WO2014171708A1 - 트렌치 구조물을 이용한 패턴 형성방법, 이를 이용하여 형성된 패턴, 이를 이용한 태양전지 제조방법 및 이를 이용하여 형성된 태양전지 - Google Patents
트렌치 구조물을 이용한 패턴 형성방법, 이를 이용하여 형성된 패턴, 이를 이용한 태양전지 제조방법 및 이를 이용하여 형성된 태양전지 Download PDFInfo
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Definitions
- the present invention relates to a method for forming a pattern of various shapes having a desired width and thickness, a pattern formed using the same, a solar cell manufacturing method using the pattern forming method, and a solar cell manufactured using the same.
- the photolithography method is a method of forming a photoresist layer on a substrate, then exposing and developing the pattern to produce a pattern.
- the circuit line width or pattern line width is determined by the wavelength of light used in the exposure process. This is determined.
- it is difficult to form a fine pattern on a substrate because of the interference of light in the photolithography process.
- the initial investment cost such as expensive exposure equipment, increases, the price of high-resolution masks soar, and there is a disadvantage in that the efficiency in manufacturing is inferior.
- the process takes a long time because the exposure, the post-exposure bake, the development, the post-development bake, the etching process, the cleaning process, etc. are performed every time the pattern is formed, and the productivity decreases because a plurality of photo processes must be repeated. The problem that comes up is highlighted.
- Imprint lithography was first invented by Stephen chou of Princeton University in order to imprint nanoscale.
- the imprint lithography pre-fabricates the shape required for the surface of a relatively strong inorganic or polymer, which is then used to produce other materials. It is a method of forming a pattern by painting on it. Specifically, a method of forming a pattern by bonding to a curable composition coated on a metal film or an organic film using an inorganic material or a polymer mold in which a desired pattern is formed in advance, and thermally or photocuring, in comparison with the conventional photolithography method. The process is simple and there is an advantage in forming a fine pattern.
- the roll printing method is specifically disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2007-0076292 (published on July 24, 2007).
- pattern transfer is directly performed on a substrate to form a fine pattern using a silicon polymer and a cliché instead of a high-resolution mask used to form a pattern in conventional photolithography.
- the roll printing method uses a silicone polymer, which is a stamp, to improve alignment and mold release properties, and to improve productivity and work efficiency by applying a thermosetting process.
- the present invention relates to a pattern forming method of various shapes having a desired width and thickness, and a pattern formed by the forming method, by using the pattern forming method, for example, to form a fine pattern having a high aspect ratio.
- the present invention also provides a solar cell manufacturing method including the pattern forming method and a solar cell manufactured by the solar cell manufacturing method.
- the invention provides a method for forming a trench structure on a substrate; Filling a fill into the trench structure; And removing the trench structure, wherein the trench structure is formed by an inkjet method using hot melt ink.
- the trench structure is preferably composed of a printed pattern for forming a plurality of trench structures.
- the trench structure preferably has a ratio of inner height to inner height of about 6: 1 to about 1:10.
- the hot melt ink is preferably a thermoplastic hot melt ink or UV curable hot melt ink.
- the filler is silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), indium tin oxide (ITO), gold (Au), nickel (Ni), carbon nanotubes (CNT) and poly (3,4- Conductive material including at least one selected from the group consisting of ethylenedioxythiophene) (PEDOT); Or an insulating material including at least one selected from the group consisting of acrylates, urethanes, polyimides and epoxy resins. It may be.
- the removing of the trench structure may include one or more selected from the group consisting of a heat treatment step and a solution treatment step.
- the present invention also provides a pattern formed by the pattern forming method.
- the present invention provides a method for forming a dopant layer on a substrate; Forming a trench structure on the dopant layer; Etching the dopant layer; Filling a fill into the trench structure; And removing the trench structure, wherein the trench structure is formed by an inkjet method using hot melt ink.
- the trench structure is preferably composed of a printed pattern for forming a plurality of trench structures.
- the trench structure preferably has a ratio of inner height to inner height of 6: 1 to 1:10.
- the base material is a silicon wafer.
- the hot melt ink is preferably a thermoplastic hot melt ink or UV curable hot melt ink.
- the filler is silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), indium tin oxide (ITO), gold (Au), nickel (Ni), carbon nanotubes (CNT) and poly (3,4- It is more preferred to include at least one conductive material selected from the group consisting of ethylenedioxythiophene) (PEDOT).
- PEDOT ethylenedioxythiophene
- the method of manufacturing a solar cell of the present invention may further include forming an anti-reflection film on the substrate after the etching of the dopant layer.
- the present invention also provides a solar cell formed by the manufacturing method.
- the pattern formation method of the present invention it is possible to form a pattern of various shapes having a desired width and thickness, it is also possible to form a fine pattern having a high aspect ratio.
- the line width of the electrode can be reduced and the aspect ratio of the electrode can be increased, thereby maximizing the light receiving area, thereby obtaining a highly efficient solar cell.
- FIG. 1 is a conceptual diagram showing a pattern forming method according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a conceptual view showing a solar cell manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is a conceptual view for explaining the adjustment of the dot spacing of the pattern for forming a trench structure of the present invention.
- Figure 5 (a) and (b) is a photograph of the surface and cross-sectional view of the uneven silicon wafer that can be applied to the pattern forming method of the present invention.
- 6 (a), 6 (b) and 6 (c) are optical photographs taken from upper portions of trench structures formed according to Examples 1, 2 and 3, respectively.
- 9, 10, and 11 are three-dimensional optical images of trench structures formed according to Examples 1, 2, and 3, respectively, measured by an optical profiler.
- FIG. 12 is a view illustrating a result of measuring trench structures formed according to Example 1 using an alpha step.
- the pattern forming method of the present invention forming the trench structure 20 on the substrate 10, filling the filling 30 in the trench structure 20. And removing the trench structure 20, wherein the trench structure 20 is formed by an inkjet method using hot melt ink.
- the substrate 10 of the present invention may be used without particular limitation as long as the material has a friction or adhesion enough to form a pattern 40 on the substrate 10, for example, silicon, glass, Substrates of various materials, such as paper and copper thin films, can be used without limitation.
- a silicone base material can also use the thing which has an unevenness
- the trench structure 20 of the present invention basically means a structure including a wall surface, and the present invention forms the trench structure 20 by an inkjet printing method using hot melt ink. Characterized in that.
- the present invention may have the following advantages.
- hot melt inks are solid, 100% nonvolatile thermoplastics that contain no water or solvent at room temperature and are fluidized by heating up to the melting point, and are allowed to solidify within seconds after application to the deposit.
- the discharge is possible when the conditions within the jettable viscosity are achieved, and the discharge solidifies within a short time.
- printing patterns 2 for forming trench structures of points, lines, and faces having a constant size may be formed regardless of the type of the substrate 10, and other trench structures may be formed on the printing patterns 2 for forming one trench structure. Since the printing pattern 2 for forming can be superimposed and formed, it is possible to form the wall surface of the trench structure 20 by jetting the printing pattern 2 for forming the trench structure 20 in multiple layers.
- the printing pattern 2 for forming the trench structure may have acid resistance, and thus the trench structure 20 may have an etch resist. It can have the function of Since the etch resist has chemical resistance to an acidic solution such as sulfuric acid and hydrofluoric acid, there is an advantage in that the trench structure 20 may remain even after an acid treatment process.
- the printing pattern 2 for forming the trench structure 20 has a strip characteristic, and thus it is easy to remove the bar structure. There is an advantage that it is easy to obtain the pattern 40 in shape.
- the trench structure 20 when the trench structure 20 is formed using hot melt ink, the trench structure 20 may be formed at a temperature condition below the melting point of the hot melt ink, for example, a temperature of 15 ° C. or more and less than 80 ° C.
- the forming step may be carried out or an additional drying process may be carried out as necessary.
- the efficiency and accuracy of the process may be increased, and thus the fine pattern 40 may be removed within an error range. It is possible to obtain.
- the kind of hot melt ink usable in the present invention is not particularly limited, and may be, for example, thermoplastic hot melt ink or ultraviolet curable hot melt ink.
- thermoplastic hot melt ink when used, the thermoplastic hot melt ink melts when heated and returns to a solid state when the temperature is sufficiently lowered, so that the thermoplastic hot melt ink melts when the temperature is higher than a predetermined temperature.
- thermoplastic hot melt ink melts when heated and returns to a solid state when the temperature is sufficiently lowered, so that the thermoplastic hot melt ink melts when the temperature is higher than a predetermined temperature.
- the ultraviolet curable hot melt ink has excellent heat resistance as compared with the non-ultraviolet curable hot melt ink, it may be usefully used in a field requiring a high temperature process.
- the non-curable hot melt ink has a shape of the printed pattern 2 for forming the trench structure 20 when the process is performed at a temperature condition of about 80 ° C. or more, which is the melting point of the non-curable hot melt ink.
- a temperature condition of about 80 ° C. or more which is the melting point of the non-curable hot melt ink.
- the ultraviolet curable hot melt ink there is an advantage that the shape of the trench structure 20 does not change fluidly even when applied to a high temperature process of more than 80 °C.
- the inkjet method is a non-contact method, there is an advantage that the possibility of damaging the shape of the trench structure 20 is lower than that of the contact method.
- the trench structure 20 is as shown in Figure 3 (a) and (b) Likewise, the printing pattern 2 for forming a plurality of trench structures may be formed.
- the trench structure 20 includes a plurality of trench patterns forming print patterns 2, and according to the number of lines and / or layers of the trench structures forming pattern 2, the trench structures The width and height of the trough of 20 can be easily adjusted, and thus, there is an advantage that development of various patterns having a desired width and thickness, in particular, development of a fine pattern having a high aspect ratio is possible.
- the "line number” represents the number of the trench structure forming print pattern 2 constituting the bottom side of the bottom surface for convenience (however, the bottom surface as the trench pattern forming print pattern 2).
- the number of layers expresses the number of printing patterns 2 for forming the trench structure constituting the outermost surface of the wall for convenience.
- the number of the trench structure forming print patterns 2 constituting the bottommost side of the bottom surface is 7, and the printed pattern for trench structure formation constituting the outermost side of the wall ( Since the number of 2) is 4, it can be said that the trench structure 20 of FIG. 3 (a) has the number of lines 7 and the number of layers 4.
- the trench structure 20 of FIG. 3 (a) corresponds to an embodiment in which the bottom surface is formed of a print pattern 2 for forming a separate trench structure on the substrate 10, and FIG. 3 (b) below.
- the trench structure 20 of the present invention may have a bottom surface formed of a printing pattern 2 for forming a trench structure separately on the substrate 10, or a bottom surface formed of a printing pattern 2 for forming a trench structure.
- the substrate 10 itself may be used as the bottom surface of the trench structure 20 without separately forming a surface.
- the case where the bottom surface made of the printing pattern 2 for forming the trench structure is present on the substrate 10 is advantageous in that the etching of the substrate 10 can be prevented.
- the trench structure 20 of Figure 3 (a) and 3 (b) implemented a printing pattern 2 for forming the trench structure in the shape of a straight line
- the inner width (W) of the trench structure 20 is not particularly limited, for example, may be about 10 ⁇ m to 200 ⁇ m. However, if the inner width (W) is too wide, it is difficult to form a fine pattern, if the inner width (W) is too narrow to secure a space to fill the interior when filling the filling 30 by the inkjet method Can be difficult.
- the inner height T of the trench structure 20 is also not particularly limited, and may be, for example, about 0.5 ⁇ m to about 100 ⁇ m.
- the shape of the pattern may be collapsed when the trench structure 20 is removed after the filling 30 is filled, and when the inner height T is too low, the pattern has a high aspect ratio. Formation of the pattern can be difficult.
- the ratio of the inner height T to the inner width W of the trench structure 20 may be about 6: 1 to about 1:10.
- the ratio is 6: 1 or more and less than 2: 1, it is possible to finally obtain a pattern 40 having a relatively wide line width to thickness, which is excellent in adhesion to the substrate, low line height or thin pattern (40) Is advantageous for forming).
- the ratio is 2: 1 or more and less than 1: 3, it is possible to finally obtain a pattern 40 having a similar line width to thickness, and the formed pattern 40 may be relatively firmly maintained.
- the ratio is 1: 3 or more and 1:10 or less, a pattern 40 having a very high ratio of the thickness to the line width can be finally obtained, which is advantageous for manufacturing the pattern 40 having a very high aspect ratio.
- the trench structure 20 weakens the adhesion between the printing pattern 2 for forming the trench structure 2 and the substrate 10, and thus, There may be limitations. Therefore, in order to compensate for this, by forming the print pattern 2 for forming the trench structure immediately after the outermost side of the wall surface, the wall surface of the first side composed of two or more lines can be formed. In addition, the wall surface of the second side corresponding to the wall surface of the first side and facing each other and constituting the trench structure 20 may be formed, and the same configuration as described above may be applied thereto.
- the trench structure 20 not only forms the wall surface by a separate pattern printing process after the bottom surface is formed, but also forms a dot spacing of the trench structure forming pattern 2 for forming the bottom surface and the wall surface.
- the bottom surface and the wall surface may be formed by one pattern printing process.
- the dot spacing may be adjusted by changing the dots per inch (DPI) through an encoder. Referring to FIG. 4 below, an empty space exists on the first pattern image (refer to the left pattern image of FIG. 4), but the dots are spaced so that the empty space of the pattern image is filled with an encoder.
- the dot spacing of the trench structure forming pattern 2 may be more closely formed. In this case, a pattern image having a higher thickness can be obtained in one pattern printing process.
- the trench structure 20 may be formed through an inkjet printing apparatus in which a plurality of nozzles are arranged at regular intervals. For example, after jetting the printing pattern 2 for forming the trench structure forming the bottom surface, the nozzle corresponding to the width of the valley is operated so that no ink is discharged anymore, and the wall surface of the trench structure 20 is manipulated. By repeatedly jetting only the printing pattern 2 for forming the trench structure to form a multilayer wall, the trench structures 20 may be formed to be continuously arranged at least one. In such a manner, a pattern of a desired shape can be manufactured in a large area.
- the filler 30 is filled in the trench structure 20.
- the filling material 30 filled in the trench structure 20 may be limited if the solvent of the filling material 30 may be dried at a temperature below the melting point of the hot melt ink used to form the trench structure 20.
- various materials may be used, depending on the application.
- the filler 30 may include silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), indium tin oxide (ITO), gold (Au), nickel (Ni), carbon nanotubes (CNT), and A conductive material comprising at least one selected from the group consisting of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), or at least one selected from the group consisting of acrylates, urethanes, polyimides and epoxy resins It may include an insulating material.
- PEDOT poly (3,4-ethylenedioxythiophene)
- the filling method of the filler 30 in the trench structure 20 various printing methods such as screen printing, inkjet printing, and dispensing may be used.
- the present invention is not limited thereto, and the present invention is not particularly limited as long as the method can fill the trench of the trench structure.
- the drying temperature is a solvent constituting the filler 30 It can be changed to various conditions according to. For example, when using a substance having a high volatile boiling point of less than 100 °C as a solvent constituting the filler 30 may be dried for about 10 minutes at a temperature of 50 °C to 60 °C.
- the solvent in the trench structure 20 It is preferable to fill the filling material 30 which contains and to perform drying at the temperature of 80 degreeC or more. Meanwhile, depending on the filling height of the filling material 30 and the filling rate of the filling material 30 in the trench structure 20, after filling, the filling material 30 may be additionally charged and a drying process may be performed.
- the trench structure 30 is removed.
- the pattern 40 formed on the substrate 10 may be obtained.
- removing the trench structure 20 may include one or more selected from the group consisting of a heat treatment step and a solution treatment step.
- the heat treatment temperature of the heat treatment step is preferably higher than the boiling point (boiling point) of the material constituting the printed pattern (2) for forming the trench structure (20).
- the heat treatment step may be performed at a high temperature of 350 °C or more.
- the solution treatment step may be made by using a solution containing an alcohol, such as ethanol, isopropyl alcohol and / or organic solvents such as dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF).
- the trench structure 20 may be removed using isopropyl alcohol having a temperature of 50 ° C. to 60 ° C.
- the isopropyl alcohol is not only relatively low in price, but also has a low boiling point, so that the drying is fast, there is an advantage that the subsequent process progress is convenient.
- the removing of the trench structure 20 may be performed within a few seconds to several hundred seconds, but is not limited thereto.
- removing the trench structure 20 may be performed within 1 second to 120 seconds at a temperature of 50 °C to 60 °C.
- the present invention also provides a pattern 40 formed by the pattern forming method.
- the pattern 40 may be dot, line and surface shape, or may be a fine pattern 40 having a high aspect ratio.
- the line width of the pattern 40 is used in the same sense as the width of the pattern 40.
- the line width and thickness of the pattern 40 may correspond to the inner width (W) and the inner height (T) of the trench structure 20, respectively, but the degree of matching the numerical value within the error range is different.
- Measurement of the valley of the trench structure 20 can be measured, for example, by an alpha-step and a 3D optical profiler, the line width of the pattern 40 and the trench structure 20.
- a dopant layer 15 on a substrate 10 and forming a trench structure 20 on the dopant layer 15. Etching the dopant layer 15, filling the filling 30 in the trench structure 20, and removing the trench structure 20, wherein the The trench structure 20 is formed by an inkjet method using hot melt ink.
- the substrate 10 may be used without particular limitation as long as the material has a frictional force or adhesive strength enough to form the electrode 40 'thereon.
- a material such as silicon, glass, paper, or a copper thin film can be used.
- the substrate 10 may be a silicon wafer, for example, a silicon wafer having irregularities on its surface.
- 5A is a photograph of the surface of a silicon wafer with irregularities applicable to the substrate 10
- FIG. 5B is a cross-sectional photograph of the silicon wafer with irregularities.
- a pyramidal shape having a height of about 7 ⁇ m to 8 ⁇ m is formed at random intervals of 3 ⁇ m to 5 ⁇ m.
- the surface form of (10) is not a big constraint.
- the solar cell has a semiconductor pn junction as a basic structure, and there are largely a thermal diffusion method and an ion implantation method for making such a pn junction, which is described as a method of forming an n-type semiconductor layer on a p-type silicon substrate.
- the thermal diffusion method is a method of forming a pn junction by heating the substrate to infiltrate the phosphorus (P) element from the surface of the p-type silicon substrate and making the pn junction. It is a method of forming a pn junction by n-shaping a surface layer by accelerating by an electric field and placing it on a p-type silicon substrate surface.
- the method of forming the bonding layer for solar cells by the thermal diffusion method is not limited to this, for example, a method using a rapid thermal process (RTP) device, emitter etch-back (emitter etch- back) method, or selective emitter method, and the like, and the present invention can use these methods without particular limitation to form the dopant layer 15.
- the method using the rapid heat treatment apparatus simultaneously thermally diffuses phosphorus and aluminum on the front and rear surfaces of the silicon substrate using the rapid heat treatment apparatus, and then adjusts the cooling rate to maintain the bulk life time of the carrier and the depth of the diffused region. This is a way to selectively adjust.
- the emitter etch-back method forms an emitter layer by a diffusion process subject to excessive doping of impurities and then wet etching or carbon tetrafluoride (CF 4 ) plasma etching using a mixture of nitric acid and hydrofluoric acid. It is a method of removing the dead layer that adversely affects the performance of the solar cell.
- the selective emitter method is a method of forming a mask pattern at the point where the front electrode is to be formed so that n-type impurities are not etched on the surface of the emitter layer.
- the trench structure 20 is formed on the dopant layer 15 by an inkjet method using hot melt ink.
- the present invention forms the trench structure 20 in an inkjet manner using the hot melt ink as described above, and the advantages thereof are the same as described above.
- the type of hot melt ink that can be used in the present invention is not particularly limited, and for example, a thermoplastic hot melt ink or an ultraviolet curable hot melt ink may be used.
- the trench structure 20 formed by the printing method using the hot melt ink may be formed of a plurality of trench structure-forming print pattern (2).
- the inner width (W) and the inner height (T) of the trench structure 20 is not particularly limited, for example, the inner width (W) may be about 10 ⁇ m to 200 ⁇ m
- the inner height T may be about 0.5 ⁇ m to about 100 ⁇ m.
- the ratio of the inner height T to the inner width W is preferably about 6: 1 to 1:10. When the ratio is 6: 1 or more and less than 2: 1, an electrode 40 'having a relatively large line width to thickness can be finally obtained, which is excellent in adhesive force with a substrate, and has a low line height or a thin electrode ( 40 ').
- an electrode 40 'having a similar line width to a thickness can be finally obtained, and the formed electrode 40' can be relatively firmly maintained.
- the ratio is 1: 3 or more and 1:10 or less, an electrode 40 'having a very high ratio of thickness to line width can be finally obtained, which is advantageous for manufacturing an electrode 40' having a very high aspect ratio.
- a wall surface composed of two or more lines is formed by forming the printing pattern 2 for forming the trench structure immediately after the innermost side of the wall surface. Can be formed.
- the bottom and wall surfaces may be formed by one pattern printing process by adjusting the dot spacing of the trench structure forming pattern 2 for forming the bottom and wall surfaces.
- the trench structure 20 of the present invention is applied to the actual process of pattern formation, the trench structure 20 is formed through an inkjet printing apparatus in which a plurality of nozzles are arranged at regular intervals. Can be formed.
- the dopant layer 15 is etched.
- the etching of the dopant layer 15 may be performed using an etching method well known in the art, for example, a wet etching method or a dry etching method.
- the substrate 10 and the dopant layer 15 formed thereon are a mixed solution in which HF: HNO 3 : H 2 O is mixed at a volume ratio of 1: (10 to 100) :( 10 to 50). It can be carried out by the method of treatment.
- the etching of the dopant layer 15 may include a washing and drying step. For example, after the dopant layer 15 is etched, the substrate 10 on which the trench structure 20 is formed is treated with the mixed solution for 1 minute, and then washed three to five times with ultrapure water, and then a nitrogen gun (gun) The substrate 10 can be dried.
- a washing and drying step For example, after the dopant layer 15 is etched, the substrate 10 on which the trench structure 20 is formed is treated with the mixed solution for 1 minute, and then washed three to five times with ultrapure water, and then a nitrogen gun (gun) The substrate 10 can be dried.
- the method of manufacturing the solar cell of the present invention may further include forming an anti-reflection film on the substrate 10 after the etching of the dopant layer 15.
- the anti-reflection film is formed on a surface exposed as the dopant layer 15 is etched (not shown).
- the anti-reflection film may be a silicon nitride film, a silicon nitride film containing hydrogen, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or magnesium fluoride (MgF 2 ), zinc sulfide (ZnS), titanium dioxide (TiO 2 ), and cerium oxide (CeO 2 ).
- the anti-reflection film may be formed as a single film or may have a multi-layer structure in which two or more are combined.
- the anti-reflection film may be formed by vacuum deposition, chemical vapor deposition, spin coating, screen printing, or spray coating.
- the filling material 30 is filled in the trench structure 20.
- the filling method of the filling 30 in the trench structure 20 may use sputtering as well as various printing methods commonly used, such as screen printing, inkjet printing, and dispensing.
- the filler 30 may include silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), indium tin oxide (ITO), gold (Au), nickel (Ni), carbon nanotubes (CNT), and poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) may comprise one or more conductive materials selected from the group consisting of.
- the trench structure 30 is removed.
- the electrode 40 ′ formed on the dopant layer 15 may be obtained.
- the manner of removing the trench structure 20 may also include one or more selected from the group consisting of a heat treatment step and a solution treatment step as described above, and the details are the same as described above.
- the present invention also provides a solar cell formed by the solar cell manufacturing method.
- the electrode 40 ′ may have a high aspect ratio, and may also have a fine pattern.
- the efficiency of the solar cell can be increased by increasing the area of the light receiving portion receiving light.
- the solar cell includes a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, and absorbing solar energy in the photoactive layer generates an electron-hole pair (EHP) inside the semiconductor, where the generated electrons and holes They move to the n-type semiconductor and the p-type semiconductor, respectively, and they are collected by the electrode 40 'so that they can be used as electrical energy from outside. It is important to increase the efficiency of the solar cell to output as much electrical energy as possible from solar energy. In order to increase the efficiency of the solar cell, it is important to generate as many electron-hole pairs as possible inside the semiconductor, but loss of generated charge It is also important to reduce the pressure and pull it out.
- EHP electron-hole pair
- the temperature of the reservoir was set to 85 ⁇ followed by jetting. Jetting was performed using all SE-128 heads (Dimatix) with 128 nozzles at an applied voltage of 65V.
- a silicon substrate having irregularities was used as the substrate.
- a printed pattern having a line width of about 30 ⁇ m and a height of about 20 ⁇ m was jetted once at intervals of 30 ⁇ m to form a bottom surface.
- the bottom surface had a number of lines 7 and completely covered the substrate so that there was no pinhole-like space between the printed patterns, the total width thereof was about 200 mu m, and the thickness of the bottom side was about 20 mu m.
- the first, second, sixth and seventh printing patterns of the bottom surface were jetted once to form a wall surface.
- a trench structure in which the number of lines of the print pattern constituting the bottom surface is 7 and the number of layers of the print pattern constituting the wall surface is 2 is formed on the substrate.
- the inner width of the bottom of the trench structure was about 100 ⁇ m and the inner height of the wall was about 20 ⁇ m.
- the line width of the pattern thus formed was about 100 ⁇ m and the thickness was about 20 ⁇ m, thus the aspect ratio of the formed pattern was about 5: 1.
- the wall surface was formed by jetting three times on each of the first, second, sixth and seventh printing patterns of the bottom surface printing pattern .
- a trench structure in which the number of lines of the print pattern constituting the bottom surface is 7 and the number of layers of the print pattern constituting the wall surface is 3 is formed on the substrate.
- the inner width of the bottom of the trench structure was about 100 ⁇ m and the inner height of the wall was about 60 ⁇ m.
- Example 2 Thereafter, filling the trench structure and removing the trench structure were performed in the same manner as in Example 1.
- the line width of the pattern thus formed was about 100 ⁇ m and the thickness was about 60 ⁇ m, thus the aspect ratio of the formed pattern was about 5: 3.
- the wall surface was formed by jetting five times on each of the first, second, sixth and seventh printing patterns of the bottom surface. .
- a trench structure in which the number of lines of the print pattern constituting the bottom surface is 7 and the number of layers of the print pattern constituting the wall surface is 5 is formed on the substrate.
- the inner width of the bottom of the trench structure was about 100 ⁇ m and the inner height of the wall was about 100 ⁇ m.
- Example 1 Thereafter, filling the trench structure and removing the trench structure were performed in the same manner as in Example 1.
- the line width of the formed pattern was about 100 micrometers, and the thickness was about 100 micrometers, Therefore, the aspect ratio of the formed pattern was about 1: 1.
- the optical photo taken from the upper end of the trench structure formed in accordance with Examples 1 to 3 is shown in Figure 6 below.
- FIGS. 6A to 6C when the number of layers increases, the color contrast of the bottom surface and the wall surface of the trench structure becomes clear, so that the shape of the trench structure does not collapse even when the number of layers increases. It can be confirmed.
- Jetting was carried out using a DMP2800 inkjet equipment using silver nano ink having a solid content of 50 wt%, wherein 10 pl of droplets were discharged per nozzle.
- Jetting was performed on a glass substrate that was not surface treated at 20 ⁇ ⁇ pitch intervals.
- the line width of the formed line pattern is about 110 to 114 ⁇ m
- the thickness is about 0.4 to 0.7 ⁇ m.
- the aspect ratio of the formed pattern was about 275: 1.
- An optical photograph of the formed pattern is shown in FIG. 7.
- the black part of FIG. 7 corresponds to the formed pattern. Looking at the lower left, it can be observed that there is a spreading of the ink.
- the glass substrate surface treatment was performed by spin coating the solution in which the cellulose solution and the surfactant were mixed. Jetting was performed under the same conditions as in Comparative Example 1, except that the substrate treated with the surface was used as described above.
- the line width of the formed line pattern was about 43 micrometers, and the thickness was about 1.5 micrometers, Therefore, the aspect ratio of the formed pattern was about 28.7: 1.
- An optical photograph of the formed pattern is shown in FIG. 8.
- the black part of FIG. 8 corresponds to the formed pattern, and it can be observed that the line width is narrower than that of Comparative Example 1 (FIG. 7).
- the pattern of Comparative Example 2 has a higher aspect ratio than the pattern of Comparative Example 1, but has a very low aspect ratio compared to the pattern of the Example.
- FIGS. 9 to 11 show how one trench structure is formed on a substrate in the manner of Example 1.
- FIG. 10 shows how two trench structures are formed adjacent to the substrate in the manner of Example 2.
- FIG. FIG. 11 shows how two trench structures of Example 3 are adjacently formed on a substrate.
- FIG. when comparing the measured values of the trench structures of FIGS. 9 to 11 and the embodiments 1 to 3, respectively, a difference occurs in a certain range, which is due to a measurement error when measured using the optical profiler. will be.
- the left figure shows a three-dimensional shape
- the unit of the x-axis and the y-axis is mm
- the unit of the z-axis is ⁇ m.
- the right figure is a profile of the surface which cut
- the trench structures formed in accordance with Example 1 were measured in alpha steps and the results are shown in FIG. 12. According to FIG. 12, the height of the trench structure is about 40 ⁇ m, the height of the valleys in the trench structure is about 20 ⁇ m, and the width of the valleys is about 90 to about 100 ⁇ m.
- T inside height of trench structure
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Abstract
본 발명은 기재 상에 잉크젯 방식으로 트렌치 구조물을 형성하는 단계, 상기 트렌치 구조물 내에 충진물을 충전하는 단계 및 상기 트렌치 구조물을 제거하는 단계를 포함하는 패턴 형성방법, 이를 이용해 형성된 패턴, 상기 패턴 형성방법을 이용한 태양전지 제조 방법 및 이를 이용해 제조된 태양전지를 제공한다.
Description
본 발명은 원하는 너비 및 두께를 갖는 다양한 형상의 패턴을 형성하는 방법 및 이를 이용하여 형성된 패턴, 상기 패턴 형성방법을 이용한 태양전지 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 태양전지에 관한 것이다.
종래에 일반적으로 사용되었던 패턴 형성 방법으로는, 포토리소그래피 방법, 임프린트 리소그래피 방법 및 롤프린트 방법 등이 있다.
포토리소그래피 방법은, 기판 상에 포토레지스트층을 형성한 다음, 이를 노광한 후, 현상하여 패턴을 제조하는 방법으로, 이 방법의 경우, 노광 공정에 사용되는 빛의 파장에 의해 회로 선폭 또는 패턴 선폭이 결정된다. 그러나, 현재의 기술 수준을 고려할 때, 포토리소그래피 공정의 경우, 빛의 간섭 때문에 미세 패턴을 기판 상에 형성하는 것은 어려운 상황이다. 또한, 초미세한 패턴을 형성하기 위하여 고가의 노광 장비 등 초기 투자비용이 증가하고, 고해상도의 마스크 가격도 급등하여, 제조 비용면에서 효율성이 떨어지는 단점이 있다. 뿐만 아니라, 패턴을 형성할 때마다 노광, 노광 후 베이크, 현상, 현상 후 베이크, 식각 공정, 세정 공정 등을 수행해야만 하기 때문에 공정 시간이 오래 걸리고, 다수 회의 포토 공정을 반복해야만 하기 때문에 생산성이 저하되는 문제점이 부각되었다.
임프린트 리소그래피는 나노 스케일을 각인하기 위해 미국 프린스턴 대학교의 스테판 쵸우(Stephen chou) 등에 의해 최초로 발명된 방법으로, 상대적으로 강도가 강한 무기물 또는 고분자의 표면에 필요로 하는 형상을 미리 제작하여, 이를 다른 물질 위에 도장 찍는 듯이 하여 패턴을 형성하는 방법을 말한다. 구체적으로, 원하는 패턴을 미리 형성시킨 무기물 또는 고분자 몰드(Mold)를 사용하여 금속막 또는 유기막 위에 코팅된 경화성 조성물에 합착하고 열 또는 광경화시켜 패턴을 형성하는 공법으로서, 기존 포토리소그래피 방법에 비해서 공정이 단순하고, 미세 패턴 형성에 유리한 장점이 있다.
롤 프린트 공법은 한국 공개특허공보 제2007-0076292호(2007.07.24 공개)에 구체적으로 개시되어 있다. 롤 프린트 공법은 기존의 포토리소그래피에서 패턴을 형성시킬 때 사용되는 고해상도의 마스크 대신 실리콘 고분자와 클리체를 사용하여 미세 패턴을 형성하고자 하는 기판에 직접적인 패턴 전사가 형성된다. 이러한 롤 프린트 공법은 스탬프인 실리콘 고분자를 사용하여 얼라인, 몰드와의 이형성을 개선시켰으며, 열경화 공정을 적용함으로써 생산성 및 작업 능률을 향상시켰다. 또한, 포토리소그래피의 노광이나 현상 작업 등 여러 공정을 거쳐야 하는 공정의 복잡성 및 그에 따라서 발생하는 부수적인 공정비용을 획기적으로 단순화 및 감소시킬 수 있는 대안으로 제시되었다.
그러나, 종래 포토리소그래피 방법, 임프린트 리소그래피 방법 및 롤프린트 방법 등에 의할 경우, 원하는 너비 및 두께를 갖는 패턴, 예컨대 고종횡비를 갖는 미세 패턴을 형성하는데 있어서, 제조의 용이성, 형성된 패턴의 정확성 및 패턴 형성 단계의 용이 반복 가능성에 있어서 한계점이 있었다. 따라서, 상기한 문제점을 해결하면서, 원하는 너비 및 두께를 갖는 다양한 패턴을 가질 수 있는 새로운 패턴 형성방법에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 원하는 너비 및 두께를 갖는 다양한 형상의 패턴 형성방법 및 그 형성방법에 의해 형성된 패턴에 관한 것으로서, 상기 패턴 형성방법을 이용하여 예컨대, 고종횡비를 갖는 미세 패턴을 형성하고자 한다. 또한, 상기 패턴 형성방법을 포함하는 태양전지 제조방법 및 상기 태양전지 제조방법에 의해 제조된 태양전지를 제공하고자 한다.
일 측면에서, 본 발명은 기재 상에 트렌치 구조물을 형성하는 단계; 상기 트렌치 구조물 내에 충진물을 충전하는 단계; 및 상기 트렌치 구조물을 제거하는 단계를 포함하는 패턴 형성방법이며, 상기 트렌치 구조물은 핫 멜트 잉크를 이용하여 잉크젯 방식으로 형성하는 것인 패턴 형성방법을 제공한다.
이때, 상기 트렌치 구조물은 복수개의 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴으로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 트렌치 구조물은 안쪽 너비 대비 안쪽 높이의 비가 6:1 내지 1:10 정도인 것이 바람직하다.
한편, 상기 핫 멜트 잉크는 열 가소성 핫 멜트 잉크 또는 자외선 경화형 핫 멜트 잉크인 것이 바람직하다.
한편, 상기 충진물은 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 인듐 주석 산화물(ITO), 금(Au), 니켈(Ni), 탄소나노튜브(CNT) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 전도성 물질; 또는 아크릴레이트, 우레탄, 폴리이미드 및 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 절연물질을 포함하는 것일 수 있다.
한편, 상기 트렌치 구조물을 제거하는 단계는 열처리 단계 및 용액 처리 단계로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 패턴 형성방법으로 형성된 패턴 역시 제공한다.
다른 측면에서, 본 발명은 기재 상에 도펀트층을 형성하는 단계; 상기 도펀트층 상에 트렌치 구조물을 형성하는 단계; 상기 도펀트층을 식각하는 단계; 상기 트렌치 구조물 내에 충진물을 충전하는 단계; 및 상기 트렌치 구조물을 제거하는 단계를 포함하는 태양전지 제조 방법이며, 상기 트렌치 구조물은 핫 멜트 잉크를 이용하여 잉크젯 방식으로 형성하는 것인 태양전지 제조 방법을 제공한다.
이때, 상기 트렌치 구조물은 복수개의 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴으로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 트렌치 구조물은 안쪽 너비 대비 안쪽 높이의 비가 6:1 내지 1:10 인 것이 바람직하다.
한편, 상기 기재는 실리콘 웨이퍼인 것이 보다 바람직하다.
한편, 상기 핫 멜트 잉크는 열 가소성 핫 멜트 잉크 또는 자외선 경화형 핫 멜트 잉크인 것이 바람직하다.
한편, 상기 충진물은 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 인듐 주석 산화물(ITO), 금(Au), 니켈(Ni), 탄소나노튜브(CNT) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 전도성 물질을 포함하는 것이 보다 바람직하다.
한편, 본 발명의 태양전지 제조 방법은 상기 도펀트층을 식각하는 단계 후에 상기 기재 상에 반사 방지막을 형성하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 제조방법으로 형성된 태양전지 역시 제공한다.
본 발명의 패턴 형성방법에 따르면, 원하는 너비 및 두께를 갖는 다양한 형상의 패턴을 형성할 수 있으며, 높은 종횡비를 가지는 미세 패턴 역시 형성이 가능하다.
상기 패턴 형성방법을 태양전지의 제조방법에 이용할 경우, 전극의 선폭을 미세화하고, 전극의 종횡비를 높일 수 있으므로, 수광면적을 최대화함으로써, 효율이 높은 태양전지를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 패턴 형성방법을 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 구현예에 따른 태양전지 제조방법을 보여주는 개념도이다.
도 3 (a) 및 (b)는 본 발명의 구현예에 따른 트렌치 구조물의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 트렌치 구조물 형성용 패턴의 점 간격을 조절하는 것을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5 (a) 및 (b)는 본 발명의 패턴 형성방법에 적용될 수 있는 요철이 있는 실리콘 웨이퍼의 표면 및 단면 사진이다.
도 6 (a), (b) 및 (c)는 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3에 따라 형성된 트렌치 구조물을 각각 상단부에서 촬영한 광학 사진이다.
도 7은 비교예 1에 따라 형성된 패턴의 광학 사진이다.
도 8은 비교예 2에 따라 형성된 패턴의 광학 사진이다.
도 9, 도 10 및 도 11은 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3에 따라 형성된 트렌치 구조물을 각각 옵티컬 프로파일러(Optical profiler)로 측정한 3 차원 광학 이미지이다.
도 12은 실시예 1에 따라 형성된 트렌치 구조물을 알파 스텝으로 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
먼저, 본 발명의 패턴 형성방법에 대하여 설명한다.
하기 도 1에 예시적으로 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 패턴 형성방법은 기재(10) 상에 트렌치 구조물(20)을 형성하는 단계, 상기 트렌치 구조물(20) 내에 충진물(30)을 충전하는 단계, 및 상기 트렌치 구조물(20)을 제거하는 단계를 포함하며, 이때 상기 트렌치 구조물(20)은 핫 멜트 잉크를 이용하여 잉크젯 방식으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 본 발명의 상기 기재(10)는 기재(10) 상에 패턴(40)이 형성될 수 있을 정도의 마찰력이나 접착력을 갖는 재질이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 실리콘, 유리, 종이, 구리 박막 등과 같은 다양한 재질의 기판들이 제한 없이 사용될 수 있다. 한편, 이들 중 실리콘 기재는, 표면에 요철이 있는 것도 사용할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 상기 트렌치 구조물(Trench Structure)(20)은 기본적으로 벽면을 포함하는 구조를 의미하는 것으로, 본 발명은 핫 멜트 잉크를 이용한 잉크젯(printing) 방식으로 트렌치 구조물(20)을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명과 같이 핫 멜트 잉크를 이용하여 트렌치 구조물(20)을 형성하는 경우 다음과 같은 장점들을 가질 수 있다. 먼저, 핫 멜트 잉크는 실온에서 물이나 용매를 전혀 포함하지 않은 고체인, 100% 불휘발성의 열가소성 재료로서, 녹는점까지 가열함으로써 유동성이 부여되고, 피착물에 도포 후 방치 냉각되면 수초 이내에 고화될 수 있으며, 또한 잉크젯 장비의 레저버와 헤드를 가열함으로써 젯팅 가능 점도 내의 조건이 되면 토출이 가능하고, 토출 후 빠른 시간 내에 고화된다. 따라서, 기재(10)의 종류에 상관없이 일정한 크기를 갖는 점, 선 및 면의 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2) 형성이 가능하며, 하나의 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2) 위에 다른 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)을 겹쳐서 형성하는 것이 가능하므로, 다층으로 트렌치 구조물(20) 형성용 인쇄 패턴(2)을 젯팅함으로써, 상기 트렌치 구조물(20)의 벽면을 형성하는 것이 가능하다.
또한, 핫 멜트 잉크를 이용하여 트렌치 구조물(20)을 형성할 경우, 상기 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)은 내산성을 가질 수 있으며, 그에 따라 상기 트렌치 구조물(20)이 에치 레지스트(etch resist)의 기능을 가질 수 있다. 상기 에치 레지스트는 황산, 불산 등 산성을 갖는 용액에 대하여 내화학성을 가지므로, 산처리 공정을 거치더라도 상기 트렌치 구조물(20)을 잔류시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 핫 멜트 잉크를 이용하여 트렌치 구조물(20)을 형성할 경우, 상기 트렌치 구조물(20) 형성용 인쇄 패턴(2)은 스트립 특성을 가지며, 따라서 이를 제거하는 것이 용이한바, 적용 분야에 따라 원하는 형상의 패턴(40)을 얻는 것이 용이하다는 장점이 있다.
또한, 핫 멜트 잉크를 이용하여 트렌치 구조물(20)을 형성할 경우, 상기 핫 멜트 잉크의 녹는점 미만의 온도 조건, 예를 들면, 15℃ 이상 80℃ 미만의 온도 조건에서 상기 트렌치 구조물(20) 형성 단계를 수행하거나, 필요에 따라 부가적인 건조 공정을 수행할 수 있다. 이와 같이, 비교적 온화한 온도 조건에서 트렌치 구조물(20)의 형성 공정 및 필요에 따른 부가적인 건조 공정을 반복적으로 수행할 수 있으므로, 공정의 효율성 및 정확성 등이 높아져 오차범위 내에서 미세한 패턴(40)을 얻는 것이 가능해진다.
한편, 본 발명에 사용 가능한 핫 멜트 잉크의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 열 가소성 핫 멜트 잉크 또는 자외선 경화형 핫 멜트 잉크일 수 있다. 이때, 열 가소성 핫 멜트 잉크를 사용할 경우, 열을 가했을 때 녹고, 온도를 충분히 낮추면 고체 상태로 되돌아가는 열가소성의 특성으로 인해, 일정 온도 이상이 되면 상기 열 가소성 핫 멜트 잉크가 녹아버림에 따라 상기 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)의 제거가 용이하다는 장점이 있다. 또한, 자외선 경화형 핫 멜트 잉크는, 비자외선 경화형 핫 멜트 잉크에 비해 우수한 내열성을 가지므로, 고온 공정이 요구되는 분야에 유용하게 사용될 수 있다. 구체적으로, 비자외선 경화형 핫 멜트 잉크는 비자외선 경화형 핫 멜트 잉크의 녹는점인 80℃ 정도 이상의 온도 조건에서 공정이 수행될 경우, 상기 트렌치 구조물(20) 형성용 인쇄 패턴(2)의 형상이 무너지는 문제점이 있을 수 있으나, 자외선 경화형 핫 멜트 잉크를 사용하면, 80℃ 이상의 고온의 공정에 적용되어도 트렌치 구조물(20)의 형상이 유동적으로 변화하지 않는다는 장점이 있다.
또한, 본 발명과 같이 잉크젯 방식으로 이용하여 트렌치 구조물(20)을 형성하는 경우, 잉크젯 방식은 비접촉 방식이므로, 접촉 방식에 비하여 트렌치 구조물(20) 형상을 손상시키게 될 가능성이 낮아진다는 장점이 있다.
한편, 상기한 바와 같은 핫 멜트 잉크를 이용하여 인쇄 방식을 통해 트렌치 구조물(20)을 형성하는 경우, 상기 트렌치 구조물(2)은 하기 도 3 (a) 및 (b)에 예시적으로 도시한 바와 같이, 복수개의 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)으로 구성될 수 있다. 본 발명은 이와 같이 트렌치 구조물(20)이 복수개의 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)으로 구성되는바, 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)의 라인 수 및/또는 레이어 수에 따라, 상기 트렌치 구조물(20)의 골의 너비와 높이를 쉽게 조절할 수 있으며, 따라서, 원하는 너비 및 두께를 가지는 다양한 패턴의 개발, 특히 고종횡비를 가지는 미세 패턴의 개발이 가능하다는 장점이 있다.
이때, 상기 "라인(line) 수"는 편의상 바닥면의 최하측 면을 구성하는 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)의 수를 표현한 것이고(단, 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)으로 바닥면을 구성하는 경우에 한함), 상기 "레이어(layer) 수"는 편의상 벽면의 최외측 면을 구성하는 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)의 수를 표현한 것이다. 예를 들면, 하기 도 3(a)에서 바닥면의 최하측 면을 구성하는 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)의 수는 7이고, 벽면의 최외측 면을 구성하는 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)의 수는 4이므로, 도 3(a)의 트렌치 구조물(20)은 라인 수 7 및 레이어 수 4를 갖는다고 말할 수 있다.
한편, 하기 도 3(a)의 트렌치 구조물(20)은 바닥면이 기재(10) 상에 별도의 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)으로 형성된 구현예에 해당하며, 하기 도 3(b)는 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)으로 이루어진 바닥면을 별도로 형성하지 않고, 상기 기재(10) 자체를 상기 트렌치 구조물(20)의 바닥면으로 활용한 구현예에 해당한다. 이와 같이, 본 발명의 트렌치 구조물(20)은 기재(10) 상에 별도로 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)으로 이루어진 바닥면이 존재할 수도 있고, 또는 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)으로 이루어진 바닥면을 별도로 형성하지 않고, 상기 기재(10) 자체를 상기 트렌치 구조물(20)의 바닥면으로 활용할 수도 있다. 다만, 기재(10) 상에 별도로 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)으로 이루어진 바닥면이 존재하는 경우가 기재(10)의 에칭을 방지할 수 있다는 점에서 유리하다.
한편, 하기 도 3(a) 및 도 3(b)의 트렌치 구조물(20)에는 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)을 직선의 형상으로 구현하였으나, 이는 본 발명의 일구현 예에 따른 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 필요에 따라, 상기 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)을 예컨대 직선의 형상 및/또는 곡선의 형상으로 젯팅함으로써, 최종적으로 얻고자 하는 패턴(40) 및 후술할 전극(40')을 점, 선 및 면 형상으로 자유롭게 구현할 수 있다.
한편, 상기 트렌치 구조물(20)의 안쪽 너비(W)는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 10㎛ 내지 200㎛ 정도일 수 있다. 다만, 안쪽 너비(W)가 너무 넓은 경우에는 미세 패턴을 형성하는데 어려움이 있으며, 안쪽 너비(W)가 너무 좁은 경우에는 잉크젯 방식으로 충진물(30)을 충전할 때 내부를 채울 수 있는 공간의 확보가 어려울 수 있다.
또한, 상기 트렌치 구조물(20)의 안쪽 높이(T) 역시 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 0.5㎛ 내지 100㎛ 정도일 수 있다. 다만, 안쪽 높이(T)가 너무 높은 경우에는 충진물(30)을 충전한 후 트렌치 구조물(20)의 제거시 패턴의 형상이 무너질 수 있으며, 안쪽 높이(T)가 너무 낮은 경우에는 높은 종횡비를 가지는 패턴의 형성이 어려울 수 있다.
한편, 상기 트렌치 구조물(20)의 안쪽 너비(W)에 대한 안쪽 높이(T)의 비는 6:1 내지 1:10 정도인 것이 바람직하다. 상기 비율이 6:1 이상 2:1 미만일 경우, 최종적으로 두께 대비 선폭이 상대적으로 넓은 패턴(40)을 얻을 수 있으며, 이는 기재와의 접착력이 우수하고, 선고가 낮거나 두께가 얇은 패턴(40)을 형성하는 데에 유리하다. 또한 상기 비율이 2:1 이상 1:3 미만일 경우, 최종적으로 두께 대비 선폭이 비슷한 패턴(40)을 얻을 수 있으며, 형성된 패턴(40)이 비교적 견고하게 유지될 수 있다. 또한 상기 비율이 1:3 이상 1:10 이하일 경우, 최종적으로 선폭 대비 두께의 비가 매우 높은 패턴(40)을 얻을 수 있으며, 이는 매우 높은 종횡비를 갖는 패턴(40) 제조에 유리하다.
한편, 상기 트렌치 구조물(20)은 벽면의 높이가 너무 커지는 경우(예컨대, 레이어 수가 6 이상인 경우), 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)과 기재(10)의 접착력이 약해지기 때문에, 구조물 형성에 한계가 있을 수 있다. 따라서, 이를 보완하기 위하여, 벽면의 최외측면의 바로 안쪽으로 연이어 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)을 형성함으로써, 2 이상의 라인으로 구성된 제1측의 벽면을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1측의 벽면에 대응되어 이를 마주보고 있고 함께 트렌치 구조물(20)을 구성하는 제2측의 벽면을 형성할 수 있으며, 그에 대해서도 상기한 바와 동일한 구성이 적용될 수 있다.
한편, 상기 트렌치 구조물(20)은 바닥면 형성 이후에 별도의 패턴 인쇄 공정으로 벽면을 형성하는 것뿐만 아니라, 바닥면 및 벽면 형성을 위한 트렌치 구조물 형성용 패턴(2)의 점(dot) 간격을 조절하여, 한 번의 패턴 인쇄 공정으로 바닥면 및 벽면을 형성할 수도 있다. 이때, 상기 점(dot) 간격은 인코터(encoder)를 통하여 DPI(Dots Per Inches)를 변경함으로써 조절할 수 있다. 하기 도 4를 참고하여 설명하면, 최초의 패턴 이미지(도 4의 왼쪽 패턴 이미지 참고) 상에는 빈 공간이 존재하지만, 인코더(encoder)를 이용하여 패턴 이미지의 빈 공간이 채워지도록 점(dots) 간격을 설정(도 4의 가운데 및 오른쪽 패턴 이미지 참고)하는 경우, 트렌치 구조물 형성용 패턴(2)의 점(dot) 간격을 더욱 촘촘하게 형성할 수 있다. 이 경우, 한번의 패턴 인쇄 공정으로 보다 높은 두께를 가지는 패턴 이미지를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 트렌치 구조물(20)을 패턴 형성의 실제적인 공정에 응용해 보면, 상기 트렌치 구조물(20)은 여러 개의 노즐이 일정한 간격으로 배치되어 있는 잉크젯 인쇄 기기를 통해 형성될 수 있다. 예를 들면, 바닥면을 이루는 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)을 젯팅한 후, 상기 골의 너비만큼에 해당하는 노즐에서는 더 이상 잉크가 토출되지 않도록 조작하고, 트렌치 구조물(20)의 벽면을 이루는 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)만을 반복적으로 젯팅하여 다층의 벽면을 형성하는 방식을 통해, 상기 트렌치 구조물(20)이 하나 이상 연속적으로 배열되도록 형성할 수 있다. 이와 같은 방식을 통해, 원하는 형상의 패턴을 대면적으로 제조할 수도 있다.
다음으로, 기재(10) 상에 트렌치 구조물(20)이 형성이 되면, 상기 트렌치 구조물(20) 내에 충진물(30)을 충전한다. 이때, 상기 트렌치 구조물(20) 내에 충전되는 충진물(30)로는, 트렌치 구조물(20)을 형성하는데 이용한 핫 멜트 잉크의 녹는점 미만의 온도에서 충진물(30)의 용매의 건조가 이루어질 수 있는 것이라면 제한없이, 응용 분야에 따라, 다양한 재료를 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 충진물(30)은, 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 인듐 주석 산화물(ITO), 금(Au), 니켈(Ni), 탄소나노튜브(CNT) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 전도성 물질, 또는 아크릴레이트, 우레탄, 폴리이미드 및 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 절연물질을 포함할 수 있다.
상기 트렌치 구조물(20) 내에 상기 충진물(30)을 충전하는 방식으로는, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 디스펜싱 등 일반적으로 사용하는 다양한 인쇄 방식을 사용할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 트렌치 구조의 골을 채울 수 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않는다.
한편, 상기 트렌치 구조물(20) 내에 충진물(30)을 충전한 후 상기 트렌치 구조물(20)을 건조하는 단계를 필요에 따라 수행할 수 있으며, 이 경우 건조 온도는 상기 충진물(30)을 구성하는 용매에 따라 다양한 조건으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 상기 충진물(30)을 구성하는 용매로서 휘발성이 강한 비점이 100℃ 미만인 물질을 사용하는 경우에는 50℃ 내지 60℃의 온도에서 10분 내외로 건조할 수 있다. 한편, 상기 충진물(30)을 구성하는 용매로서 비점이 100℃ 이상인 물질을 사용하는 경우, 자외선 경화형 핫 멜트 잉크로 상기 트렌치 구조물(20)을 형성한 후, 상기 트렌치 구조물(20) 내에 상기 용매를 포함하는 충진물(30)을 충전하고, 80℃ 이상의 온도에서 건조를 실시하는 것이 바람직하다. 한편, 충진물(30)의 충전되는 높이 및 충진물(30)의 상기 트렌치 구조물(20) 내의 충진율에 따라서 건조 후에 추가적으로 충진물(30)을 충전하는 단계 및 건조 공정을 수행할 수도 있다.
다음으로, 상기 트렌치 구조물(30) 내에 충진물(30)을 충전한 후에는 상기 트렌치 구조물(30)을 제거한다. 이와 같은 트렌치 구조물(20) 제거 단계를 통해 상기 기재(10) 상에 형성된 패턴(40)을 얻을 수 있다.
한편, 트렌치 구조물(20)을 제거하는 단계는 열처리 단계 및 용액 처리 단계로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 이때, 상기 열처리 단계의 열처리 온도는 트렌치 구조물(20) 형성용 인쇄 패턴(2)을 이루는 재료의 끊는점(boiling point) 보다 높은 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 열처리 단계는 350℃ 이상의 고온에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 용액 처리 단계는 에탄올, 이소프로필 알코올 등의 알코올 및/또는 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸폼아마이드(DMF) 등의 유기 용매를 포함하는 용액을 사용함으로써 이루어질 수 있다. 예를 들어, 50℃ 내지 60℃의 온도의 이소프로필 알코올(isopropyl alchol)을 이용하여 상기 트렌치 구조물(20)을 제거할 수 있다. 상기 이소프로필 알코올은 비교적 가격이 저렴할 뿐만 아니라, 비점이 낮아 건조가 빠르기 때문에, 추후의 공정 진행이 편리해지는 장점이 있다.
한편, 상기 트렌치 구조물(20)을 제거하는 단계는 수 초 내지 수백 초 내에서 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 트렌치 구조물(20) 제거 단계는 50℃ 내지 60℃의 온도에서 1초 내지 120초 내에서 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 패턴 형성방법으로 형성된 패턴(40) 역시 제공한다. 상기 패턴(40)은 점, 선 및 면 형상일 수 있고, 고종횡비를 갖는 미세 패턴(40)일 수도 있다. 본 발명에 있어서, 상기 패턴(40)의 선폭은 패턴(40)의 너비와 동일한 의미로 사용되었다.
한편, 상기 패턴(40)의 선폭 및 두께는 각각 상기 트렌치 구조물(20)의 안쪽 너비(W) 및 안쪽 높이(T)에 대응되는 것일 수 있으나, 오차 범위 내에서 그 수치가 일치되는 정도는 달라질 수 있다. 상기 트렌치 구조물(20)의 골의 측정은 예를 들어, 알파 스텝(α-step) 및 3D 옵티컬 프로파일러(3D opitical profiler)로 측정이 가능한데, 상기 패턴(40)의 선폭과 상기 트렌치 구조물(20)의 안쪽 너비(W) 사이에 오차 범위 내에서 수치의 차이가 있을 수 있고, 상기 패턴(40)의 두께와 상기 트렌치 구조물(20)의 안쪽 높이(T) 사이에, 오차 범위 내에서 수치의 차이가 있을 수 있기 때문이다.
다음으로, 본 발명의 상기 패턴 형성방법을 이용한 태양전지 제조 방법에 대하여 설명한다.
하기 도 2에 예시적으로 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지 제조 방법은 기재(10) 상에 도펀트층(15)을 형성하는 단계, 상기 도펀트층(15) 상에 트렌치 구조물(20)을 형성하는 단계, 상기 도펀트층(15)을 식각하는 단계, 상기 트렌치 구조물(20) 내에 충진물(30)을 충전하는 단계, 및 상기 트렌치 구조물(20)을 제거하는 단계를 포함하며, 이때 상기 트렌치 구조물(20)은 핫 멜트 잉크를 이용하여 잉크젯 방식으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 상기 기재(10)로는, 그 위에 전극(40')이 형성될 수 있을 정도의 마찰력이나 접착력을 갖는 재질이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 실리콘, 유리, 종이, 구리 박막 등의 재질을 사용할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 기재(10)는 실리콘 웨이퍼(wafer)일 수 있으며, 예를 들어, 표면에 요철이 있는 실리콘 웨이퍼도 가능하다. 하기 도 5(a)는 상기 기재(10)로 적용 가능한 요철이 있는 실리콘 웨이퍼의 표면 사진이이며, 도 5(b)는 상기 요철이 있는 실리콘 웨이퍼의 단면 사진이다. 하기 도 5 (a) 및 (b)의 사진에서, 약 7㎛ 내지 8㎛ 높이의 피라미드 형상이 3㎛ 내지 5㎛의 랜덤한 간격으로 형성된 모습이 관찰된다. 본 발명의 태양전지 제조 방법에 따르면, 이와 같은 표면이 고르지 못하고 요철이 있는 실리콘 웨이퍼를 기재(10)로서 사용하는 경우에도 요철을 따라 패턴(40)의 퍼짐 현상이 발생하지 않을 수 있는 등, 기재(10)의 표면 형태는 큰 제약 조건이 되지 않는다.
한편, 상기 기재(10) 상에 도펀트층(15)을 형성하는 단계로는, 열확산법, 이온 주입법 등 본 발명의 기술분야에서 통상 사용하는 방법을 이용할 수 있으며, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 이때, 태양전지는 반도체 pn 접합을 기본구조로 하고 있으며, 이러한 pn 접합을 만드는 방법에는 크게 열확산법과 이온주입법이 있는 바, 이들 방법을 p형 실리콘 기판에 대해서 n형 반도체층을 형성하는 방법으로 설명하면, 열확산법은 기판을 가열하여 인(P) 원소를 p형 실리콘 기판의 표면으로부터 스며들게 함으로써 표면층을 n형화하여 pn 접합을 만드는 방법이고, 이온주입법은 인(P) 원소를 진공 중에서 이온화한 뒤에 전기장에 의해 가속하여 p형 실리콘 기판 표면에 넣음으로써 표면층을 n형화하여 pn 접합을 만드는 방법이다.
한편, 상기 열확산법으로 태양전지용 접합층을 형성하는 방법으로는, 이에 한정되는 것은 아니나, 예를 들면, 급속열처리(RTP: Rapid Thermal Process) 장치를 이용하는 방법, 에미터 에치-백(emitter etch-back) 방법, 또는 선택적 에미터 방법 등이 있으며, 본 발명은 도펀층(15)을 형성하기 위하여 이러한 방법들을 특별한 제한 없이 이용할 수 있다. 이때, 상기 급속열처리 장치를 이용하는 방법은 급속열처리 장치를 이용하여 실리콘 기판의 전면과 후면에 각각 인과 알루미늄을 동시에 열확산시킨 후, 냉각속도를 조절하여 캐리어의 벌크 라이프타임을 유지하고 확산된 영역의 깊이를 선택적으로 조절할 수 있는 방법이다. 또한, 상기 에미터 에치-백 방법은 불순의 과도한 도핑(doping)을 조건으로 한 확산 공정에 의해 에미터층을 형성한 후 질산 및 불산 혼합액을 이용한 습식 식각 또는 사불화탄소(CF4) 플라즈마 식각에 의해 태양전지의 성능에 악영향을 미치는 데드 레이어를 제거하는 방법이다. 또한, 상기 선택적 에미터 방법은 전면 전극이 형성될 지점에 마스크 패턴을 형성하여 에미터층 표면에 n형 불순물이 식각되지 않도록 형성하는 방법이다.
다음으로, 상기 도펀트층(15)을 형성한 다음, 상기 도펀트층(15) 상에 핫 멜트 잉크를 이용하여 잉크젯 방식으로 트렌치 구조물(20)을 형성한다. 본 발명은 이와 같이 핫 멜트 잉크를 이용하여 잉크젯 방식으로 트렌치 구조물(20)을 형성하며, 그에 따른 장점은 앞서 기술한 바와 동일하다.
또한, 앞서 기술한 바와 같이, 본 발명에 사용 가능한 핫 멜트 잉크의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 열 가소성 핫 멜트 잉크 또는 자외선 경화형 핫 멜트 잉크를 사용할 수 있다.
또한, 앞서 기술한 바와 같이, 상기한 핫 멜트 잉크를 이용하여 인쇄 방식을 통해 형성된 트렌치 구조물(20)은 복수개의 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)으로 구성될 수 있다.
또한, 앞서 기술한 바와 같이, 상기 트렌치 구조물(20)의 안쪽 너비(W) 및 안쪽 높이(T)는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 안쪽 너비(W)는 10㎛ 내지 200㎛ 정도일 수 있고, 안쪽 높이(T)는 0.5㎛ 내지 100㎛ 정도일 수 있다. 다만, 안쪽 너비(W)에 대한 안쪽 높이(T)의 비는 6:1 내지 1:10 정도인 것이 바람직하다. 상기 비율이 6:1 이상 2:1 미만일 경우, 최종적으로 두께 대비 선폭이 상대적으로 넓은 전극(40')을 얻을 수 있으며, 이는 기재와의 접착력이 우수하고, 선고가 낮거나 두께가 얇은 전극(40')을 형성하는 데에 유리하다. 또한 상기 비율이 2:1 이상 1:3 미만일 경우, 최종적으로 두께 대비 선폭이 비슷한 전극(40')을 얻을 수 있으며, 형성된 전극(40')이 비교적 견고하게 유지될 수 있다. 또한 상기 비율이 1:3 이상 1:10 이하일 경우, 최종적으로 선폭 대비 두께의 비가 매우 높은 전극(40')을 얻을 수 있으며, 이는 매우 높은 종횡비를 갖는 전극(40') 제조에 유리하다.
또한, 앞서 기술한 바와 같이, 벽면의 높이가 너무 커지는 경우의 문제점을 보완하기 위하여, 벽면의 최외측면의 바로 안쪽으로 연이어 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴(2)을 형성함으로써, 2 이상의 라인으로 구성된 벽면을 형성할 수 있다.
또한, 앞서 기술한 바와 같이, 바닥면 및 벽면 형성을 위한 트렌치 구조물 형성용 패턴(2)의 점(dot) 간격을 조절하여, 한 번의 패턴 인쇄 공정으로 바닥면 및 벽면을 형성할 수도 있다.
또한, 앞서 기술한 바와 같이, 본 발명의 트렌치 구조물(20)을 패턴 형성의 실제적인 공정에 응용해 보면, 상기 트렌치 구조물(20)은 여러 개의 노즐이 일정한 간격으로 배치되어 있는 잉크젯 인쇄 기기를 통해 형성될 수 있다.
다음으로, 도펀트(15) 상에 트렌치 구조물(20)이 형성되면 상기 도펀트층(15)을 식각한다. 이때, 상기 도펀트층(15)을 식각하는 단계는, 본 발명의 기술분야에 잘 알려진 식각 방법, 예를 들면, 습식 식각법 또는 건식 식각법 등을 이용하여 수행될 수 있다. 보다 구체적으로는, HF:HNO3:H2O 가 1:(10 내지 100):(10 내지 50)의 부피비로 혼합된 혼합 용액으로 상기 기재(10) 및 그 위에 형성된 도펀트층(15)을 처리하는 방법에 의해 수행될 수 있다.
또한, 상기 도펀트층(15) 식각 단계는 세척 및 건조 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도펀트층(15)을 식각한 후, 상기 트렌치 구조물(20)이 형성된 기재(10)를 상기 혼합 용액에 1분간 처리한 후 초순수 물로 3회 내지 5회 세척하고, 질소 건(gun)으로 상기 기재(10)를 건조시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 상기 태양전지 제조방법은 상기 도펀트층(15) 식각 단계 후에, 상기 기재(10) 상에 반사 방지막을 형성하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. 이때, 상기 반사 방지막은 도펀트층(15)이 식각됨에 따라 드러나는 면에 형성된다(미도시). 상기 반사 방지막은 실리콘 질화막, 수소를 포함하는 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막, 또는, 마그네슘 플루오라이드(MgF2), 황아연(ZnS), 이산화 타이타늄(TiO2) 및 세륨 옥사이드(CeO2)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 물질막일 수 있으며, 상기의 반사 방지막은 단일막으로 형성되거나, 2개 이상이 조합된 다중막 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 한편, 상기 반사방지막은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅에 의해 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 도펀트층(15)을 식각한 후에는 상기 트렌치 구조물(20) 내에 충진물(30)을 충전한다. 트렌치 구조물(20) 내에 충진물(30)을 충전하는 방식은 앞서 설명한 바와 마찬가지로, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 디스펜싱 등 일반적으로 사용하는 다양한 인쇄 방식뿐만 아니라, 스퍼터링법을 사용할 수 있다.
한편, 상기 트렌치 구조물(20) 내에 충전되는 충진물(30)로는, 마찬가지로 트렌치 구조물(20)을 형성하는데 이용한 핫 멜트 잉크의 녹는점 미만의 온도에서 충진물(30)의 용매의 건조가 이루어질 수 있는 것이라면 제한없이, 응용 분야에 따라, 다양한 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 충진물(30)은 은 (Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 인듐 주석 산화물(ITO), 금(Au), 니켈(Ni), 탄소나노튜브(CNT) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 전도성 물질을 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 트렌치 구조물(30) 내에 충진물(30)을 충전한 후에는 상기 트렌치 구조물(30)을 제거한다. 이와 같은 트렌치 구조물(20) 제거 단계를 통해 상기 도펀트층(15) 상에 형성된 전극(40')을 얻을 수 있다. 트렌치 구조물(20)을 제거하는 방식 역시 앞서 설명한 바와 마차가지로 열처리 단계 및 용액 처리 단계로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 구체적인 내용은 앞서 기술된 바와 동일하다.
한편, 본 발명은 상기 태양전지 제조방법으로 형성된 태양전지 역시 제공한다. 이때, 상기 전극(40')은 높은 종횡비를 가질 수 있으며, 또한 미세 패턴으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 빛을 받는 수광부의 면적을 증가시켜 태양전지의 효율을 높일 수 있다.
상기 태양 전지는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하며, 광활성층에서 태양 광 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극(40')에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다. 상기 태양 전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요한데, 이러한 태양 전지의 효율을 높이기 위해서는 반도체 내부에서 가능한 많은 전자-정공 쌍을 생성하는 것도 중요하지만 생성된 전하의 손실을 줄여, 외부로 끌어내는 것 또한 중요하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 자세히 설명한다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
레저버 내에 열 가소성 핫 멜트 타입의 잉크를 주입한 후, 레저버의 온도를 85?로 설정한 후 젯팅을 실시하였다. SE-128 헤드(Dimatix 사)를 이용하여 인가전압 65V로 128개 전 노즐로 젯팅(jetting)을 실시하였다. 기재로는 요철이 있는 실리콘 기재를 사용하였다. 상기 요철이 있는 실리콘 기재 상에, 약 30㎛의 선폭 및 약 20㎛의 높이를 갖는 인쇄 패턴을 30㎛ 피치의 간격으로 1회 젯팅하여 바닥면을 형성하였다. 상기 바닥면은 라인 수 7을 가지고, 그 인쇄 패턴 사이에 핀홀 같은 빈 공간 없도록 상기 기재를 완전히 덮었으며, 그 총 너비는 약 200㎛이고, 상기 바닥면의 두께는 약 20㎛이었다. 그 후, 상기 바닥면을 이루는 인쇄 패턴 중에서 첫 번째, 두 번째, 여섯 번째 및 일곱 번째 인쇄 패턴 위에 각각 1회 젯팅하여 벽면을 형성하였다. 이를 통해, 기재 상에, 바닥면을 이루는 인쇄 패턴의 라인 수는 7이고, 벽면을 이루는 인쇄 패턴의 레이어 수는 2인 트렌치 구조물을 형성하였다. 상기 트렌치 구조물의 바닥면의 안쪽 너비는 약 100㎛, 벽면의 안쪽 높이는 약 20㎛이었다.
유니젯(Unijet) 장비를 적용하여 50㎛ 크기의 노즐을 이용하여 상기 트렌치 구조물 내에 고형분 양이 50wt%인 은 나노 잉크를 이용하여 20㎛ 피치의 간격으로 젯팅한 후, 상온에서 건조 공정을 6회 실시하였다. 상기 충진물이 충전된 트렌치 구조물을 350℃ 내지 500℃ 오븐에서 5분 내지 2시간 이내 열처리를 실시하여, 상기 트렌치 구조물을 제거하였다.
이로써 형성된 패턴의 선폭은 약 100㎛이고, 두께는 약 20㎛이며, 따라서, 형성된 패턴의 종횡비는 약 5:1 이었다.
실시예 2
실시예 1과 동일한 방식으로 라인 수 7을 갖는 바닥면을 형성한 후, 상기 바닥면을 이루는 인쇄 패턴 중에서 첫 번째, 두 번째, 여섯 번째 및 일곱 번째 인쇄 패턴 위에 각각 3회 젯팅하여 벽면을 형성하였다. 이를 통해, 기재 상에, 바닥면을 이루는 인쇄 패턴의 라인 수는 7이고, 벽면을 이루는 인쇄 패턴의 레이어 수는 3인 트렌치 구조물을 형성하였다. 상기 트렌치 구조물의 바닥면의 안쪽 너비는 약 100㎛이고 벽면의 안쪽 높이는 약 60㎛이었다.
이후, 상기 트렌치 구조물 내에 충진물을 충전하고, 상기 트렌치 구조물을 제거하는 단계는 실시예 1과 동일하게 적용하였다. 이로써 형성된 패턴의 선폭은 약 100㎛이고, 두께는 약 60㎛이며, 따라서, 형성된 패턴의 종횡비는 약 5:3 이었다.
실시예 3
실시예 1과 동일한 방식으로 라인 수 7을 갖는 바닥면을 형성한 후, 상기 바닥면을 이루는 인쇄 패턴 중에서 첫 번째, 두 번째, 여섯 번째 및 일곱 번째 인쇄 패턴 위에 각각 5회 젯팅함으로써 벽면을 형성하였다. 이를 통해, 기재 상에, 바닥면을 이루는 인쇄 패턴의 라인 수는 7이고, 벽면을 이루는 인쇄 패턴의 레이어 수는 5인 트렌치 구조물을 형성하였다. 상기 트렌치 구조물의 바닥면의 안쪽 너비는 약 100㎛이고 벽면의 안쪽 높이는 약 100㎛이었다.
이후, 상기 트렌치 구조물 내에 충진물을 충전하고, 상기 트렌치 구조물을 제거하는 단계는 실시예 1과 동일하게 적용하였다. 이로써 형성된 패턴의 선폭은 약 100㎛ 정도이고, 두께는 약 100㎛이며, 따라서, 형성된 패턴의 종횡비는 약 1:1 이었다.
한편, 상기 실시예 1 내지 3에 따라 형성된 트렌치 구조물을 상단부에서 촬영한 광학 사진을 하기 도 6에 나타냈다. 하기 도 6 (a) 내지 (c)에서 볼 수 있듯이, 레이어 수가 증가하는 경우 상기 트렌치 구조물의 바닥면과 벽면의 색상 대비가 분명해지며, 따라서 레이어 수가 증가하더라도 트렌치 구조물의 형상이 무너지지 않고 단단하게 형성되었음을 확인할 수 있다.
비교예 1
고형분 양이 50 wt%인 은 나노 잉크를 이용하여 DMP2800 잉크젯 장비를 통해 젯팅을 실시하였으며, 이때, 노즐당 10 pl의 액적이 토출되었다.
표면 처리하지 않은 유리 기재 위에 20㎛ 피치(pitch) 간격으로 젯팅을 실시하였다. 이때 형성된 선 패턴의 선폭은 약 110 내지 114㎛이고, 두께는 약 0.4 내지 0.7㎛이다. 따라서, 형성된 패턴의 종횡비는 약 275:1 이었다. 상기 형성된 패턴의 광학 사진을 도 7에 나타내었다. 도 7의 검은 부분은 형성된 패턴에 해당하는데, 왼쪽 아래쪽을 보면, 잉크의 퍼짐 현상이 있음을 관찰할 수 있다.
비교예 2
셀룰로오스(cellulose) 용액과 계면활성제가 혼합된 용액을 스핀 코팅을 통해 유리 기재 표면 처리를 실시하였다. 이와 같이 표면 처리된 기재를 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 조건으로, 젯팅을 실시하였다. 그 결과, 형성된 선 패턴의 선폭은 약 43㎛이고, 두께는 약 1.5㎛이며, 따라서, 형성된 패턴의 종횡비는 약 28.7:1 이었다. 상기 형성된 패턴의 광학 사진을 도 8에 나타내었다. 도 8의 검은 부분은 형성된 패턴에 해당하는 것으로, 비교예 1(도 7)에 비해 선폭이 좁은 것을 관찰할 수 있다. 다만, 비교예 2의 패턴은 비교예 1의 패턴에 비해 종횡비가 높으나, 실시예의 패턴에 비하면 매우 낮은 종횡비를 갖는다.
실험예 1: 옵티컬 프로파일러를 이용한 트렌치 구조물 형상 측정
상기 실시예 1 내지 3과 동일한 방법을 적용하여 형성된 트렌치 구조물을 옵티컬 프로파일러(Optical profiler)로 측정하고, 그 결과를 하기 도 9 내지 11에 나타냈다. 도 9는 실시예 1의 방식으로 하나의 트렌치 구조물이 기재 상에 형성된 모습을 나타낸다. 도 10은 실시예 2의 방식으로 두 개의 트렌치 구조물이 인접하여 기재 상에 형성된 모습을 나타낸다. 도 11은 실시예 3의 두 개의 트렌치 구조물이 인접하여 기재 상에 형성된 모습을 나타낸다. 다만, 도 9 내지 11 도면과 상기 실시예 1 내지 3의 트렌치 구조물의 측정 수치를 각각 비교해 보면, 일정 범위에서 차이가 발생하는데, 이는 상기 옵티컬 프로파일러를 이용하여 측정하는 경우의 측정상 오차로 인한 것이다. 이때, 상기 도 9 내지 11에서, 좌측 도면은 3차원 형상을 나타내는 것으로, x축 및 y축의 단위는 mm이고, z축의 단위는 ㎛이다. 또한, 우측 도면은 좌측 도면을 Y 축(Y axis)에 수직 방향으로 절단한 면의 프로파일이다. 한편, 도 9 내지 11의 세 개의 도면을 비교함으로써, 레이어 수의 변화에 따른 트렌치 구조물의 골의 너비 및 높이의 변화를 확인할 수 있다.
실험예 2: 알파 스텝 방식에 의해 측정된 트렌치 구조물의 형상
실시예 1에 따라 형성된 트렌치 구조물을 알파 스텝으로 측정하고, 그 결과를 도 12에 나타냈다. 도 12에 따르면, 트렌치 구조물의 높이는 약 40㎛이고, 상기 트렌치 구조물 내 골의 높이는 약 20㎛이며, 골의 너비는 약 90 내지 100㎛ 정도인 것을 알 수 있다.
[부호의 설명]
2: 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴
10: 기재
15: 도펀트층
20: 트렌치 구조물
30: 충진물
40: 패턴
40': 전극
W: 트렌치 구조물의 안쪽 너비
T: 트렌치 구조물의 안쪽 높이
Claims (15)
- 기재 상에 트렌치 구조물을 형성하는 단계;상기 트렌치 구조물 내에 충진물을 충전하는 단계; 및상기 트렌치 구조물을 제거하는 단계를 포함하는 패턴 형성방법이며,상기 트렌치 구조물은 핫 멜트 잉크를 이용하여 잉크젯 방식으로 형성하는 것인 패턴 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 트렌치 구조물은 복수개의 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴으로 구성되는 것인 패턴 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 트렌치 구조물은 안쪽 너비 대비 안쪽 높이의 비가 6:1 내지 1:10 인 패턴 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 핫 멜트 잉크는 열 가소성 핫 멜트 잉크 또는 자외선 경화형 핫 멜트 잉크인 패턴 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 충진물은 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 인듐 주석 산화물(ITO), 금(Au), 니켈(Ni), 탄소나노튜브(CNT) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 전도성 물질; 또는 아크릴레이트, 우레탄, 폴리이미드 및 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 절연물질을 포함하는 패턴 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 트렌치 구조물을 제거하는 단계는 열처리 단계 및 용액 처리 단계로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 패턴 형성방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 패턴 형성방법으로 형성된 패턴.
- 기재 상에 도펀트층을 형성하는 단계;상기 도펀트층 상에 트렌치 구조물을 형성하는 단계;상기 도펀트층을 식각하는 단계;상기 트렌치 구조물 내에 충진물을 충전하는 단계; 및상기 트렌치 구조물을 제거하는 단계를 포함하는 태양전지 제조 방법이며,상기 트렌치 구조물은 핫 멜트 잉크를 이용하여 잉크젯 방식으로 형성하는 것인 태양전지 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 트렌치 구조물은 복수개의 트렌치 구조물 형성용 인쇄 패턴으로 구성되는 것인 태양전지 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 트렌치 구조물은 안쪽 너비 대비 안쪽 높이의 비가 6:1 내지 1:10 인 태양전지 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 핫 멜트 잉크는 열 가소성 핫 멜트 잉크 또는 자외선 경화형 핫 멜트 잉크인 태양전지 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 기재는 실리콘 웨이퍼인 태양전지 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 충진물은 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 인듐 주석 산화물(ITO), 금(Au), 니켈(Ni), 탄소나노튜브(CNT) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 전도성 물질을 포함하는 태양전지 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 도펀트층을 식각하는 단계 후에 상기 기재 상에 반사 방지막을 형성하는 단계를 추가적으로 포함하는 태양전지 제조 방법.
- 제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항의 제조 방법으로 형성된 태양전지.
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