KR101251896B1 - 박막 태양 전지용 스크라이브 장치 - Google Patents

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Abstract

(과제) 저하중에서의 미묘한 조정을 가능하게 하여, 태양전지 기판의 박막을 깨끗하게 깎아, 불규칙한 박막의 박리의 발생을 없애 직선적이고 깨끗한 스크라이브 라인을 형성할 수 있는 스크라이브 장치를 제공한다.
(해결 수단) 집적형 박막 태양전지 기판(W)의 스크라이브 예정 라인을 따라, 스크라이브 헤드(1)에 부착한 홈 가공 툴(4)의 날끝을 태양전지 기판의 표면으로 압압(押壓)하면서, 태양전지 기판(W)에 대하여 홈 가공 툴(4)을 상대적으로 이동시켜 태양전지 기판(W)의 표면에 형성된 박막에 홈을 형성하는 스크라이브 장치로서, 스크라이브 헤드(1)에 상하 이동 가능하게 부착되고, 그리고, 홈 가공 툴(4)을 보지(holding)하는 툴 홀더(5)와, 툴 홀더(5)를 태양전지 기판(W)의 표면을 향하여 가압하는 에어 실린더(6)와, 툴 홀더(5)를 상방을 향하여 가압하는 스프링(7)으로 이루어진다.

Description

박막 태양 전지용 스크라이브 장치{SCRIBING APPARATUS FOR THIN FILM SOLAR CELL}
본 발명은, 집적형 박막 태양전지 제조용의 스크라이브 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 태양전지 상에 홈을 형성하기 위한 홈 가공 툴을 보지(保持;holding)하는 스크라이브 헤드를 구비한 스크라이브 장치에 관한 것이다.
박막 태양전지에 있어서는, 기판 상에 복수의 유닛 셀을 직렬 접속한 집적형 구조가 일반적이다.
종래의 캘코파이라이트(chalcopyrite) 화합물계 집적형 박막 태양전지의 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 4는, CIGS 박막 태양전지의 제조 공정을 나타내는 모식도(schematic view)이다. 우선, 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 소다라임 유리(SLG) 등으로 이루어지는 절연 기판(41) 상에, 플러스측의 하부 전극이 되는 Mo 전극층(42)을 스퍼터링법에 의해 형성한 후, 광흡수층 형성 전의 박막 태양전지 기판에 대하여 스크라이브 가공에 의해 하부 전극 분리용의 홈(S)을 형성한다.
그 후, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, Mo 전극층(42) 상에, 화합물 반도체(CIGS) 박막으로 이루어지는 광흡수층(43)을 증착법, 스퍼터링법 등에 의해 형성하고, 그 위에, ZnO 박막으로 이루어지는 절연층(44)을 형성한다. 그리고, 투명 전극층 형성 전의 박막 태양전지 기판에 대하여, 하부 전극 분리용의 홈(S)으로부터 횡방향으로 소정 거리 떨어진 위치에, 스크라이브 가공에 의해 Mo 전극층(42)에까지 도달하는 전극 간 콘택트용의 홈(M1)을 형성한다.
이어서, 도 4(c)에 나타내는 바와 같이, 절연층(44)의 위로부터 ZnO:Al 박막으로 이루어지는 상부 전극으로서의 투명 전극층(45)을 형성하고, 광전 변환(photoelectric transformation)을 이용한 발전에 필요한 각 기능층을 구비한 태양 전지 기판으로 하여, 스크라이브 가공에 의해 하부의 Mo 전극층(42)에까지 도달하는 전극 분리용의 홈(M2)을 형성한다.
전술한 집적형 박막 태양전지를 제조하는 공정에 있어서, 홈(M1) 및 홈(M2)을 스크라이브에 의해 홈 가공하는 기술의 하나로서, 커터 나이프나 바늘과 같은 공구로 박막의 일부를 제거하는 메커니컬(mechanical) 스크라이브법이 이용되고 있다. 그러나, 박막을 제거한 후의 홈 폭이 일정하지 않고, 불필요한 부분까지 제거해 버리는 문제가 발생하는 경우가 있었다.
그래서, 안정된 홈 폭으로 가공할 수 있도록 하기 위한 메커니컬 스크라이브법이 제안되고 있다(특허문헌 1 참조). 이 문헌에 의하면, 예를 들면 판스프링 및 가중계(加重計)를 포함하는 가공 부하를 조정하기 위한 가공 부하 조정 기구를 구비한 홈 형성 공구 및 박리 공구를 이용하도록 하고 있다. 그리고 가공 부하 조정 기구로 가공 부하를 조정하도록 하여, 처음은 홈 형성 공구에 의해 2개의 V자 형상의 홈을 형성하고, 이어서, 2개의 홈의 사이의 박막을 박리 공구로 제거하도록 하고 있다. 또한, 다른 방법으로서 공기압 등의 방법으로 가공 부하를 조정해도 좋은 것이 개시되어 있다.
일본공개특허공보 2002-033498호
집적형 박막 태양전지의 전극용 홈(M1이나 M2)을 메커니컬 스크라이브법에 의해 홈 가공하는 경우에는, 스크라이브할 때에 공구의 날끝에 걸리는 부하 하중을 일정하게 조정하는 것이 요구된다. 날끝 하중이 설정값보다 커지면 날끝의 파고듦이 많아져 불필요한 층까지 깎임과 함께, 날끝에 대한 부하의 증대에 의해 박막이 불규칙하게 크게 벗겨져 버려, 불필요한 부분까지 제거해 버리는 경우가 있어, 태양전지의 특성 및 수율(yield)이 저하되기 때문이다. 또한, 역으로 압력이 작으면 필요한 깊이의 홈을 가공할 수 없게 되기 때문이다. 그러나 집적형 박막 태양전지의 홈 가공에 있어서는, 날끝 압력을 일정하게 하는 것만으로는 불충분하며, 또한 저하중 하에서의 정밀도가 높은 하중 제어를 할 수 있을 것이 요구된다. 예를 들면, 전술한 캘코파이라이트 화합물계 박막 태양전지에서는, Mo 전극층(42) 상의 화합물 반도체(CIGS) 박막으로 이루어지는 광흡수층(43)이나 ZnO 박막으로 이루어지는 절연층(44) 그리고 Al 박막으로 이루어지는 투명 전극층(45)은, 0.05∼1㎛로 매우 얇다. 그 때문에, 0.1∼0.5N(뉴턴) 정도의 저하중으로 제어하는 것이 가능한 스크라이브 헤드가 요구된다.
그러나, 특허문헌 1에 기재되어 있는 가공 부하 조정 기구를 구비한 박리 공구를 이용하여 가공 부하의 크기를 컨트롤하도록 했다고 해도, 날끝에 걸리는 하중을, 0.1∼0.5N(뉴턴) 정도의 저하중의 범위에서 하중을 컨트롤할 수 없으면, 불필요한 층까지 깎여 버리는 문제가 발생하게 된다.
즉, 종래의 판스프링이나 가중계를 이용한 가압 방식, 혹은 공압 실린더에 의한 가압 부하 방식만으로는, 저하중에서의 미묘한 조정이 매우 곤란하기 때문에, 박막 태양전지의 홈 가공용으로서는, 불균일이 커서 수율이 나쁘고, 또한 가공 재현성이 나쁘며, 내구성에도 문제점이 있었다.
그래서, 본 발명의 목적은, 하중을 일정하게 유지할 뿐만 아니라, 저하중에서의 미묘한 조정을 가능하게 하여, 태양전지 기판의 박막을 깨끗하게 깎아, 불규칙한 박막의 박리의 발생을 없애 직선적이고 깨끗한 스크라이브 라인을 형성할 수 있는 스크라이브 장치를 저비용으로 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 본 발명의 스크라이브 장치는, 태양전지 기판의 스크라이브 예정 라인을 따라, 스크라이브 헤드에 부착한 홈 가공 툴의 날끝을 태양전지 기판의 표면으로 압압(押壓;pushing)하면서, 태양전지 기판에 대하여 홈 가공 툴을 상대적으로 이동시켜 태양전지 기판의 표면에 형성된 박막에 홈을 형성하는 스크라이브 장치로서, 스크라이브 헤드에 상하 이동 가능하게 부착되고, 그리고, 홈 가공 툴을 보지하는 툴 홀더와, 툴 홀더를 태양전지 기판의 표면을 향하여 가압하는 에어 실린더와, 툴 홀더를 상방을 향하여 가압하는 스프링으로 이루어지도록 하고 있다.
본 발명에서는, 홈 가공 툴을 포함하는 툴 홀더의 자중(自重)이, 보상용의 스프링에 의해 무하중(無荷重)이 되도록 지지되어 있기 때문에 압력 변화에 대한 응답성이 높고, 그리고, 가압 수단으로서 전공 레귤레이터(electro-pneumatic regulator)에 의해 제어되는 에어 실린더를 이용했기 때문에, 저하중에서의 제어를 고속으로 안정되게 행할 수 있고, 이에 따라 태양전지 기판의 박막을 깨끗하게 깎아낼 수 있게 되어, 불규칙한 박막의 박리가 없는, 직선적이고 깨끗한 홈을 형성할 수 있다. 덧붙여, 스프링과 전공 레귤레이터에 의해 제어되는 에어 실린더와의 조합에 의해, 경량이고, 그리고 심플하고 저비용인 스크라이브 헤드를 제공할 수 있다는 효과가 있다.
스프링의 장력이, 홈 가공 툴의 날끝이 태양전지 기판의 표면에 접한 위치에서, 홈 가공 툴을 포함하는 툴 홀더의 자중이 무하중이 되도록 설정한 구성으로 하는 것이 좋다. 이에 따라, 가공시에 걸리는 부하의 변동이 바로 에어 실린더에 전해져, 전공 레귤레이터를 개재하여 고속이고 그리고 정확한 저하중에서의 압력 제어를 행할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 스크라이브 헤드를 이용한 집적형 박막 태양전지용 스크라이브 장치의 일 실시 형태를 나타내는 사시도이다.
도 2는 스크라이브 헤드의 사시도이다.
도 3은 스크라이브 헤드에 있어서의 에어 실린더 그리고 이를 제어하는 전공 레귤레이터의 설명도이다.
도 4는 일반적인 CIGS계의 박막 태양전지의 제조 공정을 나타내는 모식도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하에 있어서, 본 발명의 상세를 그 실시 형태를 나타내는 도면에 기초하여 상세히 설명한다. 먼저, 본 발명에 따른 스크라이브 장치의 전체 구성에 대해서 설명한다.
도 1은 집적형 박막 태양전지용 스크라이브 장치의 실시 형태를 나타내는 사시도이다. 스크라이브 장치는, 대략 수평 방향(Y방향)으로 이동 가능하고, 그리고 수평면 내에서 90도 및 각도 θ 회전 가능한 테이블(18)을 구비하고 있고, 테이블(18)은 실질적으로 태양전지 기판(W)의 보지 수단을 형성한다.
테이블(18)을 사이에 두고 형성되어 있는 양측의 지지주(支持柱; 20, 20)와, X방향으로 연장되는 가이드바(21)로 구성되는 브리지(19)는, 테이블(18) 상에 걸치도록 형성되어 있다. 가이드바(21)에 형성한 가이드(22)를 따라 이동할 수 있도록 스크라이브 헤드(1)가 형성되어 있고, 모터(24)의 회전에 의해 X방향으로 이동한다. 스크라이브 헤드(1)에는 테이블(18) 상에 올려놓여지는 태양전지 기판(W)의 박막 표면을 스크라이브 가공하는 홈 가공 툴(4)을 보지하는 툴 홀더(5)가 형성되어 있다.
또한, X방향 및 Y방향으로 이동하는 것이 가능한 대좌(臺座;pedestal; 25, 26)에 카메라(27, 28)가 각각 형성되어 있다. 대좌(25, 26)는 지지대(29) 상에서 X방향으로 연이어 설치된 가이드(30)를 따라 이동한다. 카메라(27, 28)는, 수동 조작으로 상하동할 수 있어, 촬상의 초점을 조정할 수 있다. 카메라(27, 28)로 촬영된 화상은 모니터(31, 32)에 표시된다.
테이블(18) 상에 올려놓여진 태양전지 기판(W)에는, 각 공정에 의해, 전(前) 공정에서 형성되고, 표면으로부터 관찰할 수 있는 스크라이브 라인 등이 존재한다. 그 때문에, 각 공정에 있어서 태양전지 기판(W)을 스크라이브하는 경우, 전(前) 공정에서 형성된 스크라이브 라인 등의 스크라이브 위치를 특정하기 위한 마크로서 이용한다. 예를 들면, 스크라이브된 하부 전극층(Mo 전극층)(42)의 위에 광흡수층(43) 및, 절연층(44)이 형성된 태양전지 기판(W)에 상하 전극 콘택트용의 홈을 형성하는 경우, 하부 전극층(42)에 형성된 스크라이브 라인을 홈 형성 위치 특정을 위한 마크로서 이용한다. 즉, 카메라(27, 28)에 의해 하부 전극층(42)에 형성된 스크라이브 라인을 촬상함으로써, 태양전지 기판(W)의 위치를 조정한다. 구체적으로는, 테이블(18)에 지지된 태양전지 기판(W) 표면으로부터 관찰할 수 있는 하부 전극층(42)에 형성된 스크라이브 라인을, 카메라(27, 28)에 의해 촬상하여 하부 전극층(42)에 형성된 스크라이브 라인의 위치를 특정한다. 특정된 하부 전극층에 형성된 스크라이브 라인의 위치에 기초하여, 상하 전극 콘택트용의 홈을 형성해야 할 위치(스크라이브 위치)를 찾아내어, 태양전지 기판(W)의 위치를 조정함으로써 스크라이브 위치를 조정한다.
그리고, 테이블(18)을 Y방향으로 소정 피치로 이동할 때마다, 스크라이브 헤드(1)에 부착한 홈 가공 툴(4)의 날끝을, 후술하는 세경(細徑)의 에어 실린더(6)에 의해 태양전지 기판(W)의 표면에 설정값의 압력으로 밀어붙인 상태에서 X방향으로 이동시켜, 태양전지 기판(W)의 표면을 X방향을 따라 스크라이브 가공한다. 태양전지 기판(W)의 표면을 Y방향을 따라 스크라이브 가공하는 경우는, 테이블(18)을 90도 회전시켜, 상기와 동일한 동작을 행한다.
다음으로, 본 발명에 따른 스크라이브 헤드(1)에 대해서 설명한다.
스크라이브 헤드(1)는, 도 2에 상세히 나타내는 바와 같이, 판 형상의 베이스(2)와, 이 베이스(2)에 레일(3)을 개재하여 상하 미끄럼운동 가능하게 부착되고, 그리고, 홈 가공 툴(4)을 보지하는 툴 홀더(5)와, 홈 가공 툴(4)을 가압하기 위해 상기 툴 홀더(5)의 상방 위치에서 베이스(2)에 보지된 세경의 에어 실린더(6)를 구비하고 있다. 툴 홀더(5)는 부착 볼트(5b)를 지지점으로 하여 회동 가능한 툴 부착체(5a)를 구비하고, 이 부착체(5a)에 홈 가공 툴(4)이 부착되어 있으며, 이에 따라 홈 가공 툴(4)의 부착 각도를 조정함으로써, 홈 가공 툴(4)의 날끝과 태양전지 기판(W)과의 각도를 조정할 수 있도록 되어 있다. 또한, 상기 세경의 에어 실린더(6)는, 그 직경이 5mm 정도의 것이 바람직하지만, 2mm∼8mm의 범위이면 적용할 수 있다.
또한, 상기 홈 가공 툴(4)을 포함하는 툴 홀더(5)의 자중을 대략 무하중의 상태로 보상하도록, 툴 홀더(5)와 베이스(2)의 상부와의 사이에 스프링(7)이 형성되어 있다. 이 경우, 홈 가공 툴(4)의 날끝이 스크라이브해야 할 태양전지 기판(W)의 표면에 접촉하는 위치에서 균형이 잡히도록 스프링(7)의 장력을 설정하도록 되어 있다.
또한, 에어 실린더(6)의 가압력을 설정압으로 제어하기 위해 전공 레귤레이터(8)가 형성되어 있다. 이 전공 레귤레이터(8)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 부압(負壓) 포트(9) 내의 에어의 흡인 그리고 공급을 조정하고, 2차측압(에어 실린더(6)의 압력)을 제어하는 일반적인 구조의 것이 적용된다. 본 실시예에서는, 레귤레이터 본체(10)의 한쪽측에 배기 포트(11)와, 펌프(17)에 이어지는 공급 포트(12)가 형성되고, 다른 한쪽측에 부압 포트(9)가 형성되어 있고, 이 부압 포트(9)가 에어 실린더(6)에 접속되어 있다.
레귤레이터 본체(10)에는, 흡인용 전자 밸브(electromagnetic valve;13) 그리고 공급용 전자 밸브(14)가 형성되고, 흡인용 전자 밸브(13)는 부압 포트(9) 내의 에어 흡인과 정지를 전환하고, 공급용 전자 밸브(14)는 부압 포트(9)로의 에어 공급과 정지를 전환한다.
부압 포트(9)에는 압력 센서(16)가 설치되어, 부압 포트(9) 내의 압력을 검지하여 그 신호를 컨트롤러(15)에 보내도록 되어 있다. 컨트롤러(15)는, 압력 센서(16)로부터의 신호와 미리 입력된 기준 신호와의 사이에 차압이 있으면, 흡인용 전자 밸브(13) 그리고 공급용 전자 밸브(14)에 신호를 보내, 밸브를 개폐한다.
즉, 부압 포트(9)의 압력이 설정값보다 낮으면, 공급용 전자 밸브(14)가 열려 펌프(17)로부터의 에어가 부압 포트(9)로부터 에어 실린더(6)에 공급되고, 부압 포트(9) 내의 압력이 설정값이 되면 공급용 전자 밸브(14)가 닫혀 에어의 공급이 정지된다. 또한 부압 포트(9) 내의 압력이 설정값보다 높으면 흡인용 전자 밸브(13)가 열려 배기 포트(11)로부터 에어가 배출되고, 부압 포트(9) 내의 압력이 설정값이 되면 흡인용 전자 밸브(13)가 닫혀 에어의 배출이 정지된다.
이와 같이 하여 부압 포트(9) 내의 압력이 항상 설정값으로 유지되게 되어 있다.
상기의 구성에 있어서, 태양전지 기판(W)에 전극용의 홈을 가공하는 경우, 전술한 바와 같이, 스크라이브 헤드(1)의 홈 가공 툴(4)의 날끝을, 에어 실린더(6)에 의해 태양전지 기판(W)의 표면에 설정값의 압력으로 밀어붙인 상태에서 이동시켜 행한다. 가공 중에, 세경 실린더(6)의 압압력(pushing force)이 변동하면, 전공 레귤레이터(8)에 의해 설정값으로 제어된다. 이 경우, 홈 가공 툴(4)을 포함하는 툴 홀더(5)의 자중이, 스프링(7)에 의해 날끝이 태양전지 기판(W)의 표면에 접한 위치에서 무하중이 되도록 지지되어 있기 때문에, 압력 변화에 대한 응답성이 높고, 이에 따라, 0.1∼0.5N의 이제까지 없던 저하중에서의 제어를 용이하게 행할 수 있다. 또한, 세경의 에어 실린더(6)를 사용하고 있기 때문에, 압력 변화에 대한 응답성이 높아져, 저하중에서의 미묘한 제어성을 한층 높일 수 있다.
상기의 실시예에서는, 스크라이브 헤드(1)를 X방향으로 이동시킴으로써 스크라이브 가공을 실행했지만, 스크라이브 헤드(1)와, 태양전지 기판(W)이 상대적으로 이동할 수 있으면 충분한 점에서, 스크라이브 헤드(1)를 이동시키는 일 없이, 태양전지 기판(W)만을 X방향 및 Y방향으로 이동시켜도 좋다.
이상, 본 발명의 대표적인 실시예에 대해서 설명했지만, 본 발명은 반드시 상기의 실시예 구조에만 특정되는 것은 아니다. 예를 들면, 실시예에서는, 홈 가공 툴(4)의 날끝이 태양전지 기판(W)의 표면에 접한 위치에서 홈 가공 툴(4)을 포함하는 툴 홀더(5)의 자중이 무하중이 되도록 스프링(7)의 장력을 설정했지만, 자중이 무하중이 되는 위치는 특별히 한정되지 않는다. 그 외 본 발명에서는, 그 목적을 달성하고, 청구의 범위를 일탈하지 않는 범위 내에서 적절히 수정, 변경하는 것이 가능하다.
본 발명은, 캘코파이라이트 화합물계 반도체막 등을 이용한 집적형 박막 태양전지의 제조 방법, 및, 이에 이용할 수 있는 홈 가공 툴에 적용할 수 있다.
W : 태양전지 기판
1 : 스크라이브 헤드
4 : 홈 가공 툴
5 : 툴 홀더
6 : 에어 실린더
7 : 스프링
8 : 전공 레귤레이터

Claims (2)

  1. 태양전지 기판의 스크라이브 예정 라인을 따라, 스크라이브 헤드에 부착한 홈 가공 툴의 날끝을 태양전지 기판의 표면으로 압압(押壓)하면서, 태양전지 기판에 대하여 홈 가공 툴을 상대적으로 이동시켜 태양전지 기판의 표면에 형성된 박막에 홈을 형성하는 스크라이브 장치로서, 스크라이브 헤드에 상하 이동 가능하게 부착되고, 그리고, 홈 가공 툴을 보지(holding)하는 툴 홀더와, 툴 홀더를 태양전지 기판의 표면을 향하여 가압하는 에어 실린더와, 툴 홀더를 상방을 향하여 가압하는 스프링으로 이루어지고,
    상기 툴 홀더는, 상기 툴 홀더에 회동 가능하게 부착된 부착체를 개재(介在)하여 상기 홈 가공 툴을 보지함으로써, 상기 홈 가공 툴과 상기 태양전지 기판과의 각도가 조정되는 박막 태양전지용 스크라이브 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    스프링의 장력이, 홈 가공 툴의 날끝이 태양전지 기판의 표면에 접한 위치에서 홈 가공 툴을 포함하는 툴 홀더의 자중이 무하중이 되도록 설정되어 있는 박막 태양전지용 스크라이브 장치.
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