[인더스트리뉴스 권선형 기자] 아무도 가보지 않은 길을 걸어가는 건 때론 외롭고 힘든 일이다. 모든 것을 스스로 알아서 판단하고 개척해 나가야하기 때문이다. 홀로 걷다 때론 길을 잃어버리고 주저앉아 포기해버리는 경우도 생기곤 한다. CIGS(Copper Indium Gallium Selenide) 박막 태양전지의 길이 그래왔다. 그동안 현대아반시스·삼성SDI·LG이노텍·SK이노베이션 등의 대기업들이 야심차게 CIGS 박막 태양전지 개발에 나섰지만, 사업성이 없다는 이유로 이내 포기해 버렸다.

그런데 국내 한 기업이 시장성과 사업성을 높인 CIGS 박막 태양전지 상용화를 눈앞에 두고 있다. 12년 동안 소리 소문 없이 연구개발에 매달린 끝에 세계 최초로 5세대 크기(1.10m×1.25m) CIGS 박막 태양전지 모든 제조공정을 CVD(화학기상증착법, Chemical Vapor Deposition) 방식으로 개발한 메카로에너지다. CVD 방식은 저 진공(10^-2~10^-3 Torr) 상태에서 증착해 재료 소모가 매우 적어 대량생산 시 제조단가를 크게 낮출 수 있고, 대면적화도 가능해 CIGS 박막 태양전지 시장성과 사업성을 동시에 높일 수 있는 게임체인저란 평가를 받고 있다.

메카로에너지 이재정 대표는 “12년 동안 연구개발에 매달린 끝에 세계 최초로 5세대 크기(1.10m×1.25m) CIGS 박막 태양전지 모든 제조공정을 CVD(화학기상증착법, Chemical Vapor Deposition) 방식으로 개발했다”고 말했다. [사진=인더스트리뉴스]

메카로에너지는 이 기술을 활용해 유기물 기반의 페로브스카이트 박막 태양전지의 모든 레이어를 CVD 방식으로 무기물화한 데 이어 CIGS 박막 태양전지를 이용한 투명형 태양전지도 개발 중에 있다.

12년 동안 투자한 비용만 최대 300억원, 연구개발에 매달린 연구원들만 17명이다. ‘뚝심’으로 요약되는 그동안의 여정을 메카로에너지 이재정 대표(메카로 대표)는 ‘무에서 유를 창조한 외로운 길이었다’고 표현했다.

“세계 최초라는 상징성도 의미가 있지만, 이 기술을 통해 CIGS 박막 태양전지가 사업성과 시장성 있는 기술이라는 것을 증명할 수 있다는 게 가장 의미가 크다. 그 가능성을 연 것이 가장 큰 수확이다. 이런 의미에서 메카로에너지는 무에서 유를 창조했다고 생각한다.”

이 대표가 12년이라는 기간 동안 연구개발에 매진할 수 있도록 아낌없이 지원할 수 있었던 건 ‘태양광’, 특히 CIGS 박막 태양전지에 대한 확신 때문이었다. 메카로에너지의 미션은 ‘태양빛을 활용하는 기술을 통해 지구의 건강을 지키며, 인간의 삶에 필요한 에너지를 공급한다”이다.

이 대표는 “CIGS 박막 태양전지는 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄의 4원소로 이뤄진 Cu(In,Ga)Se₂ 화합물을 유리나 플라스틱 기판에 증착해 광흡수층으로 사용하는 차세대 태양전지로, 태양광에서 주인공이 될 것이란 확신이 들었다”고 했다.

CIGS 박막 태양전지는 실리콘 등 여타의 광흡수층 물질보다 광흡수계수가 커 매우 얇은 박막만으로도 높은 변환효율을 보인다. 상용 결정질 태양전지에 비해 적은 소재 사용과 간소한 공정만으로 고효율 태양전지를 제조할 수 있다는 장점이 있다. 다른 유기계 차세대 태양전지와 달리 화학적으로 매우 안정적이고 내구성도 높다. 하지만 그동안 결정질 태양전지 원가가 떨어지고, CIGS 박막 태양전지의 효율이 획기적으로 늘지 않아 사업성이 떨어진다는 평가가 지배적이었다.

이 대표는 이러한 한계를 극복하기 위해 메카로에너지의 모회사 메카로가 원천기술을 보유하고 있는 전구체(Precursor) 기술을 적용했다. 전구체는 나노 스케일의 고품질 박막을 증착하기 위한 CVD/ALD 공정의 성패를 좌우하는 필수 기반기술로, 메카로는 전구체의 설계, 분석, 합성에 특화된 기술을 보유하고 있다.

이 대표는 “메카로에너지의 CIGS 박막 태양전지 제조기술인 CVD 방식은 경제적인 측면에서 많은 장점을 갖고 있다”며, “우선 대면적 증착이 가능하고 다양한 박막조성 제어가 가능하다”고 소개했다.

현재 메카로에너지의 CIGS 박막 태양전지의 에너지 전환효율은 셀 기준으로 16%. 향후 목표는 2023년 8세대 크기와 에너지 전환효율 16% 달성으로, 2024년부터 본격적인 양산에 도입할 예정이다.

이 대표는 “페로브스카이트는 5세대 크기와 에너지 전환효율 20%를 목표로 하고 있으며, 이를 이용한 텐덤 태양전지를 2025년 30% 수준의 에너지 전환효율을 확보해 양산 적용할 예정”이라며, “투명형 태양전지의 경우 약 100W 급 모델을 올해 하반기 양산할 계획”이라고 말했다.

글로벌 인더스트리(Global Industry) 보고서에 따르면 박막 태양전지 시장은 2027년 381억달러 규모로 성장할 전망이다. 이에 따라 제로에너지 건축물 의무화 등 BIPV 시장을 중심으로 실리콘 태양전지에 비해 심미성이 우수한 박막 태양전지가 가장 크게 성장할 것으로 보인다.

이 대표는 “특히 최근 제조 단가가 저렴하고 실리콘 태양전지의 효율에 버금가는 CIGS 박막 태양전지를 이용한 BIPV 모듈에 대한 관심이 증대되고 있어 BIPV 시장도 주목해야 할 시장”이라며, “효율과 가격경쟁력을 확보한다면 글로벌 시장을 선도할 수 있는 충분한 기반 시장이라고 판단하고 있다”고 말했다.

이 대표는 “CIGS 박막 태양전지의 현재 수준은 셀 기준 16%의 에너지 전환효율을 확보했다”며, “현재 모듈 효율 14%를 목표로 안정화 평가 진행 중에 있다”고 말했다. [사진=인더스트리뉴스]

CIGS 박막 태양전지를 개발하게 된 배경과 계기는?

신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있는 현실에서 친환경적이며, 지속 가능한 청정에너지인 태양전지는 미래산업을 창출하기 위한 충분한 가치가 있다고 평가했다. 개발 초기 당시만 해도 태양전지의 수요가 증가함에도 불구하고 상업화된 태양전지 대부분은 결정질 실리콘을 사용하였으며, 원재료의 공급 불안정과 판매가의 대부분을 차지하는 실리콘 원재료로 인해 가격이 비싸고 창문을 비롯한 다양한 공간에 사용할 수 있는 박막 형태로의 제조가 어려웠다.

또한 결정질 실리콘은 제조과정에서 환경 유해 물질의 배출이라는 단점을 가지고 있었다. 메카로 기업부설연구소였던 당시 모회사의 반도체 장비의 열에너지 공급기술과 전구체 제조 및 설계 기술, 연구소에서 보유한 화학기상증착(CVD)기술 등 메카로의 가장 우수한 기술 역량을 동원해 우수한 품질과 가격경쟁력이 있는 박막 태양전지 제조를 목표로 했다. 이론상의 에너지 전환효율이 결정질 실리콘과 유사하고 기존 실리콘 태양전지 대비 100배 이상 높은 광흡수 계수와 100분의 1 두께만으로 태양전지가 가능한 구리(Copper)-인듐(Indium)-갈륨(Gallium)-셀레늄(Selenium)의 원소를 흡수층으로 사용하는 CIGS 박막 태양전지를 기존 기술과는 다른 CVD 방법으로 개발하게 됐다.

메카로에너지가 그동안 이룬 대표적인 연구와 성과를 소개한다면?

메카로에너지는 세계 최초로 5세대 크기(1.10m×1.25m)의 CIGS 박막 태양전지 모든 제조공정을 CVD 방식으로 구현했다. 특히 2015년 산업통상자원부 ATC 사업에 선정돼 국책 과제를 성공적으로 수행함은 물론 관련 기술을 인정받아 우수기술연구센터로 선정됐다. 또한 관련 기술을 바탕으로 유기물 기반의 페로브스카이트 박막 태양전지의 모든 레이어를 CVD 방식으로 무기물화에 성공했다. 최근에는 CIGS 박막 태양전지를 이용한 투명형 태양전지 개발로 많은 관심을 받고 있다.

CIGS 박막 태양전지의 현재 개발 상황과 특장점은?

CIGS 박막 태양전지의 현재 수준은 셀 기준 16%의 에너지 전환효율을 확보했다. 현재 모듈 효율 14%를 목표로 안정화 평가 진행 중에 있다. 모듈 안정화 작업이 완료되면 바로 8세대(2.2m×2.5m) 크기의 파일럿 라인을 구축할 예정이다. 당사의 CIGS 제조 핵심 기술인 화학기상증착법(CVD)은 저 진공(10^-2~10^-3 Torr) 상태에서 증착하는 장점이 있으며, 재료 소모가 매우 적어 대량생산 시 제조단가를 낮추는데 크게 기여할 수 있다. 또한 고유 특성인 대면적화, 뛰어난 품질의 박막, 장치의 단순화를 구현할 수 있는 장점을 갖고 있다.

메카로에너지는 회사 옥상에 CIGS 박막 태양전지를 설치하고 일반 태양전지와 비교평가하고 있다. 이재정 대표(사진 왼쪽)와 이규현 팀장(연구소 수석 연구원) [사진=인더스트리뉴스]

메카로에너지는 CVD 방식으로 CIGS 박막 태양전지를 개발했다. PVD 방식과 비교해 CVD의 장점은?

메카로에너지의 박막 태양전지 제조기술은 화학기상증착법을 이용한 기술이다. 미국, 일본, 중국의 박막 태양전지는 공통적으로 스퍼터링(Sputtering)이라는 PVD 방식을 사용하고 있다.

PVD 방식은 생산성에 있어 비교적 용이하고 우수한 재현성이 있으나 고 진공을 요하므로 장치가 복잡하고 고가의 타켓 물질을 사용하게 되므로 시스템 가격 상승이 불가피한 문제가 있다. 또한 미국의 박막 태양전지는 환경유해물질로 규제대상인 카드뮴(Cd)을 사용해 친환경 에너지 정책에 따라 추가적인 제한의 우려가 있다.

CVD 방식은 경제적인 측면에서 상당히 많은 장점을 가지고 있다. 우선순위를 꼽으라면 대면적 증착이 가능하고 다양한 박막조성 제어가 가능하다는 것이다.

실 예로 초기 연구단계인 8인치 챔버에서 기판 크기가 30배 이상 큰 현재의 5세대 공정까지 채 1년이 되지 않을 정도로 설치 및 대면적 확장성이 우수하다.

2.2m x 2.5m 크기의 8세대를 양산목표로 설정한 이유도 이 때문이다. 다만 CVD 공정에서는 전구체(Precursor)가 반드시 사용되는 단점이 있으나 이는 전구체를 합성, 제조, 양산하는 모회사 메카로의 원천 기술 중 하나이므로 현재 시점에서는 오히려 장점으로 부각될 수 있다. 다시 말해 다른 기업들이 흉내 내고 싶어도 쉽게 흉내 낼 수 없는 독자적인 통합 솔루션을 보유하고 있는 셈이다.

CVD Vs PVD 기술 비교 [자료=메카로에너지]

CIGS 박막 태양전지는 기존 태양전지에 비해 재활용률이 높다.

국제재생에너지기구에서는 2050년 태양광 누적 보급량이 4,500GW일 때 최대 7,800만t의 폐모듈이 발생될 것으로 예상하고 있다. 해당 폐모듈을 통해 회수된 광물 등의 원자재는 패널 20억개(630GW)를 생산할 수 있는 양으로 약 150억달러(17조100억원) 정도의 가치 창출이 가능할 정도로 새로운 이슈로 부각되고 있다. 더불어 태양광 폐모듈의 리사이클링 지원에 필수적인 생산자 책임제도(Extended ProducerResponsibility, EPR) 등의 시행은 결국 가격 상승의 요인으로 작용할 우려가 있다. 실리콘의 경우 현재 약 89% 수준의 재활용률을 나타내고 있는 반면 메카로에너지의 CIGS 박막 태양전지는 유리 기판위에 1~2 마이크로미터(um) 두께의 박막을 사용해 이는 전체 무게의 약 0.005%를 차지하므로 99% 재활용이 가능할 것으로 예상된다.

기존 Si 태양전지와 CIGS 태양전지의 재활용 효율 비교 [자료=메카로에너지]

페로브스카이트, 탠덤태양전지, 투명태양전지의 현재 개발 상황은?

페로브스카이트의 경우 현재 화학기상증착법을 이용해 모든 레이어(layer)에 대한 무기물화 평가를 진행해 대부분 무기물화에 성공하였으며, 이때 에너지 전환효율은 셀 단위에서 17%를 확보했다. 이는 다른 그룹에서 시도하고 있지 않은 새로운 방식이며, 기존 유무기를 사용하던 페로브스카이트 박막 태양전지의 최대 약점인 수명 개선에 도움이 될 것으로 판단된다. CIGS-페로브스카이트 텐덤 태양전지의 경우 현재 4-terminal 방식으로 19.5% 수준의 광전환효율을 확보하였으며, CVD 장점인 in-situ 공정을 이용해 2-terminal 방식으로 2025년 약 30% 수준의 광전환효율을 갖는 태양전지를 목표로 하고 있다. 투명형 태양전지는 스크라이빙 공정을 이용해 개구율을 높인 제품과 CIGS 박막 태양전지를 수평배열한 제품 등 다양한 제품 개발이 진행되고 있으며, 70% 수준의 투과율과 1m² 크기에서 100W 급 제품을 양산 목표로 하고 있다.

메카로에너지의 솔라시티 목표는?

e-solar city는 도심에서 필요한 전기는 도시 내에서 생산해 스스로 자급자족하는 시스템을 구축하겠다는 것이 목표다. 최근 제로에너지 건축물 의무화는 공공 건축물에서 2025년 민간 건축물까지 확대될 예정으로 BIPV 시장은 지속적으로 증가할 것으로 판단된다.

우선적으로 투명형 태양전지를 아파트, 도로의 방음벽, 스마트 팜 등의 영농형을 주 타겟으로 시장을 개척해가고, 이를 창호형으로 확대해 시인성을 요하는 곳에 발전이 가능하도록 영역을 확대할 예정이다. 또한 페로브스카이트, 텐덤 태양전지 개발로 에너지 전환효율을 향상시켜 이를 투명형 태양전지에 적용할 예정이며, 박막 태양전지를 이용해 건물 외벽에 적용가능한 BIPV 시장에 진입할 계획이다.

메카로에너지가 제조한 투명 태양전지 모듈(0.6m×1.2m, CIGS panel) [사진=메카로에너지]

메카로에너지의 향후 태양전지 로드맵은?

CIGS 박막 태양전지는 2023년 8세대 크기와 에너지 전환효율 16%를 목표로 2024년부터 본격적인 양산에 도입할 예정이다. 페로브스카이트는 5세대 크기와 에너지 전환효율 20%를 목표로 하고 있으며, 이를 이용한 텐덤 태양전지를 2025년 30% 수준의 에너지 전환효율을 확보해 양산 적용할 예정이다. 투명형 태양전지의 경우 약 100W급 모델을 2022년 하반기 양산을 목표로 하고 있으며, 차츰 그 범위를 확대할 계획이다.

현재 메카로에너지는 박막 태양전지 시장을 함께 이끌어갈 파트너사를 찾고 있다. 국내 대기업과 해외 기업에서 박막 태양전지에 대한 관심도가 높다. 박막 태양전지 시장을 함께 열어갈 파트너사를 찾아 시너지를 높여 글로벌 규모의 회사로 성장시킬 계획이다.

[권선형 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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