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전자공학

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목차

1. 개요

전자공학은 다이오드와 트라이오드의 발명으로 시작되어, 전기 신호를 증폭하고 정류하는 기술을 발전시켰다. 진공관의 발명은 라디오 통신을 실용화했고, 제2차 세계 대전 중에는 레이더와 소나와 같은 전자 시스템 개발로 이어졌다. 트랜지스터와 집적 회로의 발명은 전자 기기의 소형화, 저전력화, 고성능화를 가능하게 했으며, 컴퓨터와 디지털 기술의 발전을 이끌었다. 현재는 전자기학, 회로 이론, 반도체 공학, 디지털 회로, 제어 공학, 통신 공학, 컴퓨터 공학 등 다양한 분야로 세분화되어 발전하고 있다. 전자공학 분야는 학위 취득과 전문 기관을 통해 전문성을 인정받으며, 학문적, 기술적 발전을 지속하고 있다.

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역사적 발전전신의 발명
라디오의 발명
트랜지스터의 발명
집적 회로의 발명
마이크로프로세서의 발명
관련 단체전기 전자 기술자 협회(IEEE)
기타전자공학은 현대 기술 발전에 매우 중요한 역할을 함.
전자공학은 다양한 산업 분야에 걸쳐 광범위하게 응용됨.
이미지
0805 사이즈의 저항을 납땜하고 있다.
0805 사이즈의 저항을 납땜하고 있다.

2. 전기/전자공학의 역사

전자공학은 1897년 전자의 발견과 그 이후 작은 전기 신호를 증폭하고 정류할 수 있는 진공관의 발명으로 인해 하나의 직업으로 등장하였으며, 이는 전자공학 분야의 시작을 알렸다.[1]

초기 라디오는 전류 또는 배터리를 통한 증폭 방식을 이용하였으나, 1920년대 중반 이후 대부분의 수신기는 크리스털 제품이 되었다. 1920년대 진공관을 이용한 증폭 방식은 라디오 수신기와 송신기 모두에서 혁신적인 결과를 가져왔다.

2. 1. 20세기 초: 진공관 시대

앰브로스 플레밍이 발명한 다이오드와 리 드 포레스트가 발명한 트라이오드는 라디오 안테나로부터의 라디오 신호와 같은 작은 전압을 기계적이지 않은 장치로 검출할 수 있게 해주었다.[1] 진공관 검파기의 발명은 라디오에 의한 음성 통신을 실용화하였다. 가장 처음으로 알려진 라디오 뉴스 프로그램은 1920년 8월 31일에 미시간주 디트로이트시에서 8MK사에 의해 방송되었다. 그리고 재미를 위한 정식 무선방송은 1922년 영국 체므스포드의 마르코니 연구소에서 개시하였다.

2. 2. 20세기 중반: 트랜지스터와 집적회로 시대

1920년대 초 상업용 라디오 방송과 통신이 널리 보급되었고, 장거리 통화 및 음악 녹음 산업과 같은 다양한 분야에서 전자 증폭기가 사용되기 시작했다. 제2차 세계 대전 중에는 레이더 및 소나와 같은 다량의 전자 시스템이 개발되었다.[1] 윌리엄 쇼클리, 존 바딘, 월터 브래튼이 트랜지스터를 발명하면서 평화 시대의 소비자 혁명으로 이어졌다. 1928년 필로 판즈워스는 순수하게 전자 텔레비전에 대한 첫 번째 공식적인 증명을 하였다. 1930년대 몇몇 국가들이 방송을 시작하였으나 제2차 세계 대전으로 발전이 늦춰졌다가, 전쟁 이후 텔레비전 수상기의 수가 기하급수적으로 증가하여 텔레비전이 세계화되었다.

2. 3. 20세기 후반 ~ 현재: 컴퓨터와 디지털 시대

1941년 콘라트 추제가 세계 최초의 기능성 컴퓨터인 Z3를 선보였고, 1946년 존 프레스퍼 에커트와 존 모클리가 에니악(ENIAC)을 개발하면서 컴퓨터 시대가 열렸다.[1] 컴퓨터의 수학적 이행 능력은 엔지니어들에게 완전히 새로운 기술을 개발하고 새로운 목표를 갖게 하였으며, 아폴로 미션은 그 대표적인 사례이다.

현재 텔레비전, 비디오 디스플레이는 플라즈마나 LCD 같은 더욱 집적된 장치를 사용하고 있으며, 최근에는 OLED 디스플레이가 적은 전력 소비량으로 LCD와 플라즈마 기술을 대체할 것으로 보인다.

3. 전기/전자공학의 분류

전자공학은 크게 다음과 같은 하위 분야로 분류할 수 있다.



이 외에도 초고주파공학(RF, 마이크로웨이브), 디스플레이공학, 항공전자, 계측 공학(센서, 측정 장비 개발) 등 다양한 분야가 있다.[4] 각 분야는 서로 밀접하게 연관되어 있다. 예를 들어 계측 공학은 압력, 유량, 온도 등 물리량을 측정하는 장치 설계를 다루는데, 레이더 건은 도플러 효과를 이용해 속도를 측정하고, 열전대는 펠티에-제벡 효과를 이용해 온도 차이를 측정하는 등 물리학적 지식이 필요하다.[4]

3. 1. 전자기학

맥스웰 방정식을 바탕으로 전기장(전계), 자기장(자계), 전자기파 등을 연구한다. 안테나, 도파관, 전송선 등 전자기파 응용 분야를 연구한다.[8][9]

전자기학의 세부 분야는 다음과 같다.

3. 2. 회로 이론

수동소자 (R, L, C)와 전원으로 구성된 회로망을 해석하고, 능동소자 (다이오드, 트랜지스터)를 포함한 전자 회로를 설계 및 해석한다.[10] 위상자를 사용한 정상 상태 정현파 분석을 포함한다.[11]

네트워크 그래프는 그래프와 관련된 행렬을 다루며, 입사, 기본 절단 집합 및 기본 회로 행렬로 구성된다. 노드 및 메시 분석을 통해 해를 구한다. 네트워크 정리는 중첩, 테브냉과 노턴의 최대 전력 전달, Y-Δ 변환 등을 포함한다.[10]

선형 상수 계수 미분 방정식과 간단한 RLC 회로의 시간 영역 분석, 라플라스 변환을 사용한 네트워크 방정식 풀이를 통해 RLC 회로의 주파수 영역을 분석한다. 2포트 네트워크 매개변수는 구동점 및 전달 함수를 포함하며, 네트워크의 상태 방정식을 다룬다.[11]

3. 3. 반도체 공학

반도체 소자의 동작 원리, 제조 공정 등을 연구한다. 여기에는 PN 접합, MOSFET, BJT 등 다양한 반도체 소자 개발이 포함된다.[12][13]

'''전자 소자'''는 다음과 관련된 내용을 포함한다.

항목내용
에너지 밴드실리콘의 에너지 밴드, 진성 및 불순물 실리콘
캐리어 수송확산 전류, 표류 전류, 이동도, 비저항
캐리어생성 및 재결합
소자 종류PN 접합 다이오드, 제너 다이오드, 터널 다이오드, BJT, JFET, MOS 캐패시터, MOSFET, LED, PIN 다이오드 및 애벌랜치 포토다이오드, 레이저
소자 기술집적 회로 제작 공정, 산화, 확산, 이온 주입, 포토리소그래피, n-튜브, p-튜브 및 트윈-튜브 CMOS 공정


3. 4. 디지털 회로

불 대수를 기반으로 논리 회로를 설계하고 해석한다. 여기에는 논리 회로, 마이크로프로세서, FPGA 등이 포함되며, 디지털 시스템 개발의 핵심 기술이다.[15]

디지털 회로는 부울 함수(NOT, AND, OR, XOR 등)를 이용하여 설계하며, 논리 게이트 디지털 IC 패밀리(DTL, TTL, ECL, MOS, CMOS)가 사용된다.[15]

디지털 회로는 크게 조합 회로와 순차 회로로 나뉜다.[15]

샘플 앤 홀드 회로, ADC, DAC, 반도체 메모리도 디지털 회로에 포함된다. 마이크로프로세서 8086은 아키텍처, 프로그래밍, 메모리 및 I/O 인터페이싱을 다룬다.[15]

3. 5. 제어 공학

제어 공학은 기계, 항공 등 다양한 시스템을 제어하는 방법 및 관련 기술을 연구하는 분야이다. 여객기의 비행 및 추진 시스템부터 자동차의 크루즈 컨트롤, 그리고 산업 자동화에 이르기까지 광범위하게 응용된다.[19] 제어 엔지니어는 제어 시스템을 설계할 때 피드백을 활용하여 시스템의 안정성과 성능을 향상시킨다.
기본 제어 시스템 구성 요소:[19]

  • 블록 선도: 시스템 구성 요소를 블록으로 표현하고, 메이슨의 규칙을 이용하여 블록 선도를 간소화한다.
  • 개루프 및 폐루프 시스템: 피드백 유무에 따라 시스템을 분류하고, 안정성을 분석한다.
  • 신호 흐름 그래프: 시스템의 전달 함수를 결정하는 데 사용된다.

LTI 제어 시스템 분석 및 설계 도구:[19]

  • 근궤적
  • 라우쓰-후르비츠 안정성 판정법
  • 보드 선도
  • 나이퀴스트 선도

제어 시스템 보상기:[19]
디지털 제어:[19]

  • 연속 시간 시스템의 이산화
  • 영차 홀드 및 ADC를 사용한 디지털 제어기 구현
  • 앨리어싱 등 디지털 제어기의 한계 고려

상태 공간 표현:[19]

  • LTI 제어 시스템의 상태 방정식 표현 및 해
  • MIMO LTI 시스템의 제어성 및 관측성 개념
  • 관측 가능 및 제어 가능 정준형
  • 아커만의 공식을 이용한 상태 피드백 극점 배치
  • 전차수 및 저차수 추정기 설계


제어 공학은 산업 자동화, 로봇 공학 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 수행하며, 시스템의 안정성과 성능 향상에 기여한다.

3. 6. 통신 공학

통신 공학은 동축 케이블, 광섬유 또는 자유 공간과 같은 매체를 통해 정보를 전송하는 것을 다룬다. 자유 공간을 통한 전송에는 정보를 반송파에 인코딩하여 전송해야 하며, 이를 변조라고 한다. 널리 사용되는 아날로그 변조 기술에는 진폭 변조와 주파수 변조가 있다.[1]

시스템의 전송 특성이 결정되면, 통신 엔지니어는 그러한 시스템에 필요한 송신기와 수신기를 설계한다. 이 둘은 때때로 트랜시버라고 알려진 양방향 통신 장치를 형성하도록 결합되기도 한다. 송신기 설계에서 중요한 고려 사항은 전력 소비량이며, 이는 신호 강도와 밀접한 관련이 있다. 송신기의 신호 강도가 부족하면 신호의 정보가 잡음에 의해 손상될 수 있다.[1]

'''항공 통신 공학'''은 항공 우주 응용 프로그램과 관련이 있다. 항공 통신 엔지니어는 항공기 또는 지상 장비의 항공 전자 장비에서 작업하는 전문가를 포함한다. 이 분야의 전문가는 주로 컴퓨터, 네트워닝, IT 및 센서에 대한 지식이 필요하다. 이러한 과정은 민간 항공 기술 대학과 같은 곳에서 제공된다.[2][3]

아날로그 통신 시스템에는 진폭 및 위상 변조 및 복조 시스템, 이러한 동작의 스펙트럼 분석, 수퍼헤테로다인 잡음 조건이 있다.[21]

디지털 통신 시스템에는 펄스 코드 변조(PCM), 차분 펄스 코드 변조(DPCM), 델타 변조(DM), 디지털 변조 – ASK, PSK, FSK 방식, 매칭 필터 수신기, 이러한 방식의 대역폭 고려 사항 및 오류 확률 계산, GSM, TDMA 등이 있다.[22]

3. 7. 컴퓨터 공학

컴퓨터 공학은 컴퓨터 및 컴퓨터 시스템 설계를 다룬다. 여기에는 새로운 컴퓨터 하드웨어 설계, PDA 설계, 또는 산업 플랜트 제어를 위한 컴퓨터 사용 등이 포함될 수 있다. 특정 작업을 위해 제작된 시스템(예: 휴대전화)인 임베디드 시스템 개발도 이 분야에 포함된다. 이 분야에는 마이크로컨트롤러 및 그 응용 프로그램이 포함된다.[4]

컴퓨터 엔지니어는 시스템의 소프트웨어에서도 작업할 수 있다. 그러나 복잡한 소프트웨어 시스템 설계는 종종 소프트웨어 공학 영역이며, 이는 일반적으로 별도의 학문으로 간주되는 컴퓨터 과학에 속한다.[4]

'''VLSI 설계 공학''' VLSI는 '초대규모 집적 회로'를 의미하며, IC 및 다양한 전자 부품 제작을 다룬다. 집적 회로를 설계할 때 전자 엔지니어는 먼저 전기 부품을 지정하고 그 사이의 상호 연결을 설명하는 회로 회로도를 구성한다. 완료되면, VLSI 엔지니어는 회로도를 실제 레이아웃으로 변환하는데, 이 레이아웃은 회로를 구성하는 데 필요한 다양한 전도체 및 반도체 재료의 층을 매핑한다.[4]

3. 8. 기타 분야

초고주파 공학(RF, 마이크로웨이브), 디스플레이 공학, 항공전자, 계측 공학(센서, 측정 장비 개발)은 전자공학의 기타 분야이다.[4]

4. 전문 용어

몇몇 사람들은 전기공학이라는 용어를 전력, 고전류, 고전압 공학 분야에만 한정되어야 한다고 생각한다. 반면에 다른 사람들은 '전력'이 전기배선공학과 전기공학의 작은 일부분일 뿐이라고 생각한다.(전력공학이라는 용어가 사용되고 있다.) 다시 최근 몇 년 동안 정보공학, 커뮤니케이션 시스템 공학 등 별개로 떨어져 있던 분야들이 학문적으로 유사한 분야로 대두되고 있다.

대부분의 유럽 대학교들은 현재 전기공학이라는 용어를 전력공학으로써 전기전자공학과 별개의 것으로 간주하고 있다. 1980년대 시작된 컴퓨터 공학은 간혹 전자공학 또는 정보공학을 지칭하는 용어로 사용되었으나, 현재 컴퓨터 공학은 하드웨어 및 소프트웨어를 포괄하는 넓은 의미로 사용되고 있다.

5. 교육 및 훈련

전자 공학자는 일반적으로 전자 공학을 전공으로 하는 학위를 소지하고 있다. 학위 과정은 보통 3년 또는 4년이며, 졸업 후에는 대학에 따라 공학사, 이학사, 응용과학사 또는 공학기술사 학위를 받는다. 영국의 많은 대학에서는 대학원 과정으로 공학 석사(MEng) 학위도 제공한다.

일부 전자 공학자는 대학원 학위, 예를 들어 이학 석사, 공학 철학 박사 또는 공학 박사 학위를 취득하기도 한다. 석사 학위는 연구, 수업 또는 두 가지를 혼합하여 구성될 수 있다. 철학 박사 학위는 상당한 연구 요소를 포함하며, 주로 학계 진출을 위한 발판으로 여겨진다.

대부분의 국가에서 공학 학사 학위는 자격증 취득의 첫 단계이며, 학위 프로그램 자체는 전문 기관의 인증을 받는다. 인증된 학위 프로그램을 이수한 후, 엔지니어는 자격을 얻기 위해 업무 경험 등 다양한 요건을 충족해야 한다. 자격을 갖춘 엔지니어는 미국, 캐나다, 남아프리카 공화국에서는 전문 엔지니어(Professional Engineer), 영국, 아일랜드, 인도, 짐바브웨에서는 특허 엔지니어 또는 법인 엔지니어, 호주와 뉴질랜드에서는 공인 전문 엔지니어(Chartered Professional Engineer), 유럽 연합의 대부분 지역에서는 유럽 엔지니어로 불린다.[5]

전자 공학 학위 과정에는 물리학, 화학, 수학, 프로젝트 관리 및 전기 공학의 특정 주제를 다루는 과목이 포함된다.

6. 전문 기관

전기전자기술자협회(IEEE)는 세계 최대 전기 및 전자 공학 학술 단체로, 관련 분야 세계 문헌의 30%를 생산하고 43만 명이 넘는 회원을 보유하고 있으며, 매년 450개 이상의 학술대회를 전 세계적으로 개최한다.[1] SMIEEE는 미국에서 인정받는 전문 자격이다.[1]

공학기술연구소(IET)는 유럽에서 전기 및 컴퓨터 엔지니어를 전문적으로 인정하는 기관이다.[1]

참조

[1] 웹사이트 October 1897: The Discovery of the Electron https://www.aps.org/[...] 2018-09-19
[2] 웹사이트 مهندسی الکترونیک‌ و مخابرات هواپیمایی https://catc.ac.ir/t[...] 2021-01-31
[3] 웹사이트 Raahnamaye-jaame-94-6-Mordad[catc.info] https://s3.picofile.[...] 2021-01-31
[4] 서적 Industrial Automated Systems: Instrumentation and Motion Control Cengage Learning 2010
[5] 웹사이트 Are there any professional examinations available in the electronics and telecommunications engineering field? Where do I get the listings of these examinations, and how do I apply for them? Who is eligible to write such examinations? http://tryengineerin[...] 2018-05-28
[6] 서적 Basic Electronics Firewall Media 2008
[7] 서적 Power Electronics Firewall Media 2008
[8] 서적 Electromagnetics CRC Press 2001
[9] 서적 Electromagnetics McGraw Hill Professional 1995
[10] 서적 Electrical Circuit Theory and Technology Newness 2007
[11] 서적 Network Analysis and Practice Cambridge University Press
[12] 서적 Electronic Materials and Devices Academic Press
[13] 서적 Theory and Problems of Electronic Devices and Circuits McGraw Hill
[14] 서적 Analog Circuits and Devices CRC Press
[15] 서적 Digital Circuits: Logic and Design CRC Press
[16] 서적 Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits Morgan Kaufmann
[17] 서적 Signals and Systems McGraw–Hill Professional
[18] 서적 Theory and Problems of Signals and Systems McGraw–Hill Professional
[19] 서적 Analog and Digital Circuits for Electronic Control System Applications Newnes
[20] 서적 Theory and Problems of Feedback and Control Systems McGraw-Hill Professional
[21] 서적 Digital and Analog Communication Systems Wiley-India 2006
[22] 서적 Analog and Digital Communications McGraw–Hill Professional 2003
[23] 서적 Troubleshooting and Repairing Consumer Electronics McGraw–Hill Professional 2004


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