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S&T FOCUS 지난 11월, 한국기계연구원(이하 기계연)은 유기 태양전지를 ‘롤 프린팅 기법’을 이용해 고속으로 대량 생산할 수 있는 기술을 100억 원의 기술료를 받고 한 산업체에 이전했다. 이전한 기술명은 ‘유기 태양전지 생산용 롤 프린팅 시스템 및 제조 방법’. 필름이나 유리와 같은 기판 위에 다양한 종류의 전도성·반도체성·절연성 물질을 정밀하게 인쇄하는 ‘시스템’과 ‘제조 공정’이다. 기존의 반도체 공정을 대신할 수 있는 인쇄전자 기술과 프린팅 공정 기술을 결합해서 완성했다.
“이 기술은 유기 태양전지는 물론, 다양한 태양전지 생산에 응용 할 수 있습니다. 자료에 따르면 유기 태양전지와 플렉시블 태양전지, 대면적 태양전지 등의 세계 시장 규모는 오는 2016년에 20조 원대로 전망되고 있어 시장성은 그야말로 어마어마합니다. 특히 롤 프린팅 시스템을 이용한 유기 태양전지 제조 방식은 아직까지 세계 어디에서도 개발된 예가 없어 독자적인 기술 확보는 물론, 시장 선점 효과까지 누릴 수 있을 겁니다.”
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| ▲ 한국기계연구원에서 개발한 플라스틱 태양전지 생산용 롤-투-롤 복합 프린팅 시스템 |
획기적인 유기 태양전지 생산 기술
연구를 총괄한 기계연의 김동수 선임연구본부장은 다양한 전자소자의 회로기판을 마치 신문을 인쇄하듯 롤을 이용해 생산하는 ‘롤-투-롤(Roll to Roll) 프린팅 기법(이하 롤 프린팅)’에 주목해야 한다고 강조한다. ‘에칭(Etching)’기법을 사용하는 기존 반도체 생산 공정에서 전자회로를 만들 경우에는 재료가 많이 소모되고, 생산 단가도 높고, 폐수와 유해가스를 발생시킬 수밖에 없다.
그러나 롤 프린팅 기술을 적용해 태양전지를 생산할 경우 공정단계가 9단계로, 기존 반도체 생산 공정에 비해 6단계를 줄이게 된다. 생산 효율성도 높아서 생산 가격을 최대 1000분의 1로 낮출 수 있다고 김 본부장은 전한다. 아울러 반도체 공정에서 피할 수 없는 폐수와 유해가스 등의 환경문제를 완전히 해결할 수 있는 ‘친환경 공정’이라고 한다. 바로 이같은 기법을 이용해 유기 태양전지를 고속으로 대량 생산할 수 있다는 것이 해당 기술의 핵심이다.
시장 규모 확산되는 유기 태양전지
그렇다면 왜 유기 태양전지일까? 우선 태양전지는 크게 2가지 형태로 분류된다. 비결정질 실리콘 태양전지와 박막형 태양전지가 바로 그것이다. 현재 태양전지 산업의 90%를 실리콘 태양전지가 차지하고 있다. 그러나 2000년 이후 실리콘 원재료 및 실리콘 기판 수급 문제가 발생하고, 그에 따라 태양전지 제조 단가가 상승하면서 태양전지는‘효율 향상’이라는 과제 외에도, 원자재 수급 및 제조 단가를 해결해야 하는 상황에 직면했다. 따라서 최근 태양전지 산업은 급속도로 ‘박막(기계가공으로는 실현 불가능한 두께 μm 이하의 엷은 막)형 태양전지’산업으로 확산되고 있다.
박막형 태양전지에는 유기 태양전지, CIGS(구리인듐갈륨비소) 태양전지, 염료 감응형 태양전지 등이 있다. 각 태양전지마다 나름의 장점을 갖고 있지만, 유기 태양전지는 남다른‘유연성(Flexible, 이하 플렉서블)’으로 주목받고 있다. 단단한 기판 위에 태양전지가 형성돼 있어 어느 정도 힘을 주어 구부리면 형태가 변하거나 부서지는 일반 태양전지와 달리, 유기 태양전지는 마음대로 구부리거나 휠 수 있다. 따라서 스마트 의류나 BIP(Building
Integration Photovoltaic ; 건물 외피에 전지판을 이용하는 건물 외장형 태양광 발전)에 응용할 수 있다. 그러나 효율과 수명 향상, 대면적화의 기술 개발이 요구된다.
청정 기반의 대체 에너지를 개발하기 위해 부단히 노력하는 유럽에서는 특히, 플렉서블 박막 태양전지에 관심이 높다. 박막형 태양전지의 시장을 예측한 자료를 보면 2013년에는 약 4.4조 원으로 본격적으로 시장을 형성해 2018년에는 14.6조 원, 2023년에는 34조 원으로, 세계 에너지의 1~2%를 대체할 것으로 기대하고 있다.
“이번에 이전을 한 ‘롤 프린팅 시스템을 이용한 유기 태양전지 제조 방식’은 세계적으로도 개발된 예가 없는 유일한 기술입니다. 우리가 개발한 생산 방식이 시장의 95%를 점유하는 1세대 실리콘 태양전지 시장을 유기 태양전지 시장으로 이끄는 견인차 역할을 할 것으로 기대하고 있습니다.”
태양전지 시장의 판도 변화 주도
유기 태양전지는 국내보다는 국외에서 활발히 연구되는 태양광 발전 분야로, 미국의 코나카(Konarka)와 GE, 핀란드의 VTT, 일본의 리켄(Riken) 사 등에서는 유연 유기 태양전지 상용화에 적극 앞장서고 있다. 최근에는 중국의 양(Yang)과 카오(Cao) 교수, 미국의 앨런 히거(Alan J. Heeger) 교수 등이 연속공정으로 효율의 극대화를 추구하고 있다. 이 같은 흐름 속에서 기계연이 개발한 ‘유기 태양전지 생산용 롤 프린팅 시스템 및 제조 방법’이 상용화를 눈앞에 두고 있는 것이다.
김 본부장은 유기 태양전지 개발 기술은 OLED(Organic Light Emitting Diodes ; 유기발광다이오드)나 박막 배터리 분야에 재료, 소자 설계, 단위 공정 등 공유 기술이 많아 기술적 파급 효과가 더욱 클 것으로 전망한다. 가령 차세대 유기 태양전지의 롤 프린팅 기법에 사용된 정전기력(Electrostatic Force), 기존 잉크젯의 비접촉식 인쇄 기술, 그라비어, 스크린 등의 접촉식 인쇄 기술은 향후 염료 감응형 및 CIGS 태양전지 분야에도 적용할 수 있다. 결국 기존의 진공 및 증착(Sputtering) 공정을 대체하고, 산업화를 더욱 앞당기게 될 것이라고 연구진은 전한다. | 
저작권자 2010.01.25 ⓒ ScienceTimes
