KR101707728B1 - 인쇄 공정을 이용한 dc/ac 인버터 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터은 플렉서블 기판; 및 상기 플렉서블 기판 상에 인쇄 공정을 통해 형성되며, 태양 전지로부터 공급받은 직류 전압을 교류 전압으로 전환하는 링오실레이터를 포함한다.

Description

인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터 및 그 제조 방법{DC/AC Inverter using printing process and Manufacturing Method thereof}
본 발명은 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인쇄 장비를 이용하여 대량 생산이 가능하고 저전압 및 고전압 발진이 가능한 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인터버 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양광 발전에 사용되는 태양광 모듈은 혁신적인 신기술이 개발됨에 따라 가격이 점점 낮아지고 있다. 그러나 태양광 발전 비용에서 많은 부분을 차지하고 있는 인버터에 관한 부분은 신기술 개발이 전무하고 단지 회로의 최적화를 통해 가격을 낮추고 있는 실정이다.
기존의 규소(Si) 기반 DC/AC 인버터의 경우 태양광 모듈 단위 셀로부터 발생된 낮은 DC 전압을 충전기를 통하여 DC 전압을 증폭할 때 전력 손실이 발생한다. 증폭된 DC 전압은 인버터를 통하여 AC 전압으로 변환되며, 변환 과정에서 전력 손실이 발생된다. 이러한, 규소(Si) 기반 DC/AC 인버터는 수많은 집적 회로로 태양광 모듈에 내장되므로 태양광 발전 시스템의 전력 손실 증가 및 고 생산비용의 문제점을 유발할 수 있다. 따라서, 태양광 모듈의 전원손실을 최소화하면서 전체 태양전지의 가격을 낮출 수 있는 기술 개발이 필요하다.
특허문헌 1: 한국특허공개공보 제10-2010-0058151호
본 발명은 전원 손실을 최소화하고 제조 비용을 낮추기 위해 인쇄 장비를 이용하여 대량 생산이 가능하고 저전압 및 고전압 발진이 가능한 DC/AC 인터버 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터은 플렉서블 기판; 및 상기 플렉서블 기판 상에 인쇄 공정을 통해 형성되며, 태양 전지로부터 공급받은 직류 전압을 교류 전압으로 전환하는 링오실레이터를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 모듈은 복수의 태양 전지 셀을 포함하고 그룹전압 전송 방식 및 개별전압 전송 방식 중 하나로 직류 전압을 공급하는 태양 전지; 및 상기 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터 제조 방법은 (a) 플렉서블 기판 상에 그라비아 인쇄 공정으로 p형 트랜지스터를 형성하는 단계; 및 (b) 상기 p형 트랜지스터에 n형 도핑 잉크를 인쇄하여 n형 트랜지스터를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 전원 손실을 최소화하고 제조 비용을 낮추기 위해 인쇄 장비를 이용하여 대량 생산이 가능하고 저전압 및 고전압 발진이 가능한 DC/AC 인터버 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 태양광 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 링오실레이터에서 출력되는 전압을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5은 도 4에 도시된 링오실레이터에서 출력되는 전압을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4의 변압부에서 승압되는 전압을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/AC 인버터의 작동 원리를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/AC 인버터에서 링오실레이터의 제1 형태와 소비전력 특성을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/AC 인버터에서 링오실레이터의 제2 형태와 소비전력 특성을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 링오실레이터에서 p형 트랜지스터에 대한 IDS-VDS 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 링오실레이터에서 n형 트랜지스터에 대한 IDS-VDS 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 링오실레이터를 CMOS형으로 구성하였을 때 회로 구성과 전압 이득을 나타내는 도면들이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 링오실레이터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터의 제조 방법에서 페시베이션층을 인쇄하는 단계를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따라 p형 트랜지스터에 n형 도핑 잉크를 이용하여 n형 트랜지스터로 전환시키는 것을 나타낸 도면이다.
도 19 내지 도 21는 도 17에 의해 제조된 페이베이션층이 형성된 DC/AC 인버터에 대한 외부 환경 테스트 결과를 나타낸다.
도 22는 DC/AC 인버터를 구성하는 P형 및 N형 트랜지스터의 VDS-IDS 및 VGS-IDS 그래프를 보여주며 각각 트랜지스터의 문턱전압, 센터전류 및 이동도를 나타내는 돕면이다.
본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.
제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다.
및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 태양광 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
태양광 장치(10)는 복수의 태양 전지 모듈에서 DC/AC 인버터를 이용하여 DC 전압을 AC 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 본 발명에서는 태양광 장치(10)가 도 2 내지 도 5에 도시된 태양 전지 모듈을 이용하여 AC 전압을 출력할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 구성을 나타내는 도면이다. 도 3은 도 2에 도시된 링오실레이터에서 출력되는 전압을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 모듈(420)은 그룹전압 전송 방식으로 구성될 수 있다.
태양 전지 모듈(420)은 직렬로 연결된 태양 전지(310)로부터 발생된 높은 DC 전압을 DC/AC 인버터(200)를 통하여 직접적으로 높은 AC 전압으로 변환하여 출력을 얻을 수 있다. 이러한 그룹전압 전송 방식으로 구성된 태양 전지 모듈(420)은 단순하지만 효율적인 구조로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 그룹전압 전송 방식의 태양 전지 모듈(420)은 복수의 태양 전지 셀(100)이 직렬 형태로 연결된 태양 전지(310)를 포함할 수 있다. 여기서, 태양 전지 셀(100)은 규소(Si) 태양전지, 염료감응형 태양전지(DSSC) 또는 고분자기반 태양전지(polymer solar cell)를 포함할 수 있다.
태양 전지 모듈(420)의 태양 전지 셀(100) 각각에서 발생되는 전압은 약 1.5 ~ 3.0 V 이고, 복수의 태양 전지 셀(100)이 직렬로 연결되어 최종적으로 약 100~120 V의 DC전압이 출력될 수 있다. 또한, 복수의 태양 전지 셀(100)에서 출력되는 DC 전압은 DC/AC 인버터(200)에서 120 V의 AC 전압(410)으로 전환될 수 있다. 이때, 태양 전지 모듈(420)은 주파수 약 50 ~ 60Hz를 갖는 약 120V의 AC 전압(410)을 출력할 수 있다. 이러한 그룹전압 전송 방식의 태양 전지 모듈(430)은 복수의 태양 전지 셀(100)과 DC/AC 인버터(200)가 통합 모듈로 이루어질 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈의 구성을 나타내는 도면이다. 도 5은 도 4에 도시된 링오실레이터에서 출력되는 전압을 나타내는 도면이다. 도 6은 도 4의 변압부에서 승압되는 전압을 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지 모듈(430)은 개별전압 전송 방식으로 구성될 수 있다.
태양 전지 모듈(430)은 병렬로 연결된 복수의 태양 전지 셀(100)로부터 발생된 낮은 DC 전압을 DC/AC 인버터(200)를 이용하여 AC 전압으로 전환한 후 변압부(400)를 이용하여 높은 AC 전압으로 승압하여 출력을 얻을 수 있다.
구체적으로, 개별전압 전송 방식의 태양 전지 모듈(430)은 태양 전지 셀(100) 각각에 DC/AC 인버터(200)를 연결하여 태양 전지 셀(100)에서 발생된 약 1.5 ~ 3.0 V의 DC 전압을 1.5~3.0V의 AC 전압(300)으로 전환할 수 있다. 또한, 개별전압 전송 방식의 태양 전지 모듈(430)은 복수의 DC/AC 인버터(200)에 변압부(400)를 연결하여 낮은 AC 전압(300)을 높은 AC 전압(410)으로 승압할 수 있다. 이때, 태양 전지 모듈(430)은 주파수 약 50 ~ 60Hz를 갖는 약 120V의 AC 전압(410)을 출력할 수 있다. 이러한 개별전압 전송 방식의 태양 전지 모듈(430)은 복수의 태양 전지 셀(100) 각각에 DC/AC 인버터(200)가 연결되어 통합 모듈로 이루어질 수 있다.
한편, 변압부(400)는 자석이 코일을 지날 때 코일을 통하는 자기플럭스가 변하게 되고 코일 내에는 유도기전력이 발생하며 하기 수학식 1에 따라 전압을 승압할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015018629422-pat00001
수학식 1에서 ε는 유도기전력이고, N은 코일의 감은수, △Φ/△t는 코일을 통과하는 플럭스의 변화율이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/AC 인버터의 작동 원리를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC/AC 인버터(200)는 복수의 링오실레이터(510)를 포함하고, 입력되는 전압보다 높은 전압을 출력할 수 있다. 도 6에서는 DC/AC 인버터(200)가 5개의 링오실레이터(510)를 포함하는 예를 보여준다.
도 7에서 A(520)는 p형 트랜지스터로 구성되었으며 경우에 따라서 PMOS형 인버터 구성시 B(530)는 p형 트랜지스터로 구성되고, CMOS형 인버터 구성시 n형 트랜지스터로 구성될 수 있다. DC/AC 인버터(200)는 닫힌 회로 구조로 이루어질 수 있으며, 내부 신호가 계속적인 루프(loop)형태로 증폭되는 특성을 가질 수 있다. 이때, DC/AC 인버터(200)는 추가적인 입력 신호가 존재하지 않으며 회로를 구동하기 위한 DC 전압만 필요로 할 수 있다. 따라서 DC/AC 인버터(200)는 외부로부터 DC 전압(500)이 인가됨에 따라서 내부적인 노이즈가 루프형태로 계속적으로 증폭됨으로써 DC 전압(500)을 AC 전압으로 전환할 수 있다. 이러한 DC/AC 인버터(200)는 회로 구성시 3,5,7,9의 개수를 가진 링오실레이터(510)를 포함할 수 있으며 기본적으로 5개의 링오실레이터(510)를 포함할 수 있다.
DC/AC 인버터(200)는 링오실레이터(510)의 개수가 증가함에 따라서 DC/AC 전압전환 효율이 증가될 수 있고, 높은 주파수를 얻을 수 있다. 예를 들면, 약 1.5V의 낮은 DC 전압을 AC 전압으로 전환시 9개의 링오실레이터(510)로 구성된 DC/AC 인버터(200)가 높은 주파수를 얻는데 유리하며, 높은 DC 전압 (약 90 V)일 경우 3개 혹은 5개의 링오실레이터(510)로 구성된 DC/AC 인버터(200)가 높은 주파수를 얻는데 유리할 수 있다.
링오실레이터(510)는 CMOS형으로 구성되었을 때 높은 DC/AC 인버팅 효율을 보이는 반면 높은 DC 전압을 인가시 높은 주파수 (~수백 Hz)를 획득함에 따라 개별전압 전송방식의 태양 전지 모듈(430)에 적용될 수 있다.
또한, 링오실레이터(510)는 PMOS형으로 구성되었을 때 DC/AC 인버팅 효율이 낮은 반면 높은 DC 전압을 상대적으로 낮은 주파수 (약 50~80 Hz)를 갖느 AC 전압으로 전환하기 때문에 그룹전압 전송 방식의 태양 전지 모듈(420)에 적용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/AC 인버터에서 링오실레이터의 제1 형태와 소비전력 특성을 나타내는 도면이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/AC 인버터에서 링오실레이터의 제2 형태와 소비전력 특성을 나타내는 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 링오실레이터의 제1 형태는 p형 트랜지스터와 N형 트랜지스터로 구성된 CMOS형 인버터(540)이고, 링오실레이터의 제2 형태는 p형 트랜지스터 두 개로 구성된 PMOS형 인버터(550)일 수 있다. 또한, 제1 형태(540)의 전체 소비전력은 약 1.06 nW 이며, 제2 형태(550)의 소비전력은 약 2.99 nW일 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 링오실레이터에서 p형 트랜지스터에 대한 IDS-VDS 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 링오실레이터에서 n형 트랜지스터에 대한 IDS-VDS 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 링오실레이터를 CMOS형으로 구성하였을 때 회로 구성과 전압 이득을 나타내는 도면들이다.
도 9 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 링오실레이터는 약 15의 전체 전압 이득을 가질 수 있다. 이러한 전체 전압 이득은 높은 전환 효율을 의미할 수 있다. 예를 들면, 링오실레이터에서는 DC 120V 전압의 인가시 약 65Hz를 갖는 AC 120V가 출력될 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터(200)는 플렉서블 기판(710) 및 플렉서블 기판(710) 상에 인쇄 공정을 통해 형성되며 태양 전지로부터 공급받은 직류 전압을 교류 전압으로 전환하는 링오실레이터(715)를 포함할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 링오실레이터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 15를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 링오실레이터(715)는 플렉서블 기판(710) 상에 전도성 잉크로 인쇄된 게이트 전극(720), 게이트 전극(720) 상에 유전체 잉크로 인쇄된 유전층(730), 유전층(730) 상에 싱글벽 나노튜브(SWNT)를 포함하는 반도체 잉크로 인쇄된 반도체층(740) 및 반도체층(740) 상에 전도성 잉크로 인쇄된 소스 전극(750)과 드레인 전극(760)을 포함할 수 있다.
태양 전지로부터 그룹 전압 전송 방식으로 직류 전압을 공급받을 경우, 링오실레이터(715)는 p형 트랜지스터를 포함하는 PMOS 소자로 구성될 수 있다.
여기서, p형 트랜지스터는 도 0에 도시된 바와 같이 반도체층(740), 소스 전극(750) 및 드레인 전극(760) 상에 에폭시(epoxy)를 포함하는 페시베이션 잉크로 인쇄된 페시베이션층(770)을 더 포함할 수 있다. 이때, 페시베이션 잉크는 무기물 반도체 및 금속 산화물 반도체 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
한편, 태양전지(310)로부터 개별 전압 전송 방식으로 직류 전압을 공급받을 경우, 링오실레이터(715)는 p형 트랜지스터 및 n형 트랜지스터를 포함하는 CMOS 소자로 구성될 수 있다.
여기서, n형 트랜지스터는 도 에 도시된 바와 같이 반도체층(740), 소스 전극(750) 및 드레인 전극(760) 상에 n형 도핑 잉크로 인쇄된 n형 도핑층을 포함할 수 있다. 이때, n형 도핑 잉크는 에폭시, 폴리메타크릴산 메틸(PMMA) 및 산화폴리에틸렌(PEO) 중 적어도 하나의 고분자 물질과, 아민계 물질을 포함할 수 있다.
여기서, 전도성 잉크는 은나노 잉크를 포함하고, 은나노 잉크는 은 함량이 약 60~80 중량% 이며, 은나노 잉크의 점도는 약 300~600 cP(centi-Poise)와 표면장력은 약 40~45 mN/m(미리뉴턴/미터)일 수 있다. 은나노 잉크의 함량이 약 60 중량% 미만일 경우 인쇄된 전극의 전도성이 낮게 형성되므로 흐르는 전류의 양이 제한될 수 있다. 또한 은나노 잉크의 함량이 약 80 중량% 이상 초과되었을 경우 전도성은 높게 형성되는 반면 은나노 잉크 내에 가지고 있는 바인더 함량이 감소됨에 따라 실버 전극 자체의 접착력이 감소할 수 있다.
은나노 잉크의 점도가 약 300 cP 미만일 경우 인쇄장비를 이용하여 인쇄를 진행하면 낮은 점도로 인하여 원하는 형태의 전극이 형성되기 어려우며 전체적으로 번지는 형태로 제작될 수 있다. 만약, 잉크의 점도가 약 600 cP를 초과되었을 경우 높은 점도로 인하여 인쇄시 롤(roll)에서 플렉서블 기판(710)으로의 잉크 전이가 원활하지 못하며 표면이 균일하게 형성되지 못할 수 있다. 잉크의 표면장력이 약 40 mN/m 미만의 경우, 표면장력 차이로 인하여 전극이 원하는 형상보다 넓게 형성되거나, 약 45 mN/m 초과의 경우, 표면장력 차이로 인하여 전극이 원하는 형상보다 좁게 형성될 수 있다.
유전체 잉크는 티탄산바륨(BaTiO3)을 포함하며, 티탄산바륨(BaTiO3)의 함량이 약 60~80중량%, 점도는 약 50~60cP, 표면장력은 약 30~33 mN/m이며, 인쇄되었을 경우 전기용량은 약 8~9 nF/cm2일 수 있다. 유전체 잉크의 티탄산바륨(BaTiO3) 함량이 약 60중량% 미만일 경우 인쇄를 진행하였을 경우 약 4~5 nF/cm2의 낮은 전기용량을 보일 수 있다. 한편 티탄산바륨(BaTiO3) 함량이 약 80 중량%를 초과하였을 경우, 약 15 nF/cm2 를 초과하는 높은 전기용량을 보이는 반면 바인더 함량의 부족으로 유전체 층으로써 절연성을 충분히 갖지 못하여 트랜지스터의 쇼트를 유발할 수 있다. 유전체 잉크의 표면장력이 약 30 mN/m 미만일 경우, 원하는 형상보다 넓게 형성되는 문제점을 가지며 약 33 mN/m 초과할 경우 유전체 층위에 형성되는 반도체층(740)이 제대로 인쇄되지 못할 수 있다.
반도체 잉크는 싱글벽 나노튜브(SWNT)를 포함하고, 롤에서 플렉서블 기판(710)으로 전이되었을 경우 네트워크 형태로 형성되며, 점도는 약 20~30 cP, 표면장력은 약 25~27 mN/m일 수 있다. 만약, 반도체 잉크의 점도가 약 20 cP 미만일 경우 롤투피(R2P) 그라비아 장비를 이용하여 인쇄시 낮은 점도로 인하여 인쇄가 용이하지 못하며 너무 넓게 반도체층(740)이 형성되는 문제점을 가지며, 약 30 cP 초과의 경우 높은 점도를 형성하기 위해 바인더 함량이 높아짐에 따라 싱글벽 나노튜브(SWNT)가 뭉치는 특성이 강하여 인쇄된 후 트랜지스터의 전기적 특성이 저하될 수 있다. 또한, 반도체 잉크의 표면장력이 약 25 mN/m 미만일 경우 낮은 표면장력으로 인하여 반도체층(740)이 제대로 형성되지 못하고 넓게 펴지는 문제점을 가지며 표면장력이 약 27 mN/m 초과의 경우 반도체 잉크가 잘 전이 되지 않을 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터의 제조 방법은 플렉서블 기판 상에 그라비아 인쇄 공정으로 p형 트랜지스터를 형성하는 단계 및 p형 트랜지스터에 n형 도핑 잉크를 인쇄하여 n형 트랜지스터를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, p형 트랜지스터를 형성하는 단계는 플렉서블 기판 상에 전도성 잉크로 게이트 전극을 인쇄하는 단계, 게이트 전극 상에 유전체 잉크로 유전층을 인쇄하는 단계, 유전층 상에 싱글벽 나노튜브(SWNT)를 포함하는 반도체 잉크로 반도체층을 인쇄하는 단계 및 반도체층 상에 상기 전도성 잉크로 소스 전극과 드레인 전극을 인쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
이러한, p형 트랜지스터는 롤투피(R2P) 그라비아 인쇄장비를 통하여 순차적으로 게이트 전극(720), 유전층(730), 반도체층(740), 소스 전극(750) 및 드레인 전극(760) 순으로 인쇄할 수 있다.
구체적으로, 게이트 전극은 은나노 잉크를 이용하여 약 8.0 Kgf의 롤 압력(roll pressure)과, 약 200 mm/s(미리미터/초)의 웹 스피드(web speed)의 조건으로 인쇄할 수 있다. 인쇄된 게이트 전극은 약 150 ℃의 건조실에서 약 1분간 열처리될 수 있다. 이때, 게이트 전극은 약 450 (ㅁ50) nm의 두께로 형성될 수 있다. 여기서, 은나노 잉크는 은 함량이 약 60~80 중량% 이며, 은나노 잉크의 점도는 약 300~600 cP(centi-Poise)와 표면장력은 약 40~45 mN/m(미리뉴턴/미터)일 수 있다.
유전층은 유전체 잉크를 이용하여 약 7.5 Kgf의 롤 압력과, 약 200 mm/s의 웹 스피드의 조건으로 인쇄할 수 있다. 이때, 유전층은 두께가 약 2.0~2.2μm이며, 전기용량은 약 8~9 nF/cm2일 수 있다. 여기서, 유전체 잉크는 티탄산바륨(BaTiO3)을 포함하며, 티탄산바륨(BaTiO3)의 함량이 약 60~80중량%, 점도는 약 50~60cP, 표면장력은 약 30~33 mN/m일 수 있다.
반도체층은 싱글벽 나노튜브 기반의 반도체 잉크를 이용하여 약 4.5 Kgf의 롤 압력과, 약 350 mm/s의 웹 스피드의 조건으로 인쇄할 수 있다. 인쇄된 반도체층은 네트워크 구조를 형성될 수 있다. 여기서, 반도체 잉크는 점도는 약 20~30 cP, 표면장력은 약 25~27 mN/m일 수 있다.
소스 전극 및 드레인 전극은 게이트 전극을 형성하는 단계와 동일한 조건에서 인쇄할 수 있다. 이때, 소스 전극 및 드레인 전극은 반도체층의 채널 길이가 약 120~180 μm이며, 채널 폭이 약 2000 μm이도록 형성할 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터의 제조 방법에서 페시베이션층을 인쇄하는 단계를 나타내는 도면이다.
p형 트랜지스터를 형성하는 단계는 도 17에 도시된 바와 같이 반도체층(740), 소스 전극(750) 및 드레인 전극(760) 상에 에폭시(epoxy)를 포함하는 페시베이션 잉크로 페시베이션층(770)을 인쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.
페시베이션 잉크는 에폭시의 함량이 약 10~20 wt중량% 일 수 있다. 또한, 페시베이션 잉크는 무기물 반도체 및 금속 산화물 반도체 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 이때, 무기화합물(Si 기반)은 함량이 약 1~2 wt중량%일 수 있다. 이러한 함량을 가지고 ECA(ethyl cellosolve acetate)용매를 기반으로 소니케이션(sonication)을 30분간 진행하여 매우 균일한 형태의 페시베이션 잉크를 제조할 수 있다.
만약, 페시베이션 잉크의 에폭시 함량이 약 10 wt중량% 미만일 경우 낮은 고분자 함량으로 인하여 잉크의 전이가 원할 하지 않으며 약 20 wt중량%를 초과할 경우 페시베이션 효과가 미미하게 나타날 수 있다.
만약, 무기화합물의 함량이 약 1wt중량% 미만일 경우 페시베이션 효과가 미미하며 약 2wt중량%을 초과할 경우 표면이 불균일하여 페이베이션 효과가 저하될 수 있다.
또한, 함유되는 무기화합물은 크기가 약 50~100 nm이며, 크기가 약 100 nm을 초과하였을 경우 에폭시의 고분자와 혼합이 잘되지 않으며 크기가 약 50 nm 미만일 경우 인버터의 전압 안정성이 저하될 수 있다.
여기서, 페이베이션층을 인쇄하는 단계에서는 롤투피(R2P) 그라이바 인쇄장비를 이용하고, 약 4.5 Kgf의 롤 압력과, 약 200 mm/s의 웹 스피드의 조건으로 인쇄할 수 있다. 인쇄된 페시베이션층(770)은 약 500 nm의 두께로 형성되며, 외부 환경(H2O, O2)으로부터 안정적인 페시베이션 특성을 확보할 수 있다.
한편, 인쇄된 DC/AC 인버터는 태양 전지에 부착되어 태양 전지 모듈로 통합될 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따라 p형 트랜지스터에 n형 도핑 잉크를 이용하여 n형 트랜지스터로 전환시키는 것을 나타낸 도면이다.
여기서, n형 도핑 잉크는 에폭시, 폴리메타크릴산 메틸(PMMA) 및 산화폴리에틸렌(PEO) 중 적어도 하나의 고분자 물질과, 아민계 물질을 포함할 수 있다. 또한, n형 도핑 잉크는 고분자 물질과 아민계 물질이 1:1, 1:0.5, 및 0.5:1 중 하나의 몰비로 혼합될 수 있다.
구체적으로, n형 도핑 잉크는 에폭시, 폴리메타크릴산 메틸(PMMA) 및 산화폴리에틸렌(PEO) 중 적어도 하나의 고분자 물질과, 아민계(amine) 물질을 약 1:1, 1:0.5 및 0.5:1 중 하나의 몰비로 혼합한 잉크를 사용할 수 있다. 고분자 물질과 아민계 물질의 몰비가 1:0.5 미만일 경우 n형 트랜지스터로써 전환율이 낮고 전환된 n형 트랜지스터의 경우 성능 (이동도, 점멸비, 트랜스컨덕턴스)이 크게 저하될 수 있다. 또한, 고분자 물질과 아민계 물질의 몰비가 0.5:1을 초과하였을 경우 n형 트랜지스터로 전환시 전자 이동도는 크게 증가하는 반면에 트랜지스터의 안정도가 매우 좋지 않고 트랜지스터의 오프 커런트(off current)가 크게 증가할 수 있다.
고분자 물질과 아민계 물질의 몰비가 약 1:0.5일 경우 외부 환경에 노출되었을 경우 트랜지스터가 매우 안정적으로 동작하나 N형 트랜지스터로 전환시 전체적인 트랜지스터의 성능이 낮게 형성되며 반대로 0.5:1의 몰비의 경우 외부 환경에 트랜지스터의 안정성은 감소하는 반면 n형 트랜지스터로 전환시 트랜지스터의 성능이 향상될 수 있다.
따라서 p형 트랜지스터로부터 n형 트랜지스터로 전환시 고분자와 아민계의 몰비가 상당히 중요하므로, 가장 큰 효율을 보이는 몰비는 1:1 일 수 있다.
도 19 내지 도 21는 도 17에 의해 제조된 페이베이션층이 형성된 DC/AC 인버터에 대한 외부 환경 테스트 결과를 나타낸다.
여기서, 페이베이션층은 (P형 트랜지스터의 경우 epoxy+무기화합물, N형일 경우 고분자+아민계의 단일 n-doping잉크로 표면인쇄)으로 처리된 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터에 대한 외부 환경 테스트를 진행한 것이다.
도 17에 도시된 바와 같이 높은 습도(~99%)에서도 트랜지스터의 전기적 특성이 변하지 않음을 확인하였으며, 이에 트랜지스터 표면에 높은 습도로 인하여 다량이 수분(H2O)이 존재하더라도 트랜지스터의 성능에는 변화가 없음을 보였다.
도 18에 도시된 바와 같이 장시간(약 150시간) 동안 외부 환경에 노출되었을 때에도 매우 높은 전기적 안정성을 보이며 이때 전기적 특성에서 가장 중요한 문턱전압의 변화율이 약 20 % 이내로 매우 안정적이다.
도 19에 도시된 바와 같이 태양전지로부터 오는 전압으로부터 얼마나 오랫동안 안정적으로 소자가 동작하는 것에 대한 테스트에서도 1시간 동안 외부 전압이 인가되었을 경우에도 매우 안정한 특징을 보였으며 이는 장시간 보관 후(15일 이상)에도 전기적 특성이 동일하였다.
도 22는 DC/AC 인버터를 구성하는 P형 및 N형 트랜지스터의 VDS-IDS 및 VGS-IDS 그래프를 보여주며 각각 트랜지스터의 문턱전압, 센터전류 및 이동도를 보여준다. 인쇄된 트랜지스터의 문턱전압의 경우 약 1~2V로 낮은 값을 보이며 센터전류의 경우 약 50~ 150uA를 보이며, 이들 이동도의 경우 약 0.03~0.06 cm2/Vs를 보여준다. 이러한 파라미터를 가지는 트랜지스터들로 구성하였을 경우 낮은 입력전압 (~5 V)에서 높은 입력전압 (~20 V)까지 높은 효율을 가지고 AC 전압으로 출력될 수 있다.
본 발명은 인쇄공정을 이용한 유연한 PMOS (혹은 CMOS)형태의 저전압 및 고전압 AC 전압을 송출할 수 있는 인버터 제조 방법을 통하여 인쇄 태양전지 셀 (혹은 Si 기반 태양전지)로부터 손쉽게 DC 전압을 AC 전압으로 전환됨에 따라 가정및 야외에서 가정용 전기기구를 이용할 수 있다.
또한 본 발명은 AC형태의 저/고 전압 발진용 인쇄형 인버터 제조를 통하여, 인쇄 전자 분야가 지닌 저가 및 대량 생산 체계를 통하여 태양전지의 보급을 높이는데 효과가 있다.
본 발명에서 제조된 인버터의 경우 외부 고온 다습한 환경에서도 안정적인 구동을 보임에 따라 외부 환경에 노출되는 태양전지에 바로 적응 가능한 효과를 가지고 있다.
본 발명에서 제조된 DC/AC 인버터의 경우 태양전지 셀에 직접 부착함에 따라 추가적인 충전기 및 인버터 없이 효과적으로 전압을 송출하는데 효과가 있다. 이는 전체적인 태양광 모듈의 가격을 낮추는데 매우 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (14)

  1. 플렉서블 기판; 및
    상기 플렉서블 기판 상에 인쇄 공정을 통해 형성되며, 태양 전지로부터 공급받은 직류 전압을 교류 전압으로 전환하는 링오실레이터;를 포함하되,
    상기 링오실레이터는
    상기 플렉서블 기판 상에 전도성 잉크로 인쇄된 게이트 전극;
    상기 게이트 전극 상에 유전체 잉크로 인쇄된 유전층;
    상기 유전층 상에 싱글벽 나노튜브(SWNT)를 포함하는 반도체 잉크로 인쇄된 반도체층; 및
    상기 반도체층 상에 상기 전도성 잉크로 인쇄된 소스 전극과 드레인 전극을 포함하고,
    상기 태양 전지로부터 그룹전압 전송 방식으로 직류 전압을 공급받을 경우, 상기 링오실레이터는 p형 트랜지스터를 포함하는 PMOS 소자이며,
    상기 p형 트랜지스터는 상기 반도체층, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 상에 에폭시(epoxy)를 포함하는 페시베이션 잉크로 인쇄된 페시베이션층을 더 포함하되,
    상기 페시베이션 잉크는 무기물 반도체 및 금속 산화물 반도체 중 적어도 하나를 더 포함하는 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 플렉서블 기판; 및
    상기 플렉서블 기판 상에 인쇄 공정을 통해 형성되며, 태양 전지로부터 공급받은 직류 전압을 교류 전압으로 전환하는 링오실레이터;를 포함하되,
    상기 링오실레이터는
    상기 플렉서블 기판 상에 전도성 잉크로 인쇄된 게이트 전극;
    상기 게이트 전극 상에 유전체 잉크로 인쇄된 유전층;
    상기 유전층 상에 싱글벽 나노튜브(SWNT)를 포함하는 반도체 잉크로 인쇄된 반도체층; 및
    상기 반도체층 상에 상기 전도성 잉크로 인쇄된 소스 전극과 드레인 전극을 포함하고,
    상기 태양 전지로부터 개별전압 전송 방식으로 직류 전압을 공급받을 경우, 상기 링오실레이터는 p형 트랜지스터 및 n형 트랜지스터를 포함하는 CMOS 소자이며,
    상기 p형 트랜지스터는 상기 반도체층, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 상에 에폭시(epoxy)를 포함하는 페시베이션 잉크로 인쇄된 페시베이션층을 더 포함하되,
    상기 페시베이션 잉크는 무기물 반도체 및 금속 산화물 반도체 중 적어도 하나를 더 포함하고,
    상기 n형 트랜지스터는 상기 반도체층, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 상에 n형 도핑 잉크로 인쇄된 n형 도핑층을 포함하되,
    상기 n형 도핑 잉크는 에폭시, 폴리메타크릴산 메틸(PMMA) 및 산화폴리에틸렌(PEO) 중 적어도 하나의 고분자 물질과, 아민계 물질을 포함하는 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터.
  6. 삭제
  7. 복수의 태양 전지 셀을 포함하고 그룹전압 전송 방식 및 개별전압 전송 방식 중 하나로 직류 전압을 공급하는 태양 전지; 및
    제1항 또는 제5항의 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터;
    를 포함하는 태양 전지 모듈.
  8. (a) 플렉서블 기판 상에 그라비아 인쇄 공정으로 p형 트랜지스터를 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 p형 트랜지스터에 n형 도핑 잉크를 인쇄하여 n형 트랜지스터를 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 (a)는
    상기 플렉서블 기판 상에 전도성 잉크로 게이트 전극을 인쇄하는 단계;
    상기 게이트 전극 상에 유전체 잉크로 유전층을 인쇄하는 단계;
    상기 유전층 상에 싱글벽 나노튜브(SWNT)를 포함하는 반도체 잉크로 반도체층을 인쇄하는 단계; 및
    상기 반도체층 상에 상기 전도성 잉크로 소스 전극과 드레인 전극을 인쇄하는 단계를 포함하고,
    상기 (a)는 상기 반도체층, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 상에 에폭시(epoxy)를 포함하는 페시베이션 잉크로 페시베이션층을 인쇄하는 단계를 더 포함하되,
    상기 페시베이션 잉크는 무기물 반도체 및 금속 산화물 반도체 중 적어도 하나를 더 포함하는 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전도성 잉크는 은 함량이 60 ~ 80중량%, 점도가 300 ~ 600cP, 표면 장력이 40 ~ 45mN/m인 은나노 잉크인 것을 특징으로 하는 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 유전체 잉크는 티탄산바륨(BaTiO3)를 포함하고, 점도가 50 ~ 60cP, 표면 장력이 30 ~ 33mN/m, 인쇄시 전기용량이 8 ~ 9nF/cm2인 것을 특징으로 하는 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 반도체 잉크는 싱글벽 나노튜브를 포함하고, 점도가 20 ~ 30cP, 표면 장력이 25 ~ 27mN/m인 것을 특징으로 하는 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터 제조 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 n형 도핑 잉크는 에폭시, 폴리메타크릴산 메틸(PMMA) 및 산화폴리에틸렌(PEO) 중 적어도 하나의 고분자 물질과, 아민계 물질을 포함하되,
    상기 n형 도핑 잉크는 상기 고분자 물질과 상기 아민계 물질이 1:1, 1:0.5, 및 0.5:1 중 하나의 몰비로 혼합된 것을 특징으로 하는 인쇄 공정을 이용한 DC/AC 인버터 제조 방법.
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