한국화학연구원 에너지소재연구센터

태양전지 소재기술 분야 특화를 전담하다!

한국화학연구원의 태양광 관련 기술은 태양전지 소재기술 분야 쪽으로

철저히 전문화되어 있다. 현재의 조직인 에너지소재연구센터는 태양전지 소자나 시스템에 치중하는 대부분의 타 기관들과의 차별성을 내세우며, 태양전지 소재기술 분야를 특화하기 위해 2008년 초에 새로이 정비됐다.

김 숙 희 기자

한국화학연구원 에너지소재연구센터의 태동배경에 대한 질문에 센터장인 문상진 박사는 “태양광 기술과 관련해 한국화학연구원을 얘기할 때 가장 먼저 떠오르는 단어가 ‘실리콘(Silicon)’이다. 실리콘과 태양광산업이 불가분의 관계에 있는 만큼 한국화학연구원의 실리콘 소재기술은 태양광 분야에서 그만큼의 역사를 자랑하고 있다”는 자부심과 함께 말문을 열었다.

태양광산업이 전무하던 1980년대 중반, 반도체용 소재기술 개발에서 출발한 태양전지용 실리콘 소재기술은 1990년대 들어서면서 입자형 Si 원소재(Granular -Si) 제조기술과 태양전지용 다결정Si 잉곳·웨이퍼 제조기술 개발의 두 방향으로 진행됐다. 고도의 화학공정 기술에 기반 한 전자의 기술은 1994년 지금도 부동의 태양전지용 실리콘 소재 메이저 기업인 독일의 Wacker사에 기술 수출되며, 현재에도 이 분야의 초석이 되고 있고 장차 Si원소재 분야에서 가장 경쟁력 있는 기술이 될 전망이라고 문상진 센터장은 설명했다. 2006년 국내의 모기업에 기술이전이 되면서 세상에 알려진 후자의 기술은 이 기업과 함께 2007년 국내 최초로 4세대 기술을 개발한데 이어, 2008년 5세대 기술을, 그리고 올 2010년 4월에는 세계 최초로 6세대 양산화 기술을 개발함으로써 그 기술력을 인정받고 있다.

이런 역사와 무관치 않게 한국화학연구원의 태양광 관련 기술은 태양전지 소재기술 분야 쪽으로 철저히 전문화되어 있다. 현재의 조직인 에너지소재연구센터는 태양전지 소자나 시스템에 치중하는 대부분의 타 기관들과의 차별성을 내세우며, 태양전지 소재기술 분야를 특화하기 위해 2008년 초에 새로이 정비됐다.

세계 최초, 4중 다결정 Si잉곳 제조

기술 소개     

현재에도 에너지소재연구센터 기술개발의 한 축은 실리콘 소재를 대상으로 하고 있다. 앞으로도 여전히 태양광산업의 주력으로 존재할 결정질 실리콘 태양전지 분야에서 실리콘 소재의 기술력은 곧바로 국가산업 경쟁력과 직결될 것이기 때문이다. 앞의 태양전지용 Granular-Si 원소재로부터 다결정 Si 잉곳·웨이퍼 제조기술까지 그동안 구축해 온 실리콘 소재 부분의 기반 기술을 세계 으뜸의 상용화 기술로 확실히 자리매김하기 위해, 관련 기업들과의 대용량화 협동연구가 지금도 활발히 진행되고 있다고 설명했다.

덧붙여 문상진 센터장은 “본 지면에서 처음 소개하는 ‘4중 다결정 Si잉곳 제조기술’은 4개의 잉곳을 동시에 성장시키는 세계 최초의 기술로, 올 2010년 상반기에 관련 기술과 산업재산권을 완비하고 하반기부터 관심기업에 기술이전을 추진할 예정”이라며 “실리콘 소모량을 극소화하기 위한 초박판 웨이퍼와 리본 제조기술, 태양전지용 실리콘 리사이클링 기술 등이 중장기 과제로 추진되고 있거나 예정되어 있다”고 밝혔다. 

에너지소재연구센터의 태양전지 소재 관련 두 번째 핵심 분야는 차세대 ‘유기 태양전지용 소재’이다. 현재 유기 태양전지 분야에서는 염료감응형(DSC)과 유기박막형(OPV) 두 종류의 태양전지가 세계적으로 개발되고 있는데, 이 부분의 핵심인 광활성 소재 개발에 총력을 기울이고 있다. 1~2개의 대학과 더불어 국내에서는 최초로 1996년 DSC 전지를, 2003년 OPV 전지 연구를 시작한 에너지소재연구센터는 한국화학연구원의 풍부한 유·무기합성 인력을 기반으로 신규의 유·무기 반도체 소재 개발에 박차를 가하고 있다.

문상진 센터장은 연구센터의 역할에 대해서 “소자나 시스템 연구에 비해 상대적으로 많은 시간이 소요되나 그 원천성 측면에서는 절대적이며, 크게 취약한 국내의 소재기술 관련 현실을 감안할 때, 본 센터의 역할이 막중함은 너무나 당연하다”고 밝히며, “최근 들어 본 센터를 중심으로 10여개의 대학과 출연(연)이 국가 과제들을 통해 협동연구를 추진 중에 있으며, 올 초 국내 최고 효율인 5% 이상의 신규 유기 반도체 소재 개발 등의 가시적인 성과들이 가속화되고 있다”고 자부심을 내비쳤다. 이외에도 장래의 고성능 모듈이나 저가 태양전지 제조공정을 위해 필수적으로 요구될 반사방지 소재, 유연 기판소재, 유·무기 반도체 잉크소재 등 핵심소재 개발에 역량을 결집하고 있다.

산·학을 이어주는 원천기술 개발에 매진    

에너지소재연구센터는 태양전지 소재 관련 연구개발들이 우리나라 태양광산업의 국제 경쟁력을 한 단계 끌어 올리고 그 기반을 확고히 하는데 일익을 담당하고자, 역동적인 단기 및 중장기 로드맵을 진행시키고 있다. 단기적으로는 상기의 태양전지용 고도 Si 원소재 및 잉곳 기술을 조속히 시장에 진입시켜 현재 선진국의 지배하에 있는 기술과 시장을 일정 부분 탈환하며, 양적 팽창을 꾀하고 있는 중국 등과의 기술력 싸움에서 우위를 확고히 하는 것이다. 이와 더불어 아직 시장은 본격적으로 열려있지 않으나 선진국과의 기술력 차이가 크지 않아 기술 선점 시 장차 큰 기대가 예상되는 유기 태양전지 분야의 광활성 원천소재 개발에 역량을 결집해, 우선적인 산업재산권을 확보하는 작업이라고 설명했다.

또한 중기적으로는 초박판의 Si웨이퍼·리본 제조기술과 반사·오염 방지용 부소재 기술, 저가 용액 공정용 잉크소재 기술들을 개발하고자 한다고 밝혔다. 그리고 장기적으론 ‘유비쿼터스 Solar’의 비전 하에 BIPV나 Portable-PV에 적합한 다양한 기능의 활성소재와 부소재 기술, 공정기술 개발을 주도해 나갈 예정이다.

이런 측면에서 문상진 센터장은 “최근 국가가 본 태양광 분야 등 녹색기술 R&D 분야에 역점적으로 투자를 확대하고 있는 것은 매우 시기적절한 것으로 생각된다”며 “이미 태양광산업은 대체에너지라는 보조적인 개념을 벗어나, 원자력과 더불어 21세기의 주력 에너지산업으로 발돋움 할 문턱에 서 있는 것이 현실이라며, 이 분야의 R&D가 실질적인 국가 경쟁력으로 이어질 수 있도록 본 센터는 국가 출연(연)의 입장에서 기업을 선도하고 산·학을 이어주는 원천기술 개발에 매진할 방침”이라고 밝혔다.

태양전지 소재기술 분야…세계 속의 메카로 자리매김

문상진 센터장은 태양광 분야에서 한국화학연구원이 기여할 수 있는 큰 강점을 한마디로 요약 한다면 “30여년의 역사 속에서 다양한 종류와 특성의 신규 화학소재를 설계하고 합성해 왔으며, 이에 대한 전문인력이 고도로 집중화 되어 있다는 점이다”라고 간단명료하게 밝혔다.

이 같은 ‘인력’기반과 ‘소재기술’기반을 근간으로 결정질 실리콘 태양전지로부터 무기계 박막 태양전지, 그리고 차세대 유기 태양전지에 이르기까지, 태양전지 소재기술에 관한 한 세계 속의 메카로 자리매김 하고자 하는 것이 에너지소재연구센터의 목표이자 차별화 전략이라고 덧붙였다. 그러나 방법론적으로는 ‘열린 연구’에 기초한 산·학·연 협동체제의 틀 하에서 대학의 강점인 다양한 기초·원리적 성취를 받아들여 독자적인 원천 소재·공정 기술을 개발하고자 하며, 이를 기업과 공유하여 실질적인 상업화 기술로 발전시켜 나가는 중간 다리 역할을 충실히 수행할 것이라는 비전도 제시했다.

한편 태양광산업의 전망에 대해서는 최근의 통계에 따르면 2009년 7GW 정도의 설치량을 보인 세계 태양광산업이 2010년 16GW 정도의 설치량을 보이며, 100% 이상 급성장세를 탈 것으로 내다보고 있다고 설명했다. 문상진 센터장은 그러나 국내 시장은 여기의 2%에도 못 미치는 바 국내 태양광산업은 시작부터 철저히 세계화와 수출을 전제로 발전되어야 한다고 의견을 제시했다. 태양광산업이 급팽창하면서 가장 시급한 과제가 ‘그리드 패리티’수준까지 가격 경쟁력을 확보하는 것이 화두인 바, 각 부문별로 적정한 수준까지 규모를 키움으로써 가격 경쟁력을 확보하는 것이 급선무이다.

그러나 2008년까지 공급자 중심이던 시장이 올해 Si원소재 가격의 급락을 계기로 급격히 수요자 중심의 시장으로 전환된 것을 감안할 때 궁극적인 과제는 역시 독자적 원천기술에 근거한 품질 경쟁력임을 알 수 있다며, 다소 늦기는 했지만 태양광산업의 장래를 보며 국내 기업들이 많은 투자를 진행하고 있어 규모의 경제를 달성하는 것은 시간문제로 보여 진다고 전망했다. 하지만 이웃 중국의 예에서 보듯이 기술과 품질 경쟁력이 하루아침에 달성되는 것이 아님을 감안할 때, 세계 기준에 적합한 고품질의 상품을 만들 수 있도록 원천 소재부터 생산 장비에 이르기까지 독자적인 기술을 확보하는 것이 시급하고도 궁극적인 과제라고 꼬집었다.

끝으로 문상진 센터장은  21세기는 주지하는 대로 에너지, 환경, 식량의 3대 문제를 해결하기 위해 온갖 노력이 경주될 것이라며, 그 한 가운데에 태양광산업이 있으며 이미 선택이 아닌 필수의 문제로 자리 잡아 가고 있다고 설명했다. 하와이, 이태리 등 일부 지역에서는 벌써 그리드 패리티 수준에 도달하고 있으며 2020년까지 우리나라를 포함한 많은 나라들이 이 수준에 도달할 것으로 보고 있다. 이후의 태양광산업과 시장은 우리의 예측을 훨씬 능가할 정도로 커질 것이며, 부언하는 대로 본 연구센터는 태양전지 소재기술에 관한 세계 최고가 되고자 최선을 다 할 것이고, 결국 달성할 것을 확신한다고 포부를 밝혔다.

 ‘4중 다결정 Si잉곳 제조기술’은 4개의 잉곳을 동시에 성장시키는 세계 최초의 기술로, 올 2010년 상반기에 관련 기술과 산업 재산권을 완비하고 하반기부터 관심기업에 기술이전을 추진할 예정이다.

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