KR102612746B1 - 블랙 버스바 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 구리층; 상기 구리층의 일면에 배치되는 제1 합금층; 상기 제1 합금층 상에 배치되는 블랙층; 및 상기 구리층의 타면에 배치되는 제2 합금층;을 포함하며, 상기 제1 합금층과 상기 제2 합금층은 서로 상이한 두께를 갖는 블랙 버스바 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 블랙 버스바는 태양전지 모듈 및 관련 분야에 적용되어 원가절감, 경량화, 박형화 효과와 더불어 조립과정에서 작업성이 향상되고, 신뢰성 향상 및 미시성 개선 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명에 따른 블랙 버스바는 태양전지 모듈 및 관련 분야에 적용되어 원가절감, 경량화, 박형화 효과와 더불어 조립과정에서 작업성이 향상되고, 신뢰성 향상 및 미시성 개선 효과를 발휘할 수 있다.
Description
본 발명은 블랙 버스바 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양전지 모듈에 적용되어 신뢰성 및 미관 향상을 동시에 구현할 수 있는 블랙 버스바 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 p-n 접합 다이오드에 빛을 쪼이면 전자가 생성되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 소자로 정의할 수 있다. 태양전지는 접합 다이오드로 사용되는 물질에 따라, 실리콘 태양전지, I-Ⅲ-VI족 또는 Ⅲ-V족 화합물로 대표되는 화합물 반도체 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기물 태양전지로 나눌 수 있다.
태양전지의 최소단위를 셀이라고 하며, 보통 태양전지 셀 1 개로부터 나오는 전압은 약 0.5 V 내지 약 0.6 V로 매우 작다. 따라서, 여러 개의 태양전지 셀을 기판 상에 직렬로 연결하여 수 V에서 수백 V 이상의 전압을 얻도록 패널 형태로 제작하게 된다. 다수개의 태양전지 셀들에 의해 형성된 전류는 양전극 및 음전극의 기능을 하는 버스바에 의하여 정션 박스와 연결된다.
상기와 같은 방법에 의해 제조되는 태양전지 모듈의 전면은 일반적으로 파란색, 또는 검정색을 띄게 되지만, 버스바가 형성된 부분만 밝은 회색을 띄게 되어 미관상 좋지 않은 문제가 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 종래에는 버스바 위에 패널과 비슷한 색상의 절연성 테이프를 부착하였으나, 이는 수작업으로 인해 작업 효율이 떨어질 뿐만 아니라, 정밀도 감소 및 오차 발생으로 인한 신뢰성 저하 등의 문제가 있다.
한편 버스바는 일반적으로 구리 와이어를 이용하여 인발, 압연, 열처리 및 합금 도금 공정을 거쳐 제조된다. 이와 같이 제조된 종래 버스바는 구리 판재의 양면에 각각 동일 두께의 합금층이 형성되는 구조를 갖는다(하기 도 1 참조). 전술한 버스바 상에 절연성 테이프를 부착하여 사용할 경우, 두께 상승으로 인해 최종 태양전지 모듈의 경박화 및 단소화에 제약이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 구리층 상에 형성되는 합금층의 두께 조절 기술과 블랙층 도입 기술을 적용하여 신뢰성 향상 및 제조공정 간소화를 발휘할 수 있는 신규 블랙 버스바 및 그 제조방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기 발명의 상세한 설명 및 청구범위에 의해 보다 명확하게 설명될 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은 구리층; 상기 구리층의 일면에 배치되는 제1 합금층; 상기 제1 합금층 상에 배치되는 블랙층; 및 상기 구리층의 타면에 배치되는 제2 합금층;을 포함하며, 상기 제1 합금층과 상기 제2 합금층은 서로 상이한 두께를 갖는 블랙 버스바를 제공한다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제1 합금층과 상기 제2 합금층의 두께 비율은 1 : 3 내지 1 : 10 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제1 합금층의 두께는 0.1 내지 7 ㎛이며, 상기 제2 합금층의 두께는 20 내지 40 ㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제1 합금층과 상기 블랙층의 두께의 합은, 상기 제2 합금층의 두께보다 크거나 같을 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 블랙층은, 블랙 폴리이미드층; 및 실리콘 접착층을 포함하는 테이프, 필름 또는 시트일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 실리콘 접착층은 상기 제1 합금층과 상기 블랙 폴리이미드층 사이에 배치되며, ASTM D3330에 따라 측정된 제1 합금층에 대한 블랙 폴리이미드층의 접착력은 3 내지 10 N/25mm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 실리콘 접착층은 260±30℃의 온도에서 30분 간 방치시, 실리콘 접착층의 잔유물이 발생되지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 블랙 폴리이미드층의 두께는 40 내지 50 ㎛이며, 상기 실리콘 접착층의 두께는 20 내지 30 ㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 구리층의 두께는 200 내지 400 ㎛이며, 총 두께는 250 내지 600 ㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 블랙 버스바는, ASTM D882에 따른 항복강도가 150 MPa 이하이고, 인장강도가 270 MPa 이하이며, 연신율이 55% 이하일 수 있다.
또한 본 발명은 전술한 블랙 버스바를 포함하는 태양전지 모듈을 제공한다.
아울러 본 발명은 (i) 구리 와이어를 인발 및 압연하여 구리 판재를 제조하는 단계; (ii) 상기 구리 판재를 비활성 분위기 하에서 열처리하는 단계; (ⅲ) 열처리된 구리 판재 상에 합금을 코팅하되, 상기 판재의 양면에 형성되는 제1 합금층과 제2 합금층의 합금 두께를 상이하게 제어하는 단계; 및 (iv) 두께가 작은 제1 합금층 상에 블랙층을 부착하는 단계;를 포함하는 블랙 버스바의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 단계 (ii)는 질소 분위기 하에서 10 내지 15V의 전압 하에서 10초 이하의 시간 동안 열처리한 후 급냉하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 단계 (ⅲ)의 구리 판재는, 합금 코팅 전에 플럭스(Flux)로 도포된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 단계 (ⅲ)은 (ⅲ-1) 구리 판재를 합금 용융조에 침지시켜, 상기 판재의 양면에 각각 제1 합금층과 제2 합금층을 형성하는 단계; 및 (ⅲ-2) 에어나이프(air knife)를 이용하여 제1 합금층의 두께를 7 ㎛ 이하로 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 단계 (ⅲ-2)는 에어나이프에서 공급되는 350~400℃의 핫에어(hot air)를 0.01~0.1 MPa 압력으로 제1 합금층 상에 분사하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 단계 (iv)는 구리 판재의 제1 합금층 상에, 블랙 폴리이미드층; 및 실리콘 접착층을 포함하는 테이프를 부착하되, 상기 제1 합금층과 상기 실리콘 접착층을 대향시켜 부착하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 구리층의 표면에 배치되는 합금층의 두께를 상이하게 제어함과 동시에 두께가 작은 합금층에 블랙층을 도입함으로써, 제조공정의 간소화 및 공정비용 감소를 도모하면서, 종래 버스바의 항복강도, 인장강도, 연신율 등의 제반물성을 구현할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 블랙 버스바는 태양전지 모듈 및 관련 분야에 적용되어 원가절감, 경량화, 박형화 효과와 더불어 조립과정에서 작업성이 향상되고, 신뢰성 향상 및 미시성 개선 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 보다 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 종래기술에 따른 블랙 버스바의 단면을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 블랙 버스바의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 블랙 버스바의 제조 공정도이다.
도 4는 본 발명에 따른 블랙 버스바의 제조공정 중 인발 단계를 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 블랙 버스바의 제조공정 중 압연 단계를 나타내는 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 블랙 버스바의 제조공정 중 열처리 단계를 나타내는 사진이다.
도 7는 본 발명에 따른 블랙 버스바의 제조공정 중 합금 도금 단계를 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 블랙 버스바의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 블랙 버스바의 제조 공정도이다.
도 4는 본 발명에 따른 블랙 버스바의 제조공정 중 인발 단계를 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 블랙 버스바의 제조공정 중 압연 단계를 나타내는 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 블랙 버스바의 제조공정 중 열처리 단계를 나타내는 사진이다.
도 7는 본 발명에 따른 블랙 버스바의 제조공정 중 합금 도금 단계를 나타내는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이때 본 명세서 전체 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구조를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "위에" 또는 "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치하는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 위쪽에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 본원 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 임의의 순서 또는 중요도를 나타내는 것이 아니라 구성요소들을 서로 구별하고자 사용된 것이다. 그리고, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
아울러, 본 명세서에서 사용되는 "바람직한" 및 "바람직하게"는 소정 환경 하에서 소정의 이점을 제공할 수 있는 본 발명의 실시 형태를 지칭한다. 그러나, 동일한 환경 또는 다른 환경 하에서, 다른 실시 형태가 또한 바람직할 수 있다. 추가로, 하나 이상의 바람직한 실시 형태의 언급은 다른 실시 형태가 유용하지 않다는 것을 의미하지 않으며, 본 발명의 범주로부터 다른 실시 형태를 배제하고자 하는 것은 아니다.
<블랙 버스바>
본 발명의 일 예는, 태양전지 모듈에 적용 가능한 버스바(bus bar)로서, 구체적으로 구리층의 일면 (예, 상면)에 합금층과 블랙층이 일체형으로 배치된 비(非) 대칭형 블랙 버스바이다. 이에 따라, 구리층을 기준으로 양면에 동일 두께의 합금층이 배치된 종래 대칭형 블랙 버스바와 차별화된다.
도 2를 참조하여 본 발명에 따른 블랙 버스바의 구성을 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 블랙 버스바의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
상기 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 블랙 버스바(100)은 구리층(10); 상기 구리층(10)의 일면에 배치되는 제1 합금층(21); 상기 제1 합금층(21) 상에 배치되는 블랙층(30); 및 상기 구리층(10)의 타면에 배치되는 제2 합금층(22);을 포함하며, 상기 제1 합금층(21)과 상기 제2 합금층(22)은 서로 상이한 두께를 갖는다.
이하, 블랙 버스바(100)의 각 구성에 대하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
구리층
본 발명에 따른 블랙 버스바(100)에서, 구리층(10)은 버스바가 가져야 할 제반물성, 예컨대 항복강도, 인장강도, 연신율 등의 기계적 물성을 구현하는 주요 기재이다.
구리층(10)은 당 분야에 공지된 통상의 구리 또는 구리 합금으로 구성될 수 있다. 이때 합금에 포함되는 금속 성분은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 공지된 통상의 금속을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 순도 99.90 이상의 구리를 포함하는 평판형 일 수 있다.
상기 구리층(10)의 두께는 특별히 한정되지 않으며, 최종물의 두께 및 기계적 특성을 고려하여 200 내지 400 ㎛일 수 있으며, 구체적으로 250 내지 350 ㎛일 수 있으며, 보다 구체적으로 300 ± 30 ㎛일 수 있다. 또한 구리층(10)은 조도(Rz)가 대략 4.0 ㎛ 이하일 수 있다.
합금층
본 발명에 따른 블랙 버스바(100)에서, 합금층(20)은 전술한 구리층(10)의 양면에 형성되는 제1 합금층(21)과 제2 합금층(22)을 포함한다.
상기 합금층(20)은 당 분야에 공지된 통상의 합금(alloy) 성분을 포함할 수 있으며, 일례로 합금 마그네슘(Mg), 마그네슘(Mg), 합금 알루미늄(Al), 알루미늄(Al), 합금 아연(Zn), 아연(Zn), 주석(Sn), 납(Pb), 합금 은(Ag), 은(Ag), 합금 인듐(In), 및 인듐(In)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 이때 합금에 포함되는 금속 성분은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 공지된 통상의 금속을 사용할 수 있다.
종래 버스바는 구리층(10)의 양면에 각각 20-40 ㎛ 범위의 동일 두께의 합금층이 형성되는 것에 비해, 본 발명에서는 구리층(10)을 기준으로 하여 양면에 배치되는 제1 합금층(21)과 제2 합금층(22)이 서로 상이한 두께를 갖는다(하기 도 2 참조).
여기서, 제1 합금층(21)과 제2 합금층(22)은 서로 상이한 두께를 갖기만 하면 그 두께 비율이나 수치 등에 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 공지된 범위 내에서 조절할 수 있다. 구체적으로, 후술되는 블랙층(30)이 배치되는 합금층, 예컨대 제1 합금층(21)의 두께가 제2 합금층(22)의 두께보다 작은 것이 바람직하다.
일 구체예를 들면, 제1 합금층(21)과 제2 합금층(22)의 두께 비율은 1 : 3 내지 1 : 10 일 수 있으며, 보다 구체적으로 1 : 4 내지 1: 7 일 수 있다. 일례로, 제1 합금층(21)의 두께는 7 ㎛ 이하일 수 있으며, 구체적으로 0.1 내지 7 ㎛, 보다 구체적으로 1 내지 5 ㎛일 수 있다. 또한 제2 합금층(22)의 두께는 20 내지 40 ㎛일 수 있다.
또한, 제1 합금층(21)과 제2 합금층(22)은 각각 당 분야에 공지된 통상의 방법에 의해 형성될 수 있으며, 일례로 전기도금법에 의한 제박공정을 통해 제조된 것일 수 있다. 이러한 제1 합금층(21)과 제2 합금층(22)은 각각 당 분야에 공지된 통상의 표면 조도를 가질 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
블랙층
본 발명에 따른 블랙 버스바(100)에서, 블랙층(30)은 버스바(100)가 외부로부터 노출되는 것을 차단하는 기능을 한다. 또한 인접하는 제1 합금층(21)에 배치되어 우수한 접착력을 발휘할 수 있다.
상기 블랙층(30)은 태양전지 패널과 유사한 색상을 가지는 것으로서, 수분 침투 방지특성이 뛰어난 물질이라면 특별히 제한 없이 사용 가능하다. 일례를 들면, 착색제가 포함된 필름 내지 시트 형상이거나, 또는 상기 필름이나 시트에 형성된 코팅층을 포함하는 형태일 수 있다.
블랙층(30)에 사용 가능한 고분자로는 특별히 제한되지 않으며, 일례로 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아마이드이미드, 폴리아믹산 수지, 폴리에스테르, 폴리페닐렌 술파이드, 폴리에스테르술폰, 폴리에테르에테르 케톤, 방향족 폴리아마이드, 폴리카보네이트 및 폴리아릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 폴리이미드(PI) 필름일 수 있다.
본 발명에서는 블랙층(30)으로서 폴리이미드(PI) 필름을 적용함으로써, 연성(flexibility)과 우수한 열저항(thermal resistance) 특성을 나타냄과 동시에 폴리이미드 본연의 고유한 물성을 발휘할 수 있다.
구체적으로, 폴리이미드(polyimide, PI) 수지는 이미드 고리를 가지는 고분자 물질로서, 이미드 고리의 화학적 안정성을 기초로 하여 우수한 내열성, 연성, 내화학성, 내마모성과 내후성 등을 발휘하며, 그 외에도 낮은 열팽창율, 낮은 통기성 및 저유전 특성을 나타낸다. 따라서 폴리이미드 수지를 제1 합금층(21)과 일체화할 경우, 폴리이미드 자체의 난연성에 기인하여 버스바(100)의 난연성을 충분히 확보할 수 있다. 또한 표면 경도가 증가하여 내스크래치성이 상승하게 되며, 높은 유리전이온도(Tg)에 의한 내열성 증가, 및 에폭시 수지 대비 높은 굴곡성을 확보할 수 있다. 그리고, 버스바(100)의 유연성(flexibility) 부여 및 우수한 열 저항(thermal resistance) 특성을 발휘할 수 있다.
또한 착색제는 특별히 제한되지 않으며, 일례로 당 분야에 알려진 카본 블랙, 산화 코발트, Fe-Mn-Bi 흑색, 산화철 흑색, 운모질 산화철으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질을 들 수 있다. 보다 구체적으로 부틸계열 흑색 고분자, 흑색 잉크, 산화 코발트, 카본 블랙, 또는 흑색유리 등을 포함할 수 있다.
일 구체예를 들면, 상기 블랙층(30)은 블랙 폴리이미드 필름을 사용하거나, 또는 블랙 폴리이미드층(31) 및 실리콘 접착층(32)을 포함하는 절연성 테이프, 필름 또는 시트 형태일 수 있다.
여기서, 실리콘 접착층(32)은 고내열성을 가지면서 우수한 접착특성과 전사특성을 발휘할 수 있다.
일 구체예를 들면, ASTM D3330에 따라 측정된 제1 합금층(21)에 대한 블랙 폴리이미드층(31)의 접착력은 3 내지 10 N/25mm일 수 있으며, 구체적으로 4 내지 6 N/25mm일 수 있다. 여기서, 측정된 접착력은 실리콘 접착층(32)의 두께가 20 내지 30 ㎛를 기준으로 한다.
다른 일 구체예를 들면, 실리콘 접착층(32)은 260±30℃의 온도에서 30분 간 방치시, 실리콘 접착층의 잔유물이 발생되지 않는다.
이러한 블랙층(30)의 두께는 필름의 취급성, 물리적 강성, 버스바의 박형화 등을 고려하여 적절히 조절할 수 있다. 일례로, 블랙 폴리이미드층(31)의 두께는 20 내지 30 ㎛이며, 실리콘 접착층(32)의 두께는 20 내지 30 ㎛이며, 블랙층(30)의 총 두께는 40 내지 60 ㎛일 수 있다. 필요에 따라, 블랙층(30) 또는 블랙 폴리이미드층 (20)의 표면은 매트 처리, 코로나 처리 등의 표면처리가 실시된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 블랙 버스바(100)의 전체 두께는 250 내지 600 ㎛일 수 있으며, 구체적으로 300 내지 550 ㎛일 수 있다. 그러나 이에 제한되지 않으며, 당 분야에 공지된 범위 내에서 적절히 조절할 수 있다.
전술한 본 발명의 블랙 버스바는, 일면에 도입된 제1 합금층(21)과 블랙층(30)의 일체화된 구조로 인해 취급성 개선 및 비용 감소 효과를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 버스바(bus bar)로서 요구되는 제반물성, 예컨대 우수한 항복강도, 인장강도, 연신율 등을 구현하여 신뢰성을 상승시킬 수 있다.
일 구체예를 들면, 상기 블랙 버스바(100)은 ASTM D882에 따른 항복강도가 150 MPa 이하이고, 인장강도가 270 MPa 이하이며, 연신율이 55% 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 항복강도가 100 내지 150 MPa이고, 인장강도가 200 내지 270 MPa이며, 연신율이 35 내지 55 %일 수 있다.
<블랙 버스바의 제조방법>
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 블랙 버스바의 제조방법에 대해 설명한다. 그러나 하기 제조방법에 의해서만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 공정의 단계가 변형되거나 또는 선택적으로 혼용되어 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 블랙 버스바는 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 예컨대, 구리 와이어를 인발 및 압연하여 판재를 제조한 후, 상기 판재를 합금 도금 처리하고 형성된 합금층의 두께를 상이하게 제어한 후 블랙층을 부착시킴으로써 제조될 수 있다.
상기 제조방법의 일 실시예를 들면, (i) 구리 와이어를 인발 및 압연하여 구리 판재를 제조하는 단계('S10-20 단계'); (ii) 제조된 구리 판재를 비활성 분위기 하에서 열처리하는 단계('S30 단계'); (ⅲ) 열처리된 구리 판재 상에 합금을 코팅하되, 상기 판재의 양면에 형성되는 제1 합금층과 제2 합금층의 합금 두께를 상이하게 제어하는 단계('S40-50 단계'); 및 (iv) 합금 코팅된 구리 판재의 표면 중 두께가 작은 제1 합금층 상에 블랙층을 부착하는 단계('S60 단계');를 포함하여 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 블랙 버스바의 제조방법의 개략적인 공정 흐름도이다. 이하, 도 3을 참조하여 상기 제조방법을 각 공정 단계별로 나누어 설명하면 다음과 같다.
(i) 인발 단계('S10 단계')
상기 S10 단계는, 구리 와이어(동선)를 신선공정을 거쳐 규격에 맞게 동선으로 가공하는 단계이다(하기 도 4 참조).
인발은 선재나 가는 파이프를 만들기 위한 금속 가공법 중 하나로서, 금속 원자재를 보다 단면적이 작은 다이스 사이로 통과시킴으로써 원하는 형상과 크기의 동선으로 변형하는 것이다. 즉, 원자재가 통과하는 다이스의 구경과 같은 형상과 직경을 갖는 단면 제품을 얻게 된다.
상기 S10 단계의 일 구체예를 들면, 순도 99.90% 이상의 구리 원자재 (도 4a 참조)를 다이스를 이용하여 인발 공정(도 4b 참조)을 진행하면, Φ2.6의 구리 원자재를 Φ1.3에서 최대 Φ2.5까지 가공이 가능하다.
이때 압하율(Reduction of area)은 10 내지 20%일 수 있으나, 이에 특별히 제한되지 않으며, 원하는 치수를 고려하여 적절히 조절할 수 있다.
(ii) 압연 단계('S20 단계')
상기 S20 단계는 인발된 구리 와이어(동선)을 압연 롤러(Roller)를 사용하여, 선재 형태의 동선을 평각선으로 가공하는 단계이다.
압연은 원형 구리선을 회전하는 2개의 롤(Roll) 사이로 적어도 1회 이상 통과시켜 판재 형태로 가공하는 공정이다. 이때 상/하 압연롤러(도 5a 참조)의 압하 비율(Reduction ratio)에 따라 판재의 두께 및/또는 폭이 결정될 수 있다. 또한 제조된 판재의 규격 공차를 줄이기위해, 도 5b의 압연을 거쳐 정밀하게 가공할 수 있다.
상기 S20 단계를 거쳐 제조된 판재의 두께는 0.2 내지 0.4 mm일 수 있으며, 폭은 3 내지 7 mm일 수 있다. 그러나 이에 특별히 제한되지 않으며, 원하는 치수를 고려하여 적절히 조절할 수 있다.
(ⅲ) 열처리 단계('S30 단계')
상기 S30 단계는, 압연된 판재에 열처리를 가하여 요구 사양에 맞게 물리적/기계적 성질을 조절하는 단계이다.
본 발명에서는 압연을 거친 판재의 경도를 감소시키고, 버스바로서 요구되는 제반물성, 예컨대 니즈에 맞는 인장강도, 항복강도 및/또는 연신율을 확보하기 위해 열처리(Annealing)를 실시한다.
열처리 방법은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 공지된 통상의 방법 및 그 조건을 실시할 수 있다. 일례로, 전극 롤러에 전압을 인가하여 고온을 내는 열처리 방식을 실시할 수 있다. 또한 판재의 산화를 방지하기 위해서, 비활성 분위기 하에서 열처리를 실시할 수 있다(도 6 참조).
상기 S30 단계의 일 구체예를 들면, 구리 판재를 질소 분위기 하에서 10 내지 15V의 전압에서 10초 이하의 시간 동안 열처리한 후, 대략 30℃ 이하로 급냉시킬 수 있다. 고온에서 급냉을 실시할 경우, 일반적으로 일어나게 될 변화를 일부 또는 저지하여 필요한 특성을 내는 담금질(Quenching)이 이루어지게 된다.
상기 S30 단계를 거친 판재는 150 MPa 이하의 항복강도, 270 MPa 이하의 인장강도, 및 55% 이하의 연신율을 확보할 수 있다.
필요에 따라, 열처리가 완료된 판재는 합금조에 투입하기 전에 플럭스(Flux)를 도포하는 단계를 실시할 수 있다.
상기 플럭스는 구리 판재와 합금의 접합을 촉진시키는 촉매로서, 전술한 기능을 수행할 수 있다면 그 성분 및 함량 등에 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 공지된 통상의 플럭스를 사용할 수 있다.
(iv) 합금 도금 단계('S40 단계')
상기 S40 단계는, 열처리된 구리 판재를 합금 코팅한 후, 상기 판재의 양면에 합금층을 형성하는 단계이다.
합금 코팅층을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 일례로 당 분야에 공지된 통상의 용융도금법을 실시할 수 있다. 일례로, 구리 판재를 합금 용융조에 침지시키고 건조함에 따라 합금층이 형성될 수 있다.
상기 S40 단계를 거친 판재는, 구리 판재를 기준으로 하여 그 양면에 동일 두께를 갖는 제1 합금층과 제2 합금층이 각각 형성된다.
(v) 합금층 두께 제어 단계('S50 단계')
상기 S50 단계는, 구리 판재의 양면에 형성된 제1 합금층과 제2 합금층의 두께를 상이하게 제어하는 단계이다. 보다 구체적으로, 플럭스(Flux)가 도포된 판재에 에어나이프(Air knife, 도 7b)를 사용하여 제1 합금층의 표면을 식각함으로써 도금 두께를 각 사양에 맞게 가공한다.
종래 버스바는 에어나이프(air knife)법을 통해 판재에 도금된 합금층(alloy)의 두께를 소정 범위로 제어하였으며, 이때 25-30℃의 상온 공기를 사용하였다. 그러나 상온공기를 사용하여 합금층의 두께를 제어하기 위해서는 대략 0.2 MPa 이상의 고압의 공기 분사가 요구될 뿐만 아니라, 실제로 상온 공기의 고압 분사에 의해 구리 판재에 형성된 합금층이 타면으로 밀리거나 쏠리는 현상이 발생하여 합금 코팅층이 불균일해지는 문제점이 초래된다. 또한 고압에 의해 용융합금조의 합금이 제품으로 분사되어 돌기 형태의 합금층이 고착되는 문제점이 필수적으로 발생된다.
이에 비해, 본 발명에서는 에어나이프를 통해 분사된 공기에 의해 제1 합금층의 두께를 소정 범위로 제어하되, 종래 상온공기 대신 핫에어(hot air)를 사용한다.
즉, 고온의 핫에어는 구리 판재에 코팅된 합금층이 장시간 동안 액상 상태로 유지되도록 보조할 수 있으므로, 상대적으로 저압의 분사 조건 하에서도 제1 합금층의 두께를 소정 범위 이하로 얇게 제어할 수 있다. 또한 고압 분사에 따른 전술한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있다.
핫에어(Hot air)의 온도는 특별히 제한되지 않으며, 대략 350℃ 이상일 수 있으며, 구체적으로 350 내지 400℃로 조절될 수 있다. 또한 핫에어를 분사하는 에어나이프는 당 분야에 공지된 통상의 에어나이프 장치를 사용할 수 있으며, 또는 Hot air 분사가 가능하도록 별도의 히터 등이 구비된 에어나이프(air knife) 장치를 사용할 수도 있다(하기 도 7b 참조).
상기 S50 단계의 일 구체예를 들면, 에어나이프에서 공급되는 350~400℃의 핫에어(hot air)를 0.01~0.1 MPa 압력으로 제1 합금층 상에 분사를 실시한다. 핫에어(hot air) 분사에 의해 제어된 제1 합금층의 두께는 제2 합금층의 두께 대비 33% 이하일 수 있으며, 일례로 7 ㎛ 이하, 구체적으로 5 ㎛ 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 또한 제2 합금층의 두께는 20 내지 40 ㎛ 범위일 수 있다.
이때 제1 합금층의 두께가 7 ㎛를 초과할 경우, 낮은 두께의 코팅보다 두께 편차가 더 크게 발생하게 되며, 태양광 모듈 생산시 버스바와 리본 접착 과정(예, 제2 합금층과 리본 접착)에서 사용하는 인두의 고열(예, 400℃)로 인해 블랙층 부착면, 즉 제1 합금층이 녹으면서 표면이 고르지 못하게 되어 미관상의 문제가 발생한다. 특히 상온 공기를 사용하여 제1 합금층의 도금 두께를 7 ㎛로 제어하게 될 경우, 대략 0.2 MPa 정도의 고압에 의해 합금조 표면의 합금이 비산되어 돌기 형태로 제품에 고착되는 것에 비해, 본 발명과 같이 온도 350℃ 이상의 핫에어(Hot air)를 사용할 경우, 0.1 MPa 이하, 구체적으로 약 0.06 MPa의 낮은 압력에서도 제1 합금층의 두께를 얇게 조절할 수 있으므로, 합금조 표면의 합금이 비산되지 않고 깔끔한 합금 도금이 완료된다.
(v) 블랙층 부착 단계('S50 단계')
상기 S50 단계는, 두께가 작은 제1 합금층 상에 블랙층을 부착하는 단계이다.
제1 합금층 상에 블랙층을 부착하는 공정은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 공지된 통상의 라미네이션(Lamination) 공정을 실시할 수 있다. 일례로, 합금 도금된 판재를 폴리이미드 테이프 합지 설비를 사용하여, 판재의 제1 합금층 상에 블랙층, 구체적으로 폴리이미드 테이프를 부착한다.
이때 압착 공정 조건은 당 업계에 알려진 통상적인 범위 내에서 적절히 조절할 수 있으며, 일례로 저온 조건하에서 압착(라미네이션) 공정을 수행할 수 있다. 또한 열 압착 라미네이션 공정을 실시할 수도 있으며, 일례로 열압착 Lami. 공정(롤투롤)시 조건은 200 내지 400℃의 온도, 3 내지 200 kgf/cm2의 압력, 및 압착속도 0.1m/min 내지 10m/min 조건 하에서 수행될 수 있으며, 질소 등의 불활성 가스 분위기 하에서 실시될 수 있다. 그러나 이에 특별히 제한되지 않는다.
상기와 같이 제조된 블랙 버스바는, 태양전지 모듈 및 관련 분야에 유용하게 적용될 수 있다. 특히 본 발명에 따른 블랙 버스바는 버스바와 블랙층이 일체화된 구조이므로, 태양전지 모듈 제조시 원가절감, 경량화, 박형화 효과와 더불어 조립과정에서 작업성이 향상되고, 신뢰성 향상을 발휘할 수 있다. 또한 태양전지 모듈의 미시성을 개선할 수 있다.
전술한 블랙 버스바가 구비된 태양전지 모듈은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 공지된 통상의 구성을 제한 없이 포함할 수 있다.
일 구체예를 들면, 상기 태양전지 모듈은, 지지기판 상에 배치되는 다수개의 태양전지 셀들을 포함하는 태양전지 패널; 상기 태양전지 패널 상에 배치되며, 상기 다수개의 태양전지 셀들 중 어느 하나와 전기적으로 연결되는 블랙 버스바; 상기 태양전지 셀들과 상기 버스바 상에 배치되는 상부 패널을 포함할 수 있다.
전술한 태양전지 모듈 이외에, 본 발명에 따른 블랙 버스바는 건물의 외벽 등 창호형 태양광 모듈에 제한 없이 적용될 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통해 구체적으로 설명하나, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명의 한 형태를 예시하는 것에 불과할 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예 및 실험예에 제한되는 것은 아니다.
[실시예 1]
순도 99.90% 이상의 구리 원자재 (도 4a 참조)를 다이스를 이용하여 인발을 실시하여 Φ2.6의 구리 원자재를 Φ1.3 내지 Φ2.5로 가공하였다. 인발된 구리 와이어(동선)을 압연 롤러(Roller)를 사용하여 압하시켜 두께 0.2~0.4 mm, 폭 3~7 mm의 판재를 제조하였다. 제조된 판재를 질소 분위기 하에서 10 내지 15V의 전압에서 10초 이내의 시간 동안 열처리한 후 대략 30℃ 이하로 급냉하였으며, 표면에 플럭스(Flux)를 도포하였다. 이어서 플럭스가 도포된 구리 판재를 합금 용융조에 침지시키고 건조하여 두께가 20-40 ㎛의 합금층을 양면에 형성하였으며, 이후 에어나이프(Air knife)를 사용하여 양면 중 일면(제1 합금층)을 식각하였다. 상기 에어나이프에서 공급되는 350~400℃의 핫에어(hot air)를 0.01~0.1 MPa 압력으로 제1 합금층 상에 분사시켜 7 ㎛ 이하의 두께로 조절하였다. 두께가 작은 제1 합금층 상에 블랙 폴리이미드 테이프를 부착시켜 라미네이션을 실시함으로써 실시예 1의 블랙 버스바를 제조하였다.
[실험예 1. 물성 평가]
실시예 1에서 제조된 블랙 버스바의 물성을 하기와 같은 방법으로 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<물성 평가 방법>
(1) 두께 측정
통상 두께 측정법인 단위 평량법에 의하여 측정하였다 (IPC-TM-650 2.2.12).
(2) 항복강도 측정
UTM(Instron, 모델명: 5942)을 이용하여 IPC-TM-650 2.4.18 규격으로 항복강도 (MPa)를 측정하였다.
(3) 인장강도 측정
UTM(Instron, 모델명: 5942)을 이용하여 IPC-TM-650 2.4.18 규격으로 인장강도 (MPa)을 측정하였다.
(4) 연신율 측정
UTM(Instron, 모델명: 5942)을 이용하여 IPC-TM-650 2.4.18 규격으로 연신율(%)를 측정하였다.
| 물성 | 실시예 1 |
| 항복강도 (MPa) | 120 |
| 인장강도(MPa) | 250 |
| 연신율 (%) | 48 |
100: 블랙 버스바
10: 구리층
20: 합금층
21: 제1 합금층
22: 제2 합금층
30: 블랙층
31: 블랙 폴리이미드층
32: 실리콘 접착층
10: 구리층
20: 합금층
21: 제1 합금층
22: 제2 합금층
30: 블랙층
31: 블랙 폴리이미드층
32: 실리콘 접착층
Claims (17)
- (i) 구리 와이어를 인발 및 압연하여 구리 판재를 제조하는 단계;
(ii) 상기 구리 판재를 비활성 분위기 하에서 열처리하는 단계;
(iii) 열처리된 구리 판재 상에 합금을 코팅하되, 상기 판재의 양면에 형성된 제1 합금층과 제2 합금층의 합금 두께를 상이하게 제어하는 단계; 및
(iv) 두께가 작은 제1 합금층 상에 블랙층을 부착하는 단계;를 포함하며,
상기 단계 (iii)은,
(iii-1) 구리 판재를 합금 용융조에 침지시켜, 상기 판재의 양면에 각각 제1 합금층과 제2 합금층을 형성하는 단계; 및
(iii-2) 에어나이프(air knife)에서 공급되는 350 내지 400℃의 핫에어(hot air)를 0.01 내지 0.1 MPa 압력으로 제1 합금층 상에 분사하여 제1 합금층의 두께를 7 ㎛ 이하로 제어하는 단계;
를 포함하는 태양전지 모듈용 블랙 버스바의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (ii)는 질소 분위기 하에서 10 내지 15V의 전압에서 10초 이하의 시간 동안 열처리한 후 급냉하는 것인, 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (iii)의 구리 판재는, 합금 코팅 전에 플럭스(Flux)로 도포된 것인, 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (iv)는 구리 판재의 제1 합금층 상에, 블랙 폴리이미드층; 및 실리콘 접착층을 포함하는 테이프를 부착하되, 상기 제1 합금층과 상기 실리콘 접착층을 대향시켜 부착하는 것인, 제조방법. - 제1항에 있어서,
제조된 블랙 버스바는,
구리층;
상기 구리층의 일면에 배치되는 제1 합금층;
상기 제1 합금층 상에 배치되는 블랙층; 및
상기 구리층의 타면에 배치되는 제2 합금층;을 포함하며,
상기 제1 합금층과 상기 제2 합금층은 서로 상이한 두께를 갖는 것인, 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 제1 합금층과 상기 제2 합금층의 두께 비율은 1 : 3 내지 1 : 10 인, 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 제1 합금층의 두께는 0.1 내지 7 ㎛이며,
상기 제2 합금층의 두께는 20 내지 40 ㎛인, 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 제1 합금층과 상기 블랙층의 두께의 합은, 상기 제2 합금층의 두께보다 크거나 같은 것인, 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 블랙층은,
블랙 폴리이미드층; 및
실리콘 접착층;
을 포함하는 테이프, 필름 또는 시트인, 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 실리콘 접착층은 상기 제1 합금층과 상기 블랙 폴리이미드층 사이에 배치되며,
ASTM D3330에 따라 측정된 제1 합금층에 대한 블랙 폴리이미드층의 접착력은 3 내지 10 N/25mm인, 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 실리콘 접착층은 260±30℃의 온도에서 30분 간 방치시, 실리콘 접착층의 잔유물이 발생되지 않는, 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 블랙 폴리이미드층의 두께는 20 내지 30 ㎛이며,
상기 실리콘 접착층의 두께는 20 내지 30 ㎛인, 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 구리층의 두께는 200 내지 400 ㎛이며,
총 두께는 250 내지 600 ㎛인, 제조방법. - 제1항에 있어서,
제조된 블랙 버스바는,
ASTM D882에 따른 항복강도가 150 MPa 이하이고,
인장강도가 270 MPa 이하이며,
연신율이 55% 이하인, 제조방법.
- 삭제
- 삭제
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| KR1020210163337A KR102612746B1 (ko) | 2021-11-24 | 2021-11-24 | 블랙 버스바 및 그 제조방법 |
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-
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