신시아 챌린저(Cynthia Challener)

나노마켓의 편집자인 필자는 화학과 산업, ICIS케미컬비즈니스, JCT코팅스테크, PPCJ 등 전문 화학 매거진에서 편집을 담당하고 있다. 그녀는 스탠포드대학 화학과 학사학위를 받았으며 시카고대학 유기화학과 박사학위를 받았다. 화학회사 아르코(ARCO)에서 화학분야의 주요 연구원으로 일했으며 베도키안리서치에서 향미와 향기 부문 기술 서비스 디렉터로 근무했다.

제조 문제와 세계 경제 침체의 영향으로 태양광 산업도 상당한 타격을 받았다. 그러나 최근의 용량 확대, 시장 참여업체들의 수적인 팽창, 그리고 늘어나는 투자 활동은 이 산업에 대한 새로운 관심을 읽을 수 있는 지표가 되고 있다. 첨단 소재와 신재생에너지, 전자기기 시장에서의 기회 분석과 시장 연구를 전문으로 하는 회사 나노마켓(NanoMarkets)은 태양광 애플리케이션에서 소비되는 CIGS의 수익이 2011년 6억1,340만달러에서 2018년 54억1,000만달러로 늘어날 것으로 예상된다고 전했다.

CIGS 새로운 태양광 시장 개척할 것

나노마켓은 여러 박막 태양전지(TFPV) 기술 중 CIGS가 엄청난 시장 잠재성을 갖고 있다고 분석했다. CIGS의 소재는 다른 TFPV 기술에 비해 가볍고 유연성을 갖춘 박막 모듈을 생산할 수 있다. 뿐만 아니라 현재까지 상업용으로 제작되는 CIGS 모듈은 효율이 13% 이상을 기록하고 있다. 일부 업체들에서는 최대 14~16%의 효율을 자랑하기도 한다. 실제로 나노마켓은 CIGS가 기존의 결정질 실리콘(c-Si) 기술과 경쟁할 수 있는 유일한 TFPV 기술이 될 것이라고 전망한다.

고성능 기능뿐만 아니라 CIGS 모듈의 유연성은 중요한 장점이 되고 있다. 이 기술 덕분에 기존의 제품보다 두 배 이상의 효율을 가진 플렉시블 모듈 제품 생산이 가능하다. c-Si에 비해 CIGS 태양전지에는 재료 사용이 훨씬 적고 공정과 기질이 훨씬 저렴하다. 때문에 나노마켓은 CIGS가 언젠가는 c-Si 태양전지와 동일한 가격대에 도달할 것이고, 이로 인해 다른 종류의 TPFV가 접근하지 못한 새로운 시장을 개척할 것이라고 전망했다.

CIGS 성장을 좌우할 세 개의 주요 시장

나노마켓은 CIGS 부문의 성장 기회를 제공할 세 개의 핵심 시장을 분석했다. 바로 전통적인 태양광 모듈 시장, BIPV 시장, 그리고 휴대용 기기를 위한 이동 전력 시장이 그것이다.

전통적인 태양광 모듈 시장

CIGS가 타깃으로 하는 제1목표 시장은 전통적인 태양광 모듈 시장이 될 것이다. 이 시장은 빠르게 일반화되고 있는 중이고, 따라서 가격이나 성능 면에서 매우 큰 경쟁력을 갖게 될 것이다. 나노마켓은 2014년까지 태양광 생산비용이 와트 당 1달러 이하로 떨어질 것으로 보고 있다. 따라서 CIGS와 관계된 제조사들의 우려는 이 기술이 효과적으로 경쟁할 수 있을 것인가 하는 문제와 맥이 닿아있다. 그러나 예상한 대로 2014년까지 CIGS 효율이 15%에 도달한다면 CIGS는 다른 TFPV 기술에 비해 c-Si 모듈과 비슷한 수준의 가격대에서 판매할 수 있을 것이다.

그리고 유리 봉지재의 사용이 불가능한 애플리케이션에서 CIGS 공급업체들이 CIGS 봉지재 기술이 경쟁력 있는 수명을 제공함을 입증할 수 있어야 하며, c-Si 모듈 시장에서 효율과 비용 면에서 경쟁할 수 있어야 한다.

마지막으로 CIGS가 주택과 공공사업체 프로젝트 부문에서 사용될 수 있는 만큼 나노마켓은 CIGS 모듈 제조업체들이 옥상 설치와 같이 중량이 중요한 문제가 되는 곳에서 기존의 모듈이 가지고 있는 기회들을 타깃으로 해야 한다고 분석했다.

견고하고 플렉시블한 BIPV

CIGS는 BIPV 시장에 아주 적합하다. CIGS 모듈의 플렉시블 성능은 c-Si와는 비교할 수 없는 실제적인 장점이다. 따라서 CIGS 모듈 판매에서 가장 큰 비중을 차지하는 분야는 플렉시블 BIPV 시장이 될 것이다.

또한 나노마켓은 CIGS는 견고한 타일과 BIPV 유리에도 적합하다고 보고 있다. 왜냐하면 무게가 가볍고 유리나 금속에 직접 설치할 수 있으며 박막 필름 실리콘에 비해 전력 생산량이 더 높다는 여러 특성 때문이다. 물론 CIGS는 습기에 대해 민감한 성향이 있어 하나의 걱정거리일 수밖에 없으며, 현재의 봉지재는 일반적으로 높은 비용이 들고, BIPV는 더 고가의 소재이다. 따라서 많은 경우 추가적인 비용을 흡수할 수 있어야 한다.

다음의 몇 가지 이유로 견고한 BIPV는 CIGS에 알맞은 분야이다. 첫째, CIGS의 일정한 외관은 미학적으로 훨씬 보기에 좋다. 둘째, CIGS는 c-Si에 비해 간접 조명이나 조명이 열악한 상황에서도 지속적인 전력 생산이 가능하며 전력 손실도 적다. 셋째, CIGS는 고효율을 보장한다.

나노마켓은 CIGS의 가벼운 중량과 높은 효율은 낮은 생산 비용과 미학적 우수성과 더불어 큰 장점으로 작용할 수 있다고 보고 있다. CIGS 모듈은 일반적으로 검은색, 회색, 혹은 다른 색으로 만들 수 있으며, 눈에 띄는 어두운 색 계열의 패턴이나 은색 선으로 만들 수도 있다. 또한 크기가 아주 다양하고 제품을 타일에 맞게 맞춤형으로 디자인할 수 있어 BIPV와 이상적으로 어울리는 소재라 할 수 있다.

BIPV 유리 애플리케이션은 또한 CIGS 모듈의 미학적 우수성을 활용할 수도 있을 것이다. 그리고 CIGS 태양전지는 일반적으로 유리 위에 설치되기 때문에 BIPV CIGS 제품의 생산을 위해서는 건축 유리로 바꾸기만 하면 된다. 실제로 나노마켓은 이 시장에서 CIGS 태양전지가 자연스럽게 들어맞기 때문에 외관이 개선되고 최종 BIPV 제품에 태양광 시스템이 통합되며 건축 자재의 전체 비용에 태양광 시스템 비용이 포함되는 결과로 이어져 이 모든 장점들이 모두 이익 증가에 큰 역할을 한다고 분석했다.

플렉시블 BIPV 모듈은 설치 전에 옥상에 배치되거나 옥상 건축 재료에 부착된다. 나노마켓은 이것이 플렉시블 CIGS 모듈 제조에는 중요한 기회가 된다고 보고 있다. 합판이나 오버레이(덧씌우는 것) 또한 부착될 수 있는 표면에도 설치할 수 있다. 즉 벽이나 문, 담 등에 설치 가능하고 이런 종류의 설치에 대해 실수요자들에게 직접적인 마케팅을 하는 것은 CIGS 모듈 공급업체들에게는 새로운 기회가 될 수 있다.

태양광발전 비용이 건축 자재 비용과 분리되지 않도록 태양전지가 건축자재에 잘 통합되는 첨단 BIPV 제품은 보다 수익성이 높은 시장을 제공한다. 이 경우 건물주는 낮은 전기세를 통해 BIPV 설치비용을 만회하는 것이 보다 쉬워진다.

이러한 제품의 한 가지 예는 다우케미컬(Dow Chemical)의 파워하우스(Power House) 지붕 패널이다. 이는 글로벌솔라(Global Solar)에서 제조한 CIGS 태양전지를 사용하며 2011년 출시를 목표로 설계되었다. 나노마켓은 이 제품이 높은 수익성을 보장할 것으로 예상한다. 이 전략은 대량생산으로 완전 통합 제품을 취급하려는 CIGS 공급업체들에게는 좋은 기회를 창출한다. 그리고 태양광발전 비용이 낮아지는 추세이기 때문에 실수요자들은 태양에너지에 더욱 큰 매력을 느낀다. 고효율성 덕분에 CIGS 모듈은 이런 용도에 이상적인 것이다.

휴대용 전자기기

휴대용 태양광 기기를 포함하는 대부분의 휴대용 전자기기는 염료감응 태양전지(DSSC) 혹은 유기 태양전지(OPV) 기술에 의존하지만, CIGS는 이 시장과 비교해 가장 높은 전력의 태양광 시스템을 제공할 수 있다.

대부분의 사용은 태양광 배터리 충전기에서 사용된다. 이 시장은 BIPV와 기존의 모듈 부문보다는 훨씬 작은 규모이지만, 수익률은 상당히 높다. CIGS 공급업체들은 자신만의 획기적인 제품 라인을 개발해 고급 고객 제품 회사들과 협력관계를 유지하거나 제품 선택이 잘 되도록 해야 할 것이다. 이는 주요 생산업체인 글로벌솔라에서 애용하는 전략이기도 한다.

CIGS 태양전지를 사용할 수 있는 다른 응용분야로는 의복, 우산, 텐트, 가방 등이 있다.

수요의 변화

현재 전통적인 모듈 시장은 총 매출의 98%를 차지하지만 이는 2018년에는 66%까지 떨어질 것이다. BIPV가 대부분의 차이를 개선할 것이기 때문이다. 현재 BIPV는 CIGS 전체 시장에서 매우 작은 부분을 차지하지만 2018년경에는 약 175%까지 성장하면서 최대 수익을 내는 분야가 될 것이다. 이러한 성장은 대부분 플렉시블 BIPV 제품을 통해 가능할 것이다. 그러나 견고한 BIPV와 유리기판 BIPV에서 CIGS에 대한 수요도 상당히 늘어날 것이다. CIGS 제품의 판매에서 다른 플렉시블 제품 애플리케이션으로 수익은 매우 작은 기반에서 약 46배 이상 극적으로 성장할 것이다.

습기 민감성 극복의 문제

결정질 실리콘에 비해 CIGS 태양전지의 주요한 단점은 바로 수분 혹은 습기 민감성이다. 기존의 모듈과 다른 견고한 제품은 이 문제가 없다. 그 결과 플렉시블한 봉지재가 플렉시블 CIGS 개발에 있어 중요한 한 부분이 되었다.

현재 가장 많이 사용되는 접근법은 이중 시스템의 사용이다. 이 시스템은 두 개의 다른 소재 층을 교체하는 방법이다. 일반적으로 고분자와 세라믹이 사용된다. 그러나 이 방법을 사용하려면 여러 층이 효과가 아주 좋아야 한다. 이를 위해서는 비용이 추가될 수밖에 없다. 게다가 배치와 경화조건이 셀에 상처를 줘서 악영향을 줄 수도 있다.

그 결과 비용 면에서 저렴하면서도 간단한 기술에 대한 수요가 커지고 있다. 최근 개발상황은 부분적으로 CIGS에 대한 관심 고조에 일조하고 있다. 다우케미칼, 후지필름(Fujifilm), 솔로파워(SoloPower)와 협력하고 있는 3M, 미국 에너지부와 협력하고 있는 듀폰(DuPont)을 비롯해 주요한 화학 회사들은 모두 CIGS 모듈에서 봉지재 기술의 발전을 발표한 바 있다.

나노마켓은 궁극적인 봉지재의 기회는 태양광 애플리케이션에 달려있을 것으로 보고 있다. 최소 예상 수명을 가진 휴대용 제품에 있어서 최소한의 성능 수준을 갖는 저비용 봉지재는 그런대로 만족스러울 것이다. 그러나 수십 년 동안 지속될 것으로 예상되는 플렉시블 BIPV용으로는 매우 견고한 봉지재가 필요할 것이다. 바로 이런 애플리케이션이 위에서 언급한 최근의 발전 상황으로 인해 CIGS는 진정한 시장 잠재성을 얻을 것이다.

인듐 공급 문제

CIGS 생산업체들은 불확실한 인듐 공급과 가격 때문에 어려움을 경험하고 있다. 디스플레이 산업은 전기 전도성을 가진 투명도전막(인듐과 산화주석의 화합물(In2O3, SnO2)로 된 막으로 주로 스퍼터링 방법으로 제조) 형태로 인듐의 최대 소비 분야이다. 그리고 이 시장이 지속적으로 팽창하면서 수요도 늘어날 것으로 예상된다. 뿐만 아니라 최근에 가격도 상승했는데 이러한 가격 상승 추세는 향후 몇 년 동안 계속 지속될 것으로 전망된다.

대부분의 가격 문제는 수출을 제한하는 중국 정부의 조치 결과로 야기되었다. 북미와 호주에는 인듐 생산지가 많고 비축량도 많다. 그리고 그들은 현재 이 재고량을 팔기 위해 정부 장려책을 실시한다. 그러나 이러한 조치들이 시장에 얼마나 빨리 영향을 미칠지는 미지수이다. 역사적으로 보면 이 산업은 수요 공급 법칙에 느리게 반응하는 경향이 있었다.

제조 단계에서의 문제

CIGS 생산업체들은 여전히 상업적인 면에서 고효율 셀을 생산해야 한다는 어려운 과제에 직면해 있다. 성능은 품질에 따라 달라지기 때문에 생산 방법을 개발할 때 CIGS 필름을 생산하는 어려움과 비용 문제에 있어서 품질과 성능을 반드시 고려해야 한다.

스퍼터링과 증발 탈수법을 비롯해 기존의 진공 배치 방법은 이해가 잘 되고 이용 가능하며 가장 높은 성능의 셀 생산에 기여했다. 현재 생산되는 CIGS 모듈 중에서 90% 이상이 진공 배치 방법을 사용한다.

그러나 이러한 공정을 확대할 때 품질이 문제가 된다. 금속 폐기물 또한 스퍼터링과 증발 탈수에 있어서 중요한 문제가 된다. 그리고 현재보다 신속한 공정, 그리고 넓은 면적의 기질을 얻기 위해 일관 처리를 확대하느냐 혹은 지속적인 방법을 사용하느냐의 문제도 지속적인 논쟁의 대상이 된다. 현재까지 가장 큰 발전은 엄격한 일관 처리 공정에서 이루어졌다. 그 이유는 아마도 이 방법이 일반적으로 쉽게 이해되고 수십 메가와트 급의 생산을 얻을 수 있는 것으로 증명되었기 때문일 것이다.

그러나 나노마켓은 이러한 고전적인 방식에서 전착, 롤-투-롤(Roll-to-roll), 프린팅과 같은 대안적인 방법으로 점차 이동할 것으로 예측했다.

전착

전착은 단순한 전구물질과 상대적으로 저가의 장비를 사용하며, 공장이 정해진 용량보다 낮은 수준으로 가동되어도 이익률은 크게 타격을 입지 않는다. 이 기법은 또한 에너지 소비와 폐기물 발생 면에서 보자면 전통적인 방법들에 비해 효율이 더 높다. 이러한 이유로 나노마켓은 CIGS의 전착은 수많은 업체들의 진출에 아주 유리한 방법이 될 수 있다고 보고 있다.

오더선(Odersun)은 현재 가장 큰 상업적 생산 용량으로 부동의 1위를 차지하고 있다. 전착 방법을 사용하는 다른 업체들로는 넥시스(Nexcis)와, 제품 상용화를 진행 중인 솔로파워, 시범 발전소를 운영하고 있는 CIS솔라테크닉(CIS Solartechnik), 연구 목적으로 진행하고있는 CIS솔라(CIS Solar)가 있다.

롤-투-롤

롤-투-롤 공정을 지속적으로 이용하는 것이 일관 처리 공정보다는 더 탄력적이며 플렉시블 기질에 이상적인 방법으로 생각된다. CIGS 공급업체의 약 삼분의 일이 롤-투-롤 공정을 갖고 있거나 개발 중에 있다. 글로벌솔라, 오더선, 미아솔레(MiaSole)는 모두 수 십 메가와트 급의 대용량 생산을 입증한 바 있다. 이 공정은 또한 소규모 생산업체들에게 매우 적합하며 대형 업체들에게는 라이선스 기회를 제공할 수도 있다. 글로벌솔라는 이스타솔라(Istar Solar)와 슈르조에너지(Shurjo Energy)와 함께 이 기회를 활용하고 있는 것으로 보인다.

현재 엄격한 제조방법이 지배하고 있고 이 추세는 계속될 것으로 보이지만 나노마켓은 롤-투-롤 제조방법이 2018년경에는 시장의 35%까지 차지할 것으로 내다보고 있다.

프린팅

프린팅은 처음에는 상엉용 CIGS 제조용 솔루션으로 생각되었지만 지금은 그 자체에 문제가 있어서 나노마켓은 프린트된 CIGS는 최소한 향후 8년 동안 CIGS 시장의 비교적 작은 부분으로 남을 것이라고 예상한다.

치열한 경쟁

현재 약 50개 업체들이 CIGS 시장에서 각축전을 벌이고 있다. 2009년도에 20개 업체이던 것과 비교하면 매우 대조적이다. 신생 업체들 중 다수는 아시아 지역에 분포해 있는 만큼 나노마켓은 아시아 지역, 특히 중국이 CIGS 시장에서 유리할 것으로 보고 있다. 그 이유는 인듐 상황과 CIGS 태양전지를 함유한 제품과 같은 고가의 제품 수요가 중국 중산층에서 늘고 있기 때문이다.

그러나 나노마켓은 이 시장이 50개의 공급업체들을 지원할 수 있을 거라고 보진 않는다. 약 6개의 선도업체들이 2012~2013년까지 나타날 것으로 내다본다. 그들은 모두 10MW 이상을 생산할 것이고, 그들 중 몇 업체만이 대량생산 단계까지 성장할 것이다. 추가적으로 10여 업체 가량이 수십 메가와트 급의 용량을 생산할 것이다.

중요한 신생업체들로는 대양금속(Daiyang Metal)과 스티온(Stion), TSMC가 있다. 쉘(Shell)의 지원을 받고 있는 솔라 프런티어(Solar Frontier)는 현재 900MW급 발전소를 건축 중에 있는데, 이는 2011년에는 완전한 가동이 이루어질 것으로 예상된다. 미아솔레는 신규 투자를 1억달러 유치했고 용량을 확대 중에 있다.

CIGS 제조업체들이 이러한 투자를 하기에 적절한 대상임을 시사하는 근거는 상당히 많다. 지난 수년 동안 CIGS가 목표로 한 애플리케이션은 다른 TFPV 기술을 사용하는 회사들이 찾고 있고 따라서 높은 효율성 때문에 CIGS 업체들이 사용하기에 상대적으로 쉬워야 한다.

CIGS 태양전지는 또한 다른 TFPV 기술이 규모 면에서 혹은 낮은 전력 생산량 때문에 실행 가능성을 저해하는 상황에서 새로운 대안이 될 수 있다.

가장 주목할 만한 것은 발표된 계획 용량이 실제로 설치되고 적정한 수준으로 가동된다면  CIGS의 성장은 상당할 것이라는 점이다. 그리고 실리콘 공급 문제가 해결되면서 c-Si는 다시 급속히 성장하고 TFPV 기술은 어려운 시기를 맞을 것이다. 그 이유는 CIGS를 제외하고는 효율성이 현저히 낮기 때문이다.

본 기사는 미디어그룹 인포더에서 발행하는 글로벌 PV 매거진 Monthly INTER PV(영문) 내용을 게재한 것입니다.

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