1. 서 론

최근 널리 사용되고 있는 태양광 발전 시스템은 일반적으로 STC(Standard Test Condition) 기준에서 온도가 1℃ 증가할 때마다 태양광 발전 효율이 0.5%씩 감소한다^[1,2]. 태양광 모듈은 일사량의 영향으로 옥외에 설치된다. 그러나 장기간에 걸쳐 태양광 모듈에 퇴적된 먼지, 꽃가루 및 모래는 태양광 모듈이 받는 총 일사량을 줄여줘 효율을 감소시킨다^[3,4]. 일반적으로 유지보수와 효율 저감 방지 관점에서 태양광 모듈의 오염방지와 모듈의 온도 저감은 매우 중요하다^[5,6]. 오염방지를 위해 여러 가지 방법이 있는데, 인력에 의한 직접 세척과 로봇 또는 부수적인 장치를 사용한 세척 방법이 있다. 이러한 방법들은 비용이 많이 들고, 고장 등의 문제가 있다^[7,8]. 다른 방법으로는 태양광 모듈 커버글라스(cover glass)에 광촉매 코팅을 사용하여 오염방지에 활용한 결과들이 발표되었다. 그러나 광촉매는 빛이 조사되어야 자기세정(self-cleaning) 효과가 발생하고, 코팅의 내구성이 떨어지는 단점을 갖는다^[9,10]. 우리 연구 그룹은 그동안 실리카 기반으로 된 기능성 필름 코팅을 전기애자와 태양광 모듈 커버글라스에 사용하여 오염방지 능력을 향상시키는 연구를 수행하였다[11∼13]. 본 실험에 사용된 기능성 필름(functional film)은 빛이 필요 없고, 자기세정 특성이 매우 뛰어나며 현장에서 바로 코팅할 수 있는 장점을 가진다. 태양광 모듈의 오염방지 코팅으로 활용에 관한 연구를 수행하면서 오염방지 코팅 처리된 커버글라스 표면이 열 방출 효과를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 태양광 모듈의 온도 저감 성능을 향상시키기 위해 태양광 모듈 커버글라스 표면에 오염방지 코팅을 진행한 후 태양광 모듈 back sheet 후면에 방열시트를 적용하여 온도저감 효과를 극대화 시키는 연구를 수행하였다.

2. 실험방법

태양광 모듈의 커버글라스와 동일한 재질의 유리 기판을 기능성 필름 코팅에 사용하였다. 리튬, 갈륨, 이산화규소를 포함하는 무기물 코팅액을 (FC-G703, Wellture FineTech, Korea) 사용하였다. 코팅액의 점도는 1∼3 Cp (Centipoise), 밀도는 1.1 g/cm3, 비중은 1.13±0.05이다. 유리 기판을 트리클로로에틸렌(TCE; Trichloroethylene)이 담긴 비이커에서 초음파 세척기로 10분간 세척한 후 같은 방법으로 아세톤, 메탄올, 탈 이온수를 사용하여 순차적으로 세척하였다. 이후 질소가스를 이용하여 건조한 뒤 코팅을 수행하였다. 각각의 유리 기판은 브러시 (brush) 코팅 방식을 사용하여 수평 및 수직 방향으로 기능성 코팅을 1회, 2회, 3회 수행하였다. 코팅된 모든 유리 샘플은 상온에서 10분 동안 건조한 뒤 히트 건(GHG 500-2, Bosch, Stuttgart, Germany)을 사용하여 2분간 300℃에서 열처리되었다. 코팅횟수에 따른 유리 샘플의 광투과율을 UV-visible (S-3100, Sinco, Korea)를 사용하여 측정하였다. 코팅된 유리 샘플의 열방출 특성은 각각의 샘플을 할로겐램프로 1시간 동안 조사한 후 적외선 카메라(Tiss 55+, Fluke, USA)를 사용하여 관찰하였다. 표 1에 실험에 사용한 3가지 방열시트의 물성을 정리하였다. 1번 방열시트는 아크릴계 서멀 패드, 2번 방열시트는 Graphite Sheet, 3번 방열시트는 Polyester Graphite Sheet 소재로 구성되어있다. 1번 방열시트의 경우 가장 두꺼운 두께를 가지고 가장 낮은 열전도율 나타낸다. 2번과 3번 방열시트는 30 μm로 얇은 두께특성을 가지며 3번 방열시트가 가장 높은 열전도율을 가지고 있다. 제작된 태양광 모듈에 적용된 방열시트들의 단면 이미지와 표면 이미지를 FE-SEM (S-4800, Hitachi, Japan)으로 촬영하여 그 구조 특성을 살펴보았다. 커버글라스에 기능성 코팅을 수행한 태양광 모듈의 후면 back sheet에 서로 다른 3가지 방열시트를 부착한 뒤 열방출 특성을 최종적으로 비교하였다.

3. 결과 및 고찰

유리 기판 위에 합성된 기능성 필름의 코팅횟수에 따른 광투과율 특성을 그림 1에 정리하였다. 200∼1150 nm 파장에서의 1회, 2회, 3회 코팅된 샘플의 광투과율은 각각 97%, 95.6%, 93.1%로 측정이 되었다. 세가지 샘플의 광투과율이 90% 이상으로 매우 높은 광투과도를 나타내었으며 코팅횟수가 증가함에 따라 광투과율이 낮아지는 특성을 나타내었는데 이는 기능성 필름의 두께가 증가하여 빛이 투과량이 줄어든 효과로 판단된다. 코팅횟수에 따른 반사도 특성을 그림 2에 정리하였다. 모든 경우 2% 이하의 반사도를 나타내었으며 코팅횟수가 증가할수록 반사도가 높아지는 특성을 나타내었다. 코팅횟수가 증가함에 필름의 두께가 증가하며 광투과율은 낮아지고, 광 반사도는 높아지는 특성을 갖게 되어 결국 내부로 빛이 적게 들어오는 현상을 볼 수 있다.

그림 1. 기능성 필름의 코팅횟수에 따른 광투과율, (a) 파장에 따른 광투과율, (b) 평균 광투과율

Fig. 1. Light transmittance according to the number of functional film coatings, (a) light transmittance according to the wavelength, (b) average light transmittance

그림 2. 코팅횟수에 따른 반사도

Fig. 2. Reflectance according to the number of coatings

그림 3은 태양광 모듈용 커버글라스에 기능성 필름을 1, 2, 3회 코팅한 샘플과 코팅을 수행하지 않은 샘플의 방열특성을 촬영한 열화상 사진이다. 열방출 특성을 측정하기 위하여 250 W 할로겐램프로 커버글라스를 1시간 동안 조사하고 적외선 카메라로 표면 온도 및 방열특성을 확인하였다. 기능성 필름의 코팅횟수에 따라 측정된 결과를 그림 4에 정리하였다. 기능성 필름이 코팅되지 않은 유리 샘플에 비해 1회 코팅된 유리 샘플의 온도 감소는 평균 0.96℃. 2회 코팅된 유리 샘플의 온도 감소는 1.86℃, 3회 코팅된 유리 샘플의 온도 감소는 2.26℃로 기능성 필름 코팅횟수가 증가할수록 온도 감소 효과가 증가하였다. 이러한 특성을 바탕으로 태양광 모듈 제작에 적절한 광투과도와 열방출 효과를 위해 커버글라스에 기능성 필름을 2회 코팅하였다.

그림 3. 할로겐램프를 사용하여 유리 샘플을 1시간 동안 조사한 후 적외선 카메라로 분석한 코팅횟수에 따른 온도 특성, (a) 코팅되지 않은 샘플, (b) 1회 코팅된 샘플, (c) 2회 코팅된 샘플, (d) 3회 코팅된 샘플

Fig. 3. Temperature characteristics according to the number of coatings analyzed with an infrared camera after irradiating by a halogen lamp for 1 hour, (a) uncoated sample, (b) one time coated sample, (c) two times coated sample, (d) three times coated sample

그림 4. 코팅횟수에 따른 커버글라스의 온도 감소 효과

Fig. 4. Temperature decrease of cover glass according to the number of coatings

그림 5는 방열 성능향상을 위해 back sheet의 후면에 부착하여 제작한 3가지 종류 방열시트의 FE-SEM 표면 이미지와 단면 이미지이다. 방열시트의 종류에 따라 표면과 단면의 구성이 모두 다른 형태임을 확인할 수 있다.

그림 5. 방열시트의 FE-SEM 이미지, 표면 (왼쪽), 단면 (오른쪽), (a) 1번 방열시트, (b) 2번 방열시트, (c) 3번 방열시트

Fig. 5. FE-SEM image of the heat dissipation sheet, surface (left), cross-sectional (right), (a) heat dissipation sheet #1, (b) heat dissipation sheet #2, (c) heat dissipation sheet #3

표면 이미지를 통해 아크릴계 써멀 패드로 구성되어있는 1번 방열시트의 경우 그레인 사이즈가 약 3∼5 μm 수준으로 확인되었고 2번 방열시트의 경우 graphite sheet 층이 관찰되었다. 또한 Pyrolytic Graphite Sheet (PGS)로 구성되어있는 3번 방열시트의 경우 그래핀 구조에서 흔히 관찰되는 주름들이 확인되었다. 단면 이미지를 통해 1번 방열시트의 두께는 약 200 μm로 측정되었고 2번 방열시트와 3번 방열시트의 두께는 약 30 μm로 측정되었다.

태양광 모듈 전면에는 기능성 필름 코팅을 2회 수행하고, 후면에는 서로 다른 3가지의 방열시트를 부착하여 열방출 특성을 비교하였다. 기본적인 태양광 모듈의 성능을 확인하기 위해 빛 조사 전 온도와 태양광 램프로 1시간 조사한 후 모듈의 표면 온도를 열화상 카메라를 통해 측정하였다. 모듈 온도는 두 개의 포인트 지점을 평균값으로 계산하여 비교하였다.

Fig. 6 (a)는 기능성 코팅을 실시하지 않고 방열시트를 부착하지 않은 기본 모듈 (Standard module)로 빛 조사전 평균 온도 값이 17.7℃에서 조사 후 52.8℃로 35.1℃가 증가하였다. Fig. 6 (b)는 1번 방열시트를 적용한 모듈의 빛 조사 전/후 열화상 카메라 이미지를 나타낸다. 아크릴계 써멀 패드로 구성된 1번 방열시트는 낮은 열전도율로 기본 태양광 모듈과 비교하면 온도가 0.6℃ 저하 되었다. Fig. 6 (c)는 Graphite sheet로 구성된 2번 방열시트를 적용한 모듈로 17.85℃에서 50.5℃로 32.65℃가 증가하여 기본 태양광 모듈 온도보다 2.45℃가 낮아진 것을 확인할 수 있다. Fig. 6 (d)는 가장 높은 열전도율을 가지는 Pyrolytic Graphite Sheet(PGS)로 구성된 3번 방열시트를 적용한 모듈에 빛을 조사한 결과이다. 모듈의 온도는 20.70℃에서 51.15℃로 30.45℃ 가 증가하였다. 이를 통해 기존 모듈에 비해서 4.65℃의 온도 저감 효과가 있는 것을 확인할 수 있다.

그림 6. 방열시트 종류에 따른 태양광 모듈의 방열특성, (a) 방열시트를 사용하지 않은 모듈, (b) 1번 방열시트가 사용된 모듈, (c) 2번 방열시트가 사용된 모듈, (d) 3번 방열시트가 적용된 모듈

Fig. 6. Heat dissipation characteristics of solar cell modules according to the kinds of heat dissipation sheet, (a) without heat dissipation sheet module, (b) heat dissipation sheet #1 applied module, (c) heat dissipation sheet #2 applied module, (d) heat dissipation sheet #3 applied module

커버글라스에 기능성 코팅을 실시하지 않고 back sheet에 방열시트를 부착하지 않은 기본 모듈과 기능성 코팅과 방열시트를 부착한 모듈을 비교한 각 샘플별 온도차를 그림 7에 정리하였다. 기본 모듈과 비교하였을 때 1번 방열시트를 부착한 태양광 모듈의 온도 감소는 1℃ 미만이었고, 2번 방열시트를 부착한 태양광 모듈은 2.45℃의 온도 저감 효과가 있었다. 3번 방열시트를 부착한 태양광 모듈은 4.65℃의 온도 감소로 높은 열방출 효과를 확인할 수 있었다.

그림 7. 기본 모듈과 방열시트 종류에 따른 온도차

Fig. 7. Module temperature difference with standard module according to the kinds of heat dissipation sheet

4. 결 론

본 연구에서는 태양광 모듈의 방열특성을 향상시키기 위해 전면 커버글라스에 기능성 코팅을 수행하고 후면 back sheet에 방열시트을 부착하여 코팅횟수와 방열시트의 종류에 따른 방열특성을 조사하였다. 커버글라스 전면에 코팅한 기능성 필름의 경우 코팅횟수를 1∼3회로 달리하여 제작 후 광투과도, 반사도, 온도 저감 특성을 확인하였다. 코팅횟수가 증가함에 따라 반사도는 증가하고 광투과도는 감소하였으나 모든 경우에 있어 92% 이상의 높은 광투과도를 나타내었다. 반사도는 코팅횟수가 많아질수록 반사도의 수치는 증가함을 볼 수 있다. 모듈 표면에 기능성 코팅 처리를 한 후 후면에 세가지 종류의 방열시트를 사용하여 각각 방열특성을 평가하였다. 아크릴계 써멀 패드에 비해 Graphite로 이루어진 방열시트들이 방열특성이 좋았으며 특히 Polyester Graphite Sheet로 구성된 방열시트를 사용한 경우 4.65℃의 온도 저하 효과를 달성할 수 있었다. 본 연구를 통해 확보한 태양광 모듈 전면의 기능성 필름 코팅과 후면 방열시트 부착을 통한 모듈의 방열성능 향상을 통해 태양광 모듈의 효율 향상을 기대할 수 있으며 현장에서 활용 가능한 기술이기에 기존에 설치 운용 중인 태양광 발전소에 활용하여 발전소의 효율을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.