안드레아스 웨이세이트(Andreas Weisheit)

린데일렉트로닉스(Linde Electronics)의 글로벌 TFT-LCD & PV 시장 개발 팀장으로 활동하고 있는 필자는 세계적인 TFT-LCD & PV 산업에 대한 글로벌 전략, 로드맵, 예측, 사업 개발 업무에 대한 책임을 맡고 있다. 또한 그는 반도체, LED와 같은 전자기기 부문에서 모든 아시아 시장과 사업 개발 업무에 대한 책임을 맡고 있다.

박막 실리콘 모듈의 대량 생산은 급속히 늘어나는 추세에 있으며 이 분야 또한 대량생산의 이점을 충분히 인식하고 있다. 2008년 초기 사업자들은 와트 당 1.5달러의 비용으로 생산이 가능했지만 이 비용은 와트 당 0.7달러까지 줄어들 것으로 예상된다. 동일 기간 동안 생산량은 두 배로 증가하고 소재 비용은 약 50%까지 감소할 것으로 예상된다. 이러한 요인들은 그리드 패리티(자원고갈로 석유와 같은 화석연료 발전단가는 상승하는 반면 태양광과 같은 신재생에너지의 전력 생산비용은 낮아져 서로 가격이 동일해지는 균형점을 의미함) 달성과 박막 태양전지의 광범위한 확산에 있어 아주 중요하다.

태양전지 제조에는 25종류 이하의 가스와 화학물질이 사용된다. 이것은 반도체 제조에 50종류 이상의 가스가 사용되는 것에 비하면 상대적으로 낮은 수치이다. 또한 필요한 생산량이 상당히 많고 공급망 관리에 특별한 어려움이 따른다. 특히 박막 필름 실리콘 제조에 사용되는 직접적인 재료들 중에서도 유리와 가스는 태양광 모듈 생산 비용의 40% 이상을 차지한다. 따라서 100MW급 시설에는 중단 없는 소재 공급을 위해 인프라에 대한 상당한 투자가 요구되며, 1GW급 시설에는 주요 소재들을 위해 산업용 급 생산 시설의 완벽한 투자가 필요하다.

필름 증착

박막 태양전지에 사용되는 것과 같은 전자 기기 제조 공정은 매우 복잡하며 여러 단계의 공정이 필요하다. 모든 박막 실리콘 기술의 중요한 공정 단계는 플라즈마 강화 화학 증착(PECVD) 시스템인데, 시레인 전구체에서 도핑된 실리콘 필름을 증착하는 단계이다. 이 결과로 유리 위에 실리콘 박막 필름이 얻어진다. 일반적으로 수소 또한 필름 성장 속도를 조절하기 위해 사용된다. 반도체에 첨가하는 미세한 불순물이 트리메틸 붕소(TMB), 디보란(B2H6), 인화수소(PH3), 메탄(CH4) 같은 전구체를 통해 첨가된다.

TCO 코팅과 PVD 유리 코팅

박막 태양전지 제조 공정에서 또 하나의 중요한 단계는 전면 유리에서 투명 전도성 산화물(TCO) 필름의 증착이다. 이것은 일반적으로 디에틸 아연(DEZ)과 같은 유기금속을 이용하거나 박막 증착을 통해 증착되는 산화주석이나 산화아연이다. 물리적 기상 증착을 통해 후면 접촉 금속층을 증착하는 것은 PVD 유리 코팅 공정 중에 이루어진다. 여기에는 알루미늄이나 은 박막 증착을 위해 아르곤 가스를 사용한다.

챔버 세척

증착공정 단계들 사이에서 장비 챔버는 세척이 필요한데, 이 세척은 불소 원자를 함유한 반응성이 강한 가스와 함께 이루어진다. 필름 증착 공정은 또한 반드시 정기적으로 세척해야 하는 샤워 꼭지와, 챔버 벽과 같은 PECVD 공정 챔버에서 다른 표면의 실리콘 증착으로 이어진다. 일반적으로 삼불화 질소(NF3), 육불화황(SF6), 순수 불소(F2)를 사용하는 불소 에칭 공정이 이러한 목적으로 사용된다.

불소 대 삼불화 질소

비용을 최소화하고 효율을 극대화하기 위해, 그리고 환경에 무해한 제조 공정을 유지하기 위해 현장에서 생산한 불소가 챔버 불순물 제거를 위한 가장 현실성 있는 최선의 선택이다. 삼불화 질소와 비교해 보면 최상의 챔버 불순물 제거 가스인 순수 불소는 훨씬 더 효과적인 불순물 제거 용제이다. 순수 불소는 삼불화 질소에 비해 훨씬 적은 에너지로 훨씬 더 빠르게 반응성이 높은 화합물로 분화된다. 이런 이유로 세척 시간은 60% 이상 줄어들고 공정 중 전력 소비는 60%까지 줄어든다. 온실가스인 삼불화 질소를 불소로 대체하면 제조사의 탄소 배출량을 줄이는 데도 도움이 된다. 왜냐하면 불소는 지구 온난화에 전혀 영향을 미치지 않는 가스이기 때문이다.

불소와 관련해 또 하나의 독특한 점은 공급되는 방식이다. 이 불소 가스는 현장에서 고객의 수요가 있을 때마다 소형의 공장에서 직접 제조하는 방식이다. 현장에서 생산된 불소의 공급에는 그만큼 다른 생산 공정 체계와 포장된 재료 공급 체계가 필요하다. 환경에 악영향을 미치지 않고 시설을 사용하며 용량 팽창이 가능한 이유가 이 때문이다. 안전성 계획이 생산 초기 단계에서 실사용자와 지역사회와 함께 이루어진다. 현장에서 화학물질 재고가 상당히 줄어들기 때문에 허가 취득 문제도 그만큼 줄어든다. 마지막으로 현장에서 생산된 불소는 공급망과 가격 변동성의 위험도 최소화한다.

현장에서 생산된 불소는 현재 아시아와 유럽 지역의 박막 필름 태양전지와 다른 유사한 박막 필름 공정의 상업적 생산에서 많이 사용되고 있다. 생산 용량은 연간 1~100톤 이상으로 고압 불소 실린더와 대용량 삼불화 질소의 공급이 그만큼 줄어들었다. TFT-LCD, 반도체, 태양광 산업 고객 공장 시설에 30개 이상의 시스템이 이미 설치된 상태이다.

도핑용 가스 혼합

태양광 시장의 제조 규모가 커지면서 도핑용 가스의 대량 생산에 대한 수요도 크게 늘고 있다. 현장에서 도핑용 가스 혼합물을 생산하는 혼합 시스템은 고객들에게 안정적인 공급과 물류비용의 절약, 비용 절감의 효과를 주고 있고 이는 탄소 발자국(온실 효과를 유발하는 이산화탄소의 배출량) 감소와 비용 절감 목표 달성에도 일조하고 있다.

대규모 시레인 저장

시레인은 박막 태양전지 제조에 사용되는 가장 중요한 가스의 하나이다. 설비에 따라 연간 MW 당 150~300kg라는 대용량 생산을 해야 하기 때문에 시레인은 일반적으로 멀티 실린더 형태나 600kg까지 담는 ISO 표준에 따라 공급된다. 시레인이 잠재적인 유해성을 함유한 가스이기 때문에 저장과 운송 시스템은 여러 요소들을 고려해 치밀하게 설계해야 하며 대용량 시레인 공급망의 모든 측면에서 설치와 이용에 있어서도 면밀한 주의가 요구된다.

대용량 압축 액화 가스

사용되는 전자 특수 가스와 화학물질 외에도 많은 전통적인 산업용 가스들은 높은 순도를 유지해야 하고 대용량 생산이 요구된다. 따라서 박막 실리콘 고객들이나 결정질 실리콘 고객들은 모두 하나같이 질소, 산소, 아르곤, 수소, 헬륨 같은 이들 필수 가스들의 안전적인 공급을 원한다. 이들 제품들은 일반적으로 고순도 가스 공장의 세계적 네트워크에서 생산되고 고객의 저장 시설까지 액체 상태나 압축 형태로 도로를 통해 운송된다. 가스 공급업체들은 일반적으로 저장 탱크, 증발기, 정화장치, 여과, 그리고 해당하는 초고순도 유통 시스템을 비롯해 이들 가스에 대한 총괄적인 설계 및 설치 서비스를 제공한다.

일부 가스들, 흔히 질소와 수소 같은 대용량 가스들은 현장에서 생산되는 방식이 최선의 공급 방법이다. 대부분의 경우에 이 가스들은 완벽하게 설계된 공장시설에서 사전 포장 형태로 출시된다. 질소의 경우에는 냉각 액화 분리 공정이 사용되고 수소의 경우에는 수증기 메탄 개질 방법이 흔히 사용되는 기법이다.

새로운 도전과제들

가스 공급업체들은 ‘전통적인 의미의 공급업체들’에서 제조업의 모든 종합적인 부분까지 서비스를 제공하는 사업자들로 진화하고 있다. 왜냐하면 태양광 제조업체들은 박막 실리콘 제조 공정에 사용되는 다양한 특수 소재에 대한 전문성과 전문 지식을 갖춘 믿을 만한 파트너업체들을 선호하기 때문이다. 산업이 성장을 거듭할수록 제조업체들에게는 다른 도전들이 대두되는데, 그 중에서 안전 관리, 환경문제 대처, 비용을 줄이고 태양전지의 효율을 동시에 높일 수 있는 신소재 기술 개발이 대표적인 도전들이다.

린데와 말리부, 독특한 형태의 기술 파트너십

말리부는 실리콘 박막 기술을 이용해 혁신적인 태앵광 모듈을 개발·생산하는 업체이다. 이 회사는 에너지 효율성을 갖춘 창문, 외장, 태양전지 솔루션을 생산하는 세계 굴지의 제조업체인 슈코(Schuco)의 지사이다. 

린데(Linde)와 말리부는 2008년 장기적인 연구개발(R&D) 협력관계를 결성했다. 두 회사의 상호보완적인 사업을 통해 두 회사는 서로 상당한 효과를 보고 있다. 말리부의 전문분야는 태양전지의 연구, 생산이며, 린데는 현장 불소 생성을 위한 특허 기술을 개발했다.

린데는 일정 기간 동안 플라즈마 강화 화학 증착(PECVD) 챔버 세척을 위해 불소를 사용한다는 콘셉트를 개발했고 말리부는 태양광 산업에서 삼불화 질소를 불소로 대체한 최초의 회사이며 불소를 생산하는 전면 생산 체제를 도입한 최초의 회사이다.

챔버 세척 공정에서 삼불화 질소의 사용을 제거하면서 말리부는 환경에 무해하며 비용 면에서 절감 효과가 있는 제조 공정을 위한 중요한 첫 단계를 열었고 고객들에게도 환경 친화적인 제품을 공급하고 있다. 린데는 현재 수많은 태양광 업체들이 챔버 세척을 위해 삼불화 질소 대신에 생산성이 뛰어나고 에너지 절감 효과가 있는 불소를 사용하는 모습을 지켜보고 있다. 환경영향에 대한 우려와 법적인 사용규제가 예상되고 있기 때문에 질소는 현재 삼불화 질소 대신에 사용할 수 있는 대안적 가스로 각광받고 있다.

본 기사는 미디어그룹 인포더에서 발행하는 글로벌 PV 매거진 Monthly INTER PV(영문) 내용을 게재한 것입니다.

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