고효율과 저가화 향한 솔라생산장비 기술 어디까지 왔나?

커버스토리

태양광 밸류체인에서 보면 태양전지 제조사업은 고비용의 투자가 이뤄지는 장비사업으로 웬만한 기술력과 자금력으로는 시장진입조차 힘든 분야다. 반면에 장비업체의 태양전지 공정기술이 접목되어 있는 특성상 단일 공급 규모가 약 600~1,500억원에 이르는 대규모 장비사업으로 시장 선점에 따른 이점 또한 매우 크다고 할 수 있다.

이것이 태양광 설비산업의 상류공정에 해당하는 폴리실리콘, 태양전지 등에 대기업의 사업 참여가 늘어나는 이유이며, 이들 대기업들의 막강한 자금력에 의한 투자는 태양광 시장의 확대에 기여하고 있다.

이처럼 태양광에너지의 그리드 패리티 달성을 위한 고지를 향해 달려가고 있는 태양전지 제조 메이커와 생산장비 제조 메이커의 노력은 솔라셀의 효율향상과 가격하락을 빠른 속도로 이끌어내고 있다.

여기에서는 고효율과 저가화를 향한 솔라생산장비 기술의 현주소를 살펴보고자 한다.

편집자 주

강 형 동 주성엔지니어링 부사장

물리학 박사학위를 받았으며, 독일 막스플랑크연구소와 삼성전기 중앙연구소를 거쳐 현재 주성엔지니어링 솔라셀개발그룹 부사장으로 활약하고 있다.

김 태 훈 주성엔지니어링 부장

화학공학 석사학위를 받았으며, 한국유리공업㈜ 기술연구소와 Saint-Gobain Hanglas GRDC를 거쳐 현재 주성엔지니어링 솔라셀개발팀

부장으로 일하고 있다.

2009년 태양광 시장을 분석해 보면 결정질 태양전지가 82.3%, CdTe 화합물 태양전지가 11.6% 차지했으며, 비정질실리콘 박막태양전지가 4.8%를 차지했다. 이중 비정질실리콘 박막태양전지의 경우, 투명전도성산화물 증착공정, 패터닝 공정, 실리콘 박막 증착공정, 금속 박막 증착공정 등 반도체 및 LCD 제조공정과 유사한 부분이 있어 반도체 및 LCD 장비업체들이 태양전지 장비시장에 비교적 용이하게 진입했으며, 현재는 시장을 주도하고 있다. 또한, 반도체 및 LCD에 비해 공정의 수가 적고 단순해 기판세정을 위한 세정장비, 투명전도성산화물 증착용 MOCVD 혹은 Sputter와 Wet Etching 장비, 태양전지 소자 증착을 위한 PECVD 장비, 후면전극증착을 위한 Sputter 장비, 패턴 형성을 위한 레이저 장비, 모듈공정을 위한 라미네이터 등으로 구성된 턴키라인의 공급이 가능하다.

이러한 턴키라인 사업은 장비업체의 태양전지 공정기술이 접목되어 있는 특성상 단일 공급 규모가 약 600~1,500억원에 이르는 대규모 장비사업으로 시장 선점에 따른 이점이 매우 크다고 볼 수 있다. 또한 태양전지 제조 공정기술이 포함된 턴키라인은 재무적 투자가 가능한 기업들의 진입을 용이하게 해 태양광시장의 확대에 기여하고 있다.

현재 대표적인 태양전지 장비업체로는 미국의 어플라이드 머티리얼즈(Applied Materials)와 스위스 올리콘(OC Oerlikon Corp. AG), 일본의 알박(ULVAC Technologies) 그리고 국내장비업체인 주성엔지니어링㈜을 들 수 있으며, 이들 기업들의 특징은 앞에서도 언급한 것처럼 턴키라인으로 비정질실리콘 박막태양전지 장비를 공급한다는 것이다. 어플라이드 머티리얼즈(AMAT)는 반도체, 디스플레이 장비업체로 기술력과 탄탄한 고객층을 기반으로 2006년 태양광 분야 진출 후 태양광 장비업체로 성장했다. 동사가 개발한 태양광 장비는 단일접합 및 이중접합 비정질실리콘 박막태양전지 제조장비로 8.5세대 유리기판을 사용한다. 어플라이드 머티리얼즈는 턴키라인에서 생산되는 비정질실리콘 박막태양전지 단가를 2010년 현재의 1.2$/Wp에서 2013년 0.7$/Wp 이하로 목표하고 있다.

올리콘 사는 특수코팅, 진공, 반도체, 태양전지 등의 첨단 장비 및 서비스 제공업체로 비정질실리콘 박막태양전지 턴키라인을 생산하고 있으며, ZnO:B 기반의 투명전도성산화물 증착장비를 포함해 공급하고 있다.

알박은 1952년 설립된 진공기술 활용 부문의 장비업체로 반도체, 태양전지 패널 제조장비를 제작 판매하고 있으며, 동사는 현지화 전략으로 사업을 확대하고 있다. 현재 20%의 국외 생산비율을 지속적으로 높일 계획으로 중국에 13개 생산기지를 구축하는 등 적극적으로 중국시장을 공략 중이며, 최근에는 인도 진출도 추진하고 있다. 국내에는 태양전지업체인 알티솔라에 연산 25MW 규모의 턴키라인을 구축했다.

주성엔지니어링은 비정질실리콘 박막태양전지 장비와 결정질 태양전지 장비를 모두 공급하는 장비업체로, 국내 최초로 비정질실리콘 박막태양전지 장비의 국산화에 성공했다. 비정질실리콘 박막태양전지 장비는 국내 한국철강에 납품해 현재 양산 중에 있으며, 투명전도성산화물 증착장비를 포함한 턴키라인 개발에 성공해 중국 ZONEPV 사에 공급한 바 있다.

비정질실리콘 박막태양전지 장비시장 규모

비정질실리콘 박막태양전지 장비산업은 주로 턴키라인 및 단독장비의 공급으로 이루어지고 있으며, 그 협력업체는 수 백여 개의 부품업체를 동반한다. 세계 태양광 장비시장 규모는 2006년 14억달러, 2008년 47억달러에서 2014년 87억달러로 2014에는 2008년 대비 85% 정도의 시장 성장이 예상된다.

2009년 세계 태양광 장비시장의 과점형태를 살펴보면, 어플라이드가 2008년에 이어 1위를 차지했으며, 2008년 2위를 차지했던 올리콘솔라는 5위를 차지했다.

태양전지 소자별 장비시장 규모를 살펴보면, 태양전지 시장의 약 82%를 차지하는 결정질 태양전지용 제조장비 시장규모는 2010년 33억달러에서 2014년 46억달러로 증가할 것으로 예측되고 있다. 태양전지 시장의 약 12%를 차지하는 박막태양전지용 제조장비 시장규모는 2010년 16억달러에서 2014년 27억달러로 증가될 것으로 예측된다.

2008년 전체 장비 중 PECVD, Sputter 등의 진공증착장비의 비중은 약 33% 정도로 16억달러 시장이 형성되었다.

고효율화를 위한 비정질실리콘 박막태양전지 장비기술개발 현황

고효율 비정질실리콘 박막태양전지 개발을 위해서 이중접합 및 삼중접합 태양전지용 장비 개발이 진행되고 있다. 1cm2 이하의 소면적 태양전지에서는 이중접합과 삼중접합을 이용해 높은 수준의 효율이 이미 보고되고 있으나, 이를 대면적 양산에 적용하기 위한 장비개발은 현재 진행 중에 있다. 턴키라인에 적용하기 위한 고효율 장비기술 개발현황을 조금 자세히 구분한다면, 세 가지 정도로 구분할 수 있다. 첫 번째는 기존의 구조인 단일접합과 이중접합 구조에서 고효율을 위한 장비개발이 있다. 구체적으로는 계면저항 및 일함수 매칭 등의 계면에서의 특성 개선, 전면적 균일도 개선, 상부와 하부 층간 밴드갭 최적화 등을 위한 장비개발 방안들이 있다. 물론 이러한 특성개선을 위해서는 소자자체 및 공정기술의 개발도 중요하지만 증착장비의 설계 및 구조 변경을 통한 개선이 보다 큰 효과를 나타낼 수 있기 때문에 장비 측면에서 접근하는 것은 매우 중요하다. 태양전지 소자의 밴드갭의 조절을 위해서도 PECVD의 압력, 전체 가스유량, 온도, 플라즈마 특성 등은 매우 중요한 인자들이며, 이들을 충분히 제어하기 위해 공정 윈도우가 넓은 장비를 개발하는 것 역시 중요하다.

이 외에도 단일접합구조 및 이중접합구조에서 사용되는 비정질실리콘의 열화율 개선, 이중접합구조 하부층의 미세결정질 최적화 등을 위한 장비개발이 진행되고 있다. 두 번째는 삼중접합구조 등 새로운 구조의 구현이 가능한 양산장비를 개발하는 것이다. 삼중접합 비정질실리콘 박막태양전지는 소면적에서는 고효율 산출이 확인된 구조로써, 양산장비 적용을 위한 검토가 진행되고 있다. 마지막으로 이중접합구조나 삼중접합구조에 적용할 수 있는 새로운 태양전지소자의 증착을 위한 장비를 개발하는 것이다. 현재 검토되고 있는 소자는 실리콘(Si)과 저머늄(Ge)의 합금이 있다. 낮은 광흡수율을 갖는 미세결정질실리콘의 경우, 충분한 광흡수를 위해서는 2μm 수준의 두께가 필요하다. 미세결정질과 유사한 밴드갭 구현이 가능하며 보다 얇은 두께로 적층이 가능한 소자 중 하나가 비정질실리콘 저머늄 합금이다. 또한 비정질실리콘 저머늄 합금은 비정질실리콘과 유사한 광흡율로 인해 공정조건에 따라 200~400nm의 두께로도 적층구조의 형성이 가능한 장점을 가지고 있다. 이러한 비정질실리콘 저머늄 합금은 기존의 PECVD에서 증착이 가능하나, 충분한 밴드갭의 확보를 위해서는 공정조건의 윈도우가 넓은 장비개발이 필요하다.

저가화를 위한 비정질실리콘 박막태양전지 장비기술개발 현황

현재 그리드 패러티의 달성을 위해 태양전지 생산단가를 1.0$/Wp 이하로 낮추기 위한 장비개발이 진행되고 있다. 생산단가를 1.0/Wp 이하로 낮추기 위한 장비개발 방향은 크게 두 부분으로 나누어진다. 첫째는 생산단가를 낮추기 위해 여러 기판을 동시에 증착할 수 있는 장비를 개발하는 것이다. 물론 현재에도 Cluster 방식과 Batch 방식 그리고 In-line 방식 등으로 여러 장의 기판을 동시에 증착할 수 있는 장비가 개발되어 있으나, 장비업체에서는 생산성을 더욱 높이기 위해서 보다 많은 수의 기판을 동시에 증착할 수 있는 핵심장비 및 공정기술 개발에 집중하고 있다. 또한, 여러 장을 동시에 증착하는 방법과 유사하게 현재 사용 중인 기판 크기- 현재 일반적인 비정질실리콘 박막태양전지용 기판은 가로 1,100mm, 세로 1,300mm 크기의 유리기판이 사용된다-의 4배에 해당되는 8.5세대 크기의 기판을 사용해 태양전지를 제작하는 장비도 개발되었다.

생산성을 높이는 또 다른 방안으로 유연기판을 이용한 롤투롤 생산방식이 있다. 롤투롤 생산의 경우, Cluster 방식이나 Batch 방식 그리고 In-line 방식에서 사용되는 로봇과 Transfer Chamber가 제외되어 보다 저렴한 장비가격의 구현이 가능하다. 또한 연속생산이 가능해 생산단가를 1.0$/Wp 이하로 낮추는 데 보다 현실적인 장비개념이다. 그러나 기존의 유리기판과 다른 열팽창 계수를 갖는 유연기판의 사용으로 인해 각 소자간의 열팽창계수의 최적화 설계와 불투명 기판의 사용으로 인한 레이저 장비의 개발 등 해결해야 할 사안들도 적지 않다.

생산단가를 낮추기 위한 두 번째 방향은 실리콘 박막의 증착속도를 높일 수 있는 새로운 증착 메커니즘을 개발하는 것이다. 비정질 및 미세결정질 박막을 효율의 저하 없이 현재보다 높은 증착율을 구현하기 위해서는 지금과는 다른 새로운 증착 메커니즘의 개발이 필요하다. 현재 가능성 검토 및 개발이 진행되고 있는 메커니즘으로는 Hollow Cathode, Hot Wire CVD, VHF(Very High Fre quency), HDP(High Density Plasma) Source 등이 있다. 새로운 메커니즘 중 VHF의 적용이 가시화되고는 있으나, 양산장비에 적용하기 위해서는 개발이 더 필요한 상황이다.

창조적이며 독창적인 공정기술 확보 위한 연구개발에 집중할 것

최근 비정질실리콘 박막태양전지 장비업체들은 턴키라인 공급 경쟁이 본격화되면서 경쟁에서 우위를 차지하기 위한 방안으로 고효율 및 저가생산이 가능한 턴키라인 개발에 전력을 기울이고 있다. 이러한 개발경쟁에서 생존해 시장을 선점하기 위해서는 장비 자체에 대한 기술개발과 더불어 최적의 태양전지 제조공정기술이 접합된 독창적인 장비개발이 필요하다. 그러므로 대중적으로 보편화된 태양전지 제조공정기술로는 경쟁력 확보가 불가능하다고 판단한 장비업체들은 창조적이며 독창적인 공정기술 확보를 위한 연구개발에 집중할 것으로 전망된다.

현재 태양전지 제조 장비의 비교지표로 널리 사용되는 것은 효율을 기반으로 한 태양전지 생산단가(CoO : Cost of Ownership)이다. 이는 태양전지가 연간 생산할 수 있는 최대 전력을 기준으로 생산을 위해 투자된 비용($/Wp)이 얼마인가에 대한 비교지표이다. 생산단가를 낮추기 위해 높은 생산성 및 공정의 최적화를 통한 고효율 확보와 더불어 장비업계에서는 원자재의 원활한 수급 및 원재료에 대한 가격경쟁력 확보를 통해 1.0 $/Wp 이하의 생산단가를 구현하기 위해 노력하고 있다. 최근 이러한 성능지표를 보다 현실적인 값으로 나타내기 위해 연간 생산한 에너지와 이를 위해 소요된 총 비용이 얼마인가를 나타내는 COE(Cost of Electricity) 혹은 LCOE (Levelized Cost of Electricity)로 적용하는 기업이 증가하고 있다. 이러한 비교지표에는 시스템의 생명 주기 동안 시스템 설치 혹은 구매를 위한 초기 비용(Known Cost)과 운영과 유지를 위한 비용(Unknown Cost)이 포함되어 있으며, 연간 생산되는 에너지를 산출하기 위해서는 태양전지의 생산능력뿐만 아니라 생산해내는 시스템의 효율성이 고려된다. 이러한 비교지표에서 우월성을 확보하기 위해서는 앞에서도 언급한 고효율을 기반으로 한 낮은 생산단가가 가능한 독창적인 장비의 개발과 더불어 장기적인 생산 시에도 안정적으로 생산이 가능한 장비의 개발이 필수이다.

지금까지 살펴본 것처럼, 향후 장비개발 방향은 고효율 저가화를 위한 장비기술 개발과 이를 위한 독창적인 공정기술의 개발 그리고 장비의 생명주기 동안 재현성 있는 안정적인 턴키라인 개발에 집중될 전망이다. 그리고 이러한 고효율 저가화 턴키라인 개발에 성공한 장비업체만이 향후 2013년~2014년 사이에 약 20억달러 이상으로 전망되는 비정질실리콘 박막태양전지 장비시장에서 선두위치를 확보할 수 있을 것으로 예상된다.

고효율 비정질실리콘 박막태양전지 개발을 위해서 이중접합 및 삼중접합 태양전지용 장비 개발이 진행되고 있다. 1cm2 이하의 소면적 태양전지에서는 이중접합과 삼중접합을 이용해 높은 수준의 효율이 이미 보고되고 있으나, 이를 대면적 양산에 적용하기 위한 장비개발은 현재 진행 중에 있다.

턴키라인에 적용하기 위한 고효율 장비기술 개발현황을 조금 자세히 구분한다면 첫 번째는 기존의 구조인 단일접합과 이중접합 구조에서 고효율을 위한 장비개발이고, 두 번째는 삼중접합구조 등 새로운 구조의 구현이 가능한 양산장비를 개발하는 것이다. 마지막으로 이중접합구조나 삼중접합구조에 적용할 수 있는 새로운 태양전지소자의 증착을 위한 장비를 개발하는 것이다.