[논문]사용 후 태양광 실리콘 모듈의 리싸이클링

김준수; 조재영; 이재경; 박아름; 박진혁; 윤현목; 전연수

doi:10.7844/kirr.2019.28.5.19

사용 후 태양광 실리콘 모듈의 리싸이클링
Recycling of End-of-Life Photovoltaic Silicon Modules 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.28 no.5, 2019년, pp.19 - 29

김준수 (원광전력주식회사 기술연구소) , 조재영 (원광전력주식회사 기술연구소) , 이재경 (원광전력주식회사 기술연구소) , 박아름 (원광전력주식회사 기술연구소) , 박진혁 (원광전력주식회사 기술연구소) , 윤현목 (원광전력주식회사 기술연구소) , 전연수 (원광전력주식회사 기술연구소)

초록
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최근에 들어 태양광 발전의 시설용량이 급격히 증가되고 기 설치된 태양광 패널의 수명이 다하여 폐기될 모듈의 양이 점점 많아짐에 따라, 이에 대한 처리가 환경문제 해결뿐만 아니라 유가물질의 회수차원에서도 크나큰 관심을 받고 있다. 사용 후 태양광 모듈의 처리 공정은 대부분 알루미늄 프레임의 해체, 강화유리의 분리 회수, 실리콘 웨이퍼에 부착된 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)의 제거 및 태양광 셀 중에 함유된 유가금속의 회수 등으로 구성되어 있다. 전술한 태양광 폐모듈의 리싸이클링 기술들을 치밀하게 검토한 다음, 물질 선별기술을 포함한 효과적인 처리 기술을 제시하였다. 그리고 리싸이클링 산업의 활성화를 위해서 필수적인 생산자 책임제도의 시행을 비롯한 종합적인 의견을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, it is increasing a amount of installized solar-cell rapidly, and waste Solar cell module are generated in according to the reduction of efficiency largely. Therefore, it is concerned at the environmental problems and recycling of valuable materials, greatly. The treatment processes of end-of-life photovoltaic modules are composed the disassembly of Aluminum frames, separation of Tempered glass, removal of Ethylene Vinyl Acetate and recovery of valuable Metals. For the efficient recycling, we are considered to the treatment technology seriously. And we are proposed on the general opinions according to the developing technology, EPR (Extended Producer Responsibility) problems and promotion plans for the activation of recycling industry.

주제어

표/그림 (6)

표 Table 1. Market share and effciency of PV panels
그림 Fig. 1. General structure of silicon photovoltaic panel.
그림 Fig. 2. Recycling techniques for various types of solar panels.
그림 Fig. 3. Flowsheet of various recycling technology for waste solar photovolatic cell.
그림 Fig. 4. Flowsheet of the treatment process for end-of-life photovoltaic panels.
표 Table 2. Analysis result of the benefit/cost for removal, transport and treatment in japanese waste Solar cell panel

AI 본문요약
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문제 정의

처리 기술개발 중 가장 문제시되는 EVA 및 백시트의 분리제거를 위한 기술개발로 생각되는데, 간편하면서도 제어가 용이한 경제적인 공정이 필요할 것이다. 또한 전술한 바와 같이 정부 차원에서 EPR 제도의 강력한 시행만이 폐 모듈 리싸이클 산업의 활성화에 의한 유가물질 회수뿐만 아니라, 환경오염문제를 근원적으로 해결할 수 있는 방안임을 밝혀두는 바이다. 그리고 정부 및 지방자치단체에서는 처리업의 난립방지와 활성화를 위한 처리시설의 권역별 집중화와 더불어 재활용품의 구매 및 물류 이송에 대한 편의성 제공도 고려되어야 하고, 사용 후 모듈의 재 제조산업의 육성도 필요하다.
이상과 같은 관점에서, 서론에서는 폐 태양광 모듈의 리싸이클링에 관해 개략적인 내용을 살펴보았고, 본론에서는 구체적인 리싸이클링 기술 내용을 중심으로 개발현황과 장단점 및 문제점을 파악한 다음, 사용 후 태양광 모듈 처리의 전반에 대한 효율적인 방안을 제시하고자 한다.
지금까지의 특허 및 문헌조사 결과와 연구 수행한 결과를 중심으로 하여 파분쇄, 열처리 및 선별공정이 포함된 합리적인 리싸이클링 공정을 제시하고자 하였다. 폐 태양광 실리콘 모듈처리의 가장 간편하고도 유익한 공정을 Fig.

제안 방법

서론을 통하여 태양광 폐 모듈의 일반적인 현황에 대해서 기술하였고, 본론 부분에서 폐 모듈의 발생 및 처리기술의 내용을 설명함 동시에 구체적인 기술의 문제점과 일부 해결방안을 제시하였다. 마지막으로 폐 모듈 처리의 정책 대안 제시와 향후 추진 방향에 대해서 기술하였는데, 이를 종합하여 정리하면 아래와 같다.

성능/효과

Fig. 2에서 보는 바와 같이, 폐 태양광 모듈로부터 효과적 유가물질 회수를 위해서는 기본적인 물리화학적인 개념 외에 구체적인 선별 및 제련 공정을 거쳐야만이 처리가 가능함을 알 수 있었고, 일부 유가금속의 회수를 위해서는 복잡한 분리/정제 공정방법이 채용되어야 한다는 사실을 파악하였다. 특히 효과적인 처리를 위해서는 제1단계에서 물리적인 방법으로 재사용 물질을 회수하고, 제2단계에서는 고가의 유가금속을 화학적인 방법으로 회수하는 것이 바람직할 것이다.
태양광 패널의 종류별 특성에서 보는 바와 같이 실리콘 소재 패널이 대부분을 차지하고 있으나, 향후에는 박막을 이용한 패널의 제조설치량도 서서히 증가될 것으로 생각된다. 그리고 실리콘 소재의 패널 중에서 단결정의 효율이 다결정보다 약 2 ~ 3% 효율이 좋으나, 시장 점유율 측면에서 다결정제품의 실리콘 패널이 10% 정도 많은 것으로 파악되었다.
세 번째는 EVA 및 백시트 제거와 강화유리 처리 후 얻어진 실리콘 태양광 셀로부터 산침출 및 침전 회수과정을 거쳐서 유가금속 물질을 회수하고, 필요하면 산침출 잔사물질인 태양광 셀을 고순도화하여 태양광 소재로 재활용하는 방안도 고려해볼 수 있지만, 처리비용이 많이 소요되므로 경제성을 고려하여 결정하여야 한다.
이상과 같은 관점에서 볼 때, 위에 열거한 공정 중 합리적인 방법은 해체, 파 분쇄 열처리, 선별분리, 산침출, 침전 회수 및 환경오염 문제를 해결할 수 있고, 경제성을 확보할 수 있는 파분쇄, 열처리 및 선별이 포함된 Fig. 3의 공정 1)과 2)의 혼합공정이 바람직할 것으로 판단된다.

후속연구

그나마 열에 의한 EVA 제거 외의 방법으로는 환경문제가 대두되지만, 유기용매 용액의 사용이 모색되고 이에 대한 긍정적인 결과가 예상되는바, 최적의 용해제거 조건을 찾기 위한 노력이 지속적으로 이루어지고 있으므로 좋은 결과가 기대된다.
또한 폐 모듈만의 분리수거는 철저한 현황조사를 통하여 발생 물량을 확인한 다음, 철거 현장에서 수집하여 운송함으로써 폐 모듈을 확보하는 것이 바람직할 것이다. 두 번째는 수거 회수된 폐 모듈을 간단히 처리하여 단체분리하는 단계로서 해체를 통한 알루미늄 프레임 제거, 파 분쇄 및 강화유리 분리 과정을 통한 유리 회수, 그리고 폐 모듈의 실리콘 태양광 셀에 부착된 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 및 백시트의 효과적인 분리 제거가 강화유리 회수 및 다음의 유가 금속회수에 유리하므로 체계적인 공정개발이 요구된다.
특히 효과적인 처리를 위해서는 제1단계에서 물리적인 방법으로 재사용 물질을 회수하고, 제2단계에서는 고가의 유가금속을 화학적인 방법으로 회수하는 것이 바람직할 것이다. 또한 경제성을 고려하여 볼 때, 해체 및 분리수거 방법을 활용한 단순처리 공정이 채용되어야 의미가 있을 것으로 판단된다.
일반적인 폐 모듈 리싸이클링 기술은 3단계 나누어서 설명할 수 있는데, 첫 번째는 태양광 발전시설의 철거에 의한 폐 모듈의 분리수거 단계로서 시설철거는 비용도 많이 소요되지만, 부지활용 및 폐자재 회수 등 경제적 이득을 얻을 수 있어 장기적인 관점에서 보면 철거비용은 절약할 수 있을 것으로 생각한다. 또한 폐 모듈만의 분리수거는 철저한 현황조사를 통하여 발생 물량을 확인한 다음, 철거 현장에서 수집하여 운송함으로써 폐 모듈을 확보하는 것이 바람직할 것이다. 두 번째는 수거 회수된 폐 모듈을 간단히 처리하여 단체분리하는 단계로서 해체를 통한 알루미늄 프레임 제거, 파 분쇄 및 강화유리 분리 과정을 통한 유리 회수, 그리고 폐 모듈의 실리콘 태양광 셀에 부착된 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 및 백시트의 효과적인 분리 제거가 강화유리 회수 및 다음의 유가 금속회수에 유리하므로 체계적인 공정개발이 요구된다.
폐 모듈에 부착된 강화유리는 먼저 파 분쇄한 다음, 진동탈각장치를 이용해서 물리적으로 분리시키는데, 접착력이 아주 우수한 EVA에 의해 강화유리와 실리콘 셀에 부착 고정되어 있으므로 완벽한 분리가 아주 어렵다. 또한 폐 모듈을 파분쇄 혹은 통째로 열처리로 가열하여 EVA 성분을 완전히 연소 제거함으로써 강화유리 물질을 회수할 수 있어 효과적일 수 있으나, 연소과정에서 환경문제를 발생시킬 수 있는 폐가스 성분의 처리가 요구되므로 이에 대한 대책마련 후 채용방법 여부를 결정하여야 한다. 그리고 최근에 개발된 기술이나 특허에 의하면^14,15,16), 폐 모듈을 이동이 가능한 장치에 놓고 구동시키면서 200°C 정도로 유지된 가열 칼(heating knife)이 폐 모듈 바닥의 EVA 경계면에 정확히 위치하도록 하여 EVA를 분리시키므로써 강화유리를 파 분쇄시키지 아니하고 분리 회수하는 방법인데 EVA 두께가 매우작고 정밀한 작업을 요구하므로 효율면에서 어려움이 예상된다.
4에서 보는 바와 같이 비교적 간단한 처리공정으로 생각되나 해체 분리, 파 분쇄, 열처리, 선별, 침출, 침전 회수 및 재활용과 환경오염 해결공정까지 고려하면, 처리 비용이 많이 소요되는 공정으로서 가능하면 공정을 간소화하거나 생략(점선 표시한 공정)하여 경제성을 확보할 수 있도록 하는 것이 좋을 것이다. 이러한 측면에서 사업성 확보가 가능할 때까지는 알루미늄 프레임 및 파 분쇄된 강화유리 회수와 실리콘 셀을 포함한 유가금속 물질의 원료소재를 분리 회수하는 것까지만 제1단계 사업만 고려하고, 정부 차원의 지원 및 태양광 셀 제조사의 생산자 책임(EPR)제도가 합리적으로 시행되면 경제성 확보가 가능할 것이므로, 제2단계 사업까지 실시하여 완벽한 상용화 사업을 추진하여 환경 유발요인까지 동시에 해결하는 것이 바람직할 것이다. 여기에서 언급하고 제시한 개략적인 방법이 여러 가지 면을 고려한 최선의 공정이지 가장 효과적인 최적 공정이라고는 생각하지 않는다.
태양광 폐 모듈의 효과적인 처리를 위해서는 가장 먼저 선행되어야 할 요소는 에너지 부담이 적은 경제적인 기술개발이고, 다음으로는 생산자 책임(EPR)제도의 무리 없는 시행이 요구된다. 처리 기술개발 중 가장 문제시되는 EVA 및 백시트의 분리제거를 위한 기술개발로 생각되는데, 간편하면서도 제어가 용이한 경제적인 공정이 필요할 것이다. 또한 전술한 바와 같이 정부 차원에서 EPR 제도의 강력한 시행만이 폐 모듈 리싸이클 산업의 활성화에 의한 유가물질 회수뿐만 아니라, 환경오염문제를 근원적으로 해결할 수 있는 방안임을 밝혀두는 바이다.
다. 태양광 폐 모듈의 처리기술을 종합적으로 검토한 결과, 실리콘 셀 양면에 부착된 EVA 성분의 효과적인 제거가 가장 어렵다고 파악되었으므로 이를 해결하기 위한 획기적인 기술개발이 이루어지거나, 패널 제조과정에서부터 문제해결을 위한 대안 마련이 요구된다. 이와 같은 점과 문헌 조사내용을 고려하여 기존 방법의 정리와 새로운 융합공정을 제시하였으니 참고 바란다.
폐 모듈에 함유된 유가금속 성분을 분리 회수한 후 얻어진 잔사 형태의 태양광 셀 중에는 미량의 불순물 성분들이 함유되어 있는데, 이를 다시 산 침출, 세척 및 초임계추출 등 다양한 방법으로 불순물들을 극미량으로 제어할 수 있다면, 고순도 실리콘 소재로 이용이 가능할 것이다. 그러나 회수된 고순도 실리콘의 양이 적고 일부 초고순도 소재로서의 적합성에 문제가 있을 것이므로 활용에 문제가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 패널의 구성 요소는?	태양광 패널은 무기 및 유기성분으로 합성되어 있는데, Fig. 1에서 보는 바와 같이 아래부분부터 접속상자(junction box), 플라스틱 성분의 백시트(white surface, Polyvinyl Fluoride), EVA, 태양광 셀, 강화유리(tempered glass) 및 알루미늄 금속 프레임으로 구성되어 있다. 또한 Sectional view에서 알 수 있듯이 태양광 셀들은 상호연결된 상태로 EVA 속에 존재하는 것처럼 보이므로 노출되지 않아 유가금속 회수 시 산 및 알칼리 시약과 반응이 어려울 것으로 생각된다.
	태양광 폐 모듈의 급격한 발생이 예상되는 이유는 무엇인가?	태양광 발전을 위해서는 태양광 셀을 설치해야 하는데 2017년까지 국내에 설치된 발전용량은 5.7GW 규모로서 매년 증가하는 추세에 있으나, 초창기에 설치된 대량의 태양광 셀은 15 ~ 20년 정도로 효율적인 수명을 다하여 현재는 일부 폐기 철거되고 있다2).
	태양광 모듈의 처리 공정 방법은 무엇인가?	최근에 들어 태양광 발전의 시설용량이 급격히 증가되고 기 설치된 태양광 패널의 수명이 다하여 폐기될 모듈의 양이 점점 많아짐에 따라, 이에 대한 처리가 환경문제 해결뿐만 아니라 유가물질의 회수차원에서도 크나큰 관심을 받고 있다. 사용 후 태양광 모듈의 처리 공정은 대부분 알루미늄 프레임의 해체, 강화유리의 분리 회수, 실리콘 웨이퍼에 부착된 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)의 제거 및 태양광 셀 중에 함유된 유가금속의 회수 등으로 구성되어 있다. 전술한 태양광 폐모듈의 리싸이클링 기술들을 치밀하게 검토한 다음, 물질 선별기술을 포함한 효과적인 처리 기술을 제시하였다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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