국내 태양광 기술 발전을 위한 태양광발전용 밀봉재 및 접합기술

김 진 익 듀폰코리아 P&IP 사업팀 부장

오늘날, 태양광발전 산업은 빠른 성장세를 보이고 있다. 태양광발전 산업 내에서도 특정용도 및 목적을 위해 집광형, 유리나 필름 위에 박막형 태양전지를 구성하는 등 다양한 기술들이 개발되고 있다. 이러한 기술개발 및 생산설비를 위해서는 대규모의 투자가 필요하며, 이번호에는 태양전지 모듈에 사용되는 밀봉재와 접합공정에 대해 논의해 보고자 한다.

태양광발전은 반도체 혹은 태양전지를 사용해 빛을 전기로 바꾸는 것을 이른다. 조립된 태양전지는 밀봉재(Encapsulant)를 사용해 태양광발전이 가능하도록 하는 하나의 작은 태양광발전의 구성요소로 제조되는데, 이렇게 함으로써 수분과 외부의 충격으로부터 태양전지를 보호하게 된다. 이와 같이 조립된 것이 모듈(Module) 또는 태양전지 판(Solar Panel)이다. 결정질 실리콘 태양전지 모듈의 주요 구성인자는 유리, 가교화된 EVA 밀봉재, 실리콘 웨이퍼와 생성된 전류를 위한 전선, 후방의 보호 시트, 그리고 접속배전함으로 이뤄진다.

오늘날, 태양광발전 산업은 빠른 성장세를 보이고 있는데, 이는 빠르게 고갈돼 더 이상 에너지 수요를 맞출 수 없게 되는 화석에너지로부터 태양광발전과 같은 대체에너지 기술로 전 세계적인 방향전환이 이뤄지고 있기 때문이다. 이것과 더불어 태양광발전 산업 내에서도 특정용도 및 목적을 위해 집광형, 유리나 필름 위에 박막형 태양전지를 구성하는 등 다양한 기술들이 개발되고 있다. 이러한 기술개발 및 생산설비를 위해서는 대규모의 투자가 필요하며, 이번 지면을 통해서는 태양전지 모듈에 사용되는 밀봉재와 접합공정에 대해 논의 하도록 하겠다.

밀봉재

그림 1에서 보는 바와 같이 밀봉재는 모듈생산 시 필요한 재료로서, 태양전지 산업 전체의 가치 체계 내에서, 5% 정도를 차지하는 주요 구성품의 일부에 해당한다. 밀봉재는 산업 전체에서 차지하는 비용 비중이 높지 않으나, 태양전지와 직접 접촉해 효율 및 내구성에 영향을 줌으로 태양전지의 특성과 적용분야 및 생산 공정생산 공정에 따른 적절한 선택을 해야 하며, 요구 성능을 잘 정의해 밀봉재 재료의 연구 개발에 적용될 수 있도록 해야 한다.

그림 1. 태양광산업의 밸류체인. 밀봉재는 모듈 생산에 필요한 주요 구성품이다

현재까지 알려져 있는 밀봉재의 요구 성능은 다음과 같이 정리할 수 있다.

- 광투과성

- 내후 및 내구성

- 모듈 생산성

이 요구 성능의 아래에는 이를 만족시키기 위한 수많은 하위 요구 성능이 있게 된다. 현재 널리 쓰이고 있는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate) 시트의 경우를 예로 들면, Vinyl Acetate의 함량, 광 노출 시간에 따른 색의 변화, 수분 침투율, 가시광선 투과율, 함수율, 전후면판과의 접착력, 가교도, 낮은 부식성, 수축율, 젤(Gel)함량, 저장기간, 표면구조, 오염 및 결점, 연성, 짧은 접합시간 등이 요구되고 있다.

밀봉재는 사용되는 태양전지의 종류에 따라 다음과 같이 크게 구분할 수 있다.

- 결정질용 밀봉재

- 유리·유리 박막형용

- Flexible 박막형용

그림 2. 결정질 박막 태양전지의 도시적인 구조

결정질 태양전지에는 전통적으로 가교형 EVA를 사용해 모듈을 제조하며, 이러한 모듈은 일반 가정용이나 태양광 발전소용으로 공급돼 왔으며, 성능 면에서도 충분한 사례를 가지고 있는 기술로 인정된다. 현재 국내·외의 여러 업체에서 태양광발전 용도로 EVA 시트를 개발해 시판 중에 있으며, 요구 조건에 따라 다양한 종류를 공급하고 있다.

종류를 크게 구분해 보면 다음과 같다.

- 가교시간(표준 및 속성용)

- 비닐아세테이트 함량(26wt%~33wt%)

- 두께(0.45~1.52mm)

- 표면 요철

가교시간은 EVA에 사용되는 첨가제에 따라 크게 달라지며, 모듈제조 시 사용되는 설비 및 운전조건에 따라서도 적합한 종류를 선택해야 한다. 적정 운전 조건이 EVA 제조업체에 의해 제공되는 경우가 많으므로 이를 참조해야 하며, 부적절한 운전 조건하에서 모듈을 제조할 경우, 태양광 모듈의 특성상 장기간의 외부 노출에 의한 성능저하는 피할 수 없게 된다. 따라서 앞서 언급한 요구 성능을 만족시킬 수 있도록 EVA 자체의 기술적인 개발뿐 아니라, 설비 및 운전 조건의 설정 또한 매우 중요하다. 비닐아세테이트의 함량에 따라서 물성 및 생산성에 차이를 가져 올 수 있으므로, 이를 고려해 선택하는 것이 필요하다. 표면 요철은 후에 설명하는 탈기공정에서의 공기 제거를 용이하게 하고, 결정질 태양전지의 정렬을 쉽게 하기 위해 시트의 제조 시 표면에 만들게 된다.

박막 태양전지는 이미 알려진 바와 같이 결정질 대비 효율 및 생산비용 면에 있어 장단점이 존재하나, 그럼에도 대규모의 투자가 이뤄지는 분야다. Applied Material, Oerlikon 및 ULVAC 등 기존의 LCD기술에 기초한 설비 및 기술들이 시장에 나와 있으며, 국내 업체로는 주성엔지니어링에 의해 설비가 국내·외로 공급되고 있다. 박막 태양전지는 흔히 건물일체형 태양광발전(Building Integrated Photo voltaic, BIPV)로 불리는 영역에 사용이 용이한데, 이는 건물에 외장재로서 태양광 모듈을 사용할 경우, 태양전지로서의 역할 뿐 아니라, 건물 외벽으로서 건축물에서 요구하는 여러 가지 요구 조건을 동시에 만족시켜야 하기 때문이다. 아직 BIPV에 대한 완결된 시험방법이나 법적인 요건이 정해지지는 않았으나, 최소한의 요구 조건으로서는 다음의 3가지를 들 수 있다.

- 태양광 모듈로서의 효율성능 및 내후·내구성능

- 건축물 외장재로서 안전성능(내충격성 또는 내관통성, 내풍압성)

- 시공 및 유지 보수

건물의 외장재에 대한 기준은 현재 법적인 구속 요건들이 갖춰져 있는바, 이를 태양광 모듈에 적용할 경우 생길 수 있는 어려움을 해결하기 위한 논의를 거쳐서, BIPV에 대한 필요한 요건들을 결정해야 할 것으로 생각된다. 기본적으로 BIPV는 건물의 외장재로 사용되므로, 건물의 창호로서의 역할도 동시에 해야 함으로, 어느 정도 태양광이 건물 내부로 들어갈 수 있고, 내부에서 이를 통해 외부를 볼 수 있도록 설계 시 고려토록 해야 한다.  모듈은 밀봉재를 사용해 제조함으로 밀봉재를 적절히 선택할 경우, 외장재가 갖춰야 할 특성을 부여할 수 있는데, 기존의 건축재로서 사용된 EVA뿐 아니라, PVB(Polyvinyl Butyral)등 전통적으로 사용된 재료를 사용함으로서 이것이 가능하다. PVB는 지난 수십 년간 건축용 접합유리의 중간막으로 사용됐으므로, 사용상의 문제점이나 접합유리 제조기술이 정립돼 있는 재료로서 박막 태양전지의 밀봉재 뿐 아니라, 박막 태양전지의 BIPV로의 적용 시 적절한 재료로 인식되고 있으며, 현재 이를 위한 시험이 박막 태양전지 설비업체를 중심으로 진행되고 있다. 또한 기존의 건축용 접합유리의 중간막으로 사용된 재료들을 중심으로 태양광 모듈의 밀봉재에 적용하기 위한 시도들이 활발히 진행되고 있다.

EVA와 마찬가지로 이러한 재료들이 태양전지의 밀봉재로 사용하기 위해서는 여러 가지 요구조건이 따르게 되는 데, 간략하게 정리하면 다음과 같다.

- 내후·내구성(20~25년 보증)

- 전기적 특성(최소의 누설전류)

- 접착성능(장기간의 기후 및 기계적인 내충격성)

- 모듈의 생산성

내후·내구성은 태양광 모듈의 보증기간을 고려할 때, 기존의 EVA와 동등 내지는 우수해야 할 특성이며, 전기적 특성은 태양전지의 효율에 영향을 줌으로 사용되는 밀봉재의 초기 성능 뿐 아니라, 시간이 지남에 따른 물질의 안정성을 확보해야 이 요구 조건을 만족시키게 된다. 접착성능은 태양광 모듈이 장기간 외부에 설치됨으로서 겪게 되는 사계절 및 밤낮의 온도 충격에 견디게 하며, 설치된 후 바람이나 기타 기계적인 진동에 의해 생기는 충격에 견디도록 한다. 따라서 적절한 품질관리를 통해 이러한 성능이 유지되도록 지속적인 확인이 필요하다.

모듈의 생산성은 생산 수율과 생산량에 관련돼 생산원가에 영향을 주는 사항이다. 특히 현재의 태양광발전 업계가 당면한 발전단가 면에서 경쟁력 확보를 위해서도 이에 대한 고려는 매우 중요하게 된다. 모듈 생산기술을 기초로 할 때, 밀봉재 내·외부의 이물, 치수 안정성, 온도에 따른 유동성, 표면구조 등이 영향을 주게 된다.  밀봉재 분야에 있어 현재 연구되고 있는 사항으로는 태양전지의 효율을 높여주기 위한 광변환 또는 광산란이 가능한 수지, 고온에서의 밀봉재 성능을 발휘하는 고분자 수지, 염료감응형의 사용할 수 있는 밀봉재, 구조적 성능을 갖는 밀봉재 등이다.

접합공정

접합공정은 결정질의 경우, 태양전지를 선별해 전선을 연결하고, 유리와 밀봉재에 늘어  놓은 후 다시 밀봉재 및 뒤판을 덮어 샌드위치를 완성해 접합기로 들어가게 된다. 박막형의 경우, 생산된 박막 태양전지가 커다란 유리 형태이므로 밀봉재와 뒤판을 사용해 샌드위치를 완성한 후 접합기에서 모듈을 완성하게 된다.  현재 태양광 모듈에 주로 사용되는 설비는 진공접합 설비로 온도 및 진공 설비를 갖추고, 필요에 따라 압력을 가할 수 있도록 설계돼 있다. 이는 전통적으로 사용된 결정질 태양전지와 열경화성 EVA에 적합한 설비로 저온에서 유동성이 풍부한 EVA 수지를 사용할 경우 매우 효과적으로 모듈을 제조할 수 있다. 또한 이 설비는 박막 태양전지의 모듈 생산 시에도 유용하게 사용할 수 있는데, 이때는 밀봉재의 사용에 있어 열경화성 뿐 아니라 열가소성수지를 사용할 수 있는 등 제한이 크게 없게 된다.

접합공정에서 수지의 종류에 따른 주요한 단계는 다음과 같이 나눌 수 있다.

접합의 첫 단계는 Lay-Up으로서 준비된 밀봉재 시트를 미리 절단해 준비하거나, 자동 Lay-Up기계를 사용해 진행하게 된다. 밀봉재 시트는 수분 및 오염에 민감함으로 Lay-Up은 항온항습과 오염이 차단된 장소에서 진행하도록 해야 한다. 이 중 수분은 태양전지의 효율과 접착력에 영향을 줌으로 특히 주의해야 한다. 온도는 가급적 일정하게 유지하고, 사용되는 유리 또는 박막전지의 온도가 밀봉재 시트의 온도와 큰 차이가 나지 않도록 해야 한다. 큰 온도 차이는 시트의 수축으로 이어지며, 전지의 정렬에 영향을 주거나 심한 경우 불균일한 수축에 의해 전지의 파손이 일어날 수 있다. 샌드위치가 만들어지면, 여분의 시트는 적정량을 남긴 후 잘라내어 접합기 내부의 오염이나 추가적인 결점의 생성을 막을 수 있다.

샌드위치는 최소한 둘 이상의 공기층이 존재하게 되며, 이 층에 존재하는 공기는 가급적 완전하게 제거하는 것이 필요하다. 결정질의 경우는 유리 및 시트의 표면에 존재하는 요철과 두 시트 사이에 놓여 있는 결정질 태양전지에 의해 공기가 빠져나갈 길이 확보돼 상대적으로 탈기 공정이 용이할 수 있다. 박막전지의 경우 사용하는 열가소성 수지들도 이러한 목적으로 표면 요철이 있으며, 적정 조건을 유지함으로써 가급적 많은 공기를 제거할 수 있다. 탈기 공정에서 중요한 인자는 접합기 내부의 진공도와 밀봉재 시트의 온도, 그리고 시간이다. 열가소성 수지의 경우, 밀봉재의 온도가 높게 되면 표면 요철이 녹아 시트끼리 또는 유리판에 붙어 공기가 빠져나갈 길을 막게 돼 탈기 성능에 악영향을 줌으로 적정한 온도의 조절이 필요하다. 시간은 운전 온도 및 모듈의 크기와 상관관계가 있으므로, 운전초기에 이러한 변수에 따른 탈기도를 시험해 적정 조건을 확립하도록 해야 한다. 어느 정도의 공기는 밀봉재에 녹아 상온에서는 문제가 되지 않으나, 가혹 조건하에서나 혹은 장기간에 걸친 외부 노출에 의해 문제를 일으킬 수 있으므로, 고온에서의 공기 용해도 감소를 이용해 평가할 수 있다.

탈기공정에 이어서 온도가 상승함에 따라 밀봉재 수지의 유동성이 증가하며, 결정질 태양전지에 의한 두께 불균일을 밀봉재 수지가 이동함으로서 해소하게 된다. 적정 시간과 온도 조건이 필요하며, 밀봉재 공급자로부터 제공된 자료를 통해서 적정 조건을 찾아야 한다. 열가소성 수지의 경우, 온도에 대한 유동성 변화를 확인해 EVA와는 다른 조건을 찾을 수 있다. 이 단계에서 열가소성 밀봉재의 성능이 결정되는 단계로, 공기의 제거가 충분하고, 유동성이 적절히 주어질 경우, 적정 성능을 갖는 태양광 모듈을 생산할 수 있게 된다. 열경화성 밀봉재의 경우 다음 단계는 가교 반응을 완성하는 것이다. 이제 더 이상 밀봉재는 유동성을 갖지 않으며, 이 상태로 고착된다. 이때 가교반응을 일으키는 반응 개시제가 완전히 소비되도록 조건을 조절하며, 여분의 개시제의 존재는 시간이 진행함에 따라 태양전지 및 밀봉재에 좋지 않은 영향을 주는 것으로 보고되고 있다. 열가소성 밀봉재는 이 단계에서 유리 및 태양전지 면과 완전 밀착을 이루는 단계이다. 이 단계는 열경화성 밀봉재와는 다르게, 전 공정의 연속으로 봐도 무방하다. 즉, 탈기 단계에서 공기의 제거가 충분할 경우, 예비접합 및 본 접합에서 온도 및 압력, 시간 조건에 따라 불완전 밀착이 없고, 기포가 없는 태양광 모듈을 생산할 수 있다.  접합의 마지막단계는 냉각으로, 냉각속도 및 냉각온도에 따라 영향을 받는 인자로는 열경화성 밀봉재의 경우 외양적으로 나타나는 결정화 현상과 열가소성 수지의 경우 모서리 부분의 밀봉재 부족과 기포 생성이다. 냉각속도를 조절함으로서 열경화성 밀봉재에서 나타나는 결정화 현상을 막을 수 있으며, 모서리 부분의 밀봉재 부족과 기포는 진공을 풀지 않은 상태에서 온도를 충분히 낮춤으로서 해결할 수 있다.

이상에서 태양광발전 산업에서 사용되는 밀봉재(Encapsulant)와 이를 사용해 모듈을 생산하는 접합공정에 대해 고찰해 봤다. 앞서 언급한 바와 같이 밀봉재는 전기를 만들어 내는 태양전지에 직접 접촉해, 일반적인 보증 연한인 20년에서 25년간 태양광 모듈의 주요 구성품 으로 사용된다. 따라서 요구되는 성능이 태양전지의 성능저하를 최소화 하면서 이를 보호해야 하는 것이다. 현재까지 EVA가 주요한 밀봉재로서 사용돼 왔으나, 태양광발전의 적용분야 및 기술이 확대됨에 따라, 더욱 다양한 종류의 밀봉재가 요구되고 있다. 새로운 밀봉재의 개발은 새로운 공정기술을 요구하고 있으나, 이에 대한 평가는 많은 비용과 또한 시간을 동반하고 있다. 국내의 태양광발전 기술의 기반기술 개발은 어느 정도는 이뤄지고 있으나, 밀봉재 및 모듈 생산과 관련된 분야는 아직 초기 단계로 보인다. 인적·기술적 개발과 더불어 각 단계별 업계 간의 교류를 통해 국내 태양광 기술의 한 단계 발전시키는 것이 필요할 것으로 사료된다.

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