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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 panel 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.34 no.1, 2017년, pp.152 - 162  

이수 (창원대학교 화공시스템공학과) ,  김승혜 (창원대학교 화공시스템공학과) ,  황헌 (성균관대학교 생명공학부 바이오메카트로닉스전공)

초록
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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.

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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...

주제어

AI 본문요약
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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 Ludoxsilica를 농도별로 첨가하여 그 특성을 비교하였으며, Ludox를 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.
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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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참고문헌 (21)

  1. H. Hanaei, M. K. Assadim, and R. Saidur, Highly efficient antireflective and self-cleaning coatings that incorporate carbon nanotubes (CNTs) into solar cells: A review, J. Renew. and Sustain. Energy Rev., 59, 620-635(2016). 

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  5. F. M. Zaihidee, S. Mekhilef, M. Seyedmahmoudian, and B. Horan, Dust as an unalterable deteriorative factor affecting PV panel's efficiency: Why and how, J. Renew. and Sustain. Energy Rev., 65, 1267-1278(2016). 

  6. S. H. Euh, and D. H. Kim, The performance and efficiency analysis of PVT system : A Review, J. Kor. Solar Energy Soc., 31(3), 57-66(2011). 

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  8. J. K. Kaldellis, and A. Kokala, Quantifying the decrease of the photovoltaic panels' energy yield due to phenomena of natural air pollution disposal, J. Energy, 35, 4862-4869(2010). 

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  10. K. C. Song, H, J, K. Park, H. U. Kang, and S. H. Kim Synthesis of Hydrophilic Coating Solution for Polymer Substrate Using Glycidoxypropyltrimethoxysilane, J. Sol-Gel Sci. Techn., 27(1), 53-59(2003). 

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  15. D. I. Lee, J. L. Park, K. P. Park, S. H. Jang, and K. C. Song, Effects of APS(aminopropyltriethoxysilane) Addition on the properties of hydrophilic coating films, J. Sol-Gel Sci. and Techn., 42, 690-695(2004). 

  16. J. Y. Kim, J. S. Lee, J. H. Hwang, T. Y. Lim, M. J. Lee, S. K. Hyun, and J. H. Kim, Fabrication of Hydrophobic Anti-Reflection Coating Film by Using Sol-gel Method, Kor. J. Mat. Res., 24(12), 689-693(2014). 

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  19. D. K. Kim, M. S. Cha, J. E. Lee, K. W. Lee, and S. B. Lee, Surface properties of water-repellency coating films and their durability effects, J. Appl. Chem., 5(1), 76-79(2001). 

  20. S. J. Jeon, W. Kim, J. J. Lee, and S. M. Koo, Preparation and Characterization of Hard Coating Materials Based on Silane Modified Boehmite Hybrid Materials, J. Ind. Eng. Chem., 17(6), 580-585(2006). 

  21. S. Lee, S. I. Chan, and H. Hwang, Effect of proton concentration in TEOS to improve durability of hydrophilic and high light transmittance properties of nanosilica coating, J. of Korean Oil Chemists' Soc., 33(3), 483-491(2016). 

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