박막형 태양전지가 뜬다

신재생에너지 개발 지원 박차

[프라임경제]지구온난화에 의한 자연재해 문제가 심각해지면서 전 세계적으로 온실가스 배출량을 의무적으로 감축해야 하는 상황이 도래하였다. 2013년부터는 포스트 교토의정서 체제가 구축되는데, 이산화탄소의 배출량이 세계 16위인 우리나라는 이산화탄소 가스 감축 의무를 면키 어렵다고 한다. 이에 대응하여 정부는 저탄소 녹색성장을 경제발전의 신성장 동력으로 제시하고, 바이오연료, 풍력, 지열, 조력, 태양에너지 등과 같은 신재생에너지의 개발 지원에 박차를 가하고 있다.

특히 태양광발전은 세계각국 정부의 적극적인 지원정책으로 최근 2~3년 사이에 30% 이상의 빠른 성장을 보이고 있는 분야이다. 현재 1세대 결정형 Si 태양전지는 높은 에너지 전환 효율과 안정된 성능을 바탕으로 90%의 시장 점유율을 차지하고 있다. 하지만, 원재료인 폴리실리콘의 부족 현상이 갈수록 심화되고 있을 뿐 아니라, 결정형 Si 태양전지의 제조 단가는 다른 신재생에너지에 비해 수배 이상 높아 빠르게 보급되기는 어려운 실정이다.

최근 이러한 문제를 해결하기 위해 실리콘 재료를 최소화할 수 있는 박막형 Si 태양전지에 업체들이 많이 관심을 보이고 있다. 박막형 Si 태양전지는 CdTe, CIGS형 태양전지와 함께 2세대 태양전지로 분류된다. 박막형 Si 태양전지는 결정형 Si 태양전지에 비해 에저지 전환 효율은 다소 낮은 편이지만, 제조시 사용된 에너지 회수기간이 절반 정도로 짧고, 두께도 1%에 불과하므로, 제조 단가를 혁신적으로 절감할 수 있다. 또한, 박막형 태양전지 분야는 산업화 초기 단계에 있으며, 제작 방식이 반도체․LCD 증착기술과 유사하기 때문에, 세계 최고 수준의 반도체․LCD 증착기술을 가지고 있는 국내 업체가 기술 및 시장 경쟁력 면에서 우위를 차지할 가능성이 높다.

특허청(청장 고정식)에 따르면, 지난 14년간(1995~2008) 화학적 기상 증착, 물리적 기상 증착 방식과 같은 반도체․LCD 증착기술을 적용한 박막형 Si 태양전지의 국내 특허출원(실용신안 포함)은 총 707건이었다. 이를 연도별로 살펴보면 1995~1996년 27건, 1997~1998년 66건, 1999~2000년 62건, 2001~2002년 57건, 2003~2004년 82건, 2005~2006년 164건, 2007~2008년 249건으로, 1997년 외환위기 이후 2004년까지 잠시 주춤했다가 최근에는 급격히 증가하는 추세임을 알 수 있다.

출원인별 국내 특허출원 동향을 살펴보면, 외국인은 59%의 점유율을 보여 내국인의 출원보다 다소 많은 것으로 나타났다. 외국인 출원 중에서는 이미 결정형 Si 태양전지 분야에서 선두를 달리고 있는 일본(54%)이 가장 많은 부분을 차지하고 있었으며, 그 뒤로 미국(32%), 독일(5%), 기타(유럽, 호주, 프랑스, 영국 등)의 순으로 나타났다. 주요 출원인으로는 반도체․LCD 제조 기업인 삼성전자·삼성SDI(68건)가 수위를 차지했으며, 그 뒤로 캐논(48건), LG전자․LG화학․LG필립스LCD(37건), 소니(15건), 어플라이드머티어리얼스(15건), 코닝(14건), 주성엔지니어링(14건), 신에쓰가가꾸고교가부시끼가이샤(12건), 제이에스알가부시끼가이샤(12건), 이아이듀폰디네모아앤드캄파니(11건), 세이코엡슨가부시키가이샤(9건) 등이 다수의 출원건수를 나타내었다.

증착 방식에 특징이 있는 박막형 Si 태양전지 관련 출원건수를 살펴보면, 원자층 증착(ALD)을 포함한 화학적 기상 증착(CVD)과 스퍼터, 진공 증발법을 포함한 물리적 기상 증착(PVD)은 각각 134건 및 112건으로 거의 비슷한 비율로 출원되었다. CVD에 관한 출원은 1995년 초기부터 현재까지 꾸준히 이어져 왔으며, PVD는 비교적 2003년 이후부터 출원이 증가하기 시작하여 2006년에 급격한 상승세를 나타내었다. 이는 전통적으로 CVD를 적용하였던 Si 광활성막 증착에 대한 출원 외에도 최근에는 PVD를 이용하여 패턴형성, 모듈화, 표면처리, 에칭 및 전극/전도막 형성과 같은 태양전지의 다른 부대 요소에 대한 출원이 증가하였기 때문이다.

Si 광활성막의 결정구조에 특징이 있는 박막형 Si 태양전지 관련 출원 동향을 살펴보면, 전 기간에 걸쳐 다결정 Si의 비율이 비정질 또는 단결정 Si의 경우보다 다소 높은 것으로 나타났다. 이는 일반적으로 반도체․LCD 증착기술을 적용하여 제조된 Si 박막은 비정질의 결정구조를 갖는데, 증착된 비정질 Si 박막을 플라즈마로 처리하거나 도핑처리 또는 열처리 등의 간단한 공정을 통하여 에너지 전환 효율이 더욱 높은 다결정 Si 광활성막을 제조할 수 있기 때문이다. 2005~2008년에는 비정질 Si 태양전지의 출원건수가 오히려 단결정 Si보다 많은 것으로 나타났는데, 이는 비정질 Si로부터 단결정 Si를 제조하는 공정이 간단하지 않을 뿐 아니라, Si 광활성막 외의 부대 요소에서 태양전지의 전체 효율을 개선한 출원이 증가하였기 때문이다.

앞에서 기술한 바와 같이 박막형 Si 태양전지의 전체 효율은 광활성막 외의 부대 요소와도 관련이 있다. 이에 반도체․LCD 증착기술을 적용한 예를 살펴보면, 도핑기술(22%), 적층구조형성(21%), 표면개질(19%), 모듈/패턴제조(15%), 보호커버층(8%), 비정질 Si의 결정화(8%), 투명전극/전도성막(6%)의 순으로 나타났다. 비록 전 기간에 걸쳐 광활성막 자체와 관련한 도핑기술 및 표면개질에 관련한 출원비율이 여전히 높은 비율을 차지하고 있으나, 최근 들어 적층구조형성 및 모듈/패턴 제조에 대한 비율이 다소 증가하였다. 이는 박막형 Si 태양전지의 최근동향이 현장에서 설치 및 운용할 수 있는 형태로 산업화되고 있는 상황을 반영하고 있는 것으로 생각된다.

현재 세계적인 금융위기로 태양광 시장이 잠시 주춤하였지만, 국내의 관련 업체들은 시장 진출을 위한 준비가 한창이다. 한국철강 및 알티솔라는 국내서 최초로 박막형 비정질 Si 태양전지 라인을 건설하였고, 박막형 비정질 Si 태양전지의 핵심소재인 모노실란 시장에서도 소디프신소재 및 코아텍은 생산설비의 대규모 증설에 나섰다고 한다. 아직 대부분의 업체는 1세대 결정형 실리콘 소재분야에 집중되어 있고, 박막형 태양전지 생산을 목표로 하고 있는 업체는 5개사에 불과하지만, 태양광 발전 산업의 급격한 확장에 따라 머지않아 박막형 Si 태양전지를 포함한 다양한 박막형 태양전지의 상용화가 이뤄질 것으로 예상되고 있다.

태양전지 산업을 육성하기 위해 정부의 지원도 크게 확대될 예정이다. 지식경제부는 그린에너지 전략로드맵(안)을 통해 오는 2012년까지 3398억 원을 투자하기로 하였다. 장기적으로는 결정형 반도체 태양전지를 기반으로 하고, 차세대 박막형 태양전지로 다각화하는 방향으로 설정되었다. 이에 따라 앞으로도 관련 기술 개발 및 특허출원이 지속적으로 증가할 것으로 전망된다.