KR20130055834A - 저열수축성 태양전지 모듈용 봉지시트 및 그 제조방법 - Google Patents

저열수축성 태양전지 모듈용 봉지시트 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저열수축성 태양전지 모듈용 봉지시트 및 그 제조방법에 대한 것으로, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저열수축성 태양전지 모듈용 봉지시트의 제조 방법은 태양전지 모듈제작시 봉지재로 사용되는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate; 에틸렌 바이닐 아세테이트 공중합체)와 첨가제를 미리 혼합한 후 압출기에 투입하는 단계; 투입된 원료를 압출기에서 혼련한 후 T-다이(die) 혹은 칼렌더 방식에 의해 토출하여 시트 형태로 성형하는 단계; 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 혹은 폴리올레핀 계열 필름과 합지 후 열처리 장치를 통해 열수축을 감소시키는 단계로 구성됨을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 저열수축성 태양전지 모듈용 봉지 시트 및 그의 제조방법은 EVA와 첨가제를 혼련후 토출ㆍ성형하여 다른 필름과 합지 후 열처리함에 의해 보다 저렴하고 간단한 공정으로 낮은 열수축 특성을 제공함으로 인해, 태양전지 모듈제작을 위한 라미네이션 공정 중에도 셀의 이동 및 파손을 방지할 수 있으며, 후면 보호 필름과의 일체형 제작이 가능하여 제조 원가를 더욱 낮출 수 있는 이점을 제공한다.

Description

저열수축성 태양전지 모듈용 봉지시트 및 그 제조방법{Encapsulation sheet for a solarcell module having low heat shrinkability and preparing process thereof}
본 발명은 저열수축성 태양전지 모듈용 봉지시트 및 그 제조방법에 대한 것으로, 더욱 자세하게는, 각종 기능성 부여를 위한 첨가제와 EVA(Ethylene Vinyl Acetate), PVB(Polyvinyl Butyral) 등의 수지를 혼합한 후, T-다이 방식 혹은 칼렌더 방식으로 시트의 형상으로 제조하고 열처리함에 의해 제조된 봉지재 시트가 태양전지 모듈에 사용될 때 고온 진공조건에서의 봉지시트가 낮은 열수축성을 가지는 태양전지 모듈용 봉지시트 및 그 제조방법에 대한 것이다.
종래의 에너지원은 그 사용량에 있어 한계가 존재하고, 특히 석유 등의 화석연료는 이산화 탄소 및 각종 유해가스를 발생시켜 환경문제를 야기하는 문제점이 있다. 최근 들어 이러한 화석에너지 자원의 고갈 위기 및 온실가스 등의 방출에 따른 온난화 위기로, 풍력, 태양열 및 태양광 에너지 등 재생가능하고 청정한 에너지원이 주목을 받고 있다. 그 중 태양 에너지를 이용한 태양광 발전은 무공해, 무소음, 무한 공급이라는 점에서 그 성장가능성을 가장 높게 평가받고 있으며, 세계 각국의 지원책에 의해 급격한 성장세를 보이고 있다. 이러한 태양광 발전의 대표로서, 결정 및 비결정 실리콘 태양전지 등의 반도체를 이용한 태양전지를 들 수 있다.
이러한 태양광 발전에 있어서, 태양전지 모듈은 광전효과를 이용하여 빛 에너지를 전기에너지를 변환시키는 태양전지 셀이 가혹한 외부환경에서도 수십 년의 수명을 가질 수 있도록 셀을 보호할 수 있도록 한다. 일반적인 모듈화 과정을 살펴보면, 빛을 투과시킴과 동시에 보호를 위한 표면 유리와 이면 측 보호 부재인 후면 보호 필름(Backsheet) 사이에 셀을 위치시키며, 이때 셀의 보호 및 유리와 후면 보호 필름과의 접착을 위해 봉지재가 사용된다. 더욱 자세하게는 표면유리, 봉지재 시트, 태양전지 셀, 봉지재 시트, 후면 보호 필름의 순서대로 적층을 하고, 고온에서 봉지재 시트가 완전히 용융되어 고분자의 충분한 이동성이 확보된 상태에서 상하 방향에서의 가압 및 탈기로 진행되는 라미네이션 공정을 거쳐 모듈화가 진행된다.
이러한 봉지재 시트는 태양전지의 발전 효율을 높이기 위해서 투과율과 접착성이 우수하고, 태양전지의 장기사용을 위해 높은 내후성 및 내구성이 요구된다. 일반적인 봉지재는 가교제를 포함하는 투명연질의 수지로 이루어져야 하며, 수지의 주성분은 EVA가 일반적으로 사용된다. 동시에 앞에서 설명한 특성을 만족시키기 위해서 각종 첨가제를 배합하여 사용한다.
또한, 모듈제작 과정에서 적층 후 열을 가하는 과정에서 고분자의 유동성에 의해 배열한 태양전지 셀의 이동이 있을 수 있는데, 이를 방지하기 위해서는 라미네이션 공정 중 봉지재 시트의 움직임이 적어야 한다. 이러한 열수축을 제어하지 못할 경우 셀간의 배선이 흐트러지거나, 심할 경우 셀이 파손되는 경우가 발생할 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 개선하기 위해 대한민국 특허공개공보 제2010-0117271호는 T-다이(die) 방식으로 성형되는 봉지재용 EVA 시트 제작에 있어, 토출된 EVA를 시트로 성형하는 단계에서, 수지의 잔류 응력을 해소시키기 위하여 3개의 롤로 이루어진 캐스팅부 대신, 벨트식 칼렌더 롤을 사용하여 토출직후 이루어진 냉각에서 시트가 연신되지 않도록 하는 공정을 제시한 바 있다. 하지만, 상기한 방법은 캐스팅전까지 이루어지는 중력에 의한 연신 등에 의해 열수축 저감에는 한계가 있고, 벨트식 칼렌더를 통과한 후 시트의 박리 등에 있어서 문제점이 존재하는 것으로 알려져 있다. 한편, 대한민국 특허공개공보 제2010-0132351호는 내가수분해성이 충분히 개선되어 우수한 내후성을 가지는 새로운 태양전지용 배면시트 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 태양전지용 배면시트를 2 기압하에서 120℃의 온도로 75시간 동안 열수처리한 후에 측정한 종방향(MD) 및 횡방향(TD)의 신도 유지율이 모두 80% 이상이 되도록 하는 것과, 태양전지용 배면시트는 타 소재 필름과 합지를 하거나 표면가공 또는 통상의 UV 안정제를 함유시키는 공정 등을 통해 더욱 우수한 성능을 기대할 수 있다고 기술하고 있으나, 이러한 구체적인 합지필름의 종류 및 방법과 이에 따른 작용효과를 실질적으로는 개시하고 있지 못하다.
특허문헌 1: 대한민국 특허공개공보 제2010-0117271호 특허문헌 2: 대한민국 특허공개공보 제2010-0132351호
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 실정을 감안하여 된 것으로, 본 발명의 제일 목적은 낮은 수축율을 가져 태양전지 모듈의 라미네이션 공정에서도 셀의 이동 및 파손을 방지할 수 있는 태양전지 모듈용 봉지 시트를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 바와 같이 낮은 수축율을 가지는 태양전지 모듈용 시트를 보다 용이하게 제조할 수 있는 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 또한 상기한 명확한 목적 이외에 이러한 목적 및 본 명세서의 전반적인 기술로부터 이 분야의 통상인에 의해 용이하게 도출될 수 있는 다른 목적을 달성함을 그 목적으로 할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저열수축성 태양전지 모듈용 봉지시트의 제조 방법은;
태양전지 모듈제작시 봉지재로 사용되는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate; 에틸렌 바이닐 아세테이트 공중합체)와 첨가제를 미리 혼합한 후 압출기에 투입하는 단계;
투입된 원료를 압출기에서 혼련한 후 T-다이(die) 혹은 칼렌더 방식에 의해 토출하여 시트 형태로 성형하는 단계; 및
폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 혹은 폴리올레핀 계열 필름과 합지 후 열처리 장치를 통해 열수축을 감소시키는 단계로 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구성에 따르면, 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 혹은 폴리올레핀 필름은 두께가 0.05 내지 0.3mm인 것을 사용함을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 열처리는 70 내지 130℃에서 실시하며, 복수의 온도 조절 구간을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 시트의 열처리는 70 내지 130℃에서 10 내지 100초의 시간 동안 실시하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저열수축성 태양전지 모듈용 봉지시트는;
태양전지 모듈제작시 봉지재로 사용되는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate; 에틸렌 바이닐 아세테이트 공중합체)와 첨가제를 미리 혼합한 후 압출기에 투입하고, 투입된 원료를 압출기에서 혼련한 후 T-다이(die) 혹은 칼렌더 방식에 의해 토출하여 시트 형태로 성형하고, 그리고 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 혹은 폴리올레핀 계열 필름과 합지 후 열처리 장치를 통해 열수축을 감소시켜 제조된 것임을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 저열수축성 태양전지 모듈용 봉지 시트 및 그의 제조방법은 EVA와 첨가제를 혼련후 토출ㆍ성형하여 다른 필름과 합지 후 열처리함에 의해 보다 저렴하고 간단한 공정으로 낮은 열수축 특성을 제공함으로 인해, 태양전지 모듈제작을 위한 라미네이션 공정 중에도 셀의 이동 및 파손을 방지할 수 있으며, 후면 보호 필름과의 일체형 제작이 가능하여 제조 원가를 더욱 낮출 수 있는 이점을 제공한다.
도 1은 종래에 태양전지 모듈용 봉지시트의 제조에 사용되는 T-다이 성형 방식을 계략적으로 나타낸 도이고,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 태양전지 모듈용 봉지시트를 제조하기 위해 제시되는 T-다이 성형 방식을 계략적으로 나타낸 도이다.
이하, 본 발명을 첨부도면을 참고로 바람직한 실시형태에 의해 보다 자세하게 설명하나, 이는 본 발명의 자세하게 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아님은 물론이다.
도 1은 종래에 태양전지 모듈용 봉지시트의 제조에 사용되는 T-다이 성형 방식을 계략적으로 나타낸 도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 태양전지 모듈용 봉지시트를 제조하기 위해 제시되는 T-다이 성형 방식을 계략적으로 나타낸 도이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 본 발명의 태양전지 모듈용 봉지 시트는 도 2에 도시된 바와 같이 T-다이 성형방식을 통해 토출된 100 내지 130℃의 수지와 각종 첨가제의 혼합물이 3개의 롤로 구성되는 시트 성형부를 통과해 시트형상으로 제조된 후, 고온의 열처리 과정이 가능한 열처리 장치를 통과해, 수축응력을 해소하는 태양전지 모듈용 봉지재 시트로 제조되어 진다.
상기와 같이 3개의 롤을 통과하면서 성형된 봉지재 시트는, 70 내지 130℃의 온도분위기를 가지는 열처리 장치를 거치면서 시트 성형시 발생된 수축응력을 해소 시켜, 저열수축을 달성하게 된다.
이때, 봉지재 시트는 열처리 장치에 투입되기 전에, 도 2에 도시된 바와 같이 0.05 내지 0.3mm 두께의 후면 보호필름에 사용되는 PET 필름 혹은 폴리올레핀계열 필름과 함께 합지되어 투입되어 진다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 본 발명의 봉지재 시트에는 EVA 수지가 사용되는데, 상기 EVA는 투명성, 유연성, 가교를 위한 유기 과산화물과 가교조제 및 유리와의 접착성을 위한 접착보조제와의 함침성, 모듈제작시 사용되는 표면 유리 및 후면 보호 필름과의 접착성 등을 고려하여, 공중합체 중 비닐아세테이트의 함량이 20 내지 40중량%인 것을 특징으로 하며, 시트의 공정성 등을 고려하여 25 내지 35중량%인 것을 사용한다. 이때, 사용되는 EVA는 190℃, 2160kg의 하중에서의 멜트 플로우레이트(Melt Flow Rate)가 1.0 내지 50g/10분인 것이 바람직하다.
본 발명의 태양전지 모듈용 봉지재 시트에 가교제로 사용되는 유기 과산화물은 2,2-디(t-부틸퍼옥시)부탄, t-부틸-퍼옥시 아이스프로필벤젠, 1,1-디-(t-아밀퍼옥시)사이클로헥산, t-부틸 퍼옥시-2-에틸헥실 카보네이트, t-아밀(2-에틸헥실)모노퍼옥시 카르보네이트, t-부틸퍼옥시 아세테이트, t-아밀퍼옥시-2-에틸헥사노에이트, 2,5-디메틸-2,5-비스(t-부틸퍼옥시)헥산, t-부틸퍼옥시-2-에틸헥사노에이트 중에서 선택되는 1종 내지 2종을 사용한다. 과산화물의 사용량에 있어서는 EVA의 경우, 수지 투입량 100중량부에 대해여 0.1 내지 2 중량부를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 유기 과산화물 외에 봉지재 시트는 필요에 따라 각종 첨가제를 첨가할 수 있다. 이와 같은 첨가제로서는 가교를 돕는 가교조제 및 실란커플링제를 첨가할 수 있다.
봉지재 사용시 가교율을 향상시키고, 가교속도의 조절을 위해 가교조제를 사용할 수 있으며, 이 목적으로 제공되는 가교조제는 트리알릴 아이소시아누레이트를 들 수 있다.
접착보조제로 사용되는 실란커플링제로는 비닐기, 아크릴록시기, 메타아크릴록시기와 같은 불포화기, 아미노기, 에폭시기 등과 함께, 알콕시기와 같은 가수분해가 가능한 관능기를 갖는 화합물을 들 수 있다. 실란 커플링제로서 구체적으로는 비닐트리에톡시 실록산, 비닐트리메톡시 실록산, γ-메타아크릴록시 프로필트리에톡시 실록산 등을 예시할 수 있다. 실란 커플링제는 EVA의 경우, 수지 투입량에 대하여 0.1 내지 1 중량부 정도 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 첨가제 외에 태양전지 모듈용 봉지재 시트는 필요에 따라 자외선 흡수제, 광안정제, 산화방지제와 같이 빛 내지 열등에 의한 열화를 막기 위한 첨가제와 함께 혼합되어 성형될 수 있다.
위의 EVA와 각종 첨가제를 혼합하여 압출기에 투입하여 100 내지 130℃의 온도로 잘 혼련된 상태로 토출 후, 칼렌더 방식 혹은 T-다이 방식에 의해 시트의 형태로 성형한다. 이렇게 성형된 시트는 중력에 의한 연신 및 최종 성형품의 두께 형성을 위한 연신으로 수축응력이 발생한다.
발생된 수축응력을 해소시키기 위해서, 시트는 후면보호필름에 사용되는 0.05 내지 0.3mm 두께의 PET 필름 또는 폴리올레핀계 필름과 합지된 상태로 고무 재질의 누름 롤을 거쳐 열처리 장치에 투입되어 10 내지 100초간 열처리 과정을 거친다. 이때, 열처리 장치 내부의 온도 분포는 수축응력을 해소하기 위해 EVA의 충분한 유동성을 확보함과 동시에, 함께 투입되는 가교제의 급격한 반응 및 EVA의 열화를 막기 위해서 70 내지 120℃의 온도로 설정된다. 또한, 로 내 전체적인 온도 균일화를 달성하기 위해 70 내지 100℃의 열풍이 로 내로 지속적으로 투입된다.
합지 상태로 투입된 PET필름 내지 폴리올레핀 계열 필름은 열처리과정 동안, 고온에서 유동성이 확보된 EVA가 각 이동 롤간에 처지는 것을 막아 최종적으로 롤에 감기는 것을 방지하고, 동시에 일정한 방향으로 수축할 수 있도록 도와주는 역할을 한다.
열처리 장치의 반송롤의 재질 및 형상에 있어 특별한 제한은 없으나, 고온의 환경에 그 형상이 변하지 않는 테플론 재질 내지 종이관 등의 형태를 사용할 수 있다.
또한 최종적으로 성형된 제품에서 PET 필름 내지 폴리올레핀 계열 필름을 박리시키지 않았을 경우에는, 후면 보호 필름과 봉지재의 일체형으로도 사용이 가능하여 저열수축성의 특성을 높임과 함께, 제조 원가를 감소를 도모할 수 있다.
상기의 열처리 과정을 거친 봉지재 시트는 엠보스 가공을 통해 핸들링성 향상 및 모듈제작시의 가스 제거성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 태양전지 모듈용 봉지재 시트를 이용한 태양전지 모듈은 표면유리, 봉지재시트, 태양전지 셀, 봉지재시트, 후면보호 필름의 순 혹은 표면유리, 봉지재시트, 태양전지 셀, 봉지재시트와 후면보호 필름의 일체형 시트를 순서대로 적층 후, 일정한 규칙에 따라 진공 라미네이터로 100 내지 160℃의 온도, 탈기시간 4 내지 10분, 가압 0.5 내지 1기압, 가압시간 5 내지 20분으로 진공 가열 및 가압하여 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범위를 이들 실시예에 한정하기 위한 것이 아님은 물론이다.
실시예
멜트플로우레이트 15g/10분, 비닐아세테이트 함량 28중량% (삼성토탈석유화학, E280PV)의 EVA 100중량부에 대해서, 5-디메틸-2,5-비스(t-부틸퍼옥시)헥산 (알케마사 루페록스101) 1 중량부, 가교조제로 트리알릴 아이소시아누레이트 (일본화성 TAIC) 0.7 중량부, UV흡수제로서 2-하이드록시-4-올틸록시벤조피논 (스미토모화학 Sumisorb130) 0.2 중량부를 상온에서 배합하여, 직경 105mm의 트윈 압출기로 120℃ 미만의 온도로 500kg/h의 토출량으로 T-다이를 통해 압출하였다.
T-다이를 통해 압출된 수지와 첨가제의 혼합물은 캐스팅부를 거쳐 0.5mm 두께의 시트로 성형된다. 성형 직후 밑쪽에서 공급되는 0.175mm 두께의 PET 필름(도레이 X10S)과 함께 투입되어 고무형상의 누름 롤을 거쳐 열처리 장치에 투입된다. 열처리 장치는 투입된 EVA시트 온도의 평균온도가 다음 표 1과 같이 유지될 수 있도록 설정하여, 유지시간이 30초가 되도록 히터 및 열풍의 온도를 설정한다.
EVA 시트 온도 범위(℃)
온도조건1 80~90
온도조건2 90~100
온도조건3 100~110
온도조건4 110~120
비교예 1
상기의 열처리 장치에서 PET 필름 공급이 없는 것 외에는 실시예와 같이 하여 시트를 제조하였다.
비교예 2
상기의 열처리 장치가 없는 것 외에는 실시예와 같이 하여 시트를 제조하였다.
실험예
상기 각 실시예(시트 제조 완료 후 PET필름에서 박리) 및 비교예에서 제조된 0.5mm 두께의 시트에 대해서, 시트 중앙부에서 각 변 10cm의 정사각형 형태로 잘라 시편을 준비한다. 시편은 80℃로 설정된 온수 위에 1분간 방치 후, 시트 제조시 시트 흐름방향(MD방향)과 폭방향(TD방향)에 있어서, 그 변형된 길이를 측정하여 그 결과를 표2에 나타내었다.
실시예 비교예1 비교예2
MD방향 TD방향 MD방향 TD방향 MD방향 TD방향
온도조건1 48 110 50 111 27 115
온도조건2 75 104 68 105
온도조건3 81 104 성형불가
온도조건4 82 103
* 측정 단위는 mm 기준
* 비교예 2의 경우 열처리 장치가 없으므로 열처리 구간에 해당 없음.
상기 표 2에서 관찰할 수 있듯이, 열처리 과정이 없는 비교예 2의 경우 최초 길이 100mm에 대해서 최초 토출 시의 연신에 의해 MD방향으로는 큰 폭으로 수축하는 것을 관찰할 수 있다. 반면, TD방향은 최초 토출시의 넥인(Neck-in) 현상에 의해 수축응력이 반대로 작용하여 길이가 늘어나는 현상을 보였다.
열처리가 없이 성형된 비교예 2에 대해서 열처리를 통한 수축율 변화 결과를 살펴보면 온도 구간 1과 2에 대해서 수축율이 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한 PET필름이 공급되지 않은 비교예 1에 대해서 실시예의 경우가 수축율 저감폭이 더 큰 것을 쉽게 확인가능하다.
온도가 높아지는 구간 3과 구간 4에 대해서는 실시예의 경우 PET필름이 열처리 장치 내에서의 시트 처짐을 막아 안정적으로 성형이 가능하였으며, 구간 2에 비해서 열수축율이 더 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이에 반하여, 비교예 1의 경우 온도가 높아짐에 따라, 시트처짐 현상이 심해져 반송롤에서 시트가 감겨 안정적인 성형이 불가능하였다.

Claims (5)

  1. 태양전지 모듈제작시 봉지재로 사용되는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate; 에틸렌 바이닐 아세테이트 공중합체)와 첨가제를 미리 혼합한 후 압출기에 투입하는 단계;
    투입된 원료를 압출기에서 혼련한 후 T-다이(die) 혹은 칼렌더 방식에 의해 토출하여 시트 형태로 성형하는 단계; 및
    폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 혹은 폴리올레핀 계열 필름과 합지 후 열처리 장치를 통해 열수축을 감소시키는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 저열수축성 태양전지 모듈용 봉지시트의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 혹은 폴리올레핀 필름은 두께가 0.05 내지 0.3mm인 것을 사용함을 특징으로 하는 저열수축성 태양전지 모듈용 봉지시트의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 열처리는 70 내지 130℃에서 실시하며, 복수의 온도 조절 구간을 가지는 것을 특징으로 하는 저열수축성 태양전지 모듈용 봉지시트의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 시트의 열처리는 70 내지 130℃에서 10 내지 100초의 시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 저열수축성 태양전지 모듈용 봉지시트의 제조 방법.
  5. 청구항 1 내지 4 중의 어느 한 항에 따라 제조된 것임을 특징으로 하는 저열수축성 태양전지 모듈용 봉지시트.
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