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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 PV cell 상부면은 IR 램프를 이용하고 하부면은 hot plate를 이용하여 솔더링하는 방식은 PV cell의 열변형이 적게 발생하는 장점이 있으므로 IR 램프를 이용한 비접촉식 태양전지셀 솔더링 장치를 개발하고저 한다.
제안 방법
- Fig. 11과 같이 운전 조작반을 통해 설정한 솔더링 온도프로파일에 기초하여 정확한 온도제어가 이루어질 수 있도록 솔더링 공정 중 온도변화를 적외선 온도센서를 통해 측정하고 실시간으로 피드백하여 적외선 램프의 전류출력을 정확히 제어함으로써 가열로 인한 온도변화에 따른 현재 온도와 온도프로파일과의 오차를 줄일 수 있도록 하였다.
- HMI touch panel의 조작을 통해 솔더링 온도 프로파일 설정, 램프의 on/off, 대기상태에서의 램프출력, 셀 하부의 예열히터 on/off 및 온도제어 등 시스템의 모든 제어가 가능하며 현재 작업상황과 주요 파라미터를 표시하여 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 하였다. 또한 매 공정마다 시간에 따른 온도 프로파일을 자체 저장하며 필요한 경우 PC로 전송할 수 있다.
- 태양전지셀의 솔더링 온도를 적외선 온도센서를 통해 피드백 받아서 설정된 솔더링 온도 프로파일과의 오차에 대한 제어값으로 적외선 램프의 전류를 실시간으로 제어하는 솔더링 온도의 폐루프 제어시스템을 구현하였다. HMI 운전 조작반에 의해 쉽게 운전되고, 적외선 램프 전류 제어기에 의해 IR 램프 열원이 제어되고, PLC 에 의하여 이송부가 제어되는, IR 램프 열원을 사용한 태양전지셀의 비접촉식 솔더링 장치를 개발하였다. Fig.
- 이는 램프와 조사면적의 거리, 램프 설치부 주변의 반사면 형태에 따라 달라진다. IR lamp 솔더링 시스템의 최적 조도 분포를 가지게 하는 반사부 형상 및 조사거리 결정을 위해 Photopia를 이용하여 가장 우수한 조건을 고찰하였다. 본 연구에서 선정한 IR 램프의 주요 사양은 Table 1과 같다.
- IR 램프의 반사부는 Photopia를 활용하여 각 형상에 대한 조도 분포를 해석하여 최적인 원호 형상으로 설계하였다. 태양전지셀의 솔더링 온도를 적외선 온도센서를 통해 피드백 받아서 설정된 솔더링 온도 프로파일과의 오차에 대한 제어값으로 적외선 램프의 전류를 실시간으로 제어하는 솔더링 온도의 폐루프 제어시스템을 구현하였다.
- IR램프와 조도측정 지점 사이의 거리를 30mm로 하고 반사부를 원호 형상(Fig. 3), 삼각 형상, 사각 형상의 반사부의 기하학적 형상에 대한 조도 분포를 해석하였다.
- 교류전원을 사용하는 IR 램프의 출력을 제어하기 위해서는 시간에 따라 크기와 방향이 주기적으로 변하는 교류전원의 제어가 가능하도록 트라이악(triac) 소자를 이용한 위상제어 방식을 사용하였다. 안정적인 교류전력 제어를 위해 AC정현파가 0을 지나는 지점에서 트라이악의 스위칭이 이루어질 수 있도록 제로크로스(zero cross) 검출회로를 구현하였으며, 이 검출회로는 양방향 포토트랜지스터(photo-transistor)를 사용하여 AC정현파가 0을 지나는 지점에 대한 펄스신호를 얻을 수 있으며 이 펄스신호를 동기신호로 하여 트라이악의 게이트 단자 트리거주기를 조절하여 IR 램프의 출력을 제어한다.
- 기준온도를 95℃로 설정하였으며, 방사율은 0.6~0.95범위에 0.5 단위로 총 8개 구간에 대해 한 구간에서 10번 측정을 한 후 적외선 열화상 카메라의 방사율을 다음 구간으로 변경하여 동일한 데이터 획득과정을 반복하였다.
- 7과 같이 피사체의 조사 면적(30×156mm)에 가장 근사하고 균일한 조도분포를 보이는 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 램프와 피사체 간의 거리는 25mm, 램프와 반사부 간의 거리는 15mm로 설계하였다.
- 교류전원을 사용하는 IR 램프의 출력을 제어하기 위해서는 시간에 따라 크기와 방향이 주기적으로 변하는 교류전원의 제어가 가능하도록 트라이악(triac) 소자를 이용한 위상제어 방식을 사용하였다. 안정적인 교류전력 제어를 위해 AC정현파가 0을 지나는 지점에서 트라이악의 스위칭이 이루어질 수 있도록 제로크로스(zero cross) 검출회로를 구현하였으며, 이 검출회로는 양방향 포토트랜지스터(photo-transistor)를 사용하여 AC정현파가 0을 지나는 지점에 대한 펄스신호를 얻을 수 있으며 이 펄스신호를 동기신호로 하여 트라이악의 게이트 단자 트리거주기를 조절하여 IR 램프의 출력을 제어한다. 이때 제어기와 적외선램프 부하사이에 절연을 위한 포토트라이악을 사용하여 두 회로는 전기적으로 분리된다.
- IR 램프의 반사부는 Photopia를 활용하여 각 형상에 대한 조도 분포를 해석하여 최적인 원호 형상으로 설계하였다. 태양전지셀의 솔더링 온도를 적외선 온도센서를 통해 피드백 받아서 설정된 솔더링 온도 프로파일과의 오차에 대한 제어값으로 적외선 램프의 전류를 실시간으로 제어하는 솔더링 온도의 폐루프 제어시스템을 구현하였다. HMI 운전 조작반에 의해 쉽게 운전되고, 적외선 램프 전류 제어기에 의해 IR 램프 열원이 제어되고, PLC 에 의하여 이송부가 제어되는, IR 램프 열원을 사용한 태양전지셀의 비접촉식 솔더링 장치를 개발하였다.
- 태양전지셀이 공급되어 이송되는 파트는 heating plate가 내장되어 태양전지셀이 투입됨과 동시에 후면 가열을 진행하여 솔더링 공정에 들어가기 전 약 80℃ 온도로 예열되며 156×156mm 크기를 가지는 2개의 태양전지셀을 직렬로 솔더링할 수 있도록 최대 배열(string)은 2개로 구현하였다.
대상 데이터
- IR램프 가열 방식은 태양전지셀의 bus bar당 1개, 총 2개의 램프로 동시 가열되는 방식으로 가열 면적은 유한 요소 해석을 통해 폭 30mm 정도의 가열면적을 선정하였다. 즉, 최적의 조사면적은 태양전지셀의 길이를 고려할 때 30*156mm가 된다.
데이터처리
- Fig. 10과 같이 획득한 데이터를 Matlab을 이용하여 최소자승으로 보간하였으며 그 결과 적외선 센서의 방사율은 0.7192로 확인하였으며, 실험결과 확인된 방사율 값을 비접촉 적외선 센서에 적용하여 솔더링실험 시 정확한 온도 측정이 가능하도록 하였다.
- 열전대로 측정된 온도와 적외선 열화상 카메라로 측정되는 온도의 차이가 ±1℃ 이내일 때 열화상 이미지를 촬영하여 PC로 전송한다. 전송된 이미지는 Thermoteknix社의 후처리 프로그램인 VisIR을 이용하여 데이터를 획득하였다.
이론/모형
- 태양전지셀을 가열하여 더 이상 온도가 변하지 않는 정상상태 구간에서의 온도를 기준으로 설정하고 이때, 기준온도의 측정은 K-type 열전대로 측정되어 PC의 DAQ 보드를 통해 획득되며 Labview를 통해 측정된다. 열전대로 측정된 온도와 적외선 열화상 카메라로 측정되는 온도의 차이가 ±1℃ 이내일 때 열화상 이미지를 촬영하여 PC로 전송한다.
성능/효과
- 조도분포의 해석 결과로부터 반사부의 형상은 가장 균일한 조도 분포를 보이는 원호 형상으로 결정하였으며, 램프와 반사부 간의 거리를 좀 더 줄임으로써 최종적으로 Fig. 7과 같이 피사체의 조사 면적(30×156mm)에 가장 근사하고 균일한 조도분포를 보이는 결과를 얻을 수 있었다.
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