진공증착 공정-대면적 페로브스카이트 제조 기술 현황

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 기반 기술을 넘어서는 차세대 에너지 솔루션으로 주목받고 있습니다. 특히 **진공증착 공정(Vacuum Deposition)**은 대면적 제조의 핵심 기술로 부상하며, 상용화를 위한 연구 개발이 글로벌 차원에서 가속화되고 있습니다. 본 글에서는 기술적 메커니즘, 최신 동향, 산업화 과제를 종합적으로 분석합니다.

1. 진공증착 공정의 원리와 기술적 우위

진공증착은 10⁻⁶ Torr 이상의 고진공 환경에서 소재를 가열해 기판에 원자 단위의 박막을 형성하는 건식 공정입니다. OLED, 반도체 분야에서 검증된 이 기술이 페로브스카이트 제조에 적용되며 다음과 같은 차별화된 장점을 확보하고 있습니다.

1.1 화학량론적 정밀도 제어

• 다중 소스 동시 증착(Multi-Source Co-evaporation): MAPbI₃(메틸암모늄 납 아이오다이드)의 경우, MAI(메틸암모늄 아이오다이드)와 PbI₂를 별도의 소스에서 동시 증발시켜 화학조성비를 1:1로 정밀하게 맞출 수 있습니다.
• 순차적 증착(Sequential Deposition): PbI₂를 먼저 증착한 후 MAI를 후속 처리하는 방식으로, 용액 공정 대비 결정립 크기를 20% 이상 확대해 전하 이동 효율을 개선합니다.

1.2 대면적 생산 플랫폼 호환성

• 롤투롤(R2R) 연속 공정: 플렉서블 기판(예: PET, PEN)과 결합해 분당 5m 이상의 고속 코팅이 가능하며, 두께 편차를 ±3% 이내로 유지합니다.
• 하이브리드 공정 접목: 슬롯 다이 코팅(Slot-Die)으로 전자 전송층(ETL)을 도포한 후, 진공증착으로 페로브스카이트 활성층을 증착하는 방식이 주목받고 있습니다.

1.3 환경적 안전성

• 유해 용제 제로(Zero Solvent) 전략: DMF, DMSO 등 고독성 용매 대신 건식 공정을 사용해 작업자 안전성을 확보하고, 폐기물 처리 비용을 40% 이상 절감합니다.

2. 대면적화를 위한 핵심 기술 혁신 동향

2.1 박막 균일성 향상 기술

• 메니스커스 공학(Meniscus Engineering): 기판과 노즐 간 거리를 50–200μm로 제어해 액적의 접촉각을 8°로 유도합니다. 이를 통해 용액이 기판 전체에 균일하게 확산되도록 설계합니다.
• 역회전 기판(Reverse-Rotating Substrate): 기판을 분당 300–500회전으로 역방향 회전시켜 원심력을 상쇄하는 기술이 개발되었습니다. 이는 30×30cm² 면적에서 두께 편차를 5nm 이하로 유지합니다.

2.2 결정화 제어 기술

• 인핸서(Enhancer) 첨가: 클로로벤젠(Chlorobenzene)이나 테트라하이드로퓨란(THF)을 15–40wt% 혼합해 열처리 시 중간상(Intermediate Phase) 형성을 유도합니다. 이는 결정화 속도를 0.8nm/s에서 2.3nm/s로 가속화해 대면적 균일성을 확보합니다.
• 레이어 바이 레이어(Layer-by-Layer) 증착: 5–10nm 두께의 극박막을 반복 증착해 결정 결함을 단계적으로 제거하는 방식입니다. 이는 기공(void) 형성을 90% 이상 억제합니다.

2.3 장비 플랫폼 진화

• MBRAUN PEROVap 시스템: 휘발성 MAI 처리를 위한 냉각 트랩(Cold Trap)과 크로스토크 방지 파티션을 장착했습니다. 증착률을 0.1–5Å/s 범위에서 정밀 제어하며, PbI₂와 MAI의 공증착 시 화학조성 편차를 1% 미만으로 유지합니다.
• ULVAC의 클러스터 툴(Cluster Tool): 로드락 챔버(Load-Lock Chamber)를 통해 대기 노출을 방지하고, 6개의 모듈러 공정 유닛을 결합해 연속 생산이 가능합니다.

3. 상용화 장벽과 극복 전략

3.1 기술적 과제

• 소재 휘발성 관리: MAI의 승화점(250–300°C)과 PbI₂의 증기압 차이로 인한 조성 불균형 문제가 지속됩니다. 이를 해결하기 위해 MAI 전구체를 안정화하는 첨가제(예: 포름아미디늄 포름ate)가 개발 중입니다.
• 광전변환 효율(PCE) 저하: 1cm² 소면적 셀에서 25.7%의 효율을 달성했으나, 800cm² 모듈로 확장 시 18.5%로 감소합니다. 이는 전극 시트 저항 증가와 박막 균열 현상에 기인합니다.

3.2 산업 생태계 구축 현황

• 한국화학연구원(KRICT): 2023년 ㈜셀코스와 100억 원 규모의 공동 연구를 시작해 30×30cm² 모듈 제작 플랫폼을 구축했습니다. 2025년 상반기 시험 라인 가동을 목표로 합니다.
• 유럽 그린딜 프로젝트: Horizon Europe 프로그램을 통해 2027년까지 2억 유로를 투입해 진공증착 기반 페로브스카이트 양산 기술을 개발 중입니다.

4. 미래 기술 로드맵과 시장 전망

4.1 기술 발전 방향

• AI 기반 공정 최적화: 증착 온도, 압력, 기판 이동 속도를 실시간으로 조절하는 머신러닝 알고리즘이 도입되고 있습니다. Samsung SDI는 딥러닝 모델을 활용해 박막 결함 예측 정확도를 95%까지 향상시켰습니다.
• 탠덞(Tandem) 구조 통합: 실리콘 기반 하부 셀과 페로브스카이트 상부 셀을 결합해 이론적 효율 43% 달성을 목표로 합니다. 2024년 현재, Helmholtz Zentrum Berlin은 32.5% 효율의 실리콘-페로브스카이트 탠덞 셀을 발표했습니다.

4.2 친환경 소재 개발

• 무독성 페로브스카이트: Sn(주석), Ge(저마늄) 기반 화합물(예: Cs₂SnI₆)이 연구되고 있으나, 현재 12% 효율 한계에 직면해 있습니다. 이산화티타늄(TiO₂) 전자 전송층과의 계면 최적화가 핵심 과제입니다.
• 재활용 기술: 폐기 모듈에서 Pb을 99.9% 회수하는 전기화학적 침출법(Electrochemical Leaching)이 MIT에서 개발되었습니다.

4.3 시장 확장 전략

• BIPV(Building-Integrated Photovoltaics): 반투명 페로브스카이트 모듈을 창호 구조에 적용해 2028년까지 47억 달러 규모 시장이 예상됩니다.
• IoT 자가발전 장치: 유연 기판 기반의 미니어처 셀을 센서 네트워크에 적용하는 사례가 증가하고 있습니다.

5. 결론: 에너지 전환 시대의 게임 체인저

진공증착 공정은 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 견인하는 핵심 기술입니다. 대면적 균일성 확보, AI 기반 공정 제어, 친환경 소재 개발이 삼각 축을 이루며 2026년 본격적인 시장 진입이 예상됩니다. 이 기술은 단순히 태양광 효율 경쟁을 넘어 유연 디스플레이, 양자점 발광체(QD-LED), 광검출기 등으로의 융합을 통해 신산업 창출의 기반이 될 것입니다. 산업계-학계의 긴밀한 협력과 정부의 R&D 지원 정책이 가속화된다면, 진공증착 기반 페로브스카이트 기술은 글로벌 에너지 패러다임을 재편할 혁신의 도구로 자리매김할 것입니다.