KR101284131B1 - Ｃｉｇｓ층 형성장치 - Google Patents
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Abstract
CIGS층 형성장치가 개시된다. 본 발명에 따른 CIGS층 형성장치는, 챔버에 복수의 기판이 상호 간격을 가지면서 수직으로 기립 설치되고, 제 1 및 제 2 팬이 챔버의 분위기 가스를 상하측으로 강제로 순환시킨다. 즉, 챔버의 분위기 가스는 자연 대류에 의하여 순환함과 동시에, 제 1 및 제 2 팬에 의하여 자연 대류의 방향과 동일한 방향으로 강제로 순환된다. 따라서, 챔버의 모든 부위에 걸쳐서 챔버의 분위기 가스가 균일하게 순환될 뿐만 아니라, 기판을 처리하기에 충분한 양의 챔버의 분위기 가스가 모든 기판으로 공급되므로, 모든 기판이 균일하게 처리될 뿐만 아니라, 하나의 기판의 전체면이 균일하게 처리되는 효과가 있다.
Description
본 발명은 박막형 태양전지의 CIGS층 형성장치에 관한 것이다.
오늘날, 고갈되어 가는 화석 연료에 대한 의존도를 줄이기 위해, 고갈될 염려가 없을 뿐만 아니라 친환경적인 태양에너지를 활용하는 태양전지(Solar Cell)에 대한 연구 개발이 활발히 진행 중이다.
이러한 연구 개발의 일환으로, 태양광의 흡수율이 높고, 태양광 또는 방사선에 대한 열화 현상이 적으며, 박막화가 가능하고, 제작상 재료비를 절감할 수 있는 CIGS{Cu(In1-xGax)Se2} 층이 형성된 박막형 태양전지가 개발되었다.
박막형 태양전지는 유리 등의 기판, 기판 상에 형성된 금속층으로 이루어진 (+)극인 전극층, 전극층 상에 형성되며 광을 흡수하는 p형의 CIGS층, CIGS층 상에 형성된 n형의 버퍼층 및 버퍼층 상에 형성된 (-)극인 투명 전극층을 포함하는 다층 적층 구조이다.
그리하여, 수광부인 투명 전극층을 통하여 태양광이 입사되면, p-n 접합 부근에서는 대략 1.04 eV 의 밴드갭 에너지를 갖는 여기된 한 쌍의 전자 및 정공이 생성된다. 그리고, 여기된 전자와 정공은 확산에 의해 p-n 접합부에 도달하고, 접합부의 내부 전계에 의해 전자가 n 영역에, 정공이 p 영역에 집합하여 분리된다.
그러면, n 영역은 마이너스로 대전되고, p 영역은 플러스로 대전되며, 각 영역에 형성된 전극 간에는 전위차가 생긴다. 그리고, 전위차를 기전력으로 하여 각 전극 사이를 도선으로 연결하면 광전류가 얻어진다. 이것이 태양전지의 원리이다.
박막형 태양전지의 CIGS층을 형성하는 방법은, 기판에 형성된 전극층 상에 Cu/Ga, Cu/In 또는 Cu-Ga/In 중의 어느 하나로 이루어진 전구물질(前購物質, Precursor)을 형성하고, 전구물질을 스퍼터링 등의 방법으로 적층 구조의 전구체막으로 형성한 다음, 전구체막을 셀렌화(selenization)하여 CIGS층을 형성한다.
그리고, 전구체막을 셀렌화하는 방법은 전구체막이 형성된 기판을 밀폐된 챔버에 로딩시키고, 챔버를 불활성가스로 치환한 다음, 챔버에 처리가스인 셀렌화 수소(H2Se)을 도입한 후, 챔버를 일정 온도로 승온시켜 일정 시간 유지하면, 셀렌화된 CIGS층이 형성된다.
종래의 CIGS층 형성장치는 챔버에 로딩된 복수의 기판을 균일하게 처리하기 위하여, 챔버를 기준으로, 수평방향 일측에서 타측으로 분위기 가스를 강제로 순환시킨다. 그러면, 챔버를 기준으로, 상하로 순환되는 분위기 가스의 자연 대류 현상을 이용할 수 없으므로, 상대적으로 챔버의 온도가 부위별로 상이하게 된다. 이로 인해, 기판이 상대적으로 불균일하게 처리되는 단점이 있었다.
CIGS층 형성장치와 관련된 기술은 한국공개특허공보 10-2010-0126854호 등에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점들을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 챔버의 분위기 가스를 상하측으로 강제 순환시킴으로써, 기판을 균일하게 처리할 수 있는 CIGS층 형성장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 CIGS층 형성장치는, 복수개의 기판이 로딩되어 처리되는 챔버를 제공하는 벽체(壁體); 상기 벽체의 하면에 승강가능하게 설치되어 상기 챔버를 개폐하는 도어; 상기 도어측에 지지되어 상기 도어와 함께 승강하며, 복수개의 상기 기판이 상호 간격을 가지면서 상하로 기립된 상태로 지지 보관되는 보트; 상기 보트 하측의 상기 도어측에 설치되어 상기 도어와 함께 승강하며 상기 기판들을 통과한 상기 챔버의 분위기 가스를 흡입하여 외측으로 배출한 다음 상측으로 순환시키는 제 1 팬; 상기 보트 상측의 상기 벽체에 설치되며 상기 챔버의 분위기 가스를 자신의 외측에서 중앙부측으로 흡입한 다음 상기 기판이 위치된 하측으로 배출시키는 제 2 팬을 포함한다.
본 발명에 따른 CIGS층 형성장치는, 챔버에 복수의 기판이 상호 간격을 가지면서 수직으로 기립 설치되고, 제 1 및 제 2 팬이 챔버의 분위기 가스를 상하측으로 강제로 순환시킨다. 즉, 챔버의 분위기 가스는 자연 대류에 의하여 순환함과 동시에, 제 1 및 제 2 팬에 의하여 자연 대류의 방향과 동일한 방향으로 강제로 순환된다. 따라서, 챔버의 모든 부위에 걸쳐서 챔버의 분위기 가스가 균일하게 순환될 뿐만 아니라, 기판을 처리하기에 충분한 양의 챔버의 분위기 가스가 모든 기판으로 공급되므로, 모든 기판이 균일하게 처리될 뿐만 아니라, 하나의 기판의 전체면이 균일하게 처리되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS층 형성장치의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 CIGS층 형성장치의 일부 절개 사시도.
도 3은 도 1에 도시된 CIGS층 형성장치의 도어가 하강한 상태를 보인 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 도어 부위의 확대 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 CIGS층 형성장치의 일부 절개 사시도.
도 3은 도 1에 도시된 CIGS층 형성장치의 도어가 하강한 상태를 보인 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 도어 부위의 확대 사시도.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시하여 도시한 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 상호 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 특정 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미가 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에 도시된 실시예들의 길이, 면적, 두께 및 형태는, 편의상, 과장되어 표현될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS층 형성장치를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS층 형성장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 CIGS층 형성장치의 일부 절개 사시도이며, 도 3은 도 1에 도시된 CIGS층 형성장치의 도어가 하강한 상태를 보인 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 도어 부위의 확대 사시도이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 CIGS층 형성장치는 유리 등의 기판(50)이 로딩되어 처리되는 챔버(110a)를 제공하는 스테인리스 스틸로 형성된 벽체(壁體)(110)를 포함한다. 벽체(110)는 수직으로 기립 설치되며 챔버(110a)가 형성된 내부벽체(111), 내부벽체(111)의 상면과 측면을 감싸는 형태로 설치되며 내부벽체(111)의 외면과 간격을 가지는 외부벽체(115)를 가진다.
내부벽체(111)의 하면 테두리부측에는 외측으로 돌출된 플랜지부(112)가 형성되고, 외부벽체(115)의 하면은 플랜지부(112)에 밀폐 결합된다. 내부벽체(111)와 외부벽체(115) 사이의 공간에는 질소 가스가 유입될 수 있다. 질소 가스는 챔버(110a)로 유입된 후술할 셀렌화 수소(H2Se)가 내부벽체(111)와 외부벽체(115) 사이로 누설되었을 때, 셀렌화 수소를 희석시킨다.
내부벽체(111)와 외부벽체(115)의 사이에는 히터(미도시)가 설치될 수 있다. 상기 히터는 내부벽체(111)의 외면을 소정 온도로 가열하여 내부벽체(111)의 내면과 외면이 상이하게 열팽창되어 변형되는 것을 방지한다.
내부벽체(111)의 하면에는 출입구(113)가 형성되고, 출입구(113)에는 도어(120)가 승강가능하게 설치된다. 도어(120)는 내부벽체(111)의 하측에 설치된 실린더 등과 같은 승강수단(미도시)에 의하여 승강하면서 출입구(113)를 개폐한다.
도어(120)에 의하여 출입구(113)가 완전하게 실링되도록 도어(120)의 테두리부측에는 링형상을 이루는 안치홈이 형성되고, 상기 안치홈에는 출입구(113)와 인접한 내부벽체(111)의 하면 부위에 밀착되는 실링부재(121)가 삽입 안치된다.
실링부재(121)가 내부벽체(111)의 하면에 더욱 밀착되도록 하기 위하여, 도어(120)의 하측에는 지지판(123)이 설치되고, 지지판(123)과 도어(120) 사이에는 탄성부재(125)가 개재된다.
상세히 설명하면, 지지판(123)은 상기 승강수단에 지지되고, 지지판(123)과 도어(120)는 탄성부재(125)를 매개로 상호 연결된다. 그러면, 상기 승강수단에 의하여 지지판(123)이 상승하면, 지지판(123)에 의하여 도어(120)가 상승하고, 도어(120)의 상승에 의하여 실링부재(121)가 내부벽체(111)의 하면에 접촉된다. 그런데, 지지판(123)이 상기 승강수단에 지지되어 고정되어 있으므로, 탄성부재(125)의 탄성력에 의하여, 도어(120)는 내부벽체(111)의 하면측으로 탄성 지지된다. 따라서, 실링부재(121)가 내부벽체(111)의 하면에 더욱 밀착된다.
도어(120)의 상면에는 단열판(131)이 설치되고, 단열판(131)의 상측에는 복수의 히터(133)가 지지 결합된 투명한 열전달판(135)이 설치된다. 히터(133)와 열전달판(135)은 기판(50)을 처리하기 위하여 챔버(110a)로 유입된 분위기 가스를 소정 온도로 가열한다.
복수의 히터(133)는 상호 상이한 직경을 가지는 대략 링형상으로 형성되어 동심을 이루면서 배치된다. 그리고, 상호 결합되어 하나의 세트를 이루는 히터(133)와 열전달판(135)은 상하로 간격을 가지면서 적층된 형태로 설치된다.
열전달판(135)은 히터(133)로부터 복사열을 전달받아 챔버(110a)로 전달함과 동시에 히터(133)에서 발생된 광을 투과시킨다. 따라서, 챔버(110a)의 분위기 가스는 단면적이 넓은 열전달판(135)과 히터(133)에서 조사된 광에 의하여 가열되므로, 신속하게 가열될 수 있다.
내부벽체(111)의 내부에도 히터(133)와 동일한 기능을 하는 복수의 히터(137)가 설치될 수 있다. 히터(137)는 바 형상으로 마련되어 기립 설치된다.
기판(50)은 상하로 기립된 형태로 복수개가 상호 간격을 가지면서 보트(140)에 지지되어 챔버(110a)에 로딩되어 처리된다. 보트(140)는 상하면이 개방되며 내면에는 기판(50)의 테두리부측이 삽입 지지되는 지지홈(미도시)이 형성된다.
지지판(123), 도어(120), 단열판(131), 히터(133), 열전달판(135) 및 보트(140)는 함께 승강한다.
전극층과 Cu/Ga, Cu/In 또는 Cu-Ga/In 중의 어느 하나로 이루어진 전구물질(前購物質, Precursor)에 의한 전구체막이 형성된 기판(50)을 보트(140)에 지지시킨 다음, 보트(140)를 열전달판(135)의 상측에 탑재 지지시킨다. 그 후, 지지판(123)을 상승시키면, 보트(140)가 챔버(110a)에 위치되고, 챔버(110a)는 밀폐된다. 이러한 상태에서, 챔버(110a)에 질소 가스를 유입한 다음, 셀렌화 가스(H2Se)를 주입하여 소정 온도에서 CIGS층을 형성하고, CIGS층 형성한 다음에는 또 다른 소정 온도에서 황화 가스(H2S)를 주입하여 기판(50)을 처리한다.
CIGS층을 형성할 때, 챔버(110a)의 분위기 가스가 복수의 기판(50)으로 균일하게 전달됨과 동시에, 하나의 기판(50)의 전체면에 균일하게 전달되어야 기판(50)이 균일하게 처리된다.
이를 위하여, 본 실시예에 따른 CIGS층 형성장치에는 챔버(110a)의 분위기 가스를 상하측으로 순환시키기 위한 제 1 및 제 2 팬(151, 161)이 설치된다. 제 1 팬(151)과 제 2 팬(161)은 보트(140)를 사이를 두고 상호 대향하는 것이 바람직하다.
제 1 팬(151)은 시로코 팬(Siroco Fan)으로 마련되고, 도어(120) 측에 지지 설치되어 기판(50)의 하단면(下端面)이 위치된 보트(140)의 직하방에 일측면이 대향되게 위치되며, 도어(120)와 함께 승강한다. 제 1 팬(151)은 챔버(110a)의 분위기 가스를 기판(50)의 하부측과 대향하는 부위인 자신의 일측면측으로 흡입한 다음 자신의 외주면측 방향인 외측으로 배출시켜 챔버(100a)의 상측으로 순환시킨다.
제 1 팬(151)과 보트(140) 사이의 도어(120)측 부위에는 챔버(110a)의 분위기 가스가 확산되어 기판(50)을 통과한 후 제 1 팬(151)으로 흡입되도록 안내하는 제 1 확산판(155)이 설치되어 도어(120)와 함께 승강한다.
제 1 확산판(155)은 기판(50)을 통과한 챔버(110a)의 분위기 가스가 어느 일측으로 모이지 않고 확산된 상태로 제 1 팬(151)의 중앙부측으로 흡입되도록 안내한다.
전술한 열전달판(135)은 링형상으로 형성되어 제 1 팬(151)의 외측 부위를 감싸는 형태로 설치된다. 따라서, 제 1 팬(151)에서 배출되는 챔버(110a)의 분위기 가스는 난류를 형성하지 않고 내부벽체(111)의 측면측으로 균일하게 배출된다. 그리고, 제 1 팬(151)에 의하여 내부벽체(111)의 측면측으로 배출된 챔버(110a)의 분위기 가스는 내부벽체(111)의 측면을 타고 상승한다.
챔버(110a)의 분위기 가스는, 제 1 팬(151)을 중심으로, 제 1 팬(151)의 중앙부측으로 많이 흡입되고 제 1 팬(151)의 외주면측으로는 상대적으로 적게 유입된다. 그러면, 보트(140)의 중앙부측에 보관된 기판(50)에 비하여 외측에 보관된 기판(50)으로 챔버(110a)의 분위기 가스가 적게 유입되므로, 기판(50)이 균일하게 처리되지 못할 수 있다.
이를 방지하기 위하여, 본 실시예에 따른 CIGS층 형성장치에는 보트(140) 상측의 내부벽체(115)의 부위에 제 2 팬(161)이 설치된다. 제 2 팬(161)은 축류(Axial-Flow) 팬으로 마련되고, 기판(50)의 상단면(上端面)이 위치된 보트(140)의 직상방에 위치되며, 챔버(110a)의 분위기 가스를 자신의 외주면 외측에서 자신의 중앙부측으로 흡입한 다음 기판(50)의 상단면(上端面)이 위치된 하측으로 배출시킨다.
챔버(110a)의 분위기 가스는 제 2 팬(161)의 중앙부측에서는 하측으로 많이 배출되고 제 2 팬(161)의 외주면측에서는 하측으로 상대적으로 적게 배출된다.
전술한 제 1 팬(151)의 외주면측으로 흡입되는 챔버(100a)의 분위기 가스가 상대적으로 적고, 제 2 팬(161)의 외주면측에서 배출되는 챔버(100a)의 분위가 가스가 상대적으로 적다. 그러나, 제 1 및 제 2 팬(151, 161)에 의하여 전체적으로 제 1 팬(151)의 외주면측으로 흡입되고 제 2 팬(161)의 외주면측에서 배출되는 챔버(100a)의 분위기 가스는 제 1 및 제 2 팬(151, 161)의 외주면측과 대향하는 보트(140)의 외측 부위에 보관된 기판(50)을 처리하기에는 충분한 양이므로, 기판(50)이 균일하게 처리된다.
제 2 팬(161)과 보트(140) 사이의 내부벽체(111)에는 챔버(110a)의 분위기 가스가 확산되어 기판(50)들 사이로 유입되도록 안내하는 제 2 확산판(165)이 설치될 수 있다.
본 실시예에 따른 CIGS층 형성장치는 챔버(110a)에 복수의 기판(50)이 상호 간격을 가지면서 수직으로 기립 설치되고, 제 1 및 제 2 팬(151, 161)이 챔버(110a)의 분위기 가스를 상하측으로 강제로 순환시킨다. 즉, 챔버(110a)의 분위기 가스는 자연 대류에 의하여 순환함과 동시에, 제 1 및 제 2 팬(151, 161)에 의하여 자연 대류의 방향과 동일한 방향으로 강제로 순환된다. 따라서, 챔버(110a)의 모든 부위에 걸쳐서 챔버(110a)의 분위기 가스가 균일하게 순환될 뿐만 아니라, 기판(50)을 처리하기에 충분한 양의 챔버(110a)의 분위기 가스가 모든 기판(50)으로 공급되므로, 모든 기판(50)이 균일하게 처리될 뿐만 아니라, 하나의 기판(50)의 전체면이 균일하게 처리된다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하여 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
110: 벽체
120: 도어
151: 제 1 팬
155: 제 1 확산판
161: 제 2 팬
165: 제 2 확산판
120: 도어
151: 제 1 팬
155: 제 1 확산판
161: 제 2 팬
165: 제 2 확산판
Claims (7)
- 복수개의 기판이 로딩되어 처리되는 챔버를 제공하는 벽체(壁體);
상기 벽체의 하면에 승강가능하게 설치되어 상기 챔버를 개폐하는 도어;
상기 도어측에 지지되어 상기 도어와 함께 승강하며, 복수개의 상기 기판이 상호 간격을 가지면서 상하로 기립된 상태로 지지 보관되는 보트;
상기 보트 하측의 상기 도어측에 설치되어 상기 도어와 함께 승강하며 상기 기판들을 통과한 상기 챔버의 분위기 가스를 흡입하여 자신의 외주면측으로 배출한 다음 상기 벽체의 상측으로 순환시키는 제 1 팬;
상기 보트 상측의 상기 벽체에 설치되며 상기 챔버의 분위기 가스를 자신의 중앙부측으로 흡입한 다음 상기 기판이 위치된 하측으로 배출시키는 제 2 팬;
상기 도어측에 지지되어 상기 도어와 함께 승강하고, 상기 제 1 팬을 감싸는 형태로 설치되며, 상기 제 1 팬에서 배출되는 상기 챔버의 분위기 가스가 상기 제 1 팬의 외측으로 배출되도록 안내함과 동시에 상기 챔버의 분위기 가스를 가열하기 위한 히터가 지지되는 열전달판을 포함하는 것을 특징으로 하는 CIGS층 형성장치. - 제1항에 있어서,
상기 제 1 팬은 시로코 팬(Siroco Fan)으로 마련되고, 상기 제 2 팬은 축류 팬인 것을 특징으로 하는 CIGS층 형성장치. - 제2항에 있어서,
상기 보트의 상면과 하면은 개방되고,
상기 제 1 팬과 상기 제 2 팬은 상기 보트를 사이를 두고 상호 대향하는 것을 특징으로 하는 CIGS층 형성장치. - 제3항에 있어서,
상기 제 1 팬과 상기 보트 사이의 상기 도어측 부위에는 상기 챔버의 분위기 가스가 확산되어 상기 기판들을 통과한 후 상기 제 1 팬으로 흡입되도록 안내하는 제 1 확산판이 설치되어 상기 도어와 함께 승강하고,
상기 제 2 팬과 상기 보트 사이의 상기 벽체에는 상기 챔버의 분위기 가스가 확산되어 상기 기판들 사이로 유입되도록 안내하는 제 2 확산판이 설치된 것을 특징으로 하는 CIGS층 형성장치. - 제1항에 있어서,
상기 열전달판은 상하로 간격을 가지면서 복수개 배치되고,
상기 히터는 상기 열전달판에 각각 지지된 것을 특징으로 하는 CIGS층 형성장치. - 제1항에 있어서,
상기 벽체는 상기 챔버를 형성하는 내부벽체와 상기 내부벽체의 상면과 측면을 감싸는 형태로 설치되어 상기 내부벽체의 외면과 간격을 가지는 외부벽체를 포함하고,
상기 내부벽체의 하면에는 상기 도어에 의하여 개폐되는 출입구가 형성되며,
상기 도어의 상면 테두리부측에는 상기 출입구와 인접한 상기 내부벽체의 하면 부위에 밀착되어 상기 챔버를 실링하는 실링부재가 설치된 것을 특징으로 하는 CIGS층 형성장치. - 제6항에 있어서,
상기 도어의 하측에는 상기 벽체의 외측에 마련된 승강수단에 지지되어 상기 승강수단에 의하여 승강하면서 상기 도어를 승강시키는 지지판이 설치되고,
상기 지지판과 상기 도어 사이에는 상기 지지판과 상기 도어를 상호 연결함과 동시에 상기 도어를 상기 내부벽체의 하면측으로 탄성 지지하는 탄성부재가 설치된 것을 특징으로 하는 CIGS층 형성장치.
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