솔라셀 제조용 첨단레이저 응용기술 동향

솔라셀 제조용 첨단레이저 응용기술 동향

 

1. 첨단 레이저 응용 분야

최근의 전기/전자/기계 관련 레이저 기술은 주로 레이저를 이용한 클리닝 기술, 하드 디스크의 레이저 텍스쳐 가공, 박막칩 부품의 트리머블(Trimmable) 레이저 가공, 고밀도 다층 프린트 기판의 비어홀(Via Hole) 형성, DVD 광 픽업, 자동차 차체의 레이저 용접, 엔진의 레이저 열처리, 레이저 인쇄 등 그 응용분야가 수없이 많다. 특히 미래 성장 동력으로 수많은 회사에서 추진 중인 차세대 청정 에너지 관련 실리콘 및 박막형 태양전지 생산은 레이저 공정이 필수 불가결하기 때문에 레이저를 이용한 PV(Photo Voltaic) 장비 등에 대한 관심이 높아지고 있다. 효율이 우수한 웨이퍼형 태양전지의 개발에 있어서 레이저는 에지 분리(Edge isolation), Buried Contact, ID 마킹, 레이저 솔더링(Laser Soldering), MWT(Metal Wrap Through)와 EWT(Emitter Wrap Through)를 위한 레이저 드릴링 등의 공정에 적용이 가능하다. 웨이퍼형 태양전지 어레이는 <그림 1>과 같이 스트링거 (Stringer) 로 알려진 길고 가느다란 금속 조각을 사용하여 연속적으로 연결되어 있는데 이 스트링거를 녹여서 솔더링을 하는 공정이 808nm 반도체 레이저를 이용하여 개발되어 있다. 이 공정은 보통 다수개의 웨이퍼형 태양전지를 하나의 Array로 연결하는데 고출력의 반도체 레이저가 여러 개 이용된다. 2008년 현재 고출력 반도체 레이저 가격의 하락으로 많은 응용분야에 적용되고 있다.  

반도체와 LCD 기술이 우수한 한국의 경우 3 ? 3 m 이상의 초대형 유리 기판에 박막재료들로 태양전지를 구현하는 CIGS, CdTe, a-Si 박막형 태양전지 제조가 유리한데 이를 위해서도 다양한 레이저 응용이 필요하다. 박막형 태양전지의 경우 P1/P2/P3 스크라이빙(Scribing), 에지 제거(Edge Deletion), ID 마킹, 패널 절단(Panel Laser Cutting) 등에 레이저 공정이 이용될 수 있다. 특히 532nm 녹색 레이저 등으로 가능한 P2/P3 스크라이빙의 경우 태양전지의 효율에 관여하며 박막형 태양전지 제조에 있어서 필수불가결한 장비인데 아직 국산화가 이루어지지 못한 상황이다. <그림 2>는 그린 레이저를 이용하여 CdTe 박막형 태양전지의 P2 스크라이빙을 하고 있는 모습인데 초대형 기판을 사용하는 경우 기판의 처짐등이 발생할 수 있으므로 이를 고려한 장비 설계가 필수이다.

 

2. 솔라셀 제조를 위한 첨단 레이저 응용 기술

2.1 레이저 기술 개요

반도체, 태양전지 및 평판 디스플레이 TV 등 전자 산업은 물론 시력교정 및 피부미용을 위해 우리의 일상생활에 널리 퍼져있는 레이저(L.A.S.E.R)는 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation의 약자이다. 즉 레이저는 광자(Photon)의 유도 방출(Stimulated Emission)에 의한 빛의 증폭을 이용한 장치이다. 1916년 아인슈타인이 유도방출에 대한 개념을 설명한 이후 40여년이 넘은 1960년에 이르러서야 미국 Hughes 연구소의 Theodore Maiman이 루비(Ruby)를 이용하여 세계 최초의 레이저를 개발하는데 성공한다. 레이저는 다른 장치와 달리 단색성과 지향성 그리고 에너지 집중도 및 고휘도성 등 때문에 고정밀 특성을 요구하는 광학 장치 및 디스플레이 공정에 유리한 장점이 있다. 아래의 <그림 3>은 루비를 활성 레이저 매질(Lasing Medium) 물질로 하여 개발된 인류 최초의 레이저(a)와 그 발명자인 Maiman 박사(b)의 사진이다. 레이저의 발진 원리에서 자세히 설명하겠지만 그림(a)의 루비 레이저는 루비 주위에 플래시 튜브(Flash Tube) 와 석영 튜브(Quartz Tube) 로 둘러싸여 있고 트리거(Trigger) 전극과 함께 에너지를 펌핑(Pumping) 시켜 레이저를 발진시킨다. 

레이저는 일종의 특수한 형태의 빛이라고 할 수 있는데 일반 빛과는 다른 다음과 같은 특성을 가지고 있다. <그림 4>와 같이 일반 전구에서 발생되는 빛은 하나의 일정한 색이 아니라 다양한 색이 섞여 있는 반면에 우리가 일상생활에서 쓰는 레이저 포인터의 경우와 마찬가지로 레이저 빛은 빨강, 녹색 등 하나의 색만을 나타내게 된다. 이는 레이저 빛이 그린(Green) 레이저의 경우 532 nm, 보라색(Violet) 반도체 레이저의 경우 405nm 등과 마찬가지로 하나의 파장만 방출하고 있다고 설명될 수 있다. 이를 레이저가 단색성의 특성을 가지고 있다고 말한다. 또한 일반 빛의 경우 사방으로 퍼지고 집광(Beam Focusing) 이 매우 어려운 반면에 레이저 빛은 아주 가느다란(Thin) 형태로 에너지가 방출되기 때문에 초점을 맞추기 쉽고 재료의 표면에 조사하여 물질을 녹이거나 증발시킬 수 있을 정도의 높은 에너지를 생성시킬 수 있다. 이를 레이저가 에너지 집중도 및 고휘도성의 특성을 지니고 있다고 말한다.

그리고, 보통의 광원은 파장이나 위상이 시간적으로나 공간적으로 매우 불규칙적으로 변동되고 있다. 하지만 레이저 광은 파장과 위상이 시간적으로나 공간적으로 매우 안정된 광파인데 이를 레이저의 간섭성(Coherence) 특성이라 한다.

최초의 루비레이저 개발 이후 약 4년여의 기간 동안 우리가 CD 플레이어 등에 많이 사용하고 있는 반도체 레이저를 비롯하여 산업용 CO2 레이저 및 Nd: YAG 레이저 등이 미국의 GE(General Electric) 연구소와 Bell 연구소에서 만들어진다. 그 후 1980 년대까지 레이저는 급격한 발전을 보이며 전기 전자는 물론 자동차 및 선박 등 산업전반에 걸쳐 널리 이용되기 시작한다. 하지만 저장매체를 읽고 쓰기 위한 반도체 레이저를 제외하고는 주로 고출력 레이저를 이용하여 금속판을 절단 하거나 용접하는 것이 레이저 활용의 대부분이었다. 하지만 1990년 이후부터 마이크로 스케일의 가공이 실용화되면서 레이저를 이용하여 직경 50 마이크로미터의 잉크젯 프린트 헤드용 3차원 형상 노즐을 가공하는 등의 초정밀 가공이 가능하게 된다. 또한 정밀하게 제어 가능한 엑시머 레이저를 이용하여 시력을 교정하거나 피부 미용에 이용할 수 있는 의료용 장비가 개발되었고 반도체용 레이저 마킹 장비를 비롯하여 보다 정밀한 영역에 레이저의 이용이 확대되었다. 이러한 초정밀 공정이 가능해지면서 레이저는 평판 디스플레이, 즉 LCD 나 PDP TV를 제작하는 패널 제작 공정 중 불량 화소 및 전극 배선 등을 수정하는 레이저 리페어(Repair)장치에 적용되기 시작한다. 또한 태양전지에도 레이저 공정이 적용되면서 기존의 공정수를 줄이고 공정시간을 단축시키는 등 중요한 역할을 하게 된다. 이러한 응용의 확대를 기점으로 새로운 형태의 고출력 및 고성능 레이저 장치가 개발되고 고 부가가치의 공정에 적용되면서 전기 전자 분야의 레이저의 응용이 그 꽃을 피우게 된다.

 

2.2 솔라셀 제조용 레이저 기술

1) 고체 레이저
최초의 루비레이저 역시 고체 레이저였고 3준위 레이저였다. 기존에 아크 램프 등을 이용하여 에너지 펌핑을 했던 레이저에 비해 다이오드를 에너지 펌핑에 이용한 다이오드 펌핑 고체 레이저 (Diode Pumped Solid State Laser, DPSS) 는 레이저의 빔 품질이 좋아서 미세 가공용으로 많이 이용되고 있다.

고체 레이저의 발진 원리는 생략하고 여기에서는 대표적인 고체 레이저인 고출력 DPSS 레이저의 일반적인 구조에 대해 알아보겠다. <그림 5>에서 보는 바와 같이 DPSS 레이저는 중앙에 활성 레이저 매질인 Nd: YAG (neodymium-doped yttrium aluminium garnet; Nd:Y3Al5O12) 바(bar)가 존재하고 그 주위를 다이오드 어레이들이 둘러싸고 있으며 에너지를 펌핑하고 있다. 광자들은 광공진기(Optical Cavity) 사이를 이동하며 증폭되어 부분반사 거울인 OC (Output Coupler) 를 통해 에너지가 밖으로 나오게 된다. 특히, Nd:YAG 레이저는 박막형과 웨이퍼형 태양전지의 P1 스크라이빙에 널이 사용되고 있다. 또한 레이저의 파장이 짧아짐으로 인해 열 영향을 적게 받아서 상대적으로 깨끗한 가공 표면을 얻을 수가 있으므로 주파수를 2배 또는 3배, 즉 파장을 기존 1064 nm 를 1/2 또는 1/3 로 줄여서 이러한 특성을 이용하고 있다. 아래의 <그림 6>은 주파수가 2배가 되어 파장이 1064 nm에서 532 nm 로 줄어든 녹색 레이저(Green Laser) 의 내부를 보여주고 있다.

대표적으로 사용되는 고체 레이저로는 Nd:YLF 레이저, Nd:YAG 레이저, Nd:YVO4 레이저 등으로 포토마스크의 수정(Repair), 평판 디스플레이 패턴 결함 수정(리페어기) 등에 사용된다. 특히 그린 레이저는 현재 태양전지 P2와 P3 스크라이빙 그리고 LTPS까지 다양한 응용에 적용하고 있다.

 

2) 기체 레이저
기체 레이저는 원자, 이온 및 분자의 전자 상태, 진동과 회전 준위간의 천이 그리고 그 조합 상태에서 레이저가 발진한다. 들뜸 방식은 방전 등에 의한 전자 충돌이 주류를 이룬다. 원적외선 레이저에서는 광여기(광들뜸)가 유효하며 화학 반응을 이용한 화학 레이저도 있다. 기체 레이저 중 대표적인 것들로 CO2 레이저와 엑시머 레이저를 들 수 있다. 특히 고출력의 CO2 레이저는 기존에는 금속의 용접 및 절단 등에 사용되었는데 최근에 평판 디스플레이 글래스를 절단하는데 이용되면서 그 가치를 더욱 높이고 있다. CO2 레이저는 파장 10.6 μm로 일반 YAG 레이저 파장의 10배 이다. 활성 레이저 매질은 CO2: N2: He 가스를 각각 0.8:1:7 비율로 섞어서 사용하고 있다. 여기서 CO2 가스가 직접 적인 활성 레이저 물질이며 N2 가스는 CO2 분자들을 상위 에너지 준위로 활성화 시키는데 도움을 주고, He 가스는 냉각과 CO2 가스가 레이징 전이를 하는데 도움을 준다. <그림 7>에서와 같이 CO2 레이저의 에너지 펌핑은 전기 글로 방전(Electrical Glow Discharge)에 의해 유도되며 이때 전자 충돌(Electron Collision) 에 의해 CO2 분자들이 펌핑이 된다.
CO2 레이저는 미국의 Nanogarm 이라는 회사에 의해 최초로 Laser Reactive Deposition 이라는 이름으로 태양전지 박막 공정에 이용될 수 있도록 개발 중이다.

 

또한 레이저를 가지고 박막형 태양전지의 글래스를 절단하는 방법은 기존의 금속 절단과 다르게 직접 자르는 것은 아니다. 태양전지 박막형 글래스는 소다라임(Sodalime) 등을 주로 사용하는데 초점을 맞춘 CO2 레이저를 이용하여 글래스를 국부적으로 가열하고 바로 뒤에 액체 또는 기체의 냉각제를 이용하여 급격하게 냉각시킴으로써 열 충격(Thermal Shock)을 발생시켜 블라인드 크랙(Blind Crack)을 형성시킨 후 브레이킹(Breaking) 공정을 통해 절단을 하는 방법이 일반적이다. 또한 크랙 제어를 위해 UV 레이저 또는 펨토초 레이저를 이용하여 초기 크랙을 만들어 주는 것이 일반적인 방법이다.

엑시머 레이저는 157 nm 파장의 F2 레이저, 193 nm 파장의 ArF, 248 nm 의 KrF 레이저 그리고 308 nm 파장의 XeCl 레이저까지 다양하게 산업 전반에 이용이 되고 있다. 특히 KrF 와 ArF 레이저의 경우에는 나노미터의 미세 선폭을 형성하기 위한 반도체 노광 장비의 노광 소스로 주로 이용이 되고 있으며 KrF 의 경우 폴리머 재료의 가공 성능이 우수하기 때문에 잉크젯 프린트 헤드의 노즐부를 가공하거나 유기 EL 등에 사용되는 유기박막의 패터닝 장비에 이용이 되고 있다. 가장 짧은 파장을 갖는 F2 레이저의 경우 기존의 ArF 노광소스를 대치하여 반도체 45 nm 공정 이하에 적용가능성을 검토하고 있다. 엑시머레이저 중에서 현재 가장 평판 디스플레이 공정에 많이 응용되고 있는 레이저는 308 nm 의 파장을 갖는 XeCl 레이저다. <그림 8>은 최대 안정화된 평균 출력이 300W에 달하는 최첨단 사양을 지닌 308 nm 엑시머 레이저를 보여주고 있다.

 

태양전지 모듈 조립공정

 

태양전지 모듈은 태양전지를 직렬 연결하여 원하는 출력을 낼 수 있으며, 장기간의 자연환경 및 외부충격으로부터 전지를 보호할 수 있는 구조로 만들어진다. 전면에는 빛의 투과율이 좋은 강화유리를 사용하고, 뒷면에는 수분 침투 방지와 전기적 절연특성이 우수한 재질을 써서 태양전지를 보호한다. 또한 이들 재료들과 태양전지와의 접착을 위해 앞, 뒷면에 EVA라는 투명수지를 써서 밀봉 합착하여 모듈을 완성한다.

 

리본(Ribbon)은 태양전지 표면에 있는 전극에 납땜으로 연결하기 위해서 사용하는 얇은 금속판 띠이다. 이 ribbon을 이용하여 각 태양전지의 금속전극들을 연결하여 스트링(String)을 만든다. 스트링은 태양전지 모듈화를 위해서 태양전지를 직렬로 연결하여 형성한 일종의 태양전지 다발이다. 태양전지의 전면 버스바와 후면 버스바에 배선 재료인 tab를 달아서 전면과 후면에 리본으로 교차 연결하여 태양전지를 9장 또는 12장씩 한줄로 연결하여 스트링을 형성한다. 이렇게 형성된 스트링을 그림 1과 같은 순서로 차례차례 쌓은 후 라미네이션하여 프레임 작업을 거친 후 모듈작업을 완성한다.

일반적으로 전면 표면재는 강화유리를 사용하는데 유리 자체의 광흡수 손실을 줄이기 위하여 광투과도가 높고, 표면 반사 손실을 낮추기 위해 표면처리가 된 재료를 사용한다.

 

EVA(ethylene vinyl acetate)는 깨지기 쉬운 태양전지를 보호하기 위해 태양전지 전, 후면과 강화유리 사이에 접착 및 충진재로써 삽입하는 물질이다. EVA 시트는 장기간 외부에 노출될 경우 습기 침투로 인하여 금속전극의 부식을 유발시키며, 변색되어 광투과도를 낮출 수 있어 모듈 제조 시 EVA 시트의 특성에 맞게 공정 조건을 잡아야 한다. EVA 시트는 강화유리와 태양전지 사이에 위치하기 때문에 400~1200nm의 파장범위에서 투과율이 90% 이상이 되어야만 광흡수율에 손실이 없다.

 

후면 시트는 태양전지 모듈의 구조에 따라 다르기도 하지만 일반적으로 태양전지 모듈의 구조에서 아래 면에 위치하게 되며 각 층간의 접착력이 좋아야 하고, 후면에서 침투하는 습기를 방지하여 태양전지를 외부 환경으로부터 보호해야 한다. 일반적으로 사용되는 후면 시트의 재질은 FP/PE/FP(Flouropolymer-Polyeaster-Flouropolymer)층으로 구성된 얇은 시트로 구성되어 있다.

 

태양전지에서 가장 이슈가 되는 것은 받은 빛을 전기로 얼마나 변환할 수 있냐하는 효율의 문제입니다.

결정질 태양전지에서 약 0.1% 의 효율을 올리기 위해서는 공정 1개가 추가되어야 한다고 합니다.

이렇게 죽어라 투자하고 노력해서 효율을 올려놓고 모듈화하는 데에서 깍아 먹으면 참 슬픈일이겠죠....^^

실제로 모듈라인에서 일하고 계신 분들의 말을 들어보면 태양전지 효율 높이는 것보다 모듈화 과정에서 열로 인한 손실등을 고려하지 않고 전지의 배열, 표면 크리닝 등이 제대로 되어 있지 않으면 사용하는 과정에서 모듈이 심하게 상한다고 합니다.

태양전지 효율의 기술만큼 모듈화 기술도 아주 중요합니다.

[출처] 태양전지 모듈 공정