제프 네스텔-패트(Jeff Nestel-Patt) GT솔라 마케팅 커뮤니케이션 이사

스코트 크로에거(Scott Kroeger) GT솔라 마케팅 이사

PV 비용 모델

GT솔라의 터키 그룹은 PV 제조 가치 사슬을 위한 실행 가능한 비용을 찾아내기 위해 여러 다른 설비들의 대형, 완전 통합 PV 제조 시설들에서 포괄적인 비용 모형을 만들었다. 실리콘에서부터 모듈까지 와트 당 PV 제조비용은 약 1.32달러이다. 표 1에서 제시된 바와 같이 웨이퍼는 0.43달러로 전체 제조비용 중 가장 비싼 부품이다.

웨이퍼 운영은 전체 운영에서 어느 부분이 가장 고가인지 알아보는 향후 비용 분석을 위해 그 기능별 부품들로 나누어볼 수 있다. 표 2는 잉곳 성장, 웨이퍼, 슬러리 운영이 가장 고가를 대표하는 웨이퍼링에서 세 가지의 가장 고가의 기능임을 보여준다.

표 2의 데이터에 기초하자면, PV 제조업체들은 투자에 대한 더 높은 회수율을 얻기 위해 웨이퍼 운영을 최적화하는 전략을 개발해야 한다. 이러한 목표를 달성하는 한 가지 방법은 대량 잉곳 생산을 증대하는 것이다. 대량 잉곳 생산은 양질의 웨이퍼로 가공되는 다결정 잉곳의 전체 양에 대한 측정 기준이다. 대량 잉곳 생산에 영향을 주는 많은 요인들이 있지만 본 기사의 목적상 우리는 잉곳 생산 단계 중에 발생하는 요인들에 대해서는 논의하지 않을 것이며, 그보다는 웨이퍼 운영을 비롯해 잉곳에서 생산 가능한 웨이퍼의 수를 증대하고 이를 통해 대량 잉곳 생산을 늘리는 방법을 연구해 볼 것이다.

Source : GT Solar Estimates

표 1. 전체 PV 제조 비용.  연간 생산 용량 500MW의 통합 웨이퍼, 전지, 모듈 제조업체(중국 소재)의 총 비용 예측. 비용 모형은 폴리실리콘 가격 kg 당 45달러, 전지 효율 16.2%, 200마이크론 156×156웨이퍼를 예상한다.

Source : GT Solar Estimates

표 2. 웨이퍼 공장 비용.  전체 웨이퍼 운영의 비용 구조 예상액을 나타낸다.

브릭 수확 방법 재고

잉곳에서 보다 많은 웨이퍼를 얻는 한 가지 방법은 웨이퍼로 자르기 전에 브릭이 수확되는 방법을 바꾸는 것이다. 다양한 업체들에서 우리가 수집한 웨이퍼 생산 데이터를 통해 알 수 있는 것은 전통적인 수확 방법은 분실되거나 재활용되는 폐품에 웨이퍼 생산 가능한 양질의 재료를 보낸다는 것이다. 제조업체들은 일반적으로 상부와 하부의 브릭 부분을 제거하기 위해 두 개의 수확 조각을 만든다. 이러한 절단 조각은 일반적으로 양질의 웨이퍼 생산이 가능한 실리콘으로 절단되는 표준 위치에 놓여진다. 여기에서는 두 가지의 문제가 발생한다. 즉, 양질의 재료가 폐기되기 때문에 효율적인 재활용이 불가능하다는 것, 그리고 수확물이 다르게 웨이퍼 생산 가능한 재료로 만들어지기 때문에 또 다른 양질의 재료가 잘린 자국으로 분실된다는 것이 바로 두 가지의 문제이다.

어디에서 윗면의 수확과 아랫부분의 수확이 만들어져야 하는지에 대한 결정은 일반적으로 브릭 레벨 수명 테스트에 따른다. 브릭 레벨 수명 테스트에 있어서 문제는 분석이 브릭의 단면을 스캔함으로써 이루어지고, 이는 실제적으로 웨이퍼의 최종 표면에 수직이 된다는 것에 있다(그림 1).

수명 테스트의 목표가 저 수명 재료를 제거하고 전지로 전환 가능한 재료의 양을 최대치로 높이는 것이라면 웨이퍼 레벨 수명 테스트는 브릭에서 수확 절단을 어디에서 할 지 결정하는 보다 정확한 지표가 될 수 있다.

Source: GT Solar

그림 1. 브릭 레벨 수명 테스트 데이터에 기초한 일반적인 상부와 하부 수확 위치. 브릭 레벨 스캔은 최종 웨이퍼의 표면에 수직이 되는 브릭 면의 35μm 깊이의 스캔에서 얻어진다.

Source: GT Solar WAFFAB Wafer Data-Spain

그림 2. 수확 절단. 이 그래프는 브릭 상부에서 하부로 가공되는 단일한 브릭의 웨이퍼 레벨 수명 테스트 결과를 나타낸다. 상부와 하부 수확 표시는 브릭 수명 테스트에 기초한 전통적인 브릭 수확 방법에 기초한다. 이 방법은 ‘나쁜 질의 웨이퍼’가 전지로 가공되는 것을 막는 방법이다.

대량 잉곳 생산의 최적화

대량 잉곳 생산의 증대는 웨이퍼 운영에서 이전에 숨어 있던 추가적인 수익을 발견하는 것과 같다. 왜냐하면 이는 최종 결산 결과와 직접적으로 관련되어 있기 때문이다. 해당 잉곳에서 생산되는 웨이퍼가 많으면 많을수록 그만큼 수익도 높아지기 때문이다. 대량 잉곳 생산 최적화의 목표는 절단면의 손실 정도로 양질의 재료의 양을 줄이고, 재활용되는 양질의 재료의 양을 최소화함으로써 브릭 당 보다 많은 웨이퍼를 생산하는 것이다. 이로써 공장의 전반적인 생산량이 증대되고 소유 비용이 줄어들고 후속적인 전지 생산 과정에 영향을 받지 않을 것이다. 웨이퍼 운영에 웨이퍼 레벨 테스트 방법을 도입함으로써 일반적인 생산 공급 원료에서 70% 이상의 대량 잉곳 생산이 손쉽게 가능하다.

전통적인 브릭 수확 방법에서 나온 웨이퍼 수명 테스트 결과는 그림 2의 그래프로 제시되어 있다. 전통적인 수확 절단(두 개의 적색 수직선으로 표시됨)은 ‘나쁜 질’의 웨이퍼가 전지로 가공되는 것을 방지하여 두 개의 세로 선 밖에 떨어지는 웨이퍼가 재활용되도록 하려는 의도이다.

붉은 색의 가로 선은 낮은 웨이퍼 수명 테스트 결과로 인해 웨이퍼가 재활용되어야 할 한계점을 나타낸다. 그림 2에서 분명하게 나타내고 있는 것은 ‘나쁜 질’의 웨이퍼가 전지 선에 들어오는 것을 막기 위해 제조업체들은 그렇지 않으면 웨이퍼로 사용 가능한 재료를 절단면으로 잃고 있고, 따라서 대량 잉곳 생산 최적화가 불가능하다는 것이다.

이를 시각적으로 나타내는 또 다른 방법은 그림 3에서 볼 수 있다. 그림 3은 웨이퍼 운영에서 일반적으로 발견되는 두 개의 전통적인 브릭 수확 방법을 나타낸다. 표본 1로 이름을 붙인 왼쪽의 브릭은 아래쪽의 대규모 수확 구역을 제시하고 위쪽에는 두 개의 수확 구역이 있다. 이러한 방법을 통해 폐기되는 재료를 줄일 수 있지만 그렇지 않으면 양질의 웨이퍼 재료로 쓰일 것들을 재활용으로 보내기 때문에 문제가 있다. 표본 2라고 이름 붙인 브릭은 약간 더 많은 웨이퍼가 생산 가능한 재료가 되지만 양질의 재료에 더 많은 폐품을 만든다. 그러나 두 경우 모두 양질의 재료가 폐기되거나 재사용되고 이로써 대량 잉곳 생산량은 줄어들게 된다.

Source : GT Solar

그림 3. 웨이퍼 생산 과정에서 일반적으로 볼 수 있는 전통적인 브릭 수확 방법.  이러한 방법 모두 양질의 웨이퍼로 사용 가능한 재료를 폐기하거나 재사용함으로써 대량 잉곳 생산량을 줄인다.

Source : GT Solar

그림 4. 웨이퍼가 되는 재료.  오른쪽에서 제시된 최적화된 브릭 수확 부분은 2.5%까지 대량 잉곳 생산량을 늘릴 것이며, 이로써 브릭 당 3.5%씩 혹은 약 18개의 웨이퍼 수로 생산되는 웨이퍼의 수를 늘린다.

브릭 수확을 위한 최선의 방법

웨이퍼로 만들 수 있는 재료의 양을 늘리기 위해서 웨이퍼 제조업체들은 브릭 수확에 대해 각자 다른 여러 가지 방법들을 취해야 한다. 다양한 생산 운영방식에서 얻어진 웨이퍼 수명 테스트 데이터를 연구함으로써 운영자들은 폐품과 재사용되는 재료를 최소화하면서도 가능한 한 많은 양질의 재료를 유지하는 최선의 방법을 파악할 수 있다. 그림 4는 어떻게 하면 제조업체가 각 브릭 당 18개의 웨이퍼 정도의 수준으로 혹은 2.5%씩 대량 잉곳 생산을 증가시킬 수 있는지를 보여주고 있다. 우리가 이를 추가적인 이윤으로 환산할 때 알게 될 것이지만 이는 결코 사소한 증가가 아니다. 

그림 4의 오른 쪽에 최적화된 브릭은 표본 1의 예처럼 브릭의 상부에서 동일한 양의 폐기물을 만들어내지만 최적의 절단 장소를 결정하기 위한 웨이퍼 수명 테스트 데이터를 사용함으로써 재사용되는 재료의 양을 현저하게 줄인다. 브릭의 하부에서 웨이퍼 수명 테스트 데이터를 면밀히 분석해 보면 제조업체는 좋은 웨이퍼 가능 재료가 재사용, 재료가 되는 것을 막아 수확을 만드는 최적의 장소를 알아낼 수 있다. 우리의 최적화된 예에서 추가적인 수확 때문에 추가적인 절단 손실로 인해 웨이퍼 생산 과정에 보내지는 양질의 재료의 양은 다른 두 개의 예에서보다 훨씬 더 많다.

Source : GT Solar

표 3. 폐품 재사용. 표 3은 본 기사에서 기술된 최적화된 수확 방법과 전통적인 수확 방법 간의 재료 사용을 비교한다. 비교는 현재의 대량 웨이퍼 생산 업체에서 발견되는 생산량 수치와 일반적인 비용의 근사치를 계산한 기본적인 사례 시나리오에서 이루어진다.

수익과 이윤에 대한 영향

표 3은 가장 기본적인 사례 예상 시나리오와 앞서 설명한 최적화된 브릭 수확 방법 간의 대량 잉곳 산출량 향상에서 차이를 수량화해 보여주고 있다. 기본 사례는 420kg 잉곳을 기준으로 하고 있고, 200마이크론 두께에서 2,250만개 웨이퍼의 연간 생산 용량이며, 폴리실리콘 가격은 킬로그램당 미화 45달러이다. 재료 이용은 기본 사례에서 와트당 6.7g에서 최적화된 사례에서 와트당 6.5g으로 개선된다. 재료의 kg당 웨이퍼는 kg 당 37.3개의 웨이퍼에서 kg당 38.3개의 웨이퍼로 개선된다. 기본 사례 예상 시나리오에 기초하자면 개선된 재료 사용은 연간 약 100만개의 웨이퍼 추가 생산으로, 혹은 수익률 3.4% 신장으로 계산된다.

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

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