반도체, ICT 발전
‘직류’(直流)시대 도래

글/ 나경수 (사) 전자정보인협회 회장

전류(電流)는 전하(電荷)의 흐름이다. 전자나 이온 등이 공간 내를 이동할 때 생긴다. 전류의 방향은 양전하의 이동방향과 일치한다. 흐르는 방향이 시간적으로 변하지 않는 전류를 직류(直流)라 하고, 방향이 시간과 더불어 음양으로 변화하는 전류를 교류(交流)라 한다. 또 특히 단시간만 흐르는 전류를 충격(펄스)이라 한다.
단위는 SI 단위계에서는 암페어 기호 A를 쓴다. 1A는 1초간에 1C(쿨롱)의 전기량이 흐르는 전류의 크기이다. 전류에는 금속이나 반도체 속을 전도전자 또는 정공(正孔)이 이동함으로써 생기는 전도전류 외에 대류전류·변위전류 즉 전기선속전류 등이 있다.
직류(直流)는 흐름의 방향이 시간적으로 변하지 않는 전류를 말한다. 직류발전기나 전지(電池)에서 얻는데, 교류를 정류기(整流器)로 정류하여 직류로 만들 수도 있다. 트랜지스터나 집적회로(集積回路), 전동차나 전기화학 공업에 폭넓게 사용된다.
직류발전기(發電機)는 자극(磁極) 또는 영구자석에 의한 자기장과 정류자(整流子)를 가진 전기자(電氣子)로 구성된 기계동력을 받아서 직류전력을 발생시키는 회전기이다. 정류자 구조에 따른 신뢰성과 유지문제 때문에 정지(靜止)전력변환장치로 대치되고 있다.
자기상 속에서 도선(導線)을 운동시키면 플레밍의 법칙에 따라 도선에 기전력이 발생하는데, 이것이 기본원리이다. 그러나 자기장 속에서 코일을 회전시키면 코일 끝에는 교류전압이 발생한다. 직류전압을 얻기 위해서는 정류자와 전기 브러시를 써서 코일 끝의 교류전압의 방향이 바뀔 때, 외부 단자(端子)와의 접속을 바꿀 필요가 있다.
직류송전(送電)은 직류전압·전류로 전기 에너지를 보내는 일이다. 송전은 일반적으로는 전압을 자유롭게 바꿀 수 있는 교류를 사용하지만, 근래에 사이리스터(thyristor; 반도체소자) 변환장치, 반도체 등의 진보에 따라 직류고전압을 얻을 수 있게 된 것과, 장거리 또는 케이블로 대전력을 보내는 데는 교류보다 직류가 유리해졌기 때문에 각국에서 사용하게 되었다.
직류전동기(電動機)는 전기 브러시와 정류자(整流子)를 거쳐, 직류 전류를 공급하여 전기를 회전시키는 회전기이다. 구조는 직류발전기와 같은 원리이다. 또 일정한 자력선속(磁力線束)안에 있는 전기자 권선에 전류를 흘리면, 플레밍의 법칙에 따라 각 전기자 권선에 힘이 생긴다. 이 힘을 정류기구(整流機構)에 의하여 동일 회전방향으로 작동시킨다. 또 여자(勵磁) 방법에 따라 직권(直捲)전동기·분권(分捲)전동기·복권(複捲)전동기·타려(他勵)전동기로 분류된다.
직권전동기는 저속시에 토크(torque)가 크며 전동차 등에 쓰인다. 분권전동기는 정속도(定速度) 특성을 가지며 펌프나 선반 등에 쓰인다. 복권전동기는 직권전동기과 분권전동기의 양쪽 특성을 가지고 있으며, 엘리베이터나 방적기(紡績機) 등에 쓰인다. 타려(他勵)전동기는 분권전동기의 특성과 거의 같다. 직류전동기는 다른 전동기에 비하여 속도제어가 쉽고 광범위하게 제어할 수 있다.
1880년대에 미국에서 전기 표준을 둘러싼 경쟁에서 니콜라 테슬라의 교류에 밀렸던 토머스 에디슨의 직류가 이제 그 가치를 인정받으면서 서서히 지상으로 부상하고 있다. 최근 들어 신재생에너지원과 분산전원, 전기에너지 저장장치와 같이 직류전원이 부쩍 늘어나고 있는 추세와 무관하지 않다.
최근의 정보통신기술이 확장되고 있는 트렌드에 따라 직류전원을 도입하고 있는 여러 종류의 정보통신 관련 기기들이 증가하고 있기 때문으로 풀이되고 있다. 컴퓨터는 물론이거니와 휴대전화 배터리와 태양광이나 풍력, 조력과 같은 신재생에너지에서 얻는 전력의 대부분이 직류를 사용하고 있다.
지난 세기 말엽부터 지금까지 130여년이나 전기표준을 둘러싼 치열한 논쟁에서 승리하여 전성시대를 이루어 왔던 교류는 변압기라는 설비를 통해 용이하게 전압을 바꿔 먼 거리로 전기를 보낼 수 있다. 하지만 전송 시 손실이 큰데다 지하에 매설하는데 따른 거리 제한이 있다. 그러나 이와는 반대로 항상 일정한 전압과 극성을 갖고 있는 직류는 송전 시 전력손실이 적고 지하와 해저 매설에 따른 거리 제한이 없는 장점이 있다.
또 유사시에는 용이하게 전력망을 분리해서 운영이 가능하므로 사고가 발생했을 때에 일어날 수 있는 피해를 최소화 할 수 있다. 하지만 ‘빛이 있으면 그림자도 있듯이’, 전압을 바꾸기 위한 특수한 반도체로 구성되는 전력변환설비가 필요하게 된다. 이로써 송전설비에 관련된 비싼 비용이 발생한다는 단점이 있다.
그러나 오늘날 반도체와 정보통신기술(ICT) 그리고 전력기술이 눈부시게 발달하고 있어 직류의 단점을 어느 정도는 극복할 수 있는 시점에 와 있어 에디슨이 고대하던 직류송전을 이제 활용할 수 있는 시대로 돌입하고 있다.

[본 기사는 월간 경제풍월 제203호 (2016년 7월호) 기사입니다]