세계 발전량의 80% 이상을 차지하는 화력, 원자력은 온실가스, 방사성 폐기물 등의 문제로 새로운 에너지원으로 전환되고 있다. 소위 신재생에너지로 대체되고 있는 상황이다. 현재 신재생에너지의 비중은 전 세계 발전량의 3% 정도에 불과하다.
신재생에너지에서 태양광발전이 가장 경쟁력 있는 것으로 알려져 있다. 태양에너지의 이용가능량은 전세계 연간 에너지 사용량의 2,850배 규모에 달한다. 실로 막대한 양이다. 이와 같은 태양에너지를 사용하기 위해서는 태양광 발전 단가를 획기적으로 낮춰야 한다. 이를 위해서는 기술혁신에 의한 원가절감과 효율성 제고가 지속적으로 이뤄져야 할 것이다.
값싼 폴리실리콘 공급이 열쇠
태양광발전산업의 가치사슬은 크게 4가지로 구분할 수 있다. 즉 산업의 상단으로부터 소재, 태양전지, 전력기기, 설치 및 서비스로 나눠진다. 소재부문은 다시 폴리실리콘과 웨이퍼로 세분된다.
태양광발전은 가치사슬이 상단으로 갈수록 업체수가 적은 특이한 산업구조를 가지고 있다. 상위 3개 업체의 시장 점유율을 보면 폴리실리콘은 82%, 웨이퍼 75%, 태양전지 42%를 차지하고 있다. 특히 태양전지용 폴리실리콘은 3~4개 업체가 과점하는 형태를 띠고 있다.
이는 폴리실리콘에 대한 기술장벽이 높기 때문이다. 최근 폴리실리콘의 수요가 폭발적으로 늘어나면서 공급이 부족한 현상이 발생하고 있다. 폴리실리콘 공급 부족과 이에 따른 가격 상승으로 많은 기업들이 기존기술을 이용해 신증설을 추진하고 있다. 태양광발전산업의 원가구조에서 소재부문이 차지하는 비중이 20% 전후인 점을 감안하면 결국 값싸고 품질이 좋은 폴리실리콘 공급이 태양의시대를 여는 열쇠가 될 것이다.
폴리실리콘 기술개발 ‘치열’
상용화 된 폴리실리콘 제조 기술은 두 가지가 있다. 가장 많이 사용되는 기술은 지멘스(Siemens) 공법으로 폴리실리콘 제조의 91%를 차지하고 있다. 다른 하나는 유동상식(Fluidized Bed Reactor) 공법으로 9%에 불과하다.
폴리실리콘의 제조 원료로는 TCS(Trichlorosilane)와 모노실란(SiH4)이 사용되고 있다. 현재는 TCS가 77%, 모노실란이 23%를 차지하고 있다. 폴리실리콘 가격이 급등하면서 기존 모노실란 공급업체가 모노실란을 폴리실리콘 제조에 투입하는 바람에 모노실란도 덩달아 공급부족 현상이 발생하고 있다. 또한 모노실란을 사용한 박막형 태양전지 제조도 늘어나고 있기 때문이기도 하다.
지멘스공업은 1940년대부터 개발된 기술로 제조원가가 높은 편이다. 유동상식 공법의 제조원가는 지멘스 공법에 비해 낮은 편이나 아직 상용화 경험이 부족하다. 최근에는 기술혁신을 통해 대용량의 유동상식 공법을 적용하는 회사가 늘고 있다. 또한 제조원가를 낮추기 위해 Tokuyama Soda의Vapor to Liquid Deposition 공법, Degussa와 Solar World의 Deposition in Space Reactor 공법, Elkem의 Upgraded MG-Si Process 등이 개발되고 있다. 다들 값싼 폴리실리콘 제조를 위한 치열한 기술 개발 경쟁을 벌이고 있는 것이다.
국산 기술개발 시급
국내 기업도 검증된 기존 기술을 도입해 폴리실리콘 산업에 많은 투자를 하고 있다. 현재는 폴리실리콘 공급부족으로 제조만하면 얼마든지 판매할 수 있는 시장 분위기다.
국내 기업들이 치열한 원가 경쟁에서 살아남기 위해서는 경쟁력 있는 폴리실리콘 제조기술이 개발돼야 한다. 아울러 값싼 폴리실리콘 공급을 통해 태양광발전 단가를 낮춰야 한다. 이는 결국 폴리실리콘의 수요를 더욱 확대시킬 것이다.
국내 기업이 무한경쟁에서 살아남기 위해서는 경쟁력 있는 폴리실리콘 제조를 위한 원천기술의 확보가 매우 중요하다.
또한 차세대 태양전지로 알려져 있는 박막형 태양전지 제조를 위해서는 고순도 모노실란 정제 기술도 중요하다. 이를 위해서는 화학공정개발과 국산화 경험이 필요하다.
최근 국내 기업들이 외국기술을 도입해 대규모 투자를 하고 있다. 이제는 투자자들이 모노실란, 폴리실리콘 원천기술을 가지고 있는 국내 기업을 눈 여겨 볼 때이다. 특히 최고경영자의 주도에 의한 도전적이고 창조적인 기업문화를 가진 벤처기업이 모노실란, 폴리실리콘 원천기술 확보에 앞장 설 수 있다고 본다.
우리나라는 반도체·LCD 산업에서 모노실란이 실리콘 증착용으로 사용량이 꾸준히 늘어나는 추세다. 그리고 폴리실리콘도 반도체에 사용하는 웨이퍼의 원료로 사용되고 있다. 따라서 모노실란, 폴리실리콘은 태양광발전산업 뿐만 아니라 반도체산업을 위해서도 경쟁력 있는 원천기술의 확보가 시급하다.
코아텍은 NH3, Cl2, HBr, CO2와 같은 고순도 특수가스 정제설비를 자체 기술로 건설했다. 이를 통해 경쟁력 있는 모노실란, 폴리실리콘 제조를 위한 원천기술을 확보한 것이다. 코아텍은 소규모에서도 제조 원가를 낮출 수 있는 새로운 공법을 개발하고 있는 중이다. 현재 실험실 규모의 모노실란과 폴리실리콘 Pilot Plant를 만들어 가동 중에 있다. 이미 TCS와 모노실란이 생산되는 것을 확인했다. 이제는 상용화 단계로 넘어가려고 한다.