PVDF 복합필름의 제조와 물성에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 태양광 발전용 셀 (cell) 및 모듈 (module)을 보호하는 Backsheet의 중요 부품인 불소필름의 수입대체 및 국산화를 위하여 PVDF와 PMMA 및 TiO2로 구성된 복합필름의 Blending과 Compounding 및 필름 제조공정에서의 혼합 Mechanism에 대해서 연구하였다. 또한 불소 복합 필름의 내구, 내후성을 향상시키기 위하여 PVDF의 결정구조 거동을 해석하였다. PVDF와 PMMA의 Blending에 있어서, Blend 수지의 전단 점도는 PMMA의 함량이 증가함에 따라 증가하는 거동을 보였고 순수 PVDF와 순수 PMMA 사이에 존재하였다. 또한 Blend 필름의 결정거동은 PMMA 함량이 30 wt % 이내에서 PVDF의 α 결정이 지배적인 반면, 30 wt %~ 50 wt % 사이에서는 β 결정이 혼재하는 것을 확인하였으며, 50 wt % 이상에서는 무정형 구조가 관찰되었다. 이는 PMMA의 함량이 증가할수록 무정형 PMMA 분자사슬들이 PVDF의 안정적인 α 결정 형성을 저해하여 불안정한 β 결정이 형성되며, 최종적으로는 무정형상태로 변화되는 것으로 사료된다. PVDF와 PMMA는 전 Blending 영역에서 상분리가 일어나지 않음과 더불어 PVDF와 PMMA는 뛰어난 상용성을 가짐을 확인하였다. PVDF의 소수성 (hydrophobicity)은 PMMA 함량이 30 wt % 이내에서 접촉각이 90o 이상을 보임으로서 불소의 내수성을 유지하였다. 이러한 특성과 함께 태양광 셀과 모듈 보호용 Backsheet 소재인 PVDF/PMMA blend 필름은 우수한 내구, 내후성을 요구하며, 이는 PVDF의 불안정한 β 결정보다는 안정적인 α 결정을 형성하여야 하고, α 결정은 PMMA가 30 wt % 이내에서 발현되는 것을 확인하였다. PVDF/PMMA blend 필름에서 태양광 모듈의 발전효율 향상 및 빛 반사 특성을 부여하기 위하여 PVDF와 PMMA를 7 대 3의 무게비로 고정한 후 TiO2를 함량별로 투입하여 복합필름을 제조하였다. TiO2에 의한 상분리 현상은 없었으며, TiO2 함량이 5~15 wt % 범위에서 균일하게 TiO2가 분산되어 있었으나 20 wt % 이상에서는 TiO2 입자들이 응집되어 있음을 확인 하였다. 또한 TiO2 함량이 증가함에 따라 전단 점도는 증가하는 반면 PVDF의 α 결정은 감소하였다. PVDF/PMMA/TiO2 복합필름의 결정화도 및 enthalpy는 TiO2 함량이 증가함에 따라 감소하였으나 TiO2가 기핵제로 작용하여 결정화는 보다 낮은 온도에서 진행됨을 확인하였다. 내열특성에 있어서 PVDF/PMMA/TiO2 복합필름은 TiO2의 함량이 증가함에 따라 내열특성이 향상되었고, 인장 강도 및 파단 신도 등의 기계적 물성 또한 향상 되었다. 이는 PVDF/PMMA blend필름에 있어서 TiO2가 내열성 및 내 충격특성을 부여하기 때문으로 사료 된다. 상기의 유변특성, 분산성, 결정거동, 공정성 등을 고려하여 PVDF/PMMA blend 필름에 20 wt % 이내의 TiO2 함량이 최적임을 확인하였다. PVDF/PMMA/TiO2 복합필름의 제조공정에 있어서 PVDF/ PMMA/TiO2 함량을 65/20/15로 고정한 후, Casting 온도에 따른 PVDF의 결정화 거동 변화를 조사하였다. 저온의 casting 조건에서는 불안정한 β결정이 지배적이었으나 casting 온도가 증가함에 따라 안정적인 α 결정구조로 변환되어 내후성 평가 결과 황변현상이 급속히 저하되어 우수한 내구, 내후성이 발현됨을 확인 하였다. 따라서 본 연구는 태양광 발전 cell 및 모듈 보호용 Backsheet의 우수한 내구, 내후성을 부여하기 위하여 PVDF와 PMMA, 그리고 TiO2 의 각 요소별 복합 Mechanism을 규명하였고, 연구의 결과, 이러한 우수한 물리적 특성을 가진 PVDF 복합필름을 국내 최초로 개발 및 상용화하였다.