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2008년 2사분기 PV Sun Times® E-뉴스레터에서는 태양열 전지 생산용 일부 PECVD 공정에서 증가하고 있는 문제인 복수 패널 인라인 배치 공정에서의 RF 전극 크로스토크에 대한 솔루션을 제시합니다. “태양열 전문가에게 물어보기”에서는 저온 TCO 공정의 옵션, 태양열 어플리케이션에 대한 진공 기반 공정의 혜택, 태양열 업계의 가장 긴박한 생산 문제에 대한 기타 조언을 논의합니다.
인라인 배치 시스템의 복수 RF 전극을 올바르게 셋업하여 처리량 증가시키기
그리드 패리티(Grid Parity)에 도달하려는 노력에서, PV 장치를 통해 소비자에게 전달하는 연간 와트 수를 지속적으로 증가시키는 것이 중요합니다. 이 때문에 태양광(PV) 공장은 항상 패널 효율성과 공정 처리량을 증가시키기 위해 노력하고 있습니다. 처리량 증가를 위한 주요 추세 중 하나는 여러 개의 RF 전극을 갖는 인라인 배치 시스템으로 한 번에 여러 개의 패널을 처리하는 것입니다.
과제: RF 크로스토크
문제는 이러한 추세가 증가함에 따라 이와 관련된 일반적인 문제, 즉 조밀하게 배치된 RF 전극들 간의 원치 않는 상호작용으로 인해 RF 크로스토크가 증가하고 있다는 점입니다. 새 공정에서 단일 챔버 내에 여러 전극을 사용함에 따라 이로 인한 문제가 증대하고 있습니다. 전극의 수가 증가함에 따라, 이들 간의 공간이 좁아져 크로스토크의 가능성이 커지고 있습니다. 기판 아크, 결함 등 RF 크로스토크로 인한 파손이 공정과 장비 품질을 크게 훼손시킬 수 있습니다. RF 전극 크로스토크로 인해 발생할 수 있는 다른 문제에는 고정 설비, 전원 공급장치, 기타 장비에 대한 파손, 오염 등이 있습니다.
그림 1. 복수 기판을 이용하는 PECVD 공정에 이상적인 인라인 배치 공정
그림 1은 7개의 RF 전극(음극과 양극)이 단일 챔버 내에 조밀하게 배치된 PV를 생산하는 PECVD 공정을 보여줍니다. 전원이 공급된 각 전극(음극)이 각기 다른 RF 전원 공급장치와 임피던스 정합 회로에 연결되어 있습니다. 일반적으로 다른 전극(양극)이 접지에 연결되어 있습니다. 이 전극들 사이에 여러 개의 유리 기판들이 삽입되어 있습니다. 챔버 맨 위에서 공급장치가 공정에 가스를 공급합니다. 이 그림은 셋업에 이상적인 상황을 보여줍니다. 즉, 각 전극이 인접한 접지 양극과만 상호작용하고 플라즈마는 전극들 사이로 국한되어 있으며 유리 기판은 동일한 방식으로 코팅되어 있습니다.
그러나 현실 세계에서는 RF 전극들 간의 원치 않는 상호작용(크로스토크)으로 인해 플라즈마가 의도하지 않은 영역으로 흔히 이탈합니다. 부분 압력, 총 압력, 시스템과 차폐 설계에 따라, 플라즈마가 전극 위 또는 아래 영역으로까지 이탈할 수 있습니다. 기판 또는 공정 장비를 훼손할 수 있을 정도의 아크가 발생할 수 있습니다. 차폐 또는 가스 공급장치와 같은 챔버 소자 부근에서 전류를 전도하여 RF 전극들 간의 원치 않는 전기 연결을 강화할 수 있는 심각한 문제가 발생할 수 있습니다. 그러나 다양한 챔버 소자의 영향 없이도 전극 크로스토크가 발생하여 이러한 유형의 공정이 제공할 수 있는 처리량 향상 혜택을 실현하지 못할 수 있습니다.
솔루션: CEX 및 위상 변이
이러한 공정 셋업에 내재된 문제가 상당할지라도, 여전히 여러 개의 RF 전극 인라인 배치 시스템이 제공하는 처리량 향상을 구현할 수 있습니다. 다음에서는 전극 크로스토크, 이와 관련된 플라즈마 이탈을 완화시켜 주는 주요 전략에 관해 설명합니다.
CEX
무엇보다, RF 전원 공급장치를 동기화하는 것이 중요합니다. Cesar® RF 전원 공급장치와 기타 AE 제품에서 제공하는 CEX(Common Exciter Oscillator) 기능은 RF 출력을 동기화합니다. 그림 1에서 양극들은 접지에 연결되어 있기에 접지 전위에 있습니다. 일반적으로 그림 1의 맨 왼쪽 전극이 0°에, 중간 전극이 180°에, 맨 오른쪽 전극이 0°에 위치하도록 음극을 교대로 배치하여 셋업합니다. 다른 시스템들은 모든 전극들 간에 0° 위상 변이를 요구합니다. CEX를 이용하는 경우에만 가능한 그림 1의 이상적인 상황에서 플라즈마는 양극과 음극들 간에 분리되어 있습니다. CEX를 이용하지 않는 경우, 플라즈마 전위는 임의적이며 전극들 간에 원치 않는 상호작용이 발생할 수 있습니다.
AE의 Cesar RF 전원 공급장치는 CEX를 이용하여 최대 6개의 전원 공급장치를 동기화할 수 있습니다. 공정에 6대 이상의 RF 전원 공급장치를 이용하는 경우, 모든 전원 공급장치에 연결된 외부 CEX가 동일 결과를 낳습니다.
위상 변이
CEX로 RF 전원 공급장치를 올바르게 동기화한 후에도 크로스토크, 이와 관련된 문제들이 지속적으로 발생하는 경우, RF 출력의 위상을 “세부 조정”하는 위상 변이기를 추가로 사용해야 할 시스템 특유의 상황이 존재할 수 있습니다. 일반적으로 CEX는 RF 출력 위상을 0 또는 180°로 정확히 설정합니다. 이는 보통 플라즈마를 국지화하고 RF 크로스토크와 관련된 문제를 없애줍니다. 그러나 각 공정은 독특합니다. 챔버 구성, 고정 장치의 전도성, 전원 공급장치들의 케이블 길이에서의 차이, 기타 상황들이 180° 위상 변이가 이상적이지 않을 수 있는 상황을 야기할 수 있습니다. 일부 공정에서는 180° 대신 179 또는 178° 변이를 사용해야 할 수 있습니다. 이 경우, 공정 또는 시스템 특유의 특성을 고려하여 가장 최선의 플라즈마 국지화를 달성하기 위해 CEX를 위상 변이와 함께 이용해야 할 수 있습니다.
구현
CEX만을 이용하여 RF 크로스토크 문제를 해결하거나, 또는 복수 RF 전극 인라인 배치 시스템이 제공하는 처리량 향상의 잠재력을 완벽히 구현하기 위해 2단계 CEX + 위상 변이기 솔루션을 이용해야 할 수 있습니다. AE 어플리케이션 엔지니어들은 특정 공정에 이상적인 위상 변이 파악 등 상기 설명한 솔루션 구현에 상당한 경험을 보유하고 있습니다. 또한 귀사의 질문에 답변하고 귀사의 특정 시스템에 이 솔루션을 셋업하는 데 직접적인 도움을 제공할 수 있습니다. 자세한 정보는 당사에 문의하십시오.
AE의 태양열 전문가 켄 나우만(Ken Nauman)과 덕 펠레이마운터(Doug Pelleymounter)는 PV 생산에 이용되는 공정에 관한 총 45년간의 경험을 보유하고 있습니다. 여기서 나우만과 펠레이마운터는 태양열 업계의 가장 긴박한 생산 문제에 관한 조언을 제공합니다.
여러분의 고견을 듣고자 합니다! 태양열 관련 질문과 의견을 PVSunTimes@aei.com으로 보내주십시오.
- 저에게는 AE의 태양열 제품군이 생소합니다. AE는 PV 생산에 어떠한 혜택을 제공할 수 있습니까?
- 우리 회사는 시작 단계의 회사로, 한 번에 다량의 장비를 주문해야 합니다. AE가 짧은 시간 내에 제가 필요로 하는 장비를 모두 제공할 수 있습니까?
- 제가 왜 진공 기반 생산 공정을 선택해야 합니까? 인쇄, 증발과 같은 이용 가능한 다른 PV 제조방법과 비교해, 진공 기반 생산 공정이 제공하는 혜택은 무엇입니까?
- 저는 CIGS 공정을 실행하고 있으며 마지막 레이어가 TCO입니다. TCO 레이어 아래의 활성 레이어의 약화를 막기 위해 TCO 공정 온도를 제어하는 데 도움이 될 제안사항이 있습니까?
- 저에게는 AE의 태양열 제품군이 생소합니다. AE는 PV 생산에 어떠한 혜택을 제공할 수 있습니까?
답변: 어디서부터 시작할까요? AE는 무정형 실리콘, 미정질 실리콘, CIGS, CdTe 등과 같은 주요 박막 기술용 솔루션뿐만 아니라 수정 실리콘, 웨이퍼 기반 태양광 솔루션을 제공합니다. 당사는 업계에서 가장 광범위한 제품군을 공급하기에, DC에서 최고 60 MHz의 전원 공급장치, 온도 측정장치, 다양한 가스/증기/압력 제어 제품 등 모든 PV 생산 단계에 효율적인 솔루션을 제공할 수 있습니다. 이 제품들은 정밀도를 개선하고 결함을 방지하며 처리량을 향상시켜 주는 25년 간의 혁신적인 솔루션을 토대로 고도의 설계와 기술을 제공합니다. 사실 20여년 동안 태양광 장치를 개발, 생산해 온 기업들은 당사 제품을 선택했습니다. 그러나 당사는 제품과 기술 이상의 것을 제공합니다. 바로 전문가 어플리케이션 지원, 세계 일류 생산시설, 확고한 글로벌 영업 및 지원 인프라 등을 제공합니다.
자세한 정보는 AE의 태양열 시장 웹 페이지를 참조하십시오.
표1. 태양광 생산용 AE 제품
- 우리 회사는 시작 단계의 회사로, 한 번에 다량의 장비를 주문해야 합니다. AE가 짧은 시간 내에 제가 필요로 하는 장비를 모두 제공할 수 있습니까?
답변: 새로운 박막 공정이 대두한지도 여러 해가 되었기에 지금은 매우 흥미로운 시기입니다. 신흥 태양열 시장의 한 가지 장점은 기존의 인접 시장에서 개발한 모든 것을 활용할 수 있다는 점입니다. 이에는 장비 생산, 지원을 위한 인프라뿐만 아니라 기술도 포함되어 있습니다. 반도체, FPD, 산업 코팅 시장 등에서의 AE의 제품은 상당한 생산 역량을 개발할 수 있게 해주었습니다. 당사는 새로운 태양열 생산 공정에 필요한 30 메가와트 이상의 제품 등 다양한 크기의 제품 주문을 효율적으로 처리하기 위해 중국 심천의 세계 일류 시설에 공정, 시설, 벤더, 기타 필요 자원을 구비해 놓았습니다.
장비 이외에, 당사는 귀사의 새로운 생산 공정의 성공에 필요한 지원을 제공합니다. AE 어플리케이션 엔지니어들은 공정 개발, 셋업, 최적화, 문제 해결을 돕기 위해 대기하고 있습니다. 이들은 다양한 시장, 양산 기술, 공정 조건에 대한 광범위한 경험을 토대로 귀중한 통찰력과 전문지식을 제공합니다.
세계 주요 생산시설에 영업 및 서비스 사무실을 두고 있는 AE는 태양열과 같은 전세계 산업계에 제품과 서비스를 효율적으로 제공하기 위한 글로벌 인프라도 구비하고 있습니다. 예를 들어, 귀사가 유럽에 소재한 경우, 현지 사무실이 편리한 인근 장소로부터 귀사를 지원할 수 있습니다. 마찬가지로, 귀사의 고객이 아시아에 위치한 경우, 귀사가 아시아 전역에서 함께 일할 수 있는 다수의 당사 사무실이 있습니다.
그림 2. 중국 심천의 AE의 세계 일류 생산시설은 새로운 태양열 생산 공정의 엄청난 장비 필요를 신속하게 충족시켜 줄 수 있습니다.
- 제가 왜 진공 기반 생산 공정을 선택해야 합니까? 인쇄, 증발과 같은 이용 가능한 다른 PV 제조방법과 비교해, 진공 기반 생산 공정이 제공하는 혜택은 무엇입니까?
답변: 오늘날 PV 생산에 이용되는 방법에는 스퍼터링(PVD), PECVD, 인쇄, 증발 등이 있습니다. 그러나 PVD, PECVD와 같은 진공 기반 공정은 다른 방법이 제공할 수 없는 확실한 혜택을 제공합니다. 구체적으로, PVD, PECVD는 화학량론, 결정성, 기판의 균일성 등과 같은 피막 특성을 보다 정확히 제어할 수 있는 원자 수준의 제어를 제공합니다. PVD, PECVD는 또한 다른 방법보다 적은 결함을 결과합니다. 이 같은 고도의 제어는 오늘날의 태양열 패널 제조업체에 두 가지 중요한 혜택, 즉 탁월한 PV 효율성과 처리량 향상을 제공합니다.
그림 3. 단순화한 스퍼터링(PVD) 공정 그림 — 다른 PV 생산방법은 원자 차원에서 기능하는 진공 기반 공정의 정밀도를 제공할 수 없습니다.
그림 3은 스퍼터링 공정의 원자 차원 거동을 보여줍니다. 이 공정의 첫 단계(왼쪽)에서 아르곤 원자가 이온화됩니다. 가속된 전자가 비탄성 충돌에서 원자에 부딪쳐 원자로부터 전자를 제거한 후 Ar+ 이온을 만듭니다. 그 후 스퍼터링 단계(중간)에서 Ar+ 이온이 음극 표면으로 가속됩니다. 이는 충분한 에너지와 부딪혀 타깃 재료를 제거합니다. 마지막 단계(오른쪽)에서 타깃 재료가 기판 표면에 도달해 박막으로 증착됩니다. 스퍼터링에 관한 자세한 정보는 Sputter Spotlight® E-뉴스레터를 참조하십시오.
진공 기반 공정 이용의 또 다른 혜택은 PVD와 PECVD 영역에서 PV 생산에 직접 적용할 수 있는 상당한 전문지식과 기술 개발이 이루어졌다는 점입니다. AE는 다른 하위 시스템 제조업체와 비교해 피막 특성에 대한 탁월한 제어를 제공하는 고도의 포괄적인 제품 포트폴리오뿐만 아니라 25년 이상의 경험을 제공합니다. 예를 들어, 당사 제품들은 저결함율 달성을 지원하여 태양능 전지 효율성을 증가시킬 뿐만 아니라 고전력 생산을 가능케하여 처리량을 향상시킵니다. 고전력 생산은 대규모 기판의 성공적인 코팅을 가능케합니다. 예를 들어, Crystal® AC 전원 공급장치는 건축용 유리 어플리케이션(예: 자연형 태양열 시장용 저에너지 코팅)에 필요한 전원 레벨을 달성한 성공적인 기록을 보유하고 있습니다. 이로 인해 Crystal® AC는 PV 업계의 증대하는 기판 크기에 이상적입니다. 자세한 정보는 Design Aspects of Large-Area Coating Supplies 백서를 참조하십시오.
사실 FPD, 건축용 유리와 같은 업계용 대규모 코팅에 대한 AE의 전문지식은 대규모 PV 생산에 직접 적용할 수 있습니다. 당사는 실리콘-웨이퍼 어플리케이션인 반도체 업계에서뿐만 아니라 이들 인접 시장에서 제품, 기술, 전문지식을 연마해 왔습니다. AE는 뛰어난 양산 정밀도를 요하고 어떠한 오류의 여지도 허용하지 않는 업계인 반도체업계에서 노하우를 쌓아왔다고 할 수 있습니다. 사실 반도체는 모든 업계의 가장 소규모 공정의 창입니다. 따라서 당사의 제품과 기술은 정밀성의 개념에 따라, 즉 전지 효율성과 공정 처리량의 개선을 통해 태양열에 도움이 되도록 고안되었습니다.
- 저는 CIGS 공정을 실행하고 있으며 마지막 레이어가 TCO입니다. TCO 레이어 아래의 활성 레이어의 약화를 막기 위해 TCO 공정 온도를 제어하는 데 도움이 될 제안사항이 있습니까?
답변: 물론입니다! 열 소모 비용은 오늘날의 다수의 생산 어플리케이션에 긴박한 문제 중 하나입니다. 독자들을 위한 배경 지식을 드리자면, 대부분의 PV 생산 공정에서는 어떤 다른 레이어를 증착하기 전 제일 처음에 TCO 레이어를 증착합니다. 그러나 CIGS (및 일부 박막 Si) 태양능 전지의 경우, TCO를 제일 마지막으로 증착합니다. 전기 전도성이 온도의 영향을 비교적 받지 않기에 냉간 공정으로 증착할 수 있는 금속 레이어와는 달리, TCO의 전도성은 열의 영향을 많이 받게 됩니다. 충분한 전도성을 생성하기 위해, 일반적인 TCO 공정은 고온에서 실행됩니다. 문제는 TCO를 마지막으로 증착하는 CIGS 공정의 경우 모든 이전 레이어들의 열 소모 비용을 초과할 수 있다는 것입니다. 지나친 고온은 TCO 아래의 활성 레이어 내 불순물의 확산을 야기하여 PV 성능을 크게 약화시킬 수 있습니다. 또한 기판이 온도에 민감한 경우, 이는 일반적인 TCO 증착 공정 온도보다 낮은 온도에서 녹을 수 있습니다. 이것이 바로 유연한 폴리머 기판 특유의 문제입니다.
그림 4. CIGS 태양열 패널의 경우, 마지막으로 증착된 레이어가 TCO인 반면 a-Si, CdTe 패널의 경우 제일 먼저 증착된 레이어가 TCO입니다. 이는 CIGS 생산에 열 관련 문제를 야기합니다.
그렇다면 이 어려운 상황에 대한 해답은 무엇입니까? 활성 레이어의 확산이나 기판 융해를 야기하지 않고 양호한 TCO 전도성을 생성할 온도 범위 내에서 실행할 수 있는 전원 방법들이 존재합니다. 이는 FPD 색상 필터용 전극, 터치 패널 공정용 투명 전도체와 같이 온도 제어를 필요로 하는 다른 공정에서 성공한 일반적인 방법들입니다. 귀사의 온도에 민감한 공정의 효과적인 솔루션에 관한 추가 정보는 당사에 문의하십시오.