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아마드 바하이 (Ahmad Bahai) / 텍사스 인스트루먼트 CTO

30년 전, 중앙의 거대 통신사와 공중파 방송사가 흘려 보내는 정보를 일방적으로 받아들이던 데이터 상호작용 방식에 획기적인 변화가 일어났다. 

이제는 고전압 전력이 비슷한 궤도로 진화하고 있다.

갈수록 더 소형화된 폼팩터에서 더 높은 전력이 변환되고 있다. 일상 생활에서 전력 효율, 지능, 풋프린트에 대한 요구는 끊임없이 높아지고 있다. 이제 모바일 기기의 배터리가 상당한 전력 용량을 제공할 수 있게 되었는데, 그럼에도 여전히 소비자들의 사용과 기대를 따라 잡기에는 역부족이다.

규모가 커질수록 데이터 센터는 70MW(메가와트) 이상에 이르는 총 전력을 소모하고 있다. 이는 웹 검색 클릭을 기다리면서 대기하고 있는 경우에도 마찬가지다. 오토모티브 분야에서는 전기차가 800V 배터리 전원을 사용해 작동하면서, 12V 및 48V 레일을 지원해야 한다. 그러기 위해서는 다수의 전압 도메인 간에 새로운 전력 디바이스와 매우 효율적인 전력 변환을 필요로 한다.

전력은 더 이상 거대 발전소들에서만 사용하는 것이 아닌, 수 킬로미터 이상의 깔려 있는 AC 전력선을 통해 분산되어 있다. 가정의 지붕에 설치된 태양광 패널에서 전력을 수집할 수 있으며 전력망으로 다시 팔 수도 있다. 태양광 패널로부터 매일 배터리를 충전함으로써, 전력망으로부터 벗어날 수 있는 충분한 에너지를 제공할 수 있다. 언젠가는 전기차가 에너지 저장 센터의 기능을 할 수도 있을 것이다.

클라우드 기반 서버에서 주머니 속 USB 드라이브에 이르기까지, 데이터가 중앙으로부터 분산화되고 상호 연결 형태로 저장할 수 있게 된 것과 마찬가지로 전력을 발전하고 저장 및 분배하는 것에 있어서도 변화가 일어남으로써 우리가 생활하고 일하는 것에 지대한 영향을 미치게 될 것이다.

사람들에게 더 많은 전력을 제공할 수도 있다. 하지만 데이터와 전력은 둘 다 비슷한 방식으로 진화하고 있다는 점에서 머물지 않고 한 발 더 나아가고 있다. 어떤 애플리케이션에서는 동일한 매체로 융합되고 있으며, 차세대 USB 케이블 연결 또는 고전압 애플리케이션에서는 절연 벽을 통해 데이터와 전력을 둘 다 전송할 수 있다.

이러한 세대 간의 변화는 반도체 산업의 혁신에 있어 중요한 영향을 미치고 있다.

에너지 효율

우리는 지금 전력 소모적인 디지털 세상에 살고 있다. 우리가 소셜 미디어 댓글을 확인하거나, 전기 요금을 지불하거나, 전자책을 다운로드하거나 또는 이메일을 보낼 때마다 방대한 데이터 센터에 있는 다수의 서버들이 가동된다.

이러한 서버들은 사용자의 클릭을 대기하고 있거나 처리할 때 엄청난 양의 전기를 필요로 한다. 도로 상에서 전기차와 하이브리드 전기차가 갈수록 늘어나고 모든 분야에서 전기화가 가속화됨으로써 전력에 대한 수요는 계속해서 증가하고 있다. 앞으로 어떤 더 많은 혁신적인 것들이 쏟아져 나올지 알 수 없다.

이러한 혁신들이 갈수록 우리 생활의 필수적인 부분으로 자리잡음으로써, 에너지에 대한 계속적인 수요의 증가를 충족한다는 것은 지속될 수 없다. 그러므로 에너지 효율을 높이는 것이 절대적으로 필요하다.

혁신적인 소재를 적용한 반도체

데이터와 마찬가지로, 오늘날의 전력은 여러 방향으로 움직인다. AC에서 DC로, DC에서 DC로, DC에서 AC로 고전압 에너지를 변환하기 위해서는 효율적인 전력 변환 모듈이 필요하다. 전력에 대한 수요가 늘어날수록 이들 모듈은 혹독한 조건에서도 고전압 전력을 제공하기 위해서 더 효율적이며 우수한 기술을 필요로 한다.

바로 이 점에서 갈륨 나이트라이드, 실리콘 카바이드, 실리콘 수퍼 정션 같은 첨단 기술이 진가를 발휘한다. 이들 기술은 기존의 실리콘 전력 디바이스보다 더 적은 열을 발생시킨다. 즉, 다중 소스들 간에 고전압 전력을 전송하고, 한 소스에서 다른 소스로 변환하는 것이 더 효율적이기 때문이다.

이러한 혁신적인 기술은 지금까지 반도체 개발의 토대를 이루었던 것과는 전혀 다른 복잡한 회로 아키텍처와 패키징 기술을 필요로 한다. 기존의 CMOS 기술이 무어의 법칙에 따라 몇 년마다 데이터 전송 및 처리 속도가 두 배로 높아졌던 것과 마찬가지로, 이들 새로운 기술은 5~10년마다 고전압 전력 밀도가 계단식으로 향상되고 있다.

이러한 향상은 갈수록 전기화되는 세상에서 중요한 역할을 할 것이다. 배터리로 작동되는 시스템에서는 갈수록 더 높은 전력 효율을 요구하고 있는데, 배터리 기술만으로는 새로운 기능들이 추가되는 것에 따르는 전력 요구를 따라잡을 수 없기 때문이다. 또한 오늘날 연결된 세상의 중요한 축을 담당하고 있으며 그 수가 점점 늘어나고 있는 데이터 센터 같은 애플리케이션에서는 향상된 전력 관리를 필요로 한다. 이러한 데이터 센터에 설치된 서버들은 어마어마한 양의 전기를 소모하며, 이러한 새로운 반도체 기술을 사용함으로써 전력 변환 횟수를 줄일 수 있으므로 그만큼 효율을 높일 수 있다.

오토모티브 분야에서, 설계자들은 매년 더 많은 전력 소모적인 고전압 전자 장치들을 자동차에 추가하고 있다. 흥미롭게도 전력이 100W 늘어날 때마다 제조 비용이 5달러가 추가되는데, 오토모티브 전력은 연간 100W씩 늘어나고 있으며, 전기차의 경우 이보다 훨씬 빠르다. 이 기술들을 사용함으로써 전력 밀도를 높일 수 있기 때문에, 갈륨 나이트라이드와 실리콘 카바이드 같은 첨단 전력 디바이스가 갈수록 더 중요한 역할을 할 것이다. 예를 들어, 전기차의 경우 배터리를 더 빠르고 길게 충전할 수 있고, 더 먼 거리까지 주행할 수 있으며 고전압 시스템을 작동할 수 있다.

USB Type-C™ 기술

차세대 USB Type-C는 전력과 데이터를 융합함으로써 우리가 매일 사용하는 기술에 변화를 가져오고 있다. 예를 들어 오늘날 대부분의 노트북 컴퓨터는 충전, 디스플레이, 오디오, 전통적인 USB 인터페이스를 포함한 다수의 커넥터를 포함한다.

새로운 연결 표준으로 자리잡고 있는 USB Type-C는 모든 데이터와 전력 포트를 하나의 대용량 라인으로 통합할 수 있고 방향 구분 없이 연결할 수 있다.

절연 벽

또한 에어 컨디셔닝 시스템에서 공장 자동화에 이르기까지 애플리케이션의 고전압 회로에서 사용되는 절연 벽을 가로질러 전력과 데이터가 융합되고 있다. 절연 전력에 대한 요구가 빠르게 늘어나고 있으며, 절연 벽을 통해 데이터를 전송하는 것은 수년 전부터 이용이 가능했다. 하지만 전력을 전송하기 위한 별도의 트랜스포머를 필요로 해서 디스크 공간을 차지하고 신뢰성 문제를 야기한다.

그러나 새로운 디바이스인 ISOW7841은 다중 실리콘 다이와 트랜스포머를 단일 패키지로 통합하고, 시장의 다른 솔루션들 보다 전력 전송이 80% 더 효율적이고 훨씬 더 조용하게 작동함으로써 이러한 문제를 해결한다.

반도체 사용 증가

경제가 성장할수록 자동차, 데이터 센터, 공장, 가정, 그 밖에 우리의 삶을 향상시키는 많은 시스템들을 더 효율적으로 작동해야 한다. 또한 모든 전자 시스템에 전력 관리가 중요해짐에 따라 혁신은 가속화되고 디지털 라이프의 핵심인 반도체의 사용은 늘어날 것이다.