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전기기계공학

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1. 개요

전기기계공학은 전기와 기계 시스템의 결합에 대한 연구를 다루는 공학 분야이다. 1822년 마이클 패러데이가 최초의 전동기를 발명하면서 시작되었으며, 산업 혁명과 두 차례의 세계 대전을 거치며 통신 기술 및 군사적 목적으로 발전했다. 20세기 후반에는 전자 기술의 발전과 함께 미세전자기계 시스템(MEMS) 기술이 등장했다. 현대에는 발전소, 재생 에너지 시스템 등에서 활용되며, 전기기계 엔지니어가 되기 위해서는 관련 학위가 필요하다.

2. 역사

1822년 마이클 패러데이는 최초의 전동기를 발명했다. 이는 한스 크리스티안 외르스테드가 전류의 흐름이 비례하는 자기장을 생성한다는 것을 발견한 지 불과 1년 만에 개발되었다.[5] 이 초기 전동기는 자석이 바닥에 있는 수은 유리잔에 부분적으로 잠긴 전선이었고, 전선을 배터리에 연결하면 자기장이 생성되어 전선이 회전하는 방식이었다.

10년 후, 최초의 발전기가 다시 마이클 패러데이에 의해 발명되었다.[6] 이 발전기는 전선의 코일을 통과하는 자석으로 구성되었으며, 검류계로 측정되는 전류를 유도했다. 패러데이의 전기 연구와 실험은 오늘날 알려진 대부분의 현대적인 전기기계 원리의 기초가 되었다.[6]

산업 혁명으로 대륙 간 통신에 대한 수요가 증가하면서 장거리 통신 연구와 함께 전기기계에 대한 관심이 급증했다. 계전기는 전기기계 장치가 신호 재생에 사용되면서 전신에서 시작되었다. 스트로저 스위치, 패널 스위치 및 유사한 장치는 초기 자동화된 전화 교환기에서 널리 사용되었다. 크로스바 스위치는 20세기 중반 스웨덴, 미국, 캐나다, 영국에서 처음 널리 설치되었으며, 이후 빠르게 전 세계로 확산되었다.

제1차 세계 대전제2차 세계 대전을 거치면서 전기기계 기술은 군사적 목적으로 급속히 발전했다.[7] 특히, 교류 발전기는 1950년대에 군용 장비를 위해 만들어져 1960년대에 자동차로 용도가 변경되었다. 전쟁 후 미국은 전자레인지, 냉장고, 세탁기와 같은 전기기계 시스템으로 가정이 빠르게 대체되면서 군대의 전기기계 개발의 혜택을 크게 받았다.

1980년대까지 전동 타자기는 "동력 보조 타자기"로 개발되었다. 이 타자기에는 모터라는 단일 전기 부품이 포함되어 있었다. 이전에는 키 입력이 타이프바를 직접 움직였지만, 이제는 모터에서 타이프바로 기계적 동력을 전달하는 기계적 연결 장치를 작동시켰다. 이는 나중의 IBM 셀렉트릭에도 해당되었다. 벨 연구소에서는 1946년에 벨 모델 V 컴퓨터가 개발되었다. 이것은 전기기계 계전기 기반 장치였으며, 사이클은 몇 초가 걸렸다. 1968년에는 중앙 항공 데이터 컴퓨터에서 고밀도 집적 회로 전자를 기반으로 한 장치가 채택되기 전까지 항공기 비행 제어 컴퓨터에 대한 전기기계 시스템이 여전히 진지하게 고려되었다.

2. 1. 초기 발전

1822년 마이클 패러데이는 최초의 전동기를 발명했다. 이는 한스 크리스티안 외르스테드가 전류의 흐름이 비례하는 자기장을 생성한다는 것을 발견한 지 불과 1년 만에 개발되었다.[5] 이 초기 전동기는 자석이 바닥에 있는 수은 유리잔에 부분적으로 잠긴 전선이었고, 전선을 배터리에 연결하면 자기장이 생성되어 전선이 회전하는 방식이었다.

10년 후, 최초의 발전기가 다시 마이클 패러데이에 의해 발명되었다.[6] 이 발전기는 전선의 코일을 통과하는 자석으로 구성되었으며, 검류계로 측정되는 전류를 유도했다. 패러데이의 전기 연구와 실험은 오늘날 알려진 대부분의 현대적인 전기기계 원리의 기초가 되었다.[6]

산업 혁명으로 대륙 간 통신에 대한 수요가 증가하면서 장거리 통신 연구와 함께 전기기계에 대한 관심이 급증했다. 계전기는 전기기계 장치가 신호 재생에 사용되면서 전신에서 시작되었다. 스트로저 스위치, 패널 스위치 및 유사한 장치는 초기 자동화된 전화 교환기에서 널리 사용되었다. 크로스바 스위치는 20세기 중반 스웨덴, 미국, 캐나다, 영국에서 처음 널리 설치되었으며, 이후 빠르게 전 세계로 확산되었다.

2. 2. 산업 혁명과 통신

산업 혁명으로 인한 생산 증가는 대륙 간 통신에 대한 수요를 증가시켰고, 이는 전기기계 기술 발전의 중요한 동력이 되었다.[6] 계전기는 신호 재생에 사용되면서 전신 기술 발전에 기여했다.[6] 스트로저 스위치, 패널 스위치와 같은 장치는 초기 자동화된 전화 교환기에서 널리 사용되었다.[6] 특히 크로스바 스위치는 20세기 중반 스웨덴, 미국, 캐나다, 영국에서 처음 널리 설치되었으며, 이후 빠르게 전 세계로 확산되었다.[6]

2. 3. 전쟁과 기술 발전

제1차 세계 대전제2차 세계 대전을 거치면서 전기기계 기술은 군사적 목적으로 급속히 발전했다.[7] 특히, 교류 발전기는 1950년대에 군용 장비를 위해 만들어져 1960년대에 자동차로 용도가 변경되었다. 전쟁 후 미국은 전자레인지, 냉장고, 세탁기와 같은 전기기계 시스템으로 가정이 빠르게 대체되면서 군대의 전기기계 개발의 혜택을 크게 받았다.

2. 4. 20세기 후반의 발전

산업 혁명의 급격한 생산 증가는 대륙 간 통신에 대한 수요를 증가시켰고, 이를 통해 전기기계가 공공 서비스에 진출할 수 있었다.[7] 계전기는 전기기계 장치가 신호 재생에 사용되면서 전신에서 시작되었다.[7] 스트로저 스위치, 패널 스위치 및 유사한 장치는 초기 자동화된 전화 교환기에서 널리 사용되었다. 크로스바 스위치는 20세기 중반 스웨덴, 미국, 캐나다, 영국에서 처음 널리 설치되었으며, 이후 빠르게 전 세계로 확산되었다.

1980년대까지 전동 타자기는 "동력 보조 타자기"로 개발되었다. 이 타자기에는 모터라는 단일 전기 부품이 포함되어 있었다. 이전에는 키 입력이 타이프바를 직접 움직였지만, 이제는 모터에서 타이프바로 기계적 동력을 전달하는 기계적 연결 장치를 작동시켰다. 이는 나중의 IBM 셀렉트릭에도 해당되었다. 벨 연구소에서는 1946년에 벨 모델 V 컴퓨터가 개발되었다. 이것은 전기기계 계전기 기반 장치였으며, 사이클은 몇 초가 걸렸다. 1968년에는 중앙 항공 데이터 컴퓨터에서 고밀도 집적 회로 전자를 기반으로 한 장치가 채택되기 전까지 항공기 비행 제어 컴퓨터에 대한 전기기계 시스템이 여전히 진지하게 고려되었다.

2. 5. 미세전자기계 시스템 (MEMS)

미세전자기계 시스템(MEMS)은 실리콘 혁명에 뿌리를 두고 있으며, 이는 1959년 페어차일드 반도체로버트 노이스가 개발한 모놀리식 집적 회로(IC) 칩과 벨 연구소에서 발명된 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)라는 두 가지 중요한 실리콘 반도체 발명으로 거슬러 올라갈 수 있다. 프로쉬와 데릭이 이산화 규소에 의한 표면 패시베이션을 발견하고 사용하여 처음으로 드레인과 소스가 동일한 표면에 인접한 최초의 평면 트랜지스터를 만들었다.[8][9][10][11][12] MOSFET 스케일링은 전자 공학의 소형화를 이끌었으며, 이는 기계 시스템의 소형화 기반을 마련했다. 엔지니어들이 실리콘 칩과 MOSFET이 주변 환경과 상호 작용하고 화학 물질, 운동, 과 같은 것들을 처리할 수 있다는 것을 깨닫기 시작했기 때문이다. 1962년 허니웰은 최초의 실리콘 압력 센서 중 하나를 개발했다.[13]

1965년 하비 C. 네이션슨은 MOSFET의 변형인 공진 게이트 트랜지스터를 개발했다.[14] 1970년대에서 1980년대 초반까지, 물리, 화학, 생물학 및 생물물리 환경 매개변수를 측정하기 위한 다수의 MOSFET 마이크로 센서가 개발되었다.[15] 21세기 초에는 나노전기기계 시스템(NEMS)에 대한 연구가 진행되고 있다.

3. 현대의 활용

오늘날, 전기기계 공정은 주로 전력 회사에서 사용된다. 모든 연료 기반 발전기는 기계적 운동을 전력으로 변환한다. 풍력수력 발전과 같은 일부 재생 에너지는 운동을 전기로 변환하는 기계 시스템에 의해 구동된다.

20세기 후반 30년 동안 일반적으로 전기기계 장치를 사용했던 장비의 비용이 줄어들었다. 이러한 장비는 궁극적으로 수백만 개의 트랜지스터를 포함하는 더욱 신뢰성 있는 집적된 마이크로컨트롤러 회로와 논리를 통해 동일한 작업을 수행하는 프로그램을 사용했기 때문에 더 저렴해졌다. 전기기계 부품에는 기계적 전기 액추에이터와 같은 움직이는 부품만 있었다. 이보다 더 신뢰할 수 있는 논리는 대부분의 전기기계 장치를 대체했는데, 이는 제대로 작동하기 위해 기계적 움직임에 의존해야 하는 시스템의 모든 지점이 불가피하게 기계적 마모를 겪고 결국 고장날 것이기 때문이다. 움직이는 부품이 없는 적절하게 설계된 전자 회로는 거의 무한정 올바르게 작동하며 대부분의 간단한 피드백 제어 시스템에 사용된다. 움직이는 부품이 없는 회로는 신호등에서 세탁기에 이르기까지 많은 품목에서 나타난다.

또 다른 전기기계 장치는 압전 장치이지만, 전자기 원리를 사용하지 않는다. 압전 장치는 전기 신호로부터 소리나 진동을 생성하거나 소리나 기계적 진동으로부터 전기 신호를 생성할 수 있다.

4. 전기기계 엔지니어링

전기기계 엔지니어가 되기 위해서는 일반적으로 전기, 기계 또는 전기기계 공학 학사 학위가 필요하다. 일반적인 대학 과정에는 수학, 공학, 컴퓨터 과학, 기계 설계 등이 포함되며, 기계 문제 해결 및 분석 기술을 습득하는 데 도움이 되는 과목들을 이수한다.[16] 2018년 기준으로, 미시간 공과대학교와 웬트워스 공과대학교에서 전기기계 공학 전공을 제공하고 있다. (전 세계적인 현황에 대한 추가 정보 필요) 전기기계 분야의 초급 기술자로 진입하기 위해서는 준학사 학위가 필요하다.[16]

2016년 현재, 미국에서는 약 13,800명이 전기기계 기술자로 일하고 있으며, 2016년부터 2026년까지의 고용 전망은 4% 증가할 것으로 예상된다.[16]

참조

[1] 서적 Course in Electro-mechanics https://books.google[...] Columbia University 1901
[2] 논문 An investigation of the dynamic electromechanical coupling effects in machine drive systems driven by asynchronous motors Mechanical Systems and Signal Processing, Vol.49, pp.118-134 2014
[3] 서적 The Elements of Electricity https://archive.org/[...] John Wiley & sons, Incorporated 1922
[4] 논문 An influence of the stepping motor control and friction models on precise positioning of the complex mechanical system Mechanical Systems and Signal Processing, Vol.70-71, pp.397-413 2016
[5] 뉴스 Michael Faraday's electric magnetic rotation apparatus (motor) http://www.rigb.org/[...] 2018-04-14
[6] 뉴스 Michael Faraday's generator http://www.rigb.org/[...] 2018-04-14
[7] 웹사이트 WWI: Technology and the weapons of war {{!}} NCpedia https://www.ncpedia.[...] 2018-04-22
[8] 특허 Oxidation of semiconductive surfaces for controlled diffusion https://patents.goog[...] 1957-08-13
[9] 논문 Surface Protection and Selective Masking during Diffusion in Silicon https://iopscience.i[...] 1957
[10] 서적 History of Semiconductor Engineering Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007
[11] 논문 The mechanisms for silicon oxidation in steam and oxygen https://linkinghub.e[...] 1960
[12] 서적 History of Semiconductor Engineering Springer Science & Business Media 2007
[13] 서적 MEMS and MOEMS Technology and Applications https://books.google[...] SPIE Press 2000
[14] 논문 A Resonant-Gate Silicon Surface Transistor with High-Q Band-Pass Properties 1965
[15] 논문 The impact of MOSFET-based sensors https://core.ac.uk/d[...] 1985-10
[16] 간행물 Electro-mechanical Technicians http://www.bls.gov/o[...] Bureau of Labor Statistics, U.S. Department of Labor, Occupational Outlook Handbook 2018-04-13
[17] 서적 Course in Electro-mechanics https://books.google[...] Columbia University 1901
[18] 논문 An investigation of the dynamic electromechanical coupling effects in machine drive systems driven by asynchronous motors Mechanical Systems and Signal Processing, Vol.49, pp.118-134 2014
[19] 서적 The Elements of Electricity https://archive.org/[...] John Wiley & sons, Incorporated 1922
[20] 논문 An influence of the stepping motor control and friction models on precise positioning of the complex mechanical system Mechanical Systems and Signal Processing, Vol.70-71, pp.397-413 2016



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