[커버스토리] 더 치열한 생존전략으로 제2성장기 준비하는 셀&모듈 트렌드

‘저가화’ 및 ‘고효율화’ 2차선 도로 질주하는 태양광 주자들

김 미 선 기자

2014년 태양광 산업, 호황기로 터닝!

2011년부터 시작된 태양광 불황이 올해를 기점으로 분위기가 반전돼 호황기 혹은 안전기에 들어서고 있다. 올해 태양광시장은 관련 업계 전문가들의 공통적인 의견과 같이, 전 세계적으로 45~50GW 규모의 시장 수요가 발생하면서 낙관적인 전망치를 내놓고 있다.

이번 불황을 지나오며 달라진 여러 가지 변화 중 눈여겨봐야 할 점은 주요 태양광시장의 중심축이 이동되거나 다변화되고 있다는 점이다. 기존에는 유럽을 중심으로 시장이 형성됐지만, 지금은 일본과 중국 등의 아시아 지역으로 중심축이 이동했으며, 또 최근에는 중동 및 중남미, 동남아시아에서도 어느 정도 규모의 태양광시장이 형성되고 있다. 한국에너지기술평가원 손창식 태양광 PD에 의하면, 중동시장만 하더라도 올해 1.6GW 규모 성장이 예고되고 있는 만큼 이전부터 중동시장에서 EPC 건설사업을 진행해 왔던 국내 EPC 기업들이 태양광시장에서도 좋은 결과를 창출할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

한국에너지기술연구원 강기환 그룹장도 지난해 말부터 이어지고 있는 호황기로 인해, 국내 대부분의 태양광 모듈 제조업체들은 24시간 내내 라인을 풀가동하고 있을 정도로 바쁘다고 전했다. 비록 결정질 태양광 제품 가격이 폭락하면서 기업 채산성을 낮추는 등의 위험요소는 상존하겠지만, 그럼에도 불구하고 향후 태양광시장은 매년 15% 이상 성장할 것이라는 전망이다. E&R솔라 백승엽 기술개발본부장도 “2012~2013년 공급과잉 및 수익성 악화로 태양광 사업에서 철수하는 기업들이 늘어나면서 생산용량이 감소했으나, 최근에는 제품 출하가 늘어나고 있다”면서, “기업에 따라서는 재고 및 생산능력 부족으로 생산용량을 확대하려는 곳까지 생기고 있다”고 말했다. 백 본부장 역시 태양광시장은 2013년도 하반기부터 점차 개선돼 올해는 2011년도와 비슷한 수준의 회복세를 보일 것으로 전망하고 있었다.

주인공은 여전히 결정질 실리콘 태양전지

태양광 호황기로 접어들고 있는 요즘, 그럼 태양광시장 내 주력 제품은 무엇일까. 정답은 여전히 왕좌를 사수하고 있는 결정질 실리콘 태양전지다. 차세대 태양전지로서 가격적인 메리트를 통해 실리콘 태양전지를 대신할 것으로 기대됐던 CIGS 태양전지 및 염료감응 태양전지 등은 국내에서는 올해도 양산화되기 어려워 보인다.

최근 결정질 태양전지 가격이 급락함에 따라, 단가 측면에서 결정질 대비 이점이 있을 것으로 기대됐던 박막 태양전지가 경쟁력을 상실했기 때문이다. 이에 따라, 일부 업계 관계자의 경우 향후 박막 태양전지가 양산화될 수 있을 것인지에 대해서도 의문을 표하기도 했다.

그도 그럴 것이, 올해 태양광시장에 있어 결정질 태양전지의 시장 점유율은 80~90% 이상까지 점쳐지고 있는 까닭이다. 상황이 이렇다 보니, 관련 기업 입장에서는 ‘사업성 없는’ 박막 태양전지에 목을 매기보다는 ‘돈 되는’ 결정질 실리콘 태양전지에 더욱 주력해, 현장에서의 요구에 맞춘 저가형 결정질 제품 개발에 땀 흘리고 있다.

셀&모듈 기술 화두 - ‘단가 절감’ 및 ‘효율 향상’

이번 기획취재 인터뷰에 응한 태양광 관계자 대부분은 국내 셀&모듈의 기술개발에 있어 최고의 화두는 ‘고효율화’와 ‘저가화’라는 데 의견을 같이했다. 쏠라테크 이길송 연구소장은 “중국산 제품과의 경쟁에서 우위에 서려면 가격은 낮추고 효율은 높여야 한다는 것은 국내 태양광 관계자라면 누구나 통감하고 있는 현실”이라고 말하며, 현재 국내 태양광 제조업체들이 처한 현실을 대변했다.

경쟁에서 이기기 위한 전략, ‘저가화’

지난 태양광 불황기를 통해 국내 태양광 업계가 확실하게 배운 것은 ‘중국의 시장 장악력’일지도 모른다. 어떤 이는 지난 3년간의 불황기를 반드시 일어났어야 했던 시장 메커니즘으로 보기도 하지만, 또 어떤 이는 이번 불황은 채산성을 악화시키고 시장 질서를 어지럽히는 무질서한 중국기업의 상술 때문에 빚어진 것이라고 말하기도 한다. 원인과 결과가 어찌됐던 여기서 중요한 점은 이미 중국 태양광 업계는 전 세계 태양광시장을 흔들 수 있을 정도로 막강한 주도권자로 자리매김하고 있다는 사실이다. 그리고 불황이 해소되고 있는 지금 시기에도 중국의 힘은 국내 기업들을 움츠러들게 한다. 국내 제품은 명함도 못 내밀 정도로 저렴한 제품을 내세우며 단가싸움을 걸고 있기 때문이다.

‘눈에는 눈, 이에는 이’, 국내 제조업체들이 중국에 대응하기 위해 세우고 있는 기술개발 전략 중 하나는 ‘저가화’다. 그리고 저가화를 위해서 국내 업체들은 공정 개선을 통해 생산성을 향상시키고자 하며, 원가절감을 위한 다양한 기술개발도 진행 중이다. 이에 대해 에기평 손창식 PD는 “태양광시장이 어느 정도 안정화된 지금과 같은 시기에는 미래 기술에 대한 투자가 일어나야 하는데, 제조기업들 대부분은 중국과의 치열한 단가싸움 때문에 공정개선을 통한 원가절감에만 치중하고 있어, 미래 기술개발 추진에 어려움을 겪고 있다”고 언급하기도 했다. 하지만 일부 R&D 과제를 통해, 적은 투자로 사업화할 수 있는 원가절감 기술도 개발되고 있어 고무적이라는 반응이다.

대표적으로 에기연의 경우 실리콘 웨이퍼의 두께를 기존 대비 대폭 줄인 초박형 태양전지 기술개발을 통해 원가절감을 이루려는 기업들에 도움이 되고자 한다. 더욱이 이 기술의 경우 기존 공정을 거의 그대로 사용하므로 큰 투자 비용이 발생하지 않아 기술개발이 완료된다면 사업성까지 가능한 기술이라는 평가다.

한편, 이 같은 단가 하락은 셀&모듈에만 진행되는 것이 아니라, 태양광발전시스템 전반에 걸쳐 진행되고 있다. “더 이상 쥐어짤 곳이 없다”는 관련 업계의 말처럼, 셀이나 모듈 등 업스트림 분야에서는 이미 단가를 절감할 수 없을 정도로 한계에 다다른 상황이다. 따라서 관련 업계는 다운스트림이나 시스템 전반에 걸친 원가절감 기술도 진행 중이다. 실제로 에기연의 경우 올해부터 전체 시스템에서 단가를 줄이는 목표연계형 기술개발 사업에 참여해 2017년 상반기까지 사업을 수행한다는 계획이다.

시장에서 살아남기 위한 전략, ‘고효율화’

관련 업계는 중국과의 경쟁에서 이기기 위해서는 ‘저가화’만큼이나 ‘고효율화’도 중요한 기술개발 전략이라고 강조했다. 에기평 손창식 PD는 일본 파나소닉의 HIT 셀과 미국 선파워 IBC 셀 등을 예로 들면서, 저가형 제품이 아니더라도 전 세계시장에서 판매율을 높일 수 있는 제품을 개발해야 한다고 강조했다.

이 같은 고효율 셀이 성공한 이유는 제품 자체가 가지고 있는 특성화된 제품 성능 때문이기도 하지만, 그 제조기업들의 브랜드 가치가 시장에서 높기 때문이기도 하다. 손 PD는 “브랜드 가치가 높은 기업들처럼 국내 셀&모듈 제조사들도 저가형 시장이 아닌, 중출력 시장을 중심으로 브랜드 가치를 높인 제품을 개발해 상품화한다면 충분히 성공할 수 있을 것”으로 전망했다. E&R솔라 백승엽 본부장도 국내 태양광산업이 발전하기 위해서는 중국 다결정 셀&모듈의 저가 제품에 대응할 수 있는 저가형 제품은 물론이거니와, 단결정 기반의 고효율 제품 등과 같이 경쟁력을 한층 높인 기술 확보가 필요하다고 강조했다. 이에 대해 그는 “원가경쟁력을 확보하기 위해 생산 제조기술 극대화를 기반으로 한 초고효율 태양전지 제조기술에 대한 개발이 필요하다”고 덧붙였다.

“3년 · 5년 공부 도로아미타불!”

한편, 국내 태양광 셀&모듈의 기술개발에 있어 가장 큰 문제점으로 지적되는 것은 정부의 연구개발을 통해 3년 혹은 5년 동안 매진해온 R&D 과제가 양산라인까지 가보지도 못하고 사장된 기술이 돼 버리고 마는 일이 종종 벌어지고 있다는 사실이었다.

특히 이러한 현상은 차세대 태양전지로 기대되는 2세대 및 3세대 태양전지 기술일수록 더욱 두드러지고 있다. 그 예로, 실용화 가능한 차세대 태양전지로 예고된 GIGS 태양전지 및 염료감응 태양전지 등은 최근 결정질 실리콘 태양전지 가격이 급락하자 가격 경쟁력이라는 큰 이점을 상실하고 더 이상 사업화가 진행되지 않고 있다는 설명이다. 최근 몇 년에 걸쳐 태양광 불황이 장기화됨에 따라, 새로운 태양전지 기술개발에 대한 투자보다는 공정 개선 등을 통한 결정질 태양전지의 단가 절감 측면으로 기술개발이 집중되면서, 3세대 태양전지의 기술 진전은 더 이상 이뤄지지 못하고 있는 것이다.

이와 같이 정부과제를 통해 기술개발에는 성공했지만, 양산을 바로 코앞에 두고 마무리되지 못했던 기술들도 적지는 않은 것으로 읽힌다. 실제로 쏠라테크의 경우 국내의 한 중견 셀&모듈 제조기업과 23%대의 태양전지를 만들고 이를 모듈화하는 기술개발을 진행했는데, 시장 및 사업 환경 변화로 인해 결국 실질적인 성과를 보지 못하고 접어야만 했다. 그뿐 아니라, 한때 새로운 시장을 열 것으로 기대되던 양면셀 등도 이미 정부과제를 통해 기술개발은 완료했으나, 사업 환경 및 시장 내 변화 때문에 사업화되지 못한 채 묻혀버렸다.

이길송 연구소장은 “국내의 경우 셀&모듈 기술력은 연구개발 측면에서 전 세계 어느 나라 못지않은데, 사업화로까지는 연계되지 않아 양산 단계에서는 시장을 선도할 기술력이 없다”며 안타까워 했다. 따라서 그는 사업화에 대한 정확한 예측 및 전망, 포부 없이 무조건 정부과제 먼저 따고 보자는 심리 때문에 이러한 상황이 더 심화되고 있는 만큼 이러한 태도는 업계가 서로 조심해 줄 것을 당부했다.

귀사의 선택은?

‘고효율화?’ 혹은 ‘저가화?’

앞서 언급한 것처럼, 최근 국내 태양광산업에서는 시장 경쟁에서 살아남기 위해 ‘저가화’와 ‘고효율화’를 중점에 둔 셀&모듈 기술개발에 주력하고 있었다. 이 같은 시장 분위기 및 기업 요청에 발맞춰, 정부 R&D 과제를 기획 및 공모, 평가하는 에기평에서도 실제 산업현장에서 필요한 요구사항 및 시장 상황에 맞춰 우선순위가 높은 것들을 중심으로 R&D 과제를 선정하고 있다고 전했다.

한편, 태양광 전문가들은 ‘저가화’도, ‘고효율화’도 모두 기술을 개발해야 하지만, 무엇보다 시장 변화 및 전망을 주의깊게 살펴보고 기술개발을 진행해야 할 것을 당부했다.

에기평 손창식 PD는 “지금과 같은 시기에는 어떤 R&D 과제를 선정해야 할지 고민도 많지만, 시장 변화에 따라 R&D 과제도 변해야 한다”면서, “최근 시장 상황에 발맞춰 향후 R&D 과제는 단기적으로는 양산성 향상을 위한 공정 및 공정장비 개선을 통해 시장 확대를 모색하는 등 ‘저가화’에 집중하면서, 장기적으로는 고효율 및 고출력 결정질 실리콘 태양전지 개발 등 ‘고효율화’ 전략을 통해 시장을 선점하는 방향이 바람직할 것”이라고 조언했다.

최근 차세대 태양전지 기술 어디까지 왔나

“미래 기술로서 차세대 태양전지 기술개발 지속돼야”

최근 염료감응 태양전지 및 유기 태양전지 등 차세대 태양전지와 관련한 기술들이 연구소 단위에서 개발 완료돼 여러 차례 언론을 통해 보도되고 있다.

지난 몇 년간 폴리실리콘 가격이 폭락하면서 기존 결정질 태양전지의 가격도 연쇄적으로 대폭 하락하게 됨에 따라, 차세대 태양전지보다 결정질 태양전지가 가격적으로 더욱 경쟁력을 갖게 됐으며, 이 때문에 차세대 태양전지에 대한 사업화가 언제 가능할지는 그 누구도 예측할 수 없게 됐다.

하지만 에너지기술연구원 송희은 선임연구원은 R&D를 진행하는 연구기관의 입장에서는 당장 사업화되지 못한다고 해서 이를 중단해서는 안 되며, 이 같은 태양전지 기술들이 언젠가는 사업화할 수 있는 미래 기술인 만큼 장기적인 시선에서 R&D를 진행해야 할 것이라고 강조했다.

1. 에어로졸 오티 활용한 광전변환 효율 상승 기술개발

음이온 계면활성제 에어로졸 오티(Aerosol OT)를 이용해 태양전지의 효율을 크게 높이는 기술은 포스텍 신소재공학과 공의현 박사과정과 화학공학과 임종철 박사과정이 개발했다.

이 기술은 유리에 칠하는 염료 내에 에어로졸 오티를 섞고 요오드화물(Iodide)과 트리요오드화물(Triiodide)의 농도를 조절하는 방법으로, 태양전지의 광전변환 효율을 11%까지 향상시켰다.

연구팀이 이용한 에어로졸 오티는 흔히 세제에 사용되는 원료로 가격이 저렴하고 공정시간 단축을 통해 제조비용을 감축시킬 수 있을 뿐 아니라, 변환 효율이 크게 올라갔다는 점에서 염료감응형 태양전지의 상업화에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.

2. 자기조립 물질로 태양전지 속 염료 누수 방지 기술개발

염료감응 태양전지에서 빈번하게 일어나는 누수 및 휘발현상을 방지하는 기술은 포스텍의 화학공학과 박성해 박사와 임종철 박사과정이 개발했다.

이 기술은 일정 조건하에 스스로 스펀지 구조체를 생성하는 자기조립형 물질을 넣고, 태양전지 내부의 염료 주변에 스펀지 구조체를 만들어 누수 및 휘발을 방지하는 원리를 이용한 것이다.

이번 연구를 통해 변환효율을 9%까지 향상시켰으며, 65℃의 고온에서도 장시간 사용이 가능하다.

3. 은 나노와이어 활용한 반투명 유기 태양전지

아주대학교 이순일 교수 연구팀은 기존에 광전소자를 만드는 데 쓰이는 인듐주석산화물이 고가의 제작비용과 잘 깨지는 단점이 있음을 분석하고, 이 대체재로 꼽히는 은 나노와이어를 망상구조(Network Structure) 형태로 만든 반투명 유기 태양전지를 개발했다.

이 교수팀은 이미 2010년에 탄소나노튜브 투명전극을 만들어 유기태양전지에 적용한 실적을 가지고 있다. 이번에 새로 개발된 은 나노와이어 투명전극은 특성이 20배 이상 향상된 것으로 인듐주석산화물와 대등한 전기적·광학적 특성을 보인다.

이 투명전극 제작에는 나노재료의 분산, 분사·회전 도포 등 이 교수팀만의 노하우가 담긴 용액공정이 사용됐는데, 이 공정은 고가의 진공장비를 전혀 사용하지 않아 생산 단가를 획기적으로 낮출 수 있어 산업화의 현실성이 높아질 것으로 기대된다.

4. 인쇄형 플라스틱 투명전극

광주과학기술원 신소재공학부 이광희 교수와 차세대에너지연구소 이성호 박사 주도로 개발된 인쇄형 플라스틱 투명전극은 전도성 플라스틱 물질에 황산을 처리해 전기전도도를 향상시키는 기술이다.

이번 연구는 황산이 전도성 플라스틱을 알갱이 형태에서 나노섬유 형태로 바꿔주면서 결정도를 높여 전기전도도가 향상되는 원리로, 전기전도도를 높이기 위한 번거로운 증착공정도 생략할 수 있다. 실제로, 이렇게 만들어진 플라스틱 박막을 투명전극으로 사용해 유기 태양전지를 제작한 결과, 인듐주석산화물 전극을 이용한 경우 대비 95%의 광전변환 효율이 나타났다.

5.저가형 양면 박막 태양전지

한국과학기술연구원 청청에너지연구센터 민병권 박사 연구팀은 반도체 합금을 프린팅하는 저가형 코팅공정을 이용해 반투명 특성을 가질 뿐 아니라, 양면 동시 전기생산이 가능한 CIGS 박막 태양전지 기술을 개발했다.

민병권 박사 연구팀은 기공과 같은 결함(Defects)들이 오히려 박막의 투명도를 증가시키는 데 도움이 된다는 점에 착안해 CIGS 박막 태양전지를 창호형-BIPV(건물일체 태양광발전)로 응용할 수 있을 것이라고 판단하고, 인듐주석산화물과 같은 투명 전도층이 코팅된 유리 기판과 저비용 용액공정을 이용해 반투명 특성을 갖는 양면 박막 태양전지를 개발했다.

이번에 개발된 박막 태양전지 기술은 무기물을 기반으로 하고 있어, 내구성 및 안전성 면에서도 뛰어난 장점을 가지고 있는 것으로 분석된다.

SOLAR TODAY 김 미 선 기자 (st@infothe.com)