물리학과 첨단기술 July/August 2008 2 분 야 용 도 통신시설 무선중계기, 방송중계국 항공보안 항공장애등, 항공보안 및 지원시설 기상 ․ 하천관측 각종 텔레미터, 텔레미터 중계국 하천, 댐 관리, 홍수경보 해양 등대, 등부표, 해상텔레미터, 선박 비상전원 도로 ․ 교통 가로등, 도로표시판, 긴급전화, 무인신호등 산업기기 산업용 전원공급 농 ․ 어 ․ 축산업 배수펌프, 배양시스템, 온실 환경 개선 오수 정화, 호수 정화, 환경 감시 재해 ․ 안전 지진, 화재 시 비상 전원, 산불 감시 카메라 교육 ․ 오락 광검출기, 완구, 조도계, 교육기기 전자 제품 시계, 라디오, 계산기, 무전기, 휴대전화, PC 주택 ․ 건물 주택, 건물 전원 공급 대규모 발전소 계통연계 집중식 발전시스템 자동차 태양광자동차, 전기자동차 보조전원 항공 ․ 우주용 인공위성, 우주발전, 탐사, 비행선, 비행기 표 1. 태양전지의 용도. 태양전지 국내 ․ 외 시장 및 산업 동향 윤경훈 ․ 김동환 저자약력 윤경훈 박사는 프랑스 Limoges 대학에서 박사학위를 받고 현재 한국에너 지기술연구원 태양전지연구단장으로 실리콘 및 화합물반도체 박막태양전지 를 연구개발하고 있다. ([email protected]) 김동환 교수는 미국 Stanford 대학에서 박사학위를 받고 현재 고려대학교 재료공학부에서 태양전지 연구를 수행 중이다. 2004년 이후 지식경제부의 태양광사업단장으로 국내 태양광 기술개발 기획, 방향 설정 등의 역할을 맡고 있다. ([email protected]) 현대 생활을 영위하는 데 있어 에너지는 필수불가격한 요 소로 앞으로도 그 수요는 더 증대될 수밖에 없다. 하지만 최 근의 석유가 급상승 , 화석연료 사용에 따른 기후 변화 등의 환경 문제 대두 등은 지금 우리가 사용하고 있는 석탄, 석유 와 같은 화석연료와 차별화되는 환경친화적이면서도 영속적 으로 공급해 줄 수 있는 에너지원의 출현을 갈망하고 있다. 이런 측면에서 태양에너지는 자연이 선사한 가장 이상적인 에너지원으로 떠오르고 있다. 지구가 1시간 동안 받는 태양에 너지는 현재 전 세계가 1년 동안 소비하는 에너지에 필적한 다. 하지만 태양에너지는 에너지 밀도가 낮아 이를 실생활에 이용하거나 산업용으로 쓰기 위해서는 보다 효율적으로 태양 에너지를 포획, 전환하는 기술이 전제되어야 한다. 태양에너지를 이용한 태양광발전 기술이 최근 국내외적으 로 큰 주목을 받고 있는데, 그 핵심소자인 태양전지는 1839 년 프랑스 과학자 Becquerel이 전해질 속에 담겨진 2개의 금속전극으로부터 발생하는 전력이 빛에 노출 시 그 크기가 증가하는 광기전력(Photovoltaic) 효과를 발견한 것으로부터 그 역사가 시작되었다. 1954년 미국 Bell Lab에서 실리콘을 소재로 한 최초의 태양전지가 개발되었고, 1958년 우주선 Vanguard I호의 전원공급용으로 최초로 실용화되기에 이르 렀다. 금년은 최초의 상업용 태양전지가 출현한지 50년이 되 는 해이다 . 1970년대 2차례의 석유파동을 겪으면서 미국 , 유 럽, 일본 등에서의 체계적이고 집중적인 연구개발에 힘입어 1980년대부터 제한적이긴 하지만 지상 발전용으로 활용이 시작되었고, 이어서 에너지 환경 문제가 지구적 차원의 문제 로 부각됨에 따라 최근 가장 유망한 에너지 기술의 하나로 인식되기에 이르렀다. 태양전지 활용 및 시장 우주에서 시작된 태양전지 시장은 지상용으로 꽃을 피우기 시작하여 매년 급팽창하는 시장을 창출하고 관련 산업도 이 미 완전한 궤도에 올라 성장에 성장을 거듭하면서 선도국간 의 기술경쟁도 매우 치열하게 전개되고 있다. 일본, 독일, 미 국 등에서는 대규모 정부 지원에 따른 시장의 확대와 함께 기업과 정부 공동의 체계적인 기술개발에 힘입어 태양전지 생산량은 매년 비약적으로 늘어나고 있다 . 우주용을 거쳐 초 기에 태양전지는 전기를 필요로 하는 무인등대나 오지 주민 의 응급시를 대비한 필수용품으로, 라디오나 백신용 저장고의 전원공급용으로 점차 사용범위가 확대되기 시작하였다 . 현재 는 항공, 기상, 통신 분야에까지 사용되고 있고, 연구개발의 진전과 함께 가로등, 배터리충전기 등은 물론이고 주택이나 건물의 지붕과 벽체에 기존의 건축자재를 대신하여 사용되는 등 우리 주변에까지 널리 파급되고 있고, 이미 10 MW 이상 의 대규모 발전소도 출현하고 있다 . 또한 최근에는 태양전지 로 구동되는 자동차, 비행기 등도 주목을 받고 있는데, 표 1
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태양전지 국내 외 시장 및 산업 - KPSwebzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/...일본과 독일에서는 주택 및 건물용 태양광발전시스템 , 그리 고
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물리학과 첨단기술 July/August 2008 2
분 야 용 도
통신시설 무선중계기, 방송중계국
항공보안 항공장애등, 항공보안 및 지원시설
기상 ․하천관측각종 텔레미터, 텔레미터 중계국
하천, 댐 관리, 홍수경보
해양 등대, 등부표, 해상텔레미터, 선박 비상전원
도로 ․교통 가로등, 도로표시판, 긴급전화, 무인신호등
산업기기 산업용 전원공급
농 ․어 ․축산업 배수펌프, 배양시스템, 온실
환경 개선 오수 정화, 호수 정화, 환경 감시
재해 ․안전 지진, 화재 시 비상 전원, 산불 감시 카메라
교육 ․오락 광검출기, 완구, 조도계, 교육기기
전자 제품 시계, 라디오, 계산기, 무전기, 휴대전화, PC
주택 ․건물 주택, 건물 전원 공급
대규모 발전소 계통연계 집중식 발전시스템
자동차 태양광자동차, 전기자동차 보조전원
항공 ․우주용 인공위성, 우주발전, 탐사, 비행선, 비행기
표 1. 태양전지의 용도.
태양전지 국내 ․외 시장 및 산업 동향
윤경훈 ․김동환
저자약력
윤경훈 박사는 프랑스 Limoges 대학에서 박사학위를 받고 현재 한국에너지기술연구원 태양전지연구단장으로 실리콘 및 화합물반도체 박막태양전지
으로 공 해 수 있는 에 지원의 출 을 갈망하고 있다. 이런 측면에서 태양에 지는 자연이 선사한 가장 이상 인
에 지원으로 떠오르고 있다. 지구가 1시간 동안 받는 태양에
지는 재 세계가 1년 동안 소비하는 에 지에 필 한
다. 하지만 태양에 지는 에 지 도가 낮아 이를 실생활에
이용하거나 산업용으로 쓰기 해서는 보다 효율 으로 태양
에 지를 포획, 환하는 기술이 제되어야 한다.태양에 지를 이용한 태양 발 기술이 최근 국내외 으
로 큰 주목을 받고 있는데, 그 핵심소자인 태양 지는 1839년 랑스 과학자 Becquerel이 해질 속에 담겨진 2개의
속 극으로부터 발생하는 력이 빛에 노출 시 그 크기가
증가하는 기 력(Photovoltaic) 효과를 발견한 것으로부터
그 역사가 시작되었다. 1954년 미국 Bell Lab에서 실리콘을
소재로 한 최 의 태양 지가 개발되었고, 1958년 우주선
Vanguard I호의 원공 용으로 최 로 실용화되기에 이르
다. 년은 최 의 상업용 태양 지가 출 한지 50년이 되
는 해이다. 1970년 2차례의 석유 동을 겪으면서 미국, 유럽, 일본 등에서의 체계 이고 집 인 연구개발에 힘입어
1980년 부터 제한 이긴 하지만 지상 발 용으로 활용이
시작되었고, 이어서 에 지 환경 문제가 지구 차원의 문제
로 부각됨에 따라 최근 가장 유망한 에 지 기술의 하나로
인식되기에 이르 다.
태양전지 활용 및 시장
우주에서 시작된 태양 지 시장은 지상용으로 꽃을 피우기
시작하여 매년 팽창하는 시장을 창출하고 련 산업도 이
미 완 한 궤도에 올라 성장에 성장을 거듭하면서 선도국간
의 기술경쟁도 매우 치열하게 개되고 있다. 일본, 독일, 미국 등에서는 규모 정부 지원에 따른 시장의 확 와 함께
기업과 정부 공동의 체계 인 기술개발에 힘입어 태양 지
생산량은 매년 비약 으로 늘어나고 있다. 우주용을 거쳐
기에 태양 지는 기를 필요로 하는 무인등 나 오지 주민
의 응 시를 비한 필수용품으로, 라디오나 백신용 장고의
원공 용으로 차 사용범 가 확 되기 시작하 다. 재
는 항공, 기상, 통신 분야에까지 사용되고 있고, 연구개발의
진 과 함께 가로등, 배터리충 기 등은 물론이고 주택이나
건물의 지붕과 벽체에 기존의 건축자재를 신하여 사용되는
등 우리 주변에까지 리 되고 있고, 이미 10 MW 이상
의 규모 발 소도 출 하고 있다. 한 최근에는 태양 지
로 구동되는 자동차, 비행기 등도 주목을 받고 있는데, 표 1
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그림 1. 단독주택용 태양광 시스템.
그림 2. 아파트, 공동주택 태양광 시스템.
그림 3. MW급 태양광 발전소.
에서 반 인 활용도를 살펴볼 수 있다.우주용을 제외하면 시장 규모 면에서 크게 지상발 용, 소
규모 자제품의 원공 용으로 나 수 있다. 지상발 용은
다시 계통연계 유무에 따라 독립형 태양 발 시스템과 계통
연계형 태양 발 시스템으로 구분되고, 다시 독립형 태양
발 시스템은 주민의 원공 용과 특수 목 의 용도(통신용, 해양, 도로교통, 환경 개선 등 다수)로 구분한다. 그리고 계통
연계형시스템은 규모에 따라 소규모 분산배치형시스템(그림
1, 2)과 규모 발 용 시스템(그림 3)으로 구분한다.최근 지상용의 세계 태양 지 설치 보 량(시장)의 추이
는 그림 6과 같다. 2007년 보 량은 아직 추정치로 약
2,400 MW에 달하는데, 독일이 체의 약 46%, 2 가 스페
인, 그리고 미국, 일본의 순이다. 최근 독일의 시장이 격히
증가한 것은 발 된 기를 높은 값으로 매입하는 발 차액
제도(Feed-In-Tariff (FIT)) 지원 로그램에 의한 것이 그 주
요 요인이다. 스페인은 2006년 보 량이 98 MW이었으나
2007년 약 490 MW를 보 하여 그 규모가 팽창하 다. 미국은 년에 비해 약간 성장하 으나 일본은 오히려 보
량이 년도에 비해 폭 어들었다. 그 이유로는 국내 시장
을 확 할 만한 발 차액제도 등의 확실한 정부 지원책이 유
럽에 비해 미약하기 때문이다. 최근 시장의 성장은 계통연
계형시스템에 의한 것인데, 지상의 규모 발 소와 함께 독
일, 일본, 미국 기타 OECD 회원국에서 정부의 지원으로
주택 건물의 지붕, 외벽, 창에 태양 지를 설치한 것이
부분이다. 특히 태양 지를 건축물과 일체화한 시스템을
BIPV(Building Integrated Photovoltaics)로 구분하는데, 앞
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그림 4. 태양광 구동 자동차 및 비행기.
그림 5. 태양광 구동 우주정거장 및 탐색용 로버.
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2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
MW
기타
미국
일본
스페인
독일
그림 6. 전 세계 태양전지 설치보급량 추이.
으로도 이 부분의 시장이 지속 으로 크게 성장할 망이다. 지상에 설치하는 경우는 별도의 부지 비용이 소요되지만
BIPV에서는 부지 비용이 없음은 물론 태양 지 자체가 건축
물의 마감재 역할을 겸하도록 되어 있어 경제성 측면에서도
크게 유리하기 때문이다.국내에서 태양 지의 연도별 용도별 보 량은 그림 7
과 같다. 2007년 말 한국의 체 보 량은 약 78 MW이고, 2007년 한해 43 MW를 보 하여 그 이 까지 보 량 계
인 35 MW를 과한 것으로 최근 정부의 폭 인 지원 정
책에 의한 주택 건물용 계통연계형시스템의 보 과 발
된 기의 고가 매입 정책에 따른 발 사업용 규모 태양
발 시스템의 보 이 크게 증가하 기 때문이다. 2003년까
지 국내 시장은 독립형시스템 심으로 소규모의 시장이 형
성되었으나, 2004년 이후 계통연계형이 주 시장을 이루고 있
음을 볼 수 있다. 2007년 말 재 규모 발 용이 39 MW, 분산배치형이 32.6 MW로 각각 50%, 42%를 차지하고 나머
지 8%가 독립형시스템의 몫이다. 국내 2007년 시장을 액으로 환산하면 시스템 기 으로
약 3,400억 원에 달한다. 태양 지 모듈 기 으로는 그 반
정도가 된다.
태양전지 산업
시장의 주류를 형성하고 있는 결정질실리콘 태양 지의 경
우 련 산업 체계는 그림 8과 같이 분류할 수 있다. 모듈 단
가에서 각 단계별 소요 비용 유율은 실리콘이 14%, 잉곳
13%, 웨이퍼 16%, 셀 27%, 모듈 30%이다. 결정질실리콘 태양 지에 이어 2세 태양 지로 분류되는
박막 태양 지의 경우는 그 체계가 완 히 다르다. 잉곳
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그림 7. 국내 태양전지 설치 보급량.
그림 8. 실리콘 태양전지 산업 체계 (원료 - 태양광 모듈).
그림 9. 실리콘 박막 태양광 모듈 산업 체계.
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MW
기 타
중국대만
일 본
유 럽
미 국
그림 10. 국가, 지역별 태양전지 생산 추이.
웨이퍼 공정 없이 가스, 액체 는 고체 상태의 출발원료로부
터 특정 기 (유리, 라스틱, 속 등) 에 박막을 형성하여
직 면 의 모듈을 제작하게 된다. 를 들어 실리콘을 소
재로 한 박막 태양 지는 그 흐름이 그림 9와 같다. 제조 공
정이 비교 간단하고 량생산에 합하지만 결정질실리콘
태양 지에 비해 단 제조장치의 규모가 크고 단 가격도
비싸다. 시 에서는 면 박막을 고속, 고수율, 가로
제조할 수 있는 장비가 가장 핵심이 되고 있는데, 이미 반도
체 디스 이 분야에서 확보한 유사 기술을 토 로 태양
지에 합한 기술을 확보한 회사들이 시장을 선 하고 있
다. 박막 태양 지 제조 단가를 항목별로 분류하면 재료비가
45-55%로 가장 많고, 장비가 20-25%, 인건비 10-15%, 그리고 에 지 비용 5-8%이다.태양 지 생산량은 앞에서 본 설치 보 량 증가 추이와 비
슷하여 매년 45% 이상의 성장률을 보이고 있다. 아직 추정치
이긴 하지만 2007년도 생산량은 약 3,700 MW로 년도의
2,500 MW에 비해 약 48% 증가한 것이다. 국가별로는 일본
이 년도에 비해 유율이 낮아지긴 했지만 계속 선두를 지
키고 있다. 하지만 지역별로는 국과 만이 각각 821 MW, 368 MW 생산하여 년 비 120% 이상 증가하여 유럽, 일본을 추월하고 1 에 올라섰는데, 그 유율이 약 32%에 달
한다. 그림 10에서 최근 국, 만의 약진과 독일을 시한
유럽의 성장세를 확인할 수 있고, 일본은 생산규모가 정체되
어 있음을 확인할 수 있다. 표 2의 태양 지 제조 개별 기업으로 보면 2006년까지 부
동의 1 이었던 일본의 Sharp가 독일의 Q-Cells에 려 2로 내려왔고, 국의 Suntech이 Sharp와 큰 차이 없이 3로 올라섰다. 일본은 Sharp 외에 Kyocera, Sanyo, Mitsubishi 기 등 기술력과 경험을 지닌 회사들이 꾸 히 선두권에 있
으나 국, 만, 독일, 미국 기업 등이 바짝 뒤를 추격하고
있어, 앞으로의 향방은 두고 보아야 할 것이다. 미국의 First Solar사가 CdTe 박막 태양 지만으로 한해
207 MW를 생산하여 2006년 11 에 2007년 5 로 순 를
올린 것은 체 박막 태양 지 기술 측면에서 크게 주목해야
할 이다.일본과 독일에서는 주택 건물용 태양 발 시스템, 그리
고 발 용 규모 시스템의 량 보 을 통한 시장 확 정
책의 추진으로 태양 지 산업이 이제는 완 히 새로운 산업
으로 자리매김하고 있다. 2007년도 세계 태양 지 산업은
태양 지 모듈(평균 단가 $4/W) 기 으로 약 150억$, 태양
발 시스템 기 으로는 약 250억$에 달한다.
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2003 2004 2005 2006 2007
Q-Cells (독일) 28 75 166 253 389
Sharp (일본) 198 324 428 434 363
Suntech (중국) 28 82 158 327
Kyocera (일본) 72 105 142 180 207
First Solar (미국) 3 6 20 60 207
Motech (대만) 17 35 60 102 196
Sanyo (일본) 35 65 125 155 165
SunPower (미국) 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
표 2. 전 세계 주요 태양전지 메이커 (단위: MW).
실리콘 잉곳
웨이퍼
유럽PV Crystalox Solar, Wacker Polysilicon, Joint Solar Silicon, Deutsche Solar REC
미국Solar World, BP Solar, United Solar Ovonic, First Solar, GE Energy, Evergreen Solar, Schott Solar
일본
Sharp, Kyocera, Sanyo Electric, Mitsubishi Electric (MELCO), Kaneka, Mitsubishi Heavy Industry (MHI), Hitachi, Showa Shell Sekiyu, Fuji Electric Systems, Honda Motor
모듈유럽
Solon, Saint Gobain, Solar-Fabrik, Webasto, Solarwatt, Solarc