브러시 모터는 더 효율적인 브러시리스 모터로 서서히 대체되는 추세이다. 이는 부분적으로 여전히 브러시 모터가 가격 면에서 유리하다는 점도 있지만, 브러시리스 모터 시스템의 실행에 기술적 어려움이 있다는 것이 더 큰 이유이다.

반도체 기술이 최근 몇 년 사이에 싸지만 비효율적인 백열등을 사라지게 했듯이 브러시 모터 역시 동일한 영향을 받을 것으로 보인다. 이와 관련해, 브러시 및 브러시리스 모터 시장의 최근 동향을 알아본다.

브러시 전기 모터와 백열등은 많은 공통점을 지니고 있다. 두 아이템은 19세기에 발명된 이후, 사용이 쉬웠기 때문에 20세기 동안 매일 어디서든 생활 속에 깊이 자리 잡았으나 현재는 사용되지 않는다.

그러나 백열등이 이제는 거의 사라져가는 것과 달리 브러시 모터는 더 효율적인 브러시리스 모터로 서서히 대체되는 추세이다. 이는 부분적으로 여전히 브러시 모터가 가격 면에서 유리하다는 점도 있지만, 브러시리스 모터 시스템의 실행에 기술적 어려움이 있다는 것이 더 큰 이유이다. 반도체 기술이 최근 몇 년 사이에 싸지만 비효율적인 백열등을 사라지게 했듯이 브러시 모터 역시 동일한 영향을 받을 것으로 보인다. 

전기 모터는 우리 생활 속 어디에서나 사용되고 있지만 전등과는 달리 불확실성을 지니고 있다. 뭔가 기계적인 움직임이 있을 때마다 전기 모터가 작동하고 있다고 보면 되는데 이들 모터는 가정의 냉장고, 식기 세척기 및 세탁기를 구동한다. 또한, 문을 열고 엘리베이터, 에스컬레이터 및 열차를 움직여서 우리를 원하는 곳으로 데려다 주기도 한다. 모터로 커피를 갈아 마시며 컴퓨터를 냉각할 뿐 아니라 빌딩이나 회사에서는 에어컨을 가동시키기도 한다. 

최근 출시되는 차량에는 20~50대의 전기 모터가 장착되어 미러, 전조등 및 시트를 움직일 뿐 아니라 연료, 물 및, 와이퍼 액을 펌핑하고 브레이크 및 조향 장치의 작동을 돕기도 한다. 미래에는 전기 모터가 차량 자체를 움직이게 될 것이다. 

지난 세기 동안에 이렇듯 간단한 애플리케이션에는 브러시 모터가 사용되었었다. 백열등과 마찬가지로 모터는 스위치를 켜면 바로 작동하고 단자에서 전압을 반대로 연결하면 모터가 역방향으로 회전한다. 전압을 변화시키면 속도가 변화한다. 이 같은 단순함은 모터 내부에서 모터를 계속 회전하게 만드는 기계식 스위치(정류자)에 의한 것이었다. 

정류자는 회전하는 모터 코일에 연결되는 회전 고무 슬립 링과 고정 모터 케이스의 전류를 슬립 링으로 전도하는 슬라이딩 접점(브러시로 불림)으로 구성된다. 모터 코일 어셈블리가 회전하면 코일 터미널이 브러시를 통과하게 되며 브러시 직류가 코일을 통해 회전을 유지한다(그림 1).

▲ 그림 1. 브러시 모터의 계통도

정류자가 브러시 모터의 사용을 쉽게 만들었지만 이는 또한 문제의 근원이기도 하다. 정류자는 기계적 마모 및 파열의 대상이 되어 모터의 사용 수명을 제한하며, 이러한 브러시 마모는 먼지를 발생시키게 되므로 이로 인해 모터의 성능이 감소되기 때문이다.

또한, 모터 전류가 코일에서 코일로 슬립 링을 따라 전환되면 전기 아크가 발생한다. 이 같은 브러시 아크는 오존을 생성한 후 음향 소음과 전자 방출을 통해 전화, 라디오 및 무선 통신 네트워크 같은 기기 및 장비들을 간섭한다. 브러시 아크는 먼지 및 가연성 환경에서 매우 위험하므로 화재나 심지어 폭발을 일으킬 수도 있다.

기계식 브러시를 내장한 정류자 역시 모터의 전기 효율을 최대 70%로 제한한다. 이와 대조적으로 브러시가 없는 모터는 최대 90%의 효율을 얻을 수 있다. 이는 이미 19세기 말 Nicola Tesla가 입증한 바 있다.

이렇듯 브러시리스 모터가 브러시모터 보다 더 효율적이고 보다 신뢰할 수 있으며 친환경적인데도 왜 여전히 브러시 모터가 일반적으로 사용되는 것일까?

백열등 및 LED 조명의 경우에서 보았듯이 더 싸고 단순한 것이 보다 복잡하고 비싼 것을 대체하기 위해서는 일반적으로 대량 생산을 통해 가격이 떨어질 때까지 어느 정도 정부의 규제가 필요하다.

이러한 점에서 국제 에너지 효율 표준(북미의 Energy Star와 EU의 Ecodesing 등)은 회사들이 준수해야 할 강제 조항을 내포하고 있기도 하다.

그 뿐 아니라 이제는 고객들도 환경과 에너지 보존에 대해 점점 많은 관심을 가지고 있는데 현재는 친환경에 대한 양심적인 이유 혹은 요금 절감 등을 위해 에너지 효율 제품에 기꺼이 보다 더 돈을 지출하는 추세이다. 결과적으로, 에너지 효율이라는 점은 이제 단순히 법적 준수 사항이라는 점 외에도 별도로 엔지니어가 자신들의 제품을 경쟁사의 제품들과 차별화하는 방법으로 이용되고 있다.

이와 마찬가지로 자동차 제조사들은 CO2 배출 표준을 강화해 더욱 연료 경제성을 개선해야 하는 요구에 점점 더 직면해 있다. 이는 여러 가지 창조적인 방법으로 실현할 수 있지만 지속 가능한 가장 좋은 방법은 전통적으로 전기 모터가 있는 연소 엔진에 연결되는 드라이브 시스템을 활용하는 것이다. 후자의 경우는 해당 기능에 대해 최적화될 수 있는데 꼭 필요할 때에만 실행하면 된다.

이에 대한 예로 파워 스티어링은 엔진 무부하 상태로 파킹 중에 최대의 조향 지원을 제공해야 한다. 파워 스티어링 시스템 여전히 엔진과 연결되어 있으므로 조향이 거의 일어나지 않을 경우엔 고속도로에서 많은 출력을 낭비하게 된다.

결과적으로 차량 파워 스티어링 시스템은 브러시리스 모터를 사용하는 최초의 애플리케이션이 될 수 있다. 점점 더 친환경 규제가 엄격해짐에 따라 브러시리스 모터는 브레이크 지원, 엔진 냉각 팬, 연료 펌프, 오일/물 펌프 등에 점점 많이 사용되는 추세이다. 

전통적인 브러시 전기 모터를 브러시리스 모터로 대체하는 것은 소음 및 공해 제거와 함께 더 높은 효율과 신뢰성을 얻기 위한 가장 빠른 경로이지만, 이를 실행하는 것은 엔지니어에게 상당한 도전이 된다. 기존에 정류자로 해결되었던 기계적 작동은 이제 3상 인버터를 사용해서 전기적으로 수행되어야 한다.

인버터는 일반적으로 복잡한 모터 제어 알고리즘을 실행하는 마이크로 컨트롤러가 통제하는 게이트 드라이버를 필요로 한다.

이에 따라 하드웨어 설계 및 컨트롤러 프로그래밍을 잘 하면서도 최고효율의 설계를 시스템에 통합하기 위해서는 모터 물리학에 대해 완전하게 이해하고 있는 엔지니어가 이들 애플리케이션을 개발해야 한다.

그런데 브러시 모터 애플리케이션 설계자들은 일반적으로 이 같은 기술을 갖고 있지 못하므로 브러시리스 모터 사용에 있어서 불편함을 느끼게 된다. 

이들 엔지니어들이 원하는 것은 브러시리스 모터를 구동하기 위해 특별히 심도 있는 설계와 프로그래밍 작업을 하지 않고도 쉽게 사용 가능한 솔루션이다.

이들의 목표는 브러시 모터 개발과 같이 단순한 브러시리스 모터 애플리케이션 개발인데 이를 통해 모터 회전 방법보다는 애플리케이션 자체에 대한 자신들의 전문성을 잘 발휘할 수 있게 된다. 

백열등이 LED 등으로 교체되었듯이 반도체 산업은 고객사들에 대한 모터 제어 시스템의 복잡성을 해결함으로써 브러시리스 모터로의 이동을 지원할 수 있다. 다행히, 이 같은 도전을 시작하는 회사들이 늘어나는 추세이다.

이러한 회사들 중 하나인 온세미컨덕터는 스테레오 장비, 디스크 드라이브 및 냉각팬에 대해 ‘사용이 쉬운’ 모터 드라이버를 공급해온 경험과 전문 지식을 바탕으로 산업용 및 자동차용 애플리케이션을 위한 브러시리스 드라이버 개발에 초점을 두고 있다.

그 결과 고집적 LV8907를 개발하게 됐다. 이 제품은 추가로 소프트웨어를 개발하지 않고도 브러시리스 모터를 브러시 모터처럼 사용이 쉽게 만드는 모터 드라이버 IC이다. LV8907는 12V 산업용 및 고객 애플리케이션용에 사용되지만 자동차에도 사용이 가능하도록 호환되도록 6개의 파워 스위치와 몇 개의 개별 저항기 그리고 콘덴서들로 이루어졌다. 이 소자는 브러시리스 모터 구동 시 필요한 시동, 무 센서 통신 그리고 다양한 안전 기능들을 다룬다. 

모터 및 애플리케이션 관련 매개 변수들을 SPI 인터페이스를 통해 업로드 한 뒤 모터 속도를 제어하기 위해서는 펄스 폭 변조(PWM) 제어 신호로 조절하면 되는데, 이는 곧 브러시 모터 애플리케이션과 같은 것이다.

모든 관련 매개 변수들은 소자 내의 내장 비-휘발성(OTP) 메모리에 저장될 수 있는데 애플리케이션의 수명 동안 이 세팅 상태가 유지된다. 

고정된 속도 작동을 위해 ON-OFF 스위치 사용이 가능한 이 소자는 PWM 입력과 조합하도록 내장된 P-I 제어 루프는 여러 전압 공급 및 부하 조건에서 모터 속도를 정밀하게 조절할 수 있다.

이 소자에 집적된 보호 기능은 과전류, 과전압 및 과열 그리고 기타 고장 조건들로부터 애플리케이션을 보호할 수 있다. 차단 로터의 경우 이 소자는 모터 구동을 정지한 후 이미 설정한 간격이 지난 뒤 재시동한다(사진 1). 

▲ 사진 1. 온세미컨덕터의 브러시리스 모터 솔루션

결론적으로 말해, 브러시 모터에서 브러시리스 모터로의 전환은 이미 효율성을 이유로 잘 진행 중이며 엄격한 정부 규제 또한 이러한 기술 진전을 촉진하고 있다. 그러나, 이 같은 전환에는 상당한 기술적 어려움이 있다.

반도체 산업은 브러시리스 모터용 지능형 모터 컨트롤 솔루션의 출시를 통해 더 많은 제품들을 제공해서 이들 장애물들을 극복할 수 있다. 

LED 조명에서와 마찬가지로 브러시리스 모터는 친환경을 위한 솔루션을 필요로 하는 21세기의 시대적 요청에 부응해 더욱 널리 사용이 확대될 것으로 보인다. 이에 따라 머지않은 장래에 브러시 모터도 백열등처럼 과거의 전유물로 남게 되지 않을까?

버코 클렛잔더 (Berko Kletzander) _ 온세미컨덕터