KR101203601B1 - 수광 또는 발광용 반도체 모듈 - Google Patents

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Abstract

태양전지 모듈(20)에서, 지지 기판(21)과 외주 프레임과 고무 패킹 프레임과 유리제의 케이스 판(25)으로 둘러싸이는 내부 공간에는, 8행4열의 매트릭스형상으로 도전 방향을 맞추어 정렬된 태양전지 셀(10)과, 단면이 대략 역 U자형인 5개의 판 스프링 부재(22)가 수용되고, 판 스프링 부재(22)의 하단부에 한 쌍의 접속 플랜지부(22a)가 형성되어 있다. 각 열의 복수의 태양전지 셀(10)의 양측에 판 스프링 부재(22)가 배치되고, 이들 양측의 판 스프링 부재(22)의 접속 플랜지부(22a)의 사이에 8개의 태양전지 셀(10)이 끼워 지지되어 병렬 접속되고, 4열의 태양전지 셀(10)은, 5개의 판 스프링 부재(22)에 의해 직렬 접속되고, 양전극 피막(28)과 음전극 피막(29)으로부터 출력을 얻을 수 있다.
수광, 발광, 반도체 모듈

Description

수광 또는 발광용 반도체 모듈{LIGHT RECEIVING OR EMITTING SEMICONDUCTOR MODULE}
본 발명은, 수광 또는 발광 기능을 구비한 복수의 구형상(球狀)의 반도체 소자를 전기적으로 직렬 및 병렬 접속하여 고 출력화를 도모하는 수광 또는 발광용 반도체 모듈에 관한 것이다.
본원 발명자는, WO98/15983호 공보에 나타내는 바와 같이, 수광 또는 발광 기능이 있는 구형상 반도체 소자로서 중심을 사이에 두고 대향하는 양음의 전극을 갖는 반도체 소자를 제안하고, 복수의 반도체 소자를 직렬 접속한 것을 복수개 설치하고, 이들 복수의 반도체 소자를 합성수지 재료 중에 매몰시킨 구조의 태양전지 모듈을 제안하였다. 이 태양전지 모듈에서는, 반도체 소자가 구형상이고, 표층부에 구면형상(球面狀)의 pn접합이 형성되고, 양음(正負)의 전극이 pn접합을 형성하는 p형 영역 및 n형 영역의 각 표면의 중심부에 마련되어 있다.
본원 발명자는, WO02/35612호 공보, WO02/35613호 공보, WO03/017382호 공보에 나타내는 바와 같이, 상기한 구형상 반도체 소자를 복수 행 복수 열로 배치하여 각 행의 반도체 소자를 도전 부재와 솔더 또는 도전성 접착제에 의해 병렬 접속하고, 각 열의 반도체 소자를 리드 부재와 솔더에 의해 직렬 접속하고, 이들을 합성수지 재료 중에 매립한 구조의 태양전지 모듈을 제안하였다.
본원 발명자는, 또한, WO03/036731호 공보에 나타내는 바와 같이, 수광 또는 발광 기능이 있는 반도체 모듈로서, 복수의 반도체 소자를 합성수지 재료 중에 매립한 구조의 반도체 모듈을 제안하였다.
근래, 대기오염, 지구온난화 등의 환경 문제나 화석 연료의 고갈 문제에 대해 재생 가능한 깨끗한 에너지원으로서 태양전지의 이용이 증대하고 있다. 에너지 절약, 자원 절약의 관점에서 조명 광원으로서의 발광 다이오드의 이용도 계속 늘고 있다.
재료 자원이나 제조로 소비하는 에너지를 경감시킬 필요성이 높아지고 있다.
특허 문헌 1 : WO98/15983호 공보
특허 문헌 2 : WO02/35612호 공보
특허 문헌 3 : WO02/35613호 공보
특허 문헌 4 : WO03/017382호 공보
특허 문헌 5 : WO03/036731호 공보
종래의 태양전지 모듈이나 발광 다이오드 디스플레이에서는, 다수의 입상(粒狀)의 반도체 소자를 솔더나 도전성 접착제 등으로 도전 부재에 접속함과 함께, 전체를 투명한 합성수지제의 커버 케이스(외위기(外圍器))내에 매립한 구조의 모듈이 채용되어 있다. 이 때문에, 태양전지 모듈을 폐기 처분할 때에, 다수의 반도체 소자를 커버 케이스로부터 분리하여 회수할 수가 없었다. 이 때문에, 폐기하는 태양전지 모듈이나 발광 다이오드 디스플레이로부터 반도체 소자를 회수하여 재이용하는 것이 곤란하여 자원이나 자연환경적인 면을 배려한 해결이 요청되고 있다.
가까운 장래, 상기한 바와 같은 반도체 소자가 대량으로 실용에 제공되면, 열화나 수명 도래 때문에 교환 또는 폐기 처분하는 양도 필연적으로 증가하기 때문에, 자원이나 자연환경에 대한 부하가 커질 가능성이 있다. 특히 이들에 사용되어 있는 납(鉛) 함유 솔더 재료의 사용은, 규제되게 되었다.
본 발명의 목적은, 복수의 입상의 수광 또는 발광 기능이 있는 반도체 소자를 조립한 태양전지 모듈이나 발광 모듈로 적용 가능한 수광 또는 발광용 반도체 모듈로서, 복수의 반도체 소자를 재이용, 재생, 수리가 용이한 수광 또는 발광용 반도체 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 수광 또는 발광용 반도체 모듈은, 수광 또는 발광 기능을 갖는 반도체 모듈에 있어서, 지지 기판과, 상기 지지 기판상에 복수 열로 또한 도전 방향을 열 직교(列直交) 방향으로 맞추어 배치된 수광 또는 발광 기능을 갖는 복수의 입상(粒狀)의 반도체 소자와, 광 반사 기능과 도전 기능을 갖는 단면이 거의 역 U자형의 물받이 형상인 복수의 금속제 판 스프링 부재로서, 인접하는 판 스프링 부재의 자유단부(自由端部) 사이에 각 열의 복수의 반도체 소자를 끼우는 상태로 평행하게 배설된 복수의 판 스프링 부재와, 각 열의 복수의 반도체 소자를 복수의 판 스프링 부재를 통하여 병렬 접속하며 또한 복수 열의 복수의 반도체 소자를 복수의 판 스프링 부재를 통하여 직렬 접속하는 도전 접속 기구를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
지지 기판과, 지지 기판상에 복수 열로 또한 도전 방향을 열 직교 방향으로 맞추어 배치된 수광 또는 발광 기능을 갖는 복수의 입상의 반도체 소자와, 광 반사 기능과 도전 기능을 갖는 단면이 거의 역 U자형의 물받이 형상인 복수의 금속제 판 스프링 부재를 구비하고, 평행하게 배설된 복수의 판 스프링 부재에 의해, 인접하는 판 스프링 부재의 자유단부 사이에 각 열의 복수의 반도체 소자를 끼우도록 구성하고, 각 열의 복수의 반도체 소자를 복수의 판 스프링 부재를 통하여 병렬 접속하며 또한 복수 열의 복수의 반도체 소자를 복수의 판 스프링 부재를 통하여 직렬 접속하는 도전 접속 기구를 구비하였기 때문에, 다음의 효과를 얻을 수 있다.
복수의 판 스프링 부재에 의해 반도체 소자를 소기의 위치에 지지할 수 있고, 복수의 판 스프링 부재를 유효하게 활용한 도전 접속 기구에 의해, 각 열의 복수의 반도체 소자를 병렬 접속하고, 복수 열의 복수의 반도체 소자를 직렬 접속할 수 있다. 그 때문에, 복수의 반도체 소자를 위치 결정하여 유지하기 위한 구성과, 복수의 반도체 소자를 직렬 및 병렬로 접속하는 구성을 매우 간단화할 수 있다.
도전 접속 기구는, 솔더링이나 도전성 접착제를 필요로 하지 않기 때문에, 반도체 모듈을 제조하는 설비와 제조 비용을 저감할 수 있다. 사용 후의 반도체 모듈을 분해할 때에도, 복수의 판 스프링 부재를 해체함으로써, 반도체 소자를 손상시키는 일 없이 회수할 수 있기 때문에, 반도체 소자나 판 스프링 부재를 회수하여 재이용할 수 있다.
게다가, 판 스프링 부재는, 그 체적에 대한 표면적의 비율이 크기 때문에, 열 방산 능력이 높고, 수광 또는 발광용 모듈 내의 온도 상승이 낮아지고, 광전 변환 효율이나 전광 변환 효율의 저하가 억제되고, 수광 또는 발광용 모듈의 내구성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 관한 응고 상태의 실리콘 결정의 단면도.
도 2는 돌기를 절단한 실리콘 결정의 단면도.
도 3은 실리콘 산화막이 형성된 실리콘 결정의 단면도.
도 4는 실리콘 산화막을 부분적으로 제거한 실리콘 결정의 단면도.
도 5는 n형 확산층과 pn접합을 형성한 실리콘 결정의 단면도.
도 6은 실리콘 산화 피막을 형성한 실리콘 결정의 단면도.
도 7은 태양전지 셀의 단면도.
도 8은 실시예에 관한 태양전지 모듈의 지지 기판의 평면도.
도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ선 단면도.
도 10은 외주 프레임과 고무 패킹 프레임의 평면도.
도 11은 도 10의 ⅩI-ⅩI선 단면도.
도 12는 태양전지 모듈의 평면도.
도 13은 도 12의 ⅩⅢ-ⅩⅢ선 단면도.
도 14는 태양전지 모듈의 주요부 확대 평면도.
도 15는 도 14의 ⅩⅤ-ⅩⅤ선 단면도.
도 16은 도 14의ⅩⅥ-ⅩⅥ선 단면도.
도 17은 도 15의 일부를 확대 도시한 동작 설명도.
도 18은 태양전지 모듈의 등가 회로도.
도 19는 변경예에 관련한 태양전지 모듈의 도 13에 상응하는 도면.
도 20은 변경예에 관련한 태양전지 모듈에서 복수의 태양전지 셀을 미리 고정부착한 판 스프링 부재의 평면도.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
5 : 양극(正極)
6 : 음극(負極)
10 : 태양전지 셀
20 : 태양전지 모듈
21 : 지지 기판
22 : 판 스프링 부재
22a : 접속 플랜지부
23 : 외주 프레임
24 : 고무 패킹 프레임
25 : 케이스 판
25a : 볼록 렌즈부
25b : 오목형상 걸림 결합부
26 : 도전 접속 기구
27 : 오목부
28 : 양전극 피막
29 : 음전극 피막
30a, 30b, 30c : 전극 피막
34 : 탄력 부재
본 발명은, 수광 또는 발광 기능이 있는 복수의 입상의 반도체 소자를 구비한 수광 또는 발광용 반도체 모듈에 관한 것이고, 이 반도체 모듈을 폐기하거나 수리하거나 할 때에, 복수의 반도체 소자를 개별적으로 분리 가능하게 구성한 것이다.
[실시예 1]
다음에, 실시예에 관한 태양전지 모듈(수광용 반도체 모듈)에 관해 설명한다. 도 1 내지 도 7에 의거하여, 구형상(球狀)의 실리콘 태양전지 셀(반도체 소자)의 구조와 그 제조 방법에 관해 설명한다. 이 구형상의 실리콘 태양전지 셀의 구조와 그 제조 방법은, 본원의 발명자가 WO03/017382호 공보에 개시하고 있기 때문에 간단하게 설명한다.
도 1은, 직경이 1.0 내지 2.0㎜인 p형의 구형상 실리콘 결정(1)(단결정 또는 다결정)의 단면도이다. 입상(粒狀) 실리콘 결정(1)을 제작할 때에는, 실리콘 원료를 낙하관의 상단측에 설치한 도가니 내에서 용융시키고, 이 도가니의 노즐의 선단으로부터 실리콘의 액적(液滴)을 토출하고, 그 액적을 낙하관 내에서 약 14m 자유 낙하시켜, 낙하 도중에 표면장력으로 구형상화된 액적을 냉각하여 구형상 결정으로 응고시키고, 낙하관의 하단측에서 회수한다. 본 실시예의 실리콘 결정(1)은 단결정 실리콘이지만, 그 응고 과정에서 최후에 응고된 부분이 도 1에 도시하는 바와 같은 돌기로 되는 경우가 있다. 이 돌기를 제거하여 구형상으로 연마한다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 구형상의 실리콘 결정(1)의 표면 부분을 평탄하게 연마 가공하여 기준면(1b)을 형성하고, 실리콘 결정(1a)으로 만든다. 이 실리콘 결정(1a)의 직경은 약 1.8㎜이다.
그런 다음, 도 3에 도시하는 바와 같이, 실리콘 결정(1a)의 표면 전체에 공지의 열산화 방법에 의해 실리콘 산화막(2)을 형성한다. 다음에, 도 4에 도시하는 바와 같이, 기준면(1b)과 그 주변에 실리콘 산화막(2a)을 남겨 두고, 그 이외의 표면의 실리콘 산화막(2)을 제거한다. 이 실리콘 산화막(2a)은, 다음의 공정에서 행하는 불순물 확산의 마스크로서 이용한다. 또한, 마스킹에 의해 이와 같이 부분적으로 실리콘 산화막을 남겨 두는 방식은 이미 공지된 기술이다.
도 4, 도 5에 도시하는 바와 같이, 실리콘 산화막(2a)을 확산 마스크로 하여, 공지의 열확산법에 의해, 노출된 p형 표면(1c)으로부터 그 표층부에 n형 불순물을 열확산하여 n형층(3)을 형성하고, 거의 구면형상의 pn접합(3a)을 형성한다. 이렇게 하여, 기준면(1b)과 그 주변을 제외하고 거의 구면형상의 pn접합(3a)이 형성된다. n형 불순물을 열확산하는 동안에 부수적으로 생성된 실리콘 산화막은, 공지의 화학적 에칭 기법에 의해 일단 제거하고, 재차, 산소를 포함한 분위기중에서 가열하여, 도 6에 도시하는 바와 같이, 실리콘 결정(1a)의 전면(全面)에 소정의 두께의 실리콘 산화막(4)을 형성하고, 그것을 반사 방지막으로 한다.
다음에, 평탄한 기준면(1b)(p형)과, 실리콘 결정(1a)의 중심을 사이에 두고 기준면(1b)에 대향하는 실리콘 결정의 선단(n형)의 위치에 은(銀)을 주성분으로 하는 페이스트를 도트형상으로 프린트한다. 이것을 고온에서 단시간 처리하여 실리콘 산화막(4)을 관통시키고, 도 7에 도시하는 바와 같이 p형 실리콘의 기준면(1b), n형층(3)의 표면에 오믹 컨택트시켜서 각각 양전극(5), 음전극(6)을 형성하여, 태양전지 셀(10)이 얻어진다. 양전극(5)과 음전극(6)은 실리콘 결정(1a) 중심을 사이에 두고 대향하는 위치에 있고, 양전극(5) 중심과 음전극(6) 중심을 연결하는 선상(線上)에 실리콘 결정(1a)의 중심이 위치하고 있다.
상기한 바와 같이 하여 제작한 입상이면서 구형상인 태양전지 셀(10)은, 실리콘 결정(1a)의 표면으로부터 일정한 깊이의 부위에 구면형상의 pn접합(3a)이 형성되어 있기 때문에, 모든 방향으로부터의 입사광에 대해 거의 같은 수광 감도로 광전변환한다. 또한, 이와 같은 구면형상의 pn접합을 설치한 구형상의 발광 다이오드에서는, 양극(5)으로부터 입력되는 전기 에너지에 의해, 마찬가지로 구면의 모든 방향으로 일정한 광을 방사한다.
다음에, 상기한 구형상의 태양전지 셀(10)을 다수 조립하여 직렬 및 병렬 접속한 구조의 태양전지 모듈(20)에 관해, 도 8 내지 도 18에 의거하여 설명한다.
도 8 내지 도 12에 도시하는 바와 같이, 이 태양전지 모듈(20)은, 하면측에 배치된 지지 기판(21)과, 이 지지 기판(21)상에 4열로 배치된 다수의 태양전지 셀(10)과, 4열의 열방향과 평행하게 배치된 5개의 판 스프링 부재(22)와, 외주 프레임(23)과, 고무 패킹 프레임(24)과, 상단측의 광 투과성 케이스 판(25)과, 각 열의 복수(예를 들면 8개)의 태양전지 셀을 병렬 접속하며 또한 복수 열(예를 들면 4열)의 복수(예를 들면 32개)의 태양전지 셀(10)을 직렬 접속하는 도전 접속 기구(26)와, 복수의 볼트?너트(39) 등을 구비하고 있다.
도 8에는, 지지 기판(21)과, 이 지지 기판(21)상에 8행4열의 매트릭스형상으로 정렬된 32개의 태양전지 셀(10)과, 8행4열의 매트릭스형상으로 배치된 오목부(27)와, 지지 기판(21)의 외주부의 표면에 형성된 양전극 피막(28)과 음전극 피막(29)과 복수의 전극 피막(30a 내지 30c)과, 조립용의 볼트 구멍(31), 도전 접속판(도시 생략)을 접속하기 위한 볼트 구멍(32a 내지 32d) 등이 도시되어 있다. 도 9는, 도 8의 Ⅸ-Ⅸ선 단면도이다.
32개의 태양전지 셀(10)의 도전 방향은 열과 직교하는 방향을 향하여 정돈되어 있고, 도 8에서, 양전극(5)이 태양전지 셀(10)의 우측면 중앙부에 위치하고, 음전극(6)이 태양전지 셀(10)의 좌측면 중앙부에 위치하도록 정렬되어 있다(도 14, 도 15 참조). 또한, 본 실시예의 태양전지 모듈(20)은, 설명의 편의상, 8행4열의 매트릭스로 정렬된 태양전지 셀(10)을 장비한 모듈을 예로 하여 설명하지만, 실제로는 보다 많은 수 십 또는 수 백의 행수와 수 십 또는 수 백의 열수의 매트릭스로 정렬된 태양전지 셀(10)을 조립한 모듈로 구성된다.
지지 기판(21)은, 두께 5㎜ 정도의 백색의 세라믹제 기판이지만, 합성수지제의 지지 기판이나 강화 유리제의 지지 기판도 채용 가능하다. 이 지지 기판(21)의 중앙측의 셀 배치 영역(33)에는 8행4열로 매트릭스 배열된 태양전지 셀(10)에 대응하는 8행4열의 매트릭스형상으로 32개의 오목부(27)가 형성되어 있다. 오목부(27)는 샌드 블라스트나 금형에 의한 성형으로 형성되지만, 오목부(27)의 내면 형상은, 태양전지 셀(10) 쪽으로 최대한 많은 광을 반사시키도록 대략 반구면에 가까운 회전체면(예를 들면, 회전포물선면 또는 회전타원면)의 형상이고, 오목부(27)의 내면에는 광 반사율이 높은 은(銀)의 반사막(27a)이 형성되어 있다.
각 오목부(27)에는, 약한 점착성과 유연성과 탄력성이 있는 투명 합성수지(예를 들면, 실리콘 고무)로 이루어지는 탄력 부재(34)(충전재)가 충전되고, 그 탄력 부재(34)의 상면은, 지지 기판(21)의 상면으로부터 태양전지 셀(10)의 반경과 거의 같은 거리만큼 낮은 위치에 수평으로 형성된다. 태양전지 셀(10)의 양전극(5)과 음전극(6)이, 지지 기판(21)의 상면 근방부에 노출 상태가 되도록 하여, 32개의 태양전지 셀(10)의 각각이, 오목부(27)의 탄력 부재(34)의 표면에 가볍게 눌려 붙은 상태로 배치되고, 탄력 부재(34)의 점착력에 의해 태양전지 셀(10)의 위치가 안정적으로 유지된다.
지지 기판(21)중의 셀 배치 영역(33)의 외측의 프레임형상 영역(35)에는, 두께가 0.05 내지 0.1㎜인 은(銀) 도금한 구리 인쇄 배선이 인쇄되고, 도 8에 도시하는 바와 같이, 이 프레임형상 영역(35)의 우측 부위와 좌측 부위에는, 구리 인쇄 배선으로 이루어지는 양전극 피막(28)과 음전극 피막(29)이 형성되고, 프레임형상 영역(35)의 앞측 부위와 후측 부위에는, 각각, 3개의 판 스프링 부재(22)에 전기적으로 접속되는 3쌍의 전극 피막(30a 내지 30c)이 형성되어 있다. 지지 기판(21)의 4 모서리부에는, 조립용의 볼트 구멍(31)이 수직으로 형성되어 있다.
지지 기판(21)의 도 8에 있어서의 우단부와 좌단부에는, 복수의 태양전지 모듈(20)을 좌우 방향으로 나열하여 양전극 피막(28) 또는 음전극 피막(29)을 통하여 직렬 접속할 때에 도전 접속판(도시 생략)을 연결하기 위한 직렬 접속용 볼트 구멍(32a, 32b)이 형성되어 있다. 지지 기판(21)의 도 8에 있어서의 전단부와 후단부에는, 복수의 태양전지 모듈(20)을 전후 방향으로 나열하여 전극 피막(30a 내지 30c)을 통하여 병렬 접속할 때에 도전 접속판(도시 생략)을 연결하기 위한 병렬 접속용 볼트 구멍(32c, 32d)이 형성되어 있다.
도 10 및 도 11에는, 외주 프레임(23)과, 고무 패킹 프레임(24)이 도시되어 있다. 외주 프레임(23)은 두께 3㎜ 정도의 세라믹제 정사각형 프레임체이고, 셀 배치 영역(33)에 대응하는 정사각형의 개구(36)가 형성되고, 외주 프레임(23)의 하면에는, 실리콘 고무 또는 부틸 고무 또는 불소 고무제의 피막(37)(두께 약 0.1 내지 0.2㎜)이 형성되어 있다. 외주 프레임(23)의 위에는 두께 약 1㎜의 부틸 고무제 고무 패킹 프레임(24)이 놓인다. 이 고무 패킹 프레임(24)과 외주 프레임(23)의 4 모서리부에는, 조립용의 볼트 구멍(38)이 형성되어 있다. 고무 패킹 프레임(24)과 외주 프레임(23)을 지지 기판(21)상에 겹치고 나서, 지지 기판(21)의 셀 배치 영역(33)에, 도 12 내지 도 16에 도시하는 바와 같이, 5개의 판 스프링 부재(22)를 조립 부착시킨다.
도 12 내지 도 16에 도시하는 바와 같이, 판 스프링 부재(22)는, 탄성을 갖는 얇은 금속판(薄金屬板)(예를 들면, 베릴륨구리합금제의 얇은 금속판)을 이용하여, 단면이 역 U자형인 물받이 형상 구조로 제작되고, 판 스프링 부재(22)의 모든 표면은 반사율이 높은 광 반사면으로 형성되어 있다. 판 스프링 부재(22)의 하단의 한 쌍의 자유단부에는, 미소폭의 수평 접촉면과, 미소폭의 수직 접촉면을 갖는 접속 플랜지부(22a)가 일체적으로 형성되어 있다. 또한, 필요에 따라, 판 스프링 부재(22)의 모든 표면에 광 반사 피막을 도금 등으로 형성하여도 좋다.
판 스프링 부재(22)의 길이는 셀 배치 영역(33)의 전후폭보다도 길게 형성되고, 판 스프링 부재(22)는 셀 배치 영역(33)의 전후의 전극 피막(30a 내지 30c)에 가교형상(架橋狀)으로 배치되고, 그 전단부가 앞측의 전극 피막(30a 내지 30c) 중 하나에 접속되고, 그 후단부가 후측의 전극 피막(30a 내지 30c) 중 하나에 접속된다.
판 스프링 부재(22)를 조립부착하지 않은 상태에서, 판 스프링 부재(22)의 좌우폭(접속 플랜지부(22a)의 수직 접촉면 간의 거리)은, 인접하는 2열의 태양전지 셀(10)의 양전극(5)과 음전극(6) 간의 거리보다 약간 작게 설정되어 있다. 이것은, 판 스프링 부재(22)의 조립부착시에 판 스프링 부재(22)로부터 태양전지 셀(10)에 힘을 작용시켜서 위치 어긋남이 발생하는 것을 방지하기 위해서이다.
지지 기판(21)의 셀 배치 영역(33)의 8행4열의 매트릭스형상의 32개의 오목부(27)에 32개의 태양전지 셀(10)을 조립부착한 상태에서, 외주 프레임(23)을 조립부착하고, 외주 프레임(23)과 동일 형상의 고무 패킹 프레임(24)을 외주 프레임(23)의 상면에 조립부착하는 동시에 5개의 판 스프링 부재(22)를 조립부착한다.
5개의 판 스프링 부재(22)중 3개의 판 스프링 부재(22)는, 4열의 태양전지 셀(10)의 3개의 열 간 영역에 조립부착되고, 1개의 판 스프링 부재(22)는 가장 우측 열의 8개의 태양전지 셀(10)과 외주 프레임(23)의 내주면 사이에 조립부착되고, 1개의 판 스프링 부재(22)는 가장 좌측 열의 8개의 태양전지 셀(10)과 외주 프레임(23)의 내주면 사이에 조립부착된다. 그리고, 인접하는 2개의 판 스프링 부재(22)의 접속 플랜지부(22a) 사이에 각 열의 8개의 태양전지 셀(10)을 끼우는 상태로 하고, 각 접속 플랜지부(22a)가 대응한 양전극(5) 또는 음전극(6)에 전기적으로 접속된다. 판 스프링 부재(22)의 도 8에서의 전후의 양단부를 대응하는 전후의 전극 피막(30a 내지 30c)에 접촉하는 상태로 조립부착하고, 그 위에 광 투과성의 케이스 판(25)을 조립부착한다.
도 13 및 도 15에 도시하는 바와 같이, 케이스 판(25)은, 두께 약 3㎜의 무색 투명한 강화 유리제의 판이다. 평면으로 보았을 때, 케이스 판(25)의 외형은 외주 프레임(23)의 외형과 같고, 케이스 판(25)의 4 모서리부에는, 볼트 구멍(31, 38)에 대응하는 볼트 구멍(도시 생략)이 형성되어 있다. 케이스 판(25)에는, 4열의 태양전지 셀(10)에 대응하는 4열의 로드 형상의 볼록 렌즈부(25a)가 형성되어 있고, 각 볼록 렌즈부(25a)에 의해 각 열의 태양전지 셀(10)쪽으로 도광하도록 구성되어 있다. 케이스 판(25)의 하면 중, 볼록 렌즈부(25a)와 볼록 렌즈부(25a)의 경계부에는, 판 스프링 부재(22)의 정상부(頂部)에 걸림 결합되는 오목형상 걸림 결합부(25b)가 형성되어 있다.
다음으로, 지지 기판(21)과 외주 프레임(23)과 고무 패킹 프레임(24)과 케이스 판(25)의 4 모서리부의 볼트 구멍(31, 38)에 상방으로부터 볼트(39)를 삽입 통과시키고 하면측에서 너트(도시 생략)를 체결함으로써, 그들이 일체적으로 조립된다. 이 때, 고무 패킹 프레임(24)의 압축 변형을 통해, 각 판 스프링 부재(22)가 케이스 판(25)의 오목형상 걸림 결합부(25b)로부터 가압력을 받기 때문에, 각 판 스프링 부재(22)의 하단부의 한 쌍의 접속 플랜지부(22a)가, 지지 기판(21)의 상면 및 전극 피막(30a 내지 30c), 양전극 피막(28), 음전극 피막(29) 등에 접촉한 상태에서 상호 이격되는 방향으로 이동하여, 접속 플랜지부(22a)가 각 열의 태양전지 셀(10)의 양전극(5) 또는 음전극(6)에 강력하게 접촉하여 전기적인 접속 상태가 확보된다.
도 18은, 태양전지 모듈(20)의 등가 회로를 나타낸 것으로써, 8행4열의 태양전지 셀(10)이 메시 구조의 회로에 의해 직렬 및 병렬로 접속되어 있다. 일부의 태양전지 셀(10)이, 고장이나 접속 불량이나 응달(日陰) 등의 원인에 의해 기능이 정지되었다 하더라도, 그 기능이 정지된 태양전지 셀(10)을 우회하는 우회 회로가 존재하기 때문에, 기능이 정지되지 않은 정상적인 모든 태양전지 셀의 출력은 확실하게 외부로 취출할 수 있다. 이에따라 태양전지 모듈(20)의 신뢰성을 확보할 수 있다.
다음으로, 태양전지 모듈(20)의 동작에 관해 설명한다.
도 17에 도시하는 바와 같이, 케이스 판(25)과 볼록 렌즈부(25a)에 수직으로 입사하는 광은, 주로 볼록 렌즈부(25a)에서 집광되고, 판 스프링 부재(22)의 표면에서 반사되어 태양전지 셀(10)에 입사하고 광전변환된다. 또한, 태양전지 셀(10) 사이를 통과한 광은 오목부(27)의 내면에서 난반사되고 태양전지 셀(10)에 입사하여 광전변환된다.
한편, 케이스 판(25)과 볼록 렌즈부(25a)에 수직으로 또한 볼록 렌즈부(25a) 중심에 입사하는 광의 대부분은 태양전지 셀(10)에 직접 입사하고, 일부의 광은 오목부(27)의 내면에서 난반사하여 태양전지 셀(10)에 입사하고 광전변환된다. 케이스 판(25)을 투과한 광은, 케이스 판(25)의 하면, 판 스프링 부재(22)의 외면 또는 내면, 오목부(27)의 내면, 태양전지 셀(10)의 표면에서 다중 반사를 반복하고 나서 태양전지 셀(10)에 흡수되어 광전변환된다. 이와 같이, 닫힌 공간 내에서 광이 효율적으로 태양전지 셀(10)에 도광되기 때문에, 효율을 높이고 출력을 크게 할 수 있다.
여기서, 케이스 판(25)에 각 열의 태양전지 셀(10)에 대응하는 볼록 렌즈부(25a)를 형성하였기 때문에, 케이스 판(25)에 대해 경사 상태로 입사하는 광의 반사의 정도가 적어지고, 케이스 판(25)에 대한 광의 입사각의 증대에 대한 출력 저하가 적어진다. 게다가, 판 스프링 부재(22)는, 그 체적에 대한 표면적의 비율이 크기 때문에, 열방산 능력이 높고, 태양전지 모듈(20) 내의 온도 상승이 낮아지고, 태양전지 셀(10)의 광전변환 효율의 저하가 억제되고, 태양전지 모듈(20)의 내구성을 높일 수 있다.
다음으로, 이상 설명한 태양전지 모듈(20)의 작용, 효과에 관해 설명한다.
태양전지 모듈(20)을 사용 후에 폐기하는 경우에는, 4개의 볼트(39)를 벗김으로써, 지지 기판(21), 외주 프레임(23), 고무 패킹 프레임(24), 케이스 판(25), 복수의 판 스프링 부재(22), 복수의 태양전지 셀(10)을 따로따로 분해할 수 있기 때문에, 태양전지 셀(10), 판 스프링 부재(22), 케이스 판(25) 등의 주요 부품의 재이용, 재자원화를 도모할 수 있다. 태양전지 모듈(20)을 수리할 때에도 마찬가지로 분해하여 간단하게 능률적으로 행할 수 있다.
태양전지 모듈(20)에는, 솔더링을 일체 채용하지 않기 때문에, 솔더링에 의한 접속 공정이 불필요하고, 그 솔더링용의 설비를 생략할 수 있고, 솔더링에 필요로 하는 에너지를 절감할 수 있다. 게다가, 솔더링에 의한 접합부의 열 피로나 열화가 생기는 일도 없다.
이 태양전지 모듈(20)에서는, 볼록 렌즈부(25a)에 의한 집광 기능이 있는데다가, 복수의 판 스프링 부재(22)와, 복수의 오목부(27)에 의한 반사 작용과 도광 작용에 의해 태양전지 셀(10)에 입사하는 광의 양이 증대한다. 그러므로, 적은 수의 태양전지 셀(10)에 의해 큰 출력을 얻을 수 있어, 태양전지 모듈(20)의 제조 비용을 대폭적으로 저감할 수 있다. 또한, 태양전지 셀(10) 대신에 발광 다이오드 소자를 조립한 발광 모듈의 경우에도, 상기한 바와 마찬가지로, 발광 다이오드 소자로부터 발생한 광을 효율적으로 외부에 출사할 수 있다. 이 경우, 오목부(27)는 광을 효율적으로 외부에 출사시키는 기능을 갖는다.
오목부(27)에 충전된 탄력 부재(34)는, 광을 투과시킬 뿐만 아니라, 조립시에 태양전지 셀(10)의 위치 결정과 유지에 유효하게 기능한다.
이 태양전지 모듈(20)에서는, 태양전지 셀(10)을 수용하는 내부 공간이, 지지 기판(21), 외주 프레임(23), 고무 패킹 프레임(24), 피막(37), 케이스 판(25)에 의해 외계에 대해 기밀하게 밀봉되어 있다. 그러므로, 외기에 의한 태양전지 셀(10)의 열화를 방지할 수 있고, 단열, 방음 작용이 우수하다. 지지 기판(21)이 세라믹제이고, 케이스 판(25)이 강화 유리제이기 때문에, 태양전지 모듈(20)의 기계적 강도가 우수하고, 내열, 내화성이 높기 때문에, 태양전지 모듈(20)을 벽이나 지붕이나 차양(庇) 등의 건축 재료로서 적용할 수 있다.
태양전지 모듈(20)의 외면에 노출된 양전극 피막(28)과 음전극 피막(29)과 직렬 접속용 볼트 구멍(32a, 32b)을 설치하였기 때문에, 복수의 태양전지 모듈(20)을 도 12에 있어서의 좌우 방향으로 나열하고, 도시되지 않은 도전 접속판을 통하여 간단히 직렬 접속함으로써, 출력 전압을 높일 수 있다. 마찬가지로, 태양전지 모듈(20)의 외면에 노출된 전극 피막(30a 내지 30c)과, 병렬 접속용 볼트 구멍(32d)을 설치하였기 때문에, 복수의 태양전지 모듈(20)을 도 12에 있어서의 전후 방향(열방향)으로 나열하고, 도시되지 않은 도전 접속판을 통하여 간단히 병렬 접속하여, 출력 전류를 증대시킬 수 있다.
게다가, 태양전지 모듈(20)은, 도 18에 도시하는 바와 같이 복수의 태양전지 셀(10)을 메시 구조로 직렬 및 병렬 접속하는 도전 접속 기구(26)를 갖기 때문에, 일부의 태양전지 셀(10)이, 고장이나 접속 불량이나 응달 등의 원인에 의해 기능이 정지되었다 하더라도, 그 기능이 정지된 태양전지 셀(10)을 우회하는 우회 회로가 존재하기 때문에, 기능이 정지되지 않은 정상적인 모든 태양전지 셀의 출력은 확실히 외부로 취출할 수 있다. 이에 따라, 태양전지 모듈(20)의 신뢰성을 확보할 수 있다.
상기한 태양전지 모듈(30)을 부분적으로 변경하는 예에 관해 설명한다.
[1] 지지 기판(21)은, 성형이 용이하고 배선이 가능한 폴리카보네이트(PC), PMMA, 유리포(布) 기재(基材) 에폭시 수지, 금속 법랑, 절연 기판 등의 어느 하나의 재료로 구성하여도 좋다. 단, 그 표면의 전면(全面) 또는 일부에 광 반사 기능이 있는 반사 피막을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 오목부(27)에 충전하는 탄력 부재(34)는, 투명하고 점착성이 있는 폴리비닐부티랄, 에틸렌비닐아세테이 트(EVA)중 어느 하나로 구성하여도 좋다.
[2] 복수의 태양전지 모듈(20)을 간단하게 직렬 접속할 수 있도록, 예를 들면, 도 19에 도시하는 바와 같이, 태양전지 모듈(20)의 지지 기판(21)의 우측단부에 내림 단차부(21a)를 형성하고, 양전극 피막(28A)을 내림 단차부(21a)의 상면까지 연장시키는 동시에, 지지 기판(21)의 좌측단부에는 하반부를 제거한 오름 단차부(21b)를 형성하고, 음전극 피막(29A)을 오름 단차부(21b)의 하면까지 연장시킨다.
복수의 태양전지 모듈(20)을 도 12에 있어서의 좌우 방향으로 나열하여 직렬 접속할 때에는, 태양전지 모듈(20)의 내림 단차부(21a)에, 우측에 인접하는 태양전지 모듈(20)의 좌측단의 오름 단차부(21b)를 겹쳐, 양전극 피막(28A)에 음전극 피막(29A)을 접촉시키고, 직렬 접속용 볼트 구멍(32a)에 통과시킨 볼트를 체결함으로써 전기적으로 직렬 접속한다. 또한, 복수의 태양전지 모듈(20)을 전후 방향으로 나열하여 병렬 접속하는 구조도 상기한 바와 마찬가지로 구성할 수 있다.
[3] 광 투과성의 케이스 판(25)은, 성형이 용이하고 갈라지기 어려운 폴리카보네이트, 아크릴, 실리콘 등의 합성수지로 구성하여도 좋다. 또한, 볼록 렌즈부(25a)는, 필수적인 것은 아니므로 생략하고, 케이스 판(25)의 외측 표면을 평면으로 형성하여도 좋다.
[4] 판 스프링 부재(22)의 높이를 축소하고, 도시한 판 스프링 부재(22)의 1/2 또는 1/3 정도의 높이로 구성하여도 좋다. 또한, 판 스프링 부재(22)는, 공지의 스프링재인 탄소강, 인청동, 텅스텐강, 니켈강, 양은(洋銀), 스테인리스강으로 구성하여도 좋다.
[5] 도 20에 도시하는 바와 같이, 판 스프링 부재(22)의 한쪽의 접속 플랜지부재(22a)에 복수의 태양전지 셀(10)의 한쪽의 전극(예를 들면, 도시한 예에서는 음전극(6))을 도전성 접착제 또는 무연(無鉛) 솔더에 의해 미리 고정부착하여 두고, 태양전지 모듈(20)의 조립시, 이 태양전지 셀(19)이 부착된 판 스프링 부재(22)를 지지 기판(21)의 상면에 배치하도록 구성하여도 좋다. 이 구조를 채용하면, 태양전지 모듈(20)을 조립하는 조립 작업이 매우 간단하게 된다.
이와 같은 구조의 태양전지 모듈(20)을 폐기할 때, 도 20에 도시한 형태로 판 스프링 부재(22)와 태양전지 셀(10)을 회수할 수 있기 때문에, 그 형태 그대로 재이용할 수 있다. 또한, 판 스프링 부재(22)로부터 태양전지 셀(10)을 분리할 필요가 있는 경우에는, 상기한 도전성 접착제에 의한 고정 부위는 약액(藥液)에 의해 분해할 수 있고, 무연 솔더에 의한 고정 부위는 가열에 의해 분해할 수 있다.
[6] 외주 프레임(23)은, 유리포 기재 에폭시 수지나 폴리카보네이트로 구성하여도 좋다. 또한, 고무 패킹 프레임(24)은, 실리콘 고무나 불소계 고무로 구성하여도 좋다.
[7] 상기한 구형상의 태양전지 셀(10) 대신에, WO99/10935호 공보에 기재한 바와 같은, 구형상의 심재(코어)의 표면에 박막 반도체층을 성막하고, pn접합을 형성한 구조의 태양전지 셀이나 발광 다이오드 소자를 채용하여도 좋다. 상기한 복수의 태양전지 셀 대신에 복수의 발광 다이오드 소자를 조립한 모듈은, 면(面)발광 기능이 있는 발광 모듈이다.
[8] 상기 실시예는 일례를 나타내는 것에 지나지 않고, 당업자라면, 본 발명의 취지를 일탈하는 일 없이, 상기 실시예를 부분적으로 변경하여 실시 가능하다.
본 발명의 수광 또는 발광용 반도체 모듈은, 태양전지 패널이나 발광 패널에 유효하게 활용할 수 있다.

Claims (13)

  1. 수광 또는 발광 기능을 갖는 반도체 모듈로서,
    지지 기판과,
    상기 지지 기판상에 복수 열로 또한 도전 방향을 열 직교(列直交) 방향으로 맞추어 배치된 수광 또는 발광 기능을 갖는 복수의 입상(粒狀)의 반도체 소자와,
    광 반사 기능과 도전 기능을 갖는 단면이 역 U자형의 물받이 형상인 복수의 금속제 판 스프링 부재로서, 인접하는 판 스프링 부재의 자유단부(自由端部) 사이에 각 열의 복수의 반도체 소자를 끼우는 상태로 평행하게 배설된 복수의 판 스프링 부재와,
    각 열의 복수의 반도체 소자를 복수의 판 스프링 부재를 통하여 병렬 접속하며 또한 복수 열의 복수의 반도체 소자를 복수의 판 스프링 부재를 통하여 직렬 접속하는 도전 접속 기구를 구비한 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    복수의 반도체 소자와 복수의 판 스프링 부재의 외주측을 둘러싸는 외주 프레임이 지지 기판상에 배치되고, 상기 복수의 반도체 소자와 복수의 판 스프링 부재와 외주 프레임의 상면을 덮는 광 투과성의 케이스 판으로서, 상기 지지 기판과 외주 프레임에 고정 해제 가능하게 고정되는 케이스 판이 설치되고,
    상기 케이스 판에 의해 복수의 판 스프링 부재의 정상부(頂部)를 가압하여 상기 도전 접속 기구에서의 복수의 접촉부의 전기적 접속을 확보하도록 구성한 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 모듈.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 반도체 소자는, 구형상으로 형성되며 또한 양극(正極)과 음극(負極)에 각각 구의 중심을 사이에 두고 대향하는 양전극과 음전극이 형성되고, 양전극과 음전극이 상기 판 스프링 부재의 자유단부에 접촉하도록 구성된 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 모듈.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 케이스 판의 표면측 부분에는, 복수 열에 대응하는 복수의 로드 형상의 볼록 렌즈부가 일체적으로 형성된 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 모듈.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 지지 기판 중의 복수의 반도체 소자의 하방에 대응하는 부위에, 반구형상으로 파인 복수의 오목부가 형성되고, 각 오목부에는 광 투과성의 탄력 부재가 수용되고, 상기 반도체 소자는 탄력 부재의 표면에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 모듈.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 케이스 판과 외주 프레임 사이에 고무 패킹 프레임이 압축 상태로 설치된 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 모듈.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 지지 기판의 외주부의 상면에는, 상기 반도체 모듈의 양극 및 음극으로서의 양전극 피막 및 음전극 피막이 외주 프레임의 외측으로 비어져 나오도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 모듈.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 지지 기판의 외주부의 상면에는, 복수의 판 스프링 부재에 각각 전기적으로 접속되는 복수의 전극 피막이 상기 외주 프레임의 열방향 양단의 외측으로 비어져 나오도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 모듈.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 판 스프링 부재의 하단의 한 쌍의 자유단부에는, 반도체 소자의 양전극 또는 음전극에 접촉시키기 위한 접속 플랜지부가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 모듈.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 케이스 판의 내면에는, 복수의 판 스프링 부재의 정상부에 각각 맞닿는 복수의 오목형상 걸림 결합부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 모듈.
  11. 제 3항에 있어서,
    상기 각 열의 반도체 소자의 양전극 또는 음전극이 판 스프링 부재의 자유단부에 전기적으로 접속한 상태로 하여 미리 고정부착되고, 상기 수광 또는 발광용 반도체 모듈의 조립시에 상기 반도체 소자가 부착된 판 스프링 부재가 조립되는 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 모듈.
  12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 반도체 모듈이 태양전지 모듈인 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 모듈.
  13. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 반도체 모듈이 발광 다이오드 모듈인 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 모듈.
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