일하는 로봇의 숲 – 솔라 프론티어

[류정곤]

양산 효율로 이기는 21세기형 국내 공장의 모습

대량생산 모델로는 일본의 제조 현장은 중국이나 아세안에 이길 수 없다. 그런 통설에 정면으로 도전하고 있는 태양전지 메이커가 있다. 솔라 프론티어 미야자키 제3공장(구니토미 공장)이다. 로봇화와 사람에 의한 균형을 추구한 새로운 국내 공장의 모습을 고데라 노부요시가 전한다

[고데라 노부요시/MONOist]

원래 일본은 전자제품이 잘 팔리는 국가이고 국내 수요도 왕성하다. 그러나 3종의 신기라고 불렸던 옛날과는 달리 수요 다양화가 진행되고 있다. 더욱이 구매가 충동화하고 있고, 재고부족이 치명적으로 될 정도로 즉흥적인 시장으로 되었다. 따라서 국내 가전제품 공장에서는 다품종 소량생산과 함께 유연한 증산과 감산 체제가 불가피한 상황이다.

※역자 주) 3종의 신기는 일본신화에서 천손이 강림할 때 니니기노미코토(瓊瓊杵尊: 천조대신의 손자)가 천조대신으로부터 받았다는 거울, 옥, 검을 말한다. 이 신화의 단어를 빌려 일본 전자산업에서 50년대 후반의 흑백텔레비전, 세탁기, 냉장고, 60년대의 컬러 텔레비전, 에어컨, 냉장고, 90년대의 디지털 카메라, DVD 녹화기, 박형 텔레비전을 말한다.

한편 동일한 물건을 끝없이 대량으로 만드는 산업도 존재한다. 대량생산 모델은 동남아시아 등 인건비가 싼 곳에 이기지 못한다는 통설이 있지만, 인건비가 거의 들지 않는 설비투자 산업이라면 어떨까? 그러면서도 제조장치를 운용, 유지하는 데 높은 기술이 필요하다면 승부가 되지 않는 것인가?

일본에서밖에 할 수 없는 제조로 대량생산 모델에 도전하는 드문 사례가 미야자키 현 구니토미 마치에 있다. 태양전지 메이커인 솔라 프론티어의 미야자키 제3공장이다.

사실 필자의 생가가 미야자키 현이어서 여름 휴가로 귀성한 김에 견학할까 하고 바라던 참에 승낙을 받았다. 이번 회에는 세계에서도 유례를 볼 수 없는 거대한 태양전지 공장의 내부를 보았다.

n CIS의 강점

텔레비전 광고에서 알고 있을지 모르겠지만, 솔라 프론티어는 CIS 형 태양전지를 제조하는 메이커이다. 이름이 익숙하지 않아서 소규모 벤처기업이라고 생각할지도 모르겠지만 그렇지는 않다. 이전에는 쇼와셸 솔라라는 이름이었던 데서 알 수 있는 바와 같이 석유 판매 회사로 알려진 쇼와셸의 자회사이다.

자회사라고 하지만 자본금 351억 엔, 종업원 수 1,350명으로 실은 모회사보다 큰 조직이다. 창업이 2006년이니까 확실히 폭발적으로 성장하고 있는 기업이라고 할 수 있다.

솔라 프론티어의 솔라 패널

한편 많은 태양전지 메이커가 중국에 있기 때문에 태양전지는 중국에서 싸게 만들 수 있는 게 아닐까라고 생각할지도 모르지만, 중국에서 생산하고 있는 것은 주로 결정 실리콘 계열에 속하는 종류다. 이것은 비교적 성숙한 생산기술로, 거의 턴 키 시스템(도입 시에 필요한 조정 등이 다 되어 있어서 바로 이용할 수 있는 시스템)에 의한 제조가 가능하다.

한편 솔라 프론티어가 생산하고 있는 CIS는 박막화합물 계열에 속하는 형으로, 제조공정도, 제조시간도 짧고, 에너지 변환효율도 아직 늘어날 여유가 있는 방식이다. 현재까지 박막화합물 계열의 태양전지 양산에 성공한 곳은 세계적으로 솔라 프론티어와 미국의 퍼스트 솔라, 2 개사 밖에 없다.

퍼스트 솔라는 박막태양전지의 양산화가 빨랐기 때문에 이미 유럽에서 대량 도입되고 있다. 그러나 이 회사의 기술은 솔라 프론티어의 기술과는 달라 재료에 유해물질인 카드뮴을 포함하고 있다. 그 때문에 환경보호 의식이 높은 유럽에서는 오래된 패널의 회수가 필요하게 되어 특별한 곳에서 도입되고 있다.

CIS는 원재료인 Cu(구리), In(인듐), Se(셀렌)의 두문자를 취한 것으로, 솔라 프론티어의 CIS 태양전지에는 이들이 분말상의 결정 구조로 된 것을 이용하고 있다. 인듐 일부에 Ga(갈륨), 셀렌 일부에 S(유황)도 사용하지만, 그것들을 포함해 총칭으로서 CIS라고 부르고 있다.

n 제조공정이 짧고, 재료비도 억제할 수 있다

2013년 7월에 발표된 경량, 박형 Solacis neo. 1엔짜리 동전보다 얇다.

화합물이라고 하면 ‘건강에 영향을 주는 화학약품’이라는 이미지가 있지만, CIS는 원래부터 카드뮴과 같은 유해물질을 함유하고 있지 않다. 셀렌은 생체 내에서 적정량이 매우 적다고 알려져 있지만, CIS는 한번 결합해 버리면 결정으로서의 성질이 매우 강해서 안정된 특성을 갖고 있고, 어쨌든 분해되지는 않는다. 안전성이 높은 태양전지라고 할 수가 있을 것이다.

시장에 널리 보급된 결정 실리콘 계열에 대한 CIS의 경쟁력은 몇 가지가 있는데, 그 중 하나가 박막인 점이다.

결정 실리콘 방식은 시간을 들여 결정을 굳힌 후, 얇게 잘라 패널 위에 늘어놓고, 그것을 전선과 납땜으로 이어 간다. 한편 CIS는 기본적으로는 분말 상의 재료를 한 장의 유리기판에 순차적으로 진공증착(sputtering)시키는 방법이기 때문에 제조공정이 짧다. 또, 박막이라는 이름대로 얇다. 실리콘의 두께는 200μm 정도이지만, CIS는 1μm 보다 조금 두꺼울 뿐이다. 원재료의 사용량은 200배의 차이가 있고, 광흡수계수도 실리콘의 100배에 상당한다.

n CIS 제조 프로세스

이번에 공장 견학에서 CIS의 구조와 제조 프로세스를 상세하게 이해할 수가 있었다.

먼저 유리 기판 위에 증착공정으로 이면전극의 막을 만든다. 그것을 170개의 셀로 나누기 위해 레이저로 절단한다(그림의 A).

그 위에 Cu, In, Ga을 동일한 증착공정으로 막을 형성한다. 그 후 셀렌화하면서 가열처리를 행하면 CIS 막이 생긴다(그림의 B). 그 소결에 의한 CIS 형성기술이 열쇠로, 다른 어디에서도 양산하지 못하는 것은 이 프로세스에 성공하지 못했기 때문이다.

CIS 발전소자의 제조공정

이어서 그 위에 버퍼층을 형성하기 위해 용액 중에 담그는 CBD법(용액성장법)이 이용된다(그림의 C). 소위 습식공정이라는 방법인데, 최근 연구에서는 이것도 증착으로 형성하는 방법이 고안되어, 전 공정을 건식공정으로 단시간에 제조할 수 있게 될 것으로 기대하고 있다.

CIS와 버퍼층도 셀로 나누기 위해 앞의 이면전극을 절단한 라인과 조금 떨어진 위치를 깎아낸다.

최후에 투명도전막을 MOCVD(metal Organic Chemical Vapor Deposition, 유기금속기상성장법)이라는 방법으로 형성한다. 이것은 원료를 혼합한 고압 가스를 사용해 결정을 단시간에 성장시키는 기술이다(그림의 D).

이것도 셀로 나누기 위해 앞의 CIS와 버퍼층을 깎은 곳을 가늘게 깎아낸다.

이렇게 만든 셀은 각각 전자를 산출하고, 그것들이 직렬로 연결되어 있어서 끝 쪽의 전극까지 보내지는 구조이다. 전극은 양쪽 가에만 길게 배치된다. 물론 이것뿐이라면 도전막이 노출되기 때문에 위에 수지를 입히고 강화유리로 표면을 보호한다. 이면에는 안전성과 내구성을 높이기 위해 백 시트가 붙여진다.

n SF 영화를 생각나게 하는 공장

솔라 프론티어의 미야자키 제3공장(구니토미 공장)은 토지 면적 40만 m², 건물 면적 15만 8000m²에 달하는 거대한 공장이다. 산을 깎아낸 돈대에 위치하고, 주위가 평지로 건물도 적기 때문에 3개 정도 앞의 교차점부터도 건물에 써있는 회사명이 보인다.

솔라 프론티어의 미야자키 제3공장(구니토미공장) 전경

거대한 건물이 2 동, 그 주위를 소규모 건물이 에워싸고 있다. 소규모라고 해도 사진에 보이는 차의 크기를 보면 알 수 있듯이 작은 건물 1동이라도 일반적인 공장 한 개 정도의 크기다.

태양전지 제조는 사진 좌측의 거대한 건물과 그 앞의 기다란 건물에서 행해지고 있고, 긴 변은 직선 거리로 320m나 된다. 덧붙여 말하면 오른쪽 큰 건물은 전부 창고라고 한다.

2 동의 거대한 건물 옥상에는 당연히 이 회사의 솔라 패널이 설치되어 있다. 창고 측 옥상에 올려져 있는데 대단한 양이다. 실제 이 창고 측에 설치되어 있는 패널 수가 이 공장이 하루에 생산하는 패널 수(1만 5천~1만 6천 매)와 거의 같다는 것이었다.

창고 건물 옥상에 설치된 솔라 패널. 이 수량이 거의 하루 생산량과 같다.

이 공장의 직원은 약 800 명으로, 그 중 사무실 일근이 200 명. 나머지 600 명을 4 개 반으로 나눠 150명이 교대로 24시간, 연중무휴로 조업하고 있다. 공장 내에는 대부분 자동화되어 있기 때문에 대부분이 검사원이나 제조기기의 보수요원이다.

n 로봇이 대 활약하는 완전자동화 라인

실제로 공장을 보자. 제조현장을 봤는데, 이만큼 큰 공장에서 사람들과 거의 만나지 못했다. 그 대신 눈에 띄는 것은 거대한 팔을 가진 로봇들이었다.

1층 바닥에 창고로부터 유리기판을 라인으로 운반해 오는 것은 레일 위를 달리는 컴퓨터 제어 대차다. 이것을 큰 팔이 붙은 로봇이 잡아 내리고, 라인에 배치한다. 그 동작은 매우 빠른 속도이면서 동시에 섬세하기도 하다.

앞 페이지에서 설명한 공정 중 증착에 의한 Cu/In/Ga 막의 형성까지는 연속된 라인에서 행해진다.

거대한 팔을 가진 로봇이 자동 대차로부터 유리기판을 라인에 올려 놓는다.

이면전극을 레이저로 절단한 후의 자동검사 공정

기판 위의 막 형성을 시작하는 태양전지 기본 제조 라인에는 아무도 없다. 완전자동화이기 때문에 기계를 조작하는 작업자도 없다. 스태프는 보수작업을 하는 라인이나 장치가 정지했을 때의 복구작업 시에만 나타날 뿐이다.

n 압도적인 규모의 공장

생산된 나온 태양전지는 2층으로 올려지고, 제품으로서의 조립 공정에 들어간다. 여기서는 백 시트의 부착, 시트 상으로 된 수지의 부착, 보호유리의 압착 등이 행해진다. 그 라인도 끝없이 이어지는 규모다. 이것도 전부 자동화되어 있고, 역시 로봇 팔이 적확하게 작업하고 있다.

끝없는 조립 라인. 앞쪽의 백색 판이 백 시트

부재를 쌓고 끝을 가지런히 자르고 나면 여기서 처음으로 사람 손에 닿는다. 배면과 표면의 육안검사 공정이다. 검사에 합격하면 출력검사를 행하고, 프레임의 부착이 행해진다. 이것도 자동이다.

검사 이외의 제조 프로세스로서 유일하게 사람이 수작업으로 행하는 것이 배면 정션 박스의 부착이다. 이것은 출력을 뽑아내기 위한 케이블이 붙여지는 부분이다. 로봇은 케이블과 같은 말랑말랑한 물건을 취급하는 것은 대상이 아니므로 이 공정만은 사람이 하는 쪽이 빠르다고 한다. 그 후의 납땜은 또 기계로 자동화되어 있다.

n 이중삼중의 검사공정

완성한 제품은 다시 3층으로 올려지고, 전량 최종검사 공정에 들어간다. 여기서는 기계와 사람 손으로 내압시험에서부터 복수의 시험을 행한다. 또 이 검사 라인에서 무작위로 로봇이 제품을 추출해 별도의 검사실로 보내진다. 여기서 행하는 검사는 이 검사공정 라인에 에러가 없는지 검사하는 것이라고 한다.

검사공정에서 로봇 리프트가 검사용 제품을 무작위로 추출한다(좌). 공장 출하 후의 제품도 또 대량의 내열·내냉시험으로 성능을 검사한다(우).

표면강화유리의 내구성시험도 보았다. 225g의 철구를 1m 높이에서 낙하(좌). 수 회 떨어뜨려도 표면에 흠 하나 나지 않는다(우).

동일 제품을 끝없이 동일 순서로 만들어 내기 때문에 하나가 잘못되면 대량으로 불량품이 나와버린다. 이것을 방지하기 위해 요소요소에 이중삼중의 검사공정을 두고 있다고 한다.

n 합리적으로 사람과 기계를 조합시키다

마치 SF 영화? 부재와 제품을 같이 관리하는 거대한 자동창고

제조를 행하는 건물 옆에는 자동창고가 있다. 상당한 높이까지 동일한 사이즈의 선반이 쌓여 있고, 전부 6,000개의 선반이 있다고 한다. 조금 멋있는 조명을 비추면 그대로 SF 영화 세트로 사용할 수 있을 것 같다.

이 선반에는 부재인 유리판과 완성한 태양전지 패널이 혼재해 놓여있다. 제품 사이즈가 부재와 거의 같기 때문에 가능한 것이다. 어느 선반에 물건이 들어있는가는 완전히 컴퓨터가 관리하고 있고, 부재의 반출이나 완성품의 수납도 전부 자동화되어 있다. 실제 운반은 전부 유리기판을 운반하는 것과 같은 자동대차가 한다.

부재를 라인으로 운반하고 난 대차가 차례로 돌아오는 모습(좌)과 같은 대차가 완성품을 운반해 온 때(우). 움직임이 매우 빠르다.

컴퓨터 관리에 의해 어느 선반에서 어떤 경로로 반출하면 가장 빠른지의 효율화도 가능하게 되었다. 창고 스페이스 효율이 비약적으로 향상되는 외에 시장 수요에 맞춰 제품 재고를 늘리거나, 연휴 중에는 부재가 반입되지 않기 때문에 그 전에 많은 부재를 모아 두는 등 유연한 운용이 가능하다고 한다.

n 사람이 하면 시간이 걸리는 것은 전부 기계화

사람이 하면 시간이 걸리는 것과 반드시 사람이 해야 하는 것이 아닌 것은 전부 기계화하는 합리화가 계획되어 있다. 예를 들면 최종검사 후의 제품 라벨 부착에 이르기까지 여기서는 당연한 것이 기계화되어 있다. 이와 같은 단순 작업은 사람이 고통을 참지 못하기 때문이다. 물론 부재를 가져다 놓고 뒤집는 중노동도 그렇다.

코너 피스로 쌓아올린 완성품

기계는 주어진 과업을 계속해서 처리만 하지 그 이외의 일은 할 수 없다. 어떤 일이 생길 때의 판단이나 대응, 어떤 게 이상하다는 이상한 느낌이 들거나, 지금까지 없었던 새로운 문제점을 감지할 수 있는 것은 인간뿐이다. 여기서는 그와 같은 역할을 사람이 담당한다.

또 합리화라는 관점에서 패널 완성품을 종이상자에 넣지 않는다. 코너 피스라는 수지제 부재로 각을 보호함과 동시에 이 코너 피스로 제품을 쌓아 올려 25매를 한 세트로 묶은 제품이 출하된다.

이것은 대량의 종이상자나 발포 스티롤 쓰레기를 현장에 방출하지 않기 때문에 호평이라고 한다. 메가 솔라라도 되면 수천 매 단위의 주문이 나오기 때문에 일일이 종이상자에 넣는 건 큰일인 것이다. 또 이 코너 피스는 달리 사용할 길도 없기 대문에 반환률이 매우 높고, 재사용도 할 수 있다. 적재율도 종래 방식에 비해 312%나 향상되어 매우 효율이 좋은 구조로 되어 있다.

멀리 코너 피스 부착 로봇이 나란히 있는 것이 보인다.

환경에 좋다는 점이 평가를 받아 이 방식은 일본물류단체연합회가 주최한 헤이세이 24년도 제13회 물류환경대상에서 특별상을 수상했다. 물론 코너 피스의 부착은 완전 자동화되어 있다.

n 과거에 비슷한 예를 보지 못한 대전환에 성공

이 공장은 원래 솔라 프론티어가 세운 것이 아니다. 애당초에는 후지쓰의 반도체 공장이었는데, 플라즈마 디스플레이 제조에 쓰였던 것으로, 큰 건물을 하나 확장했다. 그 후 1999년에 히타치제작소와 후지쓰의 합병으로 플라즈마 디스플레이의 생산을 확장해서 또 하나의 건물을 지었다. 그래서 현재의 원형이 되는 건물이 완성되었다.

그런데 2008년에 후지쓰가 플라즈마 사업에서 퇴출하고 히타치제작소 단독의 플라즈마 공장이 되었다. 또 히타치도 1년이 못 되어 플라즈마 사업에서 퇴출을 결정해 이 공장이 매각되게 되었다.

솔라 프론티어는 당시 미야자키 현 기요타케 마치에 제2공장을 가동시키고, 다시 증산 거점을 찾고 있던 때였기 때문에 알맞은 타이밍에 이 거대한 공장을 양도받았다. 토지, 건물과 일부 직원을 양수해 겨우 1년 반 만에 전혀 다른 제품을 만드는 공장으로 전환한 일대 프로젝트였다.

큰 유리를 취급하는 점에서는 비슷하지만, 제조 공정에서 공통인 점은 하나도 없었고, 기술적인 응용점도 없었다. 건물과 공조 등 기본설비를 남기고, 내부는 완전히 교체하게 되었다. 인허가 상황 때문에 건물 개조도 인가를 받지 못해 ‘기성복에 억지로 몸을 맞춘 것’ 같은 작업이었다고 한다.

제조장치의 반입이나 설치, 새로운 제조 프로세스의 연수, 조정 등, 전의 히타치 플라즈마 디스플레이와 솔라 프론티어 사원이 1년 반 꽉 차게 침식을 같이 하는 자세로 함께 일으켜 세워 깊은 정이 생겼다. 또 남기로 결단한 히타치의 사원도 우수했다. 제2공장으로부터도 상당한 스태프가 참여해 상당한 수의 문제와 싸웠다. 이런 페이스로는 생산 개시에 맞추는 것은 불가능하다고 했지만, 이 임무를 멋지게 완수하고 2011년 2월부터 일부 라인에서 생산을 개시했다.

n 대량생산에서 일본이 이기다

일본의 제조에서는 매일매일의 ‘가이젠(개선)’이 요구된다. 그 대부분은 인적 프로세스의 최적화라는 측면이 강하지만, 완전자동화를 실현한 공장이기 때문이라고 해서 매일매일의 가이젠이 필요 없는 것은 아니다.

자동으로 움직이는 기계라도, 그것이 자동으로 계속 움직이게 되는 것은 사실 대단한 유지보수가 필요하다. 움직이면 움직인 만큼 다른 기계와의 타이밍 어긋남, 마모, 열화, 변형, 과부하, 전기계통의 트러블 등 언젠가 어딘가에서 반드시 고장이 난다. 유지보수 이외에 리스크 관리도 필요하다.

그리고 온전하게 가동한 후에는 비로소 가동하는 중에서 어떻게 하면 성능을 향상시킬 수 있는지에 대한 이야기가 나온다. 기계에 대기 시간이 발생하면 어디에 병목이 있는가? 그 시간은 어떻게 하면 줄일 수 있을까? 5초에 한 장의 속도로 제조를 한다고 해도 아직 성능이 올라갈 여지는 있다고 한다.

신세대 태양전지 제조는, 예를 들면 인건비가 높아져도, 일본인이 노하우를 갖고 있는 이상, 일본에서 만드는 이외에는 생각할 수 없는 형태의 제조이다. 대량생산으로 일본이 이기는, 과거 수십 년간 없었던 발전이 있을 것 같은 분야이다.