태양광 모듈 라미네이팅 공정 시간 단축하는 획기적인 방법

일반적으로 태양광 모듈의 봉지 혹은 라미네이팅 처리는 소위 평압식 라미네이터2), 3), 4)라고 말하는 것을 사용해 이루어진다. 태양광 모듈을 라미네이팅 처리하기 위해서는 흔히 3~4mm 두께의 유리판, 캡슐(대부분 EVA 중심), 결정질 전지, 고분자 백시트로 구성되는 방식을 사용하며, 캡슐에서의 일반적인 온도 변화를 그림 1에 제시한다.

그림을 통해 우리는 라미네이팅 공정의 기본적인 단계를 알 수 있다. 캡슐의 공정 온도에 도달하기 위한 모듈 층의 동일한 열처리, 모듈 층의 사전 밀봉, 25년 이상의 수명을 가진 안정적인 라미네이팅을 보장하기 위한 캡슐의 사전 치료, 그리고 마지막으로 냉각 단계 관리가 그것이다. 태양광 모듈의 품질 개선뿐만 아니라 생산량을 높이기 위해서도 난방과 냉각 단계는 매우 자주 분리되며 두 개의 캡슐화 공정으로 실현된다5).

가장 일반적인 박막태양전지 핵심 소재 EVA

오늘날 사용되는 대부분의 단층 라미네이터는 한가지 열처리 방식을 사용한다. 배치시간은 주로 모듈이 가열되고 사전에 밀봉되며 사후에 수정되는 열공정 단계에서 가열 전지판 온도에 의해 결정된다. 따라서 태양광 모듈에서 사용되는 소재의 열 안정성에 의해 일반적으로 제한되는 최대 공정 온도는 모듈 생산 사이클 타임의 최적화에서 주요한 제한 변수가 된다. 캡슐은 이 라미네이팅 중에 열공정에 있어서 결정적인 요인이다. 현재 가장 일반적으로 사용되는 캡슐 소재는 에틸렌 비닐 아세테이트 혹은 EVA이다. 첨가제를 기본으로 하는 EVA의 등급은 표준, 빠름, 매우 빠름으로 구분된다. 본 연구에서는 상업적으로 이용 가능한 다양한 매우 빠름 EVA 등급, EVA-1~5가 실험되었다6). 초점은 예외적인 광열 안정성을 보여주며 모든 모듈 구성에 필요한 UV(자외선) 차단기능을 제공하는 EVA-1에 맞춰져 있다.

다양한 EVA 등급의 비교

변색에 대한 뛰어난 안정성을 특징으로 하는 EVA-1의 또 다른 특성은 목표로 하는 젤 내용물 수치를 짧은 시간 내에, 그리고 낮은 온도에서 얻을 수 있다는 것이다. 이는 기존의 급속수정 공식과 비교하면 그 차이가 확연히 드러난다. 그림 3은 140°C에서 EVA-1과 EVA-2의 양극 유동측정을 비교한 것이다. 양극 유동측정은 고분자의 교차 결합 시에 정해진 온도에서 시간의 함수로서 전단계수, 예를 들어 회전력을 측정한다. 회전력 발전은 교차 결합 밀도의 함수이다. 고분자가 교차 결합하기 때문에 회전력으로 측정되는 전단에 대한 저항은 늘어난다. 우리가 알고 있는 바와 같이 EVA-1은 EVA-2에 비해 훨씬 더 강한 수정 작용이 가능하다. 계산된 최고 수정률은 EVA-1에서 확인된 더 빠른 수정 동역학을 입증해 준다(표 1).

EVA-1의 라미네이팅 작용

EVA-1의 라미네이팅 작용은 상업적으로 이용 가능한 평판 라미네이터를 이용해 연구했다7). 공정 최적화는 4mm 두께의 유리판, 다결정질 전지를 연결하는 EVA-1의 두 층, 그리고 그림 4-(a)에서 제시된 바와 같이 고분자 백시트로 구성된 일반적인 ‘60 전지 모듈 선’에 기초했다. 세 개의 중요한 변수들이 라미네이팅 검사 중에 각각 다양하게 선택되었다(그림 4-(b)).

·T1에서 T2까지 다양하게 나타나는 열 공정 단계에서의 온도 T

·t-핀(Pin) 1에서 t-핀 2까지 다양하게 나타나는 핀 t-핀에 대한 가열/펌프 시간

·t-큐어(Cure) 1에서 t-큐어 2까지 다양하게 나타나는 수정 중 열판에 모듈이 압축될 때 가열시간 t-큐어

위에서 언급한 변수들을 다양하게 함으로써 11개의 실험이 실시되었고, 그림 4-(b)에 제시된 바와 같이 설명된 입방체에서 8개의 코너와 3개의 중간 지점에서 실험을 실시했다. 그림 4-(b)에 제시된 입방체 내에서 실험을 실시했지만 분석 부위는 이들 부위보다 약간 더 클 수 있다는 것을 명심해야 한다.

라미네이팅 작업 후에 여섯 개의 기준이 최종 모듈의 품질 관리에 사용되었다. 여섯 개의 기준으로는 버블의 수, EVA 교차 결합 밀도, 라미네이팅 공정 중 전지 파손, 전지 이동, 1cm 넓이의 줄에서 EVA/유리와 EVA/백시트 간의 접착강도가 해당된다8).

라미네이팅 된 태양광 모듈의 분석

라미네이팅 태양광 모듈의 분석에 의하면 테스트 변수 범위 내에서는 버블도, 전지 파손도, 전지 이동도, 모듈에서는 관찰되지 않았다. 이는 라미네이팅 이후 EVA 젤 내용물 값에 대해 가열판 온도와 수정 시간이 상당한 영향을 미쳤다는 것을 알게 한다. 반면에 핀에 대한 가열 시간은 젤 내용물에 큰 영향을 미치지 않았다. 이는 캡슐이 60°C 이상으로 비교적 높은 온도에 도달할 때 핀에 대한 약간의 가열·펌프 시간 이후에 교차 결합 반응이 시작된다는 의미이다.

EVA-유리와 EVA-백시트 간의 접착 결과에는 세 개의 변수 즉, 가열판의 온도, 핀에 대한 약간의 가열·펌프 시간, 수정 시간은 적지 않은 역할을 수행한다. 이 사실이 의미하는 바는 캡슐 온도가 60°C 이하로 비교적 낮을 때 가벼운 가열 단계에서 이미 접착 반응이 일어난다는 것이다.

실험 결과를 간략하게 제시하는 방법으로 도표와 윤곽선을 사용해 다양한 변수들의 기능 속에서 실험 결과의 발전 경향을 볼 수 있다. 그림 5에 제시된 바와 같이 전지판 온도를 가열할 때 라미네이팅 후에 가장 중요한 세 가지의 양적 기준은 145°C에 맞추는 것이고, EVA 젤-내용물(그림 5-(a)), EVA-유리(그림 5-(b))간의 접착과 EVA-백시트(그림 5-(c))간의 접은 실험 부위에서 t-핀과 t-수정의 함수로 계산하는 것이다.

이 구성을 보다 상세히 살펴보자면, 젤-내용물의 작용은 기대한 바와 같다. t-핀의 지속시간은 t-수정의 시간이 주요한 요인일 젤-내용물에 별다른 영향을 주지 않는다. 그러나 t-핀의 값은 라미네이팅 공정 중 신중하게 선택해야 한다. 너무 짧은 t-핀 값은 최종 라미네이팅 과정에서 버블 형성과 전지의 파손을 야기할 수 있다. 왜냐하면 EVA 캡슐이 이완되지 않아 수정이 시작되기 전 사전 열 공정 이후의 전지는 너무 부드럽기 때문이다. t-핀의 값이 너무 길어도 라미네이팅 공정에서 좋지 않다. 왜냐하면 EVA에서 어떤 휘발성 첨가제가 증발해 다음의 수정 공정을 너무 복잡하게 만들 수 있기 때문이다.

유리판과 백시트 면에 EVA를 접착하는 것은 t-핀과 t-수정값에 의해 동일하게 영향을 받는다. 그러나 t-수정값은 EVA-유리와 EVA-백시트 간의 접착에 다른 방식으로 영향을 미친다. 이 말은 상응하는 접착 첨가제의 기능이 서로 다른 메커니즘을 갖고 있다는 말이다.

서로 다른 온도, t-핀과 t-수정시간의 연계성과 관계에 대해 풍부한 정보를 제공하는 통합적인 구성 방식에 기초해 라미네이팅 방법은 사용자가 정한 기준에 따라 탄력적으로 선택할 수 있다. 예를 들면 다음의 기준을 ‘좋은 모듈’에 적용한다. 젤-내용물 75%, EVA-유리와 EVA-백시트에 모두 접착, 40N/cm(그림 5-(d)의 별표에 표시한 바와 같음), 8.5분의 사이클 시간으로 일반적으로 사용되는 평판 라미네이터 위에 최신 라미네이팅 방법을 사용하면 실험 결과에 따르면 최고의 결과가 얻어질 수 있다. 이러한 놀라운 결과는 최적화된 캡슐과 함께 포괄적인 공정 노하우를 함께 통합해 얻어진다9).

결론적으로 말하자면 중요한 변수들에 대한 체계적인 연구와 새로운 캡슐 사용을 결합함으로써 라미네이팅 공정은 상당한 수준으로 최적화될 수 있다. 한 예로서 고 품질의 평판 라미네이터와 함께 태양광 모듈 캡슐화에서 EVA-1를 사용하면 태양광 모듈 배치 생산의 사이클 시간은 8.5분으로 상당히 줄어들고 이로써 태양광 모듈 생산량은 상당한 증가를 보게 된다.