KR20130054909A - 텍스처 구조를 갖는 열팽창 제어형 플렉서블 금속 기판재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열팽창 제어형 플렉서블 금속 기판재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 전주방법을 이용하여 열팽창 제어형 합금으로 구성되고 텍스처 구조 및 광폭을 갖는 금속기판재를 제조한다. 또한, 본 발명의 플렉서블 금속 기판재는 Fe-Ni 합금 조성비를 제어하여 열팽창 계수를 실리콘과 근사하게 함으로써, 실리콘 박막 태양전지용 기판으로 사용할 수 있다. 본 발명은 전주방법에 사용되는 도금용 음극 또는 음극으로 사용되는 도금용 드럼 표면에 텍스처 구조를 형성하여 플렉서블 금속 기판재 표면에 텍스처 구조를 구비하게 함으로써, 광 경로를 연장시켜 광전변환 효율을 향상시키도록 하였다.

Description

텍스처 구조를 갖는 열팽창 제어형 플렉서블 금속 기판재{Thermal Expansion Control Type Flexible Metal Substrate With Texture}
본 발명은 실리콘 결정질 태양전지의 텍스처 구조와 유사한 요철 구조를 갖는 플렉서블 금속 기판재에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 적층되는 박막 셀의 소재와 유사한 열팽창 거동을 갖는 텍스처 구조를 갖는 태양전지용 플렉서블 금속 기판재에 관한 것이다.
플렉서블 태양전지용 기판재는 기계적 강도가 우수해야 하며, 태양전지 제조 공정온도에서 적층되는 박막 셀(cell) 소재와 유사한 열팽창 거동을 가지는 것이 바람직하다. 이러한 요건을 충족하는 기판은 기판과 적층 된 재료 사이의 박리 현상으로 인한 효율저하를 저감할 수 있다.
현재 플렉서블 태양전지용 기판은 PI(polyimide), PET(polyethylene terephthalate)와 같은 플라스틱 기판과, Ti, Mo, SS, kover와 같은 금속 포일 기판이 많이 이용되고 있다. 하지만 플라스틱 기판의 경우 열에 약하고, 높은 열팽창 계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)를 가지며, 강도가 낮고, 화학약품, 산소 및 습기에 취약한 단점을 지니고 있다.
한편, 금속기판의 경우 상기 플라스틱 기판의 문제점을 보완할 수 있다. 금속기판은, 플렉서블한 특성을 내기 위하여 두께를 얇게 하여야 하는데, 이를 위하여 압연공정기술이 사용되고 있다. 압연공정기술의 경우, 20 단 압연 밀을 갖춘 설비를 통해 금속판재를 박판 가공하게 된다. 하지만, 압연공정기술은 가공되는 금속기판재의 폭을 넓게 하는 데 한계가 있으며, 박판 두께도 0.1mm 수준 이하로 하기 어렵다. 또한 열팽창계수를 제어할 수 없고, 박판 취급의 곤란성 등의 단점을 가지고 있다.
일반적으로 실리콘 태양전지의 경우, 입사한 태양광선이 가급적 광 흡수층에서 광 경로를 길게 갖는 것이 광전변환효율을 높이기 때문에, 표면에 피라미드 형상의 요철구조를 만드는 이른바 텍스처링(texturing) 작업을 거치고 있다. 실리콘 박막 태양전지의 경우에도, 이를 위해, 기판에 요철 구조를 갖는 박막층을 적층하고 있다. 하지만 상기 공정들은 노력과 비용이 추가로 발생하여 제조원가가 상승하는 문제점이 있다.
또한, 실리콘 박막 태양전지 외에도 플렉서블 기판 위에 제작되는 디스플레이 소자나 미세 요철 구조가 필요한 그래팅 소자 제작 등에도 플렉서블한 박형 금속 기판재가 사용될 수 있다. 플렉서블한 특성을 가질 수 있는 박형의 금속 기판재를 광폭(廣幅)으로 제조하고, 좀더 저렴하고 취급상의 편리성을 제공할 수 있는 제조기술이 요구되고 있다.
본 발명은 제조 원가가 저렴하고 텍스처 구조를 갖는 태양전지용 플렉서블 금속 기판재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 실리콘 박막 태양전지, 디스플레이 소자, 그래팅 소자 등에 사용할 수 있고, 좀 더 간편한 설비를 이용하여 제조된 광폭의 플렉서블 금속 기판재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 금속기판재의 합금조성, 결정립의 크기 및 구조를 제어하여 실리콘 태양전지에 가장 적합한 비슷한 열팽창 특성 및 유연성을 갖고, 높은 광전변환효율을 갖는 플렉서블 금속 기판재를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 표면에 텍스처 구조를 갖는 태양전지용 플렉서블 금속 기판재로서, 상기 텍스처 구조는 전주 방법에 의해, 표면에 요철구조를 갖는 도금용 드럼 또는 플레이트를 이용하여 형성된다.
또한 상기 플렉서블 금속 기판재는 Fe-40wt% Ni 내지 Fe-45wt% Ni 합금 포일 기판재이다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 플렉서블 금속 기판재는 전주 방법으로 제조된 후 350~1000℃로 30분 내지 2시간 동안 열처리하여 마이크로 크기의 결정립을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 플렉서블 금속 기판재는 결정립의 크기가 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛ 이고, 면심 입방정의 단일상 구조를 갖는다.
또한, 상기 플렉서블 금속 기판재는 열팽창계수가 2×10-6/℃ 내지 6×10-6/℃가 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 플렉서블 금속 기판재의 두께는 1 ㎛ 내지 100 ㎛ 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 전주 방법으로 표면에 요철 구조를 갖는 도금용 드럼 또는 플레이트를 이용하여 표면에 텍스처 구조를 갖는 금속 기판을 형성하는 단계; 및 상기 전주 방법으로 제조된 금속 기판을 열처리하여 마이크로 크기의 결정립을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지용 플렉서블 금속 기판재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, Fe-40wt% Ni 내지 Fe-45wt% Ni 합금으로 이루어지고, 열팽창계수가 2×10-6/℃ 내지 6×10-6/℃ 이고, 결정립 크기가 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛인 그래팅용 플렉서블 금속 기판재를 제공한다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 그래팅용 플렉서블 금속 기판재는 표면에 그래팅(gratting)을 이루는 요철 구조가 형성되거나, 표면에 텍스처 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전주를 이용하여 제조된 원하는 크기의 폭을 가진 박형의 플렉서블 금속 기판재를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 전해질 성분을 제어하여 Fe-Ni 합금으로 된 박형의 금속 기판재가 소정의 열팽창계수를 갖게 된다. 또한, 본 발명에 따르면, 간편한 설비로 박형의 플렉서블 금속 기판재 표면에 텍스처 구조를 갖는다. 또한, 본 발명에 따르면, 텍스처 구조를 갖는 플렉서블 금속 기판재를 이용하여, 광전변환 효율을 높일 수 있는 실리콘 박막 태양전지, CIGS와 같은 화합물 반도체 태양전지, 그래팅 소자, 디스플레이 소자 등을 상대적으로 낮은 단가에 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 전주를 이용하여 제조된 플렉서블 금속 기판재를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조되는 실리콘 박막 태양전지용텍스처 구조와 유사한 피라미드 요철구조(경사각 60°를 갖는 플렉서블 금속 기판재)에서 확장된 광 경로를 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조되는 그래팅 소자용 요철 구조의 플렉서블 금속 기판재의 모형도이다.
도 4는 Fe-40wt% Ni인 금속 포일 기판재에서 조직안정화 공정온도에 따른 열팽창계수를 나타낸 것이다.
도 5는 Fe-42wt% Ni인 금속 포일 기판재에서 조직안정화 공정온도에 따른 열팽창계수를 나타낸 것이다.
도 6은 Fe-42wt% Ni인 금속 포일 기판재의 열처리 온도에 따른 XRD 피크를 나타낸 것이다.
도 7은 Fe-44wt% Ni인 금속 포일 기판재에서 조직안정화 공정온도에 따른 열팽창계수를 나타낸 것이다.
도 8a는 평면구조 기판재의 표면 반사율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 8b는 표면에 텍스처 구조가 형성되고, V-shape 요철 구조의 경사각이 각각 30°(a), 45°(b), 60°(c)인 기판재, 피라미드 형상의 요철 구조에서 경사각이 각각 30°(d), 45°(e), 60°(f)인 기판재의 표면반사율을 측정한 결과이다.
도 9는 Fe-42wt% Ni인 금속 포일 기판재의 열처리 온도에 따른에 따른 경도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여, 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따라 전주(electro forming)를 이용하여 플렉서블 금속 기판재를 제조하는 실시예를 나타낸 것이다.
먼저, SUS(Steel Use Stainless) 등의 도체 금속으로 만든 전해조(100) 안에 전해질 용액을 채우고 그 안에 도체 금속표면을 갖는 도금용 드럼(200)과 양극 전극(400)을 침지한다. 다음으로 양극전극(400)과 도금용 드럼(200)에 전압을 인가하면, 전기도금 원리에 따라 도금용 드럼(200)의 표면에 금속이 석출되어 금속 포일이 형성된다. 제조된 금속 포일은 가요성이 있고, 두께를 조절할 수 있다. 금속 포일의 두께를 조절하여 플렉서블 금속 기판재로 제조한다.
상기 도금용 드럼(200)은 전압공급원의 (-)극과, 양극전극(400)은 (+)극과 연결하고, 도금할 금속 이온을 포함한 전해질 용액을 전해조(100)에 채우고, 전해질 용액의 조성에 의해 전기도금되는 금속 포일을 합금재로 만들 수 있다.
본 발명에서는 상기 도금용 드럼(200)의 표면에 요철 구조를 형성하여 전기도금에 의해 제조되는 금속 포일이 표면에 동일한 요철 구조를 갖도록 하였다. 본 발명에서 요철 구조란 단면 형상이 V자, U자 등 다양한 형태의 요철 구조를 통칭하는 의미로 사용한 것이다. 도금용 드럼(200) 표면을 요철 구조로 형성하는 방법은 물리적, 화학적 방법을 비롯하여 표면처리 기술 등, 널리 알려진 다양한 방법 중 선택될 수 있다.
또한, 전주에 의해 제조되는 금속 포일은 드럼 크기를 크게 함으로써 그 폭을 원하는 정도까지 넓게 할 수 있기 때문에 압연공정과 비교하여 유리하다.
도 1은 롤투롤(Roll to Roll) 방식의 연속제조방식을 예시하였으나, 반드시 롤투롤 방식을 사용할 필요는 없다. (-)극에 텍스처 구조를 갖는 플레이트를 연결하고 전해조에 침지하여 텍스처 구조를 갖는 플렉서블 금속기판재를 배치(batch)방식으로 제조할 수 있다. 배치방식의 경우에도 원하는 수준의 광폭 및 박형으로 금속기판재를 제조할 수 있다.
본 발명자는 또한 전주에 의한 철과 니켈 합금 포일의 열팽창 거동에 대해 상당한 기간 동안의 심도있는 연구 끝에 철과 니켈 합금 조성비에 따른 열팽창 거동을 알아냈다. 연구결과 Fe-40~45wt% Ni 합금재의 열팽창 계수가 실리콘(Si) 박막 태양전지소자의 열팽창 계수와 거의 일치한다는 사실을 발견하였다.
실리콘 박막 태양전지의 경우, 실리콘 박막을 플렉서블한 플라스틱 소재나 유리 소재의 기판에 증발원을 이용하여 형성할 경우, 층간 열팽창 계수가 달라 제조공정 중 층간 뒤틀림, 박리 등의 부작용이 있게 된다. 이를 해소하기 위해 증발원의 가열 온도를 낮추는 저온 증착 기술을 개발하여야 하지만, 소자 제작 이후, 사용에 따른 열 변형이 또다시 문제가 된다. 본 발명의 Fe-40~45wt% Ni 합금재로 된 기판은, 열팽창 특성이 실리콘 박막과 거의 유사하기 때문에, 제작 공정에서 특별한 저온 증착 설비를 갖출 필요없이 기존 장비를 사용하여 고온에서 고효율로 소자를 제작할 수 있다. 또한 소자의 사용에 따른 발열시에도 열변형이 일어나지 않으므로 소자 수명을 연장할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서 제작하는 Fe-40~45wt%Ni 합금재는 열팽창계수가 2×10-6/℃ 내지 6×10-6/℃가 되며, 나아가 더욱 정밀하게 합금 조성비를 제어하여 4×10-6/℃가 되게 할 수 있다.
상기한 합금 조성비를 갖는 기판재를 제조하기 위하여, 상기 전해질 용액은 철을 포함한 염과 니켈을 포함한 염을 전해질로서 혼합하여 사용할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서는 전해질은 황산철, 염화제일철, 황산니켈, 염화니켈, 술파민산니켈을 사용할 수 있으며, 염화제일철과 술파민산니켈을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
상기 전해질 용액은 Fe-40~45wt% Ni의 합금 조성을 얻기 위하여, 바람직하게는 니켈술파미트 100 ~ 300g/L, 염화철 10 ~ 40g/L를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전해질 용액은 산도가 pH2.5 내지 pH3.5이고, 온도는 45 ℃ ~ 60 ℃, 전류밀도는 50 내지 120 mA/cm2로 조절한다. 하지만, 상기한 전해질 용액과 관련된 조건은 상황에 따라 적절히 조절이 가능하다.
상기한 전해질과 함께 광택제 응력 완화제, pH 완충제와 같은 첨가제들을 첨가하는 것이 바람직하다. 사카린 1 ~ 10g/L, 아스코르브산 0.1 ~ 5g/L, 붕산 10 ~ 40g/L, 도데실황산나트륨 0.1 ~ 5 g/L 를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 도금용 드럼(200)은 소정의 속도로 회전시키며 전기도금으로 형성되는 포일은 전해조(100) 외부에 설치한 롤러(300)에 감아 간편하게 회수할 수 있다. 이때 금속 포일의 두께는 도금용 드럼(200)의 회전 속도와 관련되는데, 음극드럼의 크기와 전류밀도에 따라 도금용 드럼의 회전 속도를 다르게 조절하여, 원하는 두께는 제조할 수 있다. 본 발명에서 Fe-Ni 금속 포일 기판재의 두께는 1 내지 100 ㎛가 바람직하며, 보다 바람직하게는 10 ㎛ 내지 50 ㎛ 이다. 기판재의 두께가 100 ㎛ 이상일 경우 적용에는 문제가 없으나 생산성이 나빠지는 단점이 있다. 이와 같은 박형의 금속 포일 기판재는 플렉서블한 특성을 가지므로 플렉서블한 특성을 요하는 태양전지, 디스플레이 소자 등에 사용될 수 있다.
도 2를 보면, V자형 단면이 연속된 요철 구조를 갖는 금속 포일 기판재의 경우, 연직 방향으로 입사된 빛이 반사법칙에 의해 반사되는 광 경로가 평탄면에 비해 훨씬 길어짐을 알 수 있다. 본 발명에 따른 요철 구조 기판(500)은 그 표면에 V자형 단면의 기둥 외에도 삼각뿔, 사각뿔(피라미드형, 600) 등의 3차원적인 텍스처 구조를 형성할 수 있으며, 이를 실리콘 박막 태양전지의 기판으로 사용하면, 제작된 태양전지에 입사한 광 경로를 연장시켜 광전변환효율을 증가시킬 수 있다.
특히, V자형 단면이 연속된 텍스처 구조에서 경사각을 60°이상으로 한 경우, 수직입사한 빛의 광 경로는 세 번의 반사를 거쳐 입사 경로를 따라 되돌아가므로 광 경로를 매우 확장시킬 수 있다.
일정 형상의 요철모양의 텍스처 구조를 가진 도금용 드럼을 이용하여 제조된 그래팅 기판(700) 또한 본 발명의 일실시 형태이다.
도 3은 본 발명에서 제조된 금속 포일 기판재의 또 다른 실시 형태로서, 빛을 회절 및 간섭시켜 홀로그램 표지 등을 만드는 그래팅 소자를 전주(electro-forming) 방법으로 제조한 텍스처 구조를 갖는 금속기판재를 도시한 것이다. 이 경우는 합금 소재를 철과 니켈로 할 필요는 없고 필요에 따라 원하는 물성을 갖춘 소재로 구성될 수 있다.
상기와 같이 전주를 이용하여 저비용으로 간편하게 원하는 크기로 텍스처 구조를 가진 형상으로 제조된 플렉서블 금속 기판재는 태양전지, 디스플레이 소자, 그래팅 소자 기판으로 활용될 수 있다.
상기한 전주 공정에 의해 제조된 금속 포일 기판재는 나노결정질 재료로서, 결정립의 크기가 약 10 nm 내지 30 nm이다. 이러한 나노결정질의 기판재는 종래 압연 공정으로 제조되는 동일 조성의 벌크 재료보다 높은 기계적 특성을 갖고 있다. 하지만 특정 온도에서 조직의 변화로 인한 급격한 열팽창 거동을 하는 문제점이 있다. 나노 결정 구조를 갖는 재료는 온도가 증가함에 따라 비평형 상태에 높여있는 원자들의 구조적 이완(structual relaxation)이 발생한다. 이후, 임계온도에 도달하면 구조적 이완이 가장 빠르게 진행된 일부 나노 결정립에서부터 성장이 발생되어 시편 전체로 퍼져 나가면서 열적 수축이 발생한다. 이는 높은 공정온도를 갖는 소자 제조 과정에서 문제가 될 수 있으므로 조직안정화 공정이 필요하다.
본 발명에서는 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 상기한 전주 방법으로 금속 포일을 제조한 후, 350 ℃ 내지 1000 ℃에서 30분 내지 2시간 동안 열처리하여 조직안정화 공정을 실시하였다. 열처리 공정 동안 결정립이 성장하게 되는데, 이때 결정립 크기의 변화 뿐 아니라 집합조직도 변한다.
본 발명에서는 조직안정화 공정, 즉 열처리를 통하여 나노 사이즈의 결정립의 크기가 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛가 되도록 하여 균일한 열팽창 거동을 나타내게 하였다.
열처리 온도가 증가하면, 기판재의 구조도 함께 변화하게 된다. 즉, 면심입방정 단일상(FCC)의 구조를 갖게 된다. 일반적으로 나노 결정질의 경우 체심입방정과 면심입방정을 갖는 상이한 조직으로 이루어진다. 하지만, 본 발명의 기판재는 면심입방정의 단일상 구조를 가지기 때문에 특정 열팽창 특성을 나타내게 되는데, 바람직하게는 열팽창계수가 2×10-6/℃ 내지 6×10-6/℃를 갖는 것으로 확인되었다. 상기한 열팽창계수는 실리콘과 거의 비슷한 열팽창 특성으로서, 본 발명의 기판재는 실리콘 태양전지에 가장 바람직하게 사용될 수 있다.
안정화된 조직에서 결정립의 크기가 성장함에 따라 인장강도는 감소하지만, 가요성 즉, 연성(flexibility)이 증가하므로 실리콘 태양전지용 기판재에 유리하게 사용될 수 있다. 하지만, 결정립의 크기가 성장한 기판재의 경우에도 종래 압연 공정에서 제조된 기판재의 인장강도보다는 우수한 인장강도를 나타낸다.
기판재의 결정립의 크기는 0.1 ㎛에서 10 ㎛인 것이 바람직하다. 결정립의 크기가 0.1 ㎛ 미만인 경우에는 열팽창계수가 온도 변화에 따라 급격하게 변화되어, 안정적인 열팽창계수를 갖지 못한다. 결정립의 크기가 10 ㎛를 초과하는 경우에는 지나치게 강도가 낮아지는 문제점이 있다. 이 경우 취급이 어렵게 된다.
이하에서 실시예를 들어서 본 발명을 상세하게 설명하지만, 아래의 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
Fe-40wt% Ni 금속 기판재는 아래 조성을 가진 전해질 용액을 사용하여 도 1에 도시한 바와 같이 피라미드 형상의 텍스처 구조를 가진 도금용 드럼이 설치된 전주장치를 사용하여 제조하였다. 금속전해질 용액은 염화제일철(Iron(Ⅱ) chloride 4. hydrate) 30g/L, 니켈술파미트 200g/L, 붕산 20g/L, 소듐 도데실 설페이트 1g/L, 사카린 2g/L, 항산화제 1g/L를 포함하도록 제조하였다. 전해질 용액의 온도는 60로 유지하였고 전류밀도는 56 mA/cm2로 조절하였고, 두께가 30 ㎛가 되도록 하여, Fe-40wt% Ni인 금속 기판재를 제조하였다.
제조된 기판재의 요철 구조는 경사각이 60°였고, 결정립의 크기는 15~20 nm였다. 400 ℃내지 1000 ℃에서 1시간 동안 열처리하여 조직 안정화 공정을 실시한 후에 결정립의 크기는 0.1 ㎛ ~ 10 ㎛로 성장하였다.
제조된 기판재에 조직 안정화공정을 하지 않은 경우(a), 400 ℃에서 1시간 동안 열처리하여 조직안정화 공정을 한 경우(b), 500 ℃에서 1시간 동안 열처리하여 조직안정화 공정을 한 경우(c), 600 ℃에서 1시간 동안 열처리하여 조직안정화 공정을 한 경우(d)에, 조직 안정화공정을 온도에 따른 Fe-Ni 금속포일 기판재의 열팽창계수를 Thermo mechanical Analysis(TMA)를 사용하여 측정하였고, 측정결과를 도 4에 나타내었다. 열팽창계수는 25~520 ℃에서 승온속도 5 ℃/min인 조건에서 측정하였다. 도 4를 보면, 400 ℃에서 조직 안정화공정을 한 경우 400 ℃ 지점에서 급격한 열수축 현상이 발생하는 것을 알 수 있다. 하지만, 600 ℃에서 조직 안정화공정을 한 경우 300까지의 CTE의 평균이 2.01×10-6/℃인 것을 알 수 있다.
실시예 2
전해질 용액 조성을 조절하여 실시예 1과 유사한 방법으로 Fe-42wt% Ni 금속 포일을 제조하였다. 제조된 기판재의 요철 구조는 경사각이 60°인 피라미드 형상이다. 400 ℃ 내지 1000 ℃에서 조직안정화 공정을 처리한 후 결정립의 크기는 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛로 성장하였다.
제조된 기판재에 조직 안정화공정을 하지 않은 경우(a), 400 ℃에서 조직 안정화공정을 한 경우(b), 500 ℃에서 조직 안정화공정을 한 경우(c), 600 ℃에서 조직 안정화공정을 한 경우(d)에, 조직 안정화공정을 온도에 따른 Fe-Ni 금속포일 기판재의 열팽창계수를 Thermo mechanical Analysis(TMA)를 사용하여 측정하였고, 측정결과를 도 5에 나타내었다. 열팽창계수는 25~520 ℃에서 승온속도 5 ℃/min인 조건에서 측정하였다. 도 5를 보면, 조직안정화 공정을 실시하지 않은 경우 약 375 ℃에서 급격한 열적 변화를 나타낸다. 또한 400 ℃에서 조직 안정화공정을 한 경우 400 ℃지점에서 급격한 열수축 현상이 발생한 것을 알 수 있다. 하지만, 600 ℃에서 조직 안정화공정을 한 경우 350 ℃까지의 CTE의 평균이 4.94×10-6/℃인 것을 알 수 있다.
또한 제조된 기판재의 열처리 온도에 따른 XRD 피크를 측정하여 조직구조를 확인하였다. 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6을 보면, 열처리 온도가 증가함에 따라 면심입방정 구조를 나타내는 FCC(111)과 FCC(200)의 피크들이 뚜렷하게 나타났다. 한편 FCC(110)의 피크는 600 ℃ 이상에서 열처리한 경우에 사라졌다.
또한 제조된 기판재의 각 열처리 온도별 결정립의 크기를 측정하였다. 측정결과를 아래 표 1에 나타내었다.
열처리 온도 (℃)
결정립 크기 (㎛)
Optical SEM
400 1.73 1.77
600 2.56 2.13
800 4.27 4.50
표 1을 보면, 결정립의 크기는 열처리 온도가 증가함에 따라 일정하게 증가하고, 800 ℃에서 열처리된 시편은 광학조직으로 관찰했을 경우 4.3 ㎛, SEM으로 관찰한 경우 평균 4.5 ㎛까지 성장하는 것으로 나타났다.
실시예 3
전해질 용액 조성을 조절하여 실시예 1과 유사한 방법으로 Fe-44wt% Ni 금속 포일을 제조하였다. 제조된 기판재의 텍스처 구조는 경사각이 60°인 피라미드 형상이다. 400 ℃ 내지 1000 ℃의 조직안정화 공정 후에 결정립의 크기는 0.1 ㎛~ 10 ㎛로 성장하였다.
제조된 기판재에 조직 안정화공정을 하지 않은 경우(a), 400 ℃에서 조직 안정화공정을 한 경우(b), 500 ℃에서 조직 안정화공정을 한 경우(c), 600 ℃에서 조직 안정화공정을 한 경우(d)에, 조직 안정화공정을 온도에 따른 Fe-Ni 금속포일 기판재의 열팽창계수를 Thermo mechanical Analysis(TMA)를 사용하여 측정하였고, 측정결과를 도 7에 나타내었다. 열팽창계수는 25~520 ℃에서 승온속도 5 ℃/min인 조건에서 측정하였다. 도 7을 보면, 400 ℃에서 조직 안정화공정을 한 경우 400 ℃지점에서 급격한 열수축 현상이 발생한 것을 알 수 있다. 하지만, 600 ℃에서 조직 안정화공정을 한 경우 400 ℃까지의 CTE의 평균이 5.33×10-6/℃이다.
실험예 1
실시예 2의 조성을 가진 전해액 및 전주 장치를 사용하여 Fe-42wt% Ni 금속 포일을 제조하였다. 이때 기판재의 텍스처 구조는 경사각이 각각 30°, 45°, 60°인 V-shape과 경사각이 각각 30°, 45°, 60°인 피라미드 형상으로 제조하였다. 제조된 각각의 기판재의 표면 반사율을 측정하여 도 8a 및 도 8b에 나타내었다.
도 8a는 텍스처 구조가 형성되지 않은 기판재의 총반사율을 측정한 결과이고, 도 8b는 표면에 텍스처 구조가 형성되고, V-shape 텍스처 구조의 경사각이 각각 30°(a), 45°(b), 60°(c)인 기판재, 피라미드 형상의 텍스처 구조에서 경사각이 각각 30°(d), 45°(e), 60°(f)인 기판재의 총반사율을 측정한 결과이다.
표면에 텍스처 구조가 형성되지 않은 평면기판재의 경우(도 7a), 표면에 텍스처 구조가 형성된 도 8b의 각 기판재와 비교하여 높은 반사율을 나타내었다. 또한 도 8b에서, 피라미드 형상과 V-shape 형상의 반사율 측정결과를 비교해 보면, 두 형상의 경우 모두 경사각이 증가할수록 총 반사율이 일정하게 감소하는 것을 볼 수 있다. 그리고 이들 중에서 60°의 피라미드 형상(f)의 총반사율이 가장 낮았다. 즉, 경사각인 60°인 피라미드 형상의 기판이 사용될 때 실리콘 박막 태양전지 셀 내부의 광경로는 가장 길어져서 효율을 증가시킬 수 있을 것으로 예측된다.
실험예 2
실시예 2의 방법으로 제조된 금속포일 기판재에 대하여, 조직안정화 공정의 처리 온도에 따른 경도를 측정하였다. 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9는 열처리 온도에 따른 경도의 최대, 최소, 평균값을 나타낸 것이다. 도 9를 보면, 전주 공정후 제조된 기판재의 경우 경도의 평균값은 472.02Hz이지만, 350 ℃에서 열처리한 후에는 경도값이 592.5Hz까지 크게 증가한 것을 볼 수 있다. 이후 열처리 온도가 증가함에 따라 800 ℃에서는 193.6Hz까지 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 열처리 온도에 따른 결정립의 성장으로 인한 것으로 판단된다. 마이크로 크기의 결정립의 경우 결정립 내에서 전위의 발생과 이동이 가능하므로 연성이 거의 없는 나노 결정질 상태의 전착재에 비해 열처리된 시편의 경우 연성이 있을 것으로 예상된다.
100: 전해조
200: 도금용 드럼
300: 롤러
400: 양극전극
500: V-shape 단면 요철구조를 갖는 기판
600: 피라미드 형상 요철구조를 갖는 기판
700: 그래팅 기판

Claims (12)

  1. 표면에 텍스처 구조를 갖는 태양전지용 플렉서블 금속 기판재로서,
    상기 텍스처 구조는 전주 방법에 의해, 표면에 요철구조를 갖는 도금용 드럼 또는 플레이트를 이용하여 형성된 태양전지용 플렉서블 금속 기판재.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 플렉서블 금속 기판재는 Fe-40wt% Ni 내지 Fe-45wt% Ni 합금 포일 기판재인 것을 특징으로 하는 태양전지용 플렉서블 금속 기판재.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 플렉서블 금속 기판재는 350℃ 내지 1000℃에서 30분 내지 2시간 동안 열처리하여 마이크로 크기의 결정립이 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 플렉서블 금속 기판재.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 기판재는 결정립의 크기가 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛이고, 면심 입방정의 단일상 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지용 플렉서블 금속 기판재.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플렉서블 금속 기판재의 열팽창계수는 2×10-6/ ℃내지 6×10-6/℃ 인 것을 특징으로 하는 태양전지용 플렉서블 금속 기판재.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플렉서블 금속 기판재의 두께는 1 ㎛ 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지용 플렉서블 금속 기판재.
  7. 전주 방법으로 표면에 요철 구조를 갖는 도금용 드럼 또는 플레이트를 이용하여 표면에 텍스처 구조를 갖는 금속 기판을 형성하는 단계; 및
    상기 전주 방법으로 제조된 금속 기판을 열처리하여 마이크로 크기의 결정립을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지용 플렉서블 금속 기판재의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 금속 기판은 Fe-40wt% Ni 내지 Fe-45wt% Ni 합금인 것을 특징으로 하는 태양전지용 플렉서블 금속 기판재의 제조방법.
  9. Fe-40wt% Ni 내지 Fe-45wt% Ni 합금으로 이루어지고, 열팽창계수가 2×10-6/℃ 내지 6×10-6/℃인 그래팅용 플렉서블 금속 기판재.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 플렉서블 금속 기판재는 표면에 그래팅(gratting)을 이루는 요철 구조가 형성된 그래팅용 플렉서블 금속 기판재.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 플렉서블 금속 기판재는 표면에 텍스처 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 그래팅용 플렉서블 금속 기판재.
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 금속 기판재는 결정립 크기가 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 그래팅용 플렉서블 금속 기판재.
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