셀·모듈 효율 및 수익성 개선하는 금속배선 컨베이어 시스템 설계

태양에너지는 대체에너지 생산에 있어서 다른 기술들을 리드하고 있다. 하와이와 같은 지역처럼 전력 생산에 높은 비용이 들면서도 태양광이 풍부한 지역에서는 이미 신재생에너지 생산에서 그리드 패리티에 도달했다. 다음 단계는 전기 생산에 소요되는 와트 당 비용을 더욱 낮춰 화석연료 생산 단가보다 더 낮은 태양광 전력 생산가격을 사용자들에게 제공하는 것이다.

태양광 전기 공급업자들은 여러 가지 요인들로 인해 비용 절감을 할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 비용을 절감할 수 있는 주요한 분야는 모듈 출력 비용에서 찾아볼 수 있다. 모듈이 생산할 수 있는 전기의 양을 늘리면 그만큼 비용이 절감되는 효과가 있는 것이다. 태양광 산업에서 경쟁력을 유지하기 위해서 태양광 모듈 제조업체들은 고품질, 고효율 제품을 저가의 비용으로 신속하게 생산하는 새로운 방법들을 찾아내 지속적으로 혁신을 거듭해야만 한다.

과거 태양광 셀 공급업체들은 전통적으로 최대의 이익을 창출하는 분야의 생산성 개선 노력에 집중했다. 이런 방법은 접촉 형성 단계 이전에 업-스트림(Up-stream)을 타깃으로 하는 지극히 일반적인 접근법이다.

대부분의 업-스트림(새로운 셀 구조의 배치 없이는)은 현재 수익 개선의 기회가 거의 없을 정도로 성숙한 단계에 있다. 특히 금속 열처리 공정에 사용되는 소재에서 최근 큰 발전이 이루어졌기 때문에 접촉 형성에서의 개선 가능성이 아주 높아졌다. 점점 더 많은 셀 제조업체들이 현재 활동하고 있기 때문에 공정 최적화에서의 관건은 금속배선에 있다고 해도 과언이 아니다.

공정의 진화

금속배선 공정의 기본 콘셉트는 지난 수십 년 간 변하지 않았지만 건조, 금속 열처리 공정, 냉각 공정 단계에서 웨이퍼를 이동시키는 데 사용되는 소재 취급 방법은 큰 변화를 겪었다.

접촉 금속 열처리 용해로로 사용하는 싱글-벨트 컨베이어 시스템의 구축으로 금속배선 공정에 선형 공정의 적용이 가능해졌고, 이는 태양광 셀 제조업체들과 고객들에게 동시에 많은 이점을 제공하고 있다. 시장에서 살아남기 위해서는 가격 경쟁력이 가장 큰 관건이 되었다. 공정 제어와 반복가능성을 확보할 수 있는 경우 품질 향상까지 가능하다.

그렇다면 다음 단계는 무엇인가. 시장에서 경쟁이 점점 더 치열해짐에 따라 제조업체들은 수익성을 저해하지 않고도 고객들에게 제공할 수 있는 새로운 방법을 찾아야만 한다. 와트 당 비용을 최적화하면서 셀의 품질을 개선하고 효율성 수준을 극대화하는 방법이다. 이런 상황은 금속배선 공정에서 몇 가지 단계를 조율해야만 하는 공정 엔지니어들에게도 압력으로 작용한다.

용해로에서 이루어지는 두 가지 공정은 건조 작업과 냉각 단계이다. 특히 냉각 단계는 적절하게 작업을 완료하기 위해 충분한 시간이 필요하다. 그러나 이 두 공정 사이에 있는 것이 금속 열처리 공정이다. 과학적인 견지에서 보면 이 공정은 빠른 속도로 끝내는 것이 좋다.

선택은 쉽지 않다. 전통적인 싱글-벨트 컨베이어에서는 각 부분에서 웨이퍼에 충분한 시간을 주기 위해 건조, 냉각 부분의 길이를 연장할 수 있지만 공장 운영자들은 이런 방식이 너무 많은 바닥 면적을 차지한다고 생각한다. 건조와 냉각을 통해 벨트 속도를 더 줄일 수 있지만 공정 엔지니어들은 이런 방식이 금속 열처리 공정을 과도하게 해 셀 효율에 악영향을 줄 것이라고 주장한다. 각 경우에 한 단계의 최적화는 다른 단계의 최적화를 침해하게 된다.

이미 검증된 방법에 대한 새로운 접근

점차 많은 수의 셀 제조업체들이 새로운 접근법을 이용하고 있다. 그들은 세 개의 용해로 부분에서 별개의 벨트 가동을 통해 과거보다 더 나은 결과를 얻고 있다. 금속 열처리 공정에서 빠르게 움직이는 벨트에 건조, 냉각 부분의 속도를 느리게 함으로써 효과를 얻고 있는 것이다.

이 분야의 산업선도 기업들은 과거 경험을 통해 다음의 세 가지의 주요한 교훈을 배웠다.

교훈 1 : 세 개의 용해로 부분 최적화를 통해 각각 독립적으로 최고의 셀 품질을 얻는다. 왜냐하면 이 각 부분의 효율성이 전혀 손상되지 않기 때문이다.

첫 번째 공정에서는 벨트의 건조 속도를 느리게 하면 공정 통일성뿐만 아니라 셀 성능 개선과 미관상의 효과를 위한 유기 용제의 완벽한 제거가 가능하다. 용제는 금속 열처리 공정에서 원치 않는 요소이다. 왜냐하면 용제는 셀 효율에 부정적인 영향을 미치는 불순물을 만들어내기 때문이다.

불완전한 건조 또한 과도한 습기로 인해 웨이퍼에 자국이 남게 만들 수 있다. 이것은 일반적인 문제이지만 제조 엔지니어는 이를 건조 문제로 인식하지 않을 것이다. 왜냐하면 제품의 금속 열처리 공정 중에 이 증상이 나타나기 때문이다. 이 문제는 향후 싱글-벨트 시스템에서 훨씬 더 자주 나타날 것이다. 왜냐하면 웨이퍼가 너무 빨리 건조기에 지나가기 때문에 건조 능력을 잃고 있음에도 불구하고, 제조업체들은 급격한 온도 변화를 얻기 위해 점점 더 빨리 컨베이어를 가동하고 있기 때문이다.

두 번째 부분에서 금속 열처리 공정을 위해 급속한 벨트 속도를 선택하면 엄격하게 관리되는 최고 온도에서 매우 제한적인 온도 변화가 야기되고, 그 결과 세계 수준급의 충전율과 분로 저항이 가능하다. 전통적인 싱글-벨트 시스템 또한 고속 벨트 속도에서 운영함으로써 날카로운 온도 변화가 가능하지만, 이 방법은 건조 공정과 냉각 공정의 완전한 마무리를 저해한다. 웨이퍼는 동일한 속도로 도구의 모든 부분을 이동하기 때문이다.

대신 싱글-벨트 시스템에서 낮은 벨트 속도를 선택해 건조 기능과 냉각 기능을 동시에 개선함으로써 느린 온도 증가, 긴 수침 기간, 냉각 속도 감소가 가능하다(그림 2). 이 전략은 필요한 것보다 훨씬 더 많은 전체 열을 사용한다. 이는 실리콘 격자구조에서 결함을 초래하며, 수소 패시베이션(칩 표면에 보호막을 씌움) 층을 손상시킨다. 웨이퍼가 신터링(Sintering) 온도에 너무 오래 머물면 은이 실리콘 속에 너무 깊이 침투해 이미터 접합을 통해 분로를 야기한다. 이로 인해 셀 효율에 악영향을 끼치거나, 셀 자체를 쓸모없게 만들어버리기도 한다.

이를 피하기 위해 대부분의 셀 제조업체들은 가장 끝단 사이에서 벨트 속도를 선택하고 각 단계의 최적화를 포기한다. 궁극적으로 싱글-벨트 컨베이어 시스템으로 인해 제조업체들은 이상적인 열처리 공정과 이상적인 건조와 냉각 중 하나를 선택해야만 하는 것이다. 이 문제는 멀티-벨트 시스템에서는 각 공정 부분에서 벨트를 분리해 금속 열처리 공정에서만 최고의 벨트 속도를 유지하고 충전율과 분로 저항을 최적화함으로써 해결되었다.

세 번째 공정에서 냉각용 벨트의 속도를 낮춰 선택하면 낮은 배출 온도가 가능한데, 이는 다시 말하면 가장 정확한 테스터 판독을 제공한다는 의미이다. 금속 배선 용해로의 하향 시 셀은 인라인 테스터에 의해 여러 그룹으로 분류된다. 각 그룹은 매우 제한적인 효율 범위로 떨어진다. 보다 정확한 분류 방법 덕분에 태양광 모듈 제조업자는 보다 높은 시장 가치를 가진 고성능 모듈에 태양광 셀을 혼합·일치시킬 수 있다.

교훈 2 : 세 개의 용해로 과정 최적화는 각각 수익 증대와 제조비용의 감소를 가져온다.

이전에 언급했던 품질 개선뿐만 아니라 컨베이어 벨트 속도를 최적화함으로써 제조업체들은 여러 면에서 운영상의 이득을 취할 수 있다. 우선 첫째로 각 공정의 독립적인 최적화로 용해로에 대한 공정 개발 시간을 절약할 수 있다. 멀티-벨트의 조립과 프로그래밍에 몇 기간의 추가 시간을 보내는 것은 확실히 투자가치가 있다. 전반적인 개발 시간은 단축된다. 왜냐하면 각 부분에서 공정을 개선하기 위해 벨트 속도를 변경해야하고, 그러기 위해서 다른 부분에서 성능 재평가가 필요한 것은 아니기 때문이다. 또한 반복적인 조정도 필요 없다.

두 번째로 납유리를 제대로 건조하는데 필요한 건조 벨트 속도를 늦추면 보수 시간이 줄어들고 예상치 못한 정지 시간이 줄어든다. 용해로의 건조 부분은 납유리에서 유기 용제의 효율적인 제거용으로 설계되며 보수 시간동안 표면에서 잔여물을 깔끔하게 제거하기 위해 설계된다. 건조기를 너무 빨리 통과하는 웨이퍼는 금속 열처리 공정에서도 용제를 방출하는데, 이는 제거하기가 몹시 까다롭다. 금속 열처리 공정에서 모이는 잔여물들은 유지 보수로 인해 걸리는 가동 정지 시간을 지연시키게 된다. 건조기에서 유기 용제의 완벽한 제거를 위해 각 부분의 벨트 속도를 독립적으로 조정하면 이 문제가 미연에 방지된다.

세 번째로 금속 열처리 공정의 벨트 속도를 높이려면 셀 제조업체들의 자금 투자가 이전보다 훨씬 더 늘어나야만 한다. 싱글-벨트 시스템에서 벨트 속도와 금속 열처리 공정 온도의 변화가 의도하지 않게 발생하면 생산된 셀 효율에 변화가 초래된다. 왜냐하면 금속 열처리 공정 단계는 항상 정해진 공정의 끝 부분에 있기 때문이다. 이러한 효율 감소는 바로 수익 감소로 이어진다. 성능이 저하된 셀은 개별적으로 판매되는 경우 시장에서 가치가 떨어질 수밖에 없다. 태양광 모듈에 다른 셀과 함께 결합되었을 때 낮은 효율의 셀은 모듈의 전체적인 효율을 저하시키고, 따라서 시장 가치를 떨어뜨린다.

세 개의 벨트 시스템에서 얻을 수 있는 빠른 냉각 시간은 다른 업-스트림의 사소한 결함뿐만 아니라 온도와 벨트 속도의 예기치 않은 변화에도 훨씬 덜 민감한 금속 열처리 공정을 가능케 한다. 보다 넓은 공정의 중심에서 금속 열처리 온도와 벨트 속도를 정하면 셀 효율의 변화가 줄어든다. 왜냐하면 충전율 민감도 곡선의 가장 평평한 부분에서 가동이 이루어지기 때문이다(그림 5, 6). 이때 생산된 셀의 대부분은 최고 효율성을 갖고 있으며, 따라서 매출 수입을 올리고 최고의 시장 가치를 갖는다.

네 번째로 냉각 벨트 속도를 느리게 하면 최적의 셀 배출 온도가 가능해져 추가 냉각을 위한 설계, 조달, 유지 보수 자원을 낭비하지 않고도 안전한 취급과 정확한 테스트가 가능하다. 현재 일반적인 테스트 웨이퍼 장비는 셀 효율의 정확한 측정을 위해 40∑C 이하의 제품 온도가 요구되지만, 대부분의 금속 열처리 공정의 배출 온도는 60~80∑C이다. 제조업체들은 현재 이 문제를 해결하기 위해 다양한 방법들을 사용하고 있다. 여기에는 강력한 냉각 장비, 완충 컨베이어, 보상 소프트웨어가 포함된다. 3벨트 시스템 덕분에 운영자는 중요한 자원을 절약하면서 이러한 추가 작업이 없이도 테스트 기의 요건에 부합하는 배출 온도를 독립적으로 조정할 수 있다.

교훈 3 : 파손율 증가 없이 독립적인 공정 최적화가 가능하다.

공정 과정 중에 실리콘 웨이퍼가 깨지기 쉽고 파손이 쉽게 이루어지는 것은 여러 요인 때문이다. 가장 대표적인 요인은 소재의 결정질 구조가 약하고 기질이 매우 얇다는 것이다. 소재 비용을 최소화하기 위해 기질이 매우 얇아질 수밖에 없는 게 현실이다. 또 다른 요인으로는 열처리 결과 웨이퍼 내에 스트레스가 높다는 것이다. 배치 단계에서의 물리적인 취급, 프린트 단계에서 기계 접촉, CTE 문제들과 함께 이러한 요인들이 모두 웨이퍼의 파손율이 높아지는 원인으로 작용한다.

현재까지 이 문제를 해결하기 위해 새로운 엔지니어링 발전이 이루어지고 있다. 용해로 컨베이어 시스템 설계에서 일어난 최근의 혁신은 웨이퍼가 벨트에서 벨트로 이동할 때 웨이퍼의 완만하고 점진적인 가속과 속도 감소를 가능케 하는 속도 일치 이동 시스템이다. 이러한 설계 덕분에 파손율에 대한 추가적인 영향 없이도 즉, 파손율이 높아지지 않고도 웨이퍼의 안전하고 신뢰할 만한 이동이 가능해졌다. 이 성능이 없다면 멀티-벨트 시스템은 취급상의 위험이 더욱 높아질 것이다.

다른 보다 기본적인 방법 또한 정교한 웨이퍼 생산에 사용된다. 각 벨트에 금속 격리 절연기를 부착하면 끝부분만 지탱이 가능하고 흠집은 최소화된다. 멀티-벨트 중에서 첫 번째 벨트를 가장 느리게 움직이게 하면 손상이 없어진다. 이어지는 벨트 위에서 웨이퍼가 과밀해지기 때문이다.

이러한 방법들을 모두 결합하면 금속 배선 용해로와 모듈 조립에서 모두 파손율이 상당부분 줄어든다. 이로써 상품성이 높은 제품 생산이 늘어나고 긁힌 부분이 줄어들고 모듈 제작 시간이 줄어들면서 수익 증대가 가능하다.

멀티-벨트 시스템으로 인해 얻게 되는 품질 향상, 작동상의 효율성 개선, 파손율 감소, 기타 경제적인 이득은 매우 크며 고객들에게는 이러한 이득이 바로 와트 당 비용 감소로 이어진다. 속도 일치 기술은 대용량 생산이 일반화된 분야에서 매우 실용적이고 선호되는 멀티-벨트 시스템의 위험을 감소시켜 주었다. 멀티-벨트 컨베이어 시스템에서 금속 배선 방식으로 조기에 채택한 업체들에서는 이미 이러한 노력에서 많은 이득을 얻고 있다.