KR101653156B1 - 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널 및 그 제작방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 패널 및 그 제작방법에 관한 것으로서, 본 발명의 목적은 다중접합 박막으로 이루어져 곡면형의 물체에 구비하기 용이하며, 제조 과정에서 잔류응력이 형성되도록 하여 실제 사용 시에 추가적인 인장 응력이 발생하지 않도록 함으로써 얇은 두께에 비해 파손 위험을 낮출 수 있는, 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널 및 그 제작방법을 제공함에 있다.
Description
본 발명은 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널 및 그 제작방법에 관한 것이다.
최근 국제 정세의 불안정함 등으로 인하여 세계적으로 정찰 등을 이용한 정보 수집 능력 향상에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 정보 수집을 위해 널리 사용되는 것으로 첩보 위성, 정찰기 등이 있는데, 그 중 위성의 경우 상당히 넓은 면적에 걸쳐 감시가 가능하다는 장점이 있는 반면 다음과 같은 단점들이 있다. 먼저 첩보 위성의 경우 정지 궤도 위성은 위성의 고도가 너무 높아 충분한 정보를 얻기 어렵고, 또한 저궤도 위성은 미리 결정된 궤적을 따라 움직이기 때문에 필요한 순간에 원하는 위치에 있지 않은 경우 활용이 불가능한 문제가 있다. 특히 급변하는 정세에 따라 적시에 적소에서 정보를 수집할 수 있는 능력이 더욱 중요해지고 있는 실정에서, 정찰기의 활용도가 더욱 높아지고 있다.
이처럼 필요한 시점, 필요한 장소에서의 정확한 정찰 활동을 위해 고고도용(High-Altitude) 비행체의 개발 및 제작이 꾸준히 이루어져 오고 있다. 고고도란 13.7km(45,000ft) 이상의 고도를 일컫는 것이다. 일반적으로 저고도(~6km)에서는 육안을 활용하여 비행하며, 중고도(6~13.7km)에서는 육안에 의존하는 것이 아닌 계기비행이 이루어지는데, 국제선 항공기 등이 대부분 이 중고도에서 운행한다. 또한 군사적 목적으로 사용되는 무인기 중에서도 정밀 폭격용 등으로 사용되는 무인기도 중고도에서 운행한다. 상술한 고고도용 정찰기의 경우 이러한 중고도보다 높은 성층권에서 운행하기 때문에 민간 항공기, 군사적 목적의 무인기 등과의 충돌 또는 위치 노출 등과 같은 문제가 생길 우려가 없다.
정찰용의 고고도용 비행체는 일반적으로 무인기 형태로 제작되며, 효율적인 정찰 업무 수행을 위해서는 가능한 한 장기 체공이 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 그런데 현재까지 개발된 고고도 장기체공 무인기의 경우 체공시간이 최대 36시간 정도에 불과하며 운용비용도 막대하게 발생하는 단점이 있어, 이를 개선시키기 위한 연구 노력이 활발하게 이루어지고 있다. 현재 가장 높은 효율을 얻을 수 있는 에너지원은 화석 연료인데, 화석 연료를 사용할 경우 연료량이 많을수록 체공 시간이 늘어날 수는 있겠으나 반면 부피 및 중량의 상승으로 인하여 오히려 추력이 떨어지게 되는 등의 악영향도 있어, 개선 노력에 한계가 존재하는 실정이다.
한편, 이러한 문제들을 극복하기 위하여 항공기 날개에 태양 전지를 부착하여 비행 중에 지속적으로 태양 에너지를 공급받을 수 있도록 하려는 연구가 이루어지고 있다. 상술한 바와 같이 고고도용 비행체의 경우 성층권보다 높은 고도에서 비행이 이루어지므로 태양 에너지의 공급이 매우 원활하게 이루어질 수 있으며, 비행 중 추가적으로 연료를 공급하기 위하여 특정 장소로 회항하여 착륙해야 한다거나 하는 불편함을 근본적으로 제거할 수 있는 등, 매우 효과적인 해결책으로 여겨지고 있다. 이러한 연구의 일환으로, 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0079641호("무인 항공기의 태양전지 날개", 한국항공우주연구원, 2014.06.27.) 등과 같은 기술이 개시되고 있다.
한편 비행체의 경우 공기저항을 줄이기 위해서 그 외형이 전체적으로 부드러운 곡면 형태로 이루어진다. 특히 비행체의 날개는 양력을 이용하여 실질적인 비행이 가능하게 해 주는 부분이기 때문에 더욱 곡면으로 이루어져야 한다. 그런데, 기존의 태양전지 패널은 상당한 두께를 가지고 있어, 곡면에 대응하여 설치하기에 큰 불편함이 있었으며, 더불어 지나친 중량 증가의 문제 또한 가지고 있었다. 이러한 문제를 해소하기 위하여 기존에 비해 두께를 줄임으로써 곡면에 대응하기 용이하며 또한 중량을 줄일 수 있는 곡면형 태양전지의 개발에 대한 요구가 꾸준히 있어 왔다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 다중접합 박막으로 이루어져 곡면형의 물체에 구비하기 용이하며, 내재적 잔류응력(intrinsic residual stress)을 지닌 다중접합 박막에 추가적인 인장 응력이 발생하지 않도록 함으로써 얇은 두께에 비해 파손 위험을 낮출 수 있는, 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널 및 그 제작방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널의 제작방법은, 평판 형상의 웨이퍼(200) 상에 도포된 희생층(210) 상에 광발전(PV, photovoltaics)박막층(110)이 평면 박막 형상의 역변성(IMM, inverted metamorphic) 다중접합(MJ, multi-junction) 박막 형태로 형성되는 광발전박막층 형성단계; 상기 광발전박막층(110)의 노출된 측 면에 후면전극층(112)이 형성되는 후면전극층 형성단계; 상기 광발전박막층(110)의 상기 후면전극층(112)이 형성된 측 면에 캐리어필름(310)이 부착되는 캐리어필름 부착단계; 상기 웨이퍼(200)가 제거된 후, 상기 캐리어필름(310)에 의하여 상기 광발전박막층(110)이 지지되는 상태에서 상기 희생층(210)이 에피택셜 리프트 오프(epitaxial lift-off) 방식으로 제거되어, 상기 희생층(210) 제거에 따라 내재적 잔류응력으로 인하여 상기 광발전박막층(110)이 상기 캐리어필름(310)이 부착된 측을 향해 볼록하게 형성되는 희생층 제거 및 잔류응력 형성단계; 상기 광발전박막층(110)의 상기 희생층(210)이 제거되어 노출된 측 면에 전면전극층(111)이 형성되는 전면전극층 형성단계; 연성필름(320)이 놓여진 평판 형상의 작업대(300) 상에 상기 연성필름(320)과 상기 캐리어필름(310)이 접촉되도록 놓여지고, 상기 작업대(300) 상에 놓인 상기 광발전박막층(110)의 상기 전면전극층(110)이 형성된 측에 접착제가 도포된 보호층(120)이 배치되는 보호층 배치단계; 상기 보호층(120) 측으로부터 롤(350)로 가해지는 인압력에 의하여, 곡률이 형성된 상태의 상기 광발전박막층(110)이 평평해지면서 상기 보호층(120) 및 상기 광발전박막층(110)이 부착되어, 상기 광발전박막층(110)에 압축응력이 형성되는 보호층 부착 및 압축응력 형성단계; 상기 캐리어필름(310)이 제거되는 캐리어필름 제거단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때 상기 태양전지 패널의 제작방법은, 상기 캐리어필름 제거단계 이후에, 상기 광발전박막층(110)의 상기 캐리어필름(310)이 제거된 측 면이 대상물(500)에 부착되는 태양전지 부착단계; 를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 또한 이 때 상기 태양전지 부착단계는, 상기 대상물(500)이 상기 광발전박막층(110) 측을 향해 볼록한 형상으로 형성되어, 상기 광발전박막층(110)에 압축응력이 추가적으로 형성되도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 태양전지 패널의 제작방법은, 상기 광발전박막층(110) 및 상기 보호층(120)의 재질 및 형상이 하기의 수학식을 만족하도록 형성되는 것이 바람직하다.
(여기에서, E1: 상기 광발전박막층(110)의 유효 탄성계수, h1: 상기 광발전박막층(110)의 두께, E2: 상기 보호층(120)의 유효 탄성계수, h2: 상기 보호층(120)의 두께)
또한 이 때 상기 태양전지 패널의 제작방법은, 상기 광발전박막층(110) 및 상기 보호층(120)의 재질 및 형상이 하기의 수학식을 더 만족하도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 캐리어필름(310)은, 열발생필름(thermal release film), UV접착필름(UV adhesive film), 폴리머 필름 상에 점착층이 적층되어 형성되는 다중필름 중 선택되는 어느 하나이되, 상기 폴리머는 폴리이미드, PET, PEN, PC 중 선택되는 어느 하나이며, 상기 점착층은 실리콘 계열 고무층 또는 아크릴릭 계열 고무층 중 선택되는 어느 하나일 수 있다.
또한 상기 연성필름(320)은, 상기 캐리어필름(310)보다 두꺼운 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
또한 본 발명에 의한 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널은, 상술한 바와 같은 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널의 제작방법에 의하여 제작된다.
또한 본 발명에 의한 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널은 비행체의 외부 표면에 부착될 수 있다. 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널이 부착되는 상기 외부 표면은 비행체의 몸체 또는 날개 중 적어도 한 부분일 수 있다.
또한 본 발명에 의한 비행체는 정찰 활동을 위한 고고도용 무인기가 될 수 있다.
본 발명에 의하면, 다중접합 박막으로 이루어짐으로써 두께가 얇게 형성되어 곡면형의 물체에 구비하기 용이한 태양전지를 실현할 수 있는 효과가 있다. 다중접합 박막 태양전지는 서로 다른 격자 상수를 지니는 박막을 다층으로 성장하는 과정 중에 발생하는 내재적 잔류응력(intrinsic residual stress)을 지니고 있다. 이러한 잔류응력을 지닌 다중접합 박막 태양전지를 곡면에 부착하는 경우에 추가적인 인장응력에 의해 쉽게 파손되어 버림으로써 실제 사용 시 태양전지 효율 및 신뢰성을 저하시키는 원인이 되었는데, 특히 본 발명에 의하면 이러한 문제를 제거하는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명에 의하면 기존에 내재적 잔류응력이 있는 태양전지의 제조 과정 중에 추가적인 인장 응력이 발생하지 않도록 함으로써, 얇은 두께를 가져 곡면에 구비하기에 용이하면서도, 기존의 박막형 태양전지에 비해 파손 위험을 훨씬 저감할 수 있는 효과가 있는 것이다.
이처럼 본 발명에 의하면 박막형 태양전지에 있어서 잔류응력이 있도록 제조하여 태양전지의 내구성이 높아지므로, 특히 가혹 환경에서 운행하며 잦은 연료 공급이 어려워 장기 체공을 필요로 하는 고고도용 비행체에 적용하기에 매우 효과적이다. 뿐만 아니라 얇은 두께를 가짐으로써 곡면형의 물체에 부착하기에 용이하며, 물론 얇은 두께로 인하여 중량을 저감하여, 비행체에 적용할 때의 효과를 극대화한다. 물론 고고도용 비행체에의 적용뿐만 아니라, 태양전지를 적용할 수 있는 모든 대상에 대하여 상술한 바와 같은 효과를 얻을 수 있으므로, 기존에 비해 태양전지를 적용할 수 있는 환경 및 대상 범위를 훨씬 넓힐 수 있는 효과 또한 있다.
도 1은 본 발명의 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널의 제작방법의 단계도.
도 2는 본 발명의 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널의 제작방법의 흐름도.
도 2는 본 발명의 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널의 제작방법의 흐름도.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널 및 그 제작방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
먼저 부연하자면, 이하에서는 제작이 완료된 태양전지 패널(100)에 대하여, 태양빛이 조사되는 면을 전면, 그 반대측 면을 후면이라 칭한다. 한편, 태양전지 패널(100)이 제작되는 과정 중에는 공정의 효율성을 위하여 공정대상의 상하가 뒤바뀔 수도 있다. 즉 어떤 공정 중에는 전면이 상측에, 후면이 하측에 배치될 수도 있고, 다른 어떤 공정 중에는 전면이 하측에, 후면이 상측에 배치될 수도 있다. 더불어, 제작이 완료된 태양전지 패널(100)이 반드시 중력 방향에 대해서 수직한 면에 배치되는 것은 아니다. 즉 제작이 완료된 태양전지 패널(100)의 경우에도, 전면이 상측 즉 중력 반대방향에, 후면이 하측 증 중력 방향에 배치될 수도 있지만, 반드시 그렇게만 배치되는 것은 아니며 때에 따라 중력 방향에 대해서 비스듬하게 배치될 수 있다.
도 1은 본 발명의 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널의 제작방법의 단계도를, 도 2는 본 발명의 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널의 제작방법의 흐름도를 각각 도시하고 있다. 본 발명의 곡면형 태양전지 패널의 제작방법은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 광발전박막층 형성단계, 후면전극층 형성단계, 캐리어필름 부착단계, 희생층 제거 및 잔류응력 형성단계, 전면전극층 형성단계, 보호층 배치단계, 보호층 부착 및 압축응력 형성단계, 캐리어필름 제거단계를 포함하여 이루어진다.
상기 광발전박막층 형성단계에서는, 도 1(A)에 도시된 바와 같이, 평판 형상의 웨이퍼(200) 상에 도포된 희생층(210) 상에 광발전(PV, photovoltaics)박막층(110)이 평면 박막 형상의 역변성(IMM, inverted metamorphic) 다중접합(MJ, multi-junction) 박막 형태로 형성된다. 역변성 다중접합 박막의 그 자체의 구조나 제작방법은 2009년 3월 20일자 기사 "역변성 다중접합 태양전지 상용화 임박"(출처: http://radar.ndsl.kr/radDetail.do?cn=GTB2009031200 / 2015.04.03. 접속 확인) 등으로 알 수 있는 바와 같이 이미 당업자에게 있어서 상용화된 기술로서, 여기에서는 역변성 다중접합 박막 자체의 구조나 제작방법에 대한 설명은 생략한다.
상기 후면전극층 형성단계에서는, 상기 광발전박막층(110)의 노출된 측 면에 후면전극층(112)이 형성된다. 도 1(A) 기준으로는 상기 광발전박막층(110)의 하면이 상기 웨이퍼(200) 상에 도포된 상기 희생층(210)과 면접하고 있으므로, ‘상기 광발전박막층(110)의 노출된 측 면’은 도 1(A) 기준으로는 상기 광발전박막층(110)의 상면이 된다. 한편, 태양전지를 포함하는 박막형 전지에 있어서 후면전극층/전면전극층 등과 같은 전극층은 기본 구성요소에 해당하며, 이러한 전극층을 형성하는 방법은 전극층의 재질이나 패턴 등에 따라 다양하게 개시되어 있다. 구체적으로는, 전극층을 형성하고자 하는 기판 상에 전극층을 구성하는 재질의 물질을 스퍼터링, 음극아크증착, 증기증착, 전자빔증착, 화학기상증착, 원자층증착, 전기화학적증착, 분사코팅, 닥터블레이드코팅, 스크린 프린트, 잉크젯 코팅, 열증착법, 도금법 등과 같은 방식으로 코팅 형성하고, 레이저 스크라이빙(laser scribing) 공정, 포토 레지스트(photo resist)를 이용한 광식각(露光 ; Photolythography) 공정, 기계적 스크라이빙 공정 등의 방식으로 패턴을 형성할 수도 있다. 또는 전자 인쇄 기술을 적용하여 코팅 공정과 패턴 형성 공정이 동시에 이루어질 수도 있다. 이처럼 전극층의 구성 물질이나 전극층을 형성하는 방법 자체에 대해서는 당업자 사이에 다양한 형태로서 널리 공지되어 있으며 그 중 어떠한 것을 채용하여도 무방하므로, 여기에서는 구체적인 설명은 생략한다.
상기 캐리어필름 부착단계에서는, 도 1(B)에 도시된 바와 같이, 상기 광발전박막층(110)의 상기 후면전극층(112)이 형성된 측 면에 캐리어필름(310)이 부착된다. 상기 캐리어필름(310)은 공정 중의 상기 광발전박막층(110)을 지지하기 위한 것으로, 박막 재료를 사용하는 일반적인 공정에서 지지 목적으로 사용되는 필름들 중 적절히 선택하여 채용하여도 무방하다. 보다 구체적인 예를 들자면, 상기 캐리어필름(310)은 열발생필름(thermal release film), UV접착필름(UV adhesive film), 폴리머 필름 상에 점착층이 적층되어 형성되는 다중필름 등이 사용될 수 있다. 여기에서 상기 폴리머는 폴리이미드, PET, PEN, PC 등이 될 수 있으며, 상기 점착층은 실리콘 계열 고무층 또는 아크릴릭 계열 고무층 등이 될 수 있다.
상기 희생층 제거 및 잔류응력 형성단계에서는, 도 1(C)에 도시된 바와 같이, 먼저 상기 웨이퍼(200)가 제거된 후, 상기 캐리어필름(310)에 의하여 상기 광발전박막층(110)이 지지되는 상태에서 상기 희생층(210)이 에피택셜 리프트 오프(epitaxial lift-off) 방식으로 제거된다. 에피택시(epitaxy)란 어떤 결정이 다른 결정의 표면에서 특정한 방위 관계를 취하면서 성장하는 것을 말하는데, 이러한 현상을 이용하여 대면적의 층을 효과적으로 제거하는 기술이 에피택셜 리프트 오프 방식이다. 이처럼 에피택셜 리프트 오프 방식으로 상기 희생층(210)을 제거하면 에피택시 현상에 의하여 내재적 잔류응력(intrinsic residual stress)이 발생하게 된다. 여기에서 내재적 잔류응력이란, 다중접합 박막을 에피택셜(epitaxial) 증착하여 형성하는 과정 중에 박막 간의 격자 상수 차이에 의해 자연적으로 생기는 잔류응력을 의미한다.
이에 따라, 도 1(C)에 도시된 바와 같이, 상기 희생층(210) 제거에 따라 내재적 잔류응력으로 인하여 상기 광발전박막층(110)이 상기 캐리어필름(310)이 부착된 측을 향해 볼록하게 형성되게 된다.
상기 전면전극층 형성단계에서는, 상기 광발전박막층(110)의 상기 희생층(210)이 제거되어 노출된 측 면에 전면전극층(111)이 형성된다. 상기 전면전극층(111) 역시 상기 후면전극층(112)과 마찬가지로, 역시 일반적으로 전극층을 형성하는 공정 중 적절한 것을 선택하여 채용할 수 있다.
상기 보호층 배치단계에서는, 도 1(D)에 도시된 바와 같이, 먼저 연성필름(320)이 놓여진 평판 형상의 작업대(300) 상에 상기 연성필름(320)과 상기 캐리어필름(310)이 접촉되게 놓여지게 한다. 이 과정에서 상하가 뒤바뀌게 되는데, 즉 도 1(D)를 기준으로 할 때 상기 광발전박막층(110)의 상기 전면전극층(111)이 형성된 면이 상면이 되고, 상기 후면전극층(112)이 형성된 면이 하면이 된다. 이 상태에서, 상기 작업대(300) 상에 놓인 상기 광발전박막층(110)의 상기 전면전극층(110)이 형성된 측에 접착제가 도포된 보호층(120)이 배치된다. 상기 탄성층 배치단계에서는 아직 상기 보호층(120)과 상기 광발전박막층(110)이 서로 부착되지 않은 상태로서, 상기 보호층(120)과 상기 광발전박막층(110)은 서로 이격되어 있도록 한다.
상기 보호층 부착 및 압축응력 형성단계에서는, 도 1(E)에 도시된 바와 같이, 상기 보호층(120) 측으로부터 롤(350)로 가해지는 인압력에 의하여, 인장된 상기 보호층(120) 및 상기 광발전박막층(110)이 부착된다. 이 과정에서 후면 즉 상기 후면전극층(112)이 배치된 면) 측을 향해 볼록하게(다시 말해 전면 즉 상기 전면전극층(111)이 배치된 면 측을 향해 오목하게) 곡률이 형성된 상태의 상기 광발전박막층(110)이 평평해지면서, 이 형상의 변화에 의하여 상기 광발전박막층(110)에 응력이 추가되게 된다. 마지막으로 상기 캐리어필름(310)이 제거되는 캐리어필름 제거단계를 거치면, 본 발명의 태양전지 패널(100)의 제작이 일단락된다.
이 때 상기 광발전박막층(110)에 추가되는 응력이 압축응력이 되도록 함으로써, 본 발명의 태양전지 패널은 곡면 대상물에 부착할 때라도 기존에 비하여 훨씬 손상에 강한 성질을 가지게 된다. 이에 대해서는 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다.
본 발명에서는, 상술한 바와 같은 과정에서 상기 광발전박막층(110)에 추가되는 응력이 압축응력이 되도록 하기 위하여, 상기 광발전박막층(110) 및 상기 보호층(120)의 재질 및 형상이 하기의 수학식 1을 만족하도록 한다.
(여기에서, E1: 상기 광발전박막층(110)의 유효 탄성계수, h1: 상기 광발전박막층(110)의 두께, E2: 상기 보호층(120)의 유효 탄성계수, h2: 상기 보호층(120)의 두께)
상기 광발전박막층(110)은 인장응력에 매우 취약한 반면 압축응력에는 상당히 강하다는 성질이 알려져 있다. 즉, 인장응력이 가해지면 발전 효율이 떨어지는 등 특성이 불량해지는 반면, 압축응력이 가해질 경우에는 이러한 특성 불량 변화가 상대적으로 훨씬 미미하다. 기존에 이러한 성질을 가지는 광발전박막층을 포함하여 이루어지는 태양전지를 어떤 대상물에 부착하고자 할 때에는, 이 대상물이 곡면을 가지는 경우 대상물에 태양전지를 부착하기 위하여 태양전지를 휠 때 인장응력이 발생함으로써 부착 과정에서 상기 광발전박막층(110)에 손상이 발생하게 되는 문제가 있었다.
한편 본 발명에 의하면, 제조 과정에서 상기 광발전박막층(110)이 잔류응력에 의해 곡률을 가지도록 함으로써, 제작이 완료된 상기 태양전지 패널(100)은 도 1(F)의 상측 도면에 도시된 바와 같이 평평한 형상을 유지하는 상태에서도 압축응력이 형성되어 있게 된다. 상기 태양전지 패널의 제작방법은, 상기 캐리어필름 제거단계 이후에, 상기 광발전박막층(110)의 상기 캐리어필름(310)이 제거된 측 면이 대상물(500)에 부착되는 태양전지 부착단계를 더 포함할 수 있는데, 상기 태양전지 패널(100)을 평평한 대상물에 부착할 경우에는, 압축응력에 의해서는 상기 광발전박막층(110)의 특성이 나빠지지 않으므로 특별한 문제가 발생하지 않는다. 한편 도 1(F)의 하측 도면에 도시된 바와 같이, 상기 대상물(500)이 상기 광발전박막층(110) 측을 향해 볼록한 형상으로 형성되는 경우, 상기 광발전박막층(110)의 형상이 변형됨으로써 응력을 받게 된다. 이 때 상기 태양전지 패널(100)이 상기 수학식 1을 만족하는 재질 및 형상으로 이루어짐으로써, 상기 광발전박막층(110)을 도 1(F)의 하측 도면에 도시된 바와 같이 형상을 변형시켜도, 상기 광발전박막층(110)에는 인장응력이 발생하는 대신 압축응력이 추가적으로 형성된다.
앞서도 언급하였듯이 비행체의 날개에 태양전지를 부착하여 연료의 추가 공급 없이 체공 시간을 늘리고자 하는 연구가 이루어지고 있으며, 일반적으로 비행체 날개는 태양빛이 조사되는 쪽, 즉 태양전지 전면 쪽으로 볼록한 형태로 이루어지는 경우가 많다. 즉, 비행체 날개에 태양전지를 부착할 경우에는 바로 도 1(F)와 같은 구조를 형성하는 것이다. 기존의 태양전지의 경우에는 이처럼 볼록한 곡면에 맞추어 태양전지를 휘어서 부착하는 과정에서 필연적으로 인장응력이 발생하며, 이는 태양전지의 손상 및 효율 불량의 원인이 된다. 그러나 본 발명의 태양전지 패널(100)은, (앞서 설명하였듯이 제조 과정에서 상기 광발전박막층(110)에 잔류응력이 형성되게 함으로써) 이와 같이 형상을 변형시켰을 때 상기 광발전박막층(110)에서 인장응력이 발생하는 것이 아니라 압축응력이 발생한다. 따라서 본 발명의 태양전지 패널(100)은 기존의 손상 및 효율 불량 원인을 원천적으로 제거할 수 있으며, 궁극적으로 본 발명의 태양전지 패널은 특히 곡면에 부착할 경우 기존에 비하여 효율 및 신뢰성의 비약적인 향상을 실현할 수 있는 것이다.
이에 따라, 본 발명의 태양전지 패널은 비행체의 외부 표면에 대응하여 설치될 수 있다. 예를 들어, 태양전지 패널은 곡면 형태로 이루어지는 비행체의 몸체 또는 날개 중 적어도 하나에 부착될 수 있다. 아울러, 상기 비행체는 정찰 활동을 위한 고고도용[High-Altitude, 13.7km(45,000ft) 이상의 고도] 무인기가 될 수 있다.
추가적으로, 이와 같이 상기 광발전박막층(110)에 발생되는 압축응력이 지나치게 커질 경우 버클링에 의한 층분리(buckling-driven delamination)가 발생할 우려가 있다. 이러한 문제를 피하기 위해서, 상기 광발전박막층(110) 및 상기 보호층(120)의 재질 및 형상이 하기의 수학식 2를 더 만족하도록 형성되게 하는 것이 바람직하다.
한편 일반적으로 박막을 사용하는 공정에서, 박막끼리의 부착 또는 전사 등을 위해 롤을 사용하는 인압 공정이 널리 사용된다. 이러한 롤 인압 공정에 사용되는 롤은 보통 표면이 탄성 재질로 되어 약간의 형상 변형이 가능하도록 이루어지며, 따라서 박막 적층체 상으로 롤을 누르면서 굴려주면 인압력이 고르게 분배되어 퍼지게 된다. 이러한 롤 인압 공정은 일반적인 전사 공정이나 인쇄 공정 등에 널리 사용되고 있는 것인 바, 롤 인압 장치의 구체적인 구조 등은 적절히 선택하여 채용할 수 있다. 더불어, 상기 연성필름(320)은 이러한 인압 공정에서 상기 롤(350)에 의하여 발생되는 곡률에 따라 변형됨으로써 인압되는 순간 상기 광발전박막층(110)에 지나친 충격이 가해지지 않도록 해 주는 버퍼 역할을 한다. 이러한 역할을 원활하게 수행하기 위해, 상기 연성필름(320)은 상기 캐리어필름(310)보다 두꺼운 두께를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 태양전지 패널 110: 광발전박막층
111: 전면전극층 112: 후면전극층
120: 보호층 130: 접착층
200: 웨이퍼 210: 희생층
300: 작업대 310: 캐리어필름
320: 연성필름 350: 롤
500: 대상물
111: 전면전극층 112: 후면전극층
120: 보호층 130: 접착층
200: 웨이퍼 210: 희생층
300: 작업대 310: 캐리어필름
320: 연성필름 350: 롤
500: 대상물
Claims (9)
- 평판 형상의 웨이퍼(200) 상에 도포된 희생층(210) 상에 광발전(PV, photovoltaics)박막층(110)이 평면 박막 형상의 역변성(IMM, inverted metamorphic) 다중접합(MJ, multi-junction) 박막 형태로 형성되는 광발전박막층 형성단계;
상기 광발전박막층(110)의 노출된 측 면에 후면전극층(112)이 형성되는 후면전극층 형성단계;
상기 광발전박막층(110)의 상기 후면전극층(112)이 형성된 측 면에 캐리어필름(310)이 부착되는 캐리어필름 부착단계;
상기 웨이퍼(200)가 제거된 후, 상기 캐리어필름(310)에 의하여 상기 광발전박막층(110)이 지지되는 상태에서 상기 희생층(210)이 에피택셜 리프트 오프(epitaxial lift-off) 방식으로 제거되어, 상기 희생층(210) 제거에 따라 내재적 잔류응력으로 인하여 상기 광발전박막층(110)이 상기 캐리어필름(310)이 부착된 측을 향해 볼록하게 형성되는 희생층 제거 및 잔류응력 형성단계;
상기 광발전박막층(110)의 상기 희생층(210)이 제거되어 노출된 측 면에 전면전극층(111)이 형성되는 전면전극층 형성단계;
연성필름(320)이 놓여진 평판 형상의 작업대(300) 상에 상기 연성필름(320)과 상기 캐리어필름(310)이 접촉되도록 놓여지고, 상기 작업대(300) 상에 놓인 상기 광발전박막층(110)의 상기 전면전극층(111)이 형성된 측에 접착제가 도포된 보호층(120)이 배치되는 보호층 배치단계;
상기 보호층(120) 측으로부터 롤(350)로 가해지는 인압력에 의하여, 곡률이 형성된 상태의 상기 광발전박막층(110)이 평평해지면서 상기 보호층(120) 및 상기 광발전박막층(110)이 부착되어, 상기 광발전박막층(110)에 압축응력이 형성되는 보호층 부착 및 압축응력 형성단계; 및
상기 캐리어필름(310)이 제거되는 캐리어필름 제거단계를 포함하고,
상기 광발전박막층(110) 및 상기 보호층(120)의 재질 및 형상은, 하기의 수학식을 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널의 제작방법.
(여기에서, E1: 상기 광발전박막층(110)의 유효 탄성계수, h1: 상기 광발전박막층(110)의 두께, E2: 상기 보호층(120)의 유효 탄성계수, h2: 상기 보호층(120)의 두께) - 제 1항에 있어서, 상기 태양전지 패널의 제작방법은
상기 캐리어필름 제거단계 이후에,
상기 광발전박막층(110)의 상기 캐리어필름(310)이 제거된 측 면이 대상물(500)에 부착되는 태양전지 부착단계;
를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널의 제작방법. - 제2항에 있어서, 상기 태양전지 부착단계는
상기 대상물(500)이 상기 광발전박막층(110) 측을 향해 볼록한 형상으로 형성되어, 상기 광발전박막층(110)에 압축응력이 추가적으로 형성되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널의 제작방법. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 태양전지 패널의 제작방법은
상기 광발전박막층(110) 및 상기 보호층(120)의 재질 및 형상이 하기의 수학식을 더 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널의 제작방법.
- 제1항에 있어서, 상기 캐리어필름(310)은
열발생필름(thermal release film), UV접착필름(UV adhesive film), 폴리머 필름 상에 점착층이 적층되어 형성되는 다중필름 중 선택되는 어느 하나이되,
상기 폴리머는 폴리이미드, PET, PEN, PC 중 선택되는 어느 하나이며, 상기 점착층은 실리콘 계열 고무층 또는 아크릴릭 계열 고무층 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널의 제작방법. - 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항 중 선택되는 어느 한 항에 의한 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널의 제작방법에 의하여 제작되는 것을 특징으로 하는 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널.
- 제7항에 의한 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널이 외부 표면에 부착된 비행체.
- 제8항에 있어서,
상기 비행체는 정찰 활동을 위한 고고도용 무인기인 것을 특징으로 하는 비행체.
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| KR1020150056604A KR101653156B1 (ko) | 2015-04-22 | 2015-04-22 | 잔류응력이 있는 다중접합 박막을 이용한 곡면형 태양전지 패널 및 그 제작방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020040370A1 (ko) * | 2018-08-21 | 2020-02-27 | 엘지전자 주식회사 | 지지 핸들 및 이를 이용한 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법 |
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| JP2004056024A (ja) * | 2002-07-24 | 2004-02-19 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 薄膜太陽電池およびその製造方法 |
| KR20110015031A (ko) * | 2008-05-30 | 2011-02-14 | 알타 디바이씨즈, 인크. | 에피텍셜 리프트 오프 적층 및 방법 |
| KR20140079641A (ko) | 2012-12-18 | 2014-06-27 | 한국항공우주연구원 | 무인 항공기의 태양전지 날개 |
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- 2015-04-22 KR KR1020150056604A patent/KR101653156B1/ko active IP Right Grant
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |