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태양광은 미래 에너지원으로 지속 가능한 녹색 성장을 위한 신성장 동력 산업이다. 태양전지(모듈) 시장은 그리드 패러티Grid Parity 조기 달성에 대한 기대와 각국 정부의 태양광 보급 확대 정책에 따라 급성장하고 있다. 태양전지 시장의 약 80%를 결정질 실리콘 태양전지가 점유하는 가운데 박막 태양전지 점유율도 꾸준하게 증가하는 추세다. 염료 감응, 유기, 집광형 태양전지 기술은 저가低價와 고효율화를 바탕으로 한 태양광 응용 분야 확대에 따라 신시장 대응 기술로 떠오르고 있다. 태양광 시장은 기존 대용량 발전의 유틸리티Utility 중심에서 벗어나 가정용과 상업용 건축물에 적용하는 BIPV(Building Integrated Photovoltaic) 형태로 성장할 것으로 보인다. 한편, 유럽의 재정 위기, 각국 정부의 보조금 삭감 또는 폐지, 공급 과잉 등으로 말미암은 출혈 경쟁으로 태양광 산업은 고전을 면치 못할 전망이다.
 
인천광역시 청사 지붕에 설치한 태양광 발전 설비(左)와
수도권 최대 민자 유치 태양광 발전소(右)
태양광 발전은 에너지 · 환경 문제 해결과 새로운 산업을 창출할 수 있는 분야로 각국 정부의 정책 지원을 바탕으로 급성장해 왔다. 각국의 신재생에너지 보급과 초기 시장 창출을 위한 대표적인 정책은 신재생에너지로 생산한 전기를 15∼20년간 일정한 기준 가격으로 정부에서 구매하는 발전 차액 지원제(FIT : Feed In Tariff)와 발전 사업자에게 에너지의 일정 비율을 신재생에너지로 공급 · 판매하도록 강제하는 의무 할당제(RPS : Renewable Portfolio Standard)다. FIT는 독일, 덴마크, 스페인 등 유럽에서 주로 운용하며, RPS는 영국, 호주, 일본 등에서 시행한다. 우리나라는 FIT를 운용하다 올해부터 RPS로 전환했다.
태양광 산업은 전 · 후방 산업 간 연관 효과가 높아 시장 창출 효과가 크다. 폴리실리콘 · 유리 · 금속 등의 소재, 부품 · 전지/모듈 · 시스템 · 설치 산업 및 제조 장비에 이르는 서플라이 체인Supply Chain에 대한 연관 효과가 매우 큰 산업이다. 수직계열화 또는 산업별 유기적 협력을 통해 경쟁력 강화를 추구하는 이유다. 원재료부터 모듈까지 공정은 설비 투자가 크지만 부가가치가 높다. 반면, 설치 시공 부분 비용은 모듈, 인버터, 자재, 구조물 비용이 70∼80%를 차지하는 등 재료비 비중이 높아 수익성이 상대적으로 낮다.
 태양광 전략 로드맵
우리나라는 '그린에너지 산업 발전 전략'에서 "그린에너지 분야에 대한 선택과 집중으로 선진국과 기술 격차를 조기에 줄이고, R&D부터 수출 산업화까지 전주기적 지원 체계를 구축해 글로벌 그린에너지 강국을 실현하겠다"라고 밝혔다. 주요 내용은 2030년까지 신재생에너지 보급률 11% 달성, 시장성 · 기술성 · 시급성 등을 고려해 성장 동력화가 필요한 9대 분야를 선정해 중점 육성, 9대 중점 기술 중 태양광은 조기 성장 동력화 기술에 포함 등이다.
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또한, '신재생에너지 발전 전략'에서 2015년까지 세계 5대 신재생에너지 강국으로 도약하기 위해 민 · 관 합동으로 향후 5년간 총 40조 원을 투자하기로 했다. 태양광을 제2의 반도체 산업으로 육성해 2015년 세계 시장 점유율 15%를 달성하는 것이 목표다. 기술수준, 시장성, 수출산업화 등을 고려해 세계 시장 선도 10대 핵심 원천 기술 개발에 2015년까지 1.5조 원을 집중 투자하기로 했다. 태양광은 차세대 태양전지(박막, 염료 감응, 나노 유기) 개발과 실리콘계 태양 전지 고효율화, 초저가화를 목표로 한다.
정부는 2008년 이후 FIT 예산이 급증하자 연도별 발전 차액 한계 용량을 설정했다가 올해부터 RPS로 전환했다. '신재생에너지 산업 발전 전략'에 따라 지붕형, 벽면 등 건축물을 활용한 태양광 설치에 대해 RPS 인증서 가중치(1.5)를 부여하고 있다. 또한, 태양광 발전에 별도 의무량을 배정하는 것을 검토해 2012∼2016년까지 태양광을 1.2GW 할당했다.
한국에너지기술평가원에서 발간한《그린에너지 전략 로드맵 2011-태양광》을 보면, 우리나라 태양광 발전 설치량은 2008년 278㎿로 세계 시장의 5%를 점유했으나, FIT 축소로 2009년 170㎿로 감소해 세계 시장 점유율도 2.8%로 하락했다. 정부의 녹색 성장 정책과 맞물려 태양광 시장 규모는 증가세를 회복하겠지만, 당분간 정부 의존형 시장 구조에 머물 것으로 보인다.
 한편, 우리나라 태양광 업체의 국내 시장 점유율은 2009년 기준 29%에 불과하며 중국이 53%, 일본이 12%를 차지한다. 모듈 사용 비중을 보면 상업용은 중국산이 52.5%를, 가정용은 중국산이 28.5%를 차지한다. 중국산 제품 사용률이 높은 것은 태양전지의 저가 공세 때문이다. 우리나라는 생산 용량 대비 시장 규모가 작기에 국내 기업의 수출은 매년 증가하는 추세다.
태양광 관련 업체의 현주소
우리나라 태양전지 산업은 후발 주자로 기술과 가격 경쟁력에서 뒤처지고, 규모의 경제 달성에 어려움을 겪는 실정이다. 결정질 실리콘 태양전지를 중심으로 산업 규모를 증대했지만, 글로벌 경쟁력은 취약한 편이다. 박막 태양전지 중에서 실리콘 박막태양전지 일부를 상용화했을 뿐이다.
현재 정부의 재정적 지원을 바탕으로 태양전지 고효율화, 저가화, 소재 · 제조 장비 국산화를 위한 기술 개발이 산학연을 통해 이뤄지고 있다. 결정질 · 실리콘 박막 BIPV 모듈에 대한 생산 · 제조 설비를 보유하며, CIGS나 염료 감응 기반 BIPV 모듈에 대한 제품화 연구 개발을 진행하고 있다.
삼성전자 태양전지 생산라인(左)과 샤프의 에코에너지 태양광 발전소(右)
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세계적으로 시장 선점을 위한 기술과 가격 경쟁은 갈수록 치열하다. 규모의 경제를 통한 원가 경쟁으로 전 세계적으로 설비 투자가 지속적으로 늘어나며, 공급 과잉 상황도 당분간 지속될 전망이다. 우리나라는 태양전지 가격 하락 대비 수익성 확보를 위한 고효율화, 저가화 기술뿐만 아니라 관련 소재, 제조 장비 국산화가 미흡하다. BIPV 모듈은 <건축법>상 건자재 요구 성능에 대한 이해와 외벽 건자재(창호, 커튼월 등)로써 한계(크기, 디자인 등) 극복이 필요하다.
차세대 동력원, 염료 감응 태양전지
식물의 광합성 원리를 응용한 신개념 염료가 주목받고 있다. 섬유에 색깔을 내는 염색 산업에 주로 이용해 온 염료가 최근 태양전지, 편광 필름, 컬러 필터, 잉크, 토너 등과 같은 고부가가치 소재 산업으로 그 영역을 확대했다. 대표적인 예가 염료감응 태양전지다. 현재 염료 감응 태양전지는 상용화한 폴리실리콘 기반 태양전지에 비해 제조비를 최대 5분의 1 수준으로 낮출 수 있으며, 에너지 변환 효율을 확보한다면 태양광 산업의 새로운 전환점이 될 것이다.
 염료 감응 태양전지는 광합성 원리를 응용한 것이다. 우리가 아는 광합성은 엽록소가 빛을 흡수해 대사에 필요한 화학 에너지를 만드는 반면, 염료 감응 태양전지는 태양빛을 흡수한 염료가 산화 환원 반응에 의해 전자 흐름을 만들어 최종적으로 생활에 필요한 전기 에너지를 만드는 것이다. 염료 감응 태양전지에 사용하는 염료로 금속 착제 염료와 비금속 유기 염료 등이 있으며, 에너지 변환 효율은 이 염료에 좌우된다.
특허청에 따르면, 염료 감응 태양전지용 염료에 관한 출원은 2002년부터 2010년까지 총 98건으로, 꾸준히 증가했다. 내국인 출원이 다수를 차지하며, 주요 출원인으로 동진쎄미켐, 고려대산학협력단, 엘지디스플레이순이다.
이와 같은 출원의 지속적인 증가는 정부의 녹색 성장 정책과 산업계의 활발한 연구 개발에 기인한 것으로 보인다. 출원 내용을 보면, 염료의 화학 구조를 개선해 에너지 변환 효율과 내구성을 향상하는 연구가 중점적으로 이뤄지는 것으로 분석됐다.
현재 염료를 이용한 태양전지 분야는 기술 표준이 정립되지 않고, 원천 기술에 대한 진입 장벽이 낮으므로 새로운 녹색 산업의한 축으로 적극 추진할 만하다. 특히, 우리나라가 섬유 염색 산업에 많은 강점을 지니기에, 그동안 확보한 염료 기술에 대한 노하우를 바탕으로 에너지 변환 효율이 좋은 염료를 적극 개발하고, 핵심 특허를 미리 선점하면 머지않아 우리 기업이 염료 감응 태양전지 시장의 새로운 강자로 군림할 것으로 보인다.
 KERI, 투명 염료 감응형 태양전지
한국전기연구원(KERI) 재료응용연구본부 이동윤 박사팀이 2010년에 개발한 백금을 사용하지 않은 투명 염료 감응 태양전지 기술. 염료 감응 태양전지는 식물의 광합성 작용을 모방해 태양빛을 에너지로 변환하는 태양전지의 일종이다. 기존 실리콘 태양전지에 비해 적은 빛으로도 고효율의 에너지 변환이 가능하고, 비싼 반도체 소재(Si, 화합물 반도체) 혹은 독성 물질(카드뮴 등)을 포함하지 않는다. 특히 사물을 구별할 수 있는 반투명한 상태로 제조할 수 있기에 건물 창문 등에 부착하는 건물 일체형 태양전지(BIPV)로 각광 받는다.
염료 감응 태양전지는 작동 전극(Working Electrode), 전해질(Electrolyte), 상대 전극(Counter Electrode)으로 구성된다. 상대전극으로 주로 사용하는 백금은 전기 화학 분야(연료전지 등)에서도 폭넓게 사용하나, 가격이 비싸고 지구상에 잔존하는 양에 한계가 있어 이를 다른 재료로 대체하려는 연구가 계속되고 있다. 염료 감응 태양전지에서도 백금을 탄소 나노튜브(CNT)로 대체하는 기술을 개발한 바 있지만, 기존 탄소 나노튜브를 이용한 태양전지는 창문형 태양전지 등에 꼭 필요한 투명한 상대 전극을 제조할 수 없어 다양한 응용에 한계가 있었다. 이 박사팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 탄소 나노튜브를 마이크로미터 수준의 작은 공 모양으로 뭉쳐 기판에 도포함으로써, 투명하면서도 백금과 비슷한 수준의 효율을 얻을 수 있는 기술을 개발하는 데 성공한 것이다.
이동윤 박사는 개발 당시 "기술 개발은 얇아야 투명하다는 고정 관념을 깨고, 탄소 나노튜브를 마이크로 볼로 뭉쳐 그 사이로 빛을 통과시키는 발상 전환으로 가능했다"면서, " 기존 탄소나노튜브 상대 전극이 갖는 가장 큰 단점을 극복함으로써 실질적으로 백금을 대체할 수 있는 가능성을 극대화했다"라고 설명했다. |
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태양광 산업 전략 방향
《그린에너지 전략 로드맵 2011-태양광》을 보면, 먼저 시장 주도 기술인 결정질 실리콘 태양전지와 단기적으로 시장 확대가 예상되는 박막 태양전지(실리콘 박막, CIGS), BIPV 모듈 산업에 집중 투자하는 것이다. 이를 위해 독자적인 핵심 원천 기술과 소재 · 부품 · 장비 기술 개발에 주력해 선진국과 기술 격차를 해소해 기술 우위를 선점하고, 유럽과 미국 등을 중심으로 급격한 수요 증가가 예상되는 BIPV 모듈에 대한 기술 개발 및 시장 창출 지원을 통해 세계 시장을 조기에 선점하기로 했다.
또한 장기적으로 저가화 · 고효율화가 가능한 차세대 태양전지(염료 감응, 유기, 집광형)의 기술 개발 및 상용화에 전략적으로 투자(추격형에서 선도형으로 전환)하는 것이다. 염료 감응, 유기, 집광형 태양전지는 대규모 발전용보다 가정 및 상업용 건물 적용, 휴대용, 군사용 전원 기기 등의 다양한 응용 분야에서 차별화된 시장을 창출하기로 했다. 특히, 집광형 태양전지는 조립, 부품 산업 특성을 지니기에 중소 · 중견 기업 위주로 산업을 육성한다는 방침이다.
<Energy News>
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