다결정 실리콘 태양 전지 본 고 에서 는 한국 특허 정보 원내 선행 기술 조사 본부 에서 전문 조사원 들 이 각 분야 별 로 작성 하 는 특허 동향 보고서 중 ‘ 다결정 실리콘 태양 전지 ’ 라는 테마 의 특허 동향 을 소개 함 으로써 관련 기업체 및 국내 산업 발전 에 미력 하 나마 도움 이 되 고자 합니다 . 1 . 서 론 최근 지구 환경 문제 와 화석 에너지 고갈 , 원자력 발전 의 폐기물 처리 및 신규 발전소 건설 에 따른 위치 선정 등 의 문제 로 인하 여 신 ㆍ재생 에너지 에 대한 관심 이 고조 되 고 있 으며 , 그 중 에서 도 무공 해 ㆍ무진장의 에너지원 인 태양광 발전 에 대한 연구 개발 이 국내외 적 으로 활발 하 게 진행 되 고 있 다 . 특히 태양광 발전 에 있 어 최근 에 실용 적 대 규모 전력 용 시스템 을 목적 으로 한 대량 생산 에 적용 한 다결정 Si 를 이용 한 소자 의 개발 이 활발히 진행 되 고 있 다 . 따라서 본 고 에서 는 태양광 발전 에 있 어 다결정 실리콘 에 대한 국내 ㆍ외의 연구 개발 현황 및 기술 수준 , 세계 시장 동향 과 전망 에 대하 여 알아보 고 국내 의 향후 기술 개발 방향 에 대하 여 의견 을 제시 하 고자 한다 . 2 . 태양 전지 기술 개요 가 . 태양 전지 동작 원리 빛 과 물질 과 의 상호 작용 에 는 , ‘ 흡수 ’, ‘ 반사 ’, ‘ 굴절 ’, ‘ 편광 ’, ‘ 산란 ’ 등 여러 가지 현상 을 볼 수 있 지만 , 이것 들 을 일으키 는 여러 가지 과정 은 물질 내 에 존재 하 는 캐리어 ( 하전 담체 ( 荷電 擔體 ) ) 와 전도 파와 의 에너지 상호 작용 이 라 생각 할 수 있 다 . 그런데 태양 복사 에너지 의 스펙트럼 은 주로 가시 영역 을 중심 으로 3 , 000 Å 부근 의 근자외선 영역 에서 최소한 의 수 ㎛ 까지 의 적 외광 이 다 . 즉 , 이 과정 의 에너지 에서 가장 에너지 상호 작용 이 많 은 캐리어 는 , 소위 실리콘 이나 칼륨 비소 등 의 반도체 중 의 자유 전자 나 정공 이 된다 . 그런데 반도체 에 빛 을 내리쬐 어 불순물 에 트랩 ( trap ) 되 는 전자 를 여기 ( 勵 起 ) 하 거나 , 대간 여기 ( 帶 間 勵 起 ) 에 의해 가전 자대 의 전자 가 전 도대 에 여기 되 면 , 자유 캐리어 가 생기 기 때문 에 전기전도도 가 증가 하 는 현상 을 광전 도 효과 ( Photo - conductive Effect ) 라 한다 . ( 그림 1 ( a ) ) 는 대간 여기 에 의한 광전 도 효과 를 에너지대 의 그림 을 이용 하 여 설명 한 것 이 다 . 그런데 ( 그림 1 ( b ) ) 에 나타난 것 처럼 반도체 중 에 내부 전계 E 가 존재 하 는 장소 에서 빛 이 내리쬐 어 전자 - 정공 의 생 성 이 일어나 면 , 빛 으로 생긴 전자 는 전 도 대 주위 전계 에 따라 우측 으로 , 또 가전자 대중 에 정공 은 좌측 으로 밀리 어 하전 캐리어 의 분극 이 일어나 기 때문 에 , 반도체 의 양측 에 는 전위차 가 생긴다 . 이 현상 을 광기전력 효과 ( photo - voltaic effect ) 라 부른다 . ( 그림 2 ) 는 단결정 실리콘 ( Si ) 태양 전지 의 구조 ( a ) 와 여기 에 빛 이 내리쬐 어 광 생성 캐리어 가 생기 는 상태 ( b ) , 또 그 캐리어 분극 의 상태 를 에너지 밴드 ( c ) 로 각각 설명 한 것 이 다 . ( 그림 1 ) 에서 도 나타난 것 과 같이 빛 이 내리쬐 어 생긴 전자 와 정공 Å 은 ( 그림 2 ( c ) ) 를 보 고 알 수 있 듯이 서로 좌우 로 이동 하 여 양단 의 전극 에 모여 광기전력 Vph 가 나타난다 . 태양 전지 에 지금 부하 RL 이 연결 되 어 있 는 경우 , p 형 Si 에서 정공 이 n 형 Si 에서 전자 가 부하 쪽 으로 흘러 광전류 Iph 가 각각 그림 ( a ) 와 ( b ) 에 나타난 방향 으로 전류 가 흐른다 . 나 . 태양 전지 의 종류 태양 전지 는 그 종류 에 따라 실리콘 태양 전지 와 화합물 반도체 태양 전지 등 으로 크 게 분류 할 수 있 으며 , 2000 년 기준 으로 실리콘 계 가 태양 전지 시장 의 96 % 이상 을 점유 하 고 있 다 . 실리콘 계 는 다시 실리콘 원자 의 배열 정도 에 따라서 단결정 , 다 결정 , 비결정 으로 나누 어 진다 . 현재 상용 화 되 어 시판 되 고 있 는 태양 전지 는 단결정 및 다결정 실리콘 태양 전지 , 비정질 실리콘 태양 전지 등 으로 태양 전지 의 에너지 변환 효율 은 단결정 실리콘 태양 전지 가 18 %, 다결정 실리콘 태양 전지 15 %, 비정질 실리콘 태양 전지 10 % 정도 이 다 . 태양 전지 제조 기술 개발 은 주로 신뢰 성 및 에너지 변환 효율 향상 , 저 가 화 에 주요 포인트 를 두 고 기술 개발 을 추진 하 고 있 으며 , 태양광 발전 시스템 의 설치 비용 중 태양 전지 가 약 40 % 이상 을 차지 하 고 있 어 태양 전지 의 저가 화 는 태양광 발전 의 핵심 기술 이 라고 할 수 있 다 . 3 . 한국 , 미국 , 일본 의 다결정 실리콘 태양 전지 에 대한 특허 동향 가 . 한국 의 특허 동향 한국 의 특허 동향 분석 에 있 어 원본 데이터 는 한국 공개 특허 , 실용 DB 를 중심 으로 1976 . 1 . 1 . ∼ 2004 . 8 . 31 . 에 공개 된 자료 중 1 차 로 다 결정 실리콘 태양 전지 에 관한 키워드 검색 을 통하 여 총 90 건 의 자료 를 추출 하 였 고 , 그 중 에서 내용 분석 을 통하 여 45 건 을 추출 하 였 다 . 그리고 출원 경향 이 미미 한 1992 년 이전 의 자료 인 6 건 을 제외 한 39 건 을 대상 으로 특허 동향 을 분석 하 였 다 . ( 1 ) 한국 내 특허 동향 분석 다결정 폴리 실리콘 태양 전지 에 관한 특허 출원 은 전체 45 건 으로 미미 한 편 이 며 1983 년 HITACHI 에서 처음 출원 한 이후 별다른 출원 양상 을 보이 고 있 지 않 다가 1995 년 이후 꾸준 한 출원 경향 을 나타내 고 있 다 ( ( 그림 4 ) 참고 ) 특히 1999 년 과 2000 년 에 상대 적 으로 많 은 출원 경향 을 보이 고 있 으며 이때 주요 출원인 을 분석 해 보 면 삼성 SDI ( 4 건 ) 와 장 진 ( 7 건 ) 이 라는 개인 출원 에 의한 출원 이 다수 를 보이 고 있 다 ( < 표 1 > 참고 ) . 다 결정 실리콘 태양 전지 에 관해 주요 출원인 으로 는 장 진 ( 11 건 ) , 삼성 SDI ( 5 건 ) 으로 국내 대 기업 에서 는 삼성 SDI 외 에 는 다 결정 실리콘 태양 전지 에 관한 특허 출원 을 보이 고 있 지 않 으며 개인 출원인 으로 장 진이 라는 출원인 이 다수 의 출원 을 보이 고 있 음 을 알 수 있 다 . 그리고 그 외 에 삼성전자 , 캐논 , SONY , MATSUSHITA 등 이 출원 하 고 있 으며 캐논 과 삼성전자 의 경우 에 는 1997 년 이후 별다른 출원 을 하 고 있 지 않 으며 , 삼성 SDI , 장 진 , SONY 가 최근 까지 출원 을 하 고 있 음 을 알 수 있 다 ( < 표 1 > 참고 ) . 내 외국인 출원 동향 을 살펴보 면 국내 전체 출원 건수 의 내외국 인 출원 비율 ( 61 . 8 %, 외국인 38 . 2 %) 과 비교 해 볼 때 큰 차이 를 보이 고 있 지 않 으나 내국 인 출원 이 약간 은 우세 한 편 이 다 ( ( 그림 5 ) 참고 ) . 나 . 미국 의 특허 동향 미국 의 특허 동향 분석 에 있 어 원본 데이터 는 미국 등록 특허 DB 를 기준 으로 1975 . 1 . 1 . ∼ 2004 . 7 . 27 . 에 등록 된 특허 중 다 결정 실리콘 태양 전지 에 관하 여 언급 한 문헌 을 중심 으로 총 157 건 의 자료 를 추출 하 였 다 . 그 중 에서 출원 경향 이 미미 한 1991 년 이전 의 자료 인 42 건 을 제외 한 115 건 을 대상 으로 특허 동향 을 분석 하 였 다 . 다 결정 실리콘 을 사용 한 태양 전지 의 미국 내 특허 동향 을 살펴보 면 1975 년 Monsanto Research Corporation 에서 출원 을 시작 으로 2003 년 현재 까지 총 157 건 의 출원 을 나타내 고 있 으며 전체 적 인 출원 수 에 비교 해 볼 때 한국 과 마찬가지 로 다 결정 실리콘 에 대한 출원 은 미미 하 다는 것 을 알 수 있 다 . 그리고 1991 년 이후 로 그 출원 이 증가 하 고 있 으며 1999 년 이후 20 건 내외 의 출원 경향 을 나타내 고 있 다 . 대략 한국 이 최근 에 10 건 내외 의 수치 를 보이 고 있 는 것 에 비추 어 볼 때 미국 에 는 2 배 정도 많 은 출원 이 이루어지 고 있 음 을 알 수 있 다 ( ( 그림 6 ) 참고 ) . 다 결정 실리콘 태양 전지 에 관한 주요 출원인 으로 는 Taiwan Semiconductor manufacturing , 캐논 , Mitsubishi Denki 의 3 사 가 주요 출원 경향 을 보이 고 있 으며 특히 Taiwan Semicounudtor 의 경우 에 는 전체 출원 의 20 . 8 % 를 차지 하 고 있 을 정도 로 매우 활발 한 출원 경향 을 나타내 고 있 다 . 그리고 두 번 째 로 는 캐논 이 11 건 으로 2 위 를 차지 하 고 있 으며 캐논 의 경우 특이 할 만 한 점 은 1997 년 이전 에 는 활발 한 출원 활동 을 보이 다 1998 년 별다른 출원 이 없 다가 , 2001 년 이후 다시 출원 경향 을 나타내 고 있 다 . Mitsubishi Denki 의 경우 에 는 1997 년 이전 까지 는 꾸준 한 출원 활동 을 보이 다가 최근 에 는 출원 활동 을 보이 고 있 지 않 고 있 다 ( < 표 2 > 참고 ) . 내 외국인 출원 동향 을 살펴보 면 자국인 에 의한 출원 ( 30 %) 보다 는 외국인 에 의한 출원 이 다수 를 차지 하 고 있 으며 특히 일본 ( 30 %) 과 대만 ( 22 %) 국적 의 외국인 출원 이 전 에 절반 이상 의 비율 을 차지 하 고 있 다 . 이 는 위 의 상위 출원 사 분포 와 무관 하 지 않 으며 그 이외 에 한국 , 독일 , 프랑스 등 의 다양 한 국가 별 분포 를 나타내 고 있 다 ( ( 그림 7 ) 참고 ) . 다 . 일본 의 특허 동향 일본 의 특허 동향 분석 에 있 어 원본 데이터 는 일본 공개 특허 DB 를 기준 으로 1976 . 1 . 1 . ∼ 2004 . 4 . 30 . 에 공개 된 자료 중 다 결정 실리콘 태양 전지 에 관해 영문 초록 상 에 언급 된 특허 를 중심 으로 추출 하 였으며 총 313 건 의 히팅 건수 를 보였 다 . 그 중 에서 출원 경향 이 미미 한 1987 년 이전 의 자료 인 69 건 을 제외 한 244 건 을 대상 으로 일본 내 다결정 실리콘 태양 전지 관련 특허 동향 을 분석 하 였 다 . ( 1 ) 일본 내 특허 동향 분석 다결정 실리콘 을 사용 한 태양 전지 의 일본 내 특허 동향 을 살펴보 면 미국 과 마찬가지 로 1975 년 부터 출원 되 고 있 으며 AGENCY OF IND SCIENCE & TECHNOL 의 출원 을 시작 으로 현재 까지 313 건 의 출원 을 나타내 고 있 다 . 한국 , 미국 과 마찬가지 로 다 결정 실리콘 에 대한 출원 은 미미 한 편 이나 다른 국가 들 에 비해서 는 비교 적 많 은 편 이 다 . 1987 이전 에 는 뚜렷 한 출원 경향 을 나타내 고 있 지 않 다가 그 이후 꾸준 한 출원 빈도 를 나타내 고 있 으며 2000 년 을 제외 하 고 는 1997 년 이후 매해 20 여 건 정도 꾸준히 출원 되 고 있 음 을 알 수 있 다 ( ( 그림 8 ) 참고 ) . 일본 내 다결정 실리콘 태양 전지 의 주요 출원인 은 다른 국가 에 비해 다양 한 편 이 며 이 는 다각도 로 기술 이 개발 되 고 있 음 을 알 수 있 다 . 이 중 에서 특히 활발 한 출원 활동 을 보이 는 출원 사로 는 CANON , KYOCERA , MISUBISHI ELECTRIC , SHARP , TONEN 등 이 있 으며 , CANON 과 SHARP 는 1987 년 이전 부터 지금 까지 꾸준 한 출원 활동 을 보이 고 있 으며 , MISUBISHI ELECTRIC 과 TONEN 의 경우 과거 에 는 활발 한 출원 활동 을 보였으나 현재 에 는 별다른 출원 을 나타내 고 있 지 않 은 상황 이 다 , 그리고 주목 할 점 은 KYOCERA 의 경우 1997 년 이전 에 는 출원 빈도 가 없 다가 , 1998 년 이후 부터 최근 까지 다수 의 출원 활동 을 보이 고 있 다는 점 이 다 , 이 는 KYOCERA 의 경우 1997 년 이후 부터 다 결정 실리콘 태양 전지 에 대하 여 활발 한 연구 를 진행 하 고 있 음 을 알 수 있 다 ( < 표 3 > 참고 ) . 일본 내 내외국 인 출원 동향 을 살펴보 면 자국인 에 의한 출원 이 대부분 ( 95 . 5 %) 을 차지 하 고 있 으며 , 다음 으로 독일 , 미국 , 프랑스 에 의한 출원 이 이루어지 고 있 으나 그 비율 은 4 . 5 % 로 미미 한 편 이 다 . 이 는 한국 , 미국 의 다 출 원사 에 있 어 일본 국적 의 출원인 이 다수 를 차지 했 던 사실 에 비추 어 볼 때 예견 된 사실 이 다 ( ( 그림 9 ) 참고 ) . 종합 하 건데 일본 의 경우 다른 나라 ( 한국 , 미국 ) 에 비해 다결정 실리콘 에 대한 기술 개발 이 활발 한 편 이 며 다 출 원사 를 보 아 다양 한 기업 에서 연구 되 고 있 음 을 알 수 있 다 . 4 . 요약 및 결론 현재 태양 전지 의 세계 시장 은 단결정 및 다결정 태양 전지 가 90 % 이상 을 시장 을 점유 하 고 있 으며 , 그 중 에서 도 70 % 이상 을 다 결정 태양 전지 가 시정 을 점유 하 고 있 다 . 또한 2010 년 까지 는 이러 한 추세 가 유지 될 것 으로 예상 된다 . 우리 나라 의 경우 다결정 태양 전지 의 연구 개발 은 태양 전지 를 구현 하 는 데 중점 적 으로 추진 하 였으나 저 가 화 를 위한 다결정 실리콘 기술 개발 에 대해서 는 지속 적 인 연구 개발 이 추진 되 고 있 지 못하 고 있 다 . 그러나 미국 과 일본 도 마찬가지 로 다 결정 실리콘 태양 전지 에 대하 여 활발 한 연구 개발 은 전개 하 지 못하 고 있 는 듯 하 다 . 특히 미국 의 경우 에 는 다 결정 실리콘 태양 전지 관련 출원인 에 있 어서 는 내국인 이 부재 한 상태 이 며 외국인 에 의한 출원 이 주 를 이루 고 있 다 . 일본 의 경우 에 는 지속 적 으로 연구 개발 을 하 는 몇몇 의 출원 사 가 있 으나 그 출원 빈도 가 다른 기술 에 비하 면 미미 한 수준 이 다 . 따라서 지금 이 라도 반도체 , 디스플레이 의 기술력 을 활용 하 여 다결정 태양 전지 에 대한 기술 개발 을 지속 적 으로 추진 한다면 , 우리 나라 가 앞 으로 의 21 세기 청정에너지 사업 인 태양광 발전 을 주도 하 는 것 이 실현 가능 할 것 이 다 .