솔라셀, 산업용 로봇시장 숨통 여나?…
본격적인 행보 시작한 로봇기업에 주목
태양전지 기술로드맵
태양전지란?
사전적 의미의 태양전지
태양전지는 광전기효과(photovoltaic effect)에 의하여 태양 빛 또는 인공 빛을 전기로 변환시키는 반도체 소자로 태
양전지에 대한 백과사전의 해석은 다음과 같다.
인터넷 위키페디아 백과사전의 정의로는 ‘태양전지는 광자(photon)를 전기로 변환시키는 반도체 소자이다. 종종 태양전지는 태양광뿐만 아니라 인공광도 변환시킬 수 있다. 태양전지는 두 가지 중요한 기능에 의해 작동되는데, 빛을 흡수하는 물질의 광전하(전자와 홀) 발생과 분리에 의해 이루어진다. 이와 같은 변환과정을 광전기 효과라고 부르며, 태양전지에 관련된 분야를 연구하는 영역을 광전기학(photovoltaics)이다.’라고 한다.
또한 맥그로힐 과학기술 백과사전의 정의로는 ‘포토볼타익 셀(photovoltaic cell)은 전자기파의 흡수에 의해 전류나 전압 또는 전류-전압 발생에 따른 전가지파를 감지하거나 측정하는 소자이다. 특별하게 제작된 포토볼타익 셀은 전력생산이나 전자기파의 감지, 광통신, 분광학 등에 사용된다. 포토볼타익 셀의 특징은 외부의 전류 또는 전압의 바이어스가 필요하지 않으며, 단지 빛의 흡수에 의해 전압이나 전류를 발생하는 디바이스이다.’라고 정의한다.
태양전지의 원리
태양전지를 좀 더 알기 쉽게 설명하면 물질이 빛을 흡수하여 광전자를 발생하고, 발생된 광전자는 외부도선을 따라 일을 하고 다시 물질로 돌아가 빛에 의해 광전자를 발생하는 작동을 계속하는 디바이스라 할 수 있다. 물질이 빛에너지를 이용하여(흡수하여) 안정화된 전자가 들뜨게 되면 전자와 정공이 생기게 되는데, 이때 들뜬 전자는 반드시 디바이스 외부로 보내져야만 광전류가 생성되게 되기 때문에 정자와 정공은 분리되어져야 한다. 전자와 정공을 분리하기 위하여 전자를 잘 받아들이는 물질과 정공(홀)을 잘 받아들이는 물질이 동시에 필요하게 된다. 이와 같은 원리 때문에 n형(전자 받음)과 p형(정공 받음) 물질이 접합된 형태가 태양전지의 기본 구조가 된다. 따라서 태양전지를 분류하기 위해서는 기준이 되는 것은 태양전지를 구성하는 물질이다.
태양전지는 구성하는 물질에 따라 실리콘, 화합물반도체와 같은 무기소재로 이루어진 무기물 태양전지와 유기물질을 일부 또는 모두 가지고 있는 유기물 태양전지로 분류할 수 있다. 유기물 태양전지는 다시 나노결정 산화물 입자표면에 염료가 흡착된 염료감응형 태양전지(dye-sensitized solar cell)와 유기(고)분자(donor-acceptor)로 이루어진 태양전지로 나눌 수 있다.
태양전지 제조공정에 따른 분류
태양전지를 제조하는 공정 및 외형적 구조에 따라 웨이퍼구조, 박막구조 그리고 광전기화학구조로도 나눌 수 있다.
태양전지 개발 역사적 의미를 부여할 경우 제1세대 태양전지(벌크실리콘 태양전지, 웨이퍼구조), 제2세대 태양전지(CIGS, CdTe, 염료감응, 유기폴리머 태양전지) 그리고 제3세대 태양전지(Shockley-Queisser 이론 효율 32% 이상의 효율이 가능한 태양전지)로 나눌 수도 있다.
태양광발전 원리
태양에너지(빛)를 반도체로 구성된 태양전지를 이용해 전기에너지로 변환하는 이 산업은 모듈이 빛을 흡수하면 표면에서 전자가 생겨 전기가 발생하도록 하는 광전자효과를 기본원리로 한다. 참고로 태양열발전은 태양열로 물을 끓여 전력을 생산하는 것이다.
이를 실현하기 위해서는 태양전지 모듈, 인버터 및 구조물 등의 소자가 필요하며, 태양전지(cell)는 모듈의 최소단위. 태양전지는 폴리실리콘으로부터 잉곳과 웨이퍼로 가공 한 후 생성되어 이를 모듈화 한 것이 태양광모듈이다. 이 모듈을 다수 이어서 용도에 맞게 만든 것이 어레이(Array)한다.
이와 관련된 산업별 사업체는 다음과 같다.
- 폴리실리콘 : 동양제철화학(군산), KCC. LG화학, 한화석유화학(추진)
- 잉곳/웨이퍼 : 넥솔론(익산), 실트론, 네오세미테크, SKC, 웅진에너지
- 태양전지(셀) : 현대중공업, LG전자, 미리넷솔라, KPE
- 모듈 : 솔라월드코리아(완주), 현대중공업, LG전자, 심포니에너지
- 시공/서비스 : 스카텍솔라(전북도), 현대중공업, LS산전, LG솔라에너지, 효성
태양광전지와 모듈
태양전지에 실리콘이 반도체산업에서 가장 많이 사용되는 이유는 지구상에서 두 번째로 보편화된 화학물질이고 석영모래로부터 얻을 수 있기 때문이다. 따라서, 전자부품이나 태양광전지에 사용할 수 있는 것은 고순도의 실리콘을 회수해야 하며, 이들은 결정 상태에 따른 태양광전지를 분류할 수 있다.
- 단결정 실리콘 태양광전지 : 가장 비쌈
- 다결정 실리콘 태양광전지
- 비정질 실리콘 태양광전지
현재 결정계 태양광전지들의 두께는 약 200㎛로 제작하며 기계적 강도 만족시키며, 태양광전지 표면에 조사되는 일사량을 충분하게 흡수한다. 비정질계는 광에너지의 흡수율이 더 우수하기 때문에 태양광전지로 수 마이크론미터의 두께로 제작 가능하다. 비정질계는 장시간 사용시 점차 퇴화가 빨라져서 효율이 감소되는 단점이 있다.
태양광모듈의 종류
한 개의 태양전지는 0.6V 전압과 3A 이상의 전류를 생성하고, 적정한 전압과 전류를 생성하기 위하여 여러 개의 태양전지를 서로 연결하고 외부환경으로부터 보호하기 위하여 충진재, 유리 등과 함께 압축되어 있다.
일반태양전지 모듈, 건자재일체형 태양전지 모듈(BIPV)로 구분되며, 최근에는 반투명 태양전지 모듈, 컬러 태양전지 모듈 등이 소개되고 있다.
박막태양전지 모듈의 경우 반사방지막이 없기 때문에 다양한 컬러의 모듈을 제작할 수는 없지만 기판의 형태에 따라서 휘어지는 태양전지 모듈의 제작이 가능하다.
태양광발전시스템의 종류
계통연계형(Grid Connected System)
태양광으로 발전된 직류 전기 에너지를 인버터에 공급하여 사용 전력으로 변환시켜 안정된 전원을 수요자에게 공급하는 시스템으로, 계통과 연계가 가능하게 하여 야간이나 태양광 발전 전력이 부족할 경우 계통 전압을 유입하여 사용하게 하고 잉여전력이 발생할 경우 계통 전원으로 역 전송하도록 하는 방식이다.
가정 및 일반 건물 전원용, 태양광 발전소용 등으로 사용된다.
독립형(Stand Alone System)
야간이나 태양광이 적을 때 전력을 공급하기 위한 축전 설비를 갖추고 있어, 태양광 발전이 가능한 기간 동안 축전지에 전력용 전력을 저장하였다가 사용하는 방식이다.
태양광이 적은 날이 장기화되거나 시스템 고장 등의 문제시 보조용으로 디젤 발전기 및 풍력 발전기를 갖춘 복합 발전(Hybrid) 시스템으로 활용 가능하고, 산간 지역 및 도서 지역 발전소용, 해양기지 전원용, 등대 전원용, 원거리 통신기지 전원용 등이다.
태양광발전 방식
경사고정식
가장 보편적으로 활용되고 있는 방식으로, 가장 견고한 방식이라 할 수 있다.
태양전지판을 연중 평균적으로 가장 잘 채광할 수 있도록 방위각과 양각을 산정한 후 전체 어레이를 고정하고, 방위각은 설치장소의 위도와 같은 각도를 유지하도록 설정하는 것이 보통이다. 그러면 국내의 경우 춘분과 추분에 전력발생이 최대가 된다. 낮은 설치투자비, 좁은 설치면적과 적은 유지비용이 장점, 6평/kW 기록했다.
경사변동형
계절에 따른 태양 고도의 변화에 따라 어레이의 경사를 달리하여 계절마다 전력발생이 최대가 되게 한다. 계절에 따른 태양 고도 변화에 맞춰 경사각을 적절하게 조절하며, 대략 연평균 4~5% 정도의 발전량 증대가 예상된다.
단축추적형
태양광의 하루 이동 경로를 동서로 쫓아가는 시스템으로 입지에 따라 경사고정형보다 약 10~15% 정도 발전량을 증대시킨다. 그중 수평형 단축추적형은 회전축의 방향에 따라서 남북을 축으로 하고 동서로 회전, 부지면적 8-9평/kW을 필요로 한다. Azimuthal Tracking은 양각을 고정시킨 채 방위각을 변동, 부지면적 13평/kW이다.
양축추적형
태양빛이 있는 동안에는 계절과 시간에 상관없이 방위각과 양각을 지속적으로 변화시켜, 태양빛을 최대로 입사한다. 경사고정형에 비해 25~35%, 해외의 경우 최대 48%까지 발전량 증대 투자비가 많이 들고, 설치면적이 경사고정형에 비해 4배가 필요하다.
건물 일체형 태양광발전 시스템(BIPV; Building Integrated PhotoVoltaic)
건물 외피에 건자재용으로 태양광발전시스템을 설치하여 건물자재와 더불어 태양광발전을 할 수 있는 시스템이다. 경제성의 이유로 아직 활성화되지 않은 상태, 정부 주도의 프로젝트들을 시초로 시장성이 확대될 전망이다.
태양전지 산업 트렌드
태양전지는 발전단가가 중요한 지표가 된다. 전 세계 태양광 산업의 급속한 성장과 함께 일본, 유럽, 미국 등 태양광 선진국들은 향후 기술 및 시장의 주도권을 잃지 않기 위해 중장기 기술개발 프로젝트 및 로드맵 등을 작성하여 체계적으로 이를 수행하고 있다. 선진국의 주요전략은 무공해 대체에너지원으로서 가격경쟁력을 확보하는데 초점을 맞추고 있으며, 정부지원 없이도 화력, 원자력 등 타 에너지원과 경쟁할 수 있는 수준을 청사진으로 제시하고 있다.
현재 세계 최대 생산국인 일본은 NEDO 기술개발 프로젝트를 통해 2030년까지 모듈 설치비용을 0.43$/Wp, 발전단가를 6￠/kWh 까지 낮추는 것을 목표로 하고 있다. 이를 위해 다층박막 등 신기술을 상용화하여 30% 효율의 태양전지를 양산할 계획을 갖고 있다. 최대 설치국인 독일을 비롯한 유럽 국가들은 2030년까지 시스템 설치비용을 1.4$/Wp, 발전단가를 지역에 따라 8.5￠/kWh(남부유럽기준) 수준까지 낮추는 것을 목표로 하고 있으며, 2030년에는 200GWp를 보급계획을 갖고 있다. 최근 태양광 분야에 주도권을 되찾기 위해 공격적인 대응을 펼치고 있는 미국은 시스템 설치비용을 2.33$/Wp 발전단가를 3.8￠/kWh까지 낮추어 2025년에 신규발전의 절반을 재생에너지로 공급하며, 그중에 2/3 이상을 태양광이 차지하는 것을 목표로 하고 있다.
2006년 전 세계는 2.5GWp의 태양전지를 생산하여 2005년 1.7GWp와 비교하여 47% 성장하였으며, 과거 6년간 연평균 성장률은 40%에 이른다. 2015년에는 25GWp 생산에 이를 것으로 전망하고 있으며 시장규모는 1200억불에 달할 것으로 전망된다.
태양광 시장의 확대에 의한 고용창출은 IEA 회원국에서 2005년 말까지 7만 명을 넘어섰으며 비회원국을 포함하면 현재는 이를 크게 상회했을 것으로 추정된다. 최대생산국 지위는 여전히 일본이 유지하고 있으나, 최근 중국, 대만 등의 빠른 성장으로 생산비중은 감소추세에 있다.
2006년 업체별 생산량으로는 일본의 Sharp가 수년째 수위를 차지하고 있고, 독일의 Q-Ce ls이 2위, 일본의 Kyocera가 3위이며 중국의 SunTech가 일본의 Sanyo, Mitsubishi Electric 등을 제치고 4위를 차지했다.
태양전지 최대 보급시장은 최근 수년간 독일이 차지하고 있으며, 두 번째 시장인 일본의 보급지원기간이 종료됨에 따라 당분간 독일 시장의 지위가 흔들리지 않을 전망이다.
태양전지 재료별로는 다결정 실리콘 태양전지와 단결정 실리콘 태양전지가 전체 시장을 양분하고 있으며, 실리콘 박막, 화합물 박막 등의 시장은 아직 진출단계로 비중은 높지 않지만 상대적으로 높은 성장률을 보이고 있다.
일본 RTS사 보고서에 따르면 태양전지 시장은 2005년과 2006년을 비교분석한 결과 전년대비 43.4% 증가하였으며, 특히 유럽의 시장이 크게 신장되었다.
현재 태양전지시장의 90% 이상은 벌크실리콘 태양전지가 점유하고 있다. 하지만 벌크 실리콘 태양전지의 botleneck인 고가의 발전단가를 극복하기 위한 대안이 시장에서 요구되고 있다. 이를 해결하기 위해서는 웨이퍼 두께를 얇게하는 기술과 포스트 실리콘 태양전지의 기술, 즉, 제2세대 박막형 무기 및 유기 태양전지의 출현이 불가피 할 것으로 예상된다. 이러한 점을 반영할 경우 2015년 1200억불 (약 24 GW 생산량) 시장에서는 제2세대 박막 태양전지가 전체시장의 약 30% 정도를 점유할 것으로 보인다.
떠오르는 솔라셀 산업에 재빠르게 줄 서는 로봇기업들
이노메탈이지로봇, 태양전지 모듈 공장 설립
에너지산업에 관심이 높은 이영호 대표가 취임하며 이들의 그린에너지 산업으로의 행보가 눈에 띄고 있다. 로봇기
업인 이지로봇과는 별개로 진행되는 사업이지만 충분히 영향력을 줄 수 있기에 함께 살펴보도록 한다.
이노메탈이지로봇 자회사인 아이리솔라가 경북 김천에 고효율 태양전지 모듈 제조공장을 설립할 것으로 알려졌다. 공장설립 투자비는 230억원, 12월 착공해 2009년 7월 준공 예정이다.
아이리솔라는 지난해 말 서울 그랜드인터컨티넨탈 호텔에서 ‘태양전지 모듈 제조공장 설립 사업설명회’를 개최했다. 이날 설명회에는 대구광역시청·김천시청·태안군청 관계자와 금융 관계자들이 참석했다.
아이리솔라는 자본금 20억원으로 설립됐으며 아이리글로벌이 60%, 이노메탈이 40%의 지분을 갖고 있다. 아이리글로벌은 이노메탈의 이영호 대표가 100% 지분을 보유한 자산관리회사로, 실질적으로 이노메탈의 100% 자회사인 셈인 것이다.
공장 부지는 경북 김천시 개령면 일대 4만2975㎡이며, 생산능력은 연간 30MW(메가와트)로 설계됐다. 2011년부터는 생산능력을 38MW로 늘릴 계획이다.
아이리솔라가 생산할 태양전지 모듈은 이스라엘 밀레니엄 일렉트릭사의 ‘블랙 온 블랙’기술을 적용해 일반 모듈보다 태양광 반사를 줄이고 포집을 극대화할 수 있는 특징을 지녔다. 에너지 변환 효율이 1% 이상 올라가는 효과를 거둘 수 있다. 특수 투명필름을 부착해 빗물에 의한 자가세정이 가능하다는 것도 장점이다.
2009년 8월부터 생산될 제품의 40%는 이노메탈 에너지사업부의 태양광발전단지 조성 사업에 사용돼 수입제품을 대체할 예정이다. 나머지 60% 중 40%는 이스라엘 ‘밀레니엄쏠라’의 판매망을 통해 해외에 판매하고, 20%는 소규모 소매시장을 통해 판매할 계획이다.
이엠코리아, 태양광 수소스테이션 양산준비
이미 국산기술로 만들어진 토종 병렬형 로봇개발 및 다관절 로봇으로 이슈를 모은 코스닥 상장사인 이엠코리아가 태양광전기까지 이용할수 있는 수소발생장치인 ‘수소스테이션’에 대한 양산준비에 들어갔다. 또 국내최초로 600KG급 핸들링 로봇에 대해 최종 테스트작업을 거치고 있다고 밝혔다.
이엠코리아의 고위관계자는 “다방면의 에너지를 이용할 수 있지만, 특히 태양광 전기에너지를 이용한 수소발생까지 가능한 ‘수소스테이션’에 대해 양산준비를 순조롭게 하고 있다”고 밝혔다.
‘수소스테이션’은 이엠코리아가 신재생에너지 사업의 일환으로 추진하고 있는 분야다.
이엠코리아측은 “빠르면 내년초부턴 양산에 들어갈 것으로 예상된다”고 밝혔다.
태양광전기 이용이 가능한 ‘수소스테이션’이 시판될 경우, 이엠코리아에 매출에 크게 기여할 것으로 전망된다.
한편 600KG 핸들링 로봇에 대해 파이널 테스트 작업중인 것으로 알려졌다.
아뎁트, 소프트웨어의 힘으로 솔라셀에 적용
태양광발전 산업보다도 짧은 간격으로 변화와 혁신이 일어나는 분야들로 인해 셀과 모듈은 끊임없이 변화하고 있다.
지금까지 실리콘 위의 웨이퍼를 보다 얇게 만들기 위해 노력하고 있고, 이들의 처리 과정 역시 발전하고 있다. 그리고 로봇자동화 메이커들은 현재 확실시되는 미래를 위해 생산 공장의 유연성을 디자인해야 하기에 로봇공학은 필수적인 아이템이 되었다.
특히, 로봇공학에 있어서 소프트웨어는 매우 재미있는 부분으로, 소프트웨어를 통해 시스템을 변화시키고, 새로운 것을 도입하여 더욱 짧은 응답시간을 가져오는 등의 활동을 한다. 아뎁트의 새로운 소프트웨어는 실험실에서 완벽히 테스트된 후 제조라인에서 떨어진 곳에 위치해 업그레이드 역시 편리하게 진행되고 있는데, 일단 현장에 적용된 소프트웨어는 쉽게 다른 제조 라인에도 적용될 수 있다는 장점도 있다.
오늘날 아뎁트가 공급한 로봇시스템 중 약 35%는 화상처리 시스템이 통합되었고, 또 그들이 공급한 로봇시스템 중 약 20%는 태양광발전 산업에 공급되고 있다. 이처럼 아뎁트의 로봇은 고속의 다양한 모델들과 화상처리 시스템으로 인해 고도의 유연성을 획득하고 있다.
2009년, 기대할 만한 곳은
‘솔라셀과 로봇’ 뿐이다?
더욱이, 최근 고유가의 영향으로 태양광 발전에 소요되는 솔라셀 제조 자동화 장비의 개발과 주문이 활기를 띠고 있다. 특히, 솔라셀 이송로봇은 반도체, LCD 로봇과 기술적 유사점으로 인해 기존 로봇업체들의 시장진입이 용이하며, 시장규모 또한 연간 30~40%씩 성장하고 있어 향후 제조업용 로봇업체들의 주요 수요처가 될 수 있을 것으로 업계에서는 보고 있다.
한 가지 아쉬운 점은 지난해 LCD에 비해 상대적으로 투자가 적었던 반도체 분야의 로봇투자가 당초 2008년 1분기 이후 본격적으로 증가할 것이라는 예상과 달리 크게 증가하지 않고 있는 점이다. 그러나 현재 대규모 투자를 계획하고 있는 삼성전자와 하이닉스의 투자에 따라 올해 동 분야의 로봇실적이 크게 변화될 전망이다.
국내 제조업용 로봇업체들은 지난 2년간의 로봇산업 침체기를 거치면서 원가절감, 설계 최적화, 중장기 R&D 및 사업전략 수립 등을 통해 이미 자체경쟁력을 강화하고 품질을 제고하는 등 발 빠른 움직임을 보였으며, 나아가 사업 다각화를 위한 영업활동 강화에 주력할 계획에 있어 향후 국내 제조업용 로봇시장의 성장을 주목해야 할 것이다.
그 중심에 솔라셀 산업이 있으리라는 것은 이제 누구도 부인하지 않는다. 경기침체가 이어질 것이라 예상하는 2009년, 솔라셀 산업과 로봇산업과의 궁합이 얼마나 잘 맞아떨어질 지 귀추가 주목되고 있다.
