KR20120070091A - 태양전지 이면 보호 시트 및 이를 포함하는 태양전지 모듈 - Google Patents

태양전지 이면 보호 시트 및 이를 포함하는 태양전지 모듈 Download PDF

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KR20120070091A
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Abstract

본 발명은 태양전지 이면 보호 시트 및 이를 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양전지 모듈의 에틸렌-비닐아세테이트 충전재와 밀착되는 고밀도 폴리에틸렌계 필름과 배리어 필름 또는 내후성 필름이 카르복시기 함유 아크릴계 공중합체, 가교제 및 촉매를 포함하는 접착제 조성물로 형성된 아크릴계 접착제층을 매개로 접합됨으로써, EVA 충진재와의 밀착성이 우수할 뿐만 아니라 내습열 내구성이 좋아 장시간 사용 시에도 내후성을 유지할 수 있고 충분한 포트-라이프를 확보하여 상온에서 2일 정도의 단시간으로 양생 가능하여 생산성을 향상시킬 수 있으며 가격 면에서도 경제적인 태양전지 이면 보호 시트 및 이를 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것이다.

Description

태양전지 이면 보호 시트 및 이를 포함하는 태양전지 모듈 {SOLAR CELL BACKSIDE PROTECTIVE SHEET AND SOLAR CELL MODULE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 에틸렌-비닐아세테이트(EVA) 충진재와의 밀착성과 내구성이 우수하여 장시간 사용 시에도 우수한 내후성을 유지할 수 있고 단시간 내에 양생 가능하여 생산성도 향상시킬 수 있는 태양전지 이면 보호 시트 및 이를 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
최근 들어 차세대 에너지원으로서 클린 에너지인 태양광의 에너지를 직접 전기로 바꾸는 태양전지가 급속하게 보급되고 있다.
일반적으로 태양전지를 구성하는 태양전지 모듈은 태양광이 닿는 면에 위치되는 투명 전면 기판, 태양전지 소자, 상기 태양전지 소자를 매립하는 에틸렌-비닐아세테이트(EVA) 공중합체로 대표되는 충전재 및 이면 보호 시트로 구성된다.
태양전지는 주로 옥외에서 사용되기 때문에 태양전지 모듈을 구성하는 부재에는 충분한 내구성 및 내후성이 요구된다. 특히, 이면 보호 시트는 외부로부터의 기계적 충격, 압력으로부터 태양전지 소자를 보호하고 수분의 침투를 방지하여 열화를 방지하는 기능을 하는 것으로 내구성, 내후성과 함께 수분 또는 가스에 대한 배리어성도 우수할 것이 요구된다.
이면 보호 시트는 통상 플라스틱 기재 필름으로 구성되며, 예컨대 폴리에틸렌테레프탈레이트계 필름, 폴리카보네이트계 필름, 불소계 필름 등이 주로 사용된다. 폴리에틸렌테레프탈레이트계 필름은 전기 절연성이 우수한 반면 열수축률이 커 태양전지 모듈의 제작 시 배선 불량을 야기할 수 있고 자체의 가수분해성으로 인해 내후성도 저하될 수 있다. 또한, 폴리카보네이트계 필름은 내가수분해성은 우수하나 내화학성이 떨어지고 다른 필름들과의 적층 시 어려움이 따른다. 또한, 불소계 필름은 EVA 충진재와 밀착성이 좋고 내구성은 매우 우수하나 가격이 높아 경제성이 떨어지고 폐기 시 유독한 불소계 가스를 발생시킨다는 단점이 있다.
한편, 이면 보호 시트는 플라스틱 기재 필름 또는 기능성 필름을 폴리우레탄계 또는 폴리에스테르계 접착제를 매개로 하여 접합한 후 양생하는 방법으로 제조된다(일본공개특허 제2002-026346호, 제2007-320218호, 제2008-004691호). 그러나, 상기 접착제는 양생 온도가 높고 양생 기간이 길게 소요되므로 별도의 양생실이 요구되며, 포트-라이프(pot-life)가 충분하지 못하여 공정 안정성도 좋지 못하다는 단점이 있다.
본 발명은 태양전지 소자를 매립하는 EVA 충진재와의 밀착성을 향상시켜 장시간 사용 시에도 내후성을 유지할 수 있고, 동시에 양생 기간을 단축시켜 생산성도 향상시킬 수 있는 태양전지 이면 보호 시트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 태양전지 이면 보호 시트를 구비한 태양전지 모듈을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
1. 에틸렌-비닐아세테이트 충전재와 밀착되는 폴리에틸렌계 필름과 배리어 필름 또는 내후성 필름이 아크릴계 접착제층을 매개로 접합되고, 상기 아크릴계 접착제층은 카르복시기 함유 아크릴계 공중합체, 가교제 및 촉매를 포함하는 접착제 조성물로 형성된 것인 태양전지 이면 보호 시트.
2. 위 1에 있어서, 카르복시기 함유 아크릴계 공중합체는 탄소수 4 내지 12인 알킬(메타)아크릴레이트 단량체 83 내지 99중량% 및 카르복시기를 함유하는 중합성 단량체 1 내지 17중량%의 공중합체인 태양전지 이면 보호 시트.
3. 위 1에 있어서, 카르복시기 함유 아크릴계 공중합체는 중량평균분자량이 60만 내지 100만인 태양전지 이면 보호 시트.
4. 위 1에 있어서, 가교제는 다관능 이소시아네이트계 화합물인 태양전지 이면 보호 시트.
5. 위 1에 있어서, 촉매는 루이스 산 및 루이스 염기로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 태양전지 이면 보호 시트.
6. 위 1에 있어서, 폴리에틸렌계 필름은 밀도가 0.94 내지 0.97g/㎤인 태양전지 이면 보호 시트.
7. 위 1 내지 6 중 어느 한 항에 따른 태양전지 이면 보호 시트가 구비된 태양전지 모듈.
본 발명에 따른 태양전지 이면 보호 시트는 태양전지 소자를 매립하는 EVA 충진재와의 밀착성이 우수할 뿐만 아니라 내습열 내구성이 좋아 장시간 사용 시에도 내후성을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 태양전지 이면 보호 시트는 충분한 포트-라이프를 확보하여 상온에서 2일 정도의 시간으로 양생 가능하며, 이를 통하여 생산성을 향상시킬 수 있고 가온 창고와 같은 별도의 양생실 및 이의 관리를 필요로 하지 않는다.
또한, 본 발명의 태양전지 이면 보호 시트는 가격 면에서도 경제적이고 유독 가스의 발생 없이 폐기 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 이면 보호 시트의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 이면 보호 시트의 단면도이며,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지 이면 보호 시트의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 태양전지 이면 보호 시트가 구비된 태양전지 모듈의 단면도이다.
본 발명은 장시간 사용 시에도 우수한 내후성을 유지할 수 있고 단시간 내에 양생 가능하여 생산성도 향상시킬 수 있는 태양전지 이면 보호 시트 및 이를 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 태양전지 이면 보호 시트는 에틸렌-비닐아세테이트 충전재와 밀착되는 폴리에틸렌계 필름과 배리어 필름 또는 내후성 필름이 아크릴계 접착제층을 매개로 접합된 것을 특징으로 한다.
보다 상세하게, 본 발명의 태양전지 이면 보호 시트는 태양전지 모듈의 태양전지 소자를 매립하는 EVA 충진재의 표면과 밀착되는 측의 기재 필름인 폴리에틸렌계 필름과 배리어 필름 또는 내후성 필름이 아크릴계 접착제층을 매개로 접합되되, 특히 아크릴계 접착제층이 카르복시기 함유 아크릴계 공중합체, 가교제 및 촉매를 포함하는 접착제 조성물로 형성된 것을 특징으로 한다.
폴리에틸렌계 필름은 수지의 구조상 그 자체가 내후성이 우수하며, 동시에 태양전지 소자를 매립하기 위한 EVA 충진재와 구조가 유사하여 상기 EVA 충진재에 대한 밀착성과 이의 경시적인 유지성이 우수하다.
폴리에틸렌계 필름은 에틸렌 단독 중합체 또는 에틸렌과 다른 단량체와의 공중합체로 이루어진 필름일 수 있으며, 이들은 1축 또는 2축 연신된 필름일 수 있다.
특히, 폴리에틸렌계 필름은 밀도가 0.94 내지 0.97g/㎤인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.95 내지 0.96g/㎤인 것이 좋다. 밀도가 0.94g/㎤ 미만인 경우 공기와 수증기에 대한 차단성이 낮아 내열성과 내한성이 저하될 수 있고, 0.97g/㎤ 초과인 경우 유연성이 떨어져 공정성이 저하될 수 있다.
폴리에틸렌계 필름의 두께는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 10 내지 1,000㎛, 바람직하게는 50 내지 500㎛, 보다 바람직하게는 100 내지 300㎛인 것이 좋다. 두께가 10㎛ 미만인 경우 충분한 배리어성과 기계적 특성을 발휘하기 어렵고, 1,000㎛ 초과인 경우 취급이 용이하지 못하고 비용 상승의 원인이 될 수 있다.
폴리에틸렌계 필름의 EVA 충전재층과 밀착되는 면 상에는 예컨대 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체와 같은 수지를 포함하는 접착 개선층이 더 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 이면 보호 시트는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 폴리에틸렌계 필름(11), 아크릴계 접착제층(12) 및 배리어 필름(13)의 순으로 적층된 구조일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 이면 보호 시트는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 폴리에틸렌계 필름(11), 아크릴계 접착제층(12) 및 내후성 필름(14)의 순으로 적층된 구조일 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지 이면 보호 시트는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 폴리에틸렌계 필름(11), 아크릴계 접착제층(12), 배리어 필름(13), 아크릴계 접착제층(12) 및 내후성 필름(14)의 순으로 적층된 구조일 수 있다. 이때, 배리어 필름(13)과 내후성 필름(14)을 접합하기 위한 접착제층은 본 발명의 아크릴계 접착제층 이외의 다른 접착제층일 수도 있다.
배리어 필름(13)은 수분 또는 가스, 예컨대 산소를 차단하기 위한 필름으로서, 얇은 막 형상으로 형성된 것일 수도 있다.
배리어 필름으로는 알루미늄박과 같은 금속박; 폴리에스테르계 연신 필름 또는 폴리올레핀계 연신 필름에 알루미늄이 증착된 금속 증착 필름; 폴리에스테르계 연신 필름에 산화알루미늄, 산화규소, 산화주석, 산화마그네슘, 산화인듐 또는 이들의 복합 산화물 등이 증착된 무기 화합물 증착 필름 등을 들 수 있다.
또한, 배리어 필름으로는 저투습 필름을 사용할 수도 있다. 예컨대, 시클로올레핀의 개환 중합체, 2종 이상의 시클로올레핀을 이용한 개환 중합체의 수소 첨가물, 시클로올레핀과 쇄상 올레핀 또는 스티렌, α-메틸스티렌, 핵알킬 치환 스티렌 등과 같은 비닐기를 갖는 방향족 화합물과의 부가 공중합체 등의 시클로올레핀계 수지; 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌이소프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리시클로헥산디메탄올-테레프탈레이트 등의 폴리에스테르계 수지; 폴리메틸(메타)아크릴레이트, 폴리에틸(메타)아크릴레이트 등의 아크릴계 수지; 피로멜리트산 2무수물과 디아미노디페닐에테르와 같은 방향족 디아민 및 방향족 카르복시산 무수물의 축합 반응에 의해 제조된 수지, 이미드 고리 폐쇄 반응에 의해 제조된 수지, 말레산 무수물과 디아미노디페닐메탄과 같은 방향족 디아민으로부터 제조된 수지 등의 폴리이미드계 수지; 고리 개방형 노르보르넨의 단독 중합체 또는 공중합체에 말레산, 시클로펜타디엔 등의 극성기를 도입하여 변성시킨 후 수소화 반응으로 제조된 수지, 노르보르넨의 부가 중합체, 노르보르넨과 에틸렌, α-올레핀 등과 같은 올레핀계 화합물의 부가 공중합체, 노르보르넨과 시클로펜텐, 시클로옥텐, 5,6-디히드로디시클로펜타디엔 등과 같은 환형 올레핀의 부가 중합체 등의 노르보르넨계 수지; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌프로필렌 공중합체, 탄소수 1 내지 6의 폴리-4-메틸펜텐-1과 같은 α-올레핀의 중합체 또는 공중합체 등의 폴리올레핀계 수지 등으로 이루어진 필름을 들 수 있다.
배리어 필름의 두께는 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 무기 화합물 증착 필름의 경우 증착된 무기 화합물 층의 두께가 5 내지 300㎚이고, 이를 포함하는 필름의 총 두께는 10 내지 150㎛일 수 있다.
내후성 필름(14)은 이면 보호 시트의 외부와 접촉되는 측의 최외각에 위치되어 내후성을 부여하기 위한 필름으로서, 내후성 또는 내가수분해성이 우수한 필름이라면 그 종류가 특별히 한정되지 않는다.
내후성 필름으로는 폴리에스테르계 필름; 폴리카보네이트계 필름; 아크릴계 필름; 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로알킬비닐에테르의 공중합체로 이루어진 퍼플루오로알콕시 수지(PFA), 테트라플루오로에틸렌과 헥사플루오로프로필렌의 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로알킬비닐에테르와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체(EPE), 테트라플루오로에틸렌과 에틸렌 또는 프로필렌의 공중합체(ETFE), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 수지(PCTFE), 에틸렌과 클로로트리플루오로에틸렌 수지(ECTFE), 불화비닐리덴계 수지(PVDF) 및 이의 공중합체, 불화비닐계 수지(PVF) 등으로 이루어진 불소계 필름 등을 들 수 있다.
내후성 필름의 두께는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 10 내지 1,000㎛일 수 있다.
폴리에틸렌계 필름, 배리어 필름 및 내후성 필름은 각각 아크릴계 접착제층에 의해 접합되는 면이 코로나 방전 처리, 플라즈마 처리, 자외선 조사, 전자빔 조사 또는 정착제(anchoring agent) 도포 등과 같은 표면 처리방법에 의해 표면 활성화된 것일 수 있다.
상기와 같은 폴리에틸렌계 필름, 배리어 필름 및 내후성 필름은 각각 접착제층을 매개로 하여 적층되는데, 본 발명에서는 특히 상기 접착제층으로 아크릴계 접착제층(12)을 선택 사용하는데 특징이 있다.
아크릴계 접착제층은 카르복시기 함유 아크릴계 공중합체, 가교제 및 촉매를 포함하며 도공된 후 건조에 의해 영구적인 접착력을 형성하는 접착제 조성물로부터 형성된 것일 수 있다.
카르복시기 함유 아크릴계 공중합체는 접착제 조성물에 충분한 접착력을 부여하기 위한 성분으로서, 탄소수 4 내지 12인 알킬(메타)아크릴레이트 단량체 및 카르복시기를 함유하는 중합성 단량체의 공중합체인 것이 바람직하다. 여기서, (메타)아크릴레이트는 아크릴레이트 및 메타크릴레이트 모두를 의미한다.
탄소수 4 내지 12의 알킬(메타)메타아크릴레이트 단량체로는 n-부틸(메타)아크릴레이트, 2-부틸(메타)아크릴레이트, t-부틸(메타)아크릴레이트, 펜틸(메타)아크릴레이트, 옥틸(메타)아크릴레이트, 2-에틸헥실(메타)아크릴레이트, 노닐(메타)아크릴레이트, 데실(메타)아크릴레이트, 라우릴(메타)아크릴레이트 등을 들 수 있으며, 이 중에서 n-부틸(메타)아크릴레이트, 2-에틸헥실(메타)아크릴레이트가 바람직하고, 보다 바람직하게는 n-부틸아크릴레이트인 것이 좋다. 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
카르복시기를 함유하는 중합성 단량체는 아크릴산, 메타크릴산, 무수말레인산, 푸마르산, 크로톤산, 이타콘산, 시트라콘산, 신남산, 호박산모노히드록시에틸(메타)아크릴레이트, 말레인산모노히드록시에틸(메타)아크릴레이트, 푸마르산모노히드록시에틸(메타)아크릴레이트, 프탈산모노히드록시에틸(메타)아크릴레이트, 1,2-디카르복시시클로헥산모노히드록시에틸(메타)아크릴레이트, (메타)아크릴산 이량체, ω-카르복시-폴리카프로락톤모노(메타)아크릴레이트 등을 들 수 있으며, 이 중에서 아크릴산, 메타크릴산, 호박산모노히드록시에틸(메타)아크릴레이트가 바람직하고, 보다 바람직하게는 아크릴산, 메타크릴산, 가장 바람직하게는 아크릴산인 것이 좋다. 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
탄소수 4 내지 12의 알킬(메타)메타아크릴레이트 단량체와 카르복시기를 함유하는 중합성 단량체는 아크릴계 공중합체의 제조에 사용되는 총 단량체 100중량%에 대하여 83:17 내지 99:1, 보다 바람직하게는 84:16 내지 97:3의 중량비로 포함되는 것이 좋다. 중량비가 83:17 미만, 즉 탄소수 4 내지 12인 알킬(메타)아크릴레이트 단량체의 함량이 83중량% 미만인 경우 유리전이온도(Tg)가 높아져 초기 접합 시 접합 기포가 유입될 우려가 있고, 중량비가 99:1 초과, 즉 탄소수 4 내지 12인 알킬(메타)아크릴레이트 단량체의 함량이 99중량% 초과인 경우 접합 후 기재 필름과의 밀착성이 떨어져 내구성 시험 조건 하에서 박리의 우려가 있다.
상기와 같은 성분 이외에, 아크릴계 공중합체는 통상의 중합성 단량체를 더 포함할 수 있다.
아크릴계 공중합체는 중량평균분자량(Mw)이 10만 내지 170만인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 50만 내지 160만, 가장 바람직하게는 60만 내지 100만인 것이 좋다. 중량평균분자량이 10만 미만인 경우 내습열 조건에서 미세 기포의 발생 우려가 있으며, 170만 초과인 경우 점도가 높아져 도공 시 용매를 과량 사용해야 하는 문제가 있다.
아크릴계 공중합체는 통상의 중합방법으로 제조된 것일 수 있으며, 개시제의 함량, 반응 온도, 반응 시간, 촉매의 종류 및 함량, 기타 성분의 사용 등과 같은 조건을 변화시켜 중량평균분자량을 조절할 수 있다. 예컨대, 질소가스가 환류되고 온도조절이 용이하도록 냉각장치가 설치된 1L의 반응기에 탄소수 4 내지 12의 알킬(메타)메타아크릴레이트 단량체와 카르복시기를 함유하는 중합성 단량체를 투입하고 용매, 예컨대 에틸아세테이트(EA)를 투입한다. 그 후 산소를 제거하기 위하여 질소 가스를 1시간 동안 투입하여 치환하고 반응온도까지 승온시킨 후 중합개시제, 예컨대 벤조일퍼옥사이드를 투입하고 적정 시간 동안 반응시켜 아크릴계 공중합체를 제조할 수 있다. 여기서, 용매와 중합개시제의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에서 공지된 것을 사용할 수 있다.
가교제는 아크릴계 공중합체에 함유된 카르복시기와 가교 가능한 관능기가 고분자 주사슬을 서로 연결하여 내습열 조건 하에서 이면 보호 시트의 층간에서의 기포 혼입 및 박리 등과 같은 내구성 저하 현상을 억제하기 위한 성분으로서, 예컨대 이소시아네이트 화합물, 에폭시 화합물, 아지리딘 화합물 등을 들 수 있다.
이소시아네이트계 가교제로는 톨릴렌디이소시아네이트, 자일렌디이소시아네이트, 2,4-디페닐메탄디이소시아네트, 4,4-디페닐메탄디이소시아네트, 헥사메틸렌디이소시아네이트, 이소포론디이소시아네이트, 테트라메틸자일렌디이소시아네이트, 나프탈렌디이소시아네이트 등의 디이소시아네이트 화합물; 트리메틸올프로판 등의 다가 알콜계 화합물 1몰에 디이소시아네이트 화합물 3몰을 반응시킨 부가체, 디이소시아네이트 화합물 3몰을 자기 축합시킨 이소시아누레이트체, 디이소시아네이트 화합물 3몰 중 2몰로부터 얻어지는 디이소시아네이트 우레아에 나머지 1몰의 디이소시아네이트가 축합된 뷰렛체, 트리페닐메탄트리이소시아네이트, 메틸렌비스트리이소시아네이트 등의 3개의 관능기를 함유하는 다관능 이소시아네이트 화합물 등을 들 수 있으며, 이 중에서 헥사메틸렌디이소시아네이트 또는 트리메틸올프로판에의 부가체가 바람직하다.
에폭시계 가교제로는 에틸렌글리콜디글리시딜에테르, 디에틸렌글리콜디글리시딜에테르, 폴리에틸렌글리콜디글리시딜에테르, 프로필렌글리콜디글리시딜에테르, 트리프로필렌글리콜디글리시딜에테르, 폴리프로필렌글리콜디글리시딜에테르, 네오펜틸글리콜디글리시딜에테르, 1,6-헥산디올디글리시딜에테르, 폴리테트라메틸렌글리콜디글리시딜에테르, 글리세롤디글리시딜에테르, 글리세롤트리글리시딜에테르, 디글리세롤폴리글리시딜에테르, 폴리글리세롤폴리글리시딜에테르, 레졸신디글리시딜에테르, 2,2-디브로모네오펜틸글리콜디글리시딜에테르, 트리메틸올프로판트리글리시딜에테르, 펜타에리트리톨폴리글리시딜에테르, 소르비톨폴리글리시딜에테르, 아디핀산디글리시딜에스테르, 프탈산디글리시딜에스테르, 트리스(글리시딜)이소시아누레이트, 트리스(글리시독시에틸)이소시아누레이트, 1,3-비스(N,N-글리시딜아미노메틸)시클로헥산, N,N,N',N'-테트라글리시딜-m-자일릴렌디아민 등을 들 수 있으며, 이 중에서 (글리시딜)이소시아누레이트, 트리스(글리시독시에틸)이소시아누레이트, 1,3-비스(N,N-글리시딜아미노메틸)시클로헥산, N,N,N',N'-테트라글리시딜-m-자일릴렌디아민 등의 3개 이상의 관능기를 함유하는 다관능 에폭시 화합물이 바람직하다.
아지리딘계 가교제로는 이소시아네이트 화합물과 에틸렌이민과의 반응생성물을 들 수 있으며, 예컨대 N,N'-헥사메틸렌비스(1-아지리딘카르복시아미드), N,N'-톨루엔-2,4-비스(1-아지리딘카르복시아미드), N,N'-디페닐메탄-4,4'-비스(1-아지리딘카르복시아미드), 메틸렌비스[N-(1-아지리디닐카르보닐)-4-아닐린], 테트라메틸올메탄-트리스(β-아지리디닐프로피오나이트), 트리메틸올프로판-트리스(β-아지리디닐프로피오나이트) 등을 들 수 있다.
이들 가교제는 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 이들 중에서, 특히 헥사메틸렌디이소시아네이트, 3개의 관능기를 함유하는 다관능 이소시아네이트 화합물이 바람직하다. 이들 화합물은 주제인 아크릴계 공중합체의 관능기인 카르복시기와의 반응에 의해 포트-라이프를 충분히 확보할 수 있어 양생성을 보다 향상시킬 수 있다.
가교제는 고형분 함량을 기준으로 카르복시기 함유 아크릴계 공중합체 100중량부에 대하여 0.1 내지 12중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5 내지 11중량부인 것이 좋다. 함량이 0.1중량부 미만인 경우 내습열 조건 하에서 기포의 발생을 억제하기 어렵고, 12중량부 초과인 경우 도공 공정 중에 접착제 조성물이 겔화될 우려가 있다.
촉매는 아크릴계 공중합체에 함유된 카르복시기와 가교제에 함유된 관능기와의 가교반응을 가속화하여 양생 속도를 조절하는 가교촉진제 성분으로서, 예컨대 루이스 산, 루이스 염기 등을 들 수 있다.
루이스 산은 전자의 수용특성을 갖는 금속 할라이드 또는 유기금속성 화합물로서, 하기 화학식 1로 표시된다:
Figure pat00001
(식 중, R1은 할로겐, 탄소수 1-20의 알킬기, 아릴기, 아실기로 치환 또는 비치환된 탄소수 1-20의 알콕시기, 및 아실옥시기로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 유기 그룹이고, M은 B, Mg, Al, Ca, Sn, Pb 또는 3A-7A 그룹 및 1B 그룹 중 어느 한 그룹에 속해있는 전이금속 원자이며, n은 1-6의 정수이고, m은 0-2의 정수임).
루이스 산을 형성하는 금속은 IUPAC에 의한 무기 화학의 명명법(1988)에 따라 분류된다. 루이스 산의 구체적인 예로는, 보론 트리플루오라이드, 알루미늄 트리클로라이드, 티타늄 트리클로라이드, 티타늄 테트라클로라이드, 페로스 클로라이드, 페리 클로라이드, 아연 클로라이드, 아연 브로마이드, 스태너스 클로라이드, 스탠 클로라이드, 스태너스 브로마이드, 스탠 브로마이드 등의 금속 할라이드; 트리알킬보론, 트리알킬알루미늄, 디알킬알루미늄 할라이드, 모노알킬알루미늄 할라이드, 테트라알킬틴, 알루미늄 아세틸아세토네이트, 철 아세틸아세토네이트, 지르코늄 아세틸아세토네이트, 디부틸틴옥사이드, 디부틸틴 아세틸아세토네이트, 디부틸틴 디라우레이트, 디옥틸틴 에스테르 말레이트, 마그네슘 나프테네이트, 칼슘 나프테네이트, 망간 나프테네이트, 철 나프테네이트, 코발트 나프테네이트, 구리 나프테네이트, 아연 나프테네이트, 지르코늄 나프테네이트, 납 나프테네이트, 칼슘 옥타노네이트, 망간 옥타노네이트, 철 옥타노네이트, 코발트 옥타노네이트, 아연 옥타노네이트, 지르코늄 옥타노네이트, 틴 옥타노네이트, 납 옥타노네이트, 아연 라우레이트, 마그네슘 스테아레이트, 알루미늄 스테아레이트, 칼슘 스테아레이트, 코발트 스테아레이트, 아연 스테아레이트, 납 스테아레이트 등의 유기금속 화합물을 들 수 있다. 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
루이스 염기는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물일 수 있다:
Figure pat00002
(식 중, X는 H, -OR2 또는 -N(R2)2이고 피리딘의 2, 3 또는 4번 탄소에 치환될 수 있으며, R2는 H 또는 탄소수 1-24의 지방족 탄화수소기임).
탄소수 1-24의 지방족 탄화수소기의 구체적인 예로는 메틸기, 에틸기, n-프로필기, 이소프로필기, 알릴기, n-부틸기, 이소부틸기, n-펜틸기, 네오펜틸기, n-헥실기, n-헵틸기, n-옥틸기, 2-에틸헥실기, n-데실기, n-도데실기, n-테트라데실기, n-헥사데실기, n-옥타데실기, 시클로프로필메틸기, 시클로부틸메틸기, 시클로펜틸메틸기, 시클로헥실메틸기, 시클로헥실데실기, 비시클로헵틸메틸기, 비시클로옥틸메틸기, 비시클로옥틸헥실기, 이소보닐메틸기, 트리시클로데카닐메틸기, 트리시클로데카닐프로필기, 벤질기, 페닐에틸기, 페닐옥틸기 또는 나프틸헥실기 등을 들 수 있다.
이들 촉매는 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 이들 중에서 루이스 산인 디부틸틴디라우레이트가 바람직하다.
촉매는 고형분 함량을 기준으로 카르복시기 함유 아크릴계 공중합체 100중량부에 대하여 0.0001 내지 3중량부로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 0.005 내지 1중량부, 보다 바람직하게는 0.05 내지 0.1중량부인 것이 좋다. 함량이 0.0001중량부 미만인 경우 가교반응 가속화 효과가 미미할 수 있고, 3중량부 초과인 경우 용해도가 낮아 저장 안정성이 나빠질 수 있으며 접착제 조성물의 포트-라이프가 짧아져 공정성이 저하될 수 있다.
상기와 같은 성분을 포함하는 아크릴계 접착제 조성물을 도공한 후 건조함으로써 아크릴계 접착제층을 형성할 수 있다.
아크릴계 접착제층의 두께는 통상 0.01 내지 20㎛일 수 있으며, 바람직하게는 0.05 내지 10㎛인 것이 좋다. 두께가 0.01㎛ 미만인 경우 도공 불량이 발생할 수 있고 접착력을 안정적으로 발현시키기 어려우며, 20㎛ 초과인 경우 접착제의 균일한 도공이 어려워 두께 불균일이 생겨 외관이 나빠지는 경향이 있다.
아크릴계 접착제층은 주제인 아크릴계 공중합체의 관능기인 카르복시기와 상기 카르복시기와 가교 가능한 가교제의 관능기, 특히 이소시아네이트기가 도입됨으로써 포트-라이프를 충분히 확보하여 양산 시 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 현재 양산에 적용되고 있는 통상의 폴리우레탄계 또는 폴리에스테르계 접착제가 60℃에서 6일 정도의 기간 동안 양생되는 것과는 달리, 상온의 낮은 온도에서 2일 정도의 짧은 기간 동안에도 충분한 양생 가능하다. 이를 통하여, 양생 기간을 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있고 양생 공정을 위한 별도의 양생실 및 이의 관리를 필요로 하지 않는다. 뿐만 아니라 종래 태양전지 이면 시트에 요구되었던 밀착성과 내습열 내구성도 부여할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 태양전지 이면 보호 시트는 통상의 방법으로 제조할 수 있다. 예컨대, 폴리에틸렌계 필름, 배리어 필름 및 내후성 필름 각각의 적어도 하나의 접합면 상에 아크릴계 접착제 조성물을 도공하고 이들을 서로 접합한 후 건조하는 방법을 들 수 있다. 도공방법은 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 유연법, 마이어 바 코팅법, 다이 코팅법, 딥 코팅법, 스프레이 코팅법 등을 들 수 있다. 건조는 예컨대 열풍을 분무함으로써 수행될 수 있는데, 건조온도는 60 내지 120℃의 범위에서 적절하게 선택되며, 건조 시간은 20 내지 1,200초 정도일 수 있다. 건조 후에는 상온 또는 그보다 약간 높은 온도, 예컨대 20 내지 40℃의 온도에서 12 내지 25시간 동안 양생시킬 수 있다. 특히, 본 발명의 태양전지 이면 보호 시트는 충분한 포트-라이프를 확보하여 상온에서 약 2일 정도의 단시간 내에 양생 가능하다.
본 발명의 태양전지 이면 보호 시트는 통상의 태양전지 모듈에 모두 적용 가능하다. 구체적으로, 도 4에 나타낸 바와 같이, 태양광이 닿는 면에 위치되는 투명 전면 기판(20), 태양전지 소자(30), 태양전지 소자를 매립하는 EVA 충전재(40) 및 이면 보호 시트(10)로 구성되며, 특히 EVA 충전재(40)와 이면 보호 시트(10)의 폴리에틸렌계 필름(11)이 밀착되도록 적층되어 구성된다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예
제조예 1. 접착제 조성물A
고형분 함량을 기준으로 n-부틸아크릴레이트(BA)와 아크릴산(AA)의 중량비가 90:10이고 중량평균분자량이 90만인 아크릴계 공중합체 100중량부, 가교제로 트리메틸올프로판의 톨릴렌디이소시아네이트 부가체(COR-L, 일본폴리우레탄공업) 3중량부와 촉매로 루이스 산인 디부틸틴 디라우레이트(DBTDLA) 0.1중량부를 혼합하고, 농도가 15%가 되도록 메틸에틸케톤으로 희석하여 접착제 조성물A를 제조하였다.
제조예 2. 접착제 조성물B
상기 제조예 1과 동일하게 제조하되, n-부틸아크릴레이트(BA)와 아크릴산(AA)의 중량비가 90:10이고 중량평균분자량이 20만인 아크릴계 공중합체를 사용하였다.
제조예 3. 접착제 조성물C
상기 제조예 1과 동일하게 제조하되, n-부틸아크릴레이트(BA)와 아크릴산(AA)의 중량비가 90:10이고 중량평균분자량이 120만인 아크릴계 공중합체를 사용하였다.
제조예 4. 접착제 조성물D
폴리에스테르계 우레탄 수지(Liostar 7200, 토요모톤사)를 사용하였다.
제조예 5. 접착제 조성물E
상기 제조예 1과 동일하게 제조하되, n-부틸아크릴레이트(BA)와 2-히드록시에틸메타크릴레이트(2-HEMA)의 중량비가 90:10이고 중량평균분자량이 90만인 아크릴계 공중합체를 사용하였다.
구분 명칭 주제 가교제 촉매
아크릴계 공중합체 PE
BA AA 2-HEMA Mw COR-L DBTDLA
제조예1 A 90 10 - 90만 - 3 0.1
제조예2 B 90 10 - 20만 - 3 0.1
제조예3 C 90 10 - 120만 - 3 0.1
제조예4 D - - - - 100 3 0.1
제조예5 E 90 - 10 90만 - 3 0.1
BA: n-부틸아크릴레이트
AA: 아크릴산
2-HEMA: 2-히드록시에틸메타크릴레이트
PE: 폴리에스테르계 수지(Liostar 7200, 토요모톤사)
COR-L : 트리메틸올프로판의 톨릴렌디이소시아네이트 부가체(일본폴리우레탄공업㈜)
DBTDLA: 디부틸틴 디라우레이트
실시예 1
기재 필름으로 두께가 100㎛인 밀도 0.954g/㎤의 폴리에틸렌(PE) 필름(7700F, 호남석유화학)(41㎝×34㎝) 1매의 일면을 1,000W의 출력 강도로 코로나 방전 처리하였다. 또한, 배리어 필름으로 저투습 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름의 일면을 동일한 출력 강도로 코로나 방전 처리하였다. PE 필름의 코로나 방전 처리된 면에 제조예 1의 접착제 조성물A를 건조 후 두께가 10㎛가 되도록 도공하고 100℃에서 1분 동안 건조하여 접착제층을 형성하였다. 이때, 밀착성 시험 평가를 위하여 도공 폭은 24㎝ 이하가 되도록 하였다. 건조된 접착제층의 코팅스지 발생 유무를 확인한 후 PET 필름의 코로나 방전 처리된 면을 적층하여 시트를 제조하였다. 제조된 시트를 23℃, 50%RH 조건 하에서 2일 동안 양생한 후 시험 평가하였다.
실시예 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제조예 2의 접착제 조성물B를 사용하였다.
실시예 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제조예 3의 접착제 조성물C를 사용하였다.
실시예 4
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 밀도가 0.926g/㎤인 폴리에틸렌(PE) 필름을 사용하였다.
실시예 5
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 밀도가 0.985g/㎤인 폴리에틸렌(PE) 필름을 사용하였다.
비교예 1
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 고밀도 폴리에틸렌(PE) 필름(7700F, 호남석유화학)(41㎝×34㎝) 대신에 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름(SKC)을 사용하였다.
비교예 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제조예 4의 접착제 조성물D를 사용하였다.
비교예 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제조예 5의 접착제 조성물E를 사용하였다.
시험예
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 시트의 물성을 하기의 방법으로 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
1. 밀착성(N/25㎜)
제조된 시트를 슈퍼커터를 이용하여 25㎜×250㎜의 크기로 절단하되, 도공되지 않은 부분이 2㎝ 정도 포함되도록 절단하였다. 미도공된 부분의 기재 필름의 양쪽 끝을 오토그라프의 양쪽 클램프에 고정한 후 300m/분의 속도로 박리하여 밀착성을 측정하였다.
2. 접합 기포
제조된 시트를 검품용 라이트 박스(형광등과 확산판으로 구성된 전등) 위에 올려 접합 기포의 유무를 육안으로 확인한 후 하기 기준에 의거하여 평가하였다.
<평가기준>
○: 미세 기포가 없음.
△: 미세 기포 3개 미만으로 발생함.
×: 미세 기포 3개 이상으로 발생함.
3. 내습열 내구성
제조된 시트를 10㎝×10㎝의 크기로 절단한 후 클램프로 고정하여 상단부에 걸어놓은 상태로 80℃, 85%RH 오븐에서 500시간 동안 방치하였다. 방치된 시편의 외관상의 박리 유무를 확인하고, 검품용 라이트 박스 위에 올려 미세 기포의 발생 여부를 육안으로 확인한 후 각각 하기 기준에 의거하여 평가하였다.
<평가기준>
○: 박리 현상이 없음. 미세 기포의 발생이 없음.
△: 박리 현상이 없음. 미세 기포 3개 미만으로 발생함.
×: 박리 현상이 있음. 미세 기포 3개 이상으로 발생함.
4. 겔분율
정칭(精秤)한 250메쉬의 철망(100㎜×100㎜)에 제조된 시트의 접착제층을 약 0.25g 첩부하고, 겔분이 새어나가지 않도록 감싼다. 그 후, 정밀 천칭으로 중량을 정확하게 측정한 후, 철망을 에틸아세테이트 용액에 3일간 침지한다. 침지된 철망을 꺼내어 소량의 에틸아세테이트 용액으로 세정하고, 120℃에서 24시간 건조한 후 중량을 측정한다. 측정된 중량을 이용하여 하기 수학식 1로 겔분율을 계산하였다.
Figure pat00003
[식 중, A는 철망의 중량(g), B는 점착제층을 첩부한 철망의 중량(B-A: 점착제 중량, g), C는 침지 후 건조한 철망의 중량(C-A: 겔화된 수지의 중량, g)임].
구분 기재 필름 접착제층 밀착성
(N/25㎜)		 접합
기포		 내습열 내구성 겔분율
(%)
종류 밀도
(g/㎤)		 종류 박리 미세 기포
실시예1 PE 0.954 A 18.52 ○ ○ ○ 75.2
실시예2 PE 0.954 B 19.03 ○ ○ ○ 75.5
실시예3 PE 0.954 C 18.88 ○ ○ ○ 76.1
실시예4 PE 0.926 A 17.03 ○ △ △ 75.1
실시예5 PE 0.985 A 18.96 △ △ △ 75.1
비교예1 PET - A 18.54 △ △ × 75.8
비교예2 PE 0.954 D 10.68 × △ × 32.5
비교예3 PE 0.954 E 15.35 △ △ × 6.6
위 표 2와 같이, 본 발명에 따라 기재 필름으로서 폴리에틸렌계 필름과 기능성 필름이 아크릴계 접착제층을 매개로 접합된 실시예 1 내지 5의 시트는 비교예 1 내지 3의 시트와 비교하여 밀착성과 내습열 내구성이 우수하고 접합 기포의 발생도 적을 뿐만 아니라 양생 기간도 단축시킬 수 있음을 확인하였다. 특히, 기재 필름으로서 밀도가 0.94 내지 0.97g/㎤인 폴리에틸렌계 필름이 사용되는 경우 밀착성과 내구성에서 보다 효과적이었다.
10: 태양전지 이면 보호 시트 11: 폴리에틸렌계 필름
12: 카르복시기 함유 아크릴계 접착제층
13: 배리어 필름 14: 내후성 필름
20: 투명 전면 기판 30: 태양전지 소자
40: EVA 충전재

Claims (7)

  1. 에틸렌-비닐아세테이트 충전재와 밀착되는 폴리에틸렌계 필름과 배리어 필름 또는 내후성 필름이 아크릴계 접착제층을 매개로 접합되고,
    상기 아크릴계 접착제층은 카르복시기 함유 아크릴계 공중합체, 가교제 및 촉매를 포함하는 접착제 조성물로 형성된 것인 태양전지 이면 보호 시트.
  2. 청구항 1에 있어서, 카르복시기 함유 아크릴계 공중합체는 탄소수 4 내지 12인 알킬(메타)아크릴레이트 단량체 83 내지 99중량% 및 카르복시기를 함유하는 중합성 단량체 1 내지 17중량%의 공중합체인 태양전지 이면 보호 시트.
  3. 청구항 1에 있어서, 카르복시기 함유 아크릴계 공중합체는 중량평균분자량이 60만 내지 100만인 태양전지 이면 보호 시트.
  4. 청구항 1에 있어서, 가교제는 다관능 이소시아네이트계 화합물인 태양전지 이면 보호 시트.
  5. 청구항 1에 있어서, 촉매는 루이스 산 및 루이스 염기로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 태양전지 이면 보호 시트.
  6. 청구항 1에 있어서, 폴리에틸렌계 필름은 밀도가 0.94 내지 0.97g/㎤인 태양전지 이면 보호 시트.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 따른 태양전지 이면 보호 시트가 구비된 태양전지 모듈.
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