허윤성 (주)디엠에스 에너지사업부문 이사

1. 서론
전 세계적으로 붐을 일으키고 있는 신재생에너지 열기는 해가 갈수록 높아지고 있다. 물론 최근 들어 미국발 세계 경제위기와 정부의 발전차액지원제도의 영향 탓에 조금은 주춤한 면이 있긴 하지만 신재생에너지에 대한 시대적인 요구는 여전히 증가세를 유지할 것으로 전망하고 있다. 
우리나라가 세계 최고의 반도체와 디스플레이 강국임에는 의심할 나위가 없다. 하지만 이들 분야에서 소요되는 연구 및 제조 장비 대부분은 해외에 의존하고 19% 정도의 국산화율로 인해 실질적 순이익 측면에서 보면 세계 10위권 밖의 저조한 실적을 가지고 있는 것은 이미 잘 알려져 있는 내용이다(출처 KSIA 2007). 태양전지 분야에서도 이러한 양상이 일부 나타나고 있는 상태이며, 이에 대해 범정부적인 측면에서 장비 국산화 개발과제를 수행하는 등의 대응책을 이미 마련해 나가고 있다. 지난 10년 동안의 태양전지 시장의 구성을 살펴보면 결정질 실리콘 태양전지가 전체 시장의 85% 정도를 차지하고 있으며, 비정질 실리콘, 화합물 등의 2세대라 칭하는 박막형 태양전지가 나머지를 차지하고 있다. 이러한 추세는 당분간 지속될 것으로 추정되기 때문에 장비 산업적인 측면에서도 이와 유사한 양상으로 시장이 전개될 것으로 전망하고 있다.
3세대 태양전지 연구는 학교, 연구소를 중심으로 활발하게 연구가 이뤄지고 있기 때문에 이로 인한 선진국과의 기술격차는 크지 않으나, 장비는 해외기업이 상당부분 독점하고 있는 실정이다.

2. 태양전지 제조 장비 시장동향
지난 10년동안 태양광 시장은 매년 40%에 육박하는 급성장을 거듭해 왔으며, 이에 따른 생산 설비도 비약한 발전을 거듭해 왔다. 표 1은 각종 컨퍼런스에서 발표되는 자료를 토대로 작성한 태양전지 장비산업의 세계 시장 규모를 나타낸 것이다. 표에서 볼 수 있듯이 장비 시장도 연간 23.5%의 지속적인 성장을 나타내고 있다.

세계적인 태양광 장비 시장의 점유 형태는 표 2에서 볼 수 있듯이 일부 국가가 거의 독점하고 있는 것으로 나타나고 있다. 2008년 12월 기준, 세계 10대 태양광 셀 제조용 장비 업체 중 6개사가 독일 업체이며, 세계 10대 업체의 매출액이 설치하고 있기 때문에 시장 점유율이 1%, 국산화율이 10% 수준으로 매우 열악한 상태이며, 선진 외국에 비해 커다란 열세를 면치 못하고 있다. 따라서 장비의 높은 외산 의존율은 국가 경쟁력을 갖추는데 한계로 작용할 수 있기 때문에 이에 대한 적극적인 대안이 필요한 상태임을 알 수 있다.
2006년도에는 중국과 인도의 경우 태양광 시장점유율이 20%에서 35%로 급성장하였고, 이러한 여파에 힘입어 이들 나라는 글로벌 생산기지로서 부상하고 있으며, 이로 인해 향후에도 관련 장비의 저가 또는 중저가 장비 산업에 많은 진출이 예상되고 있다.
   선진국들은 제품과 장비 업체간 협력적 선순환 구조와 전(全)공정 장비 라인업을 구축하여 수요기업에 맞춤형 전용장비를 패키지로 공급하고 있는 추세이며, 특히 이들 장비 수요기업들은 양산라인 생산 장비를 턴키로 공급할 것을 요구하고 있다. 따라서 이들 장비산업의 선진업체들은 공정 최적화와 납기를 강점으로 제시하고 있으며, 양산장비의 턴키 공급을 요구하는 수요업체 요구에 적극적으로 대응하고 있다.

3. 태양전지 제조 장비 사업 분야
표 4는 태양광 산업과 장비 산업의 국내 시장 규모를 나타낸 것이다. 표에서 볼 수 있듯이 태양광 산업과 이로 인한 장비 산업이 연간 35~40% 씩 점차 증가하는 양상을 나타내고 있다. 국내 녹색산업 제조설비 시장규모는 2008년 기준 2억불로 세계 시장의 약 6.9%를 차지하는 것으로 추정하고 있으며, 이중 태양광 장비의 시장은 2030년에 10조원 규모로 커질 것으로 예상하고 있다. 이에 대해 우리 정부에서도 2008년부터 태양광분야 장비기술 개발에 대한 지원을 시작하였다. 

표 5는 태양전지 분야와 이에 따른 전지 제조용 주요 공정장비를 보여주고 있다. 표에서 볼 수 있듯이 태양전지 제조 공정에 적용되는 주요 장비들을 살펴보면 거의 대부분 반도체 제조 공정에서 필수적으로 적용되고 있는 장비들임을 알 수 있다.
그러나 태양전지 제조 공정은 반도체 제조 공정과 유사한 부분을 가지고 있지만 세부적인 부분에서 발생되는 조금씩의 차이 때문에 좋은 결과를 위해서는 장치의 기능적인 부분에서도 이에 대한 배려가 있어야 한다.
4. 결정질 실리콘 태양전지 제조 장비
제1세대 태양전지라 할 수 있는 결정질 실리콘 태양전지는 현재 태양전지 시장에서 가장 높은 점유율을 차지하고 있으며, 이는 결정질 실리콘으로 만든 태양전지 효율이 여타 다른 재료로 만든 태양전지에 비해 안정적이고, 높은 효율을 나타내기 때문이라 할 수 있다. 그림 1은 전통적인 방식의 결정질 실리콘 태양전지의 동작 원리를 나타낸 것이다.
반도체의 pn접합으로 이뤄진 태양전지에 밴드갭 에너지보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사하면 전자와 정공 쌍이 형성되고, 이들 전하들이 접합부에 형성되는 내부 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 되며, 이러한 결과로 전지 양단에 기전력이 발생하게 되는 것이다.
태양전지 제조 공정은 전지의 높은 효율과 셀의 낮은 생산 가격을 위해 진화를 거듭하고 있으며, 그림 2는 (유)에스엔티에서 지식경제부선정 2008전략기술개발사업을 통해 개발하고 있는 50MW용 결정질 실리콘 태양전지 제조 공정 장비의 구성도를 보여주고 있다. 최근 출시되고 있는 장비들의 제일 돋보이는 부분은 저가 셀 생산을 위한 노력이다. 이를 위해 장비의 미세 부분에까지 180㎛ 이하의 박형 기판에 대한 공정이 원활하게 이뤄지도록 설계되는 점과 제조 공정상에 물류의 스피드를 고려한 점이다. 최근 장비 제조회사들은 이러한 내용들을 반영하여 속속들이 장비를 출시하고 있으며, 그림 3은 (유)에스엔티사에서 소개하고 있는 인라인 양산용 기판 매거진과 기판 이송 장치의 롤러 축을 보여주고 있다. 이들 장치는 박형 기판의 대량 공정 이송을 위해 기판을 공기중에 에어 부상시켜 이송함은 물론이고, 기판 이송축 변형을 최소화하여 기판에 무리한 압력이 가해지지 않도록 구조를 설계하고 있다.
또한 대량 생산을 위한 방안으로 단위 공정의 소요 시간도 특별하게 관리하고 있다. 진공환경에서 공정이 이뤄지는 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 장비의 경우도 마찬가지이다. PECVD 장치는 반응가스를 플라즈마로 분해해 이온화된 라디칼들이 화학반응을 거쳐 기판 위에 성장하도록 구성된 박막성장 장치로서 저온(200℃)에서 대면적으로 양질의 박막이 빠르게 성장 가능한 장점을 가지고 있다. 거의 초당 한 장씩 셀이 쏟아져 나와야 하는 인라인 자동화 장비에 연결되어 대기압과 진공의 환경을 번갈아가며 공정을 해야 하는 PECVD 공정에서도 시간 단축을 위한 특별한 고안을 해야 한다. 최근 출시되는 장치들 중 일부는 ICP(inductively coupled plasma) 형태의 균일한 고밀도 플라즈마 적용은 물론이고, 기판의 탑재와 배출이 용이하도록 특별하게 조성되는 동선 등을 적용하고 있다.
PECVD 장치는 결정질 실리콘 태양전지 제조 공정에서 반사방지막 형성용 SiN막 코팅을 위해서 사용될 뿐만 아니라 비정질 실리콘 박막형 태양전지 제조 공정에서도 중요하게 사용되는 장비이다. 비정질 실리콘 박막을 형성할 때 반응가스의 수소희석이 상변이 임계값 보다 낮으면 조직 내 결정 구조가 없는 비정질 실리콘이 형성되고, 반면에 반응가스의 수소 희석이 상변이 임계값을 넘으면 비정질 실리콘 조직 위에 sub 마이크로미터 크기 정도의 결정 실리콘 입자가 들어있는 마이크로 결정 실리콘이 형성된다. 비정질 실리콘의 광학적 밴드갭은 1.75eV 정도가 되지만, 여기에 들어있는 마이크로 결정 실리콘의 포함 정도에 따른 결정체적분율(crystal volume fraction)이 커질수록 광학적 밴드갭은 낮아져 단결정 실리콘의 광학적 밴드갭 값인 1.1eV까지 근접하게 된다. PECVD의 플라즈마 형성 전원으로 13.56 MHz의 라디오 주파수(RF)가 주로 사용되어왔으나, 양질의 박막을 고속으로 성장시키기 위해 일부에서는 주파수가 더 높은 VHF(very high frequency) PECVD로 기술적인 양상이 변해가는 추세이다.

5. 결론
수요자가 원하는 좋은 장비를 개발하고, 이를 상품화하고자 하는 것이 장비 산업 주체들의 제일 큰 희망이다. 장비가 산업현장에 출시되기 위해서는 우선적으로 실험실 수준의 공정이 확립되어 있어야 하며, 이를 바탕으로 장비의 공정 안정성이 확보된 후에야 비로소 양산용 장비로 출시가 결정되게 된다.
결정질 실리콘 태양전지 분야도 마찬가지이다. 실험실 수준에서 고효율화에 대한 피나는 노력이 지금도 끊임없이 지속적으로 이뤄지고 있음이 여러 학술대회를 통해서 인지되고 있다. 태양전지 표면에 보다 많은 광선이 입사하고, 이들에 의해 더 많은 전하를 생성해 내며, 이들 생성된 전하를 어떻게 효율적으로 수집해 낼 수 있느냐 하는 점이 바로 고효율 태양전지의 기본 개념인 것이다. 표면 반사율을 낮추기 위해 표면 구조화 공정에 반도체·디스플레이 제조 공정을 접목시키는 방식과 전하 수집을 용이하게 하기 위해 선택적 에미터 제조 공정을 추가하는 방식, 또는 고순도 전극 물질을 적용하여 이온 수집을 용이하게 하는 방식 등 장비 수요자 중심의 장비 개발이 지금 이 순간에도 이뤄지고 있기 때문에 이를 위한 장비개발에 대한 노력을 한 순간도 게을리 해서는 안될 것이다.

표 1. 태양전지 장비산업 세계시장규모

표 2. 국가별 태양전지 장비산업 시장 점유율

표 3. 주요기업 세계시장 점유율

표 4. 태양광 산업과 장비 산업의 국내시장 규모                                                    

표 5. 태양전지 분야와 전지 제조용 주요 공정장비
 

그림 1. 태양전지의 동작 원리

그림 2. (유)에스엔티에서 정부지원 사업을 통해 개발 중인 50MW 결정질
실리콘 태양전지 제조장비의 구성도

그림 3. 대량 생산에 적용되는 기판  매거진(a)과 기판 이송 장치의 롤러 축(b)

허윤성
서강대학교 물리학과 이학박사
한국표준과학연구원          
지식경제부선정 2008전략기술개발사업  사업총괄책임자
현재 (유)에스엔티 에너지사업부문
현재 (주)디엠에스 에너지사업부문 이사

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