‘반도체 기반 대용량 스위치’로 글로벌 시장 공략

한국전기연구원(KERI)이 20년 넘게 연구해 온 결과, 단 수십 개의 저전력 스위칭 소자만으로 세계 최고 수준의 전압·전류(각각 50kV, 10kA)를 견디는 ‘펄스파워 제어용 반도체 기반 대용량 스위치’ 기술을 국내 최초로 개발해 실증에 성공했다. 이 기술은 글로벌 최정상급 연구기관들의 큰 주목을 받고 있다.

‘펄스파워(Pulse Power)’는 낮은 전력으로 에너지를 충전한 후, 높은 전력으로 순간 방전하는 기술이다. 이를 제어하는 대용량 스위치는 가속기, 레일건(코일건), 레이더 등 다양한 분야에서 활용된다. 또한, 직류(DC) 차단기, 핵융합, 반도체 공정 등 차세대 전력전송 방식에도 적용 가능해 주목받고 있다.

현재 산업계에서 활용되는 대부분의 대용량 스위치는 기계적 가스를 사용해 높은 정격 전압·전류를 견디지만, 가속기 같은 주요 응용 분야에서는 2~3년마다 70억 원 이상의 교체 비용이 발생했고, 고장에 취약하며 제어 정밀도에도 한계가 있었다.

이에 반영구적 수명을 가지면서도 펄스파워 제어를 세밀하게 할 수 있는 ‘반도체 소자 기반 대용량 스위치’가 대안으로 떠올랐다. 해당 기술은 정격 전압·전류가 낮은 반도체 소자를 하나씩 쌓아(스택킹) 동시에 구동해 하나의 대용량 스위치처럼 사용하는 방식이다.

정밀한 설계와 각 소자에 전압·전류를 고르게 분포시키는 밸런싱, 그리고 여러 소자를 동기 구동하는 기술의 난이도를 극복해 국내 최초로 개발됐고 실증에도 성공했다.

이번 스위치는 최대 전압 50kV, 최대 전류 10kA로 세계 최고 수준의 성능을 자랑하며, 개발 기간을 세계 유수 기업들보다 1년 반 빠르게 단축(총 2년 소요)했다. 연구진은 국산화한 스위치를 포항가속기연구소와 동남권원자력의학원 등과 협력해 실증했다.
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이 성과는 미국 시카고에서 열린 ‘선형가속기컨퍼런스(LINAC)’ 학회에서 논문 발표를 통해 해외 홍보에 힘을 쏟은 결과, 미국 오크리지국립연구소(ORNL)와 스탠퍼드대학 국립 가속기연구소(SLAC)가 기술 협력을 제안하는 등 세계 유명 연구기관들의 큰 관심을 받고 있다. KERI는 개발한 대용량 스위치를 3월 중 미국 현지로 보내 실증해 기술 신뢰도를 한층 높일 계획이다.

KERI 장성록 전기물리연구센터장은 “전 세계 대용량 스위치 시장 규모는 무려 9조 4천억원에 달할 정도로 적용 범위가 무궁무진하다”며 “우리 성과가 국내를 넘어 해외에서도 큰 주목을 받고 있는 만큼, 좋은 결과를 얻어 해외 시장을 선점하겠다”고 포부를 밝혔다.

한편, KERI는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관으로, 이번 연구는 KERI 기본사업 ‘반도체 소자 기반 대용량 스위치 모듈 국산화 개발’으로 진행됐다고 밝혔다.