사용 패턴 빅데이터 수집·분석 / AI로 전기 공급 ‘효율’ 극대화 / 국가 전체 전력망 지능화하면 / 원전·태양광보다 큰 투자 효과
4차 산업혁명은 다른 말로 ‘디지털 데이터의 혁명’이다. 디지털 데이터를 클라우드컴퓨팅 시스템에 모으고, 인공지능(AI)으로 처리해서 컴퓨터의 판단 능력과 미래 예측 능력이 ‘신의 영역’에 도달하겠다는 것이다. 결국 컴퓨터가 대부분의 영역에서 인간의 능력을 뛰어넘게 되고, 그 결과 인간이 정보와 노동으로부터 소외될 수 있는 위험성이 크다.
이와 같은 디지털 빅데이터는 ‘1’과 ‘0’으로 표현되며, 그 데이터는 디지털 신호 형태로 생산되고 저장되고 계산된다. 대표적으로 그러한 빅데이터는 디지털 이미지 센서가 생산하고 있고, 데이터도 D램 반도체 메모리에 ‘1’과 ‘0’의 형태로 저장된다. 더 나아가 AI 계산을 하는 그래픽 프로세서도 디지털 신호를 기초로 수학 행렬 계산을 한다. 이렇게 데이터가 디지털화되면 저장도 쉽고 통신도 용이하고 계산도 쉽다.
김정호 카이스트 석좌교수 전기전자공학
여기에 대해 최근에는 전기에너지인 전력의 생산 수송과 제어에도 디지털 기술이 사용되기 시작했다. 바야흐로 디지털 데이터 전성시대이다. 모든 전기기기와 정보전자 기기에는 전력이 공급돼야 한다. 여기서 전력이란 물리적으로 전압과 전류의 곱이다. 여기에 전압과 전류의 삼각함수 파동의 각도 차이 효과가 더해진다. 전력의 다른 표현으로는 얼마나 단위시간에 많은 에너지를 공급하는 정도이다.
일반 가정에서는 60Hz 교류전기가 공급된다. 반면 건전지나 배터리는 직류전기를 공급한다. 교류는 시간에 따라 전압이 변화하는 전기이고, 직류는 일정 전압을 유지하는 전기이다. 각각의 방식에 장·단점이 있다. 특히 컴퓨터에서 쓰이는 프로세서나 메모리는 직류전기를 공급해 줘야 한다. 그런데 가정에 공급되는 전기는 교류이다. 이에 교류를 직류로 바꾸는 장치가 필요하다. 반대로 전기자동차에서 모터를 구동할 때는 자동차 배터리 직류전기를 교류로 바꿔서 모터를 회전한다. 이처럼 전기를 직류에서 교류 혹은 교류에서 직류로 바꿔야 한다. 이러한 전기부품을 인버터라고 한다. 인버터를 소형화하고 가볍게 하기 위해서 ‘전력 스위칭반도체’를 사용한다. 이 반도체는 실리콘 계열 반도체를 쓰거나 화합물 반도체 계열을 사용한다.
그런데 이렇게 반도체로 전기변환을 할 때 전기를 고주파 주파수로 수없이 켜고 끄는 작업을 한다. 그렇게 전기를 반도체 스위치로 켜고 끄는 주기를 변화시키면서 일정 전압 직류를 만들거나 모터 회전을 위한 교류를 만든다. 이러한 전기 제어방식을 펄스폭변조(PWM) 방식이라고 부른다. 달리 말하면 전기를 수없이 켜고 끈다는 의미는 전력 공급을 디지털로 ‘1’과 ‘0’을 수없이 반복한다는 의미이다. 이는 전기 공급도 디지털로 제어한다는 의미이다. 이렇게 전력을 디지털로 제어하면 기존의 아날로그 방식에 비해 전력 손실이 줄어든다. 특히 짧은 시간에 켜고 끄기 때문에 열에 의한 전기소모를 줄여 전력 효율을 향상한다. 이 방식의 디지털 제어는 컴퓨터뿐만 아니라 전기자동차에서 구동모터 제어에 그대로 사용된다.
전력 공급이 디지털화된다는 의미는 전력 공급의 제어를 컴퓨터로 조절할 수 있다는 것이다. 언제, 어디서, 얼마만큼, 어떤 형태와 파형으로 전기를 공급할지 이제 컴퓨터 프로그램으로 제어할 수 있다. 디지털 전력 제어방식을 이용하면 가정, 아파트, 공장과 데이터 센터뿐만 아니라 도시 전체의 전력 공급을 최적화해서 전력 효율을 최대화할 수 있다.
한 걸음 더 나아가 전체 전력 사용 패턴을 빅데이터로 만들고 AI로 학습하면 전력망 전체가 지능화된다. 달리 말해 AI와 빅데이터를 활용해 최적의 AI로 전력 효율을 최대로 높일 수 있는 시대가 됐다. 국가 전력망을 AI로 최적화하는 것이 원자력발전소를 추가로 세우거나 태양광 패널을 설치하는 것보다 더 큰 투자 효과를 얻게 된다. 이렇듯 전력도 AI 디지털 시대가 된 것이다.