[에너지데일리 변국영 기자] 4차 산업혁명 시대가 다가오면서 태양광산업은 발전용 제품 외에도 건물일체형 태양광, 기기결합 태양광, 자동차 결합 태양광 등 다양한 결합형 제품이 출시되며 그 구성이 다양해질 것으로 예상되고 있다. 이러한 결합형 태양광 제품은 발전용 태양광 제품과 상이한 기능 및 물성을 요구하므로 이에 적합한 태양전지 소재 기술 개발 및 제품 상용화가 필요하다. 이런 가운데 산업연구원은 최근 ‘4차 산업혁명 시대의 태양광산업 유망소재와 향후과제’ 보고서를 내놓았다. 

지금까지의 태양전지 소재는 발전용 위주로 개발됐으며 이로 인해 상대적으로 발전효율이 높고 가격 경쟁력이 우수한 실리콘계 태양전지를 중심으로 산업이 활성화됐다. 그러나 실리 콘계 태양전지는 다양한 색채 구현이 어렵고 수직 형태로 부착할 경우 발전효율이 급격하게 감소해 건물에 부착하기에는 한계를 갖는다.

따라서 발전 기능은 물론 건축소재 기능을 수행할 수 있는 소재 확보가 요구되고 있다. 또한 센서의 전원으로 활용되기 위해서는 실내의 저조도 환경에서도 전기를 생산할 수 있어야 하며 태양광 의류 소재 로 활용되기 위해서는 섬유에 코팅할 수 있는 액체 형태의 소재가 필요하다. 따라서 결합형 태양광 제품이 요구하는 기능적 특성을 구현할 수 있는 다양한 소재개발이 관련 산업의 활성화를 위해 중요하다.

▲소재별 기술 수준 및 경쟁력 평가

태양전지 산업 및 소재부문 전문가를 대상으로 유망성, 기술수준 평가, 경쟁력 결정요인 등에 대해 조사했다. 조사 결과 유기 태양전지 소재의 유망성이 가장 높게 나타났다. 그러나 응답자 유형별로 소재별 유망성에 대한 평가 결과가 다르게 나타났다. 기업체는 유기 태양 전지 소재의 유망성을 가장 높게 평가한 반면 협회·대학은 페로브스카이트 태양전지 소재, 연구소는 페로브스카이트와 유기 태양전지 소재를 상대적으로 유망하게 평가했다.

이는 기업과 연구기관의 소재기술에 대한 연구목적이 다르기 때문으로 해석된다. 기업은 시장성 및 상용화 기술 확보에 초점을 두고 유망성을 평가하는 반면 연구기관은 발전효율 등 소재 자체의 특성에 초점을 두고 유망성을 평가하기 때문으로 풀이된다.

유기 태양광 소재는 OLED 소자와 비슷한 특성을 지녀 기존 OLED 상용화에서 체득한 기술을 활용할 수 있어 기업에서는 유기 태양전지 소재를 유망소재로 평가한 반면, 대학 및 연구기관은 원천기술을 보유한 페로브스카이트의 발전효율을 보다 극대화 하는 방향으로 소재 연구를 진행하며 관련 기술에 대한 유망성을 높게 평가한 것으로 보인다.

차세대 태양전지 소재의 기술 성숙도 단계에 대한 평가 결과 태양전지 소재는 실험 및 시제품 단계인 4∼6단계로 평가됐다. 소재별로 페로브스 카이트와 염료 감응형 태양전지 소재는 실험실 규모의 소재·부품·시스템 핵심 성능 평가단계인 4단계, 유기 태양전지 소재는 시작품 제작 및 성능 평가단계인 5단계로 평가됐다.

차세대 태양전지 소재의 기술 실현과 시장 실현 예상 시기에 대해서는 유기태양전지 소재가 가장 빠르고, 페로브스카이와 염료 감응형 태양전지 소재가 뒤를 이을 것으로 보인다. 페로브스카이트 소재기술은 5년 이내에 실현되고 시장 실현에는 5년 이상 소요될 것이라는 평가가 가장 높게 나타났다. 유기태양광 소재의 경우 기술은 3년 이내에 실현되고 시장은 5년 이내에 창출될 것이라는 평가가 가장 많았다. 염료 감응형은 5년 이내에 기술 실현이 이뤄지고 시장 창출에는 5년 이상이 소요될 것이라는 응답이 가장 많이 나왔다.

▲차세대 태양전지 소재 기술수준

우리나라는 페로브스카이트 태양전지 소재 부문에서 높은 기술을 보유한 하고 있고 염료감응형 태양전지 소재부문에서도 일본에 이어 분석 대상국 중 두 번째로 높은 기술경쟁력을 보유한 것으로 평가됐다.

페로브스카이트 태양전지 소재는 우리나라의 기술력이 가장 우수하고 일본이 1년 미만의 기술 격차를 보이며 우리나라를 추격하고 있다. 유기 태양전지 소재는 상대적으로 기술력이 떨어지는 것으로 나타났다. 염료감응형 태양 광소재는 분석대상 국가 가운데 2위를 차지했으나 1위인 일본과 2년 이상의 격차가 나는 것으로 평가됐다.

페로브스카이트 소재의 주요 원천 특허는 영국이 보유하고 있으나 시제품의 발전 효율은 우리나라의 경쟁력이 높다. 유기 태양광은 광활성층 소재인 고분자 물질부문에서는 일본의 경쟁력이 높고 억셉터 소재는 중국, 증착소재는 독일이 기술을 선도하고 있다. 염료감응형 태양광 소재기술의 최고 기술은 스위스가 보유하고 있다.

▲차세대 태양전지 소재 경쟁력

차세대 태양전지 소재별로 경쟁력 약화에 영향을 미친 요인에 대한 조사 결과 원천기술 미확보와 낮은 수익성이 유기 태양전지와 염료감응형 태양전지 경쟁력 약화의 주요인으로 지적됐다.

유기 태양전지 소재는 양산과 관련해 활발한 연구개발이 이뤄지고 있으나 전기 이동성이 원 활한 유기물 소재 개발이 더뎌 해외 기업의 상용화 소재를 뛰어넘는 유기물 소재를 개발하지 못한다면 세계적인 경쟁력 확보는 어려울 것으로 보인다. 염료감응형 태양전지 소재도 모듈화해 제품을 제작한 데는 역량이 높으나 소재기술에 대 해서는 경쟁력이 높지 않은 것으로 조사됐다.

낮은 수익성은 유망 대체소재의 개발 유인을 저하시키며 차세대 소재 개발을 지연시켜 경쟁력에 부정적인 영향을 미쳤다. 수익성 악화는 결정질 실리콘계 태양전지에 의한 태양광산업 전반의 수익 감소에서 기인한다. 결정질 실리콘계 태양전지 원료인 폴리실리콘의 공급과잉으로 태양전지의 가격이 하락했고 이로 인해 태양광산업 전반의 수익이 감소돼 차세대 소재의 경쟁력을 약화시킨 것으로 분석됐다.

반면 해당 소재의 경쟁력 강화에 영향을 미친 주요인에 대한 조사 결과 공통적으로 실증 인프라 확보가 소재기술 경쟁력 강화에 긍정적 영향을 미쳤다고 평가했다. 페로브스카이트 태양전지 소재의 경쟁력 강화에는 원천기술 확보가 주요인으로 꼽혔으며 유기 태양전지는 주변기술 확보와 시장 성숙이 소재 경쟁력을 높인 요인으로 조사됐다. 염료감응형 태양전지 소재는 충분한 R&D 투자가 관련 소재의 경쟁력 제고에 영향을 준 것으로 나타났다.

우리나라는 차세대 태양전지의 기초·원천기술과 공정기술에서 상대적으로 강점을 보유한 것으로 나타났다. 반면 응용 및 융합기술, 생산부문은 취약한 것으로 조사되었다. 페로브스카 이트 태양전지는 국내 연구진에 의해 기초기술이 주도되며 원천기술부문에서 상대적으로 경쟁력 을 보유했다. 그러나 페로브스카이트 태양전지를 제작하기 위해 사용되는 기초소재에 납이 포함돼 활용부문인 융합기술 및 생산부문의 경쟁력은 상대적으로 취약한 것으로 나타났다. 유기 태양전지 소재는 OLED산업과 연관성이 높고 기술개발 및 양산 능력을 보유한 대기업에 의해 개발이 진행되고 있어 공정부문에서 강점을 갖는 것으로 평가되었다. 염료감응형 태양전지 소재는 상용화에 필요한 기술의 개발이 거의 완료된 상태로 공정기술에서 상대적으로 경쟁력을 확보한 것으로 분석됐다.

▲향후 과제

페로브스카이트 태양전지 소재는 기초·원천부문에 강점을 보이며 주요국과 비교해 기술우위를 점하는 것으로 평가됐다. 유기 태양전지 소재는 유망성은 높으나 원천기술 부족과 낮은 수익성으로 기술 확보가 더 딘 것으로 분석됐다. 염료감응형 태양전지 소재는 주요국 대비 경쟁력은 있으나 발전용 태양광 중심의 경쟁구조에서는 경제성이 떨어지는 것으로 나타났다.

차세대 태양전지 대부분이 제품화를 위해 필수적인 응용기술과 4차 산업혁명 시대에 요구되는 소재간 융복합에서 상대적으로 경쟁력이 취약한 것으로 조사됐다. 따라서 이들 태양전지의 경쟁력 확보를 위해서는 소재의 원천기술 확보는 물론 대면적화와 관련한 소재 및 공정연구에 대해서도 꾸준히 지원할 필요가 있다.

더불어 차세대 태양전지를 활용하는 결합형 태양광 제품의 산업 육성을 위해 차별화된 시장형성 노력이 요구된다. 초기 태양광산업은 발전용을 중심으로 정부주도의 보급사업으로 견인됐으며, 현재도 정부가 제공하는 시장기반형 인센티브로 시장 확대가 이뤄지고 있다. 4차 산업혁명 시대에 출현하는 다양한 결합형 비즈니스 모델의 산업화를 위해서도 정부 주도의 시범사업을 확대해 시행할 필요가 있다.

이를 위해 현재 발전용 중심으로 구성된 보급사업에 결합형을 추가해 분산전원과 관련한 다양한 비즈니스 모델이 실현될 수 있는 토대를 마련해야 한다. 예를 들면 태양광 보급사업에 도심형 태양광으로 건물일체형 태양광에 대한 물량을 할당하거나 스마트시티의 사업내용에 결합형 태양광 제품을 추가시켜 기업에 트랙레코드를 축적할 수 있는 기회를 제공 할 수 있다.

또는 ‘신재생에너지 설치의무화제도’에 건물일체형 태양광을 우선하는 방안과 신규 아파트 설계공모 시 건물일체형 태양광 적용에 대해 가점을 줘 활성화시키는 것도 고려해볼 수 있다. 이 외에 태양전지를 전원으로 활용하는 센서를 ‘고효율에너지 기자재 품목’에 추가해 보급을 촉진시키는 등 및 차별화 된 사업 발굴을 통해 시장이 형성될 수 있도록 해야 한다.

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