폴리실리콘(polysilicon)은 태양전지에서 빛에너지를 전기에너지로 전환시키는 역할을 하는 작은 실리콘 결정체들로 이루어진 물질이다. 일반 실리콘에 비하여 발수성이나 내화성, 산화 안정성, 저온 안정성, 가스 투과성 등이 뛰어난 것이 장점이다. 폴리크리스털린 실리콘(poly-crystalline silicon)이라고도 하며, 고순도의 다결정 분자구조를 지닌 화합물이다. 규소의 탄소 용융 환원, 곧 석영에서 추출한 규소를 탄소 화합물과 혼합하여 가열하는 과정을 통하여 생산한 메탈실리콘(MG-Si)을 원재료로 하여 가용로에 투입한 뒤 모노실레인 또는 삼염화실레인과 화학적으로 반응시켜 정제된 폴리실리콘을 얻는다. 이 공정을 지멘스(Siemens) 방식이라고 하는데, 폴리실리콘 생산 공정의 90% 정도가 지멘스 방식을 사용하고 있다. 이 밖에 FBR(fluidized bed reactor) 방식과 MG-SoG(Solar Grade Metallurgical Silicon) 방식, VLD(vapor-to-liquid deposition) 방식이 있다.
1950년대 다우코닝 등 정밀화학 기업들의 연구를 통하여 양산하는 데 성공하였고, 1960년대 반도체 산업의 성장과 더불어 고순도 폴리실리콘 제품이 개발되었다. 초기에는 소수의 기업만이 생산하여 대부분 CPU(중앙처리장치) 기판에 사용되었으나, 2005년 이후 태양광 산업의 발전과 더불어 태양전지 시장이 급속히 확대됨에 따라 수요가 크게 늘고 있다.
폴리실리콘 제조원천기술을 보유ㆍ생산하는 기업은 미국의 헴록, 독일의 바커, 우리나라의 OCI 있으며 이외에도 한화큐셀, 현대에너지솔루션 등이 있다. 2021년 Capa 기준, 현재 중국 및 글로벌 폴리실리콘 1위 기업은 통위그룹(通威集团)이다.
현재는 글로벌 폴리실리콘 산업은 중국이 꽉 잡고 있지만, 10년 전만 해도 산업의 판도는 지금과 매우 달랐다. 태양광급 폴리실리콘의 대량생산은 2000년대 초, 독일 정부가 신재생에너지 분야 홍보를 대폭 늘리면서 본격적으로 시작되었다. 반도체 폴리실리콘 생산업체였던 독일의 글로벌 화학기업 바커(Wacker Chemie AG)가 해당 분야의 선두기업이 되었고, 2013년까지 독일과 이탈리아가 태양광 산업의 핵심 시장이었으나 이후 중국 정부 주도 아래 글로벌 수요와 공급의 주도권이 점차 중국으로 넘어오기 시작했다.
개요
폴리실리콘은 태양광 전지에 핵심 원료로 대표적 미래산업으로 꼽힌다. 규소에서 실리콘을 뽑아내는 공정을 통해 만드는 작은 실리콘 결정체들로 이루어진 물질로, 일반 실리콘결정과 아모퍼스(비정질)실리콘의 중간 정도에 해당하는 물질이다. 초창기에는 컴퓨터 중앙처리장치(CPU)에 주로 쓰였으나, 지금은 태양전지에 많이 사용된다. 순도가 일레븐나인(99.999999999%)급 이상일 경우에는 반도체용으로 반도체 웨이퍼를 만드는 데 사용하며, 식스나인(99.9999%)급일 경우에는 태양전지용으로 솔라 셀(solar cell) 기판을 만드는 재료로 사용되어 빛에너지를 전기에너지로 전환하는 역할을 한다.
입자크기는 보통 10나노미터에서 1마이크로미터 정도다. 전 세계 생산량의 3분의 2가 반도체 제조에 사용되며, 나머지는 태양전지 분야에 사용된다. 일반 실리콘에 비해 불에 잘 견디는 내화성, 발수성, 산화 안정성, 저온 안정성, 가스 투과성 등이 뛰어나다.
제조 과정
규소(SiO2)를 탄소화합물로 환원하여 제조한 메탈실리콘(MG-Si)을 주원료로 하여 수소, 염산 등과 반응시키고 제조된 혼합실란을 증류공정을 통해 고순도의 삼염화실란(TCS)을 제조한다. 이를 다시 고온 상태에서 화학적 증착 반응시켜 고체상태의 고순도 폴리실리콘(Polysilicon)을 제조한다.
관련기업
- 오씨아이(OCI) : OCI는 2006년부터 태양광 산업의 핵심 원료인 폴리실리콘 사업을 추진했으며, 2008년 유럽, 미국, 일본의 소수 회사만이 제조하던 폴리실리콘의 상업 생산에 성공했습니다. 태양광용 제품을 시작한 뒤로 지속적인 debottlenecking을 통해 생산 능력을 확대해 나가고 있으며, 고순도 폴리실리콘 제조 기술을 기반으로 국내 최초로 반도체용 제품까지 사업을 확대했다. 군산 공장에서는 반도체용 폴리실리콘을 제조하며 말레이시아 공장은 태양광용 폴리실리콘을 제조하고 있다.
- 통위그룹(通威集团) : 2021년 캐파 기준 중국 1위 폴리실리콘 업체인 통위는 수산 양식업과 동물 사료 사업으로 시작해 2016년 태양광 사업에 진출한지 6년 만에 태양전지 글로벌 1위, 폴리실리콘 2위를 차지했다. 통위의 사업부문은 동물사료 46%, 태양전지/모듈 34%, 폴리실리콘 15%, 태양광 발전 3% 등으로 구성돼 있으며 총이익의 69%를 태양광 사업부문(태양전지/모듈 30%, 폴리실리콘 30%, 태양광 발전 9%)이 견인하고 있다.
참고자료
- 〈폴리실리콘〉, 《두산백과》
- 〈폴리실리콘〉, 《시사상식사전》
- 미래에셋자산운용, 〈혁신 전쟁- 중국의 폴리실리콘 산업, 어떻게 나아가고 있나?〉, 《네이버블로그》, 2020-0928
- 안호현 기자, 〈글로벌1위 폴리실리콘 업체 '통위', 美'신장 압박'에도 웃는 이유〉, 《인포스탁데일리》, 2021-07-01
- 뱅골호랑이, 〈*중국 및 글로벌 폴리실리콘 1위 기업, 통위그룹〉, 《네이버블로그》, 2021-07-16
- 이윤정 기자, 〈폴리실리콘 가격 급등에… 한화큐셀 울고, OCI 웃고〉, 《조선비즈》, 2021-08-03
같이 보기
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