화학연구원 바이리파이너리 문상진 박사팀 개가/(주)글로실에 양산기술 전수
고유가 시대 대체에너지로 각광받는 태양전지용 핵심소재 다결정 실리콘
잉곳과 웨이퍼 상용화기술 국내기술진에 의해 개발
미. EU 등 태양전지 개발 선진국 기술 대비 생산성 40%이상 향상
<제조된 실리콘 웨이퍼>
고유가시대 친환경 대체에너지로 급속히 성장하고 있는 태양전지의 핵심소재인 다결정 실리콘 잉곳과 웨이퍼를 저렴한 비용으로 양산할 수 있는 기술이 국내 최초로 개발됐다.
한국화학연구원(원장 이재도) 문상진 박사팀은 산업자원부 신재생에너지센터 (소장 이성호) 신재생에너지 기술개발사업 과제의 일환으로 (주)글로실(대표 길종원)과 공동연구를 통해, 상용화 규모의 태양전지용 다결정 실리콘 잉곳과 웨이퍼 제조기술 개발에 성공했다고 밝혔다.
이번에 개발한 기술은 고유가에 대비하고 CO₂발생이 없는 대체에너지의 대표주자로 매년 40% 이상 성장하고 있는 태양광산업의 주력 소재인 다결정 실리콘 잉곳을 한국화학연구원이 독창적인 정밀 전열제어 시스템을 적용하여 미국, EU 등 태양전지개발 선진국에 비해 동급이상 양질의 웨이퍼 제조가 가능하면서도 장치의 단순성과 공정의 효율성으로 생산성을 40%이상 향상시킨 차세대 기술(“ADS: Advanced Directional Solidification 기술”로 칭함)이다.
본 기술의 핵심은 태양전지급 실리콘 원료의 용융과 방향성 응고에 의해 결정성이 양호하고 불순물이 극소화된 고품질의 실리콘 잉곳을 제조하는 기술인데, 화학(연)이 10여년의 자체 개발에 의해 시험생산에 성공한 기반기술을 ‘06년 2월 태양전지용 실리콘 웨이퍼 제조업체인 (주)글로실에 이전하여 선진국의 현재 주력 생산규모 (240 kg/batch) 수준 이상인 300kg/batch의 규모로 상용화에 성공한 국내 최초의 본격 양산 기술이다.
또한 다결정 실리콘 잉곳기술과 함께 차세대 박판형 결정질 실리콘 태양전지의 기반이 될 200μm ~130μm 급의 박판 웨이퍼 제조기술을 확보하였으며 잉곳과 웨이퍼의 광․물리화학적 물성분석/평가 기술도 동시에 확보하였는데, 시험생산 단계에서 2건의 국내 특허등록과 실증화 단계에서 4건의 국내특허가 각각 출원됐다.
화학(연) 문상진 박사는 “다결정 실리콘 잉곳제조에 고효율 전열제어 시스템을 적용하여 원료 실리콘의 용융과 도핑, 방향성 응고, 열처리로 이어지는 일련의 공정에서 운영비용과 장치비용을 30%이상 줄이고 배취당 충진량을 25%이상 늘려 생산성이 40%이상 향상됐다”고 밝히고 “이번에 개발한 기술을 한 단계 더 발전시켜 내년 상반기까지 450kg/batch 급의 세계적인 차세대 잉곳/웨이퍼 양산기술 개발을 완료할 예정”이라고 말했다.
<개발 배경>
현재 세계 태양광 산업은 최근 3년간 연 평균 40%를 상회하는 큰 성장세를 나타내고 있고 이 추세는 당분간 지속되어 2010년 기준 6GW, 360억불 규모의 거대 시장을 형성할 것으로 예측되고 있다. 국내 태양광산업도 정부의 적극적인 대체에너지 개발▪보급 확대 의지와 더불어 급속한 신장세를 보이고 있는데, 2005년 5MW, 2006년 21MW (1800억원 시장 규모)에서 2010년 200MW 이상의 큰 시장이 기대되고 있다.
그간 power용 모듈에 사용되고 있는 태양전지는 주로 “쵸크랄스키 인상법”에 의한 단결정 실리콘 웨이퍼가 주류를 이뤄 왔으나, 최근 태양전지의 수요가 급증하면서 단결정 웨이퍼 대신 원료 수급과 경제성이 우수한 다결정 웨이퍼의 수요가 획기적으로 증가하였으며, 2000년 들어 시장의 으뜸 주력 제품(시장 점유율 ~60%)으로 자리매김하고 있다.
국내 태양전지용 실리콘 잉곳/웨이퍼 제조기술 개발은 그동안 침체되었던 국내 태양광 산업의 현주소와 맞물려 그렇게 활발히는 진행되지 못하였으나 실리콘 단결정 잉곳/웨이퍼의 경우, 그동안 (주)실트론과 MEMC코리아 등을 중심으로 반도체용 잉곳/웨이퍼 제조분야에서 축적한 기술을 적용할 수 있어 국내 태양전지산업 발전에 크게 기여 할 것으로 보인다.
본 다결정 실리콘 잉곳 및 웨이퍼의 경우, 국내에서는 일부대학의 기초연구를 제외하곤 지난 20년간 한국화학연구원에서 거의 유일하게 태양전지용 다결정 실리콘 잉곳제조 공정/장비 기술을 독자적으로 개발해 왔으며, 최근 태양광산업의 발전에 힘입어 (주)글로실과 공동으로 양산기술화에 성공했다.
(주)글로실은 실리콘 웨이퍼링 전문업체로서 이번에 상기 잉곳 기술과 함께 200μm 급 이하의 차세대 박판평 실리콘 웨이퍼 제조기술을 동시에 확보코자 함으로써 기업 성장의 시너지를 추구해 왔다..
<개발기술 개요>
본 다결정 실리콘 잉곳 제조기술은 “일방향성 응고(directional solidification: DS)”를 기본 원리로 하는 이른바 “브릿지만 (Bridgman)"기술에 의해 모두 제조되고 있는데, 실리콘의 용융과 응고 방법의 세부기술 차이에 따라 일반적인 DS법, Cast법, 그리고 EMC(electro-magnetic casting)법 등으로 대별된다.
일반적인 DS기술은 하나의 도가니에서 용융과 방향성 응고를 차례로 실시하는 기술로서, 공정의 신뢰성이 비교적 높고 중저 규모의 생산용량에 적용이 용이하여 현재 다결정 실리콘 잉곳의 제조에 세계적으로 가장 많이 채택하고 있는 주된 기술이다.
본 기술도 일반적인 DS기술을 기본으로 하고 있으나 결정성이 양호하고 불순물이 극소화된 고품질의 실리콘 잉곳을 높은 공정효율로 제조하기 위해 화학(연)의 독자적인 고효율 전열제어 시스템과 자동화 시스템, 고충진 시스템을 도입한 차세대 공정기술이다.
고효율 전열제어 시스템은 원료 실리콘의 용융과 도핑, 방향성 응고, 어닐링으로 이어지는 일련의 공정에서 유틸리티 비용을 20% 이상 획기적으로 줄여주고, 결정성장 속도가 크면서도 결정결함을 크게 낮춰 양질의 잉곳 제조와 배취당 충진량을 25% 이상 늘리는 것이 가능하여, 투자 대비 총괄적인 생산성을 40% 이상 증진시킨 차세대 (ADS) 공정기술이다.
또한 차세대 박판형 결정질 실리콘 태양전지의 기반이 될 200μm 급 이하 ~130μm 급의 박판 웨이퍼 제조기술을 확보하였으며, 얻어진 잉곳과 웨이퍼의 결정구조와 크기, 결정결함 농도 및 불순물 농도, 비저항, 전하수명 등 소재의 광물리화학적 물성 분석/평가 기술도 동시에 확보했다.
<기술 개발에 따른 기대 효과>
선진국 수준의 태양전지용 다결정 실리콘 잉곳 및 웨이퍼 제조공 기술 확보 (기존 선진기술 대비 40% 이상의 생산성 향상 기대).
저가 고효율 다결정실리콘 잉곳제조 장치의 국산화함으로써 1,500 억원/년 이상의 웨이퍼 수출/수입대체 효과 혹은 ~200억원/년 이상의 장치 수입대체 효과 기대 (국내 전지제조 2011년 예상 규모 200MW 기준)를 가져올 수 있을 것으로 전망된다.
현재 수준보다 대면적(225~400cm2), 박판(200μm 이하)의 웨이퍼를 제공함으로써 신형 저가 고효율 전지 개발의 기반 제공하고, 원재료 기술의 확보로 후속 공정기술 즉, 전지 제조기술 및 모듈 제조기술의 경쟁력 확보했다.
금속 실리콘의 고온(1,420℃ 이상) 용융기술, 고온 도가니(crucible) 재료 기술, 고온 히터 및 핫죤 설계기술, 단열 및 정밀온도제어 기술들과 같은 요소기술 확보로 리본기술 등 유사 차세대 실리콘 공정기술의 기반을 확립했다.
태양전지(Solar cell)태양의 빛 에너지를 전기에너지로 변환시키는 반도체 소자의 일종임. 현재 발전용 태양전지의 대부분은 결정질 실리콘 형임. 이 중에서도 다결정 실리콘형이 60% 이상을 차지하고 있으며, 정상적인 태양전지 수명은 20년 이상이다.
다결정(Poly- or multi-crystalline)
여러 가지 방위를 갖는 다수의 단결정으로 이루어진 결정질 고체를 말한다. 입체 전체가 하나의 결정인 단결정과 비교하여 다결정이라 하고, 다결정 중의 하나의 단결정을 결정입자라 하며 입자와 입자 사이 계면을 결정입계라 한다.
방향성 응고(Directional solidification)
용융시료의 고화열을 일정방향(태양전지 다결정 잉곳 제조의 경우에는 도가니 하부 쪽으로만 한정됨)으로 제거하여 고화에 의한 결정이 면 방향에 수직하게 자란 “주상(columnar)구조”의 잉곳 제조방법. 따라서 얻어진 잉곳을 면 방향으로 절단하여 웨이퍼를 제조하면 다결정 입계를 제외하면 단결정과 유사하여 태양전지 제조 시 광 에너지 변환효율은 단결정형의 90% 이상이다.
브리지만(Bridgman) 기술
P. Bridgman이 고안한 결정 성장방법으로 일정한 상하 온도구배를 갖는 가열로 안에 도가니를 위치시키고 여기에 시료를 넣어 용융시킨 후 도가니 또는 로를 상하로 이동시켜 결정을 성장시킨다.
비저항(Resistivity)
비전기저항의 약어로서 전기전도도의 역수임. 단면적 S가 균일한 도선의 길이 ℓ의 부분 저항 R은 R=(ℓ/S)(ρ)이다.
전하 수명(Carrier life time)
반도체 표면을 따라 이동하는 전자(P 형 반도체의 경우) 또는 전공(N 형 반도체)이 전공 또는 전자와 재결합되어 소멸되는데 걸리는 시간으로, 반도체의 결정결함, 불순물 농도 등과 밀접한 관계에 있으며 그 값이 클수록 좋되 3 μSec 이상이면 고효율 태양전지 제조에 적합하다.
<개발자 인적사항>
성 명 : 문 상 진
생년월일 : 1956년 9월 27일
근 무 지 : 대전광역시 유성구 장동 100 한국화학연구원
<학 력>
75. 3. ~ 79. 2. : 서울대학교 화학공학과(학사)
79. 3. ~ 81. 2 : KAIST 화학공학과(석사)
84. 9. ~ 88. 8 : KAIST 화학공학과(박사)
<주요경력>
81. 3. ~ 84. 8. : (주)대우엔지니어링 플랜트사업부(과장대리)
92. 5. ~ 93. 5. : Purdue University(미) 화학공학과(post-doc.)
88. 8. ~ 현 재 : 한국화학연구원(책임연구원)
<주요 연구분야>
- 정밀융합화학 공정개발
- 태양전지 (실리콘 재료 및 차세대 유기태양전지)
- 광촉매 (태양광 수소 제조 및 환경 광촉매)
양산용 잉곳/웨이퍼 제조 연구책임자 이력사항
성 명 : 길 종원
생년월일 : 1959년 4월 15일
근 무 지 : 안성시 서운면 신능리 222-7 (주) 글로실
<학 력>
79.3 ~ 86. 2. 한양대학교 기계공학과 (학사)
<주요경력>
86. 3. ~ 95. 10. (주) 실트론 생산기술 차장
96. 8. ~ (주) 글로실 대표이사
(주)글로실 소개
(주)글로실은 대체에너지 국산 기술 자립을 위해 다년간 꾸준한 투자를 해 왔으며, 그 결과로 태양전지 용 실리콘 웨이퍼 시장에서 선도적인 역할을 수행하고 있다. 200㎛ 이하의 Thin 웨이퍼 양산 기술을 2005년 이미 갖추었고, 실리콘 잉곳 가공을 위한 기초 장비들을 국산화 하고 있다.
이를 기반으로 태양전지용 다결정 실리콘 잉곳 성장 기술을 화학연구원과 공동으로 개발하여 국내 최초로 300kg급 잉곳 성장에 성공하였으며, 세계 최고 수준인 450kg급 잉곳 성장기 개발에 박차를 가하고 있다.