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일렉트로닉스

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목차

1. 개요

일렉트로닉스는 전자 부품을 사용하여 전기 회로를 설계하고 제작하는 기술 및 학문 분야이다. 1897년 전자의 발견과 진공관 발명으로 시작되어, 트랜지스터, 집적 회로(IC)의 개발을 거치며 발전했다. 전자공학은 아날로그 및 디지털 회로, 전력 전자공학, 통신공학 등 다양한 분야를 포괄하며, 전자 부품, 회로 설계, 제조, 열 관리, 잡음 관리, 패키징 기술 등을 다룬다. 현대 전자 산업은 반도체 산업을 중심으로 발전해 왔으며, 대한민국은 메모리 반도체, 디스플레이, 스마트폰 분야에서 세계적인 경쟁력을 갖춘 전자 산업 강국이다.

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일렉트로닉스

2. 역사와 발전

1897년 조지프 존 톰슨 경(Sir Joseph John Thomson)이 전자를 발견하고, 이후 소형 전기 신호를 증폭하고 정류할 수 있는 진공관이 발명되면서 전자공학 분야와 전자 시대가 시작되었다.[3] 1900년대 초 앰브로스 플레밍이 다이오드를, 리 드 포레스트가 트라이오드를 발명하면서 라디오 안테나에서 나오는 라디오 신호와 같은 미세한 전압의 검출이 가능해져 실용적인 응용이 시작되었다.

진공관(열전자관)은 개별 전자의 흐름에 영향을 미쳐 전류 흐름을 제어하는 최초의 능동형 전자 부품이었으며, 전류 증폭 및 정류를 사용하는 장비의 제작을 가능하게 하여 라디오, 텔레비전, 레이더, 장거리 통화 등을 가능하게 했다.[4] 1920년대에는 상업적 라디오 방송과 통신이 널리 보급되기 시작했고, 장거리 전화와 음악 녹음 산업과 같은 다양한 응용 분야에서 전자 증폭기가 사용되었다.[4]

리 드 포레스트(Lee de Forest)가 기계적인 것이 아니라 전기적으로 증폭이 가능한 능동 소자인 진공관인 삼극관을 발명한 1906년경, 전기공학으로부터 전자공학이 파생적으로 출현했다.[46]

일본에서는 1940년 일본 공학회에서 야기 히데쓰구(八木秀次)가 "전자공학의 약진"이라는 강연을 통해 '전자공학'이라는 용어를 처음 사용한 것으로 보인다. 이 강연에서 야기는 진공관의 응용이 눈부시게 발전하여 국민의 일상생활까지 침투할 것으로 예상했다.[45] 1950년대까지는 통신공학과 거의 동의어였으며, 통신 용도의 송신기와 수신기의 회로 구성, 그리고 그것에 사용하는 진공관에 대한 연구가 중심이었다.

1947년 벨 연구소의 존 바딘과 월터 하우저 브래튼이 최초의 작동하는 점접촉 트랜지스터를 발명하면서 전자공학은 새로운 전기를 맞이했다.[5] 트랜지스터는 진공관보다 작고, 가볍고, 전력 소비가 적어 전자 기기의 소형화와 휴대화를 가능하게 했다. 하지만 진공관은 1980년대 중반까지 마이크로웨이브 및 고전력 전송 분야뿐만 아니라 텔레비전 수신기에서도 주도적인 역할을 계속했다.[6]

이후, 반도체 소자가 거의 모든 것을 대체하였다. 진공관은 여전히 고전력 RF 증폭기, 브라운관, 특수 오디오 장비, 기타 증폭기 및 일부 마이크로웨이브 장치와 같은 일부 특수 응용 분야에서 사용되고 있다.

1955년 4월, IBM 608은 진공관 없이 트랜지스터 회로를 사용한 최초의 IBM 제품이었으며, 상업 시장을 위해 제조된 최초의 전 트랜지스터식 계산기로 여겨진다.[7][8] 608에는 3,000개가 넘는 게르마늄 트랜지스터가 포함되어 있으며, 토마스 J. 왓슨 주니어는 모든 미래의 IBM 제품에 트랜지스터를 사용하도록 지시했다. 그때부터 트랜지스터는 컴퓨터 논리 회로 및 주변 장치에 거의 독점적으로 사용되었다. 그러나 초기 접합 트랜지스터는 제조하기 어려운 비교적 부피가 큰 장치였기 때문에 특정 응용 분야로 제한되었다.[9]

MOSFET는 1955년에서 1960년 사이에 벨 연구소에서 발명되었다.[10][11][12][13][14][15] 이것은 소형화하여 광범위하게 사용할 수 있도록 대량 생산할 수 있는 최초의 진정한 소형 트랜지스터였다.[9] 장점으로는 높은 확장성,[16] 저렴한 가격,[17] 낮은 전력 소비 및 고밀도가 있다.[18] 이는 전자 산업에 혁명을 일으켰으며,[19][20] 세계에서 가장 널리 사용되는 전자 장치가 되었다.[21][22] MOSFET은 대부분의 현대 전자 장비의 기본 요소이다.[23][24]

1959년에는 실리콘에서의 플래너 기술이 개발되어,[50] 집적회로 개발의 길이 열렸다. 집적 회로의 발명은 잭 킬비와 로버트 노이스가 반도체 재료의 동일한 블록(모놀리스)으로 모든 부품과 칩을 제작하여 전자회로의 고질적인 문제인 크기 문제를 해결하였다. 회로를 더 작게 만들 수 있었고 제조 공정을 자동화할 수 있었다. 이는 단일 결정 실리콘 웨이퍼에 모든 부품을 통합한다는 아이디어로 이어져 1960년대 초 소규모 집적(SSI), 1960년대 후반 중규모 집적(MSI), 그리고 VLSI가 이어졌다. 2008년에는 10억 트랜지스터 프로세서가 상용화되었다.[26] 집적회로는 디지털 방식의 논리 연산에 의한 전자 계산기의 발전으로 이어져 오늘날 정보 사회의 기반이 되었다.

2. 1. 초기 역사 (진공관 시대)

1897년 조지프 존 톰슨 경(Sir Joseph John Thomson)이 전자를 발견하고, 이후 소형 전기 신호를 증폭하고 정류할 수 있는 진공관이 발명되면서 전자공학 분야와 전자 시대가 시작되었다.[3] 1900년대 초 앰브로스 플레밍이 다이오드를, 리 드 포레스트가 트라이오드를 발명하면서 라디오 안테나에서 나오는 라디오 신호와 같은 미세한 전압의 검출이 가능해져 실용적인 응용이 시작되었다.

진공관(열전자관)은 개별 전자의 흐름에 영향을 미쳐 전류 흐름을 제어하는 최초의 능동형 전자 부품이었으며, 전류 증폭 및 정류를 사용하는 장비의 제작을 가능하게 하여 라디오, 텔레비전, 레이더, 장거리 통화 등을 가능하게 했다.[4] 1920년대에는 상업적 라디오 방송과 통신이 널리 보급되기 시작했고, 장거리 전화와 음악 녹음 산업과 같은 다양한 응용 분야에서 전자 증폭기가 사용되었다.[4]

리 드 포레스트(Lee de Forest)가 기계적인 것이 아니라 전기적으로 증폭이 가능한 능동 소자인 진공관인 삼극관을 발명한 1906년경, 전기공학으로부터 전자공학이 파생적으로 출현했다.[46]

일본에서는 1940년 일본 공학회에서 야기 히데쓰구(八木秀次)가 "전자공학의 약진"이라는 강연을 통해 '전자공학'이라는 용어를 처음 사용한 것으로 보인다. 이 강연에서 야기는 진공관의 응용이 눈부시게 발전하여 국민의 일상생활까지 침투할 것으로 예상했다.[45] 1950년대까지는 통신공학과 거의 동의어였으며, 통신 용도의 송신기와 수신기의 회로 구성, 그리고 그것에 사용하는 진공관에 대한 연구가 중심이었다.

2. 2. 트랜지스터와 집적 회로의 등장

1947년 벨 연구소의 존 바딘과 월터 하우저 브래튼이 최초의 작동하는 점접촉 트랜지스터를 발명하면서 전자공학은 새로운 전기를 맞이했다.[5] 트랜지스터는 진공관보다 작고, 가볍고, 전력 소비가 적어 전자 기기의 소형화와 휴대화를 가능하게 했다. 하지만 진공관은 1980년대 중반까지 마이크로웨이브 및 고전력 전송 분야뿐만 아니라 텔레비전 수신기에서도 주도적인 역할을 계속했다.[6]

이후, 반도체 소자가 거의 모든 것을 대체하였다. 진공관은 여전히 고전력 RF 증폭기, 브라운관, 특수 오디오 장비, 기타 증폭기 및 일부 마이크로웨이브 장치와 같은 일부 특수 응용 분야에서 사용되고 있다.

1955년 4월, IBM 608은 진공관 없이 트랜지스터 회로를 사용한 최초의 IBM 제품이었으며, 상업 시장을 위해 제조된 최초의 전 트랜지스터식 계산기로 여겨진다.[7][8] 608에는 3,000개가 넘는 게르마늄 트랜지스터가 포함되어 있으며, 토마스 J. 왓슨 주니어는 모든 미래의 IBM 제품에 트랜지스터를 사용하도록 지시했다. 그때부터 트랜지스터는 컴퓨터 논리 회로 및 주변 장치에 거의 독점적으로 사용되었다. 그러나 초기 접합 트랜지스터는 제조하기 어려운 비교적 부피가 큰 장치였기 때문에 특정 응용 분야로 제한되었다.[9]

MOSFET는 1955년에서 1960년 사이에 벨 연구소에서 발명되었다.[10][11][12][13][14][15] 이것은 소형화하여 광범위하게 사용할 수 있도록 대량 생산할 수 있는 최초의 진정한 소형 트랜지스터였다.[9] 장점으로는 높은 확장성,[16] 저렴한 가격,[17] 낮은 전력 소비 및 고밀도가 있다.[18] 이는 전자 산업에 혁명을 일으켰으며,[19][20] 세계에서 가장 널리 사용되는 전자 장치가 되었다.[21][22] MOSFET은 대부분의 현대 전자 장비의 기본 요소이다.[23][24]

1959년에는 실리콘에서의 플래너 기술이 개발되어,[50] 집적회로 개발의 길이 열렸다. 집적 회로의 발명은 잭 킬비와 로버트 노이스가 반도체 재료의 동일한 블록(모놀리스)으로 모든 부품과 칩을 제작하여 전자회로의 고질적인 문제인 크기 문제를 해결하였다. 회로를 더 작게 만들 수 있었고 제조 공정을 자동화할 수 있었다. 이는 단일 결정 실리콘 웨이퍼에 모든 부품을 통합한다는 아이디어로 이어져 1960년대 초 소규모 집적(SSI), 1960년대 후반 중규모 집적(MSI), 그리고 VLSI가 이어졌다. 2008년에는 10억 트랜지스터 프로세서가 상용화되었다.[26] 집적회로는 디지털 방식의 논리 연산에 의한 전자 계산기의 발전으로 이어져 오늘날 정보 사회의 기반이 되었다.

2. 3. MOSFET과 현대 전자공학

MOSFET(금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터)은 1955년에서 1960년 사이에 벨 연구소에서 발명되었다.[10][11][12][13][14][15] MOSFET은 높은 확장성,[16] 저렴한 가격,[17] 낮은 전력 소비 및 고밀도[18]와 같은 장점을 지니고 있어, 소형화하여 광범위하게 사용할 수 있도록 대량 생산할 수 있는 최초의 진정한 소형 트랜지스터였다.[9] 이는 전자 산업에 혁명을 일으켰으며,[19][20] 세계에서 가장 널리 사용되는 전자 장치가 되었다.[21][22] MOSFET은 대부분의 현대 전자 장비의 기본 요소이다.[23][24]

2. 4. 한국 전자 산업의 발전

대한민국은 1960년대부터 전자 산업을 육성하기 시작하여, 1980년대에는 컬러 TV, VCR 등 가전제품 생산에서 세계적인 경쟁력을 확보했다.[64][65][66][67] 1990년대 이후에는 반도체, 디스플레이, 휴대폰 등 고부가가치 제품 중심으로 산업 구조를 고도화하여, 현재는 글로벌 전자 산업을 선도하는 국가 중 하나로 자리매김했다. 특히, 삼성전자와 SK하이닉스는 메모리 반도체 분야에서 세계 시장 점유율 1, 2위를 차지하고 있으며, LG디스플레이는 대형 OLED 패널 시장을 주도하고 있다.

3. 주요 분야

전자공학은 다음과 같은 다양한 하위 분야로 구성되어 있다.



전기 공학과 비교했을 때, 전기 공학이 전기 현상 전반을 대상으로 하는 데 반해,[41]전자 공학은 능동 소자를 이용한 증폭 동작, 스위칭 동작을 비롯하여 앞서 언급한 부분에 초점을 맞추고 있다는 점이 특징이다.[40]

역사적 경위로부터 전자 공학의 출발점은 저전력 통신, 신호 처리가 대상 영역이었지만, 고전력용 소자인 전력 전자의 발전에 따라 전력 제어 용도에도 이용 범위가 확대되고 있다.

반도체, 자성체, 유전체 등의 물성을 이용하기 때문에 물리학 및 재료 과학과 밀접한 관계가 있다. 또한 제조 기술에서는 물리화학이 응용된다.

응용 면에서는 회로 구성에 있어 전자 회로 학이 존재한다.[42][43][44]

3. 1. 아날로그 전자공학

아날로그 회로는 신호 처리에 연속적인 전압 또는 전류 범위를 사용하며, 이는 디지털 회로에서 사용되는 이산적인 레벨과는 다르다.[68] 초기에는 라디오 수신기 및 송신기와 같은 전자 장치 전반에 걸쳐 널리 사용되었다. 아날로그 전자 컴퓨터는 디지털 처리가 발전할 때까지 연속 변수를 사용하는 문제를 해결하는 데 유용했다.

반도체 기술이 발전함에 따라 아날로그 회로의 많은 기능이 디지털 회로로 대체되었으며, 완전히 아날로그인 현대 회로는 덜 일반적이다. 그 기능은 아날로그 신호를 수신하는 장치의 "프런트 엔드"에서 아날로그 회로를 사용한 다음 마이크로프로세서 기술을 사용하여 디지털 처리를 하는 하이브리드 방식으로 대체되었다.

주파수 가변 인버터 J100(히타치)


라디오 수신기 등의 아날로그 전자 기기의 대부분은 몇 종류의 기본 회로의 조합으로 구성되어 있다. 전자 회로는 1개에서 수천 개의 부품으로 구성되기 때문에, 지금까지 고안된 아날로그 회로는 사용하고 있는 부품의 차이를 고려하면 엄청난 수가 된다.

아날로그 회로에는 선형 회로도 있지만,[69] 비선형적인 효과를 가진 믹서 회로, 변조 회로 등도 많이 존재한다. 아날로그 회로의 전형적인 예로 진공관이나 트랜지스터를 사용한 증폭 회로, 연산 증폭 회로,[70][71][72]발진 회로 등이 있다.

최근에는 완전히 아날로그만으로 된 회로는 거의 없다. 아날로그 회로라도 성능을 개선하기 위해 디지털 회로나 마이크로프로세서 기술을 이용하는 경우가 많다. 그러한 회로는 일반적으로 "Mixed Signal"이라고 불린다.

선형 및 비선형 동작 요소를 모두 갖는 일부 회로를 분류하기 어려운 경우가 있다. 예를 들어 전압 컴퍼레이터는 연속적인 전압 범위를 수신하지만 디지털 회로와 같이 두 레벨 중 하나만 출력한다. 마찬가지로, 과도하게 구동되는 트랜지스터 증폭기는 본질적으로 두 가지 수준의 출력을 갖는 제어된 스위치의 특성을 가질 수 있다. 아날로그 회로는 엔터테인먼트 산업과 같은 신호 증폭 및 산업 측정 및 제어와 같은 아날로그 센서의 신호 조절에 여전히 널리 사용된다.

3. 2. 디지털 전자공학

디지털 회로는 이산적인 전압 레벨을 기반으로 하는 전기 회로이다. 디지털 회로는 부울 대수를 사용하며 모든 디지털 컴퓨터와 마이크로프로세서 장치의 기반이 된다.[28] 이러한 회로는 간단한 논리 게이트부터 수백만 개의 게이트를 사용하는 대규모 집적 회로까지 다양하다.

디지털 회로는 논리 상태를 나타내는 "0"과 "1"로 표시되는 두 가지 전압 레벨을 사용하는 이진법을 사용한다. 종종 논리 "0"은 더 낮은 전압을 나타내며 "Low"라고 하며, 논리 "1"은 "High"라고 한다. 그러나 일부 시스템은 반대 정의("0"은 "High")를 사용하거나 전류 기반이다. 논리 설계자는 설계를 용이하게 하기 위해 회로마다 이러한 정의를 바꿀 수 있다. "0" 또는 "1"로 레벨을 정의하는 것은 임의적이다.[28]

삼진법(세 가지 상태) 논리는 연구되었고 일부 프로토타입 컴퓨터가 만들어졌지만 상당한 실용적인 수용을 얻지는 못했다.[29] 보편적으로 컴퓨터와 디지털 신호 프로세서는 전자 논리 게이트에서 MOSFET과 같은 트랜지스터를 사용하여 이진 상태를 생성하는 디지털 회로로 구성된다.

손으로 그린 논리 게이트 회로


컴퓨터, 디지털 쿼츠 시계, 프로그래머블 로직 컨트롤러(생산 공정 제어에 사용[74]) 등은 모두 디지털 회로로 구성되어 있다.[75][76][77]

기본 회로로는 논리 회로, 가산기, 곱셈기, 플립플롭, 카운터, 레지스터, 멀티플렉서, 슈미트 트리거등이 있다. 고집적 부품으로는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, ASIC, DSP, FPGA 등이 있다.

3. 3. 전력 전자공학

전력 전자공학은 전력의 변환, 제어, 분배를 다루는 분야이다. 전력 반도체 소자(사이리스터, IGBT 등)를 사용하여 전력 효율을 높이고 에너지 손실을 줄이는 데 기여한다. 전기 자동차, 신재생 에너지 시스템 등에서 중요성이 커지고 있다.

3. 4. 통신공학

통신공학은 정보를 유선 또는 무선으로 전송하는 기술을 다루는 분야이다. 통신 시스템의 설계, 구축, 운영 등을 포함한다. 이동 통신, 위성 통신, 광통신 등 다양한 통신 기술이 발전하고 있다.

3. 5. 기타 분야

전자공학은 오디오 전자공학, 항공 전자공학, 생체 전자공학, 마이크로 전자공학, 나노 전자공학, 광전자공학, 인쇄 회로 기판, 반도체 소자, 센서 등 다양한 분야를 포괄한다.[41] 역사적으로 전자 공학은 저전력 통신, 신호 처리를 중심으로 발전했지만, 전력 전자의 발전에 따라 전력 제어 용도로도 활용 범위가 확대되고 있다. 물리학, 재료 과학과 밀접한 관련이 있으며, 제조 기술에는 물리화학이 응용된다.[42][43][44]

4. 전자 회로 및 부품

전자 부품(electronic component)은 활성 또는 수동인 전자 시스템의 모든 구성 요소를 말한다. 부품들은 일반적으로 인쇄 회로 기판(PCB)에 납땜되어 특정 기능을 가진 전자 회로를 만든다. 부품은 단일로 패키지될 수도 있고, 집적 회로와 같이 더 복잡한 그룹으로 패키지될 수도 있다. 수동 전자 부품에는 콘덴서, 인덕터, 저항이 있으며, 활성 부품에는 전류 흐름을 전자 수준에서 제어하는 반도체 소자; 트랜지스터와 싸이리스터 등이 있다.[27]

다양한 전자 부품


전자 회로는 증폭 회로, 발진 회로, 필터 회로 등 의도한 기능을 수행하도록 구성되어 있다. 회로 소자가 개별 부품으로서 배선 부품(예: 인쇄 회로 기판에 납땜하는 등)으로 상호 연결되어 실장되는 경우와, 집적 회로의 형태로 복합적으로 실현되는 경우가 있다. 개별 부품으로 자주 볼 수 있는 전자 부품으로는 콘덴서, 저항기, 다이오드, 트랜지스터 등이 있다. 전자 부품은 트랜지스터나 사이리스터와 같은 능동 소자와 저항기나 콘덴서와 같은 수동 소자로 분류된다. 개별 부품과 집적 회로는 상호 배타적인 것이 아니며, 기능상 필요에 따라 사용된다. 같은 기판에 공존하는 경우도 있다.

전자 회로는 크게 아날로그 회로와 디지털 회로로 나눌 수 있으며, 이 둘을 결합한 혼성 신호 회로도 있다. 양자를 연결하는 아날로그-디지털 변환 회로와 디지털-아날로그 변환 회로도 있다.

아날로그 회로는 디지털 회로에서 사용되는 이산적인 레벨과는 달리 신호 처리에 연속적인 전압 또는 전류 범위를 사용한다.[68] 아날로그 회로에는 선형 회로도 있지만,[69] 비선형적인 효과를 가진 믹서 회로, 변조 회로 등도 많이 존재한다. 아날로그 회로의 전형적인 예로 진공관이나 트랜지스터를 사용한 증폭 회로, 연산 증폭 회로,[70][71][72]발진 회로 등이 있다. 최근에는 완전히 아날로그만으로 된 회로는 거의 없다. 아날로그 회로라도 성능을 개선하기 위해 디지털 회로나 마이크로프로세서 기술을 이용하는 경우가 많다.

디지털 회로는 몇몇 이산적인 전압 레벨을 가지는 전자 회로로, 부울 논리를 물리적으로 구현한 가장 일반적인 형태이며 모든 디지털 컴퓨터의 기반이다.[73] 대부분의 디지털 회로는 "Low"(0)와 "High"(1)로 표시되는 두 개의 전압 레벨을 사용하는데, 보통 "Low"는 0V 근처이고 "High"는 전원 전압에 따라 결정된다. 그러나 일부 시스템에서는 반대 정의를 사용하거나 전류 기반으로 동작하기도 한다. 논리 설계자는 설계를 쉽게 하기 위해 회로마다 이러한 정의를 바꿀 수 있으며, "0" 또는 "1"로 레벨을 정의하는 것은 임의적이다.[28]

삼진법(세 가지 상태) 논리가 연구되어 일부 프로토타입 컴퓨터가 만들어지기도 했지만, 실용적으로 널리 사용되지는 않았다.[29] 일반적으로 컴퓨터, 디지털 쿼츠 시계, 프로그래머블 로직 컨트롤러(생산 공정 제어에 사용[74]), 디지털 신호 프로세서[75][76][77] 등은 MOSFET과 같은 트랜지스터를 사용한 전자 논리 회로로 구성된 디지털 회로를 사용한다.

기본적인 디지털 회로 구성 요소는 다음과 같다:

  • 논리 게이트
  • 가산기 / 가산기
  • 곱셈기
  • 플립플롭 / 플립플롭
  • 카운터 / 카운터
  • 레지스터 / 레지스터
  • 멀티플렉서
  • 슈미트 트리거


고집적 디지털 회로 구성 요소는 다음과 같다:

  • 메모리 칩
  • 마이크로프로세서
  • 마이크로컨트롤러
  • 주문형 반도체 (ASIC) / ASIC (Application-specific integrated circuit)
  • 디지털 신호 프로세서 (DSP) / 디지털 신호 프로세서 (DSP)
  • FPGA / FPGA (Field-programmable gate array)
  • FPAA
  • 시스템 온 칩 (SoC)

4. 1. 전자 회로의 종류

전자 회로는 크게 아날로그 회로와 디지털 회로로 나눌 수 있으며, 이 둘을 결합한 혼성 신호 회로도 있다.

전자 회로 및 장치는 아날로그와 디지털로 분류된다. 양자를 연결하는 아날로그-디지털 변환 회로와 디지털-아날로그 변환 회로도 있다.

4. 1. 1. 아날로그 회로

아날로그 회로는 디지털 회로에서 사용되는 이산적인 레벨과는 달리 신호 처리에 연속적인 전압 또는 전류 범위를 사용한다.[68] 라디오 수신기 등의 아날로그 전자 기기의 대부분은 몇 종류의 기본 회로의 조합으로 구성되어 있다.

전자 회로는 1개에서 수천 개의 부품으로 구성되기 때문에, 지금까지 고안된 아날로그 회로는 사용하고 있는 부품의 차이를 고려하면 엄청난 수가 된다.

아날로그 회로에는 선형 회로도 있지만,[69] 비선형적인 효과를 가진 믹서 회로, 변조 회로 등도 많이 존재한다. 아날로그 회로의 전형적인 예로 진공관이나 트랜지스터를 사용한 증폭 회로, 연산 증폭 회로,[70][71][72]발진 회로 등이 있다.

최근에는 완전히 아날로그만으로 된 회로는 거의 없다. 아날로그 회로라도 성능을 개선하기 위해 디지털 회로나 마이크로프로세서 기술을 이용하는 경우가 많다. 그러한 회로는 일반적으로 "Mixed Signal"이라고 불린다.

아날로그 회로와 디지털 회로 모두 선형적인 소자와 비선형적인 소자를 사용하고 있기 때문에 구별하기 어려운 경우도 있다. 예를 들어 컴퍼레이터는 연속적으로 변화하는 전압을 입력으로 하면서 디지털 회로와 같은 두 개의 전압 레벨 중 하나를 출력한다.

4. 1. 2. 디지털 회로

디지털 회로는 이산적인 전압 레벨을 기반으로 하는 전기 회로이다. 부울 대수를 사용하며 모든 디지털 컴퓨터와 마이크로프로세서 장치의 기반이 된다. 이러한 회로는 간단한 논리 게이트부터 수백만 개의 게이트를 사용하는 대규모 집적 회로까지 다양하다.

디지털 회로는 논리 상태를 나타내는 "0"과 "1"로 표시되는 두 가지 전압 레벨을 사용하는 이진법을 사용한다. 종종 논리 "0"은 더 낮은 전압을 나타내며 "Low"라고 하며, 논리 "1"은 "High"라고 한다. 그러나 일부 시스템은 반대 정의("0"은 "High")를 사용하거나 전류 기반이다. 논리 설계자는 설계를 용이하게 하기 위해 회로마다 이러한 정의를 바꿀 수 있다. "0" 또는 "1"로 레벨을 정의하는 것은 임의적이다.[28]

삼진법(세 가지 상태) 논리는 연구되었고 일부 프로토타입 컴퓨터가 만들어졌지만 상당한 실용적인 수용을 얻지는 못했다.[29] 보편적으로 컴퓨터와 디지털 신호 프로세서는 전자 논리 게이트에서 MOSFET과 같은 트랜지스터를 사용하여 이진 상태를 생성하는 디지털 회로로 구성된다.

  • 논리 게이트
  • 가산기
  • 플립플롭
  • 카운터
  • 레지스터
  • 멀티플렉서
  • 슈미트 트리거


고집적 장치:

  • 메모리 칩
  • 마이크로프로세서
  • 마이크로컨트롤러
  • 주문형 반도체 (ASIC)
  • 디지털 신호 프로세서 (DSP)
  • FPGA
  • FPAA
  • 시스템 온 칩 (SoC)


디지털 회로는 몇몇 이산적인 전압 레벨을 가지는 전자 회로이다. 디지털 회로는 부울 논리를 물리적으로 구현한 가장 일반적인 형태이며, 모든 디지털 컴퓨터의 기반이다.[73] 대부분의 디지털 회로는 두 개의 전압 레벨을 가지며, "Low"(0)와 "High"(1)로 사용한다. "Low"는 0V 근처인 경우가 많고, "High"는 전원 전압에 따라 결정된다.

컴퓨터, 디지털 쿼츠 시계, 프로그래머블 로직 컨트롤러(생산 공정 제어에 사용[74]) 등은 모두 디지털 회로로 구성되어 있다. 그 외에 디지털 신호 프로세서가 있다.[75][76][77]

기본 회로로는 다음과 같은 것들이 있다.

  • 논리 회로
  • 가산기
  • 곱셈기
  • 플립플롭
  • 카운터
  • 레지스터
  • 멀티플렉서
  • 슈미트 트리거


고집적 부품으로는 다음과 같은 것들이 있다.

  • 마이크로프로세서
  • 마이크로컨트롤러
  • ASIC (Application-specific integrated circuit)
  • 디지털 신호 프로세서 (DSP)
  • FPGA (Field-programmable gate array)


위의 내용을 중복을 제거하고, 논리적 흐름과 시간 순서대로 정리하면 다음과 같다:

디지털 회로는 몇몇 이산적인 전압 레벨을 가지는 전자 회로로, 부울 논리를 물리적으로 구현한 가장 일반적인 형태이며 모든 디지털 컴퓨터의 기반이다.[73] 대부분의 디지털 회로는 "Low"(0)와 "High"(1)로 표시되는 두 개의 전압 레벨을 사용하는데, 보통 "Low"는 0V 근처이고 "High"는 전원 전압에 따라 결정된다. 그러나 일부 시스템에서는 반대 정의를 사용하거나 전류 기반으로 동작하기도 한다. 논리 설계자는 설계를 쉽게 하기 위해 회로마다 이러한 정의를 바꿀 수 있으며, "0" 또는 "1"로 레벨을 정의하는 것은 임의적이다.[28]

삼진법(세 가지 상태) 논리가 연구되어 일부 프로토타입 컴퓨터가 만들어지기도 했지만, 실용적으로 널리 사용되지는 않았다.[29] 일반적으로 컴퓨터, 디지털 쿼츠 시계, 프로그래머블 로직 컨트롤러(생산 공정 제어에 사용[74]), 디지털 신호 프로세서[75][76][77] 등은 MOSFET과 같은 트랜지스터를 사용한 전자 논리 회로로 구성된 디지털 회로를 사용한다.

기본적인 디지털 회로 구성 요소는 다음과 같다:

  • 논리 게이트
  • 가산기 / 가산기
  • 곱셈기
  • 플립플롭 / 플립플롭
  • 카운터 / 카운터
  • 레지스터 / 레지스터
  • 멀티플렉서
  • 슈미트 트리거


고집적 디지털 회로 구성 요소는 다음과 같다:

  • 메모리 칩
  • 마이크로프로세서
  • 마이크로컨트롤러
  • 주문형 반도체 (ASIC) / ASIC (Application-specific integrated circuit)
  • 디지털 신호 프로세서 (DSP) / 디지털 신호 프로세서 (DSP)
  • FPGA / FPGA (Field-programmable gate array)
  • FPAA
  • 시스템 온 칩 (SoC)

4. 2. 전자 부품

전자 부품(electronic component)은 전자 회로를 구성하는 기본 요소이다. 인쇄 회로 기판(PCB)에 납땜되어 특정 기능을 가진 전자 회로를 만든다.[27] 부품은 단일로 패키지될 수도 있고, 집적 회로와 같이 더 복잡한 그룹으로 패키지될 수도 있다.[27]

전자 부품은 트랜지스터나 사이리스터와 같은 능동 소자와 저항기, 콘덴서,인덕터와 같은 수동 소자로 분류된다.[27] 개별 부품과 집적 회로는 상호 배타적인 것이 아니며, 기능상 필요에 따라 사용된다. 같은 기판에 공존하는 경우도 있다.

4. 3. 집적 회로 (IC)



집적 회로(IC)는 여러 개의 전자 부품(트랜지스터, 다이오드, 저항, 콘덴서 등)을 하나의 작은 반도체 기판 위에 집적하여 만든 전자 회로이다.[27] 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, ASIC, DSP, FPGA, FPAA, SoC 등이 있다.

5. 설계 및 제조

전자 시스템 설계는 휴대전화나 컴퓨터와 같은 복잡한 전자 장치 및 시스템의 다분야 설계 문제를 다룬다. 이 분야는 전자 시스템의 설계 및 개발(신제품 개발)부터 적절한 기능, 수명 및 재활용/폐기까지 광범위한 영역을 다룬다.[30] 따라서 전자 시스템 설계는 사용자의 특정 요구 사항을 충족하는 복잡한 전자 장치를 정의하고 개발하는 과정이다.

전자 이론의 복잡한 특성으로 인해 실험실 실험은 전자 장치 개발의 중요한 부분이다. 이러한 실험은 엔지니어의 설계를 테스트하거나 검증하고 오류를 감지하는 데 사용된다. 과거에는 전자 장치 및 장비가 물리적 공간에 위치한 전자 실험실로 구성되었지만, 최근에는 CircuitLogix, Multisim 및 PSpice와 같은 전자 회로 시뮬레이션 소프트웨어와 같은 전자 실험실 시뮬레이션 소프트웨어가 추세이다.

전자 회로 설계는 복잡한 작업이므로, 전자 설계 자동화(EDA) 소프트웨어를 사용하여 회로도 작성, 시뮬레이션, 인쇄 회로 기판(PCB) 레이아웃 등을 수행한다.[30] 이러한 EDA 소프트웨어에는 NI Multisim, 케이던스(오르캐드), 이글 PCB[31] 및 회로도, 멘토(PADS PCB 및 LOGIC 회로도), 알티움(Protel), LabCentre Electronics(Proteus), gEDA, 키캐드 등이 있다.[81][82]

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전자 회로에서 발생하는 열은 즉각적인 고장을 방지하고 장기적인 신뢰성을 향상시키기 위해 반드시 방출되어야 한다.[78] 열 방출은 대부분 수동적인 전도/대류를 통해 이루어진다. 더 큰 방열을 달성하기 위한 방법으로는 공랭을 위한 히트싱크와 팬, 그리고 물냉각과 같은 다른 형태의 컴퓨터 냉각이 있다.[78] 이러한 기술은 대류, 전도 및 열에너지의 복사를 사용한다.[78]

히트싱크


전자 잡음은 유용한 신호에 중첩되어 정보 내용을 가리는 원치 않는 잡음으로 정의된다.[32] 잡음은 회로에 의한 신호 왜곡과는 다르다. 잡음은 모든 전자 회로와 관련이 있다. 잡음은 전자기적으로 또는 열적으로 발생할 수 있으며, 회로의 작동 온도를 낮추면 감소시킬 수 있다. 샷 노이즈와 같은 다른 유형의 잡음은 물리적 특성의 한계로 인해 제거할 수 없다.[32][79]

수년에 걸쳐 전자 부품을 연결하는 다양한 방법이 사용되었다. 초기 전자 제품은 나무 브레드보드에 부품을 부착한 점대점 배선을 사용하거나, "코드우드" 구조 또는 와이어 랩 방식을 사용했다.[83][84][85][86][87] 오늘날 대부분의 전자 제품은 FR-4와 같은 재료나 합성 수지 접합지(SRBP, Paxoline/Paxolin(상표) 및 FR2)로 만들어진 인쇄 회로 기판을 사용한다. 최근 전자 기기는 건강 및 환경 문제에 대한 우려로 유해 물질 사용이 규제되는 추세이며, 유럽 연합(EU)의 RoHS 지령과 WEEE 지령이 시행되었다.

1980년대 중반 가정용 컴퓨터의 회로 기판에 실장된 관통형 부품. 왼쪽 상단에는 축형 리드 부품이 있고, 오른쪽 상단에는 파란색 방사형 리드 커패시터가 있다.


코드우드형 배선


전자 부품은 일반적으로 다음과 같은 방식으로 실장된다.

  • 관통형
  • 표면 실장
  • 섀시 실장
  • 랙 실장
  • LGA/BGA/PGA 소켓

5. 1. 컴퓨터 지원 설계 (CAD)

전자 회로 설계는 복잡한 작업이므로, 전자 설계 자동화(EDA) 소프트웨어를 사용하여 회로도 작성, 시뮬레이션, 인쇄 회로 기판(PCB) 레이아웃 등을 수행한다.[30] 이러한 EDA 소프트웨어에는 NI Multisim, 케이던스(오르캐드), 이글 PCB[31] 및 회로도, 멘토(PADS PCB 및 LOGIC 회로도), 알티움(Protel), LabCentre Electronics(Proteus), gEDA, 키캐드 등이 있다.[81][82]

5. 2. 열 관리

전자 회로에서 발생하는 열은 즉각적인 고장을 방지하고 장기적인 신뢰성을 향상시키기 위해 반드시 방출되어야 한다.[78] 열 방출은 대부분 수동적인 전도/대류를 통해 이루어진다. 더 큰 방열을 달성하기 위한 방법으로는 공랭을 위한 히트싱크와 팬, 그리고 물냉각과 같은 다른 형태의 컴퓨터 냉각이 있다.[78] 이러한 기술은 대류, 전도 및 열에너지의 복사를 사용한다.[78]

5. 3. 노이즈 관리

전자 잡음은 유용한 신호에 중첩되어 정보 내용을 가리는 원치 않는 잡음으로 정의된다.[32] 잡음은 회로에 의한 신호 왜곡과는 다르다. 잡음은 모든 전자 회로와 관련이 있다. 잡음은 전자기적으로 또는 열적으로 발생할 수 있으며, 회로의 작동 온도를 낮추면 감소시킬 수 있다. 샷 노이즈와 같은 다른 유형의 잡음은 물리적 특성의 한계로 인해 제거할 수 없다.[32][79]

5. 4. 패키징 기술

수년에 걸쳐 전자 부품을 연결하는 다양한 방법이 사용되었다. 초기 전자 제품은 나무 브레드보드에 부품을 부착한 점대점 배선을 사용하거나, "코드우드" 구조 또는 와이어 랩 방식을 사용했다.[83][84][85][86][87] 오늘날 대부분의 전자 제품은 FR-4와 같은 재료나 합성 수지 접합지(SRBP, Paxoline/Paxolin(상표) 및 FR2)로 만들어진 인쇄 회로 기판을 사용한다. 최근 전자 기기는 건강 및 환경 문제에 대한 우려로 유해 물질 사용이 규제되는 추세이며, 유럽 연합(EU)의 RoHS 지령과 WEEE 지령이 시행되었다.

전자 부품은 일반적으로 다음과 같은 방식으로 실장된다.

  • 관통형
  • 표면 실장
  • 섀시 실장
  • 랙 실장
  • LGA/BGA/PGA 소켓

6. 전자 산업

전자 산업은 다양한 부문으로 구성된다. 전자 산업 전체의 중추적인 원동력은 반도체 산업 부문이며,[33] 2018년 기준 연간 매출액은 4810억 달러를 넘었다.[34] 가장 큰 산업 부문은 전자상거래로, 2017년 29조 달러 이상의 매출을 올렸다.[35]

1960년대에는 소니(Sony)와 히타치(Hitachi)와 같은 일본 기업들이 저렴한 가격과 고품질의 제품을 앞세워 미국 제조업체들을 압도했다. 그러나 1980년대에 미국의 제조업체들은 반도체 개발 및 조립 분야에서 다시 세계적인 선두주자가 되었다.[37]

1990년대 이후, 전자 산업은 동아시아로 중심축이 이동했다. 이는 1970년대 초 마이크로칩 대량 생산이 동아시아로 이동하면서 시작된 과정으로, 풍부하고 저렴한 노동력과 기술 수준 향상에 힘입은 결과였다.[38][39] 30년이 넘는 기간 동안 미국의 반도체 제조 능력의 세계 시장 점유율은 1990년 37%에서 2022년 12%로 감소했다.[39] 미국의 대표적인 반도체 제조업체인 인텔(Intel Corporation)은 대만반도체제조공사(TSMC)에 비해 제조 기술에서 크게 뒤처졌다.[38]

타이완은 세계 최고의 첨단 반도체 공급국으로 부상했으며,[39][38] 대한민국, 미국, 일본, 싱가포르, 중국이 그 뒤를 이었다.[39][38] 유럽(특히 네덜란드), 동남아시아, 남아메리카, 이스라엘에도 중요한 반도체 산업 시설이 존재한다.[38]

대한민국은 세계적인 전자 산업 강국으로, 특히 메모리 반도체, 디스플레이, 스마트폰 분야에서 높은 시장 점유율을 차지하고 있다.[38][39] 하지만 최근 중국 등 경쟁국의 추격이 거세지고 있어, 지속적인 기술 혁신과 경쟁력 강화 노력이 필요하다.

6. 1. 한국 전자 산업의 현황

대한민국은 세계적인 전자 산업 강국으로, 특히 메모리 반도체, 디스플레이, 스마트폰 분야에서 높은 시장 점유율을 차지하고 있다.[38][39] 하지만 최근 중국 등 경쟁국의 추격이 거세지고 있어, 지속적인 기술 혁신과 경쟁력 강화 노력이 필요하다.

6. 2. 글로벌 전자 산업 동향

전자 산업은 반도체 산업 부문을 중추로 하여 발전해 왔으며,[33] 2018년 기준 연간 매출액은 4810억 달러를 넘었다.[34] 가장 큰 산업 부문은 전자상거래로, 2017년 29조 달러 이상의 매출을 올렸다.[35]

1960년대에는 소니(Sony)와 히타치(Hitachi)와 같은 일본 기업들이 저렴한 가격과 고품질의 제품을 앞세워 미국 제조업체들을 압도했다. 그러나 1980년대에 미국의 제조업체들은 반도체 개발 및 조립 분야에서 다시 세계적인 선두주자가 되었다.[37]

1990년대 이후, 전자 산업은 동아시아로 중심축이 이동했다. 이는 1970년대 초 마이크로칩 대량 생산이 동아시아로 이동하면서 시작된 과정으로, 풍부하고 저렴한 노동력과 기술 수준 향상에 힘입은 결과였다.[38][39] 30년이 넘는 기간 동안 미국의 반도체 제조 능력의 세계 시장 점유율은 1990년 37%에서 2022년 12%로 감소했다.[39] 미국의 대표적인 반도체 제조업체인 인텔(Intel Corporation)은 대만반도체제조공사(TSMC)에 비해 제조 기술에서 크게 뒤처졌다.[38]

타이완은 세계 최고의 첨단 반도체 공급국으로 부상했으며,[39][38] 대한민국, 미국, 일본, 싱가포르, 중국이 그 뒤를 이었다.[39][38] 유럽(특히 네덜란드), 동남아시아, 남아메리카, 이스라엘에도 중요한 반도체 산업 시설이 존재한다.[38]

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