KR20100100746A - 캡슐화제 물질 및 관련 장치 - Google Patents

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마이클 디. 켐페
프렘 싸파
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비알피 매뉴팩춰링 컴퍼니
엘리언스 포 서스터너블 에너지, 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 캡슐화제로서의 사용에 적당한 조성물들을 개시한다. 본 발명의 조성물들은 고분자량 중합체성 물질, 경화제, 무기 화합물 및 커플링제를 포함한다. 임의 성분들로서 접착 증진제, 안료, 항산화제 및 UV 흡수제들을 포함한다. 상기 조성물들은 바람직한 확산 성질들을 가져, 수분 진입(ingress)의 실질적인 방어가 요구되는 광기전성(PV) 모듈들과 같은 장치들에서의 용도에 적당하다.

Description

캡슐화제 물질 및 관련 장치{ENCAPSULANT MATERIALS AND ASSOCIATED DEVICES}
관련 출원에 대한 상호참조
본 출원은 2007년 7월 30일 출원된, 미국 가출원 제 60/952,766호 및 2008년 6월 30일 출원된, 미국출원 제 12/131,211호를 우선권으로 주장하며, 이들 각각의 내용 전체는 본 명세서에 참조로서 포함된다.
계약상 기원( contractual origin )
미국정부는, 미국 에너지부와 미드웨스트 연구소의 한 지부인 국립 재생 에너지 연구소간의 DE-AC36-99GO10337호 계약 하에, 본 발명의 권리를 소유한다.
본 발명은 일반적으로 캡슐화제 물질 및 그러한 캡슐화제가 사용되는 장치 분야에 관한 것이다. 본 발명의 예시적인 구체예들은 특히 태양전지 모듈을 포함하는 광기전성 장치들에서의 사용에 특히 적합하다.
캡슐화제 물질들은, 각종 적용분야들에서, 장치의 성능에 좋지 않은 영향을 줄 수 있는 잠재적으로 스트레스성인 조건들로부터 성분들, 영역들, 또는 기타 물질들을 격리하는데 사용된다. 예로서, 광기전성(PV: photovoltaic) 모듈들의 성능은 시간이 지남에 따라 저하될 수 있는데, 이는 물이 그 모듈로 침투하여 모듈 기능에 필수적인 금속 성분들을 부식시키기 때문이다. 물 부재시에는, 부식 과정을 진행시키는 부산물들의 표면으로부터 확산이 덜 일어날 수 있으므로, 부식이 비교적 서서히 일어난다. 나아가, 물은 일부 산화 반응들의 촉매작용을 보조하는 것으로 알려져 있다.
부식이 모듈 성능 상에 갖는 극적인 효과는 PV 산업분야에서 오랫동안 인식되어 왔다. 비, 눈 및 응축을 포함한 각종 물 공급원에 의해 생성되는 항상 존재하는 잠재적인 불리한 조건들로부터 실리콘 성분들을 격리하기 위하여, 현재 PV 모듈들은 전형적으로 중합체성 캡슐화제 물질을 포함한다. 캡슐화제에 의한 격리는 부식가능성으로부터 상기 PV 성분들을 보호하고, 기계적 지지, 전기적 절연 및 기계적 손상으로부터의 보호를 포함하는 추가의 장점들을 제공한다.
중합체성 캡슐화제들은 표면에의 결합 및 보호된 영역들 및/또는 성분들에 대한 제한된 접근에 의해 원하는 격리를 제공한다. 예로서, PV 모듈들에서 사용되는 캡슐화제들은 모듈 환경 내에서 태양전지들, 또는 전지 스트링들(strings)을 물로부터 격리하기 위하여 전형적으로 하나 이상의 유리 시트들에 결합된다. 따라서 중합체성 물질의 표면 보호능은 표면에 결합하여 부식 자리들에 대한 접근을 제한하는 능력에 크게 의존한다. 따라서, 부식에 대한 보호성 및 접착 강도간에는 강한 상관관계가 존재한다.
PV 산업에서 사용되는 주요 캡슐화제는 약 67중량%의 폴리에틸렌 및 33중량%의 폴리비닐아세테이트로 이루어지는 랜덤 공중합체를 기재로 하는 것이다. 폴리에틸렌은 매우 단순하고 저렴한 중합체이기 때문에 선택되었다. 그러나, 단독 사용시, 이는 전형적으로, PV 장치를 물리적으로 보호하기에는 너무 높은 모듈러스(modulus)를 갖는 불투명한 또는 반투명한(중합 조건에 따라 달라짐) 반결정질(semicrystalline) 중합체이다. 폴리비닐 아세테이트는 투명한 비정질 중합체이지만, 약 350℃의 유리 전이 온도(Tg)를 가져서, 전형적인 환경 노출 하에서 깨지기 쉽고(brittle) 그리고/또는 비순응성(noncompliant)이 된다. 따라서, 소량의 비닐 아세테이트가 폴리에틸렌에 첨가되면 결정자들(crystallites)이 깨져서, 반결정질의 매우 투명한 물질이 생성된다. 전형적으로 33중량%의 비닐아세테이트가 에틸렌과 공중합되는 경우, 높은 광학 투과율 및 낮은 Tg와 같은 양호한 조합의 성질들이 수득된다.
지난 수십년간에 걸쳐, EVA는 PV 장치들에서 사용된 주요 캡슐화제 물질로서 부상되어 왔다. 사실상 표준물로서의 EVA의 사용은, EVA가 물성들의 최상의 조합을 갖기 때문이 아니라, 저렴하고 쉽게 입수가능하기(available) 때문에 일어난 것이다. EVA로 구축된 초기 모듈들은 상기 캡슐화제의 황변으로 인해, 사용되는 모듈들에서 수 년 이내에 심각한 파손을 나타내었다. 항산화제 및 자외선(UV) 흡수제들을 갖는 제제들을 포함하여, 20년 내지 30년의 모듈 수명에 걸쳐 심각한 황변을 일으키지 않는 캡슐화제 물질을 제공하는 EVA에 대한 개선책들이 개발되어 왔다.
이러한 개선책들에도 불구하고, EVA는 특히 PV 모듈들에서 캡슐화제로서의 그의 성능에 영향을 미치는 몇가지 단점들을 여전히 갖는다. 예로서, EVA는 이상적이지 않은 기계적 및 열적 성질들, 물에 대한 고분산성, 및 아세트산 부산물의 생성으로 문제가 된다. 또한, PV 산업에서 빠르게 발전되고 있는 보다 새로운 박막 기술들은 EVA의 상기 결점들에 대해 더욱 민감할 수 있다. 결정성 실리콘 웨이퍼들이 점점 더 얇아짐에 따라, EVA의 기계적 성질들도 불충분한 것으로 나타날 수 있다.
또한, EVA는 높은 광투과성이 요구되는 전지의 앞면에 사용되도록 설계되었다. 이는 또한 광투과성이 요구되지 않는 전지의 뒷면에도 일상적으로 사용된다. 이러한 적용들에서, 전지들 사이에서 초기에 비치는 빛을 반사함에 의한 성능의 개선을 위하여, 백색의 테들라(Tedlar) (또는 다른 반사성 물질) 시트가 뒷면에 라미네이트되는 것이 일반적이다. 저렴하고 불투명한 대체물들에 대한 연구가, PV 산업분야에서 신뢰하는 적절한 재료를 생산할 정도로 충분치 않기 때문에, 이러한 PV 모듈 구축 방법이 일반적이다. 광학 투과성에 대한 이러한 요구가 제거될 때, 훨씬 더 넓은 종류의 대체가능한 캡슐화제 물질들의 사용이 가능하게 될 것이다.
일반적으로 PV 산업은 PV 모듈들의 제조 비용 절감에 대한 심각한 압박 하에 있다. PV 모듈들 -및 이들이 전달하는 재생 에너지-가 널리 사용될 수 있으려면, 생산품인 PV 모듈들이 기존 에너지원들에 비해 바람직한 가격대를 갖는 지점에 도달되도록 PV 제조 공정이 다듬어져야만 한다. 이러한 현 상황에서, 모듈 제조 공정에서의 효율성을 실현하는 새로운 기술들은 매우 중요하다. PV 모듈들 중의 성분으로서, 캡슐화제들은 모듈 제조 공정 및 전체 모듈 가격에서의 효율성을 실현할 기회를 제공한다. 비록 최소한의 비용 절감을 제공하는 캡슐화제라 하더라도, 특히 그 캡슐화제가 유리한 기술적 성질들도 제공하는 경우라면, 현 상황에서 잘 수용될 것으로 기대된다.
잠재적으로 좋지않은 조건들로부터 성분들 및 영역들을 격리하는 능력이 절대적인 것은 아니므로, 개선된 캡슐화제 물질에 대한 필요는 계속적으로 존재한다. PV 산업은 현재 이러한 개선된 물질들을 특히 필요로 한다.
예시적인 구체예들의 개요
본 발명은 조성물들 및 상기 조성물들을 포함하는 장치들을 포함한다. 각종 예시적인 구체예들의 간략한 개요들을 아래에 나타내었다.
캡슐화제들로서의 용도에 적당한 조성물들이 설명된다. 예시적인 구체예들에 따른 조성물은 유효량(즉, 허용가능한 수준의 낮은 점착성을 갖는 비경화된(uncured) 물질을 생산하기에 충분한 양)의 고분자량 중합체성 물질; 유효량의 경화제; 보조제(coagent); 무기 화합물; 및 유효량의 커플링제를 포함한다. 임의의 접착 촉진제도 포함될 수 있다.
PV 모듈들에서의 캡슐화제로서의 용도에 특히 적절한 한 예시적인 구체예에 따른 조성물은 유효량의 에틸렌-프로필렌 디엔 단량체 공중합체(EPDM) 고무들; 유효량의 라디칼 생성 경화제, 예컨대 과산화물 또는 아지드; 유효량의 항산화제; 무기 화합물; 보조제 및 유효량의 커플링제를 포함한다.
또다른 예시적인 구체예에 따른 조성물은 유효량의 고분자량 중합체성 물질; 유효량의 경화제; 보조제; 무기 화합물; 유효량의 커플링제; 및 유효량의 접착 촉진제를 포함한다.
또다른 예시적인 구체예에 따른 조성물은 총 조성물의 약 40중량% 내지 약 95중량%의 고분자량 중합체성 물질; 총 조성물의 약 0.1중량% 내지 약 3중량%의 경화제; 총 조성물의 약 0.09중량% 내지 약 0.5중량%의 커플링 보조제; 총 조성물의 약 35중량%의 무기 화합물; 및 총 조성물의 약 0.05중량% 내지 약 2중량%의 실란계 접착 촉진제를 포함한다.
본 발명에 따른 조성물들은, 어떤 영역 및/또는 성분을, 잠재적으로 좋지않은 조건들을 제공하는 환경과 같은 다른 영역 및/또는 성분으로부터 격리할 필요가 있는 임의의 장치에서 사용될 수 있다. 예시적인 조성물들은 PV 모듈들과 같은 PV 장치들에서의 사용에 특히 적절하다. 따라서, 본 발명에 따른 조성물을 포함하는 PV 장치들도 설명된다.
한 예시적인 구체예에 따른 PV 장치는 PV 모듈을 포함한다. 예시적인 PV 모듈은 유리판; 광기전성 전지 회로; 및 상기 유리판의 일부에 결합되어 상기 광기전성 전지 회로의 적어도 일부를 캡슐화하는 본 발명에 따른 캡슐화 조성물을 포함한다. 각종 임의 성분들도 포함될 수 있으며, 예컨대 제 2의 유리판(예로서, 지지판(back plate)), 투명 캡슐화제, 및 이산화티탄과 같은 안료를 포함하는 지지체가 있다. 상기 유리판 또는 판들을 둘러싸는 틀(frame)도 포함될 수 있다. 이는 유연성 패널을 형성하기 위해, 유리를 사용하지 않고 구축될 수도 있다.
본 발명은 하기의 예시적인 구체예들의 상세한 설명 및 각종 예시적인 구체예들을 나타내고 있는 첨부된 도면 참조시 더욱 잘 이해될 수 있을 것이다.
예시적인 구체예들의 상세한 설명
하기 상세한 설명 및 첨부된 도면들은 관련 분야의 당업자가 단지 본 발명을 실시하고 사용할 수 있도록 하기 위한 목적으로, 본 발명의 예시적인 구체예들을 설명하고 예시하는 것이다. 이와 같이, 이들 구체예들의 설명 및 예시는 순전히 예시적인 성질의 것으로, 본 발명의 범위 또는 그의 보호 범위를 어떤 방식으로든 제한하고자 하는 것은 아니다.
예시적인 구체예들
현재 본 발명에서 청구된 조성물들은 유효량의 고분자량 중합체성 물질; 유효량의 경화제; 무기 화합물; 유효량의 커플링제를 포함한다. 본 발명자들은 이들 구성성분들을 포함하는 조성물들이, PV 모듈들의 제조에서와 같은 각종 적용들에서 캡슐화제로서의 사용을 위해 적합하게 하는 바람직한 특징들을 소유하는 것으로 결정하였다. 본 기술분야의 숙련자는 본 조성물의 의도된 용도를 포함한 여러 고려사항들에 근거하여 특정 조성물에 포함되는 각 구성성분의 적절한 양을 결정할 수 있을 것이다. 여기 기재된 예시적인 조성물들은 본 발명자들이 특정 적용들에 적합한 것으로 결정한 특정 조성물들의 예들을 제공한다. 이와 같이, 이러한 예들은 각 구성성분에 대해 적절한 양의 선택에 관한 지침을 제공할 수 있다.
본 발명의 조성물들은 임의의 각종 구성성분들, 예컨대 접착 촉진제, 안료, 라디칼 소거제와 같은 항산화제, UV 흡수제 및 하나 이상의 가공 조제들을 포함할 수 있다. 본 발명의 조성물들의 일부 예시적인 구체예들은 이들 임의 구성성분들 중 하나를 포함하며, 다른 구체예들은 이들 임의 구성성분들 중 둘을 포함하고, 또다른 구체예들은 이들 임의 성분들을 모두 포함한다. 본 기술분야의 숙련자는, 존재하는 경우, 본 조성물의 의도된 용도 및 그의 바람직한 성질들을 포함하는 여러 고려사항들에 근거하여, 이들 임의의 구성성분들 중 어떤 것을 특정 조성물 중에 포함시킬지 선택할 수 있을 것이다.
화학 분야에서 일반적으로 알려진 것과 같이, 보조제는 경화를 향상시키는 기능을 하지만, 이는 충전재 물질에 대한 커플링의 향상 및 외부 표면에 대한 접착의 향상에도 작용할 수 있다. 역으로, 접착 촉진제(예컨대 트리알콕시 실란)는 경화제와 상호작용할 수도 있어서, 일반적으로 접착 촉진제로 언급되지만, 보조제로서의 작용도 한다. 가공 조제들은 중합체성 물질의 흐름 특성들을 개선시켜, 그에 따라 외부 표면들에 대한 접착도 향상시킬 수 있다. 가공 조제들은 기본 수지와 반드시 구조적으로 상이할 필요는 없는 저분자량 중합체들을 포함할 수 있다. 본 특허 출원에 있어서, 이들 용어들은 특정 기능을 설명하지만, 선택된 바로 그 물질들은 다중의 역할을 수행할 수도 있다. 예로서, 아연 디아크릴레이트는 주로 보조제로서 기능하지만, 이는 또한 외부 표면들에 대한 접착을 촉진시키고 무기 충전재에 커플링된다.
본 발명자들은 고분자량 중합체성 물질이 총 조성물의 약 40중량% 내지 약 95중량%의 양으로 조성물 중에 존재하는 것이 유리하다는 것을 결정하였다. 상기 범위는 조성물에 시트 형태로 형성될 수 있는 능력을 제공하며, 그 조성물에 최적화된 흐름 및 접착 성질을 부여하는 값들의 범위를 나타낸다. 과량의 고분자량 중합체성 물질은 만족스럽지 못한 접착 성질들을 갖는 조성물을 생성하는 반면, 불충분한 양의 고분자량 중합체성 물질은 과도한 점착성을 갖는 조성물을 생성한다. 총 조성물의 약 60중량% 내지 약 80중량%의 범위가 더욱 유리한 것으로 고려된다. 총 조성물의 약 65중량%의 양은 PV 모듈들에서 사용되도록 의도된 조성물들에서 특히 유리한 것으로 고려되며, 이는 적어도 적절한 충전재들, 안정화제들 및 액상 성분들과 함께 사용되는 경우, 낮은 점착성, 양호한 접착성 및 가공성간의 균형점을 제공하기 때문이다.
본 발명자들은 고분자량 중합체성 물질의 포함이 본 발명의 특정 측면에 따른 조성물들의 전체 성능 및 바람직한 취급 특성들에 있어 결정적이라는 것을 결정하였다. 중간(intermediate) 분자량을 갖는 중합체성 물질의 사용은 낮은 점착성과 양호한 접착 성질들 간의 바람직한 균형을 달성하지 못한다.
임의의 적합한 고분자량 중합체성 물질이 본 발명에서 청구된 조성물들에서 사용될 수 있으며, 특정 조성물에 대해 선택된 특정의 고분자량 중합체성 물질은, 비용, 효과적인 가교결합능, 상 변이, 기계적 모듈러스들, 부반응들, 가공성, 부식 저감능, 물질 확산성, 수분 장벽(moist barrier) 성질들, 전기적 절연 성질들 및 환경적 안정성을 포함하는 여러가지 고려사항들에 따라 달라질 것이다.
본 발명자들은 에틸렌 프로필렌(EP) 중합체성 물질들이 본 발명에서 청구된 조성물들에서의 이용에 적합하다는 것을 결정하였다. 에틸렌 및 프로필렌 개별 단위들의 랜덤 중합된 혼합물을 포함하는 EP 물질들은, 적어도 그들의 낮은 비용, 고유의 화학적 안정성, 낮은 유리 전이 온도들 및 양호한 전기 절연성으로 인해 특히 유리한 것으로 고려된다. 적어도 하나의 디엔 분자와 삼량중합되어, 에틸렌 프로필렌 디엔 분자(EPDM)를 형성하는 EP 물질들은 PV 모듈에서 사용되도록 의도된 조성물들에서의 사용에 특히 유리한 것으로 고려되며, 이는 적어도 이들의 포함이 용융 전이, 및 온도 변화와 관련된 모듈러스 변화들을 감소시키는 관련 결정질 상을 제거할 수 있고, 또한 라디칼 생성 화학물질들을 사용하는 엘라스토머의 가교결합가능성도 향상시키기 때문이다. EPDM 물질들은 낮은 유리 전이 온도(약 -50℃)를 가져서, 극한 조건들 하에서 이들 물질들의 거동은 보다 예측가능하게 된다. 또한, 본 발명자들은 EPDM 물질들이 비교적 낮은 수분 침투 속도를 가져, 앞면 및 뒷면 상에 유리가 있는 광기전성 모듈들에서 수분 진입을 현저히 감소시킬 것이라는 것을 결정하였다.
EPDM을 사용하는 경우, 본 기술분야의 숙련자는 비용, 반응성, 안정성, 및 상 변이 및 기계적 모듈러스들에 대한 그의 효과를 포함하는 각종 고려사항들에 근거하여 적절한 디엔 분자를 선택할 수 있을 것이다. 본 발명자들은 에틸리덴 노르보넨, 디시클로펜타디엔 및 이들의 조합들이 본 발명에서 청구된 조성물들에서 사용되는 EPDM 물질들을 위한 적당한 디엔 분자들임을 결정하였다.
EP 및 EPDM 물질들은 모두 광기전성 모듈들에서의 이용에 대해 의도된 본 발명에 따른 조성물에서의 이용에 유리한 것으로 고려되며, 이는 적어도 그들의 성질들로 인해 제 2의 EVA층 및 현행의 기존 설계들에 따른 모듈들에 전형적으로 포함되는 뒷면-시트 필름을 단일 층으로 대체하는 것이 가능하게 되기 때문이다. 기존의 모듈의 두 개의 성분들을 단일 물질층으로 대체하는 것은 광기전성 모듈들의 제조에 있어서 비용 절감의 잠재성을 제공한다. 실제로, 본 발명자들은, EP 또는 EPDM 물질들을 포함하는 본 발명에 따른 조성물들의 이용이, 현행의 기존 설계들 및 방법들에 비해, 광기전성 모듈들의 제조시 물질들의 비용 면에서 제곱미터 당 적어도 8.00달러를 잠재적으로 절감시킬 수 있다고 믿고 있다.
본 발명자들은 상기 경화제가 총 조성물의 약 0.1중량% 내지 약 3중량%의 양으로 조성물에 존재하는 것이 유리하다는 것을 결정하였다. 이러한 범위는 사용시 흐르지 않고, 표면에 잘 접착된 채로 유지되는 형태로 신속하게 가교되는 능력을 상기 조성물에 제공한다. 총 조성물의 약 0.5중량% 내지 1중량%의 양이, PV 모듈에서의 사용에 의도된 조성물들에 특히 유리한 것으로 고려되며, 이는 적어도 상기 양이 신속한 가교, 양호한 접착, 및 비용 절감 및 기포 형성 잠재성의 회피에 대한 요구 간의 균형을 제공하기 때문이다.
임의의 적합한 경화제가 상기 본 발명에서 청구된 조성물들에 사용될 수 있으며, 특정 조성물에 대해 선택된 특정 경화제는, 분해 온도 및 동력학, 비용, 휘발성 및 저장 수명을 포함하는 각종 고려사항들에 따라 달라질 것이다. 본 발명자들은 라디칼 생성 경화제들이 본 발명에서 청구된 조성물들에서의 사용에 유리하다는 것을 결정하였으며, 이는 적어도 이들의 비교적 낮은 비용에서의 높은 효과, 이용 용이성 및 안정성 때문이다. 과산화물 경화제들이 특히 유리한 것으로 고려되며, 이는 적어도 이들의 잘-특징화된 성질, 자유 라디칼들의 효과적인 생성, 및 용이한 입수성 때문이다. 적합한 과산화물 경화제들의 예들은 디알킬 과산화물들, 디아실 과산화물들, 퍼옥시에스테르들 및 퍼옥시카르보네이트들, 예컨대 2,5-디(t-부틸퍼옥시)-2,5-디메틸헥산 (CAS# 78-63-7, Buffalo, N.Y. 소재의 Atochem사에 의해 "LUPERSOL 101"이라는 상표명 하에 판매됨), 1,1-비스(t-부틸 퍼옥시) 3,3,5-트리메틸 시클로헥산 (CAS# 6731-36-8, Akron Ohio 소재의 Akrochem사에 의해 "Akrochem TMC-40"라는 상표명 하에 판매됨), 및 O,O-t-부틸-O-(2-에틸헥실) 모노-퍼옥시카르보네이트 (Buffalo, N.Y. 소재의 Atochem사에 의해 "LUPERSOL TBEC"라는 상표명 하에 판매됨)를 포함한다. 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)과 같은 아조계 경화제들도 본 발명에서 청구된 조성물들에서의 이용에 적합한 것으로 고려된다.
본 발명자들은 상기 무기 화합물이 총 조성물의 약 1중량% 내지 약 25중량%의 양으로 본 발명의 조성물에 존재하는 것이 유리하다는 것을 결정하였다. 이러한 범위는 감소된 비용, 보다 나은 인성, 원하는 색상 및 감소된 수분 침투를 본 조성물에 제공한다. 약 1중량% 내지 약 12중량%의 범위도 이들 바람직한 성질들 중 적어도 하나를 달성하는데 적당한 것으로 고려된다. 총 조성물의 약 3중량%의 양이 PV 모듈들에서의 이용이 의도된 조성물들에 대해 특히 유리한 것으로 고려되며, 이는 이러한 양이 비용, 인성 및 색상간의 균형 및 양호한 접착을 유지하고, 가공하기 용이한 물질을 생산하는 요구를 제공하기 때문이다.
임의의 적당한 무기 화합물이 본 발명에서 청구된 조성물들에서 사용될 수 있으며, 특정 조성물에서 선택된 특정의 무기 화합물은, 비용, 중합체 기질에 대한 부착능, 색상, 불순물들의 효과, 잠재적인 화학 반응성 및 수분 침투에 대한 영향을 포함하는 각종 고려사항들에 따라 달라질 것이다. 본 발명자들은 실리카 화합물들이 본 발명에서 청구된 조성물들에서의 이용에 유리하다는 것을 결정하였으며, 이는 적어도 그들의 용이한 입수성 및 충전재 물질로서의 널리 알려진 허용성때문이다. 본 발명에서 청구된 조성물들에서의 이용에 적당한 무기 화합물들의 예들은 실리케이트들, 탈크, 카르보네이트들, 티타니아, 카본 블랙, 황산 바륨, 커플링제로 개질된 클레이, 분자체들, 실리카 겔, CaO, MgO를 포함한다. 본 기술분야의 숙련자는, 최적화에 요구되는 성질(조성물 인성, 비용, 색상 등)을 포함하는 각종 고려사항들에 근거하여 이들 및 기타 적당한 예들로부터 적절한 무기 화합물을 선택할 수 있을 것이다.
본 발명자들은 접착 촉진제가 총 조성물의 약 0.05중량% 내지 약 2중량%의 양으로 상기 조성물 중에 존재하는 것이 유리하다는 것을 결정하였다. 이러한 범위는 광범위한 종류의 표면들에 대한 양호한 접착성을 상기 조성물에 제공한다. 총 조성물의 약 0.1중량% 내지 0.3중량%의 양이 PV 모듈들에서의 이용이 의도된 조성물들에 특히 유리한 것으로 고려되며, 이는 적어도 상기 양이 비용 및 양호한 접착의 유지에 대한 요구간의 균형을 제공하기 때문이다. 본 발명자들은 실란 화합물들이 본 발명에서 청구된 조성물들에서의 이용에 유리하다는 것을 결정하였으며, 이는 적어도 이들의 용이한 입수성 및 접착 촉진제로서 널리 알려진 허용성때문이다. 본 발명에서 청구된 조성물들에서의 이용에 적당한 실란 화합물들의 예들은 γ-글리시독시프로필트리메톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, 또는 비닐 트리(2메톡시-에톡시)실란(Akron Ohio 소재의 Akrochem사에 의해 Akrosorb 9728로서 판매됨)을 포함한다. Silane a-172도 본 발명에서 청구된 조성물들에서의 이용에 적당한 것으로 고려된다.
임의의 적당한 커플링 보조제가 본 발명에서 청구된 조성물들에서 사용될 수 있으며, 특정 조성물에 대해 선택된 특정 커플링 보조제는, 비용, 활성, 라디칼들에 대한 반응성, 접착에 대한 효과, 기타 고무 성분들과의 상용성을 포함하는 각종 고려사항들에 따라 달라질 것이다. 상기 커플링 보조제는 라디칼들과의 양호한 상호작용을 촉진하기 위하여 단지 일정 정도의 불포화도를 갖는 것이 요구된다.
원하는 커플링 기능뿐만 아니라 접착 촉진 기능도 제공하는 몇몇 커플링 보조제들이 선택될 수 있다. 일부 예시적인 구체예들은 개별적인 접착 촉진제를 포함하는 한편, 적절히 선택된 커플링제들을 포함하는 조성물들은, 상기 조성물에 추가의 구성성분의 첨가 없이, 요구되는 커플링제 및 임의의 접착 촉진제의 기능들을 모두 달성할 수 있어, (예로서, 조성물 제조 과정을 단순화함에 의해) 유리할 수 있다. 본 발명자들은 아연 디아크릴레이트들과 같은 디아크릴레이트들이 본 발명에서 청구된 조성물들에 대해 커플링 및 접착 촉진 기능들을 모두 제공한다는 것을 결정하였다. 본 발명자들은 커플링 보조제들이 포함된 경우, 총 조성물의 약 30중량%에 이르는 양으로 상기 조성물에 존재하는 것이 유리하다는 것을 결정하였다.
상기 언급된 것과 같이, 본 발명에서 청구된 조성물들은 각종 임의의 성분들도 포함할 수 있다. 예로서, 가공 조제들이 포함될 수 있으며, 실제로 이들은 표면에 대한 부착 및 결합능이 중요하게 여겨지는 적용들에서 매우 유리한 것으로 고려되는데, 이는 향상된 흐름 특성들이 부착을 향상시킬 수 있기 때문이다. 예로서, PV 전지들에서, 수분의 모듈 내로의 진입은 모듈 고장과 상관되고, 캡슐화제의 표면에 대한 부착능은 보호된 영역 및/또는 성분들로부터 수분을 배제시키는 능력과 직접 관련된 것으로 본 기술분야에서 이해되기 때문에, 상기 캡슐화제의 표면에 대한 부착능은 중요하게 여겨진다. 적어도 이러한 이러한 이유로, 보다 나은 접착이라는 결과를 초래하는 가공 조제들의 포함은 PV 모듈들에서의 사용이 의도된 조성물들에서 유리한 것으로 고려된다.
본 발명자들은, 오일들 및 저분자량 중합체를 기재로 한 가공 조제들이 조성물에 포함되는 경우, 이들은 총 조성물의 약 50중량%에 이르는 양으로 상기 조성물 중에 존재하는 것이 유리 하다는 것을 결정하였다. 이러한 범위는, 조성물의 다른 성질들에 현저한 영향을 미치지 않거나, 또는 (예로서, 과도한 점착성으로 인해) 조성물의 취급을 지나치게 어렵게 만들지 않으면서도, 바람직한 부착성을 상기 조성물에 제공한다. 총 조성물의 약 5중량% 내지 약 25중량%의 범위가 더욱 유리한 것으로 고려된다. 본 발명자들은, 조성물이 유리 시트에 결합될, PV 모듈에서의 사용이 의도되는 조성물의 경우, 총 조성물 중 약 5중량%의 양이 상기 조성물을 지나치게 점착성으로 만들지 않으면서도 바람직한 접착성을 제공한다는 것을 결정하였다.
임의의 적당한 가공 조제들이 본 발명에서 청구된 조성물들에서 사용될 수 있으며, 특정 조성물에 대해 선택된 특정의 가공 조제(들)은, 그 조성물을 결합시키고자 하는 물질을 포함하여, 각종 고려사항들에 따라 달라질 것이다. 본 발명자들은 고온에서의 흐름성을 향상시키는 역할을 하거나 또는 점착성에 좋지않은 영향 없이 저온에서 경화되는, 예컨대 폴리아크릴레이트, 폴리에스테르, EPDM (트릴렌), 폴리부텐 (인도폴), 지방족 지방산들, 탄화수소 수지, 예컨대 대한민국의 Kumho Polychem Co. 로부터 입수가능한 KEP-570F, 및 이들의 혼합물들과 같은 저분자량 중합체성 물질들이, 적어도 그들의 용이한 입수성 및 취급성으로 인해, 본 발명에서 청구된 조성물들에서의 사용에 유리하다는 것을 결정하였다. 본 발명에서 청구된 조성물들에서의 사용에 적당한 가공 조제들의 예들은 Chicago, IL 소재의 Amoco Oil Co.로부터 "INDOPOL™ H300"라는 상표명 하에 상업적으로 구입가능한 이소부틸렌/부텐 공중합체를 포함하며, Middlebury, CT 소재의 Chemtura로부터 Trilene®67이라는 상표명 하에 상업적으로 구입가능한 액상의 에틸렌-프로필렌-디시클로펜타디엔 중합체를 포함한다. 안료(colorant)도 본 발명에서 청구된 조성물들에 포함될 수 있다. 안료의 포함은 주로 미관상 목적을 위한 것이며, 당 분야의 숙련자는 이러한 임의 구성성분을 어느 경우에 포함시키는 것이 바람직 및/또는 유리한지를 결정할 수 있을 것이다. PV 모듈들에서의 사용이 의도된 조성물들의 경우, 안료의 포함이 바람직한 것으로 고려되며, 이는 적어도 PV 모듈들의 많은 잠재적인 구매자들이 모듈들을 미관적인 목적에 대해 평가하기 때문이다. 모듈의 하나 이상의 기타 성분들에 매치되는 색상과 같이, 바람직한 색상을 조성물에 부여하는 안료의 포함은 그 모듈이 잠재적인 구매자들에게 미관상 더 좋아보이게 할 수 있다. 상기 안료는 충전재(예로서, 카본 블랙 또는 티타니아)로서 사용될 수도 있거나, 또는 유기 색소 또는 염료의 형태일 수 있다.
본 발명자들은, 상기 안료는, 포함되는 경우, 상기 유기 충전재가 안료로서 작용하는 경우, 총 조성물의 약 0.25중량% 내지 약 25중량%의 양으로 상기 조성물 중에 존재하는 것이 유리하다는 것을 결정하였다. 이러한 범위는, 전기 전도성(카본 블랙의 경우) 또는 가공성과 같은 기타 성질들에 현저한 영향을 미치지 않으면서 상기 조성물에 바람직한 색상 성질들을 제공한다. 유기 염료 또는 색소가 사용된 경우, 약 1중량% 미만의 양이 적절 및/또는 유리한 것으로 생각된다.
임의의 적당한 안료가 본 발명에서 청구된 조성물들에서 사용될 수 있으며, 특정 조성물에 대해 선택된 특정의 안료는, 그 조성물의 바람직한 색상을 포함하는, 각종 고려사항들에 따라 달라질 것이다. 본 발명자들은, 이산화티탄, 산화 블랙(카본 블랙), 및 이들의 조합을 포함한 통상적인 안료들이 본 발명에서 청구된 조성물들에서의 사용에 적당하다는 것을 결정하였다.
항산화제도 본 발명에서 청구된 조성물들에 사용될 수 있다. 항산화제의 포함은 현재 유리한 것으로 고려되며, 이는 이들이 적어도 조성물의 광산화적 열화(degradation)에 대한 저항성을 향상시키기 때문이다. PV 모듈들에서의 사용이 의도된 조성물들의 경우, 적어도 일광 존재하에서의 장기간 이용으로 인하여, 항산화제의 포함이 바람직한 것으로 고려된다.
임의의 적당한 항산화제가 본 발명에서 청구된 조성물들에서 사용될 수 있으며, 특정 조성물에 대해 선택된 특정의 항산화제는, 색상, 비용, 부반응들, 수명, 효과 및 캡슐화제 중에서의 용해성을 포함한 각종 고려사항들에 따라 달라질 것이다. 본 발명자들은 라디칼 소거제들이, 적어도 과산화물 경화제에 의해 생성되는 것들과 같은 라디칼들을 소거할 수 있는 이들의 능력으로 인하여, 본 발명에 따른 조성물들 중에 항산화제로서 특히 적당하다는 것을 결정하였다. 재생성 라디칼 소거제들이 특히 유리한 것으로 고려되며, 이는 적어도 이들의 소거능력이 재생될 수 있기 때문이다. 그러나, 비재생성 항산화제들도 사용될 수 있다는 점을 유의하여야 한다. 이는 아민들 및 페놀들과 같은 관능기들을 갖는 화합물들 또는 포스파이트와 같은 환원제들, 또는 과산화물들을 분해시키거나 또는 라디칼들이 늘어나는 것을 방지하는 역할을 하는 임의의 기타 적당한 물질을 포함한다.
본 발명자들은 힌더드-아민 광 안정화제들(HALS: hindered-amine light stabilizers)이 본 발명에서 청구된 조성물들에서의 이용에 특히 적당하다는 것을 결정하였다. 본 발명에서 청구된 조성물들에서의 이용에 적합한 HALS의 예들은, 가소성 물질에 대한 광 안정화제로서 세계적으로 널리 사용되고, Ciba-Geigy 사로부터 TINUVIN 770이라는 상표명 하에 상업적으로 구입가능한 약리학적 활성 물질인 [비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)세바케이트]; 및 역시 Ciba-Geigy사로부터 상업적으로 구입가능한 CHEMISORB 944 {폴리[[6-[(1,l,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-s-트리아진-2,4-디일]-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)이미노]-헥사메틸렌-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)이미노]]}를 포함한다.
본 발명자들은, 항산화제가 포함되는 경우, 상기 항산화제는 총 조성물 중 3중량%에 이르는 양으로 상기 조성물 중에 존재하는 것이 유리하다는 것을 결정하였다. 이러한 범위는 조성물의 색상, 비용, 및/또는 가공성에 현저한 영향을 미치지 않으면서 상기 조성물에 양호한 UV 안정성을 제공한다. 약 0.7중량% 내지 약 1.5중량%의 범위가 특히 유리한 것으로 고려된다.
UV 흡수 물질도 본 발명에서 청구된 조성물들 중에 포함될 수 있다. UV 흡수제의 포함은, 이들의 UV 유도된 열화의 방지 또는 감소능으로 인해 유리한 것으로 고려된다. 본 기술분야의 숙련자들은 이러한 임의의 구성성분의 포함이 어느 경우에 바람직 및/또는 유리한지를 결정할 수 있을 것이다. PV 모듈들에의 사용이 의도된 조성물들의 경우, UV 흡수제의 포함은 바람직한 것으로 여겨지며, 이는 적어도 UV 흡수제가 그 모듈의 수명 동안 UV 유도된 열화를 감소 또는 방지할 수 있을 것이기 때문이다.
본 발명자들은, UV 흡수제가 포함되는 경우, 상기 UV 흡수제는 총 조성물의 약 2중량%에 이르는 양으로 상기 조성물 중에 존재하는 것이 유리하다는 것을 결정하였다. 이러한 범위는 적당한 비용 및 색상 특성들을 유지하면서도 조성물에 UV 보호를 제공한다.
임의의 적당한 UV 흡수제가 본 발명에서 청구된 조성물들에 포함될 수 있으며, 특정 조성물에 대해 선택된 특정의 UV 흡수제는, 색상, 비용, 부반응들, 수명, 효과 및 캡슐화제 중에서의 용해성을 포함하는, 각종 고려사항들에 따라 달라질 것이다. 본 발명자들은 벤조트리아졸계, 벤조페논계 및 히드록실페닐트라진계의 UV 흡수제들이 본 발명에서 청구된 조성물들에서의 이용에 특히 적당하다는 것을 결정하였다. 본 발명에서 청구된 조성물들에서의 이용에 적당한 UV 흡수제들의 예들은 다음을 포함한다: Tinuvin 234 [2-(2H-벤조트리아졸-2-일)4,6-비스(1-에틸-1-페닐에틸페놀], Tinuvin 1577 [2-(4,6-디페닐-1,3,5-트리아진-2-일-)-5-((헥실)옥실-페놀], 및 cyasorb UV-531 [2-히드록시-4-n-옥톡시벤조페논].
건조제도 본 발명에서 청구된 조성물들에 포함될 수 있다. 상기 건조제의 포함은 주로 모듈 내로의 수분 침투를 방지 또는 감소시키기 위한 것으로, 숙련자는 상기 임의의 구성성분의 포함이 어느 경우에 바람직 및/또는 유리한지 결정할 수 있을 것이다. PV 모듈들에서의 이용이 의도된 조성물들의 경우, 건조제의 포함이 바람직하며, 이는 적어도 이들이 그 모듈의 수명 동안 수분 침투를 감소 또는 방지시킬 것이기 때문이다.
본 발명자들은 건조제가 포함되는 경우, 상기 건조제는 총 조성물 중 50중량%에 이르는 양으로 상기 조성물에 존재하는 것이 유리하다는 것을 결정하였다. 이러한 범위는 적당한 부착 및 가공성을 유지하면서도 조성물에 최대의 수분 보호를 제공한다.
임의의 적당한 건조제가 본 발명에서 청구된 조성물들에 사용될 수 있으며, 특정 조성물에 대해 선택된 특정의 건조제는, 고무와의 상용성, 물 흡수 또는 물과의 반응에 따른 팽창, 및 부반응들을 포함하는 각종 고려사항들에 따라 달라질 것이다. 본 발명자들은, 기존의 건조제들이 본 발명에서 청구된 조성물들에서의 사용에 적당한 것으로 결정하였으며, 이들은 분자체들, CaSO4, CaO, MgO, 실리카 겔,고흡착성 중합체들(예로서, 폴리아크릴산계 공중합체들) 및 이들의 조합들을 포함한다.
본 발명자들은 본 발명에서 청구된 캡슐화제 물질들이 빛 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 PV 모듈들에서의 사용에 특히 적당하다는 것을 결정하였다. PV 모듈들은 광기전성 전지 회로, 예컨대 실리콘-기재 및 박막-기재 '태양전지들'을 주위 환경으로부터 격리시키는 캡슐화제 물질의 포함으로 이익을 얻으며, 이는 적어도 상기 회로가 차지하는 영역 내로의 수분 진입 성질이 상기 회로의 성능 및 사용가능 수명에 부정적인 영향을 미치는 부식을 개선시킬 수 있는 것이기 때문이다. 나아가, 상기 언급된 것과 같이, PV 모듈들의 제조에 사용되는 기존 캡슐화제 물질들은, 바람직하지 않은 부산물들의 생성 및 상대적으로 높은 물 확산 속도를 포함하는 몇가지 단점들을 갖는다.
본 발명에서 청구된 캡슐화제 물질은 광기전성 전지 회로의 격리 또는 기타 목적들을 위하여, 알려진 실리콘-기재 및 박막-기재 PV 모듈들 및 앞으로 개발될 기술들을 포함하는, 캡슐화제 물질의 포함이 바람직한 임의의 PV 모듈에서 사용될 수 있다. 도면에서 예시된 구체예들은 예시적인 것으로, 본 발명에서 청구된 캡슐화제 물질들을 포함하는 PV 모듈들의 구조들의 빠짐없는 열거를 제공하고자 하는 것은 아니다. 본 기술분야의 숙련자들은, 광기전성 전지 회로의 성질 및 특정 PV 모듈에 포함된 기타 성분들의 유형 및 수를 포함하는 각종 고려사항들에 기초하여, 상기 본 발명에서 특허청구된 캡슐화제 물질을 포함하는 PV 모듈들의 적당한 구조를 결정할 수 있을 것이다.
본 발명에서 특허청구된 캡슐화제 물질들은 상이한 제형들이 층별로 배열된 복합 라미네이트 구조로 형성될 수도 있다. 이는 상이한 면들에 상이한 색상들을 제공하기 위하여 수행될 수 있거나, 또는 상기 복합 라미네이트는 상이한 면들에 대해 양호한 부착을 제공하도록 설계될 수 있다. 상이하게 착색된 면들은 미관상 더욱 좋고/좋거나 빛의 반사 또는 흡수에 의해 성능을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 예로서, PV 장치와 접촉하는 면은 전지에 대해 양호하게 부착되고, 미관상 이유로 색상을 맞추어 제형화되고, 다른 면은 모듈이 보다 차갑게 유지되는 것을 보조하기 위하여 빛을 반사시키도록 흰색인 것이 요구될 수 있다.
도 1은 제 1의 예시적인 구체예에 다른 PV 모듈(100)을 예시한다. 상기 PV 모듈(100)은 유리 시트(110) 및 상기 유리 시트의 하부면(111)에 직접 배치된 광기전성 전지 회로(112)를 포함한다. 본 발명의 구체예에 따른 캡슐화제 물질(114)은 광기전성 전지 회로(112)에 직접 배치되어, 상기 회로(112)를 주변 환경으로부터 격리시킨다. 임의의 밀봉 부재(116), 예컨대 가장자리 테이프 등, 및 제 2의 유리 시트(118)도 상기 PV 모듈(100)에 포함될 수 있다. 본 기술분야의 숙련자들은, 상기 예시되고 청구된 모듈들을 포함하는, PV 모듈들의 기본 기능을 이해할 것이다. 따라서, PV 모듈 기능의 상세한 설명은 여기에서는 간단하게만 설명될 것이다.
상기 유리 시트(110)는 임의의 적당한 유리 섹션을 포함할 수 있다. PV 모듈 분야에서의 숙련자들은 모듈에의 이용에 적당한 유리의 유형, 크기 및 구조를 결정할 수 있을 것이다. 통상의 구조 및 크기를 갖는, 강화유리(tempered glass)와 같은 통상의 물질들이 적당하며, 실제로 유리한 것으로 여겨진다.
상기 광기전성 전지 회로(112)는 당 기술분야에서 알려지거나 이하에서 설명된 임의의 적당한 광기전성 전지 회로를 포함할 수 있다. 본 발명에서 청구된 PV 모듈들에서의 이용에 적당한 광기전성 전지 회로(112)의 예들은 무정형 실리콘, 카드뮴-텔룰라이드 (CdTe), 및 구리-인듐-갈륨-셀레늄계 박막-기재 태양전지들을 포함한다. 도 1에 예시된 구조는 CdTe계 광기전성 전지 회로를 포함하는 PV 모듈들에서의 이용에 유리한 것으로 고려되며, 이는 적어도 상기 CdTe가 상기 유리판(110)의 하부면(111) 상에 직접 적층되어, 이는 상기 캡슐화제 물질(114)이 광기전성 전지 회로(112)와, 상기 PV 모듈(100)의 노출 표면(150)에 화살표들(125)로 나타낸 상기 태양 에너지 사이에 위치되지 않음으로 인해, 캡슐화제 물질(114)의 투명성에 대한 요구를 고려대상에서 제거하게 되기 때문이다.
상기 광기전성 전지 회로(112)는 생성된 전기 에너지를, 그 전기 에너지를 요구하는 기능성 장치로 연결되기 전에, 인버터와 같은 하류 성분으로 전달하는 출력선(나타내지 않음)과 전기적으로 소통되어 있다. 상기 광기전성 전지 회로는 당 기술분야에서 알려진 바와 같이 하나의 '태양전지' 또는 스트링으로 서로 전기적으로 연결된 둘 이상의 전지들을 포함할 수 있다.
상기 캡슐화제 물질(114)은 여기 개시된 본 발명의 범위 내에서 임의의 캡슐화제 물질을 포함할 수 있다. PV 모듈 분야에서의 숙련자는, 광기전성 전지 회로의 성질, 모듈 내 임의 성분들의 존재 또는 부재, 및 캡슐화제 물질의 가공성을 포함하는, 각종 고려사항들에 기초하여 특정 PV 모듈에서의 이용에 가장 적당한 본 발명에 따른 특정 캡슐화제 물질을 결정할 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명의 제 2의 예시적인 구체예에 따른 PV 모듈(200)을 예시한다. 본 구체예에 따른 상기 PV 모듈(200)은 유리 시트(210) 및 상기 유리 시트의 하부면(211) 아래에 배치된 광기전성 전지 회로(212)를 포함한다. 본 발명의 구체예에 따른 캡슐화제 물질(214)이 상기 광기전성 전지 회로(212) 상에 직접 배치되어 상기 회로(212)를 주변 환경으로부터 격리한다. 본 발명의 구체예에 따라 반드시 필요하지는 않지만, 제 2의 캡슐화제 물질(220)이 상기 유리 시트(210)의 하부면(211)과 상기 광기전성 전지 회로(212)의 사이에 배치된다. 임의의 제 2의 유리 시트(218)도 상기 PV 모듈(200)에 포함될 수 있다.
도 2에 예시된 상기 구체예는, 적어도 색상 및/또는 전기 절연을 제공하기 위한 추가의 층들에 대한 필요를 없앨 수 있기 때문에, 금속 호일 또는 중합체성 물질 상에 적층된 실리콘-기재 광기전성 전지 회로 또는 박막 PV를 포함하는 PV 모듈들에서의 이용에 유리한 것으로 고려된다. 실리콘 웨이퍼-기재의 광기전성 전지 회로에서, 상기 실리콘 성분은 광학적 커플링을 제공하기 위하여 투명한 캡슐화제를 사용하여 상기 유리판(210)의 하부면(211)으로부터 일정간격 떨어져 있는 것이 전형적이다. 상기 유리판(210)과 상기 광기전성 전지 회로(212) 사이에서의 이러한 제 2의 캡슐화제 물질(220)의 사용은 상기 PV 모듈(200)의 노출 표면(250)에 화살표들(225)로 나타낸 태양 에너지가 상기 광기전성 전지 회로(212)에서의 이용 전에 현저히 감소되지 않도록 보장하여 준다.
임의의 적당한 캡슐화제 물질이 상기 제 2 캡슐화제 물질(220)로서 사용될 수 있다. 당 분야의 숙련자는, 제 2 캡슐화제 물질의 바람직한 투명도, 부식 감소능, 및 기계적 일체성을 제공하는 능력을 포함하는 각종 고려사항들에 기초하여 상기 제 2 캡슐화제 물질(220)로서의 이용에 적당한 캡슐화제 물질을 선택할 수 있을 것이다. 본 발명자들은 PV 모듈 분야에서 알려지고 사용되는, EVA를 포함하는, 통상의 캡슐화제 물질들이 본 발명에서 청구된 모듈들에서 상기 제 2 캡슐화제 물질(220)로서의 사용에 적합하다는 것을 결정하였다.
도 1은 예시적인 구체예에 따른 태양 모듈의 단면도이다.
도 2는 제 2의 예시적인 구체예에 따른 태양 모듈의 단면도이다.
도 3은 본 발명에서 청구된 몇몇 조성물들 및 대조 조성물들의 중첩 전단 접착강도(lap shear adhesion) 분석 결과를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에서 청구된 몇몇 조성물들 및 대조 조성물들의 브레이크스루(breakthrough) 시간의 비교를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 대조 조성물(EVA)에 대해 본 발명의 예시적인 구체예에 따른 조성물(C21)을 비교하는 수분 진입 모델분석의 결과들을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 6은 85℃ 및 85% RH에서의 약 1000시간 노출 후 본 발명에서 청구된 조성물 또는 대조 조성물을 포함하는 라미네이트 구조물들의 사진들을 포함한다.
도 7은 본 발명에서 청구된 각종 조성물들 및 대조 조성물들의 저장 모듈러스(storage modulus)의 분석 결과를 도식적으로 나타낸 것이다.
실시예들
실시예 1 - 예시적 제제들
표 I은 본 발명에 따른 예시적인 몇몇 조성물들에 대한 상세한 제제 정보를 제공한다.
실시예 2 - 부착 성질들
PV 적용에 사용된 상기 캡슐화제는 부식 감소 및 기계적인 지지와 같은 몇 가지 목적들을 한꺼번에 수행한다. 양호한 부착성은 부식 저항성과 상관되며, 이는 또한 기계적 일체성(integrity)에도 필요하다. 도 3은 EPDM계 물질들이 매우 심한 스트레스 조건 하에서 뛰어난 접착 성질을 갖는다는 것을 나타낸다.
실시예 3 - 수분 침투 분석
물은 부식을 가속화하는 것으로 알려져 있기 때문에, 뒷면-시트(back-sheet) 물질의 수분 배제능은 그의 PV 장치 보호 능력과 관련된다. 투과성 뒷면-시트 물질로서 사용된 경우, 본 발명에서 청구된 조성물들은 PV 산업에서 흔히 사용되는 EVA/폴리에틸렌테레프탈레이트/Tedlar를 포함하는 복합 라미네이트 필름들과 유사한 수분 투과 성질을 갖는다. 그러나, 불투과성 앞면-시트 및 뒷면-시트들이 사용되어 그 면들에 대한 수분 진입이 제한되는 경우, 이들 물질들의 보다 낮은 투과 속도는 EVA보다 극적으로 뛰어난 성능을 보일 것이다.
도 4에서, 브레이크스루(breakthrough) 시간은 필름이 한 면에서의 물 농도에 있어서 단계 변화를 겪어 새로운 평형 수증기 전달 속도로 10%의 변화를 달성하는데 요구되는 시간으로서 정의된다. 이러한 브레이크스루 시간은 특정 거리의 제곱에 관련된다. 불투과성 앞면-시트 및 뒷면-시트를 갖는 큰 PV 모듈들의 경우, 이는 특정 시간 내에 수분이 침투하는 거리에 해당한다. 도 4는 상이한 물질들에 대한 침투 깊이를 각종 잠재적인 PV 캡슐화제들에 대한 시간의 함수로서 평가한 것이다. 전형적인 시평균된(낮과 밤) 모듈 온도는 15℃ 내지 35℃ 사이일 것이다(탑재 조건 및 지역 환경에 따라 달라짐). 도 4에서, 이는 0.00347 K-1 내지 0.00324 K-1 사이의 1/K에 대응하며, 20년의 야외 노출 후 침투 깊이는 3cm 내지 10cm이다. 비교를 위해, EVA가 캡슐화제로서 사용된 경우, 수분은 1m를 초과하는 거리를 침투하였을 것이다. 수분 침투가 현저히 감소될 수 있다면, 보다 나은 PV 성능 및 수명이 달성된다.
도 5는 일정한 외부 환경 조건에서, 불투과성 뒷면-시트를 사용하여 라미네이트된 PV 모듈의 수분 함량의 전개를 나타낸다(M. D. Kempe, Modeling of Rates of Moisture Ingress Into Photovoltaic Modules, Solar Energy Materials & Solar Cells, 90, 2720-2738 (2006) 참조). 여기에서 본 출원인 BRP는, 본 발명에 따른 조성물을 효과적인 용해 및 확산 파라미터들을 사용하여 모델화하였으며, 상기 모듈은 길이는 무한이며, 폭은 40cm인 것으로 가정하였다. EVA를 이용하여 구축된 경우, 3년 후에는 수분이 그 모듈의 중심을 침투할 수 있지만, 본 발명에 따른 조성물이 사용된 경우에는 24년 후에 수분이 약 6cm의 깊이로만 침투하는 것을 알 수 있다.
실시예 4 - 부식 분석
캡슐화제 물질들의 부식 감소능을 평가하기 위하여, 80OÅ 알루미늄 필름들을 유리 상에 적층하고(마그네트론 스퍼터링 사용), 각종 캡슐화제 물질들을 접착제로서 사용하여 또다른 유리 단편에 라미네이트하였다. 상기 유리판들을 캡슐화제 물질을 그 둘레에 적용하여 라미네이트하고, 중심부에서는 그 사이에 공기 간극을 두었다. 이로써 처리되지 않은(bare) 알루미늄에 대한 습도의 영향을 캡슐화된 필름에 대해 비교할 수 있었다. 시료들을 85℃ 및 85% RH에서 1000시간 동안 노출시켰다.
도 6A 및 6B는, 본 발명에 따른 조성물인 조성물 21을 사용하여 구축된 시료를 앞면에서 비춘 사진들 및 뒷면에서 비춘 사진들을 보여준다(이 조성물 및 다른 예시적인 조성물들에 대한 제제의 상세한 내용은 표 I에 열거하였다). 본질적으로 어떤 부식의 표시도 나타나지 않았다. 도 6C는 아세트산 축합 경화 엘라스토머인 Dow Corning 700을 사용하여 구축된 시료를 나타낸다. 여기에서, 습도에의 노출 후, 상기 알루미늄 거울에서 캡슐화제에 의해 접촉되지 않은 부분은 완전히 부식되었다. 이러한 결과들에서의 극적인 차이는 아마도 조성물 21 시료의, 공기 간극에서의 물 농도를 매우 낮게 유지시킨, 현저히 낮은 수분 침투 속도로 인한 것이다.
도 6D는 EVA를 캡슐화제로서 사용하여 구축된 시료를 보여준다. 여기에서, EVA의 부식성 성질을 두드러지게 하는 알루미늄 필름과 EVA가 직접 접촉된 경우 다량의 부식이 발견되었다. 이러한 결과들은 이들 EPDM계 필름들의 뛰어난 부식 보호능을 증명하는 것이다.
실시예 5 - 전압 누설 분석
IEC 61215 습식 누설 전류 시험(10.15절)의 대표적인 시험을 몇몇 실시예 조성물들 상에서 수행하였다. IEC 61215에 따라, 85℃/85% RH에의 노출 1000시간 후, 모듈들을 500V의 전압이 인가된 계면활성제 함유 침지조에 침지시켜야 한다. 전지로부터 상기 침지조로의 측정된 저항은 0.1㎡ 초과의 모듈들에 대해 40MΩ·㎡ 초과여야 한다. 이 시험을 모의하기 위하여, 5" 정사각형의 강철판들을 상업적으로 구입가능한 PV EVA를 사용하여 유리에 라미네이트하였으며, 상기 유리와 상기 강철판 사이에는 상이한 뒷면-시트들을 이용하였다. 이러한 구조의 경우, 합격을 위해서는 저항이 2.4 GΩ보다 더 커야만하였다. 상기 사용된 강철 시트들은 0.85mm 또는 0.64 mm였으며, 유리는 2.26mm였고, 상기 EVA는 시트 당 0.46mm의 공칭 두께를 가졌다. "실패(Failed)"는 상기 옴 미터 단위값이 고전류로 인해 500V에 도달할 수 없었음을 나타낸다. >10GΩ는 전류가 너무 낮아 측정할 수 없었음을 나타낸다.
표 II
Figure pct00001
표 II는 전압 누설 분석 결과들을 나타낸다. "시간"은 시료가 85℃ 및 85% RH에 얼마나 오랜동안 노출되었는지를 나타낸다. "EVA/TPE"로 표시된 시료 구조는 EVA/폴리에틸렌-테레프탈레이트/Tedlar의 층들을 갖는 복합 뒷면-시트가 있는 표준 허용 구조를 나타낸다. 표 II로부터 "EVA/TPE" 두께의 반 미만인 두께에서도 상기 예시적인 조성물들이 상기 EVA계 구축물들보다 더 나은 성능을 나타냄을 알 수 있다. 보다 나은 전기 절연성이 요구되는 적용 또는 금속 부분들이 중합체를 통해 튀어나오기 쉬운 경우라면, 천공 저항(puncture resistant) 물질 또는 보다 양호한 절연 물질로 구성된 또다른 층이 추가될 수 있을 것이다. 다르게는, 간단하게 보다 두꺼운 필름을 사용할 수 있을 것이다. 예시적인 구체예들에 따른 조성물들은 "조성물 X"로 언급되고 있음에 유의하여야 하며; 상기 열거된 조성물들에 대한 특정 제제 정보는, 'X'에 대한 값에 해당하는 조성물 번호를 참조하여 표 I에 나타내었다.
실시예 6. 자외선 안정성
황변 지수(YI)는 관찰자에 의해 인지된 물체의 색상의 측정이다. YI에서의 변화는 물질의 열화 정도에 대한 표지로서의 역할을 한다. 시료들을 Atlas Ci4000 내후성시험기에서 시간 변량에 대해 60℃, 60% RH 및 2.5UV 일광(suns)에 노출시켰다. 표 III은 이러한 평가 결과들을 나타낸다. 유리/EVA/TPE 시료 구조는 PV를 이용한 일반 시스템 사용을 나타낸다. 이러한 조건들 하에서, 시료들은 야외 노출에 대해 약 220배의 인자로 가속화된 UVB 도스(dose) 및 약 57배의 인자로 가속화된 UVA-II 도스를 받았다. 이들 라미네이트 필름들 중 폴리에틸렌-테레프탈레이트 층은 매우 빠르게 열화하기 시작하여, 4300시간 후에는 Tedlar 필름으로부터 라미네이트가 박리되었음을 발견하였다. 반면, 본 발명에 따른 조성물인 조성물 74(이 조성물 및 다른 예시적인 조성물들에 대한 제제의 상세한 내용은 표 I에 열거하였다)는 9024시간의 노출 후 0.22의 낮은 YI를 유지하였다. 본 발명에 따른 또다른 예시적인 조성물인 조성물 16은 조성물 74에 비해 감소된 양의 티타니아를 가졌으며, 6207시간 후에는 2.8의 약간 더 높은 YI를 가졌다. 본 발명에 따른 또다른 예시적인 조성물인 조성물 65는 조성물 74와 유사하였으나, 그 제제 중 어떤 HALS도 갖지 않았다. EVA 층에 의해 UV 방사선으로부터 보호되어, 이는 색상에서만 온건하게 열화되었지만, 상기 EVA 층이 훨씬 더 얇았던 가장자리 주변에서는 갈라짐과 수축이 관찰되었다. 이는 제제들 중 HALS에 대한 필요를 증명하여 주는 것이다. 예시적인 조성물들인 조성물 6 및 38을, 산소 진입을 감소시키기 위하여 유리 뒷면-시트를 갖는 유리판 바로 뒤에서 시험하였다(UV 차단 EVA 층 없음). 이들 시료들에서는, 산소가 침투하여 상기 반응 부산물들을 광표백(photobleach)할 수 없었던 중심에서 주로 약간의 황변이 일어났다. 이러한 일은, 상기 열화가 작고 단지 표면적인 것이었기 때문에 아마도 문제가 되지는 않는다. 또한, 단지 수퍼스트레이트(superstrate) 박막 장치만이 앞면에서 투명 필름 없이 이러한 물질을 사용할 것이며, 여기에서는 검은색 시료가 미관상 이유로 바람직할 것이다.
표 III
Figure pct00002
달리 특정하지 않는 한, 상기 유리는 철분이 낮고 시리에이트되지 않아서(non-ceriated) 스펙트럼 중 UV 부분의 대부분을 통과시키는 것을 허용하였다. 모든 예시적인 조성물들은 티타니아 충전재를 포함하여 백색의 반사성이 높은 물질을 생성하였다. 예시적인 구체예들에 따른 조성물들은 "조성물 X"로 언급되고 있음에 유의하여야 하며; 상기 열거된 조성물들에 대한 특정 제제 정보는, 'X'에 대한 값에 해당하는 조성물 번호를 참조하여 표 I에 나타내었다.
실시예 7. 기계적 모듈러스들 및 상 전이들
캡슐화제의 기계적 특징들은, 기계적 및 열적 스트레스들로부터 PV 물질들의 보호를 보장하는 것이 중요하다. 전형적으로, 모듈들은 85℃ 내지 -40℃ 사이의 온도에서 작동되도록 시험 및 설계된다. 도 7에서, PV 모듈이 노출될 수 있는 온도 범위 내에서, EVA는 용융 전이온도(~55℃) 및 유리 전이온도(~-25℃)를 모두 거치는 것으로 나타난다. 이는 모듈의 설계가 기계적 스트레스를 견디기 더욱 어렵게 만든다. 유사하게, PVB는 유리 전이온도(~40℃)의 존재로 인해 그 물질이 기계적 에너지를 덜 흡수하고, 전지들을 덜 보호하게 된다. 기타 물질들(PDMS, TPU 및 BRP-C)은 넓은 온도 범위에 걸쳐 양호한 기계적 성질을 갖는다. 이들 물질들을 사용하여, 상온에서 수행된 실험은 다양한 범위의 이용 조건들에 대해 적용가능하였다.
도 7에서, 상기 EPDM 수지는 7.5±1중량%의 디엔 단량체를 가져, 용융 전이가 없는 공중합체를 얻도록 선택되었다. 일부 적용들에서, 예로서 점착성에서의 현저한 감소가 그 물질을 다루는데 필요한 경우, 보다 낮은 디엔 함량이 요구될 수 있을 것이다.
상기 설명은 본 발명의 예시적인 구체예들을 제공하는 것으로, 본 발명의 실시를 위한 최선의 형태를 포함한다. 상기 구체예들의 설명 및 예시는 단지 본 발명의 예들을 제공하기 위한 것이며, 본 발명 또는 그의 보호 범위를 어떠한 방식으로든 제한하고자 하는 것은 아니다.
표 I
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
Figure pct00008
Figure pct00009
Figure pct00010
Figure pct00011

Claims (32)

  1. 다음을 포함하는, 기재에 적용되고 경화된 후, 상기 기재 상에 실질적으로 방수 코팅(water impervious coating)을 제공하는 조성물:
    유효량의 고분자량 중합체성 물질;
    유효량의 경화제;
    무기 화합물; 및
    유효량의 커플링제.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 유효량의 고분자량 중합체성 물질이 상기 조성물 중에 총 조성물의 약 40중량% 내지 약 95중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 유효량의 고분자량 중합체성 물질이 상기 조성물 중에 총 조성물의 약 60중량% 내지 약 80중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 유효량의 고분자량 중합체성 물질이 상기 조성물 중에 총 조성물의 약 65중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 고분자량 중합체성 물질이 에틸렌-프로필렌 중합체성 물질인 것을 특징으로 하는 조성물.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 에틸렌-프로필렌 중합체성 물질이 에틸렌 및 프로필렌 개별 단위들의 랜덤 중합 혼합물인 것을 특징으로 하는 조성물.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 에틸렌-프로필렌 중합체성 물질이 적어도 하나의 디엔 분자와 삼량중합되어 에틸렌-프로필렌-디엔 분자를 형성한 것을 특징으로 하는 조성물.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 디엔 분자가 에틸리덴 노르보넨, 디시클로펜타디엔, 부타디엔, 1,4-헥사디엔 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 조성물.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 경화제의 유효량이 총 조성물의 약 0.1중량% 내지 약 3중량%인 것을 특징으로 하는 조성물.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 경화제가 라디칼 생성 경화제인 것을 특징으로 하는 조성물.
  11. 제 10항에 있어서,상기 라디칼 생성 경화제가 과산화물인 것을 특징으로 하는 조성물.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 과산화물이 디아실 퍼옥사이드들, 디알킬 퍼옥사이드들, 디퍼옥시케탈들, 케톤 과산화물들, 퍼옥시디카르보네이트들, 퍼옥시에스테르들, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 조성물.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 과산화물이 tert-부틸-퍼옥시-2-에틸헥실카르보네이트, OO-(t-부틸) O-(2-에틸헥실) 모노퍼옥시카르보네이트, 벤조일 퍼옥사이드, 디큐밀 퍼옥사이드, a-a'-비스(t-부틸퍼옥시)디이소프로필벤젠 (Vulcup), 1,1-디(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸시클로헥산, t-부틸퍼옥시-디이소프로필 벤젠, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 조성물.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 과산화물이 1,1-디(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸시클로헥산인 것을 특징으로 하는 조성물.
  15. 제 10항에 있어서, 상기 라디칼 생성 경화제가 아지드인 것을 특징으로 하는 조성물.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 무기 화합물은 상기 조성물 중에 총 조성물의 약 1중량% 내지 약 25중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 무기 화합물이 실리카, 이산화티탄, 황산 바륨, 탈크, 카본 블랙, 클레이, 석회석 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 조성물.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 접착 촉진제의 유효량이 총 조성물의 약 0.05중량% 내지 약 2중량%의 양인 것을 특징으로 하는 조성물.
  19. 제 1항에 있어서, 상기 접착 촉진제가 불포화 알콕시 실란인 것을 특징으로 하는 조성물.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 알콕시 실란이 비스-트리알콕시 실란, 아미노-알콕시 실란, 페닐알콕시 실란, 메톡시알킬 실란, 에톡시알킬 실란 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 조성물.
  21. 제 19항에 있어서, 상기 알콕시 실란이 글리시독시프로필트리메톡시 실란, 페닐트리에톡시 실란, 비닐 트리메톡시 실란, 비닐벤질화 아미노에틸아미노프로필트리메톡시 실란, g-메타크릴옥시프로필트리메톡시 실란 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 조성물.
  22. 제 1항에 있어서, 유효량의 커플링 보조제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 커플링 보조제는 상기 조성물 중에 총 조성물의 약 30중량% 이하의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  24. 제 1항에 있어서, 상기 커플링제가 디아크릴레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 디아크릴레이트가 아연 디아크릴레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  26. 제 1항에 있어서, 유효량의 안료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  27. 제 1항에 있어서, 유효량의 항산화제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 항산화제의 유효량이 총 조성물의 약 3중량% 이하의 양인 것을 특징으로 하는 조성물.
  29. 제 27항에 있어서, 상기 항산화제가 하나 이상의 힌더드-아민 광 안정화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  30. 제 29항에 있어서, 상기 하나 이상의 힌더드-아민 광 안정화제가 각각 Tinuvin 770 [비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)세바케이트], Chimassorb 944 {폴리[[6-[(1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-s-트리아진-2,4-디일]-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)이미노]-헥사메틸렌-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)이미노]]}, Tinuvin 123 [데칸디온산, 비스(2,2,6,6-테트라메틸-1-(옥틸옥시)-4-피페리디닐)에스테르], Chimassorb 119 {1,3,5-트리아진-2,4,6-트리아민,N,N'"-[1,2-에탄디일비스[[[4,6-비스[부틸(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리디닐)아미노]-1,3,5-트리아진-2-일]이미노]-3,1-프로판디일]]-비스[N',N"-디부틸-N',N"-비스(l,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리디닐)}, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 조성물
  31. 다음을 포함하는, 광기전성 성분들의 캡슐화에 적당하고, 기재에 적용되어 경화되는 경우 UV 안정성, 전기 절연성, 기계적 보호, 낮은 점착성 및 부식 보호를 제공하는 조성물:
    총 조성물의 약 40중량% 내지 약 95중량%의 양의 고분자량 중합체성 물질;
    총 조성물의 약 0.1중량% 내지 약 3중량%의 양의 경화제;
    총 조성물의 약 35중량% 이하의 양의 무기 화합물;
    총 조성물의 약 0.09중량% 내지 약 5중량%의 양의 커플링제;
    총 조성물의 약 50중량% 이하의 양의 가공 조제; 및
    총 조성물의 약 0.05중량% 내지 약 2중량%의 양의 접착 촉진제.
  32. 유리판;
    광기전성 전지 회로; 및
    상기 유리판의 일부에 결합되고, 상기 광기전성 전지 회로의 적어도 일부를 캡슐화하는 캡슐화제 조성물을 포함하고, 상기 캡슐화제 조성물이 유효량의 고분자량 중합체성 물질, 유효량의 경화제, 무기 화합물 및 유효량의 커플링제를 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전성 모듈.
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