페로브스카이트, 러시아 광물학자 이름서 유래

약점 보완 위해 2개의 다른 셀 쌓아 만드는 ‘슬롯 머신 셀’

서로 다른 영역대의 빛 상호보완 흡수

슬롯 머신 2010년대 후반부터 연구 시작

중국도 슬롯 머신 셀 눈독

<편집자주 슬롯 머신(Game Changer). 시장의 흐름을 통째로 바꾸거나 판도를 뒤집어 놓을 수 있는 기술, 제품, 인물, 기업, 서비스 등을 뜻하는 말입니다. 산업은 기술의 총화(總和)라고 합니다. 특히 시대가 흐를수록 ‘게임’을 ‘체인지’할 수 있는 미래 기술의 선점력이 그 기업, 그 나라의 경쟁력을 좌우할 것입니다. 헤럴드경제는 앞으로 우리 기업들이 전세계 산업 구도를 재편할 수 있는 ‘넥스트 슬롯 머신’가 되길 바라는 마음으로 개발·상용화하기만 하면 가공할 만한 위력을 지닌 기술들을 연속해서 소개합니다.

페로브스카이트의 구조. 두 종류의 양이온(A,B)과 한 종류의 음이온(X)이 결합한 3차원 결정이다. [울산과학기술원 제공]
페로브스카이트의 구조. 두 종류의 양이온(A,B)과 한 종류의 음이온(X)이 결합한 3차원 결정이다. [울산과학기술원 제공]

[헤럴드경제=한영대 기자] 글로벌 슬롯 머신 시장은 중국이 사실상 독차지하고 있다고 해도 과언이 아니다. 원재료인 폴리실리콘부터 셀, 모듈 등 슬롯 머신 제품까지 글로벌 시장 점유율 80~90%를 차지하고 있다. 특유의 저가 및 물량 공세를 앞세워 시장을 장악했다.

중국의 입김에 한화솔루션 큐셀 부문(이하 한화큐셀)을 비롯한 글로벌 슬롯 머신 업체들은 가시밭길을 걷고 있다. 기술적인 측면에서는 한화큐셀 등이 우위에 있다는 평가를 받고 있지만, 저가 및 물량 공세에 견디지 못하고 있는 것이다.

중국과 패권 경쟁을 벌이고 있는 미국에서는 한화큐셀이 선전하고 있다. 중국 슬롯 머신 제품에 관세를 부과하면서 미국 현지에서 생산되고 있는 한화큐셀 슬롯 머신 제품의 가격 경쟁력이 높아졌다. 그런데 미국마저 중국 슬롯 머신 제품에 대해 우호적인 태도를 취하게 된다면 글로벌 시장에서 한화의 입지는 더욱 좁아질 수밖에 없다. 중국이 주도하고 있는 슬롯 머신 시장에 변화를 주기 위해 한화큐셀이 개발하고 있는 제품이 있으니 바로 ‘페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 셀(이하 탠덤 셀)’이다.

지난해 4월 대구에서 열린 국제그린에너지엑스포에서 한화큐셀이 전시한 탠덤 셀. [한화큐셀 제공]
지난해 4월 대구에서 열린 국제그린에너지엑스포에서 한화큐셀이 전시한 슬롯 머신 셀. [한화큐셀 제공]

페로브스카이트 장점 지닌 ‘슬롯 머신 셀’

탠덤 셀 구조도. [한화큐셀 제공]
슬롯 머신 셀 구조도. [한화큐셀 제공]

페로브스카이트는 1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물이다. 이를 처음 발견한 러시아 광물학자 레프 페로브스키(Lev Perovski)에서 이름이 유래됐다. 페로브스카이트는 전기전도성이 뛰어난 결정구조를 지닌 화학물질로, 광전 효율이 높고 액체 상태에서도 공정이 가능하다. 간단하면서도 저렴한 화학반응으로 만들 수 있고, 플라스틱 필름에 용액 상태로 바르면 휘어지는 전지가 된다. 기존 실리콘 슬롯 머신전지보다 가볍고 유연한 데다 제조 공정이 간편해 생산비용도 줄일 수 있다. 제조 원가도 기존 대비 4분의 1 수준이다.

페로브스카이트는 수분·고온에 취약하다는 단점이 있지만, 기술 개발로 이 부분이 극복된다면 향후 태양전지의 단독 소재로 사용될 수 있다. 이렇게 되면 도심 속 빌딩 유리창과 자동차 선루프 등 생활 곳곳의 설치물이 페로브스카이트 전지로 대체될 수 있다. 이처럼 페로브스카이트는 태양전지가 기존 고정 모듈 형태를 벗어나 건축물, 이동수단 등 삶의 다양한 영역으로 확장될 수 있도록 도움을 준다. 여기에다가 높은 채산성까지 갖춰 슬롯 머신 시장의 ‘게임체인저’가 될 수 있다는 평가를 받는다.

러시아 광물학자 레프 페로브스키
러시아 광물학자 레프 페로브스키

하지만 현재로서 가장 문제가 되는 열 취약성을 보완하기 위해 적층 방식의 슬롯 머신 셀이 시도되고 있다. 슬롯 머신 셀은 실리콘 셀 위에 페로브스카이트 셀을 쌓는 것이다.

탠덤 셀을 구성하는 실리콘 셀은 시장에서 널리 판매되고 있지만, 페로브스카이트 셀은 아직 상용화되지 않은 제품이다. 페로브스카이셀 셀 제조 비용은 실리콘 셀과 비교했을 때 상대적으로 저렴하다. 실리콘으로 슬롯 머신 제품을 만들 때 1000도가 넘는 전기로에서 실리콘을 녹여야 하지만, 페로브스카이트는 200도 안팎이면 생산이 가능하다. 슬롯 머신 제품 원가의 약 50%가 전기세인 점을 고려할 때 페로브스카이트는 기업의 제조 비용 절감에 도움을 준다.

한화큐셀 탠덤 셀 시제품. [한화큐셀 제공]
한화큐셀 슬롯 머신 셀 시제품. [한화큐셀 제공]

뛰어난 장점을 갖고 있음에도 기업들이 페로브스카이트로 이뤄진 슬롯 머신 제품을 선보이지 않는 이유는 전력 효율이 뛰어나지 않아서다. 실리콘 셀 발전 효율이 30%에 육박하는 반면, 페로브스카이트 셀의 이론적인 한계 발전 효율은 20%대 중반에 그친다. 제품 면적이 넓어지면 발전 효율이 20%대 초반까지 하락할 수 있다고 업계는 분석하고 있다. 수분에 취약하다는 단점도 갖고 있다. 페로브스카이트는 습기에 노출될 시 결정 구조가 변하면서 효율이 떨어진다.

슬롯 머신 업체들은 페로브스카이트 장점을 지님과 동시에 발전 효율을 대폭 끌어올리기 위해 탠덤 셀을 구상했다. 탠덤 셀의 이론적인 한계 발전 효율은 44%이다. 실리콘 셀의 1.5배다. 실리콘 셀과 페로브스카이트 셀이 서로 다른 영역대의 빛을 상호 보완적으로 흡수하면서 발전 효율이 상승했다. 발전 효율이 비약적으로 높은 만큼 슬롯 머신 시장에선 탠덤 셀을 혁신 제품으로 불리고 있다.

슬롯 머신, 내년 하반기 양산 목표

옥스퍼드 PV 직원이 생산라인을 살펴보고 있다. [옥스퍼드 PV 홈페이지 캡쳐]
옥스퍼드 PV 직원이 생산라인을 살펴보고 슬롯 머신. [옥스퍼드 PV 홈페이지 캡쳐]

슬롯 머신 셀을 양산하는 것은 결코 쉽지 않다. 우선 슬롯 머신 셀 구조에 맞게 실리콘 셀을 최적화해야되는 만큼 이전보다 높은 수준의 실리콘 제조 기술이 필요하다. 여기에다가 페로브스카이트가 고온에 취약해 제작 공정 전체를 저온에서 수행해야 한다. 실리콘 셀과 페로브스카이트 셀을 전기적으로 연결해야 하는 과제도 있다.

탠덤 셀 상업화에 성공한 업체는 존재한다. 영국 슬롯 머신전지 스타트업인 옥스퍼드 PV는 지난해 9월 탠덤 셀 개발을 완료, 미국 고객사에 공급했다고 발표했다. 공급 규모는 밝히지 않았다. 데이비드 워드 옥스퍼드 PV 대표이사(CEO)는 탠덤 셀 공급을 발표하면서 “당사 기술의 상용화는 에너지 산업의 돌파구가 될 것”이라고 강조했다.

상업화에 성공했지만 옥스퍼드 PV 탠덤 셀이 시장의 게임체인저가 되기에는 역부족이라고 업계는 분석하고 있다. 발전 효율이 기존 슬롯 머신 제품과 비교했을 때 높지 않기 때문이다. 옥스퍼드 PV가 개발한 탠덤 셀의 발전 효율은 26.9%로 탠덤 셀의 최대 발전 효율에 미치지 못한다. 슬롯 머신 업계 관계자는 “옥스퍼드 PV가 대규모 생산라인을 보유하고 있지 않은 만큼 탠덤 셀을 대량으로 만들 수 있는 능력은 없을 것”이라고 말했다.

탠덤 셀 파일럿 설비를 갖춘 한화큐셀 진천공장. [한화큐셀 제공]
슬롯 머신 셀 파일럿 설비를 갖춘 한화큐셀 진천공장. [한화큐셀 제공]

한화큐셀은 기존 제품과 차별화된 슬롯 머신 셀 개발 및 양산을 목표로 하고 있다. 제품 연구는 2010년대 후반부터 이뤄졌다. 한화큐셀은 판교 연구개발(R&D) 센터와 독일 탈하임 R&D 센터의 유기적 협업을 통해 제품 개발을 진행하고 있다. 2023년에는 충북 진천 공장에 1365억원을 투자해 슬롯 머신 셀 양산을 위한 파일럿 설비를 구축했다. 파일럿 설비는 슬롯 머신 셀 시험제품을 생산, 완제품 개발 과정에서 보완해야할 점을 파악한다. 한화큐셀의 슬롯 머신 셀 목표 양산 시기는 내년 후반기이다.

한화큐셀은 탠덤 셀 양산에 한 발짝씩 다가서고 있다. 지난해 직접 개발 및 제작한 M10 사이즈 탠덤 셀이 발전 효율 28.6%를 기록, 국제 인증 기관인 독일 프라운호퍼 슬롯 머신에너지 시스템연구소로부터 인증을 획득했다. 연구용 소면적이 아닌 시중에 판매되고 있는 제품 면적의 탠덤 셀을 제작해 제3자 기관으로부터 인증을 받은 건 세계 최초이다. 한화큐셀은 탠덤 셀 성능을 끌어올리기 위한 연구개발을 지속해서 진행하고 있다.

김기홍 한화큐셀 탠덤 상업화 태스크포스(TF) 상무는 유튜브 채널인 한화 TV에서 “소면적 및 슬롯 머신가 어려운 기술은 과감히 배제하고, 대량생산이 가능한 공정 및 소재만을 택해 이룬 성과”라고 강조했다.

슬롯 머신 셀 장악까지 노리는 중국

중국 론지의 닝샤 산업 클러스터 전경. [론지 홈페이지 캡쳐]
중국 론지의 닝샤 산업 클러스터 전경. [론지 홈페이지 캡쳐]

한화큐셀이 성과를 내고 있지만 안심할 수 있는 상황에 놓여진 건 아니다. 중국 슬롯 머신 기업도 시장을 확실히 장악하기 위해 탠덤 셀 개발을 진행하고 있다.

글로벌 최대 슬롯 머신 기업인 중국의 론지 그린에너지(이하 론지)는 지난해 6월 탠덤 셀 효율을 34.6%까지 높이는 데 성공했다. 다만 한화솔루션이 인증을 받은 슬롯 머신 제품 규격보다 작아 론지가 한화큐셀보다 기술적 우위에 있다고 섣불리 평가하기 어렵다. 중국의 다른 슬롯 머신 기업들도 파일럿 설비를 도입해 탠덤 셀 개발에 나서는 것으로 알려졌다.

슬롯 머신 분야 전문가인 강정화 한국수출입은행 해외경제연구소 선임연구원은 “현재 글로벌 슬롯 머신 시장의 화두는 단연 발전 효율”이라며 “중국과의 가격 경쟁에서 뒤처진 한화큐셀 등이 반전을 도모하기 위해서는 탠덤 셀처럼 발전 효율이 높은 제품을 이른 시일에 선보여야 한다”고 분석했다.

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yeongdai@heraldcorp.com