▲ ▲폴리실리콘 메이커별 제조방법(자료:세미머티리얼즈). ▲폴리실리콘 메이커별 제조방법(자료:세미머티리얼즈)

태양광산업의 벨류체인은 폴리실리콘, 잉곳·웨이퍼, 셀, 모듈, 시스템으로 구성돼있다. 폴리실리콘은 밸류체인상 맨 앞에 위치해 있는 핵심소재로 진입장벽이 높고 부가가치도 높다.

폴리실리콘의 제조과정을 살펴보면 모래나 자갈 등에서 채취한 규소를 탄소를 이용해 순도를 높인 금속 규소로 만들고 코크스나 숯을 이용해 산소를 제거, 액체로 만든 후 응고시켜 순도 99%(2-nine)인 메탈실리콘을 만들어 낸다.

이를 이용해 고순도의 폴리실리콘을 만드는 방법은 지멘스(Siemens)공법, FBR(fluidised Bed Reactor)공법, 금속정련(Metallurgical refining)공법이 있다.

▲ ▲지멘스 공법으로 생산되는 막대형 폴리실리콘. ▲지멘스 공법으로 생산되는 막대형 폴리실리콘

1950년대 지멘스에 의해 개발된 지멘스 공법은 전세계적으로 약 90%가 사용하는 전통적인 방식이다.

공정을 살펴보면 메탈실리콘을 고순도 염소(HCL)과 반응시켜 염화실란(Chlorosiliane)으로 만들고 증류시켜 기체상태의 삼염화실란(Trichlorosilane:TCS)을 얻는다. 이를 수소와 함께 ∩자 모양을 가진 고온의 실리콘 막대(Rod)와 원료가스인 모노실란(SiH4) 또는 삼염화실란(SiHCl3)을 반응시키면 폴리실리콘을 얻게 된다.

지멘스 공법은 실리콘 막대를 1,100℃로 유지해야하므로 전기 사용량과 설비투자비가 많이 들고 반연속식 공법이어서 생산속도가 느리다는 단점이 있다. 1kg 폴리실리콘 제조에는 약 150kW의 전기가 필요하다.

감가상각비를 제외하면 제조코스트는 FBR 공법보다 높은 30~35달러 수준으로 알려져 있다. 그러나 오랫동안 사용해온 방식으로 높은 순도의 폴리실리콘을 얻을 수 있어 대다수 기업들이 채택하고 있다.

모노실란을 원료가스로 투입하는 MS-지멘스공법은 장비의 부식이 적고 증착온도가 550~800℃ 정도여서 전력소모도 적어 TCS-지멘스보다 생산원가가 낮다. 그러나 모노실란 가스가 폭발성이 강해 불안하고 가격도 높으며 제조 과정에서 실리콘 분말이 다량 발생한다는 단점이 있다. 이 공법을 사용중인 제조사는 REC가 있다.

삼염화실란을 이용하는 TCS-지멘스 공법은 대다수의 업체들이 선호하고 있는 방식으로 공정에서 발생하는 부산물을 재사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 반면 높은 반응온도에 따른 많은 전기 사용량과 낮은 수율 등이 단점이다. 이 공법은 헴록, OCI, 바커, 도쿠야마(Tokuyama) 등이 사용 중이다.

세계 최대 폴리실리콘 공급업체로 도약 중인 OCI의 백우석 대표이사는 기업설명회를 통해 모노실란을 생산하는 OCI머티리얼즈가 자회사로 있음에도 불구하고 TCS-지멘스 공법이 경쟁력 있다고 판단, 모노실란을 폴리실리콘 제조에 쓰지 않을 것임을 밝힌바 있다.

▲ ▲FBR 공업으로 생산되는 입자형 폴리실리콘 . ▲FBR 공업으로 생산되는 입자형 폴리실리콘

FBR공법은 유동층반응기(Fluidized Bed Reactor)를 이용해 입자형태의 폴리실리콘을 얻는 방식이다.

수소가스가 흐르는 도가니에 실리콘 씨앗(Seed)을 투입하고 모노실란이나 삼염화실란 등을 주입하면 유동중인 씨앗 표면에 실리콘이 석출하게 되고 입자들이 점점 커지면서 반응기 하부에 설치된 입자 배출부를 통해 빠져나오게 된다.

1970년대 후반 미국의 Texas Instrument사를 시작으로 1984년 소규모 상업생산에 들어간 FBR공법은 지멘스 공법보다 에너지와 운영 인원이 적게 필요해 제조코스트는 20~25달러 수준으로 원가에서 앞서며 연속생산이 가능하다는 장점을 가지고 있다.

그러나 공정이 까다롭고 제조과정 중 실리콘 입자가 고체 벽면과 접촉이 많을 수 밖에 없어 제품의 순도가 낮은 단점이 있다. 또한 설비 투자비가 지멘스 공법의 2배에 달하는 등 이러한 이유로 폴리실리콘 제조사 중 8%만이 이 공법을 사용 중이다.

삼염화실란을 원료가스로 이용한 FBR 공법은 바커가 채택하고 있으며 모노실란을 이용하고 있는 업체는 MEMC, REC 등이 있다.

금속정련 공법은 삼염화실란이나 모노실란 등의 화학공정 대신 고도의 금속정련을 이용해 순도 99.99%(4-nine)~99.999%5-nine)의 UMG(Upgrade Metallurgical Grade)실리콘을 얻는 방식이다.

에너지 비용과 유지비가 적게 든다는 장점이 있으나 순도가 낮아 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 단점이 있어 태양전지 생산업체들은 고순도 폴리실리콘과 UMG실리콘을 혼합하는 방법을 사용 중이다. 1kg의 실리콘을 제조하는데 지멘스 공법의 1/10 수준인 10~15kW의 전력이 필요한 것으로 알려져 있다.

캐나다 티민코(Timminco)의 자회사 비캔커(Becancour), 다우코닝(dow corning), 엘켐(elkem) 등이 이 공법을 채택 중이며 국내에서는 미리넷솔라가 UMG실리콘을 이용한 태양전지 양산에 성공한 바 있다.

UMG실리콘은 폴리실리콘 가격이 천정부지로 뛰었던 2008년에는 각광을 받았으나 최근 양질의 폴리실리콘 가격하락과 공급과잉으로 인해 품질에서 경쟁력을 잃고 있다.