태양전지용 실리콘 소재의 연구개발 동향

태양전지용 실리콘 소재

글 : 김희영 책임연구원 / 한국화학연구원hykim@krict.re.kr / www.krict.re.kr빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 소자인 태양전지(solar cell)는 구성 재료에 따라 실리콘반도체(결정질 실리콘 및 무정형 박막 실리콘 포함), 화합물반도체와 유기고분자셀, 염료감응형셀 등으로 구분된다. 이 가운데에서 현재 약 90% 이상 사용되고 있는 결정질 실리콘 태양전지는 pn접합이 형성되는 실리콘 기판으로 구성되어 태양광에너지에 의하여 전자의 흐름이 발생하는 광전효과를 바탕으로 태양광발전에 사용된다. 나날이 심각해지고 있는 지구온난화 현상과 고유가 행진으로 태양광발전산업은 지난 4년간 연평균 약 46%의 급성장을 나타냈다. 솔라버즈사의 2007년 보고서에 따르면 ‘06년 세계 시장규모는 106억달러(2.2 GWp)에 이르렀고, 2011년에는 연 180~310억달러 범위 내에서 성장할 것으로 예상되고 있다.그러나 태양전지기판 제조에 필요한 고순도의 실리콘(Silicon: 이하 Si)원료, 즉 태양전지급 Si(Solar-grade Si; 이하 SoG-Si) 의 품귀 및 가격폭등은 그러한 산업발전에 큰 제약이 되고 있다. 이 때문에 일부 전문가들 사이에서는 “SoG-Si이 부족한 현 상황에서는 제대로 원료가 공급되는 상황에서 실현가능한 태양광발전 시장예측이 사실상 불가능하게 되어 버렸다”는 한탄이 터져 나오기에 이르렀다. 비록 1970년대 말 석유파동에 대처하기 위해 미국과 일본에서 경제성을 갖춘 태양광발전의 구현에 필요한 값싼 SoG-Si 제조기술의 개발이 대형 국책사업으로 수행되었지만 산업적 측면에서 만족스러운 성과를 거두지 못했고 유가 파동이 수그러들면서 기업과 연구주체의 관심에서 벗어나 있었다.태양광발전산업의 도입기에는 전자급 Si소재(Electronic-grade Si; 이하 EG-Si) 및 반도체 웨이퍼 제조과정에서의 불량품 또는 부산물만으로 태양전지용 Si소재의 공급이 수월하게 이루어졌지만 최근 SoG-Si 수요가 더욱 증가하면서 점차 공급에 차질을 빚게 된 것이다. 이 문제는 작년부터 심각해지기 시작해 올해들어 더욱 악화되고 있다.그 결과 EG-Si 제조공장의 증설이나 신규공장 건설을 통해 금방 해소되리라 기대하였던 SoG-Si 공급부족 문제는 ’09/ ’10년에도 해소되기 어렵다는 전망이 점차 설득력을 지니게 되었다. 비록 박막 및 화합물반도체 재료에 기초한 태양전지의 제조원가가 결정질 Si 태양전지보다 낮은 것으로 이미 잘 알려져 있음에도 불구하고 상업생산 및 수요패턴 측면에서는 결정질 Si 태양전지가 당분간 시장을 주도할 수밖에 없는 상황을 고려하여 본 자료에서는 EG-Si보다 값싸게 SoG-Si을 제조하려는 기술개발 노력을 정리하여 비교해 보도록 한다.태양전지용 Si 기판 제조방법Si 결정형 태양전지용 기판은 태양전지 재료에 있어서 그동안 90% 이상의 시장을 지배해 오고 있고 차세대 태양전지용 소재의 등장과 발전에도 불구하고 2015년에도 여전히 약 70% 정도는 주도할 것으로 전망되고 있다. 이 Si기판은 단결정 및 다결정 기판으로 나뉘는데 그림 1과 같이 Si원소가 특정 방향으로 규칙적으로 배향되어 있는 단결정 기판에는 무늬가 보이지 않는다. 반면 단결정조각들이 뭉쳐져 있는 것으로 보이는 다결정 기판은 결정영역에 따른 무늬를 나타낸다. 규칙적으로 배열된 다수의 태양전지들로 구성되는 모듈의 면적을 최소화하기 위해 Si 기판 형태는 보통 정사각형이며 한 변의 크기는 100, 125, 156, 200mm 등으로 다양하다. 단결정기판이 모듈효율(태양광에너지→전기에너지 전환) 면에서는 약 1% 정도 우수하지만 가격 면에서는 다결정 기판이 유리하다.SoG-Si을 원료로 하여 태양전지 기판을 제조하는 경로는 그림 1과 같이 요약된다. 상업적으로 현재 공급되는 Si 원료는 소재의 결정구조가 다결정 상태이면서 순도가 아주 높은 Si, 즉 폴리실리콘(polysilicon) 또는 다결정실리콘(polycrystalline Si; 이하 poly-Si)으로 생산되는 제품이다. Poly-Si 제품을 품질에 따라 굳이 구분한다면 EG-Si 및 SoG-Si으로 구분할 수 있다. Poly-Si 상태로 제조되는 SoG-Si 제품은 그림 1(a) 및 (b)와 같이 막대형 또는 입자형으로 각각 생산될 수 있다. SoG-Si을 불순물 오염을 방지할 수 있는 분위기 조건으로 고품질 석영재질의 도가니에서 용융시킨 다음 반도체 웨이퍼 제조과정과 유사한 단결정 잉곳제조 및 슬라이싱 과정을 거치면 태양전지용 단결정기판을 제조할 수 있다. 한편, 육면체 도가니 내에서 SoG-Si을 녹인 다음 방향성 고형화 과정(다결정 캐스팅과정)을 통해 다결정 구조의 Si 블록을 제조하고 태양전지 셀 크기의 단면적을 갖는 직육면체 블록으로 슬라이싱한 다음 기판 슬라이싱을 거치면 태양전지용 다결정기판을 제조할 수 있다.현재 대부분의 태양전지는 이러한 과정을 통해 제조하는데, 기판 두께가 180~220μm 정도 되도록 와이어형 절단기(multi-wire sawing)로 잉곳(블럭)을 수많은 얇은 기판으로 슬라이싱한다. 이 과정에서 약 40% 전후의 Si분말손실(kerp loss)이 불가피하게 발생한다.태양광발전산업에 있어서 SoG-Si 부담이 심각해짐에 따라 원료소모량과 분말손실을 줄일 수 있게 Si 기판 두께를 150μm 이하로 얇게 하여 SoG-Si 원료 소모량을 9g/Wp 이하로 줄임으로써 최근 약 1.0$/Wp(다결정 기판기준)을 초과하기에 이른 Si기판 가격을 낮추려는 노력이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 잉곳의 슬라이싱 과정에 발생하는 Si 분말손실을 보다 근원적으로 배제함으로써 Si 원료소모량을 줄이기 위하여 SoG-Si용융 → 잉곳제조 → 슬라이싱 경로를 대신하여 SoG-Si용융 → 140~160μm 이하 두께의 리본형 기판의 (반)연속제조 방법이 최근 상업화되어 활용되고 있지만 활용범위가 아직까지는 제한적이다.Si기판 원료인 SoG-Si 제조기술1. 상업적 제조공정 구성태양광발전산업이 모듈 출하량 기준 1GWp/년 이하였던 ’04년 전까지만 해도 그림 2의 점선부분과 같이 전자/반도체산업용 EG-Si 제조과정에서의 불량품이나 EG-Si을 이용한 단결정 잉곳 및 웨이퍼 제조과정에서의 부산물만으로 SoG-Si 공급이 수월하게 이루어졌다.그러나 그 이후 poly-Si 제조공장의 부분적인 증설과 재고물량의 소진을 통해 더욱 증가하는 SoG-Si 수요를 충당해왔으나 ’07년부터는 EG-Si보다 값싸게 SoG-Si을 제조하고자 기존 poly-Si 제조공정 설비 및 제조과정을 부분적으로 개선하여 SoG-Si 제조공정을 본격적으로 증설하기에 이르렀고, 신규 업체들의 poly-Si, 즉 SoG-Si 공장건설도 시작되었다.2007년 현재 상업적으로 활용되는 poly-Si의 제조경로를 총괄적으로 정리하면 그림 3과 같다. 먼저 규석/규사(주성분: SiO)와 흑연(주성분: C)을 아크방전로에서 반응시키면 순도가 약 99% 정도인 금속급 Si(Metallurgical Si; 이하 MG-Si)이 출발물질로서 제조된다. 중국, 노르웨이 등 전력공급이 수월한 곳에서 제조되는 MG-Si은 현재 약 1.5~2.0$/kg의 가격으로 판매되고 있다.MG-Si을 출발원료로 하는 화학반응, 즉 가스화 공정을 통해 실란원료를 합성, 분리하고 충분히 정제하면 실란원료가 제조된다. 현재 poly-Si 생산공장에서는 삼염화실란(trichlorosilane /SiHCl3: 이하 TCS) 또는 모노실란(mono-silane/SiH4: 이하 MS) 가운데에서 한 가지를 선택하여 실란원료로 생산하고 있다. 이와 같이 가스화 공정을 통해 실란원료를 제조하여 활용하는 이유는 MG-Si을 고순도화 또는 업그레이드하는 것보다 화학공장에서 적용하는 정제기술을 활용하면 가스 상태의 실란원료를 인류가 구현할 수 있는 최고의 순도로 정제할 수 있기 때문이다.가스화 공정에서 제조되는 초고순도의 실란원료로부터 고체상태의 poly-Si을 형성시키는 과정을 Si 석출(deposition) 공정 또는 화학증기증착(Chemical Vapoer Deposition) 공정이라 한다. 실란원료 가스는 고온에서의 수소환원반응 및 열분해반응을 통해 Si원소(미립자)를 생성시키고 이 Si원소(미립자)가 막대(rod) 또는 입자의 표면에서 다결정상태를 이루면서 Si 결정을 이루어 나간다.현재 poly-Si 제조공장에서 활용되는 석출공정에는 그림 3에서와 같이 (i) 막대형 제품 생산용 종형(bell-jar) 반응기를 이용하는 지멘스석출법과 유동층반응기(Fluidized Bed Reactor: 이하 FBR)를 이용하는 유동층석출법(이하 FBR법 또는 FBR석출법) 가운데에서 한 가지가 선택되어 활용되고 있다.이와 같이 실란원료(가스화공정)-Si석출공정이 선택되면 가스화 공정 및 Si 석출공정에서 배출되는 부산물 및 미반응 원료가스성분들의 회수, 분리 및 재활용에 필요한 재활용 공정이 결정되게 되어 poly-Si 제조공장의 기본골격이 최종적으로 결정된다. 재활용 공정은 부산물의 원료화, 폐기물 최소화, 에너지 절감, 부산물의 정밀화학 제품화 등과 이러한 조건에 따라 최종 결정되는 경제성(투자비 및 제조원가) 면에서 아주 중요하므로 여타 화학공장 건설과 마찬가지로 경제성 극대화를 위한 공정 최적화가 아주 중요하다.2. 종래의 지멘스석출공법가스화 공정(실란원료 제조) 및 재활용 공정은 기존 화학공장의 성격에 부합되는 측면이 강하지만 poly-Si 제조공장만이 지니는 가장 특수한 부분이 바로 Si 석출공정이다. ‘60년대 초 반도체산업의 도입기에 그림 4와 같은 종형 반응기를 이용하여 실란원료로부터 막대형 poly-Si을 제조하는 지멘스석출법은 불순물오염을 최대한 배제하면서 소량의 EG-Si을 회분식(batch식)으로 생산하는 데에 초점을 두어 개발되었다. 이 반응기는 청정분위기로 유지되는 석영재질의 종형 덮개(bell jar) 내부에 6~7mm 굵기의 가느다란 Si 코어 필라멘트 수 십 셋트 각각을 ∩형이 되게 하부의 전극에 고정하여 설치하고 예열기(preheater)로 약 300℃ 이상 예열시키면 Si 코어의 비저항이 낮아져 전기저항가열이 가능해진다. 이때 전극을 통해 아주 높지 않은 전위차의 전기를 공급하면 코어가 높은 온도로 가열될 수 있고 반응가스(예: TCS+H2)를 반응기 내부로 공급하면 Si 코어 표면에 Si이 석출되면서 점차 Si의 굵기가 증가하게 된다.전기저항가열 및 Si 석출이 수 일 또는 수십 일 이상 계속되면 Si 막대(rod)의 직경이 약 10~15cm 정도로 증가하게 되고 반응기 내부에서 직경이 더 증가하기 어려워지면 Si 석출운전을 종료한 다음 막대형 poly-Si 제품을 꺼낸다. 이러한 이유로 지멘스석출법에 따르면 poly-Si 제조가 연속적이지 못하고 제품을 꺼낼 때마다 조업이 중단되는 배치(batch)방식이라는 단점이 있고 반응기의 빈번한 해체 및 조립에 따른 인력소모도 만만치 않다.반응기에서 조심스럽게 꺼낸 poly-Si 막대(rod)는 Si 기판제조에 그대로 사용할 수 없으므로 부수어 포장해야 한다. EG-Si는 달리 SoG-Si 막대제품을 부수어 포장하는 과정에 EG-Si에 대해 적용하는 크기 선별, 값비싼 반도체급 시약을 이용한 에칭 및 세정, 초순수 린스 및 건조와 같은 별도의 추가 과정을 거치지 않아 EG-Si에 비해 원가를 낮출 수 있지만 품질 면에서는 다소 희생이 뒤따른다. poly-Si 막대를 후처리하는 과정을 값비싼 시설 투자로 로봇화 및 자동화를 도모할 수도 있지만 SoG-Si 제조에는 많은 전문인력에 의존하는 것이 보통이다.만일 실란원료로 MS(SiH4)를 사용하면 석출온도를 600~700℃ 범위로 낮출 수 있어서 가열부담이 크게 줄어들지만 MS의 경우 고온 열분해반응으로 Si 분말생성이 불가피하게 대량 발생하므로 종형 반응기 구조의 최적화와 Si 분말처리 기술이 중요하다.반면 TCS+H2 혼합물을 반응원료로 사용하는 경우에는 석출온도가 약 1,000℃ 이상 유지되어야 하므로 전기가열의 부담이 아주 크고 Si-Cl계 고분자량 부산물 생성도 일어난다. TCS-지멘스석출법에 있어서는 고압 하에서의 석출반응으로 높은 Si 석출속도에 기인하는 반응기 단위생산성 극대화를 도모할 수 있지만 poly-Si 제품의 형상 및 품질이 천천히 제조한 EG-Si에 비해서는 좋지는 못하다.그림 4에 나타난 바와 같이 굵기가 점차 증가하는 높은 온도의 Si 막대를 공간상으로 에워싸고 있는 종형 덮개 내벽면은 Si 석출이 일어나지 않게 냉각이 필요하기 때문에, 반응기 외부를 에워싸는 금속재질의 셸에는 순환 냉각수를 통해 심각한 열량 손실이 발생한다.그 결과로 지멘스석출법은 SoG-Si 1kg제조에 약 60~150kWH 범위의 전력에너지가 소비되는 문제점을 안고 있다. 또 최근에는 반응기 구조를 보다 단순화시켜 석영재질의 종형 덮개 및 예열기를 사용하지 않고 냉각자켓으로 둘러싸인 금속재 종형 덮개가 사용되고 있지만 구조적 장점과는 달리 고전위차-저전류 가열과 저전위차-고전류 가열을 연속적으로 가능하게 하는 값비싼 전력공급설비가 필요한 단점도 있다. 알려진 바로는 기존 메이커들은 각 회사별 고유의 종형 반응기를 개발하여 EG-Si 및 SoG-Si 생산에 활용하고 있는 반면 신규 진출 업체들은 특정 장비업체의 반응기 모델에 한정되는 문제점을 지니고 있어 경쟁력에서 차별화될 수밖에 없다.이상 설명한 바와 같이 지멘스석출법이 역사가 가장 길어 기술적으로도 성숙되고 고순도 Si재료를 생산하기에 가장 이상적인 공법이지만 장치투자비 및 제조원가가 높은 단점 때문에 EG-Si과는 달리 SoG-Si을 아주 값싸게 생산하기에는 사실상 부적절한 공법이라 할 수 있다. 그러나 유동층석출공정과 같은 최신 대체 공정기술이 산업재산권을 소유하고 있는 특정 업체에서만 활용할 수 있는 한계성으로 인해 현재 지멘스석출법이 아직까지는 SoG-Si 생산공장의 건설에 가장 많이 활용되고 있다.3. 새로이 개발된 유동층석출공법70년대 말 석유파동 때부터 SoG-Si을 값싸게 만들기 위해 지멘스석출법을 대체할 수 있는 대안으로 유동층석출법이 제시된 바 있고 미국, 일본, 한국 등에서 이에 대한 기술개발이 수행되어 왔다.그러나 1980년대 말 당시 미국의 Ethyl Corp.(현재 MEMC)에서 NaF+NaAlH4 반응으로 MS(SiH4)를 실란원료로 제조하고 이를 원료로 하는 FBR석출공정을 개발하여 EG-Si을 생산하는 데에 성공하여 입자형 poly-Si이 그동안 판매되어 왔다. 그러한 즈음 당시 Union Carbide Corp.(현 REC/ASiMI)는 [MG-Si + H2 +SiCl4] 반응으로 TCS를 제조한 다음 염소(Cl)를 수소(H)로 바꾸어 SiH4을 제조하는 공정을 개발하는 데에 성공하였으나 FBR석출공정 개발에는 도달하지 못했다. 이 기술은 일본 Komatsu사의 지멘스석출법과 연결되어 SiH4-지멘스법 방식으로 막대형 poly-Si을 제조하는 데에 활용되어 왔다.FBR석출기술은 원료(TCS 또는 MS)의 선택에 따라 반응기 구성 및 운전 방법 측면에서 차이가 있지만 기본적인 특성은 그림 5에 요약된 바와 같다. 반응기 내부로 공급되는 가스속도가 일정 수준(최소유동화속도) 이상으로 증가하면 평균크기가 약 1.0~1.5mm인 수많은 Si 입자들이 움직이게 되어 Si 입자들의 유동층이 형성될 수 있다. 또 입자들을 석출온도로 가열시킨 다음 유동층 내부로 반응가스를 공급하게 되면 유동하는 고온의 Si 입자 표면에 Si이 석출하게 되고 입자들의 크기가 시간에 따라 점차 증가하게 된다. 이러한 석출과정을 통해 입자들이 커지면 점차 하부로 가라앉게 되어 반응기 하부에 설치된 입자배출부를 통해 제품입자로 빠져 나오게 된다.한편, FBR법을 통해 poly-Si 입자제품을 연속적으로 생산하기 위해서는 유동층에 포함되는 Si 입자의 수와 평균크기가 계속 일정하게 유지되어야 하는 데, 제품입자의 개수에 해당하는 작은 Si 입자, 즉 크기가 0.2~0.4mm인 종입자(seed crystal)가 그림 5와 같이 반응기 상부를 통해 공급되거나 또는 하부로부터 반응기 내부로 공급되는 가스(유동가스, 반응가스, 또는 기타 목적으로 반응기 내부로 공급되는 가스)에 포함되도록 하여 Si 입자 유동층 내부로 공급되게 하는 것이 필요하다. 종입자는 유동층 내부에서 입자들 상호간 충돌로 자연스럽게 생기게 할 수도 있고 Si 제품입자 일부를 분쇄장치에서 오염 없이 분쇄하여 외부에서 반응기 내부로 공급하여도 좋다.Si석출에 사용되는 FBR 장치는 Si 입자 오염을 방지할 수 있게 구성되어야 하며, 입자의 오염없이 석출반응온도 또는 그 이상으로 가열해야 하는 기술적 어려움을 안고 있다. 유동하는 Si 입자들 자체만 아무런 접촉 없이 고온으로 가열하기 위해서는 고주파, 마이크로파, 적외선 등과 같은 복사가열이 바람직하지만 유동층 내부 Si 입자들만의 가열을 위해 복사가열장치를 유동층 주변에 설치하는 데에는 많은 제약과 장치비 등의 경제적 문제가 뒤따른다. 또한 전력소모량을 최소화할 수 있게 그림 5와 같이 불순물 오염이 배제되는 조건 하에서 열손실이 극소화될 수 있게 보온(단열)하는 것도 중요하다.그동안 주로 사용되어 온 TCS 실란원료 대신 제조공정이 까다롭고 폭발 위험성이 큰 MS를 사용하고자 한 것은 MS의 경우 석출반응온도가 TCS 경우보다 낮아 FBR석출용 원료로써 보다 유리하게 사용될 수 있기 때문이다. 또한 TCS가 대기 중 수분과 만나 HCl을 발생시켜 장치 부식의 위험성이 큰 Cl원소 함유 물질인 반면, SiH4는 부식성이 낮아 오염이 아주 적은 제품생산에 유리한 장점도 있다. 특히 Si 입자 유동층의 가열이 어렵다는 것을 인식한 전문가들 사이에서는 poly-Si을 입자형태로 제조함에 있어서 TCS의 석출반응온도(> 약 1,000℃)보다 낮은 석출온도(600~700℃)를 갖는 MS가 FBR석출에는 이상적이라는 인식이 지배해 왔다.최근 REC/ASiMI사에서는 MS를 원료로 개발된 FBR공정을 토대로 약 9,500톤/년에 이르는 대규모 공장을 증설하기에 이르렀다. REC사의 주장에 따르면 FBR석출법이 에너지 다소비공법인 종래의 지멘스석출법에 비해 전력소모가 1/5 이하로 줄어들고 제조원가도 최소 30% 이상 줄이는 것이 가능하여 SoG-Si 제조원가 절감을 통한 Si기판 가격의 하락이 가능하다.한편 기존의 TCS-지멘스석출법 경로가 세계 poly-Si 공장 전체의 약 3/4 이상 채택되고 있는 점에 기초한다면 제조가 용이하고 값이 싼 TCS를 실란원료로 FBR석출법을 구현할 수 있다면 TCS-지멘스석출법 또는 MS-FBR석출법보다 더 값싼 SoG-Si의 연속 대량생산이 가능해질 수 있다. TCS-FBR석출법은 70년대 미국 텍사스 인스트루먼트사에 의하여 EG-Si의 저에너지 연속생산을 목표로 기술개발이 시작된 이후 80년대부터는 일본과 한국에서도 기술개발이 시작되었지만 상업화에는 이르지 못했다. 1994년 이후 한국화학연구원으로부터의 마이크로파가열 FBR석출기술을 이전받아 가열방법 등의 개선 및 변경을 도모해온 독일 Wacker사는 ’07년 650톤/년의 상업생산 공장 건설을 발표한 바 있을 뿐이다.이와 같은 TCS-FBR석출법에 있어서 가장 어려운 기술적 장애물은 고온 가열문제, 반응기 생산성 향상 문제, 반응기 내벽면에 누적되는 Si퇴적물 제거와 연속적 석출운전 문제 등이라 할 수 있다.4. 기타 기술개발 현황앞에서 설명한 지멘스석출법의 개선, FBR석출공정의 개발에 병행하여 경제성이 보다 높을 것으로 예상되는 다음과 같은 여러 경로 및 방법의 기술개발이 활발히 진행되어 오고 있다.(1) 고순도 원료(SiO2 +C)를 이용한 고순도 Si제조그림 2에 나타낸 바와 같이 SiO2 +C → Si 과정은 MG-Si 제조에 사용되는 경로지만 순도가 아주 높은 규석(SiO2)과 흑연(C)을 반응시켜 SoG-Si을 곧바로 얻어 보겠다는 목표로 시작됐다. 이 기술은 (구)소련 및 노르웨이 등과 같이 고순도 원료가 가능한 곳에서 시도돼 오고 있다. 또한 실험실적으로 실용화가능성이 밝혀지기도 했다. 그러나 이 반응이 (i) SiO2 +C → SiC (ii) SiC + SiO2 → Si 두 과정을 거치면서 진행되고, 그 결과 얻어지는 Si 품질이 미흡하여 방향성 응고와 같은 추가 정제공정이 필요한 것으로 드러났으며 그럼에도 불구하고 품질상의 제약으로 실용화가 늦어지고 있다.(2) MG-Si의 업그레드를 통한 SoG-Si 제조그림 2에 나타낸 대로 MG-Si의 업그레이드(정련 및 불순물 제거과정을 망라) 개념으로 UMG(Upgraded MG-Si)을 제조하여 SoG-Si 또는 EG-Si과 섞어 Si기판 제조에 활용하려는 노력은 70년대 말 이후 지속되어오고 있는데 실험 실적으로 6 N정도의 순도가 얻어짐이 확인 된 바 있어 현재 본격적인 상업화가 시도되고 있다. 미국 코닝사에서는 EG-Si과 함께 섞어 Si기판을 제조할 만한 수준에 도달한 UMG를 판매하기 시작했고 품질 향상을 위해 기술개발을 계속 중이며, 노르웨이 엘켐사는 6N 수준의 품질을 목표로 SoG-Si으로 바로 사용 가능한 UMG 제조공장을 1단계 규모로 현재 건설 중에 있다.UMG의 제조 및 활용은 poly-Si 공급부족이 심각한 경우에는 부족한 원료를 대신해 줄 것으로 기대되지만, SoG-Si 수요자들(기판 또는 태양전지 제조업체)의 요구 품질이 최근 태양전지 고효율화 추세에 따라 6~8N 이상으로 까다로워지고 있어 판매상의 제약이 가시화되고, poly-Si 생산 공장 건설이 가속화되는 환경 하에서 품질 열세를 만회할 만큼 가격경쟁력이 기대만큼 뛰어난지 여부는 검증되어야 될 사안이다.(3) Si의 재활용그림 2의 점선부분과 같이 그동안 활용되어 온 EG-Si 및 EG-웨이퍼 제조과정에서의 부산물(단결정 top 및 tail 부분 등)의 재활용은 향후에도 지속될 전망이다. 이에 추가하여 다결정 Si의 캐스팅 및 태양전지용 단결정 성장 및 웨이퍼 제조과정에서의 부산물도 추가적으로 재활용될 수 있어 재활용 규모는 SoG-Si 생산규모와 연관되어 해마다 꾸준히 증가할 전망이다. 다만 재활용이 반복될수록 발생할 수 있는 품질의 저하(불순물 농도 증가 등)가 태양전지 효율에 미치는 영향 등에 관해서는 추가적인 연구가 필요하다.(4) 새로운 석출공정기술일본 도쿠야마사에서는 TCS를 원료로 하는 Si 막대/입자의 고체표면에 Si을 석출시키는 종래의 석출개념과는 달리 고주파가열로 가열되는 흑연튜브 표면에 Si이 석출되면서 흘러내리는 Si 용융액 표면에 TCS로부터 Si을 석출시키는 VLD(Vapor-to-Liquid) 석출공정을 최근 개발하였다. 당연히 예상되는 탄소불순물 문제로 아직 상업화되지는 못했지만 불순물오염 문제의 개선을 통해 실용화를 시도하려는 노력이 계속되고 있다고 전해지고 있다. 이 방법은 높은 석출반응온도에서 아주 빠른 Si 석출속도를 구현할 수는 있지만 UMG와 마찬가지로 불순물 농도를 충분히 낮출 수 없는 원천적인 한계를 지니고 있다.또한 독일의 JSSI에서는 MS의 FBR석출공정의 어려움 및 근원적인 문제점(높은 시설투자비 및 과다한 분말 생성 등)을 해소하기 위한 방안으로 유동층반응기 대신 관형반응기(Space Reactor)를 사용하여 MS가 가열되는 반응관 내부에서 곧바로 Si분말로 열분해되게 하고, 얻어지는 Si분말들을 재성형하여 SoG-Si로 제조한다는 내용이다. 그러나 이와 같이 제조되는 Si분말은 아무리 후처리 과정에서 성형한다 해도 입자형 poly-Si에 비해 표면적이 과다하게 넓어 불순물 오염이 쉽고, 제품을 다루기가 어려우며 막대형 poly-Si과 함께 사용하지 않으면 기판제조에 필요한 도가니 용융이 불가능한 제약 때문에 쉽게 상업화되기 어려운 속성을 지니고 있다.5. poly-Si 제조공법의 상업적 활용 현황 및 전망이상 설명한 바와 같이 poly-Si 제조공장을 구성하기 위해서는 실란원료와 석출공법 가운데에서 각각 한 가지씩 선택해야 하므로 그림 3에 요약된 바와 같이 네 가지 유형의 공장이 구성될 수 있다. 현재 EG- 및 SoG-Si을 생산하는 poly-Si제조업체들의 경우 미국 Hemlock, 독일 Wacker, 일본 도쿠야마, 미쓰비시, SUMCO 등이 TCS-지멘스석출법을, 미국 MEMC 생산공장 및 노르웨이 REC가 미국에 증설중인 공장은 SiH4-FBR석출법을, REC(미국 ASiMI) 기존 공장은 SiH4-지멘스석출법을, 그리고 독일 Wacker사의 소규모 생산공장은 TCS-FBR석출법에 기초하여 이루어져 있다.최근의 SoG-Si 공급부족 및 가격폭등과 기존 메이커들의 충분하지 못한 공장증설의 결과로 한국, 중국, 일본, 독일, 러시아, 프랑스 등 세계 곳곳에서 많은 신규 업체들이 poly-Si 공장건설을 도모하고 있는데 이들은 기존 메이커들의 기술을 활용할 수 없어 높은 투자비, 자문료 부담과 제조원가 면에서의 불리함을 알면서도 TCS-지멘스법에 기초하여 생산공장을 건설하고 있는 중이다. 이는 중단기적으로 SoG-Si 공급부족이 지속되어 poly-Si 공급가격이 계속 높게 유지될 수 있다는 기대 속에 진행되고 있어 공장증설 여부가 계획대로 이루어질지는 의문이다. 이와 같이 경쟁적으로 이루어지고 있는 poly-Si 제조공장의 증설 및 신규건설 계획에 따르면 2010년 약 20만톤/년 규모의 막대한 생산능력이 갖춰질 전망이다.한편, 보다 최근에 개발된 UMG 제조공정은 공장건설을 통한 시제품 생산이 이루어지고 품질 평가 및 태양전지 효율 등의 검증이 이루어져야 상업적 활용이 가시화 될 전망이며 나머지 개발 중인 기술들은 대량생산 체제에 활용되기에 아직 미흡한 상황이다.결론태양광발전이 지구상에 필요한 에너지의 0.1%도 공급하지 못하고 있는 상황에서 2010년 이후에도 SoG-Si 소재의 공급부족 사태가 반복적으로 재현될 가능성이 있다. 비록 SoG-Si 생산 확대에 따른 공급과잉이나 가격하락이 쉽게 예상되기도 하지만, SoG-Si 공급확대 ⇒ Si소재 가격하락 ⇒ 셀, 모듈 제조 및 설치비용 하락 ⇒ 태양광발전단가 하락 ⇒ 태양광발전 경제성증가 및 수요확대 ⇒ 셀 및 모듈 제조설비 증설 ⇒ SoG-Si 수요 증대 ⇒ SoG-Si 공급부족 및 가격상승 ⇒ SoG-Si 제조공장 증설/신규건설 ⇒ SoG-Si 공급확대의 사이클이 반복적으로 이루어질 수밖에 없다. 앞으로 SoG-Si 공장 건설/증설에 따른 공급과잉과 가격폭락이 발생할 가능성은 분명히 있지만 그와 같은 상황이 오랜 기간 계속되기는 어려울 것이다.그러므로 SoG-Si 제조공장 건설/증설은 태양광산업 발전과 더불어 꾸준히 지속될 가능성이 크고 고효율 태양광발전에 필요한 품질을 만족하면서 SoG-Si을 보다 값싸게 제조하기 위한 기술개발 노력은 지속될 것으로 예상된다. 비록 비실리콘계 태양전지 소재의 상업적 활용범위가 확대되어 결정형 Si 태양전지의 시장점유율이 서서히 감소한다 하여도 SoG-Si의 절대적인 연간 수요량은 앞으로 계속 증가할 가능성이 아주 크다. 정부의 지원정책이 없어도 태양광발전 경제성이 기존 전기료보다 경쟁력을 지닐 수 있을 것으로 예상되는 2015~2020년경이 지나면서 태양광발전 비중이 더욱 확대되기 시작하면 태양전지용 소재가 충분히 공급될 수 있는지 여부가 태양전지 소재를 결정짓는 중요한 기준이 될 것이다. 지표면을 이루고 있는 원소들 가운데 산소 다음으로 가장 풍부한 Si은 인류의 에너지문제를 궁극적으로 해결해 줄 수 있는 하늘이 내려준 고마운 재료로서 반도체산업에 뒤이어 신재생에너지산업의 핵심원소가 될 것임이 분명하다.

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김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

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