[논문]태양전지 제조용 세정장비의 건조모듈 유동해석

홍주표; 임기섭; 윤종국

태양전지 제조용 세정장비의 건조모듈 유동해석
Flow simulations of the wet station dryer module for the solar cell manufacturing 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.10 no.2, 2011년, pp.109 - 113

홍주표 (한국기술교육대학교 디자인공학과) , 임기섭 (한국기술교육대학교 대학원 디자인공학과) , 윤종국 (엠파워(주))

Abstract ▼ AI-Helper

Hot air flow simulations of the wet station dryer module for the solar cell cleaning were conducted. Air incident angles such as to the substrates ($45^{\circ}$), to the bottom ($90^{\circ}$), and to the wall ($135^{\circ}$) were considered. Based on the simulated velocity and temperature profiles, appropriate incident angle was proposed, and it was well matched to experimental results. Additionally, uniform and non-uniform air hole sizes of the tube were compared for the uniform air flow distribution through the batch.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 결정형 실리콘 태양전지 제조용 배치형(batch type) 세정장비 시스템 중 건조모듈의 개발에 있어 열풍(hot air)의 모듈 내 유동해석을 통한 튜브의 설계 혹은 최적화를 목적으로 하였다. 이를 위해 열풍의 배출 각도에 따른 유동해석을 통해 속도와 온도 측면에서 웨이퍼 건조 능력을 검토하였으며, 제안된 최적각도에 따른 해석결과와 실험결과를 비교하였다.

가설 설정

경계 조건으로 일정한 압력으로 기체가 유입된다고 설정하였고, 출구에서는 대기압 정압 조건을 사용하였다. 즉, 80(353.

제안 방법

태양전지 제조기술 중 세정공정장비의 개발에 있어 건조모듈에 대한 유동해석을 실시하여 적절한 열풍 각도 및 홀 크기를 제안하였다. 건조모듈 내부에 위치하는 태양전지용 웨이퍼 100매에 대한 균일한 건조 형태를 확보하기 위해 상단의 열풍 튜브의 유체 배출 방향을 다양하게 변화시켜서 수치적으로 해석하였다. 즉, 모듈 내부 수평면을 기준으로 웨이퍼 쪽 하향(45°), 수직 하향(90°), 벽면 하향(135°)으로 변화시켰을 때의 속도 및 온도 분포를 살펴 건조성능을 예측하였으며, 이를 기반으로 적정 열풍 배출 각도를 제안하였다.
이를 위해 열풍의 배출 각도에 따른 유동해석을 통해 속도와 온도 측면에서 웨이퍼 건조 능력을 검토하였으며, 제안된 최적각도에 따른 해석결과와 실험결과를 비교하였다. 또한 배치형 세정공정의 단점인 카세트 내 웨이퍼 위치에 따른 세정 균일도 확보를 위한 방법으로서 홀 크기 분포에 따른 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 열풍 배출 각도 120°에 대한 해석 결과와 실험 결과를 비교하였다. 또한, 웨이퍼 카세트 내 위치별 건조 성능 차이를 극복하기 위해 튜브 홀 크기 분포에 따른 유동 특성을 검토하였다.
본 연구에서는 열풍 배출 각도 120°에 대한 해석 결과와 실험 결과를 비교하였다.
실리콘 태양전지 세정공정장비에 사용된 개념은, 가격 경쟁력 확보를 위한 생산량 증대를 위해, 단일 웨이퍼를 인라인(inline) 형태로 처리하는 매엽식(single type)보다 100매 이상의 웨이퍼가 장착된 카세트를 수조(wet bath)에 넣어 공정을 진행하는 배치형(batch type)을 채택하였다.
열풍 진입 각도에 따른 건조성능 평가를 위해 튜브 홀을 Fig. 5에서와 같이 모듈 내부방향 수평면을 기준으로 45°, 90°, 135° 방향으로 취했을 때의 유동해석을 실시하였다.
유체 배출 각도에 따른 건조 성능을 열풍의 속도 및 온도 분포를 기반으로 추정하였다. 건조 모듈 중앙을 기준으로 웨이퍼 면상에서의 건조 능력을 추정하면, Fig.
경계 조건으로 일정한 압력으로 기체가 유입된다고 설정하였고, 출구에서는 대기압 정압 조건을 사용하였다. 즉, 80(353.15 K), 3기압(294199.5 Pa)의 공기가 파이프로 진입한 후, 파이프 구멍을 통과하여 태양전지 배열 사이를 통과하고, 1기압의 환경조건을 가지는 상단 열린 방향과 하단에 위치한 파이프를 통해 배출되도록 하였다.
즉, 모듈 내부 수평면을 기준으로 웨이퍼 쪽 하향(45°), 수직 하향(90°), 벽면 하향(135°)으로 변화시켰을 때의 속도 및 온도 분포를 살펴 건조성능을 예측하였으며, 이를 기반으로 적정 열풍 배출 각도를 제안하였다.
태양전지 제조기술 중 세정공정장비의 개발에 있어 건조모듈에 대한 유동해석을 실시하여 적절한 열풍 각도 및 홀 크기를 제안하였다. 건조모듈 내부에 위치하는 태양전지용 웨이퍼 100매에 대한 균일한 건조 형태를 확보하기 위해 상단의 열풍 튜브의 유체 배출 방향을 다양하게 변화시켜서 수치적으로 해석하였다.

대상 데이터

최적화 관점에서 열풍 배출 각도를 제안하였으며, 아래에 120° 경우를 나타내었다. 사용된 유체격자는 1,732,214개, 부분 셀은 1,034,359개, 계산시간은 CPU 시간만 17시간 51분 4초였다. 이 때의 속도 및 온도의 유선 및 단면 분포를 Figs.

데이터처리

본 연구는 결정형 실리콘 태양전지 제조용 배치형(batch type) 세정장비 시스템 중 건조모듈의 개발에 있어 열풍(hot air)의 모듈 내 유동해석을 통한 튜브의 설계 혹은 최적화를 목적으로 하였다. 이를 위해 열풍의 배출 각도에 따른 유동해석을 통해 속도와 온도 측면에서 웨이퍼 건조 능력을 검토하였으며, 제안된 최적각도에 따른 해석결과와 실험결과를 비교하였다. 또한 배치형 세정공정의 단점인 카세트 내 웨이퍼 위치에 따른 세정 균일도 확보를 위한 방법으로서 홀 크기 분포에 따른 해석을 수행하였다.
제안된 각도를 바탕으로 실험에서 최적화가 진행되었으며, 완전 건조가 이루어지지 않는 1분간 부분 건조를 시행하였으며, Fig. 12에 해석 결과와 비교하였다. 태양전지는 건조 중에 잔여 물기가 계속 아래로 흐르므로 건조 형태는 해석 결과의 속도 및 온도 프로파일과 상하 대칭되는 형태로 나타나게 되며, 유동해석 결과와 카세트 내 태양전지 웨이퍼의 위치에 따른 건조 형태가 비슷한 것으로 나타났다.

이론/모형

해석 프로그램은 Solidworks Flow Simulation을 사용했다[6]. 하드웨어는 Intel Core2 Quad CPU, 메인 메모리 4GB 이상, 운영체제는 WindowsXP Professional x64 Edition을 사용하였다.

성능/효과

90° 경우는 수직 아래 방향으로 유체가 이동하면서 내부에 위치한 태양전지에 미치는 영향이 미미할 것으로 판단되었고, 135° 경우는 좌우 대칭일 것이라는 예측에도 불구하고 벽면에 대한 반동 이후 한쪽으로 치우치는 경향을 나타났으며, 실제로도 그러한 경향이 간혹 나오는 것으로 확인되었다.
웨이퍼 건조 측면에서 속도와 온도를 동시에 고려할 때, 135° 경우와 같이 파이프 홀이 벽면 방향으로 위치하는 것이 좋을 것으로 판단되었다.
12에 해석 결과와 비교하였다. 태양전지는 건조 중에 잔여 물기가 계속 아래로 흐르므로 건조 형태는 해석 결과의 속도 및 온도 프로파일과 상하 대칭되는 형태로 나타나게 되며, 유동해석 결과와 카세트 내 태양전지 웨이퍼의 위치에 따른 건조 형태가 비슷한 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	웨이퍼 건조는 무슨 단계인가?	한편, 웨이퍼 건조는 오염물질을 성공적으로 제거하기 위한 세정공정의 가장 중요한 마지막 단계이다. 물이 찌꺼기를 웨이퍼 표면에 그대로 남겨 두고 증발하기 전에 강제적으로 물기를 제거하여야만 하며, 일반적인 건조 방법으로는 원심분리, 증기건조(vapor drying), 고온물 건조 등이 있다[2].
	웨이퍼 건조에는 일반적으로 어떤 방법이 있는가?	한편, 웨이퍼 건조는 오염물질을 성공적으로 제거하기 위한 세정공정의 가장 중요한 마지막 단계이다. 물이 찌꺼기를 웨이퍼 표면에 그대로 남겨 두고 증발하기 전에 강제적으로 물기를 제거하여야만 하며, 일반적인 건조 방법으로는 원심분리, 증기건조(vapor drying), 고온물 건조 등이 있다[2].
	세정공정이란?	세정공정은 반도체, 디스플레이, 태양전지, 광반도체 제조공정에 있어 주요 공정의 전처리 공정으로 많이 사용되며 제품 성능 및 신뢰성에 직접적인 영향을 미치게 된다. 태양전지 제조공정에서는 웨이퍼 절단 결함및 표면 손상 제거(sawing damage removal, SDR) 목적으로 식각(etching) 및 표면 조직화(texturing) 공정 전에 실시한다.

참고문헌 (6)

홍주표, 김구경, 최현철, 김영균, "태양전지 세정모듈 유동해석", 한국반도체디스플레이기술학회 춘계학술대회, p.199, 2011.
이준신, 김경해, 태양전지공학, 도서출판 그린, p.114, 2009.
R. Payri, X. Margot, and F.J. Salvador, "A Numerical Study of the Influence of Diesel Nozzle Geometry on the Inner Cavitating Flow," SAE 2002 World Congress and Exhibition, 2002-01-0215.
A. Tomiyama and N. Shimada, "A Numerical Method for Bubbly Flow Simulation Based on a Multi-Fluid Model," J. Pressure Vessel Technol., Vol.123, No.4, pp.510-516, 2001.
S. Roy, R. Raju, H.F.Chuang, B.A.Cruden, and M. Meyyappan, "Modeling gas flow through microchannels and nanopores," J. Applied Physics, Vol.93, pp.4870-4879, 2003.
Solidworks Flow Simulation 2010 Technical Reference.

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