위키원
전력
전력(電力, electric power)은 단위 시간당 전달되는 전기에너지로, 전력의 단위는 대부분 와트(W) 또는 킬로와트(kW)를 사용한다.
목차
개요
전력은 단위시간 동안 다른 형태의 에너지로 변환되는 전기에너지이다. 1W는 1암페어(A)의 전류가 1V의 전압이 걸린 곳을 흐를 때 소비되는 전력의 크기다. 실생활에서는 단위시간에 사용하는 전기에너지인 전력보다 일정 시간 동안 사용한 전체 전기에너지의 양이 중요하다. 그러므로 전력에 사용 시간을 곱한 전력량을 주로 사용한다. 전기요금은 전력량에 따라 부과된다.[1] 전력량은 도선을 통해 공급되는 전기에너지의 양을 의미하고 전력을 시간에 대해 적분한 값으로서 단위는 W·s이다. 전력회사에서는 전력량에 따라 전기요금을 매기는데 이때 쓰는 단위는 KW·h이다. 이 단위는 1000W의 전력을 1시간 동안 사용한 에너지이며 이를 국제표준 단위로 환산하면 3,600,000J에 해당한다.[2]
원리
옴의 법칙
전기 흐름의 방해하는 작용을 전기 저항이라 하며, 저항이 클수록 전류는 적게 흐른다. 1826년, 독일의 옴은 전압과 전류와 저항의 관계를 정리하여 “전압이 커지면 커질수록 전류의 세기가 세지고 전기 저항이 크면 클수록 전류의 세기는 약해진다”는 옴의 법칙을 발견하였다.[3] 즉, 회로에 흐르는 전류의 크기는 전압에 비례하고 저항에 반비례한다. 전기회로를 회로에 전류가 흘러 저항을 통과하면 저항에는 옴의 법칙에 따라 전압이 생기는데 이때 저항에 생기는 전압을 전압강하라 한다. 저항에 생기는 전압 I=V/R로 구하게 된다.[4] 더불어 옴의 법칙은 전기회로 내의 가장 중요한 3요소인 전류, 전압, 저항 사이의 관계를 나타내는 법칙이기 때문에 회로의 특성을 파악할 때 가장 기본적으로 사용한다. 따라서 회로 전체로 범위를 설정하거나 회로의 일부분을 설정하여도 모두 적용할 수 있다. 직류회로와 교류회로 모두 적용 할 수 있고, 저항 이외의 저항체가 존재할 경우에는 저항 대신 임피던스를 사용한다.[5]
줄의 법칙
줄의 법칙은 저항체에 흐르는 전류의 크기와 이 저항체에서 단위 시간당 발생하는 열량과의 관계를 나타낸 법칙이다. 전류에 의해 생기는 열량은 전류의 세기의 제곱, 도체의 전기저항, 전류가 흐른 시간에 비례하며, 이 열은 J이지만 cal 단위로 나타낼 수 있다. 도체에 전류가 흐를 때 발생하는 열인 줄열에 대해 발견한 법칙이다. 1840년 제임스 줄은 전류가 열을 발생시킨다는 점에 주목하여 저항을 통과하는 전류가 발생시키는 열은 흘려준 전류의 제곱에 비례한다는 법칙을 발견하였다. 즉, 전류에 의해 생기는 열량 Q는 전류의 세기 I의 제곱과 도체의 전기저항 R과 전류를 통한 시간 t에 비례한다. 전류의 단위인 A, 전기저항의 단위인 옴(Ω)을 사용하면, 이 전류를 t 초 동안 흐르게 했을 때 발생하는 열량은 cal 단위로 Q=0.24 I² Rt 라는 식을 얻을 수 있다. 이 법칙은 전류의 정상, 비정상과 관계없이 적용된다.[6] 더불어 줄의 법칙은 전기 용접기, 전기용광로, 전기 난로, 전기 밥솥, 다리미, 백열 전구 모두 이용되고 있다.[7]
구분
직류전력
직류전력은 단순히 전압과 전류의 곱으로 부하 전압과 회로에 흐른 전류뿐 그 밖에 요소는 존재하지 않는다. 또한 전원의 전압은 일정하고 회로를 흐르는 전류도 부하에 따라 일정하다.[8] 직류는 양극과 음극을 가진 전기로 시간이 지나도 전류와 전압이 일정하다. 보통 전력 손실을 최소화하면서 전기를 멀리까지 보내기 위해 전기의 세기인 전압을 높이지만 토머스 에디슨이 직류를 주장하던 당시에는 직류의 전압을 올릴 만한 기술력이 없었다. 미국 전역에 직류로 전기를 공급하려면 송전 거리가 짧아 발전소를 도시 인근에 빼곡히 건설해야 했다. 하지만 직류 전력망이 다시 가능해진 것은 발전한 기술 발전 중 고압 직류송전(HVDC)가 핵심이다. 고압 직류송전은 고압의 교류를 직류 전기로 바꿔 송전하는 방식으로 교류와 직류를 바꿔주는 전력 반도체 기술이 발달하면서 가능해졌다. 한국전력공사는 제주도와 육지를 고압 직류송전 방식으로 연결했고, 동해안과 수도권을 연결하는 고압 직류송전도 추진하고 있으며 국가 간 송전망 구축에도 이 기술이 확대되는 추세다. 이론적으로 직류는 교류보다 전력 손실이 적어 효율적인데, 100의 전력을 보낸다고 할 때 직류는 100 그대로 보내면 된다. 이처럼 직류 전압은 교류 전압의 최댓값에 비해 크기가 약 70％이기 때문에 절연도 쉽고 사고가 났을 경우 손쉽게 전력망을 분리해 운영할 수 있어 대정전인 블랙아웃 사태도 사전에 방지할 수 있다.[9]
교류전력
교류전력은 직류전력과 달리, 고려해야 하는 요소가 존재하는데 전압과 전류에 실효치를 사용해야 하고 전압과 전류 사이는 위상차가 있으며 전력을 소비하는 비율을 나타내는 역률 등이 있다. P는 전압과 전류의 실효 값을 V, I 사이의 위상차를 θ로 나타낸다. 교류전력은 유효전력인 P와 무효전력인 Q, 피상전력 S가 있다.
- 유효전력 : P로 나타내며 W를 사용한다. 전력은 P=VIcosθ으로 나타내지만, 이는 실제로 부하로 소비되는 전력인 소비전력을 말하며 이것을 유효전력이라고 부른다. 단순한 전력은 대부분 유효전력을 뜻하고 cosθ를 역률(power factor)이다. 즉 유효전력은 부하로 실제 소비되는 전력이다.
- 무효전력 : 전압과 90도의 위상차가 있는 전류 Isinθ와 전압 V의 곱이다. 무효전력은 실제로 부하로 전기에너지로 소비되지 않는 전력으로 Q로 나타내며 단위는 var를 사용한다. 부하에 접속된 전동기, 모터 등의 유도성 리액턴스나 정전용량에 의한 용량성 리액턴스에 의해 발생한다. 즉 무효전력은 전력을 소비하지 않는 만큼의 전력이다.
- 피상전력 : 단순히 교류의 전압 V와 전류 I의 곱을 나타내고 전원에서 송출되는 전력이다. 피상전력은 S로 나타내고 VA 단위를 사용한다. 즉 피상전력은 전원에서 보내는 전력이다.[8]
활용
소비전력
소비전력은 전자기기의 정상적인 운영을 위해 전자기기에 공급되어야 하는 전기에너지를 일컫는다. 단위는 와트(W) 또는 킬로와트(KW)를 사용한다. 에어컨이나 히터 옆에 붙어 있는 에너지 소비효율 등급 스티커를 통해 월간 소비전력량 값을 통해 한 달 동안 제품 사용 시 소비될 전력량을 확인할 수 있다. 디스플레이에서 소비전력 이슈의 시작은 2000년대 초중반 LCD와 PDP가 서로 경쟁하던 시기로, PDP TV는 대형화, 해상도, 잔상 등에서 장점이 있는 디스플레이였지만, LCD TV 대비 30~40% 높은 소비전력의 문제점을 가지고 있었다. 디스플레이 해상도는 FHD, UHD를 거쳐 8K까지로도 나아가면서 같은 사이즈의 TV의 경우 고해상도로 갈수록 픽셀 수가 많아져 백라이트에서 나온 빛을 통과시키기가 힘들다. 결국 기존과 같은 밝기를 내기 위해서는 광원을 더욱더 세게 할 수밖에 없게 되고 또한 디스플레이가 대형화되면서 더 넓은 면적에 광원을 균일하게 전달해야 하므로 소비전력 증가는 필연적으로 발생할 수밖에 없다. 따라서 기업들은 비용 절감은 물론 친환경 차원에서 소비전력을 낮추기 위한 논의를 계속해서 진행 중이다. 엘지디스플레이㈜의 경우 화면에 따라 필요한 부분에만 백라이트 빛을 밝히는 로컬디밍(Local Dimming) 기술을 통해 기존보다 소비전력이 1/3 수준인 디스플레이도 출시하였다. 또한, 모바일의 경우 전체 화면 면적과 정보 표시가 가능한 면적의 비율인 개구율을 높여 휘도와 소비전력까지 잡을 수 있는 AH-IPS 기술이 등장했다. 더불어 M+는 RGB에 화이트 서브 픽셀을 추가하고 독자 개발한 알고리즘을 적용해, 기존 LCD 제품보다 휘도는 50% 향상하거나 소비전력은 35%까지 절감시킬 수 있는 혁신적인 기술을 개발했다.[10] 또한 소비전력은 전력과 동일하게 사용한 전기량을 전력량이라 하며 전력에 시간을 곱한 양인 킬로와트시(KWh)를 많이 사용하며, 가정용 전력계는 전력량을 계산하는 기기이다. 소비전력은 정격전압과 함께 표시된다. 정격전력은 각 기기가 견딜 수 있는 전력으로 정격전력 이상의 전력을 사용하면 발열과 함께 기기가 망가진다. 대기전력은 기기를 사용하지 않을 때 사용되는 전력으로 우리나라 전력 사용량의 1.7% 정도에 해당한다. 가정에서 대기전력을 줄이는 방법으로 사용하지 않는 전기기구의 전원을 뽑는다. 전기회로에 사용되는 저항은 흔히 정격전력 1/8W를 많이 사용한다. 그러나 실제 회로에서는 정격전력 이하의 전력에서 작동되게 전압을 조절하므로 실제 사용되는 소비전력은 이보다 작게 사용된다. 겨울철에 사용하는 온풍기는 소비전력이 2KW 정도이고 가습기는 100W 정도이며 텔레비전의 경우 대기전력은 5~10W 정도이고 절전형인 경우 3W 이하이다. 텔레비전의 소비전력은 200W 정도이다.[11]
SIC 전력반도체
전력반도체는 전력을 변환하고 처리 제어하는 반도체로 한국에서 2011년 기준으로 약 2조 7,000억 원어치씩 사용하며 이 가운데 95%를 수입한다. 정부가 2013년부터 2020년까지 8년간 3,230억 원을 투자해 효율이 좋은 전력반도체 원천, 상용화 기술을 개발했다. 또한 송배전, 가전, 산업, 수송 기기용 전력 반도체와 함께 화합물, 고압 소자처럼 기초 공정 기술을 확보하는 게 목표다.[12] 더불어 자동차의 전기화가 진행 중인 가운데, 플러그인 하이브리드 자동차나 완전 전기자동차(xEV)는 매우 효율적인 전력반도체가 필요하다. 전통적인 실리콘 칩에 비해서 많은 이점을 제공하는 실리콘 카바이드는 산업용 애플리케이션뿐만 아니라, 이제 자동차에도 활용할 수 있게 됐다. SiC 전력반도체는 효율과 전력 밀도가 우수하므로 배터리를 소형화하고, 시스템 크기와 무게를 줄이고, 더 빠르게 충전할 수 있으며, 궁극적으로 전기자동차 확산을 가속할 것이다. 기술의 발전으로 SiC 전력반도체는 완전 전기자동차 서브 시스템에 점점 더 많이 사용될 것이다. 전력 모듈과 디스크 리트 솔루션은 주로 실리콘 기반 발광 다이오드, 모스펫(MOSFET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터를 사용하지만, 완전 전기자동차 드라이브 트레인에 SiC 전력반도체 회로를 사용하면 동일한 전력 전격으로 칩 크기를 훨씬 줄일 수 있으며 열 손실을 낮출 수 있다. 그러므로 이전 시스템과 비교해서 더 효율적이고 가볍운 애플리케이션을 달성할 수 있다. SiC 전력반도체가 적합한 대표적인 애플리케이션으로는 메인 인버터, 온보드 차저, 부스터, DC/DC 컨버터 등을 들 수 있다. 디자인의 트렌치 기법 등과 제조 공정이 혁신적으로 발전함에 따라 이러한 디바이스는 자동차 업계가 요구하는 신뢰성 수준을 달성할 수 있게 됐다. 또한 SiC 전력반도체는 베이스 소재 제조가 훨씬 더 복잡하므로 제조할 수 있는 웨이퍼 직경이 더 작으며, 웨이퍼당 더 많은 결함을 발생시킬 수 있고, 비용이 더 많이 든다. 하지만 몇 년 사이에 기술이 크게 발전함으로써 결함 밀도를 현저히 낮출 수 있게 됐다. 그럼으로써 더 넓은 칩 면적이 가능하게 되었고 전력 패키지로 수월하게 집적할 수 있게 됐다.[13]
각주
- ↑ 〈전력〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈전력〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 사이언스올, 〈1826년 옴의 법칙 발견〉, 《사이언스타임즈》, 2004-12-06
- ↑ 〈옴의 법칙〉, 《멀티스페이스》
- ↑ 사이언스올, 〈옴의 법칙〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
- ↑ inyoungeun, 〈줄의 법칙 (Joule’s law, ─法則)〉, 《워드프레스》, 2016-04-04
- ↑ 야라바, 〈전류의 발열 작용 - 전기기능사 이론 공부〉, 《티스토리》, 2019-04-08
- ↑ 8.0 8.1 다사랑, 〈직류전력과 교류전력의 차이〉, 《네이버 지식백과》, 2020-10-27
- ↑ 유지한 기자, 〈직류냐 교류냐… 100년 만에 '2차 전류 전쟁'〉, 《조선비즈》, 2019-08-29
- ↑ 엘지디스플레이㈜, 〈(디스플레이 상식 사전) 소비전력(Power Consumption)〉, 《엘지디스플레이㈜ 공식 블로그》, 2016-03-03
- ↑ 〈소비전력〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈전력 반도체〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 로랑 부레노트 수석 엔지니어, 〈자동차에서 고효율, 고성능 SiC 전력반도체 활용〉, 《에이이엠》, 2018-05
참고자료
- 〈전력〉, 《네이버 지식백과》
- 〈전력〉, 《네이버 지식백과》
- 사이언스올, 〈1826년 옴의 법칙 발견〉, 《사이언스타임즈》, 2004-12-06
- 〈옴의 법칙〉, 《멀티스페이스》
- 사이언스올, 〈옴의 법칙〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
- inyoungeun, 〈줄의 법칙 (Joule’s law, ─法則)〉, 《워드프레스》, 2016-04-04
- 야라바, 〈전류의 발열 작용 - 전기기능사 이론 공부〉, 《티스토리》, 2019-04-08
- 다사랑, 〈직류전력과 교류전력의 차이〉, 《네이버 지식백과》, 2020-10-27
- 유지한 기자, 〈직류냐 교류냐… 100년 만에 '2차 전류 전쟁'〉, 《조선비즈》, 2019-08-29
- 엘지디스플레이㈜, 〈(디스플레이 상식 사전) 소비전력(Power Consumption)〉, 《엘지디스플레이㈜ 공식 블로그》, 2016-03-03
- 〈소비전력〉, 《네이버 지식백과》
- 〈전력 반도체〉, 《네이버 지식백과》
- 로랑 부레노트 수석 엔지니어, 〈자동차에서 고효율, 고성능 SiC 전력반도체 활용〉, 《에이이엠》, 2018-05
같이 보기
