피터 와이어(Peter Weier) 아놀드 그룹 실리콘가공 자동화 사업부문 이사

석영유리 및 유리광섬유 산업에서 20년간의 국제적 프로젝트 수행 경험을 갖고 있는 필자는 1995년 태양광 분야에 주요 포커스를 맞추기 시작했으며, 유리, 석영유리, 실리콘 가공용 기계의 개념·개발·판매에도 상당한 수준으로 관여해 왔다.

짧은 간격으로 진행되는 정기적인 웨이퍼 생산에 있어 국제 경쟁력을 갖추기 위한 최소한의 조건은 높은 가공 안전성과 신뢰성이다. 그 중에서도 실리콘 가격은 웨이퍼 생산에 특별하면서도 가장 중요한 요소로 꼽혀왔다. 그러나 최근 몇 년 사이 이러한 상황은 변화해 생산 장비 구매 비용과 가동 비용이 최종 결정을 내리는 데 핵심 요소가 되고 있다. 사후관리의 체계, 낮은 소비 비용과 탄력성 있는 통합과 자동화가 주목받는 이유 역시 이와 같은 맥락이다. 실리콘 브릭 생산을 위한 가공과 자동화 기술에서의 혁신적인 솔루션에 대한 수요는 아주 높은 편이고 얇은 날 절단 기술도 이 기술에 속한다.

PV 기술의 변화

세계 PV 시장은 엄청난 수준으로 발전해, 현재 태양광 전력 용량은 30GW급 수준을 능가하고 있다. 지속성 연구에서 새로운 차원으로 진입하고 있는 태양광 기업 뱅크사라신(스위스 바젤에 위치)은 태양광 산업 관련 전문 보고서 발표로 유명한데, 이 회사에 따르면 태양광 산업은 2015년까지 연평균 33%까지 성장할 것이라고 예측했다. 더불어 올해에만 총 13.8GW급 수준을 달성하면서 시장에서 여러 새로운 시스템들이 설치될 것으로 내다봤다(1). 이는 놀랄 만한 수준의 낙관적 전망이라 할 수 있다.

2009년 독일은 세계 최대 태양광 시장으로 부상했으며, 이후 미국, 중국, 인도 등의 시장이 그 뒤를 맹렬히 추격하고 있다. 그 중 중국은 대체에너지에 대규모 투자를 계획하고 있다. 2020년까지 중국 정부는 총 16%까지 대체 에너지 비중을 확대하기로 결정했다. 이렇듯 태양광 웨이퍼, 태양전지, 모듈을 제조하는 개별적인 아시아 제조업체들이 계획하고 있는 용량은 기가와트 급 수준으로, 이는 새로운 생산 공장의 건설을 통해 가능하다. 새로운 기계와 전지에 대한 천문학적 규모의 투자 또한 전 세계적으로 계획 중에 있다. 그리드 패리티(화석연료 발전단가와 신재생에너지 발전단가가 같아지는 시기)를 위해서는 공정 최적화 생산으로의 변화가 절실히 요구되고 있다.

절단 손실이 가장 중요한 요인은 아니다

이제 시대가 변했고 킬로그램 당 500달러의 실리콘 가격이 더 이상 표준가격이 아니다. 현재 이 소재는 현물시장에서는 킬로그램 당 약 50달러의 가격으로 구입할 수 있다. 때문에 이제 생산 업체들은 기계 구매에 대한 결정과 투자에 있어 원자재 가격에 의존하기보다는 더 중요한 요소에 의해 결정하는데, 그것은 바로 공정 최적화다.

시장에서는 실리콘 브릭 공정에 있어서 아주 다양한 공정들이 제공되고 사용되고 있다. 외경(Outer Diameter, O.D.) 밴드 와이어 절단과 내경(Inner Diameter, I.D.) 절단 공정까지 절단 기술의 종류는 아주 다양하며, 현재는 얇은 날 절단 기술까지 선보이고 있다. 향후 어떤 기계를 적용할지 결정하기 전에 이미 널리 알려진 실리콘 브릭 생산 공정뿐 아니라 새로운 생산 방법도 고려하고 서로 비교해 보는 것이 좋을 것이다.

모래를 이용해 웨이퍼 만들기

산업용 PV 생산 초기부터 현재까지 웨이퍼 생산 기술에서 핵심 공정은 크게 변한 것이 없다. 그러나 모래라는 원료에서 완제품 웨이퍼를 얻는 데는 다양한 공정 단계가 존재한다. 각각의 공정 기술과 사용된 실리콘마다 각 단계는 매우 다르게 나타날 수 있다.

가장 효율적인 공정은 코크랄스키 방법(2)인데, 이는 나중에 가공되는 실린더 형태의 단결정 원료 실리콘 잉곳을 얻는 방법이다. 첫 번째 단계는 말단 부분(머리와 꼬리부분)을 절단하고 그 다음에는 소재와 품질 관리를 위한 테스트 웨이퍼를 약 1~2mm의 두께로 추가 절단한다. 이 공정을 크로핑이라고 한다. 이후 원료 잉곳은 향후의 취급과 가공을 위해 200mm에서 1,000mm 단위로 절단한다.

그러나 다결정 실리콘은 현재(길이×폭×깊이 순서로 밀리미터 단위) 878×878×480(G5)으로 적용되는 사이즈로 사각형 도가니에 녹이고, 이후 1,050×1,010×550(G6)으로 사용되는 규모로 녹인다. 결정화 공정 다음에는 원료 실리콘 브릭, 소위 잉곳은 표준 웨이퍼 사이즈(125×125mm 또는 156×156mm)로 밴드나 와이어 위에서 사각형 모양의 브릭으로 절단된다. 이 공정 다음에 측면을 갈아 연마하고 다음 공정 단계에서는 말단 부위는 직각이 아니라 약간 경사지게 모서리를 깎는다. 위에서 언급한 절단 공정으로 인해 야기되는 표면 손상으로 복잡한 표면 및 말단 공정 단계에 의해 상당히 줄어들게 된다. 이것의 목적은 각각의 개별적인 브릭의 최대 생산량을 얻는 것이다.

물리적인 품질을 확인하고 잠재 불순물의 위치를 파악하기 위해서 각 브릭에 적외선 투과 검사를 실시할 뿐만 아니라 저항성과 수명 측정이 이루어진다. 이러한 측정 다음에는 크로핑 혹은 상단과 하단의 말단 절단이 이루어진다. 이것은 상단과 하단 부분을 절단하는 것으로 브릭의 실리콘 소재에서 탄화규소 포함 부분을 절단하는 것이다. 이 말단 부위는 웨이퍼 가공에 사용될 수 없다. 왜냐하면 전도성이 현격히 줄어들었기 때문이다. 웨이퍼(슬라이스 절단) 공정 중 와이어의 균열을 피하기 위해 브릭의 중앙 부분에 포함된 것 또한 이 복잡한 기술로 절단한다.

PV 최종 제품의 품질을 결정하는 가장 중요한 요인은 웨이퍼이다. 그리고 효과적인 생산 공정을 위해서 웨이퍼는 높은 공정 안전성을 가진 원료 실리콘 잉곳에서 최적화된 방식으로 생산이 이루어진다.

전통과 미래의 공존

O.D. 톱은 가장 오래된 절단 방법 중 하나이다. 다이아몬드 절단 디스크와 함께 이 절단 톱은 수십 년 동안 콘크리트, 유리, 세라믹, 돌, 금속의 절단 공정에서 산업용으로 사용되었다. 이 절단 공정은 단순하면서도 튼튼한 방식으로 특별한 장점을 지니고 있고 최고의 공정 안전성을 제공한다. 절단 날은 일반적으로 3.5mm의 두께인데, 이것은 고정시키는 플랜지(테두리)로 절단하는 축에 개별적으로 고정된다. 절단 과정 중 모션은 절단 날을 통해 직접적으로 혹은 작동하는 절단 테이블의 도움으로 이루어진다. 특히 PV 부문에서 이 작업 부위는 단순한 프리즘 받침대에 위치하며 이로써 이가 빠진 흔적 없이 팽팽한 장력을 받지 않고도 작동이 가능해진다. 

독일의 아놀드 그룹은 불안정한 소재의 이 가공 기술 선구자에 속한다. 웨이퍼 제조용 최초 생산 시설이 마련되었던 1980년대 초반에 이 회사는 실리콘 제조 고객사들의 특별한 요청에 의해 변화, 발전된 절단기를 제공했다. 이 절단기는 부하, 하역을 목적으로 한 자동화 로봇 작업 단계로, 이후 아놀드 그룹에는 최초의 절단 센터가 공급되기도 했다.

그러나 당시에는 실리콘 가격이 고가였기 때문에 절단 디스크에서 야기되는 절단면 손실이 컸던 이 방법은 자연히 생산 비용을 높였다. 이 O.D. 톱은 널리 사용되면서도 거의 사후 서비스가 필요 없었던 반면 점차 산업현장에서 잊혀졌다. 이후 O.D. 톱은 8배 정도로 소비가 줄면서 다른 고가의 기술들로 대체되었다.

정확한 절단

스위스 회사인 메예르부르게르는 이미 1970년대에 반도체 산업에서 웨이퍼 절단용으로 I.D. 절단 톱을 개발했다. PV 제조업체들은 O.D. 톱 이후 고가의 불안정한 소재용으로 이 절단 공정을 채택했다.

이 톱의 매우 두드러진 특징은 0.5mm 이하의 매우 작은 절단 폭으로 극히 정확한 절단이 가능하다는 점이다. 반면 특수 회전 톱 기법과 유사한 이 공정은 매우 복잡한 과정으로 이루어진다. 156×56mm의 잉곳 형태인 경우 한 번의 절단에는 7분이 소요된다. 평균 1,000번의 절단 후에는 절단 날을 수동으로 교체해야 한다. 매우 노련한 작업자가 다루는 경우에도 적응시간을 포함해 설치와 처리에는 수 시간이 소요된다.

신규 절단 날을 설치하는 비용은 최소 500유로에 달한다. 생산 정지 혹은 가동 중단 역시 결코 과소평가해서는 안 된다. 왜냐하면 이러한 생산 정지 혹은 가동 중단이 때로는 주 단위로 전개되는 정기적인 공구 교체 때문에 발생하기 때문이다. 매우 정확한 이 공정은 높은 투자비용과 공구설치, 서비스 비용을 동반한다. 기계의 이용 가능성은 70%까지 떨어지는데, 이유는 절단 디스크 교체를 위해 필요한 이러한 가동 중단이 아주 빈번하게 발생하기 때문이다.

수평 절단과 수직 절단

수많은 제조사들이 실리콘 절단용 띠톱(일명 밴드 톱)을 공급하고 있다. 이 전통적인 기법은 목재 가공에 그 뿌리를 두고 있다. 크로핑용 띠톱 제작으로 매우 유명한 제조업체는 독일 회사이다. 그 중 아놀드 그룹은 특수 재질용 수평 기계 절단을 전문으로 한다. 이 회사는 실리콘 절단에 특히 적합한 수평 솔루션을 공급하고 있다.

톱의 띠 부분은 특별히 봉합되어 매우 공격적이고 거친 물-실리콘 혼합물로부터 보호받는다. 또한 실리콘 절단을 위해 다이아몬드 층으로 된 절단 날이 장착되어 있으며, 이 절단 날은 전류를 발생시킨다.

최적화 된 공정에서 띠톱은 다른 방법들과 비교를 불허한다. 그러나 띠 노후화가 빨리 진행되기 때문에 정기적으로 교체해 주어야 하는 점은 치명적인 단점으로 지적된다. 이제까지의 경험상으로 보면 절단 날의 수명은 20m2이고, 이 말의 의미는 약 859번의 절단 후에는 이 공구를 교체해야 한다는 의미이다. 날의 교체와 가동 재시작은 비교적 단시간에 이루어지고 톱 띠의 비용 때문에 가동비용이 상당 수준으로 증가한다.

추가적인 수동 작업

2007~2008년간 와이어 크로핑 톱은 I.D. 톱에 대해 실질적인 대체제로 시장에 출시되었다. 이 기술을 선도하는 기업은 스위스 회사인 HCT로, 이 회사는 몇 년 전에 어플라이드 머티리얼즈 USA에 의해 통합되었다. 실리콘 절단은 소위 폴리에틸렌글리콜과 탄화규소의 혼합물인 소위 슬러리를 통해 이루어진다. 절단 말단 부위에 슬러리가 부착되면서 절단이 이루어지는 구조이다.

첫 번째 단계에서는 35개까지의 브릭이 톱의 와이어 부분 아래에 위치한다. 이후 브릭의 모든 상단과 하단이 절단된다. 이 말은 70개의 절단이 동시에 이루어진다는 의미이다. 이는 와이어 톱 기법의 공정 시간이 O.D. 기법에 필요한 공정 시간에 비해 반 정도밖에 걸리지 않는다는 의미이다.

그러나 추가 작업을 위해서는 엄청난 수작업과 비용이 소요된다. 원칙적으로 이 공정은 기계에 고정된 와이어 부분 때문에 극도로 유연성이 결여되어 있다. 이로 인해 불필요한 실리콘 낭비가 초래된다. 수동 조립 설치 시간과 절단 테이블의 청소 단계에서 상당한 시간이 소요된다. 와이어 고장이 일어나는 경우 톱의 전체 와이어 부분은 완전히 새로 감아야 하고 이로 인해 시간 집약적인 기계의 가동 정지가 발생하며 생산 중단 시간이 길어져 대규모의 비용 낭비가 초래된다. 모든 사실을 고려하자면 절단 와이어와 슬러리에 대한 높은 부대비용을 포함한 포괄적인 추가 작업도 모두 계산에 포함해야 한다.

최근에 슬러리 없이 다이아몬드 커버의 와이어만으로 와이어 절단 공정을 가능하게 하기위해 많은 시도가 있어왔다. 최초의 유용한 실험 결과에 의하면 슬러리 절단 공정에 비해 절단 속도가 상당히 증가했다. 그러나 슬러리를 사용하지 않고 진행된 절단 공정 이후의 웨이퍼 품질은 이전의 기법에 비해 경우마다 상당히 다르게 나타난다. 슬러리를 사용하지 않거나 사용하는 방법 모두 아직은 매우 탄력성이 부족하다. 또한 다이아몬드 와이어 비용도 만만치 않다. 자동화와 이미 자동화된 생산에서의 통합은 지나치게 높은 물류비용을 감당할 의지가 있을 때에만 가능하다.

경제성, 정확성, 견고성

얇은 날 절단 기법에서 새로운 제품 세대의 출현으로 가장 오래된 절단 방법인 O.D. 절단 기법은 브릭 공정을 위해 재발견되고 있다고 해도 과언이 아니다. 아놀드 그룹이 적용하고 있는 이 전통적이면서도 새로운 기법은 다결정 실리콘 크로핑에 사용되고 단결정 브릭 공정에서 크로핑과 사각모양 제작에도 사용된다. 수동, 반자동, 완전 자동 작업 공정이 모두 가능하다.

그러나 이미 널리 알려져 있고 많이 사용되는 회전 톱날 기법에 기초해 절단 디스크(그림 2)를 위해 새롭게 설계된 연마 시스템이 있는 얇은 날 절단 기법은 비용 절감적인 브릭 생산이 가능한 것을 포함해 중요한 장점이 많다. 애프터서비스 비용과 보수비용은 매우 낮은 편이며 공정 안전성과 기계 활용성은 매우 높은 편으로 별도의 인력이 거의 필요 없고 최소한의 인원으로 가동이 가능하다는 장점이 있다. 소모비용 감소, 에너지에 필요한 비용 감소, 압축 공기와 무엇보다 극히 낮은 공구설치 비용 덕분에 다른 절단 기법들에 비해 80%까지 많은 비용 감소가 가능하다.

O.D. 톱에 설치된 3.5mm의 절단 날 두께로도 문제없이 절단이 되는 이 새로운 얇은 날 절단 기술은 극도로 얇은 절단 날 두께인 1.5mm로도 절단이 가능하다. 이 말의 의미는 최대 1.7mm라는 최대 절단 폭이 가능하다는 의미이다(사진 3). 이 얇은 절단 날을 사용하면 절단 손실은 50%까지 줄어든다. 절단 손실이 줄어듦으로써 현재 상당히 저렴한 가격인 컷 당 2.50유로 정도가 가능하게 된 것이다. 기존의 전통적인 방식인 O.D. 절단 톱은 4mm까지의 날 두께로 작업하는데, 4.2mm까지 절단 손실이 있는 경우 절감 효과는 얇은 날 절단 톱에서 얻어진 결과물에 훨씬 더 긍정적인 영향을 미친다. I.D. 톱에 비해서는 실리콘 절단 손실이 2.6배 더 높지만, 156×156mm(일반 형식)의 톱날 표면으로 계산하면 다른 절단 기법들에 비해 훨씬 더 높은 비용 절감 효과를 얻을 수 있다.

기술적인 세부내용을 살펴보면 이 절단 기법의 우수성을 분명하게 확인할 수 있을 것이다. 핵심 부위는 약 1.2mm의 특수 장력 제거 강철로 제작된 절단 디스크이다(그림 1). 금속 경계면 다이아몬드 부위는 강철 핵심의 말단위에 납땜이 된다. 정수 역학적 액체 퇴적물은 초기 절단의 정확한 보호를 담당하며 진동과 흔들림을 피할 수 있다. 이 액체 퇴적물은 절단 디스크의 수평 이동과 함께 아래쪽으로 움직이며, 0.1도 이하의 최대 허용 오차로 극히 정확한 절단을 가능케 한다. 절단 디스크 층의 높이는 6.5mm이며 약 1만~1만5,000컷으로 계산된다. 절단 날의 교체에는 최대 반시간이 소요된다. 지속적으로 가동되는 경우, 표준 웨이퍼 형식 156×156mm에는 더 작은 규모인 0.2mm, 0.3mm로 산업에서 요구되는 가장 강력한 내성이 가능할 것이다. 

완전 자동 공정 절차

다결정 실리콘 절단 분야에서 얇은 날 절단 기법은 국제 시장에서 이미 널리 사용되고 있는 기법이다. 단결정 실리콘의 크로핑과 사각모양 형성을 위한 얇은 날 절단 기법에 사용되는 최신 기계들은 완전 자동 기능에도 확대 적용할 수 있고 다양한 비용 절감효과를 제공한다. 단결정 잉곳의 크로핑을 위한 새로운 얇은 날 절단 기법은 2,500mm의 최대 튜브 길이까지 둥근형(150~210mm 직경) 잉곳 혹은 사각형(최대 160×160mm) 잉곳의 공정을 가능하게 한다. 또한 155~220mm의 직경 범위까지 성장한 각각의 기계 실리콘 브릭 잉곳까지 가공이 가능하다. 여기에서는 단일 절단 공정 안에서 혹은 일괄 절단 공정 하에서 2,500mm의 길이까지 몇 개의 잉곳 단위나 개별적인 단위 가공이 가능하다.

단일 절단 공정 혹은 일괄 절단 공정

전 세계적으로 많은 지역에서 단결정 잉곳의 사각 절단은 개별적인 잉곳 조각들로 절단된다. 그러나 단일 절단(SCP) 공정은 얇은 날 절단 톱을 장착한 새로운 세대의 기계로 인해 전통적인 공정 방식인 일괄 절단(BCP) 공정이 다시 시장에 도입되고 있다. 10년 전에 이 공정은 두꺼운 절단 디스크로 처리되었고 현재는 다시 한 번 매력을 발산하고 있다. 이 BCP 공정은 차례로 다섯 개의 잉곳 조각까지 놓을 수 있으며 하나의 작업 과정 속에서 가공된다. BCP 공정은 시간 절약 면에서뿐만 아니라 경제적인 수익성 면에서도 우수성을 보장해 높은 수준의 처리량이 가능하다. 생산 비용은 기존의 공정들에 비해 약 30%가 절감된다. 병렬로 작업하는 두 개의 절단 디스크가 장착된 이 기계의 처리량이 월등히 높기 때문에 투자비용, 무엇보다 모든 소비 비용과 공구설치 비용이 상당 수준으로 절감된다.

한 예로서 BCP 공정에서 다섯 개의 작업 조각이 가능한데, 이 말은 ‘절단 디스크 반지름 추가+절단 범위+다섯 개의 작업 조각 길이+오버플로=3,246mm’라고 했을 때, 얇은 날 절단 디스크의 반지름(직경 700mm의 경우)=350mm, 절단 범위=10mm, 각 작업 조각은 500mm로 다섯 개의 작업 조각 길이는 총 2,500mm, 94mm의 고정 시스템에 대한 각 중간 거리=376mm, 10mm의 오버플로를 의미한다.

반면 SCP에서 총 움직임은 ‘절단 디스크 반지름+절단 범위+한 개의 작업 조각 길이+870mm의 오버플로’로 계산된다. 동일한 기준량이 분 당 25mm로 사용되는 경우 SCP는 부분 길이 당 56분의 BCP 공정과 비교했을 때 부분 길이 당 80분의 평균 공정 시간이 걸릴 것이다. 제조사는 부분 당 24분의 BCP 공정 평균 시간으로 계산한다.

다섯 개의 작업 조각의 예를 고려한다면 어떤 이동 축소 효과와 시간 절약 효과를 얻을 수 있는지 계산이 가능하다. 이 새로운 공정을 이용해 높은 처리량을 얻을 수 있는 것이다. 더 나아가, 이 예는 비용 절감 효과가 아주 높다는 것을 입증하고 있다.

제어가 없이는 효율성도 없다

비용 효율적인 생산은 실시간으로 소프트웨어 제어 공정이 없이는 더 이상 실현되기 어렵다. 아놀드 그룹은 지능형 소프트웨어 툴 아르파트(그림 4)를 개발해 현재 전 세계에 공급하고 있다. 이 소프트웨어는 얇은 날 절단 기법으로 조율, 소비, 용량 데이터의 수집, 분석, 저장, 시각화가 가능하다. 모든 변수들은 터치스크린 PC를 통해 확인 가능하고 언제든 변경이 가능하다. 몇 가지 공정의 수집 데이터는 서로 비교해 볼 수 있다. 프로토콜은 고출력이 가능하고 등급 제조 실리 시스템(MES)으로 전송이 가능하다.

시장에서 현재 이용 가능한 다른 공정들에 비해 얇은 날 절단 기법은 이미 경쟁력이 있고 혁신적이며 대안적인 기법으로 인정받고 있다. 다결정 실리콘의 크로핑 용이든 단결정 실리콘의 크로핑과 사각형 모양 제작용이든 모든 기계(절단기)는 높은 수준의 자동화 공정으로 대량 생산 시장을 목표로 제작되고 있다.

물론 이러한 기계는 또한 중소 규모의 생산 용량을 가진 업체들에게도 매우 적합한 해결책이 되고 있다. 얇은 날 절단 기계는 언제든 나중에도 그 어느 때든 자동화 생산 시설에 통합이 가능하다. 예를 들면 로봇이 브릭의 이동을 담당하고 기계 내에서 최적의 위치 배정을 실현하는 생산 시설에서도 얇은 날 절단 기계는 자동화 생산시설에 언제든 통합이 가능한 것이다.

이 기술은 이해하기가 쉬워서 가동담당자는 많은 교육이 필요하지 않고 심지어 추가 교육도 필요 없다. 기가와트급 생산라인까지 급속도로 생산이 늘어나는 것을 감안하면 실리콘 공정의 새로운 방식이 요구된다. 얇은 날 절단 기술은 변화된 시장 환경에도 불구하고 시장에서 이미 안정적인 위치를 확보한 상태다.

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