장기신뢰성 확보 위한 PV 모듈용 백시트 기술

자재수급 안정성 확보 및 소재 경쟁력 강화 필요

에스에프씨 윤 종 국 기술연구소장

태양광 모듈용 백시트는 외부환경으로부터 태양전지, EVA 시트를 보호해 주는 필름소재로서 2~3개의 층으로 구성돼 접착된 구조다. 일반적으로 내후성(환경 내구성) 및 전기절연성이 뛰어난 고분자 원료를 사용해 생산되며 내후성이 우수한 불소 고분자 소재는 PVF, ETFE 등의 불소소재를 사용해 구현한다.

백시트의 기능은 전기절연 및 수증기, 모래 바람 등의 외부환경으로부터 태양전지를 보호하며, 유리, 금속 등의 타 기재를 사용함으로써 모듈 제조시 설치 시공의 편의성을 제공함은 물론 부가적인 기능성 부가를 통해 모듈의 발전효율까지 향상시킬 수 있다.

이렇게 중요한 역할을 하는 백시트와 관련해 내구성 확보는 물론이고, 수상 태양광시장의 발달 등 변화된 시장 트렌드에 따른 다양한 연구가 시도되고 있다.

내마모성이 우수한 소재 대체

최근 백시트의 공기 중에 노출되는 부분을 내마모성이 우수한 소재로 대체해 기계적인 강도 개선은 물론, 외부 환경적인 영향으로 야기되는 문제점들을 해결하기 위한 시도가 지속적으로 진행되고 있다.

기존에 내마모성이 우수한 소재로 불소필름이 가장 일반적으로 사용되고 있으며, 그 일례로는 PVF, THV, ETFE 등을 Air Side 층에 합지하는 방법이 일반적이다. 또한 내열성 저올리고머형의 PET 소재를 사용해 내구성을 확보하기도 한다. 이 외에 내구성이 강한 고분자인 테플론, PEN, 폴리아마이드 등을 사용하기도 한다.

수상 태양광발전의 성장

태양광 산업계가 잠시 숨고르기를 진행하고 있는 요즘, 수상 태양광발전이 이슈가 되고 있다. 물과의 접촉이 포인트인 이 발전 방식이 이슈가 되고 있는 만큼 수상용 백시트와 관련한 연구도 활발히 진행되고 있다.

수상 태양광발전과 관련해 최근 수증기 배리어 특성을 보유한 수분 차단특성의 백시트 수요가 증가하고 있다.

수상용 태양광 시스템은 일정한 상온을 유지하기가 용이하고 수면에서 반사된 태양광이 다시 발전기에 포집돼 발전효율이 증가하는 장점이 있다.

하지만 수상용의 경우 수증기로 인해 바닷물의 나트륨에 기인한 백시트의 부식 및 열화현상이 가속화되는 문제점을 가지고 있다. 이를 방지하기 위해 수증기 배리어 특성을 갖는 백시트의 동향은 알루미늄 포일을 약 20 ~30μm 두께로 합지한 수분 차단성능을 보유한 백시트를 요구하고 있다. 또한 산화 알루미늄 필름의 적층뿐만 아니라 알루미나가 증착된 PET나 실리카가 증착된 PET를 사용하기도 한다.

기술 및 화학적 내구성 개선

수분은 물론, UV 노출 상황에서의 고내후성, 고내구성 확보를 위한 방안도 다양하게 논의되고 있다. 수분침투 및 UV 노출에 의한 접착열화(Adhesion Degradation) 현상은 층간 접착제의 가수분해 반응에 의해 폴리머 체인의 구조가 분리돼 고내후 특성에 결정적인 결함으로 작용한다.

고내후성 및 고내구성 확보를 위해 접착제의 가수분해 반응 저항성을 높이고, 높은 분자량의 모노머를 사용해 UV 변색을 방지하거나 자외선 안정제를 사용하는 등의 기술적인 접근이 진행되고 있다.

또한 나노필러를 접착제에 첨가함으로써 접착제가 경화된 후 수분에 의한 결합 파괴를 방지하는 방법이 시도되기도 하며, 분자량을 높이고 분자량의 분포를 좁히는 시도를 통해 내가수분해성을 향상시켜 화학적 내구성을 개선하는 등의 연구가 진행되고 있다.

방열성능을 갖춘 백시트 개발

방열성능을 갖고 있는 백시트 개발도 최근에 활발히 진행되고 있다. 이 백시트는 모듈 내외부에 안가되는 열원을 외부로 방출해줌으로써 셀의 효율을 증진시키는 방법이다. 야외에 태양광 모듈을 설치할 경우 실제 발전시에 주변의 온도가 상온이라고 하더라도 태양전지 모듈의 온도는 반도체 소자의 동작에 의해 열 등이 발생해 50℃ 이상까지 온도가 상승하게 된다.

일반적으로 일조량이 높은 지역에서 발전효율이 상대적으로 높지만 대기의 기온이 가장 높은 8월에 태양광 모듈의 표면온도가 50℃ 이상을 넘어설 경우 태양광발전 효율이 10% 이하로 떨어진다.

이와 같은 사실은 태양광발전 효율에 영향을 미치는 인자는 태양전지 셀의 종류가 아니고 모듈 및 주변기기의 열과 주위 온도환경인 것임을 알 수가 있다. 그러므로 특수목적용 태양광발전을 위한 사막용 및 적도부근의 고온 지역에 태양광 설치를 위한 방열성능이 높은 태양광 모듈용 백시트에 대한 수요가 급증하고 있다.

백시트에 방열성능을 부여하기 위해서는 방사율 및 열전도율의 열적 흐름을 한 방향으로 흐를 수 있도록 만들어 내부 및 외부환경에서 발생된 열원을 신속하게 방출하는 구조적인 개선 및 변화가 필수적이다. 적용하는 소재로는 열전도율이 높은 탄소계열의 재료(CNT, 그라핀, 카본블랙 등)를 사용해 열전도도의 터널링 현상을 이용한 열 방출을 이용하거나 BN(Boron Nitride), 알루미아, 실리카 등의 열전도성 무기소재를 백시트 기재에 분산 적용하는 방법이 연구되고 있다.

안정화 및 저가화를 위한 시도

최근 시도되고 있는 백시트와 관련된 다양한 연구는 앞서 언급한 것 외에도 태양광 모듈용 백시트를 통한 셀의 효율을 증가시키기 위한 방법으로 전지 후면에 직접 외부전도층을 연결해 PV 효율을 증가시키는 방법과 장기신뢰성 확보를 위한 PID-free 보호필름 등의 연구도 진행되고 있다.

태양전지용 백시트 산업은 기존의 듀폰 테들러(Tedlar) 기반에서 관련 시장의 급속한 성장에 따라 안정화 및 저가화를 위한 PET 필름 및 폴리올레핀계열 소재로의 대체가 시도되고 있으며, PEN 필름 및 EVA 시트와 일체화시키는 복합화 연구도 진행되고 있다.

최근 들어 중국에 이어 인도, 태국 등도 정부주도의 태양광 설치 프로젝트가 가속화됨에 따라 지역특성에 부합하는 차별화 제품 및 저가화 기술개발이 요구되고 있다.

하지만 이런 시장의 요구와 발전 추세와 더불어 해결해야 할 과제로는 현재 대부분의 원부자재는 국산화를 이뤘지만, 안정적인 가격경쟁력을 갖추기 위해 자재수급의 안정성을 확보해야 하는 것이 첫 번째이며, 또한 장기 품질보증기간 및 가혹한 특수목적용 백시트와 같은 요구 스펙의 강화에 따라 생산성 향상과 신규 공정의 도입을 가속화해 소재 경쟁력을 강화해야 하는 숙제를 안고 있다.

SOLAR TODAY 이 민 선 기자 (st@infothe.com)

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