미래를 만들어가는 글로벌 기술 리더

▲ 김석원 전임연구원 | 한국전자기술연구원

1. 연구실과 기고자 분에 대한 소개 부탁드립니다.

안녕하세요, 태성에스엔이 매거진을 읽어주시는 여러분께 인사 드립니다.

저는 한국전자기술연구원 전력제어시스템연구센터에서 근무하고 있는 김석원 전임연구원입니다. 저희 센터는 경기도 부천시 부천테크노파크 2단지에 자리 잡고 있는데요, 현재 31명의 연구원들이 열정을 가지고 연구에 몰두하고 있습니다.

저희가 집중하는 분야는 전력전자 기술입니다. 이 기술을 바탕으로 여러 산업과 융합해 미래지향적인 R&D를 진행하고 있고, 특히 전력변환시스템의 고효율·고밀도·고신뢰성 분야에서 국내외 선도적인 위치를 차지하기 위해 꾸준히 노력하고 있습니다.

주로 에너지의 생산, 전송, 저장, 소비까지 이어지는 과정 전반에 적용할 수 있는 전력 변환 핵심 기술을 개발하고 있으며, 이를 통해 독자적인 기술력을 쌓아왔습니다. 또 다양한 프로젝트를 통해 기술을 실제로 검증하고 고도화하고 있죠. 이러한 기술들은 신재생에너지, 배터리 응용, 산업용 전원장치, 전력 계통, 수송, 차량, 산업용 모터 드라이브, 고압 인버터 등 정말 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 현재도 국내외 여러 기업 및 기관과 협력하면서 실제 산업 현장에 적용 중입니다.

저희 센터는 앞으로 다가올 에너지 환경 변화에도 발 빠르게 대응하면서, 차세대 전력전자 산업의 생태계를 만들어 가고자 합니다. 이를 통해 대한민국 전력전자 산업이 글로벌 무대에서도 더욱 강한 경쟁력을 가질 수 있도록 기여하는 것이 저희의 목표입니다.

2. Ansys를 사용하게 된 계기와 연구 분야에서 어떻게 활용되고 있는지 설명해주세요.

저희가 Ansys Q3D를 사용하게 된 이유는 명확합니다. WBG 전력반도체(SiC/GaN) 기반의 고주파 스위칭 환경에서 높은 효율성과 신뢰성을 확보하려면 전력반도체 모듈, 전력변환장치 PCB 등의 기생 커패시터와 기생 인덕턴스를 정량화할 필요가 커졌기 때문이죠.

Q3D는 PCB·버스바·패키지의 3D 형상에서  RLCG 성분을 정확히 추출하고 SPICE 등가 모델을 제공하여 과전압·링잉·EMI의 근본 원인을 효과적으로 분석할 수 있다는 장점이 있습니다. 이를 통해 WBG 전력반도체의 빠른 dv/dt·di/dt 특성을 반영한 낮은 인덕턴스 및 커패시턴스를 가지도록 구조를 선제적으로 설계함으로써, 고주파 영역에서도 구동 신뢰성을 확보할 수 있고요.

현재 저희 연구팀에서는 Q3D를 활용해 DC-link 버스바, 게이트 드라이브 루프, 전력반도체 패키지–PCB간의 RLCG 성분을 정밀하게 추출하기 위해 노력하고 있습니다. 또한 추출된 주파수 모델을 회로/시스템 시뮬레이터와 연계하여 WBG 디바이스의 빠른 dv/dt·di/dt 조건에서 오버슈트·공진·링잉 및 차동/커먼모드 노이즈를 예측하고 이를 기반으로 기생 커패시터·기생 인덕턴스를 최소화하는 레이아웃 가이드를 도출하려고 합니다. 

위와 같이 Ansys Q3D를 통해 적립된 레이아웃 가이드는 설계 초기 단계에서 잠재 문제를 사전에 제거하여 높은 효율, 낮은 EMI, WBG 소자의 구동 신뢰성을 동시에 개선함으로써 첫 빌드 성공률을 크게 높이는 데 적극 활용될 수 있을 것이라 생각합니다.

[그림1 RLGC 분석 및 PCB 레이아웃 가이드 예시]

3. Ansys 등 CAE 해석 소프트웨어를 이용했을 때 해석 속도와 정확도는 얼마나 향상되었나요?

■ 설계 효율과 신뢰성 강화

저희 센터에서는 Ansys Q3D의 도입 초기이기 때문에, CAE 해석 속도와 정확도에 대한 정량 평가는 아직 진행 중에 있습니다. 다만, 다수의 기업과 협업을 수행하다보면 외부 기관들의 CAE 결과를 접할 기회가 많은데요. 협업 기관들의 사례들을 보면 실측과 시뮬레이션 결과가 상당히 근접했다는 피드백을 꾸준히 확인하였습니다. 이러한 경험을 바탕으로 Ansys Q3D 역시 의미 있는 예측 신뢰도를 확보할 수 있을 것이라 생각합니다. 특히, 초기 설계 시 시행 착오를 줄임으로써 설계 단계 리드타임을 대폭 단축하고 개발 효율을 높이는데 큰 기여를 할 수 있을 것으로 판단하고 있습니다. 

4. 태성에스엔이에서 고객 서비스의 차별화된 장점에 대한 의견 부탁드립니다.

■ 전문지식 기반 솔버 선택 가이드, 초보자 온보딩 체계

 시뮬레이션을 제대로 활용하려면 먼저 동작 원리를 이해하고, 해석 대상의 물리 현상에 맞는 적절한 솔버 선택이 최우선이라고 생각합니다. 메시 전략, 경계 조건, 재료 물성 같은 설정은 결과에 민감하게 작용하니, 수렴 기준과 시간 간격(또는 스텝)까지 최적화해야 하죠. 태성에스엔이의 기술 세미나는 이러한 원리를 사례 중심으로 설명해 주어 “왜 이 solver를 사용해야 하는가?”를 스스로 판단할 수 있게 도와줍니다. 또한 이러닝 프로그램은 반복 수강과 복습이 가능해, 기초 개념부터 활용까지 단계적으로 실력을 끌어올릴 수 있고요. 초보자도 따라 할 수 있는 실습 자료들이 많이 갖춰져 있어 처음 툴을 접하는 사용자라도 빠르게 손에 익힐 수 있을 것이라고 생각합니다.

5. 마지막으로 향후 연구실의 연구 방향 및 비전에 대한 설명과 함께, 태성에스엔이에 바라는 점을 말씀해주세요. 

 향후 저희 연구원에서는 전력변환장치의 전력밀도를 향상시키는 연구를 많이 수행할 예정입니다. 이를 위해서는 고주파 스위칭이 필수기 때문에, Ansys Q3D와 같이 기생 성분을 정밀하게 분석할 수 있는 CAE 시뮬레이션을 지속적으로 사용할 필요가 있습니다. 또한 차후에는 변압기, 인덕터 등 자성체의 설계가 전력변환장치 전력밀도 향상에 주요 요소가 될 것으로 예상하고 있으며 이에 따라 향후 Ansys Maxwell 3D와 같은 전자기장 분석을 위한 CAE 해석 프로그램의 사용도 고려하고 있죠.

위와 같이, 기술의 고도화와 함께 기생성분 분석과 자성체의 해석 및 설계가 점점 복잡해지고 있습니다. 이를 해결하기 위해 CAE 해석 프로그램의 필수적인 요소가 되어가고 있다고 생각하고요. 태성에스엔이에서 제공하는 전문적인 기술세미나와 이러닝 학습은 향후 저희 연구센터의 기술 개발에 있어 큰 도움이 될 것이라 생각하고 있으며 앞으로도 많은 지원 부탁드립니다. 

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