KR102026975B1 - 태양광 발전용 태양전지 패널. - Google Patents

태양광 발전용 태양전지 패널. Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 발전용 태양전지 패널에 관한 것으로서, 투명기판, 상기 투명기판의 하부에 적층되며 양면에 완충부재가 형성된 태양전지 모듈(solar cell), 상기 태양전지 모듈의 하부에 적층되는 열전도층 및 열방사층이 적층되어 이루어지는 방열판으로 이루어지며, 상기 열방사층은 흑연 및 니오븀산 알칼리 금속염으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

태양광 발전용 태양전지 패널.{PHOTOVOLTAIC PANEL FOR SOLAR POWER GERNERATION}
본 발명은 태양광 발전용 태양전지 패널에 관한 것으로서, 층간 화합물인 흑연 및 니오븀산 알칼리 금속염을 함유하는 방열판을 적용하여 태양전지 패널의 방열 효율 및 태양광 발전 효율을 향상시킬 수 있는 태양광 발전용 태양전지 패널에 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 금속염로 이루어진 열방사층을 포함하는 방열판을 적용함으로써 방열 성능을 향상시키고 이를 통해 태양광 발전 효율을 향상시킬 수 있는 태양광 발전용 태양전지 패널을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 태양광 발전용 태양전지 패널은 투명기판, 상기 투명기판의 하부에 적층되며 양면에 완충부재가 형성된 태양전지 모듈(solar cell), 상기 태양전지 모듈의 하부에 적층되는 열전도층 및 열방사층이 적층되어 이루어지는 방열판으로 이루어지며, 상기 열방사층은 흑연 및 니오븀산 알칼리 금속염으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방열판의 하부에 흑연시트가 추가적으로 적층될 수 있으며, 또한, 상기 방열판 및 흑연시트의 사이에 태양광 반사층이 추가적으로 적층될 수도 있다.
또한, 상기 니오븀산 알칼리 금속염은 니오븀산 나트륨염, 니오븀산 칼륨염 또는 니오븀산 나트륨-칼륨염 중 어느 하나일 수 있으며, 구리, 은, 알루미늄 중 어느 하나의 금속이 층간삽입된 니오븀산 알칼리 금속염일 수도 있다.
본 발명에 따른 태양광 발전용 태양전지 패널은 층간 화합물인 흑연과 니오븀산 알칼리 금속염로 이루어진 열방사층을 포함하는 방열판을 적용함으로써 방열 성능을 향상시키고 이를 통해 태양광 발전 효율을 향상시키는 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 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.
본 발명에 따른 태양광 발전용 태양전지 패널은 도 1에 도시된 바와 같은 적층 구조로 이루어지는 것이다. 일 실시예에 따른 태양전지 패널은, 도 1(a)에서와 같이, 투명기판, 상기 투명기판의 하부에 적층되며 양면에 완충부재가 형성된 태양전지 모듈(solar cell), 상기 태양전지 모듈의 하부에 적층되는 열전도층 및 열방사층이 적층되어 이루어지는 방열판으로 이루어질 수 있다.
또한, 또 다른 실시예에 따른 태양전지 패널로서, 도 1(b)에서와 같이, 방열판의 하부에 흑연시트가 추가적으로 적층된 구조로 이루어질 수도 있다.
또한, 또 다른 실시예로서 상기 태양전지 패널은, 도 1(c)에서와 같이, 상기 방열판 및 상기 흑연시트의 사이에 태양광 반사층이 형성된 구조로 이루어질 수도 있다.
먼저, 상기 투명기판은 태양전지 모듈을 외부 충격으로부터 보호하기 위하여 설치되는 것으로서, 태양광을 투광시킬 수 있도록 투명한 재질로 이루어질 수 있고, 필요에 따라 반투명 재질로 이루어질 수도 있다. 보다 구체적으로, 상기 투명기판은 반투명 강화유리 기판 또는 합성수지 기판 또는 유리기판을 사용할 수 있다.
상기 태양전지 모듈은 양면에 완충부재가 적층되어 설치되는데, 이는 태양전지 모듈에 유입되는 습기나 먼지 등을 방지하기 위한 것으로서, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(ethylene-vinyl acetate copolymer, EVA)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 태양전지 모듈은 통상적인 태양전지 모듈을 적용할 수 있으며, 실리콘 실리콘뿐만이 아니라 갈륨비소, 카드뮴텔루르, 황화카드뮴, 인듐인 또는 이들의 복합체를 사용하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 태양전지 모듈은 흑연시트를 방열판의 하부에 설치할 수도 있는데, 상기 흑연시트는 출원인이 개발한 대한민국 등록특허공보 10-1835385호에 따른 팽창흑연으로 이루어진 흑연시트를 적용하게 된다. 상기 흑연시트는 태양전지 모듈 및 주변기기에서 태양광 발전을 수행하는 과정에서 발생하는 열을 방열하기 위한 것으로서 태양전지 패널의 효율과 수명을 연장시키기 위해 부가될 수 있는 것이다.
상기 흑연시트를 부가하는 경우, 수직방향의 열전도율 향상, 박리 방지, 인장 강도 및 찢김 강도 향상을 위하여 혼합분산용액을 팽창흑연시트 표면에 코팅할 수도 있다.
상기 혼합분산용액은 분산제인 1차 용액 70중량부에 바인더 용제인 2차 용액 30 중량부를 혼합하여 혼합 용액인 3차 용액을 만들고, 상기 3차 용액 80 내지 97 중량부에 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 나노카본, 그래핀, 플러랜 중에서 선택되는 어느 하나의 탄소 재료를 3중량부 내지 20중량부를 혼합하여 4차 용액을 만든 후, 상기 4차 용액을 분산하여 제조될 수 있다. 또한, 상기 1차 용액은 물 또는 에틸알콜, 메틸알콜, 이소프로필 알코올, 아세톤, 메틸에틸케톤, 에틸 이소케톤, 에틸렌글리콜류, 아닐린류, 톨루엔, 클로로포름 소디움도데실 설페트, 폴리비닐알코올, 트리톤-x,하이드로프로필 셀룰로오즈, 하이드록시프로필 메틸셀룰로오즈 중에서 선택되거나 상기 1차 용액은 물 또는 에틸알콜, 메틸알콜, 이소프로필 알코올, 아세톤, 메틸에틸케톤, 에틸 이소케톤, 에틸렌글리콜류, 아닐린류, 톨루엔, 클로로포름 소디움도데실 설페트, 폴리비닐알코올, 트리톤-x,하이드로프로필 셀룰로오즈, 하이드록시프로필 메틸셀룰로오즈 중에서 2개 용액을 선택하여 혼합하되 상기 선택된 2개의 용액을 각 각 50중량부로 혼합한 것을 사용할 수 있고, 상기 제2차 용액은 폴리에스터 20 중량부에 우레탄 80 중량부를 혼합한 것이나, 실레인 2 중량부에 에폭시계 수지 98 중량부를 혼합하는 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 흑연시트의 표면에 내구성을 증가시킬 수 있도록 보호코팅층을 더 부가할 수 있다. 상기 보호코팅층은 무기 또는 유기, 유기-무기 하이브리드 재료를 사용하는 것이 바람직한데, 상기 무기재료로는 실리카, 알루미나, 이산화티탄, 지르코니아 등의 금속 산화물, 탄소나노튜브를 사용하는 것이 바람직하고, 유기재료로는 우레탄 수지, 에스테르 수지, 아크릴 수지 등을 사용할 수 있다.
또한, 태양광 패널에서 흡수되지 못하고 하부로 투과되는 태양광을 태양광 패널의 하부로 반사시켜 태양광 발전 효율을 증가시킬 수 있도록 방열판 및 흑연시트의 사이에 태양광 반사층이 형성될 수도 있다. 이 경우, 상기 태양광 반사층은 금속증착 필름이나, 광반사율을 높일 수 있는 필러가 포함된 접착제나 광 반사율이 90% 이상인 백색 코팅제를 사용하여 형성할 수 있다.
또한, 태양광 패널에서 발생한 열이 효율적으로 전달되도록 매개체로 완충부재가 도입될 수 있는데, 이러한 완충부재로는 열전도성 접착제 또는 점착제를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 태양광 발전용 태양전지 패널은 방열판을 통해 대부분의 열을 방열하게 되는데, 상기 방열판은 도 1에 도시된 바와 같이, 베이스시트, 열전도층 및 열방사층이 순차적으로 적층되어 이루어지는 것이다.
방열판을 구성하는 상기 베이스시트는 태양광 모듈에 설치되는 완충부재의 하부에 배열되는 것으로서, 상기 베이스시트의 하부에는 열전도층이 적층되어 형성되어 발생하는 열을 열방사층으로 전달함과 동시에 절연층을 형성하게 된다.
또한, 상기 베이스시트의 상부에는 아크릴, EVA, 우레탄 계열, 에폭시 계열의 접착제 중 어느 하나를 사용하여 상기 태양전지 패널의 표면에 형성된 완충부재의 하부와 접착하도록 구성할 수 있다.
상기 베이스시트로는 절연성능 및 방열성능을 갖는 재료를 사용하는 것이 바람직하며, PET, 폴리이미드, BOPP(bi-axially oriented polypropylene), OPP(oriented polypropylene), PVF(polyvinyl fluoride), PVDF(polyvinylidene fluoride), TPE(thermoplastic elastomer), ETFE(ethylene tetrafluoro ethylene) 또는 아라미드 등과 같은 고분자 물질로 이루어진 박막형 시트를 사용할 수 있다.
또한, 상기 방열판을 구성하는 상기 열전도층은 상기 베이스시트의 하부에 적층되어 태양전지 패널에서 발생하는 열을 전도하며, 방열판이 휘어지거나 변형되는 것을 방지하기 위한 보강재로서의 역할을 한다.
상기 열전도층은 열전도성이 우수한 알루미늄, 동, 황동, 강판, 스테인리스나 이와 동등하거나 그 이상의 열전도율을 갖는 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 열전도층은 상기 베이스시트의 하부에 양면 접착 테이프나 접착제에 의하여 부착되는데, 내열성능 및 방열성능을 갖는 아크릴 수지, EVA, 우레탄 수지 계열의 접착제 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 접착제는 열전도층을 구성하는 알루미늄 등과 같은 소재와 접착력이 우수하여 이종부재로 이루어진 베이스시트와의 견고한 접착을 형성하도록 해 준다.
또한, 상기 열방사층은 열복사층이라고도 불리며 열전도성이 높은 방열시트로부터 전달되는 전도열을 효율적으로 복사 및 방출시키기는 역할을 하는 것이다. 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 재료로서 흑연 및 니오븀산 알칼리 금속염을 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 층간삽입 공정에 사용되는 층간삽입제나 공정 조건에 따라 상기 팽창흑연의 층간 거리를 조절할 수 있는데, 본 발명에서는 방열판의 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 팽창흑연은 열전달 속도가 800W/mk로서, 일반적으로 사용되는 알루미늄이 167W/mk인 것을 고려하면, 약 4배 이상 열전달 및 방출 속도가 증가될 수 있다.
상기 팽창흑연과 함께 포함되는 니오븀산 알칼리 금속염은 흑연과 마찬가지로 층상 화합물로서 전자재료, 촉매 등에 사용되고 있는데, 방열을 목적으로 하는 소재로서는 거의 사용되고 있지 않다. 그러나 상기 니오븀산 알칼리 금속염은 층간삽입 공정에 의해 다양한 물질을 층간삽입할 수 있고, 이에 따라 층간 거리를 조절하거나 층상 구조를 완전히 박리하면 나노시트를 형성할 수도 있어 다양한 특성을 나타내는 물질이다.
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 있다.
예를 들어, K4Nb6O17의 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 층간삽입을 이용하여 상기 니오븀산의 층상 구조 내에 열전도도가 높은 알루미늄(Al, 열전도도: 235~240W/m·K), 구리(Cu, 열전도도: 385~400W/m·K), 은(Ag, 열전도도: 406~430W/m·K)를 삽입하면 흑연과 함께 병용할 때 방열 효과를 크게 향상시킬 수 있는 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 양이온(H+)으로 교환한 후 다시 알루미늄(Al), 구리(Cu), 또는 은(Ag)의 금속염과 이온교환함으로써 층간삽입된 니오븀산 알칼리 금속염을 제조할 수 있다.
상기 층간삽입제는 니오븀 100몰%를 기준으로 50 내지 100몰%의 범위에서 함유될 수 있다. 상기 층간삽입제의 함량을 증가시키기 위해서는 층간삽입 시간, 산도 등을 조절해야 하는데 지나치게 함량이 증가되면 니오븀산 알칼리 금속염의 층상 구조가 파괴되어 방열 효과가 오히려 감소하는 것으로 나타났고, 층간삽입제의 함량이 지나치게 적은 경우 층간 거리의 증가가 불충분하여 방열 효과가 충분히 향상되지 않는 것으로 나타났다.
또한, 상기 흑연과 니오븀산 알칼리 금속염은 1:0.5 내지 1:0.8의 중량비로 배합되는 것이 바람직한 것으로 나타났는데, 상기 니오븀산 알칼리 금속염의 함량이 지나치게 적으면 흑연만 사용하여 열방사층을 형성할 때와 방열 효과에서 거의 차이가 없으며, 니오븀산 알칼리 금속염의 함량이 지나치게 많으면 내구성이 저하되어 열방사층을 형성하기 곤란한 것으로 나타났다.
또한, 상기 열방사층을 형성할 때 상기 흑연 및 니오븀산 알칼리 금속염의 혼합물을 집진하고 판상성형한 후 가압 롤러를 이용하여 압연함으로서 박막 형태로 제조할 수도 있고, 바인더를 부가하여 코팅제를 제조한 후 상기 방열판을 구성하는 열전도층의 표면에 도포하고 경화시킬 수도 있다.
박막 형태로 제조하는 경우 상기 방열판과의 사이에 접착층을 개재한 후 접착시킬 수 있으며, 이 경우, 상기 접착층은 상기 방열판과 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 방열판은 0.8 내지 1㎜의 두께로 이루어지는데, 이 중 상기 열방사층은 0.02 내지 0.2㎜의 두께로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 두께는 방열판의 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 열전달 효율이 저하되어 방열 효과가 저하될 수 있으므로 상기 범위로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 조성물을 이용하여 열방사층을 형성할 때 방열판의 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 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 칼륨을 6M의 질산 수용액에 3일간 두어 양이온(H+) 교환을 실시한 후 100 중량부의 니오븀산 칼륨에 대하여 50 중량부의 부틸아민 수용액(10%v/v)을 가하고 현탁액을 제조한 후 80℃에서 20일 간 환류하였다. 환류가 종료된 현탁액에서 과량의 부틸아민을 제거한 후 수용액을 형성하고 이를 실온에서 7일간 각반하였고, 고상부를 제거하고 남은 현탁액에 1 중량부의 아세트산은(C2H3AgO2)을 부가하고 80℃에서 7일간 이온교환하였다. 이온교환이 완료된 후 K4Nb6O17의 표면에 잔존하는 은 이온을 증류수와 에탄올을 사용하여 제거함으로써 Ag가 층간에 삽입된 K4Nb6O17를 제조하였다. 또한, Ag의 층간삽입 전후의 XRD 측정을 통해 d 040의 증가로부터 Ag의 삽입을 확인하였다.
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 열전도층을 구성하는 알루미늄 시트에 합지하여 열방사층을 형성하였고, 방열판 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 시트에 합지하여 열방사층을 형성하였고, 방열판 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 402.852W/m·K로서 25℃에서의 열확산율이 238.872W/m·K인 비교예에 비해 41% 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 38.4℃이며 spot 2에서의 온도가 42.4℃로 높은 방열 성능을 나타내었으나, 비교예 1의 경우 spot 1 및 2에서 각각 29.8, 34.0℃로 방열 성능이 상대적으로 낮게 나타났다. 이러한 방열 성능은 시판되는 알루미늄 재질의 방열판(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 (5)

  1. 투명기판;
    상기 투명기판의 하부에 적층되며 양면에 완충부재가 형성된 태양전지 모듈(solar cell);
    상기 태양전지 모듈의 하부에 적층되는 열전도층 및 열방사층이 적층되어 이루어지는 방열판;
    으로 이루어지며,
    상기 열방사층은 흑연 및 니오븀산 알칼리 금속염으로 형성되며,
    상기 니오븀산 알칼리 금속염은 구리, 은, 알루미늄 중 어느 하나의 금속이 층간삽입된 니오븀산 알칼리 금속염인 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 태양전지 패널.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열판의 하부에 흑연시트가 추가적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 태양전지 패널.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 방열판 및 흑연시트의 사이에 사이에 태양광 반사층이 추가적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 태양전지 패널.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 니오븀산 알칼리 금속염은 니오븀산 나트륨염, 니오븀산 칼륨염 또는 니오븀산 나트륨-칼륨염 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 태양전지 패널.
  5. 삭제
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