태양광 에너지의 핵심 재료, 폴리실리콘 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (65)

친환경 에너지에 대한 전 세계적인 관심과 수요 증가로, 태양광 시장도 점점 커지고 있는데요. 이제 태양광 에너지판이 설치된 집이나 아파트, 주차장 등을 쉽게 찾아볼 수 있을 만큼 우리 생활 속에 자리 잡고 있습니다. 이 태양광 에너지를 만들기 위해서는 없어서는 안 될 필수 재료가 있습니다. 바로 폴리실리콘이라는 물질인데요. 태양전지에 꼭 필요한 재료이기 때문에 ‘태양광 산업의 쌀’로 불리고 있습니다. 미래 에너지를 책임질 폴리실리콘은 어떤 물질이고, 어떻게 만들어지는지 알아보도록 하겠습니다.

◆‘태양광 산업의 쌀’ 폴리실리콘

출처=피브이 매거진(PV Magazine)

실리콘(silicon)은 ‘규소’(Si)라고도 하는데요, 지구상에서 산소 다음으로 많이 존재하는 원소입니다. 폴리실리콘(polysilicon·사진)은 태양전지에서 빛 에너지를 전기 에너지로 전환하는 역할을 하는 작은 결정체들로 이뤄진 물질인데요. 고순도의 다결정 분자구조로 되어 있습니다. 입자 크기는 보통 10나노미터(㎚·1㎚=10억분의 1m)에서 1마이크로미터(㎛·1㎛는 100만분의 1m) 정도로, 반도체와 태양전지에 사용되고 있습니다. 일반 실리콘에 비해 불에 잘 견디는 내화성, 발수성, 산화·저온안정성, 가스 투과성 등이 뛰어난 것이 특징입니다.

◆고난도의 폴리실리콘 공정과정

폴리실리콘을 만드는 과정. 출처=한화케미칼

실리콘은 지구상에서 매우 풍부한 물질 중 하나이기 때문에 쉽게 찾을 수 있는데요. 하지만 자연에서는 실리콘이 순수한 원소 형태로 존재하지 않기 때문에 분리하는 과정부터 매우 복잡합니다.

먼저 자연상태에서 이산화규소(SiO2)로 존재하는 실리콘에서 산소와 불순물을 제거한 분말 형태의 금속성 실리콘(MG-Si)을 염화수소(HCl)와 반응시키면 혼합 실란가스(TCS·STC)가 발생합니다. TCS 합성 공정에서 생산한 TCS(Trichlorosilane·SiHCl3·삼염화실란)를 정제해 고순도 TCS로 만듭니다. 이어 진공 용기(Bell Jar) 형태의 반응기에 고순도 TCS를 넣어 폴리실리콘 제품을 생산하게 되는데요. TCS의 규소 성분이 CVD(Chemical Vapor Deposition·화학기상증착) 반응을 통해 필라멘트(Filament)에 증착되어 막대형 제품이 생성됩니다. 이 과정에서 발생하는 혼합 가스는 성분별로 분리하여 재활용됩니다.

태양 전지판 제조용 실리콘은 순도가 99.999999%가 되어야 합니다. 고순도 TCS 분리 과정에서 조그만 오차라도 발생하면 고순도 제품은 나올 수 없을 만큼 고난도의 공정입니다.

◆태양광 모듈에 사용되는 고순도 폴리실리콘

출처=한화케미칼

폴리실리콘(사진)은 웨이퍼와 태양전지(셀), 모듈, 시스템 등 태양광 산업을 위한 핵심 기초소재지만, 고순도 정제·제조기술이 까다로워 진입장벽이 높은 물질이기도 합니다. 따라서 고도의 공정기술과 자본력을 갖춘 소수 업체만 생산할 수 있는 제품으로 잘 알려져 있습니다. 국내 개발 이전까지 전 세계적으로 미국과 독일, 노르웨이, 일본 등이 시장 점유율 대부분을 차지하고 있었는데요. 2007년 폴리실리콘을 생산할 수 있는 기업은 전 세계 4개국 7개 업체뿐이었으며, 우리나라도 전량 수입에 의존하고 있었습니다.

◆세계 시장을 선도하는 한화케미칼

한화케미칼의 폴리실리콘 공장. 출처=한화케미칼 홈페이지(http://hcc.hanwha.co.kr/ko/)

한화케미칼은 전남 여수의 국가산업단지 내 연간 1만5000t 생산 규모의 폴리실리콘 공장을 완공해 2014년부터 운영을 시작했는데요, 현재 ‘폴리실리콘-잉곳-웨이퍼-태양전지(셀)-모듈-발전’으로 이어지는 등 태양광 사업에 필요한 모든 과정을 세계 최초로 수직 계열화했습니다. 태양광 수직 계열화란, 기초 생산 원료인 폴리실리콘부터 발전에 필요한 모든 과정을 사업 영역으로 삼아 최종적으로 생산된 전기 에너지를 사용하는 시스템까지 모든 단계를 갖춘 상태를 뜻합니다.

화석연료 사용을 줄여 온실효과를 줄여주는 태양광 에너지 기술을 통해 안전하고 깨끗한 친환경 세상을 이끌어 가고 있는 한화케미칼의 도전에 많은 응원 보내주길 바랍니다.

한화케미칼 블로거

*이 기고는 한화케미칼과 세계일보의 제휴로 작성되었습니다.

ⓒ 세상을 보는 눈, 세계일보 & Segye.com