KERI 장성록 박사(가운데)팀이 소수의 저전력 반도체 소자들만으로 '펄스파워 제어용 대용량 스위치' 제작에 성공했다.

한국전기연구원(KERI)이 개발한 ‘펄스파워 제어용 반도체 기반 대용량 스위치’ 기술이 글로벌 최정상급 연구기관들의 많은 주목을 받고 있다.

‘펄스파워(Pulse Power)’는 낮은 전력으로 에너지를 충전한 후, 높은 전력으로 순간 방전하는 기술이고, 이를 제어하는 것이 대용량 스위치다. 대용량 스위치는 순간적인 힘(전자기력)으로 입자를 빠르게 움직이는 가속기, 탄환을 쏘는 레일건(코일건), 먼 지역까지 전파를 쏘는 레이더 등의 분야에서 주로 활용되고 있다. 이 외에도 차세대 전력전송 방식인 직류(DC)를 차단하는 기기를 비롯해 핵융합, 반도체 공정 등 다방면에서 주목받는 기술이다.

현재 산업계에서 활용되는 대용량 스위치의 대부분은 기계적 가스를 이용한다. 가스 스위치는 최대로 견딜 수 있는 정격 전압·전류가 높다는 장점이 있다. 그러나 주요 응용 분야인 가속기에 적용할 경우, 2~3년마다 70억 이상의 교체 비용이 발생했고, 고장에 취약하며 펄스파워를 제어하는 정밀도에도 한계가 있었다.

이에 반영구적 수명을 가지면서도, 펄스파워 제어를 세밀하게 할 수 있는 ‘반도체 소자 기반 대용량 스위치’가 대안으로 떠오르고 있다. 해당 기술은 정격 전압·전류가 낮은 반도체 소자를 하나하나씩 쌓고(스택킹), 이들을 동시에 구동해 하나의 대용량 스위치처럼 사용하는 방식이다. 하지만, 정밀한 설계가 요구되고, 각 소자에 전압과 전류를 고르게 분포시키는 밸런싱 기술, 여러 소자를 동시에 켜고 끄는(동기 구동) 기술 등의 난이도가 높아 전 세계적으로도 기술 개발 및 실증에 많은 어려움을 겪고 있었다.

지난 20년 넘게 관련 분야를 꾸준히 연구해 온 KERI 전기물리연구센터는 반도체 대용량 스위치 기술을 국내 최초로 개발하고 실증까지 하는 데 성공했다. 이번 성과의 핵심은 수천 개의 반도체 소자를 사용한 해외 기술과 달리, 단 수십 개의 저전력 스위칭 소자만 활용했다는 것이다. 소자 개수가 적은 만큼 유지·보수가 용이하며, 시중에서 쉽게 구매할 수 있는 소자로 개발해 상용화에도 유리하다. 또한 소자들을 다양한 직·병렬 구조로 조합할 수 있어 수요자 요구사항에 따른 맞춤형 설계가 가능하다.

스위치가 견딜 수 있는 최대 전압과 전류는 각각 50kV, 10kA로 세계 최고 수준을 자랑하면서도, 개발 기간을 세계 유수 기업들보다도 1년 반 빠르게 단축했다(총 2년 소요). 연구진은 국산화 개발한 스위치를 기술 수요처인 포항가속기연구소 및 동남권원자력의학원과 협력해 실증까지 마쳤다.

이러한 KERI의 성과는 세계 유명 가속기 연구기관들의 큰 관심을 받고 있다. 장성록 박사팀은 지난해 8월, 미국 시카고에서 열린 최고 권위의 ‘선형가속기컨퍼런스(LINAC) 학회’에 참석해 논문을 발표하는 등 기술의 해외 홍보에도 힘썼다. 그 결과 미국 ‘오크리지국립연구소(ORNL)’와 ‘스탠퍼드대학 국립 가속기연구소(SLAC)’가 기술 협력을 제안했고, 현재 국제 공동 연구가 활발하게 논의되고 있다. KERI는 개발한 대용량 스위치를 3월 중 미국 현지로 보내 실증을 진행하고, 기술에 대한 신뢰도를 한층 더 높인다는 계획이다.

KERI 장성록 전기물리연구센터장은 “전 세계 대용량 스위치의 시장 규모는 무려 9조 4천억원에 이를 정도로 적용 범위가 무궁무진하다”라고 밝히며 “우리의 성과가 국내를 넘어 해외에서도 큰 주목을 받는 상황으로, 좋은 결과를 얻을 수 있도록 노력해 해외 시장을 선점하겠다”라며 포부를 전했다.

한편, KERI는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다. 이번 연구는 KERI 기본사업(반도체 소자 기반 대용량 스위치 모듈 국산화 개발)으로 진행됐다.