솔리드 스테이트 변압기: 전력망 전기화의 미래?

전기화가 우리 경제와 산업을 장악하는 과정에 대해 이야기할 때, 우리는 주로 전기차(EV), 배터리, 고속 충전기, 재생 에너지 등을 떠올립니다.

하지만 결국 이 모든 새로운 기술도 여전히 발전소와 태양광 농장에서 발생하는 고전력을 자동차, 가정, 데이터 센터, 산업 플랜트 등에서 사용하는 수준으로 변환하는 기본 설계가 꽤 오래된 디자인에 의존합니다.

현대 변압기의 핵심 설계는 19세기 후반으로 거슬러 올라가며, 윌리엄 스탠리 주니어가 초기 상업 모델을 개발하고 이후 교류 전력 시스템이 확장되면서 웨스팅하우스와 니콜라 테슬라가 이를 발전시켰습니다. 기본 원리인 철심과 구리 권선을 이용한 전자기 유도는 한 세기 이상 거의 변하지 않았습니다.

이 설계는 변압기의 유일한 역할이 전력망에서 표준 전류를 비교적 안정적이고 예측 가능한 조건에서 적절한 수준으로 전달하는 것이었을 때 충분히 적합했습니다.

하지만 이제 전력망과 전력 생산이 더욱 분산되고 전류 품질에 대한 요구가 더욱 엄격해지면서, 이는 거의 충분하지 않게 되었습니다.

다행히도 반도체 산업의 소재 진보가 새로운 잠재적 변압기 유형인 솔리드 스테이트 변압기의 길을 열고 있습니다.

100년 된 전력망: 전통적인 변압기의 작동 원리

전통적인 변압기의 기술적 기본 원리

설명한 바와 같이, 변압기는 주어진 전압에서 전류를 입력받아 다른 전압(낮거나 높게)으로 변환하는 장치입니다. 고전통적인 변압기의 용량과 전류 변환 비율은 철심 주위에 감긴 구리 또는 알루미늄 코일 수에 의해 고정됩니다. 차단기, 부싱, 퓨즈 등 추가 부품은 변압기가 안전하게 작동하도록 보장합니다.

비유연하고 부피가 크지만, 이러한 기계는 수십 년, 심지어 한 세기까지도 사용할 수 있을 만큼 매우 내구성이 높습니다. 또한 2025년에는 690억 달러 규모의 큰 시장을 형성하고 있으며, 2034년까지 연평균 7.97% 성장해 1,359억 달러에 이를 것으로 예상됩니다.

그럼에도 현재 제작되는 변압기는 비교적 조잡한 장치이며, 1900년대 초에 발명된 초기 기술을 사용하고 있습니다. 우리가 전력에 점점 더 의존하게 되면서, 특히 전력망이 몇몇 거대한 발전소만이 아니라 더 간헐적이고 분산된 재생 에너지 원에 의존하게 되면서, 이는 문제가 될 수 있습니다.

“구식의 강철, 구리, 그리고 오일 변압기는 모니터링도 없고 제어도 없습니다. 전압 급등이나 발전소가 정전되는 경우, 이는 위험 요소가 될 수 있습니다.”— Drew Baglino – Heron Power 솔리드 스테이트 변압기 회사 설립자 겸 CEO

솔리드 스테이트 변압기(SST)의 작동 원리

이러한 우려를 염두에 두고 엔지니어들은 변압기를 재설계하려 하고 있습니다. 구리와 철 대신 전기차와 반도체에 사용되는 실리콘 카바이드와 갈륨 나이트라이드와 같은 새로운 소재에 주목했습니다.

설계상의 또 다른 근본적인 차이점은 솔리드 스테이트 변압기(SST)는 하나의 거대한 철·구리 블록이 아니라 여러 작은 모듈을 조립해 만든다는 것입니다. 그 결과 용량을 쉽게 조정할 수 있고, 고장 지점을 손쉽게 교체할 수 있습니다.

SST는 전통적인 변압기와 몇 가지 핵심 기술적 차이점이 있습니다:

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전 세계 변압기 공급 부족 해결

전통 변압기의 또 다른 문제는 최근에 찾기가 매우 어렵다는 점입니다.

전기화와 수 기가와트 규모 데이터 센터 건설로 전력망 용량에 대한 수요가 계속 증가함에 따라, 미국 유틸리티 기업들은 전력망을 유지하고 더욱 개선하기 위해 충분한 변압기를 찾기 위해 급히 움직이고 있습니다.

핵심 요인 중 하나는 전력망이 노후화되고 있으며, 변압기와 같은 견고한 장치조차도 약 50~70년마다 교체가 필요할 수 있다는 점입니다. 미국 배전 변압기의 절반 이상, 약 4천만 대가 이미 예상 수명보다 초과되었습니다.

특히 구리와 같은 원자재 가격 상승과 결합되어, 변압기 가격은 2019년 이후 카테고리별로 45%에서 95%까지 상승했습니다.

“전력 반도체는 계속해서 가격이 낮아지고 있습니다. 안타깝게도 강철, 구리, 그리고 오일은 그런 상황이 아닙니다. 원자재 가격은 어디든 변동할 수 있으며, 일반적으로 상승하는 추세입니다.”— Drew Baglino – Heron Power 솔리드 스테이트 변압기 회사 설립자 겸 CEO

비용을 증가시키는 또 다른 요인은 외국산 강철 및 기타 금속에 대한 관세로, 변압기에 필요한 재료 품질을 제공하는 중국이나 브라질과 같은 국가에 대해 종종 50% 이상까지 부과됩니다.

마지막으로, 변압기 공급을 늘리기 위한 투자가 충분하지 않았으며, 많은 기업이 2000년대 초에 심지어 문을 닫기도 했습니다. 이는 유틸리티 기업들의 전력망 투자 부족이 일부 원인입니다. 따라서 현재 변압기 공급망, 특히 필요한 특수 강종(전기강판)을 포함한 공급이 충분히 확보되지 못하고 있습니다.

하지만 솔리드 스테이트 변압기가 추가 공급을 제공하더라도 새로운 변압기의 비용 문제를 즉시 해결하지는 못합니다. 현재 이들은 전통 변압기보다 5~10배 더 비싸기 때문입니다.

SST 적용 분야: 솔리드 스테이트 변압기가 우수한 영역

AI 데이터 센터 및 고전력 인프라

이러한 용량 차이는 구형 변압기와 솔리드 스테이트 변압기 사이에서 사용 방식 자체를 완전히 바꾸어 놓습니다.

이들은 현재 사용되는 다양한 전원 공급 장치들의 역할을 대신할 수 있으며, 동시에 전력 수준을 평활화하고, AC를 DC(또는 그 반대)로 변환하며, 전력망과 배터리 모두에 연결하는 등 다중 기능을 수행합니다.

이 때문에 SST는 전력 공급 문제가 일반 사용자보다 훨씬 복잡한 데이터 센터에 매우 매력적인 옵션이 되었습니다. 예를 들어, SST는 무정전 전원 공급 장치(UPS)와 국가 전력망, 배터리 파크, 지역 재생 에너지 생산(계량기 뒤 전력)과의 연결 필요성을 한 번에 없앨 수 있습니다.

보다 컴팩트한 SST는 데이터 센터 내 공간을 크게 절약하여 더 많은 컴퓨팅 랙이나 냉각과 같은 지원 시스템을 배치할 수 있게 합니다. 따라서 추가 비용은 데이터 센터와 같이 특수한 경우에 대한 절감 효과와 맞물려 나타납니다.

“우리가 제거한 모든 비용을 합산하면, 전체 비용의 60%~70%에 해당합니다.”— Haroon Inam, DG Matrix 공동 설립자 겸 CEO, TechCrunch에 전함.

현재 데이터 센터는 이 새로운 기술의 첫 번째 고객이며, 그 유연성과 컴팩트함을 높이 평가합니다. 또한 이를 통해 새로운 변압기를 위한 대기열을 건너뛸 수 있습니다. 마지막으로, 이는 지금까지 많은 추가 투자가 필요했던 전력 안정성을 제공하는데, 예를 들어 Heron Link의 변압기는 백업 전원이 가동될 때까지 컴퓨팅 랙에 30초의 전력을 공급할 수 있습니다.

재생 에너지 및 전력망 에너지 저장

대부분의 전력 생산은 교류(AC)를 중심으로 설계되었으며, 이는 석탄, 가스, 수력 발전소의 회전 터빈에서 처음 생성되었습니다. 그러나 광전 발전이 주요 에너지 원으로 성장함에 따라, 자연스럽게 직류(DC)를 생산하게 되며, 이를 전력망에 송전하기 전에 인버터를 통해 교류로 변환해야 합니다.

배터리도 마찬가지로, AC 전력망에 연결될 수 있지만 입력과 출력 모두에서 DC가 필요합니다.

따라서 인버터와 변압기 두 역할을 모두 수행할 수 있는 솔리드 스테이트 변압기는 두 개의 별도 표준 시스템과 동일한 비용이 들게 됩니다.

전기차 충전 및 양방향 지원

공간과 시설 전체 면적은 전기차 충전소의 제한 요인이 될 수 있습니다. 이 점에서 SST의 고밀도는 경쟁 우위가 될 수 있습니다.

배터리 파크와 마찬가지로, 전압을 변환하면서 AC-DC 인버터 역할도 수행할 수 있는 능력에서 이점을 얻습니다.

마지막으로, 충전소에 설치된 솔리드 스테이트 변압기는 동일한 장치가 전력망에서 전력을 끌어오거나 전력을 공급하는 방식으로 교대로 작동함으로써 추가 저장 장치로 전환될 수 있습니다.

현재 전기차 운전자는 이러한 “모바일 배터리” 역할에 큰 관심을 보이지 않을 것입니다. 그러나 미래에는 자율주행 차량 군집이 중요한 순간에 저장 용량을 “대여”함으로써 수익성을 높이고, 충전소와 SST를 활용해 피크 시간대에 전력망에 에너지를 다시 공급할 수 있을 것입니다.

전기차 배터리 팩이 더욱 내구성을 갖추고 충방전 사이클이 잦아도 거의 손상이 없게 되면서, 이 추세는 점점 더 보편화될 것입니다.

스마트 전력망의 미래

현재 SST는 비용이 너무 비싸고 신기술이기 때문에 유틸리티 회사들이 전력망에 통합하기에는 아직 이릅니다.

하지만 장기적으로는 전력망 관리 방식을 근본적으로 바꿀 수 있습니다. 특히 전송 및 배전 비용을 절감할 수 있는데, 이는 유틸리티 요금 인상의 주요 원인 중 하나입니다.

이는 솔리드 스테이트 변압기가 변화하는 조건에 실시간으로 대응하여, 전력 소비가 증가함에도 불구하고 기존 라인을 통해 더 많은 전력을 전송할 수 있게 함으로써 신규 라인 구축 필요성을 줄이기 때문입니다.

“같은 전선과 전주를 통해 더 많은 킬로와트시를 전달함으로써 인프라를 보다 저렴하게 만들 수 있습니다. 100년 전에 설계된 수동 기계식 장치 대신 지능을 도입하는 것이 큰 차이를 만들 수 있습니다.”— Drew Baglino – Heron Power 솔리드 스테이트 변압기 회사 설립자 겸 CEO

실리콘 카바이드 및 기타 전력용 반도체는 전기차 붐 덕분에 10년이 채 되지 않아 대량 생산이 시작되었습니다. 따라서 제조 효율이 향상되고 규모의 경제가 적용됨에 따라 비용이 점차 낮아질 것으로 예상됩니다.

아마도 이것이 유틸리티 회사들이 대규모로 솔리드 스테이트 변압기를 설치하기 위한 필수 단계가 될 것이며, 이는 두 번째 규모의 경제 물결을 일으킬 것입니다.

솔리드 스테이트 변압기 시장 결론

솔리드 스테이트 변압기는 아직 매우 새로운 기술로, 첫 대량 시장 적용을 찾고 있습니다. 데이터 센터와 점점 늘어나는 태양광 발전소에서 서서히 적용 사례를 찾아가고 있습니다.

다음 단계는 생산을 확대하고 실제 운영에서 이 변압기 설계가 기존 전통 설계보다 효율적이고 신뢰성이 높으며 궁극적으로 비용이 저렴함을 입증하는 것입니다.

몇몇 스타트업이 SST를 추진하고 있습니다. 여기에는 전 테슬라 임원이 설립한 Heron Power, 데이터 센터에 집중하는 DG Matrix, 그리고 싱가포르에 기반을 두고 미국에서도 역량을 보유한 Amperesand가 포함됩니다.

이 스타트업들이든 전기 산업의 기존 대기업들이든 최종적으로 시장을 장악할지는 두고 봐야 합니다. 전통 변압기 기업들의 기술 변화에 대한 대응 속도가 투자자들이 주목해야 할 핵심 요인이 될 것입니다.

솔리드 스테이트 변압기에 투자하기: Eaton (ETN)

Eaton은 미국 전력 변환 장비, 저·중전압 전기 장비, 항공 유압 및 연료 펌프 분야에서 1위에 자리한 거대한 전기 장비 공급업체입니다.

2025년 매출은 240억 달러를 기록했으며, 유기적 매출 성장률은 8%였습니다. 미국 지역이 가장 큰 부문이며, 최근 데이터 센터가 가장 큰 고객 부문으로 부상하여 전체 매출의 거의 1/4을 차지합니다.

이는 회사가 전기화, 데이터 센터 건설, 재산업화(특히 반도체 팹), 재생 에너지 확대 추세에서 혜택을 받을 수 있는 완벽한 위치에 있음을 의미하며, 회사는 다음과 같은 목표를 선언했습니다:

“우리는 세계 최고의 전력 관리 회사가 될 것입니다.”

이 야망을 실현하기 위해 회사는 10억 달러를 투자해 생산 능력을 200만 평방피트 확대했습니다.

또한 회사는 ‘모빌리티’ 부문을 운영하여 상업용 트럭 변속기 및 클러치(미국 1위)와 전기 모빌리티 수요에 대응하고 있습니다.

전체적으로 2025년 회사 수익성의 90%는 전기 및 항공우주 부문에서 발생했습니다.

항공우주 부문은 F-35, 보잉 KC-46A, 시코르스키 CH-53K, 보잉 777X, 보잉 B737MAX, 에어버스 A350, 에어버스 A320NEO 등 민·군용 항공기에 핵심 부품을 공급합니다. 또한 SpaceX, 블루 오리진, 아리안 그룹, 아마존, 유텔샛 그룹 등에 우주용 부품을 제공하고 있습니다.

전기 장비에 대한 수요 증가를 반영하여, Eaton의 주문 잔량은 2020년대 내내 꾸준히 증가해 2025년에 사상 최고 수준에 도달했습니다.

2025년 8월, Eaton은 솔리드 스테이트 변압기 기업 Resilient Power Systems를 8600만 달러에 인수했습니다.

이 스타트업은 기존 배전망에 직접 연결되는 초소형 전기차 충전소 설계를 보유하고 있었으며, Eaton은 데이터 센터와 에너지 저장 분야에서 기존 관계를 활용해 더 빠르게 거래를 성사시킬 수 있는 성장 가능성을 보고 있습니다.

“우리는 Eaton에 합류하게 되어 기쁘며, 결합된 팀과 역량, 선도 기술이 데이터 센터를 포함한 새로운 제품 및 시장에서 지속적인 성장에 기여할 것이라 믿습니다. 우리의 초소형 솔리드 스테이트 변압기는 에너지 효율성을 향상시키고, 프로젝트 시장 진입 시간을 단축하며, 신뢰할 수 있는 전력망을 지원합니다.”— Resilient 공동 설립자 겸 최고경영자 Tom Keister

대부분의 SST 기업이 아직 비상장인 상황에서, Resilient Power Systems의 기술과 Eaton의 방대한 경험, 판매 네트워크, 제조 역량이 결합되면 투자자들이 전력 변환 부문 전체에 위험 없이 노출될 수 있는 좋은 방법이 될 것이며, 새로운 기술이 시장에 등장함에 따른 혼란 대신 이익을 얻을 수 있습니다.

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