플렉서블태양전지(flexible solar cell)기술

[서민석]

플렉서블 태양전지(Flexible Solar Cell) 기술

1. 플렉서블 태양전지(Flexible Solar Cell) 기술

기존의 상용화된 대부분의 태양전지는 웨이퍼나 글라스와 같은 단단한 기판 위에 태양전지가 형성되어 있기 때문에 어느 정도 힘을 주어 구부리게 되면 형태가 변하거나 부서지게 된다. 하지만, 차세대 태양전지로 연구가 한참 진행 중인 플렉서블 태양전지(Flexible Solar Cell)는 마음대로 구부리거나 휠 수 있는 태양전지이다. 따라서 상황에 따른 형태의 변형이 가능하고, 유연성을 위해 주로 박막형 태양전지가 유연성 기판 위에 구성되므로 가볍고 휴대성도 매우 뛰어나다. 이러한 Flexible한 태양전지가 구현 가능하게 된 원동력은 박막형 태양전지 제조기술의 발전과 Flexible 기판의 발전에 기인한다.

그림 1. 기판에 따른 태양전지

(a) Rigid Solar Cell      (b) Flexible Substrate       (c) Flexible Solar Cell 

유연(Flexible) 태양전지는 Substrate의 유연성 여하에 따라 결정된다. 따라서 유연 태양전지 제조가 가능한 유연성 Substrate의 개발이 선행되어야 한다. 또한 유연 태양전지의 제조기술은 기본적으로 박막형 태양전지 제조 기술에 근간을 두고 있다. 즉, 전체적인 제조기술은 박막 태양광전지의 제조기술과 크게 다르지 않고 어떤 종류의 Substrate를 사용하는 가에 따라 그 제조 기술이 결정된다고 하겠다. 유연 태양전지에 사용되는 박막태양전지의 소재는 유기/polymer계 소재, 유무기 복합계 소재, 박막 Si, 박막 CIS계 등 매우 다양하지만 이들의 제조기술은 박막 태양전지 제조기술과 크게 다르지 않다.

2. 유연성 기판(Flexible Substrate)의 기술 동향

플렉서블 태양전지는 유연성 기판의 종류에 따라 박막 태양전지의 최고 공정 온도 등 제조공정제한성이 결정 되는 등 기판은 플렉서블 태양전지에 중요한 요소로 여겨지고 있다. 이번 장에서는 이러한 플렉서블 태양전지에서 유연성 기판에 대해 보다 자세히 알아보기로 한다.

1) 플렉서블 기판의 종류
현재 주로 3가지 종류(메탈호일, 박형 유리, 플라스틱 기판)의 플렉서블 기판이 플렉서블 태양전지의 구현을 위해 검토되고 있으며, 각각의 장단점으로 인해 응용성에서 많은 차이를 보이고 있다.

①  박형 유리 (Ultra-Thin Glass)
박형 유리는 기존에 사용되던 유리(보통 두께, 700 ㎛)를 박형 (50 ~ 100 ㎛)화 한 소재로서 3 종류의 플렉서블 기판 중에서 가장 저렴하고 투명하며, 표면 평탄도가 양호하고, 수분 및 산소에 대한 패캐징 박막을 별도로 도입할 필요성이 없다는 장점 이외에 원가 절감 및 공정성 확보가 용이하다는 특징을 가지고 있다.

그림 2. 박형 유리의 유연성

(출처: David Tammaro, Corning Glass,2003)

박형 유리가 기판으로서 물리적, 화학적 장점을 가지고 있지만, 내충격성이 취약해 공정성 및 취급 시 많은 문제점을 안고 있다. 이 같은 문제점을 해결하기 위 Schott Glass는 박형 유리의 단면 혹은 양면에 고분자 수지를 3 ㎛ 정도 코팅하여 내충격성을 보완하였으며 이런 다층 박형 유리의 경우 250 ℃까지 내열성 확보가 가능하다고 보고하였다. Phillips는 박형 유리에 TFT를 제작하였다. Schott Glass는 12“ square의 박형 유리 생산을 위한 pilot 라인을 가지고 곧 (370 x 470 mm2) 크기로 생산 규모를 확장할 예정이다.

②  메탈 호일(Metal Foil)
메탈 호일은 표준 CMOS 공정이 온도, 화학처리 조건 등의 변경 없이 적용이 가능하여, 고성능의 디스플레이, 드라이버 회로 (Driver Circuit) 제작에 가장 적합한 플렉서블 소재이다. 따라서 유연 태양전지에의 적용도 검토되고 있다. 하지만 표면의 평활도가 대부분의 플라스틱, 유리에 비해 떨어지고 작은 휨에도 주름이 기판 상에 생기기 쉽다는 단점이 있다.

그림 3. Flexible Stainless Steel

(출처: United Solar Ovonics)

투명한 소자가 요구되지 않는 경우 내충격성을 확보하면서 유리에 가까운 물성을 요구할 경우 적용이 검토될 수 있다. 여러 소재 중에서 보통 부식 문제 때문에 스테인리스 스틸 (stainless steel)이 가장 많이 검토되고 있으며, 소자 형성 전 전기적 절연성 및 표면의 평탄도를 확보하기 위해 절연체를 코팅하는 과정이 부수적으로 필요하다는 단점이 있다.

③  플라스틱(Plastic)
플렉서블 전자소자의 구현을 위한 가장 적합한 소재로 플라스틱 기판은 오래 전부터 주목을 받아오고 있다. 플라스틱 기판은 앞서 언급한 두 종류의 기판 소재에 비해 무게가 가볍고, 가공이 용이해 형태의 제약이 거의 없다는 점과 산업적으로 저가격화 실현을 위한 연속 공정 특히 최근 활발히 연구가 진행되고 있는 R2R(Roll-to-Roll) 공법에 가장 적합한 소재라는 특징을 가지고 있다.

다음 표에는 3가지 종류의 플렉서블 기판의 주요 특성들을 서로 비교하였다.

표 1. Stainless Steel, 플라스틱, 유리기판의 특성 비교

Property (㎛)	Stainless Steel	플라스틱	유리
Thickness (g/㎡)	50~100	100~200	100
Weight (㎝)	800	120	220
Safe bending radius	4	4	4
RTR processable	yes	likely	unlikely
Visual tarnsparent	no	some	yes
Max. process temp. (℃)	1000	120,180	600
TCE (ppm/℃)	10	20~70	4
Elastic modulus (GPa)	200	5	70
Permeable O2, H2O?	no	yes	no
Coeff Hydrolytic Exp (ppm/% RH)	none	11,11	none
Pre-bake required	no	yes	no
Planarization necessary	yes	maybe	no
Buffer layer necessary	yes	maybe	no
Electrical conductivity	high	nene	none
Thermal conductivity (W/m ℃)	16	0.1~0.2	1
plastic encapsulation substrate thickness for TFTs inneutral plane	8*	1*	5*
Deform after device fabrication	no	yes	no

(출처: Ovonics 2006)

2) 플라스틱 기판의 종류
현재 적용이 검토되고 있는 플라스틱 기판의 종류 및 각 기판의 제조업체를 정리하면 표 2와 같다. 플라스틱 기판 소재는 선진 화학 업체를 중심으로 상업화 연구가 진행 중에 있으며, 특히 소재의 열적, 광학적, 기계적 특성을 향상시키기 위한 연구가 주류를 이루고 있다. 플라스틱의 물리적, 화학적 물성은 사용목적과 응용 범위에 따라 각각 다른 관점이 있을 수 있으며, 본 자료에서는 플렉서블 태양전지의 구현을 위한 기판 관점에서 살펴보았다.

다음 표 2는 각종 플라스틱 기판의 특성과 제조업체를 정리하였다.

표 2. 플라스틱 기판의 종류 및 제조업체

Materials	Color	Maker
PC(Polycarbonate)	Clear	Teijin Film(Japan)
		GE(USA)
		Mitsubishi Engineering(Japan)
PET	Clear	General Atomics(USA)
(Polyethylene Teraphthalate))		Mitsubishi Chemical(Japan)
PES(Polyether Sulfone)	Clear	i-Components(Korea)
		Sumitomo Bakelite(Japan)
PI(Polyimide)	Orange	DuPont(USA)
	Clear	Mitsubishi Gas(Japan)
Polynorbonene	Clear	JSR(Japan)
PEN (Polyethylene Naphthalate)	Clear	DuPont Taijin Film(Japan)
Arylite	Clear	Ferrania Image System(Italia)

 ① PC 기판
PC는 우수한 광학적, 기계적 특성을 가진 플라스틱이지만 내화학성(특히 Ketone계)이 취약하다고 알려져 있으며, 따라서 사용 용매(PR developer, PR remover, metal etchant, 세정(cleaning) 용매)에 많은 제약이 따르게 된다. 이 같은 문제점을 해결하기 위해 PC 기판의 경우 기판의 양면에 내화학성을 확보하기 위해 내화학층(Chemical Resistancelayer) 혹은 HC층을 별도로 형성할 필요성이 있다. 일반적인 플라스틱 기판 소재의 공통적인 문제점일 수 있으나 열팽창계수(CTE)가 무기물에 비해 10배 정도 크다는 점과 기존의 유리에 비해 저온 공정(최대 사용 온도 범위, 150~180°C)으로 진행해야 한다는 단점이 있다.

그림 4. PC의 구조식

② PET 기판
세미 결정성 고분자인 PET는 Tm이 낮아 비교적 낮은 온도에서 용융성을 확보할 수 있고, 저렴한 공정ㆍ제조 비용으로 플라스틱 기판 성형이 용이하여 오랜 전부터 기판 적용이 검토되었다. PET와 같은 세미결정성 플라스틱은 내화학성 측면에서는 무정형 고분자보다 우수하며, 흡습성이 낮아 공정 시간 단축에 유리한 점은 있으나, 낮은 Tg, Tm에 기인한 취약한 열적 안정성으로 인해 실제 적용에는 어려움이 있다.  또한 PET 기판은 광학적으로 TD, MD 방향으로 이방성을 보이므로 LCD와 같은 편광판을 사용하는 디스플레이의 기판으로서는 적용이 불가능하다. 더욱이 150도 이상의 열처리에 의해 PET분자 사슬의 재결정화가 일어나 국소적으로 기판이 뿌옇게 되는 백탁(whitening) 현상이 일어나 기판의 광학 투과도가 저온 열처리에 의해서도 저하되는 문제점을 안고 있다.

그림 5. PET의 구조식

④  PES 기판
플라스틱 기반으로서 일본의 Sumitomo Bakelite사에 의해서 최초로 상업화된 PES는 다른 플라스틱 기판과 달리 두드러진 단점을 보이지 않는 기판으로 가장 활발히 적용이 검토되고 있다. 그러나 Ketone계 용매에 대해서 내화학성이 취약하고 앞서 소개된 두 기판과 같이 유리에 비해 CTE가 높고, 최대 공정 온도(180°C)가 낮다는 단점 이외에 흡습성이 비교적 큰 플라스틱으로서 물과 접촉하거나 공기 중에 장시간 방치했을 경우에는 탈수(Dehydration) 공정이 추가로 필요하다는 어려움이 있다. 또한 PES 기판 제조에 필요한 PES pellet을 제조하는 업체가 전 세계적으로 3곳(BASF, Sumitomo Bakelite, 솔베이)에 불과해서 기판 원료의 수급에 어려움이 있고, 이에 따라 PES 기판의 판매 가격이 현재 유리 가격에 비해서 월등히 높다는 문제도 안고 있다.

그림 6. PES의 구조식

⑤  PI 기판
PI는 DuPont사에서 1960년대 후반 상업화된 이후 우수한 내화학성, 내열성으로 인해 전기, 전자 부품 등에 폭넓게 응용이 되고 있는 플라스틱으로서 최근 이들의 물성에 주목해 이들을 플렉서블 기판으로 적용하고자 하는 노력이 있다. PI는 앞서 언급한 PES보다도 더 큰 흡습성(약 3배)을 보이는 소재로서 공정 중에 적절한 탈수 과정의 도입이 요구된다. PI의 분자사슬 내의 이미드(imide) 그룹은 내열성을 부여하는 그룹일 뿐 아니라 소재의 광학 특성을 떨어뜨리는 원인이 되며, 이 이미드 그룹의 존재로 인해 일반적인 PI 기판은 짙은 노란색을 띠게 된다. 따라서 PI의 광투과도는 550 nm의 가시광선에 대해 ~30% 전후에 불구하며 이 같은 수치는 앞서 언급한 PES 및 PC의 ~90%와 큰 차이를 보이게 되는데 이런 광학적 특성은 디스플레이용 기판 소재로서 PI의 응용성에 큰 제약이 되고 있다. 이에 최근 PI의 분자사슬 변화를 이용해 광학적으로 투명하면서, 높은 Tg(> 300 °C)를 가진 PI 기판이 Mitsubishi Gas(주)에 의해서 개발되어 Neopulim?L이라는 상품명으로 선보이고 있다. 광학적 특성은 유연 태양전지에 있어서는 그다지 큰 문제점이 되지는 않는다.

그림 7. PI의 구조식

⑤ PEN 기판
PEN은 앞서 언급한 PET와 유사한 거동을 보이는 광학적 이방성을 가진 플라스틱으로서, 열적 안정성 측면에서는 많은 문제점을 안고 있지만, 최근 많은 발전이 있어 Phillips의 경우 PEN을 이용한 연구 결과를 발표하였다. 가격이 저렴하고, CTE가 무기물에 비해서 높기는 하지만 다른 플라스틱 소재에 비해서 가장 낮은 수치를 보이므로 PEN을 플렉서블 전자소자 특히 디스플레이 소자의 구현을 위한 가장 적합한 소재로 보는 견해도 있다.

그림 8. PEN의 구조식

⑥ AryLite 기판
AryLite 기판은 이탈리아의 Ferrania Image System사가 개발한 광학 기판으로 국내의 관련 기관, 업체로부터 긍정적인 평가를 받고 있다. 다른 플라스틱 기판 소재와 비교해 우수한 열적, 광학적, 화학적 특성을 보이고 있으며, 특히 CTE의 경우 앞서 언급한 PES 및 PC는 130~150 °C 부근에서부터 급격히 증가하는 경향을 보이지만 AryLite 기판은 온도의 증가에 따라 증가는 하지만 200 °C까지 선형적으로 증가하는 우수한 열적 특성 곡선을 보여준다.

3. 유연성 태양전지 제조기술
 
그림 9는 유연 태양전지의 한 형태인 bulk hetero-junction solar cell의 구조도이다. 박형 glass나 plastic 기판 위에 양극(ITO)을 쌓고, 그 위에 hetero-junction (polymer-fullerene, polymer-polymer, polymer-inorganic)의 active layer를 쌓은 후 마지막으로 음극(metal cathode)을 쌓아 올린 형태의 태양전지이다. Spin coating을 이용해 active layer의 간단한 제작이 가능하고, 박막화가 가능한 device이다.  Plastic 기판을 이용할 경우에는 유연성 태양전지(Flexible solar cell) 제작도 가능하다.

유연성 태양전지(Flexible solar cell)를 생산하기 위한 주요 공정기술로는 R2R(Roll-to-Roll)공정과 PECVD공정이 적용되고 있으며 생산 공정 자체가 반도체를 만드는 공정보다는 신문을 생산하는 공정과 유사한 편이다. 이러한 R2R공정을 태양전지에 적용하기 위해서는 유기반도체 재료를 사용하여 태양전지를 제작하게 된다. 또한, 저가격, 박막기판 사용 가능, 반투명 구현이 가능하여 응용 분야가 넓고 대면적의 용이한 코팅 기술로 공정이 무기질 태양전지에 비하여 단순하고 라미네이션 패키지가 가능하며 경제성과 기술적인 면에서 여러 가지 생산 장점을 보유하고 있다.

그림 9. Bulk hetero-junction solar cell 구조

그림 10은 독일 FLISOM 사의 R2R공정 모식도와 R2R공정으로 제작된 플라스틱 기반 화합물 태양전지(compound copper-indium-gallium-diselenide solar cell) 제품을 각각 나타낸다. R2R 공정기술은 이미 전자 디스플레이 분야에서 어느 정도 확립해 놓은 상태이기 때문에 상용화 발전단계가 빠를 것으로 예상되고 있다. 특히 고효율 저가격 달성 가능성이 가장 큰 유기 태양전지는 반도체강국의 제2의 대안으로 될 것으로 예상되고 있으며, 유기 반도체의 파급효과가 커 각국에서 대규모 연구를 수행하고 있으나 무엇보다도 1990년부터 본격적인 전도성 고분자 연구가 시작되어 선진국과 기술 격차도 크지 않으며 기술 개발 시 고부가가치의 블루 오션 진입이 가능하고 기술의 공공성이 큰 장점을 가지고 있다. 현재 실용화되어 있는 유기반도체 재료로는 프린터용 유기 감광제, 액정 등 전자소자 및 OLED 등도 있으며, 최근 OLED 나 TFT 등 유기반도체 재료와 관련한 기술이 크게 발전하고 있어 유기 반도체 재료를 사용하고 있는 플렉서블 유기태양전지의 발전 가능성이 클 것으로 예상된다.

그림 10. 독일 FLISOM 사의 R2R공정 모식도와 Flexible CIGS 태양전지 제품

(출처: Flisom)

Written by Mark | 2009-05-06