Article
  • Photo-degradation Behaviors of Ultra-violet Light Irradiated Poly(ethylene terephthalate) Films for Back-sheet in Solar Cells

  • Young Jun Kwak, Ji Hun Seo, and Seung Woo Lee†

  • School of Chemical Engineering, Yeungnam University, 280 Daehak-Ro, Gyeongsan, Gyeongbuk 38541, Korea

  • 자외선 노광에 의한 태양전지 백쉬트용 폴리(에틸렌 테레프탈레이트) 필름의 광분해 현상 연구

  • 곽영준 · 서지훈 · 이승우†

  • 영남대학교 화학공학부

Abstract

Photo-degradation behaviors of poly(ethylene terephthalate) (PET) film with 25 μm by ultra-violet light (UV) irradiation were investigated using ultraviolet–visible spectroscopy, proton nuclear magnetic resonance, Fourier transform infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA) and two-dimensional (2D) correlation analysis. The analysis of 2D FTIR correlation spectra led to the identification of photoproducts: esters, peresters and benzoic acids. The photo-degradation of PET film induces spectral changes of both the ester linkages and the methylene groups. In addition, the spectral changes occurred in the following sequence during the photo-degradation of PET film: methylene groups →terephthalte groups.


자외선 노광시간에 따른 PET 필름의 광분해 현상을 열중량분석기, 자외선분광분석, 적외선분광분석, 수소 핵자기공명분석 및 적외선분광 이차원 상관 분석을 통하여 연구하였다. 열중량분석을 통하여 미세한 열적 안정성의 변화를 확인하였으며, 자외선분광 분석기를 이용하여 고분자 사슬의 변화로 인해 자외선 노광된 PET 필름이 320-500 nm 파장의 빛을 흡수함을 확인하였다. 자외선 노광 전후의 PET 필름의 고분자 사슬들의 변화를 관찰하였다. 적외선분광 이차원 상관 분석을 통해 PET 필름이 광분해에 의해 에스테르, perester 및 벤조산의 세 가지 광 생성물의 형성을 유도한다는 것을 확인하였으며, 이차원 상관 분석의 결과로부터 메틸렌 그룹의 산화를 포함하는 PET 필름의 광분해 메커니즘을 확인하였다. PET 필름의 광분해 현상에서 자외선에 노광된 고분자 주사슬의 메틸렌 그룹이 먼저 분해되고 테레프탈 그룹이 분해됨을 확인하였다.


Keywords: poly(ethylene terephthalate), photo-degradation, two-dimensional (2D) correlation analysis, Fourier transform infrared spectroscopy, photo-degradation sequence

서 론

환경오염 문제는 급격한 산업화와 무분별한 발전에 뒤따라 꾸준히 대두되어 왔으며 이와 더불어 최근 화석 에너지 고갈로 인한 문제로 인해 차세대 청정에너지 개발이 화두로 떠올라 이에 대한 관심과 필요성이 증대되고 있다. 수력, 풍력, 조력 등 다양한 천연자원들이 존재하지만 그 중에서도 태양전지는 자원의 양이 무한하며 변환 효율이 높고 수명이 길어 반영구적이고 공해가 적다는 이점이 있어 고갈되어 가는 화석 연료 자원에 대비할 수 있는 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.
태양전지의 모듈은 표면재, EVA(충진재), cell(태양전지), back sheet(백쉬트)로 구성되어 있으며 입사면 표면재로서 일반적으로 저철분 강화유리가 사용되고 있다.1 표면재로 사용되는 물질은 높은 광 투과도와 충분한 내풍압성능, 안전유리규준에 따른 제적, 표면처리를 통해 광 반사 손실을 낮추는 등 여러 가지 조건이 요구된다.2 충진재는 cell 후면과 표면재 사이에 삽입되는 물질로 깨지기 쉬운 cell을 보호하는 역할을하고,3 백쉬트는 태양전지를 외부로부터 보호하여 후면에서 침투하는 오염을 방지하는 역할을 한다.4
외부에서 사용되는 태양전지 모듈은 충분한 내후성과 내구성이 요구되며 태양전지 모듈 후면의 백쉬트는 수분의 투과로 인해 배선의 부식이나 EVA의 변색 등을 초래할 경우 모듈의 출력에 영향을 미칠 수 있어 내후성과 함께 수증기 투과율이 고려된다.5-8
현재 태양전지소자의 두께는 얇아지고 있는 추세이며 이에 따라 태양전지모듈을 보호하는데 핵심적인 역할을 하는 백쉬트의 중요성이 증대되고 있다. 백쉬트는 내후성이 뛰어난 기재 필름으로 내습성이 뛰어난 알루미늄 호일을 감싸는 구조를 이루고 있으며 일반적으로 3개의 기능 층으로 적층된 필름이다.9 중간층에는 SiO2, Al2O3 증착 PET(poly(ethylene therephthalate)) 필름이나 알루미늄 호일이 사용되기도 하며 불소계 필름 PVDF(polyvinylidene fluoride)는 기재 필름의 역할을 하고 있으나 비교적 고가이고 기계적 강도와 수증기 차단성에서 문제가 있어 최근에 PET 필름으로 대체가 이루어지고 있다.10 PET는 전기 절연성, 치수안정성 및 기계적 특성이 우수하여 많은 산업에 응응되고 있다. PET 필름은 태양광에 노출되면 PET 주사슬에 포함된 ester carboxyl 그룹이 290-400 nm 파장의 에너지를 흡수하여 분자량이 감소하게 되고 기계적 특성이 저하되는 단점을 갖고 있다.11-14
본 연구에서는 PET 필름을 자외선 파장대인 250-380 nm의 빛을 필름에 노광하여 PET 필름의 자외선에 대한 분해 현상을 1H NMR(proton nuclear magnetic resonance), UV-vis (UVvis spectrophotometer), TGA(thermogravimetric analysis) 및 적외선 분광 분석법(Fourier transform infrared spectroscopy)으로 연구하였다. 또한 PET 필름의 광분해 현상을 적외선분광 이차원 상관분석법으로 분자적 관점에서 살펴보았다.
이차원 상관 분광학(2D correlation spectroscopy)은 분석하고자 하는 계에 온도, 압력, 농도 등과 같은 외부 섭동이 인가되었을 때 얻어지는 일차원적인 스펙트럼을 이차원적으로 펼쳐 보여줌으로써, 특정 흡수 띠의 상관관계 분석뿐 아니라 특정 흡수 띠세기 변화 순서를 알 수 있다는 장점을 가지고 있어 다양한 분광 분석법에 적용되고 있다. 또한 일차원 스펙트럼에서 중첩되어 나타나는 흡수 띠들의 분해능이 향상되어, 다양한 작용기를 가지고 있는 고분자 구조 분석 및 특성 연구에 적용이 가능하다.15-18

References
  • 1. M. H. Kim, H. S. Eom, D.-J. Byun, and K.-Y. Choi, Polym. Korea, 40, 477 (2016).
  •  
  • 2. K. Agroui, A. Maallemi, M. Boumaour, G. Collins, and M. Salama, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 90, 2509 (2006).
  •  
  • 3. J. Jin, S. Chem, and J. Zhang, Polym. Degrad. Stab., 95, 725 (2010)
  •  
  • 4. F. D. Novoa, D. C. Miller, and R. H. Dauskardt, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 120, 87 (2014).
  •  
  • 5. A. Kamer, K. Larson-Smith, L. S. C. Pingree, and R. H. Dauskardt, Thin Solid Films, 519, 1907 (2011).
  •  
  • 6. A. Bhatnagar, M. J. Hoffman, and R. H. Dauskardt, J. Am. Ceram. Soc., 96, 585 (2000).
  •  
  • 7. E. Wang, H. E. Yang, J. Yen, S. Chi, and C. Wang, Energy Procedia, 33, 256 (2013).
  •  
  • 8. C. O. Lee, B. Chae, S. B. Kim, Y. M. Jung, and S. W. Lee, Vib. Spectrosc., 60, 142 (2012).
  •  
  • 9. G. Oreseki and G. M. Wallner, Solar Energy, 79, 612 (2005).
  •  
  • 10. G. J. Jorgensen, K. M. Terwilliger, J. A. DelCueto, S. H. Glick, M. D. Kempe, J. W. Pankow, F. J. Pern, and T. J. McMahon, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 90, 2739 (2006).
  •  
  • 11. J. H. Kim, D. S. Lee, T. S. Park, J. A. Kim, and K. Y. Kim, Polym. Korea, 19, 353 (1995).
  •  
  • 12. S. S. Park, S. S. Lim, and D. G. Kim, Polym. Korea, 17, 324 (1993).
  •  
  • 13. S. W. Lee, M. Ree, C. E. Park, Y. K. Jung, C.-S. Park, Y. S. Jin, and D. C. Bae, Polymer, 40, 7137 (1999).
  •  
  • 14. J. W. Lee, S. W. Lee, B. Lee, and M. Ree, Macromol. Chem. Phys., 202, 3072 (2001).
  •  
  • 15. I. Noda and Y. Ozaki, Two-Dimensional Correlation Spectroscopy: Applications in Vibrational Spectroscopy, John Wiley & Sons Inc, New York, 2004.
  •  
  • 16. I. Noda, Appl. Spectrosc., 47, 1329 (1993).
  •  
  • 17. I. Noda, Appl. Spectrosc., 54, 994 (2000).
  •  
  • 18. Y. M. Jung and I. Noda, Appl. Spectrosc. Rev., 41, 515 (2006).
  •  
  • 19. The program is available from the homepage of Professor Yukihiro Osaki (http://science.kwansei.ac.jp/?ozaki).
  •  
  • 20. G. J. M. Fechine, M. S. Rabello, R. M. Souto Maire, and L. H. Catalani, Polymer, 45, 2303 (2004).
  •  
  • 21. T. Grossetête, A. Rivaton, J. L. Gardette, G. E. Hoyle, M. Ziemer, D. R. Fagerburg, and H. Clauberg, Polymer, 41, 3541 (2000).
  •  
  • 22. A. Rivaton, Polym. Degrad. Stab., 41, 283 (1993).
  •  
  • 23. T. H. Mohammad and J.-L. Gardette, Polym. Degrad. Stab., 14, 351 (1986).
  •  
  • 24. Y. M. Jung, Polymer Science and Technology, 21, 55 (2010).
  •  
  • 25. Y. M. Jung and S. B. Kim, J. Korean Chem. Soc., 47, 447 (2003).
  •  
  • Polymer(Korea) 폴리머
  • Frequency : Bimonthly(odd)
    ISSN 0379-153X(Print)
    ISSN 2234-8077(Online)
    Abbr. Polym. Korea
  • 2023 Impact Factor : 0.4
  • Indexed in SCIE

This Article

  • 2018; 42(3): 456-460

    Published online May 25, 2018

  • 10.7317/pk.2018.42.3.456
  • Received on Nov 21, 2017
  • Revised on Jan 2, 2018
  • Accepted on Jan 24, 2018

Correspondence to

  • Seung Woo Lee

  • School of Chemical Engineering, Yeungnam University, 280 Daehak-Ro, Gyeongsan, Gyeongbuk 38541, Korea

  • E-mail: leesw1212@ynu.ac.kr
  • ORCID:
    0000-0001-7523-5371