솔라셀 사업 수익률 좌우하는 제조공정 로봇의 성능

이중엽 어뎁트 코리아 컴퍼니(Adept Korea Company) 대표. 어뎁트의 이중엽 대표는 국내 전 산업 분야에서 로봇 응용 시장을 개척하고, 10여종 이상의 국산 로봇을 개발해 산업용 로봇 SI 전문가로 입지를 굳히고 있다. 사진 뒤쪽으로 보이는 것은 국내에서 시험·제작중인 Glass 및 패널 핸들링 로봇.

솔라셀의 판매가격은 지속적으로 내려가고 있는 반면 셀의 효율은 획기적으로 증대되지 않고 있으며, 이와 같은 상황은 상당기간 이어질 것으로 예측된다. 제조 공정에서 생산수율 및 단위시간당 생산성을 끌어올리기 위해서는 각 공정들 사이 또는 공정장치 내에 솔라셀, 웨이퍼, 패널을 핸들링 및 공급하는 로봇 메커니즘의 성능 및 효율에 주목해야 한다. 이에 따라 전체 제조 라인의 생산성뿐만 아니라 제조사의 이익률이 달라질 수도 있다.

이러한 상황에서 지난 20여년간 반도체, LCD, LED, HDD 및 국내 전 산업 분야에서 로봇 응용 시장을 개척하고, 10여종 이상의 국산 로봇을 개발한 산업용 로봇 SI 전문가로 입지를 굳혀온 어뎁트 코리아 컴퍼니(Adept Korea Company)의 이중엽 대표는 일찍이 PV 산업에 로봇을 응용해왔다. 이에 어뎁트가 개발한 솔라셀 핸들링용 로봇의 응용사례와 이를 통해 PV 산업에서 고려해야 할 로봇기술 및 제품에 대해 알아봤다.

사진 1. 단결정질 Si 잉곳 및 웨이퍼. 실리콘 솔라셀은 현재 90% 이상의 PV 시장을 차지하고 있으며, 최근 메이저 기업들의 지속적인 생산량 확장이 두드러진다.

PV 제조 프로세스 및 사용 로봇

알려진 바와 같이 상업화된 PV 제품으로는 실리콘 솔라셀 모듈 및 박막(Thin Film) 모듈로 나누어지며, 실리콘 솔라셀은 현재 90% 이상의 시장을 차지하고 있다. 규모의 경제 법칙에 의해 이 분야에도 메이저 기업들이 지속적으로 생산량 및 시설을 확장하고 있어, 향후 대규모 투자 및 생산 경쟁력을 보유한 기업들이 살아남을 것으로 예측된다. 주로 실리콘계 솔라셀 제조공정에 따른 로봇을 알아보자.

Two Basic Types Of PV Modules

- Crystalline Silicon(approx. 90% market share)

· Monocrystalline

·Multicrystalline

- Thin Film(approx. 10% market share)

· Amorphous silicon(a-Si)

· Cadmium Teluride(CdTe)

· Gallium Arsenide(GaAs)

· Copper Indium Diselenide(CIS)

웨이퍼, 셀 및 모듈의 각 공정별로 필요한 로봇의 종류 및 특징은 다음과 같다.

Wafer Process

Cutting → Grinding → Chamfering → Profiling → Squaring → Wire Sawing → Singulation → Cleaning → Inspection

Cell Process

Wafer Inspection → Etch (Texturization) → Diffusion → Glass Etch → Anti-Reflective Coating → Metallization → Edge Isolation → Test and Sort

Wafer Inspection에서는 Crack, Weight, Bow, Geometric, Lifetime을 위한 웨이퍼 및 셀의 핸들링 및 Transferring 작업이 모두 다양한 형태의 로봇에 의해 이루어진다. 반도체 스크린 프린팅 공정으로 이루어진 Metallization 작업에서도 프로세스 과정이 Flip → Print back silver contacts → Dry → Print back aluminum → Dry → Flip → Print front gingers → Dry → Fire로 연속되는데, 전용장비 및 In-line 프로세스가 다수의 로봇 메커니즘으로 구성된다.

셀 프로세스는 로봇이 가장 많이 필요한 PV Metallization 공정인데, 주요 응용 작업은 다음과 같이 요약할 수 있다.

- 각 프로세스 및 과정에서의 웨이퍼 핸들링 및 공급

- 비전에 의한 컨베이어에서의 Loading, Unloding

- 박스, 캐리어의 Loading, Unloading

- 트레이 및 보트의 Loading, Unloading

다음 공정에는 소형에서부터 대형, 그리고 다양한 형태의 국내외 로봇이 적용되고 있다.

Panel and Module Process

- Tabbing and stringing

- Interconnect

- Lamination

- Trim

- Gasket

- Frame

- J Box

- Test

- Palletize

사진 2. 직교 좌표형 Cartesian 로봇. Si 잉곳 및 웨이퍼 공정장비의 툴 핸들링에 사용되는 6개축 로봇이다.

사진 3. 스카라 로봇을 사용한 컨베이어 상에서의 셀 검사, Solting 로봇. 웨이퍼 및 셀의 핸들링 및 Transferring 작업이 다양한 형태의 로봇에 의해 이루어진다.

PV 제조 로봇의 요구조건

솔라셀에 적용되는 로봇은 기본적으로 반도체 및 FPD 공정에서 요구되는 조건을 만족해야 한다. 솔라셀 제조공정은 대부분 In-line 및 Try 등에 의한 Batch 프로세스가 많고 핸들링 효율이 특별히 강조되므로 하이스피드 로봇 및 메커니즘이 우선적으로 고려되며 다음과 같은 특성이 필요하다.

첫째, Low-Vibration, Vibration-Free 로봇 메커니즘이 요구된다.

초창기 로봇 적용의 가장 큰 난제였던 로봇 모션의 급정지 및 가속에 의한 Wafer Breakage Rate가 높아 생산성 저하를 가져 왔다. 이를 극복하기 위해서는 유연한 모션으로 최적화되어 로봇 스피드 구현이 가능한 제어 및 로봇 디자인이 되어야 한다. 특히 웨이퍼 및 셀의 두께가 200㎛에서 150㎛로 점차 얇아지는 추세에 대응하기 위한 로봇 핸들링은 보다 유연한 모션을 가진 로봇 메커니즘을 요구하게 된다.

둘째, Seamless Robot-Vision-Conveyor Tracking 기능이 요구된다.

Solting 공정에서는 이전 공정에서 이루어진 솔라셀 성능 및 외관 검사 후 등급에 따른 Solting 작업을 벨트상에서 진행하는데, 이때는 로봇 및 비전, 컨베이어 트랙킹 작업이 착오 없이 프로그래밍 되어야 한다. 작업공정은 Pick → Refine(on-the-fly) → Place → Inspection(Color or Gray)의 순서로 이루어지게 된다.

셋째, Non-Contact Gripping 및 픽업이 실시간으로 가능한 그리퍼와 인터페이스에 시간 지연이 없어야 한다. 웨이퍼 및 셀 표면에 자국 및 이물의 흡착 방지를 위하여 많은 공정에서 비접촉 그리핑 유닛이 사용되며, 그리핑 및 공간확보를 위한 로봇의 정지시간이 최소화 되어야 한다.

넷째, 유연하고 파워풀한 컨트롤 기능을 보유한 로봇 메커니즘이 요구된다.

로봇에 의한 대부분의 솔라셀 작업은 Vision-guidance 기능을 갖추게 될 경우 간단하고 단순한 전체 시스템 구성이 가능해지므로 Vision-guidance 기능을 갖춘 로봇-비전 일체형 소프트웨어 및 제어 가능한 컨트롤러를 요구하게 된다. 즉, 제어기의 성능이 전체 로봇 시스템의 성능 및 제조 라인의 생산성을 결정하게 된다. 유연한 모션 구현 및 Vision-guidance, 컨베이어 트랙킹과 얼마나 쉬운 소프트웨어 로봇 시스템이 구성되어 있는 지를 확인해야 한다.

사진 4. 쿼트로 로봇을 이용한 PE-CVD Aotomation 장비 및 내부. 어뎁트 특허의 4개축 쿼트로 로봇은 구조상 3개축 구조보다 20~30%의 하이스피드가 가능하다.

사진 5. Trim, Frame, Gasket에 사용되는 로봇들. 패널과 모듈 프로세스 공정에는 다양한 형태의 국내외 로봇이 적용되고 있다.

사진 6. (주)와이에스썸텍의 Tabber and Striger 장비 및 내부. 스카라 로봇 및 비전을 사용하여 2개의 라인까지 커버 가능한 고효율 장비다.

솔라셀 핸들링용 세계 최고속 소프트웨어 로봇 ‘어뎁트 쿼트로 로봇’

1,600mm의 넓은 작업 반경과 6kg까지의 고중량 핸들링 가능 로봇

넓은 작업 반경을 지닌 1대의 로봇으로 대부분의 솔라셀 공정이 커버 가능하며, 6kg까지 취급이 가능하다. 또한 멀티 그리퍼 및 핸드에 실린더, 서보모터 및 공압 등 추가 장치 부착이 가능하다.

초당 최대 4사이클이 가능한 고속도 메커니즘

어뎁트 특허의 4개축(Quattro)으로 디자인된 로봇으로, 구조상 3개축 구조보다 20~30%의 하이스피드가 가능하고, 1,600mm 전체 작업 영역에 걸쳐서 동일한 고속도 유지가 가능하다.

사진 7. 셀의 이송. 웨이퍼 및 셀 표면에 이물의 흡착 방지를 위해 비접촉 그리핑 유닛이 사용된다.

강력하고 차별화된 현장응용 가능

일체형 비전 및 소프트웨어 시스템으로, 어뎁트 로봇에 더욱 강력하고 차별화된 현장응용을 가능하게 한다. 오픈된 비전 어플리케이션 환경으로 자유로운 프로그래밍 변화 및 업그레이드가 가능하고, 컨베이어 트랙킹까지 단일 제어기에서 이루어지며, 나아가 1대의 제어기로 2대의 동일 로봇 메커니즘 및 다른 형태의 로봇까지 사용할 수 있다.

사진 8. 어뎁트 쿼트로-850 로봇 및 컨트롤러. 현존하는 세계 최고속도 로봇 메커니즘으로, 초당 최대 4사이클과 6kg까지의 고중량 행들링이 가능하다.

Vibration-free 메커니즘 4개축 구조

3개축에 센터 바(Center Bar) 1개축의 구조가 아닌 단일 4개축 Kinematic 로봇으로 4개축을 동시에 제어하며, 회전 작업을 위한 센터 바를 별도로 필요로 하지 않아 진동의 원인이 되는 센터 바를 원천적으로 제거한 로봇이다.

또한 가운데 센터 바가 없어 솔라셀의 Pick and Place 작업을 수평으로 된 컨베이어 및 머신에서만 할 수 있는 다른 로봇과는 달리 500mm의 Up-down 영역까지 상하 작업을 진행할 수 있다.

사진 9. 어뎁트 쿼트로의 운전 과정. 컨베이어 트랙킹까지 단일 제어기에서 이루어지며 1대의 제어기로 2대의 로봇까지 사용할 수 있다.

작지만 강력한 어뎁트 스마트 컨트롤러 사용

10여년의 연구개발로 나온 획기적인 스마트 컨트롤러는 랩탑 사이즈의 콤팩트 컨트롤러로, 사이즈 및 가격 절감을 실현시켰으며, 로봇뿐만 아니라 비전 카메라, 컨베이어 및 멀티로봇 솔라셀 제조 라인의 컨트롤 및 인터페이스가 가능하여 현장 설치 작업시간의 단축 및 실시간 라인 컨트롤을 이룰 수 있게 한다. 물론 콤팩트 사이즈로 컨베이어 아래, 또는 현장의 다른 박스 안에 넣어 쉬운 설치 및 이동이 가능하다.

사진 10. 어뎁트 쿼트로 로봇 내부에 장착된 AMP 드라이버. 로봇과 드라이버 사이에 케이블의 필요를 원천적으로 없애고 보통 로봇의 문제를 90% 이상 감소시켰다.

로봇고장 원인의 90% 이상을 차지하는 케이블 제거

산업용 로봇 고장 및 에러의 90% 이상은 로봇 바디 및 제어기, 전원 및 주변장치와 연결되는 케이블에서 기인한다. 어뎁트 쿼트로 로봇은 AMP/Driver를 로봇 바디 내부에 장착시켜서 이들 사이에 필요한 케이블의 필요를 원천적으로 없애, 보통 로봇의 트러블 및 에러를 90% 이상 감소시켰으며, 유지보수가 용이한 거의 Maintenance-free, Trouble-free 로봇을 실현시켰다. 또한, 공장 현장에서 3상 380V 전원을 사용하지 않고 단상 220V 만으로 전체 로봇 시스템을 운영하여 추가적으로 필요한 전원 케이블 등이 없고, 전력 소모도 최소화한 제품이다.