KR20210091972A - 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트 - Google Patents

태양 전지용 속경화형 실버 페이스트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트에 관한 것으로써, 본 발명에 따른 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트는 입자 크기가 5.5 내지 9.5㎛인 제1 실버 파우더 100 중량부, 입자 크기가 1 내지 2 ㎛인 제2 실버 파우더 45 내지 57 중량부, 에폭시 당량이 2,273 내지 3,846 인 에폭시 수지(epoxy resin) 26 내지 34 중량부, 희석용제 31 내지 39 중량부, 분산제 2 내지 3 중량부, 커플링제 1 중량부, 그리고, 경화제 2 내지 3 중량부를 포함하여 제조된다.

Description

태양 전지용 속경화형 실버 페이스트{FAST CURING TYPE SILVER PASTE FOR SOLAR CELL}
본 발명은 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수개의 태양 전지 셀의 전극을 상호 접합을 통해 고정하고 전기적으로 연결하는데 사용하는 전기 전도성 접착제의 재료인 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트에 관한 것이다.
최근 친환경 재생 에너지의 수요가 증대됨에 따라 태양광 발전 설비 비율이 점점 증가하고 있다. 이러한 태양광 발전 설비는 태양광 전지 셀을 복수개 연결하여 태양열 집열판을 구성하게 되는데 복수개의 태양광 전지 셀을 연결하는 방식으로 도 1과 같이 집열 효율 증대를 위해 인접한 태양광 전지 셀의 끝단을 상호 적층하는 구조인 슁글드(shingled) 구조 모듈이 최근 많이 사용되고 있다. 이러한 슁글드 구조 모듈의 경우 상호 적층 부분인 인접한 태양광 전지 셀의 전극 간 상호 접착 성능이 우수하면서 비저항이 적어 전기 전도도 또한 우수할 뿐만 아니라 접착 작업의 편의성 및 효율성이 우수한 전도성 접착제가 필요하다.
그런데 아직까지 태양 전지용 전도성 접착제의 재료인 속경화형 실버 페이스트의 개발이 미진하여 태양과 발전 효율이 떨어지는 문제점이 있어 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트의 개발이 절실한 실정이다.
KR 10-2011-0099724 A
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기의 문제점을 해결하여 태양 전지용 전도성 접착제의 재료로 비저항이 적어 전기 전도도가 우수하며 스크린 인쇄 등의 접착 작업시 속경화를 통해 접착 공정이 용이하고 효율적일 뿐만 아니라, 인접한 태양 전지 셀의 전극 간 접착력이 우수하여 전기 전도성 접착제의 신뢰성을 확보할 수 있는 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트를 제공하는 것이다.
상기의 과제 해결을 위한 본 발명에 따른 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트는 입자 크기가 5.5 내지 9.5㎛인 제1 실버 파우더 100 중량부, 입자 크기가 1 내지 2 ㎛인 제2 실버 파우더 45 내지 57 중량부, 에폭시 당량이 2,273 내지 3,846 인 에폭시 수지(epoxy resin) 26 내지 34 중량부, 희석용제 31 내지 39 중량부, 분산제 2 내지 3 중량부, 커플링제 1 중량부, 그리고, 경화제 2 내지 3 중량부를 포함하여 제조된다.
상기 제 1실버 파우더와 상기 제2 실버 파우더는 상기 태양 전지용 속경화형실버 페이스트 조성물 100 중량부 당 64.17 내지 71.01 중량부로 포함되어 있을 수 있다.
상기 에폭시 수지는 에폭시 당량이 2,273 내지 3,846 g/eq인 비스페놀 A형 에폭시 수지일 수 있다.
상기 에폭시 수지는 비스페놀 A형 에폭시 수지((Diglycidyl Ether of Bisphenol A; DGEBA), 비스페놀 F형 에폭시 수지(Diglycidyl Ether of Bisphenol F; DGEBF), 페놀 노볼락 에폭시 수지(Phenol Novolac Epoxy) 또는 크레졸 노볼락 에폭시 수지(Cresol Novolac Epoxy) 등과 같은 노볼락형 에폭시 수지, 브롬화 에폭시 수지(Brominated Epoxy) 등과 같은 할로겐화 에폭시 수지(Halogenated Epoxy), 지환족 에폭시 수지(Cycloaliphatic Epoxy), 고무 변성 에폭시 수지(Rubber modified Epoxy), 지방족 폴리글리시딜형 에폭시 수지(Aliphatic polyglycidyl Epoxy), 글리시딜 아민형 에폭시 수지(Glycidylamine Epoxy), 폴리글리콜 에폭시 수지 (Polyglycol Epoxy) 및 카다놀 에폭시 수지(Cardanol-based Epoxy)를 단독 또는 하나 이상 혼합한 것일 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트에 의하면, 태양 전지용 전도성 접착제의 재료로 비저항이 적어 전기 전도도가 우수하며 스크린 인쇄 등의 접착 작업시 속경화를 통해 접착 공정이 용이하고 효율적일 뿐만 아니라, 인접한 태양 전지 셀의 전극 간 접착력이 우수하여 전기 전도성 접착제의 신뢰성을 확보할 수 있어 태양광 발전 효율을 향상 시킬 수 있는 유리한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트가 전극간 전도성 접착제로 사용된 슁글드(shingled) 구조 모듈의 태양광 전지 셀의 구조도,
도 2는 좌측은 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트의 1 조성인 제1 실버 파우더의 오천 배율 광학 현미경 확대 사진이며, 우측은 제2 조성인 제2 실버 파우더의 이만 배율 광학 현미경 확대 사진,
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트와 비교예인 종래 사용 중인 전도성 접착제 실버 페이스트 간 전단 속도에 따른 점도 변화 비교 그래프, 그리고,
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트와 비교예인 종래 사용 중인 전도성 접착제 실버 페이스트 간 전단 응력에 따른 저장 탄성율(G')과 손실 탄성율(G") 변화 비교 그래프이다.
본 발명의 실시예들에 관한 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트에 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트는 입자 크기가 5.5 내지 9.5㎛인 제1 실버 파우더 100 중량부, 입자 크기가 1 내지 2 ㎛인 제2 실버 파우더 45 내지 57 중량부, 에폭시 당량이 2,273 내지 3,846 인 에폭시 수지(epoxy resin) 26 내지 34 중량부, 희석용제 31 내지 39 중량부, 분산제 2 내지 3 중량부, 커플링제 1 중량부, 그리고, 경화제 2 내지 3 중량부를 포함하여 제조된다.
1. 제1 실버(silver) 파우더, 제2 실버 파우더
전도성 실버 파우더는 무기 전도성 실버 파우더일 수 있다. 일반적으로 무기 전도성 파우더는 태양 전지용 셀의 전극용 페이스트에 전도성을 부여하기 위한 것으로 예를 들어 1종 이상의 금속 파우더를 사용할 수 있다. 전도성 파우더로서 이번 발명에 사용된 금속 파우더는 실버(Ag) 파우더이다.
종래의 경우 전도성 파우더로서 금속 파우더를 사용하는 경우 적절한 입도 분포, 형태 및 평균 입경을 갖는 실버 파우더를 단독으로 사용하거나 또는 실버 파우더에 다른 금속 파우더, 바람직하게는 산화지르코늄, 산화주석, 산화안티몬, 산화니켈, 산화알루미늄 및 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 산화된 금속 입자에서 선택되는 금속 파우더를 혼합하여 사용하기도 하였다.
그런데 본 발명에서는 전도성 페이스트 내 1 조성인 금속 파우더로 하나의 금속인 실버를 단독으로 사용하되 실버 파우더의 크기가 서로 다른 두 입자를 사용한다. 즉 입자 크기가 5.5 내지 9.5 ㎛ 인 실버 파우더와, 입자 크기가 1 내지 2㎛인 실버 파우더 혼합하여 사용하였다. 이때 두 실버 파우더간 혼합 비율은 제2 실버 파우더가 제1 실버 파우더 100 중량부 당 45 내지 57 중량부로 혼합된다.
제1 실버 파우더와 제2 실버 파우더를 혼합 사용하는 이유는 다음과 같다. 실버 파우더는 동일한 조건에서 작은 실버 입자보다 큰 실버 입자를 사용할수록 저항이 낮아진다. 큰 입자는 작은 입자보다 접촉 면적이 넓어 더 많은 전류가 흐를 수 있고, 동일한 패턴에서 작은 입자보다 입자간의 접촉 수가 적어 접촉 저항을 줄여 손실되는 전류가 적다. 하지만 단독 입자의 사용으로 저항 향상에는 한계가 존재한다. 실버 입자의 표면은 불규칙한 굴곡을 가지고 있어 실버 입자간의 접촉 시 미세한 공극이 존재한다. 이 공극을 더욱 작은 입자로 채워줌으로써 저항을 더욱 향상시킬 수 있다. 본 발명에서 제 1실버 파우더와 제 2실버 파우더의 비율이 2:1일 때 가장 우수한 저항을 가지게 됨을 확인 할 수 있었다.
한편, 전도성 실버 파우더의 형상은 크게 판형(Flake), 구형(Spherical), 응집형(Agglomerate)과 같은 임의의 형태를 가질 수 있지만 본 실시예에서는 접촉면이 큰 판형의 실버 파우더를 사용하였다. 구형 입자는 점접촉을 하는 데 반하여 판형 입자는 면 접촉을 하기 때문에 비저항을 향상시킬 수 있다.
제1 실버 파우더와 제2 실버 파우더의 겉보기 밀도, 평균 입경, 최소 최대 입경(입자 크기) 및 비표 면적은 아래 [표 1]과 같다.
형상 겉보기 밀도
(g/cc)		 평균입경
(㎛)		 최소/최대 입경
(㎛)		 비표면적
(m2/g)
제1 실버 파우더
판상
(Flake type)
2.60~ 4.00		 7.23 5.5 ~ 9.5 1.16
제2 실버 파우더 1.86 1.0 ~ 2.0 3.63
한편, 제1 실버 파우더와 제2 실버 파우더의 광학 현미경 확대 사진은 도 2와 같다. 도 2는 좌측은 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트의 1 조성인 제1 실버 파우더의 오천 배율 광학 현미경 확대 사진이며, 우측은 제2 조성인 제2 실버 파우더의 이만 배율 광학 현미경 확대 사진이다.
제 1실버 파우더와 제2 실버 파우더는 본 발명에 따른 실버 페이스트 조성물 100 중량부 당으로는 64.17 내지 71.01 중량부로 포함될 수 있다. 전도성 실버 파우더의 함량이 이보다 적으면 비저항이 낮아져 태양 전지 셀 전극 간의 접촉 효율이 감소하는 문제가 발생한다. 반대로 전도성 실버 파우더의 함량이 전술한 범위를 초과하면 태양 전지 셀의 접착 강도가 낮아 질 수 있다.
2. 에폭시 수지-바인더
본 발명에 따른 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트를 구성하는 바인더로 주쇄의 말단 또는 측쇄에 에폭시 고리(epoxy ring)를 포함하는 에폭시 수지를 제1 실버 파우더 100 중량부 기준으로 26 내지 34중량부를 혼합 사용한다.
구체적인 예를 들면, 에폭시 수지는 비스페놀 A형 에폭시 수지((Diglycidyl Ether of Bisphenol A; DGEBA), 비스페놀 F형 에폭시 수지(Diglycidyl Ether of Bisphenol F; DGEBF), 페놀 노볼락 에폭시 수지(Phenol Novolac Epoxy) 또는 크레졸 노볼락 에폭시 수지(Cresol Novolac Epoxy) 등과 같은 노볼락형 에폭시 수지, 브롬화 에폭시 수지(Brominated Epoxy) 등과 같은 할로겐화 에폭시 수지(Halogenated Epoxy), 지환족 에폭시 수지(Cycloaliphatic Epoxy), 고무 변성 에폭시 수지(Rubber modified Epoxy), 지방족 폴리글리시딜형 에폭시 수지(Aliphatic polyglycidyl Epoxy), 글리시딜 아민형 에폭시 수지(Glycidylamine Epoxy), 폴리글리콜 에폭시 수지 (Polyglycol Epoxy) 및 카다놀 에폭시 수지(Cardanol-based Epoxy) 등을 단독 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
본 실시예에서 에폭시 수지는 에폭시 당량(EEW, Epoxy Equivalent Weight = Epoxy 평균 분자량(g/eq) / 분자당 Epoxide기의 수)이 2,273 내지 3,846 g/eq인 비스페놀 A형 에폭시 수지 사용하였으며, 그 물성은 아래의 [표 2]와 같다.
EEW(Epoxy Equivalent Weight) Viscosity(cps at 25℃)
2.273 ~ 3.846g/eq 100 ~ 280
비스페놀 A형 에폭시 수지는 대표적인 에폭시형 수지로서, 주쇄의 말단에 에폭시기(epoxy ring)를 가진다. 비스페놀 A형 에폭시 수지는 분자의 말단에 에폭시기가 형성되어 반응성이 우수하고, 경화제와 변성 성분의 선택에 따라 광범위한 경화물성을 얻을 수 있다는 장점이 있으며, 다른 열경화성 수지에 비하여 경화수축이 적고, 비스페놀의 골격이 대칭성이 우수하고, 강직한 구조로 이루어져 있어, 강인성과 고온 안정성이 우수하다는 장점이 있다.
본 발명에 사용한 에폭시 수지는 펠렛(pellet) 상태이기 때문에 용제에 용해시켜 사용해야 한다. 수지를 용해시키는 용제에 따라 물성이 다르게 나타난다. 점도, 비저항, 접착력을 고려하여 본 발명에 사용한 용제는 후술할 하기의 희석 용제를 선택하였다. 비점이 낮은 용제로 용해한 수지일수록 점도가 낮게 나왔고, 인쇄 동안 빠르게 증발하여 연속 인쇄에 문제가 있었다. 반대로 비점이 높은 용제로 용해한 수지일수록 점도가 높아 인쇄 도막은 두꺼워 낮은 비저항을 기대했지만 동일한 건조 온도에서 증발 속도가 느려 비저항은 높았다. 그에 반해 본 발명의 희석용제는 비점이 낮지만 표면 장력이 높아 페이스트의 점도를 높일 수 있었으며, 200℃의 낮지 않은 비점이지만 증기압이 높아 빠른 건조를 통해 낮은 비저항을 보였다.
에폭시 수지를 용해시키기 위해 삼구 플라스크에 희석 용제와 5:5 비율로 넣은 다음 70℃의 열을 가하는 동시에 임펠라 교반을 실시하였다. 24시간이면 에폭시 수지가 완전히 용해되고, 그 후 200mesh의 망사로 이물을 걸러내어 페이스트 제조에 사용한다. 수지는 페이스트 상태에서는 분산성에 영향을 주어 조성물간의 혼합을 유리하게 하고, 인쇄하는 동안에는 유동성에 큰 역할을 하며, 건조 후에는 접착력, 경도에 영향을 준다.
따라서 본 발명에 따른 태양 전지용 속경화 전도성 접착제 실버 페이스트 조성물에 바인더로 에폭시 수지가 상기 중량부로 함유되는 경우, 저온의 짧은 건조 시간에서 안정적인 비저항과 접착력을 나타낼 수 있다는 장점이 있다.
3. 희석용제
본 발명에 따른 태양 전지용 속경화 전도성 접착제 실버 페이스트를 구성하는 희석 용제의 분자는 6 개의 수소 원자, 4 개의 탄소 원자 그리고 2 개의 산소 원자로 구성되어 있다. 희석용제로 제1 실버 파우더 100 중량부 기준으로 31 내지 39 중량부를 혼합 사용한다.
희석용제는 페이스트의 유동성을 높여 스크린 인쇄 시 토출이나 인쇄 후의 레벨링에 영향을 준다. 소량이나 과다한 희석용제의 사용은 인쇄에 영향을 주어 저항에 악영향을 미친다. 특히 과다한 희석용제의 사용은 실버 함량을 낮추고, 스크린 인쇄 시 얇게 인쇄되어 저항에 악영향을 준다. 충분히 건조과정을 거치면 희석용제는 증발되기 때문에 경도나 접착력 저항 등에는 영향을 주지 않는다. 그러므로, 본 발명의 희석용제 선택에 있어 두 가지 사항을 고려하였다.
첫 번째는 스크린 인쇄를 위한 용제 선택이다. 스크린 인쇄는 패턴이 있는 망사로 된 제판 위에 페이스트를 올린 다음 고무로 스퀴징 하여 인쇄하는 방식이다. 페이스트는 수 십회의 인쇄동안 스퀴지(squeegee)로 인한 마찰열과 상온에서의 노출로 인해 용제가 서서히 증발한다. 그래서 휘발성이 강한 저비점 용제보다 200 ℃이상의 고비점 용제를 사용하여 양산성에 문제가 없게 만들어야 한다. 두 번째는 속건성(속경화성)을 위한 용제 선택이다. 태양 전지 셀의 열충격을 최소화하기 위해 업체에서 요구하는 건조 온도와 시간은 150℃ 이하, 3분 이하이다. 이 이상의 건조를 하면 페이스트는 더욱 성능이 올라가겠지만 태양 전지는 접착효율이 저하된다. 그러므로 150℃, 3분보다 더 빠른 건조가 필요하다.
따라서 본 발명에 따른 태양전지용 속경화형 실버 페이스트에 그 물성이 아래 [표 3]와 같은 희석 용제가 상기 중량부로 함유되는 경우, 저온의 짧은 건조 시간에서 안정적인 비저항과 접착력을 나타낼 수 있다는 장점이 있다.
Molecular Formula BOILING POINT VAPOR PRESSURE Surface tension
C4H6O2 205 ℃ 0.45 mm Hg at 25 °C 40.0±2.0 dyne/cm
4. 분산제
분산제는 나노 실버 파우더 표면에 흡착하여 정전기적 반발력이나 입체 장애 효과로 파우더 간의 응집을 막아준다. 즉, 분말인 파우더 표면에 분산제가 흡착하고 흡착된 파우더 사이에 수지가 채워져 유동성을 부여해 주게 된다. 본 발명에서는 유용성 도료용 고분자량 습윤 분산제로 산성 그룹을 가진 공중합체를 분산제로 선택 사용하였다.
인산기(인산을 포함하는 산성 반응물)를 함유한 분산제는 안료(분말)의 입체적 안정화를 통하여 파우더를 탈응집시킨다. 안료에 동일한 전하를 띄게하여 안료간의 전기반발력을 일으켜 안료의 재응집의 가능성을 방지한다. 안료를 탈응집시키고 미립화하여 고광택을 얻을 수 있으며 착색력을 향상시킨다. 그 외에 투명성을 증대시킨다. 이 분산제는 점도를 저하시키고 레벨링을 향상시키며 안료의 함량을 증가시킬 수 있게 해준다.
분산제는 제1 실버 파우더 100 중량부 당 2 내지 3 중량부로 첨가될 수 있다. 분산제가 2 중량부 미만으로 첨가되면 분산성 기능을 발휘하기 곤란하고, 3 중량부를 초과한 경우에는 분산성은 만족되지만 저항이나 인쇄 적성 및 물성이 저하될 수 있다.
5. 커플링제
실버 페이스트 조성물의 커플링제는 페이스트와 태양 전지 모듈 등의 피인쇄체에 계면 접착성을 높이고, 페이스트의 특성을 향상시키는 데 사용된다. 종류로서는 실란계, 티탄산염계, 크롬계 등 많은 종류가 있다.
본 발명에 사용된 페이스트는 에폭시 수지에 적합한 실란 커플 링제(Siliane Coupling Agent)를 사용하였고, 그 특성은 수지 및 충전제의 혼합 동안 분산을 개선하고, 복합 재료의 기계적 강도, 내수성 및 내열성, 투명성, 접착성 및 기타 특성을 개선시킨다. 또한 열 경화 수지의 화학적 결합 및 중합체와의 상용성을 개선하는데 매우 효과적이다.
과량의 커플링제는 저항에 영향을 주며, 소량의 커플링제는 영향이 미미하여 제1 실버 파우더 100 중량부 기준으로 1 중량부로 추가 혼합 사용할 수 있다.
6. 경화제
에폭시 수지의 종류에는 경화 후 수지의 분자를 구조화 하는 경화제와 경화를 촉진하는 촉매로서의 경화제가 있다.
본 발명에서 사용된 경화제는 안티몬 헥사 플루오라이드 기반의 촉매이다. 알코올, 글리콜 에테르 및 글리콜에 용해되며, 페이스트의 상태에서는 경화를 일으키지 않지만 인쇄 후 100℃ 이상의 건조에서 반응하여 수지의 경화를 촉진시킨다. 본 발명의 실시예에서 경화제는 제1 실버 파우더 100 중량부 기준으로 2 내지 3 중량부를 혼합 사용한다. 경화제가 2 중량부 미만으로 첨가되면 원하는 경화기능을 발휘하기 곤란하고, 3 중량부를 초과한 경우에는 저항이나 다른 물성이 저하된다.
이하에서는 실제 실험을 통해 확인한 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 따른 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트표를 비교예인 종래 전도성 접착제 실버 페이스트와 상호 비교하여 바람직한 실시예에 대해 더욱 상세히 설명한다. 아래 [표 4]은 본 발명의 바람직한 제1 내지 제 5 실시예와 비교예간 조성에 관한 수치를 나타낸 것이다.
구분 실시예(중량부, g) 비교예
(중량부, g)
1 2 3 4 5
제1 실버 파우더 입자 크기
(㎛)		 5.5~9.5 100 100 100 100 100 190
제2 실버
파우더		 1~2 52 45 50 57 49
에폭시 수지 EEW
(g/eq)		 2,273 ~ 3,846 26 30 30 30 34 22
희석용제 31 35 35 35 39 10
첨가제 분산제 3 3 3 3 2 -
커플링제 1 1 1 1 1
경화제 3 3 3 3 2
태양전지용 속경화형 실버 페이스트를 발명하기 위해 여러의 실시예로 실험을 진행하였다. 각 실시예를 통해 적정 실버 파우더 비율, 수지 함량, 희석용제 함량 범위를 결정하였다. 그 결과 실시예 1과 5를 통해 적정 수지 함량과 용제 함량을 구하였고, 실시예 2 내지 4를 통해 제1 실버 파우더와 제2 실버 파우더의 비율을 결정하였다.
실버 페이스트의 평가는 기존의 태양전지 셀이 인쇄 후 180 매비 300 ℃에서 건조하였을 때 불량이 발생했다는 점, 비교예의 페이스트가 150 ℃에서 가장 우수한 접합 효율을 보였던 점, 150 ℃이하에서 작업해야 태양전지 셀의 불량률을 감소시킬 수 있다는 점을 감안하여 본 발명엔서 경화 조건은 150 ℃미만에서 진행하였으며, 온도가 낮아진 만큼 경화 시간은 2 내지 4분으로 하였다. 여러 조건에서 경화를 마친 실시예들의 비저항과 접착력을 평가하였다. 아래 [표 5]은 본 발명의 바람직한 제1 내지 제 5 실시예와 비교예간 상이한 경화 조건에 따른 비저항과 접착력에 관한 수치를 나타낸 것이다.
구분 실시예 비교예
(중량부, g)
평가항목 경화 조건 1 2 3 4 5
비저항(Ω*㎝) 100℃ 2분 5.3ｘ10-4 5.1ｘ10-4 5.4ｘ10-4 6.6ｘ10-4 7.3ｘ10-4 1.9ｘ10-1
100℃ 3분 3.2ｘ10-4 3.7ｘ10-4 2.9ｘ10-4 6.1ｘ10-4 6.2ｘ10-4 2.4ｘ10-0
100℃ 4분 2.2ｘ10-4 2.8ｘ10-4 3.9ｘ10-4 4.8ｘ10-4 5.1ｘ10-4 8.0ｘ10-1
120℃ 2분 3.6ｘ10-4 3.6ｘ10-4 3.8ｘ10-4 4.5ｘ10-4 4.8ｘ10-4 6.0ｘ10-1
120℃ 3분 2.1ｘ10-4 2.4ｘ10-4 2.5ｘ10-4 3.3ｘ10-4 3.4ｘ10-4 3.4ｘ10-3
120℃ 4분 1.5ｘ10-4 1.6ｘ10-4 1.9ｘ10-4 2.0ｘ10-4 2.2ｘ10-4 1.6ｘ10-3
140℃ 2분 8.7ｘ10-5 1.1ｘ10-4 1.9ｘ10-4 2.2ｘ10-4 2.5ｘ10-4 2.3ｘ10-1
140℃ 3분 4.5ｘ10-5 5.7ｘ10-5 7.4ｘ10-5 8.0ｘ10-5 8.4ｘ10-5 1.8ｘ10-3
140℃ 4분 5.6ｘ10-5 5.9ｘ10-5 6.3ｘ10-5 7.1ｘ10-5 7.3ｘ10-5 2.4ｘ10-4
접착력
(ASTM D 3359)		 100℃ 2분 2 B 2 B 3 B 3 B 3 B 0 B
100℃ 3분 2 B 2 B 3 B 3 B 3 B 0 B
100℃ 4분 2 B 2 B 3 B 4 B 4 B 0 B
120℃ 2분 2 B 2 B 4 B 4 B 4 B 0 B
120℃ 3분 3 B 3 B 4 B 4 B 4 B 0 B
120℃ 4분 3 B 4 B 5 B 5 B 5 B 0 B
140℃ 2분 3 B 3 B 4 B 4 B 4 B 0 B
140℃ 3분 3 B 4 B 5 B 5 B 5 B 0 B
140℃ 4분 4 B 4 B 5 B 5 B 5 B 0 B
[표 5]에서 보는 바와 같이 실시예들과 비교예 모두 건조 온도가 상승할수록, 건조 시간이 길어질수록 비저항과 접착력의 성능은 상승하였다. 실시예 1의 경우 수지의 함량이 줄어들어 접착력 결과가 4B로 측정되었지만, 실버 파우더 함량이 늘어나 비저항은 낮아졌다. 반대로 실시예 5의 경우 수지의 함량이 늘어나 접착력 결과가 5B로 측정되었지만, 실버 파우더 함량이 줄어들수록 비저항은 높아졌다.
실시예 2는 제 1실버 파우더와 제 2실버 파우더의 비율은 2.25:1로 제 1실버 파우더의 비율이 높다. 제 1실버 파우더 비율이 높을수록 실버간의 접촉 면적이 넓어져 비저항은 낮아졌지만, 인쇄성이 저하 되었고 건조 후 표면이 거칠었으며 접착력은 최고 4B가 측정되었다.
실시예 4는 제 1실버 파우더와 제 2실버 파우더의 비율은 1.75:1로 제 1실버 파우더의 비율이 높다. 제 2실버 파우더의 비율이 다른 실시예와 비교했을 때 제일 높으며 제 1실버 파우더의 감소로 비저항이 상승하였다. 접착력은 실시예 3과 동일하였다.
종합적으로 실시예 3의 조성비인 제 1실버 파우더와 제 2실버 파우더의 비율이 2:1이고, 에폭시 수지 30 중량부, 희석용제 35 중량부로 실버 페이스트 조성물이 제조될 때, 제 1 실버 사이의 공극을 가장 이상적으로 채우고 접촉 면적을 증대시켜 가장 양호한 비저항 값을 가지는 동시에 우수한 접착력 결과를 얻을 수 있는 최적 실시예로 확인 되었다.
실시예들은 비교예보다 적은 실버 파우더를 사용했지만 비저항값은 더 낮았으며 접착력 또한 월등히 우수했다.
한편, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트와 비교예인 전도성 접착제 실버 페이스트 간 전단 속도에 따른 점도 변화 비교 그래프이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지용 속경화형 실버 페이스트와 비교예인 종래 LED 용으로 사용 중인 용제형 실버 페이스트 간 전단 응력에 따른 저장 탄성율(G')과 손실 탄성율(G") 변화 비교 그래프이다.
또한, [표 6]는 상기 도 4의 그래프를 수치로 나타낸 표이다.
점도 (cPs)
전단속도 실시예 비교예
1 2 3 4 5
1 1/s 161400 205656 297300 146016 195726 93080
5 1/s 107700 108927 127000 88460 86516 40810
10 1/s 84780 81692 89900 65969 63967 29180
50 1/s 53560 51730 48430 44010 40390 15890
100 1/s 29360 28760 26010 21061 23848 5968
비교예의 점도가 15,890 cps로 가장 낮지만 스크린 인쇄는 가능하다. 다만 점도의 높고 낮음은 인쇄 도막의 두께와 관련 있으며 비저항에 영향을 준다. 즉, 같은 조건이면 점도가 높은 페이스트가 비저항이 낮은 편이다. 하지만 실시예 3의 비저항과 접착력이 가장 우수하였으며 50 shear rate일 때의 점도는 48,430 cps로 측정되었다. 실시예 1의 경우 실버 파우더 함량이 가장 많아 점도가 53,560 cps로 가장 높았다.
실시예 2의 경우 제1 실버 파우더의 비율이 높아 51,730 cps로 측정 되었다. 반면, 실시예 4의 경우 제1 실버 파우더와 제 2실버 파우더의 비율이 1.75:1로 44,010 cps로 측정되었다.
실시예 5의 경우 수지와 용제의 함량이 높아 40,390 cps로 측정되었다. 수지와 용제의 함량이 적어질수록, 제1 실버 파우더의 함량이 많을수록 점도가 높다. 수지와 용제의 함량이 많아질수록, 제2 실버 파우더의 함량이 많을수록 점도가 낮은 것을 확인할 수 있었다.
도 3 및 도 4는 HAAKE사의 Rheoscope 1(Germany) 장비를 이용하여 실시예 1 내지 5와 비교예를 이용하여 각각 제조된 전도성 실버 페이스트의 레올로지(Rheology)를 측정한 것으로써, 측정 항목은 전단속도(0.1 내지 100s-1)에 따른 점도 변화를 측정하는 Viscosity Profile과 전단응력(0.1 내지 1000 Pa)에 따른 저장 탄성율(G')과 손실탄성율(G") 변화를 측정하는 Amplitude Sweep을 사용하였다. 시료대는 직경이 35 ㎜의 평행판이고, 시료 간격은 0.8로 설정하였으며, 이 때 측정 온도는 23℃로 하였다.
도 3의 그래프는 Shear rate의 상승(0.1 내지 100 s-1)과 하강(100 내지 0.1 s-1)에 따른 점도 변화를 나타낸 것이다. 점도 그래프를 통해 인쇄 전 후 점도차에 따른 레벨링 및 분산성을 파악 할 수 있고 오렌지 필이나 메쉬 자국, 분화구 현상 등 도막 표면에서 생기는 결함을 예측할 수 있다.
도 3에서 보는 바와 같이 0.1 내지 100 s-1로 상승 시 전단력에 의해 점도는 낮아진다. 한 방향으로 전단력이 발생하기 때문에 페이스트의 입자들 혹은 분자들이 같은 방향으로 나열된다. 그 상태에서 100 내지 0.1 s-1로 하강 시 전단력이 서서히 약해진다. 페이스트의 입자 또는 분자들이 정렬된 상태이기 때문에 점도는 낮아질 때와 다른 점도 값이 나오게 된다.
그래프가 '⊃' 모양으로 그려진 이유는 페이스트의 레벨링성과 연관이 있다. 레벨링이 빠를수록 그래프의 모양이 '─' 에 가까우며 레벨링이 느릴수록 ⊃의 간격이 크다. 레벨링은 인쇄된 패턴의 표면 상태와 관련있으며 레벨링이 빠를수록 표면이 매끈하고 평평하다. 그래서 울퉁불퉁한 페이스트 표면보다 기재에 접착했을 때 접촉면적이 넓어 접촉효율을 높일 수 있다. 하지만 레벨링이 너무 빠르면 페이스트의 유동성이 커서 일정 높이 이상에서 흘러내려 패턴을 두껍게 인쇄할 수 없다. 실시예와 비교예의 페이스트 모두 레벨링 속도가 느려 인쇄 도막이 두껍게 인쇄될 물성을 가지고 있다.
한편, 도 4의 그래프는 Shear stress의 상승(0.1 내지 1000) 동안에 G’과 G”를 측정한 값을 나타낸 것이다. 한편, 그림 3의 G는 강성률(rigidity)이고, G'는 에너지를 잠시 저장했다가 방출하는 상태이므로 저장 탄성율(storage modulus)이라고 부르고, 일정한 위상에서 어긋나는 위상 비율 G"는 에너지를 즉시 방출하는 성질을 갖는다고 하여 손실 탄성율(loss modulus)이라고 부른다. 실제로 G'는 에너지 보관의 탄성과 관련이 있고, G"는 에너지를 그때 그때 소모해 버리므로 점성과 관련이 있는 계수이다. G"값이 크면 물질이 점성을 많이 가지고 있어 저분자 물질 또는 뉴턴 유동에 가깝다고 볼 수 있고, G'이 크면 분자 간에 엉킴 현상이 심하고 분자들이 스프링처럼 꼬여 있어서 탄성을 많이 가지고 있는 고분자 물질 또는 분자량이 큰 물질이라고 판단할 수 있다.
페이스트는 점성적 성질과 탄성적 성질 모두 가진 물질을 점탄성 물질이라 부르며 스크린 인쇄에서 탄성적 성질은 탄성은 기판에 토출된 페이스트가 일정한 형태로 유지될 수 있도록 하는 역할, 점성적 성질은 스크린인쇄 시에 페이스트가 망사에서 토출이 잘 되도록 하는 역할을 한다.
도 4에서 보는 바와 같이 본 발명의 실시예 1 내지 5와 비교예 1을 비교했을 때 실시예의 Paste들은 20 내지 30Pa에서 G'과 G"의 역전 현상이 발생한다. G'과 G"의 역전은 스크린 제판 위의 페이스트가 망사를 통과하여 피인쇄체에 인쇄가 될 수 있는 상태로 변화된 것을 의미한다. 그에 반해 비교예는 2Pa 이라는 작은 압력에 G'과 G" 값의 역전이 발생한다. 작은 압력에 페이스트의 성질이 변하면 페이스트는 피인쇄체에 스크린 인쇄를 하는 동안 페이스트가 압력에 눌려 점성적 성질이 유지되고 같은 토출량에 두껍게 인쇄되지 않고, 패턴이 얇게 퍼져 인쇄된다. 실시예의 페이스트들은 특정 압력을 기준으로 탄성적 성질과 점성적 성질의 변화가 뚜렷함으로 스크린 인쇄에 유리함을 확인 할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (4)

  1. 입자 크기가 5.5 내지 9.5㎛인 제1 실버 파우더 100 중량부,
    입자 크기가 1 내지 2 ㎛인 제2 실버 파우더 45 내지 57 중량부,
    에폭시 당량이 2,273 내지 3,846 인 에폭시 수지(epoxy resin) 26 내지 34 중량부,
    희석용제 31 내지 39 중량부,
    분산제 2 내지 3 중량부,
    커플링제 1 중량부, 그리고,
    경화제 2 내지 3 중량부
    를 포함하여 제조된
    태양 전지용 속경화형 실버 페이스트.
  2. 제1항에서,
    상기 제 1실버 파우더와 상기 제2 실버 파우더는
    상기 태양 전지용 속경화형실버 페이스트 조성물 100 중량부 당 64.17 내지 71.01 중량부로 포함되어 있는
    태양 전지용 속경화형 실버 페이스트.
  3. 제2항에서,
    상기 에폭시 수지는
    에폭시 당량이 2,273 내지 3,846 g/eq인 비스페놀 A형 에폭시 수지인
    태양 전지용 속경화형 실버 페이스트.
  4. 제3항에서,
    상기 에폭시 수지는
    비스페놀 A형 에폭시 수지((Diglycidyl Ether of Bisphenol A; DGEBA), 비스페놀 F형 에폭시 수지(Diglycidyl Ether of Bisphenol F; DGEBF), 페놀 노볼락 에폭시 수지(Phenol Novolac Epoxy) 또는 크레졸 노볼락 에폭시 수지(Cresol Novolac Epoxy) 등과 같은 노볼락형 에폭시 수지, 브롬화 에폭시 수지(Brominated Epoxy) 등과 같은 할로겐화 에폭시 수지(Halogenated Epoxy), 지환족 에폭시 수지(Cycloaliphatic Epoxy), 고무 변성 에폭시 수지(Rubber modified Epoxy), 지방족 폴리글리시딜형 에폭시 수지(Aliphatic polyglycidyl Epoxy), 글리시딜 아민형 에폭시 수지(Glycidylamine Epoxy), 폴리글리콜 에폭시 수지 (Polyglycol Epoxy) 및 카다놀 에폭시 수지(Cardanol-based Epoxy)를 단독 또는 하나 이상 혼합한 것인
    태양 전지용 속경화형 실버 페이스트.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110099724A (ko) 2008-12-16 2011-09-08 아크조노벨코팅스인터내셔널비.브이. 은 입자의 수성 분산액

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