KR20110095982A - 씨아이지에스 박막제조용 병합증발원 - Google Patents

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KR20110095982A
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Abstract

본 발명은 CIGS 태양전지의 광흡수층인 CIGS 박막을 제조하는 증발원으로서, 원통형구조의 외곽하우징내부에 병합도가니, 가열 히터, 단열벽등이 구성되어있고, 병합도가니는 원통형의 구조로서, 내부에 구리파우더를 저장하는 저장실, 인디움 파우더 저장실, 갈륨 파우더 저장실, 셀레니움 파우더 저장실이 원통형으로 형성되고, 각 저장실의 외벽을 따라 가열히터가 구성되어 있어 히터에 전기를 가하면 복사열이 방출되고, 복사열에 의하여 저장실 도가니의 벽이 가열되어 물질들이 적당히 증발하도록 하며, 각 증발된 금속 가스들이 병합도가니 내부에서 충분히 섞여서, 가스분출부를 통하여 증발원 외부로 증발하여 유리기판에 증착하여 CIGS 박막을 제작하게 하는 것이 특징이다. 본 발명에 따른 CIGS 박막 제조용 병합증발원을 사용함으로써, 4개이상의 증발원을 사용하여 박막을 증착하는 경우처럼 조성비조절을 따로 할 필요가 없고, 대면적의 박막내의 조성비 균일도가 최고로 유지되고, 물질 사용율이 현저히 향상되므로, 생산 원가가 절감되고, 이러한 방법으로 제작된, CIGS 태양전지는 결국, 광전효율이 향상되는 효과를 가지게 되어 CIGS 박막형 태양전지의 대량생산을 실현하는 효과를 가지게 된다.

Description

씨아이지에스 박막제조용 병합증발원{MULTI STORAGE THERMAL EVAPORATION SOURCE FOR CIGS THIN FILMS}
박막형 태양전지의 가장 대표적인 태양전지는 CIGS 박막 태양전지이다. 특히, 고가의 실리콘 벌크형 태양전지를 대체할 수 있는 미래형 태양전지로 각광받고 있다. CIGS 태양전지는 소다라임 유리기판에 몰리브데니움 박막을 전극으로 스퍼터링 증착하고 난후에 CIGS 박막을 열증착하여 제조하며, CdS 박막은 주로 Chemical Bath Deposition 방법으로 증착하고, ZnO 박막과 ITO 또는 AZO 박막을 TCO 박막층으로 스퍼터링 증착하여 제조하게 된다. CIGS 박막은 태양의 에너지를 받아서 전자를 발생시키는 광흡수층으로서 가장 중요한 박막이라고 할 수 있다.
CIGS 박막은 구리, 인디움, 갈륨, 셀레니움으로 구성된 화합물 박막으로서 주로 고온의 증발원을 사용하여, 각 물질들을 고진공 챔버 내에서 가열하여 기체화하여 그 기체들이 유리기판까지 비행증발하여, 유리기판에 증착하게 하여 CIGS 박막을 제작한다. CIGS 박막의 적정두께는 약 1.0um ~ 2.0um 로 알려져 있다. CIGS 박막의 조성비는 구리가 약 24%, 인디움이 17%, 갈륨이 8%, 셀레니움이 51% 정도의 조성비를 가지고 결정화가 이루어지며, 이때, 기판의 온도는 섭씨 약 550도 정도가 되어야 양질의 CIGS 박막을 제작할 수 있다. 구리의 증발원은 약 1500도, 인디움의 증발원은 1100도, 갈륨의 증발원의 온도는 약 1200도, 셀레니움의 증발온도는 약 300도 정도에서 각 기체들의 증발량을 조절하기 위하여 증발원의 증발온도의 미세 조절이 가능하여야 한다.
도1에는 고진공 챔버의 상부에 유리기판(1)이 놓여있고, 챔버의 하부에는 4개의 고온 포인트형 증발원들이 놓여 있으며 각각, 구리증발원(2), 인디움 증발원(3), 갈륨증발원(4), 셀레니움 증발원(5)으로서 각 증발원 내의 가열장치를 가열하여 물질들의 기화를 동시에 유도하여 동시 열증발 증착을 하게 되는 것이다.
기존의 방법으로 4개의 금속 기체들을 동시증발하여 CIGS 박막을 제작할 경우에는, 각 금속 기체들이 각 증발원을 출발하여 고진공 챔버 내에서 비행하여 유리기판에 증착되는데, 증착되는 두께분포가 서로 달라, 4개의 기체들을 일정한 비율로 배합하여 균일한 박막을 제작하는 것이 매우 어렵다.
각 금속물질들의 증발양을 맞추는 것을 조성비 조절이라고 하는데, 기존에는 주로, 석영 박막 두께 조절기(QCM thickness monitor)를 사용하고 있으나, 이 장치는 고온에 매우 취약하여 장시간 사용이 불가능하다. 원자 흡수 분광기(Atomic Absorption Spectrometer)를 사용하여 각 증발율을 조절하기도 하는데, 챔버내부에 셀레니움에 의한, 윈도우 표면의 증착 현상 때문에 역시 장시간 사용이 불가능하여, XRF와 같은 장치들은 실시간으로 조성비 조절을 하지 못하고, 증착이 완료된 박막을 이용하므로, 실시간 조성비 조절장치의 개발이 필요하기도 하게 되는 것이다.
대면적의 CIGS 박막을 제조할 경우, 대면적에 걸친 각 금속원소들의 조성비의 균일도를 확보하기가 매우 어려워서 생산성이 저하되는 문제를 가지고 있다. 이러한 각 물질들의 알맞은 조성비의 균일도를 향상시키기 위하여 유리기판과 각 증발원 사이의 거리를 매우 멀리 떨어뜨려서 증착을 하기도 하는데, 이 경우, 사용물질의 물질 사용율이 매우 떨어지므로 CIGS 박막의 제조 원가가 매우 비싸게 되기도 한다. 그러므로, CIGS 박막의 제조원가를 절감하고, 생산성이 향상되는 증발원의 개발이 시급하다. 특히, 증발온도가 서로 다른 금속물질들을 적당한 온도에서 기화하여 원하는 조성비만큼 증발가스들이 미리 섞이게 하여 분출하는 증발원을 개발할 필요가 있는 것이다.
본 발명에 따르면, CIGS 박막을 열증발 증착하여 제작 시, 구리, 인디움, 갈륨, 셀레니움을 병합형 도가니내부에 형성된 각 물질의 저장부에 담아서 각 히터들에 의하여 물질들의 알맞은 양의 기체가 증발하도록 유도하여 도가니 내부에서 균일하게 섞이게 하고, 병합형 도가니 내부에 형성된 분출노즐을 통하여 기체가 분출하여 비행 후 유리기판에 증착하게 함으로써, CIGS 박막을 형성함으로써, 박막 내의 각 물질들의 조성비가 항상 균일하게 분포하는 효과를 가지므로, 대면적의 CIGS 박막 내의 조성비를 용이하게 조절하는 효과가 있고, 기판과 증발원 사이의 거리를 가까이 조절할 수 있으므로, 물질사용율이 향상되므로, 생산 원가가 절감되고, 이러한 방법으로 제작된, CIGS 태양전지는 결국, 광전효율이 향상되는 효과를 가지게 되어 CIGS 박막형 태양전지의 대량생산을 실현하는 효과를 가지게 된다.
도1은 기존의 CIGS 증착을 나타내는 실시도
도2는 상향식 병합도가니의 구조를 나타내는 구성도
도3은 상향식 병합도가니의 외부형태를 나타내는 구성도
도4는 상향식 병합도가니내의 가스의 흐름을 나타내는 실시도
도5는 배플노즐을 나타내는 구성도
도6은 상향식 병합도가니, 히터, 단열벽, 하우징의 구조도
도7은 측방향식 병합도가니의 구조도
도8은 하향식 병합도가니의 구조도
도2에는 상향식 병합도가니(10)의 내부구조를 나타내었다. 원통형구조의 도가니 내부에는 구리 파우더 저장실(13), 인디움 파우더 저장실(14), 갈륨 파우더 저장실(15), 셀레니움 파우더 저장실(16)등이 구성되어 있는데, 도3에는 상향식 병합도가니의 외부 모습을 나타낸 그림으로서, 하부로 갈수록 더욱 작아지는 원통형 도가니가 서로 연결되도록 제작하게 된다. 상향식 도가니의 상부에는 가스 분출구(11)가 형성되어 있어 도가니 내부에서 서로 다른 온도에서 증발된 가스들이 섞이고 난후에 이 가스 분출구를 통하여 도가니 외부로 분출하게 되어 증착을 위한 비행을 시작하게 된다. 또한, 가스 분출구의 하부에는 배플 노즐부(12)가 고정하게 되어 있어서, 더욱 증발된 가스들이 잘 섞여서 분출이 되도록 하는 것이다. 병합도가니(10)의 상부와 하부는 탭 연결부(19)에 의하여 서로 연결된다.
도4에는 상향식 병합도가니에 구리 파우더, 인디움 파우더, 갈륨 파우더, 셀레니움 파우더가 각각의 저장실에 담겨있는 상태를 나타내며, 각 금속 물질들이 증발하여 도가니 내부에서 섞인 후에 가스 분출구를 통하여 증발하는 모습을 나타내었다. 도가니의 내부에는 각 물질 파우더가 담기어 저장이 가능하게 각 저장실에는 적당한 높이의 저장실 벽이 형성되어 있다.
도5에는 배플노즐부(12)의 상세모양으로서, 원형의 구조물에 다수개의 원형 가스 분출 노즐(18)들이 형성되게 제작하여, 가스들이 이 노즐들을 통하여 도가니로부터 분출이 된다. 배플노즐들의 크기와 수를 제어하여 분출되는 가스들의 분출량과 분출속도를 제어하게 되는 것이다.
도6에는 병합도가니(10)가 포함된 증발원의 전체 구조를 나타낸 것으로서, 병합도가니의 주위에는 상부 가열 히터(30), 구리 저장부 가열 히터(31), 인디움 저장부 가열 히터(32), 갈륨 저장부 가열 히터(33), 셀레니움 저장부 가열히터(34)들이 각 저장부 외벽에 가까이 위치하게 되며, 히터들에 전기를 가하면, 히터들이 고온으로 가열되고, 복사열을 방사하면, 저장부의 외벽이 가열되고, 내부에 담긴 파우더 물질들이 가열되어, 증발하게 되는 이른바 복사 가열 방법에 의하여 금속물질을 증발하는 방법인 것이다.
상부가열 히터(30)는 도가니(10)의 상부를 항상 가열하여 증발된 가스들이 도가니의 상부 내벽에 달라붙는 현상이 발생되지 않도록 방지하는 것이다. 각 히터들의 길이와 위치는 적당히 조절되어야 하는데, 이는 여러 번의 시험에 의하여 결정된다. 상부가열 히터는 가스분출구(11)의 주위를 항상 가열해 주는 효과도 있으므로, 가스가 분출할 시, 가스분출구 주위에 달라붙는 고형화(condensation) 현상을 방지해 주기도 한다.
각 가열 히터들의 다른 주위에는 단열벽(50~58)들이 설치된다. 구리, 인디움, 갈륨과 같은 금속물질들을 충분히 가열 증발하려면, 가열 히터들이 구리의 경우 섭씨 1500도에서 1800도, 인디움의 경우, 섭씨 900도에서 1200도, 갈륨의 경우, 섭씨 1000도에서 1300도, 셀레니움의 경우 250도에서 400도의 고온 범위내에서 조절이 된다. 이러한 고온을 유지하려면, 두꺼운 단열벽의 재질을 선택하여, 열이 증발원 외부로 탈출하지 않게 하여야 하며, 주로 지르코니아 재질이나, 세라믹 재질을 사용하게 된다. 도가니의 재질은 주로 세라믹, 그래파이트 등을 사용하여, 그래파이트 재질에 PBN 물질을 코팅하여 사용한다. 특히 도가니의 내벽으로부터 도가니 재질의 가스가, 고온에서, 도가니 내부 방향으로, 방출되지 않도록 유지하는 것이 매우 중요하다. 그렇지 않으면, 금속물질들의 충분한 양의 증발을 유도하기가 어려워진다.
상향식 병합도가니는 서로 다른 물질을 저장부에 담고 있으나, 전체 도가니는 서로 닿아서 연결되어 있으므로, 열전도에 의한 열적 간섭이 발생하기도 한다. 하지만 증발온도가 충분히 고온이므로 히터로부터의 복사가 서로 간섭되지 않도록 유지하면 열적 간섭을 최소화할 수 있는 것이다. 예를 들면, 52번 단열벽은 충분히 두껍게 제작하여, 31번 히터와 32번 히터 사이의 복사 간섭을 최소화하게 된다. 마찬가지로 54번 단열벽이 충분히 두껍게 제작되고, 여러 겹으로 설치됨으로써, 32번 히터와 33번 히터 사이의 복사열의 간섭을 최소화하게 하여 서로 열적 간섭을 최소화하는 효과를 가진다. 56번 단열벽도 마찬가지로, 33번 히터와 34번 히터 사이의 복사열 간섭을 방지하는 효과를 가진다. 히터 고정부(35)는 수직으로 서 있는 히터에는 히터의 위, 아래에 위치하고, 수평으로 누워있는 히터에는 히터의 양쪽에 위치하여 히터를 고정하며, 재질로 고온에 강한 BN 또는 PBN이 코팅된 그래파이트를 사용한다.
도6에는 도시되어 있지 않지만, 각 히터 근처에는 온도를 측정하는 Thermal couple 들이 각각 설치되어 있어서, 각 히터들의 가열온도들을 실시간 측정하게 하여, 공급되는 전기양을 제어하게 하고, 증발양도 제어하게 하는 것이다.
단열벽 주위에는 외곽 하우징(40)이 설치되어, 단열벽과 히터, 도가니가 하우징 내부에 고정하게 도와주며, 증발원의 이동이 가능하게 함으로써, 고진공의 챔버 내에 적당한 위치에 고정할 수 있는 것이다. 또한 하우징에 의하여 증발원 외부로 빼앗기는 열을 최소화하기도 하며, 주로, 스테인레스 스틸, 몰리브데늄과 같은 금속성 물질로 제작한다. 하우징의 내부 벽에는 더욱 열을 내부에서 저장하는 목적으로, 다겹의 금속 호일들을 여러 겹 부착하여 사용하기도 한다. 고온 열 방지용 단열벽 재질은 주로 다공성 물질들이므로, 잘 깨지기 쉬우므로 설치와 제작시 주위를 요구하기도 한다.
필요에 따라 물질을 저장하는 위치를 바꿀 수도 있다. 예를 들면, 13번 저장실에 셀레니움 파우더를 저장하고, 14번에 갈륨 파우더, 15번에 인디움 파우더, 16번에 구리 파우더를 저장하여 사용할 수도 있는데, 이는 여러번 시험을 해보고 더욱 효과적인 방법을 결정할 필요가 있다.
도가니 내에서 잘 섞여진 가스들이 측향식 또는 하향식으로 비행할 필요가 발생할 수도 있다. 예를들면, 유리기판의 온도를 500도 이상 유지할 경우, 유리가 휘어지거나 하는 문제가 발생하면, 균일한 박막을 제작하기가 어려워 지므로, 유리기판을 세우거나, 증발원 하부에 놓거나 하여 이를 방지하기도 한다. 이 경우에는 도7에 도시한 측방향식 병합도가니(60)와 도8에 도시한 하향식 병합도가니(70)를 사용하여 증발원을 제작하게 된다. 측방향식 병합도가니의 분출부에는 측방향 가스 분출부(61)가 챔버벽을 향하여 형성되어 있다. 하향식 병합도가니의 상부에는 돔형의 지붕부(72)가 형성되어 증발된 가스들이 잘 섞이고, 적당한 압력으로 고여(stagnation pressure)있도록 하는 공간이 마련되어 있으며, 하향으로 가스가 분출되도록 유도하는 하향 가스 분출구(71)가 도가니의 중앙부에 형성되어 있다.
1: 유리기판 2: 구리 증발원
3: 인디움 증발원 4:갈륨 증발원
5: 셀레니움 증발원
10: 상향식 병합도가니 11: 가스 분출구
12: 배플 노즐부 13: 구리파우더 저장실
14: 인디움파우더 저장실 15: 갈륨파우더 저장실
16: 셀레니움파우더 저장실 17: 저장실 벽
18: 가스 분출 노즐 19: 탭 연결부
20: 구리 파우더 21: 인디움 파우더
22: 갈륨 파우더 23: 셀레니움 파우더
30: 상부 가열 히터 31: 구리 저장부 가열 히터
32: 인디움 저장부 가열 히터 33: 갈륨 저장부 가열 히터
34: 셀레니움 저장부 가열 히터 35: 히터 고정부
40: 외곽 하우징
50~58: 단열벽
60: 측방향식 병합 도가니 61: 측방향 가스 분출구
70: 하향식 병합 도가니71: 하향 가스 분출구
72: 돔형 지붕부

Claims (15)

  1. 원통형의 외곽 하우징내에 단열벽들과, 가열히터들, 상향식 병합형 도가니로 구성되어 상향식 병합도가니의 상부에는 가스 분출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막제조용 병합증발원
  2. 청구항 1에 있어서, 상향식 병합형 도가니는 원통형으로서 밑으로 갈수록 원통형의 크기가 작아지는 형태를 하는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막제조용 병합증발원
  3. 청구항 1에 있어서, 가스 분출구에는 원형 노즐 개구부가 다수개 형성되는 배플형 노즐부가 형성되는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막제조용 병합증발원
  4. 청구항 2에 있어서, 원통형 도가니의 벽을 따라, 내부에는 금속물질 파우더를 저장할 수 있는 저장실이 다수개 형성되고, 각 저장실에는 도가니벽과 저장실벽이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막제조용 병합증발원
  5. 청구항 1에 있어서, 다수개의 서로다른 금속 파우더를 동시에 저장하여, 각 가열히터를 동시에 가열하여 여러 금속 파우더를 가열하여, 여러 금속 가스들을 증발하여 서로 섞이도록 유도하여 섞인 가스들이 고인 압력이 유지되도록 분출하는 현상을 특징으로 하는 CIGS 박막제조용 병합증발원
  6. 청구항 1에 있어서, 각 가열히터들 사이에는 서로 복사열이 간섭되지 않도록 하는 것을 목적으로 각 가열히터들 사이에는 최대한 두껍고, 여러겹으로 형성된 단열벽이 형성되는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막제조용 병합증발원
  7. 청구항 1에 있어서, 구리용 가열 히터의 온도는 1200도에서 1900도 사이에서 작동되고, 인디움 가열 히터의 온도는 900도에서 1200도 사이에서 작동되고, 갈륨이 가열온도는 1000도에서 1300도 사이에서 작동되고, 셀레니움의 가열 히터의 가열온도는 200도에서 400도 사이에서 작동되는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막제조용 병합증발원
  8. 청구항 1에 있어서, 가장 상부의 저장실로부터 구리, 인디움, 갈룸, 셀레니움의 순서로 금속 파우더를 저장하거나, 셀레니움, 갈륨, 인디움, 구리파우더의 순서로 저장하는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막제조용 병합증발원
  9. 측방향식 병합도가니의 측면에는 측방향 가스 분출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막제조용 병합증발원
  10. 하향식 병합도가니의 하부중앙에는 하향방향 가스 분출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막제조용 병합증발원
  11. 청구항 1에 있어서, 도가니의 형태는 원통형에 제한되지 않고, 선형으로 확장되고, 선형의 가열히터들, 선형의 단열벽들과 선형구조의 외곽하우징을 형성하는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막제조용 선형 병합증발원
  12. 청구항 1에 있어서, 도가니의 재질은 세라믹, 그래파이트, 피비앤(PBN), 또는 PBN이 코팅된 그래파이트의 재질을 사용하고, 가열 히터의 재질은 그래파이트 또는 PBN이 코팅된 그래파이트를 사용하고, 단열벽의 재질은 세라믹 또는 지르코니움 재질을 사용하고 외곽하우징의 재질은 스테인레스 스틸 또는 몰리브데늄 금속을 사용하는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막제조용 병합증발원
  13. 청구항 1에 있어서, 단열을 목적으로 외곽하우징 내부벽에 여러겹의 스테인레스 호일이나, 몰리브데늄 호일을 구성하거나, 호일들 사이에는 그래파이트 펠트나 그래파이 호일을 여러겹 채워넣어 추가적인 단열벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막제조용 병합증발원
  14. 청구항 1에 있어서, 각 가열히터들의 온도를 측정하는 것을 목적으로 각 히터들 근처에 위치하도록, 단열벽과 외곽하우징에 홈을 내어 써모커플(Thermo couple) 라인을 설치하는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막제조용 병합증발원
  15. 청구항 1에 있어서, 가열히터들의 고정을 위한 히터 고정부는 수직으로 서 있는 히터에는 히터의 위, 아래에 위치하고 수평으로 누워있는 히터에는 히터의 양쪽에 위치하며 재질로는 BN 또는 PBN이 코팅된 그래파이트를 사용하는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막제조용 병합증발원
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