[김정호의 AI시대의 전략]
테슬라의 ‘교류’와 에디슨의 ‘직류’, 탄소중립 시대 ‘전력 반도체’로 만났다
전기 전쟁 첫 승자는 교류… 반도체 시대엔 에디슨 ‘직류’가 이겨
태양광·자율주행차 등엔 직류↔교류 변환 ‘전력 반도체’가 주도
매년 20%↑성장… 전력 반도체 자립, 디지털혁명·탄소중립 관건
김정호 KAIST 전기·전자공학과 교수 입력 2021.08.25 03:00 조선일보
탄소 중립 시대의 실현을 위해서는 친환경 전기에너지가 필요하다. 그 전기를 발전하고, 각 가정과 공장에 공급하기 위해 교류(AC) 전기 방식을 사용한다. 교류 전압은 일정한 주기를 가지고 ‘양’ 전압과 ‘음’ 전압의 삼각함수(Sine Wave) 모습으로 변화하는 방식이다. 교류 전기를 이용하면 변압이 쉽고, 전기를 멀리 보낼 때 손실을 최소화할 수 있다. 이러한 교류 전기 방식은 미국의 전기공학자인 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)가 처음으로 발명했다. 일런 머스크가 이를 기념하기 위해 자신의 전기차 회사 이름을 ‘테슬라’라고 지어 더 유명해졌다.
1차 전기 전쟁의 승자는 테슬라
반면 우리에게 천재 발명가로 알려진 토마스 에디슨(Thomas Edison)은 전압이 일정한 직류(DC) 전기 공급 방식을 고집했다. 에디슨은 교류 전기 방식이 위험하다는 사실을 증명하려고 코끼리를 감전시켜 죽이거나 전기의자를 만들어 사형수에게 시험하기도 했다. 전기 공급 방식의 표준을 둘러싼 테슬라와 에디슨 사이의 경쟁을 ‘전기 전쟁’이라고 부른다. 1차 전기 전쟁은 테슬라가 만든 교류 전기 방식의 승리로 끝났다.
‘인공지능’ 과 ‘메타버스’로 대표되는 디지털 혁명 시대를 맞아 이 상황이 반전되고 있다. 컴퓨터와 반도체는 직류 전압을 필요로 하기 때문이다. 디지털에는 ‘1’과 ‘0’이라는 두 가지 직류 전압만 있으니, 디지털 반도체에는 교류가 없다. 특히 반도체, 스마트폰, 컴퓨터, 데이터센터, 그리고 자율주행차에는 다양한 직류 전압이 계층적으로 필요하다. 그 결과, 직류 전력 공급 손실을 최소화하고 디지털 고속 동작이 가능한 전력 공급망 설계가 매우 중요하게 되었다. 디지털 시대 2차 전기 전쟁의 승리자는 에디슨이 된 셈이다.
탄소 중립 실현의 구세주로 여겨지는 태양광 발전은 결정적인 약점을 갖고 있다. 바로 간헐성(間歇性)이다. 밤에는 전력 생산을 할 수 없고, 날씨에 크게 영향을 받는다. 쌓인 눈, 먼지, 새똥도 치워야 한다. 따라서 일정하고 안정된 전력을 공급하기 위해서는 대량의 전기에너지 저장 장치(ESS)가 필수적이다. 한마디로 대규모 배터리 창고이다. 그리고 이 배터리로부터 나오는 직류 전압을 가정으로 공급하기 위해서는 이를 교류 전압으로 변환해야 한다. 이 전압 변환을 ‘전력 반도체(Power Semiconductor)’가 담당한다. 전력 반도체는 직류 전기를 일정한 주파수(60㎐)로 연결했다가 끊기를 반복해서 교류 전기를 만든다. 동시에 스위칭 전압 변환 손실을 최소화해야 한다. 비용이 추가로 들어간다. 세상에 공짜는 없다. 이처럼 전기에너지의 생산, 전송, 그리고 소비 과정에서 여러 단계에서 직류 전압과 교류 전압 사이의 변환이 끝없이 일어난다.
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