세계 태양광시장 신소재를 찾아라!
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  • 승인 2011.09.18 14:15
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샐리 험프리즈(Sally Humphreys)

옥스퍼드대학교에서 연구원으로 근무해오면서 박사과정을 밟아온 샐리 험프리즈 박사는 지난 10년간 신재생에너지 적용을 비롯해 중합체(고분자) 연구에 매진했다.


EVA, PVB, 실리콘, 불소중합체(PVF, PTFE, ECTFE, ETFE), PMMA, 열가소성엘라스토머, EPDM, 폴리아미드, PET를 비롯해 다양한 중합체가 현재 사용되고 있다. 연쇄적인 생산 및 공급과정의 수직적 통합(일련의 생산 공정에 있는 기업 간의 통합)과 같은 요인들로 인해 kWh당 비용은 인하되고 있는 추세이다. 따라서 모듈 산업의 잠재성은 특히 태양광이 풍부한 지역들에서 무한하다고 볼 수 있다.


수요가 많은 소재

중국 한화솔라원의 기술 부사장인 모한 나라야난 박사는 시골지역의 전화에 사용되는 모듈에서 중합체의 사용을 연구했다. 모한 박사는 이를 통해 전 세계적으로 거의 14억명의 사람들이 현재 전기 공급을 받지 못하는 삶을 살고 있지만, 2020년경에는 7억5,000만명의 시골 지역 사람들이 전기 공급을 받게 될 것으로 예측했다. 2007년엔 불과 750만명이던 이 수치가 2020년경에는 큰 폭으로 늘어나게 된다는 것이다.

그러나 이러한 발전에 장애물로 작용하는 것이 있다. 낮은 수준의 가처분 소득과 선불이 드는 투자비용이다. 예컨대 인도에서는 현재 1인당 전기 소비는 낮은 수준이지만 점점 전기 소비량이 늘어나 2020년경에는 280GW의 전력이 추가로 필요할 것으로 예상된다. 때문에 인도에서는 지금 태양광발전이 좋은 대안으로 지목되고 있다. 왜냐하면 인도에서는 매년 300일 이상 청명한 날씨가 계속되기 때문이다.

이러한 산업 팽창을 이루기 위해서는 정부 지원이 우선적으로 요구된다. 신소재에 대한 수요도 높을 것이다. 최대 효율성, 발수성, 화학적 저항성을 위해서 봉지재는 높은 투명성을 요구하며, 낮은 수증기 투과성과 뛰어난 접착력과 탄력성을 갖춰야 하고, 고온과 저온에서도 변함없는 성능을 유지해야 한다.


표준·성능 테스트

결정질 태양전지에 대한 최초의 IEC 표준이 발표된 해는 1993년이다. 이후 2010년에 백시트와 프런트시트에 대한 최초의 표준이 모듈 부품에 관한 표준 IEC 61730-1과 함께 개발되었다. 이에 따라 모듈 부품 테스트를 할 때는 상대열 내구 지수(RTI), 화염 전파 지수, 내후성을 비롯해 여러 가지 측면에서 실험을 실시한다. 티유브이라인란드(TUV Rheinland)는 표준 개발과 성능 시험을 주로 담당한다.


옥상 설치용 태양전지 패널

미국에서 대부분의 상업용 건물 옥상은 무거운 하중 때문에 태양광발전 시설 설치에 적합하지 않다. 따라서 신소재인 경량 결정질 실리콘 기술이 개발되고 있다. 대표적인 것이 무거운 유리 프런트시트를 대체할 수 있는 불소중합체다.

불소중합체는 평방미터(m2)당 0.1kg로 무게가 가볍다. ETFE와 FEP는 뛰어난 광선 투과율을 보이며, 화학물질, 습기, 빛과 열에 저항성이 있다. ETFE는 이미 투명한 옥상 구조물로 사용되고 있고 우박과 절단 저항성을 비롯해 광범위한 시험을 거쳤다.

유리가 사용되지 않는 곳, 예컨대 백 패널에는 상당한 개선이 필요하다. 세인트-고바인퍼포먼스플라스틱은 이러한 프런트시트를 공급하는 업체이다. 더불어 솔바이솔렉시스는 불소중합체 소재를 공급하는 또 하나의 공급업체이며 아제디움필름(회사 지부)으로 태양광 필름에 대한 개발을 진행해왔다.

백시트와 프런트시트에 가능성을 부여하는 또 다른 투명 소재 PVDF가 있다. ECTFE는 자외선 차단 필름을 포함해 프런트시트에 새로운 가능성을 준다. 일반적인 백시트는 PET와 차단 층으로 된 다층적인 구조이다.


PET 중심의 백시트

토레이필름은 1990년대에 시장을 잠식한 불소중합체에 대한 대안으로 PET 중심의 백시트를 생산한다. 백시트는 전기 절연, 기계적인 강도, 자외선(UV) 차단, 내후성을 갖출 필요가 있다. 이 경우 PET 소재의 다양한 층은 서로 다른 자질을 제공한다. 이러한 루미러필름은 1990년대 이후 일본에서 사용되고 있다.


아크릴 소재

아크릴 소재 역시 태양전지에 중요한 역할을 한다. 에보닉롬의 PMMA는 이미 플렉시글래스라는 브랜드 명으로 자동차 유리에서 신호등까지 옥외용으로 그 성능이 입증되었다. 광투과 자질은 태양광 모듈 성능을 좋게 하기 위해 얼마든지 조정 가능하다.

이 소재는 이미 현장 테스트를 마쳤다. 아모닉스 집광 PV(CPV) 시스템에서 12년 이상 사용되어 성능이 입증되었고, CPV 렌즈 보호 기능으로 17년 이상 성능을 입증받았다. 인터솔라 2010에서 프런트시트에 플렉시글래스의 사용 성능은 4.5m ~ 1.5m 경량 모듈 측정에서 성능이 입증되었다.


폴리올레핀을 사용하는 압출형 시트

통합형 접착제를 출품하는 레놀리트의 폴리올레핀 압출형 시트를 비롯해 새로운 백시트가 시중에 나와 있다. 이 백시트는 상단의 봉지재로서 EVA와도 결합이 가능하다. 레놀리트는 방수막 생산 공급을 통해 비바람에 노출된 중합체 소재의 성능을 확인할 수 있게 되었다. 다수의 백시트는 합판이지만 이 백시트는 접착제에서 모듈 부품까지 반응성 PE로 압출되어 있다. 부드러운 봉지재 PE층(내연제와 같은 기능성 필터 포함), 연결층, 반사 색소 같은 기능성 필터의 고농축 PP층, 열에 의한 뒤틀림을 방지하는 PP층과 표면처리와 밑칠층이 이 백시트의 특징이다.  


접착제

3M은 접속 배선함 접착, 전지 위치 고정테이프, 아크릴 폼, 틀 고정테이프와 같은 태양광 모듈 산업에 필요한 접착제를 공급하는 회사이다. 이 회사는 또한 UL과 IEC에서 인증한 불소중합체 백시트를 공급한다.


밀폐제

밀폐는 모듈 내구성에서 중요한 부분이다. 수분 침투는 표면 균열, 누설전류, 변색, 부식을 초래한다. SAES 게터스는 박막필름 CIGS 모듈에서 3,000시간의 방습 안전성을 보이는 밀폐제 테이프를 공급한다. 파과 시간은 수분이 보호 밀폐제를 뚫고 들어가는 시간을 지칭한다. 화학적 게터(전구·진공관 내의 잔류 가스를 흡수시키는 물질)에 확인된 대상만을 통과시키는 적극적인 방벽이 있으면 파괴 시간이 길어지고 침투율은 낮아지게 된다.


봉지재

봉지재 소재는 투명해야하고 쿠션이 있고 충격 완화가 되어야 하며 전기 절연이 되고 높고 강력한 수분 방어막을 갖추어야 한다. EVA는 가장 일반적으로 사용되는 중합체이며 30년 이상 사용되어 왔다. 최근에는 실리콘 고무, PVB, 이오노머 수지, TPU가 모두 그 대안 소재로 사용되고 있다. 데이비스-표준에서 연구한 바와 같이 봉지재 중합체의 압출에는 특별히 고려해야 할 사항이 있다. 일반적인 EVA 봉지재는 높은 VA 함량을 가지며(33%) 첨가물을 포함하고 있는데, 이는 정확하게 혼합되어야 한다. 압출기는 부식 방지 부품과 나사가 있어야 하고, 저온 처리를 거쳐 적절한 회전력을 제공해야 하며 혼합 요건과 반응물이 반응기에 머무는 체류 시간의 균형을 맞추는 L/D 사이즈를 갖춰야 한다.


수요를 충족하는 공급업체들

태양광발전 산업에서 소재 수요가 증가하는 추세로 인해 공급업체들은 신소재 개발에 주력하게 되었다. 예컨대, 타이페이에 위치한 USI는 EVA를 태양광 산업의 소재로 변화시키고 있고, 렙솔은 스페인의 푸에르톨라노에서 EVA의 생산기지를 확대하고 있다. 2010년 3분기에 듀폰은 백시트에 필요한 테들라 필름용으로 노스캐롤라이나에서 PVF의 생산을 늘릴 것이라고 발표했다.

실리콘 태양전지(CSP) 프라운호퍼 센터는 태양전지의 신뢰성을 연구하고 있으며, 봉지재 생산과 같은 제조공정을 연구했다. 예컨대 진공판에서 다른 부품들의 온도 분포를 연구한 것이다. EVA 가교는 발열반응이며 가교제를 소비한다. 필름의 균질성을 위해 접착제는 반드시 압출기에서 부드럽고도 꼼꼼하게 혼합해야 한다. 진공판의 압착 단계는 EVA의 겔화점에서 실시하는 것이 이상적이다.

프라운호퍼 CSP에서 연구 중인 또 다른 측면은 전류 테스트 IEC 61215가 실온에서 실시될 때 모듈의 하중을 견디는 능력을 알아보는 것이다. 눈이 쌓여 시스템에 부담을 주는 설하중은 훨씬 더 낮은 온도에서 일어난다. 전면 유리에 스트레스가 적용될 때 전지의 중합체 층은 합판 강도와 다른 측면들에 영향을 주게 된다. EVA, PVB, 테스토실의 온도와는 무관한 현상들이 연구되었다. 

스페셜라이즈드 테크놀로지 리소스(STR)는 태양전지의 효율 증대를 목표로 EVA 봉지재의 고 가시광선 투과율(HLT) 소재를 개발했다. 이 소재는 가속화된 노후화 조건에서 세논 아크 웨더-오-미터 등을 이용해 30주 동안 실험했고, 2세대 EVA는 아리조나주 템페의 현장 실험에서 3개 제조업체의 모듈 8종류에 삽입해 실험을 진행했다. 서로 다른 모듈 제조업체에서 서로 다른 결과가 나왔다. 이유는 봉지재 노후화, 접속 배선함 부식으로 이어지는 다른 부품들의 고장과 같은 요인들 때문이었다. 신소재 EVA는 빠른 양생 덕분에 모듈 제조 시간을 단축하는 효과가 있다. 2010년 후반에 한 고객사는 XL 합판 제조기를 사용해 155C에서 3분 15초 만에 4개의 모듈 합판을 얻었다. 

솔루티아솔라는 EVA, TPU, PVB를 공급하는 업체이며 중국 쑤저우에 EVA 공장을 설립했다. 이 회사는 PVB가 은 코팅이 된 유리와 접촉하면서 축축한 열기와 전기 편향에 노출될 때 발생하는 태양전지 변색 문제를 해결하기 위해 새로운 차원의 PVB 봉지재를 개발했다. 변색이 일어나는 이유는 중합체 질 저하 때문이 아니라 은 화합물 때문이다. 신소재 사플렉스 PS41는 변색이 훨씬 덜 하고 은 표면에 보호막을 씌우기 때문에 전압에 의한 색깔 변색은 일어나지 않으며 실험 조건 하에서 구리와 같은 금속을 잘 보호하는 것으로 확인되었다.

마이어버거테크놀로지(3S 모듈테크를 설립)와 같은 기계 공급업체는 봉지재 성능 개선을 기대하고 있다. 모듈의 내구성은 봉지재와 깊은 연관성이 있고 현재 이용 가능한 다양한 소재들은 모두 저마다의 장점과 단점이 있다. 예를 들어 PVB는 창 기술에는 이미 그 성능이 입증되었지만 공급업체가 적고 수분 흡수와 약간의 투과율 문제가 있다. 실리콘은 고가이지만 코팅 과정이 간단하다. 또 다른 소재인 폴리올레핀은 쉽게 이용 가능하지만 좋은 접착제를 얻는 게 어렵다. EVA는 그 자체로는 빛 투과성이 좋은 유리에 적합한 굴절 지수를 나타내고 기계 강도가 강하며 손쉬운 가공 과정이지만, 수분 보호막 기능이 약하고 가공 중에 기체가 없어지며 질적 저하를 보인다.

헌츠만은 투명한 액체형 봉지재, 액체 유전체 봉지재·백시트와 전기 전도 접착제를 비롯해 태양전지용으로 몇 가지의 열경화성 소재들을 소개했다. 이 회사는 실험용 모듈에서 오스트리아의 카이텐에코에너지와 공동 연구를 진행하고 있다. 액체형 봉지재와 유리는 기존의 전통적인 EVA 시스템에 비해 높은 빛 투과성을 보인다. 이 소재는 탁월한 접착제 성능뿐 아니라 저온 처리가 가능하다. 이 혁신적인 백시트는 스크린 인쇄가 가능하다. 이 기능 덕분에 프린트 된 회로판 기술을 이용해 전지 뒷면 접촉면의 제조가 용이하다.

UV 처방이 된 중합체는 스타토머의 전문 제품이다. 액체 합성수지가 기질에 적용되고 자외선 빛은 중합과 양생을 시작하는 데 사용된다. 이점은 낮은 에너지 사용량이며 가공 속도가 빠르다는 것이다. 이 소재는 접착성과 뛰어난 내후성 같은 자질들을 갖추고 있다. 이 소재는 태양전지용 기판에서 시험 중에 있다.

네덜란드 에너지연구센터(ECN)는 수증기 투과도(WVTR)와 절단 비용을 최소화하는 것과 같이 박막필름 봉지재에서 중요한 요인을 보고 있다. 이는 노출 조건을 맞춤식으로 하는 테스트 시설을 발전시켰다. 봉지재는 모듈 생산 비용에서 매우 큰 비중을 차지하는데, ECN은 중합체의 개선을 기대할 뿐만 아니라 봉지재 요건을 줄이기 위해 보다 튼튼한 실리콘 부품을 만드는 것을 기대하고 있다. 이 연구소에 따르면 응축수 조건은 습기에 비해 더 큰 스트레스 요인이며 따라서 이는 실험 시간 단축과 수명 예측에 훨씬 효과적이다.

새로운 산업의 발전과 함께 이에 대한 규정과 기준도 마련된다. 언더라이터즈 레이보러토리즈(UL)는 미국의 산호세, 독일의 크레펠트, 중국, 인도, 일본에 태양전지 테스트 연구소를 설립했다. 주로 화재 및 전기 안전성을 점검하기 위한 시설이다. 모듈에 적용하기 전에 부품을 승인함으로써 출시되는 시간이 앞당겨질 수 있다. 화염 확산에서부터 열선 점화와 수침까지 다양한 요건이 존재한다. 적외선 분석, 열 무게 측정, 차별화된 스캔 열량측정을 비롯해 여러 가지 기준을 측정하기 위해 소재에 대한 ID 스캔이 실시된다.

 

SOLAR TODAY 편집국 / Tel. 02-719-6931 / E-mail. st@infothe.com


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