KR102014486B1 - 태양전지 패널의 방열시트용 조성물. - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광 패널의 배면에 부착되는 방열시트의 표면에 도포되어 열방사층을 형성하기 위한 조성물로서, 상기 조성물은 흑연 및 니오븀산 알칼리 금속염의 나노시트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양전지 패널의 방열시트용 조성물.{COMPOSTION FOR HEAT SINK SHEET OF PHOTOVOLTAIC PANEL}
본 발명은 태양전지 패널의 방열시트용 조성물에 관한 것으로서, 층간 화합물인 흑연 및 니오븀산 알칼리 금속염을 함유함으로써 태양전지 패널의 방열시트의 방열 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지 패널의 방열시트용 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지 패널을 이용하여 태양광 발전을 하는 경우 운전 중 태양광의 집적에 의해 온도가 급상승하여 전력 변환 효율이 저하되는 문제점이 있어 태양전지 패널의 배면에 방열시트 또는 방열판을 장착하여 태양전지 패널에서 발생하는 열을 방열하도록 하고 있다. 이러한 방열시트 또는 방열판의 소재로는 열전도율이 높은 알루미늄, 구리와 같은 금속이나 그라파이트, 탄소나노튜브와 같은 탄소 소재를 사용하고 있다.
태양광 패널의 경우 표면의 부위별 온도 편차가 크기 때문에 패널 전체가 균일한 온도 특성을 가질 수 있도록 설계할 필요가 있다. 태양광 패널의 특성이 불균일하면 열이 많이 나는 부분부터 손상이 발생하여 서서히 패널 전체 성능이 저하될 수 있고, 여름철에는 외부 온도까지 높아 태양광 패널 효율이 50% 가까이 저하되는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 10-1688880호에서는 그라파이트, 그라핀 옥사이드, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 탄화규소, 질화붕소, 질화탄소, 알루미늄, 및 바인더를 혼합하여 기계적 합금화를 이룬 후 이를 방열시트를 제조함으로써 고강도, 내마모성, 저열팽창, 고열전도성 등의 특성을 얻고 있다. 그러나 여러 종류의 탄소 재료들을 혼합하는 경우 제조공정이 복잡하고 성형체의 기계적 안정성이 불충분하여 태양전지 패널에 적용할 때 방열시트가 쉽게 손상되는 문제점이 발생하고 있다.
또한, 대한민국 등록특허공보 10-1645641호에서는 태양전지 패널의 방열판으로서 알루미나와 탄소 나노튜브로 이루어진 방열 전기절연성 필러를 포함하는 수지 조성물을 이용하여 방열시트를 제조하고 있으며, 대한민국 등록특허공보 10-1929253호에서는 태양전지 패널의 방열층으로서 탄소 나노튜브, 유기변성 폴리실록산, 에틸알코올로 이루어진 탄소계 소재를 백시트층의 저면에 스프레이도포 또는 인쇄 도포하고 있으며, 대한민국 공개특허공보 10-2012-0038347호에서는 열전도층 하부에 유-무기 복합 하이브리드 도료로 이루어진 열복사 시트를 부착하며, 상기 열복사 시트의 상부 또는 하부에 카본 또는 그라파이트 계열의 블랙 도료를 도포하고 있다.
방열시트의 제조시 탄소계 소재, 특히, 흑연을 사용하는 이유는 흑연이 층간 화합물이기 때문이다. 즉, 층간 결합력이 원자간 결합력에 비해 상대적으로 약하기 때문에 이를 통한 열전달 및 방열의 효과를 얻을 수 있다.
출원인은 대한민국 등록특허공보 10-1835385호를 통해 흑연에 층간삽입체를 첨가하여 열전도도를 향상시킨 열전도성 박막을 제조하고 있는데, 이러한 기술을 응용하면 태양전지 패널의 방열시트로서의 성능을 더욱 향상시킨 방열시트의 제조가 가능할 것으로 생각된다.
대한민국 등록특허공보 10-1688880호 대한민국 등록특허공보 10-1645641호 대한민국 등록특허공보 10-1929253호 대한민국 공개특허공보 10-2012-0038347호 대한민국 등록특허공보 10-1835385호
본 발명은 상기와 같은 종래기술을 감안하여 안출된 것으로, 층간 화합물인 흑연과 니오븀산 알칼리 금속염을 포함하는 조성물을 통해 태양전지 모듈의 방열시트의 방열 성능을 향상시킬 수 있는 태양전지 모듈의 방열시트용 조성물을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 태양전지 패널의 방열시트용 조성물은 태양전지 모듈(solar cell)의 배면에 부착되는 방열시트의 표면에 도포되어 열방사층을 형성하기 위한 조성물로서, 상기 조성물은 흑연 및 니오븀산 알칼리 금속염의 나노시트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 니오븀산 알칼리 금속염은 니오븀산 나트륨염, 니오븀산 칼륨염 또는 니오븀산 나트륨-칼륨염 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 니오븀산 알칼리 금속염의 나노시트는 탄소가 표면에 도핑된 니오븀산 알칼리 금속염의 나노시트일 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 패널의 방열시트용 조성물은 층간 화합물인 흑연과 니오븀산 알칼리 금속염 나노시트를 포함하는 조성물을 통해 태양전지 패널의 방열시트의 방열 성능을 향상시키는 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 방열시트 또는 방열판이 장착된 태양광 발전용 태양전지 패널을 나타낸 단면도이다.
도 2는 실시예 및 비교예 1, 2에 대한 50℃ 열원에서의 열방사율을 측정한 결과이다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
일반적인 태양광 발전용 태양전지 패널은 도 1에서와 같은 구조로 이루어진다. 즉, 투명기판, 상기 투명기판의 하부에 부착되며 상부 및 하부에 완충부재를 구비하는 태양전지 모듈(solar cell), 상기 태양전지 모듈의 하부에 적층되는 태양광 반사층, 상기 태양광 반사층의 하부에 적층되는 방열시트로 이루어진다. 또한, 상기 방열시트는 전도열을 복사 및 방출시키기 위하여 일면에 열방사층이 도포되어 형성된다.
또한, 필요에 따라 상기 태양전지 모듈의 하부에 추가적인 층들 적층구조를 형성할 수도 있는데, 태양전지 모듈을 투과하는 태양광을 반사시킴으로써 발전 효율을 증가시키기 위한 태양광 반사층, 백시트, 내구성 향상을 위한 코팅층 등이 추가적으로 형성될 수 있다.
상기 열방사층은 열복사층이라고도 불리며 열전도성이 높은 방열시트로부터 전달되는 전도열을 효율적으로 복사 및 방출시키기 위해 필요한 구성이다. 통상적으로 이러한 열방사층은 고분자 시트나 무기도료 또는 유무기 복합 하이브리드 도료로 구성되는데, 열방사층의 방열 속도에 따라 방열시트의 방열 효율이 크게 영향을 받기 때문에 본 발명에서는 상기 열방사층을 구성하는 조성물을 최적화하고 있다.
본 발명에서는 상기 조성물로서 흑연 및 니오븀산 알칼리 금속염의 나노시트를 포함하는 조성물을 사용하고 있다.
상기 흑연은 층상 화합물로서 열전도성이 우수하여 방열용 재료로서 널리 사용되고 있는 것이다. 본 발명에서는 상기 흑연에 층간삽입제를 첨가하여 제조한 팽창흑연을 사용하고 있다. 상기 팽창흑연은 대한민국 등록특허공보 10-1835385호에 개시된 공정에 따라 산화제를 도입하여 층간삽입 처리함으로써 제조될 수 있다.
상기 팽창흑연은 열전달 속도가 800W/mk로서, 일반적으로 사용되는 알루미늄이 167W/mk인 것을 고려하면, 약 4배 이상 열전달 및 방출 속도가 증가될 수 있다.
상기 층간삽입 공정에 사용되는 층간삽입제나 공정 조건에 따라 상기 팽창흑연의 층간 거리를 조절할 수 있는데, 본 발명에서는 방열시트의 열방사층을 구성하기 위하여 사용되기 때문에 입자 크기가 50 내지 200㎛이며 밀도가 0.9 내지 1.0g/㎤의 흑연에 층간삽입제인 황산 및 가염소산을 가하여 팽창처리한 팽창흑연을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 팽창흑연과 함께 포함되는 니오븀산 알칼리 금속염의 나노시트는 층상 화합물인 니오븀산 알칼리 금속염을 박리하여 시트 형상으로 만든 것으로서, 전자재료나 촉매 등에 사용된 예는 있으나, 방열을 목적으로 하는 소재로서는 사용된 예가 없는 물질이다. 상기 니오븀산 알칼리 금속염은 층간삽입 공정에 의해 층상 구조를 쉽게 박리할 수 있기 때문에 이를 통해 표면적을 넓힐 수 있고 또한 박리된 표면에 다양한 물질이 흡착될 수도 있다.
상기 니오븀산 알칼리 금속염은 니오븀산 나트륨염, 니오븀산 칼륨염 또는 니오븀산 나트륨-칼륨염 중 어느 하나를 들 수 있는데, 구체적으로는, KNb3O8, K4Nb6O17, NaNb3O8, Na4Nb6O17, NaxK1-xNbO3 (이때, 0.05≤x≤0.9, 바람직하게는, 0.1≤x≤0.5) 등을 들 수 있으며, 상기 나트륨 또는 칼륨이 이온교환에 의해 다른 물질로 교환되는 원리를 이용하여 층간 거리를 변경하거나 박리할 수 있게 된다.
예를 들어, K4Nb6O17의 층간 거리를 조절하는 경우, 일반적인 층간 거리가 0.95 내지 1.05㎚인데, 층간삽입제를 부가하면 층간 거리가 삽입되는 분자의 크기만큼 확장될 수 있다. 상기 층간삽입제로는 EDTA와 같은 착화합물, 금속, 금속 산화물, 유기 화합물 등 다양한 물질을 적용할 수 있다.
상기 니오븀산은 일반적으로 열전도도가 0.1W/m·K 이하인 물질이나, 이러한 니오븀산의 성질을 이용하여 상기 니오븀산의 박리된 표면에 열전도도가 높은 알루미늄, 구리, 은과 같은 금속 입자를 흡착시키거나 탄소 입자를 흡착시킴으로써 니오븀산 자체에 방열 성능을 부여할 수 있다. 이 경우 단순히 흑연만으로 이루어지는 경우와는 달리 흑연에서 니오븀산의 결정구조로 다시 니오븀산의 결정구조에서 표면에 흡착된 탄소 입자로 열진동을 통해 열전달이 이루어지기 때문에 방열 효과가 향상되는 것으로 나타났다.
상기 니오븀산 알칼리 금속염은 산화니오븀(Nb2O5)과 탄산칼륨(K2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산칼슘과 탄산나트륨의 혼합물을 화학양론적인 혼합하고 이를 1,000 내지 1,100℃에서 10 내지 15시간 동안 하소함으로써 제조할 수 있고, 또한, 액상을 형성할 수 있는 염화니오븀과 수산화칼륨 및/또는 수산화나트륨을 혼합한 용액을 수열처리함으로써 제조할 수도 있다. 또한, 상기 니오븀산 알칼리 금속염을 아민 화합물의 수용액 등에 정치함으로써 층간 구조를 박리하여 박리된 나노시트 형태를 만들 수 있다. 이러한 나노시트의 표면에는 반응 사이트가 생성되기 때문에 상기 표면에 다양한 물질을 흡착시킬 수 있게 된다. 탄소 입자를 흡착시킬 경우, 수산기나 아민기와 같은 반응성기를 가진 탄소 화합물을 흡착시키고 이를 하소함으로써 탄소 입자가 흡착된 나노시트를 제조할 수 있다.
또한, 상기 열방사층을 형성할 때, 상기 흑연과 니오븀산 알칼리 금속염의 나노시트는 1:0.5 내지 1:0.8의 중량비로 배합되는 것이 바람직한 것으로 나타났는데, 상기 나노시트의 함량이 지나치게 적으면 흑연만 사용하여 열방사층을 형성할 때와 방열 효과에서 거의 차이가 없으며, 나노시트의 함량이 지나치게 많으면 내구성이 저하되어 열방사층을 형성하기 곤란한 것으로 나타났다.
또한, 상기 열방사층을 형성할 때 상기 조성물을 집진하고 판상성형한 후 가압 롤러를 이용하여 압연함으로서 박막 형태로 제조할 수도 있고, 바인더를 부가하여 코팅제를 제조한 후 상기 방열시트의 표면에 도포하고 경화시킬 수도 있다.
박막 형태로 제조하는 경우 상기 방열시트와의 사이에 접착층을 개재한 후 접착시킬 수 있으며, 이 경우, 상기 접착층은 상기 방열시트와 태양전지 모듈을 접착시킬 때와 동일한 종류의 접착제를 사용하여 형성할 수 있다. 상기 접착제로는 내열 및 방열 성능이 우수한 아크릴, 에틸렌초산비닐 공중합체, 또는 우레탄 계열의 열전도성 접착제를 사용할 수 있다.
또한, 코팅제를 제조하는 경우 상기 바인더로는 수산화알루미늄, 인산, 탄산칼륨을 혼합한 수용액을 교반하여 제조한 슬러리를 사용할 수 있는데, pH를 고려하여 수산화알루미늄 10 내지 20 중량부에 대하여 인산 40 내지 50 중량부, 탄산칼륨 5 내지 10 중량부, 물 10 내지 20 중량부의 비율로 혼합하여 슬러리를 제조하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 바인더는 5 내지 50 중량부의 범위에서 사용하는데 바인더의 함량이 지나치게 적으면 열방사층의 내구성이 저하되며 지나치게 많아도 재료의 뭉침현상이 발생하여 열방사층의 물성이 저하될 수 있으므로 상기 범위에서 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명의 방열시트는 흑연의 빠른 열 확산력을 이용하기 때문에 온도가 높은 부위의 열을 상대적으로 낮은 부위로 빨리 이동시켜 열평형을 이룰 수 있다. 또한, 열평형에 의한 부분 열 폭주 데미지를 최소화시키기 때문에 전력을 보다 안정적으로 생산하고 열 데미지로 인한 에너지 생산 효율이 시간 변화에 따라 감소하는 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 태양광 패널에서 흑연을 통해 외부로 직접 열을 발산하기에 방열 효과가 커 여름철 성능 저하를 막을 수 있다.
상기 열방사층은 0.02 내지 0.2㎜의 두께로 이루어지는 것이 바람직하며, 방열시트의 종류나 두께에 따라 적절히 선택될 수 있다. 다만, 열방사층의 두께가 지나치게 얇으면 효율적으로 열을 방사할 수 없어 열이 축적되는 현상이 발생할 수 있고, 지나치게 두꺼워도 열 전달 효율이 저하되어 방열 효과가 저하될 수 있으므로 상기 범위로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 조성물을 이용하여 열방사층을 형성할 때 방열시트의 방열 효율이 어느 정도 상승하는지 시료를 제작하여 시험평가를 실시하였다.
상기 조성물을 구성하는 흑연을 제조하기 위하여 인조 흑연 분말을 50 내지 500㎛로 1차 분급하고 100 내지 300㎛ 크기의 입자를 2차 분급하여 흑연 분말을 얻었다.
상기 흑연 분말을 수소 환원로에 넣고 10-2Torr 의 감압 조건에서 2,000℃의 온도로 열처리하였다. 열처리를 마친 흑연 분말을 반응기에 투입한 후 층간삽입제로 50 농도%의 황산, 50% 농도의 과염소산을 6:4의 중량비로 배합하여 첨가하였으며, 반응기에서 혼합을 실시한 후 세척 및 건조하였다.
또한, 층간삽입제로 처리된 흑연 분말을 1,500℃에서 열처리하여 팽창흑연을 제조하였다.
다음으로 나노시트를 제조하기 위하여 니오븀산 알칼리 금속염을 제조한 후 박리하는 과정을 수행하였다. 니오븀산 알칼리 금속염을 제조하기 위하여 염화니오븀을 염산 수용액에 용해시켜 1M NbCl5의 0.2M 염산 수용액을 제조하였다. 제조된 수용액에 수산화칼륨의 수용액을 가하여 혼합한 후 100℃에서 24시간 동안 정치하였다. 이를 수열합성기에 옮겨 5시간 동안 수열합성을 수행하여 현탁액을 얻었다. 상기 현탁액을 원심분리하여 니오븀산 칼륨(K4Nb6O17) 입자를 얻었다.
제조된 니오븀산 칼륨 1 중량부에 대하여 증류수 200 중량부, n-프로필아민 10 중량부를 부가하여 120℃에서 3일 간 수열반응을 수행하여 나노시트 슬러리를 형성하였다. 제조된 슬러리는 저속 원심분리를 통해 고액분리하여 나노시트를 수득하였다.
제조된 나노시트 1 중량부를 60 중량부의 증류수에 용해시킨 후 탄소원으로 3,4-디히드록시페네틸아민(3,4-dihydroxyphenethylamine)을 K4Nb6O17와 3,4-디히드록시페네틸아민이 1:1의 중량비가 되도록 투입한 후 수산화암모늄(28wt% 수용액) 0.1 중량부를 부가하고 2일 동안 혼합하여 중합반응을 수행하였다. 제조된 나노시트를 불활성 가스 분위기에서 800℃의 온도로 2시간 동안 하소하여 탄소 입자가 흡착된 나노시트를 제조하였다.
상기 흑연 분말과 니오븀산 칼륨 분말을 1:0.6의 중량비로 집진하고 판상 성형한 후 가압 롤러를 이용하여 5회 압연함으로써 평균 0.1㎜ 두께의 박막을 제조하였다. 상기 박막을 알루미늄 재질의 방열시트에 합지하여 열방사층을 형성하여 방열시트 전체의 두께는 0.8㎜가 되도록 하였다(실시예).
비교를 위하여 대한민국 등록특허 10-1835385호에 따른 팽창흑연을 판상 성형한 후 압연하여 제조한 평균 0.1㎜ 두께의 박막을 알루미늄 재질의 방열시트에 합지하여 열방사층을 형성하여 방열시트 전체의 두께는 0.8㎜가 되도록 형성되었다(비교예 1).
제조된 방열판에 대한 열확산율(thermal diffusivity)을 열분석기(NETZSCH LFA 447)를 사용하여 측정하였다. 그 결과 실시예의 경우, 25℃에서의 열확산율이 453.656W/m·K로서 25℃에서의 열확산율이 241.297W/m·K인 비교예에 비해 47% 정도의 방열 효율이 상승되는 효과를 얻었다.
또한, 열화상 카메라를 이용하여 방열 효과를 측정하였다. 온도 측정을 위하여 열원 하단 15㎜ 부분에서 측정 지그에 방열시트를 부착한 후 시료 상단 중앙 기준으로부터 30㎜ 하단 지점(spot 1)과 시료 하단 중앙 기준으로부터 5㎜ 상단 지점(spot 2)을 측정하였고, 위 측정값의 차이를 구하였다. 또한, 측정거리는 300㎜, 측정각도는 90도였다. 50℃의 열원에 대하여, 실시예, 비교예 1 및 시판되는 알루미늄 재질로 이루어진 1.0㎜의 방열시트(비교예 2)에 대한 열화상 카메라 측정 결과는 도 2와 같다.
도 2의 결과를 살펴보면, 실시예의 경우 spot 1에서의 온도가 38.0℃이며 spot 2에서의 온도가 42.0℃로 높은 방열 성능을 나타내었으나, 비교예 1의 경우 spot 1 및 2에서 각각 29.9, 34.0℃로 방열 성능이 상대적으로 낮게 나타났다. 이러한 방열 성능은 시판되는 알루미늄 재질의 방열시트(비교예 2)에 비해서는 높은 수치이나 본 발명에 따른 열방사층이 적용된 방열시트에 비해서는 낮은 것으로서, 본 발명에 따른 열방사층이 적용될 때 방열시트의 방열 효율이 크게 향상되는 결과를 시사하는 것이다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (3)

  1. 태양전지 모듈(solar cell)의 배면에 부착되는 방열시트의 표면에 도포되어 열방사층을 형성하기 위한 조성물로서,
    상기 조성물은 흑연 및 니오븀산 알칼리 금속염의 나노시트를 1:0.5 내지 1:0.8의 중량비로 포함하며,
    상기 흑연은 입자 크기가 50 내지 200㎛이며 밀도가 0.9 내지 1.0g/㎤인 흑연에 층간삽입제인 황산 및 가염소산을 가하여 팽창처리한 팽창흑연이며,
    상기 니오븀산 알칼리 금속염의 나노시트는 탄소가 표면에 도핑된 니오븀산 알칼리 금속염의 나노시트인 것을 특징으로 하는 태양전지 패널의 방열시트용 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 니오븀산 알칼리 금속염은 니오븀산 나트륨염, 니오븀산 칼륨염 또는 니오븀산 나트륨-칼륨염 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 방열시트용 조성물.
  3. 삭제
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