KR101837310B1 - 태양전지 봉지재용 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 봉지재용 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 이온 흡착 성분을 500ppm 내지 1500ppm을 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 제조시의 제립 공정에 주입하여 균일 분산성을 확보함으로써 태양광 투과율에 손실을 가하지 않으면서 효과적으로 Na 이온의 흡착을 수행하고, 초산 분해 억제 성분이 500ppm 내지 1500ppm이 분산되어 유리 초산의 생성을 억제하고 Na 이온의 이동을 억제하여 효과적으로 anti PID 성능을 발휘할 수 있는 태양전지 봉지재용 시트의 제조에 사용되는 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 태양전지 봉지재에 사용되는 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체(EVA, ethylene vinyl acetate) 수지에 관한 것으로 태양전지 모듈에 사용될 때에 태양전지의 셀을 외부 충격으로부터 보호하고 요구되는 태양광 투과율을 만족하면서 전기 절연성을 확보하기 위한 EVA 시트(sheet)의 제조에 사용되는 수지의 구성 성분에 대한 것이다. EVA는 고투명성 및 가공 용이성 장기 내구성 및 가격적인 장점으로 수 십년간 태양광 모듈의 봉재재로 널리 사용되어 왔다. 그러나 최근 들어 일부 셀 타입(Type)이 EVA 봉지재를 사용할 경우에 PID 현상에 취약한 것으로 나타나면서 이에대한 개선이 요구되고 있다.
PID(Potential Induced Degradation)는 발전효율 저하현상으로 태양광 모듈이 고온 다습한 환경에 노출 시 모듈에 가해지는 고전압의 전류(High Potential)로 인하여 절연성이 급격하게 악화되면서 모듈의 출력이 심각한 수준으로 저하되는 현상을 말한다. 이러한 PID 현상을 극복하고자 Anti PID 셀 개발 및 봉지재의 개선 노력이 이루어지고 있다. 본 발명은 이러한 PID 현상의 완화를 위한 EVA 봉지재 시트에 사용되는 EVA 수지의 조성물에 관한 것이다.
태양광 모듈은 전기를 생산하는 셀과 이를 보호하는 봉지재를 양면에 사용하고 태양광을 받는 전면 유리부 그리고 수분 및 기체 차단 기능을 가지는 후면 sheet로 구성된다. 봉지재는 태양광 투과율의 손실을 막기 위해 최대한 투명성을 높여야 하며 이를 위해 EVA 에서는 VA(Vinyl acetate) 함량을 최대한 높인 제품을 사용하게 된다. 그러나 VA 함량의 증가에 따른 투명성 증가는 30%부터는 큰 차이를 나타내지 않는다. 그리고 VA 함량이 높아질수록 전기 절연성이 나빠지고 점도가 증가하여 가공이 어려워지며 특히 열과 수분에 의한 분해로 초산이 발생이 증가되는 단점이 있다. 반면에 비닐아세테이트 함유량이 적은 것은 시트의 블로킹, 수증기 투과율이 적고, 전기 절연성은 우수하나 투명성, 접착성이 나빠, 이의 단점을 보완하기 위해 시트 제조 시 각종 첨가제를 상대적으로 과량 처방하는 문제가 있다. 한편, 근래에 문제가 되고 있는 PID 현상은 이러한 EVA의 전기적 특성 및 열화(degradation) 특성과 관련된 것으로 파악되고 있다. PID 현상은 모듈에서 생성되는 고전압에 의해서 모듈로부터 외부로의 누설 전류 발생시 이로 인하여 셀에서의 편극현상 또는 유리로부터 분리된 Na 이온의 셀 표면으로의 이동에 의한 에미터 층에서의 션트(shunt) 저항의 감소가 원인인 것으로 설명되고 있다.
종래기술로는 대한민국 공개특허 10-2014-0090340에서 누설 전류의 발생은 셀의 전기 절연성을 담당하는 EVA 봉지재의 절연 특성에 관련된 것으로 이러한 측면에서 문제를 해결하기 위한 방법으로는 EVA 봉지제 첨가제의 개선을 통해 EVA의 전기 절연 저항치를 올리는 방안이 제시되고 있다. 또한, 일본 공개특허 특개2014-150246에서는 Na의 이동을 억제하기 위한 방안도 제시되고 있는데 이를 위해 Na의 Capture 기능이 함유된 첨가제를 처방하는 방안들이 제시되고 있다. 한편, 중국 공개 특허 2012-10235124P에서는 EVA는 수분에 의해 고온 하에서 Vinyl acetate 기가 분해되어 초산을 발생시키는데 발생된 초산은 유리의 부식을 유도하여 Na 이온의 생성을 돕고 또한 유리된 Na 이온의 이동을 돕는 것으로 알려져 있어 EVA의 초산 발생을 억제시키기 위한 방안으로 초산 반응성 첨가제를 추가하는 방안도 제시되고 있다. 그러나 이러한 첨가제의 증가 또는 추가 처방의 경우 첨가제 자체의 열화에 의한 컬러의 변색(Y.I: Yellow Index 증가)등의 문제를 가져오고 또한, Na 흡수 성능을 가진 무기 첨가물의 경우 태양광 산란의 문제를 일으켜 셀에 도달하는 태양광을 감소시키는 문제를 가지고 있다. 따라서 태양광 모듈 및 부재의 장기 성능에 문제를 일으키지 않고 또한 광투과율을 저하시키지 않으면서 PID 현상을 완화시킬 태양광 봉지재용 EVA 소재의 개발이 요구되고 있다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 금속이온 흡착 첨가제와 초산 분해 억제제의 일반적인 첨가만으로는 PID 현상의 완벽한 제거가 불가하고 또한, 부반응에 의한 봉지재의 성능 저하 및 광투과율 저하가 수반 될 수 밖에 없으므로, 부작용을 수반하지 않는 실리콘 결정계 태양광 모듈에 있어서 Anti PID 특성이 우수한 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양상은
금속이온 흡착제 500~1500ppm; 및 초산분해 억제재 500~1500ppm; 을 포함하는 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물에 있어서,
상기 금속이온 흡착제는 에틸렌 비닐아세테이트 수지 및 Na 이온 흡착제가 혼합된 마스터 배치 타입으로 평균입자 크기가 0.2~2㎛이고,
상기 초산분해 억제재는 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 Carbodiimide이며,
상기 금속이온 흡착제는 하기 화학식 3으로 표현되는 산화비스무트계 이온 흡착제, 산화안티몬계 이온 흡착제, 하기 화학식 4 내지 6으로 표현되는 인산 티탄계 이온 흡착제, 인산 지르코늄계 이온 흡착제 및 하기 화학식 7로 표현되는 규산 알루미늄계 이온 흡착제 중에서 선택된 1종 이상인 태양전지 봉지재용 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물을 제공하는 것이다.
<화학식 1>
RN=C=NR
(여기서, R은 탄소수 1 내지 4로 이루어진 알킬기이다)
<화학식 2>
R(N=C=NR)n
(여기서, R은 탄소수 1 내지 4로 이루어진 알킬기이고, n은 1~1000의 정수이다)
<화학식 3>
BiOX(OH)Y(NO3)Z
(여기서, X는 0.9 내지 1.1의 정수 또는 소수이며, Y는 0.6 내지 0.8의 소수이고, Z는 0.2 내지 0.4의 소수이다)
<화학식 4>
Zr[HPO4]2H20
<화학식 5>
Ti[HPO4]2H20
<화학식 6>
Zr1 - xTix[HPO4]2H20
(여기서, X는 0.25 내지 0.75의 소수이다)
<화학식 7>
Al2O3·3SiO2
본 발명의 다른 양상은 상기 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 태양전지 봉지재용 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물은 PID 현상의 원인이 되는 Na 이온의 셀로의 이동 및 침착을 효과적으로 방지하고, 태양광 투과율의 손실이 없으며 초산분해를 효과적으로 억제하여 PID 문제가 발생하지 않아 장기 내구성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전효율 저하현상(PID: Potential Induced Degradation)을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초산 발생량을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전효율 저하현상(PID: Potential Induced Degradation)을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초산 발생량을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
금속이온 흡착제 500~1500ppm; 및 초산분해 억제재 500~1500ppm; 을 포함하는 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물에 있어서,
상기 금속이온 흡착제는 에틸렌 비닐아세테이트 수지 및 Na 이온 흡착제가 혼합된 마스터 배치 타입으로 평균입자 크기가 0.2~2㎛이고,
상기 초산분해 억제재는 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 Carbodiimide이며,
상기 금속이온 흡착제는 하기 화학식 3으로 표현되는 산화비스무트계 이온 흡착제, 산화안티몬계 이온 흡착제, 하기 화학식 4 내지 6으로 표현되는 인산 티탄계 이온 흡착제, 인산 지르코늄계 이온 흡착제 및 하기 화학식 7로 표현되는 규산 알루미늄계 이온 흡착제 중에서 선택된 1종 이상인 태양전지 봉지재용 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물에 관한 것이다.
<화학식 1>
RN=C=NR
(여기서, R은 탄소수 1 내지 4로 이루어진 알킬기이다)
<화학식 2>
R(N=C=NR)n
(여기서, R은 탄소수 1 내지 4로 이루어진 알킬기이고, n은 1~1000의 정수이다)
<화학식 3>
BiOX(OH)Y(NO3)Z
(여기서, X는 0.9 내지 1.1의 정수 또는 소수이며, Y는 0.6 내지 0.8의 소수이고, Z는 0.2 내지 0.4의 소수이다)
<화학식 4>
Zr[HPO4]2H20
<화학식 5>
Ti[HPO4]2H20
<화학식 6>
Zr1 - xTix[HPO4]2H20
(여기서, X는 0.25 내지 0.75의 소수이다)
<화학식 7>
Al2O3·3SiO2
본 발명에 있어서, 상기 금속이온 흡착제 및 초산분해 억제재는 EVA 시트 제조 시 첨가하는 방식이 아닌 상기 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 제조 시 Melt 상태로 제립 공정에 직접 분산 주입하는 것이 바람직하며, 이로 인하여 첨가제 입자의 분산성이 크게 개선되어 원하는 물성을 확보할 수 있다.
상기 금속이온 흡착제는 500~1500ppm으로 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 800~1200ppm이다.
상기 금속이온 흡착제가 500ppm 미만으로 포함되면 금속이온 흡착 성능을 기대하기 어렵고, 1500ppm을 초과하여 포함되면 광산란이 증가하여 셀 효율이 저하되는 문제가 있다.
상기 금속이온 흡착제는 비닐아세테이트 함량 23~29중량%을 포함하고, 용융지수가 5~30g/10분(ASTM D1238, 190℃, 2.16kg)의 에틸렌 비닐아세테이트 수지 및 Na 이온 흡착제 1000~1500ppm이 혼합된 마스터 배치 타입(Master Batch type)으로 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 생산 공정에 투입되어 균일한 분산성을 확보할 수 있다.
상기 금속이온 흡착제는 Na 이온 흡착제로 평균입자 크기가 0.2~2㎛이 바람직하며, 이온 흡착 성능을 가지는 무기 화합물로서 인산 음이온, 아인산 음이온, 유기산 음이온, 알칼리 금속 양이온 함유 화합물, 알칼리 토금속 양이온 함유 화합물 등으로 산화 비스무트계 이온 흡착제, 산화 안티몬계 이온 흡착제, 인산 티탄계 이온 흡착제, 인산지르코늄계 이온 흡착제, 규산 알루미늄계 이온 흡착제 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 초산분해 억제재는 500~1500ppm으로 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 800~1200ppm이다.
상기 초산분해 억제재가 500ppm 미만으로 포함되는 경우 초산 분해 억제 효과를 충분히 얻을 수 없으며, 1500ppm을 초과하여 포함되면 Y.I가 증가되는 문제가 있다.
상기 초산분해 억제재는 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 Carbodiimide이 바람직하고, 모노머 타입과 올리고머 타입이 사용될 수 있다.
<화학식 1>
RN=C=NR
(여기서, R은 탄소수 1 내지 4로 이루어진 알킬기이다)
<화학식 2>
R(N=C=NR)n
(여기서, R은 탄소수 1 내지 4로 이루어진 알킬기이고, n은 1~1000의 정수이다)
본 발명에 있어서, 상기 산화 비스무트계 이온 흡착제 및 산화 안티몬계 이온 흡착제는 하기 화학식 3으로 표현될 수 있다.
<화학식 3>
BiOX(OH)Y(NO3)Z
(여기서, X는 0.9 내지 1.1의 정수 또는 소수이며, Y는 0.6 내지 0.8의 소수이고, Z는 0.2 내지 0.4의 소수이다)
상기 인산 티탄계 이온 흡착제 및 인산 지르코늄계 이온 흡착제는 하기 화학식 4 내지 6 중 어느 하나로 표현될 수 있다.
<화학식 4>
Zr[HPO4]2H20
<화학식 5>
Ti[HPO4]2H20
<화학식 6>
Zr1 - xTix[HPO4]2H20
(여기서, X는 0.25 내지 0.75의 소수이다)
상기 규산 알루미늄계 이온 흡착제는 하기 화학식 7로 표현될 수 있다.
<화학식 7>
Al2O3·3SiO2
본 발명의 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물은 비닐아세테이트 함량이 23~29중량%이고, 용융지수가 5~30g/10분(ASTM D1238의 190℃, 2.16kg)인 에틸렌 비닐아세테이트 수지를 포함할 수 있다.
상기 비닐아세테이트 함량이 23중량% 미만이면 투명성이 낮아져 태양광 투과율이 낮아지고 접착력이 저하되어 바람직하지 않고, 29중량%를 초과하면 비닐아세테이트 관능기의 분해가 촉진되어 유리 초산 함량이 급격히 증가하여 바람직하지 않다.
또한, 상기 에틸렌 비닐아세테이트 수지의 용융지수가 5g/10분 미만이면 시트 가공 시 압출기의 압력증가로 생산성 저하문제를 야기하여 바람직하지 않고, 30g/10분을 초과하면 라미네이션 공정 초기 가교 전 용융 단계에서 용융물의 흐름성이 증가하여 모듈 외부로 누출되거나 태양전지 셀의 이동을 유발하여 바람직하지 않다.
본 발명은 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물의 제조방법은 에틸렌 단량체 및 비닐아세테이트 단량체를 관형반응기에 투입하는 단계; 라디칼 발생촉매 100~3,000ppm을 첨가하는 단계; 중합압력 2500~3000kg/cm2, 중합온도 200~300℃, 중합시간 5~20분동안 중합하는 단계; 및 상기 중합단계 이후 금속이온 흡착제 500~1500ppm; 및 초산분해 억제재 500~1500ppm를 압출기에 투입하는 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물은 비닐아세테이트 단량체 함량이 23~29중량%인 에틸렌 비닐아세테이트 수지가 포함될 수 있으며, 상기 함량이 23중량% 미만이면 투명성이 낮아져 태양광 투과율이 낮아지고, 접착력이 저하되어 바람직하지 않고, 29중량%를 초과하면 비닐아세테이트 관능기의 분해가 촉진되어 유리초산 함량이 급격히 증가하여 바람직하지 않다.
상기 라디칼 발생촉매는 퍼옥사이드계 혼합물이 바람직하며, 100~3,000ppm으로 포함될 수 있다.
상기 라디칼 발생촉매가 100ppm 미만이면 중합 시 반응온도가 낮아 EVA로의 전환율이 낮고 분자량 컨트롤이 쉽지 않고, 3,000ppm을 초과하면 중합 시 반응온도가 높아 수지가 분해될 우려가 있다.
상기 퍼옥사이드계 혼합물로 사용될 수 있는 디알킬퍼옥시 디카보네이트계 화합물의 구체적인 예로는 Di(2-ethylhexyl) peroxy-dicarbonate, Di-butyl peorxy-dicarbonate 등을 들 수 있고, 알킬퍼옥시 피발레이트계 화합물의 구체예로는, t-Amyl peroxypivalate, t-Butyl peroxypivalate 등을 들 수 있고, 알킬퍼옥시 알킬헥사노에이트계 화합물의 구체예로는, t-Amyl peroxy-2-ethylhexanoate, t-Butyl peroxy-2-ethylhexanoate, Tert-butyl peroxy-3,5,5-trimethylhexanoate 등을 들 수 있으며, 디알킬 퍼옥사이드계 화합물의 구체예로는 D-t-butyl peroxide, Di-t-Amyl peroxide 등을 들 수 있다.
상기 중합압력은 2500~3000kg/cm2이 바람직하고, 중합온도는 200~300℃가 바람직하다. 또한, 중합시간 5~20분동안 중합하는 것이 바람직하다.
상기 금속이온 흡착제 및 초산분해 억제재는 상기 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 제조 후 제립 공정에서 주입되는 것이 바람직하며, 각각 500~1500ppm로 포함될 수 있다.
상기 금속이온 흡착제는 에틸렌 비닐아세테이트 수지 및 Na 이온 흡착제가 혼합된 마스터 배치 타입으로 평균입자 크기가 0.2~2㎛이 바람직하며, EVA 생산공정에 투입되어 균일한 분산성을 확보할 수 있다.
상기 초산분해 억제재는 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 Carbodiimide이 바람직하고, 모노머 타입과 올리고머 타입이 사용될 수 있다.
<화학식 1>
RN=C=NR
(여기서, R은 탄소수 1 내지 4로 이루어진 알킬기이다)
<화학식 2>
R(N=C=NR)n
(여기서, R은 탄소수 1 내지 4로 이루어진 알킬기이고, n은 1~1000의 정수이다)
상기 금속이온 흡착제는 Na 이온 흡착제로 평균입자 크기가 0.2~2㎛이 바람직하며, 이온 흡착 성능을 가지는 무기 화합물로서 인산 음이온, 아인산 음이온, 유기산 음이온, 알칼리 금속 양이온 함유 화합물, 알칼리 토금속 양이온 함유 화합물 등으로 산화 비스무트계 이온 흡착제, 산화 안티몬계 이온 흡착제, 인산 티탄계 이온 흡착제, 인산지르코늄계 이온 흡착제, 규산 알루미늄계 이온 흡착제 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 산화 비스무트계 이온 흡착제 및 산화 안티몬계 이온 흡착제는 하기 화학식 3으로 표현될 수 있다.
<화학식 3>
BiOX(OH)Y(NO3)Z
(여기서, X는 0.9 내지 1.1의 정수 또는 소수이며, Y는 0.6 내지 0.8의 소수이고, Z는 0.2 내지 0.4의 소수이다)
상기 인산 티탄계 이온 흡착제 및 인산 지르코늄계 이온 흡착제는 하기 화학식 4 내지 6 중 어느 하나로 표현될 수 있다.
<화학식 4>
Zr[HPO4]2H20
<화학식 5>
Ti[HPO4]2H20
<화학식 6>
Zr1 - xTix[HPO4]2H20
(여기서, x는 0.25 내지 0.75의 소수이다)
상기 규산 알루미늄계 이온 흡착제는 하기 화학식 7로 표현될 수 있다.
<화학식 7>
Al2O3·3SiO2
본 발명에 있어서, 상기 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물을 사용한 태양광 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 시트(이하 EVA sheet)를 제공할 수 있다.
상기 에틸렌 비닐아세테이트 공중합치 수지 시트에는 모듈제조를 위한 라미네이션 시 적절한 가교 및 접착 그리고 장기 안정성을 위해 EVA Sheet 가공 시 가교제 및 가교조제의 첨가제가 더 포함될 수 있다.
상기 EVA sheet에 사용되는 가교제는 1시간 반감기가 110~120℃인 퍼옥시케탈, 1시간 반감기가 90~130℃인 퍼옥시카보네이트 및 1시간 반감기가 130~150℃인 디알킬퍼옥사이드 중에서 선택된 1종 이상이 바람직하다. 상기 퍼옥시케탈은 1,1-디(tert-아밀퍼옥시)시클로헥산, 1,1-디(tert-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸시클로헥산, 1,1-디(tert-부틸퍼옥시)시클로헥산이고, 상기 퍼옥시카보네이트는 2,5-디메틸-2.5-디-(2-에틸헥사노닐퍼옥시)헥산, tert-아밀퍼옥시-2-에틸헥사노에이트, tert-부틸퍼옥시-2-에틸헥사노에이트, tert-아밀(2-에틸헥실)모노퍼옥시카보네이트, tert-부틸이소프로필모노퍼옥시카보네이트, 2,5-디메틸-2,5-디(벤조일퍼옥시)헥산, tert-부틸-(2-에틸헥실)모노퍼옥시카보네이트, tert-아밀퍼옥시벤조에이트, tert-부틸퍼옥시아세테이트, tert-부틸퍼옥시-3,5,5-트리메틸헥사노에이트, tert-부틸퍼옥시벤조에이트이다.
또한, 상기 디알킬퍼옥사이드는 디큐밀 퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-디(tert-부틸퍼옥시)헥산, α,α’-디(tert-부틸퍼옥시)디이소프로필벤젠, 디-tert-아밀퍼옥사이드, 디-tert-부틸퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2-5-디(tert-부틸퍼옥시)헥신-3이다.
상기 가교제 함량은 총 조성물 100중량부에 대하여 0.1~1.5중량부로 포함될 수 있으며, 상기 가교제의 함량이 0.1중량부 미만이면, 충분한 가교도가 달성되지 못하며, 1.5중량부를 초과하면, 라미네이션 시 버블이 형성되거나 미반응 가교제가 잔류하여 장기 물성에 영향을 미칠 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명의 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물을 사용한 EVA sheet는 가교제와 더불어 가교조제를 포함할 수 있다.
상기 가교조제는 트리알릴이소시아누레이트, 트리알릴시아누레이트, 디알릴프탈레이트, 디알릴푸마레이트, 디알릴말레에이트와 같은 폴리알릴 화합물, 에틸렌글리콜디아크릴레이트, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 및 트리메틸올프로판트리메타크릴레이트 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 가교조제의 함량은 총 조성물 100중량부에 대하여 0.1~3중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 가교조제의 함량이 0.1중량부 미만이면 목표 가교도를 만족하지 못하게 되고 3중량부를 초과할 경우에는 가교도가 너무 높아 cell에 가해지는 stress를 효과적으로 해소하지 못할 수 있으며 잔류 가교조제 또한 장기 물성에 나쁜 영향을 주게 된다.
본 발명의 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물을 사용한 태양전지용 EVA sheet에는 필요에 따라 기타 각종의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 첨가제는 구체적으로는 자외선 흡수제, 자외선 안정제, 실란 커플링제, 힌더드페놀계나 포스파이트계의 산화방지제, 힌더드아민계의 UV 안정제, UV 흡수제, 난연제, 변색 방지제 등을 예시할 수 있다.
상기 자외선 흡수제로는 2-히드록시-4-메톡시벤조페논, 2-히드록시-4-메톡시-2'-카르복시벤조페논, 2-히드록시-4-옥톡시벤조페논, 2-히드록시-4-n-도데실옥시벤조페논, 2-히드록시-4-n-옥타데실옥시벤조페논, 2-히드록시-4-벤질옥시벤조페논, 2-히드록시-4-메톡시-5-술포벤조페논, 2-히드록시-5-클로로벤조페논, 2,4-디히드록시벤조페논, 2,2'-디히드록시-4-메톡시벤조페논, 2,2'-디히드록시-4,4'-디메톡시벤조페논, 2,2',4,4'-테트라히드록시벤조페논 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 상기 자외선 흡수제의 함량은 총 조성물 100중량부에 대하여 0.05~0.5중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 자외선 안정제로는, 비스-2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐 세바케이트, 비스-1-메틸-2,2,6,6,-테트라메틸-4-피페리디닐 세바케이트, 2-(2’-히드록시-3', 5'-디터부틸페닐)벤조트리아졸, 2-(2-히드록시-3,5-디-tert-아밀페닐)-2H-벤조트리아졸, 폴리 메틸프로필-3-옥소-(4(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)실록산 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 상기 자외선 안정제의 함량은 총 조성물 100중량부에 대하여 0.05~0.5중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 실란 커플링제는 EVA 시트와 유리 또는 셀과의 접착성을 증진시키기 위해 사용될 수 있는데, 구체적으로는 γ-메타크릴록시프로필트리메톡시실란, N-(β-아미노에틸)-γ-아미노프로필트리메톡시실란, N-(β-아미노에틸)-γ-아미노프로필메틸디메톡시실란, γ-아미노프로필트리에톡시실란, γ-글리시독시프로필트리메톡시실란 중에서 선택된 1종 이상 일 수 있으며, 상기 실란 커플링제의 함량은 총 조성물 100중량부에 대하여 0.05~0.5중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 첨가제들은 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지에 드라이-블렌드되어 압출기로 투입되거나 EVA와는 별도로 압출기로 사이드피딩(side feeding) 될 수 있다.
이하, 하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명의 범위가 실시예에 한정되는 것은 아니다.
물성 측정방법
제조된 EVA 수지의 제반 물성의 측정은 하기의 방법 및 기준으로 행하였다.
1) 광투과율: UVvis-spectrometer를 이용하여 900~200nm 영역의 광투과율을 측정하였다. 시편은 하기 압출기에서 제조된 sheet를 두장의 저철분 태양광용 유리사이에 넣은 후 150℃에서 lamination 시켜 제조하였다.
2) 체적 고유저항(전기절연성): 전기저항 측정기를 이용하여 ASTM D257(Voltag: 1,000V)에 의거 측정하였다.
3) 초산 발생량: sheet 1g을 물 10ml와 함께 vial에 넣어 밀봉 후 85℃ oven에 넣어 1000hr 경과 후 I.C (Ion Chromatograph)를 이용하여 초산 발생량을 측정하였다.
4) △Y.I 측정: 제조된 EVA sheet 를 저철분 태양광용 유리와 태양광용 Back 백색 back sheet 사이에 넣은 후 150℃에서 lamination 시켜 샘플을 제조 후 85℃, 85RH의 항온 항습기에서 1000hr 경과 후 color meter를 이용하여 Y.I(yellow index)를 측정하였다.
5) PID(Potential Induced Degradation) 측정: Si 단결정 4 Cell과 제조된 EVA sheet을 이용하여 미니 모듈을 제조하고 Solar simulator를 이용하여 I-V curve를 그린 후 초기 Power_max 값을 구하고 85℃, 85RH의 항온 항습기에 넣은 후 1000V 전압 인가 상태에서 96시간 유지 후 Solar simulator를 이용하여 Test 후 Power_max 값을 측정하여 Power 생산 유지율을 계산하였다.
실시예
1
EVA
resin 중합
본 발명의 방법에 따라 에틸렌 단량체 72중량%에 비닐아세테이트 단량체 28중량%를 관형반응기에 주입하고, 라디칼 발생촉매로 Di(2-ethylhexyl) peroxy-dicarbonate, t-Butyl peroxypivalate, t-Butyl peroxy-2-ethylhexanoate, Tert-butyl peroxy-3,5,5-trimethylhexanoate 혼합물(중량비: 20/20/30/30) 1200ppm을 고압펌프를 활용 관형반응기(tubular reactor)에 압송하고 중합압력 2650kg/cm2, 중합온도 235℃, 중합시간 10분의 중합조건으로 MI가 15g/10분인 EVA 수지를 제조하였다. 제조된 EVA 수지는 압출기를 통하여 제립된다. 이때 Na 이온 흡착제와 초산 분해 억제재를 압출기에 투입하여 EVA 수지에 균일 분산되도록 한다. Na 이온 흡착제는 동일 MI와 동일 VA 함량의 EVA 수지에 5중량% 함량으로 제조된 Master Batch type의 수지 첨가물로 사이드 피딩된다. 초산 분해 억제재는 녹는점 이상의 온도에서 용융되어 액상 피딩 펌프를 통하여 정량 주입된다. EVA resin 중 Na 이온 흡착제의 함량은 1000ppm이고 초산 분해 억제재는 1000ppm으로 조절되어 주입 하였다. 사용된 초산 발생 억제재는 Carbodiimide(RheinChemie사 제품, 상품명 Staboxol P 100)를 사용하였다. Na 이온 흡착재로는 인산 지르코늄 화합물(Zr[HPO4]2H20, IXE-100, 토우아 합성주식 회사제, 평균 입경: 1㎛) 을 사용하였다.
EVA
sheet 제조
Na 이온 흡착제와 초산 분해 억제제가 함유된 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물을 이용하여 태양전지 봉지재용 EVA 시트를 제조하였다.
상기 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지에 알케마사 Luperox TBEC(tert-부틸-2-에틸헥실모노퍼옥시카보네이트) 1중량부, 가교조제로 에보닉사의 TAICROS(트리알릴이소시아누레이트)를 0.5중량부, 자외선 흡수제로 시바사의 Chimassorb 81(2-히드록시-4-옥틸옥시-벤조페논) 0.2중량부, 자외선 안정제로 시바사의 Tinuvin 770(비스-2,2,6,6,-테트라메틸-4-피페리디닐 세바케이트)을 0.1중량부, 실란 커플링제로 다우코닝사의 OFS 6030 (메타크릴옥시프로필트리메톡시실록산) 0.3중량부를 공통으로 혼합하였다. 이후 스크류 직경이 40mm이고 T-다이 폭이 400mm인 단축 공압출기에서 압출기 온도를 100℃로 하고, 스크류 회전속도를 조절 하여, 두께가 450㎛인 태양광 EVA 시트를 제조하였다.
제조된 EVA 시트로 물성 측정 방법에 표현한 방법대로 시편을 제조하였으며 이후 각 항목에 따라 물성을 측정하였다. 측정 결과는 하기 표 1에 정리하였다.
비교예
1
상기 실시예 1에서 Na 이온 흡착제를 투입 하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조되었다.
비교예
2
상기 실시예 1에서 Na 이온 흡착제를 1000ppm으로 변경 주입하고 초산 분해 억제재를 투입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조되었다.
비교예
3
상기 실시예 1에서 초산 분해 억제재를 3000ppm으로 변경 주입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조되었다.
비교예
4
상기 실시예 1에서 Na 이온 흡착제를 3000ppm으로 변경 주입하고 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조되었다.
비교예
5
상기 실시예 1에서 EVA resin 생산시의 pelleting 압출기에 주입 분산시키는 Na 이온 흡착제와 초산 분해 억제재를 pelleting 압출기 주입 대신에 EVA 시트 제조 시 기타 첨가제와 함께 첨가하여 제조되었다. Na 이온 흡착제는 마스터 배치 타입(Master Batch type)이 아닌 분말 형태의 첨가제를 그대로 사용하였다. 나머지는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
| 실시예1 | 비교예1 | 비교예2 | 비교예3 | 비교예4 | 비교예5 | |
| Na이온 흡착제(ppm) | 1000 | 0 | 1000 | 1000 | 3000 | 1000 |
| 초산분해 억제재(ppm) | 1000 | 1000 | 0 | 3000 | 1000 | 1000 |
| 광투과율%(400~700nm) | 90.1 | 90.4 | 78.5 | 86.0 | 70.1 | 81.8 |
| 체적고유저항초기 (Ω.cm)*10^15 |
5.36 | 1.52 | 2.41 | 2.87 | 6.12 | 4.53 |
| 체적고유저항1000hr 경과(Ω.cm)*10^15 | 2.56 | 0.45 | 2.87 | 1.23 | 3.12 | 1.89 |
| 초산 발생량 1000hr 경과(ppm) | 138 | 156 | 362 | 9 | 11 | 142 |
| 초산 발생량 2000hr 경과 | 182 | 280 | 654 | 26 | 25 | 205 |
| 초산 발생량 3000hr 경과 | 252 | 450 | 1162 | 38 | 183 | 260 |
| PID 출력 초기값(W) | 15.6 | 16.3 | 16.3 | 14.6 | 14.6 | 14.6 |
| PID 출력 말기값(W) | 15.5 | 12.9 | 13.3 | 12.9 | 13.9 | 12.1 |
| 출력 유지비율 | 99% | 79% | 82% | 88% | 95% | 83% |
| Delta Y.I ( 1000hr) | 1.42 | 1.33 | 1.25 | 3.76 | 1.51 | 1.38 |
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 실시예 1과 비교예 1 내지 5를 보면 실시예 1의 금속이온 흡착제 및 초산분해 억제재를 포함한 에틸렌 프로필렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물은 광 투과율 및 초산발생량에서 바람직한 결과를 나타내고 있고, 특히 PID 출력 초기값과 말기값의 차이가 없어 출력 유지비율이 99%인 것을 알 수 있다.
금속이온 흡착제 또는 초산분해 억제재를 포함하지 않은 비교예 1, 2는 초산발생량 및 출력 유지비율이 바람직하지 못하고, 금속이온 흡착제 또는 초산분해 억제재의 함량범위를 벗어난 비교예 3, 4는 광투과율이 좋지 못하였다.
또한, 비교예 5는 분말형태의 금속 이온흡착제를 포함하고 있어 마스터 배치 타입의 금속 이온 흡착제를 포함한 실시예 보다 광투과율 및 출력 유지 비율에서 바람직하지 못한 결과를 나타내고 있다.
따라서, Na 이온 흡착제와 초산 분해 억제재를 혼합 사용함으로써 사용량을 크게 줄이면서 단일 사용시의 문제점을 해소 할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 단순히 EVA 시트의 제조 시 첨가하는 방식이 아닌 수지 생산시의 Melt 상태의 EVA 수지의 제립 공정에 직접 분산 주입함으로써 첨가제 입자의 분산성이 크게 개선되어 원하는 물성을 확보 할 수 있음을 알 수 있다.
Claims (3)
- 금속이온 흡착제 500~1500ppm; 및 초산분해 억제재 500~1500ppm; 을 포함하는 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물에 있어서,
상기 금속이온 흡착제는 에틸렌 비닐아세테이트 수지 및 Na 이온 흡착제가 혼합된 마스터 배치 타입으로 평균입자 크기가 0.2~2㎛이고,
상기 초산분해 억제재는 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 Carbodiimide이며,
상기 금속이온 흡착제는 하기 화학식 3으로 표현되는 산화비스무트계 이온 흡착제, 산화안티몬계 이온 흡착제, 하기 화학식 4 내지 6으로 표현되는 인산 티탄계 이온 흡착제, 인산 지르코늄계 이온 흡착제 및 하기 화학식 7로 표현되는 규산 알루미늄계 이온 흡착제 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 봉지재용 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물.
<화학식 1>
RN=C=NR
(여기서, R은 탄소수 1 내지 4로 이루어진 알킬기이다)
<화학식 2>
R(N=C=NR)n
(여기서, R은 탄소수 1 내지 4로 이루어진 알킬기이고 n은 1~1000의 정수이다)
<화학식 3>
BiOX(OH)Y(NO3)Z
(여기서, X는 0.9 내지 1.1의 정수 또는 소수이며, Y는 0.6 내지 0.8의 소수이고, Z는 0.2 내지 0.4의 소수이다)
<화학식 4>
Zr[HPO4]2H20
<화학식 5>
Ti[HPO4]2H20
<화학식 6>
Zr1-xTix[HPO4]2H20
(여기서, X는 0.25 내지 0.75의 소수이다)
<화학식 7>
Al2O3·3SiO2
- 제1항에 있어서,
상기 에틸렌 비닐아세테이트 수지는 비닐아세테이트 함량이 23~29중량%이고, 용융지수가 5~30g/10분(ASTM D1238의 190℃, 2.16kg)인 것을 특징으로 하는 태양전지 봉지재용 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 수지 조성물.
- 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항의 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물의 제조방법에 있어서,
에틸렌 단량체 및 비닐아세테이트 단량체를 관형반응기에 투입하는 단계;
라디칼 발생촉매로 퍼옥사이드계 혼합물을 첨가하는 단계;
중합압력 2500~3000kg/cm2, 중합온도 200~300℃, 중합시간 5~20분동안 중합하는 단계; 및
상기 중합단계 이후 금속이온 흡착제 500~1500ppm; 및 초산분해 억제재 500~1500ppm를 압출기에 투입하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 봉지재용 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 수지 조성물의 제조방법.
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