[첨단 헬로티]
제조 분야는 계속 변화하고 있다. 100년 전 공장 가동을 위한 주된 에너지는 고용인들의 수작업와 그들이 지닌 개개인의 힘에 의존했다. 공장은 발전을 거듭하면서 최근의 공장은 엄청난 양의 전기 전력을 소비하고 있다. 이러한 전력은 공장을 효율적으로 가동하기 위한 컴퓨터, 자동화 장비, 로봇에 사용되고 있다. 하지만 사용할 수 있는 전기 에너지는 무한하지 않다. 그렇다면 이러한 에너지를 효율적으로 사용하기 위해서 어떤 일들이 진행되고 있을까?
에너지 효율을 높이려면?
공장은 우리가 구입하고 매일 사용하는 상품을 생산하기 위해서 많은 전력을 필요로 한다. 작은 공장은 한 가정에서 한 달 동안 쓰는 에너지를 일주일에 소비할 수 있다. 규모가 큰 공장은 이 양을 하루에 소비하거나 단 몇 시간 만에 소비할 수도 있다. 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 한다.
이러한 목표를 실현하기 위해서 전자 업계가 중요한 역할을 하고 있다. 특히 전자 부품과 소재를 연구하고 설계하고 개발하는 모든 과학자들과 연구자들의 역할이 크다. 오늘날 가전기기가 얼마나 진화했는지 보려면 1980년대의 오디오 시스템을 떠올려보면 된다. 당시에 이러한 시스템에 사용되는 증폭기는 효율이 대략 50~60%에 달했다. 이것은 매 1와트의 출력 전력에 낭비되는 전력이 대략 절반이라는 뜻한다. 낭비된 에너지는 열로 방출된다. 이것은 세탁기, 냉장고, TV도 마찬가지다.
전력 효율을 높이기 위한 두 가지 접근법
효율을 높이기 위해서 엔지니어가 고려해야하는 두 가지 접근법이 있다.
◎ 첫 번째 접근법: 부품의 효율 향상
시간이 지나면서 전자 부품은 더 작아지고 효율은 높아지고 있다. 새로운 소재들이 개발됨에 따라서 전보다 더 작은 패키지로 더 많은 일을 할 수 있는 부품들이 개발됐다. 이러한 모든 연구가 이루어지게 된 것은 고객들이 전자 회로의 구성 요소인 전자 부품의 효율 향상을 요구하기 때문이다.
◎ 두 번째 접근법: 전자 회로에서 전자 부품을 전략적으로 사용
1980년대에는 증폭기를 구현하는 방법이 제한적이었다. 이것은 어느 정도 부품의 한계 때문이었다. 어떤 경우에는 효율을 조금 향상시키기 위해 회로를 만드는데 드는 비용이 매우 컸다. 성능 향상에 비해서 들어가는 비용이 지나치게 높았다. 또 다른 변화는 디지털 기술의 발전을 들 수 있다. 과거에는 증폭기처럼 아날로그 신호를 처리하는 것은 전적으로 아날로그 회로를 사용해서 개발됐다. 하지만 오늘날에는 강력하고 크기가 작고 효율적인 증폭기들이 아날로그와 디지털 기술의 장점을 결합한다. TV와 서라운드 사운드 홈 시네마 시스템이 바로 그렇다. 결과적으로 가정용 오디오에 작고, 강력하고, 효율적인 오디오 증폭기를 사용할 수 있게 됐다.
전력 공급의 타이밍
전자 회로에 전력을 공급하는 일은 또 다른 중요한 과제이다. 전원장치를 사용해서 벽의 콘센트에서 제공되는 전기인 교류(AC)를 휴대전화 충전이나 크고 작은 다양한 가전기기 구동에 사용되는 전기 형태 직류(DC)로 변환한다. 어떤 때는 연결된 기기에 많은 전력이 필요하고, 또 어떤 때는 매우 적은 전력이 필요하다. 또 어떤 때는 전력이 전혀 필요치 않다. 통상적으로 일정한 양의 전력을 제공하는 것은 비교적 간단한 일이고 효율적으로 할 수 있다. 문제는 전력 요구량이 변화되는 경우이다. 이것을 기술적인 용어로 “부하 변동”이라고 한다.
이것은 엔지니어들이 전원장치를 설계하고 개발할 때 직면하는 중요한 과제이다. 이것은 마치 퍼즐을 푸는 것과 같다. 대부분의 경우, 적은 양의 전력을 공급하는 데 뛰어나거나 많은 양의 전력을 공급하는 데 뛰어난 솔루션은 쉽게 찾을 수 있다. 하지만 효율적이지 않은 동작 모드일 때 보통보다 더 우수하도록 회로를 설계하는 것은 정말로 어려운 일이다.
통찰에 기반한 의사결정
엔지니어들이 효과적인 의사 결정을 하기 위해서는 더 우수한 통찰력이 필요하다. 대부분의 엔지니어는 자신이 설계하는 전자 장치의 예상 활용 사례에 대해 더 많은 정보를 얻고자 한다. 공장에서 로봇 구동에 사용되는 전원장치를 개발한다고 했을 때, 얼마만큼의 전력이 언제 사용될지 알고 싶어한다. 예를 들어서 로봇이 물건을 집어들 때는 많은 전력을 사용한다.
작업을 마친 다음에는 매우 적은 전력을 소비할 것이다. 계속해서 빠르게 움직여야 하는 로봇 팔은 느리게 움직이는 로봇 팔에 비해서 더 많은 에너지를 사용할 것이다. 그런데 로봇은 다목적으로 여러 가지 일을 할 수 있다. 로봇이 무거운 자동차 부품을 들어 올릴 때 사용하는 에너지는 사무용 가구를 조립할 때 사용하는 에너지와 다르다.
에너지를 소비하는 이러한 모든 장치들이 서로 통신을 해서 에너지 소비를 조직화하고 최적화할 수 있다면 이상적일 것이다.
글 / 인피니언 테크놀로지스
