LSH-7320 LED 솔라 시뮬레이터와 Oriel VERASOL 솔라 시뮬레이터는 제논램프 혹은 텅스텐 할로겐 램프를 이용한 기존 솔라 시뮬레이터와 달리, 광원으로 LED를 채용함으로써 안정성뿐 아니라, 수명 및 경제성을 높인 것이 특징이다. 오엠에이 김명래 이사는 “지금까지의 솔라 시뮬레이션 시스템은 대부분 제논램프 등을 이용한 구성으로 램프가 가지고 있는 안정성 및 수명에 제한이 있었을 뿐 아니라, 가격적인 부담도 높았다”면서, “이 때문에 수명이 기존 제논램프에 비해 10배 이상으로 긴 LED를 이용한 LED 솔라 시뮬레이터를 선보이게 됐으며, 향후 R&D 분야 외 실제 산업 현장에서도 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

특히, 이 제품은 태양전지의 Light Soa king 시스템에 최적이라 할 수 있는데, 현재는 조사면적이 2×2인치로 작지만, 지속적인 개발을 통해 한층 큰 사이즈의 빔을 가지는 시스템도 출시 가능하며, 태양광이 요구되는 다양한 응용분야에 사용될 수 있을 것이라는 설명이다.

사용자 편의성 높인 LED 솔라 시뮬레이터

제논램프를 적용하는 기존 CW 솔라 시뮬레이터의 경우 램프의 기본 수명이 700~1,000시간 정도이기 때문에 주기적으로 램프를 교체해야 할 뿐 아니라, 장비 시동 후에도 안정화를 위해 20~30분 정도의 웜업 시간이 필요하는 등의 불편함이 존재한다. 또한, Mechanical shutter 방식으로 외부 트리거 사용은 가능하지만, 완전한 펄스 구현이 어렵고 온·오프 스피드(On/Off Speed)를 빨리 할 수 없다는 한계점이 있으며, 램프 쿨링을 위해 팬 등을 함께 장착해야 하므로 상황에 따라서는 장비 사이즈로 인해 설치에 제약을 받기도 했다.

그 반면, LED를 적용한 솔라 시뮬레이터의 경우에는 LED 기본 수명이 1만 시간으로 기존 CW 솔라 시뮬레이터보다 약 10배 정도 길 뿐 아니라, 웜업 시간도 5분 이내라 장비 시동 후 안정화까지의 시간도 짧다. 또한, shutter를 사용하지 않기 때문에 On/Off 구현이 빠르고 완전한 펄스 구현도 가능하다. 특히, 새로 선보인 LSH-7320의 경우 외부 트리거를 사용해 최소 10ms까지 제어할 수 있는 데다, 작은 헤드와 전원만으로 사용이 가능하므로 설치 공간에도 제약을 받지 않는다. 이에 대해 김 이사는 “LSH-7320 시스템은 Class 2A 등급으로 가격이 저렴한 외부 트리거를 사용해 10ms까지 펄스 소스로 사용 가능하므로 다양한 셀 분석에 이용할 수 있다”면서, “이 트리거 신호는 셔터를 사용한 미케니컬 타입이 아니기 때문에 완전한 펄스 구현이 가능하다”고 말했다.

이는 1ms 정도의 펄스폭을 가지는 쇼트 펄스 시뮬레이터(Short Pulse Solar simulator)에는 미치지 못하지만, 수십 ms 펄스폭의 롱 펄스 솔라 시뮬레이터(Long Pulse Solar Simulator) 사양 이상의 성능이며, 또한 기존의 펄스드 솔라 시뮬레이터(pulsed solar simulator)와 견줄 만한 사양이다. 별도의 컨트롤러를 사용하는 VeraSol도 마찬가지로 많은 설치 공간이 필요 없다. VeraSol 시스템의 경우 개별적인 파장 제어(400~500nm, 500~600nm 등)가 가능할 뿐 아니라, 두 시스템 모두 0.1SUN에서 1.1SUN까지 자유롭게 조절할 수 있으며, USB 인터페이스로 PC를 이용한 광량 제어도 가능하다.

한편, 태양전지의 경우 효율 측정시 빔에 노출되며 이때 열에 의해 효율이 변화하기도 하는데, LED 솔라 시뮬레이터의 경우에는 IR을 제거했기 때문에 열에 대한 셀 효율 변동도 거의 없다. 이에 대해 김 이사는 “간혹 IR 영역대에 영향을 받은 태양전지의 경우 효율 측정에 차이가 생길 수 있으나, 실리콘 태양전지를 기반으로 하는 기준 태양전지를 이용해 기존 제논램프를 적용한 CW 솔라 시뮬레이터와 LED 솔라 시뮬레이터로 효율을 측정해 관련 파라미터를 비교해 본 결과, LED 솔라 시뮬레이터의 경우 셀 효율 변동 없이 99% 이상 매칭이 되는 것이 검증됐다”고 설명했다.

Light Soaking 시스템에 최적 사용 가능

오엠에이가 새로 선보인 이 두 가지 LED 솔라 시뮬레이터는 독립된 헤드를 이용한 구성으로 사용자가 원하는 빔 조사 방향으로 설치 및 실험이 가능할 뿐 아니라, 열도 많이 발생하지 않아 온도와 습도가 제어되는 글로브 박스 내부에서 사용할 수 있다는 것도 장점이다. 따라서 글로브 박스 내부에서 OPV, Quantum-dot, 페로브스카이트 태양전지를 제작 후 바로 측정이 가능하도록 함으로써 해당 연구 분야의 사용자들에 있어 큰 편리함을 준다. 특히, 이 LED 솔라 시뮬레이터는 긴 수명의 LED 특성으로 인해, 태양전지의 라이프타임을 측정하는 Light Soaking 시스템에 최적이라는 설명이다.

김 이사는 “제품이 출시된 지 얼마 되지 않아 적용사례가 많지는 않지만, Light Soaking 구성 및 글로브 박스 내부사용 용도로 제품 문의 및 요청이 늘고 있다”면서, “태양전지뿐 아니라, 광합성 실험 및 태양광 조사 조건이 필요한 광촉매 실험에도 적용할 계획이며, 현재 관련 데모가 진행 중”이라고 말했다. 또한 그는 “LED를 이용한 솔라 시뮬레이터가 R&D 분야에서뿐 아니라, 태양전지 양산시스템의 구성 파트로 활용될 수 있도록 태양광시장이 한층 활성화될 수 있기를 기대해 본다”고 덧붙였다.

한편, 오엠에이는 LED 솔라 시뮬레이터 판매 확대를 위해 1차적으로는 R&D 분야에 중점을 두고 국가연구소를 대상으로 데모 및 판매를 본격화한다는 계획이다. 이를 통해 특성화된 시스템 구성이 가능하도록 사용자와 긴밀한 관계를 유지하고, 이들의 요구에 부합하는 장비 업그레이드를 위해 뉴포트 코퍼레이션 본사와도 협의함으로써 타사와 차별화되는 태양전지 효율 측정 장비를 제공할 수 있을 것으로 기대한다는 설명이다. 

CHECK POINT / CW 솔라 시뮬레이터 vs. LED 솔라 시뮬레이터

- CW 솔라 시뮬레이터의 경우에는 AM1.5G 스펙트럼을 구현하기 위해 별도의 스펙트럼 필터를 사용해야 하는 반면, LED 장비의 경우 LED만으로 태양광 스펙트럼(AM1.5G) 조건을 만족할 수 있다. 그러나 CW 장비의 경우 스펙트럼을 AM0, AM1 등 다양하게 할 수 있는데 반해, LED 장비는 현재 AM1.5G 조건만 가능하다는 한계성은 존재한다.

- LED 장비는 USB PC 인터페이스로 광량 조절이 가능하다는 장점이 있다. 광량 조절은 CW 장비도 추가 필터와 기계적인 기구물을 사용해 장비에 따라서 0.1~1.1SUN까지 조절할 수 있지만, 필터를 사용한 경우 스펙트럼이 변할 수 있으며, 기계적인 기구물을 사용하는 경우에도 빔 조사면적의 고르기에 영향을 줄 수 있다. 그 반면, LED 장비의 경우 간단하게 전류로 SUN 조절이 가능해 스펙트럼 및 SUN 변화에 따른 빔 조사면적에 대한 고르기(Beam Uniformity) 변화를 없앨 수 있다.

- CW 장비의 경우 램프 구동이 AC로 제어되지만, LED 장비의 경우 DC Current로 제어되기 때문에 AC 구동시 생길 수 있는 노이즈를 줄여 간단하고 한층 안정된 장비 구현이 가능하다. 특히, VeraSol-2의 경우 400~1,000nm 전파장 출력뿐 아니라, 각 Bandwidth도 개별 제어가 가능하다.