[위즈덤 TECH]신재생 에너지에 반도체는 어떻게 쓰일까?
[ 위즈덤 아고라 / 한동민 기자] 환경문제가 점점 악화되고 있다는 것은 누구나 아는 사실이다. 실제로 2010년도 초기에 비해 현재 우리나라 국민들의 환경문제에 대한 관심도는 30% 넘게 늘어났고, 그만큼 환경보호를 위한 국민지출이 꾸준히 늘고 있다.
환경문제를 해결하는 가장 현실적인 설루션은 신재생 에너지의 사용과 그 기술을 더 실용적으로 발전시키는 것이다. 특히나 신재생 에너지의 발전 효율을 높이는 것은 탄소 배출을 줄이고 전체 에너지 효율을 증가시키려는 글로벌 계획에서 가장 중요한 과제이다. 신재생 에너지는 자연적으로 재생 가능하고 무제한 공급이 가능하므로 탄소 배출을 줄이는 데 도움을 줄 수 있고 또 장기적으로 봤을 때, 탄소배출 제로 목표에 있어 중요한 요소이다.
대표적인 신재생 에너지로는 풍력에너지와 태양에너지가 있다. 그리고 이러한 에너지 발전에는 반도체가 필수적이기도 하다.
풍력에너지의 경우, 규산화 실리콘을 전기성 특성이 굉장히 뛰어난 반도체 소재를 사용함으로써 전력 손실을 최소화할 수 있다. 실제로 풍력 터빈에서는 전력반도체가 전기를 변화해 발전기를 그리드에 연결한다. 또한 풍력터빈의 풍력 변환기는 몇 가지 필수 기능을 제어하기 때문에 효율성이 뛰어난 전력 반도체가 필요하다. 특히 풍력 터빈 설계는 전기 전력망 안정성에 기여하기 위해 최대의 가용성을 제공해야 하며, 이는 풍력을 신재생 에너지로 변환시키는 과정 중 가장 중요한 요소다. PrimePACK™와 EconoDUAL™ 과 같은 높은 효율성을 보여주는 풍력 발전 컨버터들을 발전시키고 사용하여 꾸준한 발전을 통해 풍력 에너지의 발전을 이뤄낼 수 있을 것이다.
태양광 에너지는 모두가 알다시피 태양열을 에너지로 전환하는 기술이다. 태양빛이 반도체에 쏘이는 순간 반도체의 광전효과가 일어나게 된다. 이 빛의 에너지가 반도체 소재 안으로 흡수되면서, 전자라는 작은 입자들이 밖으로 빠져나오고, 동시에 홀이라는 작은 입자들도 생겨난다. 이것을 우리는 전자-홀 쌍이 생성된다고 표현한다. 여기서 중요한 점은, 전자-홀 쌍이 생성되면서 전기가 생기는데, 전자는 반대 방향으로 움직이는 전기를 만들고, 홀은 반대 방향으로 움직이는 전기를 만든다. 그리고 이 흐르는 전기를 외부 회로에 연결하면, 전기 에너지가 외부로 전달되어 전구나 모바일 폰을 작동시키는 등 유용하게 쓰일 수 있는 신재생 에너지로 전환되는 것이다.
계속되는 반도체의 발전으로 태양열을 에너지로 변환시키는 효율성은 계속 증가할 것이다. 또한 반도체 제조 기술의 발전으로 태양광 전지 생산 비용이 점점 낮아지고 있기도 하다. 낮은 생산 비용은 태양광 시스템을 구축하고 운영하는데 드는 비용을 줄여 줄여줄 뿐만 아니라 비용감축으로 인해 실생활에서 더 많이 접근될 수 있고 사용될 수 있을 것이다.
마지막으로 스마트 그리드라는 기술 또한 주목받는 신재생 에너지 기술 중 하나이다. 제2의 전력혁명이라고도 불리는 스마트 그리드 기술은 전력공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환, 에너지효율을 최적화하는 전력망을 말한다. 쉽게 말해 소비자들에게 고품질의 전력서비스를 제공하고 에너지 이용효율을 극대화하는 전력망인 것이다. 이 기술에도 반도체는 사용되는데 스마트 그리드 시스템의 센서, 제어장치, 통신기기등에 반도체가 필수적으로 사용된다. 더욱더 효율적인 반도체 소자를 사용하게 된다면, 더 빠르게 데이터 처리와 분석을 함으로써 스마트 그리드에서의 경쟁력을 키울 수 있게 될 것이다. 또한 반도체 기술의 발전은 통신 기기들을 지원하고 빠르고 안정적인 데이터 전송을 가능하게 함으로써 무선 통신 기술과의 결합으로 네트워크 간의 연결성과 커뮤니케이션 효율성을 향상함으로써 세계무대에서 더 경쟁력 있는 기술을 선보일수 있을 것이다.
위와 같이 스마트 그리드 기술을 비롯한 신재생 에너지들과 반도체 기술의 융합은 미래 전력 시스템의 발전과 지속 가능한 에너지 전환에 큰 기여를 할 것이다. 반도체 기술의 지속적인 발전으로 인해 스마트 그리드는 더욱 지능적이고 효율적으로 전력을 관리하고, 에너지 생산과 소비를 최적화함으로써 우리 인류가 맞고 있는 환경문제들을 조금이라도 개선할 수 있다면, 이러한 기술은 환경 보호와 지구의 미래를 위한 중요한 전환점을 제공할 것이다.
[위즈덤 TECH] 4차 산업혁명으로 인공지능 기술이 도입되면서 빠르게 발전하는 공학분야의 핵심은 바로 반도체입니다. 반도체의 과거, 현재부터 미래 그리고 다양한 응용 분야를 학생들이 쉽게 이해할 수 있도록 칼럼을 연재합니다. 위즈덤 아고라 한동민 기자의 ‘위즈덤 TECH’로 반도체의 세계를 만나보세요.
