KR101922279B1 - 봉지재 - Google Patents

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Abstract

차세대 태양 전지 봉지재로서, 역학 물성, 투명성, 내열성, 전기 절연성, 방습성이 뛰어나고, 또한 연질성, 봉지성이 뛰어나며, 예를 들면 박층화 봉지재로서 적합한 신규 열가소성 봉지재 수지 및 시트를 제공하는 것이다. 본 발명은 특정한 제조 방법으로 얻어지는 주로 방향족 비닐 화합물 유닛, 에틸렌 유닛 및 방향족 폴리엔 유닛으로 구성되는 크로스(cross) 공중합체(이하 단순히 크로스 공중합체라고 적는다)를 주로 포함하며, 역학 물성, 투명성, 내열성, 전기 절연성, 방습성이 뛰어나고, 연질성, 봉지성이 뛰어난 봉지재 수지 및 시트이다.

Description

봉지재{SEALANT}
본 발명은 수지를 주성분으로 하는 봉지재에 관한 것이다.
최근 이산화탄소 방출량의 삭감, 자원의 유효 이용이나 환경오염의 방지 등의 면에서, 태양광을 직접 전기 에너지로 변환하는 태양 전지(태양광 발전 장치)가 널리 사용되며 추가적인 개발이 진행되고 있다. 본 태양 전지에는 큰 기대와 함께, 추가적인 신뢰성 향상과 대폭적인 제조 비용 감소가 요구되고 있다.
태양 전지는 일반적으로 도 1에 나타내는 바와 같이, 유리판 등의 수광면측 투명 보호 부재(A)와 이면측 보호 부재(백 시트)(B)의 사이에 수광면측 봉지재(C1) 및 이면측 봉지재(C2)가 끼워진 것과 같이 결정 실리콘 발전 소자 등으로 이루어진 태양 전지용 셀(D)을 복수, 봉지한 구성으로 이루어져 있다.
이와 같은 태양 전지는 수광면측 투명 보호 부재(A), 수광면측 봉지재(C1), 태양 전지용 셀(D), 이면측 봉지재(C2) 및 이면측 보호 부재(B)를 이 순서로 적층하고, 가열 가압하며, EVA제의 봉지재를 가교 경화시켜 접착 일체화함으로써 제조된다.
태양 전지는 각종 온도, 습도 조건 하, 풍우에도 노출되는 실외의 환경 하에서 20~30년간 장기에 걸쳐 사용되기 때문에, 사용되는 재료에는 고도의 신뢰성이 요구된다. 봉지재로서 널리 사용되고 있는 가교 EVA는 투명성과 연질성이 뛰어나고, 또한 오랫동안 사용된 실적을 가지는 재료(특허 문헌 1)이지만, 투습성이 비교적 높으며, 체적 저항율이 비교적 낮고, 가수분해나 분해에 의해 부식성의 아세트산을 유리하기 때문에, 장기간에 걸친 신뢰성 확보의 관점에서는 과제도 가지고 있다. 또한 이들 과제로부터, 신뢰성을 확보하기 위해서는 충분한 두께가 필요하고, 봉지재의 박육화가 곤란하다.
모듈화에 있어서는 내열성 부여를 위해 EVA의 가교 처리가 필요하며, 공정 시간이 길어져 버린다는 생산성의 과제나, 가교재로부터 유래하는 보존 중의 가교제 열화나 가교시의 발포, 시트의 가교 수축 등의 과제를 가지고 있다.
이에, 내열성을 가지며, 체적 저항율이 높고, 투습성이 낮은 수지를 사용한 가교가 불필요한 열가소성 봉지재가 제안되고 있다. 예를 들면, 아이오노머 수지(특허 문헌 2), 폴리프로필렌계의 연질 수지(특허 문헌 3), 에틸렌-α올레핀 공중합체(LLDPE: 직쇄상 저밀도 폴리에틸렌)(특허 문헌 4,5,6)를 사용한 각 봉지재가 제안되고 있다.
한편, 스티렌과 에틸렌을 원료로 하는 크로스(cross) 공중합체를 사용한 봉지재가 제안되고 있다(특허 문헌 8). 본 봉지재는 투명성, 내후성, 전기 절연성, 방습성이 뛰어나며, EVA와 동등한 연질성을 갖는다.
일본 특허 제3473605호 공보 일본 특표 2008-522877호 공보 WO 06/057361호 공보 일본 특개 2007-318008호 공보 일본 특개 2010-254989호 공보 일본 특개 2002-235048호 공보 일본 특개 2001-119047호 공보 일본 특개 2010-150442호 공보
그러나, 일반적으로는 아이오노머 수지는 EVA와 비교하면 연질성, 성형 가공성이 뒤떨어진다는 과제를 갖는다. 폴리프로필렌을 원료로서 포함하는 올레핀계의 연질 수지는 내광성에 과제를 가지고 있다. LLDPE를 사용하는 경우는 태양 전지 사용시의 내열성인 100~120℃의 내열을 확보하기 위한 융점을 가지는 코모노머 함량(밀도)이 필요하지만, 그러한 LLDPE는 연질성이나 투명성이 충분하지 않다는 과제를 갖는다. 또, 코모노머 함량이 높고 비교적 저밀도의 투명성, 연질성이 높은 LLDPE는 융점이 60~80℃ 정도여서 태양 전지 봉지재로는 내열성이 부족하다. 이에, 과산화물, 비닐실란류나 전자선 조사에 의한 가교, 유사 가교에 의해 내열성을 부여하는 기술이 개시되어 있다(특허 문헌 5,6,7). 그러나, 이들은 번잡한 조작이 필요하고, 가교에 수반하는 상기 결점도 내포시켜 버릴 우려가 있다.
봉지재에는 깨지기 쉬운 실리콘 셀을 사용 환경 하 혹은 태양 전지 제조시에 보호하기 위한 연질성(쿠션성)과 봉지성이 요구된다. 또한 최근 태양 전지 모듈의 비용 감소를 위해서, 예를 들면 결정, 다결정 실리콘 셀의 두께를 더욱 얇게 하려고 하는 시도가 있고, 종래보다도 더욱 연질성, 봉지성이 봉지재에는 요구되어 오고 있다. 한편 봉지재에는 비용 감소를 위해서 박층화가 더욱 요구되고 있지만 연질성 담보를 위해 박층화는 곤란하다. 또한 상기와 같이 EVA는 전기 절연성, 방습성이 낮은 것으로부터 박층화는 한층 곤란하다.
본 발명의 목적은 차세대 태양 전지 봉지재로서, 역학 물성, 투명성, 내열성, 전기 절연성, 방습성이 뛰어나고, 또한 연질성, 봉지성이 뛰어나며, 예를 들면 박층화 봉지재로서 적합한 신규 열가소성 봉지재 수지와 그 시트를 제공하는 것이다.
본 발명은 특정한 제조 방법으로 얻어지는 주로 방향족 비닐 화합물 유닛, 에틸렌 유닛 및 방향족 폴리엔 유닛으로 구성되는 크로스 공중합체(이하 단순히 크로스 공중합체라고 적는다)를 주로 포함하며, 역학 물성, 투명성, 내열성, 전기 절연성, 방습성이 뛰어나고, 연질성, 봉지성이 뛰어난 봉지재 수지와 그 시트이다.
본 발명은 싱글 사이트 배위 중합 촉매를 사용해 에틸렌 모노머, 방향족 비닐 화합물 모노머 및 방향족 폴리엔의 공중합을 실시해, 방향족 비닐 화합물 유닛 함량 17몰% 이상 30몰% 이하, 방향족 폴리엔 유닛 함량 0.01몰% 이상 0.2몰% 이하, 잔부가 에틸렌 유닛 함량인 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머를 합성하는 배위 중합 공정과, 상기 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머와 방향족 비닐 화합물 모노머를 공존시켜, 음이온 중합 개시제를 사용해 중합시키는 음이온 중합 공정으로 이루어진 중합 공정을 포함하는 제조 방법에 의해 얻어지는 크로스 공중합체를 포함하는 봉지재 수지와 그 시트로서, 또한 이하의 조건 (1)~(3)을 만족하는 봉지재 수지와 그 시트이다.
(1) 상기 배위 중합 공정에서 얻어지는 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머의 중량 평균 분자량은 3만 이상 15만 이하이며, 분자량 분포(Mw/Mn)는 1.8 이상 4 이하이다.
(2) 상기 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머의 0℃~150℃까지 관측되는 결정 융해열(ΔH)은 30J/g 이하이다.
(3) 상기 음이온 중합 공정에서 얻어지는 크로스 공중합체 중의 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머 유닛의 질량 비율은 75질량% 이상 95질량% 이하이다.
본 발명에서, 크로스 공중합체를 주로 포함하는 봉지재 수지와 그 시트(이하 단순히 봉지재 또는 봉지재 시트라고 기재하는 경우가 있다)란, 봉지재 수지와 그 시트에서 차지하는 크로스 공중합체의 질량 비율이 적어도 70질량% 이상 99.9질량% 이하, 바람직하게는 95질량% 이상 99.9질량% 이하인 것을 나타낸다.
본 발명의 크로스 공중합체를 주로 포함하는 봉지재 수지와 그 시트는 A경도 50 이상 70 미만, 바람직하게는 A경도 50 이상 65 미만, 가장 바람직하게는 A경도 50 이상 63 미만, 전광선 투과율(0.5mm 두께 시트)이 85% 이상인 연질성과 투명성이 뛰어난 특징을 갖는다. 본 크로스 공중합체로 이루어진 봉지재 수지와 그 시트는 빛으로 생성되는 라디칼을 포착하는 광안정제 및 필요에 따라서 빛 에너지를 무해한 열 에너지로 변환하는 자외선 흡수제로 구성되는 내광제를 포함한다.
본 발명의 주로 크로스 공중합체로 이루어진 봉지재 수지와 그 시트에는 통상 봉지재에 사용하는 다른 각종 첨가물, 즉 내광제, 산화 방지재(노화 방지제), 실란 커플링제, 필요에 따라서 가교재, 필요에 따라서 가교조제 등을 포함할 수 있다.
차세대 태양 전지 봉지재로서, 투명성, 내열성, 전기 절연성, 방습성이 뛰어나고, 또한 연질성, 봉지성이 뛰어나며, 예를 들면 박층 봉지재로서 적합한 신규 봉지재를 제공하는 것이다.
도 1은 일반적인 태양 전지의 단면도를 나타낸다.
도 2는 시작(試作)한 태양 전지 모듈의 내구성 시험(DH 시험) 결과를 나타낸다.
본 발명의 크로스 공중합체를 주로 포함하는 봉지재 수지와 그 시트는 구체예로는 상술한 도 1에 나타내는 봉지재(C1) 및/또는 (C2)로서 사용된다.
본 발명은 싱글 사이트 배위 중합 촉매를 사용해 에틸렌 모노머, 방향족 비닐 화합물 모노머 및 방향족 폴리엔의 공중합을 실시해, 방향족 비닐 화합물 유닛 함량 17몰% 이상 30몰% 이하, 방향족 폴리엔 유닛 함량 0.01몰% 이상 0.2몰% 이하, 잔부가 에틸렌 유닛 함량인 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머를 합성하는 배위 중합 공정과, 상기 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머와 방향족 비닐 화합물 모노머를 공존시켜, 음이온 중합 개시제를 사용해 중합시키는 음이온 중합 공정으로 이루어진 중합 공정을 포함하는 제조 방법에 의해 얻어지는 크로스 공중합체를 포함하는 봉지재 수지와 그 시트로서, 또한 이하의 조건을 만족하는 봉지재 수지와 그 시트이다.
(1) 상기 배위 중합 공정에서 얻어지는 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머의 중량 평균 분자량은 3만 이상 15만 이하이며, 분자량 분포(Mw/Mn)는 1.8 이상 4 이하이다.
(2) 상기 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머의 0℃~150℃까지 관측되는 결정 융해열(ΔH)은 30J/g 이하이다.
에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머의 조성은 공지된 일반적 방법에 의해 상기 범위로 제어할 수 있지만, 가장 간단하게는 모노머 투입 조성비를 변경하는 것이나, 에틸렌 분압을 변경함으로써 달성할 수 있다.
배위 중합 공정에서 얻어지는 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머의 방향족 비닐 화합물 유닛 함량이 17몰% 미만인 경우, 에틸렌 연쇄 구조에 의거한 결정화가 일어나고, 결정 융해열이 높아져, 연질성, 투명성이 저하해 버린다. 또, 본 방향족 비닐 화합물 유닛 함량이 30몰% 보다 높아지면, 최종적으로 얻어지는 크로스 공중합체의 유리 전이 온도가 높아져, 저온 특성이 악화되거나 실온에서의 연질성이 손상되거나 하는 경우가 있으므로 바람직하지 않다.
배위 중합 공정에서 얻어지는 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머의 방향족 폴리엔 유닛 함량 0.01몰% 이상 0.2몰% 이하의 경우, 투명성이 뛰어나고, 또한 성형 가공성이 양호한 크로스 공중합체를 얻을 수 있다. 방향족 폴리엔 유닛 함량이 0.01몰% 미만에서는 크로스 공중합체의 생성 효율이 저하하고, 주쇄 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머와 방향족 비닐 화합물 폴리머의 혼합물(비상용)의 비율이 증가해, 투명성이 저하해 버린다. 방향족 폴리엔 유닛 함량이 0.2몰%를 넘으면 얻어지는 크로스 공중합체의 성형 가공성(MFR)이 저하해 버리고, 또 겔 부분 등을 생성하기 쉬워진다.
에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머의 중량 평균 분자량이 15만을 넘으면 크로스 공중합체의 투명성이 저하해 버리고, 3만 미만에서는 역학 물성이 저하해 버릴 우려가 있다. 본 중량 평균 분자량은 공지된 방법으로 제어할 수 있지만, 일반적으로는 배위 중합 공정의 중합 온도를 적절히 변경함으로써 제어할 수 있다.
에틸렌 연쇄 구조로부터 유래하는 결정 구조가 일정 이상 존재하면 연질성이나 투명성이 손상되어 버리는 경우가 있고, 또한 성형 가공시에 결정화에 의한 수축 등 성형체의 치수 안정성이 손상되어 버리는 경우가 있다. 본 발명에 의해 얻어지는 크로스 공중합체는 올레핀 결정성 및 다른 결정성도 포함하는 총결정 융해열로는 30J/g 이하, 바람직하게는 20J/g 이하이다. 총결정 융해열은 DSC(시차 주사 열량 측정: Differential Scanning Calorimetry)에 의해 0℃~150℃의 범위에서 관측되는 융점으로부터 유래하는 피크의 면적의 총계로부터 구할 수 있다.
(3) 음이온 중합 공정을 거쳐 얻어지는 크로스 공중합체에서 차지하는 상기 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머의 질량 비율이 75질량% 이상 95질량% 이하, 더욱 바람직하게는 80질량% 이상 95질량% 이하이다. 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머의 질량 비율이 75질량% 미만에서는 연질성이 저하해, A경도가 70을 넘어 버릴 우려가 있다. 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머의 질량 비율이 95질량% 보다 높으면, 방향족 비닐 화합물 폴리머의 기여가 적게 되어 크로스 공중합체의 내열성이 저하해 버린다. 본 제조 방법에 의해 얻어지는 크로스 공중합체의 A경도는 50 이상 70 미만, 바람직하게는 A경도 50 이상 65 미만, 가장 바람직하게는 A경도 50 이상 63 미만이다. 본 배위 중합 공정에서 얻어지는 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머의 질량 비율은, 예를 들면 중합 중, 에틸렌 소비량 또는 폴리머 농도나 조성을 모니터해 본 중합 공정에서 생성되는 공중합체의 질량을 추산함으로써 제어할 수 있다. 본 질량 비율을 내리기 위해서는, 예를 들면 상기 모니터를 실시해, 생성되는 공중합체의 질량을 산출하면서 배위 중합 공정 시간을 짧게 해 음이온 중합 공정을 조기에 개시하면 되고, 본 질량 비율을 올리기 위해서는 중합 시간을 길게 해 음이온 중합 공정 개시를 늦추면 된다. 또, 음이온 중합 공정에서 사용되는 음이온 중합성 비닐 화합물 모노머를 음이온 중합 공정 개시시 또는 공정 중에 추가 첨가해도 된다. 음이온 중합성 비닐 화합물 모노머의 추가 첨가량에 의해, 본 배위 중합 공정에서 얻어지는 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머의 질량 비율을 임의로 변경할 수 있다.
본 방법에서 얻어지는 크로스 공중합체에는 주쇄인 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머에 크로스쇄인 음이온 중합성 모노머로 구성되는 폴리머쇄가 주쇄 방향족 폴리엔 유닛을 통하여 결합하고 있는 구조(크로스 공중합 구조 또는 Segregated star copolymer 구조)를 포함한다고 생각된다. 그러나, 본 크로스 공중합체의 구조나 포함되는 비율은 임의이며, 본 발명의 크로스 공중합체는 본 발명의 제조 방법에 의해 얻어지는 공중합체(폴리머)라고 규정된다.
이하에, 본 발명에 사용되는 크로스 공중합체의 제조 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
<배위 중합 공정>
본 제조 방법의 배위 중합 공정에서는 싱글 사이트 배위 중합 촉매가 사용된다. 바람직하게는 하기의 일반식(1) 또는 (6)으로 나타내는 천이 금속 화합물과 조촉매로 구성되는 싱글 사이트 배위 중합 촉매를 사용한다.
Figure 112014019621244-pct00001
식 중, A, B는 동일해도 상이해도 되고, 비치환 혹은 치환 벤조인데닐기, 비치환 혹은 치환 시클로펜타디에닐기, 비치환 혹은 치환 인데닐기 또는 비치환 혹은 치환 플루오레닐기로부터 선택되는 기이다. 여기서 치환 벤조인데닐기, 치환 시클로펜타디에닐기, 치환 인데닐기 또는 치환 플루오레닐기란, 치환 가능한 수소 중 1개 이상이 탄소수 1~20의 알킬기, 탄소수 6~10의 아릴기, 탄소수 7~20의 알킬아릴기, 할로겐 원자, OSiR3기, SiR3기 또는 PR2기(R은 모두 탄소수 1~10의 탄화수소기를 나타낸다)로 치환된 벤조인데닐기, 시클로펜타디에닐기, 인데닐기, 또는 플루오레닐기이다.
바람직하게는 식 중, A, B는 동일해도 상이해도 되고, A, B 중 적어도 하나는 일반식(2), (3), (4)로 나타내는 비치환 혹은 치환 벤조인데닐기 또는 일반식(5)로 나타내는 비치환 혹은 치환 인데닐기로부터 선택되는 기이다. 가장 바람직하게는 식 중, A, B는 동일해도 상이해도 되고, A, B는 모두 일반식(2), (3), (4)로 나타내는 비치환 혹은 치환 벤조인데닐기 또는 일반식(5)로 나타내는 비치환 혹은 치환 인데닐기로부터 선택되는 기이다.
또한, 하기의 일반식(2), (3), (4)에서, R1~R3은 각각 수소, 탄소수 1~20의 알킬기, 탄소수 6~10의 아릴기, 탄소수 7~20의 알킬아릴기, 할로겐 원자, OSiR3기, SiR3기 또는 PR2기(R은 모두 탄소수 1~10의 탄화수소기를 나타낸다)이다. R1끼리, R2끼리, R3끼리는 서로 동일해도 상이해도 되고, 또 인접하는 R1, R2기는 일체가 되어 5~8원환의 방향환 또는 지방환을 형성해도 된다.
Figure 112014019621244-pct00002

Figure 112014019621244-pct00003

Figure 112014019621244-pct00004
이상의 일반식으로 나타내는 비치환 벤조인데닐기로서, 4,5-벤조-1-인데닐기(별명 벤조(e)인데닐기), 5,6-벤조-1-인데닐기, 6,7-벤조-1-인데닐기를, 치환 벤조인데닐기로서, α-아세나프토-1-인데닐기, 3-시클로펜타[c]페난트릴기, 1-시클로펜타[l]페난트릴기를 예시할 수 있다.
하기의 일반식(5)에서, R4는 각각 수소, 탄소수 1~20의 알킬기, 탄소수 6~10의 아릴기, 탄소수 7~20의 알킬아릴기, 할로겐 원자, OSiR3기, SiR3기 또는 PR2기(R은 모두 탄소수 1~10의 탄화수소기를 나타낸다)이다. R4끼리는 서로 동일해도 상이해도 된다.
Figure 112014019621244-pct00005
이상의 일반식으로 나타내는 비치환 인데닐기로는 1-인데닐기를, 치환 인데닐기로는 4-메틸-1-인데닐기, 5-에틸-1-인데닐기, 4-페닐-1-인데닐기, 4-나프틸-1-인데닐기를 예시할 수 있다.
더욱 바람직하게는 식 중, A, B는 동일해도 상이해도 되고, 모두 일반식(2), (3), (4)로 나타내는 비치환 혹은 치환 벤조인데닐기, 일반식(5)로 나타내는 비치환 혹은 치환 인데닐기로부터 선택되는 기이다.
Y는 A, B와 결합을 가지며, 그 밖에 치환기로서 수소 혹은 탄소수 1~15의 탄화수소기(본 치환기로는 그 밖에 1~3개의 질소 원자, 산소 원자, 황 원자, 인 원자 또는 규소 원자를 포함해도 된다)를 가지는 메틸렌기, 실릴렌기, 에틸렌기, 게르밀렌기 또는 붕소기이다. 치환기는 서로 상이해도 동일해도 된다. 또, Y는 환상 구조를 가지고 있어도 된다. 바람직하게는 Y는 A, B와 결합을 가지며, 그 밖에 치환기로서 수소 혹은 탄소수 1~15의 탄화수소기(본 치환기로는 그 밖에 1~3개의 질소 원자, 산소 원자, 황 원자, 인 원자 또는 규소 원자를 포함해도 된다)를 가지는 메틸렌기 또는 붕소기이다.
X는 수소, 수산기, 할로겐, 탄소수 1~20의 탄화수소기, 탄소수 1~20의 알콕시기, 탄소수 1~4의 탄화수소 치환기를 가지는 실릴기 또는 탄소수 1~20의 탄화수소 치환기를 가지는 아미드기이다. 2개의 X는 결합을 가져도 된다. M은 지르코늄, 하프늄 또는 티타늄이다.
또한 본 천이 금속 화합물은 라세미체인 것이 바람직하다. 이러한 천이 금속 화합물의 적합한 예로는 EP-0872492 A2 공보, 일본 특개 평11-130808호 공보, 일본 특개 평9-309925호 공보에 구체적으로 예시한 치환 메틸렌 가교 구조를 가지는 천이 금속 화합물이나, WO 01/068719호 공보에 구체적으로 예시한 붕소 가교 구조를 가지는 천이 금속 화합물이다. 또, 하기 일반식(6)으로 나타내는 천이 금속 화합물도 적합하게 사용할 수 있다.
Figure 112014019621244-pct00006
식 중, Cp는 비치환 혹은 치환 시클로펜타페난트릴기, 비치환 혹은 치환 벤조인데닐기, 비치환 혹은 치환 시클로펜타디에닐기, 비치환 혹은 치환 인데닐기 또는 비치환 혹은 치환 플루오레닐기로부터 선택되는 기이다. 여기서 치환 시클로펜타페난트릴기, 치환 벤조인데닐기, 치환 시클로펜타디에닐기, 치환 인데닐기 또는 치환 플루오레닐기란, 치환 가능한 수소 중 1개 이상이 탄소수 1~20의 알킬기, 탄소수 6~10의 아릴기, 탄소수 7~20의 알킬아릴기, 할로겐 원자, OSiR3기, SiR3기 또는 PR2기(R은 모두 탄소수 1~10의 탄화수소기를 나타낸다)로 치환된 시클로펜타페난트릴기, 벤조인데닐기, 시클로펜타디에닐기, 인데닐기 또는 플루오레닐기이다.
Y'는 Cp, Z와 결합을 가지며, 그 밖에 수소 혹은 탄소수 1~15의 탄화수소기를 가지는 메틸렌기, 실릴렌기, 에틸렌기, 게르밀렌기 또는 붕소기이다. 치환기는 서로 상이해도 동일해도 된다. 또, Y'는 환상 구조를 가지고 있어도 된다.
Z는 질소 원자, 산소 원자 또는 황 원자를 포함하고, 질소 원자, 산소 원자 또는 황 원자에서 M'에 배위하는 배위자에서 Y'와 결합을 가지며, 그 밖에 수소 혹은 탄소수 1~15의 치환기를 가지는 기이다.
M'은 지르코늄, 하프늄 또는 티타늄이다.
X'는 수소, 할로겐, 탄소수 1-15의 알킬기, 탄소수 6-10의 아릴기, 탄소수 8-12의 알킬아릴기, 탄소수 1-4의 탄화수소 치환기를 가지는 실릴기, 탄소수 1-10의 알콕시기 또는 탄소수 1-6의 알킬 치환기를 가지는 디알킬아미드기이다.
n은 1 또는 2의 정수이다.
일반식(6)으로 나타내는 천이 금속 화합물은 WO 99/14221호 공보, EP 416815호 공보, US 6254956호 공보에 기재되어 있다.
본 제조 방법의 배위 중합 공정에서는 더욱 바람직하게는 상기의 일반식(1)로 나타내는 천이 금속 화합물과 조촉매로 구성되는 싱글 사이트 배위 중합 촉매가 사용된다. 본 제조 방법의 배위 중합 공정에서 사용하는 조촉매로는 종래 천이 금속 화합물과 조합해서 사용되고 있는 공지된 조촉매를 사용할 수 있다. 그러한 조촉매로서, 메틸알루미녹산(또는 메틸알루목산 또는 MAO라고 적는다) 등의 알루목산 또는 붕소 화합물이 적합하게 사용된다. 필요에 따라서, 이들 알루목산이나 붕소 화합물과 함께, 트리이소부틸알루미늄이나 트리에틸알루미늄 등의 알킬알루미늄을 사용해도 된다. 이러한 조촉매의 예로는 EP-0872492 A2호 공보, 일본 특개 평11-130808호 공보, 일본 특개 평9-309925호 공보, WO 00/20426호 공보, EP 0985689 A2호 공보, 일본 특개 평6-184179호 공보에 기재되어 있는 조촉매나 알킬알루미늄 화합물을 들 수 있다.
알루목산 등의 조촉매는 천이 금속 화합물의 금속에 대해, 알루미늄 원자/천이 금속 원자비로 0.1~100000, 바람직하게는 10~10000의 비로 사용된다. 0.1 이상에서는 유효하게 천이 금속 화합물을 활성화할 수 있고, 100000 이하에서는 경제적으로 유리해진다.
또한 가장 바람직하게 사용되는 싱글 사이트 배위 중합 촉매의 천이 금속 화합물은 일반식(1)로 나타내는 구조를 가지며, 또한 A, B는 동일해도 상이해도 되고, A, B는 모두 비치환 혹은 치환 벤조인데닐기 및 비치환 혹은 치환 인데닐기로부터 선택되는 기이며, 또는 Y는 A, B와 결합을 가지고, 그 밖에 치환기로서 수소 혹은 탄소수 1~15의 탄화수소기(1~3개의 질소 원자, 산소 원자, 황 원자, 인 원자, 규소 원자를 포함해도 된다)를 가지는 메틸렌기 또는 붕소기이며, 또한 본 천이 금속 화합물은 라세미체이다. 이 조건을 만족하는 경우, 얻어지는 본 조성 범위의 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머는 올레핀-방향족 비닐 화합물의 교호 구조, 바람직하게는 에틸렌-방향족 비닐 화합물 교호 구조에 이소택틱의 입체 규칙성을 가지며, 이 때문에 본 발명의 크로스 공중합체는 본 교호 구조로부터 유래하는 미결정성을 가질 수 있다. 또, 본 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머는 입체 규칙성이 없는 경우와 비교해 교호 구조의 미결정성에 의거한 양호한 역학 물성이나 내유성을 부여할 수 있고, 이 특징은 최종적으로 본 발명의 크로스 공중합체에도 계승할 수 있다.
에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머의 교호 구조의 미결정성에 의한 결정 융점은 대체로 50℃~120℃의 범위에 있고, DSC에 의한 그 결정 융해열은 40J/g 이하, 바람직하게는 30J/g 이하이다. 본 발명의 크로스 공중합체는 총체로서, 40J/g 이하, 바람직하게는 30J/g 이하의 결정 융해열을 가질 수 있다. 본 범위의 결정 융해열의 결정성은 본 크로스 공중합체의 연질성, 성형 가공성에 악영향은 부여하지 않고, 오히려 뛰어난 역학 물성이나 내유성의 면에서 유익하다.
조촉매로서 붕소 화합물을 사용하는 경우에는 붕소 원자/천이 금속 원자비로 0.01~100의 비로 사용되지만, 바람직하게는 0.1~10, 특히 바람직하게는 1로 사용된다. 0.01 이상에서는 유효하게 천이 금속 화합물을 활성화할 수 있고, 100 이하에서는 경제적으로 유리해진다. 천이 금속 화합물과 조촉매는 중합 설비 외에서 혼합, 조제해도, 중합시에 설비 내에서 혼합해도 된다.
본 발명에 사용되는 방향족 비닐 화합물은 스티렌 및 각종 치환 스티렌, 예를 들면 p-메틸스티렌, m-메틸스티렌, o-메틸스티렌, o-t-부틸스티렌, m-t-부틸스티렌, p-t-부틸스티렌, p-클로로스티렌, o-클로로스티렌 등을 들 수 있다. 공업적으로는 바람직하게는 스티렌, p-메틸스티렌, p-클로로스티렌, 특히 바람직하게는 스티렌이 사용된다.
본 발명에 사용되는 방향족 폴리엔은 10 이상 30 이하의 탄소수를 가지며, 복수의 이중 결합(비닐기)과 단수 또는 복수의 방향족기를 가지고, 배위 중합 가능한 방향족 폴리엔이며, 이중 결합(비닐기) 중 1개가 배위 중합에 사용되어 중합한 상태에서, 남겨진 이중 결합이 음이온 중합 가능한 방향족 폴리엔이다. 바람직하게는 오르토디비닐벤젠, 파라디비닐벤젠 및 메타디비닐벤젠 중 어느 하나 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 적합하게 사용된다.
본 발명의 배위 중합 공정에서 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머를 제조함에 있어서는 상기에 예시한 각 모노머, 천이 금속 화합물 및 조촉매를 접촉시키지만, 접촉의 차례, 접촉 방법은 임의의 공지된 방법을 사용할 수 있다.
이상의 공중합의 방법으로는 용매를 사용하지 않고 액상 모노머 중에서 중합시키는 방법, 혹은 펜탄, 헥산, 헵탄, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌, 클로로 치환 벤젠, 클로로 치환 톨루엔, 염화 메틸렌, 클로로포름 등의 포화 지방족 또는 방향족 탄화수소 또는 할로겐화 탄화수소의 단독 또는 혼합 용매를 사용하는 방법이 있다. 바람직하게는 혼합 알칸계 용매, 시클로헥산, 톨루엔, 에틸벤젠 등을 사용한다. 중합 형태는 용액 중합, 슬러리 중합 어느 것이어도 된다. 또, 필요에 따라 배치 중합, 연속 중합, 예비 중합, 다단식 중합 등의 공지된 방법을 사용할 수 있다.
단수나 연결된 복수의 탱크식 중합관이나 리니어나 루프가 단수, 연결된 복수의 파이프 중합 설비를 사용하는 것도 가능하다. 파이프상의 중합관에는 동적, 혹은 정적인 혼합기나 제열을 겸한 정적 혼합기 등의 공지된 각종 혼합기, 제열용의 세관을 구비한 냉각기 등의 공지된 각종 냉각기를 가져도 된다. 또, 배치 타입의 예비 중합관을 가지고 있어도 된다. 또 기상 중합 등의 방법을 사용할 수 있다.
중합 온도는 -78℃~200℃가 적당하다. -78℃ 이상의 중합 온도는 공업적으로 유리하고, 200℃ 이하에서는 천이 금속 화합물의 분해가 일어나지 않기 때문에 적당하다. 공업적으로 더욱 바람직하게는 0℃~160℃, 특히 바람직하게는 30℃~160℃이다.
중합시의 압력은 0.1기압~100기압이 적당하고, 바람직하게는 1~30기압, 특히 공업적으로 특히 바람직하게는 1~10기압이다.
<음이온 중합 공정>
본 발명의 제조 방법의 음이온 중합 공정에서는 배위 중합 공정에서 얻어진 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머와 방향족 비닐 화합물 모노머의 공존 하, 음이온 중합 개시제를 사용하여 중합을 실시한다.
방향족 비닐 화합물 모노머로는 스티렌, p-메틸스티렌, p-터셔리부틸스티렌, p-클로로스티렌, α-메틸스티렌, 비닐나프탈렌, 비닐안트라센 등이 사용되고, 가장 바람직하게는 스티렌이다. 바람직하게는 음이온 중합 공정에서 사용되는 방향족 비닐 화합물 모노머는 배위 중합 공정에서 사용되는 방향족 비닐 화합물과 동일한 모노머이며, 더욱 바람직하게는 그 일부 또는 전부가 배위 중합 공정에서 얻어진 중합액에 잔류하는 미반응 방향족 비닐 화합물 모노머이다. 본 발명의 음이온 중합 공정에서는 상기 방향족 비닐 화합물 모노머 이외에, 배위 중합 공정에서 중합되지 않고 중합액 중에 소량 잔존하는 방향족 폴리엔도 중합되어도 된다.
본 발명의 음이온 중합 공정은 상기의 배위 중합 공정 후에 실시된다.
이때, 배위 중합 공정에서 얻어진 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머는 클램 포밍법, 스팀 스트립핑법, 탈휘조, 탈휘 압출기 등을 사용한 직접 탈용매법 등, 임의의 폴리머 회수법을 사용하여, 중합액으로부터 분리, 정제해 음이온 중합 공정에 사용해도 된다. 그러나, 배위 중합 후의 중합액으로부터, 잔류 올레핀을 방압 후, 혹은 방압하지 않고, 다음의 음이온 중합 공정에 사용하는 것이 경제적으로 바람직하다. 중합체를 중합액으로부터 분리하지 않고, 중합체를 포함하는 중합 용액을 크로스화 공정에 사용할 수 있는 것이 본 발명의 특징 중 하나이다.
음이온 중합 공정의 용매는 음이온 중합시에 연쇄 이동 등의 문제점을 일으키지 않는 혼합 알칸계 용매, 시클로헥산, 벤젠 등의 용매가 특히 바람직하지만, 중합 온도가 150℃ 이하이면, 톨루엔, 에틸벤젠 등의 다른 용매도 사용하는 것이 가능하다.
중합 형태는 음이온 중합에 사용되는 임의의 공지된 방법을 사용할 수 있다.
중합 온도는 -78℃~200℃가 적당하다. -78℃ 이상의 중합 온도는 공업적으로 유리하고, 150℃ 이하에서는 연쇄 이동 등이 일어나지 않기 때문에 적당하다. 공업적으로 더욱 바람직하게는 0℃~200℃, 특히 바람직하게는 30℃~150℃이다.
중합시의 압력은 0.1기압~100기압이 적당하고, 바람직하게는 1~30기압, 특히 공업적으로 특히 바람직하게는 1~10기압이다.
본 발명의 음이온 중합 공정에는 공지된 음이온 중합 개시제를 사용할 수 있다. 바람직하게는 알킬리튬 화합물이나 비페닐, 나프탈렌, 피렌 등의 리튬염 혹은 나트륨염, 특히 바람직하게는 sec-부틸리튬, n(노말)-부틸리튬이 사용된다. 또, 다관능성 개시제, 디리튬 화합물, 트리리튬 화합물을 사용해도 된다. 또한 필요에 따라서 공지된 음이온 중합 말단 커플링제를 사용해도 된다.
개시제량은 배위 중합 공정에서, 중합 촉매의 조촉매로서, 메틸알루목산을 사용하는 경우에는 그 중에 포함되는 산소 원자의 당량 이상의, 특히 바람직하게는 2 당량 이상의 양을 사용하는 것이 바람직하다. 배위 중합 공정에서, 중합 촉매의 조촉매로서, 붕소 화합물을 사용했을 경우, 그 양은 메틸알루목산 중의 산소 원자 당량에 비해, 충분히 적기 때문에, 개시제량을 저감하는 것이 가능하다.
음이온 중합 공정에서는 개시제량을 적절히 조절함으로써, 크로스쇄의 길이, 크로스화되지 않았던 호모폴리머의 분자량을 임의로 변경하는 것이 가능하다.
크로스쇄 부분의 길이(분자량)는 크로스화되지 않았던 호모폴리머의 분자량으로부터 추정할 수 있지만, 그 길이는 중량 평균 분자량으로서, 바람직하게는 5000 이상 15만 이하, 더욱 바람직하게는 5000 이상 10만 이하, 특히 바람직하게는 5000 이상 5만 이하이다. 또, 그 분자량 분포(Mw/Mn)는 바람직하게는 3 이하, 특히 바람직하게는 1.5 이하이다.
본 제조 방법에 의해 얻어지는 크로스 공중합체를 주로 포함하는 봉지재 수지와 그 시트는 0.5mm 두께의 전광선 투과율이 80% 이상, 바람직하게는 85% 이상이며, 높은 투명성을 갖는다. 본 봉지재 시트의 A경도는 50 이상 70 미만, 바람직하게는 A경도 50 이상 65 미만, 가장 바람직하게는 A경도 50 이상 63 미만이다. 또, 점탄성 측정에 의해 얻어지는 저장 탄성률(E')은 바람직하게는 100℃에서 5×104Pa 이상, 특히 바람직하게는 100℃에서 1×105Pa 이상이며, 태양 전지 봉지재로서 사용하는 경우의 충분한 내열성을 가지고 있다. 또 200℃, 가중 10kg에서 측정한 MFR은 특별히 한정되지 않지만, 대체로 0.1g/10분 이상 300g/10분 이하이다. 또, 본 발명의 봉지재 시트는 파단점 강도 10MPa 이상, 파단점 신장 300% 이상의 연질 수지로서 높은 역학 물성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 봉지재 수지와 그 시트에는 크로스 공중합체 외에 「내광제」, 「산화 방지제」, 「실란 커플링재」, 「가소제」나 「접착성 향상제」, 「노화 방지제」를 가할 수 있다.
<내광제>
본 발명의 봉지재 수지와 그 시트에 사용되는 내광제는 빛으로 생성되는 라디칼을 포착하는 광안정제가 필수이며, 필요에 따라서 빛 에너지를 무해한 열 에너지로 변환하는 자외선 흡수제도 병용한다.
광안정제로는 힌더드 아민계 광안정제가 바람직하게 사용된다.
자외선 흡수제로는 벤조트리아졸계, 트리아진계, 벤조페논계, 벤조에이트계, 시아노아크릴레이트계, 옥살산아닐리드계, 혹은 말론산에스테르계를 예시할 수 있다.
자외선 흡수제와 광안정제의 질량비는 0:100~100:10의 범위에서, 자외선 흡수제와 힌더드 아민계 광안정제의 질량의 합계량을 내광제 질량으로 하고, 그 사용량은 일반적으로 봉지재 전체 질량에 대해, 0.001~3질량% 범위이다. 이들은 1 종류를 단독으로 사용해도 되고, 2 종류 이상을 조합해 사용해도 된다. 이상과 같은 내광제는, 예를 들면 주식회사 ADEKA로부터 아데카 스터브 LA시리즈로서, 혹은 주화 켐텍스사로부터 스미소브시리즈로서, 입수할 수 있다.
<산화 방지제(노화 방지제)>
본 발명의 봉지재 수지와 그 시트에는 산화 방지재(노화 방지제)로는 인계, 락톤계, 비타민 E계, 황계, 페놀계의 각종의 산화 방지제가 적절히 사용된다. 그 사용량은 일반적으로 봉지재 전체 질량에 대해, 0.001~3질량% 범위이다. 이들은 1 종류를 단독으로 사용해도 되고, 2 종류 이상을 조합해 사용해도 된다.
<실란 커플링제>
본 발명의 봉지재 수지와 그 시트에는 강화 유리 등의 수광면측 투명 보호 부재나, 이면측 보호 부재(백 시트), 혹은 태양 전지 셀 자체나 배선류와의 접착성, 밀착성을 향상시킬 목적으로, 필요에 따라 실란 커플링제를 첨가한다. 그 사용량은 봉지재 전체 질량에 대해, 일반적으로 0.001~3질량% 범위이다. 실란 커플링제란 분자 내에 관능기와 가수분해 축합성기를 가지는 실란 화합물이다. 관능기로는 비닐, 메타크릴옥시, 아크릴옥시, 스티릴 등의 비닐기, 아미노기, 에폭시기, 머캅토기, 설피드기, 이소시아네이트기, 할로겐 등을 예시할 수 있다. 유리와의 높은 접착성을 고려하면, 관능기로서 비닐기, 아미노기, 에폭시기, 메타크릴옥시기, 아크릴옥시기가 바람직하고, 아미노기, 메타크릴옥시기가 가장 바람직하다. 이들 관능기는 분자 내에 단수 또는 복수 가져도 된다. 이들 커플링제는 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다.
관능기로서 비닐기를 가지는 실란 커플링제로는, 예를 들면 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란을 예시할 수 있다. 관능기로서 스티릴기를 가지는 실란 커플링제로는 p-스티릴트리메톡시실란을 예시할 수 있다. 관능기로서 아크릴옥시기를 가지는 실란 커플링제로는 3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란을 예시할 수 있다. 관능기로서 메타크릴옥시기를 가지는 실란 커플링제로는 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리에톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필메틸디메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필메틸디에톡시실란을 예시할 수 있다. 관능기로서 에폭시기를 가지는 실란 커플링제로는 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디에톡시실란, 2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란을 예시할 수 있다. 관능기로서 아미노기를 가지는 실란 커플링제로는 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필메틸디메톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필에틸디메톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필메틸디에톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란, N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란, 비스(3-트리메톡시실릴프로필)아민, 비스(3-트리에톡시실릴프로필)아민, N-(n-부틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란을 예시할 수 있다. 이상은 가수분해 축합성기로서 메톡시기, 에톡시기를 가지는 예이지만, 트리이소프로폭시기나 아세톡시기도 사용할 수 있다.
<유기 과산화물 및 가교조제>
본 발명의 봉지재 수지와 그 시트에는 주로 실란 커플링제의 수지에 대한 그래프트를 목적으로 하여, 본 발명의 봉지재 시트의 열가소성을 해치지 않는 범위에서 공지된 유기 과산화물 및 조제를 첨가할 수 있다. 유기 과산화물의 사용량은 봉지재 전체 질량에 대해, 일반적으로 0.001~0.5질량% 범위이다. 이들은 1 종류를 단독으로 사용해도 되고, 2 종류 이상을 조합해 사용해도 된다. 이와 같은 과산화물은 일유 주식회사, 아르케마사로부터 입수할 수 있다.
가교조재로는 이하로 한정되는 것은 아니지만, 트리알릴이소시아누레이트, 트리알릴시아누레이트, N,N'-페닐렌비스말레이미드, 에틸렌글리콜디(메타)아크릴레이트, 프로판디올디(메타)아크릴레이트, 부탄디올디(메타)아크릴레이트, 헥산디올디(메타)아크릴레이트, 노난디올디(메타)아크릴레이트, 트리메티롤프로판트리(메타)아크릴레이트 등을 들 수 있다. 이들은 1 종류를 단독으로 사용해도 되고, 2 종류 이상을 조합해 사용해도 된다. 조제를 배합하는 경우, 그 함유량에 특별히 제한은 없지만, 통상 합계 질량에 대해서 0.001~0.5질량% 범위인 것이 바람직하다.
<가소제>
본 발명의 봉지재 수지와 그 시트에는, 또한 필요에 따라서 종래 염화비닐이나 다른 수지에 사용되는 공지된 임의의 가소제를 봉지재 전체 질량에 대해, 0.1~20질량% 범위로 배합할 수 있다. 바람직하게 사용되는 가소제는 함산소 또는 함질소계 가소제이며, 에스테르계 가소제, 에폭시계 가소제, 에테르계 가소제 또는 아미드계 가소제로부터 선택되는 가소제이다.
이들 가소제는 본 발명의 크로스 공중합체에 사용되는 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머와의 상용성이 비교적 양호하고 블리드하기 어려우며, 또 유리 전이 온도가 저하하는 정도로 평가할 수 있는 가소화 효과도 커서 적합하게 사용할 수 있다.
본 발명에 적합하게 사용할 수 있는 에스테르계 가소제의 예로는 프탈산에스테르, 트리멜리트산에스테르, 아디프산에스테르, 세바스산에스테르, 아젤레이트계 에스테르, 시트르산에스테르, 아세틸시트르산에스테르, 글루타민산에스테르, 숙신산에스테르, 아세트산에스테르 등의 모노지방산에스테르, 인산에스테르나 이들 폴리에스테르이다.
본 발명에 적합하게 사용할 수 있는 에폭시계 가소제의 예로는 에폭시화 대두유, 에폭시화 아마씨유를 들 수 있다.
본 발명에 적합하게 사용할 수 있는 에테르계 가소제의 예로는 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 이들 공중합물, 혼합물을 들 수 있다.
본 발명에 적합하게 사용할 수 있는 아미드계 가소제의 예로는 설폰산 아미드를 들 수 있다. 이들 가소제는 단독으로 사용해도, 복수를 사용해도 된다.
본 발명에 특히 바람직하게 사용되는 것은 에스테르계 가소제이다. 이들 가소제는 본 조성 범위의 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머와의 상용성이 뛰어나고 가소화 효과가 뛰어나며(유리 전이 온도 저하도가 높다), 블리드가 적다는 이점이 있다. 또한 본 발명에 가장 바람직하게 사용되는 것은 아디프산에스테르 또는 아세틸시트르산에스테르의 가소제이다.
가소제의 배합량은 본 발명의 크로스 공중합체를 포함하는 봉지재 100질량부에 대해서, 가소제 1질량부 이상 30질량부 이하, 바람직하게는 1질량부 이상 20질량부 이하이다. 1질량부 미만에서는 상기 효과가 부족하고, 30질량부보다 높으면 블리드나, 과도한 연화, 그것에 의한 과도한 끈적임의 발현 등의 원인이 되는 경우가 있다.
또 가소제를 배합함으로써, 봉지재의 유동성을 향상시킬 수 있다. 특별히 사용되는 크로스 공중합체의 MFR값이 낮은 경우, 상기의 범위로 가소제를 첨가함으로써, 봉지재로서 적당한 MFR값으로 조정하는 것이 가능해진다. 유동성 향상을 위해서 사용되는 첨가제로는 가소제 이외에는 수첨(水添) 석유 수지가 크로스 공중합체와의 상용성, 투명성, 무착색성의 관점에서 적합하게 사용된다.
크로스 공중합체와 이상의 첨가제를 혼련하는 방법은 통상 수지에 첨가제를 첨가하기 위한 공지된 방법을 사용할 수 있다. 공업적으로는, 예를 들면 2축 압출기나 반바리식의 혼합기, 롤 성형기 등을 사용할 수 있다. 그런 후에, 인플레이션 성형, 압출 성형, T다이 성형, 캘린더 성형, 롤 성형, 프레스 성형 등의 공지된 성형법으로 시트화할 수 있다. 봉지재 시트에 유리, 셀, 금속 배선, 백 시트 등과의 양호한 접착성을 부여하기 위해서는 공지된 수법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 크로스 공중합체에 상기 첨가제 중 적어도 내광제, 실란 커플링제, 유기 과산화물, 필요에 따라서 가교조제나 산화 방지제 등을 가해 유기 과산화물이 유효하게, 충분히 분해하는 조건에서 혼련하고, 수지에 실란 커플링제를 그래프트시킨 후에 열가소성 봉지재로 하여 시트로 성형하는 방법이 있다. 또, 먼저 적어도 내광제, 필요에 따라서 산화 방지제 등을 가해 혼련한 후에 시트로 성형하고, 공지된 방법으로 실란 커플링제를 도포하는 방법이 있다. 도포 방법으로서, 예를 들면 그라비어 코팅법, 롤 코팅법 혹은 딥 코팅법, 분무법 등 공지된 방법을 예시할 수 있다. 이때, 커플링제는 적당한 용매에 희석해 사용해도, 희석하지 않고 사용해도 된다. 필요에 따라서 도포 전 또는 후의 시트에 코로나 처리, 플라스마 처리나 전자선 조사를 실시해, 표면의 활성화 또는 표면으로의 커플링제의 고정을 실시해도 된다. 이와 같은 방법은, 예를 들어 WO 2012033119호 공보에 기재되어 있다.
<시트>
본 발명의 크로스 공중합체를 포함하는 봉지재 수지를 태양 전지 봉지재용 시트로서 사용하는 경우, 그 두께에 특별히 제한은 없지만, 일반적으로 30㎛~1mm, 바람직하게는 100㎛~0.5mm이다. 특히 100㎛~0.2mm 정도의 박막의 봉지재에서, 제조(봉지)시나 환경 중에서의 사용시에 셀을 보호하는 성능이 뛰어나다. 이것은 본 발명의 봉지재 시트의 양호한 봉지성을 나타내는 일례이지만 이것으로는 한정되지 않는다. 이와 같은 박막의 봉지재로도 진공 라미네이션시에 셀의 균열 없이 봉지할 수 있는 성능은 나아가서는 공업적 생산시에서, 통상의 두께(0.4~0.6mm)의 봉지재를 사용했을 경우에서도, 예를 들면 셀 균열이 적고, 수율이 향상될 가능성을 나타내고 있다. 본 발명의 수지 조성물로 이루어진 시트를 제조하려면, 인플레이션 성형, 압출 성형(T다이 성형), 캘린더 성형, 롤 성형 등의 공지된 성형법을 채용할 수 있다.
본 봉지재를 사용한 태양 전지로는 결정 실리콘계, 다결정 실리콘계, 비결정성 실리콘계, 화합물계, 유기계의 각 형식의 태양 전지를 들 수 있다. 박막 태양 전지 등, 태양 전지 셀이 표면 유리에 밀착해, 봉지재에 투명성이 요구되지 않는 형식에서도, 높은 방습성(낮은 수증기 투과율), 높은 전기 절연성 및 아세트산 등의 부식성 물질을 유리시키지 않는 점은 태양 전지의 신뢰성 향상의 면에서 유리하다.
실시예
이하, 실시예로 본 발명을 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예로 한정해 해석되는 것은 아니다. 실시예에서 얻어진 공중합체의 분석은 이하의 수단으로 실시했다.
공중합체 중의 스티렌 유닛 함량의 결정은 1H-NMR로 실시하고, 기기는 일본 전자사 제 α-500 또는 BRUCKER사 제 AC-250을 사용했다. 중1,1,2,2-테트라클로로에탄에 용해하고, 측정은 80~100℃에서 실시했다. TMS를 기준으로 하고, 페닐기 프로톤 유래의 피크(6.5~7.5ppm)와 알킬기 유래의 프로톤 피크(0.8~3ppm)의 면적 강도 비교로 실시했다.
분자량은 GPC(겔 투과 크로마토그래피)를 사용해 표준 폴리스티렌 환산의 중량 평균 분자량(Mw)과 수평균 분자량(Mn)을 구했다. 측정은 이하의 조건에서 실시했다.
컬럼: TSK-GEL MultiporeHXL-M φ7.8×300mm(도소사 제)를 2개 직렬로 연결해 사용했다.
컬럼 온도: 40℃
용매: THF
송액 유량: 1.0㎖/min.
DSC 측정은 세이코 전자사 제 DSC200을 사용해 질소 기류 하에서 실시했다. 즉 수지 조성물 10mg를 사용해 승온 속도 10℃/분으로 -50℃에서 240℃까지 DSC 측정을 실시해, 융점, 결정 융해열 및 유리 전이점을 구했다. 1회째의 측정 후 액체 질소로 급냉한 후에 실시하는 2번째의 측정은 실시하지 않았다.
<인장 시험>
가열 프레스법(온도 180℃, 시간 3분간, 압력 50kg/cm2)으로 성형한 두께 1.0mm의 시트를 사용했다. JIS K-6251에 준거해, 시트를 2호 1/2호형 테스트 피스 형상으로 절단하고, 시마즈 제작소사 제 AGS-100D형 인장 시험기를 사용해 인장 속도 500mm/분에서 측정했다.
<경도>
경도는 JIS K-7215 플라스틱의 듀로미터 경도 시험법에 준해 타입 A의 듀로미터 경도를 구했다. 이 경도는 순간값이다.
봉지재 시트(두께 0.5mm 또는 두께 0.15mm)는 가열 프레스법(온도 180℃, 시간 4분간, 압력 50kg/cm2)으로 성형했다.
<전광선 투과율, 헤이즈>
상기 0.5mm의 두께 시트를 사용하고, JISK-7375 플라스틱의 광학적 특성 시험 방법에 준해 일본전색공업사 제 탁도계 NDH2000을 사용해 전광선 투과율 및 헤이즈를 측정했다.
<점탄성 스펙트럼>
상기 두께 0.5mm의 시트로부터 측정용 샘플(3mm×40mm)을 잘라내어, 동적 점탄성 측정 장치(레오메트릭스사 RSA-Ⅲ)를 사용해, 주파수 1Hz, 온도 영역 -50℃~+250℃의 범위에서 측정했다.
측정에 관련된 그 외 주요 측정 파라미터는 다음과 같다.
승온 속도 4℃/분
샘플 측정 길이 10mm
Initial Static Force 5.0g
Auto Tension Sensitivity 1.0g
Max Auto Tension Rate 0.033mm/s
Max Applied Strain 1.5%
Min Allowed Force 1.0g
<수증기 투과율>
수증기 투과율은 상기 0.5mm 두께 시트를 사용해 JISZ0208 컵법에 따라, 40℃, 습도 90%의 조건에서 100시간까지 측정했다.
<체적 저항율>
상기 0.5mm 두께 시트를 사용해 JISK6911에 따라 실온에서 측정했다.
<절연 파괴 전압>
상기 0.5mm 두께 시트를 사용해 JISC2110에 따라, 실온에서 측정했다.
<디비닐벤젠>
이하의 제조예에서 사용한 메타디비닐벤젠은 알드리치사 제(디비닐벤젠으로서의 순도 80%, 메타체, 파라체 혼합물의 메타체:파라체 질량비는 70:30)이다.
<촉매(천이 금속 화합물)>
이하의 제조예에서는 촉매(천이 금속 화합물)로서, rac(라세미체)-디메틸메틸렌비스(4,5-벤조-1-인데닐)지르코늄디클로라이드(식 7)를 사용했다.
Figure 112014019621244-pct00007
제조예 1
<크로스 공중합체의 제조>
촉매로서 rac-디메틸메틸렌비스(4,5-벤조-1-인데닐)지르코늄디클로라이드를 사용해 이하와 같이 실시했다.
용량 50L, 교반기 및 가열 냉각용 쟈켓 부착의 배위 중합용 중호관(autoclave)을 사용해 중합을 실시했다. 시클로헥산 21.3kg, 스티렌 3.2kg 및 신일철화학사 제 디비닐벤젠(메타, 파라 혼합품, 순도 81질량%, 디비닐벤젠분으로서 61mmol)을 투입하고, 내온 60℃로 조정해 교반(220rpm)했다. 건조 질소 가스를 10L/분의 유량으로 약 15분, 액 중에 버블링해 계 내 및 중합액의 수분을 퍼지했다. 그 다음에, 트리이소부틸알루미늄 50mmol, 메틸알루목산(도소아크조사 제, MMAO-3A/헥산 용액)을 Al 기준으로 60mmol(표 중에서는 MAO라고 기재) 가하고, 즉시 에틸렌으로 계 내를 퍼지했다. 충분히 퍼지한 후, 내온을 85℃로 승온하고 에틸렌을 도입해, 압력 0.4MPa(3kg/cm2G)로 안정된 후에, 오토클레이브 위에 설치한 촉매 탱크로부터, rac-디메틸메틸렌비스(4,5-벤조-1-인데닐)지르코늄디클로라이드를 80㎛ol, 트리이소부틸알루미늄 1mmol를 녹인 톨루엔 용액 약 50㎖을 오토클레이브 중에 가했다. 또한, 유량 제어 밸브를 통하여 에틸렌을 보급하고, 내온을 90℃, 압력을 0.4MPa로 유지하면서 중합을 실시했다. 에틸렌의 유속, 적산 유량으로부터 중합 진행 상황을 모니터했다. 소정의 에틸렌 유량에 도달한 후, 에틸렌의 공급을 정지하고, 방압과 함께 내온을 70℃까지 냉각했다(이상 배위 중합 공정). 그 후 중합액을 용량 50L 교반기 및 가열 냉각용 쟈켓 부착의 음이온 중합용 중호관으로 이송했다. 동시에 분석용 중합액을 수십 ㎖ 채취했다. n-부틸리튬 220mmol을 촉매 탱크로부터 질소 가스와 동반시켜 음이온 중합용 중합관 내로 도입했다(크로스화 공정). 즉시 음이온 중합을 개시하고, 내온은 70℃에서 순간 80℃까지 상승시켰다. 그대로 30분간 온도를 70℃로 유지해 교반을 계속해 중합을 계속했다. 약 100㎖의 메탄올을 중합관에 가해 음이온 중합을 정지시켰다. 중합 정지 후, 얻어진 폴리머액을 격렬하게 교반한 대량의 메탄올액 중에 소량씩 투입하고, 폴리머를 회수했다. 이 폴리머를 실온에서 하루 밤낮 바람으로 건조한 후에 60℃, 진공 중, 질량 변화가 확인되지 않을 때까지 건조했다.
제조예 2~3
표 1에 나타내는 조건으로, 제조예 1과 동일하게 해 중합을 실시했다.
Figure 112014019621244-pct00008
표 2에 얻어진 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머를, 표 3에 음이온 중합 공정 후에 얻어진 크로스 공중합체의 분석값을 나타낸다.
Figure 112014019621244-pct00009
Figure 112014019621244-pct00010
실시예 1, 2, 3, 비교예 1, 2, 3
제조예 1, 2 및 3에서 얻어진 크로스 공중합체는 본 발명의 조건을 만족하고, 제조예 3에서 얻어진 크로스 공중합체는 본 발명의 조건을 만족시키지 않았다. 제조예의 크로스 공중합체 이외에, 시판되는 LLDPE(에틸렌옥텐 공중합체)인 인게이지 8100(밀도 0.870), PL1880(밀도 0.902)를 준비했다. 제조예 1~3, 시판되는 LLDPE를 사용하고, 표 4에 나타내는 배합으로 봉지재 수지를 얻었다. 배합에는 KBM-903(신에츠 화학사 제 실란 커플링제), 퍼헥사 25B(일유사 제 유기 과산화물), LA57(주식회사 ADEKA사 제 힌더드 아민계 광안정제), Uvinul 3035(BASF사 제 자외선 흡수제), 스미소브130(자외선 흡수제)을 사용했다. 반바리식 혼련기(도요정기사 제 래보플라스트밀B-250)를 사용하고, 크로스 공중합체와 상기 각종 첨가제를 표 4에 나타내는 배합(질량부)으로, 1회의 혼련당 합계 약 200g을 200℃, 100rpm, 7분간 혼련해 봉지재 수지를 제작했다. 실시예 1, 실시예 2는 각각 제조예 1, 제조예 2에서 얻어진 크로스 공중합체를 사용해 얻어진 봉지제 수지이고, 실시예 3은 제조예 2에서 얻어진 크로스 공중합체를 사용하며, 단 실란 커플링제를 변경해 얻어진 봉지재 수지이다. 비교예 1은 제조예 3에서 얻어진 크로스 공중합체를 사용해 얻어진 봉지재 수지이다. 비교예 2, 비교예 3은 각각 인게이지8100, PL1880를 사용해 얻어진 봉지재 수지이다. 얻어진 봉지재 수지를 사용해 상기 가열 프레스법으로 얻은 0.5mm 두께 시트로 각종 물성을 측정해 표 4 중에 나타냈다. 단, A경도만은 JIS K-7215에 따라, 별도로 두께 1.0mm 시트를 동일한 프레스법으로 만들고, 이를 5매 포개어 측정했다.
또한 동일한 가열 프레스법으로, 두께 0.5mm 및 두께 0.15~0.20mm의 봉지재 시트(이하 0.15mm로 기재)를 만들었다. NPC사 제 태양 전지 모듈 진공 라미네이터(LM-50X50-S)를 사용해 아래로부터 태양 전지용 강화 유리(두께 3.2mm), 얻어진 봉지재 시트, 다결정 실리콘 셀(두께 200미크론, 탭선 부착), 봉지재 시트, TPT형 백 시트의 순서로 포개어 표 5의 조건, 즉 온도 150℃, 진공 배기 5분 , 진공 중에서 격막을 통한 가압 시간 30분 또는 3분에 봉지를 실시해 태양 전지 모듈을 얻었다. 각 실시예, 비교예 모두 동일한 조건 하에서 4개 모듈을 만들었다. 모듈의 셀 균열, 단선의 유무를 육안 검사 및 EL 측정으로, 공극(기포, 박리 등), 밀착 불량의 유무를 육안으로 검사해, 4개 중 4개에 이상이 확인되지 않았던 경우 ○, 4 개 중 1개에 이상이 확인되었을 경우 △, 4 개 중 2개 이상에 이상이 확인되었을 경우 ×로 했다. 또한 이상이 확인된 셀의 개수를 표 5에 나타냈다.
Figure 112014019621244-pct00011
Figure 112014019621244-pct00012
또한 동일한 장치를 사용해 아래로부터 태양 전지용 강화 유리(두께 3.2mm), 얻어진 봉지재 시트, TPT형 백 시트의 순서로 포개어 150℃, 진공 배기 3분, 가압 30분의 조건에서 압착해, 접착력 평가용 샘플을 얻었다. 얻어진 샘플의 수지 부분을 폭 25mm의 직사각형상으로 잘라내어, 유리와 봉지재간의 박리 강도를 측정했다. 측정은 시마즈 제작소사 제 AGS-100D형 인장 시험기를 사용해 180도 박리 조건 하, 100mm/분의 속도로 측정했다. 실시예 1, 2, 3 비교예 1, 2의 경우, 박리 강도는 40N/25mm 이상이며, 그 이상은 측정 불능이었다.
제조예 1, 2에서 얻어진 크로스 공중합체를 사용한 실시예 1, 2, 3의 봉지재 수지는 높은 연질성과, 양호한 역학 물성, 투명성, 내열성, 전기 절연성, 방습성을 나타내는 것을 알 수 있다. 본 실시예 1, 2, 3의 봉지재를 사용했을 경우, 셀의 균열이나 단선 없이, 공극이나 밀착 불량 없이, 각종 조건 하에서 봉지가 가능하고 태양 전지 모듈을 만들 수 있었다.
상기 진공 라미네이터를 사용해 아래로부터 태양 전지용 강화 유리(두께 3.2mm), 실시예 1, 2, 3에서 얻어진 봉지재 수지를 사용하고 상기 가열 프레스법으로 얻어진 봉지재 시트(두께 0.5mm, 0.15mm), 다결정 실리콘 셀(Q셀사 제 가로세로 156mm, 두께 200미크론, 탭선 부착), 동일한 봉지재 시트(두께 0.5mm, 0.15mm), TPT형 백 시트의 순서로 포개어 150℃, 진공 배기 3분, 가압 3분의 조건에서 얻어진 모듈(4개)을 사용하고, 2개를 DH-1000(IEC61215 10.13 Damp heat test에 준해 85℃, 습도 85%에서 1000시간 처리) 시험에, 2개를 TC-50/HF-10(IEC61215 10.12 및 10.11에 준해 -40~85℃ 사이클 50회/동일한 사이클로 85℃조건 하, 습도 85% 부여 사이클 10회) 시험에 사용했다. 모든 시험 후의 모듈에는 셀 균열 단선, 박리에 의한 공극, 밀착 불량 등은 확인되지 않았다.
실시예 4~9
상기 진공 라미네이터를 사용해 아래로부터 태양 전지용 강화 유리(두께 3.2mm), 실시예 1, 2, 3에서 얻어진 봉지재 수지를 사용하고 상기 가열 프레스법으로 얻어진 봉지재 시트(두께 0.5mm, 0.2mm), 다결정 실리콘 셀(Q셀사 제 가로세로 156mm, 두께 200미크론, 탭선 부착), 동일한 봉지재 시트(두께 0.5mm, 0.2mm), TPT형 백 시트의 순서로 포개어 표 6의 조건으로 봉지해 태양 전지 모듈(단셀)을 얻었다. 닛신보 메카트로닉스사 제 솔라 시뮬레이터(SPI-SUN Simulator 1116N)로 초기 IV 특성, 최대 발전량(Pmax)을 측정했다. 그 후, 상기 DH-1000 시험을 5회 반복했다. 1000시간 마다 모듈을 취출해, 상기 솔라 시뮬레이터로 측정을 실시했다.
비교예 4
봉지재로서 시판되는 EVA 봉지재(두께 0.5mm)를 사용해 실시예 4와 동일하게 해 비교용 모듈을 만들었다. 봉지는 충분히 EVA를 가교시키기 위해, 150℃, 30분 실시했다. 솔라 시뮬레이터로 측정 후, 상기와 동일하게 DH-1000 시험을 반복했다.
모듈 작성 후의 초기 Pmax는 모든 모듈이 3.8~4.0W의 범위에 들어가 있었다.
본 범위 내의 Pmax의 변동은 결정 실리콘 셀간의 발전 성능의 격차에 기인한다고 생각된다. 각 모듈의 초기 Pmax에 대한 DH 시험 후의 Pmax의 비율을 %로 표기했다.
실시예와 비교예의 결과를 표 6과 도 2에 나타낸다. 본 발명의 크로스 공중합체제의 봉지재를 사용한 태양 전지 모듈은 DH-1000 시험을 5회 실시한 후(즉 5000h 후)에도 발전 성능은 실질적으로 변화하지 않고, 뛰어난 내구성을 나타냈다.
한편, EVA 봉지재를 사용한 모듈은 DH-1000 시험 2회 이후(즉 2000h 이후)에 발전 성능의 대폭적인 저하가 확인되었다. 3회 종료시(3000h)에 성능 판단의 기준인 초기 Pmax비 95% 이상으로 하락했기 때문에 그 이상의 시험을 중지했다.
Figure 112014019621244-pct00013
본 발명의 봉지재 수지와 그 시트는 역학 물성, 투명성, 내열성, 전기 절연성, 방습성이 뛰어나고, 또한 연질성, 봉지성이 뛰어나며, 예를 들면 박층화 봉지재로서 적합한 신규 열가소성 봉지재로서, 결정계나 박막계 태양 전지 등의 종류를 불문하고 이용할 수 있을 가능성이 있다.
A 수광면측 투명 보호 부재
B 이면측 보호 부재(백 시트)
C1 수광면측 봉지재
C2 이면측 봉지재
D 태양 전지용 셀

Claims (7)

  1. 싱글 사이트 배위 중합 촉매를 사용해 에틸렌 모노머, 방향족 비닐 화합물 모노머 및 방향족 폴리엔의 공중합을 실시해, 방향족 비닐 화합물 유닛 함량 17몰% 이상 30몰% 이하, 방향족 폴리엔 유닛 함량 0.01몰% 이상 0.2몰% 이하, 잔부가 에틸렌 유닛 함량인 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머를 합성하는 배위 중합 공정과,
    상기 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머와 방향족 비닐 화합물 모노머를 공존시켜, 음이온 중합 개시제를 사용해 중합시키는 음이온 중합 공정으로 이루어진 중합 공정을 포함하는 제조 방법에 의해 얻어지는 크로스(cross) 공중합체를 포함하는 봉지재 수지로서,
    (1) 상기 배위 중합 공정에서 얻어지는 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머의 중량 평균 분자량은 3만 이상 15만 이하이며, 분자량 분포(Mw/Mn)는 1.8 이상 4 이하이고;
    (2) 상기 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머의 0℃~150℃까지 관측되는 결정 융해열(ΔH)은 30J/g 이하이며;
    (3) 상기 음이온 중합 공정에서 얻어지는 크로스 공중합체 중의 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머 유닛의 질량 비율은 75질량% 이상 95질량% 이하이며,
    상기 에틸렌-방향족 비닐 화합물-방향족 폴리엔 공중합체 매크로 모노머가 에틸렌-스티렌-디비닐벤젠 공중합체 매크로 모노머이고,
    A경도가 50 이상 70 미만인 봉지재 수지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    A경도가 50 이상 65 미만인 봉지재 수지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    100℃의 저장 탄성률(E')이 5×104Pa 이상인 봉지재 수지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    그 밖에 봉지재 전체 질량에 대해, 0.001~3질량% 범위의 내광제, 0.001~3질량% 범위의 실란 커플링제, 0.001~3질량% 범위의 산화 방지제, 0.001~0.5질량% 범위의 유기 과산화물, 0.001~0.5질량% 범위의 가교조제로부터 선택되는 단수 또는 복수의 첨가제를 포함하는 봉지재 수지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    그 밖에 봉지재 전체 질량에 대해, 0.001~3질량% 범위의 내광제, 0.001~3질량% 범위의 실란 커플링제 및 0.001~3질량% 범위의 산화 방지제로 이루어진 첨가제를 포함하는 봉지재 수지.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 봉지재 수지로 이루어진 봉지재 시트.
  7. 청구항 6에 기재된 봉지재 시트를 사용한 태양 전지.
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