• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.423.1-423.1
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• 2014

본 발표에서는 실리콘 이종접합 태양전지에서 중요한 실리콘 웨이퍼 표면/계면 제어에 대하여 발표한다. 다시 말하여, 실리콘 웨이퍼 기판 세정공정 변화에 따른 실리콘 웨이퍼 표면의 소수전하수명(minority carrier lifetime, MCLT) 및 태양전지 소자특성 변화에 대하여 연구하였다. 구체적으로, 실리콘 웨이퍼 클리닝 최초단계로써 KOH damage etching 공정을 도입할 때, 이후 클리닝 공정을 통일하여 적용한 웨이퍼 표면의 MCLT 및 상기 웨이퍼를 이용하여 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)을 통하여 제작한 태양전지 소자 효율은 KOH etching 시간이 10분일 때 최대치에 도달한 후 감소하였다. 또한, RCA1, RCA2, Piranha로 이루어진 웨이퍼 클리닝 단계의 사이에, 또는 맨 마지막에 묽힌 불산용액(DHF, 5 %) 처리를 하여 표면 산화막 제거 및 수소종단처리를 하여 기판의 passivation 특성을 향상시키고자 할 때, 불산용액 처리 순서에 따른 웨이퍼 표면의 MCLT 및 태양전지 소자 효율을 비교하였다. 그 결과, 묽은불산용액을 클리닝 단계 사이에 적용하였을 때의 MCLT 및 태양전지 소자의 특성이 더 우수하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2011년도 제40회 동계학술대회 초록집
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• pp.376-377
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• 2011

결정질 실리콘 태양전지 연구에 있어서 가장 중요한 부분은 재료의 저가화와 공정의 단순화에 의한 저가의 태양전지 셀 제작 부분과 고효율의 태양전지 셀 제작 부분이다. 본 논문에서는 마이크로 블라스터를 이용하여 폐 실리콘 웨이퍼를 태양전지용 재생웨이퍼를 제작함으로써 고효율을 가지는 단결정 실리콘 웨이퍼를 저 가격에 생산하기 위한 것이다. 특히 마이크로 블라스터를 이용하여 폐 실리콘 웨이퍼를 가공 할 때 표면에 생성되는 요철은 기존 태양전지 셀 제작에서 텍스쳐링 공정과 같은 표면 구조를 가지게 됨으로써 태양전지 셀에 제작 공정을 줄일 수 있는 효과도 가지게 된다. 마이크로 블라스터는 챔버 내에 압축된 공기나 가스에 의해 가속 된 미세 파우더들이 재료와 충돌하면서 재료에 충격을 주고 그 충격에 의해 물질이 식각되는 기계적 건식 식각 공정 기술이다. 이러한 물리적 충격을 이용하는 마이크로 블라스터 공정은 기존 재생웨이퍼 제작 공정 보다 낮은 재처리 비용으로 간단하게 태양전지용 재생웨이퍼를 제작 할 수 있다. 하지만 마이크로 블라스터를 이용하면 표면에 식각된 미세 파티클의 재흡착이 일어나게 되므로 이를 제거하기 위하여 DRE(damage remove etching) 공정이 필요하게 된다. 본 연구에서는 이방성, 등방성 식각 공정으로 태양전지용 재생웨이퍼를 제작하기 위해 가장 적합한 DRE 공정을 찾기 위해 등방성 식각은 RIE 식각으로, 그리고 이방성 식각은 TMAH 식각을 이용하였다. 마이크로 블라스터 공정 후 표면 반사율과 SEM 사진을 이용한 표면 요철 구조를 확인 하였고, DRE 공정 후 표면 반사율과 SEM 사진을 이용하여 표면 요철 구조를 확인 하였다. 각각의 lifetime을 측정하여 표면 식각으로 생성된 결함들을 분석하여 태양전지용 재생웨이퍼 제작에 가장 적합한 공정을 확인 하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2011년도 제40회 동계학술대회 초록집
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• pp.382-382
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• 2011

보다 저렴한 다결정 실리콘 웨이퍼를 사용한 다결정 실리콘 태양전지의 발전효율개선을 위해서는 태양광스펙트럼의 표면 흡수기구를 최적화하고, 전자-정공쌍의 생성극대화 및 재결합 기구 제어를 통한 전하운바자들의 안정적인 분리와 전극으로의 효율적인 수집이 필수적인다. 현재 양질의 다결정 실리콘 웨이퍼에 기반한 다결정 실리콘 태양전지 양산공정에서 16~17% 발전효율이 이루어지고 있으며 18% 이상의 발전효율을 얻기 위해서는 보다 더 우수한 품질의 다결정 실리콘 웨이퍼가 요구된다. 본 연구에서는 15.5~16.5% 대역의 평균 발전효율을 갖는 15.6 cm${\times}$15.6 cm 크기 고효율 다결정 실리콘 태양전지 전면의 전자발광(EL : electroluminescence)데이터로부터 효율기여도가 높은 위치와 상대적으로 기여도가 낮은 위치들을 선정하여 380~1050nm 파장대역의 광선속에 대해 국부적인 외부양자효율(EQE : external quantum efficiency)을 측정하고 투과전자현미경(TEM : tunneling electron microscope) 등을 활용하여 결정방향 등에 기인하는 양자효율 악화기구를 분석하였다. 결론적으로 15%대의 상대적으로 낮은 발전효율을 보이는 태양전지들은 300~600 nm 단파장 영역에서 양자효율이 상대적으로 낮은 저급한 결정성의 웨이퍼에 기인하고 16.5%이상의 높은 발전효율을 갖는 태양전지들은 단파장영역에서 높은 양자효율을 갖는 영역이 수광면적의 80~90%를 차지하는 것으로 밝혀졌다. 이와 더불어 15%대의 발전효율을 갖는 태양전지에서는 600~1100 nm 파장대역에서 상대적으로 악화된 양자효율을 갖는 저급한 결정성 영역이 30~40%를 차지하였으나 16.5%대역의 고효율 태양전지에서는 저급한 결정성 영역이 5~10%를 차지하여 대조를 보였다. 따라서 18%이상의 높은 발전효율을 갖는 다결정 실리콘 태양전지의 양산을 위해서는 양자효율이 우수한 양품의 웨이퍼를 기반으로 표면 texturing을 통해 평균 태양광 흡수율을 90%이상으로 개선하고, 보다 미세한 프론트 전극패턴을 통해 수광면적을 개선하고 선택적인 에미티공정 기술 등을 적용할 필요가 있음을 제안하고자 한다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2009년도 제38회 동계학술대회 초록집
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• pp.286-286
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• 2010

최근에 환경 오염과 화석 에너지의 고갈 문제를 해결하기 위하여 태양광을 전기 에너지로 변환하는 태양전지 연구에서 가장 이슈가 되는 부분은 저가격화와 고효율이다. 상용화 되어 있는 대부분의 태양전지는 단결정 실리콘 웨이퍼와 다결정 실리콘 웨이퍼를 사용한다. 실리콘 웨이퍼의 원자재 가격을 낮추는 방법에는 한계가 있기 때문에 태양전지 제작 공정에서 공정 단가를 낮추는 방법이 많이 연구되고 있고, 실리콘 웨이퍼가 가지는 재료의 특성상 화합물을 이용한 태양전지 보다 낮은 효율을 가질 수밖에 없기 때문에 반도체 소자 공정을 응용하여 실리콘 웨이퍼 기판에서 고효율을 얻는 방법으로 연구가 진행 되고 있다. 본 연구에서는 마이크로 블라스터를 이용하여 태양전지 cell 상부에 AG(anti-glare)를 가지는 유리 기판을 형성하여 낮은 단가로 태양전지 cell의 효율을 향상시키기 위한 연구를 진행 하였다. 태양전지 cell 상부에 AG를 가지는 유리 기판을 형성하게 되면 태양의 위도가 낮아 표면에서 대부분 반사되는 태양광을 태양전지 cell에서 광기전력효과가 일어나게 하여 효율을 향상시킨다. 이때 사용한 micro blaster 공정은 고속의 입자가 재료를 타격할 때 입자의 아래에는 고압축응력이 발생하게 되고, 이 고압 축응력에 의하여 소성변형과 탄성변형이 발생된다. 이러한 변형이 발전되어 재료의 파괴 초기값보다 크게 되면 크랙이 발생되고, 점점 더 발전하게 되면 재료의 제거가 일어나는 단계로 이루어지는 기계적 건식 식각 공정 기술이라 할 수 있다. 먼저 유리 기판에 마이크로 블라스터 장비를 이용하여 AG를 형성한다. AG는 $Al_2O_3$ 파우더의 입자 크기, 분사 압력, 노즐과 기판과의 간격, 반복 횟수, 노즐 이동 속도 등의 공정 조건에 따른 유리 기판 표면에서의 광학적 특성 및 구조적 특성에 관하여 분석하였다. 일반적인 태양전지 cell 제작 공정에 따라 cell을 제작 한후 AG 유리 기판을 상부에 형성시키고 솔라시뮬레이터를 이용하여 효율을 측정하였다. 이때 솔라시뮬레이터의 광원이 고정되어 있기 때문에 태양전지 cell에 기울기를 주어 태양의 위도 변화에 대해 간접적으로 측정하였다. AG 유리 기판이 태양전지 cell 상부에 형성 되었을 때와 없을 때를 각각 비교하여 AG 유리 기판이 형성된 태양전지 cell에서의 효율 향상을 확인하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.239.2-239.2
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• 2014

태양전지의 전면전극과 웨이퍼의 접촉저항은 태양전지의 효율을 저하시키는 원인이 된다. 전면전극과 웨이퍼의 접촉저항을 감소시키는 공정으로써 선택적 에미터 도핑이 널리 적용되고 있다. 선택적 에미터 도핑은 태양전지의 전면전극 하부에 고농도 도핑을 함으로써 전극과 웨이퍼의 접촉저항을 감소시켜 태양전지의 효율상승을 유도한다. 이러한 선택적 에미터 도핑은 주로 고가의 레이저 장비가 요구 되어 생산단가가 높으며 웨이퍼의 구조적 손상을 야기한다. 본 연구에서는 고가의 레이저 장비를 플라즈마 제트 장치로 대체함으로써 생산단가를 낮추고자 한다. 도펀트가 도포된 웨이퍼에 플라즈마 제트를 조사하면 플라즈마 전류 흐름에 의한 저항 열이 발생한다. 발생된 열에 의해 도펀트가 웨이퍼에 확산되어 도핑된다. 플라즈마 제트로 구성된 선택적 에미터 도핑 장비 개발을 위한 기초 특성을 조사한다. 플라즈마 제트의 전류량의 변화에 따른 웨이퍼의 온도 특성과 도포된 도펀트 용재의 인산 함유량에 따른 도핑 깊이를 조사한다. 또한 선택적 에미터 도핑의 생산성을 향상시키기 위해 다중 채널 플라즈마 제트 장치를 구성하여 특성을 조사한다. 각 채널의 플라즈마 제트의 선폭과 전류량이 적절한 균일도를 갖도록 한다. 도핑 프로파일은 이차 이온 질량분석법을 통해 분석한다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2009년도 제38회 동계학술대회 초록집
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• pp.293-293
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• 2010

최근 태양전지 연구에서 저가격화를 실현하는 방법 중 하나로 폐 실리콘 웨이퍼를 재생하는 방법에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 기존 웨이퍼 재생공정은 높은 재처리 비용과 복잡한 공정등의 많은 단점을 가지고 있다. 챔버 내에 압축된 공기나 가스에 의해 가속된 미세 파우더들이 재료와 충돌하면서 식각하는 기계적 건식 식각 공정 기술이라고 할 수 있는 micro blaster 공정을 이용하면 기존 재생공정보다 낮은 재처리 비용과 간단한 공정으로 재생웨이퍼를 제작할 수 있다. 하지만 이러한 micro blaster 공정은 식각 후 표면에 많은 particle과 crack을 형성시켜 태양전지용으로 사용하기에 단점을 가진다. 본 연구에서는 이러한 micro blaster를 이용한 태양전지용 재생 웨이퍼를 제작하기 위해 폐 실리콘 웨이퍼의 표면 물질을 식각하고, 식각 후 충돌에 의해 발생된 표면의 particle과 crack을 DRE(Damage Remove Etching)공정으로 제거하는 연구를 진행 하였다. 먼저 폐 실리콘 웨이퍼와 같은 표면을 형성하기 위하여 시편 표면에 각각 Al($2000{\AA}$), $Si_3N_4(3000{\AA})$, $SiO_2(1{\mu}m)$, AZ1512($1{\mu}m$)을 형성하고 micro blaster의 파우더 크기, 압력, 스캔 속도 등의 공정 조건에 따라 폐 실리콘 웨이퍼 표면 물질을 식각하였다. 식각 후 폐 실리콘 웨이퍼의 식각된 깊이와 표면 물질 잔량을 측정하고, 폐 실리콘 웨이퍼의 표면에 particle과 crack, 요철이 형성되어 있는지를 확인하였다. 그 결과 폐 실리콘 웨이퍼에 형성된 물질의 두께 이상으로 식각되었으며, 표면 물질의 잔량이 남아 있지 않았고, 표면에 많은 particle과 crack, 요철이 형성되었다. 표면에 형성된 요철은 유지하면서 많은 particle과 crack을 제거하기 위하여 micro blaster공정 후 DRE 공정으로 표면 개선이 필요하였다. 이때 남겨진 요철은 입사광량을 증가시키고, 표면 반사율을 감소시켜 태양전지내의 흡수하는 빛의 양을 증가시키는 태양전지 texturing 공정 효과로 작용하게 된다. 표면에 남은 particle과 crack을 완전히 제거하면서 요철은 유지할 수 있게 HNA 용액의 농도와 시간에 따른 식각 정도를 측정하였다. DRE 공정 후 표면 particle과 crack이 완전히 제거되어 표면이 개선됨을 확인하였다. Micro blaster를 이용하여 폐 실리콘 웨이퍼의 표면을 식각하고, DRE공정으로 표면을 개선함으로써 태양전지용 기판으로의 재생 가능성을 확인하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.110.2-110.2
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• 2011

일본 Sanyo 사에 의해서 획기적으로 HIT 태양전지가 개발된 바 있다. 이러한 HIT 태양전지는 기존의 확산-접합 Si 태양전지에 비해서 저비용 고효율의 장점을 갖는다: 22% 이상의 변환효율, $200^{\circ}C$ 이하의 공정온도, 낮은 태양전지 온도 의존도, 높은 개방전압. 한편 Sanyo사의 HIT 태양전지는 n-형 Si 웨이퍼를 이용한 반면에, 최근 미국 National Renewable Energy Laboratory는 p-형 Si 웨이퍼를 이용해서 변환효율 19% 대의 HIT 태양전지를 개발한 바 있다. 그 동안 지속적으로 p-형 Si HIT 태양전지를 고효율화하기(< 22%) 위해서 많은 노력이 진행되어 왔지만 이와 같은 노력에도 불구하고 아직 p-형 HIT는 n-형 HIT 태양전지에 비해서 다소 성능면에서 떨어져 있다. 본 연구는 n- 및 p-형 실리콘 웨이퍼로 구성된 HIT 태양전지의 물리적인 차이점에 초점을 맞추고, 결정 및 비정질 실리콘 층의 역할에 대해서 연구하였다. 특히 태양전지 효율을 향상시키는 요소들로서 결정 실리콘의 불순물 준위(n- 및 p-형) 또는 비저항, 비정질 실리콘으로 구성된 emitter 층, intrinsic 층, 경계면이 고려되었다. 그리고 이러한 요소들이 HIT 태양전지에 미치는 영향을 조사하기 위해서 AMPS-1D 컴퓨터 프로그램을 사용하였고, 이를 통해서 HIT 태양전지의 결정 및 비정질 실리콘 층의 역할을 물리적 정량적으로 분석하였다. 본 연구에 적용되는 HIT는 ITO/a-Si:H(p+)/a-Si:H(i)/c-Si(n)/a-Si:H(i)/a-Si:H(n+) 및 ITO/a-Si:H(n+)/a-Si:H(i)/c-Si(p)/a-Si:H(i)/a-Si:H(p+)의 구조로서 다음과 같은 태양전지 특성을 갖는다: n-형 HIT의 경우, fill factor ~ 0.78, 단락전류밀도 ~ 38.1 $mA/cm^2$, 개방전압 0.74 V, 변환효율 22.3 % (그리고 p-형 HIT의 경우, fill factor ~ 0.76, 단락전류밀도 ~ 36.5 $mA/cm^2$, 개방전압 0.69 V, 변환효율 19.4 %).

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2007년도 추계학술대회 논문집
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• pp.153-154
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• 2007

결정질 실리콘 웨이퍼의 두께와 비저항은 태양전지의 효율을 결정하는 매우 중요한 요인이다. 높은 효율을 갖는 태양전지 설계를 위해 태양전지 시뮬레이터인 PC1D 프로그램을 이용하여 태양전지 웨이퍼 두께, 웨이퍼 비저항, 에미터 도핑 농도를 조절하였다. 최적화 결과, 베이스층 두께 $100{\mu}m$, 비저항 $0.1{\Omega}{\cdot}cm$, 에미터층 도핑 농도 $3{\cdot}10^{18}cm^{-3}$에서 $J_{sc}=39(mA/cm^2),\;V_{oc}=734(mV),\;P_{max}=3.17(W)$, FF=74, Efficiency=21.3%의 고효율을 얻을 수 있다. 본 연구를 통하여 태양전지 설계나 제조 시에 연구비를 절감할 수 있고 높은 효율의 태양전지로 접근할 수 있다.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2009년도 하계학술대회 논문집
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• pp.450-450
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• 2009

최근 전세계적으로 태양전지의 대량보급에 따라 실리콘 원료의 공급에 차질이 생겨 원자재 값이 상승하는 추세에 있다. 결정질 실리콘 태양전지의 제조비용중 실리콘 재료 및 웨이퍼가 차지하는 비율은 약 50~60%정도로 높기 때문에 실리콘 웨이퍼의 두께를 감소시키는 것이 비용절감을 위한 효과적인 방법으로 기대되고 있다. 그러나 실리콘 웨이퍼의 두께가 앓아질수록 제조공정중 균열이나 파손이 발생할 가능성이 높아지기 때문에 이에 따른 실리콘 웨이퍼의 기계적 물성에 대한 연구가 필수적이라 할 수 있다. 본 연구에서는 현재 상용으로 사용되고 있는 크기가 5 인치인 $200{\mu}m$ 두께의 실리콘웨이퍼 (As-saw)를 약 80여개의 시편으로 절단한 후 각각의 파단강도를 부위별로 측정하였다. 또한 표면절단결함을 제거하는 saw damage etching(SDE) 시간을 제어하여 두께가 $150{\mu}m$, $130{\mu}m$인 웨이퍼를 준비하였다. 이들 시험편에 대해서도 부위별 파단강도를 측정하여 as-saw상태의 시험편과 비교하였다. 파단강도 측정은 4 접 굽힘시험을 통하여 측정하였으며 파단면은 주사전자현미경을 통하여 관찰하였다. 또한 실리콘 웨이퍼의 미세균열을 비파괴적으로 검출하기 위하여 100MHz 고주파수를 이용하는 초음파현미경(SAM, scanning acoustic microscope)을 이용하여 균열의 분포를 영상화하였다.

• 한국진공학회지
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• 제20권3호
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• pp.217-224
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• 2011

최근, 결정질 실리콘 태양전지 분야에서 저가격화와 공정의 단순화가 가장 중요한 부분으로 대두되고 있다. 특히 태양전지 가격의 대부분을 차지하고 있는 웨이퍼의 저가격화가 가장 큰 이슈로 떠오르면서, 웨이퍼의 저가격화를 실현하기 위한 최선의 방안으로 마이크로 블라스터를 이용한 재생웨이퍼 제작 방법이 대두되고 있다. 마이크로 블라스터를 이용하여 재생웨이퍼를 제작 할 경우, 표면의 요철이 형성되어 반사율이 감소되어 태양전지 내부로 입사하는 빛의 양을 증가시키는 긍정적인 효과가 있다. 또한, 공정비용이 저렴하여 태양전지 저가격화를 실현할 수 있다. 그러나, 마이크로 블라스터를 이용한 공정은 웨이퍼에 물리적인 충격을 주기 때문에 표면에 크랙이 형성되며 식각 잔여물들이 표면에 재흡착되는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 단점들을 보완하기 위하여 DRE (Damage Remove Etching)를 수행하였다. DRE 공정 후 반사율과 소수 반송자 수명을 측정하여 미세 파티클과 마이크로 크랙의 제거를 확인하였고, 태양전지를 제작하여 효율에 미치는 영향을 분석하였다. 마이크로 블라스터 공정 후 웨이퍼의 소수 반송자 수명은 Bare 웨이퍼에 비해 80% 정도 감소하였으나, DRE 공정 수행 후에는 50% 까지 증가하였음을 확인할 수 있었다. 태양전지 효율을 비교해보면, DRE 공정을 수행한 웨이퍼의 경우 Bare 웨이퍼보다 약 1~2%, DRE 공정을 수행하지 않은 웨이퍼보다 약 3∼5% 증가했음을 확인하였다.