KR101186664B1 - 박막 태양전지용 ｃｉｇ계 타겟 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CIG계 타겟을 제조하는 방법에 관한 것으로, 불활성 가스의 주입량을 조절하여 화염 온도를 조절하는 고속화염용사에 의해 CIG계 합금 분말을 모재에 스프레이 적층하고 표면을 연마하여 제조되는 박막 태양전지용 CIG계 타겟 제조방법을 제공하여,
균일한 결정립, 균일한 조성을 갖고 고밀도의 우수한 타겟을 제조할 수 있고, 실린더형의 타겟이나 원 또는 사각형의 대형 평판 타겟 제조가 용이할 뿐만 아니라 타겟의 두께 조절이 용이하며, 타겟을 스프레이 적층으로 원하는 형태로 재제작하여 재활용이 가능하며, 타겟 제조 공정이 단순하여 제조 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
균일한 결정립, 균일한 조성을 갖고 고밀도의 우수한 타겟을 제조할 수 있고, 실린더형의 타겟이나 원 또는 사각형의 대형 평판 타겟 제조가 용이할 뿐만 아니라 타겟의 두께 조절이 용이하며, 타겟을 스프레이 적층으로 원하는 형태로 재제작하여 재활용이 가능하며, 타겟 제조 공정이 단순하여 제조 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 CIG계 타겟 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고속화염용사 방법에 의해 모재에 스프레이 적층함으로써 실린더와 같은 대면적을 갖는 타겟을 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근, 태양전지 시장이 급격히 성장하고 있으나, 전통적인 Si 태양전지는 Si 원소재 부족 문제로 박막 태양전지에 대한 관심이 증대되고 있다.
박막 태양전지는 Si, CIGS, CdTe, 연료감응 태양전지 등이 있으나, 가장 높은 효율을 보이는 CIGS 박막 태양전지 사용이 가장 증대되고 있다.
CIGS 박막 태양전지는 도 1에 도시된 광흡수층(50)에서 알 수 있듯이, 1~2㎛의 박막 코팅으로도 효율적인 태양전지 제조가 가능하고, 연속적인 박막 증착 공정을 채택하므로 저가이면서 고효율을 갖는 태양전지로 향후 고가의 결정질 Si 태양전지를 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
상기의 CIGS 박막 제조를 위해서는 박막 증착을 위한 소스(source) 물질인 타겟을 물리증착(PVD), 화학증착(CVD) 등과 같은 공정을 통하여 박막 제조를 하므로, 타겟의 품질에 따라서 박막 품질이 좌우되게 된다.
또한, CIGS 박막이 동시에 불가능하므로 CIGS 박막 형성을 위해서는 CuGa, CuIn 박막 형성 후에 In 혹은 Ga 박막을 형성하고 최종적으로 Se을 입히는데, 비용 절감을 위해 CIG 박막 후 Se을 도포한다.
전통적으로 타겟 제조는 금속은 주조 공법, 세라믹 소재는 분말 야금법으로 제조된다. 그러나, 합금의 경우는 분말 야금법의 사용이 증대되고 있다. 분말 야금법으로는 방전 플라즈마 소결(SPS, Spark Plasma Sintering), 고온 등방향 압축성형(HIP, Hot Isostatic Pressing), 고온 성형(Hot pressing) 등의 방법이 사용된다.
그러나, 최근에는 대면적 박막이 많이 요구되고 특히, 태양전지의 경우도 대면적 박막을 통한 효율 향상을 도모하므로 대면적 박막을 만들기 위한 대형 타겟이 요구된다.
종래의 평판형 타겟으로는 공정시의 노의 크기 또는 균일성 등의 문제로 인하여 1m 이상의 대형 제조가 곤란하여, 대형 타겟으로는 실린더 형태의 타겟이 사용된다.
실린더 형태의 타겟 제조에는 주조 후 접합하는 방법이나 분말 야금에 의한 제조 후 접합 등의 방법이 사용될 수 있는데, 대형 실린더 타겟 제조에는 스프레이 공정을 사용하는 방법이 경제적이다. 스프레이 공정으로는 전통적으로 용사코팅 (thermal spray)이 세라믹 소재에 많이 사용되고, 금속의 경우는 산화 문제로 인하여 최근에는 저온분사 공정을 통한 평판 혹은 실린더 형태의 타겟 제조 공정에 대한 기술이 공개되어 있다.
즉, CIG계 타겟 제조를 위해서는 주조 공법 혹은 분말 야금법 사용이 가능한데, 대형 실린더형 타겟 제조로는 상기 방법이 불가능하거나, 균질성을 유지하기가 곤란하다.
결국, 용사코팅이나 저온분사 코팅으로 타겟을 제조하는 방법이 적당하나, 용사코팅시는 산화 등 문제로 조성 조절이 용이하지 않고, 저온분사 코팅은 CIG 소재가 소성변형이 용이한 물질이 아니므로 우수한 품질의 타겟 제조가 용이하지 않다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 불활성 가스의 양을 조절하여 온도를 조절함으로써 고속화염용사 방법을 사용하여 모재에 CIG계 합금 분말을 적층하여 실린더 형태의 대면적을 갖는 CIG계 타겟을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예는 CIG계 타겟을 제조하는 방법에 있어서, 불활성 가스의 주입량을 조절하여 화염 온도를 조절하는 고속화염용사에 의해 CIG계 합금 분말을 모재에 스프레이 적층하고 표면을 연마하여 제조되는 박막 태양전지용 CIG계 타겟 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 실시예의 불활성 가스는 질소, 아르곤, 헬륨 중 어느 하나이고, CIG계 합금 분말은 Cu-In-Ga, Cu-Ga, Cu-In 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실시예의 CIG계 합금 분말의 크기는 5~100㎛이고, 스프레이 적층시 모재와 분사 노즐과의 거리는 20~150mm인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실시예의 모재 소재는 Al, Al 합금, Cu, Cu 합금, 스틸 중 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실시예의 타겟의 형태는 실린더, 원형 또는 사각형의 평판이고, 스프레이 적층 후 후열처리, 고온 성형 등의 후처리 후 연마할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 균일한 결정립, 균일한 조성을 갖고 고밀도의 우수한 타겟을 제조할 수 있고, 실린더형의 타겟이나 원 또는 사각형의 대형 평판 타겟 제조가 용이할 뿐만 아니라 타겟의 두께 조절이 용이하며, 타겟을 스프레이 적층으로 원하는 형태로 재제작하여 재활용이 가능하며, 타겟 제조 공정이 단순하여 제조 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 박막 태양전지의 단면도이다.
도 2는 종래의 박막 태양전지의 단면 조직 사진이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 실시예의 스프레이 적층한 단면 조직 사진이다.
도 2는 종래의 박막 태양전지의 단면 조직 사진이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 실시예의 스프레이 적층한 단면 조직 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 위주로 설명한다.
이러한 실시예는 본 발명의 최적의 실시예의 일례로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다 할 것이다.
본 발명에 따른 실시예는 종래의 용사(thermal spray) 또는 저온분사(cold spray)공정 대신 고속화염용사를 응용하여 제작하는 방법을 제공한다.
상기 고속화염용사 (High-Velocity Oxygen Fuel Spraying, HVOF)는 프로판, 메틸아세틸렌, 헵탄, 수소 등의 연료가스를 산소와 함께 고압에서 연소시켜 화염을 만든 후 용융분말을 고속으로 모재에 이동하여 표면에 코팅을 형성하거나 분말 입자에 열에너지 뿐만 아니라 운동 에너지를 가해 용융 또는 반용융 상태의 분말 입자를 가속하여 모재에 접착시키는 것을 말한다.
플라즈마 용사는 화염 온도가 매우 높고, 아크나 산소-아세틸렌을 이용한 화염용사는 입자 속도가 느리므로 원하는 품질의 타겟 제조가 불가능하다. 따라서, 고속화염용사에 불활성 가스를 투입하여 화염의 온도를 저하시키는 방법을 사용한다.
이 때, 불활성 가스는 질소, 아르곤, 헬륨 등의 가스가 사용되는데, 질소가 가장 바람직하다. 일반적인 고속화염용사를 사용하면 용융 후 산화나 조성 변화 등으로 원하는 특성의 타겟 제조가 불가능하므로, 불활성 가스로 화염을 냉각시킨 후 CIG계 합금 분말을 주입하여 적층한다.
화염 온도는 상기 주입되는 불활성 가스의 양에 의해 조절되도록 한다. 또한, 합금 분말을 분사하는 분사 노즐(미도시)과 적층되는 모재와의 간격은 20~150mm를 유지한다. 만약, 적층 거리가 150mm 이상이라면 입자 비행 속도가 저하하여 적층 효율이 저하되는데 이는 일종의 고상 상태의 분말이 적층되는 저온분사와 유사한 적층 기구로 적층되기 때문이다.
반면, 적층 거리가 20mm이하인 경우에는 거리가 매우 가까워서 적층 두께가 상승하게 되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 범위의 적층 거리를 계속 자동적으로 조절해야 한다. 이렇게 하여 적층되는 두께는 1~15mm가 되도록 한다. 일반적으로 타겟 소재의 두께가 5 ~ 10mm인 상품을 사용한다.
상기 모재는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 알루미늄 합금, 구리 합금, 스틸 등이 사용될 수 있는데, CIG계 합금 분말의 크기는 5~100㎛범위의 크기를 갖는 입자를 사용하고, 보다 바람직하게는 5~50㎛의 크기를 갖는 합금 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 합금 분말의 크기가 5㎛ 이하인 경우에는 분말이 날리는 현상으로 인하여 적층이 곤란하고, 100㎛ 이상인 경우에는 분말의 속도가 너무 낮아져서 적층이 거의 불가능하기 때문이다. 코팅 소재의 조성은 Cu-In-Ga, Cu-Ga, Cu-In 합금이 사용될 수 있고, 상기 조성은 태양전지 효율이 좋은 조성으로 분말을 만들면 타겟 조성도 분말의 조성이 반영되어 그대로 나타나게 된다.
상기와 같이 불활성 가스를 이용하여 스프레이 적층으로 타겟 형태를 제조한 후에 표면을 연마하여 사용할 수 있으며, 필요에 따라 후열처리, 고온 성형(hot pressing) 등의 후처리를 통하여 타겟 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에 의하면 대면적을 갖는 실린더형의 타겟이나 원형 또는 사각형의 대형 평판 타겟의 제조가 가능하다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 모재는 두께가 5mm인 Al을 사용하여, 하기 표1에 기재된 바와 같은 조성으로 비교예는 주조 공법으로 타겟을 제조하였고, 실시예1 및 실시예2는 본 발명에 따른 고속화염용사 방식에 의해 스프레이 코팅하여 적층한 것으로서 CuGa, CuInGa의 성분을 가지는 분말을 모재 표면을 브레스팅하지 않고 그대로 코팅한 것이다.
상기 비교예에서는 도 2에 도시된 타겟의 단면 조직 사진에서 알 수 있듯이 수십 마이크로 크기의 주조 결함이 많이 존재함을 알 수 있다.
| 구 분 | 분말 사용 조성 (%, 무게비) |
제조공정 | 코팅 타겟 조성 (%, 무게비) |
| 비교예 | 50Cu-38In-12Ga | 주조 | 58Cu-34In-8Ga |
| 실시예 1 | 86Cu-14Ga | 스프레이 | 86Cu-14Ga |
| 실시예 2 | 43Cu-40In-17Ga | 스프레이 | 43Cu-40In-17Ga |
하기 표2는 본 발명에 따른 실시예1 및 실시예2의 공정 조건을 표로 나타낸 것이다.
| 구 분 | 실시예 1 | 실시예 2 |
| 연료량, Kerosene(L/min) | 5.5 | 5.5 |
| 산소량 (L/min) | 1500 | 1500 |
| 질소 유량 (L/min) | 2000 | 2500 |
| 분사 노즐과 알루미늄 모재와의 거리 (mm) |
100 | 100 |
| 분말 조성 (무게비, %) | 86Cu-14Ga | 43Cu-40In-17Ga |
| 분말 입도 (㎛) | 8~80 | 5~55 |
| 분말 송급 속도 (rpm) | 3 | 2 |
| 분사노즐의 이동 속도 (mm/sec) | 300 | 300 |
상기 비교예와는 달리, 실시예1 및 실시예2는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 미세한 기공이 일부 존재하나 비교예의 단면 조직보다 우수한 조직임을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 실시예에서는 질소 유량을 조절하여 화염 온도를 소재의 융점 이하로 하여 고상 상태 적층이면서 고온 인성이 증대되어 적층에 유리하도록 한다.
또한, 분말의 분사 속도는 주로 연료량과 산소량에 의해 조절되며, 분사 거리에 따라 분말의 속도가 변하므로 최대 속도가 되는 적정 분사 거리를 이용하여야 우수한 품질의 코팅이 가능하다.
10: 모재 20: 후면전극층
30: 합금층 40: 황화구리층
50: 광흡수층 60: 버퍼층
70: 투명전극층
30: 합금층 40: 황화구리층
50: 광흡수층 60: 버퍼층
70: 투명전극층
Claims (8)
- CIG계 타겟을 제조하는 방법에 있어서,
연료가스 및 산소에 의해 발생된 화염에 불활성 가스를 공급하되, 불활성 가스의 주입량을 조절하여 화염 온도를 조절하는 고속화염용사에 의해 CIG계 합금 분말을 모재에 스프레이 적층하고 표면을 연마하여 제조되는 박막 태양전지용 CIG계 타겟 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 불활성 가스는 질소, 아르곤, 헬륨 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지용 CIG계 타겟 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 CIG계 합금 분말은 Cu-In-Ga, Cu-Ga, Cu-In 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지용 CIG계 타겟 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 CIG계 합금 분말의 크기는 5~100㎛인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지용 CIG계 타겟 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 스프레이 적층시 모재와 분사 노즐과의 거리는 20~150mm인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지용 CIG계 타겟 제조방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 모재 소재는 Al, Al 합금, Cu, Cu 합금, 스틸 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지용 CIG계 타겟 제조방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 타겟의 형태는 실린더, 원형 또는 사각형의 평판인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지용 CIG계 타겟 제조방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 스프레이 적층 후 후열처리, 고온 성형의 후처리 후 연마하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지용 CIG계 타겟 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100135990A KR101186664B1 (ko) | 2010-12-27 | 2010-12-27 | 박막 태양전지용 ｃｉｇ계 타겟 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020100135990A KR101186664B1 (ko) | 2010-12-27 | 2010-12-27 | 박막 태양전지용 ｃｉｇ계 타겟 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20120074045A KR20120074045A (ko) | 2012-07-05 |
| KR101186664B1 true KR101186664B1 (ko) | 2012-09-27 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010022895A (ja) | 2008-07-15 | 2010-02-04 | Nakayama Steel Works Ltd | アモルファス皮膜の形成装置および形成方法 |
-
2010
- 2010-12-27 KR KR1020100135990A patent/KR101186664B1/ko active IP Right Grant
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