[알아봅시다] 폴리실리콘 어떻게 만드나

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[알아봅시다] 폴리실리콘 어떻게 만드나
실리콘 열ㆍ전기ㆍ화학반응으로 결정화

반도체ㆍ태양전지 핵심재료 시장수요 급증
실리콘 막대 이용 지멘스공법 가장 일반적
수소가스 채택 FBRㆍ금속정련공법도 활용



반도체, 태양전지를 만드는데 없어선 안될 핵심 재료가 실리콘입니다. 디지털시대는 곧 실리콘 시대로 불릴만큼 실리콘은 전기전자 산업의 핵심 중의 핵심 재료로 통합니다. 흔히 폴리실리콘이라고 부르는 결정질 실리콘 덩어리를 얇게 썰어 웨이퍼를 만들고, 이 웨이퍼에 각종 공정을 더해 반도체나 태양전지가 만들어지게 됩니다.

21세기 디지털시대의 반도체 수요를 비롯해 기후변화 위기에 대비한 청정에너지로 태양전지 수요가 급증하고 있어 폴리실리콘은 `황금알'을 낳은 거위로 세계 각국 기업들이 앞다퉈 사업에 뛰어들고 있는데요. 오늘은 이 폴리실리콘을 어떻게 제조하는지 방법을 알아보겠습니다.

◇폴리실리콘 제조공법 종류=폴리실리콘은 기본적으로 석영(이산화규소=SiO₂)을 탄소를 이용해 순도를 높인 금속 규소로 만들고, 코크스(Cokes)나 숯 등으로 산소를 제거해 액체로 만든 후 응고시켜 순도 98.5%의 금속실리콘(Metallurgical-Grade Si; MG-Si) 형태로 만든 뒤 여러 가지 제조공법을 통해 만듭니다. 주로 순도가 높은 이산화규소 광산이 많고, 전기가 풍부한 곳에서 주로 생산하는데 러시아, 중국, 브라질, 미주 지역 등에 광산이 많습니다.

폴리실리콘 제조방식은 크게 지멘스 공법, FBR(Fluidised Bed Reactor) 공법, 금속정련(야금) 방식 등으로 나뉩니다.

◇지멘스 공법=1950년대 지멘스에 의해 개발돼 지금까지 세계적으로 가장 널리 쓰이는 지멘스 공법은 금속실리콘을 염소(HCl)와 반응시켜 기체 상태의 염화실란(Chlorosiliane. 모노실란이라고도 함)으로 만들거나, 25도에서 증류시켜 삼염화실란(Trichlorosilane, TCS) 기체로 만듭니다. 이어 ∩ 모양의 실리콘 막대(Rod)와 염화실란 또는 삼염화실란을 반응시켜 폴리실리콘을 얻는 방법입니다. 다만 제조시 실리콘 막대(Rod)에 강한 전기를 가해 1100도로 유지해야 하기 때문에 전기 사용량이 매우 많고, 설비 투자비가 높다는 단점을 안고 있습니다. 염화실란을 이용하는 지멘스 공법으로 폴리실리콘을 생산하는 업체는 노르웨이의 REC가 있고, 삼염화실란을 사용하는 기업은 국내 동양제철화학을 비롯해 독일 바커, 미국 헴록과 MEMC, 일본 도큐야마 등이 있습니다.

◇FBR공법=FBR공법은 수소가스가 흐르는 도가니에 실리콘 씨앗(Seed)을 투입하고, 염화실란이나 삼염화실란 등 실란가스를 주입하면 실리콘 씨앗이 낙하하면서 주변에 지름 1Cm 가량의 동그란 구형 실리콘이 석출되는 방식입니다. 지멘스 공법보다 100배 가량 실리콘 석출 속도가 빠르지만, 다소 품질이 떨어지는 것이 약점입니다. REC, MEMC, 헴록, 바커 등이 이 방식으로 양산하거나 시양산 중입니다.

◇금속정련 공법=금속정련(Metallurgical refining) 공법은 순도 99%인 금속실리콘을 정제용 도가니에 넣고 아르곤 가스나 수증기 등을 주입하고 가열해 분순물을 산화시키고, 상부에 떠오르는 찌꺼기를 제거해 고순도의 폴리실리콘을 얻는 방법입니다. 이 방법은 기존 지멘스 공법 등의 복잡한 화학공정을 거치지 않아도 되고, 많은 전기를 사용하지 않아도 되기 때문에 설비가 상대적으로 간단하고, 유지비가 적게 든다는 장점이 있습니다. 하지만 기존 공법에 비해 아무래도 불순물 함유량이 높아 초고순도의 폴리실리콘을 제조하기에는 어렵다는 단점을 안고 있습니다. 이같은 공법으로 제조된 폴리실리콘을 UMG(Upgrade Metallurgical Grade)실리콘이라고 흔히 얘기하는데요. 최근 세계적인 폴리실리콘 품귀현상으로 가격이 치솟자, 폴리실리콘에 비해 가격이 낮은 UMG실리콘에 대한 산업계의 관심이 부쩍 높아졌습니다.

세계 최대 태양전지 제조사인 독일 큐셀이 UMG실리콘을 사용키로 했고, 국내에선 미리넷솔라가 UMG실리콘으로 태양전지를 만들고 있습니다. UMG실리콘은 캐나다 티민코의 자회사인 비캔커가 올초 양산에 성공했고, 스웨덴의 엘켐과 미국 다우코닝 등도 내년부터 생산을 시작할 계획입니다.

김승룡기자 srkim@ 도움말=미리넷솔라





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