조 정 대 한국기계연구원 인쇄전자연구센터장

일본 토호쿠대학교에서 지능기계공학박사 학위를 취득한 필자는 2009년 한국기계연구원 롤-투-롤프린팅공정장비연구팀장과 프린팅공정자연모사연구실장을 거쳐 현재 한국기계연구원 나노융합시스템연구본부 인쇄전자연구센터 센터장으로 활동하고 있다.

유비쿼터스시대로 접어듦에 따라 현재의 전자제품들은 점점 휴대하기 편하고, 경량화, 박막화뿐만 아니라, 종이처럼 접거나 두루마리 형태로 감을 수 있는 형태로 진화되고 있다. 그리고 이는 태양전지(Solar Cell)에도 적용돼 마치 신문을 인쇄하듯이 종이 및 플라스틱과 같은 유연 기판에 다양한 접촉식 및 비접촉식 인쇄 방식을 개발하고 있다.

이 같은 기술의 발전을 통해 태양전지를 비롯한 박막전지(Thin Film Battery), OLED, 플렉시블 디스플레이(Flexible Display), 전자회로, 센서 및 전자부품 등 유연 전자소자의 시장이 펼쳐질 것으로 전망된다.

태양전지의 경우도 효율 향상이라는 과제 외에도 원자재 수급 및 제조단가 문제를 해결해야 하는 상황에 직면하고 있다. 때문에 최근 태양전지 산업은 유기 태양전지, CIGS 태양전지, 염료감응 태양전지로 대표되는 박막형 태양전지 산업이 급속도로 확산 및 발전되고 있다. 이 중에서 특히 유기 태양전지 기술은 유연성뿐만 아니라 가장 저가격의 태양전지 생산이 가능하다는 특징과 다양한 분야에 적용이 가능하기 때문에 향후 그 발전 속도는 더욱 가속화 될 전망이다.

유기 태양전지 인쇄 기술의 세계적 흐름

현재 박막 태양전지 중 유기 태양전지는 가장 뒤늦게 연구된 분야로서, 에너지 변환 효율은 낮은 편이지만 연구 개발이 활발하게 진행되고 있으며 매년 효율 및 수명 성능이 지속적으로 증가하고 있는 추세다. 또한 초저가 유연 태양전지라는 특징은 최근의 초소형 이동기기 확대와 높은 휴대성을 요구하는 전자 소자와 결합될 경우 대체에너지 분야에서의 산업적 가치가 매우 높을 것으로 판단된다.

현재 선진기업 및 연구소들은 기 개발된 유기 반도체와 기존의 인쇄 및 코팅 기술을 적용한 연속생산 방식으로 유기 태양전지 모듈 제조기술을 선보이고 있다. 국내에서도 유기 태양전지가 시장성을 갖기 위해서는 단위셀의 효율 증가가 전제되어야 하는 동시에, 대면적화 및 대량생산이 가능한 제조공정의 개발 및 안정화 기술이 반드시 필요하다. 이를 위해 인쇄 및 코팅기술을 활용한 롤-투-롤 연속공정이 가장 적절한 대안임을 밝히고 있다.

최근 유기 태양전지는 국내보다는 국외에서 더욱 활발히 연구되고 있다. 미국의 코나카(Konarka), 덴마크의 국립에너지연구소(RISO-DTU), 미국의 GE, 핀란드의 국가기술연구센터(VTT) 및 일본의 이화학연구소(RIKEN) 등에서는 집광 중 낭비되는 에너지가 적고 제작 시간이 짧아 대량 생산이 가능해 제조 원가를 획기적으로 낮출 수 있는 인쇄 및 코팅 공정 기술을 기반으로 유연 유기 태양전지 상용화에 적극적으로 앞장서고 있다. 또한 중국의 Yang 교수, Cao 교수 및 미국의 Heeger 교수를 중심으로 인쇄·코팅 공정의 고효율 소자 제작 및 수명 성능의 극대화를 추구하고 있다.

유럽의 인쇄기술 개발 상황

최근 유럽에서는 신재생에너지 및 대체 에너지 생산 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 덴마크의 RISO-DTU 연구소는 태양광, 풍력 및 지열 등 다양한 대체 에너지 기술을 연구하고 있으며, 태양전지 분야에서는 유연한 기판에서 프린팅 기술로 구현된 유기 태양전지 모듈의 제작 및 성능시험을 하고 있다. 이 연구소에서는 현재 세계에서 가장 안정된 모듈 제작을 실현하고 있다. 슬롯다이(Slot Die) 코팅, 플렉소(Flexo) 인쇄, 로터리 스크린(Rotary Screen) 인쇄 및 스크린 인쇄 등의 인쇄 및 코팅기술로만 구현된 태양전지를 제작하고 있으며, ITO가 패턴된 PET 필름을 사용해 제작된 35cm 폭의 유연 유기 태양전지 모듈의 경우 약 2.8~3%의 효율을 나타내고 있다. 이러한 효율은 셀 효율과는 다른 개념으로 상온 및 상압에서의 인쇄 및 코팅 공정을 통해 구현된 대량 생산용 유연 유기태양전지라는 측면에서 큰 주목을 받고 있다.

이밖에도 핀란드 VTT 연구소는 2008년 6월 롤-투-롤 그라비어 인쇄장비로 광전층(Photoacive Layer)을 60m/min의 속도로, ITO/ PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca/Ag 구조의 유기 태양전지를 제작해 4.6%의 에너지 변환 효율을 달성했다고 발표했다. 이는 롤-투-롤 인쇄공정으로 고효율의 유연 유기 태양전지 생산의 가능성을 제시한 사례가 되었다.

미국의 인쇄기술 개발 상황

유럽과 비슷하게 미국에서도 유기 태양전지 생산 기술에 대한 연구를 지속적으로 수행하고 있다. 현재 미국에서 유기 태양전지의 연속 생산공정 라인을 확보하고 양산화를 목표로 시제품을 생산하고 있는 대표적인 기업으로는 코나카를 들 수 있다. 코나카는 유기 태양저지의 상용화를 위해 30~50m/min의 생산속도를 갖는 파일롯 장비에 많은 연구를 진행했으며, 최근에는 대형 생산 장비로 연구개발이 진행 중에 있다. 코나카는 인쇄 기법 중 그라비어 박막 코팅 기술을 기반으로 다층(Multi-layer) 코팅해 소자를 생산하고 있으며, 현재 약 3% 대의 모듈 효율을 나타내고 있다. 코나카는 유연 유기 태양전지를 가장 빨리 상용화 시킬 기업으로 평가받고 있으며, 최근 모듈 효율을 높이기 위해 진공 증착 기법이 조합된 하이브리드 타입의 공정 기술도 추가적으로 연구하고 있다. 코나카는 휴대용 전지, 가방, 전자책용 전원 및 교육용 키트 등 초기 유기 태양전지 시장 개척을 위한 시제품을 선보이고 있으며, 세계적인 차양막 제조회사인 스카이셰이드(SkyShade)와 공동으로 야외용 제품 출시를 준비 중에 있다.

또한 플렉스트로닉(Plextronics)은 ‘Ready-to-use Printable Ink’의 개념으로 인쇄공정용 유기 반도체 잉크 공급을 비즈니스 모델로 사업을 진행 중이다. 2008년에는 신규 억셉터 재료를 이용해 5.98%의 에너지 변환효율을 달성했으며, 15.2×15.2cm2 크기의 모듈을 제작해 NREL에서 인증을 받기도 했다. 2009년 초 파일럿 규모의 D-line을 설치했고 고효율 유기 태양전지 모듈 출시를 목표로 연구개발을 하고 있다.

이밖에도 솔라머에너지(Solarmer Energy)는 효율 5~6%의 50cm2 크기의 모듈 상용 출시를 목표로 하고 있으며 휴대용 전자기기 적용을 위한 시제품을 최근 발표했다.

일본의 인쇄기술 개발 상황

일본에서는 유기 및 무기 재료의 박막코팅을 위한 코팅 장비 개발에 관한 연구가 활발히 진행 중이며, 이를 위한 다양한 코팅 방법 및 장비들을 개발하고 있다.

특히 유기 박막코팅을 위한 장비로 슬롯다이코팅 기술을 적극적으로 검토하고 있다. NEC는 잉크젯 프린팅 방식을 이용한 박막구동 소자 제작 및 슬롯다이코팅 장비를 이용한 박막코팅 공정을 소개하고, 이를 이용한 유기태양전지 및 배터리 제작이 가능함을 발표했다. 또한 메디켄(Mediken)은 연구용 시험 인쇄기기를 제작하여 유기 전자소자 및 태양전지 제작에 관한 성과를 보고했다.

유기 태양전지 상용화를 위한 국내 기술개발 현황

현재까지 RISO-DTU, 코나카, 플렉스트로닉 등의 대표적인 선진기업은 소자의 재료나 구조에 많은 관심을 기울이고 있다. 그러나 인쇄방법, 코팅방법 및 건조방법을 기반으로 하는 생산장비 및 소자에 특성화된 최적 공정기술에 대한 연구는 아직 미흡한 편이라고 볼 수 있다. 유기 태양전지의 셀 효율인 8~9% 대의 성능을 생산 모듈에도 그대로 반영하기 위해서는 소자 구조나 재료뿐만 아니라 다양한 공정 기술도 병행해 연구되어야 하며, 최근 이에 대한 필요성이 더욱 높아지고 있다.

국내의 경우 많은 기업들이 태양전지 산업에 투자를 확대하고 있다. 그 중 유기 태양전지 관련 연구개발을 진행하고 있는 기업은 코오롱, LG화학, LGD, SK에너지, 삼성종합기술원 등이 있으며, 연구기관으로는 한국화학연구원, 한국과학기술연구원, 한국전자통신연구원, 한국기계연구원 등이 있다.

한국기계연구원은 저가격, 고효율 유연성 유기 태양전지 생산을 위한 인쇄·코팅 연속 생산시스템 연구 개발에 주력하고 있다. 본 장비의 핵심기술과 기술적 특징은 다기능 복합인쇄공정 적용이 가능한 새로운 형태의 인쇄 모듈 설계 및 제작기술, 중첩인쇄 정밀도 향상을 위한 싱크로나이징 제어 시스템 설계 기술, 인쇄압력, 장력과 공정변수 입력 및 변경의 용이성, 고속인쇄 대응을 위한 실시간 공정 모니터링 및 운영 시스템 기술, 모듈 배치 변경 및 확장이 쉬운 모듈화 시스템 구조 기술이다. 또한 인쇄중첩정밀도 20㎛이하, 인쇄 속도 최대 60m/min의 고정밀 및 고속 기능을 갖는 롤-투-롤 장비로서, 세계최고 7㎛ 선폭 인쇄와 면저항값 9.27Ω 및 투과도 85.76% 의 고성능 유연·투명 전도성 필름을 제작했다.

최근에는 슬롯다이코팅, 스크린인쇄 및 그라비어 옵셋 인쇄를 복합적으로 적용한 장비를 설계·제작해 유연 유기 태양전지 시제품을 본격적으로 제작, 이에 대한 성능시험을 수행하고 있다. 본 장비는 유연 유기 태양전지의 미세선폭의 전극층 인쇄가 가능하고 활성층 및 버퍼층 등의 유무기 재료를 나노박막코팅할 수 있으며, 대면적 고속 균일 건조와 다층 보호필름의 라미네이팅이 가능한 특징을 갖는다.

전망

OE-A(Organic Electronics Asso ciation)에서 예측한 유기 태양전지는 2011년을 기점으로 단기적 기간(2011~2013년)에는 약 6~8%의 모듈 효율을 예상하고 있으며, 소자의 수명은 약 5~15년으로 예측하고 있다. 중기적 기간(2014~2017년)에는 약 8~10%의 에너지 변환 효율을 예상하고, 수명은 15~20년으로 본격적인 상용화가 시작될 것으로 판단하고 있으며, 이 시점부터 본격적인 대량생산 체계가 갖추어질 것으로 예상하고 있다. 그리고 장기적 기간에 해당하는 2020년에는 11~13%의 효율과 20~30년의 수명, 그리고 와트당 0.4유로 이하의 초저가 태양전지가 될 것으로 기대하고 있다.

OE-A 및 IdtechEx에서 예측한 박막 태양전지 시장전망에서도 2018년 이후 유연 유기 태양전지는 아주 급성장할 것으로 예측하고 있으며, 효율과 수명이 향상된 저가의 유연 유기 태양전지 개발을 위해 저온, 저압 및 고속으로 제작이 가능한 연속 공정장비개발의 요구가 증가할 것이다. 또한 유연 태양전지 기술은 유기 전자 재료를 기반으로 하고 있기 때문에 유기 박막 트랜지스터(OTFT)나 유기 발광소자(OLED)와 같은 유기 전자소자 분야에 기술적 시너지 효과가 높을 것으로 예상한다.

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이며, 배터리 없는 전자기기 또는 무선 시스템을 구현하는 전기에너지 생산 기술이다. 인쇄 및 코팅기술로 제작된 유연 유기 태양전지는 녹색성장 및 신재생에너지 분야의 기술적 가치는 물론 인간의 생활환경을 변화시킬 수 있는 기술이다. 박막 태양전지 기술은 건물외벽 및 창문이 에너지원으로 재탄생하는 그린에너지 건축물을 지을 수 있어서 건축디자인 혁명을 일으킬 수 있을 것이다. 또한 옷이나 가방 등에 작은 모니터를 부착할 수 있고, 신문이나 도서도 E-paper(전자종이)로 대체가 될 것이며, 심지어 TV도 플라스틱 필름 1장 정도의 두께로 대체가 가능할 것이다. 이러한 유연 전자소자의 구동에 필요한 전력을 공급하는 것 역시 부피가 작고 휴대가 간편하고 태양빛만 있으면 언제든 사용이 가능한 유연 유기 태양전지가 될 것이다.

나아가서는 우리가 쓰고 있는 다양한 전자기기들이 휴대용 태양전지를 통해 충전 걱정 없이 청정의 에너지원을 무한정으로 사용 가능한 그날이 올 것이며, 인쇄 및 코팅 생산기술이 이를 구현해 줄 하나의 핵심 기술이 될 것이다.

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