KR102389882B1 - 기공 형성 깊이가 제어된 다공성 중합체 필름의 제조방법 및 이로부터 제조된 다공성 중합체 필름 - Google Patents

기공 형성 깊이가 제어된 다공성 중합체 필름의 제조방법 및 이로부터 제조된 다공성 중합체 필름 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기공 형성 깊이가 제어된 다공성 중합체 필름의 제조방법 및 이로부터 제조된 다공성 중합체 필름에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 다공성 중합체 필름의 제조방법은 간단하고 저비용으로 다공성 필름의 기공 형성 깊이를 제어할 수 있기 때문에 제조된 필름의 광반사율을 조절할 수 있다. 또한, 간단한 방법을 통해 대면적 필름의 제작이 가능하기 때문에 다양한 산업분야에 적용될 수 있으며, 서로 다른 반사율을 가진 필름의 제조가 가능하기 때문에 태양전지를 위한 저반사, 고반사 필름 뿐만 아니라 향후 건축 분야 또는 자재 설비 분야에서 저반사 또는 고반사의 박막 중합체 필름으로 적용이 가능하다.

Description

기공 형성 깊이가 제어된 다공성 중합체 필름의 제조방법 및 이로부터 제조된 다공성 중합체 필름{Method for Preparing Porous Polymer Film with Controlled Pore Depth and Porous Polymer Film Prepared by Same}
본 발명은 기공 형성 깊이가 제어된 다공성 중합체 필름의 제조방법 및 이로부터 제조된 다공성 중합체 필름에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 간단하고 저비용으로 중합체 필름의 경화 단계에서 중합체의 경화 속도를 조절함으로써 필름의 기공이 형성되는 깊이를 제어하고, 더 나아가 중합체 필름의 광반사율을 조절하기 위한 방법에 관한 것이다.
다공성 중합체 필름은 다양한 중합체 원료와 다공성화(porosification) 기법의 조합에 의해 제조된다. 다공성 중합체 필름은 그 기공의 크기(porosity size), 기공율(porosity ratio), 표면 특성 등에 따라서 특징적인 기능들을 나타낼 수 있다.
예를 들어, 발포 폴리스티렌 및 발포 폴리우레탄 등의 발포체는 주택, 자동차, 및 가전제품에서 경량 구조재, 단열재, 완충재 등으로 광범위한 분야에서 사용된다. 또한, 나노미터에서 마이크로미터에 이르는 미세한 다공 크기를 갖는 다공성 필름은 분리막, 투과막, 2차 전지용 세퍼레이터, 혈액 투석막 등으로서도 사용된다. 최근에는 중합체 필름의 표면 또는 내면에 미세 패턴을 형성함으로써 발수성 또는 초소수성 표면을 형성하고자 하는 연구도 이루어지고 있다.
한편, 최근 웨어러블(wearable) 디바이스를 비롯한 유연한(flexible) 기기의 등장과 관련하여 이러한 기기들에게 전력을 공급해 줄 수 있는 방법에 대한 다양한 연구들이 활발하게 이루어지고 있다. 어느 곳에서나 사용이 가능하며 휴대성이 용이한 전력 공급 장치들 중 태양전지는(solar cell) 신재생 에너지원으로써 각광받고 있다.
이러한 태양전지는 박막(thin film)화 및 유연(flexibility)화가 이루어지고 있다. 이를 위해서는 유연하면서도 태양전지의 광흡수율을 최대한 향상시키는 저반사층(anti reflective layer)과 후면 반사층(back reflective layer)을 구비하는 것이 필요하다. 그러나 유연한 박막 태양전지에 일반적인 무기태양전지에서 사용되는 저반사 코팅(anti reflective coating) 및 후면 반사경(back reflector)을 그대로 적용하기는 어려운 문제가 있다.
이와 관련하여, 대한민국 등록특허공보 제10-1500167호에서는 광학 소자의 표면 반사를 줄이기 위한 무반사 처리 필름으로서 표면이 미세 격자 패턴 처리된 투명 중합체 필름의 사용에 대해서 기재하고 있다. 상기 문헌에서는 투명 중합체 필름의 표면에 다수의 미세 패턴 돌기를 형성하여 태양전지 등의 표면 저반사 코팅으로 사용함으로써 광흡수율을 향상시킬 수 있다는 것을 기재하고 있지만, 미세 격자 패턴을 형성하기 위하여 동일 구조의 마스터 몰드를 제조해야 하기 때문에 공정이 복잡하고 고비용이 드는 단점이 있다.
또한, 대한민국 등록특허공보 제10-1401019호에서는 태양전지의 배면반사시트로서 사용할 수 있는 백색 폴리에스테르 고반사 필름을 개시하고 있다. 상기 문헌에서는 폴리에스테르의 내부에 기공을 형성하여 고반사 성능이 구현된 다공성 중합체 필름을 개시하고 있다. 그러나, 상기 문헌은 중합체를 발포시키는 방법을 이용하기 때문에 중합체 전체에 기공을 제공할 수는 있지만 중합체 표면으로부터 기공이 형성되는 깊이를 조절할 수는 없다는 문제가 있었다.
따라서, 투명 중합체 필름의 표면에 다공성 구조를 구현하거나 내부까지 침투되는 다공성 구조의 깊이를 제어할 수 있다면, 기존의 저반사 코팅 및 배면 고반사 필름을 대체할 수 있는 유연성이 있는 다공성 중합체 필름의 제공이 가능할 것으로 기대된다.
이와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 간단하고 저비용으로 기공 형성 깊이를 제어된 다공성 중합체 필름의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 또한, 기공 형성 깊이를 제어함으로써 광반사율이 제어된 광반사 중합체 필름을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기재 상에 열경화성 중합체 수지를 도포하는 단계; 및 상기 열경화성 중합체 수지에 증기를 분사하면서 경화시키는 단계를 포함하되, 상기 열경화성 중합체 수지의 경화 속도를 조절하여 기공 형성 깊이를 제어하는 것을 특징으로 하는, 다공성 중합체 필름의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 방법은 상기 열경화성 중합체 수지에 증기를 분사하는 단계 이전에, 상기 열경화성 중합체 수지를 준고체 상태로 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 상기 열경화성 중합체 수지의 경화를 촉진하여 다공성 중합체 필름의 표면에만 다공성 구조를 형성할 수 있다.
본 발명의 방법은 상기 열경화성 중합체 수지의 경화를 지연시켜 다공성 중합체 필름의 표면 및 내부에 다공성 구조를 형성할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 열경화성 중합체 수지는 폴리디메틸실록산(polydimethylsilioxane, PDMS), 실리콘 고무, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리우레탄(polyurethane, PU), 폴리에스터(polyester), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 및 에폭시 수지(epoxy resin)로 구성된 군에서 선택될 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 증기를 분사하는 단계는 100 내지 140℃ 및 70 내지 200kPa의 증기를 분사할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 열경화성 중합체 수지는 경화촉진제를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 열경화성 중합체 수지는 경화지연제를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 다공성 중합체 필름의 연신율은 300% 이상일 수 있다.
본 발명의 방법은 상기 다공성 중합체 필름이 광반사 필름이고, 상기 기공 형성 깊이를 제어함으로써 광반사율을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조되고, 기공 형성 깊이를 조절하여 광반사율이 제어된, 광반사 중합체 필름을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 광반사 중합체 필름의 연신율을 조절하여 광반사율을 제어할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 광반사 중합체 필름의 연신율은 300% 이상일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조되고, 열경화성 중합체 수지의 경화를 촉진하여 제조된, 저반사 중합체 필름을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조되고, 열경화성 중합체 수지의 경화를 지연시켜 제조된, 고반사 중합체 필름을 제공한다.
또한, 본 발명은 태양전지 모듈을 포함하는 전원부;
상기 전원부로부터 전력을 전달받아 장치를 구동시키는 구동부; 및
상기 전원부 및 구동부를 내부에 수용하고, 광 투과가 가능한 소재로 이루어진 커버체;
를 포함하는 자가-발전 장치로서,
상기 커버체의 상면에는 상기 방법으로 제조되고, 상기 열경화성 중합체 수지의 경화를 촉진하여 제조된, 저반사 중합체 필름이 부착되고,
상기 커버체의 하면에는 상기 방법으로 제조되고, 상기 열경화성 중합체 수지의 경화를 지연하여 제조된, 고반사 중합체 필름이 부착된 것을 특징으로 하는, 자가-발전 장치를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 커버체는 투과되는 광을 태양전지로 집중시키는 구형(球形) 렌즈의 형태일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 고반사 중합체 필름은 발수 처리될 수 있다.
본 발명에 따른 다공성 중합체 필름의 제조방법은 간단하고 저비용으로 다공성 필름의 기공 형성 깊이를 제어할 수 있기 때문에 제조된 필름의 광반사율을 조절할 수 있다. 또한, 간단한 방법을 통해 대면적 필름의 제작이 가능하기 때문에 다양한 산업분야에 적용될 수 있으며, 서로 다른 반사율을 가진 필름의 제조가 가능하기 때문에 태양전지를 위한 저반사, 고반사 필름 뿐만 아니라 향후 건축 분야 또는 자재 설비 분야에서 저반사 또는 고반사의 박막 중합체 필름으로 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기재 상에 저반사 필름을 형성하는 공정의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기재 상에 저반사 필름을 형성하는 공정의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 기재 상에 고반사 중합체 필름을 형성하는 공정의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 기재 상에 고반사 중합체 필름을 형성하는 공정의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른, 디바이스의 표면에 저반사 필름 및 고반사 필름을 직접 형성하는 공정의 개념도이다.
도 6는 수면 위에서 태양광 발전을 통해 거동이 가능한 구형 시스템의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 저반사 다공성 중합체 필름의 이미지와 단면 SEM 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 고반사 다공성 중합체 필름의 이미지와 단면 SEM 이미지이다.
도 9a은 PDMS 중합체 필름의 경화촉진제 함량에 따른 필름의 단면 SEM 이미지를 나타낸다.
도 9b는 실리콘 고무 필름의 경화촉진제 또는 경화지연제의 첨가에 따른 필름의 단면 SEM 이미지를 나타낸다.
도 10는 중합체의 경화 속도에 따른 다공성 구조의 깊이를 나타낸 그래프이다.
도 11은 중합체 필름의 종류에 따른 가시광선 영역에서의 광반사율 측정 결과를 나타낸다.
도 12a은 상용 유연유기태양전지에 본 발명의 저반사 필름 및 고반사 필름을 적용한 이미지이다.
도 12b는 본 발명의 광반사 필름이 적용되기 전과 후의 유연유기태양전지의 광흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 13는 실리콘 고무 필름의 2축 스트레칭 장치 및 각 연신율에 따른 광 투과도를 나타낸다.
이하, 본 발명의 구체적인 양태에 대해서 보다 상세히 설명한다. 다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명은 다공성 중합체 필름의 제조방법에 관한 것이다.
상기 방법은 기재 상에 열경화성 중합체 수지를 도포하는 단계; 및 상기 중합체 수지에 증기를 분사하면서 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 상기 열경화성 중합체 수지가 경화되는 과정에서 증기에 의해 침투된 수분이 후의 건조 과정에서 증발하여 다공성 구조의 중합체 필름을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 중합체 수지의 경화 속도와 증기의 온도, 압력, 분사 시간 등을 조절함으로써 중합체 필름의 다공성 구조가 형성되는 깊이를 조절할 수 있다.
보다 구체적으로는, 상기 열경화성 중합체 수지의 경화 속도를 수증기의 투습 속도보다 더 빠르게 제어하는 경우 중합체 필름의 표면에만 다공성 구조가 형성된 필름을 제조할 수 있다. 또한, 상기 열경화성 중합체 수지의 경화 속도를 수증기의 투습 속도보다 더 느리게 제어하는 경우 중합체 필름의 내부까지 다공성 구조가 형성된 필름을 제조할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 기재 상에 열경화성 중합체 수지를 도포하는 단계는 열경화성 중합체가 경화되기 전의 액체 상태인 것이 바람직하다.
상기 기재는 본 발명의 다공성 중합체 필름을 형성하고자 하는 어떠한 기재라도 적용될 수 있으며, 예를 들어, 유리, 금속, 실리콘(silicon) 웨이퍼 등의 기재를 사용할 수 있고, 다공성 중합체 필름의 제조 후 제거될 수 있는 이형지를 사용하는 것도 가능하다.
본 발명의 예시적인 일 실시 형태에서는 태양전지와 같은 디바이스를 기재로서 사용하여 태양전지의 표면에 다공성 중합체 필름을 부착할 수 있다.
상기 열경화성 중합체는 사용될 용도에 맞도록 투명하거나, 유연하거나, 신축성이 있는 중합체를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 열경화성 중합체는 폴리디메틸실록산(polydimethylsilioxane, PDMS), 실리콘 고무, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리우레탄(polyurethane, PU), 폴리에스터(polyester), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 에폭시 수지(epoxy resin) 등을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 폴리디메틸실록산(PDMS) 또는 실리콘 고무를 사용할 수 있다. 상기 열가소성 중합체에는 다양한 특성을 부가하기 위한 첨가제 또는 촉매를 포함할 수 있다.
상기 열경화성 중합체의 도포 두께는 사용될 필름의 용도에 맞도록 적합하게 도포할 수 있으며, 예를 들면, 0.1 내지 10mm 일 수 있고, 0.2 내지 1mm인 것이 바람직하다.
본 발명의 제조방법은 상기 중합체 수지에 증기를 분사하는 단계 이전에, 상기 중합체 수지를 준고체 상태로 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 열경화성 중합체를 준고체 상태로 형성하면, 중합체의 형태가 크게 흐트러지지 않으므로, 상기 열경화성 중합체 수지에 증기를 분사하여 기공을 형성하기 용이하다.
상기 열경화성 중합체 수지를 준고체 상태로 형성하는 단계는, 상기 열경화성 중합체 수지를 30 내지 50℃에서 1 내지 2시간 동안 경화시킴으로써 형성하는 것이 바람직하다. 상술한 범위를 만족하지 않으면, 준고체 상태로 형성되는데 너무 많은 시간이 소요되거나, 준고체가 형성되지 않거나, 완전 고체화되는 문제가 있다. 그리고 상기 준고체 상태는 예를 들면, 점성이 10 내지 1,000Pa-s, 바람직하게는 30 내지 600Pa-s일 수 있다.
상기 열경화성 중합체에는 고온 및 고압의 증기를 분사함으로써 표면 또는 표면과 내면에 다공성 구조를 형성할 수 있다. 상기 증기를 분사하는 단계는 고온과 고압을 형성할 수 있는 압력 용기 내부에 열경화성 중합체 수지를 위치시킨 후에 상기 용기의 바닥에 물을 배치하고, 고온 및 고압을 가하여 증기를 형성함으로써 수행될 수 있다.
상기 증기는 100 내지 140℃ 및 70 내지 200kPa의 증기를 분사하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 100 내지 120℃ 및 80 내지 140kPa의 증기를 분사하는 것이 좋다. 상기 증기의 분사 시간은 원하는 기공의 형성 깊이에 따라 제어될 수 있으며, 1분 내지 1시간, 바람직하게는 10 내지 30분 동안 분사하는 것이 바람직하다. 상기 증기의 온도, 압력 및 분사 시간은 폴리디메틸실록산(PDMS) 중합체 수지를 기준으로 기술한 것으로서, 반드시 이에 한정되지 않으며, 증기를 생성하는 장치의 종류 및 성능에 따라 혹은 증기의 압력에 따라 변경되는 끓는점 온도에 따라 목적하고자 하는 미세 기공 구조를 형성할 수 있는 필수적 특징을 변경하지 않는 범위 내에서 온도와 압력 조건은 변동될 수 있다.
상기 증기의 분사 단계에서, 상기 열경화성 중합체의 위치는 상기 압력 용기의 천장으로부터 1 내지 30cm인 것이 바람직하며, 5 내지 20cm가 더욱 바람직하다. 상기 중합체의 위치가 너무 낮으면 압력 용기의 내부 온도를 상승시키기 위한 바닥면의 열원과 가까워져 경화의 속도를 의도대로 제어하기 어렵게 될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 열경화성 중합체 수지는 경화촉진제 또는 경화지연제를 포함할 수 있다. 상기 경화촉진제 또는 경화지연제는 열경화성 중합체 수지의 경화 속도를 조절함으로써 증기가 중합체의 표면을 침투하는 시간을 제어하여 최종 제조된 중합체 필름의 기공의 형성 깊이를 조절할 수 있게 한다.
상기 경화촉진제는 중합체 수지의 경화를 빠르게 촉진시켜 다공성 중합체 필름의 기공이 표면에 인접한 곳에서만 형성되도록 할 수 있다. 상기 경화촉진제는 본 기술분야에서 공지된 대부분의 경화촉진제를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 백금 촉매를 기반으로 하는 부가형 실리콘 물질을 중합체 수지로서 사용하는 경우 백금 촉매를 다량 포함하는 일반적인 경화촉진제를 사용할 수 있다. 이러한 경화촉진제의 성분은 폴리오르가노실록산(polyorganosiloxane)을 바탕으로 platinum-siloxane (platinum(0)-1,3-diviinyl-1,1,3,3-tetramethyldisiloxane, O[Si(CH3)2CH=CH2]2Pt) 성분을 함유하고 있으며 상기 백금 촉매를 기반으로 하는 부가형실리콘과 일정 비율 혼합시 백금 촉매의 반응을 빠르게 하여 경화를 촉진시킬 수 있다.
상기 경화지연제는 중합체 수지의 경화를 느리게 지연시키는 역할을 하며, 증기가 중합체 수지의 깊은 곳까지 침투하여 필름의 내면에도 다공성 구조가 형성되도록 할 수 있다. 상기 경화지연제는 본 기술분야에서 공지된 대부분의 경화지연제를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 백금 촉매를 기반으로 하는 부가형 실리콘 물질을 중합체 수지로서 사용하는 경우, 백금 촉매로 인한 결합을 지연시킬 수 있는 유기주석 화합물(organotin), 황(sulfur), 폴리술폰(polysulfone), 아민류(amines) 등의 성분이 포함된 경화지연제가 있으며 백금 촉매의 활동을 억제하여 중합체가 고체상태로 되는 것을 지연시키는 역할을 하게 된다.
상기 경화촉진제 또는 경화지연제는 열경화성 중합체의 종류 및 형성하고자 하는 기공의 깊이에 따라서 적합한 비율로 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 경화촉진제 또는 경화지연제는 중합체 수지 전체 중량에 대하여 1 내지 30중량% 사용될 수 있으며, 5 내지 20중량%가 바람직하다. 상기 경화 촉진제가 30중량% 초과로 사용될 경우 중합체 수지가 경화되는 속도가 너무 빨라 다공성 구조체를 형성하기 어렵다.
경화가 완료된 중합체는 중합체 표면의 잔여 수분을 제거하는 건조 과정을 거쳐 다공성 중합체 필름을 완성할 수 있다. 상기 건조는 50 내지 100℃에서 10분 내지 1시간 동안 수행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 다공성 중합체 필름은 광반사 필름일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다공성 중합체 필름의 제조방법은 경화촉진제 또는 경화지연제를 사용하거나, 증기를 분사하는 시간을 조절함으로써 중합체 필름의 기공 형성 깊이를 조절할 수 있다.
본 발명의 발명자들은 상기 기공 형성 깊이를 제어함으로써 제조된 필름의 광 반사율을 조절할 수 있다는 것을 발견하였다.
본 발명의 일 실시 형태에서, 상기 다공성 중합체 필름은 투명한 유연성 필름으로서, 필름의 표면에만 기공이 형성된 저반사 중합체 필름으로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에서, 상기 다공성 중합체 필름은 투명한 유연성 필름으로서, 상기 필름의 내부까지 기공이 형성된 고반사 중합체 필름으로 사용될 수 있다.
본 발명의 제조방법으로 제조된 저반사 중합체 필름 또는 고반사 중합체 필름은 태양전지, 바람직하게는 유연유기태양전지의 저반사 필름 또는 고반사 필름으로서 사용될 수 있다.
도 1 및 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 저반사 중합체 필름을 제조하는 공정의 순서도 및 모식도이다.
도 2의 좌측 도면에서, 고온 고압을 형성할 수 있는 용기를 준비하고, 바닥부에 물이 고이도록 배치된다. 바닥부의 물과 열선에 기재가 손상되지 않도록 받침 블록을 사용하여 기재를 용기 내에 위치시킨다. 상기 기재 상에 액상의 열경화성 중합체를 도포하는데, 이때 상기 열경화성 중합체는 경화촉진제를 포함한다.
도 2의 두 번째 도면에서, 용기의 가열에 의해 고온 고압 증기가 발생하면, 상기 증기가 가열에 의해 고상으로 경화되고 있는 중합체의 표면에 투습되게 되고, 이에 따라 표면에 수분이 투습된 채로 중합체가 경화되게 된다. 이때 상기 경화는 경화촉진제에 의해 짧은 시간에 완료되게 되고, 증기의 투습은 짧은 시간 동안 이루어지기 때문에 중합체의 표면에서만 이루어지게 된다.
도 2의 세 번째 도면에서, 열경화성 중합체 필름이 형성된 기재를 용기로부터 꺼내어 건조를 시키면, 중합체 필름의 표면에 투습되어 있던 수분이 건조되어 날아가면서 중합체 필름의 기공(딤플)을 형성하게 된다.
도 2의 마지막 도면과 같이, 위와 같은 공정에 의해 제조된 다공성 중합체 필름을 기재로부터 분리하여 표면에만 기공이 형성되어 광 반사율이 낮은 저반사 필름으로 사용할 수 있다.
도 3 및 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 고반사 중합체 필름을 형성하는 공정의 순서도 및 모식도이다.
도 4의 좌측 도면에서 가압 용기 내의 받침 블록 상에 기재를 위치시키고 그 위에 액상의 열경화성 중합체를 도포하되, 상기 열경화성 중합체는 경화지연제를 포함한다.
도 4의 두 번째 도면에서, 가열 가압에 의해 형성된 증기가 가열에 의해 경화되고 있는 중합체의 표면에 투습되게 되는데, 경화지연제에 의해 중합체의 경화 속도가 느리기 때문에, 증기가 중합체의 표면을 뚫고 들어가 내부까지 위치하게 된다.
도 4의 세 번째 도면에서, 경화가 완료된 중합체 필름을 꺼내어 건조시키면 중합체 필름의 표면 및 내부에 투습된 수분이 증발하게 되고, 증발하고 남은 자리엔 다공성 구조가 형성되게 된다.
도 4의 마지막 도면과 같이, 위의 공정에 의해 형성된 다공성 중합체 필름은 표면 및 내부에 다공성 구조가 형성되어 광 반사율이 높은 고반사 필름으로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 광반사 필름은 하나의 광반사 필름을 제조한 후, 상기 필름 위에 동일한 방법으로 광반사 필름을 형성하여 다층 구조의 광반사 필름을 제조할 수 있다. 상기 다층 구조 필름은 동일 물질로 제조할 경우 층간 분리가 발생하지 않고 단층으로 제조된 경우보다 더 깊고 많은 다공성 구조를 형성할 수 있어 광반사율을 더 크게 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른, 태양전지와 같은 디바이스의 표면에 저반사 필름 및 고반사 필름을 직접 형성하는 공정의 순서도 및 모식도이다.
먼저, 가압 용기의 받침 블록 상에 디바이스를 위치시키고, 상기 디바이스의 광투과면 상에 액상의 열경화성 중합체를 도포하는데, 이때 상기 열경화성 중합체는 경화촉진제를 포함한다. 가압 용기의 가열에 의해 고온 고압 증기가 발생하면, 상기 증기가 가열에 의해 고상으로 경화되고 있는 중합체의 표면에 투습되게 되고, 이에 따라 표면에 수분이 투습된 채로 중합체가 경화되게 된다. 광투과면에 중합체 필름이 형성된 태양전지를 용기로부터 꺼내어 건조를 시키면, 중합체 필름의 표면에 투습되어 있던 수분이 건조되어 날아가면서 중합체 필름의 기공(딤플)을 형성된 저반사 필름이 형성된다.
상기 저반사 필름이 형성된 디바이스를 다시 가압 용기에 위치시키되, 상기 저반사 필름이 아래로 가도록 하여 디바이스의 바닥부가 위로 올라오도록 한다. 상기 디바이스의 바닥부에는 액상의 열경화성 중합체를 도포하되, 상기 열경화성 중합체는 경화지연제를 포함한다. 가열 가압에 의해 형성된 증기가 가열에 의해 경화되고 있는 중합체의 표면에 투습되게 되는데, 경화지연제에 의해 중합체의 경화 속도가 느리기 때문에, 증기가 중합체의 표면을 뚫고 들어가 내부까지 위치하게 된다. 경화가 완료된 중합체 필름을 꺼내어 건조시키면 중합체 필름의 표면 및 내부에 투습된 수분이 증발하게 되고, 증발하고 남은 자리엔 다공성 구조가 형성된 고반사 필름이 디바이스의 바닥부에 형성되게 된다. 본 발명의 일 실시예에서는 본 발명의 저반사 필름 및 고반사 필름을 적용한 유연유기태양전지의 흡수율이 종래기술의 저반사 및 고반사 필름을 적용한 유연유기태양전지의 흡수율에 비하여 약 10% 가량 상승한 것을 확인하였다.
이와 같은 관점에서, 본 발명의 바람직한 일 실시 형태는, 기재 상에 열경화성 중합체 수지를 도포하는 단계; 및 상기 중합체 수지에 증기를 분사하면서 경화시키는 단계를 포함하되, 상기 열경화성 중합체 수지의 경화 속도를 조절하여 중합체 필름의 광반사율을 조절하는 것을 특징으로 하는, 광반사 필름의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 제조방법으로 제조된 다공성 중합체 필름은 신축성이 있는 재료로 제조되는 경우 연신율에 따라 광반사율이 조절될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 신축성 다공성 중합체 필름을 연신하면 광 투과율이 높아지고 광반사율이 낮아진다는 것을 확인하였다.
본 발명의 다공성 중합체 필름은 또한, 요철이 형성되거나 굴곡진 표면 위에도 부착될 수 있다. 이때, 상기 중합체 필름은 300% 이상의 연신율, 바람직하게는 400% 이상의 연신율, 가장 바람직하게는 800% 이상의 연신율을 갖는 중합체를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 실리콘 고무를 사용할 수 있다.
이러한 중합체 필름은 신축성이 매우 뛰어나기 때문에 필름을 신장시킨 후 구면 위에 부착하는 방식을 통하여 평편하지 않은 표면 상에 쉽게 부착이 가능하다.
상기 중합체 필름은 예를 들어, 광 집중을 위한 구면 렌즈 표면에 저반사막 및 고반사 필름이 각각 부착되고, 내부에 저반사 및 고반사 필름이 부착된 태양전지를 내포하는 구형 장치에 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 하나의 구현 형태는, 태양전지 모듈을 포함하는 전원부; 상기 전원부로부터 전력을 전달받아 장치를 구동시키는 구동부; 및 상기 전원부 및 구동부를 내부에 수용하고, 광 투과가 가능한 소재로 이루어진 커버체;를 포함하는 자가-발전 장치로서, 상기 커버체의 상면에는 본 발명의 저반사 중합체 필름이 부착되고, 상기 커버체의 하면에는 본 발명의 고반사 중합체 필름이 부착된 자가-발전 장치에 관한 것이다.
본 발명의 예시적인 자가-발전 장치를 도 6에 나타내었다. 도 6의 장치는 태양전지로 생산된 전력을 전원으로 사용하는 구형(球形) 전기적 작동 시스템(operating device)의 개념도이다.
상기 구형 전기적 작동 시스템(100)은 커버체로서 광 집중을 위한 반구형 렌즈(110) 2개가 접합되어 이루어지고, 상기 구형 렌즈(110) 내부에는 구형 시스템의 작동을 위한 전원 및 구동 시스템(200)이 설치된다. 상기 전원 및 구동 시스템(200)은 본 발명의 저반사 필름 및 고반사 필름이 상면과 하면에 형성된 태양전지를 포함하는 전원부(210) 및 전체적인 시스템의 작동을 위한 구동부(220)로 이루어진다. 이 때 구동부(220)는 통상의 전기적 작동 시스템으로 응용될 수 있으며 태양전지를 통해 발전된 전기를 모으는 시스템, 혹은 LED 연결을 통해 바다 위 부표를 형성하거나 기계적인 작동부를 연결할 경우 수면 위에 떠서 거동을 가능하게 하는 로봇 등을 예로 들 수 있다. 상기 반구형 렌즈(110)의 상면과 하면에는 각각 신축성 저반사 중합체 필름(120) 및 신축성 고반사 중합체 필름(130)이 부착된다. 이때 상기 고반사 필름(130)은 초발수성 코팅으로 코팅될 수 있다.
도 6의 구형 전기적 작동 시스템은 태양전지를 전원부로 하여 외부 전원의 공급 없이 작동이 가능하며 각 반구에 적용된 저반사 및 고반사 중합체 필름에 의해 태양전지의 광전변환효율을 높일 수 있다. 또한 수면과 맞닿는 구면 렌즈 표면의 신축성 고반사 중합체 필름에는 PTFE 계열의 발수성 코팅 등의 초발수 코팅 처리를 추가하여 수면 위에서 부력 상승으로 장시간 버틸 수 있도록 할 수 있다. 이렇게 제작된 구형 전기적 작동 시스템은 외부 전원을 필요로 하지 않기 때문에 장시간 동안 작동되어 해수면 위에서의 생태계 모니터링, 녹조 제거용 로봇 등과 같이 환경적 모니터링을 필요로 하는 산업에도 응용될 수 있다.
실시예
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 단, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위하여 일부 실험방법과 조성을 나타낸 것으로, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 제한되는 것은 아니다.
제조예 1: 저반사 중합체 필름 제조
도 2에 도시한 바와 같은 가압 용기를 준비하여 저반사 중합체 필름의 제조를 수행하였다.
액상의 폴리디메틸실록산(PDMS) 11g(base:curing agent=10:1)을 경화촉진제 Platsil 71/73X Accelerator(Polytek 社) 0.033g과 혼합한 후, 스핀코팅(200rpm) 방법으로 유리 기재상에 약 400㎛ 두께로 도포하였다.
가압 용기의 온도를 120℃, 압력을 90kPa로 설정하여 고온·고압의 스팀(steam)을 형성하고 액상의 열경화성 중합체 위로 충분히 투습 되도록 약 20분간 유지하였다.
경화 촉진제에 의해 고온·고압의 물분자가 깊은 투습을 하기 전 열경화성 중합체가 고체 상태로 경화가 시작되고 열경화성 표면에 움푹 파인 것과 같은 얕은 단층의 다공성 레이어(layer)가 형성된다.
완전히 고체 상태로 경화된 중합체를 압력 용기에서 꺼내어 중합체 표면에 있는 잔여 수분을 제거하는 건조 과정을 약 70℃의 대류 오븐에서 30분 정도 수행하여 완성하였다.
제조된 저반사 다공성 중합체 필름의 이미지와 단면의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지를 도 7에 나타내었다. 제조된 저반사 필름은 기재의 패턴이 잘 보일 정도로 투명한 것이 확인되며, 작은 크기의 기공이 표면 근처에 형성된 것을 확인할 수 있다.
제조예 2: 고반사 중합체 필름 제조
도 4에 도시한 바와 같은 절차에 따라 고반사 중합체 필름을 제조하였다.
액상의 폴리디메틸실록산(PDMS) 11g(base:curing agent=10:1)를 경화지연제 Platsil 71/73 Retarder(Polytek 社) 2.2g과 혼합한 후, 스핀코팅(200rpm) 방법으로 유리 기재 상에 약 400㎛ 두께로 도포하였다.
가압 용기의 온도를 120℃, 압력을 90kPa로 설정하여 고온·고압의 스팀(steam)을 형성하고 액상의 열경화성 중합체 위로 충분히 투습 되도록 약 20분간 유지하였다.
경화지연제에 의해 경화가 천천히 진행된 중합체의 내부로 스팀이 더 깊게 침투하여 더 깊은 다공성 레이어를 형성한다.
완전히 고체 상태로 경화된 중합체를 압력 용기에서 꺼내어 중합체 표면에 있는 잔여 수분을 제거하는 건조 과정을 약 70℃의 대류 오븐에서 30분 정도 수행하여 완성하였다.
제조된 고반사 다공성 중합체 필름의 이미지와 단면의 SEM 이미지를 도 8에 나타내었다. 제조된 고반사 필름은 기재의 패턴이 전혀 보이지 않을 정도로 하얀색으로 보여 가시광선이 잘 투과되지 않는다는 것을 알 수 있으며, 비교적 큰 크기의 기공이 표면으로부터 깊숙한 곳까지 침투한 것을 확인할 수 있다.
실험예 1: 경화 속도 조절에 따른 다공성 중합체 구조체의 깊이 변화
액체 PDMS 중합체에 대하여 경화촉진제 Platsil 71/73X Accelerator(Polytek 社)를 3중량% 및 5중량%로 혼합하여 경화촉진제를 첨가하지 않은 경우와 비교하였다. 필름의 제조는 제조예 1에 기재된 방법으로 수행하였다. 제조된 필름의 단면을 도 9a에 나타내었다.
도 9a에서 경화촉진제를 전혀 사용하지 않은 경우 비교적 큰 크기의 기공이 넓은 면적에 형성된 것이 확인된다. 경화촉진제를 사용함에 따라 기공의 크기가 줄어들고 침투 깊이도 얕아진다는 것을 확인할 수 있다.
다른 종류의 중합체로서, 백금촉매 기반 부가형 실리콘(sorta clear 30, Smooth-on 社)을 사용하여, 경화촉진제 Platsil 71/73X Accelerator(Polytek 社) 및 경화지연제 Platsil 71/73 Retarder(Polytek 社)을 각각 20중량%로 사용하여 이들을 사용하지 않은 경우와 비교하였다. 필름의 제조는 제조예 1 및 2에 기재된 방법과 동일하게 수행하였다. 제조된 필름의 단면을 도 9b에 나타내었다.
도 9b에서 경화촉진제를 사용한 필름은 경화촉진제를 사용하여 제조된 PDMS 필름과 거의 유사한 형태를 나타내었다. 경화지연제를 혼합한 경우 더 큰 크기의 기공이 더 깊게 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 경화 속도를 제어함으로써 폴리디메틸실록산(PDMS) 필름의 다공성 구조의 깊이를 약 15㎛로부터 약 120㎛까지 제어할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
실험예 2: 저반사 및 고반사 필름의 가시광선 영역 반사율 분석
제조예 1 및 2에서 각각 제조된 저반사 필름 및 고반사 필름의 반사율을 다공성 구조를 형성하지 않은 일반 PDMS 필름과 비교하였다.
반사율 측정은 자외선가시광선분광기(UV/Vis Spectrometer)를 사용하여 400 내지 800nm 파장대인 가시광선 영역에서의 측정하였으며, 그 결과를 도 11에 나타내었다.
도 11에서, 저반사 다공성 PDMS 필름은 가시광선 영역에서의 반사율 약 10.4%를 보이며 구조체가 형성되지 않은 일반적인 평면 PDMS(반사율 11.7%) 필름보다 더 낮은 반사율을 나타내었다. 반면, 고반사 PDMS 필름은 약 61.3%의 높은 반사율을 보이는 것을 확인하였다.
실험예 3: 유연유기태양전지 성능 향상 분석
제조예 1 및 2에서 제조된 저반사 및 고반사 필름의 태양전지 효율 향상 효과를 확인하기 위한 실험을 수행하였다.
도 12a에 나타낸 바와 같이, 상용 유연유기태양전지(Unidirectional Solar Tape Grade A, InfinityPV 社)의 상면에 저반사 필름을 적용하고, 하면에는 고반사 필름을 적용하여 광 흡수율을 확인하였다. 측정 결과를 도 12b에 나타내었다.
일반적으로 상용화된 유기박막태양전지는 흡수율 약 72.5%를 가지고 있고 본 발명에서 제작된 다공성 중합체 필름들을 모두 적용할 경우 파장 400 내지 800nm 에서 전체적으로 높은 흡수율을 보이며 77.6%로 약 1.1배의 흡수율 상승이 가능함을 확인하였다.
실험예 4: 신축성 중합체 필름의 연신율에 따른 반사율 변화 확인
본 실험예에서는 상기 실험예 1에서 실리콘 고무를 사용하고 경화촉진제와 경화지연제를 첨가하지 않고 제조된 신축성 중합체 필름을 이용하였다.
도 13a에 나타낸 바와 같은 장치를 이용하여 필름을 2축 방향으로 신장시켜 연신율에 따른 광 반사율을 측정하였다.
도 13b에서, 연신율이 0%인 필름은 반사율 약 45.2%를 가지지만, 연신율을 67%로 증가시키자 반사율은 27.5%로 하락하였다. 연신율을 133%까지 증가시킴에 따라 반사율은 18.5%까지 떨어지는 것을 확인하였다.
이상으로 본 발명의 내용의 특정부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (18)

  1. 기재 상에 열경화성 중합체 수지를 도포하는 단계; 및
    상기 열경화성 중합체 수지에 증기를 분사하면서 경화시키는 단계
    를 포함하되,
    상기 열경화성 중합체 수지의 경화 속도를 조절하여 기공 형성 깊이를 제어하는 것을 특징으로 하고,
    상기 열경화성 중합체 수지가 경화촉진제 또는 경화지연제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성 중합체 필름의 제조방법.
  2. 기재 상에 열경화성 중합체 수지를 도포하는 단계; 및
    상기 열경화성 중합체 수지에 증기를 분사하면서 경화시키는 단계
    를 포함하되,
    상기 열경화성 중합체 수지의 경화 속도를 조절하여 기공 형성 깊이를 제어하는 것을 특징으로 하는, 다공성 중합체 필름의 제조방법으로서,
    상기 다공성 중합체 필름이 광반사 필름이고,
    상기 기공 형성 깊이를 제어함으로써 광반사율을 조절하는 것을 특징으로 하는, 다공성 중합체 필름의 제조방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열경화성 중합체 수지에 증기를 분사하는 단계 이전에,
    상기 열경화성 중합체 수지를 준고체 상태로 형성하는 단계를 더 포함하는, 다공성 중합체 필름의 제조방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열경화성 중합체 수지의 경화를 촉진하여 다공성 중합체 필름의 표면에만 다공성 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는, 다공성 중합체 필름의 제조방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열경화성 중합체 수지의 경화를 지연시켜 다공성 중합체 필름의 표면 및 내부에 다공성 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는, 다공성 중합체 필름의 제조방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열경화성 중합체 수지가 폴리디메틸실록산(polydimethylsilioxane, PDMS), 실리콘 고무, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리우레탄(polyurethane, PU), 폴리에스터(polyester), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 및 에폭시 수지(epoxy resin)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 다공성 중합체 필름의 제조방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 증기를 분사하는 단계는 100 내지 140℃ 및 70 내지 200kPa의 증기를 분사하는 것을 특징으로 하는, 다공성 중합체 필름의 제조방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 열경화성 중합체 수지가 경화촉진제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성 중합체 필름의 제조방법.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 열경화성 중합체 수지가 경화지연제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성 중합체 필름의 제조방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 다공성 중합체 필름의 연신율이 300% 이상인 것을 특징으로 하는, 다공성 중합체 필름의 제조방법.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항의 방법으로 제조되고,
    상기 기공 형성 깊이를 조절하여 광반사율이 제어된, 광반사 중합체 필름.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 광반사 중합체 필름의 연신율을 조절하여 광반사율을 제어하는 것을 특징으로 하는, 광반사 중합체 필름.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 광반사 중합체 필름의 연신율이 300% 이상인 것을 특징으로 하는, 광반사 중합체 필름.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항의 방법으로 제조되고,
    상기 열경화성 중합체 수지의 경화를 촉진하여 제조된, 저반사 중합체 필름.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항의 방법으로 제조되고,
    상기 열경화성 중합체 수지의 경화를 지연시켜 제조된, 고반사 중합체 필름.
  16. 태양전지 모듈을 포함하는 전원부;
    상기 전원부로부터 전력을 전달받아 장치를 구동시키는 구동부; 및
    상기 전원부 및 구동부를 내부에 수용하고, 광 투과가 가능한 소재로 이루어진 커버체;
    를 포함하는 자가-발전 장치로서,
    상기 커버체의 상면에는 제 1 항 또는 제 2 항의 방법으로 제조되고, 상기 열경화성 중합체 수지의 경화를 촉진하여 제조된, 저반사 중합체 필름이 부착되고,
    상기 커버체의 하면에는 제 1 항 또는 제 2 항의 방법으로 제조되고, 상기 열경화성 중합체 수지의 경화를 지연하여 제조된, 고반사 중합체 필름이 부착된 것을 특징으로 하는, 자가-발전 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 커버체가 투과되는 광을 태양전지로 집중시키는 구형(球形) 렌즈의 형태인 것을 특징으로 하는, 자가-발전 장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 고반사 중합체 필름이 발수 처리된 것을 특징으로 하는, 자가-발전 장치.
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