마리나 템첸코(Marina Temchenko) 

필자는 러시아의 모스크바 국립대학 고분자 화학과에서 이학석사 학위를 받았으며, 현재 마디코사에서 선임과학자로 근무하고 있다.

지난 몇 년 간 태양광 산업이 급속하게 성장하면서 관련 제품에 응용하기 위해 무수한 신소재가 개발되고 사용되어 왔다. 이는 매우 고무적인 현상이다. 왜냐하면 신소재로 인해 최종 제품에 대한 선택의 폭이 다양해지고 고성능이 확보되며 비용 절감이 가능해지기 때문이다. 이러한 소재로는 일반적인 태양전지를 구성하는 상부덮개 혹은 프런트시트, 봉지층, 어레이, 기판 등이 있다(그림 1). 이 같은 소재들은 25년 이상 실외에서 작동되도록 설계·제작된다. 특히 박막 태양전지에는 또한 모듈 안으로 습기가 증발·유입되는 것을 막기 위해 알루미늄과 같은 배리어 필름, 스퍼터링 필름, 혹은 고성능 고분자 필름1)과 같은 필름이 사용된다.

다양한 소재의 개발

태양전지의 상부덮개는 일반적으로 유리로 만들어진다. 일부 모듈은 에틸렌-테트라플루오로에틸렌(ETFE, Tefzel), 실리콘 혹은 기타 소재와 같은 고분자 소재를 이용한다. 또한 물 증발에도 영향을 받지 않고 낮은 열팽창 계수를 갖기 위해 열 상부덮개는 빛 투과율이 우수해야 하고 자외선(UV) 안정성이 높아야 한다. 다른 요건으로는 우수한 절연성, 악천후에 견디는 성질, 봉지재와의 공존 가능성, 기계적인 견고성이 있다.

봉지재는 일반적으로 비닐아세테이트 함량의 약 33%로 에틸렌-비닐아세테이트(EVA)의 혼성 중합체로 만들어진다. 봉지재로 사용되는 또 다른 소재들로는 실리콘, 폴리비닐부티랄, 서린 코팅, 열가소성수지 폴리우레탄 등이 있다. 봉지재는 진동, 극한의 온도, 습기 유입, 물리적·전기적 스트레스로부터 태양전지를 보호하기 위해 사용된다2). 봉지재는 반드시 우수한 투명도, 자외선 안정성, 낮은 계수, 우수한 유전체 자질을 갖추어야 하며, 기타 다른 모듈 부품에 잘 부착되는 성질을 갖고 있어야 한다.

태양전지의 기판은 처음에는 유리로 만들어졌다. 그러나 과도한 무게와 높은 비용과 같은 단점이 있었다. 이를 극복하기 위한 시도로 고분자 필름에 기반한 백시트가 도입되었다. 백시트의 주된 기능은 전기 차단뿐만 아니라 모듈에 기계적인 보호 기능과 자외선 보호 기능을 제공하는 것이다. 무엇보다 백시트는 봉지재와 밀폐제, 정션박스, 라벨에 잘 부착되어야 한다. 또한 백시트는 낮은 인화성, 낮은 습기, 수증기 투과율, 우수한 화학적 저항성을 갖추어야 한다.

백시트의 최초 구성 중의 하나는 테들러-폴리에스테르-테들러 구조였다. 테들러는 불소 중합체(PVF : 폴리불화비닐)이다. 테들러는 악천후에도 잘 견디며 화학적 저항성이 높다. 반면에 폴리에스테르는 전기 차단이 잘 되고 기계적인 보호 기능이 탁월하다. 시간이 지나면서 밝혀진 것은 백시트의 내부 층은 불소 중합체만큼 악천후 내구성이 강할 필요는 없지만 높은 유전체 자질, 낮은 습기 및 증기투과율(MVTR), EVA 봉지재에 잘 부착되는 성질, 높은 반사율을 갖추고 있어야 하며, 반드시 높은 비용 효율성을 갖추어야 한다. 따라서 내부 테들러 층은 열가소성 수지 EVA3) 층으로 대체되었다(비닐 아세테이트의 함량이 EVA 봉지재에서 보다 낮음). PVF와 EVA에 대한 부분방전 데이터와 MVTR의 비교는 표 1에 제시되어 있다. 따라서 새로운 백시트 테들러-폴리에스테르-EVA가 도입되었고 일반적으로 TPE라고 부른다.

백시트 설계를 최적화하기 위한 또 다른 노력의 결과, 박막 불소 중합체 코팅이 있는 가공된 PVF 필름으로 대체되었다. 이는 태양전지에 필요한 보호 기능을 제공하면서도 프로텍트기술4)로, 설계된 백시트는 부착 층을 제거하고 폴리에스테르(PET)와 상부의 악천후 대비층의 두께를 줄임으로써 ‘얇고 친환경적인 제품(TM)’으로 탄생했다. 프로텍트의 제조 방식은 유독한 화학물질과 극단적인 온도가 사용되지 않기 때문에 친환경적인 제조 공정이라고 할 수 있다.

또 하나의 접근법은 에틸렌-프로필렌디엔 단량체(EPDM) 고무5)의 한 층에 봉지재와 백시트 층을 결합하는 방식이다. 이 소재는 아직 연구 개발 단계에 있다.

백시트 제조업체들의 난관, 인증과정

신소재의 개발 및 제조와 출시는 분명 쉽지 않은 과정이다. 백시트 제조업체들이 직면하고 있는 난관은 인증 과정이다. 이러한 새로운 고분자 소재들은 태양전지 애플리케이션에서 성능이 입증될 만큼 충분한 기간을 두고 사용된 예가 없었기에 제품 안전과 신뢰도를 확인하기 위한 포괄적인 테스트가 필요한 상황이다. 현재 IEC, UL, 기타 인증기관의 표준은 태양전지 애플리케이션을 위한 고분자 소재의 테스트 과정과 절차를 제시하고 있으며 하나의 가이드라인으로 사용된다. 그러나 이러한 표준은 여러 가지 단점이 있고 그 중 일부는 아래에서 요약된 바와 같다.

테스트 완료에 필요한 시간

온·습도 실험, 자외선 노출 실험 등 현재까지 이루어지고 있는 실험절차는 완료시까지 2~3개월이 소요된다. 현재의 표준에서는 온·습도 노출에 단지 1,000시간을 요구하고 있지만 백시트, 모듈 제조업체들은 이 절차를 2,000시간 이상으로 연장해 시간이 경과하면서도 적절하게 유지되는 소재 성능을 확인하기 위해 노력하고 있다. 이러한 장시간의 실험 기간으로 인해 태양광 시장에 신소재의 도입은 그만큼 늦어지게 된다. 대부분의 업체들은 이러한 실험 기간을 단축하기 위해 또 다른 대안적인 테스트 방법을 사용하고 있다. 예를 들면 초 가속 수명 시험(HAST)은 모듈 부품과 모듈 제조업체들 사이에서 흔히 사용되고 있다. 그러나 HAST 절차는 표준화될 필요가 있고 온·습도 실험과 실외 성능을 함께 진행할 필요가 있다.

요건에 대한 해석

일부 표준은 테스트 완료시에 고분자 소재의 성능 예상치를 정확하게 규정하지 않고 있다. 예를 들면 백시트 제조업체들은 온도 사이클 실험을 실시하고 온·습도에 대한 노출 기능으로 백시트와 봉지재 간에 혹은 백시트 층 사이에서 부착 값을 측정·보고한다. 현재 온·습도 실험 표준에는 테스트 종료 시점에서 어떤 결과를 예상하고 있는지에 대한 언급이 없다.

IEC, UL 표준에서 제시하는 요건의 해석과 관련해 인증기관을 포함한 여러 이해 관계자들 사이에는 하나의 일관된 합의가 존재하지 않는다. 예를 들면 UL 746 C는 태양광에 ‘직접’ 노출된 소재들만 자외선 안정성에 대한 테스트가 이루어져야 한다고 명시한다. 이 문구는 많은 문제를 제기한다. ‘이것은 백시트에 적용 가능한 요건인가?’, ‘테스트는 어떤 식으로 실시해야 하는가?’, ‘테스트는 인증기관이 실시해야 하는가?’, 혹은 ‘내부 실험 결과만으로 충분한가?’ 등의 여러 가지 문제가 제기된다.

상대온도지수(RTI) 값 요건은 훨씬 더 복잡하다. RTI는 고분자 소재의 열 안정성 척도이며 특정한 온도에서 소재가 지속적인 사용에 적합한지 여부를 판단한다. 일반적으로, 백시트는 다층 구조이다. 현재 표준에는 한 층의 RTI 값이 전체 구성에 부과될 수 있는 것으로 정해져 있다. 개별적인 층이 다른 상대온도지수 값을 갖는 경우 전체 구성에 어떤 값을 부과할지는 명확하지 않다. 인증기관마다 이 문제에 대해 다른 의견을 내놓고 있다. 인화성 역시 명확하게 규정할 필요가 있는 또 하나의 핵심적인 자질이다.

그리드 패리티 위한 혁신 이루어져야 할 것

태양광 산업은 단순히 소형 주택이나 사회 공동체에 전력을 공급하는 차원을 이미 넘어서고 있다. 태양광 산업은 전체 전력공급을 대체하기 위해 중요한 대체 에너지 자원으로 부상하고 있다. 안전성과 신뢰성이 주요한 요건이다. 앞서 말한 바대로 테스트 결과는 안전성 문제를 간과하지 않고 고분자 소재의 한계를 고려하면서 판단해야 할 것이다. 일반적으로 모듈 제조업체들과 백시트 제조업체들은 ‘그리드 패리티(태양광 발전단가가 화석연료 발전단가와 같아지는 지점을 의미함)’를 달성하기 위해 사용되는 소재들의 비용을 절감해야 한다는 압박을 크게 받고 있다. 그리고 고분자 소재는 이 그리드 패리티라는 목표 달성에 제 역할을 담당해야 한다.

또 하나의 난관은 태양광 산업의 점증하는 수요를 충족하기 위해 원자재의 지속적인 공급을 확보해야 한다는 것이다. 이러한 원자재의 대부분은 고분자 기반 소재이며 동일한 인증 검사 과정을 거쳐야 한다. 이로 인해 태양광 시장에 원자재의 유입이 지연되는 것은 물론이다. 고분자 소재는 모듈 제조에 사용될 수 있는 성능과 자질을 갖고 있다. 그러나 또한 고분자 소재는 명확하고 일관된 실험 기준이 없거나 자의적인 성능 요건 상태에서 테스트를 거쳐야 하는데, 이 때문에 혼선이 야기되며 승인 지연으로 인해 모듈의 부품 제조에 신소재를 시기적절하게 사용하지 못하는 결과가 초래된다.   

태양광 업계는 이러한 한계를 잘 인식하고 있고, 이러한 문제들과 다른 우려사항들을 해결할 만한 새로운 IEC 규정 작업을 준비 중에 있다. 그러나 앞서 설명한 여러 난관과 도전을 해결할 수 있는 새로운 표준이 완성되려면 최소한 2~3년의 기간이 소요된다.

현재 급격히 성장하고 있는 태양광 산업의 성장 속도는 모듈, 부품 제조업체들에게 상당한 부담을 안겨 주고 있다. 태양광 산업의 혁신적인 노력을 지속적으로 뒷받침하기 위해 필요한 소재를 제 때에 공급하고 제품의 질을 확보하기 위해 단기적이고 조속한 해결책이 필요한 상황이다. 산업 쓰레기의 배출 축소, 산업 쓰레기와 관련된 비용 축소, 지속 가능성을 갖춘 디자인의 개발에서도 마찬가지로 혁신이 이루어져야 한다.

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