[편집자주]세계 각국이 기후변화에 적극 대응하며, CO2 배출 감소 및 신재생에너지 확대에 적극 나서고 있다. 이러한 추세는 국가적 차원을 넘어 인류의 공통 이슈로 고갈돼 가는 화석 연료를 줄이고, 지속가능한 삶을 위한 필수적인 정책으로 향후 지속적으로 관련 사업이 성장해 갈 것으로 보인다. 이런 그린 에너지 산업에서도 반도체의 중요성은 더욱 높아지고 있다. 전력반도체는 전력에너지의 모든 단계에서 손실을 최소화하고, 성능을 극대화하기 위한 필수 부품이며, 태양열, 풍력, 수소 등 신재생에너지 기구의 소형화를 위해서는 전력 반도체의 역할이 크기 때문이다. 이에 본지는 인피니언 테크놀로지의 ‘에너지 효율 기술’을 바탕으로 2회에 걸쳐 그린에너지에 있어서 반도체의 중요성을 살펴보는 자리를 마련했다.

■ 에너지 확보, 에너지 효율기술로 달성

전기는 전 세계 에너지 요구량의 3분의 1에 달한다.

파리 기후협정은 2016년부터 지구온난화의 한계를 산업화 이전 시대에 비해 섭씨 2도 이하로 낮추는 것을 추구해왔다.

화석연료를 소비하는 매 킬로와트 시간마다 약 490g의 이산화탄소 배출량을 증가시키고 기후를 가열시킨다.

또한 전기의 시대는 계속 커질 것이다.

이러한 상황에서 전기의 생산과정에서 발생하는 오염을 줄이는 것도 중요하지만, 에너지 효율기술 달성으로 생산된 에너지를 낭비하지 않고, 지키는 것이 에너지 생산에서 배출되는 CO2 발생을 줄이는 가장 현실적인 해답이 될 것이다.

이러한 해답은 반도체 기술로 달성할 수 있다.

■ 에너지 흐름 최적화·손실 감소

증가하는 에너지 수요를 충족시키기 위해서는 장거리 송전, 단거리 분배 시스템 및 재생에너지의 에너지 저장 시스템이 필수적이다.

미국 에너지정보국은 2015년부터 2019년까지 미국에서 송·유통되는 전기의 약 5%에 해당하는 전기 송·배전 손실이 발생한 것으로 추정하고 있다.

특히 전력 생산 현장이 에너지 소비 대상과 거리가 먼 지역에서는 안정성과 에너지 손실 감소 등이 필수적인 역할을 한다.

전력 반도체는 이 모든 기능을 가장 효율적인 방법으로 가능하게 하며, 에너지 흐름을 최적화해 전송 및 분배 프로세스에 따른 손실을 줄인다.

결국 에너지 저장 시스템은 전기 시대의 중추적인 요소가 되는 것이다.


 


에너지의 전송과 저장을 위해서는 고전압 공급을 위한 반도체가 필요하다.

고출력 모듈과 사이리스터는 고전압 직류 전송 시스템(HVDC)을 가능하게 해 전송 손실을 거의 15% 줄일 수 있으며, 이것은 장거리에서의 성공적인 동력 전달을 보장하기 위해 매우 중요하다.

일상생활에서 4,500V IGBT 모듈을 접할 수 있는데, 이는 HVDC 전송선을 통해 녹색 에너지를 전달하거나 고속 열차를 타고 A에서 B로 편리하게 이동할 수 있게 하기 때문이다.

또한 4.5kV IGBT 모듈은 대용량 중전압 드라이브에서 적용돼 낮은 에너지 소비량으로 이동한다.

IHV 4,500V 모듈은 고전압 공급을 위한 최고의 신뢰성과 견고성을 갖추고 있다.

■ 적은 에너지를 사용하면서 더 많은 것을 가능

스마트폰에서 가정까지, 제조와 자동차에서, 우리는 하루 종일 전기를 사용한다. 전 세계 인구의 절반 이상이 인터넷을 사용하고 있으며, 최근 몇 년 사이에 모바일 기기 데이터가 엄청나게 증가하고 있다.

모든 분야에서 CO2 배출을 궁극적으로 감소시키기 위해서는 적은 에너지를 사용하면서 더 많은 것을 가능하게 하는 것이다.

모빌리티, 산업, 통신, 가전 등 모든 생활 분야에서 혁신적이고, 지속가능하며, 효과적인 전력관리를 가능하게 하는 것은 센서, 마이크로컨트롤러, 전력반도체 등이다.

혁신적인 반도체 기술이 기후변화에 대한 인식이 높아지고 있는 가운데 CO2 감소의 주요 해결책으로 등장한 것이다.

가전제품을 예를 들면 냉장고의 경우 디지털 인버터화를 통해 실제 필요한 만큼의 전력만을 소비하며, 에어컨, 청소기, 세탁기 등 다른 전자제품들도 직관적인 센서 기반 작동을 통해 보다 조용하고, 에너지 효율적으로 변화시킬 수 있다.


 


자동차에서의 전동화는 CO2 감소의 핵심으로 반도체를 통해 전력 효율을 개선하고, 유압 및 기계적 솔루션을 교체함으로써 깨끗하고, 안전하며, 스마트한 자동차를 가능하게 한다.


 


또한 신소재를 통해 반도체 산업의 에너지 효율화도 급변하고 있다.

실리콘카바이드(SiC), 질화갈륨(GaN) 등 이른바 광대역 갭 소재 기반의 전력 소자는 전력 밀도를 높이고, 스위칭 손실도 줄일 수 있다.

예를 들어 실리콘 카바이드 전력 반도체는 650V에서 시작하는 용도에 뛰어난 전압 차단을 제공하며, 전압이 높을수록 훨씬 더 많은 이점을 제공한다.

■ 반도체 업계, 에너지 효율 달성 적극적 대응

반도체 솔루션은 에너지의 생성, 전송 및 사용하는데 핵심 요소로 작용하고 있으며, 향후 세계의 기후 균형과 삶의 질 향상을 위한 에너지 사슬의 모든 단계에서 에너지를 보다 지능적이고, 효율적으로 처리하는 솔루션으로 자리매김하고 있다.

이에 반도체 업계는 에너지 효율 달성이라는 직면한 도전을 해결하기 위해 이미 지난 수십 년간 노력해 왔으며, 전력반도체 솔루션의 혁신을 위해 적극적으로 대응해 왔다.

향후 반도체 기술은 에너지 손실을 최소화하고, 더 높은 소자와 애플리케이션 성능을 가능하게 해 녹색 에너지를 실현하는데 핵심 역할을 할 것으로 기대된다.