제14차 5개년 계획 기간 동안, 국가의 ‘탄소 정점 및 탄소 중립’ 전략 계획에 따라 태양광 산업은 폭발적인 성장을 이룰 것으로 예상됩니다. 태양광 산업의 성장은 전체 산업 사슬에 ‘부가가치’를 창출했으며, 이 눈부신 사슬에서 태양광 유리는 필수적인 연결 고리입니다. 에너지 절약과 환경 보호에 대한 관심이 높아지면서 태양광 유리에 대한 수요는 날로 증가하고 있으며, 공급 불균형이 심화되고 있습니다. 동시에 태양광 유리의 핵심 소재인 저철분 초백색 석영 모래의 가격 상승과 공급 부족 현상도 나타나고 있습니다. 업계 전문가들은 저철분 석영 모래 가격이 향후 10년 이상 15% 이상 상승할 것으로 예측하고 있습니다. 태양광 산업의 강풍 속에서 저철분 석영 모래 생산에 대한 관심이 급증하고 있습니다.
1. 태양광 유리용 석영 모래
태양광 유리는 일반적으로 태양광 모듈의 밀봉 패널로 사용되며 외부 환경과 직접 접촉합니다. 따라서 내후성, 강도, 광투과율 등의 지표는 태양광 모듈의 수명과 장기적인 발전 효율에 매우 중요한 역할을 합니다. 석영 모래에 함유된 철 이온은 착색되기 쉬우므로, 본래 유리의 높은 태양광 투과율을 유지하기 위해서는 태양광 유리의 철 함량을 일반 유리보다 낮춰야 하며, 고순도 고불순물 저함량 저철분 석영 모래를 사용해야 합니다.
현재 우리나라에는 채굴이 용이한 고품질 저철분 석영 모래가 부족하며, 주로 허위안, 광시, 펑양, 안후이, 하이난 등에 분포되어 있습니다. 향후 태양전지용 초백색 양각 유리 생산 능력이 증가함에 따라 생산 지역이 제한적인 고품질 석영 모래는 더욱 희소해질 것입니다. 고품질의 안정적인 석영 모래 공급은 향후 태양광 유리 기업의 경쟁력을 저해하는 요인이 될 것입니다. 따라서 석영 모래의 철, 알루미늄, 티타늄 등의 불순물 함량을 효과적으로 줄이고 고순도 석영 모래를 제조하는 것은 중요한 연구 주제입니다.
2. 태양광 유리용 저철분 석영 모래 생산
2.1 태양광 유리용 석영 모래 정제
현재 산업계에서 성숙하게 적용되고 있는 전통적인 석영 정제 공정에는 선별, 세척, 소성-수냉, 분쇄, 체질, 자력 분리, 중력 분리, 부유선별, 산 침출, 미생물 침출, 고온 탈기 등이 있으며, 심층 정제 공정에는 염소 배소, 방사선 색 선별, 초전도 자력 선별, 고온 진공 등이 있습니다. 국내 석영 모래 정제 선광 공정 또한 초기 "분쇄, 자력 분리, 세척"에서 "분리 → 조분쇄 → 소성 → 수냉 → 분쇄 → 선별 → 자력 분리 → 부유선별 → 산 침지 → 세척 → 건조" 복합 선광 공정으로 발전했으며, 마이크로파, 초음파 등의 전처리 또는 보조 정제 수단을 결합하여 정제 효과를 크게 향상시켰습니다. 태양광 유리의 저철분 요구 사항을 고려하여 석영 모래 제거 방법 연구 개발이 주로 도입되었습니다.
일반적으로 철은 석영 광석에서 다음과 같은 여섯 가지 일반적인 형태로 존재합니다.
① 점토 또는 카올린화된 장석 내에 미세 입자 형태로 존재한다
②석영 입자 표면에 산화철 막 형태로 부착되어 있음
③ 적철석, 자철석, 반사석, 퀴나이트 등의 철 광물 또는 운모, 각섬석, 석류석 등의 철 함유 광물
④ 석영 입자 내부에 잠겨 있거나 렌즈 상태입니다.
⑤ 석영 결정 내부에 고용체 상태로 존재한다
⑥ 분쇄 및 연삭 과정에서 일정량의 이차 철이 혼합될 것입니다.
석영에서 철 함유 광물을 효과적으로 분리하기 위해서는 먼저 석영 광석에 함유된 철 불순물의 존재 상태를 파악하고, 철 불순물 제거를 달성하기 위한 적절한 선광 방법 및 분리 공정을 선택해야 합니다.
(1) 자석 분리 공정
자력 분리 공정은 적철석, 갈철석, 흑운모와 같은 약한 자성을 띠는 불순물 광물뿐만 아니라 결합된 입자까지 최대한 제거할 수 있습니다. 자력 분리는 자력의 세기에 따라 강자력 분리와 약자력 분리로 나눌 수 있습니다. 강자력 분리에는 일반적으로 습식 강자력 분리기 또는 고경사 자력 분리기가 사용됩니다.
일반적으로 갈철석, 적철석, 흑운모 등과 같은 약자성 불순물 광물이 주로 함유된 석영 모래는 8.0×10⁵A/m 이상의 자력을 사용하는 습식 강자성 분리기를 이용하여 선별할 수 있다. 철광석이 주를 이루는 강자성 광물의 경우에는 약자성 분리기나 중자성 분리기를 사용하는 것이 더 효과적이다. [2] 최근에는 고경사 강자장 자력 분리기의 적용으로 자력 분리 및 정제 효율이 과거에 비해 크게 향상되었다. 예를 들어, 2.2T의 자력 하에서 전자기 유도 롤러형 강자성 분리기를 이용하여 철을 제거하면 Fe₂O₃ 함량을 0.002%에서 0.0002%까지 줄일 수 있다.
(2) 부유선별 공정
부유선별은 광물 입자 표면의 물리적, 화학적 특성 차이를 이용하여 광물 입자를 분리하는 공정입니다. 주요 기능은 석영 모래에서 운모와 장석 같은 관련 광물을 제거하는 것입니다. 철 함유 광물과 석영의 부유선별에서 철 불순물의 존재 형태와 각 입자 크기별 분포 형태를 파악하는 것은 철 제거에 적합한 분리 공정을 선택하는 데 핵심적인 요소입니다. 대부분의 철 함유 광물은 영전점이 5 이상으로 산성 환경에서 양전하를 띠므로 이론적으로 음이온 집진제를 사용하기에 적합합니다.
지방산(비누), 탄화수소 설포네이트 또는 황산염은 산화철 광석의 부유선광에 음이온 집진제로 사용할 수 있습니다. 황철석은 이소부틸 크산테이트와 부틸아민 흑색 분말(4:1)을 혼합한 고전적인 부유선광제를 사용하여 산세 환경에서 석영으로부터 부유선광할 수 있습니다. 투입량은 약 200ppmw입니다.
일메나이트의 부유선별에는 일반적으로 pH를 4~10으로 조절하기 위해 올레산나트륨(0.21mol/L)을 부유제로 사용합니다. 올레산 이온은 일메나이트 표면의 철 입자와 화학 반응을 일으켜 올레산철을 생성하고, 이는 화학적으로 흡착되어 일메나이트의 부유성을 향상시킵니다. 최근 개발된 탄화수소계 포스폰산 집진제는 일메나이트에 대해 우수한 선택성과 집진 성능을 나타냅니다.
(3) 산침출 공정
산침출 공정의 주된 목적은 산 용액에 용해된 철 광물을 제거하는 것입니다. 산침출의 정제 효과에 영향을 미치는 요인으로는 석영 모래 입자 크기, 온도, 시간, 산의 종류, 산 농도, 고액비 등이 있으며, 온도와 산 용액의 농도를 높이고 석영 입자의 반경을 줄이면 철 및 알루미늄의 침출률을 높일 수 있습니다. 단일 산의 정제 효과는 제한적이지만, 혼합산은 시너지 효과를 발휘하여 철, 칼륨 등의 불순물 제거율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 무기산으로는 HF, H2SO4, HCl, HNO3, H3PO4, HClO4, H2C2O4 등이 있으며, 보통 두 가지 이상의 산을 특정 비율로 혼합하여 사용합니다.
옥살산은 산침출에 흔히 사용되는 유기산입니다. 용해된 금속 이온과 비교적 안정적인 착물을 형성하여 불순물을 쉽게 씻어낼 수 있습니다. 또한, 적은 사용량으로도 높은 철 제거율을 얻을 수 있다는 장점이 있습니다. 일부 연구에서는 초음파를 이용하여 옥살산 정제를 보조적으로 수행했는데, 기존의 교반식 및 탱크식 초음파 방식과 비교했을 때 프로브 초음파 방식이 가장 높은 철 제거율을 보였으며, 옥살산 사용량은 4g/L 미만, 철 제거율은 75.4%에 달했습니다.
묽은 산과 불산은 Fe, Al, Mg와 같은 금속 불순물을 효과적으로 제거할 수 있지만, 불산은 석영 입자를 부식시킬 수 있으므로 사용량을 조절해야 합니다. 산의 종류 또한 정제 과정의 품질에 영향을 미칩니다. 그중 염산(HCl)과 불산(HF)의 혼합산이 가장 우수한 처리 효과를 나타냅니다. 일부 연구자들은 자력 분리 후 석영 모래를 정제하기 위해 HCl과 HF 혼합 침출제를 사용합니다. 화학적 침출을 통해 불순물 원소의 총량은 40.71μg/g이고, 이산화규소(SiO2)의 순도는 99.993wt%에 달합니다.
(4) 미생물 침출
미생물을 이용한 석영 모래 입자 표면의 얇은 철막 침출 또는 철 함침은 최근 개발된 철 제거 기술입니다. 해외 연구에 따르면 아스페르길루스 니거(Aspergillus niger), 페니실리움(Penicillium), 슈도모나스(Pseudomonas), 폴리믹신 바실러스(Polymyxin Bacillus) 등의 미생물을 사용하여 석영막 표면의 철을 침출하는 것이 좋은 결과를 가져왔으며, 특히 아스페르길루스 니거의 철 침출 효과가 가장 우수했습니다. Fe2O3 제거율은 대부분 75% 이상이었고, Fe2O3 정광의 품위는 0.007%까지 낮았습니다. 또한 대부분의 박테리아와 곰팡이를 사전 배양하면 철 침출 효과가 더욱 향상되는 것으로 나타났습니다.
2.2 태양광 유리용 석영 모래의 기타 연구 진행 상황
산의 양을 줄이고, 하수 처리의 어려움을 줄이며, 환경 친화적이기 위해 Peng Shou [5] 등은 비산세 공정을 통해 10ppm 저철분 석영 모래를 제조하는 방법을 공개했습니다. 천연 맥석영을 원료로 사용하고 3단계 분쇄를 통해 1단계 분쇄와 2단계 분류를 거쳐 0.1~0.7mm의 입자를 얻습니다. 이 입자는 1단계 자력 분리와 2단계 강자력 제거를 통해 기계적 철과 철 함유 광물을 제거하여 자력 분리 모래를 얻습니다. 자력 분리된 모래는 2단계 부유선별을 통해 Fe2O3 함량이 10ppm 미만인 저철분 석영 모래를 얻습니다. 부유선별에는 H2SO4를 조절제로 사용하고 pH를 2~3으로 조정하며, 올레산나트륨과 코코넛 오일 기반 프로필렌디아민을 집진제로 사용합니다. 제조된 석영 모래(SiO2≥99.9%, Fe2O3≤10ppm)는 광학 유리, 광전 디스플레이 유리 및 석영 유리에 필요한 규산질 원료의 요구 사항을 충족합니다.
한편, 고품질 석영 자원의 고갈로 인해 저가 자원의 종합적인 활용이 널리 주목받고 있습니다. 중국 건축자재 벵부 유리산업설계연구소 유한회사의 셰언쥔(Xie Enjun)은 카올린 광미를 이용하여 태양광 유리용 저철분 석영사를 제조했습니다. 푸젠성 카올린 광미의 주성분은 석영이며, 카올리나이트, 운모, 장석 등의 불순물이 소량 함유되어 있습니다. 카올린 광미를 "분쇄-수력분류-자력분리-부유선별"의 선광 공정을 거치면 0.6~0.125mm 입자 크기 함량이 95% 이상이고, SiO2 함량이 99.62%, Al2O3 함량이 0.065%, Fe2O3 함량이 92×10⁻⁶인 미세 석영사가 생산되어 태양광 유리용 저철분 석영사의 품질 기준을 충족합니다.
중국 지질과학원 정저우 광물자원종합이용연구소의 샤오웨이화(Shao Weihua) 외 연구진은 고순도 석영 모래를 카올린 광미로부터 제조하는 방법에 대한 발명 특허를 출원했습니다. 이 방법은 다음과 같은 단계로 이루어집니다. a. 고순도 카올린 광미를 원광석으로 사용하여 교반 및 세척 후 체질하여 0.6mm 이상의 물질을 얻습니다. b. 0.6mm 이상의 물질을 분쇄 및 분류하고, 0.4mm~0.1mm 크기의 광물질을 자력 분리하여 자성 물질과 비자성 물질을 얻습니다. 비자성 물질은 중력 분리 공정을 거쳐 중력 분리 경광물과 중력 분리 중광물을 얻고, 중력 분리 경광물은 재분쇄 공정을 거쳐 체질하여 0.1mm 이상의 광물을 얻습니다. c. 0.1mm 이상의 광물을 부유선별 공정에 투입하여 부유선별 정광물을 얻습니다. 부유선별 정광물의 상층수를 제거한 후 초음파 산세척을 하고, 체질을 통해 0.1mm 이상의 조립 물질을 고순도 석영 모래로 얻는다. 본 발명의 방법은 고품질 석영 정광물을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 처리 시간이 짧고, 공정 흐름이 간단하며, 에너지 소비가 적고, 얻어진 석영 정광물의 품질이 높아 고순도 석영에 대한 품질 요구 사항을 충족할 수 있다.
고령토 광미에는 다량의 석영 자원이 함유되어 있습니다. 선광, 정제 및 심층 가공을 통해 태양광 발전용 초백색 유리 원료로 사용될 수 있으며, 이는 고령토 광미 자원의 종합적인 활용에 대한 새로운 아이디어를 제시합니다.
3. 태양광 유리용 저철분 석영 모래 시장 개요
한편, 2020년 하반기에는 확장 제약이 있는 생산 능력이 높은 경기 호황 속 폭발적인 수요를 감당하지 못했습니다. 태양광 유리 공급과 수요 불균형으로 가격이 급등했습니다. 이에 따라 여러 태양광 모듈 업체들의 공동 요청에 따라, 2020년 12월 산업정보부는 태양광 롤유리 사업은 설비 교체 계획을 수립할 수 없다는 내용의 문서를 발표했습니다. 이 새로운 정책의 영향으로 태양광 유리 생산 성장률은 2021년부터 확대될 것으로 예상됩니다. 공개된 자료에 따르면, 2021년과 2022년에 생산 계획이 확정된 태양광 롤유리 생산 능력은 각각 22,250톤/일과 26,590톤/일에 달하며, 연평균 성장률은 68.4%/48.6%를 기록할 것으로 전망됩니다. 정책적 지원과 수요 측면의 보장이 있다면, 태양광 유리 시장은 폭발적인 성장을 맞이할 것으로 예상됩니다.
2015-2022년 태양광 유리 산업 생산 능력
반면, 태양광 유리 생산 능력의 상당한 증가는 저철분 규사 공급 과잉을 초래하여 태양광 유리 생산 능력의 실제 생산량을 제한할 수 있습니다. 통계에 따르면 2014년 이후 우리나라의 국내 규사 생산량은 일반적으로 국내 수요보다 약간 적었으며, 수급 균형이 잘 유지되어 왔습니다.
동시에 우리나라의 저철분 석영 사금 자원은 부족하며, 광둥성 허위안, 광시성 베이하이, 안후이성 펑양, 장쑤성 둥하이에 집중되어 있어 상당량을 수입해야 합니다.
저철분 초백색 석영 모래는 최근 몇 년 동안 중요한 원자재 중 하나(원자재 비용의 약 25% 차지)이며, 가격 또한 상승세를 보이고 있습니다. 과거에는 오랫동안 톤당 약 200위안 수준을 유지하다가 20년 만에 발생한 1분기 코로나19 팬데믹 이후 고점에서 하락했으며, 현재는 당분간 안정세를 유지하고 있습니다.
2020년 우리나라의 석영 모래 총 수요는 9,093만 톤, 생산량은 8,765만 톤, 순수입량은 327만 8천 톤으로 예상됩니다. 공개된 자료에 따르면 용융 유리 100kg당 석영석 함량은 약 72.2kg입니다. 현재 확장 계획에 따르면 2021/2022년 태양광 유리 생산 능력 증대는 각각 323만/24,500톤/일에 달할 수 있으며, 연간 생산량을 360일 기준으로 계산하면 총 생산량은 새로 증가하는 저철분 규사 수요 8억 3,600만/6억 3,500만 톤/년에 해당합니다. 즉, 2021/2022년 태양광 유리 생산으로 인한 저철분 규사 신규 수요는 2020년 전체 석영 모래 수요의 9.2%/7.0%를 차지하게 됩니다. 저철분 규사가 전체 규사 수요의 일부만을 차지한다는 점을 고려할 때, 태양광 유리 생산 설비의 대규모 투자로 인한 저철분 규사의 수급 압력은 전체 규사 산업에 미치는 압력보다 훨씬 클 수 있다.
—파우더 네트워크 기사
게시 시간: 2021년 12월 11일