제품 디자인에서 `구리`가 갖는 모순
원자재 가격 상승이 소비자 비용을 감소시키게 될 시기는 언제일까? 아마 그 대답은 `결코 없다`라고 할 수 있을 것이다. 그러나 구리의 경우, 예기치 못한 상황이 실제로 발생하고 있다.
구리가격 상승 요소를 소비자에게 전가하지 않고도 해결할 수 있는 솔루션이 있는데 그것은 바로 SMPS(Switch Mode Power Supply)로 변경하는 것이다.
글│SiIvestro Fimiani, Power Integrations
원자재 가격 상승이 소비자 비용을 감소시키게 될 시기는 언제일까? 아마 그 대답은 `결코 없다`라고 할 수 있을 것이다. 그러나 구리의 경우, 예기치 못한 상황이 실제로 발생하고 있다. 지난 2년 동안 정제된 구리에 대한 원자재 가격은 거의 3배 증가했으나, 상당 양의 구리를 포함한 전자 기기의 단가는 하락할 수도 있었는데 이는 스위치 모드 전원 공급장치의 가격 때문이었다.
전 세계적으로 구리 가격은 지난 몇 달 동안 고정되어 파운드 당 약 $3.30이었으나, 2004년 초로 거슬러 올라가면 파운드 당 $1.25(런던 금속 거래소: London Metal Exchange)였다. 가격 상승은 2가지 주요 요인인 수요와 공급에 의해 주도된다. 우선 낮은 가격의 구리 예탁금이 빠져나가고 있음을 들 수 있다.
또한 점점 구리가 점점 희박해지고 가격이 오름에 따라 새로운 대안이 필요하게 된 것이다.
공급 측면의 약세는 산업화가 진행되는 중국에서 촉발된 대규모 수요 증가와 관련이 있다. 중국에서는 어디에선가 매주 발전소가 새로 건설되리만큼 산업화가 빨리 진행된다. 급속도로 증가하는 전기 및 전자 산업의 수요를 충족시키기 위해 중국은 전 세계로부터 구리를 구매하지 않을 수 없는데 이 사실이, 강력한 가격 상승 압박을 주도하고 있다(그림 1참조).
비가공 순수 구리 가격의 상승
비가공 순수 구리 가격의 상승은 전자 기기에 전력을 공급하는 모든 전원 공급장치 가격에 직접적인 영향을 미친다. 전원 공급장치 부품 비용의 약 90%는 철심과 구리 와인딩으로 대부분 제조되는 주 변압기(트랜스포머)로부터 나온다. 그런데 이 주 변압기의 가격에 영향을 주는 구리 가격이 2배나 증가함에 따라 전원 공급장치의 구조와 디자인도 매우 신중히 고려되어야 하는 것이다.
한 예로, 소형의 주 변압기는 75gm의 구리 와이어를 필요로 한다. 지난 2년 동안 비가공 순수 구리 75gm의 가격은 24￠에서 52￠로 증가해 무려 28￠나 상승했다. 정제된 와이어 형태의 구리라면 가격 상승은 50￠나 될 수도 있는데 이는 동일 기간 동안 변압기 제조업체들이 부과한 가격 상승과 맞먹는 수치에 해당한다.
이러한 가격 상승 요소를 소비자에게 전가하지 않고도 해결할 수 있는 솔루션이 있는데 그것은 바로 SMPS(Switch Mode Power Supply)로 변경하는 것이다.
SMPS는 매우 복잡했으며 고가인 까닭에 장점들이 비용을 정당화시킬 수 있는 애플리케이션에만 그 동안 제한적으로 사용되었다. 그러나, 이제 SMPS가 다양한 장점들을 갖추게 됨에 따라 부피가 크고 무거운 주 변압기를 더 이상 요구하지 않게 되므로 소형, 경량화가 이루어 지고 있다.
SMPS
SMPS는 매우 폭넓은 입력 전압 범위에 내성이 강해, USA 전압(110V)에서 유럽(230V)에 이르기까지 쉽게 사용된다. 다른 한편으로 리니어 전원 공급장치는 각 전압 범위에 대해 다른 트랜스포머 와인딩을 요구한다. 또 다른 주요 장점으로, 여러 번 조절된 전압이 필요한 애플리케이션에서 SMPS가 쉬워진 반면 리니어 전원 공급장치는 각 전압에 대해 추가적인 레귤레이터를 필요로 한다는 것이다.
SMPS가 무거운 메인 트랜스포머를 필요로 하지 않는다는 점으로 되돌아 보자. 우선 SMPS는 구리와 관련된 단가 요소를 가진 부품을 별로 필요치 않는다. 따라서 SMPS 구축 비용은 지난 2년 동안 상대적으로 일정하게 유지되었으나 리니어 전원 공급장치의 비용은 구리 때문에 적어도 50￠까지 상승했다.
따라서 SMPS와 리니어 전원 공급장치 간의 가격 차액은 이 전보다 더욱 적어졌으며, 그 결과 수많은 전자 기기 제조업체들이 리니어 전원 공급장치 대신 SMPS를 사용해 재설계하고 있다. 이 같은 변화는 소비자에게 장기적으로 상당한 비용 효과를 제공하기도 하는데 그 이유는 SMPS가 리니어 레귤레이터 보다 더욱 효과적이고 훨씬 더 적은 대기 전력 소모를 실현할 수 있기 때문이다.
예를 들어 수명이 10년 정도인 제품의 경우, 20와트의 전원 공급장치를 사용하는 전자 기기는 사용자에게 $100 상당의 전력을 절감시켜 줄 수 있다. 따라서 구리 원자재의 가격 상승은 소비자에게 총비용 혜택의 결과를 가져다 준다. 이것이 구리의 `역설적 기능`(Copper Paradox)이다.
특히 SMPS 사용이 급속하게 진행되고 있는 분야는 가스 가전기기로서 주로 가스 온수 보일러와 가스 호브(Gas Hob)이다. 유럽에서 이 기기들은 최근 규제인 EN 298을 준수해야 한다. 이 규제는 불꽃이 안정화되는데 실패하거나 실제로 꺼질 경우, 가스 공급이 중단되어 폭발 증기가 모아질 수 없는 것을 보장하기 위한 점화 과정을 요구한다. EN 298을 준수하기 위해 기기 제조업체는 각각 버너에 대한 실화(失火: Flame Failure) 검출 장치를 최소한 포함해야 하며 이 실화 장치는 불꽃이 없는 것을 검출하는 테스트에 대한 회로도를 갖추어야 한다!
제어/안전 시스템에 대한 복잡성을 설계하기 위해서는 여러 개의 전원 공급장치 전압이 필요하다. 가스 제어 설계에의 우수한 예는 최근 SIT 그룹이 제조한 SIT 501 EFD 에서 살펴볼 수 있다(그림 2참조). 
이 장치는 실화를 검출하기 위해 불꽃 이온화에 대한 정류 효과를 사용하며 비휘발성 록 아웃을 제공해, 전원 공급이 중단될 경우 완벽한 안전성을 제공한다. 이 장치는 SMPS를 사용함으로써 EN 298 안전 규제를 준수할 뿐 만 아니라 매우 낮은 대기 전력 소모를 제시해, 향후 더욱 강화되는 전력 소비 표준에 대해 설계를 검증할 수 있다.
캘리포니아 주 정부는 외장형 전원 공급장치의 대기 전력 소비를 엄격히 제한하는 법안을 통과시켰다. 이러한 전원 공급장치들로는 주 전원 공급용 플러그-인 어댑터를 비롯해 모바일 폰, PDA, 랩톱용 충전기 들이 있다. 로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)가 시행한 조사에 따르면 캘리포니아 주의 일반 가정은 대기 전력 소비로 50W를 사용하는데 이는 주로 리니어 전원 공급장치에서 발생한 것이다.
그러나 새로운 법안은 새로운 외장형 전원 공급장치에서 리니어 레귤레이터의 사용을 효과적으로 차단하길 요구하고 있다. 따라서 시간이 흐름에 따라 이 대기 전력 수치는 10W 이하까지 감소되어야 하며 주거 전력의 5% 감소를 실현해야 한다. 이것을 캘리포니아의 주택수들과 곱하게 되면 에너지 절약은 전체 발전소 발전량과 동일한 양이 된다.
Tinyswitch III
SMPS의 설계에서 핵심적인 요소는 컨트롤러 회로이다. 3~30W 범위에서 고효율 컨트롤러에 대한 좋은 예는 파워 인티그레이션스에서 공급하는 Tinyswitch -III이다. 이 제품은 1998년에 처음 출시된 제품군의 3세대 제품으로 이 제품군들 중 8억 개가 이미 생산되었다. Tiny-Switch-III 는 모놀리식 IC에서 저전압 제어 회로와 함께 700V MOSFET을 갖추고 있다. 이 정도 수준의 고집적은 경쟁사의 디스크리트 및 통합 솔루션과 대비했을 때 더욱 적은 수의 부품으로 간단하고 유연한 설계를 실현할 수 있게 한다.
TinySwitch-III는 온/오프 제어 회로를 이용하면서도 부하에 상관없이 일정한 효율을 달성한다. 이와 대조적으로, PWM 및 셀프-오실레이트 설계는 부하가 감소될 때 효율도 감소된다. Tiny-Switch-III는 대기 및 무부하 에너지 사용을 위해 가장 엄격한 표준을 쉽게 준수할 수 있으며, 트랜스포머에 바이어스 와인딩을 사용하지 않고 150mW 미만의 무부하 전력을 사용한다.
TinySwitch-III IC의 고성능 기능 및 특징을 통해 엔지니어는 입력 용량 및 트랜스포머 크기를 감소할 수 있는 반면 전원 공급장치에서 고가의 Y-타입 커패시터와 커먼 모드 초크(Common Mode Choke)를 제거할 수 있으므로 소형의 설계를 우수하게 실행하는 일이 가능해진다(그림 3참조).
파워 인티그레이션스의 Tinyswitch III와 같은 효율적인 컨트롤러를 사용한 SMPS는 매우 폭넓은 전력 및 전압 범위에서 뛰어난 동작 효율성을 달성하며 `반딧불(Glow Worm)` 수준의 대기 전력 소모를 달성할 수 있다. 경량의 다중 출력 성능, 폭넓은 입력 범위, 구리가 귀금속으로 인식될 만큼의 적은 사용으로 인한 고정 가격 등의 뛰어난 장점들은 소비자와 환경 모두에 윈-윈(Win-Win) 솔루션을 제공한다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 08월호>