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신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016(3)-제1장 태양전지 소재기술-포스트 결정질 실리콘 태양전지 소재기술(2)
재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 8번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘기후변화대응 소재’다. 태양전지, 풍력발전, 연료전지, 에너지효율화 및 경량화, 수소생산 및 이산화탄소 전환, 공기정화 및 수처리 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2016’을 연재한다.

태양에너지 기술 선점, 인프라 구축·투자 必



■ 실리콘 태양전지의 전극

○ 국내 동향

국내 대학교 중에서는 성균관대학교, 고려대학교, 세종대학교 등이 연구 중이며, 연구소 중에서는 한국에너지기술연구원(KIER), 한국세라믹기술원(KICET)에서 태양전지 공정에 대하여 연구 중이다. 연구개발 파일럿 라인 형태로 전체 공정을 156mm 기판 크기로 진행할 수 있는 곳은 한국에너지기술연구원, 한국세라믹기술원, 성균관대학교 정도이고, 17% 이상의 셀 효율을 확보하고 있다.

국내 산업에서는 결정질 실리콘 태양전지 중심으로 규모가 확대되고 있으나, 기술 및 가격경쟁력의 지속적인 확보가 요구되는 상황이다. 주요 기업으로는 현대중공업, 신성홀딩스, LG전자, STX솔라, 삼성전자, 한화 등이 있다. 국내 업체들의 결정질 실리콘 태양전지의 경우 삼성전자는 18% 효율을 갖는 이종접합 태양전지 개발을 완료하였고(2011년), 현대중공업은 22% 효율을 갖는 IBC형 태양전지 개발을 완료하였다(2012년). STX solar(PV-067)는 PERL구조와 이종접합 구조가 융합된 셀 구조를 통하여 23% 효율을 갖는 6인치 셀을 개발 중이다.

실리콘 태양전지 전극기술 분야 국내 기업들의 연구현황은 다음의 표와 같다.

○ 해외 동향

벌크형 태양전지 분야는 Screen Printed Solar Cell, Buried Contact Solar Cell, Point Contact Solar Cell, Heterojunction with Intrinsic Thin-layer(HIT) Solar Cell, Laser Fired Contact(LFC) Solar Cell 등의 새로운 기술 개발을 통해 효율 향상 및 비용을 절감하려는 시도가 이뤄지고 있다. 세계적으로는 단 3개의 회사만이 벌크형 초고효율 태양전지를 양산하고 있다. 그 중 일본의 산요(Sanyo)는 단결정 실리콘 기판에 비정질 실리콘 박막을 성장하는 이중접합 구조인 HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer) 태양전지로 양산기준 에너지 변환효율 19.5%를 달성하여 200W 모듈을 시장에 선보이고 있다(참고로 실험실 수준 변환효율은 21.4%). 미국의 선파워(SunPower Corporation)는 후면에 모든 전극이 집적화된 태양전지인 IBC(Interdigitated Back Contact Solar Cell)를 개발하였으며, 플롯-존(Float Zone) 실리콘 기판을 이용하여 양산하고 있다. 호주의 뉴사우스웨일스대학교(UNSW)에서는 레이저 스크라이빙(laser scribing)과 무전해 도금을 이용한 함몰형 금속 태양전지인 BCSC(Buried Contact Solar Cell)를 개발하여 현재 BP에서 생산하고 있다. 이는 기존 스크린 인쇄 전극형성보다 3% 높은 18.3%의 에너지 변환효율을 달성하여 판매 중이다. 레이저 스크라이빙을 이용한 홈 형성이 절연박막을 성막한 이후에 이뤄지므로 레이저 스크라이빙된 홈을 따라 무전하여 도금으로 니켈, 구리, 은을 차례로 도포한다. 국내에서는 삼성 SDI 연구실에서 21%의 효율을 달성한 바 있으며, 이 기술은 차세대 스크린 프린팅 태양전지를 대체할 기술로 주목받는다. 그러나 도금층 형성시 후면 알루미늄 전극산화 형상과 같은 기술적 난제가 해결되어야 양산화가 가능할 것이다.

■ 초박형 실리콘태양전지 웨이퍼

○ 국내 동향

국내에서 실리콘 사용량을 줄이기 위한 150μm 이하의 박형 웨이퍼 실리콘 태양전지 연구개발이 거의 이루어지지 않고 있다. 연구소 중에서는 한국과학기술연구원(KIST)과 한국에너지기술연구원(KIER)에서 이온주입법을 통한 초박형 실리콘 웨이퍼링 기술과 태양전지에 대한 연구개발을 진행 중이다. 하지만 연구소 단위의 초박형 웨이퍼링 기술은 이온주입법을 이용하므로 대면적에 적용하기에는 어려움이 있다. 따라서 50×50mm2 크기에 적용이 가능하다. 대학의 경우 한양대학교에서 도금을 이용한 전사법으로 초박형 실리콘 웨이퍼링 기술 및 태양전지 제작에 대한 연구를 수행 중이다. 한양대의 경우 대면적 적용이 가능하여 200×200mm2을 목표로 하고 있지만, 에지(edge) 부분에서 스폴링(spalling)이 제대로 일어나지 않아 전면적으로 태양전지 기판으로 사용하기에는 문제가 있다.

재료연구소(KIMS)는 상기의 과제를 수행하기 위해 국내 태양전지용 도금회사인 호진플라텍과 Interdigitated Back Contact 등을 비롯한 여러 구조의 태양전지 전극형성에서 습득한 도금기술과 도금용액을 개발해온 노하우를 적용해서 Light Induced Plating 및 전기도금을 이용한 Ni/Cu/Sn전극의 개발을 연구개발수준에서 개발 수행하였다. 또한, 이러한 공정을 이용하여 실리콘 기판에 도금함으로써 초기 실험수준에서 Si 기판을 약 50um 두께로 20×20mm2 전사하는데 성공하였다.

○ 해외 동향

SiGen의 경우 프로톤 임플란테이션을 통한 kerfless 실리콘 웨이퍼링 기술을 개발하고 있다. 이 기술은 고순도의 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있는 장점이 있지만, 대량생산에 적합하지 않고 고비용의 장비가 필요한 것이 단점이다.

최근 저비용으로 대량생산에 적합한 전사법을 개발하고 있는 대표적인 회사와 연구소는 Astrowatt와 IMEC이다. 실리콘 기판의 표면에 열팽창계수의 차이가 큰 금속을 증착하고, 고온으로 가열한 뒤에 냉각시켜 열팽창계수의 차이에 의하여 실리콘 기판에 스트레스를 가함으로써 실리콘 기판을 박리하는 기술이다. 금속 증착의 경우 Astrowatt는 전기도금 방식을 이용하였고 IMEC의 경우 금속 페이스트를 증착하는 방식을 사용하고 있어 차이가 있다. 하지만 냉각에 앞서 고온으로 올리는 단계에서 실리콘에 불순물이 확산될 가능성이 높아 실리콘 박막의 품질이 나빠지는 것이 문제이다. 따라서 최근에는 저온 공정으로 박리할 수 있는 방법을 연구하고 있으며 특히 IMEC의 경우 2012년 발표된 논문 “Epoxy-induced lift off method”에서 폴리머의 BDT(brittle to ductile transition) 온도(< 150℃) 이하에서 실리콘 박막을 박리하는 기술을 소개했다. 그러나 박리된 실리콘 표면이 웨이퍼 표면(Ra<0.08㎛) 대비 조도(Ra<1㎛)가 매우 거칠며 위치별 조도 편차가 심하여 후공정 진행 시 크랙 발생의 원인을 제공할 수 있다.


나노기술 문제 해결 절대적 역할 담당할 것

中企·공공기관·대학 협력 신산업 창출 나서야



○ 해외 동향

SiGen의 경우 프로톤 임플란테이션을 통한 kerfless 실리콘 웨이퍼링 기술을 개발하고 있다. 이 기술은 고순도의 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있는 장점이 있지만, 대량생산에 적합하지 않고 고비용의 장비가 필요한 것이 단점이다.

최근 저비용으로 대량생산에 적합한 전사법을 개발하고 있는 대표적인 회사와 연구소는 Astrowatt와 IMEC이다. 실리콘 기판의 표면에 열팽창계수의 차이가 큰 금속을 증착하고, 고온으로 가열한 뒤에 냉각시켜 열팽창계수의 차이에 의하여 실리콘 기판에 스트레스를 가함으로써 실리콘 기판을 박리하는 기술이다. 금속 증착의 경우 Astrowatt는 전기도금 방식을 이용하였고 IMEC의 경우 금속 페이스트를 증착하는 방식을 사용하고 있어 차이가 있다. 하지만 냉각에 앞서 고온으로 올리는 단계에서 실리콘에 불순물이 확산될 가능성이 높아 실리콘 박막의 품질이 나빠지는 것이 문제이다. 따라서 최근에는 저온 공정으로 박리할 수 있는 방법을 연구하고 있으며 특히 IMEC의 경우 2012년 발표된 논문 “Epoxy-induced lift off method”에서 폴리머의 BDT(brittle to ductile transition) 온도(< 150℃) 이하에서 실리콘 박막을 박리하는 기술을 소개했다. 그러나 박리된 실리콘 표면이 웨이퍼 표면(Ra<0.08㎛) 대비 조도(Ra<1㎛)가 매우 거칠며 위치별 조도 편차가 심하여 후공정 진행 시 크랙 발생의 원인을 제공할 수 있다.

미국의 IBM의 경우 “Mechanical controlled spalling method”기술로써 저온에서 니켈 스트레스층을 증착한 후 별도의 핸들 레이어(handle layer)를 부착하여 실리콘 박막을 기계적으로 박리하여 고온 공정에서 발생될 수 있는 결함 문제는 없다. 하지만 기계적 핸들 레이어(mechanical handle layer)로 띄어 내는 방식이므로 공정 중 크랙 발생 및 별도의 추가 비용이 낭비되는 문제가 있다.
미국의 Sandia 연구소(Sandia National Labotatories)의 경우 레이저를 이용하여 웨이퍼링 기술을 개발하고 있다. 본 기술은 레이저를 이용하여 실리콘 잉곳 내부에 결함을 유발시켜 전사하는 방법으로 대량생산에 적합하고 웨이퍼의 두께를 더 얇게 하는데 추가적인 장비가 필요가 없는 것이 특징이다. 그러나 공정속도가 늦고 정밀한 장비 제어가 필요한 것이 단점이다.

일본의 디스코(DISCO Corporation)는 고휘도 LED용 사파이어 기판의 칩공정의 품질과 수율의 대폭적인 향상을 위한 새로운 기술로서 사파이어 기판의 ‘스텔스 다이싱 프로세스(Stealth dicing)’를 개발하였다. 스텔스 다이싱(SD)이란 레이저를 자재 내부에 집광하여 내부에 개질층을 형성한 후 테이프 익스팬더(tape expander)를 이용하여 칩을 분할하는 방법이다. 일본 하마마츠 포토닉스(Hamamatsu Photonics)에서 스텔스 기법에 의한 레이저 절단기술을 이용한 레이저 스크라이버를 출시한 이후, 대부분의 기업에서 웨이퍼 절단용으로 이 기술을 도입하였다.

■ 미래의 연구방향

미래사회를 위해서 에너지 나노소재 및 나노공정기술을 이용하여 에너지를 생산, 전달, 활용하는 과정에서 공해물질을 배출하지 않으면서도 기후변화와 에너지 위기를 극복할 수 있고, 에너지 수급을 안정화할 필요가 있다. 이를 위하여 미국, EU 및 일본의 정부 주도하에 산·학·연의 공동연구단을 구성하여 광전변환 효율의 향상, 실리콘과 같은 소재의 절감, 내구성 향상을 통한 경제성 확보를 당면과제로 삼고 있으며, 나노기술이 문제 해결의 절대적 역할을 담당하고 있다.

■ 정책 제언

글로벌 에너지 수요 증가에 따라 에너지 부족은 심화할 것으로 전망된다. 더불어 우리나라의 경우 해외 에너지 의존도가 높아 앞으로도 지속적인 자원 부족 현상으로 인해 안정적 국가경제성장에 걸림돌이 될 것으로 전망된다. 또한, 지구 온난화 현상의 지속으로 기상이변, 자연재해 등으로 인한 피해가 증가하고 있어 청정하고 안전한 신재생에너지 개발이 매우 중요하다.

여러 청정에너지원 중에 태양전지는 무한히 공급 가능한 태양에너지를 바탕으로 전력을 생산하므로 대표적인 신재생에너지원이다. 시장을 선점하려는 각국의 노력은 이미 시작되었고, 특히 나노 기술을 접목시키는 태양전지의 경우 그 시작이 미미하여 더 늦기 전에 따라잡지 않으면 NT 강국의 자리를 확보할 수 없을 것이다. 이를 위해서는 정부의 절대적 지원과 산학연 협동 연구를 통한 효율 증대가 필요하다. 이를 위해 필요한 기술을 시장창출형, 신산업창출형, 원천기반형으로 분류해야 한다. 시장과 신산업 창출을 목적으로 하는 연구는 기업 주관으로 민간의 주도적 역할이 필요하며, 특히 대기업 주관 개발보다는 중소벤처기업이 공공연구기관 및 대학과 협력개발을 하는 형태로 추진이 필요하다. 원천기반을 목적으로 하는 기술의 경우 미래 사회 파급효과를 유도하기 위한 세계적 선도 기술, 과학기술 문제 해결과 국가 차원의 인프라 조성에 대한 장기적이고 안정적인 투자가 필요하다.
<표 3-1-1-3>실리콘 태양전지 전극기술 관련 국내기업 연구개발 현황
<그림 3-1-1-10>도금층의 스트레스를 이용하여 전사된 Si 기판
<그림 3-1-1-11>하마마츠 포토닉스의 스텔스 다이싱 공정 개념도

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배종인 기자 (jib@amenews.kr) [기자의 다른 기사보기]
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