I. 왜 태양전지가 부각되는가?

I. 왜 태양전지가 부각되는가?

1. 지구온난화의 위협

미국 전 부통령 앨 고어가 제작한 다큐멘터리 영화‘불편한 진실’에 보면 개구리를 지구에 비유한 예가 나온다. 뜨거운 물에 개구리를 넣으면 개구리가 놀라서 금방 뛰쳐나오지만, 물을 천천히 데우면 더운지 모르고 있다가 죽는다는 것이다. 지구 온난화가 서서히 진행되고 있지만 눈을 돌릴 수 없는 사실이며 엄연히 존재하는 현실임을 비유한 것이다.

온실효과의 존재 여부에 대한 논란에도 불구하고 지구의 온도는 지난 30년간 이미 약 1도 상승해 안데스 산맥의 빙하들이 사라지고 있다. 이 같은 추세가 지속될 경우 2028년에는 2도, 2052년경에는 3도 상승할 것으로 전망된다. 2050년경에는 10~40억명의 인구가 물 부족을 겪고 해수면 상승과 사막화, 고온으로 인한 전염병 창궐, 홍수 및 태풍 피해도 경고되고 있다.

2. 그린 에너지의 시대: 교토 의정서 발효와 에너지 자원의 고갈

온난화에 대한 전 세계적 각성의 수위가 높아지면서 2005년 2월 국가별 온실가스 배출량 감축에 대한 구체적인 일정과 계획을 담은 교토의정서가 발효되었다. 교토의정서에서 1차 강제 이행 대상국으로 지정된 선진 38개국의 경우 2008년부터 2012년까지 평균 5.1%의 온실가스를 감축해야 한다.

한국의 경우 2002년 교토의정서를 비준하였으나 개도국 지위를 인정받아 1차 의무 감축 대상에서는 제외되었다. 그러나 OECD 회원국가 중 1차 대상국에 지정되지 않은 국가는 멕시코와 한국뿐이다. 이중 멕시코의 이산화탄소 배출량은 OECD 국가의 1/3 수준에 불과하나 한국은 GDP대비 이산화탄소 배출량이 OECD 국가 기준을 크게 상회하고 있어 2013~2017년까지 온실가스를 감축해야 하는 2차 의무 감축 대상국에 포함될 가능성이 높아 보인다.

장기적으로 에너지 자원의 고갈 측면에서도 그린 에너지의 중요성은 지속적으로 강조될 전망이다. 전 세계 에너지 소비량은 지속적으로 상승하고 있는 반면 현재 에너지 자원의 주종을 차지하고 있는 석유, 석탄, 천연가스의 경우 경제적으로 채굴 가능한 매장량은 각각 40년, 230년, 65년 정도의 사용량 밖에 남지 않은 것으로 추정되고 있다.

3. 에너지 패러다임의 변화: 신재생에너지 2020년 전체 에너지의 35%까지 증가할 전망

그린에너지, 즉 신재생에너지란 태양에너지, 풍력, 연료전지, 바이오에너지 등 온실가스를 배출하지 않는 청정에너지원을 말한다. 전체 에너지 중 신재생에너지 비중은 04년 13% 수준에 불과하지만 환경위기에 대한 세계적인 공감대 형성과 교토의정서 등 국가 간 협약, 정부차원의 적극적 지원 등에 힘입어 신재생에너지는 꾸준히 성장하고 있다.

유럽 신재생에너지협회의 전망에 따르면 2001년부터 2020년까지 전체 에너지 중 신재생에너지의 비중은 2001년 19% 수준에서 2020년 35% 수준까지 빠르게 증가할 것으로 전망되고 있다. 이 전망에 따르면 전체 재생 에너지량은 2020년에는 2001년의 3배 수준에 이르러 같은 기간 약 1.7배 증가할 것으로 예상되는 전체 에너지 소비량 증가율을 크게 상회할 전망이다.

4. 돋보이는 태양광 발전의 성장 속도

각종 에너지 기구 및 협회 전망에 따르면 다양한 신재생에너지 중 태양(광)에너지의 성장이 가장 빠를 것으로 기대되고 있다.

유럽 신재생에너지 협회는 태양광 에너지는 현재 전체 재생에너지 중 비중이 0.07%에 불과하지만 2040년까지 4,142배 성장해 전체 전력 소비량의 25%, 신재생에너지 전력생산량의

31%에 달할 것으로 전망하고 있다. 이는 같은 기간 바이오, 소수력 에너지의 경우 성장률이 20배 수준에 그칠 것으로 예상되는 것에 비해 매우 빠른 성장 속도이다.

5. 2010년 태양광 발전량에 대한 전망치는 최근 상향 조정되는 추세

전 세계 태양광 발전 규모는 1999년 202MWp 규모에서 연평균 40% 성장하여 06년에는 2,204MWp 수준에 도달하였다. 중장기적으로 태양광 발전의 성장 추세는 지속될 것으로 예상되나, 단기적으로 2010년 태양전지 시장규모에 대한 전망은 관련 업체나 조사기관마다 큰 편차를 보이고 있다. 이는 원자재 수급, 업체별 증설계획, 보조금 제도 등 여러 변수가 태양광 발전의 확산에 영향을 미치기 때문이다.

그러나 지구온난화에 대한 전세계적 인식이 확산되고 교토의정서 합의에 미온한 입장을 보여온 미국이 최근 입장을 변화시키면서 태양광 발전에 대한 시장전망은 다시 상향 조정되는 추세이다. Photon International은 06년에는 2010년 태양광 발전 규모를 10GWp 수준으로 예상하였으나 최근 발표에서는 전망치를 14GWp로 상향 조정하였다. CLSA의 경우 04년 예상치 (5.2GW)를 05년 6GW로 상향한 이후 06년 4월에는 다시 10GW로 상향 조정하였다.

6. 왜 태양광 발전인가?

첫째, 계속 사용해도 고갈되지 않는 무한정의 영구적인 에너지이다. 독일 기후변화 협의회에서 나온 조사치에 의하면 태양에너지 자원량은 현재 전 세계 에너지 소요량 대비 2,850배에 이르는 것으로 조사되고 있다. 풍력, 바이오매스 등은 각 200배, 20배 정도의 규모이다.

둘째, 환경오염이 없는 무공해 에너지이다. 태양에너지는 석탄화력발전 대비 약 240gcarbon/kWh이 절감 가능하다.

셋째, 규모나 지역에 관계없이 설치할 수 있고 유지비용이 거의 들지 않는다. 태양열 발전

의 경우 소규모 시스템에서는 경제성이 떨어지고, 풍력, 해수력 발전은 발전 단위는 크지만 지형환경에 따른 제약이 크다. 수소력은 폭발 위험 등이 존재해 확산이 쉽지 않은 상황이다.

반면 태양광 시스템은 어느 지역에나 설치할 수 있고 규모에 따른 경제성 손실도 적으며 유지비용도 거의 들지 않는다. 설치비용에 대한 지원이 있거나 건설업체에서 건물 설계과정부터 고려해 설치비용을 획기적으로 줄일 경우 일반 주택에서부터 아파트까지 광범위한 적용이 가능해 빠르게 확산될 수 있다.

넷째, 발전원가가 높지만, 반도체 기술을 활용하고 있어 기술혁신을 통한 원가절감 잠재력도 가장 높은 영역이다.

태양 빛은 에너지 밀도가 낮아 큰 설치 면적이 필요하고 시스템 비용이 고가여서 초기 투자비와 발전단가가 높다. OECD/IEA에서 발간한 신재생에너지 종류별 발전단가를 비교해보면 태양광 발전의 발전단가는 kWh당 20~60센트에 달해 일반 가정의 전기구매단가인 3~15센트를 크게 상회하고 있다.

그러나 태양광 발전은 태양전지의 생산공정 혁신, 대량생산을 통한 규모의 경제 달성, 웨이퍼박막화를 통한 원재료비 절감과 박막형 등 차세대 태양전지로의 기술혁신 등을 통해 원가를 절감할 여지가 큰 것으로 판단된다. 실제로 태양광 모듈 가격 추이에 대한 IEA의 조사 결과를 보면 90년대 초반에는 와트당 4,000엔대를 호가했던 태양광시스템 가격은 90년대말에는 1,000엔대로 빠르게 하락하였다.

다섯째, 원재료에서부터 모듈 설치에 이르기까지 산업화가 가능해 부가가치 창출 및 고용창

출 효과가 크다.

태양광 발전은 원재료인 폴리실리콘 생산에서부터 웨이퍼 생산, 태양전지 생산과 모듈 조립, 인버터 등 시스템 부품과 설치 서비스에 이르기까지 07년 기준 세계시장 규모 186억달러 규모의 산업이다. 태양광 발전량이 현재 예상대로 연평균 30% 이상 성장할 경우 관련시장 규모도 연 평균 25%이상 빠른 성장이 기대된다.

특히 모듈 제조 이전의 다운스트림 공정(폴리실리콘, 웨이퍼, 전지 등, 07년 기준 세계시장 9조 규모)은 수출 산업화가 가능한 영역이다. 해수력, 풍력 등 타 대체에너지는 지형적인 제약이 있어 수출산업화가 불가능한 것에 비해 차별화되는 요인이다.

실제로 세계 태양전지 시장규모는 06년 현재 독일이 55% 이상을 차지하고 있어 가장 크지만 전지/모듈 생산은 경쟁력 있는 일본업체들이 50% 이상 생산해 유럽, 미국 등지로 수출하고 있다. 태양광 발전의 수출산업화 가능성으로 인해 일본 정부에서도 전체 신재생에너지 투입 예산 중 높은 비중을 태양광 발전에 투입하고 있다.

7. 국내 기술적 기반으로 세계 일류에 도전 가능

반도체, LCD 기반기술을 가진 일본업체가 세계 태양전지 시장 주도

전술한 바와 같이 전 세계 태양전지 시장은 독일이 가장 크지만 생산의 50% 이상을 일본 업체들이 차지하고 있다. 독일업체로 Q-Cell이 빠르게 시장점유율을 확대해 오고는 있으나 아직까지 10% 이하 수준이다.

이는 태양전지의 제조공정이 반도체, LCD 제조공정과 유사해 관련 공정기술 및 장비, 부품 인프라를 확보하고 있는 일본업체가 경쟁력을 확보하기 용이했기 때문으로 판단된다. 현재 태양전지 시장의 90% 이상을 점유하고 있는 실리콘 결정형 태양전지의 경우 원재료인 실리콘 웨이퍼가 반도체 실리콘 웨이퍼를 만드는 과정과 유사하고, PN 접합형성, 전극형성 등 주요 공정도 반도체 공정과 유사한 것으로 알려져 있다. (부록 및 제조공정 참조) 실제로 태양전지부문에서 높은 시장점유율을 확보하고 있는 일본업체는 LCD, 반도체 사업도 함께하는 샤프, 교세라 등이다.

한국도 LCD, 반도체기술 바탕으로 수출산업화 가능

한국은 메모리 반도체, LCD부문의 세계 시장점유율 1위 국가로 관련 공정 기술 및 장비, 부품 인프라가 높은 수준이다. 최근 대기업들이 진출하는 등 시장형성이 본격화되고 있어 시너지 효과가 나타날 것으로 기대된다.

특히 현재 태양전지 중 비중은 5% 수준에 불과하지만 원가절감의 잠재력이 높은 것으로 기대되고 있는 박막형 등 차세대 태양전지의 경우 국내 업체가 빠르게 경쟁력을 확보해나갈 가능성도 점쳐지고 있다. 아직 기술이 표준화되지 않은 단계이기 때문에 기술혁신을 통한 후발업체의 진입 가능성도 높을 것으로 판단되기 때문이다.

II. 태양전지의 경제성 예측: 사례 연구와 국내 현황

1. 태양광 발전 확산의 가장 큰 걸림돌은 높은 발전원가

태양광 발전이 대중화되는 데 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 것은 높은 발전원가 부담이다.

태양광 발전시 전력 발전원가는 kWh당 25~40센트로 화력, 원자력 등을 이용한 기존의 발전 방법대비 발전원가가 3~10배에 달한다. 소매가격인 일반 가정용 전력가격에 대비해서는 아직 높은 수준으로 경쟁력이 떨어진다.

석탄 등 기존 전력 뿐 아니라 신재생에너지 중에서도 태양에너지의 발전원가는 높은 수준이다. 태양에너지의 밀도가 낮아 넓은 공간이 필요할 뿐 아니라 폴리실리콘, 웨이퍼 등 고가의 원재료가 모듈 비용의 50% 이상을 차지하고 있기 때문이다.

세계에너지기구에서 조사한 신재생에너지 종류별 투자비와 발전비용을 살펴보면 1kW 생산에 필요한 투자비는 태양광 발전이 4,500~7,000달러, kW당 발전원가는 18~80센트까지 들어 신재생에너지 중에서 가장 높은 수준이다.

2. 경제성 예측의 주요 변수는 정부 지원과 기술 혁신

향후 태양광 발전이 경쟁력 있는 대체에너지로 대중화되기 위한 핵심 변수는

첫째, 정부 및 지방자치단체 차원에서의 지원 정책이다.

태양광 발전의 발전원가는 가격경쟁력이 떨어진다. 그러나 소비자의 선택에 중요한 것은 발전원가가 아닌 소매가격이다. 신재생에너지 지원 정책으로 정부에서 적극적인 보조금을 지급하거나 발전된 전기를 고가에 매입해줄 경우 경쟁력 있는 가격대가 형성될 수 있다.

실제로 현재 세계시장의 70% 이상을 차지하고 있는 독일, 일본 등 선진시장은 정부 차원에서 초기에 높은 수준의 보조금을 지급하여 태양광이 일반 소매전력보다 경제적인 구조를 만들었다.

둘째, 공정 자동화를 통한 제조공정 개선, 광 효율 향상, 차세대 태양광 발전시스템의 개발 등 원가절감이 가능한 혁신적인 기술 개발 여부이다. 이 부분은 <원가절감의 방향 및 잠재력> 부문에서 상술할 예정이다.

3. 정책지원 사례 1: 독일

독일은 태양광 발전 확산을 위해 91년~95년, 99년~03년에 각각 태양광 지붕주택 1,000호, 100,000호 보급 프로그램을 진행하였다. 초기 태양광 주택의 보급을 위해

1) 고액의 설치비용에 대해 시중 금리보다 낮은 이자를 적용하는 이자율 혜택,

2) 생산된 전력을 정해진 가격으로 매입해 발전가격과 소매가격의 차이를 보전해 주는 고정가격 구매제도도 시행하였다.

고정가격 구매제도의 구체적인 사례를 들어보면, 독일에서 일반 가정용 2kWh 용량의 태양광 발전 시스템을 설치할 경우 설치비는 13,200달러 수준이다. 연간 1,800kWh의 전력에 생산되면 kWh당 0.62센트의 가격으로 정부에서 구매한다. 이 경우 연간 지급받는 금액은 1,120달러 수준으로 약 11년이면 설치비에 해당하는 금액을 회수할 수 있다.

고정구매 가격과 이자율 혜택은 보급 초기에 적극적으로 지급되고 이후 추세적으로 완만히 하락하는 경향을 보이고 있지만 태양전지 전력량은 꾸준히 상승하는 모습을 보이고 있다.

적극적인 지원 프로그램으로 세계 시장점유율 55% 차지

적극적인 지원 프로그램에 힘입어 독일은 04년부터 세계 태양전지 시장 1위 국가로 발돋움하였다. 독일 태양전지 시장은 06년 기준 전년대비 15% 성장한 960MWp 수준으로 세계 태양전지 시장의 55%를 차지하고 있다.

독일 태양광 협회에 따르면 태양광 발전 시스템 관련해서 약 100억 유로가 투자되었고 10억 유로 이상이 실리콘 등 원재료와 태양전지 제작에 투자되었다. 고용창출효과는 약 30,000명으로 추산되고 있다.

독일 내 설치된 태양광 시스템 수는 06년 현재 약 20만개로 이 중 40%는 일반 주택에, 10%는 평지에, 나머지 50%는 다가구주택, 공공건물 등에 설치되어 있다. 발전규모는 일반 주택의 경우 1~10kWp, 평지의 경우 1MWp 이상, 다가구주택 등은 10kWp에서 1MWp 수준이다.

4. 정책지원 사례 2: 일본

일본 정부는 신재생에너지 관련 예산 중 약 70%를 태양광 발전에 집중 투입하고 있다. 일본의 지원 정책으로는 크게 규제형인 신재생에너지 할당제, 재정보조형인 보조금 지원제도 등이 있다.

신재생에너지 의무할당제(RPS, Renewables Portfolio Standard)는 에너지 사업자가 판매전력량의 일정 비율을 신에너지로 발전되는 전기로 채우도록 의무화하는 제도이다. 이에 따르면 일본의 에너지 사업자는 2010년까지 의무비율 1.35%를 단계적으로 확대해 나가야 한다.

재정 보조형 정책으로는 태양광 시스템 설치시 보조금을 지원하는 제도와 태양광 주택에 대한 모기지 금리 혜택, 신에너지 사업자에 대한 보조금 지원 등이 있다.

높은 전기요금, 모듈확보의 용이성 등으로 보조금 감소 추세에도 시장은 꾸준히 성장

05년 일본 태양전지 발전량은 292MW로 세계시장 중 20%를 차지하고 있다. 설치 보조금 등 정부 및 지자체 지원정책의 수위는 계속 하락하고 있고 05년부터 중앙정부 보조금은 폐지되었지만 주택용 태양광 시스템 수는 매년 6~7만가구씩 증가하고 있다. 일본 태양전지 시장이 빠르게 성장하고 자생력을 갖출 수 있었던 배경은

1) 주택용 전기요금 수준이 한국 등에 비해 3배 이상 높아 태양광발전의 가격경쟁력이 높았다. 일본의 가정용 전력요금 수준은 세계에서 가장 높은 수준이다.

2) 반도체, LCD 등 인프라를 가진 일본업체가 세계 태양전지 생산을 주도하여 태양광 모듈의 확보가 보장되었다.

3) 건축업체, 금융기관 등 민간차원에서 기술 개발과 상품 도입이 적극적으로 이루어졌다. 건축업체에서 에너지 절약형 주택을 개발하고 상업화였고 금융기관에서도 태양광 주택에 대

한 이자율 혜택제도를 적극적으로 도입하였다.

4) 일본 소비자 사이에 환경 문제에 대한 인식이 확산되었다. 일본은 지구온난화가 진행될 경우 피해가 가장 클 수 있는 국가로 간주되고 있다.

5. 정책 지원 사례 3: 미국

2005년 미국의 태양광 발전량은 146MW로 전세계 발전량의 10% 수준이고 06년에는 이보다 33% 증가한 194MW 수준으로 파악된다.

미국은 선진국 중에서 이례적으로 교토의정서 발효를 거부해왔다. 현 공화당 정권은 지구온난화 문제에 대해 크게 관심을 두지 않아 왔는데, 06년부터 정책적인 변화가 나타나고 있다. 태양전지 산업이 본격적으로 확대되는 데에는 이러한 미국의 입장 변화가 결정적인 모멘텀을 제공해 준 것으로 판단된다.

미국 부시대통령 2006년 태양광 발전 보급을 위한 지원제도(SAI, Solar America Initiative)를 발표하였다. SAI는 2015년까지 태양광 발전이 원가경쟁력을 확보하고 태양광 발전량을 5~10GW까지 높이는 것을 목표로 하고 있다. 미국은 특히 기초 기술 개발보다는 원가를 혁신할 수 있는 박막형 등 차세대 기술과 새로운 물질에 초점을 맞추고 있다. 미국정부는 이를 위해 관련 예산을 06년 대비 110% 증액해 140백만 달러를 투자할 예정이다.

6. 한국의 지원제도

한국의 태양전지 시장 규모는 03년 5,981kWh에서 04년 8,534kWh, 05년 13,524kWh로 성장속도는 빠르지만 아직까지 세계시장 대비 미미한 수준이다. 한국정부의 지원 정책은 태양광주택 보급사업, 설치비 보조, 장기저리의 융자지원, 공공기관 건축시 신재생에너지 설비 의무화 등이 있다.

한국 가정용 태양광 시스템: 월 500kW 이상 사용가구는 10년이면 투자비 회수

주택시장을 중심으로 태양광 발전이 확산되었던 일본의 사례 등을 볼 때 한국에서도 태양광 발전 확산에 있어 단기적으로 모멘텀이 될 제도는 태양광 주택 10만호 보급사업이 될 것으로 예상된다.

10만호 주택 보급사업에 따르면 정부는 kW당 설치비용(07년 기준 고정식은 955만원/kW,

추적식 1,169만원, BIPV1) 1,400만원)을 정부 고시하고 보조금(07년 기준 설치비용의 약

60%에 해당하는 573만원)을 지정하여 무상 보조하고 있다. 이 경우 3kW 시스템 설치 시 개인이 부담하는 설치비용은 1,146만원 수준이다.

일일 평균 일사시간을 3.5시간으로 가정할 때 3kW용량의 태양광 발전이 한달에 발전할 수 있는 발전량은 315kW 수준이다. 현재의 전기세 제도는 누진세로 월 전기사용량이 늘어 날 수록 단위당 전기요금이 상승하는 구조로 되어 있다. 이자비용에 대한 고려 없이 현재 일반 가정에서 태양광 발전 시스템을 도입하여 설치비용을 10년내 회수할 수 있는 전력량은 월 500kW 수준으로 판단된다. 한전의 표본조사 결과에 따르면 월 평균 전기량이 500kW 이상인 가구는 전체의 2.9% 수준으로 조사되고 있다.

단, 실제 입찰가격은 정부 기준가격보다 낮은 수준에서 형성되고 있고 kW당 설치단가는 03년 1,500만원에서 06년 940만원, 07년 920만원으로 지속적으로 하락하는 추세여서 실제로 태양광 발전이 경제적으로 매력적이게 되는 전기사용량 수준은 그보다 더 낮은 수준이 될 가능성이 높다.

특히 한국의 경우 전기요금 등 공공요금이 선진국대비 매우 낮은 수준이기 때문에 향후 소매가격이 상승할 가능성도 높은 것으로 보인다. 태양전지 및 웨이퍼 제조업체인 REC의 연구조사 결과에 따르면 국가별 전기요금은 2000년 이후 상향 추세를 보이고 있다. (그림 27참조) 향후 획기적인 원가절감 및 환경에 대한 규제 강화 추세, 전기요금 상승 가능성 등을 감안한다면 경제성은 지속적으로 높아질 것으로 예상된다.

한국 정부는 2012년까지 3조원 시장 형성 비전제시

정부는 제 2차 신재생 에너지 기본 계획을 제시하고 2012년까지 원자력 발전기 1기 규모의 발전량에 해당하는 1.3GW 전력을 태양광으로 발전한다는 계획을 가지고 태양전지 효율을 높이고 시스템 단가를 낮추는 등 구체적인 로드맵을 제시하고 있다. 정부는 2012년까지 세계 태양전지 시장의 10%, 즉 시장규모 3조원의 태양광 시장을 형성하겠다는 목표이다.

III. 태양전지의 구조와 종류

1. 태양전지 구조와 작동 원리

태양전지는 광기전력 효과(Photo Voltanic Effect)를 이용하여 빛에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 반도체 소자이다. 광기전력 효과란 반도체의 p-n접합부나 정류작용이 있는 금속과 반도체의 경계면에 강한 빛을 입사시키면, 반도체 중에 만들어진 전자와 정공이 접촉전위차 때문에 분리되어 양쪽 물질에서 서로 다른 종류의 전기가 나타나는 현상을 말한다.

태양전지는 실리콘에 붕소를 첨가한 P형 반도체 위에 인을 확산시켜 N형 실리콘 반도체 층을 형성해서 만들어진다. 표면과 후면에 전극이 있는데 후면 전극은 전체에 걸쳐 형성되어 있고 전면 전극은 빛이 통과할 수 있도록 총 면적의 5~15% 정도 형성되어 있다. 전극 위에는 빛반사를 방지하는 반사방지용 산화막이 코팅되어 있다.

태양전지에 빛이 입사되면 반도체 내의 전자와 정공이 여기되어 반도체 내부에서 자유롭게 이동한다. 이동하다가 PN 접합에 의해 생긴 전계에 들어오면 전자는 N형 반도체에, 정공은 P형 반도체에 이르고 전극을 통해 내부의 전자가 외부 회로로 흐르면 전류가 발생된다.

태양전지는 결국, 실리콘 반도체의 일종이라고 볼 수 있다. 그러나 가장 큰 차이점은 회로가 아니어서 포토, 식각 등의 공정이 필요없고, 이 때문에 셀 제조과정에서의 부가가치가 반도체에 비해 떨어진다. 그만큼 소재의 효율성 등 특성이 반도체보다 더욱 부각된다.

2. 태양전지의 종류: 실리콘 결정질 태양전지가 주류

태양전지는 크게 재료에 따라 실리콘 태양전지와 화합물 반도체 태양전지 등으로 나뉜다. 또 기판을 실리콘 웨이퍼로 사용하느냐 유리 등 다른 기판을 쓰느냐에 따라 Bulk형과 박막형으로 나뉜다.

Bulk형 실리콘 태양전지는 다시 실리콘 결정의 종류에 따라 다결정과 단결정으로 나뉜다. 단결정 실리콘 태양전지는 결정의 방향이 같아 전자이동에 걸림돌이 없기 때문에 유전 효율이 좋고, 아침 저녁이나 흐린 날에도 비교적 효율적으로 발전할 수 있다. 반면 단결정 성장 등 추가적인 정제과정이 필요해 경제성이 떨어진다. 다결정 실리콘 태양전지는 추가 정제과정이 없고 웨이퍼 사용량도 단결정 타입보다 적기 때문에 단결정 타입에 비해 가격이 30~40% 싸지만 변환 효율이 낮은 단점이 있다.

04년 기준 재료별 태양전지 시장을 보면 단결정 실리콘 태양전지가 34%, 다결정 태양전지가 56%로 실리콘 Bulk형이 90%를 차지하고 있다. 단결정 실리콘은 높은 제조원가로 인해 비중이 축소되는 추세이기는 하나 높은 효율로 인해 30%대의 점유율을 유지하고 있다. 최근에는 재료 사용량을 줄이고 원가경쟁력을 높여 다시 점유율이 높아지고 있는 것으로 보인다.

원가부담을 줄일 수 있는 박막형 실리콘 태양전지에 대한 연구 활발

대표적인 차세대 태양전지로 거론되고 있는 박막형 태양전지는 실리콘 웨이퍼 전체를 태양광을 흡수하는 기판으로 쓰는 기존 형태와 달리 저가의 기판을 활용하고 위에 박막으로 실리콘 등 재료를 증착하는 것이다. 박막형 태양전지는 증착되는 물질에 따라 실리콘 타입과 화합물 반도체 타입 등으로 나뉘어 진다.

05년 박막형 태양전지의 비중은 총 6.5%, 117MW 수준이고 실리콘 타입이 4.7% 수준으로

주를 이루고 있다. 최근 폴리실리콘 부족 등 실리콘 원가부담이 점증하면서 태양전지 사업에 진출하는 후발 주자를 중심으로 실리콘 박막형 태양전지에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 유리를 이용한 박막형 태양전지는 썬텐이 된 유리와 비슷해 향후 건자재용 유리를 대체할 가능성이 있다.

장기적으로는 집광형 화합물 반도체, 염료감응형 등 차차세대 태양전지가 개발될 것으로 예측되고 있다.

IV. Bulk형과 박막형 태양전지의 제조공정

1. 실리콘 Bulk형 태양전지의 제조공정

가장 전형적인 실리콘 Bulk형 태양전지의 제조공정은 모래 등 실리콘을 포함한 원재료를 정제하여 폴리실리콘을 뽑아내는 과정부터 시작한다. 이후 폴리실리콘을 정제하여 잉곳(실리콘 덩어리)을 만든 후 이를 절단하여 단결정 혹은 다결정 실리콘 웨이퍼를 만든다.

웨이퍼 위에 PN 접합과 전극을 형성하면 태양전지가 만들어진다. P형 단결정 실리콘 웨이퍼 위에 인 등 확산 물질을 뿌려 N형 반도체를 만들어 PN 접합을 형성한 후 내부의 전 전류가 밖으로 흐를 수 있도록 상, 하부 전극을 형성하고 빛의 반사율을 줄이기 위해 반사방지막을 입힌다.

태양전지 하나가 출력할 수 있는 전력의 양은 제한적이기 때문에 일반적으로 태양전지를 수십~수백개를 합친 모듈이 제조된다. 여러 개의 모듈은 다시 하나의 어레이 패널로 합쳐지고 여러 패널이 합쳐져 태양광 발전 시스템이 완성된다.

원재료 제조: 폴리실리콘

결정형 실리콘 태양전지의 원재료인 폴리실리콘의 제조과정은 다음과 같다.

실리콘 원재료는 모래나 자갈 등에 많이 포함되어 있지만 철, 니켈, 코발트, 탄소 등 불순물이 많이 섞여 있다. 이를 정제해 고순도 폴리실리콘을 만들기 위해 원재료를 탄소 등과 함께 전기로에 넣어서 용융 해 순도 98%의 금속급 실리콘을 얻는다. 금속급 실리콘을 분쇄하고 염산으로 처리하면 삼염화실란(TCO,Trichllorosilan)이 생성된다. 이 삼염화실란을 증류하여 불순물을 제거하면 고순도의 다결정 실리콘이 만들어진다. 최근에는 모노실란을 이용하거나 실리콘을 낮은 순도에서 직접 가공하는 신기술 등이 소개되고 있다(서플라이 체인 분석 참조).

실리콘은 불순물 함유 정도에 따라 금속급, 태양전지급, 반도체 급으로 구분된다. 순도가 높은 반도체급쪽으로 갈수록 폴리실리콘의 가격이 높아진다. 최근에는 공급부족으로 가격이 크게 올랐는데 이는 후에 서플라이 체인에서 설명하겠다.

웨이퍼 제조: 단결정 웨이퍼와 다결정 웨이퍼

실리콘 웨이퍼는 폴리실리콘을 단결정 혹은 다결정 상태의 잉곳(Ingot, 실리콘 덩어리)으로 만든 후 균일한 두께로 절단해서 만들어진다.

단결정 실리콘 웨이퍼 제조방법

원자끼리 규칙적으로 정렬되어 있는 단결정 실리콘은 폴리실리콘을 다시 한번 물리적으로 정제하여 만든다. 폴리실리콘에서 단결정 실리콘을 성장하는 방법에는 크게 플로팅 존 법과 쵸크랄스키법이 있다. 플로팅 존 법은 높은 전도성과 초순도의 결정을 만들 수 있는 장점이 있지만 고가여서 대부분의 IC 제품에서는 쵸크랄스키(CZ) 법이 사용된다.

쵸크랄스키법에 따른 단결정 실리콘 웨이퍼의 제조 방법은 다음과 같다.

1) Crystal Growing: 고순도 폴리실리콘을 고순도 석영 도가니 내에 저항률 조정용의 3족

혹은 5족 원소(붕소나 인)과 함께 넣어 실리콘의 녹는점인 1,420℃이상의 고온으로 용융

한다. 원하는 결정 방향과 동일한 단결정 종자(seed)를 실리콘 용액의 액면을 부착하고 회

전시키면서 끌어올리면 종결정과 똑같이 원자배열을 한 단결정 잉곳이 만들어진다.

2) Slicing: 잉곳을 일정 두께로 절단한다. 보통 200~500㎛로 절단하는데 예전에는 다이아

몬드 절단기를 사용하여 절단 손실이 50%에 달했다. 최근에는 와이어 쏘(Wire Saw)로 절

단하여 절단 손실을 30% 정도 줄일 수 있게 되었다.

3) Lapping, Etching, Heat Treatment, Polishing: 절단 과정에서 생긴 결함을 제거

하고 웨이퍼의 두께와 평탄도를 균일하게 한다. 웨이퍼를 가열한 다음 급격히 냉각시켜 결정 본래의 저항률을 갖도록 한다. 거칠어진 웨이퍼 표면을 고도의 평탄도를 갖도록 연마한다.

4) Cleaning and inspection: 웨이퍼 표면에 붙은 오염 입자들을 제거한 후 파티클 및 금

속성 불순물 검사 등을 거쳐 완성된다.

다결정 실리콘 웨이퍼 제조방법

다결정 실리콘 웨이퍼는 성장과정을 거치는 단결정 실리콘 웨이퍼와 달리 폴리실리콘 단계에서 추가적인 정제과정이 없이 사용한다.

다결정 실리콘 웨이퍼 제조방법에는 크게 캐스트법과 전자주조법이 있다. 캐스트법은 실리콘을 SiN이 코팅된 주형 내에서 용해한 후, 실리콘 융액을 발열 컨트롤하면서 밑부분부터 응고시켜 잉곳을 만든 후 웨이퍼로 절단하는 것이다. 전자주조법은 주형을 사용하지 않고 전자유도용해에 의해 융액의 부유상태를 이용하는 것이다.

일반적으로 불순물 농도를 줄일 수 있는 캐스트법이 많이 적용되고 있다. 저비용화를 위해 잉곳의 대형화, 연속 주조 방법 등이 지속적으로 연구되고 있다.

PN 접합과 전극 형성

Bulk 형 실리콘 태양전지의 제조방법

실리콘 웨이퍼 위에 PN 접합형성과 전극 및 반사방지막 형성, 최종 테스트 과정을 거쳐 태양전지가 완성된다.

1) PN 접합 형성: 웨이퍼 위에 건식 및 습식 식각으로 표면 손상층을 처리하고 약 1,000도

에서 확산막을 도포해 N층을 형성한다. 확산후 도포막은 제거한다.

2) 반사방지막 형성: 빛의 반사를 최소화 하기 위해 반사방지막을 표면 위에 형성한다. 태양전지의 재료인 실리콘과 공기와의 중간 굴절률을 가진 투명한 막을 태양전지표면에 형성하고 빛의 간섭효과를 이용하여 반사를 억제하는 것이다. 반사방지막은 CVD법 등으로 형성

하고, 표면반사를 억제하기 위해서는 진공증착법을 이용하여 반사방지막을 2층 구조로 한

것도 있다.

3) 전극 형성: 표면과 뒷면에 전기가 통할 수 있는 전극을 형성한다. 은 등의 물질을 일정한 모양으로 패턴된 마스크를 이용하여 스크린 인쇄나 진공 증착법으로 전극을 형성한다. 초기에는 진공증착법이 이용되어 왔지만 양산화와 저비용화에 대응하기 위해 현재는 스크린인쇄법이 널리 이용되고 있다. 표면은 빛의 투과를 위해 일부분만 형성하고 후면전극은 전면에 걸쳐 형성시킨다.

박막형 태양전지의 제조공정

박막형은 실리콘 웨이퍼를 사용하지 않기 때문에 제조공정이 완전히 다르다. 박막형 실리콘 태양전지의 제조공정은 다음과 같다.

1) 원료 가스 분해: 진공 내에 실리콘을 포함한 모노실란 등의 원료 가스를 유입하고, 방전을 일으켜 높은 에너지를 가하여 원료 가스를 분해한다.

2) 실리콘 증착: 분해된 실리콘이 200~300도로 가열된 투명 전극(ITO)을 지닌 유리 또는

금속, 플라스틱 등 기판 위에 쌓인다.

3) PN 접합 형성: 원료가스에 붕소를 포함한 가스(B2H6)를 혼입하면 P형의 실리콘 박막이

만들어지고, 인을 포함한 가스 Ph3를 혼입하면 N형 박막이 만들어진다. 원료가스의 교체 만으로 태양전지에 필요한 P형과 N형 충을 형성할 수 있다.

4) 반사방지막 및 전극 형성: 반사방지막과 전극을 형성한다.

V. 원가절감의 방안 및 잠재력

1. 원가절감의 장기 로드맵

일본의 에너지 기구인 NEDO(신재생에너지 산업기술개발 기구, New Energy and

Industrial Technology Development Organization)는 태양광 발전단가가 kWh당 02년 50

엔 수준에서 07년 30엔, 10년 23엔, 20년, 30년은 각각 14엔, 7엔 수준으로 하락하는 원가절감 로드맵을 제시하고 있다.

2010년 목표인 와트당 23엔 수준은 태양광 발전 단가가 일반 소매전력 단가와 유사하게 되는 수준으로 신축 주택은 대부분 태양전지를 사용하게 될 전망이다. 2020년 목표인 14엔은 산업용 전력가격과 유사한 수준으로 대규모 태양광 발전이 경제성을 띄게 되는 원가 수준이고 2030년에는 원자력 발전 원가 수준까지 하락해 태양광 발전 비중이 전체 전력 사용량의 10%에 이를 전망이다.

미국도 태양광 원가가 Wp당 4달러 이하로 하락하는 시점에서 태양광 발전시장 규모가 계단식으로 크게 상승할 것으로 전망하고 있다. 태양광 발전단가가 4달러 이하로 하락하는 시기는 2015년 전후로 예상하고 있으며 이 경우 2030년 경에는 관련 미국 시장규모가 최대 300억달러에 달할 것으로 전망된다.

중,단기적으로 고가의 원재료 소모량 절감이 관건

태양광 발전 시스템의 공정별 원가 비중을 보면 모듈 제조까지의 과정이 전체의 60~70% 수준을 차지하고 있고 이중에서도 실리콘 소재가 21%, 웨이퍼 소재가 30% 수준을 차지해 소재 비중이 50%를 넘는다.

따라서 장기적으로는 시스템 구조의 개선 등 모듈 이후 공정에서의 원가절감도 필요하겠지만, 중단기적으로는 모듈 이하, 특히 전지 생산비용 절감과 고가의 원재료 비용 절감이 원가절감의 핵심이 되고 있다.

원재료비 절감 노력은 크게 기존 기술 보완과 차세대 태양전지 개발로 나뉘어 진행되고 있다. 기존 기술 보완의 경우 변환효율을 높이고 실리콘 웨이퍼 기판을 박형화 하는 방법, 규모의 경제와 공정 자동화를 통한 원가 절감 방법 등이 모색되고 있고 차세대 전지 개발에서는 박막형 태양전지, 화합물 태양전지 등 신형 태양전지 개발이 진행되고 있다. 아직까지 실리콘 사용량을 줄일 수 있는 박막형의 경우 변환효율이 크게 떨어지고 화합물 태양전지는 대량 양산이 어려워 지속적인 연구개발이 필요한 상황이다.

실리콘 소요량 절감을 위한 연구개발 지속 중

기존의 Bulk형 실리콘 웨이퍼에서 원재료 비용을 줄일 수 있는 방법으로는 다결정 실리콘 웨이퍼 적용, 실리콘 박형화, 리본 형 등 신기술 개발, 변환효율 향상 등이 있다.

다결정 실리콘 웨이퍼

폴리실리콘에서 단결정 실리콘 잉곳을 성장해 내는 등 반도체 웨이퍼 제작 기술을 그대로 적용하는 단결정 웨이퍼와 달리 다결정 웨이퍼는 별도의 정제과정 없이 폴리실리콘을 그대로 활용할 수 있어 원재료비가 30~40% 낮다.

다결정 실리콘 기판의 단점은 전자, 정공이 중간과정에서 재결합되어 단결정 실리콘 보다 광효율이 떨어진다는 점이다. 낮은 변환효율을 보완하기 위해 텍스쳐링, 반사방지막, 스크린 인쇄등 다양한 방법이 시도되고 있으며 낮은 원가부담을 경쟁력으로 하여 시장을 확대해 나가고 있는 추세이다.

그러나 아직은 최종적인 설치 가격이 고효율인 단결정 태양전지와 유사한 수준이다. 이는 효율이 높은 단결정 태양전지는 설치 면적이 적어도 되고 이에 따라 모듈 면적도 줄일 수 있어 모듈 제조단가, 설치비, 땅 값 등을 절감할 수 있기 때문이다. 이에 따라 변환 효율을 높일 수 있는 신기술의 지속적인 개발이 필요한 상황이다.

리본법

에버그린 솔라(Evergreen Solar)는‘String Ribbon’이라는 새로운 공정을 통해 웨이퍼를 시트처럼 뽑아냄으로써 실리콘 사용량을 50%까지 줄이고 있다. 리본법은 기판제조에 발생하는 손실을 절감할 수 있고 공정 수도 줄일 수 있다. 그러나 현재는 GE Energy, Ebara 등 4개의 미국회사만 연구를 진행하고 있어 확산에는 실패한 듯한 인상을 주고 있다. 이는 리본법에 사용되는 폴리실리콘은 일반 실리콘과 다른 전용 폴리실리콘인데 그 공급이 제한적이기 때문이다.

실리콘 박판 기술

실리콘 웨이퍼의 두께를 줄여 실리콘 사용량을 최소화하려는 것이다. 98년 웨이퍼 두께는 300μm 수준이었으나, 현재는 240μm로 줄어들었고 태양전지 1위업체인 Sharp는 현재 180μm에서 07년 160μm까지 줄일 계획이다. 그러나 웨이퍼 두께가 감소하면 전환 효율 및 공정 수율도 떨어져 이 부분의 개선도 함께 필요하다.

변환 효율 향상을 위한 연구개발

변환 효율 향상

태양전지의 변환 효율이란 입사되는 태양복사광 에너지와 태양전지의 단자에서 나오는 전기

출력에너지의 비를 %로 표시한 것이다. 변환효율 향상은 태양전지의 필요면적을 줄일 수 있어 시스템 단가를 낮출 수 있는 핵심 동인 중 하나이다.

현재까지 알려진 태양전지 모듈의 양산 효율은 Bulk형 실리콘 태양전지는 단결정의 경우

15~18%, 다결정은 12~14% 수준이다. 박막형 실리콘 태양전지는 5~9% 수준으로 Bulk형

에 비해 낮다. 일본의 신재생에너지 산업기술개발 기구는 2030년까지 태양전지 종류별 효율목표를 제시하고 있다. Bulk형 다결정 실리콘은 2030년 25% 수준까지, 박막형 실리콘은

20%, 높은 효율이 강점인 CIS 타입은 50%까지 효율을 향상시킨다는 목표이다.

실리콘 태양전지에서 효율을 향상시킬 수 있는 방법은 크게 빛흡수율 향상을 위해 텍스처나 반사방지막을 형성하는 방법, 전자와 정공의 재결합을 방지하는 패시베이션 기술, 그리고 전극의 재질, 선폭 등을 조절해 빛의 흡수를 최대화하는 방법 등이 연구되고 있다.

Tandem 태양전지

변환효율을 향상시킬 수 있는 태양전지의 구조로 최근 많이 연구되고 있는 것이 Tandem 태양전지이다. Tandem 태양전지는 태양이 하루 중 방출하는 여러 파장의 빛을 효율적으로 흡수하기 위해 에너지 밴드갭이 다른 여러 실리콘 층을 적층한 것이다.

Tandem 태양전지 기술은 연속적인 효율, 신뢰성과 제조 단가의 하락에 따라 시스템의 설치가격이 $1/Wp 으로 할 수 있는 가능성이 있다고 알려져 있다. 최근 샤프는 기존의 Tandem구조보다 효율을 향상시킨 삼중접합 박막 태양전지 대량 생산 기술을 개발해 07년 5월부터 양산에 들어갈 예정이라고 밝힌 바 있다.

박막형 태양전지와 원가절감

박막형 태양전지란 실리콘 웨이퍼 전체가 아닌 유리 등 저가 기판에 태양광을 흡수하는 박막을 증착하는 것이다. 박막형 태양전지는 증착 물질에 따라 실리콘 박막형과 화합물 박막형 등으로 분류된다.

실리콘 박막형 태양전지의 강점은 다음과 같다.

첫째, 기존 태양전지의 경우 실리콘 웨이퍼의 두께가 250~300마이크로미터에 달하는 반면

박막형의 경우 실리콘 웨이퍼 두께는 20마이크로미터 정도에 불과해 이론적으로 실리콘 소요량이 1/100 수준으로 줄어들 수 있다.

둘째, 제조 에너지가 300도 수준으로 단결정 실리콘(1,000도~1,500도 수준)에 비해 크게 낮아 유리, 메탈, 플라스틱 등 저가 기판을 사용할 수 있다. 유리 기판을 사용할 경우 BIVP 형태로 건출물 외장재로 결합이 가능하고 플라스틱 기판을 쓸 경우 휘어지는 기판을 제조할 수도 있다.

셋째, 가스 반응이기 때문에 기판의 대형화가 유리하고 대량, 연속 생산이 가능해 규모의 경제를 통한 경제성 획득에 있어 유리하다. 특히 플라스틱 기판의 경우 Roll-to-Roll 방식을 활용하면 원가절감 잠재력이 더욱 크다.

넷째, 제조공정이 간단하다. 비정질 실리콘 막을 형성함과 동시에 p-I-n 접합을 형성할 수 있다. 즉, 하나의 Chamber 안에서 대부분의 공정이 이루어진다.

최근 실리콘 가격 급등으로 관심 부각, 후발업체 중심으로 연구개발 활발

박막형은 첫째, 변환효율이 낮고, 둘째, 재료비가 적은 대신 CVD 장비 등 설비투자비가 Bulk형의 2배 수준이며 셋째, 장기 신뢰성이 검증되지 않은 단점이 있다. 이로 인해 99년 이후 박막형 태양전지(실리콘, 화합물 타입 합계)의 출하량은 꾸준히 증가해 왔지만, 전체 태양전지중 비중은 05년 기준 3.4% 수준에 불과하다.

그러나 최근 실리콘 공급부족으로 가격이 급등하면서 박막형에 대한 시장 관심이 다시 커지고 있다. 박막형 태양전지 생산업체는 적극적인 설비증설을 계획하고 있고 장비, 생산기술 등 인프라도 개선되고 있다. United Solar는 05년 22MW의 생산Capa를 10년에는 300MW수준으로, Kaneka는 19MW의 Capa를 70MW 수준으로 끌어올릴 계획을 제시하고 있다.

ULVAC, Applied Materials 등 반도체 장비업체들도 태양전지용 장비시장에 진출하여 Turn key 형태의 태양전지 장비를 생산해 내고 있다.

IT산업 조사기관인 The Information Network는 20년경에는 태양전지 내에서 차지하는 비중이 19%까지 이를 것으로 예상하고 있다. 보다 적극적인 전망치를 제시하고 있는 EPIA(유럽태양광 산업 연합)는 2010년에 박막형 비중이 20%에 이를 것으로 보고 있다.

VI. 서플라이 체인분석

1. 07년 전세계 태양광 발전관련 시장규모는 186억달러 수준

글로벌 태양광 발전 서플라이 체인은 원재료인 폴리실리콘 제조업체, 웨이퍼 제조업체, 태양전지 제조업체와 모듈 제조업체, 그리고 시스템 설치 업체로 구성되어 있다. 최근 원재료 수급 문제가 부각되면서 수직 계열화 경향도 나타나고 있다.

대우증권에서는 태양광 발전량이 2007년 2.6GW에서 2010년에는 7.2GW 수준까지 연평균

40% 증가할 것으로 예상하고 있다. 이에 따라 07년 186억달러에 달하는 관련시장규모는

2010년까지 연평균 33% 증가해 433억달러 수준에 이를 것으로 기대된다.

2. 역삼각형의 소재중심 서플라이 체인 구성

07년 기준 부문별 시장규모를 살펴보면 모듈제작까지의 시장규모가 전체의 50%를 차지하고 있고 모듈 제작이후 설치공정이 50% 수준을 차지하고 있다.

참여 업체의 수를 살펴 보면 태양광 관련 산업은 전형적인 역삼각형 구조의 서플라이 체인을 형성하고 있다. 즉, 원재료, 소재 참여업체 수가 상대적으로 적어 과점 체제이고, 전지 및 모듈제작, 시스템 설치 쪽으로 갈수록 많은 업체가 참여하고 있다. 모듈 제작이후 공정은 인버터 등 부품 조달 비용이 크고 인건비 부담도 커서 상대적으로 마진율이 낮은 반면 폴리실리콘 제작 등 모듈제작 이전 과정은 설비투자가 많이 집행되는 반면 고부가가치 산업으로 굳어지고 있다.

예를 들어 다결정 실리콘 태양전지의 경우, 원가 중 소재비중은 39%이고 전지 제조원가는

21%, 모듈이 40%로 소재 비중이 매우 높다. 서플라이 체인 별로 나누어서 보면 웨이퍼 업체는 원가 중 소재 원가가 압도적으로 높고 전지제조업체는 감가상각비 등 고정비가 비교적 높다. 모듈 제조업체는 변동비에 해당하는 원재료 가격과 인건비가 상대적으로 높다.

3. [모노실란] 반도체 LCD제조공정에 사용되는 특수 가스

모노실란(SiH4)은 폴리실리콘을 만드는 과정에서 만들어지는 특수가스이다. 반도체, LCD 공정에서 다결정막을 성장시키는 원료로 산화공정과 화학기상증착 공정 등에서 이용된다.

모노실란은 반도체나 태양전지의 웨이퍼의 원재료인 폴리실리콘을 제조하는 공정에서 중간재로도 사용된다. 폴리실리콘 제조 공정은 중간재로 사용되는 가스에 따라 크게 삼염화실란

(SiHCl3, Trichlorosilane: TCS)와 모노실란 법으로 구별된다.

전형적인 폴리실리콘 추출 공정인 Siemens법에서는 금속급 실리콘에서 만들어진 삼염화실란을 반응기에 넣고 고온으로 처리하여 폴리실리콘을 추출해 낸다. Siemens 방식이 변형된 형태로 삼염화실란 대신 모노실란 가스를 이용하기도 하는데 증착온도가 낮아 실리콘의 순도가 높아질 수 있다.

박막형 태양전지에서 실리콘 적층 재료로 사용

박막형 태양전지란 실리콘 웨이퍼 전체가 아닌 유리 등 저가 기판에 태양광을 흡수하는 박막을 증착하는 것이다. 대표적인 차세대 태양전지로 거론되고 있다. 박막형 태양전지는 실리콘 웨이퍼 전체를 태양광을 흡수하는 기판으로 쓰는 기존 형태와 달리 저가의 기판을 활용하고 위에 박막으로 실리콘 등 재료를 증착하는 것이다. 아직까지는 효율이 낮고 장기 신뢰성이 떨어진다는 단점이 있으나, 연구개발이 집중되고 있고 LCD 장비업체들이 본격 참여하기 시작해 빠른 기술 혁신이 기대되고 있다.

최근 폴리실리콘 부족 등 실리콘 원가부담이 높고 현실적으로 구하기도 어려워 태양전지 사업에 진출하는 후발 주자들은 대부분 실리콘 박막형 태양전지로 뛰어들고 있다. 실리콘 박막형 태양전지의 강점은 다음과 같다.

첫째, 기존 태양전지의 경우 실리콘 웨이퍼의 두께가 250~300마이크로미터에 달하는 반면

박막형의 경우 실리콘 웨이퍼 두께는 20마이크로미터 정도에 불과해 이론적으로 실리콘 소요량이 1/100 수준으로 줄어들 수 있다. 실리콘 및 웨이퍼는 실리콘계 태양전지에서 원가 비중이 무려 50%나 되는 소재이다.

둘째, 제조 에너지가 300도 수준으로 단결정 실리콘(1,000도~1,500도 수준)에 비해 크게 낮아 유리, 메탈, 플라스틱 등 저가 기판을 사용할 수 있다. 유리 기판을 사용할 경우 BIPV 형태로 건출물 외장재로 결합이 가능하고 플라스틱 기판을 쓸 경우 휘어지는 기판을 제조할 수도 있다.

셋째, 가스 반응이기 때문에 기판의 대형화가 유리하고 대량, 연속 생산이 가능해 규모의 경제를 통한 경제성 획득에 있어 유리하다. 특히 플라스틱 기판의 경우 Roll-to-Roll 방식을 활용하면 원가절감 잠재력이 더욱 크다.

넷째, 제조공정이 간단하다. 비정질 실리콘 막을 형성함과 동시에 p-I-n 접합을 형성할 수 있다. 즉, 하나의 Chamber 안에서 대부분의 공정이 이루어진다.

글로벌 2~4개 업체가 과점하는 시장

모노실란을 생산하는 업체는 세계적으로 2~4개에 그친다. 시장 지배적 사업자인 ASiMI,

MEMC 등은 모노실란부터 웨이퍼까지 수직계열화로 생산하고 있는 업체들이다. 그 외 일본

의 두개 사는 파일롯트 개념의 라인만을 가지고 있다.

그동안 모노실란 생산업체는 사실상 폴리실리콘의 중간재로 사용되는 모노실란을 부산물 정도로 생각하고 있던 것이 사실이다. 시장 규모가 폴리실리콘에 비해 현저히 적을 뿐더러, 사용처도 반도체, LCD 등에서 특수한 용도로 소량만이 사용되었기 때문이다. 이로 인해 모노실란을 이용해 폴리실리콘을 제조하는 글로벌 2개사 만이 시장을 장악하는 현재의 공급구조가 만들어졌다. 국내 납품업체들은 글로벌 제조업체인 ASiMI, MEMC에서 100% 수입해 제조 및 충전하여 납품해 왔다.

판매자 우위의 고수익 시장 지속될 듯

모노실란은 수급 예측이 의미가 없다. 폴리실리콘에서 웨이퍼 가공까지 수직 계열화된 업체인 MEMC, ASiMI(REC 그룹) 양 사가 모노실란 시장을 장악하고 있어 이들 업체가 모노실란으로 폴리실리콘을 제조하는 대신 모노실란을 외부에 판매할 수 있기 때문이다.

향후 모노실란은 자체 수급보다는 폴리실리콘 수급에 영향을 받을 가능성이 크다. 폴리실리콘은 향후 2년간 수급 불균형이 깨어지지 않을 것으로 보이고, 참여업체도 매우 제한적이어서 모노실란도 고수익의 품목으로 자리매김할 것으로 보인다.

폴리실리콘 생산량에 따른 모노실란 생산량은 명확하게 알려지지는 않았으나 REC의 생산설비 증설 계획을 바탕으로 추정해 볼 수 있다. REC는 2008년 완공예정으로 Fluidized Bed법을 활용한 폴리실리콘 생산설비 증설 계획을 밝히고 있는데 여기에 따르면 약 6,500톤급 폴리실리콘 제조공장에 약 9,000톤의 실란을 생산하는 것으로 제시되어 있다. 즉 폴리실리콘 1톤당 모노실란 1.4톤 정도가 필요한 것이다.

또한, 박막형 태양전지의 보급으로 인해 수요량이 크게 늘어날 것으로 전망된다. 아직 정확한 수요량을 체크하기 어렵지만, 이미 모노실란 수급은 상당히 경색되고 있는 것으로 보인다. 실제로 모노실란 제조업체인 REC는 06년 10월 모노실란 판매가격을 12% 인상한 바 있다.

모노실란은 특성상 반도체, LCD에서 Si 절연막 재료로서 필수 가스로 사용되기 때문에 공급 부족이 일어난다면 대란으로 번질 가능성도 크다. 따라서, 모노실란 제조업체의 수익성은 향후 고수익성이 유지될 것이고, 시장도 판매자 우위의 시장으로 굳어질 것으로 보인다.

4. [폴리실리콘] 일반적인 제조방법 - Siemens법과 Fluidized Bed법

반도체 혹은 태양전지용 폴리실리콘을 제조하기 위해서는 쿼츠나 모래 등으로부터 carbon을 분리해낸 금속급 실리콘을 만들어야 한다. 금속급 실리콘은 다시 추가적인 정제과정을 거쳐 태양전지급이나 반도체급으로 만들어진다. 금속급 폴리실리콘의 정제 방법으로는 크게 Siemens법, Fluidized Bed법, VLD 방식과 메탈급 실리콘을 직접 정제하는 방법 등이 있다.

가장 일반적으로 많이 사용되는 법은 Siemens법이다. Siemens법은 반응기안에 10mm 두께의 고순도 실리콘 로드(Rod, 막대기)가 흑연 전극과 전기적으로 연결되어 있다. 전류가 전극으로 흐르면 실리콘 로드가 1,100~1,200도 온도까지 가열되여 삼염화실란과 수소, 실리콘의 혼합체가 실리콘 로드에 증착되는 것이다. 증착이 이루어지고 나면 반응기를 폐쇄하고 실리콘 로드를 식힌 후 보다 작은 덩어리로 부수게 된다.

최근에는 Siemens 방식이 변형된 형태로 모노실란 가스를 이용하는 방식이 도입되고 있다. 종 모양의 반응기 속에서 진행되는 것은 삼염화실란 가스를 이용하는 방식과 유사하지만 증착 온도가 800도 정도로 낮아서 실리콘의 순도가 매우 높아질 수 있는 방식이다.

기존 Siemens법의 대안으로 Granular silicon 제조 방법(Fluidized Bed 공정)도 연구 중이

다. 작은 실리콘 알갱이를 가지고 있는 반응기 속으로 삼염화실란과 수소가스가 지나가면서 실리콘은 알갱이에 증착되는 방식인데 Siemens 방식처럼 폴리실리콘 덩어리를 만드는 대신 알갱이를 만드는 것이다. Wacker와 Hemlock사는 삼염화실란을 사용하고 REC는 모노실란을 사용하고 있다. Wacker에 따르면 삼염화실란법이 부산물이 적어서 짧은 시간동안 많은 양을 생산할 수 있어 더욱 효율적이다.

이 방식은 기존의 Siemens법이 한번에 한 묶음만 처리할 수 있는 Batch Type인데 비해 실리콘 알갱이를 연속 공정으로 생산할 수 있다. 이 경우 입자의 표면적이 넓어서 증착 속도가 빨라지고 필요한 에너지가 적으며 폴리실리콘 덩어리를 꺼내려고 멈추거나 덩어리를 자르는 과정이 필요 없어 계속적인 공정이 가능하다. 또 실리콘 덩어리를 부순 것보다 입자가 작아 도가니에 더욱 많은 양을 채울 수 있고 공정중에 실리콘 알갱이를 계속 넣을 수 있어 더 긴 결정을 성장할 수 있다. 이미 설비투자는 진행 중이나 아직 이 방식으로 양산에 성공한 사례는 없어 향후 폴리 실리콘 수급에 변수로 작용하고 있다.

대안적 제조방법 - 금속급에서 직접 추출, 액상 실리콘 제조방법

기존 Siemens법과 Fluidized Bed 법과 달리 금속급 실리콘에서 폴리실리콘을 제조하는 방법도 지속적으로 연구되고 있다. 연간 금속급 실리콘의 생산량은 1백만톤 정도로 폴리실리콘의 생산량이 36,000톤 정도인데 비해 양이 풍부하고 가격이 낮아 금속급을 활용할 경우 원가부담을 크게 낮출 수 있다.

금속급 자체를 정제하는 방법은 여러 업체에 의해 시도되었으나 아직까지 성공하지 못했다. 다만 노르웨이의 폴리실리콘 제조업체인 Elkem이 시생산 수준에서 5,000톤 정도를 생산한 바 있다.

가장 유력한 대안은 VLD(vapor to liquid deposition)법으로 금속 실리콘을 염산이나 수소와 반응시켜 삼염화실란이나 모노실란 Gas를 만든 뒤 Gas에서 직접 액체생태의 Si을 추출하는 것이다. 기존 방법보다 빠르고 고효율로 다결정 실리콘 제조가 가능한데 현재는 품질이 최대 과제인 상태이다. 도쿠야마에서 06년에 시도했으나 아직까지 수율에 문제가 있는 것으로 알려지고 있다.

태양전지용 시장규모는 실리콘 전체의 37% 수준(05년 기준)

웨이퍼 원재료인 폴리실리콘은 쿼츠나 샌드를 정제하여 만들어지며 순도에 따라 크게 반도체용과 태양전지용으로 나뉜다. 반도체용은 순도 99.99999999999%이고 태양전지용은

99.999999% 수준인데 순도가 높을수록 공정이 복잡하고 제조단가가 높아진다. 과거에는 반도체용을 사용하고 남은 부산물로 태양전지용을 만들었는데 태양전지용 비중이 증가하면서 태양전지에만 적용될 수 있는 폴리실리콘이 따로 만들어지고 있다.

05년 기준 폴리실리콘 생산량은 연 29,100톤 규모인데 이중 태양전지용은 29%로 8,500톤이 생산된다. 05년 태양전지용 폴리실리콘의 총 소요량은 16,500톤인데 나머지 부분은 재고와 반도체용 실리콘 제조과정에서 나온 스크랩 등 부산물로 채워지고 있다. 폴리실리콘 생산량 중 태양전지용의 비중은 2005년 29% 수준에서 2007년 40%, 2010년 69% 수준까지 상승할 것으로 예상된다.

전형적인 과점 체제

태양전지용 폴리실리콘 산업은 전형적인 과점 체제로 상위 3개 업체가 전체 시장의 80% 이상을 공급하고 있다. 05년 기준 태양전지용 폴리실리콘 점유율 1위는 미국의 Hemlock 반도체(점유율 33%)이고 그 뒤를 REC 그룹(28%), Wacker 폴리실리콘(21%), 도쿠야마(13%) 등이 잇고 있다.

폴리실리콘 산업이 과점 체제를 띄는 이유는 설비투자비가 많이 투여되는 자본집약적 산업이고 기술적 진입장벽이 높기 때문으로 판단된다. 여기에 과거 반도체 경기둔화시 잉여 설비투자로 곤혹을 치웠던 폴리실리콘 업체들이 설비투자에 보수적인 경향을 보이고 있어 5년 이상의 장기 공급계약이 맺어진 경우에만 이를 기반으로 설비투자를 하는 등 공급자 위주 산업의 특성을 보이고 있다.

수급 현황 - 공급부족으로 가격 급등, 생산 차질

최근 태양전지용 폴리실리콘 수요가 급증한 데 반해 폴리실리콘 업체들의 설비투자가 이에 따라가지 못하면서 05년부터 폴리실리콘 공급부족 현상이 나타나고 있다. 폴리실리콘 가격은 04년 Kg당 20달러에서 06년 55달러로 3배 가까이 상승했고 중간유통상이 거래하는 현물가격의 경우 최근 kg당 300달러까지 치솟았다고 전해지고 있다.

실리콘 가격 인상으로 태양전지 모듈 가격이 상승해 2004년을 바닥으로 상승하는 모습을 보였다. 안정적인 실리콘 물량을 확보하지 못한 기업의 경우, 낮은 가동률로 인한 실적 악화로 고전을 면치 못하고 있어, 산업 내 구조조정 가능성도 커지고 있다. 일례로 최근 Shell Solar는 실리콘을 확보하지 못하게 되자 SolarWorld에 사업을 매각한 바 있다.

샤프의 태양전지 모듈 부문을 살펴보면 지난 4분기에 폴리실리콘 수급문제로 매출이 감소했다고 밝히고 있다. 원재료 가격상승으로 최근 모듈가격도 오름세를 보이고 있어 상당한 부담으로 작용하고 있다.

공급부족 지속 전망

현재 실리콘 공정을 보면 투입되는 폴리실리콘 중 5-10%는 도가니에 남고 5-20%는 잉곳에서 보다 작은 덩어리인 Block으로 자르는 과정에서 손실이 된다. 그리고 가장 큰 손실은 Block을 와이어로 자르는 단계에서 손실되는데 약 45~55%에 이른다. 즉 32-54%의 실리콘만 실리콘 웨이퍼 상에 남게 되는 것이다.

이러한 손실분을 고려할 때 태양전지의 폴리실리콘 수요량은 2005년 평균적으로 1와트당 12그람 수준이었다. 효율 향상과 재료비 절감 공정의 개발로 07년 초 현재는 와트당 10그람 수준으로 추정하고 있다.

신규업체의 진입 시점에 대해서는 일반적 실리콘 공장은 의사결정에서 양산개시까지 평균적으로 30개월이 소요된다. 이중 공장 건설에 필요한 기간만 18개월이고 기본적으로 수율을 일정수준으로 끌어올리는데 상당한 시간이 소요된다. 그러나 공급부족으로 어려움을 겪고 있는 고객사들이 선수금 등을 지급하고 촉진하면 24개월로 줄일 수도 있다고 한다. 디자인, 기계반입, 건설 등이 순조로우면 최소 18개월까지 단축될 수 있다.

신기술을 이용할 경우 공장터까지 새로 준비해야 한다면 평균 3년의 기간이 소요되고 예정된 시간에 가동하지 못할 가능성도 있다. 기존의 공장터가 있어 증산한다면 24개월안에 가능할 수도 있다.

대우증권 리서치센터가 폴리실리콘의 공급과 수요에 대한 전망을 시뮬레이션해 본 결과 공급부족 현상은 지속될 것으로 전망하고 있다. 공급 부족 이슈에 대한 대우증권의 판단은 다음과 같다.

첫째, 많은 업체들이 기대했던 대로 07년 하반기 경에 공급 경색이 해소되리라는 기대는 기대에 그칠 가능성이 크다. 공급부족은 적어도 08년까지는 지속될 것으로 보인다.

둘째, 재고 형태의 공급 가능분이 소진되고 있어 앞으로의 공급 부족 상황은 폴리 실리콘 가격을 계속 끌어올릴 가능성이 크다.

셋째, 폴리실리콘 업체의 증산도 수요처가 장기공급으로 결정된 이후에야 나선다는 입장이어서 선발 업체의 펀더멘탈은 초과공급 상황이 오더라도 크게 악화되지 않을 가능성이 높다.

넷째, 선발 업체들이 준비하고 있는 신공법의 성공 가능성이 100%가 아닌 이상 공급 부족 이슈는 지금의 예상보다 더 나빠질 가능성이 높다. 신공법의 생산 Capa는 기존 공법보다 높을 수 있지만 도쿠야마의 경우처럼 신공법 공장이 수율 문제를 겪게 된다면 수급 상황을 더욱 악화시킬 가능성이 높다.

다섯째, 신규 공급 업체 중에서는 일부만 양산에 성공할 수 있을 것으로 판단한다. 많은 신규업체들이 시장에 뛰어들 준비를 하고 있지만 실제로 성공 가능성이 높다고 보여지는 업체는 그리 많지 않다.

도쿠야마 영업이익 연평균 56% 증가, 높은 밸류에이션 적용

주요 폴리실리콘 제조업체 중 상장된 유일한 순수 폴리실리콘 업체인 도쿠야마의 경우 실적이 빠르게 개선되는 모습을 보이고 있고 이에 따라 주가도 높은 밸류에이션을 부여 받고 있다.

05년 기준 태양전지용 폴리실리콘의 13%를 공급하고 있는 일본의 도쿠야마의 경우 03년~06년까지 매출액은 연평균 10%, 영업이익은 연평균 56% 증가하는 빠른 실적 성장세를 보였다. 애널리스트 전망치에 따르면 07년에도 영업이익이 전년대비 22% 증가하고 영업이익률은 2%p 개선될 것으로 예상된다.

빠른 실적개선으로 도쿠야마의 주가는 04년 1월 대비 428% 상승하였다. 07년 실적 기준 현재 도쿠야마의 주가 수준은 PER 26.1배, PBR 2.6배 수준이다. 다만 최근 신공법 라인의 수율이 좋지 않아 주가상의 탄력이 떨어진 측면이 있다.

5. [웨이퍼] 태양전지용 웨이퍼 시장은 전체의 22% 수준(06년기준)

06년 기준 태양광 발전량은 2GW 수준, 태양전지용 웨이퍼 시장은 2.5조원 규모로 조사되고 있다. 06년 반도체용 웨이퍼 시장규모는 약 9조원임을 고려할 때 태양전지용 실리콘 웨이퍼가 기존 반도체용의 28% 수준, 전체 웨이퍼시장의 22% 수준에 해당하는 시장을 신규 창출하고 있는 것이다.

태양전지용 웨이퍼시장은 2006년부터 2010년까지 연평균 29% 성장할 것으로 예상되어 같은 기간 반도체용의 연평균 성장률(9%)을 크게 상회할 것으로 기대된다. 2010년까지 태양광 발전이 연평균 40% 성장할 경우 태양광 발전량은 06년의 3.6배 수준인 7.2GW, 태양전지용 웨이퍼시장규모는 2.8배 수준인 7.0조원에 이를 것으로 전망되는데, 이는 2010년 반도체용 웨이퍼시장의 54%에 해당하는 규모이며 전체 웨이퍼 시장의 38%이다.

관련 업체 및 경쟁 상황

글로벌 7개사가 과점하는 구조

1999년 이후 실리콘 웨이퍼 제조업체의 점유율 추이를 살펴보면 전세계 웨이퍼 시장의 90% 이상을 공급하고 있는 글로벌 7개사가 시장을 과점하고 있는 양상을 보이고 있다. 이중 1위, 2위업체인 신에츠와 Sumco의 점유율은 상승하고 실트로닉스 등은 횡보하는 모습이다. 06년 기준 세계시장 점유율은 신에츠가 33%, Sumco가 29% 수준이고 한국의 실트론은 6% 수준을 확보하고 있다.

기존 업체의 높은 점유율 유지가 가능한 것은 실리콘 웨이퍼는 반도체 생산업체의 특성에 맞추어져 판매가 이루어지는 경향이 있어 반도체 업체와 웨이퍼 제작업체간 상호 독점력을 갖고 있는 산업이다. 반도체업체들은 실리콘 웨이퍼의 안정적 공급과 회사의 기술 보호 차원에서 실리콘 웨이퍼 회사의 지분을 소유하거나 장기 공급계약을 체결하고 있다.

태양전지급 웨이퍼는 기술적 진입장벽이 반도체급에 비해 낮기 때문에 이를 전문으로 하는 잉곳, 웨이퍼업체가 나타나고 있다.

관련 업체 및 경쟁 상황

기술 진전에 따라 과점화가 심화되는 양상

반도체 공정이 복잡해지고 미세공정으로 진행될수록 요구되는 웨이퍼 특성도 까다로워 지고

진입장벽도 높아지고 있다.

MEMC의 자료에 따르면 1990년 이후 웨이퍼 특성을 보면 새로운 물질의 도입, 새로운 디바이스 구조의 출현, 200mm에서 300mm로의 크기 변화 등으로 인해 요구되는 특성의 숫자는 1990년 1200개 수준에서 2010년에는 2600개까지 증가할 것으로 예상하고 있다.

이에 따라 웨이퍼 제조업체의 수도 1990년 20개 이상에 달했으나 2005년에는 7~8개 수준으로 줄어들었고 2010년에는 4~5개 정도까지 줄어들어 과점화가 더욱 심화될 것으로 예상되고 있다.

관련 업체 실적 빠른 개선세 시현

태양전지용 웨이퍼 시장의 신규 창출로 전반적인 웨이퍼 시장 규모가 증가하면서 웨이퍼 제조업체들의 실적이 빠른 개선을 보이고 있다.

국내 반도체용 웨이퍼 전문업체인 실트론은 2003년 5% 수준까지 떨어졌던 영업이익률이

2006년 17% 수준까지 급상승하였다. 2003년~2006년까지 매출액은 연평균 23%, 영업이익은 87% 증가하는 모습을 보였다. 특히 06년 매출액은 전년대비 38% 성장한 5,905억원, 영업 이익은 146% 증가한 1,002억원을 기록해 큰 폭의 성장을 보였다.

세계 2위의 웨이퍼 제조업체인 Sumco도 03년 4% 수준의 영업이익률이 06년 26%까지 개선될 것으로 예상되고 있다. Thomson I/B/E/S의 애널리스트 예상치에 의하면 Sumco의 매출액은 06년 전년대비 45% 증가한데 이어 2007년에도 전년대비 47% 증가해 급속한 매출 성장이 기대되고 있으며 영업이익률도 사상 최고 수준인 26% 수준이 유지될 것으로 전망되고 있다.

주가 및 밸류에이션

높은 실적 전망치를 반영하여 웨이퍼 전문업체는 높은 밸류에이션을 보이고 있다. Sumco는

07년 기준 PER 18.8배, PBR 3.6배의 밸류에이션을 부여받고 있고 JFE Steel도 PER 12.5

배, PBR 2.5배의 밸류에이션을 부여 받고 있다.

주가도 빠르게 상승하여 Sumco는 05년 11월 대비 2.5배 상승하였고 대만의 웨이퍼 업체인 Sino Amerian Silicon Product의 경우 04년 1월 대비 15.4배 상승하는 모습을 보이기도 하였다.

6. 웨이퍼 공정 재료, 부품

태양전지용 웨이퍼 제조공정에 들어가는 재료, 부품은 단결정 실리콘 웨이퍼 태양전지에 사용되는 단결정 성장장치용 부품과 모든 단결정과 다결정에 모두 적용되는 절단 및 연마와 관련된 장비, 부품이 있다.

단결정 성장에 적용되는 부품은 크게 단결정 성장시키는 로(爐)와 초크랄스키법으로 단결정을 성장시키는 공정의 부품으로 사용되는 고순도 흑연 등이 있다. 로는 일본의 Ferrotec이, 흑연 부품은 일본의 Toyo Tanso, SGL Carbon이 있다. 국내 관련업체로는 티씨케이[064760/매수]가 국내 시장을 65% 점유하고 있다.

절단 및 연마 관련 부품으로는 연마재인 슬러리, 웨이퍼 절단장비인 와이어 쏘 등이 있다. 주로 Yushiro Chemical Industry, Fujimi Incorporated, Nippei Toyama, Toyo Advanced

Technologies 등 일본업체가 공급하고 있다.

7. [PN 접합과 전극 형성] 공정 장비 부품 재료

PN 접합 및 전극형성에 적용되는 장비, 부품으로는 반사방지막 형성용 CVD, 전극형성에 사용되는 은 페이스트, 검사 장비와 전체 일괄 생산 공정을 생산하는 Turn Key 장비 제조업체가 있다. 태양전지 제조공정은 기본적으로 반도체 공정이지만 회로가 없어 에칭, 포토 등 장비는 필요하지 않고 막을 증착시키는 CVD, 스퍼터 장비 등이 활용된다. 최근에는 전체 공정을 한번에 할 수 있는 Turn key 형태로 매출하는 비중이 증가하고 있다.

반사방지막 형성용 CVD 장비는 일본의 Shimazu가 일본 시장의 100%를 점유해 가장 높은

점유율을 확보하고 있고 최근 Applied materials에서 인수한 Applied film이 세계시장에서

20%를 점유하고 있다. 은페이스트는 글로벌 전자재료업체인 듀폰이 생산하고 있고 Turn key 장비는 미국의 Spire Corporation, GT Solar 등에서 생산하고 있다. 국내 기업으로는 아이피에스가 일본 교세라 등에 증착장비를 일부 납품하고 있다.

8. [박막형] 실리콘 태양전지 서플라이 체인

박막형 실리콘 태양전지의 제조방법에는 크게 In Line 제조공정과 Roll to Roll 제조공정이 있다. 두 공정 모두 PE CVD 장비가 주 장비로 사용되고 전극 형성용 스퍼터 장비, 스크린 프린팅 장비, 레이저 스크라이버와 전지 및 모듈 특성 분석 장비 등이 적용된다. 박막형 태양전지용 장비도 일반적으로 Turn Key 형식으로 납품되는 비중이 높다.

PE CVD 장비업체로는 AKT, ULVAC, 미츠비시 중공업,이시카와지마하리마 중공업 등이 있다. 국내 기업으로는 주성엔지니어링이 한국철강으로부터 300억원 규모의 Turn Key 장비를 납품한 바 있고 Turn Key 장비 중 스퍼터는 LCD 장비업체인 아바코가 주성엔지니어링에 납품하였다.

박막형 실리콘 태양전지는 대면적이고 막을 증착하는 점에서 LCD 제조공정과 유사해 LCD

장비의 응용이 가능한 것으로 알려져 있다.

9. [전지] Bulk형 제조업체 - 독보적인 성장성을 고려한 밸류에이션 적용 중

2005년 태양전지 업체별 점유율을 보면 일본의 샤프가 33%로 1위를 차지하고 있고 일본의 교세라, 산요, 미츠비시 전기가 각각 3,4,5위로 일본업체의 점유율이 60%에 달하고 있다.

독일의 Q-Cells는 2002년 세계시장 점유율 2% 수준에서 2005년 12% 수준으로 빠르게 점유율이 확대되어 왔고 중국의 Suntech, 대만의 Motech 등 후발업체들의 점유율이 확대되는 경향을 보이고 있다.

독일은 Q-Cells은 2002년 설립이후 2006년 매출액이 2002년대비 31배, 영업이익은 1990배 증가하는 괄목할 성장을 거두었다. Thomsom IBES의 예상에 따르면 Q-Cells은 07년, 08년에도 매출액이 각각 34%, 42% 급성장을 이룰 것으로 기대되고 있다.

높은 성장에 대한 프리미엄으로 Q-Cells 등 태양전지 전용업체의 주가는 07년 실적대비 PER 31~89배, PBR 2.4~9.1배의 밸류에이션을 부여 받고 있다.

10. [전지] 박막형 제조업체 - 성장 잠재력 기대감에 주가 상승 중

박막형은 샤프 등 기존 전지업체와 더불어 신규 진입업체들이 적극적으로 검토하고 있다. 아직까지 시장형성의 초기 단계로 연구개발이 진행 중이라는 점에서 정확한 수익예상은 어렵지만 최근 미국 등 선진시장에 진출한 박막형 업체들 중 일부는 높은 가격에 IPO에 성공해 주가가 꾸준히 오르는 사례도 나타나고 있다.

11. 모듈 제조공정용 장비, 부품

모듈 제조공정에 적용되는 장비 및 부품으로는 전지와 전지를 연결하는 리드프레임, 후면 전극을 부착하는 와이어링 장비(일본, 시바우라 메카트로닉스 공급), 실링재인 EVA(일본의 미츠이 케미칼 Fabro, 브릿지 스톤), 솔라셀 와이어링 기기(일본, onamba, Tyco International), 인버터 (일본의 Isansha Electric, Omron, Magnetek, 미국의 Beacon Power) 등이 있다.

12. 국내 서플라이 체인

2006년 국내 태양전지 시장은 전년대비 100% 가량 성장한 1,000억원 규모로 추산된다. 정부가 2012년까지 태양광 주택 10만가구 보급 목표를 잡고 관련 예산을 2007년 전년대비 200% 증액한 490억원을 지원할 계획이고 일반 주택 외에 아파트 등 공공주택에도 태양광 주택 시범 설치가 시작될 예정이다. 태양광 주택 외에 1MW 급 태양광 발전소 프로젝트와 공공건물 의무화 규정에 따른 공공 시장도 성장 추세에 있다.

국내 대기업들도 2007년부터 본격적인 설비 구축을 선언하는 등 행보가 빨라지고 있다. 86년부터 태양광 발전사업을 시작한 LS산전도 올 매출 150억원대 예상하고 있다. 지난 4월 경동도시가스 등이 출자해 만든 경동솔라는 연간 10MW 규모의 태양광 모듈 생산라인 구축할 계획이다.

2005년 태양전지 모듈 사업에 진출한 현대중공업도 06년 7월 태양광 모듈 생산라인을 구축했다. 07년 매출액은 300억원 정도를 예상하고 있고 이중 절반은 독일, 스페인 등으로의 수출할 예정이다. 현대중공업은 2006년 300억원을 투자해 충북 음성 소이공단에 30MW규모의 태양전지 공장을 완공할 계획이다.

중소업체 중에서도 네트워크장비업체 미리넷의 계열사인 미리넷솔라가 독일 태양전지 제조장비업체 슈밋과 제휴와 제휴하여 태양전지 생산에 진출하였고 KPE도 태양전지 라인을 2007년중 2배로 확대할 계획이다.

실리콘 Bulk형이 아닌 박막형 태양전지 투자도 시작되고 있다. 한국철강은 2007년 초 반도체ㆍLCD 장비업체인 주성엔지니어링에 311억원 상당의 박막 태양전지 양산장비를 발주하면서 국내 업체 가운데 처음으로 박막형 태양전지 시장 진출을 선언하였다. 한국철강은 2007년 연말까지 공장을 완공해 2008년부터 5세대 LCD 기판 크기의 태양전지를 생산할 계획이다. LG전자도 박막형 태양전지 투자를 검토 중인 것으로 알려졌다.

설치 업체로는 비상장인 에스-에너지 등이 있다. 삼성전자의 태양전지 사업부가 분사해 만들어진 에스-에너지는 06년 전년대비 약 150% 증가한 250억원의 매출을 달성하였다. 이외에 정부로부터 허가받은 태양광 주택 시공 전문업체로 썬웨어, 케이피브이, 비제이 P&S 등 다수 업체가 있다. 또 창호업체로 이건창호도 독일업체와의 기술 제휴를 통해 태양전지를 활용한 BIPV 시스템 진출을 선언하였다.

폴리실리콘 및 폴리실리콘 잉곳 부문에서는 동양제철화학이 미국 선파워, 중국 창저우 트리나솔라에너지 등과의 장기계약을 기반으로 2008년에 군산산업단지에 연산 3,000톤 규모의 다결정 실리콘 공장을 완공할 예정이다.

웅진코웨이는 미국 선파워와 합작으로 웅진에너지를 설립해 선파워에 대한 장기계약 조건으로 2007년 3분기부터 대덕테크노밸리 공장에서 태양전지용 실리콘 잉곳 양산에 들어간다. 스마트에이스, 퓨처비젼 등도 고려 중이다.

소디프신소재는 박막형 실리콘의 증착재료이자 폴리실리콘 제조공정에 이용되는 모노실란을

국내 업체 최초로 양산하여 판매할 것으로 예상된다.

웨이퍼업체 중에서는 실트론이 장기적으로 태양전지용 웨이퍼 시장 진출을 고려중인 것으로 알려지고 있고, 비상장업체인 렉서는 국내 최초로 3결정 실리콘 잉곳을 개발하였다. 솔믹스는 태양전지용보다 순도가 높은 반도체 부품용 실리콘 잉곳을 자체 생산하고 있고 에이치앤티는 고순도 천연 실리콘 원재료 광산에 투자하고 있다. 웨이퍼 제조공정용 부품업체로 티씨케이도 있다.

VII. 리스크요인

향후 태양광 발전의 확산에 있어 가능한 리스크 요인은 다음과 같다.

첫째, 정책 리스크이다. 태양광 산업의 현재의 상황은 한마디로 자생력이 떨어지는 상황이다. 이를 중앙정부, 지방정부 등의 지원으로 보충하고 있는 것이다.

미국의 입장변화 등이 태양전지 산업에 강한 모멘텀으로 작용하고는 있으나 개발도상국 중 대체에너지에 비교적 호의적이었던 중국이 최근 온실가스 배출 규제에 대해 불쾌감을 드러내고 있다. 각 국의 정책이 대체에너지에 호의적이긴 하나 향후 정책 리스크를 갖고 있다는 점은 인식해야 한다.

둘째, 원자력 발전에 대한 인식 호전 가능성이다. 발전량 규모에서 본다면 전 세계 태양광 발전 규모는 원자력 발전소 2기 규모에 불과하다. 발전규모면에서 본다면 상대가 되지 않는 것이 원자력 발전이다. 향후 원자력 발전에 대한 인식이 호전된다면 대체에너지의 발전에 저해요인이 될 수 있다.

셋째, 대체 기술의 등장이다. 전력 발전의 대체 기술은 끊임없이 발전해 왔다. 대체에너지 중 주도권을 놓고서 대체 에너지간 주도권 다툼은 계속될 수 있다.

넷째, 유가의 하락이다. 고유가는 대체에너지의 기술 개발에 촉매 작용을 한 것이 사실이다. 유가 하락은 대체에너지의 리스크 요인이다.

VIII. 투자전략 및 Top Picks

1. 뜨겁게 태동하고 있는 신산업, 태양전지 산업을 바라보며

태양전지는 이제 시장의 뜨거운 관심을 받고 있으나, 국내에서는 상대적으로 덜 알려진 분야이다. 그 이유는 산업이 초창기에서 벗어나지 못하고 있고, 참여업체들마저도 이를 알리기를 꺼려하고, 공론화하지 않는 분위기에 묵시적으로 동참하였기 때문이라고 보고 있다.

태양전지의 현 수준은 한마디로 말해 자생력을 가지고 있지 못하다. 그러나, 중요한 사실은 산업이 가진 장기적인 잠재력을 지금 시장이 인정하고 있다는 것이다. 유수의 기업들이 몰려들어 이 산업에 뛰어들고 있다. 기존 관련업체들은 실적이 좋아지면서 주가가 크게 오르고 신기술이 속속 소개되고 있다.

2. 관련 기업들의 높은 주가 상승을 점치는 7가지 이유

태양전지 관련 기업들은 향후 높은 주가 상승이 가능할 것으로 보고 있다. 그 이유는 다음과 같다.

첫째, 에너지를 바라보는 시대의 패러다임이 바뀌고 있다. 특히 미국의 변화에 대해 주목하고 있다. 필자는 2007년 앨 고어의‘불편한 진실’을 보며 2003년‘버블붐’을 읽으며 느꼈던 감동 이상의 충격을 느꼈다. 지구 온난화에 관한 과학적 논란은 끝났다는 UN의 선언, 안보리 의제로 상정되며 안보의 문제로 확산된 기후 변화의 문제, 전세계 곳곳에서 일어나고 있는 기상 이변, 개발도상국의 급격한 산업화와 환경파괴, 이 모든 것들이 한 궤를 이루며 눈에 들어왔기 때문이다. 사실 부시 행정부 말기에 나타나고 있는 변화는 태양전지 산업의 최대의 모멘텀이 되고 있다.

둘째, 태양전지는 산업화 가능성이 가장 높은 대체에너지이다. 에너지에 관심을 가지고 있는 많은 기업들이 뛰어들고 있고, 연구력이 집중되고 있다. 다수의 참여는 기술 혁신을 가져올 것이며, 이를 통해 산업은 급성장할 수 있을 것이다. 우리는 이를 LCD 산업에서도 확인한 바 있다.

셋째, 태양전지 산업의 참여 업체가 제한적이며, 진입 장벽이 상당히 높다. 심한 사이클을 겪은 반도체 산업에서 살아남은 업체들이 태양전지라는 반도체, LCD에 이어 제3의 실리콘 어플리케이션으로 등장한 태양전지로 활황을 맞고 있기 때문이다. 이미 시장을 선점한 업체 및 장기간의 연구 성과가 축적되어 있는 업체들은 향후 태양전지로 고성장의 기틀을 마련한 것으로 보고 있다.

넷째, 주식시장에서 관련주로 꼽을 수 있는 업체의 수가 제한적이다. 이는 곧 진입 장벽이 높다는 의미와도 같다. 물론, 시스템/모듈업체는 빠른 수로 늘어나겠지만 부가가치의 핵심인 소재산업의 진출 업체는 시간이 지나도 손에 꼽을 수 있을 정도가 될 것이다.

실제로, 리포트를 작성하면서 많은 기업들을 만났지만 자신의 사업 내용을 기밀로 유지하고 있는 기업들이 많았다. 이는 역으로 투자자들에게는 많은 기회가 남아 있다는 것을 반증하는 것이나 다름 없다.

다섯째, 주가가 많이 오른 것 같이 보이는 업체들도 사실은 저평가된 밸류에이션을 장기간 받아온 업체들이 많다. 이는 반도체 산업의 사이클을 겪으면서 대부분 업체들의 기술은 성숙 단계에 이르렀고, 성장주로 자리매김하지 못했기 때문이다.

여섯째, 국내 산업은 초기 단계이나, 다행히 반도체, LCD로 인해 산업 인프라 수준은 높다고 평가된다. 전 세계적으로 빠르게 성장하는 태양전지 산업에서 한국이 성공할 수 있는 가능성이 높다. 이를 위해 중앙정부와 지방정부의 정책 지원도 활발해지고 있다.

일곱번째, 해외 선발 기업들의 주가는 2~3년전부터 이미 고공 행진을 지속하고 있다.

3. Top Picks는 소디프신소재, 티씨케이

태양전지 산업의 Top Picks는 소디프신소재와 티씨케이이다. 두 종목은 태양전지 산업의

Core Player이다.

소디프신소재[036490/매수]는 07년부터 폴리실리콘 제조공정에 소요되는 특수가스인 모노실란을 생산하고 있다. 모노실란은 폴리실리콘 제조과정에서 생성되는 부산물로 전 세계 2~4개업체만이 생산하는 전형적인 과점 시장이다. 향후 2~3년간 폴리실리콘의 공급부족이 지속될 것으로 예상되는 만큼, 모노실란 산업도 생산자 중심의 고부가가치 산업으로 자리잡아 갈 것으로 예상된다.

티씨케이[064760/매수]는 단결정 웨이퍼 성장장치의 부품인 고순도 흑연 부품을 생산하고 있다. 태양전지용 웨이퍼 수요 확대로 웨이퍼업체들의 증설이 발빠르게 진행되고 있고 08년에는 국내에서도 순수 태양전지용 잉곳/웨이퍼업체들이 생겨날 것으로 보인다. 동사는 국내시장에서 65%의 점유율을 확보하고 있고 동사의 제품이 수개월마다 교체해 주어야 하는 소모성 부품이라는 점에서 초기 시장 선점 및 교체시장 확대에 따른 수혜가 기대된다.

태양전지 산업은 소재 기업의 무대이다. 국내 태양전지 산업이 걸음마 단계에 있다 보니 관련기업에 대한 관심도 상대적으로 낮았다. 국내 시장에서도 태양전지 산업에 대한 관심은 빠르게 달구어지고 있다. 태양전지 산업의 Core Player로서 밸류에이션 프레미엄을 받을 가치는 충분 하다고 판단한다.

소디프신소재의 경우 최근 주가가 급히 상승하기는 하였으나, 현재 주가는 이미 검증된 NF3의 가치가 재인식된 수준의 밸류에이션에 불과하다. 태양전지 관련주로서 동사의 주가 상승은 이제 시작 단계에 있을 뿐이다.

전세계 폴리실리콘 및 웨이퍼 제조업체의 밸류에이션은 07년 실적기준 PER 20~46배, PBR 3~8배에 이르고 있다. 티씨케이의 경쟁사이자 유사한 제품믹스를 가지고 있는 Toyo Tanso는 PER 43배, PBR 5배에 이르고 있다.

전 세계 주요 관련 대기업의 밸류에이션을 직접 비교하기는 어렵지만, 이들 업체의 주가는 분명 저평가되어 있다. 규모가 작은 전 세계 신흥 기업의 주가는 이미 밸류에이션을 무시하고 움직이고 있는 게 현실이다.