경제적이고 안정적 소재 선택 압력에 민감한 전도성 접착제

브라이언 하킨스 (Brian Harkins) 어데시브리서치 연구원

펜실베니아 뉴욕 대학에서 화학 학사학위를 취득하고 유전체 압력 민감성 접착제(PSA)와 코팅 산업에서 10년 이상의 경력을 보유하고 있는 필자는 현재 어데시브리서치의 연구원으로 활동 중이며 태양광 산업에서 전기전도체 및 유전체 PSA 시스템의 개발과 상업화를 전문으로 담당하고 있다. 그는 이 회사의 전도성 PSA 프로그램과 애플리케이션에 대한 전문화된 실험 방법 개발에서 큰 역할을 담당했다.

많은 제조분야의 경우처럼 태양광 OEM 생산자들 또한 그리드 패리티(화석연료 발전단가와 태양광발전 단가가 같아지는 균형점) 도달을 위해 제조 효율성을 개선하면서도 저가의 소재로 고성능 제품을 생산하는 방법들을 모색하고 있다. 이러한 노력들 덕분에 2011년 미국에서는 태양광발전 시설 설치 증가 속도가 미미한 수준에 그칠 것으로 예상하고¹⁾, 매년 주요한 태양광 시장은 유사한 도전을 받게 될 것으로 예측하고 있다²⁾.

분석가들은 정부 보조금과 인센티브가 줄어들고 있는 추세이며, 현재 설치 프로젝트들이 지연되고 있어 모듈 수요 감소가 초래되고 있다고 분석한다¹⁾. 태양광 시장의 보완 소재 공급업체들은 OEM 방식을 통해 모듈 제조비용의 감소, 제조 효율성 증대, 태양광 셀과 모듈의 전반적인 성능 개선 목표를 추구하는데 있어 많은 도움을 받고 있다³⁾.

새로운 접착제와 압력에 민감한 테이프 PSA는 수익 증대를 목표로 태양광 셀의 성능을 높이고자 최신 기술을 모색하는 OEM 사업자들의 많은 관심을 얻고 있다. 여기에서 특별한 관심을 끄는 소재는 고가의 은(Silver) 코팅 전기전도성 접착제의 대체제로서 압력에 민감한 전도성 접착제(CPSA), 전기 상호연결 납땜, 버스바 접착 애플리케이션이다. CPSA가 전통적인 접착 방법의 대체제로 굳건히 자리를 잡는 상황이기 때문에 OEM은 태양광 애플리케이션의 가장 큰 도전에서 경제적인 소재 선택으로 이들 접착제들이 제공하는 이점들을 인식하기 시작할 것이다.

고성능의 CPSA 기술

어데시브리서치(AR : Adhesives Research)의 CPSA는 자외선 차단 효과가 있으며 극한의 온도와 열 사이클, 눅눅한 열 노출, 그리고 기타 수많은 환경적 스트레스를 견딜 수 있는 고성능 접착 테이프다. AR이 CPSA를 구성하는데 사용하는 기본 접착제는 진공중인 재료에서 기체 방출이 적어서 모듈 부품의 통합성, 효율성 보존에 효과적이며 모듈의 수명주기 동안 제품의 미관이 보존된다.

AR CPSA는 원하는 성능 자질을 얻기 위해 변할 수 있는 두 개의 전도성 필러를 함유한다. 첫 번째의 주된 고전도성 금속 필러는 전기적인 상호 연결을 위한 주된 경로이며 두 개의 기질 간의 직접적인 Z-축 전기 연결을 허용한다. 두 번째의 부차적인 필러는 접착제 안에서 상호 침투하는 네트워크를 형성하고 접착제의 유전체 효과를 최소화하면서도 전하가 접착제를 통해 이동하는 추가 통로를 제공한다. 접착제 안에서 대안적인 전기 통로를 제공하는 이러한 방법은 압축저항을 최소화하며 뜨거운 지점의 형성을 방지한다.

CPSA 구성

CPSA는 기존의 PSA 테이프와 같이 최소한의 압력만으로 지속적인 접착이 가능할 정도로 건조하고 점착성이 강하다. PSA 테이프는 깨끗하고 유해 화학물질에 노출을 줄였으며, 차가운 온도에서 저장할 필요성이 없고 접착능력 활성화를 위해 열을 가할 필요도 없어 취급이 용이하다. CPSA는 기본 속성 자체가 점성과 탄성을 지닌 점탄성 물질이며 탄력성이 있고 액체의 속성을 지니고 있다. 그 중 일부는 열 및 압력을 가하면 성능이 더욱 향상되기도 한다. 온도가 높아지면 접착제는 접착성과 전기적 상호연결을 높이기 위해 접착제 내에서 금속 필러의 보다 효율적인 접촉이 가능한 기질로 흐름이 바뀐다.

CPSA는 봉지재 PV 디자인과 비봉지재 PV 디자인에서 모두 이용 가능하며 이동 필름, 단면테이프, 양면테이프를 포함해 세 가지의 제품 구성으로 사용할 수 있다. 최종 사용에서는 특정 용도에 맞게 알맞은 구성을 하는 것이 필요하다.

이동 접착 필름(전도성 접착제의 전도성 물질이 없는 층)은 두 개의 배출선 사이에서 코팅된다. 이런 종류의 CPSA는 두 개의 전도성 기질 간에 Z-축 전기 상호연결을 제공한다.

단면테이프(전도성 접착제)는 호일 이동기의 한 면에 코팅된다. 단면 CPSA는 기질에서 전하를 모아 전도성 호일을 통해 XY 판에 있는 전하를 두 번째 기질로 전달한다.

양면테이프(전도성 접착제)는 호일 이동기의 양면에 코팅된다. 이러한 구조는 Z-축 전기 상호연결이나 버스바 호일로 사용하기에 아주 적합하다. 이러한 용도에서 양면접착제는 한 기질에서 전하를 모아 호일 반대편의 두 번째 기질로 전하를 전달한다. 즉, 한 전지의 ‘P’ 쪽에서 인접한 전지의 ‘N’ 측으로 전하를 이동시킨다.

CPSA : 전통적인 Ag-ECA와 솔더링에 대한 경제적 대체제

CPSA는 태양광 시장에 전통적인 Ag-ECA보다 높은 성능의 경제적인 전기 상호접합 대체제를 제공한다. Ag-ECA는 코팅이 많이 되는 편이다. 일반적으로 효과적인 전기 성능을 얻기 위해 무게의 80% 이상을 은으로 코팅한다. CPSA는 ECA의 금속 필러 수치의 일부에서 유사한 수준의 전기적 전도성을 얻기 위해 삼투과정보다는 입자 교량 방식을 택한다.

CPSA는 주된 필러로 값이 저렴한 비귀금속 사용을 통해 높은 전도성을 얻을 수 있다. 이러한 제품들은 태양광 모듈의 반 밀폐 환경에서 현실적으로 좋은 소재가 된다. Lu 등이 입증한 바와 같이, 높아진 온도에서 금속 산화물 형성과 관련된 접촉 저항이 커지는 것은 주로 산소와 습기가 있는 상태에서 다른 금속들의 전류 발생 때문이다. 은 와이어에서 니켈 금속으로 코팅된 전도성 접착제의 대규모 저항성 증가는 그 환경에서 습기를 제거했을 때 은 와이어에 은으로 코팅된 전도성 접착제와 유사한 수준을 유지할 수 있음을 Lu 등이 입증했다⁴⁾. 따라서 구리, 알루미늄, 주석으로 코팅된 구리와 같이, 일반적으로 사용되는 다른 금속 호일에 접촉하는 비귀금속 코팅 CPSA에서도 동일한 법칙이 적용된다.

온도 성능

녹는점에 도달할 때까지 잘 휘지 않는 것이 주석이다. CPSA, Ag-ECA 같이 확실한 형태가 없고 반 결정질인 재료는 유리전이온도(Tg) 이상에서는 액체와 같고 탄력적이지만, Tg 이하에서는 유리처럼 작용한다. 사슬형 중합체의 국부적인 움직임은 Tg 이하의 온도에서는 제한되는데, 이 결과 비효과적인 중합체 스트레스 소실이 일어난다. Tg 이상의 온도에서도 국부적인 움직임이 가능한데, 이를 통해 중합체는 열의 형태로 스트레스를 없앤다. Ag-ECA의 Tg는 일반적으로 상온 이상인 반면, CPSA의 Tg는 약 -40℃다. 따라서 CPSA는 Ag-ECA와 납땜 이하보다 훨씬 낮은 온도에서 보다 효과적으로 스트레스를 제거한다.

CTE가 불일치하는 열팽창 기질 계수, 바람의 하중, 기타 환경적 조건은 모듈 내부의 전기 상호연결에 상당한 스트레스를 유발하기도 한다. 주변 온도에서 액체 같고 탄력적인 CPSA는 Ag-ECA의 납땜보다는 스트레스 균열이나 접착 실패에 덜 민감하다. IEC 61215, IEC 61646, UL 1703 같은 태양광 모듈의 설계에서는 모듈이 -40℃ 이하의 온도를 통과하는 일반적인 열 사이클 시험을 통과해야 한다는 점에서 이 부분은 매우 중요하다. 잠재적인 비용과 물리적인 성능 면에서 장점이 있을 뿐만 아니라, CPSA는 Ag-ECA와 납땜에 비해 탁월한 전기적 성능과 열 성능을 제공한다.

태양광 애플리케이션에서 CPSA

CPSA는 태양광 설계의 통합적 일부로 간주된다. 이에 대한 증거는 그림 3에서처럼 오늘날 CPSA 테이프의 줄이 버스바처럼 기능하는 곳에서 무기물, 유기물 박막 필름 모듈 버스바에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 그림 3은 모듈 내부에서 접속 배선함으로 전하를 전달하는 주된 방식을 설명한다. 이러한 애플리케이션에서 전체 모듈의 전류는 버스바 CPSA와 모듈의 버스 호일이 겹쳐서 발생하는 단일한 접합을 통해 흐른다. 전류 밀도는 이 겹침 부분에서 상당하며, 따라서 안정적인 상호연결을 위한 필요성이 아주 크게 대두된다. 이로써 버스바 성능 저하와 전기 접촉은 실리콘 웨이퍼 및 CdTe, CIS 태양전지에서 가장 중요한 신뢰도 문제가 되는 것이다⁵⁾.

CPSA는 납땜과 Ag-ECA를 대체하는 전지 상호 연결로 사용될 것으로 평가받고 있다. 단면 CPSA 또한 스트링잉 리본이나 호일에서 전하를 모으는 단말장치 버스 시스템으로서 고려되고 있다. 이 모든 애플리케이션 예에서 CPSA는 태양광 설계의 통합적인 일부가 되며 강력한 접착제와 고성능 전기 상호연결은 태양광 모듈의 오작동과 전력 손실을 피하기 위해 아주 중요하다.

아리조나주립대학 PV 테스트연구소는 1997~2005년 사이에 대부분의 스트레스 테스트가 실패한 것은 눅눅한 열과 열 사이클 테스트 때문이라고 보고했다⁶⁾. AR CPSA는 셀과 태양광 모듈 설계에서 열 사이클(그림 7)과 눅눅한 열(그림 8)에 노출될 때 극히 안정적인 전기적 성능을 입증했다.

전기적 성능 시험

태양광 제조업체들은 기존의 CPSA 개발 분야에 전문성을 갖추고 완벽한 전기적 시험 장비를 갖춘 접착제 제조업체를 선택함으로써 프로젝트 설계 단계에서 가장 많은 혜택을 누릴 수 있을 것이다. AR의 테스트 연구소는 PV 자질 테스트 수준, 고객 공급 방법, 파괴적인 가속 수명 테스트에서 기술을 평가하는 데 활용된다. AR의 대부분의 테스트는 태양광 모듈용 버스바 테이프에 사용되는 CPSA의 연구이며 이에 대한 상세한 논의는 아래에서 할 것이다.

버스바 애플리케이션용으로 CPSA를 평가할 때 가장 간단한 테스트 셀 구조는 그림 4에 제시된 바와 같이 버스바 테이프와 두 번째 버스 호일의 겹침 구조이다. 이것은 OEM 태양광 모듈의 중요한 상호연결을 자극하기 위해 의도된 것이다. 이러한 겹치는 연결부위를 갖고 있는 셀은 OEM의 설계 및 공정과 일치하는 방식으로 준비되고 전류 증가, 뜨거운 전류 흐름, 열 사이클, 눅눅한 열 노출과 같은 다양한 조건 하에서 테스트 된다. 전류(I)는 전지에 공급되며 이 겹침 연결부를 통한 전압 강하(V)는 테스트 중에 정기적으로 측정된다. 일반적으로 1~2분에 한 번씩 측정된다. 저항(R)은 옴의 법칙 R = V/ I으로 계산된다.

전기 성능에 대한 이러한 지속적인 모니터링을 통해 사전 사후 조건에서만 테스트할 때 보이지 않는 버스바 기술의 차이를 식별할 수 있다. 아래의 그래프는 열 주기 테스트 중에 밀봉된 셀 안의 세 가지 다양한 버스바 테이프의 성능을 보여준다. 이 세 가지의 버스바 테이프는 기본 접착제의 접착력이 서로 다르다. 본 연구에서 접착력이 더 좋은 접착제의 버스바 테이프는 열 사이클 조건을 따르는 밀폐된 셀로 인해 발생한 열-기계 스트레스를 견뎌냈다(그림 5). 열 사이클(그림 6)의 시작과 끝에서만 이러한 성능이 평가되었다면 이러한 결과는 간과되었을 것이다. 사실상 열 사이클 전후에서 세 개의 모든 버스바에 대한 저항 가치는 상당히 유사했다.

태양광 모듈의 장기적인 내구성을 예측할 수 있는 가속화된 노후화 표준 테스트 방법이 필요한 만큼 실제적인 태양광 모듈에서 성능을 예측할 수 있는 부품 수준(셀)의 테스트 방법 또한 필요하다. 이러한 필요성은 전기적 성능의 기본으로 AR의 EL-90038 같은 상업적으로 이미 검증된 버스바 테이프를 사용함으로써 해결된다. 이런 식으로 경쟁력 있는 기술과 차세대 제품은 획기적인 셀 개발을 통해 가능하며 이러한 테이프들이 실제 모듈에서 어떤 역할을 할지 예측함으로써 통제 표본에서 이들이 어떻게 기능하는지 알 수 있다.

이 셀 테스트를 통해 얻을 수 있는 장점은 다양한 버스바 테이프를 단 시간 안에 동시에 평가할 수 있다는 것이다. 뿐만 아니라 OEM은 IEC, UL 같은 기술 테스트를 받고 모듈을 생산하기 전에 잠재적인 문제들이나 잠재적인 버스바 기술의 장점을 식별할 수 있다(그림 1).

태양광 OEM 생산자들은 현재 정부 보조금, 인센티브 축소로 인해 수요가 줄어드는 상황에서 제조 효율성을 개선하면서도 저가의 소재로 고 성능 제품을 생산하는 방법들을 모색하고 있다. 그리고 보완 원자재 공급업체들은 이 상황에서 태양광 OEM 회사들에게 중요한 역할을 하고 있다.

CPSA는 Ag-ECA와 납땜과 같은 전통적인 전기 상호연결 방법에 대한 경제적인 고성능 대안을 제공한다. 다양한 노후화 조건 하에서 셀 설계 시 부품 수준의 성능을 실시간 모니터링하는 전기적 실험을 통해 실험 전후에만 집중하는 성능 테스트에 비해 보다 정확한 성능 테스트를 할 수 있다. CPSA 기술과 전기적 테스트에서 전문성을 갖춘 업체와 협력함으로써 태양광 OEM은 IEC, UL과 같은 태양광 모듈의 중요한 설계 조건을 충족하고 애플리케이션(용도)에 적합한 부품이 무엇인지 확인할 수 있을 것이다.

참고문헌

1) T. 킴비스, S. 펜, J. 바카, W. 렌트, S. 칸, S. 메흐타, B. 프라이어, MJ 시아오, A. 크룰레위츠, ‘미국 태양광 시장 점검: 2011년 2 분기 요약’. 태양에너지산업협회/GTM 리서치 태양광 분석가(2011)

2) 포브스지(Forbes.com), ‘2분기 미국 태양광 시장은 69% 성장했지만 향후 시장은 둔화될 것으로 보인다’, 20 Apr. 2009. www.forbes.com/sites/toddwoody/2011/09/20/u-s-solar-market-jumps-69-but-likely-to-cool-off

3) N. 캘리, ‘실리콘과 박막 필름을 넘어서: 원료가 결정적인 역할을 담당한다.’ 태양광 산업 매거진 Vol. 3(2010. 11. 7)

4) Lu 박사, Q.K. 통, C.P. 옹, ‘전도성 접착제의 불안정적인 접촉의 메커니즘’. 전기 포장지 제조 IEEE 거래 22 (1999) 228-232.

5) N. 보스코 ‘PV 기술과 관련된 신뢰성 문제’, 국가 신재생 에너지 연구소(2011) 1-11.

6) B. Li, T. 아렌즈, J. 쿠이치, W. 시슬러, Y. 캉, G. 타미즈마니, ‘IEC & IEEE 설계 요건: 지난 9 년간의 테스트 결과 분석’. 21 세기 유럽 PV 태양 에너지 컨퍼런스(2006).

본 기사는 미디어그룹 인포더에서 발행하는 글로벌 PV 매거진 Monthly INTER PV(영문) 내용을 게재한 것입니다.

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