KR101257819B1 - 롤투롤 ＣｄＳ 증착 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화학 제품의 사용 효율을 높이고, 플렉서블 기판의 원하는 부분에만 선택적으로 CdS 증착을 할 수 있는 새로운 CdS 증착 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 롤투롤 CdS 증착 방법은, 컨베이어 상의 플렉서블 기판이 CdS 증착을 위한 증착 시스템의 투입부에 투입되는 단계(S100)와, 상기 증착 시스템의 투입부로 투입된 상기 플렉서블 기판을 웨트 클리닝(wet cleaning)부에 의해, 웨트 클리닝을 실시하는 단계(S200)와, 상기 웨트 클리닝이 이루어진 플렉서블 기판에, 대기압 플라스마 처리부를 이용하여, 드라이 클리닝(dry cleaning)을 실시하는 단계(S300)와, 상기 플렉서블 기판에, 슬릿 노즐(slit nozzle) 형태의 코팅 유닛에 의해 3번 이상 연속하여 CdS 박막 형성을 위한 화학 제품 용액을 도포하는 단계(S400)와, 상기 플렉서블 기판 위에서의 CdS 박막의 균일한 형성을 위해, 상기 화학 제품 용액이 도포된 상기 플렉서블 기판에, 핫 에어부(Hot air)에서 발생시킨 핫 에어를 플로우(flow)시키는 단계(S500)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 롤투롤 CdS 증착 방법은, 컨베이어 상의 플렉서블 기판이 CdS 증착을 위한 증착 시스템의 투입부에 투입되는 단계(S100)와, 상기 증착 시스템의 투입부로 투입된 상기 플렉서블 기판을 웨트 클리닝(wet cleaning)부에 의해, 웨트 클리닝을 실시하는 단계(S200)와, 상기 웨트 클리닝이 이루어진 플렉서블 기판에, 대기압 플라스마 처리부를 이용하여, 드라이 클리닝(dry cleaning)을 실시하는 단계(S300)와, 상기 플렉서블 기판에, 슬릿 노즐(slit nozzle) 형태의 코팅 유닛에 의해 3번 이상 연속하여 CdS 박막 형성을 위한 화학 제품 용액을 도포하는 단계(S400)와, 상기 플렉서블 기판 위에서의 CdS 박막의 균일한 형성을 위해, 상기 화학 제품 용액이 도포된 상기 플렉서블 기판에, 핫 에어부(Hot air)에서 발생시킨 핫 에어를 플로우(flow)시키는 단계(S500)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 롤투롤 CdS 증착 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화학 재료의 사용 효율을 높이면서, 선택적인 CdS 증착이 가능한 롤투롤 CdS 증착 방법 및 시스템에 관한 것이다.
CIGS 및 CdTe 태양 전지의 구조에서는 수송층으로 사용되는 CdS층이 반드시 필요하다.
종래, CdS 증착 방법은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)나 CBD(Chemical Bath Deposition), 또는 스프레이 코팅(Spray coating)의 방식이 적용되어 왔다. 이후, 태양 전지의 제조 단가를 낮추기 위해 Flexible solar cell을 롤투롤 방법으로 제작하고 있다. 현재는 CBD 방법에 의한 CdS 박막의 롤투롤 증착 방법이 양산에 사용되고 있으나, 화학 제품의 사용 효율이 떨어지며, 기판의 양면에 증착이 되는 단점이 있었다.
도 1은 종래 방식에 따른 CdS 증착 방법을 나타내는 단면도이다.
우선, 아래의 표 1은 기존에 사용되는 CdS 증착 방법에서, 사용 용액 및 화학적 반응을 나타내고 있다.
[표 1]
표 1에 제시된 바와 같이, 증착에 사용되는 잉크는 CdSO4와, NH4OH와, (NH2)2CS와, CH2N2의 혼합액을 사용하거나, 다른 조합의 용액을 사용할 수도 있다.
도 1을 참조하면, 연성 기판이 오른쪽에서 왼쪽 방향으로 진행시, 오른쪽이 왼쪽에 비해 높은 위치에 위치하게 되어, 오른쪽 상단에서 투입하는 잉크(110)가 왼쪽 방향으로 화살표를 따라 흘러가게 된다. 이때, 연성 기판 투입부와 인출부 사이에 복수개의 롤(120)이 장착되어 있기 때문에, 연성 기판의 투입부에서 투입되는 잉크(110)는 복수개의 롤(120)이 회전하면서, 골고루 연성 기판에 도포된다. 하지만, 이와 같은 CdS 증착 방법은 증착이 기판의 양면에 이루어지기 때문에, 최종적인 태양 셀 모듈을 제작하기 위해서는 하부에 형성되는 CdS 박막을 다시 제거해야하는 문제점이 있었다. 또한, 사용 용액의 활용 효율이 매우 낮기 때문에, 공정에 사용되는 화학 재료의 소요 비용이 매우 높은 문제점이 있었다. 그리고, 사용되는 화학 제품이 인체에 해로운 카드늄을 포함하고 있기 때문에, 이에 대한 처리의 문제점이 있었다.
이와 같이, 종래 방식에 따른 기판의 후면 증착을 방지하기 위한 롤투롤 증착 방법이 도 2에 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 욕조(210)에 사용을 요하는 화학 제품을 충전한 후, 화학 제품의 온도를 70°~ 80°로 유지한 상태에서 욕조(210) 내부에 롤 드럼(220)을 절반 정도 담근 상태에서 플렉서블 기판(230)을 이동시키면서 증착시킨다. 하지만, 이와 같은 CdS 증착을 위해서는 5분 ~ 10분 정도의 소요 시간이 필요하며, 이와 같은 CdS 증착의 구현을 위해 사용되는 롤 드럼(220)의 직경이 매우 커야하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 화학 제품의 사용 효율을 높이고, 플렉서블 기판의 원하는 부분에만 선택적으로 CdS 증착을 할 수 있는 새로운 CdS 증착 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 롤투롤 CdS 증착 방법은, 컨베이어 상의 플렉서블 기판이 CdS 증착을 위한 증착 시스템의 투입부에 투입되는 단계(S100)와, 상기 증착 시스템의 투입부로 투입된 상기 플렉서블 기판을 웨트 클리닝(wet cleaning)부에 의해, 웨트 클리닝을 실시하는 단계(S200)와, 상기 웨트 클리닝이 이루어진 플렉서블 기판에, 대기압 플라스마 처리부를 이용하여, 드라이 클리닝(dry cleaning)을 실시하는 단계(S300)와, 상기 플렉서블 기판에, 슬릿 노즐(slit nozzle) 형태의 코팅 유닛에 의해 3번 이상 연속하여 CdS 박막 형성을 위한 화학 제품 용액을 도포하는 단계(S400)와, 상기 플렉서블 기판 위에서의 CdS 박막의 균일한 형성을 위해, 상기 화학 제품 용액이 도포된 상기 플렉서블 기판에, 핫 에어부(Hot air)에서 발생시킨 핫 에어를 플로우(flow)시키는 단계(S500)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 롤투롤 CdS 증착 방법은, 상기 화학 제품 용액은 0.038M의 CdSO4와, 0.076M의 (NH4)2SO4와, 0.076M의 (NH2)2CS와, 29.4%(H2O 기준)의 NH3OH 용액인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 롤투롤 CdS 증착 방법은, 상기 플렉서블 기판은 PET 필름으로 코팅된 ITO 혹은 금속 포일(metal foil)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 롤투롤 CdS 증착 시스템은, CdS 증착을 위한 투입부 및 배출부 사이에, 플렉서블 기판을 이동시키는 컨베이어와, 상기 컨베이어 상의 플렉서블 기판을, CdS 증착 이전에 웨트 클리닝을 실시하기 위한 웨트 클리닝부와, 상기 웨트 클리닝이 이루어진 상기 플렉서블 기판에 드라이 클리닝을 실시하는 대기압 플라스마 처리부와, 상기 드라이 클리닝이 이루어진 상기 플렉서블 기판에, 3번 이상 연속하여 CdS 박막 형성을 위한 화학 제품 용액을 도포하여 박막을 형성하는 코팅 유닛부와, 상기 플렉서블 기판 위에서의 CdS 박막의 균일한 형성을 위해, 박막이 형성된 상기 플렉서블 기판에 핫 에어를 플로우시킴으로서, 상기 화학 제품 용액의 휘석을 용이하게 하는 핫 에어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 롤투롤 CdS 증착 시스템은, 상기 화학 제품 용액은 0.038M의 CdSO4와, 0.076M의 (NH4)2SO4와, 0.076M의 (NH2)2CS와, 29.4%(H2O 기준)의 NH3OH 용액인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 롤투롤 CdS 증착 시스템은, 상기 플렉서블 기판은 PET 필름으로 코팅된 ITO 혹은 금속 포일(metal foil)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 플렉서블 기판의 원하는 부분에만 CdS 박막의 형성이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, CdS 증착 용액의 사용 효율을 극대화하여 생산 단가를 낮추는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 공정 용액을 캐니스터에 담아서 사용하기 때문에, 화학용액중에서 휘발성이 강한 암모니아수의 조성을 유지함으로써, 초기의 화학 제품의 조성을 변화없이 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, CdS 박막 증착에 필요한 최소한의 용액만을 사용함으로써 공정 용액 회수 시스템을 사용하지 않기 때문에, 폐수의 발생을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 플렉서블 기판에 전처리를 함으로서, 화학 제품 용액의 기판에 대한 젖음성을 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, CdS 박막의 형성을 위한 혼합액의 기판상에 도포를 위하여 슬릿 노즐(slit nozzle) 형태의 정량, 균일도포가 가능한 것을 사용함으로써, 박막 두께의 제어 및 용액의 사용효율을 극대화한다.
도 1은 종래 방식에 따른 CdS 증착 방법을 나타내는 단면도.
도 2는 종래 방식에 따른 롤투롤 증착 방법을 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 CdS 증착용 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에서 사용한 5가지 용액에 의한 CdS 박막 형성 결과를 나타내는 SEM 사진.
도 5의 광 에너지 대역 갭(optical enerygy band gap)의 측정 결과를 나타내는 그래프.
도 6은 박막의 조성비를 분석하는 EDAX 결과를 나타내는 도면.
도 7은 도 3의 CdS 증착용 시스템의 전체 구성에서, 점선으로 도시된 부분을 확대하여 나타낸 확대도.
도 8은 도 7에서 점선으로 도시된 부분(B1)을 확대하여 나타낸 확대도.
도 2는 종래 방식에 따른 롤투롤 증착 방법을 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 CdS 증착용 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에서 사용한 5가지 용액에 의한 CdS 박막 형성 결과를 나타내는 SEM 사진.
도 5의 광 에너지 대역 갭(optical enerygy band gap)의 측정 결과를 나타내는 그래프.
도 6은 박막의 조성비를 분석하는 EDAX 결과를 나타내는 도면.
도 7은 도 3의 CdS 증착용 시스템의 전체 구성에서, 점선으로 도시된 부분을 확대하여 나타낸 확대도.
도 8은 도 7에서 점선으로 도시된 부분(B1)을 확대하여 나타낸 확대도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 CdS 증착용 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 아래의 오른쪽이 CdS 증착을 위한 투입부이고, 위의 오른쪽이 배출부이다. 아래의 오른쪽에 도시된 화살표 방향으로 컨베이어(310) 위의 플렉서블 기판(320)이 이동한다. 컨베이어(310)는 본 도면에서 원으로 표시된 롤러(330)에 의해 이동하게 된다.
우선, 컨베이어(310) 상의 플렉서블 기판(320)은 CdS 증착 이전에 웨트 클리닝(wet cleaning) 장치(340)에 의해, 웨트 클리닝이 실시된다. 이와 같이, 플렉서블 기판(320)에 CdS 증착을 하기 이전에 웨트 클리닝 장치(340)에 의한 웨트 클리닝을 실시하는 이유는 CdS 증착에 의해 박막이 제대로 형성되도록, 플렉서블 기판(320)의 표면에 잔존하는 입자(particle)를 제거하기 위함이다.
다음, 대기압 플라스마 처리 장치(350)를 이용하여, 웨트 클리닝 장치(340)에 의한 웨트 클리닝이 이루어진 플렉서블 기판(320)에 드라이 클리닝(dry cleaning)을 실시한다. 이와 같이, 대기압 플라스마 처리 장치(350)를 이용하여 플렉서블 기판(320)에 대기압 플라스마 처리를 실시하는 이유는 기판의 표면 에너지를 조정하기 위함이다. 여기서, 표면 에너지란, 표면이 스스로 수축하여 가능한 한, 작은 면적을 취하려는 에너지를 말하며, 이와 같은 표면 에너지는 표면을 이루는 분자층(分子層)에 의해 생긴다. 즉, 기판의 표면 에너지를 조정함으로써, 이후에 코팅될 CdS용 화학 제품 용액의 기판에 대한 wetting 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
다음, 동 도면에 도시된 바와 같이, 코팅 유닛(360)에 의해, 3번 이상 연속하여 화학 제품 용액을 플렉서블 기판(320)에 도포함으로써, CdS 박막의 두께를 조정할 수 있다. 또한, 플렉서블 기판(320) 위에서의 CdS 박막의 균일한 형성을 위해, 핫 에어 발생 장치(370)는 박막이 형성된 플렉서블 기판(320)에 핫 에어를 플로우시킴으로서, 화학 제품 용액의 휘석을 용이하게 한다.
여기서, 코팅 유닛(360)에 의해, 3번 이상 연속하여 화학 제품 용액을 플렉서블 기판(320)에 도포하는 이유는, 일정 농도를 유지하면서 박막을 형성하기 위해서이다. 즉, 종래와 같이, 연성 기판이 오른쪽에서 왼쪽 방향으로 진행시, 오른쪽이 왼쪽에 비해 높은 위치에 위치하게 함으로써, 오른쪽 상단에서 투입하는 잉크(110)가 왼쪽 방향으로 화살표를 따라 골고루 흘러가게 하거나, 또는 화학 제품 용액이 담긴 욕조(210) 내부에 롤 드럼(220)을 절반 정도 담근 상태에서 플렉서블 기판(230)을 이동시키면서 증착함으로써, 일정 농도를 유지하면서 박막을 형성하는 효과를 내기 위해서이다.
또한, 본 실시예에서, 발명자는 화학 제품 용액을 다음과 같이 사용하였다.
사용한 화학 제품 용액 : CdSO4 : 0.038M, (NH4)2SO4 : 0.076M, (NH2)2CS : 0.076M, NH3OH 29.4%(H2O 기준)의 용액을 1L 제작하여 코팅 테스트를 시도하였다.
그 후, 추가적으로 용액의 농도를 1, 2, 3, 4, 5배로 증가시키면서 이러한 5가지의 용액에 대해 코팅하고, CdS 박막 형성을 관찰하였다. 또한, 사용 기판은 PET 필름으로 코팅된 ITO를 사용하였다.
다음, 도 4는 본 발명에서 사용한 5가지 용액에 의한 CdS 박막 형성 결과를 나타내는 SEM 사진이다.
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도 4에 도시된 바와 같이, 조건 1번의 용액에서 조건 5번의 용액으로 갈수록 박막의 형성이 더 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 이유는, 기판상에서 CdS 박막을 형성하기 위한 용액의 최적 조성 비율이 기존의 방법에 비해 사용되는 용액의 양이 적으므로 상대적인 용액의 농도가 높아지기 때문이다. 이러한 결과는 도 5의 광 에너지 대역 갭(optical enerygy band gap)의 측정 결과에서도 확인이 가능하다.
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다음, 도 6은 박막의 조성비를 분석하는 EDAX 결과이다.
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이와 같은 박막의 조성을 분석한 결과, 원자 조성비(atomic ratio)가 Cd : S = 1:1로서, CdS의 박막이 제대로 형성된 것으로 확인 가능하다.
다음으로, 도 7은 도 3의 CdS 증착용 시스템의 전체 구성에서, 점선으로 도시된 부분(A1)을 확대하여 나타낸 확대도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 코팅 유닛(360)이, 공급되는 화학 제품 용액의 양에 비례하여 화학 제품 용액을, 슬릿 노즐(slit nozzle)을 사용하여 컨베이어(310) 위에서 이동되는 플렉서블 기판(320)에 균일하게 도포한다.
다음, 도 8은 도 7에서 점선으로 도시된 부분(B1)을 확대하여 나타낸 확대도이다.
도 8을 참조하면, 캐니스터에 CdS 증착에 사용되는 화학 제품 용액을 담는다. 그 후, 정량으로 화학 제품 용액을 코팅 유닛(360)으로 보내는 역할을 LMFC에서 담당한다.
LMFC는 아날로그 신호 제어를 통해 화학 제품 용액을 정량으로 코팅 유닛(360)에 보내도록 제어한다. CdS 증착에 사용되는 화학 제품 용액은 강알칼리 계통의 용액이어야 하며, 이러한 농도는 CdS 증착에 있어서 중요한 인자가 되므로 농도의 관리와 시스템의 안전 관리를 위해, 화학 제품 용액이 외부로 노출되지 않도록 캐니스터의 밀봉 기능이 양호하도록 형성한다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 예로 들어 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안되며, 이하에 기재된 특허청구범위에 의해 해석되어야 함이 자명하다.
310 : 컨베이어
320 : 플렉서블 기판
330 : 롤러
340 : 웨트 클리닝 장치
350 : 대기압 플라스마 처리 장치
360 : 코팅 유닛
370 : 핫 에어 발생 장치
320 : 플렉서블 기판
330 : 롤러
340 : 웨트 클리닝 장치
350 : 대기압 플라스마 처리 장치
360 : 코팅 유닛
370 : 핫 에어 발생 장치
Claims (6)
- 컨베이어 상의 플렉서블 기판이 CdS 증착을 위한 증착 시스템의 투입부에 투입되는 단계(S100)와,
상기 증착 시스템의 투입부로 투입된 상기 플렉서블 기판을 웨트 클리닝(wet cleaning)부에 의해, 웨트 클리닝을 실시하는 단계(S200)와,
상기 웨트 클리닝이 이루어진 플렉서블 기판에, 대기압 플라스마 처리부를 이용하여, 드라이 클리닝(dry cleaning)을 실시하는 단계(S300)와,
상기 플렉서블 기판에, 슬릿 노즐(slit nozzle) 형태의 코팅 유닛에 의해 3번 이상 연속하여 CdS 박막 형성을 위한 화학 제품 용액을 도포하는 단계(S400)와,
상기 플렉서블 기판 위에서의 CdS 박막의 균일한 형성을 위해, 상기 화학 제품 용액이 도포된 상기 플렉서블 기판에, 핫 에어부(Hot air)에서 발생시킨 핫 에어를 플로우(flow)시키는 단계(S500)를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤투롤 CdS 증착 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 화학 제품 용액은 0.038M의 CdSO4와, 0.076M의 (NH4)2SO4와, 0.076M의 (NH2)2CS와, 29.4%(H2O 기준)의 NH3OH 용액인 것을 특징으로 하는 롤투롤 CdS 증착 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 플렉서블 기판은 PET 필름으로 코팅된 ITO 혹은 금속 포일(metal foil)인 것을 특징으로 하는 롤투롤 CdS 증착 방법. - CdS 증착을 위한 투입부 및 배출부 사이에, 플렉서블 기판을 이동시키는 컨베이어와,
상기 컨베이어 상의 플렉서블 기판을, CdS 증착 이전에 웨트 클리닝을 실시하기 위한 웨트 클리닝부와,
상기 웨트 클리닝이 이루어진 상기 플렉서블 기판에 드라이 클리닝을 실시하는 대기압 플라스마 처리부와,
상기 드라이 클리닝이 이루어진 상기 플렉서블 기판에, 3번 이상 연속하여 CdS 박막 형성을 위한 화학 제품 용액을 도포하여 박막을 형성하는 코팅 유닛부와,
상기 플렉서블 기판 위에서의 CdS 박막의 균일한 형성을 위해, 박막이 형성된 상기 플렉서블 기판에 핫 에어를 플로우시킴으로서, 상기 화학 제품 용액의 휘석을 용이하게 하는 핫 에어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤투롤 CdS 증착 시스템. - 제 4 항에 있어서,
상기 화학 제품 용액은 0.038M의 CdSO4와, 0.076M의 (NH4)2SO4와, 0.076M의 (NH2)2CS와, 29.4%(H2O 기준)의 NH3OH 용액인 것을 특징으로 하는 롤투롤 CdS 증착 시스템. - 제 4 항에 있어서,
상기 플렉서블 기판은 PET 필름으로 코팅된 ITO 혹은 금속 포일(metal foil)인 것을 특징으로 하는 롤투롤 CdS 증착 시스템.
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| KR1020110059711A KR101257819B1 (ko) | 2011-06-20 | 2011-06-20 | 롤투롤 ＣｄＳ 증착 방법 및 시스템 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020110059711A KR101257819B1 (ko) | 2011-06-20 | 2011-06-20 | 롤투롤 ＣｄＳ 증착 방법 및 시스템 |
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| KR20120140077A KR20120140077A (ko) | 2012-12-28 |
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JPH10209479A (ja) | 1997-01-21 | 1998-08-07 | Canon Inc | 半導体薄膜及び光起電力素子の作製装置 |
| JP2008081794A (ja) | 2006-09-28 | 2008-04-10 | Showa Denko Kk | アルミニウム合金および薄膜系太陽電池基板 |
| JP2010507909A (ja) | 2006-10-19 | 2010-03-11 | ソロパワー、インコーポレイテッド | 光起電性フィルムの製造のためのロールツーロール電気めっき |
-
2011
- 2011-06-20 KR KR1020110059711A patent/KR101257819B1/ko active IP Right Grant
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| JP2010507909A (ja) | 2006-10-19 | 2010-03-11 | ソロパワー、インコーポレイテッド | 光起電性フィルムの製造のためのロールツーロール電気めっき |
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