마크 프란시스(Mark Francis)

로웰 매사추세츠 대학에서 화학공학 석사학위를 받은 필자는 ECM(Engineered Conductive Materials)에서 태양광 글로벌 비즈니스 매니저로 활동 중이다.

리치 웰스(Rich Wells)

현재 ECM에서 기술이사로 활동 중인 필자는 앤더슨 대학에서 화학 석사학위, 아크론 대학에서 고분자학 학사학위를 받은 바 있다.

지금까지의 태양광 시장은 결정질 태양전지 제조사들이 점령해 왔다. 이들 애플리케이션에서는 전지를 상호 연결하기 위한 일반적인 혹은 선호되는 방법으로 태양전지 리본을 주로 사용하고 있다. 이 과정에서 주석 혹은 주석-은 코팅 리본이 전지에 부착된다. 이때 하나의 전지 상부에 고온 가열한 은-유리 버스바로 리본을 납땜해 다음 전지의 후면 접촉을 시도한다. 이러한 연결 방법이 스트레스 유도와 잔여물 유동이라는 기술적인 한계를 갖고 있지만 이런 문제는 충분히 관리가 가능하다. 이 연결 방법의 이점은 뛰어난 전기 전도성, 급속하고 안정적인 공정으로 꼽히며 이 분야에서 이미 신뢰성을 입증받았다.

모듈 설계와 구성의 급속한 기술 발전으로 인해 태양전지의 상호 연결을 위한 전도성 접착제의 수요가 크게 늘어났다. 전도성 접착제를 필요로 하는 애플리케이션은 효율성 증대와 장기적인 내구성을 제한하지 않고도 비용을 줄이고자 하는 필요성에서 탄생했다. 접착된 상호 연결된 전지에서 노후화가 일어나면 전류 전달 용량에 영향을 미치게 된다. 이러한 새로운 애플리케이션에는 CdTe, CIGS, 혹은 유기 태양전지, 비결정질 박막 태양전지가 있다. 이는 대부분의 경우 고온 처리 페이스트와 납땜과 연관된 온도와 스트레스를 감당하지 못한다. 박막 실리콘에 기초한 새로운 모듈 설계와 후면 접촉 모듈은 대부분의 경우 전지를 서로 연결하는 접착제를 사용한다.

이러한 장치의 장기적인 내구성에 전도성 접착제는 얼마나 중요한 역할을 하는가? 태양광 모듈은 옥상과 그리드로 연결된 태양광발전 시설에서 사용된다. 여기에서 모듈은 극단적인 날씨, 환경 조건에 노출되기 일쑤다. 때문에 전기 출력 감소를 최소한으로 해 20년 동안 작동해야 한다. 이들 애플리케이션에 적용되는 전도성 접착제는 태양전지 제조사가 요구하는 장기적인 내구성을 제공하는 특수한 속성을 갖고 있어야 한다. 태양광 모듈은 IEC 테스트의 엄격한 기준을 충족해야 한다. 이러한 테스트에는 -40°C에서 85°C까지 열주기, 85°C/85% 상대 습도에서 1,000시간동안의 열 테스트, 풍속 변화 및 기타 시험이 있다. 그렇다면 IEC 요건을 통과한 모듈은 실제로 사우디아라비아의 열과 태국의 열·습도, 캐나다의 가혹한 겨울에도 20년 간 내구성을 유지할 수 있을까? 장기적인 내구성에 영향을 미치는 다수의 요인들이 있지만 전기적 상호연결의 전도성 안정성은 모듈의 장기 내구성에 극히 중요하다. 많은 경우 전지 상호연결에 사용되는 기질은 주석-은 합금, 구리, 몰리브덴, 알루미늄 같은 산화 가능한 금속이다. 이러한 기질에 안정적인 접착과 연결이 가장 큰 문제이다.

접착제 구성의 기본원칙

이 논의를 위해서 우리는 열경화성 전도성 접착제에 초점을 맞출 것이다. 업계에서 사용되는 대부분의 전도성 접착제는 몇 가지 일반적인 구성을 가진다. 먼저 수지 중 가장 일반적인 것이 에폭시 수지라는 것. 그리고 희석제는 시스템의 점도를 줄여주는 것으로 기질이 잘 젖고 부착이 쉽도록 해야 한다. 경화제의 유형은 수지 화학에 따라 다르다. 전도성 코팅제의 가장 일반적인 것으로 은이 있다. 이밖에 다른 접착제로는 접착 촉진제, 계면활성제, 전도성 촉진제 등이 있다. 이러한 요소들은 공기를 제거한 진공 상태에서 동질적인 혼합을 형성하기 위해 함께 혼합된다.

열경화성 중합체

처리되는 중에 접착제는 바늘 투여, 주사, 인쇄를 통해 기질에 발라지고 접착제는 수지와 경화제의 반응성을 높이는 열을 첨가해 처리된다. 이 수지는 액체 중합체이다. 중합체는 화학적인 반응을 반복하는 화학 과정이다. 중합체가 반응하면 체인은 길어지고, 화학적 접착은 상호 연결 과정에서 인접한 체인을 형성한다. 중합체 네트워크가 경화 과정을 형성하면 이것은 열경화고체로 굳어진다.

경화된 중합체는 체인으로 인해 물리적으로 연결되거나, 부차적인 화학적 접착 수소로 결합되거나(분산력), 주요한 접착 전자쌍을 공유해 접착이온으로 접착되어 연결된다. 그 중 교차결합은 체인들 간의 주요한 결합 형태이다. 교차 결합된 중합체는 열경화성 수지라고 한다.

유리 전이 온도는 무엇인가?

간단히 말해 유리 전이 온도는 열·운동 에너지가 체인 간의 제2의 접착력을 극복하는 온도이다. 이때 중합체 부피는 자유롭게 커진다(접착 강도는 동일 이유로 감소한다). 중합체는 ‘유리 같은’ 재질에서 유리 전이 온도 이하로 내려가고 고무 상태가 된다. 유리 전이 온도 이상에서 열팽창 계수는 2~4배로 늘어나고 계수는 감소하며 열용량과 유전체 상후에 변화가 있다. 중합체가 식으면 체인은 보다 가깝게 움직이고 제1의 결합이 다시 만들어진다.

고분자의 접착

매우 다양한 화제의 수많은 접착 이론이 있다. 여기에서 우리는 실제적인 측면에 가장 충실할 것이다. 접착제는 그 본질상 매우 극단적이다. 기질에 접착되기 위해서 반드시 접착되는 표면을 젖게 해야 한다. 표면이 물 테스트를 통해 접착 가능한지 판단할 수 있다. 물은 접착제와 같이 양극의 성격을 갖고 있고 유사한 방식으로 작용할 것이다.

표면을 젖게 하기 위해서는 표면 자유 에너지가 액체의 표면 장력보다 반드시 더 커야 한다. 다른 말로 하자면 액체는 그 자체보다 표면에 더 큰 인력을 가져야 한다. 우리는 300도 이하의 각도를 선호한다. 울퉁불퉁한 표면(대부분의 경우에)은 접착이 용이하고 기계적 강도도 더 커진다.

대부분의 금속, 도기, 질소, 산소 등을 포함한 고분자(그 성격상 양극이며 비 접착 궤도에서 자유전자를 갖는)는 깨끗한 경우 높은 표면 자유 에너지를 갖는다. 폴리프로필렌, 실리콘, 테플론 등등과 같은 물질들은 낮은 표면 자유 에너지를 갖고 있고 일반적으로 별도의 화학적 처리를 하지 않고서는 접착이 어렵거나 불가능하다.

박막 애플리케이션에서 중대한 문제들

박막 태양전지는 다소 온도에 민감한 경향이 있다. 온도 유도 열 스트레스를 줄이기 위해 대부분의 고객들이 150°C 이하를 선호하는 데 비해 최대 염지 온도는 180°C 선이다. 전도성 접착제는 이 온도에서 작용을 시작한다. 즉 설계 엔지니어는 접착제의 전도성이 열처리 온도에 영향을 받는다는 사실을 명심해야 한다.

대부분의 전도성 접착제는 은을 전도체로 삼는다. 이러한 은은 윤활유로 코팅되어 있어 수지 시스템으로 확산될 수 있다. 높은 전도성을 확보하기 위해서는 윤활유를 반드시 분해해야 하고, 은의 파편들 간의 긴밀한 접촉을 위해 은 표면에서 윤활유를 제거해야 한다. 열처리 온도가 높으면 높을수록 윤활유의 분해 효율성은 더욱 높아진다. 다수의 전도성 접착제는 전도성을 갖기 위해 특정한 온도 이상이 되어야 한다. 이때 중요한 것은 열처리 온도와 시간 전도성이 진행되는 과정 간의 관계를 알아야 한다는 것이다. 열처리 시간과 온도는 차별화된 스캔 알고리즘을 사용해 결정된다. 전도성은 또한 각각의 특정한 열처리 과정에 따라 결정된다.

실리콘 태양전지의 결정화를 위해 사용되는 주석이나, 주석-은 코팅 구리 리본은 박막 필름 장치의 상호 접착에 사용된다. 이러한 애플리케이션에는 납땜 대신 전도성 접착제가 일반적으로 사용된다. 은으로 코팅한 전도성 접착제로써 주석이나 주석-은을 부착할 때 전류를 발생시키는 부식 작용의 발생은 상호 연결된 전지의 전도성 안정성을 방해하는 걸림돌로 작용한다.

박막 태양전지에서의 전도성 접착제

주석은 산화전극으로 작용하며(전자를 해방시킴) 은은 음극으로 작용해 전류를 발생시키는 전지를 만든다. 물과 접촉해 이온이 주석을 산화시킬 때 이러한 과정이 발생한다. 고온다습한 조건 하에서 이러한 작용은 가속되며 이러한 상호연결 저항력은 급속히 커질 수 있다. 접착제는 일정한 유형의 화학과 형성 메커니즘을 통해 형성되어 이러한 효과를 줄이거나 아예 제거한다.

현재 태양전지에 사용되는 전도성 접착제의 대부분은 주석 표면 접착용으로 만들어지지 않았다. 잘 코팅을 한다면 이들도 UEC 테스트를 통과할 수 있다. 그러나 수분에 노출될 경우 연결 부위가 급속도로 갈라질 수 있다. 일부 박막 태양전지 고객들은 우리들에게 고온다습한 공간에서도 전도성 안정성을 유지하는 접착제를 사용하는 것이 중요한 문제라고 말하지만, 또 다른 일부는 모듈이 봉해지고 수분이 장치에 스며들면 어떤 식으로든 고장을 일으킬 것이라고 말한다.

다수의 CIGS 애플리케이션에서 리본은 전지의 뒤쪽 몰리브덴에 붙는다. 퇴적 과정에서 몰리브덴 산화물이 형성되지만, 이 과정에서는 몰리브덴 셀렌화물이 형성된다. 몰리브덴 셀렌화물이든 몰리브덴 산화물이든 혹은 그 중간쯤의 어떤 것이든 이 후면의 구성은 아직 정확하게 알려진 바가 없으며 분명히 제조업체들마다 다르다. 표면 구성의 변화가 어떤 식으로 장기적인 접착력과 전도성 안정성에 영향을 미치는지는 아직 확실히 밝혀진 바가 없다. 기본적으로 이것은 고온다습한 환경에서 상당한 차이를 확인하는 시행착오 과정이 될 것이며, 다른 고객들의 몰리브덴 기질 열주기 성능이 다름에 따라 그 결과도 천차만별이 될 것이다. 우리가 실험한 몰리브덴 기질에서의 열 주기를 통해 고온다습한 환경에서 무리 없이 성능을 발휘하는 재질을 개발했지만 아직도 우리는 그 메커니즘을 알지 못하며 내구성과 신뢰성이 다양한 셀레니움 함량 및 표면 구성에 따라 어떻게 영향을 받는지도 알지 못한다.

플렉시블 박막 태양전지에서 접착제의 강도는 중요한 문제다. 유리에서 뒷면이 견고한 모듈의 높은 유리 전이 온도, 강력한 접착제의 모듈 재질이 사용될 수 있다. 릴-투-릴(Reel-to-reel) 공정에서 제조되는 모듈에서는 최고의 유연성이 요구된다. 앞서 언급한 바와 같이 유리 전이 온도는 딱딱한 유리 같은 재질에서 고무 재질까지 무정형 중합체가 속한 온도 범위의 중심에 있다. 유리 전이 온도 이상이면 재질은 고무처럼 스트레스를 흡수한다. 유리 전이 온도 이하이면 재질은 유리와 같아서 스트레스 흡수율이 낮다. 재질이 얼마나 ‘고무 같은 성질인지’ 아니면 ‘유리처럼 딱딱한지’는 재질 중합체 구조에 달려 있다. 유연성이 좋은 모듈 생산을 위해서 전도성 접착제는 가능한 한 높은 껍질 강도를 유지하면서도 접착본드 내의 스트레스를 분산시킬 수 있어야 한다.

결정질 실리콘 후면 접촉 애플리케이션의 주요 문제들

전도성 접착제 공급업체의 관점에서 보면 우리가 직면하는 가장 큰 문제는 구리, 주석, 알루미늄 기질과의 접착이며, 이 때 전도성을 헤치지 않는 것이다. 우리가 연구한 대부분의 모듈 후면 접촉 애플리케이션은 은 코팅을 한 시트를 사용한다. 비용 문제를 고려해 모듈 설계자들은 은 대신 구리, 주석, 알루미늄을 사용하고자 한다. 은은 쉽게 산화되지 않고 상대적으로 안정적인 접착 기질을 갖고 있기 때문에 은 이외의 다른 금속들은 쉽게 산화층을 형성하고 안정적인 접착과 전도성을 유지하는 데 상대적으로 어렵다. 우리는 어떻게 주석에 안정적인 전도성을 확보하는 전지 연결이 가능한지 알지만, 구리와 알루미늄에 대해서는 이와 관련해 잘 모르고 있다.

기본적으로 금속인 구리와 구리 산화물의 결정질 구조상의 차이 때문에 약한 경계층을 형성할 수 있다. 열주기(스트레스) 동안, 구리 산화물은 이 금속에서 얇은 조각으로 갈라질 것이다. 예컨대 사각 평면 구조를 갖는 입체 결정질 구조를 갖는 구리와 Cu(II) 산화물은 그들 간에 접촉이 잘 이루어지지 않는다. 때문에 표면을 안정화하기 위해 유기적 연납 코팅(OSP) 처리가 사용된다. 구리 표면은 표면을 안정화하는 유기 화합물로 코팅되어 표면접착을 안정적으로 달성하고 전도성을 유지하게 한다. 벤지미다졸과 벤조트리아졸은 가장 일반적으로 사용되는 OSP 처리이다.

일반적으로 산화물 층은 구리에서 벗겨지고 산화층이 형성되기 전에 표면은 화학적으로 처리된다. 전도성 접착제는 이제 접착제가 OSP 화학과 상호 호환될 수 있도록 OSP 코팅을 따라 안정적으로 결합된다. 우리는 산업용으로 사용되는 일부 전도성 실리콘을 보아왔지만(비 OSP 취급 기질), 이러한 OSP 화학물질은 약한 구핵원자(기저)이고 실리콘이 백금 촉매와 작용하면 실리콘의 효과를 방해할 수가 있다. OSP 처리는 반도체와 구리 표면 간의 전도성 접착제를 잘 붙게 하기 위해 구리 납 틀의 표면 처리용으로 반도체 산업에서 광범위하게 사용된다.

우리는 알루미늄과 전도성 접착제의 직접 결합을 장려하지 않는다. 전류를 발생시키는 부식의 문제와 산화 문제로 인해 알루미늄은 비용과는 상관없이 기질용으로 좋은 선택이 아니다. 우리는 알루미늄 표면을 안정화시키는 몇 가지 방법들을 살펴보고 있지만 아직까지 이 기술문제를 해결할 적절한 해법은 알려진 바가 없다.

저가의 전도성 접착제

태양광에 관한 논의에서 비용 문제가 배제된 적은 거의 없다. 은의 가격이 지난 몇 년 동안 엄청난 수준으로 상승했다. 또한 재질의 비용을 줄여야 한다는 것이 전도성 접착제 공급업체들을 짓누르는 엄청난 부담으로 작용한다.

‘보다 저렴한 전도성 재질로 은을 대체하면 되지 않겠는가!’ 라고 말하는 것은 쉽다. 말처럼 이라면 그것은 전혀 문제되지 않는다. 구리, 은 도금 구리, 니켈, 나노입자, 나노튜브, 나노와이어, 그라핀, 원래부터 전도성을 띠는 중합체 등 은을 대체할 만한 재질은 얼마든지 있다. 이러한 재질의 공급업체들은 많은 경우 귀가 솔깃해지는 제안을 하기도 한다. 그러나 은을 대체하려는 작업이 25년 정도 시도되었지만 항상 전도성이 문제가 되고 장기적인 안정성과 가공 문제가 해결되지 않는다. 때문에 ECM은 비용 절감 노력에 속도를 내고 있다. 현재 ECM은 은의 함량을 낮춘 자사의 표준 생산라인보다 40% 절감된 수준으로 비용을 절감할 수 있는 재질을 갖고 있다. 거기에 전도성이 약간만 더 약해지는 정도이다.

저렴한 비용의 전도성 접착제가 당신의 애플리케이션에 효과를 내는지 여부는 당신 제품의 특정한 설계에 필요한 전도성 양에 따라 다르다. 어떤 설계에서는 투명한 전도성 산화물은 접착제에서 높은 전도성 효과를 줄이는 부정적인 요인이 된다. 또 다른 설계는 접착제에서 낮은 전도성에서 효율성을 감할 수도 있다. 이는 디자인마다 매우 다르게 나타난다.

태양광 부문에서 신기술이 등장하면서 전도성 접착제의 사용은 급속히 확산되는 추세에 있다. 태양광 모듈 설계 엔지니어는 사용과 관련된 장기적인 신뢰도 문제를 알 필요가 있다. 설계 담당 엔지니어는 20년의 제품 수명 주기 동안 최소한의 손실로 태양광발전 시스템에서 물리적, 환경적 스트레스를 견딜 수 있는 전도성 접착제를 선택해야 한다. 이를 달성하기 위해서 설계 담당 엔지니어는 이러한 재질이 어떤 식으로 적용되고 수정되는지, 이러한 재질의 속성이 무엇인지, 어떻게 표면에 접착되는지, 그리고 기질과 어떻게 상호작용 하는지, 어떤 환경이어야만 오랫동안 마모나 노후화가 되지 않는지 반드시 완벽하게 이해하고 있어야 한다. 이 모든 문제는 최대한 비용을 낮추는 것이 중요한 문제로서 반드시 고려되어야 한다.

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