언제쯤이면 전력공학이 존경받게 될까요?

전기 엔지니어는 일반적으로 대중의 존경을 받지만, 일부 ‘특정 유형’의 전기 엔지니어가 더 존경받는 것 같습니다. 저전력 시스템 설계자는 리뷰어들로부터 “정말 대단하군요 작은 배터리 하나로 몇 주 동안 작동된다니!”라는 찬사를 받습니다. 업무의 대부분 혹은 전부를 앉아서 키보드로 진행하는 엔지니어의 경우에도 “인생이 보장된 프로그래머!”라는 찬사를 듣습니다.

제가 하드웨어(회로망) 엔지니어에 대한 편향적 시각을 가지고 있긴 하지만, 프로젝트를 실행하려면 일반적으로 여러 전문 기술이 필요하다는 것을 인정합니다. 그렇다면, 좋습니다. 마이크로 전력 및 키보드 엔지니어까지 그 공로를 인정하겠습니다.

하지만 여전히 하는 업무에 비해 관심이나 인정을 받지 못하는, 눈에 띄지 않는 분야의 전기 엔지니어들이 있습니다. 바로 수백 볼트, 수백 암페어 및 수십 킬로와트 이상의 고전력 관리 부문에서 일하는 작업자들입니다. 이쪽 응용 분야가 대중들과 멀리 떨어져 있기 때문에 그렇다고 주장하는 사람들도 있지만, 전부 그런 것은 아닙니다. 고전력 응용 분야는 산업 현장이나 전동 기차의 25kV 현수선 등 소비자와 상대적으로 동떨어진 분야에만 국한되어 있지 않습니다.

많은 소비자에게 직접 또는 간접적으로 노출되어 있는 전기 차량(EV)의 경우를 생각해 보세요. EV 배터리 팩은 약 25kWhrs ~ 70kWhrs 이상의 에너지 용량을 가지며, 약 1000A에서 300V ~ 400V를 제공할 수 있습니다(견인 모터 세트는 최대 300HP 이상을 제공할 수 있습니다). 에너지 용량, 전압, 전류와 같은 이러한 수치들은 EV 전력 팩, 변환, 관리 및 분배가 설계, 테스트, 유지보수 등에서 매우 중요한 문제라는 것을 의미합니다.

이러한 설계 환경 간의 차이는 단순한 원시 숫자 또는 숫자 크기에서 비롯하는 것이 아닙니다. 그보다 고전력 환경에서 작업을 수행할 때 요구되는 사고방식과 접근 방식 자체가 다르다고 할 수 있습니다. 저전력 설계에서는 전선 이동 및 스폿 납땜, 아이디어 확인을 위한 즉흥적인 테스트 등과 같은 그때그때 필요한 임시 작업을 대수롭지 않게 시도할 수 있습니다. 하지만 높은 수준의 전력을 다루는 경우라면 모든 작업을 수행하기 전에 계획하고, 시뮬레이션하고, 평가하고, 여러 번 확인해야 합니다. 아주 많은 양의 고밀도 에너지를 다루어야만 하는 것입니다.

테스트도 문제가 됩니다. 시스템에서 수행할 작업과 변경 사항의 영향을 결정할 때 모든 측면에서 신중하고 체계적인 테스트 계획을 세우고 협의해야 합니다. 디지털 전압계(DVM)를 관심 지점으로 빠르게 클리핑할 수 없는 것입니다. 인라인 션트를 통한 전류 측정과 같은 모든 통상적 요구 사항에서 부품, 인터페이스 회로, 많은 경우 전기적 분리와 심지어 물리적 연결 구현까지 신중하게 고려해야 합니다.

션트 저항기를 사용하여 고전류 컨덕터에서 전류를 측정한다고 가정해 보세요. 잘 알려진 기술이기는 하지만, EV에서 수백 암페어의 전류를 조사하고 있다고 가정하면 IR 유도 전압 강하와 감지 저항기의 I²R 열 방출을 모두 줄이기 위해 션트 저항기 값을 최대한 작게 유지해야 할 것입니다.

다행히 저항값이 매우 낮은 표준 션트가 제공되고 있습니다. 예를 들어 Vishay Dale WSBS8518 제품군의 표준 정격은 100µΩ, 500µΩ 및 1000µΩ으로 0.1mΩ, 0.5mΩ 및 1.0mΩ에 불과합니다(그림 1). 언뜻 보기에 약 85mm(길이) × 18mm(폭) 크기의 평범한 금속 ‘스트랩’처럼 보이는 션트는 저항 온도 계수(TCR)가 ±10ppm/°C로 낮은 금속 니켈 크롬 합금으로 제작됩니다.

그림 1: 이 µΩ 범위 션트 저항기는 다른 전자 부품에 비해 간단해 보이지만 신중하게 설계된, 온도 계수와 켈빈 접점이 매우 낮은 금속 니켈 크롬 합금입니다. (이미지 출처: Vishay/Dale)

하지만 이 저항기를 부하 라인에 실제로 연결하려면 어떻게 해야 할까요? 결국 단 몇 mΩ의 접점 저항으로도 전력이 방출되고 전압이 강하되므로 션트 연결 조립은 또 다른 설계 문제로 남게 됩니다. 또한 여전히 전압 감지 리드도 연결해야 합니다. 다행히 이 션트는 일체형 켈빈 접점이 있어서 다소 쉽게 작업할 수 있지만, 대부분의 션트에는 이러한 접점이 없습니다.

모든 ‘전기 엔지니어’가 존경받지 못하는 것은 아니지만, 대부분 해당하는 문제인 것 같습니다. 아폴로 달 착륙 50주년에 모두의 관심 아래 Saturn 발사차량의 첫 번째 단계를 구동한 5개 F-1 로켓 엔진에서 생산되는 발사 추진력을 목격하던 순간은 정말 대단했습니다(그림 2).

그림 2: 눈에 잘 보이지 않는 힘과 잘 보이는 힘이 있습니다. 5개의 F-1 엔진이 탑재된 Saturn V 발사체는 당연히 후자의 범주에 속합니다. (이미지 출처: NASA)

수치가 모든 것을 말해 주지만 실제로 파악하기는 어렵습니다. Saturn V 1단계에서는 203,400갤런(770,000리터)의 등유 연료와 318,000갤런(120만 리터)의 액체 산소가 사용되었습니다. 각 F-1 연료 펌프는 55,000마력의 터빈으로 구동되어 분당 약 15,000 US 갤런(60,000l 이하)의 등유를 공급하고, 산화제 펌프는 분당 25,000 US 갤런(94,000l)의 액체 산소를 공급했습니다. 또한 각 터보 펌프는 1,500°F(820°C)의 투입 가스와 −300°F(−18°C)의 액체 산소까지 견뎌야 했습니다. 이륙할 때 5개의 엔진이 750만 파운드의 추진력을 생산했습니다.

이 F-1 엔진을 시험대에 고정하는 데 필요한 고정 장치나 점화 후 로켓 모터가 최대 출력에 도달하는 동안 Saturn을 패드에 고정하는 고정 클램프를 생각해 보세요. 수백만 파운드의 추진력을 지지하는 동시에 이러한 배기 환경에서 원활하고 일관되게 방출해야 했습니다. 그리고 이를 어떻게 테스트할 것인지도 문제입니다.

로켓의 힘은 아주 눈에 잘 보이기 때문에 발사의 성공 여부에 상관없이 로켓 엔지니어들은 그에 상응하는 존경심을 받는 것 같습니다. 그러나 전기 에너지는 “잘 보이지 않으므로” 전기 엔지니어는 그만큼 존경을 받지 못합니다. 로켓 꼬리의 엄청난 추진력이 모든 힘을 현실적으로 느끼게 해줍니다. 하지만 배터리 팩의 전극은 정상 작동 시에도 소리가 없으므로 ‘대수롭지 않게’ 여겨집니다.

이렇게 고전력을 취급하는 전기 엔지니어가 미래에는 더 존경받게 될까요? 물론, 알 수 없는 일입니다. 하지만 EV, 태양광 전력, 스마트 그리드 등과 같은 대중 시장 응용 분야는 킬로와트 및 메가와트를 다루기 위한 전문 지식이 필요하므로 그에 상응하는 존경을 받았으면 좋겠습니다.

참고 자료:

1 – Roger E. Bilstein, “Stages to Saturn: A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles”(168MB 파일 - 여기서 무료로 다운로드 가능, 여기서 장별로 무료로 다운로드 가능)

2 – Charles Murray 및 Catherine Bly Cox, “Apollo: The Race to the Moon”

3 – Wikipedia, “Rocketdyne F-1”