오늘날 세계가 끊임없이 발전함에 따라 비재생 에너지는 점점 고갈되고 있으며, 인류 사회는 "풍력, 태양광, 수력, 원자력"으로 대표되는 재생 에너지의 활용을 더욱 시급히 요구하고 있습니다. 다른 재생 에너지원과 비교했을 때, 인류는 태양 에너지를 활용하는 데 있어 가장 성숙하고 안전하며 신뢰할 수 있는 기술을 보유하고 있습니다. 그중에서도 고순도 실리콘을 기판으로 사용하는 태양광 전지 산업은 매우 빠르게 발전해 왔습니다. 2023년 말 기준, 우리나라의 누적 태양광 발전 설비 용량은 250기가와트를 넘어섰고, 태양광 발전량은 2,663억 kWh에 달해 전년 대비 약 30% 증가했으며, 신규 증설 발전 용량은 7,842만 kWh로 전년 대비 154% 증가했습니다. 6월 말 현재 누적 태양광 발전 설비 용량은 약 4억 7천만 킬로와트에 달해 수력 발전을 제치고 우리나라에서 두 번째로 큰 에너지원이 되었습니다.
태양광 산업이 빠르게 발전함에 따라 이를 뒷받침하는 신소재 산업 또한 빠르게 발전하고 있습니다. 석영 부품과 같은 것들이 그 예입니다.석영 도가니석영 보트와 석영 병은 그중에서도 태양광 제조 공정에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 석영 도가니는 실리콘 봉과 실리콘 주괴 생산 시 용융된 실리콘을 담는 데 사용되며, 석영 보트, 튜브, 병, 세척조 등은 태양 전지 등의 생산 과정에서 확산, 세척 등의 공정 단계에서 중요한 역할을 하여 실리콘 소재의 순도와 품질을 보장합니다.
태양광 발전 제조에 사용되는 석영 부품의 주요 응용 분야
태양광 전지 제조 공정에서 실리콘 웨이퍼는 웨이퍼 보트에 실리고, 이 보트는 확산, LPCVD 및 기타 열처리 공정을 위해 웨이퍼 보트 지지대 위에 놓입니다. 이때 실리콘 카바이드 캔틸레버 패들은 실리콘 웨이퍼를 실은 웨이퍼 보트 지지대를 가열로 안팎으로 이동시키는 핵심 부품입니다. 아래 그림과 같이 실리콘 카바이드 캔틸레버 패들은 실리콘 웨이퍼와 가열로 튜브의 동심도를 유지하여 확산 및 패시베이션 공정을 더욱 균일하게 만듭니다. 또한, 오염 물질이 발생하지 않고 고온에서도 변형되지 않으며, 우수한 열충격 저항성과 높은 하중 지지력을 갖추고 있어 태양광 전지 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
주요 배터리 충전 구성 요소의 개략도
연착륙 확산 과정에서 전통적인 석영 보트와웨이퍼 보트확산로 내 석영관에 실리콘 웨이퍼와 석영 보트 지지대를 함께 넣어야 합니다. 각 확산 공정에서 실리콘 웨이퍼가 채워진 석영 보트 지지대는 탄화규소 패들 위에 놓입니다. 탄화규소 패들이 석영관에 들어가면 자동으로 가라앉아 석영 보트 지지대와 실리콘 웨이퍼를 내려놓고 천천히 출발점으로 돌아갑니다. 각 공정이 끝나면 석영 보트 지지대를 석영관에서 제거해야 합니다.탄화규소 패들이처럼 빈번한 작동은 장기간에 걸쳐 석영 보트 지지대의 마모를 초래합니다. 석영 보트 지지대에 균열이 생기거나 파손되면, 전체 석영 보트 지지대가 탄화규소 패들에서 떨어져 나가면서 아래쪽의 석영 부품, 실리콘 웨이퍼 및 탄화규소 패들을 손상시킵니다. 탄화규소 패들은 고가이며 수리가 불가능합니다. 이러한 사고가 발생하면 막대한 재산 손실이 발생할 수 있습니다.
LPCVD 공정에서는 앞서 언급한 열 응력 문제뿐만 아니라, 실리콘 웨이퍼에 실란 가스가 통과해야 하므로 장기간 공정이 진행될 경우 웨이퍼 보트 지지대와 웨이퍼 보트에 실리콘 코팅이 형성됩니다. 코팅된 실리콘과 석영의 열팽창 계수 차이로 인해 보트 지지대와 보트에 균열이 발생하여 수명이 심각하게 단축됩니다. 일반적인 석영 보트와 보트 지지대의 수명은 LPCVD 공정에서 보통 2~3개월에 불과합니다. 따라서 이러한 사고를 방지하기 위해서는 보트 지지대의 재질을 개선하여 강도와 수명을 향상시키는 것이 매우 중요합니다.
요약하자면, 태양전지 생산 과정에서 공정 시간과 횟수가 증가함에 따라 석영 보트 및 기타 부품에 숨겨진 균열이나 파손이 발생하기 쉽습니다. 현재 중국의 주류 생산 라인에서 사용되는 석영 보트와 석영 튜브의 수명은 약 3~6개월이며, 세척, 유지 보수 및 석영 캐리어 교체를 위해 정기적으로 가동을 중단해야 합니다. 더욱이, 석영 부품의 원료로 사용되는 고순도 석영 모래는 현재 수급 불균형 상태에 있으며 가격이 장기간 높은 수준을 유지하고 있어 생산 효율 향상 및 경제적 이익 증대에 분명히 불리한 상황입니다.
탄화규소 세라믹"나타나다"
이제 사람들은 석영의 일부 구성 요소를 대체할 수 있는 더 나은 성능의 소재인 탄화규소 세라믹을 개발했습니다.
탄화규소 세라믹은 우수한 기계적 강도, 열 안정성, 고온 저항성, 산화 저항성, 열충격 저항성 및 화학적 부식 저항성을 지니고 있어 야금, 기계, 신에너지, 건축 자재 및 화학과 같은 열 분야에서 널리 사용됩니다. 또한, 태양광 발전 제조, LPCVD(저압 화학 기상 증착), PECVD(플라즈마 화학 기상 증착) 및 기타 열 공정에서 TOPcon 셀의 확산에도 충분한 성능을 제공합니다.
LPCVD 실리콘 카바이드 보트 서포트 및 붕소 팽창 실리콘 카바이드 보트 서포트
기존 석영 소재와 비교했을 때, 탄화규소 세라믹 소재로 만든 선박 지지대, 선박 및 튜브 제품은 강도가 높고 열 안정성이 우수하며 고온에서도 변형이 없고 수명이 석영 소재보다 5배 이상 길어 사용 비용과 유지 보수 및 가동 중단으로 인한 에너지 손실을 크게 줄일 수 있습니다. 비용 효율성이 뛰어나며 원자재 공급도 풍부합니다.
그중에서도 반응소결 탄화규소(RBSiC)는 소결 온도가 낮고 생산 비용이 저렴하며, 재료 밀도가 높고 반응소결 과정에서 부피 수축이 거의 없다는 장점이 있습니다. 따라서 대형 및 복잡한 형상의 구조 부품 제작에 특히 적합합니다. 그러므로 보트 지지대, 보트, 캔틸레버 패들, 용광로 튜브 등과 같은 대형 및 복잡한 제품 생산에 가장 적합합니다.
탄화규소 웨이퍼 보트또한, 석영 보트는 미래에 큰 발전 가능성을 가지고 있습니다. LPCVD 공정이나 붕소 팽창 공정을 사용하더라도 석영 보트의 수명은 비교적 짧고, 석영 소재의 열팽창 계수는 탄화규소 소재의 열팽창 계수와 일치하지 않습니다. 따라서 고온에서 탄화규소 보트 홀더와의 결합 공정에서 편차가 발생하기 쉽고, 보트가 흔들리거나 심지어 파손되는 상황이 발생할 수 있습니다. 탄화규소 보트는 일체형 성형 및 전체 가공 공정을 채택하여 형상 및 위치 공차 요구 사항이 높으며, 탄화규소 보트 홀더와의 결합이 더 용이합니다. 또한, 탄화규소는 강도가 높아 석영 보트에 비해 사람의 충격으로 인한 파손 가능성이 훨씬 적습니다.
탄화규소 웨이퍼 보트
용광로관은 용광로의 주요 열 전달 부품으로, 밀폐 및 균일한 열 전달에 중요한 역할을 합니다. 석영 용광로관과 비교했을 때, 탄화규소 용광로관은 열전도율이 우수하고, 가열 균일성이 뛰어나며, 열 안정성이 우수하고, 수명은 석영관보다 5배 이상 깁니다.
요약
일반적으로 제품 성능이나 사용 비용 측면에서 실리콘 카바이드 세라믹 소재는 태양 전지 분야의 특정 측면에서 석영 소재보다 더 많은 이점을 제공합니다. 태양광 산업에서 실리콘 카바이드 세라믹 소재의 적용은 태양광 기업들이 보조 재료 투자 비용을 절감하고 제품 품질 및 경쟁력을 향상시키는 데 크게 기여했습니다. 향후 대형 실리콘 카바이드 용광로 튜브, 고순도 실리콘 카바이드 보트 및 보트 지지대의 대규모 적용과 지속적인 비용 절감이 이루어짐에 따라, 태양광 전지 분야에서 실리콘 카바이드 세라믹 소재의 적용은 광 에너지 변환 효율 향상 및 산업 비용 절감의 핵심 요소가 될 것이며, 태양광 신에너지 개발에 중요한 영향을 미칠 것입니다.
게시 시간: 2024년 11월 5일