지금 변압기 주문하면 "5년" 기다려야 하는 이유

<목차>

1. 변압기는 어떻게 제작되는가?

2. 왜 공급 속도를 팍팍 올릴 수 없는가?

3. 변압기 품귀 현상의 핵심 원인은..

4. 질문이 넘쳐나는 세상을 꿈꾸며

저번 글인 "칩 전쟁에 이어서, 변압기 전쟁이 일어날 것이다"를 통해 우리는 변압기 품귀 현상을 이야기했다.

요약해보자면,

하지만 이것만으로는 변압기 부족 현상을 100% 설명할 수 없다. 왜?

“그러면 변압기 생산량을 팍팍 올리면 되는거 아닌가?”

아니 변압기가 무슨 신이 때가 되면 내려주는 성물도 아니고, 겨울에만 나오는 특산품도 아니고, 그냥 공장에서 찍어내면 되는 공산품 아닌가?

변압기를 만드는 과정을 알아 봄으로써 이 의문을 말끔히 해결해보자.

“변전용 변압기” 는 어떻게 만들까?

대형 변전용 변압기 (Substation Transformer)를 만드는 과정을 살펴보자. 앞으로는 줄여서 ‘대형 변압기’라고 하겠다. 이 과정을 보고나면 "인정. 5년 기다릴 만하네!” 라고 외칠 수밖에 없을 것이다.

총 7단계로 구성되며, 이 과정을 자세히 설명하기 위해 Modern Creative의 유튜브 영상과 HD현대일렉트릭 공식 카탈로그를 참고했다.

1. 설계 (Design)

모든 변압기는 맞춤 설계된다.

뭐에 따라?

사용 목적, 용량, 고객의 요구 사항에 따라!

구체적으로는 이런 것들을 세밀하게 조정해야 한다.

전압 변환 비율, 전력 용량, 설치 환경, 냉각 방식, 권선 방식, 자속 밀도, 절연 거리, 냉각 유로, 탭(Tap Changer) 방식…

그만 알아보자.

이런 요인들은 각 시설마다 조금씩 다를 수밖에 없으니 설계 과정은 커스터마이징 그 자체다. 당연히! 대량 생산은 생각할 수도 없다. 컨베이어 벨트에서 착착착 만들어지는 그런 공산품은 아닌 셈이다.

2. 코어 제작

저번 글에서 변압기의 원리를 다루었을 때, ‘코어’라는 핵심 요소를 설명했었다.

이미지 중간에 있는 네모난 것이 코어다. 이는 강자성체인 규소강(Silicon Steel)으로 만드는데, 자기장이 코어를 따라 전달돼야 하기 때문이다.

이 코어는 어떻게 만들까?

아주 얇은 고품질 규소강판을 여러 겹으로 쌓아 만든다.

위 작업자를 보라. 이거, 수작업으로 하고 있다. 자동화? 최근에는 그나마 진행되긴 했다. 그럼에도 유니크한 조건 사항이 있다거나, 극소량 제작하거나, 복잡한 코어 디자인을 해야 하는 경우에는 여전히 수작업으로 한겹한겹 쌓는다. 또한, 변압기의 크기가 클수록 코어 제작 공정도 더욱 복잡하고, 정확도를 요한다.

수작업이 필요하고, 정확도를 요한다는 점에서 특히 코어 제작 단계에는 숙련된 작업자가 필수적이다. 생산량을 높이기 위해서 인력을 빠르게 확충하는 것이 불가능한 이유다.

3. 권선 (Winding) 제작

이제 코어에 구리선을 칭칭 감을 시간이 왔다! 이는 ‘코일’이 되어, 코어를 따라 열심히 전달된 자기장에서 ‘패러데이의 전자기 유도 법칙’을 통해 전기를 만들어줄 것이다.

하지만 사실, 대형 변압기의 경우엔 얘기가 좀 다르다. 중소형 변압기는 바로 코어에 권선을 감지만, 대형 변압기의 경우 별도의 Cylinder (원통)를 제작한다. 이 위에 권선을 감고 기타 세팅을 마친 후에 코어와 합체하는 것이다.

이렇게 하는 데에는 두 가지 이유가 있다.

아래 사진 중앙에 있는 원통형 물체가 Cylinder 이다.

권선 작업이 끝나기 전과 후를 비교함으로써 얼마나 많은 작업이 필요한지 느껴보자. 아래 사진의 빨간 박스 속 물체를 잘 보라. 

이게 아래 사진처럼 변한다. 어마어마한 두께 차이다..!

이렇게 만들어진 거대 코일은 다음 단계인 “조립”에서 이미 제작해 둔 코어와 결합된다.

대형 변압기의 경우 단순히 권선만 감는 것은 아니다. 실제로는 좀 더 복잡하다. 권선-절연-접속부(리드선) 순서로 여러 번 반복하며 진행해야하기 때문이다.

4. 조립 (Assembly)

이제 따로따로 잘 만들어 둔 코어와 권선을 합쳐주자. 변압기의 주요 구조가 완성되는 순간이다.

코어를 오차 없이 정확히 조립대에 세팅한다. HD현대일렉트릭에서 조립하는 과정도 비슷하다. 

이걸로 끝이 아니다. 냉각 방식이 오일(oil)인 경우에는 탱크 제작을 해야 한다. 요 탱크는 권선-코어 조립체를 통째로 집어넣는 용이다. 절연 거리를 확보해야 하며, “절연”에는 조금의 오차도 허용되지 않는다. 우리가 원하지 않는 곳에 고압의 전기를 흐르게 만드는 것은 딱 봐도 아주 위험한 일이다.

이후 내부 부품을 장착하고 지지 구조물을 설치하고 나면 ..!

거의 뭐 우주전쟁급 무기 같은 무시무시한 비주얼이 된다.

5. 냉각 시스템 설치

고압의 전기를 다루는 변압기의 특성상, 엄청난 열이 발생할 수밖에 없다. 성능 좋은 냉각 시스템이 필요하다.

이 단계는 냉각 방식에 따라 상이한데, 우리는 오일 변압기만 이야기해보겠다.

오일을 채우기 전에 먼저 진공 건조를 진행한다. 이는 권선이나 코어 내부의 수분을 제거하기 위함이다. 방법은? 그냥 싹 다 王오븐에 넣고 구워버린다.

그럼 도대체 왜 수분을 제거하려고 할까? ”부분 방전”을 방지하기 위함이다.

이 “부분 방전”은 아주 국소적인 방전 현상을 말하는데, ‘국소적’이라고 해서 그 위험도 국소적이진 않다. 조금의 틈, 혹은 조금의 기포, 먼지, 습기 이런거 때문에 일어나며 무려 “절연 성능”을 저하시킨다. 절연이 저하된다는 건 전기가 흐르지 말아야 할 곳으로 흐를 확률이 높아진다는 것이다. 이 수십만 볼트의 고압 전기가… 폭발할 수도 있고, 단락 현상 Short Circuit 이 발생할 수도 있다.

문제는 이 부분 방전이 초기 단계에서는 너무도 작은 수준 (마이크로볼트) 의 전기 신호로 시작되어 감지가 어렵다는 거다.. 그래서 미친듯이 꼼꼼하게. 거의 편집증에 걸린 것처럼 해야 한다.

이 ‘부분 방전’에 대해 공부하면서 변압기 제작이 얼마나 세세하고 꼼꼼한 과정인지를 새삼 느꼈다. 정말 자그마한 오차 조차도 용납되지 않는다는 것이 정말 .. 기술도, 전문가도 정말 위대하다.

진공 건조가 끝났으면 이제 오일 주입 및 탈기 (Degassing)를 진행한다. 탱크에 절연유를 채우고 부분 방전을 방지하기 위해 가스 제거를 진행한다.

이 과정을 마치면 ‘제작’ 은 종료되고, 테스트 단계로 넘어간다.

6. 테스트 (Testing)

이렇게 정교한 장치는 테스트가 생명이다.

테스트에는 설계된 변압비가 제대로 구현되는지 확인하는 전압 테스트 같은 기본 전기 테스트도 있고,

부분방전과 같은 좀 더 구체적인 위험에 대한 테스트도 있고,

진동과 소음 측정 등의 기계적 테스트도 있다.

테스트의 종류 자체로 따지면 10가지가 넘는다.

이 테스트에서 문제가 발생하면 전체 설계를 다시 확인해야 할 수도 있으며,

대형 변압기의 경우 수십만 볼트를 다루므로 테스트 자체가 매우 위험하고 시간도 오래 걸린다.

7. 출하 및 설치 (Delivery & Installation)

열심히 만들고 테스트까지 했지만 아직 끝이 아니다.

이제 완성한 변압기를 설치 장소로 이동시켜야 한다. 대형 변압기의 경우 그 무게도 상상을 초월하며, 조금의 손상도 용납되지 않으므로 배송조차 쉽지 않다. 특수 트레일러를 이용하여 조심히 옮겨야 한다.

대형 변압기는 탱크에서 오일을 빼고 부속품을 분리한 뒤 운송 한 후, 현장에서 다시 조립하고 오일 주입·탈기 과정을 재수행하기도 한다. 

설치도 간단히 끝나지 않으며, 실제로 설치될 현장에서 제대로 작동하는지 시운전하며 추가 테스트를 거친다.

실제 현장에서 설치를 마친 모습이다. 사람의 크기와 비교해보면 말 그대로 ‘대형’ 임을 실감할 수 있다.

양해 부탁드려용

빠른 이해를 위하여, 설명에 필수적이지 않은 세부적인 과정을 배제했음을 양해해주시길 바란다. 변압기 제작 과정은 이보다 훨씬 복잡하고, 챙겨야 할 디테일도 하나하나 얘기하면 끝이 없을 정도다. 전기는 유용한 만큼 아주 위험하고, 전기 인프라와 설비는 그 위험성을 없애는 데에 모든 노력을 기울인다. 

제작 단계를 하나하나 살펴보면서, ‘생산량을 팍팍 올리지 못하는 이유’도 짐작하셨을 것이다. 좀 더 명료하게 정리해보자.

요약 : 생산량을 팍팍 올리지 못하는 이유

결론

xAI의 멤피스 데이터센터라는, 단 하나의 데이터센터가 필요로 하는 대형 변압기의 수가 5개였다. 이런 데이터센터가 우후죽순 생기고 있고, 새로운 건설 의뢰는 끊임 없이 들어오고 있으니 당연히 5년 대기할 수밖에 없다.

수요는 AI와 데이터센터 때문에 폭발적으로 늘고 있는데, 공급은 수요가 증가하는 속도를 절대 따라갈 수가 없다.

이것이 일론이 말한 “변압기 부족 사태”의 전말이다.

p.s. 변압기의 원자재 문제는 없을까?

변압기의 코어 부분에는 철과 규소가 들어가며, 코일(권선) 부분에 구리가 들어간다.

이 중 구리 가격 정도가 2021년의 급등 이후로 여전히 상승 추세이긴 하지만, 원자재의 공급 이슈가 변압기의 공급 이슈를 초래할 것이라 보기는 어렵다고 판단된다.

아예 0%의 영향을 주고 있다! 고 말하긴 어렵지만, 그렇다고 주요 원인이라고 말할 순 없다고 생각한다.

마무리 : 질문이 넘쳐나는 세상을 꿈꾸며

우리는 종종, “문제”란 위대한 인물이 정해주는 것이며, 우린 어떻게 그걸 해결할지에만 집중해야 한다고 생각하곤 한다. 특히, AI와 같은 테크 중심적인 분야에 있어서는 더더욱 그렇다. 일론이나 알트만 같은, 엄청난 영향력을 가진 사람들의 ‘문제 정하기’가 자신의 그것보다 유의미하다고 판단하고, 나의 머리 속에서 떠오르는 호기심을 애써 억누른다.

그러나 관점에 따라, 더 구체적으로 말하면 호기심에 따라 ‘문제’는 다르다. 문제라는 것은 어디서 탄생하는가?

“질문”이다. 그리고 그 질문은 “호기심”에서 기인한다. 일론도 알트만도, 나도, 이 글을 읽는 독자 분도 절대로 같은 호기심을 가질 수 없다. 우리는 각자의 호기심에 따라, 비슷한 미래를 그리면서도 다른 질문을 떠올린다.

일론 머스크는 이번 인터뷰에서 다음과 같은 질문을 받았다.

“당신은 AI가 엄청난 속도로 발전하고 있다고 말했습니다. 이 고속 성장을 막을 게 있다면 무엇일까요?”

그리고 일론은 다음과 같은 대답을 했다.

하드웨어 중심의 생각이다. 실물 발명가로서의 그에겐 아주 잘 어울리는 관점이다.

그럼 비슷한 질문을 Anthropic의 CEO인 Dario Amodei가 받았을 때의 답변을 보자.

확실히 AI 모델에 집중하는 연구자의 관점이자 소프트웨어 엔지니어의 대답이라고 볼 수 있다.

알트만은 어떤 문제를 짚고 있을까? 블룸버그 인터뷰에서 그는 다음과 같이 말했다.

그는 발전소와 데이터센터라는, AI 시대를 위한 필수 시설을 구축하는 것이 어려워졌다는 점을 이야기하며, 그 원인으로 관료주의를 이야기하고 있다. 저런 시설들은 연방 정부 및 국가 기관들과의 협업이 아주 중요한데, 그들의 속도는 사기업에 비해 현저히 느리다는 점은 자명하다. 실제로 이러한 병목은 많은 기술 선두주자들이 무너지게 만드는 원인이 되기도 했으니.

AI 회사 중 알트만만큼 국가와 긴밀하게 협업하고 있는 사람은 드물 것이다. 최근 미 정부와 알트만의 openAI가 Stargate 라는 초거대 AI 프로젝트를 진행한다는 소식이 전해졌다. 누구보다 이 문제로 인해 불편을 많이 겪었을 사람이라는 것이다.

신기하지 않은가?

AI 시대에 있어서 가장 큰 영향력을 가지고 있는 사람들임에도, 그들의 ‘문제 제기’는 이토록 다양하다. 이것이 우리에게 시사하는 바는 무엇일까?

“질문하는 능력”이 희귀한 사회

현대 시대는 ‘답하는 능력’이 ‘질문하는 능력’보다 훨씬 과다 공급되는 세상이다. 문제를 해결할 사람들과 툴은 널렸지만, 그래서 해결해야 할 문제가 무엇인지 제시해주는 사람은 현저히 적다. 이는 개개인의 ‘능력의 부족’이라기보다는, “호기심과 질문을 억누르는 것”에 원인이 있다고 할 것이다.

결국 “문제”라는 것은 각자의 순수한 호기심에서 탄생하는 것이다. 우리는 모두 ‘다른’ 사람이기에, 다른 궁금증을 갖고 있다. AI를 막을 방해꾼을 생각하며 누군가는 관료적 느릿느릿함을 보고, 누군가는 변압기를 보며, 학습할 데이터를 본다.

그렇기에 이 글을 읽는 독자 분들을 포함하여 모든 사람들은 하나같이, “위대한 질문가”가 될 자질을 갖추고 있는 셈이다. 위대한 질문가란, 그저 자신의 순수한 호기심을 좇으며 질문을 남겨주는 사람을 의미한다. 질문이 희귀하다면 질문가의 역할은 ‘좋은' 질문을 던지는 것이 아니다. ‘질문을 던지는 것’ 그 자체다. 문제 해결은 질문만 구축된다면 얼마든지 이루어질 것이다. 어쩌면 ‘질문’을 하는 것에 비하면 ‘문제를 해결’하는 것은 그리 어려운 일이 아닐지도 모른다.

누구든 자신의 호기심과 함께라면 새롭고 신선한 문제를 발견할 수 있다. 혹은 그렇게 믿어야 한다. 그것은 ‘내가 가슴 뛰는 삶을 살아가는 데’에 충분히 유용하므로. 자신의 궁금증을 향해 포기하지 않고 나아 간다면 결국 종국에는 단 하나의 질문이 남는다. 그 질문에 자신의 ‘지금’을 바치고 싶을 만큼 가슴이 뛴다면, 그때 혁신의 출발 종이 당신의 귀에 울릴 것이다. 부디 이 부족한 글이 누군가에겐 ‘호기심’에 불을 붙여주는 도화선이 되었으면 하는 바람이다.

"변압기" 시리즈 마무리하겠습니다. 감사합니다!