- 일반적으로 사용되는 고가 실리콘 대신 값싼 친환경 PET 플라스틱 기판 사용

- 대일 수입 의존도 높고, 비싼 ITO(인듐 주석 산화물) 대신 그래핀과 은나노 와이어 등 국산 재료 사용

- 국내 순수기술로 만든 광 소결 장비로 연속 생산 가능한 공정 개발

벤처기업 메타솔은 한양대학교, 한국과학기술원(KIST), 태양광 모듈 신뢰성 시험 기관 KCL (한국건설생활환경시험연구원) 등 관련 연구 기관들과 협력해 유기 태양전지용 투명 전극 소재와 공정 개발을 통해 두루마리 벽지처럼 롤러블(Rollable, 둘둘 말 수 있는)해 연속 생산이 가능한 새로운 태양전지 제조기술 개발에 성공했다고 9일 밝혔다.

메타솔의 광소결 장비 ‘myIPL’과 광소결 잉크 ‘myCINK’를 이용한 모습

태양전지는 일반적으로 실리콘 기판을 사용한다. 그러나 실리콘 기판을 만들기 위해서는 복잡한 공정을 거쳐야 하므로 태양전지 원가에서 가장 큰 비중을 차지한다. 

실리콘 기판은 특성상 만들 수 있는 크기에 한계가 있어서 대형 태양전지판을 만들기 위해서는 작은 기판들을 조각조각 붙여야 한다. 이에 해상, 유휴농지, 비탈지, 주택·건물 옥상 등에 설치돼 있는 태양광 패널들처럼 직사각형 판지 모양으로 만들어질 수밖에 없다.

이에 반해 플라스틱을 기판으로 이용하는 태양전지는 실리콘 기판에 비해 가격이 매우 저렴하며, 딱딱한 실리콘 기판과는 달리 대면적 연속 생산이 가능해 두루마리 벽지같이 둘둘 말아가며 손쉽게 제작할 수 있다. 

대면적은 물론이고, 휘어지거나 구부릴 수 있으므로 곡면 건물의 외부 벽면이나 빌딩·아파트 유리창에 쉽게 부착해서 전기를 얻을 수 있고, 아웃도어 레저용품 등 다양한 제품에도 사용할 수 있다.

다만 이런 여러 장점에도 태양전지의 전기 회로를 만들고 대면적으로 연속 생산을 할 수 있는 공정기술이 실리콘 기판보다 기술적 난이도가 높아서 상용화에 어려움이 있었다.

메타솔 주관으로 추진된 이번 기술은 지난 4년간 산업통상자원부 지원 국책 과제인 ‘부품소재개발과제’의 하나로 개발됐다. 연구에는 총 37억 원(정부 지원금 약 27억 원 포함)이 투입됐다.

기술에서 가장 눈여겨볼 점은 비싸고 수입(특히 일본)에 절대적으로 의존하고 있는 ITO(인듐 주석 산화물)를 은나노 와이어, 그래핀 등 국산 재료를 개발해 대체한 것이다. 메타솔은 나노 금속 물질을 잉크로 만들어 인쇄한 뒤 이를 제논램프의 강력한 빛으로 소결하는 광 소결(IPL, Intense Pulsed Light) 장비를 국내 순수기술로 독자 개발해 태양전지 제조공정에 적용한 바 있다.

2019년 7월 아베 정권이 내린 반도체 핵심 3대 소재의 한국 수출 금지 조치에서 깨달을 수 있듯 국가 간에는 언제든 기술·자원이 무기화될 수 있다. 이에 그간 핵심 소재를 일본에 의존하고 있었던 핵심 부품 소재의 국산 대체재를 가지게 됐다는 것은 매우 중요한 성과로 평가된다. 또 실리콘 기판이 아닌 친환경의 값싼 PET 플라스틱으로 대량 생산이 가능해 다양한 제품에 저렴한 태양전지를 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

최종 공인인증기관에 태양전지의 성능과 신뢰성을 시험한 결과, 전지 성능을 좌우하는 투명 전극의 저항값은 일반 ITO 투명 전극의 경우 50~100Ω(면저항)이었으나, 메타솔이 개발한 것은 15Ω 이하로 조사됐다. 

기존 소재 대비 5배 이상 면저항 성능이 향상된 것으로, 광 투과율은 89.6%이며 굴곡 반경 3㎜에 1만 회를 접었다 폈다 하는 신뢰성 평가에서도 저항 변화가 10% 이내를 보여 세계 최고 수준의 투명 전극을 개발한 것으로 확인됐다.

연구 개발 프로젝트의 총괄 책임자인 메타솔 진희성 연구소장은 “지난 4년여간 국책 사업으로 개발된 이 기술이 최종적으로 ‘성공 판정’을 받은 것에 대해 관련 연구원들과 함께 기쁘게 생각한다”며, “이 기술이 대한민국의 기술 경쟁력을 한층 더 높였고, 메타솔의 성장 동력이 된 것에 대해 큰 자부심을 느낀다”고 말했다.

메타솔은 신생 벤처기업으로 IPL 광 소결을 이용한 인쇄 전자기술을 상용화한 곳이다. 전도성 나노 금속 입자나 그래핀을 이용한 잉크 등의 소재 제조기술은 물론, 광 소결용 장비 및 관련 공정기술 등을 보유하고 있어 고객의 다양한 제품에 맞춰 원스톱 토털 솔루션을 제공할 수 있다. 이는 반도체, 디스플레이 등 각종 하이테크 디바이스에서 매우 중요한 소재인 ITO를 대체할 수 있는 기술이다.

광 소결(IPL/FLA) 전문기업 메타솔은 2021년 설립된 회사로 장비·공정·소재에 대한 토털 솔루션을 제공한다. 경기 수원시에 본사가 있으며, 옛 쎄미시스코의 인쇄전자 사업부가 스핀오프(Spin-Off, 사업 분리)해 2013년부터 현재까지 기술, 인력을 그대로 유지하고 있다. 메타솔의 대표 기술은 기존 열(Thermal) 공정을 msec~sec 단위의 짧은 시간 동안 광(Light)으로 소결(Sintering), 소성하는 기술이다. 해당 기술은 필름류, 세라믹류, 디스플레이류 등에서 잉크(소재), 광 소결 장비(장비) 차원으로 활용되고 있다.

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