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화학연, 페로브스카이트 태양전지 제작 기술, 100억 원 규모 기술이전 계약 체결

작성자 : 편집부 2024-08-08 | 조회 : 196

- 대량생산에 유리한 건식 진공증착 핵심 기술 개발 성과

- OLED용 진공증착 전문기업인 (주)셀코스에 기술이전, 글로벌 차세대 태양광 산업 주도권 탈환 기대

전 세계적으로 탄소중립 기조에 태양광 산업이 크게 성장하고 있는 가운데, 국내 연구진이 차세대 태양광 소재로 가장 주목받고 있는 페로브스카이트 태양전지의 대량생산 핵심 기술을 개발하고, 국내 기업에 해당 기술을 이전하는 계약을 체결하였다.

한국화학연구원(원장 이영국)은 (주)셀코스(대표 백우성)과 지난 5월 3일 오전 10시, 100억 원 규모의 페로브스카이트 태양전지 대량생산 기술의 이전 계약 체결식을 개최하였다. 이날 행사에는 화학연 이영국 원장, (주)셀코스 백우성 대표 등 관계자 10명이 참석했다.

5.3(금) 오전, 화학연에서 페로브스카이트 태양전지 관련 기술이전 협약식이 개최되었다.(우로부터 화학연 이영국 원장, (주)셀코스 백우성 대표이사)

화학연 김범수·전남중 박사 연구팀은 OLED 양산에 활용되고 있는 건식 진공증착* 기술을 활용하여, 고품질의 페로브스카이트 박막을 제작할 수 있는 기술 개발에 성공하였다.

* 건식 진공증착: 진공상태에서 재료에 열을 가한 후 증발하는 과정을 통해 박막(thin-film)을 제작하는 방법. 현재 OLED 산업에 활용 중이며, 다양한 장점으로 인해 대량생산에 유리한 공정이다.

페로브스카이트 태양전지 관련 기술이전 협약식에 참석한 양 기관 관계자들

연구팀은 본 기술을 OLED 진공증착 장비 전문기업인 ㈜셀코스의 우수한 역량에 접목하여, 페로브스카이트 태양전지 대량생산에 박차를 가할 예정이다.

태양전지, 디스플레이, 센서 등 반도체 디바이스에서 사용되는 소재는 반드시 박막*화 공정을 거쳐서 박막 형태로 기능하게 된다. 따라서 박막화 공정은 소재의 특성을 디바이스에서 제대로 기능할 수 있도록 세밀하게 설계 되어야 하며, 매우 정확한 제어를 필요로 한다.

* 박막: 통상 두께가 마이크로미터 이하로써, 기계 가공으로는 만들 수 없는 얇은 막

< 건식 진공증착 공정을 통한 페로브스카이트 태양전지 제작 기술 >

건식 진공 공정은 OLED 산업에서 검증된 바와 같이 상용화에 적합한 공정이나, 기존 페로브스카이트 태양전지 제작에는 그 기술이 개발되지 않아 제대로 사용되지 못하였다. 본 기술 실시 계약은 이러한 문제점들을 해결하고, 상단 그림과 같이 신규 소재를 바탕으로 한 두께 센서와 생성되는 박막을 실시간으로 정확히 모니터링하여 공정 제어도를 극대화하는 기술이며, 이를 통해 하단 그림과 같이 건식 진공증착 공정을 통한 성공적인 상용화가 기대된다.

3세대 박막 태양전지 중 페로브스카이트 태양전지는 효율이 가장 높아, 선도적인 차세대 태양광 소재로 주목받고 있다. 하지만 ’26년까지 무려 연 400조 원대 성장이 전망되는 태양광 산업 대부분을 현재 중국의 실리콘 태양전지 벨류체인이 독점하고 있다.

따라서 올해 초 정부에서는 페로브스카이트 및 실리콘 탠덤 조기 상용화의 강력한 의지를 밝힌 바 있으며, 조기 상용화를 위한 국내외 유수의 기업들의 기술 개발 경쟁이 매우 치열한 상황이다.

지금까지 보고된 페로브스카이트 태양전지 제작 공정의 98% 이상이 습식용액 방식 공정이다. 손쉽게 태양전지를 제작하고 고효율화에 유리하지만, 상용화를 위한 대면적화, 재현성, 공정 안정성 등을 위한 추가 연구가 더 필요하다. 따라서 최근에는 OLED 양산 공정에 성공적으로 사용되고 있는 ‘건식 진공증착’ 기술이 주목받고 있다.

하지만 기존 건식 진공증착 공정기술 또한 페로브스카이트 박막 제작 시 소재가 불안정하고 박막 생성 과정이 매우 복잡하여, 원래의 가장 큰 장점인 공정 정확도를 제대로 확보하지 못했으며, 공정 제어도가 낮아 박막 조성, 두께, 품질 등을 재현성 있게 제작하기 어려웠다.

페로브스카이트 태양전지의 대량생산 핵심 기술을 개발한 한국화학연구원 연구팀(오른쪽부터 전남중 센터장, 김범수 박사)

이에 화학연 연구팀은 페로브스카이트 소재가 박막화되는 특성을 기본 원리부터 분석하여, 복잡한 과정을 거치는 공정의 제어 방법을 개발했다. 매우 복잡한 박막화 과정을 정확한 비율로 미세하게 조절하여 고효율의 태양전지를 안정적으로 생산할 수 있게 된 것이다.

건식증착 공정에서의 복잡한 페로브스카이트 소재의 박막화되는 과정을 정확히 기술하는 수학적 모델을 기반으로 공정제어 방법론과 더욱 개선된 건식용 소재 제작 기술을 확보하였다. 또한 공정 맞춤형 소재를 개발하여 공정 제어도를 획기적으로 높혀, 고품질의 박막을 제작할 수 있게 되었다.

건식 진공증착의 기술 특성상, 연구 단계에서 제작된 기술만으로도 박막의 크기를 크게 하는 대면적화가 상대적으로 매우 수월하다. 따라서 이번 기술실시계약은 특히 디스플레이 시장에서 양산급 장비 납품 기술력을 가진 진공증착 장비 업체의 노하우와 시너지 효과를 내어 차세대 태양광 소재의 상용화에 핵심 역할을 할 것으로 기대된다.

화학연 페로브스카이트 연구팀

화학연 이영국 원장은 “이번 성과는 재생에너지 분야의 핵심 소재를 상용화하기 위한 큰 기술적 관문 중 하나를 통과한 것이며, 이러한 기술이전을 통해 중소기업에 글로벌 경쟁력을 갖출 수 있는 역량을 심어주고 나아가 국가 에너지 안보에 출연연이 조력하는 좋은 모델이 될 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

㈜셀코스 백우성 대표는 “이번 화학연의 세계 최고 수준의 페로브스카이트 건식 공정기술과 ㈜셀코스가 보유한 세계 최고 수준의 설비 생산 역량의 시너지 효과를 통해 글로벌 경쟁력을 갖춘 기업으로 거듭날 수 있도록 최선을 다할 예정이다”라고 밝혔다.

한편, 본 연구팀은 기존 습식 용액공정 기반 페로브스카이트 태양전지 소면적 셀에서 세계 최고 공인 인증 효율을 8회 갱신한 기술력을 보유하고 있으며, 같은 공정으로 200㎠ 이상의 대면적 모듈 분야에서도 19% 이상의 세계 최고 수준 효율을 보유하고 있다. 현재 상용화를 위해 다양한 관련 기관 및 기업들와 협업 중이다.