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EL, Thermograph, Raman 3가지 기능의 복합기 탄생
이 주 야 기자
Q. 이번 제품을 개발한 동기는 무엇인가? 태양전지의 보급은 각국 정부의 보조금이나 세제 감면의 지원을 전제로 확대 양상을 보이고 있지만, 태양전지가 본격적으로 보급되기 위해서는 경제성의 대폭적인 향상이 필요하다. 당사에서는 태양전지의 경제성에 필요한 조건을 ‘패널 가격을 포함한 발전 시스템의 가격’ × ‘모듈 변환 효율’ × ‘수명’이라고 생각했기 때문에 2배 이상의 장수명 모듈을 개발하는 방향으로 연구 개발을 실시해 왔다.
구체적으로는 20년을 넘는 장기 수명화를 위해서는 ‘모듈(Module)화 = 케이싱(Casing)화 기술’의 향상이 필요하므로 모듈화에 관련되는 ‘소재’, ‘공법’, ‘장치’를 제로베이스로 재검토해 초장수명 태양전지 제품을 개발하는 것을 목표로 임했다. 그러므로 ‘셀(Cell)’, ‘배선’ 및 ‘케이싱 머티리얼(Casing Material)’ 이라고 하는 발전 기능과의 관계를 파악하는 분석 기술도 아울러 개발할 필요가 있었다. 즉, 태양전지의 내부 구조를 수치화해 볼 필요성이 있었다.
닛신보 내부 연구용 설비로 탄생한 비파괴 검사 장치
Q. 어떤 과정을 통해 개발되었는가? 20년, 30년 전에 제작되어 장기간 옥외에서 사용된 태양전지 모듈을 입수해 태양전지 재료의 열화도와 발전에 관련되는 불편함을 조사, 검토하는 것부터 당사의 개발은 시작되었다. 기존의 기술을 이용해 발전 성능은 시뮬레이터(Simulator)로 측정하고, 셀 분열이나 내부 결함 및 pn 접합 상태에 대해서는 일렉트리컬 루미네선스(Electrical Luminescence) 화상 기술로 검출하고 있다.
또 배선 이상, 정션 박스(Junction Box) 내의 다이오드(Diode) 이상은 서모그래프(Thermograph) 화상으로 평가를 하고 있다. 이보다 한층 앞선 기술 현장에서는 근년 레이저(Laser)의 고출력화와 수광기의 감도 향상에 의해 라만(Raman) 분석 기술의 향상이 눈부시게 이루어졌다. 이것은 레이저 파장이 가시광선 영역에서 태양전지 모듈의 글래스(Glass)에서는 흡수되지 않는 특성을 살려 모듈 내부의 부재 분석에 활용하는 방법이다. 태양전지 모듈의 경년 열화에 대해서 분석, 해석에 임하기 시작했을 때, 우선 그 큰 사이즈가 골치를 썩였다.
또한, 시각적 관찰에 의해 불량 장소를 특정해 파괴 분석에 의한 상세한 분석을 실시하려고 했을 경우 강화 글래스는 랜덤(Random)으로 부서지기 때문에 특정장소의 샘플링(Sampling)에 난항을 겪었다. 또한 뒤의 백시트(Back Sheet) 측으로부터 시료를 채취하려고 하면 EVA가 화학 접착하고 있어 똑같이 샘플링에 고생했다. 어떻게든 비파괴에 의해 분석 대상물을 균일한 조건으로 측정해 상태를 수치화하고 싶다고 하는 연구자의 요구로부터 이 장치는 당사 연구용 설비로서 탄생했다.
우리는 파괴하는 일 없이 레이저로 조사할 수 있는 부위를 간단하게 분석할 수 있는 Raman 분광의 특징을 선택했다. 파괴 시험에서는 분석 대상물 상태가 랜덤으로 변화되기 때문에 싫었던 것이다. Raman, EL, Thermograph, 이 모두는 기존 분석 기기이지만 우리가 복합기(1대의 분석기에 모든 기능을 탑재)의 탄생을 고집한 이유는 세 가지다.
첫째, 지금까지 태양전지 모듈의 불량 장소를 분석할 때 EL 화상 정보와 Thermograph 화상 정보를 동일 좌표축으로 조합하는 것은 주목하기 어려웠다. 셀 정보와 배선에 관한 정보의 상호 관계를 고찰하기 쉽게 된다는 것을 찾아냈다. 둘째, Raman 분광을 활용하는 일로, EL과 Thermograph에 의해 특정된 문제 구역이나 주변의 재료 분석, 실리콘(Silicone) 구조라고 하는 모듈 내부 구조 분석을 가능하게 하는 일로, 발전에 관련되는 불편 원인을 추측하기 쉬워지는 것을 찾아냈다.
셋째, 상기 두 가지의 실현에 의해 연구 개발에 있어서 중요한 다른 분석 수법에 따른 결과 데이터의 비교 정확성과 상관성 검출의 용이함, 통계 집적에 있어서의 PDCA 사이클의 고속 회전을 가능하게 하기 때문이다.
프로브 라만(Probe Raman) 분광 검사 기술 관련 세계 최고의 기업인 레니쇼(Renishaw)에 태양전지 모듈의 비파괴 해석 장치의 개발에 있어서 라만 분석 기술을 중심으로 개발하고 싶다는 의향을 전했는데, 레니쇼 회장이 흔쾌히 수락해 전면적 협력 체제가 구성돼 이 장치는 완성되었다. EL, Thermograph, Raman의 3가지 기능 매니지먼트(Management)를 가능하게 하는 소프트웨어를 공동 개발해 지금까지 없었던 태양전지 모듈 사이즈를 분석, 해석할 수 있는 검사 장치가 태어났다.
분석비용 삭감과 최단시간 품질검사 가능
Q. 특별히 강조할만한 제품의 장점이나 주된 특징을 소개한다면? 본 검사 장치는 고정밀의 EL 화상과 Thermograph 화상의 촬영과 데이터의 표시를 30초 정도의 단시간에 처리할 수 있다. 이 결과는 모듈의 2차원 좌표축의 데이터로서 연구하고 있기 때문에 임의의 장소의 확대, 양자의 비교를 디스플레이(Display) 상에서 간단하게 할 수 있다. 또, 이 디스플레이는 터치 패널(Touch Panel)식이며, EL 화상과 Thermo 화상을 좌우 표시함으로써 서로의 불량 장소를 비교 고찰하는 것도 가능하다.
예를 들면, EL 화상 상에서 셀 분열을 인정한 부위에 대한 Thermograph 화상의 발열 얼룩짐(Lack of Uniformity) 상태를 대응시켜 비교하는 것으로 배선 리본(Ribbon)의 접속 상태의 고찰을 할 수 있다. 본 검사 장치의 특별한 점은 Probe Raman을 탑재하고 있는 것에 있다. Raman 분광 기술은 레이저를 발사해 분석 대상물로부터의 레이저 파장에 대한 얼마 안 되는 빛의 파장 차이를 계측해 물질의 특정이나 구조를 해석할 수 있는 기술이다. EL과 Thermo가 이른바 화상 해석의 분석 수법인데 비해 Raman 분광 분석 기술은 특정한 장소를 포인트로 분석할 수 있다.
미리 정한 좌표축에 Raman 분광의 프로브 헤드(Probe Head)를 이동하는 프로그램을 선택하면, EL 화상과 Thermograph 화상, Raman 분광 분석의 3개의 결과를 60초 정도로 측정하는 일도 가능하다. 우리가 단시간 처리를 고집한 이유는 통계적 해석에 의해서 품질 검사를 하는 경우, 단시간에 평가할 수 있는 것에 매우 큰 경제성이 있기 때문이다.
기업에서는 고액의 인재와 자금을 투입해 연구 개발을 실시하고 있지만 R&D 현장에서는 ‘해석 결과를 기다린다, 혹은 조합한다’라고 하는 눈으로 보이지 않는 코스트(생산성의 낮은 시간)가 큰 부담이 되어 있다.
태양전지라고 하는 새로운 산업에 있어서의 신뢰성 기술의 확립이라고 하는 신테마로 연구에 임하고 있는 당사에 있어서 이 산업이 올바른 길을 걷기 위해 ‘1초의 시간 낭비도 용서되지 않는다’고 하는 신념으로부터 이 장치는 태어난 것이다.
태양전지 모듈의 EVA 봉지재는 가교체이며, 셀이나 백시트에 강하게 접착하고 있으므로 파괴 분석이 어려운 분석 대상물이다. Raman 분석 탑재의 본 검사 장치에서는 봉지재의 재료 분석 및 열화에 대해서 EL 화상과 Thermograph 화상의 양자의 결과를 보면서 50μ 피치(Pitch)로, 상세한 2차원 맵핑(Mapping)도 가능하다. 이 결과는 실리콘 셀이나 배선부의 주변의 있는 상태 그대로의 분석이므로 파괴 분석에서는 어려운 봉지재 분석으로서 귀중한 정보를 얻을 수 있다.
Raman에 의한 분석은 분석 코스트의 삭감에도 공헌한다. 우리는 독자적이고 기초적인 모듈화 기술 검토의 결과보다 EVA 봉지재의 열화의 진행을 Raman 분광법으로 해석하면 형광에 의한 베이스라인(Baseline) 상승도가 그 열화도에 따라 강해지는 것을 찾아냈다. 521 cm1의 실리콘의 피크(Peak)가 관측되고 있는 범위에서 형광의 산란 강도비를 열화도로서 수치화 할 수 있다. 이 평가법을 이용한 태양전지 모듈 제조법에 대해 출원(PCT/JP2011/59127)하고 있다. 경년 열화한 모듈을 봉지재의 열화도를 지표로써 모듈 전면의 맵핑을 실시하면 에지(Edge)부나 하부는 중심부에 비해 형광 강도비의 수치가 높은 결과를 얻을 수 있다. 또, 발전 열화 원인을 고찰하는데 유용한 EL 화상으로 암발광 부분 및 그 주변의 봉지재 상태를 같은 지표로 고찰하면 봉지재의 열화 상태와의 상관을 얻을 수 있다.
이와 같이 3가지 기능을 가지는 본 검사 장치는 모듈 전체의 품질 평가 수법으로 매우 유용하다. (여기에서는 지면의 제한이 있어 타 수법의 분석 방법 소개는 생략하지만, 당사는 지금 장치를 통해서 그 밖에도 많은 일을 명확하게 하는 분석 기술도 겸비하고 있다. 지금 장치를 구매하는 고객에게는 아낌없이 전 노하우를 제공할 생각이다.)
모듈에 있어서의 Probe Raman 분석에서는 측정 범위가 1.5m2로도 되기 위해 임의의 위치에서 분석 대상물에 레이저 빛의 초점을 맞추는 것이 어렵다.
재현성의 양호한 Raman 분석의 결과를 얻기 위해서는 정도의 높은 초점을 맞추는 기능이 중요하고, 고정밀의 레니쇼 제품인 Probe Raman의 프로그램 커맨드(Program Command)와 EL 카메라, Thermograph 카메라와의 소프트 커맨드(Soft Command) 간으로 양호한 통신을 가능하게 한 소프트웨어에 의해서 자연스러운 해석이 가능해졌다. 이 소프트웨어에 의해 레이저의 초점을 재빠르게 배합하는 것이 가능하고, 300~3000 cm1의 범위에 대해 약 20초에 Raman 분석 결과를 얻을 수 있다.
이상으로 서술한 분석이나 해석을 200×200mm의 연구용 소형 사이즈로부터 실제 모듈 사이즈(1100×2000mm)까지 측정할 수 있다. 실제로 고신뢰성 모듈을 재료, 제법, 장치의 관점으로부터 연구개발 할 때에 지금 장치를 활용해온 당사의 시간으로 볼 때 다른 검사기기에 의한 화상은 카메라의 개체 차이가 있으므로 동일한 카메라로 계통적으로 비교 평가하는 것이 화상 해석에 대해 매우 중요한 것을 실감했고 이를 확신하고 있다.
태양광 제품의 차별화 시도하는 기업에게 적극 권장
Q. 주된 사용처나 응용 분야는 어디인가? 태양전지 모듈의 인증기관이나 평가연구를 실시하는 시험기관, 인증뿐만이 아니라 고품질을 데이터로 표시해 자사 제품 차별화를 도모하고 싶은 모듈 기업들의 사용이 예상된다. 또, 향후 성장한다고 생각할 수 있는 태양전지 모듈의 중고 시장에서 모듈의 잔존 가치의 견적을 위한 검사로써 적용될 가능성도 있다고 생각하고 있다.
4가지 기능 탑재 검사 장치 개발 계획
Q. 향후 추가 개발이나 기능 업그레이드 계획은 있는가? 본 검사 장치에 태양전지의 발전 성능을 평가하는 시뮬레이터를 더해 4가지 기능을 동시에 탑재함으로써 태양전지의 발전에 관한 성능 평가와 그 유지에 관한 정보를 본 검사 장치 1대로 모두 해석할 수 있도록 하고 싶다. 또, 제조 라인의 품질 검사 장치로서는 이보다 더 측정 시간의 단축화 기술의 도입도 필요하게 되리라고 예상하고 있다.
에너지원인 태양광 산업 발전 도모하는 기업에게 판매하고 있어
Q. 마지막으로 언급하고 싶은 말이 있다면? 앞에서도 말했지만 이번 장치는 당사가 독자 연구를 실시하고 있는 고신뢰성 모듈 개발 과정에서 필요해 개발한 자사용 분석 장치이다. 학회 등에 당사 연구개발 과정의 데이터를 소개했을 때, 당사와 동일 수법으로의 해석을 실시하고 싶다는 요청이 있었기 때문에 이번에 시장에 출시하기에 이르렀다. 막대한 연구 개발비의 성과라고도 할 수 있는 태양전지 모듈 분석의 전용 설비뿐만 아니라, 장치를 활용한 기술 제공까지를 세트로 해 시장에 출시하는 이유는 우리가 이 태양전지 산업이 올바른 방향으로 발전하기를 바라기 때문이다.
일본이나 한국과 같은 자원 빈국에 있어서 태양전지는 LCD, 스마트폰과 같은 소비재가 아니고 에너지원이며 이 태양전지 산업이 잘못된 성장과 잘못된 방향성으로의 경쟁 격화에 의해서 쇠퇴하는 일은 위기라고 생각하고 있다. 이 장치가 지구 공헌성이 높은 산업으로 태양광 산업을 유도해 승화시켜 간다고 생각하는 건전하고 고매한 야망을 가진 기업과 연구자의 손에 건네지기를 바라고 있다.
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