로봇의 효율적인 전력 사용

공장은 우리가 구입하고 매일 사용하는 상품을 생산하기 위해서 많은 전력을 필요로 합니다. 작은 공장은 한 가정에서 한달 동안 쓰는 에너지를 일주일에 소비할 수 있습니다. 규모가 큰 공장은 이 양을 하루에 소비하거나 단 몇 시간 만에 소비할 수도 있습니다. 우리가 소비하는 상품을 합리적인 가격으로 유지할 수 있으려면, 공장에 로봇을 도입하는 등 자동화 수준을 높여야 할 뿐만 아니라 이러한 기계들이 전기 에너지를 효율적으로 사용하도록 해야 합니다.

이러한 목표를 실현하기 위해서 전자 업계가 중요한 역할을 하고 있습니다. 특히 전자 부품과 소재를 연구하고 설계하고 개발하는 모든 과학자들과 연구자들의 역할이 큽니다. 오늘날 가전기기가 얼마나 진화했는지 보려면 1980년대의 오디오 시스템을 떠올려보면 됩니다. 당시에 이러한 시스템에 사용되는 증폭기는 효율이 대략 50~60%에 달했습니다. 이것은 매 1와트의 출력 전력에 낭비되는 전력이 대략 절반이라는 뜻입니다. 낭비된 에너지는 열로 방출됩니다. 이것은 세탁기, 냉장고, TV도 마찬가지입니다.

일렉트로닉스 관점에서 효율을 높이기 위해서는 두 가지 접근법을 생각할 수 있습니다.

시간이 지나면서 전자 부품은 더 작아지고 효율은 높아지게 되었습니다. 새로운 소재들이 개발됨에 따라서 전보다 더 작은 패키지로 더 많은 일을 할 수 있는 부품들이 개발되었습니다. 이러한 모든 연구가 이루어지게 된 것은 고객들이 전자 회로의 구성 요소인 전자 부품의 효율 향상을 요구하기 때문입니다.

1980년대에는 증폭기를 구현하는 방법이 제한적이었습니다. 이것은 어느 정도 부품의 한계 때문이었습니다. 또 어떤 경우에는 효율을 조금 향상시키기 위해 회로를 만드는데 드는 비용이 매우 컸습니다. 성능 향상에 비해서 들어가는 비용이 지나치게 높았습니다.

하지만 엔지니어들은 적당한 전자 부품이 나오기만 한다면 훨씬 더 현명한 방법으로 훨씬 효율적인 전자기기를 개발할 수 있다는 것을 알고 있었습니다.

또 다른 변화는 디지털 기술의 발전입니다. 과거에는 증폭기처럼 아날로그 신호를 처리하는 것은 전적으로 아날로그 회로를 사용해서 개발되었습니다. 하지만 오늘날에는 강력하고 크기가 작고 효율적인 증폭기들이 아날로그와 디지털 기술의 장점을 결합합니다. TV와 서라운드 사운드 홈 시네마 시스템이 바로 그렇습니다. 결과적으로 가정용 오디오에 작고, 강력하고, 효율적인 오디오 증폭기를 사용할 수 있게 되었습니다.

전자 회로에 전력을 공급하는 일은 또 다른 중요한 과제입니다. 전원장치를 사용해서 벽의 콘센트에서 제공되는 전기인 교류(AC)를 휴대전화 충전이나 크고 작은 다양한 가전기기 구동에 사용되는 전기 형태 직류(DC)로 변환합니다. 어떤 때는 연결된 기기에 많은 전력이 필요하고, 또 어떤 때는 매우 적은 전력이 필요합니다. 또 어떤 때는 전력이 전혀 필요치 않습니다. 통상적으로 일정한 양의 전력을 제공하는 것은 비교적 간단한 일이고 효율적으로 할 수 있습니다. 문제는 전력 요구량이 변화되는 경우입니다. 이것을 기술적인 용어로 “부하 변동”이라고 합니다.

이것이 엔지니어들이 전원장치를 설계하고 개발할 때 직면하는 중요한 과제입니다. 이것은 마치 퍼즐을 푸는 것과 같습니다. 대부분의 경우, 적은 양의 전력을 공급하는 데 뛰어나거나 많은 양의 전력을 공급하는 데 뛰어난 솔루션은 쉽게 찾을 수 있습니다. 하지만 효율적이지 않은 동작 모드일 때 보통보다 더 우수하도록 회로를 설계하는 것은 정말로 어려운 일입니다.

대부분의 엔지니어는 자신이 설계하는 전자 장치의 예상 활용 사례에 대해 더 많은 정보를 얻고자 합니다. 공장에서 로봇 구동에 사용되는 전원장치를 개발한다고 했을 때, 얼마만큼의 전력이 언제 사용될지 알고 싶어합니다.  예를 들어서 로봇이 물건을 집어들 때는 많은 전력을 사용합니다. 작업을 마친 다음에는 매우 적은 전력을 소비할 것입니다. 계속해서 빠르게 움직여야 하는 로봇 팔은 느리게 움직이는 로봇 팔에 비해서 더 많은 에너지를 사용할 것입니다.

그런데 로봇은 다목적으로 여러 가지 일을 할 수 있습니다. 로봇이 무거운 자동차 부품을 들어올릴 때 사용하는 에너지는 사무용 가구를 조립할 때 사용하는 에너지와 다를 것입니다.

에너지를 소비하는 이러한 모든 장치들이 서로 통신을 해서 에너지 소비를 조직화하고 최적화할 수 있다면 얼마나 좋을까요?

바로 이 지점에서 진가를 발휘하는 것이 인더스트리 4.0입니다. 이 용어는 폭넓은 의미로 사용되고 있는데, 일반적으로 차세대 산업 혁명이라고 할 수 있습니다. 이것은 상호 통신의 시대로, 로봇과 다른 제조 장비가 서로 통신하고 또 사람 작업자와 통신함으로써 공장에서 상품 생산을 더 효율적으로 할 수 있습니다.

효율 향상이 필요한 한 영역이 전력 소비입니다. 기계들이 서로 조율할 수 있다면, 각각의 에너지 사용을 고르게 하고 전력 수요의 갑작스러운 변동을 줄일 수 있습니다. 그러면 위에서 언급한 것과 같이 에너지를 좀더 효율적으로 사용할 수 있습니다.

컨베이어 벨트에서 물건을 집어 들어서 박스에 넣는 경우라고 했을 때, 준수되어야 할 타이밍 제약이 있을 것입니다. 이럴 때 기계들이 서로 통신할 수 있다면, 종합적으로 좀더 효율적인 작업 순서를 찾아내고 그럼으로써 전력 사용을 좀더 고르게 할 수 있습니다.

인피니언은 다양한 유형의 전력용 반도체 제품을 제공합니다. 최근까지만 하더라도 이러한 반도체는 주로 순수 실리콘 서브스트레이트를 기반으로 했습니다. 이것은 실리콘 칩이 만들어지는 재료입니다. 그런데 소재 과학이 발전함에 따라서 전력 반도체에 매우 적합한 대안적 소재들이 개발되었습니다. 그러한 하나로서 갈수록 중요해지고 있는 것이 실리콘 카바이드(SiC)입니다.

SiC는 전자분야에 오래 전부터 사용되어 왔으나, 몇 년 전에서야 전력 반도체 용으로 상품화 되기 시작했습니다. SiC는 전류 밀도가 높다는 것이 장점이므로, 고전압 고전류 전원장치에 사용하기에 적합합니다.

아주 작은 차이까지도 중요한 전자 분야에서, 인피니언의 CoolSiC™ 쇼트키 다이오드는 전원장치의 효율을 1~2퍼센트포인트 향상시킬 수 있도록 합니다. 이것이 별 것 아닌 것처럼 생각될 수도 있겠으나, 90% 이상의 효율이 보통으로 요구되는 산업에서는 작은 차이도 큰 차이를 만들어낼 수 있습니다.

효율이 향상되면 열로 방출되는 에너지 손실도 줄어듭니다. 그러면 더 가볍고 크기가 작은 디자인이 가능할 뿐만 아니라, 열을 방출하기 위해서 필요로 하는 자원(구리 냉각 소재와 팬 등)을 줄일 수도 있습니다.

서로 통신이 가능한 인더스트리 4.0 기계 장비에 이러한 고효율 부품을 사용함으로써, 전원 장치가 지극히 우수한 효율을 달성하여 전력 낭비를 줄일 수 있습니다. 이와 동시에 자신이 공급하는 부하들과 또 자신 주변의 다른 기계들이 공급하는 부하들이 어떻게 변동되는지를 파악할 수 있어, 최적화되고 효율적인 방식으로 대응하고 가동할 수 있습니다.

우리는 미래의 공장에서 제한적인 자원을 되도록 효율적으로 사용할 수 있기를 바랍니다. 과학자들의 공동 연구 노력 덕분에, 이러한 목표를 실현하는 데 기여할 수 있는 매력적인 소재 특성들이 발견되고 있습니다. 이러한 소재와 유능한 엔지니어들의 통찰을 결합함으로써 에너지 절감 솔루션과 부품들이 개발되고 있습니다.

마지막 업데이트: 2018년 5월