나노실리카와 TEOS가 함유된 친수성 코팅액의 태양광 유리팬널에 미치는 표면 특성 연구 Effect of nanosilica and TEOS in hydrophilic coating solution on the surface characteristics of solar cell glass panel원문보기
태양광 발전의 효율을 높이기 위한 실란 커플링제와 나노 무기산화물을 첨가한 계면활성제를 이용한 친수성 코팅액을 제조하여 태양광 모듈의 유리 표면에 도포하여 김서림 방지(antifogging) 및 내오염성(antifouling)을 부여하였다. 1% 친수성 코팅액에 나노 무기산화물인 $Ludox^{(R)}$를 첨가한 경우 $Ludox^{(R)}$의 농도에 관계없이 초친수성과 우수한 antifogging 효과를 나타내었다. 그러나 유리에 대한 antifouling 효과는 $Ludox^{(R)}$를 10% 이상 첨가하였을 때부터 발현되었다. 또한, pH 4에서 가수분해한 TEOS를 첨가한 코팅액의 경우 TEOS를 0.7% 첨가한 경우 steam test 결과 antifogging 효과를 유지하였으며, 코팅한 유리 표면을 젖은 킴와이프로 100회 문지른 후에도 pollution test 결과 antifouling 효과를 유지하였다. 또한, AFM을 이용하여 표면 거칠기($R_q$)를 확인한 결과 TEOS를 너무 많이 첨가하면 가장 높은 표면 거칠기 값을 보였으며 코팅된 표면의 상태도 매우 불규칙하였다. TEOS가 0.7% 첨가된 경우 비교적 높은 표면 거칠기 값과 안정된 표면 상태를 나타내었다. 결론적으로 김서림 방지 특성만을 위하여는 나노 무기산화물인 $Ludox^{(R)}$는 필요없으나, antifouling의 효과를 나타내기 위해서는 최소 10%의 $Ludox^{(R)}$가 첨가되어야 하며, 우수한 내구성을 나타내기 위해서는 0.7%의 TEOS를 첨가해야 한다.
태양광 발전의 효율을 높이기 위한 실란 커플링제와 나노 무기산화물을 첨가한 계면활성제를 이용한 친수성 코팅액을 제조하여 태양광 모듈의 유리 표면에 도포하여 김서림 방지(antifogging) 및 내오염성(antifouling)을 부여하였다. 1% 친수성 코팅액에 나노 무기산화물인 $Ludox^{(R)}$를 첨가한 경우 $Ludox^{(R)}$의 농도에 관계없이 초친수성과 우수한 antifogging 효과를 나타내었다. 그러나 유리에 대한 antifouling 효과는 $Ludox^{(R)}$를 10% 이상 첨가하였을 때부터 발현되었다. 또한, pH 4에서 가수분해한 TEOS를 첨가한 코팅액의 경우 TEOS를 0.7% 첨가한 경우 steam test 결과 antifogging 효과를 유지하였으며, 코팅한 유리 표면을 젖은 킴와이프로 100회 문지른 후에도 pollution test 결과 antifouling 효과를 유지하였다. 또한, AFM을 이용하여 표면 거칠기($R_q$)를 확인한 결과 TEOS를 너무 많이 첨가하면 가장 높은 표면 거칠기 값을 보였으며 코팅된 표면의 상태도 매우 불규칙하였다. TEOS가 0.7% 첨가된 경우 비교적 높은 표면 거칠기 값과 안정된 표면 상태를 나타내었다. 결론적으로 김서림 방지 특성만을 위하여는 나노 무기산화물인 $Ludox^{(R)}$는 필요없으나, antifouling의 효과를 나타내기 위해서는 최소 10%의 $Ludox^{(R)}$가 첨가되어야 하며, 우수한 내구성을 나타내기 위해서는 0.7%의 TEOS를 첨가해야 한다.
A hydrophilic coating solution was prepared by adding a silane coupling agent and a nano-inorganic oxide in aqueous surfactant solution to increase the efficiency of photovoltaic power generation due to the introduction of antifogging and antifouling properties on the glass surface of the solar cell...
A hydrophilic coating solution was prepared by adding a silane coupling agent and a nano-inorganic oxide in aqueous surfactant solution to increase the efficiency of photovoltaic power generation due to the introduction of antifogging and antifouling properties on the glass surface of the solar cell module. Addition of $Ludox^{(R)}$, a nano-inorganic oxide, to 1% hydrophilic coating solution showed improved hydrophilicity and excellent antifogging effect regardless of $Ludox^{(R)}$ concentration. However, the antifouling effect on the glass surface was showed only when Ludox was added more than 10%. In the case of addition of 0.7% of hydrolyzed TEOS at pH 4, the antifogging effect was maintained as a result of the steam test as well as the antifouling effect even after the coated glass surface was rubbed 100 times with a wet Kimwipe. In addition, from the surface roughness ($R_q$) calculated using AFM data, the higher surface roughness with irregular surface shape was obtained with the higher concentration of TEOS. The addition of 0.7% of TEOS showed relatively high surface roughness and well organized surface condition which can help to improve transmittance of light. In conclusion, $Ludox^{(R)}$ is not required only for the antifogging property. However, at least 10% of Ludox should be added to show antifouling effect and 0.7% of TEOS should be added for good durability.
A hydrophilic coating solution was prepared by adding a silane coupling agent and a nano-inorganic oxide in aqueous surfactant solution to increase the efficiency of photovoltaic power generation due to the introduction of antifogging and antifouling properties on the glass surface of the solar cell module. Addition of $Ludox^{(R)}$, a nano-inorganic oxide, to 1% hydrophilic coating solution showed improved hydrophilicity and excellent antifogging effect regardless of $Ludox^{(R)}$ concentration. However, the antifouling effect on the glass surface was showed only when Ludox was added more than 10%. In the case of addition of 0.7% of hydrolyzed TEOS at pH 4, the antifogging effect was maintained as a result of the steam test as well as the antifouling effect even after the coated glass surface was rubbed 100 times with a wet Kimwipe. In addition, from the surface roughness ($R_q$) calculated using AFM data, the higher surface roughness with irregular surface shape was obtained with the higher concentration of TEOS. The addition of 0.7% of TEOS showed relatively high surface roughness and well organized surface condition which can help to improve transmittance of light. In conclusion, $Ludox^{(R)}$ is not required only for the antifogging property. However, at least 10% of Ludox should be added to show antifouling effect and 0.7% of TEOS should be added for good durability.
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제안 방법
그리고 TEOS 농도에 따른 antifogging 효과를 확인하기 위해 steam test를 실시하였다. 15 cm 거리에서 물을 1회 분무하고 상온에서 50 min 동안 건조 후 다시 steam test를 실시하는 것을 반복하여 총 3회 분무하였다. 3회 물 분무 후 steam test를 실시한 결과를 Fig.
Antifouling 효과를 확인하기 위해 코팅액에 도포된 태양광 패널용 유리 표면에 베이비 파우더를 묻혀 코팅 도막의 오염도를 확인하여 비교하였다.
TEOS 농도에 따른 유리 표면의 antifouling 효과의 내구성을 확인하기 위해 T series 코팅액을 90 min 간격으로 총 3회 코팅하고 90 min 동안 상온에서 건조한 후 젖은 킴와이퍼를 이용해 코팅된 slide glass의 표면을 100회 문지르고 베이비 파우더를 묻혀 pollution test를 실시하여 Fig. 8에 나타내었다. 그 결과 TEOS가 0.
Table 1에 나타낸 바와 같이 Tween 20과 Span 20의 양을 각각 다르게 한 친수성 코팅액을 제조한 후 ethanol과 물을 2:8의 비로 혼합한 용매에 희석하여 친수성 및 antifogging 효과를 확인하였다.
그리고 TEOS 농도에 따른 antifogging 효과를 확인하기 위해 steam test를 실시하였다. 15 cm 거리에서 물을 1회 분무하고 상온에서 50 min 동안 건조 후 다시 steam test를 실시하는 것을 반복하여 총 3회 분무하였다.
또한, 표면의 내구성을 확인하기 위해 마른 킴와이프와 젖은 킴와이프를 이용하여 코팅액이 도포된 태양광 패널용 유리 표면을 100회 문지르고 수 접촉각을 측정하였으며 코팅 도막의 방담 특성을 확인하기 위해 수증기가 올라오는 뜨거운 물이 담긴 페트리디쉬 위에 필름의 코팅면이 아래로 향하게 놓은 뒤 코팅 도막의 김서림을 확인하였다.
본 연구에서는 1% A-2 친수 코팅액의 친수성 및 김서림 방지, 내오염성을 향상시키기 위해 LudoxⓇsilica를 농도별로 첨가하여 그 특성을 비교하였으며, LudoxⓇ를 첨가한 코팅액에 TEOS를 pH 4에서 가수분해한 후 이를 농도별로 첨가하여 유리와의 접착력 및 내구성을 확인하여 다음의 결론을 얻었다.
유리와의 접착력을 향상시키기 위하여 사용된 10 wt% TEOS-에탄올 용액을 이미 본 연구팀이 논문[21]에서 밝힌 바와 같은 최적조건인 p-toluene sulfonic acid를 첨가하여 pH 4 조건에서 24 h 이상 가수분해를 실시한 후 Table 1에 나타낸 A-2 용액에 Table 3과 같이 LudoxⓇ 10% 첨가하고 TEOS를 농도별로 첨가하여 혼합한 T series를 제조하여 친수성 및 내구성을 확인하였다.
4에 나타낸 바와 같이 W-5를 제외하고는 모두 antifogging 효과를 나타내었다. 이를 통해 W-3 이용해도와 친수성, antifogging 효과도 모두 우수하였으며 이를 기초로 첨가제의 변화를 실시하였다.
코팅된 slide glass 표면에 물 2 μL를 떨어뜨린 후 contact angle meter(ARMA, G-1, 일본)을 사용하여 수 접촉각을 측정하였다.
15 nm의 조건으로 측정하였다. 코팅된 유리의 광투과도는 UV/VIS spectrophotometer(Shimadzu, UV-2100, 일본)을 이용하여 가시광선 영역에서 측정하였다.
코팅된 유리표면의 거칠기는 원자힘 현미경 (Park Systems, model XE-100, 한국)을 이용하여 크기 5 ㎛ x 5 ㎛, Resolution 0.15 nm의 조건으로 측정하였다. 코팅된 유리의 광투과도는 UV/VIS spectrophotometer(Shimadzu, UV-2100, 일본)을 이용하여 가시광선 영역에서 측정하였다.
코팅액의 친수성과 내구성을 확인하기 위하여 코팅액을 아래 Fig. 1에 나타낸 바와 같은 속도로 Spin Coater(E-FLEX, EF-60P, 한국)를 이용하여 태양광 패널용 유리 표면에 0.25 mL의 코팅 액을 떨어뜨려 코팅하였다. 코팅된 slide glass 표면에 물 2 μL를 떨어뜨린 후 contact angle meter(ARMA, G-1, 일본)을 사용하여 수 접촉각을 측정하였다.
대상 데이터
또한, 코팅액의 친수성을 나타내기 위해 Aldrich Chemical사의 30 wt% LudoxⓇ silica 수 분산용액을 사용하였고 유리와의 접착력을 향상시키기 위하여 사용된 실란 역시 Aldrich Chemical사의 TEOS를 사용하였다.
용매 사용을 위한 에탄올은 Duksan Chemical사의 시약을 사용하였고 유리 세척을 위한 이소프로판올은 Daejung Chemical사의 시약을 그대로 사용하였다.
태양광 패널용 유리 표면에 코팅을 하기 위한 친수성 코팅액(A series)을 제조하기 위하여 Aldrich Chemical사의 PEG-PPG-PEG, Duksan사의 Tween 20, Span 20, PEG 300을 사용하였다.
성능/효과
1. 1% A-2 친수 코팅액에 LudoxⓇ를 농도별로 첨가한 S series 코팅액을 제조하여 코팅한 유리 표면의 접촉각 측정 및 steam test를 실시한 결과 LudoxⓇ의 농도에 관계없이 초친수성과 우수한 antifogging 효과를 나타내었다.
2. S series 코팅액을 도포한 유리 표면의 pollution test 결과 LudoxⓇ를 7% 첨가하였을 때부터 antifouling 효과를 나타내었으며, 10% 이상에서 완전한 antifouling 효과를 나타내었다.
3. pH 4에서 가수분해한 TEOS를 첨가한 T series 코팅액을 제조하고 이를 코팅한 유리 표면에 물 분무를 통해 친수성과 antifogging에 대한 내구성을 확인한 결과 TEOS를 0.7% 첨가한 T-3이 10회 물 분무까지 비교적 낮은 접촉각을 유지하였으며 3회의 물 분무 후 steam test 결과 TEOS를 0.3% 이상 첨가한 경우 antifogging 효과를 유지하는 것을 알 수 있었다. 또한, T-series에 코팅된 유리 표면을 마른 킴와이프와 젖은 킴와이프로 100회 문지른 결과 TEOS를 0.
4. T-series 코팅액을 총 3회 코팅한 유리 표면을 젖은 킴와이프로 100회 문지른 후 pollution test를 실시한 결과 TEOS가 0.7% 이상 첨가된 경우 antifouling 효과를 유지하였으며, AFM을 이용하여 표면 거칠기(Rq)를 확인한 결과 1.5% 첨가된 T-5에서 가장 높은 표면 거칠기값을 나타내었으나 코팅된 표면의 상태가 매우 좋지 않았고, TEOS가 0.7% 첨가된 T-3에서 비교적 높은 표면 거칠기값과 프랙탈 표면구조를 보였다.
5. 끝으로 S series 코팅액이 도포된 유리의 투과도는 기준 유리(투과도 89.7%)에 비해 LudoxⓇ의 함량이 증가할수록 550 nm에서 90.0, 91.5, 91.5, 91.9, 92.6%로 향상되었으며, T series 코팅액이 도포된 유리의 경우 550 nm에서의 투과도는 TEOS가 첨가 되지 않은 T-1의 경우 91.9%로부터 TEOS 가 0.3% 첨가된 T-2와 0.7% 첨가된 T-3 의 경우 92.5%로 투과도가 비슷하게 가장 높았다.
Fig. 10에 나타낸 S series 코팅액이 도포된 유리의 투과도는 기준 유리(투과도 89.7%)에 비해 LudoxⓇ의 함량이 증가할수록 550 nm에서 90.0, 91.5, 91.5, 91.9, 92.6%로 향상되었으며, Fig. 11에 나타낸 T series 코팅액이 도포된 유리의 경우 550 nm에서의 투과도는 TEOS가 첨가되지 않은 T-1의 경우 91.9%로부터 TEOS가 0.3% 첨가된 T-2와 0.7% 첨가된 T-3의 경우 92.5%로 투과도가 비슷하게 높아졌다. TEOS가 1.
8에 나타내었다. 그 결과 TEOS가 0.7% 이상 첨가된 T-3, 4, 5에서 antifouling 효과를 유지하고 있음을 알 수 있었다.
9에 나타내었다. 그 결과 TEOS가 첨가되지 않은 T-1의 경우 표면 거칠기(Rq)가 3.89 nm으로 측정되었으며, TEOS를 첨가한 T-2나 T-3의 경우 5.00 정도로 표면 거칠기가 증가하다가 1.0% 첨가한 T-4는 2.21까지 표면 거칠기가 오히려 감소하였으며, 1.5% TEOS가 첨가된 T-5의 경우에는 표면 거칠기는 7.55까지 크게 증가하였으나 코팅된 표면에 aggregation이 일어남으로 인해 불균일한 형태를 나타내었다. 결과적으로 T-3 코팅액을 사용한 경우가 가장 규칙적인 프랙탈 표면을 나타내어 태양광의 투과도를 향상시킬 수 있는 구조로 판단된다.
그 결과 분무 9회 차에서 T-3과 T-4를 제외한 나머지 용액의 코팅 표면이 35°이상을 나타내었고 분무 10회 차에서는 T-3을 제외하고 모든 용액의 코팅 표면이 40°이상을 나타냈다.
7에 나타내었다. 그 결과 전체적으로 TEOS가 첨가되지 않은 T-1보다 TEOS가 첨가된 T series가 antifogging 효과를 더 오래 유지하는 것을 확인할 수 있었으나, T-5의 경우와 같이 TEOS가 너무 과량 첨가 하게 되면 오히려 antifogging 효과가 약간 감소하는 현상을 보였다.
그 결과 전체적으로 표면이 LudoxⓇ의 농도와 관계없이 S series 모두 5° 이하의 접촉각으로 초친수성을 나타내는 것을 알 수 있었다.
그러므로 본 연구에서도 친수성 코팅액을 제조 하여 김서림 방지 및 내오염성을 부여하고 더불어 이에 대한 내구성 향상을 위한 실란 커플링제와 나노 무기산화물을 첨가한 코팅액을 태양광 모듈의 유리 표면에 도포함으로써 태양광 발전의 효율을 높이려는 최적의 조건을 확립하였다.
여기서 보는 바와 같이 마른 킴와이프로 100회 문지른 결과 전체적으로 T series 코팅액 모두 친수성이 유지되었으며 그 중 T-3만이 초친수성을 나타내었다. 그리고 젖은 킴와이프로 100회 문지른 결과에서는 T series 코팅액 중 T-2와 T-3의 친수성이 가장 잘 유지되었음을 확인할 수 있었다. 따라서 두 실험 결과 T-3의 경우가 친수 내구성이 가장 우수하였다.
따라서 계면활성제를 이용한 코팅액이 친수성과 김서림을 방지하는 특성을 나타내어 LudoxⓇ의 도입의 필요성은 없으나, antifouling의 효과를 나타내기 위해서는 최소 10%의 LudoxⓇ가 첨가 되어야 하며, 또한 이 코팅액이 우수한 내구성과 태양광 발전 효율 향상을 위한 높은 광투과도를 위해서는 pH 4에서 가수분해한 0.7%의 TEOS를 첨가해야 한다고 결론내릴 수 있다.
또한, S series를 코팅하여 steam test를 실시한 결과 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 LudoxⓇ의 농도와 관계없이 모든 코팅액에서 우수한 antifogging 효과를 나타내었다. Fig.
3% 이상 첨가한 경우 antifogging 효과를 유지하는 것을 알 수 있었다. 또한, T-series에 코팅된 유리 표면을 마른 킴와이프와 젖은 킴와이프로 100회 문지른 결과 TEOS를 0.7% 첨가한 T-3이 비교적 낮은 접촉각을 유지하였다.
그리고 TEOS 농도에 따라 제조된 T-series 코팅액이 도포된 유리 표면의 친수성에 대한 내구성을 확인하기 위해 마른 킴와이프와 물에 젖은 킴와이프를 이용하여 코팅된 유리의 표면을 100 회 문지른 뒤 접촉각을 측정하여 그 결과를 Table 9에 나타내었다. 여기서 보는 바와 같이 마른 킴와이프로 100회 문지른 결과 전체적으로 T series 코팅액 모두 친수성이 유지되었으며 그 중 T-3만이 초친수성을 나타내었다. 그리고 젖은 킴와이프로 100회 문지른 결과에서는 T series 코팅액 중 T-2와 T-3의 친수성이 가장 잘 유지되었음을 확인할 수 있었다.
그 결과 분무 9회 차에서 T-3과 T-4를 제외한 나머지 용액의 코팅 표면이 35°이상을 나타내었고 분무 10회 차에서는 T-3을 제외하고 모든 용액의 코팅 표면이 40°이상을 나타냈다. 이를 통해 친수성은 TEOS를 0.7% 첨가한 T-3이 가장 오래 유지하는 것을 확인할 수 있었다.
잘 용해되지 않은 W-1은 수 접촉각과 steam test가 불가능하여 제외하고, W-2, W-3, W-4, W-5를 유리에 각각 코팅하여 약 30 min 동안 상온에서 건조시킨 후 표면의 수 접촉각을 측정한 결과 W-2와 W-3은 5°이하로 초친수성을 나타냈으며 W-4는 10°, W-5는 20°로 물의 함량이 높아질수록 수 접촉각이 높아졌으며, Fig. 4에 나타낸 바와 같이 W-5를 제외하고는 모두 antifogging 효과를 나타내었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
소수성 코팅의 장단점은?
소수성 코팅은 물방울이 거의 완벽한 구형의 모양으로 맺히기 때문에 물방울을 표면에서 굴러 떨어지며 표면에 있는 먼지 입자도 함께 제거할 수도 있다는 이점이 있으나 이러한 경우 적절한 거친 표면이 필요한데 이로 인하여 빛의 산란이 증가되어 투과도가 낮아지는 단점이 있다[13]. 반면 친수성 코팅은 물방울이 표면에 맺히지 않고 퍼지도록 하여 제거하는 방법을 말한다.
태양광 발전은 어떤 발전 방식인가?
석탄, 석유 등의 화석연료를 대체하기 위한 신재생에너지원 중에서도 태양광 발전은 친환경적 이며, 영구히 사용 가능한 에너지원으로 주목받고 있으며 그 전망도 매우 밝은 편이다[1]. 이러한 태양광 발전은 광전변환소자를 이용하여 태양에너지를 전기로 전환하여 생산하는 발전 방식으로 높은 전력 생산을 위해서는 설치 면적이 넓어야 하며 태양광이 잘 드는 옥외에 설치해야 하기 때문에 모듈 설치 환경에 따라 그 성능의 차이를 보인다[2-5]. 이러한 이유로 외부에 노출로 인해 발생하는 고온 및 온도 변화, 높은 UV 조사, 습기 및 이슬, 풍화, 먼지 및 오염물질 등에 의한 효율을 저하 요인으로부터 모듈 표면을 효과적으로 차단하는 기술의 연구가 최근 부각되고 있다 [6-8].
태양광 효율을 낮추는 요인에는 무엇이 있는가?
이러한 태양광 발전은 광전변환소자를 이용하여 태양에너지를 전기로 전환하여 생산하는 발전 방식으로 높은 전력 생산을 위해서는 설치 면적이 넓어야 하며 태양광이 잘 드는 옥외에 설치해야 하기 때문에 모듈 설치 환경에 따라 그 성능의 차이를 보인다[2-5]. 이러한 이유로 외부에 노출로 인해 발생하는 고온 및 온도 변화, 높은 UV 조사, 습기 및 이슬, 풍화, 먼지 및 오염물질 등에 의한 효율을 저하 요인으로부터 모듈 표면을 효과적으로 차단하는 기술의 연구가 최근 부각되고 있다 [6-8]. 결국 태양광 효율이 감소된다는 것은 태양빛이 모듈판(유리)을 통하여 투과도가 감소함을 의미하며 이러한 투과도 감소에 대한 여러 요인 중 대표적인 것이 김서림 현상(fogging)과 미세입 자에 의한 오염이다.
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