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[뉴스 클립] Special Knowledge <410> 태양광 에너지

중앙일보 2012.02.28 00:26 경제 13면 지면보기
최근 웅진코웨이를 팔아 태양광 에너지 사업에 집중하겠다고 밝힌 윤석금(67) 웅진그룹 회장의 승부수가 화제다. 알짜 기업을 매각해, 태양광 사업에 5000억원 이상을 투자하겠다고 나선 데에 세간의 이목이 집중되고 있다. 태양광 에너지는 태양이 없어지지 않는 한 아무리 써도 고갈되지 않는 에너지다. 따라서 화석연료가 고갈되는 미래에 빛을 발할 청정 에너지로 기대를 모으고 있다. 이에 따라 국내외 많은 기업이 미래 먹거리 사업으로 태양광 사업에 뛰어들었다. 태양광 산업 에 대해 알아봤다.


태양광은 햇빛 받아서, 태양열은 복사열 이용해 전기 만들죠

태양전지



햇빛을 전기에너지로 바꿔 … 1954년 미국서 개발




한화솔라에너지가 한화테크엠 창원 공장의 지붕에 설치한 지붕형 태양광발전소. 2.24㎿로 일반 가정 750곳에 전력을 공급할 수 있다. 나무 6만 그루를 심는 것과 같은 이산화탄소 저감 효과를 낸다.


태양광 에너지에 대한 연구는 19세기 초반부터 시작됐다. 1839년 프랑스 물리학자 알렉상드르 에드몽 베크렐은 태양빛이 전기로 바뀌는 ‘광전효과(photovoltaic effect)’를 최초로 발견했다. 특정 물질이 빛을 흡수해 자유롭게 움직이는 전자, 즉 광전자를 방출해낼 수 있다는 것을 최초로 발견한 것이다. 1876년 독일의 물리학자 하인리히 헤르츠는 금속에 빛을 비추자 전류가 발생하는 현상을 발견한다. 20세기 들어서는 영국의 물리학자 조셉 존 톰슨이 헤르츠 박사가 관찰한 광전효과는 금속 표면에 자외선을 쪼여주면 전자가 튀어나오기 때문이라는 사실을 밝혀낸다. 아인슈타인이 노벨상을 받게 된 계기도 이런 광전효과를 이론적으로 완성했기 때문이다. 아인슈타인은 빛을 단순한 파장이 아니라 에너지를 갖는 ‘양자’로 설정해 금속에 전류가 흐르는 광전효과의 특성을 설명했다.



 1954년 미국의 벨 연구소가 반도체 결정 실리콘의 pn 접합기술을 이용해 세계 최초로 실리콘 태양전지를 만드는 데 성공했다. 태양전지는 햇빛을 전기 에너지로 바꾸는 주인공이다. 즉 태양광 에너지를 담아내는 그릇 역할을 한다. 태양전지의 개발로 태양광 에너지는 산업화 단계로 접어든다. 1958년 위성에 태양전지를 탑재했다. 이후 모든 위성이 태양전지를 동력원으로 삼고 있다. 70년대 오일쇼크 이후 태양광 에너지는 석유화학 에너지의 대체제로 각광받게 된다.



태양광 발전 산업 5단계



첫 단계인 원료 폴리실리콘, 태양광의 ‘쌀’




태양광 산업은 5단계의 밸류체인을 거친다. 폴리실리콘(사진1)을 녹여 잉곳(2)을 만들고 이를 절단해 웨이퍼(3)를 만든다. 웨이퍼에 전하를 발생시켜 태양전지(4)를 만들고 이를 연결하면 모듈(5)이 된다. 모듈을 여러 장 연결하면 발전 시스템이 완성된다.<사진 크게보기>


태양광 산업은 ▶폴리실리콘 ▶잉곳·웨이퍼 ▶태양전지(셀) ▶모듈 ▶발전시스템으로 이어지는 5단계 밸류 체인(가치사슬)으로 구분된다. 기업이 이 밸류 체인 중 한 개만 생산해도 태양광 관련 사업을 하는 것으로 분류된다. 국내 기업인 OCI가 폴리실리콘을 생산하고, 넥솔론이 잉곳·웨이퍼를 만들어 태양광 업체로 분류되는 것과 같다. 원료인 폴리실리콘부터 발전까지 모든 분야를 생산하는 것을 두고 ‘수직계열화’를 달성했다고 한다. 국내 기업으로 한화그룹이 2013년께 전남 여수에 폴리실리콘 공장을 완공하며 수직계열화를 이룰 전망이다.



 태양광 산업의 첫 번째 단계인 폴리실리콘은 모래 등에 있는 규소에서 실리콘을 뽑아 만든다. 폴리실리콘은 태양광 산업의 원료로 ‘태양광의 쌀’이라고도 불린다. 고순도 폴리실리콘을 만들려면 많은 자본과 높은 수준의 기술력이 필요해 다른 태양광 산업보다 진입장벽이 높다. 대표적인 선발업체로 국내 기업인 OCI, 독일 화학기업 바커(Wacker), 미국 헴록(Hemlock), 중국 GCL솔라 등이 있다.



 두 번째 단계인 잉곳은 폴리실리콘을 도가니에 넣고 붕소나 인을 첨가해 고온으로 녹여 만든다. 보통 원기둥 모양이다. 이를 얇게 절단한 것이 웨이퍼다. 중국의 LDK 솔라나 GCL솔라 등이 잉곳·웨이퍼를 많이 생산하는 글로벌 업체로 꼽힌다.



 세 번째 단계인 태양전지(셀)는 웨이퍼로 만든다. 이는 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 가장 기본적인 반도체 소자다. 웨이퍼에 붕소 가스를 입히면 p형 반도체가 되고, 이 위에 인을 뿌리면 n형 반도체가 된다. 전기적 성질이 다른 p·n형 반도체의 접합면에 햇빛이 닿으면 전지 속으로 빛이 흡수된다. 이 빛 에너지가 반도체 내 플러스(+)와 마이너스(-) 전기를 갖는 전하를 발생시킨다. 전하가 움직이면서 전류가 발생하게 되는 것이다.



 태양전지는 결정형과 박막형이 있다. 결정형은 위의 방식대로 폴리실리콘 덩어리로 만든다. 태양광이 전기 에너지로 전환되는 비율인 광전변환효율이 높다. 박막형은 유리·금속·플라스틱 판 위에 실리콘을 얇게 바르는 방식이다. 제조원가가 싸고 건물 외벽이나 곡면 등에 손쉽게 사용할 수 있다는 장점이 있지만 광전변환효율이 낮다. 광전변환효율은 결정형 전지의 경우 15~19%, 박막형은 10% 내외다. 지금까지는 결정형 전지가 태양광 시장의 주류를 이루고 있다.



 네 번째 단계인 모듈은 태양전지를 직·병렬로 연결하고 케이블·배전반을 붙여 하나의 판 형태로 만드는 것이다. 우리가 쓰는 계산기에 붙어 있는 작은 태양전지도 하나의 모듈로 본다. 다른 밸류 체인에 비해 장치 투자에 대한 부담이 작아 진입장벽이 낮다. 최근에는 모듈 업체마다 인건비를 줄이기 위해 자동화 작업을 하고 있다. 모듈을 여러 장 연결해 거치대에 세우면 태양광 산업의 최종 단계인 발전 시스템이 완성된다.



발전단가 비싼 태양광



한국서 1㎾h당 원자력은 39.7원, 태양광은 422원




그리드(Grid) 패러티는 태양광과 같은 대체 에너지로 만드는 전기 값이 원유와 같은 화석연료로 만드는 전기 값과 같아지는 시점을 말한다. 전기 값이 비싸고 일사량이 좋은 미국 캘리포니아 남부지역의 경우 이미 그리드 패러티에 도달한 것으로 보고 있다. 스페인·하와이도 곧 그리드 패러티에 도달할 것으로 전망된다.



 2010년 한국전력공사가 에너지 발전회사로부터 에너지를 구입한 단가를 보면 1㎾h 당 원자력 39.7원, 유연탄 60.9원, 수력 171.4원 등이다. 태양광 에너지의 경우 422원이다. 다른 신재생에너지인 바이오가스(117원)보다 비싸다.



 따라서 태양광 에너지 업계는 그리드 패러티 시대를 위해 가격을 낮추려고 노력 중이다. 생산원가를 낮추거나, 태양광 에너지를 전기 에너지로 전환하는 비율인 광전변환효율을 높이는 기술력을 갖추는 것이 관건이다. 태양전지의 광전변화효율이 높으면 태양광 발전시설을 적게 설치해도 많은 전기를 얻을 수 있고, 같은 조건에서 더 많은 전력을 생산할 수 있다. 또 생산원가를 낮추기 위해 최근 ‘다이렉트 웨이퍼 기술’이 주목받고 있다. 폴리실리콘을 잉곳이라는 원형 덩어리로 만들고, 이를 잘라내 웨이퍼를 만드는 과정에서 잉곳 과정을 생략하는 기술이다.



 이 기술을 미국 태양광 기술 벤처와 함께 개발하고 있는 한화케미칼 관계자는 “나무를 톱으로 썰 때 톱밥이 나오는 것처럼 잉곳에서 웨이퍼를 만들면 폴리실리콘 손실이 많아진다. 기술 개발을 통해 이 과정을 생략할 경우 원가 경쟁력을 획기적으로 높일 수 있다”고 말했다.



원리 다른 태양광·태양열



발전기 필요없는 태양광, 발전기 필요한 태양열




태양광과 태양열은 둘 다 태양 에너지를 이용하지만 사용 방법에 차이가 있다. 태양열 발전은 태양의 복사열을 흡수해 물을 끓여서 발생하는 증기로 터빈을 돌려 전력을 생산한다. 태양열을 기계 에너지로 바꿔 다시 전기 에너지로 만드는 것이다. 물이나 기름을 데워 터빈을 돌리는 것은 기존의 화력발전소 원리와 비슷하다. 흔히 가정집에서 태양열을 모으는 집열판을 설치해 낮엔 태양열로 발전기를 돌리다, 밤엔 석유로 전기를 만들어 쓰며 이를 활용한다. 주택난방·급탕시스템·온수기·농수산물 건조기와 같이 소규모 발전이 필요할 때 주로 활용된다.



 태양광 발전은 햇빛을 바로 전기로 만든다. 태양열처럼 열을 기계 에너지로 바꿔 전기를 생산하는 발전기가 필요 없다. 태양광 전지처럼 빛을 흡수하면 표면에 전자가 생겨 전기가 발생하는 ‘광전효과’를 이용한다. 태양열 발전처럼 강렬한 태양이 없어도 전기를 만들 수 있다.



 지난해 일본 후쿠시마 원전 사고로 세계 각국이 대체 에너지를 고민하고 있다. 태양광 에너지에 대한 관심도 높아졌다. 하지만 앞길은 순탄치 않다. 재정위기를 맞은 유럽의 태양광 수요 감소와 중국산 부품의 공급 과잉 영향으로 태양광 산업은 질풍노도의 시기를 겪고 있다. 폴리실리콘부터 잉곳·웨이퍼·태양광 모듈로 이어지는 태양광 중간재·완제품 가격도 대폭 하락했다. 한국태양광산업협회 관계자는 “미래 에너지 시장은 결국 신재생에너지로 대체될 것이고 이 중 가장 효율적인 것이 태양광인만큼 국가 차원에서 종합에너지 산업으로 육성해야 할 필요가 있다”고 주장했다.



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