1. 서 론

태양광 모듈은 장기간 옥외 환경에서 안정적으로 작동해야 하며, 이를 위해 각 구성 요소의 전기적, 기계적, 광학적 특성이 장기 신뢰성과 발전 성능을 결정짓는 핵심 요소로 작용한다. 태양광 모듈은 유리, 봉지재(encapsulant), 태양전지, 태빙 와이어(tabbing wire) 및 백시트(backsheet)로 구성되어 있다. 특히 태양광 모듈의 하부에 위치한 백시트는 태양전지를 외부 환경으로부터 보호할 뿐만 아니라 기계적 지지와 전기적 절연 기능을 동시에 제공하여, 장기적인 신뢰성을 확보하는 데 핵심적인 역할을 한다¹⁾.

현재 태양광 모듈용 백시트 시장은 poly (vinyl fluoride) (PVF)와 poly (vinylidene fluoride) (PVDF) 등 불소계 고분자 필름을 포함한 제품이 주를 이룬다. 이러한 불소계 필름은 우수한 내환경성과 내습성을 제공하지만, 제조 과정에서 높은 탄소 배출을 초래하고, 폐태양광 모듈 소각 시 인체에 유해한 불화수소(HF)가 방출될 수 있어 환경적 취약성을 야기한다^2,3).

최근 태양광 모듈의 탄소 배출 저감과 환경적 지속 가능성 확보를 위해, 불소계 백시트를 대체할 수 있는 비불소계 백시트에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 태양광 모듈 제조 공정의 저탄소성을 평가하기 위한 지표로서 전과정평가(life cycle assessment, LCA)를 적용하면, 모듈 내에 사용되는 비불소계 및 불소계 백시트의 폐기단계(end-of-life, EoL) 처리 과정에서 발생하는 환경영향을 정량적으로 비교할 수 있다. 선행 연구에 따르면 소각과 열분해(pyrolysis) 두 가지 EoL처리과정 시나리오에서 비불소계 백시트는 불소계 백시트 대비 우수한 환경 성능을 나타내었으며, 이는 비불소계 백시트 소재의 적용이 저탄소 태양광 산업 구현에 기여할 수 있음을 시사한다⁴⁾. PET (polyethylene terephthalate) 필름은 불소 성분을 포함하지 않으면서도 우수한 광투과도와 기계적 강도, 그리고 저비용이라는 장점을 지녀 기존 태양광 모듈의 백시트 소재로 널리 활용되어 왔다⁵⁾. 그러나 PET는 가수분해 특성으로 인해 수분에 취약한 단점을 가지고 있어 장기 내구성 확보에 제약이 따른다⁶⁾.

본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 PET 필름 표면에 perhydropolysilazane (PHPS) 전구체 용액을 코팅하고, 진공자외선(vacuum UV, VUV) 조사 공정을 통해 PHPS를 실리콘 옥시나이트라이드(SiO_xN_y) 기반의 무기 박막층으로 전환함으로써, PET 필름 표면에 SiO_xN_y 박막이 형성된 비불소계 투명 백시트를 개발하였다. 특히 PET 필름에 적용된 다양한 표면 처리(urethane, corona, acrylic) 조건에 따른 광투과율 및 수분 투과도 특성을 체계적으로 분석하였다. 개발된 SiO_xN_y 코팅층은 기존 PET 필름의 우수한 광투과도를 유지하면서 수분 투과도를 효과적으로 억제하고, 봉지재층과의 접착력을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 고온·고압 신뢰성 시험(pressure cooker test, PCT)과 UV 신뢰성 시험을 통해 개발된 비불소계 백시트의 내구성과 장기 성능 변화를 평가하였다. 이를 통해 기존 불소계 백시트 대비 탄소 배출을 저감할 수 있는 비불소계 저탄소 투명 백시트의 가능성을 제시하였으며, 이는 태양광 모듈의 탄소 발자국 저감과 내구성 향상을 위한 모듈 소재의 기술적 기반을 마련한 것으로 볼 수 있다.

2. 실험 방법

본 연구에서는 PET 필름에 SiO_xN_y 기반 무기 박막을 형성하기 위해 PHPS 전구체 용액(SILACOAT, 20%)을 dibutyl ether (DAEJUNG, 99%)에 희석하여 10 wt% PHPS 용액을 제조하였다. 코팅 기판으로는 urethane, corona, acrylic 표면 처리가 된 PET 필름(FILMBANK)을 사용하였다. 각 PET 필름을 10 wt% PHPS 용액에 10초간 딥코팅한 후 대기 중에서 5분간 건조하였다. 이후 80℃에서 10분간 열처리하였으며, PHPS 전구체의 SiO_xN_y 전환을 유도하기 위해 40분간 각 면을 질소 분위기에서 172 nm 파장의 VUV을 조사하였다.

PHPS 코팅된 PET 필름의 광학적 투과도 분석을 위해 UV-Visible spectroscopy (UV-Vis, V-770, Jasco)을 이용하여 분석하였으며, 화학적 조성과 구조는 Fourier-transform infrared spectrometry (FT-IR, FT-IR-4X, Jasco)을 사용하여 측정하였다. 태양광 모듈의 장기 내구성 평가 지표로서 백시트의 접착력을 평가하기 위하여 실리콘 웨이퍼에 polydimethylsiloxane (PDMS, DOW CORNING)를 도포한 후 폭 20 mm의 필름을 부착하여 경화시켰다. 이후 시편을 90° peel-test 방식으로, 박리 속도를 50 μm/s로 고정하여 필름과 PDMS 계면의 접착 특성을 정량적으로 분석하였다. 필름의 수분 차단 성능은 water vapor transmission rate (WVTR, AQUATRAN 2, MOCON) 측정 장비를 사용하여 평가하였으며, 37.5℃및 100%RH 조건에서 측정하였다. 해당 백시트의 신뢰성 평가는 pressure cooker test (PCT)를 통해 수행하였으며, 시험 조건은 120℃, 2 atm, 100% RH에서 24시간으로 설정하였다. 또한 UV 신뢰성 시험은 총 조사 광량 15 kWh/m² 조건에서 진행하였다.

3. 결과 및 토의

3.1 비불소계 투명 백시트 화학적 특성

Fig. 1(a)와 1(b)는 일반적인 유리–백시트(Glass–Backsheet) 기반 실리콘 태양광 모듈의 구조를 나타낸다. Fig. 1(c)와 1(d)는 각각 현재 상용 태양광 모듈에서 널리 사용되는 불소계 백시트 구조와 본 연구에서 개발한 비불소계 백시트 구조를 보여준다.

Fig. 1

Schematic illustration of (a) a typical photovoltaic module structure, (b) the cross-sectional structure of a glass–backsheet type silicon photovoltaic module, (c) a conventional fluorine-based backsheet, and (d) the fluorine-free backsheet developed in this work

Fig. 2(a)는 비불소계 백시트 제작을 위해 PET 필름에 PHPS를 딥코팅한 후, VUV 조사를 통해 PHPS 전구체를 SiO_xN_y 무기 박막으로 전환하는 공정을 도식화 한 것이다. Fig. 2(b)는 서로 다른 표면처리(urethane, corona, acrylic)가 적용된 PET 필름의 PHPS 코팅 전·후 이미지를 보여주며, 모든 시편에서 PHPS 전구체가 균일하게 도포된 것을 육안으로 확인할 수 있었다. Fig. 2(c)는 PHPS 코팅 후 형성된 SiO_xN_y 무기박막 코팅을 확인하기 위해 수행한 FT-IR 분석 결과로, 3500 – 650 cm^-1 범위에서 측정하였다. PET (urethane), PET (corona), PET (acrylic) 필름 모두에서 1715, 1240, 725 cm^-1 부근의 흡수 밴드가 관찰되었으며, 이는 각각 카보닐기(C=O), 에스터기(C–O), 그리고 벤젠 고리의 C–H 굽힘 진동에 기인하는 것으로, PET의 고유 특성 피크로 공통적으로 나타났다^7,8). PHPS 코팅 후 FT-IR 스펙트럼에서 가장 뚜렷한 변화는 1000 – 1100 cm^-1 영역에서 매우 강하고 넓은 피크가 나타난 것이며, 이는 Si–O–Si 비대칭 신축 진동(asymmetric stretching vibration)에 해당하며, PHPS 전구체가 성공적으로 산화 및 경화되어 실리카(SiO_x) 구조의 무기 박막이 형성되었음을 확인할 수 있었다⁹⁾. 또한, 900 – 950 cm^-1 부근에서 관찰된 흡수 피크는 Si–N 결합에 기인하며, 이는 PHPS의 질소 성분이 박막 내에 일부 잔류하거나 공기 중 질소와 반응하여 형성된 SiO_xN_y 구조의 존재로 볼 수 있다. 980 cm^-1에서 나타난 피크는 Si–OH 결합에 해당하며, 이는 PHPS의 가수분해 과정에서 생성되었거나 대기 중 수분 흡착으로 인해 표면에 형성된 수산기(–OH)에 의한 것으로 볼 수 있다¹⁰⁾. 한편, PHPS 전구체의 특징인 2160 cm^-1 부근의 Si–H 신축 진동 피크가 코팅 후 FT-IR 스펙트럼에서도 미약하게 관찰되었다. 이는 PHPS의 일부가 Si–O 혹은 Si-N 결합으로 완전히 전환되지 않고 미반응 상태로 잔존함을 의미한다¹¹⁾. 결론적으로, FT-IR 분석을 통해 모든 전처리 조건에서 PET 필름 표면에 Si–O 결합을 주축으로 하는 SiO_xN_y 무기 박막 코팅층이 성공적으로 형성되었음을 확인할 수 있었다.

Fig. 2

(a) Schematic illustration of the PHPS dip-coating and VUV curing process on PET films with different surface treatments (urethane, corona, acrylic). (b) Optical images and (c) FT-IR spectra of the PHPS-coated PET films

3.2 비불소계 투명 백시트 광학 및 접착력 특성

Fig. 3(a)는 UV–Vis spectroscopy 측정을 통해 PET 필름의 PHPS 코팅 전후 광투과도를 비교한 결과를 나타낸 것이다. 본 연구에서는 가시광선 영역(400 ~ 800 nm)에서의 평균 투과도를 분석하였다. 기존 PET (urethane), PET (corona), PET (acrylic) 필름의 평균 투과율은 각각 90.00%, 88.12%, 92.86%이였으며, PHPS 코팅 후 PET/PHPS의 투과율은 각각 87.64%, 87.94%, 88.28%로 소폭 감소하였다. 그러나 감소 폭은 모두 5% 이내로 제한적인 수준임을 확인하였다.

백시트의 접착력은 태양광 모듈의 장기 내구성을 평가하는 중요한 지표이다^12,13). 따라서, PET (urethane) 필름과 PHPS 코팅된 PET (urethane) 필름의 PDMS 봉지재를 활용한 접착력 분석을 수행하였다. Fig. 3(b)는 peel-test를 통해 측정된 force per unit width와 displacement의 관계를 나타낸 그래프이다. PET (urethane) 필름은 최대 force per unit width 측정값이 16.66 N/m의 매우 낮은 접착력을 나타내어 접착 특성이 미흡함을 확인하였다. 반면, PHPS 코팅된 PET 필름은 최대 force per unit width 측정값이 218.54 N/m의 높은 접착력을 보여, PHPS 코팅을 통해 형성된 SiO_xN_y 박막층이 계면 결합력을 강화하여 봉지재와 PET 필름 간 접착을 크게 향상시킴을 확인하였다. 이는 SiO_xN_y표면의 수산화기(-OH)와 PDMS 봉지재와의 결합에 의해 Si-O-Si 공유결합이 생성되고, 이로 인해 bare PET 필름에 비해 접착력이 크게 향상된 것으로 여겨진다¹⁴⁾. 따라서 본 연구에서 개발한 PHPS 코팅 PET 필름은 태양광 모듈의 계면 접착 특성을 현저히 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

Fig. 3

(a) Optical transmission spectra of bare PET and PHPS-coated PET films (PET/PHPS) with different surface treatments. (b) Force-per-unit-width vs. displacement curves for bare PET and PET/PHPS films encapsulated with a PDMS encapsulant on a silicon substrate. The inset shows the peel-off test setup used in this study

3.3 비불소계 투명 백시트 신뢰성 특성

Fig. 4(a)는 PHPS 코팅된 PET의 신뢰성 검증을 위해 PCT 시험(120℃, 2 atm, 100% RH, 24 h)을 수행한 PET/PHPS 시편의 광학 특성을 보여준다. 각 PET (urethane), PET (corona), PET (acrylic) 시편의 PCT 시험 후 가시광선 영역(400 ~ 800 nm)에서의 평균 투과도는 각각 89.78%, 88.65%, 89.89%로, PCT 시험 이후 전반적으로 투과도가 증가한 것을 확인할 수 있었다. Fig. 4(b)는 PCT 시험 전후에 따른 PET/PHPS 시편의 FT-IR 분석 결과이다. PCT 시험 후 시편에서 Si-H, Si-N 피크가 상대적으로 감소 하였고, Si-O 피크가 증가한 것을 확인할 수 있었다. 이는 PCT 신뢰성 평가 중 PHPS 코팅층에 잔존하고 있던 Si-H 및 Si-N 결합이 끊어지고 주변의 수분(H₂O) 및 산소와 반응하여 SiO₂로 전환되는 것으로 판단된다¹⁵⁾. Fig. 4(a)에서 확인한 바와 같이, PHPS 코팅된 PET 필름은 PCT 시험 이후 투과도가 향상되는 경향을 보였다. 이는 PET(굴절률 1.57)에 비해 SiO₂ (1.46)와 Si₃N₄ (2.02)의 굴절률 차이에 기인한 것으로 판단된다. PCT 시험 후 SiO_xN_y 박막층 내 SiO₂ 비율이 증가하면서 박막의 유효 굴절률이 감소하고, 이에 따라 광학적 투과 특성이 개선된 것으로 해석된다.

Fig. 4

(a) Optical transmission spectra and (b) FT-IR spectra of PHPS-coated PET films before and after the PCT reliability test. (c) Optical transmission spectra and (d) FT-IR spectra of PHPS-coated PET films before and after the UV reliability test

다음으로, UV 신뢰성 시험(15 kWh/m²) 후 PET/PHPS 시편의 광학 투과도 변화를 분석하였다(Fig. 4c). UV–Vis spectra 분석 결과, PET (urethane)/PHPS, PET (corona)/PHPS, PET (acrylic)/PHPS 시편의 UV 신뢰성 시험 후 가시광선 영역(400 – 800 nm) 평균 투과율은 각각 84.51, 83.54, 85.59%로, UV 신뢰성 시험 전후 광투과도 향상은 미미하였다. FT-IR 분석(Fig. 4(d)) 결과, PCT 시험과 유사하게 Si–H 및 Si–N 피크가 감소하고 Si–O 피크가 증가하는 변화를 확인하였다. 초기 FT-IR 분석에서 관찰된 Si-H 피크의 잔존은 VUV 조사 이후 PHPS가 SiO_x/SiO_xN_y 네트워크로 재배열되는 과정에서 자유공간(free volume)이 감소하며 치밀화(densification)가 진행되는 반응 메커니즘과 일치한다¹⁶⁾. 이는 40분이라는 비교적 짧은 조사 시간임에도 불구하고 SiO_xN_y 무기박막 형성이 충분히 이루어졌음을 의미하며, 신뢰성 평가 후 Si-H피크가 소실되고 Si-O 관련 피크가 증가하는 현상은 환경적 스트레스 하에서 Si-H결합이 Si-O결합으로 재배열되는 전형적인 전환 경로로 이해될 수 있다. 그러나 Fig. 4(c)에서 보이듯 PCT 시험과 달리 투과도 증가는 미미하였는데, 이는 UV 노출로 인한 PET 필름의 황변(yellowing) 현상에 따른 투과도 감소 영향으로 해석된다.

3.4 비불소계 투명 백시트 수분 투과도 특성

Fig. 5는 여러 표면 처리된 PET (ureatane, corona, acrylic) 필름의 PHPS 코팅 후, PCT, UV 신뢰성 시험 이후의 각각의 WVTR 측정값을 보여준다. PET (urethane), PET (corona), PET (acrylic) 필름의 경우, WVTR이 각각 3.39, 6.47, 7.23 g/m²·day 임을 확인하였다. 여러 표면 처리된 PET 필름 표면에 동일한 PHPS 코팅 공정을 통해 제작된 필름의 경우 WVTR이 0.16, 0.24, 0.03 g/m²·day로 acrylic 코팅된 PET 필름이 수분 차단 특성이 가장 높은 것으로 확인되었다.

Fig. 5

Comparison of the water vapor transmission rate (WVTR) of bare PET film, PHPS-coated PET film (PET/PHPS), and PET/PHPS films after PCT and UV reliability tests

다음으로 해당 PET/PHPS 시편을 각각 PCT 및 UV 신뢰성 시험 이후의 WVTR 값을 측정하였다. PCT 시험 이후 PET (urethane)/PHPS, PET (corona)/PHPS, PET (acrylic)/PHPS의 WVTR 값은 각각 0.75, 0.752, 0.56 g/m²·day로, PCT 시험 전 대비 WVTR이 모두 소폭 증가한 것을 확인 할 수 있었다. UV 신뢰성 시험 이후 해당 시편의 경우, PET (urethane)/PHPS, PET (corona)/PHPS, PET (acrylic)/PHPS 필름의 WVTR 값은 각각 0.45, 1.78, 1.93 g/m²·day로 측정되었다. 이는 UV 평가 시험 이후 투습 차단 성능이 다소 저하된 것이지만, 여전히 bare PET 필름의 WVTR (＞ 3 g/m²·day)보다 우수한 수준임을 확인할 수 있었다.

해당 결과에서 흥미로운 점은, PET (acrylic)/PHPS 시편의 경우 PCT 시험 이후에도 매우 낮은 WVTR 값 (0.56 g/m²·day)을 보여주지만, UV 신뢰성 시험 이후에는 가장 높은 WVTR 값(1.93 g/m²·day)을 보여주었다. 이는 acrylic 코팅이 PHPS 코팅 공정에서 다른 표면처리 방법에 비해 SiO_xN_y층의 치밀화가 가능하게 하여 WVTR이 가장 낮은 값을 보여주었지만, acrylic의 경우 UV 조사에 따른 광열화 특성에 의해서 UV 조사 시 다른 표면 처리된 시편에 비해 WVTR이 급격히 증가하는 것으로 판단된다. 따라서, 고습도 및 고온 조건에서 사용되어야 하는 태양광 모듈의 경우 PET (acrylic)/PHPS 백시트가 유리하지만, 강한 UV 조사 환경에서는 PET (urethane)/PHPS 백시트가 수분 차단 특성이 더 우수할 것으로 예상된다.

본 연구를 통해 PET/PHPS 기반의 비불소계 백시트는 PCT 및 UV와 같은 가혹한 신뢰성 시험 조건에서도 높은 광투과도와 우수한 수분 차단 성능을 안정적으로 유지함을 확인하였다. 이는 PHPS 코팅에 의해 PET 필름 표면에 형성된 SiO_xN_y 박막층이 외부 환경 스트레스에 대해 뛰어난 내구성을 제공함을 의미한다. 향후 연구에서는 본 연구에서 개발한 비불소계 투명 백시트를 실제 태양광 모듈에 적용한 시제품을 제작하고, 가속 열화 시험 및 장기 옥외 노출 평가(IEC 61215-2 등)를 포함한 다양한 신뢰성 검증을 수행할 계획이다. 이를 통해 소재 단위의 성능 평가를 넘어 모듈 단위의 실증 데이터를 확보함으로써, 산업적 상용화 가능성을 체계적으로 입증하고자 한다.

대제목

본 연구에서는 PET 필름에 PHPS 기반 딥코팅 공정을 적용하여 SiO_xN_y 무기 박막을 형성함으로써, 불소계 백시트를 대체할 수 있는 비불소계 저탄소 투명 백시트를 개발하였다. FT-IR 분석을 통해 PHPS 코팅된 PET 필름 표면에 Si–O, Si–N, Si–OH 결합으로 구성된 치밀한 무기 네트워크가 형성됨을 확인하였으며, UV–Vis 분석 결과 코팅 이후에도 88% 이상의 높은 광투과도가 유지되었다. WVTR 측정에서는 PHPS 코팅이 수분 투과도를 0.8 g/m²·day 이하로 크게 감소시키는 것으로 나타났고, 특히 acrylic 표면 처리된 PET 필름의 경우 0.03 g/m²·day까지 저감됨을 확인하였다. 또한 접착력 시험에서 PHPS 코팅된 PET 필름은 PDMS 봉지재와의 계면 접착성이 현저히 향상된 것으로 나타났다. 더 나아가 PCT 및 UV 노출과 같은 가혹한 신뢰성 시험 이후에도 높은 광투과도와 우수한 수분 차단 성능을 안정적으로 유지하여 외부 환경에 대한 우수한 내구성을 입증하였다. 이러한 결과는 본 연구에서 개발한 비불소계 투명 백시트가 저탄소·친환경 태양광 모듈 개발을 위한 유망한 대체 소재로 활용될 수 있음을 시사한다.