탄력받고 있는 태양광 산업,
부품·소재에 주목할 때

태양광 산업의 본격 성장이 예상되는 가운데, 부품·소재도 함께 성장 궤도에 오를 전망이다. 지금까지 주목해 왔던 폴리실리콘과 웨이퍼 이외에도 태양광 발전 시스템의 효율 향상과 내구성 개선 등에 중요한 역할을 하는 부품·소재를 강소 아이템으로 육성할 필요가 있어 보인다.

양성진 LG경제연구원 책임연구원

지난 3월 일본 대지진 이후, 태양광 관련 기업들은 울고 웃었다. 단기적으 로는 악재로 작용할 듯 보였다. 이미 공 급 부족을 겪고 있던 웨이퍼가 가장 큰 문제였다.

전 세계 웨이퍼 생산의 70%를 차지 하는 신에츠(Shin-Etsu)와 썸코 (SUMCO)가 생산에 차질을 빚었고, 후 쿠시마에 위치한 엠세텍(M.Setek)은 생 산을 중단했다. 뿐만 아니라 태양광 모 듈 제조 시 필요한 백 시트(Back Sheet) 의 원료인 PVDF(Polyviny lidene fluoride, 불소수지의 일종)도 공급에 차질 이 생겼다.

전 세계 공급량의 70% 이상을 생산 하고 있는 일본의 쿠레하(Kureha)는 원 전 사고의 여파로 후쿠시마 공장의 생 산을 중단해야 했다.

결과적으로 핵심 원재료의 생산 차질 이 전 세계 태양광 산업에 미치는 영향 은 미미했지만, 대일 의존도가 높은 부 품·소재에 대한 우려는 여전히 남아 있다.

한편 중장기적으로 일본 대지진은 태 양광 산업 발전의 촉매 역할을 할 것으 로 판단된다. 청정 에너지원으로 각광 받던 원자력 발전에 제동이 걸릴 것으 로 보이기 때문이다. 독일과 스위스, 터 키 등 유럽 각국은 노후 원전의 가동을 중단키로 했으며, EU는 역내 원전의 안 전성을 점검하기 위한 장관급 회의를 열어 강화된 안전체계를 점검할 것으로 알려졌다.

중국도 이미 가동 중인 13기의 원전 에 27기를 추가로 건설할 계획이었으나 이번 사고로 계획을 재검토하겠다는 입 장이다. 이처럼 원자력 발전의 위험성 이 부각되면서 성장 잠재력이 풍부한 태양광 산업에 대한 기대가 더욱 커지 고 있다. 

부품·소재 분야의 중요성 부각

일본 대지진 후 불거진 부품·소재 수급 문제와 태양광 산업의 발전 가능 성이 맞물리면서 태양광 산업 내 부 품·소재의 중요성이 점점 부각되고 있 다. 지금까지는 태양광 산업 밸류 체인 내에서 폴리실리콘이 높은 이익률을 기 록했고, 셀/모듈과 시스템 분야의 이익 률은 그다지 높지 않았다.

하지만 산업이 본격 성장함에 따라 밸류 체인 내 부가가치 정도는 더욱 완 연한 스마일 커브(Smile Curve)의 모습 을 그릴 것으로 예상된다.

즉, 태양광 산업의 중심이라 여겨지 던 셀 분야보다 부가가치가 높았던 폴 리실리콘뿐만 아니라 모듈과 시스템에 사용되는 부품과 소재의 부가가치가 높 아진다는 의미다.

단지 산업이 발전하기 때문에 이러한모습이 나타나는 것은 아닐 것이다. 태 양광 산업(결정질 태양전지의 경우)은 LCD(23%), 반도체(13%)에 비해 상대적 으로 재료비 비중이 30% 수준으로 높 고, 재료가 제품의 효율과 내구성을 좌 우한다. 지금까지 셀에 비해 상대적으 로 관심을 못 받아왔지만, 태양광 산업 이 자생력을 확보하여 시장 규모가 급 격하게 성장함에 따라 부품·소재에 대 한 시각도 변해야 할 것이다(그림 1 참 조).

불황을 겪은 2009년 이후 가격 경쟁 력은 태양광 산업의 중요한 요인으로 떠올랐다. 정책적 지원이 축소되고 공 급 과잉이 지속되면서 모듈 가격이 하 락했고, 가격 경쟁력을 확보하지 않으 면 경쟁에서 살아남기 힘든 구조가 된 것이다.

관련 기업들은 규모의 경제 실현 및 기술 차별화 등을 통해 돌파구를 마련 하려는 노력을 하고 있다. 규모의 경제 를 통한 가격 경쟁력 확보는 공급 과잉 의 리스크가 동반되는 만큼, 향후 태양 광 산업은 효율 향상 등 성능 개선의 경 쟁이 될 것으로 보여 이에 영향을 주는 부품·소재가 더욱 중요해질 것으로 판 단된다(그림 2 참조). 

효율 향상 : 폴리실리콘과 전극 페이스트

태양전지의 효율 향상은 폴리실리콘 부터 셀까지 이어지는 업스트림에서 주 로 결정이 된다. 우선 태양광 산업의 핵 심 소재로 손꼽히는 폴리실리콘을 보 자. 폴리실리콘은 태양광 모듈 전체 원 가의 30%를 차지하고 있다.

뿐만 아니라 폴리실리콘의 순도는 태 양광 모듈의 변환효율을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다. 순도가 높을수록 광변환효율(빛을 전기로 바꾸는 비율) 이 높아지고, 이에 따라 발전량 또한 증 가하게 되는 것이다. 2008년 폴리실리 콘 공급 부족 상황에서는 6N(순도 99.9999%) 수준의 기술력이면 경쟁이 가능했으나, 기업들의 대규모 증설로 공급 과잉이 우려되는 지금은 9N(순도 99.9999999%) 이상이 되어야 경쟁력을 확보할 수 있게 되었다.

웨이퍼 역시 효율 향상에 영향을 준 다. 단결정 웨이퍼가 다결정 웨이퍼보 다 효율이 높은 셀을 만들 수 있다. 단결 정 웨이퍼는 공정이 복잡하고 제조 원 가가 높다는 단점이 있어 태양광용으로 는 잘 쓰이지 않았지만 고효율 셀이 중 요해지면서 사용이 증가할 것이라는 예 상이다.

지금까지 태양광 모듈의 효율 향상에 대해서는 폴리실리콘과 폴리실리콘 기 반의 웨이퍼를 거론하는 것이 일반적이 었다. 하지만 전극 페이스트라는 소재 역시 태양전지의 효율 향상에 지대한 역할을 했다. 2010년 4월, 세계적 화학 기업인 듀폰(Dupont)은 영국 여왕으로 부터 퀸즈 어워드(Queen's Award)를 수상했다.

퀸즈 어워드는 영국에서 기업의 뛰어 난 성과를 인정하고 치하하는 목적으로 제정된 기업 실적 부문에서는 가장 저 명한 상으로, 국제 무역, 혁신, 지속 가능한 성장 등 세 가지 부문으로 나눠 시 상된다.

듀폰이 이 상을 받은 이유는 태양광 셀의 변환효율을 높이는 핵심 소재인 전극 페이스트를 지속적으로 개발한 점 을 인정받았기 때문이다. 1998년 10% 수준이었던 태양광 모듈의 변환효율이 현재 18%까지 도달한 것에는 전극 페이 스트의 힘이 컸다는 것이다. 전극은 쉽 게 말해 전자가 이동하는 길이다. 전극 페이스트는 그 길을 만들어주는 재료이 며, 주로 은과 알루미늄을 사용한다.

듀폰의 전극 페이스트는 셀 제조 공 정 중 전극 형성 시 얇지만 높은 전극을 만들 수 있게 하여, 태양광에 노출되어 전기를 만들 수 있는 기판의 넓이는 좀 더 넓게 하고, 높은 전극을 통해 전류가 흐르는 면적 역시 넓게 만들었다.

뿐만 아니라 전극 페이스트 자체의 저항을 줄여 전자의 이동을 원활하게 하여 효율 향상을 도왔다. 

내구성 확보 : 보호 필름과 커버 유리

효율 향상과 함께 내구성 확보도 필 수적으로 갖춰야 할 조건이다. 내구성 은 태양광 시스템의 투자 회수율을 높 이는 데 아주 결정적인 역할을 한다.

현재 모듈 보증 기간은 25년이 표준 이 되고 있는데 이는 주로 태양광 백 시 트(Back Sheet) 소재의 내구성에 기인 한다.

효율 향상이 주로 셀을 중심으로 한 밸류 체인 상 업스트림에서 이루어진다 면 내구성 확보는 모듈 제조 시 결정되 며, 이를 좌우하는 것은 보호 필름과 커 버 유리다. 태양광 모듈은 셀과 2장의 봉지재(Encapsulation) 필름, 각 1장의 커버 유리와 백 시트로 이루어진다.

우선 셀과 맞닿아 있는 필름은 봉지 재(Encapsulation) 필름이다. 주로 EVA(에틸렌 비닐 아세테이트 : Ethylen vinyl Acetate) 원료를 이용하 기 때문에 EVA 시트라고 불리기도 한 다. 봉지재 필름의 역할은 셀을 습기 및 먼지 등으로부터 차단시키는 셀 보호 기능뿐 아니라 셀과 유리, 백 시트의 접 착을 돕는 역할을 한다.

이와 더불어 가혹한 외부 환경에도 견딜 수 있는 신뢰성을 확보해야 한다. 자외선에 의한 변색이 없어야 하며, 빗 물이나 습기가 셀 표면에 침투하지 못 하도록 막아주어야 한다.

봉지재 필름 뒤에 붙는 백 시트 역시 태양광 모듈의 보호를 위한 것이다. 앞 에서도 밝혔듯이 태양광 모듈의 보증 기간은 25년으로 LCD와 반도체의 5∼ 10년과는 차원이 다르다. 백시트는 봉 지재 필름보다 더 가혹한 외부 환경을 이겨내야 한다. 습기와 물에 강해야 하 며, 우수한 화학적 저항성을 갖추어야 한다. 얼핏 보기에 태양광 관련 필름 분 야의 진입 장벽은 그리 높아 보이지 않 는다. 그러나 원재료 수급과 신뢰성 인 증 과정이 문제다.

봉지재 필름의 경우, EVA 레진이 필 수 재료이지만 전 세계적으로 스미토모 케미컬(Sumitomo Chemical) 등 소수 기업만이 생산하고 있다. 때문에 봉지 재 필름을 위한 EVA 레진은 공급 부족 이 우려되는 상황이다. 백 시트 역시 불 소수지의 공급 부족에 노출되어 있다.

불소수지는 일본의 쿠레하(Kureha), 벨기에의 솔베이(Solvay), 프랑스의 알 케마(Arkema) 등 3개 업체가 과점 체 제를 형성하고 있고, 생산량이 충분하 지 않기 때문이다.

이러한 경쟁 구도는 쉽게 깨지기 어 려울 것으로 보인다. 보증 기간이 25년 인데 성능이 입증될 만큼 충분한 기간 을 두고 사용된 예가 없었기에 신규 기 업이 진출하려 해도 이미 신뢰성이 확 인된 기존 기업에 비해 불리한 조건으 로 경쟁을 해야 하기 때문이다.

유리는 주로 태양광 모듈의 제일 위 에 덮는 커버유리로 사용된다. 커버유 리는 태양광 모듈을 보호해주어야 하기 때문에 충격 강도가 일반 유리의 3배 이 상인 강화 유리가 쓰인다.

강도뿐만 아니라 투과율이 높아 모듈 조립에 따른 효율 감소 효과를 최소화 하기 위해 저철분 유리(1)가 쓰이는 게 대 부분이다.

이에 따라 경쟁 구도도 LCD 등 디스 플레이 산업용 유리와는 달라 경쟁 구 도도 달리 나타나고 있다. LCD용 유리 는 코닝(Corning)과 아사히 글라스 (Asahi Glass), 일본전기초자(NEG)가 과점 구도를 이루고 있는 반면, 태양광 용 유리는 아사히 글라스와 일본 판유 리(Nippon Sheet Glass)가 시장의 대 부분을 점유하고 있다.

다만 최근 들어 기술적 진입 장벽이 낮아지면서 중국 기업들이 활발히 진 출, 경쟁이 심화될 조짐을 보이고 있다 

시스템효율제고: 태양광인버터

태양광 발전 시스템의 생산비는 크 게 모듈과 BOS(Balance Of System) 로 나뉜다. 전체 생산비의 47%를 모듈 이, 53%를 BOS가 차지하고 있는 가운BOS 부품 중 인버터가 주목을 받고 있다.

인버터는 태양전지에서 발생한 직 류 전기를 교류로 바꿔주는 역할을 한 다. 태양광 인버터는 BOS 비용 중 22%를 차지, 시스템 전체로 봤을 때 에는 10% 정도의 비중이지만‘태양광 발전의 심장’이라 일컬어질 만큼 중요 한 부품이다.

아무리 좋은 모듈과 최적의 외부 환 경을 갖춘 시스템이라 할지라도 인버터 가 제대로 받쳐주지 못하면 효율을 극 대화하기 힘들다.

특히 온도 처리 기술은 인버터 효율 에 미치는 중요한 요소 중 하나다. 온도 상승에 따라 효율이 낮아지기 때문에 적절한 냉각 기술을 통해 인버터의 온 도를 일정하게 유지해야 한다.

또한 태양광 발전에 적용되는 인버터 는 일반 인버터와는 달리 일사량에 따 라 최대 출력점을 추적하는 MPP (Maximun Power Point) 트래킹이 중 요하다. 날씨 변화에 따른 최대 출력점 을 얼마나 빠르게 정확하게 찾아가느 냐에 따라 발전량에 차이가 발생하기 때문이다.

태양광용 인버터는 일반 인버터와는 달라 태양광 수요가 급증한 2010년에는 공급 부족을 겪었다. 이러한 상황에서 세계적인 모듈 생산국인 중국의 기업들 이 진출했으나 기술적 진입 장벽이 높 아 해외 시장에는 본격적으로 진출하지 못했다.

현재는 독일의 SMA가 전 세계 시 장의 40%를 점유하고 있는 등 독일 기업이 세계 시장을 주도하고 있는 상 황이다. 

작지만 작지 않을 시장, 강소 아이템으로 육성 필요

전극 페이스트, 필름 등 지금까지 살 펴본 부품·소재 분야는 폴리실리콘, 웨이퍼 등 실리콘을 기반으로 한 아이 템과 달리 제품별 시장 규모가 작다.

폴리실리콘은 2013년 약 90억 달러 의 시장 규모가 전망되는 반면 전극 페 이스트는 25억 달러, 봉지재 필름은 14 억 달러, 백 시트는 19억 달러, 유리는 13억 달러 등 상대적으로 시장 규모가 작을 것으로 예상된다.

시장 규모도 작을 뿐 아니라 과점 체 제의 경쟁 구도라 섣불리 진입하는 것 도 쉽지 않아 보인다.

아직까지 시장은 기술을 가진 소수의 기업이 끌어가고 있으나, 태양광 시장 이 팽창함에 따라 신규 기업의 진출 여 지가 많을 것으로 전망된다.

아직은 산업이 성숙하지 않은 단계로 기술의 혁신 가능성도 높아 차별화된 기술을 이용하여 진출한다면 신규 기업 이라 할지라도 역전의 기회를 만들 수 있을 것이다.

뿐만 아니라 듀폰의 사례와 같은 새 로운 비즈니스 모델에 대해서도 고민해 볼 필요가 있다. 듀폰은 효율적인 에너 지 사용이라는 측면에서 태양광 관련 사업에 주력하고 있다.

다른 기업들이 폴리실리콘과 웨이퍼 에 주목할 동안 듀폰은 전극 페이스트, 백 시트, 봉지재 필름 등 태양광 소재 개 발에 주력하여 세계 1위의 기업으로 성 장하였다.

이를 통해 2010년 매출 10억 달러를 기록하였고, 2014년에는 20억 달러를 목표로 하고 있다. 듀폰은 태양광 모듈 생산에 필요한 10개 이상의 아이템을 생산, 업계에서 가장 광범위한 포트폴 리오를 보이고 있으며 소재와 부품의 시너지를 통해 전체 시스템 비용을 줄 이는 솔루션을 셀, 모듈 기업에 제공할 수 있다.

개별 아이템의 기술 혁신 뿐 아니라 여러 아이템의 조합을 통해 최적의 조 건을 찾아내는 노력은 단지 아이템을 묶어서 판매하는 것을 넘어서는 것이라 평가할 수 있을 것이다.

태양광 산업의 본격적인 성장이 기대 되는 가운데, 핵심 부품을 소수 기업이 독점하는 데 따른 리스크 등을 감안하 여 시장이 작더라도 기업 차원 뿐 아니 라 국가적 차원에서도 전략적 대응이 필요해 보인다.

특히 전 세계적으로 관심이 높아지고 있어 성장성이 기대되는 태양광 산업을 국가의 주력 산업으로 육성하려는 의지 를 보이고 있는 상황에서, 산업의 전반 적인 경쟁력을 확보하기 위해서는 부 품·소재 역량 확보가 필요한 때이다.

제품별 시장 규모는 작지만 비즈니스 모델개선, 기술혁신등을통해강소아 이템으로 육성할 필요가 있다. 

※1 건축용 유리는 공정상 500~1,000ppm 정도의 철분이 함유된 유리가 사용되는 데, 철분으로 인해 투과율이 낮아지는 것 을 막기 위해 150~200ppm 수준으로 낮 춘 유리를 사용