KR101327470B1 - 다층형태의 태양전지용 내후성필름 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다층형태의 태양전지용 내후성필름에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로 설명하면, 폴리에스터 또는 코폴리에스터 고분자 수지를 포함하는 강성층과 폴리테트라 메틸렌 에테르 글리콜을 함유한 폴리부틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 연성층이 규칙적 또는 비규칙적으로 다층 적층되어 이루어진 태양전지용 내후성필름에 관한 것으로서, 신도변화율, 강도변화율 및 헤이즈가 우수하기 때문에 태양전지에 사용하기 적합한 다층형태의 내후성필름에 관한 것이다.
태양전지, 내후성필름, 폴리에스터, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 신도변화율, 강도변화율, 헤이즈

Description

다층형태의 태양전지용 내후성필름{weatherable solar cell films having multi-layer}
폴리에스터 또는 코폴리에스터 고분자 수지를 포함하는 강성층과 폴리테트라 메틸렌 에테르 글리콜을 함유한 폴리부틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 연성층이 규칙적 또는 비규칙적으로 다층 적층되어 이루어진 태양전지용 내후성필름에 관한 것으로서, 신도변화율(%), 강도변화율(%) 및 헤이즈(%)가 우수하기 때문에 태양전지에 사용하기 적합한 다층형태의 내후성필름에 관한 것이다.
최근 환경 문제와 유가상승으로 인해 석유제품에 대한 저렴하고 공해 배출이 없는 클린 에너지 혹은 신재생 에너지에 대한 수요가 급속도로 늘고 있는 추세다. 클린 에너지 및 신재생 에너지에는 태양열을 이용한 태양 에너지, 풍력 에너지, 바이오메스 에너지, 수소연료 에너지, 연료전지, 지열 에너지, 해양 에너지 등 수많은 에너지 발전 방법이 존재한다. 많은 에너지 개발 방법 중 태양 에너지를 이용한 방법이 효율적인 측면이나 개발 완성도 측면에서 차세대 에너지 생산방법으로 적합한 것으로 평가되고 있다. 태양 에너지를 사용하는 방법에는 태양의 빛에너지를 태양전지 모듈을 통하여 전기 에너지로 변환하여 사용하는 경우와 태양의 빛 에너지를 열 에너지로 변환하여 사용하는 경우로 나누어진다. 그 중 태양전지모듈을 이용하여 전기 에너지로 변환하는 경우를 살펴 볼 때 태양전지 모듈은 옥외에서 장시간(10년 이상) 사용되기 때문에 태양전지 모듈을 보호할 수 있는 장치가 필요하며 이 장치는 내후성, 내열성이 필수로 갖추어 져야 한다. 또 이러한 보호 기능 이외에도 최근에는 빛 반사율 증대와 같은 태양전지의 효율을 극대화 할 수 있는 기능이 추가로 요구되기도 한다. 태양전지를 보호하는 장치에는 여러 가지가 존재 할 수 있지만 현재로서는 내후성, 내열성을 가지는 필름이 주로 사용되고 있다. 이러한 필름은 기본적으로 태양전지 하부에 위치하며 내후성, 내열성이 높은 불소기를 포함하는 폴리비닐플로라이드(PVF)필름이 주로 사용되고 있지만 PVF필름의 제조 단가가 매우 높기 때문에 이를 대체하기 위해서 여러 가지 방법들이 개발 혹은 제시돼 있다.
종래특허로, 일본 공개특허공보 제 2008-85270 호, 일본 공개특허공보 제 2002-26354 호, 일본 공개특허공보 제 2002-134770 호에서는 PVF필름 사이에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)필름을 사용하는 경우와 PVF필름을 대체하는 필름, 내후성을 증가시키는 필름과 여기에 반사율을 높이기 위해 무기물을 첨가하여 3층 공압출 형태로 제조되는 경우가 제안되고 있다. 하지만 이러한 필름의 경우 태양전지 이면 봉지용 필름에서 가장 강하게 요구되는 50시간 내후성 실험을 하였을 경우, 20% 정도의 신도변화율을 보이며 이보다 좀 더 강화된 100시간 내후성 실험에 서는 신도변화율이 급격히 감소되는 단점이 있다.
이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 우수한 내후성과 내열성을 확보하기 위하여 기존의 적층공압출법에 의해 필름을 제조하면서, 이와 동시에 우수한 광학적 특성을 확보하기 위해서 특정 물질을 도입 및 필름 조성물 간의 적정 조성비를 갖는 새로운 내후성필름을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다층형태 태양전지용 내후성필름은 폴리에스터 또는 코폴리에스터 고분자 수지를 포함하는 강성층; 및 폴리테트라 메틸렌 에테르 글리콜을 함유한 폴리부틸렌 테레프탈레이트 글리콜 공중합체를 포함하는 연성층;이 규칙적 또는 비규칙적으로 다층 적층된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다층형태 태양전지용 내후성필름은 시간변화에 따른 신도변화율이 적어 내후성이 우수하고, 강도와 가시광선 투과율이 높아 자외선에 대한 안정도가 높다.
이와 같이, 폴리에스터 또는 코폴리에스터 고분자 수지를 포함하는 강성층;과 폴리테트라 메틸렌 에테르 글리콜을 함유한 폴리부틸렌 테레프탈레이트 글리콜 공중합체를 포함하는 연성층;이 규칙적 또는 비규칙적으로 다층 적층된 것을 그 특징으로 하는 본 발명의 태양전지용 내후성필름을 이하에서 상세하게 설명한다.
본 발명의 태양전지용 내후성필름에 있어서, 상기 강성층은 폴리에스터 또는 코폴리에스터 고분자 수지를 포함한다. 상기 고분자 수지는 폴리알킬렌 테레프탈레이트 수지를 사용하는 것이 좋고, 폴리알킬렌의 알킬렌은 탄소수 1 ~ 6 범위를 유지하며, 바람직하게는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지, 및 공중합된 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상인 것을 그 특징으로 한다. 또한, 상기 고분자 수지는 결정화도가 75% 이상, 더욱 바람직하게는 80 ~ 95%인 것을 사용하는 것이 좋다. 여기서, 상기 고분자 수지의 결정화도가 75% 미만이면 강도가 저하 되므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
상기 연성층의 폴리부틸렌 테레프탈레이트 글리콜 공중합체는 폴리테트라 메틸렌 에테르 글리콜(polytetra methlyene ether glycol, 이하 “PTMEG”로 칭한다.)을 상기 폴리부틸렌 테레프탈레이트 글리콜 공중합체 전체 중량에 대하여 90 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 10 ~ 70 중량% 함유하고 있는 것을 사용하는 것이 좋다. 여기서, 상기 PTMEG가 상기 폴리부틸렌 테레프탈레이트 글리콜 공중합체 전체 중량에 대하여 90 중량% 초과시에는 내열성에 문제가 발생할 수 있고, 10 중량% 미만 시에는 내구성에 문제가 발생할 수 있다.
상기 연성층에 대해서 더욱 구체적으로 설명하면, 상기 연성층은 PTMEG를 함유한 폴리부틸렌 테레프탈레이트 글리콜 공중합체 외에 에스터기를 포함하는 모든 폴리머를 사용할 수 있다. 즉, 연성층에는 PTMEG를 함유한 폴리부틸렌 테레프탈레이트 글리콜 및 폴리알킬렌 에스테르, 폴리우레탄, 폴리아세테이트 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 더 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
상기 연성층에 있어서, 상기 폴리알킬렌의 알킬렌은 탄소수가 1 ~ 10인 것을 더욱 바람직하게는 2 ~ 4인 것을 사용할 수 있으며, 상기 폴리알킬렌은 1,4-싸이클로헥산디메탄올(cyclohexanedimethanol, CHDM)이 함유된 폴리에틸렌을 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 태양전지용 내후성필름에 있어서, 상기 강성층과 연성층의 중량은 0.1 ~ 100 : 1 중량비가 가능하며 (압출량비, kg/hr) 더욱 바람직하게는 1 ~ 30 : 1 중량비를 갖는 것을 그 특징으로 하는데, 여기서, 상기 강성층과 연성층의 중량비가 0.1 : 1 미만시 강도 유지가 어렵고, 100 : 1 초과시 내후성에 문제가 발생 할 수 있으므로, 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명의 태양전지용 내후성필름은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 압출법으로 제조된다. 구체적으로 설명하면 각 층을 형성할 물질들을 피드블록(feed block)을 통하여 교대로 적층이 이루어지게 한 후, 공압출 다이를 통과하여 시트를 압출하여 제조한다. 이때, 강성층과 연성층은 1 ~ 30 : 1 중량비 범위로 층간 비율이 이루어지도록 압출기의 용량을 적절히 조절한다. 상기와 같은 방법으로 압출된 시트는 캐스팅 롤을 이용하여 급랭하면 고화된 시트가 얻어지 고 시트의 균일한 두께 및 표면 개선을 위하여 정전인가를 이용하여 캐스팅 롤에 밀착시킨다. 이때, 정전인가는 4 ~ 6 kv 조건에서 수행하는 것이 좋으며, 이 범위는 당 분야에서 일반적으로 수행되는 것으로서 특별히 한정하지는 않는다. 이후에, 상기 시트를 종방향/횡방향으로 순차적으로 2 축 연신시킨다.
이때, 연신배율은 종방향/횡방향 모두 1.2 ~ 5 배의 배율을 유지하는바, 상기 연신배율이 1.2 배 미만이면 강도의 저하 및 두께가 불량하게 되고, 5 배를 초과하면 필름이 끊어지거나 수축율이 매우 증대되는 문제가 발생하므로, 상기 범위를 유지하는 것이 좋다.
앞서 설명한 바와 같이 강성층과 연성층이 규칙적 또는 비규칙적으로 다층 적층된 본 발명의 태양전지용 내후성필름은 50 ㎛ 기준으로 가시광선 투과율이 80 % 이상, 더욱 구체적으로는 85 % 이상이며, 헤이즈(Haze)는 7 % 이하, 구체적으로는 5 % 이하이다. 또한, 제조된 본 발명의 태양전지용 내후성필름의 두께는 5 ~ 700 ㎛ , 더욱 바람직하게는 50 ~ 400 ㎛ 이며, 상기 필름의 두께가 5 ㎛ 미만이면 내후성이 극도로 낮아지고 전기 절연성 문제가 발생할 수 있으며, 700 ㎛를 초과하면 내후성은 증대되지만 가격, 무게, 후 가공 등 많은 문제가 발생할 수 있어 상기 두께 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
태양전지용 내후성필름의 제조
실시예 1
결정화도가 75%인 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지(SKC)를 120 ℃에서 2시간 이상, 이어서 180 ℃에서 약 3시간 이상 진공 건조하였다. 이후에 280 ℃로 용융 후, 압출기를 이용하여 피드 블록(feed block)에 투입하였고, 폴리테트라 메틸렌 에테르 글리콜(PTMEG)(일반 Grade) 함량이 60%인 폴리부틸렌 테레프탈레이트 글리콜 공중합체를 240 ℃에서 용융 한 후, 진공 벤트 압출기를 이용하여 피드블록에 투입하였다.
상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지와 상기 폴리부틸렌 테레프탈레이트글리콜 공중합체의 각 층간 중량비가 20 : 1 이 되도록 약 280 ℃ 온도에서 피드블록 공압출법으로 압출을 수행하여 15 층을 갖는 시트를 제조하였다. 이때, 45 ℃로 유지된 냉각 롤 위에서 5 kv 정전인가 조건에서 시트를 제조하였다.
상기 제조된 시트를 90 ℃ 조건에서 종방향으로 약 3.5 배로 1차 연신을 실시하고, 이후 필름 표면의 슬립성을 높이기 위하여 코팅을 실시한 후, 약 110 ℃ 조건에서 횡 방향으로 약 3.8 배 연신하여 50 ㎛ 두께의 필름을 얻었다.
실시예 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 태양전지용 내후성필름을 제조하되, 상기 강성층과 상기 연성층의 중량비가 1 : 1의 비율로 압출을 실시하여 50 ㎛ 두께의 필름을 얻었다.
실시예 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 태양전지용 내후성필름을 제조하되, 상기 강성층과 상기 연성층의 중량비가 5 : 1의 비율로 압출을 실시하여 50 ㎛ 두께의 필름을 얻었다.
비교예 1
상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 태양전지용 내후성필름을 제조하되, 상기 연성층의 폴리부틸렌 테레프탈레이트 공중합체 대신 CHDM기의 함유 밀도가 10 ~ 70% 이상인 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜을 사용하여 강성층과 연성층의 중량비가 20 : 1이 되도록 하여 50 ㎛ 두께의 필름을 얻었다.
비교예 2
상기 비교예 1과 동일하게 실시하되, 강성층과 연성층의 중량비가 1 : 1이 되도록 실시하여 50 ㎛ 두께의 필름을 얻었다.
비교예 3
상기 비교예 1과 동일하게 실시하되, 강성층과 연성층의 중량비가 5 : 1이 되도록 실시하여 50 ㎛ 두께의 필름을 얻었다.
비교예 4
상기 비교예 1과 동일하게 실시하되, 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지 대신 폴리에틸렌 나프탈레이트를 사용하고 강성층과 연성층의 중량비가 20 : 1이 되도록 실시하여 50 ㎛ 두께의 필름을 얻었다.
비교예 5
상기 비교예 1과 동일하게 실시하되, 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지 대신 폴리메틸메타 아크릴레이트를 사용하고 강성층과 연성층의 중량비가 20 : 1이 되도록 실시하여 50 ㎛ 두께의 필름을 얻었다.
비교예 6
상기 비교예 1과 동일하게 실시하되, 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지 대신 결정화도가 70%인 공중합 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지를 사용하고 강성층과 연성층의 중량비가 20 : 1이 되도록 실시하여 50 ㎛ 두께의 필름을 얻었다.
비교예 7
결정화도가 75%인 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지(SKC)를 120 ℃에서 2 시간 이상, 이어서 180 ℃에서 약 3 시간 이상 진공 건조하였다. 이후에 280 ℃로 용융 후, 압출기를 이용하여 시트를 제작하였다.
이때, 45 ℃로 유지된 냉각 롤 위에서 5 kv 정전인가 조건에서 시트를 제조 하였다.
상기 제조된 시트를 100 ℃ 조건에서 종방향으로 약 3.5 배 1 차 연신을 실시하고, 이후 필름 표면의 슬립성을 높이기 위하여 코팅을 실시한 후, 약 110 ℃ 조건에서 횡 방향으로 약 3.8 배 연신하여 50 ㎛ 두께의 단층 필름을 얻었다.
비교예 8 ~ 11
비교예 7과 동일하게 실시하여 단층 필름을 얻되, 비교예 8은 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene naphtalate. PEN)수지를 사용하였으며, 비교예 9는 폴리메틸메타 아크릴레이트(Poly Methyl Meta Acrylate. PMMA)수지를 사용하였고, 비교예 10은 폴리테트라 메틸렌 에테르 글리콜(PTMEG)(일반 Grade) 함량이 60%인 폴리부틸렌 테레프탈레이트 글리콜 공중합체 수지를 사용하였으며, 그리고 비교예 11은 결정화도가 70%인 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜 공중합체 수지를 사용하여 일반적인 압출방법으로 50 ㎛ 두께를 갖는 단층 필름을 각각 얻었다.
Figure 112009058272300-pat00003
실험예
물성측정실험
상기 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 11에서 제조된 태양전지 내후성 필름의 물성을 아래와 같은 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
신도 변화율
120 ℃, 2 atm 분위기에 필름을 50 시간 에이징하고 ASTM D882에 의하여 필름의 파단신도를 측정하고 에이징이 없는 필름의 파단신도를 100%로 정한다.
강도 변화율
120 ℃, 2 atm 분위기에 필름을 50 시간 에이징하고 ASTM D 882에 의하여 필름의 파단강도를 측정하고 에이징이 없는 필름의 파단강도를 100%로 정한다.
가시광선 투과율
필름을 폭 21.0 cm, 길이 29.7 cm 사이즈로 절단한 후 필름표면에 뭍은 이물질을 제거한 후 빛 투과율 측정기에 넣어 측정하며, 이때 단위는 % 로 표기한다[ASTM D 1003 MODE].
헤이즈(Haze)
필름을 폭 21.0 cm, 길이 29.7 cm 사이즈로 절단한 후 필름표면에 뭍은 이물질을 제거한 후, Haze 측정기에 넣어 측정하며 이때 단위는 % 로 표기한다[ASTM D 1003 MODE].
Figure 112008070319844-pat00002
실시예 및 비교예에서 제조한 태양전지 내후성 필름의 물성결과인 상기 표 2를 살펴보면, 기존의 태양전지 필름으로 사용중이거나 검토중인 다층 혹은 단층으로 이루어진 비교예 7 ~ 11 보다 다층형태를 가지고 있는 본 발명의 실시예 1 ~ 3의 신도변화율(=신도 유지율)이 우수할 뿐만 아니라, 강도변화율(=강도 유지율)이 높게 나타나 내후성이 좋음을 확인할 수 있었다. 또한 비교예 4, 8, 10은 실시예 1 ~ 3과 비교하여 동등 또는 그 이상의 향상된 신도변화율을 나타내고 있지만, 비교예 4, 8, 10으로 태양전지용 내후성 필름을 제작시 상대적으로 실시예 1 ~ 3으로 필름을 제조하는 비용보다 최소 5 배 이상의 많은 비용이 예상되므로 상업적인 측면에서는 이롭지 않다라고 판단할 수 있었다.
비교예 1 ~ 3의 경우, 낮은 헤이즈를 갖지만 신도변화율이 떨어지는 것을 확인할 수 있었고 비교예 4는 강도변화율과 신도변화율이 90% 이상으로 좋은 수준이지만 가격문제와 공정상에 문제가 발생할 수 있고, 비교예 5, 6의 경우 신도변화율과 강도변화율이 크게 감소하는것을 알 수 있었다.
비교예 7, 9, 11은 공정상에 문제는 없었으나 신도변화율, 강도변화율이 현저하게 떨어지는것을 알 수 있었고, 비교예 8, 10은 상기 언급한대로 가격적인 측면과 공정 안정성적인 측면에서 실시예 1 ~ 3와 대비하여 낮은 수치를 보이는 것을 알 수 있었다.
이와 같은 본 발명의 특성은 내후성과 내열성이 우수하여 상업적으로 태양전지용 필름으로 사용하기에 매우 적합하다.

Claims (8)

  1. 폴리에스터 또는 코폴리에스터 고분자 수지를 포함하는 강성층; 과
    폴리테트라 메틸렌 에테르 글리콜을 함유한 폴리부틸렌 테레프탈레이트 글리콜 공중합체로 이루어진 연성층;
    이 순차로 교대하여 규칙적으로 다층 적층되어 있되
    상기 강성층과 상기 연성층이 1 ~ 30 : 1의 중량비를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지용 내후성 필름.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 결정화도가 75 ~ 95 % 범위인 것을 특징으로 하는 태양전지용 내후성필름.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 연성층의 폴리부틸렌 테레프탈레이트 글리콜 공중합체는 폴리테트라 메틸렌 에테르 글리콜을 10 ~ 60 중량% 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 태양전지용 내후성필름.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 필름은 압출 후 종방향 및 횡방향으로 1.5 ~ 5.0 배 범위로 연신되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 내후성필름.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 필름의 두께가 5 ~ 700 ㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지용 내후성필름.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 필름의 내가수분해성 실험 시 신도변화율이 20 ~ 90 % 범위인 태양전지용 내후성필름.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 필름의 가시광선 투과율이 80 ~ 95 % 범위, 헤이즈가 0.1 ~ 5 % 범위인 태양전지용 내후성필름.
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