KR102024318B1 - 태양 전지 조립체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

태양 전지 조립체와 이의 제조 방법을 제공한다. 태양 전지 조립체는 태양 전지판과 광학 필터 및 열 방출층을 포함한다. 광학 필터는 태양광이 입사하는 태양 전지판의 상측에 위치하며, 금속막에 미세 홀들이 주기적으로 배열된 적외선 차단층을 가진다. 열 방출층은 태양 전지판과 광학 필터 사이에 위치하며, 열 전달 억제를 위한 공기층과, 공기층과 이웃하며 광학 필터를 태양 전지판에 부착시키는 합착벽을 포함한다.

Description

태양 전지 조립체 및 이의 제조 방법 {SOLAR CELL ASSEMBLY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 태양 전지 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 적외선을 차단하는 광학 필터와 열 방출층을 구비한 태양 전지 조립체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
신재생 에너지 기술로 주목받는 태양 전지는 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 전환하는 반도체 소자이며, 광전 효율을 높이기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다. 예를 들어, 태양 전지용 광학 필터는 표면 반사를 최소화하면서 강한 열 작용을 가진 적외선을 최대한 차단시키는 구조로 개발되고 있다.
광학 필터는 접착층에 의해 태양 전지판에 부착될 수 있다. 광학 필터가 적외선 차단층을 가지고 있더라도 차단 효과가 완벽할 수 없으므로, 광학 필터와 접착층을 통해 태양 전지판으로 열이 전달된다. 태양 전지판의 온도 상승은 광전 효율 저하로 이어지므로, 열 전달을 차단하기 위한 구조 개선이 요구되고 있다.
본 발명은 강한 열 작용을 가진 적외선을 최대한 반사함과 동시에 광학 필터로부터 태양 전지판을 향해 유입되는 열 전달을 효과적으로 차단할 수 있는 태양 전지 조립체 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 조립체는 태양 전지판과 광학 필터 및 열 방출층을 포함한다. 광학 필터는 태양광이 입사하는 태양 전지판의 상측에 위치하며, 금속막에 미세 홀들이 주기적으로 배열된 적외선 차단층을 가진다. 열 방출층은 태양 전지판과 광학 필터 사이에 위치하며, 열 전달 억제를 위한 공기층과, 공기층과 이웃하며 광학 필터를 태양 전지판에 부착시키는 합착벽을 포함한다.
열 방출층에서 공기층이 차지하는 면적은 합착벽이 차지하는 면적보다 클 수 있다. 합착벽은 공기층이 외기와 통하도록 열린 패턴 구조를 가질 수 있다. 합착벽은 서로간 거리를 두고 한 방향으로 정렬된 복수의 막대 구조물과, 서로간 거리를 두고 위치하는 복수의 기둥 구조물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
다른 한편으로, 합착벽은 열 방출층의 가장자리에 위치하는 프레임을 포함할 수 있고, 공기층은 프레임에 의해 둘러싸여 외기와 차단될 수 있다. 합착벽은 프레임의 내측 공간에서 서로간 거리를 두고 한 방향으로 정렬된 복수의 막대 구조물과, 서로 직교하는 두 방향으로 정렬된 격자 구조물과, 서로간 거리를 두고 위치하는 복수의 기둥 구조물 중 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 적외선 차단층은 투명 기판의 일면에 위치할 수 있고, 투명 기판의 반대측 일면에 일정 주기로 배열된 복수의 미세 구조물로 이루어진 저반사 구조가 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 조립체의 제조 방법은, 금속막에 미세 홀들이 주기적으로 배열된 적외선 차단층을 가지는 광학 필터를 제작하는 단계와, 태양 전지판 위에 광 경화성 폴리머와 버퍼 물질이 혼합된 유기물층을 도포하고, 유기물층 위에 광학 필터를 배치하는 단계와, 광학 필터 위에 광 투과부와 광 차단부를 가지는 노광 마스크를 배치하는 단계와, 노광 마스크를 통해 유기물층을 노광하여 광 투과부에 대응하는 제1 영역과 광 차단부에 대응하는 제2 영역의 상분리에 의해 제1 영역에 경화된 광 경화성 폴리머로 이루어진 합착벽을 형성하는 단계와, 제2 영역에 남은 버퍼 물질을 제거하여 공기층을 형성하는 단계를 포함한다.
광학 필터를 제작하는 단계는, 투명 기판 위에 복수의 입자를 균일하게 배열하고, 플라즈마 식각을 이용하여 복수의 입자 각각의 크기를 줄이고, 복수의 입자가 배열된 투명 기판 위에 금속막을 형성하고, 복수의 입자를 제거하여 금속막에 복수의 입자에 대응하는 미세 홀들을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
복수의 입자를 균일하게 배열하는 과정은, 투명 기판을 수조 내부에 위치시키고, 투명 기판이 잠기도록 수조 내부에 물을 채우고, 수면 위로 복수의 입자가 분산된 코팅 용액을 확산시키고, 수조로부터 물을 배수하여 수면을 하강시킴으로써 복수의 입자를 투명 기판의 표면에 위치시키는 과정들을 포함할 수 있다.
복수의 입자를 제거하는 과정은, 초음파 처리와, 입자를 녹이는 용액 처리와, 점착 테이프를 투명 기판 위에 붙인 후 떼어내는 것 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
플라즈마 식각 전, 복수의 입자는 삼각 배열을 이루며 서로 접할 수 있고, 입자 단일층을 형성할 수 있다. 플라즈마 식각 후, 복수의 입자는 서로간 거리를 두고 위치할 수 있으며, 복수의 입자 사이의 거리는 복수의 입자 각각의 크기보다 작을 수 있다. 금속막은 나노미터 스케일의 두께와 선폭을 가질 수 있다.
광 경화성 폴리머는 자외선에 의해 경화되는 고분자 수지를 포함할 수 있고, 버퍼 물질은 탈이온수, 헥사데칸, 및 실리콘 오일 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
유기물층을 노광할 때, 제1 영역에서 광 경화성 폴리머가 굳기 시작하고, 제1 영역과 제2 영역 사이에 농도 차이가 발생하며, 농도 차이에 의해 제2 영역의 광 경화성 폴리머가 제1 영역으로 이동하면서 상분리가 이루어질 수 있다. 버퍼 물질의 제거는 흡입기에 의한 흡입과, 열 처리에 의한 증발 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
광학 필터의 적외선 차단층은 적외선을 반사하여 태양 전지판으로 전달되는 열을 줄일 수 있고, 열 방출층의 공기층은 공기의 낮은 열전도율에 의해 태양 전지판으로 유입되는 열 전달을 효과적으로 차단할 수 있다. 또한, 열 방출층의 합착벽은 광학 필터를 태양 전지판에 부착시키는 접착층의 기능을 담당한다.
도 1과 도 2는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양 전지 조립체의 분해 사시도와 부분 확대 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 태양 전지 조립체 중 합착벽의 변형예를 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양 전지 조립체의 분해 사시도이다.
도 5 내지 도 7은 도 4에 도시한 태양 전지 조립체 중 합착벽의 변형예들을 도시한 구성도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 조립체의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 9a 내지 도 9d는 도 8에 도시한 제1 단계를 도시한 구성도이다.
도 10 내지 도 16은 여러 가지 광학 필터의 파장별 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 17은 도 8에 도시한 공정 순서도 가운데 제2 단계를 도시한 구성도이다.
도 18은 도 8에 도시한 공정 순서도 가운데 제3 단계를 도시한 구성도이다.
도 19는 도 8에 도시한 공정 순서도 가운데 제4 단계와 제5 단계를 도시한 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1과 도 2는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양 전지 조립체의 분해 사시도와 부분 확대 단면도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예의 태양 전지 조립체(100)는 태양 전지판(10)과 열 방출층(20) 및 광학 필터(30)를 포함한다. 광학 필터(30)는 태양광이 입사하는 태양 전지판(10)의 상부에 위치하고, 열 방출층(20)은 태양 전지판(10)과 광학 필터(30) 사이에 위치한다.
태양 전지판(10)은 나란히 배열된 복수의 태양전지 셀을 포함한다. 복수의 태양전지 셀은 서로 직렬 또는 병렬로 연결되거나, 직렬과 병렬이 조합된 방식으로 연결될 수 있다. 태양 전지판(10)은 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 전환한다.
광학 필터(30)는 표면 반사를 최소화하면서 열 작용이 강한 적외선을 최대한 반사시키는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 광학 필터(30)는 투명 기판(31)과, 투명 기판(31)의 일면에 위치하는 저반사 구조(32)와, 투명 기판(31)의 다른 일면에 위치하는 적외선 차단층(33)을 포함할 수 있다.
저반사 구조(32)는 일정 주기로 배열된 복수의 미세 구조물(321)로 이루어질 수 있다. 복수의 미세 구조물(321)은 원추형일 수 있고, 나노미터 스케일(1nm 이상 1,000nm 미만) 또는 마이크로미터 스케일(1㎛ 이상 1,000㎛ 미만)의 하부 직경과 높이를 가질 수 있다. 복수의 미세 구조물(321)은 투명 재질로 형성되며, 예를 들어 투명 기판(31)과 복수의 미세 구조물(321)은 유리로 제작될 수 있다.
복수의 미세 구조물(321)은 제1 방향(X 방향)을 따라 일렬로 배열되어 홀수 열과 짝수 열을 구성할 수 있다. 그리고 짝수 열은 홀수 열에 대해 어긋나게 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 방향(X 방향)에 따른 미세 구조물(321)의 피치를 p1이라 할 때, 홀수 열에 대한 짝수 열의 어긋남 정도는 p1의 절반일 수 있다.
저반사 구조(32)에 입사한 태양광은 점차적인 굴절률 차이로 인해 반사되지 않고 대부분 저반사 구조(32)를 통과한다. 저반사 구조(32)는 무반사 구조 또는 반사 방지층으로 표현될 수 있으며, 태양광이 입사하는 투명 기판(31)의 일면에 위치할 수 있다.
적외선 차단층(33)은 복수의 미세 홀(331)이 형성된 금속막(332)으로 이루어질 수 있다. 복수의 미세 홀(331)은 원형, 사각형, 다각형 등 다양한 형상일 수 있으며, 나노미터 스케일 또는 마이크로미터 스케일의 크기를 가질 수 있다.
금속막(332)은 알루미늄, 금, 백금, 은, 구리, 크롬, 팔라듐, 몰리브덴, 및 코발트 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이러한 예시로 한정되지 않는다. 금속막(332)은 나노미터 스케일의 두께와 선폭을 가질 수 있다. 구체적으로, 금속막(332)의 두께와 선폭은 복수의 미세 홀(331) 각각의 크기보다 작을 수 있다.
이러한 적외선 차단층(33)은 금속막의 나노 패턴에 의해 적외선 파장을 선택적으로 반사시키고, 적외선을 제외한 나머지 파장을 투과시키는 파장 선택성을 구현한다. 적외선 차단층(33)의 파장 선택성은 금속막(332)의 재질, 두께, 선폭, 증착 조건과, 미세 홀(331)의 크기, 피치, 배열 패턴 등에 따라 조절 가능하다.
적외선 차단층(33)은 열 차단층 또는 적외선 반사층으로 표현될 수 있으며, 태양 전지판(10)과 마주하는 투명 기판(31)의 일면에 위치할 수 있다. 적외선 차단층(33)은 다음에 설명하는 제조 방법에 의해 균일한 직경의 미세 홀(331)을 원하는 밀도로 정밀하게 형성할 수 있다.
열 방출층(20)은 광학 필터(30)를 태양 전지판(10)에 고정시키는 기능과, 태양 전지판(10)을 향한 열 전달을 차단하는 기능을 동시에 수행한다. 구체적으로, 열 방출층(20)은 공기층(21)과, 공기층(21)과 이웃하며 광학 필터(30)를 태양 전지판(10)에 부착시키는 합착벽(22)을 포함한다.
광학 필터(30)의 적외선 차단층(33)이 대부분의 적외선을 반사하더라도 일정 부분 태양 전지판(10)을 향한 열의 유입이 이루어진다. 광학 필터(30)의 열은 공기층(21)으로 방출되고, 공기층(21)은 공기의 낮은 열전도율에 의해 태양 전지판(10)을 향한 열 전달을 효과적으로 차단한다.
합착벽(22)은 접착성 수지를 포함할 수 있으며, 예를 들어 광 경화성 고분자 수지를 포함할 수 있다. 공기층(21)에 의한 열 차단 효과를 극대화할 수 있도록 열 방출층(20)에서 공기층(21)이 차지하는 면적은 합착벽(22)이 차지하는 면적보다 클 수 있다. 이를 위해 태양 전지 조립체(100)의 단면 상에서 합착벽(22)의 폭(w2)은 공기층(21)의 폭(w1)보다 작을 수 있다.
공기층(21)은 외기와 통하도록 바깥으로 열린 개방형 구조일 수 있다. 이 경우 공기층(21)의 공기는 정체되지 않고 외부 공기와 지속적인 교환이 이루어진다. 태양 전지 조립체(100)가 설치되는 외부 환경이 극단적인 고온 또는 극단적인 저온 환경이 아닌 경우, 공기층(21)을 외기와 통하도록 하는 것이 열 차단 및 열 방출에 유리하다.
합착벽(22)은 공기층(21)이 외기와 통하도록 열린 패턴 구조를 가진다. 예를 들어, 도 1과 같이 합착벽(22)은 서로간 거리를 두고 한 방향으로 정렬된 복수의 막대 구조물로 이루어질 수 있다. 복수의 막대 구조물은 같은 폭을 가질 수 있으며, 서로간 등간격으로 위치할 수 있으나, 도시한 예시로 한정되지 않는다.
도 3은 도 1에 도시한 태양 전지 조립체 중 합착벽의 변형예를 도시한 구성도이다.
도 3을 참고하면, 합착벽(22a)은 서로간 거리를 두고 위치하는 복수의 기둥 구조물로 이루어질 수 있다. 복수의 기둥 구조물은 원형 또는 다각형의 단면을 가질 수 있으며, 적어도 한 방향을 따라 정렬될 수 있다. 도 3에서는 복수의 원형 기둥 구조물로 이루어진 합착벽(22a)을 예로 들어 도시하였다.
다시 도 1과 도 2를 참고하면, 광학 필터(30)로부터 공기층(21)으로 방출된 열은 대류를 통해 공기층(21) 하부의 공기를 데우고, 데워진 공기는 외기로 배출되며, 새로운 외부 공기가 공기층(21)으로 유입된다. 이러한 과정이 반복되면서 공기층(21)은 일정 범위의 온도를 지속적으로 유지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양 전지 조립체의 분해 사시도이다.
도 4를 참고하면, 제2 실시예의 태양 전지 조립체(200)에서 공기층(21)은 합착벽(22b)으로 완전히 둘러싸인 폐쇄형 구조일 수 있다. 이 경우 공기층(21)의 공기는 외부 공기와 교환됨 없이 정체된 상태를 유지한다.
태양 전지 조립체(200)가 설치되는 외부 환경이 실온에서 벗어난 고온 또는 저온에 지속적으로 노출되는 경우라면, 공기층(21)을 외기와 통하지 않도록 밀폐시키는 것이 열 차단 및 열 방출에 유리하다.
합착벽(22b)은 공기층(21)이 외기와 통하지 않도록 닫힌 패턴 구조를 가진다. 예를 들어, 도 4와 같이 합착벽(22b)은 내측 공간을 가두는 프레임(23)과, 프레임(23)의 내측 공간에서 서로간 거리를 두고 한 방향으로 정렬된 복수의 막대 구조물(24)을 포함할 수 있다. 프레임(23)은 태양 전지판(10)의 가장자리를 따라 위치할 수 있다.
복수의 막대 구조물(24)의 가장자리는 프레임(23)과 접할 수 있고, 이 경우 공기층(21)은 복수개로 분할된다. 즉 복수의 공기층(21)이 막대 구조물(24)에 의해 분리되며, 복수의 공기층(21)은 서로 통하지 않고 합착벽(22b)에 의해 개별적으로 밀폐된다.
도 5 내지 도 7은 도 4에 도시한 태양 전지 조립체 중 합착벽의 변형예들을 도시한 구성도이다.
도 5를 참고하면, 합착벽(22c)은 내측 공간을 가두는 프레임(23)과, 프레임(23)의 내측 공간에서 프레임(23)과 떨어져 위치하는 복수의 막대 구조물(24a)을 포함할 수 있다. 이 경우 프레임(23) 내부에 서로 통하는 하나의 공기층(21)이 형성된다.
도 6을 참고하면, 합착벽(22d)은 내측 공간을 가두는 프레임(23)과, 프레임(23)의 내측 공간에서 서로 직교하는 두 방향으로 정렬된 격자 구조물(25)을 포함할 수 있다. 격자 구조물(25)의 가장자리는 프레임(23)과 접할 수 있으며, 공기층(21)은 서로 직교하는 두 방향을 따라 복수개로 분할된다.
도 7을 참고하면, 합착벽(22e)은 내측 공간을 가두는 프레임(23)과, 프레임(23)의 내측 공간에서 서로간 거리를 두고 위치하는 복수의 기둥 구조물(26)을 포함할 수 있다. 복수의 기둥 구조물(26)은 원형 또는 다각형의 단면을 가질 수 있으며, 적어도 한 방향을 따라 정렬될 수 있다.
복수의 기둥 구조물(26)을 포함하는 합착벽(22e)은 도 5의 경우와 마찬가지로 프레임(23) 내부에 서로 통하는 하나의 공기층(21)을 포함한다.
도 4 내지 도 7을 참고하면, 제2 실시예에서 열 방출층(20)은 외기와 통하지 않는 적어도 하나의 공기층(21)을 포함하며, 공기의 낮은 열전도율에 의해 태양 전지판(10)을 향하는 광학 필터(30)의 열 유입과, 외기로부터의 열 유입을 차단할 수 있다.
제2 실시예의 태양 전지 조립체(200)는 공기층(21)이 폐쇄형 구조인 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어지며, 중복되는 설명은 생략한다.
다음으로, 태양 전지 조립체의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 조립체의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 8을 참고하면, 태양 전지 조립체의 제조 방법은 적외선 차단층을 가지는 광학 필터를 제작하는 제1 단계(S10)와, 태양 전지판 위에 유기물층을 도포하고, 유기물층 위에 광학 필터를 배치하는 제2 단계(S20)와, 광학 필터 위에 노광 마스크를 배치하는 제3 단계(S30)와, 유기물층을 노광하여 노광 마스크의 광 투과부에 대응하는 합착벽을 형성하는 제4 단계(S40)와, 남은 버퍼 물질을 제거하여 공기층을 형성하는 제5 단계(S50)를 포함한다.
도 9a 내지 도 9d는 도 8에 도시한 제1 단계를 도시한 구성도이다.
도 9a를 참고하면, 제1 단계(S10)에서 투명 기판(31)이 준비되고, 투명 기판(31) 위에 복수의 입자(35)가 균일하게 배열된다. 복수의 입자(35)는 나노미터 스케일 또는 마이크로미터 스케일의 직경(d1)을 가지는 구형 입자일 수 있다. 복수의 입자(35)는 금, 은 등의 금속, 폴리스티렌, 아크릴 등의 합성수지, 실리콘 산화물, 티타늄 산화물 등의 무기 산화물, 또는 그 외 다양한 물질로 형성될 수 있다.
복수의 입자는 스핀 코팅(spin coating), 슬릿 코팅(slit coating) 또는 바 코팅(bar coating) 등의 코팅 방식과, 물을 이용하는 플로팅 방식(floating method) 중 하나를 이용하여 투명 기판 위에 배열될 수 있다.
예를 들어, 플로팅 방식은 투명 기판(31)을 수조(도시하지 않음) 내부에 배치하고, 투명 기판(31)이 잠기도록 수조 내부에 물을 채우는 과정과, 수면 위로 복수의 입자(35)가 분산된 코팅 용액을 확산시키는 과정과, 수조로부터 물을 배수하여 수면을 하강시킴으로써 복수의 입자(35)를 투명 기판(31)의 표면에 위치시키는 과정들을 포함할 수 있다.
코팅 용액은 복수의 입자(35)와 분산 용액을 포함하며, 분산 용액은 에탄올, 1-부탄올, 및 이소프로필 알코올 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 코팅 용액에서 입자들(35)의 농도는 3중량% 내지 10중량%일 수 있으며, 복수의 입자(35)와 분산 용액의 혼합 비율은 부피비로 대략 2:1일 수 있다. 이 조건을 만족할 때 입자들(35)의 퍼짐성을 높일 수 있다.
전술한 플로팅 방식을 사용하여 표준 편차 1% 이하의 입자 분산도를 유지할 수 있다. 플로팅 방식은 코팅 방식과 비교할 때 입자들(35)의 충진률(packing rate)을 높이고, 입자들(35)의 결함(defect)을 제거하는데 유리하다.
복수의 입자(35)는 삼각 배열을 이루며 서로 접할 수 있고, 투명 기판(31) 위에서 입자 단일층을 형성할 수 있다. 복수의 입자(35)의 최초 크기(d1)는 적외선 차단층을 구성하는 미세 홀들의 주기(피치)를 결정한다.
도 9b를 참고하면, 복수의 입자(35)는 플라즈마 식각에 의해 크기가 작아진다. 플라즈마 식각은 식각액을 사용하는 습식 식각과 달리 플라즈마에 의한 반응을 이용한 건식 식각으로서, 등방성 식각 특성을 가진다. 복수의 입자(35)는 플라즈마 반응에 의해 최초 위치를 유지하면서(초기 피치를 유지하면서) 크기만 작아진다.
플라즈마 식각을 거친 복수의 입자(35)는 서로간 일정한 거리(G)를 두고 떨어져 위치한다. 이때 복수의 입자(35) 사이의 거리(G)는 복수의 입자(35) 각각의 크기(d2)보다 작다. 예를 들어 플라즈마 식각 후 복수의 입자(35) 각각이 수 마이크로미터의 크기를 가질 때, 복수의 입자(35) 사이의 거리(G)는 나노미터 스케일의 크기를 가질 수 있다.
도 9c를 참고하면, 복수의 입자(35)가 배열된 투명 기판(31) 위에 금속막(332)이 형성된다. 금속막(332)은 알루미늄, 금, 백금, 은, 구리, 크롬, 팔라듐, 몰리브덴, 코발트 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이러한 예시로 한정되지 않는다. 금속막(332)은 진공 증착 등 다양한 방법으로 형성될 수 있으며, 나노미터 스케일의 두께를 가질 수 있다.
금속막(332)은 복수의 입자(35)로 인해 서로 연결된 하나의 막을 형성하지 못하고 복수의 입자(35) 각각의 표면과, 복수의 입자(35) 사이에 해당하는 투명 기판(31)의 표면에 분리 형성된다.
도 9c와 도 9d를 참고하면, 투명 기판(31)으로부터 복수의 입자(35)와 그 표면의 금속막(332) 일부가 같이 제거된다. 이로써 복수의 입자(35) 사이에 대응하는 금속막(332)이 남게 되며, 남은 금속막(332)에는 복수의 입자(35)에 각각 대응하는 복수의 미세 홀(331)이 형성된다.
복수의 입자(35)는 투명 기판(31) 위에 물리화학적으로 접합된 것이 아니므로 외부 자극에 의해 쉽게 제거될 수 있다. 예를 들어, 복수의 입자(35)는 초음파 처리로 제거되거나, 입자(35)를 녹이는 용액 처리에 의해 제거되거나, 점착 테이프(도시하지 않음)에 의해 제거될 수 있다.
입자를 녹이는 용액은 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran), 톨루엔(toluene), 다이클로로메테인(dichloromethane) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 점착 테이프의 경우, 점착 테이프를 투명 기판(31) 위에 붙인 후 떼어내면 점착 테이프의 점착면에 복수의 입자(35)가 들러 붙으면서 투명 기판(31)으로부터 분리될 수 있다.
복수의 미세 홀(331)은 일 방향을 따라 나란히 배열되어 홀수 열과 짝수 열을 구성할 수 있고, 짝수 열은 홀수 열에 대해 미세 홀(331) 피치(p2)의 절반만큼 어긋나게 위치할 수 있다. 금속막(332)의 두께와 선폭은 복수의 미세 홀(331) 각각의 크기보다 작은 나노미터 스케일의 크기를 가질 수 있다.
복수의 미세 홀(331)이 형성된 금속막(332)이 적외선을 선택적으로 반사하는 적외선 차단층(33)을 구성한다. 적외선 차단층(33)의 파장 선택성은 금속막(332)의 두께, 선폭, 재질, 증착 조건, 미세 홀(331)의 크기, 피치, 및 배열 패턴 등에 따라 조절 가능하다.
도 10, 도 11, 도 12, 도 13, 도 14는 각각 10nm, 20nm, 30nm, 40nm, 50nm 두께의 금속막으로 이루어진 적외선 차단층을 가지는 광학 필터에서 파장별 반사율을 나타낸 그래프이다. 실험에 사용된 입자는 폴리스티렌 입자이고, 금속막은 금(Au)을 포함한다.
도 10 내지 도 12에서, case 1, 2, 3은 1.3㎛ 크기의 입자를 각각 120초, 150초, 180초 동안 플라즈마 식각한 경우이다. case 4, 5, 6은 1.5㎛ 크기의 입자를 각각 120초, 150초, 180초 동안 플라즈마 식각한 경우이다. case 7, 8, 9는 2.1㎛ 크기의 입자를 각각 150초, 180초, 210초 동안 플라즈마 식각한 경우이다.
도 13과 도 14에서, case 10, 11, 12, 13, 14, 15는 2.1㎛ 크기의 입자를 각각 60초, 90초, 120초, 150초, 180초, 210초 동안 플라즈마 식각한 경우이다. case 1 내지 15 모두에서 입자의 플라즈마 식각 시간이 길수록 입자의 크기는 작아지고, 금속막의 선폭은 커진다.
도 10 내지 도 14를 참고하면, 특정 금속막 두께에서 적외선 파장(대략 1,000nm 이상)의 반사율은 미세 홀의 크기와 금속막의 선폭에 따라 다양한 변화를 보인다. 이러한 실험 결과에 근거하여 금(Au)을 포함하는 금속막의 특정 두께에서 적외선 파장의 반사율이 가장 높은 조건을 찾아 미세 홀의 크기와 금속막의 선폭을 선정할 수 있다.
도 15와 도 16은 금속막의 물질이 다른 두 종류의 광학 필터에서 파장별 반사율을 나타낸 그래프이다. 도 15의 실험에 사용된 금속막의 두께는 20nm이고, 도 16의 실험에 사용된 금속막의 두께는 30nm이다. 도 15와 도 16 모두에서 실험에 사용된 입자는 폴리스티렌 입자이다.
도 15에서 case 16, 17은 금(Au)을 포함하는 금속막에서 1.3㎛ 크기의 입자를 각각 90초, 120초 동안 플라즈마 식각한 경우이다. case 18, 19는 은(Ag)을 포함하는 금속막에서 1.3㎛ 크기의 입자를 각각 90초, 120초 동안 플라즈마 식각한 경우이다.
도 16에서 case 20, 21은 금(Au)을 포함하는 금속막에서 1.3㎛ 크기의 입자를 각각 90초, 120초 동안 플라즈마 식각한 경우이다. case 22, 23은 은(Ag)을 포함하는 금속막에서 1.3㎛ 크기의 입자를 각각 90초, 120초 동안 플라즈마 식각한 경우이다.
도 15와 도 16을 참고하면, 금속막이 금을 포함하는 경우와 은을 포함하는 경우 구체적인 반사율 수치는 상이하지만, 파장에 따른 반사율은 유사한 경향을 보이고 있음을 알 수 있다. 이러한 실험 결과에 근거하여 적외선 파장의 반사율이 가장 높은 조건을 찾아 금속막의 물질, 두께, 미세 홀의 크기, 금속막의 선폭을 선정할 수 있다.
도 17은 도 8에 도시한 공정 순서도 가운데 제2 단계를 도시한 구성도이다.
도 8과 도 17을 참고하면, 제2 단계(S20)에서 태양 전지판(10) 위에 유기물층(40)이 도포된다. 유기물층(40)은 열 방출층 형성을 위한 층으로서, 광 경화성 폴리머와 버퍼 물질을 포함하며, 태양 전지판(10)의 상면 전체에 도포된다. 유기물층(40)에서 광 경화성 폴리머와 버퍼 물질은 균일하게 혼합된다.
광 경화성 폴리머는 자외선에 의해 경화되는 통상의 고분자 수지를 포함하고, 버퍼 물질은 광 반응성과 열 경화성이 없는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 경화성 폴리머는 Norland Optical 사(社)의 상표명 NOA65, NOA81 등을 포함할 수 있으며, 버퍼 물질은 탈이온수, 헥사데칸, 실리콘 오일 등을 포함할 수 있다.
이어서 유기물층(40) 위에 광학 필터(30)가 배치된다. 광학 필터(30)는 투명 기판(31)과, 투명 기판(31)의 일면에 위치하는 적외선 차단층(33)을 포함하며, 투명 기판(31)의 다른 일면에 위치하는 저반사 구조(32)를 더 포함할 수 있다.
저반사 구조(32)는 일정 주기로 배열된 복수의 미세 구조물(321)(원추형 미세 구조물)일 수 있고, 태양광이 입사하는 투명 기판(31)의 상면에 위치할 수 있다. 적외선 차단층(33)은 복수의 미세 홀(331)이 형성된 금속막(332)으로 이루어지며, 투명 기판(31)의 하면에 위치할 수 있다.
도 18은 도 8에 도시한 공정 순서도 가운데 제3 단계를 도시한 구성도이다.
도 8과 도 18을 참고하면, 제3 단계(S30)에서 광학 필터(30) 위에 노광 마스크(50)가 배치된다. 노광 마스크(50)는 광 투과부(51)와 광 차단부(52)를 포함하며, 노광 마스크(50)의 상측에 광원(도시하지 않음)이 위치한다. 광원은 자외선을 방출하는 자외선 램프일 수 있다.
도 19는 도 8에 도시한 공정 순서도 가운데 제4 단계와 제5 단계를 도시한 구성도이다.
도 8과 도 19를 참고하면, 제4 단계(S40)에서 노광 마스크(50)를 통해 유기물층(40)으로 빛이 조사된다. 광원에서 방출된 빛은 노광 마스크(50)의 광 투과부(51)를 선택적으로 투과하고, 광학 필터(30)를 거쳐 유기물층(40)으로 조사된다. 이때 광학 필터(30)는 유기물층(40)을 향한 광 경로에 실질적인 영향을 미치지 않는다.
노광 마스크(50)를 이용한 부분 노광에 의해 유기물층(40)에서는 빛을 받은 제1 영역(A10)과 빛이 차단된 제2 영역(A20)에서 상분리가 일어나면서 광 투과부(51)에 대응하는 합착벽(22)이 만들어진다.
구체적으로, 유기물층(40) 가운데 광 투과부(51)에 대응하는 제1 영역(A10)에서 광 경화성 폴리머가 굳기 시작한다. 최초 광 경화성 폴리머와 버퍼 물질이 균등하게 혼합된 상태에서 제1 영역(A10)의 광 경화성 폴리머가 굳기 시작하면, 제1 영역(A10)과 제2 영역(A20) 사이에 농도 차이가 발생한다.
이러한 농도 차이로 인해 광 차단부(52)에 대응하는 제2 영역(A20)에 있던 광 경화성 폴리머가 균등 비율 유지를 위해 제1 영역(A10)으로 서서히 이동한다. 이를 상분리라 하며, 제1 영역(A10)은 광 경화성 폴리머의 지속적인 이동과 빛에 의한 경화 과정에 의해 태양 전지판(10)과 광학 필터(30)를 붙이는 기둥, 즉 합착벽(22)이 형성된다.
합착벽(22)이 만들어지는 과정에서 광 차단부(52)에 대응하는 제2 영역(A20)에는 대부분의 버퍼 물질과 소량의 광 경화성 폴리머가 남게 된다. 제5 단계(S50)에서, 남은 유기물층(40) 물질은 흡입기에 의한 흡입으로 제거할 수 있다. 다른 한편으로, 유기물층(40) 물질이 휘발성인 경우, 열처리를 통해 이들 물질을 증발시킬 수 있다.
제2 실시예와 같이 합착벽(22b)이 프레임(23)을 포함하는 경우에는 흡입기 사용이 불가능하다. 합착벽(22b)이 프레임(23)을 포함하는 경우, 휘발성을 가지는 유기물층(40) 물질이 선택되고, 합착벽(22)을 만든 다음 열처리를 하면 이들 물질이 증발되면서 합착벽(22)의 미세 기공을 통해 외기로 빠져나갈 수 있다.
합착벽(22)을 만든 다음 남은 유기물층(40) 물질이 제거되면서 합착벽(22) 사이로 공기층(21)이 형성된다. 노광 마스크(50)의 패턴 형상과 크기에 따라 다양한 형상과 크기의 협착벽(22)을 자유롭게 제작할 수 있으며, 태양 전지판(10)과 광학 필터(30) 사이에서 열 방출층(20)을 자유롭게 패터닝할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200: 태양 전지 조립체 10: 태양 전지판
20: 열 방출층 21: 공기층
22: 합착벽 30: 광학 필터
31: 투명 기판 32: 저반사 구조
33: 적외선 차단층 40: 유기물층
50: 노광 마스크 51: 광 투과부
52: 광 차단부

Claims (16)

  1. 태양 전지판;
    태양광이 입사하는 상기 태양 전지판의 상측에 위치하며, 금속막에 미세 홀들이 주기적으로 배열된 적외선 차단층을 가지는 광학 필터; 및
    상기 태양 전지판과 상기 광학 필터 사이에 위치하는 열 방출층
    을 포함하며,
    상기 열 방출층은 열 전달 억제를 위한 공기층과, 상기 공기층과 이웃하며 접착성 수지로 구성되어 상기 광학 필터를 상기 태양 전지판에 부착시키는 합착벽을 포함하고,
    상기 합착벽은 서로간 거리를 두고 위치하는 복수의 막대 구조물과 복수의 기둥 구조물 중 어느 하나로 구성되어 상기 태양 전지판에 대한 상기 광학 필터의 접착을 균일화하는 태양 전지 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열 방출층에서 상기 공기층이 차지하는 면적은 상기 합착벽이 차지하는 면적보다 큰 태양 전지 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 합착벽은 상기 공기층이 외기와 통하도록 열린 패턴 구조를 가지는 태양 전지 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 합착벽은 광 경화성 폴리머와 버퍼 물질을 포함하는 태양 전지 조립체.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 합착벽은 상기 열 방출층의 가장자리에 위치하는 프레임을 포함하며,
    상기 공기층은 상기 프레임에 의해 둘러싸여 외기와 차단되는 태양 전지 조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 합착벽은 상기 프레임의 내측 공간에서 서로간 거리를 두고 한 방향으로 정렬된 복수의 막대 구조물과, 서로 직교하는 두 방향으로 정렬된 격자 구조물과, 서로간 거리를 두고 위치하는 복수의 기둥 구조물 중 어느 하나로 구성되는 태양 전지 조립체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적외선 차단층은 투명 기판의 일면에 위치하고,
    상기 투명 기판의 반대측 일면에 일정 주기로 배열된 복수의 미세 구조물로 이루어진 저반사 구조가 위치하는 태양 전지 조립체.
  8. 금속막에 미세 홀들이 주기적으로 배열된 적외선 차단층을 가지는 광학 필터를 제작하는 단계;
    태양 전지판 위에 광 경화성 폴리머와 버퍼 물질이 혼합된 유기물층을 도포하고, 상기 유기물층 위에 상기 광학 필터를 배치하는 단계;
    상기 광학 필터 위에 광 투과부와 광 차단부를 가지는 노광 마스크를 배치하는 단계;
    상기 노광 마스크를 통해 상기 유기물층을 노광하여 상기 광 투과부에 대응하는 제1 영역과 상기 광 차단부에 대응하는 제2 영역의 상분리에 의해 상기 제1 영역에 경화된 광 경화성 폴리머로 이루어진 합착벽을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 영역에 남은 상기 버퍼 물질을 제거하여 공기층을 형성하는 단계
    를 포함하는 태양 전지 조립체의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광학 필터를 제작하는 단계는,
    투명 기판 위에 복수의 입자를 균일하게 배열하고,
    플라즈마 식각을 이용하여 상기 복수의 입자 각각의 크기를 줄이고,
    상기 복수의 입자가 배열된 상기 투명 기판 위에 금속막을 형성하고,
    상기 복수의 입자를 제거하여 상기 금속막에 상기 복수의 입자에 대응하는 미세 홀들을 형성하는 과정을 포함하는 태양 전지 조립체의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 입자를 균일하게 배열하는 과정은,
    상기 투명 기판을 수조 내부에 위치시키고, 상기 투명 기판이 잠기도록 상기 수조 내부에 물을 채우고, 수면 위로 상기 복수의 입자가 분산된 코팅 용액을 확산시키고, 상기 수조로부터 물을 배수하여 수면을 하강시킴으로써 상기 복수의 입자를 상기 투명 기판의 표면에 위치시키는 과정들을 포함하는 태양 전지 조립체의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 입자를 제거하는 과정은,
    초음파 처리와, 입자를 녹이는 용액 처리와, 점착 테이프를 상기 투명 기판 위에 붙인 후 떼어내는 것 중 어느 하나로 이루어지는 태양 전지 조립체의 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 플라즈마 식각 전, 상기 복수의 입자는 삼각 배열을 이루며 서로 접하고, 입자 단일층을 형성하며,
    상기 플라즈마 식각 후, 상기 복수의 입자는 서로간 거리를 두고 위치하며, 상기 복수의 입자 사이의 거리는 상기 복수의 입자 각각의 크기보다 작은 태양 전지 조립체의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 금속막은 나노미터 스케일의 두께와 선폭을 가지는 태양 전지 조립체의 제조 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 광 경화성 폴리머는 자외선에 의해 경화되는 고분자 수지를 포함하고,
    상기 버퍼 물질은 탈이온수, 헥사데칸, 및 실리콘 오일 중 적어도 하나를 포함하는 태양 전지 조립체의 제조 방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 유기물층을 노광할 때, 상기 제1 영역에서 상기 광 경화성 폴리머가 굳기 시작하고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 농도 차이가 발생하며, 농도 차이에 의해 상기 제2 영역의 상기 광 경화성 폴리머가 상기 제1 영역으로 이동하면서 상분리가 이루어지는 태양 전지 조립체의 제조 방법.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 버퍼 물질의 제거는 흡입기에 의한 흡입과, 열 처리에 의한 증발 중 어느 하나로 이루어지는 태양 전지 조립체의 제조 방법.
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