플렉시블태양전지기술동향 한국전자통신연구원 정용덕책임연구원 Ⅰ. 개요 15 Ⅱ. 동향분석 17 1. 국내동향 17 2. 해외동향 20 Ⅲ. 향후전망 23 < 참고문헌 > 23 플렉시블태양전지기술동향 _13

Green Technology Trend Report 플렉시블태양전지기술동향 한국전자통신연구원 정용덕책임연구원 Ⅰ. 개요 기존에상용화된대부분의태양전지는웨이퍼나유리등의단단한기판위에형성되어있기때문에힘을주어구부리게되면형태가변하거나파손되는문제점이있었다. 그러나플렉시블태양전지 (Flexible Solar Cell) 는유연기판을사용하여구부리거나휠수있어서상황에따라형태를변형시킬수있으며, 가볍고휴대성이매우뛰어나다. 플렉시블태양전지가상용화되면 < 그림 1> 과같이 IT산업, 디스플레이산업, 전기자동차, 우주항공등의산업분야에서도새로운가치를창출할수있을것으로기대된다. 또한, 태양전지가단순히발전시스템이아닌각종제품의핵심부품으로융복합되어신규시장과기술의성장동력이될것으로전망된다. 기존의치열한태양광발전시장에서생존하기위한기술개발도중요하지만, 고수익으로성장잠재력이큰고효율플렉시블박막태양전지기술개발이시급하다. 플렉시블태양전지는흡수층소재에따라유기 / 고분자태양전지, 유무기하이브리드태양전지, 실리콘박막태양전지, CIGS 박막태양전지등으로나눌수있다. 플렉시블태양전지의전제조공정은박막태양전지의제조공정과크게다르지않지만, 기판소재에따라박막의물성및제조공정조건이다르기때문에별도의제조공정기술개발이필요하다. 자료 : 한국에너지기술평가원, 폴리머기판 CIGS 박막태양전지모듈개발 기획보고서, 2012 < 그림 1> 플렉시블박막태양전지의적용사례 플렉시블태양전지기술동향 _15

플렉시블태양전지에서최고공정온도등제조공정조건을결정하는기판재료는가장중요한요소이다. 플렉시블기판의종류는금속유연기판, 초박형유리 (Ultra-thin glass) 기판, 플라스틱기판등이있으며, 응용면에서많은차이를보이고있다. 초박형유리기판은경랑이면서유연하지만, 내충격성이취약해공정및취급시각별한주의가필요하다. 이러한문제점을해결하기위해초박형유리의단면또는양면에고분자수지를코팅하여내충격성을보완하면초박형다층유리의경우 250 까지내열성을확보할수있다. 금속유연기판은반도체공정의고온및화학처리조건등의변경없이적용할수있으나, 플라스틱, 유리기판에비해표면평탄도 (Surface flatness) 가낮고작은충격에도변형되기쉽다. 금속유연기판은투명하지않으며, 공정온도가고온인플렉시블태양전지에이용하여내충격성을향상할수있다. 다양한금속유연기판소재중에서내부식성이우수한스테인리스강 (Stainless steel) 적용이가장많으며, 스테인리스강으로기판을제조하기전에전기적절연성및표면평탄도를확보하기위해스테인리스강에절연체를코팅하는과정을거친다. 플라스틱기판은유리또는금속유연기판에비해가볍고가공이용이해형태의제약이거의없으며, 저비용공정인롤투롤 (Roll-to-Roll, R2R) 공정에가장적합한소재이므로유연전자소자구현에가장적합한소재로각광받고있다. 플라스틱기판은고온공정을적용하기에내열성이충분하지않은것으로알려져있으나, 최근일부연구그룹에서고온공정에적용한실험결과를발표하여주목받았다. 자료 : 솔라앤에너지, 플렉시블박막태양전지기술및시장전망, 2011 < 그림 2> 플렉시블태양전지의기술별생산량전망 (2006~2015 년 ) 16_ 녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

< 그림 2> 에서보는바와같이 2009년까지 United Solar Ovonic을중심으로비정질실리콘 (a-si) 박막태양전지가플렉시블태양전지시장을주도하다가 2010년 CIGS 박막태양전지및다른플렉시블태양전지제조업체들이진출하면서플렉시블태양전지시장이급속히성장했다. 2011년부터기존비정질실리콘박막태양전지업체를중심으로 CIGS 박막태양전지및다른플렉시블태양전지제조업체들의양산화기술이발전하면서플렉시블태양전지생산량이증가하였다. 또한 2011년부터 2015년까지 52.2% 의연평균성장률을기록하면서생산량이 2011년 342.2MW에서 2015년에는 1,732.2MW까지증가할것으로전망된다. Ⅱ. 동향분석 1. 국내동향국내에서는한국전자통신연구원, 한국에너지기술연구원, 한국과학기술연구원, 한국생산기술연구원이금속유연기판을이용한 CIGS 박막태양전지개발을주도하고있다. 대양금속은 2009년부터금속유연기판을이용한 CIGS 박막태양전지사업에진출하여상용화를위한연구개발을진행하고있다. 플라스틱기판을이용한 CIGS 박막태양전지는한국에너지기술연구원, 한국전자통신연구원, 한국과학기술연구원등에서연구개발하고있으며, LG이노텍등유리기판제조기술을보유한기업에서도관심을갖고있는것으로알려져있다. < 그림 3> 대양금속이개발중인금속유연기판을이용한 CIGS 박막태양전지모듈및장비 한국에너지기술연구원은금속유연기판을이용한비정질실리콘박막태양전지를개발하고있으며, 한국전자통신연구원은 Si 및 SiGe tandem 박막태양전지를개발하고있다. 또한주성 플렉시블태양전지기술동향 _17

엔지니어링은플라스틱기판을이용한비정질실리콘박막태양전지기술을개발하고있다 (< 그림 4>). 반면, 일부업체가사업성이낮다는이유로유리기판을이용한비정질실리콘박막태양전지사업을중단한바있어서플렉시블비정질실리콘박막태양전지기술개발은다소지연되고있는실정이다. < 그림 4> 주성엔지니어링이개발중인비정질실리콘박막태양전지모듈 한국전자통신연구원은얇은금속기판을이용한금속플렉시블염료감응태양전지를개발하고있으며, 한국과학기술연구원은저온소성이가능한무 ( 無 ) 바인더코팅용페이스트및투명기판을이용한플렉시블염료감응태양전지를개발하고있다. 한국에너지기술연구원, 한국화학연구원에서도플렉시블염료감응태양전지연구가활발하며, 상보는금속플렉시블염료감응태양전지모듈을개발하고있다 (< 그림 5>). 18_ 녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

< 그림 5> 상보가개발중인유연기판염료감응태양전지모듈 도레이첨단소재는다양한색상의플렉시블태양전지를개발하고있으며, 이건창호, 현대하이스코, 동부제철은기업내부적으로플렉시블태양전지개발프로젝트를진행하고있다. 한국화학연구원은기존의유기태양전지대비 20% 이상효율을향상시킬수있는신소재를개발하였으며, 한국기계연구원, 한국과학기술연구원, 서울대학교, 광주과학기술원 (GIST), 포항공과대학교, 단국대학교도유기태양전지효율을향상시키는방법을연구하고있다. 또한, 코오롱인더스트리, LG화학, SK에너지, 삼성종합기술원등에서유기태양전지에대한연구를진행하고있다. < 그림 6> 한국기계연구원의유연기판유기태양전지장비 플렉시블태양전지기술동향 _19

2. 해외동향 < 그림 7> 은흡수층종류에따른모듈구성기술을분류한것으로플렉시블태양전지기술을개발하고있는해외주요업체들의현황을확인할수있다. 자료 : 한국에너지기술평가원, 폴리머기판 CIGS 박막태양전지모듈개발, 기획보고서, 2012 < 그림 7> 태양전지제작방법에따른주요업체현황플렉시블비정질실리콘박막태양전지분야의주요업체는플라스틱기판을이용하는 PowerFilm, Fuji Electric, Flexcell과금속기판을이용하는 United Solar Ovonic, Xunlight, Moser Baer 등이있다. United Solar Ovonic은스테인리스강으로만든기판위에 a- Si/a- SiGe/μc- SiGe으로구성된삼중접합플렉시블실리콘박막태양전지를판매하여플렉시블태양전지시장의 80% 이상점유하였으나, 최근실적악화로인해파산보호를신청하였다. 플렉시블 CIGS 태양전지분야의주요업체는금속기판을이용하는 Solopower, Miasole, Nanosolar 등이있으며, 플라스틱기판을이용하는 Solarion, Ascent 등이있다. 자료 : Solar Today (2011. 6.15) < 그림 8> 플렉시블 CIGS 태양전지셀사진및모듈구조도 20_ 녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

대표적인 CIGS 박막태양전지제조업체에서제공하는모듈사양은 < 표 1> 과같다. < 표 1> CIGS 박막태양전지의상용모듈현황 기판소재 기업명 Nominal output (W) Open circuit voltage (V) Short circuit current (A) Dimension (mm) Weight (kg) Specific Power (W/kg) 유리 Miasole 111 24.9 6.80 665 1,611 28 18.0 6.17 Solar Frontier 165 110 2.20 977 1,257 35 20.0 8.25 금속 Global Solar Energy 62 28 4.2 368 216 36 (fold) 1,333 762 2.5 (deployed) 1.41 43.97 플라스틱 Solarion 115 24.1 7.61 800 1,320 11.5 1.40 82.14 자료 : 각사홈페이지 (Miasole (www.miasole.com), Solar Frontier (www.solar- frontier.com), Global Solar Energy (www.globalsolar.com), Solarion (www.solarion.net) 플렉시블 CIGS 박막태양전지가격은롤투롤 (R2R) 공정을적용하여대량생산체제구축시와트 (W) 당 0.6달러이하까지하락할것으로예상된다. 기존의유리기판을이용한박막태양전지의비출력 (Specific power, 比出力 ) 은최대 6.3W/kg이며, 금속기판을이용한박막태양전지의비출력은약 44W/kg으로측정되었다. 플라스틱기판을이용한박막태양전지는 82W/kg 정도의비출력을기록하였으며, 이는유리기판을이용한박막태양전지보다약 13배높은수치이다. 플라스틱기판을이용한박막태양전지는하중을고려하지않아도되는건축물또는경량을요구하는비행기, 자동차등에적합하다. 최근스위스의재료시험연구소 (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, EMPA) 는플라스틱기판을이용하여태양전지의광전변환효율 20.4% 를달성했다. 플렉시블염료감응태양전지의핵심원천기술을보유하고있는미국, 일본, 유럽은탄탄한기초과학기술을바탕으로원천기술및소재기술을발전시켜왔으며, 이를바탕으로상용화기술개발을선도하고있다. 플라스틱기판위에이산화티타니아나노전극을코팅하기위해서는저온소성공정개발이필요하며, 일본의 Dai Nippon Printing, Peccell Technologies, TDK, Taiyo Yuden 등이소성공정을독자적으로개발하고있으며, 영국의 G24i, 미국의 Konarka, 독일의 Solar coating Machiner는공동개발을진행하고있다. 플렉시블태양전지기술동향 _21

자료 : 한국에너지기술평가원, 플렉시블염료감응태양전지개발 기획보고서, 2012 < 그림 9> 플렉시블염료감응태양전지셀사진및모듈구조도 미국의 Solarmer는광전변환효율이 8.13% 인유기태양전지를개발하였으며, 최근파산보호를신청한 Konarka는효율 8.3% 의유기태양전지를개발하였다. 일본의미쓰비시케미칼 (Mitsubishi Chemicals) 은 10.1% 의광전변환효율을가진유기태양전지를개발하였으며, 곧롤투롤인쇄기술을이용한유기태양전지를상용화할계획이다. 덴마크국립에너지연구소는전 ( 全 ) 공정롤투롤 (Roll-to-roll) 인쇄기술과솔루션공정 (Solution process) 을이용하여최대변환효율이 2.75% 인 79mm 84mm 크기의플렉시블폴리머태양전지모듈을제작하였다. 자료 : 한국에너지기술평가원, 유기단분자태양전지서브모듈개발 기획보고서, 2012 < 그림 10> 플렉시블유기태양전지 22_ 녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

Ⅲ. 향후전망 2006년부터 2011년까지세계태양광발전의연간설치용량은연평균 70% 로급격히성장하였으며, 태양광발전시장상황이여의치않았던 2012년에도설치용량은 2011년대비 60% 이상증가하였다. 태양광발전시장이확대되고있음에도 2011년부터 2012년사이에다수의글로벌태양광발전기업들이파산신청또는사업을철수하였다. 태양광발전시장상황은점차호전될것으로보이나수요공급구조는 2014년이후에나균형을이룰것으로예측된다. 플렉시블태양전지기술개발은최근미국, 유럽에서유연기판을이용한롤투롤인쇄기술을적용하여활발히이루어지고있다. 롤투롤인쇄기술은상용화되어널리사용되고있으며, 유연기판증착공정을수행하기위한가장효과적인방법이다. 생산성이높은롤투롤공정을적용하여대량생산체제를구축할경우기존의태양전지와비교하여가격경쟁력을확보할수있을것으로예상된다. 고효율및낮은가격을유지하면서경량화, 다양한제품형태및응용분야의다양성이란고부가가치가추가되면고수익시장을창출할전망이다. 플렉시블태양전지의높은생산성, 불량률최소화, 고품질박막코팅을위해서는진공설계기술, 안정적인유연기판의와인딩 (Winding) 제어기술, 고속기판이송제어기술이필요하다. 또한유연기판교체및부품탈부착이용이해야하며, 플렉시블태양전지모듈을패키지화하기위한인캡슐레이션 (Encapsulation) 소재및공정기술개발이필요하다. 플렉시블태양전지는건물일체형태양광발전시스템 (Building Integrated Photovoltaic System, BIPV) 에적용하기에적합하며, BIPV시스템개발초기부터건축및창호산업과긴밀하게연계하여기술개발및상업화하는것이바람직하다. 현재태양전지모듈과응용제품개발이병행되고있으나, 상용화를위해서는태양전지모듈을응용제품에적용하여실증할필요가있다. 플렉시블태양전지는장비일체형태양광발전시스템 (Device Integrated Photovoltaics, DIPV), 유비쿼터스기기, 의류및레저용품, 군용품등새로운응용분야를개척하여 2014년이후에는고기능 / 고부가시장을형성할것으로전망된다. < 참고문헌 > 1. 한국과학기술기획평가원, 태양광기술의현주소와정부R&D 역할, 2012 2. M. Pagliaro, G. Palmisano, and R. Ciriminna, Flexible Solar Cells WILEY-VCH Verlag GmbH & Co, 2008 3. 한국수출입은행, 태양광기업들의기회와위험요인, 2012 4. 솔라앤에너지, 글로벌태양광시장의회복시나리오와한국태양광의생존전략, 2012 5. 한국전자통신연구원, 박막태양전지의기술개발동향, 전자통신동향분석, Vol.27, No.1, pp.38-50, 2012 6. 교육과학기술부, 차세대비실리콘계나노박막태양전지원천소재및소자기술정보수집, 2010 플렉시블태양전지기술동향 _23

7. 솔라앤에너지, 전세계박막태양전지기술동향및시장전망 (2006~2015), 2011 8. http://www.empa.ch/plugin/template/empa/3/131438/ 9. 한국에너지기술평가원, 플렉시블염료감응태양전지개발 기획보고서, 2012 10. 한국에너지기술평가원, 유기단분자태양전지서브모듈개발 기획보고서, 2012 11. 한국에너지기술평가원, 폴리머기판 CIGS 박막태양전지모듈개발 기획보고서, 2012 12. 한국에너지기술평가원, 그린에너지전략로드맵, 2011 13. 한민족과학기술자네트워크, 대면적플렉시블염료감응형태양전지의재료와제조, 2012 14. 솔라앤에너지, 플렉시블박막태양전지기술및시장전망 (2006~2015), 2011 24_ 녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)