대런 브라운(Darren Brown)

필자는 DEK Solar(www.deksolar.com)의 대체에너지 그룹의 글로벌 비즈니즈 매니저이다.

현재 제조되는 태양전지의 90% 이상의 핵심부에는 실리콘 웨이퍼가 내장되는데, 이 실리콘 웨이퍼는 태양광선을 포착해 전기 에너지로 바꾸는 역할을 한다. 이 실리콘 웨이퍼는 이 과정에서 전지성능에 영향을 주게 된다. 이 말은 그저 지나칠 수 있는 단순한 말로 들린다. 그러나 이 과정 안에는 태양광 산업의 가장 큰 아이러니가 들어 있다. 그리고 이 말은 에너지를 모으고 이 에너지를 전지로 전송하는 실버 그리드와 버스 바가 사실은 빛에 민감한 웨이퍼의 상부에 프린트된다는 의미이다. 이로써 태양광은 웨이퍼에 닿지 않게 차단되고, 처음에 설계된 대로의 성능을 하지 못하게 막는 부분적인 원인이 되는 것이다.

전지의 앞부분에 에너지를 모으는 그리드를 프린트하는 기술적 이유들은 수없이 많지만 이로 인해 태양광 산업은 상당한 도전에 직면하고 있다. 그리고 최고 성능의 전지가 현재 직사광선 중 24%를 수확할 수 있지만, 산업 표준 전지 효율성은 약 16~18% 수준인 점을 감안한다면 이것은 간과할 수 없는 문제이다.

점차 증가하는 종횡비

태양열 집광기에서 에너지 유출 규모를 줄이기 위해 업계에서 엄청난 노력을 해왔다는 사실이 그다지 놀라운 일은 아니다. 현재 그리드 라인 폭은 80~120μm 정도이고, 이 수치는 머지않아 50~60μm로 더 떨어질 전망이다. 이로써 그림자 효과는 줄어들고 재료비용에 대한 절감과 아울러 전지 성능은 상당히 개선될 것이다. 그러나 여기에 복잡한 문제가 없는 것은 아니다. 전도체의 전류 전달 성능은 전도체의 횡단면에 직접적으로 비례하고 따라서 높은 종횡비를 가진 전도체를 생산하려면 전도체의 폭이 줄어드는만큼 그 높이는 반드시 늘어나야 한다. (종횡비는 높이/폭으로 측정된다. 표준 종횡비는 현재 0.2~0.3의 수준이다.) 이 문제는 태양광 산업이 중요하게 생각해온 문제로서 종횡비의 질을 상당히 높일 수 있는 특수 재질이 현재 사용된다. 수많은 논문에서 설명된 몇 가지의 획기적인 방법들이 우수한 품질의 전도체 생산을 위해 개발되어 왔다. 이 방법들에는 초정밀 그물망 스크린 프린트, 금속 스텐실 프린트, 금속 사출 그리고 심지어 태양광 유도 전기 도금도 있다. 그러나 이 중에서 가장 탁월한 효과를 지닌 기술은 이미 수많은 태양광 제조업체에서 사용하고 있는 새로운 금속화 공정일 것이다. 이는 0.4~ 0.5까지의 종횡비가 가능하며 불과 얼마 전까지도 불가능한 수준이었다.

DEK의 PV300 금속화 플랫폼.  수많은 논문에서 설명된 몇 가지의 획기적인 방법들이 우수한 품질의 전도체 생산을 위해 개발되어 왔다. 이 방법들에는 초정밀 그물망 스크린 프린트, 금속 스텐실 프린트, 금속 사출 그리고 심지어 태양광 유도 전기 도금도 있다.

프린트 온 프린트

PoP는 실제로는 새로운 개념은 아니며, 수 년 동안 다른 산업 분야에서 이미 사용되어온 기술이다. 이 용어의 직설적 의미 그대로 단순하게 생각하자면 이 기술은 이전에 프린트 되어 건조된 그리드의 상부에 직접 전도체 그리드를 프린트하는 방법이다. 기본적으로 이것을 가능하게 하는 데는 두 가지 방법이 존재한다.

상단 프린트

이 경우 처음의 기본 프린트는 비교적 넓고 비교적 높이 위치하는 그리드 패턴을 만든다. 처음의 기본 프린트보다 두 번째 프린트는 실리콘 웨이퍼와 접촉하지 않고 기본 프린트의 상부와 안에 직접 위치하게 된다. 분명 이 공정은 초정밀 프린트 기술이 필요한 공정이다.

피막형성 방법

이 방법에서 기본 프린트 패턴은 낮고 좁으며, 두 번째 프린트 패턴은 상대적으로 더 넓고 높다. 이 상단 프린트 패턴은 첫 번째 프린트 ‘위에’ 얹히고 첫 번째 프린트에 효과적으로 피막을 형성해 첫 번째 프린트 패턴과 실리콘 웨이퍼에 동시에 접촉하게 된다. 이 방법 또한 초정밀 프린트 성능을 필요로 하지만 첫 번째 방법처럼 두 번째 프린트가 기본 프린트 패턴보다는 오히려 웨이퍼에 적용되기 때문에 약간 더 단순화된 형태라고 할 수 있다. 이와 같은 이유로 피막형성 방법은 60~70μm까지의 폭을 가능하게 하면서 다소 더 미세한 선을 만들어내게 된다. 

반도체와 생체의학 부문에서 PoP 방법은 정밀도가 그대로 반복되는 것이 핵심적인 요건이다. 정밀도가 그대로 반복되지 않고는 이런 수준의 미세한 선 작업은 불가능할 것이다. 또한 틀린 배열은 라인 폭을 증가시킴으로써 미세 라인 PoP 작업의 이점을 제거하여 그림자 효과를 높일 수도 있다. 기본 패턴이 형성되는 두 번째 프린트가 적용되는 부위가 극히 제한적인 점을 감안하면 상단 프린트 방법에서 정확도는 훨씬 더 중요한 문제이다.

전도체 균일성

연구팀과 함께 프린트 된 앞면의 은 전도체의 효율성이 개선되는 방법에 대해 심층 연구를 진행한 DEK의 수석 공정 개발 전문가인 톰 팰콘(Tom Falcon)의 말처럼 프린트 된 기본 패턴 위에 또 프린트를 한다는 것은 가스 분사의 관점에서 보면 복잡한 문제이다. 이 현재 진행 중인 작업의 결과가 처음 발표된 것은 2009년 유럽 PV 태양광에너지학회에서 함부르크의 팰콘에 의해서였다. 이 연구에서 나타난 많은 문제들 중 하나는 프린트 된 특성 중에서 종횡비가 올라가면 프린트 스크린의 전선이 점점 방해를 하는 경향이 강해지고, 이로 인해 납유리는 조리개를 적절히 채우지 못하게 된다. 심각한 경우 이로 인해 납유리를 조리개에서 떨어지는 결과가 초래되기도 한다.

그 결과 전도체는 길이에 따라 높이가 고르지 않게 되어 일반적인 전도체보다 훨씬 더 효율성이 떨어지게 된다. 이러한 양상은 톰 팰콘 연구팀의 분석에서 아주 생생하게 관찰되었다. 이 연구에서는 전도체에서 높은 부분과 낮은 부분 간의 간격이 스크린 그물망에 있는 넉클 간의 간격을 반영하는 모습이 포착되었다. 업계에서는 이 문제를 해결하기 위해 많은 노력을 기울였고, 현재의 20~25μm 표준 전선 직경은 종횡비와 전도체 균일성을 높이는데 큰 역할을 하고 있다. 해당 사이즈에 가장 잘 맞는 납유리 방출 자질을 얻기 위해 스크린 에멀전 두께를 최적화하는 것도 가능한데 납유리 제조업체들은 높은 종횡비 전도체를 위해 실버(은) 납유리 구성을 개선하기 위해 많은 노력을 기울였다.

그러나 이러한 상황에도 불구하고 비 균일성 문제는 여전히 존재한다. 위에서 설명한 상단 프린트 방법을 사용해 PoP 전지를 제조하려고 하는 업체는 초미세 프린트 패턴을 다른 것에 집중시키는 것뿐만 아니라 균일한 것과는 거리가 먼 기본 패턴과 프린트 스크린 간의 효과적인 개스킷을 만드는 것이 반드시 필요하다는 것이다. 이것은 참으로 어려운 요구다.

DEK의 PV1200 금속화 플랫폼.  가장 탁월한 효과를 지닌 기술은 이미 수많은 태양광 제조업체에서 사용하고 있는 새로운 금속화 공정일 것이다. 이는 0.4~0.5까지의 종횡비가 가능하며 불과 얼마 전까지도 불가능한 수준이었다.

페이스트(전극재료) 프린트 최적화

그 결과 고효율 재질의 성능 개선을 위해 재료 및 장비 공급업체들은 상당한 공을 들이고 있다. 예를 들자면 페이스트 제조업체들은 두 개의 별도 통과를 위한 전용 페이스트를 개발했다. 기본 패턴 페이스트는 실리콘 층에 낮은 전기 저항을 목표로 개발된 것이고, 상단 패턴 페이스트는 최적의 전기 전도를 목표로 개발된 것이다. 두 가지 종류의 페이스트 모두 고효율 종횡비 프린트를 최적화할 수 있다.

… 그리고 프린트 스크린

스크린 제조업체들도 프린트 균일성을 높이기 위해 많은 연구 작업을 진행했다. 그러나 엄청나게 고가의 특수 재질이 없이도 어떤 식으로 미세 전선 메쉬가 가능한지에 대해서는 분명한 한계가 있다. 특히 그 재질이 견고하고 튼튼해야 한다면 말이다. 예를 들면, 표준형 태양전지 제조업체들에게 있어서 스크린은 일반적으로 고장이나 뒤틀림 없이 고속 고압 프린트 스퀴지(밀대)의 10,000번의 통과까지 견딜 수 있다. 그리고 뒤틀림에 대해서 이야기할 때 우리는 마이크로미터 수준을 이야기하는 것이다. 간단하게 말해서 미세한 ±10μm 안에서 15.6cm 웨이퍼의 구석구석까지 프린트 스크린의 치수를 지켜야 하는 것이다. 

프린트 스크린이 어떻게 생산되는지 생각해 보면 이 문제는 분명해진다. 일반적으로 스크린의 심장부는 금속 틀까지 뻗어 부착되고 그 다음에는 감광성의 에멀전(유화제) 층으로 코팅되는 조밀하게 엮인 강철 섬유 조각으로 만들어진다. 그런 다음에 이것이 패턴화 된 장치를 통해 노출된 에멀전을 중합하는 자외선 복사열에 노출된다. 그 나머지는 수용성이고 물에 씻겨 없어지며, 그 후에 스크린은 건조된다. 그 다음에는 중간쯤에 흘러나온 판지 박스에 들어가 인쇄되기에 앞서 상당한 온도 변화를 겪게 된다. 이는 메쉬나 프레임을 뒤틀리게 하면서 부주의하게 다룰 수도 있다. 긴장이 가해졌다가 이완되기 때문에 메쉬 전선은 스크린 구조 내에서 움직일 수도 있다. 주변 온도와 습도는 실시간으로 스크린과 포토 툴의 치수에 영향을 미칠 것이다. 최종 결말은 어떤 식으로든 인쇄기에 최종적으로 맞춰지는 패턴이 탄생하기까지 매우 실제적인 위험이 있다는 사실이다.

실리콘 웨이퍼뿐만 아니라 서로 서로에게 연결되어야 하는 하나가 아닌 두 개의 프린트 스크린을 다룰 때는 이 문제는 훨씬 더 큰 문제가 된다. 그리고 작업 도중에 프린트 스크린에 가해지는 마모와 손상이 상당하기 때문에 스크린에 가해지는 긴장이 제거되어 이미지 왜곡이 일어날 수 있다.

실제로 PoP 제조업체들에게는 상당한 기술적 난관이 존재하며, 업계는 이를 해결하기 위해 고군분투하고 있다. 함부르크에 있는 팰콘은 DEK에서 현재 개발 중인 대체 프린트 스크린을 발표했는데, 이는 기본적으로 기존의 전통적 방식의 프린트 스크린의 이점과 메쉬가 없는 전기 형성 스텐실의 장점을 결합한 혼합적인 형태의 대체품이다. 이것은 고품질의 종횡비 프린트 패턴을 가능하게 하는 미래의 솔루션이다.

한편 현재까지 DEK의 작업 결과에 따르면, 제조가 우수한 공정 관리로 이루어지고 고품질의 프린트 스크린을 사용하는 한 세계의 제조업체들이 현재 채택하고 있는 PoP 기술은 최소의 비용으로 기존의 생산 환경에 적용될 수 있고 프린트 공정에서 정확하게 반복되는 정확도와 정밀도를 보장한다.

본 기사는 미디어그룹 인포더에서 발행하는 글로벌 PV 매거진 Monthly INTER PV(영문) 내용을 게재한 것입니다.

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