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쉽게 이해하는 화학용어 4 #폴리머와 #모노머
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태양광 에너지 핵심 재료, 폴리실리콘
친환경 에너지에 대한 전 세계적인 관심과 수요 증가로, 태양광 에너지 시장도 점점 커지고 있는데요. 이제 태양광 에너지판이 설치된 집이나 아파트, 주차장 등을 쉽게 찾아볼 수 있을 만큼 우리 생활 속에 자리잡고 있습니다. 이 태양광 에너지를 만들기 위해서는 없어서는 안될 필수 재료가 있습니다. 바로 ‘폴리실리콘’이라는 물질인데요. 태양전지에 꼭 필요한 재료이기 때문에 ‘태양광 산업의 쌀’로 불리고 있습니다. 미래 에너지를 책임질 폴리실리콘은 어떤 물질이고, 어떻게 만들어지는지 알아보도록 하겠습니다.
태양광 산업의 쌀, #폴리실리콘
실리콘(silicon)은 ‘규소(Si)’라고 하는데요, 지구상에서 산소 다음으로 많이 존재하는 원소입니다. ‘폴리실리콘(polysilicon)’은 태양전지에서 빛에너지를 전기에너지로 전환시키는 역할을 하는 작은 실리콘 결정체들로 이뤄진 물질인데요. 고순도의 다결정 분자구조로 되어 있습니다. 입자크기는 보통 10나노미터에서 1마이크로미터 정도로, 반도체와 태양전지에 사용되고 있습니다. 일반 실리콘에 비해 불에 잘 견디는 내화성, 발수성, 산화안정성, 저온안정성, 가스투과성 등이 뛰어난 것이 특징입니다.
▲폴리실리콘 만드는 과정(출처: 한화케미칼)
실리콘은 지구상에서 매우 풍부한 물질 중 하나이기 때문에 쉽게 찾을 수 있는데요. 하지만 자연에서는 실리콘이 순수한 원소 형태로 존재하지 않기 때문에, 실리콘을 분리하는 과정이 매우 복잡합니다.
먼저 자연상태에서 이산화규소(SiO2)로 존재하는 실리콘에서 산소와 불순물을 제거한 분말 형태의 MG-Si를 HCl와 반응시키면 혼합 실란가스(TCS, STC)가 발생합니다. TCS 합성 공정에서 생산한 TCS(Trichlorosilane:SiHCl3, 삼염화실란)를 정제해 고순도 TCS로 만듭니다. Bell Jar 형태의 반응기에 고순도 TCS를 넣어 폴리실리콘 제품을 생산하게 되는데요. TCS의 Si 성분이 CVD (Chemical Vapor Deposition: 화학기상증착) 반응을 통해 Filament에 증착되어 막대형 제품이 생성됩니다. 이 과정에서 발생되는 혼합 Gas는 성분별로 분리하여 재사용됩니다.
태양 전지판 제조용 실리콘은 순도 99.999999%가 되어야 합니다. 고순도 TCS 분리 과정에서 조그만 오차라도 발생하면 고순도 제품은 나올 수 없을 만큼 고난도의 공정입니다.
태양광 모듈에 사용되는 #고순도폴리실리콘
폴리실리콘은 웨이퍼, 태양전지, 모듈, 시스템 등 태양광 산업을 위한 핵심 기초소재지만, 이처럼 고순도 정제 및 제조기술이 까다로워 진입장벽이 높은 물질이기도 합니다. 따라서 고도의 공정기술과 자본력을 갖춘 소수 업체만 생산 가능한 제품으로 잘 알려져 있습니다. 국내 개발 이전까지 전 세계적으로 미국, 독일, 노르웨이, 일본 등이 세계 시장 점유율을 대부분 차지하고 있었는데요. 2007년 폴리실리콘을 생산할 수 있는 기업은 전 세계 4개국 7개 업체뿐이었으며, 우리나라도 전량 수입에 의존하고 있었습니다.
▲한화케미칼 폴리실리콘공장 (출처: 한화케미칼  공식 홈페이지 http://hcc.hanwha.co.kr/ko/ )
한화케미칼은  여수 국가산업단지  내 연간 1만5천톤 규모의 폴리실리콘 공장을 완공해 2014년부터 생산을 시작했는데요, 현재   등 태양광 사업에 필요한 모든 과정을 다루며 세계 최초로 ‘태양광 사업의 수직계열화’를 이루었습니다. 태양광 수직계열화란, 태양광의 기초 생산 원료인 폴리실리콘부터 태양광 발전에 필요한 모든 과정을 다루며, 최종적으로 생산된 전기에너지를 사용하는 시스템까지, 태양광 발전을 위한 모든 것을 갖춘 것을 뜻합니다.
화석연료  사용을 줄여  온실효과를 줄여주는  태양광 에너지  기술을 통해  안전하고 깨끗한  친환경 에너지  세상을 이끌어  가고 있는  한화케미칼의 도전에  많은 응원  보내주시기 바랍니다.
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