CIGS 박막 태양전지, 글로벌 태양광 경쟁에서 살아남는 성공 핵심 포인트

빈센트 케이퍼(Vincent Kapur)

태양광 신기술 및 박막 CIGS 전문가인 필자는 미국 샌디에고 UC에서 우주항공공학 학사 학위를 수여받아 우주항공 분야에서 활동했으며, 현재는 인터내셔널 솔라일렉트릭테크놀로지(ISET, isetinc.com)에서 생산 운영 관리, 사업 개발, 제품 설계, 애플리케이션 엔지니어링, 첨단기술 연구개발(R&D) 업무를 맡고 있다. 태양광 신생 회사들에게 컨설팅 서비스를 제공하는 2K 패시픽글로벌(2K Pacific Global LLC)의 창립자이기도 하다.

현재까지 CIGS 기술 개발 업체들은 2011년 결정질 실리콘(c-Si) 모듈 가격의 급락과 태양광에 대한 정책 지원이 약해지면서 많은 피해를 입었다. 이러한 상황은 비코(Veeco)와 솔린드라(Solyndra)가 이 업계에서 겪었던 어려움을 봐도 충분히 알 수 있다. 지금의 현실이 오히려 CIGS에 진출한 신생 회사들에게 많은 가능성이 열려 있는 만큼, 자금이 풍부한 기존의 회사들도 이 시장에서 살아남기 위해서는 수익성을 극대화하는 방향으로 빨리 방향전환을 하는 것이 급선무이다.

c-Si 제조사들 간의 치열한 경쟁

현재의 시장 환경은 c-Si 제조사들에게도 만만치 않다. 수요가 늘면서 그에 따른 수입도 늘어나지만, 이윤폭은 너무 약해 세계 최대 태양광 모듈 공급업체들까지도 재정적 압박을 겪는 상태다. 한편 시장에서 강력한 주자들의 새로운 등장은 새로운 후발 주자 기업들의 등장을 어렵게 했다. 업계 최고가 되기 위해서는 자원을 강화해야 하고, 이를 위해서는 수직계열화에 수십억 달러의 자본이 들어가야 한다. 이러한 상황에서 미국의 벤처 자본 c-Si 제조사들은 재정적으로 압박을 받아왔고, 무대 중심은 대형 회사들이 당분간은 한 자리 수 마진에도 버틸 수 있는 동아시아로 넘어갔다.

CIGS 앞에 펼쳐진 엄청난 기회

최대 c-Si 기업들의 수익 저하는 박막 CIGS 기업들에게는 오히려 이윤을 확대할 수 있는 기회로 작용하고 있다. 현재의 c-Si 시장 강자들에게 도전할 수 있는 가격대로 태양광 시장에 성공적으로 진출할 수 있는 기회가 된 것이다. 이러한 기회를 제대로 이용하기 위해서는 와트 당 생산 비용을 경쟁력 있는 수준으로 달성하는 것이 중요하다. 이러한 전략은 가장 필요하고 시기적절한 전략이지만, 아직까지 CIGS 업체들은 이 전략을 충분히 활용하지 못하고 있다.

일반적인 핵심 포인트 몇 가지를 살펴보고 CIGS 회사의 경쟁력에 이것이 어떤 영향을 미치는지 알아보자

핵심포인트 1 : CIGS 공정 개발

와트당 비용을 줄여라

CIGS 업계는 와트 당 비용(US$/W)을 줄이기 위해 효율 증대에 초점을 맞추고 있다. 현재 연구소에서 확인되는 CIGS 셀 효율은 상당히 높아 태양광 기술 분야 전문가들은 여기에 큰 자부심을 드러낼 정도이다. CIGS 기업들 역시 박막 필름 중에서도 효율이 높다고 하는 재료에 상당한 호응을 보이면서 큰 혜택을 보고 있다.

그러나 연구소에서 실험한 셀을 제조 공정에서 실제 모듈로 만들기 위해서는 아직 너무 고가의 비용이 들어간다. 대부분의 CIGS 연구 개발에서 가장 많이 선택되는 고진공 방법은 고가의 자본 지출, 저조한 재료 이용 가능성, 상당한 운전 정지 시간, 입자 침착의 높은 변동성 등의 어려움이 있어 대규모 생산 공정에서 사용되는 데 한계가 있다.

업계에서 장비 공급업체들과 기술 전문가들과 논의를 통해 알 수 있었던 것은 대부분의 전문가들이 제조비용 절감은 셀 효율 증대만큼 중요하진 않다고 의견을 표명했다는 것이다. 모듈 효율이 올라가면 와트 당 생산비용을 줄일 수 있다는 것이 그들의 계산이었다. 이러한 주장은 현혹되기 쉽고 CIGS 업체들이 대규모 생산에 많은 관심을 보이기 때문에 실수를 할 가능성이 높다.

고가의 공정에서 와트 당 자본 지출이 대량 생산에 의한 원가 절감의 효과를 볼 수 있지만 재료 낭비, 생산 불규칙성, 가동시간 비효율성이 영구화될 가능성이 높다. 궁극적으로 고진공 CIGS 제조사들은 고정적인 추가 비용을 운영에 포함시키면서 가격 경쟁력 달성을 위해 플렉시블한 특성을 제한하고 있다. 이러한 비용을 줄이기 위한 어떤 후속 조치도 기본적인 효율에 영향을 미치는 위험요인으로 작용한다.

와트당 비용을 줄여 효율 증대에 재투자 하라

상업적 성공 가능성을 높이기 위해 CIGS 업체들은 생산 공정에 대한 철저한 관리와 추가 비용을 제거함으로써 시장에서 뒷받침하는 가격 지점을 달성해야 한다는 것에 주안점을 두어야 한다.

이러한 목표를 성공적으로 달성하는 회사들은 시장의 변동에 즉각적으로 대응할 수 있고 모듈의 성능 개선에 있어 추가 비용 문제에서도 여유를 가질 수 있을 것이다. 이러한 시나리오에서 제조사는 품질 개선을 통해 시장에서 높은 가격을 받을 수 있고 지속적인 가격 인하 압박에서 벗어날 수 있을 것이다.

고효율 달성만이 치열한 가격 경쟁에서 CIGS에 대한 실질적인 전략이 될 수는 없다. 산업 전반에서는 포커스를 GaAs로 전환했다. 이는 고효율성을 자랑하지만 집광기나 우주선에서 배치하는 데는 천문학적인 비용이 들어간다. 업체들은 조기에 비용 절감에 초점을 맞추고, 장기적 시각으로 성능 개선에 투자한다면 수입과 수익성 모두에서 큰 효과를 거둘 뿐만 아니라 성공적으로 시장에 진출할 수 있을 것이다.

핵심 포인트 2 : 시장의 경쟁력

비생산적인 투자를 피하라

빠른 속도로 성장하고 있는 태양광 시장에서 CIGS 업체들은 선점 우위를 거의 누리지 못할 것이다. 왜냐하면 기존의 c-Si 공급업체들과 경쟁해야 하기 때문이다. 이러한 상황에서는 신속하게 제품을 시장에 내놓는 전략이 치열한 경쟁에서 장기적인 경쟁력을 얻는 데 큰 도움이 되지 않는다.

많은 경우 CIGS 업체들은 시장에서 우위를 차지하기 위한 목적으로 고가의 자본이 들어가는 장비를 구입했다. 그러나 고가의 장비 구입이라는 자본 투자는 오히려 비생산적이다. 왜냐하면 고가의 자본 투자는 박막 필름 모듈의 급속한 시장 진입을 저해하기 때문이다.

뿐만 아니라 조기 브랜드 인지도 구축은 수익성을 보여주는 것과는 상당히 다르다. 특히 태양광 모듈은 이제는 일반적인 상품이 되었기 때문이다. 개발업체들은 특정한 브랜드에 큰 돈을 지불하려 하지 않는다. 그 결과 시장은 특정 브랜드에 구애를 받지 않게 되었다. 이는 2007년 태양광 시장의 강자였던 큐셀(Q-Cells)이 현재 시장에서 생존의 기로에 서 있다는 사실만 보아도 알 수 있다.

강력한 상업화 전략으로 미리 대비하라

태양광 산업에서의 엄청난 기회는 곧 엄청난 불안정성을 의미하는 것이기도 하다. 경영진은 단순히 시장에 접근한다기보다는 시장에서 살아남기 위해 강력한 전략을 구축하는 데 힘을 집중해야 할 것이다. CIGS 업체들은 성공적이고 지속 가능한 시장 입지를 구축하기 위해 신중하고 체계적인 상업화 전략을 계획해야 한다. 불리한 비용 구조로 시장에 진입하는 것을 피하기 위해 다음의 이유들을 고려해 보자.

치열한 경쟁과 모듈의 공급 과잉은 불리한 비용 구조를 가진 제조사들에게 심각한 타격을 줄 것이다. 시장 진출 전에 불필요한 비용을 줄이는 데 주력한다면 시장 환경의 급속한 변화에 탄력적으로 적응할 수 있을 것이다.

업계에서는 모듈 OEM이 반품 회수와 재활용 전략을 구사하기를 원한다. 이러한 활동은 연구 단계에서는 큰 의미가 없지만 일단 회사가 제품을 선적하기 시작하면 반드시 고려해야 한다.

원자재, 플라스틱, 특수 접착제, 주문제작 호일은 사전에 계획한 로드맵에 따라 직접적으로 인하되지 않는 생필품 가격이 적용되는 대상이다. 가격이 저렴한 BOM의 개발은 대용량 생산에 들어가기 전에 반드시 필요한 단계이다.

제조 운영은 공정 생산과 기계 가동에 따라 달라진다. 시범 가동 중에 이를 확보하기 위해 여력을 집중 투자함으로써 전체 생산 단계에서 수억 달러의 비용을 절감할 수 있을 것이다. 이러한 문제들이 CIGS 초기 진출업체들에게는 상당한 압박으로 작용한다.

이렇듯 사업에 본격적으로 뛰어들기 전에 시장의 치열한 경쟁에서 살아남기 위해서는 미리 대비해야 한다. 이미 몇몇 회사들이 사업에 본격적으로 진출하는 데 성공했고, 시장에서 수익성을 확보하는 단계로까지 진입하는 데 사전에 더 많은 공을 들였다.

핵심 포인트 3 : 가치 사슬에서의 입지

CIGS는 실리콘 대체제로 사용될 수 없다

미국의 몇몇 태양광 업체들은 완전히 통합된 모듈보다는 개별적인 CIGS 전지를 제조하는 방향을 선택했다. 이 전략은 전통적인 웨이퍼 중심의 모듈 제조와 유사하기 때문에 시장 진입이 쉬울 것이라는 판단에 기초한다. 그러나 수직계열화 된 최대 c-Si 기업들도 수익성 확보에는 고전을 면치 못하고 있다. 어떤 CIGS 태양전지 제조사들은 결국 모듈 조립에 시간이 걸리기 때문에 이윤폭에 악영향을 받으며, 이로써 경쟁력 유지가 힘들어진다.

뿐만 아니라 CIGS 전지의 모듈 조립은 기존의 웨이퍼 중심의 조립과는 상당히 다르다. 그 결과 전적으로 주문 제작방식으로 제조되는 기술 플랫폼이 요구되고 신속한 시장 진입이 지연되고 대용량 생산방식으로 생산을 늘리는 데는 재정적 위험이 증가하게 된다.

c-Si 비즈니스 모델에서 약점을 피하고 경쟁력을 확보하라

박막 태양전지의 주요한 장점은 폴리실리콘 생산, 크리스탈 성장, 웨이퍼링에 대한 필요성으로 방해를 받지 않는 간단한 가치 사슬에 있다. CIGS 제조사들은 셀 제조와 모듈 조립을 통합함으로써 상당한 이득을 볼 것이다. 그 결과 얻을 수 있는 효과로는, 먼저 제조비용과 이윤폭에 대한 폭이 개선될 것이고, 노동력·에너지·자원의 필요성은 약화될 것이다. 또한 공급 및 유통 네트워크가 간소화 되고, 생산성은 극대화되며, 이로써 CIGS 업체들의 이윤폭은 증가할 것이다.

비록 몇 년이 걸리기는 했지만 태양광 업계에서는 비용 구조, 모듈 생산, 세계 가치 사슬의 관점에서 c-Si와 비교해 박막 제품의 성장 폭이 높을 것임을 완벽하게 예측했다. CIGS 업체들은 현재 현재 c-Si가 지배하고 있는 시장에서 스스로 생존할 공간을 찾기 위해 박막 제품의 장점을 최대한 부각시켜야 한다.

핵심 포인트 4 : 장비의 선택

CIGS 제품을 위한 장비를 선택하라

지금까지 CIGS 생산 업체들은 기존의 장비들을 재사용해 생산 공정을 조정해왔다. 이 같은 과정은 한편으로는 간단해 보이지만 이 방법은 CIGS 생산에 필요한 복잡한 공정 관리를 충분히 고려하지 않은 것이다.

대량생산 시 장비 내의 품질 관리를 위해서는 박막 필름의 위치를 정확하게 관리하고, 아울러 제조 사양에서 최소한의 변동만 주는 공정 장비를 엄선해야 한다. 다른 용도에 맞게 고쳐진 장비는 반드시 정확한 솔루션을 제공하지 못해 CIGS 제조과정에서 문제가 될 것이다. 필요한 수정을 가하는 데는 시간과 노동, 그리고 자원이 소비될 것이다.

반도체에 사용되던 장비와 평면 디스플레이 산업에서 사용되던 장비를 평가할 때 중요한 것은 태양전지와 비교해 이들 제품들의 부가가치적 측면들을 고려하는 것이다. 태양광 산업은 기존의 에너지 자원과 직접 경쟁해야 하는 분야이다. 태양전지 제조는 이들 산업에서 대용량 생산 주문이 이루어지는 만큼 이들과 경쟁할 수 있는 비용 구조를 가져야 한다. 시간 당 단위의 관점에서 보면 태양전지 공정은 자동차 부품 제조와 훨씬 더 유사하다. 이러한 이유로 CIGS 제조는 박막 태양전지에 맞춰진 장비 세트를 중심으로 이루어져야 한다.

공정 생산성 극대화를 위해 장비 세트를 개발하라

CIGS 업체들의 시장 진출이 지연되는 것은 많은 초기의 진출 업체들이 기본적인 생산 공정을 결정하기 전에 장비들을 미리 구매했기 때문이다. 기술개발 업체들은 탄탄한 기술적 토대에서 설계·제조를 시작함으로써 부품의 교체, 장비 재배치와 관련된 추가적인 지연과 비용을 피할 수 있다. 그 결과 장비는 고품질 CIGS 모듈의 관리와 공급 하에서 공정 관리를 위한 최적의 플랫폼을 제공할 것이다.

2세대는 재사용되는 것보다는 원래의 것을 제안한다. CIGS에 맞춘 장비 배치는 이 부문에서 성장 잠재력을 달성할 수 있는 하나의 요건이다. 자본 설비 구입 전에 공정 개발에 집중함으로써 지속되는 서비스 기간 동안 변함없는 가치를 제공하는 장비를 확보할 수 있을 것이다.

태양광산업 성장 가속화할 CIGS

CIGS 개발업체들은 제조사들이 장기적으로 지속 가능한 성장 쪽으로 방향 전환을 한다면 향후 상당한 시장 점유율 확보가 가능할 것으로 기대한다. 업체들은 시장 변동성에 적절히 대비하고 비용 면에서 효과적인 기술을 개발함으로써 시장 점유가 가능할 것이다. 점점 시간이 갈수록 다른 에너지원에 비해 태양광 설치에 상대적으로 고가의 비용이 들지 않고 에너지 생산 비용이 비슷해지는 수준으로 가기 때문에 시장의 기회가 확대되고 있다. 초기의 시장 진출에 이어 전환 효율성 개선에 대한 기회가 많기 때문에 CIGS 제조업체들은 태양광 산업의 세계적 성장을 더욱 가속화시키는 데 있어 큰 역할을 담당할 것이다.

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

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