책임경영에 대한 목표도 달성할 수 있는

3가지 단계 실현으로‘친환경’으로 가는 길

전 세계는 점점 더 많은 전력을 사용하고 있다. 국가들은 전력 부족사태를겪고 있으며 가정에서 방출되는 탄소가 증가하고 있다. 환경친화적인 계획을 실현하는 것은 비용과 시간이 말이 걸린다는 주장이 있지만 친환경으로가는 길은 관련 업계가 끌어 않을 힘든 도전이 될 필요가 없다. PFC 솔루션이 이러한 문제를 경감시켜 주는 성공요소가 될 수 있다

글: 제프레이 L.스몰(Jeffrey L.Small), 페어차일드 세미컨덕터

기업의 사회적 책임(Corporate Social Responsibility)’이라는 말은 지난 10년 간 유행한 가장 유명한 캐치프레이즈로 기업들에게 더욱 사회적이고 환경친화적인 책임을 갖고 행동하도록 했다. 전자산업이 이러한 도전에 부응하고 있는 가장 결정적인 증거는 제품 제조 활동에서 더욱 환경 친화적인 방식을 택하려고 하고 있다는 것이다. ‘친환경’정책, 제품, 패키지들은 전자업계에서 폭넓게 인식되고 있는 한편, 웹사이트 및 패키징 광고를 통해 알려지고 있으며 전시회에서 주목 받고 있는 주제이기도 하다. 여기서는 환경 친화적으로 대응하기 위해 전자 업계가 실천하고 있는 3가지의 방식에 대해 고찰하고자 한다.

첫째로, 무연 패키지 이용 및 기업들이 최근 RoHS 법률을 준수해야 할 상황을 맞아 기업들이 직면하게 될 앞으로의 기회 및 도전에 대해 살펴 볼 것이다.

둘째로, 우리는 PFC(Power Factor Correction) 기법의 보급이 점점 증가하는 이유를 알아볼 것이다.

마지막으로, 스위치 모드 전원 공급장치에서 통합형 스위치를 이용하는 것이 어떻게 소비전력을 낮출 수 있는 지에 대해서도 논의할 예정이다.

책임 경영은 확실히 밀레니엄 시대에 유행어이며, 대부분의 기업들이 성취하려고 노력하는 목표가 되었으며, 전자 산업에서도 예외는 아니다. 책임경영은 기업들이 사회의 일원이라는 사실을 인정하고 그들을 둘러싼 세계에 미칠 영향력까지 고려하는데 서부터 시작된다. 기업의 사회적 책임은 경제, 사회,환경 관심사를 기업의 경영에 통합시키는 민간 부문의 방식으로 간주된다. 또한 기업의 사회적 책임은 사회적이고 환경적인 문제에 대해 혁신적이고 미리 대처할 수 있는 해결책을 제시할 뿐만 아니라 사회적 책임 방식으로 수행할 수 있는 내부 및 외부 파트너들과 협력하는 것을 수반한다.

친환경, 무연시대 의미

전자산업이 사회적 책임을 다하는 한 가지 방법은 환경을 위한 표준을 준수하는 것이다. 지난 몇 년 동안 환경 친화적인 제품을 생산할 필요성이 소비자 주도 운동에서 법적인 요구사항으로 옮겨 가게 되었다. 유럽연합(EU)은 최초로 법안을 채택함으로써 친환경 제품에 대한 책임을 선두적으로 이끌고 있다. 친환경 동향은 여러 방식으로 나타나고 있다. 가장 명백하게 보이는 방식은 무연(때로‘Pb-free’으로 표기됨) 패키징으로 제품이 공급되고 있다는 것이다. 환경적 책무를 위한 역할 모델로 널리 알려져, 반도체 산업은 지금 무연 제조 문제를 해결하고 있다. 그결과 대부분 반도체 업체들은 오는 2006년 7월 1일부터 발효 예정인 EU  RoHS 법안에 저항하기 보다는 수용하려는 자세를 보이고 있다.

그러나 무연화하는 작업과 RoHS를 준수하는 것은 차이점이 존재한다.RoHS는 유 해 물 질 사 용 제 한 지 침(Reduction of Hazardous Substances)을 언급하며 유해물질 중에서 납은 그중의 하나이다. 전자 제품을 쓰레기 매립지에 버릴 경우, 카드뮴, 수은, 크롬,폴리-브롬형 비페닐, 폴리-브롬형 다이페놀 에테르와 같은 유해성 물질이 지하수 공급지로 흘러 들어가 용해될 수 있다. 따라서 세계 여러 지역의 법안은 현재 제조업체들이게 전자제품에서 잠재적으로 유해가 될 만한 물질을 제거할 것을 요구하고 있다. 모든 국가가 법안을 제정하지 않거나 앞으로 실행하지 않는다 해도, EU의 무연 기준 준수에 대한 시한이 임박 했으며 미국계 수많은 업체들 스스로이 기한을 염두해 두고 있다. 실제로 수많은 선진업체들은 환경 친화적으로, 친환경 부품 제조업체가 될 목표를 추구하는 것을 기준으로 삼아 RoHS준수를 강조하고 있다.

공급망을 통한 친환경 준수 확인

미래지향적인 사고 방식은 환경 측면에서 이상적일 뿐만 아니라 가까운 미래의 공급망 문제에서도 존재하기 때문에 경영 정책에도 긍정적인 역할을 한다. 예를 들어 칩 제조업체들이 환경 정책을 준수하지 않았을 경우, 그다음 단계에서 고객사들의 제품들 역시 완벽하게 지킬 수 없게 된다. 게다가 OEM 업체들의 제품이 국경선에서 구류되었을 경우, 당국은 어디에서부터 정책을 준수하지 않았는지 찾을 수 있는 공급망을 추적하게 된다. 따라서 반도체처럼 부품을 제조하는 업체들은 기존 고객사들을 계속 유지하고 새로운 고객사를 확보하기를 원한다면 초기 단계에서부터 환경 정책을 준수해야 할 필요성이 있다. 페어차일드 세미컨덕터의 글로벌 품질 및 신뢰성 담당 부문 마크 리우스(Mark Rioux) VP는“초기 단계에서 부터 RoHS를 준수한다는 것은 페어차 일드와 함께 사업을 쉽게 할 수 있다는 것과 친환경 제품을 촉진시키는 공약을 재확인 하는 것”이라고 말했다.

친환경은 반드시‘Whiskers’를 의미하지 않는다

무연 제품으로 이동함에 따라, 수많은 반도체 업체들은 솔더에서 순수한 주석 피복을 이용해서 생산된 주석 휘스커(Whisker)와 관계된 것으로 이해 하고 있다. 반도체 산업에서 납은 주로 패키징/ 솔더링 공정에서 주요한 첨가제로 사용되어 왔다. 이 공정 과정에서 납은 주석과 결합된다. 주석-납(Sn/Pb) 솔더는 일반적으로 납 마감소재로 이용되어 왔으며, 이것은 솔더 피복 또는 솔더 코딩에 의해 침전된다. 납은 역사적으로 첨가제로 사용되어 왔다. 그 이유는 납이 다른 추가 혼합물에 비해 저렴하며 더욱 영구적인 솔더링 연결을 제공하나 낮은 온도에서 녹는 특성이 있으며 부식 및 피해에 더욱 강하기 때문이다. 추가적으로 납이 주석에 결합될 때 납은 주석 휘스커 성장을 저지하거나 방해한다. 주석 휘스커는 주석의 긴 돌출부(구렛나루와 닮았음)가 되는데 이 것은 전기 연결을 단락 시킬 정도로 길수도 있으며 IC(Integrated Circuit)를 오류로 만들 수 있다. 납이 없다면 주석 휘스커의 길이 및 폭은 침전 과정 및 제품에 종속된 조건에 따라 다양해진다. 다행히도 수많은 전자/ 반도체 업체들은 피복의 유형 및 피복 공정의 확실한 제어 같은 대안적인 피복 전략을 개발해 왔다. 이를 통해 제품들은 NEMI-추천형 주석 휘스커 테스의 요구조건을 통과할 수 있다. EU 법안으로 금지되는 기타 유해 물질을 사용하지 않는 것과 뿐 만 아니라 납을 제거하는 것은 전자 산업에 커다란 도전이 될 수 있으나 환경적인 측면에서 매우 유익하다. 시장에 출시되는 가전이 점점 많아질수록 이러한 제품을 버리면 버릴수록 한 국가의 쓰레기 매립지에 쌓일 납의 양은(결과적으로 지하수로 오염됨) 최고 기록을 경신할 것이다. 따라서 전자 부품용 시장에서 고객사들은 무연 준수를 지향하는 공급업체를 찾아야 할 뿐 만 아니라 진정으로 친환경을 추구하는 업체를 고려해야 하는 현명함을 갖춰야 할 것이다.

PFC 이용하는 것은 친환경으로 가는 길

업계 전체로 확산되기 시작한 또 다른 환경 친화적인 표준은 전자 부품을 위한 전원 공급장치에서 PFC(Power Factor Correction)를 이용하는 것이다. PFC는 수십 년 동안 사용되어 왔으나 90년대에 이르러서야 전자 산업에서 광범위하게 사용되기 시작했다. 분명히 지난 20년 동안 컴퓨터 및 가정용 가전의 수는 증가했으며, 이에 따른 전력 수요 증가도 전세계에 걸쳐 전력 전송 시스템을 증가시켰다. 이것을 해결하기 위해 2001년 초반, 유럽의 IEC는 61000-3-2 표준을 제정해 75W이상의 전원 공급장치는 PWC를 갖추어야 한다고 지정하고 있다. 그 이후 점점 더 많은 국가들이 유사한 표준을 채택했으며 역률(Power Factor) 요구조건은 점점 엄격하게 요구되고 있는 상황이다. 역률은 피상전력(Apparent Power)에 대한 실효 전력(Real Power) 비율로 정의된다. 실효 전력은 와트로 측정되며 실제 동작을 위해 필요한 전력이다. 피상 전력은 전압-전류(Volt-Amp)로 측정되며 실효 전력에 리액티브(Reactice)요소를 합산한 것으로 실제 동작을 만들기 위해 필요한 전장 영역 생성을 위해 요구되는 전력이다. 따라서 피상 전력은 피타고라스 이론에 적용시켜 볼 수 있는 전력 트라이앵글에서 빗변에 해당된다.

<그림 1> 파워 트라이앵글

그림 1은 실효 전력, 리액티브 전력,피상 전력 부품을 제시한다. 이 회로의 리액티브 부품은 일반적으로 VAR(Volt-Amps-Reactive) 단위로 측정된다. 역률이 피상 전력에 대한 실효전력의 비율이기 때문에 볼트-앰프로 나눈 와트와 동일하다. 실효 전력은rms 전압의 제품을 동위상의(In-Phase) 전류로 배가시킨다. 정의에 의해 역률은 전압과 전류간의 위상 관계로 설명된다. PFC가 적용되지 않은 전원 및 PFC가 적용된 전원 모두에서 입력 전압과 전류간의 관계는 그림 2와 그림3에서 설명된다.

<그림 2> PFC가 적용되지 않은 전원 - 전원 공급 장치의 벌크 커패시터가 싸이클 기간 동안 충전될 때만 전류 스파크가 일어난다	<그림 3> PFC가 적용된 전원 - 전체 싸이클 내내 전류가 고르게 분배되어 있다.

그림 2에서 전원 공급장치의 벌크 커패시터가 싸이클 기간 동안 충전될 때만 전류 스파크가 일어나는 반면, 그림3에서는 전체 싸이클 내내 전류가 고르게 분배되어 있다는 것을 주의 깊게 봐야 한다. 스위치 모드 전원 공급장치에서 PFC는 라인에서 불필요한 고조파를 제어하는 기법도 된다. 기본 주파수가 실효 전력으로 고려되기 때문에 스위치 전류 과도 현상으로 인한 고조판 활동은 전력을 낭비하는 것으로 여겨지며 전원에 엄청난 효율성을 실현시킬 수 있다. 따라서 이러한 고조파를 감소시키는 것은 궁극적으로 역률을 향상시키는 것이 될 것이다. 전세계는 이전 보다 점점 더 전력을 소비하고 있기 때문에, PFC에 대한 환경적 의미도 점점 강조되고 있다. 예를 들어 중국을 살펴보자. 중국은 세계에서 가장 인구가 많은 국가이며 세계에서 최고의소비 자원(지구정책연구소: Earth Policy Institute) 국가이기도 하다. 중국이 최근 WTO에 가입했기 때문에 중국은 더욱 가속화된 경제 성장을 보이고 있다. 이 같은 경제발전은 수많은 컨슈머 가전 제품을 증가시키며 전력 소비도 크게 증가해 작년 대비 15.5%의 증가를 보였다. 중국은 이전에 비해 엄청난 에너지를 사용하고 있다. 예를 들어 2003년 중국의 소비전력량은 86.17 kw/hr이다. 2003년 이전에 중국의 전력 소비 평균 증가량은 매년 7.3%에 불과했다 (Elert, 2004). 컨슈머 가전 제품 소유 및 이용의 증가로 인해(그 결과 중국의 에너지 자원에 대한 요구도 증가되었다.) 중국의 수많은 지역은 에너지 제한으로 정전사태를 겪고 있다. 따라서 중국은 소비전력을 필사적으로 절감시키려고 하고 있다. 중국만이 PFC를 채택해야 할 필요성 이 있는 것 아니다. 처음에 설명했듯이, 2001년 1월 유럽 연합의 국가들이 고조파 컨텐츠를 위해 EN61000-3-2 스펙을 따르기 위해 75W 이상의 전력을 소비하는 새로운 전자 장비에 대한 요구조건을 채택했다. 중국은 발 빠르게 EU를 따랐고 2002년 5월 1일을 기준으로 중국 정부기관에서 사용되는 모든 전자제품들은 PFC를 이용해야 한다. 이 같은 3C 규제(China’s CompulsoryCertificate)는 75W 이상을 소비하는 모든 전자 제품들이 PFC를 갖춰야 한다는 것을 명시한다. 일본은 현재 전력절감을 강화할 수 있도록 새로운 정책을 논의하고 있으며 가까운 미래에 실행 될 것으로 알려졌다. 뿐만 아니라 미국도 더욱 강력한 전력 관리 규제를 채택할 것으로 보인다.

<그림 4> 고집적 전력 스위치용 버스트 모드 동작	<그림 5> 버스트 모드시 전압 동작의 피드백 파형

친환경으로 가는 길, 저전력소비형 고집적 스위치 이용하기

1997년, IEC는 유럽에서 1-Watt 계획안을 발표했다. 이것은 가정에서 방출되는 탄소를 감소시킬 목적의 측정 패키지의 일부이다. 1-Watt 계획안은 국내에서 사용되는 전자 장비의 대기전력을 디바이스당 1W 미만으로 감소시키는 것을 제안하고 있다. 반도체 제조업체들이 이 계획안을 지지하는 주요방법 중의 하나는 에너지 효율적인 전력 관리 제품을 도입하는 것이다. 예를 들어 PWM 및 고집적 오프-라인 전력스위치(고집적 SenseFET를 갖춘 PWM)는 추가 기능으로써 버스트 모드 동작을 제공한다. 버스트 모드는 그림4에서 보듯이 전원 공급장치에서 부하가 없을 때 MOSFET이 스위칭을 멈출수 있게 하도록 설계되었다. MOSFET(노란색 파형)은 피드백 전압이 특정 임계값 이상일 때 파형이 생긴다. 부하가 감소될 때 피드백 전압도 감소된다. 디바이스가 버스트 모드일 때 피드백 전압은 일정 수준 이하로 하강한다. 전원 공급장치의 출력 커패시터가 드레인 되기 시작하고 출력 전압 레벨이 하강할 때 피드백 전압은 버스트 모드 기능을 작동시킬 수 없는 디바이스를 촉발시켜 상승하기 시작하며 MOSFET 스위칭은 다시 시작된다. 저전력소비를 이용한 고집적 스위치는 친환경 계획의 중대한 부분이다. 그 이유는 고집적 스위치가 전반적인 소비전력을 감소시키고 전기 유틸리티 시스템에서 변형(Strain)을 덜 주기 때문이다.

친환경이 쉽지 않다?

다양한(또는 한 가지의) 환경친화적인 계획을 실천하는 것이 너무 비용이 많이 들고 시간도 많이 걸린다고 주장하는 사람들이 있다 해도 이 글에서 논의했듯이, 친환경으로 가는 길은 관련업계가 끌어 안을 힘든 도전이 될 필요가 없다. 패키징/솔더링 공정에서 납을 제거하는 것은 다른 환경적인 노력에 비해 어렵지만 반면에, 환경 및 인간의 건강에 미치는 긍정적인 효과는 대단하다. 게다가 다양한 검증 솔루션들이 이미 마련되어 있다. 전 세계는 그 이전보다 점점 더 많은 전력을 사용하고 있으며, 국가들은 전력 부족사태를 겪고 있으며 가정에서 방출되는 탄소가 증가하고 있다. 그러나 지금까지 살펴보았듯이 PFC 솔루션이 이러한 문제를 경감시켜 주는성공요소가 될 수 있다. 스위치를 저전력 스위치로 만드는 일은 제조업체들에게 평범하고 저렴한 방법이다. 그러나 환경 보존의 관점에서 이 같은 일은 엄청난 혜택을 가져다 준다. 여기서 언급된 3가지의 모든 단계를 실현하게 되면 분명히 기업들은‘친환경’으로 가는 길을 걸을 수 있으며‘책임 경영’에 대한 목표도 실현할 수 있게 될 것이다

<자료제공: 반도체네트워그 2006년 01월호>