체막을 형성하고, 다음에 증착원165로부터 p형 유기 반도체를 증발시켜서 p형 유기 반도체막을 형성하고, 다음에 증착원163으로부터 애노드 전극용의 금속을 증발시켜서 애노드 전극151을 형성한 후에, 증착막이 부착된 상기 수지제 베이스 필름162를 권취롤러166으로 말아 감는다. 이 경우에, 수지제 베이스 필름162로서는 열 또는 빛에 의하여 박리 가능한 것을 사용한다. 그리 고 캐소드 전극152, n형 유기 반도체막, p형 유기 반도체막 및 애노드 전극151이 소용돌이 모양으로 형성될 때에 수지제 베이스 필름162가 감기지 않도록 하기 위하여, 감기 직전에 상기 수지제 베이스 필름162의 이면에 고온으로 가열된 롤러를 가압하거나, 상기 이면에 빛을 조사(照射)하거나 함으로써 수지제 베이스 필름162를 박리한다. 부호166～171은 증착원163～165에 통전(通電)을 하기 위한 전극을 나타낸다. 또한 수지제 베이스 필름162의 롤러161 및 권취롤러166 전체는 하부가 개방된 용기172 내에 수용되어 있다. 증착원163～165로부터의 증착빔(蒸着beam)은, 상기 용기172의 개방된 하부로부터 수지제 베이스 필름162에 조사되도록 되어 있다.
제2도B에 나타나 있는 바와 같이 용기172 및 그 안의 롤러161 및 권취롤러166 전체는 점선으로 나타나 있는 바와 같이 연직면에 대하여 경사지게 할 수 있도록 되어 있어서 필요에 따라서 경사증착(傾斜蒸着)을 할 수 있게 되어 있다.
또한 실제로는 증착원163～165의 전방에 예를 들면 지름이 1～3mm의 구멍이 있는 금속제의 차폐판(도면에는 나타내지 않는다)이 설치되어 있어서 증착원163～165로부터 수지제 베이스 필름162에 대한 열방사를 최대한 억제할 수 있게 되어 있다.
상기 제1실시예에 의하면, 애노드 전극151과 캐소드 전극152가 유기 반도체층153을 사이에 두고 소용돌이모양으로 형성되어서 얇은 원판모양으로 유기 태양전지가 구성되어 있기 때문에, 유기 태양전지의 단위면적당 pn접합 의 면적은 매우 커져서 상기 유기 태양전지의 면에 수직방향으로 빛이 입사되는 경우에 유기 반도체층153의 광흡수영역을 증대시킬 수 있다. 또한 유기 반도체층153은 일반적으로 전기저항이 높지만, 상기 유기 반도체층153의 두께를 충분히 작게 할 수 있기 때문에 그 전기저항을 충분히 낮게 억제할 수 있다. 이 때문에 광전변환 효율이 높고 또한 유연성이 있는 유기 태양전지를 구현할 수 있다.
다음에 본 발명의 제2실시예에 대하여 설명한다.
제3도A, 제3도B 및 제3도C는 상기 제2실시예에 의한 유기 태양전지를 나타낸다. 여기에서 제3도A는 표면도, 제3도B는 이면도, 제3도C는 측면도이다. 제3도A, 제3도B 및 제3도C에 나타나 있는 바와 같이 상기 유기 태양전지는, 애노드 전극151과 캐소드 전극152가 유기 반도체층153을 사이에 두고 6각형의 소용돌이모양으로 형성된 것으로서, 전체로서 얇은 6각형 판 형상을 가진다. 그 이외의 구성은 제1실시예와 같다.
다음에 상기 유기 태양전지의 제조방법의 하나의 예에 대하여 설명한다. 여기에서는 유기 반도체층153이, p형 유기 반도체막과 n형 유기 반도체막을 접합한 헤테로 정션형 구조를 가지는 경우에 관하여 설명한다. 제4도는 상기 유기 태양전지의 제조에 사용하는 진공증착장치를 나타낸다. 또한 제5도는 증착막이 부착된 수지제 베이스 필름162가 권취롤러166으로 감기는 상태를 나타낸다.
제4도에 나타나 있는 바와 같이 롤러161에, 예를 들면 소정의 폭의 얇고 평탄한 테이프모양의 수지제 베이스 필름162를 감아 두고, 상기 수지제 베이스 필름162의 일방의 면에 먼저 증착원163으로부터 캐소드 전극용의 금속을 증발시켜서 캐소드 전극152를 형성하고, 다음에 증착원164로부터 n형 유기 반도체를 증발시켜서 n형 유기 반도체막153a를 형성하고, 다음에 증착원165로부터 p형 유기 반도체를 증발시켜서 p형 유기 반도체막153b를 형성하고, 다음에 증착원163으로부터 애노드 전극용의 금속을 증발시켜서 애노드 전극151을 형성한 후에, 상기 증착막이 부착된 수지제 베이스 필름162를 단면형상이 6각형인 권취롤러166으로 감는다. 그 이외의 것은 제1실시예와 같다.
제5도에 있어서, 부호173은 p측과 n측의 전기적 분리용의 절연막을 나타낸다. 상기 절연막173은 증착원163으로부터 애노드 전극용의 금속을 증발시키기 직전에 형성한다.
캐소드 전극152, n형 유기 반도체막153a, p형 유기 반도체막153b 및 애노드 전극151이 소용돌이모양으로 형성될 때에 수지제 베이스 필름162가 감기지 않도록 하기 위하여, 감기기 직전에 상기 수지제 베이스 필름162의 이면에 고온으로 가열된 롤러174를 가압하거나, 상기 이면에 빛을 조사하거나 함으로써 수지제 베이스 필름162를 박리한다.
상기 제2실시예에 의하면, 제1실시예와 같은 이점을 얻을 수 있는 것 이외에 다음과 같은 이점을 얻을 수도 있다. 즉 상기 제2실시예에 의한 유기 태양전지는 6각형의 형상을 가지기 때문에, 제6도에 나타나 있는 바와 같이 상기 유기 태양전지를 틈이 없이 한 면에 형성할 수 있 다. 이 때문에 단위면적당의 발전량을 대폭적으로 늘일 수 있다.
다음에 본 발명의 제3실시예에 의한 태양전지에 대하여 설명한다. 제7도A, 제7도B 및 제7도C는 이 태양전지를 나타낸다. 여기에서 제7도A는 표면도, 제7도B는 이면도, 제7도C는 측면도이다.
제7도A, 제7도B 및 제7도C에 나타나 있는 바와 같이 이 태양전지는, 애노드 전극151과 캐소드 전극152가 p형 반도체층과 n형 반도체층으로 이루어지는 pn접합을 사이에 두고 소용돌이모양으로 형성된 것으로서 전체로서 얇은 원판의 형상을 가진다. 이러한 p형 반도체층 및 n형 반도체층은 무기 반도체이어도 좋고 유기 반도체이어도 좋다.
제8도에 상기 태양전지의 상세구조를 모식적으로 나타낸다. 제8도에 있어서, 부호191이 p형 반도체층, 192가 n형 반도체층을 나타낸다. 제8도에 나타나 있는 바와 같이 애노드 전극151과 캐소드 전극152가 마주보는 부분에는 수지 등의 각종 절연체로 이루어지는 절연막193이 형성되어 있고, 상기 절연막193에 의하여 애노드 전극151과 캐소드 전극152가 서로 전기적으로 절연되어 있다. 이 경우에, 캐소드 전극152는 전면전극(全面電極)으로서 n형 반도체층192와 오옴 접촉(ohm 接觸)하고 있는 것에 대하여, 애노드 전극151은 원판의 두께(W)방향으로 서로 분리된 가늘고 긴 n개의 미소(微小) 애노드 전극151-1～151-n으로 이루어진다. 이러한 미소 애노드 전극151-1～151-n의 폭은 각각 W1, W2, …, Wn으로서, 이들은 서로 동일하여도 좋고 다르게 되어 있어도 좋다.
p형 반도체층191 및 n형 반도체층192의 밴드갭Eg는, 광입사면으로부터 원판의 두께방향으로 n단계(n≥2)로 단계적으로 감소하여 광입사면 측에서 순차적으로 Eg1, Eg2, …, Egn(Eg1>Eg2>…>Egn)으로 되어 있다. p형 반도체층191 및 n형 반도체층192 중의 밴드갭Eg가 Egk(1≤k≤n)인 영역을 Egk영역이라고 부른다. 상기 Egk영역의 p형 반도체층191과 미소 애노드 전극151-k가 오옴 접촉하고 있다. 이러한 Egk영역은 일체가 되어 있어도 좋고 서로 분리되어 있어도 좋다. 미소 애노드 전극151-k와 캐소드 전극152 사이에 Egk영역이 끼워져 있는 구조가 미소 태양전지를 구성하고, 캐소드 전극152를 공통전극으로 하는 이러한 n개의 미소 태양전지에 의하여 상기 태양전지가 구성되어 있다.
Egk는 다음과 같이 설정할 수 있다. 예를 들면 AM1.5 태양광 스펙트럼의 전체 파장범위 또는 그 주요한 파장범위(입사 에너지가 높은 부분을 포함하는 범위)에 있어서 파장을 n개의 구간으로 나눈다. 그리고 이러한 구간에 단파장측(고에너지측)으로부터 순차적으로 1, 2, …, n과 같이 번호를 붙이고 k번째의 구간의 최소 광자 에너지(光子 energy)와 같게 Egk를 선택한다. 이렇게 함으로써 k번째의 구간의 광자 에너지를 가지는 광자가 Egk영역 에 입사되면 전자-정공의 쌍이 발생하여 광전변환이 이루어진다. 또한 이 경우에, 상기 k번째의 구간의 광자 에너지를 가지는 광자가 각 Egk영역에 도달하여 충분하게 흡수되도록 광입사면에서 상기 Egk영역까지의 깊이를 선택한다. 이에 따라 상기 태양전지의 광입사면에 입사되는 태양광은, 먼저 Eg1영역에 입사되어 그 스펙트럼 중에서 광자 에너지가 Eg1이상인 것이 흡수되어서 광전변환되고, 계속하여 Eg2영역에 입사되어 그 스펙트럼 중에서 광자 에너지가 Eg2이상이고 Eg1보다 작은 것이 흡수되어서 광전변환 되고, 최종적으로 Egn영역에 입사되어 그 스펙트럼 중에서 광자 에너지가 Egn이상이고 Egn-1보다 작은 것이 흡수되어서 광전변환 된다. 이 결과, 태양광 스펙트럼의 거의 전범위 또는 주요한 파장범위의 빛을 광전변환에 사용할 수 있다.
Egk의 이상적인 설정예에 대하여 설명한다. 제9도에 AM1.5 태양광 스펙트럼의 광자밀도nph와 광자 에너지hν와의 관계를 나타낸다. 여기에서는 AM1.5 태양광 스펙트럼의 광자 에너지를 에너지폭Δ에 있어서 10개의 구간으로 등분(等分)하는 것으로 한다. 이 경우의 이론상 최고 광전변환 효율은 약 65%나 되고 이것은 예를 들면 Eg=1.35eV인 종래의 태양전지의 이론상 최고 광전변환 효율 31%의 배 이상이다.
각 Egk의 설정은 각 Egk영역을 구성하는 반도체의 조성을 변화시킴으로써 할 수 있다. 구체적으로는 각 Egk영역을 다른 종류의 반도체에 의하여 구성한다. 무기 반도체를 사용하는 경우에 관하여 구체적인 예를 몇 가지 들면 다음과 같다. n=2인 가장 간단한 경우에는, 예를 들면 Eg1영역을 GaAs(Eg=1.43eV), Eg2영역을 Si(Eg=1.11eV)에 의하여 구성한다. 또한 n=3인 경우에는, 예를 들면 Eg1영역을 GaP(Eg=2.25eV), Eg2영역을 GaAs(Eg=1.43eV), Eg3영역을 Si(Eg=1.11eV)에 의하여 구성한다. 또한 n=4인 경우에는, 예를 들면 Eg1 영역을 GaP(Eg=2.25eV), Eg2영역을 GaAs(Eg=1.43eV), Eg3영역을 Si(Eg=1.11eV), Eg4영역을 Ge(Eg=0.76eV)에 의하여 구성한다. 또한 GaInNxAs1-x나 GaInNxP1-x를 사용하여 x의 제어만으로 n～10인 경우의 Egk영역을 구성할 수도 있다. 또한 Te를 포함시키면 큰 보잉(bowing)을 나타내는 것이 알려져 있는 II-VI족 화합물 반도체를 사용하여 Egk영역을 구성하여도 좋다.
상기 태양전지의 제조방법은 제1실시예와 같다.
상기 태양전지를 여러 개 사용하여 태양전지 시스템을 구성하는 경우에는, 예를 들면 일렬로 한 줄로 세운 태양전지의 미소 애노드 전극151-k 상호간을 접속하고 각 열마다 최종단의 태양전지의 미소 애노드 전극151-k로 부터 출력전압을 인출한다.
상기 제3실시예에 의하면 제1실시예와 같은 이점 이외에 다음과 같은 이점을 얻을 수 있다. 즉 예를 들면 종래의 비결정질(amorphous) Si태양전지에서는 태양광 스펙트럼 중에서 광자 에너지가 1.12eV보다 작은 파장의 빛은 이용할 수 없음에 비하여, 상기 제3실시예에 의하면 Egk영역의 설계에 의하여 태양광 스펙트럼의 전부 또는 주요부의 빛을 광전변환에 이용할 수 있어 광전변환 효율의 비약적인 향상을 도모할 수 있다.
다음에 본 발명의 제4실시예에 의한 태양전지에 대하여 설명한다.
제10도A, 제10도B 및 제10도C는 이 태양전지를 나타낸다.
여기에서 제10도A는 표면도, 제10도B는 이면도, 제10도C는 측면도이다. 제10도A, 제10도B 및 제10도C에 나타나 있는 바와 같이 이 태양전지는, 애노드 전극151과 캐소드 전극152가, p형 반도체층191과 n형 반도체층192로 이루어지는 pn접합을 사이에 두고 소용돌이모양으로 형성된 것으로서, 전체로서 얇은 6각형 판의 형상을 가진다. 그 이외의 구성은 제3실시예와 같다.
상기 6각형의 형상을 구비하는 태양전지를 간격 없이 한 면에 형성하여 태양전지 시스템을 구성하는 경우에는, 한 줄로 세운 태양전지의 미소 애노드 전극151-k 상호간을 접속하고 각 열마다 최종단의 태양전지의 미소 애노드 전극151-k로부터 출력전압을 인출한다. 이 때에 하나의 열의 각 태양전지에 있어서 Egk영역의 미소 태양전지마다 병렬접속한다. 이 태양전지 시스템은 제11도에 나타나 있다.
상기 제4실시예에 의하면, 제3실시예와 같은 이점을 얻을 수 있는 것 이외에 다음과 같은 이점을 얻을 수도 있다. 즉 상기 제4실시예에 의한 태양전지는 6각형의 형상을 구비하기 때문에, 제6도에 나타나 있는 바와 같이 상기 태양전지를 빈틈없이 한 면에 형성할 수 있다. 이 때문에 각 태양전지의 광전변환 효율의 비약적인 증가와 더불어 단위면적당의 발전량을 비약적으로 증가시킬 수 있다.
다음에 본 발명의 제5실시예에 의한 태양전지에 대하여 설명한다. 제12도에 나타나 있는 바와 같이, 이 태양전지는, 애노드 전극151과 캐소드 전극152가, p형 반도체층과 n형 반도체층으로 이루어지는 pn접합을 사이에 두고 소용돌이모양으로 형성되어 있는 것은 제3실시예에 의한 태양전지와 같지만, 이 경우에 권취축인 중심축194가 애노드측이 되어 있고, 따라서 n형 반도체층192보다도 p형 반도체층191이 먼저 감겨있는 점, 애노드 전극151이 원판의 두께(W)방향으로 서로 분리된 가늘고 긴 n개의 미소 애노드 전극151-1～151-n으로 이루어질 뿐만 아니라 캐소드 전극152도 6각형 판의 두께(W)방향으로 서로 분리된 가늘고 긴 n개의 미소 캐소드 전극152-1～152-n으로 이루어지는 점이 서로 다르다. 이러한 미소 캐소드 전극152-1～152-n의 폭은 각각 W1, W2, …, Wn이다. 그 이외의 구성은 제3실시예와 같다.
제13도에 중심축194의 상세구조를 나타낸다. 제13도에 나타나 있는 바와 같이 중심축194의 표면은 절연체로 이루어지고, 그 표면에 p컨택트층195-1～195-n이 축방향으로 서로 분리되어 형성되어 있으며, 그 둘레에 각각 미소 애노드 전극151-1～151-n이 감겨서 접촉하는 구조로 되어 있다. 중심축194의 일단에는 커넥터196이 설치되어 있다. 상기 커넥터196의 표면은 절연체로 이루어지고 상기 표면에 전극197-1～197-n이 축방향으로 서로 분리되어 형성되어 있다. 전극197-1～197-n은 도면에 나타내는 것을 생략한 내부배선에 의하여 각각 p컨택트층195-1～195-n과 전기적으로 접속되어 있다.
상기 태양전지를 여러 개 사용하여 태양전지 시스템을 구성하는 경우에는, 예를 들면 일렬로 한 줄로 세운 태양전지의 미소 애노드 전극151-k 상호간 및 미소 캐소드 전극152-k 상호간을 접속하고, 각열의 최종단의 태양전지의 미소 애노드 전극151-k로부터 출력전압을 인출한다. 이 때에 하나의 열의 각 태양전지에 있어서 Egk영역의 미소 태양전지마다 병렬접속한다.
제5실시예에 의하면 제3실시예와 같은 이점을 얻을 수 있다.
다음에 본 발명의 제6실시예에 의한 태양전지에 대하여 설명한다. 이 태양전지는 전체로서 얇은 6각형 판의 형상을 가진다. 그 이외의 구성은 제5실시예와 같다.
상기 6각형의 형상을 가지는 태양전지를 간격 없이 한 면에 형성하 여 태양전지 시스템을 구성하는 경우에는, 한 줄로 세운 태양전지의 미소 애노드 전극151-k 상호간 및 미소 캐소드 전극152-k 상호간을 접속하고, 각 열마다 최종단의 태양전지의 미소 애노드 전극151-k로부터 출력전압을 인출한다. 이 때에 하나의 열의 각 태양전지에 있어서 Egk영역의 미소 태양전지마다 병렬접속한다. 이 경우에 태양전지의 측면으로 미소 애노드 전극151-k가 노출되어 있기 때문에, 상기 태양전지의 측면 상호간을 맞대는 것 만으로 미소 애노드 전극151-k상호간을 전기적으로 접속할 수 있다. 상기 태양전지 시스템은 제14도에 나타나 있다.
다음에 상기 태양전지 시스템으로부터의 출력전압의 바람직한 인출방법에 대하여 설명한다. 상기 태양전지의 각 미소 태양전지에 있어서 미소 애노드 전극151-k와 미소 캐소드 전극152-k와의 사이에 발생하는 광기전력은 Egk/e로 나타내기 때문에 각 미소 태양전지의 광기전력은 서로 다르게 된다. 각 미소 태양전지의 광기전력을 그대로 사용하여도 좋지만, 태양전지를 가장 효과적으로 이용하기 위해서는 각 미소 태양전지의 접속방법을 연구하여 단일한 전압의 출력전압이 얻어지도록 하는 것이 바람직하다. 그래서, Egn=Δ로 하고 Egi=Eg1-(i-1)Δ(i=1～n)이라고 한다. 이 때에 하나의 열의 각 태양전지에 있어서 Egk영역의 미소 태양전지마다 병렬접속한다. 그리고 i번째의 열의 j번째의 태양전지를 Cij로 나타낼 때에 제15도에 나타나 있는 바 와 같이2i-1번째의 열의 1번째의 태양전지C2i-1,1의 Egk영역(k≥2)의 미소 태양전지와 2i번째의 열의 1번째의 태양전지C2i,1의 Eg(n+2-k) 영역의 미소 태양전지를 직렬접속하면 합계의 광기전력치는 (Egk+Eg(n+2-k))/e=Eg1/e이 된다. 한편 Eg1영역의 미소 태양전지의 광기전력은 Eg1/e이다. 따라서 이러한 광기전력을 동일한 단자로부터 인출함으로써 상기 태양전지로부터 단일한 전압의 출력전압을 얻을 수 있다.
다음에 상기한 제1～제6실시예에 의한 각종 소자의 제조에 사용하는 바람직한 클린유닛 및 클린유닛 시스템에 대하여 설명한다.
제16도A, 제16도B 및 제16도C는 본 발명의 제7실시예에 의한 클린유닛을 나타내고, 제16도A는 평면도, 제16도B는 정면도, 제16도C는 측면도이다. 상기 클린유닛에서는 주로 가스의 발생이나 유기용제의 사용 등을 수반하는 화학 프로세스를 수행하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
제16도A, 제16도B 및 제16도C에 나타나 있는 바와 같이 상기 클린유닛은 육면체형상의 상자모양의 작업실211을 구비한다. 상기 작업실211의 양 측면은 서로 평행하고 상면 및 저면도 서로 평행하며 양 측면과 상면, 저면, 전면 및 배면은 서로 직각이지만, 전면은 배면에 대하여 비평행하여 그 상부가 배면에 근접하는 방향으로 각도θ(예를 들면 70～80°)만큼 경사져 있다. 작업실211의 배면 및 양 측면에 각각 클린유닛 사이의 커넥터 및 운송로를 겸용하는 트랜스퍼 박스212, 213, 214가 착탈이 자유롭 도록 설치되어 있다. 제16도A, 제16도B 및 제16도C에는 도면에 나타내지는 않았지만, 이러한 트랜스퍼 박스212, 213, 214가 부착되어 있는 부분의 작업실211의 벽에는 개구부(開口部)가 형성되어 있다. 이러한 트랜스퍼 박스212, 213, 214를 사용하여 배면 및 양 측면의 3방향으로부터 다른 클린유닛을 연결할 수 있도록 되어 있음과 아울러 이러한 트랜스퍼 박스212, 213, 214를 통하여 시료 등의 운송을 할 수 있도록 되어 있다. 작업실211의 전면의 벽에는 두개의 원형의 개구부가 형성되어 있고, 이러한 개구부에 한 쌍의 수작업용 글로브(glove)215가 장착되어 있다. 그리고 이러한 수작업용 글로브215에 오퍼레이터(operator)가 양손을 넣어서 작업실211 내에서 필요한 작업을 할 수 있게 되어 있다. 작업실211의 상면에는 배기 덕트216 및 그 자체는 송풍동력을 가지지 않는 패시브 방진필터217이 부착되어 있어서 이들에 의하여 작업실211의 내부를 예를 들면 class10 또는 class100 정도의 깨끗한 환경으로 유지할 수 있게 되어 있다. 상기 패시브 방진필터217로서는 예를 들면 패시브 HEPA필터를 사용할 수 있다.
작업실211의 전면은 떼어내는 것이 가능하게 되어 있어서 전면을 떼어낸 상태에서 그 안에 프로세스장치나 관찰장치 등의 필요한 장치를 넣을 수 있게 되어 있다.
작업실211의 크기는, 그 안에 필요한 프로세스장치 등을 수용할 수 있고 또한 오퍼레이터가 수작업용 글로브215에 양손을 넣고 작업실211 내에서 필요한 작업을 수행할 수 있는 크기로 선택한다. 작업실211의 치수 의 구체적인 예를 들면, 제16도A, 제16도B 및 제16도C에 있어서, 깊이a=50～70cm, 폭b=70～90cm, 높이h=50～100cm이다. 또한 작업실211을 구성하는 재료로서는, 바람직하게는 외부로부터 내부를 볼 수 있게 하기 위하여 투명재료, 예를 들면 아크릴 수지판이 사용된다. 기계적 보강을 위하여 상기 아크릴 수지판에 금속테두리를 부착하여도 좋다. 트랜스퍼 박스212, 213, 214의 치수c는 예를 들면 c=15～20cm이다.
제17도A, 제17도B 및 제17도C는 트랜스퍼 박스212, 213, 214의 구성 예를 나타내고, 제17도A는 평면도, 제17도B는 정면도, 제17도C는 측면도이다.
제17도A, 제17도B 및 제17도C에 나타나 있는 바와 같이 트랜스퍼 박스212, 213, 214는, 직사각형의 단면을 갖는 통218의 양단에 상기 통218보다도 한 단계 큰 액자모양의 테두리(플랜지부)219를 구비하는 것으로 이루어진다. 이 경우에 테두리219의 내주(內周)는 통218의 내주와 일치한다.
다음에 작업실211과 트랜스퍼 박스212, 213, 214의 접속방법에 대하여 설명한다. 여기에서는 하나의 예로서 작업실211의 우측의 측면에 트랜스퍼 박스214를 접속하는 경우에 관하여 설명하지만, 다른 트랜스퍼 박스212, 213의 접속방법도 같다. 제18도A 및 제18도B에 나타나 있는 바와 같이 작업실211의 내외를 구분하는 벽220에는 트랜스퍼 박스214가 부착되는 부분에 직사각형의 개구부220a가 형성되어 있다. 또한 벽220의 외측의 면에 있어서 상기 개구부220a의 바로 아래의 위치에 수평방향으로 연장되는 스토퍼 221이 설치되어 있고, 상기 스토퍼221의 양 단부 위에 연직방향으로 연장되는 한 쌍의 가이드 레일222가 서로 대향하여 평행하게 설치되어 있다. 이러한 가이드 레일222와 벽220과의 사이의 간격은 트랜스퍼 박스214의 테두리219의 두께보다 약간 크게 선택되어 있다. 그리고 상기 간격에 트랜스퍼 박스214의 테두리219의 양 측부를 위로부터 삽입하여 가이드 레일222를 따라 슬라이드 시킨다. 테두리219의 하단이 스토퍼221에 접촉한 시점에서 테두리219와 가이드 레일222 및 벽220이 거의 밀착되고 트랜스퍼 박스214의 설치가 종료된다.
또한 벽220의 내측면에도 개구부220a의 바로 아래의 위치에 수평방향으로 연장되는 스토퍼223이 설치되어 있고, 상기 스토퍼223의 양 단부 위에 연직방향으로 연장되는 한 쌍의 가이드 레일224가 서로 대향하여 평행하게 설치되어 있다. 그리고 가이드 레일224와 벽220과의 사이의 간격에 개구부220a보다 한 단계 큰 직사각형의 미닫이225의 양 측부를 삽입하여 가이드 레일224를 따라 슬라이드 시킨다. 미닫이225의 하단이 스토퍼223에 접촉한 시점에서 미닫이225와 가이드 레일224 및 벽220이 거의 밀착되고, 벽220의 내외(內外)가 차단된다. 가이드 레일224와 벽220과의 사이의 간격은 미닫이225의 두께보다 약간 크게 선택되어 있다. 상기 미닫이225에는 손잡이226이 붙어 있어서 상기 손잡이226을 손으로 잡고 미닫이225를 상하 이동시킴으로써 미닫이225를 개폐할 수 있게 되어 있다. 그리고 이렇게 미닫이225를 개폐함으로써 작업실211의 내부와 트랜스퍼 박스214와의 사이의 연결/차단을 제어할 수 있게 되어 있다.
클린유닛 시스템을 확장하는 때에는 내측의 미닫이225를 닫은 상태에서 벽220의 개구부220a의 외측에 트랜스퍼 박스214를 장착하고, 또한 그것에 연속하여 있는 다음의 클린유닛의 작업실211을 상기 트랜스퍼 박스214의 타단에 접속한 후에 상기 내측의 미닫이225를 엶으로써 작업실211 내에 깨끗한 환경을 유지한 상태로 깨끗한 영역(공간)을 좌우 및 깊이방향으로 확장할 수 있다.
다음에 클린유닛에 대한 시료의 투입 및 반출방법에 대하여 설명한다. 제19도A 및 제19도B에 나타나 있는 바와 같이 상기 시료의 투입 및 반출을 위하여 클린유닛의 작업실211에 다음의 클린유닛을 접속하는 대신에 투입/반출 박스227을 부착한다. 상기 투입/반출 박스227은 트랜스퍼 박스212, 213, 214와 거의 같은 구성을 가진다. 즉 상기 투입/반출 박스227은 직사각형 단면을 갖는 통228의 양단에 상기 통228보다 한 단계 큰 액자모양의 테두리(플랜지부)229를 구비하는 것으로 이루어지지만, 일방의 테두리229의 하부에는 스토퍼230이 부착되고, 상기 스토퍼230의 양 단부 위에 연직방향으로 연장되는 한 쌍의 가이드 레일231이 서로 대향하여 평행하게 설치되어 있다. 테두리229의 내주는 통228의 내주와 일치한다. 그리고 가이드 레일231과 테두리229와의 사이의 간격에 통228보다 한 단계 큰 직사각형의 밀폐 차단판232의 양 측부를 삽입하여 가이드 레일231을 따라 슬라이드 시킨다. 밀폐 차단판232의 하단이 스토퍼230에 접촉한 시점에서 밀폐 차 단판232과 가이드 레일231 및 테두리229가 거의 밀착되고, 투입/반출 박스227의 내외가 차단된다. 가이드 레일231과 테두리229와의 사이의 간격은 밀폐 차단판232의 두께보다 약간 크게 선택되어 있다. 상기 밀폐 차단판232에는 손잡이233이 붙어 있어서 상기 손잡이233을 손으로 잡고 밀폐 차단판232를 상하 이동시킴으로써 상기 밀폐 차단판232를 개폐할 수 있게 되어 있다. 그리고 이렇게 밀폐 차단판232를 개폐함으로써 투입/반출 박스227의 내부와 외부와의 사이의 연결/차단을 제어할 수 있게 되어 있다. 투입/반출 박스227의 클린유닛에 대한 설치방법은 트랜스퍼 박스212, 213, 214의 설치방법과 같으므로 설명을 생략한다.
다음에 클린유닛의 3군데의 커넥터부 중에 특히 시료의 출납도 하지 않고 다른 클린유닛도 연결되지 않는 커넥터부에 관하여는, 제20도A 및 제20도B에 나타나 있는 바와 같이 벽220의 외측에도 내측과 같이 개폐기구가 설치되어 있다. 즉 작업실211의 벽220에 스토퍼234 및 한 쌍의 가이드 레일235를 설치하고, 상기 가이드 레일235와 벽220과의 사이의 간격에 개구부220a보다 한 단계 큰 사각형의 밀폐 차단판236의 양 측부를 삽입하여 가이드 레일235를 따라 슬라이드시킨다. 밀폐 차단판236의 하단이 스토퍼234에 접촉한 시점에서 밀폐 차단판236과 가이드 레일235 및 벽220이 거의 밀착되고 벽220의 내외가 차단된다. 가이드 레일235와 벽220과의 사이의 간격은 밀폐 차단판236의 두께보다 약간 크게 선택되어 있다. 상기 밀폐 차단판236에는 손잡이237이 붙어 있어서 상기 손잡이237을 손으로 잡고 밀폐 차단판236을 상하 이동시킴으로써 밀폐 차단판236을 개폐할 수 있게 되어 있다. 그리고 이렇게 밀폐 차단판236을 개폐함으로써 클린유닛의 내부와 외부와의 사이의 연결/차단을 제어할 수 있게 되어 있다. 이 경우에 벽220의 내측에도 같은 개폐구조가 설치되어 있기 때문에 커넥터부의 벽220의 양측에 2중의 밀폐구조가 갖추어져 있게 된다. 이렇게 하여 다른 클린유닛과의 접속이 없고 또한 트랜스퍼 박스도 연결하지 않는 경우에는 클린유닛의 작업실211의 내부에 있어서 외부공기로부터의 차단을 효율적으로 할 수 있다.
제21도A, 제21도B 및 제21도C는 본 발명의 제8실시예에 의한 클린유닛을 나타내고, 제21도A는 평면도, 제21도B는 정면도, 제21도C는 측면도이다. 상기 클린유닛에서는 주로 표면관찰 등의 각종 측정이나 검사나 어셈블리 등, 국소배기(局所排氣)가 필요 없는 비화학적인 프로세스를 수행하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
제21도A, 제21도B 및 제21도C에 나타나 있는 바와 같이 상기 클린유닛은 제16도A, 제16도B 및 제16도C에 나타나 있는 클린유닛의 작업실211과 같은 구성의 작업실251을 구비한다. 상기 작업실251의 배면 및 양쪽 측면에는 각각, 클린유닛 사이의 커넥터 및 운송로를 겸용하는 트랜스퍼 박스252, 253, 254가 설치되고, 이러한 트랜스퍼 박스252, 253, 254를 사용하여 배면 및 양쪽 측면의 3방향으로부터 다른 클린유닛을 연결할 수 있게 되어 있음과 아울러 이러한 트랜스퍼 박스252, 253, 254를 통하여 시료 등 의 운송을 할 수 있게 되어 있다. 또한 작업실251의 전면에는 2개의 원형의 개구부가 형성되어 있고, 이러한 개구부에 한 쌍의 수작업용 글로브255가 장착되어 있다. 작업실251의 상면에는 그 자체의 송풍동력을 가지는 액티브 방진필터256이 부착되어 있어, 작업실251의 내부를 예를 들면 클래스10 또는 클래스100 정도의 깨끗한 환경으로 유지할 수 있게 되어 있다. 이 경우에 배기 덕트는 설치되어 있지 않고 그 대신에 작업실251의 양 측면의 하부의 모퉁이에 배기용 통풍구멍257이 형성되어 있다. 상기 배기용 통풍구멍257은 액티브 방진필터256으로부터 보내진 공기를 작업실251의 외부로 배기하여 액티브 방진필터의 동작에 의하여 증가하는 정압(正壓)을 조절하기 위한 것이다. 상기 액티브 방진필터256으로서는, 예를 들면 액티브 HEPA필터를 사용할 수 있다. 또한, 예를 들면 바이오 클린룸을 대체(代替)하여 상기 클린유닛을 사용할 때에는 상기 액티브 방진필터256에 직렬로 이온 살균 제거장치를 부가하여도 좋다.
상기 이외의 구성은 제16도A, 제16도B 및 제16도C에 나타내는 클린유닛의 구성과 동일하다.
트랜스퍼 박스252, 253, 254의 연결부위에는 제16도A, 제16도B 및 제16도C에 나타나 있는 클린유닛과 같이 다른 클린유닛을 연결하지 않는 경우에는 외부공기와의 밀폐 차단판 또는 차단 문(도어)을 붙이는 것도 가능하다. 다음에 본 발명의 제9실시예에 의한 클린유닛 시스템에 대하여 설명한다.
제22도는 상기 클린유닛 시스템을 나타낸다. 제22도에 나타나 있는 바와 같이, 상기 클린유닛 시스템에 있어서는 타입A(제16도A～C에 나타낸 클린유닛을 가리킨다) 또는 타입B(제21도A～C에 나타낸 클린유닛을 가리킨다)의 3방향 접속이 가능한 클린유닛1101～l106이 트랜스퍼 박스1107을 통하여 루프모양 배치로 연결되어 있다. 연결에 사용되고 있지 않는 트랜스퍼 박스1107은 밀폐 차단판에 의하여 차단되어 있다.
상기 제9실시예에 의하면 다음과 같은 이점을 얻을 수 있다.
즉 일반적으로 전체적인 일련의 프로세스에 있어서는 동일한 프로세스를 반복하는 것이 많지만, 좌우방향으로만 연결 가능한 클린유닛을 좌우방향으로 연결한 단일 직선모양 배치의 종래의 클린유닛 시스템에서는, 동일한 프로세스를 반복하여 수행하는 경우에 그 때마다 상류 측의 클린유닛으로 시료를 되돌리지 않으면 안되기 때문에 작업효율이 극히 나쁘다. 이에 대하여 상기 제21실시예에 의하면 클린유닛1101～1106이 3방향으로 접속 가능하기 때문에, 프로세스 플로우에 따라 클린유닛1101～1106의 가장 적절한 루프모양의 연결이 가능하게 되고, 시료의 불필요한 운송을 수반하지 않아서 필요한 회수만큼 몇 번이라도 일련의 프로세스를 반복할 수 있다. 이 때문에 일련의 프로세스를 효율적으로 수행할 수 있다.
다음에 본 발명의 제10실시예에 의한 클린유닛 시스템에 관하여 설명한다.
제23도는 상기 클린유닛 시스템을 나타낸다. 제23도에 나타나 있는 바와 같이 상기 클린유닛 시스템에 있어서는 타입A 또는 타입B의 클린유닛1101～1106이 트랜스퍼 박스1107을 통하여 루프모양 배치로 연결되어 있는 것은 제19실시예와 같지만, 이 경우에는 또한 클린유닛1102와 클린유닛1105가 트랜스퍼 박스1107 및 중계 박스1108을 통하여 직접 연결되어 있다. 이 경우에 제16도A, 제16도B 및 제16도C 또는 제21도A, 제21도B 및 제21도C에 있어서 작업실의 깊이의 치수a, 트랜스퍼 박스의 치수c, 배면 트랜스퍼 박스를 향하였을 때의 그 우측면으로부터의 거리x가 x=(a-c)/2를 충족시키도록 설계함으로써 단일의 구조사양의 클린유닛1101～1106만을 사용하여 제23도에 나타나 있는 것 같은 연결을 할 수 있다.
이상과 같이 상기 제10실시예에 의하면 클린유닛1101～1106이 루프모양 배치로 연결되고, 또한 클린유닛1102와 클린유닛1105가 트랜스퍼 박스1107 및 중계 박스1108에 의하여 직접 연결되어 있음으로써 제21실시예와 같은 이점에 부가하여 조건판단에 수반되는 분기나 소루프 등, 보다 세밀한 대처를 하는 프로세스를 실행하는 것이 가능하게 된다. 구체적으로는 클린유닛1101～1106사이로 순서대로 기판을 이송하여 프로세스를 실행하는 것 이외에, 예를 들면 클린유닛1101로부터 출발하여 클린유닛1102에서 프로세스를 실행한 후에 클린유닛1105로 진행하여 프로세스를 수행할 수도 있다.
다음에 본 발명의 제11실시예에 의한 클린유닛에 관하여 설명한다.
제24도A, 제24도B 및 제24도C는 상기 제11실시예에 의한 클린유닛을 나타내고, 제24도A는 평면도, 제24도B는 정면도, 제24도C는 측면도이다.
제24도A, 제24도B 및 제24도C에 나타나 있는 바와 같이 상기 클린유닛은, 육면체 형상의 상자모양의 작업실211의 배면 및 양 측면에 각각 트랜스퍼 박스212, 213, 214가 착탈이 자유롭게 설치되어 있는 것 이외에, 상기 작업실211의 상면 및 하면에 각각 트랜스퍼 박스1201, 1202가 착탈이 자유롭게 설치되어 있다. 이러한 트랜스퍼 박스1201, 1202의 구조는 트랜스퍼 박스212, 213, 214와 같다.
상기 이외는 제7실시예와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
상기 제11실시예에 의한 클린유닛을 이하에 있어서는 타입C라고 한다.
다음에 본 발명의 제12실시예에 의한 클린유닛에 관하여 설명한다.
제25도A, 제25도B 및 제25도C는 상기 제12실시예에 의한 클린유닛을 나타내고, 제25도A는 평면도, 제25도B는 정면도, 제25도C는 측면도이다.
제25도A, 제25도B 및 제25도C에 나타나 있는 바와 같이 상기 클린유닛은 육면체형상의 상자모양의 작업실251의 배면 및 양 측면에 각각 트랜스퍼 박스252, 253, 254가 착탈이 자유롭게 설치되어 있는 것 이외에, 상기 작업실251의 상면 및 하면에 각각 트랜스퍼 박스1203, 1204가 착탈이 자유롭게 설치되어 있다. 이러한 트랜스퍼 박스1203, 1204의 구조는 트랜스퍼 박스212, 213, 214와 같다.
상기 이외는 제8실시예와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
상기 제12실시예에 의한 클린유닛을 이하에 있어서는 타입D라고 한다.
다음에 본 발명의 제13실시예에 의한 클린유닛에 대하여 설명한다.
제26도는 상기 제13실시예에 의한 클린유닛을 나타내는 정면도이다.
제26도에 나타나 있는 바와 같이 상기 클린유닛에 있어서는 작업실251의 좌측 측면의 하부 모퉁이의 배기용 통풍구멍(도면에는 나타내지 않는다)은 도면에 나타내는 것을 생략한 덮개 등에 의하여 막혀 있고, 우측 측면의 하부 모퉁이의 배기용 통풍구멍과 액티브 방진필터256의 입구의 사이에 기밀성을 가지는 관1251이 접속되어 있다. 그리고 배기용 통풍구멍으로부터 배기되는 기체의 전부가 상기 관1251을 통하여 액티브 방진필터256의 입구로 들어가도록 되어 있다. 이렇게 함으로써 기체는 액티브 방진필터256→작업실251→배기용 통풍구멍→관1251→액티브 방진필터256과 같이 순환하기 때문에 작업실251 내의 청정도의 대폭적인 향상을 도모할 수 있다.
작업실251 내에서 화학 프로세스를 실행하는 경우에는, 화학 프로세스 대응의 액티브 방진필터256을 사용함과 아울러 상기한 관1251의 도중에 흡착탑1252 또는 흡착제를 설치함으로써 덕트 등을 통하여 외부에 접속함이 없이 클로우즈드 시스템(closed system)으로 유해물질의 제거와 깨끗한 환경의 유지를 양립시킬 수 있다.
또한 작업실251의 내벽의 전부 또는 일부에 점착시트(粘着 sheet)를 부착하여 더스트 미립자를 부착시킴으로써 한층 더 청정도의 향상을 도모 하는 것이 가능하다. 이 경우에 점착시트를 다층화한 것을 사용하고 한 장씩 벗겨서 청정한 시트면을 노출시킴으로써 항상 더스트 미립자의 부착효과를 유지할 수 있다.
작업실251의 상세한 도시 및 설명은 생략하지만 제8실시예와 같다.
상기 제13실시예에 의한 클린유닛을 이하에 있어서는 타입E라고 한다.
제27도는 상기 타입E의 클린유닛을 통상의 오피스 환경 아래에 놓고 액티브 방진필터256을 운전하였을 때의 작업실251의 내부의 청정도를 측정한 결과를 나타내고, 가로축은 미립자의 입경(μm), 세로축은 가로축의 입경 이상의 미립자수(개/m3)를 나타낸다. 다만 이 측정에 사용한 클린유닛의 작업실251은 직육면체형상으로 그 크기는 폭80cm, 깊이60cm, 높이80cm이다. 액티브 방진필터256으로서는 아즈원 주식회사 제품 HEPA 유닛 GK-0757-01(형식번호 25S) 0.3μm을 사용하였다. 또한 측정은 액티브 방진필터256의 운전을 시작하고 나서 20분 또는 30분 경과 후에 안정된 상태가 된 후에 하였다. 제27도로부터 상기 순환형 클린유닛의 청정도의 평균치(○)는 클래스10이고, 최고치(●)는 클래스1에 가까운 값이 얻어지고 있다. 또한 이러한 청정도에 도달하는데 걸리는 시간은 액티브 방진필터256의 운전개시 후 20분 또는 30분 정도로 극히 짧다. 이상은 배기용 통풍구멍으로부터 배기되는 기체의 전부를 관1251을 통하여 액티브 방진필터256의 입구로 넣어서 순환시키는 것이 높은 청정도를 얻기 위하여 극히 유효한 방법이라는 것을 나타낸다. 제27도에는 비교를 위하여 클린룸의 수퍼 클린 에리어의 청정도(△), 보통 에리어(▲)의 청정도의 측정결과도 나타내고 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 본 발명의 기술적 사상에 의거하는 각종 변형이 가능하다.
예를 들면 상기 실시예에 있어서 예를 든 수치, 재료, 형상, 배치 등은 어디까지나 예에 지나지 않아 필요에 따라 이들과 다른 수치, 재료, 형상, 배치 등을 사용하여도 좋다. 필요에 따라 상기한 실시예의 2이상을 조합시켜도 좋다.
또한 동심원구조 자체는 제1～제6실시예에서 기술한 방법이외의 방법으로 형성할 수도 있다. 예를 들면 회전축을 회전시키면서 그 측면 위에 교대로 다른 물질을 진공증착에 의하여 형성하거나, MOCVD법 등에 의하여 원기둥모양의 기판에 교대로 다른 물질을 성장시키거나 할 수 있다.
또한 동심원구조를 형성하는 물질로서는 상기의 제1～제6실시예에서 사용한 것과 다른 물질을 사용하여도 좋다. 유전체로서는 산화물 등의 무기물질의 외에 폴리스틸렌이나 폴리카보네이트 등의 유기물질을 사용하여도 좋다.
또한 보텀업과 톱다운의 접속?통합은 좁은 의미의 하드웨어에만 적용되는 것은 아니고, 직접 결합하려고 하여도 서로 양립하지 않는 2계통 의 흐름이 부딪치는 다양한 국면에 적용할 수 있다.
또한 예를 들면 상기의 제7～제13실시예에 있어서는 사이즈가 같은 타입A～E의 5종류의 기본이 되는 클린유닛을 소정의 배치로 연결하여 클린유닛 시스템을 구성하고 있지만, 타입A～E 사이에서 클린유닛의 사이즈가 서로 다르게 되어 있어도 좋고, 타입은 같지만 사이즈가 다른 클린유닛을 사용하여도 좋고, 타입A～E를 변형한 클린유닛을 사용하여도 좋고, 또한 3종류 이상의 타입의 클린유닛을 사용하여도 좋다.
또한 제9～제10실시예에 의한 클린유닛 시스템에 있어서, 상하(연직)방향의 자유도를 이용하여 일부 3차원적인 접속을 도입하는 것도 가능하다. 또한 트랜스퍼 박스의 밀폐용의 차단판은 패킹을 구비한 문(도어)식의 것을 사용하여도 좋다. 또한 일부의 클린유닛 및 트랜스퍼 박스를 가압 또는 감압대응 또는 진공대응하게 하는 것도 가능하다. 이 경우에 트랜스퍼 박스는 밀폐성을 높이고 그 자체에 가압장치나 국소배기장치를 부착시키는 것이 바람직하다. 또한 트랜스퍼 박스는 반드시 직선모양일 필요는 없고, 예를 들면 '<'모양으로 구부러져 있어도 좋다. 또한 트랜스퍼 박스에 3방향 접속성을 가지게 함으로써 클린유닛을 T자형으로 배치할 수도 있다. 또한 일단 클린유닛을 연결한 후에 모든 트랜스퍼 박스의 미닫이를 개방하여 예를 들면 회전 초밥점에서 초밥 등의 제공에 사용되고 있는 운송 콘베이어와 동일한 자동 운송 콘베이어를 클린유닛 시스템을 관통하여 설치하는 것도 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 신규한 고효율의 태양전지 및 광전변환소자를 구현할 수 있다.
보다 일반적으로는 본 발명에 의하면 생명체로 대표되는 보텀업 계통과 실리콘 LSI로 대표되는 톱다운 계통과의 이점을 최대한 활용할 수 있는 고기능의 기능소자를 구현할 수 있다.
또한 나노 스케일로 이산화된 벌크 사이즈의 장치를 창출하고, 예를 들면 실리콘 기판 상에 형성된 LSI 시스템과 그것과 근접하여 배치된 자율 분산 시스템을 결합함으로써 보텀업 계통과 톱다운 계통을 연결하는 플랫폼(platform)을 구현할 수 있다.
본 발명에 의한 클린유닛(연결부를 구비하는 것)에 의하면, 클린유닛의 연결의 자유도가 크고 여러 가지 배치로 클린유닛을 연결 할 수 있음으로써, 종래와 같이 대규모로서 세밀한 대처를 하지 못하고 거대한 설비투자나 고정자산부담이 필요한 거대한 클린룸이나 식물공장을 사용함이 없이 깨끗한 환경이나 고도육성 환경을 용이하게 얻을 수 있고, 또한 1직선모양 외에는 연결할 수 없는 종래의 클린유닛이 가지는 공간이용 효율의 비효율성을 해결하여 전체적인 수행(performance)을 투자적인 면으로도 작업효율적인 면으로도 공간면적의 유효이용적인 면으로도 최대화 할 수 있고, 목적에 따른 전체적인 일련의 프로세스 플로우(process flow)에 대응하여 프로세스를 높은 유연성을 가지고 저비용으로 간편하게 실행할 수 있는 고기능 클린유닛 시스템을 구현할 수 있다. 또한 프로세스의 상류로부터 하 류까지 최소한의 종류 또는 최소개수의 클린유닛으로 클린유닛 시스템을 구성할 수 있기 때문에, 프로세스의 최대효율화를 도모할 수 있다. 또한 작업성을 떨어뜨리지 않고 고도 프로세스 환경을 손쉽게 구현할 수 있다.
또한 나노테크 디바이스를 제작하고 또는 바이오테크놀로지(biotechnology) 처리를 수행함에 있어서 하나의 거대한 박스, 즉 클린룸을 사용하는 것이 아니라 입구로부터 출구까지의 적어도 일부를 아주 깨끗한 복수의 클린유닛을 루프모양 배치 또는 상하좌우방향의 꾸불꾸불한 산길모양 배치로 연결한 것으로 대체함으로써 공간 또는 면적의 이용효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한 여러 종류의 클린유닛을 이용함으로써 화학 프로세스, 비화학 프로세스, 바이오 프로세스 등의 작업을 하나의 고기능 클린유닛 시스템의 안에서 할 수 있다.
또한 미세구조 등 차세대를 담당하는 키 스트럭처(key structure)나 식물형질개변(植物形質改變)을 가격대 성능비(cost performance)가 좋은 간편한 방법으로 제작할 수 있다.
또한 식물체의 육성에 관해서는 인공광원 등의 이용에 의하여 원하는 지방 또는 지역의 환경조건에서 재배를 할 수 있다는 점 이외에 속성재배나 성분강화 야채?약초의 재배를 할 수도 있다.
또한 장치를 배치하는 공간 그 자체의 성능에 관계없이 저비용으로 일관 프로세스 라인(一貫 process line)을 구축할 수 있다. 이 때문에 투자 부담이 경감되어 벤처기업의 제조분야에 대한 참여가 용이하게 된다. 또한 고정 자산이 작아도 되기 때문에, 고도의 나노테크 제품을 중소 벤처기업에서도 공급할 수 있고, 이전의 IT소프트의 융성이 이후부터 나노테크 하드 주체에서 발흥하여 새로운 산업이 일어날 수 있다.
또한 종래의 기술의 연장선상에 있는 디바이스에 대하여 그 제조방법을 대체하는 것은 아니고 종래에 없는 신규의 나노테크 디바이스를(종래의 연장선상에 있는 하이테크 디바이스의 제조방법은 아니다) 가격대 성능비가 좋은 간편한 방법으로 제작할 수 있다.
또한 청정도나 무해성의 정도를 각 프로세스 요소마다 설정한 클린유닛을 연결한 클린유닛 시스템에 의하여 고도환경화에 있어서 전처리(前處理), 레지스트 도포(regist 塗布), 베이킹(baking), 노광(露光), 현상(現像), 포스트 베이크(post bake), 에칭(ething), 박막성장(薄膜成長), 메탈라이제이션(metalization), 표면관찰(表面觀察), 어셈블리(assembly) 등의 요소 프로세스를 일관성을 가지고 완수할 수 있다.
또한 프로세스를 요소화하고 이 요소 프로세스의 처리기능을 각 클린유닛 또는 각 기능 유닛에 갖게 하고, 목적에 따라 클린유닛 또는 기능유닛을 연결하여 전체시스템을 구성함으로써 고효율의 나노테크놀로지 플랫폼(nanotechnology platform)이나 바이오테크놀로지 플랫폼(biotechnology platform)을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 또한 나노테크놀로지 프로세스 유닛과 바이오테크놀로지 프로세스 유닛을 혼성(연결)함으로써 나노?바이오 융합 플랫폼을 구현할 수 있다. 덧붙혀, 식물공장 유닛을 연결하는 것도 가능하다.
또한 마치 프로그래밍과 같이 서브루틴이나 분기 등의 개념을 넣어서 최소의 클린유닛수로 클린룸 없이 최대의 효율로 프로세스 플로우를 실행, 수행할 수 있다. 또한 투입으로부터 로트 아웃까지의 전프로세스 또는 그 주요부를 수행하는 일련의 공정을 컴퓨터의 프로그램에 맡겨서 완전자동화로 수행할 수 있다.
또한 나노테크놀로지, 바이오테크놀로지의 구현환경을 유비쿼터스로 제공할 수 있다.
Claims (10)
- 액티브(active)한 방진필터(防塵filter)를 사용하여 작업실을 깨끗한 환경으로 유지하고 상기 작업실에 직결(直結)되고 기밀성(氣密性)을 구비하는 관(管)이 상기 방진필터의 입구에 연결되어 있음으로써 상기 작업실로부터 유출되는 기체 모두가 상기 방진필터의 입구에 들어가 기체가 순환하도록 구성되고, 또한 기밀성을 구비하고,상기 방진필터의 풍량을 V, 상기 작업실의 체적을 V0, 상기 작업실의 내면적을 S, 상기 작업실의 내면의 단위면적?단위시간당의 더스트 미립자(dust 微粒子)의 이탈률(離脫率)을 σ, 입경(粒徑)이 0.3㎛ 이상인 더스트 미립자에 대한 상기 방진필터의 분진포집효율(粉塵捕集效率)을 γ로 할 때에, 운전을 개시하여 시간이 충분히 경과한 후의 상기 작업실 내의 더스트 밀도가 Sσ/γV인 것을 특징으로 하는 클린유닛.
- 제1항에 있어서,상기 방진필터가 HEPA 필터 또는 ULPA 필터인 것을 특징으로 하는 클린유닛.
- 액티브한 방진필터를 사용하여 작업실을 깨끗한 환경으로 유지하고 상기 작업실에 직결되고 기밀성을 구비하는 관이 상기 방진필터의 입구에 연결되어 있음으로써 상기 작업실로부터 유출되는 기체 모두가 상기 방진필터의 입구에 들어가 기체가 순환하도록 구성되고, 또한 기밀성을 구비하는 클린유닛의 사용방법으로서,상기 방진필터의 풍량을 V, 상기 작업실의 체적을 V0, 상기 작업실의 내면적을 S, 상기 작업실의 내면의 단위면적?단위시간당의 더스트 미립자의 이탈률을 σ, 입경이 0.3㎛ 이상인 더스트 미립자에 대한 상기 방진필터의 분진포집효율을 γ로 할 때에, 상기 작업실 내의 더스트 밀도를 Sσ/γV로 감소시키고 나서 상기 작업실 내에서 작업을 하는 것을 특징으로 하는 클린유닛의 사용방법.
- 제3항에 있어서,상기 방진필터가 HEPA 필터 또는 ULPA 필터인 것을 특징으로 하는 클린유닛의 사용방법.
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