최근에는 지속가능경영이라는 기업에 대한 사회의 요구가 점점 구체화됨에 따라서 제품 개발, 생산, 마케팅 등 모든 기업 활동에 사회적, 윤리적 그리고 환경적 기준을 적용하고, 각 협력 주체와의 상생 노력을 요구하고 있다.

이러한 상생이란 주제를 폴리실리콘 생산에 필요한 반응기에 적용해 보고자 한다. 우선 이 글은 폴리실리콘 산업에 있어 유동층 반응 공정의 발전을 바라는 마음에서 작성되었음을 밝힌다.

매력적인 폴리실리콘 생산용 반응 시스템 개발 중

폴리실리콘은 결정질 태양전지용 웨이퍼를 만드는 기초 소재로서 최근의 고효율 태양전지에 적용하기 위해 9-nine 이상의 고품질 폴리실리콘에 대한 수요가 꾸준하게 제기되고 있고 이같은 현상은 작년 2/4분기 이후 폴리실리콘의 현물 가격을 끌어올리는데 주된 요인으로 작용하고 있다. 이는 단순하게 외형적으로 성장한 중국의 폴리실리콘 공장이 생산량 증대에 급급한 나머지 품질에 대응하지 못하면서 초래된 문제라고 볼 수 있다.

품질 관리를 못하고 단순히 설비 운용에 급급한 나머지 9-nine 이하급의 생산과 폴리실리콘 가격 인하에 따른 채산성 압박으로 생산이 원활하지 못한 30여 중소 폴리실리콘 업체들은 중국 정부의 발표에 따라서 점차 정리가 될 것으로 전망된다. 게다가 품질 및 가격 경쟁력을 갖췄다고 판단되는 GCL을 제외한 다른 중국의 폴리실리콘 업체들이 품질경쟁력을 갖추기까지는 몇 년이 더 걸릴 것으로 판단되는 시점에서, 품질과 생산면에서 규모의 경제를 실현해가는 세계 1위의 OCI를 비롯한 헴록, 바커 등 세계 3대 메이저 회사들의 독과점을 견제할 후발 주자들의 노력이 절실해지는 시점을 맞이한다고 볼 수 있다.

그러기 위해서는 주요 기업이 폴리실리콘 생산에 사용되고 있는 벨-자 타입(Bell-jar Type)의 지멘스 법에 대응할 수 있는 유동층 공법에 대한 투자가 절실하다고 판단된다. 이것은 후발주자들이 메이저 회사들이 추진하고 있는 규모의 경제를 따라가기 위해서 필요한 막대한 투자비용을 줄이면서 생산량을 맞출 수 있는 공법이므로, 원가경쟁력 차원에서 필히 갖춰야 할 공정이라고 생각된다.

물론 유동층 공법이 아니라도, 일본 도쿠야마사의 VLD( Vapor-to-Liquid Silicon Deposition Method)와 같은 첨단 공법들도 있으나, 현실적으로 생산이 이루어지는 폴리실리콘 생산 공정은 벨-자 타입과 유동층 공법으로 정리할 수 있다.

현재 정부 R&D 과제로 실리콘밸류사를 통해 TCS를 이용한 유동층 반응기가 개발되어 파일럿 규모로 웅진폴리실리콘에서 실증이 되고 있다. 그러나 유동층 공정이 가지는 가장 큰 약점은 생산되는 폴리실리콘이 입자형이라는 점이다. U-로드 타입(U-rod Type)의 지멘스 반응기를 통한 폴리실리콘 생산은 표면이 생산량에 비해 매우 적기 때문에 생산 후 2차오염이 비교적 적고, 표면 세척이 쉬운 편이지만, 입자형 폴리실리콘의 생산은 연속적으로 매우 효율적으로 이루어지는 반면에, 넓은 표면적으로 인해 생기는 2차 오염 등의 해결과제가 상존하고 있다.

하지만 생성물의 품질 문제가 원만하게 해결된다면 매우 매력적인 폴리실리콘 생산용 반응 시스템이라고 할 수 있다.

폴리실리콘 산업의 생산원가 절감 실현

특히 입자형 폴리실리콘은 덩어리(Chunk)를 이용해 잉곳을 생산하는 기존의 배치 타입 잉곳 생산 공정에서 연속 생산 공정(CCZ : Continuous Czochralski Method)을 실현할 수 있게 해준다. 또한 배치 타입의 생산 방식에서도 덩어리 사이사이의 공극을 메워줄 수 있어서 약 500kg의 덩어리가 장입되는 잉곳 생산용 도가니(Crucible)에 30%가 증가한 650kg 정도의 폴리실리콘을 장입해 잉곳을 생산할 수 있게 되기 때문에 생산량 증가와 원가절감을 동시에 이룰 수 있게 해준다는 장점이 있다고 발표되어(Centrotherm Photovoltaics Corporate News, 2010.08), 잉곳 생산 업체에서도 매우 큰 관심을 가지고 지켜보고 있다.

이에 반해 지멘스 타입 반응기는 가장 많이 보급된 36-rods 반응기에서 48-rods 그리고 54-rods 또는 60-rods, 최근의 100-rods 이상 급의 초대형 지멘스 타입 CVD 반응기 연구에 이르기까지 생산성 향상과 원가절감 차원에서 규모의 경제를 실현하면서 유동층 공법에 대해 절대적 우위를 지키고 있다. 하지만 대당 400mt/yr 이상의 생산이 가능한 연속식 입자형 폴리실리콘 생산용 유동층 CVD 반응기는 분명이 이러한 지멘스 타입 반응기에 대응할 수 있는 우수한 공법임에 의심의 여지가 없다.

지난 2월 28일 KAIST에서 개최된 태양전지 워크숍에서 한국화학연구원의 김희영 책임연구원은 실리콘 소스(Si source) 대체물질에 대해 언급하면서 무려 411가지의 실리콘 함유 화학종이 후보로 있으며, 이들 후보 물질을 통해 현재 가장 많이 사용되는 삼염화실란(Trichlorosilane) 또는 모노실란(Monosilane)을 대체하는 값싸고 품질이 우수한 폴리실리콘 생산용 원료물질을 찾아야 한다고 역설했는데, 생산에 필요한 원료의 원가를 대체물질을 통해 낮추는 방법과 낮은 생산원가와 연속생산이 가능한 유동층 반응기에 대한 연구가 동시에 진행될 때 매우 커다란 시너지효과를 얻을 수 있을 것이다.

비록 지금은 실증 단계에 있는 유동층 공법이지만 다양한 연구를 통해 기존의 지멘스 반응기와 더불어 폴리실리콘 산업의 생산원가 절감을 실현하는데 크게 기여할 수 있을 것이며, 태양광 분야의 그리드 패리티 달성을 위한 원소재인 실리콘의 가격 하락에 지대한 공헌을 하게 될 것으로 생각한다.

현재 지멘스 공정의 세계 최대 기업인 OCI를 비롯해 해외 공정 기술 도입을 위주로 발전해온 국내 폴리실리콘 산업이 가지는 해외 의존도를 낮추고, 생산원가 절감을 통해 그리드 패리티를 앞당겨 줄 유동층 반응공정의 실현을 통해서 폴리실리콘 산업이 경쟁 속에서 상생해 나아갈 수 있게 되기를 희망한다.

남 우 석  웅진폴리실리콘 중앙연구소 선임연구원

성균관대학교에서 화공학 박사학위를 취득하고, 웅진폴리실리콘 중앙연구소에서 신공정 개발을 담당하고 있으며, 국제협력단(KOICA) 태양광분야 전문위원, 한양대학교 신재생에너지 최고위과정 자문위원, 한국건설생활환경시험연구원 선임연구원으로 BIPV 모듈의 내구신뢰성평가 인증기반 구축을 담당하는 등 태양광 전문가로 활동하고 있다.

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