WG 01. 광통신
1. 광통신 기술 분야 개요
• 광통신 기술은 가입자 단말기와 근접한 무선 구간을 제외한 모든 무선 안테나, 가정, 사무실을 광섬유로 연결하여 초고속 정보를 전달하는 기술임
• 광통신 기술은 인터넷 대역폭의 폭발적인 증가를 수 용할 수 있는 유일한 기술로 국가 기간망 구성의 핵 심 기술임
• 광통신 기술은 정보량의 증가에 따라 폭주하는 전력 문제를 해결할 수 있는 유일한 기술임
• 광통신 기술은 부품 기술에서 시스템/네트워킹 기술 에 이르는 다양한 분야에서 다양한 형태로 융합 및 복합화될 수 있는 특성을 보유
• 광통신 기술은 국가의 핵심 기반 산업으로 지대한 고용 창출 및 지속적 국가 경제 성장에 필요한 융합 산업 형태로 진화 발전 가능
• 광통신 기술은 친환경 극소전력 통신기술과 융합되어 발전할 수 있는 미래지향적 에코 기술의 특성 보유
2. 광통신 기술 현황 및 전망
가. 국내기술 현황 및 전망
• SDH(Synchronous Digital Hierarchy)망에 D W D M ( D e n s e W a v e l e n g t h D i v i s i o n Multiplexing) 전송 시스템과 OADM(Optical Add-Drop Multiplexer)/OXC(Optical Cross
Connector)를 기반으로 한 동적인 망 형성 기술을 개발하고 이를 바탕으로 동적인 망을 관리하고 제어 할 수 있는 GMPLS(Generalized Multi-Protocol Label Switching)기술을 도입하여 코어 전달망이 운영되고 있음
• 국내의 DWDM 전송 기술은 하나의 광섬유에 최고 약 1 Tbps 정도까지 전송할 수 있는 기술이 연구실 에서 확보된 바 있으나 실제 국내 망사업자가 요구 하는 수준인 광섬유 선로당 32 - 40 채널의 WDM (Wavelength Division Multiplexing) 장비가 상용 화 되어 있음. 국내의 트래픽은 2009년 아이폰 등 스마트폰의 본격적인 보급으로 트래픽양이 10배 이 상 증가하였음
• 국내 망 사업자들의 광전송망은 광섬유당 약 32 - 40 채널의 DWDM 기반 OADM 망으로 이루어져 있 으며 최근에 실시간 원격 경로 재구성을 통해 망의 부하분할 등의 트래픽 엔지니어링이 가능한 ROADM(Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer)망으로 진화하고 있음
• 캐리어 이더넷(Carrier Ethernet)망 서비스의 도입 이 가속화 되어 메트로망(MAN: Metropolitan Area Network), 간선망(Feeder Network), 이동통 신 백홀망(Mobile Backhole Network) 영역의 전달 망이 급속도로 패킷 광전달망으로 진화하고 있음
• 한국전자통신연구원에서는 최근들어 40G 및 100G 급의 이더넷 광트랜시버, DWDM용 OTN(Optical Transport Network) 광트랜시버 등의 기술을 확 보함
특집 2 ■ 로드맵 요약본
Ⅱ광과학기술 세부 분야별
현황 및 전망
(上)• 국내 광 전달망 기술은 망의 안전성과 고도화를 위 한 기술에 집중되었으며 특히 광 가입자망 기술은 높은 경쟁력 보유
• 국내 네트워크 사용자 및 트래픽 폭증에 따른 에너 지 절감 기술에 대한 요구가 시급해 짐에 따라 에너 지 절감 광 통신 기술 및 라우팅 분야 관련 신규기술 활성화 전망
• 대용량(Big-data) 서비스를 효율적으로 처리해 주 기 위한 테라 및 페타급 수퍼 채널 기반 광 네트워킹 신규기술은 블루오션 영역으로써 활성화가 전망되 며 레드오션 영역의 빠른 상용화보다는 블루오션 영 역의 원천기술 선점이 효과적 R&D 전략으로 전망
• 광부품 기술은 1985년 한국전자통신연구원(ETRI) 에서 광통신용 단위 부품 연구를 시작하여 칩 생산 및 모듈 제작을 위한 팹 라인 및 패키징 라인을 구축 하여 155 Mb/s ~ 40 Gb/s 광통신 소자 및 기능성 광부품의 연구 개발을 주도
• 삼성전자에서 1999년 1,000억대의 대규모로 광통신 부품 개발에 투자하여, WDM-PON(Wavelength Division Multiplexed Passive Optical Network) 용 광소자 및 10Gb/s EML(Element Management Layer)을 주력 상품으로 개발하는데 성공하였으나, 광통신 산업의 침체기를 직면하여 해당 사업을 2002년에 철수
• 그 후 ETRI 및 삼성전자 연구원 출신을 주축으로 칩 및 모듈 생산 업체가 창업되어 국내 광부품 산업을 이끌어 가고 있음
• 엘디스는 자체 개발한 WDM-PON용 FPLD (Fabry-Perot Laser Diode)를 생산하고있으며, 2006년도 ETRI로부터 WDM-PON용 RSOA (Reflective Semiconductor Optical Amplifier)양 산 기술을 이전 받아 한국광기술원의 생산시설을 이 용하여 칩을 생산
• 현재 국내 광통신 능동 부품 분야에서는 빛과전자, 오이솔루션, 에이알텍 등 트랜시버 모듈을 제작하는 업체 중심으로 급격히 이동하고 있음. 그러나 저가 의 노동 집약적 산업구조인 모듈 생산은 중국의 업 체와의 경쟁에서 매우 취약함
• 고부가가치 광통신 부품 산업 분야에서는 핵심 부품 (칩)을 수입에 의존하므로 경쟁 우위에 있지 못함.
따라서, 국내의 광통신 부품 산업 역량을 집중하여 고부 가가치의 칩 생산을 통한 건전한 산업구조로의 변신이 시급함
나. 국외기술 현황 및 전망
• 시분할방식의 S D H(S y n c h r o n o u s D i g i t a l Hierarchy)/SONET(Synchronous Optical Network) 분야는 성장을 멈추고 파장분할방식의 OADM/OXC 기반 전광회선스위칭 방식으로 진화하 고 있으며, 이용자 중심의 네트워크 서비스를 제공 하기 위하여 동적 네트워크 컴포지션(Dynamic Network Composition) 기술 확보 노력 중
• 광섬유당 전송 용량은 초 당 테라비트 급 이상으로 증가하였으며 향후 십여년 이내 광섬유 당 전송 속 도는 초당 10 테라비트 급 이상이 될 것이고 이를 효 율적으로 수용하기 위한 광 통신망이 등장 할 것으 로 전망. 시장에서 요구하는 대역폭이 2010년부터 2020년까지 10년 동안 100배 이상 증가할 것으로 예측됨(OFC2010)
• 대용량 광 전달망의 구조가 SDH 전달망으로부터 캐리어 이더넷 기반 패킷 광 전달망으로 점진적인 전환이 이루어지고 있으며 이에 따른 IP(Internet P r o t o c o l)/W D M(W a v e l e n g t h D i v i s i o n Multiplexing)분야의 신규 기술 및 시장 선점의 기 회가 기대
• 에너지 효율 광 노드 구조 연구, 광 패킷 프로세싱 기술, 에너지 절감형 IP/WDM 및 IDC(Internet Data Center)/백본 네트워킹 및 대용량 데이터 (Big-Data) 전달을 위한 교차계층 최적화 수퍼채널 (Super-Channel) 라우팅 관련 신규 기술 전망
• 100 Gbps 까지의 다양한 이더넷 신호를 WDM 기반 장거리 광전송망에서 수용하기 위하여 OTN 체계 (Hierarchy)를 정리하고 특히 100G 이더넷 신호 수 용을 위한 112G 속도의 OTU4 framer를 정의되었 고, 광전송 변조 방식으로 DP-QPSK을 채택하였음
• 알카텔-루슨트(Alcatel-Lucent) 및 시에나(Ciena) 등 일부 장거리 광전송 장비업체에서는 112G WDM 광전송 기술을 상용화 하였다고 발표하였음. 그러나 아직 100G급 WDM 광송수신기 시장은 형성되고 있 지 않으며 장비 업체들이 자체장비에 라인 카드 형
태로 공급하고 있는 수준임
• 메트로 및 데이터컴(Datacom)용 10 Gb/s급 광송수 신 부품의 시장 확대가 계속되고 있으며 소형화, 저 전력 소모가 핵심 기술이며 단거리 데이터컴 (Datacom)용 10 Gb/s 부품의 경우 비냉각 기술 등 이 연구되고 있음
• 40/100 Gb/s급 광전송을 위한 부품은 전계흡수변 조기(EA: Electroabsorption Modulator)집적 광원 을 이용한 단거리 통신 모듈과 위상변조 방식을 이 용한 장거리 광원 모듈이 개발되고 있음
• 트래픽 증가를 효율적으로 처리 가능한 지능형 광 전달망을 위한 광부품의 수요가 증가하고 있으며 핵 심 부품에는 고출력 파장 가변 광원, ROADM용 광 스위치, 동적 광증폭기 등이 있음
• 설계 및 공정 기술 발전에 따른 InP 기반의 광집적 회로를 이용한 대용량 광부품기술이 상용수준에 근 접하고 있으며 대량생산 및 패키징 비용 절감에 의 한 비용감소로 시장 진입이 증가할 것으로 예측됨
• 그 밖에 전송 정보 보호를 위한 양자 정보 통신용 광 부품, 광패킷 단위의 전송을 위한 패킷 스위치용 광 소자 및 저속광(Slow Light)을 이용한 광버퍼 및 메 모리에 대한 연구도 이루어지고 있음
• 10G용 광부품은 SONET/SDH, 10G 이더넷 (Ethernet), 광섬유 채널(Fiber Channel) 및 SAN(Storage Area Network), 그리고 WDM용 10G 광송수신기 등에 사용되며 데이터 통신을 위한 10G 이더넷(Ethernet)용 부품이 주력 제품으로 떠 오르고 있음
• 광부품은 MSA(Multi Source Agreement)로 움직 이고 있으며(300 pin, XENPAK, XPAK, X2, XFP), 소형화, 저전력화가 추세이며 비냉각형 SFP+(Small Formfactor Pluggable transceiver) 도 데이터컴(Datacom)용으로 시장에 등장하였음
• 파장가변레이저의 주 사용처는 현행 고정파장 광원 의 대체, 혹은 예비광원으로 사용되며, 시스템에서 WDM 광원의 종류를 감소시키고 있음
• R O A D M용 스위치는 1x2 스위치와 광조절기 (VOA:Variable Optical Attenuator) 어레이 전력선 통신(iPLC: interet Powerline Communication) 방 식과 메쉬형태의 네트워크 수용이 가능한 WSS(Wide
Screen Signaling) 방식으로 구별할 수 있으며, 현재 미국, 일본 등의 회사에서 주로 생산되고 있으며 초기 시장 형성 단계에 있음
• 100G 이더넷용 광소자의 경우 2008년부터 IEEE 802.3ba에서 40/100G 이더넷 표준화 작업이 시작 되어 25 Gb/s x 4채널 WDM 방식으로 2010년 6월 에 확정되었음
• 전 달 망 용 1 0 0 G 는 I T U ( I n t e r n a t i o n a l Telecommunication Union)에서 IEEE와 협력하여 2010년에 112Gbps전송속도의 OTU4 계위를 표준 확 정 하 였 음 . 전 송 방 식 은 O I F ( O p t i c a l Internetworking Forum)를 중심으로 PM-QPSK 방식으로 정해짐
• 광네트워크 노드에서 데이터 트래픽이 증가하면 막 대한 O(Optics)-E(Electronics)-O(Optics) 변환 비용 필요하여 이를 해결하기 위한 방법으로 OPS(Optical Packet Switch)의 차세대 소자들이 필요함
3. 광통신 산업 현황 및 전망
가. 국내산업 현황 및 전망
• 1980년대에 PDH(Plesiochronous Digital Hierarchy) 전송 장비 개발을 시작으로 10G급 SDH(Synchronous Digital Hierarchy)장비에 이 르기까지 한국전자통 신연구원 및 삼성, 한화 등을 중심으로 국내에서 TDM 전송 장비를 개발, 공급하 였음. 또한 SNH, 동원시스템즈, 코위버 등에서 WDM 장비를 국산화하였음
• 국내 광가입자망은 E-PON(Ethernet-Passive Optical Network) 중심으로 광가입자망 포설이 시 작되었으며, WDM-PON의 경우 100M급의 경우 20만 가입자를 1G급의 경우 1,200 가입자 현재 상 용 서비스 중에 있음
• 가입자용 광부품의 경우 TDM(Time Division Multiplexer) 기반의 E-PON, G-PON(Gigabit Passive Optical Network)용 광소자는 중국, 대만 , 한국 등이 치열한 가격 경쟁을 벌이고 있는 상황이 나 값싼 노동력을 앞세운 중국 업체의 시장 점유가 급격히 높아지고 있는 실정임
• 2010년 현재 국내 광트랜시버 업체(빛과 전자 (Lightron), 오이 솔루션 (OE-solution), AR- Tech, OptoWiz, Teradian, Licomm, Luxpert, Fottu 포함)의 매출 합계 규모는 대략 1,200억 원 이상임
• 국내 능동 광부품 세계 시장 점유율은 대략 2~4%
내외에 해당하고 있음. 국내 광통신 업체의 매출은 2.5 Gbps 이하의 저속 시장인 가정내 광케이블 (FTTH: Fiber To The Home, Fiber To The Premises)와 무선백홀(Wireless Backhaul)용 광 모듈에 국한 되어 있는 상황이다. 향후 지속적인 성 장과 매출 확대를 위해서 10 Gbps 이상의 고속 광통 신 모듈의 개발과 생산할 예정임
• 분배기(Splitter), 커넥터(Connector)등 수동 광부 품 분야는 우리로광통신, 휘라포토닉스, PPI 등이 있으며, 총 시장 매출 규모는 1,000억 원을 상회함
• 광통신 부품 산업은 IT 제조업 중 전기·전자기기 산업에 해당되며 고용유발 계수는 5명 이상의 고용 창출 효과가 큰 산업임(우리나라의 고용구조 및 노 동연관효과, 경제 통계국, 2009)
나. 국외산업 현황 및 전망
• 미국과 일본 선도의 현재의 국제시장에서 Huawei 를 위시한 중국 내수 시장 중심의 중국의 국제 시장 선도가 전망 됨
• 세계 장비시장은 2006년 1,980억 달러 규모에서 6.52%의 연평균 성장률을 기록하면서 2012년에는 2,893억 달러 규모에 이를 것으로 전망
- 서비스 및 제어장비 부문의 연평균 성장률은 전체 성장률을 크게 상회하는 12.71%를 기록하며 2012 년에 531억 달러 규모에 이를 것으로 전망 - 기업용 구내장비의 경우 연평균 성장률은 4.1%
수준으로 전체 시장에서의 비중이 지속적으로 축 소될 것으로 예상
• 광전달망 장비는 알카텔-루슨트(Alcatel-Lucent) 와 Huawei 2개 기업만이 10% 이상의 시장 점유율 을 보이고 있을 정도로 경쟁이 심한 상황
• 미국 AT&T의 경우 현재 10 Gb/s에서 동작하는 파 장의 대부분은 2012년까지 100 Gb/s급으로 대체하 기 위한 장비를 개발 중
• 미국 Verizon은 당사의 백본망에 최대한 빨리 100 Gb/s 장비의 포설을 빠른 시일 내에 완료하기 위해 노력 중
• 한편, 국내 ETRI에서도 자체 개발한 기술을 이용하 여 KOREN 망에서 100G 장거리 전송 시험 성공
• Vitesse는 IEEE 802.3az표준을 지원하는 8G-26G 이더넷 솔루션을 제공하고 브로드컴은 에너지 효율 네트워킹(EEN) 기술을 솔루션으로 제안하였으며 현 재 산업계의 그린화 추세로 미루어 보아 향후 국외 광 전달망 산업의 전력 효율적 광 전달망 산업 발전 을 예상
• 광통신부품 시장은 2010년을 기점으로 2014년까지 연 평균 28% 이상 증가 예상(Ovum2009)
• 광통신 부품 중에서 광신호의 송신 기능과 수신 기 능을 수행하는 광트랜시버 시장이 급격하게 증가하 고 전체 부품 비중의 70% 이상을 차지함
• FTTH의 보급은 2010년까지 KT는 380만 가입자, 일본 NTT는 3,000만, 미국 Verizon은 1,800만, 중 국은 2,000만의 FTTH를 보급할 계획이며, 유럽은 요구 대역폭 증가에 대한 닐슨법칙(Nielson’s Law) 에 따라 매년 FTTH 확대 예정
• 현재 광가입자용 광기술은 TDM-PON이 대부분이 며 일본은 E-PON 방식을 채택하고 있으며, 미국은 B-PON(Broadband Passive Optical Network)에 서 G-PON으로 전환 중임
• E-PON 방식은 이더넷 기반의 호환성 높은 수동광 가입자망 기술로서 투자 및 유지보수 비용이 상대적 으로 저렴하다는 장점이 있고 G-PON 방식은 이더 넷과 ATM(Asynchronous Transfer Mode) 프레임 을 모두 수용하여 신호 품질과 보안성이 상대적으로 뛰어나며 전송 속도와 분기율 등이 개선된 방식임.
B-PON은 G-PON의 이전 버전으로 ATM 프레임 만 수용할 수 있고 전송 속도는 최대 622 Mbps임
• WDM-PON 기술은 시장 요구 대역폭을 수용할 수 있는 최적의 기술로서 에너지 저감 및 운용비 절감 등에 큰 장점이 있음
• WDM-PON은 세계적으로 시험 단계 수준이며 국 내 기술이 세계를 선도하고 있으며 상용시장 진입을 위해서는 안정적인 저가형 광원 개발이 필수적임
• WDM-PON에서의 핵심 기술은 파장 무의존형
(Colorless) 광원 개발에 있으며 이를 위해 파장-가 변 레이저 다이오드(Tunable Laser)와 주입 잠김을 통한 FP-LD, 반사형 광증폭기(R-SOA) 등을 이용 한 기술이 있음
• T e l e c o m 시장과 D a t a c o m 시장 모두에서 10/40/100G 부품이 폭발적으로 증가할 것으로 예 측되며, 현재 다양한 종류의 MSA 모듈 중 크기 및 전력 소모가 작은 XFP와 SFP+가 향후 시장의 주류 로 떠오르고 있음
• Datacom용 광부품 시장 규모는 2014년에 2,000만 불 이상으로 전체 광통신 광부품 시장의 20 %이상 이 될 것으로 예측함
• 가변파장 레이저(Tunable Laser) 부품은 10Gb/s 광대역 파장가변 레이저가 시장에서 지배적이며 2006년 1.2억 달러에서 2011년까지 4.6억 달러로 25%의 연평균 성장
• 대용량 멀티미디어 기반의 데이터 통신 수용을 위한 100G 이더넷용 광통신 모듈의 도입이 2012년부터 시작될 것으로 전망됨
• 이러한 문제를 해결하기 위해 100G급 OTN용 전달
망은 PM-QPSK 방식으로 표준화를 진행중에 있으 며 2015년부터 시장 도입이 전망됨
• 전송거리 확대 및 파장 사용 효율을 높이기 위해 코 히어런트 통신에 대한 연구가 활발히 진행 중임
4. 핵심 전략 기술 및 제품
• 대용량 데이터(Big-Data) 전달에 효율적인 차세대 IDC(Internet Data Center)와 백본망 구축을 위한 광노드, 수퍼 채널(Super-Channel) 스위칭 분야 핵심 기술
• IP/WDM 용 에너지 절감 고속 이더넷과 WDM 백본 망을 위한 고속 수퍼 채널(Super-Channel) WDM (Wavelength Division Multiplexing) 전송 및 유연 한 ROADM 기술, OTN 및 패킷 광 스위칭 기술
• 초고속 FTTH 망을 위한 TDM-PON기술
• 현재 국내에서 선도하고 있는 WDM-PON 기술 및 WDM-PON 시스템
• 초소형, 에너지 저감 광집적화 부품 기술 개발 및 이 를 이용한 광통신 시스템
5. 세부기술 및 산업 로드맵
표 4. 광통신 세부기술 및 산업 로드맵
WG 02. 디스플레이 1. 개념 및 특성
디스플레이란 전기적으로 처리된 정보를 인간이 볼 수 있도록 화면으로 구현해 주는 장치로써, 전자기기와 사 람과의 인터페이스이며, 각종 전자기기로부터 출력되 는 전기적 정보신호를 광 정보 신호로 변환하여, 인간 이 시각을 통해 인식할 수 있는 숫자, 문자, 도형, 화상 등의 패턴화 된 정보로 표시하는 장치 및 이를 위한 각 종 부품, 재료를 포함하고 있음
• 액정(LCD: Liquid Crystal Display): LCD는 2개의 얇은 유리판 사이에 고체와 액체의 중간물질인 액정 을 주입해 상하 유리판 위 전극의 전압차로 액정분 자의 배열을 변화시킴으로써 명암을 발생시켜 숫자 나 영상을 표시하는 일종의 광스위치 현상을 이용한 소자
• 플라즈마 디스플레이(PDP: Plasma Display Panel): PDP는 전면유리와 배면유리 및 그 사이의 칸막이에 의해서 밀폐된 유리사이에 가스를 넣어 양 극과 음극의 전극에 고전압을 인가하여 빛을 발광시 키는 것으로 전기적 기체방전에 의해 생성된 플라즈 마를 이용하여 영상을 표시하는 장치
• 유기발광소자(OLED: Organic Light-Emitting Diode): OLED는 형광성 유기화합물에 전류가 흐르 면 빛을 내는 전계발광현상을 이용하여 스스로 빛을 내는 자체발광형 유기발광소자를 말함. 일반적인 OLED 소자의 구조는 유리나 플라스틱으로 구성된 기판 위에 두개의 전극을 장착하고, 두 전극 사이에 유기 발광재료가 삽입되며, 전하의 주입을 더욱 활 성화시키기 위해 유기 발광층의 상부와 하부에 각각 전자 수송층(Electron Transport Layer), 정공 수 송층(Hole Transport Layer), 정공 주입층(Hole- Injection Layer) 등을 적층한 다층 박막구조임
• 유연표시장치(Flexible Display): 유연표시장치의 1 차적인 기본개념은 종이처럼 얇고 유연한 기판을 사 용하여 손상 없이 휘거나, 구부리거나, 말 수 있는 표시장치를 지칭
• 3차원 표시장치(3D Display): 3D 표시장치는 기존 의 2D 평면 영상과는 달리 사람이 보고 느끼는 실제
영상과 유사하게 깊이 및 공간 형상 정보를 동시에 제공하는 사실적인 영상을 말하며, 정보량, 임팩트 적 관점에서 시각정보의 질적 수준을 몇 차원 높여 주므로 현실감이 우수하고 매력적임
2. 디스플레이 기술 현황 및 전망
• LCD In-cell 터치스크린 기술: In-cell은 디스플레 이 패널을 생산할 때 터치UI(User Interface) 기능 을 함께 제작하여 일체화하는 기술, 보통 TFT 기판 과 컬러필터 사이에 구축함. In-cell 기술 개발의 초 기 목적은 LCD 공급 기업이 터치스크린을 구입하는 비용을 낮추기 위해 개발, 현재 광센서 타입의 In-cell 터치가 시장의 가장 큰 부분을 차지하고 있 지만, 여러 기업들이 다른 기술을 개발 중
• LCD 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube)/그 라핀(Graphene) 투명전도성 필름 제조 기술: 최근 기업들은 CNT/그라핀 투명전극 재료 연구를 본격 적으로 진행하고 있고, CNT/그라핀는 기판과의 접 착력, 열팽창이나 변형에 대한 전도도의 안정성이 우수, 또한 박막 형성의 두께에 따라 CNT/그라핀의 전기적 특성을 조절할 수 있으며, 유연 투명 전극 제 작이 가능함
• LCD 로컬디밍(Local Dimming) 기술: 화면의 검은 부분에서는 백라이트를 소등하는 기술로써 디스플 레이 제품의 소비전력 감소와 화질 개선 효과를 얻 을 수 있음. 즉 이 기술은 LCD 패널의 화면을 복수 의 영역으로 나누어 각 영역의 휘도를 영상신호에 맞게 제어하는 기술
• 투명 LCD 기술: 2011년 3월 업계 최초로 양산에 들 어간 삼성전자의 투명 액정표 시장치(LCD)는 쇼윈 도와 옥외광고 등에 사용될 예정이고, 투명 LCD는 전력 공급 없이 태양광이나 주변 광원을 활용할 수 있어 백라이트(빛을 쏘는 광원)를 사용하는 기존 LCD보다 소비전력을 90% 이상 절감할 수 있음. 시 장조사기관에 따르면 세계 시장 규모는 오는 2025 년까지 872억 달러에 이를 것으로 전망
• PDP 전면 기판 제작기술: 전면 기판에 투명전극 (ITO: Indium Tin Oxide) 또는 산화주석(SnO2)을 코팅한 후 사진 식각법으로 투명 표시 전극을 패터
닝하고, 표시 전극상에 더 가는 버스 전극(모전극)을 크롬/구리/크롬(Cr/Cu/Cr) 또는 크롬/알루미늄/크 롬(Cr/Al/Cr) 등으로 형성. 표시 전극상에는 스크린 인쇄법으로 글라스 분말 페이스트를 인쇄하여 투명 한 유전체층을 형성하고, 다시 기판 주위에 저융점 프릿(Frit) 글라스의 밀봉층을 형성하여 열처리.
• PDP 배면 기판 제작기술: 배면기판은 한 부분에 배 기, 가스 봉입용으로 약 1mm 직경의 구멍을 뚫고 표면에는 크롬/구리/크롬(Cr/Cu/Cr) 또는 크롬/알 루미늄/크롬(Cr/Al/Cr) 등으로 어드레스 전극을 인 쇄. 어드레스 전극은 유전체층으로 코팅하고 어드레 스 전극 사이에 격벽을 저융점 프릿 글라스 등으로 형성. 격벽 형성방법으로는 통상적인 스크린 인쇄법 외에 샌드블라스트(Sand Blasting)법, 짜내기 (Squeezing)법, 사진 식각법 등이 있는데, 이 공정 은 고해상도와 화면의 대형화에 직결되는 것이므로 PDP 공정의 핵심 기술임. 특히 대형 화면의 양산화 에는 샌드블라스트(Sand Blasting)법, 자외선 경화 수지 등을 격벽 재료에 첨가하여 사진 식각하는 사 진 식각법 등이 주로 사용
• PDP 진공 및 가스 주입 기술: 완성된 전면 및 배면 기판은 정합하여 봉입 가스를 도입하기 위한 유리관 을 배기구 위에 형성하고 전기로에서 어닐링하여 저 융점 프릿 글라스의 실링층이 용융해서 2매의 전면, 배면 기판과 배기관이 융착됨
• PDP 친환경 소재 개발: 최근에 친환경·저가 소재 분야의 특허출원(등록) 건수가 한국 특허, 미국 특 허, 일본 특허에서 1998년 이후 성장세가 두드러지 게 나타나고 있음. 한국은 국내에서의 특허 활동은 활발하지만, 일본 3%, 미국 21%에 비해 국제 특허 활동이 미진한 상태를 보이고 있음. 이러한 친환 경·저가 PDP 소재 연구개발은 기술발전 흐름의 발 전기 초기단계에 있으며, 친환경·저가 소재 분야에 서 국제적인 특허 획득이 필수적이라고 전망됨
• OLED 후면판(Backplane) 기술: 엘지디스플레이는 비정질 실리콘(a-Si) TFT 방식 및 금속촉매를 이용 한 다결정 실리콘(p-Si) TFT 등 다양한 TFT 후면판 (Backplane) 기술을 개발하고 있으며, 최근에는 비아 트론과 공동으로 금속 촉매를 사용하지 않고 다결정 실리콘(p-Si) TFT를 제조하는 방식을 개발하였고,
삼성모바일디스플레이는 전이방식인 레이저유도 열 인쇄(LITI: Laser Induced Thermal Imaging) 방식 을 이용하여 OLED 화소 패턴 형성 기술을 개발하고 있으며 재료업체인 다우케미컬과 공동으로 레이저유 도 열인쇄 전용 재료를 개발하였음
• OLED 재료 기술: OLED 재료 기술로는 전극재료, 봉지재료, 유기재료, 광학필름 기술 등이 있으며 재 료 기술은 OLED의 효율, 소비전력, 화질 등의 특성 을 좌우함. 봉지 재료는 게터(Getter) 재료, 실란트 (Sealant) 재료, 박막 봉지재료, 보호막 재료 등을 위주로 개발이 진행되고 있음. OLED 소자 제작 재 료로서 필요한 유기물 재료 산업에서 미국의 경우 고효율 및 수명 향상을 위한 재료 기술 연구에 집중 하고 있음. 또한 유럽의 경우 저전압 OLED 재료 및 비진공 공정을 이용한 OLED 소자 제작을 위한 고분 자 재료 기술에 집중하고 있음
• 유연표시장치: 박막 및 유연화를 특징으로 하는 유 연표시장치를 구현하기 위해, 기판기술, 구동소자기 술, 표시소자기술 측면에 있어 기존의 디스플레이 구현 기술과는 다른 개념의 소재, 공정 및 장비 기술 개발이 필요함. 유연표시장치 제작 기술에서는 유연 한 기판의 내열성과, 내화학성 확보, 수분과 산소를 차단할 수 있는 차단막의 형성기술이 필수임. 유연 표시장치용 표시소자 기술은 LCD와 OLED 기술이 유연표시장치로 진화하는 것을 예상할 수 있으나 유 연표시장치의 가장 큰 요구 조건인 저전력 모바일 기능을 충족하기 위해서는 기억소자(Memory) 기능 을 기반으로 하는 전자종이 형태의 표시소재가 또 다른 형태의 큰 흐름이 될 것이라 예상
• 3차원 표시장치(3D Display): EU는 7개 유럽국가 19개 기관을 컨소시엄으로 구성하여 홀로그래픽 3D TV 기반 연구 프로젝트를 수행 중(2004∼2008)이 며, 대학과 기업에서도 다양한 방식의 3D 디스플레 이 개발을 진행, 필립스는 18인치급 LCD 입체모니 터 시제품을 개발하였고, 최근 액정을 적용한 렌티 큘러 스크린을 사용하여 2D/3D가 가능한 모바일 폰 과 40인치 모니터를 개발, 국내의 3D 표시 장치 기 술개발 현황을 살펴보면, 연구소의 경우 한국과학기 술연구원(KIST)의 3D 디스플레이 연구, 한국전자부 품연구원(KETI)의 3D 신호처리 연구, 한국전자통신
연구원(ETRI)의 3D 방송과 홀로그래픽 시스템 연구 등이 진행 중에 있으며, 대기업으로는 삼성전자, 삼 성모바일디스플레이, 엘지전자, 엘지디스플레이 등 이 3D 디스플레이 개발을 진행하여 안경식 3D TV 를 출시 중에 있음
3. 디스플레이 기술 산업 현황 및 전망
• 2010년 디스플레이 시장은 1,141억 달러로서, 전체 시장의 97%를 차지하고 있는 LCD/PDP 시장 성숙 에 따라 관련 시장이 고도화 될 것으로 예측함
• 디바이스별로 보면, LCD가 2009년 전체시장의 90.3%임. LCD패널의 높은 수요 지속은 전방산업, 특히 LCD-TV의 성장에 절대적으로 힘입은 결과이 며, 앞으로 도 상당기간 LCD 패널 중심의 시장이 유 지될 전망
• 모니터용 패널의 수요비중은 급격하게 감소할 전망 이고, 노트북용 패널의 비중 완만한 감소 전망이며, IT용 패널은 가격 변동성이 매우 크고 TV 시장에 비 해 성장성이 상대적으로 낮아서 산업의 매출성장 기 여도가 제한적임
• 중국시장의 LCD-TV 판매량은 2009년 2,700만대 로 세계시장의 20%를 점유함. 2008년에 13%였던 점과 비교하면 1년 만에 중국의 비중이 7%p나 상승 함으로써 세계 LCD-TV 시장 성장을 견인하고 있 음. 중국의 2009년 LCD-TV 시장 증가율은 전년비 110% 기록하는 등 세계시장의 성장세를 주도
• 연간 30% 이상 고속 성장하는 AMOLED가 디스플 레이 시장을 선도할 것으로 예상함. 새로운 차세대 분야인 OLED 시장은 2012년 무렵부터 PDP 시장규 모를 추월할 것으로 기대하며, AMOLED 휴대폰의 급성장을 계기로 OLED TV의 대중화 시기가 단축 될 가능성이 높음
• 아바타 이후 3D 디스플레이 시장도 급성장할 것으 로 기대함. 3D 디스플레이 시장은 70만대, 9억달러 규모(2008년)에서 1억 9,600만대, 220억달러(2018 년)로 급성장할 전망이며, 3D 디스플레이 출하량과 매출은 2018년까지 각각 연평균 38%, 75% 성장할 것으로 예상함
• 3D TV는 시장조사업체인 디스플레이서치는 2010년
250만대, 2011년 884만대, 2014년 2,736만대 규모 로 성장할 것으로 다소 보수적으로 예측하고 있으나 또다른 시장조사업체인 아이서플라이는 2010년 420만대에서 2011년은 1,290만대 규모로 성장하며, 2015년에는 7,800만대 규모로 거대 시장을 형성할 것으로 전망
• 유연표시소자는 단순히 기존 표시소자 산업을 대체 하는 개념보다는 새로운 응용분야와 시장을 창출할 수 있는 가능성이 큰 분야임. 유연표시소자는 저원 가 공정과 유기 재료 및 직접 패터닝(Patterning) 기술에 기반하므로, 초저원가 표시소자를 구현할 수 있음. 디스플레이뱅크(Displaybank)에 따르면 전자 종이 디스플레이 시장은 2013년 약 10억불에서 2015년에 21억불, 2020년에는 약 70억불로 연평균 약 47%의 성장률을 전망함
4. 디스플레이 기술 분야 핵심 전략 기술 및 제품
• 시장 성장성, 산업화 육성 가능성, 파급효과가 큰 유 망 제품군을 선정
• 디스플레이 기술의 꼭지별 핵심원천기술들 중, 시장 성장성, 사업화 성공가능성이 크며 글로벌 시장선점 을 위해 정부 주도의 R&D 지원이 요구되는 핵심원 천기술을 선정
• 차세대 디스플레이 핵심원천기술 선정 후 국내외 지 식재산권 확보 및 시장 선점
• 부품소재, 장비 기업 연구소의 글로벌 역량 확보 - 장비 산업 및 차세대 장비의 핵심 기술 확보 - 개발 가능성을 고려한 선택적, 집중적 R&D 추진 - 차세대 디스플레이용 장비 및 소재의 원천 기술
개발
- 파급효과가 큰 소재의 국산화율 증대
• 디스플레이 산업의 경쟁력 확보 및 선도 기술 개발 - 시장 점유율 유지 및 증대
- 새로운 응용 시장의 선점 - 신기술, 원천 기술 개발 선점 - 인프라 구축을 통한 차세대 시장 선도
- 새로운 사업진출, 융합 기술을 통한 미래시장 선점 - 대기업, 중소기업 간의 동반 성장 노력
- 인력 양성 및 고용 창출
• 제도의 보완과 국제 협력 - 정부의 R&D 지원 강화
- R&D 예산 확대 및 대기업, 중소기업에 대한 지원 - 활발한 M&A 및 공동 참여 프로젝트 증대 - 해외 시장 진출 기반 강화
5. 디스플레이 분야 세부기술 및 산업 로드맵
디스플레이 분야 기술 경쟁력은 아래와 같은 4개 분야 의 핵심기술을 중심으로 국내 디스플레이 장비분야의 산업전반에 걸쳐 매우 큰 영향력을 끼칠 것으로 예상함
• 고성능 대면적 디스플레이
• 실감형 3D 디스플레이
• 두루마리형 플렉서블 디스플레이
• 그린 에너지 OLED 조명 표 5. 디스플레이 세부기술 및 산업 로드맵
WG 03. 정밀광학기기 1. 광학기기 분야 개요
• 광학기기는 빛을 광학소자로 조작하여 특정한 목적 을 달성할 수 있도록 하는 장치이며 최근에는 광학 기술, 전자기술, 정보기술이 결합하여 복합장비로 발전하 고 있음
• 광학기기에는 광학설계기술, 광소자의 제작 및 조립 기술, 광소자 및 광학계의 검사기술이 공통적으로 사용되지만 광학기기의 용도에 따라 요구되는 기술 수준의 편차가 매우 크고 시장동향이 다르기 때문에 기술 보다는 제품(기기) 중심으로 로드맵을 작성함
• 제품(기기)의 선정에는 국내 산업계의 관심도, 시장
의 성장성, 기술의 중요성이 고려되었으며, 디지털 카메라, 폰 카메라, 감시용 카메라(CCTV), 노광광 학계, 대구경광학계, 입체광학계가 선정됨
• 디지털 카메라(Digital Still Camera, DSC)는 필름 대신에 2차원 전자영상소자를 사용하여 영상을 취득 하고, 취득한 영상을 디지털로 저장하고 전송하는 기능을 가진 카메라(사진기)로 정의함
• 휴대폰 카메라는 휴대폰에 장착되는 초소형 카메라 로 정의함
• 감시용 카메라(CCTV)는 영상을 취득하는 카메라, 취득한 영상을 모니터로 전송하고 카메라를 제어하 는 통신망, 취득한 영상을 보여주는 모니터로 구성 된 원격 영상 시스템으로 정의함
• 노광광학계는 리소그래피 공정에서 빛을 집속하거 나 마스크를 결상하여 포토 레지스터를 노광시켜 원 하는 패턴의 형성하게 하는 광학계로 정의함
• 대구경 정밀 광학계는 유효구경이 수백 mm ~ 수 m로 클 뿐만 아니라 회절한계의 해상력을 가지는 정밀광학계로 정의함
• 입체광학계는 광학렌즈가 입체영상의 기록 및 재생 에 핵심적인 역할을 하는 입체 카메라와 입체 프로 젝터의 광학계로 정의함
2. 광학기기 기술 현황 및 전망
(1) 디지털 카메라 기술
• 디지털 카메라에서는 렌즈기술 뿐만 아니라 촬상소 자로부터 입력받은 디지털 영상을 처리하는 디지털 신호처리(DSP: Digital Signal Process) 기술도 핵 심기술로 등장함
• 과거에는 정지영상을 촬영하는 디지털카메라와 동 영상을 촬영하는 캠코더(Camcorder)가 별도의 제 품이었으나 두 제품을 별도로 구분하는 것은 의미가 없을 만큼 기능이 발전함
(2) 휴대폰 카메라 기술
• 휴대폰 카메라 기술은 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 센서의 발전에 따라 고화소화, 고집적화 방향으로 계속 진보하고 있음
• 화소의 고집적화에 맞추어 렌즈의 고정도화가 요구
되며 이에 따라 설계, 금형, 부품, 조립, 평가 등 분 야별 기술의 고정도화가 절실함
(3) 감시용 카메라(CCTV) 기술
• CCD(Chage Coupled Device)센서에 입력된 아날로 그 신호를 디지털로 영상을 전환 처리하는 디지털신 호처리 기술이 발전함에 따라 사람의 눈과 같은 성 능 구현에 근접하고 있음
• 아날로그 마그네틱 테이프 영상 기록에서 디지털 저장 장치(DVR: Digital Video Recorder)로 전환하여 장시 간 저장과 빠른 검색이 가능하도록 발전하고 있음
• 일반 소비자를 대상으로하는 디지털 카메라는 전세 계적으로 많이 보급되어 시장이 포화되고 있어, 전 문가용의 고성능 디지털 카메라 위주로 시장의 중심 이 이동되고 있음
(4) 대면적 노광광학계 기술
• 우리나라의 평판 디스플레이 생산능력은 세계적인 수준이나 고성능 노광장비나 검사장비는 수입에 의 존하고 있으며 현재의 국내기술은 선진국과의 기술 격차가 큼
• 국내에서도 정부사업 및 민간기업의 연구개발을 통 하여 노광광학계가 개발된 사례가 있으나 신뢰성이 검증되지 않아 국내 반도체 산업계와 디스플레이 산 업계에서 활용되지 못하고 있음
(5) 대구경 정밀광학계 기술
• 대구경이면서도 면의 정밀도는 소형광학계 이상의 성능을 요구하므로 가공 및 평가가 매우 어려움
• 대구경 반사경 혼자 사용하는 경우는 거의 없으며 경 량화된 반사경에 마운트를 결합한 상태에서 좋은 성 능을 보여야 하므로 광기계적인 해석이 많이 필요함
(6) 입체 광학계 기술
• 양안식 입체 영상은 입체 카메라를 사용하고 있으 나, 다시점 영상은 양안 영상을 기반으로 컴퓨터 애 니메이션이 주류를 이루고 있음
• 입체 프로젝터는 현재까지 양안식 입체 프로젝터가 주 류를 이루고 있으나 다시점 및 홀로그램을 이용한 초 다시점 프로젝터의 원천기술 개발이 이루어지고 있음
3. 광학기기분야 산업 현황 및 전망
(1) 디지털 카메라
• 예술 작품의 창작용으로도 사용되어 인간의 감성도 매우 중요한 요소가 되었으며, 이에 따라 색감 등 감 성공학적인 측정 기술이 도입되고 있음
• 일반 소비자를 대상으로 하는 디지털 카메라는 전 세계적으로 많이 보급되어 시장이 포화되고 있어, 전문가용의 고성능 디지털 카메라 위주로 시장의 중 심이 이동되고 있음
(2) 휴대폰 카메라 기술
• 카메라 폰 렌즈의 최종은 줌렌즈라고 할 수 있으며, 아직 일반화되지는 않았으나 줌렌즈에 대한 관심이 지속되고 있음
• 고해상도 주 카메라와 저해상도의 화상통신용 보조 카메라가 함께 설치된 휴대폰의 보급이 점차로 확대 되어 가고 있음
(3) 감시용 카메라(CCTV) 기술
• 국내에서는 저급 제품은 경쟁력을 상실하였고, 고화 소 카메라에서만 사업전망이 있음
• 줌 일체형 카메라 및 줌 모듈은 향후 시장 확대가 예 상되나 가격 하락으로 수익성 악화가 예상되며, 가 변초점(Variable Focal Length) 렌즈 일체형 카메 라는 아직 국내업체에서 개발된 제품은 없으나 저가 측면에서 수요의 증가가 예상됨
(4) 대면적 노광광학계 기술
• 노광광학계는 광학설계기술, 렌즈 초정밀 제작기술, 무편심 조립기술 등 극한의 광기술을 기반으로 하며 유럽, 일본, 미국 등 선진국이 오랜 경험과 축적된 기술을 바탕으로 시장을 주도하고 있음
• 우리나라 디스플레이 산업이 국내에서 개발된 노광 광학계와 노광장비를 생산에 활용하기 위하여서는 국내 기술에 대한 신뢰성이 먼저 확보되어야 하며, 노광광학계 기술을 세계 수준으로 육성하는 정책적 인 지원이 요청됨
(5) 대구경 정밀광학계 기술
• 국내에서 수요가 있는 1m 급의 광학계를 중심으로 정부출연기관 및 민간기업에서 연구개발이 이루어 지고 있으며, 기반기술이 축척되고 있음
• 2m 이상의 초대형 광학계는 국내에서 수요가 없으 므로 시장진입이 어려우나 1m 이하의 위성광학계, 군사용 광학계, 천체망원경은 수년 내에 국내 수요 를 충족시키고 수출도 가능할 것으로 예상됨
(6) 입체 광학계 기술
• 국내 기업들은 일반 소비자용 제품에 주력하고 있으 며 모바일폰에 입체카메라 모듈을 탐재하는 방식에 있어서는 국내 업체들이 약진이 두드러질 것으로 예 상됨
• 국내에는 삼성전자, 엘지전자 등 카메라 폰 분야에 서 세계시장을 주도하는 업체가 있으므로 모바일폰 용 입체카메라는 우리나라가 선제적으로 주도할 수 있다고 평가됨
• 방송용과 영화용의 고성능 입체카메라는 대기업에서 관심을 보이지 않으므로 방송용은 일본기업의 독무대 가 될 것이고, 영화용은 고해상 센서기술과 할리우드 라는 경쟁력을 가진 미국이 주도할 것으로 예상됨 4. 핵심 전략 기술 및 제품
• 광학기기분야의 원천기술은 광학설계, 설계평가, 광 학부품 제작, 부품검사, 정밀 조립, 성능평가에 필요 한 기술임
• 광학기기의 용도에 따라 원천기술이 요구되는 수준 의 차이가 있으나 핵심적인 원천 기술은 다음과 같 이 정리할 수 있음
- 광학설계 : 광학계의 설계, 공차해석, 민감도 해 석, 유령광 및 산란광 해석
- 광기구해석 : 외력 및 자중에 의한 변형, 열적 변 형 및 공진주파수 해석
- 비구면 검사 : 비구면 형상오차 검사, 널(Null) 광학계 기술, 컴퓨터생성 홀로그램(Computer Generated Hologram) 기술
- 광학계 정밀정렬 : 편심측정기술, 정밀가공기술, 정밀조립
- 광물성 측정 : 굴절률 및 굴절률 온도변화, 선팽 창계수 측정
- 양방향 반사함수(B R D F: B i d i r e c t i o n a l Reflectance Distribution Function), 양방 향 산란함수(BSDF: Bidirectional Scattering Distribution Function) 측정기술 : 광학면, 기구 면의 산란특성 평가기술
- 대구경 광학가공 : 대구경 비구면 광학소자의 정 밀연마 및 형상 평가기술
- 비구면 금형: 플라스틱 비구면 렌즈의 사출용 초 정밀 금형 제작 및 검사
- 광학용 플라스틱 물성평가 : 광학적, 열적 특성에 대한 정밀 측정기술
- 자유비구면 기술 : 대칭성이 없는 자유비구면에 대한 측정 및 가공기술
• 전략제품(기기)의 선정에는 국내 산업계의 관심도, 시장의 성장성, 기술의 중요성이 고려하여 다음 6개 의 제품이 선정됨
- 디지털 카메라 - 폰 카메라
- 감시용 카메라(CCTV) - 노광광학계
- 대구경광학계 - 입체광학계
WG 04. 태양광 에너지
1. 태양광 에너지 기술 분야 개요
• 태양전지는 p-형과 n-형 반도체를 접합하고 양면 에 전극을 붙여서 회로를 구성하는 다이오드 구조 임. 표면으로부터 들어오는 태양 빛이 pn-접합에서 흡수되어 전자와 전공을 생성하는 광기전 효과를 이 용하고, 외부에 부하를 연결할 경우 자체 전위차에 의하여 외부로 전기를 흘리게 됨
• 태양광 발전 산업은 1세대 결정형 실리콘 태양광발 전, 2세대 박막형 화합물반도체 태양광발전, 3세대 유기물 등 신개념 태양광발전으로 구분됨. 태양광 에너지 산업은 소재, 소자, 장비, 시스템 및 서비스 로 구분되고 있음
• 태양광 에너지 기술은 광과학기술 관점에서 태양전 지의 효율 제고와 생산성 향상을 지향하는 분야로서 태양전지 소자, 광계측, 그리고 광공정 및 장치로 구 분 할 수 있음
• 태양전지 소자는 실리콘 소재뿐만 아니라, 고집광형
III-V 태양전지, 화합물 박막형, 유기물 기반 태양 전지로 구분할 수 있음
• 광계측 기술은 태양전지의 특성이나 성능을 평가하 기 위하여 필요한 모든 광학적 측정기술을 말함. 태 양전지 생산 공정에서 필요한 검사 기술과 완제품의 성능을 측정하는 평가 기술로 구분됨
• 광 공정 및 장치 기술은 레이저 스크라이빙으로 대 표되는데, 향후 급격한 성장이 기대되는 박막형 태 양전지 분야에 필수적인 기술로 인접한 박막을 전기 적으로 분리하고 추가적인 박막 증착을 통한 연결을 하기 위한 기술임
2. 태양광 에너지 기술 현황 및 전망
• 결정질 실리콘 태양전지 모듈을 만들기 위해서는 소 재→잉곳→웨이퍼→셀→모듈 단계로 제작되는 과정 이 필요함. 이에 비하여 박막형 태양전지 는 보통 유 리 기판이나 금속 박판 위에 반도체를 박막 증착함 으로써 셀 및 모듈까지 단일 장소에서 일괄 공정으 로 마칠 수 있음
5. 세부기술 및 산업 로드맵
표 6. 정밀광학기기 세부기술 및 산업 로드맵
• 박막태양전지 모듈은 소재의 박막 성장과정 중에 집 적화 공정을 통하여 제작됨. 셀을 구분하기 위하여 (1)후면전극, (2)광흡수체, (3)전면전극 박막층의 제 작 후에 스크라이빙 공정을 거쳐서 제작됨. 스크라 이빙의 방법은 레이저 또는 바늘을 이용하여 수행함
• 박막형 태양전지 분야는 전 세계적으로 아직 산업화 초기 단계임. 실리콘 태양전지에 비하여 에너지 회 수기간이 반으로 짧고, 박막 신재료 개발에 의한 소 재비용 절감과 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정 등 생산 기술 혁신으로 제조 단가를 대폭 줄일 수 있을 것으 로 전망되고 있음. 박막형 태양전지가 갖고 있는 가 장 큰 약점은 대면적 태양전지의 에너지 전환 효율 이 결정형 실리콘에 비하여 아직도 많이 낮다는 것 임. 지금 양산되는 폴리실리콘 태양전지 모듈 효율 은 셀 효율에 비하여 85% 수준인 반면, CIGS (Copper-Indium-Gallium-Selenide) 태양전지의 경우는 60%에 불과함. 카드뮴텔루라이드(CdTe)의 경우 소재의 독성에 따른 철저한 안전관리 기술과 재활용 시스템 구축이 필요하며, CIGS의 경우 고가 의 인듐 소재를 사용해야 하는 문제점을 안고 있음
• 차세대 태양전지는 기존의 고효율과 저가화를 목표로 연구가 진행되고 있음. 화합물 다결정 반도체 소재의 경우 지구상의 부존자원이 많지 않은 In 및 Ga의 사 용을 피할 수 있는 대체 소재로서 Cu2ZnSn(S,Se)4 태양전지와 양자점 태양전지가 연구되고 있음
• III-V족 화합물 반도체 태양전지는 III족과 V족 원 소를 결합하여 결정에 무리가 없이 다양한 흡수 에 너지 밴드를 가지는 삼원계, 사원계, 다원계등의 물 질로 적층을 함으로써 넓은 태양광 흡수대역을 갖는 태양전지임
• 1세대에는 우주에서 사용하는 안정된 셀로 주로 개 발되었고, 2세대에는 2000년대 이후로 지상에 적용 할 수 있는 집광형 셀로 개발되었음. 집광형 셀은 값 싼 고배율 렌즈를 적용함으로써 적은 면적으로 고전 력을 얻을 수 있는 셀로 저가화 및 고효율 달성 새로 운 시장을 형성하였음. 3세대에는 기판 재활용을 이 용한 고효율 박막형 구조로 유연성 및 신축성 모듈 에 적용하거나 나노 구조를 이용하여 비용 대비 월 등히 향상된 고효율, 고전력을 얻는 셀로 개발 진행 중에 있음
• 태양광 광계측 기술은 서로 다른 반도체 밴드갭을 갖는 태양광 소자에 대해서 두 반도체 밴드갭 에너 지만큼 갖는 다양한 빛을 조사하므로써 두 반도체층 또는 p-n 접합 계면에서 발생되는 운송자를 계측 하는 기술과 이와는 반대로 두 반도체의 밴드갭 에 너지 차이를 갖는 전압을 인가시켜서 두 반도체층 또는 p-n 접합 계면에서 발생되는 적외선 파장을 계측하는 기술 등을 말함
• 태양광 광계측 기술은 태양광 소자로부터 발생되는 전자기파 중 적외선 파장과 복사에너지를 계측하는 센서 측정 기술, 소자 내부의 운송자의 생성을 위해 다양한 빛을 분광하는 분광기술, 태양광이 갖는 파 장을 구현 하는 유사 태양광 분광 기술, 태양광 소자 에 입사된 빛의 반사 및 투과를 계측 하는 광학기술, 그리고 분광된 광으로부터 얻어지는 운송자를 계측 할 수 있는 나노 신호 계측기술 등을 말함
• 태양전지 생산 공정에서 필요한 광계측 기술은 원재료 의 품질을 검사하거나 공정에서 발생할 수 있는 태양전 지의 결함을 높은 신뢰도와 속도로 검사하는 기술로, 전계발광(Electroluminescence) 관측을 통한 결함 검 사, 위상 잠금 열화상(Lock-In Thermography, LIT) 원리를 통한 결함 검사, LBIC(Laser Beam Induced Current) 측정을 통한 광전변환 분포 검사 등이 있음
• 태양전지 완제품의 성능을 측정하는 평가 기술로는 분 광감응특성 및 외부양자효 율 측정 장치, 내부 양자효 율 측정 장치, 대면적 양자효율 측정 장치 등이 있음
• 태양전지 평가기술은 최근 출연연구기관을 중심으 로 효율평가 소급체계가 구축 되고 관련 원천기술이 개발되고 있음
• 현재 사용되고 있는 레이저 스크라이빙은 소재에 따 라 다음과 같이 구별됨
- 비정질 실리콘(Si) 및 a-Si/µ-Si : 삼종 레이 저 선긋기(Laser Scribing); TCO(Transparent Conductive Oxide 층, 적외선 레이저), 흡수층 (Green Laser), 후면전극(Green Laser) - 카드뮴 텔루라이드(CdTe) 및 CIGS 박막 태양전
지 : 일종 레이저 선긋기(Laser Scribing); P1 단 계(Stage)
- 염료감응 태양전지 : 이산화탄소(CO2) 레이저 등 을 이용한 FTO(F-Doped TinOxide) 박막 제거
(Monolithic 대면적)
- 유기태양전지 : 유기재료로 인해 기판 스크라이 빙을 제외한 모든 단계는 무광학 스크라이빙(스크 래칭)
• 태양전지 모듈 생산비용을 획기적으로 절감하고 장 비사용의 가동시간 및 공정 신뢰성 확보를 위한 레 이저 스크라이빙 기술개발의 필요성 및 이슈 - 양산화를 위한 레이저 성능의 최적화(나노초 레이
저 -> 피코초 레이저로 전환) - 미소한 갈라짐과 같은 손실 최소화 - 잘라내기 속도 향상
- CIGS 박막태양전지의 경우, P2와 P3 기계적 잘 라내기를 레이저 잘라내기로 전환 => 태양전지 생산량 향상에 기여
• 새로운 혁신적인 기술을 박막형 태양전지 모듈 (Module) 생산에 성공적으로 실용화하기 위하여 반 드시 선행되어야하는 기술은 공정상 적용 가능한 고 품위 평가 기술임
• 특히 공정 정밀도 중 현장(In-Situ) 모니터링을 할 수 있는 평가 기술 및 이를 장비화 할 수 있는 계측 장비 개발 핵심기술의 확보는 새로이 개발된 레이저 잘라내기(Laser Cutting) 기술의 성공적인 실용화 및 산업화에 선결과제임
• 혁신적인 새로운 양산 적용용 태양광 연결 패터닝 (Interconnection Patterning) 공정 기술 및 장비에 대한 기술 개발이 매우 잘 이루어진다면 향후 강력 한 가격 경쟁력을 갖으면서도 고품위의 태양광 전지 제작이 가능할 것임
3. 태양광 에너지 기술 분야 산업 현황 및 전망
• 한국의 태양전지 생산 시장은 최근 6년간 가파른 상 승세를 보이고 있음. 2004년 우리나라의 태양광 매 출액이 330억 원에서 2010년에는 5조9천억 원으로 대폭 성장하였음. 같은 기간 동안 시장점유율도 0.4%에서 7.0%로 성장하였음
• 우리나라에서는 2010년 현재 결정형 실리콘 태양전 지가 산업 대부분을 차지하고 있음. 박막 태양전지 에 대한 산업화는 2011년도 지식경제부 전략기획단 주관으로 박막 태양전지가 차세대 국가 신성장 동력
으로서 전략 산업화하는 국책과제가 추진되고 있음.
일부 업체에서 태양전지 양산라인을 구축하고 있으 나 박막태양전지 분야의 한국 산업현황은 이제 상용 화를 추진하고 있는 단계임
• 태양전지 상업화는 2008년 금융위기에 잠시 주춤하 였으나 선진국의 신재생에너지 확장 정책에 따라 2020년까지 연평균 20%이상의 고성장을 달성할 것 으로 예상하였음. 그러나 2011년의 세계 금융위기와 폴리실리콘 가격의 폭락으로 태양광 패널의 제조가 격이 $1/W 부근으로 급속히 떨어지고 있음. 폴리실 리콘 태양전지 모듈과 박막태양전지의 대표인 카드 뮴 텔루라이드(CdTe) 모듈은 2010년에 각각 $2.0/
W, $1.0/W를 기록하였으나 2011년에는 가격이 각 각 $1.0/W 초반과 $0.7/W에 근접하고 있음
• 2011년은 마침내 CIGS와 고집광형 태양전지가 시장 에 진입하는 해가 될 것으로 전망되나, 여전히 결정 형 실리콘 태양전지가 산업의 중심이 될 것으로 예 상이 되고 있음
• 유기 태양전지와 염료감응 태양전지 시장은 거의 없음.
고효율 III-V 집광형 태양전지(CPV: Concentrating Photovoltaics)의 시장은 국내는 현재 미비하고 세계시 장은 증가하고 있음
• 차세대 박막태양전지의 기술은 고효율화와 저가화 를 목표로 발전될 것으로 전망됨. 결정형 실리콘의 생산가격이 이미 1.0 $/W 대로 진입한 상태에서 박 막태양전지가 생산가격의 이점을 주장하기는 더 이 상 어렵게 되고 있음. 따라서 지속적인 효율향상과 제조비용의 절감을 통한 저가화 기술 개발이 가장 핵심 사항이 될것으로 예상됨
• 차세대 태양광발전 기술인 박막형 태양전지 분야는 전 세계적으로 아직 산업화 초기 단계이고 실용화에 따른 원천기술 확보의 가능성도 높아서 국내기술에 의 한 대외경쟁력을 확보하기가 보다 용이할 것으로 판단됨. 산업적인 면에서도 박막형 태양전지는 결정 형 실리콘 태양전지에 비해 에너지 회수기간이 반으 로 짧고, 소재 사용을 약 1/100로 줄일 수 있으며, 대면적화가 가능하기 때문에 혁신적인 생산 비용 절 감을 실현할 수 있음. 또한, 우리나라가 이미 보유한 세계 최고 수준의 반도체/디스플레이 기술을 활용하 게 된다면 박막형 태양전지의 실용화 원천기술 뿐만
