태양전지국내 외시장및산업동향 윤경훈 김동환 현대생활을영위하는데있어에너지는필수불가격한요소로앞으로도그수요는더증대될수밖에없다. 하지만최근의석유가급상승, 화석연료사용에따른기후변화등의환경문제대두등은지금우리가사용하고있는석탄, 석유와같은화석연료와차별화되는환경친화적이면서도영속적으로공급해줄수있는에너지원의출현을갈망하고있다. 이런측면에서태양에너지는자연이선사한가장이상적인에너지원으로떠오르고있다. 지구가 1시간동안받는태양에너지는현재전세계가 1년동안소비하는에너지에필적한다. 하지만태양에너지는에너지밀도가낮아이를실생활에이용하거나산업용으로쓰기위해서는보다효율적으로태양에너지를포획, 전환하는기술이전제되어야한다. 태양에너지를이용한태양광발전기술이최근국내외적으로큰주목을받고있는데, 그핵심소자인태양전지는 1839 년프랑스과학자 Becquerel이전해질속에담겨진 2개의금속전극으로부터발생하는전력이빛에노출시그크기가증가하는광기전력 (Photovoltaic) 효과를발견한것으로부터그역사가시작되었다. 1954년 Bell Lab에서실리콘을소재로한최초의태양전지가개발되었고, 1958년우주선 Vanguard I호의전원공급용으로최초로실용화되기에이르렀다. 금년은최초의상업용태양전지가출현한지 50년이되는해이다. 1970년대 2차례의석유파동을겪으면서, 유럽, 등에서의체계적이고집중적인연구개발에힘입어 1980년대부터제한적이긴하지만지상발전용으로활용이시작되었고, 이어서에너지환경문제가지구적차원의문제로부각됨에따라최근가장유망한에너지기술의하나로인식되기에이르렀다. 저자약력윤경훈박사는프랑스 Limoges 대학에서박사학위를받고현재한국에너지기술연구원태양전지연구단장으로실리콘및화합물반도체박막태양전지를연구개발하고있다. (y-kh@kier.re.kr) 김동환교수는 Stanford 대학에서박사학위를받고현재고려대학교재료공학부에서태양전지연구를수행중이다. 2004년이후지식경제부의태양광사업단장으로국내태양광기술개발기획, 방향설정등의역할을맡고있다. (donghwan@korea.ac.kr) 표 1. 태양전지의용도. 분야용도 통신시설 항공보안 기상 하천관측 해양도로 교통산업기기농 어 축산업환경개선재해 안전교육 오락전자제품주택 건물대규모발전소자동차항공 우주용 태양전지활용및시장 우주에서시작된태양전지시장은지상용으로꽃을피우기시작하여매년급팽창하는시장을창출하고관련산업도이미완전한궤도에올라성장에성장을거듭하면서선도국간의기술경쟁도매우치열하게전개되고있다., 독일, 등에서는대규모정부지원에따른시장의확대와함께기업과정부공동의체계적인기술개발에힘입어태양전지생산량은매년비약적으로늘어나고있다. 우주용을거쳐초기에태양전지는전기를필요로하는무인등대나오지주민의응급시를대비한필수용품으로, 라디오나백신용저장고의전원공급용으로점차사용범위가확대되기시작하였다. 현재는항공, 기상, 통신분야에까지사용되고있고, 연구개발의진전과함께가로등, 배터리충전기등은물론이고주택이나건물의지붕과벽체에기존의건축자재를대신하여사용되는등우리주변에까지널리파급되고있고, 이미 10 MW 이상의대규모발전소도출현하고있다. 또한최근에는태양전지로구동되는자동차, 비행기등도주목을받고있는데, 표 1 무선중계기, 방송중계국 항공장애등, 항공보안및지원시설 각종텔레미터, 텔레미터중계국하천, 댐관리, 홍수경보등대, 등부표, 해상텔레미터, 선박비상전원가로등, 도로표시판, 긴급전화, 무인신호등산업용전원공급배수펌프, 배양시스템, 온실오수정화, 호수정화, 환경감시지진, 화재시비상전원, 산불감시카메라광검출기, 완구, 조도계, 교육기기시계, 라디오, 계산기, 무전기, 휴대전화, PC 주택, 건물전원공급계통연계집중식발전시스템태양광자동차, 전기자동차보조전원인공위성, 우주발전, 탐사, 비행선, 비행기 2 물리학과첨단기술 July/August 2008
그림 1. 단독주택용 태양광 시스템. 그림 3. MW급 태양광 발전소. 연계형 태양광발전시스템으로 구분되고, 다시 독립형 태양광 발전시스템은 주민의 전원공급용과 특수 목적의 용도(통신용, 해양, 도로교통, 환경 개선 등 다수)로 구분한다. 그리고 계통 연계형시스템은 규모에 따라 소규모 분산배치형시스템(그림 1, 2)과 대규모 발전용 시스템(그림 3)으로 구분한다. 최근 지상용의 전 세계 태양전지 설치 보급량(시장)의 추이 는 그림 6과 같다. 2007년 보급량은 아직 추정치로 약 2,400 MW에 달하는데, 독일이 전체의 약 46%, 2위가 스페 인, 그리고, 의 순이다. 최근 독일의 시장이 급격히 증가한 것은 발전된 전기를 높은 값으로 매입하는 발전차액 제도(Feed-In-Tariff (FIT)) 지원 프로그램에 의한 것이 그 주 요 요인이다. 스페인은 2006년 보급량이 98 MW이었으나 2007년 약 490 MW를 보급하여 그 규모가 급팽창하였다. 은 전년에 비해 약간 성장하였으나 은 오히려 보급 량이 전년도에 비해 대폭 줄어들었다. 그 이유로는 국내 시장 을 확대할 만한 발전차액제도 등의 확실한 정부 지원책이 유 그림 2. 아파트, 공동주택 태양광 시스템. 럽에 비해 미약하기 때문이다. 최근 시장의 급성장은 계통연 계형시스템에 의한 것인데, 지상의 대규모 발전소와 함께 독 에서 전반적인 활용도를 살펴볼 수 있다. 우주용을 제외하면 시장 규모 면에서 크게 지상발전용, 소 일,, 및 기타 OECD 회원국에서 정부의 지원으로 주택 및 건물의 지붕, 외벽, 창에 태양전지를 설치한 것이 대 규모 전자제품의 전원공급용으로 나눌 수 있다. 지상발전용은 부분이다. 특히 태양전지를 건축물과 일체화한 시스템을 다시 계통연계 유무에 따라 독립형 태양광발전시스템과 계통 BIPV(Building Integrated Photovoltaics)로 구분하는데, 앞 물리학과 첨단기술 July/August 2008 3
그림 5. 태양광 구동 우주정거장 및 탐색용 로버. 그림 4. 태양광 구동 자동차 및 비행기. 3000 으로도 이 부분의 시장이 지속적으로 크게 성장할 전망이다. 기타 2500 지상에 설치하는 경우는 별도의 부지 비용이 소요되지만 BIPV에서는 부지 비용이 없음은 물론 태양전지 자체가 건축 크게 유리하기 때문이다. 국내에서 태양전지의 연도별 용도별 누적 보급량은 그림 7 과 같다. 2007년 말 한국의 전체 보급량은 약 78 MW이고, MW 물의 마감재 역할을 겸하도록 되어 있어 경제성 측면에서도 2000 스페인 독일 1500 1000 500 2007년 한해 43 MW를 보급하여 그 이전까지 보급량 누계 인 35 MW를 초과한 것으로 최근 정부의 대폭적인 지원 정 0 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 책에 의한 주택 및 건물용 계통연계형시스템의 보급과 발전 된 전기의 고가 매입 정책에 따른 발전 사업용 대규모 태양 그림 6. 전 세계 태양전지 설치보급량 추이. 광발전시스템의 보급이 크게 증가하였기 때문이다. 2003년까 지 국내 시장은 독립형시스템 중심으로 소규모의 시장이 형 태양전지 산업 성되었으나, 2004년 이후 계통연계형이 주 시장을 이루고 있 음을 볼 수 있다. 2007년 말 현재 대규모 발전용이 39 MW, 시장의 주류를 형성하고 있는 결정질실리콘 태양전지의 경 분산배치형이 32.6 MW로 각각 50%, 42%를 차지하고 나머 우 관련 산업 체계는 그림 8과 같이 분류할 수 있다. 모듈 단 지 8%가 독립형시스템의 몫이다. 가에서 각 단계별 소요 비용 점유율은 실리콘이 14%, 잉곳 국내 2007년 시장을 금액으로 환산하면 시스템 기준으로 약 3,400억 원에 달한다. 태양전지 모듈 기준으로는 그 반 정도가 된다. 4 물리학과 첨단기술 13%, 웨이퍼 16%, 셀 27%, 모듈 30%이다. 결정질실리콘 태양전지에 이어 2세대 태양전지로 분류되는 박막 태양전지의 경우는 그 체계가 완전히 다르다. 잉곳 및 July/August 2008
그림 7. 국내태양전지설치보급량. 그림 9. 실리콘박막태양광모듈산업체계. 4000 MW 3500 3000 2500 2000 기타중국대만유럽 그림 8. 실리콘태양전지산업체계 ( 원료 - 태양광모듈 ). 웨이퍼공정없이가스, 액체또는고체상태의출발원료로부터특정기판 ( 유리, 플라스틱, 금속등 ) 위에박막을형성하여직접대면적의모듈을제작하게된다. 예를들어실리콘을소재로한박막태양전지는그흐름이그림 9와같다. 제조공정이비교적간단하고대량생산에적합하지만결정질실리콘태양전지에비해단위제조장치의규모가크고단위가격도비싸다. 현시점에서는대면적박막을고속, 고수율, 저가로제조할수있는장비가가장핵심이되고있는데, 이미반도체및디스플레이분야에서확보한유사기술을토대로태양전지에적합한기술을확보한회사들이시장을선점하고있다. 박막태양전지제조단가를항목별로분류하면재료비가 45-55% 로가장많고, 장비가 20-25%, 인건비 10-15%, 그리고에너지비용 5-8% 이다. 태양전지생산량은앞에서본설치보급량증가추이와비슷하여매년 45% 이상의성장률을보이고있다. 아직추정치이긴하지만 2007년도생산량은약 3,700 MW로전년도의 2,500 MW에비해약 48% 증가한것이다. 국가별로는이전년도에비해점유율이낮아지긴했지만계속선두를지키고있다. 하지만지역별로는중국과대만이각각 821 MW, 368 MW 생산하여전년대비 120% 이상증가하여유럽, 을추월하고 1위에올라섰는데, 그점유율이약 32% 에달한다. 그림 10에서최근중국, 대만의약진과독일을위시한유럽의성장세를확인할수있고, 은생산규모가정체되 1500 1000 500 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 그림 10. 국가, 지역별태양전지생산추이. 어있음을확인할수있다. 표 2의태양전지제조개별기업으로보면 2006년까지부동의 1위이었던의 Sharp가독일의 Q-Cells에밀려 2위로내려왔고, 중국의 Suntech이 Sharp와큰차이없이 3위로올라섰다. 은 Sharp 외에 Kyocera, Sanyo, Mitsubishi 전기등기술력과경험을지닌회사들이꾸준히선두권에있으나중국, 대만, 독일, 기업등이바짝뒤를추격하고있어, 앞으로의향방은두고보아야할것이다. 의 First Solar사가 CdTe 박막태양전지만으로한해 207 MW를생산하여 2006년 11위에 2007년 5위로순위를올린것은전체박막태양전지기술측면에서크게주목해야할점이다. 과독일에서는주택및건물용태양광발전시스템, 그리고발전용대규모시스템의대량보급을통한시장확대정책의추진으로태양전지산업이이제는완전히새로운산업으로자리매김하고있다. 2007년도전세계태양전지산업은태양전지모듈 ( 평균단가 $4/W) 기준으로약 150억 $, 태양광발전시스템기준으로는약 250억 $ 에달한다. 물리학과첨단기술 July/August 2008 5
표 2. 전세계주요태양전지메이커 ( 단위 : MW). 2003 2004 2005 2006 2007 Q-Cells ( 독일 ) 28 75 166 253 389 Sharp ( ) 198 324 428 434 363 Suntech ( 중국 ) 28 82 158 327 Kyocera ( ) 72 105 142 180 207 First Solar ( ) 3 6 20 60 207 Motech ( 대만 ) 17 35 60 102 196 Sanyo ( ) 35 65 125 155 165 SunPower ( ) 23 63 150 Baoding Yingli ( 중국 ) 10 35 143 Solar World ( 미, 독 ) 94 100 97 86 130 Mitsubishi Electric 42 75 100 111 121 JA Solar ( 중국 ) 25 113 BP Solar ( 다국적 ) 70 86 88 86 102 Solarfun ( 중국 ) 25 88 Isofoton ( 스페인 ) 35 53 53 61 85 Schott Solar ( 독일 ) 42 63 95 93 80 CEEG Nanjing ( 중국 ) 7 54 78 한편지금까지태양전지종류별로는 2006년도의경우단 결정실리콘 (sc-si) 및다결정실리콘 (mc-si) 태양전지비중이 전체의 90% 에달하고리본형태양전지가 2.7%, 그리고박막 태양전지가 7.6% 를차지하였다. 단결정실리콘태양전지중 6% 는 Sanyo사의이종접합 (HIT) 구조태양전지로이는 실리콘웨이퍼위에비정질실리콘박막을적층하여접합을 형성한이종접합구조로웨이퍼기술과비정질실리콘박막 제조기술이융합된기술이다. 최근다결정실리콘에비해단결 정실리콘점유율이증가한것은 HIT 태양전지의생산량이증 가한측면도있지만고효율의단결정실리콘태양전지수요가 그만큼증가하였다는것을의미한다. 다결정에비해효율이 높은단결정실리콘태양전지를사용하면태양광어레이의면 적을줄일수있는장점이있다. 박막태양전지는그동안태양전지전체생산량이급증함 에따라실제로는생산량이매년증가하였음에도불구하고 점유율은하락하였는데, 2006년에처음으로점유율이증가한 것은박막태양전지기술이시장으로부터호응을받고있다 는반증이다. 기술별로는실리콘박막이 4.7%, CdTe 2.7%, CIGS 0.2% 인데, 위에서언급한바와같이 First Solar 의 CdTe 태양전지생산량이크게증가한것이전체박막태 양전지의점유율을올린요인이다. 2007년도의경우 First Solar의생산량이 207 MW에달하는등박막태양전지의점 표 3. 전세계태양전지관련산업및회사. 실리콘잉곳웨이퍼 소재 태양전지 모듈 장비 유럽 유럽 PV Crystalox Solar, Wacker Polysilicon, Joint Solar Silicon, Deutsche Solar REC Hemlock Semiconductor (HSC), Advanced Silicon Materials (ASiMI), Solar Grade Silicon (SGS), MEMC Electronic Materials Tokuyama, JFE Steel, M.Setek, SUMCO, Space Energy, Japan Solar Silicon, Jemco, Dai-ichi Dentsu Isovolta, Multi-Contact DuPont, Ferro Electric Material Systems Asahi Glass, Nippon Sheet Glass, Sankyo Aluminium Industry, Bridgestone, Mitsui Chemicals Fabro, Toray Q-Cells, Solar World, Schott Solar, ErSol, Shell, Sunways, Antec Solar, Isofotón, Photowatt, 유럽 EniTecnologie, Helios Technology, Intersolar, Photovoltech, Konkar Solar World, BP Solar, United Solar Ovonic, First Solar, GE Energy, Evergreen Solar, Schott Solar Sharp, Kyocera, Sanyo Electric, Mitsubishi Electric (MELCO), Kaneka, Mitsubishi Heavy Industry (MHI), Hitachi, Showa Shell Sekiyu, Fuji Electric Systems, Honda Motor Solon, Saint Gobain, Solar-Fabrik, Webasto, 유럽 Solarwatt, Solarc MSK(Suntech, China), Fujipream, Yokasol Gebr. Schmid, Centrotherm, M+W Zander, Roth 유럽 &Rau, Aixtron, Baccini, HCT Shaping, Meyer & Burger, Oerlikon Applied Materials, BTU International, GT Solar Technologies, MV Systems, Spire Solar ULVAC, Shimadzu, NPC, Nisshinbo, Noritake, Tokyo Electron, Ferrotec, Dai-ichi Kiden, S.E.S, Nippei Toyama 유율이크게늘어적어도 10% 이상되는것으로추산하고있다. 현재전세계적으로많은기업들이실리콘원재료부터잉곳, 웨이퍼, 기타소재, 태양전지및모듈제조, 제조및성능검사장비분야에진출해있는데, 그개요는표 3과같다. 국내에서는최근많은기업들이태양전지사업계획을발표하는등큰변화가이루어지고있다. 2007년현재웨이퍼및태양전지제조회사가각 1개, 그리고모듈제조회사가 8 개정도이다. 소재수급측면에서 LG 실트론이 2007년 10 MW 규모의웨이퍼생산라인을완성하였고, 웅진에너지가잉곳생산을시작하였다. 한편동양제철화학이원소재인다결정실리콘생산라인을 2008년완공하여원재료부터모듈까지완전한형태의산업구조를갖출수있게되었다. 모듈제조업체는그동안소요태양전지를대부분수입에의존하였고, 또최근수년간전세계적인원재료공급차질로인하여수입도어려운실정이었으나, 2008년현대중공업과미리넷솔 6 물리학과첨단기술 July/August 2008
표 4. 국내태양전지관련산업및회사. 표 5. 전세계태양전지보급전망. 실리콘잉곳웨이퍼 태양전지 모듈 장비 동양제철화학 : 원소재 LG 실트론, 웅진에너지 : 잉곳, 웨이퍼 KPE, 현대중공업, 미리넷솔라, 신성이엔지 : 결정질실리콘태양전지한국철강 : 박막실리콘태양전지 현대중공업, 심포니에너지, S-Energy 등 2007 년생산용량 188 MW, 생산 52.9 MW 주성엔지니어링, 아바코, SFA, DMS, NPP 등다수 2006 2010 2020 2030 비고연간보급 (GW) 1.5 5.6 44 179 보급누계 (GW) 6.6 28.9 241 1,272 전기소비태양전지기여도 (%) 시장가치 (10 억유로 ) 연간이산화탄소절감 ( 백만톤 ) 0.05 0.18 1.93 9.39 9 25 113 318 5 15 192 1,081 그린피스 - EPIA 보고서 보급누계 (GW) 6.6 14.0 200 1,830 EU Report 라가태양전지생산라인을갖추게되면 190 MW 용량의모듈제조라인가동률을크게높일수있을것이다. 한편금년에한국철강이국내에서는최초로박막실리콘태양전지모듈생산설비를갖추고상업화에착수하여향후그추이가주목받고있다. 향후전망향후태양전지시장과산업의전망에대해서는독일 Photon Consulting에서는 2006-2010 사이연간 55% 의성장률을전제로 2010년연간 15 GW의시장이형성될것으로전망한바있는데, 금액으로약 $700억에해당한다. 2007년그린피스와유럽태양광산업협회가공동으로발간한보고서 Solar Generation IV-2007 에따르면 2030년까지약 1,200 GW 의태양전지를보급하여전세계가필요로하는전기의약 10% 를, 2040년에는약 28% 를충당할수있고, 2030년의연간시장규모는 3,000억달러를상회할것이라는전망이다. 유럽연합에서발간한태양광현황보고서도유사한전망을하고있다. 이처럼태양광기술은이미다음세대의새로운성장동력산업으로그형태를확고히굳혀가고있는것이다. 기술적으로태양전지가경제성을갖기위해서는현재보다최소 6배이상값싸거나효율높게만들수있어야하는데, 기존결정질실리콘태양전지는한계가있으므로박막태양전지기술, 나아가서는새로운소재와구조를이용한초저가, 초고효율태양전지가개발되어야한다. 하지만이런기술도원재료사용량을최소화하기위해서는박막기술을사용할수밖에없으므로저가의박막제조기술개발은필수적이라할수있다. 현재기술을선점하고있는유럽,, 의동향을주시하면현재의박막기술로도조만간에시장점유율이크게증가할것으로전망되고있다. 실리콘박막, CIGS, CdTe 화 합물박막태양전지와관련현재 2010년까지생산계획을발표한기업들의신규설비및확장설비를모두합하면약 2 GW에이른다. 태양전지성장률을최소로잡아도 2010년에는적어도연간 5 GW의시장이형성될것으로예측하고있는데, 따라서박막태양전지가많게는 40% 적어도 20% 로시장점유율을넓혀갈것으로예측된다. 국내의경우단기적으로는기존주택과건물의지붕과벽체및유휴지에설치하는계통연계형시장잠재량이약 19 GW 정도가될것으로예상되는데, 물론태양전지가경제성을갖게되면그시장은폭발적으로증가할것이다. 참고로 2007년말현재국내의발전설비용량은약 70 GW이다. 2003년정부에서는 2012년까지 3 kw 용량의주택용태양광발전시스템 100,000호, 공공건물 40,000동, 산업용 30,000동에합계 1,300 MW를보급하는계획을수립하고현재목표달성을위해연구개발, 시범, 보급에많은지원과제도를마련하여시행하고있고, 이에호응하여많은기업들이새로이태양전지산업에동참할것으로전망되고있다. 참고문헌 [1] 신재생에너지 RD&D 전략 2030: 태양광, 산업자원부, 2007. 11. [2]Osamu Ikki, RTS Corp., The Photovoltaics industry, today and tomorrow, Japan (2007). [3] PV News, March (2008). [4] IEA/PVPS Task 1, Trends in photovoltaic applications: Survey reports of selected IEA countries between 1992 and 2006, Report IEA-PVPS T1-15 : 2006, Aug. (2007). [5] Kyung-Hoon Yoon, Donghwan Kim, National survey report of PV power applications in Korea, May (2008). [6] EPIA, Greenpeace, Solar Generation IV -2007. [7] A. J-Waldau, PV Status Report 2007, JRC, EU. [8]Solar America Initiative: DOE Solar Energy Technologies Program (2007). 물리학과첨단기술 July/August 2008 7