케이 레흐버그(Key Rehberg)
독일 바바리아 베르칭의 데커 사에서 관리 이사를 맡고 있는 필자는 고객 맞춤형 일광 공급 솔루션과 같은 대규모 태평양 기술 공급업체들을 위한 습식 화학 공정 최적화와 개발에 힘쓰고 있다.
태양광 산업 부문이 급속한 성장을 거듭하고 있는 만큼, 태양광 모듈로부터 발생하는 폐기물과 재활용 문제는 심각하게 고려해야 할 문제이다. 이는 친환경적이고 저렴하게 그리고 무엇보다도 대규모로 모듈에서 나오는 원자재를 재활용한다는 것을 목표로 하고 있다.
고품질의 실리콘은 재활용이 가능한 대표적인 재료이다. 그리고 태양광 실리콘을 깨끗하게 세척하는 것 또한 재활용에서 빼놓을 수 없는 한 부분이다. 현재 벨트 필터는 실리콘 세척 과정을 생산라인에 자연스럽게 통합할 수 있고 비용 면에서도 효율적이어서 전 세계적으로 산업 표준 실리콘 재활용 방식으로 제시하고 있다.
실리콘을 세척하는 세척 사이클은 현재까지는 생산 흐름에 방해를 주었고 그러므로 효율적인 생산의 저해 요인이 되었다. 독일 기업 데커(DECKER Anlagenbau GmbH) 개발팀은 이 세척 과정을 효율적인 재활용 생산 공정에 자연스럽게 통합하는 것이 하나의 문제라고 보았다. 이 개발팀은 세척 배럴 솔루션을 최적화하기 위해 연구에 몰두했고, 획기적인 방법을 발견했다. 실리콘 분리는 이 새롭게 개발된 실리콘 결정 에칭 시스템의 배럴에서 쉼 없이 운전하고 밴드에서 신속하게 움직인다.
데커는 최근 뮌헨의 ‘인터솔라 유럽’에서 이 시스템으로 태양광 생산 기술 분야 상을 수여받았다. 새로운 시스템은 이미 실용적인 용도에서 성공적으로 설치되었고 유통되었다. 최대 기술 공급업체는 데커 발명품을 최초로 도입했고, 이 기술을 이용해 태양전지 생산 과정 중에 귀중한 실리콘 폐품을 재활용하는 데 사용하고 있다.
웨이퍼 절단 과정 중에 발생하는 부서지거나 절단된 모듈은 생산 과정에서 재활용, 재사용될 수 있다. 시간이 갈수록 이것이 중요해지고 비용 면에서도 도움이 되는 이유는 태양광 모듈 제조업체들에서 생산되는 양이 점차 많아지고 있기 때문이다. 또 하나의 시장을 창출할 수 있는 분야는 기존의 태양광발전소의 재활용이다. 이는 향후 급속한 성장을 약속하고 있다. 재활용된 실리콘이 신규 생산된 실리콘의 시장 가격과 경쟁이 가능한지 여부는 중요하지 않지만 제조업체들이 전자 폐기물을 재활용할 책임이 있다는 것은 중요한 사실이다. 비용 효율적인 재활용이 향후 중요해질 것이다.
수십 억 달러의 가치가 있는 모듈 재활용 사업
태양광 부분의 사업자들이 기호 보호 목적과 정부 지원금을 목표로 재활용 산업에 눈을 놀리고 있는 만큼 향후 재활용 문제는 시간이 갈수록 중요해질 듯하다. 이에 대해 자세히 설명을 해보면, 우선 많은 수의 기존 태양광발전소가 앞으로 더욱 효율적인 신규 모델로 대체될 것이다. 현재는 유럽에서 연간 생산되는 폐기물 양이 800톤 가량으로 아직은 문제가 되지 않고 있지만 향후에는 폐기물 양이 더욱 늘어날 전망이다. 2010년만 해도 총 50만톤의 태양광 모듈이 독일에서 설치되었고 1세대 모듈은 20년 내에 대체될 것으로 예상된다. 같은 해에 22GW의 성능을 가진 태양광발전소가 설치되었다. 이는 150만톤의 재료가 사용된 것에 해당된다.
유럽 연합만 해도 2010년까지 해마다 약 22만톤의 모듈 폐품이 축적되었다(폐기물 전기 전자 장비의 분석). 2050년경에는 이 수치가 약 1,000만톤으로 늘어날 것이다. 이 폐품을 재활용하려면 태양광 산업은 수십 억 달러의 비용이 초래될 것이다. 게다가 태양광 모듈은 전자 폐기물이기 때문에 이는 WEEE-지침에 포함된다. 이는 이미 유럽 연합에서 연구한 연구 결과에서 권고되기도 했고 제조사들이 스스로 인식하고 있는 바이기도 하다. 이 말의 의미는 태양광 모듈 제조사들은 제품 재활용의 책임이 있고 휴대전화와 컴퓨터 제조업체들과 동일한 방식으로 제품 재활용에 비용을 지불해야 한다는 의미이다. 태양광 부문은 현재 면세 혜택을 받고 있지만 이것이 영원히 지속되지는 않을 것이다.
재활용 개념은 환경 보호 차원에서 고려되었을 때 더욱 중요성을 얻는다. 그리고 태양광 회사의 친환경 이미지에도 중요한 역할을 한다. 재활용은 경제적인 관점에서나 환경적인 관점에서 가장 처음으로 선택해야 할 것이다. 왜냐하면 폐기물은 환경에 나쁜 영향을 주어서는 안 되며 적절한 방식으로 처리해야 하기 때문이다. 재활용 관리가 시급하다. 이제는 혁신적인 재활용 방법을 시작할 때인 것이다.
모듈 재활용 중에 발생하는 약 90%의 실리콘이 현재 결정질 실리콘으로 구성되어 있다. 실리콘 중 낮은 비중을 차지하는 박막 필름 전지의 시장 점유율이 점차 늘어나고 있지만 전문가들은 여전히 폐기물 양이 많아지면서 태양광 모듈의 2, 3세대에는 큰 영향을 미칠 것이라고 예상된다.
제적인 재활용 과정은 몇 가지 단계로 구성된다. 우선 첫째로, 플라스틱 유리와 프레임 부분이 제거되고 그 다음에는 웨이퍼를 자른다. 이는 실리콘 파편이나 조각에서 태양광 실리콘을 재활용하기 위해서이다. 부서진 실리콘이 웨이퍼 제조를 위해 다시 재처리되기 전에 파편은 깨끗하게 세척해야 한다. 현재까지 이러한 파편은 배럴에 채워지고 세탁기에서처럼 세탁된다. 이 과정은 생산 흐름을 방해한다. 따라서 생산 흐름에 통합될 수 있는 세탁 방법을 찾아야 한다.
낮은 비용으로 높은 생산 능력 달성
작은 부품들이나 파편의 세척은 기술적인 어려움이 따른다. 왜냐하면 표면 면적이 넓을뿐 아니라, 정교하게 세척되어야 하기 때문이다. 공장 제조업체들은 매우 깨끗한 실리콘 제공이라는 태양광 부문의 요건을 충족하고 동시에 비용 효율적인 공정을 제공하는 솔루션을 개발해야 한다.
데커의 개발자들이 했던 방식으로 밴드에서 세척하는 부분은 여러 가지 면에서 혁신적인 방법이다. 밴드 필터 선택 또한 공정 변수에 긍정적인 영향을 미친다. 개발자들은 비용과 시간이 50%까지 절약될 수 있음을 확신했다. 에너지와 화학적 절약 또한 환경에 긍정적 영향을 미친다. 그러나 가장 중요한 부분은 현재 이 기술을 대규모로 사용할 수 있어야 한다는 것이다. 실리콘 생산 폐품의 세척은 이 기술을 이용할 때만 가능하다. 표준 세척 방법은 이 환경에서 한계에 도달하고 있다. 왜냐하면 이 방법은 생산량을 극히 감소시키기 때문이다.
이와는 대조적으로 새로운 벨트 필터의 생산량에 있어서 일반적인 규모는 연간 약 1,000톤이다. 따라서 벨트 필터는 기존의 세척 방법을 대체할 만한 이상적인 방법이다. 이 방법은 배럴이나 배스킷 같은 일반적인 제품 운반기를 사용한다. 시간과 비용 요소들뿐만 아니라 품질 문제는 이 시스템에 존재한다. 왜냐하면 에칭 과정이 표면보다는 배스킷 안에서 더욱 많은 시간이 걸리기 때문이다. 데커의 벨트 필터 비용은 다른 변수들에 따라 달라진다. 즉, 한 해에 투자 수익금은 특정한 제약 하에서 현실화될 수 있는 것이다.
PPBW 범위로 빠른 세척
실리콘 표면 세척은 복잡한 작업이다. 세척 운반 과정 중에 지문이 남는 것부터 금속 잔여물까지 다양한 오염원이 있을 수 있다. 비교적 넓은 표면 세척은 100㎛에서 4mm까지 다양한 파편 크기에 문제가 된다. 벨트 필터는 PPBW 범위 내에서 요구되는 수준까지 완벽하게 오염원을 제거한다. 세척을 마친 실리콘은 순도 99.9999%를 자랑한다. 이때 고품질 폴리실리콘 파편에 요구되는 평균 표면 품질은 철과 같은 금속에는 50PPBW 이상이다. 태양전지의 효율성을 생각할 때 실리콘 순도는 아주 중요한 요인이다. 금속 오염은 수명을 단축시킨다. 철, 구리, 티타늄 같은 금속의 오염이 태양전지 효율성을 떨어뜨린다.
직접적인 오염뿐 아니라 표면에 오염을 야기하는 원인은 다음과 같은 것들이 있다. 먼저 니켈이나 구리와 같은 금속 원자가 실온에서 실리콘에 빠르게 확산되는 경우이다. 또한 가장 작은 실리콘 입자들뿐만 아니라 실리콘 자체가 찢어지거나 깨지는 경우도 생긴다. 운반, 저장, 포장 과정에서 오염되는 경우도 있다.
시장에서는 효율성이 높은 모듈 제조를 위해 표면이 아주 깨끗한 실리콘을 더욱 원하고 있는 추세이다. 실리콘의 표면 품질은 태양광 모듈의 품질에 대한 요구가 점증하는 추세와 맞물려 더욱 중요하게 부각되고 있다. 생산 공정 중 거의 모든 단계에서 고가의 태양광 실리콘이 다양한 형태(가루, 파편, 웨이퍼, 조각)로 폐품이 되고 있다. 이러한 폐품은 실리콘 잉곳의 생산에서 재사용될 수 있고 이를 통해 제조 원가를 절감할 수 있다.
거의 모든 형태의 실리콘 폐기물이 고가의 실리콘을 손실하지 않고도 통합된 배기가스와 입자 필터를 갖춘 완전히 폐쇄된 시스템 안에서 세탁될 수 있다.
비용을 절감하는 동시에 생산을 늘리기 위한 발전소 최적화는 향후 태양광 회사들의 미래에 가장 중요하다고 할 수 있다. 밴드 필터가 있는 실리콘 파편 에칭 시스템을 통해 제조업체들은 태양광 실리콘을 신속하고 비용 면에서 효과적으로 재활용할 수 있기를 바란다.
본 기사는 미디어그룹 인포더에서 발행하는 글로벌 PV 매거진 Monthly INTER PV(영문) 내용을 게재한 것입니다.
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