1. 개요

가. 개념 정의

□ CVD(Chemical Vapor Deposition, 화학 기상 증착)란 기체 또는 증기 상의 원료를 이용하여 고체 박막을 증착하는 공정기법 또는 해당 공정을 수행하는 장비기술을 지칭함

□ CVD는 기본적으로 반도체 공정 중 박막 증착 공정의 일종으로 개발되었으며 이후 디스플레이, LED 및 태양광 공정으로 파급되었음

□ 태양전지용 CVD는 반도체용 CVD 기술에서 파생되어 고수율, 고생산성 및 비용효율 등의 공정 인자를 핵심 요소로 발전하고 있음

[ 태양전지용 CVD장비의 종류 ]

* 출처 : WONIK IPS

나. 중요성 및 의의

◎ 태양전지용 CVD

□ 태양전지 공정에서 CVD는 합성 물질로 구분할 경우 크게 3가지 공정에 사용됨 : 에피탁시 실리콘 웨이퍼 성장, 패시베이션 박막 공정 및 반사방지막 공정

□ 에피탁시 실리콘 웨이퍼 성장은 가스 전구체를 이용하여 단결정 실리콘 웨이퍼를 직접 성장하는 방법

▪기존의 초크랄스키 웨이퍼 제조공정보다 공정단계를 크게 단축할 수 있고 재료의 낭비가 적어 차세대 웨이퍼링 기술로 매우 주목받고 있음

[ 에피탁시 웨이퍼 성장공정의 개략도 ]

* 출처 : Crystal Solar

□ 이와 같은 이유로 인해 에피탁시 실리콘 웨이퍼 제조 기술의 국산화에 성공할 경우 기존의 초크랄스키 웨이퍼 제조공정에 기반한 현대 태양광 제조업의 시장 판도를 획기적으로 변화시키고 기술 주도권을 단숨에 국내로 가져올 파급력을 지니고 있음

□ 패시베이션 박막 증착공정은 고효율 태양전지를 구현하는데 핵심적인 단계로써 실리콘 기판 표면의 결함을 제어하기 위한 단일 박막 또는 박막 적층구조를 실리콘 기판 표면에 증착하는 공정임

□ 특히 패시베이션 증착공정은 국내 기술 경쟁력이 높은 PECVD 공정을 사용하며 기술적 난이도가 높아 고효율 태양전지 제작이 가능한 PECVD 반응기 기술의 국산화에 성공할 경우 고효율/고부가가치 태양전지의 기술 주도권을 확보할 수 있음

□ 반사방지막 공정은 태양전지 표면의 반사를 저감하고 태양전지의 광학적 손실을 최소화하기 위해 적당한 두께의 유전체 박막을 태양전지 표면에 증착하는 공정으로 태양전지 제조에 필수적인 공정임

다. 가치사슬 구조 및 분류

(1) 가치사슬 및 용도별 분류

◎ 가치사슬 – 태양전지용 CVD 및 태양전지 공정

□ 태양전지용 CVD 기술은 태양광 가치사슬 중 실리콘 웨이퍼 부분 및 태양전지 공정에 위치하여 태양전지 제조기술의 핵심을 차지하고 있으며 디스플레이 및 반도체 공정기술과의 연계성이 높아 상호 파급이 가능한 핵심공정 및 장비기술임

◎ 용도별 분류 – 태양전지용 CVD

□ 태양전지 공정에서 CVD는 합성 물질로 구분할 경우 크게 3가지 공정에 사용됨 : 에피탁시 실리콘 웨이퍼 성장, 패시베이션 박막 공정 및 반사방지막 공정

▪에피탁시 실리콘 웨이퍼 성장은 가스 전구체를 이용하여 단결정 실리콘 웨이퍼를 직접 성장하는 방법으로써, 기존의 초크랄스키 웨이퍼 제조공정 대비 공정단계를 크게 단축할 수 있어 차세대 웨이퍼링 기술로 매우 주목받고 있음

▪패시베이션 박막은 일반적으로 수소화된 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon)을 PECVD 방법으로 웨이퍼 표면에 증착하는 방법으로 구현하는데, 국내 디스플레이 및 반도체 산업과의 연계성이 높고 국내 기술 경쟁력이 높아 집중적인 투자를 통해 국내 기술 우위 유지 및 고효율/고부가가치 태양전지의 기술 주도권을 확보가 시급함

▪반사방지막 공정은 태양전지 표면의 반사를 줄이기 위해 적당한 두께의 유전체 박막을 태양전지 표면에 증착하는 공정이며, 최근에는 반사방지막에 패시베이션 역할을 겸하는 재료의 연구가 진행되고 있어 해당 공정에 관한 연구도 매우 중요함

(2) 기타 분류 방법

□ 태양전지용 CVD를 장비 및 공정특성의 관점으로 구분할 경우 APCVD, LPCVD, PECVD로 분류할 수 있음

▪APCVD(Atmospheric Pressure CVD, 상압CVD)는 대기압에서 반응이 일어나도록 설계되었으며, 이로 인해 단순한 장비구조 및 저렴한 공정/유지보수 비용이 특징

▪LPCVD(Low Pressure CVD, 저압CVD)는 일반적으로 0.1~10 Torr 정도의 진공에서 반응이 일어나도록 설계됨

▪PECVD(Plasma Enhanced CVD)는 플라즈마를 이용하여 공정 중 기판온도를 200℃ 수준으로 크게 저감하는 것이 특징인 장비기술

[ 태양전지용 CVD 장치의 구조에 따른 분류 ]

* 출처 : Circuits Today

2. 산업 분석

가. 산업 동향

◎ 글로벌 태양광 산업 동향

□ 코로나-19에도 불구하고 글로벌 태양광 시장은 성장세 지속

□ 세계 태양광산업은 선도기업과 후발주자 간 경쟁력 격차가 커지고 있어, 태양광 산업에서 발생하는 수익이 상위기업에 집중되는 승자독식 구조로 재편 중

▪2010년대 공급과잉에 따른 시장구조조정이 마무리되어 가고 있으며, 2020년 이후 구조조정에서 생존한 선도기업을 중심으로 세계 태양광산업은 재편 중

▪2019년 4분기 기준 가치사슬별 Top 10 기업 시장점유율은 폴리실리콘 88%, 잉곳 92%, 웨이퍼 83%, 태양전지 47%, 모듈 40%

▪치열한 경쟁을 통해 살아남은 상위기업은 과거 대비 높은 수준의 이익을 향유할 전망

□ 2020년 상반기 태양광 수출은 폴리실리콘 등 소재·부품 수출은 부진, 태양전지 및 모듈 수출은 코로나-19에도 불구하고 선방

▪폴리실리콘은 중국 자급률 상승으로 인해 직격탄을 맞은 상황으로, 중국은 전 세계 폴리실리콘 수요의 90% 이상 차지해 수출지역 다변화도 불가능해 향후 수출증가는 어려울 전망

▪태양전지 및 모듈 수출은 최대 수출시장인 미국 수요가 예상보다 양호해 예상보다 선방

□ 폴리실리콘 및 잉곳·웨이퍼 등 소재 분야 경쟁력 상실로 우리나라 태양전지 및 모듈 등 제품 경쟁력 약화 상태

▪웨이퍼의 97%를 중국에서 수입하고 있는 상황에서 중국 모듈업체 대비 국내 모듈 기업이 더 높은 가격경쟁력을 확보하는 것은 불가능한 상황

▪중국 상위 모듈업체와 국내 모듈 기업 간 제품 효율 차이가 크지 않은 상황에서 현재의 가격 격차는 좁혀지기 쉽지 않을 것으로 예상

▪국내 기업의 생존을 위한 최대 지원책은 내수시장에서 국산 제품의 사용 확대이며, 이를 위한 정책적 지원이 필요

◎ 태양광 산업 주요 이슈

□ 코로나-19로 인해 2020년 2, 3분기 경매 예정되어 있던 태양광 프로젝트가 연기되고 있으며, 연기 확정된 용량은 약 25GW

▪코로나-19가 확산되면서 글로벌 경제활동 및 금융조달이 위축됨에 따라 주요국에서 경매 예정된 프로젝트가 연기되고 있으며 현재 확정된 용량만 25GW

▪코로나19로 인한 태양광 프로젝트 연기는 결국 올해 태양광 수요 감소로 이어져 2000년 이후 처음으로 역성장을 기록할 전망

▪올해 연기된 프로젝트는 코로나-19가 진정되면 빠르게 정상화될 가능성이 존재, 2021년 세계 태양광 수요는 2020년에 이연된 수요와 합쳐지면서 큰 폭의 성장도 가능할 전망

[ 2020년 경매 예정된 신재생에너지 프로젝트 연기 물량 ]

* 출처 : 태양광 산업동향 보고서, 2020, 한국수출입은행 해외경제연구소

□ 2020년 1분기 국내 태양광 설치량은 분기 보급량 기준 사상 최초로 1GW를 돌파

□ 코로나-19로 인해 2분기 이후 태양광 산업은 불확실성이 커질 전망

□ 코로나-19로 인해 성장세를 지속하던 세계 태양광 시장의 역성장은 불가피

□ 세계 태양광 수요감소로 인해 전년대비 제품 가격하락 및 기업실적 악화가 예상

나. 시장 동향 및 전망

(1) 세계시장

□ 세계 CVD(Chemical-Vapor-Deposition) 시장은 2018년에 248억 달러에서 연평균 8.6% 성장하여 2024년 403억 달러 규모에 도달할 전망

□ 세계 태양광 PV 패널 시장은 2018년에 1,105억 달러에서 연평균 4.3% 성장하여 2024년 1,422억 달러 규모에 도달할 전망

◎ 세계 태양광 시장 동향

□ (수요현황) 2019년 세계 태양광 설치량은 118GW가 설치돼, 전년 대비 9.3% 성장

하락에 따라 수요 저변은 지속적으로 확대 중

□ (수요전망) 코로나-19 사태 발생으로 2020년 세계 태양광 수요는 사상 처음 역성장할 것으로 예상했으나, Big 2(중국 및 미국) 시장의 예상보다 양호한 수요증가로 인해 120GW를 넘어설 전망

□ “국제그린에너지엑스포” 뉴스레터에 따르면 중국, 인도, 일본을 포함한 아시아 지역이 세계 최대 태양광 시장으로 발돋움을 할 전망

□ 2030년까지 세계 태양광 수요는 약 1,750GW가 생겨날 것으로 예상

(2) 국내시장

□ 국내 태양광 시장은 2018년에 2조 6,239억 원에서 연평균 17% 성장하여 2024년 7조 8,751억 규모에 도달할 전망

◎ 국내 태양전지 시장 동향

□ 2020년 상반기 태양전지 수출액은 1.6억 달러로 코로나-19에도 불구하고 지난해 같은 기간보다 26% 증가

▪태양전지 수출은 2017년 이후 매년 증가하고 있으며 2019년 수출액은 3.6억 달러로 전년 대비 127% 증가

▪2017년 1억 달러에 불과했던 태양전지 수출이 미국의 무역 규제로 인해 2018년 이후 급증

▪미국 코로나-19에도 불구하고 태양전지 수출은 예상보다 타격을 덜 받는 상황으로 미국의 태양광 발전에 대한 수요는 여전히 양호해 하반기 수출도 견조할 것으로 예상

□ 2019년 태양전지 수입액은 3.9억 달러였으며, 2020년 상반기 수입액은 1.3억 달러로 전년 대비 33.4% 감소

▪2019년에는 태양전지 수입액이 모듈 수입액을 넘어선 상황으로 중국산 태양전지를 이용해 모듈을 만들거나, 미국 태양전지 수요가 급증함에 따라 부족한 태양전지 물량을 수입으로 해결

▪2020년 상반기 태양전지 수입액 감소는 태양전지 가격하락 및 국내 자급물량 증가에 기인

□ 태양전지 최대 수출국은 미국으로 2017년 3.2백만 달러에 불과했던 수출이 2019년 3억 달러로 약 100배 증가

▪2020년 국내 태양광 기업들의 최대 수출시장은 미국이며, 미국 시장 흐름에 맞춰 대응전략을 짜고 있어 현지 모듈 생산을 위한 태양전지 수출은 당분간 증가할 것으로 예상

3. 기술 개발 동향

가. 기술 개발 이슈

◎ 태양전지용 CVD 장치 관련 기술 동향

□ 국내 기술 수준 현황

▪선진국(독/일/스위스) 대비 국내 기술 수준은 약 80%이며, 개발격차는 3년 수준

▪CVD 반응기 하드웨어 제작 기술은 선진국 대비 동등 또는 일부 우위이나, 공정진단, 특성평가 및 공정노하우 등 요소기술 분야에서 연구의 축적이 필요하며 공정진단, 특성평가법 및 공정노하우 개발에 연구개발이 집중되어야 함

▪1990년대 후반부터 약 20년간 연구개발에 많은 투자가 있었지만 APCVD 기반의 에피탁시 웨이퍼 기술은 사업화에 난항을 겪고 있으며 기술적 난관 극복에 한계에 도달함

▪따라서 국내 기술 개발은 APCVD 기반의 에피탁시 성장이 아닌 새로운 breakthrough 공정을 통한 에피탁시 성장공정 및 장비기술 개발에 집중적으로 투자하여야 함

□ 태양전지용 CVD기술의 개발방향은 고수율, 양산성 및 비용효율을 고려한 접근이 필요하나, 고품질의 태양전지용 재료를 합성하는 것이 본질적인 목표임

▪에피탁시 실리콘 성장용 CVD반응기와 패시베이션 박막 증착용 PECVD의 경우 적용 공정이 전혀 다른 것을 고려하여 기술개발을 진행해야 함

▪에피탁시 성장용 CVD공정은 분리층과 에피탁시 공정으로 구분되는 두 가지의 공정을 하나의 반응기에서 진행하는 다기능 반응기의 역할이 중요함

▪분리층 공정의 경우 저온 플라즈마 공정을 통해 Si-H 결합을 함유한 박막을 합성 가능한 공정으로 수행되며 특히 분리층 증착 후 수소 분위기에서 고온 열처리 공정이 연속적으로 하나의 반응기에서 수행 가능한 설계가 필요함

▪에피성장 공정의 경우 고속 에피층 성장을 위한 고압공정이 필수적이며, 이때 성장되는 에피탁시층은 고품질의 실리콘 웨이퍼로 태양전지 특성에 핵심적인 영향을 미치기 때문에 고품질의 결정질 실리콘을 고속으로 성장하는 것이 요구됨

▪패시베이션 증착용 PECVD반응기는 매우 얇은 박막을 균일하게 증착하기 위해 짧은 시간동안 진행되는 박막증착 공정을 정밀하게 제어하는 것이 매우 중요함

▪진성 비정질 실리콘 박막의 경우 실리콘 기판 표면에 명확한 계면을 형성하여 균일한 비정질 실리콘의 증착되는 것이 중요하며, 이 때 플라즈마에 의한 이온충돌을 최소화하고 박막의 수소 함량을 조절하여 실리콘 기판 표면의 결함을 제어하는 것이 중요함

▪고품질의 패시베이션 공정을 위해 비정질 실리콘 박막 특성평가기술에 대한 연구가 병행되어야 하며, 특히 10nm 이하 박막의 수소함량을 파악하기 위해 수소방출법을 이용한 특성평가기술 개발이 병행되어야 함

◎ 페로브스카이트 태양전지 개발

□ 3세대 태양전지는 경제성, 유연성 등의 장점이 있으나, 아직 연구개발 및 실증화 단계

▪태양전지는 태양으로부터의 빛 에너지를 전기로 변환하는 반도체 소자임

▪2020년 태양전지 시장은 1세대 태양전지인 결정질 실리콘 태양전지가 90% 이상을 점유하고 있고 3세대 태양전지는 연구개발 및 실증화 단계로 효율 향상 및 안정화가 필요한 상황

▪3세대 태양전지는 생산단가가 저렴하여 경제성이 뛰어나며, 유연 모듈을 활용한 다양한 응용성, 원재료 수급의 용이성 등의 장점으로 시장에서 높은 관심을 받고 있음

□ 태양광 발전용량은 늘고 있으나, 3세대 태양전지 시장은 아직 도입기 단계

▪전 세계적으로 에너지 안보 강화, 대기오염 개선, 기후변화 대응, 에너지 빈곤 해소 등의 해결책으로 신·재생에너지 산업에 대한 투자를 확대하고 있지만, 3세대 태양전지 시장은 아직 도입기 단계에 있음

□ 3세대 태양전지 중 상용화 가능성이 가장 높은 기술은 페로브스카이트 태양전지

▪3세대 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지가 사용될 수 없는 틈새시장을 중심으로 해외 기업에 의해 일부 상용화되었지만, 발전용으로는 결정질 실리콘 태양전지와 경쟁이 되지 않고 있음

▪결정질 실리콘 태양전지를 대체할 것으로 평가받는 페로브스카이트 태양전지는 아직 상용화에 성공한 기업은 없음

▪페로브스카이트 태양전지기술은 국내 대학과 연구소에서 지속적으로 효율 및 안정성 향상 기술을 보고하며 기술개발 혁신을 주도하고 있음

4. 전략제품 기술 개발 전략

가. 중소기업 기술 개발 전략

□ 태양전지용 CVD 장치는 반도체 및 디스플레이용 CVD 공정에 뿌리를 두고 있으나, 태양전지기술에 특화된 태양전지용 CVD만의 기술개발이 필요함

▪반도체 공정의 경우 미세화, 고정밀 및 고집적의 특징이 있다면 태양전지용 CVD 공정은 고수율, 양산성 및 비용효율에 대한 설계가 필요함

▪에피탁시 실리콘 성장용 CVD 반응기와 패시베이션 박막 증착용 PECVD의 경우 적용 공정이 전혀 다른 것을 고려하여 기술개발을 진행해야 함

□ 에피탁시 성장용 CVD 공정은 분리 층과 에피탁시 공정으로 구분되는 두 가지의 공정을 하나의 반응기에서 진행하는 다기능 반응기의 역할이 중요함

▪분리층 공정의 경우 저온 플라즈마 공정을 통해 Si-H 결합을 함유한 박막을 합성 가능한 공정으로 수행되며 특히 분리층 증착 후 수소 분위기에서 고온 열처리 공정이 연속적으로 하나의 반응기에서 수행 가능한 설계가 필요함

▪에피성장 공정의 경우 1μm/min 수준의 고속 에피층 성장을 위한 고압 공정이 필수적이며, 이때 성장되는 에피탁시층은 고품질의 실리콘 웨이퍼로 태양전지 특성에 핵심적인 영향을 미치기 때문에 고품질의 결정질 실리콘을 고속으로 성장하는 것이 요구됨

□ 패시베이션 증착용 PECVD 반응기는 두께 10nm 내외의 매우 얇은 박막을 균일하게 증착하기 위해 짧은 시간 동안 진행되는 박막증착 공정을 정밀하게 제어하는 것이 매우 중요함

▪진성 비정질 실리콘 박막의 경우 실리콘 기판 표면에 명확한 계면을 형성하여 균일한 비정질 실리콘의 증착되는 것이 중요하며, 이때 플라즈마에 의한 이온 충돌을 최소화하고 박막의 수소함량을 조절하여 실리콘 기판 표면의 결함을 제어하는 것이 중요함

▪고품질의 패시베이션 공정을 위해 비정질 실리콘 박막 특성평가 기술에 관한 연구가 병행되어야 하며, 특히 10nm 이하 박막의 수소함량을 파악하기 위해 수소 방출법을 이용한 특성평가기술 개발이 병행되어야 함

▪도핑 층의 경우 교차오염을 방지하기 위해 별개의 반응기에서 박막증착이 이루어져야 하며 기 증착된 진성 비정질 실리콘의 특성 열화를 최소화하는 공정제어가 필요함

▪증착된 패시베이션 박막의 특성평가를 위해 비접촉식 전하 수명 측정, 타원 편광분광 분석을 이용한 박막특성분석, 전기전도도 측정을 통한 반전 층 특성분석 등의 특성평가기술 개발이 병행되어야 함

나. 핵심기술 리스트