태양광산업에 사용되는 저철분 무늬유리 바로알기

양 덕 근 누리코퍼레이션 대표이사

미국 Bergen 대학에서 전산경영학을 전공한 필자는 고려대학교 경영대학원 최고 경영자 과정을 거쳐 KCC 기획, 구매, 해외영업 임원으로 일했고, KCC 유리기술 도입 및 시설 도입 업무를 관장했으며, KCC 계열사인 e-KCC 대표이사를 역임했다.

태양광 모듈의 기판에 사용되는 유리 및 평판형 태양열 집열기 유리에 대한 보다 확실한 이해를 돕기 위해 유리 전반에 관한 사항과 우리가 흔히 이야기하는 저철분 무늬유리에 대해 상세히 알아보자.

유리는 일반적으로 기원전 3,000년에 메소포타미아나 이집트에서 우연히 발견되어 주로 용기로 사용되었으나, 1900년대 초 상업적으로 대량의 제조 설비에서 판유리가 생산된 이래로 계속적인 기술 발달과 함께 1950년 영국의 Pilkingt on에 의해 Float 공법이 발명되어 현재와 같은 표면이 매끄러운 유리의 개발로 건축, 가구 등 다양한 용도로 사용되다 최근에는 태양광의 기판으로서 그 위치를 확고히 하고 있다. 유리는 그 성분에 따라 규산염유리, 불산염유리, 인산염유리가 있으며, 그 중에 규산염유리의 하나인 소다석회유리(Soda Lime Glass)를 태양광산업에 사용하고 있다.

규산염유리의 종류는 소다석회유리, 남유리, 바륨유리, 봉규산유리, 석영유리 등이 있다. 태양광 산업에 사용되는 소다석회유리는 아래의 원료를 사용해 생산된다.

규사 또는 규석은 유리의 주성분인 Si O2의 Source로서 유리의 기본 구조를 만든다. 또한 소다회는 유리의 용융을 쉽게 하고 유리의 기포나 균질화를 돕기 위해 사용되는 원료로서 Na 형태로 유리에 존재하며 유리가 알칼리성을 띄게 하는 원료다. 석회석은 CaO 성분으로서 유리의 내 화학적 성질의 안정제 역할을 한다. 그 외에도 소량의 알루미나 성분을 위해 장석이나 수산화 알루미늄을 넣는 경우가 있다.

유리의 원판 제조

혼합된 원료는 용융로에서 약 1,600℃로 용융되어 균질하게 섞이면서 가스 기포가 제거되어 투명한 액체형태의 용융유리가 되고 실제 유리는 Roll-out과 Float 방식으로 만들어진다. Roll-out 방식은 용융유리는 무늬가 있는 두 개의 롤러 사이를 통과하면서 유리의 위 아래 면에 무늬가 만들어지고 롤러 사이의 간격에 따라 유리의 두께가 결정된다. 서냉로를 통과한 뒤 일정한 크기로 절단되며, 현재 사용되는 결정질 태양광 모듈 기판유리나 태양열 집열기판 유리는 이 방식에 의해 생산된다.

Float 공법은 용융유리는 Tin(주석)이 녹아있는 탱크에 흘러져서 용융된 주석 위에서 매끄러운 표면이 만들어지고(물과 기름과 같은 비중의 차이로 인해), 유리의 흐름속도와 양에 의해 두께가 결정된다. 일정한 두께가 만들어진 유리는 서냉로로 통과하면서 서서히 냉각된 뒤 절단 과정을 거쳐 일정한 사이즈로 생산된다. 현재 생산되는 대부분의 건축용 유리와 박막형 BIPV용 Float 유리는 이 공법으로 만들고 있다.

그림 1. Roll-out 공법

그림 2. Float 공법

그림 3. 강화공정

기판 유리의 강화

생산된 유리는 외부의 충격에 견딜 수 있도록 기계적 강도를 일반유리의 3배 이상 증가시켜야 하는데, 이를 위해 아래의 방식으로 강화를 하게 된다. 열강화는 필요한 사이즈로 절단되고 면취된 유리는 Furnace에서 약 600℃에서 650℃ 사이로 예열된 뒤에 찬 공기로 약 60℃까지 급격히 냉각시켜서 만든다. 이 과정을 거친 유리는 충격강도가 약 3배 정도 강해지고 내열성도 향상되며 파괴가 되면 아주 작은 조각으로 깨어진다. 열강화를 통해 강화된 유리는 강화공정 이후에는 유리의 절단 및 가공이 불가능하다.

열강화 및 Heat-soaked Glass

열강화가 이뤄진 유리에 자폭방지 및 내열성능을 높이기 위한 방식으로 약 290℃로 가열된 Furnace에서 3시간 이상 숙성하는 방식으로 만들어진다.

화학강화란 이온교환을 통해 유리표면의 알카리금속이온(Na)을 질산칼륨(KNo) 이온으로 치환함으로써 유리의 기계적 강도를 높이는 것이다. 약 450℃로 가열된 질산칼륨용액 탱크 안에 유리를 넣어 이온교환을 실행한 후 서냉, 고압세척, 건조 과정을 거쳐 생산된다. 이 과정에서 생산된 유리는 일반유리 강도의 9배 내지 15배로 파괴압력 800Mpa까지 견딜 수 있으며, 강화 후 절단, 코팅 등이 가능하다.

유리의 종류

태양광 유리를 이용한 BIPV 유리는 실제 건축에서 다음의 유리와 함께 사용되거나 만들어지기에 참고로 소개한다.

Float glass는 Float 공법에 의해 생산된 유리이며, 무늬유리는 Roll-out 공법으로 생산된 유리, 철망입유리는 Rolled 공법으로 생산된 유리사이에 철망을 삽입해 안전유리로 생산된 것이다. 코팅유리는 유리의 표면에 특수 물질을 코팅해 만든 유리로서 반사, 자정, Low-E 유리, 전도성유리 등이 있다. 접합유리는 두 장의 유리로 PVB 또는 EVA 필름으로 접합해 만든 유리이며, 강화유리는 유리의 기계적 강도를 높인 유리이고 복층유리는 두 장의 유리 사이를 띄어 소음, 단열효과를 높인 건축용 유리이다.

태양광산업에 사용되는 유리

태양광발전에 사용되는 태양광은 가시광선과 근적외선으로서 Wave Length 범위가 380~1,100nm를 주로 사용한다. 양광은 유리의 표면에서 1차 반사가 이뤄지며 유리를 통과하는 과정에서 일부가 흡수되고 또 유리를 빠져 나오는 과정에서 반사가 이뤄진다. 태양광을 최대한 투과시키기 위해서는 유리표면에 특수 요철무늬로 만들어 반사를 줄이고 유리의 불순물을 최대한 줄여 유리의 내부에서의 반사와 흡수가 일어나지 않도록 하며, 모듈 내부 표면에는 높이 1.45×10-7, 넓이 2.40×10-7 크기의 수많은 볼록렌즈 형상을 만들어 72° 이상 경사각도 태양광을 가능한 모두 흡수시킴으로써 효율을 극대화시키는 역할을 한다. 아울러 유리를 강화해 외부로의 충격이나 이물질로부터 전지셀을 보호한다.

저철분 Float 유리

유리의 철분 함유량을 150ppm 이하로 관리되는 특수 유리로서 백유리라고도 한다. 철분의 함유량이 낮아 태양광 투과율이 높아지는 광학적 특성의 변화 외에는 유리의 제조방식이나 성질은 기존 건축용 Float 유리와 같다.

저철분 무늬유리

앞에서 설명한 바와 같이 사용되는 유리는 Roll-out 공법으로 제조되며 철분 함량을 최소화시켜 태양광의 투과율 및 집광율을 최대화하고 반사율을 최소화하기 위한 기능으로 태양광 모듈 기판이나 평판형 태양열 집열판으로 사용된다. 사용되는 유리의 두께는 주로 3.2m m(일부 4mm)가 사용되며, 철분 함량 150ppm 이하의 유리를 강화 처리해 일반 유리보다 3배 이상의 기계적 강도를 높인 안전유리를 사용한다. 제품의 종류는 PM 타입과 MM 타입이 있으며, 최근에 개발된 MM 타입의 광학적 특성이 조금 더 우수하다. PM(Prismatic Mat Finished)은 한 면은 격자무늬, 한 면은 특수표면 처리해 건축용 무늬유리 미스트 라이트와 유사한 형상이다. MM(Matt Matt Finished)은 양면을 특수표면처리 한 것으로 건축용 무늬유리 카스미(일면 안개무늬) 또는 Semi Sand와 유사한 형상이다.

국내 공급 시장 현황

국내에는 KCC와 한글라스가 국제적 규모의 유리를 생산하고 있으나 저철분 무늬유리는 생산하지 않고 전량 수입되고 있다. 다만 프랑스의 생고방 계열사인 한국가공유리에서는 중국에서 원판을 수입해 국내에서 강화 후 공급하고 있으며, 누리코퍼레이션, 서원유리 등에서 강화된 완제품 유리를 수입해 국내 판매 중에 있다. 소량이거나 샘플의 경우는 국내 산업용 특수 강화로에서 강화해 공급하는 경우도 있다. 납기는 원판유리의 생산, 절단, 가공, 강화 후 파손이 발생하지 않도록 수출 포장되어 국내에 반입되기에 대략 30일의 Leading Time이 필요한 실정이다.

현재 저철분 무늬유리는 그 제품의 생산기술이 크게 요구되지 않고, 다만 고순도 원료와 가공에 따른 많은 인력이 필요한 산업으로서 과거 미국, 유럽, 호주 등에서 생산되다가 현재는 대부분 중국회사에서 생산되고 있는 추세다.

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