김 병 욱 한국유리공업 기술연구소 상무

1982년부터 한국유리공업 기술연구소 연구원으로 입사해 현재 엑스퍼티즈 및 분석팀장으로 근무하고 있는 필자는 1991년 장영실상, 2010년 부품소재기술상으로 지식경제부 장관 표창을 받았다.

현재 신재생에너지 가운데 태양광 산업은 가장 빠른 성장률을 보이고 있으며, 이산화탄소의 과다 배출에 따른 지구 온난화 문제 및 미래 화석연료의 고갈에 따른 석유에너지 가격의 상승에 대처하기 위한 대체 에너지원으로 지속적인 성장을 기대하고 있다. 태양광 산업의 성장 속에서 관련 부품 산업도 전 세계적으로 활발한 기술개발 및 막대한 투자가 진행되고 있다. 

특히 태양광 산업에 사용되는 부품으로 태양광 모듈의 커버용 혹은 기판용으로 사용되는 유리 소재도 태양광 산업의 발전과 발맞추어 급격한 성장이 예상되고 있다. 국내 시장조사기관 자료에 의한 태양전지 산업용 유리의 세계적인 규모는 2009년도에 약 11.7GW 수준으로 이를 유리 면적으로 환산하면 약 114,523천m2 정도이고, 무게로 환산 시 약 90만톤으로 예측하고 있다. 세계 태양전지용 유리 생산량으로만 보면 국내의 경우 대부분 수입에 의존하고 있으나, 향후 태양광산업의 시장 성장 추세에 따라 관련 유리 시장도 크게 확대될 것으로 기대되고 있다.

저철분 유리의 종류

태양광 산업에 사용되는 유리소재는 사용 용도에 따라 크게 3가지로 구분될 수 있다. 우선 결정질 태양전지용 커버유리로 주로 사용되는 저철분 무늬유리, 일부 결정질 태양전지용 커버유리, 화합물반도체 태양전지용 커버유리 및 건물 일체형 태양전지(BIPV : Building Integrated Photovoltaic)에서 사용되는 저철분 플로트 유리 혹은 일반 맑은 플로트 유리를 원판으로 하여 투명전도막(TCO : Transparent Conductive Oxide)으로 산화주석(SnO2), 몰리브덴(Mo)을 코팅해 박막 태양전지 기판유리에 사용되는 태양전지용 투명 전도막 코팅 유리로 구분될 수 있다. 기본적으로 모든 유리 소재에 있어 태양광발전의 효율성을 높이는 방법 중의 하나는 태양광 유리의 철분 함량을 조절해 태양광발전에 유용한 파장대의 광학적 투과율을 가능한 높이는 것이다.

저철분 플로트 판유리의 철분 함량

일반적으로 유리 중에 불순물로 함유되어 있는 철분은 380nm와 1,050nm에서 빛을 흡수하므로 유리가 푸른색을 띠게 하며 또한 가시광선 투과율 및 열선 투과율을 저하시키는 원인이 된다.

따라서 유리의 태양열선 투과율을 높이기 위해서는 가능한 철분 함량을 적게 조절하는 것이 제일 중요하다. 보통 일반 플로트 판유리의 경우 철분함량은 800~1,000ppm 정도이나, 태양광 산업에 사용되는 저철분 플로트 유리의 경우에는 130~150ppm 정도이다. 이러한 저철분 유리를 제조하기 위해서는 철분함량이 낮은 고순도 원료를 사용해야 하며, 유리 제조공정 중에 혼입되는 철분을 함유한 불순물의 오염을 최대한 방지해야 한다.

또한 저철분 플로트 유리는 일반 판유리에 비해 열선투과율이 높기 때문에 유리 용융 시 유리물의 온도가 상승해 내화물 침식이 가속되어 유리 용융로의 수명이 단축된다. 따라서 저철분 유리는 상대적으로 제조원가가 일반 유리에 비해 높다.

한국유리는 2009년도 초에 국내 최초로 철분 함량이 130~150ppm 정도 되는 저철분 플로트 판유리(Diamant) 생산에 성공해 그동안 전량 수입에 의존하던 저철분 플로트 유리를 국산화하게 되었다. 또한 2010년에는 저철분 판유리 디아망 솔라 스타(Diamant Solar Star)를 출시해 전 세계에서 생산된 유리 중 가장 높은 투과율을 나타냈다. 더불어 2009년에는 지식경제부 기술표준원으로부터 신제품인증(NeP) 및 한국특허도 취득한 바 있다.

그림 1은 유리 종류에 따르는 빛의 투과 스펙트럼(Spectrum)을 비교한 것으로, 일반 건축용 맑은 유리와 그린(Green) 유리, 그리고 저철분 판유리의 투과곡선을 비교한 그림이다. 유리의 태양열선 투과율은 두께 4mm로 환산했을 때 일반 유리의 경우 88% 정도인 반면 저철분 판유리(Diamant Solar Star)는 91%이다. 일반적으로 저철분 판유리는 보통 모듈의 크기에 따라서 3mm 또는 4mm를 사용한다.

저철분 플로트 유리의 리덕스(Redox) 효과

같은 철분을 함유한 경우일지라도 용융과정 중의 산화-환원의 조건에 따라서 유리의 에너지 투과율은 크게 달라질 수 있다.

그림 2에서와 같이 유리 중의 철분은 Fe+2와 Fe+3 이온 상태로 존재하는데 유리 중에 존재하는 총 Fe 중의 Fe+2량을 리덕스(Fe+2/Fe+2+Fe+3)로 표현한다. 

그런데 그림 2에서와 같이 Fe+3 이온은 380nm에서, Fe+2 이온은 1,050nm 영역에서 커 다른 흡수피크를 나타낸다. 그리고 비정질 Si(amorphous Si, a-Si)의 양자 효율(Quantum Efficiency) 곡선은 300~800nm 범위에서 그리고 마이크로 결정질 Si(micro crystal Si, uc-Si)의 경우에는 500~1,100nm 범위에서 흡수 스펙트럼을 나타낸다. 그러므로 태양전지의 효율을 극대화하기 위해서는 가시광선 투과율 및 태양열선의 투과율을 가능한 높게 유지하도록 리덕스를 낮게 유지하는 것이 바람직하다. 이를 위해서 저철분 플로트 판유리를 제조할 때는 가능한 용융 분위기를 산화 분위기로 만들어 Fe+2보다는 Fe+3 이온으로 존재하도록 유도해야 한다.

일반 판유리의 경우 리덕스는 보통 25~30% 정도이다. 그러나 태양광 산업에 사용되는 저철분 무늬유리(Albarino) 또는 저철분 판유리(Diamant Solar  Star)의 경우 태양열선 투과율을 높이기 위해 연소공기의 양을 증가시키거나, 또는 산화제를 사용하는 방법 등을 통해 산화분위기를 높게 형성시키고 있다. 

그림 3은 같은 150~200ppm 정도의 철분함량을 갖는 저철분 유리의 산화 환원조건(Redox)의 변화에 따른 투과 스펙트럼의 변화를 나타낸 그림이다. 검은색 곡선은 리덕스가 15%일 때의 경우이고, 붉은색 곡선은 리덕스가 50%일 때, 푸른색 곡선은 리덕스가 70%의 경우로, 즉 같은 철분 함량의 경우라도 리덕스가 낮을수록 에너지 투과율이 높음을 보여주고 있다.

새롭게 개발된 한글라스의 디아망 솔라 스타는 일반적인 방법에서 활용되는 산화세륨(CeO2) 등 고가의 희토류 산화물을 첨가하지 않고도 연소 분위기 및 일괄 화학(Batch Chemistry) 조절로 우수한 광학적 투과율을 구현할 수 있는 기술을 이용, 국내 태양에너지 산업 유리 국산화에 큰 기여를 하고 있다. 또한 동등한 가시광선 투과율을 가지고 있더라도 위 기술로 제조된 제품을 태양전지 커버로 사용할 경우 400~1,100nm 파장 범위에서 투과율이 우수하기 때문에 기존 수입 제품을 적용한 태양전지 모듈보다 효율을 2~3% 이상 높일 수 있다. 이러한 공로를 인정받아 한국유리는 지난 2010년 12월 지식경제부에서 주관하는 ‘2010 부품소재 기술상’을 수상한 바 있다. 

더 낮은 철분 함량과 더 높은 투과율을 위한 저철분 판유리 기술개발이 국내 태양광 후방 산업을 활성화 하고, 나아가 한국 태양광 산업이 더 넓은 시장으로 진출하기 위한 밑거름이 되기를 기대해 본다.

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