KR101411377B1 - 박막형 태양전지 제조용 선택적 박막 제거 장치 - Google Patents

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Abstract

기판 위의 박막층 상부에 마련되어 상기 박막층을 선택적으로 제거하는 박막형 태양전지 제조용 선택적 박막 제거 장치가 개시된다. 개시된 선택적 박막 제거 장치는, 상기 박막층에 접촉하여 이동함으로써 일정한 폭으로 박막 제거 라인을 형성하는 박막 제거 공구와, 상기 박막 제거 공구를 상하 이동시키며, 상기 박막 제거 공구가 상기 박막층에 가하는 압력을 일정하게 하게 유지시키는 엑츄에이터와, 상기 액츄에이터에 결합되는 것으로, 상기 박막 제거 공구가 장착되는 공구 홀더를 포함한다. 여기서, 상기 공구 홀더는 상기 박막층의 표면 기울기 변화에 대응하여 상기 박막 제거 공구를 회전시킴으로써 상기 박막 제거 공구와 상기 공구 홀더가 접촉하는 접촉 라인 전체에 대해 균일한 접촉력을 유지시킨다.

Description

박막형 태양전지 제조용 선택적 박막 제거 장치{Selective thin film removing apparatus for fabricating thin film solar cell}
본 발명은 선택적 박막 제거 장치에 관한 것으로, 상세하게는 박막형 태양전지 제조 공정 중에서 전극 접착면을 형성하기 위해 박막을 선택적으로 제거하는 선택적 박막 제거 장치에 관한 것이다.
태양전지는 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 소자로서, 대표적인 것으로는, 태양전지용 실리콘 웨이퍼를 사용하는 결정형 태양전지와 태양광을 전기에너지로 변환하는 물리적 특성을 갖는 물질을 박막 형태로 구성하는 박막형 태양전지가 현재 상용화된 제품의 대부분을 차지하고 있다. 박막형 태양전지 종류 중에 하나인 CIGS(CuInGaSe2) 계의 박막형 태양전지는 일반적으로 기판 상에 Mo 전극층, CIGS층, 버퍼층 및 투명 전극층이 순차적으로 증착된 구조를 가지고 있다. 이러한 박막형 태양전지를 제조하는데 있어서, 전기적으로 직렬 구조가 되도록 필요한 막을 얇게 형성해주는 증착 공정과 박막을 절단하여 분리시키는 스크라이빙 공정 등을 수행하여 태양전지 셀을 제조한 다음, 모듈로 만들기 위한 과정으로 외부와의 전기적 연결을 위한 전극 접착면을 형성하기 위하여 직렬 구조의 양 끝부분에 일정한 폭으로 금속막 만을 남기고 그 위의 모든 물질을 제거하는 공정이 필요하다. 이러한 공정을 수행하기 위해 예를 들면 일자형 돌출부를 가지는 끌과 같은 공구를 이용하여 공구와 박막 간에 기계적인 밀착력을 가하면서 상대운동을 하도록 하여 박막 부분을 긁어서 물질을 제거한다. 한편, 박막면이 완전 평탄한 상태를 유지하지 못하고 매우 작은 각도의 표면 기울기를 갖는 경우에도, 박막을 일정한 폭으로 제거하기 위해서 단단한 공구가 이동하면서 지속적으로 공구와 박막 사이의 접촉 라인 전체에 대해 균일한 접촉력을 유지하는 것은 어려운 일이며, 또한 많은 경우에 있어서 박막 제거 라인의 폭이 변동되거나 또는 박막이 제거된 표면이 불균일해지는 문제가 발생될 수 있다.
본 발명의 실시예는 박막형 태양전지 제조용 선택적 박막 제거 장치에 있어서, 박막면의 평탄도가 변하여도 가공 중 박막 제거 공구와 박막면 간의 접촉력을 접촉 라인 전체에 걸쳐 균일하게 유지시킬 수 있는 박막형 태양전지 제조용 선택적 박막 제거 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서,
기판 상의 박막층 상부에 마련되어 상기 박막층을 선택적으로 제거하는 박막형 태양전지 제조용 선택적 박막 제거 장치에 있어서,
상기 박막층에 접촉하여 이동함으로써 일정한 폭으로 박막 제거 라인을 형성하는 박막 제거 공구;
상기 박막 제거 공구를 상하 이동시키며, 상기 박막 제거 공구가 상기 박막층에 가하는 압력을 일정하게 하게 유지시키는 엑츄에이터; 및
상기 액츄에이터에 결합되는 것으로, 상기 박막 제거 공구가 장착되는 공구 홀더;를 포함하며,
상기 공구 홀더는 상기 박막층의 표면 기울기 변화에 대응하여 상기 박막 제거 공구를 회전시킴으로써 상기 박막 제거 공구와 상기 공구 홀더가 접촉하는 접촉 라인 전체에 대해 균일한 접촉력을 유지시킬 수 있다.
여기서, 상기 박막 제거 공구가 장착되는 상기 공구 홀더의 내측에는 베어링이 마련될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 선택적 박막 제거 공구의 높낮이 이동을 액츄에이터를 이용하여 조절하고, 기판 상의 박막층에 박막 제거 공구의 접촉 길이 전체를 따라 가하는 압력을 일정하고 균일하게 유지할 수 있다. 따라서, 선택적 박막 제거 공정에 의해 형성되는 박막 제거 라인의 폭을 일정하게 하며 길이 및 폭을 따라 박막 제거 면의 품질을 균일하게 할 수 있다.
도 1은 일반적인 CIGS 계의 박막형 태양전지 모듈의 평면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 본 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 박막형 태양전지 제조용 선택적 박막 제거 장치의 사시도이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 박막형 태양전지 제조용 선택적 박막 제거 장치의 박막 제거 공구 및 공구 홀더를 도시한 사시도 및 절개도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 일반적인 CIGS 계의 박막형 태양전지의 평면도이며, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(110) 상에 Mo 전극층(112), CIGS(CuInGaSe2)층(114), 버퍼층(116) 및 투명 전극층(118)이 순차적으로 적층되어 있다. 여기서, 상기 버퍼층(116)으로는 예를 들면 CdS층 또는 ZnS층 등이 사용될 수 있으며, 투명 전극층(118)으로는 예를 들면, ITO층 등이 사용될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않고 다른 다양한 물질들이 사용될 수 있다. 이와 같은 구조의 박막 태양전지를 제조하기 위해서, 기판(110) 상에 Mo 전극층(112)을 형성한 다음, 패터닝에 의해 상기 Mo 전극층(112)에 기판(110)을 노출시키는 제1 스크라이빙 라인(P1)을 형성한다. 다음으로, 상기 패터닝된 Mo 전극층(112)을 덮도록 CIGS층(114) 및 버퍼층(116)을 순차적으로 증착한다. 그리고, 스크라이빙 공정에 의해 상기 버퍼층(116) 및 CIGS층(114)에 Mo 전극층(112)을 노출시키는 제2 스크라이빙 라인(P2)을 형성한다. 이어서, 상기 버퍼층(116)을 덮도록 투명 전극층(118)을 형성한 다음, 스크라이빙 공정에 의해 상기 투명 전극층(118), 버퍼층(116) 및 CIGS층(114)에 Mo 전극층(112)을 노출시키는 제3 스크라이빙 라인(P3)을 형성한다. 도 1 및 도 2에는 제1, 제2 및 제3 스크라이빙 라인(P1,P2,P3)은 x 방향에 나란하게 형성된 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 이와 같은 공정으로 제작된 박막형 태양전지를, 외부로의 전기적인 연결 단자를 형성하며, 외부영향으로부터 태양전지를 보호하기 위하여 모듈로 제작하는 공정이 필요하다. 이를 위하여, 위에서 설명한 공정으로 제작된 태양전지의 양쪽 가장자리 부분에 x방향을 따라 일정한 폭으로 전극을 부착하기 위한 면을 형성하기 위해서 태양전지의 양측 가장자리 부분을 Mo 층만을 남기고 제거하는 선택적 박막 제거 공정이 필요하다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 박막형 태양전지 제조용 선택적 박막 제거 장치의 사시도이다. 그리고, 도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 박막형 태양전지 제조용 선택적 박막 제거 장치의 박막 제거 공구 및 공구 홀더를 도시한 사시도 및 절개도이다.
본 실시 예에 따른 태양전지 제조용 선택적 박막 제거 장치(200)는 기판(도 2의 110) 상의 박막층 상부에 마련되어 상기 박막층에 일정한 폭으로 박막을 제거하는 작업을 수행한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 태양전지 제조용 선택적 에칭장치(200)는 박막층에 접촉하여 이동함으로써 박막층을 선택적으로 제거하는 박막 제거 공구(etching tool,220)과, 상기 박막 제거 공구의 상하 이동을 조절하는 엑츄에이터(210)를 포함한다.
상기 박막 제거 공구(220)는 기판(도 2의 110) 상에 형성된 박막층(예를 들면, 버퍼층(116) 또는 투명 전극층(118)))에 접촉하여 이동함으로써 선택적으로 박막층을 벗겨낸다. . 상기 박막 제거 공구(220)는 예를 들면, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 일자형 돌출부를 가질 수 있다. 이와 같이, 박막 제거 공구(220)의 일자형 돌출부가 박막층에 접촉하게 되면, 상기 박막 제거 공구(220)와 상기 박막층 사이에는 일자형 돌출부에 대응하는 접촉라인이 형성된다. 이어서, 상기 박막 제거 공구(220)가 박막층에 일정한 압력을 가하면서 이동하게 되면 박막층이 일정한 폭으로 벗겨지면서 기판을 노출시키는 박막 제거 라인이 형성된다. 여기서, 상기 박막 제거 라인은 박막 제거 공구와 박막층이 접촉하는 접촉 라인의 길이에 해당되는 폭으로 형성될 수 있다.
상기 기판(110)으로는 박막형 태양전지용 기판으로서 일반적으로 유리 기판이 사용되며, 이외에도 다양한 재질의 기판이 사용될 수 있다. 그리고, 본 실시예에서 선택적 박막 제거 작업을 통해 형성되는 박막 제거 라인은, 투명 전극층(118), 버퍼층(116) 및 CIGS층(114)을 통해 Mo 전극층(112)을 일정한 폭으로 균일하게 노출시키게 된다.
상기 액츄에이터(210)는 영구자석의 자기장 내에서 코일의 유도 자기력에 의해 생기는 로렌츠(Lorenz) 힘을 이용하는 전자식 방식의 액츄체이터나 공압을 일정하게 제어하는 방식의 공압식 액츄에이터가 사용될 수 있다. 이러한 액츄에이터(210)는 비교적 짧은 거리를 정밀하게 직선 운동시켜 주는 시스템에 유용하게 적용될 수 있다. 따라서, 이와 같은 방식의 액츄에이터(210)를 이용하게 되면 상기 박막 제거 공구(220)의 상하 직선 운동을 보다 정밀하게 제어할 수 있다. 즉, 상기 액츄에이터(210)는 입력된 데이터에 의해 상기 박막 제거 공구(220)를 박막층 쪽으로 이동시켜 접촉시킨 후 박막 제거 공구(220)가 박막층에 일정한 압력을 가하도록 할 수 있다.
상기 박막 제거 공구(220)는 공구 홀더(230)에 장착되며, 여기서, 상기 박막 제거 공구(220)와 상기 공구 홀더(230)는 상대적으로 회전 운동이 가능한 구조로 구성되어 있다. 이를 위해, 상기 박막 제거 공구(220)가 장착되는 공구 홀더(230)의 내측에는 후술하는 바와 같이 상기 박막 제거 공구(220)의 원활한 회전을 위해 베어링이 마련될 수 있다. 일반적으로, 베어링이라 함은 회전하고 있는 기계의 축을 일정한 위치에 고정시키고 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축을 회전시키는 역할을 하는 기계요소를 의미한다.
도 5a 및 도 5b는 도 3 및 도 4의 박막 제거 장치에 도시된 박막 제거 공구(220) 및 공구 홀더(230)를 도시한 사시도 및 절개도이다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 상기 박막 제거 공구(220)는 공구 홀더(230) 내에 장착되며, 상기 박막 제거 공구(220)가 장착되는 상기 공구 홀더(230)의 내측에는 베어링(230a)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 공구 홀더(230) 내에 장착된 베어링(230a)은 박막 제거 공구(220)를 일정한 위치에 유지시키면서 회전시키는 역할을 한다. 이러한 역할을 하는 베어링(230a)은 볼 베어링, 저널 베어링 또는 니들 베어링 등을 포함할 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에서는 상기 박막 제거 공구(220)가 박막층과 접촉하여 이동하는 과정에서 박막층의 표면 기울기에 따라 접촉각이 변하게 되는 경우에도 박막 제거 공구(220)가 접촉각의 변화에 대응하여 회전함으로써 박박 제거 중에도 박막 제거 공구가 박막층과 접촉하는 접촉 라인 전체에 대해접촉력이 균일하게 유지될 수 있다. 한편, 이러한 공구 홀더(230)는 액츄에이터(210)에 의해 상하 이동하도록 설치된 지지대(240)에 의해 지지될 수 있다. 한편, 상기 액츄에이터(210)는 액츄에이터 콘트롤러(250)에 의해 제어될 수 있다. 박막형 태양전지의 제조 공정에서, 상기와 같은 구조의 선택적 박막 제거 장치(200)를 이용하여 기판(도 2의 110) 상에 형성된 박막층(예를 들면, 도 2에서의 버퍼층(116) 또는 투명 전극층(118)))에 박막 제거 라인을 형성하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 본 실시예에 따른 선택적 박막 제거 장치(200)를 기판(110) 상에 형성된 박막층 위에 마련한다. 다음으로, 상기 액츄에이터(210)에 소정의 데이터가 입력되면, 상기 액츄에이터(210)는 구동하여 지지대(230) 및 공구 홀더(230)를 통해 상기 박막 제거 공구(220)를 박막층 쪽(즉, 도 1의 -z 방향)으로 하강시킨다. 이어서, 상기 박막 제거 공구(220)는 박막층에 접촉하면서 상기 박막층에 일정한 압력을 가하게 된다. 여기서, 상기 박막 제거 공구(220)가 박막층에 가하는 압력은 액츄에이터(210)에 입력되는 데이터 값에 의해 결정된다. 상기 입력 데이터 값은 캘리브레이션(calibration)을 통해 박막 제거 공구(220)가 원하는 박막 제거 라인을 형성하는데 가장 적정한 압력을 선택함으로써 결정된다. 예를 들면, 기판(110) 상에 Mo 전극층(112), CIGS층(114), 버퍼층(116) 및 투명 전극층(118)을 형성한 다음, 상기 박막 제거 공구(220)가 Mo 전극층(112)을 손상시키지 않으면서 투명 전극층(118), 버퍼층(116) 및 CIGS층(114) 만을 정확히 벗겨낼 정도의 압력이 캘리브레이션을 통해 결정될 수 있다.
그리고, 이렇게 결정된 압력값이 액츄에이터 제어기에 입력되면 액츄에이터(210)는 박막 제거 공구(220)를 하강시켜 원하는 압력으로 박막층에 접촉하게 한다. 그리고, 이 상태에서, 상기 기판(110)을 소정 방향, 예를 들면 도 1에서 x 방향 쪽으로 이동시키게 되면, 박막 제거 공구(220)가 일정한 폭으로 박막층을 벗겨 내면서 Mo 전극층(112)을 노출시켜서 전극을 접착하기 위한 박막 제거 라인을 형성할 수 있다. 이 과정에서 박막층의 표면 기울기가 변화하여도 상기 박막 제거 공구(220)는 표면 기울기의 변화에 대응하여 회전함으로써 박막 제거 중에도 박막 제거 공구(220)와 박막층이 접촉하는 접촉 라인 전체에 대해 접촉력이 균일하게 유지될 수 있고, 이에 따라, 일정한 폭의 박막 접촉 라인을 균일하게 형성할 수 있다. 여기서, 박막 제거 라인의 폭은 박막 제거 공구(220)와 박막층이 접촉하는 접촉 라인의 길이에 대응한다. 한편, 기판(110)이 고정되고 선택적 박막 제거 장치(200)가 이동하는 것도 가능하다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예에 따른 선택적 박막 제거 장치(200)는 박막 제거 공구(220)의 압력을 정밀하게 제어할 수 있는 액츄에이터(210)를 적용함으로써 기판 상에 원하는 형태의 박막 제거 라인들을 정확하고 재현성 있게 형성할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
P1... 제1 스크라이빙 라인 P2... 제2 스크라이빙 라인
P3... 제3 스크라이빙 라인 110... 기판
112... Mo 전극층 114... CIGS층
116... 버퍼층 118... 투명 전극층
200... 선택적 박막 제거 장치 210... 액츄에이터
220... 박막 제거 공구 230... 공구 홀더
240... 지지대 250... 액츄에이터 컨트롤러

Claims (2)

  1. 기판 상의 박막층 상부에 마련되어 상기 박막층을 선택적으로 제거하는 박막형 태양전지 제조용 선택적 박막 제거 장치에 있어서,
    상기 박막층에 접촉하여 이동함으로써 일정한 폭으로 박막 제거 라인을 형성하는 박막 제거 공구;
    상기 박막 제거 공구를 상하 이동시키며, 상기 박막 제거 공구가 상기 박막층에 가하는 압력을 일정하게 하게 유지시키는 액츄에이터; 및
    상기 액츄에이터에 결합되는 것으로, 상기 박막 제거 공구가 장착되는 공구 홀더;를 포함하고,
    상기 공구 홀더 및 상기 박막 제거 공구는 상기 액츄에이터의 구동 방향에 대해 기울어지게 마련되고, 상기 박막 제거 공구가 장착되는 상기 공구 홀더의 내측에는 베어링이 마련됨으로써
    상기 박막 제거 공구가 상기 베어링에 의해 상기 박막층의 표면 기울기 변화에 대응하여 회전함으로써 상기 박막층에 접촉하는 상기 박막 제거 공구의 접촉 라인 전체에 대해 접촉력을 균일하게 유지하여 상기 박막층을 폭 방향으로 균일한 두께로 제거하는 박막형 태양전지 제조용 선택적 박막 제거 장치.
  2. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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