KR20190097795A - Pd를 이용한 광 입사량 측정 장치 및 광 입사각 측정 장치 - Google Patents

Pd를 이용한 광 입사량 측정 장치 및 광 입사각 측정 장치 Download PDF

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Abstract

광 입사량 측정 장치가 개시되며, 상기 광 입사량 측정 장치는, 광 투과성 기판; 상기 광 투과성 기판의 하면 상에 상호 간격을 두고 배치되는 PD(Photodiode) 유닛; 및 상기 PD 유닛의 하면을 덮도록 구비되어, 상기 광 투과성 기판을 통과한 광 중 적어도 일부가 반사되어 상기 PD 유닛 중 적어도 일부에 입사되는 것을 방지하는 광 흡수 부재를 포함한다.

Description

PD를 이용한 광 입사량 측정 장치 및 광 입사각 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING AMOUNT OF INCIDENT LIGHT AND APPARATUS FOR MEASURING ANGLE OF INCIDENT LIGHT USING PHOTODIODE}
본원은 박막형 PD(Photodiode)와 같은 PD를 이용하여 태양광과 같은 광의 입사량을 측정하는 광 입사량 측정 장치 및 태양광과 같은 광의 입사각을 측정하는 광 입사각 측정 장치에 관한 것이다.
태양 전지는 태양광을 이용해 전력을 생산할 수 있다. 따라서, 태양 전지에 입사하는 빛의 양의 크기는 매우 중요할 수 있다. 특히 태양 전지의 전력 생산량이 최대로 유지되기 위해서는 입사하는 빛의 양이 최대로 유지되어야 하는데, 빛은 구름, 대기의 수증기 등에 의해 산란될 수 있으므로, 이러한 요인들로 인해 입사하는 빛의 양은 줄어들 수 있고, 입사하는 빛의 양은 태양의 각도에 따라 달라질 수 도 있다.
입사하는 빛의 양을 측정하기 위해 종래에 알려진 방법 중 하나는 일사계를 이용하여 입사량을 측정하는 것이다. 일사계는 Thermocouple의 원리를 이용해 빛의 일사량을 측정하는 장치로서, 빛의 입사량에 따라 Thermocouple의 온도가 변하는 것을 이용해, 온도차를 통해 일사량을 측정하는 방법이다.
그런데, 일사계에 사용되는 Thermocouple의 가격이 매우 비싸고, 일사계 장비의 크기가 커 설치하기 위해 추가적인 공간이 필요하다는 측면이 있었다. 이에 따라, 대면적 태양광 발전에 일사계를 이용한 입사량 측정 방법을 적용하려면 많은 비용이 필요하고, 설치 공간의 마진으로 인해 제한된 공간을 효율적으로 사용할 수 없었다.
본원의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제 10-2017-0108567호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래 대비 제조 비용 및 설치 공간을 절감할 수 있는 광 입사량 측정 장치 및 광 입사각 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제1 측면에 따른 광 입사량 측정 장치는, 광 투과성 기판; 상기 광 투과성 기판의 하면 상에 상호 간격을 두고 배치되는 PD(Photodiode) 유닛; 및 상기 PD 유닛의 하면을 덮도록 구비되어, 상기 광 투과성 기판을 통과한 광 중 적어도 일부가 반사되어 상기 PD 유닛 중 적어도 일부에 입사되는 것을 방지하는 광 흡수 부재를 포함할 수 있다.
본원의 제2 측면에 따른 광 입사각 측정 장치는, 광 투과성 기판; 상기 광 투과성 기판의 하면 상에 상호 간격을 두고 배치되는 복수의 PD(Photodiode) 유닛을 포함하는 PD 어레이부; 및 상기 광 투과성 기판의 상면 중 상기 개구 영역을 제외한 적어도 일부 영역을 덮도록 구비되어, 입사되는 광을 상기 개구 영역을 통해서만 상기 PD 어레이부로 전달하는 가림막을 포함하되, 상기 광의 입사각은, 상기 복수의 PD 유닛 중 광이 도달한 광 도달 PD 유닛이 상기 개구 영역에 대해 이루는 각도에 대응하여 결정될 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 광이 입사되면 광 에너지로 전류를 생성하는 PD 유닛의 성질을 이용하여 PD 유닛에 의해 생성된 전류량을 측정하는 것으로 광 입사량이 측정될 수 있고, 또한, PD 유닛의 하면을 덮도록 구비되는 광 흡수 부재에 의해 광 투과성 기판을 통과한 광 중 적어도 일부가 반사되어 PD 유닛으로 입사되는 것이 방지되므로 광 입사량이 정확하게 측정될 수 있다. 이에 따르면, 종래 대비 규격 및 설치 공간이 줄어들고 제조 비용이 절감되는 광 입사량 측정 장치가 구현될 수 있다.
또한, 전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 가림막에 의해, 대기 중에 산란된 후 입사하는 빛이 아니라 PD 유닛에 수직으로 입사하는 빛이 선택적으로 개구 영역을 통해 입사되어, 각각의 입사각에 따라 대응되는 PD 유닛으로 입사될 수 있으므로, 복수 개의 PD 유닛 중 전류를 생성하는 PD 유닛에 의해 광의 입사각이 산정될 수 있다. 이에 따르면, 종래 대비 규격 및 설치 공간이 줄어들고 제조 비용이 절감되는 광 입사량 측정 장치가 구현될 수 있다.
즉, 전술한 본원의 과제 해결 수단은, 빛을 감지할 수 있는 박막형 PD (Photodiode)를 이용해 빛의 입사량을 측정하고 빛의 각도를 분석하기 위한 PD array의 디자인을 제시할 수 있다. 이는 가격이 매우 저렴하며 설치 공간이 작아 공간을 효율적으로 사용할 수 있다. 또한, 현재 이슈화되고있는 IoT(Internet of things)와 접목되는 경우, 개별의 출력값을 계산되어 보다 뛰어난 안정성이 제공될 수 있다.
또한, 전술한 본원의 과제 해결 수단은, 박막형 PD를 이용해 기존에 사용되던 일사계를 대체할 수 있고 적은 공간 및 적은 비용 소모가 발생하기 때문에 많은 지역에 설치 가능하다. 이에 따라, 용이한 전지 출력 추적이 가능할 수 있으며 안정성 증가에 도움이 될 수 있다. 또한, IoT에 적목되어 태양 전지 기반 확대에 도움을 줄 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 광 입사량 측정 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 substratesolar cell의 개략적인 단면도이다.
도 3은 superstratesolar cell의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 광 입사각 측정 장치에 대한 광의 입사를 설명하기 위한 개략적인 개념 단면도이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 광 입사각 측정 장치의 개략적인 단면도이다.
도 6 및 도 7은 본원의 일 실시예에 따른 광 입사각 측정 장치의 개략적인 평면 개념도이다.
도 8a 및 도 8b는 본원의 일 실시예에 따른 광 입사각 측정 장치의 광 투과성 기판의 두께 증가에 대해 설명하기 위한 개략적인 개념 단면도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본원의 실시예에 관한 설명 중 방향이나 위치와 관련된 용어(상측, 상면, 하측, 하면 등)는 도면에 나타나 있는 각 구성의 배치 상태를 기준으로 설정한 것이다. 예를 들면, 도 1 내지 도 5을 보았을 때 전반적으로 12시 방향이 상측, 전반적으로 12시 방향을 향하는 면이 상면, 전반적으로 6시 방향이 하측, 전반적으로 6시 방향을 향하는 면이 하면 등이 될 수 있다.
본원은 광 입사량 측정 장치 및 광 입사각 측정 장치에 관한 것이다.
먼저, 본원의 일 실시예에 따른 광 입사량 측정 장치(이하 '본 광 입사량 측정 장치'라 함)에 대하여 설명한다.
본 광 입사량 측정 장치는 상측으로부터 입사되는 광의 입사량을 측정하는 장치이다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 광 입사량 측정 장치의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 광 입사량 측정 장치는 광 투과성 기판(1)을 포함할 수 있다. 광은 광 투과성 기판(1)을 통과할 수 있다. 예를 들어, 광 투과성 기판(1)의 두께(t)는 2 mm 이상 5 mm 이하일 수 있다. 또한, 광 투과성 기판(1)은 유리 기판일 수 있는데, 예시적으로, 쿼츠(Quartz), 소다라임(Soda lime), 보로(Borosilicate)등 중 하나일 수 있다.
또한, 도 1을 참조하면, 본 광 입사량 측정 장치는 광 투과성 기판의 하면 상에 배치되는 PD(Photodiode) 유닛(21)을 포함한다. PD 유닛(21)은 그에 입사되는 광에 의한 광에너지로 전류를 생성할 수 있다. 구체적으로, PN 접합에 외부 에너지가 흡수되게 된다면 전자가 천이해 전류를 만들어 낼 수 있는데, 이를 이용한 제품으로 태양 전지, PD 등이 있다. 이러한 제품들은 전류 생성에 이용될 수 있을 뿐만 아니라 빛의 감지에도 사용될 수 있다. 본 광 입사량 측정 장치는 이러한 PD를 PD 유닛(21)으로 적용할 수 있다.
즉, 본 광 입사량 측정 장치는 PD 유닛(21)에 의해 생성되는 전류량을 통해 PD유닛(21)으로 입사되는 광량을 광 입사량으로 산정할 수 있다.
PD 유닛(21)은 10 um 이하의 두께를 갖는 박막형 PD일 수 있다. 또한, PD 유닛(21)의 단면의 형상은 원형일 수 있다. 또한, PD 유닛(21)의 반경은 10 um 이상 200 um 이하일 수 있다. 또한, PD 유닛(21)의 재료는 실리콘, CIGS, GaAs 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 도 1에는 PD 유닛(21)이 한 개 구비되는 것으로 도시되었지만, PD 유닛(21)의 구비 개수는 이에 한정되지 않으며, PD 유닛(21)은 필요에 따라 복수 개 구비될 수 있다.
또한, 본 광 입사량 측정 장치는 광 흡수 부재(4)를 포함한다. 광 흡수 부재(4)는 PD 유닛(21)의 하면을 덮도록 구비되어, 광 투과성 기판(1)을 통과한 광 중 적어도 일부가 반사되어 PD 유닛(21)에 입사되는 것을 방지한다. 즉, 광 흡수 부재(4)는 광 투과성 기판(1)을 통과한 빛이 반사되어 PD 유닛(21)으로 입사(흡수)되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 입사량이 정확하게 측정될 수 있다. 예를 들어, PD 유닛(21)으로 입사되었던 광이 PD 유닛(21)으로 재 입사되는 것이 방지될 수 있으므로, 입사량이 정확하게 측정될 수 있다.
광 흡수 부재(4)의 재료는 크롬, 그래핀 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 광 흡수 부재(4)의 두께는 수십 um일 수 있다. 구체적으로, 광 흡수 부재(4)의 두께는 100 um 이하일 수 있으며, 보다 구체적으로 10 um 이상 100 um 이하일 수 있다. 또한, 광 흡수 부재(4)의 넓이는 수 mm2일 수 있다. 구체적으로, 광 흡수 부재(4)의 넓이는 10 mm2이하일 수 있다.
참고로, 본 광 입사량 측정 장치에서 입사되는 광은 태양광일 수 있다. 또한, 본 광 입사량 측정 장치는 광 투과성 기판(1)의 면 방향이 수평한 지면 방향에 대응하도록 배치될 수 있다. 또한, 광의 입사량은 전천 일사량에 대응할 수 있다.
또한, 전천 일사량은 지상에 수평면으로 입사되는 일사량으로서, 산란되어 들어오는 빛의 측정도 포함할 수 있다. 따라서, 광 투과성 기판(1)에 가림막은 설치되지 않을 수 있다.
상술한 바에 따르면, 박막형 PD array를 이용한 전천 일사량 측정 시스템(장치)이 제안될 수 있다.
도 2는 substratesolar cell의 개략적인 단면도이고, 도 3은 superstratesolar cell의 개략적인 단면도이다.
또한, 본 광 입사량 측정 장치는 태양 전지에 적용될 수 있다. 태양 전지는 크게 두 가지, substratesolar cell 및 superstratesolar cell로 분류될 수 있다. 구체적으로, 도 2를 참조하면, substratesolar cell은 하부 기판(Back sheet)(6), 하부 기판(6) 상측에 구비되어 하부 기판(6)을 덮는 EVA 필름(9), EVA 필름(9) 상에 형성되는 solar cell(8), solar cell(8) 상에 구비되는 EVA 필름(9) 및 EVA 필름(9) 상에 구비되어 EVA 필름(9)을 덮는 상부 유리(Covered glass)(1)를 포함할 수 있다. 또한, 도 3을 참조하면, superstrate solar cell은 하부 기판(6), 하부 기판(6) 상에 구비되어 하부 기판(6)을 덮는 EVA 필름(9), EVA 필름(9) 상에 형성되는 solar cell(8) 및 solar cell(8) 상에 구비되는 상부 유리(1)를 포함할 수 있다. 본 광 입사량 측정 장치는 태양 전지의 상부 유리(1)에 대해 구비될 수 있다. 즉, 태양 전지의 상부 유리(1)는 본 광 입사량 측정 장치의 광 투과성 기판(1)으로 적용될 수 있고, 본 광 입사량 측정 장치의 PD 유닛(21), 흡수재(4) 등은 상부 유리(1)의 하면에 대하여 구비될 수 있다.
이하에서는, 본원의 일 실시예에 따른 광 입사각 측정 장치(이하 '본 광 입사각 측정 장치'라 함)에 대하여 설명한다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 광 입사각 측정 장치에 대한 광의 입사를 설명하기 위한 개략적인 개념 단면도이고, 도 5는 본원의 일 실시예에 따른 광 입사각 측정 장치의 개략적인 단면도이며, 도 6 및 도 7은 본원의 일 실시예에 따른 광 입사각 측정 장치의 개략적인 평면 개념도이고, 도 8a 및 도 8b는 본원의 일 실시예에 따른 광 입사각 측정 장치의 광 투과성 기판의 두께 증가에 대해 설명하기 위한 개략적인 개념 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 광 입사각 측정 장치는 광 투과성 기판(1)을 포함한다. 광은 광 투과성 기판(1)을 통과할 수 있다. 예를 들어, 광 투과성 기판(1)의 두께(t)는 2 mm 이상 5 mm 이하일 수 있다. 또한, 광 투과성 기판(1)은 유리 기판일 수 있는데, 예시적으로, 쿼츠(Quartz), 소다 라임(Soda lime), 보로(Borosilicate)등 중 하나일 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면, 본 광 입사각 측정 장치는 광 투과성 기판(1)의 하면 상에 상호 간격을 두고 배치되는 복수의 PD(Photodiode) 유닛(21)을 포함하는 PD 어레이부(2)를 포함한다. PD 유닛(21)은 그에 입사되는 광에 의한 광에너지로 전류를 생성할 수 있다. 구체적으로, PN 접합에 외부 에너지가 흡수되게 된다면 전자가 천이해 전류를 만들어 낼 수 있는데, 이를 이용한 제품으로 태양 전지, PD 등이 있다. 이러한 제품들은 전류 생성에 이용될 수 있을 뿐만 아니라 빛의 감지에도 사용될 수 있다. 본 광 입사량 측정 장치는 이러한 PD를 PD 유닛(21)으로 적용할 수 있다.
또한, PD 유닛(21)의 재료는 실리콘, CIGS, GaAs 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, PD 유닛(21)의 단면의 형상은 원형일 수 있다. 또한, PD 유닛(21)의 반경은 10 um 이상 200 um 이하일 수 있다. 또한, PD 유닛(21)의 두께는 수 um일 수 있다. 구체적으로, PD 유닛(21)은 10 um 이하의 두께를 갖는 박막형 PD일 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면, 본 광 입사각 측정 장치는 광 투과성 기판(1)의 상면 중 개구 영역(31)을 제외한 적어도 일부 영역을 덮도록 구비되어, 입사되는 광을 개구 영역을 통해서만 PD 어레이부(2)로 전달하는 가림막(3)을 포함한다. 가림막(3)은 광이 투과하지 못하는 재료로 형성될 수 있다. 예시적으로, 일반적으로 리소그래피 공정에서 주로 사용되는 크롬이 가림막(3)의 재료에 포함될 수 있다. 또한, 가림막(3)의 두께는 수백 um이상 수 mm 이하일 수 있다. 구체적으로, 가림막(3)의 두께는 100 um 이상 10 mm 이하일 수 있다. 가림막(3)에 의해, 대기 중에 산란된 후 입사하는 빛이 아니라 PD 유닛(21)에 수직으로 입사하는 빛이 선택적으로 개구 영역(31)을 통해 입사될 수 있다.
이러한 본 광 입사각 측정 장치는 광의 입사각을 측정할 수 있다. 본 광 입사각 측정 장치가 측정하는 광의 입사각이라 함은, 광의 입사 방향과 광 투과성 기판(1)의 상면에 대한 법선이 이루는 각도를 의미할 수 있다. 참고로, 도 4에는 복수의 PD 유닛(21) 중 가운데 위치하는 PD 유닛(21)보다 우측에 위치하는 최우측 PD 유닛(21)으로 입사하는 광의 입사각(도 4의 θ 참조)을 예시로 도시하였다.
도 4를 참조하면, 광의 입사각(θ)은 개구 영역(31)(특히, 개구 영역(31)의 중앙 부분)과 광 도달 PD 유닛(특히, 광 도달 PD 유닛의 중앙 부분)을 모두 통과하도록 연장되는 직선과 광 투과성 기판(1) 상면의 법선이 이루는 각도를 의미할 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 입사각(θ)이 0˚인 광은 개구 영역(31)과 대향하게 위치하는 PD 유닛(21)(도 4의 3개의 PD 유닛(21) 중 가운데에 위치하는 PD 유닛(21))에 입사될 수 있다. 다른 예로, 도 4의 3개의 PD 유닛(21) 중 가운데가 아닌 좌측 또는 우측에 위치하는 PD 유닛(21)에는 그에 대응하는 예각의 입사각(θ)을 갖는 광이 입사될 수 있다. 이와 같이, PD 유닛(21)에는 개구 영역(31)에 대한 상대적인 PD 유닛(21)의 위치에 대응하는 입사각(θ)을 갖는 광이 입사될 수 있다. 상술한 바와 같이, PD 유닛(21)은 광이 입사되면 전류를 생성하므로, PD 유닛(21)의 전류 생성 유무에 따라 해당 PD 유닛(21)으로의 광의 입사 및 해당 PD 유닛(21)의 위치에 따른 입사된 광의 입사각(θ)이 결정될 수 있다.
따라서, 복수의 PD 유닛(21) 각각은 각각이 측정해야 하는 광의 입사각 θ에 대하여, 개구 영역(31)의 중앙 부분으로부터 하측 방향으로 연장되는 직선과 광 투광성 기판(1)이 만나는 지점으로부터 t×tanθ(t: 광 투과성 기판(1)의 두께)의 거리를 갖도록 위치할 수 있다. 예를 들어, 15˚의 입사각을 갖는 광의 입사각을 측정하도록 배치되는 PD 유닛(21)은 개구 영역(31)의 중앙 부분으로부터 하측 방향으로 연장되는 직선과 광 투광성 기판(1)이 만나는 지점으로부터 t×tan15˚의 거리를 두고 배치될 수 있다.
이에 따라, 예시적으로, PD 어레이부(2)가 일정 단위로 입사각을 측정하도록 구비되는 경우, 도 5를 참조하면, 복수의 PD 유닛(21)은 상호 미리 설정된 간격(S)을 두고 배치되고, 미리 설정된 간격(S)은, 측정하고자 하는 복수의 입사각과 광 투과성 기판(1)의 두께(t)를 고려한 간격일 수 있다. 예를 들어, 도 6 및 도 7을 참조하면, PD 유닛(21)은 5˚ 단위로 입사각을 측정하도록 구비될 수 있다. 이러한 경우, PD 유닛(21) 사이의 미리 설정된 간격(S)은 t×tan5˚일 수 있다. 즉, 측정되는 복수의 입사각들의 증가 단위 또는 감소 단위가 일정하게 Δθ일 경우, 미리 설정된 간격(S)은 t×tanΔθ일 수 있다. 참고로 도 5를 참조하면, 미리 설정된 간격(S)은 서로 이웃하는 PD 유닛(21)의 중심 간 간격을 의미할 수 있다.
또한, 도 6 및 도 7을 참조하면, 측정하고자 하는 복수의 입사각은, 태양의 위도에 대응하는 복수의 입사각 및 태양의 경도에 대응하는 복수의 입사각을 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 광 입사각 측정 장치에 있어서, 입사되는 광은 태양광일 수 있다. 또한, 본 광 입사각 측정 장치는, 본 광 입사각 측정 장치가 설치된 지역에 대한 태양의 위도 범위 중 적어도 일부 및 경도 범위 중 적어도 일부를 측정 가능하도록 광 투과성 기판(1)의 면 방향이 수평한 지면 방향에 대응하도록 배치될 수 있다.
이러한 경우, 도 6을 참조하면, 복수의 입사각은 (위도: X˚, 경도: Y˚)와 같은 위도 및 경도에 대응하는 복수의 입사각을 포함할 수 있고, PD 어레이부(2)는 이러한 복수의 위도 및 복수의 경도에서의 입사각 측정이 가능하도록 PD 유닛(21)가 배열되도록 구비될 수 있다. 이때 도 6에 도시된 바와 같이, 태양의 위도 변화 방향에 대한 복수의 입사각 사이의 증감 단위 크기(Δθ)는 태양의 경도 변화 방향에 대한 복수의 입사각 사이의 증감 단위 크기(Δθ)와 동일할 수 있으나. 이에만 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 특정 지역에서 계절에 따라 태양의 위도는 최대 50˚ 정도가 바뀌며 경도는 시간에 따라 180˚가 바뀌게 된다. 따라서 PD 유닛(21)의 배치는 입사각의 측정이 대략 위도 50˚ 범위(예를 들면, 대한민국의 경우 대한민국의 위도±25˚) 내에서 이루어지도록 디자인될 수 있고, 경도와 관련해서는 태양 전지가 실제 발전 가능한 각도를 갖는 기준인 20˚ 이상 160˚ 이하의 경도 범위 내에서 입사각의 측정이 이루어지도록 디자인될 수 있다. 이와 같이, PD 유닛(21)의 배치는 측정 지역의 위도 및 경도에 따라 달라질 수 있다. 참고로, 도 6에 도시된 PD 유닛(21)의 배치(위도 0˚에 대응하는 PD 유닛이 복수의 PD 유닛의 중심에 위치하는 배치)는 위도 0˚인 지역에 적합할 수 있다.
상술한 바에 따르면, 본 광 입사각 측정 장치는 태양의 입사각, 고도(고도각), 위도, 경도 등을 산정할 수 있다. 먼저, 태양의 고도각은 90˚ - (천정각)인데, 상술한 바와 같이, 본 광 입사각 측정 장치가 광 투과성 기판(1)의 면 방향이 수평한 지면 방향에 대응하도록 배치되는 경우, 지면에서 수직한 방향과 광 투과성 기판(1)의 법선 방향은 대응(평행)될 수 있으므로, 본 광 입사각 측정 장치에 의해 측정되는 입사각은 천정각(지면에서 수직 방향과 태양의 입사 방향이 이루는 각도)이 될 수 있다. 이러한 경우, 태양의 고도각=90˚-(광의 입사각)으로 산정될 수 있을 것이다.
또한, 태양의 위도 및 경도의 경우, 상술한 바와 같이, PD 유닛(21)이 태양의 위도별 및 경도별 입사각 측정이 가능하도록 배치되므로, 복수의 PD 유닛(21) 중 광이 도달된 광 도달 PD 유닛(21)이 전류를 생성하면, 광 도달 PD 유닛(21)이 특정 위도 및 경도를 갖는 태양의 입사각을 산정하도록 배치되었다는 점에 기반하여 태양의 위도와경도 및 입사각이 산정될 수 있고, 입사각에 기반하여 태양의 고도가 산정될 수 있을 것이다.
따라서, 복수의 PD 유닛(21) 사이의 미리 설정된 간격(S)은, 측정하고자 하는 복수의 입사각과 광 투과성 기판(1)의 두께를 고려한 간격으로서, 태양의 위도 변화 방향에 대한 입사각 및 태양의 경도 변화 방향에 대한 입사각에 대응하여 설정될 수 있다.
참고로, 도 6 및 도 7을 참조하면, PD 유닛(21)은 방사형으로 배열될 수 있는데, 도 6은 PD 유닛(21)이 사방 격자로 배열된 예를 도시한 것이고, 도 7은 PD 유닛(21)이 육방 격자로 배열된 예를 도시한 것이다. 도 6과 같이, PD 유닛(21)이 사방 격자로 배열되되, 5˚ 단위의 입사각들을 측정하도록 배치되는 경우, 광 투과성 기판(1)의 두께는 PD 유닛(21)의 반지름이 200um일 때 최소 5mm 이상일 수 있고, 광 투과성 기판(1)의 두께는 PD 유닛(21)의 크기와 측정 입사각 단위에 따라 언제든지 달라질 수 있다. 또한, 도 7과 같이 PD 유닛(21)이 육방 격자로 배열되되, 5˚ 단위의 입사각들을 측정하도록 배치되는 경우, 광 투과성 기판(1)의 두께는 PD 유닛(21)의 반지름이 200um일 때 최소 5mm 이상일 수 있고, 광 투과성 기판(1)의 두께는 PD 유닛(21)의 크기와 측정 입사각 단위에 따라 언제든지 달라질 수 있다.
또한, 광 투과성 기판(1)의 두께(t)가 증가될수록 측정하고자 하는 소정의 입사각 범위 내에 배치할 수 있는 PD 유닛(21)의 개수가 증가될 수 있다. 구체적으로, 도 8a의 광 투과성 기판(1)과 도 4의 광 투과성 기판(1)보다 두꺼운 두께(t2)를 도 8b의 광 투과성 기판(1)을 비교하여 보면, 광 투과성 기판(1)의 두께가 두꺼울 때, 동일한 입사각 범위 내에서 배치할 수 있는 PD 유닛(21)의 개수가 증가할 수 있다. 이에 따르면, 광 투과성 기판(1)이 t1의 두께일 때 10˚ 단위로 입사각 측정이 가능하다면, 광 투과성 기판(1)이 t1보다 두꺼운 t2의 두께를 가질 때는 PD 유닛(21)의 배치 가능 개수가 증가하여 보다 세밀하게 더 작은 단위, 예를 들어, 5˚ 단위로 입사각 측정이 가능하다. 이와 같이, 광 투과성 기판(1)의 두께는 측정하기 위한 입사각의 단위(동일 측정 입사각 범위 내에서의 PD 유닛(21)의 개수)에 따라 설정될 수 있다.
또한 도 5를 참조하면, 개구 영역(31)의 폭(W)은 상호 이웃하는 2개의 PD 유닛(21) 사이의 미리 설정된 간격(S)에서 PD 유닛(21)의 폭(2R)을 차감한 값(S-2R) 이하의 폭으로 형성될 수 있다. 참고로, 도 5를 참조하면, 미리 설정된 간격(S)은 상호 이웃하는 2개의 PD 유닛(21)의 각 중심 사이의 간격을 의미할 수 있다. 이처럼 개구 영역(31)의 폭(개구 영역(31)의 단면이 원형인 경우, 직경 2R)이 미리 설정된 간격(S)에서 PD 유닛(21)의 폭(2R)을 차감한 값(S-2R) 이하이면, 개구 영역(31)을 통과한 광이 서로 이웃하는 둘 이상의 PD 유닛(21) 각각의 적어도 일부에 동시에 입사되는 경우가 발생되는 것을 방지할 수 있다. 참고로, 상술한 바와 같이, 복수의 입사각이 일정 단위 증감 차이(Δθ) 마다 측정되도록, PD 유닛(21) 사이의 미리 설정된 간격(S)이 일정할 경우, 미리 설정된 간격(S)은 t×tanΔθ이므로, 개구 영역(31)의 폭은 t×tanΔθ-2R 이하일 수 있다.
만약, 개구 영역(31)의 폭(개구 영역(31)의 단면이 원형인 경우, 직경 2R)이 미리 설정된 간격(S)에서 PD 유닛(21)의 폭(2R)을 차감한 값(S-2R)을 초과하는 경우에는, 광이 서로 이웃하는 복수 개의 PD 유닛(21)에 나뉘어 입사될 수 있을 것이다. 이러한 경우, 본 광 입사각 측정 장치는 복수 개의 PD 유닛(21) 각각에 의해 측정되는 입사각의 평균값으로 입사각을 보정하여 산정할 수 있다. 또는 다른 예로, 광이 서로 이웃하는 복수 개의 PD 유닛(21)에 나뉘어 입사될 경우, 본 광 입사각 측정 장치는 복수 개의 PD 유닛(21) 각각이 생성한 전류량에 기초하여 입사각을 보간할 수 있다. 예를 들어, 입사각 40도에 대응하는 하나의 PD 유닛(21)이 생성한 전류량과 상기 하나의 PD 유닛(21)과 이웃하고 입사각 45도에 대응하는 이웃 PD 유닛(21)이 생성한 전류량의 비율이 4:1이면, 입사각은 41도로 보간될 수 있다.
또한, 개구 영역(31)은 PD 유닛(21)의 폭 이하의 폭으로 형성될 수 있다. 예를 들어, PD 유닛(21)의 단면이 원형 형상인 경우, 개구 영역(31)의 폭은 PD 유닛(21)의 반경의 두배(2R) 이하로 제한될 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면, 본 광 입사각 측정 장치는 복수의 PD 유닛(21)의 하면을 덮도록 구비되어, 광 투과성 기판(1)을 통과한 광 중 적어도 일부가 반사되어 복수의 PD 유닛 (21)중 적어도 일부에 흡수되는 것을 방지하는 광 흡수 부재(4)를 포함할 수 있다. 즉, 광 흡수 부재(4)는 광 투과성 기판(1)을 통과한 빛이 반사되어 PD 유닛(21)으로 입사(흡수)되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 입사량이 정확하게 측정될 수 있다. 예를 들어, PD 유닛(21)으로 입사되었던 광이 PD 유닛(21)으로 재 입사되는 것이 방지될 수 있으므로, 입사량이 정확하게 측정될 수 있다. 광 흡수 부재(4)의 재료는 크롬, 그래핀 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 광 입사각 측정 장치는 태양 전지에 적용될 수 있다. 태양 전지는 크게 두 가지, substratesolar cell 및 superstratesolar cell로 분류될 수 있다. 구체적으로, 도 2를 참조하면, substratesolar cell은 하부 기판(Back sheet)(6), 하부 기판(6) 상측에 구비되어 하부 기판(6)을 덮는 EVA 필름(9), EVA 필름(9) 상에 형성되는 solar cell(8), solar cell(8) 상에 구비되는 EVA 필름(9) 및 EVA 필름(9) 상에 구비되어 EVA 필름(9)을 덮는 상부 유리(Covered glass)(1)를 포함할 수 있다. 또한, 도 3을 참조하면, superstratesolar cell은 하부 기판(6), 하부 기판(6) 상에 구비되어 하부 기판(6)을 덮는 EVA 필름(9), EVA 필름(9) 상에 형성되는 solar cell(8) 및 solar cell(8) 상에 구비되는 상부 유리(1)를 포함할 수 있다. 본 광 입사각 측정 장치는 태양 전지의 상부 유리(1)에 대해 구비될 수 있다. 즉, 태양 전지의 상부 유리(1)는 본 광 입사각 측정 장치의 광 투과성 기판(1)으로 적용될 수 있고, PD 유닛(21), 흡수재(4) 등은 상부 유리(1)의 하면에 대하여 구비될 수 있으며, 가림막(3)은 상부 유리(1)의 상면에 대하여 구비될 수 있다.
상술한 바에 따르면, 박막형 PD array를 이용한 태양의 고도 측정 시스템(장치)이 제안될 수 있다. 또한, 상술한 바에 따르면, 박막형 PD array를 이용한 태양의 위도경도 측정 시스템(장치)이 제안될 수 있다.
즉, 본원에 의하면, 박막형 PD array를 이용한 전천 일사량, 태양의 고도 및 태양의 위도경도 측정 시스템 디자인 제안될 수 있다.
상술한 본 광 입사량 측정 장치 및 본 광 입사각 측정 장치는 모든 종류의 태양 전지 설치시 적용 가능하며, 스마트 비닐 하우스나 IoT가 접목된 커튼이나 블라인드에 적용 가능하다. 또한, 현재 IoT 시장이 발전함에 따라 본원의 응용 범위는 넓어질 수 있을 것이다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 광 투과성 기판
2: PD 어레이부
21: PD 유닛
3: 가림막
31: 개구 영역
4: 광 흡수 부재
6: 하부 기판
8: solar cell
9: EVA 필름

Claims (10)

  1. 창 측으로부터 입사되는 광의 입사량을 측정하는 장치에 있어서,
    광 투과성 기판;
    상기 광 투과성 기판의 하면 상에 상호 간격을 두고 배치되는 PD(Photodiode) 유닛; 및
    상기 PD 유닛의 하면을 덮도록 구비되어, 상기 광 투과성 기판을 통과한 광 중 적어도 일부가 반사되어 상기 PD 유닛 중 적어도 일부에 입사되는 것을 방지하는 광 흡수 부재를 포함하는, 광 입사량 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입사되는 광은 태양광이고,
    상기 장치는 상기 광 투과성 기판의 면 방향이 수평한 지면 방향에 대응하도록 배치되며,
    상기 광의 입사량은 전천 일사량에 대응하는 것인, 광 입사량 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 PD 유닛은 10 um 이하의 두께를 갖는 박막형 PD인 것인, 광 입사량 측정 장치.
  4. 상측으로부터 입사되는 광의 입사각을 측정하는 장치에 있어서,
    광 투과성 기판;
    상기 광 투과성 기판의 하면 상에 상호 간격을 두고 배치되는 복수의 PD(Photodiode) 유닛을 포함하는 PD 어레이부; 및
    상기 광 투과성 기판의 상면 중 상기 개구 영역을 제외한 적어도 일부 영역을 덮도록 구비되어, 입사되는 광을 상기 개구 영역을 통해서만 상기 PD 어레이부로 전달하는 가림막을 포함하되,
    상기 광의 입사각은, 상기 복수의 PD 유닛 중 광이 도달한 광 도달 PD 유닛이 상기 개구 영역에 대해 이루는 각도에 대응하여 결정되는 것인, 광 입사각 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 PD 유닛의 하면을 덮도록 구비되어, 상기 광 투과성 기판을 통과한 광 중 적어도 일부가 반사되어 상기 복수의 PD 유닛 중 적어도 일부에 입사되는 것을 방지하는 광 흡수 부재를 더 포함하는, 광 입사각 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 PD 유닛은 상호 미리 설정된 간격을 두고 배치되고,
    상기 미리 설정된 간격은, 측정하고자 하는 복수의 입사각과 상기 광 투과성 기판의 두께를 고려한 간격인 것인, 광 입사각 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 입사되는 광은 태양광이고,
    상기 장치는 상기 장치가 설치된 지역에 대한 태양의 위도 범위 중 적어도 일부 및 경도 범위 중 적어도 일부를 측정 가능하도록 상기 광 투과성 기판의 면 방향이 수평한 지면 방향에 대응하도록 배치되는 것인, 광 입사각 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    측정하고자 하는 상기 복수의 입사각은, 태양의 위도에 대응하는 복수의 입사각 및 태양의 경도에 대응하는 복수의 입사각을 포함하는 것인, 광 입사각 측정 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 미리 설정된 간격은, 측정하고자 하는 복수의 입사각과 상기 광 투과성 기판의 두께를 고려한 간격으로서, 태양의 위도 변화 방향에 대한 입사각 및 태양의 경도 변화 방향에 대한 입사각에 대응하여 설정되는 것인, 광 입사각 측정 장치.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 개구 영역은 상기 PD 유닛의 폭 이하의 폭으로 형성되는 것인, 광 입사각 측정 장치.
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