파워일렉트로닉스의 현상과 앞으로의 전망

서론 일본의 파워일렉트로닉스 기술은 1980년대까지는 철도 전화(電化)·합리적인 철강 생산·직류송전기술의 도입·철도 고속화 등 대형회사 인프라에 있어서 투자의 일환으로 대전력 용도로 발전해왔다. 그 적용영역도 가전·생활용품에서 철도·자동차 등의 수송기관과 생산·전력설비에까지 폭넓게 확장되어 파워일렉트로닉스 장치와 그 제어에 의한 다양한 산업사회 요구에 대응해왔다. 그러나 버블기 이후의 중전산업(重電産業)의 침체와 일본의 생산구조의 변혁, 제품유통·생산활동 글로벌화로 인해 파워일렉트로닉스의 시장 발달은 잠시 정체되어 있다. 기술적으로 보면 파워일렉트로닉스의 주류는 IGBT가 차지하고 있고, 그것을 응용하는 인버터 기술과 모터 구동기술도 디지털 제어와 PWM 제어에 의해 우수한 제어성을 실현시키고 있다. 코스트를 절감하기 위해 디바이스와 회로의 표준화도 진행하고 있다. 이러한 상황에서 보면 파워일렉트로닉스 기술은 이미 충분히 발달한 것처럼 보인다. 요즘 사회 요구가 변하여 이동성이 편리하고 쾌적한 생활의 추구와 함께, 에너지 공급·지구환경·경제성장 이 세 개의 항목이 균형을 이루는 3E(Energy security, Economy, Environment)사회의 실현과 생활의 안전에도 큰 관심이 모아지고 있다. 국가의 연구개발면에서 기술 전략맵 2006이 만들어져, 환경과 에너지공급기술, 도시 인프라와 교통기술, 생활과 직결되는 유비쿼터스 기술, 공장의 제조기술, 의료와 바이오기술의 미래 전개가 로드맵 형태로 나타나고 있는데, 그 기반기술로 특히 차세대 파워일렉트로닉스 기술에 대한 기대가 높다. 이렇게 산업사회의 개혁은 새로운 파워일렉트로닉스의 요구를 발생시켜, 소형에 신뢰성이 높은 정보통신기기용 전원, 자동차용 전장품과 그 제어기, 에너지 이용의 고효율화와 신에너지원의 적극적인 활용에 도움이 되는 전력제어시스템 등의 수요가 높아져 모바일 정보기기, 전력저장설비와 하이브리드카 등의 새로운 시장도 형성되었다. 파워일렉트로닉스가 이와 같은 사회요구를 충족시켜 더 큰 발전을 이루기 위해서는 새로운 기술혁신이 필요하다. 이 장에서는 파워일렉트로닉스 기술에 대한 새로운 사회 요구와 이에 대응하는 기술개발의 동향에 대해 간단히 전망해본다. 3E사회와 파워일렉트로닉스 살기 좋고 안전한 산업국가의 목표를 이루기 위해서는 에너지 안전공급, 생활환경의 보수관리, 경제 성장 간 지속적인 평형관계를 유지하는 사회, 즉 3E사회를 실현해가는 것이 필수요건이 된다. 여기에서 파워일렉트로닉스기술에 대한 요구를 명확하게 하는 의미로 3E사회의 모습과 파워일렉트로닉스에 관해 간단히 정리해본다. 3E사회의 실현이 기술면에서 어떤 혁신을 필요로 하는가를 나타내기 위해 하나의 구체적인 예를 들어본다. 2100년도의 일본 사회를 2000년도와 비교해보면, GDP가 2배 가량 늘어날 것이고(연율 약 1%씩 성장), 에너지 이용에 있어서는 온실효과 가스를 전혀 발생시키지 않게 되어 모든 에너지가 전기로 공급될 것이다. 그러기 위해서는 약 8배의 발전량이 필요하고 에너지 이용에 따르는 손실도 1/5로 절감되어야 한다. 이를 실현하기 위해 가까운 미래로 상황을 투영시켜보면 2030년에는 손실을 2/3으로, 산업·수송·민생·가정의 각 부문에서의 온실효과가스 발생량은 대략 60%로 절감해야 한다. 동시에 거의 배로 증가할 것이라고 생각되는 공급발전량은 신에너지원 등으로 보충해야 한다. 이것은 극히 대담한 가정으로 실현성은 낮을지 모르지만, 일본의 최종 에너지 수요는 많은 에너지 절약 시책이 정해진 것과는 상관없이 증가하는 경향이 계속되고 있다. 2004년도에는 1990년도 레벨의 약 16%가 증가하여 도쿄의정서의 목표달성조차 곤란한 상황이다. 2002년도까지의 수치로 보아도 1990년대와 비교하면 민생업무·가정부문에서 33%, 여객수송부문에서는 20%로 그 증가가 특히 두드러지고, 정보통신기기 이용의 확대와 승용차 이용에 의한 에너지 증가가 크게 영향을 주었다. 앞으로 경제의 호조가 계속 이어지면 산업부문에서도 에너지 수요의 증가가 예상되기 때문에 근본적인 에너지절약 대책을 세워야 한다. 재생가능 에너지와 같은 환경부담이 적은 신에너지에 의한 전원의 도입도 계획대로 진행되고 있지 않다. 일본 정부는 2010년까지 <표 1>과 같이 신에너지 도입계획을 세워 실행하려 하지만, 2003년도까지의 통계 데이터 실적을 보면 목표달성이 늦어지고 있음을 확실히 알 수 있다. 2006년도의 풍력발전 설비실적은 약 108만kW로 계속 제자리만 지키고 있으며, 저공해자동차 도입에 있어서도 2010년도 목표 348만 대에 비해 2003년도의 실적은 겨우 18만 대에 그쳤다. 이처럼 신에너지의 도입이 활발히 이루어지지 않는 가장 큰 원인은 전원으로서의 안정성과 설비 코스트 때문인데, 파워일렉트로닉스기술은 이 둘 모두와 큰 관련이 있다. 에너지 절약의 달성도 부하기기의 운전제어와 역율 개선면에서 생각해보면 3E사회의 실현은 파워일렉트로닉스기술에 의존에 있다고 해도 과언이 아니듯, 새로운 파워일렉트로닉스 응용기술은 모두 이 목표와 밀접하게 연관되어 있다. 파워일렉트로닉스 응용기술의 동향 여기서에는 요구면과 기술면에서 혁신적인 세 개의 영역을 모아 소개한다. 1. 마이크로그리드 환경성이 높은 에너지 이용을 목표로 수요단에서 신에너지원 도입을 적극적으로 모색함과 동시에 고도정보화 사회가 필요로 하는 고품질 전력을 공급하려고 하면, 기존의 광역적인 전력회사의 송배전망(그리드)에 의존하는 방법으로는 제약이 많다. 신에너지원의 활용을 전제로 하여 분산전원을 중심으로 몇 개의 수요가를 연결하는 코제네시스템과 전력저장장치를 합친, 규모에 한계가 없는 전력공급시스템(마이크로그리드)을 구축하여 이 과제를 실행하려는 실험이 각 소에서 진행되고 있다. 마이크로그리드에서는 그리드와의 전력조류제어, 각종의 전력저장장치의 특성에 대응한 충방전(充放電) 제어에 의한 부하변동억제·전압과 주파수의 안정화·자립운전, 중요부하에 대한 공급전력품질의 유지 등 시스템 내 다수 존재하는 인버터를 주체로 한 전력변환장치의 종합적인 제어가 중요하다. 신에너지원에 의한 분산전원도 전력저장장치와 합치면 그 발생전력의 질을 향상시킬 수 있다. 이런 의미에서 마이크로그리드의 실현 가능성은 파워일렉트로닉스에 의한 전력제어기술의 개발에 달려 있는 것이라고 말할 수 있다. 마이크로그리드는 수요가의 수전설비를 통신제어 시스템으로 통합한 것 같은 형태가 될 것이라고 보기 때문에, 제어기능뿐만 아니라 사용되는 전력변환장치는 소형에 경제성이 높아야 한다. 따라서 고압 배전계에 접속하여 사용되므로 하드웨어의 표준화가 요구되어 변압기를 생략하는 것에 대해서도 자세하게 검토되어야 한다. 집중 설비된 변환장치에서 EMC는 처음부터 상호 제어특성에 대한 대응도 필요하게 된다. 마이크로그리드 이상 시 중요부하에 대한 공급 신뢰도의 향상과 그리드에 대한 역 보조 서비스까지 고려하면 평소의 제어동작뿐만 아니라 이상 시 대응할 보호기능의 체계적인 개발도 필요하다. 부하변동 시에도 한계가 없는 시스템 규모 때문에 운전제어에 있어서 아주 세밀한 대응이 요구된다. 일반적으로 분산전원의 응답성은 그다지 좋지 않기 때문에 축적장치(capacitor)를 포함한 전력저장장치에 의한 보상이 주체가 된다. 센서의 특성과 정보전송이 늦는 점을 고려한 다음에 제어시스템의 속응성을 높여야만 마이크로그리드로서의 자립성을 실현할 수 있다. 2. 정보통신 시스템 u-japan(일본의 유비쿼터스 전략)정책에 따라 단말의 유비쿼터스화는 착실하게 진행되고 있고 산업 활동·민생 업무·가정생활 어느 영역에서나 정보통신 시스템에 대한 의존도는 점점 늘고 있다. 인터넷을 통한 정보의 심색·배신(配信)도 확대의 한 방향으로, 데이터센터가 넓게 설치되면서 동시에 대용량화되고 있다. 이 결과로 전력수요 전체에서 정보통신시스템이 소비하는 전력의 비율이 높아져 환경에의 영향과 사회 안전의 양면에서 정보통신 시스템에의 전력공급은 미래의 큰 과제가 되고 있다. 한편 유비쿼터스 기기와 모바일 기기의 고성능화를 위해서 보다 작고 효율이 좋은 전원이 요구되고 있다. 이때까지는 정보통신기기 자체의 전원기술은 파워일렉트로닉스의 범위 외의 것이라 생각되어 왔지만, 기기자체의 고성능화에 수반하는 전력소비의 증대와 소형화의 요구로 인해 기술적으로 진지하게 다루어야 할 과제가 되고 있으며 시장에 있어서도 발전이 기대되는 분야이다. 전지를 내장하는 모바일 기기의 전원시스템은 규모는 다르지만, 고효율화와 전지의 SOC제어 등 파워일렉트로닉스 기술에는 마이크로그리드와 자동차 전장 시스템과 공통점이 있다. PC와 모바일 기기의 영역에서는 이미 냉각을 중시한 HP사의 블레이드 시스템(Blade System)구성과 정보처리와 전원과의 적절한 분배를 고려한 멀티 코어칩의 도입이 진행되고 있는데, 고주파화와 미세구조의 도입에 의해 파워 디바이스 자체의 구조도 LSI기술에 가까워져, 앞으로는 고성능화를 위해서 파워일렉트로닉스 기술로서의 접근이 필수불가결할 것이다. 다수의 서버를 갖춘 데이터 센터로의 전력공급은 저압·대전류로 공급 전압의 안정화와 말단의 전자회로에의 공급을 위해 많은 전력변환회로를 경유하고 있다. 거기서 발생한 손실을 외부에 방출하기 때문에 기기실의 온도환경을 보호하는 공조시설의 소요전력도 크다. 따라서 데이터 센터의 보급과 대용량화는 그 내부에 전력공급 시스템의 고효율화에 대한 기술혁신을 필요로 한다. 시스템 내부에서의 전력변환의 횟수를 줄이는 것으로 에너지 손실을 줄이기 위한 직류전력공급 실험이 이미 이루어지고 있지만, 각 서버의 전력공급 손실을 더욱 절감하기 위한 공급 전압의 최적화와 공급 네트워크 구성 등 개발 과제도 적지 않다. 더욱이 대폭적인 인터넷 이용 확대로 인해 정보의 리소스가 크게 분산되어 네트워크 등에서 정보통신 인프라에서의 에너지 손실도 상당히 큰 비율을 차지하고 있다. 데이터 처리기능 당 에너지의 유효활용 시점으로 보면 인프라부에서의 대응에 대해서도 검토할 필요가 있고, 지구규모의 환경문제로 보면 정보 리소스의 배분에 이용 에너지까지 고려해야 할 것이라고 예상된다. 사회의 고도정보화가 진행됨과 동시에 여러 가지 의미로 정보와 에너지의 협조가 요구될 것이다. 3. 자동차 탈석유자원과 온실효과가스 발생량 삭감을 목표로 한 정책적인 대책으로 인해 자동차 기술도 방향을 크게 전환하여 하이브리드카·연료전지차·전기자동차의 개발과 도입이 급속도로 진행되고 있다. 종래의 내연기관 자동차에서도 쾌적성·안전성의 향상, 외부의 정보시스템과의 연계에 의한 고기능화가 진행되기 때문에 전장품의 비중이 커지고 있다. 그와 동시에 다수의 프로세서를 포함한 전자제어장치가 탑재되고 여기에 공급되는 전력의 품질이 문제가 되고 있어 배터리의 복수화 등 새로운 방식이 검토되고 있다. 전자의 전기구동계 자동차는 구동용의 쌍방향 컨버터의 소형·경량화가 제품의 기능에 직결되고, 그 기능이 발달되면 4륜 독립구동도 가능해져 주행성의 향상을 기대할 수 있다. 운전 효율을 좋게 하기 위해서 직류부의 전압을 어디까지 올릴 것인가 하는 것이 과제가 되고 있다. 한편, 다른 보충기기에 전력을 공급할 전지와의 전압 변환기를 포함한 최적화가 필요하다. 제품의 주류를 이루는 내열기관 자동차는 쾌적성과 조작성의 향상을 위해 다수의 모터와 정보기기가 탑재되고 전원용량이 확대되고 있다. 앞으로는 모든 조작기기가 전동화(電動化)되는 by wire car도 연구되고 있다. 이에 따른 전지 용량의 증가가 필요하게 되어 공급 전압의 42V화와 2-배터리 시스템도 도입되는 추세이다. 따라서 자동차내의 전력 공급계에 있어서 운전효율의 향상, 부하급변 시 전압의 안정화, 정격전압이 다른 기기 간의 전압변환, 배터리의 SOC와 SOH의 관리제어, 부하증대시 이용제한 등 마이크로그리드 등과 같은 파워일렉트로닉스 기기에 의한 제어가 필요하게 되었다. 체적과 중량의 제어가 엄격한 한편, 전자기기의 전원장치와 같이 시장규모가 크기 때문에 기술개발의 목표가 된다. 자동차 단체의 문제와 함께 도로교통 그 자체의 고효율화와 안전성의 향상을 위해, 정보통신 시스템에 의한 개별의 자동차에 정보를 제공하고 더욱이 그 움직임을 통합 제어하는 Intelligent transportation system(ITS)의 개발과 부분적인 도입도 진행되고 있다. 이러한 시스템이 광역적으로 교통망을 덮게 되면 하나의 정보 시스템으로서의 에너지 공급이 과제가 될 것이다. 차세대 파워일렉트로닉스 기술 이런 요구에 대응하기 위해 파워일렉트로닉스의 새로운 기술개발이 필요하다. 미래를 생각하면 Si 파워 디바이스로 충분한지, 새로운 재료로 근본적인 해결을 목표로 해야 하는 것인지, 그 가능성을 전망해 보자. 1. Si 디바이스의 기술 혁신 전력변환기의 체적 당 출력인 파워밀도(W/cm3)는 장치의 소형·경량화와 직류 관계하고, 파워밀도를 높이기 위해서는 고주파화, 저손실화, EMC 특성이 양호해야 하는 점에서 파워일렉트로닉스 장치 성능의 일반적인 지표로서 제안되고 있으며, 과거 30년 동안 꾸준히 향상되어 현재는 10W/cm3의 레벨에 가까워지고 있다. 앞에서 말한 요구에 대응하기 위해 이 값을 되도록 빨리 50W/cm3으로 유지하는 것이 구제적인 연구개발 조직의 목표가 되고 있다. 파워디바이스 자체의 저손실화와 고주파 동작은 고내압 MOSFET에서 슈퍼 정션 기술을 적용시키고 IGBT의 웨이퍼를 얇게 하면 성능은 좋아진다. 역저지형의 IGBT 모듈도 실용화되어 매트릭스 컨버터로의 적용도 진행하고 있다. 이에 따라 변환기의 트랜스리스화의 가능성도 높아지고 있다. 하지만 요구(needs)면에서 필요로 하는 고도의 제어기능을 실현하는 파워밀도의 목표에 도달하기에는 변환기 전체로서의 설계 최적화와 그것에 기초를 둔 하드웨어의 통합이 불가결하다. 소형화를 유지하기 위해서는 기생요소를 배제하는 통합적인 배치, 마이크로 채널 등의 냉각시스템 구성, EMC 대책, 고주파 응용에 적합한 수동회로소자의 개발, 이것의 기본이 되는 디바이스 동작과 전기·열 현상의 복합화 된 시뮬레이션 기술의 확립 등 해결해야 할 과제가 적지 않다. 2. 와이드갭 반도체 디바이스에 의한 파워일렉트 로닉스 기술의 미래 이런 문제를 근본적으로 해결하여 파워일렉트로닉스 장치의 성능을 비약적으로 향상시키기 위해 Si보다 특성이 우수한 새로운 재료의 파워 디바이스 개발도 진행되고 있다. 와이드갭 반도체인 SiC와 GaN을 사용하면 내압과 온 저항의 관계에서 Si의 성능을 2항 이상 높인 파워디바이스가 실현할 가능성이 있어 고주파로 움직이는 저손실 파워소자로서 주목받고 있으며 와이드갭이기 때문에 고온동작에도 견디는 성질을 가진다. SiC는 고내압의 파워디바이스로서 pin 다이오드와 MOSFET 등이고, GaN은 비교적 저전압의 고주파 디바이스로 각국에서 개발이 진행되고 있다. 특히 SiC 쇼트키 바리어 다이오드는 1200V-50A소자가 미국 Cree사에서 발매되는 등 실용 단계에 들어가 있고 피드백 다이오드로써 Si 파워 디바이스와 합쳐 소형 고주파 인버터를 실현하고 있다. 이런 재료는 웨이퍼 코스트가 높다는 점, 파워 디바이스용으로 결함이 적은 큰 웨이퍼를 만들기가 어렵다는 점이 있어 재료의 성질상 디바이스로 가공하기 위한 에피택셜 성장기술 등 개발요소가 많다. 국가 프로젝트 개발의 성과가 기대된다. 결말 파워일렉트로닉스 기술은 산업수요의 침체와 함께 잠시 정체되어 있다. 그러나 사회 요구의 변화에 의해 앞에서 말했듯 많은 분야에서 새로운 파워일렉트로닉스기술의 응용이 개척되고 있어, 다시금 파워일렉트로닉스의 연구개발의 필요성이 높아지고 있다. 여기에 대응하기 위해서는 성능면이나 코스트 면에서 종래의 기술을 크게 뛰어넘어야 한다. 동시에 산업 활동의 글로벌 경쟁 속에서 시장을 점유해나가는 것도 고려할 필요가 있다. 이런 의미에서 모듈 레벨뿐 아니라 변환기 일체로서의 인터그레이션이 외부와의 정보교환, 제어, 수동회로소자, 냉각계를 포함하여 실현·표준화되면 충분한 경쟁력을 가질 수 있다. 장기적인 개발 로드맵에 따라 SiC와 GaN 디바이스 응용발전에도 눈을 돌려야 한다. 따라서 광범위한 기반기술의 확립이 필요하고 미국의 CPES와 유럽의 ECPEC과 같은 파워일렉트로닉스 분야에 특화한 대학·연구기관·사업계를 아우르는 연구 조직을 가지는 것이 시급한 과제라 생각된다.