KR102529297B1 - 광산란 파장변환층을 구비한 광합성 파장 투과형 발광태양광 패널 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광산란 파장변환층을 구비한 광합성 파장 투과형 발광태양광 패널에 관한 것으로서, 판형상으로 형성되어 입사된 광을 투과시키는 도광판과, 도광판의 일부 영역에 결합된 태양전지와, 도광판의 태양전지 점유영역 이외의 영역에 결합되며 투명수지에 입사된 태양광의 일부를 흡수하여 식물 광합성에 적합한 파장으로 변환하는 파장변환입자 및 입사된 광을 산란시키는 광산란입자가 분산된 광산란 파장변환층을 구비한다. 이러한 광산란 파장변환층을 구비한 광합성 파장 투과형 발광태양광 패널에 의하면, 투광용 도광판의 태양전지 점유 영역을 벗어나서 진행되는 광의 광산란에 의해 파장변환 및 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.
Description
본 발명은 광산란 파장변환층을 구비한 광합성 파장 투과형 발광태양광 패널에 관한 것으로서, 상세하게는 태양광의 일부는 투과시켜 작물재배용으로 이용하고 일부는 매입된 태양전지에 의해 전력을 생성할 수 있도록 된 광산란 파장변환층을 구비한 광합성 파장 투과형 발광태양광 패널에 관한 것이다.
통상적으로 식물은 빛, 온도, 공기, 물 등 성장에 필요한 요소들이 적절하게 공급 및 유지되어야 정상적으로 성장된다. 이러한 식물의 성장 조건에 대한 계절 변화에 의한 자연적 제약사항을 보완하기 위해 비닐이나 유리 등을 이용한 시설 하우스를 통한 재배방식도 이용되고 있다.
최근에는 태양광 발전을 농작물 경작과 접목하려는 방식이 제안되고 있다. 국내 공개특허 제10-2020-0134719호에는 태양광 패널에 의해 형성되는 음영지역으로 광을 공급할 수 있는 광유도장치를 적용한 식물재배시스템이 개시되어 있다.
한편, 입사된 태양광의 일부는 식물을 재배하기 위해 투과시키고 일부는 태양전지를 통해 전력으로 변환되게 하기 위한 방식을 적용할 때 제조가 용이하면서도 광이용효율을 향상시킬 수 있는 방안이 꾸준히 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 투광용 도광판의 태양전지 점유 영역을 벗어나서 진행되는 광의 파장변환 및 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 광산란 파장변환층을 구비한 광합성 파장 투과형 발광태양광 패널을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광합성 파장 투과형 발광태양광 패널은 판형상으로 형성되어 입사된 광을 투과시키는 도광판과; 상기 도광판의 일부 영역에 결합된 태양전지와; 상기 도광판의 상기 태양전지 점유영역 이외의 영역에 결합되며 투명수지에 입사된 태양광의 일부를 흡수하여 식물 광합성에 적합한 파장으로 변환하는 파장변환입자 및 입사된 광을 산란시키는 광산란입자가 분산된 광산란 파장변환층;을 구비한다.
바람직하게는 상기 광산란입자는 입경이 0.5 내지 5㎛이며, TiO2, ZrO2 중 적어도 하나의 소재로 형성된 것을 적용한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 광산란 파장변환층 위에 적층된 보호층과; 적층된 상기 도광판, 상기 광산란 파장변환층 및 상기 보호층의 외부로 노출된 측면을 따라 형성되어 입사된 광을 반사하는 반사층;을 더 구비하고, 상기 광산란 파장변환층은 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 공중합체 수지에 파장변환입자 및 광산란입자가 분산되어 있고, 상기 광산란입자는 상기 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 공중합체 수지 100중량부에 대해 0.05 내지 0.1중량부로 첨가된다.
상기 파장변환입자는 Perylene red(Lumogen red 305), R-Phycoerythrin, R-Phycocyanin, CaAlSiN3:Eu(CASN), K2TiF6:Mn(KTF), CaMgSi2O6:Eu, BaMgAl10O17:Eu(BAM), (Sr,Mg)2SiO4:Eu (HEBK63N-D1). NaYF4:Er, Yb 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 광산란 파장변환층을 구비한 광합성 파장 투과형 발광태양광 패널에 의하면, 투광용 도광판의 태양전지 점유 영역을 벗어나서 진행되는 광의 광산란에 의해 파장변환 및 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 광합성 파장 투과형 발광태양광 패널을 개략적으로 나타내 보인 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광합성 파장 투과형 발광태양광 패널을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광합성 파장 투과형 발광태양광 패널을 개략적으로 나타내 보인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광합성 파장 투과형 발광태양광 패널(100)은 도광판(110), 태양전지(120), 광산란 파장변환층(130), 보호층(140), 반사층(150)을 구비한다.
도광판(130)은 판형상으로 형성되어 입사된 광을 투과시키며 베이스기판으로서의 기능을 한다. 도광판(130)은 두께가 5mm이하이면서 가시광선 대역에서 투광율이 90% 이상이고, 굴절률이 1.6~1.0 이고, 녹는 점이 110℃ 이상인 수지로 형성된 것을 적용한다. 도광판(130)은 폴리카보네이트(PC), 아크릴수지 또는 PMMA( polymethyl methacrylate) 중 어느 하나의 소재로 형성된 것을 적용한다.
태양전지(120)는 입사된 광을 전기에너지로 변환한다. 태양전지(120)는 도광판(130)의 전체 영역 중 일부를 점유하도록 도광판(110)의 저면 일부영역에 접합되어 있다.
광산란 파장 변환층(130)은 도광판(110)의 태양전지(120) 점유영역 이외의 영역에 태양전지(120)와 나란하게 결합되며 투명수지에 입사된 태양광의 일부를 흡수하여 식물 광합성에 적합한 파장으로 변환하는 파장변환입자(132) 및 입사된 광을 산란시키는 광산란입자(134)가 분산되어 있다.
광산란 파장 변환층(130)은 100℃ 이하에서 녹는 투명수지에 파장변환입자(132) 및 광산란입자(134)가 분산된 구조로 되어 있다.
광산란 파장 변환층(130)에 적용되는 광산란입자(134)는 입경이 0.5 내지 5㎛인 것을 적용한다. 광산란입자(134)의 입경이 0.5㎛ 미만이면 과도한 광산란손실이 발생할 수 있고, 5㎛를 초과하면 광산량량이 작아서 광산란 효과를 충분히 얻기 어렵다. 광산란 입자(134)는 고굴절율 예를 들면 굴절율 1.6을 초과하는 소재를 적용한다. 바람직하게는 광산란 입자(134)는 TiO2, ZrO2 중 적어도 하나의 소재가 적용된다.
이러한 광산란 입자(134)는 입사된 광을 산란시켜 도광판 방향으로 진행하여 도광판의 다른면에 반사/회귀하여 다시 하부로 진행하는 과정에서 태양전지(120)로 흡수됨으로써 태양전지(120)의 크기를 확장하지 않으면서도 광전변환효율을 향상시키는데 기여한다.
광산란 파장변환층(130)에 적용되는 투명수지는 저온 융점 EVA(에틸렌비닐아세테이트) 공중합체 수지가 적용될 수 있다. 이 경우 광산란 파장변환층(130)은 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 공중합체 수지 100중량부에 대해 광산란입자(134)는 0.05 내지 0.1중량부로 첨가된다. 또한, 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 공중합체 수지 100중량부에 대해 광산란입자(134)는 0.05 내지 0.1중량부로 첨가된다. 여기서, 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 공중합체 수지 100중량부에 대해 광산란입자(134)의 첨가량이 0.05 중량부 미만이면 광산란 효과가 미미하고, 0.1중량부를 초과하면 광산란 손실이 많아지고 필름의 유연성이 떨어진다.
또한, 파장변환입자(132)는 청색광 또는 녹색광에 여기되어 적색광 또는 적외선을 발광하는 염료 예를 들면, Perylene red(Lumogen red 305), R-Phycoerythrin, R-Phycocyanin 중 적어도 어느 하나가 적용될 수 있다.
또한, 파장변환입자(132)는 청색광 또는 녹색광에 여기되어 적색광 또는 적외선을 발광하는 형광체인 CaAlSiN3:Eu(CASN), K2TiF6:Mn(KTF) 또는 자외선 여기 청색광 발광소재인 CaMgSi2O6:Eu, BaMgAl10O17:Eu(BAM), (Sr,Mg)2SiO4:Eu (HEBK63N-D1) 또는 적외선 여기 청색광 발광 소재인 NaYF4:Er, Yb 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이러한 광산란 파장변환층(130)에서 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 공중합체 수지 100중량부에 대해 파장변환입자(134)는 0.1 내지 0.3중량부로 첨가된다. 바람직하게는 광산란 파장변환층(130)의 두께가 200㎛로 적용되는 경우 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 공중합체 수지 100중량부에 대해 파장변환입자(134)는 0.2중량부로 첨가된다.
보호층(140)은 광산란 파장변환층(130) 위에 적층되어 광산란 파장변환층(130)과 태양전지(120)를 물리적 충격으로부터 보호할 수 있도록 적용된 층이다. 보호층(140)은 전기적 절연기능과 광투과 효율이 좋은 소재로 형성된다. 바람직하게는 보호층(140)은 광산란 파장변환층(130) 위에 EVA공중합체 수지로 된 제1보호층과, 제1보호층 위에 폴리카보네이트(PC)수지로 형성된 제2보호층을 갖는 구조로 형성된다.
반사층(150)은 적층된 도광판(110), 광산란 파장변환층(130) 및 보호층(140)의 외부로 노출된 네 개의 측면을 따라 형성되어 입사된 광을 반사한다. 반사층(150)은 가시광선 대역에서의 반사율이 90% 이상이고, 300 내지 1200nm 대역에서 80% 이상인 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 반사층(150)은 (Ag) 또는 알루미늄으로 형성될 수 있다.
이하에서는 이러한 광합성 파장 투과형 발광태양광 패널(100)의 제조과정을 설명한다.
먼저, 광산란 파장변환층(130)용 필름을 제작한다.
광산란 파장변환층(130)용 필름은 용제에 적색 발광 염료(perylene red [Lumogen red 305])와 같이 앞서 설명된 파장변환입자를 녹이고, 광산란입자를 분산시킨 후, 태양전지용 저온 융점 EVA공중합체수지에 녹여서 필름 제작기를 통해 필름형태로 가공하고 건조하여 용제가 제거된 필름을 제작함.
다음으로 도광판(110) 위에 태양전지(120) 및 필름형태로 된 광산란 파장변환층(130)을 접합하고, 그 위에 보호층(140)을 접착제로 접합한다. 이후 측면에 접착제에 의해 접합이 가능한 광반사필름을 접합하여 반사층(150)을 형성한다.
이러한 광합성파장 투과형 발광태양광패널(100)은 패널 하부로는 태양광 스펙트럼의 대부분을 통과시켜 하부에 존재하는 식물 재배에 이용하고, 패널 일부 영역에 존재하는 태양전지를 통해서 전력 생산을 하며, 추가로 광산란 파장변환층(130) 내에 분산된 파장변환입자는 광합성에 주효한 적색광을 발생시켜 하부로 방출하여 식물의 광합성을 향상시키며, 광산란입자는 입사된 태양광을 산란시켜 다양한 방향성을 갖게 함으로써 일부가 태양전지에 입사되어 광전변환효율을 향상시키고 파장변환입자로의 흡수도 향상시켜 적생광 생성효율도 증가시킨다.
이상에서 설명된 광산란 파장변환층을 구비한 광합성 파장 투과형 발광태양광 패널에 의하면, 투광용 도광판의 태양전지 점유 영역을 벗어나서 진행되는 광의 광산란에 의해 파장변환 및 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.
110: 도광판 120: 태양전지
130: 광산란 파장변환층 140: 보호층
150: 반사층
130: 광산란 파장변환층 140: 보호층
150: 반사층
Claims (4)
- 판형상으로 형성되어 입사된 광을 투과시키는 도광판과;
상기 도광판의 일부 영역에 결합된 태양전지와;
상기 도광판의 상기 태양전지 점유영역 이외의 영역에 결합되며 투명수지에 입사된 태양광의 일부를 흡수하여 식물 광합성에 적합한 파장으로 변환하는 파장변환입자 및 입사된 광을 산란시키는 광산란입자가 분산된 광산란 파장변환층;을 구비하고,
상기 광산란입자는 입경이 0.5 내지 5㎛이며, TiO2 소재로 형성되며,
상기 파장변환입자는 NaYF4:Er, Yb 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광합성 파장 투과형 발광태양광 패널. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 광산란 파장변환층 위에 적층된 보호층과;
적층된 상기 도광판, 상기 광산란 파장변환층 및 상기 보호층의 외부로 노출된 측면을 따라 형성되어 입사된 광을 반사하는 반사층;을 더 구비하고,
상기 광산란 파장변환층은 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 공중합체 수지에 파장변환입자 및 광산란입자가 분산되어 있고, 상기 광산란입자는 상기 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 공중합체 수지 100중량부에 대해 0.05 내지 0.1중량부로 첨가된 것을 특징으로 하는 광합성 파장 투과형 발광태양광 패널. - 삭제
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