[논문]태양전지 묘듈용 솔드 합금의 산화 특성

김효재; 이영은; 이구; 강기환; 최병호

doi:10.7836/kses.2014.34.1.098

태양전지 묘듈용 솔드 합금의 산화 특성
Oxidation characteristics of solder alloys for the photovoltaic module 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.34 no.1, 2014년, pp.98 - 104

김효재 (금오공과대학교 신소재시스템공학부) , 이영은 (금오공과대학교 신소재시스템공학부) , 이구 (금오공과대학교 신소재시스템공학부) , 강기환 (금오공과대학교 신소재시스템공학부) , 최병호 (금오공과대학교 신소재시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Photovoltaic (PV) cell is considered as one of the finest ways to utilize the solar power. A study of improving solar cell's efficiency is important because the lifetime of solar cell is determined by photovoltaic module technology. Therefore, oxidation (and/or corrosion) of solder materials will be one of the primary yield and long-term reliability risk factor. Recently, the development of lead-free solder alloy has been done actively about lead-free solder alloys of the thermodynamic and mechanical properties. However, the oxidation behavior have rarely been investigated In this study, the oxidations of 60 wt% Sn-40 wt% Pb, 62 wt% Sn-36 wt% Pb -2 wt% Ag, 50wt% Sn-48 wt% Bi-2 wt% Ag alloys for the interconnect ribbon after exposure in atmosphere at $100^{\circ}C$ for several times were investigated. The wettability of 62 wt% Sn-36 wt% Pb-2 wt% Ag and 50 wt% Sn-48 wt% Bi-2 wt% Ag solders was also studied to compare with that of 60 wt% Sn-40 wt% Pb alloy. The results howed that the zero cross time and the wetting time of 50 wt% Sn-48 wt% Bi-2 wt% Ag solder were better than other two samples. The surface of tested samples was analyzed by XPS. The XPS result showed that in all samples, SnO grew first and then the mixture of SnO and $SnO_2$ was detected. $SnO_2$ grew predominantly for the long time aging. Moreover XPS depth profile analysis has found surface enrichment of tin oxide.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

산화를 알아보기 위해 100℃의 로에서 열 산화를 진행 하였다. 각 시편 당 5시간, 10시간, 24시간의 변수를 주어 산화 처리하여 시편을 제작하였다. 산화물 분석은 X-ray photoelec -tron spectroscopy (XPS, Thermo Fisher Scientific Mutilab-2000 )를 이용하여 표면 산화물을 분석 하였고, depth profile을 통해서 산화물의 두께를 예측하고 열역학적으로 어느 원소가 산화에 기여하는지 비교, 평가하였다.
동 기판의 표면에 존재하는 산화 막을 제거하기 위하여 염산 희석 액에 담근 후 에탄올로 세정하고 플럭스(RMA-type)를 도포하여 기판 홀더에 거치하였다. 매단 기판을 용융기위에서 예열하므로 플럭스 활성화를 도모하였다. 용융기가 상승하다가 시편과 맞닿으면 측정이 시작된다.
본 연구에서는 현재 국내 태양전지 모듈업체에서 태양전지용 솔더로 가장 많이 사용되고 있는 60wt%Sn–40wt%Pb, 62wt% Sn-36wt%Pb-2wt%Ag,50wt%Sn-48wt%Bi-2wt%Ag의 유연 및 무연 솔더합금을 선정하여 솔드의 작업 조건인 젖음성 특성과 태양전지 모듈을 사막에 설치했을 때 가혹조건인 온도 100℃, 시간 5~24시간동안 열 산화를 진행한 후 각각의 솔더 합금의 열 산화에 따른 산화거동에 대해서 분석하고 솔더 합금의 구성 원소에 따라 다른 산화거동을 비교, 분석하였다.
사막에서 사용되는 태양전지 모듈의 내환경성 test는 기존의 내구성 보통 온도 구간을 (-40℃ ^~ 95℃)로 설정하여 측정하므로⁽⁵⁾, 본 연구에서는 더 가혹한 환경에서 내구성 평가를 위해 100℃로 온도를 정하였다. 산화용 시편은 interconnect ribbon을 기판에 각각의 soldering하였다.
산화용 시편은 interconnect ribbon을 기판에 각각의 soldering하였다. 산화를 알아보기 위해 100℃의 로에서 열 산화를 진행 하였다. 각 시편 당 5시간, 10시간, 24시간의 변수를 주어 산화 처리하여 시편을 제작하였다.
각 시편 당 5시간, 10시간, 24시간의 변수를 주어 산화 처리하여 시편을 제작하였다. 산화물 분석은 X-ray photoelec -tron spectroscopy (XPS, Thermo Fisher Scientific Mutilab-2000 )를 이용하여 표면 산화물을 분석 하였고, depth profile을 통해서 산화물의 두께를 예측하고 열역학적으로 어느 원소가 산화에 기여하는지 비교, 평가하였다.
산화특성을 확인하기 위해 현재 가장 많이 태양전지 모듈에서 사용되고 있는 3종의 솔드를 선정하고 가혹조건에서 태양전지 모듈의 내구성 평가를 위한 최적의 시험조건을 찾기 위해서 온도 100℃에서 5시간^~24시간의 열 산화를 진행하였다.
솔드의 기초 특성인 젖음성 분석은 젖음성 테스트기를 사용하였다(4). 젖음성 테스트기용 시편은 각각의 솔드 합금 500g을 용융기에 넣고 용융시킨다.
본 실험에서 동 시편의 침지깊이는 10mm, 침지속도는 5mm/sec,침지시간은 5sec로 하였다. 젖음 특성은 평형 젖음력, 영점시간, 젖음 시간으로 분석하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 세 가지 시편은 솔드 합금을 설계하여 각각의 금속의 무계를 측정한 후 용융기에 용융시켜 아래와 같이 솔드 시편을 제작하였다.
젖음성 테스트기용 시편은 각각의 솔드 합금 500g을 용융기에 넣고 용융시킨다. 젖음성 실험의 기판은 순도 99.99%, 크기 8x20x30(mm)의 동판(Cu-coupon)을 사용하였다. 동 기판의 표면에 존재하는 산화 막을 제거하기 위하여 염산 희석 액에 담근 후 에탄올로 세정하고 플럭스(RMA-type)를 도포하여 기판 홀더에 거치하였다.

성능/효과

62wt%Sn–36wt% Pb-2wt% Ag 솔드는 60wt% Sn-40wt% Pb솔드에 비해 급격한 산화반응이 진행됨을 알 수 있었다.
62wt%Sn-36wt%Pb– 2wt%Ag, 50wt%Sn–48wt%Bi-2wt%Ag의 3종의 솔드합금의 평형 젖음력과 영점시간을 측정한 결과, 60wt%Sn-40wt%Pb, 62wt%Sn-36wt%Pb-2wt%Ag 솔드합금의 적정 공정온도는 230-250℃, 반면 무연 솔드인 50wt%Sn-48wt%Bi-2wt%Ag솔드 합금의 적정 공정온도는 190-210℃이였다.
열 산화시킨 후 시편 3종 solder 표면의 산화물을 확인하기 위해 XPS 분석한 결과 이론적으로 예측한 산화현상은 4종의 솔드 합금 중 SnO2 > Bi2O3 > PbO > Ag2O 순으로 산화반응이 일어날 것으로 예측할 수 있다.
62wt%Sn-36wt%Pb– 2wt%Ag, 50wt%Sn–48wt%Bi-2wt%Ag의 3종의 솔드합금의 평형 젖음력과 영점시간을 측정한 결과, 60wt%Sn-40wt%Pb, 62wt%Sn-36wt%Pb-2wt%Ag 솔드합금의 적정 공정온도는 230-250℃, 반면 무연 솔드인 50wt%Sn-48wt%Bi-2wt%Ag솔드 합금의 적정 공정온도는 190-210℃이였다. 온도 100℃에서 5~24시간 동안의 내산화성 결과는 60wt%Sn-40wt%Pb와 50wt%Sn-48wt%Bi-2wt%Ag솔드 합금은 산화층 형성이 늦어진 반면 62wt%Sn-36wt%Pb-2wt%Ag솔드는 산화속도가 빠르게 일어났다. 첨가된 4종의 원소 중에에서 Sn>Bi> Pb>Ag순으로 산화반응이 일어났다.
5mN 값을 나타내었다. 이러한 결과에서 60 wt% Sn-40 wt% Pb, 62 wt% Sn-36 wt% Pb-2wt % Ag 솔드는 230-250℃, 50 wt% Sn-48 wt% Bi-2 wt% Ag 솔드는 190-210℃가 적정 공정 온도인 것으로 평가된다. 이러한 연구 결과는 60 wt% Sn-40 wt% Pb솔드에 관한 다른 연구자의 결과와 유사하였다⁽⁴⁾.
주된 산화물인 SnO₂두께를 측정한 결과 60wt%Sn-40wt%Pb는 9nm이며, 62wt%Sn-36wt%Pb-2wt%Ag는 23nm 그리고 50wt%Sn-48wt%Bi-2wt%Ag는 7nm이였다.
첨가된 4종의 원소 중에에서 Sn>Bi> Pb>Ag순으로 산화반응이 일어났다.주로 산업체에서 많이 사용하는 60wt%Sn-40wt% Pb에 다른 원소를 첨가하여 솔드를 설계하는데 Ag 원소는 자체의 산화현상은 가장 더디지만 다른 원소에 대한 산화촉진제로 작용하므로 가격면 뿐만 아니라 내구성을 위해서는 Ag 첨가에 대한 주의가 요망된 연구 결과를 얻었다.
또한, 시료3솔드는 190-210℃ 1초의 영점 시간이었다. 평형 젖음력과 영점시간의 결과에서도 60wt% Sn-40 wt%Pb, 62wt% Sn-36wt% Pb-2wt% Ag 솔드는 230-250℃, 50wt% Sn-48wt% Bi-2 wt% Ag솔드는 190-210℃가 적정 공정 온도인 것으로 평가된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 태양광발전 산업에서 가장 많이 개발되어 있는 분야는?	현재 태양광발전 산업에서 가장 많이 개발되어 있는 분야가 바로 규소 결정질 태양전지이고 다양하게 상품화 되어있어 쉽게 접할 수 있다.1세대 태양전지의 연구 및 개발동향은 이론적 한계에 따른 고효율 규소 태양전지, gridparity를 도달하기 위한 초저가의 규소 태양전지가 개발되고 있다(1) .
	젖음성 특성을 나타내는 대표적인 값인 영점시간(zerocrosstime),평형 젖음력(equilibrium wettingforce)및 젖음 시간(wettingtime)을 설명하면?	젖음성 특성을 나타내는 대표적인 값으로 영점시간(zerocrosstime),평형 젖음력(equilibrium wettingforce)및 젖음 시간(wettingtime)등이 있다.일반적으로 침지 초기에는 부력에 의하여 솔드가 시편을 밀어내므로 젖음력이 음의 값을 보이지만 시간이 지남에 따라 시편은 양의 값으로 젖음력이 상승하게 된다.젖음력이 음의 값에서 양의 값으로 변화할 때 젖음력이 0이 되는 점이 나타나는데 이때의 시간을 영점시간이라 한다.또한 충분히 젖은 후 젖음력의 변동 구간이 없는 젖음력을 평형 젖음력이라 하며 평형 젖음력의 3분의 2값을 젖음 시간이라고 한다.그림 1은 3종의 솔드 합금에 대해 솔드 배스 온도를 150-250℃,침지 시간을 0~13초 동안 주었을 때의 젖음성을 측정한 것이다.
	1세대 태양전지의 연구 및 개발동향은?	현재 태양광발전 산업에서 가장 많이 개발되어 있는 분야가 바로 규소 결정질 태양전지이고 다양하게 상품화 되어있어 쉽게 접할 수 있다.1세대 태양전지의 연구 및 개발동향은 이론적 한계에 따른 고효율 규소 태양전지, gridparity를 도달하기 위한 초저가의 규소 태양전지가 개발되고 있다(1) .초저가의 규소 태양전지는 중국의 가격하락에 따라 경쟁이 힘들어 질것이고 이를 보완하기 위해서는 chain화에 따른 가격절감이 중국과 대적하는 방법 중 하나라고 할 수 있다.

참고문헌 (9)

Sooyoung Jun, "Assessment of GHG Emission Reduction Potentialin Extension of Nuclear and Renewable Energy Electricity Generation", Energy Engineering, Vol.18, p.191-202 (2009)
M.A Mosalam, "Determination of suitable types of solar cells for optimal outdoor performance in desert climate", Renewable energy Vol.19,p 71-74,(2000)

상세보기
K.S. Kim, G.H. Kang, G.J., "Suggestion of Long-term Life Time Test for PV Modulein Highly Stressed Conditions", Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 30, p. 63-68 (2010)
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S.I Jo, "Tje Oxidation Study of Lead-Free Solder Alloys Using Electrochemical Reduction Analysis", Jounal of the Microelectronics & Packaging Society, Vol.12, No.1, pp. 35-40 (2005)
Ihsan Barin, "Thermochemical Data of Pure Substances", VOl 1-2, VCH (1989)
O. Kubaschewski and C.B. Alcock, "Metallurgical Thermochemistry", 5th de., Pergamon press, Frankfurt, pp.378-384 (1979)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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