전자공학

기판에 제작된 집적회로와 전자부품들

전자공학(電子工學, electronics)은 전자의 운동과 그 응용 기술을 연구하는 학문이다. 구동력으로서 전력을 이용하는 구성장치, 시스템 또는 여러 장비(진공관, 트랜지스터, 집적회로, 프린트 배선 기판)들을 개발하기 위하여 전자들의 운동에 대한 영향과 행동에 대한 과학적 지식을 연구하는 공학의 한 분야로 힘, 기계공학, 원격통신학, 반도체 회로디자인, 그리고 다른 많은 부분체들을 포함하는 개념이다. 컴퓨터 공학의 하드웨어 디자인을 비롯해서 전자회로의 디자인과 구성은 전자공학의 한 분야로 특정 문제를 해결한다. 새로운 반도체의 소자에 관한 연구는 때때로 물리학의 한 분야로 분류된다. 전자공학이 적용되는 대표적인 산업으로는 통신, 컴퓨터, 반도체 산업 등이 있다. 전기통신 분야에서 진공관이 비약적인 발전을 이루어 텔레비전, 라디오, 컴퓨터, 레이다 등이 20세기 후반의 문명의 중심이 되면서 미국에서 태어난 개념이다. 기초적인 분야부터 응용면에 이르기까지 광범위한 내용을 지니고 있다..

전기 전자 기술자 협회(IEEE, The Institute of Electrical and Electronics Engineers)는 전자공학 엔지니어에게 가장 영향력있는 기관중 하나이다.

개요

전자공학은 전자의 흐름으로 만들어진 전기를 에너지로 사용하여 우리생활과 밀접하고 다양한 제품들을 연구·개발하는 학문 분야이다. 전자공학은 전자의 흐름을 제어하여 정보처리 및 기기제어를 하기 때문에 낮은 전압과 전류를 사용하고 이 때문에 약전이라고 한다. 반면 전기공학(電氣工學, electrical engineering)은 발전, 송전 및 전력제어나 응용을 다루기 때문에 높은 전압을 사용하여 강전이라고도 한다. 전자공학은 1900년대 초 3극 진공관이 발명되면서 전기공학으로부터 분리되었다.

이러한 정보교환을 위해서는 여러 제어소자들이 사용되는데, 초기에는 전기신호를 증폭하거나 스위칭하기 위한 소자로 진공관이 사용되었다. 그러나 1948년 미국벨연구소의 과학자들에 의해 반도체소자인 트랜지스터가 개발되면서 전자공학 분야의 눈부신 발전을 이루게 되었다. 트랜지스터의 발명으로 많은 기능을 가진 전자회로들을 하나의 칩에 넣을 수 있게 되면서 오늘날과 같은 소형의 고성능 집적회로를 만들 수 있게 되었다. 오늘날 전자기기의 대부분은 반도체소자를 사용해 전자를 제어한다. 전자공학의 초기에는 통신 분야가 주류를 이루었지만, 컴퓨터기술과 고집적 반도체 분야가 발전하면서 일상생활 속에서 전자공학이 사용되지 않는 부분이 없을 정도로 그 영역이 넓어졌다.

반도체소자와 관련된 공학은 물리학과 관계가 깊고 각종 반도체회로 설계 분야, 컴퓨터 설계, 통신, 자동차, 신호처리 및 디스플레이 응용 분야 등 전자공학의 범위는 날로 확대되고 있다. 전자공학이 적용되는 대표적인 산업으로는 통신, 컴퓨터 및 반도체 산업 등이 있다. 우리가 사용하는 스마트폰, 노트북 PC, TV, 로봇을 비롯한 첨단 자동화장비 등은 모두 반도체칩을 사용하여 개발된 전자응용 제품들 중 하나이다. 이러한 첨단 전자제품의 개발은 삶을 윤택하게 하고 새로운 사회질서를 형성하게 되었다.

전자공학의 역사

전기공학의 발생

전기는 17세기 초경에는 과학 분야의 흥밋거리였다. 세계 최초의 전기공학자는 정전기를 띠고 있는 물체를 검출하는 기기를 설계한 윌리엄 길버트(William Gilbert)라고 할 수 있다. 또한 그는 자력과 정전기를 명확하게 구별하였으며, 'electricity'라고 하는 용어를 확립한 인물이다. 그러고 1800년에 알레산드로 볼타(Alessandro Volta)는 전기를 축적하는 볼타전지를 개발하였다.

그러나 전기에 관한 연구가 본격화하는 것은 19세기부터였다. 1827년, 게오르크 시몬 옴(Georg Simon Ohm)은 도체에 있어서 전류와 전위차의 관계를 정립하여 옴의 법칙을 확립하였고, 1831년에는 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 전자 유도 현상을 발견했다. 또한 1873년, 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)은 전기와 자기의 통일 이론을 확립하여 논문 Electricity and Magnetism을 발표하였다.

이 이전까지 전기의 연구는 물리학의 한 분야로 간주되고 있었는데, 전기공학이 대학의 학과가 된 것은 19세기 말경이다. 1882년, 다룸슈탓트 공과대학이 세계 최초의 전기공학과를 창설했고, 1882년에 토머스 앨바 에디슨(Thomas Alva Edison)은 맨해튼의 고객에게 직류 110볼트의 전력을 공급하는 세계 최초의 전력 공급망을 완성시켰다. 1887년, 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)는 에디슨의 직류 방식과 경합 하는 교류에 의한 전력 공급 방식에 대해 복수의 특허를 취득하였다. 그 후 직류와 교류 중 어느 쪽이 송전 방식으로서 적합한가에 대해 에디슨과 테슬라의 사이에 ‘전류전쟁’으로 불리는 격렬한 대립이 생겼다. 이 대립은 결국 송전 효율과 송전 거리의 측면에서 우수한 교류의 승리에 끝나 오늘날과 같은 교류발전 및 송전으로 결정되었다.

무선공학의 발전

여러 명의 과학자와 발명가에 의한 무선기술의 개발은 전자공학 분야에 기여를 하였다. 1881년에 하인리히 헤르츠(Heinrich Rudolf Hertz)는 전자파의 발생과 검출이 가능한 전기장치를 제작해 극초단파의 실험을 실시했다. 1895년, 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)는 뉴욕 시내의 자신의 실험실로부터 발신한 전파를 80.4㎞ 떨어진 곳에서 수신하는 실험에 성공하였다. 또한 1897년에 카를 페르디난트 브라운(Karl Ferdinand Braun)은 오실로스코프의 일부인 브라운관을 발명하여 TV가 탄생하는 데 기여를 하였다. 그리고 존 앰브로즈 플레밍(Sir John Ambrose Fleming)은 1904년 최초의 진공관을 발명하였다. 또한 1901년 12월에는 굴리아모 마르코니(Guglielmo Marco´ni)가 지표면의 곡률에 영향을 받지 않는 무선전파를 송신해 3400㎞의 대서양을 횡단하는 무선통신에 성공하였다.

전자공학의 발전

전자공학에서는 진공, 고체, 전계 또는 자계 내에서의 전자의 이동을 이론적으로 분석하고 연구한다. 또한 이것을 기초로 여러 가지의 전자소자, 장치 등의 제어기술을 개발하고, 저항, 커패시터, 인덕터, 트랜지스터, 다이오드 그 외의 반도체소자 등의 전자회로소자의 모델을 만든다. 이 모델을 이용하여 회로의 시뮬레이션을 실시하고 그 부분적인 회로를 조합해 대규모 회로를 만드는 데 활용한다.

제2차 세계대전 이전에는 전자공학이 무선공학과 거의 같은 의미로 사용되었고, 응용범위도 전기통신이나 레이더, 라디오, 초기의 텔레비전 등에 한정되어 있었다. 그러나 제2차 대전 후에 민생용 전자기기가 개발되면서 TV, 음향기기, 컴퓨터, 마이크로프로세서 등의 개발과 함께 전자공학도 발전하게 되었다. 1950년대 말에는 무선공학과 전자공학이 완전하게 다른 분야로 인식되어 이때부터 전자공학의 발전이 시작되었다.

집적회로가 발명되기 이전의 전자회로는 개별 부품을 조합해 만들어졌다. 당연히 회로의 배치에 필요한 공간과 전력이 크고 동작 속도도 느리게 되었다. 반면, 집적회로는 트랜지스터를 중심으로 소형 전자부품을 집적화하여 작은 칩 내에 회로를 구성함으로써 오늘날과 같이 컴퓨터 기능이 내장된 첨단 전자제품의 개발을 가능하게 하였다.

대표적인 제품

진공관 검파기(眞空管檢波器)

3극진공관 증폭기, 발전기, 그리고 검파기의 발명은 라디오에 의한 음성 커뮤니케이션을 실용화하였다.(전기 기계 교류발전기에 쓰인 레저널드 페슨텐의 1906년 전파) 가장 처음으로 알려진 라디오 뉴스 프로그램은 미시간주 디트로이트시에서 8MK사에 의해 1920년 8월 31일에 방송되었다.(WWJ,AM) 그리고 재미를 위한 정식 무선방송은 1992년 마르코니 연구소(영국, 체므스포드)에서 개시하였다.

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

텔레비전

1928년 필로 판즈워스는 순수하게 전자 텔레비전에 대한 첫 번째 공식적인 증명을 하였다. 1930년대 몇몇 국가들이 방송을 시작하는 동안에 2차 세계대전이 발발하였고 이로 인해 텔레비전 수상기의 수가 기하급수적으로 증가하여 텔레비전이 세계화가 되었다.

현재 텔레비전, 비디오 디스플레이들은 플라즈마나 LCD 디스플레이같은 더욱 집적된 장치들을 사용하기 위하여 부피가 큰 전자 튜브 기술을 사용하고 있으며, 최근의 트렌드는 매우 적은 전력소비량을 가진 OLED(Organic Light-emitting diode)디스플레이 같은 것이며, LCD와 플라즈마 기술을 대체할 것으로 보인다.

컴퓨터

1941년 Konrad Zuse가 세계 최초의 기능성 컴퓨터인 Z3를 선보였으며, 1943년 Colossus 컴퓨터인 에니악(ENIAC, Electronic Numeracial Integrator and Computer) 이후 1946년 John Presper Eckert 와 John Mauchly에 의해 컴퓨터 시대가 열렸다. 컴퓨터의 수학적 이행능력은 엔지니어들에게 완전히 새로운 기술을 개발하고 새로운 목표를 갖게 하였으며, 컴퓨터를 이용한 단적인 사례로는 달 착륙을 위한 미국의 아폴로 미션을 들 수 있다.

전자공학의 교육과정

오늘날 전자공학은 대단히 넓은 기술 분야와 산업 분야에서 교육과 연구가 이루어지고 있다. 예를 들어 국제적인 전기전자학회(IEEE)에서 33개의 전문 분야 학회와 66개종의 학술잡지를 출판하는 것을 보더라도 전자공학이 범위가 넓은 학문 분야라는 것을 알 수 있다. 따라서 주어진 기간에 모든 부문을 학습하는 것이 불가능하므로 기초과목과 선택과목으로 구분하여 교육과정이 운영되고 있는 경우가 대부분이다. 전자공학의 교육과정을 보면 대체로 다음과 같다.

① 1년차: 수학, 물리학 및 화학 등을 학습하여, 수리능력이나 전류나 에너지와 관련 된 기초이론을 학습한다. 또한 물리나 화학의 기초실험을 통해 공학의 기초를 튼튼히 하도록 한다.

② 2년차: 회로이론, 전기자기학, 반도체공학, 기초전자실험, 전기전자계측, 디지털공학, 컴퓨터프로그래밍 등 전자공학 분야의 전공필수과목을 학습하게 된다.

③ 3년차: 아날로그 전자회로, 회로 및 시스템, 통신이론, 컴퓨터 구조 등을 학습한다. 즉 2~3년차에는 폭넓은 전공과목 중에서 각자의 흥미에 맞추어 학습과목을 선택하고, 각 전문 분야의 지식과 이해를 깊게 하는 시기라고 생각할 수 있다.

④ 4년차: 자동제어, 신호처리, 로봇공학, 디지털 집적회로, 전파공학, 네트워크, 의용전자공학, 광전자공학 등 세부 전공 분야나 트랙별 선택과목군을 형성하여 진로 분야에 따른 과목을 선택하여 학습하게 된다.

그러나 이러한 교육 분야는 절대적인 것이 아니고 해당 교육기관과 학생 및 국가의 전자산업 수준 및 특성에 따라 다르게 운영되고 있다.

전자공학의 교육 분야

전자공학은 전기공학 분야와 매우 밀접한 학문이므로, 최근에는 국내외의 많은 대학들이 통합하여 운영하는 경우가 많이 있다. 전자공학과 전기공학의 주요 교과과정의 차이는 전력 및 에너지 시스템 분야, 전기기기 및 제어 분야 정도이고 그 외의 모든 분야는 전자공학과 커다란 학문적인 차이가 없다. 그러므로 전자공학의 교육내용을 분야별로 대략 분류해보면 다음과 같다. 물론 이 같은 분류 역시 대학마다 차이가 있다.

① 반도체 및 전자물리 분야

전자 산업은 전자디바이스기술에 달려있다고 할 수 있는데, 나노테크놀로지의 발전으로 전자소자의 소형화가 가능하였다. 이러한 기술을 뒷받침하는 하는 전기자기학(電氣磁氣學, electromagnetics/electromagnetism), 양자역학(量子力學, quantum mechanics), 전자물성학 등을 체계적으로 배운다. 이를 통해 전자소자나 나노기술의 발전에 공헌할 수 있고, 카본나노튜브나 유기반도체 등의 새로운 기술의 혁신에 필요한 기초 지식을 익힐 수 있다. 응용제품으로는 스마트폰, SD카드, SSD, 디스플레이 등이 있다.

② 회로 및 VLSI

LSI기술과 무선통신기술의 발전은 커뮤니케이션 스타일에 큰 변화를 가져왔다. PC와 스마트폰이 좋은 예이다. 전기자기학이나 전기회로를 기본으로 하여 소자를 구성하는 반도체물리, 산업현장과 밀접한 학문인 LSI회로 설계나 무선기술에 관해서도 기초부터 응용까지를 체계적으로 학습한다. 이러한 학습을 통하여 모바일 데이터 단말기의 커뮤니케이션 도구의 변혁을 위해 필요한 지식을 이해할 수 있게 된다. 휴대용 게임기, 고성능 컴퓨터, 비접촉 IC카드이고, 유비쿼터스 사회, 바이오센싱 LSI 및 무선전력기술 등이 관련 제품에서의 변화를 이끌 것으로 본다.

③ 정보·통신 시스템 분야

음성이나 영상 및 데이터를 전선, 무선 또는 광통신 등을 통해 전송하거나 처리하는 모든 시스템을 학습한다. 때문에 화상·정보 시스템의 연구에 필요한 컴퓨터의 지식과 응용수학 등을 근간으로 배운다. 또한 소프트웨어가 수행되기 위해 필요한 하드웨어에 관한 기초 지식과 전기회로 등을 배운다. 이러한 지식을 체계적인 학습을 통하여 소프트웨어와 하드웨어가 어떻게 상호동작 하는가를 학습한다. 화상압축, 스마트그리드, 적응학습, 화상인식, 센싱기술 등의 분야의 제품을 개발하는 데 필요한 기초 지식을 몸에 익힐 수 있다. 주요 응용제품으로는 카메라 탑재 얼굴인식 소프트웨어, 화상압축(JPEG, MPEG), 컴퓨터단층촬영(CT) 등이 있다.

④ 레이저 및 광학 분야

광기술의 발전은 기억 미디어나 인터넷의 고속화에 있어서 혁신을 가져 왔다. 빛의 파장으로서의 성질과 입자로서의 성질을 전자기학과 양자역학을 통하여 학습한다. 또한 레이저 및 광학 분야의 필요한 관련 기술로서 디바이스, 네트워크, 나노테크놀로지 등의 과목을 배운다. 이 같은 학습을 통해 초고속인 인터넷기술, 에너지 절약 신호처리, 혁신적인 디스플레이기술, 대용량의 광기억소자, 의료에 있어서 레이저 응용 분야에서의 제품 개발을 위한 지식을 학습한다. 주요 응용 분야로는 고속인터넷접속, Blue Ray, DVD, 망막단층진단 등이 있다. 또한 이 분야는 레이저의료, 차세대신호처리회로, 양자정보처리 등의 변화를 주도하는 기술이 될 수 있다.

⑤ 그 밖의 분야

이 밖에도 제어 및 전력전자 분야에서는 공장, 로봇, 로켓 등의 제어를 학습하며 제어요소로서 컴퓨터를 이용한다. 또한 전자장 및 초고주파공학 분야에서는 전자파의 산란과 복사, 전자파의 전송, 안테나 설계, 레이더, 원격탐사 등을 학습한다. 컴퓨터 분야에서 소프트웨어 분야는 컴퓨터공학과에서 다루고 학습하지만, 컴퓨터 하드웨어 설계 및 응용은 전자공학과에서 학습한다.

의의와 평가

전자공학은 최근 들어 가장 빠른 속도로 발전한 기술 중 하나라고 할 수 있다. 전기전자기기는 편리함 때문에 빠르게 사용량이 늘어나고 있지만 편리함의 이면에는 전자파 유해성이라는 문제가 도사리고 있다. 전자파 유해성에 대한 문제 제기는 현재도 사회의 각 부분에서 일어나고 있으며 규제가 강화되고 있다.

전자파 방해(Electro-Magnetic Interference)는 이미 전기공학 또는 전자공학의 중요한 연구 주제인데, 전자파(송전선의 전자파도 포함)가 인체에 미치는 영향에 대한 연구는 아직도 더 많이 이루어져야 하며, 전자파의 발생을 줄이거나 막을 수 있는 ‘환경전자공학’ 또는 ‘전기환경공학’과 같은 새로운 기술의 개발도 필요하다.

전자공학의 관련 자격증

전자공학과를 졸업한 사람이 자격시험에 응시하여 합격하면 아래와 같은 자격증을 취득할 수 있다. 자격증과 관련한 시험일정 및 시험과목 등은 '한국산업인력관리공단'에 접속하면 상세한 정보를 얻을 수 있다.

① 전자기사, 전자산업기사

② 반도체설계기사, 반도체설계산업기사

③ 의공기사, 의공산업기사

④ 전자계산기제어기사, 전자계산기제어산업기사

⑤ 광학기사, 광학기기산업기사

⑥ 임베디드기사, 전자캐드기능사, 광학기능사, 전자기기기능사, 의료전자기능사

참고자료

〈전자공학(電子工學)〉, 《한국민족문화대백과사전》
〈전자공학〉, 《나무위키》
〈전자공학〉, 《위키백과》
〈전자공학〉, 《학문명백과 : 공학》
〈전자공학〉, 《물리학백과》

같이 보기

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산업혁명	가트너 하이퍼사이클 • 개량 • 개방 • 개선 • 개혁 • 교체 • 기술개발 • 기술발전 • 기술진보 • 기술혁명 • 대체 • 대체불가 • 발견 • 발명 • 발전 • 변모 • 변혁 • 변화 • 분업 • 분업화 • 산업 • 산업발전 • 산업혁명 • 산업화 • 융합 • 전파 • 정보혁명 • 진보 • 창의 • 창조 • 혁명 • 혁신 • 확대 • 확산

1차 산업혁명 (증기기관, 기계, 공장)	경공업 • 공업 • 공업화 • 공장 • 기계 • 기계업 • 기계화 • 러다이트 운동 • 면직물 • 방적기 • 방직기 • 석유 • 석탄 • 섬유 • 섬유업 • 수공업 • 원유 • 정유업 • 제강업 • 제조 • 제조업 • 제철업 • 중공업 • 증기기관 • 철강 • 철강업 • 화학공업

2차 산업혁명 (전기, 전자)	가전제품 • 내연기관 • 냉장고 • 대량생산 • 라디오 • 모터 • 발전 • 발전기 • 발전소 • 선풍기 • 세탁기 • 에어컨 • 오디오 • 원자 • 음향기기 • 전구 • 전기 • 전기공학 • 전기밥솥 • 전기전자 • 전기전자제품 • 전기제품 • 전등 • 전력 • 전력업 • 전류 • 전선 • 전자 • 전자계산기 • 전자공학 • 전자제품 • 전축 • 전화 • 전화기 • 조명기기 • 철도 • 축음기 • 카세트 • 텔레비전

3차 산업혁명 (컴퓨터, 인터넷)	ICT • IT • PC • SNS • 개발자 • 검색 • 구글 • 네이버 • 네트워크 • 노트북 • 데스크탑 • 데이터 • 디지털 • 디지털화 • 마이크로소프트 • 메신저 • 모니터 • 모바일 • 모바일기기 • 반도체 • 서버 • 소프트웨어 • 슈퍼컴퓨터 • 스마트폰 • 아날로그 • 아마존 • 애플 • 야후 • ㈜엔씨소프트 • 와이파이 • 웹 • 웹브라우저 • 웹사이트 • 유튜브 • 이메일 • 인터넷 • 인터넷게임 • 인터넷뱅킹 • 인터넷쇼핑 • 전산 • 전산실 • 전산화 • 정보 • 정보격차 • 정보기술 • 정보사회 • 정보통신 • 정보통신기술 • 정보화 • 진공관 • 카카오 • 컴퓨터 • 코딩 • 통신 • 페이스북 • 포털 • 프로그래머 • 프로그래밍 • 프로그램 • 프린터 • 하드웨어 • 홈페이지 • 휴대폰

4차 산업혁명 (인공지능, 모빌리티)	3D 프린팅 • 4차 산업혁명 • 5G • 가상현실 • 드론 • 로봇 • 로봇 프로세스 자동화(RPA) • 메타버스 • 모빌리티 • 배터리 • 블록체인 • 빅데이터 • 사물배터리 • 사물인터넷 • 생성형 AI • 생체인식기술 • 수소경제 • 스마트공장(스마트팩토리) • 스마트시티 • 스마트팜 • 스마트 헬스케어 • 스마트홈 • 양자컴퓨터 • 엣지컴퓨팅 • 인공지능 • 인공지능 로봇 • 자율주행 • 자율주행 자동차 • 전기자동차 • 증강현실 • 클라우드 • 테슬라 • 푸드테크 • 핀테크 • 하이퍼루프 • 혼합현실

주요 인물	니콜라 테슬라 • 데니스 리치 • 래리 페이지 • 리누스 토르발스 • 마이클 패러데이 • 마크 저커버그 • 빌 게이츠 • 세르게이 브린 • 스티브 잡스 • 앤드루 카네기 • 윌리스 캐리어 • 일론 머스크 • 제임스 클러크 맥스웰 • 제임스 와트 • 제프 베조스 • 존 데이비슨 록펠러 • 콜린 클라크 • 토머스 에디슨 • 팀 버너스-리

기관 • 단체 • 전략	국가기반시설 디지털화(SOC 디지털화) • 국회 4차산업혁명포럼 • 그린 뉴딜 • 디지털 뉴딜 • 디지털 인프라 • 비대면 산업 • 세계4차산업혁명협의회 • 한국판 뉴딜

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