[TECH REPORT] 미래의 에너지, 클린테크, 지속가능성 실현을 위한 반도체 기술

[아나로그 디바이스] 과학자들과 기후학자들은 20년 넘게 지구 온난화와 그 원인으로 지목되는 온실가스(GHG) 배출에 대해 경고해 왔다. 이제 기후 변화에 대해 관심을 갖는 것만으로는 부족하다. 지속가능성을 위해 실천하고 글로벌 사회의 일원으로서 전 세계가 기후 변화의 근본 원인과 영향 두 가지 모두에 어떻게 대응할 것인가에 대해 고민해야 할 시점이다.

반도체는 첨단 기기, 전기차(EV), 스마트폰, 로봇 등에서 두뇌와 같으며 다방면에 걸친 혁신과 적응형 에지 인텔리전스를 통해 지속가능성 위기를 해결하는 데 있어 핵심 역할을 할 수 있다.

▶점점 더 뜨거워지는 지구

내연기관, 증기기관, 전기 모터와 같은 기술로 인해 전 세계가 보다 저렴하고 중앙집중화된 에너지 생산에 의존하게 된 산업혁명 초기부터 에너지의 가용성은 사회적 및 경제적 성장의 기반이 돼 왔다. 지난 2세기 동안은 탄화수소 기반 연료를 태움으로써 이런 에너지를 조달했다.

이는 급격한 경제 성장을 가능 하게 했으나 비싼 대가를 치러야 했다. 1820년 이후로 온실가스 배출이 686배 증가해 지구의 평균 온도를 섭씨 1.1도까지 높이고 생태적, 경제적, 사회적으로 많은 결과를 초래했다. 2015~2019년에는 기후 위기로 인해 식량 지원이 필요한 인구가 1억 6600만 명에 달했으며 2000~2019년에는 기후 재난으로 인한 경제적 손실이 3조 달러에 달했다.

이런 추세라면 2050년에는 전 세계의 개발을 뒷받침하기 위해 오늘날 소비하는 에너지의 두 배가 필요할 것이라고 한다. 우리가 사용하는 에너지원과 전반적인 에너지 효율 전략을 변경하지 않으면 지금과 같은 온실가스 배출 추세를 보았을 때 2050년 지구 온도는 산업화 이전에 비해 섭씨 1.9~2.9도 더 높아질 것으로 예상된다.

그 결과로 세계 인구의 33%가 거주지를 옮기고 전 세계 GPD가 11~18% 감소하고 기후 재난으로 인한 연간 손실이 23조 달러에 육박할 것이라고 전문가들은 말한다.

▶전동화와 에너지 효율

전 세계적으로 빈곤과 같은 절박한 문제들을 해결하려면 전기나 식량 같은 필수적인 서비스에 누구나 보편적으로 접근할 수 있는 에너지가 필요하다. 또한 기후 변화의 심각한 영향을 피하기 위해서는 전 세계가 2050년까지 탄소배출 제로(net-zero)를 달성하고 지구 온난화를 섭씨 1.5도로 억제해야 한다. 이런 목표를 달성하기 위한 열쇠는 에너지 생산량 증대와 조속한 탈탄소화에 달렸다.

▶지금 당장 행동에 나서 온실가스 배출을 81% 줄여야 한다

ADI 자동차 및 에너지, 통신 및 항공우주 그룹을 총괄하는 그렉 헨더슨(Greg Henderson) 선임 부사장은 “청정 에너지로의 전환은 이전에 볼 수 없던 막대한 기회를 가져올 것”이라며 “이 같은 전환을 위해서는 온실가스를 배출하는 기술을 퇴출하고 재생 에너지를 사용해 최종 애플리케이션을 전동화하는 것이 필요하다”고 말했다.

이어 그는 “대표적인 예로 내연 기관 자동차에서 전기차로 전환하는 것을 들 수 있다”며 “점점 더 많은 제품이 전기로 구동되도록 설계됨에 따라 전력 생산, 분배, 저장을 위한 보다 폭 넓은 생태계를 확충해야 한다”고 강조했다. 또한 “전 세계적으로 우리는 유연하고 탄력적이고 효율적이며 보안이 강화된 에너지 시스템이 필요하다”고 덧붙였다.

ADI 산업용 및 멀티마켓 그룹의 마틴 커터(Martin Cotter) 선임 부사장은 “이와 동시에 에너지 그리드가 재생 에너지원을 수용하도록 재설계되고 있고 모든 애플리케이션이 에너지 효율을 높이는 데 초점을 맞춰야 한다”며 “총 배출 면에서 보면 산업 분야는 전 세계 에너지의 거의 50%를 소비한다”고 말했다.

이어 “디지털 커넥티드 팩토리 기술을 구축함으로써 기존 브라운필드 공장들은 공장 운영을 더 효율적으로 할 수 있으며 또 그렇게 함으로써 가치 사슬 전반에 걸쳐서 생산성을 높이고 경쟁력을 갖춘 차별화를 이룰 수 있다”며 “지속가능성 목표에 투자하는 것과 수익성을 높이는 것이 반드시 상호 배타적인 것은 아니다”라고 전했다.

또한 “공장 효율을 높이는 데 투자함으로써 에너지 사용을 줄일 뿐만 아니라 경쟁력을 높일 수 있다”며 “지금 세계는 신축 공장과 개조 공장을 모두 필요로 하며 에너지를 절약하고 온실가스 배출을 줄이기 위해 새로운 커넥티드 디지털 공장들이 설계되고 있다”고 말했다.

▶전동화와 효율 향상에 기여

맥킨지(McKinsey)에 따르면 지금부터 2035년까지 탄소배출 저감 자산으로 전환하기 위한 물리 자산에 대한 지출이 연간 4조 5000억 달러씩 증가하고 이 기간 누적 지출은 78조 4000억 달러에 이를 전망이다. ADI가 참여하고 있는 최종 시장에서 산업 효율과 빌딩 개조에 전 세계적으로 많은 투자가 쏟아질 것으로 예상된다. EV 보급과 EV 인프라, 청정 에너지 생산, 전력망 현대화를 위한 개발도 계속될 것이다.

일련의 흐름에 비춰 볼 때 ADI는 이처럼 높은 자본 지출 규모와 기회에 대해서 확신을 갖고 있다. 이는 규제가 늘어나고 대중의 인식이 높아짐과 동시에 민간 투자 활성화와 탄소 시장의 성숙으로 태양광 패널 같은 최종 애플리케이션의 총 소유비용이 떨어지고 있기 때문이다.

▶만약에 저탄소 배출 자산이 대규모로 도입된다면?

저탄소 배출 자산에 대한 지출 전망은 청정 솔루션이 본격적으로 대규모로 도입되는 시나리오를 생각해 보게 한다. 현재 연간 510억 톤(51기가톤) 수준인 전 세계 온실가스 배출량을 넷제로로 감축하기 위해서는 적어도 1개 이상의 솔루션이 필요하다.

ADI의 기술 총괄 부사장이자 펠로우인 토니 몬탈보(Tony Montalvo)는 “우리는 이런 최종 애플리케이션들이 본격적으로 대규모로 도입된다고 했을 때 ADI 솔루션이 탈탄소화에 얼마나 기여할 수 있을지 알아보기 위한 연구를 진행해 보았다”며 “연구 결과에 따르면 거의 절반 가까이 줄일 수 있는 것으로 나타났다”고 말했다.

이어 “우리는 아나로그디바이스의 기술이 중요한 역할을 하는 최종 애플리케이션에 초점을 맞춰 ADI의 광범위한 솔루션 포트폴리오가 미치는 영향력을 연결 구조로 파악해 보고자 했다”고 덧붙였다.

▶배출을 없애거나 줄일 수 있는 기회

탄소 배출 감축을 위한 최종 솔루션은 두 가지 범주로 구분할 수 있다. 하나는 온실가스가 발생하는 기존 기술을 교체하는 것이고 다른 하나는 어떤 기술을 에너지 측면에서 보다 효율적으로 만드는 것이다.

기술 교체 예로는 전기차(EV), 에너지 전환, 재생 에너지를 사용하는 전해조를 들 수 있다. 에너지 효율을 높일 수 있는 최종 제품 예로는 산업용 모터, 5G 무선 통신, 커넥티드 HVAC 시스템을 들 수 있다.

ADI의 기술은 그 자체로 최종 제품은 아니다. 하지만 많은 경우에 ADI 기술이 없다면 최종 애플리케이션도 불가능할 것이다. EV를 예로 들 수 있다. EV는 리튬이온 배터리를 필요로 하며 배터리 관리 기술을 사용해서 각 셀의 상태를 지속적으로 모니터링하고 배터리 팩 내의 셀들을 밸런싱하며 배터리가 저충전 또는 과충전되지 않도록 해야 한다. 배터리 관리는 ADI가 시장을 선도하고 있는 기술로서 EV를 위한 필수 기술이다.

모두가 EV를 채택하는 세상을 상상해보면 배터리 소재의 발전 및 효율적이고 경제적이며 신뢰할 수 있는 드라이브트레인 같은 기술 분야의 진보에 발맞춰서 배터리 관리 하드웨어와 알고리즘도 발전할 것이라는 것을 알 수 있다.

ADI 솔루션이 이산화탄소 배출을 줄이는 데 어떻게 도움이 되는지를 보여주는 또 다른 예로서 ADI의 정밀 제어 기술을 활용한 가변 주파수 드라이브를 들 수 있다. 이런 가변 주파수 드라이브는 부하 또는 속도가 가변적인 모터 시스템에 사용된다. ADI 기술을 사용하면 부하에 따라 모터 속도와 토크를 정밀하게 제어할 수 있다. 부하에 따라 모터 용량을 조절할 수 있어 에너지를 절약할 수 있다. 모든 모터에 이런 드라이브를 채택한다면 전 세계 탄소배출을 10%까지 줄일 수 있다.

다른 많은 기술들과 함께 ADI 기술을 포함한(EV나 가변 주파수 드라이브 같은) 최종 애플리케이션들이 본격적으로 대규모로 도입되면 전 세계가 온실가스 배출을 26기가톤(Gt)까지 줄일 수 있을 것이다. 그러므로 ADI는 다양한 시장 분야에 걸쳐서 그 동안 쌓아온 역량을 바탕으로 탈탄소화에 기여하기 위해서 앞으로도 계속해서 노력할 것이다.

▶이제는 행동에 나서야 할 때

오늘날 우리는 전 세계 곳곳에서 기후 변화의 증거들을 목격하고 있다. 북극 빙하는 10년마다 거의 13%씩 녹아 없어지고 있고 바다의 용존산소량 부족은 열대 산호초에 영향을 미치며 이산화탄소 농도는 높아지고 세계 각지에서 생물 다양성은 줄어들고 있다.

2050년까지 온실가스 배출을 대대적으로 감축하기 위해서는 적합한 기술과 인프라 그리고 의지가 필요하다. 여기에는 아직 개척되지 않은 엄청난 잠재력이 놓여 있으며 기존 솔루션을 전환하고 새로운 혁신에 투자하기 위해서는 향후 몇 년이 굉장히 중요할 것이다. ADI는 고객들과 함께 협력해 온실가스 배출을 대대적으로 감축해 나가기를 진심으로 바란다.

ADI는 긴 세월에 걸쳐서 기술 혁신을 거듭해왔다. 혁신을 통한 진보의 촉매제 역할을 해온 기업으로서 ADI의 역사(와 미래)는 지금까지 쌓아온 경험과 전문성을 바탕으로 고객들이 당면한 문제, 더 나아가서는 전 세계가 당면한 문제를 해결하는 솔루션을 개발해온 과정들로 이뤄졌다. 이런 토대 위에서 ADI는 파트너 회사들과 함께 힘을 모아 넷제로 실현에 필요한 솔루션들을 개발할 것이다.