2011 녹색기술 지식 맵(총괄본)

 

 

2011 녹색기술 지식 맵(총괄본).vol1.egg

2011 녹색기술 지식 맵(총괄본).vol2.egg

 

 

발간사

 

최근의 어려운 경제 상황 속에서도 미국, 일본, 유럽의 선진 국가들은 그린 에너지 확보와 저탄소 녹색성장의 주도권을 잡기 위해 치열하게 경쟁하고 있습니다.

유럽 기업들은 탄소 감축을 성장 저해요인이 아니라 새로운 기회로 생각하고 있습니다.

유럽의 자동차 기업들이 탄소 배출량이 거의 없는 전기자동차 개발에 나서고 있고, 전자·철강·조선·항공 부문 대기업들은 탄소 감축 사업모델에 대한 투자를 과감하게 진행하고 있습니다. 한국 정부도 신재생에너지 연구개발비 규모를 2015년까지 2011년 대비 2배 수준으로 확대할 계획입니다.

본 지식맵 보고서는 주요 녹색기술 분야에 대한 종합적 조망을 위하여 산업시장 전망과 국제기술수준을 특허정보 기반으로 검토하고, 국내 분야별 전문가들의 견해를 반영하여 기술협력 관계와 핵심연구 분야 등 산업정보와 기술정보간의 연관성을 지식맵으로 작성하였습니다.

산업시장 전망은 선진국의 시장선도를 위한 노력과 이를 실현하기 위한 기술개발 활동을 정치적, 경제적, 사회적, 기술적 관점에서 살펴보았습니다. 기술동향은 한국, 미국, 일본, 유럽, 국제 특허를 이용하여 연구개발 동향을 점검하고, 국가별 기술수준을 비교 검토하였습니다. 분야별 전문가의 심층인터뷰를 통해 산업과 기술에 대한 포괄적 지식과 산업발전 전망에 대한 견해를 반영하였습니다.

녹색기술 분야에서 중소기업이 향후 수익창출을 위해 유리한 위치를 점유할 수 있는 분야와 사업 아이템 도출을 지원하기 위해 지식맵을 작성하였습니다. 다양한 지식들간의 연관성을 고려하고, 산업 전문가와 정보분석 전문가들의 노력을 집적화하여 새로운 녹색성장 기회를 포착하고 국가연구개발 정책과 기업의 연구개발 방향을 설정하는데 도움을 주고자 노력하였습니다.

끝으로 본 보고서는 연구원들이 공동집필한 것으로 집필진의 노고에 깊이 감사드리며, 본 보고서에 수록된 내용은 연구자 개인의 의견으로서 한국과학기술정보연구원의 공식의견이 아님을 밝혀두고자 합니다.

2011년 11월

한국과학기술정보연구원 원장 박 영 서

 

 

목차

 

Ⅰ. 녹색기술 지식맵 개요

Ⅱ. 5개 분야 종합

Ⅲ. 그린카

Ⅳ. 대체수자원

Ⅴ. 그린 IT

Ⅵ. 이차전지

Ⅶ. 태양전지

● 주요 국가명 약어

● 참고문헌

 

 

Source : gtnet

 

LED 백색 조명 B2C 시장 진입을 눈앞에 두고 전환기를 맞는 국내시장ㆍ

 

LED 백색 조명

 

B2C 시장 진입을 눈앞에 두고 전환기를 맞는 국내시장

 

 

LED 백색조명은 수명이 길고 에너지 절감 효과가 뛰어난 친환경조명

 

LED(Light Emitting Diode) 백색조명(이하, LED조명)은 전기를 공급하면 특정 파장의 빛을 내는 LED를 이용하여 백색광을 구현하고 이를 조명에 적용한 제품을 말한다. 현재는 백색광을 구현하기 위하여 청·녹·적색 LED를 혼합 배열하는 방식 보다는 청색 LED에 황색 형광체를 혼합하여 제조한 백색 LED를 이용하는 방식이 주로 활용되고 있는데 이는 제조 단가가 저렴하고 광효율이 높으며 광특성 제어가 용이하기 때문이다. LED조명은 에피 성장 공정, 칩 생산 공정, 패키징 공정 등의 반도체 공정과 광원 모듈 제작 공정, 조명기구 및 시스템 제작 공정 등의 조명 생산 공정을 통해 제조된다.

 

LED조명은 기존의 조명에 비해 수명이 길고 내구성이 우수하며 수은을 사용하지 않아 친환경 조명이라는 장점을 가지고 있다. 또한 점광원으로써 다양한 디자인이 가능하며 광특성 제어가 용이하고 자외선이 발생되지 않아 감성조명·웰빙조명으로도 각광 받고 있다. 그러나 LED조명의 가장 큰 장점은 바로 높은 광효율이다. 최근 CO2 배출에 의한 지구온난화가 글로벌이슈로 떠오르면서 에너지효율이 높은 제품을 사용하여 에너지소비를 줄이려는 움직임이 활발하다. 조명으로 인한 에너지소비가 전체 에너지소비의 20%에 이르는 현 시점에서 국내 전체 조명의 30%를 LED조명으로 대체할 경우 연간 160억 kWh의 에너지 절감 효과와 680만 톤의 CO2 저감효과가 있다는 지식경제부 연구결과가 보고되었다. 따라서, 기존 조명을 LED조명으로 대체하는 것은 거스를 수 없는 시대적 흐름이다.

 

[ 기존 조명과 LED 백색 조명의 특성 비교 ]

 

 

각국의 적극적인 지원 정책으로 2015년까지 45% 이상의 연평균 성장률 기대

 

세계 각국 정부는 광효율이 낮은 기존 조명을 LED조명으로 대체하기 위한 정책을 지속적으로 발표하고 있다. 미국과 캐나다는 2012년부터 100W급 이상 백열등의 사용을 금지하기로 했고 유럽연합 소속국가들도 에너지절감 대책인 ‘에코디자인 디렉티브’에 따라 2012년까지 25W급 백열등까지 사용을 금지하기로 합의했다.

 

또한 일본도 2012년까지 백열등의 사용을 전면 금지하고 2012년 3월부터 탄소세를 톤당 15,000엔씩 부과하기로 했다. 우리 정부 역시 저탄소 녹색성장 정책을 표방하며 LED조명을 포함한 LED 응용부문을 녹색기술 산업분야의 신성장동력사업으로 선정하고 육성하고 있다.

 

또한 정부는 공공기관 에너지 이용합리화 정책에 따라 2012년까지 공공기관의 LED조명 비율을 30%까지 확대할 계획이며 서울, 부산, 인천, 부천시 등의 지자체 역시 이에 적극 동참하면서 LED조명 시장의 성장을 견인하고 있다.

 

각국 정부의 적극적인 지원 정책과 LED조명에 대한 낙관적인 전망에도 불구하고 아직 LED조명시장은 전체 조명시장의 5% 수준인 초기 단계에 머물러 있다. 2010년 세계시장 규모는 39억 달러, 국내시장 규모는 세계시장의 2.5%수준인 1,200억 원 규모인 것으로 나타났다. 이는 그 동안 조명용 LED칩 공급부족으로 인해 LED조명기구의 가격하락에 한계가 있었고 조명기구부의 효율개선 속도가 느려 광효율 개선도 기대 수준에 미치지 못했기 때문이다.

 

 

“ LED조명시장은 가격하락이 아직 일반소비자들에게 만족스럽지 못해 민간시장의 활성화가 늦어지고 있으며 시장규모는 전체 조명시장의 5% 수준에 머물러 있다. ”

 

 

LED조명업체들은 개선된 효율의 보급형 LED조명제품을 더욱 저렴해진 가격으로 시장에 출시하고 있다. 그러나 아직도 백열등 대체용 LED전구는 기존 백열등에 비해 20배, 형광등의 경우 5~10배 가량 비싸고 경우에 따라 공사비용까지 고려해야 하기 때문에 소비자들을 움직이기엔 부족한 형편이다.

 

따라서 국내시장의 경우 특히 민간시장이 활성화되지 못하고 정부 조달시장의 비중이 높은 편이다. 그러나 매년 LED효율이 35% 증가하고 가격은 21% 하락한다는 하이츠의 법칙이 있듯이 업계에서는 LED조명시장이 무한한 성장잠재력을 가져 2015년까지 45% 이상의 연평균 성장률을 보이며 급성장할 것으로 기대하고 있다.

 

 

최근 글로벌·대기업의 시장진입으로 국내시장의 급격한 성장이 예상

 

LED조명시장은 주요부품인 LED칩과 방열판까지도 외부업체로부터 쉽게 구입할 수 있어 진입장벽이 낮고 성장가능성이 높아 많은 중소·중견기업들이 우후죽순처럼 시장에 뛰어들어 초기 국내시장을 주도하고 있다.

 

현재 국내 LED조명업체는 500~700여 개인데 국내 민간 시장의 개화가 더뎌 조달시장 참여에 대한 의존도가 높은 편이다. 국내 조달시장의 규모는 2008년 47억 원 규모에서 급격히 성장하여 2010년 450억 원에 이르렀으며 2011년에는 1,000억 원 규모로의 확대가 예상되고 있다.

 

중소기업들은 조달시장에 참여하기 위해 조달청 우수조달품목인증뿐만 아니라 한국산업규격(KS), 고효율 기재자인증, 녹색인증, 환경마크인증 확보에 주력하고 있다. 우수조달품목인증을 받으면 우선계약대상업체로 선정되어 수의계약으로 제품 공급이 가능하며 다른 인증들도 조달 시장 참여에 도움이 되기 때문이다.

 

현재까지 조달시장은 파인테크닉스와 화우테크놀러지와 같이 기술력과 가격경쟁력을 갖춘 중소업체들이 높은 점유율을 보여 왔으며 2010년에는 파인테크닉스가 77억 원 규모로 국내 조달시장의 16.8%를 점유하였다.

 

[ LED 조명 세계 시장 전망 ]

 

[ LED 조명 국내 시장 전망 ]

자료 : 세계시장-“ Strategy Unlimited 보고서”,

국내시장 - 이투데이 2010. 12. 16 기사.

“General Electric market intelligence”,국내시장의 2009~2012년 연평균 성장률을 적용하여 2013년 국내시장 규모를 추정함.

 

 

“ 국내 LED조명시장은 기술진입 장벽이 낮고 성장가능성이 높아 500~700여개의 중소·중견기업이 참여하여 초기시장을 주도하고 있으나 아직 정부의 조달시장 참여에 대한 의존도가 높은 편이다.”

 

 

올해 국내 LED조명시장의 가장 큰 변화 요인은 글로벌 조명업체와 국내 대기업의 시장 진입이다. 2009년 말부터 국내 LED조명시장에 진출한 필립스, 오스람, GE 등의 글로벌 조명 업체들은 올해 상반기부터 형광등과 백열등 대체용 LED조명제품을 대형마트를 통해 대거 선보일 예정이다.

 

삼성, LG, 포스코, 롯데, SK, 현대 등 국내 대기업들도 계열사를 통해 2010년부터 본격적으로 LED조명시장에 뛰어들고 있다. 삼성LED는 하이파워 LED, 미들파워 LED, 멀티칩 LED, 교류 LED, 풀컬럽 LED 등 5개 분야의 조명용 LED 풀라인업을 구축하고 올 상반기부터 본격적으로 B2C 마케팅을 펼칠 계획이다. LG도 라이팅사업팀을 새로 만들어 기존의 LED TV용 LED 양산경험과 기술력을 바탕으로 LED조명시장에 본격적으로 참여하였다.

 

이들 업체의 참여는 높은 브랜드 인지도, 막대한 자금력과 공격적인 마케팅 전략으로 국내 LED조명시장의 활성화를 촉진시킬 것으로 예상되어 올해가 민간시장 개화의 원년이 될 것이라는 전망을 내놓고 있다. 대규모의 조명용 LED칩이 시장에 공급되어 조명기구의 제품 가격 하락이 예상되며 지속적인 기술개발을 통해 광효율 증대가 기대되기 때문이다. 업계에서는 대기업의 시장진입이 이미 예견된 일이었고 시장 전체 파이가 커진다는 측면에서는 긍정적으로 평가되고 있다.

 

그러나 기존의 시장을 주도하고 있던 중소·중견 기업들에게는 글로벌기업 및 대기업과의 경쟁이 부담스러울 수밖에 없다. 먼저 오랜 기술개발을 통해 다수의 원천특허를 확보하고 있는 글로벌기업에 비해 기술 경쟁력을 갖추기 어렵고 대량 생산체계를 갖춘 대기업에 비해 가격경쟁력을 확보하기 어렵기 때문이다.

 

또한 이들 기업들이 수직계열화에 적극 나서고 있어 조달시장을 제외하곤 마땅한 공급처를 찾기 어렵다는 점도 중요한 이유이다.

 

따라서 향후 국내 LED조명시장은 기존의 중소기업들간의 경쟁에서 경쟁력을 갖춘 중소·중견기업들과 대기업 및 글로벌 기업의 경쟁구도가 될 것이라는 전망이 나오고 있다. 벌써부터 기술력과 가격경쟁력을 갖추지 못한 일부 업체들은 부도를 겪고 있으며 이러한 현상이 가속화 될 경우 제품보증이나 사후서비스가 어려워 LED조명시장 자체가 고객들로부터 전반적인 신뢰를 잃을 수 있다는 우려도 나오고 있다.

 

[ 국내 LED 조명의 조달시장 업체 점유율 ]

 

 

“ 향후 국내 LED조명시장은 기존의 중소기업들 간의 경쟁에서 경쟁력을 갖춘 중소·중견 기업들과 대기업 및 글로벌기업의 경쟁구도가 될 것이다. ”

 

 

그러나 중소기업들은 이러한 위기를 기회로 삼아 새로운 도약을 이룰 수 있는 전략을 수립하고 있다. 먼저 기술력을 갖춘 중소기업들이 모여‘LED 공동브랜드’를 설립하고 회원사간의 특허공유 및 기술협력을 통해 경쟁력 있는 제품을 개발하고 있다.

 

일부 기술력으로 무장한 중소기업들은 지속적으로 해외시장에 진출하고 있다. 화우테크놀러지는 축적된 기술력과 설비를 바탕으로 최근 일본 JFE에 180억 원 규모의 LED조명 공급계약을 체결한 것을 비롯하여 일본, 유럽, 미국 등에서 대규모의 공급계약을 체결했다. 남영전구와 MK라이팅도 최근 일본시장에 진출하는 등 좁은 국내시장을 벗어나 새로운 활로를 개척하려는 움직임이 활발히 나타나고 있다.

 

몇몇 중소기업들은 대기업·글로벌 기업과의 협력에서 해법을 찾고 있다. 최근 천일전기공업은 필립스와 LED조명 제휴를 맺고 국내 상황에 맞는 LED도로조명을 공동 생산·판매하기 위해 기술지원을 받기로 했다. 중소기업들은 이 밖에도 위기를 극복하기 위해 업체의 상황에 맞는 다양한 전략을 내놓을 것으로 예상된다.

 

 

LED시장의 건전한 성장과 상생을 위해 정부와 기업들의 철저한 역할분담이 절실

 

이미 다른 많은 시장의 성장과정을 통해 보아 왔듯이 치열한 생존전략에도 불구하고 대기업과 글로벌기업의 진입으로 인해 LED조명시장의 많은 중소기업들이 어려움을 겪는 것은 불가피할 것으로 보인다. LED조명시장이 건전하게 성장하며 상생하기 위하여 정부와 대기업 그리고 중소기업의 철저한 역할분담과 이를 위한 노력이 필요한 시점이다.

 

정부는 국내 LED조명시장의 지속적인 급성장을 견인할 수 있는 정책을 지속적으로 마련하고 시장이 바람직한 방향으로 성장할 수 있도록 유도해야 한다. 우선 다양한 형태의 제품에 대한 규격 및 안전성에 대한 표준화를 서둘러야 하고 국내표준이 국제표준으로 채택될 수 있도록 업계와 함께 노력해야 한다. 또한 저가의 부품을 단순 조립한 국적불명의 저급 LED조명제품이 시중에 유통되고 있는 상황에서 품질에 대한 철저한 관리 감독을 통해 소비자들이 LED조명의 진정한 가치를 느끼게 해줘야 한다.

 

이러한 측면에서 고효율 기자재인증을 받은 제품에 대해 사후 검증하는 제도를 시행하는 것은 매우 바람직하다고 볼 수 있다. 해외 인증 절차의 간소화를 위한 정부의 지속적인 관심도 필요하다. 최근 한국조명연구원이 국내기관 최초로 미국 환경보호청에서 주관하는‘에너지스타 프로그램’의 공인시험기관으로 인정받은 것은 매우 고무적인 일이다. 이는 미국조달시장에 진입하기 위해 꼭 필요한 인증으로 국내에서 시험인증이 가능해짐으로써 해외진출을 꿈꾸는 국내 중소기업들에게 시간과 비용측면에서 큰 도움이 될 것이기 때문이다.

 

 

“ 중소기업이 LED조명업체로 살아남는 길은 막대한 투자가 필요한 칩 부분 등을 피해 방열 특성 개선, 고효율 등기구 설계, 설치비용 절감 등을 위한 관련기술들을 개발하고 특허권을 확보하는 길이다.”

 

 

국내 LED조명시장의 후발주자인 대기업들은 경쟁상대가 국내 중소기업이 아닌 글로벌기업임을 명확히 해야 한다.

 

오스람, 필립스, GE 등 글로벌기업들은 이미 오랜 기술개발경험을 바탕으로 칩 생산 및 패키지 부분에 많은 원천특허를 확보하고 있고 국내업체로는 서울반도체 등 몇몇 업체들만 이에 대응하기 위한 기술력을 보유하고 있다. 이들과의 경쟁에서 국내시장을 지켜내고 글로벌 조명기업으로 성장하기 위해서는 조명용 LED 및 조명기구에 대한 원천기술 확보에 더욱 매진해야 한다.

 

또한 대규모 양산체제를 바탕으로 대량의 조명용 LED 칩을 시장에 공급하여 조명제품의 가격하락을 견인하고 중소기업의 사업영역을 지켜주는 등 동반성장을 위한 노력을 해야 한다. 중소기업이 LED조명업체로 살아남기 위한 가장 확실한 방법은 결국 지속적인 연구개발에 대한 투자이다. 결국 기술력이 우수한 기업에게만 해외시장진출, 대기업과의 협력 등의 전략이 유효할 수 있다. 막대한 투자가 필요한 칩과 패키지 부분은 아니더라도 방열 특성 개선, 고효율 등기구 설계, 컨버터 및 회로 설계, 호환성 강화 및 설치비용 절감 등을 위한 지속적인 연구개발을 통해 관련기술들을 개발하고 특허권을 확보하여 자신만의 무기로 만들어야 한다.

 

이때 기술개발은 산·학·연 협동연구와 국가 연구개발지원사업들을 적극적으로 활용할 필요가 있다. 뿐만 아니라 광특성 제어가 용이하고 다양한 디자인이 가능하다는 LED 조명의 장점을 극대화하여 다양한 용도로 일반 소비자들의 감성까지 만족시킬 수 있는 제품을 개발하기 위해 노력해야 한다. 2011년에는 톡톡 튀는 창조적인 아이디어로 틈새 시장을 공략하여 전 세계에 이름을 알리는 국내 중소기업들의 소식이 더 많이 전해지기를 바란다.

 

KISTI MARKET REPORT/산업정보분석실 연구원 유 형 선

 

 

 

 

 

GreenTech Info.

 

 

ES&T저널, 산화분해 플라스틱의 친환경성 반박 연구 게재

 

□ 지난달 ES&T(Environmental Science & Technology) 저널에 게재된 한 비평에 의하면 친환경적이라고 알려진 분해성 폴리에틸렌(polythene, 비닐봉지・포장지 등에 쓰이는 합성수지)이 실제로 분해성을 입증할 수 있는 근거가 없다고 주장함. 폴리에틸렌은 전세계적으로 가장 널리 사용되는 물질 중의 하나이나, 환경위해성에 대한 우려가 증가하면서 분해성 플라스틱에 대한 수요가 증가함. 분해성 플라스틱은 철 또는 코발트 같은 전이성 금속 첨가로 에틸렌계 고분자물질의 산화반응이 촉진된다고 주장하며 식품포장 및 플라스틱백 등에 널리 사용됨. 그러나 이번 비평에서 분해성 플라스틱백이 자연속에서 분해되는 것은 사실이지만 오랫동안 자연계이 남게 되는 분해 생성물들에 대한 장기적인 연구가 전혀 없었다고 설명함. 덧붙여 이러한 제품들이 자연계에서 완전 분해되기까지 걸리는 시간에 대한 언급 없이 생분해성이라고 주장하고 있다고 비판함. 본 비평논문의 주저자(Ann-Christine Albertsson)는 분해성 폴리에틸렌과 관련된 많은 논문 중 고분해성을 실제로 입증한 경우는 없었다고 설명함. 결론적으로 이들은 산화분해 플라스틱이 환경적으로 전혀 도움이 되지 않는다고 주장함 (‘11.4.21, Nature News, http://www.nature.com/news/2011/110421/full/news.2011.255.html?WT.ec_id =NEWS-20110426)

 

 

 

Wheego社(중국), 고속 전기차 시장의 확장

 

□ 지역 전기차로 불렸던 저속 전기차 제작회사인 중국의 Wheego Electric Cars社에서 최고속도 65mph로 고속도로 주행이 가능한 신차“Wheego LiFe”를 상용 출시하였음. 리튬-철 인산 배터리에서 이름을 따온 LiFe는 Nissan社의 전기차“Leaf”처럼 배터리 구동식이지만 Mercedes-Benz社의 Smart ForTwo와 같은 2인승 차동차이며, 1회 충전으로 최장 100마일을 주행 할 수 있음. 이 차량은 120 또는 240 볼트 콘센트에서 충전이 가능하며 J1772 표준 충전소와도 호환됨. 현재 출시된 Nissan Leaf나 Chevrolet Volt와 비교할 때 2인승 차량의 한계를 가지고 있어 전기차 잠재 구매자들이 원하는 다인승 및 더 높은 최고 속도 등의 기준에서 단점으로 평가 받음 (‘11.4.26, The Wall Street journal, http://blogs.wsj.com/drivers-seat/2011/04/26/wheego-begins-selling-highway-ready-electric-car/)

 

 

 

Hitachi社(일본), 할로겐전구를 대신하는 LED전구 발매시작

 

□ Hitachi 그룹의 가전제조 및 판매를 담당하는 Hitachi Appliances社는 할로겐 전구와 동일한 밝기를 가지면서도 소비전력의 80%감소가 가능한 신제품 LED 전구를 지난달 18일부터 발매함. 이 전구는 시설물이나 점포의 다운라이트나 스팟 조명에 많이 이용되고 있는 기존의 할로겐 전구와 호환성이 있으며 절전효과가 있다는 것이 특징임. 또한 독자적인 고효율 렌즈를 사용한 것 외에도, 밝기가 더욱 밝아지는 각도를 적정하게 조절함으로서, 40W형 할로겐전구와 거의 같은 밝기를 보임. 더불어 LED특유의 직선적인 빛을 제어하고, 할로겐 전구와 같이 자연적인 빛의 배분을 더함. 4만시간을 사용할 경우 전기요금은 40W형 할로겐전구가 3만 272엔인데 비해 6,160엔이어서 경비 측면에서도 크게 절약이 가능함. 40W형 할로겐 전구의 3,000시간 수명의 13배에 이르는 40만 시간의 수명을 실현하였고 전구교환 횟수가 줄어듦으로써 사용자 유지관리에도 한결 용이함. Hitachi社는 2011년도의 자국 내 수요를 900만대로 예상하고 있음 (‘11.4.14, ECO JAPAN, http://eco.nikkeibp.co.jp/article/news/20110415/106372/）

 

 

 

Solar Frontier社(일본), 태양 전지에 관한 UL 인증 획득

Solar Frontier Receives Underwriters Laboratories (UL) Certification for Solar Modules

 

일본의 태양광설비업체 Solar Frontier社는 미국에서의 판매하는 태양 전지에 대한 UL인증(미국 보험 회사 단체가 정한 규격)을 취득했다고 발표함. Solar Frontier社 최고운영책임자(Greg Ashley)는 이 태양 전지에 대해 자사의 CIS(copper, indium, and selenium) 기술을 기반으로 하여 양산 박막 태양 전지 중 최고의 변환 효율을 가진다고 밝힘. 또한 UL인증 획득은 자사의 태양전지가 주거용, 상업용, 대규모 발전용 등의 부문에서 장기적으로 필요한 안전 기준을 충족시킴을 보여주는 것으로, 향후 장비의 자동화가 진행된 세계 최대 규모의 Kunitomi 공장이 순조롭게 실행되면 설치비용을 포함한 태양광 발전 시스템 비용을 더욱 감소시킬 수 있다고 밝힘. Solar Frontier社의 Kunitomi 공장은 연산 능력 900㎿로 설계된 세계 최대의 CI(G)S 박막 태양 전지 공장으로 올해 여름 무렵부터 풀 가동될 예정임. Solar Frontier社의 CIS 박막 태양 전지는 UL인증 외에도, 일본과 유럽에서 성능과 안전에 대한 인증을 획득했다고 밝힘

출처 : solar-frontier

 

Source : KISTI , GTNET 外.

결정형태양전지 현황분석

결정형태양전지 현황분석.exe

목차

1. 제품 개요

2. 시장 동향

3. 기술 동향

4. 업체 점유율

5. 업계 동향

6. 가격 동향

ID  dves

Passward 1234

Source : EIC

태양전지 산업동향.exe

태양전지 산업동향.exe

목차

Ⅰ. 개요

Ⅱ. 시장 전망

Ⅲ. 주요국가의 태양전지산업 육성 현황

Ⅳ. 주요업계 동향

V. 맺음말

ID  dves

Passward 1234

Source : EIC

나노클러스터를 제어하는 ZnO 나노막대 어레이

나노클러스터를 제어하는 ZnO 나노막대 어레이

니켈 첨단 위에 성장한 ZnO 나노막대와 니켈로 덮여진 ZnO 나노막대.

중국 과학 기술원(Chinese Academy of Sciences), 장춘 광학연구소(Changchun Institute of Optics)의 나노장치 연구진은 전기증착(eleectrodeposition) 방법에 의해서 니켈 나노클러스터(nanocluster)의 성장 위치를 제어하기 위한 템플릿(template)으로서 ZnO 나노막대 어레이를 사용했다. 성장 매개변수를 조절함으로서, 니켈 나노클러스터(nanocluster)는 ZnO 나노막대의 상단에서 성장하거나 어레이의 전체 표면을 덮도록 만들 수 있었다. 이 연구결과는 고밀도 저장장치 또는 스핀트로닉스(spintronics)에 잠재적 적용을 할 수 있을 것이다.

연구진은 니켈 나노클러스터의 성장을 이끌기 위해서 ZnO 나노막대를 사용했다. ZnO 나노막대 템플릿은 금속 나노클러스터를 증착하기 위한 나노-반도체 전극으로 활용되었다. 연구진은 ZnO 나노막대의 템플릿 성장을 역발상으로 해서 이 연구의 아이디어를 얻을 수 있었다.

전기화학적 기술은 ZnO 나노구조와 니켈 나노클러스터를 만드는데 사용되었다. 니켈 나노클러스의 성장 부위는 인가 전위를 조절함으로서 제어될 수 있었다. -1.15V 하에서, 니켈 나노클러스터는 ZnO 나노막대의 첨단에서 성장했다. 더 큰 (-) 전위를 인가함으로 니켈 나노클러스터로 덮여 있는 ZnO 나노로드를 만들었다. 또한 전기 증착 니켈 나노클러스터의 자기 성질은 인가 전위에 따라서 변하였다.

조정할 수 있는 자기-금속/반도체 나노막대 헤테로구조를 성장할 수 있는 이러한 능력은 나노크기 스핀트로닉스의 영역에서 빌딩 블록의 기능성과 능력을 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한 니켈 첨단에 씌워지거나 덮여진 ZnO 나노막대는 자기 정렬을 사용해서 단일 장치와 장치의 기질을 만드는데 적용될 수 있었다. 연구진은 나노구조의 나노막대 성장과 나노장치에 이러한 나노구조의 적용을 현재 조사하고 있다.

연구진은 태양전지와 LED에 1차원 나노구조를 사용하는 연구를 현재 진행하고 있다. 또한 ZnO 기반 광전자장치 개발에 집중하고 있고 10년 이상의 기간 동안 ZnO 성장과 관련된 장치를 개발하고 있다.

이 연구결과는 Nanotechnology에 “Controllable growth and magnetic properties of nickel nanoclusters electrodeposited on the ZnO nanorod template” 이라는 제목으로 게재되었다(Yang Tang et al 2009 Nanotechnology 20 495601 (6pp) doi: 10.1088/0957-4484/20/49/495601).

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Nanorods guide nanocluster electrodeposition

The nanodevice group based at Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, has used a ZnO nanorod array as a template to control the growth positions of nickel nanoclusters by an electrodeposition method. By adjusting the growth parameters, nickel nanoclusters could be grown on top of ZnO nanorods or made to cover the whole surface of the array. Potential applications include high-density storage or spintronics.

Building better arrays: nanodevice development team

The researchers made use of the ZnO nanorods to guide the growth of nickel nanoclusters. The ZnO nanorod template acted as a nano-semicondutor electrode for depositing metal nanoclusters. The motivation was derived from the reverse thinking of the template-assisted growth of ZnO nanorods.

Electrochemical techniques were used to prepare the ZnO nanostructures and nickel nanoclusters. The growth sites of nickel nanoclusters could be controlled by adjusting the applied potential. Under –1.15 V, the nickel nanoclusters grew on the tips of ZnO nanorods. Making the potential more negative resulted in ZnO nanorods that were covered with nickel nanoclusters. The magnetic properties of the electrodeposited nickel nanoclusters also evolved with the applied potential.

Capped and covered

It is expected that the ability to grow tunable magnetic-metal/semiconductor nanorod heterostructures could increase the versatility and power of these building blocks for applications in the field of nanoscale spintronics. In addition, nickel end capped or covered ZnO nanorods could be applied to make a matrix of devices as well as a single device using magnetic alignment. The group is currently pursuing the nanorod-guided growth of nanostructures and the application of these nanostructures in nanodevices.

The researchers presented their work in Nanotechnology.

About the author

Yang Tang is a PhD student studying condensed matter physics. He is currently exploring the use of one-dimensional nanostructures in solar cells and LEDs. Prof. Dongxu Zhao is working on nanodevices at the Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics (CIOMP), Chinese Academy of Sciences, China. Prof. Dezhen Shen is head of the II-VI semiconductor group at CIOMP and focuses on ZnO-based optoelectronic devices. The group has been engaged in ZnO growth and associated device development for more than a decade.

Source : KISTI, nanotechweb

레이저로 나노튜브 실을 짜다.

 

 

레이저로 나노튜브 실을 짜다.

 

 

레이저를 이용하여 질화붕소 섬유로부터 실용적인 최초의 거시적 실이 만들어짐으로써, 태양전지에서부터 더 강력한 방탄복에 이르기까지 다양한 분야에 응용할 수 있게 되었다.

 

 

질화붕소 나노튜브로 짠 실이 25센트 경화를 매달고 있다.

 

 

나사 랭글리연구센터(NASA’s Langley Research Center), 토마스 제퍼슨 국립가속기시설(Thomas Jefferson National Accelerator Facility) 및 국립항공우주연구소(National Institute of Aerospace)의 연구진이 결정성이 크고 직경이 작은 고품질 질화붕소 나노튜브(BNNTs)를 합성하는 기술을 개발했다. 또한 이 나노튜브들은 구조적으로 몇 개의 벽을 갖고 있으며 매우 길다. 질화붕소는 어릿광대의 분장과 안분에 쓰이는 흰색 물질이다. “다른 연구소에서 만든 나노튜브들은 매우 우수하지만 짧고, 그렇지 않으면 길지만 너무 지저분하다. 우리는 아주 길면서도 매우 우수한 나노튜브를 제작하는 기술을 개발했다.”라고 랭글리연구소 과학자인 마이크 스미스(Mike Smith)는 말했다.

 

 

가압증기응축기(pressurized vapor/condenser : PVC) 방식이라고 불리는 이번 합성기술은 제퍼슨연구소의 자유전자레이저로 개발되었고 그 후에 상용 용접레이저를 이용하여 완성되었다. 이 기술은 먼저 질소 가스로 채워진 챔버 내부에 있는 표적물을 레이저 빔으로 가격한다. 빔이 표적물을 기화시키면, 붕소 가스 구름이 형성된다. 냉각된 금속도선인 응축기가 붕소 구름 속에 들어간다. 응축기가 지나감에 따라 붕소 증기는 냉각되고, 그로 인해 액체 붕소 방울이 형성된다. 이 방울들은 질소와 결합하여 BNNT로 자기 조립된다.

 

 

연구진은 PVC 방식을 사용하여 센티미터 길이의 거시적인 실로 만들어지기에 충분히 긴 최초의 고품질 BNNT를 만들었다. 이 솜 같은 나노튜브 덩어리는 손으로 꼬아져서 약 1mm 폭의 실이 되었다. 이것은 이 나노튜브 자체의 길이가 약 1mm라는 의미다. “이 실은 크고 솜털 같으며 직물처럼 보인다. 이것은 직물을 제조하고 처리하는 상용 기술을 사용하여 방탄복이나 태양전지에 혼합하거나 그 밖의 다른 분야에 이용할 수 있다는 것을 의미한다.”라고 제퍼슨연구소의 전기공학자인 케빈조던(Kevin Jordan)은 말했다. 투과전자현미경 영상에서는 이 나노튜브들이 매우 좁고 평균 직경이 수 마이크로미터인 것으로 나타났다. 또한 비록 단일벽 나노튜브도 있었지만, BNNT는 몇 개의 벽을 갖는 경향이 있으며, 2~5개의 벽들을 갖는 경우가 가장 흔했다는 것이 TEM 영상에서 드러났다. 각각의 벽은 물질 층이며, 적은 수의 벽을 가진 나노튜브가 가장 바람직하다.

 

 

다음 과제는 이 새로운 질화붕소 나노튜브의 특성을 시험하여 이 신물질의 가장 좋은 용도를 찾는 일이라고 연구진은 말한다. 이들은 또한 생산공정을 개선하고 확장하려고 한다. “이론적으로 이러한 나노튜브들은 에너지, 의료 및 항공우주 분야에 응용될 수 있다.”라고 조던은 말했다. “이들 중 어떤 나노튜브들은 더 이상 가망이 없어지고 있고, 어떤 것들은 연구할 가치가 생기고 있지만, 물질을 손에 넣기까지는 알 수 없을 것이다.”라고 스미스는 말했다. 이번 연구는 저널 ‘Nanotechnology’ 12월 16일 호에 출판될 예정이며, 또한 미국재료학회의 2009년도 가을 학술회의에 제출되었다.

 

 

동영상보기.avi

가압증기응축기 방식을 통해 형성된 질화붕소 나노튜브 섬유. 그림에 있는 수치는 임의 단위의 레이저 출력이다. 실제로는 약 1.5 kW이다. 레이저 열이 균등하게 분포되도록 표적물은 회전한다.

 

 

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Lasers Spin Nanotube Yarn

 

 

NEWPORT NEWS, Va., Dec. 3, 2009 – Lasers now have been used to create the first practical macroscopic yarns from boron nitride fibers, opening the door for an array of applications from solar cells to stronger body armor.

 

Researchers at NASA’s Langley Research Center, the Thomas Jefferson National Accelerator Facility and the National Institute of Aerospace have created a technique to synthesize high-quality boron-nitride nanotubes (BNNTs) that are highly crystalline and that have a small diameter. They also structurally contain few walls and are very long. Boron nitride is the white material found in clown makeup and face powder.

 

A yarn spun of boron-nitride nanotubes suspends a quarter. The nanotubes in this yarn were produced with a new technique discovered by researchers at NASA’s Langley Research Center, the US Department of Energy’s Thomas Jefferson National Accelerator Facility and the National Institute of Aerospace. The nanotubes are highly crystalline and have a small diameter. They also structurally contain few walls and are very long. (Photo: Jefferson Lab)

 

“Other labs can make really good nanotubes that are  short or really crummy ones that are long. We’ve developed a technique that makes really good ones that are really long,” said Mike Smith, a staff scientist at Langley.

 

The synthesis technique, called the pressurized vapor/condenser (PVC) method, was developed with Jefferson Lab’s free-electron laser and later perfected using a commercial welding laser. In this technique, the laser beam strikes a target inside a chamber filled with nitrogen gas. The beam vaporizes the target, forming a plume of boron gas. A condenser, a cooled metal wire, is inserted into the boron plume. The condenser cools the boron vapor as it passes by, causing liquid boron droplets to form. These droplets combine with the nitrogen to self-assemble into BNNTs.

 

Researchers used the PVC method to produce the first high-quality BNNTs that are long enough to be spun into macroscopic yarn, in this case centimeters long. A cottonlike mass of nanotubes was finger-twisted into a yarn about 1 mm wide, indicating that the nanotubes themselves are about 1 mm long.

 

“They’re big and fluffy, textilelike,” said Kevin Jordan, a staff electrical engineer at Jefferson Lab. “This means that you can use commercial textile manufacturing and handling techniques to blend them into things like body armor and solar cells and other applications.”

Transmission electron microscope (TEM) images showed that the nanotubes are very narrow, averaging a few microns in diameter. TEM images also revealed that the BNNTs tended to be few-walled, most commonly with two to five walls, although single-wall nanotubes also were present. Each wall is a layer of material, and fewer-walled nanotubes are the most sought after.

 

The researchers say the next step is to test the properties of the new boron-nitride nanotubes to determine the best potential uses for the new material. They also are attempting to improve and scale up the production process.

 

“Theory says these nanotubes have energy applications, medical applications and, obviously, aerospace applications,” Jordan said.

 

“Some of these things are going to be dead ends, and some are going to be worth pursuing, but we won’t know until we get material in people’s hands,” Smith said.

 

The research will be published in the Dec. 16 issue of the journal Nanotechnology. It also was presented today at the 2009 Materials Research Society Fall Meeting. The research was supported by the NASA Langley Creativity and Innovation Program, the NASA Subsonic Fixed Wing program, Jefferson Lab and the Commonwealth of Virginia. The experiments were hosted at Jefferson Lab.

 

For more information, visit: www.jlab.org

 

 

 

Source : KISTI, photonics.com

나노크리스탈 잉크를 사용한 저렴한 박막 태양 전지

 

나노크리스탈 잉크를 사용한 저렴한 박막 태양 전지

 

 

미국 캘리포니아에 위치한 Solexant사가 나노결정(nanocrystal) 잉크를 사용한 태양 전지를 개발하고 있다. 이 기술은 상용화된 태양 전지에 비해 더 저렴하면서도 비슷한 효율을 달성할 가능성이 있다. 다른 박막 태양전지 회사와 경쟁하기 위해 Solexant사는 더 간단한 제조공정, 저렴한 소재의 사용 및 적은 초기 투자에 승부를 걸고 있다. 이 회사는 효율 10퍼센트 이상의 태양전지 모듈을 와트당 1달러 이하로 판매할 계획이다.

 

 

나노결정 잉크제조 기술은 Solexant의 이사이자 캘리포니아 주립대학교 (University of California, Berkeley) 교수인 Paul Alivisatos로부터 라이센스를 받았다. Alivisatos는 이 기술의 장점이 높은 효율과 낮은 원가의 결합에 있다며, 실리콘 결정(crystalline silicon) 태양전지는 효율은 높지만 원가가 높은 단점이 있다고 설명했다. Solexant는 원가를 낮추기 위해 실리콘 결정보다는 효율이 낮지만 가격이 훨씬 낮은 박막 반도체 태양 전지를 개발해 왔다.

 

 

Solexant의 목표는 비교적 높은 효율의 저렴한 박막 태양전지를 개발하는 것이다. 나노결정 잉크에 대해 자세히 밝히지는 않았지만 지름 4나노미터, 길이 20~30 나노미터인 막대기 모양 반도체 나노결정 현탁액(suspension) 이라고 한다. 나노결정 박막은 간단히 만들 수 있지만 전기적 특성이 불량한 단점이 있다. 전자가 나노입자 사이에 갇힐 수 있기 때문이다. Alivisatos는 전도성이 양호한 박막을 얻는 것이 중요한 기술이라며, 이를 통해 높은 효율을 얻을 수 있다고 밝혔다. Solexant가 나노결정을 선택한 이유는 간단히 인쇄할 수 있고, 가열 융해 시키면 전기적 특성이 양호한 넓은 면적의 고품질 마이크로 결정을 얻을 수 있기 때문이다.

 

 

위: 무기 반도체 나노결정 잉크를 사용해 롤투롤 (roll-to-roll) 인쇄로 만든 태양전지. 유연한 금속 포일에 인쇄되었으며, 유리 기판에 장착된다.

아래: 나노결정 잉크

 

 

태양 전지의 나머지 부품, 즉 전기 접점이나 광 흡수 층도 유연한 금속 필름 위에 인쇄된다. 따라서 대면적 제조가 가능하며, 완성되면 크기에 맞게 재단되어 유리에 장착된다. Solexant의 CEO인 Damoder Reddy는 전체 공정이 롤투롤 (roll-to-roll) 공정으로 이루어져 있어, 소면적으로 가공해야 하는 유리 인쇄 박막 태양전지에 비해 경쟁력이 있다고 한다. 그는 First Solar사의 경우, 진공 증착으로 유리에 인쇄해 박막 태양전지를 만들며 제조원가는 와트당 85센트인데 비해 Solexant는 와트당 50센트로 생산이 가능하다고 밝혔다. Nanosolar사의 경우 Solexant와 같이 나노결정을 이용해 태양전지를 만들지만 인쇄 과정 중에 화학반응을 수반하는 방법을 사용하기 때문에 공정이 복잡해져 제조원가가 올라가는 단점이 있다고 한다.

 

 

Solexant는 현재 2메가 와트 파일럿 플랜트를 건설하기 위해 2250만 달러의 벤처자금을 모금했으며, 내년에 100메가 와트 설비를 건설하기 위해 4000만 달러 이상의 모금을 계획하고 있다. Reddy는 태양 에너지 분야 신생 기업들은 이정도 규모의 설비를 위해 통상적으로 2억5천만 달러를 모금한다고 한다. Reddy는 이들의 첫 번째 제품은 나노결정 1층으로 이루어져 있으며 내년에 와트당 1달러에 판매할 계획이라고 밝혔다. 현재 전지의 효율을 높이기 위해 태양광의 다른 파장대를 흡수할 수 있는 다른 형태의 나노결정이 개발되고 있으며, 궁극적으로는 넓은 범위의 파장대를 흡수할 수 있는 다층 구조를 제조할 계획이라고 밝혔다.

 

 

산업분석기관인 iSuppli의 분석에 의하면 실리콘 기반 태양광 패널 가격은 2010년 와트 당 2달러로 예상되며, 박막필름 패널 가격은 와트당 1.4달러로 예상되고 있다. First Solar는 미국 최대 태양에너지 기업이자 박막 태양과 패널 대표 생산업체이며, 박막 기술을 이용한 패널의 비중은 전체 태양광 패널 중에서 2008년 14퍼센트, 2013년 31퍼센트를 차지할 것으로 전망되고 있다.

 

 

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Thin-Film Solar with High Efficiency

 

Solexant is printing inorganic solar cells with nanomaterials.

By Katherine Bourzac

 

 

Solar cells made from cheap nanocrystal-based inks have the potential to be as efficient as the conventional inorganic cells currently used in solar panels, but can be printed less expensively. Solexant, a company in San Jose, CA, is currently manufacturing solar cells to test the technology. In order to compete with other thin-film solar companies, Solexant is banking on simpler, cheaper printing processes and materials, as well as lower initial capital costs to build its plants. The company expects to sell modules for $1 per watt, with efficiencies above 10 percent.

 

 

Nanocrystal solar: The solar cells at top were made on a roll-to-roll printer from an ink consisting of the rod-shaped inorganic semiconducting nanocrystals shown below. The cells were printed on a flexible metal foil and will be topped with a glass plate.

Credit: Solexant

 

 

The company has licensed methods for growing nanocrystals and making them into inks from Paul Alivisatos, professor of nanotechnology at the University of California, Berkeley and interim director of the Lawrence Berkeley National Laboratory. (Alivisatos is on Solexant's board of directors.) Alivisatos says the advantage of these materials is their potential to combine low cost with high performance. Solar cells made from crystalline silicon are efficient at converting sunlight into electricity, but they're expensive to manufacture. To bring down the cost, companies have been developing thin-film solar cells from semiconductors that don't match crystalline silicon's performance but are much less expensive to make.

 

Solexant's goal is to make cheap thin-film solar cells with relatively high efficiencies. It would not disclose what the nanoparticle inks are made of, but the company says they are suspensions of rod-shaped, semiconducting nanocrystals that are four nanometers in diameter and 20 to 30 nanometers long. The Solexant cells are printed on a metal foil as the substrate. Nanocrystal films are simple to print but have poor electrical properties. Electrons tend to get trapped between the small particles. "The trick with these cells is how to deposit the materials on the fly in a way that makes a very conductive surface," which in turn ensures decent light-to-electricity conversion, says Alivisatos. Solexant begins with nanocrystals because they're easier to print, and heats them as they're printed, causing them to fuse together into larger, high-quality microcrystals that don't have as many places for electrons to lose their way.

 

The remaining parts of the solar cell, including the electrical contacts and a light-absorbing layer, are also printed on the flexible metal films. This process allows Solexant to print very large areas. When complete, the cells are cut and then topped with a rigid piece of glass.

 

Making the entire cell using a roll-to-roll process gives the company an advantage over other thin-film photovoltaic companies that print on glass, which is heavier and limited to smaller areas, says Solexant CEO Damoder Reddy. "The cost benefit is dramatic, allowing us to produce cells for 50 cents a watt," he says. First Solar, a thin-film company that uses vacuum deposition to print its cells onto glass, has manufacturing costs of 85 cents per watt.

 

Nanosolar, another company making nanocrystal solar cells, uses a different semiconductor that requires chemical reactions to take place during printing, which increases the complexity and expense of the process. "We print a preformed semiconductor," which eliminates such steps, says Reddy.

 

Solexant has raised $22.5 million in venture funding to build its two-megawatt pilot plant, and is seeking $40 million more over the next year to build a 100-megawatt facility. Solar startups typically seek about $250 million in capital to build such a plant, says Reddy.

 

The company's first product, which Reddy says will sell for $1 per watt next year, will contain a single layer of the nanocrystals. The company is currently developing other types of nanocrystals that are more responsive to different bands of the solar spectrum in the hopes of boosting its cells' efficiency. "Ultimately we want to make a multilayer, broad-spectrum cell," says Reddy.

 

 

 

 

Source : KISTI, technologyreview.com

태양 에너지 관련 주요 장치 및 기술 ㆍ 태양전지 분야 용어 쉽게 이해하기

 

태양 에너지 관련 주요 장치 및 기술

Guide to Solar Cell

 

 

Ⅰ. 태양광발전 시스템

 

 

그림 1. 태양광 발전시스템

 

 

태양광발전 시스템은 전력 계통 연계유무에 따라 독립형(Stand alone)과 계통 연계형(Grid-Connected)으로 분류할 수 있으며, 일부의 경우 풍력 발전, 디젤발전 등 타 에너지원에 의한 발전 방식과 결합된 하이브리드(Hybrid)형을 별도로 구분하기도 한다.

 

독립형의 시스템의 경우 주로, 등대, 중계소, 인공위성, 도서, 산간벽지 전원 등에 사용되고, 계통 연계형 시스템의 경우는 주택, 빌딩 등의 옥상, 대규모(수 MW급) 발전 시스템에 사용되고 있다.

 

 

 

(1) 태양광발전 시스템의 구성요소

 

태양전지 어레이(PV array)

직류 전력 조절장치(DC Power Condition)

인버터(Inverter)

축전지(Battery)

계통 연계 제어

 

 

 

(2) 태양광발전 시스템의 종류

 

 

●계통연계형(Grid Connected System)

 

- 태양광으로 발전된 직류 전기 에너지를 인버터에 공급하여 사용 전력으로 변환시켜 안정된 전원을 수요자에게 공급하는 시스템

 

- 계통과 연계가 가능하게 하여 야간이나 태양광 발전 전력이 부족할 경우 계통 전압을 유입하여 사용하게 하고 잉여전력이 발생할 경우 계통 전원으로 역 전송하도록 하는 방식

 

- 가정 및 일반 건물 전원용, 태양광 발전소용 등으로 사용

 

 

 

그림 2. 계통연계형 시스템 구조

 

 

 

  그림 3. 계통 연계시스템 개념

 

 

 

●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 방식

 

- 태양광이 적은 날이 장기화되거나 시스템 고장 등의 문제시 보조용으로 디젤발전기 및 풍력 발전기를 갖춘 복합 발전(Hybrid) 시스템으로 활용 가능

 

- 산간 지역 및 도서 지역 발전소용, 해양기지 전원용, 등대 전원용, 원거리 통신기지 전원용 등

 

 

 

그림 4. 독립형 시스템 구조

 

 

 

 

 

그림 5. 독립형 시스템 개념

 

 

 

 

Ⅱ. 태양전지 동작원리 및 구성

 

 

 

 

태양광 발전(Photovoltaic Power Generation)은 태양광을 직접 전기로 변환시키는 발전방식으로 그 핵심은 태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)이다.

 

그림과 같이 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg : Bandgap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력: Photovoltage)이 발생하게 된다. 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작원리이다. 이러한 태양전지는 필요에 따라 직∙병렬로 연결하여 장기간 자연환경 및 외부 충격에 견딜 수 있는 구조로 만들어 사용하게 되는데, 그 최소 단위를 태양광 모듈(Photovoltaic Module)이라 한다. 그리고 실제 사용부하에 맞추어 모듈을 어레이(Photovoltaic Array) 형태로 구성하여 설치하게 된다.

 

 

 

 

Ⅲ. 태양전지 공정(태양전지는 어떻게 만들어지나)

 

 

그림 6. 태양전지 양산공정

 

 

현재 상업용 태양광발전소에서 쓰는 90%이상의 전지는 결정질 실리콘 태양전지이다. 태양전지를 만들기 위해선 반도체를 만들 때처럼 실리콘 웨이퍼라는 게 필요하다. 보통 반도체용 웨이퍼는 둥근 형태이지만, 태양전지용 웨이퍼는 사각형이 일반적이다. 웨이퍼를 다이아몬드나 절단용 와이어로 필요한 크기로 자른 뒤 절단 시 발생한 표면 자국을 없애기 위해 특수 화학약품에 담그는 세정작업을 실시하는데, 이를 에칭(Etching) 공정이라고 한다. 에칭 공정을 마친 웨이퍼는 태양광이 닿는 면적을 최대한 넓히기 위해 인위적으로 줄무늬형식의 스크래칭 작업을 거치며 이를 텍스처링(Texturing) 공정이라고 한다. 그 다음과정으로는 웨이퍼에 전도성을 띠게 하기 위해 불인산 등 불순물을 주입하고, 고온 처리하면 반도체와 같은 형태가 된다. 이후 불순물 도포과정에서 발생한 얇은 막(PSG)을 제거하는 에칭 공정을 다시 한번 거치게 된다. 다음으로 태양광 반사를 막아 효율을 높이도록 해주는 반사방지막을 형성시키고, 그 위에 전극 형성을 위해 푸른색의 실크스크린을 인쇄하는 작업을 거친다. 이후 저온에서 두 차례 건조시킨 후, 고온에서 실크스크린 표면을 소재 내부로 접합시키는 `소성(Firing) 공정을 진행하고, 레이저를 이용해 전극을 분리시켜주면 태양전지가 완성된다. 생산된 태양전지는 효율 측정을 거쳐 효율별로 자동 분류돼 출고된다.

 

 

 

그림 7. 태양전지 제작과정

 

 

 

 

Ⅳ. 태양전지 종류

 

 

시장의 약 90%를 차지하고 있는 단결정 및 다결정 실리콘계열, 최근에는 카드뮴텔러라이드(CdTe)와 카파인디움다이셀레나이드(CulnSe2:CIS) 반도체들도 활용한다. 단결정실리콘이 가장 비싸며 효율이 높으며, 비정질실리콘 계열은 가격은 낮으나 효율이 떨어지는 단점이 있다. 염료감응 방식이 실리콘태양전지에 비해 효율은 낮지만 가격을 5분의 1 정도로 낮출 수 있고 흐린 날에도 사용할 수 있는 점, 유연하고 반투명하게 만들 수 있어 건축물, 모바일 기기 등에 다양하게 사용할 수 있는 것이 장점이다.

 

 

 

[참고자료]

1. www.symphonyenergy.com

2. 네이버, 구글 검색

 

 

 

 

 

 

 

태양전지 분야 용어 쉽게 이해하기

 

 

● 태양에너지(Solar Energy)

 

태양으로부터 전자기파의 형태로 방출되는 에너지. 태양이 방출하는 에너지는 막대하지만 지구에 오는 것은 약 20억분의 1에 지나지 않는다. 그 중에서 70%만이 흡수되는데 세계 연간 에너지 소비량은 이 에너지의 겨우 1시간 분에 불과하다. 태양은 거대한 핵융합로와 같다. 태양에너지의 활용방법에는 태양열과 태양광선 이용이 있다. 대체에너지로서 무진장하며, 공해가 없고 지구대기의 열 균형이 보존되는 등 인류에게 절대적인 에너지 원천이다.

 

 

 

● 태양전지(Solar Battery)

 

 

 

 

태양 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 장치. 전지라고 하지만 건전지 등의 전지와는 다르며 방송 위성뿐만 아니라 휴대용 전자 계산기, 전자 시스템, 옥외 시계, 무인 등대, 텔레비전∙라디오 중계소 등에 이르기까지 응용 범위가 넓어지고 있다. 인공위성에 태양 전지를 쓰는 것은 우주에는 공기∙구름∙먼지 등이 없기 때문에 지표에 비해 태양 에너지 양이 훨씬 많아 발전 효율이 높기 때문이다. 태양전지는 태양광에너지를 직접 전기로 변환시키는 반도체화합물 소자이다. 대부분의 반도체들은 광기전력효과(photovotaic effect)를 나타내지만 태양전지의 다량생산으로 이어지는 반도체들은 주로 실리콘(Si)과 갈륨아세나이드(GaAs)이며, 실리콘이 가장 많이 활용되고 있다. 그러나 최근에는 카드뮴텔러라이드(CdTe)와 카파인디움다이셀레나이드(CulnSe2 ; CIS) 반도체들이 활용되고 있기도 하다. 이들은 박막형 태양전지로 구분되고 있다. 실리콘이 반도체산업에서 가장 많이 사용되는 이유는 지구상에서 두 번째로 보편화된 화학물질이고, 석영모래로부터 얻을 수 있기 때문이다.

 

그러나 전자부품이나 태양전지에 사용할 수 있는 것은 고순도의 실리콘을 회수하여야 한다. 실리콘 태양전지는 결정상태에 따라서 단결정실리콘(monocrystalline silicon) 태양전지, 다결정실리콘(multicrystalline silicon) 태양전지, 비정질실리콘(amorphous silicon) 태양전지의 세 가지로 분류한다. 이들 중에서 가격은 단결정실리콘이 가장 비싸고, 다결정, 비정질순으로 가격이 저렴한데 현재 이들이 국내외의 태양전지 시장을 석권하고 있다. 지금까지 개발되었거나 개발 중인 여러 형태의 태양전지들의 실험실 규모와 대량생산 규모에 따른 효율을 표로 비교하였다.

 

 

 

 

현재 결정계 태양전지들의 두께는0.3~0.5mm로 제작되는데, 이 두께 정도면 기계적 강도를 만족시킴은 물론 태양전지의 표면에 조사되는 일사량을 충분하게 흡수할 수 있다. 비정질계는 광에너지의 흡수율이 더 우수하기 때문에 태양전지로 수 마이크론의 두께로 제작이 가능하다. 그러나 비정질계의 경우 장시간 사용시에는 점차 퇴화가 빨라져서 효율이 감소한다는 단점이 있다. 일반적인 태양전지의 구조와 원리를 살펴보면 단결정실리콘 태양전지의 경우에는 실리콘에 5가의 원소들인 인, 비소, 안티몬 등을 함침시켜 만든 p형 반도체로 이루어진 p-n 결합구조이다. 이와 같이 p형 반도체와 n형 반도체가 하나의 단결정으로 접합이 되면 불순물의 농도차에 의하여 n형 반도체의 잉여전자(electron)가 p형의 반도체로 확산해 가고, 반대로 정공(hole)은 p형에서 n형으로 확산한다. 이에 따라서 p형 반도체의 전도대(conduction band) 내에 있는 전자의 에너지는 n형보다 좁아지고 n형 반도체의 가전자대(valence band)에 있는 정공이 갖는 에너지는 p형 반도체보다 높아지게 되므로써 내부 전위차가 발생하게 된다. 이때 금지대폭 이상의 광에너지가 흡수되면 가전자대에 있는 전자가 여기 되어 금지대폭을 건너뛰어 전도대로 이동하게 된다. 이와 같은 상황으로 인하여 가전자대에 있었던 전자의 자리가 비게 되어 양전하처럼 행동하는 정공이 형성되므로 양전하(정공)와 음전하(전자)의 쌍이 생기게 된다. 이렇게 생성된 전자-정공 쌍은 각각의 농도차와 전위차에 의하여 각각 전자는 n형으로, 정공은 p형으로 이동하여 외부회로에 의하여 전류가 흐르게 되는 것이다. 일반적으로 cell은 태양광 방사에너지를 조사했을 때 전기를 발생하는 반도체 소자를 일컫고 module은 복수의 태양전지 셀을 전기적으로 접속하고 내구환경을 고려하여 제작된 최소단위의 발전유닛을 말한다.

 

 

 

● 태양전지모듈

 

한 개의 태양전지는 0.6V 전압과 3A 이상의 전류를 생성한다. 적절한 전압과 전류를 생성하기 위하여 여러 개의 태양전지를 서로연결하고 외부환경으로부터 보호하기 위하여 충진재, 유리 등과 함께 압축한 것이 모듈이다. 모듈이란 보통 2~100개의 태양전지를 연결한 것을 말하며 이러한 모듈을 연결하여 어레이를 제작한다. 태양전지를 모듈화하기 위해서는 모듈의 광학적 성질, 전기적 성질을 만족해야 하며, 특히 내구성, 신뢰성 등이 요구된다. 모듈을 만드는데 필요한 태양전지의 수는 축전지 입력 전압축전지 직렬 개수/태양전지 모듈의 출력 전압으로 결정한다. 태양전지 모듈은 일반적인 결정질 실리콘 태양전지 모듈 구조와 박막태양전지 모듈이 있다. 결정질 실리콘 태양전지 모듈은 여러 개의 태양전지를 얇은 선으로 연결하여 충진재와 유리기판, Back sheet 등과 함께 압축시켜 제조한다. 이와 달리 박막 태양전지 모듈은 태양전지 자체가 모듈형태로 제작되며, 후에 보호막을 입히는 과정만이 들어간다.

 

 

 

● 다결정 실리콘 태양전지

 

다결정 실리콘 재료로 만든 태양전지를 말하는 것으로 다결정 실리콘은 재료 내부의 원자가 규칙적으로 배열 되어있는 방향이 서로 다른 부분으로 구성되어 있다. 따라서 원자 배열의 불연속면이 존재하게 되고 이러한 불연속면 때문에 전력변환효율이 단결정에 비해 낮다. 제조공정이 간단하고 대량 생산이 가능하여 가격이 저렴하다는 장점이 있다.

 

 

 

● 단결정 실리콘 태양전지

 

단결정 실리콘 재료로 만든 태양전지를 말하는 것으로 재료 내부의 원자 배열의 방향이 균일한 상태이므로 태양전지의 전력변환효율이 우수하나 제조가격이 비싸다.

 

 

 

● 태양광 발전

 

태양광 발전은 무한정, 무공해의 태양 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술이다. 기본 원리는 반도체 pn 접합으로 구성된 태양전지(solar cell)에 태양광이 조사되면 광에너지에 의한 전자-양공 쌍이 생겨나고, 전자와 양공이 이동하여 n층과 p층을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생하여 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르게 된다. 이러한 태양 전지는 필요한 단위 용량으로 직∙병렬 연결하여 기후에 견디고 단단한 재료와 구조의 만들어진 태양전지 모듈(solar cell module)로 상품화 된다. 그러나 태양전지는 비, 눈 또는 구름에 의해 햇빛이 비치지 않는 날과 밤에는 전기가 발생하지 않을 뿐만 아니라 일사량의 강도에 따라 균일하지 않은 직류가 발생한다. 따라서 일반적인 태양광 발전 시스템은 수요자에게 항상 필요한 전지를 공급하기 위하여 모듈을 직∙병렬로 연결한 태양전지 어레이(array)와 전력 저장용 축전지(storage battery), 전력 조정기(power controller) 및 직∙교류 변환장치(inverter)등의 주변장치로 구성된다.

 

 

 

 

 

● 플라스틱 태양전지(Plastic Solar Cell)

 

플라스틱의 한 종류인 고분자와 플러린이라는 물질을 이용해 빛을 전기로 만드는 전지. 기존의 태양 전지는 실리콘이나 화합물반도체 등의 무기물을 이용한 것으로 제조공정이 복잡하고 제작 단가가 비싸다는 단점이 있었다. 그에 반해 플라스틱 태양 전지는 유기물인 식물의 광합성 작용 원리를 응용한 것으로 무기물 태양 전지에 비해 값이 싸고 가벼우면서 제작 공정은 간편하다.

 

 

 

● 아모르퍼스 태양전지(Amorphous Solar Battery)

 

태양의 빛 에너지를 전력으로 변환시키는 소자로서 아모르퍼스(非晶質) 실리콘을 이용한 태양전지. 태양전지의 소자로서는 현재 단결정(單結晶) 실리콘이 주류를 이루고 있는데 비정질 실리콘을 사용하면 실리콘 원료가 소량으로 가능해지므로 생산비가 100분의 1로 낮아진다. 이 전지를 넣은 탁상전자계산기 등이 이미 판매되고 있으며 현재 전력용으로도 연구 개발되고 있다.

 

 

 

● 태양로

 

태양로란 태양열을 모아 화로를 만드는 것이다. 빛을 모으는 부 분은 높이 40m, 폭 54m의 건물에 45cm x 45cm 크기의 평면경 9500개를 붙여 만든 초점 거리 17,7m의 포물면경이다. 태양빛을 한 점에 모으기 위하여 항상 이 포물면경의 축에 평행하게 햇빛을 보내야 하는데 이것은 포물면경의 정면에 높이 6m x 7m의 평면경 63개를 8계단으로 층층이 세워 태양의 위치에 따라 평면경의 각도를 컴퓨터로 자동 조절함으로 이루어진다. 반사 평면경 하나하나는 50 x 50cm의 작은 거울로 조립되어 있다. 포물 면경에 도달하는 태양빛은 17.7m의 초점에 맞추어 세워진 27m 건물꼭대기에 직경 60cm 정도의 원형으로 모아진다. 최고 3000℃까지 온도를 얻을 수 있다. 태양로는 고온 물리화학의 연구, 융점의 측정, 단일 결정의 생성 연구 등에 이용되고 있다.

 

 

 

● 태양열 발전

 

태양열로 증기 원동기를 작동시킨 힘으로 발전하는 것을 의미한다. 이것은 태양으로부터 입사되는 햇빛을 수없이 많은 거울 등의 반사체로 한 점에 집광시켜 고온을 얻고, 이 높은 열로써 태양로에서 증기를 발생시켜 터빈을 돌리는 것을 말한다.

 

 

 

● 태양열발전소(Solar Thermal Power Station)

 

태양열을 열 매체에 전달하여 수집된 열에너지를 전기에너지로 바꾸도록 설계된 발전시설. 태양열 탑 발전소(Solar tower power station)는 태양열을 집열하기 위한 탑을 세우고 다수의 거울로 태양광을 탑에 반사시켜 집열된 고온의 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 태양열 발전소의 일종이다.

 

 

 

● 염료감응 태양전지

 

값싼 유기 염료와 나노 기술을 이용하여 저렴하면서도 고도의 에너지 효율을 갖도록 개발된 태양 전지. 가시광선을 투과시킬 수 있어 건물의 유리창이나 자동차 유리에 그대로 붙여 사용할 수도 있다. 1971년 스위스 연방 기술원(EPFL) 화학과의 마이클 그랏젤 교수가 개발하였고, 국내에서는 한국전자통신연구원(ETRI)이 처음으로 10~20nm 크기의 산화물 표면에 유기 염료를 흡착해 수십um 필름을 만들고 전극화하는 데 성공했다.

 

 

 

[참고자료]

1. 태양전지 어떻게 만들어지나(디지털 타임즈, 2008. 4)

2. 네이버, 구글 지식검색

 

 

 

Source : IT SoC

 

 

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