Research Article

Journal of the Korean Solar Energy Society. 30 December 2023. 133-140
https://doi.org/10.7836/kses.2023.43.6.133

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 실 험

  • 3. 결과 및 고찰

  • 4. 결 론

기호 및 약어 설명

BIPV : 건물일체형태양광시스템

G2B : glass to backsheet 태양광 모듈

G2G : glass to glass 태양광 모듈

EVA : Ethylene Vinyl Acetate

PET : polyethylene terephthalate

PEEK : Polyether ether ketone

PEN : Polyethylene Naphthalate

PI : Polyimide

PE : Polyethylene

TPU : Thermoplastic Polyurethane

TGA : Thermogravimetric Analyzers

WVTR : Water Vapor Transmission Rate

1. 서 론

전세계적으로 탄소저감을 통한 기후변화 대응의 노력으로 기존 화석연료에서 재생에너지로의 에너지 전환이 이루어지고 있다. 국내에서도 탄소중립을 위해 재생에너지의 확대보급이 지속적으로 이루어지고 있으며, 여러 재생에너지원 중 태양광(PV, Photovoltaic)에 많은 관심을 기울이고 있다1,2,3). 태양광 발전은 햇빛의 에너지를 전기에너지로 변환시켜 발전을 하는 시스템으로 다양한 장소에 설치되어 활용되고 있다. 하지만, 국내의 경우 제한된 국토의 면적으로 태양광 발전을 위한 공간 확보에 어려움이 있다. 따라서 이를 극복하기 위하여, 영농형 태양광4), 수상 태양광5), 염전형 태양광6,7), 건물일체형 태양광8,9,10) 등 입지 다변화에 대한 많은 노력을 기울이고 있다. 그 중 건물일체형(BIPV, Building Integrated Photovoltaic)은 제한된 국토면적과 도시화가 잘 진행되어 있는 우리나라 상황에 적합한 태양광 발전시스템이다. BIPV는 태양광 모듈과 건물 외장재 역할을 함께하는 건축물 구성요소로, 빌딩 관련 기능을 유지하는 BIPV 시스템을 구성하는 최소 단위이다. 또한, 정부의 재생에너지 3020 이행계획과 2025년부터 예정된 민간건축물의 제로에너지 건축 의무화에 대비하여, 아파트 등 고층건물에 적용되는 BIPV 시스템의 개발, 관련 산업 생태계의 구축과 강화 필요하다. BIPV 시스템의 확대보급을 위해서는 아파트와 같은 도심 내 고층건물 설치시 심미성, 화재 안전성, 유지보수 용이성 등이 요구됨에 따라 관련 기술개발이 시급한 실정이다. 최근 BIPV 모듈이 건축물의 외장재로 인식되고 있으며, 이에 따라 건물 화재시 BIPV 모듈도 다른 건물 외장재와 유사한 수준의 난연 또는 준불연 특성이 요구되고 있다. BIPV 모듈을 포함하는 일반적인 태양광 모듈의 구조는 G2B (glass to backsheet) 또는 G2G (glass to glass)이며, 모듈 구성요소 중 화재에 가장 취약한 부분은 폴리머 재료인 EVA (Ethylene Vinyl Acetate)와 back sheet이다. EVA의 경우 melting point가 낮아 (< 120℃) 화재발생이 착화가 되기 쉬우며11), 연소시 가스발생에 따른 weight loss가 큰 편이다12). Back sheet의 경우 G2G 모듈 제작시 포함되지 않음으로 우선적으로 EVA의 대체재에 관한 연구가 필요한다.

따라서, 본 논문에서는 건축물 외장재로서 역할을 위한 BIPV 모듈의 화재 안정성 향상을 위하여 기존의 EVA 대체가 가능한 다양한 종류의 봉지재의 난연특성에 대한 연구를 수행하였다. 연구를 위해서 총 6종의 필름(난연PET, PEEK, 난연PEN, PI, PE, TPU)을 준비하였으며, 각 필름의 화재 안정성 검토를 위해 다양한 분석을 수행하였다. 또한, 실재 태양광 모듈의 봉지재로 적용이 가능한지 광투과율, lamination 특성 및 투습률을 측정하였다. 결과적으로 6종의 필름 중 PI 필름이 화재 안정성 및 모듈 적용성에서 가장 우수한 성능을 보여주었다.

2. 실 험

봉지재의 난연특성 및 BIPV 모듈 적용 가능성을 확인하기 위하여 총 6가지의 필름을 준비하였다. 각 봉지재의 특성은 기본적인 특성은 Table 1에 나타나 있다. 해당 필름들은 현재 상업적으로 판매되는 필름들이다.

Table 1

Information of films for potential BIPV module encapsulants

Flame-retardant
PET
PEEK Flame-retardant
PEN
PI PE TPU
Chemical Fomular C10H8O4 C19H12O3 C14H10O4 C35H28N2O7 C2H4 C3H8N2O
Density
(g/cm3@20℃)
1.38 1.32 1.36 0.005 ~ 1.95 0.88 ~ 0.96 0.65 ~ 1.44
Melting point (℃) > 250 343 262 ~ 275 247 ~ 388 115 ~ 135 71 ~ 221
Thickness (μm) 25 125 125 50 100 25
Tensile strength
(MPa) @ 23℃
*Machine direction
146.02 784.56 310 231 45 - 55 52.4 - 79.3

각 필름들의 난연 특성을 평가하기 위하여 TGA (Thermogravimetric Analyzers, TGA N-1000, SCINCO)를 측정하였으며, 측정조건은 N2 분위기, 20 ~ 900℃ 온도범위 및 10℃/min의 heating rate로 진행하였다. 또한, 해당 필름들은 BIPV 모듈의 광손실(optical loss)를 최소화해야 하므로 필름의 광투과도(optical transmittance)를 UV-Vis spectroscopy (UV-2600i, Shimadzu)의 적분구(integrating sphere)를 이용하여 측정하였다. 태양광 모듈 봉지재가 갖춰야 할 특성 중 하나인 투습률(WVTR, Water Vapor Transmission Rate)을 측정하기 위하여 필름의 WVTR (PERMATRAN-W Model 3/33, MOCON)을 측정하였다. 필름의 유리와 태양전지 간의 접합특성을 평가하기 위하여 laminator를 이용하여 다양한 온도에서 lamination을 진행한 후 접착성능을 확인하였다. 또한, 유리와 접합된 필름의 열방출률, 연기발생률, 착화시간 및 온도 등을 측정하기 위하여 Cone Calorimeter (KS F ISO 5660-1 Cone Calorimeter, FESTEC)를 측정하였다. Cone Calorimeter 측정용 샘플은 2장의 10 cm × 10 cm 크기와 3 mm 두께의 저철분 강화유리 사이에 2장의 필름을 접합하여 유리/필름/필름/유리 구조로 lamination을 진행하여 준비하였다.

3. 결과 및 고찰

TGA 분석은 시료를 가열함으로써 얻어지는 온도-무게 변화량 측정함으로써 시료의 열안정성(thermal stability) 및 난연성(flame retardancy) 분석이 가능하다. 이에 따라, 본 연구를 위해 준비한 6종류의 필름에 대한 BIPV의 봉지재로 적용 가능성을 분석하였다. 추가적인 비교를 위하여 본 연구실에서 보유하고 있는 BOPET 및 불투명 PI도 함께 측정하였다. Fig. 1(a)는 6종의 필름 및 추가 2종의 필름(Fig. 1(a)에 PI(B)는 불투명 PI이며, PI(T)는 투명 PI를 의미)에 대한 TGA 분석결과를 보여주고 있으며, 자세한 실험결과는 Table 2에 나타나 있다.

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Fig. 1

(a) TGA and (b) UV-Vis measurement results of the potential BIPV module encapsulants

Table 2

TGA results of potential BIPV module encapsulants

Flame-retardant
PET
PEEK Flame-retardant
PEN
PI PE TPU EVA12)
Temperature
(℃)
374.5 ~ 535.2 576.8 ~ 695.6 387.2 ~ 558.4 391 ~ 784.7 112.9 ~ 553.6 264.4 ~ 509.7 255 ~ 550
Weight loss
(%)
88.326 47.173 76.036 42.792 82.436 93.007 99

Fig. 1(a)Table 2에서 볼 수 있듯이 6종의 필름 중 PI가 900℃에서 가장 낮은 weight loss 비율인 약 42.8%를 보여주었으며, weight loss가 이루어지는 온도 범위가 391 ~ 784.7℃로 가장 높은 것을 확인할 수 있었다. PEEK 필름의 경우 약 47.2%의 weight loss를 보여주었으나, 무게의 변화가 이루어지는 온도 범위는 576.8 ~ 695.6℃로 다른 필름보다 높은 것을 확인할 수 있었다. 그 외의 PET, PEN, PE 및 TPU 필름들은 앞의 2종류 필름보다 낮은 온도에서 무게 변화가 시작되며, weight loss도 76 ~ 93 %로 매우 높은 weight loss를 보여주었다. 본 연구팀의 이전 연구에서, 상용모듈에 적용되는 EVA 및 back sheet의 TGA결과를 보면 약 255 ~ 550℃에서 무게변화가 이루어지며, weight loss는 EVA는 약 99%, back sheet는 약 93%로 확인하였다12). 또한, EVA 및 back sheet의 경우 polymer이므로 무게변화의 대부분은 가스형태로 분출되어 이루어지며, 본 연구에 사용된 6가지 필름도 동일한 현상으로 무게 감소가 일어나는 것으로 판단된다. 이에 따라, 난연성이 강화된 BIPV 모듈의 봉지재로 사용하기 위해서는 높은 온도에서 무게변화가 적은 필름이 유리할 것으로 판단된다.

태양광 모듈에 적용되는 봉지재는 강화유리와 태양전지 사이에 위치하고 있으며, 태양전지의 출력에 영향을 주는 광손실을 최소화하기 위하여 높은 투과도를 가져야 한다. 이에 따라, 총 6종의 필름에 대한 투과도를 측정하였으며, Fig. 1(b)는 6종의 필름의 광투과도를 보여주고 있다. 해당 그림에서 볼 수 있듯이, 투명 PI(T)와 PE 필름이 가장 높은 투과도인 91%의 투과도를 보여주었다. TGA에서 가장 좋은 결과를 보여주었던 PEEK 필름의 경우 가시광선영역에서 40 ~ 70%의 투과도를 보여주었으며, 적외선 영역에서 70% 이상의 투과도를 보여주었다. 이러한 낮은 투과도로 인하여 PEEK 경우 봉지재로 적용하기에는 부적절한 것으로 판단된다. 투명 PI(T) 필름의 경우 TGA 및 투과도 측정에서 모두 좋은 결과를 보여주었다.

다음으로는 봉지재 후보군들 중에서 가장 투과도가 높은 PE, PET, PI, TPU를 선별하여 투습도 측정을 수행하였다. 타 필름과 비교를 하기 위하여 EVA와 PDMS의 투습도를 다른 논문으로부터 참고하여 4종의 필름과 함께 Fig. 2에 표시하였다13,14). 일반적으로 많이 사용되는 고분자 봉지재들의 WVTR은 두께에 따라서 다소 차이가 있겠으나, 대체로 약 100 ~ 102 g/m2/day 수준으로 wearable 전자 소자에 적합한 수준을 나타내는 것을 알 수 있다. 투습도 측면에서는 PET가 가장 우수한 특성을 나타내었고, PE, TPU, PI 순으로 투습도가 증가함을 알 수 있다. 현재 태양전지에 가장 널리 사용되고 있는 EVA의 WVTR은 약 50 g/m2/day13) 정도이나, PI는 약 270 g/m2/day로 기존의 EVA보다 높은 WVTR을 보여주었다. 하지만, 본 연구에서 사용된 PI 경우 두께가 50 μm로 참고문헌의 EVA 두께인 200 μm보다 매우 얇음을 알 수 있다. 따라서, BIPV 적용을 위하여 좀 더 높은 수준의 WVTR이 요구된다면 두께가 두꺼운 PI를 적용한다면 EVA와 유사한 WVTR 수치를 보일 것으로 예상하며, 태양광 모듈의 봉지재 활용에 문제가 없을 것으로 판단된다.

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Fig. 2

WVTR measurement results of the potential BIPV module encapsulants13,14)

마지막으로 연소 성능 시험을 위해서 콘 칼로리미터 실험을 진행하였다. 콘 칼로리미터 시험을 위해서는 10 cm × 10 cm 크기의 유리 사이에 봉지재를 넣어, 온도와 압력을 가해 시료를 제작하게 된다. 투습률을 측정한 총 4개의 시료들 중에서, PET의 경우 유리 사이에 넣어서 열로 압착을 해도 유리 사이에서 접합이 되지 않았다. TPU, PE의 경우 일반적인 lamination 공정 온도인 170℃에서 압착이 잘 이루어졌으며, PI의 경우에는 300℃ 온도의 조건에서 압착을 진행하여 콘 칼로리미터 실험을 위한 샘플 제작을 완료하였다.

콘 칼로리미터 실험 결과, TPU와 PE 샘플은 약 100, 200초에서 용융이 시작되어, 277초, 291초에 모서리 부분에서부터 착화가 시작되었다. 착화 이후에 연소가 진행되어 Fig. 3(c) ~ (d)에 나타낸 것과 같이 시료가 연소된 것을 확인하였다. 하지만 PI 샘플의 경우에는 전체 테스트 시간 동안 착화가 되지 않았으며 필름이 수축하는 현상만 관측되었다. TPU, PE 샘플의 경우에는 시료의 질량이 다소 감소한 반면, PI의 경우에는 착화가 되지 않아 시료의 질량 변화도 가장 적은 것을 알 수 있었다(Table 3). Fig. 3(a)에 나타낸 그림은 시간에 따른 각 시료들의 열 방출률을 나타낸 그래프이다. PI의 경우, 착화가 되지 않아서 열 방출률이 가장 낮으며, PE, TPU 순으로 높은 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 3

(a) cone calorimeter results and samples (as prepared, mounted for the measurement and after measurement, from left to right) for cone calorimeter measurement (b) PI, (c) TPU and (d) PE

Table 3

Summary of cone calorimeter measurement results

Specimen T-ig
(SEC)
Peak HRR
(kW)
THR(MW)
(0 ~ 1000 sec)
Mass change (gram) Observation
before after
TPU 277 ~ 304
/ 450 ~
21.7 5.2 245.6 240.9 1) 100 s : melting starts
2) 200 s : melted entirely
3) 277 s : edge ignited, intermittent frame
PE 291~540 10.5 1.8 240.7 237.6 1) 200 s : melting
2) 291 s : edge ignited, intermittent frame
PI - - - 243.1 242.3 1) ~850 s : no ignition observed
2) film shrinkage observed

건축물 난연성능에 대한 시험방법은 국토교통부 ‘건축물 마감재료의 난연성능 및 화재 확산 방지구조 기준’에 의거 KS F ISO 5660-1 등을 따르며, 건축재료의 난연 등급은 아래와 같은 기준으로 요약할 수 있다. 10분간 총방출열량이 8 MJ/m2 이하이며, 10분간 최대 열방출률이 10초 이상 연속으로 200 kW/m2를 초과하지 않으면 준불연 성능, 5분간 총방출열량이 8 MJ/m2 이하이며, 5분간 최대 열 방출률이 10초 이상 연속으로 200 kW/m2를 초과하지 않으면 난연 성능으로 구분한다. 이때, 두 성능 기준 모두 가열 후 ‘시험체를 관통하는 균열, 구멍 및 용융 등이 없어야 함’이라는 조건이 추가된다. 본 실험에서의 봉지재 3종의 시험 결과, 열방출률의 관점에서는 3종 모두 준불연성능에 준하는 성능을 나타내지만, 모든 시편에서 용융, 수축 등의 변형이 관찰되어, 실제로 건축 재료 시험 기준으로는 충족되지 못한다고 할 수 있다(더불어, 난연, 준불연재료의 지위를 득하기 위해서는 KS F 2271의 가스유해성에 의한 시험기준을 별도로 통과해야하나 본 연구에서는 분석범위에서 제외함).

4. 결 론

본 논문에서는 BIPV 모듈의 건물외장재로서 갖추어야 할 난연특성 향상을 위하여 모듈의 구성요소 중 화재에 가장 취약한 봉지재를 화재 안정성을 갖춘 봉지재로 대체하기 위하여 6종의 필름에 대한 특성 분석을 수행하였다. TGA 결과에서는 PI 및 PEEK 필름이 가장 우수한 열적 안정성을 보여주었으며, 다른 4종의 필름은 낮은 melting온도와 높은 weight loss로 보여주었다. 광투과율 측정에서는 PI와 PE가 90% 이상의 광투과율을 보여주었으나 열적 안정성이 우수했던 PEEK는 가시광선 영역에서 40 ~ 70%의 낮은 투과도를 보여주었다. WVTR 측정에서는 PET가 가장 우수한 특성을 나타내었고, PE, TPU, PI 순으로 투습도가 증가함을 알 수 있다. PI 경우 5 g/m2/day의 WVTR 값을 보여주었으며, 이는 기존의 EVA와 유사한 수치이다. Cone calorimeter 측정결과, PI 샘플의 경우에는 전체 시간 동안 착화가 되지 않았으며 필름이 수축하는 현상만 관측되었다. 따라서, 총 6종류의 필름 중 PI가 가장 우수한 열적 안정성과 모듈 적용 특성을 보여주었다. 본 연구에서는 한정된 횟수와 시편범위에 대한 분석 및 검증이 이뤄졌기에 향후 더 많은 통계적 유의성을 확보할 수 있도록 케이스를 증가시킬 예정이며, 실물규모 화재시험에도 적용하여 PI의 실화재 종합성능을 검증할 후속연구를 계획하고 있다. 그럼에도 불구하고 BIPV 모듈의 난연 성능향상을 위해 기존의 EVA를 PI로 대체할 수 있는 가능성이 높은 것으로 판단되며, 대면적 BIPV 모듈 개발에서는 PI의 높은 melting point로 인해 lamination 공정의 최적화가 필요할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 논문은 2022년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임 (No.20223030010250, “강화된 내화성능 확보를 위한 건물형 태양광모듈 제품(시스템) 표준모델 개발 및 성능평가”).

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