2014 정보분석보고서

“태양광 모듈 환경규제 및

리사이클 기술 개발 현황”

이정구(KISTI), 김창목(KSITI), 박노창(전자부품연구원)

차 례

PART 1. 신시장 창출을 시도하는 태양광 모듈 리사이클

∙ 태양전지 모듈 리사이클링· 2 ∙ 무엇을 리사이클 할 것인가?· 6 ∙ 리사이클을 통한 저가격화 전략 · 10 ∙ 환경규제를 통한 기술우위 선점 전략· 12 ∙ 리사이클 시장 규모 · 14

PART 2. 리사이클을 위한 기술적 접근 방법

∙ 리사이클 관련 특허 분석 결과· 21 ∙ 결정질 실리콘 태양전지 · 28 ∙ 리사이클 공정 접근 방법 · 32 ∙ CIGS 태양전지 · 35 ∙ CdTe 태양전지 · 36

PART 3. 해외에서 추진중인 리사이클 연구 및 업계 동향 ∙ 유럽 · 39 ∙ 미국 · 45 ∙ 일본 · 47 ∙ 중국 · 50

PART 4. 국내 태양광 경쟁력 확보를 위한 R&D 기획 방향은?

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PART 1. 신시장 창출을 시도하는 태양광

모듈 리사이클

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☐ 태양전지 모듈 리사이클링◦ 지구 온난화 방지와 기존 화석연료 고갈로 인하여 태양광 에너지에 대한 수요

가 지속적으로 증가하고 있음. 맥킨지의 '글로벌 태양광 시장보고서(Solar

power; Darkest before dawn)'에 따르면 2020년 세계 태양광발전 누적 설치

용량이 400~600 GW에 달할 전망.

◦ 보고서에 따르면 세계 각국은 태양광발전 보급 및 확산에 주력하고 있으며,

대부분의 사람들이 태양광 모듈의 수명인 25년을 다 채울 것이라고 예상.

◦ 그러나 태양광 모듈은 설치 도중 파손, 운송 중 파손, 화재사고, 자연재해 등 여

러 가지 이유로 폐기되거나 재활용되고 있으며, PV CYCLE 보고서에 의하면

설치된 태양광 모듈 중 최대 수명인 25년까지 사용되고 폐기되는 태양광 모

듈은 1%에 불과한 것으로 나타남.

◦ 이로 인해, 수명이 다한 태양광 모듈을 이용하여 자원을 재활용하고, 납(Pb)과

같은 유해물질은 회수하고자 하는 연구가 진행되고 있음.

◦ 태양광 시장의 90% 차지하고 있는 결정질 실리콘 태양전지는 과

같은 구조로 되어 있음. 실리콘 웨어퍼 위에 위쪽은 은(Ag), 아래 부분에는

알루미늄(Al)이 올려져 있는 구조로 되어 있음. 이러한 태양전지 셀 한 개는

0.6 ~ 0.7 V로 전압 값이 낮기 때문에 승압의 목적으로 여러 개의 태양전지

셀을 직렬 연결하여 태양전지 모듈을 만들었음. 태양전지 셀과 셀의 연결은

납이 도금된 구리선을 이용하며, 태양전지 모듈은 와 같이 유리

/EVA/셀/EVA/백시트가 적층된 구조로 형성되어 있음.

그림 1-1. 결정질 실리콘 태양전지 내부 구조도

- 3 -

그림 1-2. 태양전지 내부 구조도 및 모듈 제작 공정

◦ 따라서, 태양전지 모듈에서 재활용할 수 있는 금속은 Si, Ag, Al, Cu 등이 있고, Pb

은 회수해야 하는 금속임. 또한 표면의 유리(glass) 역시 재활용이 가능한 품목임.

◦ 태양전지 모듈을 재활용하기 위해서는 유리/봉지재(EVA)의 분리, 봉지재/셀의 분

리기술 개발이 선행되어야 하고, 현재 열처리기법을 활용하여 분리하고 있음.

◦ 태양전지 모듈에서 가장 중요한 역할을 하고 있는 EVA 시트는 유리와 셀 그리고

백시트를 완전히 접합시키는 접착기능과 셀을 습기, 먼지 등으로부터 완벽하게 차

단시키는 셀 보호기능을 담당하고 있음.

◦ EVA 시트의 화학적 구조는 과 같으며 태양전지 모듈 생산 시 가교도

(Degree of Cross-linking)를 조절하여 유리에 접착하는 방식을 사용하고 있으며,

특히 VA함량이 28∼33%정도인 EVA resin을 봉지재로 사용하고 있음. 이러한

EVA는 와 같은 공정에 의해 T-다이 법으로 제작됨.

그림 1-3. 봉지재(EVA)의 분자식 구조

- 4 -

그림 1-4. EVA 시트 제작공정

◦ 태양전지 모듈을 구성하는 재료들의 리사이클은 자원의 재활용측면에서 의미

가 있으며, 환경적으로도 태양전지 모듈에 함유된 납을 회수하여 환경을 보호

하는 측면이 있음. 태양광 모듈의 리사이클은 여러 단계를 거쳐서 진행되는데

리사이클의 전 주기는 아래의 와 같이 구성되어 있음.

그림 1-5. 결정질 실리콘 태양전지 모듈의 리사이클 시스템

◦ 현재 태양광 모듈의 재활용 단계는 6단계로 나눌 수 있으며, 폐기된 태양광

모듈의 회수 공정, 열처리 공정, 각 부품별 분류 공정, 화학적 처리 공정, 결

정성장 공정, 새로운 태양광 모듈 제조 공정으로 분류됨.

◦ 폐기된 태양광 모듈을 재활용 할 때 재활용 가능성과 활용 범위가 가장 큰 부

분은 알루미늄 프레임과 유리이지만, 환경에 가장 큰 영향을 미치는 태양광

- 5 -

모듈의 셀을 재활용하는 것이 가장 중요함. 특히, 태양광 기술의 선진국인 독

일을 중심으로 태양광 모듈의 재활용 연구가 활발히 진행되고 있음. 분류 과

정 중에 실리콘 표면에 여러 가지 오염물질을 깨끗이 처리하는 기술이 핵심

임. 기존의 태양광 모듈과 비슷한 효율의 재활용 태양광 모듈을 만들기 위해

서는 nine-nine(99.9999999%) 이상의 순도 높은 실리콘이 필요하기 때문임. 주

요 오염원인 철, 구리, 티타늄 등은 태양광 모듈 효율을 저하시키기 때문에

화학적인 방법으로 제거함.

◦ 현재 유럽 및 미국에서 태양전지의 리사이클이 주도적으로 이루어지고 있으

며, 일본 및 중국에서도 최근 많은 연구가 진행되고 있음.

◦ 유럽에서는 PV CYCLE 단체를 중심으로 태양광 모듈 회수 및 재활용이 이루

어지고 있음. 현재 236개의 태양광 모듈 제조회사에서 폐기된 태양광 모듈을

회수하여 재활용하고 있으며, 2010년 이후 약 5,443톤의 태양광 모듈을 회수

하여 재활용하였음. 태양광 모듈 제조회사들은 매년 재활용 규모에 따라

5,000~25,000유로의 회비를 PV CYCLE에 지불하고 있으며, 60%의 태양광 모

듈을 회수하고 회수된 모듈의 80%를 재사용할 계획임. 태양광 모듈 회수 방

법은 태양광 모듈이 40개 이하일 경우 설치 업체에서 직접 수집 장소로 이송

하여 재활용하며, 40개 이상일 경우 PV CYCLE에서 직접 회수함.

그림 1-6. 유럽의 태양광 모듈 회수 및 재활용 방법

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☐ 무엇을 리사이클 할 것인가?◦ 신재생에너지인 태양광 발전에 대한 관심은 2000년대 이후 급격히 증가함에

따라 태양광 모듈 생산에 필요한 금속(실리콘, 구리, 유리, 알루미늄, 납 등)

역시 수입이 늘어남.

[출처: 2013년 국내외 태양광발전 산업/시장 전망]

◦ 이에 정부에서는 향후 발생될 수 있는 수명이 다한 태양전지 모듈에 대한 유

용자원 회수 또는 재활용관련 기술들을 개발하고자 시도하고 있으나, 20∼30

년 사용을 목적으로 설계된 태양전지 모듈의 재활용을 위해서는 선행 되어야

할 연구들이 많이 있어, 재활용하기가 쉽지 않은 것으로 보고되고 있음.

[출처: 태양전지 폐 모듈로부터 희유금속 회수 및 고순도화 기술 개발, 지경부,

2009]

◦ 한편, 우리나라는 태양전지 모듈을 제작하는 기술은 확보되어 있으나 20∼30

년 경과되어 수명이 다한 폐 태양전지 모듈에서 자원을 회수하거나 분리된

셀을 재제조하여 재생태양전지 모듈로 재생산할 수 있는 기술 및 시도는 현

재까지 전무한 상황임.

◦ 폐 태양전지 모듈 리사이클 기술은 변화되고 있는 세계의 태양광 산업에서 환

경적 변화에 대응하여 기업들의 시장 경쟁력을 키울 수 있는 좋은 기술임.

◦ 결정질 실리콘 태양전지의 모듈에서 유용 자원을 회수하는 방안에는 아래의

과 같이 설명할 수 있음. 태양광 모듈을 열처리하여 셀을 얻을 수

있으며 동시에 유리 회수가 가능함. 태양전지를 직렬로 연결하는 구리선을 분

리하여 납과 구리를 회수할 수 있고, 파괴된 태양전지에서 은을 추출해 내고,

마지막으로 남은 실리콘 웨이퍼를 회수함.

- 7 -

그림 1-7. 결정질 실리콘 태양전지 모듈의 금속회수 흐름도

◦ 알루미늄 프레임과 정션박스 제거 및 열적인 방법을 이용하여 유리와 태양전

지 셀을 분리함.

그림 1-18. 알루미늄 프레임 해체작업

- 8 -

○ 또한, 분리된 태양전지 셀에서 침출법을 이용하여 실리콘과 유가금속성분을

분리한 다음, 용매추출 및 전해법으로 유가금속을 회수함.

그림 1-19. 태양광 모듈 내 금속 회수기술 공정도

◦ 태양전지 모듈에 사용되는 소재들은 환경적으로 민감한 Pb, Cd, As, In, Se 등

의 금속들이 사용되고 있으며, Ag(c-Si), In(CIGS), Te(CdTe), Ge(a-Si)같은 물

질들은 에 나타낸 것과 같이 경제성을 갖고 있는 금속들이므로 태양

전지 모듈의 수명이 다할 경우 이를 회수하여 재사용이 가능함.

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표 1-1. 태양전지 제품에 쓰이는 재료의 가격

Material Price($/kg) Products

In 700 CIGS

Ga 650 CIGS

Ag 600* c-Si

Te 100 CdTe

Si 12** c-Si

Cd 4*** CdTe

Ge 1200 Ⅲ/Ⅴ, a-Si

Glass 0.07+ All

* 은에 대한 가격은 최고 $1600/kg까지 거래되었음.

** UMG grade : $12, 6N-8N : $20, Recovered Si wafers : $25-40/kg

*** 카드뮴에 대한 가격이 낮은 이유는 위험물질 처리에 대한 비용 때문임.

+ 유리의 비용은 순도에 따라 다르지만 파쇄된 유리의 가격범위는 $3-75/ton.

[출처 : Vasilis Fthenakis, PV Life Cycle Management and Recycling – Overview

& Prospects]

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☐ 리사이클을 통한 저가화 전략◦ 2013년 기준 9개 태양광 소재, 부품 시장은 약 228억불 규모이며, 향후 부품

시장은 태양광 설치시장의 확대에 따라 비슷한 비율로 성장을 지속할 것으로

예상됨. 특히 웨이퍼가 차지하는 비중이 아래의 과 같이 32.8%로

가장 크며, 웨이퍼 생산을 위한 폴리실리콘 및 메탈실리콘을 합친다면 50.7%

로 모듈 생산에 매우 큰 비중을 차지하고 있음.

그림 1-10. 태양광 모듈 소재의 가격 비율

[출처: SNE Research, 2013, 10.]

◦ 태양광 모듈의 가격은 지속적으로 하락하고 있는 상황임. 이로 인해 모듈의

가격경쟁력을 확보하는 것이 매우 도전적인 과제로 인식되고 있음. 따라서 모

듈의 가격 경쟁력을 확보하기 위해 리사이클링 된 소재를 활용하여 모듈을

재제조하려는 시도들이 진행되고 있음.

◦ 아래의 은 향후 리사이클링을 통해 만들어진 태양전지 생산은 계속

증가할 것이고, 리사이클 제조비용은 점차 감소하는 것을 나타내고 있음. 이

는 리사이클을 통해 제조된 태양전지 모듈이 점차적으로 가격 경쟁력을 가질

수 있다는 것을 의미함.

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그림 1-11. 리사이클링 Cost

[출처: SNE Research]

◦ 는 일반 모듈과 리사이클로 재생산된 모듈의 성능과

Energyp-Pay-Back time(EPBT)에 대해 나타내었음. 일반 모듈과 리사이클 모

듈(2nd life-cycle)은 단위면적당 출력 값에서는 큰 차이를 보이지 않는 것을

확인할 수 있음. 그러나 EPBT를 확인해 보면 일반모듈은 3년 후부터 발생하

기 시작하는 반면, 리사이클 모듈은 EPBT는 2년 후 부터 발생하는 것을 확인

할 수 있음. 이에 대한 가장 큰 원인은 웨이퍼 의존도에 따른 것으로 태양전

지 제조비용 중 웨이퍼의 가격차이가 크기 때문임.

그림 1-12. 리사이클 모듈과 일반모듈의 성능 및 EPBT그래프

[출처 : E. Bombach, “TECHNICAL EXPERIENCE DURING THERMAL AND

CHEMICAL RECYCLIING OF A 23 YEAR OLD PV GENERATOR FORMERLY

INSTALLED ON PELLWORM ISLAND”, 21st EVPVSEC 2006.]

◦ 태양전지는 실리콘 웨이퍼를 기반으로 하는 산업이기 때문에 실리콘 웨이퍼의

가격이 큰 비중을 차지함. 따라서 모듈 재활용을 통해 실리콘 웨이퍼의 가격

을 낮출 수 있다면 태양전지 및 모듈이 가격경쟁력을 확보할 수 있음.

- 12 -

☐ 환경규제를 통한 기술우위 선점 전략◦ 전 세계적으로 산업폐기물을 줄이기 위한 여러 가지 규제들이 제정되고 있으

며, 그 중 대표적인 규제는 유럽연합(EU)의 WEEE(Waste Electrical and

Electronic Equipment), 중국의 전자정보제품오염방지관리조치(電子情報産品汚

染防止管理辦法) 등이 있음. 가장 적극적인 태양광 모듈의 재활용 정책을 펼

치고 있는 지역은 유럽연합(EU)임. 유럽연합에서는 유럽의회 및 유럽 이사회

지침 "Directive 2012/19/EC"을 통해 태양광 모듈에서 배출되는 폐기물 처리

에 대한 책임을 규정하고 있으며, 2012년 8월 13일부터 효력이 발휘되었음.

앞으로 미국, 중국 등 주요 국가에서도 태양광 모듈의 폐기물에 대한 폐기,

재활용에 대한 지침을 준비 중이기 때문에 태양광 모듈의 재활용에 대한 이

슈는 점점 중요해질 전망임.

◦ WEEE(Waste Electrical and Electronic Equipment)지침은 거의 모든 전기·전

자기기 폐기물을 대상으로 각 업체에 자사제품의 회수·리사이클 및 이를 위한

코스트 부담을 부과하는 것으로 2003년 2월에 발효되었음.

- 개정 WEEE 지침으로 인해 당초 3년간(2015년 8월 14일까지)은 자원회수율:

80%, 리사이클율: 70%. 그 후(2018년 8월 15일~)는 자원회수율: 85%, 리사이

클율: 80%가 됨. 폐기물회수율은 2016년부터는 과거 3년간의 평균판매중량의

45%, 2019년부터는 폐기물발생 중량의 85% 또는 과거 3년간의 평균판매중량

의 65%라는 의무가 부과됨.

- 태양전지 모듈이 WEEE 지침의 대상이 되는 것에 대해 리사이클을 확실하게

추진하기 위해서는 필요하다며 환영하는 목소리가 있어 80%라는 리사이클율

의 달성도 가능할 것으로 보고 있는 한편, 장기 내구성을 보유한 태양전지 모

듈의 회수율 정의, 계산방법에 대해서는 “타 전기제품과 구별해야 한다.”라는

견해도 많아 업계단체 등에 의한 논의가 이루어질 것으로 보임.

- 또한 향후 2014년 2월 14일까지 개정 WEEE 지침을 위한 국내법 등이 각국에

서 정비되게 되는데 유럽태양전지업계에서는 유럽 전체의 통일적인 리사이클

계획안 운영을 목표로 하고 있어 각국에서 설정되는 법 규제 등의 내용이 유

럽 전체의 계획안에 대한 저해 요인이 되는 것을 우려하고 있음. 현 시점에서

태양전지 모듈의 재사용에 관한 체계적인 대응은 실시되지 않고 있는 것으로

보이는데 WEEE 지침에 대한 대응은 회수 모듈의 리사이클이 전제가 되고 있

음.

- 13 -

표 1-2. WEEE(폐가전제품의 의무활용 지침), RoHS(전기전자제품 유해물질 사용

제한 지침) 규정 강화

환경협약 규제

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

WEEE(유럽)

[2005/8/13]

무료수거시

스템

구축(8/13)

10개 품목별 자원회수 및 재사용 의무비율 규정

태양광

모듈

수거대상

포함

RoHS(유럽)

[2006/7/1]]

전기전자제품 내 납, 수은, 카드뮴, 6가크롬, PBBs, PBDEs 사용금지

(카드뮴 100mg/kg, 기타 5종 1,000mg/kg)

표 1-3. WEEE에 의해 태양전지 모듈에 대한 자원 회수율과 재활용 의무 비율

기 간2013.08.13

∼2015.08.14

2015.08.15

∼2018.08.142018.08.15이후

회수율(%) 75 80 85

재활용율(%) 65 70 80

◦ 유럽 및 미국의 메이저 업체 몇몇에서는 위와 같은 환경 규제에 대한 대응으

로 리사이클링 프로그램을 운영 중이며 현재 아시아권의 국가에서는 연구단

계 수준임. 하지만 유럽 규제에 대한 대응을 위해 폐 태양전지의 리사이클링

에 대한 대책이 필요함.

◦ 태양전지에 사용되는 소재들은 대부분 회수, 재사용, 재활용이 가능하기 때문

에 리사이클링 공정이 도입된다면 유럽 규제에 대한 장벽에 어렵지 않게 진

입할 수 있음.

- 14 -

☐ 태양광 및 리사이클 시장규모◦ (세계 설치량) 태양광 발전 설비는 ‘13년 연간 36.9 GW, 총 누적 134 GW 설

치됨. [출처: IEA PVPS, ’14.4, PVPS Report A Snapshot of Global PV]

- 집계되지 않은 설치량까지 합산할 경우 ‘13년 연간 38 GW이상, 총 누적 용량

136 GW 이상으로 예측됨.

- ‘07년부터 ’11년까지 연평균 80% 이상의 급격한 성장세를 보였으나, 공급 초과

및 세계 시장 불황으로 정체현상을 보였고, ‘13년 아시아 시장을 중심으로 성

장함.

그림 1-13. 세계 태양광 연간 설치량(상) 및 누적 설치량(하)

[출처: IEA PVPS(2014.4), PVPS Report A Snapshot of Global PV 1992-2013]

- 15 -

◦ (국가별 설치량) 아시아(‘13년 설치량의 59%) 170%, 유럽 –40%의 성장을 보

이며, 유럽 중심의 세계 시장이 아시아, 북미로 이동함.

- ‘13년 국가별 설치량은 중국 11.3 GW, 일본 6.9 GW, 미국 4.8 GW, 독일 3.3

GW 순이며, 연간 설치량이 1 GW 이상인 국가가 9개, 누적 설치량이 1 GW

이상인 국가가 17개 해당함.

* 한국은 ‘12년 누적 설치량 1 GW 이상(‘13년 1.467 GW)으로 ‘1 GW club’ 포

함

그림 1-14. 세계 지역별 태양광 누적 설치량

[출처: IEA PVPS(2014.4), PVPS Report A Snapshot of Global PV 1992-2013]

그림 1-15. ‘13 연간 및 누적 설치량 Top 10 국가

[출처 : IEA PVPS(2014.4), PVPS Report A Snapshot of Global PV 1992-2013]

- 16 -

◦ 글로벌 태양광 설치시장이 2011년~2020년까지 연평균 15.2% 성장을 지속할 것

으로 보고되고 있음. 2014년인 올해부터 2020년까지 전세계에 설치될 태양광

은 누적으로 477 GW에 이르는 큰 시장을 만들어 갈 것으로 예상하고 있음.

[출처: SNE Research]

◦ 해외 태양광 모듈 재활용 시장은 유럽연합(EU)을 중심으로 형성되어 있으며,

특히, PV CYCLE 이라는 단체에서 태양광 모듈 재활용을 적극적으로 추진하

고 있음. PV CYCLE은 2020년 EU에서만 약 35,397톤의 태양광 모듈 폐기물

이 발생할 것으로 예상됨.

그림 1-16. 전 세계 폐 모듈의 발생량 예측 그래프

[출처: PV cycle]

◦ 유럽 내 국가들은 WEEE 및 Directive 2012/19/EC 지침에 따라 적극적인 행

보를 보이고 있음. 2013년 3월에 발표한 PV CYCLE 보고서에 따르면 와 같이 유럽에서 약 113 Mt의 태양광 모듈을 재활용했으며, 태양광발전

선두 국가인 독일이 가장 활발하게 태양광 모듈을 재활용한 것으로 나타났음.

기술별로 보았을 때 실리콘 기반의 태양광 모듈이 가장 많이 재활용됨.

- 17 -

그림 1-17. 2013년 3월까지 PV Recycle을 통해 폐기된 태양광 모듈 재활용 국가별

처리량

◦ 태양전지 모듈에 사용되는 소재 중 큰 비중을 차지하는 것 중 하나가 유리임.

태양전지 모듈에 사용되는 유리시장의 규모는 태양광 시장의 증가와 함께 커

질 것으로 예상되며 그 규모는 예상 성장 비율에 따라서 에 나타

내었음. 2013년 태양전지에 사용되는 Glass의 생산용량은 약 5200만 톤으로

이를 단위면적으로 환산하게 되면 6.6 billion-m2에 해당됨.

- 18 -

그림 1-18. 태양전지에 사용되는 Glass의 NEEDS

[출처 : Keith Burrows et al., “Glass needs for a growing photovoltaics

industry”,Solar Energy Materials & SolarCells 132 (2015 455-459)]

◦ 현재는 유리의 생산용량이 수요량을 초과하기 때문에 수급에 문제가 없지만 향

후 2019~2025년 사이 수요량이 현재의 생산량을 초과할 것으로 예측되고 있음.

◦ 아래의 에 유리의 재활용 공정도를 나타내었음. 파유리(cullet)를

28%를 사용하여 유리를 생산하는 공정임.

그림 1-19. Glass 리사이클링 공정도

- 19 -

[출처 : Vasilis Fthenakis et al., “PV life cycle management and recycling –

overview & prospects”, 2014 PVSEC]

◦ 유리의 재사용은 이미 산업계에서 진행되고 있어 새로운 산업이라고 보기 힘

들지만 태양전지 모듈에 사용되는 유리의 경우에는 EVA와 함께 접착되어 있

어 분리가 어려워 재사용되지 않고 소각되어 왔음.

◦ 하지만 태양전지 모듈의 분리공정이 좀 더 경제성 있게 개발 된다면 유리의

리사이클링의 영역이 더 커질 것이며 예측됨. 이 경우 순도가 높은 유리는 다

시 태양전지 모듈에 재투입이 가능해질 것으로 보이며, 순도가 낮은 유리는

다른 용도로 사용될 수 있을 것으로 보임.

- 20 -

PART 2. 리사이클을 위한 기술적 접근 방법

- 21 -

☐ 리사이클 관련 특허 분석 결과◦ 결정질 실리콘 태양광모듈 리사이클링의 경우, 전반적인 출원 추세는 태양광

전체 분야와 거의 비슷한 추세로 증가하는 것으로 나타났으며, 1~2구간에서는

일본출원인에 의한 특허가 본 분야 전체 출원건의 60% 이상을 차지하였으나,

3구간 이후 한국, 독일, 중국 등의 출원 급증으로 5구간에서는 출원 국적이

비교적 고르게 분포됨. 출원인 유형별로 보면, 태양광 기술의 전자제품 응용

기술인 만큼 기업, 개인출원인 순의 많은 출원이 있었고, 일본, 한국, 미국 출

원인이 전체 출원건의 75%를 점유한 것으로 분석됨.

그림 2-1. 출원 점유율 변화

그림 2-2. 출원대상 및 출원국 변화

◦ 가장 출원점유율이 높은 일본과 미국의 경우 20년 기간 출원점유율 대비 최근

4년의 출원점유율이 감소하였으나, 한국의 경우 20년 대비 최근 4년간 점유율

이 증가한 것으로 나타남.

- 22 -

표 2-1. 특허 출원 동향

출원점유율 변화 ( 20년 평균 vs 최근 4년)

한국 미국 일본 유럽(독일) 유럽(벨기에)

24% → 33% 8% → 6% 47% → 39% 7% → 9% 6% → 1%

다출원인

한국 미국 일본 유럽(독일) 유럽(벨기에)

한국화학연구원

DRINKARD

METALOX

INC

SHARP CORP

PV SILICON

FORSCHUNGS UND

PRODUKTIONS GMBH

UMICORE

심포니에너지 LINDE, INC.SHOWA

SHELL

SEKIYU K. K.

JENOPTIK

AUTOMATISIERUNGSTE

CHNIK GMBH

엘지화학PRIMESTAR

SOLAR INC

SANYO

ELECTRIC CO

LTD

JENOPTIK AG

◦ Si 회수 및 재활용 기술, 재활용이 용이한 태양전지 모듈 구성 기술을 포함하

는 태양전지 모듈 재활용/복구 기술 및 태양전지 모듈 분리 기술의 경우 다

수의 출원인들에 의한 경쟁이 활발한 기술로서 특허 장벽이 상대적으로 높은

분야임. 이외 Si를 제외한 CdTe/CdS, 인듐, 갈륨, 루테늄 등의 희유금속에 대

한 회수 및 재활용 기술은 특허출원이 간헐적으로 나타나는 분야로서 특허장

벽이 비교적 높지 않은 것으로 분석됨.

표 2-2. 주요 재활용 기술 장벽기술 현황

◦ 장벽 기술 흐름을 살펴보면, Si 회수 및 재활용 기술은 2000년대 초중반부터 지

속적으로 개발이 이루어지고 있는 분야로서, 2000년 중반부터 개발비중이 큰

폭으로 증가하고 있으며, 태양전지 모듈 재활용/복구 및 태양전지 모듈 분리

기술은 2009년 이후 특허 출원이 급증하고 있는 것으로 나타남. CdTe/CdS,

인듐, 갈륨, 루테늄 등 Si를 제외한 기타 희유금속 회수 및 재활용 기술은

2000년 초반부터 연구개발이 시작되어 왔으나 전반적으로 특허출원이 미미한

수준에 머물러 있는 것으로 조사됨.

- 23 -

표 2-3. 주요 출원인 장벽기술 현황

◦ 장벽 기술의 주요 출원인 현황을 살펴보면, Si 회수 및 재활용 기술은 주요출

원인들이 공통적으로 연구 개발을 하고 있는 분야임.

◦ 일본 국적의 SHARP CORP.는 Si 회수 및 재활용 기술 외에도 태양전지 모듈

재활용/복구 기술에 대한 연구개발도 진행하고 있는 것으로 나타났으며,

SHOWA SHELL SEKIYU는 태양전지 모듈 재활용/복구 기술 및 태양전지 모

듈 분리 기술에 대한 연구개발 집중도가 높은 것으로 나타남.

◦ Si 회수 및 재활용 기술에 대한 연구개발 집중도가 높은 기업으로는 한국화학

연구원, UMICORE, SUMCO CORP.이 조사되었으며, 한국국적의 심포니에너

지는 태양전지 모듈 분리 기술에 대한 연구개발을 활발하게 진행하고 있는

조사됨.

◦ 특허 장벽도를 에 나타내었음. 장벽 기술로는 Si 회수 및 재활용, 태

양전지 모듈 재활용/복구, 태양전지 모듈 분리, CdTe/CdS 회수 및 재활용,

인듐, 갈륨, 루테늄 회수 및 재활용로 분류하였고, 각 장벽기술별 주요 출원인

을 나타내었음.

◦ Si 회수 및 재활용 기술 분야의 세부 요소기술을 살펴본 결과, Si 웨이퍼 생산

공정에서 발생하는 폐슬러지나 스크랩 웨이퍼로부터 Si를 회수하고, 불순물 제

거를 통해 고순도화시키는 공정에 대한 특허 출원이 많으나, 상대적으로 폐 태

양전지 모듈에서 분리한 Si를 선별하여 회수하는 분야에 대한 특허장벽이 낮아

해당 분야에 대한 원천특허 확보가 가능할 것으로 판단됨.

◦ Si 스크랩 웨이퍼 재활용 기술과 Si 웨이퍼 제조 공정 폐 슬러지 처리 기술의

경우 최근 들어 본격적인 특허출원이 이루어지고 있는 것으로 나타나, Si 웨

이퍼 제조 공정상에서 웨이퍼 커팅 후의 스크랩 웨이퍼 및 슬러지로부터 Si를

회수하여 재활용하는 기술에 대한 전략특허 확보가 가능할 것으로 보임.

- 24 -

◦ Si 고순도화 공정기술의 경우 4구간에서 집중적으로 특허 출원이 나타나고, 이

후 특허 출원이 소강상태에 있는 것으로 나타나 특허장벽이 어느 정도 구축되

어 있는 것으로 판단되며, 해당 분야의 경우 개량기술 개발을 통한 특허권 확

보가 이루어져야 할 것으로 보임.

장벽기술 주요출원인

1 Si 회수 및 재활용 SHARP CORP, 한국화학연구원, UMICORE

2 태양전지 모듈 재활용/복구 SHOWA SHELL SEKIYU

3 태양전지 모듈 분리 DRINKARD METALOX INC, 심포니에너지

4 CdTe/Cds 회수 및 재활용ANTEC Solar Energy AG, PRIMESTAR

SOLAR INC

5 인듐, 갈륨, 루테늄 회수 및 재활용TANAKA KIKINZOKU KOGYO,

MIDSUMMER AB

PortFolio

그림 2-3. 특허 장벽도

◦ 폐 태양전지 모듈 분리기술에 대한 국내 특허 조사 결과 과 같이 폐

슬러지에서 금속불순물 분리 (OCI(주)), 기판의 재사용이 가능한 태양 전지 및

그 제조 방법 (한양대학교), 박막태양전지 재생방법 (LG디스플레이), 태양전지

발전 폐 설비 재활용 방법 ((주)유성), 태양전지 폐 모듈의 친환경적 해체 방

법 ((주)심포니에너지), 태양전지 폐 모듈에서의 실리콘 회수 방법 (한국화학연

구원) 등으로 조사되었음.

- 25 -

특허명 등록번호 출원인 특징

태양전지 폐모듈

열적 해체장치

1020130104794

(2013.09.25)

(주)심포니

에너지

열적으로 해체하는 장치 특허

태양전지 폐

모듈의

친환경적 해체

방법

1020130080950

(2013.07.16.)

상기 프레임과 상기 정션박스가 제거된 태양전지 폐모듈을 챔버로 투입한 후

가열하여 상기 백시트와 상기 EVA를 열분해 하는 특허

태양광 발전

폐설비 재활용

방법

1020130060708

(2013.06.10)(주)유성

일반 폐기물과 태양전지셀 재료부의 분쇄물

또는 파쇄물을 200~2000℃로 용융하는

용융시키는 특허

태양전지 폐

모듈에서의

실리콘 회수

방법

1020120041290

(2013.04.15)

한국화학

연구원

표 2-4. 국내 특허 현황 조사

- 26 -

용매 분리법에 관한 특허

태양전지 폐 모

듈의 셀 회수방

법

1020110031688

(2011.03.29)

본 발명은 1차화학적 처리와 2차 열적 처리를 통하여

셀을 회수한 기술로 파쇄된 형태의 셀을 회수하고 있

음.태양전지용

웨이퍼 제조시

발생되는

폐슬러지

재생방법 및

재생시스템

1020110111946

(2012.10.09)

오씨아이

주식회사

본 발명은 태양전지용 웨이퍼 제조시 발생되

는 폐슬러지 재생방법 및 재생시스템에 관한

것으로, 보다 상세하게는, 태양전지용 웨이퍼

공정 폐슬러리의 재생처리에 있어서 금속

불순물(metal impurities) 및 미세입자를 효과

적으로 분리시켜 재생효율을 증가

박막 태양전지의

제조방법

1020110006530

(2011.1.20)

엘지디스플레

이 주식회사

본 발명의 박막 태양전지의 제조방법은 플루오르화

수소(Hydrogen Fluoride; HF)가 함유된 에천트를 이

용하여 공정 중에 발생한 불량 기판으로부터 불필요

한 박막을 제거하는 동시에 글라스 기판 표면에 소

정의 요철을 형성(texturing)하여 재이용(리사이클)하

도록 함으로써 박막 태양전지의 제조원가를 절감하

는 특허.

기판의 재사용이

가능한 태양

전지 및 그 제조

방법

1020100138703

(2010.12.31)

한양대학교

산학협력단

본 발명은 기판의 재사용이 가능한 태양 전지 및

그 제조 방법에 관한 특허임.

◦ 외국특허를 살펴보면 태양전지 모듈 리사이클링에 대한 특허들이 다양한 방법

으로 수행되어 왔음을 확인할 수 있음. 결정질 실리콘 태양전지뿐만 아니라

박막 태양전지의 리사이클링에 대한 접근도 이루어 졌음을 알 수 있음.

- 27 -

제목 내용 출원인 출원 번호

1 PHOTOVOLTAICMODULE RECYCLING

모듈 재생 BohlandJohn Wade

13058959(2010년 )

2METHOD FOR

RECYCLING THIN-FILMSOLAR CELL MODULE

박막 태양전지 모듈 리싸이클링 특허 JENOPTIK

21302533(2009년 )

3 Method for purifyingsilicon

정제실리콘, 정제 규소를 획득하기 위한 방법 Nichol Scott

13532083(2008년 )

4 Recycling siliconphotovoltaic modules

유해가스 생산 없이 고온의 가스를

이용하여 가열하여 모듈의 EVA 와 실리콘의 분리

First Solar,LLC

09116287(2009년 )

5Recycling method forCdTe/CdS thin filmsolar cell modules

CdTe/CdS 박막 필름 솔라셀 모듈 리싸이클 방법

Showa ShellSekiyu

01830411(2007년 )

6 태양전지 모듈 재료의 재이용을 위한 회수 방법

태양전지 모듈을 미리 15 내지 40℃로 가온한 톨루엔 , 벤젠 , 크실렌 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 방향족계 유기용매에 침지

ISHIGUROTAKIO외 2

JP019134

(2012년 )

7태양전지 모듈 재료의

재이용을 위한 회수 방법

신속 간편하게 태양전지 모듈을 해체해,

거기로부터, 실리콘 셀,유리 및 EVA의 각 재료를, 각각, 재이용

가능하게 회수하는 방법

ISHIGUROTAKIO외 2

JP019134

(2012년 )

8태양전지 모듈로부터의

실리콘 웨이퍼 및 강화유리의 회수 방법

폐기 태양전지 모듈이나 제조

과정에서 발생 하는 불량품으로부터 ,실리콘 웨이퍼 및

강화유리를 회수 ·재생하는 방법

KAWATETSU TECHNORESCORP외

1

JP042033

(2012년 )

9 태양전지 모듈 부재의 회수 방법

태양전지 모듈로부터 수광면 보호층과 셀이 밀봉된 밀봉재층과 이면 보호층을 분리

회수하는 방법

DU PONTMITSUI

POLYCHEMCO LTD

JP5099819(2012년 )

10CIS계 박막 태양전지 모듈의 구성 부재 회수

방법

각 구성부재의 재질에 적합한, 간단 한편

저비용인 처리 방법으로 회수하고, 폐기물의 양을 절감해, 제조 비용을 감소

SHOWASHELL

SEKIYU KK

JP4602872(2010년 )

표 2-5. 국외 특허 현황 조사

- 28 -

☐ 결정질 실리콘 태양전지◦ 설치된 대부분의 태양광 모듈은 실리콘 기반이기 때문에 태양광 모듈의 종류

별 재활용 현황 에서도 가장 많은 비중을 나타냄. 2013년 3월 PV CYCLE 보

고서에 따르면 3월에 재활용된 태양광 모듈 중 약 80%를 실리콘 기반의 태양

광 모듈이 차지하였음. 앞으로도 실리콘 기반의 태양광발전 누적 설치용량은

증가할 것으로 예상되므로 재활용 연구가 활발히 이루어져야 할 것임.

그림 2-4. 재활용 태양광 모듈의 종류별 비중

◦ 결정질 실리콘 태양전지 모듈 리사이클 연구 현황을 살펴보면 국내 한국화학

연구원, 독일, 네델란드, 프랑스, 폴란드, 타이완, 일본 등에 서 연구가 진행되

어져 왔으며, 국내는 분리기술 및 실리콘 회수 기술에 초점이 맞춰져 있음.

◦ Frisson 그룹에서 태양전지의 모듈 분리 공정으로 Fluidized Bed Reactor를 사

용하여 셀과 봉지재의 delamination을 성공하였으며 이 공정에서 80%가량의

셀이 물리적으로 분리되어 손상되지 않는 초기 웨이퍼 상태로 사용할 수 있

다고 하였음. 또한 metal, emitter 층을 에칭하여 태양전지 재생공정을 거쳐

셀효율 16.4%를 발표하였음. [출처 : L. Frisson et al., “Recent improvements

in industrial PV module recycling” 16th

EUPVSEC 2000.]

◦ S. Kang 등은 백시트를 제거한 후 다양한 유기용매를 통해 EVA를

dissolution, swelling한 뒤, Ar 분위기 하에 열처리 하여 봉지재와 셀 분리를

하였으며, 화학적 에칭을 통해 재사용할 수 있는 실리콘을 얻을 수 있었다고

하였음. [출처 : S. Kand et al., “ Expermental investigations for recycling

of silicon and glass from waste photovoltaic modules”, Renewable Energy

47 (2012) 152-159]

- 29 -

연구기관 제목 및 게재지 설 명

한국에너지기술연구원

(2013)

태양전지용 구리리본으로부터 구리회수에 관한 연구

•폐 태양광 전지내의 구리리본전극으로부터 구리를 회수하기 위해 불활성 가스분위기하에서 300 – 600 oC로 열처리 하여 구리를 회수한 연구

J. of Korean Inst. of

Resources Recycling

한국화학연구원(2011)

태양전지 폐 모듈로부터 실리콘 및 강화유리 회수에 관한 연구

•강화유리는 유기용매를 사용하여 회수, EVA수지는 열처리를 통하여 회수, 실리콘은 계면활성제를 첨가한 혼산 용액으로 표면물질을 제거하고 회수J. of Korean Inst. of

Resources Recycling

Taiwan

(2011)

Recycling of Materials

from Silicon Base Solar

Cell Module

•열처리 후, 유리, cell chip, 리본, Si Chip, 구리 등 회수

PV industry

France

(2011)

Study on photovoltaic

panels supplementing

the impact assessment

for a recast of the

WEEE directive

European Commission

DG ENV

◦ Gdansk 대학교에서는 화학적인 방법으로 태양전지를 에칭하여 Bare silicon

wafer를 얻었으며 이를 이용하여 태양전지를 제조하였으며 반사방지막이 없

는 상태에서 셀 효율 15%를 얻었음. [출처 : E. Klugmann-Radziemska et al.,

“ Expermental validation of crystalline silicon solar cells recycling by

thermal and chemical methods”, Solar Energy Mateials and Solar Cells,94

(2010) 2275-2282]

표 2-6. 국내외 연구 현황 조사

- 30 -

Poland

(2010)

Chemical treatment of

crystalline silicon solar

cells as a method of

recovering pure

silicon from

photovoltaic modules

•실리콘 웨이퍼를 재사용하기 위한 용매공정이 나와 있음.

Renewable Energy

Canada

(2010)

Producer responsibility

and recycling solar

photovoltaic modules

•태양광 (PV) 산업의 급속한 확장은 빠르게 세계의 에너지 사용에 중요성을 나타내고 있음.본 논문에서는 상용화 된 태양 광 발전 재료의 다섯 가지 주요 유형에 대한 기존의 재활용 프로토콜을 분석하여 PV 재활용 정책에 대하여 나타내었음.

Energy Policy

Germany

(2010)

Recycling photovoltaic

modules

•우선 열분해법으로 Silicon 웨이퍼를 분리하고, 다시 화학적 공정으로 웨이퍼를 에칭하여 셀을 다시 만드는 공정

BINE

informationsdienst

Poland

(2010)

Experimental validation

of crystalline silicon

solar cells recycling by

thermal and chemical

methods

•깨지지 않은 완전한 모듈을 열처리후 화학적 처리를 거친 후에 새로운 태양광 셀을 만드는 공정

Solar Energy Materials

& Solar Cells

Japan

(2003)

Research and

development on

recycling and reuse

treatment technologies

for crystalline silicon

photovoltaic modules

•오래된 태양광 모듈은 EVA 두께가 증가되고, 두께가 얇아져서 열처리하면 웨이퍼가 깨짐

Photovoltaic Energy

Conversion,

Proceedings of 3rd

World Conference

- 31 -

Germany

(2003)

LIFE CYCLE

ANALYSIS OF A

SOLAR MODULE

RECYCLING PROCESS

•열처리 후에 화학적 처리법으로 웨이퍼 생산

PV industry

Netherland

Recent Improvements

in industrial PV

module recycling

•450℃에서 적어도 20분간 열처리를 통하여

실리콘 웨이퍼를 리사이클 시킴.

16th European

Photovoltaic Soar

Energy Conference, UK

- 32 -

☐ 리사이클 공정 접근 방법◦ EVA 제거 기술

그림 4-1. 열처리 공정 후 결정질 태양전지 모듈의 EVA분리 작업

[출처 : 도이체솔라]

- 태양전지의 모듈에서 셀을 보호하고 있는 EVA의 제거기술에는 열처리 공정

과 화학적 공정으로 접근하고 있음. 열처리 공정으로 EVA 분리를 하게 되면

높은 온도로 인하여 셀의 기판까지 고온으로 인한 stress를 받게 되어 태양전

지 제재조 후, 셀효율에 영향을 미치기 때문에 적절한 온도 조절이 요구됨.

화학적인 방법으로는 유기용매를 사용하는 방법이 있는데 toluene 같은 방향

족계 화합물이기 때문에 인체에 해롭다는 단점이 있음.

- EVA 제거 기술에는 EVA를 제거하는 단순한 목적뿐만 아니라 glass를

재활용할 수 있는 상태로 얻을 수 있으며, 셀을 깨지지 않게 EVA를

제거한다는 목적이 강하기 때문에 (셀이 깨지게 되면 메탈을 회수한 뒤, 잉곳

재생산을 위한 공정이 추가됨.) 가능한 한 셀에 많은 영향을 미치지 않게

해야 함.

◦ Glass/Silicon 재활용 기술

- 현재 Glass에 대한 재활용 기술은 생활용품으로 사용되는 유리에서 이미 이

루어지고 있기 때문에 태양전지 Glass의 재활용이 가장 적용이 쉬운 분야임.

해외에서도 태양전지 모듈 재활용할 수 있는 부품 가운데 Glass의 재활용 사

례가 가장 많았음.

- 33 -

- 박막태양전지 모듈의 Glass는 ~95% 회수 가능하며 First Solar에서는 태양전

지 리사이클 프로그램을 통해 Glass를 회수하여 리사이클링하고 있음.

그림 4-2. 태양전지 리사이클링 공정을 통해서 얻어진 파유리(cullet)

[출처 : First Solar]

- Silicon wafer를 온전하게 분리가 되면 전후면의 리본 및 전극을 제거하고 반

사방지막 및 전면의 에미터 및 후면전계를 제거하는 순으로 접근할 수 있음.

그림 4-3. 결정질 실리콘 태양전지 웨이퍼 재활용을 위한 에칭 공정과정

[출처 : J. Park et al., “Wet etching process for recycling crystalline silicon solar

cells from end-of-life photovoltaic modules, RSC Adv., 4 (2014) 34823-34829]

- 셀을 온전하게 분리하지 못할 경우에는 Silicon wafer를 파쇄하여 잉곳으로

성장시켜 재사용하는 방법이 있음. 하지만 잉곳성장 공법에는 제조비용이 많

이 들고 다시 태양전지용 웨이퍼용으로 사용되는 실리콘 순도에 대한 문제점

이 생길 수 있기 때문에 Silicon wafer를 온전하게 얻는 것이 리사이클링 공

정상 더 쉬울 수 있음.

- 34 -

그림 4-4. EVA 제거후 얻어진 파쇄된 결정질 실리콘 태양전지(a), (a)를 에칭 공정

하여 얻어진 결정질 실리콘 웨이퍼

[출처 : S. Kang et al., “Experimental investigations for recycling of silicon and

glass from waste photovoltaic modules”, Renewable Energy 47 (2012) 152-159.]

◦ 금속 재활용 기술

- 태양전지 모듈에서 재활용 할 수 있는 금속으로는 Pb, Cu, Al, Ag로 Pb와

Cu는 리본에서 회수할 수 있고 그림 과 같이 Al과 Ag는 태양전지 전극으로

부터 회수가 가능함.

그림 4-5. 폐 태양전지 스크랩에서 리본을 분리하여 Pb, Cu를 얻을 수 있음(a), 태

양전지 전면의 Ag 전극을 peeling하여 Ag 회수(b), 화학적 에칭을 통하여 기판에서

제거된 Al을 필터링하면 Al 회수 가능함(c).

- 박막태양전지(CIGS, CdTe)에서는 미량의 금속이 사용되기 때문에 회수가능한

양이 많지 않기 때문에 현재까지는 회수하는 데에 어려움이 있음.

- 35 -

☐ CIGS 박막 태양전지◦ CIGS 태양전지 관련 리사이클에 관련 연구는 거의 진행되지 않았지만, 몇몇

회사에서 CIGS 태양전지 리사이클 관련 디자인을 설계하고 있음.

- Loser Chemie

1. 기계적 방식을 이용하여 CIGS 태양전지에서 유리와 봉지재를 제거.

2. 유리의 경우, 세척 및 건조 작업을 이용하여 리사이클 가능.

3. 화학적인 방식을 이용하여 봉지재 및 CIGS 태양전지에 들어가는

금속을 분리.

- SolarCycle GmbH

: 2013년부터 시작할 예정이며, 결정질 및 CIGS 태양전지에서의 85%

재자원하는 기술을 설계해 왔음. 리사이클 공정은 열적, 물리적, 화학적

공정을 통하여 진행됨.

- First Solar

: CIGS 태양전지에 사용되는 물질들을 최대한 리사이클하여 환경적인 문제는

최소화하는 방향으로 설계하고 있음. 리사이클 공정 방법은 1차적으로 dry

process를 통한 셀과 유리를 분리함. 유리의 경우, 유리에 붙어있는 봉지재를

제거하여 cullet 상태로 리사이클 진행.

반도체 물질의 경우, precipitation을 통해서 나온 반도체 물질을 화학적 공정

을 통해서 Cu, In, Ga, Se으로 리사이클하고 있음.

그림 2-5. CIGS 폐모듈 리사이클 공정 흐름도

- 36 -

☐ CdTe 박막 태양전지◦ 선진국에서는 CdTe 모듈의 유해성 물질로 인식하여 이미 이에 대한 연구가

일찍이 시작되어 활발히 진행되고 있음. 리사이클의 주 목적은 텔레늄과 같은

희소금속 회수 및 환경규제에 따른 중금속 오염을 방지하기 위함임.

◦ CdTe 박막 태양전지 모듈에 Te을 포함한 CdTe는 전체 중량의 0.11~0.13%의

양이 포함되어 있음. 전 세계적으로 CdTe 모듈을 리사이클 하는 방법은

FeCl3/HCL 침출법, 고압 황산 침출법, 질산 침출법, 황산/과산화수소 침출법

과 같이 4가지로 나눌 수 있음. 이와 같은 리사이클 방법을 이용하였을 때,

평균 Te 회수율은 90% 이상을 나타내고 있음.

[출처: Kang, H.-S. and Hong, S.-J.,: J. Kor. Powd. Met. Inst., Vol. 19, No.3

(2012)]

- First Solar

1. 모듈을 일정 입도로 파쇄.

2. 황산/과산화수소 용액을 이용하여 용해

3. 이온교환법을 이용하여 Cd, Cu를 분리하여 Cd을 electro winning법을 이

용하여 분리

4. Te은 환원법을 이용하여 희귀금속 분리

[출처: A. Mezei, M. Ashbury, M. Canizares, R. Molnar and H. Given:

Technical Bulletin 2008-29.]

그림 2-6. First Solar 社의 CdTe 폐모듈 리사이클 공정 흐름도

- 37 -

- SENSE(Sustainability Evaluation of Solar Energy Systems)

: 모듈 분쇄 후, 400 ℃ 이상에서의 염소가스 반응을 통하여 화학적으로

침출하는 방법으로 통해서 희귀금속 분리

- RESOLVED(Recovery of Solar Valuable Materials, Enrichment &

Decontamination)

: 화학물질 사용 및 폐기물 발생량을 최대한 억제하는 재활용 기술 개발

[출처: W. Berger, F. G. Simon and K. Weimann: Res. Conserv. & 리사이클

링, 54 (2010) 711.]

그림 2-7. RESOLVED 社의 재활용 태양광 모듈의 종류별 비중

- 38 -

PART 3. 해외에서 추진 중인 리사이클 연구

및 업계 동향

- 39 -

☐ 유럽◦ PV CYCLE

- PV CYCLE는 2007년에 설립된 유럽의 태양전지 모듈 리사이클을 담당하는 기

관으로, 독일태양산업협회, 유럽태양광협회 및 5개의 PV회사(Solar World,

Conergy, Isofoton, Sulfurcell, Avancis)가 주최하여 태양전지 모듈을 회수·처

리하는 시스템을 자신들이 주체적으로 정비, 운영하고 있으며 필요경비는 회

원이 부담하고 있음.

- PV CYCLE에서는 자신들이 운영하는 계획에 따라 WEEE지침을 통해 부과되

는 의무를 이행하며 유럽 전체를 커버하는 것을 목표로 하고 있음. 향후 유럽

각국에서 법 규제와 규칙이 정해지게 되는데 내용에 따라서는 유럽 전체적으

로 공통의 시스템과 기술을 유지하는 것이 곤란해질 가능성이 있음.

- 이 때문에 PV CYCLE에서는 각국의 규제기관과의 협의에 착수하고 있으며 당

면의 중요시장으로 독일과 이탈리아에는 사무소를 개설하려 하고 있음.

◦ 태양전지 모듈의 회수·리사이클 계획

- 대상으로 하고 있는 태양전지 모듈

: PV CYCLE이 대상으로 하고 있는 모듈은 일정기간의 사용을 마치고 철거된

태양전지 모듈, 설치 후의 초기불량품, 외적 요인으로 인한 손상품 등이고, 모

듈공장에서 발생하는 불량품과 규격외 품은 대상으로 하지 않음.

- 회수·리사이클 목표

: 시장에서 발생하는 폐기 모듈의 85% 이상의 회수를 목표로 하고, 회수한 모

듈의 리사이클은 2015년까지 80% 이상, 2018년까지 85% 이상에 도달하는 것

을 목표로 하고 있음.

- 리사이클 처리

: PV CYCLE은 회수한 태양전지 모듈을 처리하는 기술 및 플랜트를 자체적으

로 소유하고 있는 것이 아니라 회수 모듈의 처리는 외부에 의뢰하고 있음. Si

계 태양전지 모듈의 리사이클 처리는, 설립 당초는 결정 Si에서의 셀 회수도

가능한 플랜트에서의 처리가 선정되었으나 현재는 경제적으로 뛰어나다는 판

단에서 유리 리사이클 플랜트에서의 처리를 하고 있음.

- 태양전지 모듈의 회수·처리 실적

: 태양전지 모듈 회수·리사이클의 구체적인 운용은 2010년 6월부터 개시되어

- 40 -

2012년 9월까지 회수된 태양전지 모듈은 4,425t이었음. 독일이 가장 많은 50%

이상이며 이탈리아, 폴란드, 스페인이 그 뒤를 이었음.

◦ 유럽에서는 PV CYCLE이라는 조직을 구성하여 노후된 태양전지 모듈의 수거

및 재활용 서비스를 진행하고 있음.

- 유럽의 여러 국가에 PV CYCLE 사무실을 개설해 두고 있음.

- 해당국가의 규제에 대응할 수 있는 방법 제공

그림 3-1. PV cycle에서 운영하고 있는 본사 및 지사

- 41 -

그림 3-2. PV CYCLE에서 운영하고 있는 각 지점에서 5년간 생산된 태양광 폐기물

의 양

표 3-1. 유럽 각국의 규제 제정 현황

- 42 -

- (이태리) 수거를 위한 그룹은 없는 상황이고, Conto Energia I, II & III이

WEEE와 연계되어 있음.

- (영국) 비용은 생산자에게 부담시키고 있음. 2013년까지 영국 정부에 의해서

제정된 수거 target의 규정은 없었음.

- (벨기에) 규정이 지연되고 있음.

- (그리스, 네델란드) 특별한 규정 없음.

- (스위스) WEEE 규정을 거의 그대로 준용하고 있음.

- (불가리아) 정부에 의해서 리사이클링 비용이 규정되어짐.

1000유로/톤 or 20유로/모듈

- 43 -

◦ CERES(European Center for the Recycling of Solar Energy)는 2011년 7월에

설립된 태양전지 모듈 리사이클을 담당하는 기관임. PV CYCLE가 태양전지

모듈 공급 측을 중심으로 한 회원 구성인 반면, CERES는 리사이클을 추진하

기 위해서는 리사이클 사업자가 주체가 되어야 한다는 생각에 기초하고 있음.

◦ 태양전지 모듈의 회수·리사이클 계획

- 대상으로 하고 있는 태양전지 모듈

: CERES에서는 일정기간 사용을 마치고 철거된 태양정지 모듈, 설치 후의 초

기불량품, 외적 요인으로 인한 손상품 등과 함께 모듈공장에서 발생하는 불량

품·규격부품도 대상으로 하고 있음.

- 회수·리사이클 목표

: 폐기 모듈의 회수율에 대한 목표를 설정하지 않은 것으로 보이는데 회수한

모듈의 리사이클은 유리·알루미늄뿐 아니라 모듈 중의 금속자원의 리사이클도

염두에 두고 있음. 리사이클율 85%는 현재에도 가능하며 2016년까지 95% 이

상 도달목표를 세우고 있음.

- 태양전지 모듈의 회수·처리 실적

: 2012년 1월부터 회수를 개시하여 2012년 6월까지 약 600t의 태양전지 모듈이

회수되고 있음. CERES가 결정질 실리콘 모듈만 회수하고 있지만, 거의 대부

분이 수송 시를 포함한 공장 출하 후의 손상품 또는 초기불량품이나 공장에

서 발생하는 불량품과 규격외 품으로 수십년의 사용을 마친 모듈의 회수 실

적은 1% 정도에 그치고 있음.

◦ 이탈리아에서는 태양광발전에 대한 지원책

: Conto Energial에서 동 지원책의 대상이 되는 설정조건으로, 2012년 6월 30

일 이후에 운전을 개시하는 태양광발전시스템에 대해 사용 후 모듈의 관리를

명확히 하는 것을 요구하고 있음. 이 요건을 충족하고 있는지 아닌지의 판단

은 Conto Energial 운영기관인 이탈리아의 GSE가 실시, 2012년 중에 당해 요

건을 충족할 수 있는 리사이클 계획(시스템, 기관, 컨소시엄 등)의 리스트를

작성, 공표하려 하고 있음.

◦ 유럽의 도이체솔라는 재활용공장을 2가지 공정으로 운영하고 있음.

　　- End-of-life modules: 열공정에 의해 모듈의 플라스틱 부품을 제거(600℃)

- Recovered cells: 에칭을 통해 태양전지 성분을 제거하여 실리콘 웨이퍼 복구

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그림 3-3. 도이체솔라의 셀 재활용 공정도

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☐ 미국 ◦ RCRA 규제가 존재하지만 태양광 모듈의 경우, RCRA의 규제에서 제외되어

있음. 또한 캘리포니아에서는 대부분 태양광 모듈을 유해물질로 분류하였지

만, 2014년 캘리포니아 Senate Bill 1020에서는 태양광 waste를 universal

waste에서 분류를 제외시켰고, 이에 대해 이의가 제기되고 있음.

◦ 대부분의 태양광 회사(First Solar 제외)의 경우, 리사이클 관련 정책을 가지고

있지 않음. 현재까지는 폐 모듈의 양이 적으며, 리사이클 된 물질에 대한 대

책 및 정부에서의 기금 및 관심이 상대적으로 적기 때문에 리사이클에 연구

가 활성화 되지 않았음.

◦ 하지만, 폐 태양광 처리 비용과 태양광 모듈을 리사이클 비용을 비교하면, 유

해물질의 경우 처리비용이 많이 들기 때문에 리사이클 하는 것이 유리함.

그림 3-4. 총 태양광 처리비용 및 리사이클 비용 비교

◦ 미국은 DOE프로젝트의 일환으로 Brookhaven 국립연구소에서 리사이클링 기

술 연구 및 시스템 구축을 위해 노력하였음.

◦ 미국 First Solar는 2005년부터 태양광 모듈의 리사이클링 프로그램 (Recycling

Module Collection and Recycling Program)을 만들어 운영하고 있음. Cd 및

Te의 환경규제에 대응하기 위하여 만들어졌으며 실리콘 태양전지 리사이클링

프로그램도 만들고 있고, 유럽 PV CYCLE제도를 도입하여 실시하고 있음.

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- 처리 방법 : 모듈에 사용된 유리의 90%는 새로운 유리 제품으로 활용하고, 그

외 태양광에서 나오는 반도체 재료들을 최대 95%까지 리사이클 하여 새로운

모듈을 만드는데 사용.

- 회사의 재활용 공장은 생산 거점이 있는 독일, 말레이시아에서도 운영함.

그림 3-5. 미국 First Solar 社의 CdTe 폐 모듈 리사이클링 프로그램

그림 3-6. 미국 First Solar 社의 CIGS 폐 모듈 리사이클링 프로그램

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☐ 일본

◦ 태양전지 시장은 1990년대 시작하여 2000년대에 지속적인 성장을 진행해 왔

음. 2012년 FIT 규정에 의해 폐 모듈 및 폐 태양광 시스템 장비에 관한 보수

및 관리 요구됨.

그림 3-7. 일본의 연간 평균 태양전지 설치 현황

[출처 : IEA PVPS, National Survey Report of PV power Applications in Japan

2013, prepared by H. Yamada and O. Ikki, 2014]

◦ 따라서 NEDO R&D 정책 하에 PV 리사이클링 technology를 위해 결정질 태

양전지 모듈의 재사용, CIS 태양전지 모듈의 리사이클링 공정, 유리 재활용

공정과 sequential dry processing 및 EVA stripper 등에 대해 연구해왔음.

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표 3-2. 일본의 폐 모듈 리사이클링을 위한 연구 내용

기간 연구내용 기관

2001-2005

Research on social system, Development of

Recycling technique and reuse treatment for c-Si

modules, Recycling process for CIS modules, Glass

Recycling process, Recyclable PV modules

NEDO,

PVTEC, Sharp,

Showa Shell,

Asahi Glass,

AIST

2010-2014PV Recycling technology for various kinds of PV

module : Sequential dry processing

NEDO, FAIS,

Showa Shell,

Shinryo

2011-2012Advanced Recycling treatment system for PV

modules with novel EVA strippers : Wet processing

NEDO,

Yokohama

Oils & Fats

Industry

2010-2014

Establishment of PV Recycling technology for

treating large quantities of the End-of-Life PV

module

-

그림 3-8. 일본의 폐 모듈의 PV 리사이클링 기술에 대한 공정도

◦ 2014-2018년간 PV 리사이클링을 위한 전략으로는 폐 모듈을 저비용을 목표로

제거, 회수, 분리하는 기술을 연구하고 수행하는 것임.

◦ 사용한 태양전지 모듈의 재활용에 대한 연구개발 실시

- 광역 대상 범용 PV 시스템 재활용 처리 방법

- 일본 재활용 네트워크 구축 사업

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- EVA 박리제에 의한 태양전지 재활용처리 시스템 개발

◦ 일본의 MOE/METI 2013년부터 태양전지 리사이클 및 재생에너지 관련 연구

관련 조사를 실시

◦ 일본의 NEDO는 2014년부터 2018년까지 태양전지 리사이클 관련 연구 계획에

있으며, 연구의 목적은 폐 모듈의 저비용 리사이클 기술 개발 및 PV 모듈을

효과적으로 분리하는 기술 개발임.

- 저비용 PV 시스템 장비 분리 기술 연구

- 저비용 폐 모듈 리사이클 기술 연구

- PV 리사이클 트렌드 조사

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☐ 중국◦ 중국은 폐 태양전지 모듈의 재료인 Si, Cu, Al, Ag, Glass, Plastic 등을 리사이

클링 및 재생 할 수 있는 기술을 National High-tech R&D Program하에서 진

행 중에 있으며, 이를 Institute of Electrical Engineering Chinese Academy

of Sciences, CAS(IEE CAS)에서 수행하고 있음.

◦ YingLi Solar에서도 IEE와 함께 PV 리사이클링에 대한 연구를 진행 중이며

Physical method를 이용하여 각각의 재료를 재사용할 수 있도록 하는 것이

목적임.

그림 3-9. Physical method를 이용한 PV 모듈 리사이클링

- Physical method를 이용하여 Silicon power를 비롯하여 각각의 소재들(Al

frame, glass, EVA, Back sheet, Si powder mixture)을 리사이클링 되었으며

이를 통한 재사용률이 약 90%가 되었음. 하지만 Silicon은 낮은 순도로 인하

여 PV 사업에 투입되지 못하였음.

◦ Chinese Research Academy of Environmental Sciences(CRAES)에서는 IEE와

함께 PV 모듈 리사이클링에 대한 thermal method를 도입하여 연구를 진행하

였으며, 이에 대한 공정순서는 아래 그림과 같음.

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그림 3-10. PV 모듈 리사이클링을 위한 Thermal method route

◦ 모듈의 분리는 3가지로 시도되었으며 인위적인 분리(Artificial dismantling)로

는 glass가 파손되며, 유기용매로 시도하였으나 반응 시간이 길고 폐수 처리하

는 것에 어려움이 있다는 단점이 있어 배출가스(exhaust gas treatment)를 이

용한 열처리 공정을 통해 온전한 셀 분리에 성공하였음.

그림 3-11. 폐 모듈의 Thermal method를 이용한 cell 분리 방법

◦ 중국에서는 PV 모듈의 리사이클링에 대한 접근은 진행되고 있으나, 기술적으

로 미흡한 상태여서 여전히 실험단계라고 할 수 있음. PV시장은 전 세계적으

로 중국이 가장 크기 때문에 리사이클링에 대한 연구도 중요하게 생각하고

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있으며 친환경적이고 고효율적인 리사이클링을 위해 기술개발 연구를 진행하

고 있음.

- 53 -

PART 4. 국내 태양광 경쟁력 확보를 위한

R&D 기획 방향은?

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◦ 향후 신재생에너지 시장은 세계 각국의 정부 지원과 소비자의 수요에 따라서

지속적으로 성장할 것으로 예상되며 특히, 화석연료 사용에 대한 경각심이 커

지고 그에 따라 신재생에너지 수요가 늘어나는 만큼 설치된 태양광 모듈의

수는 크게 증가할 전망 됨.

◦ 태양광 발전 선진국인 유럽 국가를 중심으로 폐기된 태양광 모듈의 처리 및

재활용 기술이 부각되고 있으며, 그 중요성은 점점 더 커질 것 것임. WEEE

지침에 따라 태양광 모듈은 전자 폐기물로 분류되어 엄격한 규제를 받고 있

으며, 2018년에는 폐기된 태양광 모듈의 85%를 회수해야 하고, 그 중 80%는

재활용 프로세스를 거쳐 재사용되어야함.

◦ 태양전지 모듈 리사이클링 산업은 유럽과 미국에서 상대적으로 많이 발전하였

고, 중국 및 일본은 연구단계까지 진행되어 리사이클 공정에 대한 파일럿 라

인이 설치된 상태임. 반면 국내 태양전지 산업은 고효율 달성을 위한 장비

의존적인 성격이 강하고 생산규모 증설에 대한 계획에 집중하고 있어 자사가

생산하여 납품한 폐 모듈의 회수, 수거, 재생에 대한 인식이 부족하며 이런

상황에서는 유럽의 WEEE 같은 환경규제에 대한 대응이 어려움.

◦ 최근 유럽국가 뿐 아니라 미국, 중국에서도 유럽의 선진 태양광 모듈 기술을

활용하여 에너지 생산뿐만 아니라 친환경적인 태양광 사후 처리 방법을 찾기

위한 연구가 활발히 진행되고 있음. 태양전지 산업은 국내 보다는 해외수출이

많기 때문에 유럽 규제를 만족시키기 위해서는 생산 및 판매에만 주력할 것

이 아니라 친환경적인 정책 흐름에 맞춰 재활용 연구 개발 및 실증 설비 계

획을 준비해야 함.

◦ 이러한 재활용 또는 폐기물 처리 비용은 태양광발전 관련업체들에게 전가되어

전체적인 원가 상승의 원인으로 작용할 수 있음. 현재는 태양광 모듈 제조업체

들이 비용을 지불하고 재활용 또는 폐기물 처리를 하고 있지만 처리량이 증가

함에 따라 재활용에 대한 책임분담을 요구할 수도 있음. 친환경적인 에너지 생

산을 위해서 시작한 태양광발전인 만큼 재활용 및 폐기 등의 사후처리 분야

에서도 국가적 차원의 지원 정책과 각 기업의 투자 및 연구가 시급히 이루어

져야 할 것임.