태양광발전의 원천소재 모노실란·폴리실리콘
태양광발전의 원천소재 모노실란·폴리실리콘
  • 승인 2007.10.22
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SiH4·Poly-Si, 고부가산업으로 급성장
○모노실란과 폴리실리콘 사업성

반도체산업과 태양전지사업은 모노실란(SiH4)과 폴리실리콘(Poly-Si)이 주재료로 사용되고 있다.

모노실란과 폴리실리콘 재료로 웨이퍼가 만들어지고 다시 반도체나 태양전지가 생산된다. 국내 산업에서 반도체사업은 매우 중요한 부분을 차지하고 있다. 또한 최근에는 태양전지사업도 크게 발전할 전망이다. 국내 사업은 최종 제품인 반도체 칩이나 태양전지에 치중돼 있고 그 재료(upstream)사업은 발전이 미흡한 실정이었다.

하지만 최근 태양전지가 모노실란의 새로운 수요처로 떠오르면서 기존 반도체 액정분야의 성장과 더불어 신규분야의 동향에 따라 모노실란의 공급부족이 우려되고 있다. 태양전지의 제조는 결정계가 주력이나 재료인 다결정실리콘이 세계적으로 부족한 가운데 최근 양산화가 뛰어난 박막계로 전환되는 추세다.

태양전지 소재사업도 이미 2개 업체에 박막형 실리콘용으로 모노실란 샘플을 출하하는 등 태양전지 소재사업에 대한 준비가 이뤄지고 있다.

특수사업과 태양전지 소재사업에서 모두 모노실란의 공급부족이 일어날 것으로 내다봤다.

특수사업의 경우 국내 업체들이 장기공급 계약 체결을 희망할 정도로 공급부족 현상을 나타냈다. 여기에 원유가격 급등에 따라 태양전지의 경쟁력이 상승, 분산자립형발전으로서 선진국에서 개발도상국까지 폭넓게 대응이 가능해 태양전지수요가 급성장하고 있다. 이에 따라 모노실란 수요가 더욱 늘어나면서 공급부족이 가속화될 것이란 분석이다.

세계 최대의 태양전지메이커인 일본의 샤프가 세계 최대 규모의 박막계 태양전지 생산라인을 건설, 2010년 본격 가동시키는 것 외에 대만, 한국, 인도 등도 잇따라 박막계 태양전지시장에 참여하고 있다.

따라서 발전가능성이 큰 원재료인 모노실란과 폴리실리콘의 비중은 더욱 확대될 것으로 예상된다.

소재산업 중요성 인식… 수입대체 시급
태양전지 증설따라 공급부족 가속화

○제조방법

모노실란은 산화규소(SiO2)를 탄소로 환원해 금속실리콘(metallugical grade silicon)을 얻는다. 이 금속실리콘은 순도가 약 95~99% 정도에 불과해 반도체사업에 필요한 9N 순도 혹은 태양전지에 필요한 5N 순도를 얻기 어렵다. 따라서 이를 정제하기 위해 금속을 염산으로 녹여 TCS(trichlolosilane)의 액체상태를 만들고 이를 다시 증류해 고순도 TCS를 만든다. 액체 및 기체 상태인 TCS를 금속 상태인 실리콘으로 고온 수소 분위기에서 환원해 만들어지며 Siemens 방법으로 알려져 있다. 또 대부분 폴리실리콘은 Siemens 방법으로 생산되고 있다.

모노실란 제조 역시 고순도 TCS에서 출발하는데 불균등화 반응(Disproponation)을 이용해 고순도 모노실란을 얻는다.

고순도 모노실란을 열분해해 폴리실리콘 Granule을 생산하는 방법도 적용되고 있다.

이와 같이 모노실란과 폴리실리콘제조는 이론적으로 간단하지만 안전성 문제, 분리정제 문제 및 품질관리 등 기술적 Know-How가 많이 필요하며 이에 관해 국내를 비롯 해외에서도 많은 연구가 되고 있다.

반도체사업의 호황과 함께 에너지문제 및 지구온난화 문제로 인해 태양전지사업이 최근 급속히 성장하게 됐다. 따라서 그 모채인 모노실란과 폴리실리콘의 공급부족으로 인해 가격이 급상승 하고 있다. 이제는 최종 제품인 반도체 칩이나 태양전지 뿐만 아니라 모노실란 및 폴리실리콘의 수급이 그 자체적인 경제성 뿐만 아니라 원료의 수급이라는 차원에서 중요시 되고 있어 국내에서도 본격적인 생산이 시작됐다. 최근 모노실란과 폴리실리콘 원재료에 대한 관심이 높아짐에 따라 모노실란과 폴리실리콘을 자체 생산하거나 사업진출을 계획하는 업체가 늘어나고 있는 추세다. 이에 따라 향후 모노실란과 폴리실리콘은 공급과잉이라는 단계를 거칠 것으로 예상된다. 물론 현재 국내외 상황에서는 공급이 부족해 유망한 성장 사업임이 틀림없다. 이런 상황에서 폴리실리콘사업 및 모노실란사업은 단순한 생산만으로 경쟁력을 확보하는 것이라 아니라 원가절감, 생산성 향상 등 일반적인 제품이 시장상황에서 겪는 인자들이 중요시 될 것이다.

이런 관점에서 즉 생상선 향상, 원가절감, 품질안정 등을 추구하기 위해선 제조공정의 이해가 필수적이다. Siemens 방법에 의한 폴리실리콘 제조는 전기료가 많이 소요된다는 문제점과 불순물인 염소의 관리가 중요 관리 포인트가 되고 있다. 이의 경쟁적 방법으로 실란의 열분해를 생각할 수 있으나 모노실란의 양산방식이 복잡하고 느린 문제점이 있다.

한편 정제된 실리콘의 단결정실리콘(single crystal) 및 다결정실리콘(poly crytal silicon)의 생산도 중요한 사업의 일부를 차지하고 있다. 반도체칩이나 태양전지를 Down stream 사업이라 하면 단결정 및 다결정 사업은 Middle stream으로 생각할 수 있고 모노실란이나 폴리 실리콘은 Upstream 사업으로 나눌 수도 있다. 이 중간단계인 다결정실리콘과 원료물질인 폴리실리콘의 용어 사용에 혼동이 있을 수 있다. 반도체사업에 필요한 웨이퍼는 순도가 9N이상인 폴리실리콘을 결정 성장시켜 단결정을 만든다. 단결정실리콘은 성장 속도 한계 등으로 인해 제조속도가 느리고 고순도 원료를 필요로 하는 문제점이 있다. 그러나 태양전지에 사용되는 웨이퍼는 순도가 상대적으로 낮고(5~6N), 결정형태도 단결정이 아닌 다결정으로도 제조가 가능하다. 물론 효율면에서 단결정에 비해 약 5% 정도의 낮은 점은 가격으로서 극복할 수 있다. 이와 관련해 다결정실리콘웨이퍼를 만드는 연구와 사업이 국내에서도 성장하고 있다. 폴리실리콘에서 결정을 만드는 방법은 Czochralski (CZ법), Floating Zone, Directional Solidification, Ribbon/Sheet 등 다양하게 개발돼 있고 진행 중이다. 생산속도, 결정의 크기, 결정의 결함, 순도 등을 고려해 선택해야하며 제조방법이 기업의 경쟁력에 결정적 영향을 미칠 것이다.

태양전지사업에서 Down stream 에 해당하는 Module 사업이나 생산된 전력을 수집하고 분배하는 전력사업도 중요한 사업이다. 이와 같이 파생사업이 다양하고 경제에 미치는 영향이 큰 반도체 칩이나 태양전지 사업의 출발이 폴리실리콘 혹은 모노실란에서 이뤄짐으로 그 중요성을 알 수 있고 연구개발 및 생산사업이 필요하게 된다.

참고적으로 폴리실리콘을 생산하는 업체는 Hemlock, Wacker, REC group, Tokuyama, MEMC, Mitsubisi, Sumitomo, Total China 등이 있으며, 국내에서도 건설 중이거나 계획하고 있는 업체도 있다.

이와 더불어 웨이퍼를 N-type, P-type를 만드는데 필요한 주입가스 PH3, AsH3등도 상대적으로 시장규모가 작지만 고가인 제품으로 시장성이 있는 것으로 판단된다.

○성숙기 대비해야

반도체 및 태양전지 사업의 발전으로 폴리실리콘 및 실란이 공급부족 현상을 보이며 국내 신성장 사업으로 주목 받고 있다. 이들 사업이 성공적으로 이뤄지기 위해선 조기진입으로 이윤을 빨리 얻거나 사업이 성숙기에 들어 갈 때 경쟁력을 확보할 수 있는 원가구조를 가져야 한다. 국내 성장사업임에는 틀림없으나 기술도입으로 인한 운전상에 문제점 및 불필요한 원가의 발생 등을 생각할 수 있어 기술개발, 공정개발이 필수적이며 향후 성숙기를 대비하는 전략이 돼야할 것이다.

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