KR20170131831A - 태양전지 열·광 하이브리드 태양전지 모듈용 고무 조성물 - Google Patents

태양전지 열·광 하이브리드 태양전지 모듈용 고무 조성물 Download PDF

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Abstract

태양전지 패널 표면측에서 발전, 이면측에서 그 열을 이용하여 온수를 제조하는 태양전지 열·광 하이브리드 태양전지 모듈용의 온수 제조부에 사용하는 고무 조성물을 제공한다. 해당 태양전지 패널에 사용하는 결정계 실리콘 셀을 깨지 않고, 또한, 온수 제조부에 사용하는 수지관의 수로를 무너뜨리지 않고, 통상의 태양전지 모듈 성형 라인에서, 발전부와 온수 제조부를 동시에 성형 가능한 고무 컴파운드.

Description

태양전지 열·광 하이브리드 태양전지 모듈용 고무 조성물{RUBBER COMPOSITION FOR PHOTOVOLTAIC/THERMAL HYBRID SOLAR CELL MODULE OF SOLAR CELL}
본 발명은, 고무 조성물(이하, 고무 컴파운드라고 칭한다) 및 그 용도에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은, 태양전지 열·광 하이브리드 태양전지 모듈에 사용할 수 있는 실링 기능 및 구조체 기능 및 온수 제조를 위한 액체를 이동하기 위한 수지관과 밀착하고, 수압 0.2MPa 이상 1.0MPa 이하에서, 25℃에서 24시간 유지해도, 모듈의 외관 변형이 극히 적고, 충분한 내수압을 구비하는 고무 컴파운드에 관한 것이다.
종래부터, 태양 에너지를 효율적으로 이용하기 위해 전기와 열을 얻는 광·열 하이브리드 콜렉터가 시판되어 일반 주택에 도입되어 있다. 태양전지 모듈의 효율은 최고여도, 약 20% 정도이고, 80%의 태양 에너지는 열로 되고 있다. 이는 태양전지 모듈의 효율은 고작해야 20%이지만, 집열 효율은 약 50%이고, 이 효율을 함께 이용하고자 하는 광·열 하이브리드 콜렉터에 관한 검토가 20년 전부터 많이 진행되어 왔다.
태양광 발전에 관해서는, 태양전지 패널을 주택의 지붕위에 설치하여 가정내의 전력 수요를 조달하는 시스템도 실용화되어 오고 있다. 한편, 태양열 발전으로서는, 태양열을 열원으로 하고, 제벡 효과를 갖는 열전 변환 소자를 사용하여 열전 변환하는 것에 의해 발전을 하는 것이 알려져 있다.
하지만, 태양광 발전 시스템에 있어서는, 태양 에너지는 지표면에서의 에너지 밀도가 낮을 뿐만 아니라, 기상 조건이나 일조 시간 등에 영향을 받기 쉬운 문제가 있다. 즉, 그러한 영향에 의해, 전력을 안정적으로 얻기 곤란한 문제가 있다. 또한, 열전 변환 소자를 이용한 태양열 발전 시스템은, 현재 알려져 있는 열전 변환 소자의 성능이 낮은 것이기 때문에, 충분한 발전 효율을 얻기 곤란한 문제가 있다.
일본국 특허공개공보 2007-81097호 공보(특허문헌 1) 및 일본국 특허공개공보 2001-7412호 공보(특허문헌 2)에서는, 태양 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 태양광·열 하이브리드 모듈이 제안되어 있다. 구체적으로는, 태양전지 패널과, 태양광에 의한 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 변환 소자를 구비하는 열발전 장치를 조합한 모듈이 제안되어 있다. 이 태양광·열 하이브리드 모듈에 의하면, 흐린 날이나 야간 등의 조건에 의해 발전 효율이 영향을 받기 쉬운 태양광 발전의 문제점을 열발전 장치에 의해 보충할 수 있는 한편, 열전 변환 소자 자체의 발전 효율이 충분하지 않은 태양열 발전의 문제점을 태양전지 패널에 의해 보충할 수 있다. 한편, 특허문헌 1에 의하면, 흐린 날이나 야간에 있어서, 태양전지 패널만의 구성의 전력량과 비교하여, 5~15% 정도 높은 전력을 안정적으로 얻을 수 있는 취지가 기재되어 있다.
하지만, 특허문헌 1에 기재된 태양광·열 하이브리드 모듈에 있어서는, 태양열 발전은 열전 변환 소자의 발전에 의한 것이기 때문에, 태양열 발전에서 발생하는 전력은 그다지 크지 않아, 가정용 또는 오피스 빌딩 태양전지 패널의 결점을 보충하는 정도의 기술이 될 수밖에 없다. 오늘날, 새로운 원자력 발전소를 건설하지 않고, 그 부족한 전력을 태양 에너지에 의해 보충하고자 하는 기술이 요구되고 있어, 특허문헌 1에 기재된 기술로는 그 요청에 대응하기 어렵다.
여기서, 집광 혹은 반집광에 의한 태양광·열 하이브리드 발전 시스템이 검토되고 있다. 예를 들면, 적외선 반사 필름이 표면에 형성된 집광 미러와, 상기 집광 미러의 표면에 있어서의 상기 적외선 반사 필름으로 반사된 적외선을 모으는 집열부와, 상기 집열부에 모인 열로 발생한 증기에 의해 회전하는 터빈이 마련된 발전기와, 상기 집광 미러의 내부에 배치된 태양전지 셀을 포함하는 태양전지 패널을 구비하고 있는 등이다. 이들은, 설비적으로 대규모인 것이고, 또한 매우 고가인 것이 된다.
지금까지 실용적으로 검토되어 온, 태양열, 광의 하이브리드 제품은, 기존의 온수 패널에 태양전지 패널을 부착한 것이었다. 그 때문에, 구리관 부식이나 누수 등의 문제를 그대로 안고 있다.
집광 타입은, 열효율은 양호하나, 초기 투자액이 고가이고, 설치 스페이스도 커져, 보급에는 해결해야 하는 문제가 많이 존재한다.
일본국 특허공개공보 2007-81097호 공보 일본국 특허공개공보 2001-7412호 공보
본 발명은 이상의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 태양전지 패널 비즈니스의 인프라를 그대로 활용할 수 있는 태양열·광 하이브리드 모듈의 생산을 가능하게 하는 올레핀계 고무 컴파운드를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
태양전지 패널의 세계 생산은, 년간 3억장에 달하며, 양에 의한 코스트 다운이 해마다 진행되고 있다. 또한, 설치 방법이나 간소화 기술에 의해, 태양전지 관련 부재 비용은 해마다 대폭으로 저하되고 있다. 이와 같은 부재와 생산 라인, 딜리버리 시스템, 설치 방법 등을 활용함으로써, 대폭으로 저렴한 태양열·광 하이브리드 모듈을 생산할 수 있다. 구체적으로는, 발전부는, 기존의 부재를 적용하고, 구리관 대신 부식 우려가 없는 수지관을 적용하고, 태양광 패널과 접착하고, 나아가 그 수지관을 내포하고 그들과 접착하는 올레핀계 고무 컴파운드를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 제1발명의 올레핀계 고무 컴파운드는, 이하의 특징을 구비하고 있다.
태양전지 모듈의 수광측과 반대면에 접착시키는 올레핀계 고무 컴파운드이고,
열전도율이 0.3(W/mK) 이상, 고무 경도(JISA)가 80 이상 90 이하, 기계적 강도가 10MPa 이상, 신장이 150% 이상 700% 이하, 아세톤 추출량이 5% 이하이다.
고무 컴파운드의 열전도율이 0.3(W/mK)을 하회하면 하이브리드 태양전지를 제조할 때에 라미네이터의 하부 열판으로부터의 열의 전달이 안 좋아지고, 태양열·광 하이브리드 태양전지 모듈측의 발전부/태양광 패널측의 외관이 발포 등에 의해 안 좋아진다. 또한 고무 컴파운드의 가교도가 낮아져, 온수 하이브리드 모듈로서의 기계적 강도가 부족하다. 열전도율은 0.4이상으로 높을수록 바람직하다.
고무 경도가 80을 하회하면 라미네이터 가공중의 압력으로 고무가 크게 유동하여 수지관이 무너져 수로를 확보할 수 없다. 고무 경도가 90을 초과하면, 반대로 전혀 고무가 유동하지 않기 때문에 바람직하지 못하다.
고무의 기계적 강도가 10MPa를 하회하면 내수압이 불충분하다.
신장이 150%를 하회하면, 외력이 큰 힘에 대해 취약해져 바람직하지 못하다. 신장이 700%를 초과하면 변형하기 쉬워져, 신뢰성이 저하된다. 신장은 바람직하게는 300%에서 600%이다.
아세톤 추출량이 5%를 초과하면, 오일 등의 저분자량 성분이 수지관에 침투하여 그 내수압 성능이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다. 바람직하게는 3% 이하이고, 0%가 가장 바람직하다.
이와 같은 제1발명의 고무 컴파운드에 의하면, 태양광에 의해 발전하고 태양열에 의해 온수를 제조하는 하이브리드 태양전지를, 발전만 하는 태양전지 패널을 제조하는 라미네이터 등의 설비로 용이하게 제조할 수 있고, 나아가 얻어진 태양열·광 하이브리드 태양전지 모듈의 수명이 훨씬 길어져, 태양열 온수기에 비해 경량이면서도 저렴하다.
제2발명의 올레핀계 고무 컴파운드는, 제1발명에 있어서, 에틸렌-α-올레핀 공중합체인 것을 특징으로 하고 있다.
제3발명의 올레핀계 고무 컴파운드는, 제1발명에 있어서, 도전성 카본블랙, 카본나노튜브, 필러를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
제4발명의 올레핀계 고무 컴파운드는, 제1발명에 있어서, 1분간 반감기 온도가, 182℃ 이하인 유기 과산화물 가교제를 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.
제5발명의 올레핀계 고무 컴파운드는, 제1발명에 있어서, 수지 밀도 0.89 이상 0.92 이하인 폴리에틸렌 수지의 함유량이 10중량부 이상 35중량부 이하인 것을 특징으로 하고 있다. 한편, 폴리에틸렌 수지의 함유량은, 바람직하게는 15~25중량부이다.
도 1은 본 발명의 고무 컴파운드를 사용한 하이브리드 태양전지 모듈의 개략 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 올레핀계 고무 컴파운드를 사용한 하이브리드 태양전지 모듈의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 올레핀계 고무 컴파운드를 사용한 다른 형태의 하이브리드 태양전지 모듈의 단면도이다.
이하, 본 발명의 올레핀계 고무 컴파운드에 대해 도 1, 도 2, 도 3 및 표 1을 참조하여 상세하게 설명한다. 한편, 이하의 설명에 있어서는 "태양열·광 하이브리드 태양전지 모듈"을 "하이브리드 태양전지"로 약칭한다.
<1> 하이브리드 태양전지
먼저, 본 발명의 올레핀계 고무 컴파운드를 사용하는 태양열·광 하이브리드 태양전지에 대해 설명한다.
하이브리드 태양전지는, 태양광 발전만을 하는 태양전지 패널을 제조하는 통상의 성형 라인에서 생산할 수 있다. 그 단면 구조는, 도 1, 도 2 및 도 3에 나타내는 구조를 갖는다. 유리(22), 밀봉재(23), 발전 소자(태양전지 셀)(21), 밀봉재(23), 백시트(24)를 레이업하고, 나아가 본 발명의 고무 컴파운드(50)를 수지관(30)의 외경과 동일한 두께의 시트로 깔고, 유리 혹은, 금속, 혹은 수지 등의 이면측 플레이트(51)를 적층하여, 라미네이터로 성형하여 얻는다. 한편, 본 발명에 있어서는, 태양전지 셀(21)은 실리콘 셀을 사용한 결정형 뿐만 아니라, 발전 소자를 증착한 박막형이어도 좋다.
도 1은 하이브리드 태양전지의 사시도이고, 또한, 도 2 및 도 3은 하이브리드 태양전지의 단면도이다. 이 하이브리드 태양전지(10)는, 태양전지 셀(21)을 구비한 태양광 패널(20)과, 그 태양광 패널(20)의 뒷면에 수지관(30)을 구비하고 있고, 이들을 고무 컴파운드(50)에 의해 접착하여 일체적으로 결합한 것이다. 그리고, 이 수지관(30)에 물이나 부동액 등의 액체를 주입하고, 태양광 패널(20)이 받아들인 태양열을 이용하여, 수지 파이프 내부(31)에 주입된 액체의 온도를 상승시키는 것을 목적으로 하는 것이다. 액체의 종류로서는, 액체가 물인 경우에는, 수돗물을 직접 공급하는 것에 의해, 온수를 태양전지 패널의 뒤에서 제조하고, 탱크에 일시적으로 모아놓고, 소정의 온도로 재가열하는, 전기 온수기나 에코큐트, 보일러 등에 연결하는 것에 의해, 목욕탕 시설과 같은 온수를 대량으로 필요로 하는 시설에서만 이용하는 것이 아니라, 일반 가정에서도 이용할 수 있다. 일반적으로는, 부동액을 사용하여 열교환기로 상수도수를 온수로 한다.
이 하이브리드 태양전지 모듈(10)은, 수광면측에 표면 유리(22), 이면측에 이면 유리(51)를 구비하고, 태양광 패널(20)과 수지관(30)을 내포한 구성으로 되어 있다. 이와 같은 유리(22, 51)로 하이브리드 태양전지를 내포하는 구성으로 하는 것에 의해, 축열 효과를 높이고, 나아가 패널 전체의 내수압 구조체의 강도를 강하게 할 수 있다. 한편, 태양광 패널(20)의 표면 유리(22), 백시트(24) 및 태양전지 셀(21)의 접착에는 밀봉재(23)가 사용된다. 이 밀봉재(23)로서는, EVA(ethylene-vinyl acetate copolymer)를 사용해도 좋다. 또한, 백시트(24), 이면 유리(51) 및 수지관(30)의 접착에는 본 발명의 고무 컴파운드가 사용된다.
종래, 이와 같은 태양열을 흡수하는 집열관으로서는, 스틸제(또는 구리제)의 것이 사용되어 왔다. 그러나, 태양광 패널(20)과 일체화하는 경우에는, 장기간의 사용에 견딜 수 있어야 하고, 스틸제(또는 구리제)의 경우에는 방열이 빠르기 때문에, 단열재를 많이 사용할 필요가 있어, 결과적으로, 비용과 중량이 상승하여 경제성이 상실되게 된다. 여기서, 본 발명에서는, 내식성에 우수하면서, 쉽게 방열되지 않는 특징을 갖는 수지관(30)을 채용하기로 하고 있다. 수지관(30)의 소재로서는, 폴리에틸렌, 실리콘 수지, 불소계 수지, 염화비닐 등을 사용할 수 있지만, 바람직하게는 올레핀계 수지이고, 특히 가교 폴리에틸렌 수지관, 혹은 폴리부텐 수지관을 사용하는 것이 최적이다.
<2> 올레핀계 고무 컴파운드
다음으로 본 발명의 올레핀계 고무 컴파운드에 대해 설명한다. 이하의 설명에 있어서는, "올레핀계 고무 컴파운드"는 "고무 컴파운드"로 약칭한다.
<2-1> 가교 고무의 기계적 성질 등
본 발명의 올레핀계 고무 컴파운드의 가교 고무의 경도(JISA)는 80~90이다. 바람직하게는, 그 경도는 83~88이다. 그 경도가 80 미만이면, 수지관(30)이 무너져 도 2 및 도 3의 수로(31)를 확보할 수 없다. 그 경도가 90보다 높으면, 하이브리드 태양전지를 라미네이트 가공할 때의 대기압에서는 고무 컴파운드가 변형하기 어려워져, 태양전지 패널의 이면(백시트면)과 수지관의 밀착이 양호하지 못한 부분이 발생한다. 결과적으로, 하이브리드 태양전지로서의 실용의 내수압이 얻어지지 않는다. 또한, 고무의 기계적 강도가, 10MPa 미만이면, 수압에 의해 하이브리드 태양전지가 파손되는 경우가 있다. 고무의 신장이 150% 미만이면, 하이브리드 태양전지를 -40℃에서 100℃에서의 히트 사이클에 쬐어지면 수축과 팽창에 견디지 못하고, 취약해져 파손되는 경우가 있다. 고무의 신장이 700% 이상이면, 실사용에서의, 정전 등에 의한 하이브리드 태양전지의 공가열에 의해 고온으로 되어, 수지관이 크게 변형했을 때는, 고무 컴파운드도 동시에 크게 변형하여 태양전지 패널의 표면측의 실리콘 셀의 깨짐을 유인하기 때문에 바람직하지 못하다. 열전도율이 0.3(W/mK) 미만이면, 하이브리드 태양전지를 라미네이트 가공(성형)할 때에, 열의 전달이 양호하지 못하여, 통상의 가공 시간으로 성형체(하이브리드 태양전지)를 얻을 수 없다. 나아가 태양전지 패널측에 기포 발생 등의 외관 불량도 발생하고, 또한, 성형 덕트가 길어지는 것에 의해, 가공비가 상승하기 때문에 바람직하지 못하다.
<2-2> 고무 컴파운드의 조성
본 발명의 고무 컴파운드는, Mitsui EPT4021을 사용하고 있다. 본 발명의 고무 컴파운드의 조제 방법은, 예를 들면, 반바리 믹서(banbury mixer), 니더, 플래니터리 믹서(planetary mixer), 인터믹스와 같은 밀폐식 혼합기(internal mixer)류, 2롤, 3롤 등의 혼련 장치에 의해, EPDM을, 고무 보강제, 무기 충전제, 연화제 등의 성분과 함께, 바람직하게는 90~180℃의 온도에서 3~40분간 혼련한 후, 오픈 롤과 같은 롤류, 혹은 니더를 사용하여, 100℃ 미만에서, 유기 과산화물 가교제를 첨가한다. 필요에 따라, 아크릴산 등의 가교 조제를 첨가해도 좋다.
더욱이, 본 발명의 고무 컴파운드 중에, 가교물의 용도 등 필요에 따라, 종래 공지의 고무 보강제, 무기 충전제, 노화 방지제, 가공 조제, 가황 촉진제, 유기 과산화물, 가교 조제, 분산제, 난연제 등의 첨가제를, 본 발명의 목적을 손상하지 않는 범위에서 적절히 배합할 수 있다.
고무 보강제는, 가교(가황) 고무의 인장 강도, 인열 강도, 내마모성 등의 기계적 성질을 높이기 위해 사용된다. 고무 보강재의 예로서는, 카본블랙, 미분 규산, 실리카 등을 들 수 있다. 고무 보강재의 함유량은, 본 발명의 고무 컴파운드의 가교체의 경도가 80에서 90이 되도록 배합한다. Mitsui EPT4021의 100질량부에 대해, 도전성 카본블랙인 케첸블랙(ketjen black), 아세틸렌 블랙, 카본나노튜브 등을 첨가하는 것이 바람직하다. FEF나 SRF 등의 퍼니스 블랙(Furnace black)도 적절히 첨가할 수 있다. 이들의 고무 보강제는, 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
무기 충전제에는, 예를 들면, 경질 탄산 칼슘, 중질 탄산 칼슘, 탈크, 클레이, 규조토 등을 들 수 있다. 이들의 무기 충전제는, 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
연화제는, 통상 고무에 사용되는 공지의 연화제를 사용할 수 있지만, 거의 첨가하지 않는 것이 바람직하다. 예를 들면, 프로세스 오일, 윤활유, 파라핀, 유통 파라핀, 석유 아스팔트 및 바셀린 등의 석유계 연화제, 콜타르 및 콜타르 피치 등의 콜타르계 연화제, 피마자유, 아마인유, 유채씨유 및 야자유 등의 지방유계 연화제, 밀랍, 카르나우바 왁스(carnauba wax) 및 라놀린 등의 왁스류, 리시놀레산, 팔미트산, 스테아린산 바륨, 스테아린산 칼슘 및 라우르산 아연 등의 지방산 및 지방산염, 및 석유 수지, APP(atactic polypropylene) 및 쿠마론인덴 수지(coumarone-indene resin) 등의 합성 고분자류를 들 수 있다. 이들의 연화제는, 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
내열성을 향상시키기 위해 필요에 따라 노화 방지제를 사용해도 좋다. 노화 방지제는, 종래 공지의 각종 노화 방지제를 사용 가능하고, 아민계, 힌더드 페놀(hindered phenol)계, 유황계 노화 방지제 등을 들 수 있다. 노화 방지제의 함유량은, 본 발명의 목적을 손상하지 않는 범위에서 사용된다. 이들의 노화 방지제는, 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다. 한편, 유황계는 유기 과산화물 가교의 저해가 되는 경우가 있기 때문에, 첨가량에 상응하여, 본 발명의 고무 컴파운드의 기계적 강도가 되도록, 가교제의 첨가량을 늘릴 필요가 있다.
가공 조제는, 통상의 고무 가공에 사용되는 공지의 화합물을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 리시놀레산, 스테아린산, 팔미트산 및 라우린산 등의 고급 지방산, 스테아린산 바륨, 스테아린산 아연 및 스테아린산 칼슘 등의 고급 지방산의 염, 및 리시놀레산, 스테아린산, 팔미트산 및 라우린산 등의 고급 지방산의 에스테르류 등을 들 수 있다. 가공 조제의 함유량은, 올레핀계 공중합체 100질량부에 대해, 0.1중량부에서 10중량부이고, 바람직하게는 3중량부 이하이다.
가교에 있어서, 유기 과산화물을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 또한, 가교 조제를 병용하는 것이 바람직하다. 가교 조제에는, 예를 들면, 유황, p-퀴논디옥심 등의 퀴논디옥심계 화합물, 폴리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트 등의 메타크릴레이트계 화합물, 디아릴프탈레이트, 트리알릴 시아누레이트 등의 알릴계 화합물, 말레이미드계 화합물, 디비닐벤젠 등을 들 수 있다. 이와 같은 가교 조제의 함유량은, 유기 과산화물 1몰에 대해 0.5~2몰이고, 바람직하게는 약 1몰이다.
접착제로서는, 실란 커플링제, 아크릴산계(SANSHIN CHEMICAL INDUSTRY CO.,LTD.에서 제조한 ACTOR ZMA나 ACTOR ZA, High Cross ZT), 올레핀계 공중합체 100중량부에 대해 에틸렌글리콜 등을 1중량부에서 10중량부 배합하면 된다. 또한 2종류 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 산화 아연은, 내열노화성이 양호해지기 때문에, 올레핀계 공중합체 100중량부에 대해 3중량부에서 10중량부 배합하면 된다.
본 발명의 고무 컴파운드 중에, 본 발명의 목적을 손상하지 않는 범위에서, 기타의 수지 성분으로서 공지의 다른 고무를 병용할 수도 있고, 예를 들면, 천연 고무(NR), 이소프렌 고무(IR) 등의 이소프렌계 고무, 부타디엔 고무(BR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR), 클로로프렌 고무(CR) 등의 공역 디엔계 고무를 들 수 있다. 바람직하게는, 에틸렌·α-올레핀·비공역 폴리엔 공중합체로서, 에틸렌·프로필렌·비공역 디엔 공중합체(EPDM 등)을 사용할 수 있지만, 에틸렌·프로필렌 랜덤 공중합체(EPR)와 같은 종래 공지의 에틸렌·α-올레핀계 공중합체 고무도 사용할 수 있다.
본 발명의 고무 컴파운드로 가교 고무 성형체를 제조하기 위해서는, 통상의 태양전지 모듈 생산 조건, 예를 들면, 라미네이터에 155℃, 진공 5분(여열), 프레스 시간 15분과 같은 조건으로 생산할 수 있다.
<실시예>
이하, 실시예를 바탕으로 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1~6, 비교예 1~3에서 사용하는 올레핀계 고무 컴파운드는 이하의 방법으로 준비했다. 각 실시예 및 각 비교예의 고무 컴파운드의 소재 배합은, 표 1에 나타내는 바와 같다.
[실시예 1]
Kobe Steel,Ltd.에서 제조한 16L 반바리 믹서를 사용하여, 이하의 복합 재료(A)를 충전율 75%로 전량 투입하고, 10분간 혼련하여, 실온도 150℃로 덤프아웃했다. 50℃로 된 것을 온도계로 확인한 후, 10인치 오픈롤로, 복합 재료(B)를 전량 투입하고, 10분간 분산시키고, 하이브리드용 컴파운드를 얻었다. 컴파운드는, 수지관의 외경과 동일한 7mm 두께의 시트로 성형하고, 수지관 2개를 빈틈 없이 400mm×400mm의 유리 모듈에 깔아 준비했다.
복합 재료(A): 올레핀계 고무로서 Mitsui EPT4021을 100중량부; NOF CORPORATION에서 제조한 스테아린산을 1중량부; Inoue Calcium Corporation에서 제조한 META-Z(활성아연화)를 5중량부; Lion Corporation에서 제조한 케첸블랙 EC300J를 20중량부; BASF에서 제조한 IRGANOX 1075J를 0.5중량부.
복합 재료(B): SEIKO CHEMICAL의 High Cross M-P를 3.0중량부; Nippon Shokubai Co., Ltd.에서 제조한 아크릴산 메틸 0.5중량부; 에틸렌글리콜 #4000(Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.)을 1.0중량부; Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.에서 제조한 실란 커플링제(SZ6030) 0.5중량부.
[실시예 2]
케첸블랙 EC300J의 20중량부를, 아세틸렌 블랙(Denka Company Limited 제조)의 60중량부로 변경한 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 고무 컴파운드를 얻었다.
[실시예 3]
복합 재료(A)의 올레핀계 고무 Mitsui EPT4021을 Mitsui EPT4010로 변경하고, 케첸블랙 EC300J의 20중량부를, 카본나노튜브(TOKAI CARBON CO., LTD. 제조) 4중량부와 ASAHI CARBON CO., LTD.에서 제조한 60G의 60중량부로 변경한 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 고무 컴파운드를 얻었다.
[실시예 4]
복합 재료(A)의 올레핀계 고무 Mitsui EPT4021을 Mitsui EPT4045로 변경하고, 케첸블랙 EC300J의 20중량부를 아세틸렌 블랙 60중량부로 변경하고, 나아가 저밀도 폴리에틸렌으로서 NOVATEC LF244E(Japan polyethylene Corporation)를 10중량부 첨가한 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 고무 컴파운드를 얻었다.
[실시예 5]
복합 재료(A)의 올레핀계 고무로서 Mitsui EPT4021을 Mitsui EPT4045로 변경하고, 케첸블랙 EC300J의 20중량부를, 아세틸렌 블랙 40중량부와 케첸블랙 10중량부의 브랜드로 한 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 고무 컴파운드를 얻었다.
[실시예 6]
복합 재료(A)의 올레핀계 고무 Mitsui EPT4021을 Mitsui EPT14030로 변경하고, 케첸블랙 EC300J20중량부를 퍼니스 블랙 50중량부와 케첸블랙 10중량부의 브랜드로 한 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 고무 컴파운드를 얻었다.
[비교예 1]
케첸블랙 EC300J의 20중량부 대신에, 통상의 카본블랙을 사용하고, ASAHI 60G의 90중량부 및 파라핀 오일(Idemitsu Kosan Co.,Ltd. 제조) 30중량부를 첨가한 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 고무 컴파운드를 얻었다.
[비교예 2]
케첸블랙 EC300J의 20중량부 대신에, 통상의 카본블랙을 사용하고, ASAHI 50G의 70중량부를 첨가한 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 고무 컴파운드를 얻었다.
[비교예 3]
케첸블랙 EC300J의 20중량부 대신에, 케첸블랙 EC300J의 40중량부를 사용하고, ASAHI 60G의 10중량부 및 ASAHI 50G의 10중량부를 첨가한 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 고무 컴파운드를 얻었다.
이하의 순서에 따라 각 실시예 및 비교예의 고무 컴파운드를 사용하여 도 1에 나타내는 구조의 하이브리드 태양전지를 제작했다.
<1> 시료 준비
이하의 부재 1 내지 부재 6을 준비한다.
부재 1: 유리로서 400mm×400mm, 두께 3.2t의 백판 유리를 사용한다.
부재 2: 발전 소자로서 6인치 단결정 실리콘(JINTEC CORPORATION 제조)을 사용한다.
부재 3: EVA 밀봉재로서 450μm 두께(Bridgestone Corporation 제조)를 사용한다.
부재 4: 백시트로서 Fujifilm Corporation에서 제조한 FIHF32를 사용한다.
부재 5: 하이브리드 고무 컴파운드(시트 두께 7mm)를 사용한다.
부재 6: 수지 튜브 40cm φ5mm 가교 폴리에틸렌관(Inoac Corporation 제조) 5A(외경 7mm)를 사용한다.
<2> 레이업 공정
아래에서부터, 부재 1, 부재 3, 부재 2, 부재 3, 부재 4, 부재 5와 부재 6, 부재 1의 순으로 적층한다. 부재 6의 수지관은, 유리단에서 80mm의 위치에 수지관을 놓고, 그 수지 튜브를 사이에 끼도록 부재 5의 하이브리드 고무 컴파운드를 빈틈 없이 깔아 하이브리드 태양전지용 부재로 한다.
<3> 라미네이트 공정
<2>에서 레이업한 하이브리드 태양전지용 부재를 Nisshinbo Holdings Inc.에서 제조한 라미네이터 PVL1537에 세팅하고, 열판 온도 160℃, 진공 6분(유지핀 기립 시간 5분), 프레스 15분으로 하이브리드 태양전지를 얻었다.
<4> 고무 컴파운드의 평가 방법
본 발명의 고무 컴파운드의 기본 물성은, 이를, 테스트 시트형(140mm×140mm×2.0mm)의 금형으로, 유기 과산화물 가교제의 1분 반감기 온도로, KOHTAKI 다단 프레스에 의해 가교 고무 시트를 얻었다. 한편, 가교 조건은, 2분 예열하고, 160℃×15분으로 했다. 가교 고무 시트 시험편의 각 성상을 이하의 방법으로 기본 물성을 측정 또는 평가했다. 기본 물성의 평가 결과를 표 1에 나타낸다.
<기본 물성 평가>
(1) 경도
JIS K6253에 준거하여, 측정 온도 23℃에서 듀로미터법에 의해 A 경도를 측정했다.
(2) 인장 시험(강도·신장)
JIS K6251-2010에 준거하여, 측정 온도 23℃, 인장 속도 500mm/분의 조건으로 인장 시험을 하여, 가교 고무 시트의 파단시의 인장 강도와 신장을 측정했다.
(3) 아세톤 추출(중량%)
ASTMD494에 준거하여 측정했다.
(4) 열전도율(W/m·K)
JISH8453에 준거하여 측정했다.
(5) 가교 밀도 측정
한편, 가교 밀도는, 이하의 용제 팽윤법(Flory-Rehner법)으로 불리는 방법에 의해 측정된 것이다. 작성한 하이브리드 태양전지용의 가교 고무 부분으로부터 20mm×20mm×2mm의 시험편을 채취하여, JIS K6258에 준거하여, 37℃의 톨루엔 100ml중에 72시간 침지하여 팽윤시켜, 평형 팽윤을 이용한 하기 Flory-Rehner의 식(식 1)으로부터 구했다.
ν={VR+ln(1-VR)+μVR 2}/{-V0(VR 1 /3-VR/2)} (식 1)
ν: 가교 밀도(mol/㎤)
VR: 팽윤한 시험편중에 있어서의 순고무의 용적 분율
μ: 고무-용제간의 상호 작용 상수(0.49)
V0: 톨루엔의 분자 부피(108.15㎤)
한편, VR은 다음의 (식 2)로부터 구했다.
VR=Vr/(Vr+Vs) (식 2)
Vr: 시험편중의 순고무 용량(㎤)
Vs: 시험편에 흡수된 용제의 용량(㎤)
기본 물성 평가용의 가교 고무 시트의 가교 밀도(A)를 구하고, 하이브리드 태양전지의 온수부(도 1 내지 도 3의 50부분)의 에지로부터 2g분 측정 시료를 절취하여 가교 밀도(B)를 구한다. 가교도는 (B/A)×100로서 얻어지고, 표 1의 제품 평가의 부위에 가교도(%)로서 기재했다.
<5> 제품 평가
각 실시예 및 비교예에서 작성된 고무 컴파운드를 사용하여 작성된 하이브리드 태양전지 모듈을 이하의 항목에 대해 평가했다. 제품 평가 결과를 표 1에 나타낸다.
(1) 핸들링 시험
핸들링 시험의 평가점은 아래와 같으며, 표 1에 기재했다.
평가점 3점: 컴파운드의 점착성이 적어, 레이업 공정을 단시간에 할 수 있다.
평가점 2점: 컴파운드의 점착성이 강해, 하이브리드 태양전지의 레이업 작업에 시간이 걸린다.
평가점 1점: 컴파운드의 점도가 낮고 형상이 무너져 레이업할 수 없다.
(2) 내수압 시험
내수압 시험의 평가점은 아래와 같으며, 표 1에 기재했다.
평가점 3점: 수지관부의 양측의 유리부가 전혀 변화가 없다.
평가점 2점: 수지관부의 양측의 유리부가 약간 부푼다.
평가점 1점: 수지관부의 양측의 유리부가 크게 부푼다.
(3) 실리콘 셀 깨짐 평가
실리콘 셀 4장중의 깨짐·파편이 존재하는 실리콘 셀의 장수를 표 1에 기재했다.
(4) 외관 평가
외관 평가는 아래와 같으며, 표 1에 기재했다.
평가점 3점: 발전부에 기포나 발포가 전체 면적에 0% 존재한다.
평가점 2점: 발전부에 기포나 발포가 전체 면적에 3% 존재한다.
평가점 1점: 발전부에 기포나 발포가 전체 면적에 10% 존재한다.
(5) 수지관 높이 비율(%)
φ5mm(5A) 외경 7mm 관의 지름(A)에 대해, 성형후의 지름(B)의 높이 비율=B/A×100%의 수치를 표 1에 기재했다.
<6> 하이브리드 태양전지의 종합 평가
(1) 실시예 1의 컴파운드를 사용하여 제작한 하이브리드 태양전지는, 도전성의 카본블랙을 사용하고 있고, 열전도율이 0.3W/m·K 이상이고, 경도도 85로서 단단하기 때문에, 내포한 수지관이 무너지지 않고, 표면 셀의 밀봉재 부분에 기포 등의 불량이 없이, 하이브리드 태양전지가 얻어졌다.
(2) 실시예 2의 고무 컴파운드를 사용하여 제작한 하이브리드 태양전지는, 아세틸렌 블랙을 60중량부 함유하고 있고, 실시예 1과 동일하게 양호하다.
(3) 실시예 3의 고무 컴파운드를 사용하여 제작한 하이브리드 태양전지는, 카본나노튜브와 통상의 카본블랙을 사용하고 있고, 제작된 하이브리드 태양전지는 실시예 1과 동일하게 양호하다.
(4) 실시예 4의 고무 컴파운드를 사용하여 제작한 하이브리드 태양전지는, 폴리에틸렌 수지를 첨가한 것이고, 제작된 하이브리드 태양전지는 실시예 1과 동일하게 양호하다.
(5) 실시예 5의 고무 컴파운드를 사용하여 제작한 하이브리드 태양전지는, 도전성 케첸블랙에 아세틸렌 블랙을 배합한 것이고, 제작된 하이브리드 태양전지는 실시예 1과 동일하게 양호하다.
(6) 실시예 6의 고무 컴파운드를 사용하여 제작한 하이브리드 태양전지는, 도전성 케첸블랙에 퍼니스 블랙을 배합한 것이고, 제작된 하이브리드 태양전지는 실시예 1과 동일하게 양호하다.
(7) 비교예 1의 고무 컴파운드를 사용하여 제작한 하이브리드 태양전지는, 통상의 케첸블랙의 첨가에서는 열전도성이 불충분하고 유연하기 때문에 외관이 불량이고 수지관도 무너져, 하이브리드 태양전지를 제작할 수 없다. 또한 아세톤 추출량이 많아, 즉, 오일 성분이 수지관에 침투하여 수지관이 유연해져, 기계적 강도가 저하하게 되어, 내수압성능이 현저하게 저하되므로 바람직하지 못하다.
(8) 비교예 2의 고무 컴파운드를 사용하여 제작한 하이브리드 태양전지는, 통상의 카본블랙 첨가에서는 발전부가 발포하고, 외관 불량 및 가교도가 낮아지고 내수압이 낮아져 수압에 견딜 수 없다.
(9) 비교예 3의 고무 컴파운드를 사용하여 제작한 하이브리드 태양전지는, 도전성의 케첸블랙을 다량으로 배합한 것에 의해 고무 컴파운드는 너무 단단해지기 때문에 외관 불량과 내수성 불량이 되어, 하이브리드 태양전지 모듈을 제작할 수 없다.
Figure pct00001
10: 하이브리드 태양전지(태양열·광 하이브리드 태양전지 모듈)
20: 태양광 패널
21: 태양전지 셀
22: 표면 유리
23: 밀봉재(EVA)
24: 백시트
30: 수지관
31: 수지관 내부
50: 고무 컴파운드
51: 이면 유리(이면측 플레이트)
60: 공기층

Claims (5)

  1. 태양전지 모듈의 수광측과 반대면에 접착시키는 올레핀계 고무 컴파운드이고,
    열전도율이 0.3(W/mK) 이상, 고무 경도(JISA)가 80 이상 90 이하, 기계적 강도가 10MPa 이상, 신장이 150% 이상 700% 이하, 아세톤 추출량이 5% 이하인 것을 특징으로 하는 올레핀계 고무 컴파운드.
  2. 제1항에 있어서,
    에틸렌-α-올레핀 공중합체인 것을 특징으로 하는 올레핀계 고무 컴파운드.
  3. 제1항에 있어서,
    도전성 카본블랙, 카본나노튜브, 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 올레핀계 고무 컴파운드.
  4. 제1항에 있어서,
    1분간 반감기 온도가, 182℃ 이하인 유기 과산화물 가교제를 첨가하여 이루어지는 올레핀계 고무 컴파운드.
  5. 제1항에 있어서,
    수지 밀도 0.89 이상 0.92 이하인 폴리에틸렌 수지의 함유량이 10중량부 이상 35중량부 이하인 것을 특징으로 하는 올레핀계 고무 컴파운드.
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