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공학

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목차

1. 개요

공학은 실용적인 목적을 위해 과학적, 수학적 지식을 활용하여 설계, 건설, 운영하는 학문 분야이다. 역사는 고대 시대로 거슬러 올라가며, 도르래, 지렛대, 바퀴와 같은 단순 기계의 발명에서 시작되었다. 18세기 이후 'civil engineering'의 발전과 함께 에너지 등을 이용하는 기술 전반을 가리키는 개념으로 확장되었다. 공학은 화학, 토목, 전기, 기계, 생물 등 다양한 주요 분야로 나뉘며, 컴퓨터, 소프트웨어의 발전과 함께 컴퓨터의 활용이 증가하고 있다. 사회적 책임이 강조되며, 과학, 의학, 예술 등 다양한 분야와 융합하여 발전하고 있다.

2. 역사

공학은 수학과 자연과학을 기초로, 때로는 인문학, 사회과학 지식을 활용하여 인류 복지를 위한 유용한 사물이나 환경을 구축하는 학문이다.[150] 공학은 수학, 물리학, 화학 등 자연과학을 기반으로 하지만, 자연과학이 이미 존재하는 현상의 이해를 추구하는 반면, 공학은 '어떻게 하면 지금은 존재하지 않는 상태나 물건을 현실에 만들 수 있을까'를 추구한다는 차이점이 있다.[150] 즉, 공학은 '어떻게 하면 목표하는 성과에 도달할 수 있을까'라는 목적성을 가진다.

따라서 공학은 안전성, 경제성, 보안성 등 실용적인 관점에서 평가 및 판단을 내린다. 공학적 목적을 달성하기 위해 시간, 인원, 예산 제약 속에서 기술적 검토와 평가를 하는 것을 공학적 타당성이라고 한다. 공학적 성질 분석에는 환경 적합성, 사용성, 정비성(Maintainability), 수명주기비용 등 인간에 대한 배려를 기본으로 하는 평가 방법이 필요하며, 이러한 평가 방법 개발 또한 공학의 중요한 분야이다.

공학은 다른 학문의 성과를 사회에 환원하기 위한 기술 개발이라는 측면에서 공동 복지에 대한 배려가 필요하며, 각 분야 학회에는 윤리적인 내용을 담은 신조(Creed)가 정해져 있다.

현대적 의미의 '엔지니어링'(engineering)이라는 용어는 18세기에 생겨났지만, 그 개념에 부합하는 행위는 고대부터 존재해 왔다. 공학을 실천하는 사람을 엔지니어(engineer) 또는 기술자라고 부른다. '엔지니어링'이라는 단어는 비교적 최근에 생겨났지만, 그 이전에도 엔지니어(engineer, 기술자)라는 단어는 존재했다. 1325년경 문헌에는 군용 병기 제작자를 의미하는 'engineer'라는 단어가 있었다. 당시 'engine'은 '전쟁에 사용되는 기계 장치', 즉 무기를 의미했다. 'engine'의 어원은 1250년경 라틴어 잉게니움(ingeniumla)에서 유래했으며, 잉게니움은 천성, 재능, 특히 기발한 발명품을 의미한다.[151]

이후 민간의 다리나 건축물 건설법이 공학 분야로 발전하면서 'civil engineering'(토목공학)[152]으로 불리게 되었다. 'engine'이 원래 무기를 의미했기 때문에, 군사와 관련 없는 분야임을 나타내기 위해 'civil(시민)'이라는 단어를 붙인 것이다. 즉, 18세기 이전에는 'engineering'이라는 단어가 군사 기술만을 의미했지만, 'civil engineering'(=군사 이외의 기술)이 발전하면서 에너지 등을 이용해 편의를 얻는 기술 전반을 가리키게 되었다.

알렉산드리아의 등대, 이집트의 피라미드, 바빌론의 공중정원, 그리스의 아크로폴리스와 파르테논 신전, 고대 로마의 수도와 도로나 콜로세움, 마야 문명, 잉카 제국, 아스테카의 테오티우아칸 등의 도시나 피라미드, 만리장성 등은 고대 공학의 정교함과 기능을 보여주는 대표적인 예시이다. 최초로 토목기술자로 이름이 알려진 인물은 임호테프이다. 그는 이집트 파라오 조세르 왕을 섬기면서 기원전 2630년부터 기원전 2611년쯤 사카라에서 조세르 왕의 피라미드(계단식 피라미드) 설계와 건설 감독을 한 것으로 보인다.[153]

고대 그리스에서는 민간 및 군사용 기계가 개발되었다. 안티키테라 기계는 세계에서 가장 오래된 아날로그 컴퓨터로 알려져 있으며,[154][155] 아르키메데스의 발명품은 초기 기계공학의 예시이다. 기원전 4세기경 그리스에 투석기가 개발되었고,[157] 중국, 그리스, 로마에서는 삼단노선, 발리스타, 캐터펄트 등 복잡한 기계식 무기가 사용되었다. 중세에는 트레뷰셋이 개발되었다.

1698년 토마스 세이벌리가 세계 최초의 증기기관을 만들면서[158] 기계공학이 발전했고, 이는 산업혁명을 이끌어 대량 생산 시대를 열었다. 18세기에는 공학이 전문직으로 확립되고, 수학이나 과학을 응용하는 분야를 가리키게 되었다. 군사, 토목 외에 기계 제작도 공학의 한 부분으로 추가되었다.

1800년대 알렉산드로 볼타의 실험, 마이클 패러데이나 게오르크 옴 등의 실험을 거쳐 1872년 전동기가 발명되면서 전기공학이 시작되었다. 19세기 후반 제임스 맥스웰과 하인리히 헤르츠의 성과로 전자공학이 시작되었고, 진공관, 트랜지스터 발명으로 발전이 가속화되어 현재 기술자가 가장 많은 공학 분야가 되었다.[152]

화학공학은 산업혁명기인 19세기에 기계공학과 함께 발전했다. 대량 생산으로 신소재와 새로운 제조법이 필요해지면서 화학물질 대량 생산이 1880년경까지 새로운 산업으로 확립되었고, 화학공학은 화학 공장과 제조법 설계를 맡았다.[152]

항공공학은 항공기 설계를, 항공우주공학은 우주선 설계까지 확장한 비교적 최근의 학문 분야이다.[159] 기원은 19세기부터 20세기까지의 항공기 선구적 발전이지만, 최근에는 18세기 말 조지 케일리의 업적이 기원으로 인정받는다. 초기 항공기는 다른 공학 분야 개념이나 기법을 도입해 경험론적으로 발전했다.

2. 1. 고대

공학이라는 용어와 개념은 현대에 와서 만들어졌지만, 그 기원은 고대까지 거슬러 올라간다.

1325년경 문헌에는 "engineer"(기술자)라는 단어가 "군사용 무기 제작자"를 의미하는 것으로 나타났다.[151] 당시 "engine"은 "전쟁에 사용되는 기계 장치"(예: 투석기)를 의미했다.[151] "engine"의 어원은 1250년경 라틴어 ''ingenium''에서 유래했으며, "타고난 특성, 특히 지능"과 "영리한 발명품"을 의미했다.[151]

이후 민간의 다리와 건축물 건설 기술이 발전하면서, 군사 기술과 구별하기 위해 "civil engineering"(토목 공학)이라는 용어가 사용되었다.[152] 즉, 18세기 이전에는 "engineering"이 군사 기술만을 의미했지만, 이후 민간 기술("civil engineering")이 발전하면서 에너지 등을 이용해 편의를 얻는 기술 전반을 가리키게 되었다.

알렉산드리아 등대, 이집트의 피라미드, 바빌론의 공중정원, 그리스의 아크로폴리스와 파르테논 신전, 고대 로마의 로마 수도교와 도로 및 콜로세움, 마야 문명, 잉카 제국, 아즈텍의 도시와 피라미드, 만리장성 등은 고대 공학 기술을 보여주는 대표적인 예시이다.

최초로 이름이 알려진 토목 기술자는 임호테프이다.[153] 그는 이집트 파라오 조세르 왕을 섬기며 기원전 2630년에서 2611년경 사카라에서 조세르 왕의 계단식 피라미드 설계와 건설을 감독했다.[153]

고대 그리스에서는 민간 및 군사 분야에서 기계가 개발되었다. 안티키테라 기계는 세계에서 가장 오래된 아날로그 컴퓨터로 알려져 있으며,[154][155] 아르키메데스의 발명품은 초기 기계 공학의 예시이다. 이러한 기계에는 차동 기어 또는 유성 기어에 대한 지식이 필요했으며, 이는 산업 혁명의 기어 트레인 설계에 도움을 주었고, 오늘날에도 로봇 공학이나 자동차 공학 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.[156]

기원전 4세기경 그리스에서는 투석기가 개발되었고,[157] 중국, 그리스, 로마에서는 삼단노선, 발리스타, 캐터펄트와 같은 복잡한 기계식 무기가 사용되었다. 중세에는 트레뷰셋이 개발되었다.

2. 2. 중세

공학은 고대부터 존재해 왔으며, 인류는 쐐기, 지렛대, 바퀴, 도르래 등의 발명품을 고안해 냈다. '공학'이라는 용어는 '기사'라는 단어에서 유래했는데, 이 단어 자체는 14세기로 거슬러 올라가며, 'engine'er'(말 그대로 '공성병기'를 건설하거나 작동하는 사람)는 "군사용 기계의 건설자"를 의미했다.[7] 이러한 맥락에서, 현재는 쓰이지 않는 "engine"은 군사용 기계, 즉 전쟁에서 사용되는 기계 장치(예: 투석기)를 의미했다. 오늘날까지도 남아있는 이러한 구식 용법의 주목할 만한 예로는 군사 공학 부대, 예를 들어 미 육군 공병대가 있다.

"engine"이라는 단어 자체는 훨씬 더 오래된 기원을 가지고 있으며, 궁극적으로는 라틴어 ingeniumla ()에서 유래했는데, "타고난 능력, 특히 정신력, 따라서 영리한 발명"을 의미한다.[8]

나중에 다리와 건물과 같은 민간 구조물의 설계가 기술 분야로 성숙해짐에 따라, 토목 공학[6]이라는 용어는 이러한 비군사 프로젝트의 건설을 전문으로 하는 사람들과 군사 공학 분야에 종사하는 사람들을 구별하는 방법으로 등장했다.

최초의 실용적인 풍력 기계인 풍차와 풍력 펌프는 서기 9세기경 현재의 이란, 아프가니스탄, 파키스탄 지역인 이슬람 세계의 이슬람 황금기에 처음 등장했다.[32][33][34][35] 최초의 실용적인 증기력 기계는 증기 터빈으로 구동되는 증기식 기중기였는데, 1551년 타키 알딘 무함마드 이븐 마르후프가 오스만 이집트에서 설명하였다.[36][37]

목면 방적기는 서기 6세기에 인도에서 발명되었고,[38] 방적기는 11세기 초 이슬람 세계에서 발명되었는데,[39] 이 두 가지는 모두 면화 산업의 성장에 기본적인 역할을 하였다. 방적기는 또한 18세기 초 산업혁명의 중요한 발전이었던 제니 방적기의 전신이었다.[40]

최초의 프로그래밍 가능한 기계는 이슬람 세계에서 개발되었다. 프로그래밍 가능한 악기인 시퀀서가 최초의 프로그래밍 가능한 기계 유형이었다. 최초의 시퀀서는 9세기에 바누 무사 형제가 발명한 자동 플루트 연주기로, 그들의 저서인 ''독창적인 기계의 책''에 설명되어 있다.[41][42] 1206년, 알 자자리는 프로그래밍 가능한 자동 인형/로봇을 발명했다. 그는 프로그래밍 가능한 드럼머신으로 작동되는 드러머를 포함하여 네 명의 자동 인형 음악가를 설명했는데, 이들은 서로 다른 리듬과 드럼 패턴을 연주하도록 만들 수 있었다.[43]

물레방아를 이용한 광산용 광석 운반 장치


현대 공학이 발전하기 전에는 물레방앗간 기술자, 시계 제작자, 기계 제작자, 측량사와 같은 장인들이 수학을 사용했다. 이러한 직업 외에는 대학이 기술에 실질적으로 큰 영향을 미치지 못했다고 여겨졌다.[44]

르네상스 시대 기계 기술의 상태에 대한 표준 참고 자료는 광산 공학 논문인 ''데 레 메탈리카''(1556)에 제시되어 있으며, 지질학, 광업, 화학에 대한 부분도 포함되어 있다. ''데 레 메탈리카''는 그 후 180년 동안 표준 화학 참고서였다.[44]

2. 3. 르네상스기

"engineer"(기술자)라는 단어가 먼저 존재했고, 1325년경 문헌에는 “군사 무기 제작자”를 의미했다.[114] 당시 "engine"에는 “전쟁에 사용되는 기계 장치”(예를 들어 투석기) 즉 “무기”라는 의미가 있었다. "engine"의 어원은 1250년경 라틴어의 ''ingenium''에서 유래한 단어이며, ''ingenium''은 “타고난 특성, 특히 지능”을 의미하며, 거기에서 파생되어 “영리한 발명품”을 의미했다.[115] '''참고로, "engineer"는 "engine"에 접미사 "-eer"이 붙은 형태로 "기관의 조작자"라는 의미 등과 같은 설명이 매우 자주 보이지만, (적어도 현재 의미의 “기관”(engine)이 아니라) 오류(분석의 오류)이며, 영어판 위키사전의 engineer 항목에서도 "Sometimes erroneously linked with engine + -eer."라고 하고 있다.[116]'''

나중에 민간의 다리와 건축물의 건설 기법이 공학 분야로 성숙해짐에 따라, "civil engineering"[117] (일본어로 하자면 토목공학)이라고 불리게 되었다. 이것은 "engine"이 원래 “무기”를 의미했기 때문에, 군사와 무관한 분야임을 나타내기 위해 "civil"(시민)을 붙인 것이다.

2. 4. 근현대

"engineering"(공학)이라는 단어는 비교적 최근에 생겨났지만, "engineer"(기술자)라는 단어는 그 이전부터 존재했다. 1325년경 문헌에 등장했을 때는 "군사 무기 제작자"를 의미했다.[151] 당시 "engine"은 "전쟁에 사용되는 기계 장치"(예: 투석기) 즉, "무기"를 의미했다. "engine"의 어원은 1250년경 라틴어 ''ingenium''에서 유래했으며, "타고난 특성, 특히 지능"을 뜻하고, সেখান থেকে 파생되어 "영리한 발명품"을 의미했다.[1] '''"engineer"는 "engine"에 접미사 "-eer"이 붙은 형태로 "기관의 조작자"라는 의미라는 설명이 자주 보이지만, (적어도 현재 의미의 "기관"(engine)이 아니라) 오류이며, 영어판 위키사전의 engineer 항목에서도 "Sometimes erroneously linked with engine + -eer."라고 하고 있다.[116]'''

이후 민간의 다리와 건축물 건설 기법이 공학 분야로 발전하면서, "civil engineering"[152] (토목공학)이라고 불리게 되었다. 이는 "engine"이 원래 "무기"를 의미했기 때문에, 군사와 무관한 분야임을 나타내기 위해 "civil"(시민)을 붙인 것이다.

즉, 과거에는 "engineering"이라는 단어가 military engineering (군사 기술)만을 의미했던 적이 있다.[112] 그러나 18세기 이후 "civil engineering"(=군사 이외의 기술)이 발전하면서, 그 이후로 "engineering"이라는 단어는 에너지 등을 이용해서 편의를 얻는 기술 전반[112]을 가리키게 된 것이다.

근대적인 "공학" 개념은 위와 같은 경위로 형성되었지만, 이러한 “공학”에 부합하는 것을 인류의 역사를 거슬러 올라가 다시 찾아보면, 이미 고대에도 그것을 찾을 수 있다. 고대 사람들이 도르래, 지렛대, 바퀴와 같은 기본적인 기구를 발명했을 때부터 존재했던 것이다. 기본적인 기계적(물리적) 원리를 이용하여 편리한 도구나 물건을 만든다는 점에서 이러한 발명도 공학의 현대적 정의에 부합하는 것이다.

전기공학의 시작은 1800년대 알레산드로 볼타의 실험이며, 이후 마이클 패러데이와 게오르크 옴 등 선구자들의 실험을 거쳐 1872년에 전동기가 발명되었다. 19세기 후반에는 제임스 클러크 맥스웰과 하인리히 헤르츠의 업적으로 전자공학 분야가 시작되었다. 이후 진공관과 트랜지스터의 발명으로 전자공학의 발전이 가속화되어, 현재는 공학 분야 중에서도 특히 기술자가 많은 분야가 되었다.[152]

토마스 세이벌리와 제임스 와트의 발명으로 기계공학의 발전이 촉진되었다. 산업혁명기에 다양한 기계와 그 수리 및 보수를 위한 도구가 발달하여 영국에서 해외로 널리 퍼져나갔다.[152]

화학공학 또한 산업혁명기인 19세기에 기계공학과 함께 발전했다.[152] 대량 생산은 새로운 소재와 새로운 제법을 필요로 했고, 화학물질의 대량생산 필요성으로 1880년경까지 새로운 산업으로 자리 잡았다.[152] 화학공학은 이러한 화학 공장과 제법 설계를 담당한다.[152]

항공공학은 항공기 설계를 다루는 분야이며, 항공우주공학은 이를 우주선 설계까지 확대한 비교적 새로운 학문 분야이다.[159] 그 기원은 19세기에서 20세기에 걸친 항공기 선구적 개발에 있지만, 최근에는 18세기 말 조지 케일리의 업적이 기원으로 여겨진다. 초기 항공기는 다른 공학 분야의 개념과 기법을 도입하면서 대부분 경험론적으로 발전해 나갔다.[160]

라이트 형제가 최초 비행에 성공한 지 불과 10년 후에 항공공학이 크게 발전하여, 제1차 세계 대전에는 군용 항공기가 개발될 정도였다. 한편, 이론물리학과 실험을 결합하여 과학적인 기초를 세우는 연구가 진행되었다.[160]

공학 분야의 박사 학위를 최초로 취득한 사람은 예일 대학교의 조사이어 윌러드 기브스이며, 1863년의 일이다. 이는 미국에서 자연과학 분야 두 번째 박사 학위였다.[127]

3. 주요 분야

공학은 광범위한 학문 분야로, 화학공학, 토목공학, 전기공학, 기계공학 등 여러 하위 분야로 나뉜다.[56][57][58] 공학자는 특정 분야에서 교육을 받지만, 경험을 통해 다양한 분야를 겸할 수 있다.

후버 댐


전자정보통신학회의 공학박사 선석 마사카즈(仙石正和)는 국제적인 교육 연구에서 “공학”을 다음과 같이 정의한다.[150]

공학은 수학, 물리학, 화학 등 이학을 기초로 하지만, 이학과 달리 “어떻게 하면 (바람직하고) 아직 존재하지 않는 상태나 것을 실현할 수 있는가”를 추구한다.[113] 즉, 목적론적 관점에서 인간과 사회에 유용한 것을 만들어내는 학문이다.

따라서 공학에서는 안전성, 경제성, 운용·유지보수성 등 실용적 가치 판단이 중요하다. 시간, 인력, 예산 등 자원 제약 속에서 공학적 목적을 달성하기 위한 기술적 검토와 평가를 '''공학적 타당성'''이라고 한다. 환경적합성, 사용 편의성, 유지보수 용이성, 수명주기 비용 등은 공학적 성질 분석에 필요한 평가 방법이며, 이러한 '''평가 방법''' 개발 또한 공학의 중요한 분야이다.

또한, '''공공의 이익'''을 고려해야 하며, 전기학회, 토목학회 등 공학 분야 학회에서는 윤리적 내용을 담은 신조 규정을 정하고 있다. 공학은 다른 학문의 성과를 사회에 환원하기 위한 기술 개발뿐만 아니라, 기술 적용의 장점과 단점을 조사하고 그 과정과 결과를 설명하는 책무성 또한 요구된다.

이 외에도 생물공학, 항공우주공학, 해양공학, 컴퓨터 공학, 지질공학 등 다양한 분야가 있다.

3. 1. 화학공학

화학공학은 19세기 산업혁명기에 기계공학과 함께 발전했다.[152] 대량 생산에는 신소재나 새로운 제조법이 필요했기 때문에 그에 따른 화학물질의 대량 생산이 필수적이었고, 결국 1880년 경까지 새로운 산업으로 확립되었다. 화학공학은 그러한 화학공장이나 제조법의 설계를 맡았다.[152]

화학공학은 상업적 규모에서 화학 공정을 수행하기 위해 물리학, 화학, 생물학 및 공학 원리를 적용하는 학문 분야이다. 예를 들어, 일반 화학 물질, 특수 화학 물질, 석유 정제, 미세 가공, 발효, 생체 분자 생산 등이 있다.

3. 2. 토목공학

토목공학은 공공 및 민간 시설물, 예를 들어 인프라(공항, 도로, 철도, 상수도 및 처리 시설 등), 교량, 터널, 댐 및 건축물의 설계 및 건설을 담당하는 학문이다.[59][60] 전통적으로 구조공학, 환경공학 및 측량학을 포함한 여러 하위 분야로 나뉘며, 군사 공학과는 구분된다.[61]

풍력발전소 건설은 재생가능에너지를 이용한 전력 공급이라는 실용적인 목적을 달성하기 위해 다양한 분야의 지식을 필요로 한다. 장치 설계, 제작, 설치, 운영에는 에너지 문제, 환경 문제, 유체, 기계, 재료, 전기, 제어장치, 경제성, 기상학 지식, 풍량 데이터, 법률(용지 확보, 해상 설치, 소음 규제, 자치단체별 조례) 지식, 새의 습성 등 다양한 지식이 필요하다. 또한, 사전 평가와 발주자, 지역 주민에 대한 책무성도 중요하며, 이는 현대 공학 문제의 실례를 보여준다.

3. 3. 전기공학

전동기


전기 공학은 방송 공학, 전기 회로, 발전기, 전동기, 전자기/전기 기계 장치, 전자 장치, 전자 회로, 광섬유, 광전자 장치, 컴퓨터 시스템, 통신, 계측, 제어 시스템, 전자공학 등 다양한 전기 및 전자 시스템의 설계, 연구 및 제조를 다루는 학문이다.

1800년대 알렉산드로 볼타의 실험과 마이클 패러데이, 게오르크 옴 등의 선구자들의 실험을 거쳐 1872년에 전동기가 발명된 것이 전기공학의 발단이다.[152] 19세기 후반에는 제임스 와트, 제임스 맥스웰과 하인리히 헤르츠의 성과에 따라 전자공학이 시작되었다. 그 후, 진공관이나 트랜지스터의 발명에 의해 전자공학의 발전이 가속되어 지금은 전자공학이 공학 중에서도 특히 기술자가 많은 영역이 되었다.[152]

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풍력발전소 하나만 보더라도 “재생가능에너지를 이용하여 전력을 공급한다”는 실용적인 목적 달성을 위해 장치들을 설계하고, 제작하고, 적절한 장소에 설치하고, 적절히 운영해야 할 필요가 있다. 그러기 위해서는 에너지 문제, 환경 문제, 유체, 기계, 재료, 전기, 제어장치 등, 경제성, 기상학적인 지식과 지역 및 장소에 따라 완전히 다른 풍량에 대한 구체적인 데이터, 용지 확보 및 해상 설치와 관련된 법률적인 지식, 소음 규제에 관한 법적 지식 및 자치단체별 조례 조사, 풍력 터빈 블레이드와 충돌할 수 있는 새의 습성에 대한 지식 등 다양한 분야의 지식을 결집해야 할 필요가 있다. 또한 사전 평가를 실시하고, 발주자나 설치 지역 주민 등에 대해 책무성을 다해야 할 필요가 있어 현대 공학 문제의 실례가 되고 있다.

3. 4. 기계공학

토머스 세이버리와 제임스 와트의 발명에 의해 기계공학의 발전이 가속되었다. 산업혁명기에 각종 기계나 그 수리와 보수를 위한 도구가 발달하고, 그런 도구들은 영국으로부터 다른 나라로 퍼져나갔다.[152]

기계 공학은 동력 및 에너지 시스템, 항공우주/항공기 제품, 무기 체계, 교통 수단, 내연 기관, 압축기, 파워트레인, 운동 사슬, 진공 기술, 진동 절연 장비, 제조, 로봇 공학, 터빈, 오디오 장비 및 메카트로닉스와 같이 물리적 또는 기계적 시스템의 설계 및 제조를 다루는 학문이다.

풍력발전소 하나만 보더라도 “재생가능에너지를 이용하여 전력을 공급한다”는 실용적인 목적 달성을 위해 장치들을 설계하고, 제작하고, 적절한 장소에 설치하고, 적절히 운영해야 할 필요가 있으며, 그러기 위해서는 에너지 문제, 환경 문제, 유체, 기계, 재료, 전기, 제어장치 등, 경제성, 기상학적인 지식과 지역 및 장소에 따라 완전히 다른 풍량에 대한 구체적인 데이터, 용지 확보 및 해상 설치와 관련된 법률적인 지식, 소음 규제에 관한 법적 지식 및 자치단체별 조례 조사, 풍력 터빈 블레이드와 충돌할 수 있는 새의 습성 등 다양한 분야의 지식을 결집해야 할 필요가 있으며, 또한 사전 평가를 실시하고, 발주자나 설치 지역 주민 등에 대해 책무성을 다해야 할 필요가 있어 현대 공학 문제의 실례가 되고 있다.

3. 5. 생물공학

생물공학은 유용한 목적을 위해 생물 시스템을 공학적으로 설계하는 분야이다. 생물공학 연구의 예로는 화학물질을 생산하도록 조작된 박테리아, 새로운 의료 영상 기술, 휴대 가능하고 신속한 질병 진단 장치, 의수, 바이오 의약품 및 조직 공학 장기 등이 있다.

3. 6. 학제간 공학

학제간 공학은 여러 주요 공학 분야를 융합한다. 역사적으로는 조선 공학과 광산 공학이 주요 분야였다. 다른 공학 분야로는 제조 공학, 음향 공학, 부식 공학, 계측 및 제어, 항공 우주 공학, 자동차 공학, 컴퓨터 공학, 전자 공학, 정보 공학, 석유 공학, 환경 공학, 시스템 공학, 오디오 공학, 소프트웨어 공학, 건축 공학, 농업 공학, 생물 시스템 공학, 생체 의학 공학,[62] 지질 공학, 섬유 제조, 산업 공학, 재료 과학,[63] 및 원자력 공학이 있다.[64] 이러한 공학 분야와 기타 분야는 영국 공학위원회의 36개 회원 기관에 포함되어 있다.

새로운 전문 분야는 때때로 기존 분야와 결합하여 새로운 분야를 형성하기도 한다. 예를 들어, 지구 시스템 공학 및 관리는 공학 연구, 환경 과학, 공학 윤리 및 공학 철학을 포함한 광범위한 주제 영역을 포함한다.

4. 컴퓨터의 이용

컴퓨터는 공학에서 매우 큰 역할을 하고 있다. 공학 분야에서는 컴퓨터를 활용한 다양한 소프트웨어가 사용된다. 수학적 모델 구축과 수치 해석도 컴퓨터를 통해 이루어진다.

예를 들어 CAD 소프트웨어를 사용하면 3차원 모델과 2차원 설계도를 쉽게 작성할 수 있다. CAD를 응용한 디지털 목업(DMU)과 유한요소법 등을 활용한 CAE 소프트웨어를 사용하면, 시간과 비용이 많이 드는 물리적 프로토타입을 만들지 않고도 모델을 생성하고 분석할 수 있다.

컴퓨터를 활용하면 제품이나 부품의 결함을 조사하고, 부품 간의 결합 상태를 확인하며, 인간공학적 측면을 연구할 수 있다. 또한 압력, 온도, 전자파, 전류 및 전압, 디지털 논리 레벨, 유체의 흐름, 움직임 등 시스템의 정적 및 동적 특성을 분석하는 것도 가능하다. 이러한 정보들은 제품 정보 관리 시스템을 통해 종합적으로 관리된다.[128]

특정 공학 분야를 위한 소프트웨어도 존재한다. 예를 들어 CAM 소프트웨어는 CNC 기계에 사용되는 명령어를 생성한다. 공정관리시스템(MPM)은 생산 공정을 관리하는 데 사용된다. EDA는 반도체 집적회로나 인쇄회로기판 및 전자 회로 설계를 지원한다. MRO(Maintenance, Repair and Operations) 소프트웨어는 간접자재 조달을 관리한다.

최근에는 제품 라이프사이클 관리(PLM) 소프트웨어가 제품 개발 관련 소프트웨어들을 통합하여 관리하는 데 사용되고 있다.[129]

5. 사회적 상황

공학은 본질적으로 사회와 인간의 행동에 좌우된다. 현대의 제품과 건설은 반드시 공학 설계의 영향을 받는다. 공학 설계는 환경, 사회, 경제에 변화를 가져오는 강력한 도구이며, 그 응용에는 큰 책임이 따른다. 많은 공학 관련 학회는 행동 강령이나 윤리 규약을 제정하고, 회원과 사회에 그것을 알리고자 노력하고 있다.

공학 프로젝트 중에는 논란이 되는 것들도 있다. 예를 들어, 핵무기 개발, 삼협댐 건설, 스포츠 유틸리티 자동차 설계 및 사용, 석유 채굴 등이 있다. 이에 대해, 기업 및 사회적 책임에 대해 엄격한 방침을 설정하고 있는 공학 기업도 있다.

공학은 인간 개발의 중요한 원동력 중 하나이다.[130] 아프리카 사하라 사막 주변의 공학적 역량은 매우 낮아, 그 때문에 아프리카 여러 국가는 혼자 힘으로 중요한 기반시설을 개발할 수 없는 실정이다. 밀레니엄 개발 목표의 대부분을 달성하려면, 기반시설 개발과 지속 가능한 기술 개발을 할 수 있을 만큼 충분한 공학적 역량이 필요하다.[131]

해외 개발이나 재난 구호 활동을 하는 비정부기구(NGO)는 많은 기술자를 보유하고 있다. 다음과 같은 몇몇 자선 단체들이 인류를 위해 공학을 활용하는 것을 목표로 하고 있다.


  • 국경 없는 엔지니어
  • 빈곤퇴치 엔지니어
  • 재난 구호 등록 엔지니어
  • 지속 가능한 세상을 위한 엔지니어

6. 다른 학문 분야와의 관계

공학은 수학과 자연과학을 기초로 하며, 때로는 인문학, 사회과학 지식까지 활용하여 인류의 안전과 복지를 위한 유용한 사물이나 환경을 구축하는 학문이다.[150]

대부분의 공학 분야는 수학, 물리학, 화학 등의 자연과학을 기반으로 하지만, 공학과 자연과학은 차이점이 있다. 자연과학은 이미 존재하는 현상을 이해하고 설명하는 것을 추구하는 반면, 공학은 '어떻게 하면 현재 존재하지 않는 상태나 물건을 만들 수 있을까'를 추구하며, 실용적인 목적 달성을 중요하게 생각한다.

따라서 공학에서는 안전성, 경제성, 보안성 등 실용적인 관점에서 평가와 판단을 내린다. 주어진 시간, 인력, 예산 제약 속에서 공학적 목표를 달성하기 위한 기술적 검토와 평가는 '공학적 타당성'이라고 불린다. 공학적 성질 분석에는 환경 적합성, 사용성, 정비성(整備性, Maintainability), 수명주기비용 등이 포함되며, 이는 질량, 속도와 같이 단순하게 측정 가능한 성질과는 다르게 인간에 대한 배려를 바탕으로 한 평가 방법이 필요하다. 이러한 평가 방법 개발 또한 공학의 중요한 분야이다.

공학은 다른 학문의 성과를 사회에 환원하기 위한 기술 개발이라는 측면에서 공공의 복지에 대한 배려가 필요하며, 각 분야 학회에는 윤리적인 내용을 담은 신조(Creed)가 정해져 있다.

오늘날 사용되는 '엔지니어링(engineering)'이라는 용어는 18세기에 등장했지만, 그 개념에 부합하는 활동은 고대부터 존재해 왔다. 공학을 실천하는 사람을 엔지니어(engineer) 또는 기술자라고 부르며, 한국에서는 기술사라는 공식 자격이 있다.

공학박사 선석 마사카즈(仙石正和)는 전자정보통신학회에서 국제적인 교육 연구에서의 “공학”은 다음과 같은 의미라고 밝히고 있다.

> “수학, 자연과학 지식을 이용하여 건강과 안전을 지키고, 문화적, 사회적 및 환경적 고려를 하여 인류를 위해(for the benefit of humanity), 설계, 개발, 혁신 또는 해결을 수행하는 활동.”

6. 1. 과학

국립점화시설(NIF) 표적 챔버 내부에서 작업 중인 공학자, 과학자 및 기술자들


우주에서 과학 실험을 수행하는 데 사용되는 국제우주정거장


과학과 공학 실무 사이에는 겹치는 부분이 존재한다. 공학에서는 과학을 적용하며, 두 분야 모두 재료와 현상에 대한 정확한 관찰에 의존한다. 또한 수학과 분류 기준을 사용하여 관찰 결과를 분석하고 전달한다.

과학자들은 실험 장치 설계나 시제품 제작과 같은 공학적 과제를 수행해야 할 수도 있다. 반대로, 기술 개발 과정에서 공학자들은 때때로 새로운 현상을 탐구하게 되어 잠시 동안 과학자, 또는 더 정확하게는 "공학 과학자"가 된다.[81]

Walter Vincenti의 저서 ''What Engineers Know and How They Know it''[165]에 따르면, 공학 연구는 과학 연구와는 다른 성질을 가진다. 공학은 대체로 물리학이나 화학으로 정확히 이해할 수 있는 분야지만, 문제 자체는 정확한 방법으로 풀기엔 너무 복잡하다. 예를 들어 항공기에 관해 공기역학적 흐름을 나비어-스톡스 방정식의 근삿값으로 나타내거나 재료의 피로(疲勞, 영어: fatigue) 손상의 계산에 미너 규칙을 사용한다. 또한, 공학에서는 경험론적인 방법을 자주 채용하고 있다.

모든 과학 분야와 마찬가지로 공학과 물리학 사이에는 "실질적이고 중요한" 차이가 기술과 관련이 있다.[83][84] 물리학은 원리를 이해하고자 하는 탐구적 과학인 반면, 공학은 원리를 실용적으로 적용하는 데 지식을 사용한다. 전자는 수학적 원리에 대한 이해와 일치하는 반면, 후자는 관련 변수를 측정하고 기술을 만든다.[85][86][87] 기술에 있어서 물리학은 보조적인 것이며, 어떤 면에서는 기술은 응용 물리학으로 간주된다.[88] 물리학과 공학은 상호 관련되어 있지만, 물리학자가 공학자의 일을 할 수 있도록 훈련받았다는 것을 의미하지는 않는다. 물리학자는 일반적으로 추가적인 관련 훈련이 필요하다.[89] 물리학자와 공학자는 서로 다른 업무에 종사한다.[90] 그러나 공학 물리학 및 응용 물리학 분야를 전문으로 하는 박사 학위를 소지한 물리학자들은 기술 책임자, 연구개발 엔지니어 및 시스템 엔지니어로 직함을 갖는다.[91]

역사적으로 보면 공학은 자연과학과 서로 영향을 끼치면서 발달해 왔다. 예를 들어, 증기기관의 효율에 관한 연구로부터 열에 관한 인식이 깊어졌다. 열에 관해 자연과학에서의 연구가 진행될 수 있었던 것에 따라 냉각기술 또한 개발될 수 있었다.

Fung 등이 고전적인 공학 교재인 ''고체역학의 기초'' 개정판에서 언급했듯이:

> 공학은 과학과는 상당히 다릅니다. 과학자들은 자연을 이해하려고 노력합니다. 공학자들은 자연에 존재하지 않는 것을 만들려고 노력합니다. 공학자들은 혁신과 발명을 강조합니다. 발명을 구현하기 위해 공학자는 자신의 아이디어를 구체적인 용어로 표현하고 사람들이 사용할 수 있는 것을 설계해야 합니다. 그것은 복잡한 시스템, 장치, 기계, 재료, 방법, 컴퓨팅 프로그램, 혁신적인 실험, 문제에 대한 새로운 해결책 또는 기존의 개선일 수 있습니다. 설계는 현실적이고 기능적이어야 하므로 기하학, 치수 및 특성 데이터가 정의되어야 합니다. 과거에 새로운 설계를 작업하던 엔지니어들은 설계 결정을 내리는 데 필요한 모든 정보를 가지고 있지 않다는 것을 알게 되었습니다. 대부분의 경우 부족한 과학적 지식으로 제한되었습니다. 따라서 그들은 수학, 물리학, 화학, 생물학 및 역학을 공부했습니다. 종종 그들은 자신의 직업과 관련된 과학에 추가해야 했습니다. 따라서 공학 과학이 탄생했습니다.[93]

공학적 해결책은 과학적 원리를 이용하지만, 공학자는 안전성, 효율성, 경제성, 신뢰성, 건설성 또는 제작 용이성뿐만 아니라 환경, 윤리적 및 법적 고려 사항(예: 특허 침해 또는 해결책 실패의 경우 책임)도 고려해야 한다.[94]

공학은 대부분의 분야에서 수학, 물리학, 화학 등 이학을 기초로 하고 있지만, 공학과 이학의 차이점은 어떤 현상을 접했을 때 이학은 “자연계(의 현상)는 (현재) 어떠한가” 또는 “왜 그렇게 되는가”라는 이미 존재하는 상태의 이해를 추구하는 데 반해, 공학은 “어떻게 하면 (바람직하고) 아직 존재하지 않는 상태나 것을 실현할 수 있는가”를 추구하는 점이다.[113] 또는 “어떻게 하면 목표하는 성과에 연결할 수 있는가”라는 인간, 사회에서 이용되는 점, 즉 목적론을 추구하는 점이라고도 할 수 있다.

6. 2. 의학과 생물학

목적이나 방향성은 다르지만, 의학과 공학의 일부 분야는 인체 연구라는 공통점을 가지고 있다. 의학에서는 필요하다면 기술을 사용해서라도 인체의 기능을 유지, 강화하고, 경우에 따라서는 인체의 일부를 대체하는 것을 목표로 하기도 한다.

현대 의학은 이미 일부 장기의 기능을 인공적인 것으로 대체하는 것이 가능하며, 인공 심장 박동기가 자주 사용되고 있다.[166][167] 의용생체공학은 생체에 인공물을 이식하는 것을 전문으로 하는 분야이다.

반대로 인체를 생물학적 기계로 연구 대상으로 삼는 공학 분야도 있으며, 기술을 통해 그 기능을 에뮬레이트하는 것을 전문으로 한다. 예를 들어, 인공 지능, 뉴럴 네트워크, 퍼지 이론, 로봇 등이 있다. 공학과 의학의 학제적 영역도 존재한다.[168][169]

녹색 형광 단백질을 발현하는 유전자 변형 마우스. 푸른색 빛 아래에서 녹색으로 빛난다. 가운데 마우스는 야생형이다.


3 테슬라 임상 자기공명영상 장치


의학과 공학 모두 현실 세계의 문제 해결을 목표로 한다. 그러기 위해서는 현상을 더욱 엄밀하고 과학적으로 이해할 필요가 있으며, 실험과 경험적 지식이 필수적이다.

의학은 그 일부로 인체의 기능도 연구한다. 인체를 생체 기계로 보았을 경우, 공학적 방법으로 모델화할 수 있는 많은 기능을 가지고 있다.[170]

예를 들어 심장은 펌프와 매우 유사한 기능을 가지고 있으며,[171] 골격은 지레를 연결한 듯한 구조를 하고 있다.[172] 또한 뇌는 전기 신호를 발생시킨다.[173] 이러한 유사성과 의학에서의 공학 응용의 중요성 증대에 따라, 공학과 의학의 지식을 응용한 의용생체공학이 탄생했다.

시스템 생물학과 같은 새로운 과학 분야는 시스템의 모델링과 컴퓨터를 이용한 분석 등 공학에서 사용되어 온 분석 기법을 채택하여 생명을 이해하려고 한다.[170]

6. 3. 예술

건축, 조경, 산업 디자인과 같은 분야는 공학과 예술이 직접적으로 만나는 부분이다(대학에서는 공학 계열 학부에도, 예술 계열 학부에도 관련 학과가 존재한다). 그 외에도 간접적으로 관련된 분야가 있다.[142][143][144][145]

시카고 미술관은 NASA의 항공우주 관련 디자인에 대한 전시회를 개최한 적이 있다.[146] 로베르 마이야르가 설계한 다리는 예술적이라고 평가받고 있다.[147] 사우스 플로리다 대학교는 미국 국립과학재단의 지원을 받아 공과대학에 예술과 공학을 결합한 학과를 개설했다.[143][148]

레오나르도 다 빈치는 르네상스 시대의 예술가이자 기술자로 유명하다.[149]

6. 4. 기타

정치학에 '공학'이라는 말을 도입한 사회공학이나 정치공학은, 공학의 방법론이나 정치학 지식을 이용하여 정치 구조와 사회 구조의 형성을 연구한다.[113]

경영 공학은 전문 공학, IT 시스템, 사업 관리 및 변화 관리 간의 관계를 다룬다. 공학 관리 또는 "경영 공학"은 공학 실무 또는 공학 산업 부문과 관련된 경영의 특수 분야이다. 경영에 중점을 둔 엔지니어(또는 반대로 엔지니어링을 이해하는 관리자)에 대한 수요가 증가함에 따라, 이러한 역할에 필요한 지식과 기술을 개발하는 특수화된 공학 관리 학위가 개발되었다. 공학 관리 과정에서 학생들은 산업 공학 기술, 지식 및 전문 지식과 함께 사업 관리, 관리 기법 및 전략적 사고에 대한 지식을 개발한다. 변화 관리를 전문으로 하는 엔지니어는 산업 및 조직 심리학 원칙과 방법의 적용에 대한 심층적인 지식을 가져야 한다. 전문 엔지니어는 공학 실무 또는 공학 부문에 적용되는 경영 컨설팅의 매우 특수한 분야에서 공인 경영 컨설턴트로 교육을 받는 경우가 많다. 이러한 작업은 종종 항공 우주 및 방위, 자동차, 석유 및 가스, 기계, 제약, 식음료, 전기 및 전자, 전력 분배 및 생산, 유틸리티 및 운송 시스템에서 대규모 복잡한 비즈니스 혁신 또는 비즈니스 프로세스 관리 이니셔티브를 다룬다. 기술 공학 실무, 경영 컨설팅 실무, 산업 부문 지식 및 변화 관리 전문 지식의 이러한 결합을 통해 경영 컨설턴트 자격을 갖춘 전문 엔지니어는 주요 비즈니스 혁신 이니셔티브를 주도할 수 있다. 이러한 이니셔티브는 일반적으로 최고 경영진(C-level executives)이 후원한다.

  • -

풍력발전소 하나만 보더라도 “재생가능에너지를 이용하여 전력을 공급한다”는 실용적인 목적 달성을 위해 장치들을 설계하고, 제작하고, 적절한 장소에 설치하고, 적절히 운영해야 할 필요가 있으며, 그러기 위해서는 에너지 문제, 환경 문제, 유체, 기계, 재료, 전기, 제어장치 등, 경제성, 기상학적인 지식과 지역 및 장소에 따라 완전히 다른 풍량에 대한 구체적인 데이터, 용지 확보 및 해상 설치와 관련된 법률적인 지식, 소음 규제에 관한 법적 지식 및 자치단체별 조례 조사, 풍력 터빈 블레이드와 충돌할 수 있는 새의 습성 등 다양한 분야의 지식을 결집해야 할 필요가 있으며, 또한 사전 평가를 실시하고, 발주자나 설치 지역 주민 등에 대해 책무성을 다해야 할 필요가 있어 현대 공학 문제의 실례가 되고 있다.

공학박사 선석 마사카즈(仙石正和)는 전자정보통신학회에서 국제적인 교육 연구에서의 “공학”은 다음과 같은 의미라고 밝히고 있다.

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[179] 간행물 The Art of Renaissance Engineering MIT’s Technology Review 1998-01-02 # Jan./Feb.으로 표기되어 1월 2일로 가정


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