과학기술 및 연구개발사업 동향브리프 2012-02 태양광기술의 현주소와 정부R&D 역할 미정 2012. 04. Korea Institute of S&T Evaluation and Planning
요약 과학기술및연구개발사업동향브리프 2012-02 요약 1. 개념과범위 태양광기술은태양광을직접전기에너지로변환시키는신재생에너지기술 과학기술및연구개발사업 동향브리프 는연구개발분야에서최근에주요이슈로대두되는기술분야별추진현황과정책동향을분석하여매년수행되는정부연구개발투자를효율적으로지원하고자발간되고있습니다. - 반도체혹은염료, 고분자등의물질로이루어진태양전지에빛에너지를받으면광전효과 (Photovoltaic effect) 에의해전기에너지가발생되는청정에너지기술사용되는재료및발전단계에따라구분 - 태양전지재료에따라실리콘계, 화합물, 염료감응, 유기등으로구분 - 발전단계에따라 1세대 ( 결정질실리콘 ), 2세대 ( 실리콘박막, CIGS박막, CdTe 박막등 ), 3세대 ( 염료감응, 유기, 양자점등 ) 로구분 2. 정책 산업 기술동향 태양광분야주요선진국은글로벌선점을위해국가적차원에서다양한 정책적지원프로그램운영중 요약 1. 개요 2. 국내외정책동향 3. 국내외산업동향 4. 국내외기술동향및 R&D 현황 5. 국내태양광기술에서의정부역할제언 1 4 8 12 17 26 - 미국 SunShot Initiative, 일본 All Japan Project, 중국 황금태양시범프로젝트 등다양한지원프로그램을추진 - 우리나라도 11년 4월 신성장동력 10대프로젝트 에박막태양광기술을포함하는등태양광분야에집중투자중 10년유럽경제위기, 중국산저가태양광제품의과잉공급등으로인해전세계적으로태양광산업이침체위기를맞았으며, 현재는조정국면돌입 - 11~ 15년까지는태양광설치시장성장전망율은 20% 이며, 06~ 10년 77% 보다약 3.9배감소전망 - 기술경쟁력및가격경쟁력이낮은태양광업체들은파산또는재정적위기상황 ( 미 )Evergreen Solar/SpectraWatt/Solyndra 파산, ( 독 )Q-Cells 경영위기심각등 Technology Evaluation and Planning 1
요약 - 태양광분야 Top 10 업체가생산량의절반가량을차지하고있으며, 중국및대만업체가대부분미국, 일본, 호주등을중심으로고효율 저가화기술개발추진중 - 결정질실리콘분야는호주, 미국등에서 20% 이상의효율을가진태양전지를개발하였으며, 우리나라에서도 11년신성솔라에너지가 6인치에서 19.1% 의효율달성 - 국내 CIGS박막분야는삼성SDI, LG이노텍등에서활발히연구중 4. 국내태양광기술에서의정부역할제언 현황 범부처차원의 R&D 투자포트폴리오전략부재 R&D 예산증가율대비논문 특허성과는우수하나사업화성과는다소저조 시사점 CIGS 박막, 유기등 2 3 세대태양광기술에대한투자비중점차확대하고민간역량이성숙된결정질실리콘 R&D 투자비중은점차축소필요 협력프로그램투자확대, 사업성평가강화등연구환경을조성하고, 투자효과의심층평가를통한성과제고방안마련필요 3. R&D 현황 10년태양광분야정부R&D 투자규모는 1,988억원으로전년대비 27.4% 증가하였으며, 지경부의투자비중이가장높음 - 10년개발연구의투자비중이 68.6% 로가장높으며, 기초 응용연구는투자비중증가추세 - 중소기업에대한지원비중이 41.9% 로가장높고다음으로대기업 (21.3%), 출연연 (18.3%), 대학 (17.6%) 등의순결정질실리콘분야의투자비중이가장높고, 실리콘박막, CIGS박막, 염료감응등의순 - 결정질실리콘및실리콘박막은민간기업의투자비중이높으며, 차세대태양전지기술은대학및출연연의투자비중이높음정부의적극적인 R&D투자로인해태양광R&D 분야의논문 특허성과는태양광R&D 예산증가율 (27.4%) 에비해우수하나사업과성과는다소저조 유사 중복가능성이의심되는일부연구과제추진중 정부정책이행점검추진실적미흡 출연 ( 연 ) 간협력연구다소부족 NTIS 시스템, 동료평가등을적극활용하여유사중복과제사전배제필요 Value Chain(Material, Cell, Module, System 등 ) 간기술협력이될수있도록국가적차원에서기술트리 (Tech. tree) 또는연계지도를작성하여체계적인지원방안마련 국과위등을활용하여당초수립된계획들이체계적으로추진될수있도록이행점검기능강화필요 공동기획강화, 상시협의체운영등 최근 CIGS 박막및염료감응분야의출연 ( 연 ) 간연계방안수립필요 2 동향브리프 2012-2호 Technology Evaluation and Planning 3
개요 1. 개요 1.1 기술개념 장점 < 표 1> 태양광기술장단점 단점 반도체혹은염료, 고분자등의물질로이루어진태양전지에빛에너지를받으면반도체가갖는광전효과 (photovoltaic effect) 에의해전기에너지가발생되는신재생에너지기술 1) - 핵심부품인태양전지의기본구조는 1954년미국의벨연구소에서발명하였으며, 본격적인연구개발은 1974년제1차오일쇼크후일본에서본격적으로시작 - 태양광발전시스템은태양전지 (solar cell) 로구성된모듈 (module) 과주변장치 ( 축전지, 전력변환장치등 ) 로구성 1.2 기술범주 청정 무제한에너지원 유지보수가용이, 무인화가능 장수명 (20 년이상 ) 필요한장소에서필요한발전가능 전력생산량이지역별일사량에의존 에너지밀도가낮아큰설치면적필요 설치장소가한정적, 시스템비용이고가 초기투자비와발전단가높음 사용되는재료에따라실리콘계, 화합물, 염료감응, 유기등으로구분 출처 : 에너지관리공단홈페이지 < 그림 2> 태양광기술분류 < 그림1> 태양광발전시스템태양광기술의주요장점은청정 무제한에너지원으로유지보수가용이하고장수명기술인반면, 자연조건 ( 일사량 ) 에제한적이며초기투자비와발전단가가현재까지는원자력등에비해다소높음 발전단계에따라 1세대, 2세대, 3세대로구분 2) - (1세대) 규소반도체소자기술을기반으로하는태양광발전전지로써, 현재태양광시장의대부분을차지. 결정질규소기판을사용하기때문에소재의존성이큼 예 ) 결정질실리콘 - (2세대) 반도체물질의박막을이용하는박막태양광발전전지로써, 일반적으로화합물반도체박막은화합물자체의안전성과유독성, 제조의어려움과가용자원의희소성등이문제로제기 예 ) 실리콘박막, CdTe박막, CIGS박막, CdS박막등 1) 이슈퀘스트, 2011 태양광발전산업실태와장래전망, 2011 2) 기술표준원, 태양광발전용어모음, 2011 4 동향브리프 2012-2호 Technology Evaluation and Planning 5
개요 - (3 세대 ) 1 세대규소기판태양광발전전지나 2 세대박막태양광발전전지와는달리새로운 개념과소재의전지기술 예 ) 염료감응, 유기, 양자점 (QD) 등 11년기준비실리콘계태양전지양산및핵심원천기술개발기술은최고기술보유국 (EU) 대비 78.2% 로주요 5개국 ( 한국, 미국, 일본, 중국, EU) 중 4위 - 5개전략제품 서비스기술별한국의기술수준은평균 78.2% 이며, 기술격차년수는평균 3.2년 1.3 기술경쟁력수준 3) 11년기준실리콘계태양전지의고효율 저가화기술은최고기술보유국 (EU) 대비 85.0% 로주요 5개국 ( 한국, 미국, 일본, 중국, EU) 중 4위 - 5개전략제품 서비스기술별한국의기술수준은평균 85% 이며, 기술격차년수는평균 2.1년 < 그림 4> 비실리콘계태양전지기술수준 < 그림 3> 실리콘계태양전지기술수준 3) KISTEP, 2011 년도녹색기술수준조사보고서, 2011 6 동향브리프 2012-2호 Technology Evaluation and Planning 7
국내외정책동향 2. 국내외정책동향 미국 에너지부 (DOE) 는 10 년내태양광가격을정부보조금없이도타에너지원 가격과대등한수준으로만들기위해국가적협력체제를구성하겠다는 SunShot Initiative 발표 ( 11 년 ) - 태양광시스템설치가격을약 75%( 약 $0.06/kWh) 정도절감함으로써전세계청정에너지 기술분야의우위를확보하기위해추진 - 태양광시스템가격인하를위해 4 대기술분야 * 에집중투자계획이며, DOE 는 SunShot 정책을추진하면서 9 개프로젝트에 $27M 지원예정 * (1) 태양광을에너지로전환시키는솔라셀과어레이기술, (2) 설치된시스템의성능최적화기술, (3) 태양광제조공정의효율성증대기술, (4) 태양광시스템의설계 설치기술 재생에너지활성화를위해의무할당제 (RPS) 와발전차액지원제도 (FIT) 를병행추진중 - 29 개주에서 RPS(Renewable Portfolio Standards) 를시행하고있으며, 추가로 7 개주에 서도입을추진중 RPS : 발전사업자에게총발전량에서일정비율을신재생에너지로공급하도록의무화하는제도 - 11 년 11 월태양광산업의시장경쟁력강화를위해자국산업및소규모태양광설치 비즈니스에대한 FIT(Feed in Tariff) 정부지원을 55% 삭감하겠다고발표 FIT : 신재생에너지발전에의하여공급한전기의전력거래가격이정부에서고시한기준가격보다낮은경우차액을지원해주는제도 글자색 : 검정 ( 10 년지정 ), 빨강 ( 10 년건설중 ), 회색 ( 10 년전지정 ) < 그림 5> '10 년미국의대형태양광발전소 (utility-scale) 추진과제 8 동향브리프 2012-2호 Technology Evaluation and Planning 9
국내외정책동향 일본 50 년까지세계온실가스배출량을 50% 감축하기위해 Cool Earth 50 을발표 ( 07 년 ) - 21 개혁신적에너지기술을선정하였으며, 이중혁신적태양광발전 * 포함 * 1 2 세대초박막결정질실리콘, 초고효율박막태양전지, 유기박막 / 염료감응등유기계태양전지발전단가를 ʼ30 년까지 7 엔 /kwh, 발전효율을 40% 달성 * 2 3 세대양자나노구조의태양전지와신개념태양전지를개발하여 ʼ50 년까지발전효율 40% 이상달성목표 11 년부터태양광, 풍력, 바이오등신재생에너지의 RPS 제도를폐지하고 FIT 제도도입 - 원전사고이후에너지공급을재생에너지로대체하기위해일본국회는 전기사업자에 의한신재생에너지전기조달에관한특별조치법안 을통과시켰으며, FIT 제도를 12 년 7 월 1 일부터시행예정 - 생산된전기는일본경제산업성이정하는일정기간동안전기사업자가고정가격으로 매입하는의무부과 < 표 2> 일본신재생에너지법의태양광전기매입가격및기간 구분주택용주택이외사업장, 발전사업용등 매입가격 초기에는높은매입가격을설정하고태양광발전시스템의가격하락에따라점차감소 매입기간 10 년 15~20 년범위이내 출처 : 에너지관리공단홈페이지 최근태양광분야주도권선점회복을위해 All Japan Project 를가동하여 R&D 예산 대폭확대 - 자국기업간협력으로글로벌태양광시장점유율확대를위해 11 년부터추진한프로 중국 젝트로, R&D 부문에서는산 학 연공동프로젝트를통해자국기업간불필요한경쟁을 피하고사업효율을높여저가 고효율제품생산을목표 에너지안보문제해결, 신성장동력창출등을위해 황금태양시범프로젝트 를 09 년 7 월부터시행 - 중국정부는시스템연계형태양광발전에 50% 예산을지원하고, 계통연계가되지않는 지역에는설치비용의 70% 를보조 중국과학원은향후 50 년간의에너지과학기술발전로드맵을제시하였으며, 이중 재생가능에너지의대규모발전기술 ( 태양광, 풍력, 수력등 ) 이포함 한국 ʼ 20 년 ( 절약형에너지와클린에너지기술을중점발전시키고에너지효율성을대폭향상 ) ʼ30 년 ( 원자력과재생에너지를주력에너지로발전 ) ʼ30~ʼ50 년 ( 지속가능한에너지체계구축 ) 저탄소녹색성장견인및미래먹거리산업창출을위해정부는 녹색기술연구개발 종합대책 ( 09.1), 중점녹색기술개발과상용화전략 ( 09.5), 신성장동력 10 대프로 젝트 ( 11.4) 등을수립 - 녹색기술연구개발종합대책 에서선택과집중의원칙에따라 27 대중점녹색기술을선정 하였으며, 중점녹색기술개발과상용화전략 에서중점녹색기술별투자유형을분류 단기집중투자 ( 실리콘계태양전지 ), 장기점증투자 ( 비실리콘계태양전지 ) - 정부의공생발전전략을위한액션플랜으로 신성장동력 10 대프로젝트 에 고효율박막 태양전지기술개발 포함 태양광분야주요부처인지경부는 그린에너지전략로드맵 2011( 11.5), 신재생 에너지산업발전전략 ( 10.10) 등발표 - 그린에너지전략로드맵 2011 에서는단기분야와장기분야로이원화하여태양광전략방향제시 결정질실리콘 / 박막태양전지 /BIPV : 핵심원천기술과소재, 부품, 장비기술개발주력 차세대태양전지 ( 염료감응, 유기등 ) : 대규모발전용보다는가정및상업용건물적용, 휴대용 군사용전원기기등다양한응용분야에서차별화된시장창출. 특히집광형태양전지는중소 중견기업위주산업육성 - 신재생에너지산업발전전략 에서는태양광을제 2 의반도체산업으로육성하기위해 15 년세계시장점유율 15% 달성목표제시 차세대태양전지 ( 박막, 염료감응, 나노유기 ) 기술개발및실리콘계태양전지고효율화 초저가화목표 정부는 08 년이후발전차액예산의급격한증가를이유로연도별발전차액한계 용량을설정하였으며, 12 년이후부터 RPS 로전환할예정 - 태양광분야연도별발전차액한계용량을 09 년 50MW, 10 년 70MW, 11 년 80MW 로 설정하여운영 - RPS 제도시행에따라태양광은산업초기집중육성측면에서초기 5 년간할당물량 * 을 집중배분하고 17 년부터는별도할당없이타에너지원과경쟁필요 * 신재생에너지산업발전전략 에따라태양광분야 1.2GW 할당 (ʼ12~ʼ16) 10 동향브리프 2012-2호 Technology Evaluation and Planning 11
국내외산업동향 3. 국내외산업동향 3.1 국외동향 10년유럽경제위기, 저가중국산태양광패널공급등으로인해태양광산업침체위기및가격폭락발생 - 유럽의태양광모듈가격은 00년 1와트 (W) 당 4.2유로였으나 11년 7월 1.2유로로약 70% 감소 - 폴리실리콘가격은 '08년 kg당 475달러였으나 12년 1월 30.5달러로폭락 출처 : Solar & Energy(2012) < 그림 7> 유럽의태양광모듈가격추이 현재태양광시장은독일을중심으로한 EU의비중이가장높으며, 점차적으로시장다변화시작 - 11년기준독일과이탈리아의점유율이각각 32%, 17% 로전세계의약 50% 차지하고있지만 12년도는각각 19%, 18% 로축소또는정체 - 반면, 중국, 인도등신흥국가의태양광시장규모는성장전망 출처 : EPIA(2011) < 그림 6> 유럽의태양광모듈가격추이 11 년태양광산업의위기상황은현재에도여전히지속되고있으며, 가격 기술 경쟁력이낮은업체들을중심으로조정국면돌입 - 11~ 15년까지는태양광설치시장성장전망율은 20% 이며, 06~ 10년 77% 보다약 3.9배감소전망 - 기술경쟁력및가격경쟁력이낮은태양광업체들은파산또는재정적위기상황 ( 미 )Evergreen Solar/SpectraWatt/Solyndra 파산, ( 독 )Q-Cells 경영위기심각등 < 그림 8> 국가별태양광설치시장전망 ( 11~ 12) 출처 : Solar & Energy(2012) 12 동향브리프 2012-2호 Technology Evaluation and Planning 13
국내외산업동향 태양광분야 Top 10 업체가셀 / 모듈생산량의절반가량을차지하고있으며, 중국및대만기업들이대부분 - 11년기준태양광생산량의 50.8% 를 Top 10 업체들이차지하고있으며, 10개상위기업중 9개기업이중국및대만태양광업체 결정질실리콘시장은점차적으로축소, 반면박막태양광시장규모는확대될전망 - 박막태양광시장규모는 10 년 12.1% 에서 15 년 20.8% 로성장전망 < 표 3> TOP 10 태양광생산업체 단위 : (MW) 2010 2011F 가동률 (2011) Suntech( 중국 ) 1,585.0 7.0% First Solar( 미국 ) 2,100.0 7.4% 92.4% JA Solar( 중국 ) 1,463.0 6.5% Suntech( 중국 ) 2,090.0 7.3% 87.0% First Solar( 미국 ) 1,411.5 6.3% JA Solar( 중국 ) 1,800.0 6.3% 60.0% Trina Solar( 중국 ) 1,050.0 4.7% Yingli Solar( 중국 ) 1,600.0 5.6% 94.1% Q-Cells( 독일 ) 1,014.0 4.5% Trina Solar( 중국 ) 1,500.0 5.3% 73.7% Yingli Solar( 중국 ) 980.0 4.4% Canadian Soalr( 중국 ) 1,300.0 4.6% 80.0% 출처 : Solar & Energy(2012) Moteh( 대만 ) 945.0 4.2% Moteh( 대만 ) 1,200.0 4.2% 60.0% Sharp( 일본 ) 910.0 4.0% Gintech( 대만 ) 1,050.0 3.7% 80.7% Gintech( 대만 ) 827.0 3.7% Neo Solar Power( 대만 ) 950.0 3.3% 84.8% < 그림 9> TOP 10 태양광생산업체 Kyocera( 일본 ) 650.0 2.9% Solarone( 한국, 중국 ) 900.0 3.2% 60.0% Top 10합계 10,835.5 48.1% Top 10합계 14,490.0 50.8% 기타 11,688.6 51.9% 기타 14,049.7 49.2% Total 22,524.1 100.0% Total 28,539.7 100.0% 출처 : Solar & Energy(2012) 3.2 국내동향 국내기업은당분간태양광산업조정국면이장기화될것으로전망됨에따라당초계획했던설비용량확대보다는 R&D에주력할계획 - 알티솔라, 미리넷솔라등국내태양광업체들도파산또는재정적위기에직면하였으며, 시장상황에따라탄력적으로증설여부결정할계획 - 반면, 고효율 저가화제품생산을위해일부기업들은 R&D투자규모를확대할계획 14 동향브리프 2012-2호 Technology Evaluation and Planning 15
국내외기술동향및 R&D 현황 < 표 4> 국내태양광업체별 ʼ12 년사업계획 업체명증설 R&D 현대중공업 시장상황에따라결정. 현재는태양전지 600MW 고효율태양전지개발에주력. '12 년전체 R&D 투자규모는전년수준 삼성 SDI 미정. 현재는태양전지 150MW 미공개 4. 국내외기술동향및 R&D 현황 4.1 기술동향 4) 결정질실리콘 LG 전자 시장상황에따라탄력적으로조정. 현재는태양전지 330MW R&D 투자는지속할계획이나구체적인계획은미공개 ( 호주 ) UNSW(Univ. of New South Wales) 는 24.8% 효율을나타내는 PERL(Passivated Emitter Rear and Locally Diffused) cell을개발하였지만경제성및 한화 모듈만 1GW 증설. 현재는모듈 1.5W, 태양전지 1.3GW 고효율태양전지개발, 태양전지생산원가절감에주력. '12 년총 R&D 투자규모는전년대비증가예상 생산성문제로인해상용화미비 ( 미국 ) Sunpower사는 20% 대의효율을나타내는후면전극형 IBC(Interdigitate STX 신성솔라에너지 시장상황에따라대응. 현재는태양전지 180MW 시장상황에따라대응. 현재는태양전지 350MW 고효율태양전지개발. '12 년총 R&D 규모는미공개 고효율태양전지 모듈개발에주력. '12 년총 R&D 투자규모는전년대비 10% 증가 Back Contact) cell을개발하여현재상용화 ( 일본 ) Sanyo사는단결정형의 HIT(Hetero Junction with intrinsic Thin Layer) cell을개발하여상용화하였으며, Sharp사는다결정형의 V-groove cell을개발하여효율 에스에너지 모듈 130MW 증설. 현재는 350MW 사막화모듈, 프레임리스 G2G 모듈개발에주력. '12 년총 R&D 투자규모는전년대비 20% 증가 18.6%(1cm2) 달성 ( 국내 ) 삼성전자, LG전자등대기업에서고효율태양전지기술개발을수행하고 웅진에너지 증설없음 ('14 년까지잉곳 1GW, 웨이퍼 1GW 증설계획 ). 현재는잉곳 1GW/ 웨이퍼 500MW 잉곳생산성제고, 웨이퍼경쟁력확보에주력. '12 년총 R&D 투자규모는미공개 있으며, 신성홀딩스는 10년세계최고효율 19.6% 달성. 11년신성솔라에너지는호주 UNSW대학과공동연구로개발한고가장비구입이필요없는 SE기술적용으로 6인치에서효율 19.1% 의국제인증획득 넥솔론 유동적대응. 현재는웨이퍼 1.8GW 가격경쟁력확보위한프로세스개발, 고효율웨이퍼생산에주력. '12 년총 R&D 투자규모는미공개 실리콘박막 오성엘에스티 유동적대응. 현재는잉곳 510MW, 웨이퍼 260MW 유사단결정 (MONO-LIKE) 제품개발, 잉곳사이즈대형화에주력. '12 년총 R&D 투자규모는미집계 ( 일본 ) 미쓰비시중공업사는 PECVD Cluster를이용하여 5세대단일접합 a-si:h 모듈을상용화하였으며, Fuji Electric사는플라스틱필름을이용하여 a-si/a-sige 적층형모듈을 Pilot 생산 OCI 폴리실리콘 2.1 만톤증설, 현재는 4.2 만톤 미공개 ( 미국 ) United Solar Ovonics 사는스테린리스기판위에 a-si, a-sige, μc-sige 을 웅진폴리실리콘 한국실리콘 2,000 톤증설. 현재는 5,000 톤 1.15 만톤증설. 현재는 3,500 톤 고순도 저원가폴리실리콘제조신공정기술개발에주력. '12 년총 R&D 투자규모는전년대비 20% 증가 폴리실리콘품질개선주력. '12 년총 R&D 투자규모는전년대비 30% 증가 이용한삼중접합플렉서블실리콘박막태양전지제품출시 ( 국내 ) 한국철강과알티솔라에서상용화라인을갖추고 5세대급비정질실리콘단일접합태양전지 모듈을생산하고있으며, 효율은 6~8% 수준 출처 : 그린데일리 (2011) 4) 지경부, 그린에너지전략로드맵 2011, 2011 및언론보도참고 16 동향브리프 2012-2호 Technology Evaluation and Planning 17
국내외기술동향및 R&D 현황 CIGS 박막 < 표 5> 태양전지의기술별특징 ( 일본 ) Solar Frontier는효율약 12% 90 120cm2 수준의 CIGS 박막태양전지개발 ( 국내 ) 삼성SDI는스퍼터링증착기술을활용하여 300 300cm2기판에서 15.5% 효율을달성하였으며, LG이노텍은 Co-evaporation 증착기술로 600 1200cm2 기판에서 13% 의효율달성염료감응 ( 일본 ) Sony사는 16.6cm2 모듈에효율 9.5% cell을개발하였으며, Sharp사는 25.45cm2 모듈에효율 8.2% 성능을보임 ( 호주 ) Dyesol사는소재및구조디자인개선을통해상업용 DSC 효율을 11년 8% 까지향상 ( 국내 ) 11년 12월이화여대교수팀은하이브리드탄소나노소재를염료감응형태양전지에도입하여효율을 40% 향상유기 ( 미국 ) Solarmer사는효율 8.13% 의유기태양전지를개발하였으며, Konarka사는효율 8.3% 태양전지를개발하여 NREL 인증추진 ( 10.11) 실리콘계 화합물계 유기계 결정질 실리콘박막 CIS 계열 집광형 염료감응 유기박막 4.2 국내 R&D 현황 단결정 다결정 아몰포스 다접합 특징모듈변환효율실용화 ( 장점 ) 성능, 신뢰성뛰어남 ( 과제 ) 저가격화필요 ( 장점 ) 단결정보다저렴하여현재주류 ( 과제 ) 단결정보다효율낮음 ( 장점 ) 대면적의양산가능 ( 과제 ) 결정계열에비해효율낮음 ( 장점 ) 실리콘소량사용가능, 대면적가능 ( 과제 ) 효율낮음 ( 장점 ) 제조공정이간단하고, 고성능기대 ( 과제 ) 인듐등희유금속자원확보 ( 장점 ) 초고성능실현 ( 과제 ) 저비용제조원가과제 ( 장점 ) 제조가단순하여저비용화가능 ( 과제 ) 고효율화및내구성과제 ( 장점 ) 저비용화가능 ( 과제 ) 고효율화및내구성과제 ~22% ~18% ~9% ~11% ~12% ~42% ( 집광시 ) 11% 8% 보급단계 연구단계 출처 : 주대영 (2011) ( 일본 ) 미쓰비시케미칼 (Mitsubishi Chemicals) 에서 9.2% 효율을기록함과동시에내년부터인쇄유기태양전지상용화계획 ( 덴마크 ) Full Roll-toRoll 공정장비와 Solution Process를이용하여 79mm 84mm 크기의플렉시블폴리머태양전지모듈제작 ( 최대효율 2.75%) ( 국내 ) 10년 4월한국화학연구원에서기존유기태양전지대비 20% 이상효율을향상시킬수있는신소재를개발하였으며, 코오롱인더스트리, GIST, 포항공대등을중심으로기술개발중 정부 R&D 현황 10년태양광분야정부R&D 투자규모는 1,988억원으로전년대비 27.4% 증가 - 10년도조사분석대상정부R&D예산증가율 (10.2%) 보다 2.7배높으며, 수행된연구과제수는 535개 - 연구과제수대비연구비규모는 08년 4.3억원에서 10년 3.7억원으로축소 - 3년이하단기과제에대한투자비중이총투자의 77.6% 로정부R&D 평균값 (54.7%) 보다높음 11 년이하 (5.4%) 21 ~ 3 년 (71.5%) 3 3 ~ 5 년 (15.4%) 45 년이상 (7.7%) 18 동향브리프 2012-2호 Technology Evaluation and Planning 19
국내외기술동향및 R&D 현황 < 표 6> 태양광 R&D 투자현황 ( 08~ 10) 08년 09년 10년 연평균증가율 (%) 연구비 ( 억원 ) 948 1,561 1,988 44.8 총과제수 222 405 535 - 연구비 / 과제수 4.3 3.9 3.7 - 주요부처는지경부이며, 민간기업을대상으로개발연구를중점지원중 - 10년지경부가총투자의 75.1% 를차지하여가장높으며, 다음으로교과부, 중기청, 방사청, 국토부, 농식품부등총 6개부처 청에서참여중 1 세대기술인결정질실리콘분야의투자비중이가장높고, 실리콘박막, CIGS 박막, 염료감응등의순 - 10 년결정질실리콘분야의투자비중은 37.4% 로가장높고, 다음으로실리콘박막 (15.0%), CIGS 박막 (14.2%), 염료감응 (12.4%), 유기 (9.0%) 등의순 결정질실리콘 실리콘박막 < 표 8> 기술분야별투자비중 ( 09~ 10) CIGS 박막 CdTe 박막 III-V 족집광형 염료감응 유기 양자점 (QD)/ 차세대 단위 : (%) 2009 년 35.7 14.6 11.6 0.8 3.4 10.6 10.3 2.9 10.1 2010 년 37.4 15.0 14.2 1.2 3.3 12.4 9.0 1.6 6.0 기타 1 지경부 (75.1%) 2 교과부 (18.1%) 3 중기청 (6.5%) 4 기타 (0.3%) - 10 년개발연구의투자비중이 68.6% 로가장높으며, 기초 응용연구는투자비중증가추세 기초연구투자비중 : ( 09)14.8 ( 10)17.8%; 응용연구투자비중 : ( 09)11.7 ( 10)12.1% - 중소기업에대한지원비중이 41.9% 로가장높고다음으로대기업 (21.3%), 출연연 (18.3%), 대학 (17.6%) 등의순 < 표7> 수행주체별투자비중 ( 09~ 10) 단위 : (%) 대학출연 ( 연 ) 대기업중소기업기타 결정질실리콘및실리콘박막은민간기업의투자비중이높으며, 차세대태양전지기술은대학및출연연의투자비중이높음 - 결정질실리콘분야는중소기업및대기업이총투자의 89.2% 를차지하고있으며, 유기, 양자점 (QD) 등차세대기술은대학과출연 ( 연 ) 의투자비중이대부분 단위 : 백만원 2009 년 17.1 21.8 19.6 41.5 0.1 2010 년 17.6 18.3 21.3 41.9 0.8 < 그림 10> 기술분야 수행주체별투자규모 ( 10) 20 동향브리프 2012-2호 Technology Evaluation and Planning 21
국내외기술동향및 R&D 현황 결정질실리콘기술과유기, 양자점등차세대기술은부처간투자지원이차별화되어있으나 CIGS박막및염료감응은관련부처모두투자비중증가추세 - 결정질실리콘기술은지경부와중기청, 차세대기술은교과부로이원화되어투자되고있으나, CIGS박막및염료감응은지경부 / 중기청모두투자비중증가 < 표 9> 기술분야 부처별투자비중 ( 09~ 10) 단위 : (%) ʼ09 년 ʼ10 년 지경부교과부중기청국토부방사청농식품부지경부교과부중기청국토부방사청농식품부 결정질실리콘 43.1 1.2 56.0 - - - 37.4 1.5 53.1 - - - 실리콘박막 15.7 6.0 14.3-100 - 15.0 6.8 7.1-94.1 - CIGS 박막 12.7 10.2 3.5 - - - 14.2 17.4 4.4 - - - 염료감응 7.7 21.4 14.9 - - - 12.4 20.4 15.0 - - - < 그림 11> 기술분야 출연연구소투자규모 ( 10) 유기 4.1 38.8 2.2 - - - 9.0 30.0 2.6 - - - 기타 16.7 22.4 9.1 100 - - 12.0 23.9 17.8 100 5.9 100 합계 100 100 100 100 100-100 100 100 100 100 100 총 15개출연연구소 (GIST/DGIST/KAIST 출연금포함 ) 가태양광분야를지원하고있으며전년대비 3개기관 * 증가 * 한국전기연구원, 한국과학기술정보연구원, 국가핵융합연구소 - 10년기준총 15개출연연구소가태양광R&D 분야연구과제를수행중이며, 한국과학기술연구원 (2 3세대) 와한국에너지기술연구원 (1 2세대) 의투자규모가높음 - CIGS박막과염료감응분야연구과제를수행하는출연연구소개수가최근 2년간 ( 09~ 10) 상대적으로많이증가 CIGS박막연구기관수 ( 개 ) : ( 09) 3 ( 10) 7 염료감응연구기관수 ( 개 ) : ( 09) 4 ( 10) 7 정부의적극적인 R&D투자로인해태양광R&D 분야의논문 특허성과는예산증가율 (27.4%) 에비해우수하나사업과성과는다소저조 - ' 10년 SCI논문건수는총 273건으로전년대비 48.4% 증가하였으며, 유기 (104건) 및염료감응 (52건) 분야에서성과가높음 - 국내특허건수는총 374건으로전년대비 40.6% 증가하였으며, 유기 (125건), 실리콘박막 (75건), 염료감응 (52건) 이다수 - 해외특허건수는총 62건으로전년대비 87.9% 증가하였으며, 유기 (56.5%) 및실리콘박막 (17.7%) 분야에서성과가높음 - 사업화건수는총 11건으로전년대비 22.2% 증가하였지만정부R&D 사업화건수의 0.1% 수준이며, 창업또는기술이전유형보다기존업체에서상품화하는비중이높음 정부R&D 사업화건수비중 (%) : 기존업체에서상품화 (68.7%) > 기타기술이전 (28.3%) > 창업 (2.9%) 태양광R&D 사업화건수비중 (%) : 기존업체에서상품화 (90.9%) > 창업 (9.1%) 22 동향브리프 2012-2호 Technology Evaluation and Planning 23
국내외기술동향및 R&D 현황 태양광 < 표 10> 태양광 R&D 주요성과 ( 09~ 10) 2009년 2010년 구분 SCI논문 국내특허 해외특허 사업화건수 SCI논문 국내특허 해외특허 사업화건수 정부R&D(A) 24,174 19,504 2,377 8,262 23,916 22,610 2,888 9,521 결정질실리콘 6 38-4 2 17 1 5 실리콘박막 8 33 5-26 75 11 1 CIGS박막 14 28 1 3 27 37 3 2 CdTe박막 2 2 - - 3 8 - - Ⅲ-Ⅴ집광형 3 2 2-8 5 2 - 염료감응 57 55 4-52 52 9 2 유기 53 61 12-104 125 35 - 양자점 / 차세대 12 7 2-27 33 - - 기타 29 40 7 2 24 22 1 1 4.3 국외 R&D 현황 5) 태양광분야정부R&D( 파일럿플랜트및실증과제포함 ) 투자규모는과거 10년동안급격히증가 - 00년 2.5억달러에서 07년 5억달러로 2배증가 - 파일럿플랜트및실증과제투자비중은 00년 25% 에서 07년 30% 로증가 - 00년초반의경우일본의정부R&D 투자비중이높았으나점차미국과독일의투자규모가상대적으로많이증가전세계적으로태양광분야정부R&D투자를지속적으로확대하고있으며, 10년정부R&D 투자규모는미국, 독일, 한국, 일본, 호주등의순 각국가별태양광분야주요부처의정부 R&D 투자규모기준 합계 (B) 184 266 33 9 273 374 62 11 B/A (%) 0.8 1.4 1.4 0.1 1.1 1.7 2.1 0.1 주1) SCI 논문 : 기여율을고려한논문건수, 주2) 국내특허 / 해외특허 : 등록또는출원건수 주3) 사업화건수 : 매출액이발생한당해연도건수 민간 R&D 현황 10년태양광분야민간R&D 투자규모는 2,880억원으로전년대비 32.0% 증가 - 최근 3년간 ( 08~ 10) 민간R&D 투자의연평균증가율은 44.2% 로정부R&D투자 (44.8%) 와비슷한수준 - Grid-parity 접근에도불구하고전세계는기술혁신및현행에너지시스템과의조합등을위해태양광분야정부R&D 투자규모를지속적확대 - IEA PVPS* 관련국가들의태양광분야정부R&D투자규모는미국이 1.7억달러로가장많으며, 독일은 0.8억달러이상을투자 *Photovoltaic Power Systems Programme 단위 : (\) 나라 억달러 미국 1.7 독일 >0.8 한국 ( 지경부 ) 0.7 일본 (METI) 0.7 호주 0.6 (a) 연도별투자규모 ( 98~ 07) (b) 국가별투자규모 ( 10) < 그림 13> 태양광분야정부 R&D 투자규모 6) < 그림 12> 태양광분야민간 R&D 투자규모 ( 08~ 10) 출처 : 지식경제부보도자료 (2011) 5) IEA, Technology roadmap, 2010 및 IEA-PVPS, Trends in photovoltaic applications survey report of selected IEA countries between 1992 and 2010, 2010 6) 우리나라는 2008 년부터 IEA PVPS 에태양광분야정부 R&D 투자현황자료송부 24 동향브리프 2012-2호 Technology Evaluation and Planning 25
국내태양광기술에서의정부역할제언 5. 국내태양광기술에서의정부역할제언 기술분야별 R&D 투자포트폴리오조정필요 ( 현황 ) 09 년대비 10 년태양광 R&D 투자비중를살펴보면, 1 2 3 세대는확대, 기타 * 분야는축소 * 인력양성, 인증연구, 정책연구등 ( 시사점 ) 국내태양광사업의세계시장주도및조속한 Grid Parity 달성을위해 2 3 세대태양광기술에대한투자비중점차확대필요 - 1 세대태양광기술인결정질실리콘분야는민간역량의성숙, 투자규모, 국내연구자들의 수요등을고려할때 R&D 투자비중을점차적으로축소하고고효율화 저가화기술투자 집중필요 결정질실리콘 R&D 투자비중 (%) : ( 09) 35.7 ( 10) 37.4 - 차세대태양광시장으로전망되는 CIGS 박막분야는 R&D 투자비중을확대하고상대적으로 기술수준이낮은비진공 CIGS 태양전지분야투자강화 CIGS 박막기술수준 : 유리기판 CIGS 태양전지 (79.2%) > Flexible CIGS 태양전지 (74.0%) > 비진공 CIGS 태양전지 (69.1%) - 염료감응, 유기등 3 세대태양광기술은장기적관점에서지속적인투자확대가필요하며, 핵심원천기술확보를위한기초 원천기술개발강화 [ 참고 ] 정부 R&D 수행연구책임자대상설문조사결과 결정질실리콘투자비중 (%) : ( 09) 35.7 ( 10) 37.4 ( 13 년요구 ) 27.0 CIGS 박막투자비중 (%) : ( 09) 11.6 ( 10) 14.2 ( 13 년요구 ) 17.1 R&D 투자대비성과제고노력필요 ( 현황 ) SCI 논문 특허성과는예산증가율에비해우수하나사업과성과는예산 증가율대비다소저조 ( 시사점 ) 기술개발내용이사업화로직접연계될수있도록연구환경을조성하고, 투자효과의심층평가를통한성과제고방안마련필요 - 연구수행주체간협력프로그램투자확대 * 및인센티브부여등을통해국내중소기업들이 글로벌중견기업으로육성될수있도록지원강화필요 * 실리콘분야는대기업과중소기업, CIGS 박막 염료감응분야는출연연구소와민간기업, 유기분야는대학과출연연구소간협력연구강화 - 선진국수준규모의태양광 R&D 투자가국내산업육성또는세계시장선점에직접적으로 기여할수있도록투자효과에대한심층평가를통해성과창출저해요인발굴및개선방안 마련필요 - 장비개발분야는현재세계대부분의업체들이턴키 (turn key) 방식으로양산장비를공급 하고있어중소기업의컨소시엄형태로기술개발필요 - 개발연구성격의연구과제는최종수요자 ( 기업 ) 를고려한사업성평가강화필요 - 3 년이상중장기다년도과제에서우수특허확보가능성이높다는연구결과 * 를반영하여 현재 3 년이하단기과제중심에서중장기다년도과제지원비율보다확대필요 2010 년 * 기획재정부보도자료 (2011) 대학 출연연구소 대기업 중소기업 결정질실리콘 실리콘박막 CIGS박막 염료감응 유기 ( 투자비중 50% 이상 ), ( 투자비중 25~50%), ( 투자비중 10~25%) 응답자 (64 명 ) 비율 (%) : 산 (44), 학 (28), 연 (28) 26 동향브리프 2012-2호 Technology Evaluation and Planning 27
국내태양광기술에서의정부역할제언 연구과제간유사 중복투자방지및연계강화필요 ( 현황 ) 10년에수행된연구과제중동일한연구자가수행한다수연구과제에대해유사 중복성을검토한결과, 대부분중복투자는없었으나일부연구과제에서연구목표의유사 중복가능성이의심 * 예 ) Ru 염료개발, Laminator 개발등 ( 시사점 ) 연구과제간유사 중복성검토를강화하고, 기술트리또는연계맵을국가적차원에서마련하여연계강화노력필요 - 개발연구성격의유사 중복가능성이높은연구과제는 NTIS 시스템, Peer review 등을적극활용하여연구과제선정평가시사전배제필요 출연연구소간연계강화필요 ( 현황 ) 태양광 R&D 총투자의 18.3% 를수행하고있는출연연구소 ( 총 15 개 ) 는기업, 대학등타수행주체와는협력이원활하나출연연구소간협력연구는다소부족 연구개발단계 (%) 단위 : 백만원, (%) 09 년 (A) 10 년 (B) 증가율 (B/A) 연구비 340 365 7.3 참여기관수 12 15 25.0 기초 22.7 33.2 46.3 응용 28.3 31.7 12.0 개발 43.9 32.8 25.3 - 유사목표를가지면서부처간연계가필요한연구과제는관련부처또는연구기관간소통기능을강화하여연구성과가연계될수있도록유기적협력체계마련필요 - 태양광분야관련부처는 Value Chain(Material, Cell, Module, System 등 ) 간기술협력이될수있도록국가적차원에서기술트리 (Tech. tree) 또는연계지도를작성하여체계적인지원방안마련. 특히최근예산증가율이타태양광기술에비해급격히증가되고있는 CIGS박막및염료감응분야를중심으로수립필요정부정책이행점검기능강화필요 협력연구 (%) 지원유형 (%) 기타 5.1 2.3 54.9 산연 20.6 21.8 5.8 산학연 4.3 0.8 81.4 연기타 3.4 1.5 55.9 연연 4.0 3.6 10.0 학연 40.8 49.4 21.1 협력없음 26.8 22.9 14.6 기관고유 43.1 39.2 9.0 수탁과제 56.9 60.8 6.9 ( 현황 ) 10년정부는신재생에너지분야의투자주체간역할분담을명확히하고투자전략성강화를위해 범부처신재생에너지R&D 추진전략 을수립 - 도전적목표설정이가능하고국가적 R&D 역량결집이가능한분야에대해대형프로젝트를추진하기위해부처공동메가프로젝트추진계획을수립하였으나현재까지미추진 ( 시사점 ) 당초수립된계획들이일정대로진행될수있도록이행점검기능강화필요 - 범부처신재생에너지 R&D협의회, 국과위녹색자원전문위원회등을활용하여당초수립된계획들이체계적으로추진될수있도록이행점검기능강화필요 출연 ( 연 ) 협력연구의정부 R&D 투자비중 ( 10 년 ) : 협력없음 (38.1%) 산연 (22.9%) 산학연 (16.3%) 학연 (10.9%) 연연 (7.3%) 연기타 (4.5%) ( 시사점 ) 출연연간협력사업활성화및공동기획기능강화 - 출연연구소기관고유사업의협력연구강화를위해출연연구소의묶음예산 (Block funding) 을 활용하여다양한협력프로그램을개발하고상시협의체마련필요 - 최근 CIGS 박막및염료감응분야를지원하는출연연구소개수가타기술에비해많아지고 있음으로이에대한출연연구소간연계방안수립필요 28 동향브리프 2012-2호 Technology Evaluation and Planning 29
별첨 별첨 1. IEA PVPS 태양광기술로드맵 별첨 2. 특허지수를활용한특허경쟁력비교분석 7) 1 실리콘계태양전지의고효율 저가화기술 한국의특허동향 08 년에특허출원건수가큰폭으로증가하였으며, LG 전자가가장많음 분야 2010-2015 2015-2020 2020-2030 / 2050 목표효 (%) - 사업용모듈 - 단결정 : 21% 다결정 : 17% 단결정 : 23% 다결정 : 19% 단결정 : 25% 다결정 : 21% 산업제조측면 규소소비 5g/W 규소소비 3g/W 규소소비 2g/W (a) 연도별특허출원건수 (b) 출원인별특허건수 결정질실리콘 전략 R&D 분야 새로운실리콘물질및공정개발 Cell contacts, emitters and passivation 소자 (device) 구조개선 생산성및비용최적화 혁신적개념의신규소자개발 웨이퍼기술 미국의특허동향 99 년특허건수가정점을찍고 00 년부터감소추세 목표효율 (%) - 사업용모듈 - 실리콘박막 : 10% CIGS 박막 : 14% CdTe 박막 : 12% 실리콘박막 : 12% CIGS 박막 : 15% CdTe 박막 : 14% 실리콘박막 : 15% CIGS 박막 : 18% CdTe 박막 : 15% 박막 산업제조측면 고속증착 롤투롤제조 패킹 단순화된생산공정 저비용패킹 독성물질관리 고효율생산유닛 재료활용도제고 모듈재활용 전략 R&D 분야 대면적증착공정 지지체개선및투명전도성산화물개발 셀구조개선 증착기술개선 차세대소재및개념 (a) 연도별특허출원건수 (b) 출원인별특허건수 7) 한국특허정보원, 녹색기술특허성과분석및기술경쟁력비교분석연구, 2011 30 동향브리프 2012-2호 Technology Evaluation and Planning 31
별첨 미국과일본이피인용지수 ( 기술적영향력 ) 와시장확보지수 ( 시장확보력 ) 가높은 반면, 한국은피인용지수는평균수준이며, 시장확보지수는평균값보다낮아시장 확보력이낮은국가로분류 2. 비실리콘계태양전지양산및핵심원천기술 한국의특허동향 09 년에특허출원건수가큰폭으로증가하였으며, 더트러스티즈오브프린스턴 유니버스티가가장많음 (a) 연도별특허출원건수 (b) 출원인별특허건수 미국의특허동향 05 년특허건수가정점을찍고 06 년부터감소추세 (a) 연도별특허출원건수 (b) 출원인별특허건수 32 동향브리프 2012-2호 Technology Evaluation and Planning 33
자료원 피인용지수는미국과영국이상대적으로높게나타났으며, 시장확보지수는미국과 캐나다가비교적높은것으로나타남. 반면한국은피인용지수는평균값이하, 시장 확보지수는평균수준 자료원 EPIA, "Solar Photovoltaics Competing in the Energy Sector" (2011) IEA PVPS, "Trends in Photovoltaic Applications Survey Report of Selected IEA Countries between 1992 and 2010" (2011) IEA, "Technology Roadmap Solar Photovoltaic Energy" (2010) Katie Bolcar and Kristen Ardani, "National Survey Report of PV Power Applications in the United States 2010" (2011) KISTEP, "2011년도녹색기술수준조사보고서 (2011) Solar & Energy, "2012년전세계태양광시장전망 " (2012) 국가과학기술위원회 KISTEP, "2010 국가연구개발사업조사 분석보고서 " (2011) 기술표준원, 태양광발전용어모음 (2011) 기획재정부보도자료, " 정부R&D 도입기 중장기과제중심으로집중지원 (2011) 이슈퀘스트, 2011 태양광발전산업실태와장래전망 (2011) 주대영, 태양광산업의수직계열화확대요인과정책과제 (2011) 지식경제부, 그린에너지전략로드맵 2011 (2011) 지식경제부, 신재생에너지산업발전전략 (2010) 지식경제부보도자료, 신재생에너지현황조사 (2011) 한국특허정보원, 녹색기술특허성과분석및기술경쟁력비교분석연구 (2011) 그린데일리 (www.greendaily.co.kr/news/articleview.html?idxno=17818) 에너지관리공단 (http://www.kemco.or.kr/) 34 동향브리프 2012-2호 Technology Evaluation and Planning 35
과학기술및연구개발사업동향브리프 2012-02 I 저자 I 용태석, KISTEP 성장동력사업실연구원 02)589-2808, tsyong@kistep.re.kr 이경미, KISTEP 녹색기술사업실연구원 02)589-2941, kmlee@kistep.re.kr 조하영, KISTEP 녹색기술사업실연구원 02)589-2963, assie@kistep.re.kr 배용국, KISTEP 사업총괄조정실연구원 02)589-2913, gook@kistep.re.kr 윤수진, KISTEP 사업총괄조정실연구원 02)589-2971, yun@kistep.re.kr 이기종, KISTEP 사업조정본부본부장 02)589-2263, 271jong@kistep.re.kr 본동향브리프의내용은필자의개인적견해이며, KISTEP 의공식적인견해가아님을밝힙니다.