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넷 제로(net-zero)를 위한 21세기 전력 기술

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글/아시프 자콰니(Asif Jakwani), 온세미 첨단전력부문 수석 부사장 겸 총괄 매니저

20세기의 에너지 네트워크

20세기에는 주로 석탄과 같은 화석연료를 사용해 대형 발전소 중심으로 전기를 생산했다. 전기는 장거리 송전망을 통해 이동한 뒤 지역 배전망을 통해 사용자에게 공급됐다. 화석연료를 주요 에너지원으로 하는 내연기관(ICE)이 널리 사용되고 화석연료가 지리적으로 불안정하고 위험한 지역에서 먼 거리를 이동해 오기 때문에, 교통 네트워크에도 유사한 에너지 인프라가 필요했다. 

에너지와 교통 인프라 덕분에 오늘날 선진국의 대부분이 산업화를 이룩했지만, 온실 가스가 배출돼 지구의 기온은 상승하고 극단적인 기후 변화가 발생하는 등 환경이 극심하게 파괴됐다. 개발도상국들의 경제가 산업화 단계로 진입하면서, 이러한 중앙 집중식 화석연료 기반 전기와 교통 네트워크는 지속 가능하지 않게 됐으며 미래의 차세대 에너지 네트워크가 더욱 필요하게 됐다.

21세기의 에너지 네트워크

개발도상국 경제를 산업화하고 선진국의 현재 생활 수준을 유지하기 위한 차세대 에너지 인프라는 매우 환경 친화적이어야 한다. 지속 가능한 미래를 위해 기온 상승을 1.5도 이하로 제한하려면 탄소발자국을 2000수준으로 줄여야 한다는 것이 전세계 과학자들의 공통된 의견이다. 온세미는 미래의 지속 가능한 에너지 네트워크를 달성하기 위한 21세기의 에너지 네트워크가 에너지 저장 능력과 결합된 태양, 풍력 등 신재생에너지 위주로 구성될 것이라고 믿는다. 또한, 에너지 소비가 전기차(EV)와 같이 효율적이며 온실가스를 배출하지 않는 충전 방식으로 전환돼야 실현 및 지속 가능한 에너지 네트워크를 구축할 수 있을 것이다.

21세기의 에너지 네트워크는 전력 반도체에 의해 태양, 풍력과 같은 재생 에너지원과 전기차, 인버터 모터와 같은 효율적인 저장 및 충전 장치에서 모두 활성화될 것이다. 태양, 풍력, 에너지 저장의 경우, 절연 게이트-양극 트랜지스터(IGBT)와 실리콘 카바이드(SiC)는 주로 가변적이고 간헐적인 에너지원을 지속 가능한 에너지 네트워크로 변환해 배기가스 제로(zero-emission)의 재생 에너지원을 제공하는 데 사용된다. 새롭게 부상하는 전기차와 충전 인프라의 경우, IGBT와 SiC 모두 배기가스 제로 교통 네트워크를 구현할 가까운 미래 교통 에너지 네트워크의 핵심이 될 것이다. 산업, 빌딩 및 공장 자동화의 경우, 인버터 브러시리스 DC 모터(BLDC)는 IGBT와 금속 산화 전계효과 트랜지스터(MOSFET)에 의해 활성화되며 이는 클라우드와 5G네트워크를 통한 통신에도 적용된다. 최신 세대 MOSFET 기술은 효율적으로 전력을 공급하고 UPS가 글로벌 인적 네트워크를 위한 유비쿼터스 연결을 제공하게 한다. 온세미는 전력 반도체가 지속 가능한 미래를 위한 21세기의 에너지 네트워크의 조력자가 될 것이라 믿는다.

전력 반도체 성장 동인

미래의 지속 가능한 글로벌 에너지 네트워크를 구축하기 위해, 세계 주요 경제권 및 지역에서는 탈탄소화 및 온실가스 제한이 다양한 수준의 규제와 인센티브 채택을 통해 실행되고 있다. 규제와 인센티브, 매력적인 투자수익률 등이 복합적으로 작용해 향후 10년간 재생에너지(GW)가 2배 증가할 것으로 기대하고 있다. 태양광 PV 패널 비용의 감소로 인해 태양이 이러한 성장의 주요 동력이 될 것이다.

화석 에너지의 주요 사용자이자 탄소 배출의 최대 주체인 교통 네트워크에서, 전기차로의 전환 속도는 정부 규제와 장거리 운행 차량과 같이 폭넓은 포트폴리오를 시장에 내놓는 자동차 제조사 덕분에 더욱 가속화될 것이다. 전기차 도입을 가속화하는 또 다른 요인은 화석 연료 매장량의 감소와 그에 따른 추출 비용 증가이다.

개발도상국 경제를 중심으로 산업화가 가속화되면서 모터 사용이 증가하고 있다. 선진국에서는 높은(그리고 증가하고 있는) 인건비를 상쇄하기 위해 빌딩 및 공장 자동화 산업이 성장할 것이다. 이 분야의 규제는 에너지 낭비 없는 구동을 위해 더 효율적인 인버터를 필요로 하는 효율적인 모터 사용을 요구할 것이다.

전 세계 전기의 약 45%는 모터에서 소비되므로, 효율 개선은 에너지 소비를 줄이는 데 상당한 영향을 미칠 것이다. 이에 관련된 인버터는 효율 개선을 달성하는 데 매우 중요하며, AC 및 DC 모터 애플리케이션 모두에서 향후 10년 동안 이러한 장치의 사용은 두 배 증가할 것으로 예측된다. 이를 통해 절감된 운영비는 이득이 될 것이며 이에 대한 동인은 보다 엄격한 효율성 관련 법안이라고 예상한다.

전력 반도체: 배기가스 제로를 가능하게 하는 열쇠

앞서 언급했듯이 전력 반도체는 재생 에너지원과 효율적인 충전을 위한 21세기 에너지 네트워크의 핵심 조력자가 될 것이다. 반도체를 통해 지속적이고 효율적인 에너지 사용과 배기가스 제로를 달성하려면 다음 세 가지 주요 분야의 발전이 필요하다.

• 스위칭 기술 성능

• 효율적인 패키징

• 비용 및 생산능력

MOSFET, IGBT, SiC 중 어떤 디바이스든지 정적, 동적 손실을 모두 줄이면서 스위치 작동을 보다 효율적으로 하는 기술의 혁신은 스위칭의 핵심 요소가 될 것이다. 매우 이상적인 스위치 없이는 반도체 다이에서 열의 형태로 추출되는 손실이 항상 존재하므로, 효율적인 패키징은 또 다른 핵심 변수이다. 상업적 관점에서 비용은 항상 중요한 요인이며, 전기차, 재생 에너지 인프라 및 클라우드 전력의 기하급수적 성장과 함께 이러한 기술에 대한 공급망의 탄력성 역시 가장 중요한 요소 중 하나이다.

전력 반도체 기술

종종 애플리케이션에 따라 반도체 기술의 사용이 달라지며, 가장 최적화된 스위칭 기술의 선택은 시스템 수준의 효율성을 극대화하기 위한 전력 수준과 스위칭 주파수에 따라 결정된다. 따라서 이 모든 기술의 지속적인 혁신이 21세기의 효율적이고 지속 가능한 네트워크를 제공하는 유일한 방법이다.

온세미는 실리콘(Si) 기술, MOSFET, IGBT 기술 분야에서 인정받는 선도기업으로, SiC 분야에서 앞서기 위해 많은 투자를 하고 있으며, 동급 최고의 스위칭 기술을 시장에 제공한다.

SiC는 동일한 실리콘 기반 디바이스보다 향상된 성능을 제공하는 새로운 와이드밴드갭(WBG) 소재이다. SiC의 셀 조직이 높은 밀도로 구성되어 주요 성능을 제공하기 때문이다. 높은 셀 밀도는 효율을 향상시켜 전기차가 동일한 배터리 팩에서 더 긴 거리를 주행할 수 있도록 한다.

IGBT에서는 효율과 전력 성능 향상에 있어 실리콘 웨이퍼의 웨이퍼 두께와 딥 필드스탑 레이어를 만드는 것이 매우 중요하다. MOSFET의 경우 셀 피치와 셀 밀도가 중요한 요인이다. 온세미는 두 요인 모두가 작아질 수 있도록 노력하고 있으며 결과적으로 효율성이 향상되도록 하고 있다. 

패키징 혁신은 디바이스에서 열을 빼내고 신뢰성을 높이기 위한 중요한 고려사항이다. 용도에 따라 개별 디바이스 또는 모듈을 사용할 수 있다. 전기차와 같이 매우 높은 출력(150kW-250kW)의 경우, 트랙션 모듈이 최선의 선택일 수 있다.

패키징 혁신에는 접합 방법, 소재 선택, 및 모듈화의 세 가지 핵심 영역이 있다. 접합 방법의 경우, 납땜 연결을 하는 방식에서 신터링 또는 신터링 클립으로 전환하게 되면 접촉 저항을 줄일 수 있어 신뢰성이 향상된다.

소재의 경우, 핵심이 되는 혁신은 은과 구리 신터링이 진행 중이며 최종적으로는 임베딩을 활용해 수명 주기를 늘리고 전력 밀도를 높이려 하고 있다.  트랙션 모듈 내에서 패키지의 열 저항이 핵심 매개 변수이다. 여기서 양면 직접 냉각(Dual-Sided Direct Cooling)을 사용하면 열 저항과 전력 밀도가 크게 향상된다.

온세미는 스위칭 및 패키징의 기술적 발전과 함께 견고하고 탄력적인 공급망을 제공한다. 온세미는 팹-라이트(Fab-lite) 모델을 갖췄지만, 견고한 공급망을 제공하기 위해 웨이퍼를 내부적으로 가공하는 극히 드문 전력 반도체 업체 중 하나이다. 최근 완료한 ‘GT 어드밴스드 테크놀로지스(GT Advanced Technologies)’ 인수는 지속 가능한 미래 성장을 가능케 하는 핵심 기술 중 하나인 SiC의 수직계열화와 탄력성이 높은 공급망 확보로 이어졌다. 공급망의 탄력성은 팹과 파운드리 등 제3자와의 장기적인 파트너십으로 강화된다.

결론

21세기의 차세대 효율적 에너지 네트워크는 네트워크를 효율적으로 활용하는 전기차, 인버터 모터 및 고효율 충전과 같은 방식을 통해 저장 능력을 갖춘 재생 에너지를 기반으로 구축될 것이다. 그러나 넷 제로의 미래를 가능케 할 핵심 요소는 최고 수준의 실리콘과 SiC 스위칭 기술, 효율적이고 신뢰 가능한 패키징, 탄력적인 공급망 하에서만 제공될 수 있다.

온세미는 실리콘 기반 디바이스로 인정받는 선도 기업이며, 상당한 투자를 통해 SiC 기반 디바이스의 선두업체가 되기 위한 길에 서 있다. 또한, 지능형 고효율 전력 반도체를 업계에 지속적으로 제공하고 있다.

결론적으로 온세미의 디바이스들은 미래 에너지 네트워크의 핵심 요소가 될 것이며, 업계가 넷 제로 목표에 도달할 수 있도록 할 것이다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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