KR20160068338A - 차량용 차체 일체형 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 차체 일체형 태양전지에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 탄성을 가지므로 차체 위에 구김없이 잘 부착될 수 있는 초박막 기판에 초박막 태양전지층을 형성함으로써 차체에 대한 매칭성이 향상되어 차체의 디자인을 변경하지 않아도 차량에 용이하게 적용할 수 있고, 차량의 각 부위에 부착된 각 태양전지에 개별적으로 전력 제어 컨트롤러를 연결하여 태양전지의 작동성능 차이에 기인한 에너지 손실을 최소화할 수 있는 차체 일체형 태양전지에 관한 것이다.

Description

차량용 차체 일체형 태양전지{A BODY-UNITY TYPE SOLAR CELL FOR AUTOMOBILE}
본 발명은 차량용 차체 일체형 태양전지에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 탄성을 가지므로 차체 위에 구김없이 잘 부착될 수 있는 초박막 기판에 초박막 태양전지층을 형성함으로써 차체에 대한 매칭성이 향상되어 차체의 디자인을 변경하지 않아도 차량에 용이하게 적용할 수 있고, 차량의 각 부위에 부착된 각 태양전지에 개별적으로 전력 제어 컨트롤러를 연결하여 태양전지의 작동성능 차이에 기인한 에너지 손실을 최소화할 수 있는 차체 일체형 태양전지에 관한 것이다.
최근 들어 에너지 문제를 해결하기 위하여 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 대체 에너지원에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.
특히, 풍력이나 태양력 등의 자연 에너지를 활용하기 위한 광범위한 연구가 진행되고 있으며, 이들 중 태양력을 이용한 태양전지는 자원량이 무한하고 환경 친화적이므로, 대체 에너지원으로서 가장 각광을 받고 있다.
이에 자동차 분야에서도 태양전지 장착에 대한 연구가 활발히 진행중이며, 실제 일부 하이브리드 차량(Hybrid Electric Vehicle), 전기자동차(EV)나 고급 차량의 경우 차체의 상면에 선루프 등에 장착되는 태양전지 패널을 옵션으로 판매 중에 있다.
한국공개특허 제10-2013-0034996호는 실리콘 태양전지를 자동차의 도어측 유리 및 후방측 유리 상부 루프 패널 및 트렁크 패널에 설치하는 기술에 대해 언급하고 있지만, 상기 공개특허에 개시된 방법으로는 실리콘 태양전지를 차체에 붙일 경우 차체 디자인이 평평하게 바뀌어야 하는 단점이 있다.
미국특허 제2008-0110485호는 자동차 표면에 적용 가능한 태양전지 마감재를 언급하고 있으나, 자동차 강판 위에 태양전지를 제작하게 되면 강판의 표면이 거칠기 때문에 (+), (-) 전극 간에 쇼트가 발생할 가능성이 크고, 태양전지의 효율이 낮아지는 단점이 있다.
따라서 태양전지의 적용면적을 차량의 전부 또는 대부분으로 넓혀 고출력의 에너지를 확보하면서도 차체와의 매칭성을 향상시킬 수 있는 연구가 절실히 필요한 실정이다.
또한, 태양전지가 직/병렬 어레이 구조로 서로 연결되어 차량의 각 부분에 부착되면, 태양전지의 부착 위치에 따라 태양빛을 받는 각도가 다르기 때문에 같은 성능을 갖는 태양전지라도 성능의 차이가 발생할 수 있다. 이렇게 되면 직/병렬 어레이 구조의 특징상 성능이 낮은 태양전지의 특성이 나타나기 때문에 태양전지의 효율이 낮아지게 된다.
따라서 태양전지를 차량의 각 부위에 부착할 때 각 태양전지를 성능의 저하 없이 연결하는 방법에 대한 연구도 필요한 실정이다.
1.한국공개특허 제10-2013-0034996호 2.미국특허 제2008-0110485호 3.한국공개특허 제10-2013-0050449호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 차체 디자인을 변경하지 않고 태양전지를 차체에 견고하게 부착할 수 있도록 차체에 대한 매칭성이 향상된 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 차량의 전체 또는 대부분에 부착하여도 차량의 무게 증가가 심하지 않은 경량화된 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 차량의 각 부위에 개별적으로 부착되므로 사고로 차량을 수리하는 경우 수리 부위에 부착된 태양전지만을 교체할 수 있는 분리형 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 차량의 각 부위에 부착된 각 태양전지의 성능차이에 기인한 전체 태양전지의 성능 저하를 방지할 수 있도록 개별적으로 전력이 제어되는 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해 아래의 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 차량용 차체 일체형 태양전지는 탄성을 갖는 초박막 기판과, 상기 기판의 일면에 형성된 초박막 태양전지층을 포함하고, 차량의 각 부위별로 나뉘어서, 차량의 전부 또는 일부에, 차체 디자인을 훼손하지 않으면서 부착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 초박막 기판의 두께는 1 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 초박막 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트 호일 또는 폴리다이메틸실록세인 필름인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 초박막 태양전지층은 유기 태양전지층, CIGS계열 태양전지층, 실리콘 박막 계열 태양전지층 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예는 상기 초박막 태양전지층의 외측으로 상기 태양전지를 보호하는 하드코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 하드코팅층의 투과도는 80 내지 100%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예는 상기 초박막 기판과 차량의 강판 사이에 개재되어 빛을 반사시키는 반사막을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 차량용 차체 일체형 태양전지는 차량의 루프, 엔진룸 후드, 펜더, 도어, 트렁크리드 및 범퍼 중 1 이상의 부위에 부착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 각 태양전지는 상호 간에 영향을 주고 받지 않고, 각 태양전지에 개별적으로 연결된 전력 제어 컨트롤러를 통해 배터리에 전력을 저장하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성을 포함하는 본 발명에 따른 차량용 차체 일체형 태양전지는 다음과 같은 효과를 갖는다.
본 발명은 차체 디자인을 변경하지 않고 태양전지를 차체에 견고하게 부착할 수 있도록 차체에 대한 매칭성이 향상된 태양전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 차량의 전체 또는 대부분에 부착하여도 차량의 무게 증가가 심하지 않은 경량화된 태양전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 차량의 각 부위에 개별적으로 부착되므로 사고로 차량을 수리하는 경우 수리 부위에 부착된 태양전지만을 교체할 수 있는 분리형 태양전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 차량의 각 부위에 부착된 각 태양전지의 성능차이에 기인한 전체 태양전지의 성능 저하를 방지할 수 있도록 개별적으로 전력이 제어되는 태양전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 차체 일체형 태양전지의 구성을 간략하게 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 차량용 차체 일체형 태양전지를 제조하는 공정의 일부분을 설명하기 위한 참고도이다.
도 3은 도 1의 차량용 차체 일체형 태양전지를 제조하는 공정의 다른 부분을 설명하기 위한 참고도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 차체 일체형 태양전지의 구성을 간략하게 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량용 차체 일체형 태양전지의 구성을 간략하게 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 전력 제어 컨트롤러의 연결방법을 설명하기 위한 참고도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 차량용 차체 일체형 태양전지(이하, '태양전지')는 탄성을 갖는 초박막 기판(10)과, 상기 기판의 일면에 형성된 초박막 태양전지층(20)을 포함한다.
상기 초박막 기판(10)은 탄성을 갖기 때문에 차체의 디자인을 변경하지 않아도 상기 태양전지를 차량에 부착할 수 있다. 전술한 바와 같이 종래의 태양전지는 차체에의 매칭성이 좋지 않아 차량에 태양전지를 장착하기 위한 평평한 면을 만들어야만 하는 제약이 있었다.
반면에, 본 발명에 따른 태양전지는 상기 초박막 기판(10)이 탄성을 가지므로 차체 위에 구김없이 잘 부착될 수 있다. 즉, 상기 초박막 기판(10)을 포함하는 상기 태양전지는 차체와의 매칭성이 좋기 때문에 차체의 디자인을 훼손하지 않을 수 있는 장점이 있다.
상기 초박막 기판(10)은 상기와 같은 목적을 달성할 수 있다면 어떠한 구성도 사용할 수 있으나, 바람직하게는 두께 1 ~ 5㎛의 폴리에틸렌테레프탈레이트 호일(PET foil) 또는 폴리다이메틸실록세인 필름(Polydimethylsiloxane film)과 같은 고분자계열의 물질이 사용될 수 있다.
상기 초박막 태양전지층(20)은 상기 태양전지에서 실질적으로 전력을 생산하는 구성으로, 그 기능 및 역할은 공지의 태양전지와 동일 및 유사하므로 본 명세서에서는 자세한 내용은 생략한다.
상기 초박막 태양전지층(20)은 유기 태양전지일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 차량의 디자인, 색상, 공정 등에 따라 박막 실리콘 계열, CIGS(Copper Indium Gallium Selenide) 계열 등의 초박막 태양전지(Ultra thin solar cell)라면 어떠한 태양전지도 상기 초박막 태양전지층(20)으로 사용될 수 있다.
상기 초박막 태양전지층(20)은 바람직하게는 100 ~ 500 nm의 두께로 형성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 초박막 태양전지층(20)은 투명전극(21), 상대전극(23) 및 상기 투명전극과 상대전극 사이에 개재된 활성화층(22)을 포함할 수 있다.
상기 투명전극(21)은 태양전지에서 양극 전극으로 사용되는 구성으로, 바람직하게는 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin OXide) 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 투명전극(21)은 그 상부에 poly (3,4-ethylene dioxylene thiophene):poly (styrene sulfonic acid) (PEDOT:PSS) 버퍼층(미도시)을 형성함으로써, 상기 태양전지 내에서 상기 투명전극(21)의 전기적 접촉이 증진될 수 있다.
상기 상대전극(23)은 태양전지에서 음극 전극으로 사용되는 구성으로, 상기 활성화층(22)의 상부에 인쇄/증착 공정을 통해 패터닝(Patterning)하여 형성될 수 있다. 이 때 패터닝은 레이져를 이용하거나 패턴 인쇄 공정을 이용할 수 있다.
상기 상대전극(23)은 활성층의 에너지 준위에 따라 적합한 것을 선정하여 사용하여 태양전지의 성능을 확보할 수 있는데, 바람직하게는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 금속, 카본나노튜브(Carbon nano tube), 그래핀(Graphene) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 활성화층(22)은 태양전지에 빛이 입사될 때, 광을 흡수하여 광전변환(phtoboltaic)을 하는 구성으로, 바람직하게는 전자 주개 (electron-donor)의 역할을 수행하는 poly (3-hexylthiophene) (P3HT) 고분자(Polymer)와 전자 받개 (electron-acceptor) 역할의 phenyl C61-butyric acid methyl ester (PCBM) 분자로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
종래의 선루프 등에 장착되는 태양전지는 무거운 무게에 의해 차량의 전면적에 도입하기 어렵다는 단점이 있었다. 차량의 무게는 연비 또는 성능에 직결된 문제이므로 태양전지를 차량의 전면적 또는 대부분의 면적에 부착하기 위해서는 경량화가 필수적이다. 이러한 점에서 본 발명에 따른 상기 태양전지는 상기 태양전지는 초박막 기판 및 초박막 태양전지층을 포함하므로, 상기 태양전지를 차량의 전면적 또는 대부분의 면적에 부착하여도 차량의 무게 증가가 심하지 않다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 태양전지는 전술한 바와 같이 초박막의 구성요소들을 포함하므로 그 총 두께가 1.5 ~ 5.5 ㎛ 밖에 되지 않기 때문에, 그 자체로는 대량생산 공정에 의해 제조하는데 큰 어려움이 있을 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 태양전지는, 도 2와 같이 상기 초박막 기판(10)을 유연기판(Supporter, 50)에 고정한 뒤, 도 3과 같이 태양전지층(20)을 형성하는 방식으로 제조될 수 있다.
상기 유연기판(50)은 취급하기 쉽고, Roll-to-roll과 같은 대면적 태양전지 공정을 수행하기 적합하도록 두께가 100㎛(0.1mm) 이상인 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 기판 등을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
보다 상세하게는, 유연기판(50) 위에 상기 초박막 기판(10)을 구김이 생기지 않도록 고르게 펴주며 덮은 뒤, 상기 초박막 기판(10) 위에 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정을 이용하여 투명전극, 활성화층, 상대전극을 인쇄/증착하여 초박막 태양전지층(20)을 형성함으로써 상기 태양전지를 제조할 수 있다.
도 4를 참조하여 상기 태양전지를 차체에 부착하는 과정을 살펴보면, 상기 태양전지를 적용하려는 부위에 맞게 절단(Cutting)하고, 강판(차체) 위에 접착제를 도포한 뒤 상기 초박막 기판(10)이 상기 강판에 맞닿도록 상기 태양전지를 부착한다. 이 때, 롤러블레이드나 스탬핑 등의 방법으로 상기 태양전지가 강판 위에 구김없이 잘 부착되도록 펴서 부착한다. 이 과정에서 상기 유연기판은 제거한 뒤 상기 태양전지를 부착한다.
도 4와 같이 태양전지의 표면이 외부로 노출되면 물리적 충격에 쉽게 손상되고, 오염되기 쉽기 때문에 본 발명에 따른 태양전지는 상기 초박막 태양전지층(20)의 상측으로 보호막 기능을 할 수 있는 하드코팅층(30)을 더 포함할 수 있다.
상기 하드코팅층(30)은 태양전지의 성능에 손상이 없도록 최소 80%의 투과도를 만족시키는 것이 바람직하고, 에폭시, 폴리에스테르, 우레탄, 폴리에터, 폴리부타디엔, 실리콘 아크릴레이트계 UV 경화제 등의 소재를 사용할 수 있다.
또한, 상기 하드코팅층(30)은 코팅에 의해 생기는 반사 현상에 의해 가시광선이 반사되어 투과율을 저하시키는 현상을 방지하기 위해 은(AG)코팅 등의 추가 코팅층을 더 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지는 차체에 부착되기 전에 상기 태양전지와 차체 사이에 반사막(40)을 적용할 수 있다. 상기 반사막을 추가로 코팅하면 빛이 활성층으로 반사되는 만큼 전자가 많이 생성되므로 약 10% 정도의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지는 전술한 바와 같이 차량의 각 부위별로 나뉘어서 차량에 부착될 수 있다. 크게 차량의 루프, 엔진룸 후드(Hood), 펜더(Fender), 앞문(Front door), 뒷문(Rear door), 트렁크리드(Trunk lid) 또는 범퍼(Bumper)의 각 부위별로 상기 태양전지가 부착될 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 태양전지를 각 부위의 형상에 맞게 절단한 뒤, 강판(차체) 위에 접착제를 도포하여 상기 태양전지가 구김없이 잘 부착되도록 펴서 부착할 수 있다.
상기 태양전지를 각 부위별로 나누어 부착함으로써, 예를 들어 자동차 사고로 인해 앞문을 교체해야 할 때 새로 교체될 앞문에 그 부위에 장착되어 있는 태양전지만 다시 부착하여 교체하면 되기 때문에 유지보수 및 관리 측면에서 유리한 장점이 있다.
또한 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지는 부위별로 부착된 각 태양전지 상호 간에 영향을 주고 받지 않도록 개별적으로 연결된 전력 제어 컨트롤러(60)를 통해 배터리에 전력을 저장할 수 있다.
전술한 바와 같이 태양전지가 직/병렬 어레이 구조로 연결되어 있으면 태양전지의 성능의 차이가 발생하였을 때 성능이 낮은 태양전지의 특성이 나타나게 되므로 다른 모든 태양전지의 특성이 제한되어 버리는 문제점이 있다.
예를 들면, 루프, 엔진룸 후드, 트렁크리드에 부착된 태양전지는 수평으로 놓이게 되는 반면, 도어, 펜더, 범퍼에 부착된 태양전지는 수직으로 놓이게 되므로 빛을 받는 각도가 달라 같은 성능을 갖는 태양전지라 하더라도 작동성능에는 차이가 생길 수 있다.
또한, 각 부위에 따라 부착된 태양전지의 면적이 다르므로 입사되는 태양빛의 양이 모두 다를 수 있고, 엔진룸 후드에 부착된 태양전지와 같은 경우는 주행 중에 엔진에서 발생하는 열에 의해 동일한 면적에 적용되는 다른 부위에 태양전지와 비교해 더 많은 전력을 발생시킬 수도 있다.
따라서 에너지의 손실 없이 최대한 효율적으로 태양전지로부터 발생하는 전력을 사용하기 위해, 도 6과 같이 각 태양전지에 전력 제어 컨트롤러(60)를 개별적으로 연결하여 다른 부위의 태양전지로부터 영향을 받지 않고 각각의 태양전지에서 나오는 전력을 배터리에 저장하도록 하였다.
상기 전력 제어 컨트롤러(60)는 전술한 기능을 수행할 수 있다면 어떠한 장치라도 사용될 수 있으나 바람직하게는 MPPT(Maximum Power Point Tracker) 변환기를 사용할 수 있고, 차량의 어느 부위에도 위치할 수 있다.
본 발명은 탄성을 가지므로 차체 위에 구김없이 잘 부착될 수 있는 초박막 기판에 초박막 태양전지층을 형성함으로써 차체에 대한 매칭성이 향상되어 차체의 디자인을 변경하지 않아도 차량에 용이하게 적용할 수 있는 태양전지를 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 기판, 태양전지층이 모두 초박막으로 구현되므로 총 두께가 1.5 ~ 5.5㎛정도로 경량화된 태양전지이므로 차량의 전면적 또는 대부분의 면적에 부착하여도 차량의 무게가 크게 늘지 않아, 연비 및 성능 측면에서 유리한 장점이 있다.
또한, 본 발명은 차량의 각 부위에 개별적으로 나뉘어 부착되므로 사고로 차량을 수리하는 경우 수리 부위에 부착된 태양전지만을 교체할 수 있어 유지보수 및 관리 측면에서 유리한 장점이 있다.
또한, 본 발명은 차량의 각 부위에 부착된 각 태양전지에 개별적으로 전력 제어 컨트롤러를 연결하여 태양전지의 작동성능 차이에 기인한 에너지 손실을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10:초박막 기판
20:초박막 태양전지층
21:투명전극
22:활성화층
23:상대전극
30:하드코팅층
40:반사막
50:유연기판
60:전력 제어 컨트롤러

Claims (9)

  1. 탄성을 갖는 초박막 기판과, 상기 기판의 일면에 형성된 초박막 태양전지층을 포함하고,
    차량의 각 부위별로 나뉘어서, 차량의 전부 또는 일부에, 차체 디자인을 훼손하지 않으면서 부착되는 차량용 차체 일체형 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초박막 기판의 두께는 1 내지 5 ㎛인 차량용 차체 일체형 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 초박막 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트 호일 또는 폴리다이메틸실록세인 필름인 차량용 차체 일체형 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 초박막 태양전지층은 유기 태양전지층, CIGS계열 태양전지층, 실리콘 박막 계열 태양전지층 중 어느 하나인 차량용 차체 일체형 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초박막 태양전지층의 외측으로 상기 태양전지를 보호하는 하드코팅층을 더 포함하는 차량용 차체 일체형 태양전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 하드코팅층의 투과도는 80 내지 100%인 차량용 차체 일체형 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 초박막 기판과 차량의 강판 사이에 개재되어 빛을 반사시키는 반사막을 더 포함하는 차량용 차체 일체형 태양전지.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    차량의 루프, 엔진룸 후드, 펜더, 도어, 트렁크리드 및 범퍼 중 1 이상의 부위에 부착되는 차량용 차체 일체형 태양전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    각 태양전지는 상호 간에 영향을 주고 받지 않고, 각 태양전지에 개별적으로 연결된 전력 제어 컨트롤러를 통해 배터리에 전력을 저장하는 차량용 차체 일체형 태양전지.
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