KR20150005856A - Ｂｉｐｖ 유리기판의 광학적 투과율 측정시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지용 유리기판의 광 투과율을 측정하는 측정장비에 관한 것으로, 좀 더 정확한 투과율을 파장별로 측정할 수 있는 측정시스템을 제공하고자 하였다.
본 발명은, 유리기판에 입사시키는 광원을 다수의 LED로 구성하고, 각각의 LED는 서로 다른 주파수로 구동시키고, 이들로부터 발광 되는 빛을 집속 하여 빔의 반은 유리기판을 투과시키고, 나머지 반은 푸리에 변환하여 주파수 분해한 신호를 데이터 처리장치로 보내고, 상기 유리기판 위에는 적분구를 배치하여 적분구 상에 설치된 광 검출기를 통해 검출되는 광신호를 푸리에 변환하여 주파수 분해한 후 상기 데이터 처리장치로 보내어, 유리기판에 대한 입사광 대비 투과광의 세기를 계산하되, 각 주파수별로 투과율을 측정하는 유리기판의 광 투과율 측정장치를 제공하였다.
또한, 본 발명은, 상기 적분구를 유리기판 위에 접촉 배치하는 대신, 두 개의 반구로 된 적분구를 구성하여 하나는 유리기판 위에, 다른 하나는 유리 기판 아래에 배치하고, 유리기판 아래에 배치된 반구 안에 광원을 내장시켜 적분구에서 놓치는 빔이 없게 하였다.

Description

ＢＩＰＶ 유리기판의 광학적 투과율 측정시스템{OPTICAL TRANSMITTANCE MEASURMENT SYSTEM FOR BIPV GLASS}

본 발명은 건물일체형 태양전지(BIPV)용 유리기판의 광학적 투과율을 측정하는 측정시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 파장대역별로 투과율을 측정할 수 있는 광학적 투과율 측정시스템에 관한 것이다.

태양전지는 기판에 광전변환소자를 형성한 다음 반드시 봉지유리로 실장 하여야 하며, 봉지 유리의 투명성과 내후성이 요구되어 저철분 유리소재가 사용되고 있다. 박막형 태양전지의 경우, TCO(투명전도막)가 코팅된 유리기판을 사용하여 효율증대를 꾀하며, 봉지 유리(또는 커버 글래스)는 빛의 투과율을 높이기 위해 저반사 코팅이 되어 있는 것을 사용한다. 이러한 노력으로 380~1100nm 파장대역의 빛의 투과율이 약 2.5% 상승하여 태양전지 모듈의 효율을 약 3% 정도 향상시킨다. 따라서 태양전지에 사용되는 유리기판에 대한 빛의 투과율 향상을 위해 시도되는 노력에 대해 정확한 평가를 할 수 있는 광 투과율 측정 시스템 또한 필수적인 장비가 된다.

유리기판의 광 투과율을 측정하는 시스템에 대해 대한민국 공개특허 제10-2012-0077330호는 레이저 빔을 집광기와 빔 확산기를 거쳐 유리기판에 수직으로 조사하여 수광소자를 통해 흐르는 전류의 세기로 광 투과율을 측정하고 있다. 그러나 이와 같은 광 투과율 측정 시스템은 레이저 빔을 이용한 단파장 광원으로 빛을 입사시키고 있어, 실제 태양광 투과율은 알 수 없다는 문제가 있고, 투과율 외에 반사율 등의 정보는 전혀 알 수 없다. 입사시킨 광량 대비 상대적인 투과량만을 측정할 수 있고, 파장 대역별 투과율을 알 수 없고, 투과된 빛의 세기 절대치는 알 수 없다는 문제가 있다.

또한, 빔을 집속 하는 적분구가 유리기판과 접점을 가지고 접촉될 뿐 충분히 밀착되지 않기 때문에 입사 빔의 손실로 인한 투과율에 대한 오차도 보정되지 않아 정확성이 떨어지는 문제가 있고(도 1 참조) 기판이 대면적화됨에 따라 기판 전면에 대해 투과율을 측정할 필요가 있다.

따라서 본 발명의 목적은 태양전지 유리기판의 광 투과율을 좀 더 정확하게 측정할 수 있는 광 투과율 측정 시스템을 제공하고자 하는 것으로, 특히, 투과되는 빛을 태양광과 유사한 백색광으로 하되, 각 파장 대역별 투과율을 측정할 수 있고, 그외 반사율과 절대치로서 투과 광의 세기를 측정할 수 있는 광 투과율 측정 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 적분구에서 놓칠 수 있는 빔을 모두 포획할 수 있는 새로운 적분구의 구조를 제공하고, 대면적 유리기판에 대해 전면적으로 투과율을 측정할 수 있는 인라인 타입의 측정 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은, 유리기판에 입사시키는 광원을 다수의 LED로 구성하고, 각각의 LED는 서로 다른 주파수로 구동시키고, 이들로부터 발광 되는 빛을 광학계에 의해 집속 하여 유리기판을 투과시키고, 일부는 푸리에 변환하여 데이터 처리장치로 보내고, 상기 유리기판 위에는 적분구를 배치하여 적분구 상에 설치된 광 검출기를 통해 검출되는 광신호를 푸리에 변환하여 상기 데이터 처리장치로 보내어, 유리기판에 대한 입사광 대비 투과광의 세기를 계산하되, 각 주파수별로 투과율을 측정하는 유리기판의 광 투과율 측정장치를 제공하였다.

또한, 본 발명은, 상기 적분구를 유리기판 위에 접촉 배치하는 대신, 두 개의 반구로 된 적분구를 구성하여 하나는 유리기판 위에, 다른 하나는 유리 기판 아래에 배치하고, 유리기판 아래에 배치된 반구 안에 광원을 내장하여 적분구에서 놓치는 빔이 없게 하였다.

본 발명에 따르면, 태양광과 가까운 백색광을 연출하여 유리기판의 투과율을 측정할 수 있으면서도 백색광을 이루는 각 파장 대역 별로 투과율을 측정할 수 있어 광 투과율 측정시스템을 통해 좀 더 다양한 정보를 종합적으로 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 반구 조합으로 이루어지는 적분구에 따르면 광원이 반구 안에 있으므로 기존의 적분구와 달리 적분구 이외의 공간으로 진행하여 투과율 측정으로부터 제외되는 빔이 거의 없어 좀 더 정확한 투과율 등의 정보를 얻을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 광 투과율 측정시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 투과율 측정 시스템의 구성도이다.
도 3은 도 2에서 유리기판과 적분구를 투과한 빛에 대한 광신호 처리를 순서대로 나타내는 블록도 이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 대한 광 투과율 측정 시스템의 구성도이다.
도 5는 도 3에 대한 광신호 처리에 따른 주파수 처리를 설명하는 그래프들을 곁들인 블록이다.
도 6은 각종 태양전지에 대한 광 응답 스펙트럼에 대한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 사용한 LED 광도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 구성된 광 투과율 측정 시스템으로 측정한 ITO 유리기판의 투과율을 나타낸다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

실시예 1

도 2는 본 발명에 따른 태양전지용 유리기판의 광 투과율 측정 시스템의 구성이 나와 있다. 유리기판(11)이 대면적일 경우, 인라인 방식으로 이송하면서 전면에 대해 광 투과율을 측정할 수 있도록 유리기판(11) 양단부를 지지하는 롤러(10)를 설치한다. 롤러(10) 외에 선로나 컨베이어 등 다양한 이송수단을 설치할 수 있다.

유리기판(11)을 통과하여 광 투과율을 측정하기 위한 광원으로는 LED(8)를 선택하였다. LED(8)는 태양전지의 광전변환 소자에 대해 광전변환율이 높은 광원으로 흐린 날씨 또는 밤중에 보조광원으로 사용될 수 있는 발광소자이기도 하고, 후술할 구동 전력의 주파수를 달리함에 따라 주파수 반응이 좋아 주파수 분석상 유리하다는 장점도 있다. LED(8) 소자는 백색 LED 다수로 구성할 수도 있지만, 파장별 투과율을 알기 위해 R, G, B, 그리고 백색광 LED로 구성할 수 있다. 상기 LED(8) 소자를 구동하는 LED 드라이버(9)는 각각의 LED(8) 소자에 대해 서로 다른 주파수 전력을 공급하도록 구성된다.

다수의 LED 소자에 인가되는 파형은 DC 또는 사각 pulse파형이며, 사각 펄스 파형에 대한 주파수 범위는 100Hz ~ 1.5kHz 이내이다. 여기서 1.5kHz 이상의 주파수에서는 LED 소자의 주파수 구별이 불가능 하다. 100Hz 이하의 주파수에서는 LED 소자의 주파수 응답이 느려서 측정 시간이 증가하는 원인이 된다.

LED(8) 소자로부터 발광 된 빛은 집광렌즈(7)로 집속되고 빔을 좀 더 모으고 평행 광 화하는 추가의 광학계(6)를 거쳐 하프 미러(5)를 통과하여 유리기판(11)으로 입사된다. 하프 미러(5)는 빔의 반을 유리기판(11)으로, 나머지 반은 제1 광검출기(2)와 이에 접속된 제1 주파수분석기(3)로 보내준다. 하프 미러(5)를 통해 유리기판(11)을 통과한 빛이 빠짐없이 포획되도록 충분한 크기의 적분구(1)를 하프 미러(5)로부터 입사되는 빔과 얼라인하여 유리기판(11) 위에 배치한다. 광학계(6)로 인해 충분히 좁은 단면적을 갖고 평행광화 된 빔 다발로 인해 적분구(1)에 의해 대부분 포획되어 투과율의 정확도를 높일 수 있다.

이 때 적분구와 유리기판간의 거리는 적분구로 입사되는 빛 들어오는 입구 반경에 대해서 적분구와 유리기판간의 거리는 1~2mm이내의 간격을 유지하면 된다. 1~2mm 보다 크면 유리기판과 적분구 간의 거리가 너무 가까워져 유리기판 이송 시 스크래치를 발생시킬 수 있으며, 1~2mm 보다 작으면 적분구와 유리기판 간의 거리가 너무 떨어져서 측정의 정확도가 감소 된다.

적분구(1) 상단에는 제2 광검출기(2)를 부착하여 적분구(1) 내부의 빛이 이를 통하면서 서로 다른 구동 주파수를 가진 빔들이 혼합되면서 광전류 신호를 생성하고 광전류신호는 제2 주파수분석기(3)에서 주파수별로 분해되고 각 스펙트럼은 데이터처리장치(4)로 전송된다.

상기 데이터처리장치(4)에는 유리기판(11)을 통과하기 전에 하프 미러(5)에 의해 이미 제1 주파수분석기(3)를 통과하여 입력된 광전류신호가 기준 데이터 화 되어 저장되어 있다. 따라서 적분구(1)를 통과하여 입력된 광전류신호는 상기 기준 데이터와 대비하여 신호 세기를 비교측정하게 되고 이에 따라 투과율을 계산하게 된다. 이때, 본 발명에 따르면 각 LED(8)에 인가된 구동 전력이 서로 다른 주파수로 되어 있으므로, 투과율도 주파수별로 계산할 수 있게 된다.

도 2에는 상술한 바와 같이 빔의 주파수 혼합, 주파수 분해 및 투과율 계산에 대한 일련의 과정이 블록도로 나타나 있고, 도 5에는 각 과정과 더불어 과정별 스펙트럼에 대한 그래프도 함께 나타나있다. 즉, 본 발명은, 주파수가 각각 다른 구동 전력이 인가된 LED들의 발광 빔을 혼합하여 광전류를 생성한 다음, 주파수분석기에서 푸리에 트랜스폼(Fourier Transformation)을 이용하여 각 주파수별로 광전류 신호를 분해하고 그에 따라 주파수별 그리고 파장에 따라 광 투과율을 계산하여 스펙트럼으로 나타내는 것이다.

도 6은 각종 태양전지에 대한 광 응답 스펙트럼에 대한 그래프이고, 도 7은 본 발명의 실시예에서 사용한 LED에 대한 광도를 나타낸 그래프이다. 또한 각각의 LED에 적용된 주파수범위는 250Hz ~ 1000Hz 내에서 서로 다른 9개 주파수를 인가 하였다.

이와 같은 실시예에 따르면 매우 정확한 광 투과율을 얻을 수 있으면서도 파장대역별 투과율을 알 수 있어 태양전지에 대한 추가적인 모듈 설계에 유리하다.

실시예 2

한편, 본 발명은 좀 더 정확한 광 투과율을 알아내기 위해 도 3과 같은 반구 조합의 적분구를 구현하였다. 그외 구동 주파수에 관한 사항 등 다른 구성은 상기 실시예 1과 동일하게 구성한다.

즉, 유리기판(11) 위에 접점으로 접촉배치되던 적분구(1)는 여전히 빔의 일부가 포획되지 못할 가능성이 있어, 적분구를 두 개의 반구(12, 13)로 구성하고, 하나의 제1 반구(12)는 유리기판(11) 아래에 배치하고, 다른 하나의 제2 반구(13)는 유리기판(11) 위에 배치하였다. 유리기판(11) 아래쪽에 놓인 제1 반구(12) 안에는 광원인 LED(8)가 배치되고, 제1 반구(12) 표면 중 어느 한 곳에는 제1 광검출기(2)가 부착되고 제1 주파수분석기가 접속된다. 이같은 구성에 따르면, 제1 반구(12) 안에서 점등된 LED(8)에 의한 발광 빔은 유리기판(11)을 통과한 후 거의 빠짐없이 상부 제2 반구(13)에 의해 포획된다. 따라서 광 투과율에 대한 측정치는 더 정확해질 수 있다. 제2 반구 표면에도 제2 광 검출기가 부착되고 제2 주파수분석기가 접속되어 데이터처리장치에서 제1 주파수분석기와 제2 주파수분석기로부터 수신된 데이터를 비교하여 광 투과율을 산출한다.

반구(12, 13)의 구성으로 인해 유리기판(11)에 흠 생기지 않도록 각 반구(12, 13)는 모두 유리기판(11)과 1 내지 2mm 간격을 두도록 고정하여 인라인 방식으로 유리기판(11)을 이송하면서 전면에 대한 투과율 정보를 얻을 수 있다. 반구(12, 13) 단부에 천과 같은 보호재를 입히는 것도 가능하다.

상기 실시예들에 의해 구성된 광 투과율 측정 시스템으로 ITO가 형성된 유리기판의 광 투과율을 측정하여, 도 8에 그래프로 나타내었다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따라 구성된 광 투과율 측정 시스템으로 측정한 ITO 유리기판의 투과율을 나타낸다. 실제 알려진 광 투과율(실선)에 대해 LED 소자 주파수 분석에 따른 특정 파장의 투과율은 매우 정확하게 일치함을 확인할 수 있다.

이와 같이 하여 정확도를 높이고 파장별 값을 알 수 있는 광 투과율 측정 시스템을 구현할 수 있다.

상기 실시예들은 모두 태양전지용 유리기판을 피 측정물로 하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로, 유리기판은 OLED 조명용 유리일 수도 있고, 다른 유리기판일 수도 있으며 평탄면 외에 요철을 구비한 기판일 수도 있고, 반드시 기판형상이 아닌 다른 렌즈 형상 등에도 적용될 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

1: 적분구
2: 광검출기
3: 주파수분석기
4: 데이터처리장치
5: 미러
6: 광학계
7: 집광렌즈
8: LED
9: LED 드라이버
10: 롤러
11: 유리기판
12, 13: 반구

Claims (2)

1. 유리의 광 투과율을 측정하는 장치에 있어서,
   하나 이상의 LED를 포함하는 피 측정 유리에 빛을 입사시키기 위한 광원;
   상기 LED 마다 서로 다른 구동주파수로 전력을 인가하는 구동장치;
   상기 LED로부터 발광되는 빛을 집속하고 평행광화 하는 광학계;
   상기 광학계를 통과한 빔의 일부를 피 측정 유리로 보내고 나머지는 입사되는 기준 광량을 측정하기 위해 분리시키는 하프 미러;
   상기 하프 미러에 의해 분리되어 기준 광량치를 산출되게 할 빔을 수광하는 제1 수광소자;
   상기 수광소자로부터 수신되는 신호를 주파수분석 하는 제1 주파수분석기;
   상기 하프 미러를 통과하여 피 측정 유리를 투과한 빔을 포획하도록 상기 유리 위에 배치되는 적분구;
   상기 적분구 상에 접속되는 제2 수광소자;
   상기 제2 수광소자에 접속되는 제2 주파수분석기; 및
   상기 제1 주파수분석기로부터 주파수 분해된 데이터와 제2 주파수분석기로부터 주파수 분해된 데이터를 비교하여 광 투과율을 측정하는 데이터처리기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리의 광 투과율 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 유리를 이송하는 이송 수단을 더 포함하여, 상기 적분구에 대하여 이송수단으로 유리를 이송하면서 유리 전면에 대해 광 투과율을 측정하는 것을 특징으로 하는 유리의 광 투과율 측정장치.
   
   

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