백시트 시장에서 불소중합체의 우위는 사라지고 있는가?

미셸 바니니(Michele Vannini)

이탈리아 코베메 S.p.A의 PV 사업부장이다.

대다수의 백시트 제조사들은 PVF 제조를 중단했거나 중단을 고려하고 있으며, 아직도 PVF 백시트를 생산하는 업체들은 대체품을 추가하고 있는 실정이다. 그러나 지난 7년 동안 진행된 포톤 백시트 연구조사를 참고하면 백시트 제조업체 수는 2005년 4개 업체에서 2011년 22개 업체로 늘었고, 이와 유사한 다른 백시트 제품들은 27개에서 112개로 급증했다(그림 1). 2007년 생산된 백시트 모델 중에서 90% 이상이 PVF 제품이었으나, 2011년에는 40%로 줄어든 것을 확인할 수 있다(그림 2).

그림 1과 2는 현 추세를 단적으로 보여주고 있다. 그러나 여기서 눈여겨보아야 할 것은 이 수치는 단지 생산된 제품의 수를 제시할 뿐이지 판매량은 나타나지 않는다는 점이다. 

제품 생산에서 이렇게 극적인 증가가 이뤄진 중요한 이유 중 하나로 업계에는 듀폰이 보인 과거의 태도를 지목한다. 듀폰은 2축 테들러 필름에 기반한 백시트 시장에서 강력한 입지를 구축했다. PV 시장의 성장을 2축 필름의 공급이 감당하지 못하자 듀폰은 시장에서 주도적인 위치를 이용해 새로운 형태의 테들러 캐스트 필름을 선보였다. 듀폰은 이를 통해 고가의 2축 제조 시설에 대한 신규 투자 없이도 PVF 필름의 늘어나는 수요를 충족할 수 있을 것이라고 예상했다.

그러나 캐스트 필름은 기존의 2축 필름의 중요한 특수 공정이 없었기 때문에 기존 고객들은 자신들이 잘 알고 있는 필름을 더 선호하는 경향을 보였다. 결국 2축 필름 생산 용량의 확대 없이 공급은 증가하는 수요를 따라잡을 수 없었고, 이런 상황으로 2축 테들러 필름 가격이 상승하게 됐다. 그리고 비싼 2축 테들러 필름의 대체재를 찾으려는 시장의 요구는 더욱 가속화 될 수밖에 없었으며, 다른 불소중합체와 비불소중합체 제조사들이 그 사이를 비집고 들어오는 배경이 됐다.

PVF의 대안으로 등장한 PET

테들러의 시장 점유율을 뺏은 다른 불소중합체로는 PVDF, PTEF, ETFE, ECTFE 등이 있는데, 특정 용도에 따라 선택이 달라진다. 필름을 시장에 무제한적이고, 안정적으로 공급해야 한다는 요구는 비불화계 필름제조업체들에게 PV 시장에 자신들의 제품을 내놓아야 한다는 강한 필요성을 느끼게 했다.  

이 중 가장 눈에 띄는 제품은 라미네이트 가공이 됐거나 코팅된 PET 필름이었다. 그러나 폴리아마이드와 다른 고분자 필름도 PV 백시트 시장의 기술적 수요 충족을 위해 개발됐다. 일본 노무라연구소는 PVF는 가수분해저항성이 있는 PET가 계속 성장함에 따라 지속적으로 시장 점유율을 잃어갈 것으로 전망했다. PET는 PV 산업에 새로운 모델은 아니지만 PVF를 대체할 가장 강력한 대안으로 등장하고 있다(그림 3).

미국과 유럽에서는 오래전부터 다층 백시트 내부에 테들러(TPT)나 PVF, PET, EVA 프라이머(TPE)의 두 층 사이에 라미네이트 된 PET 필름을 내부층 용도로 사용해 왔다. PET는 탁월한 절연기능과 낮은 투습률, 높은 기계적 강도 등이 기술적 장점으로 인정받은 소재였다. 또한 대량 생산이 가능하고, 다른 가공 중합체에 비해 가격이 저렴해 상업적으로 널리 수용될 수 있었다.

PET는 과거 가수분해와 UV 저항성에 대해 낮은 표준등급을 가져 수동적인 중간층 역할에만 한정돼 있었다. 그러나 일본은 전혀 다른 접근법을 통해 PVF를 전혀 취급하지 않고서도 25년 이상 PET를 성공적으로 사용해 오고 있다.

보통 표준형 등급의 PET 필름은 85°C, 상대습도 85%의 기본적 온습도 시험(DHT)에서도 가수분해 되기 때문에 기계적 강도를 잃게 되는 것으로 알려져 있다. 그러나 제조 기법에 상당한 발전이 이뤄져 3,000시간 이상의 온습도 시험에도 특성을 잃지 않는 가수분해저항성 PET 필름이 개발됐다.

다이매트(dyMat) PYE3000은 3,000여시간의 온습도 시험 후에도 30% 이상의 파단 신율(ETB)을 유지했다. 중요한 균열지점은 10% ETB 이하로 나타나, 일반적인 표준 등급의 PET가 1,200시간에 이 지점에 도달하는 것과 큰 대조를 보였다(그림 4).

안정화되지 않은 폴리에스테르 필름은 분자 체인에서 흡수층이 존재해 화학적으로 UV로 인한 성능 저하에 취약하다. 현재 시판 중인 폴리에스테르 필름 표준 PV UV 노후화 자질 시험을 안정적으로 통과할 수 없지만, 폴리에스테르의 화학과 생산 공학에도 상당한 발전이 있어 UV 내구성이 높은 폴리에스테르 필름의 개발 및 상업화가 가능해졌다.

안정화되지 않은 필름에서 UV에 의한 성능저하는 황변 증가(새로운 빛을 흡수하는 화학종의 형성), 연무 증가(깨끗한 필름), 광택 감소(표면이 거칠어짐), 광선 투과율 저하(더 많은 흡수와 분산), 기계적 자질 감소(ETB % 감소) 등의 역효과를 야기한다.

소재의 UV 내구성은 일반적으로 촉진내후시험에 의해 평가된다. 아틀라스의 내후성 시험기기 Ci5000 웨더 오미터(Weather-Ometer)에서 제논 아크 램프(ISO 4892-2에 따라 340nm에서 0.5W/㎡/nm로 수정)가 UV 안정화 폴리에스테르의 노후 등급에 사용됐다. 웨더 오미터의 데이터는 UV 안정화 백색 폴리에스테르 필름의 효과를 보여준다.

그림 5는 50um의 비안정화된 표준형 백색필름과 안정화된 50um의 일반적 백시트 외부 필름을 나타낸다. 10,600시간 경과 후, 안정화된 필름은 우수한 ETB 보유력을 보이며, 황변 현상의 증가가 적은 것을 알 수 있다. 이런 강도의 램프 시험에서 웨더 오미터의 1,637시간은 1년 동안 플로리다의 직사광선에 노출된 것과 동일한 결과를 나타낸다(그림 5).

백시트가 햇빛에 직접 노출되지 않는다는 점을 염두에 두면 일반적으로 빛 투사의 대부분이 반사에 의해 이뤄진다는 의미가 된다. 대다수의 표면은 일반적으로 PET의 성능을 저하하는 파장대에서 10~20%의 반사율을 갖는다. 따라서 웨더 오미터에서의 6,139시간은 15% 반사율로 플로리다의 직사광선을 25년 동안 쪼인 것과 동일하다(25×1,637×0.15=6,139). 그림에 나타난 10,000시간의 표본을 통해 태양 아래서 25년 이상을 안전하게 견딜 수 있다는 결과를 얻을 수 있다.

듀폰은 테들러에 대한 시장 수요 충족 전략을 포기하지 않고, 2축 테들러 생산용량 확대를 발표했다. 태양광 모듈 제조업체들이 생존을 위해 비용을 절감하는 절박한 상황에서 이런 계획은 너무 무모하거나 느린 결정으로 볼 수 있다. 결과적으로 PV 패널 시장에서 가장 최적화된 제품으로 가능한 한 고가를 추구하던 많은 부품들이 단계적으로 생산을 중단하고 있다.

더욱이 기술적인 관점에서 볼 때, 오늘날 주된 관심이 백시트의 전반적인 내구성에 있음에도 불구하고 PVF는 UV에 대해서만 가치를 가지고 있다. 표준형 PET 내부층에서 TPT 구조는 1,000시간의 온습도 노출을 견딜 수 있다는 실험 결과도 있다.

PV 전문가들은 이를 좀 더 넓게 해석해 PV 모듈제조사들이 다른 불소중합체들로 PVF를 대체하는 것을 넘어, 이 소재들을 다 함께 폐기할 것이라고 예측한다. 그러나 그림 6의 가능한 시나리오에서 살펴볼 수 있듯, 특정 시장이 형성돼 있고, 코팅 기술이 있기 때문에 이런 상황은 완벽한 현실이 되지 않을 것이다(그림 6).

가격, 환경 영향에서 긍정적인 신소재

백시트는 모듈 제조비에서 큰 부분을 차지하지 않지만, 모듈 제조사들은 계속해서 공급업체들에게 가격 압력을 주고 있다. 불과 몇 년 전만 해도 PV 모듈에서 활성물질이 차지하는 비중은 90%를 넘었지만 지금은 50%에 불과하다. 현재 프런트시트, 유리, 봉지재, 백시트 등 비활성물질이 비용감소를 위한 주된 목표가 되고 있으며, 최근의 인플레이션과 석유화학제품의 가격 급상승으로 이런 소재들은 비용 감소 과정에서 골치 아픈 장애물이 되고 있다.

모듈의 현재 가격과 향후 가격에서 백시트 가격이 어떻게 변할 것인가도 중요한 문제이지만 그보다 2~3년 사이 모듈의 가격 변화에 더욱 많은 관심이 집중되고 있다. 현재 백시트는 와트 당 약 0.055달러(<$7/sqm)이고, 더 하락할 가능성이 높다. 즉 2013년 초반에 와트 당 0.04달러($5/sqm) 수준에 도달할 가능성이 매우 높은 것이다. 이럴 경우 불소중합체는 어떻게 경쟁할 수 있을까?

불소중합체 수지 가격은 지난 몇 년 동안 급격히 상승했고, 가까운 장래에 이런 상승세가 꺾이지는 않을 것이다. 기본적인 원자재비용을 중심으로 경제적, 사회적, 환경적 문제 등 많은 요인들이 불소중합체의 가격 상승압박으로 작용했다. 

PVDF 수지 제조업체 중 일본에 공장을 둔 업체가 있었는데, 이곳은 지진과 쓰나미라는 자연 재해로 일정기간 폐쇄됐다. 이런 상황은 공급부족과 수지에 대한 긴 리드타임으로 이어졌고, 이는 당분간 더 시장에 영향을 미칠 전망이다. 뿐만 아니라 장기 가격 추세를 고려해도 PVF 가격에는 일정한 비탄력성이 존재하고 있다.

PV 산업에는 불소중합체 사용과 관련해 환경영향에 관한 로비활동이 증가하고 있다. PV는 전기 생산과 모듈 제조과정이 친환경적인 ‘녹색’ 기술로 인식돼 왔다. 작은 부분이지만 모듈에서 백시트는 이런 인식에서 일정한 영역을 차지하고 있다. 한 번 사용한 손상된 PV 모듈의 재활용을 위해서 플라스틱 부분을 소각해야 실리콘을 다시 사용할 수 있다. 이 소각 과정에서 PET는 비유독성 물질을 만들어내는 반면, PVF는 매우 유독한 불화수소(HF)를 만들어 낸다. PVF 자체가 유독 물질을 사용해 제조되며(HF는 단량체 비닐 불소 제조에 사용된다), 필름 제조에 사용되는 유독성 가공 보조제(DMAC)가 사용된다.

보통 불화계 제품은 지구 온난화에 대한 우려와 오존 감소 위험에 대한 우려를 불러일으키기 때문에 불소중합체의 제조 과정에서 오존층을 파괴하는 물질과 관련해 ‘2007/139/EC’ 등의 수많은 EU 지침이 존재하기도 한다.

미래에 새로운 중합체 소재들이 PV용으로 계속 등장할 것으로 예측된다. 신소재가 저가의 비용과 높은 성능으로 고객 선택의 폭을 넓힌다는 긍정적인 부분도 있지만, 몇가지 우려스러운 점도 발견된다.

가속화된 스트레스 시험

IEC, UL 및 다른 인증기관의 시험 절차는 실행에 몇 개월이 소요된다. 많은 PV 모듈 부품 제조업체들은 1,000시간이 아닌 2,000시간의 온습도 실험(DHT)을 통과해야 하는 등 표준보다 두 배의 기준을 요구받는다. 이런 긴 시험 시간은 재료가 시장에 도입되는 시간을 지연시키는 결과를 가져오며, 가속화 된 노후화 시험을 위해 많은 업체들은 고가속 스트레스 시험(HAST)을 사용하고 있다. DHT와 실제 옥외 수명 성능과 관련된 HAST는 아직 절차가 표준화되지 못했다. 코베메의 경우 제품 개발 시 121°C, 상대습도 100%의 폐쇄된 챔버에서 시험을 진행하는 등 고온과 고압, 고습 시험을 통해 많은 경험과 기술적 도움을 받을 수 있었다.

부분 방전 시험(PDT)

부분 방전 시험은 절연산업에서 사용하던 방법을 도입한 것으로 일반적으로 변압기의 와인딩 절연을 평가하는데 사용된다. 부분 방전 시험은 전기장에 장시간 노출된 후 절연 물질의 노후화를 예측하는데 도움을 준다. IEC 61730의 요건에는 백시트 소재는 모듈 등급이 매겨지는 가장 높은 시스템 전압에 대한 부분 방전 등급을 가져야 한다고 명시돼 있다(일반적으로 미국은 600V, 유럽은 1,000V). 부분 방전 시험은 백시트 구조와 소재의 품질을 미리 평가하는 기본 시험으로, 일부 모듈 제조사들이 더 얇은 소재를 도입할 수 있도록 IEC 61730에서 이를 제거하고자 하지만 간과할 수 없는 가장 기본적인 안전기준이다.

통과된 자질

데이터시트 상의 ‘통과’는 더 이상 충분조건이 아니다. PV 모듈 제조사들은 2,000~3,000시간의 온습 조건 노출 이후에도 다른 소재들과 비교할 필요가 있다. 백시트는 초기에 아주 탁월한 접착력을 보이지만, 모듈 제조사들은 가속화된 노후화 시험 전 과정에서 적어도 최소한의 값을 유지하는 것에 관심을 갖는다.

결론적으로 PV 제조사들은 제조가능성을 고려해야 하고, 논리적인 우려를 통제할 수 있어야 하기 때문에 모듈 성능의 직접적인 개선이 있어야만 신소재를 도입할 것이다. 불활성물질 중에서 백시트의 구성은 다른 소재의 등급보다 더 빠르게 변한다. 현재 비용효용성과 환경적 우려가 백시트 소재 선택에서 가장 큰 결정 요인이 되고 있으나, 가격이 점점 하락하면서 이런 요인들은 경쟁력을 유지하는 현실적인 소재의 폭을 줄일 것이다. 듀폰의 가격 전략이 극적으로 변한다 하더라도 PVF가 시장에서 다시 우위를 회복하기를 기대하기는 어렵다. 

이용 가능성의 갭은 예측하지 못한 효과를 만들었고, 제조사들은 대안 소재를 찾으면서 새로운 출구를 모색했다. 이미 가수분해저항성 PET 및 다른 비불소중합체의 장점과 저렴한 비용 효과를 느낀 업체들이 PVF로 돌아가기는 어려울 것이다. 다른 불소중합체의 시장 점유율은 계속해서 떨어지고 있어, 불소중합체 수지와 필름 공급은 안정된 가격을 되찾기 쉽지 않다. 불소중합체의 가격은 지난 몇 년 간 고공행진을 이어왔고, 수지 공급업체들이 현재 상황을 이용하는 동안 PV 산업의 가격 하락세에 맞추는 것은 어려울 전망이다.

상황은 변하고 있으며, PET와 다른 비불소중합체가 시장에서 선도적 자리를 차지하고 있다. 특히 PET의 가수분해저항성은 향후 PV 백시트 시장에서 주된 역할을 할 것이다. 이를 뒷받침하는 생산용량에 기초해 보면 확실히 이치에 맞는 예측이며, 과거 어느 때보다 높아진 성능과 가격 하향 추세에 따라 업체들은 이런 소재를 이용하게 될 것이다.

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

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