KR20140043524A - 태양 전지용 기판의 관통홀 형성을 위한 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 관통홀 형성 방법 - Google Patents

태양 전지용 기판의 관통홀 형성을 위한 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 관통홀 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양 전지용 기판의 관통홀 형성을 위한 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 관통홀 형성 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 태양 전지용 기판에 대하여 가공 품질이 우수한 관통홀을 보다 향상된 속도로 형성시킬 수 있고, 복수의 기판에 대해서도 동시 가공이 가능한 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 관통홀 형성 방법이 제공된다.

Description

태양 전지용 기판의 관통홀 형성을 위한 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 관통홀 형성 방법{LASER DRILLING APPARATUS FOR FORMING HOLES THROUGH A SUBSTRATE FOR BACK-CONTACT TYPE SOLAR CELL AND METHOD OF FORMING HOLES USING THE APPARATUS}
본 발명은 태양 전지용 기판의 관통홀 형성을 위한 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 관통홀 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양 전지는 수광면(전면)의 p-n 접합 영역으로 입사되는 태양광에 의해 형성된 전자와 정공을 전면 전극과 후면 전극을 통해 수집하는 구조를 갖는다. 그에 따라, 전면 전극의 면적만큼 수광 면적이 줄어들게 되고, 이를 보완하기 위하여 후면 전극형 태양 전지가 제안되었다.
후면 전극형 태양 전지는 음극과 양극이 모두 수광면의 반대(후면)에 위치하는 구조를 가져, 전술한 일반적인 태양 전지에 비하여 전극에 의해 직접 또는 간접적으로 가려지는 수광 면적의 손실이 제거될 수 있어, 보다 향상된 광 변환 효율을 나타낼 수 있다. 또한, 후면 전극형 태양 전지는 두 전극이 모두 후면에 위치함에 따라, 모듈화를 위한 직렬 연결이 보다 용이할 뿐 아니라, 전극과 모듈의 밀봉 공정을 단일 공정으로 처리할 수 있고, 전면의 심미성도 우수한 장점을 갖는다.
이러한 후면 전극형 태양 전지는 그 구조에 따라 MWT(Metallization Wrap Through), EWT(Emitter Wrap Through), IBC(Interdigitated Back Contact) 등 다양한 타입으로 응용되고 있다. 그 중 EWT 타입의 태양 전지는 일반적인 태양 전지의 제조 방법에 미세 관통홀(via-hole)을 갖는 태양 전지용 기판을 적용하여 제조할 수 있다는 측면에서 많은 관심을 끌고 있다. 즉, EWT 타입의 태양 전지는 수광면에 형성된 에미터가 관통홀의 도핑층을 통해 후면으로 연결되는 구조를 갖는다.
상기 관통홀은 일반적으로 레이저 빔을 이용한 정밀 가공에 의해 태양 전지용 기판 상에 형성된다. 그런데, 후면 전극형 태양 전지는 전류 밀도가 일반적인 태양 전지에 비해 크기 때문에, 도전 통로에서의 저항 손실을 최소화하기 위해서는 기판의 단위면적(㎟)당 약 1~4개 정도의 관통홀이 요구된다. 따라서, 예를 들어 약 6 인치의 EWT 타입 태양 전지를 제조하기 위해서는 최대 약 10만개의 관통홀이 형성된 기판이 요구된다.
상기 관통홀 가공을 위한 레이저는 펄스 폭 및 파장 등에 따라 매우 다양한데, 고속으로 많은 수의 관통홀을 가공하기 위해서는 태양 전지용 기판이 순간적으로 기화 온도 이상에 도달하여 대량의 용융물을 배출시킬 수 있는 어블레이션(ablation) 공정이 필수적이다. 그에 따라, 수백 나노 초 내지 수 마이크로 초의 펄스 폭을 가지는 적외선 또는 그린 레이저가 30 GW/㎠ 이상의 높은 에너지 밀도로 태양 전지용 기판에 주사된다.
이와 같은 관통홀 가공 공정에는 빠른 처리속도, 우수한 가공 품질, 위치 정밀도, 그리고 반복성이 요구된다. 이는 후속 공정인 레이저 빔에 의한 태양 전지용 기판의 손상 부분 제거 공정, 에미터층 형성을 위한 도핑 공정, 선택적 에미터 형성을 위한 마스킹 공정, 후면에 에미터와 베이스 전극이 정교하게 맞물린 구조의 전극형성 공정 등의 자동화를 통한 원가 및 운전비용 절감에 매우 중요한 조건들이다.
특히, 레이저 빔을 이용한 관통홀 가공 시 처리 속도에 영향을 미치는 주 요소 중 하나는 관통홀을 형성시키는데 필요한 펄스 수이다.
일반적으로 약 6인치인 태양 전지용 기판의 모든 영역을 위치 변경 없이 한번에 가공하기 위해서는 초점 거리가 256 mm 이상인 에프-세타 렌즈(f-theta lens)와 2차원 스캐너 장치가 요구된다. 그런데, 이러한 장치는 레이저의 초점 거리가 멀어 에너지 밀도가 낮고, 그에 따라 관통홀 형성에 필요한 펄스 수가 많아져 전체적인 가공 속도가 매우 느려지는 문제가 있다.
한편, 짧은 초점거리의 에프-세타 렌즈(f-theta lens) 또는 텔레센트릭 에프-세타 렌즈(telecentric f-theta lens)를 사용할 경우에는 관통홀 당 펄스 수를 한 펄스로 줄일 수 있고, 고 품질의 가공 성능을 확보할 수 있지만, 기판을 4회 또는 그 이상 이동시켜야만 전 영역을 가공할 수 있기 때문에, 이전의 장치와 비교하여 가공 속도면에서 큰 이점이 없다.
그에 따라, 우수한 품질과 보다 향상된 가공 속도로 태양 전지용 기판 상에 관통홀을 형성시킬 수 있는 레이저 가공 장치에 대한 요구가 절실한 실정이다.
본 발명은 가공 품질이 우수한 관통홀을 보다 향상된 속도로 형성시킬 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 레이저 가공 장치를 이용하여 복수의 기판에 대해서도 동시 가공이 가능한 관통홀 형성 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면,
펄스된 레이저 빔을 발생시키는 레이저 소스(100);
레이저 소스(100)에서 발생된 펄스된 레이저 빔을 받는 곳에 위치하고, 펄스된 레이저 빔을 펄스 패키지로 변조하는 음향-광학 변조기(acousto-optic modulator)(200);
음향-광학 변조기(200)를 통해 변조된 레이저 빔을 받는 곳에 위치하고, 입사되는 레이저 빔을 반사하는 적어도 하나의 반사면을 가지며, 회전축을 중심으로 상기 반사면을 회전시켜 레이저 빔을 가공 대상물인 태양 전지용 기판(500)의 일 축방향으로 순차적으로 주사하는 스캐너(300); 및
스캐너(300)와 태양 전지용 기판(500) 사이에 위치하고, 스캐너(300)로부터 태양 전지용 기판(500)을 향해 주사되는 변조된 레이저 빔이 태양 전지용 기판(500)에 대하여 수직으로 입사되어 초점이 형성되도록 하는 스캔 렌즈(400)
를 포함하는 태양 전지용 기판의 관통홀 형성을 위한 레이저 가공 장치가 제공된다.
본 발명의 일 구현 예에 따르면, 상기 레이저 가공 장치는, 태양 전지용 기판(500)이 놓이는 스테이지를 포함하고, 스캐너(300)로부터 주사되는 레이저 빔의 상기 일 축방향과 수직한 방향으로 태양 전지용 기판(500)을 이동시키는 이송 장치(600)를 더욱 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 상기 레이저 가공 장치에 포함되는 스캐너(300)는 복수의 반사면이 구비된 회전 다면경(rotating polygon mirror); 또는 검류계 기반의 미러 스캐너(galvanometer-based mirror scanner)일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 레이저 가공 장치는, 레이저 소스(100)와 음향-광학 변조기(200) 사이에 위치하고, 레이저 소스(100)로부터 발생된 펄스된 레이저 빔을 일 축방향의 둘 또는 그 이상의 평행한 빔으로 분할하는 빔 분할기(beam splitter)(150)를 더욱 포함할 수 있다. 또한, 상기 레이저 가공 장치는, 음향-광학 변조기(200)와 스캐너(300) 사이에 위치하고, 음향-광학 변조기(200)를 통해 변조된 레이저 빔을 일 축방향의 둘 또는 그 이상의 평행한 빔으로 분할하는 빔 분할기(150)를 더욱 포함할 수 있다. 이때, 스캐너(300)의 상기 회전축은 스캐너(300)의 반사면에 입사되는 둘 또는 그 이상의 평행한 빔이 분할된 상기 일 축방향과 평행하도록 구비될 수 있다. 그리고, 상기 레이저 가공 장치는 빔 분할기(150)에 의해 분할된 레이저 빔의 출력을 조절하는 가변 감쇄기(variable attenuator)를 더욱 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 레이저 가공 장치는, 스캐너(300)와 스캔 렌즈(400) 사이에 위치하고, 스캐너(300)로부터 태양 전지용 기판(500)을 향해 조사되는 레이저 빔의 크기, 모양, 또는 크기와 모양을 변경시키는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 렌즈 시스템(320); 및 렌즈 시스템(320)과 스캔 렌즈(400) 사이에 위치하고, 렌즈 시스템(320)을 통과한 레이저 빔이 태양 전지용 기판(500)에 수직한 방향으로 스캔 렌즈(400)에 입사되도록 하는 반사경(reflector)(350)을 더욱 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 레이저 가공 장치는, 음향-광학 변조기(200)와 스캐너(300) 사이에 위치하고, 음향-광학 변조기(200)를 통해 변조된 레이저 빔이 스캐너(300)가 위치하는 방향으로 입사되도록 하는 반사경(reflector)(350')을 더욱 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 레이저 가공 장치는, 레이저 소스(100)와 음향-광학 변조기(200) 사이에 위치하고, 레이저 소스(100)에서 발생된 레이저 빔을 평행한 빔으로 정렬하는 콜리메이터(collimator)(120)를 더욱 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 레이저 가공 장치에 포함되는 스캔 렌즈(400)는 에프-세타 렌즈(f-theta lens) 또는 텔레센트릭 에프-세타 렌즈(telecentric f-theta lens)일 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 전술한 구현 예들에 따른 레이저 가공 장치를 이용하여, 태양 전지용 기판의 두께 방향으로 관통하는 복수의 홀을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지용 기판의 관통홀 형성 방법이 제공된다.
여기서, 상기 태양 전지용 기판은 단결정 실리콘 웨이퍼, 다중 결정 실리콘 웨이퍼 또는 다결정 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
그리고, 상기 관통홀의 형성 단계는 태양 전지용 기판의 둘 또는 그 이상의 위치에 대하여 관통홀을 동시에 형성시키는 방법으로 수행될 수 있다. 또한, 상기 관통홀의 형성 단계는 적층 배열된 적어도 두 장의 태양 전지용 기판에 대하여 관통홀을 형성시키는 방법으로 수행될 수 있다.
그리고, 상기 관통홀은 25 내지 100 ㎛의 직경을 가질 수 있다.
그리고, 상기 관통홀은 태양 전지용 기판의 단위면적(㎟)당 0.25 개 내지 4개의 밀도로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 빔이 태양 전지용 기판에 대하여 수직으로 조사되도록 조절 가능하며 보다 향상된 관통홀의 가공 품질을 제공할 수 있다. 그리고, 상기 레이저 가공 장치는 복수의 기판에 대해서도 동시 가공이 가능하고, 특히 기판의 폭에 맞추어 레이저 빔의 스캐닝이 가능함에 따라 보다 향상된 처리 속도로 관통홀을 가공할 수 있어, 보다 효과적인 양산을 가능케 한다.
도 1 내지 도 8은 각각 본 발명의 일 구현 예들에 따른 태양 전지용 기판의 관통홀 형성을 위한 레이저 가공 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 일 구현 예에 따른 가공 장치에 포함되는 스캐너(300) 부분을 확대하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 구현 예들에 따른 태양 전지용 기판의 관통홀 형성을 위한 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 관통홀 형성 방법에 대하여 설명하기로 한다.
그에 앞서, 본 명세서 전체에서 명시적인 언급이 없는 한, 전문 용어는 단지 특정 구현 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다.
그리고, 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
또한, 명세서에서 사용되는 '포함'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 또는 성분의 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현 예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야(이하 '당업계')에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.　 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구현 예에 한정되지 않는다.
본 발명자들은 후면 전극형 태양 전지에 대한 연구 과정에서, 태양 전지용 기판의 관통홀 형성 공정에 후술할 구조를 만족하는 레이저 가공 장치를 이용할 경우, 보다 향상된 처리 속도로 고품질의 관통홀을 형성시킬 수 있을 뿐 아니라, 복수의 기판에 대해서도 동시에 관통홀을 형성시킬 수 있어, 관통홀을 갖는 태양 전지용 기판의 양산에 적합함을 확인하여, 본 발명을 완성하였다.
이러한 본 발명의 일 구현 예에 따르면,
펄스된 레이저 빔을 발생시키는 레이저 소스(100);
레이저 소스(100)에서 발생된 펄스된 레이저 빔을 받는 곳에 위치하고, 펄스된 레이저 빔을 펄스 패키지로 변조하는 음향-광학 변조기(acousto-optic modulator)(200);
음향-광학 변조기(200)를 통해 변조된 레이저 빔을 받는 곳에 위치하고, 입사되는 레이저 빔을 반사하는 적어도 하나의 반사면을 가지며, 회전축을 중심으로 상기 반사면을 회전시켜 레이저 빔을 가공 대상물인 태양 전지용 기판(500)의 일 축방향으로 순차적으로 주사하는 스캐너(300); 및
스캐너(300)와 태양 전지용 기판(500) 사이에 위치하고, 스캐너(300)로부터 태양 전지용 기판(500)을 향해 주사되는 변조된 레이저 빔이 태양 전지용 기판(500)에 대하여 수직으로 입사되어 초점이 형성되도록 하는 스캔 렌즈(400)
를 포함하는 태양 전지용 기판의 관통홀 형성을 위한 레이저 가공 장치가 제공된다.
상기 일 구현 예의 레이저 가공 장치는 레이저 소스(100)에서 발생된 레이저 빔이 음향-광학 변조기(200)를 통해 가공에 최적화된 펄스 패키지로 변조되고, 변조된 레이저 빔이 스캐너(400) 및 스캔 렌즈(400)를 통해 태양 전지용 기판(500)의 일 축방향으로 순차적으로 주사되면서 복수의 관통홀을 형성시킨다.
본 발명의 일 구현 예에서, 레이저 가공 장치의 가공 대상물인 태양 전지용 기판(500) 또는 태양 전지용 기판(500)을 제외한 나머지 구성은, 태양 전지용 기판(500) 상에 레이저 빔이 순차적으로 주사되는 상기 일 축방향(즉, 스캐너(300)를 통한 레이저 빔의 스캔 방향)과 수직한 방향으로 이동하면서 태양 전지용 기판(500)에 관통홀이 연속적으로 형성될 수 있다.
일 예로, 상기 레이저 가공 장치는 공정 속도에 따라 태양 전지용 기판(500)을 이송시키는 이송 장치(600)를 더욱 포함할 수 있다. 여기서, 이송 장치(600)는 태양 전지용 기판(500)이 놓이는 스테이지를 포함하고, 스캐너(300)로부터 주사되는 레이저 빔의 상기 일 축방향과 수직한 방향으로 태양 전지용 기판(500)을 이동시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 레이저 가공 장치에 포함되는 레이저 소스(100)는 당업계에서 통상적으로 이용되는 레이저 소스일 수 있으며, 펄스된 레이저 빔을 발생시킬 수 있는 레이저 소스라면 특별한 제한 없이 적용될 수 있다. 다만, 일 구현 예에 따르면, 레이저 소스(100)는 1030 nm 또는 1064 nm의 파장과 같은 적외선 파장들에서 동작하는 Q-스위치드 레이저(Q-switched laser)를 발생시킬 수 있는 것이 공정 효율 측면에서 바람직할 수 있다. 또한, 다른 구현 예에 따르면, 레이저 소스(100)는 약 수 내지 수십 mJ/pulse의 총 에너지를 갖는 약 1.5 ㎲ 또는 이보다 큰 펄스 폭을 생성할 수 있는 것이 공정 효율 측면에서 바람직할 수 있다.
그리고, 본 발명의 레이저 가공 장치에 포함되는 음향-광학 변조기(acousto-optic modulator)(200)는 레이저 소스(100)에서 발생된 펄스된 레이저 빔을 받는 곳에 위치하여, 펄스된 레이저 빔을 태양 전지용 기판의 가공에 최적화된 펄스 패키지로 변조하는 장치이다. 즉, 음향-광학 변조기(200)는 전기적인 구동 신호를 이용하여, 레이저 소스(100)로부터 도입되는 레이저 빔의 출력, 진동수 등을 제어하는 장치로서, 음향파의 진동 기계압에 의해 굴절율이 변화하는 음향 광학 효과(acousto-optic effect)를 이용한다.
한편, 본 발명의 레이저 가공 장치에 포함되는 스캐너(300)는 음향-광학 변조기(200)를 통해 변조된 레이저 빔을 받는 곳에 위치하여, 입사되는 변조된 레이저 빔을 가공 대상물인 태양 전지용 기판(500)의 일 축방향으로 순차적으로 주사하는 장치이다. 이를 위하여, 일 구현 예의 스캐너(300)는 입사되는 변조된 레이저 빔을 반사하는 적어도 하나의 반사면을 가지며, 상기 반사면이 회전축을 중심으로 회전하면서 반사각이 변화되는 구조를 가질 수 있다.
구체적으로, 일 구현 예의 스캐너(300)는 복수의 반사면이 구비된 회전 다면경(rotating polygon mirror)일 수 있다. 상기 회전 다면경은 도 9a와 같이 다각형의 외주면 상에 구비된 복수의 반사경을 포함하고, 중심의 회전축을 중심으로 회전하는 구조를 갖는다. 상기 회전 다면경은 회전축을 중심으로 회전하면서 반사경에 입사되는 레이저 빔을 외주면의 다각형 수에 따라 특정 영역에 순차적이고 반복적(주기적)으로 주사하게 된다. 이때, 상기 회전 다면경의 회전축은 스캐너의 모터에 연결되어 시스템 제어기(도시되어 있지 않음)를 통해 전체 공정의 조건에 맞추어 연동될 수 있다.
또한, 다른 구현 예의 스캐너(300)는 당업계에서 통상적으로 이용되는 1차원 스캐너일 수 있다. 비제한적인 예로, 스캐너(300)는 검류계(galvanometer)에 의해 구동되는 반사면을 포함하는 검류계 기반의 미러 스캐너(galvanometer-based mirror scanner)일 수 있다. 여기서, 상기 미러는 입사되는 레이저 빔의 파장, 펄스 에너지, 빔의 크기 등에 따라 미러의 크기와 표면 코팅 물질 등이 다양하게 적용될 수 있다. 그리고, 상기 1차원 스캐너에 구비된 반사면은 회전축을 중심으로 회전하면서 반사면에 입사되는 레이저 빔을 특정 영역에 순차적이고 반복적(주기적)으로 주사하게 되고, 상기 회전축은 시스템 제어기(도시되어 있지 않음)를 통해 전체 공정의 조건에 맞추어 연동될 수 있다.
한편, 본 발명의 레이저 가공 장치에 포함되는 스캔 렌즈(400)는 스캐너(300)와 태양 전지용 기판(500) 사이에 위치하여, 스캐너(300)로부터 태양 전지용 기판(500)을 향해 주사되는 변조된 레이저 빔의 초점을 태양 전지용 기판(500) 상에 맞추는 역할을 한다. 또한, 스캔 렌즈(400)는 입사되는 레이저 빔이 태양 전지용 기판(500)이 놓인 방향에 수직으로 주사될 수 있도록 한다.
이러한 스캔 렌즈(400)는 플랫 렌즈(flat lens)일 수 있는데, 일 구현예의 스캔 렌즈(400)는 에프-세타 렌즈(f-theta lens)일 수 있고, 다른 구현 예의 스캔 렌즈(400)는 텔레센트릭 에프-세타 렌즈(telecentric f-theta lens)일 수 있다.
여기서, 상기 에프-세타 렌즈는 본 발명의 레이저 가공 장치에 포함되는 이미지 광학계의 포커싱 렌즈 중 하나로서, 레이저 빔의 스캐닝 속도를 일정하게 만들어줄 뿐 아니라, 스캐너(300)로부터 입사되는 레이저 빔의 위치에 관계없이 태양 전지용 기판(500)의 동일 평면 상에 초점이 형성되도록 해준다.
이때, 본 발명의 일 구현 예에 따르면, 상기 에프-세타 렌즈는 350 내지 850 mm의 초점 거리(focal length)를 갖는 것일 수 있다. 즉, 적층 배열된 적어도 두 장의 태양 전지용 기판을 한번에 가공할 수 있는 스캔 영역을 감안하여, 상기 에프-세타 렌즈의 초점 거리는 350 mm 이상인 것이 바람직하다. 그리고, 복수의 태양 전지용 기판을 적층 가공할 경우 가공 효율을 감안하여(예를 들면, 적층 배열된 다섯 장의 태양 전지용 기판을 한번에 가공할 수 있는 스캔영역과 장비의 크기를 감안하여), 상기 에프-세타 렌즈의 초점 거리는 850 mm 이하인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 텔레센트릭 에프-세타 렌즈는 전술한 에프-세타 렌즈의 기능 이외에, 입사되는 레이저 빔이 렌즈 통과 후에 태양 전지용 기판(500)에 수직으로 조사될 수 있도록 구현된 렌즈로서, 초점거리가 무한대인 에프-세타 렌즈로 이해될 수 있다. 이러한 텔레센트릭 에프-세타 렌즈는 입사되는 레이저 빔을 태양 전지용 기판(500)에 수직으로 조사될 수 있도록 함에 따라 상기 에프-세타 렌즈에 비하여 보다 향상된 관통홀의 가공성을 제공할 수 있다. 다만, 상기 효과가 발현될 수 있도록 하기 위해서는, 상기 텔레센트릭 에프-세타 렌즈의 직경이 가공 대상물인 태양 전지용 기판(500)의 직경보다 더 커야 하는 점을 감안하여 장치를 구성하는 것이 바람직하다.
이때, 본 발명의 일 구현 예에 따르면, 상기 텔레센트릭 에프-세타 렌즈는 320 내지 1030 mm의 초점 거리(focal length)를 갖는 것일 수 있다. 즉, 적층 배열된 적어도 두 장의 태양 전지용 기판을 한번에 가공할 수 있는 스캔 영역을 감안하여, 상기 텔레센트릭 에프-세타 렌즈의 초점 거리는 320 mm 이상인 것이 바람직하다. 그리고, 복수의 태양 전지용 기판을 적층 가공할 경우 가공 효율을 감안하여(예를 들면, 적층 배열된 다섯 장의 태양 전지용 기판을 한번에 가공할 수 있는 스캔영역과 장비의 크기를 감안하여), 상기 에프-세타 렌즈의 초점 거리는 1030 mm 이하인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 상기 레이저 가공 장치는 레이저 소스(100)와 스캐너(300) 사이에 위치하여, 레이저 빔을 일 축방향의 둘 또는 그 이상의 평행한 빔으로 분할하는 빔 분할기(beam splitter)(150)를 더욱 포함할 수 있다.
빔 분할기(150)는 입사되는 하나의 레이저 빔을 둘 또는 그 이상의 평행한 빔으로 분할하는 장치로서, 이를 통해 분할된 복수의 레이저 빔들은 각각 관통홀 가공에 제공될 수 있다. 즉, 빔 분할기(150)에서 분할된 레이저 빔들은 스캐너(300)를 통해 태양 전지용 기판(500)에 순차적으로 주사됨에 따라, 하나의 레이저 빔이 주사되는 경우에 비하여, 두 배 또는 그 이상의 고속 가공을 가능케 한다.
특히, 본 발명에 따르면, 상기 효과가 달성될 수 있도록 하기 위해서는, 빔 분할기(150)에 의해 분할되는 복수의 빔이 하나의 축을 따라 평행하게 분할된 상태로 배출되도록 하는 것이 바람직하고, 나아가 스캐너(300)의 상기 회전축은 스캐너(300)의 반사면에 입사되는 둘 또는 그 이상의 평행한 빔이 분할된 상기 일 축방향과 평행하도록 구비되는 것이 바람직하다.
일 예를 들면, 도 9a와 같이 빔 분할기(150)에 입사된 레이저 빔(10)은 일 축방향을 따라 평행한 세 개의 레이저 빔으로 분할된 상태로 배출되어 스캐너(300)인 회전 다면경의 일 반사면에 입사되는데, 이때 상기 레이저 빔(10)이 분할된 상기 일 축방향은 회전 다면경의 회전축이 향하는 방향과 평행해야만, 반사면에 입사된 각각의 레이저 빔이 태양 전지용 기판(500)에 온전하게 주사될 수 있어, 1회의 스캔으로 3선의 레이저 빔 가공이 가능하게 된다.
이와 마찬가지로 다른 예를 들면, 도 9b와 같이 분할기(150)에 입사된 레이저 빔(10)은 일 축방향을 따라 평행한 세 개의 레이저 빔으로 분할된 상태로 배출되어 스캐너(300)인 검류계 기반의 미러 스캐너의 반사면에 입사되는데, 이때 상기 레이저 빔이 분할된 상기 일 축방향은 미러 스캐너의 회전축이 향하는 방향과 평행해야만, 반사면에 입사되는 각각의 레이저 빔이 태양 전지용 기판(500)에 온전하게 주사될 수 있어, 1회의 스캔으로 3선의 레이저 빔 가공이 가능하게 된다.
상기 레이저 빔이 분할된 일 축방향과 스캐너(300)의 회전축이 향하는 방향이 평행하지 않고, 예를 들어 수직을 이루는 경우에도 레이저 가공 장치의 구동은 가능할 수 있다. 다만, 이 경우에는 스캐너(300)를 통해 주사되는 레이저 빔들의 경로가 태양 전지용 기판(500)의 시작 지점과 끝 지점에 일치할 수 있도록 광학 시스템을 구성하는 것이 필요하다. 하지만, 이와 같은 경우에는 태양 전지용 기판(500)에 대한 전체 스캔 영역을 복수로 나누어(예를 들면, 분할 레이저 빔의 수로 나눈 영역으로 나누어) 가공하게 되므로, 가공 속도가 다소 저하될 수 있다.
한편, 이와 같은 빔 분할기(150)는 레이저 소스(100)와 스캐너(300) 사이에 위치할 수 있으며, 음향-광학 변조기(200)와의 상대적인 위치는 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명의 일 구현 예에서, 빔 분할기(150)는 레이저 소스(100)와 음향-광학 변조기(200) 사이에 위치하여, 레이저 소스(100)로부터 발생된 펄스된 레이저 빔을 일 축방향의 둘 또는 그 이상의 평행한 빔으로 분할할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 구현 예에서, 빔 분할기(150)는 음향-광학 변조기(200)와 스캐너(300) 사이에 위치하여, 음향-광학 변조기(200)를 통해 변조된 레이저 빔을 일 축방향의 둘 또는 그 이상의 평행한 빔으로 분할할 수 있다. 다만, 레이저 소스(100)로부터 발생된 레이저 빔을 음향-광학 변조기(200)를 통해 변조한 후에 빔 분할기(150)에서 복수의 레이저 빔으로 분할하는 것이 장치의 구성상 바람직할 수 있다.
그리고, 본 발명의 레이저 가공 장치에는 빔 분할기(150)에 의해 분할된 레이저 빔의 출력을 조절하는 가변 감쇄기(variable attenuator)가 더욱 포함될 수 있다. 상기 가변 감쇄기는 분할된 레이저 빔을 일정한 출력을 갖도록 조절하여 배출하는 장치로서, 빔 분할기(150)와 일체로 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 레이저 가공 장치는,
스캐너(300)와 스캔 렌즈(400) 사이에 위치하고, 스캐너(300)로부터 태양 전지용 기판(500)을 향해 조사되는 레이저 빔의 펄스 크기, 펄스 모양, 또는 펄스 크기와 펄스 모양을 변경시키는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 렌즈 시스템(lens system)(320); 및
렌즈 시스템(320)과 스캔 렌즈(400) 사이에 위치하고, 렌즈 시스템(320)을 통과한 레이저 빔이 태양 전지용 기판(500)에 수직한 방향으로 스캔 렌즈(400)에 입사되도록 하는 반사경(reflector)(350)을 더욱 포함할 수 있다.
렌즈 시스템(320)은, 스캔 렌즈(400)와는 별도로, 스캐너(300)로부터 입사되는 레이저 빔의 직경을 확장하거나 축소하고, 레이저 빔이 스캔 렌즈(400)를 통과한 후 가공 대상물인 태양 전지용 기판(500)의 목표 지점에서 원하는 형상 및 크기의 집속 빔으로 얻어질 수 있도록 구성된 것이다. 이러한 렌즈 시스템(320)은 전술한 효과를 구현할 수 있는 적어도 하나의 렌즈를 포함할 수 있으며, 렌즈의 구성 및 코팅 방식은 변형시키고자 하는 레이저 빔의 출력, 파장, 펄스 폭, 펄스 모양 등에 따라 달라질 수 있다.
그리고, 반사경(350)은 필요에 따라 레이저 빔의 경로를 바꾸기 위해 이용되는 것으로서, 예를 들면 렌즈 시스템(320)을 통과한 레이저 빔이 태양 전지용 기판(500)에 수직 방향으로 스캔 렌즈(400)에 입사되도록 한다. 반사경(350)에는 반사율이 99% 이상인 미러가 구비될 수 있고, 상기 미러는 입사되는 레이저 빔의 파장 및 펄스 에너지 등에 맞추어 표면 코팅된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 전술한 렌즈 시스템(320)에 의해 레이저 빔의 펄스 폭, 펄스 모양 등을 변화시킬 필요가 없을 경우에도 전술한 반사경(350)이 적용될 수 있으며; 또는 음향-광학 변조기(200)와 스캐너(300) 사이에 위치하고, 음향-광학 변조기(200)를 통해 변조된 레이저 빔이 스캐너(300)가 위치하는 방향으로 입사되도록 하는 반사경(350')이 적용될 수도 있다. 다만, 반사경(350')과 빔 분할기(150)가 동시에 적용될 경우에는 빔 분할기(150)가 음향-광학 변조기(200)와 반사경(350') 사이에 위치하도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 음향-광학 변조기(200)와 반사경(350') 사이에 위치하고, 음향-광학 변조기(200)를 통해 변조된 레이저 빔을 둘 또는 그 이상으로 분할하는 빔 분할기(beam splitter)(150)가 더욱 포함될 수 있다.
이러한 반사경(350, 350')은 필요에 따라 1개 또는 그 이상이 구비될 수 있다. 다만, 반사경의 개수가 많아지면 레이저 빔의 출력 저하가 불가피하므로, 장치 구성 시 반사경의 개수를 최소화하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 레이저 가공 장치는, 레이저 소스(100)와 음향-광학 변조기(200) 사이에 위치하고, 레이저 소스(100)에서 발생된 레이저 빔을 평행한 빔으로 정렬하는 콜리메이터(collimator)(120)를 더욱 포함할 수 있다.
레이저 소스(100)에서는 최대한 평행한 빔이 방출되지만, 실제로는 레이저 소스(100)의 성능에 따라 일정한 각도(divergence angle) 내에서 퍼져나가게 된다. 그에 따라 레이저 빔을 가공 대상물인 태양 전지용 기판(500)에 주사하는 과정에서 레이저 빔의 포커싱을 위한 렌즈 시스템의 구성에 어려움이 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 문제를 최소화하기 위하여 레이저 소스(100)로부터 태양 전지용 기판(500)까지의 거리가 멀 경우에는 콜리메이터(120)를 적용함으로써 레이저 빔을 평행한 빔으로 정렬할 수 있다.
다만, 콜리메이터(120)와 빔 분할기(150)가 동시에 적용될 경우에는 콜리메이터(120)가 레이저 소스(100)와 빔 분할기(150) 사이에 위치하도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 콜리메이터(120)는 레이저 소스(100)와 음향-광학 변조기(200) 사이에 위치하고, 콜리메이터(120)와 음향-광학 변조기(200)를 통과한 레이저 빔을 둘 또는 그 이상으로 분할하는 빔 분할기(beam splitter)(150)가 더욱 포함될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 레이저 가공 장치는, 음형-광학 변조기(200)와 스캐너(300) 사이에 위치하거나, 빔 분할기(150)와 스캐너(300) 사이에 위치하고, 음향-광학 변조기(200)를 통해 변조된 레이저 빔 또는 빔 분할기(105)에 의해 분할된 레이저 빔이 일정한 크기의 빔 단면을 가지고 스캐너(300)의 반사면에 입사되도록 하는 빔 익스팬더(beam expander)(도시되어 있지 않음)를 더욱 포함할 수 있다.
이하, 첨부한 도 1 내지 도 8을 참조하여, 전술한 구성의 조합을 통해 구현 가능한 레이저 가공 장치 및 이의 작동에 대하여 설명한다. 다만, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 구현할 수 있도록 다양한 구현 예를 제시하는 것을 뿐, 본 발명의 범위가 후술하는 내용만으로 한정되는 것은 아니다. 그리고, 각 구성들의 위치, 작동 원리 등에 대한 구체적인 내용은 전술한 내용으로 갈음한다.
먼저, 도 1에 따르면, 레이저 소스(100), 콜리메이터(120), 빔 분할기(150), 음향-광학 변조기(200), 스캐너(300)로써 회전 다면경, 렌즈 시스템(320), 반사경(350), 스캔 렌즈(400), 및 태양 전지용 기판(500)을 이송하기 위한 이송 장치(600)를 포함하는 레이저 가공 장치가 제공된다.
도 1에 나타낸 구현 예에 따르면, 레이저 가공 장치는 레이저 소스(100)에서 발생된 펄스된 레이저가 콜리메이터(120)를 통해 평행한 빔으로 정렬되고, 정렬된 레이저 빔은 빔 분할기(150)를 통해 일 축방향의 둘 또는 그 이상의 평행한 빔으로 분할된다. 그리고, 분할된 레이저 빔은 음향-광학 변조기(200)를 통해 가공에 최적화된 펄스 패키지로 변조되어 스캐너(300)인 회전 다면경의 일 반사면에 입사된다. 또는, 레이저 가공 장치는 레이저 소스(100)에서 발생된 펄스된 레이저가 콜리메이터(120)를 통해 평행한 빔으로 정렬되고, 정렬된 레이저 빔은 음향-광학 변조기(200)를 통해 가공에 최적화된 펄스 패키지로 변조된다. 변조된 레이저 빔은 빔 분할기(150)를 통해 일 축방향의 둘 또는 그 이상의 평행한 빔으로 분할되어 스캐너(300)인 회전 다면경의 일 반사면에 입사될 수 있다. 그리고, 회전축의 구동으로 다면경이 회전하면서 레이저 빔을 특정 영역에 순차적이고 반복적으로 주사하게 된다. 이와 같이 주사된 레이저 빔은 렌즈 시스템(320)을 통과하면서 펄스 크기, 펄스 모양 등이 변경되고, 반사경(350)을 통해 경로가 조절되어, 태양 전지용 기판(500)에 수직한 방향으로 스캔 렌즈(400)에 입사된다. 그리고, 스캔 렌즈(400)에 입사된 레이저 빔은 태양 전지용 기판(500) 상에 포커싱됨으로써 분할된 레이저 빔의 수만큼의 관통홀이 동시에 형성될 수 있고, 스캐너(300)의 스캔 방향을 따라 태양 전지용 기판(500)의 일 축방향으로 관통홀들이 줄을 이루어 순차적으로 형성될 수 있다. 그리고, 태양 전지용 기판(500)을 두 장 이상, 예를 들어 두 장 내지 세 장을 적층 배열한 상태로 가동할 경우, 여러 장의 태양 전지용 기판에 대하여 동시에 관통홀을 형성시킬 수 있다. 이때, 이송 장치(600)는 스캐너(300)를 통한 레이저 빔의 스캔 속도와 연동되어 정밀하게 제어될 수 있는데, 레이저 빔의 스캔 방향(즉, 태양 전지용 기판(500) 상에 레이저 빔이 순차적으로 주사되는 일 축방향)과 수직한 방향으로 태양 전지용 기판(500)을 이동시킴으로써 연속 공정을 가능케 한다.
그리고, 도 2에 따르면, 도 1에 구현된 레이저 가공 장치에서 빔 분할기(150)를 포함하지 않는 구성을 갖는 레이저 가공 장치가 제공된다. 즉, 도 2에 구현된 레이저 가공 장치는 레이저 소스(100), 콜리메이터(120), 음향-광학 변조기(200), 스캐너(300)로써 회전 다면경, 렌즈 시스템(320), 반사경(350), 스캔 렌즈(400), 및 태양 전지용 기판(500)을 이송하기 위한 이송 장치(600)를 포함한다. 그에 따라, 도 2의 레이저 가공 장치는 태양 전지용 기판(500) 상에 하나의 관통홀이 레이저 빔의 스캔 방향을 따라 하나의 줄을 이루어 순차적을 형성될 수 있다. 이때, 태양 전지용 기판(500)을 두 장 이상 배열한 상태로 가동할 경우, 여러 장의 태양 전지용 기판에 대하여 동시에 관통홀을 형성시킬 수 있음은 물론이다.
한편, 도 3에 따르면, 도 1에 구현된 레이저 가공 장치에서 스캐너(300)로써 회전 다면경 대신 1차원 스캐너(즉, 검류계 기반의 미러 스캐너)를 포함하는 레이저 가공 장치가 제공된다. 즉, 도 3에 구현된 레이저 가공 장치는 레이저 소스(100), 콜리메이터(120), 빔 분할기(150), 음향-광학 변조기(200), 스캐너(300)로써 1차원 스캐너, 렌즈 시스템(320), 반사경(350), 스캔 렌즈(400), 및 태양 전지용 기판(500)을 이송하기 위한 이송 장치(600)를 포함한다. 그에 따라, 도 3의 레이저 가공 장치는 음향-광학 변조기(200)를 통해 변조된 복수의 레이저 빔이 1차원 스캐너의 반사경에 입사된 후, 회전축의 구동에 의해 레이저 빔이 특정 영역으로 순차적이고 반복적으로 주사됨으로써, 태양 전지용 기판(500)에 관통홀들이 복수의 줄을 이루어 형성될 수 있다.
그리고, 도 4에 따르면, 도 3에 구현된 레이저 가공 장치에서 빔 분할기(150)를 포함하지 않는 구성을 갖는 레이저 가공 장치가 제공된다. 즉, 도 4에 구현된 레이저 가공 장치는 레이저 소스(100), 콜리메이터(120), 음향-광학 변조기(200), 스캐너(300)로써 1차원 스캐너, 렌즈 시스템(320), 반사경(350), 스캔 렌즈(400), 및 태양 전지용 기판(500)을 이송하기 위한 이송 장치(600)를 포함한다. 그에 따라, 도 4의 레이저 가공 장치는 태양 전지용 기판(500) 상에 하나의 관통홀이 레이저 빔의 스캔 방향을 따라 하나의 줄을 이루어 순차적을 형성될 수 있다.
한편, 도 5에 따르면, 도 1에 구현된 레이저 가공 장치에서 스캐너(300)와 스캔 렌즈(400) 사이에 구비된 렌즈 시스템(320) 및 반사경(350)을 포함하지 않고, 대신 음향-광학 변조기(200)와 스캐너(300) 사이에 위치한 반사경(350')을 포함하는 레이저 가공 장치가 제공된다. 즉, 도 5에 구현된 레이저 가공 장치는 레이저 소스(100), 콜리메이터(120), 빔 분할기(150), 음향-광학 변조기(200), 반사경(350'), 스캐너(300)로써 회전 다면경, 스캔 렌즈(400), 및 태양 전지용 기판(500)을 이송하기 위한 이송 장치(600)를 포함한다. 도 5의 레이저 가공 장치는 스캐너(300)로부터 조사되는 레이저 빔의 크기, 모양 등에 추가적인 변화를 가하지 않고, 스캔 렌즈(400)를 통해 태양 전지용 기판(500) 상에 관통홀을 형성시키는 구성을 갖는다. 그에 따라, 도 5의 레이저 가공 장치는 음향-광학 변조기(200)를 통해 변조된 복수의 레이저 빔이 반사경(350')에 의해 스캐너(300)인 회전 다면경의 일 반사면에 입사되고, 회전 다면경의 회전에 의해 스캔 방향을 따라 태양 전지용 기판(500)의 일 축방향으로 관통홀들이 줄을 이루어 순차적으로 형성될 수 있다.
그리고, 도 6에 따르면, 도 5에 구현된 레이저 가공 장치에서 빔 분할기(150)를 포함하지 않는 구성을 갖는 레이저 가공 장치가 제공된다. 즉, 도 6에 구현된 레이저 가공 장치는 레이저 소스(100), 콜리메이터(120), 음향-광학 변조기(200), 반사경(350'), 스캐너(300)로써 회전 다면경, 스캔 렌즈(400), 및 태양 전지용 기판(500)을 이송하기 위한 이송 장치(600)를 포함한다. 그에 따라, 도 6의 레이저 가공 장치는 스캐너(300)로부터 조사되는 레이저 빔의 크기, 모양 등에 추가적인 변화를 가하지 않고, 태양 전지용 기판(500) 상에 하나의 관통홀이 레이저 빔의 스캔 방향을 따라 하나의 줄을 이루어 순차적을 형성될 수 있다.
한편, 도 7에 따르면, 도 5에 구현된 레이저 가공 장치에서 스캐너(300)로써 회전 다면경 대신 1차원 스캐너(즉, 검류계 기반의 미러 스캐너)를 포함하는 레이저 가공 장치가 제공된다. 즉, 도 7에 구현된 레이저 가공 장치는 레이저 소스(100), 콜리메이터(120), 빔 분할기(150), 음향-광학 변조기(200), 반사경(350'), 스캐너(300)로써 1차원 스캐너, 스캔 렌즈(400), 및 태양 전지용 기판(500)을 이송하기 위한 이송 장치(600)를 포함한다. 그에 따라, 도 7의 레이저 가공 장치는 음향-광학 변조기(200)를 통해 변조된 복수의 레이저 빔이 반사경(350')을 거쳐 스캐너(300)인 1차원 스캐너의 반사경에 입사되어 특정 영역으로 주사된다. 이때, 주사된 레이저 빔의 크기, 모양 등에 추가적인 변화 없이 태양 전지용 기판(500) 상에 포커싱되어, 복수의 관통홀들이 레이저 빔의 스캔 방향을 따라 여러 줄을 이루어 순차적으로 형성될 수 있다.
그리고, 도 8에 따르면, 도 7에 구현된 레이저 가공 장치에서 빔 분할기(150)를 포함하지 않는 구성을 갖는 레이저 가공 장치가 제공된다. 즉, 도 8에 구현된 레이저 가공 장치는 레이저 소스(100), 콜리메이터(120), 음향-광학 변조기(200), 반사경(350'), 스캐너(300)로써 1차원 스캐너, 스캔 렌즈(400), 및 태양 전지용 기판(500)을 이송하기 위한 이송 장치(600)를 포함한다. 그에 따라, 도 8의 레이저 가공 장치는 스캐너(300)로부터 조사되는 레이저 빔의 크기, 모양 등에 추가적인 변화를 가하지 않고, 태양 전지용 기판(500) 상에 하나의 관통홀이 레이저 빔의 스캔 방향을 따라 하나의 줄을 이루어 순차적을 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 전술한 레이저 가공 장치를 이용하여, 태양 전지용 기판의 두께 방향으로 관통하는 복수의 홀을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지용 기판의 관통홀 형성 방법이 제공된다.
여기서, 상기 태양 전지용 기판의 소재는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 것일 수 있으므로 특별히 제한되지 않으며, 일 예를 들면 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨-비소(GaAs), 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 카드뮴 설파이드(CdS), 구리 인듐 셀레나이드(CuInSe), 구리 인듐 갈륨 셀레나이드(CuInGaSe), 갈륨 인듐 포스파이드(GaInP) 등일 수 있다. 그 중, 본 발명에 있어서 상기 태양 전지용 기판은 통상적인 실리콘 소재의 웨이퍼 일 수 있으며, 바람직하게는 단결정 실리콘 웨이퍼, 다중 결정 실리콘 웨이퍼 또는 다결정 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 태양 전지용 기판의 관통홀 형성 방법은 전술한 레이저 가공 장치를 이용하여 수행됨에 따라, 가공 품질이 우수한 관통홀을 보다 향상된 속도로 형성시킬 수 있고, 복수의 기판에 대해서도 동시 가공이 가능하다.
즉, 상기 관통홀의 형성 단계는 하나의 관통홀을 순차적으로 형성시키는 방법으로 수행될 수 있음은 물론이고, 태양 전지용 기판의 둘 또는 그 이상의 위치에 대하여 관통홀을 동시에 형성시키는 방법으로 수행될 수 있다. 나아가, 상기 관통홀의 형성 단계는 적층 배열된 적어도 두 장의 태양 전지용 기판에 대하여 관통홀을 형성시키는 방법으로 수행될 수 있어, 보다 향상된 가공 속도 및 공정 효율을 제공할 수 있다.
이때, 상기 태양 전지용 기판에 형성되는 관통홀의 직경은 25 내지 120 ㎛, 바람직하게는 30 내지 90 ㎛, 보다 바람직하게는 30 내지 80 ㎛일 수 있다. 즉, 상기 관통홀의 직경은 기판의 면적, 후속 공정(예를 들면 관통홀 내면에 대한 도핑층 형성 공정 등)의 효율 등을 감안하여 전술한 범위에서 조절되는 것이 유리하다.
또한, 상기 관통홀의 밀도는 관통홀을 통한 전자의 이동시 직렬 저항 손실 등을 감안하여 결정될 수 있는데, 본 발명에 따르면 상기 관통홀은 태양 전지용 기판의 단위면적(㎟)당 0.25개 내지 4개, 바람직하게는 0.5개 내지 4개, 보다 바람직하게는 1개 내지 4개의 밀도로 형성될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 관통홀의 형성 방법은 태양 전지용 기판에 대하여 가공 품질이 우수한 관통홀을 보다 향상된 속도로 형성시키는 것을 가능케 하며, 이를 이용하여 복수의 기판에 대해서도 동시에 관통홀을 형성시킬 수 있어, 관통홀을 갖는 태양 전지용 기판의 양산을 가능케 한다.
10: 레이저 빔
100: 레이저 소스(laser source)
120: 콜리메이터(collimator)
150: 빔 분할기(beam splitter)
200: 음향-광학 변조기(acousto-optic modulator)
300: 스캐너(scanner)
320: 렌즈 시스템(lens system)
350, 350': 반사경(reflector)
400: 스캔 렌즈(scan lens)
500: 태양 전지용 기판
600: 태양 전지용 기판의 이송 장치

Claims (23)

  1. 펄스된 레이저 빔을 발생시키는 레이저 소스(100);
    레이저 소스(100)에서 발생된 펄스된 레이저 빔을 받는 곳에 위치하고, 펄스된 레이저 빔을 펄스 패키지로 변조하는 음향-광학 변조기(acousto-optic modulator)(200);
    음향-광학 변조기(200)를 통해 변조된 레이저 빔을 받는 곳에 위치하고, 입사되는 레이저 빔을 반사하는 적어도 하나의 반사면을 가지며, 회전축을 중심으로 상기 반사면을 회전시켜 레이저 빔을 가공 대상물인 태양 전지용 기판(500)의 일 축방향으로 순차적으로 주사하는 스캐너(300); 및
    스캐너(300)와 태양 전지용 기판(500) 사이에 위치하고, 스캐너(300)로부터 태양 전지용 기판(500)을 향해 주사되는 변조된 레이저 빔이 태양 전지용 기판(500)에 대하여 수직으로 입사되어 초점이 형성되도록 하는 스캔 렌즈(400)
    를 포함하는 태양 전지용 기판의 관통홀 형성을 위한 레이저 가공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    태양 전지용 기판(500)이 놓이는 스테이지를 포함하고, 스캐너(300)로부터 주사되는 레이저 빔의 상기 일 축방향과 수직한 방향으로 태양 전지용 기판(500)을 이동시키는 이송 장치(600)
    를 더욱 포함하는 레이저 가공 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    스캐너(300)는 복수의 반사면이 구비된 회전 다면경(rotating polygon mirror)인 레이저 가공 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    스캐너(300)는 검류계 기반의 미러 스캐너(galvanometer-based mirror scanner)인 레이저 가공 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    레이저 소스(100)와 음향-광학 변조기(200) 사이에 위치하고, 레이저 소스(100)로부터 발생된 펄스된 레이저 빔을 일 축방향의 둘 또는 그 이상의 평행한 빔으로 분할하는 빔 분할기(beam splitter)(150)
    를 더욱 포함하는 레이저 가공 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    음향-광학 변조기(200)와 스캐너(300) 사이에 위치하고, 음향-광학 변조기(200)를 통해 변조된 레이저 빔을 일 축방향의 둘 또는 그 이상의 평행한 빔으로 분할하는 빔 분할기(150)
    를 더욱 포함하는 레이저 가공 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    스캐너(300)의 상기 회전축은 스캐너(300)의 반사면에 입사되는 둘 또는 그 이상의 평행한 빔이 분할된 상기 일 축방향과 평행하도록 구비된 레이저 가공 장치.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    빔 분할기(150)에 의해 분할된 레이저 빔의 출력을 조절하는 가변 감쇄기(variable attenuator)를 더욱 포함하는 레이저 가공 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    스캐너(300)와 스캔 렌즈(400) 사이에 위치하고, 스캐너(300)로부터 태양 전지용 기판(500)을 향해 조사되는 레이저 빔의 크기, 모양, 또는 크기와 모양을 변경시키는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 렌즈 시스템(320); 및
    렌즈 시스템(320)과 스캔 렌즈(400) 사이에 위치하고, 렌즈 시스템(320)을 통과한 레이저 빔이 태양 전지용 기판(500)에 수직한 방향으로 스캔 렌즈(400)에 입사되도록 하는 반사경(reflector)(350)
    을 더욱 포함하는 레이저 가공 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    음향-광학 변조기(200)와 스캐너(300) 사이에 위치하고, 음향-광학 변조기(200)를 통해 변조된 레이저 빔이 스캐너(300)가 위치하는 방향으로 입사되도록 하는 반사경(reflector)(350')
    을 더욱 포함하는 레이저 가공 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    음향-광학 변조기(200)와 반사경(350') 사이에 위치하고, 음향-광학 변조기(200)를 통해 변조된 레이저 빔을 둘 또는 그 이상으로 분할하는 빔 분할기(beam splitter)(150)
    를 더욱 포함하는 레이저 가공 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    레이저 소스(100)와 음향-광학 변조기(200) 사이에 위치하고, 레이저 소스(100)에서 발생된 레이저 빔을 평행한 빔으로 정렬하는 콜리메이터(collimator)(120)
    를 더욱 포함하는 레이저 가공 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    콜리메이터(120)와 음향-광학 변조기(200) 사이에 위치하고, 콜리메이터(120)를 통과한 레이저 빔을 둘 또는 그 이상으로 분할하는 빔 분할기(beam splitter)(150)
    를 더욱 포함하는 레이저 가공 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    스캔 렌즈(400)는 에프-세타 렌즈(f-theta lens)인 레이저 가공 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 에프-세타 렌즈는 350 내지 850 mm의 초점 거리(focal length)를 갖는 레이저 가공 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    스캔 렌즈(400)는 텔레센트릭 에프-세타 렌즈(telecentric f-theta lens)인 레이저 가공 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 텔레센트릭 에프-세타 렌즈는 320 내지 1030 mm의 초점 거리(focal length)를 갖는 레이저 가공 장치.
  18. 제 1 항에 따른 레이저 가공 장치를 이용하여, 태양 전지용 기판에 대하여 기판의 두께 방향으로 관통하는 복수의 홀을 형성하는 단계
    를 포함하는 태양 전지용 기판의 관통홀 형성 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 태양 전지용 기판은 단결정 실리콘 웨이퍼, 다중 결정 실리콘 웨이퍼 또는 다결정 실리콘 웨이퍼인 관통홀 형성 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 단계는 태양 전지용 기판의 둘 또는 그 이상의 위치에 대하여 관통홀을 동시에 형성시키는 방법으로 수행되는 관통홀 형성 방법.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 단계는 적층 배열된 적어도 두 장의 태양 전지용 기판에 대하여 관통홀을 형성시키는 방법으로 수행되는 관통홀 형성 방법.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 관통홀은 25 내지 120 ㎛의 직경을 갖는 관통홀 형성 방법.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 관통홀은 태양 전지용 기판의 단위면적(㎟)당 0.25개 내지 4개의 밀도로 형성되는 관통홀 형성 방법.
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