빠르게 변화하는 시장에서 경쟁력을 유지하는 혁신기술
부르크하르드 베레프리츠(Burkhard Wehefritz)
필자는 슈미드실리콘테크놀로지(SST) GmbH의 세일즈 개발부 이사이다.
19세기에 독일의 화학자인 하인리히 버프와 프리드리히 뵈흘러는 알루미늄 규화물에서 염산의 반응으로 형성된 제품의 하나로 실란을 발견했다. 모노실란은 독성이 있으며 최소한의 농도에서 공기에 노출되는 것만으로도 높은 인화성을 보이는 기체이다.
그러나 이 가스는 우리들이 사는 지구와 환경 보호를 위해 아주 귀한 특성을 갖고 있다. 모노실란 가스(SiH4)는 PV 산업에서는 아주 기본적인 공급 원료이다. 이 기체는 태양전지 코팅에서 반사 방지제 역할을 하며, 박막 필름 태양전지, 평면 스크린 디스플레이와 전자 산업의 반도체에 기본 재료가 된다.
그 외에도 이 기체의 방수 특성과 보호 기능(낙서 제어)을 이용해 일상생활에 적용되는 많은 실제적인 용도로 사용되고 있다.
모노실란 중심의 폴리실리콘 생산 기술
폴리실리콘의 일반적인 생산 기법인 TCS(Trichlorosilan) 기반의 생산 기술과 새로운 생산 기법인 모노실란 기반의 폴리실리콘 생산 기술 모두 금속 실리콘을 폴리실리콘으로 전환한다. 그러나 TCS-공정은 고효율성 태양전지에 필요한 높은 순도의 폴리실리콘 생산에는 한계가 있다.
모노실란 기반의 공정은 전자제품에 사용되는 등급의 높은 순도의 폴리실리콘 수준까지 정화가 가능하다. 두 개의 동일한 반응에서 염화 수소화 작용에서 STC(Tetrachlorsilane)와 금속 실리콘은 각각 TCS(Trichlorosilane)로 전환된다. 그런 다음에 TCS는 불균화 반응기에 적용된다.
여기에서 정화된 TCS는 모노실란 가스로 가공된다. 모노실란 가스는 그 후 직접적으로 CVD 반응기에 적용되고 여기에서 폴리실리콘 증착이 가열된 로드에서 최종적으로 일어난다. 모노실란 공정은 98%라는 전례가 없는 실리콘 전환을 가능하게 한다.
모노실란의 안전성
모노실란은 1968년 반도체 산업에서 최초로 사용됐다. 이후 일련의 중대한 사고가 발생해 모노실란 가스에 대한 인식이 나빠지는 계기가 됐다. 미국 반도체 산업에서는 1982년부터 1997년 사이에 36건의 사고가 발생했다.
일본에서는 두 건의 사고가 발생했는데, 한 번은 1989년 가스 캐비넷에서, 한 번은 오사카 대학의 연구소에서 1991년에 사고가 일어났다. 그 결과 3명의 사망자가 발생했다. 가장 최근의 사건으로는 2005년 타이완에서 실린더 교환 시에 일어난 실란 폭발사고가 있다. 이 사고로 운영자가 치명상을 입었다.
바로 이런 이유들로 해서 세계의 일부 산업 주자들은 현재까지도 모노실란의 사용에 대해 주저하고 있다. 모노실란과 관련해서는 주의해야 할 3가지의 중요한 문제가 있는데, 화재 및 폭발 위험, 독성, 그리고 취급과 보관상의 문제가 그것이다.
화재 및 폭발
실란은 발화성 기체이며 공기 중에 약 1~95%의 가연 범위 내에서 외부적인 착화원이 없이도 점화될 수 있다. ASiMI 같은 실란 전문 업체들이 광범위한 실험을 통해 지적한 바와 같이 실란의 위험은 공기 중에 방출됐을 때의 반응이 문제가 된다.
방출 구조, 방출 압력과 환경(온도, 습도 등)과 같은 요인들에 따라 다양한 발화원이 있을 수 있다. 모노실란의 산화는 수분에 의해 강한 영향을 받는다. 왜냐하면 SiH4는 비교적 쉽게 수분을 빨아들이기 때문이다. 높은 습도는 점화 위험을 줄인다. 다른 한편으로 모노실란을 취급하는 공장에서 실란 누출에 대한 긍정적인 측면도 있다. 누출이 되면 바로 눈에 띄기 때문이다.
거의 모든 실란 누출은 바로 파악이 된다. 아주 소량의 실란 누출에도 ‘펑’ 하는 소리가 나며 작은 불꽃이 일고 즉각 먼지 구름이 일기 때문이다. 즉 실란 누출은 축적될 가능성이 없어서 큰 파괴력으로 폭발하는 증기 구름이 사전에 방지된다는 의미이다(이런 일은 CH4, H2의 경우에는 흔히 일어난다).
지연된 발화 위험이 높을수록 라인 압력과 주변 압력 간의 차이는 커지며 갑작스런 압력 변화가 일어날 때 문제가 된다. 그 다음으로는 공기 흐름 구역이 문제시된다. 모노실란에게 가장 위험한 장소는 좁고 막힌 공간, 이를테면 제조시설의 가스 캐비닛 같은 곳이다. 모노실란 사용의 최적의 장소는 실외나 혹은 적절한 공기 흐름이 있는 경우 폴리실리콘 CVD 룸 같은 대형 건물 안이다.
모노실란 사고원인은 대부분의 경우 부식된 실린더 뚜껑이나 물리적으로 스트레스 받는 물질 또는 오용되는 물질이다. 역사상 가장 심각한 실란의 산업계 사고는 이런 상황에서 일어나지, 모노실란 생산 공장에서 일어나는 것이 아니다. 이러한 위험은 훈련된 작동자의 적절한 취급과 설비 안전 설계에 의해 충분히 관리할 수 있다.
독성
실란은 TCS, STC, DCS, HCl, Cl2만큼 유독한 가스는 아니다. 실란 누출과 화재의 부산물이 SiO2(먼지), H20이지만 모두 독성이 있거나 해로운 가스는 아니다. 이와는 대조적으로 TCS, STC, DCS, HCl, Cl2 누출의 부산물은 높은 독성을 가진 염산이다. 염소 함유 가스의 누출은 독성의 구름을 만들고, 이 구름은 바람에 의해 멀리 날아가 발전소 외부의 환경에 부정적인 환경 영향을 미친다.
모노실란의 유해성은 일반적으로 생산 시설 자체에 국한되며 환경에는 위험을 주지 않는다. 실란은 용기에 담기가 어렵지만 H2보다는 쉽다. H2는 담기가 더 어려운 분자구조를 갖고 있다. H2 누출은 발견이 어려우며 화염이 거의 눈에 보이지 않기 때문에 장시간 탐지되지 않은 채 점화돼 불에 탈 수 있다. 실제로 모노실란은 H2보다는 취급과 보관이 용이하다. 모든 폴리실리콘 회사들은 어떤 식으로 안전하게 H2를 취급하는지 취급법을 알고 있다.
그동안 폴리실리콘 산업계는 유독성 물질 취급시 기존의 안전규정을 훌륭하게 잘 지켜왔다. 예방수칙, 안전규정/표준 준수, 지속적인 경계는 모노실란 취급 시 폴리실리콘 산업의 안전하고 친환경적인 성격을 보장한다.
안전하게 취급되는 모노실란
SST는 폴리실리콘과 모노실리콘 생산을 위한 일괄 생산시설과 부품의 설계, 생산, 유지보수를 전문으로 하는 엔지니어링 전문업체이다. 2006년도에 설립됐으며 태양광 수준의 폴리실리콘 생산을 위해 시장에서 지배적이었던 TCS 지멘스 공정에 대응하는 대안적인 생산 공정을 개발했다. 지적소유권과 독점적 기술에 기초해 이 회사는 독일 작센 지역에 생산 시설(SPP, 슈미드 폴리실리콘 생산)을 설립했으며 전 세계 고객들을 대상으로 일괄 제조/부품 공급 마케팅을 시작했다.
작센에 위치한 생산 시설은 초창기에는 엔지니어들이 시범공장이라는 애칭으로 불렀으며 산업적 규모 500mt/폴리실리콘 공장을 자랑한다. 그러나 그 근본 취지는 고객 운영자들을 위한 교육 센터뿐만 아니라 SST 공정 개발 플랫폼으로 남아 있다. 이곳의 생산 공정은 SST의 지적소유권 모노실란 기술에 기반을 두고 있다. SPP는 2011년 6월에 최초의 실리콘 판매를 발표했다. 이때는 언론보도에 의하면 SPP에서 생산한 폴리실리콘이 ‘전자제품에 사용되는 등급’ 수준으로 올라선 시기이다(11N 혹은 99.999999999% 순도). 이 공장에서 촉매 작용의 불균화 반응을 통해 하나의 공정 단계에서 TCS를 모노실란(25%)과 STC(75%)로 전환한다.
SST의 전문가들은 이는 화학 공장 환경에서 절대적으로 안전한 생산 기술/설비라고 강조한다. 폴리실리콘(예: STC, TCS, HCl) 생산에 일반적으로 사용되는 다른 성분과 비교하면 모노실란은 추가적인 위험 요인이 없고 따라서 첨단 엔지니어링/공장 운영을 통해 안전하게 취급될 수 있다. 따라서 철저한 사용자 훈련은 SST의 폴리실리콘 프로젝트의 통합적인 일부이다.
판매 개발 이사인 베헤프리츠 박사에 따르면 SST도 당연히 공장 건축과 증축 과정에서 곤란에 직면한 적이 있었다. 그러나 폴리실리콘과 모노실란 생산의 모든 부분이 그 가능성을 충분히 보여줘 염화 수소화 작용 단계는 최근 TUV 기관의 인증을 받았다.
본 기사는 미디어그룹 인포더에서 발행하는 글로벌 PV 매거진 Monthly INTER PV(영문) 내용을 게재한 것입니다.
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