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신재생에너지와 전기 자동차의 요구

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풍력 발전과 전기 자동차 시장은 오늘날 높은 전력 밀도, 높은 신뢰성과 탁월한 기계적, 온도적 그리고 전기적 특성을 갖춘 전력 모듈을 요구하고 있다. 그렇다면 어떻게 이러한 시장의 요구사항을 만족시킬 수 있을까? 여러분은 신재생에너지 시장과 전기 자동차 시장의 수요와 그를 향한 도전을 보게 될 것이다.
글_ 토마스 스톡메이어, 세미크론 인터내셔널 프로덕트 매니저
오늘날 높은 신뢰성을 갖춘 전력 소자에 대한 요구는 무납땜 압력 접촉 방식 기술에 의해 최적의 만족을 얻고 있다. 이 다음 단계로 와이어 본드는 독 플렉스 포일에 의해 대체될 것이고 이는 전력 사이클 피로의 제약사항을 정복하기 위한 방안이다. 전력 밀도의 최상의 역량은 전력 모듈 뿐만이 아니라 모듈의 un-packing 방식과 기계적 통합에 의한 임베디드 시스템의 디자인 등 이러한 기술의 배치를 통하여 얻을 수 있다.
전력 모둘은 한 개 이상의 반도체 칩과 전기적 통로에서 구별되는 열 흐름 통로를 제공하는 구성요소의 결합으로 이루어진 장치를 의미한다. 이러한 전력 모듈은 1975년부터 시장에 등장하기 시작하였고, 그 성공의 역사는 화려하다. 전력 모듈은 대부분의 모든 전력 전자 시스템의 핵심 건설 부품의 하나로서 지금은 급격하게 성장하고 있는 두 시장의 핵심 부품이다. 그것은 바로 신재생에너지 시장과 전기 자동차 시장이다. 본문에서는 이 두 시장에 미치는 파워모듈의 영향력과 패키지화 된 기술들에 대해 살펴보고자 한다.
풍력 발전 모듈 시장은 2022년까지 250M US 달러에 달할 것으로 추정되고 있다.
현재까지 풍력발전용 전력 모듈 시장의 점유율은 5%정도에 그치고 있다. 그러나 매년 25% 이상의 성장률을 보이고 있는 이 시장은 그 어떤 세분화 된 시장보다도 빠르게 성장하고 있다. 2011년까지 이 시장은 250M US 달러의 크기로 성장할 것으로 전문가들은 바라보고 있다.풍력 발전용 전력 모듈은 매우 높은 단속 작동 수명과 장기간의 유횽성과 매우 높은 신뢰성 그리고 극한의 환경에서도 적합하도록 요구하고 있다. 그림1에서 보는바와 같이 집적형 전력 모듈(IPM), SKiiP은 풍력 발전용 응용분야에서 넓리 이용되고 있는 제품이다. 이 전력 모듈은 고객에게 적합한 방열판(공냉 도는 수냉 방식)과 기계적으로 집적된 게이트 드라이브와 전류센서, 온도센서 그리고 전압 센서등 보호회로가 모두 집적되어 있는 패키지 화된 모듈이다.
이러한 풍력발전용 전력 모듈의 특별한 적합성은 자체의 독특한 압력 접촉 시스템에 있는데 이것은 전기적 전력과 보조의 접촉 온도 또는 전력 사이클에 의한 유도된 피로에서 자유를 넓게 확장시키기 위한 온도적 접촉 방법들이 결합된 방식이다.
또한 전력 모듈의 자동차 시장에 대한 점유율은 단지 4% 정도에 그치고 있다. 그러나 이또한 해마다 19%라는 급격한 성장을 이루고 있는 시장이다. 고 전력 자동차 응용분야는 전력 모듈 요구사항의 모든 특별한 요구사항을 들을 모두 갖추어야만 한다. 기술적으로 대부분의 수요는 주변의 높은 온도와 써멀 사이의 높은 수치에 대한 것이 대부분이다. 그림 2에서 보는 것처럼 자동차 전용 모듈은 SKiM이다. SKiM 전력 모듈 또한 위의 그림에서 보는 바와 같이 압력 접축 방식의 기술을 이용하여 만들어졌다. 그러나 자동차 전용 모듈 SKiM은 세계 최초로 모듈 전체에 어떠한 납땝도 들어가 있지 않은 것이 특징이다. IGBT와 다이오드 칩은 sinter 기술을 이용하여 DBC(Direct Bonded Copper)기판에 그대로 부착시켰고, 와이어 본딩은 사용하지 않았다. 이는 진동이 심한 자동차 응용분야에서도 제품의 성능이 유지할 수 있도록 하는 매우 중요한 특징이다.
 
열팽창계수의 불일치는 제품의 성능에 심각한 문제를 야기시킨다.
신터 과정(sintering process)에서 스텐실 프린팅에 의해 사전 적용된 은 페이스트 레이어로 칩을 덥는다. 매우 높은 압력과 온건한 온도(250℃)아래에서 은 페이스트는 딱딱한 은층으로 변형된다.
그림 3에서 보여지는 것과 같이 자동차용 전력 모듈의 5″x 7″ DBC card는 4개의 기판으로 구성되어 있는데 각각의 기판은 12개의 IGBT와 6개의 다이오드가 한번에 신터 기술로 접착된다. 다음 구성은 칩과 기판 사이에 은으로 된 층을 만들어 은의 녹는점인 961℃에서 녹인다. 그리하여 175℃의 작동 온도에서는 단지 분해 온도의 18%에 해당할 뿐이고 이것은 은으로 된 층이 일반적인 응용분야에서 과로로 인한 피로가 발생하지 않음을 의미한다. 이것은 납댐을 하는 전통적인 칩 방식과는 매우 구분되는 차이점이라고 할 수 있는데, 냅댐을 한 일반적인 장치의 작동 온도는 분해 온도의 대략 60% 정도를 차지하고, 이로 인하여 파워 사이클이나 써멀 싸이클의 납땜을 통하여 기계적 피로를 가져올 수 있다.
모든 전력 모듈은 초음속의 본딩으로 칩의 맨 윗부분과 연결하기위해 얇은 알루미늄 선이 필요하다. 알루미늄 와이어와 칩 사이에서 발생하는 열팽창 계수의 불일치는 파워 사이클의 충분한 수치 이후에 칩에서 와이어를 떨어뜨리는 결과를 유발할 수 있고, 전력 모듈의 수명에도 제한적이다. 훌륭한 재료와, 디자인 또한 과정을 거쳤음에도 불구하고 이러한 피로는 디자인 요소에 여전히 제한적으로 남아있고, 더 낮은 생산 단가를 위하고 또 더 높은 전력 밀도와 더 긴 제품의 수명을 위하여 중요한 요소이다.
 
SKiN technology는 와이어 본딩을 유동적인 포일로 대체시킨다.
SKiN technology라 불리는 솔루션은 와이어 본딩 대신에 유동적인 포일의 형태를 가져왔다. 와이어 본딩은 칩에 용접하는 과정에서 납잡한 칩에 알리미늄, 폴리마이 그리고 구리로 구성된 층을 샌드위치처럼 납작한 칩에 한 부분으로 용접하는 것을 말한다. 알루미늄 부는 작동과 게이트 트랙을 제공하고, 구리면은 구동과 감각 전기를 가져오는 디자인으로 설계될 수 있다. 폴리마이드 층을 통해서 위의 메탈층에서 얇은 와이어 본딩에 의한 게이트와 센서에까지 접촉될 수 있다. 패키지 재료의 제약사항은 단순하게 소멸되고, DBC 기판은 “기계적 조합”에 의하여 스크래치에서 임베디드 전력 전기 시스템에 사용될 수 있다. 하우징, 터미널 그리고 베이스 플레이트 같은 전통적인 패키지 소자의 대부분의 스트리핑은 Un-packaging이라고 불린다.
 
적게는 더 많이 : 더 긴 수명을 위한 Un-packing 칩
전체적인 조립을 위해서는 단지 몇번의 작업이 필요할 뿐이다. 기판은 듀얼팩, 오도 센서 그리고 필터 캐패시터드의 구성안에 전력 MOSFETs (납땜 또는 신터)로 조립된다.이러한 기판은 프레임(고온에 적합한 플라스틱 재료)과 이미 모듈화 된 스크류 타입 터미널과 함께 방열판위에 취부된다. 다음으로는,DC link 캐패시터에 집적된 DC와 AC 버스바 시스템에 위치한다. 압력 부분은 윗부분에서 이루어지는데, 이것은 보조부에 연결하기 위한 사전 조립된 스피링을 구성하고 기판에 전력 터미널을 누르면 동시에 열적 그리고 전기적 접촉이 된다.
그런다음 게이트 드라이브와 전기 센서 보드 기르고 컨트롤러 보드는 다 같이 취부된다. 결과적으로 철 또는 플라스틱으로 된 두껑은 조립된 부품들 위에서 덮어주고 외부 환경으로부터 제품을 보보한다. 이러한 모터 드리아브의 결과로 전력 밀도는 벤치 마크되어 전시되고, 20g 진동과 100g 충격에서도 매우 높은 열적 전력적 사이클 용량을 보여주고 진화된 전력 MOSFET 의 정션 온도도 200℃로 충분히 사용할 수 있다. 이러한 소형화된 디자인과 집적된 필터 캐패시터는 매우 작은 수행과 발산된 방출을 전시한다.
미래를 위한 가능성
신재생에너지와 전기 자동차는 전력 반도체 모듈과 시스템을 위한 시장 중 급격하게 성장하고 있는 시장이다. 높은 시장의 성장 옆에 두 응용 분야 모두 매우 높은 기술과 경제적인 기회가 매우 높다. 신생 기술 예를 들면 IGBT 압력 접촉 방식 플렉스 포일 그리고 un-packaged 임베디드 시스템등은 그에대한 해답을 제공하고 있다. 미래에 성공하기 위해서는 기존의 제품과 동시에 이러한 새로운 시장에서 요구하고 있는 혁신적인 제품을 개발해 내어 시장의 요구를 완벽하게 만족 시킬 수 키고 대응하는 것이 가장 중요할 것이다.
 
아이씨엔 매거진 2009년 07~08월호

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힐셔, 산업용사물인터넷 지원 netIOT 활용방안 제시

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힐셔 netIOT

산업용 통신 솔루션 선두업체인 힐셔(Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH)는 11월 2일(금), 인터컨티넨탈 서울 코엑스에서 기자 간담회를 개최하여 힐셔의 혁신적인 netIOT 전략 및 netIOT 인터페이스의 다양한 솔루션을 활용한 IoT 기술 활성화 방안에 대해 소개하는 자리를 가졌다.

힐셔 netIOT

netIOT

힐셔 프로덕트 매니저인 크리스토프 훙어(Christof Hunger)는 “IoT 시장이 성장함에 따라 설비 제조업체들은 필드 디바이스의 정보를 기반으로 예방적 유지보수, 상태 모니터링과 같은 새로운 클라우드 기반의 부가가치 서비스를 구현하고자 한다”며 “힐셔는 디바이스 제조업체들이 힐셔의 netIOT 인터페이스 솔루션을 이용해서 산업용 이더넷, 트랜스페어런트 이더넷(Transparent Ethernet)과 함께 OPC UA 서버 및 MQTT 클라이언트 기능을 쉽게 추가할 수 있도록 더욱 집중하였고, 힐셔 솔루션을 통해 고객들이 스마트 팩토리를 구축하는데 도움이 되길 바란다.” 라고 말했다.

인더스트리 4.0과 IIoT는 4차 산업혁명으로 센서에서 클라우드까지 지속적인 통신을 요구한다. 힐셔는 이를 산업용 클라우드 통신이라 칭하고 고객들이 Industry 4.0, 스마트팩토리 및 IoT를 구현하도록 돕기 위해서 힐셔 netIOT 제품군이라는 솔루션을 구축하고, 지속적으로 프로모션을 진행하고 있다. netIOT는 netIOT 서비스(Service), netIOT 엣지(Edge), netIOT 인터페이스(Interface)와 같이 총 3개의 영역으로 구분된다. 특히 netIOT 인터페이스는 IoT 기능을 갖는 netX기반의 통신제품으로 netIC IOT와 같은 모듈형 제품을 생산 및 공급하고 있다.

힐셔 넷프록시

netPROXY

 

netIC IOT는 필드 디바이스용 지능형 멀티 프로토콜 모듈로 하나의 하드웨어만으로 모든 Real-Time Ethernet 슬레이브 프로토콜을 지원한다. OEM 고객들은 엔지니어링 툴을 이용하여 고객 어플리케이션 소프트웨어에서 한번만 개발하면 되는 고객 디바이스용 프로토콜 독립형 객체 모델을 생성한다. 네트워크 프로토콜 변경은 툴 내에서 ‘Build Process’를 통해 전적으로 진행되기 때문에 어플리케이션에 필요한 네트워크 별 조정이 없으며 OEM은 정확히 하나의 하드웨어와 소프트웨어 설계로 진정한 멀티 프로토콜 디바이스를 구현할 수 있다.

힐셔코리아 원일민 지사장은 “스마트 팩토리의 구축에 있어 가장 중요한 포인트는 IT영역과 OT영역의 연결에 있다”고 언급하며, “힐셔는 netIOT를 통해 시스템 설치시 발생할 수 있는 리스크를 최소화시킬 수 있게 하고자 한다. 기존OT영역의 사용자들이 IT영역으로 데이터를 전송하거나 클라우드에 연결함에 있어서 사용자의 실수나 의도치 않은 수고를 덜어줄 수 있는 제품과 서비스를 지원하고 있어 시스템 설계나 설치시 발생할 수 있는 오류나 리스크를 최소화 시켜준다”고 덧붙혔다.

힐셔 netIOT 제품에 대한 자세한 설명은 홈페이지 https://www.hilscher.com/products/product-groups/industrial-internet-industry-40/ 에서 확인할 수 있다.

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[포토] PTC, 3D CAD에 증강현실 접목해 디지털 트윈 현실화

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'2018 코리아 CAD 서밋'에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다.

'2018 코리아 CAD 서밋'에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다.

(사진. PTC 코리아)


PTC코리아가 10월 18일 개최한 ‘2018 코리아 CAD 서밋’에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다. PTC의 3D CAD 소프트웨어 크레오(Creo®) 5.0은 디지털 트윈 솔루션을 현실화한 세계 최초이자 유일한 기술로 제품의 면면에 증강현실을 적용하여 물리적 세계와 디지털 세계를 연결한다. (사진. PTC 코리아)

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2016 스마트테크쇼, 6월 8~10일 코엑스서 개최

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인공지능 시대를 전망하고 사람을 위한 스마트 기술을 소개하는 ‘2016 스마트테크쇼(Smart Tech Show 2016)’가 6월 8일부터 10일까지 코엑스에서 개최된다. 

본 행사는 ‘Smart Tech for Human’라는 슬로건 아래, ▲드론/로봇 ▲가상/증강현실 ▲에듀테크 ▲스마트 모빌리티 ▲리테일테크 ▲3D프린팅 등 주요 이슈를 선정하여 국내 대표 스마트 기술 컨퍼런스 및 전시회를 개최하며, 관련 산업 간의 시너지를 창출할 수 있는 비즈니스의 장을 마련한다. KT, LG전자, ADT 시큐리티, 프로차일드, 한국과학기술원, 경북대학교 산학협력단 등 각 분야별 주요 기업·기관 125개사 400부스 규모로 이루어질 예정이다. 

유통과 IT산업의 융합을 위한 자리로 스마트 기기 체험과 첨단 리테일 솔루션을 접목한 리테일&테크 특별관이 구성되어 IT/유통산업 관계자를 대상으로 앞으로의 IT 리테일샵이 나아갈 방향을 제시한다. 더불어 한국마이크로소프트와 SGA임베디드 주최로 ‘스마트 리테일에 최적화된 MS IoT 솔루션 세미나’를 개최하여 리테일에 스마트한 혁신을 가져올 솔루션을 소개하는 자리를 마련한다. 

◇인공지능 시대, 일자리 전망 콘퍼런스 개최 

본 전시회와 더불어 ‘인공지능 시대의 일자리 창출과 직업능력 개발’을 주제로 분야별 전문가를 초빙하는 전문 콘퍼런스가 6월 8일과 9일 이틀간 열린다. 

첫째 날은 IBM 김연주 상무와 국내 대표 뇌공학자인 카이스트 정재승 교수의 기조강연과 핀란드 미래학자 마르쿠 윌레니우스(Markku wilenius) 교수의 특별강연을 시작으로 스마트기술의 산업과 일자리에 대해 블록체인OS 박창기 대표와 한국직업능력개발원 김영생 박사의 강연이 이어질 예정이다. 

둘째 날은 ‘새로운 일자리 창출 엔진으로서의 VR 그리고 교육훈련 플랫폼으로서의 가능성’에 대한 한국VR산업협회 현대원 회장의 발표와 ‘에듀테크가 가져올 교육의 혁명적 변화를 주제’로 휴넷 조영탁 대표의 기조연설 후에 스타트업 케이스 스터디를 통해 스마트시대에서 일하기 위한 우리의 성공 전략을 짚어볼 예정이다. 

◇드론에 스마트 기술의 미래를 담다 

드론 관련 신기술 촉진과 국내 드론산업 활성화를 목적으로 6월 대규모 드론 이벤트가 열린다. 드론톤은 우수한 엔지니어와 창의적인 메이커들이 드론 관련 기술을 뽐내는 자리로, 4인 1조로 팀을 꾸려 드론을 직접 제작하고 완성된 기체로 드론 게임을 진행하여 완성도와 비행능력을 종합하여 우승자를 가리게 된다. 

드론 조작에 능숙한 유저라면 도전해 볼 만한 대회도 있다. 다양한 장애물 통과 미션을 통해 드론 실력자를 가리는 ‘드론챌린지’가 9일 개최된다. 우승자에게는 최신 스마트 모빌리티가 수여되며, 참가를 원하는 이는 한국FPV협회 홈페이지를 통해 신청 가능하다. 

그밖에 스마트카, O2O, 핀테크 등 분야별로 이루어지는 테크니컬 세미나와 국내 대표 엑셀러레이터간 의 공동 데모데이를 통해 참가기업과 바이어 간의 비즈니스 기회를 마련한다. 

본 행사는 홈페이지에서 온라인 사전등록 시 무료로 관람할 수 있다.

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