🏙️ 프롤로그 — 도시는 '전기의 건축물'이다

건축가는 하중을 계산한다. 기둥이 견딜 수 있는 압축력, 보가 버티는 휨모멘트, 기초가 흡수하는 침하량.
그런데 도시라는 거대한 건축물에는 눈에 보이지 않는 또 하나의 구조체가 있다. 바로 전력망(Power Grid)이다.

전력망도 하중을 견딘다. 다만 그 하중의 이름이 전류(Ampere)이고, 구조체가 파괴되는 방식은 균열이 아니라 발열과 전압강하다.
그리고 여기서 가장 중요한 개념이 등장한다. 손실(Loss).

발전소에서 만든 전기의 100%가 여러분의 아파트 콘센트에 도착하지 않는다. 대한민국 기준 송·배전 손실률은 약 3.5% 내외이며, 미국은 약 5%, 인도는 인프라 노후로 20%에 육박한다.
이 몇 퍼센트가 국가 단위로 환산되면 원자력발전소 여러 기의 출력에 해당한다.

이 글에서는 도시 인프라 건축의 관점에서, AC(교류)와 DC(직류)가 손실을 만들어내는 물리적 메커니즘의 차이를 낱낱이 비교한다.
재능넷 '지식인의 숲'을 찾는 엔지니어와 건축 기획자들이 지중화 계획, 데이터센터 전력설계, 초고층 수직 배전을 고민할 때 실제로 써먹을 수 있는 수준으로 파고들어 보자.

⚔️ 1. 전류 전쟁(War of Currents) — 1880년대의 잔상

에디슨의 DC, 테슬라·웨스팅하우스의 AC

1882년 에디슨은 뉴욕 펄 스트리트에 세계 최초의 상용 발전소를 세웠다. 전압은 110V DC.
문제는 반경이었다. 낮은 전압으로 전류를 밀어내다 보니, 약 1.5km만 벗어나도 전압이 주저앉았다. 도시 전체를 덮으려면 발전소를 수백 개 지어야 했다.

테슬라와 웨스팅하우스는 다른 길을 갔다. 변압기(Transformer)다.
교류는 자속의 변화를 이용해 전압을 자유자재로 올리고 내릴 수 있었다. 전압을 10배 올리면 같은 전력을 보낼 때 전류는 1/10이 되고, 저항손실은 전류의 제곱에 비례하므로 손실은 1/100이 된다.

P_loss = I² × R

P = V × I  →  I = P / V
∴ P_loss = (P / V)² × R  =  P²R / V²

즉, 전압을 2배 올리면 손실은 1/4
     전압을 10배 올리면 손실은 1/100

그래서 AC가 이겼다. 전 세계 전력망의 표준이 되었고, 50Hz/60Hz라는 심장박동이 지구를 감쌌다.
그런데 21세기, 반도체가 판을 뒤집었다. 전력용 반도체(IGBT, Thyristor, SiC)가 성숙하면서 DC도 전압을 자유롭게 변환할 수 있게 된 것이다.

🔥 2. 손실의 해부학 — 다섯 가지 범인

송전 손실은 하나가 아니다. 건축에서 열손실을 벽체·창호·환기·열교로 나누어 계산하듯, 전력 손실도 발생 메커니즘별로 분해해야 한다.

① 저항손 (Joule Loss, I²R) — 가장 정직한 손실

도체 내부의 자유전자가 원자 격자와 충돌하며 운동에너지를 열로 뱉는다. 이것이 줄 열이다.
AC와 DC 모두에게 존재하며, 전체 송전 손실의 70~90%를 차지하는 주범이다.

그런데 여기서 결정적인 차이가 갈린다. AC의 저항은 DC의 저항보다 크다. 왜?

② 표피효과 (Skin Effect) — AC만의 세금

교류는 도체 내부에서 자기장을 계속 변화시킨다. 이 변화가 도체 안에 맴돌이 전류(Eddy Current)를 유도하고, 그 결과 전류는 도체 중심을 피해 바깥 표면으로 밀려난다.

즉, 굵은 전선을 깔아놔도 AC는 겉껍질만 사용한다. 유효 단면적이 줄어드니 실효 저항이 올라간다.

δ = √( ρ / (π · f · μ) )

구리 기준 (ρ=1.68e-8 Ω·m, μ≈μ0)
 60Hz → δ ≈ 8.5 mm
 50Hz → δ ≈ 9.3 mm
 DC(0Hz) → δ = ∞ (단면 전체 사용)

③ 근접효과 (Proximity Effect) — 이웃 때문에 더 붐빈다

3상 선로처럼 도체가 나란히 놓이면, 옆 도체의 자기장이 또 한 번 전류 분포를 왜곡시킨다.
지중 케이블처럼 도체 간격이 좁을수록 심각해지며, 실효저항을 추가로 수 % 끌어올린다. DC에는 존재하지 않는 현상이다.

④ 코로나손 (Corona Loss) — 공기가 타는 소리

초고압 선로 표면의 전계강도가 공기의 절연파괴 임계값(약 30 kV/cm)을 넘으면, 주변 공기가 부분 이온화된다.
지직거리는 소리, 보랏빛 발광, 오존 냄새, 라디오 잡음이 모두 코로나의 증거다.

흥미로운 점은 AC의 코로나손이 DC보다 크다는 것이다. AC는 매 사이클마다 극성이 바뀌며 이온 공간전하가 반복적으로 재형성되지만, DC는 한쪽 극성으로 이온 구름이 안정화(space charge shielding)되어 손실이 줄어든다.

다만 DC는 날씨 의존성이 크다. 비·눈·안개 조건에서 DC 코로나손은 맑은 날 대비 수 배까지 치솟는다.

⑤ 유전손 & 충전전류 (Dielectric Loss) — 지중·해저 케이블의 저승사자

이것이 이번 글의 하이라이트다. 도시 인프라 건축에서 가장 중요한 항목이기도 하다.

케이블은 구조적으로 거대한 콘덴서다. 중심 도체 — 절연체(XLPE) — 외부 금속 차폐. 이 샌드위치는 정전용량 C를 갖는다.

AC는 전압이 끊임없이 흔들리므로 이 콘덴서를 초당 수십 번 충·방전시킨다. 이때 흐르는 전류가 충전전류(Charging Current)다.
이 전류는 실제 부하로 가지 않는 순수한 낭비이면서, 도체의 전류 용량을 잡아먹는다.

Ic = 2π · f · C · V · L   (L: 케이블 길이)

케이블이 길어질수록 충전전류는 선형 증가.
어느 길이에 도달하면 → 충전전류 = 도체 정격전류
→ 유효전력 전송량 = 0

실무적 임계 거리(AC 해저케이블)
 약 60 ~ 100 km

📊 3. 정면 비교 — 숫자로 보는 승부

🧮 실제 계산 예시 — 1000MW를 500km 보낸다면

[조건] 전송전력 1000 MW, 거리 500 km, 도체 저항률 동일

■ 765kV AC 3상
  선전류 I = P / (√3 · V · cosφ)
          = 1,000,000 kW / (1.732 × 765 × 0.95) ≈ 795 A
  3선 × I²R  + 표피효과 보정(+8%)
  → 선로 손실 약 3.5 ~ 4.5%
  + 무효전력 보상 설비 손실, 변압기 손실 2단 약 0.8%
  ≒ 총 4.3 ~ 5.3%

■ ±500kV DC (양극)
  전압차 1000kV, I = 1,000,000 kW / 1000 kV = 1,000 A
  2선 × I²R, 표피효과 없음
  → 선로 손실 약 2.5 ~ 3.0%
  + 컨버터 2개소 약 1.4 ~ 1.6%
  ≒ 총 3.9 ~ 4.6%

보다시피 500km 근처에서 거의 백중세다. 거리가 1,000km를 넘어가면 DC가 압도적으로 유리해지고, 200km 이하 육상 가공선이면 AC가 여전히 경제적이다.

결론: "DC가 무조건 효율적"이라는 말은 틀렸다. 정확히는 "컨버터 손실이라는 고정비를 상쇄할 만큼 거리가 길거나, 케이블이거나, 비동기 연계일 때" DC가 이긴다.

🏗️ 4. 도시/인프라 건축 관점 — 설계도에 미치는 영향

용지 폭(Right of Way)의 경제학

건축·도시계획 실무자에게 전력망은 '선형 인프라 용지' 문제다.
765kV AC 2회선 가공선로는 통상 폭 60~80m의 선로용지를 요구한다. 반면 동등 용량의 ±500kV HVDC는 약 40~50m면 된다.

도체가 3선이 아닌 2선이고, 상간 절연이격이 불필요하며, 철탑 암(arm)이 단순해지기 때문이다.
도심 근접 구간에서 용지 폭 30% 절감은 보상비 수백억 단위의 차이를 만든다. 주민 수용성 측면에서도 유리하다.

지중화 계획 — 도시의 하늘을 돌려받기

전선 지중화는 도시경관 개선의 핵심 과제다. 그런데 앞서 본 대로 지중 케이블은 AC의 최대 약점이다.

지중 XLPE 케이블의 정전용량은 가공선의 20~50배에 달한다. 충전전류가 폭증하므로, 장거리 AC 지중화는 중간중간 분로리액터(Shunt Reactor) 보상소를 설치해야 한다. 이 보상소는 도심에서 또 다른 부지 문제를 낳는다.

반면 DC 지중화는 리액터가 필요 없다. 다만 양 끝단에 컨버터 스테이션이라는 거대한 건축물(축구장 규모, 실내 밸브홀 포함)이 필요하다.
즉, 도시 인프라 건축 관점에서 AC와 DC의 차이는 "손실을 선로에 분산시킬 것인가, 양 끝단 건축물에 집중시킬 것인가"의 문제로 번역된다.

초고층 빌딩과 데이터센터 — DC의 역습

여기서 DC가 완전히 새로운 전장을 연다. 건물 내부 배전이다.

현대 건축물 내부의 부하를 보라. LED 조명, 서버, 노트북 충전기, 인버터 에어컨, 엘리베이터 VVVF 드라이브, ESS, 태양광.
이 모든 것이 내부적으로는 DC로 작동한다.

그런데 우리는 지금 어떻게 하고 있나?
태양광(DC) → 인버터로 AC 변환 → 건물 배전 → 각 기기 어댑터에서 다시 DC 변환.
변환할 때마다 2~8%씩 손실이 발생한다. 말 그대로 에너지를 갈아 넣는 구조다.

그래서 등장한 것이 DC 마이크로그리드와 380V DC 데이터센터다.
실측 연구들에 따르면 380V DC 배전 데이터센터는 기존 AC-UPS 체계 대비 전체 전력 효율 5~10% 개선이 보고된다. PUE(전력사용효율)로 환산하면 상당한 수치다.

초고층 건물의 경우 수직 배전 거리가 300m를 넘어가면 전압강하가 설계 변수로 떠오른다. DC는 무효전력 손실이 없고 역률 개념이 없으므로, 동일 케이블로 더 많은 유효전력을 올려보낼 수 있다.

🧠 5. AC가 여전히 왕좌를 지키는 이유

DC 차단기라는 난제

AC는 초당 100~120번 전압이 0을 지나간다. 차단기는 이 영점 교차(Zero Crossing) 순간에 아크를 끊으면 된다. 자연이 도와주는 셈이다.

DC는 영점이 없다. 전류가 계속 흐르니 아크가 스스로 꺼지지 않는다.
그래서 HVDC 차단기는 인위적으로 역전류를 주입해 강제로 영점을 만들어야 하며, 기계식+반도체 하이브리드 구조가 필요하다. 가격과 체적이 모두 크다.

이 때문에 다단자 DC 그리드(Multi-terminal DC Grid)의 상용화가 늦어졌다. 대부분의 HVDC는 여전히 A지점↔B지점 점대점(Point-to-Point) 방식이다.

변압기의 압도적 단순함

AC 변압기는 철심과 코일뿐이다. 반도체도 없고, 냉각도 상대적으로 단순하며, 수명은 30~40년. 효율은 대형기 기준 99.5% 이상.
이 '움직이는 부품이 없는 신뢰성'은 여전히 DC 컨버터가 따라잡기 어려운 영역이다.

기존 인프라라는 거대한 관성

전 세계 배전망, 모든 가정의 콘센트, 모든 산업용 유도전동기가 AC 기준으로 만들어져 있다.
건축으로 치면 "이미 지어진 도시 전체를 리모델링하자"는 얘기다. 기술적 우위만으로 뒤집히지 않는 사회적 관성이 존재한다.

🌏 6. 현실의 사례 — 지금 세계는 무엇을 짓고 있나

패턴이 보이는가?
장거리 대용량 간선(幹線)은 DC, 도시 내부의 모세혈관 같은 배전망은 AC.
이는 마치 건축에서 고속도로와 골목길의 관계와 같다. 서로 경쟁하는 것이 아니라 역할 분담을 한 것이다.

📐 7. 설계자를 위한 실무 판단 체크리스트

간이 판단식

[DC 도입 타당성 대략 판정]

총비용_AC  = C_변전(AC) + (손실률_AC × 거리 × 전력 × 전기요금 × 수명)
총비용_DC  = C_컨버터(DC) + (손실률_DC × 거리 × 전력 × 전기요금 × 수명)
              + 용지비 절감분(음수)

if 총비용_DC < 총비용_AC → HVDC 채택

※ 실무에서는 여기에 계통 안정도, 단락용량 기여,
   주민수용성, 경관영향평가 가중치가 추가된다.

🚀 8. 미래 — 하이브리드 그리드와 도시

다가오는 전력망의 모습은 AC냐 DC냐의 이분법이 아니다.

재생에너지는 본질적으로 분산되어 있고, 변동성이 크며, 상당수가 DC로 발전된다(태양광, 배터리).
반면 소비지는 여전히 AC 기반 도시다. 그 사이를 이어주는 것이 전력변환장치(Power Electronics)이며, 이 기술이 발전할수록 AC와 DC의 경계는 흐려진다.

주목할 키워드는 세 가지다.

① SiC / GaN 와이드밴드갭 반도체
기존 실리콘 IGBT 대비 스위칭 손실이 현저히 낮다. 컨버터 효율이 99%를 넘기면 DC의 '고정비 페널티'가 급격히 줄어든다. 브레이크이븐 거리가 앞당겨진다는 뜻이다.

② 다단자 HVDC 그리드 (Meshed DC Grid)
유럽은 북해 해상풍력을 묶는 'North Sea Wind Power Hub' 구상을 진행 중이다. 여러 국가와 여러 풍력단지를 하나의 DC 망으로 엮는 것. DC 차단기 기술이 성숙하면 현실화된다.

③ 건물·지구 단위 DC 마이크로그리드
제로에너지 건축(ZEB), 태양광 BIPV, 건물 ESS, 전기차 V2B(Vehicle to Building).
이 요소들이 모두 DC라는 점을 생각하면, 미래 건축물의 전기실 설계는 근본적으로 재구성될 가능성이 높다.
'AC 수배전반'이 아니라 'DC 버스 + 양방향 컨버터'가 표준이 되는 날이 올 수 있다.

🎯 에필로그 — 손실을 줄인다는 것의 의미

송전 손실 1%를 줄이는 일은, 겉보기엔 지루한 숫자 놀음처럼 보인다.
하지만 대한민국 연간 전력소비량을 약 55만 GWh라 할 때, 손실률 1%p는 5,500GWh — 대략 중형 화력발전소 한 기의 연간 발전량에 해당한다.

발전소 한 기를 짓지 않아도 된다는 것은, 부지 수십만 제곱미터를 아끼고, 수백만 톤의 CO₂를 줄이며, 지역 갈등 하나를 줄인다는 뜻이다.
이것이야말로 가장 '건축적인' 해결책 아닐까. 짓지 않음으로써 도시를 개선하는 것.

AC와 DC는 한 세기 넘게 싸워왔지만, 결국 둘 다 이겼다.
각자가 가장 잘하는 자리를 찾았기 때문이다. 좋은 설계란 언제나 "무엇이 우월한가"가 아니라 "어디에 어울리는가"의 문제다.

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