2.1 열전도 이론

고열전도도 backsheet 특성 중에서 가장 중요한 인자는 열전도도(thermal conductivity)인데 이는 특정 매질을 통해 열이 이동하는 정도를 나타낸다. 열전도도 k 값은 아래와 같이 단위면적당 열전달량 dQ/A와 열포텐샬 또는 온도구배(-dT/dx)와의 Fourier의 열전도 관계식에서 비례상수로 표현된다.

열전도 메카니즘은 전도, 복사, 대류 등에 의한 열전달 분자 메카니즘에 따르는데 고체 매질의 내부에 존재하는 자유전자가 격자진동에 의하여 에너지의 형태로 열전달이 이루어진다. 상기 Fourier 관계식에서 열확산(heat flux)은 온도구배에 비례하고 열전달 거리에 반비례한다. 열전도도의 측정 방법은 크게 정상상태와 천이상태 측정법으로 나눌 수 있으며 정상상태 측정법으로는 Heat Flow Meter법과 Guarded Hot Plate법이 있다. Heat Flow Meter법은 단열재의 열전도도 측정 시 가장 널리 사용되는 방법으로 두 개의 주가열판 사이로 시료를 넣어 열유체변환기 (Heat Flux Transducer)를 통과 하는 열량을 계산하여 열전도도를 측정하는 방법이다. 또한 Guarded Hot Plate법은 중앙에 주열판이 있고 양쪽에 시료를 넣어 열을 중앙에서 상하로 전달하는 방법을 사용하며 Heat Flow Meter법과는 다른 상하로 전달하는 열을 계산하여 보정시료 없이 열전도도를 직접 측정하는 방법이다. 이 연구에서는 Heat Flow Meter법을 사용하여 열전도도를 측정하였다^[9][10].

2.2 실험방법

본 연구에서 고열전도도 특성을 갖는 backsheet에서 방열 특성을 갖기 위해 3μm의 입도를 갖는 MgO를 사용하여 마스터배치를 만들었으며 마스터배치에 백색을 부여하기 위해 MgO와 TiO를 3:1 비율로 배합된 마스터배치를 사용하였다. 마스터배치는 사출 및 압출 폴리머제조 기술의 원재료 펠렛(pellet) 이다. 기본 베이스 폴리머수지에 기능성 및 특성 발현 유무기 필러를 분산한 고분자원재료이다.

폴리에틸렌 수지와 마스터배치를 7:3 비율로 배합하였으며 이때 블로운 압출방식(blown extrusion)을 이용하여 MgO 함량 20%인 고열전도를 갖는 폴리에틸렌 필름 100μm를 만들었다. 열전도 폴리에틸렌필름과 내가수분해성 투명 일반 PET 125μm, white PET 70μm와 같이 Roll to Roll 공정으로 라미네이션 하여 3 layer backsheet를 제작하였다.

그림. 1. 고열전도도 back sheet

Fig. 1. High thermal conductive backsheet

그림. 2. 고열전도도 back sheet의 구조

Fig. 2. Structure of high thermal conductive backsheet

fig. 1은 상기의 공정으로 제조된 PV 모듈용 backsheet의 롤(roll)형태의 그림이다. Cell side는 폴리에틸렌면, air side는 white PET면 쪽으로 하여 사용하였다. 또한 각 층마다 우레탄계열 접착제를 사용하였다. 만들어진 backsheet의 단면 구조는 fig. 2와 같다.

fig. 1과 같이 만들어진 고열전도도 특성을 갖는 back sheet를 인장강도와 연신율, 내후성 보존율을 ASTM D 882 규격을 통해 측정을 하였고, 사용 장비는 Testone社의 TO-100-IC모델로 측정하였다. 반사율 및 색차 확인을 위해 사용한 장비는 Konica社 CM-3600D 장비를 사용하였으며 측정 조건은 D65와 ASTM E313-73 방법으로 측정하였다. MgO의 분산성과 제작된 고열전도도 backsheet의 구조를 알아보기 위해 주사전자현미경 장비로 Jeol社 JSM-7500F 모델을 사용했다. 환경내후성평가를 하기위해 사용한 항온항습시험장비로는 Coretech社 HQ-DAC100 모델을 사용하였으며 온도 121℃, 습도 100%에서 24h, 48h, 72h 동안 내후성 실험을 했다. 발전효율 실험은 24일간 모니터링된 누적 발전량을 측정하였다. 측정 장소는 한국건설생활환경시험연구원 옥외실증시험센터에서 이루어졌다. 열전도도 측정은 Netzch社의 모델 LFA447인 Nanoflash를 사용하여 열전도도를 측정하였으며 방향은 수직방향으로 측정하였다.

3.1 고열전도도 backsheet의 미세구조 특성결과

고열전도도 특성을 부여하기 위해 backsheet의 폴리에틸렌 층에 고열전도도 필러인 MgO를 마스터배치화 하여 첨가 하는데 MgO의 분산에 따라 열전도도가 달라지므로 일정하게 분산시키는 것이 핵심이다. 따라서 MgO 입도 크기가 크면 고르게 분산이 어려우며 입도가 작으면 전체 비표면적이 높아 입자상호간의 aggregation이 발생할 수있다. 분산도의 최적화를 위하여 분산입자의 크기와 압출 온도, 압력 등의 변수를 변경하여 최적조건을 평가하였다. fig. 3은 고열전도도 backsheet의 단면을 SEM장비로 확인하였다. 그 결과 PE면 내부층에 분산된 MgO filler가 고르게 분산되었으며 입도는 3μm를 확인되었다.

fig. 4는 제조된 back sheet의 총두께에 대한 단면 SEM사진이다. 층간구조는 일정하게 3 layer를 구성하고 있으며 100μm의 inner layer LDPE(low Density Polyethylene) 층은 우수한 분산특성을 확인할 수 있었다.

그림. 4. 고열전도도 backsheet의 SEM 단면 사진

Fig. 4. Cross-sectional view of backsheet

그림. 5. 고열전도도 backsheet의 최대하중, 보존율

Fig. 5. Tensile strength of backsheet

그림. 6. 고열전도도 backsheet의 연신율, 보존율

Fig. 6. Elongation property of backsheeet

3.2 고열전도도 backsheet의 물성과 내후성결과

제조된 고열전도도 backsheet의 물성과 내후성이 측정된 결과를 fig. 5와 fig. 6에서 도식화하였다.

일반적으로 필드에 설치되어 있는 태양광 모듈의 신뢰성기준은 20년의 안정된 신뢰성이 요구된다. 이를 만족시키기 위하여 PCT 48시간 이상 aging 시킨 후 인장강도와 연신율 보존율이 60% 이상을 충족하여야 한다. 최대하중물성과 내후성에는 일반 backsheet에서 사용하는 물성과 큰 변화가 없었으며 연신율 및 최대하중 보존율 모두 PCT(Pressure Cooker Test) 72시간에서 70% 이상의 우수한 보존율을 확인할 수 있었다.

3.3 고열전도도 backsheet의 색차결과

제조된 고열전도도 backsheet의 색차측정 결과 △YI가 3 이상이면 황변이 발생한 것으로 추정한다^[11]. PCT 72 h 경과 후 △YI가 3 미만으로 확인 되었으며 열황변이 없는 것으로 사료된다. 일반 backsheet의 반사율은 85 %수준을 나타내는데 본 실험을 통하여 제조된 고열전도 backsheet의 반사율은 93 %수준으로 우수한 것으로 나타났다. 또한 Scheme. 1은 고열전도도 backsheet의 광학특성을 측정한 도표이다. 이때 PCT시간에 비례한 반사율의 변화를 fig. 7에 도식화하였다. 그 결과 초기 반사율은 93%로 확인하였으며 PCT 72시간까지 반사율 변화는 92% 이상을 유지하였다. 이는 고온 고습환경에서 높은 반사율을 확보하였다.

Scheme 1. 고열전도도 backsheet의 색차변화

Scheme 1. Color difference and reflection evaluation

그림. 7. 고열전도도 backsheet의 PCT후 반사율변화

Fig. 7. Reflection difference in accordance with PCT test

그림. 8. 고열전도도 backsheet의 파장별 반사율 그래프

Fig. 8. Reflection variation in accordance with wavelength of light spectrum

fig. 8은 고열전도도 backsheet의 스펙트럼 반사율을 나타낸 그래프로 0~390nm 파장에서는 반사율이 서서히 증가하다가 약 390nm 파장 이상부터 반사율이 급격하게 증가하여 450~800 nm파장에서 반사율 93%를 유지하는 것을 확인하였다.

3.4 고열전도도 backsheet의 열전도도 특성결과

고열전도도 backsheet의 MgO 함량에 따른 열전도도 특성을 측정한 결과 fig. 9의 그래프와 같이 각각 MgO 5%일 때 0.8 W/mK, MgO 10%일 때 1.1W/mK, MgO 15%일 때 1.3 W/mK, MgO 20%일 때 1.6W/mK 측정하였으며 MgO 25%일 때 1.61W/mK로 측정되었다. MgO 함량 20%까지는 증가 하지만 25% 이상부터는 완만하게 포화되는 특성을 나타내었다. 방열성 필러의 함량이 25% 이상부터 열전도도가 증가하지 않고 포화되는 것은 베이스 수지인 LDPE(low density polyethylene) 와 중간/외면 PET 의 절연성이 열전도성을 상쇄시켜 추가적인 성능발현을 방해하는 효과이다.

그림. 9. 고열전도도 backsheet의 MgO 함량에 따른 열전도도 특성

Fig. 9. Thermal conductivity characteristics with MgO contents

3.5 고열전도도 backsheet의 발전량 측정

제조된 고열전도도 backsheet의 발전량을 알아보기 위해 소형 4 cell을 이용한 모듈을 제작한 후 발전량 (Pmax)을 측정하였다. 미니모듈의 라미네이팅 공정은 145℃의 온도에서 2 step을 이용하여 진행하였다. 완성된 4-cell 모듈은 heating chamber에서 써모커플을 연결하여 시간에 따른 온도변화를 측정하여 방열성능을 검증하여 보았다. 동시에 소형모듈의 총발전량(Pmax)의 변화량은 simulator를 이용하여 측정하였다. fig. 10은 일반 백시트와 방열성 백시트를 이용하여 제조된 두 모듈이 측정 중인 heating chamber 내부사진이다.

fig. 11은 측정 시간을 초기부터 24시간 동안 시간변화에 대한 일반 백시트와 방열 백시트를 사용한 경우의 측정온도 편차 데이터이다. 24시간 후 일반 백시트 대비 방열성 백시트를 적용한 모듈의 온도는 2.2℃ 편차를 보였다. 초기에는 1℃ 전후의 편차에서 시간이 증가할수록 열전도도가 증가하는 열방출 효과를 확인할 수 있었다. fig. 12는 측정시간 변화에 따른 모듈의 발전량(Pmax) 을 측정한 결과이다. 초기에는 유사한 결과를 보이지만 점진적으로 발전량의 변화가 나타나고 24시간 후에는 기존의 백시트 대비하여 약 2.9%의 발전량 향상을 확인할 수 있었다. 이는 방열성 소재의 열분산 효과에 따른 온도변화에 의한 결과로 사료된다.

그림. 10. 일반 backsheet와 고열전도도 backsheet의 온도 및 발전량비교를 위한 heating chamber.

Fig. 10. Heating chamber to measure generation power according to temperature variation

그림. 11. 측정 시간의 변화에 따른 모듈의 온도 변화

Fig. 11. Temperature variation of module depending on the measuring time

그림. 12. 측정 시간의 변화에 따른 모듈의 총발전량(Pmax) 변화

Fig. 12. Total generating power (Pmax) of module depending on the measuring time