김 태 희 기자

현재 태양전지 코팅기술로 스핀 코팅, 잉크젯, 미세접촉 프린팅 법 등 다양한 기술들이 꾸준히 연구·개발되고 있다. 그 중 스프레이 코팅은 대면적의 균일한 폴리머 박막을 만들 수 있다는 장점을 지닌다. 태양전지 및 에어로졸 연구실(SCAL : Solar Cell and Aerosol Seience)에서 집중하는 분야 역시 바로 이러한 부분이다. 현재 이곳에서는 일반 태양전지 연구실과는 달리 1세대부터 3세대 태양전지까지 전 분야를 아울러 다루며 스프레이 코팅, 잉크젯 프린팅 세부기술들을 개발 및 적용하고 있다.

다시 말해 태양전지에 있어 코팅기술의 전 부분을 총체적으로 연구하는 것이다.

이러한 연구력에는 본 연구실의 남다른 역사가 바탕이 되었다. SCAL은 2005년 9월 ‘화재 및 에어로졸 연구실’로 출발, 2008년 9월 ‘태양전지 및 에어로졸 연구실’로 이름을 바꿔 본격적으로 차세대 태양전지 연구 개발에 전념하고 있다. 특별히 초저가 태양전지 개발에 초점을 맞추어 스프레이 코팅기술을 이용한 저가 공정기술 개발에 박차를 가하고 있다.

SCAL에서 사용하고 있는 정전기 프린팅 장비. 비접촉식 방식으로 기판 위에 원하는 물질을 마치 프린팅 하듯이 원하는 모양으로 패터닝 할 수 있다.

진공공정에서 탈피한 스프레이 기술

SCAL에서 특히 주목하고 있는 부분은 CIGS 태양전지의 코팅이다. CIGS는 현재 태양전지 시장에서 저가화와 고효율이라는 두 가지 요소를 충족시켜 줄 분야로 주목받으며 활발한 연구가 진행되고 있다. 그러나 여러 장점들에도 불구하고 모듈의 효율이 실험실 제작 태양전지의 효율에 비해 낮아 대규모 상업화까지는 앞으로도 많은 기술이 필요한 실정이다. 특히 진공공정 방식을 사용할 경우 제조단가가 높아지고 재료의 손실을 가져오는 등의 단점이 남아있어 이를 대신할 수 있는 비진공 방식 기술들이 많은 연구단계를 거치고 있다.

현재 SCAL에서 진행되고 있는 정전기 스프레이(Electrostatic Spray) 방식을 사용한 CIGS 코팅은 비진공·비압력분사 방식으로써, 전기적으로 대전된 나노스케일의 미세액적을 분사시켜 정확한 타겟팅을 가능하게 한다. 연구를 진행하고 있는 윤석구 교수는 “정전기 스프레이를 이용한 이번 박막코팅기술은 광흡수층을 쌓는 기존 방법들의 단점들을 보완할 수 있을 뿐 아니라 화합물 태양전지의 저가화를 가능케 할 것이라는 기대를 갖게 한다”며 이번 연구 내용을 소개했다.

◀정전기 프린팅을 이용한 미세액적 토출.  일반 압력분사시 노즐보다 큰 액적이 생성되는 반면, 정전기 분사시 노즐보다 2~10배 작은 액적이 생성된다.

▶정전기 프린팅으로 실제 프린팅 된 모습. 다양한 잉크와 기판을 사용해 원하는 모양을 손쉽게 패터닝 할 수 있다.

요구적출형 프린팅으로 값비싼 공정 대체

태양전지용 프린팅이란 정확히 어떤 특징을 갖고 있으며 태양전지 개발에 어떻게 접목이 가능할까. 정전기 프린팅 기술은 ‘나노’부터 ‘마이크로’ 사이즈에 이르기까지 작은 액체를 토출시키는 기술을 말한다. 흔히 잉크젯 프린팅으로 알려져 있는 것처럼 비접촉 방식으로 기판 위에 원하는 물질을 마치 프린팅 하듯이 원하는 모양을 패터닝 할 수 있다.

SCAL에서는 최근 대두되고 있는 친환경 고효율 신재생에너지 필요와 관련해 요구적출형 정전기 충전 프린팅 기술을 이용해 태양전지용 전극 프린팅 연구를 진행하고 있다. 요구적출형 정전기 충전 프린팅 기술은 기존의 값비싼 공정을 대체할 수단으로 각광을 받고 있다.

SCAL 연구팀은 프린팅을 위한 콜로이드(Colloid) 잉크 제어와 더불어 액적 토출 시 필요한 전압, 유량 제어 등 최적의 고속 프린팅에 필요한 연구를 진행하고 있다.

Tech Tip!

SCAL의 코팅기술을 알아보자

‘저온-스프레이’란 무엇인가?

현재 코팅 기술은 다양한 산업분야에서 사용되고 있다. 특히 용사 코팅 방식(Thermal Spray Coating)은 자동차, 항공, 항만, 반도체, 태양전지 등 여러 산업분야에서 내마모성 향상, 마찰 저감, 세라믹 코팅 등 다양한 용도로 사용되고 있다.

저온-스프레이(Cold Spray)는 용사 코팅 방식의 한 분야로 1980년대에 러시아에서 처음 알려졌다. 저온-스프레이 기술은 금속을 녹여서 분사하는 것이 아니라 초음속의 가스 유동을 통해 입자가 기판에 수백 m/s의 속도로 충돌하는 입자간의 결합과정으로서 고체-입자 분사 기술이다. 이 기술의 장점으로는 기존의 용사 코팅 방식에서 코팅 후 기판에 남게 되는 잔류 열적 효과들을 최소화 할 수 있고 균일한 입자층 형성이 가능한 점에 있다. 뿐만 아니라 기존의 진공방식인 용사 코팅 방식과 다르게 저온-스프레이 기술은 비진공, 고속 생산이 가능하다. 따라서 대량생산에 있어 공정 단계가 단순화 되어 생산 단가를 크게 줄일 수 있다. 현재 저온-스프레이 기술은 산업 분야에서 뜨거운 관심을 불러일으키며 새로운 코팅 방식으로 자리 잡고 있다.

저온-스프레이를 이용해 코팅 한 모습.  SCAL은 저온-스프레이 기술로 TiO2를 일반 소다라임 유리기판에 코팅하는데 성공했다.

SCAL에서 진행하고 있는 저온-스프레이 기술.  현재 저온-스프레이 기술은 산업 분야에서 뜨거운 관심을 불러일으키며 새로운 코팅 방식으로 자리 잡고 있다.

MINI  INTERVIEW   

윤 석 구 고려대학교 SCAL 교수

CIGS 태양전지가 미래산업의 주축이 될 것

Q. 현재 SCAL에서는 1세대부터 3세대 태양전지에 이르기까지 어떤 연구가 진행되고 있나? 1세대 태양전지와 관련해서 SCAL은 전극코팅에 사용되는 기존의 접촉식 스크린 프린팅 기술을 비접촉식 잉크젯 프린팅 기술로 대처하고자 한다. 2세대 태양전지와 관련해서는 CIGS, CZTS 흡수층 증착법을 기존의 진공방식에서 비진공 스프레이 코팅 기술로 대처하려고 한다. 그 외에 염료감응형 태양전지와 관련해서는 저온 스프레이 파우더 코팅기법을 사용, TiO2를 기판에 치밀화 증착해 고효율화를 위한 파우더와 기판의 접촉 면적 극대화 및 부식방지 코팅을 위한 기술개발에 박차를 가하고 있다.

이 외에도 SCAL에서는 화재방재 기술 등 다양한 분야의 연구를 진행하고 있다. 화재방재 기술 중 가장 우선적으로 대두되는 스프링클러의 핵심은 액체 미립화이다. 기본적으로는 스프레이와 같은 미세 액적의 거동이나 열전달 현상을 파악하고 연구하는 측면에서 태양전지와 매우 깊은 관련이 있다. 이를 기반으로 본 연구실에서는 에어로졸·스프레이 기술을 이용해 광흡수층, 전극 코팅 및 셀프 클리닝(Self-Cleaning)을 위한 기판 제작 등 태양전지에 적용 가능한 다양한 기술들을 연구 개발하고 있다.

Q. 교수님은 우주항공학을 전공했는데, 태양광과 우주항공학에는 어떤 관계가 있나?  우주항공학에서 추진 연구 분야는 매우 중요한 부분이다. 연료를 ‘어떻게’ 분무해 연소를 최적화 시키느냐 하는 문제는 오랜 기간에 걸쳐 연구되어 왔다. 여기서 연료를 어떻게 분무하느냐가 바로 스프레이 기술이며, 이런 스프레이 모델링 및 최적화를 주제로 석박사 학위를 수여 받고, 지금은 이러한 스프레이 최적화 기술을 태양전지 코팅에 적용하고 있는 것이다. 여전히 스프레이 연소 및 추진 분야에 유용한 액적 모델링 및 액적-기판충돌 해석, 전산유체역학 분야에서도 활발한 연구활동을 수행하고 있다

고려대학교 SCAL의 윤석구 교수. 2002년 퍼듀대학에서 우주공학과 박사학위를 취득하고, 2005년 고려대학교 공과대 기계공학과에 부임, 현재 부교수로 재직하고 있다.

Q. 제작비용이 저렴하면서 고효율 구현이 가능한 태양전지가 다양한 각도에서 개발 중이다. 그 중 교수님은 어디에 가장 큰 가능성을 열어두고 있나? 앞으로 태양전지 시장은 효율 상승보다는 가격경쟁이 주 무대가 될 것으로 보이는데, 기본적으로 저가공정을 기반으로 한 가격절감이 큰 이슈가 될 것이다. 본 연구실의 목표와 같이 1세대 태양전지 전극 프린팅이나 2세대 태양전지 광흡수층 스프레이 제조 등 매우 간단하고 저렴한 비진공 방식의 공정에 큰 가능성을 열어두고 있다. 이는 미국 퍼스트 솔라(First Solar)사의 CdTe 태양전지와 더불어 떠오르는 CIGS 태양전지의 높은 효율로 인해 쌍벽을 이룰 것으로 예상된다.

상용화 가능성 및 시장 가능성이 가장 높은 태양전지 역시 2세대 화합물 태양전지 중 CIGS와 CdTe다. 비진공 방식으로 코팅된 CIGS는 $1/W의 가격 경쟁력을 갖추게 될 것이다. 실험실 수준에서는 4~5%의 효율을 내고 있는데 실질적으로 변환효율이 6% 이상이 된다면 1$/1W라는 수준에 도달할 수 있다. 2세대 태양전지는 고효율, 저비용이라는 과제와 함께 대량생산이라는 큰 목적을 달성하게 된다면 미래에너지 산업의 주축이 될 것으로 예상한다.

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