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전기공학
전기공학(電氣工學, electrical engineering)은 전기의 에너지로서의 특성에 관한 이론 및 응용에 대한 공학의 한 분야이다. 제임스 클러크 맥스웰에 의해서 깔끔하게 정리된 전자기학을 기반으로 하여 전기의 활용과 그 응용분야를 연구하는 공학이다.
전기공학은 전기 및 자기 현상과 그 이용기술에 관해 탐구하는 학문이다. 전기는 인류의 전 분야에 걸쳐 광범위하게 사용되는 에너지로 다른 에너지에 비해 수송이 용이하고, 깨끗하며 안전하다는 특징을 가지고 있다. 전기공학의 연구 범위는 전기를 생산하고 수송하여 사용하는 전 영역이 된다. 전기공학의 영역은 에너지를 다루는 '강전(强電)'과 신호(통신)를 다루는 '약전(弱電)'으로 크게 구분된다. 우리나라에서는 전력공학, 통신공학, 전자공학, 제어공학, 컴퓨터공학 등으로 분류하고 있지만 모두 전기공학에 포함되는 학문이다. 보통 전기공학이라 구분하는 경우는 전력공학을 말한다. 위와 같이 세분하는 경우 전기공학의 고유 영역은 전기에너지를 다루는 강전 영역인데, 전기에너지와 기계에너지를 상호 변환하는 기술, 전기에너지를 생산(발전)하고 수송(송배전)하여 사용할 수 있도록 하는 기술 등이 포함된다.
개요
전기공학은 전기에 관련된 기술 및 응용에 관한 내용을 연구하는 공학(工學, engineering)의 한 분야라 정의할 수 있다.
전기공학은 일반적으로 전기, 전자, 전자기에 대한 연구와 응용 분야를 다루는 광범위한 공학 분야이다. 전기공학은 초창기에는 전기, 전자, 전자기 등에 관련된 모든 분야를 다루었으나, 최근 기술이 발달하고 세분화됨에 따라 전기공학, 전자공학(電子工學, electronics), 통신공학(通信工學, communication engineering), 제어계측공학(制御計測工學, control and measurement engineering) 등으로 분화되었다.
따라서 오늘날에는 전기공학은 전력공학(電力工學, power engineering), 전기기기(電氣機器, electrical machinery and apparatus), 전기설비(電氣設備, electric equipment), 전력전자(電力電子, power electronics), 전기철도/차량(鐵道車輛, electric railway/electric motor vehicle), 전기에너지시스템(電氣-, electric energy system) 등을 다루는 학문 분야로 제한하여 구분하는 것이 적절하다.
전기는 발전소에서 생산되어 가정 및 산업체까지 전력선을 통해 송전되고, 가정과 산업체에서 전등, 전열, 각종 가정용 전기제품, 산업용 설비 등에서 소비된다. 이러한 전기에너지를 생산, 공급, 소비하는 모든 전기설비 및 제품에 대한 설계, 제조, 운용에 대한 전반적인 기술을 연구하는 분야를 전기공학이라 한다. 전기의 발전 및 송전을 연구하는 학문 분야가 전력공학이며, 송전된 전기를 적절하게 가정 및 산업체에서 전기를 소비하는 전기제품에 배전하여 사용하기 위한 실무적인 내용을 다루는 분야가 전기설비이다.
전기기기 분야는 전기에너지를 기계에너지로 변환시키는 전동기 및 전력의 변환을 목적으로 사용하는 변압기 등에 대한 원리와 설계를 연구하는 분야이다. 전력전자 분야는 전기를 교류에서 직류로 또는 직류에서 교류로 변환하는 전력변환 회로를 반도체로 구성하여 응용하는 분야로 반도체의 발달과 함께 최근 빠르게 발전하고 있는 전기공학의 한 분야이다. 최근 전철 및 전기자동차의 보급으로 새롭게 전기철도/차량도 전기공학의 한 분야로 자리 잡고 있으며, 전기에너지시스템은 태양광에너지 발전 등 신재생에너지 분야의 기술발달에 따라 기존의 전력공학과 전력전자의 학문 등이 융합되어 발전하고 있는 전기공학 분야이다.
연원 및 변천
인류가 가지고 있는 전기에 대한 가장 오래된 기록은 고대 그리스의 철학자인 탈레스가 호박(琥珀, amber)이라는 보석에 정전기가 생기는 현상을 기록한 것이다. 그 후 2000년 동안 새로운 발견이 없다가, 19세기 초 영국의 의사였던 길버트(Gilbert)가 정전기에 대한 연구를 하면서 전기에 대한 연구가 본격적으로 시작되었다.이후 볼타(Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta)의 전지 발명, 외르스테드(Hans Christian Oersted)의 전류의 자기작용 발견, 옴(Georg Simon Ohm)의 법칙 발견, 패러데이(Michael Faraday)의 전자유도작용 발견, 줄(James Prescott Joule)의 전류의 열작용 발견, 맥스웰(James Clerk Maxwell)의 전자기파 연구 등을 거쳐 과학적 발전이 이루어졌다.
20세기에 들어와서는 벨(Alexander Graham Bell)의 전화, 에디슨(Thomas Alva Edison)의 백열전구, 지멘스(Charles William Siemens)의 발전기와 전동기, 모스(Samuel Finley Breese Morse)의 전신, 마르코니(Guglielmo Marconi)의 무선통신 등이 발명되면서 전기의 사용이 본격화되기 시작했다. 그리고 전기를 사용하는 기기는 대형화·다양화되었고, 진공관의 발명으로 라디오 및 TV 방송이 가능하게 되었다.
1950년대 이후부터 반도체를 이용한 트랜지스터와 집적회로, 컴퓨터가 발명되면서 많은 기계들이 전기를 동력으로 사용하게 되었고, 전기를 사용하지 않는 기계들도 전기에 의해 제어하는 방식으로 일반화되어 갔다. 우리나라에는 1887년 고종황제 때 미국의 에디슨 전기회사에서 경복궁 내에 직류 발전기와 백열등을 설치하면서 전기가 들어왔다. 이때 설치된 발전기는 경복궁 내의 연못인 향원정의 물을 사용하는 증기기관에 연결했는데, 소리도 시끄럽고 고장이 잦은데다가 한번 고장이 나면 미국인 기술자가 올 때까지 정지하고 기다려야 하므로 부정적인 시각을 가진 사람들이 많았다. 하지만 전기가 들어온 것을 계기로 1898년부터 서울 서대문과 청량리 간에 전차가 운행을 시작했고 통신선이 가설되면서 전보와 전화가 가능해졌다.
우리나라에는 전력선보다 통신선이 먼저 가설되기 시작했다. 그러다보니 전력선을 가설할 때 전보 통신선을 걸치기 위해 설치한 전봇대에 전력선을 함께 올렸다. 이후 지금까지도 전력선이 설치되어 있는 기둥은 전깃대가 아닌 전봇대로 부르고 있다.일제강점기에는 다른 산업 분야와 마찬가지로 전기산업도 일본인 기술자들이 주도했고 조선인에게는 많은 기회가 주어지지 않았다. 고급 기술인 경우는 제한이 더욱 심해서 1924년 일제가 서울에 경성제국대학(京城帝國大學)을 설립할 때 이공학부를 설치하지 않았다. 그러나 대륙 침략을 위한 전쟁 준비를 하면서 필요성 증대로 1938년 경성제국대학에 이공학부를 설치했는데, 그때 이공학부에 속해 있던 전기공학과가 우리나라 최초의 전기 전공학과이다.광복 이후 경성제국대학이 서울대학교에 편입되면서 서울대학교 공과대학에 전기공학과가 개설되었고, 다른 대학에도 설립되기 시작했다. 이후 전기공학에 대한 수요가 커지고 분야도 전자공학, 통신공학 등으로 분리되면서 전기공학 관련 학과의 수는 점점 늘어났다.사회의 요구에 따라 학과를 전기, 전자 등으로 분리하여 운영하기도 하고 통합하여 운영하기도 하면서 전기 관련 학과는 현재 전기공학과, 전자공학과, 제어계측공학과 등으로 되어 있는 것이 보통이다. 2014년 기준 전기 관련 학과의 수는 4년제 대학이 265개(전기공학과 71개), 전문대학이 228개(전기공학과 101개)이다.
내용
전자공학과 통신공학을 모두 포함한 것을 전기공학이라고 부르기도 하지만, 여기서의 구분은 편의상 대학의 교과 과정을 준용한 것으로 전기공학에 속하는 영역에 대해 설명한다. 이 분류는 설명의 관점에 따라 다르게 분류될 수 있다.
- 전력공학 및 전기에너지시스템 분야
전력공학은 전기의 발전, 송전, 배전 및 이용에 대한 기술을 취급하는 공학 분야로 전력시스템공학(電力─工學, power systems engineering)이라 불리기도 한다. 전기는 발전소에서 생성되어 장거리를 송전하여 전기를 사용하는 수용가에 공급된다. 이러한 전력망은 사회의 기본적인 인프라로서 매우 중요하며, 고도의 안정성과 신뢰성을 필요로 한다.
전력망은 전기를 필요로 하는 모든 곳에 전선을 통하여 전달되어야 하므로, 거미줄처럼 복잡하게 구성되어있다. 전압이 높으면 적은 손실로 장거리 전송에 유리하므로 발전소에서 생성된 전압은 변압기를 사용하여 높은 고압으로 높인 후 송전을 하게 되며, 도시 근방에 와서는 다시 수용가에서 안전하게 사용할 수 있도록 변압기로 낮은 전압으로 변환된다. 이러한 복잡한 전력망에 대한 안전성과 효율성을 높이기 위한 기술을 연구하는 것이 전력공학의 주요 연구 분야이다.
전력용 반도체소자의 발달로 전력변환 설비에 있어서도 진보된 기술이 등장하게 되었고, 전기에너지를 발생하는 시스템이 기존의 수력, 화력, 원자력 발전과 더불어 태양광발전, 풍력발전 등의 신재생에너지 등의 등장으로 전기를 공급하는 전력망은 더욱 복잡하게 되었다.
기존의 전력망에 정보기술을 접목하여 전력망에 다양한 검출 회로 및 센서를 조합하여 공급자와 소비자가 양방향으로 정보를 교환함으로써 에너지 효율을 최적화하는 스마트 그리드(Smart Grid)에 대한 연구도 전력공학의 새로운 연구 분야로 등장하였다.
- 전기기기 분야
전기기기는 기계에너지를 전기에너지로 변환하여 전기를 발생하는 발전기(發電機)와 이와 반대로 전기에너지를 기계에너지로 변환하여 기계적 동력을 발생하는 전동기(電動機), 그리고 전압의 크기를 변환하는 변압기(變壓器)를 연구하는 학문 분야이다. 발전기는 대용량의 기기로 발전소에서 사용되고 있으나, 전동기는 산업체, 가정 등에서 널리 사용되고 있으며 그 종류와 용량도 매우 다양하다.
전동기는 직류전압으로 구동되는 직류전동기, 교류전압으로 구동되는 교류전동기로 크게 나눌 수 있다. 과거에는 직류전동기가 제어가 용이하여 널리 사용되었으나, 전력용 반도체의 발달에 따라 전력변환 장치가 보편화되면서 기존에 제어가 어려웠던 교류전동기가 최근에는 더 널리 사용되고 있다. 교류전동기는 직류전동기에 비하여 제어가 어려웠으나 전력변환장치의 기술의 발달로 이를 해결하게 되었고, 직류전동기의 단점인 유지·보수 측면에서 교류전동기가 유리하기 때문이다.
전동기는 전기를 공급받아 간편하게 기계적인 동력을 얻어낼 수 있으므로 오늘날 널리 사용되고 있으며 그 종류도 매우 다양하다. 대용량의 전동기는 제철소에서 강판을 제조하는 롤러와 강판을 이송하는 장치 등 큰 기계적인 동력을 필요로 하는 분야에 사용되고 있으며, 소용량의 전동기는 산업용 자동화 설비, 로봇 등에 사용되고 있다.
특히 반도체 장비 등을 비롯한 생산 자동화(化生自動産) 설비들에서는 정확하게 전동기의 속도와 위치를 제어할 필요성이 있는데, 이에 사용되는 전동기를 서보모터라 한다. 서보모터에는 AC 서보모터, DC 서보모터, 스테핑 모터, 브러실리스 DC 모터 등이 널리 사용되고 있으며, 이러한 소형 전동기는 산업체에서 자동화를 구현하는데 필수적인 요소 중의 하나이다. 변압기는 교류전압의 크기를 변환하는 장치이다. 전기기기의 효율적 설계에 대한 내용과 전기기기의 효율적 운전에 대한 연구가 전기기기 분야에서 이루어지고 있다.
- 전력전자
전력전자(power electronics)공학은 전력 반도체소자를 이용한 전력변환, 전력제어에 관한 기술을 취급하는 공학이다. 즉, 약전의 기술로 강전 장치를 제어하는 기술이다. 1957년 미국의 제너럴 일렉트릭이 큰 전력을 제어할 수 있는 반도체 소자인 사이리스터(thyristor)를 개발한 이후 시작되었다. 종래에는 회전기기 형태나 자기, 액체, 기체 등을 이용하여 전력변환을 해왔던 것에 비하여 획기적이고 효율적인 방법이었다.
1969년에 제너럴 일렉트릭의 스톰이 IEEE(미국의 전기 전자 학회)의 잡지 『스펙트럼』의 기사에서 고체 전력 전자공학(solid-state power electronics)이라는 용어를 사용한 것이 전력 전자공학이라는 말의 기원이 되었다. 전력전자 분야의 기술 발달은 전력용 반도체소자의 발달과 함께 진행되어왔다.
전력용 반도체소자가 사이리스터(thyristor), 트랜지스터(bipolar junction transistor), MOSFET, IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 등의 제품들로 사용방법이 개선되고 스위칭 속도와 전류, 전압 용량이 커진 제품들이 나오게 되면서 전력을 변환하는 회로 및 제어에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 대표적인 예로 정류기(整流器), 인버터 등의 반도체 전력변환 장치를 들 수 있다.
또 다른 예로는 발전이나 송전 등의 전력 분야, 회전기, 팬, 펌프, 블로어(blower) 등을 이용하는 산업 분야, 통신시스템이나 공장 등의 전원 장치, 전동차의 구동·변전 등의 전기철도 분야, 자동차, 가정용 전자제품 등에 전력전자의 기술들이 적용되어 매우 폭넓게 사용되고 있다.
- 기타
전기공학은 전자공학과 통신공학의 기초가 되는 영역이 많기 때문에 관점에 따라서는 상당히 많은 분야가 포함될 수 있다. 예를 들어 의용전자공학(醫用工學, medical electronics)은 전자공학의 범주에 넣는 것이 보통이지만, 고전압과 고자기장을 사용하므로 전기공학의 범주에 넣기도 한다.
참고자료
같이 보기
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